Nghiên cứu chuyển đổi đặc tuyến cảm biến đo lưu lượng khí nạp trên hệ thống điều khiển động cơ phun xăng điện tử

ĐINH QUỐC TRÍ NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI ĐẶC TUYẾN CẢM BIẾN ĐO LƯU LƯỢNG KHÍ NẠP TRÊN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ Chuyên ngành: Kỹ thuật Ô tô-Máy kéo Mã số ngành: 60.52.35

Trang 1

KS ĐINH QUỐC TRÍ

NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI ĐẶC TUYẾN CẢM BIẾN ĐO LƯU LƯỢNG KHÍ NẠP TRÊN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Ô tô-Máy kéo Mã số ngành: 60.52.35

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2005

Trang 2

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS-TS ĐỖ VĂN DŨNG

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂNTHẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2005

Trang 3

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Đinh Quốc Trí Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 26/11/1976 Nơi sinh: Tp.Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Kỹ thuật Ô tô-Máy kéo MSHV: 01303301

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên Cứu Chuyển Đổi Đặc Tuyến Cảm Biến Đo Lưu Lượng

Khí Nạp Trên Hệ Thống Điều Khiển Động Cơ Phun Xăng Điện Tử

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Giới thiệu đề tài

- Cơ sở lý thuyết điều khiển động cơ và lý thuyết xấp xỉ hàm số

- Nghiên cứu xây dựng đường đặc tính chuyển đổi của cảm biến đo lưu lượng khí nạp

- Thiết kế chế tạo bộ chuyển đổi đặc tuyến cảm biến đo lưu lượng khí nạp

- Thực nghiệm bộ chuyển đổi đặc tuyến cảm biến đo lưu lượng khí nạp trên động cơ

- Kết luận và hướng phát triển của đề tài

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: / / 2005

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30 / 09 / 2005

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS-TS.ĐỖ VĂN DŨNG

CHỦ NHIỆM KHOA KỸ THUẬT

GIAO THÔNG PGS-TS.PHẠM XUÂN MAI

BỘ MÔN KỸ THUẬT Ô TÔ

MÁY KÉO

KS-GVC.NGÔ XUÂN NGÁT

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Ngày tháng năm 2005

KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

Trang 4

Minh, Khoa Kỹ Thuật Giao Thông, Bộ Môn Ô Tô-Máy Động Lực đã tạo điều kiện cho tôi theo học lớp Cao học chuyên ngành Kỹ Thuật Ô Tô-Máy Kéo

Xin cảm ơn quý Thầy, Cô giảng dạy lớp Cao học Kỹ thuật Ô tô-Máy kéo Khóa

14 đã tận tình trong giảng dạy và cung cấp các kiến thức nền tảng giúp tôi hoàn thành luận văn

Xin cảm ơn Thầy hướng dẫn PGS-TS Đỗ Văn Dũng đã hết sức nhiệt tình trong giảng dạy và hướng dẫn tôi thực hiện tập luận văn này

Xin cảm ơn giáo sư phản biện đã bỏ thời gian và công sức để đọc tập luận văn và đóng góp các ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thiện nội dung của luận văn

Xin cảm ơn các đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận văn

ĐINH QUỐC TRÍ

Trang 5

Tuyến Cảm Biến Đo Lưu Lượng Khí Nạp Trên Hệ Thống Điều Khiển Động

Cơ Phun Xăng Điện Tử” được trình bày trong 5 chương theo trình tự sau:

Chương 3:

Trình bày các kết quả khảo sát đường đặc tính cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu cánh trượt và kiểu dây nhiệt Từ kết quả khảo sát đường đặc tính, ta xây dựng hàm xấp xỉ để biểu diễn đường đặc tính Từ đường biểu diễn đặc tính

ta có mối quan hệ giữa điện áp ra cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dây nhiệt và kiểu cánh trượt tại các vị trị lưu lượng khí nạp khác nhau (động cơ hoạt động từ tốc độ cầm chừng cho tới tối đa)

Từ đây, ta thiết kế chế tạo bộ chuyển đổi đặc tuyến giữa hai cảm biến với giá trị vào là điện áp cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu dây nhiệt và giá trị ra của bộ chuyển đổi là điện áp cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu cánh trượt Để chuyển đổi tín hiệu giữa hai cảm biến ta dùng vi xử lý để thực hiện

Trang 6

dụng cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu cánh trượt và khi sử dụng cảm biến cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu dây nhiệt sử dụng bộ chuyển đổi đặc tuyến với hai thông số để đánh giá và so sánh: khí thải động cơ và thời gian phun nhiên liệu của động cơ

Chương 5:

Qua quá trình thực hiện đề tài, ta đánh giá lại các mặt tích cực, ưu điểm của đề tài mang lại, đồng thời cũng nêu lên những khuyết điểm và hướng phát triển của đề tài trong tương lai

Trang 7

Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới Thiệu Đề Tài

Hiện nay, hầu hết các ô tô du lịch sử dụng động cơ xăng đều trang bị hệ thống phun xăng và đánh lửa điện tử Trong hệ thống điều khiển động cơ thường sử dụng nhiều cảm biến khác nhau để nhận biết tình trạng hoạt động của động

cơ, từ đó đưa đến bộ điều khiển động cơ (ECU) để điều khiển phun xăng (kim phun), hệ thống đánh lửa và nhiều hệ thống khác một cách chính xác

Xuất phát từ tính đa dạng về chủng loại của các cảm biến sử dụng trong hệ thống điều khiển động cơ xăng, các xe sử dụng hệ thống phun xăng điện tử như Toyota, Nissan, Mazda, Ford…, sử dụng rất nhiều cảm biến khác nhau như: Cảm biến đo lưu lượng không khí nạp, cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến vị trí điểm chết của piston, cảm biến vị trí cánh bướm ga, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến nhiệt độ không khí nạp, cảm biến áp suất không khí nạp, v.v

Trong quá trình sử dụng, một số cảm biến điều khiển động cơ quan trọng như: Cảm biến đo lưu lượng không khí nạp, cảm biến vị trí cánh bướm ga, cảm biến tốc độ động cơ,… dần dần bị hư hỏng Trong khi đó điều kiện sửa chữa ở nước ta rất khó khăn, phụ tùng thay thế không còn sản suất hay quá đắt, đặc biệt đối với các đời xe trước năm 2000

Để giải quyết vấn đề trên, người thực hiện đề tài muốn thay thế các cảm biến cùng loại giữa các xe với nhau khi các cảm biến này bị hư hỏng bằng cách dùng bộ chuyển đổi đặc tuyến giữa chúng cho phù hợp

Trên hệ thống điều khiển động cơ, phun xăng và đánh lửa điện tử có rất nhiều cảm biến dần thay đổi tính năng so với ban đầu qua thời gian sử dụng Do thời gian thực hiện đề tài có hạn, nên người thực hiện đề tài chỉ thực hiện đối với

Giáo Viên Hướng Dẫn: PGS-TS Đỗ Văn Dũng

Học Viên Thực Hiện: KS.Đinh Quốc Trí

1

Trang 8

một số cảm biến quan trọng ảnh hưởng nhiều đến quá trình hoạt động của động

cơ và thường xảy ra hư hỏng như: cảm biến đo lưu lượng khí nạp

Sau một quá trình sử dụng, cảm biến đo lưu lượng không khí nạp kiểu cánh trượt phát sinh một số vấn đề như sau:

- Độ mở của cánh trượt lớn hơn tiêu chuẩn (do lò xo của bộ đo mất tính đàn hồi) dẫn đến tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn, thành phần khí xả tăng lên

- Lớp than tiếp xúc bị mòn, tín hiệu lưu lượng gió gửi về bộ điều khiển không ổn định và bị sai lệch, ảnh hưởng đến quá trình làm việc của động cơ

-Điều kiện khắc phục hư hỏng khó khăn, phụ tùng thay thế không còn trên thị trường

Ngoài ra cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu cánh trượt có khuyết điểm lớn là độ nhạy không cao Trên các động cơ phun xăng công suất cao cần tăng áp nạp cho dòng khí nạp thì không thể sử dụng cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu cánh trượt mà phải dùng cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu dây nhiệt hay màng nhiệt

Vì những lý do nêu trên, nên người nghiên cứu chọn đề tài: “Nghiên Cứu Chuyển Đổi Đặc Tuyến Cảm Biến Đo Lưu Lượng Khí Nạp Trên Hệ Thống Điều Khiển Động Cơ Phun Xăng Điện Tử”

1.2 Bối Cảnh Nghiên Cứu

Ngày nay, công nghệ ô tô trên thế giới thế ngày càng phát triển mạnh Bằng chứng là đã cho ra đời những ô tô hiện đại có độ tiện nghi và an toàn cao, phục vụ trong công tác vận chuyển hành khách, vận tải hàng hoá và trong công nghiệp Đặc biệt là trên các ô tô du lịch đã ứng dụng công nghệ mới như: điều khiển tự động, vi điều khiển, công nghệ thông tin nhằm cải tiến và nâng cao tuổi thọ động cơ, tăng tính an toàn cho ô tô khi chuyển động ở tốc độ cao hay môi trường hoạt động của ô tô không tốt Quan trọng hơn hết là tiết kiệm nhiên liệu,

2

Trang 9

giảm ô nhiễm môi trường mà hiện nay thế giới đang kêu gọi do nguồn dầu mỏ ngày càng cạn kiệt và khí thải gây hại tới môi tường ngày càng tăng

Bên cạnh đó, đất nước ta cũng đang trên con đường hội nhập và phát triển kinh tế Công nghiệp ô tô của nước ta trong những năm gần đây phát triển rất nhanh chóng Lượng ô tô lưu hành ngày càng tăng vơi nhiều chủng loại ô tô khác nhau được sản xuất trong nước hay nhập khẩu Hầu hết các loại ô tô du lịch này đều trang bị hệ thống phun xăng và đánh lửa điều khiển điện tử Trong hệ thống này sử dụng nhiều cảm biến, bộ điều khiển điện tử, bộ chấp hành Tuy nhiên, sau một thời gian sử dụng, các bộ phận này bị hư hay giảm tính năng hoạt động làm ảnh hưởng tới hoạt động của động cơ Nhưng phụ tùng thay thế lại đắt tiền hay không có trên thị trường, đặc biệt là các ô tô có nguồn gốc nhập khẩu Từ đó, đề tài này được thực hiện nhằm đáp ứng được nhu cầu trên, đem lại lợi ích kinh tế rất cao

Ngoài đề tài đang thực hiện này, còn có những đề tài đã thực hiện trước đây cũng nhằm mục đích trên như:

1 Đề tài thạc sĩ: Nghiên Cứu Chế Tạo Mạch Đánh Lửa Trên Động Cơ Ô Tô Theo Chương Trình

Tác giả: KS.Nguyễn Văn Long Giang, Hướng dẫn:PGS-TS.Đỗ Văn Dũng, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, Năm -2004

2 Đề tài thạc sĩ: Nghiên Cứu Chế Tạo Mạch Điều Khiển Phun Xăng Dùng

Vi Điều Khiển

Tác giả: KS.Trần Quốc Cường, Người hướng dẫn: PGS-TS Đỗ Văn Dũng,

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ thuật, Năm -2004

3 Đề tài thạc sĩ: Chế Tạo Thiết Bị Đọc Mã Lỗi Hiển Thị Tiếng Việt Cho Một Số Loại Xe Thông Dụng Ở Điều Kiện Việt Nam

3

Trang 10

Tác giả: KS.Nguyễn Chí Hùng, Người hướng dẫn: PGS-TS.Đỗ Văn Dũng,

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ thuật, Năm -2004

Ngoài ra, cũng có các đề tài nhằm mục đích trên đã được thực hiện ở các trường Đại học Bách khoa Hà Nội,.v.v

1.3 Đối Tượng Và Phạm Vi Nghiên Cứu

Hệ thống phun xăng điện tử (Electronic Fuel Injection-EFI) là hệ thống mà lượng xăng phun vào trong các xi lanh được tính toán và điều khiển bằng bộ điều khiển điện tử Electronic Coltrol Unit-ECU), việc tính toán và điều khiển này dựa vào tín hiệu từ các cảm biến được lắp đặt trên động cơ

Hệ thống phun xăng điện tử có nhiều cách phân loại khác nhau như:

Phân loại theo kiểu điều khiển ta có 2 loại:

• Loại mạch tương tự

• Loại điều khiển bằng bộ vi xử lý

Phân loại theo cách bố trí kim phun có 2 loại:

• Phun đơn điểm (Central Injection-CI): Gồm 1 hoặc 2 kim phun cho tất cả các xilanh bố trí trên đường ống nạp

• Phun đa điểm (Multipoint Injection-MPI): Mỗi xilanh có 1 kim phun bố trí gần xupáp hút Ngoài ra, đối với loại phun xăng đa điểm còn có hệ thống phun xăng trực tiếp (GDI-Gasoline Direct Injection)

Phân loại theo kiểu cảm biến đo lưu lượng không khí nạp ta có:

• Loại L-Jetronic: Loại này bao gồm các hệ thống sử dụng cảm biến

đo trực tiếp thể tích không khí hoặc khối lượng không khí như cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu cánh trượt, dây nhiệt, cảm biến kiểu siêu âm

4

Trang 11

• Loại D-Jetronic: Loại này không đo lưu lượng khí nạp mà đo áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp và sử dụng cảm biến áp suất

đường ống nạp (MAP Sensor-Manifold Absolute Presure Sensor)

Cảm nhận độ

chân không của

đường ống nạp

Không khí

CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG KHÍ NẠP

VÒI PHUN ĐỘNG CƠ

ECU

Tốc độ động cơ

ĐƯỜNG ỐNG NẠP

Cảm nhận lượng

Điều khiển lượng phun

Phun nhiên liệu

VÒI PHUN

Điều khiển lượng phun

Tốc độ động cơ

ĐỘNG CƠ

Nhiện liệu

a Phun xăng kiểu D-Jetronic b Phun xăng kiểu L-Jetronic

Hình1.1: Phun xăng điện tử kiểu D-Jetronic và kiểu L-Jetronic

Trong đề tài này, người thực hiện chỉ tập trung nghiên cứu trên các ô tô

du lịch sử dụng động cơ phun xăng điện tử kiểu L-Jetronic, loại động cơ sử dụng cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu cánh trượt, kiểu dây nhiệt hay màng nhiệt

Nguyên nhân có sự lựa chọn như trên là do xuất phát từ như cầu thực tế về tính năng kỹ thuật bị giảm dần của các ô tô sử dụng động cơ phun xăng điện tử L-Jetronic có sử dụng cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu cánh trượt, so với các động cơ phun xăng điện tử kiểu L-Jetronic sử dụng cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu dây nhiệt hay màng nhiệt

