Mạch cũng cho phép thay đổi bản đồ phun xăng và bản đồ góc đánh lửa để điều khiển phù hợp với xe ECO, đồng thời hiển thị các thông tin cần thiết giúp tài xế dễ dàng quan sát và điều chỉnh trong quá trình thi đấu. Ứng dụng này giúp các đội có thể tinh chỉnh tùy theo thiết kế của mình và thông tin hiển thị giúp quá trình thi đấu được đơn giản và tối ưu hơn.
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 63 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ XE ECO A DESIGN OF FUEL CONTROL UNIT FOR ECO VEHICLE ENGINES Nguyễn Trọng Thức Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Việt Nam Ngày soạn nhận 15/4/2021, ngày phản biện đánh giá 26/4/2021, ngày chấp nhận đăng 25/6/2021 TÓM TẮT Giải pháp điều khiển phun nhiên liệu giải pháp hiệu cho việc thiết kế xe tiết kiệm nhiên liệu mà giải pháp thiết kế khí gần đạt đến bão hịa Bài báo trình bày kết nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển phun nhiên liệu (ECU) chuyên cho thi xe Honda EMC Shell ECO-marathon tổ chức hàng năm Mạch điều khiển thiết kế lập trình dùng Arduino MEGA, cảm biến chấp hành dùng thiết bị có sẵn xe thông dụng thị trường Mạch cho phép thay đổi đồ phun xăng đồ góc đánh lửa để điều khiển phù hợp với xe ECO, đồng thời hiển thị thông tin cần thiết giúp tài xế dễ dàng quan sát điều chỉnh trình thi đấu Ứng dụng giúp đội tinh chỉnh tùy theo thiết kế thơng tin hiển thị giúp q trình thi đấu đơn giản tối ưu Từ khóa: Honda EMC; Shell ECO; ECU; Arduino Mega; đồ phun xăng; đồ góc đánh lửa ABSTRACT Nowadays, solution of fuel injection is the best way for design of fuel economy vehicle while mechanical improvement has almost reached its limit This article shows result of the research and making the fuel injection electronic control unit (ECU) used for two annually contests named Honda EMC and Shell ECO-marathon The control circuit is designed and coded with Arduino Mega, sensors and actuators equipped in popular cars The circuit also allows users to change the fuel injection map and the ignition timing map to suit ECO vehicle, its necessary data help driver to have better seeing and adjusting during contest time This permit contestant teams to modify base on their design and showed data can help contest process become more optimized and simply Keywords: Honda EMC; Shell ECO; ECU; Arduino Mega; Fuel injection Map; Ignition timing Map ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, thi xe Honda EMC Shell ECO-marathon tổ chức hàng năm nhằm tìm kiếm giải pháp thiết kế để tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường Các giải pháp bao gồm khí điện tử Tuy nhiên, giải pháp khí gần bão hịa bị giới hạn cơng nghệ Vì vậy, giải pháp điều khiển điện tử áp dụng triệt để giúp xe vận hành chế độ tiết kiệm nhiên liệu Doi: https://doi.org/10.54644/jte.66.2021.1067 Trên giới nay, việc chế tạo ECU điều khiển hãng đầu tư thực nhiều Hãng ECOTRONS [1] giới thiệu ECU điều khiển cho động cỡ nhỏ “Small Engine ECU” ECU sử dụng cho thi xe ECO theo đánh giá chưa phù hợp để gắn động xe ECO khác biệt thiết kế vận hành xe gắn máy xe ECO ECU khơng có hiển thị thơng số điều khiển khiến trình vận hành 64 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh nên khó kiểm sốt Hoặc cơng ty chun bán hệ thống phun nhiên liệu xem thiết kế chun dụng cho xe ECO: có hình hiển thị điều chỉnh thông