nghiên cứu lý thuyết tuning hệ thống điều khiển động c

Việc hiệu chỉnh động cơ có thể sẽ giúp ích ở nơi lạnh như Canada hay nóng như Ấn Độ, hoặc ở nơi có xăng chất lượng cao như Anh hay chất lượng trung bình như Mỹ, đến ở nơi bị kiểm soát kh

TỔNG QUAN

Lý do chọn đề tài

Trên thị trường ô tô, việc lựa chọn một chiếc xe mới vừa đẹp, bền mà lại phải có công suất động cơ lớn thì chi phí để mua loại xe như thế này thường giá bán rất cao Ngày nay, khách hàng có nhu cầu nâng cấp xe thường lựa chọn việc nâng cấp công suất động cơ cho xe mà không ảnh hưởng đến các vấn đề liên quan đến kích nổ động cơ hay tiêu chuẩn khí thải môi trường

Sau đó khách hàng chỉ cần nâng cấp lại hiệu suất động cơ cho xe mình với chi phí rẻ hơn nhiều so với việc mua một chiếc xe mới có cùng hiệu suất như thế Việc hiệu chỉnh động cơ có thể sẽ giúp ích ở nơi lạnh như Canada hay nóng như Ấn Độ, hoặc ở nơi có xăng chất lượng cao như Anh hay chất lượng trung bình như Mỹ, đến ở nơi bị kiểm soát khí xả khắt khe như Đức hay nơi được nới lỏng, buông thả như Việt Nam,…

Vì vậy, dựa vào nhu cầu cũng như nắm bắt được tâm lý khách hàng muốn có một chiếc xe giá cả hợp lý mà động cơ phải có công suất lớn nên nhóm chúng em đã lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu lý thuyết Tuning về hệ thống điều khiển động cơ” để có thể bắt kịp với xu thế của tương lai.

Mục tiêu nghiên cứu

Ngành công nghiệp ô tô được chính phủ đánh giá cao là một trong những ngành công nghiệp tiên tiến, đồng thời thúc đẩy sự phát triển cho nhiều ngành công nghiệp khác, cũng như sự hòa nhập công nghệ cao Do đó, sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô không chỉ là động lực cho chính nó mà còn là động lực cho sự phát triển của các ngành công nghiệp liên quan như cơ khí, điện tử, cao su nhựa, đồng thời góp phần xây dựng nền kinh tế công nghiệp hiện đại của đất nước Để đáp ứng được nhu cầu ngày nay của người sử dụng thì việc hiệu chỉnh công suất động cơ là một trong những đề tài cần được nghiên cứu và phát triền để có thể giúp cho động cơ

2 cũng như chiếc xe ô tô sẽ trở nên mạnh mẽ hơn, giúp cho cảm giác lái được tốt hơn Do đó, đề tài nghiên cứu sẽ có mục đích sau:

+ Tìm hiểu về sự hình thành của hệ thống điều khiển động cơ và các nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong

+ Tìm hiểu về các tín hiệu đầu vào, đầu ra của hệ thống điều khiển động cơ (ECU) Từ đó việc điều chỉnh, can thiệp vào các hệ thống động cơ được quản lý bởi hệ thống điều khiển động cơ (ECU) sẽ trở nên dễ dàng hơn

+ Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết cho việc hiệu chỉnh công suất động cơ như là: tìm hiểu về hệ thống đánh lửa, các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian và góc đánh lửa, tìm hiểu về hệ thống nhiên liệu

+ Nghiên cứu về các phương pháp và quy trình hiệu chỉnh công suất động cơ, tìm hiểu các thông số và cách thay đổi các thông số để hiệu chỉnh động cơ

+ Việc đánh giá tính khả thi trên xe giúp cho đề tài nghiên cứu sẽ có tính chính xác cũng như độ tin cậy cao đối với mọi người hơn Bởi vì không chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu mà khi thực hành sẽ có thêm nhiều trải nghiệm thực tế để giúp việc hiệu chỉnh trở nên chính xác hơn.

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính là việc hiệu chỉnh công suất động cơ cho hệ thống điểu khiển động cơ

Nghiên cứu tập trung vào việc hiệu chỉnh lại các thành phần liên quan đến điều khiển động cơ như hệ thống đánh lửa, hệ thống nhiên liệu, hệ thống nạp và các yếu tố liên quan khác trong quá trình hiệu chỉnh động cơ.

Phạm vi nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu được lấy từ các tài liệu liên quan đến việc hiệu chỉnh công suất trên hệ thống điều khiển động cơ

Nghiên cứu các hệ thống động cơ như hệ thống đánh lửa, hệ thống phân phối nhiên liệu, hệ thống khí nạp và các yếu tố liên quan trong động cơ

Nghiên cứu sự quản lý của máy tính điện tử ECU trong việc điều khiển các hoạt động của động cơ Từ đó hiểu được nguyên lý hoạt động của các hệ thống trong động cơ ô tô

Sau khi tổng hợp các tài liệu cho việc hiệu chỉnh công suất động cơ, tiến hành thu thập các thông số thực tế bằng các tài liệu và hướng dẫn trên internet để ứng dụng hiệu chỉnh động cơ ngoài thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp được áp dụng để thực hiện đề tài gồm: phương pháp thu thập số liệu, thông tin từ các bài đăng, tài liệu có trên mạng internet để sử dụng cho bài làm

Phương pháp luận để lập luận, nguyên lý và các lập luận từ nhiều nguồn tài liệu áp dụng cho đề tài

Cùng với đó là tổng hợp thông tin từ các bài làm trước đó để hoàn thiện hơn cho đề tài

Ngoài ra đề tài còn sử dụng phương pháp phân tích và tổng hợp, quy nạp và diễn giải, phân loại và hệ thống nhờ đó làm cho đề tài được hoàn thiện đầy đủ và hợp lý có sức thuyết phục

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ

Giới thiệu hiệu chỉnh công suất động cơ EFI

Vào những năm 1950, hệ thống phun xăng điện tử EFI được phát minh ở Mỹ bởi tập đoàn Bendix Hệ thống phun xăng điện tử EFI được biết đến và thương mại hóa đầu tiên là Bendix Electrojector vào năm 1957 bởi American Motors trên động cơ 288 bhp (214.8 kW) Hệ thống phun xăng điện tử ra đời nhằm thay thế cho bộ chế hòa khí cơ chế trộn hòa trộn nhiên liệu và không khí trước đó [1]

Ngày nay, hệ thống động cơ EFI trở nên phổ biến và sử dụng rộng rãi nhờ vào những ưu điểm như:

+ Áp suất cao của hệ thống EFI (30-70) psi có thể loại bỏ được tình trạng áp suất thấp và nhiệt độ cao trong ống dẫn nhiên liệu có thể hình thành bong bóng hơi làm cản trở hoạt động của hệ thống

+ Tính linh hoạt cao nhờ vào thiết kế đường ống nạp cho phép lưu lượng khí nạp cao hơn, phân phối không khí và nhiên liệu đến xi lanh được ổn định, dẫn đến công suất và momen xoắn được ổn định giúp cho khả năng lái tốt hơn

+ Tỉ số nén động cơ cao hơn, hiệu quả hơn và đặc biệt ít bị kích nổ

+ Độ chính xác cao của việc cung cấp nhiên liệu bằng phun điện tử ở bất kỳ tốc độ và tải trọng nào có thể giúp động cơ nhận được hỗn hợp không khí và nhiên liệu ở mỗi xi lanh, độ chính xác là cần thiết để tạo ra một tốc độ tối đa cho xe

+ Độ chính xác tỉ lệ không khí và nhiên liệu được điều khiển bằng ECU cho phép động cơ hoạt động công suất tối đa một cách an toàn mà không bị hư hại

Hệ thống EFI có thể dễ dàng được hiệu chỉnh lại hoặc hiệu chỉnh cho phù hợp động cơ ngày nay hoặc có thể sửa đổi động cơ như một chiếc xe đua Đơn giản chỉ cần thay đổi cấu hình bên trong của một hệ thống điều khiển động cơ điện tử là có thể nâng cấp cho động cơ trở thành một phiên bản hoàn toàn mới Thay đổi một vài thông số trong bộ nhớ của một thiết

5 bị gốc trên máy tính có thể giải phóng 50 hoặc 100 mã lực và giải phóng khả năng tăng sức mạnh với các bộ phận cải thiện tốc độ động cơ [1]

Nguyên lý hoạt động của động cơ

2.2.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ 4 kỳ Động cơ hoạt động dựa vào 4 kỳ đó là: kỳ nạp, kỳ nén, kỳ nổ, kỳ xả hoạt động dựa trên sự chuyển động của piston trong xi lanh tạo thành một chu trình làm việc liên tục khi bắt đầu khởi động động cơ [4]

Hình 2.1: Chu trình hoạt động động cơ [4]

Quá trình nạp bắt đầu bằng piston ở đỉnh xi lanh hoặc TDC khi xupap nạp mở

+ Quá trình nạp sẽ đưa trục khuỷu quay một vòng 180° và piston sẽ kết thúc ở điểm chết dưới BDC

+ Khi piston di chuyển xuống điểm chết dưới của xi lanh sẽ tạo ra một vùng áp suất thấp hoặc chân không bên trong xi lanh Điều này dẫn đến sự chênh lệch áp suất không khí giữa đường ống nạp và xi lanh

+ Khi có sự chênh lệch áp suất như thế này, không khí sẽ luôn di chuyển từ vùng áp suất cao đến vùng áp suất thấp để tạo ra sự cân bằng Vì vậy, sự chênh lệch áp suất này là nguyên nhân giúp cho nhiều không khí được nạp vào xi lanh Sự chênh lệch áp suất càng lớn thì càng có nhiều không khí vào trong xi lanh giúp cho việc tạo ra càng nhiều năng lượng Mặt khác các bộ tăng áp sẽ làm tăng áp suất không khí vào đường ống nạp lên, kết quả là sự chênh lệch áp suất lớn giữa đường ống nạp và xi lanh giúp cho không khí được hút vào xi lanh nhiều hơn trong quá trình nạp

+ Kỳ nén: sau khi kết thúc quá trình nạp sẽ đến quá trình nén, lúc này piston ở điểm chết dưới và xupap nạp đóng lại Khi piston di chuyển lên điểm chết trên không khí bị nén chặt do xupap nạp lúc này đã đóng lại Việc nén không khí sẽ giúp đạt được công suất tối đa cho động cơ hoạt động

+ Kỳ nổ (cháy giãn nở và sinh công): Quá trình này bắt đầu bằng việc bugi đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí sau khi hòa khí đã được nén ở quá trình nén Sau khi không khí và nhiên liệu bị đốt cháy, dẫn đến sự giãn nở nhanh chóng của không khí trong xi lanh tạo ra một áp suất lớn tác động lên đỉnh của piston Chính áp suất này tạo ra một lực truyền từ piston tới thanh truyền cuối cùng là đến trục khuỷu tạo ra công suất và momen xoắn lớn Quá trình truyền lực kết thúc khi piston đạt đến điểm chết dưới, bắt đầu quá trình xả

+ Kỳ xả: Lúc này xupap xả bắt đầu mở và piston di chuyển lên đến điểm chết trên, bắt đầu đẩy hết lượng khí xả đã sử dụng ra ngoài và bắt đầu một chu trình làm việc mới

2.2.2 Thời gian xupap đóng, mở

Theo lý thuyết, trục khuỷu của động cơ 4 kỳ quay 2 vòng ứng góc 720° tức là mỗi kỳ ứng với 180° Piston đi từ điểm chết trên (ĐCT) đến điểm chết dưới (ĐCD) và tuần hoàn như vậy Xupap xả và xupap nạp đóng và mở để xả khí ra và nạp khí vào để thực hiên 4 quá trình: nạp, nén, nổ, xả Quá trình này ảnh hưởng đến việc thay đổi thời điểm đóng mở xupap trong động cơ đốt trong

