nghiên cứu, đánh giá các phương pháp xác định tốc độ động cơ

Trong điều khiển động cơ, người ta dựa trên việc nhận tín hiệu gửi về từ các cảm biến như cảm biến điện từ, cảm biến Hall, cảm biến quang và đưa tín hiệu này vào bộ xử lý để xác định tố

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH TẤN NGỌC

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP

XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 605246

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2014

S K C0 0 4 4 8 6

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2014

ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

Trang 3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Trang 4

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Ngày, tháng, năm sinh: 16-06-1985 Nơi sinh: Quảng Ngãi

Quê quán: Tịnh Thọ - Sơn Tịnh - Quảng Ngãi Dân tộc: Kinh

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính Qui Thời gian đào tạo từ 9/2007 đến 1/2011

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh Ngành học:Cơ Khí Động Lực

Tên đề tài, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu xăng E5 sử dụng trên ô tô

Ngày & nơi bảo vệ đề tài, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 1/2011

Người hướng dẫn: GVC.ThS Đỗ Quốc Ấm

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

đảm nhiệm 1/2011 – 5/2011 Công Ty Thiết Kế Hệ Thống Lạnh TP.HCM Nhân viên 5/2011 – Nay Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Giảng viên

Trang 5

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014

Học viên thực hiện

Trang 6

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin cảm ơn Nhà trường, Khoa Cơ Khí Động Lực, Bộ môn động cơ và các thầy cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt khóa học cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho em thực hiện đề tài

Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng đã tận tình

hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Em cũng xin chân thành cảm ơn giảng viên phản biện và các thầy (cô) trong hội đồng bảo vệ luận án tốt nghiệp đã dành thời gian để đọc luận văn và đánh giá kết quả mà em đã hoàn thành trong suốt khoá học này

Cuối cùng là lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và bạn bè đã động viên khích lệ để em hoàn thành nhiệm vụ đề tài được giao

Trân trọng

TP Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2014 Học viên thực hiện

Đinh Tấn Ngọc

Trang 7

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Đề tài “Nghiên cứu, đánh giá một số phương pháp mới đo tốc độ động cơ” tìm hiểu mối liên hệ của tốc độ động cơ lên các tín hiệu thu được từ các cảm biến, hệ thống Cụ thể, ở đây người nghiên cứu quan tâm tới 3 tín hiệu: tín hiệu của cảm biến

đo áp suất tuyệt đối đường ống nạp của cảm biến MAP, tín hiệu cảm biến vị trí trục cam và tín hiệu từ điện áp ắc quy khi động cơ hoạt động Dựa vào các tín hiệu này

để xác định tốc độ động cơ So sánh độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tiển của các phương pháp đo sử dụng các tín hiệu trên

Phương án được đưa ra để giải quyết yêu cầu đề tài là dùng mạch điện tử để chuyển đổi tín hiệu gốc thành tín hiệu điện áp dạng xung, sau đó đưa vào vi điều khiển Vi điều khiển sẽ thực hiện các tính toán và hiển thị kết quả ra màn hình LCD

Kết quả cuối cùng đã hoàn thành thiết bị đo tốc độ động cơ dựa vào ba tín hiệu trên

Thực nghiệm kết quả đo cho thấy thiết bị đo cho kết quả với sai số khá nhỏ

và thể hiện được khả năng đáp ứng của từng tín hiệu

Trang 8

ABSTRACT

Thesis "Researching, evaluating some new methods to measure engine speed" presents the relationship between engine speed and signals which are obtained from sensors and system of engine Specifically, Researcher are only interested three signals: the signal of MAP sensor, signal from camshaft position sensor and the battery voltage when the engine is operating Based on these signals, engine speed has been calculated Comparison of accuracy and ability to apply of each method

which used to definate from these signals

To solve this problem, the researcher used electronic circuits to convert the

original signal into pulse signal and then send it to the microcontroller

Microcontroller will calculate and display results on LCD

The end, the researcher manufactured the measuring equipment based on three

signals: signal of the MAP sensor, signal camshaft position sensor, battery voltage

signal

Experimental results show that this equipment measures with small error

Trang 9

MỤC LỤC

Danh mục các hình x

Danh mục từ viết tắt xiii

Chương 1: TỔNG QUAN……….1

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước 1

1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1

1.1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 3

1.3 Mục đích của đề tài 3

1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 4

1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài 4

1.4.2 Giới hạn của đề tài 4

1.5 Phương pháp nghiên cứu 4

Chương 2: LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 5

2.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong 4 kỳ loại piston 5

2.2 Tầm quan trọng của giá trị tốc độ động cơ 7

2.2.1 Trong điều khiển động cơ 7

2.2.2 Trong việc kiểm tra, chẩn đoán 8

2.3 Các phương pháp đo tốc độ động cơ hiện nay trên ô tô ………8

2.3.1 Dùng cảm biến điện từ 8

2.3.2 Dùng cảm biến quang 9

2.3.3 Dùng cảm biến Hall 9

Chương 3: ÁP SUẤT CHÂN KHÔNG TRONG ĐƯỜNG ỐNG NẠP VÀ CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT TUYỆT ĐỐI TRÊN ĐƯỜNG ỐNG NẠP 11

3.1 Đặc điểm, kết cấu của hệ thống nạp trên động cơ đốt trong 11

3.1.1 Đặc điểm của hệ thống nạp 11

3.1.2 Kết cấu của hệ thống nạp trên động cơ xăng 11

3.1.3 Kết cấu của hệ thống nạp trên động cơ diesel 12

3.2 Đặc điểm của áp suất khí nạp trên đường nạp 14

Trang 10

3.2.1 Hiệu ứng dao động của áp suất trong quá trình thay đổi môi chất 14

3.2.2 Mối liên hệ giữa áp suất chân không trên đường ống nạp 15

3.3 Hiện tượng áp điện 15

3.3.1 Hiện tượng áp điện thuận 16

3.3.2 Hiện tượng áp điện nghịch 16

3.4 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến áp điện 16

3.4.1 Cấu tạo 17

3.4.2 Nguyên lý đo của cảm biến áp điện 18

3.4.3 Đôi nét về hệ thống L-Jetronic và D-Jetronic 20

3.5 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến MAP 20

3.5.1 Giới thiệu về cảm biến MAP 20

3.5.2 Cấu tạo của cảm biến MAP 21

3.5.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến MAP 21

3.5.4 Đặc tuyến hoạt động của cảm biến MAP 21

3.6 Đặc điểm của tín hiệu ra ở chân PIM của cảm biến MAP trong quá trình hoạt động của động cơ (Toyota) 22

3.6.1 Ở tốc độ cố định 23

3.6.2 Khi tăng giảm tốc độ 27

3.6.3 Mối liên hệ giữa tín hiệu ra ở chân PIM cảm biến MAP và tốc độ động cơ 27

Chương 4: HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN TRÊN Ô TÔ 28

4.1 Ắc quy 28

4.1.1 Nhiệm vụ của ắc quy trên ô tô 28

4.1.2 Các quá trình điện hóa của ắc quy chì axit 28

4.1.3 Đặc tuyến làm việc của ắc quy trên ô tô 29

4.2 Máy phát điện 30

4.2.1 Nhiệm vụ, yêu cầu của máy phát điện 30

4.2.2 Chế độ làm việc giữa accu - máy phát và sự phân bố tải 30

4.2.3 Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điện 33 4.3 Mối liên hệ giữa tốc độ động cơ và các tín hiệu điện áp đo được trong hệ thống cung cấp điện 39

4.3.1 Mối liên hệ giữa tốc độ động cơ và điện áp pha của máy phát 39

Trang 11

4.3.2 Mối liên hệ giữa tốc độ động cơ và điện áp máy phát sau chỉnh lưu 40

4.3.3 Mối liên hệ giữa tốc độ động cơ và điện áp 2 đầu ắc quy 40

Chương 5: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 42

5.1 Giới thiệu vi điều khiển AVR 42

5.1.1 AVR 42

5.1.2 ATmega 16 42

5.1.3 Ngắt ngoài AVR 43

5.1.4 Giao tiếp AVR và Text LCD 44

5.2 Sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế 45

5.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 45

5.2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 5V 46

5.2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu PIM, G và BATT (Toyota) 46

