Tiểu luận Đề tài mô hình phun xăng

Trong động cơ đốt trong thì hệ thống phun xăng là một bộphận quan trọng của động cơ xăng, nó có nhiệm vụ cung cấpnhiên liệu cho động cơ có thể hoạt động.•Hiện nay, hệ thốngphun săn hoàn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

- -MÔN HỌC: HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TIỂU LUẬN

Đề tài: Mô Hình Phun Xăng

Tên SV MSSV Phần trăm công việc Lai Tuấn Quang 21145248 100%

Lê Hồng Quang 21145644 100% Nguyễn Hoàng Phát 21145235 100%

Hà Trọng Phúc 21145244 100%

Vũ Thanh Phong 21145642 100%

GVHD: T.S Lê Thanh Phúc

TPHCM, Tháng 11/2023

Mục Lục

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích đề tài 1

1.3 Phương pháp nghiên cứu 2

1.4 Giới hạn đề tài 2

1.5 Kết quả dự kiến 2

1.6 Bố cục dự kiến 2

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Giới thiệu về hệ thống phun xăng điện tử trên ô tô 3

2.1.1 Cấu tạo và nhiệm vụ của hệ thống phun xăng điện tử3 2.2 Giới thiệu lập trình Arduino, Vi điều khiển và cảm biến vị trí piston 4

2.2.1 Arduino Uno R3 4

2.2.2 Giới thiệu vi điều khiển AVR ATmega 6

2.2.3 Cảm biến vị trí piston 7

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHUN XĂNG 9

3.1 Hệ thống điều khiển phun xăng 9

3.1.1 Các cảm biến 9

3.1.2 Cụm bình chứa và bơm nhiên liệu 9

3.1.3 ECM và IC điều khiển kim phun 10

3.1.4 Kim phun nhiên liệu 11

3.2 Xác định lượng phun nhiên liệu 11

3.2.1 Tỉ lệ hòa trộn giữa không khí và nhiên liệu trong động cơ xăng 11

3.2.2 Công thức tính lượng xăng phun ra 12

3.2.3 Thời gian nhấc kim phun 13

3.3 Xây dựng code mô hình 13

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH 14

4.1 Quy trình tiến hành 14

4.2 Đánh giá mô hình 14

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 14

5.1 Kết luận 14

5.2 Kiến nghị 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

PHỤ LỤC 17

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Lý do chọn đề tài

Động cơ đốt trong là một bước ngoặt lớn trong lịch sử pháttriển của ngành cơ khí động lực Trong quá trình phát triển, conngười đã nhận ra nguồn năng lượng hóa lỏng (nhiên liệu) khôngphải là vô hạn mà ngày càng cạn kiệt dần cùng với đó là mức

độ ô nhiễm do động cơ đốt trong phát ra quá lớn, hệ quả tất yếu

là dẫn đến nguy cơ biến đổi khí hậu toàn cầu Trong đó, ta thấy

hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ đốt trong chính là hệthống quyết định lớn tới tính kinh tế nhiên liệu (tiết kiệm nhiênliệu) và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Từ đây thành tựu củangành công nghiệp điện tử, công nghệ thông tin và tự động hóa

đã nhanh chóng được áp dụng vào ngành công nghệ ô tô Đặcbiệt là các hệ thống trên động cơ đốt trong nhằm khắc phục cácyêu cầu trên cũng như hoàn thiện quá trình cháy, tạo nên sựcung cấp tối ưu nhất có thể

Trong động cơ đốt trong thì hệ thống phun xăng là một bộphận quan trọng của động cơ xăng, nó có nhiệm vụ cung cấpnhiên liệu cho động cơ có thể hoạt động.•Hiện nay, hệ thốngphun săn hoàn toàn phổ biến trên các ô tô hiện đại, vì vậy việcnghiên cứu hệ thống này có ý nghĩa rất lớn trong việc nâng caotính ổn định và hiệu quả của động cơ

Hệ thống phun xăng điện tử xuất hiện khoảng nhữngnăm•1970 Sự xuất hiện của nó thay thế cho bộ chế hòa khí trộnkhông khí và nhiên liệu trước kia Hiện nay, hệ thống này đã trởnên phổ biến và được trang bị trên hầu hết các loại xe ô tô nhờvào những ưu điểm về khả năng vận hành, sự chính xác và tiếtkiệm nhiên liệu trong quá trình hoạt động của xe Những thậpniên cuối thế kỷ trước hãng Bosch (Đức) đã đi tiên phong tronglĩnh vực nghiên cứu phát triển hệ thống phun nhiên liệu điện tửcho động cơ đốt trong sử dụng trên ôtô Đến năm 1984 thìngười Nhật đã mua bản quyền của Bosch và bắt đầu ứng dụng

hệ thống phun nhiên liệu điện tử cho các xe của hãng Toyota.Hiện nay, ô tô đã trở thành một phương tiện di chuyển thôngdụng với mọi người, từ đó việc tìm hiểu về hệ thống phun xăng

là điều cần thiết với một người nói chung và sinh viên kỹ thuật ô

tô nói riêng Nên nhóm nghiên cứu quyết định chọn đề tài “Hệ

thống phun xăng” kết hợp với cảm biến và Arduino để điềukhiển phun xăng Việc này giúp nhóm nghiên cứu có một cáinhìn cụ thể và sâu sắc hơn về hoạt động của hệ thống điềukhiển động cơ, tính toán các thời điểm phun sao cho hợp lí nhất

và cũng như hiểu rõ hơn về Arduino Từ đó phục vụ cho hoạtđộng học tập hơn

- Đánh giá sự phù hợp của bộ điều khiển arduino với động cơ

1.3 Phương pháp nghiên cứu

- Nhận tín hiệu phun xăng từ Arduino và cảm biến

- Mỗi vòng quay của trục cảm biến phun xăng 4 lần cho động

- Mỗi vòng quay của trục cảm biến phun xăng 4 lần cho động

cơ 4 máy và thời gian phun được xác định dựa theo tải độngcơ

- So sánh với hệ thống phun xăng của các xe và đánh giá khảnăng vận dụng vào thực tiễn

1.6 Bố cục dự kiến

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống phun xăng dùng cảmbiến và Arduino

- Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá mô hình

- Chương 5: Kết luận

- Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Mục tiêu:

Trình bày về hệ thống phun xăng điện tử trên xe ô tô

Giới thiệu về lập trình arduino

2.1 Giới thiệu về hệ thống phun xăng điện tử trên ô tô 2.1.1 Cấu tạo và nhiệm vụ của hệ thống phun xăng điện tử

Hệ thống phun xăng điện tử đã được lên ý tưởng và phátminh từ rất lâu Nhưng vào thời điểm đó công nghệ kĩ thuật cònrất kém, chưa đủ điều kiện đáp ứng để chế tạo, nên nó đãkhông được sử dụng, mà thay vào đó là bộ chế hòa khí đang rấtthịnh hành lúc bấy giờ Tuy nhiên bộ chế hòa khí tồn tại rấtnhiều mặt hạn chế như tiêu hao lượng lớn nhiên liệu Thế nêncác nhà khoa học, kĩ sư không ngừng nghiên cứu và phát triễn

hệ thống phun xăng điện tử nhằm khắc phục những nhược điểmcủa bộ chế hòa khí Cùng với sự phát triễn không ngừng củangành công nghệ và kỹ thuật đã giúp các hãng chế tạo hoànthiện và phát triển hệ thống phun xăng điện tử Trên hệ thốngphun xăng điện tử, nhiên liệu được phun vào đường ống nạpbằng bộ phận điện tử thay vì dùng bộ chế hòa khí Từ đó dầnthay thế hoàn toàn bộ chế hòa khí Ngày nay phun xăng điện tử

đã được xem như một tiêu chuẩn chung trên các xe oto, chúng

ta đã không còn bắt gặp bộ chế hòa khí trên thị trường oto hiệnnay

Hệ thống bao gồm ba bộ phận chính:

Các cảm biến: cảm biến bướm ga, cảm biến nhiệt độ khôngkhí nạp, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến tốc độđộng cơ…

Bộ điều khiển điện tử: bộ điểu khiển điện tử trung tâm ECUCác cơ cấu chấp hành: bơm nhiên liệu, kim phun…

Hình 2.1 Cấu tạo của hệ thống phun xăng điện tử [1]

Sự phối hợp nhịp nhàng giữa các bộ phận này với nhauchính là cách mà hệ thống phun xăng điện tử hoạt động Đầutiên, bộ phận điều khiển điện tử trung tâm ECU sẽ quét quatoàn bộ các cảm biến Các cảm biến hoạt động sẽ đọc cácthông số như: nhiệt độ và mật độ không khí, tốc độ động cơ,góc mở cánh bướm ga, áp suất nhiên liệu Những thông số này

sẽ được chuyển thành tín hiệu và liên tục gửi về ECU Các tínhiệu này sẽ được bộ ECU tiếp nhận và tính toán Sau đó phát tínhiệu đã được xử lí đến các bộ phận chấp hành là bơm nhiên liệu

và kim phun thiết lập thời gian, lưu lượng nhiên liệu phun vàobuồng đốt

Dựa vào nguyên lí hoạt động hệ thống phun xăng điện tử,chúng ta có thể kiểm soát được lượng nhiên liệu nạp vào, từ đóđiều chỉnh lượng hỗn hợp nhiên liệu không khí đưa vào buồngđốt sao cho phù hợp, chính xác với mọi chế độ vận hành của xe.Điều đó giúp cải thiện quá trình cháy dẫn đến công suất của động

cơ được nâng cao Lượng nhiên liệu phun vào hợp lí cũng đồngnghĩa với việc tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả đồng thời giảmlượng lớn khí thải ra môi trường

Bên cạnh những lợi ích to lớn mà hệ thống phun xăng điện

tử mang lại, song vẫn tồn tại những mặt còn hạn chế Đầu tiên,

là chi phí sản xuất cao, dẫn đến giá thành sản phẩm cũng tăngtheo Tiếp theo, hệ thống được thiết kế với nhiều linh kiện phức

tạp vì vậy khi hư hỏng xảy ra, quá trình sửa chữa sẽ trở nên khókhăn và tốn kém hơn Kéo theo chi phí bảo trì, bảo dưỡng cũnggia tăng đáng kể.

2.2 Giới thiệu lập trình Arduino, Vi điều khiển và cảm biến vị trí piston

2.2.1 Arduino Uno R3

Arduino là một board mạch vi điều khiển vô cùng phổ biếntrên ở Việt Nam nói riêng và trên thế giới nói chung Bởi vô vàncác ứng dụng mở (open source) mà nó đem lại Với Arduino ta

có thể ứng dụng từ những mạch cơ bản như cảm biến ánh sángbật tắt đèn, điều khiển động cơ, đến các ứng dụng nâng caonhư máy in 3D, Robot Khi đã nhắc tới Arduino, thật là thiếu sótnếu ta không nói đến dòng Arduino Uno – dòng đã quá phổ biến

và quen thuộc đối với các bạn sinh viên Cho đến nay dòng đãphát triễn tới thế hệ thứ 3 Arduino Uno R3

Hình 2.3 Arduino Uno

Vi điều khiển ATmega328 họ 8 bit

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Dòng tiêu thụ Khoảng 30mA

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân

Bảng thông số của Arduino Uno R3

Phần cứng của Arduino Uno R3: bao gồm một vi điều khiểnAVR họ 8 bit Đây là bộ não xử lí các tác vụ cơ bản của Arduino.Tiếp đến là các chân năng lượng: GND (Ground), 5V, 3.3V, Vin(Voltage Input), IOREF và RESET Đây là các chân giúp Arduinonhận năng lượng từ nguồn ngoài cấp vào hoặc chính Arduinocấp điện áp đầu ra cho mạch Để Arduino xuất, nhập tín hiệu thìkhông thể thiếu các cổng ra vào gồm 14 chân digital và 6 chân

tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU củaboard với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi,được gọi là shield

Phần mềm của Arduino Uno R3: Môi trường lập trìnhArduino chính là Arduino IDE Nó được nhóm phát triễn dự ánthiết kế dành cho những người sử dụng gửi lệnh và nhận tínhiệu từ Arduino thông qua lập trình Ngôn ngữ lập trình Arduino

bắt nguồn từ C/C++ rất phổ biến hiện nay do đó giúp ngườidùng học, hiểu và sử dụng Arduino một cách dễ dàng.

Ứng dụng của Arduino:

Làm Robot Arduino có khả năng đọc được các thiết bị cảmbiến, điều khiển động cơ…nên nó thường được dùng để làm

bộ xử lý trung tâm của rất nhiều loại robot

Game tương tác: Arduino có thể được sử dụng để tương tácvới Joystick, màn hình…khi chơi game như Tetrix, phá gạch,Maria…

Máy bay không người lái

Điều khiển đèn tín hiệu giao thông, làm hiệu ứng đèn LEDnhấp nháy trên các biển quảng cáo…

Điều khiển các thiết bị cảm biến ánh sáng, âm thanh

Làm máy in 3D

2.2.2 Giới thiệu vi điều khiển AVR ATmega

Năm 1996 hãng Atmel lần đầu giới thiệu và sản xuất viđiều khiển AVR Từ đó AVR tiếp tục được cải tiến và ra mắt rấtnhiều dòng khác nhau, dòng sau lại tốt hơn dòng trước Có thể

kể đến như Tiny AVR (AT tiny 13, AT tiny 22…) có kích thước bộnhớ nhỏ, rồi đến dòng AVR (AT90S8535, AT90S8515…) có kíchthước bộ nhớ vào loại trung bình và mạnh hơn là dòng Mega(ATmega32, ATmega128) Mặc dù trên thị trường hiện nay đãxuất hiện các bộ vi điều khiển 16 – 32 bit thậm chí cả 64 bitmạnh mẽ hơn, khả năng xử lí vượt trội hơn, nhưng vi điều khiểnAVR họ 8 bit vẫn giữ nguyên được giá trị Vì những điểm mạnhsau: dễ dàng sử dụng, độ phổ biến, khả năng đơn giản hóa mộtmạch kỹ thuật số, chi phí thấp so với các tính năng được cungcấp

Các tính năng của AVR:

Có thể sử dụng thạch anh lên đến 16Mhz hoặc bộ dao động

Nhiều kênh ADC 10bit chuyển tín hiệu Analog sang Digital.Giao tiếp UART, I2C, SPI.

Nhiều PORT I/O

2.2.3 Cảm biến vị trí piston

Cảm biến vị trí piston (TDC sensor hay còn gọi là cảm biếnG), cảm biến sẽ nhận các tín hiệu và báo cho ECU động cơ biết

vị trí điểm chết trên hoặc trước trước điểm chết trên của piston

Có những trường hợp, sẽ chỉ có vị trí của piston ở xylanh số 1 làđược báo tín hiệu về ECU của động cơ, còn vị trí các xylanh cònlại sẽ được tính toán dựa vào hành trình công tác Số xung phát

ra ở cảm biến có thể phụ thuộc vào kiểu phun và thường sẽbằng số lần phun trong một chu kỳ Như vậy ta có thể thấy côngdụng của cảm biến G là để báo tín hiệu đến ECU động cơ xácđịnh thời điểm phun và đánh lửa

Cảm biến quang: Đây là loại cảm biến hoạt động dựa vào mộtnguồn sáng và một cảm biến quang để phát hiện ra vị trí piston.Khi piston di chuyển, ánh sáng từ nguồn sáng sẽ bị chặn và tạo

ra một tín hiệu điện truyền đến ECU để điều khiển thời điểmphun hoặc đánh lửa

Có thể thấy việc sử dụng cảm biến vị trí piston để truyền tínhiệu đến ECU điều khiển một cách chính xác đã giúp cho việctối ưu thời điểm phun cũng như đánh lửa Từ đây hiệu suất động

cơ được tăng lên

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHUN XĂNG 3.1 Hệ thống điều khiển phun xăng

Nhiên liệu được rút từ bình chứa thông qua bơm nhiên liệu

và áp suất cao được tạo ra bởi kim phun dưới sự điều khiển của ECM

Trong lúc động cơ hoạt động, áp suất nhiên liệu trong ống được duy trì ổn định để đảm bảo việc phun nhiên liệu đều nhờ vào bộ điều áp tích hợp trong cụm bơm nhiên liệu Hệ thống điều khiển phun xăng bao gồm các thành phần chính sau:

3.1.1 Các cảm biến

Cảm biến CKP: Khi kết hợp với cảm biến MAP, được sử dụng đểđánh giá thời điểm phun nhiên liệu và điều chỉnh tốc độ củađộng cơ

Cảm biến MAP: Kết hợp với cảm biến CKP dùng để xác định thờiđiểm phun nhiên liệu và tải trọng hoạt động của động cơ Các cảm biến hiệu chỉnh: Gồm có cảm biến nhiệt độ EOT, cảmbiến bướm ga TP và cảm biến nhiệt độ khí nạp

3.1.2 Cụm bình chứa và bơm nhiên liệu

Bình chứa nhiên liệu được chứa trong bơm nhiên liệu và kết nối với bộ lọc nhiên liệu, van điều áp và bộ đo nhiên liệu… Bơm nhiên liệu tạo và duy trì áp suất trong đường ống nhiên liệu đến kim phun khi động cơ hoạt động Chức năng của van điều áp là điều chỉnh áp suất nhiên liệu đến kim phun, duy trì ở mức không đổi 294 kPa (3.0 kgf/cm²)

Hình 3.1: Bình chứa và bơm nhiên liệu [3]

Hình 3.2: Mạch điều khiển bơm xăng

Nguyên lý của mạch điều khiển bơm xăng tương tự mạch

IC phun xăng

3.1.3 ECM và IC điều khiển kim phun

ECM gom thông tin từ các cảm biến, sau đó tính toán lượngnhiên liệu cần phun tối ưu (khoảng thời gia nâng kim phun) và thời điểm phun, sau đó gửi tín hiệu đến IC để điều khiển kim phun

Hình 3.3: Mạch IC điều khiển kim phun

Khi có tín hiệu phun xăng, chân tín hiệu từ ECM kích dòng qua điện trở R3 = 1k (Ohm) Điều này dẫn đến việc transitor

dẫn dòng từ nguồn đi qua cuộn solenoid của kim phun làm nhấckim phun Khi ECM nhận được tín hiệu ngắt phun, nó sẽ ngắt dòng điện thông qua transitor để ngừng quá trình phun nhiên liệu của kim phun.

3.1.4 Kim phun nhiên liệu

Hình 3.4 Kim phun xăng trên mô hình [3]

Lượng nhiên liệu được phun vào đường ống nạp xảy ra dưới áp suất định sẵn trong đường ống nhiên liệu, điều này đượcđiều khiển bởi ECM dựa trên tín hiệu Thời gian mà kim phun mở

ra để phun nhiên liệu được xác định bởi ECM thông qua IC điều khiển kim phun Khi có tín hiệu từ ECM thông qua IC điều khiển kim phun sẽ cấp dòng điện qua cuộn dây solenoid trong kim phun làm cho piston trong kim phun bị nhấc lên làm kim phun

mở ra Nhờ áp suất từ bơm nên nhiên liệu được phun vào xy lanh đúng thời điểm cần thiết

3.2 Xác định lượng phun nhiên liệu

Để hoạt động, động cơ xăng cần ô xy và nhiên liệu Trongkhông khí, ô xy chiếm 21% Trong nhiên liệu, chủ yếu chứacác hợp chất hydrocarbons Khi nhiên liệu cháy trong khôngkhí sẽ sản sinh ra năng lượng Tỉ lệ hòa trộn lý thuyết đủ đểkhông khí đốt hết nhiên liệu là 14.7:1 gọi là tỉ lệ hóa học lượngpháp (lamda) Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ xăng phụthuộc nhiều vào tỉ lệ lamda Trong các động cơ ngày nay, đểsuất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất, tỉ lệ này dao động từ (15 ~18):1, nghĩa là cần 15 đến 18kg không khí để đốt cháy 1kg