Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho mô hình phun xăng điện tử động cơ ô tô

Vì vậy, việc thiết kế bộ giao tiếp để điều khiển sự hoạt động của mô hình phun xăng điện tử thông qua máy tính là rất cần thiết.. Có thể thấy qua các hệ thống phun xăng như: Hệ thống phu

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các phần nội dung, 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 20 tháng 11 năm 2015

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian dài thực hiện nghiên cứu, luận văn “Nghiên cứu, thiết

kế bộ điều khiển cho mô hình phun xăng điện tử động cơ ô tô” cũng đã được hoàn thành Ngoài sự nỗ lực làm việc của bản thân, học viên còn nhận được sự giúp đỡ hết sức nhiệt tình từ gia đình, thầy cô và tập thể bạn bè trong quá trình

nghiên cứu

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

+ Các quý thầy cô trong Bộ môn cơ khí ô tô đã tạo điều kiện để cho học viên hoàn thành khóa học

+ Thầy TS Nguyễn Thiết Lập đã hướng dẫn trong suốt quá trình thực hiện đề tài

+ Thầy ThS Trần Văn Lợi đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình nghiên cứu cũng như hoàn thiện đề tài

Qua 6 tháng thực hiện đề tài học viên đã cố gắng thực hiện để đạt được kết quả tốt nhất cho luận văn, mặc dù đã đạt được những thành quả nhất định nhưng chắc chắn vẫn còn nhiều thiếu sót Vì vậy học viên rất mong nhận được

sự góp ý của quý thầy cô và bạn bè để luận văn được hoàn thiện hơn

Trân trọng cám ơn!

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I

LỜI CẢM ƠN II

MỤC LỤC III

DANH MỤC BẢNG V

DANH MỤC HÌNH VẼ VI

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Tổng quan về hệ thống phun xăng điện tử 3

1.2 Một số mô hình phun xăng điện tử đã xây dựng 16

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ KẾT NỐI MÁY TÍNH VỚI MÔ HÌNH 25

2.1 Lựa chọn phương pháp kết nối máy tính với mô hình 25

2.2 Thiết kế thiết bị kết nối máy tính với mô hình 26

2.3 Phần mềm cài đặt cho thiết bị 33

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ 38

3.1 Lựa chọn ngôn ngữ 38

3.1.1 Tổng quan phần mềm LabVIEW 38

3.1.2 Các thanh công cụ 39

3.1.3 Các ứng dụng của LabVIEW 42

3.2 Xây dựng phần mềm điều khiển 43

3.2.1 Mô phỏng mạch điều khiển bơm xăng: 43

iv

3.2.2 Mô phỏng cảm biến Ne, Ge: 44

3.2.3 Mô phỏng cảm biến đo lưu lượng khí nạp: 46

3.2.4 Tín hiệu đánh lửa: 47

3.3 Lắp đặt, thực nghiệm điểu khiển mô hình 48

3.3.1 Thực nghiệm mô hình phun xăng: 48

3.3.2 Thí nghiệm hiển thị tin hiệu đánh lửa: 56

3.3.3 Thí nghiệm giao tiếp hiển thị các cảm biến: 61

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72

x Kết luận 72

x Kiến nghị phát triển của đề tài 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

v

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Thông số ký hiệu chân USB 28 Bảng 2.2 Mô tả chân kết nối chip FT232RL 29 Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của card NI USB 6008/6009 32

vi

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun xăng điện tử 4 Hình 1.2 Sơ đồ các khối chức năng của hệ thống phun xăng 5 Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển lập trình 6

Hình 1.6 Sơ đồ mạch điện và dạng xung G và NE 7

Hình 1.10 Cấu tạo cảm biến oxy loại Ziconnium 9 Hình 1.11 Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bướm ga 10 Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu 11 Hình 1.13 Kết cấu vòi phun nhiên liệu 12 Hình 1.14 Tín hiệu hiệu chỉnh lượng phun khi khởi động 13 Hình 1.15 Tín hiệu hiệu chỉnh lượng phun ở chế độ hồi tiếp 13 Hình 1.16 Tín hiệu hiệu chỉnh lượng phun khi cắt nhiên liệu 14 Hình 1.17 Tín hiệu hiệu chỉnh lượng phun khi cắt nhiên liệu 14 Hình 1.18 Sơ đồ mạch điện điều khiển vòi phun 15 Hình 1.19 Các thành phần chính của mô hình động cơ xăng 17 Hình 1.20 Nguyên lý cụm cơ khí động cơ phun xăng 18 Hình 1.21 Nguyên lý hệ thống phun xăng 18 Hình 1.22 Mạch nguyên lý hệ thống đánh lửa trực tiếp 20 Hình 1.23 Các mô hình phun xăng điện tử của trường Trung cấp nghề 21 Hình 1.24 Các mô hình hệ thống phun xăng của trường đại học Công nghiệp Thành Phố Hồ

Hình 1.25 Mô hình hệ thống phun xăng, đánh lửa điện tử của trường đại học Giao thông Vận tải (tại cơ sở 2) 22 Hình 2.1 Biểu tượng các thiết bị ghép nối với cổng USB 25 Hình 2.2 Nguyên lý mô hình hệ thống phun xăng giao tiếp máy tính 26

vii

Hình 2.3 Sơ đồ mạch giao tiếp máy tính 27 Hình 2.4 Sơ đồ chân cổng USB kiểu A và B 28 Hình 2.5 Sơ đồ mạch vi điều khiển PIC16F628A 30 Hình 2.6 Cấu trúc card giao tiếp máy tính 31

Hình 2.8 Giao diện phần mềm khi bắt đầu cài đặt 33 Hình 2.9 Giao diện phần mềm khi cài đặt cài đặt NI – DAQmx drive 33 Hình 2.10 Giao diện phần mềm khi hoàn tất cài đặt 34 Hình 2.11 Đấu dây khi kiểm tra kết nối 34 Hình 2.12 Giao diện phần mềm khi kiểm tra kết nối 35 Hình 2.13 Sơ đồ chân tín hiệu analog Card NI USB 6008/6009 35 Hình 2.14 Cách kết nối cảm biến có tín hiệu analog Card NI USB 6008/6009: Phương pháp Diffential 35 Hình 2.15 Sơ đồ ghép nối các chân Digital 36 Hình 2.16 Khai báo kết nối 36 Hình 2.17 Chọn chân làm việc của card giao tiếp với máy tính 36 Hình 2.18 Chọn thông số giải đo 37 Hình 2.19 Lập trình tạo giao diện 37 Hình 3.1 Mã nguồn viết bằng LabVIEW 38 Hình 3.2 Front Panel của chương trình Labview 40 Hình 3.3 Block Diagram của chương trình LabVIEW 40

Hình 3.5 Sơ đồ mạch điện điều khiển bơm xăng 43 Hình 3.6 Mô phỏng mạch bơm xăng trên LabVIEW 44 Hình 3.7 Sơ đồ mạch điện cảm biế Ne, Ge 45 Hình 3.8 Mô phỏng tín hiệu Ne, trên LabVIEW 45 Hình 3.9 Mô phỏng tín hiệu Ge trên LabVIEW 45 Hình 3.10 Sơ đồ mạch điện cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt 46

