Trên cơ sở thực trạng và phân tích các cơng trình nghiên cứu trong và ngồinước, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống đánh lửa sớmđiện tử trên ô tô”.Mục tiêu nghiên cứ
TỔNG QUAN
KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ
Những chiếc xe tự vận hành đầu tiên chạy bằng động cơ hơi nước, vào năm
Năm 1769, Nicolas Joseph Cugnot, một người Pháp, đã chế tạo ra chiếc xe ô tô đầu tiên được công nhận bởi Câu lạc bộ xe hơi Hoàng Gia Anh và Câu lạc bộ xe hơi Pháp, đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử phát triển của ngành công nghiệp ô tô Chiếc xe này đã được xác nhận là chiếc xe hơi đầu tiên trên thế giới, mở đường cho sự phát triển của công nghệ ô tô trong tương lai.
Tóm tắt về lịch sử động cơ đốt trong bao gồm những sự kiện đáng chú ý như sau:
- 1680: Nhà vật lý học người Đức Christian Huygens thiết kế loại động cơ chạy bằng thuốc súng (loại động cơ này không được đưa vào sản xuất).
- 1807: Francois Isaac De Rivaz người Thụy Điển phát minh loại động cơ đốt trong dùng hỗn hợp khí Hydro và Ôxi làm nhiên liệu
- 1862: Kỹ Sư người Pháp ông Alphonse Beau De Rochas đệ đơn cấp bằng sáng chế động cơ bốn kỳ số 52593 ngày 16 tháng 01 năm 1862 (nhưng đã không sản xuất)
Năm 1873, kỹ sư người Mỹ George Brayton đã phát triển một loại động cơ 2 kỳ chạy dầu hỏa, mặc dù không đạt được thành công như mong đợi Tuy nhiên, loại động cơ này được coi là động cơ dầu an toàn đầu tiên có giá trị ứng dụng thực tế, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực công nghệ động cơ.
Năm 1866, hai kỹ sư người Đức, Eugen Langen và Nikolas August Otto, đã cải tiến các thiết kế của Lenoir và De Rochas, tạo ra động cơ chạy gas có hiệu suất lớn hơn đáng kể so với các phiên bản trước đó.
Năm 1876, Nikolas August Otto đã phát minh thành công và được cấp bằng sáng chế động cơ bốn kỳ, từ đó hai loại động cơ này thường được gọi là "Chu kỳ Otto".
- 1876: Dougald Clerk chế tạo thành công động cơ hai kỳ đầu tiên
Năm 1883, kỹ sư người Pháp Edouard Delamare-Deboutteville đã chế tạo động cơ 4 xy lanh chạy bằng gas đốt lò, một thiết kế tiến bộ và có thể được coi là tiên tiến hơn cả thiết kế của Daimler và Benz vào thời điểm đó, ít nhất là trên lý thuyết, dù không thể xác định chắc chắn rằng đó có phải là một chiếc ô tô hay không.
- 1889: Daimler chế tạo động cơ 4 kỳ cải tiến có xu páp hình nấm và 2 xylanh nghiêng kiểu chữ V.
- 1890: Wilhelm Mayback chế tạo động cơ4 kỳ, 4 xylanh đầu tiên
Thiết kế động cơ và thiết kế ôtô là hai yếu tố không thể tách rời, khi hầu hết các nhà thiết kế động cơ hàng đầu cũng tham gia vào thiết kế xe ôtô và nhiều người trong số họ đã trở thành nhà sản xuất ôtô lớn nhất thế giới Các nhà sáng chế và phát minh của họ đã đóng góp quan trọng vào sự phát triển của ôtô với động cơ đốt trong, tạo nên những bước tiến quan trọng trong lịch sử ngành công nghiệp ôtô.
CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ Ô TÔ
1.2.1 Khái quát các hệ thống điều khiển động cơ ô tô.
Sơ đồ cấu trúc và các khối chức năng:
Hình 1.1: Sơ đồ các khối chức năng
Hệ thống điều khiển động cơ theo chương trình được minh họa qua sơ đồ các khối chức năng trên hình 1.1, bao gồm các thành phần chính như ngõ vào với các cảm biến, hộp ECU đóng vai trò là bộ não của hệ thống và có thể tích hợp hoặc không tích hợp bộ vi xử lý, cùng với ngõ ra là các cơ cấu chấp hành như kim phun.
Động cơ xăng tạo ra công suất thông qua chu trình giãn nở của hỗn hợp xăng và không khí, với ba yếu tố quan trọng là hỗn hợp hòa khí tốt, nén tốt và đánh lửa tốt Để đạt được cả ba yếu tố này đồng thời, điều khiển chính xác đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra hỗn hợp hòa khí và thời điểm đánh lửa phù hợp.
Hệ thống điều khiển động cơ hiện đại không chỉ giới hạn ở EFI (Phun nhiên liệu bằng điện tử) như năm 1981, mà còn bao gồm nhiều hệ thống khác được điều khiển bằng máy tính như ESA (Đánh lửa sớm bằng điện tử), ISC (Điều khiển tốc độ chạy không tải) và các hệ thống chẩn đoán Để máy tính hoạt động hiệu quả, cần có một hệ thống toàn diện bao gồm các thiết bị đầu vào và đầu ra, trong đó các cảm biến như cảm biến nhiệt độ nước hoặc cảm biến lưu lượng khí nạp đóng vai trò quan trọng Các bộ chấp hành như kim phun hoặc IC đánh lửa cũng là thành phần không thể thiếu, và tất cả chúng đều được kết nối với ECU động cơ (Môđun điều khiển động cơ) thông qua các dây dẫn điện Chỉ khi ECU động cơ xử lý các tín hiệu vào từ các cảm biến và truyền các tín hiệu điều khiển đến các bộ chấp hành, toàn bộ hệ thống mới có thể hoạt động như một hệ thống điều khiển bằng máy tính.
1.2.2 Hê thống phun xăng điện tử.
1.2.1.1 Sơ đồ cấu trúc và các khối chức năng.
Hệ thống gồm có 3 thành phần chính: Các loại cảm biến và tín hiệu đầu vào,
Bộ điều khiển điện tử ECU, và thành phần cơ cấu chấp hành.
Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống phun xăng điện tử
- Cảm biến và tín hiệu đầu vào.
Cảm biến và các tín hiệu đầu vào đóng vai trò quan trọng trong việc xác định trạng thái làm việc của động cơ trong quá trình hoạt động Quá trình này liên quan đến việc chuyển đổi các đại lượng vật lý thành tín hiệu điện, giúp hệ thống có thể nhận biết và xử lý thông tin một cách chính xác.
ECU xử lý thông tin từ cảm biến bằng cách so sánh với bộ dữ liệu tối ưu được lập trình sẵn trong bộ vi xử lý Quá trình này cho phép ECU tính toán và đưa ra tín hiệu điều khiển chính xác cho các cơ cấu chấp hành Thông qua các tín hiệu điện, ECU điều khiển hoạt động của các cơ cấu này một cách hiệu quả.
ECU cũng được kết nối với các hệ thống điều khiển khác và hệ thống chuẩn đoán trên xe.
Cơ cấu chấp hành chuyển các tín hiệu điện từ ECU thành các chuyển động cơ khí hoặc các chuyển động điện.
Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc và các khối chức năng hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ
1.2.1.2 Thuật toán điều khiển lập trình phun xăng.
Thuật toán điều khiển lập trình cho động cơ được nhà chế tạo viết và cài đặt sẵn trong CPU, cho phép ECU tính toán dựa trên lập trình có sẵn để đưa ra những tín hiệu điều khiển tối ưu cho động cơ Tùy thuộc vào từng chế độ làm việc hay tình trạng động cơ, ECU sẽ thực hiện các tính toán cần thiết để đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả và ổn định.
Các hệ thống điều khiển kiểu cổ điển trên ô tô thường được thiết kế dựa trên nguyên tắc phản hồi ngược (feedback control) để đảm bảo hoạt động chính xác và ổn định Trong một hệ thống điều khiển, có nhiều thông số phụ thuộc vào nhau, tuy nhiên để đơn giản hóa việc phân tích, chúng ta có thể bắt đầu bằng việc xem xét hệ thống với một thông số chính Sơ đồ nguyên lý của hệ thống này cung cấp cái nhìn tổng quan về cách thức hoạt động của nó, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cơ chế điều khiển.
Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển phun xăng với phản hồi ngược
Thông số điều khiển xuất hiện ở đầu ra được ký hiệu là ξ(t), trong khi tín hiệu so r(t) đã được định sẵn Cảm biến sẽ đưa ra tín hiệu Vξ(t) có mối quan hệ tỷ lệ thuận với ξ(t), thể hiện qua mối liên hệ trực tiếp giữa hai tín hiệu này.
Khi đó sẽ xuất hiện sự chênh lệch điện thế giữa tín hiệu thực và tín hiệu so :
Trong một hệ thống làm việc lý tưởng, giá trị chênh lệch giữa các tín hiệu nên bằng 0 trong một khoảng thời gian nhất định, chẳng hạn như khi động cơ đã ổn định Tuy nhiên, trên thực tế, sự chênh lệch này luôn tồn tại và mạch điều khiển điện tử sẽ dựa vào sự chênh lệch này để tạo ra xung điều khiển cho cơ cấu chấp hành, chẳng hạn như vòi phun Sự thay đổi này sẽ ảnh hưởng đến thông số đầu vào U(t) của động cơ, chẳng hạn như tỷ lệ hòa khí, và từ đó tác động đến quá trình điều khiển phun xăng.
Việc lựa chọn thuật toán điều khiển phun xăng phụ thuộc vào các yếu tố mà nhà chế tạo ưu tiên như:
1.2.3 Hệ thống điều khiển tốc độ chạy không tải.
Hệ thống ISC (Điều khiển tốc độ không tải) hoạt động thông qua một mạch đi tắt đặc biệt, cho phép lượng không khí hút vào được kiểm soát một cách chính xác Trong đó, ISCV (Van điều chỉnh tốc độ không tải) đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh lượng không khí hút từ mạch đi tắt, đảm bảo tốc độ không tải của động cơ được tối ưu hóa.
- Hệ thống ISC gồm có van ISCV, ECU động cơ, các cảm biến và công tắc khác nhau.
- Van ISC dùng tín hiệu từ ECU động cơ để điều khiển động cơ ở tốc độ không tải tối ưu tại mọi thời điểm.
Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ chạy không tải
1.2.3.2 Chức năng của ISC. a Điều khiển khởi động.
Hình 1.7: Sơ đồ và đồ thị biểu diễn độ mở van ISC điều khiển khi khởi động
Khi ECU động cơ nhận được tín hiệu khởi động, nó xác định rằng động cơ đang khởi động và mở van ISC để tăng khả năng khởi động, quá trình này được điều khiển dựa trên tín hiệu tốc độ động cơ và tín hiệu nhiệt độ nước làm mát, đảm bảo động cơ khởi động hiệu quả và an toàn.
Hình 1.8: Sơ đồ và đồ thị biểu diễn tốc độ chạy không tải điều khiển hệ thống khi hâm nóng
Khi khởi động động cơ, ECU động cơ mở van ISC dựa trên nhiệt độ của nước làm mát để tăng tốc độ chạy không tải Khi nhiệt độ nước làm mát tăng lên, ECU động cơ điều khiển van ISC đóng lại để điều chỉnh tốc độ chạy không tải Điều này giúp khắc phục tình trạng tốc độ chạy không tải không ổn định khi động cơ nguội do ảnh hưởng của độ nhớt dầu động cơ cao và độ tơi nhiên liệu kém.
Để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định, tốc độ chạy không tải cần được tăng cao hơn mức bình thường, và điều này được gọi là chạy không tải nhanh Ngoài ra, việc điều khiển phản hồi cũng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của động cơ.
Điều khiển phản hồi là quá trình so sánh tốc độ không tải chuẩn được lưu trong ECU động cơ với tốc độ không tải thực tế, sau đó điều chỉnh ISCV để hiệu chỉnh tốc độ chạy không tải thực tế đến tốc độ chạy không tải chuẩn Ngoài ra, điều khiển dự tính sự thay đổi tốc độ của động cơ sẽ dự đoán sự thay đổi tốc độ không tải tương ứng với tải trọng của động cơ và điều khiển van ISC tương ứng Điều này giúp duy trì tốc độ chạy không tải ổn định ngay cả khi có sự thay đổi về tải trọng của động cơ, chẳng hạn như khi chuyển số hoặc khi các bộ phận điện như đèn hậu, bộ làm tan sương hoặc máy điều hòa nhiệt độ hoạt động.
1.2.4 Hệ thống tuần hoàn khí xả.
Hệ thống EGR (Exhaust Gas Recirculation System) hoạt động bằng cách tái tuần hoàn một phần khí xả vào hệ thống nạp khí, giúp làm chậm quá trình lan truyền ngọn lửa trong buồng đốt do khí xả chủ yếu là trơ và không cháy được Khi trộn lẫn khí xả với hỗn hợp không khí - nhiên liệu, nhiệt độ cháy cũng giảm xuống, từ đó giảm lượng NOx sinh ra do khí trơ hấp thụ nhiệt toả ra.
Hình 1.10: Sơ đồ hệ thống tuần hoàn khí xả EGR
+ Khi áp suất chân không tác động lên van của EGR, van này mở ra và khí xả được tái tuần hoàn
+ Áp suất chân không tác động lên van EGR lại được điều khiển theo nhiệt độ chất làm mát động cơ hoặc góc mở của bướm ga.
- Khi động cơ nguội và khi động cơ chạy không tải.
CÁC CHỈ TIÊU KHÍ THẢI ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỘNG CƠ Ô TÔ
1.3.1 Tiêu chuẩn khí thải ở Mỹ cho xe con và xe tải nhẹ. a Tiêu chuẩn năm 1987÷2003
Bảng 1.1: Tiêu chuẩn liên Bang Mỹ cho xe tải nặng
Chuẩn EPA cho xe tải nặng ,g/bhp (g/mlh)
Năm HC CO NO x PM Động cơ xe tải nặng sản xuất trong các năm
1998 1,3 15,5 4,00 0,10 Động cơ xe bus chạy trong thành phố sản xuất trong các năm
1998 1,3 15,5 4,0 0,05 b Tiêu chuẩn năm 2004 và sau này
Xa lộ và xe bus trong thành phố được áp dụng tiêu chuẩn khí thải mới bắt đầu từ năm 2004 và các năm sau đó Mục tiêu chính của tiêu chuẩn này là giảm thiểu lượng NOx phát thải từ động cơ xe tải trên xa lộ xuống mức chỉ khoảng 2 g/bph.hr (g/mã lực.h), góp phần cải thiện chất lượng không khí và bảo vệ môi trường.
Bảng 1.2: Tiêu chuẩn EPA cho động cơ diesel chạy trên xa lộ
Chuẩn EPA cho độngcơ diesel của xe tải chạy trên xa lộ năm 2004
1.3.2 Tiêu chuẩn khí thải ở Châu Âu.
1.3.2.1 Tiêu chuẩn Châu Âu cho xe con và xe tải nhẹ
Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu quy định cụ thể các mức giới hạn cho xe con và xe tải nhẹ, áp dụng cho xe con có số chỗ ngồi từ 1 đến 6 và xe tải nhẹ có trọng lượng không vượt quá 2,5 tấn Các mức giới hạn này được đo lường theo đơn vị gram trên kilômét (g/km) để đánh giá mức độ khí thải của xe.
Năm CO HC HC+NO x NO x PM
1.3.2.2 Tiêu chuẩn Châu Âu cho xe tải hạng nặng.
Bảng 1.4: Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu cho xe tải nặng Đơn vị tính g/km
Tiêu chuẩn Năm Chu trình thử CO HC NO x PM Độ khói
1.3.3 Tiêu chuẩn hiện đang áp dụng tại Việt Nam.
Từ năm 2007 đến nay thì Việt Nam cũng áp dụng tiêu chuẩn Euro 2 củaChâu Âu để hạn chế lượng độc hại phát ra từ ôtô.
CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Trên thế giới, thiết kế các cụm tổng thành hệ thống đánh lửa sớm điện tử thường đi kèm với quá trình chế tạo, sản xuất và lắp ráp Để hệ thống ESA hoạt động hiệu quả, điều khiển hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được thời điểm đánh lửa lý tưởng, giúp động cơ khởi động dễ dàng, vận hành không tải êm dịu, đồng thời tăng công suất và giảm thiểu lượng khí thải ra môi trường.
Một số nhà nghiên cứu đã thực hiện các nghiên cứu về công nghệ động cơ ô tô thân thiện với môi trường Chẳng hạn, John J.Moskwa đã xây dựng mô hình điều khiển động cơ ô tô và khảo sát hiệu suất của động cơ khi hoạt động Trong khi đó, Johan E Hustad đã áp dụng hệ thống tuần hoàn khí xả cho động cơ ô tô để giảm thiểu lượng khí thải CO2 ra ngoài môi trường.
Một số nhà nghiên cứu đã đóng góp đáng kể vào việc cải tiến hệ thống động cơ Saothair đã cải tiến hệ thống phun nhiên liệu điện tử trên động cơ, trong khi Emiliano Pipitone và Alberto Beccari đã xây dựng bộ điều khiển phản hồi sử dụng trong hệ thống đánh lửa điện tử Ngoài ra, Anna Stefanopoulou đã xây dựng mô hình và bộ điều khiển các công nghệ tiên tiến sử dụng trên động cơ, và Lars Eriksson đã xây dựng mô hình hệ thống đánh lửa và kiểm soát lượng khí xả thoát ra môi trường Những đóng góp này đã giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu tác động môi trường của động cơ.
Michael J Lance, John M.E Storey, C Scott Sluder, Samuel A, Lewis Sr., và Hassina Bilheux đã nghiên cứu và phát triển hệ thống làm mát trong hệ thống tuần hoàn khí xả động cơ Ở Việt Nam, các kỹ sư đã tham khảo các tài liệu kỹ thuật của các hãng xe và tài liệu nước ngoài để nghiên cứu sơ đồ nguyên lý và kết cấu của hệ thống đánh lửa sớm điện tử trên ô tô Qua đó, họ đã xây dựng quy trình bảo dưỡng, chẩn đoán và sửa chữa hệ thống một cách hiệu quả.
Một số tài liệu tham khảo quan trọng trong lĩnh vực ô tô bao gồm tài liệu chẩn đoán, bảo dưỡng, sửa chữa xe Toyota (2009) của Toyota, cũng như các công trình nghiên cứu về kết cấu và tính toán các cụm tổng thành, hệ thống trên ô tô của Trịnh Chí Thiện và Nguyễn Văn Bang Ngoài ra, Nguyễn Duy Tiến đã tìm hiểu sâu về kết cấu và tính toán các cụm tổng thành trong động cơ đốt trong, trong khi Đào Mạnh Hùng đã trình bày chi tiết về trang bị điện và các thiết bị tự động điều khiển trên ô tô Cuối cùng, Nguyễn Hoàng Hải đã xây dựng bài giảng về Matlab/simulink và ứng dụng của nó trong lĩnh vực ô tô.
Các tài liệu có trình bày các phương án thiết kế, cải tạo động cơ diezel, động cơ xăng, thiết kế hệ thống ESA cho động cơ.
Thực hiện mô phỏng hệ thống đánh lửa sớm điện tử trên các phần mềm mô phỏng và đánh giá chất lượng động cơ khi sử dụng hệ thống.
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA SỚM ĐIỆN TỬ TRÊN ĐỘNG CƠ Ô TÔ
KHÁI QUÁT HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA SỚM ĐIỆN TỬ
2.1.1 Tổng quan về hệ thống đánh lửa
Trong động cơ xăng, hỗn hợp không khí - nhiên liệu được đánh lửa để tạo ra áp lực đẩy piston xuống, biến năng lượng nhiệt thành động lực hiệu quả Để đạt hiệu suất cao nhất, áp lực nổ cực đại cần được phát sinh khi trục khuỷu ở vị trí 10 độ sau điểm chết trên (ATDC) Do đó, thời điểm đánh lửa cần được điều chỉnh để tạo ra áp lực nổ cực đại vào thời điểm này Tuy nhiên, thời điểm đánh lửa tối ưu thường thay đổi tùy thuộc vào điều kiện làm việc của động cơ.
Hình 2.1: Góc đánh lửa sớm
Góc đánh lửa sớm là góc quay của trục khuỷu động cơ tính từ thời điểm xuất hiện tia lửa tại bougie cho đến khi piston lên tới ĐCT
Góc đánh lửa sớm đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định công suất, tính kinh tế và độ ô nhiễm của khí thải động cơ Để đạt được hiệu suất tối ưu, góc đánh lửa sớm cần được điều chỉnh dựa trên nhiều yếu tố khác nhau.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đánh lửa của động cơ bao gồm áp suất buồng đốt tại thời điểm đánh lửa, nhiệt độ buồng đốt, áp suất trên đường ống nạp, nhiệt độ nước làm mát động cơ, nhiệt độ môi trường, số vòng quay của động cơ và chỉ số octan của động cơ xăng Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ và đảm bảo quá trình đốt cháy nhiên liệu diễn ra hiệu quả.
- Quá trình cháy của hòa khí:
Quá trình bốc cháy của hỗn hợp không khí - nhiên liệu không diễn ra ngay lập tức sau khi đánh lửa, mà bắt đầu từ một khu vực nhỏ ở sát tia lửa và lan ra khu vực xung quanh Giai đoạn từ khi hỗn hợp không khí - nhiên liệu được đánh lửa cho đến khi nó bốc cháy được gọi là giai đoạn cháy trễ, đo gần như không thay đổi và không bị ảnh hưởng bởi điều kiện làm việc của động cơ.
Hình 2.2: Giai đoạn cháy trễ của hòa khí
+ Giai đoạn lan truyền ngọn lửa
Sau khi hạt nhân ngọn lửa hình thành, ngọn lửa sẽ nhanh chóng lan truyền ra xung quanh với tốc độ lan truyền ngọn lửa, đánh dấu thời kỳ lan truyền ngọn lửa B-C-D.
Khi lượng không khí được nạp vào xy lanh tăng lên, hỗn hợp không khí-nhiên liệu trở nên đặc hơn, dẫn đến khoảng cách giữa các hạt giảm xuống và tốc độ lan truyền ngọn lửa tăng lên đáng kể.
Luồng hỗn hợp không khí-nhiên liệu xoáy lốc đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định tốc độ lan truyền ngọn lửa Khi luồng hỗn hợp này càng mạnh, tốc độ lan truyền ngọn lửa càng cao, từ đó đòi hỏi việc định thời đánh lửa sớm hơn Điều này đặt ra yêu cầu phải điều khiển thời điểm đánh lửa phù hợp với điều kiện làm việc của động cơ để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Hình 2.3: Giai đoạn lan truyền ngọn lửa
2.1.2 Công dụng, phân loại, yêu cầu
Hệ thống đánh lửa trên động cơ đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi nguồn điện xoay chiều hoặc một chiều có hiệu điện thế thấp (12 hoặc 24 V) thành các xung điện thế cao (từ 15.000 đến 40.000 V) Quá trình này cho phép tạo ra các xung điện thế cao được phân phối đến bugi của các xy lanh đúng thời điểm, từ đó tạo ra tia lửa điện cao thế để đốt cháy hòa khí.
Hệ thống đánh lửa bán dẫn hiện đang được sử dụng rộng rãi trên hầu hết các loại ô tô nhờ khả năng tạo ra tia lửa mạnh ở điện cực bugi, đáp ứng tốt các yêu cầu làm việc của động cơ và sở hữu tuổi thọ cao Quá trình phát triển của hệ thống đánh lửa điện tử đã dẫn đến sự ra đời của nhiều loại khác nhau, nhưng về cơ bản, chúng có thể được chia thành hai loại chính.
Trong hệ thống đánh lửa bán dẫn, các linh kiện điện tử được kết hợp thành một cụm mạch gọi là igniter, đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển mạch sơ cấp thông qua các tín hiệu đánh lửa Bộ phận này nhận tín hiệu điện áp và thực hiện việc đóng ngắt mạch một cách chính xác Hệ thống đánh lửa bán dẫn này thường được phân loại thành hai loại chính, mỗi loại có đặc điểm và ứng dụng riêng biệt.
Hệ thống đánh lửa bán dẫn có vít điều khiển là một thành phần quan trọng trong động cơ xe hơi, đóng vai trò điều khiển quá trình đánh lửa Vít điều khiển trong hệ thống này có cấu tạo tương tự như hệ thống đánh lửa truyền thống, nhưng chỉ tập trung vào nhiệm vụ điều khiển đóng mở, giúp đảm bảo quá trình đánh lửa diễn ra chính xác và hiệu quả.
- Hệ thống đánh lửa không có vít điều khiển: Công suất được điều khiển bằng một cảm biến đánh lửa. b Hệ thống đánh lửa bằng kỹ thuật số
Hệ thống đánh lửa bằng kỹ thuật số, còn được gọi là hệ thống đánh lửa chương trình, là một công nghệ hiện đại được sử dụng trong các động cơ ô tô Hệ thống này hoạt động dựa trên các tín hiệu từ cảm biến tốc độ động cơ, vị trí trục khuỷu, vị trí bướm ga, nhiệt độ động cơ và các thông số khác Bộ vi xử lý trung tâm (ECU - electronic control unit) sẽ thu thập và phân tích các tín hiệu này để điều khiển chính xác thời điểm đánh lửa, giúp động cơ hoạt động hiệu quả và tiết kiệm nhiên liệu.
- Mô tả chung hệ thống đánh lửa điện tử.
Tiếp điểm của hệ thống đánh lửa thông thường yêu cầu bảo dưỡng định kỳ vì chúng bị oxy hoá bởi các tia lửa trong quá trình sử dụng.
Hệ thống đánh lửa điện tử được thiết kế để loại bỏ nhu cầu bảo dưỡng định kỳ, giúp giảm đáng kể chi phí bảo dưỡng cho người sử dụng Trong hệ thống này, bộ phận phát tín hiệu được tích hợp trong bộ chia điện, thay thế cho cam và tiếp điểm truyền thống Bộ phận này sinh ra điện áp, điều khiển việc mở đánh lửa và ngắt dòng điện sơ cấp trong cuộn dây đánh lửa Ưu điểm của hệ thống đánh lửa điện tử là không có tiếp xúc giữa kim loại, do đó không xảy ra hiện tượng mòn hay sụt áp.
Một hệ thống đánh lửa làm việc tốt phải đảm bảo các yêu cầu sau :
Hệ thống đánh lửa đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra sức điện động thứ cấp đủ lớn để đảm bảo quá trình phóng điện qua khe hở bugi diễn ra hiệu quả trong tất cả các chế độ làm việc của động cơ.
- Tia lửa trên bougie phải đủ năng lượng và thời gian phóng để sự cháy bắt đầu.
- Góc đánh lửa sớm phải đúng trong mọi chế độ hoạt động của động cơ.
- Các phụ kiện của hệ thống đánh lửa phải hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ cao và độ rung xóc lớn.
Sự mài mòn điện cực bougie phải nằm trong khoảng cho phép.
KẾT CẤU HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA SỚM ĐIỆN TỬ
Hình 2.4: Bản đồ góc đánh lửa sớm và mô hình hệ thống
Hệ thống ESA (đánh lửa sớm điện tử) sử dụng ECU động cơ để xác định thời điểm đánh lửa chính xác dựa trên các tín hiệu từ cảm biến khác nhau Thời điểm đánh lửa tối ưu được tính toán bởi ECU động cơ dựa trên tốc độ động cơ và lưu lượng không khí nạp, sau đó được lưu trong bộ nhớ để phù hợp với tình trạng động cơ Trên cơ sở đó, ECU động cơ sẽ gửi tín hiệu đánh lửa tới IC đánh lửa để thực hiện quá trình đánh lửa hiệu quả.
Hệ thống ESA (Hệ thống Đánh lửa Điện tử) đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển quá trình đánh lửa của động cơ xe Hệ thống này bao gồm các cảm biến khác nhau, ECU động cơ, các IC đánh lửa, cuộn dây đánh lửa và các bugi Các cảm biến trong hệ thống ESA có vai trò quan trọng trong việc thu thập thông tin về điều kiện vận hành của động cơ, bao gồm tốc độ động cơ, nhiệt độ động cơ, áp suất khí nạp và các thông số khác.
- Cảm biến vị trí trục cam (tín hiệu G)
Cảm biến này phát hiện góc quay chuẩn và thời điểm của trục cam.
- Cảm biến vị trí trục khuỷu (tín hiệu NE)
Cảm biến này phát hiện góc quay trục khuỷu và tốc độ của động cơ.
- Cảm biến lưu lượng khí nạp hoặc cảm biến áp suất đường ống nạp (tín hiệu
Cảm biến này phát hiện khối lượng khí nạp hoặc áp suất đường ống nạp.
- Cảm biến vị trí bướm ga (tín hiệu IDL)
Cảm biến này phát hiện điều kiện chạy không tải.
- Cảm biến nhiệt độ nước (tín hiệu THW)
Cảm biến này phát hiện nhiệt độ của nước làm mát.
- Cảm biến kích nổ (tín hiệu KNK)
Cảm biến này phát hiện tình trạng của kích nổ.
- Cảm biến oxy (tín hiệu OX)
Cảm biến này phát hiện nồng độ của oxy trong khí xả. b Vai trò của ECU động cơ
ECU động cơ đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán và điều khiển thời điểm đánh lửa tối ưu dựa trên các tín hiệu nhận được từ các cảm biến Sau đó, ECU truyền tín hiệu đánh lửa (IGT) đến IC đánh lửa, giúp đảm bảo quá trình đốt cháy nhiên liệu diễn ra hiệu quả và ổn định IC đánh lửa có vai trò quan trọng trong việc nhận và thực hiện tín hiệu đánh lửa từ ECU, giúp động cơ hoạt động trơn tru và đạt hiệu suất cao.
IC đánh lửa nhận tín hiệu IGT từ ECU động cơ và thực hiện ngắt dòng điện sơ cấp trong cuộn đánh lửa một cách gián đoạn, đồng thời gửi tín hiệu xác nhận đánh lửa IGF trở lại ECU động cơ để đảm bảo quá trình đánh lửa diễn ra chính xác và hiệu quả.
ECU động cơ xác định thời điểm đánh lửa dựa vào tín hiệu G, tín hiệu NE và các tín hiệu từ các cảm biến khác, sau đó gửi tín hiệu IGT đến IC đánh lửa để kích hoạt quá trình đánh lửa Quá trình này được thực hiện thông qua việc gửi tín hiệu IGT đến IC đánh lửa, làm cho dòng điện sơ cấp chạy vào cuộn dây đánh lửa và tạo ra dòng điện cao áp khi tín hiệu IGT tắt đi Hiện nay, hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS) là loại mạch đánh lửa phổ biến nhất, cho phép ECU động cơ phân phối dòng điện cao áp đến các xi lanh theo trình tự đánh lửa, từ đó tạo ra việc điều chỉnh thời điểm đánh lửa có độ chính xác cao.
2.2.2.1 Tín hiệu IGT và IGF a Tín hiệu IGT
ECU động cơ tính toán thời điểm đánh lửa tối ưu dựa trên các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau và truyền tín hiệu IGT đến IC đánh lửa Tín hiệu IGT được bật ON ngay trước khi thời điểm đánh lửa được tính toán và sau đó tắt đi, kích hoạt bugi đánh lửa khi tín hiệu IGT bị ngắt.
Hình 2.5: Thời điểm phát tín hiệu IGT
Hình 2.6: Trình tự đánh lửa của động cơ b Tín hiệu IGF
Bộ IC cấp đánh lửa gửi tín hiệu IGF đến ECU động cơ thông qua lực điện động ngược tạo ra khi dòng sơ cấp đến cuộn đánh lửa bị ngắt hoặc bằng giá trị dòng điện sơ cấp Khi ECU động cơ nhận được tín hiệu IGF, nó xác định rằng quá trình đánh lửa đã xảy ra, dù điều này không đảm bảo rằng đánh lửa thực sự đã diễn ra Nếu ECU động cơ không nhận được tín hiệu IGF, chức năng chẩn đoán sẽ được kích hoạt, lưu trữ mã DTC trong ECU động cơ và kích hoạt chức năng an toàn để ngừng phun nhiên liệu.
2.2.2.1 Điều khiển thời điểm đánh lửa
Việc điều khiển thời điểm đánh lửa gồm 2 việc điều khiển cơ bản: a Điều khiển khi khởi đông
Khi động cơ khởi động, tốc độ quay thấp và lưu lượng không khí nạp vào chưa ổn định, do đó không thể dựa vào tín hiệu VG và PIM để điều chỉnh thời điểm đánh lửa Vì vậy, thời điểm đánh lửa được thiết lập tại góc thời điểm đánh lửa ban đầu để đảm bảo quá trình khởi động diễn ra ổn định và hiệu quả.
Hình 2.7: Sơ đồ điều khiển khi khởi động
Góc đánh lửa ban đầu được điều chỉnh trong IC dự chữ của ECU động cơ.
Tín hiệu Ne đóng vai trò quan trọng trong việc xác định quá trình khởi động động cơ Khi động cơ đang được khởi động, tín hiệu Ne sẽ gửi thông báo về tốc độ động cơ, thường là 500 vòng/phút hoặc nhỏ hơn, giúp xác định rằng động cơ đang trong quá trình khởi động.
Tùy thuộc vào loại động cơ, ECU động cơ sẽ xác định quá trình khởi động khi nhận được tín hiệu máy khởi động (STA), từ đó điều khiển các quá trình quan trọng như đánh lửa sau khi khởi động, đảm bảo động cơ hoạt động ổn định và hiệu quả.
Điều chỉnh đánh lửa sau khi khởi động là quá trình điều chỉnh động cơ đang chạy sau khi khởi động, giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ Quá trình này được thực hiện bằng cách điều chỉnh góc thời điểm đánh lửa ban đầu và góc thời điểm đánh lửa sớm cơ bản, nhằm đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả và ổn định.
Thời điểm đánh lửa = góc thời điểm đánh lửa ban đầu + Góc đánh lửa sớm + Góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh.
Sau khi thực hiện điều chỉnh đánh lửa sau khi khởi động, tín hiệu IGT được bộ vi xử lý tính toán và truyền qua IC dự chữ này.
2.2.2.2 Góc đánh lửa sớm cơ bản
Góc đánh lửa sớm cơ bản được xác định thông qua các tín hiệu quan trọng như Ne, VG hoặc PIM Đặc biệt, tín hiệu Ne và tín hiệu VG đóng vai trò then chốt trong việc xác định góc đánh lửa sớm cơ bản và được lưu trữ trong bộ nhớ của ECU, đảm bảo quá trình vận hành của động cơ được tối ưu hóa.
Hình 2.9: Xác định góc dánh lửa sớm cơ bản. a Điều khiển khi tín hiệu IDL bật ON
Khi tín hiệu IDL được bật ON, thời điểm đánh lửa sớm sẽ được xác định dựa trên tốc độ động cơ, mang lại hiệu suất tối ưu Tuy nhiên, đối với một số kiểu động cơ, thời điểm đánh lửa sớm còn phụ thuộc vào trạng thái của công tắc điều hòa, cụ thể là bật ON hay tắt OFF.
Thời điểm đánh lửa được xác định theo tín hiệu Ne và VG đã được lưu trong bộ nhớ của ECU động cơ.
Tùy thuộc vào động cơ, hệ thống ECU sẽ lưu trữ hai góc đánh lửa sớm khác nhau Dữ liệu từ một trong hai góc này sẽ được sử dụng để xác định góc đánh lửa sớm phù hợp dựa trên chỉ số ốc tan của nhiên liệu, cho phép người lái tận dụng các dữ liệu phù hợp với loại nhiên liệu đang sử dụng.
Một số động cơ hiện đại có khả năng đánh giá chỉ số ốc tan của nhiên liệu và tự động điều chỉnh thời điểm đánh lửa dựa trên tín hiệu KNK (tiếng gõ động cơ chuyển thành tín hiệu điện áp) Điều này giúp động cơ hoạt động hiệu quả và ổn định hơn, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực của nhiên liệu có chỉ số ốc tan thấp.
2.2.2.3 Điều khiển góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh a Hiệu chỉnh khi hâm nóng
Hình 2.10: Hiệu chỉnh khi hâm nóng
MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA SỚM ĐIỆN TỬ
a Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U
Hiệu điện thế thứ cấp cực đại là giá trị điện thế cực đại đo được ở hai đầu cuộn dây thứ cấp khi tách dây cao áp ra khỏi bugi, đảm bảo đủ lớn để tạo ra tia lửa điện giữa hai điện cực của bugi, đặc biệt quan trọng trong quá trình khởi động.
Hiệu điện thế thứ cấp nơi xảy ra quá trình đánh lửa được gọi là hiệu điện thế đánh lửa Đây là một hàm phụ thuộc vào nhiều yếu tố và tuân theo định luật Pashen, quyết định quá trình đánh lửa trong các hệ thống điện.
: Là áp suất buồng đốt tại thời điểm đánh lửa.
Nhiệt độ ở điện cực trung tâm của bugi tại thời điểm đánh lửa đóng vai trò quan trọng trong quá trình khởi động động cơ Hằng số phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp hòa khí cũng ảnh hưởng đến hiệu suất đánh lửa Đặc biệt, ở chế độ khởi động lạnh, hiệu điện thế đánh lửa tăng khoảng 20% đến 30% do nhiệt độ điện cực bugi thấp, đòi hỏi phải có một hệ thống đánh lửa mạnh mẽ để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định.
Khi động cơ tăng tốc độ, điện áp đánh lửa (Uđl) ban đầu tăng do áp suất nén tăng cao Tuy nhiên, sau đó điện áp đánh lửa giảm dần do nhiệt độ điện cực bougie tăng lên và áp suất nén giảm đi do quá trình nạp khí ngày càng xấu đi.
Hiệu điện thế đánh lửa đạt giá trị cực đại khi động cơ hoạt động ở chế độ khởi động và tăng tốc, trong khi đó, nó đạt giá trị cực tiểu khi động cơ hoạt động ở chế độ ổn định với công suất cực đại.
Trong quá trình vận hành xe mới, sau 2.000 km đầu tiên, điện áp đánh lửa (Uđl) tăng 20% do điện cực bougie bị mài mòn Sự mài mòn này tiếp tục làm tăng Uđl do khe hở bougie tăng lên Để giảm thiểu tình trạng này, việc hiệu chỉnh lại khe hở bougie sau mỗi 10.000 km là cần thiết, đặc biệt là đối với loại bougie điện cực thường.
Hình 2.39: Sự phụ thuộc của hiệu điện thế đánh lửa vào tốc độ và tải của động cơ
1.Toàn tải ; 2 Nửa tải ; 3 Tải nhỏ ; 4 Khởi động và cầm chừng c Hệ số dự trữ K
Hệ số dự trữ là tỷ số giữa hiệu điện thế cực đại và hiệu điện thế đánh lửa :
Đối với hệ thống đánh lửa thường, hệ số dự trữ đánh lửa thường nhỏ hơn 1,5 do áp suất nén thấp Tuy nhiên, trên những động cơ xăng hiện đại với hệ thống đánh lửa điện tử, hệ số này có giá trị cao hơn, cho phép tăng tỷ số nén, tăng số vòng quay và tăng khe hở bougie Điều này cũng góp phần tăng năng lượng dự trữ W, giúp động cơ hoạt động hiệu quả hơn.
Năng lượng dự trữ là năng lượng tích lũy dưới dạng từ trường trong cuộn dây sơ cấp của bobine, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tia lửa điện có đủ năng lượng để đốt cháy hoàn toàn hòa khí Để đạt được hiệu suất cháy tối ưu, hệ thống đánh lửa phải duy trì năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp của bobine ở một giá trị xác định, giúp đảm bảo quá trình đốt cháy diễn ra hiệu quả và ổn định.
: Năng lượng dự trữ trên cuộn sơ cấp.
: Độ tự cảm của cuộn sơ cấp của bobine.
: Cường độ dòng điện sơ cấp tại thời điểm transistor công suất ngắt. e Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S
S: Là tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp : Độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp.
: Thời gian biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp.
Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S càng lớn thì tia lửa điện xuất hiện ở điện cực bougie càng mạnh, giúp dòng điện không bị rò qua muội than trên điện cực bougie, từ đó giảm năng lượng tiêu hao trên mạch thứ cấp Đối với động cơ xăng 4 kỳ, tần số đánh lửa, hay số tia lửa trong một giây, là một yếu tố quan trọng được xác định bởi công thức cụ thể.
(2.5) Đối với động cơ 2 kỳ:
: Số vòng quay trục khuỷu động cơ (min ) Z: Số xylanh động cơ
Chu kỳ đánh lửa : là thời gian giữa hai lần xuất hiện tia lửa.
: Thời gian vít ngậm hay transistor công suất bão hòa.
: Thời gian vít hở hay transistor công suất ngắt.
Tần số đánh lửa tỷ lệ thuận với tốc độ quay của trục khuỷu động cơ và số xy lanh, vì vậy khi tăng số vòng quay và số xy lanh, tần số đánh lửa cũng tăng theo, dẫn đến giảm chu kỳ đánh lửa Điều này đòi hỏi người thiết kế phải chú ý đến cả chu kỳ và tần số đánh lửa để đảm bảo tia lửa vẫn đủ mạnh ở số vòng quay cao nhất của động cơ.
