PHẦN MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Khi nền kinh tế ngày càng phát triển, đời sống con người ngày càng được nâng cao
Sự đòi hỏi được cung cấp những gì tốt nhất, hiện đại nhất là một nhu cầu thiết yếu
Để đáp ứng nhu cầu và sở thích của người tiêu dùng, các nhà thiết kế và chế tạo ô tô không chỉ cần đảm bảo an toàn, hiệu quả kinh tế và tính thẩm mỹ mà còn phải trang bị các hệ thống và thiết bị tiện nghi Đây là một yêu cầu hàng đầu mà họ phải đặc biệt chú trọng.
Hiện nay, ô tô ngày càng phổ biến và đa dạng ở Việt Nam, với nhiều xe được trang bị hệ thống điều hòa không khí Điều này dẫn đến nhu cầu sửa chữa hệ thống điều hòa trên ô tô ngày càng gia tăng Do đó, các thợ sửa chữa và kỹ sư cần trang bị kiến thức và kỹ năng vững vàng về hệ thống điều hòa để đáp ứng yêu cầu thị trường.
Việc học tập và nghiên cứu về hệ thống điều hòa hiện đang gặp nhiều khó khăn do cơ sở vật chất kỹ thuật còn thiếu thốn Điều này dẫn đến việc học sinh, sinh viên không có nhiều cơ hội tiếp xúc với lĩnh vực này, gây hạn chế về kiến thức và kỹ năng khi họ ra trường, đặc biệt trong môi trường làm việc nghiên cứu và sửa chữa ngày càng khắc nghiệt.
Xuất phát từ những lý do đã nêu, nhóm chúng tôi quyết định chọn đề tài "Thiết kế mô hình thực hành cho hệ thống điện động cơ 5S-FE và hệ thống điều hòa không khí trên ô tô."
Mục đích nghiên cứu
Đề tài “Thiết kế mô hình thực hành trên hệ thống điện động cơ 5S-FE và hệ thống điều hòa không khí trên ô tô” được thực hiện với mục đích cung cấp kiến thức thực tiễn về cấu trúc và hoạt động của hệ thống điện động cơ, đồng thời nâng cao khả năng ứng dụng công nghệ trong việc bảo trì và sửa chữa hệ thống điều hòa không khí trên ô tô Mô hình này không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ hơn về các nguyên lý kỹ thuật mà còn phát triển kỹ năng thực hành cần thiết cho nghề nghiệp trong ngành ô tô.
- Tìm hiểu chung về hệ thống điện động cơ ô tô nhằm củng cố nâng cao kiến thức cho người học
- Tìm hiểu về hệ thống điều hòa trên ô tô như cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phương pháp điều khiển điều hòa
- Nâng cao về khả năng tìm hiểu, phân tích một số sơ đồ mạch điện động cơ, điều hòa của một số hãng xe tiêu biểu
- Chẩn đoán và sửa chữa những hư hỏng thường gặp trong điện động cơ và hệ thống điều hòa không khí ô tô.
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điện động cơ 5S – FE và hệ thống điều hòa không khí trên ô tô.
Phương pháp nghiên cứu
Phân tích tổng hợp lý thuyết
- Nghiên cứu các tài liệu, các sách hướng dẫn về hệ thống điều hòa trên xe ô tô
- Nghiên cứu trên các phần mềm: Autodata, Ondemand 5
- Tra cứu trên internet, sách báo
Quan sát, thực tập sửa chữa tại xưởng.
Giới hạn đề tài
Do thời gian và điều kiện hạn chế, cùng với kiến thức còn giới hạn, đề tài của tôi chỉ nghiên cứu và thực hiện trên mô hình có sẵn.
