TÓM TẮT Luận văn “Nghiên cứu, chế tạo thiết bị lựa chọn chế độ lái xe ứng dụng cho xe taxi” được hoàn thành, đã nghiên cứu được các phương pháp các thuật toán điều khiển bướm ga, dòng xe
TỔNG QUAN
Lí do chọn đề tài
Ngày nay, vấn đề về ô nhiễm môi trường là vấn đề được đề cập nhiều đến trong các hội nghị mang tính toàn cầu Trong báo cáo của IEA [1] về lượng phát sinh khí thải
Năm 2020, nồng độ CO2 toàn cầu tăng 2% chủ yếu do hoạt động sản xuất công nghiệp và giao thông vận tải Các nhà sản xuất ô tô đã triển khai các công nghệ tiên tiến để hiện đại hóa cấu tạo xe, mang lại trải nghiệm thuận tiện hơn Điển hình là chế độ tiết kiệm nhiên liệu của các hãng như Toyota, Ford, Honda; hệ thống Start-Stop của BMW; hệ thống điều khiển van biến thiên; và hệ thống điều khiển các chế độ lái xe thông minh ECO/SPORT Chế độ ECO có thể giảm 5% lượng nhiên liệu tiêu thụ, mang lại lợi ích kinh tế đáng kể Ngược lại, chế độ Sport tăng cường công suất và trải nghiệm lái, cho phép người lái khai thác tối đa động cơ Tuy nhiên, hệ thống điều khiển các chế độ lái xe thông minh ECO/SPORT vẫn chưa phổ biến ở các dòng xe phân khúc thấp của công ty taxi.
Mặc dù đã có rất nhiều nghiên cứu được đưa ra như nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến lượng tiêu hao nhiên liệu và CO2 phát sinh của xe chở khách [2] nghiên cứu
2 của Fontarnas cùng cộng sự về tiêu hao nhiên liệu ở Châu Âu, nghiên cứu làm giảm lượng khí thải trong hoạt động vận tải hành khách để góp phần cải thiện tình trạng ô nhiễm môi trường và tối đa hóa lợi ích của các nguồn tài nguyên thiên nhiên Tuy nhiên nếu đi vào thực tiễn thì các nghiên cứu chỉ có thể tác động nhiều đến phần cứng và các hệ thống tối ưu nhiên liệu không phải luôn có sẵn trên mọi mẫu xe Việc tìm ra các biện pháp hiệu quả để tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu lẫn tối ưu hóa việc điều khiển hệ thống trên những phương tiện có sẵn trở thành vô cùng cần thiết
Nghiên cứu thị trường đã chỉ ra Toyota Vios là dòng xe được sử dụng làm taxi và xe dịch vụ phổ biến nhất hiện nay ở Việt Nam Báo cáo doanh số của Toyota Việt Nam từ năm 2018 đến tháng 12/2020 ghi nhận tổng cộng 84.619 xe Vios được bán ra, trong đó có 28.385 xe (chiếm 30%) là xe dùng cho mục đích kinh doanh.
Trên cơ sở đó, tác giả quyết định chọn nghiên cứu và chế tạo thiết bị chọn chế độ lái xe ứng dụng cho xe Taxi (cụ thể là trên mẫu xe Toyota Vios) Đề tài được thực hiện nhằm nghiên cứu về hệ thống điều khiển bướm ga điện tử, góp phần giải quyết bài toán giảm lượng tiêu hao nhiên liệu cho các dòng xe dịch vụ chưa được cải tiến về công nghệ và chưa được trang bị hệ thống tạo chế độ lái cho xe Để hiện thực hóa các mục tiêu vừa nêu thì đây là thiết bị được gắn trực tiếp vào bàn đạp ga và ECU, thông qua ECU điều khiển tín hiệu đầu vào từ bàn đạp ga để điều khiển tín hiệu đầu ra theo mong muốn trên bộ bướm ga điện tử.