5.2.4 Sơ đồ mạch vi điều khiển ATMEGA 16 52

5.2.5 Sơ đồ mạch hiển thị LCD 53

5.3 Thuật toán xử lý 54

5.3.1 Thuật đoán tính tốc độ động cơ 54

5.3.2 Chương trình tính tốc độ tốc động cơ cho vi điều khiển 55

5.4 Chế tạo mạch đo 56

Chương 6: THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ ĐO TỐC ĐỘNG CƠ 58

6.1 Thiết bị 58

6.2 Qui trình đo 59

6.3 Kết quả đo 59

6.3.1 Tín hiệu sau khi được xử lý 59

6.3.2 Kết quả hiển thị LCD 63

6.4 Thiết bị đo tốc độ động cơ 67

6.5 Đánh giá, nhận xét 68

Chương 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70

7.1 Kết luận 70

7.2 Hướng phát triển của đề tài 70

Tài liệu tham khảo 71

Phụ lục 72

Trang 12

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ xăng 4 kỳ 5

Hình 2.2: Bản đồ góc đánh lửa sớm lý tưởng và góc ngậm điện 7

Hình 2.3: Vị trí thực tế của cảm biến điện từ trong bộ chia điện 9

Hình 2.4: Khi không chắn từ 10

Hình 2.5: Khi chắn từ 10

Hình 3.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống nạp thải 11

Hình 3.2: Sơ đồ đường nạp động cơ phun xăng điện tử dùng cảm biến MAP 12

Hình 3.3: Sơ đồ nạp thải của động cơ diesel tăng áp 13

Hình 3.4: Đồ thị công vùng thấp áp của quá trình thay đổi môi chất 14

Hình 3.5: Hiện tượng áp điện 16

Hình 3.6: Cảm biến kiểu áp điện 17

Hình 3.7: Cách bố trí cảm biến 20

Hình 3.8: Cấu tạo cảm biến MAP 21

Hình 3.9: Biến dạng màng silicon theo áp suất 21

Hình 3.10: Đặc tuyến hoạt động của cảm biến MAP 22

Hình 3.11: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP ở tốc độ cầm chừng 23

Hình 3.12:Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP và G ở 1.500 rpm 23

Hình 3.13: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP ở tốc độ 1.500 rpm 24

Hình 3.14: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP và G ở 2.500 rpm 24

Hình 3.23: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP ở 4.800 rpm 27

Hình 3.24: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP thay đổi theo tốc độ (Picoscope) 27

Hình 4.1: Chế độ phóng nạp của accu trên xe 30

Hình 4.2: Sơ đồ tính toán hệ thống cung cấp điện 31

Hình 4.3: Cấu tạo máy phát điện kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điện 33

Hình 4.4: Các bộ phận trong máy phát kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điện 33

Trang 13

Hình 4.5: Cấu tạo rotor 34

Hình 4.6: Bộ chỉnh lưu 6 diode 35

Hình 4.7: Hệ thống cung cấp điện với bộ chỉnh lưu 8 diode 35

Hình 4.8: Máy phát 3 pha mắc hình sao với bộ chỉnh lưu 6 diode với diode D4 và D5 dẫn 36

Hình 4.9: Diode D4 và D1 dẫn 37

Hình 4.10: Diode D1 và D6 dẫn 37

Hình 4.11 Điện áp pha các pha và điện áp sau khi đã chỉnh lưu 38

Hình 4.12 Tiết chế vi mạch và vị trí trên máy phát 38

Hình 4.13: Tiết chế loại D 39

Hình 4.14:Tiết chế loại M 39

Hình 4.15a: Mối liên hệ giữa điện áp ắc quy và tín hiệu đánh lửa IGT trên động cơ 5S-FE 40

Hình 4.15b: Mối liên hệ giữa điện áp ắc quy và tín hiệu đánh lửa IGT trên động cơ 1G-FE 41

Hình 5.1: Sơ đồ chân chip ATmega16 42

Hình 5.2: Thanh ghi MCUCR 44

Hình 5.4: Kết nối LCD và vi điều khiển ATmega 16 ở chế độ 4 bit 45

Hình 5.5: Sơ đồ mạch nguồn 12 V 45

Hình 5.6: Sơ đồ chân IC 7812 và IC 7912 46

Hình 5.7: Sơ đồ mạch nguồn 5 V 46

Hình 5.8: Mạch xử lý tín hiệu cảm biến MAP 47

Hình 5.9: Dạng tìn hiệu cảm biến MAP khi tăng giảm tốc 47

Hình 5.10: So sánh tín hiệu cảm biến MAP trước và sau mạch lọc thông thấp 49

Hình 5.11: Sơ đồ chân và cấu tạo bên trong IC 555 50

Hình 5.12: Tín hiệu sau khi qua mạch Trigger Smith dùng IC 555 51

Hình 5.13: Mạch xử lý tín hiệu cảm biến G 51

Hình 5.14: Tín hiệu cảm biến G 51

Hình 5.15: Mạch xử lý tín hiệu điện áp ắc quy 52

Hình 5.16: Mạch giao tiếp ATmega 16 53

Hình 5.17: Mạch hiển thị LCD 53

Hình 5.18: Sơ đồ khối thuật toán xử lý tín hiệu 55

Trang 14

ình 5.19: Mạch nguồn 12 V 56

Hình 5.20: Mạch nguồn 5 V và mạch điều khiển ATmega 16 56

Hình 5.21: Mạch xử lý tín hiệu cảm biến MAP, G và tín hiệu điện áp ắc quy 57

Hình 5.22: Mạch hiển thị LCD 57

Hình 6.1: Mô hình động cơ 5S-FE và 7A-FE 58

Hình 6.2: Kết nối mạch đo thử nghiệm 58

Hình 6.3: Máy đo Oscilloscope với 4 kênh đo 59

Hình 6.4: Đo thử nghiệm 59

Hình 6.5: Dạng xung của 3 tín hiệu trước khi xử lý 60

Hình 6.6: Dạng xung của 3 tín hiệu sau khi xử lý 60

Hình 6.7: Tín hiệu điện áp ắc quy trước và sau mạch xử lý ở 1000 rpm 61

Hình 6.8: Tín hiệu cảm biến MAP trước và sau mạch xử lý ở 1000 rpm 61

Hình 6.15: Kết quả đo ở tốc độ cầm chừng 63

Hình 6.16: Kết quả đo ở tốc độ 1000 rpm 63

Hình 6.24: Kết quả đáp ứng tốc độ khi tăng, giảm tốc 66

Hình 6.25: Đồ thị đáp ứng tốc độ của 3 phương pháp đo 67

Hình 6.26: Thiết bị tốc độ động cơ hoàn thiện 67

Hình 6.27: Đo và kiểm tra hoạt động của thiết bị 68

Trang 15

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADC: Analog-to-Digital Converter

MAP: Manifold Absolute Pressure

BATT: Battery

ECU: Electronic Control Unit

EFI: Electronic Fuel Injection

LED: Light emitting diode

Trang 16

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu

Tốc đô ̣ đô ̣ng cơ còn g ọi là tua máy hay tốc độ quay trục khuỷu là mô ̣t thông số rất quan trọng, nó chứa đựng nhiều thông tin phản ánh toàn diện tình trạng làm viê ̣c của đô ̣ng cơ như tính năng đ ộng học, động lực học, tính năng về kinh tế nhiên liệu Dựa vào tốc độ động cơ và thông qua hệ thống chẩn đoán người ta có thể biết được các chi tiết, cơ cấu bên trong động cơ có hoạt động bình thường hay không Vì thế viê ̣c xác đi ̣nh tốc đô ̣ đô ̣ng cơ mô ̣t cách nhanh chóng tức thời có mô ̣t ý nghĩa r ất quan tro ̣ng trong điều khiển cũng như trong viê ̣c kiểm tra bảo dưỡng và sửa chữa

Các phương pháp đ ể xác định tốc đô ̣ đô ̣ng cơ thư ờng được sử du ̣ng hi ện nay trên ô tô có độ bền và chính xác cao Trong điều khiển động cơ, người ta dựa trên việc nhận tín hiệu gửi về từ các cảm biến như cảm biến điện từ, cảm biến Hall, cảm biến quang và đưa tín hiệu này vào bộ xử lý để xác định tốc độ động cơ Bên cạnh

