Các yếu tố ảnh hưởng đến việc tiêu thụ nhiên liệu • Các hệ thống phụ trợ Hệ thống phụ trợ đề cập đến các yếu tố và phụ kiện giúp cải thiện sự an toàn và thoải mái khi lái xe như hệ thống
Mục đích đề tài
• Tìm hiểu thiết kế, chức năng của hộp thiết bị ECO
Nghiên cứu các phương pháp tiết kiệm nhiên liệu là rất quan trọng, đặc biệt là việc sử dụng hộp thiết bị ECO Phương pháp này có nhiều ưu điểm như giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm khí thải, góp phần bảo vệ môi trường Tuy nhiên, cũng cần lưu ý đến một số nhược điểm như chi phí đầu tư ban đầu cao và yêu cầu kỹ thuật lắp đặt phức tạp.
• Nghiên cứu xây dựng mô phỏng hộp ECO trên phần mềm Matlab-Simulink
• Thực nghiệm đánh giá tính hiệu quả của hộp ECO khi sử dụng trên xe Toyota Vios
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài áp dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và mô hình hóa kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá khả năng hoạt động, hiệu quả và tính khoa học của kết quả nghiên cứu.
Cấu trúc đề tài
Cấu trúc của đề tài bao gồm những mục sau:
• Những chương chính bao gồm:
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết
- Chương 3: Tính toán, mô phỏng, thử nghiệm
- Chương 4: Thực nghiệm với thiết bị ECO
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Quá trình điều khiển xe chủ yếu là kiểm soát tốc độ thông qua lực kéo động cơ, được truyền qua hộp số đến bánh xe Người lái sử dụng chân ga để điều chỉnh lượng xăng vào động cơ, trong khi hệ thống bướm ga kiểm soát lượng không khí, tạo ra hỗn hợp hòa khí trong xilanh Việc điều khiển bàn đạp ga cho phép người lái kiểm soát mô-men xoắn của động cơ, từ đó tăng tốc, duy trì tốc độ hoặc giảm tốc và dừng xe Trước đây, ga được điều khiển trực tiếp qua bàn đạp ga với kết nối cơ học, và nếu có ga tự động, một dây cáp sẽ được thêm vào để kết nối với van bướm ga và bộ chấp hành kiểm soát hành trình, đảm bảo vị trí bướm ga được xác định để điều chỉnh lượng nhiên liệu phun phù hợp.
Vào năm 1988, hệ thống điều khiển bướm ga điện tử (ETC) được giới thiệu, loại bỏ kết nối cơ học giữa bàn đạp ga và thân bướm ga bằng công nghệ điện tử Hệ thống này bao gồm cảm biến bàn đạp, cảm biến bướm ga, cơ cấu chấp hành và bộ phận điều khiển cần thiết ETC cho phép tích hợp các tính năng tiên tiến như kiểm soát hành trình và kiểm soát độ ổn định của xe, giúp nâng cao hiệu quả và được ứng dụng rộng rãi trong ô tô hiện đại Mục tiêu chính của công nghệ này là tăng cường hiệu suất vận hành cho phương tiện.
Công nghệ điều khiển bướm ga điện tử sử dụng nhiều đầu vào cảm biến, cho phép hệ thống hoạt động với hiệu suất cao hơn so với các loại xe sử dụng điều khiển bướm ga truyền thống.
Hình 1.1: Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử ETC
Việc áp dụng công nghệ điều khiển bướm ga điện tử (ETC) không chỉ giúp tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm thiểu khí thải nhờ vào khả năng kiểm soát tối ưu hỗn hợp không khí/nhiên liệu Hệ thống ETC còn liên quan đến an toàn lái xe, do đó yêu cầu kiểm tra chất lượng cảm biến bàn đạp ga rất nghiêm ngặt Các hãng xe hiện nay đang tập trung vào việc nâng cao trải nghiệm lái, độ an toàn và tính thoải mái, thể hiện qua các đặc tính kỹ thuật như độ tuyến tính cao, độ trễ thấp và độ nhạy cao Ngành sản xuất ô tô đã trải qua nhiều giai đoạn đổi mới trong phương pháp điều khiển tốc độ động cơ, với sự phát triển của nhiều loại cảm biến Đề tài này sẽ nghiên cứu các yếu tố liên quan đến công nghệ tiết kiệm nhiên liệu, đặc biệt là ECO Mode, công nghệ đang được chú trọng phát triển tại nhiều hãng xe trên toàn cầu, bao gồm cả Việt Nam.
Các nghiên cứu liên quan
1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến việc tiêu thụ nhiên liệu
• Các hệ thống phụ trợ
Hệ thống phụ trợ bao gồm các yếu tố và phụ kiện thiết yếu nhằm nâng cao an toàn và sự thoải mái khi lái xe, như hệ thống làm sạch không khí, hệ thống chiếu sáng, cần gạt nước, cửa sổ chỉnh điện, cùng với hệ thống sưởi và điều hòa không khí.
Việc sử dụng các hệ thống hỗ trợ như đỗ xe và cảnh báo va chạm yêu cầu nguồn cung cấp điện hoặc cơ học tăng lên, dẫn đến nhu cầu điện của động cơ và mức tiêu thụ nhiên liệu tăng Cụ thể, mức tiêu thụ nhiên liệu có thể tăng khoảng 9% khi sử dụng điều hòa không khí, 4,5% với hệ thống hỗ trợ lái, và 6,5% cho các thiết bị phụ trợ khác Ví dụ, khi hệ thống điều hòa không khí hoạt động trong quá trình lái xe, nó sẽ làm giảm tốc độ động cơ và tăng mức tiêu thụ nhiên liệu lên gần 7%.
Hình 1.2: Ảnh hưởng của hoạt động điều hòa không khí đến tỷ lệ tiêu hao nhiên liệu
Sự tối ưu hóa và các công nghệ tiên tiến có thể mang lại lợi ích tiết kiệm nhiên liệu lên đến 2% Các hệ thống phụ trợ cơ khí đang dần bị thay thế bởi các hệ thống điện hiệu quả hơn.