Tình hình nghiên cứu đề tài
Trong những năm gần đây, thiết bị hỗ trợ lái xe luôn là một trong những đề tài nghiên cứu được các trường đại học và nhà khoa học quan tâm đầu tư và phát triển Tuy nhiên, các nghiên cứu này tập trung nghiên cứu về hỗ trợ lái xe an toàn (thiết bị chống
3 ngủ gật [3], hỗ trợ phát hiện điểm mù [4]…) Hiện tại vẫn chưa có nhiều bài công bố khoa học chính thức về thiết bị lựa chọn chế độ lái xe ứng dụng trên xe taxi
Ngoài ra, các phương pháp tính toán lượng tiêu hao nhiên liệu trên xe ô tô cũng được các nhà khoa học chú trọng như nghiên cứu
Trong thế kỷ XXI, xe ô tô đã trở nên phổ biến ở hầu khắp các quốc gia trên thế giới Các mức tiêu chuẩn về chất lượng xe ngày càng được nâng cao, không chỉ chú trọng đến mục đích sử dụng mà các nhà sản xuất xe trên thế giới đang tập trung phát triển nhiều hơn đến tính tiết kiệm nhiên liệu và trải nghiệm của người sử dụng Do đó, các hãng xe liên tục cạnh tranh cải tiến các hệ thống, các tính năng tiện ích bổ sung cho xe bằng nhiều nghiên cứu mới
Hệ thống dừng-khởi động của hãng Toyota là một công nghệ hệ dẫn động tiên tiến được giới thiệu tại Bắc Mỹ trong năm mô hình 2017 Nó cải thiện hiệu quả hoạt động của xe bằng cách tắt động cơ khi xe dừng, sau đó khởi động lại động cơ khi cần tăng tốc
Sự ra đời này đã giải quyết các vấn đề vận hành mà các nhà sản xuất ô tô khác không thể giải quyết Do đó, cơ chế vận hành mượt mà hơn đã đưa các hệ thống này đi trước một bước
Hệ thống dừng-khởi động tự động tắt động cơ khi xe dừng hoàn toàn, giúp tiết kiệm nhiên liệu đáng kể trong điều kiện giao thông đông đúc, thời gian dừng xe kéo dài Khi nhả phanh, động cơ sẽ khởi động lại ngay lập tức, đảm bảo sự vận hành trơn tru và đáp ứng nhu cầu tăng tốc của người lái Ngoài ra, ngay cả khi động cơ tắt, các hệ thống an toàn và tiện nghi vẫn hoạt động bình thường, đảm bảo sự an toàn và thoải mái cho người dùng.
Hình 1 1 Hệ thống dừng-khởi động trên xe Toyota
Hệ thống dừng-khởi động nâng cao sự thoải mái của tài xế khi đang lái xe, và nó cũng giúp tiết kiệm xăng Mức tiết kiệm nhiên liệu của ô tô sẽ tăng lên khoảng một dặm một gallon khi lái xe trong thành phố Mức tiết kiệm nhiên liệu là như nhau đối với tất cả các loại xe Toyota
Hệ thống điều khiển van biến thiên VVT là viết tắt của Variable Valve Timing
[6] VVT là quá trình thay đổi thời điểm đóng-mở của các van, thường được sử dụng để cải thiện hiệu suất hoạt động, tiết kiệm nhiên liệu hoặc tối ưu hóa lượng khí thải Trong động cơ đốt trong, van (xupap) được sử dụng để điều khiển lưu lượng khí nạp và khí thải vào và ra khỏi buồng đốt, với mục đích nạp đầy và xả sạch nhất có thể Việc nạp và xả của động cơ được xác định bởi biên dạng cam và góc pha của cam Do đó, để tối ưu hóa việc nạp xả của động cơ cần có thời gian, thời lượng và độ nâng van khác nhau ở các tốc độ và điều kiện tải khác nhau Khoảng thời gian và độ nâng của các van này có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất động cơ, mức tiêu thụ nhiên liệu và các tính năng kỹ thuật khác Nếu động cơ không có hệ thống điều khiển van biến thiên thì phạm vi nâng của van điều chỉnh thời điểm nâng là như nhau đối với mọi tốc độ động cơ và điều kiện vận hành Khi tốc độ vòng tua động cơ tăng lên, thời gian nạp và xả sẽ giảm khiến khí nạp vào buồng đốt không đủ nhanh trong khi khí thải cũng không đủ nhanh để
5 ra khỏi buồng đốt Vì vậy, giải pháp tốt nhất là nên mở các van nạp sớm hơn và đóng các van xả muộn hơn Nói cách khác, sự trùng lặp giữa thời điểm nạp và xả nên được tăng lên khi số vòng quay tăng lên cho phép cải thiện hiệu suất trên toàn bộ phạm vi hoạt động của động cơ Có nhiều loại hệ thống VVT như:
• VVT chuyển đổi cam (Cam-Changing VVT)
Honda đã đi tiên phong trong việc sử dụng VVT vào ô tô từ cuối những năm 1980 với hệ thống VTEC nổi tiếng (Valve Timing Electronic Control – Điều khiển điện tử thời gian van) Lần đầu tiên xuất hiện trên Civic, CRX và NSX, sau đó trở thành tiêu chuẩn trong hầu hết các mẫu xe sản xuất của hãng VTEC thay đổi áp suất thủy lực để tác động một chốt khóa để chuyển đổi qua lại cò mổ nâng cao và khoảng thời gian cao sang cò mổ nâng thấp và khoảng thời gian thấp
Hình 1 2 Cơ cấu cam trong hệ thống VTEC của Honda
Cơ chế VTEC là hệ thống sử dụng hai trục cam có hình dạng khác nhau để thay đổi thời điểm đóng/mở van và độ nâng van Một trục cam hoạt động ở tốc độ động cơ bình thường (thường dưới 4.500 vòng/phút), trong khi trục cam còn lại sẽ hoạt động ở tốc độ cao hơn Thiết kế này không cho phép điều chỉnh liên tục thời điểm đóng/mở van và độ nâng van, dẫn đến động cơ chỉ có thể hoạt động tối ưu ở hai chế độ tốc độ khác nhau Hệ thống này được gọi là VTEC 2 giai đoạn (2-stage VTEC).