đó để hiển thị tốc độ lên đồng hồ Taplo, người ta dùng tín hiệu từ cực âm bobine hay chân Tach của Igniter Tuy cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các cảm biến là khác nhau nhưng có điểm chung là đều tính tốc độ động cơ dựa vào viê ̣c tính khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp hoă ̣c đếm số xung trong mô ̣t khoảng thời gian

Tuy nhiên, tốc độ động cơ cũng ảnh hưởng đến rất nhiều hoạt động của các hệ thống trên động cơ, gây ra sự biến đổi của các tín hiệu có tính quy luật theo tốc độ động cơ Do đó, còn có nhiều tín hiệu khác có thể dùng để tính ra tốc độ động cơ Người nghiên cứu dựa vào một vài tín hiệu có liên quan để xác định tốc độ động cơ

1.1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước

Nhận thấy tầm quan trọng của thông số tốc độ động cơ, do đó các nhà nghiên cứu luôn tìm mo ̣i cách để làm sao có thể đo được tốc đô ̣ đô ̣ng cơ mô ̣t cách nhanh chóng, chính xác nhưng vẫn tiện lợi trong việc đo Dưới đây là mô ̣t vài nghiên cứu chỉ ra cách xác định tốc độ động cơ theo các phương pháp mới

Trang 17

“A new method for measuring engine rotational speed based on the vibration and discrete spectrum correction technique” - Hinbin Lin và Kang Ding [1]

Bài viết của tác giả Hinbin Lin và Kang Ding công tác ta ̣i khoa Cơ khí và Kỹ thuâ ̣t ô tô thuô ̣c trường Đa ̣i ho ̣c Công nghê ̣ phía Nam Trung Quốc Nô ̣i dung bài viết cho thấy viê ̣c xác đi ̣nh tốc đô ̣ đô ̣ng cơ piston dựa trên sự rung đô ̣ng và kỹ thuật hiệu chỉnh phổ rời rạc Phương pháp đề xuất tính tốc độ động cơ từ tần số điều hòa nhỏ nhất của tín hiệu dao động và sử dụng kỹ thuật hiệu chỉnh phổ rời rạc để cải thiện độ chính xác của phép đo Kết quả thu được t ừ việc thử nghiệm trên băng thử và thử nghiệm trên động cơ thực Mỗi lần thử nghiệm với số xilanh khác nhau và phương pháp này cho thấy kết quả đ ạt được độ chính xác khá cao khi động cơ làm việc ở trạng thái ổn định và tốc độ nhỏ So với các phương pháp cơ bản khi xác định tốc độ động cơ thì phương pháp này sử dụng phần cứng khá đơn giản, dễ dàng cài đặt và thích hợp cho việc kiểm tra bảo dưỡng định kỳ ô tô

 “The new Measurement Algorithm of the Engine Speed Base on the Basic Frequency of Vibration Signal” - SONG Xiang, LI Xu và ZHANG Wei-gong [2]

Ở bài viết này tác giả SONG Xiang , LI Xu , ZHANG Wei-gong khoa Khoa học và Kỹ thuật thuộc Đại học Đông Nam , Nam Kinh , Trung Quốc trình bày tầm quan tro ̣ng trong viê ̣c xác đi ̣nh tốc đô ̣ đô ̣ng cơ nhanh chóng và chính xác có ý nghĩa rất lớn trong viê ̣c chẩn đoán các lỗi trên ô tô Bài viết cũng chỉ ra những thiếu sót và bất tiê ̣n của các phương pháp đo tốc đô ̣ đô ̣ng cơ truyền thống qua đó chỉ ra phương pháp đo mới dựa trên tần số rung cơ bản Thông qua phần mềm Lab VIEW để thu thâ ̣p dữ liê ̣u và ứng du ̣ng các phương pháp xử lý tín hiê ̣u như biến đổi wavelet , biến đổi Fourier thời gian ngắn từ đó tính được tính được tần số rung cơ bản , ưu điểm của phương pháp là các thuật toán có độ chính xác cao , ít tốn kém , đô ̣ bền cao , dễ thực hiê ̣n và tỉ lê ̣ lỗi của thuâ ̣t toán chỉ có 1%

 “Measurement of engine speed by the analysis of vibration” - Alastair J.Hotchkiss, Paul Smith, Barbara L and Jones [3]

Phương pháp đo tốc độ động cơ mới dựa trên tín hiệu thu được từ cảm biến gia tốc được gá trên thân động cơ là những gì Alastair J Hotchkiss, Paul Smith , Barbara L and Jones muốn trình bày trong bài viết này Phương pháp này có ưu điểm

Trang 18

là chi phí thấp, vừa có thể ứng dụng cho cả động cơ xăng và Diesel, dễ dàng gá đặt cảm biến, có thể đo t ốc độ động cơ từ cầm chừng 700 vòng/phút cho đ ến khoảng

5000 vòng/phút và điện năng tiêu thụ của mạch đo thấp

Trong trạm đăng kiểm hiện nay dùng phổ biến máy đo tốc độ động cơ AVL Dispeed và MAHA RPM VC2 để xác định tốc độ động cơ Đầu đo của máy thu nhận tín hiệu rung động hoặc tiếng ồn của động cơ để xác định tốc độ

Người nghiên cứu cũng đã nghiên cứu sự rung động của động cơ thu thập từ tín hiệu cảm biến kích nổ trên động cơ…

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Tốc đô ̣ đô ̣ng cơ là mô ̣t trong những thông số rất quan tro ̣ng trên ô tô Dựa vào tốc đô ̣ đô ̣ng cơ ECU sẽ điều khiển hoa ̣t đô ̣ng phun xăng và đánh lửa hợp lý đảm b ảo sao cho đô ̣ng cơ hoa ̣t đô ̣ng tối ưu nhất trong mo ̣i chế đô ̣ làm viê ̣c Trong chẩn đoán viê ̣c xác đi ̣nh nhanh chóng và chính xác tốc đô ̣ đô ̣ng cơ giúp cho công viê ̣c bảo

dưỡng sửa chữa được diễn ra nhanh chóng và thuâ ̣n lợi hơn

Hiện nay các cảm biến đo tốc độ động cơ trên ô tô bên cạnh các ưu điểm như

có độ chính xác và tuổi thọ cao song cũng tồn tại một vài nhược điểm như phải gia công các đĩa có xẽ rãnh yêu cầu đô ̣ chính xác cao , các biên dạng r ăng lồi hoă ̣c lõm

và các loại này phải được dẫn động trực tiếp bởi trục khuỷu hay gián tiếp thông qua dây đai, xích Để giảm bớt công đoạn gia công, lắp ráp qua đó góp phần giảm chi phí sản xuất cũng như chi phí bảo dưỡng sửa chữa sau này thiết nghĩ cần có một phương pháp đo tốc độ động cơ mới thay thế phương pháp đo truyền thống nhưng vẫn có độ bền và chính xác cao

1.3 Mục đích của đề tài

Trong quá trình động cơ làm việc các bộ phận như trục cam, máy phát điện, bơm trợ lực lái được động cơ dẫn động thông qua dây đai đồng thời một vài cảm biến trên xe liên tục gửi tín hiệu về ECU để tính toán sao cho động cơ luôn hoạt động tối ưu nhất ở mọi chế độ làm việc Với ý tưởng là nếu các bộ phận, chi tiết được kết nối với động cơ thì ta có thể tính được tốc độ động cơ Do đó, người nghiên cứu xin trình bày phương pháp dùng tín hiệu từ cảm biến đo áp suất tuyệt đối đường ống nạp MAP và da ̣ng xung c ủa các tín hiệu trong hệ thống cung cấp điện để tính

Trang 19

toán tốc độ động cơ ở đây sử dụng tín hiệu điện áp ắc qui và so sánh với việc tính toán tốc độ động cơ từ tín hiệu cảm biến vị trí trục cam Phương pháp này cho thấy việc tính toán tốc độ động cơ vẫn có thể được xác định từ các cảm biến khác hay từ một hệ thống nào đó trên ô tô Người nghiên cứu thiết kế một máy đo dựa vào các tín hiệu trên đ ể tính toán tốc độ động cơ và mong muốn thiết bị này được cải thiện thêm về hình dáng và các chức năng khác nữa để có thể phục vụ công tác giảng dạy hay ứng dụng vào công việc kiểm định, chẩn đoán trong tương lai

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài

1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài

 Phân tích các phương pháp đo tốc độ động cơ

 Phân tích cơ sở lý thuyết về áp suất chân không trên đường ống nạp, cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động của cảm biến MAP