Một loạt nhu cầu năng lượng cho các phụ tải điện và cơ học đã được đánh giá thông qua mô phỏng, dẫn đến mức tăng trung bình 14,9%.
NEDC (Chu trình lái xe mới của châu Âu) và WLTP (Quy trình kiểm tra đồng bộ cho xe hạng nhẹ toàn cầu) cho thấy mức tiêu thụ nhiên liệu tương đối cao, với tỷ lệ tăng lần lượt là 9,6% và 3,8% khi thêm 0,4 kW tải cơ học Việc này dẫn đến mức tiêu thụ nhiên liệu tăng trung bình 3,8% cho NEDC và 2,8% cho WLTP.
Khí động học liên quan đến hình dạng và thiết kế của xe, đặc biệt là diện tích phần đầu xe Những thay đổi như bổ sung giá nóc có thể làm tăng lực cản khí động học, dẫn đến tăng mức tiêu thụ nhiên liệu Các ước tính cho thấy mức tăng tiêu thụ nhiên liệu khoảng 5% đối với các tiện ích bổ sung trên mái, 5,1% khi cửa sổ mở ở tốc độ 130 km/h, và 2% do ảnh hưởng của gió phụ, mặc dù điều này phụ thuộc nhiều vào hình dạng và thiết kế tổng thể của phương tiện.
Hình 1.3: Ví dụ về các tiện ích bổ sung khác và sự tác động của chúng
Độ cao mực nước biển ảnh hưởng đáng kể đến mức tiêu thụ nhiên liệu của xe Khi mực nước biển giảm, hiệu suất động cơ tăng do áp suất khí quyển cao hơn, dẫn đến quá trình cháy hiệu quả hơn và giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ Ngược lại, ở độ cao lớn hơn, áp suất khí quyển giảm, làm giảm lượng khí nạp qua bộ chế hòa khí và làm giàu hỗn hợp nhiên liệu-không khí, dẫn đến tăng tiêu thụ nhiên liệu Hơn nữa, độ cao cũng làm giảm mã lực của xe, khiến xe hoạt động kém hiệu quả ở độ cao 1180m so với mực nước biển.
Hình 1.4: Ảnh hưởng của độ cao mực nước biển đến việc tiêu thụ nhiên liệu
Khi vận tốc của xe tăng, lực cản khí động học cũng tăng lên do vận tốc không khí xung quanh xe tăng Tốc độ xe tạo ra nhiều vùng dòng chảy tách biệt trên các bề mặt cong của thân xe, dẫn đến việc tăng lực cản tổng thể và làm gia tăng tốc độ tiêu hao nhiên liệu Theo hình 1.5, một sự gia tăng 4% trong tốc độ xe đã làm tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu tăng gần 40%, cho thấy mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa hai thông số này.
Hình 1.5: Ảnh hưởng của tốc độ xe đến việc tiêu thụ nhiên liệu
Hai loại nhiên liệu phổ biến tại các trạm xăng là siêu xăng và xăng thường Siêu xăng có chỉ số octan cao hơn, giúp cải thiện hiệu suất động cơ và giảm hiện tượng gõ máy Việc lựa chọn loại nhiên liệu phù hợp không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất xe mà còn góp phần bảo vệ môi trường.
Sử dụng xăng có chỉ số octane 95 so với xăng thông thường (ON = 89) giúp quá trình đốt cháy hiệu quả hơn, dẫn đến mức tiêu thụ nhiên liệu giảm 10% Hơn nữa, khi tốc độ xe tăng, mức tiêu thụ của cả hai loại nhiên liệu đều có xu hướng tăng lên.
Hình 1.6: Ảnh hưởng của loại nhiên liệu đến việc tiêu thụ nhiên liệu
Tải trọng của xe, đặc biệt là trọng lượng của hành khách, ảnh hưởng trực tiếp đến mức tiêu thụ nhiên liệu Khi số lượng hành khách tăng lên, cần nhiều lực hơn để vượt qua tổng trọng lượng và tương tác ma sát giữa bánh xe và mặt đường Cụ thể, việc tăng số lượng hành khách từ ba lên năm có thể làm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu lên tới 35%.
Hình 1.7: Ảnh hưởng của tải trọng đến việc tiêu thụ nhiên liệu
Bảo dưỡng định kỳ cho xe ô tô, bao gồm việc kiểm tra và thay thế bugi, bộ lọc không khí, dầu và nhiên liệu theo thông số kỹ thuật của nhà sản xuất, là rất quan trọng để duy trì hiệu suất tối ưu Khi các thông số vận hành được duy trì tốt, mức tiêu hao nhiên liệu sẽ giảm đáng kể Thực tế cho thấy, việc bảo dưỡng đúng cách có thể giúp tiết kiệm đến 60% mức tiêu thụ nhiên liệu.
Hình 1.8: Ảnh hưởng của tình trạng bảo dưỡng xe đến việc tiêu thụ nhiên liệu
1.2.2 Các công nghệ giảm tiêu hao nhiên liệu
• Hệ thống dừng-khởi động
Hệ thống dừng-khởi động của Toyota, ra mắt tại Bắc Mỹ trong năm mô hình 2017, là một công nghệ tiên tiến giúp cải thiện hiệu quả hoạt động của xe bằng cách tự động tắt động cơ khi dừng và khởi động lại khi cần tăng tốc Công nghệ này đã giải quyết những vấn đề vận hành mà các nhà sản xuất ô tô khác chưa khắc phục được, mang lại sự mượt mà trong cơ chế vận hành và đưa hệ thống này vượt lên phía trước.