số FC-DESIGN Tuy nhiên, hệ thống động phải điều chỉnh lại để phù hợp mạch điều khiển Ngoài ra, để tương thích cần phải mua thêm thiết bị kèm nên giá thành cao Còn nhiều hãng khác thiết kế hệ thống phun xăng tương tự chưa phù hợp cho thi xe tự chế Nút Điều chỉnh: nhấn nút để chọn thông số cần điều khiển, xoay để điều chỉnh liệu Vì vậy, nhóm thiết kế nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển, hiển thị vận hành đầy đủ chế độ phù hợp cho dịng xe tự chế Mạch khơng giúp thay đổi liệu để điều khiển tối ưu cho động xe mà hỗ trợ cho tài xế lựa chọn điều khiển suốt trình thi đấu Bướm ga: motor dùng điều khiển góc mở bướm ga Đánh lửa: dùng điều khiển góc đánh lửa sớm góc ngậm 2.2 Sơ đồ mạch thiết kế VCC VCC R1 C1 R3 2 INT0 R5 R6 CKP Q1 D1 C5 TP1 2.1 Sơ đồ khối hệ thống Kim phun: dùng điều khiển lượng nhiên liệu THIẾT KẾ HỆ THỐNG Modul LCD: hiển thị thông tin xe vận hành thông số người dùng điều khiển 2 Modul Bluetooth: truyền nhận liệu giao tiếp từ máy tính điện thoại Hình Mạch chỉnh xung CKP VCC VCC R11 C8 R13 R17 SPD INT1 Q4 C12 D4 R18 TP4 2 1 Hình Sơ đồ khối hệ thống thiết kế Cảm biến CKP: xác định vị trí trục khuỷu số vịng quay động Hình Mạch chỉnh xung SPD Cảm biến SPD: xác định tốc độ xe Cảm biến Tay ga: xác định vị trí tay ga tài xế điều khiển R21 R23 R25 2 R37 R38 R39 R41 R42 R43 R44 R45 1 U TP VPA ECT IAT NC ON OFF 2 10 2 BR2 2 VCC_OUT 1 Cảm biến IAT: xác định nhiệt độ khí nạp Cảm biến ECT: xác định nhiệt độ động R20 R22 R24 R27 R29 Cảm biến TP: xác định độ mở bướm ga 1 VCC Nút ON: nhấn nút để khởi động Nút OFF: nhấn nút để tắt động Hình Mạch đệm ngõ vào tín hiệu Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 65 U1 17 18 19 20 21 22 23 24 59 57 55 53 51 49 47 45 43 41 39 37 35 33 31 29 27 25 VCC PWM 10 11 12 13 14 15 16 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 5V_D1 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 (MISO) 52 (SCK) GND2 serv oVPA Den Coi STart R73 470 R76 470 TX RX BR4 LCD-I2C1 GND VCC SDA SCL SDAVCC SCL 60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 5V_D2 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 (MOSI) 51 (SS) 53 GND3 Serv o INT0 INT1 68 67 66 65 64 63 62 61 (TXD3) 14 (RXD3) 15 (TXD2) 16 (RXD2) 17 (TXD1) 18 (RXD1) 19 (SDA) 20 (SCL) 21 SV2 serv oVPA VCC kimphun bom bobine 76 75 74 73 72 71 70 69 (TXD0) (RXD0) ANALOG IN U TP VPA ECT IAT NC ON OFF NC 5V I/O RESET 3.3V 5V GND GND1 VIN COMMUNICATION VCC 86 85 84 83 82 81 80 79 78 77 SCL SDA AREF GND4 13 12 11 10 VCC VCC NX1 NX2 NX3 T Hình Mạch in lớp VCC T DS18B20 VB 16 15 14 13 12 11 10 EN VMOT MS1 GNDO MS2 2B MS3 2A RST 1A SLE 1B STEP VDD DIR GND HC06 BR5 U3 4 BR7 2B 2A 1A 1B VCC MOTOR A4988 BR6 NUT XOAY R85 NX1 R86 NX2 R87 NX3 470 470 470 MEGA2560 Hình Mạch xử lý, điều khiển giao tiếp Mạch xử lý dùng board điều khiển Arduino MEGA với chip xử lý ATmega2560 [2] lập trình phần mềm Arduino IDE [3] VB TP15 R47 Q5 kimphun ISO6 Q8 1 Q7 R50 3 3 2 bobine 2.3 Sơ đồ mạch thực tế TP16 R46 Hình Mạch in lớp Q9 2 R49 TP30 TP19 R51 D21 Q6 D20 Q3 Coi TP33 TP28 1 Den D22 Q10 R83 D34 Q29 Hình Mạch điều khiển công suất C15 FB ON/OFF VIN OUT 2 VCC_OUT D-1 1 C16 C17 TP37 1 Hình Mạch nguồn ổn áp 5V LM2576/TO Để đạt điều khiển tối ưu đảm bảo phát triển chạy tự động, sau tìm hiểu hệ thống xe máy phun xăng [4], nhóm nghiên cứu cải tạo lại động từ động