thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển đường ống nạp

Hình 1 : Đồ thị mô men động cơ III.1 Khái quát về hệ thống thay đổi chiều dài đường ống nạp ACIS Hệ thống ACIS thay đổi chiều dài ống góp nạp của động cơ dựa trên sự thay đổi về tốc độ

ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN

ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH

ĐIỀU KHIỂN ĐƯỜNG ỐNG NẠP

MÃ SỐ: SV26 - 2007

THUỘC NHÓM NGÀNH : KHOA HỌC KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN : KS PHAN NGUYỄN QUÍ TÂM

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI : NGUYỄN SĨ PHƯỚC (04105089) NGƯỜI THAM GIA : LÊ HOÀNG HIỆP (04105042) ĐƠN VỊ : KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TP Hồ Chí Minh, 12 / 2007

Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

Phần 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 1

III.1 Khái quát về hệ thống thay đổi chiều dài đường ống nạp ACIS 2

III.1.1 Cấu trúc của hệ thống ACIS 2

III.2 Khái quát về hệ thống đường ống nạp thay đổi T-VIS 14

III.5.2 Cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính: 20

Trường ĐHSPKT TPHCM

Giáo viên hướng dẫn

Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ:

I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU:

II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC:

Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam hiện nay đang từng bước phát triễn Tuy nhiên vẫn còn có những tồn tại lớn Năm 2001, về Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam đứng hàng thứ 94 trên thế giới khá xa sau Malaixia (thứ 71), Thái Lan (73), Philippin (80), sau không ít Xri Lanka (85), Nêpan (86), Burunđi (87), sau cả Irăc (90), Xiri (92) Đến nay thứ tự xếp hạng này cũng không mấy thay đổi Chúng ta chưa có một tiếng nói chung với thực trạng khoa học ở tầm vóc quốc tế và với các nước trong khu vực

III NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI:

Hiện nay ở nước ta tại các trường ĐH-CĐ giảng dạy về ô tô chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu nguyên lý hoạt động của hệ thống ACIS và T-VIS Nhưng trên thế giới đã chế tạo

và ứng dụng những hệ thống này trên các loại xe từ rất lâu

Học viên, sinh viên chỉ được học về hệ thống ACIS và TVIS trên cơ sở lý thuyết điều khiển và hình ảnh mô phỏng mà không có mô hình thực tế Do đó học viên, sinh viên gặp khó khăn trong việc tiếp thu kiến thức, không có sự liên hệ giữa lý thuyết và thực

tế Giáo viên cũng gặp nhiều khó khăn trong công tác giảng dạy

Phần 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ:

I Mục đích của đề tài:

Nghiên cứu và chế tạo mô hình hoạt động của hệ thống thay đổi chiều dài đường ống nạp nhằm phục vụ cho công tác giảng dạy thực tập động cơ tại khoa Cơ Khí Động Lực trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phô Hồ Chí Minh và tại các trường THCN, dạy nghề về ô tô

II Phương pháp nghiên cứu:

- Tìm kiếm các thông tin

- Nghiên cứu tài liệu

- Đưa ra ý tưởng

- Lập kế hoạch

- Triển khai công việc

- Chế tạo mô hình

III Nội dung:

Công thức tính công suất có ích của động cơ:

) (

/

Từ biểu thức trên ta nhận thấy một trong những phương pháp tăng công suất cho động

cơ là tăng hệ số nạp  v Do đó hệ thống thay đổi chiều dài đường ống nạp ACIS

(Acoustic Control Induction System ) và hệ thống đường ống nạp thay đổi T-VIS (Toyota Variable Induction System ) được nghiên cứu và ra đời

Hình 1 : Đồ thị mô men động cơ

III.1 Khái quát về hệ thống thay đổi chiều dài đường ống nạp ACIS

Hệ thống ACIS thay đổi chiều dài ống góp nạp của động cơ dựa trên sự thay đổi về tốc

độ động cơ và độ mở bướm ga Ở từng chế độ hoạt động của động cơ, thể tích khí nạp được tăng lên do đó hiệu suất nạp, công suất động cơ tăng lên

III.1.1 Cấu trúc của hệ thống ACIS:

Hình 2 : Sơ đồ cấu trúc hệ thống ACIS

Hệ thống ACIS bao gồm các bộ phận chính như sau:

- Bộ chấp hành (bầu chân không)

- Van điều khiển chân không (VSV)

- Bình chân không

III.1.1.1 Van điều khiển khí nạp:

Hình 3 : Van điều khiển khí nạp

Van điều khiển khí nạp được bố trí bên trong buồng nạp, khi van mở hoặc đóng sẽ làm thay đổi chiều dài có ích của đường ống nạp

III.1.1.3 Van điều khiển chân không (VSV):

VSV dùng để điểu khiển độ chân không cung cấp đến bộ chấp hành để xoay van điều khiển không khí nạp đóng hoặc mở căn cứ vào tín hiệu điều khiển của ECU động cơ

Hình 5 : Van chân không VSV

III.1.1.4 Bình chân không:

Hình 6 : Bình chân không

Bình chân không dùng để lưu trữ độ chân không nhất định Chân không từ bình sẽ được cung cấp tới bộ chấp hành để xoay van điều khiển không khí nạp qua van VSV Bên trong bình có chứa 1 van 1 chiều ( Check Valve )

III.1.1.5 Cảm biến tốc độ động cơ:

Cảm biến tốc độ động cơ phát ra tín hiệu Ne gửi về ECU để nhận biết tốc độ động cơ

Có 3 loại cảm biến tốc độ động cơ:

- Loại đặt bên trong bộ chia điện

- Loại cảm biến vị trí cam

- Loại tách rời

III.1.1.6 Cảm biến vị trí bướm ga:

Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên cổ họng gió Cảm biến này chuyển hóa góc mở bướm ga thành một điện áp và gửi nó đến ECU như là một tín hiệu về góc mở bướm

ga Có 2 loại cảm biến vị trí bướm ga:

- Loại tiếp điểm

Hình 7 : Cảm biến vị trí bướm ga loại tiếp điểm

- Loại tuyến tính

Hình 8 : Cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính

III.1.1.7 ECU động cơ:

Hình 9 : ECU động cơ

ECU động cơ nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến tốc độ động cơ và tính toán đưa ra tín hiệu điện áp điều khiển van VSV

III.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống ACIS:

Các cảm biến vị trí bướm ga và tốc độ động cơ gửi tín hiệu về ECU ECU nhận biết được chế độ hoạt động của động cơ và so sánh những tín hiệu đó với tín hiệu chuẩn

Từ đó ECU đưa ra tín hiệu điện áp điều khiển van VSV đóng/mở, điều khiển độ chân không tới bộ chấp hành Bô chấp hành sẽ điều khiển đóng/mở van điều khiển khí nạp làm thay đổi chiều dài đường ống nạp

Chiều dài đường ống nạp thay đổi thích hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ làm tăng hiệu quả nạp, cải thiện moment, công suất động cơ

Hình 10 : Sơ đồ mạch nguyên lý

III.1.2.1 Hệ thống ACIS trên 1 số động cơ:

III.1.2.1.1 Hệ thống ACIS trên động cơ 3UZ-FE:

 Khái quát:

Hệ thống ACIS trên động cơ 3UZ-FE sử dụng một van điều khiển khí nạp để chia đường ống nạp thành 2 đoạn mà cho phép thay đổi chiều dài hiệu dụng của đườngống nạp phù hợp với tốc độ động cơ và góc mở bướm ga Chiều dài đường ống nạp trong

hệ thống ACIS này có thể thay đổi được 2 trạng thái

Hình 11: Sơ đồ hệ thống ACIS trên động cơ 3UZ-FE

Hình 12 : Van điều khiển khí nạp và bộ chấp hành

Hình 13: Van điều khiển chân không VSV

 Hoạt động:

Khi van điều khiển khí nạp đóng (VSV mở):

Khi ECU động cơ bật van VSV để phù hợp với chu kỳ hoạt động dài, chân không được cấp đến màng bộ chấp hành Nó đóng van điều khiển làm cho chiều dài hiệu dụng của đường ống nạp kéo dài, nâng cao hiệu quả nạp khí và công suất ở dải tốc độ thấp và trung bình do hiệu ứng dao động của không khí