Hình 2.2: Pha phân phối khí [4]

(EVO Exhaust Valve Opening Timing) Thời điểm mở xupap xả: [4]

+ Khi xupap xả mở làm cho áp suất cao trong buồng đốt sau quá trình đốt cháy, được xả ra ngoài qua đường ống xả Xupap xả mở sớm trước khi piston tới điểm chết dưới (điểm b’) sẽ làm thuận lợi trong quá trình thải khí xả bằng cách này sản vật cháy được đẩy ra ngoài nhờ chênh lệch áp suất giữa buồng đốt và đường xả Nhằm giảm lực tác động cho xupap xả khi mở và đóng cần phải cho xupap xả đóng mở một cách từ từ Khi mở sớm xupap xả vào đúng thời điểm sẽ làm giảm công cho việc đẩy khí xả ra ngoài

+ Nhưng nếu xupap xả mở quá sớm sẽ làm giảm công suất trên đồ thị công qua đó làm giảm sức mạnh động cơ

+ Động cơ đốt trong cũ thì hệ thống phân phối khí được cố định nên phải cân đối lợi ích giữa hai yếu tố công suất và tính kinh tế Ngược lại, các động cơ có hệ thống hiện đại hơn thì sẽ thay đổi thời điểm mở xupap xả sao cho công suất động cơ đạt hiệu quả cao nhất ở mọi tốc độ và tải động cơ mọi thời điểm

+ Động cơ hoạt động ở tải nhỏ hoặc tải một phần, động cơ sẽ tối ưu hiệu suất khi thời điểm mở xupap xả càng gần lúc piston đến điểm chết dưới hơn càng tốt vì lúc này áp lực lên piston nhỏ hơn nên hiệu quả đẩy khí cháy ra ngoài cũng tốt hơn

+ Trái lại, hoạt động ở toàn tải cần mở xupap xả sớm hơn tức trước lúc piston tới điểm chết dưới vì phải có đủ thời gian để đẩy sạch khí cháy ra, tuy sẽ mất một ít công trên đồ thị

PV Tuy mất một ít công như vậy nhưng sẽ bù vào quá trình nạp tiếp theo sẽ đạt được lợi ích lớn hơn cũng sẽ tạo được hiệu quả cao hơn

Hình 2.3: Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm mở xupap xả [4]

(EVC Exhaust Valve Closing Timing) Thời điểm đóng xupap xả: [4]

Hình 2.4: Ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng xupap xả [4]

+ Xupap xả sẽ luôn đóng muộn cho đến khi piston đi qua điểm chết trên với mục đích để cho toàn bộ lượng khí xả sau khi cháy được thoát ra Ngoài ra, nhờ vào việc chênh lệnh áp suất trong và ngoài buồng đốt để giảm tối thiểu lượng khí xả còn sót trong xi lanh

+ Thời điểm mà xupap xả đóng có ảnh hưởng rất lớn đến lượng khí xả còn sót lại trong buồng đốt ở kỳ nạp kế tiếp Lúc xupap xả đóng là một thông số quan trọng trong việc điều khiển góc trùng điệp của hai xupap và lưu hồi khí xả Lúc động cơ đầy tải để đạt được điều kiện lượng khí xả ít nhất có thể trong buồng đốt ở kỳ nạp kế tiếp Điều này đảm bảo thời điểm xupap xả đóng phải càng gần ngay piston đến điểm chết trên

+ Động cơ hoạt động ở một phần tải hoặc tải nhỏ, việc xupap xả đóng muộn sẽ đem đến ích lợi rất lớn đến việc giữ lại một phần khí xả để tác động đến hòa khí mới nạp vào Lượng khí xả được giữ lại vì thế mà làm giảm đi hoạt động cần thiết của bướm ga để chỉnh lượng hòa khí đi vào buồng đốt và kết quả làm giảm tổn thất nạp vào ở kỳ nạp tiếp theo Thời điểm đóng trễ xupap xả sẽ làm tăng tuần hoàn khí xả tương ứng và đồng thời làm giảm khí xả thoát ra, thân thiện với môi trường

Tín hiệu đầu vào, đầu ra ECU

Khi công nghệ ngày càng phát triển, khả năng của ECU và số lượng nhiệm vụ phụ trách xử lý cũng tăng lên Công việc chính của ECU là quản lý việc cung cấp nhiên liệu và tia lửa cho động cơ, nhưng với sức mạnh xử lý có sẵn trong ECU hiện đại, điều này chỉ mới là bề nổi tiềm năng của chúng [5]

Ngày nay việc có ECU điều khiển vị trí trục cam, dẫn động bằng dây đai, vị trí bướm ga, tăng áp, hộp số, cảm biến không phải là điều quá khó khăn

Hình 2.9: Tín hiệu đầu vào, đầu ra [5]

+ Cảm biến quan trọng nhất trong bất kỳ hệ thống điều khiển động cơ nào là cảm biến tốc độ động cơ, thường được gọi là cảm biến vị trí trục khuỷu Đây là cảm biến chịu trách nhiệm cho ECU biết động cơ quay nhanh như thế nào và thường thì cảm biến cũng sẽ cung cấp cho ECU thông tin về vị trí động cơ Đây là thông tin quan trọng đối với ECU vì nó sử dụng thông tin này làm cơ sở cho tất cả các tính toán về nhiên liệu và thời điểm đánh lửa Nếu thông tin này không chính xác thì ECU không thể thực hiện đúng chức năng của mình

+ Chế độ phun nhiên liệu tuần tự và đánh lửa trực tiếp phụ thuộc nhiều vào cảm biến vị trí trục cam vì tốc độ trục cam chỉ bằng một nửa so với tốc độ động cơ Vì thế, việc đồng bộ các cảm biến bằng ECU là điều rất cần thiết

+ Các tín hiệu đầu vào thay đổi liên tục, vì thế ECU cũng sẽ nhận biết sự thay đổi theo dạng tín hiệu kĩ thuật số, thông thường điện áp sẽ thay đổi từ 0V đến 5V hoặc ngược lại Tín hiệu đầu ra:

+ Dựa vào tín hiệu tốc độ động cơ và vị trí piston, ECU sẽ xác định được thời điểm đánh lửa và thời điểm phun xăng một cách tối ưu nhất để nâng cao khả năng tiêu thụ nhiên liệu và hiệu suất động cơ Thêm vào đó, tín hiệu từ cảm biến vị trí bướm ga để xác định lượng khí nạp, gửi về ECU điều chỉnh lượng nhiên liệu phù hợp với từng dãy tốc độ

+ Bên cạnh đó, các thông số về tốc độ động cơ, nhiệt độ động cơ, tải trọng, nhờ đó các tín hiệu được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp đưa vào ECU tính toán và xử lý để xác định góc đánh lửa sớm tối ưu nhất theo từng dãy tốc độ và tải hoạt động của động cơ

+ Nhiều nước châu Âu với mục đích đạt được tiêu chuẩn khí xả (EURO 5, EURO 6) ngăn chặn khí ô nhiễm đến môi trường Vì thế mà ECU đóng một vai trò chủ chốt trong việc điều chỉnh lượng khí xả, một phương thức hiệu quả nhất là trang bị thêm bộ hoá khử (TWC – Three way catalyst), hoạt động tốt ở tỉ lệ hoà khí lý tưởng, nhờ vào tín hiệu cảm biến Oxy để tính toán phần hoà khí tức thời trong khí nạp sau đó gửi tín hiệu điện áp về ECU nhằm điều chỉnh tỉ lệ hoà khí thích hợp [5]

+ ECU còn có khả năng ảnh hưởng đến các hệ thống an toàn trên ô tô như: hỗ trợ phanh khẩn cấp (BA), hệ thống cân bằng (ESP), hệ thống phân bổ lực phanh (EBD) Các cảm biến sẽ liên tục ghi lại các giá trị và truyền tín hiệu đến ECU, lúc này ECU sẽ so sánh giá trị với những dữ liệu đã lặp trình trước Vì thế mà khi gặp phải những sự cố nguy hiểm, người lái sẽ có hướng phản ứng tăng lực phanh, đánh lái gấp xảy ra hiện tượng trượt bánh khi phanh, lập tức tín hiệu sẽ truyền đến ECU và buộc xe vận hành theo những chương trình đã lập trình sẵn như điều chỉnh góc xoay, kiểm soát tốc độ từng bánh xe, lực phanh mỗi bánh nhằm hạn chế tối đa sự mất kiểm soát của người lái [5]

CƠ SỞ LÝ THUYẾT HIỆU CHỈNH (TUNING)

Hệ thống khí nạp

3.1.1 Bộ lọc không khí động cơ

Không khí bên ngoài là hỗn hợp của các khí có chứa 21% O 2 , 78% N 2 , và một phần nhỏ của các khí khác Không khí đi vào từ đầu đường ống nạp đi qua bộ lọc không khí rồi mới vào buồng đốt động cơ [2]

Bộ lọc khụng khớ thụng thường giữ được 80% đến 90% cỏc hạt cú kớch thước từ 5 àm Bộ lọc không khí loại cao cấp hơn có thể giữ được 90% đến 95% các hạt có kích thước nhỏ đến

1 àm hoặc hơn thế nữa [2]

3.1.2 Các cảm biến không khí nạp

Hình 3.1: Hình ảnh cảm biến không khí nạp [2] Để duy trì tính kinh tế và công suất động cơ, (ECM) bộ điều khiển động cơ cần biết lượng không khí đi vào hệ thống nạp khí để cân chỉnh chính xác lượng nhiên liệu cần phun vào buồng đốt ở bất kỳ thời điểm nào bằng cảm biến khối lượng khí nạp (MAF) hoặc cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP) thường được đặt trên đường ống nạp phía sau bướm ga [2] Một số động cơ có trang bị bộ tăng áp trang bị cả hai loại cảm biến này Hầu hết các cảm biến khối lượng khí nạp đều có thêm cảm biến nhiệt độ khí nạp (IAT) trong cảm biến

Hình 3.2: Hình ống hút không khí nạp [2]

Sau khi đi qua các cảm biến, không khí tiếp tục qua buồng cộng hưởng, đó là các ống

“rỗng” được thiết kế để hấp thụ và loại bỏ các dao động trong dòng khí, làm trơn tru luồng không khí trên đường đến bướm ga

Một điều cần lưu ý là, đặc biệt là sau cảm biến MAF, không được có rò rỉ trong hệ thống nạp khí Việc cho phép không khí chưa qua lọc vào hệ thống sẽ làm sai lệch tỉ lệ nhiên liệu – không khí Khi ở mức tối thiểu, điều này có thể khiến ECM phát hiện ra sự cố, làm xuất hiện mã lỗi (DTC) và làm sáng đèn báo động cơ Tệ nhất, động cơ có thể không khởi động được hoặc có hiệu suất kém [2]

3.1.4 Bộ tăng áp và bộ làm mát khí nạp

Trên các xe được trang bị bộ tăng áp có thể là turbo tăng áp hay bộ siêu nạp Trên bộ turbo tăng áp, không khí đi qua cửa nạp của bộ tăng áp Khí xả thoát ra sẽ làm quay cánh tuabin trong bộ turbo tăng áp làm quay cánh nén và không khí vào được nén lại, hàm lượng oxy của nó, làm tăng mật độ – nhiều oxy hơn có thể đốt cháy nhiều nhiên liệu hơn để tạo ra nhiều năng lượng hơn từ các động cơ nhỏ hơn [2]

Hình 3.3 Các thành phần bộ tăng áp [2]

