Nghiên cứu thay thế hệ thống đánh lửa trên xe WAVE RSX 110 bằng hệ thống đánh lửa theo chương trình

Theo thống kê của Cục đăng kiểm Việt Nam, hiện nay đa phần xe máy 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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN DUY TRUNG

NGHİÊN CỨU THAY THẾ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN XE WAVE RSX 110 BẰNG HỆ THỐNG ĐÁNH

LỬA THEO CHƯƠNG TRÌNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 60.52.01.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỶ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng- Năm 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

Phản biện 1:TS Phan Minh Đức

Phản biện 2: TS.Nguyễn Văn Phụng

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 - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Theo thống kê của Cục đăng kiểm Việt Nam, hiện nay đa phần

xe máy 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

Mục đích nghiên cứu

Thay thế hệ thống đánh lửa thường trên xe máy bằng hệ thống

hệ thống đánh lửa điện tử điều khiển theo chương trình kỷ thuật số nhằm để tận dụng các ưu điểm của nó làm giảm tiêu hao nhiên liệu

và giảm lượng khí thải thải ra môi trường bên ngoài

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Động cơ Honda Wave RSX 110

Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống đánh lửa điện tử điều khiển theo chương trình kỷ thuật số

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lắp đặt các cảm biến lên động cơ, thay thế hệ thống đánh lửa bằng hệ thống đánh lửa mới Nghiên cứu phần mềm Arduino, viết chương điều điều đánh lửa theo chương trình kỷ thuật

số

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Sử dụng hệ thống đánh lửa điện tử điều khiển theo chương trình kỷ thuật số thay cho hệ thống đánh lửa thường 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 NGUYÊN

CỨU 1.1 Tổng quan về hệ thống đánh lửa trên động cơ đốt trong 1.2 Lịch sử phát triển của Hệ thống đánh lửa

1.2.1 Kiểu điều khiển bằng má vít

Hinh 1.1 Hệ thống đánh lửa bằng má vít

1.2.2.Kiểu bán dẫn

Hinh 1.2 Hệ thống đánh lửa bán dẫn

2.3 Kiểu bán dẫn có ESA (Đánh lửa Sớm bằng điện tử)

Hinh 1.3 Hệ thống ESA

1.2.4 Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS)

Hinh 1.4 Hệ thống DIS

1.2.5.Hệ thống đánh lửa điều khiển bằng kỹ thuật số

Hinh 1.6 Sơ đồ ESA với cơ cấu đánh lửa sớm bằng điện tử

1.3.1.Mô tả hoạt động của hệ thống ESA

Hinh 1.8 Sơ đồ mạch điện mô tả hoạt động của ESA

1.3.2 Khái quát về việc điều khiển đánh lửa sớm

Điều khiển góc đánh lửa sớm:

Trong động cơ xăng, hỗn hợp hòa khí được đánh lửa để đốt cháy (nổ), và áp lực sinh ra từ sự bốc cháy sẽ đẩy píttông xuống Năng lượng nhiệt được biến thành động lực có hiệu quả cao nhất khi

áp lực nổ cực đại được phát sinh vào thời điểm trục khuỷu ở vị trí

100 sau Điểm Chết Trên (ATDC…

Hinh 1.9 Góc đánh lửa sớm Hinh 1.10 Quá trình cháy

1.3.3 Các giai đoạn cháy của hòa khí

- Giai đoạn cháy trễ

- Giai đoạn lan truyền ngọn lửa

1.3.4 Điều khiển thời điểm đánh lửa

Hệ thống đánh lửa điều khiển thời điểm đánh lửa theo tốc độ

và tải hệ thống

- Điều khiển theo tốc độ động cơ

Động cơ được coi là phát công suất hiệu quả nhất khi áp suất cực đại …

Vì vậy, để sản ra áp lực nổ cực đại tại 100 ATDC khi động

cơ đang chạy 2000 v/ph thì thời điểm đánh lửa phải sớm hơn để bù cho góc quay của trục khuỷu đã bị trễ Quá trình định thời điểm đánh lửa này được gọi là đánh lửa sớm

