Nghiên cứu thiết kế, thi công mô hình triển khai hệ thống điều khiển động cơ diesel điện tử commonrail

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT B+ Điện áp dương cung cấp cho ECU sau relay chính BATT Dương thường trực của ECU ECD Diesel điều khiển điện tử ECU Bộ điều khiển điện tử IGSW Khóa điện Nguồn + I

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH TRIỂN KHAI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DIESEL ĐIỆN TỬ - COMMON RAIL

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2017

SKC 0 0 6 0 6 3

MÃ SỐ: T2017 – 39TĐ

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU

TT Họ và tên Đơn vị công tác và

lĩnh vực chuyên môn

Nội dung nghiên cứu

cụ thể được giao

Kiểm tra điều chỉnh sự hoạt động của các bộ phận cơ cấu hệ thống trên

mô hình

Thiết kế, thi công thiết bị thu thập dữ liệu, cổng giao tiếp máy tính

MỤC LỤC

Trang

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH 106

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 69

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 10

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH 12

MỞ ĐẦU: 14

1 TÔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG, NGOÀI NƯỚC 14

1.1 Ngoài nước 14

1.2 Trong nước 14

1.3 Danh mục các công trình công bố thuộc lĩnh vực của đề tài 15

2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 15

3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 15

4 CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16

4.1 Cách tiếp cận 16

4.2 Phương pháp nghiên cứu 16

5 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 16

5.1 Đối tượng nghiên cứu 16

5.2 Phạm vi nghiên cứu 16

6 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN 16

6.1 Nội dung nghiên cứu 16

6.2 Tiến độ thực hiện 16

NỘI DUNG: 17

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU 17

DIESEL ĐIỆN TỬ COMMON RAIL 1.1 THÔNG SỐ KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ TOYOTA HILUX 2KD - FTV 17

1.2 HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU DIESEL ĐIỆN TỬ COMMON RAIL 18

1.2.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống nhiên liệu diesel điện tử Common Rail 18

1.2.2 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu diesel điện tử Common Rail Toyota Hilux 18

1.3 HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TOYOTA 2KD-FTV 19

1.3.1 Sơ đồ hệ thống điện điều khiển động cơ Toyota Hilux 2KD-FTV 19

1.3.2 Sơ đồ các chân cực ECU 21

1.3.3 Mạch điện cấp nguồn cho hệ thống điều khiển 23

1.3.4 Mạch điện cấp nguồn cho ECU 23

1.3.5 Mạch điện cấp nguồn cho EDU 24

CHƯƠNG 2: KẾT CẤU VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CÁC BỘ PHẬN, 25 HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ DIESEL ĐIỆN TỬ COMMON RAIL 2.1 HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU 25

2.1.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu 25

2.1.2 Lọc nhiên liệu 26

2.1.3 Bơm cao áp 27

2.1.4 Bơm tiếp vận nhiên liệu 29

2.1.5 Van điều khiển hút ( SCV ) 30

2.1.6 Ống phân phối nhiên liệu 31

2.1.7 Kim phun 3Error! Bookmark not defined 2.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ 35

2.2.1 Các cảm biến sử dụng trên mô hình 35

2.2.1.1 Cảm biến lưu lượng khí nạp 35

2.2.1.2 Cảm biến vị trí trục cam ( G ) 37

2.2.1.3 Cảm biến vị trí trục khuỷu ( NE ) 38

2.2.1.4 Cảm biến vị trí van EGR 39 2.2.1.5 Cảm biến nhiệt độ khí nạp sau tăng áp Error! Bookmark not defined.0 2.2.1.6 Cảm biến áp suất đường ống nạp Error! Bookmark not defined.1 2.2.1.7 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát Error! Bookmark not defined.3 2.2.1.8 Cảm biến áp suất nhiên liệu Error! Bookmark not defined.4 2.2.1.9 Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu Error! Bookmark not defined.6 2.2.1.10 Cảm biến vị trí bàn đạp ga Error! Bookmark not defined.7 2.2.2 Các cơ cấu chấp hành sử dụng trên mô hình Error! Bookmark not defined.8