Khi không khí nóng hơn, nó cũng trở nên ít “đậm đặc” hơn, bởi vậy nó sẽ làm giảm lượng oxy có sẵn trong các xylanh và làm ảnh hưởng tới hiệu suất Bộ làm mát khí nạp Intercooler hoạt động chính là để chống lại nhược điểm này, nó sẽ làm mát khí nén nhằm cung cấp nhiều oxy hơn cho động cơ và cải thiện quá trình đốt cháy trong mỗi xylanh Bên cạnh đó, bằng cách điều chỉnh nhiệt độ của không khí, nó cũng khiến tính ổn định của động cơ được gia tăng nhờ sự đảm bảo tỷ lệ không khí với nhiên liệu trong mỗi xylanh được duy trì ở mức an toàn

3.1.5 Bướm ga và van điều khiển tốc độ không tải

Thân bướm ga được kết nối, bằng điện tử hoặc qua dây cáp, với bàn đạp ga hay được điều khiển thông qua hệ thống điều khiển bướm ga điện tử Khi đạp ga, van tiết lưu hay còn gọi là van bướm ga sẽ mở ra cho phép nhiều không khí vào động cơ hơn, dẫn đến tăng công suất và tốc độ động cơ

Khi xe chạy ở tốc độ không tải, một lượng nhỏ không khí vẫn cần phải đi tới động cơ để duy trì hoạt động của động cơ Một số loại xe mới hơn, với điều khiển bướm ga điện tử (ETC), tốc độ không tải của động cơ được điều khiển bằng cách điều chỉnh đối với cánh bướm ga [2]

Hình 3.4: Hình ảnh bướm ga [2]

Hệ thống phân phối nhiên liệu

Trên thực tế, hệ thống EFI đơn giản hơn nhiều so với trước đây, lần đầu tiên xuất hiện và nhiều bộ chế hòa khí thực sự không đơn giản để hiểu đầy đủ hoặc điều chỉnh thực sự tốt Bộ chế hòa khí rất phức tạp và các thiết bị phức tạp đã được thiết kế trong quá trình nhiều thập kỷ tới mức độ hoàn thiện cao Mặc dù họ là rẻ hơn nhiều so với hệ thống phun xăng điện tử, chế hòa khí thì không đơn giản để điều chỉnh theo cách chủ yếu để đạt được độ chính xác cao

Bộ chế hòa khí đã bị loại bỏ vào giữa những năm 1980 chính xác là do việc quản lý nhiên liệu không đủ để đáp ứng những yêu cầu mới tiêu chuẩn về lượng khí xả thấp với hiệu suất và tính kinh tế cao [2]

Hệ thống EFI hoạt động dựa trên sự phối hợp nhịp nhàng giữa các bộ phận với nhau Khi xe khởi động, hệ thống điều khiển điện tử trung tâm sẽ quét từng cảm biến có trong động cơ Các thông số về nhiệt độ, mật độ không khí, áp suất không khí; nhiệt độ, áp suất nhiên liệu; thời gian, tốc độ động cơ,… sẽ được bộ ECU tiếp nhận và xử lý ECU trong hệ thống phun xăng điện tử sẽ căn cứ vào đó để tính toán và phát tín hiệu đến cơ cấu chấp hành là vòi phun hoặc kim phun, thiết lập thời gian để kim phun mở và tối ưu lượng nhiên liệu phun vào buồng

23 đốt động cơ Nhờ vậy, lượng nhiên liệu sẽ được phun với thời gian và lưu lượng hợp lý nhất đảm bảo cho động cơ hoạt động tốt và tiết kiệm nguồn nhiên liệu hiệu quả [2]

Hệ thống đánh lửa

3.3.1 Các thành phần chính hệ thống đánh lửa

+ Là một phần của hệ thống đánh lửa, nó là thiết bị để nguồn điện phát ra hồ quang qua một khoảng trống Nguồn điện được tạo ra có điện áp rất cao khoảng 30.000 – 100.000 Volts để tia lửa điện có thể phóng qua khoảng trống và đốt cháy được hòa khí

+ Bugi thường sử dụng sứ làm vật liệu để có thể cách ly được điện thế cao để tia lửa xuất hiện đúng theo vị trí đã định trước của các điện cực, thiết kế phải chịu đựng được điều kiện khắc nghiệt trong xi lanh như áp suất và nhiệt độ rất cao khi diễn ra các quá trình trong động cơ để tránh bị hư hỏng, hơn nữa các mụi than không bám lại trên thân bugi là yếu tố quan trọng để việc đánh lửa được tối ưu nhất

+ Một số xe đòi hỏi phải sử dụng loại bugi nóng, có sức chịu nhiệt cao Loại bugi này được thiết kế có chất sứ bao bọc xung quanh, phần kim loại được tiếp xúc ít hơn do vậy việc trao đổi nhiệt kém và làm sạch bụi bẩn tốt hơn Bugi lạnh thì được thiết kế với vùng nhiệt trao đổi ra ngoài lớn hơn vì vậy bugi sẽ nguội nhanh hơn khi hoạt động

+ Là bộ phận có nhiệm vụ tạo ra dòng điện cao áp để giúp bugi có thể phóng tia lửa điện đốt cháy lượng hòa khí có trong buồng đốt động cơ

+ Cấu tạo bô bin đánh lửa ô tô gồm một lõi sắt, hai đầu bô bin được nối vào cuộn dây sơ cấp và cuộn thứ cấp Số vòng của cuộn thứ cấp lớn hơn khoảng 100 lần so với cuộn sơ cấp Cuộn sơ cấp một đầu nối vào IC đánh lửa, đầu còn lại nối vào cực dương của ắc quy Cuộn thứ cấp một đầu nối vào cực dương ắc quy, đầu còn lại nối vào bugi

Hình 3.5: Cấu tạo bô bin đánh lửa ô tô [5]

+ Khi động cơ hoạt động, ECU động cơ sẽ tính toán và phát ra tín hiệu đánh lửa, khi có tín hiệu đánh lửa IC đánh lửa sẽ cấp điện cho chân B của transistor và cho dòng điện dương từ ắc quy qua cuộn sơ cấp và được nối mass Lúc này, sẽ có dòng điện qua cuộn dây nên ở lõi sắt trung tâm sẽ có các đường sức từ

+ Khi ECU đưa ra tín hiệu đánh lửa, IC đánh lửa điều khiển ngắt dòng điện qua cuộn sơ cấp nhanh chóng dẫn đến từ thông ở cuộn sơ cấp bị giảm đột ngột Từ đó hình thành một sức điện động cảm ứng theo chiều chống lại sự giảm từ thông đó Lúc này trong cuộn thứ cấp xuất hiện dòng điện áp cao tới hàng nghìn Volts, khi có sự chênh lệch điện áp tia lửa sẽ được tạo ra ở đầu bugi và bắt đầu phóng tia lửa điện trong buồng đốt

3.3.2 Hệ thống đánh lửa sớm điện tử (ESA)

Hệ thống ESA (Đánh lửa sớm điện tử) là một hệ thống được điều khiển và tính toán bởi ECU động cơ để xác định thời điểm đánh lửa dựa vào các tín hiệu của các cảm biến trên động cơ

ECU động cơ tính toán thời điểm đánh lửa tối ưu sau đó lưu trữ trong bộ nhớ để phù hợp với tình trạng cũng như điều kiện hoạt động của động cơ, từ đó gửi tín hiệu đến IC đánh lửa

25 để xử lý và kích hoạt thời điểm một cách chính xác Thời điểm đánh lửa tối ưu cơ bản được xác định nhờ vào các yếu tố như tốc độ của động cơ, tải trọng và lưu lượng không khí nạp (áp suất đường ống nạp)

3.3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

+ Hệ thống ESA gồm ECU động cơ, các IC đánh lửa, cuộn dây đánh lửa, các cảm biến khác nhau và các bugi

+ ECU động cơ xác định thời điểm đánh lửa dựa vào tín hiệu cảm biến vị trí trục cam

G, tín hiệu cảm biến vị trí trục khuỷu (NE) và các tín hiệu từ các cảm biến khác Khi đã xác định được thời điểm đánh lửa, ECU động cơ gửi tín hiệu đánh lửa IGT (Ignition timing) đến

IC đánh lửa Khi bugi bật tia lửa điện và đánh lửa bên trong động cơ sẽ có tín hiệu phản hồi IGF (Ignition Feedback) từ bộ đánh lửa về ECU

+ Ngày nay với việc đánh lửa được chính xác thì các xe chủ yếu sử dụng mạch đánh lửa loại DIS (hệ thống đánh lửa trực tiếp) ECU sẽ thực hiện việc gửi các tín hiệu đánh lửa IGT đến các IC đánh lửa theo trình tự của chu trình hoạt động vì thế thời điểm đánh lửa loại DIS có độ chính xác cao và thời điểm được tối ưu

3.3.2.2 Mục đích của việc đánh lửa sớm Đánh lửa sớm giúp cho nhiên liệu sẽ được đốt cháy hoàn toàn và tạo ra năng lượng tác động lên đỉnh piston, đẩy piston đi xuống khi piston di chuyển đến điểm chết trên (TDC) Khi tất cả nhiên liệu cùng cháy hết một lúc thì năng lượng và công suất được tạo ra là lớn nhất có thể đạt được

Tiết kiệm nhiên liệu: Khi bugi đánh lửa, tia lửa sẽ đốt cháy hòa khí tạo ra một lượng nhiệt lớn, nhiệt lượng này sẽ tỏa ra từ chính bugi cho tới phần nhiên liệu phía dưới, trong khi vận tốc lan truyền của ngọn lửa là không thay đổi Vì thế nên điều chỉnh đánh lửa sớm một cách

Các yếu tố ảnh hưởng đến tỉ lệ A/F

Nhắc đến hệ thống điều khiển nhiên liệu tối ưu thì phải cân bằng hệ số khí trên nhiên liệu (A/F) A/F là hệ số khối lượng không khí và khối lượng nhiên liệu (xăng)

Từ việc cân bằng phương trình hóa học sau:

Tỉ lệ tối ưu là A/F = 14.7/1 đối với động cơ xăng Tức là cần 14.7 gram không khí mới đốt sạch hoàn toàn 1 gram xăng Đốt sạch nhiên liệu rất quan trọng đối với các động cơ Nó giúp cho xe tiết kiệm, tối ưu hóa công suất, bảo vệ môi trường Hộp điều khiển động cơ (ECM hoặc PCM) được thiết kế để điều khiển lượng nhiên liệu một cách tối ưu nhất, tức là làm cho thông số A/F luôn bằng 14.7/1

3.4.1 Tính toán tỉ lệ tương đương không khí - nhiên liệu (λ)

Tỉ lệ tương đương không khí - nhiên liệu, λ (lambda), là tỉ lệ giữa AFR thực tế và phép cân bằng hóa học cho một hỗn hợp nhất định λ = 1.0 là ở mức cân bằng hóa học, hỗn hợp giàu nhiên liệu λ < 1.0 và hỗn hợp nghèo nhiêu liệu λ > 1.0

Giả sử nhiên liệu dùng là xăng RON 95 gồm 95% Isooctane (C 8 H 18 ) và 5% Heptan (C 7 H 16 ) tức là 1 mol nhiên liệu xăng RON 95 thì có 0.95 mol Isooctane (C 8 H 18 ) và 0.05 mol Heptan (C 7 H 16 ) Thêm vào đó đã có khối lượng mol: M C 8 H 18 = 114, M C 8 H 18 = 100, M O 2 32

