Nghiên cứu thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu cho xe gắn máy

Tóm tắt: Nghiên cứu thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu cho xe WAVE RSX 110 là việc sử dụng các cảm biến để xác định sự thay đổi của các thông số như tốc độ động cơ, t

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Trương Việt Hưng

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ thì điều khiển tự động được

áp dụng rất nhiều vào các lĩnh vực sản xuất, nghiên cứu cũng như các lĩnh vực khác của đời sống xã hội, đặc biệt là ngành động cơ đốt trong thì việc điều khiển tự động hóa các quá trình của động cơ là rất cần thiết

Hiện nay trên thế giới hệ thống phun xăng điện tử cho xe máy đã được sử dụng rộng rãi Ở Việt Nam, xu hướng hiện nay là thay thế hệ thống nhiên liệu sử dụng bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun xăng điện tử Qua quá trình học tập và nghiên cứu em thấy rằng việc thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun xăng điện tử là cần thiết Với bộ điều khiển ECU cho phép điều chỉnh chính xác lượng phun nhiên liệu theo từng chế độ tải trọng của động cơ, nhờ đó cải thiện được đặc tính mô men cũng như tăng tính kinh tế của động cơ và giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường Với những

lý do trên em chọn đề tài “Nghiên cứu thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun

nhiên liệu cho xe gắn máy” Với đề tài này em hy vọng sẽ góp phần nâng cao chất

lượng dòng sản phẩm động cơ xe máy sản xuất tại Việt Nam

Em xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của PGS.TS.Trần Thanh Hải Tùng cũng như sự giúp đỡ tạo điều kiện của các thầy cô giáo trong khoa Cơ Khí Động Lực đã giúp em hoàn thành đề tài này Nhưng do chưa có nhiều kinh nghiệm và trình độ bản thân còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai xót Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, sự chỉ bảo của các thầy cô cũng như các bạn

để em có thể ứng dụng đề tài này tốt hơn trong thực tế

Đà Nẵng, Ngày 24 tháng 04 năm 2019

Học viên thực hiện

Trương Việt Hưng

TÓM TẮT

Tên đề tài: “Nghiên cứu thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu cho

xe gắn máy”

Học viên: Trương Việt Hưng Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 60.52.01.16 Khóa: K32 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt: Nghiên cứu thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu cho xe

WAVE RSX 110 là việc sử dụng các cảm biến để xác định sự thay đổi của các thông

số như tốc độ động cơ, tải trọng, nhiệt độ được mã hóa tín hiệu đưa vào ECU (electronic control unit) xử lý và tính toán để đưa ra lượng phun nhiên liệu và lượng không khí phù hợp với từng chế độ làm việc của động cơ Lượng phun nhiên liệu được điều khiển qua thời gian đóng mở kim phun Việc tối ưu tỷ lệ nhiên liệu nạp vào và không khí được lưu trong bộ nhớ để phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ sao cho tiêu hao nhiên liệu là thấp nhất mà vẫn đảm bảo công suất động cơ, cùng với

đó giảm thiểu mức độ phát thải khí CO2, NOx, HC, CO … ra môi trường

HC, CO into the environment

MỤC LỤC

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1

2.1 Lý thuyết về hệ thống phun xăng điện tử 7

2.1.1 Nguyên lý hoạt động 7

2.1.2 Yêu cầu của hệ thống phun xăng điện tử 8

2.1.3 Tỷ lệ xăng – không khí 9

2.1.4 Điều khiển lượng phun cơ bản 9

2.1.5 Thời điểm và khoảng thời gian phun 10

2.1.6 Đặc điểm của thành phần hỗn hợp cháy 10

2.1.7 Kết luận: 14

2.2 Các loại cảm biến 14

2.2.1 Cảm biến vị trí bướm ga 14

2.2.2 Cảm biến oxy 16

2.2.3 Cảm biến áp suất đường ống nạp 17

2.2.4 Cảm biến nhiệt độ động cơ 18

2.2.5 Cảm biến vị trí trục cam, cảm biến vị trí trục khuỷu 19

2.3.1 Ở chế độ không tải chuẩn 21

2.3.2 Ở chế độ tăng tốc 21

2.3.3 Chế độ khởi động động cơ 21

2.3.4 Quá trình sấy nóng động cơ 23

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI NÓI ĐẦU 4

TÓM TẮT 5

DANH MỤC HÌNH ẢNH 10

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 2

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.3.Điều khiển hiệu chỉnh 20

2.3.5 Chế độ toàn tải 24

2.3.6 Chế độ giảm tốc đột ngột ( Quá trình không tải cưỡng bức) 24

2.3.7 Kết luận 25

2.4.1 Giới thiệu về board Arduino Uno 25

2.4.2 Giới thiệu về board Arduino Nano 26

2.4.3 Giới thiệu về board Arduino Mega 2560 27

2.5.1 Module LCD I2C 28

2.5.2 Màn hình LCD 20x4B 29

3.1 Thiết kế lắp đặt hệ thống phun nhiên liệu lên động cơ sử dụng bộ chế hòa khí .33

3.1.1 Phương án lắp đặt hệ thống nhiên liệu 33

3.1.2 Phân tích lựa chọn và lắp đặt các cảm biến lên động cơ thử nghiệm 36

3.2 Thiết kế chế tạo mạch điều khiển hệ thống phun nhiên liệu 41

3.2.1 Cơ sở điều khiển vòi phun 41

3.2.2 Phương pháp điều khiển kim phun 42

3.2.3 Điều khiển thời gian phun nhiên liệu 42

3.2.4 Tính thời gian phun theo một số tín hiệu cơ bản của động cơ 46

3.2.5 Thiết kế chế tạo mạch điều khiển phun nhiên liệu 54

3.3 Viết chương trình điều khiển hệ thống phun nhiên liệu bằng arduino 56

3.3.1 Xây dựng thuật toán hệ thống phun xăng 56

3.3.2 Viết chương trình điều khiển 57

4.1 Kiểm tra và chạy thử 58

4.2 Kết quả đo 60

2.4.Lý thuyết về mạch điện tử 25

2.5.Thiết bị và phần mềm thu nhận tín hiệu 28

2.6.Kết luận .31

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM 32

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

PHỤ LỤC 65

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

EFI (Electronic Fuel Injection)

ECU (Engine Control Unit)

MAP (Manifold Absolute Pressure)

IAT (Intake Air Temperature)

ECT (Engine Coolant Temperature)

TDC (Top Dead Center)

BDC (Bottom Dead Center)

WOT (Wide Open Throttle)

RPM (Revolutions Per Minute)

NTC (Negative Temperature Coefficient)

VVT (Variable Valve Timing)

GPS (Global Positioning System)

LCD (Liquid Crystal Display)

ADC (Analog to Digital Convert)

TPS (Throttle Position Sensor)

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật động cơ Honda Wave RSX 33

Bảng 3.2: Phun nhiên liệu với thời gian t i và số lần phun 5000 lần 47

Bảng 3.3: Bảng khối lượng không khí theo tốc độ(rpm) và độ mở bướm ga(tps) trong 1 chu trình 50

Bảng 3.4: Bảng tỷ lệ hòa trộn giữa không khí và nhiên liệu theo tốc độ và độ mở bướm ga 50

Bảng 3.5:Bảng khối lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình 51

Bảng 3.6:Bảng thời quan phun trong 1 chu trình 52

Bảng 3.7: Bảng thời gian phun để nạp vào chương trình điều khiển 53

Bảng 4.1: Bảng kết quả đo công suất ứng với đặc tính ngoài ở tay số 4 khi động cơ dùng bộ chế hòa khí thông thường và khi dùng hệ thống nhiên liệu phun xăng .60

Bảng 4.2: Bảng so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi dùng bộ chế hòa khí và khi dùng hệ thống nhiên liệu phun xăng .61