Mặt khác, do sự không đồng bộ giữa các thiết bị trên mô hình nên em chưa tiếp cận được với hệ thống điều hòa tự động trên ô tô
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hệ thống điện động cơ Toyota 5S - FE
2.1.1 Tổng quan hệ thống điện động cơ
Hình 2.1 : Cấu tạo máy khởi động
Hình 2.2 : Nguyên lý hoạt động của máy khởi động
Khi bật công tắc ở vị trí ST thì dòng điện sẽ rẽ thành 2 nhánh:
Wh Wst Brush Wrotor mass
Khi dòng điện đi qua cuộn giữ và cuộn hút, lực từ sẽ tạo ra để hút lõi thép vào bên trong Lực hút này sẽ đẩy bánh răng của máy khởi động về phía bánh đà, đồng thời hạ lá đồng nối tắt cọc (+) ắc quy xuống máy khởi động Lúc này, hai đầu cuộn hút sẽ ở trạng thái đẳng thế, không có dòng điện đi qua, chỉ còn dòng điện qua cuộn giữ.
Khi lõi thép được đưa vào bên trong mạch từ, từ trở sẽ giảm, dẫn đến lực từ tác dụng lên lõi thép tăng lên Do đó, chỉ cần một cuộn Wg là đủ để giữ vững lõi thép.
Khi động cơ khởi động, tài xế chuyển công tắc về vị trí ON, mặc dù mạch đã hở nhưng do quán tính, dòng điện vẫn tiếp tục lưu thông Kết quả là hai bánh răng vẫn còn dính và dòng điện vẫn đi qua lá đồng.
Hai cuộn dây mắc nối tiếp có dòng điện như nhau, trong khi dòng qua cuộn hút ngược chiều với dòng trong cuộn giữ Hệ quả là từ trường của hai cuộn triệt tiêu lẫn nhau, dẫn đến việc bánh răng và lá đồng trở về vị trí ban đầu dưới tác động của lực lò xo.
2.1.1.2 Hệ thống cung cấp điện
Máy phát điện xoay chiều là nguồn năng lượng chính trên ô tô Nó có nhiệm vụ cung cấp điện cho các phụ tải và nạp điện cho ắc quy
Hình 2.3 : Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều kích từ
Máy phát điện có 3 phần chính là stator, rotor và bộ chỉnh lưu
Stator là một thành phần quan trọng trong động cơ điện, bao gồm khối thép từ được lắp ghép từ các lá thép Bên trong stator có các rãnh đều để lắp đặt các cuộn dây phần ứng Các cuộn dây này thường được mắc theo kiểu hình sao hoặc hình tam giác, tạo thành hệ thống 3 pha.
Hình 2.4 : Các kiểu đấu dây
Rotor bao gồm trục 5, với các vòng tiếp điện 4 lắp ở cuối trục Giữa trục, có 2 chùm cực hình móng 1 và 2 Cuộn dây kích thích được quấn trên ống thép dẫn từ 6 nằm giữa hai chùm cực, và các đầu dây kích thích được hàn vào các vòng tiếp điện.
Hình 2.5 : Stator của máy phát điện xoay chiều
Khi dòng điện một chiều đi qua cuộn dây kích thích, cuộn dây và ống thép sẽ hoạt động như một nam châm điện với hai đầu ống thép tạo thành hai cực từ khác dấu Sự ảnh hưởng của các cực từ này khiến các móng trở thành các cực của rotor.
Hình 2.6 : Rotor máy phát điện xoay chiều kích từ có vòng tiếp điểm
Bộ chỉnh lưu: Để biến đổi dòng điện xoay chiều của máy phát sang dòng điện một chiều, ta dùng bộ chỉnh lưu 6 diode, 8 diode hoặc 14 diode [1]
2.1.1.3 Hệ thống điều khiển động cơ
Hệ thống phun xăng điện tử hoạt động dựa trên việc điều khiển từ ECU thông qua tín hiệu từ các cảm biến Khi người lái đạp ga, cảm biến bướm ga gửi tín hiệu đến ECU, cho phép ECU lựa chọn thành phần hòa khí ECU cũng nhận diện các thông số như lưu lượng khí nạp, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ nước làm mát và tốc độ động cơ để xác định thời gian mở kim phun phù hợp Tín hiệu từ cảm biến Oxy được ECU tiếp nhận để điều chỉnh khi động cơ hoạt động ổn định, không có sự biến đổi đột ngột từ cảm biến bướm ga trong quá trình gia tốc.