Hệ thống dừng-khởi động giúp tiết kiệm nhiên liệu bằng cách tắt động cơ khi xe dừng lại ở vận tốc 0 km/h và phanh Khi người lái nhả phanh, động cơ sẽ khởi động lại và xe tăng tốc trở lại bình thường Hệ thống này hoạt động mượt mà, đảm bảo các hệ thống an toàn vẫn hoạt động ngay cả khi động cơ tắt Màn hình Đa thông tin (MID) hiển thị biểu tượng khi động cơ không hoạt động, giúp người lái luôn nắm rõ tình trạng của động cơ Mặc định, hệ thống luôn được bật, nhưng người lái có thể tắt nó khi cần thiết, chẳng hạn khi kéo hoặc để duy trì hoạt động của hệ thống điều hòa trong thời tiết nóng Để tắt hệ thống, người lái chỉ cần nhấn nút trên bảng điều khiển bên trái vô-lăng, và hệ thống sẽ tự kích hoạt lại khi nhấn nút hoặc khởi động lại xe.
Hình 1.9: Hệ thống dừng-khởi động trên Toyota
Hệ thống dừng-khởi động không chỉ nâng cao sự thoải mái khi lái xe mà còn giúp tiết kiệm xăng, tăng mức tiết kiệm nhiên liệu lên khoảng một dặm một gallon (MPG) trong điều kiện lái xe trong thành phố Tất cả các loại xe Toyota đều có mức tiết kiệm nhiên liệu tương đương Bên cạnh việc giảm tiêu thụ xăng, hệ thống này còn giúp giảm lượng khí thải, vì không có khí thải nào được tạo ra khi xe dừng.
Nghiên cứu về chế độ ECO
Chế độ Eco, hay còn gọi là chế độ tiết kiệm nhiên liệu, là tính năng phổ biến trên hầu hết các dòng xe ô tô đời mới hiện nay.
Các hãng xe tại Mỹ và Đông Á thường trang bị nút bấm đặc biệt cho phép người dùng kích hoạt chế độ ECO theo ý muốn Bài viết này sẽ trình bày về chế độ ECO và tác dụng của nó đối với hiệu suất của xe.
1.3.1 Chế độ ECO là gì ?
Chế độ ECO, hay ECO Mode, là một chế độ hoạt động của động cơ được điều khiển hoàn toàn bằng điện tử Hệ thống ECU sẽ điều chỉnh các thông số như phản hồi bướm ga và sang số trong hộp số Trên một số mẫu xe mới và cao cấp, ECU còn tác động đến các cơ cấu chấp hành khác như thời điểm đánh lửa, thời điểm phun nhiên liệu và tỷ lệ nạp nhiên liệu Ngoài ra, một số xe còn điều chỉnh các hệ thống tiện nghi điện và điều hòa không khí để giảm tiêu thụ năng lượng.
Chế độ ECO giúp điều chỉnh tự động tất cả các thiết bị trên xe, tối ưu hóa hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu Việc sử dụng chế độ này cho các dòng xe hiện nay không chỉ giảm mức tiêu hao nhiên liệu mà còn nâng cao hiệu quả kinh tế.
Hình 1.16: Chế độ ECO trên xe ô tô
1.3.2 Chế độ ECO làm gì ?
Chế độ ECO giúp điều chỉnh hoạt động của động cơ, từ đó tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả hơn Các nhà sản xuất ô tô đã thiết kế và phát triển nhiều loại động cơ khác nhau, dẫn đến sự khác biệt trong hiệu suất và tiêu thụ nhiên liệu Sự đa dạng này có thể ảnh hưởng đến nhiều yếu tố khác nhau trong quá trình vận hành của xe.
Phản hồi của bướm ga là yếu tố quan trọng trong việc kiểm soát lượng không khí vào động cơ, ảnh hưởng trực tiếp đến năng lượng sinh ra từ quá trình đốt cháy Trước đây, việc điều khiển van bướm ga được thực hiện qua dây kim loại, nhưng hiện nay, cảm biến vị trí (TPS) cho phép ECU nhận diện vị trí bàn đạp ga Tuy nhiên, quá trình truyền tín hiệu vẫn có độ trễ, dẫn đến giảm khả năng phản hồi Nếu van bướm ga mở chậm, điều này có thể chỉ ra rằng không đủ xăng và nhiên liệu cung cấp cho xe.
Để tối ưu hóa hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu, bộ truyền động cần duy trì ở bánh răng tối ưu tại mọi thời điểm Hộp số nên hạn chế số lần chuyển số, giúp giảm thiểu chuyển động trong quá trình lái xe, mang lại cảm giác nhẹ nhàng hơn Tỷ lệ A/F cần được điều chỉnh phong phú hơn để cung cấp nhiều nhiên liệu hơn, từ đó tạo ra công suất lớn hơn cho việc tăng tốc Tuy nhiên, điều này có thể làm giảm hiệu suất và gây hại cho môi trường Khi kích hoạt chế độ ECO, tỷ lệ A/F sẽ được duy trì ở mức thấp nhất có thể, tùy thuộc vào cách lái xe của người dùng.
Chế độ Eco Mode là tính năng tiết kiệm nhiên liệu trên các xe chạy xăng và diesel hiện đại, giúp người lái thân thiện với môi trường và tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả Chế độ này kiểm soát bốn hệ thống cơ bản của xe, bao gồm phản hồi ga, sang số, phản ứng của hệ thống điều khiển hành trình và hệ thống điều hòa không khí, nhằm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và tối ưu hóa hiệu suất xe.
1.3.3 Khi nào nên sử dụng chế độ ECO?
Chế độ ECO cho phép người lái xe điều khiển phương tiện một cách an toàn mà không cần lo lắng, đồng thời giúp tiết kiệm nhiên liệu Nghiên cứu của Hiraoca và đồng nghiệp cho thấy, khi kích hoạt chế độ này, khả năng tăng tốc sẽ giảm, giúp tránh những tình huống tăng tốc đột ngột, đặc biệt khi vào làn đường trên cao tốc, từ đó giảm thiểu nguy cơ tai nạn Người lái xe có thể tiết kiệm nhiên liệu khi di chuyển trong thành phố hoặc trên cao tốc, và chế độ ECO có ảnh hưởng tích cực đến việc di chuyển trong các khu vực đông đúc.