 Phân tích cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng của hê ̣ thống cung cấp điện trên ô tô

 Nghiên cứu, phân tích biên dạng tín hiệu của cảm biến MAP và tín hiệu điện trong hệ thống cung cấp điện

 Tìm hiểu về các linh kiê ̣n điê ̣n tử và vi điều khiển

 Thiết kế mạch tính tốc độ động cơ từ cảm biến MAP, G và tín hiệu điện áp

ắc quy

 Thử nghiệm và đánh giá kết quả

1.4.2 Giới hạn của đề tài

Đề tài chỉ tập trung giải quyết những vấn đề sau:

 Tầm quan trọng của giá trị tốc độ động cơ và các phương pháp đo tốc độ động cơ hiện nay

 Mối quan hệ giữa tín hiệu cảm biến MAP, G và các tín hiệu điện trong hệ thống cung cấp điện với tốc độ động cơ

 Thiết kế, chế tạo máy đo tốc độ động cơ, đánh giá độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tiển

1.5 Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp nghiên cứu tài liệu

 Phương pháp khảo sát đối tượng

 Phương pháp xây dựng mô hình toán

 Phương pháp thực nghiệm và xử lí số liệu

Trang 20

Chương 2: LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ

ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

2.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ 4 kỳ loại piston [4]

Đối với động cơ 4 kỳ để hoàn thành một chu trình công tác piston của độ ng

cơ phải thực hiê ̣n bốn hành trình tương ứng với các quá trình diễn ra trong xilanh là : nạp, nén, cháy giãn nở và thải Do các quá trìn h diễn ra lă ̣p đi lă ̣p la ̣i có tính chu kỳ nên khi khảo sát nguyên lý làm viê ̣c ta chỉ khảo sát mô ̣t chu trình công tác trong toàn

bô ̣ quá trình làm việc của động cơ Mô ̣t chu trình công tác gồm 4 quá trình sau:

 Quá trình nạp (kỳ một ): Là quá trình nạp môi chất mới vào xilanh

đô ̣ng cơ ( nạp hòa khí đối với đô ̣ng cơ xăng và không khí đối với đô ̣ng cơ diesel)

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ xăng 4 kỳ[4]

a) Quá trình nạp b) Quá trình nén c) Quá trình cháy – giãn nở d) Quá trình thải

1 Xupap nạp 2 Xupap thải 3 Piston 4 Bougie 5 Thanh truyền 6 Trục khuỷu

Vào đầu kỳ nạp, piston ở vi ̣ trí điểm chết trên Toàn bộ thể tích buồng cháy Vc

chứa đầy sản vâ ̣t cháy do hành trình trước để la ̣i với áp suất cao hơn áp suất khí trời ,

áp suất này còn gọi là áp suất khí sót Khi tru ̣c khuỷu quay theo chiều mũi tên , thông qua thanh truyền làm cho piston di ̣ch chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, cơ cấu phân phối khí điều khiển xupap mở thông đường ống na ̣p với không

gian trong xilanh Chuyển động đi xuống của piston hình thành chân không trong

xilanh nên áp suất trong lòng xilanh nhỏ hơn á p suất trên đường ống na ̣p Mức đô ̣

Trang 21

chênh lê ̣ch áp s uất này khoảng 0,01 – 0,03 MPa ta ̣o nên quá trình na ̣p môi chất mới từ đường ống na ̣p vào xilanh (hình 2.1a)

 Quá trình nén (kỳ hai)

Piston di chuyển từ điểm chết dưới lên điểm c hết trên, cơ cấu phân phối khí điều khiển cho xupap na ̣p và xupap thải đóng la ̣i , môi chất được nén trong lòng xilanh Vào cuối quá trình nạp, khi piston ở vi ̣ trí điểm chết dưới áp suất trong xilanh còn nhỏ hơn áp suất trên đư ờng ống nạp người ta tận dụng điều này để hoàn thiện quá trình nạp là làm cho cơ cấu phân phối khí điều khiển xupap nạp đóng muộn sau khi piston qua khỏi điểm chết dưới Viê ̣c đóng muô ̣n xupap na ̣p như trên có tác du ̣ng nạp thêm môi chất mới vào xilanh điều này có được là do tác du ̣ng của đô ̣ng năng và chênh lê ̣ch áp suất của dòng môi chất đi vào Khi xupap na ̣p đóng , piston chuyển

đô ̣ng lên phía điểm chết trên làm cho áp suất và nhiê ̣t đô ̣ trong môi chất tăng dần lên Giá trị áp suất cuối quá trình nén phụ thuộc vào tỉ số nén , đô ̣ kín khít của không gian chứa môi chất , mức đô ̣ tản nhiê ̣t của thành xilanh và áp suất của môi chất đầu quá trình nén (hình 2.1b)

Để ta ̣o điều kiê ̣n tốt cho môi chất cháy mô ̣t cách ki ̣p thời và nhiê ̣t lượng sinh

ra đươ ̣c tâ ̣n du ̣ng triê ̣t để thì viê ̣c đốt cháy hỗn hợp phải được thực hiê ̣n trước khi piston tới điểm chết trên Đối với động cơ xăng thì bougie phải tạ o ra tia lửa trước khi piston đến điểm chết trên còn với đô ̣ng cơ diesel thì nhiên liê ̣u phun vào từ kim phun trước khi piston đến điểm chết trên

Môi chất bi ̣ nén trong xilanh ở cuối kỳ nén được bố c cháy với tốc đô ̣ rất nhanh làm áp suất và nhiê ̣t đô ̣ của môi chất tăng rất cao ta ̣o áp lực sinh công đẩy piston di ̣ch chuyển về phía điểm chết dưới thực hiê ̣n quá trình giãn nở trong xilanh

Vì vậy kỳ ba còn gọi là kỳ sin h công (kỳ phát động ), trong quá trình này cả hai xupap đều đóng (hình 2.1c)

Piston di ̣ch chuyển từ điểm chết dưới lên điểm chết trên đẩy sản vâ ̣t cháy ra khỏi xilanh động cơ qua xupap thải đang mở Áp suất trong xilanh vào cuối quá trình cháy giãn nở còn khá cao nên xupap thải phải mở sớm trước khi piston xuống đến điểm dưới khoảng 40o

– 60o tương ứ ng với góc quay tru ̣c khuỷu Nhờ đó giúp làm

Trang 22

giảm được lực cản đối với c huyển đô ̣ng của piston và ta ̣o điều kiê ̣n tốt nhất cho sản

vâ ̣t cháy thải sa ̣ch ra khỏi xilanh đô ̣ng cơ (hình 2.1d)

Khi bốn kỳ kết thúc thì đô ̣ng cơ đã thực hiê ̣n được mô ̣t chu trình công tác , nhờ quán tính quay của bánh đà giúp đô ̣ng cơ thực hiê ̣n chu trình công tác tiếp theo chính vì vậy mà động cơ có thể hoạt động được liên tục

2.2 Tầm quan trọng của giá trị tốc độ động cơ

2.2.1 Trong điều khiển động cơ: Tốc độ động cơ là một trong những tín hiệu

cơ bản nhất trong việc điều khiển mọi hoạt động của động cơ mà tiêu biểu là điều khiển phun nhiên liệu và đánh lửa

Hình 2.2: Bản đồ góc đánh lửa sớm lý tưởng và góc ngậm điện

 Đánh lửa: ngay từ thế hệ đánh lửa đầu tiên (đánh lửa bằng vít), hệ thống đánh lửa đã được trang bị bộ đánh lửa sớm chân không và đánh lửa sớm ly tâm đặt trong bộ chia điện để hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa theo hoạt động của động cơ Hai

bộ đánh lửa sớm đó tương ứng với 2 tín hiệu cơ bản điều chỉnh hoạt động đánh lửa

là tải và tốc độ động cơ Cho đến thế hệ đánh lửa theo chương trình thì tín hiệu tải và tốc độ động cơ vẫn là 2 thành phần không thể thiếu để ECU tính góc đánh lửa sớm

cơ bản Ngoài ra, ECU còn điều chỉnh góc ngậm điện trong đánh lửa Góc ngậm điện phụ thuộc vào điện thế ắc quy và tốc độ động cơ Nếu chỉ xét sự phụ thuộc vào tốc