0.05mol Khối lượng các thành phần: m C 8 H 18 = 0.95 × 114 = 108,3 (g) (3-3) m C 7 H 16 = 0.05 × 100 = 5 (g) (3-4) m O 2 = (0.95 × 12.5 + 0.05 × 11) × 32 = 397.6 (g) (3-5) m xăng = 108.3 + 5 = 113.3 (g) (3-6) Đồng thời, Oxy chiếm 20.95% thể tích không khí (tức là 23.17% khối lượng không khí) Vậy khối lượng không khí cần nạp vào xi lanh là: m kk = m O 2 × 100

Vì thế sẽ tính được giá trị tỉ lệ tương đương không khí - nhiên liệu, λ (lambda), tức là tỉ lệ giữa AFR thực tế λ = AFR = m kk m xăng 16.01

Theo lý thuyết để đốt hết 1g xăng RON 95 cần phải nạp vào động cơ 15.1g không khí Tuy nhiên trên thực tế, xăng không chỉ chứ hai loại hữu cơ trên mà còn nhiều chất phụ gia khác Các hợp chất này làm giảm thành phần của Isooctane (C 8 H 18 ) và Heptan (C 7 H 16 ) có trong

35 xăng xuống dẫn đến trị số AFR cũng giảm vì thế mà tạo ra tỉ lệ mới là 14.7:1 Đây cũng được hiểu là giá trị tỉ lệ hoà trộn giữa không khí và nhiên liệu lý tưởng trên ô tô

3.4.2 Ảnh hưởng tỉ lệ không khí/nhiên liệu đến hiệu suất động cơ

Công suất tối đa của động cơ có thể đạt được ở AFR 12.6 hoặc lambda 0.86 trong biểu đồ tỉ lệ không khí/nhiên liệu Có thể thấy rằng, lambda nhỏ hơn 0.86 nằm ở khu vực giàu Công suất động cơ đã giảm ở phía bên phải của sơ đồ

Hình 3.15: Mối liên hệ giữa tỉ lệ không khí và nhiên liệu

Mối quan hệ giữa AFR và các chất gây ô nhiễm khác nhau Trong trường hợp này, có thể nói rằng nếu AFR ở phạm vi giàu, tức là giá trị lambda nhỏ hơn 1, nơi đạt được công suất động cơ tối đa ở vùng này thì lượng CO và HC đã tăng lên Tuy nhiên, khi NOx giảm nhiệt độ buồng đốt thấp và tỉ lệ không khí - nhiên liệu phong phú giúp giảm lượng khí xả NOx Nhưng khi AFR được điều chỉnh về mức cân bằng hóa học, HC và CO giảm xuống mức thấp

36 nhất trong khi NOx tăng lên mức tối đa Nhiệt độ buồng cháy tăng cao là nguyên nhân làm tăng NOx Bây giờ CO và NOx đã giảm xuống, nhưng HC lại tăng lên, ở mức AFR 15.5 hoặc

16 Đây là những giá trị tốt nhất để đạt được mức tiêu thụ nhiên liệu tối ưu

Hình 3.16: Đồ thị khí xả so với tỉ lệ hòa khí

Mức tiêu thụ nhiên liệu tốt nhất và chế độ ô nhiễm nặng nhất nằm ở tỉ lệ cân bằng hóa học Do đó ở chế độ vòng kín, ECU giữ giá trị AFR ở khoảng 14.7/1

Dựa trên những thông tin cơ bản về AFR, tỉ lệ này có tác động đáng kể đến công suất động cơ, mức độ ô nhiễm, mức tiêu thụ nhiên liệu, tuổi thọ bộ phận và các yếu tố khác Để điều chỉnh chính xác AFR trong các điều kiện vận hành khác, nhà sản xuất ECU sử dụng các bảng và hệ số hiệu chỉnh nhiên liệu khác nhau

3.4.3 Lambda ảnh hưởng đến các thành phần khác

Các trục của bảng này thường dựa trên vòng quay động cơ và tỉ lệ phần trăm không khí nạp vào xi lanh Ở đây, trục tung là phần trăm lượng khí nạp vào xi lanh, và trục hoành là tốc

37 độ của động cơ Ở một số ECU, trục tung là tốc độ động cơ và trục ngang là nạp khí nhưng nhìn chung không có sự khác biệt giữa chúng

Hình 3.17: Hình ảnh lambda ở các tốc độ động cơ khác nhau Ở hầu hết các động cơ, nhà sản xuất chọn làm giàu tỉ lệ không khí - nhiên liệu để giảm nhiệt độ các bộ phận động cơ và ngăn ngừa hư hỏng do nhiệt độ cao Khi các số nhỏ hơn 1.00, điều đó có nghĩa là hỗn hợp giàu hơn, dẫn đến quá trình đốt cháy mát hơn Bằng cách cho phép nhiều nhiên liệu đến xi lanh hơn, nhiên liệu chưa cháy hết sẽ bay hơi ở thành xi lanh, làm mát chúng và giảm nhiệt độ khí xả Quá trình làm giàu chỉ được kích hoạt nếu nhiệt độ khí xả vượt quá ngưỡng hoặc giới hạn áp dụng

Hệ thống điều khiển động cơ (ECU và Proms)

Hình 3.18: Sơ đồ khối của hệ thống trong máy tính với bộ vi xử lý (Microprocessor) [8]

Một bộ vi xử lý kỹ thuật số (Microprocessor) về cơ bản là những công tắc và mạch điện rất nhỏ có khả năng thực hiện các công việc như điều khiển và thực hiện khuếch đại tín hiệu điện áp Bộ vi xử lý nhận tín hiệu từ các cảm biến, sau đó tính toán đưa ra các cách thức xử lý kịp thời Đây là bộ phận quan trọng thường đưa ra quyết định giúp ECU vận hành và điều khiển hệ thống trên ô tô, thường được gọi là “bộ não ECU”

40 Đường truyền – Bus có thể truyền tín hiệu theo hai chiều giữa các tín hiệu với bộ vi xử lý

Bộ nhớ ECU chia ra làm 4 loại:

+ ROM (Read Only Memory): dùng để lưu giữ những thông tin thường trực Thông tin trong bộ nhớ này đã được cài sẵn, chỉ có thể đọc mà không thể thay đổi được thông tin Bộ vi xử lý luôn được cung cấp thông tin từ bộ nhớ ROM và luôn được lắp cố định trên mạch điện tử

+ RAM (Random Access Memory) bộ nhớ truy xuất thông tin ngẫu nhiên dùng để lưu trữ những dữ liệu mới và được quản lý bởi vi xử lý RAM có thể đọc và ghi lại các số liệu bất kì theo những địa chỉ bất kì

+ PROM (Programmable Read Only Memory) có cấu trúc tương tự như ROM nhưng việc lập trình hay nạp lại chương trình điều khiển có thể thực hiện ở nơi sử dụng thay vì phải ở nơi nhà máy sản xuất như ROM PROM cho phép thay đổi các chương trình điều khiển tùy theo vào mục đích sử dụng khác nhau

+ KAM (Keep Alive Memory) là bộ nhớ lưu trữ các thông tin mới, các thông tin tạm thời để gửi đến bộ vi xử lý Thông tin trong bộ nhớ sẽ không bị mất đi kể cả khi xe đã bị tắt khóa điện nhưng khi xe bị tháo cọc bình ắc quy dữ liệu, thông tin lúc này sẽ bị mất

+ EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) là một bộ nhớ của ROM được dùng để lưu trữ thông tin kể cả khi bị mất điện, dữ liệu này cũng có thể xóa hoặc thay đổi được tùy vào mục đích sử dụng Người dùng có thể đọc và sao chép dữ liệu có trong bộ nhớ ECU cũ để chuyển qua ECU mới bằng những công cụ chuyên dùng

Tổng quan về ECU bao gồm :

+ Bộ vi điều khiển (Microcontroller)

+ Nguồn cung cấp cho hộp

+ Những tín hiệu đầu vào ở các dạng kĩ thuật số, dạng sóng hình sin hoặc dưới dạng xung

+ Các tín hiệu đầu ra điều khiển các bộ chấp hành dưới dạng tín hiệu điện áp

+ Phương thức giao tiếp với các hộp điều khiển thông qua đường truyền mạng CAN

Hộp ECU trên động cơ hoạt động dựa vào việc mã hóa tín hiệu thành mã số nhị phân, đối với tín hiệu điện áp cao giá trị logic là 1, với tín hiệu điện áp thấp giá trị logic là 0

Bộ phận chủ yếu của ECU là bộ vi điều khiển (Microcontroller) hay CPU (Central Processing Unit), bộ vi điều khiển này sẽ thu thập thông tin, dữ liệu từ những tín hiệu đầu vào, đầu ra của những cảm biến sau đó sẽ lựa chọn các lệnh và xử lý dựa trên bộ nhớ ROM và RAM chứa trong các chương trình điều khiển

Cấu trúc của một bộ vi điều khiển thường được bao gồm cơ cấu đại số logic để thực hiện tính toán, lưu trữ dữ liệu và xử lý các lệnh điều khiển thực hiện các chức năng khác nhau Trong ECU ngày nay, bộ vi điều khiển được tích hợp trong một IC.

Kích nổ động cơ

Kích nổ hay tiếng gõ động cơ là hiện tượng tạo ra làn sóng áp suất cao không mong muốn, quá trình này tạo ra âm thanh khác thường từ động cơ (tiếng gõ kích nổ) và các bộ phận bên trong động cơ như xi lanh, piston có thể sẽ bị hư hỏng do sự kích nổ xảy ra Hiện tượng kích nổ thường xảy ra trên động cơ xăng, tuy nhiên trên động cơ diesel vẫn có thể xảy ra kích nổ vì tỉ số nén cao [5]

Hiện tượng kích nổ thưởng xảy ra ở thời điểm cuối kì nén - đầu kì nổ, sau khi đánh lửa lượng hòa khí tự bốc cháy do áp suất bên trong xi lanh lúc này rất lớn (đối với động cơ diesel thì nhiên liệu bị cháy ở nhiều vùng cháy khác nhau)

3.6.1 Quá trình diễn ra hiện tượng kích nổ động cơ

Hiện tương kích nổ phần lớn xảy ra đối với đông cơ xăng Vì vậy, chất lượng chống tự cháy (Auto Ignition Quality) của xăng đóng một vai trò rất quan trong, và được xác định bởi chỉ số octan (Octane Index) Để chống kích nổ tốt thì chỉ số octan trong xăng phải càng cao Như ở Việt Nam, thường sử dụng xăng RON 92 và RON 95 Với xăng RON 95 thì xăng có chỉ số octan 95 cao hơn chỉ octan 92 vì vậy sẽ hạn chế kích nổ tốt hơn loại xăng RON 92

Quá trình cháy bên trong động cơ Khi piston di chuyển lên điểm chết trên (Top Dead Center, TDC) thời điểm được gọi là cuối nén, bugi sẽ phát ra tia lửa điện để đốt cháy hòa khi bên trong buồng đốt, từ đó bắt đầu quả trình cháy Với khái niệm góc đánh lửa sớm thì bugi sẽ đánh lửa sớm trước khi kết thúc quá trình nén (trước khi piston đến điểm chết trên và đổi chiều chuyển động)

Khi bugi bật tia lửa điện, nó sẽ đốt cháy lượng hòa khí được nạp vào buồng đốt Hỗn hợp không khí và nhiên liệu cháy sẽ tạo ra nhiệt độ và áp suất rất cao bên trong xi lanh, sinh ra lực và đẩy cho piston đi xuống Tuy nhiên, phần hỗn hợp nhiên liệu và không khí bị đốt cháy đầu

43 tiên (sản phẩm cháy) chỉ nằm xung quanh khu vực gần với đầu bugi, sau đó màng lửa lúc này bắt đầu lan ra đến khu vực đỉnh piston (phần hỗn hợp hòa khí cháy sau)