Và chế độ ECO có thể được tắt trong một số trường hợp như sau:
Khi người lái xe cần tăng tốc nhanh chóng, chẳng hạn như khi vượt xe hoặc khi cần tốc độ cao hơn trong làn đường, độ nhạy của xe là rất quan trọng Trong những tình huống khẩn cấp, việc tăng tốc nhanh sẽ mang lại lợi ích lớn hơn so với việc tiết kiệm nhiên liệu.
Khi xe đang đổ đèo hoặc dưới tải, người lái nên tắt chế độ tiết kiệm nhiên liệu để đảm bảo xe có đủ lực hoạt động, từ đó bảo vệ an toàn cho hệ thống truyền động và chuyển động.
1.3.4 Một số nhược điểm của chế độ ECO
Chế độ ECO trên xe có những ưu điểm nhưng cũng tồn tại nhược điểm mà người dùng cần lưu ý Đầu tiên, chế độ này giúp tiết kiệm nhiên liệu bằng cách giảm tốc độ xe, nhưng điều này cũng đồng nghĩa với việc xe sẽ chạy chậm hơn Thứ hai, mức độ phản ứng của xe có thể chậm hơn so với mong đợi, ảnh hưởng đến trải nghiệm lái xe Cuối cùng, chế độ ECO cũng tác động đến hệ thống điện của xe và hệ thống điều hòa, làm giảm cảm giác thoải mái cho người lái.
Chế độ ECO là tính năng quan trọng trong việc bảo vệ môi trường, giúp người dùng giảm tốc độ để tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm Để tối ưu hóa chế độ này, có thể bổ sung thiết bị tạo mức chế độ ECO và tăng phản hồi, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng xe Chương 1 đã phân tích cấu tạo, đặc điểm và nghiên cứu liên quan đến hệ thống ECO Mode, chứng minh tính thiết thực của nó trong việc tiết kiệm nhiên liệu cho ô tô hiện nay Chương tiếp theo sẽ cung cấp cơ sở lý thuyết để hiểu rõ hơn về hệ thống này.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lý thuyết điều khiển bướm ga điện tử
Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử bao gồm các thành phần chính như bàn đạp ga, bộ ga và bộ vi điều khiển Bộ bướm ga được cấu tạo từ động cơ điện một chiều điều khiển qua bộ biến tần, hộp số rời, cánh bướm và cảm biến vị trí, giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác trong việc điều chỉnh lưu lượng khí vào động cơ.
Hình 2.1: Cấu trúc của hệ thống điều khiển bướm ga điện tử
Khi người lái nhấn bàn đạp ga, vị trí của bàn đạp được xác định bởi bộ biến đổi dòng hoạt động, cung cấp tín hiệu điện áp Cảm biến vị trí trong bướm ga cũng chuyển góc mở bướm ga thành giá trị điện áp tương ứng Thông tin từ hai tín hiệu này được gửi đến MCU, nơi tính toán và đưa ra tín hiệu điện áp để điều khiển các cơ cấu chấp hành như kim phun và bơm nhiên liệu, đảm bảo cung cấp lượng khí phù hợp vào buồng đốt Tín hiệu này sau đó được xử lý bởi bộ điều biến xung (PWM) để điều chỉnh động cơ mở bướm ga ở góc tương ứng.
Kết cấu động học của thân bướm ga bao gồm mô hình động cơ điện một chiều tuyến tính và phương trình chuyển động của bướm ga, phản ánh mối quan hệ giữa mômen động cơ và cánh bướm Phương trình này cũng tính đến các thành phần phi tuyến tính như mômen ma sát, lò xo hồi vị và hộp số Sơ đồ khối mô hình hoạt động của bộ tiết lưu được trình bày trong hình 2.1.
Cảm biến vị trí bàn đạp ga
Hộp số Cánh bướm Lò xo hồi vị
Cảm biến vị trí bướm ga
Bộ vi điều khiển Ắc quy
Bộ khuếch đại lưỡng cực
2.1.2 Thuật toán điều khiển bướm ga điện tử
Trong nghiên cứu về hệ thống bướm ga, độ trễ của phần ứng được xem là bằng không do độ tự cảm của chúng rất thấp Phương trình động lực học của hệ thống bướm ga được trích dẫn từ công trình của X Yuan, W Yaonan, S Wei và W Lianghong, liên quan đến hệ thống điều khiển mô hình nghịch đảo thích ứng Ngoài ra, mạng RBF cho bướm ga điện tử cũng được nghiên cứu bởi X Jiao, J Zhang và T Shen.
Ꞷ m : Tốc độ góc động cơ
Ꞷ t : Vận tốc góc của cánh bướm
J m : Lực quán tình động cơ
J t : Lực quán tính cánh bướm
T a : Mô men xoắn điện từ
T m : Mô men xoắn đầu vào từ bánh răng
T l : Mô men xoắn đầu ra từ bánh răng
T sp : Mô men xoắn của lò xo hồi vị
Mô men tải là mô men nhiễu phát sinh từ lực dòng khí tác động lên cánh bướm Các hằng số liên quan bao gồm k p, là hằng số mô men động cơ, và k e, là suất điện động.
B m : Hệ số cản nhớt của động cơ
R : Tổng trở của phần ứng
U : Điện áp đầu vào của động cơ
Hình 2.2:Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển bướm ga
Mô hình chuyển tiếp không liên tục có ma sát:
Trong đó, Fs là hằng số ma sát Coulomb và sign(Ꞷt) là hàm dấu được biểu diễn như sau:
(5) Đặc tính mô men của lò xo hồi vị cánh bướm ga tuyến tính được cho theo như sau:
= T LH sign(θt – θ0) + k sp (θ t - θ 0 ) , θ min < θ t < θ max (6)
Góc mở cánh bướm ga được ký hiệu là θt, trong khi góc đặt ban đầu của lò xo hoặc góc LH được ký hiệu là θ0 Các góc mở nhỏ nhất và lớn nhất của lò xo lần lượt là θmin và θmax Độ cứng của lò xo được biểu thị bằng ksp.