Trang 23

độ động cơ thì tốc độ càng cao thì góc đánh lửa phải càng sớm để đảm bảo môi chất cháy – giãn nỡ đạt điểm áp suất cực đại tại 10o sau điểm chết trên

 Điều khiển phun nhiên liệu: Lưu lượng khí nạp và tốc độ động cơ là hai tín hiệu cơ bản để ECU điều khiển thời điểm phun và lượng phun nhiên liệu Khi mất tín hiệu NE thì động cơ ngừng hoạt động do ECU không thể điều khiển việc phun xăng, phun dầu, đánh lửa được nữa

2.2.2 Trong việc kiểm tra, chẩn đoán

Hư hỏng động cơ biểu hiện ra bên ngoài ở nhiều dạng khác nhau, trong đó có nhiều

dạng là thuộc về tốc độ động cơ Một số ví dụ như: hiện tượng mất lửa ở một số xi lanh làm động cơ mất cân bằng động và tốc độ không ổn định mà biểu hiện ra bên ngoài là sự rung lắc của động cơ Hay hiện tượng lọt khí vào đường ống nạp làm tốc

độ động cơ khi cầm chừng lớn hoặc tốc độ cầm chừng không ổn định

Trong việc kiểm định xe cơ giới, có nhiều định mức kiểm tra mà phải thực hiện tại những giá trị tốc độ động cơ hay tốc độ xe nào đó mới có giá trị như quy trình đo khí thải là một ví dụ tiêu biểu

2.3 Các phương pháp đo tốc độ động cơ hiện nay trên ô tô [5]

2.3.1 Dùng cảm biến điện từ

Trên ô tô để xác đi ̣nh tốc đô ̣ đô ̣ng cơ bằng cảm biến điê ̣n từ người ta bố trí cảm b iến này ở trong bô ̣ chia điê ̣n hoă ̣c ở tru ̣c khuỷu (cảm biến vị trí trục khuỷu).Cảm biến điện từ được sử dụng ở các hãng Toyota , Honda, Daewoo… Cảm biến bao gồm mô ̣t cuô ̣n dây và mô ̣t nam châm vĩnh cửu được lắp trên mô ̣t khung từ

và một rotor cảm biến Khi rotor chuyển đô ̣ng sẽ làm cho từ thông đi qua cuô ̣n dây thay đổi sẽ ta ̣o ra mô ̣t sức điê ̣n đô ̣ng trong cuô ̣n dây da ̣ng xung xoay chiều và tín hiê ̣u này được gửi về ECU để xử lý và tính toán tốc đô ̣ đô ̣ng cơ

 Cảm biến điện từ đặt trong bộ chia điện:

Loại này có hai roto tín hiệu và hai cuộn nhận tín hiệu tương ứng với tín hiệu

G và NE nằm trong bộ chia điện Số răng của roto và số cuộn nhận tín hiệu khác nhau tuỳ theo kiểu động cơ

Trang 24

Khi trục khuỷu quay dẫn động trục bộ chia điện quay sinh ra tín hiê ̣u NE và đươ ̣c gửi về ECU đô ̣ng cơ để tính tốc đô ̣ đô ̣ng cơ

Hình 2.3: Vị trí thực tế của cảm biến điện từ trong bộ chia điện

 Cảm biến điện từ đặt ngoài (loại không có bộ chia điện)

Ở một số dòng xe không dùng bô ̣ chia điê ̣n như các xe đô ̣ng cơ xăng đánh lử a trực tiếp , đô ̣ng cơ Diesel , động cơ CNG, người ta bố trí cảm biến NE ở đ ầu trục khuỷu được gọi là cảm biến vi ̣ trí tru ̣c khuỷu

2.3.2 Dùng cảm biến quang

Cảm biến quang bao gồm hai loại, khác nhau chủ yếu ở phần tử cảm quang

 Loại sử dụng một cặp LED-photo transistor

 Loại sử dụng một cặp LED-photo diode

Phần tử phát quang (LED- lighting emision diode) và phần tử cảm quang (photo transistor hoặc photo diode) được đặt trong bộ chia điện Điểm đặc biệt của hai loại phần tử cảm quang này là khi có dòng ánh sáng chiếu vào nó sẽ trở nên dẫn điện và ngược lại, khi không có dòng ánh sáng thì nó sẽ không dẫn điện Độ dẫn điện của chúng phụ thuộc vào cường độ dòng ánh sáng

Khi đĩa cảm biến quay, dòng ánh sáng phát ra từ LED sẽ bị ngắt quãng làm phần tử cảm quang dẫn ngắt liên tục, tạo ra các xung vuông từ đó tính được tốc độ động cơ và thời điểm đánh lửa

Rotor tín hiệu NE

Cuộn nhận tín hiệu NE

Rotor tín hiệu G

Cuộn nhận tín hiệu G

Trang 25

2.3.3 Dùng cảm biến Hall

Cảm biến Hall được chế tạo dựa trên hiệu ứng Hall Khi cấp nguồn điện đến

IC Hall và có từ trường của nam châm vĩnh cữu đi qua nó thì IC Hall sẽ cho ra một điện áp Người ta dùng các răng cảm biến để dẫn từ qua Hall hoặc đĩa quay có các rãnh được dẫn động bởi trục bộ chia điện để chắn từ hoặc cho từ trường của nam châm vĩnh cữu qua IC Hall

Nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng của cảm biến Hall : Khi cánh chắn ra khỏi khe hở giữa

IC Hall và nam châm , từ trường sẽ xuyên qua khe hở tác du ̣ng lên IC Hall làm xuất hiê ̣n điê ̣n áp điều khiển transi stor T làm cho T dẫn Kết quả là trên đường dây tín hiê ̣u điê ̣n áp sẽ giảm xuống chỉ còn 1V

Hình 2.4: Khi không chắn từ

Khi cánh chắn đi vào khe hở giữa nam châm và IC Hall từ trường bi ̣ cánh chắn bằng thép khép kín không tác đô ̣ng lên IC Hall tín hiê ̣u điê ̣n áp từ IC Hall mất làm transistor T ngắt Tín hiệu điện áp lúc này bằng điện áp từ Igniter nối với ngõ ra của cảm biến Hall

Hình 2.5: Khi chắn từ

Như vâ ̣y khi làm viê ̣c cảm bi ến Hall sẽ tạo ra xung vuông tương tự như tín hiệu cảm biến quang

Trang 26

Chương 3: ÁP SUẤT CHÂN KHÔNG TRONG ĐƯỜNG ỐNG NẠP VÀ CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT TUYỆT ĐỐI TRÊN ĐƯỜNG ỐNG NẠP

3.1 Đặc điểm, kết cấu của hệ thống nạp trên động cơ đốt trong

3.1.1 Đặc điểm của hệ thống nạp

Hệ thống nạp đóng vai trò rất quan trọng trong việc cung cấp không khí (hoă ̣c hòa khí ) cho quá trình na ̣p c ủa động cơ, đảm bảo yêu cầu nạp đầy không khí (hoă ̣c hòa khí) vào buồng đốt Nó có ảnh hưởng rất lớn đến công suất động cơ cũng như tính kinh tế, môi trường Vì vậy khi nghiên cứu về hệ thống nạp là phải đặt nó trong mối quan hệ với các hệ thống khác của động cơ

3.1.2 Kết cấu của hệ thống nạp trên động cơ xăng

Hình3.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống nạp thải

1.Bộ lọc không khí; 2.Cổ họng gió; 3.Bộ góp nạp; 4.Bộ góp thải;

5.Bộ xử lý khí thải; 6.Bộ giảm âm

Không khí được hút vào xylanh động cơ qua bộ lọc không khí đến cổ họng gió, ở động cơ dùng bộ chế hòa thì hòa khí được hình thành tại đây nhờ độ chân không tại họng, từ đây không khí đến bộ góp nạp và đi vào buồng đốt Mỗi cụm chi tiết trong hệ thống nạp đều có một vai trò quan trọng trong việc đưa một lượng

Trang 27

không khí sạch cần thiết vào trong buồng đốt động cơ giú p quá trình na ̣p hiê ̣u quả nhất qua đó góp phần không nhỏ trong viê ̣c tăng công suất đô ̣ng cơ

