Thiết kế hệ thống cơ điện tử điều khiển thời điểm mở van nạp của các xi lanh động cơ

Cùng với sự phát triển của các nghành công nghiệp, là sự gia tăng của vấn đề khí thải gây ô nhiễm môi trường và các nguồn năng lượng. Trong số đó khí thải ôtô và năng lượng dùng cho ôtô cũng góp phần làm gia tăng thêm vấn nạn này một số lượng không nhỏ. Đó là những lý do thúc đẩy các hãng chế tạo ô tô trong và ngoài nước hiện nay phải cải tiến và nâng cao tính ưu việt của động cơ, làm sao phải sử dụng nhiên liệu một cách tiết kiệm nhất mà vẫn cho hiệu suất sử dụng cao nhất. Hệ thống phân phối khí thông minh VVTi đã giải quyết được vấn đề trên. Không những tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm ô nhiễm môi trường. Hiện nay, sự phát triển về công nghệ và điện tử của động cơ và ô tô thay đổi rất phức tạp, làm cho người sử dụng và cán bộ công nhân kỹ thuật ngành ô tô ở nước ta còn nhiều lúng túng và sai sót nên cẩn có những nghiên cứu cụ thể về hệ thống điện tử trên động cơ ô tô. Với đề tài: “Thiết kế hệ thống cơ điện tử điều khiển thời điểm mở van nạp của các xi lanh động cơ” Em rất mong với đề tài này em sẽ củng cố tốt hơn kiến thức của mình. Cuối cùng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phạm Hữu Nam đã hướng dẫn chi tiết và chỉ bảo em tận tình, giúp em vượt qua những khó khăn vướng mắc trong khi hoàn thành đô án của mình.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH DOANH VÀ CÔNG NGHỆ HÀ NỘI KHOA CƠ ĐIỆN TỬ oOo ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI 2: Thiết kế hệ thống điện tử điều khiển thời điểm mở van nạp xi lanh động GVHD : Phạm Hữu Nam SV : Đào Ngọc Tuấn MSV : Lớp : DO23.01 Hà Nội, Ngày tháng năm 2022 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: NHIỆM VỤ, SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VAN NẠP 1.1 – Nhiệm vụ 1.2 – Yêu cầu .4 1.3 – Hệ thống giải pháp 1.4 – Hệ thống VVT-i 1.5 – Cơ cấu chấp hành 11 1.6 - Các cảm biến xử lý tín hiệu cảm biến 13 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN 19 2.1 Các thông số ảnh hưởng tới làm việc: 19 2.2 – Phương án thiết kế 19 3.1 – Sơ đồ mô phỏng: .20 3.2 – Mô tín hiệu đầu vào xử lý tín hiệu: 20 3.3 – Lập trình vi điều khiển: 22 3.4 – Các thành phần để tạo mạch: 24 – Kết mô .29 KẾT LUẬN 33 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với phát triển nghành công nghiệp, gia tăng vấn đề khí thải gây nhiễm mơi trường nguồn lượng Trong số khí thải ơtơ lượng dùng cho ơtơ góp phần làm gia tăng thêm vấn nạn số lượng không nhỏ Đó lý thúc đẩy hãng chế tạo tơ ngồi nước phải cải tiến nâng cao tính ưu việt động cơ, phải sử dụng nhiên liệu cách tiết kiệm mà cho hiệu suất sử dụng cao Hệ thống phân phối khí thơng minh VVT-i giải vấn đề Không tiết kiệm nhiên liệu mà cịn giảm nhiễm mơi trường Hiện nay, phát triển công nghệ điện tử động ô tô thay đổi phức tạp, làm cho người sử dụng cán công nhân kỹ thuật ngành ô tô nước ta cịn nhiều lúng túng sai sót nên cẩn có nghiên cứu cụ thể hệ thống điện tử động ô tô Với đề tài: “Thiết kế hệ thống điện tử điều khiển thời điểm mở van nạp xi lanh động cơ” Em mong với đề tài em củng cố tốt kiến thức Cuối em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phạm Hữu Nam hướng dẫn chi tiết bảo em tận tình, giúp em vượt qua khó khăn vướng mắc hồn thành án CHƯƠNG 1: NHIỆM