BÁO CÁO HỆ THỐNG NHÚNG VÀ THIẾT KẾ GIAO TIẾP NHÚNG Đề tài: Bộ điều khiển hệ thống phun xăng điện tử EFI trong động cơ ô tô

BÁO CÁO HỆ THỐNG NHÚNG VÀ THIẾT KẾ GIAO TIẾP NHÚNG Đề tài: Bộ điều khiển hệ thống phun xăng điện tử EFI trong động cơ ô tô Giới thiệu chung Hệ thống nhúng (Embedded Systems) là sự kết hợp của phần cứng và phần mềm máy tính, và có thể bổ sung phần cơ khí hoặc một số bộ phận khác, được thiết kế để thực hiện một chức năng cụ thể. Điều này trái ngược hoàn toàn với máy tính cá nhân như laptop, computer,… Nó cũng bao gồm phần cứng, phần mềm, các thành phần cơ khí. Tuy nhiên, máy tính cá nhân không được thiết kế để thực hiện một chức năng cụ thể. Đúng hơn là nó thực hiện nhiều công việc khác nhau, hay ta có thể sử dụng thuật ngữ máy tính đa năng để phân biệt với máy tính hệ nhúng. Thông thường, một hệ thống nhúng là một thành phần trong một số hệ thống lớn hơn. Như bài toán ta đang triển khai là điều khiển hệ thống phun xăng điện tử EFI trong động cơ ô tô sẽ điều khiển hệ thống phun xăng, hệ thống đánh lửa,… Các hệ thống nhúng này được kết nối bởi một số mạng truyền thông

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO

HỆ THỐNG NHÚNG VÀ THIẾT KẾ GIAO TIẾP NHÚNG

Đề tài:

Bộ điều khiển hệ thống phun xăng điện tử EFI

trong động cơ ô tô

Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Văn Tiến

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 17

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, các hệ thống nhúng trở nên phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong đời sống con người Ví dụ quanh ta có rất nhiều sản phẩm nhúng như lò vi sóng, nồi cơm điện, điều hòa, điện thoại di động, ô tô, máy bay, tàu thủy, các đầu đo, cơ cấu chấp hành thông minh, robot, ta có thể thấy hiện nay hệ thống nhúng có mặt ở mọi lúc mọi nơi trong cuộc sống của chúng ta

Qua môn học hệ thống nhúng, chúng em đã hiểu thêm về các hệ thống nhúng trong thực tế, về đặc điểm, tính ưu việt cũng như tính ứng dụng của chúng đối với con người Với mong muốn làm rõ các kiến thức đã học và giới thiệu các ứng dụng cơ bản của hệ thống nhúng, nhóm chúng em thực hiện nghiên cứu đề tài bộ điều khiển hệ thống phun xăng điện tử EFI trong động cơ ô tô – một sản phẩm yêu cầu tính thời gian thực quen thuộc trong ngành công nghiệp ô tô

Do thời gian thực hiện và kiến thức còn hạn chế nên còn nhiều sai sót trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm chúng em rất mong được sự bổ sung đóng góp của thầy và các bạn để đề tài có thể hoàn thiện hơn Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy TS Phạm Văn Tiến đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em thực hoàn thành đề tài này

Nhóm sinh viên thực hiện

Nhóm 17

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT i

DANH MỤC HÌNH VẼ ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU iv

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Hệ thống thời gian thực (Real-time Operating System) 1

1.3 Hệ thống điều khiển phun xăng điện tử EFI trong động cơ ô tô 2

1.3.1 EFI là gì? 2

1.3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống 2

1.3.3 Sơ đồ chức năng của hệ thống 4

1.4 Chỉ tiêu kỹ thuật 5

1.5 Kết luận 5

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 Một số cảm biến trong hệ thống EFI 6

