nghiên cứu, chế tạo mô hình điều khiển động cơ mercedes phục vụ cho công tác giảng dạy thực tập

Mục tiêu đề tài:  Nghiên cứu, chế tạo ra mô hình điều khiển động cơ Mercedes, tạo điều kiện cho sinh viên quan sát, khảo nghiệm các thông số của hệ thống điều khiển động cơ với mô hình

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MERCEDES PHỤC VỤ CHO CÔNG TÁC GIẢNG DẠY THỰC TẬP

MÃ SỐ: T45 - 2008

Tp Hồ Chí Minh, 2009

S 0 9

S KC 0 0 2 1 4 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

-

ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MERCEDES PHỤC VỤ CHO CÔNG TÁC GIẢNG DẠY THỰC TẬP

MÃ SỐ: T45 - 2008

THUỘC NHÓM NGÀNH: KHOA HỌC KỸ THUẬT

NGƯỜI CHỦ TRÌ : ThS NGUYỄN VĂN LONG GIANG

ĐƠN VỊ : KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TP HỒ CHÍ MINH – 01/2009

CHƯƠNG I

DẪN NHẬP

I Mở đầu

Ngày nay, đất nước ta đang trong quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá, hội

nhập phát triển Cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học tiên tiến

trên thế giới, các ngành khoa học của nước ta trong những năm gần đây cũng có những

bước phát triển vượt bậc, gặt hái được nhiều thành tựu to lớn, có nhiều công trình khoa

học được cả thế giới biết đến Đội ngũ các nhà khoa học không ngừng phát triển cả về

số lượng và chất lượng, nhiều công trình nghiên cứu của họ được áp dụng vào trong

sản suất thực tế đã và đang góp phần không nhỏ vào sự phát triển kinh tế của nước

nhà

Do quá trình phát triển hội nhập với thế giới, trong suốt gần hai thập niên trở lại

đây, các thành tựu khoa học tiến bộ trên thế giới đã liên tục được du nhập vào Việt

Nam Thêm vào đó, sự gia tăng đầu tư của các tập đoàn kinh tế thế giới vào nước ta

cũng đã đem theo nhiều thành tựu kỹ thuật mới, giúp nền sản xuất của nước nhà không

ngừng được nâng cao và mở rộng

Muốn đất nước phát triển nhanh chóng và phát triển vững chắc trong xu thế phát

triển ngày nay thì nhân tố con người phải được đặt lên hàng đầu Con người mới phải

tiếp thu kịp những thành tựu khoa học tiên tiến trên thế giới, phải có năng lực và tay

nghề tốt trong sản xuất Phải có đạo đức tốt và một tư tưởng chính trị vững chắc Phải

có tác phong và phong cách làm việc chuyên nghiệp Có được như vậy thì công cuộc

công nghiệp hoá của đất nước mới thành công Phát triển nhanh chóng để “đi tắt, đón

đầu”, trở thành quốc gia giàu mạnh trên thế giới

Để đáp ứng được nhu cầu về con người trong thời đại mới thì nền giáo dục của

đất nước giữ vai trò trung tâm, quan trọng nhất Giáo dục phải đào tạo ra những người

thợ giỏi, vững vàng về chuyên môn nghề nghiệp, có tay nghề cao, đáp ứng được yêu

cầu của thị trường Phải đào tạo ra những nhà khoa học giỏi, để bắt kịp phát triển của

nền khoa học tiên tiến thế giới Thực tế trong nhiều năm trở lại đây, nước ta đã không

ngừng đầu tư cho giáo dục Đội ngũ các thầy cô giáo giỏi về chuyên ngành, vững vàng

về chuyên môn, nghiệp vụ đã phát triển nhanh chóng Bên cạnh đó, các tài liệu giáo

khoa dạy nghề, các phương tiện kỹ thuật dạy nghề mới cũng được đầu tư phát triển

không ngừng Đáp ứng kịp nhu cầu học tập của học sinh - sinh viên

Với mong muốn được đóng góp chút công sức trong lĩnh vực giáo dục đào tạo

các kỹ sư, công nhân lành nghề cho sự nghiệp chung của đất nước Tôi thực hiện đề

tài: “Nghiên cứu, chế tạo mô hình điều khiển động cơ Mercedes phục vụ cho công

tác giảng dạy thực tập.” Góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy và hình thành các

kỹ năng cho sinh viên chuyên ngành cơ khí động lực

II Mục tiêu đề tài:

 Nghiên cứu, chế tạo ra mô hình điều khiển động cơ Mercedes, tạo điều kiện cho

sinh viên quan sát, khảo nghiệm các thông số của hệ thống điều khiển động cơ

với mô hình một cách trực quan, biết được hình dạng và vị trí các chi tiết lắp

đặt trên hệ thống phun xăng

 Giúp sinh viên có thể kiểm tra các tín hiệu đầu vào cũng như những thong số

đầu ra của hệ thống phun xăng trên động cơ thông qua bảng giắc

III Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu lý thuyết hệ thống điều khiển động cơ của hang Mercedes

 Tham khảo các mô hình giảng dạy hiện có tại Khoa Cơ khí Động lực để cải tiến

mô hình cho phù hợp hơn

 Thực nghiệm mô hình phục vụ cho giảng dạy

CHÖÔNG II

GIỚI THIỆU MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ MERCEDES C220

I Mô hình động cơ Mercedes C220

Hình 1: Mô hình động cơ Mercedes phục vụ giảng dạy thực tập

Mô hình sử dụng động cơ Mercedes-Benz C220 (thị trường Bắc Mỹ) đời 1996

Động cơ sử dụng hệ thống phun xăng đa điểm và phun theo thứ tự công tác kết

hợp với hệ thống đánh lửa không sử dụng bộ chia điện (Bo6bin đội)

Các cảm biến được sử dụng:

 Cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt

 Cảm biến vị trí trục khuỷu loại điện từ

 Cảm biến vị trí trục cam loại Hall

 Cảm biến vị trí cánh bướm ga

 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

 Cảm biến nhiệt độ không khí nạp

 Cảm biến kích nổ

 Cảm biến Oxy

Các chức năng điều khiển của động cơ

 Điều khiển phun nhiên liệu

 Điều khiển đánh lửa

 Điều khiển tốc độ cầm chừng

 Điều khiển van luân hồi khí xả

 Điều khiển rơ le bơm nhiên liệu

 Điều khiển cam thông minh

 Điều khiển nung nóng cảm biến Oxy

II Bố trí sơ đồ chân ECU động cơ

Hình 2: Bố trí sa bàn của mô hình

Trên sa bàn gồm có:

 Bảng giắc các chân ECU

 Relay chính, relay bơm, relay quạt

 Công tắc máy

 Các đèn báo ( Check engine, Charge, Oil)

ECU được gắn trên khung giá đỡ động cơ

 Các cơ cấu khác:

1 Khung gá đỡ động cơ

2 Accu

3 Thùng xăng và bơm xăng

4 Đường nhiên liệu

Đặc biệt, trên mô hình có bố trí một bảng giắc được đấu với các chân của hộp

điều khiển động cơ (ECU) để thuận tiện cho việc đo đạc, kiểm tra của người sử dụng

