TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Sự gia tăng nhu cầu sử dụng phương tiện cá nhân và sự phát triển của các ngành công nghiệp đã tạo ra áp lực lớn về nguồn nhiên liệu cho giao thông vận tải Mặc dù nhiều hãng xe lớn đã đầu tư vào công nghệ động cơ điện, nhưng xe sử dụng nhiên liệu truyền thống, đặc biệt là diesel, vẫn chưa thể được thay thế hoàn toàn.
Để hiểu rõ hơn về ưu nhược điểm và hiệu quả kinh tế của động cơ Diesel, chúng tôi đã chọn nghiên cứu động cơ 3C – TE Mặc dù đề tài không thể khai thác toàn diện về động cơ Diesel, nhưng đây là cơ sở quan trọng để phát triển các động cơ tương tự trong tương lai.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
- Nắm được nguyên lý của các hệ thống trên mô hình động cơ
- Tiếp cận mô hình động cơ, xử lý các vấn đề hư hỏng, làm mới mô hình
- Tìm hiểu được cách lập trình
- Ứng dụng những kiến thức đã học vào trong thực hành, giúp cho sinh viên nhớ sâu và cặn kẽ hơn
- Tìm hiểu các hệ thống trên động cơ 3C – TE
- Sửa chữa lại mô hình động cơ
- Nghiên cứu cách tạo hộp đánh pan điều khiển bằng điện thoại và công tắc.
Phương pháp nghiên cứu
- Tham khảo tài liệu, thu nhập thông tin từ các trang web, các bài báo khoa học, …
- Học hỏi kinh nghiệm từ thầy cô, bạn bè, anh chị đi trước
- Nghiên cứu các mô hình giảng dạy vẫn còn hoạt động tốt
- Quan sát và ghi lại các hình ảnh thực liên quan đến quá trình làm trên động cơ.
Các bước thực hiện
- Tạo hộp đánh pan bằng điện thoại
- Viết code và chương trình điều khiển qua điện thoại
- Tiến hành vệ sinh, sửa chữa mô hình động cơ
- Viết thuyết minh hoàn chỉnh đề tài
- Viết báo cáo bảo vệ đề tài.
Phạm vi ứng dụng của đề tài
Mô hình học tập và giảng dạy cho phép sinh viên khởi động và tạo ra lỗi, giúp họ hiểu rõ cách hoạt động của động cơ và tầm quan trọng của các tín hiệu đầu vào ECU, dưới sự hướng dẫn của giảng viên.
GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TOYOTA 3C – TE
Cấu tạo mô hình
Hình 2.1 Mô hình động cơ nhìn từ trên
Hình 2.2 Mô hình động cơ nhìn từ bên trái
Hình 2.3 Mô hình động cơ nhìn từ bên phải
Hình 2.4 Bên trong tủ mô hình
Hình 2.5 Mặt Taplo mô hình
Hình 2.6 Các bộ phận trên động cơ
Các bộ phận trên động cơ:
2 Bộ luân hồi khí xả
4 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
5 Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu
6 Cảm biến tốc độ động cơ
7 Cảm biến vị trí điểm chết trên
9 Cảm biến lưu lượng khí nạp
10 Cảm biến nhiệt độ khí nạp
11 Cảm biến vị trí bướm ga
13 Hệ thống nước làm mát
15 Cảm biến áp suất trên đường ống nạp
Sơ đồ vị trí chân ECU
Hình 2.7 Sơ đồ ví trí chân ECU Ý nghĩa:
G-REL (Glow plug relay): Relay xông máy
EGR (Exhaust recirculation gas): Van luân hồi khí thải
TE1,TE2 (Check connector): Giắc kiểm tra động cơ
TDC+, TDC- (Crankshaft position sensor): Cảm biến vị trí trục khuỷu
Ne+, Ne- Cảm biến tốc độ động cơ
SP1 (Vehicle speed sensor): Cảm biến tốc độ xe dùng cho ECT
SP2 (Vehicle speed sensor): Cảm biến tốc độ xe đo bằng mét
VRT (Correction resistor A): Điện trở hiệu chỉnh theo nhiệt độ
VRP (Correction resistor B): Điện trở hiệu chỉnh theo áp suất
THF Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu
THA Cảm biến nhiệt đô khí nạp
THW Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
IDL Tín hiệu tốc độ cầm chừng
VTA Điện áp góc mở bướm ga
PIM Cảm biến áp suất đường ống nạp
STA (Starter relay): Tín hiệu khởi động
NSW (Neutral start switch): Công tắc khởi động trung gian
AC (A/C magnetic clutch): Tín hiệu AC
G-IND (Glow indicator light): Đèn báo xông máy
TAC (Tachometer): Đồng hồ tốc độ động cơ
W (Check engine warning light): Đèn báo kiểm tra động cơ
STP Stop light switch): Công tắc đèn phanh
BATT BATT – (Battery): Ắc quy
B+ B+ (ECD main relay): Relay chính ECD.
Bảng 2.1 Ý nghĩa ký hiệu các chân trên hộp ECU
Sơ đồ các chân cảm biến
Hình 2.8 Cảm biến vị trí bướm ga Hình 2.9 Cảm biến vị trí trục khuỷu
Hình 2.10 Van định thời TCV Hình 2.11 Van định lượng SPV
Hình 2.12 Điện trở hiệu chỉnh VRT Hình 2.13 Đện trở hiệu chỉnh VRP
Hình 2.14 Cảm biến tốc độ
Các yêu cầu khi sử dụng mô hình
- Trước khi vận hành mô hình, sinh viên phải hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống phun dầu điện tử dùng trên động cơ Toyota
- Sinh viên nắm được cấu tạo của mô hình
- Kiểm tra kỹ cách điện trên mô hình trước khi sử dụng
- Điện áp cấp cho mô hình 12V (Lưu ý: lắp đúng cực ắc quy vào động cơ)
- Điện áp cấp vào Arduino và Relay 16 kênh không được quá 5V
- Điện áp Relay điều khiển 12V
- Chú ý nước làm mát, dầu bôi trơn
- Lưu ý đến phòng chống cháy nổ và an toàn lao động khi vận hành mô hình
HỆ THỐNG EDC
Tổng quát
Hệ thống EDC trong động cơ Diesel giúp kiểm soát chính xác thời điểm và lượng phun nhiên liệu Động cơ được trang bị cảm biến và ECU để theo dõi các thông số như áp suất nhiên liệu, nhiệt độ nhiên liệu và tốc độ động cơ Nhờ vào hệ thống EDC, các thông số này được điều chỉnh để đảm bảo hiệu suất tối ưu, giảm mức tiêu hao nhiên liệu và hạn chế khí thải độc hại.
Hệ thống EDC gồm các thành phần:
Cảm biến trong hệ thống ô tô có chức năng đo và ghi lại các thông số quan trọng như áp suất nhiên liệu và nhiệt độ nước làm mát Các thông số này được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp và gửi đến bộ điều khiển trung tâm để xử lý Một số loại cảm biến thường được sử dụng trên các mô hình xe hiện nay bao gồm cảm biến áp suất nhiên liệu và cảm biến nhiệt độ nước làm mát.
+ Cảm biến nhiệt độ khí nạp
+ Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
+ Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu
+ Cảm biến vị trí bướm ga
+ Cảm biến điểm chết trên
Bộ điều khiển trung tâm (ECU) xử lý tín hiệu từ cảm biến và thực hiện các thuật toán để điều chỉnh thông số nhiên liệu cùng các thông số khác của động cơ ECU sử dụng các thông số này để điều chỉnh van nạp nhiên liệu, van nạp không khí và hệ thống nhiên liệu, nhằm đạt được hiệu suất tối ưu cho động cơ.
- Cơ cấu chấp hành: tín hiệu đầu ra truyền đến cơ cấu chấp hành để thực hiện các nhiệm vụ Các cơ cấu chấp hành gồm:
+ Bộ điều khiển lượng phun nhiên liệu (Van SPV)
+ Bộ điều khiển thời điểm phun (Van TCV)
+ Các bộ điều khiển khác
Nguyên lý hoạt động và cách kiểm tra các cảm biến
Mục đích và yêu cầu
+ Kiểm tra khả năng hoạt động của cảm biến và ECU
+ Tiến hành sửa chữa, khắc phục khi kiểm tra có vấn đề
Các quy tắc an toàn khi tiến hành kiểm tra
+ Không được lắp sai cực ắc quy
+ Trước khi tháo cảm biến phải tắt công tắt máy
+ Việc kiểm tra khi công tắc không ở trạng thái OFF phải tránh chạm mass
Các dụng cụ cần thiết cho việc kiểm tra
+ Nhiệt kế và nước dùng để kiểm tra
3.2.1 Cảm biến nhiệt độ khí nạp
Hình 3.1 Cảm biến nhiệt độ khí nạp
Cảm biến nhiệt độ khí nạp được lắp đặt trên đường ống nạp, có nhiệm vụ đo nhiệt độ không khí vào động cơ và cung cấp thông tin này cho bộ điều khiển trung tâm Cấu tạo của cảm biến bao gồm các thành phần giúp đảm bảo độ chính xác và hiệu suất trong quá trình đo đạc.
Cảm biến nhiệt độ khí nạp chủ yếu sử dụng chất bán dẫn với đặc tính điện trở nhiệt âm (Negative Temperature Coefficient) Khi nhiệt độ của động cơ tăng lên, điện trở của cảm biến sẽ giảm.
Hình 3.2 Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ khí nạp c/ Nguyên lý hoạt động
Cảm biến nhiệt độ khí nạp được lắp đặt trên đường ống nạp để đo nhiệt độ của dòng khí nạp, sử dụng một nhiệt điện trở âm hoạt động ở điện áp 5V Mỗi mức nhiệt độ khác nhau sẽ tạo ra tín hiệu điện áp gửi đến chân THA của ECU Nhiệt độ chuẩn của khí nạp là 20°C; khi nhiệt độ vượt quá mức này, ECU sẽ giảm lượng phun nhiên liệu, và ngược lại, tùy thuộc vào nhiệt độ hiện tại của dòng khí nạp Để kiểm tra cảm biến, cần thực hiện các bước kiểm tra cụ thể.
- Kiểm tra thông mạch các mối nối, giắc cắm, dây dẫn
- Kiểm tra tín hiệu điện áp THA và E2
+ Đo điện áp các điện cực THA và E2 của giắc nối ECU rồi so sánh với bảng giá trị sau:
Nhiệt độ động cơ Điện áp
Nhiệt độ động cơ ở 20 0 C 0.5 – 3.4V Nhiệt độ động cơ ở 80 0 C 0.2 – 1.0V
Bảng 3.1 Điện áp cảm biến nhiệt độ khí nạp tương ứng với nhiệt độ động cơ
- Kiểm tra điện trở cảm biến:
Hình 3.3 Sơ đồ thử cảm biến nhiệt độ khí nạp
+ Tháo cảm biến nhiệt độ khí nạp
+ Ngâm đầu cảm biến vào nước rồi tăng dần nhiệt độ nước lên
+ Đo điện trở giữa các cực THA và E2 rồi so sánh với bảng sau:
Nhiệt độ nước Điện trở
Bảng 3.2 Điện trở cảm biến nhiệt độ khí nạp tương ứng với nhiệt độ nước
3.2.2 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Hình 3.4 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát được lắp đặt trên đường ống dẫn nước vào thân máy, có chức năng cung cấp thông tin về nhiệt độ nước làm mát cho ECU.
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát chủ yếu sử dụng chất bán dẫn với đặc tính điện trở nhiệt âm, cho phép điện trở giảm khi nhiệt độ nước tăng Sơ đồ mạch điện của cảm biến này thể hiện cách thức hoạt động và kết nối của các thành phần.
Hình 3.5 Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát c/ Nguyên lý hoạt động
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát hoạt động với điện áp 5V, và khi nhiệt độ nước thay đổi, điện áp tại cực THW của ECU cũng thay đổi tương ứng Khi nhiệt độ động cơ tăng, điện trở trong cảm biến giảm, dẫn đến điện áp gửi về ECU giảm và ngược lại ECU sử dụng giá trị điện áp này để so sánh với điện áp chuẩn ở 80°C, từ đó đưa ra tín hiệu điều khiển lượng nhiên liệu phù hợp với các chế độ hoạt động khác nhau của động cơ Để kiểm tra cảm biến, cần thực hiện các bước kiểm tra cụ thể.
