Tương thích hoá một số loại cảm biến khí nạp trong hệ thống phun xăng điện tử bằng bộ điều khiển phụ

Tương thích hoá một số loại cảm biến khí nạp trong hệ thống phun xăng điện tử bằng bộ điều khiển phụ

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu:

Ôtô ở Việt Nam có chủng loại đa dạng và tuổi đời cao, thậm chí,

có nhiều dòng xe phụ tùng không còn sản xuất Do tác động của các điều kiện khí hậu và vận hành, các động cơ phun xăng điện tử (PXĐT) có các cảm biến khí nạp (CBKN) bị sai lệch đặc tính làm việc hoặc hư hỏng, nếu tiếp tục được sử dụng sẽ gây ô nhiễm môi trường, giảm các chỉ tiêu kỹ thuật Chính vì vậy, vấn đề tương thích hóa một số loại CBKN trong hệ thống PXĐT cần được nghiên cứu

nhằm giải quyết vấn đề nêu trên

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mục đích: xây dựng cơ sở lý thuyết và thực tiễn cho việc tác

động vào hệ thống PXĐT thông qua bộ điều khiển (ECU) phụ nhằm giải quyết bài toán tương thích hóa các CBKN, trên các động cơ ô tô

có CBKN bị sai lệch đặc tính hoặc hư hỏng

Đối tượng nghiên cứu: tương thích hóa các CBKN bằng ECU

phụ

Phạm vi nghiên cứu: hệ thống PXĐT của động cơ ô tô

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

+ Đã xây dựng ngân hàng dữ liệu về đặc tính của các loại CBKN trên ô tô đang lưu hành ở Việt Nam và mô phỏng thuật toán thay thế chúng bằng phần mềm LabVIEW

Ý nghĩa thực tiễn:

+ Hệ thống điều khiển PXĐT với ECU phụ giúp tương thích hóa các CBKN, phục hồi tính năng kỹ thuật cho các xe có CBKN hỏng hoặc đặc tính sai lệch;

+ Giúp giảm ô nhiễm môi trường, giảm tiêu hao nhiên liệu; + Giảm giá thành sửa chữa và tiết kiệm ngoại tệ nhập phụ tùng; + Nội dung của luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho công tác đào tạo và nghiên cứu, là nền tảng cho các ứng dụng tương

tự với những cảm biến khác, cơ cấu chấp hành hay các HTĐK trong công nghiệp

Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

1.1 Hệ thống phun xăng điện tử

Các hệ thống phun xăng điều khiển bằng điện tử có hai loại

chính: đo trực tiếp (L-Jetronic) và đo gián tiếp (D-Jetronic) [75, 90]

1.2 Tình hình sử dụng hệ thống phun xăng điện tử ở Việt Nam

Đã thống kê các loại CBKN thông dụng ở Việt Nam và tỷ lệ hư hỏng, từ đó lựa chọn các CBKN chủ yếu để khảo sát và nghiên cứu: CBKN cánh trượt, CBKN dây nhiệt, cảm biến (CB) đo áp suất tuyệt đối đường ống nạp (MAP)

1.3 Các công trình khoa học theo hướng nghiên cứu

Có thể tóm tắt những công trình theo hướng nghiên cứu như sau:

1 Nghiên cứu thay đổi các thông số kết cấu nhằm cải thiện nạp

và hòa trộn không khí/nhiên liệu: quá trình cháy của động cơ phun xăng gián tiếp; quá trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp (GDI); kết cấu đường nạp và động học quá trình nạp; điều khiển tối

ưu đặc tính động cơ [25]

2 Nghiên cứu thành phần hòa khí và điều khiển thành phần hòa khí: thành phần hòa khí và các chế độ làm việc của động cơ, ảnh hưởng của λ đến các chỉ tiêu và đặc tính của động cơ; điều khiển lượng khí nạp và lượng xăng phun [21]

3 Nghiên cứu điều khiển phun xăng: lập trình điều khiển phun; tính toán và điều khiển vòi phun; thiết kế chế tạo và hoàn thiện ECU [48]

