Báo cáo khoa học: "Các ph-ơng pháp điều chỉnh tỷ lệ hoà khí trong động cơ EFI (động cơ phun xăng điện tử)" doc

Các phơng pháp điều chỉnh tỷ lệ ho khí trong động cơ EFI (động cơ phun xăng điện tử) TS. NGUYễN DUY TIếN Bộ môn Động cơ đốt trong Khoa Cơ khí - Trờng ĐHGTVT Tóm tắt: Bi báo trình by các phơng pháp điều chỉnh tỷ lệ ho khí trong động cơ phun xăng điện tử - đề xuất v tính toán kiểm nghiệm phơng án khả thi để điều chỉnh hỗn hợp phù hợp với điều kiện nhiệt đới ở Việt Nam. Summary: The article presents the methods controling the mixture ratio in EFI, proposing, caculating and experimenting the feasible project to control the mixture in accordance with the tropical climate condition in Viet Nam. Keyword: ECU Electronic Control Unit. EFI Electronic Fuel Injection. A/F Air- Fuel Ratio. i. Cơ sở lý luận để hiệu chỉnh ở Việt Nam từ năm 1990 đến nay ô tô đời mới đợc sử dụng rất phổ biến. Trong quá trình sử dụng, do điều kiện khí hậu thay đổi (nóng và ẩm), đồng thời nhiên liệu sử dụng cũng thay đổi từ dùng xăng pha chì sang dùng xăng không pha chì nên cần có sự thay đổi về tỷ lệ hỗn hợp. Qua quá trình nghiên cứu và khảo sát trên một số ô tô đời mới sử dụng ở Việt nam chúng tôi nhận thấy có một số vấn đề sau: - Các bộ ECU của EFI đặc biệt là các cảm biến trong điều kiện nóng ẩm bị lão hoá làm ảnh hởng tới việc điều khiển quá trình phun nhiên liệu. - Lỗ tia kim phun có tiết diện lớn (do mòn), bẩn hoặc tắc bộ lọc, hoặc điện áp h hỏng làm thay đổi lợng nhiên liệu phun vào xylanh động cơ. Vì vậy khi sử dụng ở Việt Nam có sự thay đổi rất lớn về tỷ lệ hỗn hợp (quá giàu hoặc quá nghèo). Trên cơ sở đó chúng tôi mạnh dạn đề suất hiệu chỉnh các cảm biến chính (khí nạp và nớc làm mát) để tác động vào mạch điều khiển phun xăng nhằm hiệu chỉnh đợc tỷ lệ hoà khí tối u. 2. Tỷ lệ khí nhiên liệu Trong quá trình làm việc của động cơ nhiên liệu và không khí đợc đa vào xylanh theo một tỷ lệ thích hợp, tỷ lệ đó đợc tính theo tỷ số khối lợng giữa không khí đối với nhiên liệu. Tỷ lệ hỗn hợp khí - nhiên liệu lý tởng là 14,7:1 (hình 1) vì khi đó tỷ lệ oxygen trong không khí với hydrocacbon trong nhiên liệu là thích hợp để tạo ra một sự đốt cháy hoàn toàn nhất. Duy trì tỷ lệ nhiên liệu-khí ở mức lý tởng là điều rất quan trọng trong những xe có bộ chuyển đổi xúc tác. Bộ chuyển đổi xúc tác sẽ làm việc tốt nhất khi động cơ hoạt động với tỷ lệ khí - nhiên liệu lý tởng. Hầu hết các động cơ có khối điều khiển điện tử (ECU) đều giữ cho tỷ lệ hỗn hợp ở mức lý tởng. Khi điều kiện hoạt động của động cơ thay đổi thì tỷ lệ khí - nhiên liệu cũng phải thay đổi. Khi khởi động động cơ còn nguội chỉ có 1 phần nhiên liệu hoá hơi nên hỗn hợp phải giàu, tỷ lệ là 9:1, khi chạy không tải hỗn hợp nghèo hơn tỷ lệ là 12:1, ở tốc độ trung bình tỷ lệ là 15:1. Khi đạp ga gia tốc để tăng tốc