Khai thác và lắp đặt hệ thống điều khiển động cơ 4s fe xe ô tô

PHẦN KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TRÊN Ô TÔ CHƯƠNG SƠ LƯC VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TRÊN Ô TÔ 1.1 Lịch sử phát triển Vào kỷ 19, kỹ sư người Pháp – ông Stevan – nghó cách phun nhiên liệu cho máy nén khí Sau thời gian, người Đức cho phun nhiên liệu vào buồng cháy không mang lại hiệu Đầu kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun nhiên liệu động tónh (nhiên liệu dùng động dầu hỏa nên hay bị kích nổ hiệu suất thấp) Tuy nhiên, sau sáng kiến ứng dụng thành công việc chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu cho máy bay Đức Đến năm 1966, hãng BOSCH thành công việc chế tạo hệ thống phun xăng kiểu khí Trong hệ thống phun xăng này, nhiên liệu phun liên tục vào trước supap hút nên có tên gọi K – Jetronic (K – Konstant – liên tục, Jetronic – phun) K – Jetronic đưa vào sản xuất ứng dụng xe hãng Mercedes số xe khác, tảng cho việc phát triển hệ thống phun xăng hệ sau KE – Jetronic, Mono – Jetronic, L – Jetronic, Motronic… Tên tiếng Anh K – Jetronic CIS (continuous injection system) đặc trưng cho hãng xe Châu Âu có loại cho CIS là: K – Jetronic, K – Jetronic với cảm biến oxy KE – Jetronic (có kết hợp điều khiển điện tử) KE – Motronic (kèm điều khiển góc đánh lửa sớm) Do hệ thống phun khí nhiều nhược điểm nên đầu năm 80, BOSCH cho đời hệ thống phun sử dụng kim phun điều khiển điện Có hai loại: hệ thống L – Jetronic (lượng nhiên liệu phun xác định nhờ cảm biến đo lưu lượng khí nạp) D – Jetronic (lượng nhiên liệu phun xác định dựa vào áp suất đường ống nạp) Đến năm 1984, người Nhật (mua quyền BOSCH) ứng dụng hệ thống phun xăng L – Jetronic D – Jetronic xe hãng Toyota (dùng với động 4A – ELU) Đến năm 1987, hãng Nissan dùng L– Jetronic thay cho chế hoà khí xe Nissan Sunny Song song với phát triển hệ thống phun xăng, hệ thống điều khiển đánh lửa theo chương trình (ESA – Electronic Spark Advance) đưa vào sử dụng vào năm đầu thập kỷ 80 Sau đó, vào đầu năm 90, hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS – Direct Ignition System) đời, cho phép không sử dụng delco hệ thống có mặt hầu hết xe hệ Ngày nay, gần tất ôtô trang bị hệ thống điều khiển động động xăng động Diesel theo chương trình, giúp động đáp ứng yêu cầu gắt gao khí xả tính tiết kiệm nhiên liệu Thêm vào công suất động cải thiện rõ rệt Những năm gần đây, hệ động phun xăng đời Đó động phun xăng trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection) Trong tương lai gần, chắn GDI sử dụng rộng rãi 1.2 Tiêu chí lập trình động  Chống ô nhiễm  Tính kinh tế nhiên liệu  Công suất động CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH VÀ NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 2.1 Một số khái niệm hệ thống điều khiển tự động sử dụng ôtô  ? Hệ thống điều khiển tự động Hệ thống điều khiển tự động hệ thống tham gia trực tiếp người trình điều khiển  Hệ thống điều khiển vòng hở Là hệ thống thực nguyên tắc khống chế cứng Tức tín hiệu Y không cần đo lường để đưa trở ban đầu Mọi thay đổi tín hiệu Y không phản ánh vào TBĐK Tín hiệu X đặt vào tín hiệu Y ấy, khả phản hồi hệ thống hở X TBĐK U Y ĐTĐK