Hình 3.11 Mô phỏng tín hiệu cảm biến đo gió trên LabVIEW 46

Hình 3.12 Sơ đồ mạch điện đánh lửa 47 Hình 3.13 Mô phỏng tín hiệu đánh lửa trênLabVIEW 48 Hình 3.14 Sơ đồ bố trí hệ thống phun xăng điện tử xe Vios 49 Hình 3.15 Bộ khung mô hình 50 Hình 3.16 Bảng lắp các thiết bị 51

viii

Hình 3.17 Đấu nối các thiết bị với mô hình 51 Hình 3.18 Mô hình hệ thống phun xăng giao tiếp máy tính 52 Hình 3.19 Giao diện giao tiếp hệ thống phun xăng với máy tính 53 Hình 3.20 Lập trình hiển thị các tín hiệu đầu vào và đầu ra 53 Hình 3.21 Góc đánh lửa sớm thực tế 57 Hình 3.22 Xung điều khiển đánh lửa IGT 58 Hình 3.23 Nguyên lý mô hình kết nối với máy tính hiển thị tín hiệu đánh lửa 59 Hình 3.24 Sơ đồ kết nối tín hiệu đánh lửa trên mô hình hiển thị trên máy tính 60 Hình 3.25 Giao diện hiển thị tín hiệu đánh lửa trên mô hình giao tiếp với 60 Hình 3.26 Kết quả hiển thị xung đánh lửa 60 Hình 3.27 Nguyên lý mô hình kết nối với máy tính hiển thị tín hiệu NE 62 Hình 3.28 Sơ đồ kết nối tín hiệu cảm biến tốc độ trên mô hình hiển thị trên máy tính 62 Hình 3.29 Giao diện hiển thị tín hiệu cảm biến tốc độ NE trên mô hình giao tiếp với máy

Hình 3.30 Kết quả hiển thị xung tốc độ động cơ NE 63 Hình 3.31 Nguyên lý mô hình kết nối với máy tính hiển thị tín hiệu vị trí trục cam 64 Hình 3.32 Sơ đồ kết nối tín hiệu G trên mô hình hiển thị trên máy tính 64 Hình 3.33 Giao diện hiển thị tín hiệu vị trí trục cam G trên mô hình giao tiếp với máy tính 64 Hình 3.34 Kết quả hiển thị xung vị trí trục cam G 65 Hình 3.35 Nguyên lý mô hình kết nối với máy tính hiển thị tín hiệu lưu lượng khí nạp 65 Hình 3.36 Sơ đồ kết nối tín hiệu lưu lượng khí nạp VG trên mô hình hiển thị trên máy tính 66 Hình 3.37 Giao diện hiển thị tín hiệu VG trên mô hình giao tiếp với máy tính 66 Hình 3.38 Kết quả hiển thị tín hiệu cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dây nhiệt VG 66 Hình 3.39 Nguyên lý mô hình kết nối với máy tính hiển thị tín hiệu điều khiển kim phun 69 Hình 3.40 Sơ đồ kết nối tín hiệu điều khiển kim phun trên mô hình hiển thị trên máy tính 70 Hình 3.41 Giao diện hiển thị tín hiệu điều khiển kim phun trên mô hình giao tiếp với máy

Hình 3.42 Kết quả hiển thị xung cảm biến điều khiển kim phun - hiệu điện thế kim phun 71 Hình 3.43 Kết quả hiển thị xung cảm biến điều khiển kim phun - điện áp 71

1

PHẦN MỞ ĐẦU

Ngày nay, xu hướng tích hợp điều khiển tự động cho các hệ thống thuần cơ khí là xu hướng chính nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng, độ chính xác cũng như tạo cảm giác thoải mái trong quá trình sử dụng Một trong các hướng trên đang được quan tâm nghiên cứu là hệ thống phun xăng điện tử (Electronic Fuel Injection) Ở hệ thống EFI, bộ chế hòa khí được thay thế bằng dây dẫn, kim phun điện, các cảm biến, hộp điều khiển Do có các thay đổi như trên nên phát sinh một số vấn đề cần phải đảm bảo và tính toán kỹ lưỡng như: thời gian phun, lưu lượng phun thời gian trễ xảy ra giữa bộ phận điều khiển và bộ phận chấp hành, tính năng dự phòng và tính năng an toàn khi xảy ra sự cố …

Trên thế giới, hệ thống EFI vẫn đang trong quá trình phát triển và hoàn thiện Hệ thống này, với nhiều ưu điểm như loại bỏ các cơ cấu cơ khí nên tránh trực tiếp các tác động ảnh hưởng do việc thay đổi điều kiện hoạt động Việc điều khiển hệ thống EFI cũng trở lên linh hoạt có thể tích hợp với các hệ thống khác đảm bảo hoạt động của xe tối ưu Có thể nói hệ thống này là một trong nhưng hệ thống quan trọng đã đang phổ biến trên ô tô Do vậy việc nghiên cứu tìm hiểu về

hệ thống đã và đang được quan tâm bởi nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước

Hệ thống phun xăng điện tử là một bước tiến lớn về ứng dựng điều khiển

cơ điện tử trong công nghệ chế tạo ô tô, tạo được bước đột phá về hiệu quả sử dụng nhiên liệu nâng cao công suất, hệ số an toàn thân thiện với môi trường Kết cấu của hệ thống phun xăng điện tử nằm ở lĩnh vực cơ điện tử, nhằm tạo ra một hệ thống điều khiển phun xăng đáp ứng được lưu lượng phun, thời điểm phun, phù hợp với yêu cầu làm việc của động cơ Bao gồm các bộ vi xử lý điều khiển tạo ra các tín hiệu điều khiển đến bộ chấp hành, khi nhận các thông

số từ cảm biến.Trái tim của hệ thống là bộ điều khiển trung tâm (ECU)

2 Hiện nay, một số cơ sở đào tạo đã thiết kế, xây dựng các mô hình hệ thống phun xăng điện tử để phục vụ cho công tác học tập, nghiên cứu Tuy nhiên, việc điều khiển các chế độ làm việc thông qua máy tính thì vẫn chưa thực hiện được Vì vậy, việc thiết kế bộ giao tiếp để điều khiển sự hoạt động của mô hình phun xăng điện tử thông qua máy tính là rất cần thiết

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tiến hành nghiên cứu để thiết kế bộ giao tiếp giữa mô hình với máy tính và xây dựng phần mềm điều khiển cho mô hình

Đối tượng nghiên cứu bao gồm:

- Hệ thống phun xăng điện tử (PXĐT) trên động cơ ô tô

- Các mô hình PXĐT hiện có

- Các phương pháp kết nối mô hình với máy tính

Phạm vi nghiên cứu của luận văn là thiết kế bộ kết nối và phần mềm điều khiển cho mô hình đã có

Phương pháp nghiên cứu gồm lý thuyết kết hợp thực nghiệm trên mô hình thực tế

Kết cấu của luận văn, ngoài phần mở đầu và kết luận, gồm 3 chương:

Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 2 Nghiên cứu, thiết kế bộ kết nối máy tính với mô hình

Chương 3 Xây dựng phần mềm điều khiển mô hình PXĐT

3

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về hệ thống phun xăng điện tử

Ngày nay, cùng với sự phát triển của nền công nghệ thông tin, cơ điện tử, cộng với những thành tựu trong công nghệ điện tử tạo bước đột phá về khoa học trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô Việc phát triển các hệ thống mới trên ô

tô, mang lại cho con người nhiều tiện ích hơn khi sở hữu chiếc xe là một trong những xu hướng của tập đoàn sản xuất ô tô hiện nay trên thế giới Xu hướng tích hợp điều khiển tự động cho các hệ thống thuần cơ khí nhằm nâng cao hiệu quả

sử dụng, tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện với mô trường, độ chính xác cũng như tạo cảm giác thoải mái trong quá trình sử dụng Hệ thống phun xăng điện tử trên