Honda đã cải tiến VTEC 2 giai đoạn thành 3 giai đoạn trên một số mẫu xe Nó vẫn cung cấp mô men xoắn ít lan truyền rộng hơn các hệ thống biến thiên liên tục khác Tuy nhiên, hệ thống chuyển đổi cam vẫn là VVT mạnh mẽ nhất trong các VVT thông thường, vì không có hệ thống nào khác có thể thay đổi độ nâng của van như nó Hệ thống 3-stage VTEC mới nhất của Honda đã được áp dụng trong động cơ Civic SOHC tại Nhật Bản
Cơ chế có 3 cam với các cấu hình thời điểm và độ nâng khác nhau
Giai đoạn 1 (tốc độ thấp): 3 cò mổ di chuyển độc lập Do đó, cò mổ trái, điều khiển van đầu vào bên trái, được điều khiển bởi cam trái nâng thấp Cò mổ bên phải, điều khiển van đầu vào bên phải, được điều khiển bởi cam phải nâng trung bình Thời gian của cả hai cam tương đối chậm so với cam giữa, lúc này không hoạt động điều khiển van
Giai đoạn 2 (tốc độ trung bình): Áp suất thủy lực (sơn màu cam trong hình) khóa các cò mổ bên trái và bên phải với nhau, để cò mổ giữa và cam tự chạy Vì cam phải lớn hơn cam trái, các cò mổ được kết nối đó sẽ được điều khiển bởi cam phải Kết quả là cả hai van nạp đều có thời gian chậm và lực nâng trung bình
Giai đoạn 3 (tốc độ cao): Áp suất thủy lực khóa tất cả 3 cò mổ lại với nhau Vì cam giữa là lớn nhất, cả hai van nạp sẽ được điều khiển bởi cam nhanh đó Do đó, thời gian nhanh và lực nâng cao thu được ở cả hai van [7]
Hình 1 3 Cơ cấu hoạt động của cơ cấu cam VTEC trong các tốc độ
• VVT định pha cam (Cam-Phasing VVT)
Mục tiêu đề tài
- Nghiên cứu các phương pháp điều khiển bướm ga điện tử, các chế độ lái ECO và SPORT cho xe taxi
Xây dựng phương pháp điều khiển dựa trên tín hiệu của bàn đạp ga nhằm thay đổi độ mở bướm ga, cho phép đánh giá khả năng hoạt động của mạch điều khiển Nhờ phương pháp này, hệ thống có thể kiểm soát chính xác độ mở bướm ga, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của động cơ.
- Thiết kế và chế tạo thiết bị lựa chọn chế độ lại dựa trên cơ sở nghiên cứu và các phương pháp nghiên cứu
- Đánh giá hiệu quả hoạt động của mạch và phương pháp điều khiển trên xe Toyota Vios bằng phương pháp thực nghiệm trên cùng một tuyến đường.
Cách tiếp cận
- Từ việc khảo sát thị trường về tính phổ biến và các nghiên cứu liên quan, đi đến nghiên cứu một đối tượng cụ thể
- Từ nghiên cứu về các tác động của chế độ lái xe đến việc vận hành của xe đi đến thực hiện nghiên cứu tác động về khả năng điều chỉnh độ mở bướm ga điện tử
Dựa trên kết quả khảo sát thị trường xe taxi tại Việt Nam và các nghiên cứu trong và ngoài nước, nghiên cứu này tập trung vào dòng xe Toyota Vios sử dụng động cơ xăng 1NZ-FE Nghiên cứu này nhằm phân tích các thông số vận hành, tiêu hao nhiên liệu và chi phí vận hành của xe Vios và so sánh với các mẫu xe cùng phân khúc để đánh giá khả năng kinh doanh và hiệu quả hoạt động của dòng xe này trong lĩnh vực taxi.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu về điều khiển bướm ga điện tử
- Thiết kế, chế tạo mạch điện thiết bị điều khiển chế độ ECO/SPORT dành cho mẫu xe Toyota thế hệ thứ 2 trở đi (động cơ 1NZ-FE)
- Phần mềm mô phỏng MATLAB Simulink Simscape được sử dụng để mô hình hóa hệ thống điều khiển động cơ
- Nghiên cứu mô phỏng mô hình động cơ xe Vios và xây dựng mô hình động cơ trên Matlab ® Simscape ®
- Nghiên cứu thiết kế thiết bị trên môi trường giả lập Proteus
- Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 1NZ-FE
Thiết bị điều khiển đóng vai trò thiết yếu trong việc tối ưu hóa hiệu suất sử dụng nhiên liệu và giảm thiểu phát thải của động cơ Các nhà nghiên cứu tiến hành các thí nghiệm thực tế để đánh giá hiệu quả của thiết bị điều khiển, giúp xác định khả năng tối ưu hóa các thông số vận hành quan trọng và nâng cao hiệu suất tổng thể của động cơ.
