TỔNG QUAN
Xác định đề tài
1.1.1 Thị trường xăng dầu việt nam 2019-2020 Ảnh hưởng của dịch bệnh Covid-19 đã gây tác động không nhỏ lên nền kinh tế nước ta, thể hiện ở việc tiêu thụ hàng hóa nói chung và mặt hàng xăng dầu nói riêng giảm mạnh Các doanh nghiệp sản xuất và doanh nghiệp kinh doanh xăng dầu đang phải đối mặt với vấn đề mức tồn kho xăng dầu ngày càng tăng cao Giảm sút tiêu thụ xăng dầu là tình hình chung trong nước và trên thế giới Các nước trên thế giới đang phải cắt giảm sản lượng sản xuất rất lớn, Việt Nam cũng không thể nằm ngoài diễn biến chung này [1]
Sau khi các biện pháp cách ly được nới lỏng, nhu cầu dầu mỏ trên toàn cầu đã bắt đầu phục hồi, đặc biệt là ở châu Á Các quốc gia như Việt Nam, Đài Loan, Thái Lan và Hàn Quốc ghi nhận sự gia tăng trong việc sử dụng phương tiện giao thông Điều này cho thấy tín hiệu tích cực cho sự phục hồi nhu cầu xăng dầu trong khu vực.
Tính đến ngày 25-5, Việt Nam đã trải qua 39 ngày không ghi nhận ca nhiễm COVID-19 trong cộng đồng, giúp cho sản xuất kinh tế và các hoạt động xã hội dần trở lại bình thường Tại Hà Nội và TP.HCM, tình trạng ùn tắc giao thông đã xuất hiện trở lại vào giờ cao điểm Sự phục hồi của nền kinh tế Việt Nam đã tạo điều kiện cho các doanh nghiệp xăng dầu như BSR, Petrolimex và PVOil gia tăng hoạt động sản xuất kinh doanh, vượt qua khó khăn và từng bước ổn định, nâng cao lợi nhuận.
Việc chuyển đổi từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng tái tạo đang trở thành xu hướng toàn cầu, tuy nhiên, đại dịch Covid-19 đã chứng minh rằng xăng dầu vẫn giữ vai trò quan trọng trong ngành năng lượng, đặc biệt là là nguồn nhiên liệu chính cho phương tiện giao thông tại châu Á và Việt Nam.
Hình 1.1: Biến động giá bán lẻ xăng dầu trong nước tháng 2/2020-6/2020
1.1.2 Thực trạng ô nhiễm không khí ở việt nam Đến tháng 02 năm 2020, toàn quốc có tổng số 3.553.700 xe ô tô và khoảng 45 triệu xe máy đang tham gia giao thông Trong đó, Hà Nội có gần 6 triệu xe máy, Thành phố Hồ Chí Minh có hơn 8 triệu xe máy lưu thông hàng ngày, chưa tính đến các phương tiện giao thông của người dân từ các địa phương khác đi qua Trong số đó, rất nhiều phương tiện cũ không đảm bảo tiêu chuẩn khí thải, nhiều xe qua nhiều năm sử dụng và không thường xuyên bảo dưỡng dẫn đến hiệu quả sử dụng nhiên liệu thấp, kéo theo hệ quả là nồng độ chất độc hại và bụi trong khí thải cao Đây là một trong những nguyên nhân của vấn đề ô nhiễm không khí ở các thành phố lớn ở Việt Nam, đặc biệt là Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh thời gian gần đây ngày càng gia tăng
- Từ năm 2018 đến năm 2019: nồng độ bụi PM2.5 có xu hướng tăng hơn so với giai đoạn từ năm 2010 đến năm 2017
- Từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2019: chỉ số chất lượng không khí tại một số đô thị như
Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh thường xuyên ghi nhận chỉ số AQI ở mức xấu, từ 150 đến 200, thậm chí có lúc vượt 200, tương đương mức rất xấu Bụi mịn, đặc biệt là các hạt PM2.5 (dưới 2.5 micromet), là mối nguy hại lớn nhất, vì chúng có thể thẩm thấu qua đường hô hấp và gây ra nhiều bệnh tật, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng.
Từ nửa cuối tháng 3/2020, khi cả nước thực hiện cách ly xã hội để ngăn ngừa dịch Covid-19, chỉ số PM2.5 và CO đã giảm rõ rệt so với các năm trước Lượng phương tiện giao thông trong nội đô cũng giảm đáng kể so với trước tháng 2/2020, cùng với nhiều hoạt động kinh tế - xã hội bị tạm dừng hoặc thu hẹp Điều này cho thấy sự ảnh hưởng lớn của các nguồn phát thải từ giao thông và sản xuất đến chất lượng không khí đô thị, đặc biệt tại Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội.
1.1.3 Lý dó chọn đề tài
Xăng dầu vẫn là nhiên liệu chính cho giao thông, trong khi ô nhiễm không khí ngày càng nghiêm trọng Để giảm thiểu ô nhiễm và tiết kiệm nhiên liệu, nhiều phương pháp đã được áp dụng trên thế giới và tại Việt Nam nhằm nâng cao hiệu suất tiêu hao nhiên liệu cho phương tiện giao thông Một số giải pháp cụ thể bao gồm việc phát triển công nghệ xanh và khuyến khích sử dụng phương tiện giao thông công cộng.