4 Nghiên cứu cảm biến và các cơ cấu chấp hành [67]

5 Nghiên cứu chẩn đoán: thuật toán chẩn đoán; phương pháp chẩn đoán [80, 83]

6 Nghiên cứu hệ thống điều khiển động cơ phun xăng điện tử với ECU phụ: lắp lẫn các loại CBKN; ứng dụng phần mềm LabVIEW trong mô phỏng đặc tính cảm biến; chế tạo ECU phụ và thí nghiệm trên động cơ [2, 5]

Trong sáu hướng nghiên cứu liên quan đến đề tài thì hướng thứ năm cũng rất cần thiết cho một hệ thống điều khiển tự động hiện đại nhưng đề tài luận án không có điều kiện đề cập; hướng nghiên cứu thứ nhất liên quan về động học, động lực học và các bản chất lý – hóa của quá trình cháy, các giải pháp điều khiển nạp tối ưu như: điều khiển pha phối khí thông minh, điều khiển hành trình xupáp thông minh, điều khiển khí nạp thông minh….Bốn hướng nghiên cứu còn lại: hai, ba, bốn, sáu có liên quan mật thiết đến luận án

1.4 Xác định mục tiêu, phương pháp và nội dung nghiên cứu

Khi một trong các thông tin đầu vào bị thay đổi (ví dụ u4 bị thay đổi thành u4.1, bằng việc ghép thêm một ECU phụ, chúng ta phục hồi được thông tin đầu vào u4 để đưa tới ECU nguyên thủy và hoạt động của toàn bộ hệ thống sẽ không đổi (hình 1.19)

Hình 1.19 Hiệu chỉnh thông tin đầu vào ECU nguyên thủy bằng

ECU phụ

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết quá trình điều khiển hệ thống phun xăng điện tử kết hợp với thực nghiệm

Nội dung nghiên cứu

Nội dung của luận án ngoài phần mở đầu và kết luận được chia thành 4 chương: Tổng quan vấn đề nghiên cứu; Lý thuyết điều khiển

hệ thống phun xăng điện tử; Điều khiển hệ thống phun xăng điện tử với ECU phụ; Thiết kế, chế tạo ECU phụ và thí nghiệm đánh giá;

Kết luận chương 1

Các tác giả nghiên cứu về HTĐK PXĐT đã có những công trình

về các lĩnh vực khác nhau, chủ yếu để thiết lập và hoàn thiện kết cấu HTĐK động cơ phun xăng Trong đó, có nhiều đề tài nghiên cứu hướng hẹp mà luận văn quan tâm như phương pháp xác định lượng khí nạp và nhiên liệu cung cấp cho động cơ;

Một số công trình (trong và ngoài nước) liên quan đến nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển ECU chính, tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ xăng, tuy nhiên, việc nghiên cứu chỉ tập trung vào việc xây dựng thuật toán điều khiển và thiết kế chế tạo mạch

Cho đến nay, chưa có công trình nào liên quan đến việc nghiên cứu hệ thống điều khiển động cơ bao gồm hai ECU: ECU chính (nguyên thủy trên xe) và ECU phụ (được thiết kế lắp đặt thêm vào hệ thống), trong đó ECU phụ giúp tương thích hóa CB nhằm giải quyết bài toán phụ tùng thay thế

Thông

tin đầu

vào

ECU nguyên thủy

Các cơ cấu chấp hành

Thông tin đầu vào

Để đem lại hiệu quả thiết thực trong khai thác sử dụng các ô tô ở Việt Nam, hiện nay có nhiều cách tiếp cận và chuyển đổi các tín hiệu

ở đầu vào, đầu ra khác nhau Luận án sẽ đề cập đến việc tương thích hóa một số loại CBKN trong hệ thống PXĐT bằng bộ điều khiển phụ

Chương 2 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN

HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ

2.1 Đặc tính động cơ

Đặc tính của động cơ được dùng để đánh giá các chỉ tiêu kinh tế,

kỹ thuật và môi trường của động cơ trong các điều kiện hoạt động khác nhau

2.2 Thành phần hòa khí và điều khiển phun nhiên liệu

2.2.1 Thành phần hòa khí

Có hai cách đánh giá thành phần hòa khí: dùng hệ số dư lượng không khí λ tính theo tỷ lệ khối lượng không khí thực tế/lý thuyết và theo tỷ lệ không khí – nhiên liệu (Air Fuel Ratio) Thành phần hòa

khí chịu ảnh hưởng bởi khối lượng không khí m a nạp vào xy lanh [26]