Hình 14 : Hoạt động khi van điều khiển khí nạp VSV mở

Khi van điều khiển khí nạp mở (VSV đóng):

Khi ECU động cơ tắt van VSV để phù hợp với chu kỳ dao động ngắn, áp suất khí quyển được cấp đến màng bộ chấp hành, mở van điều khiển khí nạp Khi đó chiều dài hiệu dụng của đường ống nạp được rút ngắn lại, tạo ra hiệu quả nạp tối đa để tăng công suất ở dải tốc độ cao

Hình 15 : Hoạt động khi van điều khiển khí nạp VSV đ óng

III.1.2.1.2 Hệ thống ACIS trên động cơ 1MZ -FE:

Hình 16 : Hệ thống ACIS trên động cơ 1MZ-FE

Hệ thống này có 3 trạng thái thay đổi chiều dài, sử dụng 2 van VSV và 3 van điều khiển khí nạp

Hình 17 : Cấu trúc hệ thống ACIS trên động cơ 1MZ-FE

III.1.2.1.2.1 Tải lớn - tốc độ chậm:

Ở tốc độ chậm và tải lớn, ECU điều khiển VSV mở để cung cấp độ chân không đến màng van điều khiển không khí nạp, làm van điều khiển đóng Chiều dài có ích của đường ống nạp gia tăng và cải thiện được hiệu suất nạp từ tốc độ chậm đến tốc độ trung bình nên làm gia tăng công suất của động cơ

Hình 18 : Tải lớn - tốc độ chậm

III.1.2.1.2.2 Tải lớn - tốc độ trung bình:

ECU cung cấp bề rộng xung đến VSV ngắn sẽ làm cho VSV đóng Điều này sẽ làm cho không khí từ môi trường được cung cấp đến màng van điều khiển làm cho van này

mở làm cho chiều dài của buồng nạp khí ngắn hơn Diện tích nạp của buồng nạp được

III.1.2.1.3 Hệ thống ACIS trên động cơ 3VZ-FE, 7M-GE:

Hình 21 : Cấu trúc hệ thống ACIS trên động cơ 3VZ-FE, 7M-GE

Hình 22 :Hệ thống ACIS trên động cơ 7M – GE

Hình 23 :Hệ thống ACIS trên động cơ 3VZ – FE

III.1.2.1.4 Hệ thống ACIS trên động cơ 2JZ-FE:

Hình 24 :Hệ thống ACIS trên động 2JZ – FE

III.2 Khái quát về hệ thống đường ống nạp thay đổi T-VIS

( Toyota Variable Induction System)

Hình 25 : Sơ đồ hệ thống T-VIS

Hệ thống đường ống nạp thay đổi T-VIS dựa vào tín hiệu tốc độ động cơ để điều khiển tiết diện đường ống nạp qua các cơ cấu chấp hành Hệ thống T-VIS bao gồm các bộ phận chính:

Khi động cơ ở tốc độ thấp thì khí nạp đi vào động cơ qua đường chính Lúc này van điều khiển khí nạp đóng lại, khí nạp được nạp với vận tốc cao do đường ống nạp dài và hẹp

Van khí nạp được mở ra khi thỏa điều kiện vể tốc độ động cơ để có thể cung cấp đủ lượng khí nạp cho động cơ ở tốc độ cao Vì vậy hệ số nạp được gia tăng ở tốc độ thấp

và tốc độ cao

Hình 26 : Sơ đồ vị trí các bộ phận của hệ thống T-VIS

Hình 27 : Sơ đồ vị trí các bộ phận của hệ thống T-VIS

III.2.1 Van chân không ( VSV):

Có 2 loại van chân không được sử dụng trong hệ thống T-VIS

III.2.1.1VSV loại thường đóng:

Loại này được sử dụng trên động cơ 3S-GE, chân không đi qua VSV tới bộ chấp hành ( bầu chân không ) khi ECU không cấp điện áp

+ Tốc độ động cơ thấp: ECU không cấp điện áp đến VSV, van điều khiển khí nạp đóng lại

+ Tốc độ động cơ cao: ECU cấp điện áp (điện áp bình) cho VSV khóa chân không đến bộ chấp hành, van điều khiển khí nạp mở ra

