Tiểu luận hệ thống Điện Động cơ Ô tô phân tích các hệ thống Điều khiển khí xả, Điều khiển cầm chừng và 1 số hệ thống khác có liên quan

+Khi tải lớn: Lượng khí thải tăng vì lượng không khí cũng như nhiên liệu đều tăng– Lượng CO/HC tăng vì động cơ được cung cấp hỗn hợp không khí – nhiên liệu giàu.– Lượng NOx tăng vì nhiệt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

VIỆN CƠ KHÍ

BÀI TIỂU LUẬN

HỆ THỐNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ Ô TÔ

Phân Tích Các Hệ Thống Điều Khiển Khí Xả, Điều Khiển Cầm

Chừng Và 1 Số Hệ Thống Khác Có Liên Quan

Giảng viên hướng dẫn : Cao Đài Nam

Sinh viên thực hiện : Huỳnh Văn Thật-2331131159

1 Điều khiển khí xả:

1.1 Các khí thải do ô tô sinh ra

Xe có động cơ Diesel không những thải ra các khí như CO, HC và NOx mà còn cócác hạt cacbon, chúng cũng có tác động đến môi trường và con người

CO ( Cacbon oxit ): CO được sinh ra khi lượng oxy đưa vào buồng đốt không đủ tạo

ra hiện tượng cháy không hoàn toàn : 2C + O2 = 2CO

HC ( Hydrocacbon ): HC được sinh ra trong quá trình đốt cháy không hoàn toàn, cũngnhư của CO

NOx ( Nito oxit ): NOx được sinh ra do nito và oxy trong hỗn hợp không khí và nhiênliệu, khi nhiệt độ của buồng đốt càng cao, lượng NOx sinh ra càng nhiều

Khi hỗn hợp không khí – nhiên liệu nghèo, NOx sinh ra nhiều hơn vì tỉ lệ oxy tronghỗn hợp cao hơn Như vậy, lượng NOx được sinh ra tùy theo 2 yếu tố: Nhiệt độ cháy vàhàm lượng oxy : N2 + O2 = 2 NO ( NO2, N2… NOx )

1.2 Nguyên lí sinh ra khí thải

Tỷ lệ hỗn hợp không khí nhiên liệu lý thuyết

Tỷ lệ hỗn hợp không khí và nhiên liệu lý thuyết là tỉ lệ của lượng nhiên liệu và khôngkhí chứa oxy tối thiểu cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu Xăng là hỗ hợp của một

số dạng Hydrocacbon trong đó chủ yếu là ốc tan ( C8H18 ) : 2C8H18 + 15 O2 = 16 CO2+ 18 H2O

Để đốt cháy 1g ốc tan và sản sinh ra nước và Cacbondioxit thì cần đến 15g không khí.Trên thực tế, nhiên liệu không phải là ốc tan thuần chất mà là ốc tan và các HC khácnhau Vì vậy tỷ lệ hỗn hợp không khí và nhiên liệu lý thuyết là 14,7.

Biểu đồ sản sinh CO/HC/NOx

Biểu đồ phía dưới cho thấy mối quan hệ giữa tỷ lệ hỗn hợp không khí và nhiên liệuvới lượng CO/HC/NOx sinh ra

+ Nhạt hơn: CO: Giảm; HC: Tăng

Tuy nhiên, lượng này sẽ tăng lên vì động cơ nổ không tốt khi hỗn hợp không khí vànhiên liệu quá nghèo

NOx: Khí này được sinh ra nhiều nhất khi hỗn hợp không khí và nhiên liệu hơi nghèohơn so với tỷ lệ lí thuyết Nhưng khi hỗ hợp lại nghèo hơn nữa thì lượng khí này sẽ giảm

vì nhiệt độ cháy giảm

+ Trong khi động cơ còn lạnh: Lượng khí CO/HC tăng lên vì động cơ được cung cấp

hỗ hợp không khí – nhiên liệu giàu

+Khi tải lớn: Lượng khí thải tăng vì lượng không khí cũng như nhiên liệu đều tăng

– Lượng CO/HC tăng vì động cơ được cung cấp hỗn hợp không khí – nhiên liệu giàu.– Lượng NOx tăng vì nhiệt độ cháy cao lên

1.3 Hệ Thống Kiểm Soát Khí Thải:

Phải có trình độ công nghệ cao mới có thể đảm bảo rằng tổng lượng các thành phầnCO/HC/NOx trong khí thải đáp ứng các quy định về khí thải

Đối với xe ô tô thực sự, không những phải giảm những chất này mà còn phải đáp ứngcác tiêu chuẩn khác như độ bền, độ tin cậy, an toàn và tiêu hao nhiên liệu

Các biện pháp làm sạch khí thải được liệt kê trong bảng phía dưới, nhưng thiết bị thìthay đổi tùy theo từng nước, còn quy định về khí thải thì thay đổi theo vùng

1.3.1 Cải thiện động cơ

Động cơ đã được cải tiến rất nhiều để các đặc tính của động cơ về công suất và tiêuhao nhiên liệu không bị xấu đi qua thời gian sử dụng, hạn chế đến mức tối thiểu sự sảnsinh khí độc hại Các biện pháp dưới đây không phải là được áp dụng cho tất cả các kiểuđộng cơ, tuy nhiên, hầu hết các biện pháp tích hợp cho từng động cơ thì đã được sử dụng.