2.2.2 Điều khiển phun nhiên liệu

Việc hình thành hỗn hợp có thể thực hiện bằng cách phun nhiên liệu vào đường ống nạp hoặc phun trực tiếp vào lòng xy lanh Các công trình nghiên cứu của nhiều tác giả trên thế giới đều tìm cách để tạo hỗn hợp hòa khí phân bố đồng nhất trong xy lanh với một tỉ lệ hòa khí nằm trong khoảng 0,9 < λ < 1,3 đối với phun trên đường nạp

2.3 Vấn đề tối ưu hoá đặc tính động cơ

2.3.1 Tối ưu hoá mức tiêu thụ nhiên liệu và độ ô nhiễm môi trường

Lượng nhiên liệu được phun và góc đánh lửa sớm là hai thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến mức tiêu thụ nhiên liệu cũng như độ

ô nhiễm môi trường

2.3.2 Tối ưu hóa đặc tính tốc độ động cơ

Để có được công suất và mô men cực đại (vùng đặc tính tối ưu), nhiều tác giả chọn các giải pháp điều khiển chính là điều khiển λ và

hệ số nạp ηv

2.4 Lý thuyết điều khiển phun xăng điện tử

Lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ được kiểm soát bởi thời

gian phun t inj Như vậy, lượng nhiên liệu phun vào một xy lanh phụ thuộc vào lượng khí nạp [62]:

i n

m L L

m m

e a

o

a f

1201

Trong đó: m a - khối lượng không khí (kg); m &a- lưu lượng khối

lượng không khí nạp (kg/s); L 0 – lượng không khí lý thuyết để đốt

cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu (kg/kgnl); n e – số vòng quay của trục

khuỷu động cơ (v/ph); i - số xy lanh

Lượng nhiên liệu phun ra m f tỉ lệ với thời gian mở vòi phun t inj và

độ chênh lệch áp suất Δp trên vòi phun và dưới vòi phun (áp suất

đường ống nạp) [62]

inj f eff f

Trong đó: ρf - khối lượng riêng của nhiên liệu (kg/m 3);

A eff - tiết diện lỗ kim (m 2)

Ở kiểu phun trên đường ống nạp (port injection), Δp ≈ 5 bar Thời gian phun ở một chế độ hoạt động nào đó của động cơ:

i n

m t

e

a inj

120 1

m t

e

a 1201

Từ việc nghiên cứu và phân tích cơ sở lý thuyết điều khiển động

cơ nói chung và động cơ phun xăng nói riêng có thể thấy:

- Đặc tính và nhiều thông số của động cơ phụ thuộc lớn vào thành phần hòa khí λ và hệ số nạp ηv

- Có thể làm thay đổi đặc tính của động cơ, tạo ra hai hoặc nhiều đặc tính bằng việc thay đổi pha phân phối khí, thay đổi hành trình xupáp, điều khiển dòng khí nạp Các điều khiển nêu trên chủ yếu tác động vào quá trình nạp hoặc cả nạp/xả của động cơ tức là phụ thuộc vào lượng khí nạp, tốc độ nạp thải Trong đó, không khí nạp (được đo dưới dạng thể tích, khối lượng hoặc áp suất) sẽ là một trong những thông số quan trọng hàng đầu tác động vào hệ điều khiển của động cơ để làm thay đổi các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, chỉ tiêu môi trường và đặc tính của động cơ

- Thành phần hòa khí, được đặc trưng bởi hệ số dư lượng không khí λ hoặc tỷ lệ không khí/nhiên liệu là một trong những chỉ tiêu có ảnh hưởng nhiều đến quá trình cháy, sản phẩm cháy và các chỉ tiêu

kỹ thuật và môi trường của động cơ

- Trong các động cơ PXĐT, thành phần hòa khí được điều khiển

ở chế độ lý tưởng λ = 1,0 hoặc AFR (Air Fuel Ratio) = 14,66:1 khi động cơ hoạt động ở chế độ tải trung bình (khi chạy trong nội thành)

