NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ THEO VỊ TRÍ BƯỚM GA

Việc sử dụng hệ thống điều khiển động cơ theo các tín hiệu đầu vào là các cảm biến để điều khiển các cơ cấu chấp hành đang được sử dụng rất rộng rãi để tăng công suất động cơ giảm tiêu h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ Ô TÔ



ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT Ô TÔ

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG CƠ THEO VỊ TRÍ BƯỚM GA

GVHD: TS Bùi Văn Hải SVTH: Phạm Hải Long MSV: 2018606087 Lớp: Ô Tô 6 Khóa: 13

Hà Nội - 2021

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 3

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 5

1.1 Lịch sử phát triển 5

1.2 Tổng quan về hệ thống điều khiển động cơ 5

1.2.1 Tình hình trong nước và ngoài nước 5

1.2.2 Mô tả về hệ thống 6

1.2.3 Chức năng của hệ thống điều khiển động cơ 7

1.2.4 Yêu cầu của hệ thống điều khiển động cơ 7

1.2.5 Phân loại của hệ thống điều khiển động cơ 7

1.3 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển động cơ 8

1.4 Mối quan hệ giữa tín hiệu đầu vào và cơ cấu chấp hành 8

CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 11

2.1 Đặc điểm cấu tạo 11

2.2 Các thành phần chính trong hệ thống 12

2.2.1 Cảm biến và tín hiệu đầu vào 12

2.2.2 Bộ điều khiển trung tâm ECU 15

2.2.3 Cơ cấu chấp hành 16

2.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống điều khiển động cơ 18

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH VẬT LÝ VÀ CÁC PHƯƠNG TRÌNH TOÁN HỌC 20 3.1 Mô hình vật lý 20

3.2 Các phương trình toán học 23

KẾT LUẬN 26

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ 8

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo hệ thống điều khiển động cơ 11

Hình 2.2 Sơ đồ cảm biến tốc độ động cơ 12

Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện và dạng tín hiệu xung G và NE 13

Hình 2.4 Cấu tạo cảm biến vị trí bướm ga 13

Hình 2.5 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 14

Hình 2.6 Mặt bên cảm biến lưu lượng khí nạp 15

Hình 2.7 Hình dạng bên ngoài và các linh kiện điện tử trong ECU 16

Hình 2.8 Sơ đồ cấu tạo hệ thống phun xăng điện tử EFI 17

Hình 3.1 Mô hình vật lý hệ thống phun xăng điện tử 20

Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp và độ mở bướm ga 21

LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ đốt trong ngày nay đang phát triển rất mạnh mẽ cả về số lượng lẫn chất lượng, nó đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế, xã hội, khoa học công nghệ Việc sử dụng hệ thống điều khiển động cơ theo các tín hiệu đầu vào là các cảm biến để điều khiển các cơ cấu chấp hành đang được sử dụng rất rộng rãi để tăng công suất động cơ giảm tiêu hao nhiên liệu

Đối với một sinh viên kỹ thuật, đồ án chuyên ngành Kỹ thuật ô tô đóng một

vai trò rất quan trọng Đề tài được thầy giao cho em là “Nghiên cứu hệ thống điều khiển động cơ theo vị trí bướm ga” Tuy là một đề tài quen thuộc đối với sinh

viên nhưng mục đích của đề tài rất thiết thực, nó không những giúp cho em có điều kiện để ôn lại các kiến thức đã học ở trường mà còn có thể hiểu biết kiến thức nhiều hơn khi tiếp xúc với thực tế Do đó việc nghiên cứu đề tài này thật sự đã đem đến cho em nhiều điều hay và bổ ích

Trong quá trình nghiên cứu thực hiện đồ án, nhờ sự cố gắng nỗ lực của bản thân, nhờ sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Bùi Văn Hải trong suốt thời gian làm

đồ án tốt nghiệp, đến nay em đã hoàn thành các yêu cầu và nhiệm vụ được giao

Em xin cảm ơn đến thầy giáo hướng dẫn đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án, cùng với lời cảm ơn đến các thầy trong bộ môn và khoa Công nghệ kỹ thuật ô tô