Hình 28 :Van VSV loại thường đóng

III.2.1.2 VSV loại thường mở:

Được sử dung trên động cơ 3S-GTE, 4A-GZE, 4A- GE Chân không đi qua VSV đến bộ chấp hành khi ECU cấp điện áp cho VSV

+ Tốc độ động cơ thấp: VSV được ECU cấp điện áp cho phép chân không dến bộ chấp hành và giữ van điều khiển khí nạp đóng

+ Tốc độ động cơ cao: ECU không cấp điện áp cho VSV do đó không có chân không đến bộ chấp hành, van điều khiển khí nạp mở ra

Hình 29 : Van VSV loại thường mở

Hình 30 : Sơ đồ mạch điện hệ thống T-VIS

III.3 Nhận xét

III.3.1 Sự giống nhau giữa hệ thống ACIS và T-VIS:

- Đường ống nạp được điều khiển thay đổi phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ

- Tăng công suất cho động cơ

- Sử dụng những cơ cấu điều khiển và cơ cấu chấp hành giống nhau

- Sử dụng tín hiệu tốc độ động cơ để điều khiển

III.3.2 Sự khác nhau giữa hệ thống ACIS và T-VIS:

- Hệ thống ACIS sử dụng tín hiệu tốc độ động cơ và góc mở bướm ga để điều khiển

sự thay đổi chiều dài hiệu dụng của đường ống nạp

- Hệ thống T-VIS chỉ sử dụng tín hiệu tốc độ động cơ để điều khiển sự thay đổi tiết diện của đường ống nạp

III.4 Ý tưởng thiết kế:

Chế tạo ra mô hình hoạt động của hệ thống ACIS trên động cơ 1UZ- FE, 3UZ-FE và T-VIS

Sử dụng:

+ Đường ống nạp chế tạo bộ van điều khiển khí và ống góp nạp của hệ thống ACIS

+ Bộ van điều khiển và đường ống nạp của hệ thống T-VIS

+ Cảm biến tốc độ động cơ loại điện từ 24 răng nằm trong bộ chia điện

+ Van điều khiển chân không VSV

+ Bộ chấp hành (màng chân không)

+ Một motor điện để quay bộ chia điện tạo tín hiệu tốc độ động cơ

+ Hai motor điện để quay van điều khiển khí nạp của hai hệ thống ACIS và T-VIS

+ Một cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính được gắn trên họng ga

+ Một mạch điện tử lấy tín hiệu từ cảm biến tốc độ động cơ và cảm biến vị trí bướm

ga, so sánh với một giá trị chuẩn Từ đó gửi tín hiệu điều khiển đến 2 motor làm quay van điều khiển khí nạp

+ Hai bộ hiển thị led 7 đoạn dung hiển thị giá trị % góc mở bướm ga và tốc độ động

Hình 31: Sơ đồ bố trí thiết bị trên mô hình

III.5 Thiết kế và chế tạo mô hình

III.5.1 Cảm biến tốc độ động cơ:

- Sử dụng cảm biến điện từ loại 24 răng

- Nguyên lý hoạt động:

Tín hiệu tốc độ động cơ ( Ne ) được sinh ra trong cuộn dây nhận tín hiệu nhờ rôto tín hiệu 24 răng Nó kích hoạt cuộn nhận tín hiệu Ne 24 lần trong một vòng quay của trục

bộ chia điện, tạo ra tín hiệu dạng sóng như hình vẽ Từ những tín hiệu này, ECU động

cơ nhận biết được tốc độ động cơ cũng như từng thay đổi 30° một của góc quay trục

Hình 32 : Cảm biến tốc độ động cơ kiểu điện từ 24 răng

III.5.2 Sử dụng cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính :

Hình 32 : Cảm biến vị trí bướm ga

- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính bao gồm hai tiếp điểm trượt ( tại mỗi đầu của

nó có lắp các tiếp điểm để tạo tín hiệu IDL và VTA )

Một điện áp không đổi 5V được cấp cho cực VC từ ECU động cơ Khi tiếp điểm trượt giá trị điện trở thay đổi tương ứng với góc mở của bướm ga, một điện áp được cấp đến cực VTA tỷ lệ với góc mở này