2.2.2.1 EDU Error! Bookmark not defined.8

2.2.2.2 Bướm ga diesel 50

2.2.2.3 Van EGR 52

2.2.2.4 Bugi xông 53

2.2.2.5 Van điều khiển hút SCV 54

2.2.2.6 Van xả áp 55

2.2.2.7 Kim phun 56

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 58

3.1 THIẾT KẾ KHUNG VÀ BỘ TRUYỀN ĐỘNG 58

3.1.1 Thiết kế khung mô hình 58

3.1.2 Tính toán các đường kính puly và bánh răng truyền động bơm cao áp 59

3.1.3 Thiết kế mạch nguồn cho hệ thống truyền động và hệ thống điều khiển 60

3.1.4 Bộ truyền động bánh răng trục khuỷu và bánh răng trục cam 61

3.2 THIẾT KẾ THI CÔNG LẮP ĐẶT CÁC THIẾT BỊ TRÊN MÔ HÌNH 62

3.2.1 Sơ đồ khối bố trí các thiết bị trên mô hình 62

3.2.2 Các thiết bị lắp ráp trên mô hình 63

3.3 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 66

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO , LẬP TRÌNH BOARD MẠCH THU THẬP DỮ LIỆU, GIAO TIẾP MÁY TÍNH 67

4.1 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH THU THẬP DỮ LIỆU 67

4.1.1 Khái quát các cơ sở dữ liệu cần thu thập 67

4.1.2 Thiết lập biểu đồ các tín hiệu 67

4.1.3 Khối mạch điều khiển thu nhận tín hiệu phần cứng 68

4.1.3.1 Mạch Arduino UNO SMD R3 68

4.1.3.2 Mạch Arduino NANO 68

4.1.4 Thiết kế phần cứng 69

4.1.4.1 Thiết kế phần cứng mạch Arduino UNO SMD R3 69

4.1.4.2 Thiết kế phần cứng mạch Arduino NANO 69

4.1.4.3 Mạch kết hợp 2 Arduino 70

4.1.4.4 Mạch thi công thực tế kết hợp 2 Arduino 70

4.1.5 Thiết kế, chế tạo mạch hiển thị 71

4.1.5.1 Nguyên lý IC 74HC 595 71

4.1.5.2 LED 7 đoạn Anode chung 71

4.1.5.3 Mạch IC 74HC 595 71

4.1.5.4 Các cụm LED 72

4.1.5.5 Bảng hiển thị các cụm LED 73

4.2 THIẾT KẾ GIAO DIỆN VÀ GIAO TIẾP MÁY TÍNH BẰNG LABVEIW 73

4.2.1 Ứng dụng của phần mềm LabVEIW 73

4.2.2 Bảng giao diện 7Error! Bookmark not defined 4.2.3 Sơ đồ khối bảng giao diện 7Error! Bookmark not defined 4.2.4 Xây dựng giao diện trên phần mềm LabVEIW 75

4.2.5 Giao diện sơ đồ khối của chương trình 76

4.3 KIỂM NGHIỆM KẾT QUẢ THÔNG QUA PHẦN MỀM TECHSTREAM 76 4.3.1 Tín hiệu thu thập trên LabVEIW 76

4.3.2 Tín hiệu xuất ra ở bảng LED 77

4.3.3 Tín hiệu thu thập với phần mềm Techstream 77

4.3.4 Kết quả kiểm nghiệm 77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: 78

1 KẾT LUẬN 78

2 KIẾN NGHỊ 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO: 80

PHỤ LỤC: Yêu cầu khi sử dụng mô hình và hướng dẫn sử dụng mô hình 81

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Trang

Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống nhiên liệu Common Rail 18

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu.diesel Common Rail Toyota Hilux 18

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống điện điều khiển động cơ Toyota Hilux 2KD-FTV 20