Lúc này, màng lửa sẽ hướng theo đỉnh piston đi lên Đồng thời màng lửa từ bugi được bật và lan xuống dưới Bên trong buồng đốt, ngay thời điểm này tạo ra hai màng lửa di chuyển ngược nhau Một làn sóng áp suất cao sẽ được tạo ra khi hai màng lửa này va chạm vào nhau, làn sóng áp suất cao này sẽ đi kèm theo tiếng gõ gây ra những vấn đề khó chịu cho người dùng và gây hư hỏng cho chi tiết động cơ [5]

Hình 3.20: Đồ thị thể hiện sự kích nổ trong quá trình cháy [7]

3.6.2 Yếu tố ảnh hưởng đến kích nổ động cơ

3.6.2.1 Tỉ lệ hòa khí và nhiệt độ khí nạp

Tỉ lệ hòa khí phụ thuộc vào khối lượng khí nạp vào trong xi lanh ở quá trình nạp, khối lượng này phụ thuộc vào độ mở bướm ga hoặc hệ thống tăng áp siêu nạp Lượng khí nạp càng lớn rất dễ gây ra hiện tượng kích nổ

Ngoài ra, nhiệt độ khí nạp cũng là yếu tố quan trọng Nhiệt độ và áp suất tỉ lệ thuận với nhau vì vậy khi nhiệt độ khí nạp thấp không khí sẽ đặc hơn và ngược lại Khi ở quá trình cháy, nhiệt độ không khí nạp bên trong buồng đốt có thể lên tới hàng nghìn độ C nên việc làm mát cho piston, xi lanh và nắp máy luôn ở trạng thái tốt nhất để tránh việc quá nhiệt gây ra hiện tượng kích nổ

Vì vậy, cần sử dụng cảm biến khối lượng khí nạp (Mass Air Flow Sensor) để lấy thông tin lưu lượng và nhiệt độ khí nạp đưa về ECU, ECU sẽ hiệu chỉnh thời gian phun sao cho phù hợp với nhiệt độ khí nạp Nếu nhiệt độ khí nạp cao mà thời gian phun nhiên liệu càng lâu, kích nổ động cơ sẽ rất dễ dàng xảy ra

Ngoài ra, tỉ số nén của động cơ tỉ lệ thuận với nhiệt độ và áp suất nên chúng đóng vai trò rất quan trọng Động cơ có tỉ số nén cao dẫn đến việc nhiệt độ và áp suất nén của buồng đốt cũng cao, do đó dễ dàng xảy ra kích nổ bên trong động cơ [5]

Với việc xuất hiện các màng lửa cháy và lan rộng trong quá trình cháy thì cần hạn chế thời gian cháy để giảm nguy cơ động cơ bị kích nổ Các yếu tố giúp làm giảm thời gian cháy:

+ Nhiễu loạn không khí nạp: Khi tốc độ nạp vào của lượng khí nạp tăng lên sẽ làm tăng tốc độ ngọn lửa chính và giảm độ trễ đánh lửa, do đó kích nổ động cơ có xu hướng giảm đi

+ Vị trí bugi: Bugi nên được bố trí ở giữa để màng lửa có thể lan ra đồng đều và nhanh chóng, tránh trường hợp phải mất một thời gian dài thì mới có thể đốt cháy được lượng hòa khí làm tăng thời gian cháy

+ Kích thước xi lanh: Nếu đường kính xi lanh lớn, hỗn hợp không khí và nhiên liệu sẽ mất nhiều thời gian để có thể cháy hết, do đó nguy cơ kích nổ sẽ tăng cao Để tránh việc kích thước xi lanh lớn, các xe ngày nay sử dụng nhiều xi lanh hơn nhưng vẫn cùng dung tích động cơ

+ Buồng đốt: cần được thiết kế tối ưu để cho màng lửa di chuyển ngắn hơn dẫn đến thời gian cháy cũng sẽ ngắn đi [5]

Hệ thống cảm biến

3.7.1 Cảm biến vị trí trục khuỷu

3.7.1.1 Cảm biến vị trí trục khuỷu loại điện từ

Cảm biến vị trí trục khuỷu (loại điện từ) thường được sử dụng là kiểu cuộn dây Roto của trục khuỷu bao gồm 34 răng và răng đôi Cảm biến vị trí trục khuỷu ghi nhận tín hiệu chuyển động quay của trục khuỷu sau mỗi 10°, và răng đôi được sử dụng để xác định điểm chết trên (TDC) của piston

Hình 3.21: Cấu tạo cảm biến trục khuỷu loại cuộn dây

Khi trục khuỷu quay, khe hở giữa các răng trên rotor và cuộn dây nhận tín hiệu sẽ thay đổi Việc thay đổi này tạo ra sự thay đổi về điện áp trong cuộn nhận tín hiệu và gửi về ECU

Khi các răng nhô ra của rotor quay gần cảm biến, sẽ tạo ra một xung Mỗi xung được cảm biến nhận biểu thị góc quay hiện tại của trục khuỷu

Rotor được thiết kế để tạo ra một chuỗi xung với khoảng cách 10° giữa mỗi xung Rotor này có 34 răng và trong đó có cả răng đôi Cứ mỗi lần trục khuỷu quay một vòng đầy (360°),

46 cảm biến sẽ tạo ra tổng cộng 34 xung ECU sẽ nhận diện tốc độ quay của động cơ và góc quay của trục khuỷu từ những tín hiệu này Mặc dù sử dụng răng đôi để phát hiện góc quay của trục khuỷu, nhưng để xác định đầy đủ và chính xác TDC trong quá trình nén hay xả, ECU động cơ cần kết hợp tín hiệu NE và tín hiệu G

Hình 3.22: Sơ đồ mạch cảm biến vị trí trục khuỷu loại điện từ

3.7.1.2 Cảm biến vị trí trục khuỷu loại Hall

Cảm biến vị trí trục khuỷu được cấu tạo dựa trên hiệu ứng Hall Bên trong có lõi nam châm vĩnh cửu, một IC hiệu ứng Hall và một đĩa rotor cảm biến

Hình 3.23: Cấu tạo cảm biến vị trí trục khuỷu loại Hall

Hình 3.24: Nguyên lí hoạt động của cảm biến vị trí trục khuỷu loại Hall

Và trong cảm biến vị trí trục khuỷu loại Hall hoạt động dựa vào nguyên lí thay đổi của vector từ trường qua phần tử Hall bên trong cảm biến, theo sự chuyển động của rotor quay Điện áp lớn nhất khi cảm biến đối diện với bánh răng vì vector từ trường vuông góc với phần tử Hall, giảm dần khi đi qua răng vì góc vector từ trường nhỏ dần, điện áp nhỏ nhất khi cảm biến nằm giữa hai răng vì vector từ trường nhỏ nhất

Hình 3.25: Vị trí điện áp thay đổi

3.7.2 Cảm biến vị trí trục cam

Cảm biến vị trí trục cam có cấu tạo gần giống cảm biến ở vị trí trục khuỷu, bao gồm một rotor và một cuộn dây nhận tín hiệu Cảm biến MRE (loại phần tử kháng từ) được gắn lên đầu trục cam, với rotor chứa những phần lồi và phần không lồi

Hình 3.26: Dạng sóng đầu ra của cảm biến vị trí trục cam loại HALL

Rotor tín hiệu được gắn trên trục cam nhằm xác định vị trí của nó Khi trục cam quay, sự thay đổi khoảng cách giữa rotor tín hiệu và phần tử từ MRE sẽ tạo ra sự thay đổi trong từ trường Kết quả là điện trở của MRE sẽ biến đổi theo Cảm biến vị trí trục cam chuyển đổi dữ liệu quay của trục cam thành tín hiệu xung để ECU xác định góc quay của trục cam

Hình 3.27: Vị trí các chân của cảm biến vị trí trục cam loại HALL

3.7.3 Cảm biến nhiệt độ khí nạp (IAT)

Hình 3.28: Cảm biến nhiệt độ không khí nạp được tích hợp chung cảm biến MAF

Hình 3.29: Cảm biến nhiệt độ khí nạp

Trên động cơ, cảm biến nhiệt độ khí nạp được tích hợp trong bộ đo gió, được dùng để xác định nhiệt độ không khí nạp đi vào động cơ Cảm biến này sử dụng một chất bán dẫn có trị số nhiệt điện trở âm

Có một điện trở kéo lên trong mạch điện của ECU Điện áp nguồn 5V và đi qua nhiệt điện trở xuống mass Điện trở của cảm biến nhiệt độ khí nạp tăng khi nhiệt độ không khí tăng, giảm

50 khinhiệt độ không khí giảm làm điện áp tại chân THA cũng thay đổi theo tương ứng, ECU xác định nhiệt độ của khí nạp nhờ sự thay đổi này Khi cảm biến hỏng, ECU sẽ xác địnhnhiệt độ khí nạp là 20°C để động cơ tiếp tục hoạt động và bật sáng đèn Check động cơ

Hình 3.30: Sơ đồ mạch cảm biến nhiệt độ khí nạp

3.7.4 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (ECT)

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (Thermal Water sensor - THW) được thiết kế dưới dạng một trụ rỗng, bên trong cảm biến là một chất bán dẫn có nhiệt điện trở âm Khi phát hiện nhiệt độ của môi chất làm mát dưới 80°C, ECU sẽ tiến hành kiểm soát việc tăng tốc độ cầm chừng, tăng mức phun nhiên liệu vào động cơ và điều chỉnh góc thời điểm đánh lửa sớm hơn

Hình 3.31: Cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Hình 3.32: Sơ đồ mạch điện, đường đặc tính của cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Có một điện trở kéo lên trong mạch điện của ECU Điện áp nguồn 5V và đi qua nhiệt điện trở xuống mass Đầu của cảm biến được gắn trực tiếp lên thân máy và tiếp xúc với môi chất làm mát Do có hệ số nhiệt điện trở âm nên điện trở cảm biến sẽ tăng khi nhiệt độ nước làm mát giảm và ngược lại điện trở của cảm biến sẽ giảm khi nhiệt độ tăng Những thay đổi về điện trở này sẽ tạo ra sự biến đổi điện áp ở chân THW của cảm biến giúp ECU xác định được nhiệt độ nước làm mát

Bảng 3.2: Thông số cảm biến nhiệt độ nước làm mát của TOYOTA

Nhiệt độ ( O C ) Điện trở (kΩ) Điện áp chân THW (V)

3.7.5 Cảm biến khối lượng khí nạp (MAF)

Cấu trúc của cảm biến khối lượng khí nạp (MAF) được đơn giản hóa nhỏ gọn và nhẹ Cảm biến loại dây nóng trên động cơ được cấu tạo từ một nhiệt điện trở (Thermistor) và dây nhiệt bằng bạch kim được bố trí trên đường ống dẫn không khí đi vào động cơ Do không có cơ cấu phức tạp, cảm biến MAF có độ bền cơ học cao Vị trí của cảm biến khối lượng khí nạp (MAF) nằm trên đường ống nạp, phía sau bộ lọc không khí và phía trước bướm ga

Hình 3.33: Bộ đo gió kiểu dây nhiệt

PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH (TUNING)

Phương pháp hoạt động của ECU

4.1.1 Tính toán lượng khí nạp:

Tính lưu lượng không khí nạp trong một phút:

+ CFM (Cubic Feet per Minute) là một trong những đơn vị đo lưu lượng không khí nạp trong vòng 1 phút có đơn vị là feet khối

+ Với: D: lưu lượng không khí nạp trong mỗi phút (ft 3 /min)

V: thể tích động cơ có đơn vị là inch khối (in 3 )

RPM: tốc độ động cơ vòng/phút

1728: hằng số khi sử dụng để thay đổi đơn vị từ inch (in) khối sang feet (ft) khối (1 ft = 12 in => ft 3 = 1728in 3 )

Mật độ không khí nạp:

+ Với: Air Density: mật độ không khí nạp(lbs/ft 3 )

P: áp suất không khí trên đơn vị diện tích (lbs/in 2 )

T: nhiệt độ khí nạp Rankine (°R)

2.7: là hằng số riêng của phương trình

Khối lượng khí nạp trong một phút:

+ Với: Mass Airflow: khối lượng không khí nạp trong mỗi phút (lbs/min)

V: lưu lượng khí nạp trong mỗi phút (ft 3 /min)

D: mật độ không khí nạp (lbs/ft 3 )

+ Khối lượng khí nạp mỗi cylinder:

Mass Airflow per Cylinder = Total Mass Airflow

+ Ví dụ: Một động cơ có dung tích xi lanh 350 in 3 Động cơ hoạt động ở tốc độ máy

6000 vòng/phút với tỉ lệ hoà trộn không khí và nhiên liệu là 12.5 Với điều kiện áp suất không khí là 14.7 lbs/in 2 và nhiệt độ không khí là 519 độ rankine

Lưu lượng không khí nạp trong một phút:

(Lưu lượng không khí nạp) D = 350x(

1728 (ft 3 /min ) (Lưu lượng không khí nạp) D = 607 (ft 3 /min ) = 286472 (cm 3 /s)

Mật độ không khí nạp:

Mật độ không khí nạp = 2.7 x ( 14.7 lbs in

Mật độ không khí nạp = 0.076 ( lbs ft 3 ) Khối lượng khí nạp trong một phút:

Khối lượng khí nạp = 607 x 0.076 ( lbs min)

Khối lượng khí nạp = 46.1 ( lbs min) Khối lượng khí nạp mỗi cylinder:

Mass Airflow per Cylinder = Total Mass Airflow

Number of Cylinders (lbs min) (4-8)

Khối lượng khí nạp mỗi xi lanh = 46.1

Khối lượng khí nạp mỗi xi lanh = 43.62 ( g s)

4.1.2 Tính toán khối lượng nhiên liệu Đã biết khối lượng không khí đi vào xi lanh và biết lượng nhiên liệu cung cấp cho kim phun, tính toán thời gian mở kim phun để đạt được áp suất nhiên liệu cần thiết sau đó tính toán lượng nhiên liệu cần thiết để đạt được tỉ lệ nhiên liệu nhất định

Tính lưu lượng dòng chảy nhiên liệu:

+ Lưu lượng nhiên liệu cần thiết:

𝑅equired Fuel Flow =Mass Airflow

Với: Mass Airflow: khối lượng không khí nạp trong mỗi phút (lbs/min)

Desired AFR: tỉ lệ hoà trộn không khí và nhiên liệu mong muốn

Giả sử động cơ được trang bị một xi lanh nên tất cả các tính toán đều dựa trên một xi lanh đơn và do đó sẽ tính xung mà ECU cần tác dụng lên một kim phun

Mass Airflow = 5.77 (lbs/min) (khối lượng khí nạp) Desired AFR = 12.5:1 (tỉ lệ nhiên liệu − không khí mong muốn)

Required Fuel Flow = 3.49 (g/s) (lưu lượng nhiên liệu cần thiết) Tính toán dòng chảy của kim phun:

+ Dòng chảy của kim phun: dòng chảy của kim phun trên ô tô là 60 (lbs/hour)

Dòng chảy của kim phun =Injector Flow (lbs/hour)

Dòng chảy của kim phun = 60

60= 1 ( lbs min) = 7.56 (g/s) Kết luận: kim phun sẽ phun một pound nhiên liệu trong một phút

4.1.3 Tính toán chu kỳ thời gian Đã có được dòng chảy của kim phun:

Với tốc độ 6000 vòng/phút, để biết kim phun có thể thực sự đưa nhiên liệu vào xi lanh trong bao lâu và cần tính xem mỗi chu trình động cơ mất bao lâu để hoàn thành tức là cần tính toán có bao nhiêu chu kỳ xảy ra trong một giây và điều này phụ thuộc vào tốc độ động cơ Chia RPM cho 2 vì phải mất hai vòng quay để hoàn thành một chu kỳ động cơ

Số vòng quay động cơ quay được trong mỗi phút:

Số vòng quay mỗi phút =RPM

Tiếp theo cần tính số quay động cơ mỗi giây

Số vòng quay mỗi giây =Số vòng quay mỗi phút

Chu kỳ vòng quay động cơ:

Số vòng quay mỗi giây

T (Chu kỳ động cơ) = 0.02 (s) = 20 (ms) Đây là phương trình để chuyển đổi trực tiếp từ RPM của động cơ sang thời gian chu kỳ Ở phần sau công thức này sẽ thường xuyên sử dụng ở những phần sau để tính nhanh và điều chỉnh dữ liệu

4.1.4 Tính toán độ rộng xung kim phun

Phương trình dưới tính toán chu kỳ làm việc của kim phun cần thiết Phương trình hoạt động của kim phun bằng lưu lượng nhiên liệu cần thiết chia cho tổng lưu lượng nhiên liệu rồi nhân với 100

Chu kỳ hoạt động của kim phun:

T injector (Injector Duty Cycle) = Required Fuel Flow

Trước đó, đã biết lưu lượng nhiên liệu cần thiết là 0,462 pound nhiên liệu mỗi phút và kim phun sẽ phun tổng cộng 1 pound nhiên liệu mỗi phút

T injector (Chu kỳ kim phun) =Required Fuel Flow

T injector (Chu kỳ kim phun) = 0.462

65 Điều đó có nghĩa là kim phun cần hoạt động ở chu kỳ nhiệm vụ 46.2% để cung cấp lượng nhiên liệu chính xác Độ rộng xung của kim phun được tính bằng chù kỳ của động cơ nhân với chu kỳ làm việc của kim phun

Injector Pulse Width = Cycle Time × Injector Duty Cycle (4-14) Độ rộng xung kim phun = 20 × 0.462 = 9.24 (ms) Độ rộng xung kim phun bằng 9,24ms là tổng thời gian cần để kim phun cung cấp nhiên liệu Độ rộng xung được tính toán và đây là những gì sẽ được cung cấp cho kim phun Động cơ chạy ở tốc độ 6000 vòng/phút và ECU cung cấp độ rộng xung 9.24ms tới kim phun với mong muốn độ rộng xung cần thiết để đạt được tỉ lệ nhiên liệu - không khí là 12.5:

1 nhưng thay vì 12.5:1 thực tế đo được tỉ lệ 11.5: 1 “giàu” hơn tỉ lệ mong muốn Động cơ hiện đang hoạt động rất tốt với tỉ lệ 11.5:1, giải thích cho điều này là vì ban đầu đã đưa ra giả định rằng động cơ đang hoạt động ở mức công suất 100% hiệu suất hay nói cách khác là VE cực đại, làm đầy hoàn toàn không khí trong các xi lanh trong mỗi chu kỳ động cơ nhưng trong thực tế khi vận hành động cơ sẽ không đạt được hiệu suất 100% mà nhỏ hơn khoảng 80 - 90% [8]

Nếu biết tỉ lệ nhiên liệu - không khí thực tế, dễ dàng tính toán hệ số hiệu chỉnh bằng cách chia tỉ lệ nhiên liệu - không khí đo được cho tỉ lệ nhiên liệu - không khí mong muốn

Hệ số hiệu chỉnh = tỉ lệ nhiên liệu − không khí đo tỉ lệ nhiên liệu − không khí mong muốn

Hệ số hiệu chỉnh là 0,92 điều này có nghĩa là thay vì hoạt động ở 100% VE nhưng VE thực tế là 92% Đây là lý do tại sao động cơ hoạt động với tỉ lệ nhiên liệu - không khí “giàu” hơn mong đợi

4.1.5 Hiệu chỉnh tỉ lệ nhiên liệu – không khí (AFR)

Sử dụng hệ số hiệu chỉnh có thể điều chỉnh việc cung cấp nhiên liệu để tính VE thực tế Độ rộng xung của kim phun thay đổi thông qua hệ số hiệu chỉnh (Correction factor = 0.92) từ 9.24 thành 8.5 ms với tỉ lệ đo nhiên liệu - không khí mục tiêu là 12.5:1

Hầu hết các cách thức điều chỉnh sẽ tối ưu hóa bảng nhiên liệu của động cơ bằng cách thử và sai Tức là nếu động cơ chạy chậm hơn mong muốn, sẽ chỉnh thêm chút nhiên liệu vào bảng nhiên liệu rồi cho động cơ hoạt động sau đó xem lại kết quả Quá trình này sẽ thực hiện nhiều lần trước khi hiệu chỉnh cuối cùng đạt được tỉ lệ nhiên liệu - không khí mục tiêu mong muốn Quá trình này cứ lặp đi lặp lại hoặc sẽ sửa từng khu vực giàu hoặc nghèo từng lần một cho đến khi đạt được như mong muốn Đây là một cách điều chỉnh chậm [8]

Thay vào đó, nếu tính toán hệ số hiệu chỉnh để áp dụng dựa trên tỉ lệ nhiên liệu - không khí AFR đo được và tỉ lệ nhiên liệu - không khí mong muốn Có thể thực hiện những thay đổi cần thiết và chỉ cần thực hiện một lần Tất cả những gì cần làm là xem xét bất kỳ khu vực nào của tỉ lệ nhiên liệu - không khí giàu hơn hoặc loãng hơn mục tiêu và áp dụng hệ số hiệu chỉnh ở mỗi dải tốc độ và thực hiện các thay đổi cần thiết đối với bản đồ nhiên liệu chính Cho đến nay, đã có được cách tính hệ số hiệu chỉnh (correction factor) và cách sử dụng hệ số hiệu chỉnh để điều chỉnh giá trị xung của kim phun nhằm chỉnh sửa sự sai lệch tối thiểu giữa tỉ lệ nhiên liệu - không khí đo được và tỉ lệ nhiên liệu - không khí mục tiêu Việc sử dụng hệ số hiệu chỉnh này là một cách thực sự tuyệt vời để tăng tốc độ xử lý nhiên liệu trên bất kỳ ECU nào [8]

Thực hiện phần hiệu chỉnh trên chiếc Nissan 350 Z

Hình 4.1: Xe dùng cho tuning

ECU Infinity sử dụng hiệu suất đo thể tích nhiên liệu dựa trên VE, nó đang sử dụng các giá trị độ rộng xung phun, bảng nhiên liệu và sử dụng đầu vào từ MAF Sensor để tính toán tải