đã quan tâm, dìu dắt em trong suốt những năm học chuyên ngành và đúc kết những

kinh nghiệm quý báu cho bản thân

Với khả năng và tài liệu còn giới hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót,

kính mong các thầy cô giáo và các bạn chân thành đóng góp ý kiến

Sinh viên thực hiện Phạm Hải Long

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG

CƠ 1.1 Lịch sử phát triển

Vào thế kỷ 19, một kỹ sư người Pháp – ông Stevan – đã nghĩ ra cách phun nhiên liệu cho một máy nén khí

Sau đó một thời gian, một người Đức đã cho phun nhiên liệu vào buồng cháy nhưng không mang lại hiệu quả

Đầu thế kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ 4 thì tĩnh tại

Đến năm 1966, hãng BOSCH đã thành công trong việc chế tạo hệ thống phun xăng kiểu cơ khí có tên gọi là K – Jetronic (K – Konstant – liên tục, Jetronic – phun) đầu những năm 80, BOSCH đã cho ra đời hệ thống phun sử dụng kim phun điều khiển bằng điện: hệ thống L – Jetronic (lượng nhiên liệu phun được xác định nhờ cảm biến đo lưu lượng khí nạp) và D – Jetronic (lượng nhiên liệu phun được xác định dựa vào áp suất trên đường ống nạp)

Đến năm 1984, người Nhật (mua bản quyền của BOSCH) đã ứng dụng hệ thống phun xăng L – Jetronic và D – Jetronic trên các xe của hãng Toyota (dùng với động

cơ 4A – ELU) Đến năm 1987, hãng Nissan dùng L– Jetronic thay cho bộ chế hoà khí của xe Nissan Sunny

Những năm gần đây, một thế hệ mới của động cơ phun xăng đã ra đời Đó

là động cơ phun xăng trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection) Trong

tương lai gần, chắc chắn GDI sẽ được sử dụng rộng rãi

1.2 Tổng quan về hệ thống điều khiển động cơ

1.2.1 Tình hình trong nước và ngoài nước

* Tình hình nước ngoài:

Trên thế giới có rất nhiều tài liệu khoa học kĩ thuật liên quan đến hệ thống điều khiển động cơ Tuy nhiên, trong quá trình tìm kiếm và tìm hiểu do vấn đề thời gian ngắn, ngoại ngữ và kiến thức chuyên môn nên vẫn còn hạn chế và thiếu sót Sau đây các bài báo khoa học quốc tế mà em đã tìm hiểu được

- “Engine Fuel Injection Control using Fuzzy Logic” của tác giả S.H.Lee,

R.J.Howlett & S.D.Walters

- “Automatic Speed Control Device Using Self-Tuning Fuzzy Logic” của tác giả

Takahashi

* Tình hình trong nước:

Nghiên cứu hệ thống điều khiển động cơ cũng được rất nhiều tác giả trong nước xuất bản nhưng việc tìm một tài liệu chất lượng, nổi bật và phù hợp với khả năng tiếp thu của em là không dễ Dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Th.s Thân Quốc Việt em đã có những địa chỉ tìm kiếm tài liệu rất bổ ích Sau đây các

đề tài khoa học mà em và các bạn đã tìm hiểu được:

- Đồ án tốt nghiệp

+ Đề tài: “Nghiên cứu khai thác hệ thống điều khiển động cơ”

+ Sinh viên thực hiện: Dương Đồng Quang

- Đồ án tốt nghiệp

+ Đề tài: Nghiên cứu hệ thống phun xăng điều khiển điện tử

+ Sinh viên thực hiện: Trịnh Văn Tiến

1.2.2 Mô tả về hệ thống

Hệ thống bao gồm các tín hiệu đầu vào, bộ điều khiển trung tâm và cơ cấu chấp hành

Các chức năng của hệ thống điều khiển động cơ bao gồm EFI, ESA, i,…chúng điều khiển các tính năng cơ bản của động cơ, chức năng chẩn đoán, rất hữu ích khi sửa chữa, chức năng dự phòng và an toàn chỉ hoạt động khi có trục trặc trong các hệ thống điều khiển này Ngoài ra, còn có các thiết bị điều khiển phụ trên động cơ như hệ thống điều khiển cắt số truyền tăng, hệ thống điều khiển khí nạp,