Hình 2.8 : Cấu tạo và nguyên lý của cảm biến áp suất đường ống nạp
Cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP Sensor)
Vị trí: lắp ngay sau không gian của bướm ga
Hình 2.7 : Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển lập trình
Cảm biến áp suất đường ống nạp hoạt động dựa trên nguyên lý cầu Wheatstone, với trạng thái tĩnh khi động cơ chưa hoạt động, áp suất không thay đổi và màng ngăn không bị biến dạng, dẫn đến các điện trở có giá trị bằng nhau và không có điện áp giữa hai đầu cầu Khi động cơ hoạt động và áp suất đường ống nạp giảm, màng silicon bị biến dạng, gây ra sự thay đổi giá trị điện trở và làm mất cân bằng cầu Wheatstone Kết quả là xuất hiện chênh lệch điện áp giữa hai đầu cầu, tín hiệu này được khuếch đại để điều khiển transistor ở ngõ ra của cảm biến Độ mở của transistor phụ thuộc vào áp suất đường ống nạp, từ đó tạo ra sự thay đổi điện áp gửi về ECU.
Hình 2.9 : Mạch điện cảm biến áp suất đường ống nạp
Cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston
Cảm biến vị trí piston, hay còn gọi là tín hiệu G, cung cấp thông tin cho ECU về vị trí điểm chết trên hoặc trước điểm chết trên của piston Chức năng chính của cảm biến này là giúp ECU xác định chính xác thời điểm đánh lửa và thời điểm phun nhiên liệu.
Cảm biến tốc độ động cơ, hay còn gọi là tín hiệu NE, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tốc độ động cơ, giúp tính toán góc đánh lửa tối ưu và lượng nhiên liệu phun cho từng xylanh Ngoài ra, cảm biến này còn được sử dụng để điều khiển tốc độ không tải và cắt nhiên liệu trong chế độ không tải cưỡng bức.
Vị trí: Có nhiều cách bố trí cảm biến G và NE trên động cơ: trong delco, trên bánh đà, hoặc trên bánh răng cam
Cấu tạo của cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston:
Cảm biến bao gồm ba bộ phận chính: cuộn cảm ứng, nam châm vĩnh cửu và rotor, trong đó rotor được thiết kế với số răng khác nhau tùy thuộc vào từng loại động cơ.
Cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Khi động cơ ở trạng thái tĩnh, tức là tốc độ bằng không, rotor không quay và không có từ thông xuất hiện trong mạch, dẫn đến tín hiệu chỉ là một đường thẳng.
Khi rotor hoạt động, từ thông qua cuộn dây cảm ứng sẽ thấp khi đỉnh răng không đối diện với cực từ do khe hở không khí lớn Khi đỉnh răng tiến gần cực từ, khe hở giảm, làm tăng nhanh từ thông Sự biến thiên của từ thông tạo ra sức điện động cảm ứng trên cuộn dây Khi đỉnh răng đối diện với cực từ, từ thông đạt cực đại nhưng điện áp ở hai đầu cuộn dây bằng không Khi đỉnh răng di chuyển ra khỏi cực từ, khe hở tăng, làm giảm từ thông theo chiều ngược lại.
Hình 2.11 : Sơ đồ mạch điện và dạng tín hiệu xung G và NE
Hình 2.10 : Sơ đồ bố trí cảm biến G và NE
Cảm biến vị trí bướm ga
Vị trí: được lắp ở trên trục cánh bướm ga
Nguyên lý hoạt động của hệ thống là sử dụng điện áp không đổi 5V từ ECU cung cấp đến cực VC Khi cánh bướm ga mở, con trượt sẽ di chuyển dọc theo điện trở, làm tăng dần mức điện áp tại chân giữa (VTA) tương ứng với góc mở cánh bướm ga Giá trị điện áp này không cố định, do đó cần phải chuyển đổi tín hiệu qua bộ chuyển đổi A/D để trở thành giá trị số nhằm điều khiển phun Khi không hoạt động, cánh bướm ga sẽ đóng hoàn toàn, kết nối tiếp điểm cầm chừng với cực IDL và E2.