độ thì hỗn hợp trở nên giàu một cách tạm thời. Mục đích của việc thay đổi tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu khí là làm cho hỗn hợp dễ cháy luôn đồng đều giữa các xy lanh động cơ. Hình 1. Sự liên quan giữa tỷ lệ tự nhiên liệu - khí v hiệu suất của bộ chuyển đổi xúc tác Hình 2. Tỷ lệ nhiên liệu khí tơng ứng với các điều kiện lm việc của động cơ iii. Chọn mạch thực tế loại L- Jetronic Mục đích: Việc khảo sát mạch thực tế loại L - Jetronic nhằm làm cơ sở cho việc nghiên cứu sử dụng linh kiện điện tử (biến trở) để tác động vào mạch cảm biến nhiệt độ khí nạp và cảm biến nhiệt độ nớc làm mát từ đó làm thay đổi thời gian nâng kim phun. Chọn loại ECU: Chọn loại ECU loại L -Jetronic (Denso 175031 - 1010) đợc trang bị cho trên xe TOYOTA CAMRY, HONDA ACCORD, CROWN, FIAT SIENA 1242 đợc mô tả dới đây. 13:1 14:1 15:1 16:114,7:1 20 40 60 80 100 0 Khu vực làm việc tốt nhất của bộ chuyển đổi xúc tác CO HC NO x Hiệu suất chuyển đổi Hình 3. Mặt trớc hộp ECU loại L jetronic 20:1 15:1 10:1 5:1 Tỷ lệ nhiên liệu giàu nghèo Khởi động Không tải Tiết lu một phần Tăng tốc Tiết lu Mở hoàn toàn 320 64 97 129 161 Tốc độ xe [km/h] Hình 4. Mặt sau hộp ECU loại L jetronic iv. Đề xuất phơng án hiệu chỉnh tín hiệu cảm biến nhiệt độ khí nạp bằng cách mắc nối tiếp biến trở Rb với cực THA từ cảm biến đến ECU Sự thay đổi áp suất khí nạp và nhiệt độ sẽ làm thay đổi tỷ trọng của không khí nạp. Không khí nạp nóng và áp suất khí nạp thấp thì mật độ không khí thấp. Nghĩa là nó chứa ít oxygen hơn so với một thể tích không khí tơng tự mà nó có nhiệt độ thấp. Khi lợng oxy vào động cơ thay đổi thì cũng phải thay đổi lợng nhiên liệu cấp vào động cơ. Cảm biến nhiệt độ không khí là một nhiệt điện trở (Thermistor), điện trở của nó giảm khi nhiệt độ tăng và sẽ gửi tín hiệu điện áp thay đổi đến ECU. v R tha b R 405 R thA =5V C V Xe HONDA ACCORD, CROWN, FIAT SIENA 1242 đều sử dụng hệ thống phun xăng điện tử L-jetronic. Vì vậy khi dùng biến trở tác động vào mạch cảm biến nhiệt độ khí nạp sẽ làm thay đổi thời gian nâng kim phun. Hình 5. Sơ đồ mạch cảm biến nhiệt độ khí nạp nguyên thuỷ Hình 6. Sơ đồ mạch cảm biến nhiệt độ khí nạp khi mắc R b nối tiếp với ECU Theo sơ đồ hình 7 ta tính dòng điện I chạy trong mạch: THAb405 RRR Vc I ++ = Hiệu điện thế đo đợc ở đầu ra THA: Hình 7: Sơ đồ tính toán cầu phân áp (Rb mắc nối tiếp) THAb 405 c THA THAbTHA RR R 1 V V )RR(IV + + = += ECU Cảm biến nhiệt độ khí nạ p E THA r TH A E2 E21 THA R410 R405 5V V C Do R 405 = 2700 ; V c = 5 V (hằng số) nên điện áp đầu THA sẽ phụ thuộc chủ yếu vào R b và R THA . Trong trờng hợp nhiệt độ khí nạp cố định giả sử nhiệt độ trung bình ở Việt nam là 24 o C thì R THA =(1800ữ2000) = const. Từ đó ta có: 2000R 2700 1 5 V b THA + + = Thay các trị số vào công thức trên ta có bảng sau: Bảng 1 Điện trở R b (k) V