Luận văn thạc sĩ: Thiết kế và thi công mô hình tạo Pan hệ thống phun xăng điện tử có giao tiếp máy tính

Đặt vấn đề

Với sự phát triển không ngừng của thế giới hiện nay trên tất cả các lĩnh vực Ngành công nghiệp ô tô có những bước tiến mạnh mẽ với những công nghệ tiên tiến hiện đại được trang bị trên ô tô Một chiếc ô tô hiện đại ngày ngay phải đáp ứng được các nhu cầu về tính tiện nghi, an toàn, kinh tế, thẩm mỹ và thân thiện với môi trường

Hệ thống phun xăng điện tử có những cải tiến vượt bật trong lĩnh vực công nghệ kỹ thuật ô tô đặc biệt là trong động cơ ô tô Các hệ thống ngày càng tiên tiến hiện đại đòi hỏi việc bảo trì bảo dưỡng và chẩn đoán chuyên sâu hơn Vì thế nên người kỹ thuật viên sửa chữa ô tô có một nền tảng kiến thức sâu Phun xăng điện tử đã được nhiều trường thực hiện giảng dạy và đào tạo Nhng đối với việc đào tạo ngành công nghệ kỹ thuật ô tô phải có một cách tiếp cận trực quan thực tế hơn về các hệ thống

Trong trường cao đẳng nghề đào tạo nghề công nghệ kỹ thuật ô tô với nhiều mô đun trong đó động cơ phun xăng là một trong những mô đun quan trọng và cần thiết cho học viên Được sự đầu tư phát triển của trường về ngành với mong muốn trau dồi kiến thức mới hiện đại hơn trong lĩnh vực ô tô Vì thế nên tác giả đã chọn đề tài: “Thiết kế và thi công mô hình tạo Pan hệ thống phun xăng điện tử có giao tiếp máy tính” với tâm quyết xây dựng sản phẩm của mình cho ngành công nghệ ô tô tại trường

Tổng quan các nghiên cứu liên quan

Thạc sĩ Ngô Thị Ánh Quỳnh với đề tài: Ứng dụng công nghệ Internet of thing trong thu thập đánh giá nhiệt độ và độ ẩm môi trường: Nội dung của đề tài là ứng dụng công nghệ IOT ( Internet of thing) để điều khiển các hệ thống từ xa

Thạc sĩ Nguyễn Hoàng Luân với đề tài: Nghiên cứu chế tạo các mạch tạo pan động cơ ô tô có giao tiếp với máy tính phục vụ giảng dạy; Nội dung nghiên cứu của đề tài là thiết kế chế tạo mô phỏng các đặt tính của cảm biến, thu thập tính hiệu cảm biến tín hiệu đầu vào và tạo PAN động cơ trên phần mềm LabVIEW

Thạc sĩ Đào Anh Quân Nghiên với đề tài: Điều khiển hệ truyền động động cơ điện một chiều bằng card Arduino ứng dụng để điều khiển chuyển động máy nông nghiệp nội dung của đề tài là khai thác ứng dụng Arduino để điều khiển hoạt động của động cơ nông nghiệp Hệ điều khiển tự động dùng card Arduino tạo ra một hệ truyền động số, kết hợp với tính thì hệ truyền động này sẽ rất thông minh vừa điều khiển vừa giám sát với đối tượng truyền động

1.2.2 Một số nghiên cứu ngoài nước Đề tài nghiên cứu: Simplified d-type electronic fuel injection (D-EFI) instruction model của tác giả JIMCEL P PECASO với nội dung Xây dựng và thi công mô hình hệ động cơ phun nhiên liệu loại D-EFI phục vụ việc giảng tại trường Cao đẳng và Đại học Bang (SUV) ở Philippines Đề tài nghiên cứu:Ddesign and development of electronic fuel injection control system program for single cylinder diesel engine của nhóm tác giả là SITTICHOMPOO S; THEINNOI K; SAWATMONGKHON B ở Trung tâm Công nghệ Đốt cháy và Năng lượng Thay thế CTAE, Trường Cao đẳng Công nghệ Công nghiệp, KMUTNB, Bangkok, Thái Lan với nội dung Nghiên cứu đánh giá về khí thải của động cơ diesel xi lanh đơn trên hai điều kiện là hệ thống phun nhiên liệu điều khiển bằng cơ và điện tử Các thực nghiệm cho thấy với hệ thống phun nhiên liệu điện tử tạo ra ít NOx hơn so với động cơ điều khiển bằng cơ là 50% Tuy nhiên, do áp suất phun cao hơn nên HC và CO tăng lên do sự tiếp xúc của nhiên liệu trên buồng đốt Đề tài: Application of an electronic fuel injection system to a single cylinder, four stroke engine Của tác giả GLENN MICHAEL AMBER với nội dung nghiên cứu ứng dụng hệ thống phun xăng điện tử cho động cơ 4 kỳ xy lanh đơn áp dụng trên động

3 cơ sử dụng bộ chế hòa khí Thực nghiệm phân tích đánh giá kết quả trước và sau khi khi cải tiến cho thấy phun nhiên liệu điện tử cải thiện khoảng 20% mô men xoắn và mã lực so với bộ chế hòa khí Đề tài : Direct training practical learning model on the teaching material diesel fuel injection system của nhóm tác giả ở trường đại học Universitas Negeri Semarang,

Indonesia với nội dung nghiên cứu triển khai chế tạo và phát triển mô động cơ diesel điện tử đào tạo học tập trên mô hình