Hình 2.13 : Mạch điện cảm biến vị trí bướm ga Hình 2.12 : Cấu tạo cảm biến vị trí bướm ga
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát và nhiệt độ khí nạp
Hệ thống điều hòa không khí trên ô tô
2.2.1 Tổng quan hệ thống điều hòa không khí trên ô tô Điều hòa không khí là một hệ thống quan trọng, thiết yếu trên xe Nó điều khiển nhiệt độ lên xuống và tuần hoàn không khí trong xe giúp cho hành khách trên xe cảm thấy dễ chịu, thoải mái trong những ngày nắng nóng mà còn giúp giữ độ ẩm và lọc sạch không khí Ngoài ra, nó cũng giúp loại bỏ các chất cản trở tầm nhìn như sương mù, băng đọng trên mặt trong của kính xe giúp cho người lái dễ dàng quan sát hơn
Hệ thống điều hòa không khí sử dụng nước làm mát động cơ để làm ấm không khí Két sưởi lấy nước làm mát đã được làm nóng bởi động cơ và dùng nhiệt này để làm ấm không khí thông qua quạt gió thổi vào xe Khi động cơ chưa hoạt động, nhiệt độ của két sưởi vẫn thấp cho đến khi nước làm mát nóng lên, lúc này không khí mới được làm ấm.
Hệ thống điều hòa không khí trong xe hoạt động theo chu trình khép kín để làm mát không khí Máy nén đẩy môi chất ở thể khí có nhiệt độ và áp suất cao vào giàn nóng, nơi môi chất chuyển từ thể khí sang thể lỏng Sau đó, môi chất lỏng chảy vào bình chứa để lọc sạch Môi chất lỏng được làm sạch tiếp tục đi qua van tiết lưu, nơi nó chuyển thành hỗn hợp khí-lỏng có áp suất và nhiệt độ thấp, rồi chảy tới giàn.
Quá trình bay hơi chất lỏng trong giàn lạnh giúp lấy nhiệt từ không khí, biến tất cả môi chất lỏng thành hơi Môi chất ở thể hơi sau khi được gia nhiệt sẽ đi vào máy nén, và quy trình này được lặp lại Để điều chỉnh nhiệt độ trong xe, hệ thống điều hòa không khí kết hợp giữa két sưởi và giàn lạnh, đồng thời điều chỉnh vị trí các cánh trộn gió và van nước Hệ thống cũng sử dụng không khí bên ngoài, nhờ vào sự chênh lệch áp suất do chuyển động của xe, tạo ra thông gió tự nhiên cho không gian bên trong xe.
Khi xe di chuyển, áp suất không khí trên bề mặt xe phân bố không đồng đều, với một số khu vực có áp suất dương và một số khu vực khác có áp suất âm Do đó, cửa hút khí được lắp đặt ở những vị trí có áp suất dương, trong khi cửa xả khí được đặt ở những khu vực có áp suất âm.
Ngoài ra, người ta còn sử dụng một quạt điện để hút không khí đưa vào trong xe là sự thông gió cưỡng bức
Hình 2.27 : Thông gió tự nhiên và cưỡng bức
Hình 2.28 : Nguyên lý hoạt động bộ sưởi ấm
Két sưởi hoạt động như một bộ trao đổi nhiệt, sử dụng nước làm mát từ động cơ để làm nóng không khí trong xe Khi động cơ khởi động, nước làm mát chưa nóng nên két sưởi không hoạt động ngay lập tức Khi nước làm mát đạt nhiệt độ cao, quạt sẽ thổi không khí qua két sưởi, giúp làm ấm không khí trong xe.