THA (V) 0,9 Hình 8. Đồ thị V THA = f(R b ) 1,5 2,2 3,2 4,5 6,3 9,0 13,5 22,5 2,50 2,75 3,00 3,25 3,50 3,75 4,00 4,25 4,50 rTHA THA ECU Cảm biến nhiệt độ khí nạp E2 E R405 THA E21 R410 5V V C Rb Điện tr ở 1,5 0,9 2,50 9,0 6,3 2,2 3,2 4,5 13,5 22,5 R (k) V THA (V) 4,00 3,00 2,75 3,25 3,75 3,50 4,50 4,25 Điện áp Nhận xét: Từ đồ thị trên ta thấy khi điện trở R b tăng thì điện áp ở đầu THA tăng (giá trị điện trở càng lớn điện áp tăng càng ít). Nghĩa là thời gian nhấc kim tăng và ngợc lại. Do đó muốn thay đổi thời gian nhấc kim tăng hay giảm thì ta chỉ cần thay đổi giá trị điện trở R b từ đó nhiên liệu phun sẽ tăng hoặc giảm. rTHW THW E 5V V C ECU Cảm biến nớc làm mát THW E2 R411 E21 R404 THW R b v. Đề xuất phơng án hiệu chỉnh tín hiệu cảm biến nhiệt độ nớc lm mát bằng cách mắc nối tiếp biến trở R b với cực THW từ cảm biến đến ECU Cảm biến nhiệt độ nớc làm mát (CTS) Thermistor là một nhiệt điện trở, nó báo thờng xuyên nhiệt độ của dung dịch làm mát động cơ về ECU dới dạng các tín hiệu điện áp thay đổi. Nếu nhiệt độ nớc làm mát thấp, ECU phát tín hiệu điều khiển hệ thống định lợng nhiên liệu cung cấp thêm nhiên liệu để động cơ có thể làm việc ở tình trạng lạnh. ECU cũng có thể thay đổi thời điểm đánh lửa để thích hợp với nhiệt độ động cơ. Hầu hết các động cơ đặt ngang dùng một quạt điện để làm mát động cơ. Khi động cơ lạnh, sự làm mát không cần thiết, quạt ngừng. Khi động cơ nóng quạt hoạt động, ECU điều khiển việc đóng mở quạt điện thông qua tín hiệu nhận từ cảm biến nhiệt độ nớc làm mát. Dới đây là sơ đồ mạch cảm biến nhiệt độ nớc làm mát trích ra từ ECU. Hình 9. Sơ đồ cảm biến nhiệt độ khí nạp nguyên thuỷ Hình 10. Sơ đồ mạch hiệu chỉnh cảm biến nhiệt độ nớc lm mát bằng cách lắp R b nối tiếp ECU Theo hình 11 ta tính dòng điện chạy trong mạch: Hình 11. Mạch cảm biến nhiệt độ nớc lm mát =5V V C R thw R R b v thw 404 THWb404 c RRR V I ++ = Hiệu điện thế đo đợc ở đầu THW: THWb 404 c THW THWbTHW RR R 1 V V )RR.(IV + + = += Do R 404 và V c là hằng số (R 404 = 2700 và V c = 5 V) nên điện áp tại đầu THW phụ thuộc vào R b và R THW . rTHW THW ECU Cảm biến nớc làm mát THW E2 E R404 THW E21 R411 5V V C Trong trờng hợp nhiệt độ nớc làm mát cố định, giả sử ở nhiệt độ nớc làm mát (85 ữ 90 0 C) thì R THW = 300 = const. Có thể tính: const) T 1 T 1 .(exp.RR 0 0THW = = Với R 0 : điện trở ở nhiệt độ T 0 e = 2,71828 T, T 0 là nhiệt độ tuyệt đối (K) : hệ số chọn theo điện trở R THW . Từ đó ta có: 300R 2700 1 5 V b THW + + = Thay giá trị vào biểu thức trên ta có bảng sau: (bảng 2). Từ đồ thì hình 12 ta thấy khi điện trở R b tăng thì điện áp ở đầu THW tăng, nghĩa là thời gian nhấc kim tăng lên và ngợc lại (điện trở càng tăng thì điện áp càng tăng chậm). Do đó, muốn thay đổi thời gian nhấc kim tăng hay giảm thì chỉ cần thay đổi giá trị điện trở R b từ đó nhiên liệu