Hinh 2.1: Sơ đồ khối hệ thống hở  Hệ thống điều khiển vòng kín Là hệ thống thực điều khiển có phản hồi tức tín hiệu Y đo lường dẫn đến đầu vào phối hợp với tín hiệu X tác dụng lên TBĐK để tạo tín hiệu U sau Cơ cấu so sánh tác động vào ĐTĐK gây biến đổi Y U G(s) Y X1 H(s) Hình:2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển có cấu phản hồi 2.2 Sơ đồ cấu trúc khối chức Một vấn đề chủ yếu mà điều khiển tự động ô tô phải giải ta điều khiển thông số hệ thống trang bị xe cho đảm bảo tính an toàn ô tô tốt điều kiện hoạt động Đối với ôtô vận hành có thay đổi tốc độ, tải trọng, khí hậu môi trường, điều kiện mặt đường … Vì cần phải điều khiển thông số cho hệ thống ô tô đa dạng phức tạp, hệ thống chịu ảnh hưởng tác động bên Do vậy, điều khiển tự độâng ôtô thường áp dụng hệ thống điều khiển kín có hồi tiếp Sự áp dụng loại hệ thống tạo mối liên hệ trực tiếp tác động cần thiết để điều khiển hệ thống với thông số hoạt động hệ thống đồng thời loại bỏ tác động nhiễu đến thông số đảm bảo cho giá trị chúng phù hợp với giá trị mà ta mong muốn  Các hệ thống điều khiển tự động trang bị ôtô hệ thống điều khiển máy tính (Computer Control System) Trong phần tử điều khiển (Controller) gồm: máy tính có phối hợp thiết bị giao tiếp đầu vào, đầu ra, cảm biến (Sensors ) thiết bị thực (Actators) Các thuật toán điều khiển tính toán lập chương trình ghi vào nhớ máy tính Compurat or Thiế t bị giao tiếp đầu Bộ điều khiể n Các thiết bị giao tiếp đầu vào Thie át bị thự c hiệ n Các cảm biến Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tự động ô tô Hệ thống cần điều khiển Dữ liệu chứa nhớ máy tính  Các cảm biến có vai trò xác định thông tin hoạt động động thông tin môi trường có liên quan đến hoạt động động cơ, thông tin dạng tín hiệu địên áp (Electric Signals) cảm biến gửi vi xử lý thông qua thiết bị giao tiếp đầu vào (khuyếch đại, chuyển đổi A/D …)  Bộ vi xử lý so sánh thông tin so với thông tin nhớ máy tính để từ phát tín hiệu điều khiển thích hợp Tín hiệu điều khiển U gửi đến thiết bị thực thông qua thiết bị kiểm soát giao tiếp đầu để tác động điều khiển thông số hoạt động động 2.3 Thuật toán điều khiển lập trình cho ECU Thuật toán điều khiển lập trình cho động nhà chế tạo viết cài đặt sẵn CPU Tuỳ thuộc vào chế độ làm việc hay tình trạng động mà ECU tính toán dựa lập trính có sẵn để đưa tín điều khiển cho động làm việc tối ưu 2.3.1 lý thuyết điều khiển Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động với liên hệ ngược Các hệ thống điều khiển kiểu cổ điển ô tô thường thiết kế với liên hệ ngược ( feedback control ) Mặc dù hệ thống điều khiển có nhiều thông số phụ thuộc, ta xem xét hệ thống với thông số Sơ đồ nguyên lý hệ thống trình bày hình Thông số điều khiển xuất đầu ký hiệu (t) Tín hiệu so R(t) định sẵn Cảm biến đưa tín hiệu tỉ lệ thuận với (t), tức là: Khi xuật chênh lệch điện tín hiệu thực tín hiệu so Ve(t): Nếu hệ thống làm việc lý tưởng giá trị V e(t) khoảng thời gian (ví dụ chế độ động ổn định) phải Trên thực tế tín hiệu nêu có chênh lệch mạch điện điều khiển điện tử dựa vào chênh lệch để hình thành xung Va(t) điều khiển cấu chấp hành (chẳng hạn kim phun) Việc thay đổi tác động đến thông số đầu