Hình 2.29 : Nguyên lý hoạt động của hệ thống làm mát
Trước khi không khí được đưa vào trong xe, nó sẽ được làm mát bởi giàn lạnh Khi bật công tắc điều hòa, máy nén hoạt động để nén môi chất lạnh và đưa đến giàn lạnh Giàn lạnh làm mát nhờ môi chất lạnh, và không khí được thổi qua giàn lạnh bởi quạt gió sẽ được làm mát trước khi vào trong xe.
Việc làm nóng không khí liên quan đến nhiệt độ của nước làm mát động cơ, trong khi việc làm mát không khí phụ thuộc vào môi chất lạnh Hai chức năng này hoàn toàn độc lập với nhau.
- Hút ẩm và lọc gió
Khi độ ẩm không khí cao, hơi nước sẽ ngưng tụ khi đi qua giàn lạnh, tạo thành sương trên các cánh tản nhiệt Nước này sau đó chảy xuống khay xả và được dẫn ra ngoài xe qua vòi.
Ngoài ra, một bộ lọc gió được đặt ở cửa hút của hệ thống điều hòa không khí để làm sạch không khí trước khi đưa vào trong xe
Hệ thống điều hòa không khí trong ô tô hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển nhiệt độ thông qua việc sử dụng cả két sưởi và giàn lạnh Bằng cách điều chỉnh vị trí cánh hòa trộn không khí và van nước, hệ thống có thể lựa chọn nhiệt độ phù hợp từ các núm chọn nhiệt độ trên bảng điều khiển.
2.2.3 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động hệ thống điều hòa không khí
Hình 2.31 : Cấu tạo và nguyên lý hoạt động hệ thống điều hòa không khí
Nguyên lý hoạt động chung của hệ thống điều hòa ô tô
Hệ thống điều hòa ô tô hoạt động để loại bỏ nhiệt, làm lạnh không khí và phân phối luồng khí mát trong cabin Các bước cơ bản của hệ thống bao gồm việc hút không khí nóng từ trong xe, làm lạnh bằng dàn lạnh, và sau đó đưa không khí mát trở lại cabin, giúp duy trì nhiệt độ thoải mái cho người ngồi trong xe.
Môi chất lạnh thể hơi được nén từ máy nén dưới áp suất cao và nhiệt độ cao, giai đoạn này môi chất lạnh được đẩy đến giàn nóng
Tại giàn nóng, môi chất ở thể hơi có nhiệt độ cao được làm mát nhờ quạt gió, dẫn đến việc giải nhiệt và giảm áp suất Quá trình này khiến môi chất ngưng tụ thành thể lỏng dưới áp suất cao và nhiệt độ thấp.
Môi chất lạnh dạng lỏng được tiếp tục lưu thông đến bình lọc hoặc bộ hút ẩm, nơi mà nó được làm sạch hơn bằng cách loại bỏ hoàn toàn hơi ẩm và tạp chất.
Van giãn nở, hay còn gọi là van tiết lưu, có chức năng điều tiết lưu lượng của môi chất lỏng vào bộ bốc hơi (giàn lạnh), đồng thời giúp giảm áp suất của môi chất lạnh Sự giảm áp này khiến cho môi chất chuyển từ thể lỏng sang thể hơi trong giàn lạnh.
Trong quá trình bốc hơi, môi chất lạnh hấp thụ nhiệt trong cabin ô tô, có nghĩa là làm mát khối không khí trong cabin
Không khí từ bên ngoài được đưa vào giàn lạnh, nơi nhiệt độ của nó giảm nhanh chóng do năng lượng bị lấy đi qua các lá tản nhiệt Quá trình này cũng khiến hơi ẩm trong không khí ngưng tụ và được loại bỏ Tại giàn lạnh, môi chất ở thể lỏng với nhiệt độ và áp suất cao chuyển thành môi chất ở thể hơi có nhiệt độ và áp suất thấp.