Dưới đây là các loại ô tô có suất xứ từ châu Âu, Nhật, Mỹ với động cơ có trang bị hệ thống phun xăng điện tử kiểu L-Jetronic sử dụng cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu cánh trượt

5

Trang 12

Các Loại Xe Phun Xăng Kiểu L (L-Jetronic)

1 Xe Phun Xăng Kiểu L-Jetronic Xuất Xứ Từ Châu Âu

528i 1979

Tất cả AFC 1975-1978

và 1980-1983 318i 1984-1985 Tất cả EXC 318i 1984-1987

325 và 325i c 1988-1989 525i 1989

02 BMW

Tất cả các model khác 1988 –1990

6

Trang 13

924 –S và 944 1983-1988 R17G 1975-1977 Fuego và 18 i 1981-1985

06 RENAULT

Sportswagon 1981-1985 Type 1 và 2 1975-1979

Vanagon (Fed và

07 VOLKSWAGEN

Vanagon (tất cả ) 1984-1986

2 Xe Phun Xăng Kiểu L-Jetronic Xuất Xứ Từ Nhật

929 86-91 B2200 và B2600i 1990-1991

Miata // MPV //

01 MAZDA

RZ7 //

Pulsar // Stanza //

200SX 1979-1991

208Z // 208ZX // 300ZX //

810 // Pathfinder Và Pickup 1990-1991

7

Trang 14

4WD Turbo Model //

Camry 1979-1991 Celica // Corolla // Cressida // Tercel // Land cruiser 1988-1991

MR2 // Pickup 4 Runner 1990-1991

Previa 1991 Starlet 1982

04 TOYOTA

Suptra 1981-1991

3 Xe Phun Xăng Kiểu L-Jetronic Xuất Xứ Từ Mỹ

02 Holden

VK Commodore, Calais 1984-1986

1.4 Nội Dung Và Phương Pháp Nghiên Cứu

Nghiên cứu chuyển đổi đặc tuyến cảm biến đo lưu lượng khí nạp trên ô tô

được thực hiện với các nội dung sau:

8

Trang 15

• Nghiên cứu, khảo sát điều kiện sử dụng của các loại ô tô có trang bị cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu cánh trượt và kiểu dây nhiệt Nhu cầu thị trường ô tô cần chuyển đổi cảm biến đo lưu lượng khí nạp Đồng thời, nghiên cứu các đề tài đã nghiên cứu có liên quan

• Nghiên cứu lý thuyết điều khiển động cơ, các loại cảm biến đo lưu lượng khí nạp trên ô tô và lý thuyết xây dựng hàm xấp xỉ đường đặc tính làm việc của cảm biến đo lưu lượng khí nạp

• Nghiên cứu thực nghiệm để tìm đặc tính làm việc của cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu cánh trượt và kiểu dây nhiệt Xây dựng hàm xấp xỉ đặc tính làm việc của chúng

• Trên cơ sở hàm xấp xỉ đặc tính làm việc của hai cảm biến đo lưu lượng khí nạp, ta thiết kế chế tạo bộ chuyển đổi đặc tuyến giữa hai cảm biến này

• Thực nghiệm đánh giá tình trạng của động cơ trước và sau khi chuyển đổi cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu cánh trượt bằng cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu dây nhiệt

Các phương pháp nghiên cứu:

• Phương pháp nghiên cứu tài liệu

• Phương pháp thí nghiệm

• Phương pháp quy hoạch và xử lý số liệu thực nghiệm

• Phương pháp thiết kế mạch

• Phương pháp lập trình

1.5 Ý Nghĩa Khoa Học Và Thực Tiễn Của Đề Tài

9

Trang 16

Qua quá trình thực hiện đề tài, đã giúp cho người thực hiện đề tài hình thành những phương pháp tư duy logic, phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu khoa học sao cho đạt hiệu quả cao nhất Đồng thời cũng giúp cho người thực hiện đề tài biết vận dụng những kiến thức của chuyên ngành mà mình đã học và những kiến thức mới của chuyên ngành khác như: kỹ thuật điện - điện tử, kỹ thuật vi điều khiển để giải quyết vấn đề một cách tốt nhất

Đề tài nghiên cứu thành công sẽ mang lại những lợi ích to lớn như:

• Cải thiện được tình trạng kỹ thuật của động cơ sử dụng hệ thống phun xăng điện tử kiểu L-Jectronic có dùng cảm biến đo lưu lượng kiểu cánh trượt như: giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm được sự ô nhiểm khí thải trong môi trường Từ đó kéo dài được thời gian sử dụng của động cơ, ô tô

• Sản phẩm nghiên cứu áp dụng rộng rãi trên thị trường sẽ mang lại nguồn lợi kinh tế lớn về phụ tùng thay thế cho loại ô tô đã nghiên cứu, trong điều kiện nước ta còn khó khăn

10

Trang 17

MỤC LỤC

1.3.Đối Tượng Và Phạm Vi Nghiên Cứu 04

1.4.Nội Dung Và Phương Pháp Nghiên Cứu 09

1.5.Ý Nghĩa Khoa Học Và Thực Tiễn Của Đề Tài 09

2.1.1.Giới Thiệu Hệ Thống Điều Khiển Động Cơ 11

2.1.2.Cơ Sở Lý Thuyết Điều Khiển Động Cơ 12

2.2.Cảm Biến Đo Lưu Lượng Khí Nạp Trong Điều Khiển Động

Cơ Xăng

52

2.2.1.Loại Dùng Phương Pháp Đo Gián Tiếp 52

2.2.2.Loại Dùng Phương Pháp Đo Trực Tiếp 67

2.3.Cơ Sở Lý Thuyết Xấp Xỉ Hàm Số 70

2.3.1.Phương Pháp Bình Phương Bé Nhất 70

2.3.3.Phương Pháp Tuyến Tính Hoá Từng Đoạn 76

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐẶC

TUYẾN CẢM BIẾN ĐO LƯU LƯỢNG KHÍ NẠP

78

3.1.Khảo Sát Đường Đặc Tính Của Các Cảm Biến Đo Lưu

Lượng Khí Nạp

78

3.1.1.Thiết Bị Dùng Khảo Sát Đường Đăïc Tính Của Các Cảm

Biến Đo Lưu Lượng Khí Nạp

79

3.1.2.Động Cơ Dùng Khảo Sát Đường Đăïc Tính Của Các Cảm

81

3.1.3.Phương Pháp Khảo Sát Đường Đăïc Tính Của Các Cảm

82

3.1.4.Kết Quả Khảo Sát Đường Đặc Tính Cảm Biến Đo Lưu

Lượng Khí Nạp

83

3.2.Xây Dựng Hàm Xấp Xỉ Chuyển Đổi Đặc Tuyến Cảm Biến

Đo Lưu Lượng Khí Nạp

86

3.3.Thiết Kế Chế Tạo Bộ Chuyển Đổi Đặc Tuyến Cảm Biến

92

3.3.1.Sơ Đồ Cảm Biến Đo Lưu Lượng Khí Nạp Cánh Trượt

Thay Thế Bằng Cảm Biến Đo Lưu Lượng Khí Nạp Dây Nhiệt

92

Giáo Viên Hướng Dẫn: PGS-TS Đỗ Văn Dũng

Học Viên Thực Hiện: KS Đinh Quốc Trí

Trang 18

Trên Động Cơ

3.3.2.Chức Năng Và Cấu Tạo Bộ Chuyển Đổi Đặc Tuyến Cảm

94

3.3.4.Thiết Kế Chế Tạo Bộ Chuyển Đổi Đặc Tuyến Cảm Biến

96

CHƯƠNG IV: THỰC NGHIỆM BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐẶC TUYẾN