2.1.1 Manifold Absolute Pressure (MAP) Sensor 6

2.1.2 Manifold Air Temperature (MAT) Sensor 7

2.1.3 Coolant Temperature (CLT) Sensor 8

2.1.4 Crankshaft Position (CKP) Sensor 9

2.1.5 Oxygen (O2) Sensor 10

2.2 Các khối tính toán cho quá trình phun nhiên liệu 12

2.2.1 Air density calculation (kg/m3) 13

2.2.2 AFR Table 13

2.2.3 VE Table 14

2.2.4 Warmup Table 15

2.2.5 O2 Loop Table (EGO correction table) 16

2.3 Các khối tính toán trước khi đánh lửa 16

2.4 Kết luận 18

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 19

3.1 UML 19

3.1.1 Use case Diagram 19

3.1.2 Class Diagram 20

3.1.3 State Machine Diagram 21

3.2 SystemC 24

3.3 Hardware-Software Codesign 27

3.3.1 Co-specification 27

3.3.2 Co-synthesis 28

3.3.3 Co-simulation/Co-verification 28

3.4 Kết luận 28

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 29

4.1 Thiết kế phần cứng 30

4.1.1 Top module 30

4.1.2 Architecture 30

4.1.3 Crankshaft position control 31

4.1.4 Stroke transition 34

4.1.5 Ignition control 36

4.1.6 Fuel injection control 38

4.2 Thiết kế phần mềm 41

4.2.1 Mục tiêu 41

4.2.2 Lý do thiết kế trên phần mềm 41

4.2.3 Nhiệm vụ 42

4.2.4 Thiết kế và triển khai trên kit FPGA 42

4.2.5 Giải quyết các vấn đề gặp phải trong quá trình triển khai 42

4.3 Giao tiếp phần cứng và phần mềm 44

4.4 Thiết kế giao tiếp ngoại vi 45

4.4.1 MicroSD 45

4.4.2 UART 45

CHƯƠNG 5 KIỂM THỬ 46

5.1 Kế hoạch kiểm thử 46

5.1.1 Kịch bản kiểm thử 46

5.1.2 Kiểm thử top module 46

5.1.3 Khối crankshaft position control 47

5.1.4 Khối stroke transition 48

5.1.5 Khối ignition control 49

5.1.6 Khối fuel injection control 50

5.1.7 Kiểm tra chức năng phần mềm 51

5.2 Triển khai tích hợp hệ thống sử dụng kit FPGA Zynq và phần mềm Vivado 52

5.2.1 Tạo project, thêm các file source code mô tả phần cứng 52

5.2.2 Tạo block design 52

5.2.3 Tổng hợp và implement thiết kế phần cứng trên Vivado 53

KẾT LUẬN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

BÁO CÁO CÁ NHÂN 57

I Phạm Quang Anh – 20182359 57

II Trần Hồng Nhung – 20182713 59

III Vũ Tiến Thịnh – 20182809 61

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

BTDC - Before Top Dead Center

MAP sensor - Manifold Absolute Pressure sensor

MAT sensor - Manifold Air Temperature sensor

RPM - Revs Per Minute

GPIO - General Purpose Input/Output Board

ECU - Electronic Control Unit

CKP - Crankshaft position sensor

BTDC - Before Top Dead Center

ATDC - After Top Dead Center

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hệ thống EFI điển hình 3

Hình 1.2 Sơ đồ chức năng của hệ thống 4

Hình 2.1 MAP Sensor Outputs [3] 7

Hình 2.2 MAT Sensor [4] 8

Hình 2.3 Cấu tạo của CKP Sensor 10

Hình 2.4 Oxygen Sensor 11

Hình 2.5 Output voltage of oxygen sensor [6] 12

Hình 2.6 Fuel Calculation 12

Hình 2.7 AFR Table 13

Hình 2.8 VE Table 14

Hình 2.9 Bảng hiệu chỉnh nhiệt độ nước làm mát 15

Hình 2.10 O2 Loop Table 16

Hình 2.11 Ignition Advance Calculation 16

Hình 2.12 Ignition Table 17

Hình 3.1 Use case diagram 19

Hình 3.2 Class Diagram 20

Hình 3.3 Crankshaft Position Control 21

Hình 3.4 Stroke Transition 22

Hình 3.5 Fuel Injection Control 23

Hình 3.6 Ignition Control 24

Hình 3.7 Kết quả mô phỏng trên SystemC(1) 25

Hình 3.8 Kết quả mô phỏng trên SystemC(2) 25

Hình 3.9 Kết quả mô phỏng trên SystemC(3) 26

Hình 3.10 Kết quả mô phỏng trên SystemC(4) 26

Hình 3.11 HW/SW Co-Design [10] 27

Hình 4.1 Block diagram EFI System 29

Hình 4.2 Block diagram 30

Hình 4.3 Architecture 30

Hình 4.4 Block diagram crankshaft position control 31

Hình 4.5 Lưu đồ thuật toán crankshaft position control 32

Hình 4.6 Sơ đồ ASMD crankshaft position control 33

Hình 4.7 Block diagram stroke transition 34

Hình 4.8 Lưu đồ thuật toán stroke transition 35

Hình 4.9 Sơ đồ ASMD stroke transition 36

Hình 4.10 Block diagram ignition control 37

Hình 4.11 Lưu đồ thuật toán ignition control 37

Hình 4.12 Sơ đồ ASMD ignition control 38

Hình 4.13 Block diagram fuel injection control 39

Hình 4.14 Lưu đồ thuật toán fuel injection control 39

Hình 4.15 Sơ đồ ASMD fuel injection control 40