 Hệ thống nạp động cơ phun xăng điện tử

Hình 3.2: Sơ đồ đường nạp động cơ phun xăng điện tử dùng cảm biến MAP

1 Bộ lọc khí 2 Bươ ́ m ga 3 Cảm biến vị trí bướm ga 4 Cổ họng gió

5 Cảm biến MAP 6 Đường ống nạp

Không khí được hút qua bầu lọc loa ̣i bỏ bu ̣i bẩn sau đó đến cổ ho ̣ng gió và lượng không đi vào đư ợc điều tiết bởi độ mở của bướm ga Dòng khí nạp từ cổ gió

đi vào bộ góp nạp sau đó phân ra các nhánh đi vào xylanh động cơ Tùy vào loại

đô ̣ng cơ người ta sẽ bố trí mô ̣t cảm biến ở trước hay sau cánh bướm ga có nhiê ̣m vu ̣ xác định lưu lượng không khí nạp vào động cơ sau đó gửi tín hiệu về ECU để tính toán định lượng phun cho phù hợp Ở động cơ D-Jetronic, người ta bố trí cảm biến MAP hay còn gọi là cảm biến chân không ở sau cánh bướm ga để xác định lưu lượng khí nạp một cách gián tiếp thông qua sự thay đổi áp suất

3.1.3 Kết cấu của hệ thống nạp trên động cơ Diesel

Không khí được hút vào xylanh động cơ qua bộ lọc không khí rồi đến ống góp nạp Đối với các nước có khí hậu lạnh trên động cơ có hệ thống sưở i ấm không

Trang 28

khí bố trí trư ớc khi vào các xylanh động cơ bằng dây điện trở đặt tại ống góp nạp, hoặc bougie sưở i trong bu ồng đốt động cơ, điều này giúp máy dễ nổ khi kh ởi động lạnh Đối với động cơ diesel sử dụng ở các nước có khí hậu nóng, không có bộ sưởi không khí

Hình 3.3: Sơ đồ nạp thải của động cơ diesel tăng áp

1 Động cơ 2 Mạch giảm tải 3 Van điều tiết 4.Máy nén

5 Bầu lọc không khí 6 Bộ làm mát trung gian 7 Khoang khí nạp

Ở động cơ diesel, để tận dụng dụng năng lượng của dòng khí thải trên đường ống thải người ta bố trí tuabin tăng áp để tăng áp dòng khí nạp Khi dòng khí thải đi vào bánh tuabin ta ̣o đô ̣ng năng làm quay tr ục dẫn động bánh nén làm khí n ạp được tăng áp đi vào đường ống nạp động cơ Áp suất tăng áp khí nạp phụ thuộc vào tốc độ động cơ (tốc độ dòng khí thải hay tốc độ quay của bánh tuabin) Với mục đích ổn định tốc độ quay của bánh tuabin trong khoảng hoạt động tối ưu theo số vòng quay của động cơ trên đường nạp có bố trí mạch giảm tải Mạch giảm tải làm việc nhờ van điều tiết thông qua đường khí phản hồi và cụm xi lanh Khi áp suất tăng van mở 1 phần khí thải không qua bánh tuabin, thực hiện giảm tốc độ cho bánh nén khí nạp, hạn chế sự gia tăng quá mức của áp suất khí nạp

Van điều tiết và mạch giảm tải: Van điều tiết được gắn vào vỏ tuabin Khi động cơ làm việc ở tải cao, áp suất khí thải rất lớn vì thế cánh tuabin làm việc với tốc

Trang 29

độ cao làm tăng cao áp suất không khí nạp và n ạp vào động cơ Mạch giảm tải làm nhiệm vụ điều khiển van điều tiết thải bớt khí thải động cơ từ trước cửa vào tuabin ra trực tiếp ống thải

Ở động cơ common rail là động cơ diesel hiện đại, trên đường nạp còn có

cảm biến để đo lưu lượng khí nạp (MAF) và luôn có máy nén tăng áp

3.2 Đặc điểm áp suất khí nạp trên đường ống nạp

3.2.1 Hiê ̣u ứng đô ̣ng của dao đô ̣ng áp suất trong quá trình thay đổi môi chất [6]

Trong quá trình thay đổi môi

chất thực tế , dòng chảy trong đường

ống không phải là dòng chảy dừng và

ổn định mà là dòng chảy không dừng

dạng sóng dồn , giâ ̣t liên tu ̣c , có sóng

nén, sóng giãn nở, có sự truyền sóng và

gây ra sóng phản xạ trong điều kiện

nhất đi ̣nh sẽ gây ảnh hưởng tới quá

trình nạp, thải của động cơ

Hình 3.4: Đồ thị công vùng thấp áp của quá trình thay đổi môi chất.[6]

Đồ thị công xác định biến thiên của áp suất trong xi lanh thay đổi theo thể tích

xi lanh hoặc góc quay tru ̣c khuỷu trong quá trình thay đổi môi chất được go ̣i là đồ thị công vùng thấp áp (hình 3.6) Từ đồ thi ̣ thấy rõ áp suất môi chất trong xi lanh không thay đổi ổn đi ̣nh mà có da ̣ng nhấp nhô liên tu ̣c trong suốt thời gian thay đổi môi chất Sau khi mở xupap xả áp suất trong xi lanh thay đổi rất nhanh tới mức thấp hơn áp suất khí trời sau đó la ̣i tăng lên và dao đô ̣ng liên tu ̣c Áp suất môi chất trong quá trình na ̣p cũng có da ̣ng tương tự , lúc đầu giảm xuống rất thấp sau đó tăng dần và cũng dao động lên xuống Nguyên nhân có hiê ̣n tượng trên là vì lúc mở xupap thải dòng khí từ xi lanh thoát ra theo tốc độ c ao khiến áp suất giảm nhanh có lúc áp suất thấp hơn áp suất khí trời Sản vật cháy đi vào đường thải làm tăng nhanh áp suất tại đây gây cản trở đối với dòng khí từ xi lanh đi ra khiến áp suất môi chất trong xi lanh

Trang 30

tăng trở la ̣i, piston cưỡng chế đẩy sản vâ ̣t cháy ra ngoài do tốc đô ̣ đẩy không đều của piston và đo tiết diê ̣n lưu thông qua xupap cũng thay đổi liên tu ̣c ta ̣o ra hiê ̣n tượng tăng giảm áp suất môi chất trong xi lanh

Trong quá trình na ̣p do tác du ̣ng hút của pist on và do lực cản của đường ống nạp tạo nên độ chân không trong xi lanh, do tốc đô ̣ chuyển đô ̣ng không đều của piston và tiết diê ̣n lưu thông luôn thay đổi của xupap ta ̣o ra dao đô ̣ng áp suất trong quá trình nạp Trong quá trình thay đổi môi chất nếu đề câ ̣p đến cả hiê ̣u ứng dao

đô ̣ng áp suất của khí thể trên đường ống thì sự thay đổi áp suất trong xi lanh càng trở nên phức ta ̣p

3.2.2 Mối liên hệ giữa áp suất chân không trên đường ống nạp và tốc độ động cơ

Như đã trình bày ở trên, dao động của áp suất chân không trên đường ống nạp có nguyên nhân trực tiếp từ quá trình thay đổi môi chất trong quá trình hoạt động của động cơ Có nghĩa là tần số của dao động áp suất phụ thuộc vào tần số thay đổi môi chất của các xi lanh trong động cơ Mà tần số thay đổi môi chất trong động cơ do tốc

độ động cơ quyết định Tốc độ động cơ càng lớn, tần số thay đổi môi chất càng lớn, dao động của áp suất càng nhanh Như vậy, tốc độ động cơ quy định tần số dao động của áp suất, hay từ tần số dao động của áp suất chân không trên đường ống nạp ta có thể xác định được tốc độ động cơ

3.3 Hiện tượng áp điện

Hiện tượng áp điện (tiếng Anh là piezoelectric phenomena) là một hiện tượng được nhà khoáng vật học người Pháp đề cập đầu tiên vào năm 1817, sau đó được anh em nhà Pierre và Jacques Curie chứng minh và nghiên cứu thêm vào năm 1880 Hiện tượng xảy ra như sau: người ta tìm được một loại chất có tính chất hóa học gần giống gốm (ceramic) và nó có hai hiệu ứng thuận và nghịch, khi áp vào nó một trường điện thì nó biến đổi hình dạng và ngược lại khi dùng lực cơ học tác động vào

nó thì nó tạo ra dòng điện Nó như một máy biến đổi trực tiếp từ năng lượng điện sang năng lượng cơ học và ngược lại Người ta quy ước hiê ̣n tượng áp điê ̣n thuâ ̣n nghĩa là khi ta tác dụng lực lên vật thì khi đó s ẽ sinh ra điện áp và ngư ợc lại nếu ta