ô tô cũng là một trong những hệ thống được áp dụng các công nghệ của cơ điện

tử để tạo ra các sản phẩm mới có những ưu điểm vượt trội Có thể thấy qua các

hệ thống phun xăng như: Hệ thống phun xăng kiểu cơ khí K - Jetronic, hãng BOSCH chế tạo (nhiên liệu được phun lien tục vào trước supap hút) được ứng dụng trên các xe của hãng Mercedes, là nền tảng cho việc phát triển hệ thống phun xăng thế hệ sau như K – Jettronic (với cảm biến oxy) và KE – Jettronic (có kết hợp điều khiển bằng điện tử) hoặc KE – Motronic (kèm điều khiển góc đánh lửa sớm) Đầu những năm 80, BOSCH đã cho ra đời hệ thống phun xăng sử dụng kim phun điều khiển bằng điện Có hai loại: hệ thống L – Jettronic (lượng nhiên liệu phun được xác định nhờ cảm biến đo lưu lượng khí nạp) và D – Jettronic (lượng nhiên liệu phun được xác định dựa vào áp suất trên đường ống nạp) Đến năm 1984 người Nhật (mua bản quyền của hãng BOSCH) đã ứng dụng hệ thống phun xăng L – Jettronic và D – Jettronic trên các xe của hãng Toyota, năm 1987 hãng Nissan ứng dụng hệ thống L – Jettronic thay cho bộ chế hòa khí Hệ thống phun xăng điện tử (EFI) là một trong những hệ thống được nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây Kết cấu của hệ thống EFI là sự kết

4 hợp của nhiều lĩnh vực (lĩnh vực cơ điện tử) với mục đích chính là tạo ra một hệ thống phun xăng đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về tỷ lệ khí nhiên liệu, khả năng hiệu chỉnh hỗn hợp theo nhiệt độ và điều kiện làm việc , giảm thất thoát nhiên liệu trên đường ống nạp

Hệ thống phun xăng EFI thay thế việc tạo hòa khí do sư thay đổi áp suất trên đường ống nạp bằng các cơ cấu cung cấp nhiên liệu trực tiếp, chính vì điều này nên hệ thống được chia thành ba phần chính Phần một bao gồm: các cảm biến tốc độ động cơ, tải động cơ, nhiệt độ nước làm mát, …được gọi chung là ngõ vào Phần hai là phần điều khiển (ECU) dựa vào các tín hiệu ngõ vào mà đưa ra các tín hiệu điều khiển Phần ba ngõ ra là các cơ cấu chấp hành như kim phun,

hệ thống đánh lửa, nhận các tín hiệu điều khiển từ ECU Hoạt động của hệ thống thể hiện qua sơ đồ Hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun xăng điện tử

1- Cảm biến vị trí trục cam, 2- Van PDI, 3- Bô bin và bugi đánh lửa, 4,10- cảm biến oxy, 5- Kim phun, 6- cảm biến lưu lượng khí nạp, 7, 8 –cảm biến tốc độ

động cơ, 9- cảm biến nhiệt độ nước

1

3 2

5 Nguyên lý hoạt động của hệ thống được chia thành các nhóm: Nhóm điều khiển kim phun, chống ô nhiễm trên bộ catalyst, điều khiển phối khí thông minh VVTi, điều khiển đánh lửa và điều khiển tốc độ cầm chừng tự động Hoạt động của hệ thống cung cấp nhiên liệu được thể hiện qua hình 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ các khối chức năng của hệ thống phun xăng

Để xác định lượng khí nạp (lượng gió) đi vào xy lanh trong L-Jetronic người

ta sử dụng các loại cảm biến khác nhau nhưng ta có thể phân làm 2 kiểu: đo lưu lượng với thể tích dòng khí (cánh trượt, Kármán ) và đo lưu lượng bằng khối lượng dòng khí (dây nhiệt)

Do có các sự thay đổi như trên nên một số vấn đề để đảm bảo các yêu cầu về cung cấp nhiên liệu được cải thiện: hao hụt trên đường ống nạp, thời gian cung cấp nhiên liệu chính xác, tính năng tự chẩn đoán hư hỏng Hệ thống phun xăng điện tử EFI có rất nhiều ưu điểm:

x Cung cấp hỗn hợp khí nhiên liệu đồng đều đến từng xy lanh

x Đạt được tỷ lệ khí nhiên liệu chính xác với tất cả các dải tốc độ động cơ

x Đáp ứng kịp thời với sự thay đổi góc mở bướm ga

x Khả năng hiệu chỉnh hỗn hợp khí nhiên liệu dễ dàng: có thể làm đậm hỗn hợp khi nhiệt độ thấp hoặc cắt nhiên liệu khi giảm tốc

x Hiệu suất nạp hỗn hợp không khí – nhiên liệu cao

6

x Do kim phun được bố trí gần suppap hút nên dòng khí nạp trên ống góp hút có khối lượng thấp đạt tốc độ xoáy lốc cao, nhờ vậy nhiên liệu sẽ không còn thất thoát trên đường ống nạp và hòa khí sẽ được trộn tốt hơn Hệ thống EFI điều khiển bằng bộ vi xử lý được sử dụng trên xe Toyota gọi là TCCS nó không chỉ điều khiển lượng phun mà còn bao gồm ESA, ISC, cũng như chức năng chẩn đoán và dự phòng

Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển lập trình

Cảm biến vị trí trục cam G2: Trên trục cam đối diện với cảm biến vị trí trục

cam là đĩa tín hiệu G2 có 4 răng Khi trục cam quay, khe hở không khí giữa các vấu nhô ra trên trục cam và cảm biến này sẽ thay đổi Sự thay đổi khe hở tạo ra một điện áp trong cuộn nhận tín hiệu được gắn vào cảm biến này, sinh ra tín hiệu G2 Tín hiệu G2 này được chuyển đi như một thông tin về góc chuẩn của trục khuỷu đến ECU động cơ, kết hợp nó với tín hiệu NE từ cảm biến vị trí của trục khuỷu để xác định điểm chết trên kỳ nén của mỗi xi lanh để đánh lửa và phát hiện góc quay của trục khuỷu ECU động cơ dùng thông tin này để xác định

thời gian phun và thời điểm đánh lửa

Hình 1.4 Cảm biến vị trí trục cam

7

Cảm biến tốc độ trục khuỷu NE: Tín hiệu NE được tạo ra trong cuộn cảm

cùng nguyên lý với tín hiệu G Điều khác nhau duy nhất là rotor của tín hiệu NE

có 24 răng Cuộn dây cảm biến sẽ phát 24 xung trong mỗi vòng quay của delco Tín hiệu NE được ECU động cơ sử dụng để phát hiện góc của trục khuỷu và tốc

độ của động cơ ECU động cơ dùng tín hiệu NE và tín hiệu G để tính toán thời

gian phun cơ bản và góc đánh lửa cơ bản

Hình 1.5 Cảm biến vị trí trục khuỷu

Hình 1.6 Sơ đồ mạch điện và dạng xung G và NE

Cảm biến kích nổ:Cảm biến kích nổ thường được chế tạo bằng vật liệu áp

điện Nó được lắp trên thân xylanh hoặc nắp máy để cảm nhận xung kích nổ phát sinh trong động cơ và gửi tín hiệu này đến ECU động cơ, làm trễ thời điểm

đánh lửa nhằm ngăn chặn hiện tượng kích nổ

Hình 1.7 Cấu tạo cảm biến kích nổ

8 Thành phần áp điện trong cảm biến kích nổ được chế tạo bằng tinh thể thạch anh, là vật liệu khi có áp lực sẽ sinh ra điện áp Phần tử áp điện được thiết kế có kích thước với tần số riêng trùng với tần số rung của động cơ khi có hiện tượng kích nổ để xảy ra hiệu ứng cộng hưởng (f = 7KHz) Như vậy, khi có kích nổ, tinh thể thạch anh sẽ chịu áp lực lớn nhất và sinh ra một điện áp Tín hiệu điện