Hình 4.16 Giao tiếp giữa phần cứng và phần mềm 44

Hình 5.1 Kết quả mô phỏng TOP module 47

Hình 5.2 Kết quả mô phỏng khối crankshaft position control 48

Hình 5.3 Kết quả mô phỏng khối stroke transition 49

Hình 5.4 Kết quả mô phỏng khối ignition control 50

Hình 5.5 Kết quả mô phỏng khối fuel injection control 51

Hình 5.6 Block design 52

Hình 5.7 Synthesis result 53

Hình 5.8 Report 53

Hình 5.9 Report Timing 53

Hình 5.10 Năng lượng tiêu thụ ước tính 54

Hình 5.11 Setup path 54

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Chỉ tiêu kỹ thuật 5

Bảng 2.1 Ảnh hưởng lẫn nhau của nhiệt độ, điện trở và điện áp [5] 9

Bảng 4.1 Signal input and output 29

Bảng 4.2 Parameters crankshaft position control 31

Bảng 4.3 Port description crankshaft position control 31

Bảng 4.4 Port description stroke transition 34

Bảng 4.6 Port description ignition control 37

Bảng 4.7 Port description fuel injection control 39

1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

Chương này giới thiệu khái quát về hệ thống nhúng và bài toán điều khiển hệ thống phun xăng điện tử EFI trong động cơ ô tô

1.1 Giới thiệu chung

Hệ thống nhúng (Embedded Systems) là sự kết hợp của phần cứng và phần mềm máy tính, và có thể bổ sung phần cơ khí hoặc một số bộ phận khác, được thiết kế để thực hiện một chức năng cụ thể Điều này trái ngược hoàn toàn với máy tính cá nhân như laptop, computer,… Nó cũng bao gồm phần cứng, phần mềm, các thành phần cơ khí Tuy nhiên, máy tính cá nhân không được thiết kế để thực hiện một chức năng cụ thể Đúng hơn là nó thực hiện nhiều công việc khác nhau, hay ta có thể sử dụng thuật ngữ máy tính đa năng để phân biệt với máy tính hệ nhúng

Thông thường, một hệ thống nhúng là một thành phần trong một số hệ thống lớn hơn Như bài toán ta đang triển khai là điều khiển hệ thống phun xăng điện tử EFI trong động cơ ô tô sẽ điều khiển hệ thống phun xăng, hệ thống đánh lửa,… Các hệ thống nhúng này được kết nối bởi một số mạng truyền thông

1.2 Hệ thống thời gian thực (Real-time Operating System)

Trong các bài toán điều khiển, chúng ta hay bắt gặp các thuật ngữ “Thời gian thực” Thời gian thực không phải là thời gian phản ánh một cách trung thực, chính xác thời gian hay yêu cầu hệ thống phải trùng với thời gian thực tế

Hệ thống thời gian thực được hiểu là các hoạt động của hệ thống phải thỏa mãn về tính tiền định Tính tiền định là hành vi của hệ thống phải được thực hiên trong một khung thời gian cho trước hoàn toàn xác định, khung thời gian này được quyết định bởi đặc điểm và yêu cầu của hệ thống

Thực tế cho thấy rằng hầu hết các hệ thống nhúng là các hệ thống thời gian thực và ngược lại các hệ thống thời gian thực là hệ thống nhúng

Ô tô sử dụng một trong hai thiết bị hay hệ thống để cung cấp hỗn hợp khí - nhiên liệu với một tỷ lệ chính xác đến các xi lanh của động cơ tại tất cả các dải tốc độ; một bộ chế hòa khí hay hệ thống EFI (phun xăng điện tử) Cả hai hệ thống đo lượng khí nạp mà thay đổi theo góc mở của bướm ga và tốc độ động cơ, đều cung cấp một tỷ lệ nhiên liệu

và không thích hợp đến các xi lanh phụ thuộc vào lượng khí nạp

Do kết cấu của hòa khí khá đơn giản, nó đã được sử dụng trên hầu hết các động cơ xăng trước đây Mặc dù vậy, để đáp ứng các nhu cầu hiện nay về khí xả sạch hơn, tiêu hao nhiên liệu kinh tế hơn, cải thiện khả năng tải…, bộ chế hòa khí ngày nay phải được lắp đặt các thiết bị hiệu chỉnh khác nhau, làm cho nó trở thành một hệ thống phức tạp hơn

Do vậy, hệ thống EFI được sử dụng thay thế cho chế hòa khí, đảm bảo tỷ lệ khí - nhiên liệu thích hợp cho động cơ bằng việc phun nhiên liệu điều khiển điện tử theo các chế độ lái xe khác nhau

1.3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống

Cấu tạo hệ thống phun xăng điện tử gồm 3 bộ phận chính:

• Cảm biến

• Bộ điều khiển điện tử

• Bộ phận bơm phun nhiên liệu

Hình 1.1 Hệ thống EFI điển hình

Ưu điểm của hệ thống phun xăng điện tử:

• Cung cấp hỗn hợp không khí - nhiên liệu đến từng xylanh đồng đều

• Điều khiển được tỷ lệ không khí - nhiên liệu dễ dàng, chính xác với tất cả các dải tốc độ làm việc của động cơ