CẢM BIẾN ĐO LƯU LƯỢNG KHÍ NẠP TRÊN ĐỘNG CƠ

113

4.1.Mục Đích, Yêu Cầu Của Thực Nghiệm 113

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 129

Giáo Viên Hướng Dẫn: PGS-TS Đỗ Văn Dũng

Học Viên Thực Hiện: KS Đinh Quốc Trí

Trang 19

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Hệ Thống Điều Khiển Động Cơ

2.1.1 Giới Thiệu Hệ Thống Điều Khiển Động Cơ

Hệ thống điều khiển động cơ bao gồm:

Các phần tử chấp hành

Bộ điều khiển điện tử

(ECU)

Phần mềm điều khiển

Các mục tiêu

Các

cảm

biển

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của hệ thống điểu khiển động cơ

Các cảm biến đo liên tục các trạng thái hoạt động của động cơ

Một bộ điều khiển điện tử đánh giá giá trị từ các cảm biến, tính

toán và xuất giá trị điều khiển các phần tử chấp hành

Các phần tử chấp hành được điều khiển bởi ECU thực hiện công tác để đạt yêu cầu đặt ra

Phần mềm điều khiển xác định giá trị điều khiển các phần tử chấp hành theo các thông số đầu vào (từ cảm biến) để đạt mục tiêu đặt ra

Mục đích của việc sử dụng hệ thống điều khiển điện tử động cơ là để đạt được độ chính xác và khả năng thích ứng cần thiết nhằm làm giảm đến mức tối thiểu lượng khí xả ô nhiễm và lượng nhiên liệu tiêu thụ, đạt được khả năng vận hành tối ưu trong mọi trường hợp hoạt động, tối thiểu hoá ô nhiễm do nhiên liệu bay hơi trong bình chứa và cung cấp khả năng chẩn đoán khi có lỗi trong hệ thống

Học Viên Thực Hiện: KS Đinh Quốc Trí

11

Trang 20

Hệ thống điều khiển động cơ có các hệ thống điều khiển chính như :

Điều khiển phun nhiên liệu Điều khiển đánh lửa trong động cơ đốt cháy cưỡng bức Ngoài ra còn có các hệ thống kiểm soát động cơ như:

Điều khiển lambda Điều khiển tốc độ cầm chừng Kiểm soát kích nổ, v.v

2.1.2 Cơ Sở Lý Thuyết Điều Khiển Động Cơ

Các kiểu điều khiển động cơ:

Động cơ xăng được điều khiển bằng cách thay đổi lượng không khí nạpλa.Việc phải làm ở đây là điều chỉnh lưu lượng không khí vào trong xi lanh Nhiên liệu cung cấpλf sau đó được điều tiết để duy trì tỉ lệ không khí-nhiên liệu

λ mong muốn Phạm vi thay đổi của λ bị giới hạn bởi khả năng đốt cháy hòa khí của bougie

vào lượng nhiên liệu cung cấp tương đối λf

12

Trang 21

Động cơ xăng kiểu cũ hoạt động với hỗn hợp hòa khí đồng nhất nằm trong khỏang (0,9<λ< 1,3) Hoạt động của động cơ đốt nghèo (GDI) ở hỗn hợp hòa khí siêu nghèo tương ứng với hoạt động của động cơ Diesel Sự cháy của hòa khí được đảm bảo bằng cách phun trực tiếp nhiên liệu theo lớp để làm giàu tỉ lệ không khí-nhiên liệu xung quanh bougie

Động cơ Diesel được điều khiển bởi lượng nhiên liệu cung cấpλf Trên đường ống nạp không có cánh bướm ga Lượng không khí cung cấpλa luôn luôn

ở mức tối đa Bởi vậy, tỉ lệ không khí nhiên liệu λ thay đổi trong một khoảng khá rộng Sự cháy của hỗn hợp hòa khí cực kỳ nghèo vẫn có thể thực hiện được nhờ sự phân chia nhiên liệu không đồng nhất trong buồng cháy của động cơ Với hỗn hợp không đồng nhất khi cháy sẽ có ngọn lửa màu vàng Để tránh sinh ra muội than thì tỉ lệ không khí-nhiên liệu bình quân không nên dướiλ =1,3 Vì giá trị công có ích ωe được định bởi nhiên liệu phun vào, nên cần phải ngưng cung cấp nhiên liệu khi tốc độ vòng quay động cơ đạt tới giá trị cực đại Nếu không, công suất động cơ sẽ tiếp tục tăng theo sự tăng của tốc độ vòng quay động cơ, kết quả là động cơ sẽ hư hỏng Nhiên liệu có thể được phun trong hai bước Thoạt tiên, một ít nhiên liệu được phun để khởi động quá trình cháy một cách êm dịu Lần thứ hai, lượng nhiên liệu chính được phun vào, kết quả sau đó là áp suất và nhiệt độ đỉnh của quá trình cháy thấp hơn, có thể làm cho việc phát ra

NOx thấp hơn và giảm độ ồn của quá trình cháy Đôi khi, việc phun nhiên liệu có thể phân chia thành nhiều hơn hai bước

Động cơ xăng đốt nghèo chính là sự tương hợp giữa động cơ Diesel và

đôïng cơ xăng hoạt động ở hòa khí lý tưởng Khi chạy ở tải nhỏ, tỉ lệ không nhiên liệu rất nghèo Nhờ được thiết kế hoàn hảo với áp suất phun, tia phun hình nón và xoáy lốc của không khí, sẽ tạo ra hỗn hợp phân tầng hơn vào xung quanh

khí-Giáo Viên Hướng Dẫn: PGS-TS Đỗ Văn Dũng

13

Trang 22

bougie Kết quả là quá trình cháy giống như ở động cơ Diesel (hỗn hợp hòa khí không đồng nhất, ngọn lửa màu vàng) Nhiên liệu được phun là giảm mức độc hại của khí thải Đầu tiên, khoảng 1/4 tổng lượng nhiên liệu được phun vào để hình thành hỗn hợp nhiên liệu nghèo đồng nhất vào trong buồng cháy Tỉ lệ hỗn hợp nghèo này cũng giảm khả năng sinh ra kích nổ Lần thứ hai, 3/4 tổng lượng nhiên liệu được phun vào để phân tầng hỗn hợp Sau khi cháy hỗn hợp giàu nhiên liệu này, hỗn hợp đồng nhất nghèo nhiên liệu sẽ cháy trong ngọn lửa màu xanh, làm giảm mức độc hại của khí thải Ở chế độ tải lớn, điều kiện hoạt động thay đổi từ hỗn hợp hòa khí rất nghèo sang hỗn hợp hòa khí lý tưởng Trong một thể tích công tác cụ thể của động cơ, nhiên liệu có thể được đốt cháy từ hỗn hợp hòa khí lý tưởng, nên công suất động cơ phát ra tăng

Hình 2.2 biểu diễn sự phụ thuộc của công có ích theo tốc độ động cơ của động cơ xăng và động cơ Diesel Lượng khí nạp vào theo thể tích công tác có sẵn của động cơ Diesel không tăng áp và động cơ xăng đốt nghèo, phải cao hơn 60% so với lượng khí nạp hút vào ở thể tích công tác tương tự cho động cơ hoạt động theo tỉ lệ hòa khí lý tưởng để đạt được công suất cực đại như nhau Bởi vậy, động cơ Diesel và động cơ xăng đốt nghèo thường được tăng áp để tăng lượng cung cấp không khí tương ứngλa ở một thể tích công tác cho trước V d