Nội dung nghiên cứu
Đề tài này đã thực hiện những nội dung sau:
- Tổng quan các nghiên cứu liên quan
- Thiết kế mạch nguyên lý thiết bị, mô phỏng hoạt động trên phần mềm MATLAB
- Lắp đặt thí nghiệm trên xe Toyota Vios và chạy thử nghiệm nhiều chế độ trên cùng tuyến đường, nhiều lần chạy thực nghiệm, sử dụng phần mềm Techstream ghi lại kết quả thực nghiệm
- Kiểm tra hiệu quả bảo vệ môi trường khách quan thông qua máy đo nồng độ khí xả của Đại lý chính hãng Toyota.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tổng quan tài liệu: Các bài báo khoa học từ các nguồn tài liệu uy tín nhất (Sciencedirect, Springer, IEEE, ) được tác giả nghiên cứu tải về đọc, phân tích để tìm ra những vấn đề các nhà khoa học đi trước chưa giải quyết
- Phương pháp tính toán lý thuyết và thực nghiệm: tác giả nghiên cứu đưa ra đối tượng nghiên cứu, thiết kế mô hình
Kết quả dự kiến đạt được
- Mô phỏng và thiết kế thiết bị lựa chọn chế độ lái xe với 2 mức cơ bản là ECO và SPORT
- Đưa vào thử nghiệm kiểm chứng hiệu quả về nhiên liệu, khí thải và khả năng vận hành của thiết bị đối với xe Toyota Vios.
Bố cục luận văn
Nội dung của luận văn bao gồm các chương sau đây:
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết
- Chương 3: Thiết kế hệ thống
- Chương 4: Thử nghiệm và đánh giá
- Chương 5: Kết luận và kiến nghị
Kết luận Chương 1
Qua phân tích tổng quan các tài liệu tham khảo về các hướng nghiên cứu về các hệ thống hỗ trợ lái xe bao gồm các hệ thống tiện nghi, tính năng ECO/SPORT, tổng quan các nghiên cứu về tiết kiệm nhiên liệu đang áp dụng hiện nay trên ô tô Trong chương này, tác giả đã đề xuất được mô hình nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thực nghiệm trực tiếp trên xe Toyota Vios Cơ sở lý thuyết, tính toán và hệ thống điều khiển động cơ xe sẽ được tác giả trình bày ở Chương 2 của luận văn Đồng thời tác giả cũng xác định phương pháp mô phỏng thiết kế và chế tạo thiết bị lựa chọn chế độ lái trong Chương 3
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lý thuyết điều khiển bướm ga điện tử
Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử bao gồm bàn đạp ga, bộ ga và bộ vi điều khiển Bộ ga gồm động cơ điện một chiều điều khiển bằng bộ biến tần, hộp số rời, cánh bướm, cảm biến vị trí và 2 lò xo hồi.
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 một bộ biến đổi dòng hoạt động như một bộ phân áp để cung cấp tín hiệu điện áp (1) Đồng thời, cảm biến vị trí trong bướm ga cũng sẽ chuyển góc mở bướm ga về giá trị điện áp tương ứng (2) (1) và (2) sẽ cung cấp thông tin về MCU, sau đó MCU sẽ tính toán để đưa ra tín hiệu điện áp (3) về các cơ cấu chấp hành khác (kim phun, bơm nhiên liệu) để cung cấp lượng không khí và nhiên liệu phù hợp vào buồng đốt Tín hiệu (3) được xử lý bởi bộ điều biến độ rộng xung (PWM) để cấp nguồn cho động cơ mở bướm ga ở một góc tương ứng Kết cấu động học thân bướm ga bao gồm mô hình động cơ điện một chiều tuyến tính và phương trình chuyển động của bướm ga Phương trình này bao gồm mối quan hệ
Cảm biến vị trí bàn đạp ga
Cánh bướm Lò xo hồi vị
Cảm biến vị trí bướm ga
Bộ vi điều khiển Ắc quy
Bộ khuếch đại lưỡng cực
18 giữa mô men của động cơ và cánh bướm và các thành phần phi tuyến tính khác như mô men ma sát, lò xo hồi vị và hộp số Sơ đồ khối của mô hình hoạt động của bộ tiết lưu được thể hiện trên hình 2.1
2.1.2 Thuật toán điều khiển bướm ga điện tử
Trong sơ đồ trên, tác giả không xét đến độ trễ của phần ứng bằng không vì độ tự cảm của chúng rất thấp Chúng ta có phương trình động lực học của hệ thống bướm ga được trích từ nghiên cứu của X Yuan, W Yaonan, S Wei, và W Lianghong [10] về hệ thống điều khiển bướm ga điện tử dựa trên phương pháp điều khiển nghịch đảo – Inverse system method Mạng RBF cho bướm ga điện tử và nghiên cứu về điều khiển bướm ga điện tử [11] của X Jiao, J Zhang, và T Shen như sau: m m a m m m
Ꞷ m : Tốc độ góc động cơ
Ꞷ t : Vận tốc góc của cánh bướm ga
J m : Lực quán tính động cơ
J t : Lực quán tính cánh bướm ga
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
T L : Mô men tải bao gồm mô men nhiễu được tạo thành do tác động của lực dòng khí lên cánh bướm ga
19 k p , k e : Hằng số mô men động cơ, suất điện động
B m : Hệ số cản nhớt của động cơ
B t : Hệ số cản nhớt của cánh bướm ga
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:
(2.5) 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 (2.6)
Trong đó: θ t : Góc mở cánh bướm ga θ 0 : Góc đặt ban đầu của lò xo hoặc góc LH θ min, θ max :Góc mở nhỏ nhất và lớn nhất của lò xo k sp : Độ cứng lò xo
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 là N, biên độ là δ, Tl(t_) xảy ra khi T l (t) không thay đổi Phương trình quỏn tính được viết lại theo hàm phi tuyến tính d(T m (t)) và Ṫ m sao cho |(dT/Tm(t))| ≤ trong đó là giới hạn trên của d.