• Đáp ứng nhanh chóng, chính xác với sự thay đổi góc mở bướm ga

• Hiệu suất nạp hỗn hợp không khí - nhiên liệu cao

• Hỗn hợp không khí - nhiên liệu trước khi cháy được phun tươi hơn, dẫn đến quá trình cháy được hoàn thiện làm tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường đáng kể [1]

Nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử dựa trên sự kết hợp hoàn hảo của các bộ phận với nhau Bằng việc sử dụng hệ thống điều khiển điện tử, hệ thống sẽ can thiệp vào quá trình phun nhiên liệu vào buồng đốt của động cơ Khi khởi động xe,

bộ phận điều khiển điện tử (ECU) lập tức quét từng cảm biến để xác minh chức năng của chúng Đèn “Check Engine” trên bảng điều khiển bật sáng trong quá trình quét và tắt khi tất cả các cảm biến hoạt động [2]

Các cảm biến liên tục phát hiện các giá trị của nhiều thông số như áp suất không khí, nhiệt độ không khí, góc bướm ga, mật độ không khí, nhiệt độ nhiên liệu, áp suất nhiên liệu, áp suất dầu, nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí thải, góc trục khuỷu, thời gian,

4

vòng tua động cơ, tốc độ Tất cả những dữ liệu này được ECU tiếp nhận, sau đó xử lý thông tin Lúc này, ECU sẽ tính toán được lượng nhiên liệu lý tưởng mà động cơ cần tại thời điểm đó và thiết lập thời gian mở vòi phun hợp lý Lượng nhiên liệu được phun vào vừa đủ để động cơ hoạt động và thời gian phun được tối ưu nhất, giúp tiết kiệm lượng lớn nhiên liệu cho xe [2]

1.3.3 Sơ đồ chức năng của hệ thống

Dựa trên nguyên lý hoạt động của hệ thống, nhóm đã thiết kế sơ đồ chức năng như sau:

Hình 1.2 Sơ đồ chức năng của hệ thống

Hệ thống thực hiện các chức năng:

• Điều khiển hệ thống phun xăng

• Điều khiển hệ thống đánh lửa

• Theo dõi hệ thống cảm biến

• Điều khiển hệ thống hiển thị

• Backup dữ liệu

• An toàn tuyệt đối cho người và thiết bị

• Xử lí các tình huống phát sinh chuẩn xác

• Tiết kiệm điện năng

• Dễ dàng nâng cấp chỉnh sửa, bảo trì

• Đảm bảo tính thời gian thực

1.5 Kết luận

Như vậy trong chương I, nhóm đã trình bày một hệ thống nhúng nói chung cũng như giới thiệu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống phun xăng điện tử EFI

6

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương này trình bày lý thuyết về các cảm biến được sử dụng trong hệ thống như MAP sensor, Oxygen Sensor,… Ngoài ra còn trình bày về về cơ sở lý thuyết toán học dùng để tính toán thời gian, lượng nhiên liệu trong hệ thống

2.1 Một số cảm biến trong hệ thống EFI

2.1.1 Manifold Absolute Pressure (MAP) Sensor

Manifold Absolute Pressure (MAP) Sensor đo độ pha loãng trong đường ống nạp và phần tử nhạy cảm của nó chuyển đổi tín hiệu thành điện có thể được đưa trở lại bộ điều khiển trên bo mạch Cảm biến MAP được sử dụng hầu hết như một giải pháp thay thế

rẻ tiền cho cảm biến tải động cơ

Tải động cơ là lực tác dụng ngược lại công suất mà động cơ tạo ra Vì vậy, để một động cơ hoạt động tốt, công suất của nó phải đủ để vượt qua tải định mức của nó Khi lực tăng, tốc độ động cơ giảm

Các loại cảm biến MAP:

• Với đầu ra tương tự: được sử dụng rộng rãi, điện áp của nó tỷ lệ với tải động cơ

• Với đầu ra kỹ thuật số: nó được sử dụng trong các hệ thống như Ford EEC IV MAP kỹ thuật số gửi tín hiệu ở dạng hình chữ nhật với tần số nhất định Khi tải tăng, tần số cũng tăng và được đo bằng mili giây, thời gian giữa các xung giảm

Bộ điều khiển tích hợp phản hồi nhanh hơn nhiều với tín hiệu kỹ thuật số, vì không cần thiết phải chuyển đổi tín hiệu đó sang tín hiệu tương tự

Nguyên tắc:

• "Áp suất tuyệt đối" = "Áp suất khí quyển" - "áp suất ống góp"

• Bằng cách sử dụng phương pháp tốc độ/mật độ, bộ điều khiển trên sẽ tính toán thành phần hỗn hợp nhiên liệu tùy thuộc vào tín hiệu của MAP và tốc độ động

cơ

• Khi có mức độ chân không cao trong đường ống nạp (ví dụ: chạy không tải), tín hiệu đầu ra MAP tương đối thấp và bộ điều khiển tích hợp cung cấp ít nhiên liệu hơn