VVT-hệ thống kiểm soát hơi nhiên liệu v.v Các chức năng này đều được điều khiển bằng ECU động cơ

1.2.3 Chức năng của hệ thống điều khiển động cơ

Ngày nay với sự ra đời và phát triển mạnh của khoa học - công nghệ tự động điều khiển đã làm cơ sở và nền tảng cho việc thiết lập các hệ thống điều khiển theo chương trình trên động cơ đã giải quyết được các vấn đề như:

- Làm tăng công suất động cơ

- Giảm suất tiêu hao nhiên liệu

- Giảm lượng khí thải

- Khi động cơ bị lỗi thì có thể chẩn đoán lỗi nhờ vào ECU

1.2.4 Yêu cầu của hệ thống điều khiển động cơ

- Độ chính xác cao

- Dễ bảo dưỡng sửa chữa

- Bộ xử lý trung tâm phải có tuổi thọ cao

1.2.5 Phân loại của hệ thống điều khiển động cơ

Theo bộ điều khiển trung tâm:

+ Điều khiển bằng khóa điện

+ Điều khiển bằng ECU

Theo cơ cấu điều khiển:

+ Hệ thống điều khiển đánh lửa điện tử

+ Hệ thống điều khiển phun nhiên liệu điện tử EFI

+ Hệ thống điều khiển hệ thống tăng áp

1.3 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển động cơ

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ

1.4 Mối quan hệ giữa tín hiệu đầu vào và cơ cấu chấp hành

Tốc độ động cơ và độ mở bướm ga

Đối với phun nhiên liệu

Lượng nhiên liệu phục vụ cho quá trình cháy được tính toán bởi ECU Bộ ECU làm cho mỗi vòi phun phân phối lượng nhiên liệu được tính toán tương ứng với xilanh bằng cách gửi tín hiệu đến vòi phun và xác định chiều dài thời gian mà vòi

phun được kích hoạt (thời gian phun nhiên liệu)

ECU tính toán thời gian phun nhiên liệu dựa theo lượng không khí nạp vào trong mỗi xilanh trong hành trình nạp Lượng không khí được xác định bằng cách sử dụng tín hiệu từ cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến vị trí bướm ga

Tốc độ động cơ và độ mở bướm ga là hai yếu tố quan trọng nhất để tính toán lượng phun Tín hiệu về tốc độ động cơ và vị trí bướm ga được sử dụng để tính lượng phun cơ bản Lượng phun cơ bản được tính toán dựa trên việc duy trì tỷ lệ không khí- nhiên liêu tối ưu (tỷ lệ lý thuyết) Nếu có sự gia tăng lượng không khí nạp thì lượng nhiên liệu phun vào cũng phải gia tăng tỷ lệ và ngược lại Như vậy, lượng phun cơ bản sẽ tỷ lệ thuận với lưu lượng không khí nạp và tỷ lệ nghịch với tốc độ động cơ

Nếu tốc độ động cơ không đổi, lượng phun cơ bản sẽ gia tăng cùng với sự gia tăng của lượng không khí nạp vào

Nếu lượng không khí nạp vào là không đổi, lượng phun cơ bản sẽ giảm khi tốc độ động cơ tăng lên

Đối với hệ thống đánh lửa

Góc đánh lửa sẽ thay đổi theo tốc độ động cơ, tốc độ càng nhanh góc đánh lửa càng lớn và khi động cơ đạt đến 3600v/p góc đánh lửa muộn lại để bảo vệ động

cơ

Nhiệt độ nước làm mát

Đối với phun nhiên liệu

Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát là tín hiệu quan trọng dùng để hiệu chỉnh lượng phun phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ và được nhận biết từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát được sử dụng để hiệu chỉnh lượng phun phù hợp với các chế độ:

Khởi động

Làm đậm ngay sau khi khởi động

Làm đậm để hâm nóng

Làm đậm để tăng tốc

Cắt nhiên liệu

Khi nhiệt độ nước làm mát thấp, khả năng bay hơi của nhiên liệu kém, tỷ lệ không khí-nhiên liệu trở nên nhạt hơn Vì vậy, để nâng cao khả năng tải thì ở các chế độ làm việc trên của động cơ phải tiến hành hiệu chỉnh đậm theo nhiệt độ nước làm mát Khi nhiệt độ nước càng thấp cần phải làm đậm nhiều hơn và tỷ lệ làm đậm

sẽ giảm dần khi nhiệt độ nước tăng dần lên

Đối với hệ thống đánh lửa

Góc đánh lửa thay đổi theo nhiệt độ nước làm mát: khi nhiệt độ nước làm mát nằm trong khoảng từ thấp đến trung bình góc đánh lửa càng lớn Nước làm mát ở nhiệt

độ cao thì góc đánh lửa càng bé

CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 2.1 Đặc điểm cấu tạo

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo hệ thống điều khiển động cơ

1 Cảm biến lưu lượng khí nạp

2 Cảm biến nhiệt độ nước làm

2.2 Các thành phần chính trong hệ thống

2.2.1 Cảm biến và tín hiệu đầu vào

2.2.1.1 Cảm biến tốc độ động cơ

Cảm biến tốc độ động cơ (còn gọi là tín hiệu NE) dùng để báo tốc độ động

cơ sử dụng trong quá trình tính toán hoặc tìm góc đánh lửa tối ưu và lượng nhiên liệu sẽ phun cho từng xylanh Cảm biến này cũng được sử dụng vào mục đích điều khiển tốc độ không tải hoặc cắt nhiên liệu ở chế độ không tải cưỡng bức

- Vị trí: Có nhiều cách bố trí cảm biến NE trên động cơ: trong delco, trên bánh

đà, hoặc trên bánh răng cam

- Cấu tạo của cảm biến tốc độ động cơ

Hình 2.2 Sơ đồ cảm biến tốc độ động cơ

1 Rotor phát xung NE

2 Cuộn dây phát xung NE

Bộ phận chính của cảm biến là một cuộn cảm ứng, một nam châm vĩnh kiểu và một rotor dùng để khép mạch từ có số răng tùy thuộc vào từng loại động cơ

2.2.1.2 Cảm biến vị trí bướm ga

Đây là thông tin phản ánh mức tải của động cơ Nó đặc biệt quan trọng hai trạng thái đầu (không tải) và 75% tải trở lên của bướm ga Cảm biến bướm ga đưa

ra thông tin quan trọng báo về ECU là thông tin về vị trí không tải và thông tin về

vị trí toàn tải, và thông tin về thời điểm tăng tốc Loại cảm biến kiểu biến trở có thể cho biết vị trí bướm ga tại bất kỳ vị trí nào, việc xác định tăng tốc đối với loại cảm biến này là việc tăng đột ngột điện áp tại chân giữa của cảm biến

- Vị trí: cảm biến vị trí cánh bướm ga được lắp ở trên trục cánh bướm ga

- Cấu tạo:

Hình 2.4 Cấu tạo cảm biến vị trí bướm ga

1 Điện trở

2 Vành trượt tiếp điểm cho tín hiệ góc mở

3 Vành trượt tiếp điểm cho tín hiệu IDL

Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện và dạng tín hiệu xung G và NE

2.2.1.3 Cảm biến nhiệt đô nước làm mát

Hình 2.5 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

2.2.1.4 Cảm biến đo lưu lượng khí nạp

a nhiệm vụ:

- Đo lượng khí nạp vào trong động cơ

- Gửi các tín hiệu đo được tới ECU dưới dạng tín hiệu điện

b Sơ đồ cấu tạo

Hình 2.6 Mặt bên cảm biến lưu lượng khí nạp

1 Cánh giảm chấn

2 Khoang giảm chấn

3 Đường gió phụ

4 Cánh đo gió

5 Vít điều chỉnh hỗn hợp không tải

2.2.2 Bộ điều khiển trung tâm ECU

a Vai trò ECU

Thật sự, bạn có thể nghĩ rằng ECU (hay còn gọi là hộp đen) chính là “bộ não” điều khiển chi phối tất cả mọi hoạt động của động cơ thông qua việc tiếp nhận dữ liệu các cảm biến trên động cơ hoặc ô tô, sau đó được truyền về ECU xử lý tín hiệu và đưa ra “mệnh lệnh” buộc các cơ cấu chấp hành phải thực hiện như việc điều khiển nhiên liệu, góc đánh lửa, góc phối cam, ga tự động, lực phanh ở mỗi bánh