- Sử dụng nguồn năng lượng mới Trong đó, khí LPG và CNG đã được đưa vào sử dụng trên động cơ xe bus tại việt nam
- Động cơ chạy bằng điện phân nước lấy Hydro
- Hệ thống phun xăng điện tử
Mặc dù xe điện và xe lai đã được áp dụng trong giao thông hiện đại, nhưng chi phí sản xuất và tính tiện lợi vẫn là rào cản lớn khiến chúng chưa phổ biến tại Việt Nam Hệ thống phun xăng điện tử nổi bật như một giải pháp hiệu quả, giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm không khí Hệ thống này điều chỉnh lượng xăng phun vào buồng đốt dựa trên lượng không khí nạp vào và điều kiện hoạt động của động cơ, từ đó giảm thiểu hiện tượng xăng dư thừa thải ra môi trường Thực nghiệm cho thấy, xe gắn máy sử dụng phun xăng điện tử tiết kiệm đến 6% nhiên liệu so với xe sử dụng bộ chế hòa khí cùng hãng và dung tích xy lanh.
4 không phải là một con số quá lớn, nhưng nếu xét trên tổng số người sử dụng xe máy taị Việt Nam, 6% là một con số đáng khích lệ [4]
Hệ thống phun xăng điện tử có nhiều ưu điểm vượt trội so với bộ chế hòa khí truyền thống trên xe máy, đặc biệt khi xe gắn máy là phương tiện giao thông chủ yếu tại Việt Nam Do đó, nhóm nghiên cứu đã quyết định thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun xăng điện tử và tiến hành nghiên cứu thực nghiệm nhằm tìm ra bản đồ đánh lửa phun xăng phù hợp nhất cho mô hình này.
Mục tiêu đề tài
Mục tiêu của nghiên cứu này là thiết kế và thi công hệ thống phun xăng điện tử và bướm ga điện tử thay thế bộ chế hòa khí cho một loại động cơ cụ thể Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng nhằm tìm ra bản đồ đánh lửa tối ưu nhất để nâng cao hiệu suất động cơ Hệ thống phun xăng điện tử được phát triển với nhiều chế độ hoạt động, bao gồm chế độ tiết kiệm, và cho phép tinh chỉnh các thông số trên bản đồ của ECU để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng.
Để thiết kế một hệ thống phun xăng điện tử hoàn chỉnh và chính xác, cần đầu tư thời gian, nhân lực và chi phí cho việc thử nghiệm và chế tạo Do đó, đề tài này giới hạn trong việc thiết kế hệ thống phun xăng điện tử với ECU tự thiết kế, sử dụng các phần cứng, cảm biến và bộ chấp hành từ động cơ hiện có.
Phạm vi nghiên cứu
● Chỉ nghiên cứu, thiết kế, lắp đặt và thử nghiệm trên động cơ Honda Wave 110cc
● Tập trung nghiên cứu vào hệ thống phun xăng điện tử và đánh lửa
● Tập trung thử nghiệm các chế độ hoạt động của các Map trên ECU.
Phương pháp thực hiện
Nghiên cứu tài liệu về hệ thống phun xăng đánh lửa điện tử trên các mẫu xe máy của Honda, bao gồm Honda Wave RSX, Honda Winner 150, Honda Future Neo Fi và Honda Lead, giúp hiểu rõ hơn về công nghệ tiên tiến và hiệu suất hoạt động của những dòng xe này.
● Tham khảo tài liệu động cơ đốt trong, tài liệu PGM-FI
● Tham khảo tài liệu lập trình vi điều khiển
● Tham khảo tài liệu sửa chữa, bảo hành hãng Honda
● Tham khảo tài liệu về ECU
● Tham khảo tài liệu về tinh chỉnh bản đồ phun xăng cho động cơ Fi.
Bố cục của đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Lý thuyết về linh kiện điện tử sử dụng trong đồ án
Chương 4: Thiết kế, thi công mô hình cho phù hợp mục đích tối ưu
Chương 5: Kết quả đạt được sau khi tinh chỉnh bản đồ
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hệ thống phun nhiên liệu điện tử PGM – FI
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống PGM – FI trên xe HONDA
Hệ thống phun xăng điện tử PGM-FI (Programmed Fuel Injection) được Honda phát triển vào những năm 1980 nhằm thay thế bộ chế hòa khí truyền thống Hệ thống này hoạt động thông qua ECU, nhận tín hiệu từ các cảm biến Khi người lái tăng ga, cảm biến bướm ga gửi tín hiệu đến ECU để lựa chọn thành phần hòa khí ECU cũng nhận diện lưu lượng khí nạp, nhiệt độ khí nạp và nhiệt độ nước làm mát, từ đó sử dụng dữ liệu trong bản đồ ECU (MAP) để xác định thời gian mở kim phun Cảm biến O2 giúp điều chỉnh tỷ lệ hòa khí tối ưu cho từng chế độ hoạt động của động cơ.
7 điện tử là một vòng lặp kín PGM – FI là hệ thống phun xăng điện tử phun trên đường ống nạp – trước xu páp hút – PI (port injection)
Hệ thống phun xăng điện tử vượt trội hơn so với bộ chế hòa khí thông thường nhờ vào khả năng hòa trộn không khí và xăng hiệu quả hơn trong buồng đốt Việc bố trí kim phun gần xu-páp nạp giúp tăng chiều dài đường ống nạp mà không lo xăng bám vào, từ đó tăng vận tốc khí nạp và tạo ra xoáy lốc, giúp hòa trộn đồng nhất hơn Dòng khí nạp có khối lượng thấp đạt tốc độ xoáy lốc cao, giảm thiểu thất thoát nhiên liệu trên đường ống nạp và cải thiện sự trộn lẫn nhiên liệu.
− Có thể cấp hỗn hợp khí nhiên liệu đồng đều đến xy – lanh
− Có thể đạt được tỷ lệ khí nhiên liệu chính xác với tất cả các dải tốc độ động cơ
− Đáp ứng kịp thời với sự thay đổi góc mở bướm ga
− 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
− Hiệu suất nạp hỗn hợp không khí – nhiên liệu cao
2.1.2 Mô hình hoá hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử
Hệ thống PGM – FI được chia làm 3 nhóm chính:
− Các cảm biến (tín hiệu đầu vào)
− Bộ xử lý trung tâm – ECU
− Cơ cấu chấp hành (tín hiệu đầu ra)
Cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trò quan trọng trong hệ thống phun xăng điện tử ECU tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến trên động cơ để xác định chế độ hoạt động Sau khi phân tích và chọn chế độ làm việc, ECU gửi tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành và nhận phản hồi để điều chỉnh và lặp lại quy trình Nguyên lý điều khiển của hệ thống được thể hiện qua sơ đồ khối.
Cảm biến áp suất đường ống nạp MAP
Hình 2.2: Nguyên lý điều khiển
Hình 2.3: Sơ đồ khối hệ thống phun xăng điện tử PGM – FI
Van điều chỉnh tốc độ cầm chừng IACV Đánh lửa
Cảm biến vị trí bướm ga
Cảm biến nhiệt độ khí nạp IAT
Cảm biến vị trí trục khuỷu
Cảm biến nhiệt độ dung dịch làm mát động cơ
Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của các hệ thống chính trong PGM – FI
2.2.1 Hệ thống điều khiển điện tử
Cảm biến là thiết bị có khả năng phát hiện các biến đổi ở đầu vào dưới nhiều hình thức khác nhau như cơ học, nhiệt học, hay quang học Nó có chức năng chuyển đổi những biến đổi này thành tín hiệu tương tự (analog) hoặc tín hiệu số (digital).
Mỗi cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thông tin cho ECU, chuyển đổi các dữ liệu như nhiệt độ và áp suất thành tín hiệu điện áp.
Hình 2.4: Tín hiệu đầu ra của các cảm biến trong hệ thống PMG – FI
Trên hệ thống PGM – FI của hãng Honda có 7 cảm biến, được bố trí theo hình sau:
Hình 2.5: Vị trí hệ thống PGM – FI trên xe Honda Winner 150
2.2.1.1.1 Cảm biến nhiệt độ khí nạp – IAT
Cảm biến nhiệt độ khí nạp được dùng để đo nhiệt độ khí nạp vào động cơ và gửi về hộp ECU để ECU thực hiện hiệu chỉnh:
Điều chỉnh thời gian phun theo nhiệt độ không khí là cần thiết, vì ở nhiệt độ thấp, mật độ không khí tăng lên, dẫn đến việc không khí đặc hơn Ngược lại, khi nhiệt độ cao, mật độ không khí giảm, khiến cho không khí trở nên thưa hơn và ít oxy hơn.
– Nếu nhiệt độ thấp thì ECU sẽ hiệu chỉnh tăng thời gian phun nhiên liệu
– Nếu nhiệt độ cao thì ECU sẽ hiệu chỉnh giảm thời gian phun nhiên liệu
ECU điều khiển lượng xăng phun dựa trên nhiệt độ khí nạp, với mức chuẩn là 20 o C Nếu nhiệt độ khí nạp vượt quá 20 o C, ECU sẽ giảm lượng xăng phun; ngược lại, nếu nhiệt độ khí nạp dưới 20 o C, ECU sẽ tăng lượng xăng phun Phương pháp này giúp đảm bảo tỉ lệ hỗn hợp phù hợp với nhiệt độ môi trường.
Việc hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo nhiệt độ không khí đóng vai trò quan trọng vì nhiệt độ khí nạp thấp sẽ làm giảm tốc độ lan truyền của màng lửa trong buồng đốt, ngược lại khi nhiệt độ khí nạp cao sẽ giúp quá trình cháy diễn ra nhanh hơn.
– Nếu nhiệt độ thấp thì ECU sẽ hiệu chỉnh tăng góc đánh lửa sớm
– Nếu nhiệt độ cao thì ECU sẽ hiệu chỉnh giảm góc đánh lửa sớm [6]
Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Cấu tạo gồm một nhiệt điện trở âm (điện trở tăng lên khi nhiệt độ thấp và ngược lại) bên trong cảm biến
Hình 2.6: Vị trí và cấu tạo cảm biến IAT
Khi nhiệt độ không khí giảm, điện trở của cảm biến sẽ tăng lên, trong khi khi nhiệt độ tăng, điện trở sẽ giảm Sự thay đổi này ảnh hưởng đến điện áp tại chân cảm biến thông qua cầu phân áp.
Hình 2.7: Mạch điện và đường đặc tuyến cảm biến IAT
2.2.1.1.2 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát – ECT
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát ECT đóng vai trò quan trọng trong việc đo nhiệt độ của nước làm mát động cơ, đồng thời gửi tín hiệu đến ECU để thực hiện các điều chỉnh cần thiết.
Khi nhiệt độ động cơ thấp, ECU sẽ tăng góc đánh lửa sớm để tối ưu hiệu suất, trong khi ở nhiệt độ động cơ cao, ECU sẽ giảm góc đánh lửa sớm nhằm bảo vệ động cơ.
Khi nhiệt độ động cơ thấp, ECU sẽ tăng thời gian phun nhiên liệu bằng cách mở rộng xung nhấc kim phun để làm đậm hỗn hợp nhiên liệu Ngược lại, khi nhiệt độ động cơ cao, ECU sẽ giảm thời gian phun nhiên liệu để điều chỉnh hiệu suất động cơ.
Khi khởi động động cơ, ECU điều khiển van không tải hoặc bướm ga điện tử mở rộng để duy trì tốc độ không tải nhanh khoảng 900-1000 vòng/phút Điều này giúp hâm nóng động cơ, giảm thiểu tình trạng quá lạnh và cải thiện hiệu suất hoạt động.
13 ma sát giữa các bộ phận trong động cơ và nhanh chóng đạt được nhiệt độ vận hành ổn định [7]
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Cấu tạo của cảm biến ECT có dạng trụ rỗng với ren ngoài, bên trong có lắp một nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm
Khi nhiệt độ động cơ thấp, điện áp được chuyển đổi thành các xung vuông và được bộ vi xử lý giải mã để thông báo cho ECU rằng động cơ đang trong trạng thái lạnh Ngược lại, khi động cơ nóng, giá trị điện trở của cảm biến giảm, dẫn đến điện áp giảm, cho ECU biết rằng động cơ đã nóng lên.