áp này có giá trị nhỏ hơn 2,4V Nhờ tín hiệu này, ECU động cơ nhận biết hiện tượng kích nổ và điều chỉnh giảm góc đánh lửa cho đến khi không còn kích nổ ECU động cơ có thể điều chỉnh thời điểm đánh lửa sớm trở lại

Hình 1.8 Mạch điện cảm biến kích nổ

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát: Cảm biến này được dùng để xác định

nhiệt độ động cơ, có cấu tạo dạng trụ rỗng có ren ngoài, bên trong được lắp một nhiệt điện trở Nó được làm bằng vật liệu bán dẫn nên có hệ số nhiệt điện trở

âm Khi nhiệt độ tăng điện trở giảm và khi nhiệt độ giảm thì điện trở tăng Sự thay đổi giá trị điện trở sẽ làm thay đổi giá trị điện áp, tín hiệu này giúp ECU

biết được nhiệt độ của động cơ

Hình 1.9 Cảm biến nước làm mát và đặc tính

Cảm biến ô xy: Để lọc được khí xả tốt nhất cần phải duy trì tỷ lệ không khí

và nhiên liệu nằm trong khoảng gần với tỷ lệ lý thuyết cảm biến nồng độ oxy

9 nhận biết tỷ lệ không khí nhiên liệu đậm hay nhạt hơn tỷ lệ lý thuyết Cảm biến

được đặt ở đường ống xả

Hình 1.10 Cấu tạo cảm biến oxy loại Ziconnium

1- Đầu bảo vệ.,2- Lớp zirconia, 3- Đệm, 4- Thân cảm biến, 5- Lớp cách điện, 6-

Vỏ cảm biến, 7- Đường thông với không khí, 8-Đầu dây nối, 9- Đường khí vào

Cảm biến vị trí bướm ga: Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên cổ họng

gió Cảm biến này biến đổi góc mở bướm ga thành điện áp, được truyền đến ECU động cơ như tín hiệu mở bướm ga (VTA) Ngoài ra, một số thiết bị truyền một tín hiệu IDL riêng biệt Các bộ phận khác xác định nó lúc tại thời điểm chạy không tải khi điện áp VTA này ở dưới giá trị chuẩn Khi bướm ga đóng điện áp phát ra của cảm biến giảm và khi bướm ga mở điện áp phát ra của cảm biến tăng ECM tính toán góc mở bướm ga theo những tín hiệu này và điều khiển bộ

chấp hành bướm ga tương ứng với điều khiển của lái xe

Một điện áp không đổi 5V từ ECU cung cấp đến cực VC Khi cánh bướm ga

mở, con trượt trượt dọc theo điện trở và tạo ra điện áp tăng dần ở cực VTA tương ứng với góc mở cánh bướm ga Khi cánh bướm ga đóng hoàn toàn, tiếp điểm cầm chừng nối cực IDL với cực E2 Trên xe Toyota cảm biến bướm ga loại điện trở chỉ có 3 chân VC, VTA, E2 mà không có dây IDL

Giống như các mạch điện cảm biến khác mạch cảm biến gồm các bộ phận chính: ECU, các dây dẫn, dây nối… khi vị trí con trượt và điện trở R2 thay đổi thì giá trị điện trở của cảm biến cũng thay đổi nhờ có bộ phận xác định điện áp

mà bộ phận điều khiển ECU có thể xác định chính xác vị trí của bộ phận, nhận biết thông qua giá trị điện áp tại con trượt

10

Hình 1.11 Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bướm ga

Hộp ECU:ECU là một mạch điều khiển điện tử, nó là bộ tổ hợp vi mạch và

bộ phận phụ dùng để nhận biết tín hiệu, trữ thông tin, tính toán, quyết định chức năng hoạt động và gửi đi các tín hiệu điều khiển thích hợp Các linh kiện điện tử của ECU được sắp xếp trong một mạch in Các linh kiện công suất tầng cuối nơi điều khiển các cơ cấu chấp hành được gắn với khung kim lọa của ECU với mục đích giải nhiệt Sự tổ hợp các chức năng trong IC (bộ tạo xung, bộ chia xung, bộ

dao động, bộ đo đa hài điều khiển việc chia tần số) giúp ECU đạt độ tin cậy cao

ECU động cơ đang khai thác có các chức năng sau:

- Chức năng điều khiển đánh lửa sớm điện tử ESA (Electronic Spark Advance)

- Chức năng điều khiển phun nhiên liệu

Hộp ECU được đặt chương trình để phát tín hiệu đánh lửa vào thời điểm tối

ưu trong bất ký chế độ làm việc nào của động cơ Các thông số từ đầu cảm ứng

đo số vòng quay, áp suất tuyệt đối dòng khí nạp, nhiệt độ nước… được đưa vào

xử lý trong ECU, hộp này sẽ phát tín hiệu đánh lửa chính xác vào thời điểm cần thiết

- Chức năng chẩn đoán sửa chữa

11 Trong đề tài này chủ yếu khai thác chức năng điều khiển đánh lửa sớm điện

tử ESA (Electronic Spark Advance )

Để có thể xác định chính xác thời điểm đánh lửa cho từng xylanh của động

cơ theo thứ tự nổ, ECU cần phải nhận được các tín hiệu cần thiết như tốc độ động cơ, vị trí piston, lượng gió nạp, nhiệt độ động cơ,… Số tín hiệu vào càng nhiều thì việc xác định góc đánh lửa sớm tối ưu càng chính xác Sơ đồ hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử có thể chia thành

ba phần: tín hiệu vào, ECU và tín hiệu từ ECU ra điều khiển ingiter

Ngoài ra còn có thể có các tín hiệu vào từ cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến tốc độ xe, cảm biến oxy Sau khi nhận tín hiệu từ các cảm biến ECU sẽ xủ

lý và đưa ra xung đến igniter để điều khiển đánh lửa

Để xác định tải của động cơ, ECU dựa vào sự thay đổi tín hiệu áp suất trên đường ống nạp hoặc tín hiệu lượng khí nạp Do sự thay đổi về áp suất trên đường ống nạp khi thay đổi tải, tín hiệu điện áp gửi về ECU sẽ thay đổi và ECU nhận tín hiệu này để xử lý và quy ra mức tải tương ứng để xác định góc đánh lửa sớm

Hệ thống xăng:

Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu

1-Bình xăng, 2- cụm bơm nhiên liệu, 3- đường nhiên liệu lên ống phân phối, 4 lọc xăng, 5- bộ giảm rung động, 6- ống phân phối, 7- vòi phun, 8-

bộ ổn định áp suất , 9- Đường hồi nhiên liệu

Nguyên lý làm việc: Nhiên liệu từ thùng xăng được chuyển lên các ống dẫn nhiên liệu, tới ống phân phối bằng cụm bơm nhiên liệu Nhiên liệu được bơm

và duy trì với áp suất khoảng 2,90 – 2,95 kg/cm2 Bộ ổn định áp suất sẽ duy trì

12

áp suất nhiên liệu ở 1 giá trị áp suất nhất định và cung cấp tới ống phân phối Ngoài ra trên ống phân phối còn có bộ giảm rung động để đảm bảo nhiên liệu luôn có áp suất cung cấp ổn định đến vòi phun Cảm biến mức xăng luôn gửi tín hiệu về ECM và đồng hồ táp lô để báo mức xăng

Vòi phun trên xe sử dụng loại mới có đầu dài hơn để giảm được ô nhiễm do hạn chế nhiên liệu bám dính trên đường ống nạp