và được hiệu chỉnh nghèo hoặc giàu theo điều kiện làm việc cụ thể của động cơ

- Để có thành phần hòa khí khác nhau có thể điều khiển phun theo hai cách: điều khiển lượng nhiên liệu phun theo lượng khí nạp

cho trước λf = f(λa ) hoặc điều khiển lượng khí nạp theo lượng nhiên

liệu cho trước λa = f(λf ) Trong đó, cách thứ nhất, λf = f(λa ) được áp

dụng cho các động cơ phun xăng gián tiếp phổ biến hiện nay Ở đây, lượng nhiên liệu phun được quyết định bởi hai thông số gốc là lượng không khí nạp và tốc độ quay của động cơ:

( a e)

- Chất lượng hòa khí phụ thuộc vào phương pháp phun nhiên liệu

và tốc độ biến động, hình thái biến động của dòng khí nạp và nhiệt

độ khí nạp, tức là phụ thuộc nhiều vào kết cấu, đặc điểm điều khiển

2- Bằng cách thay đổi lượng nhiên liệu phun, phương pháp phun

và điều khiển tối ưu lượng nhiên liệu phun cũng có thể tác động lớn đến đặc tính và các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật và môi trường của động

cơ

3- Không khí nạp (đo theo thể tích, khối lượng hoặc áp suất) là một trong 2 yếu tố chính quyết định đến đặc tính và các chỉ tiêu kinh

tế - kỹ thuật của động cơ Vì vậy, thông tin của CBKN đóng vai trò rất quan trọng trong hệ điều khiển động cơ

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ VỚI BỘ

ĐIỀU KHIỂN (ECU) PHỤ 3.1 Cơ sở khoa học và thực tiễn tác động đến hệ thống phun xăng

3.1.1 Sơ đồ và các tính năng của hệ điều khiển

Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ có dạng như hình 3.4

Hình 3.4 Sơ đồ HTĐK động cơ với ECU phụ

Trong đó: r 1 (t) đến r i (t) – nhóm các tín hiệu đầu vào chuẩn cho

hoạt động của động cơ; Ve1(t) … V ei (t) – nhóm các tín hiệu định

chuẩn; V A1 (t) … V ai (t) – nhóm các xung điều khiển các cơ cấu chấp

hành; U 1 (t) … U i (t) – các thông số đầu vào của động cơ; ξ1 (t) …

ξi (t) - các tín hiệu đặc trưng đầu ra của động cơ

3.1.2 Các phương pháp tác động vào hệ thống điều khiển phun xăng điện tử

3.1.2.1 Phương pháp tác động thông số

Xử lý tín hiệu

B

(ECU chính)

Các cơ cấu chấp hành

Xử lý tín hiệu

A (ECU phụ)

u1

Động

cơ đốt trong

Các cảm biến

ξ1 (t)

ξ2 (t)

ξi (t)

Hiệu chỉnh tỷ lệ hòa khí bằng cách điều chỉnh các thông số phụ được trình bày trong [15]

3.1.2.2 Phương pháp hiệu chỉnh đặc tính các cảm biến bằng ECU phụ

Việc chuyển đổi đặc tính cảm biến có thể phân thành 2 bài toán: bài toán đơn biến dùng trong trường hợp chuyển đổi giữa những CBKN cùng đo một đại lượng vật lý nhưng khác đặc tính làm việc và bài toán đa biến nhằm chuyển đổi giữa các CBKN đo các đại lượng vật lý khác nhau Để giải các bài toán vừa nêu, trước tiên ta cần phải xây dựng ngân hàng dữ liệu về đặc tính của các loại cảm biến

3.2 Thực nghiệm xây dựng đặc tính gốc của các CBKN

3.2.1 Thiết bị thí nghiệm

Sơ đồ lắp đặt thiết bị thí nghiệm được trình bày trên hình 3.11

Hình 3.11 Sơ đồ lắp đặt thiết bị thí nghiệm đo lưu lượng khí nạp

Từ việc xử lý số liệu thực nghiệm, người nghiên cứu đã xây dựng được các hàm mô tả đặc tính làm việc của các CBKN