Hình 2.8: Đường đặc tuyến và cấu tạo của cảm biến ECT
2.2.1.1.3 Cảm biến áp suất tuyệt đối đường ống nạp – MAP
Cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP – Manifold Absolute Pressure) được dùng để đo áp suất tuyệt đối trong đường ống nạp của động cơ
Khi động cơ khởi động, cảm biến áp suất đường ống nạp thu thập thông tin về áp suất trong ống nạp và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện áp Tín hiệu này được gửi về ECU để thực hiện tính toán và điều chỉnh thời gian phun cơ bản.
Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Cảm biến MAP, nằm trong cụm bộ ba cảm biến gắn trên thân bướm ga, hoạt động dựa trên nguyên lý cầu Wheatstone để tạo ra điện áp theo sự thay đổi của điện trở Cảm biến này bao gồm một tấm silicon nhỏ với màng ngăn dày hơn ở hai mép ngoài (khoảng 0.25 mm) và mỏng ở giữa (khoảng 0,025 mm) Hai mép được làm kín với mặt trong của tấm silicon, tạo thành buồng chân không trong cảm biến, trong khi mặt ngoài tiếp xúc với áp suất đường ống nạp.
Hình 2.9: Vị trí cảm biến MAP trong cụm bộ ba cảm biến
Hình 2.10: Cấu tạo cảm biến MAP
Tấm silicon được phủ thạch anh tạo thành điện trở áp điện (piezoresistor), giúp phát hiện sự thay đổi áp suất trong đường ống nạp Khi màng ngăn không bị biến dạng, tất cả bốn điện trở áp có giá trị bằng nhau, không tạo ra chênh lệch điện áp Tuy nhiên, khi áp suất giảm, màng silicon bị biến dạng, dẫn đến sự thay đổi giá trị điện trở và làm mất cân bằng cầu Wheatstone.
Cầu Wheatstone tạo ra sự 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, dẫn đến sự thay đổi điện áp gửi về ECU Nhờ đó, ECU nhận biết sự thay đổi áp suất trên đường ống nạp và điều chỉnh hoạt động của động cơ.
Hình 2.11: Sơ đồ cầu Wheatstone và mạch điện của cảm biến MAP
Hình 2.12: Đường đặc tuyến cảm biến MAP
2.2.1.1.4 Cảm biến vị trí bướm ga – TP
Điều khiển đánh lửa trên xe PGM-FI
2.3.1 Giới thiệu hệ thống đánh lửa
Kỹ thuật số đã được tích hợp vào hệ thống đánh lửa từ thập kỷ 80, với máy tính đảm nhận việc điều khiển góc đánh lửa sớm và góc ngậm điện Các cảm biến sẽ gửi tín hiệu về ECU để xử lý và tính toán các thông số như tốc độ động cơ, tải và nhiệt độ, từ đó đưa ra góc đánh lửa tối ưu cho từng chế độ hoạt động của động cơ Điều này đã dẫn đến việc loại bỏ hoàn toàn các bộ phận cơ khí như bộ đánh lửa sớm kiểu cơ khí (ly tâm trong hệ thống AC – CDI).
Hình 2.29: Hệ thống đánh lửa theo chương trình
Hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các hệ thống đánh lửa trước đây.
Góc đánh lửa được điều chỉnh tối ưu cho từng chế độ hoạt động của động cơ, giúp khởi động dễ dàng và vận hành êm ái Góc ngậm điệm luôn được điều chỉnh theo tốc độ động cơ và hiệu điện thế ắc quy, đảm bảo điện áp thứ cấp luôn đạt giá trị cao.
Công nghệ mới giúp cải thiện hiệu suất động cơ, mang lại khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí thải độc hại Động cơ được trang bị hệ thống điều khiển chống kích nổ, nâng cao tính ổn định và độ bền Với ít hư hỏng và tuổi thọ cao, sản phẩm này yêu cầu bảo dưỡng tối thiểu, đảm bảo hiệu quả lâu dài cho người sử dụng.
Hệ thống đánh lửa điện tử kết hợp với phun xăng đã hoàn toàn thay thế hệ thống CDI truyền thống, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về khí thải nhờ vào những ưu điểm nổi bật của nó.
2.3.2 Cấu tạo hệ thống hệ đánh lửa Để có thể xác định chính xác thời điểm đánh lửa của động cơ, ECU cần phải nhận được các tín hiệu cần thiết như tốc độ động cơ, vị trí trục khuỷu, 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 thành ba phần: tín hiệu vào, ECU và tiến hiệu ra điều khiển IC lửa (igniter) [5]
Hình 2.30: Sơ đồ hệ thống đánh lửa trên xe Honda Winner 150
Hình 2.31: Bảng đặc tính hệ thống đánh lửa trên xe Honda Winner 150
Trong các tín hiệu ngõ vào, tín hiệu động cơ và vị trí trục khuỷu là yếu tố quan trọng nhất Để xác định tốc độ động cơ cùng với vị trí trục khuỷu, bánh đà 9 vấu kết hợp với cảm biến CKP kiểu điện từ được sử dụng.
Hình 2.32: Cảm biến vị trí trục khuỷu và góc đánh lửa sớm
2.3.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống
Hệ thống đánh lửa điện tử với khả năng điều chỉnh góc ngậm điện (dwell angle control) hoạt động dựa trên hiệu điện thế ắc quy và tốc độ động cơ Khi khởi động, hiệu điện thế ắc quy giảm do sụt áp, khiến ECU tăng thời gian ngậm điện để tăng dòng điện trong cuộn sơ cấp Tuy nhiên, ở tốc độ thấp, thời gian tích lũy năng lượng quá dài dẫn đến góc ngậm điện lớn, gây lãng phí năng lượng Do đó, ECU sẽ điều chỉnh xén bớt xung điện áp điều khiển để giảm thời gian ngậm điện, giúp tiết kiệm năng lượng hiệu quả.