T LH : Độ biến dạng lò xo
Dựa vào sơ đồ khối trên hình 2.2, khe hở bánh răng có thể được xây dựng theo công thức
Tỷ số truyền N và biên độ δ được xác định khi Tl(t) không thay đổi Phương trình quán tính có thể được viết lại với d(ã) như một hàm phi tuyến tính dựa trên Tm(t) và Ṫm, đảm bảo rằng |(dTtm())| ≤ ρ, trong đó ρ là giới hạn trên của d.
Trong đó J e = N 2 J m + J t và B e = N 2 B m + B t là quán tính tương đối và hệ số tắt dần của bộ điều khiển
TD = d(Tm) – TL được gọi là giới hạn chung của mô men nhiễu, TD được giới hạn bởi TD < trong đó là hằng số dương
Xem xét các giá trị không cố định như khuyết tật sản xuất, điều kiện bên ngoài, và tuổi thọ sử dụng, chúng ta có thể viết lại phương trình dưới dạng góc mở bướm ga θt Cụ thể, phương trình được điều chỉnh như sau: t t fa spa – Da m + n + T + T T = u (10).
Trong đó m = m 0 + ∆m, n = n 0 + ∆n, T fa = T fa0 + T fa, T spa = T spa0 + T spa Ta có m 0 n 0 T fa0 , T spa0 và T da theo công thức sau :
Trong bài viết, i m 0 n 0 J e0 B e0 N 0 k e0 k p0 và R 0 được đề cập là các giá trị gần đúng của tham số hệ thống T fa0 và T spa0 là các giá trị gần đúng liên quan đến mô men ma sát và nhiễu loạn của lò xo giật Các thông số tương ứng của hệ thống ETC được trình bày chi tiết trong bảng 2.1.
Bảng 2 1:Bảng các thông số tương ứng trong hệ thống ETC
Chúng ta có thể viết lại công thức (10):
Trong đó : được giới hạn bởi một hằng số f t nên công thức (9) có thể được viết lại như sau:
Dựa vào điều kiện của ∆ϱ, có thể xác định được Δϱ lum ≤ ϖf t = f T
Trong hệ thống ETC thực tế, sự sai lệch giữa các thông số và giá trị thực do yếu tố bên ngoài làm tăng độ khó trong thiết kế điều khiển và ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống Tính ổn định của hệ thống ETC còn bị tác động bởi các yếu tố bên ngoài, trong đó độ không đảm bảo đo là mômen nhiễu T L Hiệu ứng từ trễ nhỏ trong các bộ phận cơ khí và quá trình đốt cháy của hệ thống luồng không khí được xem là một phần của độ không đảm bảo đo tổng hợp.
2.1.3 Sự tối ưu hóa quá trình điều khiển bướm ga điện tử
Trong hệ thống phun trực tiếp, lượng nhiên liệu có thể thay đổi theo từng chu kỳ, điều này cho phép hệ thống điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu/không khí từ lý tưởng đến kém Khi tỷ lệ này giảm, hệ thống sẽ tăng lượng khí nạp để bù đắp cho sự giảm mô-men xoắn do lượng nhiên liệu giảm Hình 2.3 minh họa mối quan hệ giữa mô-men xoắn và lượng khí nạp khi tỷ lệ A/F thay đổi.
Hình 2.3: Mối quan hệ giữa mô men và khối lượng không khí
Thân bướm ga điện tử (ETC) có khả năng điều chỉnh mô-men xoắn theo giá trị mong muốn, nhưng giữa việc gửi tín hiệu điều khiển và tạo mô-men của động cơ tồn tại hai khoảng thời gian trễ Độ trễ đầu tiên là thời gian phản hồi của ETC với tín hiệu điều khiển, trong khi độ trễ thứ hai, gọi là độ trễ làm đầy ống góp, xảy ra khi không khí từ ETC đến xi lanh nạp Lượng không khí vào xi lanh tỉ lệ với áp suất đường ống nạp, và mô-men xoắn của động cơ tỷ lệ thuận với lượng khí này Thời gian phản hồi cho độ trễ đầu tiên và thứ hai lần lượt khoảng 10ms và 100ms.
Nghiên cứu trên Toyota Vios thế hệ thứ hai
2.2.1 Nghiên cứu độ phổ biến của mẫu xe trên thị trường
Ngành công nghệ ô tô hiện nay là một chỉ số quan trọng phản ánh sự phát triển kinh tế - kỹ thuật của Việt Nam so với các nước phát triển Việt Nam đã chứng kiến sự tiến bộ vượt bậc trong ngành công nghiệp ô tô, nổi bật với thương hiệu VinFast, cùng với sự đa dạng của thị trường ô tô từ nhiều quốc gia trên thế giới.
Khối lượng không khí Tỷ lệ hòa khí lý tưởng
Tỷ lệ hòa khí nghèo
Mặc dù nền kinh tế thế giới đang bị ảnh hưởng nhiều mặt bởi đại dịch COVID-
Thị trường xe hơi Việt Nam đang trải qua những biến động nhẹ về doanh số, trong bối cảnh thị trường ô tô toàn cầu và Đông Nam Á dần bão hòa nhờ các chính sách kích thích kinh tế và thay đổi thuế Việt Nam cũng đang thực hiện các thay đổi mới như Nghị định 17/2020, Nghị định 57/2020, và Nghị định 70/2020 Tình hình này đã tạo ra một cuộc chiến khốc liệt giữa các doanh nghiệp ô tô để giành vị trí trong ngành công nghiệp ô tô Việt Nam.
Thị trường ô tô Việt Nam đã trải qua một năm đầy thách thức do ảnh hưởng của đại dịch Covid-19, theo báo Thanh Niên [25] Nhiều nhà máy sản xuất và lắp ráp ô tô đã phải tạm dừng hoạt động, dẫn đến sự suy giảm nghiêm trọng trong hoạt động kinh doanh của ngành này.