Chức năng:

• Cảm biến MAP 1 vạch được sử dụng trên xe NA (hút khí tự nhiên)

• Cảm biến MAP 2 vạch được sử dụng trên xe cảm ứng cưỡng bức (Turbo & Supercharged) Chúng có thể đo áp suất khí quyển lên đến gấp 2 lần (29,4psi), điều đó có nghĩa là nó có thể đo mức tăng lên tới 14,7psi (khí quyển là 14,7psi + 14,7psi từ bộ tăng áp/siêu nạp)

• Cảm biến 3 vạch MAP có thể đo lên đến 44,1psi, nghĩa là tăng 29,7psi từ bộ tăng

áp

Hình 2.1 MAP Sensor Outputs [3]

Hình 2.2 thể hiện mối quan hệ giữa áp suất đường ống so với điện áp đầu ra của cảm biến MAP

2.1.2 Manifold Air Temperature (MAT) Sensor

Cảm biến nhiệt độ không khí dùng để giám sát nhiệt độ của không khí đi vào động

cơ Máy tính động cơ (PCM) cần thông tin này để ước tính mật độ không khí để nó có thể cân bằng hỗn hợp không khí/nhiên liệu Không khí lạnh đặc hơn không khí nóng, vì vậy không khí lạnh cần nhiều nhiên liệu hơn để duy trì cùng một tỷ lệ không khí/nhiên liệu PCM thay đổi tỷ lệ không khí/nhiên liệu bằng cách thay đổi độ dài (đúng thời gian) của các xung kim phun

Các loại cảm biến MAT:

Hình 2.2 MAT Sensor [4]

2.1.3 Coolant Temperature (CLT) Sensor

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ là biến trở nhiệt độ, thường có hệ số nhiệt

độ âm Nó là một nhiệt điện trở hai dây được ngâm trong chất làm mát và đo nhiệt độ của nó Máy tính trên bo mạch sử dụng tín hiệu của CLT làm yếu tố hiệu chỉnh chính

khi tính toán thời gian đánh lửa và thời gian phun

Nguyên lí hoạt động: để biến đổi điện trở CLT thành biến đổi điện áp, được xử lý thêm bởi ECU, cảm biến CLT được kết nối trong một mạch thường được cung cấp điện

áp tham chiếu là +5V Trong động cơ lạnh và nhiệt độ môi trường 20 ºC, điện trở của cảm biến nằm trong khoảng 2000Ω đến 3000Ω Sau khi động cơ khởi động, nhiệt độ

nước làm mát bắt đầu tăng lên, CLT dần dần nóng lên và điện trở của nó giảm tương ứng Ở 90 ºC, điện trở của nó nằm trong khoảng 200Ω đến 300Ω

Các loại cảm biến:

• Với hệ số nhiệt độ âm: chúng phổ biến nhất, điện trở của chúng giảm khi nhiệt

độ tăng

• Với hệ số nhiệt độ dương: điện áp và điện trở tăng khi nhiệt độ tăng

Bảng 2.1 Ảnh hưởng lẫn nhau của nhiệt độ, điện trở và điện áp [5]

Nhiệt độ, ºС Điện trở, Ω Điện áp, V

2.1.4 Crankshaft Position (CKP) Sensor

Cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP) là một thiết bị điện tử được sử dụng trong động cơ đốt trong, cả xăng và diesel, dùng để theo dõi vị trí hoặc tốc độ quay của trục khuỷu Thông tin này được hệ thống quản lý động cơ sử dụng để kiểm soát việc phun nhiên liệu hoặc thời điểm hệ thống đánh lửa và các thông số động cơ khác Trước khi có cảm biến tay quay điện tử, nhà phân phối sẽ phải điều chỉnh thủ công đến mốc thời gian trên động

10

tính chu trình đốt cháy hiện tại, điều này rất quan trọng đối với việc khởi động động cơ bốn kỳ

Hình 2.3 Cấu tạo của CKP Sensor

Cấu tạo cảm biến trục khuỷu ở Hình 2.3 gồm: cuộn cảm ứng, nam châm vĩnh cửu, một rotor với số răng tuỳ theo loại động cơ Do cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu nên cảm biến vị trí trục khuỷu luôn mang một từ trường ổn định Khi trục khuỷu quay, chân thép cũng được xoay trong từ trường này tạo ra dao động Nhờ đó, tín hiệu dòng điện xoay chiều AC được hình thành, bộ điều khiển ECU sẽ xác định được tốc độ quay và vị trí của trục khuỷu