T l (t) = NT m (t) + d(T m (t)) (2.8) Trong đó J e = N 2 J m + J t và B e = N 2 B m + B t (2.9) 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
Bên cạnh đó, xem xét các giá trị không cố định khác như khuyết tật sản xuất, điều kiện bên ngoài, tuổi thọ sử dụng và các nhiễu khác, do đó có thể viết lại phương trình trên dưới dạng góc mở bướm ga θt t t fa spa – Da m + n + T + T T = u (2.10)
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 :
Các giá trị i, m, 0, J, e, B, 0, N, 0, k, e, k, p, 0 và R là các giá trị gần đúng của tham số hệ thống T, fa, 0, T, spa, 0 là các giá trị gần đúng của mô men ma sát và nhiễu loạn của lò xo giật Các thông số tương ứng của hệ thống ETC được liệt kê ở Bảng 2.1.
Bảng 2.1 Bảng các thông số tương ứng trong hệ thống ETC Công thức (2.10) có thể viết lại như sau:
Trong đó : được giới hạn bởi một hằng số f t nên công thức (2.9) 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, tồn tại sự sai lệch giữa các thông số và giá trị thực do các yếu tố bên ngoài Nó làm tăng độ khó của thiết kế điều khiển và là nguyên nhân chính ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống Ngoài ra, tính ổn định của hệ thống ETC còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài Độ không đảm bảo đo là mô men nhiễu
T L Cần lưu ý rằng hiệu ứng từ trễ nhỏ trong các bộ phận cơ khí và đốt cháy của hệ thống luồng không khí được coi là một phần của độ không đảm bảo đo tổng hợp trong điều này
2.1.3 Nghiên cứu về tối ưu hóa quá trình điều khiển bướm ga điện tử
Trong hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp, lượng nhiên liệu có thể điều chỉnh linh hoạt dựa theo từng chu kỳ hoạt động của động cơ Khi tỷ lệ không khí/nhiên liệu chênh lệch so với mức lý tưởng, hệ thống sẽ tự động hiệu chỉnh lượng nhiên liệu được phun vào xy-lanh để đảm bảo hiệu suất đốt cháy tối ưu.
23 lượng nhiên liệu phun để bù cho sự giảm mô men xoắn do lượng khí thêm vào Hình 2.3 cho thấy mối quan hệ giữa mô men xoắn và lượng khí nạp khi tỉ 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 thể được điều khiển để tạo ra mô men xoắn đến một giá trị mong muốn Giữa quá trình gửi tín hiệu điều khiển đến ETC và quá trình tạo mô men của động cơ có hai khoảng thời gian trễ Hình 2.3 cho thấy hai sự chậm trễ này Độ trễ đầu tiên xảy ra khi ETC phản hồi lại tín hiệu điều khiển Thời gian trễ thứ hai xảy ra khi khoảng thời gian của đường ống nạp từ phía sau của ETC đến xi lanh nạp được không khí đủ Độ trễ thứ hai này được gọi là độ trễ làm đầy ống góp Lượng không khí đi vào xi lanh tỉ lệ với áp suất đường ống nạp Mô men xoắn của động cơ tỷ lệ thuận với lượng khí Thời gian phản hồi của sự chậm trễ thứ nhất và thứ hai lần lượt là khoảng 10ms và 100ms [12].
Nghiên cứu trên Toyota Vios thế hệ thứ hai
2.2.1 Nghiên cứu độ phổ biến của mẫu xe trên thị trường
Trong bối cảnh hiện nay, ngành công nghệ ô tô cũng có thể coi là một trong những thước đo cho sự phát triển kinh tế - kỹ thuật của nước ta so với các nước phát triển trên
Khối lượng không khí Tỷ lệ hòa khí Tỷ lệ hòa khí lý tưởng nghèo
Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực sản xuất, với Vinfast là một thế lực nổi bật Thị trường ô tô Việt Nam đa dạng với nhiều thương hiệu đến từ khắp nơi trên thế giới.