Góc đánh lửa sớm thực tế khi động cơ hoạt động được xác định bằng công thưc sau:
− 𝜃 : góc đánh lửa sớm thực tế
− 𝜃 𝑏𝑑 : góc đánh lửa sớm ban đầu
− 𝜃 𝑐𝑏 : góc đánh lửa sớm cơ bản
− 𝜃 ℎ𝑐 : góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh
Hình 2.33: Góc đánh lửa thực tế
Góc đánh lửa sớm ban đầu (𝜃 𝑏𝑑) được xác định bởi vị trí của cảm biến vị trí trục khuỷu (cảm biến CKP) và thường nằm trong khoảng từ 5 độ đến 15 độ trước điểm chết trên (TDC) khi động cơ hoạt động ở tốc độ cầm chừng Đối với hệ thống đánh lửa điện tử, việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm chỉ ảnh hưởng đến góc đánh lửa sớm ban đầu.
Dựa vào tín hiệu tốc độ động cơ (CKP) và tải động cơ (tín hiệu áp suất đường nạp hoặc lưu lượng khí nạp từ cảm biến MAP), ECU sẽ truy cập giá trị góc đánh lửa sớm cơ bản (𝜃 𝑐𝑏) được lưu trữ trong bộ nhớ của nó (bản đồ ECU).
Góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh (𝜃 ℎ𝑐) là góc được điều chỉnh dựa trên các tín hiệu từ ECU như nhiệt độ động cơ, nhiệt độ khí nạp và tốc độ xe Góc đánh lửa sớm thực tế được xác định bằng cách cộng góc đánh lửa sớm ban đầu với góc đánh lửa sớm cơ bản và góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh, nhằm đạt được góc đánh lửa lý tưởng cho từng chế độ hoạt động của động cơ.
Hình 2.34: Xung điều khiển đánh lửa
Sau khi xác định góc đánh lửa sớm, bộ xử lý trung tâm sẽ phát xung điện áp để điều khiển quá trình đánh lửa Hình 2.36b minh họa sự dịch chuyển xung đánh lửa trong CPU về phía trước của tử điểm thượng, đồng thời có sự điều chỉnh về góc đánh lửa cơ bản và góc đánh lửa hiệu chỉnh Ngoài ra, xung đánh lửa có thể được xén trước khi gửi đến igniter.
2.3.4 Hiệu chỉnh góc đánh lửa theo chế độ hoạt động
Trong suốt quá trình vận hành, chế độ làm việc của động cơ liên tục thay đổi, và ECU sẽ điều chỉnh góc đánh lửa sớm phù hợp với từng chế độ như khởi động, không tải và hâm nóng sau khởi động Điều này giúp đảm bảo hiệu suất động cơ tối ưu, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm và tiết kiệm nhiên liệu.
Góc đánh lửa sớm được thiết lập ở một giá trị cố định trong suốt quá trình khởi động và phụ thuộc vào dữ liệu được lưu trữ trong IC dự phòng của ECU.
Góc đánh lửa sớm thường được chọn nhỏ hơn 10 độ để đảm bảo động cơ khởi động dễ dàng ngay cả khi máy nguội và tránh hiện tượng nổ dội Việc điều chỉnh nhiệt độ góc đánh lửa sớm trong quá trình khởi động là không cần thiết do thời gian khởi động rất ngắn.
Chế độ sau khởi động
Khi động cơ đã khởi động xong, góc đánh lửa sớm sẽ được hiệu chỉnh theo công thức
𝜃 = 𝜃 𝑏𝑑 + 𝜃 𝑐𝑏 + 𝜃 ℎ𝑐 Trong đó, góc đánh lửa hiệu chỉnh (𝜃 ℎ𝑐 ) là tổng của tất cả góc đánh lửa theo điều kiện làm việc của động cơ
− Hiệu chỉnh theo nhiệt độ nước làm mát của động cơ,
− Hiệu chỉnh theo sự ổn định của động cơ trong chế độ không tải
− Hiệu chỉnh theo nhiệt độ của khí nạp
− Hiểu chỉnh theo các điều kiện khác
Điều khiển phun nhiên liệu
2.4.1 Hệ thống cung cấp nhiên liệu
Hệ thống cung cấp nhiên liệu đến kim phun trên hệ thống PMG – FI có những bộ phận chính như sau:
Trong đồ án này, chúng tôi tập trung nghiên cứu hệ thống bơm nhiên liệu, cụ thể là bộ bơm xăng Bộ bơm xăng chủ yếu được lắp đặt bên trong thùng xăng và đóng vai trò quan trọng trong hệ thống PGM.
Bơm cánh quạt, hay còn gọi là FI, nổi bật với ưu điểm ít gây tiếng ồn và không tạo ra dao động trong mạch nhiên liệu, vì vậy được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng Bơm này được cấu tạo từ các thành phần chính, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định và hiệu quả.
− Bộ phận công tác của bơm
− Van kiểm tra (van một chiều)
− Van giảm áp và lọc
Hình 2.36: Cấu tạo bơm cánh quạt
Sự vận hành của bơm cánh quạt
Động cơ là một động cơ điện một chiều được điều khiển bởi ECU, hoạt động với điện áp 12V Lưu lượng bơm tối thiểu phụ thuộc vào dung tích động cơ, với giá trị tối thiểu khoảng ± 100 cm³ trong 10 giây.