- Kiểm tra thông mạch các mối nối, giắc cắm, dây dẫn … đảm bảo tiếp xúc tốt, nếu không tốt thì phải sửa chữa, thay thế
- Kiểm tra tín hiệu THW và E2 của giắc nối động cơ:
+ Bật công tắc máy ON
+ Đo điện áp giữa cực THW và E2 rồi so sánh với bảng giá trị chuẩn
Nhiệt độ nước làm mát Điện áp
Công tắc ON 0,2 – 4,3 V Động cơ đang hoạt động 0,2 – 4,3 V
Bảng 3.3 Điện áp tương ứng với nước làm mát
Hình 3.6 Sơ đồ kiểm tra cảm biến nhiệt độ nước làm mát
+ Tháo cảm biến nhiệt độ nước làm mát
+ Ngâm đầu cảm biến vào nước rồi tăng dần nhiệt độ nước lên
- Đo điện trở cực THW và E2 rồi so sánh với bảng:
Nhiệt độ nước Điện trở
Bảng 3.4 Điện trở cảm biến nhiệt độ nước làm mát tương ứng với nhiệt độ nước
Nếu nhiệt độ cảm biến nhiệt độ nước làm mát bị hỏng, ECU sẽ xem nhiệt độ nước là 80 0 C
3.2.3 Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu
Hình 3.7 Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu
Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu được lắp đặt trên thân bơm VE – EDC, có chức năng cung cấp thông tin về nhiệt độ nhiên liệu trong bơm đến hộp ECU.
Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu chủ yếu được cấu thành từ chất bán dẫn có điện trở nhiệt âm, trong đó điện trở sẽ giảm khi nhiệt độ nhiên liệu tăng lên Sơ đồ mạch điện của cảm biến này cho thấy cách thức hoạt động và kết nối của các thành phần.
Hình 3.8 Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nhiên liệu c/ Nguyên lý hoạt động
Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu hoạt động với điện áp 5V và được lắp đặt trên bơm cao áp để đo nhiệt độ của nhiên liệu trong thân bơm Mỗi giá trị đo được sẽ tương ứng với nhiệt độ cụ thể của nhiên liệu.
Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu gửi tín hiệu điện áp tới ECU, giúp điều chỉnh lượng nhiên liệu phun vào động cơ Để kiểm tra, cần thực hiện các bước xác định độ chính xác của cảm biến và tín hiệu mà nó cung cấp.
- Kiểm tra thông mạch các mối nối, giắc cắm, dây dẫn đảm bảo tiếp xúc tốt
+ Đo điện trở chân THF và E2 khoảng 1,81 ở 20 0 C
+ Đo điện áp giữa chân THF và chân E02 rồi so sánh với bảng sau:
Nhiệt độ nhiêu liệu Điện áp
Nhiệt độ nhiêu liệu khoảng 20 0 C 2,2 – 2,8 V Nhiệt độ nhiêu liệu khoảng 80 0 C 4,4 – 4,5 V
Bảng 3.5 Điện áp tương ứng với nhiệt độ nhiên liệu
3.2.4 Cảm biến vị trí bướm ga
Hình 3.9 Cảm biến vị trí bướm ga
Cảm biến vị trí bướm ga được gắn liền với thân bướm ga, có chức năng chuyển đổi thông tin về góc mở hiện tại của bướm ga thành tín hiệu điện và truyền về hộp ECU.
Gồm hai thanh trượt, ở đầu của chúng được gắn các tiếp điểm cho tín hiệu IDL và VTA tương ứng
+ VC: Được cung cấp điện áp cố định 5V từ ECU
+ IDL: điện áp khi cánh bướm ga ở vị trí cầm chừng so với mass là 0V
+ E2: được nối với mass ECU
VTA hoạt động khi cánh bướm ga mở, cho phép con trượt di chuyển dọc theo vành điện trở, tạo ra điện áp tăng dần ở chân theo nguyên tắc cầu phân áp ECU sẽ so sánh tín hiệu điện áp này với tín hiệu điện áp đã được lập trình sẵn nhằm xác định góc mở của cánh bướm ga.
Hình 3.10 Cấu tạo cảm biến vị trí bướm ga
Hình 3.11 Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bướm ga c/ Nguyên lý hoạt động
Khi góc mở của bướm ga tăng, điện áp VTA cũng tăng theo tỷ lệ Khi bướm ga đóng hoàn toàn, điện áp giữa chân VTA và mass khoảng 1V, và khi bướm ga mở lớn, điện áp này dần tăng lên khoảng 4V khi bướm ga mở hoàn toàn Đối với loại cảm biến vị trí bướm ga có tín hiệu VTA giảm theo góc mở, nguyên lý hoạt động là ngược lại.