Thiết bị do Dae sung G-3 Co.Ltd, Hàn Quốc sản xuất Đây là mô hình đào tạo động cơ phun xăng với nhiều chức được tích hợp trên mô hình song vẫn có nhiều hạn chế ở đối với một số cơ sở giáo dục nghề nghiệp

- Chi phí cao - Đối với chức năng giao tiếp chỉ qua cổng OBD II, chưa sử dụng được nhiều phần mềm giao tiếp khác Phần mềm tạo Pan còn hạn chế và thiết kế các bài tập thực hành chưa phong phú người học

Các đề tài trên có những phát minh mang tính mới và ứng dụng phần mềm Arduino và công nghệ Internet Of Thing kết nối với máy tính để điều khiển tạo các tình huống đã được thiết lặp sẵn

Tính cấp thiết của đề tài

Nhằm phục vụ tốt nhu cầu nghiên cứu, tập của sinh viên, mô hình hệ thống phun xăng điện tử có giao tiếp máy tính giúp cho sinh viên khai thác hiệu quả các hệ thống trên một động cơ phun xăng đáp ứng đúng chức năng của môn học

Vì vậy đề tài “ Thiết kế và thi công mô hình tạo Pan hệ thống phun xăng điện tử có giao tiếp máy tính” ứng dụng giảng dạy thật sự cần thiết trong quá trình đào tạo ngành công nghệ ô tô nói chung và nâng cao trình độ chuyên môn của giảng viên ngành công nghệ kỹ thuật ô tô của Khoa Động Lực nói riêng

Thiết kế, chế tạo nên sản phẩm mô hình tạo PAN hoạt động của hệ thống phun

4 xăng điện tử dưới hình thức thu gọn một hệ thống phun xăng điện tử thật trên xe kết hợp ứng dụng cộng nghệ thành một mô hình dạng đơn giản, hoạt động được, phù hợp yêu cầu học tập nghiên cứu, nhưng vẫn bảo đảm thực tế, thể hiện được đầy đủ các chức năng của hệ thống Với các ưu điểm như tính trực quan, sinh động, cơ động và sát với thực tiễn sẽ giúp cho công việc học tập và nghiên cứu chẩn đoán hệ thống điều khiển động cơ được thuận lợi và đạt hiệu quả cao

Các mô hình học tập giúp cho người học quan sát trực quan tiếp cận với các hệ thống một cách dễ dàng trong học tập, thực hành kiểm tra, chẩn đoán, thu thập dữ liệu hướng nghiên cứu phát triển về công nghệ mới hệ thống điều khiển động cơ

Luận văn đáp ứng được ba yêu cầu chính yếu trong nghiên cứu khoa học: Tính mới, tính cần thiết và tính quan trọng.

Mục tiêu nghiên cứu

- Chế tạo được mô hình tạo PAN và xử lý PAN có giao tiếp máy tính

- Mô hình giao tiếp với máy tính bằng phần mềm Hantek hiển thị xung tín hiệu của một số tín hiệu đầu vào và tín hiệu phun xăng, đánh lửa

- Cập nhật và bổ sung cho trường thêm một mô hình đào tạo mới phục vụ cho việc giảng dạy ngành công nghệ ô tô.

Đối tượng nghiên cứu

- Động cơ phun xăng điện tử 1NZ-FE

- Các mạch tạo PAN trên động cơ 1NZ-FE

- Phương pháp thiết kế giao diện giao tiếp và phương pháp truyền dữ liệu qua máy tính bằng phần mềm Hantek.

Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

Lý thuyết nghiên cứu động cơ đốt trong và hệ thống điều khiển động cơ

Nghiên cứu phần mềm Hantek, Visual Studio

 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

Thiết kế, chế tạo bo mạch đánh pan, thực nghiệm vận hành mô hình đánh giá khả năng giao tiếp giữa mô hình hệ thống phun xăng điện tử với máy tính.

Khái quát về hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển động cơ

Cấu trúc của hệ thống : tín hiệu đầu vào là các cảm biến, công tắc Bộ xử lý trung tâm là ECU động cơ, điều khiển đầu ra là các bộ chấp hành

ECU nhận dữ liệu đưa vào từ các cảm biến, các cảm biến cập nhật tình hình hoạt động của động cơ ECU xử lý tín hiệu và đưa ra tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành nhờ những chương trình có sẵn trong bộ nhớ Cơ cấu đầu ra phải bảo đảm thực hiện lệnh của ECU một cách chính xác

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phun xăng điện tử

Các loại cảm biến và tín hiệu ngõ vào

Hình 2.3: Cấu tạo cảm biến dây nhiệt Động cơ 1NZ-FE sử dụng cảm biến đo gió loại dây nhiệt lắp trên đường ống nạp

8 sau lọc gió đo trực tiếp lưu lượng không khí nạp vào động cơ và nhiệt độ không khí vào

Hình 2.4: Sơ đồ mạch điện của cảm biến dây nhiệt

Cảm biến đo gió loại dây nhiệt gồm một điện trở, dây nhiệt bằng platin Đồng thời tích hợp đo nhiệt độ của không khí nạp xy lanh dùng nhiệt điện trở để xác chính xác nhiệt độ không khí nạp vào xy lanh tín hiếu gửi về hộp điều khiển ECU Dữ liệu từ cảm biến gửi về hộp ECU sẽ thay đổi khi lượng không khi nạp vào đi qua cảm biến thay đổi