phun tăng hoặc giảm. Do đó, muốn thay đổi thời gian nhấc kim tăng hay giảm thì chỉ cần thay đổi giá trị điện trở R b từ đó nhiên liệu phun tăng hoặc giảm. Hình 12. Đồ thị V THW = f(R b ) Kết luận Qua quá trình tính toán và khảo sát thực tế chúng tôi nhận thấy việc tác động vào mạch điều khiển điện tử trên các ô tô đời mới nhằm mục đích điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu - khí trong xylanh cho phù hợp với điều kiện sử dụng ở Việt nam là hoàn toàn cần thiết. Nội dung bài báo giới thiệu kết quả tính toán hiệu chỉnh mạch cảm biến nhiệt độ khí nạp và hiệu chỉnh mạch cảm biến nhiệt độ nớc làm mát để thay đổi điện áp và qua đó thay đổi thời gian nâng kim phun tức là thay đổi lợng phun nhiên liệu. Bên cạnh phơng án sử dụng biến trở mắc nối tiếp với mạch cảm biến, chúng ta có thể sử dụng nhiều phơng án khác nhằm tác động vào mạch điều khiển mà trong phạm vi bài báo cha đề cập tới. Để kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng rộng rãi trong thực tế cần có thêm nhiều bài thí nghiệm để tìm ra giá trị điện áp để điều chỉnh lợng phun nhiên liệu tối u trong điều kiện nhiệt đới ở Việt nam. Trong điều kiện hiện nay thì đây là một hớng nghiên cứu có tính khả thi cao trong điều kiện các linh kiện điện tử trên ô tô đời mới hầu hết phải nhập khẩu với giá thành cao, đồng thời cũng phù hợp với xu hớng nội địa hoá của Chính phủ. Tài liệu tham khảo [1]. TS. Nguyễn Duy Tiến. Thay thế xăng pha chì bằng xăng không chì, chuyên đề sau đại học ĐHGTVT 2000. [2]. TS. Nguyễn Duy Tiến. Hệ thống cung cấp nhiên liệu thế hệ mới (bài giảng cao học). [3]. KS. Nguyễn Ngọc Trí. Hớng dẫn sử dụng bảo trì và sửa chữa xe ô tô đời mới. NXB Trẻ 1997. [4]. Tổng công ty xăng dầu Việt nam, Phơng án thay thế xăng chì trên hệ thống lu thông của Tổng công ty xăng dầu Việt nam. Công văn số 200/XD- KD ngày 21/2/2001. [5]. Khảo nghiệm động cơ dùng xăng không pha chì. Bộ môn ĐCĐT ĐHBK Hà nội và Cục Đăng kiểm, Hà Nội, 2001. [6]. Đề tài NCKH cấp bộ 2002. Mã số B.2002 - 35 - 28 Bảng 2 Điện trở R b (k) V THW (V) 2,4 3,0 3,7 4,7 6,0 7,8 10,5 15,0 24,0 2,50 2,75 3,00 3,25 3,50 3,75 4,00 4,25 4,50 Điện áp 3,7 4,7 2,4 3,0 2,50 V THW (V) 4,00 3,00 2,75 3,25 3,75 3,50 4,50 4,25 10,5 6,0 7,8 15,0 R (k) Điện tr ở 24 . Các phơng pháp điều chỉnh tỷ lệ ho khí trong động cơ EFI (động cơ phun xăng điện tử) TS. NGUYễN DUY TIếN Bộ môn Động cơ đốt trong Khoa Cơ khí - Trờng ĐHGTVT Tóm tắt: Bi báo trình by. khi động cơ hoạt động với tỷ lệ khí - nhiên liệu lý tởng. Hầu hết các động cơ có khối điều khiển điện tử (ECU) đều giữ cho tỷ lệ hỗn hợp ở mức lý tởng. Khi điều kiện hoạt động của động cơ. dạn đề suất hiệu chỉnh các cảm biến chính (khí nạp và nớc làm mát) để tác động vào mạch điều khiển phun xăng nhằm hiệu chỉnh đợc tỷ lệ hoà khí tối u. 2. Tỷ lệ khí nhiên liệu Trong quá trình