Hình 1.4: Sơ đồ chân giắc A của ECU 21

Hình 1.5: Sơ đồ chân giắc B của ECU 21

Hình 1.6: Sơ đồ chân giắc D của ECU 22

Hình 1.7: Sơ đồ chân giắc E của ECU 22

Hình 1.8: Mạch điện cầu chì, rơ le cung cấp cho hệ thống 23

Hình 1.9: Mạch cấp nguồn ECU 23

Hình 1.10: Mạch cấp nguồn EDU 24

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu Common Rail 25

Hình 2.2: Cấu tạo lọc nhiên liệu 26

Hình 2.3: Hệ thống cảnh báo nhiên liệu khi ON và OFF 27

Hình 2.4: Cấu tạo bơm cao áp HP3 27

Hình 2.5: Họat động bơm cao áp HP3 28

Hình 2.6: Cấu tạo và hoạt động của bơm tiếp vận 29

Hình 2.7: Cấu tạo van hạn chế áp suất của bơm tiếp vận 29

Hình 2.8: Cấu tạo van SCV 30

Hình 2.9: Hoạt động van SCV 30

Hình 2.10: Cấu tạo ống phân phối nhiên liệu 31

Hình 2.11: Mặt cắt ống phân phối nhiên liệu 31

Hình 2.12: Hoạt động của bộ giới hạn áp suất 32

Hình 2.13: Hai trạng thái hoạt động của van xả áp 33

Hình 2.14: Cảm biến áp suất nhiên liệu và mạch điện 33

Hình 2.15: Mặt cắt cảm biến áp suất nhiên liệu 34

Hình 2.16: Cấu tạo kim phun 34

Hình 2.17: Hoạt động của kim phun 35

Hình 2.18: Cấu tạo và đặc tính hoạt động của bộ đo gió 35

Hình 2.19: Mạch cảm biến G và xung của cảm biến G 37

Hình 2.20: Mạch điện cảm biến Ne và xung của cảm biến Ne 38

Hình 2.21: Cảm biến Ne và cảm biến G trên động cơ 38

Hình 2.22: Xung tín hiệu Ne và G 39

Hình 2.23: Cảm biến vị trí van EGR 39

Hình 2.24: Mạch điện cảm biến vị trí van EGR 40

Hình 2.25: Mạch điện cảm biến nhiệt độ khí nạp sau tăng áp 40

Hình 2.26: Đường đặc tính của điện trở cảm biến nhiệt độ khí nạp sau tăng áp 41

Hình 2.27: Cấu tạo cảm biến áp suất đường ống nạp 41

Hình 2.28: Mạch điện và đường đặc tính của cảm biến áp suất đường ống nạp 42

Hình 2.29: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 43

Hình 2.30: Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát 43

Hình 2.31: Đường đặc tính của điện trở cảm biến nhiệt độ nước làm mát 44

Hình 2.32: Cảm biến áp suất nhiên liệu và đường đặc tính 44

Hình 2.33: Mạch điện cảm biến áp suất nhiên liệu 45

Hình 2.34: Mạch điện cảm biến nhiệt độ nhiên liệu 46

Hình 2.35: Đường đặc tính của điện trở cảm biến nhiệt độ nhiên liệu 46

Hình 2.36: Cấu tạo cảm biến vị trí bàn đạp ga 47

Hình 2.37: Mạch điện cảm biến vị trí bàn đạp ga 47

Hình 2.38: Sơ đồ mạch điện EDU 49

Hình 2.39: Sơ đồ chân cực EDU 49

Hình 2.40: Cấu tạo bướm ga 50

Hình 2.41: Mạch điện của motor bướm ga 51

Hình 2.42: Cấu tạo van EGR 52

Hình 2.43: Bugi xông 53

Hình 2.44: Cấu tạo bugi xông 53

Hình 2.45: Mạch điện điều khiển bugi xông: 54

Hình 2.46: Mạch điện của van SCV 54

Hình 2.47: Mạch điện van xả áp 55

Hình 2.48: Mạch điều khiển kim phun 56

Hình 3.1: Bản vẽ thiết kế khung mô hình 58

Hình 3.2: Sơ đồ mạch điện cấp nguồn cho mô hình 60

Hình 3.3: Motor dẫn động 3 pha, biến tần 1>3 pha và truyền động đai 61

Hình 3.4: Sơ đồ bố trí các thiết bị trên mô hình 62

Hình 3.5: Sơ đồ bố trí thiết bị cấp nguồn và thu thập thông tin 62

Hình 3.6: Sơ đồ bố trí giắc chẩn đoán và các công tắc cấp nguồn cho mô hình 62

Hình 3.7: Hình các thiết bị lắp ráp trên mô hình 63

Hình 3.8: Các thiết bị sau được lắp ráp 65

Hình 3.9: Mô hình tổng thể 66

Hình 4.1: Đồ thị liên hệ nhiệt độ nhiên liệu và điện áp 67

Hình 4.2: Đồ thị liên hệ nhiệt độ nước làm mát và điện áp 67

Hình 4.3: Đồ thị liên hệ nhiệt độ khí nạp và điện áp 68

Hình 4.4: Đồ thị liên hệ áp suất ống phân phối và điện áp 68

Hình 4.5: Dạng xung của cảm biến vị trí trục cam G 68

Hình 4.6: Dạng xung của tín hiệu điều khiển kim phun máy 4 (#4) 68

Hình 4.7: Arduino NANO 68

Hình 4.8: Arduino UNO SMD R3 68

Hình 4.9: Mạch điện hoạt động Arduino UNO SMD R3 69

Hình 4.10: Mạch điện hoạt động Arduino NANO 69

Hình 4.11: Mạch điện hoạt động kết hợp Arduino UNO SMD R3 và NANO 70

Hình 4.12: Mạch điện thực tế kết hợp Arduino UNO SMD R3 và NANO 70

Hình 4.13: IC 74HC595 71

Hình 4.14: Cụm hiển thị 2 LED 7 đoạn 72

Hình 4.15: Cụm hiển thị 3 LED 7 đoạn 72

Hình 4.16: Cụm hiển thị 4 LED 7 đoạn 73

Hình 4.17: Cụm LED hiển thị trên mô hình 73

Hình 4.18: Giao diện LabVEIW 74

Hình 4.19: Sơ đồ khối của LabVEIW 75

Hình 4.20: Giao diện trên phần mềm LabVEIW 75

Hình 4.21: Giao diện sơ đồ khối chương trình 76

Hình 4.22: Tín hiệu thu thập trên LabVEIW ở tốc độ cầm chừng 76

Hình 4.23: Tín hiệu xuất ra trên bảng LED ở tốc độ cầm chừng 77

Hình 4.24: Tín hiệu thu thập với phần mềm Techstream ở tốc độ cầm chừng 77

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang Bảng 1.1: Bảng thông số kỹ thuật động cơ 2KD - FTV 17

Bảng 2.1: Bảng giá trị kiểm tra điện áp bộ đo gió 36

Bảng 2.2: Bảng giá trị kiểm tra điện trở của cảm biến G 37

Bảng 2.3: Bảng giá trị kiểm tra điện trở của cảm biến Ne 39

Bảng 2.4: Bảng giá trị kiểm tra điện trở của cảm biến nhiệt độ khí nạp THIA 41

Bảng 2.5: Bảng giá trị kiểm tra điện áp của cảm biến áp suất đường ống nạp 42

Bảng 2.6: Bảng giá trị kiểm tra điện trở của cảm biến nhiệt độ nước làm mát 44

Bảng 2.7: Bảng giá trị kiểm tra điện trở của cảm biến áp suất nhiên liệu 45

Bảng 2.8: Bảng giá trị kiểm tra điện áp của cảm biến vị trí bàn đạp ga 48

Bảng 2.9: Bảng giá trị kiểm tra điện trở của motor bướm ga 51

Bảng 2.10: Bảng giá trị kiểm tra điện trở của cảm biến vị trí van EGR 52

Bảng 2.11: Bảng giá trị kiểm tra điện trở của bugi xông 54

Bảng 2.12: Bảng giá trị kiểm tra điện trở của van SCV 55

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

B+ Điện áp dương cung cấp cho ECU sau relay chính

BATT Dương thường trực của ECU

ECD Diesel điều khiển điện tử

ECU Bộ điều khiển điện tử

IGSW Khóa điện (Nguồn (+) IG)

