Nghiên cứu thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu cho xe gắn máy

Mặc khác, động cơ sử dụng hệ thống phun nhiên liệu giải quyết được các khuyết điểm của bộ chế hòa khí vì vậy tôi chọn đề tài “Nghiên cứu thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun nhiên

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng

Phản biện 1: TS Phạm Quốc Thái

Phản biện 2: TS Phùng Xuân Thọ

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ ngành Kỹ thuật cơ khí động lực họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 26 tháng 04 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

 Thư viện Cơ khí giao thông, Trường Đại học Bách khoa - ĐH

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

EFI (Electronic Fuel Injection)

ECU (Engine Control Unit)

MAP (Manifold Absolute Pressure)

IAT (Intake Air Temperature)

ECT (Engine Coolant Temperature)

TDC (Top Dead Center)

BDC (Bottom Dead Center)

WOT (Wide Open Throttle)

RPM (Revolutions Per Minute)

NTC (Negative Temperature Coefficient)

VVT (Variable Valve Timing)

GPS (Global Positioning System)

LCD (Liquid Crystal Display)

ADC (Analog to Digital Convert)

TPS (Throttle Position Sensor)

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay động cơ xe máy sử dụng bộ chế hòa khí ngày càng

cũ và sử dụng công nghệ lạc hậu làm việc đốt cháy triệt để nhiên liệu càng bị giảm đi, khí thải độc hại vì thế càng tăng Mặc khác, động cơ

sử dụng hệ thống phun nhiên liệu giải quyết được các khuyết điểm

của bộ chế hòa khí vì vậy tôi chọn đề tài “Nghiên cứu thay thế bộ

chế hòa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu cho xe gắn máy” để góp

phần làm giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải thải ra môi trường

2 Mục đích nghiên cứu

Tận dụng các ưu điểm của hệ thống phun nhiên liệu làm giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm lượng khí thải thải ra môi trường bên ngoài

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Động cơ Honda Wave RSX 110

Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống phun xăng điện tử

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lắp đặt các cảm biến lên động cơ, thay thế bộ chế chế hòa khí bằng hệ thống phun xăng Nghiên cứu phần mềm Arduino, viết chương điều khiển hệ thống phun xăng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Sử dụng hệ thống phun xăng thay cho bộ chế hòa khí trên động cơ đốt trong sẽ làm giảm mức độ phát thải khí CO2, NOx, HC,

CO … góp phần thực hiện các công ước quốc tế về môi trường mà Việt Nam đã cam kết tham gia

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Hiện nay nước ta xe máy đa phần sử dụng hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí và hệ thống đánh lửa thông thường, đây là những hệ thống có nhiều nhược điểm như:

+ Thành phần hòa khí phụ thuộc chủ yếu vào áp suất đường ống nạp và tốc độ động cơ, nhưng trên thực tế thành phần hòa khí còn phụ thuộc vào nhiệt độ động cơ, nhiệt độ khí nạp, độ mở bướm ga…Hơn nữa cơ cấu điều chỉnh lượng nhiên liệu bằng cơ khí, không đảm bảo điều khiển chính xác lượng và chất của hổn hợp phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ

+ Do sử dụng họng tiết lưu nên làm tăng tổn thất cơ khí, giảm hệ số nạp của động cơ

+ Khi muốn lắp thêm bộ xúc tác khí xả do không duy trì được  = 1 nên hiệu suất của bộ xúc tác không cao

+ Góc đánh lửa sớm được giữ cố định do đó không phù hợp với tải trọng và tốc độ của động cơ

Do những nhược điểm trên mà các tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ xe máy không cao, nhất là vấn đề phát thải các khí thải độc hại

Cùng với sự ra đời và phát triển của động cơ đốt trong, hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ đốt trong cũng ngày càng phát triển để đảm bảo yêu cầu về giảm khí thải, giảm ô nhiễm môi trường, tiết kiệm tối đa nhiên liệu Suốt thời gian qua, các hệ thống nhiên liệu trong xe hiện nay đã thay đổi rất nhiều, những yêu cầu cho

nó ngày càng khắt khe hơn Cùng với sự phát triển đó bộ chế hòa khí

cũng ngày càng được phức tạp hóa hơn, để đảm bảo động cơ hoạt động một cách hiệu quả nhất Tuy bộ chế hòa khí đã ngày càng phát triển nhưng vẫn tồn tại những khuyết điểm không thể khắc phục Sự

ra đời của hệ thống phun xăng đã khắc phục được những nhược điểm của bộ chế hòa khí, vì vậy ngày nay trên các động cơ hầu hết đều dùng hệ thống phun xăng điện tử để cơ bản đáp ứng được những nhu cầu gắt gao về khí xả và tính tiết kiệm nhiên liệu với những ưu điểm nổi bật của hệ thống phun xăng:

- Có thể cung cấp hỗn hợp không khí và nhiên liệu đồng đều đến từng xilanh

- Đạt được tỉ lệ hòa trộn không khí và nhiên liệu chính xác ở tất cả các dải tốc độ

- Lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ thay đổi kịp thời với sự thay đổi của góc mở bướm ga

- Có khả năng thay đổi tỉ lệ hỗn hợp không khí và nhiên liệu

để phù hợp với tình trạng làm việc của động cơ như chế độ khởi động, tăng tốc, toàn tải hoặc giảm tốc

- So với kiểu cung cấp nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí thì hệ thống phun xăng có hiệu suất nạp cao hơn vì giảm cản trên đường nạp

- Sự hòa trộn không khí và nhiên liệu được tốt hơn nhờ dòng khí được tăng sự xoáy lốc và giảm sự thất thoát nhiên liệu do bám trên đường ống nạp

- Nhờ tỉ lệ không khí nhiên liệu được hòa trộn theo tỉ lệ lí tưởng và có hệ thống xử lí khí thải nên động cơ phun xăng ít ô nhiễm môi trường hơn

Xuất phát từ những yêu cầu thực tế nhằm khắc phục các nhược điểm đã nêu của động cơ xe máy sử dụng bộ chế hòa khí cũng như mong muốn được nghiên cứu tiếp cận và làm chủ các công nghệ hiện

đại trong lĩnh vực ôtô xe máy Tôi đã tiến hành “Nghiên cứu thay thế

bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu cho xe gắn máy”

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Lý thuyết về hệ thống phun xăng điện tử

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống phun xăng điện tử

Tùy theo tốc độ động cơ và lượng khí nạp đo được tại cảm biến lưu lượng khí ECU sẽ thông báo cho các vòi phun bao nhiêu nhiên liệu cần phun và hỗn hợp khí- nhiên liệu được tạo ra bên trong đường ống nạp Khái niệm “ lượng phun cơ bản” được sử dụng để chỉ lượng nhiên liệu cần phun để tạo ra tỷ lệ hỗn hợp lý thuyết

 Hệ thống nạp khí:

Không khí đi từ lọc gió qua cảm biến áp suất khí nạp rồi đến bướm ga và van khí phụ (nếu có điều khiển không tải), qua đường dẫn khí đến xilanh của động cơ

 Hệ thống nhiên liệu:

Nhiên liệu từ bình xăng được đưa đến bơm nhiên liệu, qua lọc nhiên liệu đến vòi phun khởi động lạnh (nếu có) và bộ ổn định áp suất tới các vòi phun

 Hệ thống điều khiển điện tử:

Bao gồm ECU, các cảm biến và hệ thống điều khiển các cơ cấu chấp hành Trên cơ sở thông tin từ các cảm biến đầu vào và tín hiệu đánh lửa, ECU sẽ tiến hành tính toán để điều khiển các cơ cấu chấp hành như cuộn đánh lửa, vòi phun…

2 Yêu cầu của hệ thống phun xăng điện tử

Để động cơ sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử hoạt động bình thường thì ECU cần nhiều thông số như vị trí trục cam, trục khuỷu, lưu lượng khí nạp, nhiệt độ động cơ, nồng độ O2 ở khí thải… Những số liệu này được thu thập từ các cảm biến đặt khắp nơi trên động cơ Sau khi nhận tín hiệu từ cảm biến ECU sẽ tính toán để điều khiển lượng phun nhiên liệu phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ

Trên động cơ nguyên thủy sử dụng bộ chế hòa khí không có bơm xăng mà xăng được đưa vào bình xăng con từ bình xăng lớn, khi động cơ hoạt động sẽ tạo áp suất để hút xăng và không khí vào theo tỷ lệ được canh chỉnh sẵn trên bình xăng con, còn hệ thống phun xăng thì sử dụng bơm nhiên liệu để tạo áp suất và vòi phun để phun nhiên liệu ở dạng sương tinh vào không khí nạp Nhờ đó làm tăng diện tích bề mặt hóa hơi của nhiên liệu Vì vậy nhiên liệu hóa hơi nhanh hơn, giúp hòa trộn với không khí tốt hơn làm cháy hết hoàn

toàn và ít phát thải ô nhiễm Hệ thống phun phải luôn luôn phun cùng một lượng nhiên liệu và phương pháp điều chỉnh là thay đổi thời gian phun

+ So với động cơ sử dụng bộ chế hòa khí thì động cơ hệ thống phun xăng có thêm một số bộ phận:

- Các cảm biến: Tiếp nhận các thông số của động cơ

- Bộ điều khiển: Nhận tín hiệu từ các cảm biến, điều khiển vòi phun để hòa khí có tỷ lệ phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ

- Vòi phun: Phun nhiên liệu điều khiển bằng tín hiệu điện

- Bơm xăng: Đưa nhiên liệu từ bình chứa đến vòi phun với

áp suất nhất định

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ phun xăng điện tử

2.1 Điều khiển lượng phun cơ bản

Lượng không khí cảm nhận tại cảm biến đo lưu lượng gió được chuyển hóa thành điện áp, điện áp này được gửi đến ECU như một tín hiệu

Tín hiệu đánh lửa sơ cấp theo số vòng quay động cơ cũng được gửi đến ECU từ cuộn dây đánh lửa ECU sau đó tính toán bao nhiêu nhiên liệu cần cho lượng khí đó và thông báo cho mỗi vòi phun bằng thời gian mở van điện Khi van điện của vòi phun mở ra, nhiên liệu sẽ được phun vào đường ống nạp

2.2 Thời điểm phun

Động cơ 4 kỳ sẽ thực hiện các kỳ nạp, nén, nổ, xả trong mỗi vòng quay của trục khuỷu Ở đây ta điểu khiển để vòi phun thực hiện việc phun nhiên liệu 2 lần trên đường ống nạp, với mỗi lần phun bằng ½ lượng phun thực tế Tức là vòi phun sẽ thực hiện phun vào cuối kỳ thải và cuối kỳ nén

2.3 Khoảng thời gian phun

Thời gian phun cơ bản được xác định bởi lượng khí nạp vào

(tín hiệu VE) và tốc độ động cơ (NE) Bộ nhớ trong của ECU động

cơ có chứa các số liệu về khoảng thời gian phun cơ bản khác nhau tương ứng với các tín hiệu nhận được

Khi vận hành bình thường, tốc độ động cơ và công suất thường thay đổi cùng lúc Vì vậy việc tính toán liên tục thời gian phun cơ bản tb Ở tốc độ cao công suất động cơ cao (mức toàn tải) thời gian tb dài hơn, lượng xăng phun nhiều hơn

3 Các loại cảm biến ứng dụng trong động cơ

- Cảm biến vị trí bướm ga

- Cảm biến oxy

- Cảm biến áp suất đường ống nạp

- Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

- Cảm biến vị trí trục cam, cả biến vị trí trục khuỷu

4 Lý thuyết về mạch điện tử

Hình 2.3: Board Arduino Mega 2560

Ta chọn Board mạch Arduino Mega 2560 có tốc độ xử lí cao, khả năng chống nhiễu tốt, lập trình dễ dàng, phần mềm được hỗ trợ từ nhà sản xuất nên phù hợp với việc điều khiển hệ thống phun

nhiên liệu.[13]

5 Thiết bị và phần mềm thu nhận tín hiệu

Màn hình LCD 20x4B

Hình 2.4: Sơ đồ chân màn hình LCD 20x4B

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM

1 Thiết kế lắp đặt hệ thống phun nhiên liệu lên động cơ sử dụng bộ chế hòa khí

1.1 Phương án lắp đặt hệ thông phun nhiên liệu lên đông cơ sử dụng bộ chế hòa khí

Chọn bộ họng ga và bình xăng của động cơ Honda Wave RSX Fi để thay thế cho bộ chế hòa khí và bình xăng trên động cơ thử nghiệm gồm các chi tiết:

Hình 3.1: Bộ họng ga

Hình 3.2: Bình xăng

1.2 Thiết kế lắp đặt mặt bích lắp ống nạp của hệ thống phun nhiên liệu lên động cơ nguyên thủy

Hình 3.3: Bản vẽ mặt bích

2 Tính thời gian phun theo một số tín hiệu cơ bản của động cơ

2.1 Đặc tính vòi phun

Gnl = x.K.t0 + K.t (g), với 0 < x < 1 [3]

Bảng 1: Phun nhiên liệu với thời gian t i và số lần phun 5000 lần

ti(ms) lần phun wFuel(gam)

Sử dụng hàm xấp xỉ ta xác định được x = 0.6; K = 0.0018, t0

= 0.5

2.2 Điều khiển thời gian phun nhiên liệu

Thời gian phun nhiên liệu thực tế được xác định bằng hai đại lượng sau:

- tb: Thời gian phun cơ bản chủ yếu dựa vào áp suất khí nạp và tốc độ động cơ

- tc: Thời gian hiệu chỉnh được dựa vào các cảm biến còn lại

Thời gian phun nhiên liệu là tổng của 2 đại lượng trên:

t= tb + tc

Trong khuôn khổ đề tài này, ECU sẽ điều khiển kim phun theo các chế độ sau:

+ Chế độ khởi động với λ rất nhỏ

+ Chế độ chuyển tiếp từ khởi động sang không tải

+ Chế độ hâm nóng máy (không tải khi nhiệt độ động cơ còn thấp)

+ Chế độ chuyển tiếp từ không tải sang có tải

+ Chế độ tăng tốc

+ Chế độ giảm tốc

+ Chế độ ổn định

+ Chế độ cắt nhiên liệu khi động cơ bị kéo

+ Chế độ cắt nhiên liệu khi quá tốc độ

+ Điều khiển kín với λ= 1 khi tải trung bình và động cơ đã

đủ nóng

Hỡnh 3.4: Sơ đồ điều khiển thời gian phun theo cỏc chế độ làm việc

được hoàn chỉnh nhất

Cắt nhiên liệu

Làm giàu khi tăng tốc

Làm giàu khi khởi động

Làm giàu khi chuyển tiếp

VE = Lượng không khí thực tế nạp / tỷ lệ hòa trộn không khí

và xăng

Thời gian phun:t = (VE – x.K.t0)/K

 Ở tốc độ n = 500v/p, độ mở bướm ga là 25%, hệ số nạp ν = 0.9

Thì mkktt = mkk x ν x 25% = 0.140739 x 0.9 x 25% = 0.0317 (g)

3 Mô phỏng chế tạo mạch điều khiển

Hình 3.5: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phun nhiên liệu

Hình 3 6: Mạch điều khiển hệ thống phun nhiên liệu và đánh lửa

điện tử hoàn chỉnh

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN

Nhằm đánh giá tính năng kỹ thuật và xác định chất lượng động

cơ sau khi thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu ta tiến hành thí nghiệm đo công suất và tiêu hao nhiên liệu trên động cơ thử nghiệm

Tỷ số truyền của truyền lực chính được xác định từ điều kiện đảm bảo cho ô tô đạt được vận tốc cực đại ở tay số cao nhất của hộp

số cơ khí khi xe đầy tải nên ta chọn tay số 4 khi động cơ hoạt động

để thử nghiệm Dưới đây là các kết quả đo được:

Hình 4.1: So sánh đặc tính ngoài của động cơ khi dùng bộ chế hòa

khí và khi dùng hệ thống phun xăng điện tử

Bảng 3: Bảng so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi dùng

bộ chế hòa khí và khi dùng hệ thống nhiên liệu phun xăng

Hình 4.2: So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi dùng bộ chế hòa khí và khi dùng hệ thống phun xăng điện tử

Qua hai đường đặc tính trên ta thấy tính hiệu quả của động cơ được nâng lên rõ rệt thể hiện là đường đặc tính ngoài của động cơ khi dùng hệ thống nhiên liệu điện tử luôn cao hơn so với khi dùng bộ chế hòa khí Suất tiêu hao nhiên liệu cũng giảm đi một chút do vậy cũng cải thiện được tính kinh tế của động cơ

KẾT LUẬN-KIẾN NGHỊ

Qua kết quả của đề tài tôi có những kết luận như sau:

- Động cơ sử dụng hệ thống phun xăng thay cho bộ chế hòa khí thì động cơ xe Honda Wave RSX vẫn hoạt động ổn định ở các chế độ làm việc

- Điều chỉnh được thời điểm phun và lượng phun nhiên liệu tùy vào từng chế độ làm việc của động cơ

- Có thể dùng hệ thống điều khiển điện tử này cho các xe cùng

loại

- Ở tốc độ 70km/h thì động cơ thì công suất của động cơ sử dụng bộ chế hòa khí và động cơ được thay thế hệ thống phun xăng điện tử là như nhau, còn ở các dải tốc độ khác động cơ sử dụng hệ thống phun xăng sinh ra công suất lớn hơn động cơ nguyên thủy

- Qua kết quả đo, ở các tốc độ của xe thì suất tiêu hao nhiên liệu giảm khi thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử

Trong quá trình thực hiện đề tài nhóm thực hiện có 1 số kiến nghị sau:

- Trên board mạch thử nghiệm mới chỉ dừng lại ở việc phun xăng đánh lửa.Cần phát triển board mạch hoàn thiện hơn không chỉ dừng lại ở việc phun xăng, đánh lửa mà thêm 1 số chức năng khác như điều khiển chạy không tải, chức năng dự phòng ECU một số mạch chẩn đoán mã lỗi

- Chưa tối ưu hóa được lượng tiêu hao nhiêu liệu, công suất động cơ và hàm lượng khí thải thải ra môi trường bên ngoài