2.1.2.1 Điều Khiển Phun Nhiên Liệu

A Ô nhiễm của động cơ đốt trong

Việc hòa trộn hỗn hợp có thể thực hiện bằng cách phun nhiên liệu vào đường ống nạp hoặc phun trực tiếp vào lòng xi lanh Nếu đủ thời gian để hỗn hợp hòa khí sẽ phân bố đồng nhất trong xi lanh với một tỉ lệ thay đổi trong

khoảng 0,9<λ<1,3 Trong trường hợp hỗn hợp hòa khí siêu nghèoλ>1,3, một phần của hỗn hợp phân lớp giàu nhiên liệu phải được tập trung tại một vùng

14

Trang 23

trong buồng cháy (quanh bougie) Quá trình cháy được bắt đầu bởi tia lửa điện ở động cơ xăng và tự cháy ở động cơ Diesel

* Hỗn hợp đồng nhất, tỉ lệ hòa khí lý tưởng sẽ cháy với ngọn lửa màu xanh Hầu như không sinh ra muội than (hạt carbon)

* Hỗn hợp phân lớp với tỉ lệ hòa khí nghèo sẽ cháy với ngọn lửa màu vàng Muội than được sinh ra

* Quá trình cháy được bắt đầu từ sự bốc cháy ở một điểm

Quá trình cháy phụ thuộc vào áp suất p, nhiệt độ T, tỉ lệ hòa khí λ và năng

lượng hoạt hóa E của nhiên liệu Đối với λ<1, khí thải được sinh ra theo tỉ lệ sau:

2 2

2

H CO

O H CO

n n

k= (2.1)

Tỉ lệ này phụ thuộc vào nhiệt độ Ví dụ T=1850 0 K thì k = 2.6

Việc phát ra các chất gây ô nhiễm như là: CO, HC, NO x ,phụ thuộc nhiều vào tỉ lệ hòa khíλ Ở đây nó được biểu diễn trên hình 2.3

λ <1 : Tăng lượng HC và CO

λ =1 : Quá trình cháy lý tưởng Các chất được phát ra trong khí thải sẽ rất thấp

sau khi qua bộ hóa khử (three way catalytic converter)

1

,

1

≈

λ : Phát ra NO x cao nhất bởi vì nhiệt độ đỉnh của quá trình cháy là cao nhất

λ >1,1 : Giảm lượng NO x và nhiệt độ quá trình cháy thấp hơn Tăng việc phát ra khí HC do thỉnh thoảng một số xi lanh chết

λ >1,5 : Chế độ đốt nghèo nhiên liệu Các chất độc hại thoát ra từ khí thải giảm

rất thấp, nhưng phải cần đến bộ hóa khử riêng cho NO x

Hàm lượng O 2 trong khí thải có thể được dùng để xác định tỉ lệ hòa khí λ bằng cách sử dụng cảm biến Lambda (cảm biến oxy)

15

Trang 24

B Điều Khiển Nhiên Liệu

Tỉ lệ hòa khí λ là một biến số quan trọng cho việc điều khiển nhiên liệu Nó chính là cơ sở cho những tiếp cận điều khiển khác nhau

* Hỗn hợp giàu nhiên liệu λ<1 : Công suất cực đại sinh ra trên thể tích công

tác nhờ tăng lượng nhiên liệu cung cấp tương đối λf Nó đã được sử dụng ở chế độ tải lớn đến năm 1970 Ngày này, nó chỉ được sử dụng cho quá trình hâm nóng động cơ Hàm lượng các chất độc hại cao trong khí thải

Hình 2.3: Sự phát xạ các chất thải

CO, HC, NO x và O 2 theo tỉ lệ hòa khí

ở động cơ xăng

* Hỗn hợp hòa khí lý tưởng λ=1: Công suất động cơ phát ra ở mức vừa phải Tỉ lệ này là tỉ lệ cần thiết cho bộ hóa khử (Three Way Catalytic Converter) hoạt động với hiệu suất lớn nhất Khi tải lớn, cần đạt được sự dung hòa giữa công suất

phát ra và mức độ độc hại của khí thải

* Hỗn hợp nghèo nhiên liệu vừa phải 1<λ<1,5: Hiệu suất nhiệt tốt vì tăng

lượng không khí cung cấpλa , nhưng lại phát ra nhiều NO x trong khí thải Phương

pháp này được sử dụng ở chế độ tải nhỏ đến năm 1980

* Hỗn hợp nghèo nhiên liệu λ >1,5: Hiệu suất nhiệt cao bởi vì lượng không khí

cung cấp λa cao NOx phát ra trong khí thải vẫn ở mức cao, vì thế bộ hoá khử

được dùng để làm giảm NOx Phương pháp này được sử dụng ở động cơ đốt nghèo ở chế độ tải nhỏ và động cơ diesel Tuy nhiên không thể đạt công suất

16

Trang 25

động cơ tối đa mà tài xế mong muốn, được điều khiển bằng cách thay đổi lượng không khí cung cấp tương đốiλa trên động cơ xăng theo góc mở cánh bướm ga

i

α hoặc thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp tương đối λf trên động cơ diesel Lượng nhiên liệu hòa trộn với không khí được hiệu chỉnh bởi hệ thống điều khiển nhiên liệu, để đạt được tỉ lệ không khí nhiên liệu định trước Có hai hệ

thống phun nhiên liệu khác nhau

1 Phun trên đường ống nạp

Nhiên liệu được phun vào trong từng ống góp hút riêng biệt trước cửa nạp Có ít nhất 1 suppap nạp cho mỗi xi lanh Vấn đề có thể xảy ra ở chế độ cầm chừng là do nhiên liệu bốc hơi không hoàn toàn bởi tốc độ lưu thông dòng khí di chuyển vào trong xi lanh thấp Ngoài ra, sự phân phối dòng khí nạp vào trong từng ống góp nạp có thể khác nhau Ở chế độ cầm chừng, lượng nhiên liệu được phun vào ít chính xác vì kim phun điện từ được điều khiển theo thời gian Sai số

do thời gian khi tăng và giảm dòng (thời gian chết) làm ảnh hưởng đến lượng nhiên liệu được phun khi số lần phun ít Ưu điểm của hệ thống phun vào đường ống nạp là tạo được sự phân bố hỗn hợp nhiên liệu đồng nhất trong xi lanh ở mứcλ=1 Ngọn lửa cháy hỗn hợp này có màu xanh Có vài hạn chế trong việc thiết kế đường ống nạp Sự trao đổi của khí có thể được tối ưu hóa mà không ảnh hưởng lớn đến hệ thống nhiên liệu vì nó diễn ra tại suppap nạp Đường ống nạp được thiết kế để sinh ra sự cộng hưởng quán tính dòng khí khi tốc độ động cơ thấp Nó tăng lượng cung cấp khí nạp tương đối và tăng công có ích ωe mà không cần tăng áp Suppap nạp được làm mát nhờ nhiên liệu bay hơi Nhiệt độ hỗn hợp thấp giúp giảm kích nổ và cho phép tăng cao tỉ số nén để tăng cao hiệu suất động cơ Thời điểm phun thay đổi theo pha cho mỗi xi lanh Làm như vậy là để trách sự hình thành muội than trong trường hợp vừa mới ngắt phun thì suppap