III Sơ đồ mạch điện điều khiển động cơ và ký hiệu các chân ECU

1 Sơ đồ mạch điện điều khiển động cơ

2

2 1 4 1 3 5

7 6 2

2 1 2 1 2 1

2 1 1 1 1

1 5 3 2 4 6

3 1

2

2 3 1

1 2 3

F24 F25 15A15

1.29

1.43 1.8

1.18 1.19

1.32 1.33

1.30 1.34 1.35 2.37

2.36 2.28 2.26 2.18 2.6

2.39 2.7 2.4 2.5 2.27 2.30 2.29

2.9

2.21

2.2

2.12 2.24 2.23

R

B

GrB G

80A

10A 10A

K2 K1

K3

33 32

22 21

44 43

30

31 19

20 41 42

8 9

CB tốc độ xe Van đốt hơi xăng

Đồng hồ tốc độ

28 27

17 16

39 38

25 36 26

15 37

23 34

24 35

1 2 5ù

33 22 11

19 20 31 30

9 8

4 3

44

37 38 39

36

42 41 43

2.19 2.8

Cb vị trí trục cam

1.40 1.41

2.27

2 Ký hiệu các chân ECU

a Engine side

Kí hiệu Tên gọi các chân

1 Điều khiển cam thông minh

2 Kim phun 4

3 Không sử dụng

4 Nguồn cấp motor ISC

5 Tín hiệu cảm biến đo gió

6 Mass van ISC

17 Nguồn cấp cảm biến đo gió

18 Nguồn cấp van ISC (5V)

19 Mass cảm biến vị trí trục cam

20 Không sử dụng

21 Bobin máy số 2 và số 3

22 Mass ECU

23 Kim phun1

24 Kim phun 2

25 Van EGR

26 Mass motor ISC

27 Mass cảm biến đo gió

28 Mass cảm biến nhiệt độ nước

29 Mass cảm biến trục khuỷu

30 Tín hiệu cảm biến trục khuỷu

36 Tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước

37 Tín hiệu cảm biến nhiệt độ khí nạp

3 Không sử dụng

4 Công tắc đèn phanh

5 Không sử dụng

6 Không sử dụng

7 Điều khiển quạt nước làm mát

8 Tín hiệu cảm biến tốc độ xe từ hệ thống phanh ABS

18 Tín hiệu tốc độ động cơ đến Tap lô

19 Giắc chuẩn đoán

20 Công tắc khởi động trung gian

29 Điều khiển rơ le bơm

CHƯƠNG III

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

I Tổng quát hệ thống điều khiển động cơ Mercedes C220

Hình 3: Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ Mercedes C220

1 Nguồn Accu và nguồn cung cấp

Thời gian phun nhiên liệu phụ thuộc vào điện áp trên xe Để cân bằng thời gian

phun nhiên liệu dưới sự thay đổi điện áp trên xe, ECM điều khiển thời gian phun nhiên

liệu là điều cần thiết Nếu điện áp quá cao, thời gian phun nhiên liệu sẽ ngắn lại Nếu

điện áp quá thấp thì thời gian phun nhiên liệu sẽ được kéo dài ra

2 Điều khiển Cam

Sự điều chỉnh cam nạp thực hiện trên cam truyền động và 1 phần cánh bướm ga

Với tốc độ động cơ đạt 1200 vòng/ phút, thời điểm cam nạp được giảm đi Khi tốc độ

động cơ từ 1200 đến 4300 vòng/ phút, thời điểm cam nạp sẽ sớm hơn Khi tốc độ động

cơ lớn hơn 4300 vòng/ phút, thời điểm cam nạp được giảm lại

3 Giới hạn tốc độ động cơ

Để bảo vệ động cơ, bộ chuyển đổi mô men quay và hệ thống truyền lực, ECM sẽ

giới hạn tốc độ động cơ dưới điều kiện hoạt động cho phép Tốc độ động cơ được giới

hạn khi hỗn hợp hòa khí nghèo hoặc sự phun nhiên liệu dừng lại và đánh lửa trễ đi

Bộ chuyển đổi mô men được bảo vệ khi tay số ở vị trí P hay N bởi vì bộ chuyển

đổi mô men dễ bị hư hỏng khi tăng áp suất bên trong Khi tay số ở vị trí số P hay N với

tốc độ xe lớn hơn 3 dặm/ giờ, tốc độ động cơ đạt tới 4000 vòng/ phút

Hệ thống truyền lực được bảo vệ khi tăng tốc đột ngột Trong quá trình tăng tốc,

tốc độ động cơ giới hạn đến 3500 vòng/ phút trong 1 giây khi gài số và tốc độ xe thấp

hơn 18 dặm/ giờ

Để bảo vệ động cơ khỏi hư hỏng, xy lanh thứ 2 theo thứ tự cháy sẽ được tắt khi tốc

độ động cơ lớn hơn 6200 vòng/ phút Tất cả xy lanh sẽ tắt khi tốc độ động cơ lớn hơn

6350 vòng/ phút Sau khi tất cả xy lanh động cơ được tắt và tốc độ giảm thấp hơn 6325

vòng/ phút thì xy lanh thứ 2 theo thứ tự cháy sẽ được bật lại Tất cả xy lanh sẽ được

cháy lại khi tốc độ động cơ thấp hơn 6200 vòng/ phút

4 Hệ thống đánh lửa trợ giúp với sự điều khiển tốc độ cầm chừng

Nếu một sự thay đổi tốc độ cầm chừng xảy ra, thì thời điểm đánh lửa sẽ được thay

đổi theo sự điều khiển tốc độ cầm chừng Thời điểm đánh lửa có thể sớm hay trễ trong