Trước sự phức tạp của đại dịch, nhiều hoạt động đã bị "đóng băng" Tuy nhiên, nhờ sự linh hoạt và kịp thời của các cơ quan ban ngành cùng với nỗ lực của các doanh nghiệp ô tô, dịch bệnh đã được kiểm soát tốt, giúp thị trường dần hồi phục.
Top 10 hãng xe bán chạy nhất ở Việt Nam trong năm 2020 Xếp hạng Hãng Doanh số
Mẫu xe bán chạy nhất
Theo như dữ liệu từ bảng 2.2, có thể thấy xe bán chạy nhất trong năm 2020 là Toyota Vios với hơn 30,000 chiếc
2.2.2 Hệ thống điều khiển động cơ
Toyota Vios, mẫu xe bán chạy nhất trong phân khúc hạng B, nổi bật với hệ thống điều khiển động cơ tiên tiến Bài viết này sẽ điểm qua những đặc điểm nổi bật của hệ thống này trên xe Vios.
Hệ thống chức năng Mô tả
EFI EFI với cảm biến lưu lượng khí nạp (MAF) Hệ thống kiểm soát phun nhiên liệu độc lập
ESA Kiểm soát đánh lửa sớm bằng điện tử, được hiệu chỉnh bởi tiếng gõ động cơ
ETCS-i Điều khiển bướm ga bằng mô tơ điện được điều khiển bởi ECU động cơ
Hệ thống VVT-i tối ưu hóa thời gian mở van nạp dựa trên trạng thái động cơ, giúp cải thiện hiệu suất Điều khiển ngắt điều hòa và máy nén hoạt động linh hoạt theo tình trạng động cơ, trong khi quạt làm mát có hai chế độ hoạt động tùy thuộc vào nhiệt độ nước làm mát và bộ điều khiển điều hòa Hệ thống cũng kiểm soát bơm nhiên liệu, cho phép bơm hoạt động khi xe chạy bình thường và ngắt bơm khi kích hoạt túi khí SRS Cuối cùng, hệ thống điều khiển làm khô cảm biến oxy để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Duy trì nhiệt độ của cảm biến oxy ở mức phù hợp để cảm biến hoạt động chính xác
Bộ bay hơi có điều khiển (HC)
ECU động cơ điều khiển dòng khí bay hơi trong bộ lọc than hoạt tính phù hợp với tình trạng động cơ Điều khiển khởi động
(chức năng giữ khởi động)
Sau khi đánh lửa đến vị trí khởi động, bạn không cần giữ chìa khóa bằng tay; động cơ khởi động sẽ tự quay cho đến khi khởi động thành công.
Chẩn đoán Phát hiện lỗi trong hệ thống điện tử, lưu trữ dữ liệu, mã lỗi DTC và gửi tín hiệu lỗi
An toàn Khi phát hiện hỏng hóc, ECM động cơ sẽ dừng hoặc điều khiển động cơ với các thông số mặc định trong bộ nhớ
Bảng 2.3: Hệ thống điều khiển động cơ
2.2.3 Giới thiệu động cơ 1NZ-FE và hệ thống điều khiển Động cơ 1NZ-FE 1.5L là động cơ hoạt động theo chu trình Otto thông thường, có hệ thống van biến thiên thay đổi thời gian nạp Khối động cơ này được sử dụng trên nhiều mẫu xe Toyota lắp ráp tại Châu Á và Nhật Bản Động cơ này có tỷ số nén nhỏ hơn 10,5: 1
Hình 2.4: Hình ảnh bên ngoài động cơ và đồ thị RPM-HP-Nm
Kiểu động cơ 1.5L, 1NZ-FE
Loại 4 xi lanh thẳng hàng, 16 xupap,
Dung tích xi lanh (cc) 1497 Đường kính xi lanh (mm) 75
Hành trình piston (mm) 84.7 Đường kính đế xupap (mm) Nạp: 30.5
Công suất tối đa SAE-NET (HP/rpm) 80 / 6,000
Mụ men xoắn tối đa SAE-NET [Nãm/rpm] 141 / 4,200
Xupap nạp Mở -7 0 – 33 0 BTDC Đóng 52 0 – 12 0 ABDC
Xupap xả Mở 42 0 BBDC Đóng 2 0 ATDC
Loại nhiên liệu Xăng không chì Trị số octan nhiên liệu 87 hoặc tốt hơn
Hệ thống nạp nhiên liệu EFI (Phun nhiên liệu trực tiếp điện tử )
Vận tốc tối đa (Km/h) 170
Bảng 2.4: Các thông số kỹ thuật
• 1NZ-FE Hệ thống điều khiển động cơ
Hình 2.5: Vị trí các chi tiết trên động cơ 1NZ-FE
Kí hiệu Viết tắt Giải thích
IG/SW Ignition Switch Công tắc đánh lửa
The STSW Start Switch Signal is crucial for operating the starter relay, while the ACCR Accessory Relay supports auxiliary equipment Additionally, the STA Starter Relay Signal plays a vital role in the functioning of the starter system.