STA Tín hiệu máy khởi động

INJ1, 2, 3, 4 Tín hiệu điều khiển kim phun dầu

INJF Tín hiệu xác nhận phun dầu

COM Cực cấp nguồn cho các kim phun

EDUREL Relay nguồn EDU

EGR Hệ thống tuần hoàn khí xả

G+ Tín hiệu góc độ trục cam

G- Cực âm tín hiệu góc độ trục cam

NE+ Tín hiệu số vòng quay động cơ

NE- Cực âm tín hiệu số vòng quay động cơ

VCP1 Điện áp không đổi 1 cấp cho cảm biến vị trí bàn đạp ga VPA1 Tín hiệu vị trí bàn đạp ga thứ nhất

EP1 Nối mass cảm biến vị trí bàn đạp ga

VCP2 Điện áp không đổi 2 cấp cho cảm biến vị trí bàn đạp ga VPA2 Tín hiệu vị trí bàn đạp ga thứ 2

EP2 Nối mass 2 cảm biến vị trí bàn đạp ga

SREL Relay mạch bugi xông

E1 Mass thân xe

SPD Tín hiệu tốc xe từ bảng đồng hồ táplô

CG Mass thân xe (chân trên giắc OBD)

SG Mass cảm biến (chân trên giắc OBD)

TACH Tốc độ động cơ

PCV+ Nguồn dương cấp cho van SCV

PCV- Nguồn âm van SCV

E01 Mass kim phun

E02 Mass kim phun

SIL Đường truyền tín hiệu

rpm Số vòng quay động cơ

BM 08TĐ Thông tin kết quả nghiên cứu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

- Nhằm phục vụ cho công tác giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho giáo viên,sinh

viên trong việc thực hành, nghiên cứu hệ thống điện điều khiển động cơ diesel điện tử

- Nghiên cứu thiết kế và thi công mô hình triển khai hệ thống điều khiển động cơ diesel

điện tử Common rail, tạo nền tảng để phát triển công nghệ kết nối IoT

4 Kết quả nghiên cứu:

- Mô hình hoạt động ổn định các chế độ, hiển thị các thông số trên các cụm LED cũng

như trên máy tính rõ đẹp đáp ứng tốt yêu cầu đề tài

5 Sản phẩm:

- Mô hình triển khai hệ thống điều khiển động cơ diesel điện tử Common rail Toyota

2KD-FTV với thiết bị thu thập dữ liệu, cổng kết nối máy tính, máy chẩn đoán

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

- Mô hình đạt hiệu quả cao, linh hoạt, tiết kiệm, trực quan sinh động Phương thức chuyển giao với đầy đủ các thông số và tài liệu kèm theo Áp dụng tốt cho các cơ sở đào tạo ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

Trưởng Đơn vị

(ký, họ và tên) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên)

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế thi công mô hình triển khai hệ thống điều khiển

động cơ diesel điện tử - Common rail

- Mã số: T2017 – 39TĐ

- Chủ nhiệm: GVC ThS Nguyễn Kim

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh

- Thời gian thực hiện: Tháng 3/ 2017 – tháng 12/2017

BM 09TĐ Thông tin kết quả nghiên cứu bằng tiếng Anh

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

- Project title: Research design, construction and deployment the model of electronic

diesel engine control system – Common rail

- Code number: T2017 – 39TĐ

- Coordinator: Senior Lecturer Master Nguyen Kim

- Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology and Education

- Duration: from March 2017 to December 2017

3 Creativeness and innovativeness:

- Using a drive system with an inverter 1 phase - 3 phase stable power saving motor

- Data acquisition equipment and computer interfaces through LabVIEW software, Techstream

6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

- The model is highly efficient, flexible, economical and visually lively Transferring method with full parameters and documents attached Applying well to automotive engineering technology training institutions

MỞ ĐẦU

1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA

ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.1 Ngoài nước (phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài

trên thế giới, liệt kê danh mục các công trình nghiên cứu, tài liệu có liên quan đến đề tài được trích dẫn khi đánh giá tổng quan)

Hiện nay lãnh vực về công nghệ điều khiển động cơ bằng điện tử đối với động cơ diesel trên thế giới đang phát triển rất mạnh mẽ, nó được ứng dụng hầu hết trên các loại ôtô tải và trên ôtô con Trong đó việc đào tạo kiểm tra chẩn đoán hệ thống điều khiển động cơ rất quan trọng Ở nước ngoài, để đào tạo kỹ thuật viên chẩn đoán hệ thống điện thì hầu như người ta sử dụng phần mềm mô phỏng chứ không sử dụng mô hình Tuy nhiên, cách này sẽ làm người kỹ thuật viên khó lòng hình dung và làm quen khi thao tác thực tế trên xe Ngoài ra ở các nước chỉ chú trọng nghiên cứu các băng thử, thiết bị khảo nghiệm cho bơm cao áp, kim phun trong lĩnh vực diesel điện tử chứ không nhiều những

mô hình triển khai toàn bộ các bộ phận trên động cơ như các cảm biến, các cơ cấu chấp hành được hoạt động như trên động cơ thực tế

1.2 Trong nước (phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở

Việt Nam, liệt kê danh mục các công trình nghiên cứu, tài liệu có liên quan đến đề tài được trích dẫn khi đánh giá tổng quan)