Cấu tạo của buồng đốt và cải thiện hệ thống nạp khí

– Sử dụng vùng rối: Vùng rối trong buồng đốt tạo ra dòng rối mạnh mẽ, bắt đầu từcuối kỳ nén đến đầu kỳ nổ Dòng rối này làm tăng tốc độ cháy, giúp hỗn hợp không khí

và nhiên liệu cháy hoàn toàn, giảm lượng CO và HC

– Tạo ra lốc xoáy: Cửa napk được làm cong, tạo ra dòng xoáy thích hợp cho hỗn hợpkhông khí – nhiên liệu được hút và trong kỳ nạp, cho đến mép ngoài của buồng đốt.Dòng xoáy này tiếp tục từ kỳ nén cho đến kỳ nổ, tạo ra hiệu quả tương tự vùng rối

Sử dụng EFI, ESA và DIS

Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp không khí và nhiên liệu đồng thời giảm khí xả nhờ có sửdụng EFI ( điều khiển phun nhiên liệu điện tử ) để tạo ra hỗ hợp không khí – nhiên liệuthích hợp và sử dụng ESA ( Đánh lửa sớm điện tử ), DIS ( Hệ thống đánh lửa trực tiếp )

để điều khiển thời điểm đánh lửa chính xác theo từng điều kiện vận hành

Về bộ lọc khí xả

Khái quát về bộ lọc khí xả

Bộ lọc khí xả làm cho các chất độc hại như CO, HC, NOx phản ứng hóa học với cácchất như H2O, CO2, N2 khi luồng khí xả đi qua Nói chung, platin, paladi, iridi, rodi…

sẽ được sử dụng làm các chất xúc tác

– Các loại bộ lọc khí xả

+ Chất xúc tác oxy hóa: Oxy hóa HC hoặc CO và tọa thành H2O và CO2 không độchại

+ Chất xúc tác khử oxy: Tách oxy ra khỏi NOx và tạo thành N2 vô hại

+ Chất xúc tác oxy hóa/khử oxy: Thực hiện cả 2 chức năng trên Bộ xúc tác oxyhóa/khử oxy dùng cho ô tô được gọi là bộ lọc khí xả 3 thành phần ( TWC) vì có 3 chấtđộc hại bao gồm CO, HC và NOx được chuyển hóa đồng thời thành chất không độc hại.Ngày nay, chất xúc tác oxy hóa/khử oxy được sử dụng cho hầu hết trên các ô tô

– Hoạt động của chất xúc tác phụ thuộc nhiệt độ

Đối với chất xúc tác, mức độ làm sạch thay đổi theo nhiệt độ

Như biểu đồ cho thấy, tỷ lệ làm sạch gần đạt đến 100% và khí xả được làm sạch cóhiệu quả nhất khi nhiệt độ chất xúc tác nâng cao trên 400 độ C.

Lưu ý: Xe được trang bị bộ lọc khí xả sử dụng xăng không chì vì nếu dùng xăng chìthì chì sẽ dính lên các bề mặt của bộ lọc khí xả và cảm biến oxy, làm giảm tác dụng củanó

– Hệ thống lọc khí xả 3 thành phần ( TWC)

TWC là hệ thống oxy hóa CO và HC trong khí xả và đồng thời khử oxy của NOx đểbiến chúng thành CO2, H2O và N2 Gần đây, kiểu liền khối được sử dụng như hình minhhọa

Alumin hoặc chất xúc tác được phủ lên các thanh ghi có nhiều lỗ Các chất độc hại điqua những lỗ này và được làm sạch Có hai kiểu khối, kiểu gốm và kiểu kim loại Thanhghi càng mỏng thì khả năng làm sạch càng cao.

TWC hoạt động có hiệu quả nhất với tỷ lệ hỗn hợp không khí nhiên liệu gần như lýthuyết Vì vậy, cần có hệ thống thông tin phản hồi về tỷ lệ hỗn hợp không khí  nhiên liệu

để giữ cho tỷ lệ này gần với tỷ lệ lý thuyết

Hệ thống thông tin phản hồi về hỗn hợp không khí – nhiên liệu theo dõi lượng oxytrong khí xả bằng cách sử dụng cảm biến oxy gắn trong đường ống xả Khi đó, lượngnhiên liệu được ECU của động cơ điều chỉnh để kiểm soát tỷ lệ hỗn hợp không khí –nhiên liệu, giúp cho TWC làm việc có hiệu quả.