STAR Starter Control Signal Điều khiển rơ le máy khởi động +BM Battery Main Nguồn của bộ chấp hành bướm ga
MREL Main Relay Rơ le chính
IGT Ignition Timing Tín hiệu đánh lửa
IGF Ignition Confirmation Tín hiệu xác nhận đánh lửa
NE Number Engine Số vòng quay của động cơ
OX Oxygen Cảm biến oxi
G2 Gound 2 Tín hiệu cảm biến trục cam
Kim phun Cảm biến tiếng gõ
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Cảm biến Ô xy Van điều khiển đường dầu (OCV)
GHG Knock Tín hiệu kích nổ
SPD Speed Tín hiệu tốc độ
THW Thermostatic Water Tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát EXCUSE Thermostatic Air Tín hiệu cảm biến nhiệt độ khí nạp
VG Tín hiệu lưu lượng khí nạp
VC Voltage Circuit Nguồn cảm biến VC
VTA1 / ETA Valve Throttle Angle Tín hiệu vị trí bướm ga/ Tín hiệu âm của cảm biến
TACH Tachometer Đồng hồ đo tốc độ
OC1+ / OC1- Oil Control Tín hiệu điều khiển dầu phân phối khí trục cam (Van OCV)
Angel Nguồn của cảm biến vị trí bướm ga
VPA / EPA Voltage Pedal Angle Tín hiệu cảm biến góc mở bàn đạp ga/
Tín hiệu âm của cảm biến
M+ / M- Bộ chấp hành bướm ga
STP Stop Công tắc đèn phanh
PRG Purge Tín hiệu điều khiển van VSV
FC Fuel Control Tín hiệu điều khiển bơm nhiên liệu CAN-H/CAN-
Controller Area Network – High/Low Đường truyền CAN
ALT Alternator Máy phát điện
FAN2 FAN2 Rơ le quạt số 2
ELS Electirc Loading Signal Tải điện
ELS3 Electirc Loading Signal Tải điện, bộ xông kính
#10 Tín hiệu kim phun số 1
#20 Tín hiệu kim phun số 2
#30 Tín hiệu kim phun số 3
#40 Tín hiệu kim phun số 4
Bảng 2.5: Bảng ký hiệu các chân tín hiệu của ECM
• Sơ đồ của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ
Vios là dòng xe phổ biến tại Việt Nam, đáp ứng tốt nhu cầu sử dụng hàng ngày và thường được sử dụng làm taxi 4 chỗ nhờ vào giá cả phải chăng, độ tin cậy cao và ít hỏng hóc Tuy nhiên, để giảm giá thành, nhà sản xuất đã bỏ qua hệ thống lái tiết kiệm nhiên liệu, một yếu tố quan trọng cho những xe di chuyển quãng đường dài Nhằm chứng minh tầm quan trọng của chế độ lái ECO, nhóm nghiên cứu đã thực hiện mô phỏng để so sánh hiệu suất giữa việc vận hành xe không có và có chế độ ECO, dựa trên các thông số như tốc độ, vòng tua máy, công suất và mức tiêu thụ nhiên liệu.
TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG VÀ THỬ NGHIỆM
Nghiên cứu thiết bị điều khiển chế độ lái
3.1.1 Các phương pháp thay đổi công suất của ô tô
Ngành công nghiệp ô tô, đặc biệt là mảng động cơ, luôn là lĩnh vực tiềm năng cho sự phát triển khoa học - công nghệ Các nhà sản xuất ô tô không ngừng nỗ lực tối ưu hóa trải nghiệm người dùng, nhưng vẫn tồn tại những hạn chế kỹ thuật ở nhiều bộ phận trên xe Đối với người dùng hiện đại, việc khai thác tối đa sức mạnh của xe là điều quan trọng nhất, dẫn đến sự ra đời của một dịch vụ mới nhằm điều chỉnh các thông số kỹ thuật và cấu trúc của xe, thường được gọi là dịch vụ nâng cấp xe.
Quá trình "độ" xe thường liên quan đến việc điều chỉnh công suất và thông số kỹ thuật của xe Bài viết này sẽ tập trung vào việc thay đổi phần mềm ô tô, trong khi các phương pháp khác sẽ không được đề cập Một số phương pháp phổ biến hiện có trên thị trường sẽ được trình bày ở các mục tiếp theo.
3.1.2 Thay đổi thông số ECU Động cơ gần như hoàn toàn được điều khiển bởi một máy tính và chương trình của máy tính đó Xe sau khi rời khỏi nhà máy được điều chỉnh sao cho người lái xe tập trung chủ yếu vào tốc độ trung bình và tuổi thọ rất dài (và nhàm chán) Điều chỉnh ECU của bạn, nghĩa là thay đổi thông số ECU từ đó sẽ làm ảnh hưởng đến lượng phun nhiên liệu và thời gian đánh lửa, từ đó thay đổi tốc độ động cơ và tốc độ xe, giúp người lái cảm thấy xe nhanh hơn và mạnh hơn Nó cũng có thể thay đổi thời gian van biến thiên của bạn có hiệu quả hơn Nếu bạn đã thêm một bộ hút và xả mới, hoặc bất kỳ bộ phận hiệu suất nào khác, việc điều chỉnh ECU cho phép động cơ của bạn tận dụng tối đa những thay đổi đó để tạo ra nhiều công suất hơn và hoạt động tốt nhất Điều chỉnh ECU trên một chiếc xe hiện đại dễ dàng cài đặt như cắm cáp máy tính Hầu hết được điều chỉnh trực tiếp thông qua cổng OBD-II nằm dưới tay lái của bạn Bạn có thể thay đổi tỷ lệ nhiên liệu không khí (hoặc để tùy ý) và một số thậm chí còn cho phép bạn tùy chỉnh các bộ phận khác của xe bằng cách thêm hoặc thay đổi các tính năng của nhà sản xuất [27] Các phương
• Can thiệp vào vi xử lý/viết lại trình điều khiển
Cả hai phương pháp can thiệp vào ECU đều dựa trên nguyên lý làm việc giống nhau, sử dụng phần mềm đã được lập trình sẵn trên máy tính để xác định góc đánh lửa sớm và điều chỉnh lượng phun nhiên liệu Sự khác biệt chính giữa chúng là phương pháp viết lại trình điều khiển thực hiện trực tiếp trên xe, trong khi phương pháp can thiệp vi điều khiển yêu cầu tháo rời vi điều khiển khỏi xe Mỗi loại xe có lược đồ thông số động cơ riêng, do đó không thể áp dụng một lược đồ chung cho tất cả các loại xe, ngay cả khi chúng cùng mẫu động cơ.