đă ̣t hiệu điê ̣n th ế vào vật thì nó s ẽ sinh ra lực làm biến da ̣ng vâ ̣t Một vật được cấu

Trang 31

tạo bởi ba yếu tố PZT (chì Pb, zorconi, titan) sẽ có tính chất áp điện Ví dụ: Thạch anh Hiện tươ ̣ng áp điê ̣n được chia làm hai loa ̣i : hiê ̣n tượng áp điê ̣n thuâ ̣n và hiê ̣n tươ ̣ng áp điê ̣n nghi ̣ch

3.3.1 Hiện tƣợng áp điện thuận

Nếu ta tác động một lực cơ học, hay nói một cách khác là khi nén hoặc kéo giãn một số tinh thể gốm theo những phương đặc biệt thì trên các m ặt giới hạn của tinh thể đó xuất hiện những điện tích trái dấu và do đó xuất hiện m ột hiệu điện thế

giữa hai bề mặt

Hình 3.5: Hiện tượng áp điện

Chiều hiê ̣u điê ̣n thế giữa hai bề mă ̣t vâ ̣t sẽ tùy th uô ̣c vào tác đô ̣ng kéo hay nén Hiê ̣n tượng áp đi ện xảy ra đối với các tinh thể như: thạch anh, tuamalin, muối sécnhet, đường, titanat bari, v.v Hiê ̣n tượng áp điện thuận được ứng dụng trong kỹ thuật để biến các dao động cơ thành những dao động điện

Trên mô ̣t vài dòng xe ô tô hiê ̣n nay có sử dụng cảm biến MAP , cảm biến kích nổ… đươ ̣c dựa trên hiê ̣n tượng áp điê ̣n thuâ ̣n

3.3.2 Hiện tƣợng áp điện nghịch

Cũng là các tinh thể nêu trên, nếu ta áp lên hai mặt tinh thể một hiệu điện thế thì nó sẽ bị dãn hoặc nén Nếu hiệu điện thế áp lên tinh thể là hiệu điện thế xoay chiều thì bản tinh thể sẽ bị giãn-nén liên tục và dao động theo đúng tần số của hiệu điện thế xoay chiều

Tính chất này được ứng dụng để chế tạo các nguồn phát sóng siêu âm

3.4 Cấu tạo, nguyên lý đo của cảm biến áp điện

Trang 32

3.4.1 Cấu tạo

Bộ chuyển đổi kiểu áp điện dùng phần tử biến đổi là phần tử áp điện cho phép

biến đổi trực tiếp ứng lực dưới tác động của lực F do áp suất gây nên thành tín hiệu

điện

Hình 3.6: Cảm biến kiểu áp điê ̣n

a Phần tư ̉ áp điê ̣n dạng tấm b Phần tử áp điê ̣n dạng ống

Áp suất p gây nên lực F tác động lên các bản áp điện, làm xuất hiện trên hai mặt của bản áp điện một điện tích Q tỉ lệ với lực tác dụng:

Với F = p.S, do đó:

Trong đó:

k: hằng số áp điện, trong trường hợp thạch anh k = 2,22.10 -12 C/N (Culong/Newton)

S: diện tích hữu ích của màng

Để tăng điện tích Q người ta ghép song song một số bản cực với nhau Đối với phần tử áp điện dạng ống, điện tích trên các bản cực xác định theo công thức:

Trang 33

h: chiều cao phần phủ kim loại

Các cảm biến áp điện có thể được giảm thiểu kích thước một cách dễ dàng Trong trường hợp ống da ̣ng hình tru ̣ có thể giảm đường kính xuống vài milimet

Dải áp suất đo được của cảm biến áp điện nằm trong khoảng từ vài mbar đến hàng ngàn bar Độ nhạy của cảm biến áp điện thay đổi trong khoảng từ 0,05pC/bar đến 1pC/bar phu ̣ thuô ̣c vào hình da ̣ng của phần tử áp điê ̣n và dải đo Độ tuyến tính thay đổi trong pha ̣m vi từ 0,1 đến 1% của dải đo với độ trễ nhỏ hơn 0,0001% và độ phân giải 0,001%

3.4.2 Nguyên lý đo của cảm biến áp điện

Trong trường hợp đo bằng cảm biến áp suất , vật trung gian thường là các phần tử đo lực có mô ̣t thông số (ví dụ: thông số hình ho ̣c) có khả năng thay đổi dưới

tác dụng của lực F = p.S Ở mô ̣t vài cảm biến, vâ ̣t trung gian là màng mỏng để đo áp

suất Khi có sự khác nhau về áp suất giữa hai mă ̣t của màng sẽ tương ứng với lực

tổng cô ̣ng F tác động lên màng và gây ra biến dạng xác định ở mọi điểm theo đường

kính, theo tiếp tuyến hoă ̣c ở điểm giữa của màng

Đối với chất lưu không chuyển động, áp suất chất lưu là áp suất tĩnh (p t)

Do vậy đo áp suất chất lưu thực chất là xác định lực tác dụng lên một diện tích thành bình Đối với chất lưu không chuyển động chứa trong một ống hở đặt thẳng đứng, áp suất tĩnh tại một điểm M cách bề mặt tự do một khoảng h xác định theo công thức sau:

Trang 34

 Đo áp suất chất lưu lấy qua một lỗ được khoan trên thành bình nhờ cảm biến thích hợp

 Đo trực tiếp biến dạng của thành bình do áp suất gây nên

Trong cách đo thứ nhất, phải sử dụng một cảm biến đặt sát thành bình Trong trường hợp này, áp suất cần đo được cân bằng với áp suất thuỷ tĩnh do cột chất lỏng mẫu tạo nên hoặc tác động lên một vật trung gian có phần tử nhạy cảm với lực do áp suất gây ra Khi sử dụng vật trung gian để đo áp suất, cảm biến thường trang bị thêm

bộ phận chuyển đổi điện Để sai số đo nhỏ, thể tích chết của kênh dẫn và cảm biến phải không đáng kể so với thể tích tổng cộng của chất lưu cần đo áp suất

Trong cách đo thứ hai, người ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất

để đo biến dạng của thành bình, biến dạng này là hàm của áp suất

Đối với chất lưu chuyển động thì áp su ất chất lưu p là tổng áp suất tĩnh p t và

áp suất động p d

Áp suất tĩnh tương ứng với áp suất gây nên khi chất lỏng không chuyển động, được đo bằng một trong các phương pháp trình bày ở trên Áp suất động do chất lưu chuyển động gây nên và có giá trị tỉ lệ với bình phương vận tốc chất lưu:

Trong đó ρ là khối lượng riêng chất lưu

Khi dòng chảy va đập vuông góc với một mặt phẳng, áp suất động chuyển thành áp suất tĩnh, áp suất tác dụng lên mặt phẳng là áp suất tổng Do vậy áp suất động được đo thông qua đo chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh Thông

thường việc đo hiệu (p - p t) thực hiện nhờ hai cảm biến nối với hai đầu ra của một ống Pitot, trong đó cảm biến số 1 đo áp suất tổng còn cảm biến số 2 đo áp suất tĩnh

Trang 35

Hình 3.7: Cách bố trí cảm biến

Có thể đo áp suất động bằng cách đặt áp suất tổng lên mặt trước và áp suất tĩnh lên mặt sau của một màng đo Như vậy tín hiệu do cảm biến cung cấp chính là chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh

Ưu điểm của cảm biến áp suất dùng chuyển đổi tín hiê ̣u bằng áp điê ̣n là đáp ứng tần số rất tốt , thích hợp dùng để đo áp suất thay đổi nhanh , kích thước nhỏ , ít nhạy cảm với gia tốc

Cho đến nay để ch ẩn đoán các thông số bên trong động cơ người ta nhận thấy cảm biến áp suất loại áp điện thạch anh là thích hợp

3.4.3 Đôi nét về hệ thống L-Jetronic và D-Jetronic

Hê ̣ thống L-Jetronic: L là viết tắt của từ Luft , trong tiếng Đức nghĩa là không khí, đối với các xe sử du ̣ng hê ̣ thống này , người ta sử du ̣ng cảm biến đo gió loa ̣i trực tiếp như cảm biến đo gió k iểu cánh trượt, cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt , cảm biến