khoảng 8 độ

5 Giảm rung động bướm ga

Khi bướm ga bị nhả đột ngột với góc mở bướm ga lớn hơn 8 độ, bướm ga đóng dần

dần trong khoảng tốc độ cầm chừng ECM sử dụng tín hiệu tốc độ động cơ, tín hiệu

nhiệt độ nước làm mát, tín hiệu vị trí bướm ga, và tín hiệu tốc độ xe để điều khiển

giảm rung động bướm ga

6 Mô men quay vòng

Khi cánh bướm ga mở hoàn toàn, ECM giảm mô men động cơ bằng cách thay đổi

thời điểm đánh lửa ECM thay đổi thời điểm đánh lửa khi tốc độ xe nhỏ hơn 75 dặm/

giờ, tốc độ động cơ lớn hơn 3400 vòng/ phút, bướm ga mở hoàn toàn được nhận biết,

và độ cao thấp hơn 5250 fit so với mặt nước biển

7 Sự nhận biết hộp số quá tải

Sự bảo vệ hộp số quá tải là một công tắc áp suất dầu thủy lực được kết nối với

mạch hoạt động áp suất của phanh dãy B1 Công tắc chức năng phụ thuộc vào áp suất

hoạt động B1 ECM dùng sự nhận biết quá tải hộp số để bảo vệ hộp số không bị quá

tải

8 Dải tín hiệu hộp số

Dải tín hiệu hộp số được gởi từ bộ điều khiển bướm ga bằng điện tử hay bộ điều

khiển bướm ga/ tốc độ cầm chừng Dải tín hiệu hộp số được gởi từ bộ tương ứng thông

qua hệ thống CAN đến ECM ECM dùng dải tín hiệu hộp số để điều khiển sự phun

nhiên liệu sau đó bắt đầu giàu nhiên liệu, bộ xúc tác ấm lên, trì hoãn 2-3, điều chỉnh

trục cam, và giới hạn tốc độ động cơ

9 Sự trì hoãn hộp số

Để bộ xúc tác đạt đến nhiệt độ làm việc nhanh chóng hơn, bướm ga đóng và một

phần tải được đóng và được trì hoãn tối đa 150 giây sau khi động cơ khởi động và

nhiệt độ nước ở 40 – 212 0F gây ra để xảy ra tại tốc độ động cơ cao hơn Bướm ga

đóng 3-4 được trì hoãn lên đến 34 dặm/ giờ

ECM trì hoãn bởi sự điều khiển trì hoãn van luân hồi và bộ chân không ECM dùng

tín hiệu nhiệt độ nước làm mát, tín hiệu tốc độ xe, tín hiệu dải hộp số, và thời gian

chạy sau khi khởi động để điều khiển trì hoãn

II Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ Mercedes C220



Hình 4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ Mercedes C220

Hệ thống điều khiển động cơ bao gồm các cảm biến tín hiệu, ECM và các cơ cấu

chấp hành Các cảm biến được bố trí xung quanh để xác định tình trạng làm việc của

động cơ Tín hiệu từ các cảm biến được ECU tiếp nhận và nó sẽ tính toán để điều

khiển các cơ cấu chấp hành hoạt động sao cho động cơ làm việc là tối ưu nhất

Hệ thống điều khiển động cơ bao gồm:

 Tín hiệu đầu vào (các cảm biến)

 ECM điều khiển

 Các cơ cấu chấp hành

III Các cảm biến:

1 Cảm biến đo gió (kiểu dây nhiệt)

Bộ đo gió được sử dụng trên động cơ để nhận biết lượng khí nạp đi vào trong

xy lanh động cơ Nó là một trong những cảm biến quan trọng nhất Tín hiệu lượng đo

gió được sử dụng để tính toán lượng phun xăng cơ bản va góc đánh lửa sớm cơ bản

Bộ đo gió kiểu dây nhiệt có các ưu điểm sau:

 Phạm vi đo khối lượng không khí nạp từ tốc độ cầm chừng đến chế độ tải

lớn là rất rộng, đặc biệt là khi dùng turbo để tăng áp cho động cơ

 Đặc tính làm việc không phụ thuộc vào sự hoạt động của xe ở vùng cao hay

vùng thấp

 Trọng lượng bé, kích thước nhỏ gọn

 Không sử dụng cơ cấu cơ khí nên nó có độ nhạy rất cao

 Đo trực tiếp khối lượng không khí nạp

 Sức cản dòng khí qua bộ đo gió nhỏ hơn kiểu van trượt

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Bộ đo gió dây nhiệt được đặt trên đường ống nạp phía trước cánh bướm ga