Hoạt động của vòi phun: Vòi được điều khiển từ ECM động cơ,vòi phun có chức năng phun vào cửa nạp, xuppap nạp hút một lượng xăng đã được định lượng chính xác Mỗi xi lanh động cơ có riêng một vòi phun mỗi khi nhận được tín hiệu của ECM cuộn dây được cấp điện và nâng kim phun mở cho xăng phun ra Khi chưa có dòng điện chạy qua cuộn dây lò xo ấn van kim đóng kín bệ của nó đây là trạng thái đóng của vòi phun Đến lúc ECM phát tín hiệu đặt một điện áp vào cuộn dây nam chân điện sẽ nhấc lõi từ và van kim lên khoảng 1mm xăng sẽ được phun ra và được định lượng chính xác Đầu của van kim có hình dáng đặc biệt giúp làm tơi nhiên liệu khi phun ra, thời gian mở và đóng vòi phun phụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ

Hình 1.13 Kết cấu vòi phun nhiên liệu

1- Thân vòi phun; 2- Giắc cắm; 3- Đầu vào; 4- Gioăng chữ O; 5- Cuộn

dây;6-Lò xo; 7- Piston; 8- Đệm cao su; 9-Van kim

ECM điều khiển 2 thông số của vòi phun là thời điểm phun và thời gian phun:

+ Thời điểm phun

13 Thời gian phun bao gồm thời gian phun cơ bản (được tính ra từ tín hiệu tốc

độ động cơ Ne và lưu lượng khí nạp) và thời gian phun hiệu chỉnh

Lượng nhiên liệu hiệu chỉnh được xác định tùy theo các chế độ làm việc khác nhau của động cơ Các chế độ hiệu chỉnh nhiên liệu:

+ Tăng nhiên liệu để khởi động:

Khi khởi động thì tốc độ của động cơ thấp, lưu lượng không khí thay đổi lớn

vì vậy việc xác định lượng nhiên liệu để cung cấp cho động cơ sẽ dựa vào nhiệt

độ nước làm mát Nhiệt độ nước làm mát thấp thì nhiên liệu bốc hơi khó do đó phải kéo dài thời gian phun để làm đậm lượng hòa khí ECM xác định khi tốc độ động cơ nhỏ hơn 400 v/p thì nó đang khởi động Còn khi tốc độ đột ngột giảm xuống dưới 400 v/p thì tính trễ sẽ hoạt động để ngăn ECM xác định động cơ đang hoạt động

Hình 1.14 Tín hiệu hiệu chỉnh lượng phun khi khởi động

Tăng nhiên liệu để hâm nóng:

Khi động cơ còn nguội thì nhiên liệu khó bốc hơi khi đó ECM nhận tín hiệu

từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát để tăng thời gian phun nhằm làm đậm hòa khí

+ Hiệu chỉnh phản hồi tỉ lệ không khí - nhiên liệu:

Điều kiện để hiệu chỉnh trong trường hợp này là động cơ phải nổ máy ổn định.Khi đó tín hiệu đầu vào là điện áp của cảm biến ô xy

Hình 1.15 Tín hiệu hiệu chỉnh lượng phun ở chế độ hồi tiếp

14 ECM xác định thời gian phun cơ bản để đạt được tỉ lệ hòa khí lý thuyết Khi động cơ hoạt động có sự thay đổi tỉ lệ này và cảm biến ô xy phát hiện sự thay đổi đó báo cho ECM biết để ECM điều chỉnh lượng nhiên liệu phù hợp và gần với tỷ lệ lý thuyết nhất Hiệu chỉnh này không hoạt động khi (Khởi động, làm đậm khi khởi động, làm đậm để tăng công suất, nhiệt độ nước làm mát quá thấp, điều chỉnh cắt bơm)

+ Điều khiển cắt nhiên liệu: Điều khiển dựa trên 2 tín hiệu là tốc độ động

cơ và tín hiệu vị trí bướm ga VTA

Hình 1.16 Tín hiệu hiệu chỉnh lượng phun khi cắt nhiên liệu

Trong thời gian giảm tốc, hoạt động phun nhiên liệu bị ngắt theo trạng thái

giảm tốc độ và giảm khí thải độc hại Đồng thời tăng hiệu ứng hãm động cơ

Trạng thái giảm tốc được xác định bởi độ mở bướm ga và cảm biến vị trí trục

cơ

+ Tăng nhiên liệu để tăng công suất:

Khi cần tăng công suất thì lượng khí nạp lớn hơn do bướm ga mở rộng, tải trọng của động cơ lớn vì vậy việc hòa trộn hòa khí dẫn đến quá trình cháy không hoàn toàn và không khí còn dư

Hình 1.17 Tín hiệu hiệu chỉnh lượng phun khi cắt nhiên liệu

Do ECM điều khiển tăng thời gian phun để đạt được hỗn hợp giàu hơn lý thuyết nhằm sử dụng hết lượng không khí nạp để nâng cao công suất động cơ

15 Tải trọng lớn được xác định từ độ mở của bướm ga, tốc độ động cơ và lưu lượng khí nạp

+ Hiệu chỉnh điện áp ắc quy:

Khi có một mức trễ nhỏ thì ECM truyễn tín hiệu đến vòi phun, nếu điện áp thấp thì thời gian trễ càng lớn Trong hiệu chỉnh điện áp, ECM bù lại khoảng thời gian trễ này bằng cách kéo dài thời gian của tín hiệu phun

+ Hiệu chỉnh lượng phun ở chế độ không tải:

Ở chế độ không tải ECM điều chỉnh mở bướm ga 1 góc thích hợp Hệ thống này điều khiển góc mở bướm ga đến giá trị tối ưu theo mức nhấn xuống của bàn đạp ga Ở vị trí không tải bàn đạp ga ở vị trí không nhấn xuống, lúc này ETCS-i điều khiển bướm ga mở 1 góc thích hợp với chế độ tải thường và không tải quá

độ Ở chế độ thường thì chỉ động cơ hoạt động, ở chế độ không tải quá độ (có tín hiêu AC )

Hình 1.18 Sơ đồ mạch điện điều khiển vòi phun

Các vòi phun được bố trí trên đường ống góp nạp Chúng phun nhiên liệu vào các xylanh dựa trên các tín hiệu từ ECM

ECM điều khiển 2 thông số của vòi phun là thời gian phun và thời điểm phun Khi ECM xác định cần phải phun nhiên liệu, nó sẽ gửi một dòng điên đến cực B của Transistor làm Transistor mở mạch Dòng điện đi từ cực dương ắc quy qua khóa điện qua cuộn dây vòi phun về mát Khi dòng điện đi qua cuộn

16 dây sinh ra lực từ hút kim phun đi lên và nhiên liệu được phun vào ống nạp của động cơ

Như vậy, việc nghiên cứu về lĩnh vực cơ điện tử trên ô tô là một việc hết sức quan trọng Đây là vấn đề mới về khoa học và công nghệ ô tô tại Việt Nam và cũng là lý do chính của việc lựa chọn đề tài nghiên cứu Thông qua đề tài này, học viên có thể sử dụng làm tài liệu phục vụ cho công tác giảng dạy Nhiệm vụ chính của đề tài là thiết kế bộ điều khiển cho mô hình phun xăng điện tử động cơ

ô tô

1.2 Một số mô hình phun xăng điện tử đã xây dựng

Để phố biến kiến thức về hệ thống phun xăng điện tử, tai trường đại học cao đẳng trung cấp thường trang bị các thiết bị thí nghiệm kèm theo các mô hình học

cụ Đặc biệt đối với các trường trung cấp, dạy nghề thì mô hình học cụ giúp sinh viên hiểu được cấu tạo một cách trực quan, nắm được nguyên lý hoạt động, giáo viên thuận tiện hơn khi hướng dẫn học viên tháo lắp trên mô hình, cũng như học viên có thể quan sát thao tác của giáo viên thuận lợi hơn khi tiến hành trên phương tiện