Mặc dù nền kinh tế thế giới đang bị ảnh hưởng nhiều mặt bởi đại dịch COVID-19 nhưng thị trường xe hơi cũng có những biến động nhẹ về doanh số Trong khi thị trường xe hơi tại các nước trên thế giới nói chung và khu vực Đông Nam Á nói riêng đang dần bước vào giai đoạn bão hòa nhờ các chính sách kích thích kinh tế và những thay đổi về thuế, thì Việt Nam chúng ta cũng đang áp dụng những thay đổi mới (Nghị định 17/2020, Nghị định 57/2020 , Nghị định 70/2020, ) Với tình hình đó đã tạo ra một cuộc chiến khốc liệt cho thị trường ô tô Việt Nam để tranh giành chỗ đứng trong ngành công nghiệp ô tô
Theo báo Thanh Niên [13], thị trường ô tô Việt Nam vừa trải qua một năm đầy khó khăn và thử thách do ảnh hưởng của đại dịch Covid-19 Có thời điểm, nhiều nhà máy sản xuất, lắp ráp ô tô phải tạm dừng hoạt động, thị trường ô tô gần như “đóng băng” trước diễn biến phức tạp của đại dịch Tuy nhiên, khi dịch bệnh từng bước được kiểm soát tốt nhờ sự linh hoạt, kịp thời của các cơ quan ban ngành, kết hợp với nỗ lực của các doanh nghiệp ô tô, thị trường đã dần hồi phục
Top 10 hãng xe bán chạy nhất ở Việt Nam trong năm 2020 Xếp hạng Hãng Doanh số 2020 (xe) So sánh với năm
Mẫu xe bán chạy nhất (xe)
9 THACO Truck 24.119 Tăng 1.115 Thaco Truck
Bảng 2.2: Bảng doanh số bán xe năm 2020
Theo như dữ liệu từ bảng 2.2, có thể thấy xe bán chạy nhất trong năm 2020 là Toyota Vios với 30 251 chiếc
2.2.2 Hệ thống điều khiển động cơ
Như đã đề cập ở mục 2.2.1 Toyota Vios là mẫu xe ăn khách nhất trong phân khúc xe hạng B Trong phần này sẽ giới thiệu một số đặc điểm của hệ thống điều khiển động cơ của xe Vios này [14]
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
- Hệ thống VVT-i điều chỉnh thời điểm đóng/mở van nạp tối ưu theo trạng thái động cơ.- Kiểm soát hệ thống điều hòa: tắt/bật điều hòa dựa theo trạng thái động cơ.- Điều khiển quạt làm mát: chạy hai chế độ tùy thuộc nhiệt độ nước làm mát và hệ thống điều hòa.- Kiểm soát bơm nhiên liệu: hoạt động bình thường khi xe chạy và ngắt khi túi khí SRS kích hoạt.- Kiểm soát cảm biến oxy: làm khô cảm biến bằng khí thải.
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)
Ngay sau khi đánh lửa đến vị trí bắt đầu, động cơ khởi động sẽ tự động quay cho đến khi động cơ chính thức khởi động thành công, mà không cần phải giữ chìa khóa bằng tay.
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, DOHC,
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
Mô men xoắn tối đa SAE-NET
Xupap nạp Mở -7 0 – 33 0 BTDC Đóng 52 0 – 12 0 ABDC
Xupap xả Mở 42 0 BBDC Đóng 2 0 ATDC
Khả năng tăng tốc từ 0 lên 100Km/h 10 giây
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
STSW Start Switch Signal Tín hiệu vận hành rơ le máy khởi động ACCR Accessory Relay Rơ le các trang thiết bị phụ trợ STA Starter Relay Signal Tín hiệu máy khởi động
Kim phun Cảm biến tiếng gõ
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Cảm biến Ô xy Van điều khiển đường dầu (OCV)
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 oxy
G2 Ground 2 Tín hiệu cảm biến trục cam
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 Electric Loading Signal Tải điện
ELS3 Electric 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
Về cơ bản, Vios có thể đáp ứng nhu cầu sử dụng hàng ngày và là dòng xe được sử dụng làm taxi 4 chỗ nhiều nhất tại Việt Nam với ưu điểm giá rẻ, độ tin cậy cao, ít hỏng hóc, sửa chữa và bảo dưỡng ngắn Tuy nhiên, để giảm giá thành, nhà sản xuất đã lược bỏ hệ thống lái tiết kiệm nhiên liệu - một chế độ vô cùng cần thiết đối với những xe có quãng đường di chuyển lớn Để chứng minh chế độ lái ECO và SPORT là một trong những chế độ cần có, tác giả thực hiện đề tài đã thiết lập một mô phỏng từ đó so sánh giữa việc chạy khi không có chế độ ECO/SPORT Mode và khi có thì sẽ khác nhau như thế nào thông qua các thông số cơ bản như tốc độ, tốc độ động cơ, công suất và lượng tiêu hao nhiên liệu.