Hình 4.2: Phần mềm tuning ECU Infinity

Hiệu chuẩn động cơ

Nếu loại bỏ tất cả các tính năng nâng cao của ECU hiện đại ECU động cơ có nhiệm vụ chính là cung cấp nhiên liệu và đánh lửa cho động cơ Đây là hai khía cạnh mà cần phải kiểm soát để có thể làm cho động cơ tạo ra công suất cao Trước tiên là thời điểm đánh lửa Trong hầu hết các trường hợp, quá trình đánh lửa sẽ xảy ra trước khi piston đạt đến TDC trong hành trình nén Góc đánh lửa sớm rất quan trọng để tận dụng tối đa sức mạnh của động cơ Để hiểu cách điều chỉnh thời điểm đánh lửa, cần phải xem xét trạng thái hoạt động đang diễn ra bên trong buồng đốt trong quá trình đốt cháy nhiên liệu Hầu hết mọi người đều cho rằng khi xuất hiện tia lửa điện thì lập tức có một vụ nổ xảy ra bên trong buồng đốt Thực sự không phải như vậy trong quá trình đốt cháy thông thường mà là một quá trình đốt cháy tương đối chậm diễn ra (tia lửa đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí gần bugi nhất sau đó lan truyền ra ngoài buồng đốt và đốt cháy nhiên liệu ở xa bugi hơn) Kết quả là áp suất xi lanh tăng dần trong quá trình đốt cháy diễn ra [8] Để đạt momen có ích cực đại cần tính toán thời gian xuất tia lửa điện sao cho áp suất đốt cháy đạt đúng thời điểm mà động cơ sinh ra momen xoắn cực đại Động cơ sinh công lớn nhất tại điểm 8 đến 10° sau TDC khi piston bắt đầu di chuyển xuống, đó là thời điểm có thể đạt được đòn bẩy cơ học tối đa tác động lên đỉnh piston Có thể thấy áp suất piston đạt được lúc này sẽ có momen xoắn và công suất cực đại Nếu đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu (sinh công) quá sớm tức là lúc này piston chưa đến TDC, lúc này áp suất buồng đốt tăng lên quá sớm làm tăng công tiêu hao trong quá trình nén dẫn đến làm giảm công suất động cơ, do quá trình đánh lửa quá sớm dẫn đến nhiệt độ ở cuối hành trình tăng cao dễ xảy ra hiện tượng kích nổ Mặt khác, nếu bắt đầu đốt cháy hòa khí quá muộn, quá trình cháy kéo dài đến kì giãn nở làm cho áp suất và nhiệt độ bên trong buồng đốt bị giảm làm diện tích đồ thị công dẫn đến giảm công suất động cơ Hãy nhìn vào biểu đồ áp suất trong xi lanh trong quá trình đốt cháy nó

Hình 4.11: Đồ thị giá trị áp suất xi lanh và góc đánh lửa sớm 16° [8]

Khi đánh lửa xảy ra trễ hơn trong chu kỳ, đánh lửa đã xảy ra ở 16° trước TDC và có thể thấy rằng việc đốt cháy của hoà khí thực sự không có nhiều thời gian diễn ra Quá trình cháy của hòa khí kéo dài sang kỳ giãn nở Áp suất và nhiệt độ khi cháy đều giảm nên đã làm giảm diện tích đồ thị công và làm giảm công suất động cơ Hãy nhớ rằng, chính áp suất xi lanh tác động lên đỉnh piston được truyền vào trục khuỷu tạo ra momen xoắn nên nếu áp suất thấp hơn do quá trình đánh lửa quá trễ sẽ dẫn đến công suất động cơ bị ảnh hưởng Đồng thời do kéo dài thời gian cháy, đã làm tăng tổn thất nhiệt truyền qua thành xi lanh, tăng nhiệt độ khí xả, do đó làm giảm hiệu suất động cơ

Cuối cùng là đánh lửa đúng thời điểm tạo ra momen xoắn cực đại, tia lửa điện xuất hiện 35° trước TDC

Hình 4.12: Đồ thị giá trị áp suất xi lanh và góc đánh lửa sớm 35° [8]

Trong trường hợp này, góc đánh lửa là 35° trước TDC Thậm chí trước khi quá trình đốt cháy bắt đầu, có thể thấy rằng áp suất đã tăng dần trong xi lanh và điều này xuất phát từ ảnh hưởng của lực nén khi piston di chuyển lên trong hành trình nén Sau khi quá trình đánh lửa xảy ra, áp suất tăng lên đều đặn khi piston đi lên qua TDC và đạt cực đại tại 8 đến 10° sau TDC Góc đánh lửa này được coi là góc đánh lửa chuẩn để tạo ra công suất động cơ cực đại

Vì vậy mấu chốt của việc xác định thời điểm đánh lửa là chọn thời điểm đánh lửa sớm sao cho đạt áp suất xi lanh ở điểm tối ưu trong chu trình sinh công của động cơ Vì áp suất xi lanh ảnh hưởng đến momen xoắn của động cơ Điểm tạo ra momen xoắn cực đại được gọi là MBT Viết tắt của thời điểm momen phanh tối đa còn được gọi là thời điểm momen xoắn đạt tốt nhất ở thời gian tối thiểu (MBT = Maximum Brake torque Timing = Minimum Timing for Best Torque) [8]

75 Đây là bảng số về góc đánh lửa, ở bên phải bảng số biểu diễn đồ họa của bảng đánh lửa để có thể thấy hình dạng chung của bảng Tập trung cho chạy động cơ trong ô ở dải tốc độ

2500 vòng/phút và áp suất khí nạp 60 kPa

Hình 4.13: Bảng giá trị góc đánh lửa sớm

Hình 4.14: Bảng giá trị góc đánh lửa sớm 10°

Chọn những ô xung quanh và bắt đầu với góc đánh lửa sớm 10° Bên dưới là phần mềm vẽ đồ thị momen xoắn theo góc đánh lửa Trục tung là giá trị momen xoắn đo được và góc

76 trên bên phải bao gồm thời điểm đánh lửa, momen xoắn hiện tại, RPM của động cơ và vị trí bướm ga

Hình 4.15: Phần mềm đo momen xoắn khi góc đánh lửa sớm thay đổi

Sau đây là tăng góc đánh lửa sớm lên và cho xe chạy với tốc độ trên 2000 v/p sẽ thu được biểu đồ momen xoắn tương ứng

Hình 4.16: Phần mềm đo momen xoắn khi góc đánh lửa sớm thay đổi

Hình 4.17: Phần mềm đo momen xoắn khi góc đánh lửa sớm thay đổi

Dễ thấy, khi thời điểm đánh lửa xảy ra sớm hơn thì áp suất xi lanh tăng dần cho đến khi gần đạt tới điểm tối ưu trong chu kỳ nén động cơ Nó đang đi đến trạng thái ổn định và cuối cùng nó sẽ không tăng nữa trong khi tiếp tục tăng thời điểm đánh lửa vượt ra ngoài MBT Vì vậy, khi lên đến 30° sự gia tăng momen xoắn đã dừng lại, trạng thái ổn định khá tốt và không thấy nhiều sự thay đổi giữa khoảng 30 - 35° nhưng thực sự momen xoắn đạt cực đại tại 33° là

103 Nm ở áp suất khí nạp 60 kPa và tốc độ 2500 vòng/phút Điều này gần như đúng với lý thuyết vừa được nhắc tới bên trên Có thể thấy rằng momen xoắn thực sự đang giảm đi khi góc đánh lửa sớm tăng lên cao hơn đến 50°, điều này đơn giản là do hiện tượng cháy sớm dẫn đến áp suất xi lanh tăng khi piston chưa qua TDC

Hình 4.18: Biểu đồ momen xoắn cực đại tại góc đánh lửa sớm 33°

Hình 4.19: Biểu đồ momen xoắn tại góc đánh lửa sớm 10 - 20°

Có thể thấy mức tăng momen xoắn rất lớn đối với thời điểm đánh lửa sớm 10 - 20° Tuy nhiên, dễ thấy khi tiến gần hơn đến thời điểm MBT, mức tăng momen xoắn trở nên ít hơn ở khoảng 25 - 36° Thực sự không thấy thay đổi nhiều nếu momen xoắn thay đổi qua điểm đó

Vì vậy, điều cần làm khi điều chỉnh thời điểm đánh lửa cũng như chọn góc đánh lửa sớm sao

79 cho giá trị momen xoắn cực đại Đó là điểm MBT tượng trưng cho thời điểm tối thiểu để có momen xoắn tốt nhất hay còn được gọi là thời điểm momen phanh tối đa

Có nhiều yếu tố quyết định khoảng thời gian từ khi tia lửa xuất hiện cho đến khi đạt đến áp suất cực đại Phải mất một khoảng thời gian nhất định để ngọn lửa truyền hết xi lanh nên đường kính xi lanh càng lớn thì đánh lửa sớm càng lớn Tiếp theo, khi tỉ số nén tăng thì các phân tử nhiên liệu - không khí bị ép chặt hơn với nhau và ngọn lửa truyền qua hỗn hợp nhiên liệu - không khí nhanh hơn Điều này có nghĩa là quá trình đốt cháy thực tế diễn ra nhanh hơn nếu áp suất xi lanh tăng nhanh hơn Vì lý do này, khi tỉ số nén tăng sẽ cần ít thời gian đánh lửa sớm hơn Thiết kế đầu xi lanh và buồng cháy cũng sẽ ảnh hưởng đến yêu cầu đánh lửa của động cơ Lấy ví dụ một động cơ có bugi đánh lửa nằm ở trung tâm, ngọn lửa lan truyền đều theo mọi hướng để quá trình cháy diễn ra nhanh chóng Mặt khác bugi được đặt lệch về một phía của buồng đốt Ngọn lửa sẽ mất nhiều thời gian hơn để tiếp cận toàn bộ hỗn hợp nhiên liệu - không khí và động cơ thường sẽ cần đánh lửa sớm hơn Cuối cùng có nhiều phân tử nhiên liệu hơn trong nhiên liệu và chúng sẽ liên kết chặt chẽ hơn với nhau dẫn đến quá trình cháy sẽ nhanh hơn nên cần ít thời gian đánh lửa sớm hơn khi tăng áp suất tăng áp [8]

Góc đánh lửa sớm cần để đưa áp suất xi lanh đạt cực đại khoảng 8 đến 10° sau TDC Quá trình đốt cháy mất một thời gian và tốc độ đốt cháy phụ thuộc vào tỉ số nén đường kính xi lanh, thiết kế của đầu xi lanh và thành phần nhiên liệu Tất cả thông tin để giải thích lý do tại sao các thiết kế động cơ khác nhau cần thời điểm đánh lửa khác nhau vì thế không thể hi vọng áp dụng thời điểm đánh lửa giống nhau cho mọi động cơ Cần lưu ý rằng thời điểm đánh lửa được điều chỉnh sẽ di chuyển liên tục vì nó sẽ phụ thuộc vào tốc độ động cơ tăng lên cũng như lượng tải hoặc luồng không khí đi qua động cơ Không có một giá trị cố định nào mà có thể áp dụng cho thời điểm đánh lửa và hiệu suất tối ưu cho một động cơ, đây là lý do tại sao cần có một bảng ba chiều về thời điểm đánh lửa để có thể điều chỉnh nó cho phù hợp với các điều kiện vận hành hiện tại của động cơ, cũng như cố gắng tính thời gian đánh lửa để có áp suất xi lanh tối đa ở mức 8 đến 10° sau TDC

Hình 4.20: Đồ thị ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến thời điểm đánh lửa sớm khi đạt được momen phanh cực đại [8] Đây là biểu đồ cho thấy xu hướng chung khi RPM của động cơ tăng lên và thời điểm đánh lửa cũng tăng lên Xu hướng khác về thời điểm đánh lửa không phù hợp với mức tải của động cơ Điều này có nghĩa là các phân tử nhiên liệu và không khí được đốt cháy trong xi lanh và quá trình đốt cháy sẽ mất nhiều thời gian nên cần bắt đầu quá trình đánh lửa sớm hơn để đạt được áp suất xi lanh tại đúng điểm trong chu trình động cơ ở ga mở rộng Tuy nhiên khi số lượng lớn các phân tử nhiên liệu được nén chặt vào buồng đốt thì quá trình đốt cháy xảy ra nhanh hơn và không cần phải bắt đầu đánh lửa sớm để đạt áp suất xi lanh cực đại tại đúng thời điểm [8]

Hiệu suất thể tích của động cơ (liên quan đến tải và dòng không khí nạp đi vào động cơ) thường sẽ thấp ở tốc độ thấp, tăng lên và đạt cực đại khi tăng ga đột ngột và cuối cùng lại giảm xuống khi động cơ ổn định ở tốc độ cao

Hình 4.21: Đồ thị ảnh hưởng của hiệu suất thể tích đến thời điểm đánh lửa sớm khi đạt được momen phanh cực đại [8]

Chú ý là hiệu suất thể tích mô tả lượng không khí đi vào động cơ và có thể thấy rằng góc đánh lửa sớm hơn tức là hiệu suất thể tích động cơ thấp hơn, nhưng hiệu suất thể tích động cơ cực đại xung quanh khu vực có tốc độ trung bình 2000 – 2500 vòng/phút (xe tăng tốc đột ngột) Do đây là nơi động cơ đốt cháy nhiều nhiên liệu và không khí nhất

Hình 4.22: Đồ thị ảnh hưởng của hiệu suất thể tích và góc đánh lửa sớm khi đạt được momen phanh cực đại [8]

THỰC NGHIỆM

Quy trình thực hiện

Các bước chuẩn bị để hiệu chỉnh:

+ B1: Chuẩn bị dộng cơ B48A20M1 của hãng BMW

Hình 5.1: Động cơ B48A20M1 của hãng BMW

+ B2: Sử dụng phần mềm bFlash để Tuning động cơ

Hình 5.2: Công cụ bFlash dùng để Tuning

+ B3: Dùng băng thử (hoặc dàn dyno) để đo momen và công suất động cơ

Hình 5.3: Dàn dyno và máy đo công suất, momen

+ B4: Chuẩn bị máy tính, tài liệu để thực hiện hiệu chỉnh

Hình 5.4: Máy tính dùng để hiệu chỉnh

5.1.1 Hiệu chuẩn động cơ B48A20M1 của hãng BMW

Hiệu chuẩn công suất cho động cơ B48A20M1 của hãng BMW với các thông số ban đầu đo được như sau:

+ Công suất động cơ: 184.9 mã lực tại tốc độ động cơ 3245 vòng/phút

+ Momen xoắn động cơ: 248.8 Nm tại tốc độ động cơ 2183 vòng/phút

Xe thuộc chuỗi series 3 của nhà BMW với mã động cơ B48 và kiểu thiết kế 320i Động cơ B48 là động cơ xăng bốn xi lanh thẳng hàng trang bị twin-turbo mang lại phản ứng nhanh

94 và tăng tốc trên toàn dải vòng tua Động cơ còn có tính năng điều phối van biến thiên (VANOS) và nâng van biến thiên (Valvetronic) giúp tối ưu hóa luồng khí và hiệu suất đốt cháy Nó là một phần của dòng động cơ mô đun BMW B-series và thay thế động cơ N20 và N26

Hình 5.5: Thông tin xe BMW B48

5.1.2 Sử dụng phần mềm bFlash để hiệu chỉnh (Tuning)

B1: Sử dụng phần mềm bFlash:

Hình 5.6: Phần mềm Tuning bFlash

B2: Chọn hãng xe để hiệu chỉnh (Tuning): Lựa chọn hãng BMW

Hình 5.7: Lựa chọn hãng xe tuning trong phần mềm bFlash

B3: Lựa chọn loại thiết bị để kết nối thực hiện điều chỉnh: Chọn Bosch MEVD17.2 TC1797 để kết nối với thiết bị hiệu chỉnh

Hình 5.8: Thiết bị điều khiển động cơ BMW B48

B4: Kết nối với hộp điều khiển động cơ qua sơ đồ chân PIM trên phần mềm bFlash

Hình 5.9: Sơ đồ kết nối hộp điều khiển động cơ

+ Kết nối với nguồn dương 12V, nguồn âm (GND)

+ Kết nối với hai chân CAN của hộp: CAN + và CAN –

+ Kết nối hai chân tín hiệu: S1 và S2

B5: Lựa chọn cách thức đọc và viết hộp điều khiển động cơ

Hình 5.10: Lựa chọn cách thức đọc và viết hộp điều khiển động cơ

5.1.3 Thay đổi thông số để hiệu chỉnh công suất động cơ Đồ thị hình 5.11 và đồ thị hình 5.12 biểu diễn các thông số trước và sau khi thay đổi góc đánh lửa sớm

Các thông số màu đỏ là những thông số đã thay đổi góc đánh lửa sớm được tối ưu hóa quá trình đánh lửa sớm bằng kỹ thuật MBT Đồ thị 3D hình 5.13 thể sự trơn tru của biểu đồ góc đánh lửa theo từng tốc độ động cơ khác nhau, từ đó giúp cho việc hiệu chỉnh đang đi theo đúng với kỹ thuật MBT

Hình 5.11: Thông số góc đánh lửa trước khi hiệu chỉnh

Hình 5.12: Thông số góc đánh lửa sau khi hiệu chỉnh

Hình 5.13: Đồ thị 3D góc đánh lửa

Hình 5.14 và hình 5.15 là thông số giới hạn tải động cơ trước và sau khi hiệu chỉnh Sau khi hiệu chỉnh cần kiểm tra biểu đồ 3D đang vận hành một cách trơn tru và nhất quán, thực hiện chạy thử trên dàn dyno để xem các vấn đề có thể phát sinh sau khi thay đổi các thông số

Hình 5.16 Nhìn vào đồ thị 3D của giới hạn tải động cơ ban đầu có thể thấy biểu đồ đang không có sự vận hành tốt, qua đó có thể nhận xét giới hạn tải động cơ cũng sẽ ảnh hưởng đến công suất của động cơ, vì thế cần hiệu chỉnh để đạt được trạng thái tối ưu nhất

Hình 5.17 Đồ thị 3D của giới hạn tải động cơ sau khi hiệu chỉnh được trơn tru không có quá nhiều sự mất cân đối trên đồ thị Thực hiện việc chạy thử trên dàn dyno để xem tình trạng hoạt động và các thông số khác sau khi hiệu chỉnh để giúp cho việc hiệu chỉnh trở nên an toàn và mang tính ổn định hơn

+ Độ mở bướm ga càng tăng thì lực kéo của động cơ càng lớn vì thế chỉ nên hiệu chỉnh các thông số với độ mở bướm ga từ 65% đến 100% không nên hiệu chỉnh dưới 65%

+ Cách Tuning (hiệu chỉnh) từ độ mở bướm ga lớn nhất đến nhỏ: hiệu chỉnh lần đầu tiên với độ mở bướm ga 100% sẽ tăng 10% torque Lần 2 tại độ mở bướm ga 85% tăng 10% so với torque lần đầu Lần 3 tại độ mở bướm ga 65% tăng 10% so với torque lần 2 Bằng cách thay đổi góc đánh lửa và thử trên dàn dyno trực tiếp cho đến khi tăng theo yêu cầu mà không bị kích nổ

Hình 5.14: Giới hạn tải động cơ trước khi hiệu chỉnh

Hình 5.15: Giới hạn tải động cơ sau khi hiệu chỉnh

Hình 5.16: Đồ thị 3D trước khi hiệu chỉnh tải động cơ

Hình 5.17: Đồ thị 3D sau khi hiệu chỉnh tải động cơ

Hình 5.18: Bảng giá trị torque sau khi hiệu chỉnh

Hình 5.19: Đồ thị 3D momen xoắn sau khi hiệu chỉnh.

Kết quả thực nghiệm và đánh giá

Việc hiệu chỉnh động cơ cần động cơ hoạt động ở vòng tua cao và độ mở bướm ga từ 65% trở lên Tức là hiệu chỉnh động cơ khi đạt được momen xoắn cực đến lục đạt được công suất cực đại

Giá trị lambda ban đầu trước khi hiệu chỉnh (hình 5.21) đo được là 0.85 – 0.86 Điều này được hiểu là cần 1g nhiên liệu để đốt cháy hết 12.5g không khi đi vào Dễ thấy giá trị lambda nhỏ hơn 1 tức là “giàu” nhiên liệu hơn, vì động cơ BMW B48 là một động cơ thiên về sức mạnh được trang bị turbo tăng áp trên được ống nạp nên lượng không khí đi vào động cơ được tăng lên nhiều so với các động cơ không có turbo vì thế mà giá trị lambda thay đổi

Hình 5.20: Biểu đồ thể hiện tốc độ động cơ RPM

Hình 5.21: Biểu đồ thể hiện giá trị lambda trước hiệu chỉnh

Giá trị lambda sau khi hiệu chỉnh (hình 5.22) đo được là 0.79 – 0.80 Giải thích cho giá trị lambda sau khi hiệu chỉnh lại nhỏ hơn trước khi hiệu chỉnh tức sau khi hiệu chỉnh cần nhiều nhiên liệu hơn trước, sau khi tăng độ mở sớm của turbo động cơ lên 30% tức là lượng không

105 khí đi vào động cơ tăng lên 30 – 35% vì thể mà cần lượng nhiên liệu nhiều hơn vì thể mà công suất cũng như giá trị momen xoắn tăng lên 25 – 30%

Hình 5.22: Biểu đồ thể hiện giá trị lambda sau hiệu chỉnh

Hình 5.23: Biểu đồ thể hiện góc đánh lửa của từng máy

Góc đánh lửa của 4 xi lanh (hình 5.23) được điều chỉnh rất an toàn và gần như đồng bộ điều này cho thấy khi động cơ hoạt động ở ngưỡng áp suất buồng đốt và áp suất khí nạp cao thì động cơ vẫn hoạt động tốt Dễ thấy ở vòng tua máy 3000 vòng/phút đồ thị đánh lửa của các máy gần như giống nhau điều này chứng tỏ sau khi hiệu chỉnh không xảy ra hiện tượng kích nổ và công suất động cơ đã tăng theo yêu cầu

Hình 5.24: Biểu đồ thể hiện áp suất không khí nạp Đường màu đỏ (hình 5.24) là đường giá trị áp suất không khí nạp mục tiêu cần đạt được còn đường màu tím là giá trị áp suất không khí nạp thực tế của xe Áp suất không khí nạp sau khi qua turbo tăng áp ban đầu là 1.1 – 1.2 bar sau khi hiệu chỉnh turbo để tăng áp suất khí nạp lên 1.4 - 1.5 bar tức là tăng 30 – 35% Khi nhìn vào đồ thị, có thể thấy áp suất thực tế bám sát áp suất mục tiêu trong khoảng chênh lệch cho phép là 10%

Cho xe chạy trên dàn dyno, xe chạy đầy tải, độ mở bướm ga 80%, nhiệt độ động cơ 32°, áp suất buồng đốt là 1000kPa (tương đường với 145 psi),… trước khi hiệu chỉnh xe có công

107 suất là 184.9 HP (Horse Power) và sau khi hiệu chỉnh xe đạt 245.8 HP Momen xoắn cực đại của động cơ là 248.8 Nm và sau khi hiệu chỉnh đạt được 345.2 Nm

Hình 5.25: Biểu đồ công suất động cơ trước và sau khi Tuning

Dựa vào kết quả thực nghiệm thu được thì khi hiệu chỉnh có thể thấy áp suất cũng như khối lượng khí nạp đều tăng nhưng tỉ lệ lambda vẫn bám rất sát so với tỉ lệ lambda ban đầu có nghĩa là việc hiệu chỉnh đã ép được khối lượng khí nạp nhiều hơn ở áp suất cao hơn thì lúc này lambda sau nhiều lần hiệu chỉnh đạt được hiệu suất cao nhất Cuối cùng, thì có thể thấy góc đánh lửa sau khi hiệu chỉnh vẫn an toàn không vượt khỏi giá trị giới hạn

Với những kết quả thu được, việc nắm vững được nền tảng lý thuyết để Tuning một động cơ thực tế là vô cùng quan trọng Việc tính toán, thay đổi những thông số được nghiên cứu trong đề tài giúp cho những người mới học Tuning cũng như những người mới Tuning có cơ sở lý thuyết vững vàng để có thể nâng cấp được một chiếc xe có công suất và momen lớn hơn mà không ảnh hưởng đến các thành phần khác trong động cơ