• Dùng ECU Piggyback và ECU phụ:
Các thế hệ ô tô hiện đại sở hữu hệ thống điều khiển phức tạp với khối lượng thông tin lớn mà ECU phải xử lý Việc lập trình ECU khiến cho việc hiệu chỉnh sau này trở nên khó khăn Một số trường đại học kỹ thuật đã sử dụng hệ thống bảo mật của DME (Digital Motor Electronics) của BMW như một ví dụ về bảo mật cao Việc điều khiển nhiều chức năng cùng lúc làm giảm tốc độ xử lý của ECU Phương pháp Piggyback sử dụng ECU hiện có và thêm một vi xử lý kết nối giữa cảm biến và ECU, giúp xử lý thông tin từ cảm biến trước khi gửi đến ECU, từ đó giảm thời gian xử lý.
Hình 3.1: Một bộ Piggyback đa chức năng thương hiệu JB4
Sử dụng ECU độc lập là phương pháp can thiệp vào phần cứng, thay thế ECU hiện tại bằng một ECU mới, có thể yêu cầu sơ đồ mạch điện hoàn toàn mới Mặc dù các ECU này mang lại hiệu suất cao, nhưng chi phí và tài nguyên cần thiết cho quá trình này khá lớn, dao động từ 4,000 đến 40,000 USD.
Hình 3.2: Ứng dụng mã nguồn mở Speeduino và Arudino ECU độc lập
Các phương pháp kể trên giúp người lái khai thác được công suất của
Việc tăng công suất động cơ ECU có những hệ lụy cần lưu ý Đầu tiên, động cơ mạnh mẽ hơn sẽ tiêu tốn nhiều nhiên liệu hơn và làm giảm tuổi thọ của hệ thống lọc Thứ hai, khi xe chạy nhanh, các hệ thống khác cũng chịu áp lực lớn hơn, dễ dẫn đến hư hỏng do quá nhiệt Cuối cùng, việc cho phép phần mềm bên ngoài can thiệp vào ECU có thể tạo ra rủi ro cao về việc đánh cắp thông tin cá nhân Do đó, cần có phương pháp tối ưu hóa để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định, kéo dài tuổi thọ và tiết kiệm nhiên liệu.
3.1.3 Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển chế độ ECO
Nhóm khách hàng là tài xế dịch vụ như taxi và Grab thường ưu tiên các mẫu xe tiết kiệm nhiên liệu, mang lại sự thoải mái cho hành khách và giảm thiểu lỗi hệ thống Họ cũng tìm kiếm các tiêu chí như cốp xe rộng hơn và không yêu cầu công suất động cơ lớn, do đó chế độ điều khiển ECO là lựa chọn lý tưởng Hệ thống bướm ga điện tử hoạt động dựa trên tín hiệu điện áp từ cảm biến bàn đạp ga, cho phép ECU giám sát và điều chỉnh độ mở bướm ga cũng như lượng phun nhiên liệu phù hợp.
Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động cơ
Thiết bị mới được phát triển nhằm loại bỏ khoảng trễ giữa tín hiệu từ bàn đạp ga và bướm ga, với thời gian trễ khoảng 10ms từ bàn đạp ga đến ECU và 100ms từ ECU đến bướm ga Bằng cách mô phỏng tín hiệu từ bàn đạp ga đến ECU, thiết bị này sẽ cải thiện hiệu suất phản hồi của hệ thống ga.
Hình 3.4:Vị trí vận hành thiết bị
Việc xử lý trước tín hiệu trước khi đưa đến ECU mang lại nhiều lợi ích, không chỉ giảm thời gian phản hồi mà còn giúp người lái tránh hiện tượng đạp ga quá sâu, từ đó kiểm soát phương tiện tốt hơn Khi bắt đầu tăng tốc, điện áp được xử lý sẽ tăng nhanh đến ngưỡng bướm ga gần mở hoàn toàn, giúp đạt được vận tốc mong muốn trong thời gian ngắn nhất Đặc biệt, trong chế độ ECO, tín hiệu điện áp được duy trì ở mức 50 đến 80% so với mức điện áp thông thường, mở ra cơ hội nghiên cứu và phát triển thiết bị điều khiển cho chế độ này.
Hình 3.5: Mô phỏng ước tính mối quan hệ giữa vị trí bàn đạp ga và mức điện áp
3.1.4 Mô phỏng cấu trúc của thiết bị trên phần mềm Proteus
Cảm biến chân ga của xe gồm 6 dây VCPA, VPA, EPA, VCP2, VPA2 và EPA
Chúng ta sẽ chia tín hiệu thành hai bộ và mô phỏng trên Proteus bằng bộ lưu biến với điện áp đầu vào 5V cho VPA và VPA2 Giá trị bộ lưu biến được chọn ngẫu nhiên, vì cấu trúc cầu phân áp không phụ thuộc vào độ lớn của bộ biến đổi nếu dòng điện không đáng kể Mạch sử dụng opamp LM741 và một tụ điện để xử lý tín hiệu Chân 1 và 5 của LM741 không được sử dụng theo mặc định bởi nhà sản xuất Hình ảnh mô phỏng cho thấy thiết bị được gắn trực tiếp vào điều khiển bướm ga điện tử mà không cần thông qua ECU Khi cần điều khiển qua ECU, một thiết bị khác sẽ được thêm vào để truyền điện áp điều khiển từ cảm biến Hall tại bàn đạp và nhận thông tin EVPA, EVPA2.
Các chân của một opamp LM741
Nguyên tắc hoạt động của bộ điều khiển:
Hình 3.7: Mô phỏng thiết bị điều khiển chế độ ECO e(t) = x(t) – x ref; (18) u(t) = {K 1 e(t), K 2 e(t)}; (19) ẍ(t) = -a 1 x(t) + a 2 u(t); (20)
Trong đó x ref : Vị trí góc bướm ga x(t) : Vị trí góc bướm ga sau khi điều khiển a1,a2: Hằng số dương của hệ thống
Mô hình toán học này bỏ qua nhiều chi tiết phi tuyến tính, nhưng nếu bộ điều khiển đủ mạnh và ít nhiễu, các thành phần phi tuyến tính sẽ không ảnh hưởng nhiều Để thiết kế bộ điều khiển lý tưởng, x ref được coi là hằng số, và chúng ta có công thức cho bộ điều khiển vòng lặp.
Trong công thức trên, K1>0 và K2