Kết luận Chương 2
Trong Chương 2 này, tác giả đã nghiên cứu và phân tích cơ sở lý thuyết và tính toán về hệ thống điều khiển bướm ga điện tử , cách tối ưu hiệu quả quá trình nạp cũng như nghiên cứu về tính thương mại và hệ thống điều khiển trên dòng xe Toyota Vios
Từ các nghiên cứu tính toán và phân tích trên, tác giả sẽ tiến hành thiết kế và mô phỏng lựa chọn chế độ lái xe được trình bày trong chương 3 và phương pháp thực nghiệm trong chương 4
MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Nghiên cứu phương pháp điều khiển và thiết kế thiết bị lựa chọn chế độ lái xe
Mảng kỹ thuật nói chung và ngành công nghệ kỹ thuật ô tô nói riêng đã luôn là một lĩnh vực đầy tiềm năng cho phát triển khoa học - công nghệ Hiện nay, như đã được đề cập ở Chương 1, các hãng sản xuất ô tô luôn tìm cách để tối ưu hóa trải nghiệm cho người dùng, nhưng nhiều bộ phận trên xe mang trong mình các hạn chế nhất định về mặt kỹ thuật Với người dùng hiện nay, điều quan trọng nhất là phải làm sao khai thác được tối đa sức mạnh của xe.Vì thế một nhánh dịch vụ mới ra đời phục vụ cho việc này, nhằm thay đổi các thông số kỹ thuật và cấu trúc của xe về phần cứng hoặc phần mềm Quá trình thay đổi này thường sẽ điều chỉnh công suất và thông số xe khác nhau Quá trình thay đổi đó thường được chia thành 3 cách với nội dung của mỗi cách thức là thay đổi các mức công suất và cấu hình xe khác nhau được đề cập cụ thể trong nghiên cứu ở dưới
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 mới 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 xe Việc điều chỉnh ECU của xe, 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 Việc tác động vào thông số ECU cũng có thể thay đổi thời gian điều khiển van biến thiên có hiệu quả hơn Điều chỉnh ECU trên một chiếc xe dễ dàng cài đặt, điều chỉnh bằng cách kết nối trực tiếp từ máy tính cá nhân với xe Hầu hết được điều chỉnh trực tiếp thông qua cổng OBD-II nằm dưới tay lái [15] Các phương pháp thay đổi thuật toán ECU phổ biến gồm:
• Can thiệp vào vi xử lý/viết lại trình điều khiển
Cả hai phương pháp đều sử dụng một phần mềm đã được viết sẵn trên máy tính để can thiệp vào ECU Chương trình này sẽ tự động xác định góc đánh lửa sớm và từ đó điều chỉnh lượng phun nhiên liệu tương ứng Sự khác nhau giữa hai phương pháp chính là: phương pháp viết lại trình điều khiển sẽ được thực hiện trực tiếp trên xe, còn phương pháp can thiệp vi điều khiển sẽ cần phải tháo rời vi điều khiển ra khỏi xe Mỗi xe khác nhau sẽ có lược đồ thông số động cơ khác nhau, mặc dù cùng mẫu động cơ nhưng mỗi xe sẽ có khối lượng khác nhau nên không thể sử dụng một lược đồ cho tất cả các loại xe được
• Dùng ECU Piggyback và ECU phụ:
Các thế hệ càng về sau của ô tô thường có một hệ thống điều khiển rất khổng lồ và cực kỳ phức tạp Lượng thông tin mà ECU phải xử lý trên mỗi đường tín hiệu là cực kỳ lớn Hơn nữa, nhà thiết kế đã lập trình ECU sao cho việc hiệu chỉnh chính nó sau này sẽ trở nên rất khó Một số Trường đại học về kỹ thuật đã dùng hệ thống bảo mật của hộp DME (Digital Motor Electronics) của BMW như một minh chứng của sự bảo mật gần như tuyệt đối Việc điều khiển nhiều chức năng đồng thời sẽ khiến tốc độ xử lý của ECU trở nên chậm đi Phương pháp Piggyback vẫn dùng ECU có sẵn trên xe, đồng thời dùng thêm một vi xử lý kết nối giữa cảm biến và ECU Con chip này sẽ xử lý thông tin từ cảm biến trước khi gửi đến ECU các thông tin đã được tinh chế nhằm làm giảm thời gian xử lý của ECU
Hình 3 1 Một bộ Piggyback đa chức năng thương hiệu JB4
Phương pháp dùng ECU độc lập liên quan trực tiếp đến phần cứng động cơ khi thay thế ECU cũ bằng một ECU mới hoàn toàn, thậm chí có thể cần cả một sơ đồ mạch điện mới ECU độc lập thường đem lại hiệu suất cao nhưng đi kèm với chi phí và nguồn lực lớn (khoảng
Hình 3 2 Ứng dụng mã nguồn mở Speeduino và Arduino ECU độc lập Các phương pháp kể trên giúp người lái khai thác được công suất của ECU đáng kể Tuy nhiên ở phương diện mục tiêu luận văn tác giả kết luận có ba điều cần phải quan tâm Thứ nhất, tăng công suất động cơ đồng nghĩa với việc động cơ sẽ dùng nhiều nhiên
37 liệu hơn, hệ thống lọc phải thay mới và sẽ nhanh hỏng lớp lọc hơn Thứ hai, khi tốc độ xe tăng, các hệ thống khác trên xe cũng phải làm việc nhiều hơn và về lâu dài sẽ gây nên hư hỏng do sự quá nhiệt xảy ra rất nhanh Cuối cùng, nếu để một phần mềm ngoại lai can thiệp vào ECU cũng đồng nghĩa với việc người lái cho phép các phần mềm này tiếp cận các thông tin trên xe, dẫn đến rủi ro trong việc đánh cắp thông tin cá nhân rất cao Để có thể cân bằng giữa việc làm động cơ hoạt động ổn định, bảo toàn tuổi thọ động cơ cũng như để tối ưu hóa nhiên liệu, một phương pháp khác là rất cần thiết.