Ngoài giá đỡ mô hình, kết cấu mô hình động cơ xăng có thể chia thành bảy nhóm hệ thống chính Các hệ thống trên bao gồm kết cấu cơ khí, hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn, hệ thống đánh lửa, hệ thống nguồn điện, hệ thống điều khiển (Hình 1.19)

17

Hình 1.19 Các thành phần chính của mô hình động cơ xăng

Kết cấu cơ khí: Trên động cơ đốt trong kết cấu cơ khí bao gồm các chi tiết

như thân máy, nắp thân máy, trục khủy thanh truyền, piston, supap, trục cam Kết cấu cơ khí thường được chế tạo bằng kim loại như gang, hợp kim nhôm, sắt Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, cũng như yêu cầu có một động

cơ nhẹ hơn, êm hơn, giảm rung, tăng công suất Xu hướng thay đổi chung là giảm về khối lương với việc áp dụng tiến bộ của công nghệ vật liệu, bằng cách thay thế các loại vật liệu truyền thống trong chế tạo nắp máy và thân máy từ gang sang hợp kim gang hoặc hợp kim nhôm, một số động cơ tốc độ cao sử dụng kim loại quý hiếm như titan vào chế tạo trục khủy, piston

Còn thay đổi về kết cấu như thay piston đỉnh bằng truyền thống bằng piston đỉnh lõm làm tăng quá trình hòa trộn xăng và không khí Thay đổi hệ thống cam treo trước đây sang hệ thống cam đặt, điều khiển trực tiếp từ trục cam đến supap không thông qua cò mổ hoặc từ điều khiển cơ khí sang điều khiển thủy lực

HỆ THỐNG BÔI TRƠN

HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA

HỆ THỐNG NGUỒN ĐIỆN CHƯƠNG TRÌNH

ĐIỀU KHIỂN

18

Hình 1.20 Nguyên lý cụm cơ khí động cơ phun xăng

Hệ thống cung cấp nhiên liệu: Hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ xăng

được hoàn thiện bởi Gottlieb Daimler vào năm 1885, bộ chế hòa khí là bước đột phá trong việc chế tạo động cơ xăng Đến nay có nhiều thay đổi cải tiến đảm bảo cung cấp nhiên liệu cho động cơ theo tải, cũng như sự ổn định tỉ lệ hòa khí việc cải tiến được áp dụng theo từng thời kỳ, theo sự tiến bộ công nghệ cũng như áp dụng các thành tựa của khoa học kỹ thuật Thể hiện qua việc bộ chế hòa khí được chế tạo để cung cấp hòa khí theo chế độ làm việc của xe như tăng tốc, toàn tải Cũng như được trang bị các van từ để chống lai hiện tượng kích nổ khi tắt máy, và hỗ trợ khởi động khi động cơ lạnh bằng hệ thống mở bướm gió tự động

Hình 1.21 Nguyên lý hệ thống phun xăng

Đến nay việc cải tiến đã bước sang giai đoạn mới, với việc áp dụng các

19 thành tựa mới về cơ điện tử và vi điều khiển đã hình thành hệ thống phun xăng, với ưa điểm áp suất phun ổn định trong suốt quá trình, cung cấp nhiên liệu theo tải và vận tốc hoàn thiện và lượng phun cũng như thời điểm phun theo đặc tính làm việc của xe

Hệ thống làm mát: Có nhiệm vụ giữ cho động cơ luôn luôn làm việc ở

chế độ nhiệt độ tối ưu khi tải trọng thay đổi Điều này nhằm tránh cho các chi tiết bên trong của động cơ không bị nóng thái quá dễ dẫn đến tình trạng bó kẹt, đồng thời làm mất mát công suất của động cơ

Như vậy làm mát cho động cơ chính là làm giảm bớt phần nhiệt lượng do hòa khí cháy truyền lại cho cụm piston, xilanh Nếu cụm piston – xilanh không được làm mát thì nhớt bôi trơn giữa piston và xilanh không còn tác dụng bôi trơn, đồng thời nếu xilanh quá nóng thì khối hỗn hợp hòa khí hút vào bên trong buồng đốt bị giãn nở làm trọng lượng hút bị giảm, công suất của động cơ vì thế cũng giảm theo

Hệ thống làm mát ban đầu thiết kế khá đơn giản với bơm nước và quạt được dẫn động bằng đai qua buly trục khủy động cơ, với sự tiến bộ của công nghệ hóa học, trước đây nước làm mát thông thường được thay thế bằng dung dịch làm mát với ưa điểm là chống gỉ cho các chi tiết như thân máy, bơm nước, két làm mát, cũng như có khả năng chống đông khi làm việc ở nhiệt độ âm Quạt làm mát được dẫn động bằng động cơ điện với tốc độ quạt được điều khiển bởi ECU động cơ, tham số điều khiển theo tải làm việc của động cơ, nhiệt độ nước

Hệ thống bôi trơn: Sự trượt tương đối của các chi tiết cơ khí, piston với

xylanh, cổ trục khủy với tay biên, trục khủy với gối đỡ thân máy phát sinh ma sát ở các vị trí trên, hệ thống bôi trơn được hình thành để khắc phục hiện tượng trên

Vật liệu bôi trơn càng ngày được cải tiến để khắc phục các nhược điểm, như sự thay đổi độ nhớt do nhiệt độ, khắc phục hiện tượng bị động cứng khi nhiệt độ khí trời về âm, xu hướng chủ đạo là sản xuất các loại nhớt đa cấp để đáp ứng phù hợp với mọi điều kiện làm việc của thời tiết

20

Hệ thống đánh lửa: Hệ thống đánh lửa trên động cơ có nhiệm vụ biến

nguồn điện xoay chiều, một chiều có hiệu điện thế thấp (12 hoặc 24V ) thành các xung điện thế cao ( từ 15.000 đến 40.000 V ) Các xung hiệu điện thế cao này sẽ được phân bố đến bougie của các xylanh đúng thời điểm để tạo tia lửa

điện cao thế đốt cháy hòa khí Hệ thống đánh lửa là một bộ phận quan trọng

không thể thiếu trong cấu tạo động cơ xăng Cùng với sự phát triển nghành công nghiệp ô tô, hệ thống đánh lửa đã không ngừng cải tiến, áp dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật nhằm mục đích hoàn thiện quá trình cháy Ví dụ như ngắt mạch sơ cấp trước đây sử dụng vít lửa hiện nay được cải tiến sử dụng Transistor hay Thyristor, phân bố điện cao áp dùng bộ chia điện được cải tiến đánh lửa trực tiếp không dùng bộ chia điện, điều khiển góc đánh lửa sớm bằng cơ khí cải tiến lên với bộ điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử Trên các xe hiện đại gần đây, hệ thống đánh lửa chủ yếu được trang bị là hệ thống đánh lửa trực tiếp (Hình 1.22)

Hình 1.22 Mạch nguyên lý hệ thống đánh lửa trực tiếp

Chương trình điều khiển: Đối với các động cơ thế hệ cũ các hệ thống

làm việc với nhau tương đối độc lập Việc liên kết hoạt động giữa các hệ thống chưa được chặt chẽ Trên các động cơ hiện đại, các hệ thống được liên kết với nhau một cách toàn diện, đồng thời động cơ cũng được liên kết với các hoạt