- Dùng ôm kế đo điện trở giữa các cực rồi so sánh với bảng sau:
Vị trí bướm ga Các cực Điện trở(k)
IDL – E2 = 6 Đèn báo kiểm tra động cơ bật sáng W – E1 0 – 3
Sau khởi động khoảng 2 giây G-IND – E1 9 – 14
IGSW ở vị trí ON SPV – E1 9 – 14
Kết nối cực TE1 và E1 VF – E1 0 - 3
IGSW ở vị trí ON PIM – E1 1,3 – 1,9
IGSW ở vị trí ON VC – E1 4,5 – 5,5
Cầm chừng hay nhiệt độ khí nạp từ 0 đến 80 0 C THA – E1 0,5 – 3,4
Bàn đạp ga đóng hoàn toàn IDL – E1 0 - 3
Bàn đạp ga mở hoàn toàn IDL – E1 9 - 14
Cầm chừng hay nhiệt độ nước từ 60-
IGSW ở vị trí ON hay khi động cơ nguội THF – E1 0,5 – 3,4
IGSW ở vị trí ON VRT – E1 0,2 – 4,5
IGSW ở vị trí ON VRP – E1 0,2 – 4,5 Động cơ chạy cầm chừng TCV – E1 Máy đo xung Động cơ chạy cầm chừng NE + - E2 Máy đo xung
Công tắc đèn stop ở vị trí OFF STP - E1 0 – 1,5
Công tắc đèn Stop ở vị trí ON STP – E1 7,5 - 14
5 giây sau khi bàn đạp ga mở hoàn toàn ACT – E1 0 - 3
IGSW ở vị trí ON ACT - E1 9 - 14
Tốc độ động cơ khoảng 1500 rpm ERG – E1 Máy đo xung
Bảng 8.1 Giá trị điện áp tiêu chuẩn trên các chân ECU
Trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp, nhờ sự hỗ trợ từ giảng viên Khoa Cơ khí Động lực, chúng em đã hoàn thành thành công đề tài “Mô hình động cơ Toyota 3C-TE” Đồ án trình bày tổng quan về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ, cùng với phương pháp kiểm tra cảm biến và ECU Đặc biệt, chúng em đã phát triển bộ tạo pan cơ khí và điều khiển qua Bluetooth, giúp sinh viên khóa sau học tập thuận tiện và nắm bắt kiến thức hiệu quả hơn.
Trong quá trình thực hiện đồ án, chúng em nhận ra rằng khả năng xử lý tình huống của bản thân còn hạn chế, công việc phân chia chưa đồng đều và thường xuyên trễ nải Bên cạnh đó, kiến thức chuyên ngành của chúng em cũng chưa vững Tuy nhiên, nhờ sự chỉ dẫn của thầy Đinh Tấn Ngọc về những thiếu sót này, chúng em đã rút ra nhiều kinh nghiệm quý báu và cải thiện được những điểm yếu của mình.
Hộp ECU trên mô hình đã mất hết thông tin, khiến chúng em không thể tìm kiếm dữ liệu cần thiết Các chân của hộp khác nhau trong từng tài liệu tham khảo, gây khó khăn trong việc đấu nối dây điện Một số chân tín hiệu không thể xác định, buộc chúng em phải sử dụng Arduino để điều khiển, dẫn đến khả năng hoạt động của hệ thống không chính xác Chúng em mong Khoa có biện pháp bảo tồn thông tin thiết bị Ngoài ra, việc ứng dụng lập trình trong học tập hiện vẫn còn hạn chế, hy vọng Khoa sẽ tăng cường tích hợp lập trình vào chương trình học.
Chúng em hiểu rằng bài luận tốt nghiệp của mình vẫn còn thiếu sót do hạn chế về thời gian và kiến thức Vì vậy, chúng em rất mong nhận được những ý kiến chân thành và sự cảm thông từ các giảng viên để cải thiện chất lượng luận văn này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Đinh Tấn Ngọc cùng toàn thể giảng viên khoa Cơ khí động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, cũng như các bạn sinh viên đã hỗ trợ và đóng góp ý kiến quý báu, giúp chúng em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] PGS-TS Đỗ Văn Dũng – Trang bị điện và điện tử trên ô tô hiện đại – Nhà Xuất bản Đại học quốc gia TP.HCM năm 2004
[2] Giáo trình thực tập động cơ Diesel
[4] Thầy Nguyễn Tấn Lộc – Hệ thống nhiên liệu (tài liệu nội bộ) – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
[5] https://www.youtube.com/watch?v=7zgl2Mey5HY&ab_channel=PizaSTEM
[6] https://youtu.be/qk4h70605Ko
[8] Toyota 3C – TE Engine Repair Manual
[9] https://www.engine-specs.net/toyota/3c-te.html