Hiện nay, trường ta chế tạo rất đa dạng và nhiều chủng loại các mô hình hệ thống điện điều khiển động cơ nhưng chỉ thực hiện trên động cơ phun xăng điện tử, chưa có mô hình nào triển khai về hệ thống điều khiển động cơ diesel điện tử Common rail vì vậy việc nghiên cứu mô hình về hệ thống điều khiển động cơ diesel điện tử Common rail thì rất hạn chế nên việc giảng dạy và học tập sinh viên gặp nhiều khó khăn Đồng thời khi tham khảo một số các mô hình thiết bị các trường bạn và các cơ sở sản xuất thiết bị dạy nghề không đáp ứng được sự tiện dụng trong quá trình dạy học ( phải sử dụng nguồn điện

3 pha ) cũng như chưa đáp ứng được tính trực quan sinh động để thu hút người học và các thiết bị đi kèm như thiết bị thu xuất dữ liệu, cổng giao tiếp máy tính…để phục vụ cho công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học

1.3 Danh mục các công trình đã công bố thuộc lĩnh vực của đề tài của chủ nhiệm

và những thành viên tham gia nghiên cứu (họ và tên tác giả; bài báo; ấn phẩm; các

yếu tố về xuất bản)

- Đề tài NCKH cấp trường: Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Kim: Thiết kế, lắp ráp mạch đánh lửa transistor ( Igniter ) dùng cho môn học thực tập động cơ I ( T2014 ) – Bài báo Nội san Khoa CKĐ

- Đề tài NCKH cấp trường: Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Kim: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình các loại van tự động điều chỉnh tốc độ không tải động cơ ( ISC ) ( T2015 ) – Bài báo Nội san Khoa CKĐ

- Đề tài NCKH cấp trường: Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Kim: Nghiên cứu, thiết kế lắp ráp mạch kiểm tra các tín hiệu cơ bản trên động cơ sử dụng LED ( T2016 ) – Bài báo Nội san Khoa CKĐ

- Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm: Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Kim: Mô hình hệ thống điều khiển động cơ Mitsubishi Galant: ( T2011-10TĐ ) – Bài báo Nội san Khoa CKĐ

2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay các mô hình hệ thống điện điều khiển động cơ chủ yếu các hệ thống về điều khiển đánh lửa và nhiên liệu cũng như các cảm biến nhiều chủng loại nhưng chủ yếu được thực hiện cho động cơ xăng Hiện nay trường ta chưa có mô hình triển khai về hệ thống điều khiển động cơ diesel điện tử ( Common rail) Vì vậy trong quá trình thực tập

hệ thống điều khiển động cơ đối với động cơ diesel điện tử gặp nhiều khó khăn trong việc tiếp thu cũng như các nghiên cứu các cảm biến, cơ cấu chấp hành trên động cơ diesel

điện tử và việc giảng dạy cũng gặp nhiều hạn chế Do đó, việc nghiên cứu thiết kế thi

công mô hình triển khai hệ thống điều khiển động cơ diesel điện tử - Common rail

thực hiện là rất cần thiết, nhất là trong lãnh vực đào tạo kỹ sư công nghệ của Trường ta

3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

- Nhằm phục vụ cho công tác giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho giáo viên hướng dẫn sinh viên trong việc thực hành, nghiên cứu hệ thống điện điều khiển động cơ diesel

điện tử

- Giúp cho sinh viên tiếp thu nhanh, tạo điều kiện cho sinh viên nghiên cứu về lĩnh vực

hệ thống điều khiển diesel điện tử

- Nghiên cứu thiết kế và thi công mô hình triển khai hệ thống điều khiển động cơ diesel điện tử Common rail

- Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị thu thập dữ liệu, cổng giao tiếp máy tính tạo nền tảng để phát triển công nghệ kết nối IoT

4 CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

4.1 Cách tiếp cận

- Nguyên lý hoạt động các cảm biến, ECU, cơ cấu chấp hành trên hệ thống điều khiển động cơ diesel điện tử common rail

- Các khối, bo mạch trên thị trường và lập trình để thu thập dữ liệu, kết nối máy tính

4.2 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, thiết kế thi công

- Phương pháp bố trí thực nghiệm

5 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU

5.1 Đối tượng nghiên cứu

- Hệ thống điều khiển động cơ diesel điện tử

- Các phần mềm và bo mạch thu thập dữ liệu

5.2 Phạm vi nghiên cứu:

- Hệ thống điều khiển động cơ diesel điện tử Common rail

- Thiết bị thu thập các dữ liệu cơ bản trên động cơ

6 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN

6.1 Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống điện điều khiển động cơ diesel điện tử

- Nghiên cứu về hoạt động các cảm biến, ECU, cơ cấu chấp hành trên động cơ

- Nghiên cứu thiết kế thi công mô hình triển khai hệ thống điện điều khiển động cơ diesel điện tử Common rail, hệ thống thông tin và cổng kết nối máy tính

6.2 Tiến độ thực hiện:

- Thu thập tài liệu: 1 tháng

- Thiết kế, thi công mô hình: 6 tháng

- Thử nghiệm hệ thống: 2 tháng

- Thu xuất dữ liệu và kết nối máy tính: 2 tháng

- Viết thuyết minh, báo cáo: 1 tháng

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU

DIESEL ĐIỆN TỬ COMMON RAIL

1.1 THÔNG SỐ KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ TOYOTA HILUX 2KD - FTV

Công suất cực đại 75kW/3600 v/p

Momen xoắn cực đại 260N.m/1600-2600v/p

Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật động cơ 2KD - FTV

1.2 HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU DIESEL ĐIỆN TỬ COMMON RAIL

1.2.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống nhiên liệu diesel điện tử - Common rail

Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống nhiên liệu diesel Common rail