động hệ thống khác của xe (phanh, treo, lái) Do vậy bộ chương trình khiển động

cơ ngày càng đóng vai trò quan trọng trên các xe hiện đại Bộ phận điều khiển

này thường được tích hợp trong ECU động cơ

21 Ngày nay, gần như tất cả các ô tô đều được trang bị hệ thống điều khiển động cơ theo chương trình, chúng giúp động cơ đáp ứng được các yêu cầu gắt gao về khí xả và tính tiết kiệm nhiên liệu Thêm vào đó, công suất động cơ cũng được cải thiện rõ rệt Những năm gần đây, một thế hệ mới của động cơ phun xăng đã ra đời Đó là động cơ phun trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection) Trong tương lai gần chắc chắn GDI sẽ được sử dụng rộng rãi

Tùy theo nhu cầu của các cơ sở đào tạo mà có các mô hình tương ứng phù hợp các trình độ đào tạo từ sơ cấp, trung cấp nghề, cao đẳng và đại học Tất cả các mô hình trên được xây dựng chủ yếu theo nhóm học cụ, mô hình tháo lắp,

mô hình hoạt động

Đối với các hệ trung cấp nghề thì chủ yếu mô hình phun xăng điện tử là

mô hình tháo lắp, sửa chữa và đo kiểm Các mô hình phun xăng của trường Trung Cấp Nghề Bình Dương hình 1.2 Gồm có mô hình động cơ phun xăng hướng dẫn học viên thực hành tháo lắp bảo dưỡng, kiểm tra hư hỏng, sa bàn hệ thống phun xăng giúp học viên hướng dẫn học viên kiểm tra các chi tiết của hệ thống phun xăng, nắm được nguyên lý hoạt động, sơ đồ mạch điện trực quan

Hình 1.23 Các mô hình phun xăng điện tử của trường Trung cấp nghề

Bình Dương

Với các bậc học cao hơn như cao đẳng và đại học, theo chương trình đào tạo đòi hỏi sinh viên nắm nguyên lý hoạt động, kết cấu hệ thống để phục vụ cho công việc tính toán thiết kế, cải tạo nên chủ yếu là các mô hình động cơ phun xăng cắt bổ và mô hình nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng (mô hình phun xăng của trường đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh)

22

Hình 1.24 Các mô hình hệ thống phun xăng của trường đại học Công nghiệp

Thành Phố Hồ Chí Minh

Gần đây, bộ môn Cơ khí ô tô, trường Đại học Giao thông Vận tải đã trang

bị một mô hình phun xăng điện tử kết hợp đánh lửa điện tử để phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu (Hình 1.25) Hiện tại, mô hình này đang hoạt động tốt Tuy nhiên, việc mô phỏng mới chỉ sử dụng được một vài tham số, đồng thời chưa theo dõi được các thông số điều khiển

Hình 1.25 Mô hình hệ thống phun xăng, đánh lửa điện tử của trường đại học

Giao thông Vận tải (tại cơ sở 2)

Hiện nay, để phục vụ giảng dạy hệ thống phun xăng điện tử thì hai loại mô hình (mô hình động cơ phun xăng điện tử để nguyên, mô hình hệ thống phun xăng điện tử tháo rời) được sử dụng rộng rãi Mô hình động cơ phun xăng điện

và thông số không can thiệp vào ECU do vậy các mô hình chủ yếu giúp sinh viên nhận diện kết cấu và thực hành thao tác tháo lắp

Để khắc phục các nhược điểm trên, tác giả thực hiện đề tài “Nghiên cứu,

thiết kế bộ điều khiển cho mô hình phun xăng điện tử động cơ ô tô” góp phần

nâng cao chất lượng đào tạo chuyên ngành Cơ khí ô tô Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng phần mềm LABVIEW để mô phỏng các đặc tính của các cảm biến Điều khiển tốc độ động cơ trên mô hình, giả lập cho số vòng quay của động cơ ô tô thực Thu thập tín hiệu các cảm biến trục cam, trục khủy hiện thị lên màn hình máy tính, theo dõi được các chế độ làm việc của động cơ, thể hiện các tín hiệu điều khiển phun xăng trên mô hình hệ thống phun xăng, đánh lửa điện tử của trường đại học Giao thông Vận tải (tại cơ sở 2)

1.3 Nội dung và hướng nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu, hoàn thiện mô hình hệ thống phun xăng đã có Tính toán, thiết kế bộ kết nối điều khiển mô hình có các thông số giả định của một ô tô cụ thể

Hướng nghiên cứu: Để hoàn thành đề tài “Nghiên cứu Thiết kế bộ điều khiển cho mô hình phun xăng điện tử động cơ ô tô” tác giả tiến hành cách hướng nghiên cứu sau:

Về lý thuyết:

24

x Nghiên cứu lý thuyết động cơ đốt trong

x Nghiên cứu lý thuyết phun xăng

x Nghiên cứu lý thuyết đánh lửa

25

Chương 2 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ KẾT NỐI MÁY TÍNH VỚI

MÔ HÌNH

2.1 Lựa chọn phương pháp kết nối máy tính với mô hình

Đối với các thiết bị chuyên dùng, luôn có màn hình hiển thị thông số làm việc giúp cho người sử dụng quản lý và nắm bắt thông tin một cách cập nhật Trên mô hình thông tin hiển thị chủ yếu là bảng Tablou Bảng này chỉ hiển thị một số thông số chạy xe Thông tin hoạt động trên động cơ có thể hiển thị đầy

đủ hơn qua chương trình hiển thị giao tiếp máy tính

Có nhiều phương thức kết nối máy tính với thiết bị ngoại vi (kết nối thông qua cổng USB, cổng HDMI, cổng COM ) Trong đề tài, tác giả chọn phương pháp giao tiếp với máy tính qua cổng USB (Universal Serial Bus) theo chuẩn

RS 232 hay chuẩn RS485 Các chuẩn 232 hày RS485 USB sử dụng để kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính, chúng thường được thiết kế dưới dạng các đầu cắm cho các thiết bị tuân theo chuẩn cắm-là-chạy (plug-and-play) với tính năng cắm và ngắt các thiết bị không cần phải khởi động lại hệ thống Các giao diện song song, nối tiếp, máy quét hình, máy ảnh số, modem, thẻ nhớ …đều có thể đấu nối vào bus USB Bus USB được đưa ra sử dụng lần đầu tiên vào đầu năm

1996 nhưng phải đến giữa năm 1998 mới thực sự được hỗ trợ đầy đủ Các thông

số kỹ thuật của bus USB đã được các công ty lớn cùng tham gia xây dựng như Compaq, Digital Equipment, IBM, Intel, Microsoft, NEC và NorthernTelecom Hình 2.1 là biểu tượng gắn trên các thiết bị ghép nối với cổng USB

Hình 2.1 Biểu tượng các thiết bị ghép nối với cổng USB

26

2.2 Thiết kế thiết bị kết nối máy tính với mô hình

Để thu thập dữ liệu từ mô hình phun xăng cụ thể là các cảm biến của động

cơ xe Toyota VIOS 2006 với máy tính có các bộ giao tiếp khác nhau, ở đề tài này tác giả sử dụng có thể sử dụng các thiết bị chế tạo trong nước cũng như các thiết bị nhập ngoại có sẵn

Hình 2.2 Nguyên lý mô hình hệ thống phun xăng giao tiếp máy tính

1- Bộ đo gió, 2 - Kim phun, 3 - Tín hiệu đánh lửa, 4 - Cảm biến Ne,

5 - Card giao tiếp, 6 - Chương trình máy tính

Mô hình trên có thể chia thành ba nhóm chính (mô hình động cơ phun xăng điện tử, Card giao tiếp máy tính, phần mềm hiển thị thông số hệ thống phun xăng điện tử) Trong đề tài tác giả sử dụng vi điều khiển PIC16F628A-I/P kết hợp với IC chuyển đổi tín hiệu giao tiếp máy tính theo chuẩn RS 232 thành tín hiệu USB