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống phun xăng điện tử .7

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ phun xăng điện tử 9

Hình 2.3: Ngưỡng của tỷ lệ nhiên liệu không khí cần phải duy trì nhằm giúp bộ xúc tác hóa khử ba chức năng hoạt động tốt .10

Hình 2.4: Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí  đối với công suất động cơ P và đối với suất tiêu hoa nhiên liệu g e .11

Hình 2.5: Ảnh hưởng của  đến t và i .12

Hình 2.6: Ảnh hưởng của  đến N e và g e của động cơ xăng 13

Hình 2.7 : Cảm biến vị trí bướm ga loại tiếp điểm 15

Hình 2.8 : Cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính 15

Hình 2.9 : Cảm biến vị trí bướm ga loại Hall 15

Hình 2.10: Cảm biến oxy loại nung nóng 16

Hình 2.11: Cảm biến oxy loại không nung nóng 17

Hình 2.12: Cảm biến áp suất đường ống nạp 18

Hình 2.13: Cảm biến động cơ .19

Hình 2.14: Cảm biến vị trí trục cam loại cảm biến hiệu ứng điện từ 20

Hình 2.15: Cảm biến vị trí trục cảm loại Hall 20

Hình 2.16: Board Arduino Uno 25

Hình 2.17: Board Arduino Nano 26

Hình 2.18: Board Arduino Mega 2560 27

Hình 2.19: Mạch điều khiển màn hình LCD giao tiếp I2C 29

Hình 2.20: Màn hình LCD 20x4B 29

Hình 2.21: Sơ đồ chân màn hình LCD 20x4B 30

Hình 3.1: Cụm ống nạp 33

Hình 3.2: Cụm bướm ga 34

Hình 3.3: Cụm kim phun xăng 34

Hình 3.4: Bộ họng ga 35

Hình 3.5: Bình xăng 35

Hình 3.6: Bản vẽ mặt bích 36

Hình 3.7: Vị trí lắp cảm biến vị trí bướm ga 37

Hình 3.8: Vị trí lắp đặt cảm biến oxy 38

Hình 3.9: Cấu tạo và đặc tính cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP) .38

Hình 3.10: Vị trí lắp đặt cảm biến áp suất khí nạp 39

Hình 3.11: Vị trí lắp đặt cảm biến nhiệt độ động cơ 40

Hình 3.12: Vị trí lắp đặt cảm biến vị trí trục cam, cảm biến vị trí trục khuỷu 41

Hình 3.13: Quá trình điều khiển phun của ECU .41

Hình 3.14: Sơ đồ điều khiển thời gian phun theo các chế độ làm việc của động cơ .43

Hình 3.15: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phun nhiên liệu 54

Hình 3.16: Thiết kế mạch điều khiển hệ thống phun nhiên liệu 55

Hình 3.17: Board mạch sau khi gia công 55

Hình 3.18: Board mạch điều khiển hệ thống phun nhiên liệu và đánh lửa điện tử hoàn chỉnh 56

Hình 3.19: Thuật toán hệ thống phun xăng 57

Hình 4.1: Mô hình xe máy được thử nghiệm 58

Hình 4.2: Động cơ chạy ở tốc độ 1850 vòng/phút 59

Hình 4.3: So sánh đặc tính ngoài của động cơ khi dùng bộ chế hòa khí và khi dùng hệ thống phun xăng điện tử .60

Hình 4.4: So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi dùng bộ chế hòa khí và khi dùng hệ thống phun xăng điện tử .61

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay động cơ xe máy sử dụng bộ chế hòa khí ngày càng cũ và sử dụng công nghệ lạc hậu làm việc đốt cháy triệt để nhiên liệu càng bị giảm đi, khí thải độc hại vì thế càng tăng Mặc khác, động cơ sử dụng hệ thống phun nhiên liệu giải quyết được

các khuyết điểm của bộ chế hòa khí vì vậy tôi chọn đề tài “Nghiên cứu thay thế bộ chế

hòa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu cho xe gắn máy” để góp phần làm giảm tiêu

hao nhiên liệu và lượng khí thải thải ra môi trường

2 Mục đích nghiên cứu

Thay thế bộ chế hòa khí của động cơ bằng hệ thống phun xăng điều khiển điện tử

để tận dụng các ưu điểm của hệ thống phun nhiên liệu làm giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm lượng khí thải thải ra môi trường bên ngoài

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Động cơ Honda Wave RSX 110

Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống phun xăng điện tử

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lắp đặt các cảm biến lên động cơ, thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun xăng Nghiên cứu phần mềm Arduino, viết chương điều khiển hệ thống phun xăng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Sử dụng hệ thống phun xăng thay cho bộ chế hòa khí trên động cơ đốt trong sẽ làm giảm mức độ phát thải khí CO2, NOx, HC, CO … góp phần thực hiện các Công ước Quốc tế về môi trường mà Việt Nam đã cam kết tham gia

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Tài nguyên và môi trường có vị trí đặc biệt quan trọng đối với con người và sự phát triển của xã hội Hàng ngày chúng ta sử dụng không khí, nước, thực phẩm để tồn tại và sử dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên và môi trường để đáp ứng các nhu cầu thiết yếu của cuộc sống Mỗi sự biến đổi của tự nhiên, của môi trường đều liên hệ mật thiết đến chúng ta, sự đe dọa nào đối với thiên nhiên, môi trường cũng chính là đe dọa đối với chúng ta

Trong quá trình sản xuất và sinh hoạt, con người đã và đang thải vào môi trường hàng triệu tấn các chất độc hại có rất nhiều nguyên nhân khác nhau như: do quá trình sản xuất công nghiệp thải ra khí thải độc hại, do quá trình khai thác tài nguyên thiên nhiên, các loại hóa chất sử dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, do việc sử dụng nhiên liệu của các phương tiện giao thông vận tải gây ra…

Mới đây, bản đồ của Đại học Yale được tạp chí Forbes Việt Nam dẫn lại thể hiện màu đỏ và đỏ sẫm chủ đạo tại khu vực miền Bắc, Việt Nam - cho thấy nơi này là khu vực bị ô nhiễm không khí nặng nhất cả nước, trong đó, nặng hơn cả là Thủ đô Hà Nội

và các tỉnh thành lân cận

Với những số liệu thu thập được, Đại học Yale xếp hạng chất lượng không khí của Việt Nam là 54,76/100 điểm, đứng thứ 170/180 nước nghiên cứu Chỉ số PM 2.5 (Particulate Matter - nghĩa là chất dạng hạt) của Việt Nam hiện tại là 43.95, xếp thứ 170/180 nước Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ, những khu vực có chỉ số PM 2.5 tiêu cực, người dân rất hay mắc các bệnh về phổi và đường hô hấp, đặc biệt là với người già cũng như trẻ nhỏ

Ở Việt Nam, ô nhiễm không khí phổ biến nhất là ô nhiễm khói bụi, sau đó là ô nhiễm CO2 và một số loại khí khác như SO2, NOx Hai tác nhân chủ yếu gây ra ô nhiễm không khí là khí thải từ các phương tiện cơ giới và hoạt động sản xuất công nghiệp Theo một số nghiên cứu, hiện tại khí thải từ các phương tiện giao thông cơ giới chiếm 70% tác nhân gây ô nhiễm không khí tại Việt Nam

Năm 2000, Việt Nam tiêu thụ khoảng 7,5 triệu tấn xăng dầu thì đến năm 2015 con số này đã vọt lên 17,5 triệu (số liệu từ Petrolimex) - trong đó quá nửa phục vụ hoạt động giao thông vận tải Ô nhiễm không khí do phương tiện cơ giới gây ra nhiều khả năng sẽ còn nghiêm trọng hơn nữa trong những năm tới bởi các phương tiện giao

thông cá nhân sẽ tiếp tục tăng vọt Ước tính của Bộ Công nghiệp thời điểm năm 2007 cho thấy đến năm 2025, tiêu thụ xăng dầu cả nước sẽ đạt 40-50 triệu tấn