1.2.2 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu diesel điện tử Common rail Toyota Hilux

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu Common rail Toyota Hilux

1.3 HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TOYOTA HILUX - 2KD-FTV 1.3.1 Sơ đồ hệ thống điện điều khiển động cơ Toyota Hilux - 2KD-FTV

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống điện điều khiển động cơ Toyota Hilux - 2KD-FTV

1.3.2 Sơ đồ các chân cực của ECU

Hình 1.4: Sơ đồ chân giắc A

Hình 1.5: Sơ đồ chân giắc B

Hình 1.6: Sơ đồ chân giắc D

Hình 1.7: Sơ đồ chân giắc E

1.3.3 Mạch điện cấp nguồn cho hệ thống điện điều khiển (cầu chì – relay)

Hình 1.8: Mạch điện cầu chì rơ – le cung cấp cho hệ thống

1.3.4 Mạch điện cấp nguồn cho ECU

Hình 1.2: Mạch điện cấp nguồn cho ECU

Nguyên lý hoạt động: Khi khóa điện bật sang vị trí ON, điện dương nguồn  qua

khóa điện  qua cầu chì IGN  đến chân IGSW của ECU Khi đó, ECU cấp điện áp dương ra chân MREL  Đến cuộn dây rơ le chính (MAIN RELAY)  làm đóng tiếp điểm rơ le chính  điện áp dương được cấp đến chân +B của ECU qua tiếp điểm rơ le

1.3.5 Mạch cấp nguồn cho EDU

Hình 1.10: Mạch điện cấp nguồn cho EDU

Khi bật khóa điện (IG/SW) sang vị trí ON, ECU tiếp mass chân EDUREL làm đóng tiếp điểm rơ le EDU lúc này sẽ có điện áp cấp đến chân +B của EDU

- Nguyên lý hoạt động:

EDU nhận tín hiệu yêu cầu phun từ ECU, EDU (khuếch đại điện áp từ 12V  85V) cấp điện đến kim phun để mở kim phun, nhiên liệu có áp suất cao đang chờ sẵn trong ống phân phối sẽ phun vào buồng đốt khi kim mở và dứt phun khi EDU ngừng cấp điện cho kim phun

CHƯƠNG 2:

KẾT CẤU VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CÁC BỘ PHẬN, HỆ THỐNG TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL COMMON RAIL

2.1 HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU

2.1.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu

Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu Common rail

1 Thùng nhiên liệu 4 Ống phân phối (Ống Rail)

2 Lọc nhiên liệu 5 Kim phun

3 Bơm cao áp

2.1.2 Lọc nhiên liệu

- Cấu tạo:

Hình 2.2: Cấu tạo lọc nhiên liệu

- Nguyên lý hoạt động: Dùng lọc nhiên liệu không thích hợp có thể dẫn đến hư hỏng

cho các thành phần của bơm, van phân phối và kim phun Bộ lọc nhiên liệu lọc sạch nhiên liệu trước khi đến cụm bơm cao áp, và do đó ngăn ngừa sự mài mòn nhanh các chi

tiết của bơm

Nước lọt vào hệ thống nhiên liệu có thể làm hư hỏng hệ thống ở dạng ăn mòn Tương tự với các hệ thống nhiên liệu khác, hệ thống Common Rail cũng cần một bộ lọc nhiên liệu có bình chứa nước, từ đó nước sẽ được xả qua nút xả nước trên lọc Khi nước lắng đọng dâng lên đến một mức nào đó nó sẽ làm cho công tắc báo nước lắng đọng báo tín hiệu về ECU, ECU sẽ báo cho tài xế biết thông qua đèn báo nhiên liệu Trên lọc có còn công tắc cảnh báo nhiên liệu, khi lọc bị tắc làm cho áp suất đến bơm cấp liệu sẽ giảm, khi đó công tắc cảnh báo hệ thống nhiên liệu trên lọc sẽ báo cho ECU biết lọc đang

bị tắc ECU sẽ bật đèn báo nhiên liệu để cảnh báo

Hình 2.3: Hệ thống cảnh báo nhiên liệu khi ON và OFF

2.1.3 Bơm cao áp

- Cấu tạo: Bơm cao áp được sử dụng trên mô hình là loại bơm cao áp HP3

Hình 2.4: Cấu tạo của bơm cao áp HP3 1- Van hút 2- Cam lệch tâm

3- Piston bơm cao áp 4- SCV (Van điều khiển hút)

5- Van 1 chiều 6- Bơm tiếp vận nhiên liệu

7- Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu

nó sẽ nén nhiên liệu đi qua van phân phối vào ống phân phối chung Khi một piston hút nhiên liệu thì piston đối diện sẽ nén nhiên liệu do đó trong một vòng quay cốt bơm thì bơm cao áp sẽ nén nhiên liệu 2 lần cung cấp lên ống phân phối

Hình 2.5: Hoạt động của bơm cao áp HP3

2.1.4 Bơm tiếp vận nhiên liệu

- Cấu tạo:

Hình 2.6: Cấu tạo và hoạt động của bơm tiếp vận nhiên liệu

- Nguyên lý hoạt động: Bơm tiếp vận hút nhiên liệu từ thùng chứa, qua lọc dầu và đẩy

nhiên liệu đến van SCV (van điều khiển hút) đến hai piston trong buồng bơm của bơm cao áp Bơm là loại bơm bánh răng ăn khớp trong lệch tâm.Trục điều khiển quay roto trong của bơm cấp nhiên liệu Khi roto quay làm thay đổi thể tích buồng hút và buồng xả