27

Hình 2.3 Sơ đồ mạch giao tiếp máy tính

1-Cổng nối USB, 2-IC chuyển đổi tín hiệu giao tiếp vớ máy tính, 3-Vi điều

khiển PIC

Cổng nối USB: Bus USB có hai kiểu đầu nối khác nhau là kiểu A và kiểu

B (Hình 2.4) Hệ thống được thiết kế sao cho không xảy ra hiện tượng đấu nối

nhầm Khác với chuẩn RS-232, việc đấu nối ở bus USB không chia ra những kiểu nối thẳng hay bắt chéo Bus USB sử dụng một cáp bốn sợi dây để nối với các thiết bị, trong đó một cặp đường truyền hai sợi xoắn được dùng làm các đường dẫn dữ liệu vi phân (D+ và D-), còn hai cặp kia được dùng làm đường dẫn 5V và đường nối đất chung GND Cáp nối luôn thực hiện liên kết 1:1 Sự sắp xếp các chân ở đầu nối cáp luôn tuân theo quy định như bảng 2.1

Tùy vào máy tính PC có ổ cắm kiểu A hay kiểu B mà việc đấu nối với máy tính được thực hiện bằng một cáp kiểu A-B hay cáp kiểu A-A Các cáp dùng để kéo dài khoảng cách từ máy tính PC đến thiết bị thường là kiểu A-A Cho đến nay, các cáp nối USB đều đã được các nhà sản xuất cung cấp dưới dạng hoàn chỉnh, trên đó, đầu cắm, độ dài, chất lượng bọc kim chống nhiễu đều không thể thay đổi được Vì vậy, tùy theo mục đích sử dụng ta phải lựa chọn các thông số cáp cho chính xác, từ chiều dài đến loại đầu nối (A hay B) Chuẩn A dùng để cắm vào máy tính, chuẩn B cắm vào thiết bị ngoại vi

1

3

2

28

Hình 2.4 Sơ đồ chân cổng USB kiểu A và B

Bảng 2.1 Thông số ký hiệu chân USB

IC chuyển đổi tín hiệu giao tiếp với máy tính: USB to Serial - FTDI là một mô-đun mạch chuyển đổi tín hiệu USB sang UART (Serial), sử dụng chip FT232RL của FTDI Chip có sẵn ổn áp và dao động tích hợp bên trong, hoạt động rất ổn định so với các dòng chip USB-to-serial khác Khi cắm vào máy tính, máy tính sẽ nhận mô-đun USB to Serial - FTDI là thiết bị cổng COM ảo (Virtual COM Port).Mạch có thể hoạt động tốt ở chế độ 5V hoặc 3V3, được thiết lập dễ dàng bằng jumper chọn trên mạch Chân cắm ra gồm 2 loại theo chuẩn FTDI (phù hợp với Arduino) và chuẩn UART thường, được ký hiệu rõ ràng trên mạch Đầu vào sử dụng loại USB B mini Ngoài ra, trên mạch có sẵn 2 led cho tín hiệu TX và RX, giúp theo dõi trực tiếp trạng thái tín hiệu

29 Đặc kiểm kỹ thuật:

x Sử dụng IC FT232RL của hãng FTDI

x Kết nối đầu vào: cổng micro USB

x Kết nối đầu ra: chuẩn FTDI quốc tế (6 chân) và chuẩn UART phổ biến (4 chân)

x Điện áp ra có thể tùy chỉnh 5V hoặc 3V3 bằng jumper

x Dòng điện ngõ ra: tối đa 500mA

x Kích thước mạch: 16.51mm x 42.55mm

x Driver hỗ trợ Mac OS X, Linux, Windows (cả Win 8.1)

x Led hiển thị tín hiệu truyền nhận

Bảng 2.2 Mô tả chân kết nối chip FT232RL

Thứ tự

1 DTR output Data Terminal Ready Reset Arduino khi nạp

chương trình

2 RXD input Nhận tín hiệu UART

3 TXD output Truyền tín hiệu UART

4 VCC power Điện áp dương (3.3V hoặc 5V tùy chọn jumper)

5 CTS input Clear To Send Không sử dụng Đã được nối đất

(0V) trên mạch

6 GND power Điện áp âm 0V

7 Tx output Truyền tín hiệu UART (Chức năng giống chân

3-TXD)

Vi điều khiển PIC:

30

Hình 2.5 Sơ đồ mạch vi điều khiển PIC16F628A Các chân nguồn: chân cấp nguồn chân số 14, ký hiệu trên sơ đồ VDD cấp

nguồn (+5V), chân nối mass chân số 5, ký hiệu trên sơ đồ Vss

Chân RESET: trên sơ đồ chân ta có chân số 4 (RA5/MCLR/VPP) chính là chân RESET của PIC, chân này có nhiệm vụ khởi động lại chip khi được kích

hoạt

Hình 2.6: Sơ đồ mạch điện chân RESET

Mạch dao động: trên sơ đồ có hai chân số 15 (OSC2) và chân số 16

(OSC1) là hai chân dao động Tốc độ dao động được xác định thông qua tần số dao động của bộ tạo dao động

Cổng xuất nhập: cổng A có 6 bit thực hiện chức năng vào ra theo 2 chiều,

việc xác định hướng xuất nhập được thực hiện thông qua thanh ghi TRIS A Chân RA4/TOCKI là chân đa mục đích với việc vừa là chân xuất nhập vừa là đầu vào của bộ đếm TIMER0 Cổng B có 8 bit xuất nhập theo 2 chiều được điều khiển qua thanh ghi TRIS B, ba chân của cổng B là các chân đa chức năng (RB4/PGM, RB6/PGC, RB7/PGD) với các ứng dụng như trong mạch gỡ rối và chương trình điện áp thấp

Card NI USB 6008/6009: Có khả năng đọc tám kênh analog vào card (độ

phân giải 14-bit, 48kS/s) Xuất 2 analog (12-bit, 150 S/s), 12 kênh xuất, nhập tín

PIC16F628A

31 hiệu số (digital I/O) Bộ đếm 32-bit Kết nối với USB của máy tính để bàn, hoặc máy tính xách tay Sử dụng phần mềm LabVIEW, LabWindows/CVI, và Measurement Studio cho Visual Studio.NET tương thích với NI-DAQmx drive software và NI LabVIEW Signal Express software

Hình 2.6 Cấu trúc card giao tiếp máy tính

1- Vi điều khiển USB, 2- Nguồn điện vào (+5V), 3- Chân tín hiệu analog, 4-

Chân tín hiệu digital, 5- Cổng cắm digital, 6- Cổng cắm analog

Ngoài các ưa điểm trên thiết bị còn dễ dàng thực hiện việc giao tiếp với máy tính qua cổng USB với chu kỳ lấy mẫu nhanh, độ chính xác khá cao, tương thích với môi trường LabVIEW, dùng được cho cả hệ điều hành Window, Linux hoặc Mac

32

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của card NI USB 6008/6009 Thông số chung

Đọc tín hiệu Analog

Ngưỡng điện áp giới hạn lớn nhất -10 tới 10 V

Ngưỡng điện áp giới hạn lớn nhất 0…5 V

Ngưỡng điện áp giới hạn nhỏ nhất 0 5V

Tín hiệu điều khiển dòng điện (kênh/tổng) 5 mA/10 mA

Các chân xuất/nhập tín hiệu số

Ngưỡng điện áp vào giới hạn lớn nhất 0 5V

Ngưỡng điện áp ra giới hạn lớn nhất 0 5V