Các phương tiện giao thông vận tải chủ yếu sử dụng nhiên liệu truyền thống như xăng và diesel Chính vì vậy trong khí thải của động cơ chứa rất nhiều khí độc hại như: NOX, SOX, HC cháy không hoàn toàn, kèm theo những hạt bụi rắn thải vào môi trường không khí làm cho hàm lượng khí độc hại trong bầu khí quyển ngày càng tăng lên

Ở Việt Nam, xe máy cũng chính là loại phương tiện giao thông phổ biến nhất Theo điều tra xác định tỷ lệ các loại xe trong một dòng xe thì có tới 85,8% xe là xe máy, 12,3% là ô tô, 1,2% là xe tải và xe buýt chỉ chiếm 0,7% Từ đó, người ta tính toán ví dụ như ở Hà Nội thì cứ 1km đường sẽ có tới 2.500 xe máy hoạt động

Hiện nay ở các thành phố lớn như Hà Nội và TP Hồ Chí Minh, xe máy chiếm tới 95% các phương tiện giao thông và tiêu thụ 56% xăng, lượng phát thải hydrocarbon chiếm 94%, carbon monoxide (CO) chiếm 87% và ôxit nitơ chiếm 57% Điều này cho thấy, tình trạng ô nhiễm không khí do các phương tiện cơ giới gây ra ngày càng ở mức báo động

Tại hội thảo về: “Công tác bảo vệ môi trường - ứng phó biến đổi khí hậu trong tình hình hiện nay” do Ủy ban MTTQ Việt Nam TP Hồ Chí Minh tổ chức, các nhà khoa học đã báo động về tình trạng ô nhiễm không khí, đặc biệt là sự gia tăng nồng độ các chất độc hại trong không khí với những thông số đáng lo ngại

PGS.TS Nguyễn Lê Ninh cho biết: Hiện nồng độ bụi đặc trưng PM10 có nơi đạt tới 80 microgram/m³, trong khi nồng độ cho phép nhỏ hơn con số này nhiều lần Nồng

độ SO2 lên đến 30 microgram/m³, nồng độ benzen có nơi đạt 35 - 40 microgram/m³ Hằng năm, tại Việt Nam, các phương tiện giao thông đã thải ra 6 triệu tấn CO2, 61.000 tấn CO, 35.000 tấn NO2, 12.000 tấn SO2 Nồng độ các chất có hại trong không khí ở các đô thị lớn vượt quá mức cho phép nhiều lần, riêng SO2 cao gấp 2-3 lần

Từ năm 1995, Việt Nam đã ban hành quy định kiểm soát khí thải ôtô, trong đó ngành Giao thông vận tải tập trung quản lý mức khí thải của phương tiện ôtô và kiểm soát chất lượng phương tiện đối với xe máy

Trên thực tế, hiện nay chỉ kiểm soát được khí thải từ khâu sản xuất, lắp ráp, lưu hành và nhập khẩu đối với ôtô, nhưng chưa có quy định cụ thể về niên hạn, kiểm soát khí thải đối với phương tiện xe máy đang lưu hành Sở Giao thông vận tải TP.HCM cũng gấp rút đề nghị chính quyền thành phố kiến nghị đến Thủ tướng Chính phủ sớm thông qua đề án kiểm tra, kiểm soát khí thải xe máy do Bộ Giao thông đề ra Theo đó,

trong giai đoạn 2018-2020 làm tiền đề để áp dụng cho các dòng xe khác Được biết, trước đây, Bộ cũng đã xây dựng Đề án Kiểm soát khí thải đối với xe mô tô, gắn máy tại một số thành phố lớn, sau đó sẽ tiến hành triển khai đại trà

Theo ông Nguyễn Hữu Trí - Phó Cục trưởng Cục Đăng kiểm Việt Nam, hiện nay

cả nước có khoảng 40 triệu xe máy, trong số này có những xe hoạt động từ những năm

80 - 90 của thế kỷ trước nhưng vẫn còn lưu thông Không chỉ mất an toàn giao thông, trong quá trình hoạt động những chiếc xe "quá đát" này còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe người dân Những chiếc xe này do sử dụng công nghệ lạc hậu nên khả năng đốt cháy nhiên liệu không hết, thải ra ngoài môi trường gấp nhiều lần ô tô và phần lớn khí thải độc hại là hydrocarbon, ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người

Còn theo các nhà khoa học thì trong khí thải của các phương tiện có rất nhiều thành phần độc hại như ôxit nitơ, hydrocarbon, CO, khi thải ra môi trường sẽ xảy ra phản ứng hóa học tạo ra các loại khí độc hại, làm cho con người bị ngộ độc, thậm chí ngạt thở Bởi đốt cháy nhiên liệu chính là quá trình phân giải các chất hữu cơ

Thành phần khí thải này lại phụ thuộc nhiều vào chất lượng động cơ Động cơ càng cũ, công nghệ càng lạc hậu thì việc đốt cháy triệt để nhiên liệu càng bị giảm đi, khí thải độc hại vì thế càng tăng Trong quá trình hoạt động, các phương tiện "quá đát" thải ra môi trường một lượng khí thải độc hại cao gấp 2-4 lần các loại xe mới, được bảo dưỡng định kỳ.[7]

Hiện nay nước ta xe máy đa phần sử dụng hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí và hệ thống đánh lửa thông thường, đây là những hệ thống có nhiều nhược điểm như:

+ Thành phần hòa khí phụ thuộc chủ yếu vào áp suất đường ống nạp và tốc độ động cơ, nhưng trên thực tế thành phần hòa khí còn phụ thuộc vào nhiệt độ động cơ,

nhiệt độ khí nạp, độ mở bướm ga…Hơn nữa cơ cấu điều chỉnh lượng nhiên liệu bằng

cơ khí, không đảm bảo điều khiển chính xác lượng và chất của hổn hợp phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ

+ Do sử dụng họng tiết lưu nên làm tăng tổn thất cơ khí, giảm hệ số nạp của động cơ

+ Khi muốn lắp thêm bộ xúc tác khí xả do không duy trì được  = 1 nên hiệu suất của bộ xúc tác không cao

+ Góc đánh lửa sớm được giữ cố định do đó không phù hợp với tải trọng và tốc

- Có thể cung cấp hỗn hợp không khí và nhiên liệu đồng đều đến từng xilanh

- Đạt được tỉ lệ hòa trộn không khí và nhiên liệu chính xác ở tất cả các dải tốc

- So với kiểu cung cấp nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí thì hệ thống phun xăng

có hiệu suất nạp cao hơn vì giảm cản trên đường nạp

- Sự hòa trộn không khí và nhiên liệu được tốt hơn nhờ dòng khí được tăng sự xoáy lốc và giảm sự thất thoát nhiên liệu do bám trên đường ống nạp

- Nhờ tỉ lệ không khí nhiên liệu được hòa trộn theo tỉ lệ lí tưởng và có hệ thống

xử lí khí thải nên động cơ phun xăng ít ô nhiễm môi trường hơn

Xuất phát từ những yêu cầu thực tế nhằm khắc phục các nhược điểm đã nêu của động cơ xe máy sử dụng bộ chế hòa khí cũng như mong muốn được nghiên cứu tiếp cận và làm chủ các công nghệ hiện đại trong lĩnh vực ôtô xe máy Tôi đã tiến hành

“Nghiên cứu thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu cho xe gắn máy”

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết về hệ thống phun xăng điện tử

Phun xăng điện tử (Fi) là một khái niệm không còn xa lạ đối với những ai đang

sử dụng xe máy Nguyên lý hoạt động cơ bản của Fi là sử dụng một hệ thống điều khiển điện tử để can thiệp vào quá trình phun nhiệu liệu vào buồng đốt động cơ nhằm tối ưu hóa việc sử dụng nhiên liệu