17

Trang 26

nạp mở ra Có thể điều khiển phun nhiên liệu và cũng có thể cắt cung cấp nhiên liệu riêng lẻ ở từng xi lanh: để giới hạn tốc độ động cơ và tốc độ xe, cắt nhiên liệu khi xe chạy đà (chạy theo quán tính) hoặc ngắt một số xi lanh nào đó đối với động cơ nhiều xi lanh

2 Phun trực tiếp vào xi lanh

Nhiên liệu được phun trực tiếp vào lòng xi lanh Mục đích là làm cho hỗn hợp hòa khí đủ giàu (hòa khí lý tưởng) trong một phần giới hạn của buồng cháy,

ví dụ ở động cơ xăng thì vị trí đó là xung quanh bougie, tại thời điểm xuất hiện tia lửa Lượng nhiên liệu, áp suất phun (tán nhuyễn nhiên liệu), hình dạng góc phun của nhiên liệu bay ra (độ rộng và sâu) và thời gian phun được điều chỉnh theo từng chế độ hoạt động của động cơ Sự xoáy lốc của hỗn hợp khí được điều khiển bằng hình dạng đặc biệt của đầu piston

Mục đích là làm sao đốt cháy được hỗn hợp hòa khí rất nghèo Điều đó có thể thực hiện được bởi cách phun nhiên liệu nhiều lần Ở lần phun đầu tiên (phun sớm), một hỗn hợp nghèo đồng nhất được hình thành trong toàn bộ buồng cháy cho tới trước thời điểm đánh lửa, nhờ sự xoáy lốc trong buồng đốt Lần phun ngay sau đó tạo ra hỗn hợp phân lớp giàu nhiên liệu hơn, chính hỗn hợp này sẽ bốc cháy thật nhanh, giảm sự biến đổi từ chu kỳ này đến chu kỳ khác Nhờ giảm lượng nhiên liệu trong việc nạp phân lớp, nhiệt độ đỉnh của quá trình cháy cũng giảm theo Hỗn hợp nghèo đồng nhất được tạo ra trước đó được đốt cháy sau Do hỗn hợp nhiên liệu quá nghèo, nó cần thời gian cháy lớn nên làm giảm giới hạn tốc độ tối đa cho phép của động cơ Trong quá trình cháy hỗn hợp phân lớp, muội than được sinh ra Hỗn hợp đồng nhất cháy với ngọn lửa màu xanh, có thể làm giảm muội than một cách đáng kể Tổng lượng nhiên liệu được phun phụ thuộc vào những thông số sau:

18

Trang 27

* Lưu lượng khí nạp theo thời gian m&a

* Aùp suất trên đường ống nạp p m (đối vơiù động xăng)

* Góc mở αi của bướm ga ở động cơ xăng

* Tốc độ động cơ n

* Góc quay trục khuỷu αcs và tín hiệu TDC của xi lanh chuẩn

* Nhiệt độ động cơ T e

* Nhiệt độ môi trường T a

* Hiệu điện thế accu U b (tác động gián tiếp)

Những chức năng chính của điều khiển nhiên liệu:

* Điều khiển lượng nhiên liệu phun ra theo thời gian , theo lượng không khí nạp theo thời gian , phụ thuộc vào tỉ lệ hòa khí mong muốn

*Bù nhiên liệu do tổn thất động học trên đường ống nạp

* Bù lớp màng mỏng nhiên liệu bám lên đường ống nạp Hiện tượng này cũng phụ thuộc vào nhiệt độ

*Cắt nhiên liệu khi chạy đà Nhiên liệu được tiết kiệm khoảng 5%

*Lưu lượng khí nạp đã đo đôi khi còn được hiệu chỉnh lại theo nhiệt độ

môi trường T a , theo sự thay đổi áp suất (trước và sau cánh bướm ga) p o

của khí quyển

*Điều khiển tốc độ cầm chừng

* Cắt nhiên liệu để giới hạn tốc độ tối đa của động cơ

* Điều khiển λ của tỉ lệ không khí–nhiên liệu

19

Trang 28

* Điều khiển luân hồi khí thải (EGR)

C Phun nhiên liệu gián đoạn

Phun nhiên liệu gián đoạn kinh tế hơn nhiều so với phun nhiên liệu liên

tục, nhờ đảm bảo những yêu cầu chính xác khác nhau trong hệ thống Công suất

phát ra của động cơ biến thiên trong khoảng rộng Tỉ lệ giữa công suất p min ở chế

độ cầm chừng và công suất cực đại p max thay đổi từ 1 ÷ 100

Hiệu suất nhiệt có ích khi lưu lượng nhiên liệu không đổi là:

CYL

V H m CYL nH

m

n V H

m

f f e f

f

d e f

& (2.4) Trong đó:

P e : là công suất có ích

e

ω : là công riêng có ích trên một chu trình (J/m 3)

m f : là khối lượng nhiên liệu đo được trên một xi lanh (kg)

f

m& : là lưu lượng nhiên liệu (kg/s)

H f : là năng lượng riêng của nhiên liệu giải phóng trong quá trình cháy (J/kg) (nhiệt dung riêng)

CYL: số xy lanh của động cơ

V d : là tổng thể tích công tác (m 3)

20

Trang 29

V d /CYL thể tích công tác của một xi lanh

Dao động của không khí trên đường ống nạp được bỏ qua trong công thức này Giả sử ta cung cấp một lượng nhiên liệu liên tục sai số tương đối trong hệ thống điều khiển hở nhiên liệu khi tải thấp sẽ là:

f

m&

%3

max

min min

max

min max

10

P m

m m

Do đó, sai số tuyệt đối ở chế độ cầm chừng nhỏ hơn 100 lần so với sai số tương

đối Hệ thống phun nhiên liệu liên tục phải được thiết kế theo sai số tuyệt đối Nó đòi hỏi phải cực kỳ chính xác Do đó làm chi phí cao Điều khiển nhiên liệu có thể thực hiện nhờ phương pháp phun nhiên liệu gián đoạn Cho mỗi chu kỳ cháy, một lượng nhiên liệu được phun Số lần phun trên một giây tỉ lệ thuận

với tốc độ động cơ n Lượng nhiên liệu được phun trên một xi lanh và cho một

chu kỳ cháy là:

f

m&

dt m m

CYL n

21

Trang 30

10

max

min min

max min

n

n P

P m

m (2.9)

Giả sử sai số tương đối khi tải cực tiểu là:

%3

3 max

10

Và tỉ lệ sai số tương đối với tuyệt đối còn lại 10 lần So với hệ thống phun nhiên

liệu liên tục, hệ thống phun nhiên liệu gián đoạn yêu cầu độ chính xác thấp hơn và vì thế hệ thống phun gián đoạn có thể sản xuất với giá thấp hơn

D Tính toán thời gian phun

Lượng nhiên liệu cung cấp được điều khiển bằng thời gian phun t inj, trong suốt thời gian đó van kim phun mở ra Vì thế lượng nhiên liệu trong một lần phun vào một xi lanh có thể được tính toán theo công thức sau cho trường hợp lưu lượng không khí cố định m&a = const

CYL n

m L L

m

st st

a f

th a st

m

m L

,

= ) Lượng nhiên liệu được phun tỉ lệ thuận với

thời gian phun t

f

m

inj và căn bậc 2 của chênh lệch áp suất ∆pgiữa ống phân phối nhiên liệu và đường ống nạp trong trường hợp phun trên đường ống nạp, còn ở hệ thống phun trực tiếp thì ∆p là giữa áp suất của ống phân phối và áp suất

buồng cháy Tỉ trọng của nhiên liệu p f và diện tích mở có ích của van kim phun

A eff được xem như hằng số

inj f eff

f

p

p A

p

m ~ 2∆ (2.13)

22

Trang 31

Khi phun trên đường ống nạp, chênh lệch áp suất ∆p khoảng 5 bar Hệ thống

phun trực tiếp vào xi lanh có chênh lệch áp xuất ∆p khoảng 400 bar cho động cơ xăng và 2000 bar cho động cơ Diesel

Thời gian phun của chế độ hoạt động tĩnh tương đương với:

CYL n

m

inj

2 1

~ &

λ (2.14)Cho tỉ lệ hòa khí chuẩn λο, thời gian phun chuẩn t 0 tỉ lệ với:

CYL n

Lưu lượng khí nạp : Phải được đo, sai số hệ thống ở vài cảm biến có thể giảm xuống nhờ tính đến tỉ trọng và nhiệt độ không khí Khối lượng khí trên một chu

Tỉ lệ hòa khí thực tế λ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ trong quá trình làm giàu hòa khí để hâm nóng và hiệu chỉnh cho quá trình chuyển tiếp tức thời

Ở động cơ Diesel ta luôn có λ >1,3

23

Trang 32

2.5 2 1.5 1 0.5

Hình 2.4: Bản đồ đặc tuyến kim phun loại áp điện (10Mpa = 10 bar)

Hiệu điện thế accu U b : nó ảnh hưởng đến thời gian chết của kim phun loại điện từ Tác động này có thể được bù lại nhờ thêm thời gian hiệu chỉnh theo điện áp

Vậy thời gian phun đã được bù là:

đường ống nạp p m hoặc góc mở cách bướm ga trên động cơ xăng Lưu lượng khí vào các xi lanh cũng phụ thuộc vào sự thay đổi áp suất động trên đường ống nạp Nó là một hàm số của:

f

m&a = ο m, &m, (2.18) Trong đó phải được đo cho tất cả các có thể xảy ra trong chế độ hoạt động tĩnh của động cơ và hiệu chỉnh theo thay đổi áp suất động (trong phần

Động học ống góp nạp) Hình 2.4 mô tả bản đồ thời gian phun cần thiết t

24

Trang 33

E Khối lượng không khí trên một chu kỳ cháy

Lượng không khí cung cấp tương ứng λa ở tốc độ động cơ thấp có thể được tăng lên nhờ cộng hưởng quán tính dòng khí trên đường ống nạp cho mỗi xi lanh Sự cộng hưởng này xảy ra theo chu kỳ đóng và mở của suppap nạp

Hình dáng của đường ống nạp được thiết kế để cộng hưởng xảy ra ở tốc độ động

cơ thấp Nó được dùng để tạo áp suất có giá trị cao nhất có thể khi cộng hưởng xảy ra tại vị trí supap nạp ngay khi suppap nạp mở ra Vì vậy, lưu lượng khí nhiều hơn được đưa vào buồng cháy, tăng lượng không khí cung cấp tương đối

a

λ và tăng công suất có ích ωe Tần số cộng hưởng điển hình xảy ra khi tốc độ động cơ nằm giữa 2000 3000 (v/p) Để tần số cộng hưởng xảy ra khi tốc độ động cơ thấp hơn thì kích thước của đường ống nạp trở nên quá lớn Tần số dao động của không khí trên đường ống nạp là:

của động cơ 4 kỳ Ví dụ: tần số rung động cho động cơ 6 xi lanh, ở tốc độ n =

6000 v/p thì fp =300 Hz Khối lượng khí nạp trên một xi lanh được tính toán bằng cách tích phân lưu lượng khí nạp m&a trong một chu kỳ dao động

dt m m

b

a

t

t a

a = &∫ (2.20)

Cận (thời gian bắt đầu t a , thời gian kết thúc t b) của phép tích phân được cho bởi:

CYL n f t t

p a b

a m dt m

1

0

& (2.22)

25

Trang 34

Lượng không khí cung cấp m a có thể được tính bằng cách lấy tích phân tín hiệu cảm biến lưu lượng khí nạp Tín hiệu lấy mẫu phải có tỷ lệ đủ cao để tránh nhầm lẫn, và vì thế nó phải cao hơn từ 5 đến 10 lần so với tần số dao động cao nhất Kết quả là đặc tính phi tuyến của cảm biến đo lưu lượng khí nạp phải được chỉnh lại trước khi tích phân Có thể đạt được đặc tính tuyến tính bằng cách (tăng lên nhiều lần) nhân đặc tính của cảm biến với nghịch đảo của nó

Thời điểm đúng cho phép tích phân (t a, t b) có thể được lấy từ tín hiệu góc quay trục khuỷu αcs Ví dụ như cảm biến trục khuỷu có 60 răng thì khoảng thời gian

tồn tại của t b – t a = 1/f p tương đương với góc αcs =1200 trong động cơ 6 xi lanh Điều này tương ứng với sự quay 20 răng của cảm biến trục khuỷu Đáng tiếc là, lưu lượng khí nạp đồng bộ theo thời gian chứ không đồng bộ với góc quay trục khuỷu αcs Do lưu lượng khí nạp m&a không được lấy mẫu ở thời gian bắt đầu và

kết thúc t a , t b nó buộc phải được nội suy

−

=

+ +

+

s

b n n

a s

b n n a b a

s

a a

s

a a

T

t t t

m T

t t t m t m

T

t t t

m t

t t t m t m

1 1

1

1 1

a

m

i l

t t2 t n−l t n t b

l n

t+ t

Hình 2.5: Khối lượng khí nạp m&a được tính từ tích phân lưu lượng khí nạp m&a

theo thời gian t a - t b

Tích phân gần đúng bằng phương pháp hình thang:

26

Trang 35

+

++

+

−+

a n a n a n

a

a a

s

a a

a a s a

T

t t t

m t m t m t

m

t m t

m T

t t t m t m

CYL

T m

1 1

2 1

1 1

12

−

−+

+

=

∑2

2 1 1

2

2 1

1 2

2 1 1

2

2 1 0

1

21

s

b n n

a s

b n n a

n i

i a s

a a

s

a a

s a

T

t t t

m T

t t t m

t m T

t t t

m T

t t t m

CYL

T m

F Động học ống góp nạp

Hình 2.6 mô tả mặt cắt ngang của đường ống nạp Lưu lượng khí nạp đi vào trong ống góp nạp được điều tiết bởi góc mở của cách bướm ga Ở động cơ Diesel có thể không có cánh bướm ga hoặc có nhưng chỉ điều chỉnh ở một vài chế độ hoạt động để điều chỉnh lượng khí thải luân hồi cần thiết

in a

m& ,

Lưu lượng khí nạp từ đường góp nạp vào trong xi lanh m&a,out phụ thuộc vào mức

áp suất trên đường ống nạp p m (và áp suất bên trong xi lanh p c) Để điều chỉnh tỉ lệ hòa khí λ chính xác và kịp thời, lượng nhiên liệu được phun phải điều chỉnh theo lưu lượng khí nạp vào trong xi lanh m&a,out chứ không phải theo lưu lượng không khí vào đường ống nạp m&a,in