Khi bướm ga đóng hoàn toàn, tiếp điểm cho tín hiệu IDL nối cực IDL và E2 Tín hiệu

ra VTA và IDL như hình vẽ

Hình 34 : Cấu tạo cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính

Hình 35 : Sơ đồ mạch điện của cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính

Hình 36 : Đặc tuyến của cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính

III.5.3 Led 7 đoạn

Led 7 đoạn được sử dụng để hiển thị các thông số tốc độ động cơ và vị trí bướm ga

Hình 37 : Led 7 đoạn

Hình 38 : Sơ đồ mạch điện của Led 7 đoạn

III.5.4 Nguyên lý mạch điều khiển:

Mạch điều khiển hệ thống TVIS-ACIS

Mạch điều khiển tự thiết kế để mô phỏng hoạt động theo nguyên lý của hệ thống thực

 Các thành phần chính của mạch điều khiển:

-Vi điều khiển ATmega16 dùng dao động thạch anh ngoài ở tần số 12Mhz

-Transitor công suất để dẫn động các động cơ : Mosfet IRF530, điện áp điểu khiển cực cổng (Gate) 0V-5V

-Mạch hiển thị phần trăm góc mở bướm ga và tốc độ động cơ dùng Led 7 đoạn loại

lớn

III.5.4.1 Khối xử lý trung tâm:

III.5.4.2 Khối cấp nguồn cho vi điều khiền và các cảm biến:

III.5.4.3 Khối điều khiển hiển thị:

III.5.4.4 Khối điều khiển động cơ:

III.5.4.5 Khối nhận tốc độ từ cảm biến tốc độ động cơ (Ne):

III.5.4.6 Khối giao tiếp các ngõ ra vào :

III.5.4.7 Sơ đồ bố trí linh kiện:

Hình 39 : Sơ đồ bố trí linh kiện

III.6 Hướng dẫn sử dụng mô hình:

III.6.1 Nguyên lý điều khiển:

Nhận tín hiệu từ cảm biến điểu khiển tốc độ delco

Chuyển tín hiệu từ cảm biến điểu khiển tốc độ delco cho bộ điều xung Timer1 điều khiển tốc độ

Hiển thị ra Led 7 đoạn

Xét kiện kích hoạt van VSV Kích hoạt van

III.6.2 Hướng dẫn sử dụng mô hình:

BƯỚC 1: Cấp nguồn điện một chiều 12V cho hệ thống thông qua hai kẹp accu

BƯỚC 2: Bật công tắc nguồn sang vị trí “ON”

BƯỚC 3: Sau khi bật công tắc nguồn đèn báo nguồn sẽ sáng (màu xanh) trên mạch

điều khiển

Hệ thống sẽ tiến hành test lần lượt các đèn led Sau khi test xong các đèn led, các đèn đồng loạt sáng và hiện số “0”

BƯỚC 4: Lúc này hệ thống đã sẵn sàng hoạt động và hệ thống mô phỏng ngẫu nhiên

ban đầu là hệ thống T-VIS Lúc này ta sẽ thấy đèn báo hệ thống TVIS sẽ sáng trên mô hình

BƯỚC 5: Để thực hiện mô phỏng tốc độ động cơ ta vặn nút điều khiển “Engine

speed” trên mô hình và ta sẽ thấy tốc độ động cơ tăng dần trên trên led 7 đoạn

BƯỚC 6: Để thực hiện mô phỏng góc mở bướm ga ta đạp pedan bướm ga trên mô

hình và sẽ thấy góc mở bướm ga thay đổi từ 1% - 99% ở led 7 đoạn

BƯỚC 7: Ta quan sát sự hoạt động của hệ thống Khi điều kiện về góc mở bướm ga

và tốc độ động cơ thỏa mãn điều kiện trong lý thuyết điều khiển ta sẽ thấy các đồng xu trên đường nạp của hệ thống đóng hoặc mở

IV Kết quả đạt được:

Hình 40 : Mô hình hệ thống ACIS - TVIS

IV.1 Tính khoa học:

Công tắc nguồn

Engine Speed control