2.1.5 Oxygen (O2) Sensor

Cảm biến O2 được gắn trong ống xả để theo dõi lượng oxy chưa được đốt cháy trong khí thải khi khí thải thoát ra khỏi động cơ Theo dõi nồng độ oxy trong khí thải là một cách để đo hỗn hợp nhiên liệu Nó cho máy tính biết hỗn hợp nhiên liệu đang cháy giàu (ít oxy hơn) hay nạc (nhiều oxy hơn) Máy tính sử dụng đầu vào của cảm biến O2 để điều chỉnh hỗn hợp nhiên liệu

Cảm biến O2 là bộ giám sát chính về những gì đang xảy ra với hỗn hợp nhiên liệu

Do đó, bất kỳ sự cố nào với cảm biến O2 có thể khiến toàn bộ hệ thống rơi vào tình trạng bất ổn Hình 2.3 là một cảm biến Oxygen (O2 Sensor) trong hệ thống phun xăng trên thực tế

Hình 2.4 Oxygen Sensor Các loại sensor:

• Theo chất được sử dụng:

▪ Zirconium (zirconium oxide)

▪ Titanium (titanium oxide)

▪ Wideband

• Theo thiết kế:

▪ Single-wire lambda sensor

▪ Two-wire lambda sensor

▪ Three-wire lambda sensor

▪ Four-wire lambda sensor

Ở đây sử dụng zirconium Cảm biến O2 hoạt động giống như một máy phát điện thu

nhỏ và tự tạo ra điện áp khi nó nóng lên

Một cảm biến O2 thường sẽ tạo ra tối đa khoảng 0,9 volt khi hỗn hợp nhiên liệu nhiều và có ít oxy chưa được đốt cháy trong khí thải Khi hỗn hợp loãng, điện áp đầu ra của cảm biến sẽ giảm xuống khoảng 0,2 vôn hoặc thấp hơn Khi hỗn hợp không khí/nhiên liệu được cân bằng hoặc ở điểm cân bằng trong khoảng 14,7 đến 1, cảm biến

sẽ đọc xung quanh 0,45 vôn Hình 2.5 thể hiện điện áp đầu ra của sensor

Khi máy tính nhận được tín hiệu có điện áp cao từ cảm biến O2, nó sẽ lọc hỗn hợp

nhiên liệu để giảm điện áp phản hồi của cảm biến Khi chỉ số cảm biến O2 giảm (điện

áp thấp), máy tính sẽ đảo chiều một lần nữa làm cho hỗn hợp nhiên liệu trở nên giàu có

12

Hình 2.5 Output voltage of oxygen sensor [6]

2.2 Các khối tính toán cho quá trình phun nhiên liệu

Hình 2.6 Fuel Calculation

Khối tính toán lượng nhiên liệu cần thiết đưa ra khoảng thời gian phun dựa vào kết quả tính toán từ hàm nội suy với dữ liệu đầu vào thu được từ các sensor và được suy ra

từ các table như AFR table, VE table, Look up table,…

Độ rộng xung được tính toán theo công thức sau:

Trong đó:

• Warmup là giá trị warm-up enrichment từ bảng mà người dùng nhập vào

• O2Closed Loop là điều chỉnh EGO dựa trên phản hồi của cảm biến EGO (Oxygen sensor) và cài đặt EGO mà người dùng nhập vào

• AirCorr là sự điều chỉnh mật độ không khí (dựa trên nhiệt độ khí nạp)

• BaroCorr là hiệu chỉnh khí áp dựa trên áp suất không khí xung quanh (thường được thực hiện khi khởi động)

2.2.1 Air density calculation (kg/m3)

Tính toán mật độ không khí với đầu vào là dữ liệu đọc được từ cảm biến MAP và cảm biến MAT

Công thức:

𝜌 = 𝑝/(𝑅𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐 ∗ 𝑇)

Trong đó:

• ρ = Air Density

• p = Absolute Pressure (Pa)

• Rspecific = Specific Gas Constant for Dry Air (287.058 J/kg.K)

• T = Absolute Temperature

2.2.2 AFR Table

Hình 2.7 AFR Table

14

AFR (Air Fuel Ratio) là tỷ lệ khối lượng không khí và nhiên liệu trong buồng đốt

• Idle: generally stoich or slightly rich

• Cruise: stoich to slightly lean

• Boost: rich of stoich

Hỗn hợp cân bằng đối với động cơ xăng là tỷ lệ lý tưởng giữa không khí và nhiên liệu để đốt cháy tất cả nhiên liệu mà không có không khí dư thừa Đối với nhiên liệu xăng, hỗn hợp không khí - nhiên liệu theo phương pháp đo phân là khoảng 14,7: 1 Tức là 1g nhiên liệu cần 14,7g không khí

Trong thực tế, AFR phụ thuộc vào giá trị MAP và RPM, nhưng các giá trị này có thể không nằm trong bảng trên nên ta sẽ sử dụng hàm nội suy để có được kết quả mong muốn