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển chế độ lái xe
Khách hàng là tài xế dịch vụ (taxi, Grab…) thường chọn các mẫu xe tiết kiệm nhiên liệu, tạo ra vừa đủ sự thoải mái cho khách hàng nhưng cũng đảm bảo sẽ có ít lỗi hệ thống xảy ra Thêm vào đó, một số tiêu chí khác bao gồm cốp xe rộng hơn… Khách hàng này thường không yêu cầu công suất động cơ lớn, nên chế độ điều khiển ECO sẽ thích hợp cho trường hợp này Hệ thống bướm ga điện tử hoạt động dựa vào sự truyền tín hiệu điện áp Tín hiệu điện áp này sẽ tương ứng với mức đạp bàn đạp ga thông qua cảm biến bàn đạp ga ECU sẽ giám sát và tính toán tín hiệu điện áp này để điều khiển độ mở bướm ga tương ứng, cũng như đưa ra lượng phun nhiên liệu phù hợp
Hình 3 3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ (chưa có thiết bị) Như đã trình bày ở phần 2.1.3, giữa tín hiệu từ bàn đạp ga và tín hiệu ở bướm ga, sẽ có một khoảng trễ khoảng 10ms từ bàn đạp ga đến ECU và 100ms từ ECU đến bướm ga Vậy nên mục đích đầu tiên của thiết bị mới này sẽ là loại bỏ khoảng trễ này dựa vào việc mô phỏng tín hiệu từ bàn đạp ga đến ECU
Hình 3 4 Vị trí vận hành thiết bị
Lợi ích của việc xử lý trước tín hiệu trước khi đưa đến ECU không chỉ ở việc giảm thời gian phản hồi Nhờ tín hiệu điện áp được xử lý trước, người lái sẽ tránh được hiện tượng đạp ga quá sâu làm mất kiểm soát phương tiện, ngoài ra khi bắt đầu tăng tốc, điện áp sẽ tăng mạnh tới ngưỡng bướm ga gần mở hoàn toàn để giúp đạt được vận tốc mong muốn trong thời gian ngắn nhất Khi sử dụng chế độ ECO, tín hiệu điện áp sẽ luôn được giữ ở mức 50 đến 80% mức điện áp thông thường, ta có thể nghiên cứu sâu hơn để phát triển một 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
3.2.1 Thiết kế mạch nguyên lý, mô phỏng cấu trúc của thiết bị trên phần mềm Proteus
Mạch điều khiển của thiết bị thực hiện chức năng thu thập và xử lý tín hiệu đầu vào từ cảm biến bàn đạp ga Tín hiệu đầu ra đã xử lý sau đó được gửi đến ECU điều khiển động cơ, giúp điều chỉnh chế độ hoạt động của động cơ Mạch điều khiển này được thiết kế tương thích với các dòng xe Toyota Vios từ thế hệ thứ 2 trở lên, trang bị động cơ 1NZ-FE Trái tim của mạch điều khiển chính là chip ATMEGA16A-PU, đóng vai trò là bộ xử lý trung tâm, chịu trách nhiệm quản lý và xử lý dữ liệu.
Cảm biến bàn đạp ga của xe gồm 6 dây VCPA, VPA, EPA, VCP2, VPA2 và EPA
2 tuy nhiên ta sẽ chia tín hiệu thành 2 bộ và mô phỏng trên Proteus bằng các biến trở có điện áp đầu vào 5V với VPA và VPA2 Tín hiệu được nhận từ các chân VPA1 và VPA2 sau khi được lọc nhiễu ở 2 tụ C1 và C2, giảm áp khi đi qua điện trở R3 R4 sau đó sẽ được đưa đến chân PA1 và PA2 của ATMEGA16 – các chân này có chức năng A/D Tín hiệu A/D vừa được biến đổi sẽ được phân tích và điều tiết thích hợp dựa trên các bộ
Hình 3 6 Hình ảnh mạch điện và ATMEGA16A-PU
PWM được tích hợp sẵn trong ATMEGA16 Sau khi thông qua tính toán, sẽ đưa ra mức điện áp phù hợp để đưa ra 2 chân PD4 và PD5.
Mạch sử dụng IC MCP4922 và tụ điện để xử lý tín hiệu đầu ra Đây là mô phỏng của thiết bị khi được gắn điều khiển trực tiếp bướm ga điện tử chưa qua ECU Khi cần điều khiển trên ECU, một thiết bị khác sẽ được bổ sung để truyền tải điện áp điều khiển cảm biến Hall ở bàn đạp và nhận thông tin EVPA, EVPA2 Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển: e(t) = x(t) – x ref; (3.1) u(t) = {K 1 e(t), K 2 e(t)}; (3.2) ẍ(t) = -a 1 x(t) + a 2 u(t); (3.3) 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
Có thể thấy, mô hình toán học này bỏ qua rất nhiều chi tiết phi tuyến tính, nhưng nếu bộ điều khiển đủ mạnh và ít nhiễu thì hầu hết các thành phần phi tuyến tính này
Hình 3 7 Mô phỏng mạch điện điều khiển
41 không ảnh hưởng quá nhiều Để thiết kế một bộ điều khiển lý tưởng, x ref được coi như một hằng số Từ đó, có công thức của bộ điều khiển vòng lặp:
Trong công thức trên, giả sử rằng K1>0 và K2