- Điều khiển theo tải trọng của động cơ

Để sản ra áp lực nổ cực đại tại thời điểm 100 ATDC khi động cơ mang tải nặng thì thời điểm đánh lửa phải muộn hơn để bù cho góc quay của trục khuỷu đã bị sớm Ngược lại, khi tải trọng của động cơ thấp thì thời điểm đánh lửa phải sớm hơn

1.4 Kết luận:

Để có thể phát huy tối đa công suất của động cơ, hỗn hợp không khí-nhiên liệu phải được đốt cháy sao cho áp suất cháy tối đa xảy ra, đó là khoảng 10 độ sau điểm chết trên (TDC) …

Chương 2 - GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA

ĐIỆN TỬ

TRÊN XE MÁY

2.1 Cơ sở lý thuyết đánh lửa trên động cơ đốt trong

Trong động cơ xăng,

2.1.1 Các thông số chủ yếu của hệ thống đánh lửa

2.2.Lý thuyết về mạch điện tử

Arduino thật ra là một board mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác

2.2.1.Giới thiệu về board Arduino Uno

2.2.2.Giới thiệu về board Arduino Nano

Board Arduino Nano có cấu tạo, số lượng chân vào ra là tương

tự như board

Arduino Uno tuy nhiên đã được tối giản về kích thước cho tiện

sử dụng hơn Do được tối giản rất nhiều về kích thước nên Arduino Nano chỉ được nạp code và cung cấp điện bằng duy nhất 1 cổng mini USB

Hình 2.8: Board Arduino Nano

2.2.3 Giới thiệu về board Arduino Mega 2560

Hình 2.9: Board Arduino Mega 2560 2.2.4.Quá trình xử lý tín hiệu vào của Arduino

Ta đã biết vi xử lý chỉ làm việc với tín hiệu số vì vậy các tín hiệu từ các cảm biến khi đưa vào Arduino đều phải được chuyển đổi sang tín hiệu số trước khi đưa vào vi xử lý Các tín hiệu đưa vào Arduino bao gồm tín hiệu tương tự (ANALOG), tín hiệu xung, và tín hiệu dạng on/off Dưới đây ta sẽ xét riêng từng dạng tín hiệu

2.3.Các loại cảm biến, bugi, bobine trên xe máy

2.3.1 Cảm biến vị trí bướm ga

2.3.2.Cảm biến oxy

2.3.3.Cảm biến áp suất đường ống nạp

2.3.4.Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

2.3.5.Cảm biến vị trí trục cam, cảm biến vị trí trục khuỷu

2.4.Thiết bị và phần mềm thu nhận tín hiệu

2.4.1.Module LCD I2C

Mạch điều khiển màn hình LCD giao tiếp I2C sử dụng IC điều khiển màn hình gồm 16 cột và 2 dòng giúp tiết kiệm dây nối với vi điều khiển cho khả năng hiện thị nhanh với nhiều chức năng

Hình 2.22 Mạch điều khiển màn hình LCD giao tiếp I2C

2.4.2.Màn hình LCD 20x4B

Hình 2.23 Màn hình LCD 20x4B

2.5.Mô hình nội suy phần mềm lập trình điều chỉnh góc đánh lửa sớm

Như trên đã trình bày, góc đánh lửa sớm trước hết được điều chỉnh theo tốc độ và tải động cơ trong quá trình chúng được vận hành Tuy nhiên bản đồ góc đánh lửa sớm của động cơ chỉ nhận

được một số dữ liệu hữu hạn từ thực nghiệm (xem bản đồ minh họa

trên hình 2.26); vì vậy khi cần điều chỉnh góc đánh lửa sớm về một

chế độ vận hành ứng với tốc độ và tải không trùng với tập dữ liệu hiện có trong bản đồ góc đánh lửa sớm thì chúng ta phải tính toán góc đánh lửa sớm theo phương pháp nội suy từ các dữ liệu đã có trên bản đồ góc đánh lửa sớm