Góc đánh lửa sớm là khoảng thời gian mà trục khuỷu động cơ quay từ thời điểm xuất hiện tia lửa điện tại bugi cho đến khi piston đạt điểm chết trên, đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Góc đánh lửa sớm đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định công suất, tính kinh tế và mức độ ô nhiễm của khí thải động cơ Để đạt được hiệu suất tối ưu, góc đánh lửa sớm cần được điều chỉnh dựa trên nhiều yếu tố khác nhau, đảm bảo sự cân bằng giữa công suất, hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
: Áp suất buồng đốt tại thời điểm đánh lửa.
: Áp suất trên đường ống nạp.
: Nhiệt độ nước làm mát động cơ.
: Số vòng quay của động cơ.
Chỉ số octan của động cơ xăng đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm Trên các xe đời cũ, góc đánh lửa sớm được điều khiển dựa trên hai thông số chính là tốc độ động cơ và tải động cơ Tuy nhiên, một số dòng xe như TOYOTA và HONDA đã trang bị thêm van nhiệt và bộ phận đánh lửa sớm theo chế độ nhiệt độ Trên các xe đời mới, góc đánh lửa sớm được điều khiển bằng điện tử, cho phép hiệu chỉnh chính xác dựa trên các thông số như tốc độ và tải động cơ, thể hiện rõ ràng trong bản đồ góc đánh lửa sớm.
Hình 2.40:Bản đồ góc đánh lửa sớm theo tốc độ và tải động cơ trên ô tô đời mới h Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện
Tia lửa điện thường bao gồm hai thành phần chính là thành phần điện dung và thành phần điện cảm, mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra năng lượng của tia lửa Năng lượng của tia lửa được tính toán dựa trên một công thức cụ thể, giúp xác định cường độ và hiệu quả của tia lửa điện trong các ứng dụng khác nhau.
W C : Năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện dung.
: Năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện cảm.
: Điện dung ký sinh của mạch thứ cấp của bougie.
: Hiệu điện thế đánh lửa.
: Độ tự cảm của mạch thứ cấp.
: Cường độ dòng điện mạch thứ câp.
Tùy thuộc vào loại hệ thống đánh lửa, năng lượng tia lửa có thể bao gồm cả hai thành phần điện cảm và điện dung, hoặc chỉ có một trong hai thành phần này, với thời gian phóng điện dài hoặc ngắn tương ứng.
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA SỚM ĐIỆN TỬ
GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK
Matlab (Matrix Laboratory) là một phần mềm mạnh mẽ, tích hợp các tính năng của một máy tính thường, máy tính khoa học và máy tính lập trình Với khả năng thực hiện các phép tính cơ bản như cộng, trừ, nhân, chia, Matlab cũng có thể tính toán các hàm số phức tạp như sin, cosin, tang, cotg, exp, loga và nhiều hơn nữa Ngoài ra, phần mềm này còn hỗ trợ thực hiện các vòng lặp và các câu lệnh điều khiển, giúp người dùng tạo ra các chương trình phức tạp và hiệu quả.
Hình 3.1: Giao diện phần mềm Matlab – Simulink
Matlab là ngôn ngữ lập trình được thiết kế để giúp việc lập trình trở nên nhanh chóng và dễ dàng hơn, đặc biệt là khi so sánh với các ngôn ngữ lập trình thông dụng khác như Pascal và Fortran Cấu trúc của các hàm sẵn có trong Matlab cũng tương tự như ngôn ngữ C++, giúp người dùng tiết kiệm thời gian học hỏi khi đã có kiến thức cơ bản về lập trình Ngoài ra, Matlab không chỉ cho phép thực hiện các phép tính toán mà còn cung cấp khả năng xử lý số liệu, biểu diễn đồ họa một cách linh hoạt và chính xác trong cả không gian 2D và 3D, cũng như khả năng tạo hoạt cảnh sinh động thông qua các công cụ như thư viện chuẩn và hàm sẵn có cho các ứng dụng đa dạng.
Hình 3.2: Giao diện khi khởi động phần mềm Matlab
Simulink là một phần mềm mạnh mẽ thuộc phần mềm Matlab, cho phép mô hình hóa, mô phỏng và phân tích hệ thống động theo hướng lập trình đối tượng Với khả năng mô tả hệ thống tuyến tính, phi tuyến, mô hình thời gian liên tục, gián đoạn hoặc kết hợp cả hai, Simulink cũng hỗ trợ hệ thống có nhiều tốc độ khác nhau, cho phép các phần khác nhau lấy mẫu và cập nhật số liệu ở tốc độ riêng biệt Để mô hình hóa, Simulink cung cấp giao diện đồ họa thân thiện, cho phép xây dựng mô hình như một sơ đồ khối bằng cách "nhấn và kéo" chuột, giúp người dùng dễ dàng tạo mô hình mà không cần phải nhập các phương trình vi phân và sai phân bằng ngôn ngữ lập trình.
Lập trình trên Simulink sử dụng các đối tượng đồ họa gọi là Graphic Programming Unit, được xây dựng dựa trên cơ sở của các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc thay đổi giá trị các thuộc tính trong những khối thành phần Ưu điểm lớn nhất của loại hình lập trình này là tính trực quan, dễ viết và hình dung, đặc biệt phù hợp với những người lập trình không chuyên nghiệp hoặc không muốn bỏ nhiều thời gian để học một ngôn ngữ lập trình mới.
Sau khi tạo lập mô hình, người sử dụng có thể mô phỏng nó trong Simulink bằng cách nhập lệnh trong cửa sổ lệnh của Matlab hoặc sử dụng các menu có sẵn Việc sử dụng menu đặc biệt phù hợp cho các công việc có sự tác động qua lại lẫn nhau, trong khi sử dụng dòng lệnh thường được dùng khi chạy một loạt các mô phỏng Người sử dụng có thể xem kết quả trong khi chạy mô phỏng thông qua các bộ scope và khối hiển thị khác, đồng thời thay đổi các thông số một cách trực tiếp và nhận biết được các ảnh hưởng đến mô hình.
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA SỚM ĐIỆN TỬ
3.2.1 Mô hình mô phỏng hệ thống ESA
Các tín hiệu đầu vào quan trọng bao gồm góc mở bướm ga, tốc độ động cơ, thông số thay đổi mômen tải trọng và mômen động cơ, cũng như tỷ lệ không khí-nhiên liệu và khối lượng không khí vào đường ống nạp, đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Hình 3.3: Chương trình Matlab mô phỏng điều khiển hệ thống ESA
3.2.2 Mô hình tính toán lượng khí nạp vào đường ống nạp và khối điều khiển
3.2.2.1 Mô hình tính toán lượng khí nạp vào đường ống nạp
Phương trình mô tả quan hệ giữa tỷ lệ khối lượng không khí nạp vào đường ống nạp là một hàm của góc mở bướm ga và áp suất đường ống nạp, cung cấp một công cụ toán học để phân tích và dự đoán hiệu suất của hệ thống nạp khí.
(3.2) Trong đó: là hàm áp suất khí nạp
+ Nếu pm < pamb/2 thì g(pm) = 1
+ Nếu pamb/2 ≤ pm ≤ pamb thì g(pm) = 2/pamb
+ Nếu pamb ≤ pm ≤ 2pamb thì g(pm) = - 2/pamb
+ Nếu pm ≥2pamb thì g(pm) = 1
Với Pm là áp suất trên đường ống nạp, Pamb=1 bar là áp suất khí quyển, θ là góc mở bướm ga.
Mô hình này được thiết kế với các thông số đầu vào chính bao gồm góc mở bướm ga và áp suất đường ống nạp Thông số đầu ra quan trọng của mô hình là khối lượng khí nạp vào đường ống nạp, cung cấp thông tin cần thiết cho việc tối ưu hóa quá trình nạp khí.
Hình 3.4:Mô hình tính toán động học đường ống nạp
3.2.2.2 Mô hình tính toán lưu lượng khí nạp đi vào xylanh
Lưu lượng không khí nạp vào xilanh là hàm của tốc độ động cơ và áp suất đường ống nạp được cho bởi phương trình:
(3.3) Trong đó: N là tốc độ động cơ (vòng/phút).
Pm là áp suất đường ống nạp (bar)
Với: R_ Hằng số khí lý tưởng
Vm _Thể tích ống nạp [m 3 ]
_Tỷ lệ khối lượng lưu lượng không khí ra khỏi ống nạp [g/s]
_Tỷ lệ thay đổi của áp suất ống nạp [bar/s].s
Mô hình mô tả tính toán lưu lượng không khí nạp vào xilanh (g/s) được xây dựng dựa trên các thông số đầu vào quan trọng, bao gồm lưu lượng không khí vào đường ống nạp, áp suất đường ống nạp và tốc độ động cơ.
Hình 3.5: Mô hình tính toán lưu lượng khí nạp vào xylanh
3.2.2.3 Mô hình tính toán mô men động cơ Điều chỉnh công suất động cơ ta dựa vào các thông số cơ bản là góc đánh lửa sớm và lượng khí nạp vào buồng cháy xy lanh, tốc độ của động cơ và tỷ lệ hòa trộn nhiên liệu/không khí.
Ta có công thức xác định mô men xoắn của động cơ như sau:
T eng =-181.3 + 379.36.m a + 21.91.( ) – 0.85.( ) + 0.26.б - 0.0028 б + 0.027.N - 0.000107.N + 0.00048.N б + 2.55 б.m a - 0.05 б m a (3.5) Trong đó: ma_ Lượng không khí trong xy lanh để đốt cháy (g) ( ) _ Tỷ lệ nhiên liệu/ không khí б_ Góc đánh lửa sớm (độ)
Teng _ Mô men động cơ (N.m)
N_ Số vòng quay của động cơ ( rad/s)
Mô hình mô tả tính toán mô men động cơ đòi hỏi một số thông số đầu vào quan trọng, bao gồm khối lượng không khí nạp, khối lượng dòng nhiên liệu, góc đánh lứa sớm, tốc độ động cơ và tỷ lệ không khí/nhiên liệu.
Hình 3.6:Mô hình tính toán mô men động cơ
3.2.2.4 Mô hình xác định tốc độ động cơ
Phương trình xác định tốc độ động cơ: dω/dt = (T eng - T load )/J e (3.6)
Trong đó: Tload_ Mô men tải trọng ban đầu (N.m)
Je _Mô men quán tính khối lượng động cơ (kg.m 2 )
Hình3.7 : Mô hình tính toán tốc độ động cơ
3.2.2.5 Mô hình tính toán hệ số Lamda
Phương trình tính toán được mô tả bằng tỷ số giũa lượng không khí và lượng nhiên liệu vào đường ống nạp:
: Khối lượng không khí ban đầu nạp vào động cơ (g).
: Khối lượng nhiên liệu ban đầu đi vào động cơ (g).
Mô hình mô tả tính toán tỷ lệ không khí nhiên liệu và hệ số lamđa là một công cụ quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình đốt cháy nhiên liệu Với các thông số đầu vào chính gồm khối lượng không khí và khối lượng nhiên liệu, mô hình này giúp xác định tỷ lệ không khí nhiên liệu tối ưu và hệ số lamđa phù hợp, từ đó cải thiện hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Hình 3.8: Mô hình xác định hệ số lamđa.
KẾT QUẢ KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ
3.3.1 Lựa chọn đối tượng khảo sát: Để xác định góc đánh lửa sớm ở mỗi loại động cơ trên mỗi loại xe khác nhau thì đều phải dựa vào quá trình thực nghiệm kĩ lưỡng, quá trình xây dựng giá trị của góc đánh lửa sớm chủ yếu dựa vào hai yếu tố quan trọng và đặc trưng nhất là áp suất nạp và tốc độ động cơ Ta có giá trị của góc đánh lửa sớm theo tốc độ động cơ và áp suất nạp trên xe Honda Civic 2.0 như hình 3.9 [12].
Hình 3.9: Bản đồ góc đánh lửa sơm điện tử của động cơ ô tô Honda Civic 2.0
Từ các khối đã xây dựng, chúng ta có thể đi sâu vào khảo sát quá trình làm việc của hệ thống đánh lửa điện tử với các thông số ban đầu đã được xác định.
Bảng 3.1: Bảng thông số ban đầu của ô tô khảo sát
STT Ký hiệu Thông số Giá trị Đơn vị
1 Je Mô men quán tính khối lượng động cơ 0,2 Kg.m 2
2 Tmax Mô men lớn nhất của động cơ 188 N.m
3 Tmin Mô men cản của động cơ 20 N.m
4 Thetamax Góc mở toàn tải của bướm ga 90 Độ
5 Thetamin Góc mở bướm ga ở chế độ không tải 3 Độ
6 nmin Tốc độ động cơ ở chế độ không tải 800 Vòng/phút
7 nM Tốc độ lớn nhất của động cơ 4500 Vòng/phút
8 pOM Áp suất ban đầu trong đường ống nạp 0,5 Bar
9 pa Áp suất khí quyển 1 Bar
3.3.2 Kết quả mô phỏng: a- Góc mở bướm ga và góc đánh lửa sớm
Hình 3.9: Góc mở bướm ga(Độ) Hình 3.10: Góc đánh lửa sớm(deg)
Cùng với các thông số trên ta áp dụng điều kiện mô phỏng như sau:
Góc mở bướm ga có thể thay đổi linh hoạt từ giá trị nhỏ nhất là 3 độ đến góc mở toàn tải 90 độ trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó giảm dần về chế độ toàn tải.
Góc đánh lửa sớm của động cơ có thể thay đổi tùy thuộc vào góc mở bướm ga khi được điều khiển bởi ECU với tín hiệu Ctrl=1, hoặc giữ nguyên ở mức 15 độ khi tín hiệu Ctrl=0 Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến mô men động cơ và tốc độ động cơ, tạo ra sự khác biệt trong hiệu suất hoạt động của động cơ.
Hình 3.11: Mômen động cơ(Nm) Hình 3.12: Tốc độ động cơ(V/phút)
Nhờ có sự điều khiển tính toán góc đánh lửa sớm bằng ECU, tốc độ động cơ và mô men động cơ được cải thiện đáng kể so với khi không có điều khiển Điều này cho thấy rằng sự điều khiển của ECU đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu quả làm việc của động cơ, giúp nó hoạt động hiệu quả hơn so với khi không có sự điều khiển này.