2.1.1 Nguyên lý hoạt động

Phun xăng điện tử có thể chia thành ba hệ thống : hệ thống nhiên liệu, hệ thống nạp khí và hệ thống điều khiển điện tử Ba hệ thống này sẽ được mô tả chi tiết như sau:

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống phun xăng điện tử

 Hệ thống điều khiển điện tử:

Bao gồm ECU, các cảm biến và hệ thống điều khiển các cơ cấu chấp hành Trên

cơ sở thông tin từ các cảm biến đầu vào và tín hiệu đánh lửa, ECU sẽ tiến hành tính toán để điều khiển các cơ cấu chấp hành như cuộn đánh lửa, vòi phun…

2.1.2 Yêu cầu của hệ thống phun xăng điện tử

+ Để động cơ sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử hoạt động bình thường thì ECU cần nhiều thông số như vị trí trục cam, trục khuỷu, lưu lượng khí nạp, nhiệt

độ động cơ, nồng độ O2 ở khí thải… Những số liệu này được thu thập từ các cảm biến đặt khắp nơi trên động cơ Sau khi nhận tín hiệu từ cảm biến ECU sẽ tính toán để điều khiển lượng phun nhiên liệu phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ

+ Trên động cơ nguyên thủy sử dụng bộ chế hòa khí không có bơm xăng mà xăng được đưa vào bình xăng con từ bình xăng lớn, khi động cơ hoạt động sẽ tạo áp suất để hút xăng và không khí vào theo tỷ lệ được canh chỉnh sẵn trên bình xăng con, còn hệ thống phun xăng thì sử dụng bơm nhiên liệu để tạo áp suất và vòi phun để phun nhiên liệu ở dạng sương tinh vào không khí nạp Nhờ đó làm tăng diện tích bề mặt hóa hơi của nhiên liệu Vì vậy nhiên liệu hóa hơi nhanh hơn, giúp hòa trộn với không khí tốt hơn làm cháy hết hoàn toàn và ít phát thải ô nhiễm Hệ thống phun phải luôn luôn phun cùng một lượng nhiên liệu và phương pháp điều chỉnh là thay đổi thời gian phun

+ So với động cơ sử dụng bộ chế hòa khí thì động cơ hệ thống phun xăng có thêm một số bộ phận:

- Các cảm biến: Tiếp nhận các thông số của động cơ

- Bộ điều khiển: Nhận tín hiệu từ các cảm biến, điều khiển vòi phun để hòa khí

có tỷ lệ phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ

- Vòi phun: Phun nhiên liệu điều khiển bằng tín hiệu điện

- Bơm xăng: Đưa nhiên liệu từ bình chứa đến vòi phun với áp suất nhất định

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ phun xăng điện tử

Việc thay đổi tỷ lệ thích hợp nhằm mục đích luôn luôn nạp đủ nhiên liệu vào xilanh Ví dụ lúc khởi động trời lạnh, hay lúc động cơ xăng đang nguội phải cần đến một tỷ lệ khí hỗn hợp rất giàu xăng Bởi lúc này chỉ có một phần nhỏ xăng bốc hơi, do

đó phải cần thật nhiều xăng để xilanh nhận đủ lượng nhiên liệu cần thiết

Tỷ lệ hỗn hợp lý tưởng 1/14,7 gọi là lý tưởng bởi vì lượng oxy trong khí hỗn hợp này hoàn toàn thích ứng với lượng hydrocacbon trong xăng giúp cho quá trình cháy của khí hỗn hợp được hoàn chỉnh nhất Sẽ xảy ra tình trạng nhiều xăng đối với tỷ lệ 1/14, cũng như quá dư thừa oxy đối với tỷ lệ hỗn hợp 1/16

2.1.4 Điều khiển lượng phun cơ bản

Lượng không khí cảm nhận tại cảm biến đo lưu lượng gió được chuyển hóa

thành điện áp, điện áp này được gửi đến ECU như một tín hiệu

Tín hiệu đánh lửa sơ cấp theo số vòng quay động cơ cũng được gửi đến ECU từ cuộn dây đánh lửa ECU sau đó tính toán bao nhiêu nhiên liệu cần cho lượng khí đó và

thông báo cho mỗi vòi phun bằng thời gian mở van điện Khi van điện của vòi phun

mở ra, nhiên liệu sẽ được phun vào đường ống nạp

2.1.5 Thời điểm và khoảng thời gian phun

a) Thời điểm phun

Động cơ 4 kỳ sẽ thực hiện các kỳ nạp, nén, nổ, xả trong mỗi vòng quay của trục khuỷu Ở đây ta điểu khiển để vòi phun thực hiện việc phun nhiên liệu 2 lần trên đường ống nạp, với mỗi lần phun bằng ½ lượng phun thực tế Tức là vòi phun sẽ thực hiện phun vào cuối kỳ thải và cuối kỳ nén

b) Khoảng thời gian phun

Thời gian phun cơ bản được xác định bởi lượng khí nạp vào (tín hiệu VE) và

tốc độ động cơ (NE) Bộ nhớ trong của ECU động cơ có chứa các số liệu về khoảng thời gian phun cơ bản khác nhau tương ứng với các tín hiệu nhận được

Khi vận hành bình thường, tốc độ động cơ và công suất thường thay đổi cùng lúc Vì vậy việc tính toán liên tục thời gian phun cơ bản tb Ở tốc độ cao công suất động cơ cao (mức toàn tải) thời gian tb dài hơn, lượng xăng phun nhiều hơn

2.1.6 Đặc điểm của thành phần hỗn hợp cháy

a) Hệ số dư lượng không khí

Để chỉ rõ mức độ sai biệt giữa tỷ lệ nhiên liệu–không khí cung cấp thực tế cho động cơ so với tỷ lệ hỗn hợp lý tưởng(1/14,7) người ta chọn hệ số dư lượng  = Lượng không khí nạp/Lượng không khí yêu cầu lý tưởng

Hình 2.3: Ngưỡng của tỷ lệ nhiên liệu không khí cần phải duy trì nhằm giúp bộ xúc tác

hóa khử ba chức năng hoạt động tốt

Hình 2.3 giới thiệu đồ thị về ảnh hưởng của hệ số dư không khí  đối với công suất P và suất tiêu hao nhiên liệu ge Ta tìm được ảnh hưởng này như sau:

Hình 2.4: Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí  đối với công suất động cơ P và

đối với suất tiêu hoa nhiên liệu g e

Trong đó:

- a Giàu xăng – thiếu không khí

- b Nghèo xăng – dư không khí

Hỗn hợp quá nghèo xăng, không thể tiếp tục cháy được nếu 1,3

Hỗn hợp cháy tốt phát huy công suất tối đa cho động cơ Lượng không khí thiếu

so với lý tưởng khoảng 5 – 15 %

Mức độ đồng nhất của hỗn hợp cháy có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, công suất và hàm lượng các chất độc hại trong khí xả Hỗn hợp cháy càng đồng nhất thì lượng không khí thực tế cần thiết để đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng nhiên liệu sẽ càng nhỏ Nói cách khác, độ đồng nhất càng lớn thì động cơ có thể làm việc với hỗn hợp cháy có hệ số dư lượng không khí càng nhỏ mà vẫn đảm bảo yêu cầu đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu Nếu hỗn hợp cháy không đồng nhất, sẽ có những khu vực trong buồng đốt thiếu hoặc thừa oxy Tại khu vực thiếu oxy, nhiên liệu cháy không hoàn toàn sẽ làm giảm hiệu suất nhiệt của động cơ và làm tăng hàm lượng các chất độc hại trong khí thải Việc thừa oxy quá mức cũng làm giảm hiệu suất của động cơ do phải tiêu hao năng lượng cho việc sấy nóng, nạp và xả phần không khí quá mức, đồng thời làm giảm hiệu quả sử dụng dung tích công tác xilanh