Hinh 2.26: Bản đồ góc đánh lửa sớm lý tưởng theo tốc độ và tải

động cơ

2.5.1 Mô hình nội suy theo hàm một biến

Phương pháp nội suy theo mô hình hàm một biến có cấu trúc đơn giản, khối lượng tính toán ít, giúp cho quá trình xử lý của hệ thống đánh lửa theo chương trình diễn ra nhanh, độ trễ điều khiển thấp, dễ bảo đảm chính xác

Tuy nhiên mô hình nội suy hàm một biến chỉ được áp dụng cho hàm nội suy góc đánh lửa sớm một tham số là tốc độ hoặc tải động cơ; tức là chỉ áp dụng khi tải hoặc số vòng quay không đổi đối với 2 điểm lân cận của điểm cần nội suy

Với hàm nội suy một biến số phổ biến hiện nay có thể sử

dụng mô hình nội suy Newton, hàm nội suy Lagrange hay hàm xấp

xỉ bằng phương pháp bình phương cực tiểu

Hiện nay để xử lý dữ liệu thực nghiệm trong kỹ thuật, chúng

ta thường dùng phương pháp bình phương cực tiểu vì chúng đơn giản với khối lượng tính toán ít mà lại phù hợp với phương pháp đánh giá sai số trong quá trình thu nhận dữ liệu thực nghiệm

Theo đó, mô hình nội suy theo phương pháp bình phương cực tiểu được trình bày như sau:

Giả sử, bằng thực nghiệm chúng ta đo được quan hệ y=f(x),

nếu không có gì đặc biệt về dạng của hàm y=f(x) (ví như hàm không

có tính tuần hòan), người ta thường xấp xỉ hàm f(x) bằng đa thức đại

số đơn giản nhất có dạng:

Pm(x) = a0 + a1x+ a2x2 + a3x3 + + amxm

(2.12) trong đó hệ hàm cơ sở {k(x )} có dạng:

Bằng cách giải hệ phương trình chuẩn (2.13) gồm (m+1) phương trình, để tìm (m+1) hệ số (a0, a1, a2, …, am) của đa thức (2.12)

Về mặt thực hành, để tính các hệ số của ma trận hệ số và vectơ hệ số của hệ phương trình chuẩn (2.13) đòi hỏi chúng ta cần phải lập trình để tính toán vì số lượng các phép tính là khá lớn khi

mà tập dữ liệu lớn và bậc đa thức cao (phi tuyến)

Khi đã có được các hệ số hằng số (a0, a1, , am) của đa thức đại số (2.12), có nghĩa là hàm xấp xỉ bằng đa thức đại số Pm(x)

y

2) (

i

k i i k

2.5.2 Mô hình nội suy theo hàm nhiều biến

Phương pháp nội suy theo mô hình hàm nhiều biến có cấu trúc khá phức tạp, và do đó khối lượng tính toán sẽ nhiều tùy vào số

biến và bậc của chúng cũng như dữ liệu thực nghiệm cần cho hàm nội suy

Tuy nhiên mô hình nội suy hàm nhiều biến sẽ phù hợp cho hàm nội suy góc đánh lửa sớm theo hai tham số là tốc độ và tải động

cơ Vì tính phức tạp và giới hạn của luận văn, nôi dung của phần này tác giả chỉ xin trình bày phương pháp nội suy hàm hai biến phù hơp với yêu cầu về điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo tải và tốc độ động

cơ

Trong phần này, luận văn chỉ trình bày phương trình xấp xỉ của hàm hai biến kiểu tuyến tính Phương trình hàm xấp xỉ hai biến kiểu tuyến tính có thể được viết dưới dạng tổng quát như sau:

(2.15) Trong đó bạc của đa thức chỉ là bậc một (m = 1); hàm tuyến tính đối với 2 biến x và z Trong trường hợp này thì k = 0 - 1; j = 0 - 1 và r =