2.1 Cảm biến tốc độ cầm chừng (Idle Speed Sensor)

 Chức năng: Theo dõi tốc độ vòng quay của động cơ trong trạng thái không tải.

Nếu tốc độ cầm chừng quá thấp hoặc quá cao, hệ thống điều khiển cầm chừng sẽcan thiệp để điều chỉnh cho đúng với thông số thiết kế

 Vai trò: Cung cấp thông tin đầu vào cho bộ điều khiển trung tâm (ECU) về tốc độ

động cơ hiện tại

2.2 Van điều khiển không khí cầm chừng (Idle Air Control Valve - IACV)

 Chức năng: Điều chỉnh lượng không khí đi vào buồng đốt khi động cơ đang hoạt

động ở chế độ cầm chừng Bằng cách thay đổi lưu lượng không khí, van này giúpduy trì tốc độ động cơ ổn định

 Nguyên lý hoạt động: Van IACV mở hoặc đóng để điều chỉnh lượng không khí

tăng tốc độ động cơ; khi đóng, lượng không khí giảm và tốc độ động cơ giảmxuống.

2.3 Bộ điều khiển trung tâm (ECU - Electronic Control Unit)

 Chức năng: Nhận thông tin từ các cảm biến khác nhau (như cảm biến tốc độ động

cơ, cảm biến nhiệt độ, cảm biến vị trí bướm ga) và điều khiển các thiết bị chấphành, như van điều khiển không khí cầm chừng

 Vai trò: ECU phân tích dữ liệu từ các cảm biến và điều chỉnh các yếu tố như hỗn

hợp nhiên liệu-không khí và thời gian đánh lửa để duy trì tốc độ động cơ ở mức tối

ưu khi xe không tải

2.4 Cảm biến nhiệt độ động cơ (Engine Temperature Sensor)

 Chức năng: Đo nhiệt độ động cơ để ECU có thể điều chỉnh tốc độ cầm chừng dựa

trên trạng thái nhiệt độ của động cơ (lạnh hay nóng)

 Tác động: Ở trạng thái động cơ lạnh, hệ thống sẽ cung cấp thêm nhiên liệu và

không khí để giúp động cơ không bị chết máy do tốc độ quá thấp

2.5 Cảm biến vị trí bướm ga (Throttle Position Sensor - TPS)

 Chức năng: Đo góc mở của bướm ga để ECU xác định khi nào động cơ đang ở

 Chức năng: Một số hệ thống cầm chừng sử dụng động cơ bước để điều chỉnh van

không khí cầm chừng Động cơ bước có thể di chuyển chính xác từng bước nhỏ đểkiểm soát lưu lượng không khí

 Ưu điểm: Độ chính xác cao trong việc điều chỉnh lượng không khí, giúp kiểm

soát tốc độ động cơ ổn định hơn

2.7 Mục tiêu của hệ thống điều khiển cầm chừng

 Duy trì tốc độ ổn định: Mục tiêu chính là duy trì tốc độ động cơ không đổi trong

trạng thái không tải, thường ở mức khoảng 600-1000 vòng/phút tùy thuộc vào loại

xe và cấu hình động cơ

 Giảm tiêu hao nhiên liệu: Hệ thống cầm chừng điều chỉnh tốc độ động cơ sao

cho lượng nhiên liệu tiêu thụ là thấp nhất trong trạng thái không tải

hoặc khi xe đang không vận hành

2.8 Hệ thống điều khiển cầm chừng điện tử so với cơ khí

 Điện tử: Phần lớn các xe hiện đại sử dụng hệ thống điều khiển cầm chừng điện tử

thông qua ECU, giúp điều chỉnh chính xác và nhanh chóng các thông số hoạt độngcủa động cơ

 Cơ khí: Một số xe đời cũ có thể sử dụng hệ thống điều khiển cầm chừng cơ khí,

dựa vào việc điều chỉnh thủ công lưu lượng không khí

Hệ thống điều khiển cầm chừng là một hệ thống phức tạp và thông minh, giúp động cơ ô

tô duy trì sự ổn định trong trạng thái không tải Nó phối hợp giữa nhiều cảm biến, van, và

bộ điều khiển trung tâm để đảm bảo hiệu suất hoạt động của xe là tối ưu, giảm tiêu thụnhiên liệu và giữ cho động cơ hoạt động mượt mà

3 Các hệ thống khác có liên quan:

Bộ xử lý khí thải kiểu xúc tác 3 đường (TWC) hoạt động bằng cách sử dụng hailoại chất xúc tác để chuyển đổi các khí độc hại thành các chất ít độc hại hơn Quátrình này diễn ra qua hai giai đoạn chính:

Giai đoạn khử NOx: Khí thải đầu tiên được đưa qua lớp xúc tác rhodium (Rh), nơi màcác oxit nitơ (NOx) được chuyển hóa thành nitơ (N2) và oxy (O2) Các phản ứng hóa học

- 2CO + O2 → 2CO2

- HC + O2 → CO2 + H2O (trong đó HC là hydrocarbon)

Bộ xúc tác 3 đường có khả năng xử lý đồng thời ba loại khí độc hại: NOx, CO và HC

Để hoạt động hiệu quả, nhiệt độ khí thải phải đạt trên 400°C, và tỉ lệ pha trộn nhiên liệu không khí cũng cần duy trì trong giới hạn tiêu chuẩn để đảm bảo các phản ứng hóa họcxảy ra đầy đủ

-Hiện nay, có nhiều bộ xử lý khí thải ô tô được sử dụng phổ biến, bao gồm:

 Bộ xử lý xúc tác ba chiều (Three-way catalytic converter): Đây là công nghệ cơbản giúp chuyển đổi các khí độc hại như carbon monoxide (CO), hydrocarbon(HC) và oxit nitơ (NOx) thành các chất ít độc hại hơn như nitrogen (N2) và carbondioxide (CO2) Bộ xử lý này sử dụng các chất xúc tác như bạch kim và paladi đểthúc đẩy phản ứng hóa học

 Hệ thống tuần hoàn khí thải (Exhaust Gas Recirculation - EGR): Hệ thống nàyhoạt động bằng cách tái sử dụng một phần khí thải trở lại buồng đốt, từ đó làm

giảm nhiệt độ cháy và nồng độ NOx trong khí thải EGR thường được sử dụngtrong động cơ diesel và xăng để tối ưu hóa quá trình cháy

 Bộ lọc hạt (Diesel Particulate Filter - DPF): DPF được sử dụng trong các động cơdiesel để loại bỏ các hạt rắn (PM) khỏi khí thải Nó giúp cải thiện chất lượngkhông khí bằng cách ngăn chặn các hạt bụi đi vào môi trường

 Công nghệ khử NOx chọn lọc (Selective Catalytic Reduction - SCR): SCR sửdụng dung dịch urê để hóa học chuyển đổi NOx thành nitrogen và nước, giúp giảmlượng khí thải độc hại một cách hiệu quả, có thể lên tới 90%

4 Chức năng chuẩn đoán dự phòng:

Hệ thống chuẩn đoán dự phòng (redundant diagnostic system) trên động cơ ô tô làmột hệ thống có chức năng giám sát và kiểm tra hoạt động của các bộ phận và hệthống trong động cơ, giúp phát hiện sự cố hoặc bất thường trong quá trình vận hành.Mục tiêu chính là đảm bảo tính an toàn, hiệu suất và tuổi thọ của động cơ, cũng nhưhạn chế tình trạng hỏng hóc đột ngột

Các thành phần chính trong hệ thống chuẩn đoán dự phòng trên động cơ ô tô baogồm:

Cảm biến (Sensors): Đo lường các thông số như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, và nồng

độ khí thải để cung cấp thông tin về tình trạng vận hành của động cơ

Bộ điều khiển (ECU - Engine Control Unit): Bộ điều khiển trung tâm thu thập dữ liệu từcác cảm biến, sau đó xử lý và phân tích để xác định xem động cơ có hoạt động bìnhthường hay không Nếu phát hiện lỗi, ECU sẽ kích hoạt các cảnh báo hoặc điều chỉnh hệthống để tránh hỏng hóc.

Hệ thống cảnh báo (Warning System): Khi phát hiện sự cố, hệ thống sẽ kích hoạt đèncảnh báo hoặc phát ra tín hiệu âm thanh để thông báo cho tài xế biết rằng có lỗi trong hệthống động cơ.

Giao diện người dùng (Human-Machine Interface): Là nơi người dùng có thể tương tácvới hệ thống, thông qua màn hình trên bảng điều khiển hoặc kết nối với thiết bị chẩnđoán để kiểm tra các mã lỗi (DTC - Diagnostic Trouble Codes).

Hệ thống chuẩn đoán tự động (On-Board Diagnostics - OBD): Đây là giao thức chuẩn

Các thành phần dự phòng: Trong một số hệ thống cao cấp, có thể có các bộ phận dựphòng (ví dụ: cảm biến hoặc mạch điện tử dự phòng) để đảm bảo rằng nếu một bộ phận

bị hỏng, hệ thống vẫn có thể hoạt động một cách an toàn

Hệ thống chuẩn đoán dự phòng giúp phát hiện sớm các lỗi tiềm ẩn, ngăn ngừa hỏng hócnghiêm trọng, và hỗ trợ quá trình sửa chữa nhanh chóng và chính xác hơn