Cảm biến lưu lượng khí nạp có một dây sấy được ghép vào mạch cầu Mạch cầu này có đặc tính là các điện thế tại điểm A và B bằng nhau khi tích của điện trở theo đường chéo bằng nhau (Ra + R3)*R1=Rh*R2

Khi dây sấy (Rh) được làm mát bằng không khí nạp, điện trở giảm dẫn đến sự hình thành độ chênh giữa các điện thế của các điểm A và B Một bộ khuyếch đại xử lý phát hiện chênh lệch này và làm tăng điện áp đặt vào mạch này (làm tăng dòng điện chạy qua dây sấy) Khi thực hiện việc này, nhiệt độ của dây sấy lại tăng lên dẫn đến việc tăng tương ứng trong điện trở cho đến khi điện thế của các điểm A và B trở nên bằng nhau (các điện áp của các điểm A và B trở nên cao hơn) Bằng cách sử dụng các đặc tính của loại mạch cầu này, cảm biến lưu lượng khí nạp có thể đo được khối lượng khí nạp bằng cách phát hiện điện áp ở điểm B [4]

9 Đồ thị hình 2.5 là đường đặc tính của khối lượng khí nạp theo điện áp

Hình 2.5: Đường đặc tính của cảm biến lưu lượng khí nạp 2.2.2 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Hình 2.6: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát phát hiện nhiệt độ của động cơ trong từng giai đoạn hoạt động Khi nhiệt độ hoặc giảm thì điện trở thay đổi theo sau đó gửi giá trị điện áp về ECU, ECU điều khiển lưu lượng nhiên liệu phun vào phù hợp với các mức nhiệt độ động cơ

Hình 2.7: Sơ đồ tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Nhiệt độ tiêu chuẩn là 80˚C Khi nhiệt độ dưới 80˚C thì cảm biến sẽ gửi tín hiệu về ECU động cơ, ECU sẽ thay đổi lượng nhiên liệu phun tăng lên và tăng góc đánh lửa sớm

Bảng 2.1: Giá trị điện áp ở các mức nhiệt độ ĐIỀU KIỆN ĐIỆN ÁP CHUẨN

Nhiệt độ ở mức 0 0 C 3.2 – 3.8 Nhiệt độ ở mức 20 0 C 2,3 - 2,9 Nhiệt độ ở mức 40 0 C 1,3 - 1,9 Nhiệt độ ở mức 80 0 C 0,3 - 1

2.2.3 Cảm biến vị trí bướm bướm ga

Hình 2.8: Cảm biến vị trí bướm ga

Cảm biến vị trí bướm ga sử dụng hai con trượt, hai điện trở và các tiếp điểm cho tín hiệu VTA và VTA2 được cung cấp tại các đầu của mỗi tiếp điểm Cảm biến vị trí bướm ga có 2 mạch cảm biến tương ứng phát ra 2 tín hiệu, VTA và VTA2 VTA được sử dụng để phát hiện góc mở bướm ga và VTA2 được sử dụng để phát hiện trục trặc của VTA Điện áp của tín hiệu cảm biến này thay đổi trong khoảng 0V tới 5V tỷ lệ với góc mở của bướm ga, và được truyền đến cực VTA và VTA2 của ECM

Một điện áp không đổi 5V được cấp cho cực VC từ ECU động cơ Khi tiếp điểm trượt dọc theo điện trở tương ứng với góc mở bướm ga thì làm cho điện trở thay đổi dẫn đến điện áp ra thay đổi theo Điện áp này được đưa đến chân VTA và VTA2 của ECU động cơ

VTA2 hoạt động giống như VTA, nhưng bắt đầu ở một giá trị điện trở nhỏ hơn tương ứng điện thế cao hơn và tỷ lệ thay đổi điện trở khác với VTA Khi bướm ga mở ra hai tín hiệu điện áp tăng với tốc độ khác nhau ECM sử dụng cả hai tín hiệu để phát hiện

12 sự thay đổi vị trí cánh bướm ga Bằng cách có hai cảm biến, ECM có thể so sánh điện áp và phát hiện các vấn đề VTA2 đạt đến giới hạn trên của nó sớm hơn VTA [4]

Hình 2.9: Tín hiệu cảm biến vị trí bướm ga Bảng 2.2: Giá trị điện áp theo đổi theo góc mở bướm ga

Dựa vào bảng 2.2 ta vẽ được đường đặc tính và nội suy được hàm tính phần trăm độ mở bướm ga theo điện áp

Hình 2.10: Đường đặc tính và hàm nội suy góc mở bướm ga theo điện áp

Cảm biến oxy đo nồng độ oxy có trong khí thải để gửi thông tin về cho hộp ECU điều khiển, ECU lấy thông tin từ cảm biến gửi sẽ biết được tình nhiên liệu đang đậm hay nhạt để hiệu chỉnh lượng phun nhiên liệu phù hợp Điên áp ở mức 0.1V khí thải có hàm lượng oxy cao Điện áp ở mức 0.9V khí thải có hàm lượng oxy thấp [1]

Hình 2.12: Cấu tạo cảm biến Oxy

2.2.5 Cảm biến vị trí trục cam và cảm biến vị trí trục khuỷu 2.2.5.1 Cảm biến vị trí trục khuỷu

Hình 2.13: Cảm biến vị trí trục khuỷu NE

Cảm biến tốc độ động cơ (Engine Speed, Crankshaft Angle Sensor) có nhiệm vụ gửi tín hiệu tốc độ động cơ về hộp điển ECU, và các cảm biển tín hiệu đầu vào khác cũng sẽ đồng thời gửi tín hiệu vào hộp điều khiển ECU, thông qua đó hộp điều khiển ECU sẽ xử lý và điều khiển tín hiệu ra như phun xăng, đánh lửa