Độ đồng nhất của hỗn hợp cháy được quyết định bởi các yếu tố: tính chất vật lý của nhiên liệu ( tính bốc hơi, sức căng bề mặt, độ nhớt), nhiệt độ không khí và của bề mặt tiếp xúc với hỗn hợp cháy (vách đường ống nạp, đỉnh piston, thành xilanh), chuyển động rối của khí trong đường ống nạp vào trong xilanh…

c) Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp cháy đến hiệu suất của động cơ

Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp cháy tới hiệu suất của động cơ xăng được phát thể hiện trên hình 2.5

Hình 2.5: Ảnh hưởng của  đến t và i

1 – với tải bộ phận; 2 – với 100% tải; 3 – với hai bugi cho mỗi xilanh;4 – với khí mới

phân lớp; 5 – với buồng đốt trước

Đường nét đứt biểu diễn đặc điểm biến thiên của hiệu suất lý thuyết t theo ;

t sẽ giảm khi  giảm trong khu vực  1 do phần nhiên liệu cháy không hoàn toàn

và nhiệt lượng chu trình là không đổi (Q=const)

Mặt khác, theo chiều tăng của  trong vùng   1, nhiệt dung riêng của môi chất công tác sẽ giảm vì cả lượng nhiệt của chu trình ứng với một đơn vị số lượng khí mới, nhiệt độ của môi chất công tác trong quá trình cháy và giản nở, hàm lượng tương đối của các khí nhiều nguyên tử (CO2 , H2O) đều giảm Kết quả là hệ số đoạn nhiệt (K) sẽ tăng đôi chút và làm cho hiệu suất lý thuyết tăng nhẹ theo chiều tăng của 

Ở động cơ thực tế, hiệu suất chỉ thị (t ) cũng sẽ tăng khi hỗn hợp cháy làm loãng dần do hiệu suất lý thuyết tăng Tuy nhiên, khác với hiệu suất lý thuyết, hiệu suất chỉ thị tăng đến một giá trị nhất định, tại đó quá trình cháy nhiên liệu vẫn diễn ra bình thường Khi hỗn hợp cháy quá loãng, quá trình cháy nhiên liệu sẽ chậm ra và không ổn định, có thể có hiện tượng “bỏ lửa”, tất cả những yếu tố đó đều phần làm giảm hiệu suất chỉ thị của động cơ Thành phần hỗn hợp cháy phản ứng với giá trị cực đại của hiệu suất chỉ thị được gọi là giới hạn làm lỏng có ích e Gía trị của e phụ thuộc vào nhiều yếu tố cấu tạo và vận hành của loại buồng đốt, số lượng bougie, năng lượng của tia lửa điện, nhiệt độ và áp suất tại thời điểm đốt cháy nhiên liệu, …

Ở những động cơ hiện nay, e dao động trong khoảng (1,05 – 1,2) ở chế độ toàn tải (bướm ga mở hoàn toàn) Trị số e sẽ giảm dần khi điều kiện cho nhiên liệu bốc cháy ít thuận lợi hơn

d) Ảnh hưởng của  đến công suất có ích (N e ) và công suất tiêu thụ nhiên liệu g e của động cơ

Hình 2.6: Ảnh hưởng của  đến N e và g e của động cơ xăng

Hình 2.6 giới thiệu dạng điển hình của đường Ne và ge theo đặc tính điều chỉnh thành phần hỗn hợp cháy của động cơ xăng, tức là đường cong thể hiện đặc điểm biến thiên của Ne và ge theo  khi động cơ chạy ở tốc độ quay không đổi trong điều kiện giữ nguyên vị trí bướm ga

Theo đặc tính điều chỉnh thành phần hỗn hợp cháy của động cơ xăng, Ne giảm dần theo chiều tăng của  do tốc độ cấp nhiệt giảm Khi hỗn hợp cháy được làm đậm, công suất của động cơ sẽ tăng và đạt tới trị số cực đại ứng với   N , tại đó lượng nhiên liệu được tăng thêm do giảm  cân bằng với lượng nhiên liệu cháy không hoàn toàn do thiếu oxy Nếu tiếp tục làm đậm hỗn hợp cháy, công suất của động cơ giảm do chất lượng quá trình cháy bị ảnh hưởng, nhiên liệu cháy không hoàn toàn

Về phương diện hiệu quả biến đổi năng lượng, ge sẽ giảm mạnh theo chiều tăng của  trong phạm vi  < 1 do lượng nhiên liệu cháy không hoàn toàn giảm Trị số của

hệ số dư lượng không khí ứng với suất tiêu hao nhiên liệu cực tiểu g tùy thuộc vào nhiều yếu tố như tải, tốc độ quay, giới hạn loãng có ích Nếu tiếp tục làm loãng hỗn hợp cháy (  >g ), suất tiêu thụ nhiên liệu sẽ tăng do tốc độ cháy giảm, quá trình cháy không ổn định

trọng để kiểm soát quá trình chuyển số

b) Phân loại

Có 3 loại cảm biến vị trí bướm ga:

+ Loại tiếp điểm

Hình 2.7 : Cảm biến vị trí bướm ga loại tiếp điểm

Loại tiếp điểm:

+ Một cần xoay đồng trục với cánh bướm ga

+ Cam dẫn hướng xoay theo cần

+ Tiếp điểm di động di chuyển dọc theo rãnh của cam dẫn hướng + Tiếp điểm cầm chừng (IDL)

+ Tiếp điểm toàn tải (PSW)

Loại tuyến tính: Loại cảm biến này gồm có 2 con trượt và một điện trở và các tiếp điểm cho các tín hiệu IDL và VTA được cung cấp ở các đầu của mỗi tiếp điểm

Loại phần tử Hall: Cảm biến vị trí bướm ga loại phần tử Hall gồm có mạch IC Hall làm bằng các phần tử Hall và các nam châm quay quanh chúng Các nam châm được lắp ở trên trục bướm ga và quay cùng với bướm ga

„nghèo xăng‟, điện thế do cảm biến oxy phát sinh sẽ ở vào khoảng 0,1V Nếu hàm lượng oxy thấp hay hòa khí „giàu xăng‟, điện thế do cảm biến phát sinh sẽ ở vào khoảng 0,9V Dựa trên điện thế này PCM sẽ điều chỉnh thời gian mở của các kim phun nhiên liệu một cách thích hợp để hỗn hợp khí nạp có được một tỷ lệ không khí/xăng gần với tỷ lệ lý tưởng (14,7: 1)

ra một điện thế Loại này có thể có 2, 3 hoặc 4 dây nhằm phục vụ cho việc sấy nóng

Hình 2.10: Cảm biến oxy loại nung nóng

– Loại không nung nóng: Sẽ mất nhiều thời gian hơn để đạt nhiệt độ làm việc và trong khoảng thời gian này động cơ sẽ phải hoạt động với một hòa khí không đúng tiêu chuẩn

Hình 2.11: Cảm biến oxy loại không nung nóng

2.2.3 Cảm biến áp suất đường ống nạp

a) Chức năng nhiệm vụ

Cảm biến áp suất có nhiệm vụ cung cấp tín hiệu áp suất chân không dưới dạng điện áp hoặc tần số về bộ xử lý trung tâm để tính toán lượng nhiên liệu cần cung cấp cho động cơ Khi xe ở chế độ không tải hoặc nhả ga, áp suất chân không giảm Ngược lại, khi tăng tốc hoặc tải nặng, áp suất chân không tăng lên

b) Nguyên lý làm việc

Cảm biến áp suất đường ống nạp cảm nhận áp suất đường ống nạp bằng một IC lắp trong cảm biến và phát ra tín hiệu PIM ECU động cơ quyết định khoản thời gian phun nhiên liệu cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản dựa vào tín hiệu PIM này

Một chip silicon gắn liền với buồng chân không được duy trì độ chân không chuẩn, tất cả được đặt trong bộ cảm biến Một phía của chip tiếp xúc với áp suất đường ống nạp, phía kia tiếp xúc với độ chân không trong buồng chân không