in a

m& , m&a,out

Hình 2.6: Mặt cắt ngang của ống góp hút

27

Trang 36

Dao động của áp suất được mô tả trên hình 2.4 sẽ được bỏ qua vì ta sẽ lấy giá trị trung bình Một sự thay đổi lưu lượng khí nạp m&a sẽ dẫn đến sự thay đổi áp suất

trễ hơn trên đường ống nạp p m Theo phương trình vi phân nhận được từ trạng thái cân bằng năng lượng: sự thay đổi nội năng của khối lượng khí trên đường ống nạp bằng với tổng các dòng năng lượng đi vào và đi ra cộng với cân bằng sự thay đổi năng lượng của khí cháy do sinh công pV Đưa vào giá trị nội năng

riêng u = U/m và nhiệt năng riêng h = H/m thì phương trình vi phân trở thành:

dt

d , , = & , − & , + − (2.23) Trong mô hình này, cộng hưởng trong ống góp nạp được bỏ qua bởi giả định

rằng áp suất p m đồng nhất ở bướm ga và lòng xi lanh Ngoài ra, bức xạ nhiệt thoát ra từ động cơ được xem như ngang bằng với năng lượng nhiệt cần để làm bay hơi của nhiên liệu Vì vậy, không có điều kiện nào khác được thêm vào phương trình 2.23 Nhiệt năng ở ngõ vào và ngõ ra tương đương với:

in a in in a in in

m& , = & , + & (2.24)

out m out out a out out

m& , = & , + & (2.25) Có thể thế vào phương trình 2.23

out out a in in a in in a in in

m , & + & , = & , − & , (2.26)

Sử dụng hệ số nhiệt riêng (nhiệt dung riêng)

T

h c T

m V c T c T p V m h m c T p

m & , & ,

&

& + = − (2.27)

28

Trang 37

(áp suất đường ống nạp trung bình)

x out a

m& .

in a

(lưu lượng khí nạp)

Hình 2.7: Mô hình động học của đường ống nạp

Và sau đó chia cho cv V m:

a p m m m

T

T m V c

T c T p T

k= và phương trình khí lý tưởng pV=mRT

Cho ta phương trình sau đây biểu diễn sự thay đổi áp suất:

T

T m V

kRT

p& & , & , (2.29) Việc đo lưu lượng khí từ ống nạp vào xi lanh m&a,out rất khó Do đáp ứng động học củam&a,out nhanh hơn nhiều so với áp suất p m trên đường ống nạp, nên chỉ có những giá trị cố định củam&a,out sẽ được tra từ bảng f(n,p m ) Lưu lượng khí nạp

out

a

m& , phụ thuộc vào tốc độ động cơ n và áp suất trên đường ống nạp p m ở chế độ

hoạt động tĩnh của động cơ tại đó đạo hàm = 0, = 0 n& p&

a

m out a out

T

T m

m& , = & , = 1 , ) (2.30) Sự thay đổi áp suất trên đường ống nạp được xác định bởi:

29

Trang 38

V m

=

τ (2.32) Bảng tra có thể được xác định từ thực nghiệm (trên băng thử trong phòng thí nghiệm) ở những điểm hoạt động tĩnh của động cơ, tại đó đạo hàm áp suất trung bình trên đường ống nạp = 0 Dưới những điều kiện này, lưu lượng khí đi vào

Hình 2.7 trình bày sơ đồ khối của áp suất trung bình trên đường ống nạp Bằng cách tích phân phương trình 2.31, áp suất trung bình trên đường ống nạp có thể được ước lượng trong một khoảng thời gian thật Nó có thể được sử dụng để điều khiển tốc độ cầm chừng Một ứng dụng khác là để ước lượng lưu lượng khí nạp từ áp suất đo được trên đường ống nạp p

m& , = &τ + 1 , (2.33) Đạo hàm chỉ có thể tính sau một khoảng thời gian (trễ) Trong một số động

cơ, đạo hàm góc mở cánh bướm ga được sử dụng như là biến số phụ

m

p&

Thời hằng có thể rút gọn ở các chế độ hoạt động p m,o và m& ,o

ττ

o

o m n

o a m o

in a o

m

m n

m

p n f m

m p

p dt

d

,

1

, ,

30

Trang 39

* Ở chế độ công suất tối đa, áp suất trên đường ống nạp là p m,o = 1 bar Và lưu

lượng khí sẽ là m& ,o = 600 kg/h Nó dẫn đến thời hằng là:

21

1 , =

n

τ ms (2.36)

* Ở chế độ công suất tối thiểu (chế độ cầm chừng), áp suất là p m,o = 0.35 bar,

lưu lượng khí nạp sẽ là m&a,o = 6kg/h và dẫn đến:

740

2 , =

n

τ ms (2.37)

Chúng ta thấy rằng động học của đường ống nạp đã ảnh hưởng đến động học của động cơ đặc biệt là khi công suất thấp, chẳng hạn ở chế độ cầm chừng

G Bù nhiên liệu bám vào thành ống nạp

Trong phần này liên quan đến các hệ thống phun nhiên liệu trên đường ống nạp, với kim phun được bố trí ngay trước suppap nạp

Các sai số nhỏ của tỉ lệ hòa khí phải được bù do các thông số trạng thái của đường ống nạp, thay đổi trong các giai đoạn chuyển tiếp Ví dụ một sự thay đổi áp suất khí nạp trên đường ống nạp hoặc sự thay đổi về khối lượng nhiên

liệu m w bám lên thành ống (tình trạng ướt thành ống nạp) dẫn đến sự sai lệch tỉ lệ hòa khí λ trong các xi lanh Sai số trong một giai đoạn ngắn do thành ống nạp

bị bám xăng có thể được bù nhờ mô hình động học của hệ thống Hình 2.8 mô tả những tác động chính của việc xăng bám thành ống nạp Sự biến

đổi khối nhiên liệu trên thành ống m w theo thời gian là hiệu số của lưu lượng nhiên liệu vào ống nạp m&Dvà lưu lượng nhiên liệu đã bốc hơi m&E từ ống nạp

Lưu lượng nhiên liệu được phun vào ống nạp m f,in được tách thành lượng nhiên liệu đi trực tiếp vào xi lanh m&f,dir =(1−c)m&f,in và lượng nhiên liệu bám vào ống nạp m& =D c &m f,in

in f dir

f D in

m& , = & + & , = & , + 1− & , (2.38)

31

Trang 40

m& ,

in f

W

m

dir f

m& ,

Hình 2.8: Bù nhiên liệu bám trên thành ống nạp

Hệ số c đặc trưng cho mức độ bám Lưu lượng nhiên liệu từ sự bay hơi m E được

coi như tỉ lệ thuận với khối lượng nhiên liệu bám lên thành ống nạp m w

W

T

m& = 1 (2.40) Thế phương trình 2.57 và 2.58 vào phương trình 2.56 dẫn đến:

W in

f

T m

c

m& = & , − 1 (2.41) Kết quả là lưu lượng nhiên liệu vào xi lanh bao gồm lưu lượng nhiên liệu

đi trực tiếp vào xi lanh và lưu lượng nhiên liệu từ sự bay hơi Như vậy:

uot a

m& ,

dir f

in f s

T

T c

s out

T

c c

−

= (2.45) Hàm chuyển đổi giữa lưu lượng nhiên liệu được phun vào ống nạp và lưu lượng nhiên liệu được hút vào xi lanh là:

32

Định dạng
Số trang	172
Dung lượng	6,04 MB