b Cấu tạo ECU

Hình 2.7 Hình dạng bên ngoài và các linh kiện điện tử trong ECU

Thực chất ECU là một hộp kim loại hoặc nhựa trong có chứa các linh kiện điện tử được sắp xếp, bố trí trên những mạch in Bên ngoài có bố trí giắc cắm giúp ECU liên hệ với các vòi phun, các cảm biến, …ECU có thể chia ra thành các phần sau :

- Bộ nhớ ROM: là nơi chứa các chương trình đã cài đặt sẵn, chỉ cho phép đọc các thông số cần thiết, không cho phép ghi hay sửa chữa

- Bộ nhớ RAM: là nơi tiếp nhận, lưu trữ, phân tích, so sánh các thống số thu được với thông số cài đặt sẵn trong bộ nhớ ROM Qua đó sẽ chọn ra một tín hiệu phù hợp để điều khiển các vòi phun hoặc đưa ra các tín hiệu cảnh báo sự cố

- Các mạch vào/ ra: Dùng để chuẩn hoá tín hiệu, lọc, khuếch đại tín hiệu, đưa tín hiệu ra ngoài

- Bộ biến đổi tín hiệu: Dùng để biến đổi tín hiệu thu được thành các xung

- Các cực của ECU được đánh dấu theo thứ tự nhất định Thông thường ổ giắc cắm chia thành hai hàng hàng cực

2.2.3 Cơ cấu chấp hành

a.Sơ đồ cấu tạo chung:

Hình 2.8 Sơ đồ cấu tạo hệ thống phun xăng điện tử EFI

b.Nguyên tắc hoạt động:

- Khi động cơ làm việc bơm xăng 2 hút xăng từ thùng chứa 1 đẩy qua bầu lọc 3 nạp đầy vào dàn phân phối với áp Suất khoảng 2,5 - 3 bar Xăng từ dàn phân phối nạp đầy vào các vòi phun chính và phụ của hệ thống Đến kỳ nạp xupap nạp mở không khí sạch được hút vào buồng đốt của động cơ, lượng không khí nạp và độ mở của bứơm ga được cảm biến đo gió và cảm biến vị trí bướm ga ghi lại và báo về cho ECU

- Tại bộ điều khiển trung tâm ECU các thông số về chế độ làm việc của động cơ do các cảm biến ghi nhận và gửi về sẽ được tính toán theo một chương trình đã được cài đặt sẵn Từ đó ECU sẽ điều chỉnh lượng xăng phun ra thích hợp nhất với từng chế độ tải của động cơ

2.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống điều khiển động cơ

- ECU tiếp nhận hai thông số cơ bản là thông số vận tốc trục khuỷu và lưu lượng khí nạp, phân tích, so sánh với thông số đã cài đặt sẵn rồi đưa ra tín hiệu điều khiển vòi phun phun trong thời gian Tp – gọi là thời lượng phun cơ bản

- Trong mỗi thì hút của động cơ nếu khối lượng không khí nạp vào càng nhiều thì thời lượng phun xăng phải càng được kéo dài Để đáp ứng điều này ECU thu nhận thêm về chế độ tải trọng khác nhau của động cơ như khởi động lạnh, toàn tải, sưởi nóng sau khi đã khởi động…Căn cứ vào các thông tin này ECU tính toán thời lượng phun xăng bổ xung Tm

- Nhận thấy việc mở vòi phun được điều khiển bằng dòng điện của ắc quy do đó thời lượng mở vòi phun sẽ phụ thuộc vào điện áp ắc quy Mà trên ôtô nguồn điện áp này không ổn định Nguồn điện áp yếu sẽ làm tăng thời gian cần thiết để từ hoá cuộn dây trong vòi phun dẫn đến thời lượng phun xăng bị rút ngắn, hỗn hợp sẽ nghèo xăng

Để giải quyết vấn đề này ECU được bố trí mạch bù trừ điện từ Điện áp ắc quy sẽ