0, 1, 2 , đến (m+1)2

– 1 = 3; tức là ta có chỉ số r = 0, 1, 2, , 3 của

hệ số ar có dạng cụ thể như sau:

y(x, z) = a0x0z0 + a1x1z0 + a2x0z1 + a3x1z1 (2.16)

Để giải bài toán này, ta áp dụng những kết quả tổng quát đã nghiên cứu nêu trên, trong đó hệ hàm cơ sở kj(x,z) sẽ có dạng: với j

= 0 thì k0(x,z) = xkz0 lần lượt là 00(x,z) = x0z0 và 10(x,z) = x1z0(với k = 0, 1); còn với j = 1 thì k1(x,z) = xkz1 lần lượt là 01(x,z) =

x0z1 và 11(x,z) = x1z1 (với k = 0, 1)

Các hệ số a0, a1, a2 và a3 phảitìm sẽ được xác định từ hệ phương trình gồm (m+1)2

= (1+1)2 = 4 phương trình như sau:

2 32 3 22 2 12 1 02 0

1 31 3 21 2 11 1 01 0

0 30 3 20 2 10 1 00 0

B C a C a C a C a

B C a C a C a C a

B C a C a C a C a

B C a C a C a C a

(2.17) Trong đó: Cab (a = 0, 1, …, 3; b=0, 1, …, 3) là các hằng số của ma trận hệ số sẽ được xác định theo các dữ liệu thực nghiệm đã biết xi và

zp (với i = 1 - n và p = 1 - m điểm đo từ thực nghiệm) Còn các hằng

số Bb (b = 0, 1, …, 3) cũng được xác định từ các dữ liệu thực nghiệm

đã biết yip(xi,zp); nghĩa là nếu ta có n điểm đo của xi và m điểm đo của zp thì sẽ có (n x m) số liệu của yip(xi,zp)

Cụ thể, với hệ phương trình (2.17), ta có các hằng số

Cab(xi,zp) lần lượt được xác định như sau (để đơn giản ta có thể xem

số điểm đo x i và z p bằng nhau; tức là ta có m = n)

Còn các hằng số Bb (b = 0, 1, …, 3) được xác định như sau:

32 22 12 02

31 21 11 01

30 20 10 00

C C C C

C C C C

C C C C

(2.20) Còn  là định thức của ma trận hệ số Cak trong đó thay cột thứ (b) của ma trận Cab bởi cột thứ (k) tương ứng của ma trận Cak nhờ vec-tơ {B} = {B0, B1, B2, B3} đã được xác định ở các công thức (2.18b)

Chẳng hạn định thức  được xác định bởi ma trận hệ số Ca1như sau:

32 22 2 02

31 21 1 01

30 20 0 00

C C B C

C C B C

C C B C

Vì vậy cần có đầy đủ các cảm biến để ghi nhận tất cả sự thay đổi của chúng; để từ đó cung cấp cho hệ thống điều khiển theo chương trình nhằm điều chỉnh xác định thông số góc đánh lửa sớm thực tế cho động cơ đốt trong

Trong các thông số điều chỉnh góc đánh lửa thì thông số điều chỉnh theo số vòng quay và theo tải trọng động cơ là cơ bản, là tiêu chuẩn và do đó là quan trọng nhất; bởi khi hệ thông điều chỉnh mất tác dụng thì động cơ sẽ làm việc theo bộ dữ liệu của góc đánh lửa sớm tiêu chuẩn này

Tiêu nhiên, bộ thông số tiêu chuẩn này là hữu hạn, vì vậy một chương trình độc lập xác định góc đánh lửa nội suy từ bộ góc đánh lửa tiêu chuẩn cũng phải được xây dựng song song với bộ dữ liệu góc đánh lửa tiêu chuẩn