vào U(t) động (ví dụ tỉ lệ hòa khí)  Ngày nay, có nhiều phương pháp điều khiển động dựa sở sử dụng máy tính để xử lý tín hiệu Thông thường máy tính giải toán tối ưu có điều kiện biên để điều khiển động Mục tiêu toán tối ưu điều khiển động đạt công suất lớn với mức tiêu hao nhiên liệu nhỏ điều kiện giới hạn độ độc hại khí thải Như ta biểu diễn hệ thống điều khiển ô tô tối ưu mối quan hệ vectơ sau: Vec tơ y(t) hàm phụ thuộc vào thông số ngõ bao gồm thành phần sau: tốc độ tiêu hao nhiên liệu tốc độ phát sinh HC tốc độ phát sinh CO tốc độ phát sinh NOx Vectơ x(t) mô tả tình trạng động tức điều kiện hoạt động , phụ thuộc vào thông số: x1: áp suất đường ống nạp x2: tốc độ quay trục khuỷu x3: tốc độ xe Vectơ u(t) mô tả thông số hiệu chỉnh hệ thống điện tử , bao gồm thành phần: u1: tỉ lệ khí-nhiên liệu hòa khí u2: góc đánh lửa sớm u3: lưu hồi khí thải (EGR-Exhaust Gas Recirculation) u4: vị trí bướm ga u5: tỉ số truyền hộp số Để giải toán tối ưu nêu với điều kiện biên, người ta xác định mục tiêu tối ưu lượng tiêu hao nhiên liệu F theo chu trình thử EPA : Trong đó: x3(t) tốc độ xe quy định thử nghiệm xác định thành phần khí thải theo chu trình EPA, t thời gian thử nghiệm Như vậy, động đốt điều khiển cho F đạt giá trị nhỏ với điều kiện biên quy định nước nồng độ chất độc hại khí thải Trong đó: G2, G3, G4 hàm lượng chất độc khí xả theo qui định tương ứng với HC, CO NO X Trong trình xe chạy, vectơ x(t), u(t) thông số động Khi giải toán tối ưu nêu trên, ta đặt giới hạn vectơ Trên thực tế, kết tối ưu thường xác định thực nghiệm nạp vào nhớ ROM dạng bảng tra (look-up table) Trình tự tính toán tìm kiếm thông số tối ưu động mô tả lưu đồ thuật toán điều khiển trình bày hình 2.5 hình 2.5 Thuật toán điều khiển động 2.3.2 Phương pháp đo khối lượng khí nạp Một yếu tố quan trọng điều khiển phun xăng phải xác định khối lượng không khí nạp vào xy lanh Lượng xăng tương ứng tính toán để bảo đảm tỉ lệ hòa khí mong muốn Trên thực tế,chúng ta đo xác khối lượng không khí vào xy lanh Vì vậy, điều khiển động phun xăng, người ta thường dựa lưu lượng không khí qua đường ống nạp tính khối lượng Có phương pháp để xác định khối lượng không khí: phương pháp trực tiếp, khối lượng không khí đo cảm biến dây nhiệt (airmass sensor) Trong phương pháp gián tiếp, người ta sử dụng cảm biến đo thể tích không khí (dùng cảm biến đo gió loại cánh trượt, cảm biến Karman…) cảm biến đo áp suất đường ống nạp (Map sensor), sau phối hợp với cảm biến đo nhiệt độ khí nạp cảm biến tốc độ động để tính toán khối lượng không khí Phần tính toán cài sẵn ROM Phương pháp gọi phương pháp tốc độ – tỉ trọng  Phương pháp trực tiếp Hình 2.6 hệ thống điều khiển động sử dụng phương pháp đo trực tiếp khối lượng khí nạp  Phương pháp tốc độ tỉ trọng Hình 2.7 hệ thống điều khiển động sử dụng phương pháp tốc độ – tỉ trọng Đối với thể tích không khí V điều kiện nhiệt độ T áp suất P, tỉ trọng không khí xác định bởi: Trong Ma khối lượng không khí thể tích V Hay: Như vậy, lưu lượng không khí tính khối lượng thể suy từ lưu lượng không khí tính thể tích có Phối hợp với cảm biến đo áp suất tuyệt đối đường ống nạp nhiệt độ khí nạp, máy tính xác định tỉ trọng da theo biểu thức: 10