2.2.3 VE Table

Hình 2.8 VE Table

Bảng VE thể hiện hiệu suất thể tích và tỷ lệ không khí/nhiên liệu tại mỗi vòng/phút

và kPa (0 = tổng chân không, 100 = khí quyển,…) Hiệu suất thể tích là tỷ số giữa lượng không khí thực sự được bơm vào xi lanh và lượng sẽ làm đầy xi lanh trong tình huống tĩnh Mỗi ô trong bảng là khối lượng không khí (% hoặc g.K/kPa)

Có một số cách để chỉ định VE Nó liên quan đến áp suất tuyệt đối của đường ống

và bao gồm AFR trong bảng VE [7]

𝑉𝐸 = 𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑘ℎô𝑛𝑔 𝑘ℎí 𝑡ℎự𝑐 𝑡ế

𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑘ℎô𝑛𝑔 𝑘ℎí 𝑙ý 𝑡ℎ𝑢𝑦ế𝑡∗

𝐴𝐹𝑅𝑠𝑡𝑜𝑖𝑐ℎ𝐴𝐹𝑅𝑡ℎự𝑐 𝑡ếTương tự AFR table, giá trị VE cũng phụ thuộc vào MAP và RPM, nhưng khi trong thực tế cũng có thể không có những giá trị trong bảng nên ta cũng sẽ sử dụng hàm nội suy để có được kết quả mong muốn

2.2.4 Warmup Table

Warmup Table cho phép tiến hành điều chỉnh lượng nhiên liệu để làm giàu hỗn hợp khi động cơ nguội hoặc ở trạng thái khởi động [8] Chiều rộng xung nhiên liệu cuối cùng được nhân với kết quả đầu ra của bảng dưới đây

Hình 2.9 Bảng hiệu chỉnh nhiệt độ nước làm mát

Động cơ cần tới 80% nhiên liệu để khởi động nguội, được ghi lại trong Warmup Enrichment (WUE) ở Hình 2.9 Nếu không có cảm biến nhiệt độ động cơ, thì sẽ không thể đổ thêm nhiên liệu Nếu muốn có một hỗn hợp giàu hơn một chút với động cơ lạnh

và để có tốc độ cao hơn một chút Để ngăn chặn việc dừng và để động cơ chạy tốt hơn

Do đó, đăng ký nhiệt độ động cơ là rất quan trọng

16

Ngoài ra, cảm biến nhiệt độ nước làm mát có thể phát hiện nhiệt độ quá cao và bật quạt tản nhiệt Đôi khi động cơ nguội đi quá xa trên đường cao tốc Khi đó bộ điều nhiệt

bị hỏng Điều này được hiển thị ngay lập tức trong phần mềm EFIgnition

2.2.5 O2 Loop Table (EGO correction table)

Bảng giá trị trong Hình 2.10 được suy ra từ hoạt động của Oxygen sensor cho phép

ta tính sai số, cải thiện độ chính xác trước khi ta phun nhiên liệu

Tương tự AFR table và VE table, các giá trị trong O2 Loop Table cũng được đưa qua hàm nội suy interpolation và đưa vào tính toán Gamma Enrich để có được kết quả độ rộng xung mong muốn

Hình 2.10 O2 Loop Table

2.3 Các khối tính toán trước khi đánh lửa

Hình 2.11 Ignition Advance Calculation

Tổng tiến trình đánh lửa dựa trên 3 yếu tố:

• Đầu tiên là giá trị có liên quan từ bảng tốc độ động cơ và tải, được gọi là ign_table (rpm, kPa), kết hợp mức tăng dựa trên RPM và mức tăng chân không

• Thứ hai là độ lệch kích hoạt (adv_offset), dường như gần tương đương với thời gian ban đầu, nhưng thực sự là sự khác biệt giữa trình kích hoạt và TDC tiếp theo theo độ

• Và giá trị cuối cùng là cold_adv_deg, một cải tiến không có trong nhiều hệ thống đánh lửa, dựa trên nhiệt độ nước làm mát động cơ (CLT) Động cơ mát hơn sẽ ít

bị kích nổ hơn, vì vậy nó có thể sử dụng trước nhiều hơn, do đó tạo ra nhiều năng lượng hơn và hiệu quả hơn

𝑎𝑑𝑣_𝑑𝑒𝑔 = 𝑎𝑑𝑣_𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 + 𝑖𝑔𝑛_𝑡𝑎𝑏𝑙𝑒 (𝑟𝑝𝑚, 𝑘𝑝𝑎) + 𝑐𝑜𝑙𝑑_𝑎𝑑𝑣_𝑑𝑒𝑔 [7]

Hình 2.12 Ignition Table

Đầu ra của bảng trên là ignition time dựa vào MAP và RPM Hệ thống đánh lửa trên ô tô của phải hoạt động kết hợp hoàn hảo với phần còn lại của động cơ Mục đích

là đốt cháy nhiên liệu vào đúng thời điểm để các khí nở ra có thể thực hiện được lượng công việc tối đa Nếu hệ thống đánh lửa hoạt động sai thời điểm, điện năng sẽ giảm và lượng khí tiêu thụ và lượng khí thải có thể tăng lên