Bánh công tác là một bộ phận quan trọng trong hệ thống, có từ 1 đến 2 cánh, hoạt động nhờ vào motor điện Khi motor hoạt động, bánh công tác sẽ kéo xăng từ cửa vào và đưa đến cửa ra Sau khi xăng đi qua cửa vào, nó sẽ luân chuyển quanh motor điện trước khi đến van một chiều.
Van một chiều là thiết bị quan trọng trong hệ thống ống dẫn, giúp giữ áp suất ổn định khi bơm ngừng hoạt động Chức năng của van này là ngăn chặn sự thoát hơi nhiên liệu hoặc dòng chảy quay trở lại thùng, từ đó đảm bảo quá trình khởi động lại dễ dàng và hiệu quả Việc duy trì áp suất trong mạch là cần thiết để tránh khó khăn trong việc khởi động máy bơm.
− Van tan toàn: van làm việc khi áp suất ra vượt qua giá trị quy định 294 kPa (3 kgf/cm 2 ,
43 psi) Van này có tác dụng bảo vệ mạch nhiên liệu khi áp suất vượt qua giới hạn cho phép
− Lọc xăng: dùng để lọc cặn bẩn trong thùng nhiên liệu được gắn trước bơm
Sơ đồ mạch điện điều khiển bơm xăng (sử dụng sơ đồ mạch điện Honda Winner
Hình 2.37: Sơ đồ mạch điện điều khiển bơm xăng trên Honda Winner 150
Khi khởi động xe, khi khóa điện ở vị trí ON, điện từ bình ắc quy sẽ đi qua tiết chế và vào chân 1 – IGP (Ignition power) trên ECU ECU sau đó gửi tín hiệu đến mạch điều khiển bơm, kích hoạt bơm trong khoảng 2 giây để xăng được bơm đến đầu kim phun, tạo áp suất ổn định trên đường ống Điều này giúp quá trình khởi động xe trở nên dễ dàng hơn.
Sau khi khởi động, ECU sẽ điều chỉnh bơm xăng dựa trên tín hiệu từ các cảm biến Nếu xe bị đổ, cảm biến góc gửi tín hiệu đến ECU để cắt nhiên liệu Để khôi phục hoạt động của bơm xăng, cần tắt và mở lại khóa điện.
Kim phun trong hệ thống PGM-FI được lắp đặt trên ống nạp kiểu PI (port injection), trước xú-páp hút Thời gian mở kim và lưu lượng phun được điều khiển bởi ECU sau khi nhận tín hiệu từ các cảm biến.
Hình 2.38: Sơ đồ tổng quát hệ thống phun nhiên liệu PGM – FI
Cấu tạo của kim phun bao gồm bảy thành phần chính: Bộ lọc đảm bảo nhiên liệu sạch khi vào kim phun; Giắc cắm kết nối với mạch điện điều khiển; Cuộn dây tạo ra từ trường khi có dòng điện; Ty kim (lò xo từ) điều chỉnh sự đóng mở của van kim; Van kim đóng kín vòi phun và được nhấc lên khi có điện để phun nhiên liệu; Vòi phun định hướng góc phun và xé tơi nhiên liệu; và cuối cùng là Vỏ kim.
Hoạt động của kim phun
Trong quá trình hoạt động của động cơ, ECU liên tục nhận tín hiệu từ cảm biến để tính toán thời gian mở kim phun Quá trình này diễn ra ngắt quãng, với thời gian mở và đóng kim phun phụ thuộc vào tín hiệu mà ECU gửi đến.
Độ rộng xung của động cơ thay đổi theo chế độ làm việc, đặc biệt khi bướm ga mở lớn trong quá trình tăng tốc Khi đó, động cơ yêu cầu nhiều nhiên liệu hơn, dẫn đến việc ECU tăng bề rộng xung để điều chỉnh thời gian mở kim phun Điều này có nghĩa là ty kim sẽ giữ lâu hơn trong mỗi lần phun, nhằm cung cấp thêm nhiên liệu cho động cơ.
Hình 2.40: Xung điều khiển kim phun ứng với các chế độ làm việc của động cơ
Khi dòng điện đi qua cuộn dây của kim phun, nó tạo ra một lực đủ mạnh để vượt qua sức căng của lò xo, lực trọng trường của ty kim và áp lực của nhiên liệu Điều này khiến kim phun nhấc lên khoảng 0,1 mm, cho phép nhiên liệu được phun ra Công thức tính lượng nhiên liệu phun ra khỏi kim được ký hiệu là Q.
− Q: Lượng nhiên liệu phun ra khỏi kim
Hình 2.41: Độ dài xung và chu kỳ của xung
2.4.3 Phương pháp điều khiển kim phun
Khi ECU kích hoạt transistor điều khiển ON, dòng điện từ ắc quy đi qua cuộn dây solenoid trong kim phun, tạo ra lực điện từ kéo ty kim lên Nhờ áp suất cao, nhiên liệu được phun ra khỏi vòi phun Khi ECU tắt transistor điều khiển OFF, dòng điện qua cuộn dây ngừng, và lò xo đẩy ty kim trở về vị trí ban đầu, kết thúc quá trình phun xăng.
Hình 2.42: Nguyên lí điều khiển kim phun
2.4.3.1 Các chế độ hoạt động
Sự vận hành cơ bản từ tốc độ cầm chừng đến tốc độ cao
Từ tốc độ chậm đến tốc độ cao, lượng nhiên liệu được phun ra sẽ tương ứng với lượng không khí nạp vào Kim phun được điều khiển bởi ECU, trong khi ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến.
Lượng nhiên liệu trong mỗi lần phun phụ thuộc vào thể tích không khí nạp được xác định bởi:
Thời gian phun nhiên liệu cơ bản được xác định bởi hai loại bản đồ lưu trong bộ nhớ ECU, dựa trên số vòng quay động cơ và lượng khí nạp.
Bướm ga điện tử - ECT
Hệ thống bướm ga điện tử ECT (Electronic Control Throttle) khác biệt so với các hệ thống bướm ga truyền thống, khi mà nó không sử dụng cáp nối và lò xo hồi vị mà được điều khiển hoàn toàn bằng điện Điều này mang lại độ chính xác cao hơn trong việc điều chỉnh lượng không khí vào động cơ, cải thiện hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.
Bộ điều khiển ga được cải tiến bằng cách thay thế cáp nối bằng cảm biến vị trí và bộ phận chấp hành tích hợp trong thân bướm ga Bộ chấp hành này bao gồm một motor một chiều để tạo lực kéo, một lò xo hồi vị và các bánh răng giảm tốc, giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác trong việc điều khiển ga.
Bướm ga điện tử vượt trội hơn so với bướm ga truyền thống nhờ vào việc ECU điều khiển mở bướm ga một cách tối ưu, phù hợp với mục đích điều khiển tay ga Bên cạnh đó, bướm ga điện tử còn sở hữu nhiều ưu điểm khác đáng chú ý.
Việc sử dụng hệ thống bướm ga điện tử giúp cải thiện khả năng điều khiển toàn bộ hoạt động của động cơ trên xe So với bướm ga dẫn động bằng dây cáp, ECU có thể can thiệp và điều chỉnh dễ dàng hơn, mang lại hiệu suất tốt hơn cho xe.
Sử dụng bướm ga điện tử giúp đảm bảo việc điều khiển mở bướm ga luôn chính xác theo từng chế độ hoạt động của động cơ, bất kể tình huống nào.
Sử dụng bướm ga điện tử giúp tối ưu hóa lượng khí nạp, từ đó giảm thiểu đáng kể lượng khí thải độc hại, trừ một số trường hợp đặc biệt.
Hình 2.51: Sơ đồ tổng quan hệ thống điều khiển bướm ga điện tử
2.5.2 Phân loại bướm ga điện tử
Dựa vào kết cấu, ứng dụng cũng như khả năng của hệ thống ECT, người ta phân loại hệ thống ECT theo những tiêu chí sau:
● Hệ thống ECT có bộ phận điều khiển riêng biệt
● Hệ thống ECT có ECU điều khiển (bộ điều khiển ECT được tích hợp trong ECU)
− Theo loại motor sử dụng
● Motor điện một chiều có chổi than (brushed motor – servo motor)
− Khả năng điều khiển của hệ thống
− Loại động cơ sử dụng hệ thống ECT [5]
2.5.3 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động bướm ga điện tử
Bướm ga điện tử bao gồm các thành phần chính như motor bướm ga, cảm biến vị trí bướm ga và ECU Motor bướm ga chịu trách nhiệm điều khiển hoạt động của bướm ga, trong khi cảm biến vị trí bướm ga được lắp đặt trên tay ga để theo dõi vị trí mở ECU sẽ điều chỉnh góc mở của bướm ga sao cho phù hợp với các chế độ hoạt động khác nhau, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho xe.
Khi người lái xe tăng tốc bằng cách vặn tay ga, cảm biến vị trí tay ga sẽ truyền tín hiệu điện áp đến bộ xử lý Bộ xử lý tiếp nhận tín hiệu này, so sánh với các tín hiệu khác và sau đó phát tín hiệu điều khiển đến bộ chấp hành, cụ thể là motor bướm ga.
LÝ THUYẾT VỀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ
Mạch điều khiển Arduino Mega 2560 REV3
Arduino là nền tảng mã nguồn mở về phần cứng và phần mềm, được phát triển tại Ivrea, Ý Nó cho phép lập trình tương tác với các thiết bị như cảm biến, đèn LED, động cơ và công tắc, phục vụ cho nhiều dự án lớn nhỏ trên toàn cầu Đối tượng sử dụng Arduino rất đa dạng, từ học sinh, sinh viên đến lập trình viên và nhà nghiên cứu chuyên nghiệp Hệ thống mã nguồn mở của Arduino khuyến khích người dùng chia sẻ và phát triển dự án, góp phần vào sự phát triển mạnh mẽ của nền tảng này Một số ưu điểm nổi bật của Arduino bao gồm tính linh hoạt, dễ sử dụng và cộng đồng hỗ trợ đông đảo.
Arduino là một lựa chọn tiết kiệm chi phí, với giá thành thấp hơn nhiều so với các bo vi điều khiển khác Ngay cả module Arduino đắt nhất cũng chỉ có giá chưa tới 50 USD.
− Đa nền tảng: Phần mềm lập trình Arduino (IDE - Integrated Development
Môi trường này tương thích với hầu hết các hệ điều hành hiện nay, bao gồm Windows, Macintosh OSX và Linux, trong khi đa số các vi điều khiển thường chỉ hỗ trợ hệ điều hành Windows.
Môi trường lập trình thân thiện và linh hoạt: Phần mềm lập trình IDE không chỉ dễ sử dụng cho người mới bắt đầu với vi điều khiển mà còn đáp ứng nhu cầu cao của những lập trình viên chuyên nghiệp Việc lập trình với Arduino trở nên đơn giản hơn nhờ vào hệ thống mã nguồn mở được chia sẻ rộng rãi trên Internet, tạo điều kiện cho người dùng hỗ trợ lẫn nhau.
Board Arduino Mega 2560 là một bo vi điều khiển dựa trên vi điều khiển ATmega2560
Bo mạch này sở hữu 54 chân đầu ra/đầu vào kỹ thuật số, trong đó có 15 chân hỗ trợ xuất xung PWM, 16 chân đầu vào tín hiệu tương tự và 4 chân URATs, đồng thời sử dụng thạch anh để đảm bảo độ chính xác.
Arduino Mega 2560 hoạt động với tốc độ 16 MHz và hỗ trợ kết nối USB, mang lại đầy đủ tính năng cho vi điều khiển Thiết bị này tương thích với hầu hết các shield dành cho Arduino Uno, giữ nguyên các đặc điểm cơ bản của dòng sản phẩm này.
Uno R3, chỉ khác số lượng chân và có nhiều tính năng mạnh mẽ hơn
Hình 3.1: Board vi điều khiển Arduino mega
Thông số kỹ thuật của bo Arduino Mega 2560
Điện áp cung cấp (khuyên dùng): 7 – 12V
Điện áp cung cấp (tối đa): 6 – 20V
Chân digital: 54 chân (15 chân xuất xung PWM)
Bộ nhớ tĩnh SRAM: 8 KB
3.1.4 Đặc tính kỹ thuật của Arduino Mega 2560
Mega 2560 có thể được lập trình bằng phần mềm Arduino IDE Vi điều khiển
ATmega 2560 được trang bị một bootloader, cho phép người dùng dễ dàng nạp mã mới mà không cần sử dụng các thiết bị lập trình hỗ trợ khác Mega 2560 hoạt động dựa trên giao thức đặc biệt, giúp đơn giản hóa quá trình lập trình và nâng cao hiệu suất.
Phần mềm Arduino IDE nổi bật với giao diện thân thiện, rất phù hợp cho người mới bắt đầu Đặc biệt, với tính năng mã nguồn mở, người dùng có thể dễ dàng linh hoạt trong việc lập trình.
Mega 2560 có thể được cấp nguồn qua kết nối USB với máy tính hoặc nguồn ngoài Nguồn ngoài có thể sử dụng adapter AC-DC hoặc pin, với adapter cấp nguồn qua jack 2.1mm Khi sử dụng pin, nguồn được cấp qua chân GND và Vin trên bo, trong đó GND là cực âm và Vin là cực dương.
Bo hoạt động hiệu quả trong dải điện áp từ 7 đến 12V Nếu cấp nguồn dưới 7V, bo sẽ không ổn định, trong khi nguồn lớn hơn 12V có thể gây quá nhiệt và hư hỏng bo Do đó, để đảm bảo hiệu suất và độ bền, người dùng nên duy trì điện áp trong khoảng 7 đến 12V.
Hình 3.2: Giao diện của Arduino IDE
Chân cấp nguồn như sau:
Chân Vin trên Mega 2560 cho phép người dùng cấp nguồn cho bo mạch khi sử dụng nguồn ngoài Người dùng có thể cấp nguồn qua chân này hoặc thông qua jack 2.1mm, mang lại sự linh hoạt trong việc cung cấp năng lượng cho thiết bị.
ATmega2560 có 256 KB bộ nhớ flash cho việc chứa code (8 KB sử dụng cho bootloader), 8 KB bộ nhớ tĩnh SRAM và 4 KB cho EEPROM
Mega có 54 chân, có khả năng hoạt động như chân tín hiệu đầu ra và đầu vào, sử dụng các hàm như pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() Những chân này hoạt động ở điện áp 5V với dòng tối đa 20mA và mỗi chân được trang bị điện trở kéo từ 20 đến 50 kOhm Ngoài ra, một số chân còn có chức năng đặc biệt.
+ Kết nối serial: 0 (RX) and 1 (TX); Serial 1: 19 (RX) and 18 (TX); Serial 2: 17 (RX) and 16 (TX); Serial 3: 15 (RX) and 14 (TX) Trong đó RX là nhận (receive) và TX là truyền (transmit)
Các chân ngắt ngoài 2, 3, 18, 19, 20 và 21 có thể được cấu hình để ngắt ở mức thấp hoặc tại các cạnh tăng/giảm thông qua hàm attachInterrupt().
+ Xung PWM: Chân 2 đến chân 13 và chân 44 đến 46 Những chân này cung cấp xung
PWM 8 – bit thông qua hàm analogWrite()
Hình 3.3: Các linh kiện trên board
- Giao tiếp với máy tính
Mega2560 có thể giao tiếp với máy tính, các bo khác, hoặc các vi điều khiển khác
ATmega2560 được trang bị bốn UART phần cứng cho giao tiếp nối tiếp TTL (5V), cho phép truyền nhận dữ liệu hiệu quả Phần mềm IDE hỗ trợ hiển thị dữ liệu dạng chữ đơn giản, giúp người dùng dễ dàng theo dõi thông tin được gửi từ bo mạch hoặc nhận từ các cảm biến.
Module encorder motor
Led hiển thị trạng thái đọc
Mức cao HIGH khi bị chắn, LOW khi kg bị chắn
Dạng xung tín hiệu ngõ ra tốt, dòng output 15mA
Ứng dụng đa dạng cho các nền tảng Arduino / AVR / ARM
VCC: cực dương nguồn 3.3 hay 5 VDC
DO: ngõ ra digital (TTL)
Cấu tạo: gồm 3 phần chính:
Bộ phát sáng: thường sử dụng đèn bán dẫn LED hồng ngoại
Bộ thu sáng: là một phototransistor (tranzito quang)
Mạch xử lí tín hiệu
Nguyên lý điều khiển của module hồng ngoại bao gồm bộ phát và bộ thu được đặt cách nhau qua một khe hở Khi ánh sáng từ bộ phát tới bộ thu (xuyên qua lỗ của đĩa encoder), chân Out sẽ phát ra tín hiệu mức cao (5V) Ngược lại, khi ánh sáng bị che khuất, chân Out sẽ phát ra tín hiệu mức thấp (0V).
Động cơ servo MG996R
Điện áp hoạt động thường là + 5V
Mô-men xoắn gian hàng: 9,4 kg / cm (ở 4,8V)
Mô-men xoắn gian hàng tối đa: 11 kg / cm (6V)
Tốc độ hoạt động là 0,17 s / 60 °
Loại bánh răng: Kim loại
Trọng lượng của động cơ: 55gm [15]
Hình 3.5: Bản vẽ kĩ thuật Servo MG996R