Vì vậy, bơm tiếp vận sẽ hút nhiên liệu vào cửa hút và bơm tiếp vận sẽ xả nhiên liệu ra khỏi cửa xả

Hình 2.7: Cấu tạo van hạn chế áp suất của bơm tiếp vận

Van có tác dụng duy trì áp suất nạp nhiên liệu (áp suất ra của bơm tiếp vận) ở mức độ nhất định mà không tăng quá cao khi tốc độ động cơ tăng cao Nếu tốc độ của bơm tăng quá cao thì áp suất bơm cấp liệu tăng cao hơn mức van điều chỉnh cho phép Khi đó, áp suất nhiên liệu sẽ thắng lực lò xo trong van điều chỉnh và làm cho van mở ra, đưa nhiên liệu trở về phía cửa hút của bơm tiếp vận

2.1.5 Van điều khiển hút (SCV)

Cấu tạo:

Hình 2.8: Cấu tạo Van SCV

Hình 2.9: Hoạt động van SCV

- Nguyên lý hoạt động: Nhiên liệu được cấp từ bơm cấp nhiên liệu được dẫn qua

SCV và van một chiều Sau đó, nó được nén bởi piston và được đẩy qua van một chiều để vào ống phân phối

Để điều chỉnh việc tạo ra áp suất nhiên liệu, thì lượng nhiên liệu đi vào bơm cao áp được điều chỉnh bằng cách thay đổi hệ số tác dụng dòng điện do ECU cấp đến van SCV Việc điều chỉnh lượng nhiên liệu vào bơm cao áp được thực hiện để điều chỉnh áp suất nhiên liệu bên trong của ống phân phối đến giá trị cần thiết Nếu nhiên liệu được đưa vào bơm cao áp nhiều thì áp suất trong bơm cao áp tăng lên và ngược lại

2.1.6 Ống phân phối

- Cấu tạo:

Hình 2.10: Cấu tạo ống phân phối nhiên liệu

Hình 2.11: Mặt cắt của ống phân phối nhiên liệu

- Chức năng của ống phân phối

Ngay cả khi kim phun lấy nhiên liệu từ ống phân phối để phun thì áp suất nhiên liệu trong ống vẫn phải không thay đổi Áp suất nhiên liệu được đo bởi cảm biến áp suất nhiên liệu trên ống phân phối và được điều hòa áp suất bởi van xả áp suất và van SCV để đạt áp suất phun mong muốn

Ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao này dùng chung cho tất cả các xylanh Do đó, tên

nó là “đường ống phân phối chung” (common rail) Ngay cả khi một lượng nhiên liệu bị mất đi khi phun, ống phân phối vẫn duy trì áp suất thực tế bên trong không đổi Điều này đảm bảo cho áp suất phun của vòi phun không thay đổi ngay từ khi kim phun mở

Trong ống phân phối thường xuyên được điền đầy bằng nhiên liệu có áp suất cao Khi nhiên liệu rời khỏi ống phân phối để phun ra thì áp suất thực tế trong ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao vẫn được duy trì không đổi Sự duy trì áp suất này là do bơm cao

áp thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp để bù vào lượng nhiên liệu vừa phun

2.1.6.1 Van giới hạn áp suất:

- Cấu tạo:

Hình 2.12: Hoạt động của bộ giới hạn áp suất

- Nguyên lý hoạt động: Nếu áp suất trong ống phân phối tăng cao bất thường do hệ

thống bị trục trặc, bộ giới hạn áp suất sẽ mở van để giảm áp suất Van mở khi áp suất trong ống đạt xấp xỉ 180Mpa Nhiên liệu chạy qua bộ giới hạn áp suất sẽ quay trở lại

thùng nhiên liệu

2.1.6.2 Van xả áp

- Cấu tạo:

Hình 2.13: Hai trạng thái hoạt động của van xả áp

- Nguyên lý hoạt động: Van xả áp điều chỉnh áp suất trong ống phân phối thích

hợp theo tải động cơ và duy trì ở mức này Khi áp suất trong ống phân phối trở nên cao hơn áp suất phun mong muốn thì ECU động cơ sẽ truyền tín hiệu điện áp đến van xả để

mở van Khi đó, nhiên liệu hồi trở lại thùng nhiên liệu để cho áp suất nhiên liệu phù hợp với áp suất phun mong muốn theo các chế độ tải của động cơ

2.2.6.3 Cảm biến áp suất nhiên liệu:

- Cấu tạo:

Hình 2.14: Cảm biến áp suất nhiên liệu và mạch điện

Hình 2.15: Mặt cắt cảm biến áp suất nhiên liệu

Nguyên lý hoạt động: Cảm biến áp suất ống phân phối đo áp suất nhiên liệu trong

ống phân phối và gửi tín hiệu đến ECU Đây là một loại cảm biến áp suất bán dẫn với những đặc điểm Silicon, điện áp của cảm biến thay đổi khi có áp suất tác dụng lên nó

2.1.7 Kim phun

- Cấu tạo:

Hình 2.16: Cấu tạo kim phun

- Nguyên lý hoạt động: Nhiên liệu từ ống phân phối đến kim phun và theo ống dẫn

đi đến buồng điều khiển thông qua lỗ nạp Buồng điều khiển được nối với đường dầu hồi thông qua lỗ xả được điều bởi van solenoid Van solenoid đóng và mở lỗ xả để điều chỉnh áp suất trong buồng điều khiển cũng như đóng mở kim phun