Áp suất đường ống nạp thay đổi làm hình dạng của chip silicon thay đổi và giá trị điện trở của nó cũng dao động theo mức độ biến dạng

Sự dao động của giá trị điện trở này được chuyển hóa thành một tín hiệu điện áp nhờ IC lắp bên trong cảm biến và sau đó được gửi đến ECU động cơ ở cực PIM dùng làm tín hiệu áp suất đường ống nạp Cực VC của ECU động cơ cấp nguồn không đổi 5V đến IC

c) Cấu tạo

Cảm biến áp suất đường ống nạp được cấu tạo từ một buồng chân không có gắn một con chip silicon, lưới lọc, đường ống dẫn và giắc cắm

Hình 2.12: Cảm biến áp suất đường ống nạp

2.2.4 Cảm biến nhiệt độ động cơ

a) Chức năng và nhiệm vụ

Cảm biến nhiệt độ động cơ có nhiệm vụ đo nhiệt độ của động cơ và truyền tín hiệu đến bộ xử lý trung tâm để tính toán thời gian phun nhiên liệu, góc đánh lửa sớm, tốc độ chạy không tải, …ở một số dòng xe, tín hiệu này còn được dùng để điều khiển

hệ thống kiểm soát khí xả Nếu thiếu đi cảm biến này, xe sẽ khó khởi động

b) Nguyên lý hoạt động

Điện trở nhiệt là một phần tử cảm nhận thay đổi điện trở theo nhiệt độ, nó được làm bằng vật liệu bán dẫn nên có hệ số nhiệt điện trở âm Khi nhiệt độ tăng điện trở giảm và ngược lại, khi nhiệt độ giảm thì điện trở tăng Các loại cảm biến nhiệt độ hoạt động cùng nguyên lý nhưng mức hoạt động và sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ có khác nhau Sự thay đổi giá trị điện trở sẽ làm thay đổi giá trị điện áp được gửi đến ECU động cơ trên nền tảng cầu phân áp

Điện áp 5V qua điện trở chuẩn (điện trở này có giá trị không đổi theo nhiệt độ) đến cảm biến rồi trở về ECU về mass Như vậy điện trở chuẩn và nhiệt điện trở trong cảm biến tạo thành một cầu phân áp Điện áp điểm giữa cầu được đưa đến bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự – số (bộ chuyển đổi ADC – Analog to Digital converter)

Khi nhiệt độ động cơ thấp, giá trị điện trở cảm biến cao và điện áp gửi đến bộ biến đổi ADC lớn, tín hiệu điện áp được chuyển đổi thành một dãy xung vuông và được giải mã nhờ bộ vi xử lý để thông báo cho ECU động cơ biết động cơ đang lạnh Khi động cơ nóng, giá trị điện trở cảm biến giảm kéo theo điện áp đặt giảm, báo cho ECU động cơ biết là động cơ đang nóng

Cảm biến vị trí trục cam CPS (Camshaft Position Sensor) nắm một vai trò quan

trọng trong hệ thống điều khiển của động cơ ECU sử dụng tín hiệu này để xác định điểm chết trên của máy số 1 hoặc các máy, đồng thời xác định vị trí của trục cam để xác định thời điểm đánh lửa (với động cơ xăng) cho chính xác

Cảm biến vị trí trục khuỷu có nhiệm vụ đo tín hiệu tốc độ của trục khuỷu, vị trí trục khuỷu gửi về cho ECU và ECU sử dụng tín hiệu đó để tính toán góc đánh lửa sớm cơ bản, thời gian phun nhiên liệu cơ bản cho động cơ

b) Cấu tạo

Cảm biến vị trí trục cam, trục khuỷu thường có 2 loại:

Loại cảm biến hiệu ứng điện từ

Loại cảm biến hiệu ứng Hall

Loại cảm biến hiệu ứng điện từ có cấu tạo chính là một cuộn dây điện từ và một nam châm vĩnh cửu, nó như 1 máy phát điện mini, khi hoạt động nó tạo ra 1 xung điện

áp hình sin gửi về ECU

Hình 2.14: Cảm biến vị trí trục cam loại cảm biến hiệu ứng điện từ

1 –Vỏ cảm biến; 2 – Dây tín hiệu ra; 3 – Vỏ bảo vệ dây; 4 – Nam châm vĩnh cửu;

5 – Cuộn dây cảm ứng; 6 – Vấu cực; 7 – Bánh răng kích từ; G : Khe hở không khí

Xe đời mới hiện nay đa số sử dụng loại Hall được cấu tạo bởi những bộ phận chính là một phần tử Hall đặt ở đầu cảm biến, một nam châm vĩnh cửu và một IC tổ hợp nằm trong cảm biến

Hình 2.15: Cảm biến vị trí trục cảm loại Hall

1 – Vỏ cảm biến; 2 – Dây tín hiệu ra; 3 – IC; 4 – Nam châm vĩnh cửu; 5 – Phần

tử Hall; 6 – Bánh răng kích từ; G : Khe hở không khí

c) Nguyên lý hoạt động

Khi trục khuỷu quay, thông qua dây cam dẫn động làm trục cam quay theo, trên trục cam có 1 vành tạo xung có các vấu cực, các vấu cực này quét qua đầu cảm biến, khép kín mạch từ và cảm biến tạo ra 1 xung tín hiệu gửi về ECU để ECU nhận biết được điểm chết trên của xi lanh [12]

2.3.Điều khiển hiệu chỉnh

Hoạt động cơ bản của các tín hiệu cần cho việc tạo ra hỗn hợp khí- nhiên liệu lý thuyết đã được mô tả Tuy nhiên, động cơ sẽ không hoạt động tốt chỉ với lượng phun

cơ bản Đó là bởi vì động cơ phải vận hành dưới nhiều chế độ và do đó nó cần có một

số chương trình khác để điều chỉnh tỷ lệ khí - nhiên liệu tùy theo chế độ khác nhau

này Ví dụ, khi động cơ còn lạnh dưới tải nặng, cần có hỗn hợp đậm hơn ECU sẽ thay đổi tỷ lệ khí- nhiên liệu theo các chế độ hoạt động của động cơ theo cách giống như chế hòa khí thay đổi hỗn hợp khí - nhiên liệu bằng bướm gió

2.3.1 Ở chế độ không tải chuẩn

Để tạo một thành phần hòa khí hoàn hảo nhất thì thông thường nó được thực hiện bằng hai van khí chỉ điều chỉnh riêng thành phần không khí Còn lượng xăng đưa vào bao nhiêu được quyết định bởi tốc độ động cơ Hệ thống này ưu việt hơn hẳn bộ chế hòa khí, do trong chế hòa khí xăng được đưa vào chế độ không tải là nhờ độ chân không sau bướm ga hoàn toàn không điều khiển được lượng xăng còn hệ thống phun xăng điện tử lượng xăng đưa vào được tính toán một cách chính xác Có thể nói trong

hệ thống phun xăng điện tử số vòng quay không tải thấp nhất, động cơ làm việc ổn định, hỗn hợp cháy không tải nhạt mà vẫn đảm bảo sự làm việc của động cơ

2.3.2 Ở chế độ tăng tốc

Tương tự bộ chế hòa khí cần thêm nhiên liệu để hỗn hợp không bị nhạt Để đảm bảo lượng xăng chính xác tạo cho quá trình chuyển tiếp được tốt và đạt sức kéo lớn trong khi tăng tốc thì tín hiệu được xác định lượng nhiên liệu phun cần thiết dựa trên nhiệt độ động cơ và sự thay đổi đột ngột vị trí bướm ga