Hình 2.14 Hình dạng xung tín hiệu cảm biến vị trí trục khuỷu

Cảm biến bao gồm một cuộn dây nhận tín hiệu, một nam châm vĩnh cửu, một roto

(34 vành răng nhỏ và 1 vành răng lớn) tạo tín hiệu Roto cảm biến được gắn ở đầu trục khuỷu Khi động cơ hoạt động, trục khuỷu quay khe hở giữa các vành răng trên roto và cảm biến trục khuỷu sẽ thay đổi Sự thay đổi khe hở tạo ra điện áp và gửi tín hiệu về hộp điều khiển ECU dưới dạng đồ thị hình sin

2.2.5.1 Cảm biến vị trí trục cam

Hình 2.15: Cảm biến vị trí trục cam G

Cảm biến vị trí trục cam gửi tín hiệu về hộp điều khiển ECU, dựa vào tín hiệu này để nhận biết góc của trục khuỷu tiêu chuẩn từ đó xác định thời điểm phun và thời điểm đánh lửa tương ứng

Hình 2.16: Xung cảm biến vị trí trục cam

Cảm biến bao gồm một cuộn dây nhận tín hiệu, một nam châm vĩnh cửu, một roto (gồm 3 vành răng) tạo tín hiệu Roto cảm biến được gắn trên trục cam Tín hiệu cảm biến vị trí trục cam gửi về hộp điều khiển ECU có dạng đồ thị là hình sin

Khi trục cam quay khe hở không khí giữa vành răng trên roto cảm biến và cảm biến trục cam sẽ thay đổi Sự thay đổi khe hở tạo ra điện áp trong cuộn nhận tín hiệu được gắn vào cảm biến này sinh ra tín hiệu G Tín hiệu G được chuyển đi như một thông tin về góc chuẩn của trục khuỷu đến ECU

Bộ điều khiển điện tử

Thu thập dữ liệu từ cảm biến tín hiệu đầu vào, xử lý thông tin tín hiệu và đưa ra tín hiệu điều khiển thích hợp đến cơ cấu chấp hành điều khiển hoạt động của động cơ và đưa ra dữ liệu chẩn đoán

Mỗi hệ thống điều khiển trên ô tô được trang bị một bộ phận điều khiển điện tử ECM (Electronic Control Module) hay còn gọi ECU (Electronic Control Unit)

ECM có cấu tạo gồm:

- Bộ nhớ: Dùng để lưu trữ các lệnh và dữ liệu cho bộ vi xử lí hoặc các vi mạch khác đây là cơ sở chính cho bộ vi xử lí CPU nhận dữ liệu để xử lí Bộ nhớ trong được tạo bởi các vi mạch bán dẫn

- Bộ vi xử lý: Bộ vi xử lí sẽ có chức năng nhận các tín hiệu từ các cảm biến (theo dõi tình trạng động cơ) thông qua các thiết bị ghép nối và sẽ xử lí các thông tin và đưa ra các quyết định dựa trên tập hợp các lệnh chương trình đã được lập trình sẵn và lưu trong bộ nhớ để điều khiển cơ cấu chấp hành vòi phun và igniter

- BUS là các bộ phận để nối kết, liên lạc, trao đổi dữ liệu giữa tất cả các bộ phận trong ECM [1]

- Các thiết bị phụ: Ngoài những bộ phận chính như trên thì trong ECM còn có một số bộ phận khác như: Main Board, nguồn nuôi dữ liệu, các mạch ổn định điện áp để cung cấp cho bộ vi xử lí và các cảm biến, các Transistor kích hoạt để mở dòng, các Transistor

17 công suất, vỏ bao đồng thời tản nhiệt cho bộ phận công suất, các đầu cổng cắm để nối kết với các cảm biến và cơ cấu chấp hành.

Điều khiển hệ thống đánh lửa

Hình 2.17: Sơ đồ mạch điện hệ thống đánh lửa trực tiếp

Trên động cơ 1NZ-FE, Toyota sử dụng mỗi bô bin cho một xi lanh Hệ thống đánh lửa trực tiếp không có bộ chia điện cũng như không có dây cao áp, không còn khe hở trên đường dẫn cao áp, bỏ được các chi tiết dễ hư hỏng và tiêu hao năng lượng đánh lửa

Trong hệ thống này, ECU điều khiển trực tiếp hệ thống đánh lửa, tiếp nhận các thông tin tín hiệu đầu vào như cảm biến vị trí trục cam G, tín hiệu cảm biến vị trí trục khuỷu NE và các tín hiệu khác Khi đã xác định được thời điểm đánh lửa, ECU gửi tín hiệu IGT đến IC đánh lửa Đồng thời, tín hiệu IGF được gửi đến ECU động cơ [4]

Hình 2.18: Tín hiệu của IGT và IGF dạng xung

Điều khiển kim phun

Hình 2.19 Cấu tạo kim phun nhiên liệu

Tín hiệu điều khiển phun nhiên liệu được hộp điều khiển ECU điều khiển để mở kim phun và phun nhiên liệu vào đường ống nạp phù hợp với tốc độ động cơ

Hình 2.20: Sơ đồ điều khiển phun nhiên liệu

Ngoài việc điều khiển tín hiệu phun xăng và đánh lửa thì hộp điều khiển ECU còn lưu các mã lỗi của động cơ, và hiển thị các mã lỗi trên bảng đông hồ táp lô nhằm thông báo cho người sử dụng xe biết về tình trạng hư hỏng của xe, và giúp cho việc chẩn đoán và bảo dưỡng sửa chữa nhong chống và dễ dàng hơn

Các yêu cầu về mô hình giảng dạy thực hành

Mô hình phải đảm bảo được học sinh tiếp thu được kiến thức, kỹ năng, kỹ xảo nghiệp tương xứng với nghề nghiệp Người giáo viên truyền đạt kiến thức, người học tiếp thu và nâng cao khả năng nghiên cứu và tư duy logic

Các hệ thống trên mô hình dạy học và các bài tập thực hành kèm theo phải bảo đảm tính đặc trưng của việc dạy lý thuyết, thực hành và các nguyên lý sư phạm cơ bản

Các bộ phận hệ thống trên mô hình dạy học phải phù hợp ý nghĩa sư phạm và phương pháp giảng dạy từ đó hình thành tư duy nghiên cứu cho người học

Các mô hình dạy học phải có sự liên kết chặt chẽ bố cục và hình thức trong đó mỗi loại trong bộ phương tiện phải có vai trò tích cực và chức năng riêng

Mô hình dạy học phải thúc đẩy việc sử dụng các phương pháp dạy học tiên tiến, hiện đại

3.1.2 Tính nhân trắc học của phương tiện dạy học

Mô hình dạy học giảng dạy trước sinh viên phải kích thướt phù hợp để người ngồi sau cũng quan sát được Các mô hình không chiếm nhiều không gian trong xưởng

Phải phù hợp với người dạy và người học

Màu sắc có tác dụng thông tin, phải hài hòa, không làm chói mắt khó phân biệt với chi tiết

Mô hình dạy học phải đảm bảo tất cả các yêu cầu kỹ thuật an toàn và khi sử dụng không gây nguy hiểm cho người sử dụng

Vì được dùng cho người đông và lâu dài, mô hình dạy học phải có tính tẩm mỹ cao, bố trí hài hòa

Tạo được không khí thích thú cho người sử dụng dạy và học, tăng khả năng tự học

3.1.4 Tính khoa học kỹ thuật

Chất lượng mô hình phải bảm đảm tuổi thọ cao, trung thực cao, (âm thanh, hình ảnh) có độ bền cao

Mô hình dạy học phải thể hiện các thành tựu mới của khoa học kỹ thuật

Phải có sự kết cấu thuận lợi cho việc bảo quản di chuyển trong trường

Kết cấu của của mô hình dạy học phải sao cho số lượng ít, chi phí giá thành nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo được đủ tính năng cho người học khai thác

Mô hình dạy học phải đảm bảo bền chắc hiệu quả sử dụng cao nhất, chi phí bảo quản thấp.

Thi công, xây dựng mô hình hệ thống phun xăng điện tử

Trong phạm vi giới hạn của luận văn, không trình bày các bước tính toán các thông số để lựa chọn, ví dụ tính dao động của động cơ và các hệ thống khi làm việc, khả năng chịu tải trọng của giá đỡ động cơ… Ở đây chỉ giới thiệu thi công mô hình dưới dạng một sản phẩm đã được thực hiện xong, theo các tiêu chí đã đặt ra Các cụm chi tiết thật của động cơ 1NZ - FE được trang bị trên xe Toyota- Vios đời 2009 Đây là loại xe hiện vẫn còn phổ biến ở nước ta nói chung cũng như trong các đơn vị Khoa Động Lực, Trường Cao đẳng nghề Cần Thơ nói riêng và đang có nhu cầu sửa chữa nhiều

3.2.1 Chức năng của mô hình

Phục vụ giảng dạy, giảng dạy lý thuyết về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của động cơ, các hệ thống điều khiển trên động cơ…

Phục vụ giảng dạy, giảng dạy thực hành kiểm tra, đo đạc các thông số điều chỉnh

24 các bộ phận, hệ thống của động cơ

Tạo pan; chẩn đoán và xử lý pan

3.2.2 Các bộ phận chính của mô hình 3.2.2.1 Động cơ 1NZ-FE

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật động cơ 1NZ-FE

Loại động cơ 1.5L, 1NZ – FE

Kiểu 4 xylanh, thẳng hàng, 16 van,

Dung tích xylanh (cc) 1497 Đường kính xylanh (mm) 75 Đường kính hành trình Piston (mm) 84.7 Đường kính bệ Xupap (mm) Nạp: 30.5; Xả :

Công suất cực đại SAE-NET (HP / rpm) 80 /

6,000 Mômen xoắn cực đại SAE-NET

Thời điểm phối khí Xupap nạp Mở -7 33

Xupap xả Mở 42 BBDC Đóng 2 ATDC

Thời gian tănng tốc từ 0 – 100Km/h 10 giây

Loại nhiên liệu Xăng không chì

Trị số Ốc tan nhiên liệu 87 hay hơn

Hệ thống nạp nhiên liệu EFI (Phun nhiên liệu điện tử)

Tốc độ xe tối đa (Km/h) 170

Cơ cấu phân phối khí của động cơ được trang bị hai trục cam với hệ thống VVT- I giúp động cơ đạt công suất cao hơn, tiết kiệm nhiên liệu, đạt hiệu quả cao hơn trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hạn chế phát thải gây nguy hiểm

Hình 3.1: Hệ thống cam thông minh VVT-i

Hệ thống pha phối khí + Cấu trúc đường ống góp nạp bằng nhựa;

Hình 3.2: Ống góp nạp Ống góp nạp

+ Hệ thống bướm ga điều khiển bằng điện tử thông minh ETCS-I;

+ Ống góp xả và ống xả bằng thép không gỉ;

+ Hai bộ TWC – hệ thống lọc khí xả 3 thành phần TWC: Vách ngăn siêu mỏng, lắp phần tử lọc TWC cao cấp, giúp lọc hết các khí thải hiệu quả

Hình 3.4: Bộ lọc khí xả

+ Vòi phun 12 lỗ, điều khiển cắt nhiên liệu khi túi khí bị kích hoạt;

+ Bơm xăng dạng mô đun bao gồm bộ lọc than hoạt tính lắp trong thùng xăng tiết kiệm không gian cho khoang động cơ

Hệ thống đánh lửa độc lập DIS

+ Hệ thống cung cấp điện với máy phát loại thanh dẫn gọn vừa lắp đặt trong khoang động cơ

+ Hệ thống điều khiển quạt làm mát động cơ hai chế độ cao và thấp Vị trí các chân của ECU

Hình 3.6: Vị trí các chân ECU

28 - Sơ đồ mạch điện điều khiển động cơ 1NZ-FE

Hình 3.7: Sơ đồ mạch điện điều khiển động cơ 1NZ-FE

Kết cấu mô hình

Trên mô hình được bố trí 1 bảng gồm 2 phần: Phía trên là hệ thống điều khiển của động cơ các chân của ECU, phần mềm Hantek và các relay tạo PAN được đưa phía dưới bảng

Hình 3.8: Thiết kế bản vẽ

Hình 3.9: Thiết kế in đề can

Hình 3.10: Hình tổng thể mặt trước của mô hình

Thiết kế thiết bị đo tín hiệu trên mô hình kết nối với máy tính

Analyzer Hantek 6022BL được sử dụng để đo và hiển thị tín hiệu điện lên máy tính qua cổng giao tiếp USB, máy có 2 kênh đo tín hiệu Analog Oscilloscope tần số tối đa 20Mhz và 16 kênh đo tín hiệu Digital Logic Analyzer với độ chính xác cao, máy có kích thước nhỏ gọn, sử dụng cổng USB để truyền dữ liệu lên phần mềm máy tính xử lý và hiển thị trực quan, có thể lưu được dạng hình ảnh dữ liệu và sử dụng các công cụ trong phần mềm để xử lý tín hiệu 1 cách dễ dàng

3.4.1.2 Cài đặt phần mềm hiển thị tín hiệu

Cách cài đặt phần mềm sử dụng kết nối với card giao tiếp Hantek 6022BL, ta phải xem tài liệu hướng dẫn và phải thực hiện Phải cài đặt phần mềm trước khi tiến hành đo đạt kết quả Ta thực hiện các bước như sau:

Sử dụng đĩa CD mà nhà cung cấp kèm theo, hoặc tải trực tiếp từ trang web của nhà cung cấp

 Khi nhận chương trình, phần mềm sẽ tự động cài đặt hoặc vào CD – ROM và chạy Setup.exe

Hình 3.11: Tiến hành khởi chạy và cài đặt

 Phần mềm bắt đầu được cài đặt, chọn Next để tiếp tục cài đặt như hình 3.6

Hình 3.12: Nhấn Next để tiếp tục cài đặt

 Chọn thư mục để lưu và chọn Next để tiếp tục như hình 3.7

Hình 3.13: Chọn vị trí lưu và chọn Next để tiếp tục

 Kiểm tra thông tin thiết lập, nhấp vào Next để bắt đầu sao chép tệp như hình 3.8

Hình 3.14: Nhấn Next để tiếp tục

 Hộp thoại tiến hành sao chép và cài đặt sẽ được mở:

Hình 3.15: Quá trình sao chép và cài đặt

 Cập nhật cấu hình hệ thống vào máy tính:

Hình 3.16: Cập nhật cấu hình hệ thống vào máy tính

 Nhấn chọn Finish để hoàn tất quá trình cài đặt như hình 3.11

Hình 3.17: Hoàn tất quá trình cài đặt

3.4.1.3 Bo mạch giao tiếp Hantek 6022BL Đối với các mô hình hiện nay chỉ có thể giúp cho người học học tập nghiên cứu về phần điều khiển, tháo lắp các chi tiết trên mô hình, đấu nối các sơ đồ điều khiển, nhưng hạn chế về phần hiển thị thông tin của các thông số tín hiệu đầu vào Để có thể hiển thị các tín hiệu đầu vào nhằm mục đích chẩn đoán, đo đạt các thông số để đánh giá tình trạng kỹ thuật của động cơ, cũng như cách điều khiển của hộp điều khiển ECU

Hình 3.18: Card giao tiếp Hantek 6022BL Đề tài sử dụng card Hantek 6022BL (hình 3.12) để giao tiếp và hiển thị các tín hiệu đầu vào Card giao tiếp Hantek 6022BL có các thông số như sau

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật Card Hantek 6022BL

Tính năng đo hiển thị sóng

Kênh 2 (Kỹ thuật số) +16 (Logic)

Tỷ lệ mẫu 48MSa / s Độ chính xác cơ sở thời gian ± 50ppm Đầu vào Impendence 1MΩ 25pF Độ nhạy đầu vào

20mV / div ～5V / div Độ phân giải dọc

8 bit Đo lường tự động pp, Vamp, Vmax, Vmin, Vtop, Vmid,

Vbase, Vavg, Vrms, Vcrms, Preshoot, Overshoot, Tần số, Khoảng thời gian, Thời gian tăng, Thời gian giảm, Chiều

37 rộng dương, Chiều rộng âm Độ chính xác DC ± 3%

Dải vị trí đọc Đầu dò 20mV ~ 5V / div @ x1; Đầu dò 200mV ~ 50V / div @ x10; Đầu dò 2V ~ 500V / div @ x100; Đầu dò 20V ~ 5KV / div @ x1000

Kích thước 200mm x100mm x 35mm

Cổng kết nối USB 2.0 – 3.0 Để thực hiện quá trình đo, máy tính phải cài đặt phần mềm như trên, và sử dụng các phụ kiện kèm theo như que đo, cáp USB, sánh hướng dẫn sử dụng, đĩa CD cài đặt phần mềm vào máy tính

Hình 3.19: Các phụ kiện kèm theo để kết nối

Hình 3.20: Kết nối với máy tính bằng cổng USB

Hình 3.21: Giao diện giao tiếp bằng phần mềm Hantek 6022BL

Khái quát

Sau khi hoàn thành mô hình để đánh giá được hiệu quả và giao tiếp máy tính thu thập tín hiệu đã tiến hành các thực nghiệm Nội dung thực nghiệm đo được tín hiệu xung cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến vị trí trục cam, tín hiệu điều khiển đánh lửa và tín hiệu điều khiển kim phun Đối với hệ thống tạo Pan trên phần mềm đã được thực hiện với các Pan đã được cài đặt Thực nghiệm cũng cũng cho kết quả chính xác khi sử dụng phần mềm chẩn đoán và máy chẩn đoán chuyên dùng.

Hướng dẫn sử dụng mô hình

 Điện áp sử dụng: DC 12 V – 50 mAh

 Nhớt động cơ: SAE 20W50, 3.5 lít

 Nước làm mát: Rocket 4 lít

4.2.2 An toàn khi sử dụng

Khi vận hành mô hình, người học phải được hướng dẫn các yêu cầu kỹ thuật và cách sử dụng mô hình Người dạy phải luôn quan sát và quản lý chặt chẽ khi người học vận hành mô hình, không để có sự cố xảy ra

Các lưu ý khi vận hành mô hình tại xưởng học thực hành:

 Người học phải đọc tài liệu hướng dẫn sử dụng mô hình trước khi vận hành và nghiên cứu học tập

 Người học phải tuân thủ yêu cầu về đồng phục bảo hộ, đồng phục xưởng thực

48 hành, phải mang giày bảo hộ

 Mô hình phải đặt nơi an toàn, thông thoáng, đảm bảo đủ không gian để người học có thể vận hành và quan sát mô hình Tránh các khu vực nền xưởng có dầu bôi trơn, và khu vực dễ xảy ra cháy nổ

 Kiểm tra các thông số cơ bản của động cơ: nước làm mát, dầu bôi trơn, điện áp ắc-quy,

 Trước khi vận hành, người dạy phải hướng dẫn các thao tác vận hành cơ bản để người học được nắm rõ Và phải thực hiện thao tác vận hành để người học quan sát

 Khi động cơ hoạt động, người dạy phải quan sát tổng thể mô hình, khi có sự cố xảy ra, cần tắt hệ thống bằng công tắc dừng khẩn cấp

 Khi tiến hành sử dụng các hệ thống tạo pan hư hỏng, đo các tín hiệu động cơ, người dạy phải hướng dẫn cụ thể và quan sát suốt quá trình thực hành

 Mô hình phải đảm bảo được điều kiện sau khi nghiên cứu học tập thì các hệ thống trên mô hình vẫn hoạt động bình thường Sau khi động cơ đảm bảo hoạt động bình thường, tiến hành ngắt nguồn ắc-quy, vệ sinh mô hình, và trả lại vị trí ban đầu trước khi tiến hành giảng dạy và học tập

Giáo viên giảng dạy, nghiên cứu, sinh viên, học viên đang theo học ngành công nghệ kỹ thuật ô tô.

Thực nghiệm mô hình giao tiếp với máy tính và đánh giá kết quả

Sau khi thực hiện các bước kiểm tra an toàn cho động cơ, ta tiến hành kết nối nguồn ắc quy và khởi động động cơ Các bước thực hiện như sau:

Kết quả thực nghiệm

Kết quả đo được trên máy tính thông qua card giao tiếp Hantek và màn hình hiển thị xung tín hiệu, đồng thời so sánh với máy đo xung OSILLOSCOPE

4.4.1 Thực nghiệm đo tín hiệu vị trí piston (G):

Hình 4.1: Tín hiệu vị trí piston (G) trên máy tính

Hình 4.2: Tín hiệu vị trí piston (G) trên máy OSILLOSCOPE

4.4.2 Thực nghiệm đo tín hiệu tốc độ động cơ (NE)

Hình 4.3: Tín hiệu tốc độ động cơ (NE) đo trên máy tính

Hình 4.4: Tín hiệu tốc độ động cơ (NE) đo trên máy OSILLOSCOPE

Tín hiệu được đo trên laptop, máy đo tín hiệu OSILLOSCOPE và màn hình hiển thị xung trên bảng hiển thị cho kết quả tương đương như nhau và tùy vào tốc độ động cơ nên các biên dộ và khoảng cách giữa 2 xung tín hiệu có thể thay đổi

4.4.3 Thực nghiệm đo tín hiệu điều khiển đánh lửa máy No.1 (IGT1)

Hình 4.5: Tín hiệu điều khiển đánh lửa máy No.1 (IGT1) trên máy tính

Trong quá trình đo tín hiệu điều khiển đánh lửa máy No.1 (IGT1), thông qua mạch chuyển vị trí thang đo nên card giao tiếp Hantek 6022BL vẫn còn hiện tượng bị nhiễu tín hiệu nên hình dạng tín hiệu điều khiển đánh lửa vẫn xuất hiện các đường biểu diễn khi tín hiệu bị nhiễu giống như hình 4.5

Hình 4.6: Tín hiệu điều khiển đánh lửa máy No.1 (IGT1) trên máy OSILLOSCOPE 4.4.4 Tính hiệu kim phun

Hình 4.8: Tín hiệu điều khiển kim phun trên máy tính

Hình 4.9: Tín hiệu kim phun đo trên máy OSILLOSCOPE

So sánh kết quả thực nghiệm với mục tiêu thiết kế

Hoàn thành thiết kế, chế tạo mô hình khảo sát hệ thống điều khiển động cơ giao tiếp với máy tính Đáp ứng các công năng về giảng dạy các mô đun thực hành như thực tập hệ thống điều khiển động cơ, thực tập điện động cơ, Ứng đụng vào việc giảng dạy học tập và nghiên cứu về các tín hiệu cảm biến đầu vào và so sánh kết luận các tín hiệu đầu vào thông qua việc đo đạt thông số

Thực nghiệm tạo PAN và chẩn đoán bằng máy chuyên dùng

Sử dụng máy chẩn đoán chuyên dùng (G-Scan II) để truy cập và đọc được PAN bằng mã lỗi trên máy tính Đánh giá được ý nghĩa thực tiễn của mô hình

 Sơ đồ mạch điện các vị trí tạo Pan

Hình 4.10: Sơ đồ khối vị trí tạo Pan trên hệ thống điều khiển động cơ

Thiết kế, chế tạo giới hạn một số PAN cơ bản và quan trọng trên hệ thống điểu khiển động cơ là cảm biến vị trí trục cam (G), cảm biến vị trí trục khuỷu (NE), cảm biến vị trí bướm ga, tín hiệu điều khiển kim phun máy số 2, số 3 và đánh lửa máy số 1, số 4

Bước 1: Tạo hư hỏng động cơ bằng cách thao tác ngắt công tắc Pan máy tính

Hình 4.11: Tạo Pan cảm biến vị trí trục cam trên máy tính

Pan số 6 trên màn đã hiện trạng thái ON Sau khi khi tiến tạo Pan trên máy tính thì sẽ điều khiển relay ngắt mạch đồng thời đèn báo sáng lên

Hình 4.12 : Đèn báo Pan cảm biến vị trí trục cam

Bước 2: Khởi động động cơ, vận hành ở các chế độ sau đó tắt máy;

Bước 3: Kết nối cáp đọc lỗi máy chẩn đoán với giắc cắm OBD II của động cơ trên bảng điều khiển Bật khóa điện vị trí ON và bật nguồn cho máy chẩn đoán Vào mục “chọn hãng xe” (Toyota)

Bước 4: Chọn loại giắc kết nối

Hình 4.13: Chọn giắc kết nối với máy

Bước 5: Chọn phạm vi đọc mã lỗi

Trong thực nghiệm này chọn vùng quét lỗi là hệ thống “TCCS”;

Hình 4.14: Chọn phạm vi đọc lỗi

Bước 6: Chọn và quét mã lỗi

Hình 4.15: Báo lỗi cảm biến vị trí trục cam

Bước 7: Ghi lại mã lỗi và xác định phạm vi hư hỏng

Bước 8: Xử lý mã lỗi, khởi động động cơ, vận hành ở các chế độ

Bước 9: Xóa các lỗi trên máy chuyên dùng hoặc tháo nguồn ắc quy

Nhận xét: Thực hiện chẩn đoán, xử lý hư hỏng động cơ bằng máy chẩn đoán G–

Scan II cho kết quả chính xác, các lỗi được xác định và có thể xóa lỗi trên máy cũng như xem các thông số hiện thời và test một số hệ thống cơ bản Như vậy, thực nghiệm bằng máy chẩn đoán minh chứng độ chính xác về mặt kỹ thuật, tính thực tiễn và phạm vi sử dụng của mô hình.

2.1 Khái quát về hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển động cơ

Cấu trúc của hệ thống : tín hiệu đầu vào là các cảm biến, công tắc Bộ xử lý trung tâm là ECU động cơ, điều khiển đầu ra là các bộ chấp hành

ECU nhận dữ liệu đưa vào từ các cảm biến, các cảm biến cập nhật tình hình hoạt động của động cơ ECU xử lý tín hiệu và đưa ra tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành nhờ những chương trình có sẵn trong bộ nhớ Cơ cấu đầu ra phải bảo đảm thực hiện lệnh của ECU một cách chính xác

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phun xăng điện tử

2.2 Các loại cảm biến và tín hiệu ngõ vào 2.2.1 Cảm biến đo gió