Honda Wave dùng chế hòa khí kiểu cũ Các chi tiết cần cải tạo là: C14 E1 VB 2 8-30V D35 VCC L1 U-1 TP34 F2 VBAT CẢI TẠO, THỬ NGHIỆM 3.1 Cải tạo số chi tiết 2 R91 STart Hình 10 Mạch sau gia công R84 bom 2 a) Cảm biến CKP [5] cảm biến quan trọng để mạch nhận vị trí piston đo tốc độ Để đảm bảo độ xác đáp ứng nhanh, Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 3.2 Sơ đồ đấu dây hệ thống BAT IG IGSW 1 + T1 12V MG1 BOM XANG May khoi dong K1 L1 KIM PHUN A START 1 nhóm thiết kế đĩa quang 12 xung khuyết xung kết hợp mạch nhận giá rẻ phổ biến thị trường hình 11 LS1 SPEAKER RELAY START - 66 BOBINE D1 STOP LED E0 BAT C # S SK P L BUOM GA B+ VCC TAY GA VPA 2 VTA TW THW TA THA 22+ 11+ 1 PIM ECU - LCD - BLUETOOTH +5V A0 A6 A7 A2 A1 A3 A4 A5 E2 T Hình 11 Chế tạo lắp đặt cảm biến CKP X1 X2 MOTOR BUOC E1 RC SERVO CKP K2A b) Họng gió tích hợp kim phun cảm biến Vị trí bướm ga thay cho chế hịa khí, bơm xăng lắp thêm vào bình xăng hình 12 Hình 12 Họng gió bơm xăng lắp đặt c) Một motor servo thiết kế thêm vào để điều khiển bướm ga mà không cần dùng dây cáp đảm bảo chế độ điều khiển linh động phát triển chạy tự động thi đấu, hình 13 doc banh xe Hình 14 Sơ đồ đấu dây mạch với cảm biến chấp hành Sau cải tiến thiết kế lại số chi tiết động Honda Wave gắn cảm biến CKP loại cảm biến quang giá rẻ, đổi chế hịa khí thành họng gió có kim phun thêm motor servo điều khiển bướm ga Mạch hoạt động điều khiển cho phép động nổ Song song đó, mạch hiển thị chi tiết thông tin hệ thống động xe vận hành LCD, App Android điện thoại phần mềm máy tính 3.3 Điều chỉnh hiển thị LCD Mạch giao tiếp với LCD qua chuẩn I2C Tài xế có nút nhấn xoay thơng minh để thay đổi thông số cài đặt, thông tin cảm biến trạng thái vận hành điều chỉnh hiển thị lên LCD hình 15 Hình 15 Màn hình LCD hiển thị Các thông tin hiển thị LCD: Chế độ AUTO-NORM Chế độ chạy test thi đấu Hình 13 Motor servo lắp đặt để kéo bướm ga Đang khởi động, chạy, tắt Đang phun xăng (X) đánh lửa (L) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 67 Tốc độ động Tốc độ xe Điện áp ắc quy Tỷ lệ điều chỉnh xăng tài xế Độ mở bướm ga 10 Góc đánh lửa sớm 11 Thời gian phun 12 Nhiệt độ động cơ, nhiệt độ khí nạp 3.4 Cài đặt hiển thị thơng tin dùng App điện thoại Hình 17 Giao diện cài đặt thông số Để hiển thị rõ ràng trực quan, nhóm lập trình thêm App cài đặt điện thoại Android, thông qua bluetooth cho phép cài đặt thông số cho mạch thi đấu như: tỷ lệ nhiên liệu, vị trí cầm chừng test thi đấu, tốc độ giới hạn max-min để cảnh báo tài xế dùng cho khởi động xe tự động thi đấu, khoảng cách xung tốc độ xe góc đánh lửa sớm ban đầu Các thông số hiển thị nút lựa chọn chế độ tương tự LCD Giao diện App hình 16: Hình 18 Giao diện chức hiển thị lưu trữ Giao diện máy tính giúp hiển thị thông tin chi tiết giúp người thiết kế điều chỉnh phù hợp với thiết kế động xe Phần mềm dùng cho điều chỉnh chạy thử nghiệm trình thiết kế, khơng dùng q trình thi đấu bất tiện để laptop lên xe Hình 16 Giao diện hiển thị điện thoại 3.5 Thiết lập nâng cao dùng phần mềm máy tính Để thiết lập chức nâng cao, nhóm lập trình phần mềm cài đặt máy tính giao tiếp với mạch qua bluetooth cho phép người dùng cài đặt tất chức Ngồi thơng số điều chỉnh App điện thoại, phần mềm máy tính cho phép đọc điều chỉnh đồ phun xăng đồ góc đánh lửa sớm Con trỏ hiển thị điểm làm việc động đồ phun xăng đồ đánh