Hình 5: dạng bộ đo gió dây nhiệt

Nó có cấu tạo gồm một nhiệt điện trở (Thermistor), dây nhiệt bằng platin

(Platinum Hot Wire) đặt trên đường di chuyển của không khí và mạch điều khiển điện

tử Nhiệt điện trở dùng để kiểm tra nhiệt độ không khí nạp vào bộ đo gió

Hình 6: Sơ đồ mạch điện nguyên lý của bộ đo gió dây nhiệt

Dây nhiệt và nhiệt điện trở được bố trí trên đường di chuyển của không khí

Nếu lượng không khí nạp qua dây nhiệt càng nhiều, thì lượng nhiệt mang đi càng lớn

và nó càng nguội đi

Khi nhiệt độ của dây platin được giữ ở một giá trị không đổi, có mối quan hệ

giữa lượng không khí nạp và cường độ dòng điện qua dây nhiệt để duy trì nhiệt độ của

dây nhiệt

Trong thực tế, dây nhiệt được mắc trong một mạch cầu và điện thế tại điểm A

và B bằng nhau Do vậy, khi dây nhiệt bị làm nguội bởi không khí nạp thì điện trở của

nó giảm, nên điện áp tại điểm A cũng giảm theo và làm cho bộ khuếch đại hoạt động,

transistor mở để cho dòng điện vào mạch điện và dòng điện qua dây nhiệt tăng → điện

trở dây nhiệt tăng cho đến khi điện thế tại điểm A bằng điểm B

Hình 7: Tín hiệu điện áp ra của bộ đo gió dây nhiệt

Bằng cách sử dụng tính năng của mạch cầu, lượng không khí nạp có thể xác

định bằng cách đo điện áp tại điểm B Trong thiết kế, nhiệt độ dây nhiệt được duy trì

cao hơn nhiệt độ của khí nạp ở một mức không đổi, khi độ chênh lệch nhiệt độ càng

cao thì cảm biến càng nhạy

Trong quá trình làm việc nếu nhiệt độ không khí nạp tăng một đại lượng là T

thì nhiệt độ dây nhiệt cũng gia tăng một đại lượng tương ứng, để giải quyết vấn đề này

bằng cách người ta lắp một điện trở nhiệt ở nhánh khác của cầu Do vậy trong hệ thống

không cần có cảm biến nhiệt độ không khí nạp để hiệu chỉnh lưu lượng phun

Khi xe chạy ở độ cao, mật độ không khí nạp giảm, khả năng làm nguội dây

nhiệt cũng kém theo, nên không cần phải hiệu chỉnh phun theo độ cao của xe đang

hoạt động

2 Cảm biến vị trí trục khuỷu

Hình 8: Vị trí của cảm biến vị trí trục khuỷu

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cảm biến vị trí trục khuỷu là loại cảm biến điện từ, nó được bố trí bên hông của

thân máy gần phía hộp số Cảm biến vị trí trục khuỷu bao gồm một nam châm vĩnh

cửu, một cuộn dây tín hiệu quấn quanh một lõi sắt non và một rotor tín hiệu, rotor này

quay cùng với trục khuỷu Trên rotor này có 58 răng và có 2 răng khuyết, 2 răng

khuyết này được dùng để xác định xilanh số 1 Vì thế, với mỗi vòng quay của rotor tín

hiệu cung cấp từ trường cho cảm biến vị trí trục khuỷu dạng điện từ này tạo ra 58 tín

hiệu

Hình 9: Cấu tạo của cảm biến vị trí trục khuỷu

Khi trục khuỷu quay, rotor tín hiệu cũng quay cùng với trục khuỷu làm cho khe

hở không khí giữa cảm biến vị trí trục khuỷu và rotor thay đổi theo chu kỳ Sự thay đổi

này dẫn đến làm thay đổi từ trường do nam châm vĩnh cửu tạo ra Từ trường thay đổi

sẽ tạo nên một suất điện động cảm ứng xoay chiều trong cuộn dây tín hiệu Suất điện

động cảm ứng này có biên độ thấp khi số vòng quay của rotor tín hiệu thấp và ngược