Hình 2.17: Hoạt động của kim phun

2.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ

2.2.1 Các cảm biến sử dụng trên mô hình

2.2.1.1 Cảm biến đo lưu lượng khí nạp (MAF SENSOR)

Hình 2.18: Cấu tạo và đặc tính hoạt động của bộ đo gió

- Cấu tạo: Bộ đo gió dây nhiệt gồm một nhiệt điện trở (Thermistor), dây nhiệt

bằng platin (Platinum Hot Wire) đặt trên đường di chuyển của không khí và mạch điều khiển điện tử Nhiệt điện trở dùng để kiểm tra nhiệt độ không khí nạp vào bộ

đo gió Nhiệt điện trở và mạch điều khiển điện tử được đặt trong một hộp nhựa dẻo

- Nguyên lý hoạt động: Dây nhiệt và nhiệt điện trở được bố trí trên đường di

chuyển của không khí Nếu lượng không khí nạp qua dây nhiệt càng nhiều, lượng nhiệt mang đi càng lớn và nó càng nguội đi

Khi nhiệt độ của dây platin được giữ ở một giá trị không đổi, thì có sự quan hệ giữa lượng không khí nạp và cường độ dòng điện qua dây nhiệt để duy trì nhiệt độ của dây nhiệt

Trong thực tế dây nhiệt được đặt trong một mạch cầu và nó có đặc điểm điện thế tại điểm A và B bằng nhau Do vậy, khi dây nhiệt bị làm nguội bởi không khí nạp thì điện trở của nó giảm, nên điện áp tại điểm B cũng giảm theo và làm cho bộ khuếch đại hoạt động, transistor mở để cho dòng điện đi vào mạch điện và dòng điện qua dây nhiệt tăng điện trở dây nhiệt tăng cho đến khi điện thế tại điểm A bằng điểm B Trong quá trình làm việc nếu nhiệt độ không khí nạp tăng một đại lượng là T thì nhiệt độ dây nhiệt cũng gia tăng một đại lượng tương ứng, để giải quyết vấn đề này bằng cách người ta lắp một điện trở nhiệt ở nhánh khác của cầu Do vậy trong hệ thống không cần có cảm biến nhiệt độ khí nạp để hiệu chỉnh lưu lượng phun Khi xe chạy ở độ cao càng cao thì mật độ không khí nạp giảm, nên khả năng làm nguội dây nhiệt cũng kém theo, nên không cần phải hiệu chỉnh lượng phun theo độ cao của xe đang hoạt động

Trong bộ đo gió có lắp một cảm biến nhiệt độ không khí nạp để sử dụng cho các

hệ thống điều khiển khác của động cơ

- Thông số kiểm tra:

VG – E2 Cầm chừng 1.3V – 2.4V

Bảng 2.1: Bảng giá trị điện áp kiểm tra bộ đo gió

2.2.1.2 Cảm biến vị trí trục cam (Cảm biến G)

- Cấu tạo: Cảm biến vị trí trục cam dùng để nhận biết vị trí xylanh số 1 và thời điểm cuối nén Cảm biến bao gồm một nam châm, lõi thép và cuộn nhận tín hiệu Đĩa tín hiệu G có 5 răng ở chu vi của nó và được lắp ở trục dẫn động bơm

- Nguyên lý hoạt động: Khi puly trục dẫn động bơm quay, vấu trên đĩa tín

hiệu và khe hở không khí trên cuộn nhận tín hiệu thay đổi làm cho từ trường chạy qua cuộn dây nhận tín hiệu thay đổi và sinh ra một điện áp trong cuộn nhận tín hiệu

Hình 2.19: Mạch cảm biến G và xung của cảm biến

- Thông số kiểm tra:

Bảng 2.2: Bảng giá trị kiểm tra điện trở của cảm biến G

chuẩn

Nóng (50oC - 100oC) 2065 đến 3255 Ω

2.2.1.3 Cảm biến vị trí trục khuỷu (Cảm biến Ne)

- Cấu tạo: Cảm biến có một nam châm, lõi thép và cuộn nhận tín hiệu Các răng

được chia đều nhau, riêng có một vị trí khoảng cách giữa 2 răng khuyết Vì vậy, khi cảm biến quét qua vị trí này thì tín hiệu ra sẽ thay đổi

- Nguyên lý hoạt động: Một xung được tạo ra khi phần răng nhô ra lắp trên trục

khuỷu đi đến gần cảm biến do sự quay của trục khuỷu ECU dùng tín hiệu này để xác định lưu lượng phun cơ bản

Bánh răng bộ tạo xung với xung khoảng cách 10 độ, gồm 34 răng và 2 răng thiếu

Cứ mỗi vòng quay của trục khuỷu (3600 CA) cảm biến tạo ra 34 xung (số răng cưa)

Hình 2.20: Mạch điện cảm biến Ne và xung của cảm biến Ne

Hình 2.21: Vị trí cảm biến Ne và cảm biến G trên động cơ

Hình 2.22: Xung tín hiệu Ne và G

-Thông số kiểm tra:

Bảng 2.3: Bảng giá trị kiểm tra điện trở của cảm biến Ne

2.2.1.4 Cảm biến vị trí van EGR

Hình 2.23: Cảm biến vị trí van EGR

chuẩn

Ne+ - Ne-

Nguội (10oC - 50oC) 1630 đến 2740 Ω Nóng (50oC - 100oC) 2065 đến 3255 Ω