Chương 3 - THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM

3.1.Đặc điểm của xe Honda Wave 110

3.2.Thiết kế lắp đặt hệ thống đánh lửa điện tử lên xe máy

3.2.1.Phương án lắp đặt hệ thống đánh lửa điện tử lên xe máy

3.2.1.1 Chọn phương án

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống đánh lửa

Hình 3.2 Vị trí lắp đặt Bobine và bugi đánh lửa

3.3.3.Lắp đặt cảm biến vị trí trục cam, cảm biến vị trí trục khuỷu

3.4.3.Tính góc đánh lửa sớm cơ bản

Dựa vào hàm nội suy đã lập được ở trên (2.16):

y(x, z) = a0x0z0 + a1x1z0 + a2x0z1 + a3x1z1 (3.1)

Để xác định được hàm nội suy cụ thể cho hệ thống đánh lửa bằng chương trình, tức là xác định các hệ số a0, a1, …a3 chúng ta cần phải biết 4 điểm đánh lửa ứng với các tốc độ n1=500(v/ph) và n2=3000(v/ph) ứng với tải từ 25% và 50% Kết quả thử nghiệm được cho trên bảng 3.1:

Bảng 3.1: Dữ liệu thực nghiệm góc đánh lửa (độ)

Bằng phương pháp xấp xỉ đã nêu ở trên, ta tìm được kết quả các hệ

số của hàm nội suy ở (3.1) như sau:

a0 = 9,600000; a1 = 0,002800; a2 = - 0,104000; a3 = -0,000032

Nghĩa là hàm nội suy (3.1) được viết tường minh bằng: y(x, z) = 9,600000.n0%0 + 0,002800.n1%0 – 0,104000.n0

%1 – 0,000032.n1%1 (3.2)

Căn cứ hàm nội suy đã xác lập, ta dễ dàng tính góc đánh lửa cho bất kỳ vị trí nào của bướm ga cũng như tốc độ vận hành

Kết quả tính toán một số điểm minh họa theo hàm nội suy (3.2) được

cho trên

Bảng 3.2: Dữ liệu nội suy gúc đỏnh lửa theo phụ tải và số vũng quay

Góc đánh lửa sớm hiệu quả

Hỡnh 3.9 Sơ đồ thuật toỏn điều kAhiển gúc đỏnh lửa sớm

Sau khi xõy dựng thuật toỏn điều khiển gúc đỏnh lửa sớm của động cơ ta tiến hành viết chương trỡnh và tối ưu chỳng bằng thực nghiệm

3.5.Mô phỏng chế tạo mạch điều khiển

3.5.1 Bộ điều khiển trung tâm

Bộ điều khiển đánh lửa sử dụng vi điều khiển Arduino Mega

2560, có 256 KB bộ nhớ Flash, 8KB SRAM và tần số hoạt động 16 MHz

3.5.2.Thiết kế mạch điều khiển hệ thống đánh

lửa.

Hình 3.11: Thiết kế mạch điều khiển hệ thống đánh lửa

3.5.3.Chế tạo mạch điều khiển đánh lửa

Sau khi đã có sơ đồ mạch in, ta in ra giấy chuyên dụng bằng máy in mạch, tiếp đó ta đo chiều dài, chiều rộng của mạch in rồi dùng dao cắt mạch để cắt board đồng cho đúng và hợp lý

3.6.Chương trình điều khiển đánh lửa bằng arduino

Tóm lại:

Sau khi lựa chọn phương án thiết kế điều khiển đánh lửa theo chương trinh; ta tiến hành thiết kế, lựa chọn các cụm chi tiết trong hệ thống điều khiển đánh lửa Từ đó, tính toán góc đánh lửa sớm cho động cơ và thời gian điều khiển phun nhiên liệu; làm cơ sở để thiết

kế mạch điều khiển điện tử, lập trình và lắp đặt trên động cơ thử nghiệm Quá trình thí nghiệm sẽ hiệu chỉnh thông số tối ưu sao cho động cơ thõa mãn các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và ít ô nhiễm môi trường