3.2.2 Cảm biến cánh trượt điện áp giảm

4938 , 0 9007

Trong đó y- điện áp ra của cảm biến V S , (V);

x- lưu lượng khí nạp vào xy lanh động cơ, đơn vị (m 3

Trong đó y- điện áp ra của cảm biến V S , (V);

x- lưu lượng khí nạp vào xy lanh động cơ, đơn vị

0,6198 x

Trong đó y - điện áp ra của cảm biến VG ; (V);

x - lưu lượng khí nạp vào xy lanh động cơ, (kg/h)

Đặc tính thực nghiệm và đặc tính hồi quy của cảm biến dây nhiệt Nissan Sunny thể hiện trên hình 3.22

Hình 3.18 Đặc tính

của cảm biến cánh trượt điện áp giảm

Hình 3.20 Đặc

tính của cảm biến cánh trượt điện áp tăng

3.2.5 Cảm biến dây nhiệt Toyota Altis

0,2955.

Trong đó y - điện áp ra của cảm biến, (V);

x - áp suất tuyệt đối ở cổ hút, (kPa)

y = 0,2582 + 0,0277 x (3.15)

3.2.10 Cảm biến MAP Mitsubishi

3.3 Xây dựng thuật toán thay thế các loại cảm biến:

Bài toán đơn biến: khi chuyển đổi giữa những CBKN cùng loại

nhưng khác đặc tính làm việc

Từ những hàm đặc tính của các CBKN cùng loại người nghiên cứu đã xây dựng được 15 hàm chuyển đổi giữa 2 đặc tính Đối với những cảm biến cùng loại, ta chỉ cần nạp vào EEPROM của VĐK đặc tính thực nghiệm của 2 cảm biến cần hoán đổi và lập trình chuyển từ đường này sang đường kia

3.3.1 Cảm biến cánh trượt điện áp giảm thay cho cảm biến cánh trượt điện áp tăng hoặc ngược lại

Hàm hồi quy cảm biến cánh trượt điện áp tăng có dạng (lấy từ

công thức 3.9): Vs tăng = 4,9413 – 22,1736/V&a (3.17) Trong đó: Vs tăng- điện áp đầu ra của cảm biến cánh trượt điện áp tăng (V)

V&a – là lưu lượng khí nạp tính bằng thể tích (m 3

Từ (3.17) và (3.18) ta tìm được mối quan hệ giữa Vs tăng và Vs giảm

+ Cảm biến cánh trượt điện áp giảm thay cho cảm biến cánh trượt điện áp tăng:

4938 , 0

1

tan

9007 , 8 (

1736 , 22 9413 ,

+ Cảm biến cánh trượt điện áp tăng thay cho cánh trượt điện áp giảm:

4938 , 0

tan

9413,4

1736,22.(

9007,

−

=

g S giam

6198,0.(

6666,

−

=

0312 , 0

6928 , 0 056

, 0 4744 ,

.

Toyota PIM GM

PIM

V

Bài toán đa biến: chuyển đổi giữa các cảm biến khác loại Đối

với cảm biến khác loại, do đặc tính khác nhau và cả thông số đo cũng

khác nhau nên ta phải sử dụng thuật toán chuyển đổi phức tạp hơn

3.3.4 Cảm biến cánh trượt điện áp tăng thay cho cảm biến dây nhiệt Nissan Sunny

Hình 3.30 Phương pháp thay thế cảm biến cánh trượt – dây nhiệt

1 – Tín hiệu nguyên thủy; 2 – Tín hiệu thay thế

ECU phụ

ρ= f(p a , T a ) Tính a

m & = V&a ρ

Từ m &a tìm V G tương ứng trong đặc tính làm việc đã nhập vào bộ nhớ

và xuất tín hiệu này ra

ECU chính

a

2

3558 , 0

tan

9413,4

1736,22.(

6198,

g s Nissan

3.3.5 Cảm biến MAP thay cho cảm biến dây nhiệt

Hình 3.31 Phương pháp thay thế cảm biến MAP – dây nhiệt

1 – Tín hiệu nguyên thủy; 2 – Tín hiệu thay thế

3.4 Mô phỏng quá trình thay thế các loại cảm biến trên

T p T p v i V n m

0

0 0 2

Hình 3.34 Kết quả thay thế cảm biến cánh trượt điện áp tăng bằng cảm

biến cánh trượt điện áp giảm nhờ ECU phụ