VỤ, SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VAN NẠP 1.1 – Nhiệm vụ Có nhiệm vụ điều khiển thời điểm mở van nạp, cho phép hỗn hợp cơng tác (khơng khí xăng) từ đường ống nạp vào xi lanh nhờ áp xuất chân khơng kì nạp đóng kín kì cịn lại (kì nén, nổ, xả) 1.2 – Yêu cầu - Nâng cao mô-men xoắn động cơ, cắt giảm tiêu thụ nhiên liệu khí thải độc hại - Hoạt động êm dịu ổn định - Các xupap nạp phải kín khít, tránh lọt khí q trình nén, nổ, xả - Tối ưu lượng hỗn hợp cơng tác (khơng khí xăng) vào xi lanh động - Khơng khí có vai trị quan trọng q trình cháy động với tỷ lệ A/F 14,7/1 (14,7g khơng khí 1g nhiên liệu), có ảnh hưởng trực tiếp tới cơng suất động với tỷ lệ cân hóa học cân bằng, q trình cháy động tối ưu Các sản phẩm độc hại sau trình cháy CO, HC mức thấp 1.3 – Hệ thống giải pháp Hiện tại: Việc đóng mở xupap cố định điều chỉnh dẫn đến lưu lượng khí nạp khơng đổi nên khơng thể tăng cơng suất động Giải pháp: Tìm cách tác động để thời điểm đóng mở xupap, độ mở khoảng thời gian mở biến thiên theo vòng tua khác cho chúng mở lúc, khoảng mở thời gian mở đủ để lấy đầy hịa khí vào buồng đốt ( ví dụ hệ thống VVT-i Toyota hay VTEC Honda, ) Tham khảo hệ thống van biến thiên VVT-i Toyota 1.4 – Hệ thống VVT-i Nhiệm vụ: Điều khiển thời điểm đóng mở, khoảng nâng khoảng thời gian đóng mở xupap để tối ưu hố cơng suất làm việc động giúp nâng cao hiệu làm việc, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu khí xả Đặc điểm: Điều khiển điện tử Cấu tạo: Bộ xử lý trung tâm ECU; Bộ điều khiển phối khí (VVT) với van điện; Các cảm biến: vị trí bướm ga, lưu lượng khí nạp, vị trí trục khuỷu, nhiệt độ nước Hình 1.1 – Cấu tạo hệ thống VVT-i Sơ đồ hệ thống Hình 1.2 – Sơ đồ hệ thống Nguyên lý hoạt động: Trong trình hoạt động, cảm biến lưu lượng khí nạp, vị trí bướm ga vị trí trục khuỷu cung cấp liệu ECU để tính tốn thơng số phối khí theo thời điểm phối khí mục tiêu Cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cung cấp liệu hiệu chỉnh, cịn cảm biến vị trí trục cam vị trí trục khuỷu cung cấp thơng tin tình trạng phối khí thực tế Trên sở yếu tố mục tiêu, hiệu chỉnh thực tế, ECU tổng hợp lệnh phối khí tối ưu cho buồng đốt Áp lực dầu tác động thay đổi vị trí điều khiển phối khí, mở xu-páp nạp mức cần thiết vào thời điểm thích hợp Các tín hiệu vào: - Tất tín hiệu vào sơ đồ gửi ECU động để ECU tính tốn xử lý: Tín hiệu tốc độ vị trí trục khuỷu Tín hiệu lượng khí nạp qua cửa hút Tín hiệu độ mở vị trí cảnh bướm ga ECU tính tốn thời điểm phối khí mục tiêu Tín hiệu đo nhiệt độ nước làm mát Tín hiệu tốc độ vị trí trục khuỷu ECU tính tốn thời điểm phối khí Tín hiệu vị trí trục cam thực tế Tín hiệu đo nhiệt độ nước làm mát: ECU hiệu chỉnh lại tính tốn thời điểm phối khí Tín hiệu ra: - Hiệu chỉnh hệ số xung để điều khiển van dầu phối khí Thời điểm phối khí điều khiển hình sau: Hình 1.3 - ECU điều khiển thời điểm phối khí tối ưu – Khi nhiệt độ thấp, tốc độ thấp tải nhẹ hay tải nhẹ: Thời điểm phối khí trục cam nạp làm trễ lại độ trùng lặp xupap giảm để giảm khí xả chạy ngược lại phía nạp Điều làm ổn định chế độ khơng tải cải thiện tính kinh tế nhiên liệu tính khởi động – Khi tải trung bình, hay tốc độ thấp trung bình tải nặng: Thời điểm phối khí làm sớm lên độ trùng lặp xupap tăng lên để tăng lượng nội giảm mát bơm Điều cải thiện nhiễm khí xả tính kinh tế nhiên liệu