đo gió kiểu siêu âm ,…Hê ̣ thống D -Jetronic: D là viết tắt của từ Druck , trong tiếng Đức nghĩa là áp suất , đối với các xe sử du ̣ng hê ̣ thống này , người ta sử du ̣ng cảm biến MAP đo lưu lươ ̣ng không khí gián tiếp thông qua áp suất trong đường ống na ̣p

3.5 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến MAP [5,7]

3.5.1 Giới thiệu về cảm biến MAP [7]

Cảm biến MAP (Manifold Absolute Pressure Sensor ) là cảm biến đo á p suất tuyê ̣t đối trên đường ống na ̣p , còn có tên là cảm biến chân không Đây là cảm biến dựa trên hiê ̣n tượng áp điê ̣n thuâ ̣n Cảm biến được bố trí bên ngoài động cơ , cấu trúc của nó gọn nhẹ không làm cản trở chuyển động dò ng khí na ̣p như các cảm biến khác

Nó thường được sử dụng cho các hãng Honda, Toyota, Dahatsu, Ford, …

3.5.2 Cấu tạo của cảm biến MAP [5]

Cảm biến MAP gồm buồng chân không , ống kết nối để lấy áp suất phía sau cánh bướm ga, lưới lọc, chip sillicon

Trang 36

Hình 3.8: Cấu tạo cảm biến MAP [5]

3.5.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến MAP [7]

Nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng của cảm biến dựa trên mối quan hê ̣ giữa đô ̣ chân không trong đường ống na ̣p và lưu lượng không khí na ̣p Khi khối lượ ng không khí na ̣p giảm thì độ chân không trong đường ống nạp tăng và ngược lại Độ chân không trong đường ống na ̣p được chuyển thành tín hiê ̣u điê ̣n áp nhờ mô ̣t IC bố trí bên trong cảm biến và gửi về ECU để xác định lưu lượng không khí na ̣p

Hình 3.12: Biến dạng của màng silicon theo áp suất [7]

Bên trong cảm biến có mô ̣t màng sililcon , hai màng này được phủ tha ̣ch anh

để tạo thành điện trở áp điện (piezoresistor) có bề dày ở ngoài bìa mép khoảng 0.25

mm và ở trung tâm khoảng 0.025 mm, kết hợp với buồng chân không và mô ̣t con IC

Mô ̣t mă ̣t của màng sillicon bố trí tiếp xúc với đô ̣ chân không trong đường ống na ̣p và

mă ̣t còn la ̣i được bố trí ở trong buồng chân không được duy trì mô ̣t áp thấp cố đi ̣nh Khi áp suất trong đường ống na ̣p thay đổi làm cho màng sillicon biến dạng , điê ̣n trở của nó sẽ thay đổi Khi đó tín hiê ̣u điê ̣n áp từ IC gửi về ECU thay đổi theo áp suất trong đường ống na ̣p Điê ̣n áp từ ECU luôn cấp cho IC không đổi là 5V Khi áp suất trong đường ống nạp càng lớn thì t ín hiệu điện áp từ chân tín hi ệu gửi về ECU càng cao và ngược la ̣i

Trang 37

Khác với L-Jetronic, hê ̣ thống phun xăng loa ̣i D-Jetronic lượng khí na ̣p đi vào

xi lanh được xác đi ̣n h gián tiếp (phải tính lại ) thông qua cảm biến đo áp suất tuyê ̣t

đối trên đường ống na ̣p (MAP)

Hình 3.103: Đặc tuyến hoạt động của cảm biến MAP [5]

Khi tải của đô ̣ng cơ thay đổi , áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp sẽ thay đổi

và cảm biến MAP sẽ chuyển tín hiệu điện áp báo về ECU động cơ để tính ra lượng không khí đi vào xylanh Sau đó dựa vào giá tri ̣ này ECU sẽ điều khiển thời gian mở kim phun và thời điểm đánh lửa Do đó tín hiê ̣u gửi về củ a cảm biến MAP rất quan trọng trong hệ thống D-Jetronic

3.6 Đặc điểm tín hiệu ra ở chân PIM cảm biến MAP trong quá trình hoạt động của động cơ (Toyota)

Từ đặc tuyến làm việc của cảm biến MAP, ta thấy rõ ràng rằng điện áp chân PIM tỉ lệ thuận với áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp Nghĩa là, tín hiệu chân PIM

sẽ dao động theo tốc độ động cơ Với động cơ một xi lanh, áp suất đường ống nạp dao động giữa mức chân không (ở kỳ nạp) và khí trời (các thì còn lại) nên dao động của tín hiệu cảm biến MAP có biên độ lớn do sai lệch áp suất theo thời gian lớn Nhưng ở động cơ nhiều xi lanh thì kết quả không lý tưởng được như vậy Do các thì nạp của các xi lanh chồng chéo lên nhau nên sự dao động của giá trị áp suất nhỏ nên chênh lệch điện áp phát ra ở chân PIM là không lớn, thậm chí ở tốc độ cao đôi khi còn xảy ra hiện tượng áp suất nạp “bão hòa” Khi đó, mối liên hệ với tốc độ động cơ không còn rõ ràng nữa Đồng thời, áp suất trung bình tại từng tốc độ khác nhau nên điện áp trung bình của tín hiệu cũng khác nhau ở các tốc độ

Trang 38

Dưới đây là kết quả đo tín hiệu cảm biến MAP theo các giá trị tốc độ khác

nhau trên động cơ 4 xi lanh 4 kỳ 5S-FE (các đường biểu diễn tín hiệu được vẽ bằng phần mềm Matlab 2012 dựa vào số liệu thu thập từ máy Oscilloscope)

3.6.1 Ở tốc độ cố định

 Ở tốc độ cầm chừng: mức dao động lớn nhất của tín hiệu chỉ khoảng 0.08V (từ 1,52 đến 1,6 V) Tuy nhiên, khi phóng đại tín hiệu ta vẫn thấy tính chu kỳ của tính hiệu theo tốc độ động cơ Ở các tốc độ khác cũng vậy, nhưng mức độ rõ

ràng thì khác nhau tùy tốc độ

Hình 3.11: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP ở tốc độ cầm chừng

 Ở 1.500 rpm: Tín hiệu cảm biến MAP có biên độ chỉ lớn hơn một ít so với khi ở cầm chừng (0,1V), tuy nhiên ta vẫn thấy rõ giữa hai xung tín hiệu G là bốn xung tín hiệu MAP Các tín hiệu nhiễu do hoạt động đóng muộn – mở sớm của xupap nạp các xi lanh cũng có biên độ lớn hơn và làm biến dạng tín hiệu MAP nhiều hơn so với khi cầm chừng Giá trị trung bình của tín hiệu nhỏ đi do độ chân không sau cánh bướm ga tăng lên so với tốc độ cầm chừng

Trang 39

Hình 3.13: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP ở tốc độ 1.500 rpm

 Ở 2.500 rpm: Dao động tín hiệu vẫn nhỏ và chịu ảnh hưởng nhiễu nhiều Tần số tín hiệu tăng tương ứng với tốc độ động cơ, thể hiện ở việc giữa 2 xung tín hiệu G vẫn có thể nhận thấy 4 xung tín hiệu PIM

Hình 3.14: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP và G ở 2.500 rpm

Trang 40

 Ở 3.500 rpm: Biên độ dao động trở nên lớn hơn (0,15V) làm biên dạng dao động của tín hiệu trở nên rõ ràng hơn Mức điện áp trung bình chân PIM tăng lên

do cánh bướm ga mở rộng làm áp suất chân không sau cánh bướm ga giảm

Hình 3.16: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP và G ở 3.500 rpm

 Ở 4.100: Biên độ dao động vẫn tiếp tục tăng, đạt mức 0,18V, ảnh hưởng của nhiễu tín hiệu trở nên rõ ràng khi mà mỗi xung tín hiệu chính đã bị biến dạng thành hai xung, một có biên độ lớn (khoảng 0,18V) và một có biên độ nhỏ hơn (khoảng 0,12 – 0,14V) Cứ mỗi xung G tương ứng với 4 xung chính cảm biến MAP

Định dạng
Số trang	95
Dung lượng	7,12 MB