lửa giúp người dùng dễ dàng cân chỉnh thông số phù hợp cho động điểm làm việc mong muốn 3.6 Thử nghiệm Mạch đấu nối vào mơ hình động xe máy Honda Wave tiến hành cài đặt thông số, tinh chỉnh giá trị chạy thử động cơ, nhóm rút số nhận xét: 68 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh - Mạch chạy tốt, ổn định, khơng bị nhiễu vừa, tăng tốc có nổ dội Đây kết quan trọng đáng ý Thực ra, trình thử nghiệm chủ yếu để thiết kế kiểm tra hoạt động mạch nhiễu - Mạch giao tiếp hiển thị LCD đáp ứng thực tế, cịn việc chỉnh đồ thơng đủ nhanh để quan sát, nhiên thực tế số cho động tùy thuộc vào loại động thiết kế đặt ECU phía sau xe đặt LCD người dùng thiết kế Tùy loại xe tải phía trước tài xế đường truyền LCD xe mà người dùng cần có nhiều thời gian để dài có vị trí dây bị nhiễu dây tinh chỉnh cao áp đánh lửa Nên thiết kế xe người dùng cần lưu ý điều để đường dây tín hiệu cho hợp lý - Mạch giao tiếp bluetooth App điện thoại ổn định Điều chỉnh hiển thị thơng số xác rõ ràng Có thể thay LCD để giúp tài xế quan sát thông tin rõ ràng trình thi đấu - Mạch giao tiếp bluetooth với phần mềm máy tính tốt, tinh chỉnh nạp trình đồ phun xăng đánh lửa tốt, liệu truyền kiểm sốt lỗi chặt chẽ nên khơng có sai sót liệu cài đặt Các chế độ đọc lưu trữ đồ mạch xác ổn định - Riêng phần thử nghiệm trình chạy động Honda Wave chưa có cảm biến nhiệt độ nên động nổ ổn định nóng Ở chế độ cầm chừng, động nổ êm, ổn định tốc độ khơng có mùi xăng dư Ở chế độ tăng tốc, chỉnh tiết kiệm tránh dư xăng nên động tăng tốc mức độ KẾT LUẬN Qua trình nghiên cứu dài, số phiên ứng dụng nhiều năm thi đấu Việt Nam Singapore đạt thành tích định Phiên tích hợp thêm nhiều tính giúp q trình thiết kế thi đấu dễ dàng linh động Nhìn chung, thử nghiệm ổn định chủ yếu dựa vào thực tế cảm nhận người dùng mà chưa có thiết bị đo đạc xác Trong thời gian tới, chấp nhận giá thành cao thay vi điều khiển dùng mạch arduino DUE xử lý 32 bit tốc độ 84MHz giúp mạch xử lý nhanh mạnh mẽ hơn, thay cảm biến CKP nhiều xung giúp điều khiển xác Lựa chọn động với máy đo xung lưu trữ thời gian dài để thử nghiệm đảm bảo trình thiết kế thử nghiệm tin cậy TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] https://www.ecotrons.com/products/small_engine_ecu/ https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/ATmega640-1280-1281-2560-25 61-Datasheet-DS40002211A.pdf https://www.arduino.cc/reference/en/ Phần mềm ALLMOTO - Phần tài liệu Honda PGS-TS Đỗ Văn Dũng – Trang bị điện điện tử ô tô đại, hệ thống điện động – NXB Đại học Quốc Gia, Tp HCM – Năm 2004, tr171 - tr274 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Nguyễn Trọng Thức Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Email: thucnt@hcmute.edu.vn ... cần điều khiển, xoay để điều chỉnh liệu Vì vậy, nhóm thiết kế nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển, hiển thị vận hành đầy đủ chế độ phù hợp cho dịng xe tự chế Mạch khơng giúp thay đổi liệu để điều. .. Hoặc cơng ty chuyên bán hệ thống phun nhiên liệu xem thiết kế chuyên dụng cho xe ECO: có hình hiển thị điều chỉnh thơng số FC-DESIGN Tuy nhiên, hệ thống động phải điều chỉnh lại để phù hợp mạch điều. .. thay đổi liệu để điều khiển tối ưu cho động xe mà hỗ trợ cho tài xế lựa chọn điều khiển suốt trình thi đấu Bướm ga: motor dùng điều khiển góc mở bướm ga Đánh lửa: dùng điều khiển góc đánh lửa sớm