Ngồi ra, lúc thời điểm đóng xupap nạp đẩy sớm lên để giảm tượng quay ngược khí nạp lại đường nạp cải thiện hiệu nạp – Khi tốc độ cao tải nặng: Thời điểm phối khí làm sớm lên độ trùng lặp xupap tăng lên để tăng EGR nội giảm mát bơm Điều cải thiện nhiễm khí xả tính kinh tế nhiên liệu Ngồi ra, lúc thời điểm đóng xupap nạp đẩy sớm lên để giảm tượng quay ngược khí nạp lại đường nạp cải thiện hiệu nạp Hệ thống VVT-i có chế độ tuỳ theo tình trạng vận hành: Chỉnh thời điểm phối khí sớm: ECU đẩy van điều khiển dầu mở để áp suất dầu tác động lên khoang cánh gạt phía làm sớm thời điểm phối khí, khiến trục cam nạp quay chiều làm sớm thời điểm phối khí Hình 1.4 - Áp suất dầu hệ thống làm sớm thời điểm phối khí + Cảm biến vị trí bướm ga xác định vị trí bướm ga gửi tín hiệu ECU để tính tốn gửi tín hiệu đến van điện từ ->Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm (hoặc muộn) Xác định thời điểm thay đổi góc đánh lửa: Thời điểm phối khí mục tiêu = thời điểm phối khí thực tế + hiệu chỉnh + Thời điểm phối khí thực tế dựa vào tín hiệu cảm biến tốc độ động cơ, vị trí bướm ga Tín hiệu từ cảm biến gửi ECU để ECU điều khiển thời điểm phối khí + Hiệu chỉnh thời điểm phối khí dựa vào tín hiệu nhiễu từ bên ngồi trạng thái làm việc xe như: CB lưu lượng khí nạp, CB nhiệt độ nước làm mát, … Khi ta xác định thời điểm gộp lại ta có thời điểm phối khí phù hợp xe 3.3 – Lập trình vi điều khiển: 3.3.1 Sơ đồ mạch Hình 3.2 Sơ đồ mạch 3.3.2 Sơ đồ đấu dây Hình 3.3 Sơ đồ đấu dây Chú thích: R-red, B-black, W-white, GR-green, O-orange, Y-yellow, BR-brown, BL-blue, V-violet Những mạch linh kiện cần chuẩn bị + Vi xử lí: Arduino UNO R3, sử dụng vi xử lí khác Arduino Nano (Atmega-328), Arduino Mega, + Bộ hiển thị: Sử dụng cổng kết nối I2C để kết nối LCD 20x4 + Chiết áp 5k,10k,20k ohm dùng để điều khiển dòng điện vào van VVT-i + Tấm mica 26x39cm + Dăm đực + Dây nối đực + Dây nối cái + Dây điện để hàn mạch + Thiếc máy hàn + Đồng hồ vạn (dùng để đo dòng điện, điện áp, điện trở) + Bu lông đai ốc để cố định mạch + Nguồn ắc quy 12V + Modun IRF 1404 3.4 – Các thành phần để tạo mạch: - Chiết áp điều chỉnh điện áp Hình 3.4 Chiết áp - Modun IRF1404 Hình 3.5 Modun IRF1404 Hình 3.6 Mosfet 1404 - Màn hình LCD Thơng số kí thuật LCD 16x4 Màn hình sử dụng để thị trạng thái thông số LCD 16x4 có 16 chân cs chân liệu D0-D7 chân điều khiển RS RW EN chân lại dùng để cấp nguồn đèn cho LCD 16x4 Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng điều khiển cấu hình LCD chế độ lệnh chế độ liệu chúng giúp ta cấu hình chế độ đọc ghi Hình 3.7 LCD 16x4 - Thông số kĩ thuật I2C Điện áp hoạt động 2.5-6v DC Hỗ trợ hình LCD1604 Giao tiếp I2C Địa mặc định 0X27( điều chỉnh ngắn mạch chân A0 A1 A2 Tích hợp chân cắm để ngắt mở led Tích hợp biến trở xoay chiều để điều chỉnh độ tương phản cho LCD Để sử dung hình LCD giao tiếp với I2C sử dụng Adruino ta cần cài đặt thư viện LiquidCrystal_I2C.h Hình 3.8 Modun I2C Hình 3.9 Sơ đồ cổng nối dây LCD mơ hình Chân GND I2C nối với GND Arduino Chân VCC I2C nối với ICSP Arduino Chân SDA I2C nối với chân A4 Chân SCL I2C nối với chân A5 - Adruino UNO R3              Hình 3.9 Sơ đồ chân Arduino UNO Điện áp hoạt động 5V Điện áp vào khuyên dùng 7-12V Điện áp vào giới hạn 6-20V Chân dương chiết áp nối chân 5V Chân âm chiết áp nối GND Chân SDA I2C nối vào chân A4 