Khác với các table của phần injection luôn được update thì với ignition table chúng

ta không update bảng do:

• Rất khó để tìm ra phương trình phụ thuộc của torque hoặc horsepower vào ignition timing

18

• Trước khi đưa ignition table vào sử dụng thì người ta đã thực hiện đo đạc từ trước: thay đổi RPM, với mỗi cặp giá trị (MAP, RPM) người ta tăng dần giá trị ignition timing lên đến khi torque đạt đỉnh thì dừng lại và lấy giá trị ignition timing tại đỉnh

Việc update lại các bảng trong fuel injection control sẽ làm ảnh hưởng đến ignition control bởi vì AFR cần phải điều chỉnh nhằm mục đích hỗn hợp khí/nhiên liệu được đốt cháy để sinh ra torque và horsepower lớn nhất Tuy nhiên, do việc đo đạc ignition timing

từ trước nên sẽ không bị ảnh hưởng vì việc update các bảng của fuel injection control không làm thay đổi điểm cực trị của đồ thị (torque, ignition time)

Cách tính góc BTDC (before top dead center) dùng trong ignition table:

• Define số lượng bánh răng trên crankshaft

• Đếm số bánh răng đã được đọc bằng camshaft sensor sau đó suy ra góc BTDC

2.4 Kết luận

Như vậy chương này đã trình bày lý thuyết về các cảm biến cũng như đưa ra các cơ

sở về toán học được dùng trong hệ thống

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG

Chương này mô hình hóa hệ thống phun xăng điện tử EFI sử dụng 2 công cụ là UML

và SystemC Ngoài ra chương này cũng trình bày về đồng thiết kế cứng mềm trong hệ thống

3.1 UML

UML (Unified Modeling Language) là một ngôn ngữ được sử dụng để mô tả các đặc điểm của hệ thống Dựa vào chỉ tiêu kĩ thuật đã được đề cập trong Chương I, nhóm thực hiện thiết kế hệ thống EFI sử dụng UML như sau:

3.1.1 Use case Diagram

Dựa vào các yêu cầu kĩ thuật của hệ thống, use case diagram được thiết kế như hình dưới:

Hình 3.1 Use case diagram

20

Tác nhân duy nhất của hệ thống EFI là người lái hay người điều khiển ô tô, đây là vai trò của con người khi tương tác với hệ thống Người điều khiển tương tác với hệ thống bằng cách điều khiển chân ga của xe và xem được màn hình hiển thị của hệ thống

Do đó, biểu đồ cho thấy tác nhân có mối quan hệ với các hệ thống điều khiển: hệ thống phun xăng, hệ thống đánh lửa, hệ thống cảm biến,… Ngoài ra khi sử dụng, hệ thống sẽ

xử lý và hiển thị thông tin về hệ thống EFI trên bảng điều khiển cho người lái

3.1.2 Class Diagram

Hình 3.2 Class Diagram

Biểu đồ lớp (Class Diagram) sẽ làm rõ các lớp, giao diện và mối quan hệ giữa chúng Biểu đồ lớp liên quan đến mô tả hệ thống một cách tổng quan bao gồm các thuộc tính, hoạt động trong một lớp Các thuộc tính và hoạt động có thể có của một hệ thống EFI được thể hiện trong Hình 3.2

Từ hình trên, ta cũng có thể thấy hệ thống EFI là một hệ thống phức tạp Nó được thiết kế từ rất nhiều khối: các khối trạng thái, khối ignition control, khối EFI, khối fuel injection hay là khối cảm biến

3.1.3 State Machine Diagram

3.1.3.1 Crankshaft Position Control

Hình 3.3 Crankshaft Position Control

22

3.1.3.2 Stroke Transition

Hình 3.4 Stroke Transition

3.1.3.3 Fuel Injection Control

Hình 3.5 Fuel Injection Control

24

3.1.3.4 Ignition Control

Hình 3.6 Ignition Control

3.2 SystemC

Ngoài việc sử dụng UML, nhóm còn chọn systemC là công cụ thứ hai để thiết kế và

mô hình hóa hệ thống phun xăng điện tử EFI SystemC là một thư viện mã nguồn mở trong C++ Nó cung cấp một nền tảng mô hình hóa cho các hệ thống với các thành phần phần cứng và phần mềm để trao đổi và thiết kế mã của các mô hình IP cấp hệ thống Các lớp SystemC cho phép người dùng:

• Xác định các module và process

• Thêm giao tiếp giữa các process/module [9]

Hình 3.7 Kết quả mô phỏng trên SystemC(1)

Hình 3.8 Kết quả mô phỏng trên SystemC(2)

26

Hình 3.9 Kết quả mô phỏng trên SystemC(3)

Hình 3.10 Kết quả mô phỏng trên SystemC(4)