Tín hiệu để nhận biết tăng tốc chính là tín hiệu của cảm biến vị trí bướm ga Đối với bướm ga kiểu biến trở tín hiệu để nhận biết xe tăng tốc chính là sự thay đổi đột ngột điện áp ở chân giữa của biến trở Nếu bình thường thì ECU phải biết được sự thay đổi lượng khí nạp vào hoặc sự thay đổi của độ chân không đường nạp, sau đó tính toán lượng xăng cần thiết, như thế sẽ quá lâu Để tăng tốc thì khi ECU nhận được tín hiệu thay đổi đột ngột của bướm ga, thì ngay lập tức nó dựa vào nhiệt độ động cơ để phun chứ không cần biết lưu lượng khí hoặc độ chân không đường nạp là bao nhiêu Vòi phun sẽ phun thêm một lượng nhiên liệu trong vài chu trình (tùy theo từng hãng) chờ sẵn ở đường nạp mỗi xilanh

2.3.3 Chế độ khởi động động cơ

Khi động cơ vừa khởi động do tốc độ động cơ dao động rất lớn vì thế phép đo lượng không khí vào không chính xác Lúc này lượng xăng phun dựa vào tín hiệu khởi động và nhiệt độ động cơ Trong suốt quá trình khởi động không chỉ có một lượng xăng lớn được vòi phun phun vào mà một lượng nhiên liệu nữa cũng được phun bởi

vòi phun khởi động lạnh đặt giữa đường chia khí phía sau bướm ga Một công tắc nhiệt lắp trên đường nước làm mát động cơ sẽ xác định thời gian vòi phun khởi động lạnh làm việc, công tắc này đặc biệt là ngoài việc nhận nhiệt từ nước làm mát nó còn được đốt nóng bởi một dòng điện trong quá trình động cơ khởi động Mục đích của việc đốt nóng công tắc nhiệt là khi trời quá lạnh công tắc nhiệt sẽ tự cắt sau 7÷8 giây nhằm tránh hiện tượng sặc xăng Lượng nhiên liệu phun thêm vào là cần thiết do trong quá trình khởi động số vòng quay rất thấp nên sự xoáy lốc tạo hỗn hợp rất kém làm cho hỗn hợp rất nghèo Ngoài ra, do nhiệt độ đường ống nạp thấp nên nhiên liệu bay hơi hòa trộn rất ít mà đa phần bị ngưng đọng trên đường ống nạp Để giải quyết vấn đề này và tạo cho động cơ lạnh dễ dàng thì vòi phun khởi động lạnh phun thêm nhiên liệu trong một thời gian ngắn khi động cơ khởi động

Thay đổi đặc tính phun khi khởi động được rất nhiều hãng áp dụng đối với loại

xe không trang bị vòi phun khởi động riêng Lượng xăng phun thêm sẽ do các vòi phun chính đảm nhiệm Thay vì chỉ phun 1 hoặc 2 lần, ECU sẽ điều khiển xăng phun nhiều lần trong một chu trình động cơ nhằm tạo mục đích tạo ra hỗn hợp đậm Lượng xăng phun thêm sẽ giảm dần khi tốc độ động cơ vượt qua một ngưỡng nhất định tùy theo nhiệt độ và số vòng quay

Khi động cơ phun xăng khởi động không chỉ có một lượng xăng được phun thêm mà thời điểm đánh lửa cũng được điều chỉnh để đảm bảo thời gian khởi động nhanh nhất Tín hiệu để tạo ra sự hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa là tốc độ động cơ, nhiệt độ động cơ và nhiệt độ khí nạp Nếu nhiệt độ động cơ lạnh và tốc độ động cơ thấp thì góc đánh lửa tốt nhất là ở gần điểm chết trên Nếu góc đánh lửa quá lớn thì có thể gây nguy hiểm do sự trở ngược của mô men quay gây hư hỏng môtơ khởi động Nếu tốc độ động cơ ban đầu lớn và thêm nữa góc đánh lửa cũng được hiệu chỉnh tốt thì động cơ dễ dàng khởi động và nhiệt độ động cơ tăng lên nhanh chóng Nếu động cơ nóng, sự trả ngược của mô men quay thậm trí xảy ra với góc đánh lửa nhỏ, nguyên nhân là do hỗn hợp của nhiên liệu và không khí hòa trộn rất tốt nên khả năng cháy và tốc độ cháy lớn Để giải quyết vấn đề này góc đánh lửa được giảm bớt tương xứng khi nhiệt độ động cơ tăng lên, và góc đánh lửa cũng vì thế mà giảm đi

Sau khi khởi động, ở mức nhiệt độ thấp, vẫn cần thiết phun thêm một lượng nhiên liệu nữa để bù cho hỗn hợp nghèo do đa phần nhiên liệu đều bám trên thành

vách xilanh và rút ngắn thời gian sấy nóng máy Lượng nhiên liệu tăng thêm cũng làm

tăng thêm mô men vì thế cải thiện được chế độ không tải sang chế độ có tải Quá

trình chạy sau khi khởi động cũng được điều chỉnh sao cho động cơ hoạt động mà

không gặp phải vấn đề gì trong bất kì mức nhiệt độ nào, và đạt được sự tiêu thụ nhiên

liệu là thấp nhất Lượng nhiên liệu được sử dụng thời kỳ sau khởi động được điều

chỉnh dựa vào nhiệt độ và thời gian Giá trị nhiệt độ ban đầu được điều chỉnh gần như

tuyến tính với thời gian

2.3.4 Quá trình sấy nóng động cơ

Đối với động cơ phun xăng quá trình sấy nóng động cơ bắt đầu sau khi khởi

động Trong suốt quá trình sấy nóng động cơ phải cần thêm một lượng nhiên liệu nữa

để bù vào phần nhiên liệu đọng trên thành vách xilanh khi xilanh còn nguội Nếu

lượng này không được thêm vào thì tốc độ động cơ sẽ bị giảm xuống sau khi vòi phun

khởi động dừng, làm kéo dài thời gian chạy ấm, làm tăng tổn thất nhiệt và làm giảm

công suất động cơ thời kỳ khởi động

Vào thời kỳ này do động cơ lạnh nên sự tính toán chính xác lượng nhiên liệu là

rất khó Tại vì một lượng rất lớn nhiên liệu bị ngưng tụ lại nơi cuối đường ống thành

những giọt nhiên liệu Chỗ nhiên liệu này rất khó bay hơi khi động cơ còn lạnh Do đó

khi nhiệt độ thấp, một lượng nhiên liệu nữa phải được thêm vào hỗn hợp sao cho sự

bốc cháy trong xilanh hoàn hảo nhất tại mọi nhiệt độ

Thời điểm đánh lửa cũng phụ thuộc vào nhiệt độ động cơ do đó trong chương

trình này, góc đánh lửa cũng phải thay đổi Hiệu ứng nhiệt độ được chương trình hóa

riêng biệt cho mỗi kỳ khởi động, không tải, xuống dốc, nửa tải và toàn tải

Lượng nhiên liêu thêm vào hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong quá trình

chạy ấm máy không đủ để đảm bảo động cơ chạy tốt nhất là ở chế độ không tải Một

động cơ lạnh sự cản trở ma sát bên trong cao hơn nhiều động cơ đã nóng, điều đó có

nghĩa là số vòng quay không tải của một động cơ lạnh sẽ dễ dàng bị tụt xuống dẫn tới

chết máy Để đảm bảo vấn đề đó không xảy ra thì động cơ phải cần một lượng lớn khí

hỗn hợp Động cơ nhận lượng khí này từ van khí phụ, van này mở cho phép động cơ

được nhận thêm không khí lấy từ trước bướm ga Lượng không khí này được xác định

từ cảm biến lưu lượng khí nạp và lượng nhiên liệu được thêm vào một cách tương ứng

Lượng hỗn hợp thêm vào này đảm bảo động cơ chạy tại chế độ không tải mà không

gặp phải vấn đề gì Khi nhiệt độ động cơ đủ lớn thì van khí phụ cũng nóng làm lượng khí đi tắt qua bướm ga bị giảm dần và cắt hẳn đúng như yêu cầu Van khí này bao gồm một thanh lưỡng kim sẽ điều chỉnh tiết diện lưu thông của thiết bị tùy theo nhiệt độ động cơ Thiết bị bổ xung không khí còn được trang bị một mạch điện đốt nóng, giống như công tắc nhiệt cho phép điều chỉnh một cách chủ động thời gian đóng mở cửa kênh nối bổ sung không khí

Để hoàn thiện quá trình chạy sấy nóng động cơ, một số hệ thống phun sử dụng một cartographie bổ sung cho chương trình chạy ấm máy Các số liệu chuẩn này cho phép xác định hệ số làm đậm khi sấy nóng tùy theo số vòng quay và tải trọng động cơ

Hệ số này sẽ nhỏ khi tải trọng và vòng quay nhỏ

2.3.5 Chế độ toàn tải

Ở chế độ toàn tải động cơ đạt công suất lớn nhất tại λ = 0,9†0,95 do đó đối với

cả động cơ sử dụng chế hòa khí và động cơ phun xăng tại chế độ toàn tải lượng nhiên liệu được đưa thêm vào để động cơ đạt được moment cực đại Động cơ phun xăng hỗn hợp được làm đậm thêm bằng cách tăng thời gian phun tùy theo loại động cơ và kiểu ôtô, mức độ làm đậm khi chạy toàn tải tùy thuộc vào các giá trị đã được lập trình từ trước Khi động cơ làm việc ở λ < 1 mạch điều chỉnh λ không làm việc Đối với một

số động cơ phun xăng lượng nhiên liệu phun thêm vào vừa đảm bảo đạt mô men cực đại vừa tránh được kích nổ nhờ thay đổi góc đánh lửa sớm, việc thay đổi góc đánh lửa sớm được thông qua một chương trình điều khiển có tính đến các yếu tố liên quan đến hiện tượng kích nổ như nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ động cơ, nhiệt độ khí xả và tiếng gõ kích nổ (nếu được trang bị cảm biến kích nổ)

2.3.6 Chế độ giảm tốc đột ngột ( Quá trình không tải cưỡng bức)

Khi động cơ đang ở tốc độ cao giảm tốc độ đột ngột, ECU sẽ cắt phun xăng nhằm tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí xả thoát ra đồng thời cho phép tăng hiệu quả của việc dùng phanh động cơ Tuy nhiên, biện pháp này chỉ thực hiện khi nhiệt độ động cơ đã đạt tới một giới hạn định trước, ECU nhận biết việc giảm tốc đột ngột thông qua sự thay đổi đột ngột vị trí bướm ga, vị trí cánh gạt cảm biến đo lưu lượng hoặc sự thay đổi đột ngột áp suất trong đường ống nạp Một số loại xe được trang bị một công tắc ở bàn đạp ga cho phép xác định thời điểm người lái đột ngột dời chân ga

Quá trình phun được thiết lập trở lại bình thường khi số vòng quay tụt xuống dưới một ngưỡng xác định trước

2.3.7 Kết luận

Muốn động cơ hoạt động được ở các chế độ làm việc khác nhau như đã trình bày

ở trên thì ta cần một hệ thống điều khiển đủ điều kiện đáp ứng được các yêu cầu về tốc

độ xử lý để có thể điều khiển lượng phun nhiên liệu kịp thời với những sự thay đổi trong quá trình làm việc của động cơ

2.4 Lý thuyết về mạch điện tử

Arduino thật ra là một board mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm

2.4.1 Giới thiệu về board Arduino Uno

Hình 2.16: Board Arduino Uno 1-Cổng USB; 2-Jack nguồn; 3-Chân Digital; 4-Chân nguồn;

5-Chân Analog;6-Chip Mega 328

- Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển

Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính

- Jack nguồn: để chạy Arduino thì có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên, nhưng

không phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được, lúc đó ta cần một nguồn từ 9V đến 12V

- Có 14 chân vào/ra số đánh số thứ tự từ 0 đến 13, ngoài ra có một chân nối đất (GND) và một chân điện áp tham chiếu (AREF)

- Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lí trung tâm của toàn bo mạch Với mỗi mẫu

Arduino khác nhau thì con chip là khác nhau Ở con Arduino Uno này thì sử dụng ATMega328

- Các thông số chi tiết của Arduino Uno:

Điện áp hoạt động: 5V

Điện áp đầu vào: 7-12V

Điện áp đầu vào (Giới hạn): 6-20V

Chân vào/ra (I/O) số: 14(6 chân có thể cho đầu ra PWM) Chân vào tương tự: 6

Dòng điện trong mỗi chân I/O: 40mA

Dòng điện chân nguồn 3,3V: 50mA

Bộ nhớ trong: 32KB(ATmega328)

2.4.2 Giới thiệu về board Arduino Nano

Board Arduino Nano có cấu tạo, số lượng chân vào ra là tương tự như board Arduino Uno tuy nhiên đã được tối giản về kích thước cho tiện sử dụng hơn Do được tối giản rất nhiều về kích thước nên Arduino Nano chỉ được nạp code và cung cấp điện bằng duy nhất 1 cổng mini USB

Hình 2.17: Board Arduino Nano 1-Cổng USB; 2-Chip Mega 328; 3-Chân Digital; 4-Chân Analog

Thông số kĩ thuật chi tiết:

Chân vào/ra số 14 (6 chân có khả năng xuất ra tín hiệu PWM)

Chân vào tương tự 8

Dòng điện mỗi chân

Bộ nhớ 16 KB (ATmega168), 32 KB (ATmega328) trong đó 2

KB dùng để nạp bootloader SRAM 1 KB (ATmega168) hoặc 2 KB (ATmega328)

EEPROM 512 bytes (ATmega168) hoặc 1 KB (ATmega328)

Xung nhịp 16MHz

2.4.3 Giới thiệu về board Arduino Mega 2560

Hình 2.18: Board Arduino Mega 2560 1-Cổng USB;2-Jack Nguồn;3-Chân nguồn;4-Chân Digital;

5-Chân Analog;6-AT Mega 2560

Vi xử lý ATmega2560

Điện áp đầu vào (khuyến nghị) 7-15 V

Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20 V

Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin

2.5 Thiết bị và phần mềm thu nhận tín hiệu

2.5.1 Module LCD I2C

Mạch điều khiển màn hình LCD giao tiếp I2C sử dụng IC điều khiển màn hình gồm 16 cột và 2 dòng giúp tiết kiệm dây nối với vi điều khiển cho khả năng hiện thị nhanh với nhiều chức năng

Ưu điểm của việc sử dụng giao tiếp I2C:

- Giao tiếp I2C chỉ sử dụng duy nhất 2 dây tín hiệu: SDA vad SCL giúp tiết kiệm chân trên vi điều khiển

- Tốc độ truyền dữ liệu lên đến 400Kbps

- Dữ liệu truyền nhận đảm bảo tính toàn vẹn vì sử dụng cơ chế phân phối trên mỗi byte dữ liệu

- Có khả năng kết nối nhiều thiết bị với nhau: trên mạch có sẵn các mối hàn A0, A1, A2 để thay đổi địa chỉ của model

Hình 2.19: Mạch điều khiển màn hình LCD giao tiếp I2C

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp hoạt động: 3 – 6V

- Giao tiếp: I2C

- Địa chỉ mặc định: 0x27, có thể mắc vào I2C bus tối đa 8 module

- Jump chốt: cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt

- Kích thước: 41.5 x 19 x 15.3mm

- Trọng lượng: 5g

2.5.2 Màn hình LCD 20x4B

Hình 2.20: Màn hình LCD 20x4B

Được sử dụng rộng rãi và đa dạng trong nhiều ứng dụng của vi điều khiển

- Hiện thị 16 ký tự x 2 line, chữ đen trên nền phông xanh lá

- Hướng xem rõ nhất: 06:00

- Có khả năng hiện thị ký tự linh hoạt, đa dạng, trực quan theo font 5x8 Dots có