Arduino Chân SCL I2C nối vào chân A5 Arduino Chân GND I2C nối vào chân GND Arduino Chân VCC I2C nối vào chân ICSP Arduino Chân Arduino nối chân SIG IRF1404 Chân GND Arduino nối chân GND IRF1404 Chân A0 Arduino nối chân tín hiệu chiết áp 5K (cảm biến vịng quay)  Chân A1 Arduino nối chân tín hiệu chiết áp 10K (cảm biến bàn đạp ga)  Chân A2 Arduino nối chân tín hiệu chiết áp 20K (cảm biến nhiệt độ) – Kết mô Hình 4.1 Sơ đồ mạch proteus 4.1 Sơ đồ thuật tốn Hình 4.2 Sơ đồ thuật tốn 4.2 Đường đặc tính van VVT-i Hình 4.3 Đường đặc tính van VVT-i Độ mở = tần số*0.2382+6.853 Sai số=0.9932 Dịch chỉnh van Dịch chỉnh van = 4.2857*x-3.5714 4.3 Lập trình code hiển thị LCD #include #include // Khai báo thư viện I2C LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 20 , 4); // lcd 20x4 int TDDC; //v/p, tốc độ động int NK DCO; // C, nhiệt độ động int BDGA; //% , bàn đạp ga float ne; float Tn; float Bd; float nd = 0; float bd = 0; float td = 0; int E; int Dmo; int pwm_pin = 6; // Khai báo chân tín hiệu int pwm_value = 0; // Khai báo giá trị pwm int pwm = 0; // tín hiệu điều khiển cơng suất int p=0; void setup() { pinMode(pwm_pin,OUTPUT); lcd.init(); lcd.begin(20,4); lcd.backlight(); pinMode(6, OUTPUT); } void loop() { ne=0.00489*analogRead(A0); TDDC=(500*ne); Tn=0.00489*analogRead(A2); ND DCO=(20*Tn-5); Bd=0.00489*analogRead(A1); BDGA=(18*Bd+8.3); nd = analogRead(A2)/3 ; bd = analogRead(A1) / 2; td = analogRead(A0) / 1.5; E = ne + Tn + Bd; p = nd + bd + td; Dmo = 2*((E)*4.2857-3.5714); if (p>1023){p=1023;} pwm =(p)*0.238+0.6; if (pwm>255){pwm=255;} if (TDDC>2000){pwm=0,Dmo=0;} analogWrite(6,pwm); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("TD DC :"); lcd.print(TDDC); lcd.print("Vg/ph"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("BD GA :"); lcd.print(BDGA); lcd.print("%"); lcd.setCursor(0,2); lcd.print("ND DCO :"); lcd.print(ND DCO); lcd.print("C"); lcd.setCursor(0,3); lcd.print("Do mo :"); lcd.print(Dmo); lcd.print("%"); } KẾT LUẬN Qua thời gian làm đồ án môn học với cố gắng thân đặc biệt hướng dẫn tận tình thầy giáo Phạm Hữu Nam tồn thể thầy cô giáo Bộ môn em hoàn thành nhiệm vụ giao Cũng làm quen với việc tính tốn thiết kế em hồn thành đồ án: “Thiết kế hệ thống điện tử điều khiển thời điểm mở van nạp xi lanh động “ Trong đồ án em làm việc sau: - Nêu lên kết cấu, làm việc van VVT-i - Tính tốn điện áp cho chế độ làm việc van Vì điều kiện thời gian có hạn trình độ kinh nghiệm non nên chất lượng đồ án cịn nhiều khiếm khuyết phần tính tốn kết cấu chưa hợp lý Em mong đóng góp ý kiến thầy mơn để đồ án em hồn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày … tháng…năm 2022 Sinh viên thực Đào Ngọc Tuấn ... tính tốn thiết kế em hồn thành đồ án: ? ?Thiết kế hệ thống điện tử điều khiển thời điểm mở van nạp xi lanh động “ Trong đồ án em làm việc sau: - Nêu lên kết cấu, làm việc van VVT-i - Tính tốn điện. .. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VAN NẠP 1.1 – Nhiệm vụ Có nhiệm vụ điều khiển thời điểm mở van nạp, cho phép hỗn hợp công tác (không khí xăng) từ đường ống nạp vào xi lanh nhờ áp xuất... thống điện tử động ô tô Với đề tài: ? ?Thiết kế hệ thống điện tử điều khiển thời điểm mở van nạp xi lanh động cơ? ?? Em mong với đề tài em củng cố tốt kiến thức Cuối em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến