nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển phun xăng điện tử EFI cho xe máy

Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp 1.1. Đặt vấn đề .2 1.3. Phương pháp nghiên cứu .6 2.2.2. Nguyên lý hoạt động .10 2.3. So sánh các chế độ làm việc của hệ thống phun xăng và hệ thống dùng chế hòa khí .16 2.3.1. Ở chế độ không tải chuẩn 16 2.3.2. Ở chế độ tăng tốc 17 2.3.3. Chế độ khởi động động cơ .17 2.3.4. Quá trình sấy nóng động cơ (Quá trình không tải nhanh) 19 2.3.5. Chế độ toàn tải .20 2.3.6. Chế độ giảm tốc đột ngột (Quá trình không tải cưỡng bức) 20 2.4. Các chất thải độc hại trong động cơ xăng: 21 2.4.1. Tác hại và sự phụ thuộc của các thành phần khí thải độc hại với : .21 2.4.2. Các phương pháp giảm ô nhiễm do khí thải của động cơ xăng .22 Chương V .24 5.1. Giới thiệu phần mềm Delphi .25 5.1.1. Delphi là gì? 25 5.1.2. Lịch sử phát triển của Delphi 25 5.2. Xây dựng giao diện kết nối động cơ .27 5.2.1. Tổng quan về giao diện kết nối 27 5.2.2. Giao diện, thuật toán trong xây dựng các khối 29 5.3. Các chức năng của phần mềm .32 5.3.1. Chức năng kết nối và ngắt kết nối chương trình 32 5.3.2. Chức năng giới thiệu chương trình 33 5.3.3. Chức năng hướng dẫn sử dụng 33 5.3.4 Chức năng xem và lưu file 34 5.3.5 Hướng dẫn sử dụng chương trình .34 1 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp Chương I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Đặt vấn đề Theo thống kê của cục đăng kiểm hiện nay nước ta có gần 25 triệu xe máy mà đa phần trong số dó sử dụng hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí có nhiều nhược điểm như: Chất lượng hoà khí phụ thuộc nhiều vào biên dạng của kim ga do vậy không thể điều chỉnh chính xác lượng và chất của hỗn 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.thì hệ số nạp vào xylanh vẫn thấp. Do khí hỗn hợp có lẫn xăng nặng nên lưu thông kém. Động cơ dùng bộ chế hòa khí cho dù ống góp hút được thiết kế đúng quy cách động lực học Khi muốn lắp thêm bộ xúc tác khí xả do không duy trì được 1 = λ nên hiệu xuất của bộ xúc tác không cao. Kết cấu bộ chế hòa khí là khá đơn gian, ngay nay để đáp ứng các nhu cầu về việc thải khí sạch hơn, tiêu hao nhiên liệu kinh tế hơn, cải thiện khả năng tải ,bộ chế hòa khí ngày nay phải được lắp đặt các thiết bị hiệu chỉnh khác nhau, nó trở thành hệ thống phức tạp hơn. Do những nhược điểm trên mà các tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ xe máy không cao nhất là vấn đề phát thải các khí thải độc hại của động cơ. Xuất phát từ những yêu cầu thực tế nhằm khắc phục các nhược điểm trên nhóm đã tiến hành nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển phun xăng điện tử EFI cho xe máy. Hệ thống phun xăng điện tử có rất nhiều ưu điểm, một trong số những ưu điểm nổi bật đó là: Có thể đạt được tỷ lệ khí nhiên liệu chính xác với tất cả các dải tốc độ và tải trọng của động cơ. Hệ số nạp được nâng cao do không có họng khuyếch tán. Dễ dàng cung cấp lượng cũng như thành phần hỗn hợp đáp ứng kịp thời với sự thay đổi góc mở bướm ga. Khả năng hiệu chỉnh hỗn hợp khí nhiên liệu dễ dàng: có thể làm đậm hỗn hợp khi nhiệt độ động cơ thấp hoặc cắt nhiên liệu khi giảm tốc hoặc khi động cơ vượt quá tốc độ cho phép. 2 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp Có thể điều khiển hệ số dư lượng không khí 1 = λ ở chế độ hoạt động chính của động cơ do vậy có thể kết hợp với bộ xúc tác khí xả ba thành phần làm giảm nồng độ các thành phần độc hại trong khí thải động cơ. 1.2. So sánh chung giữa bộ chế hòa khí và hệ thống phun xăng điện tử Chế hòa khí (hay còn gọi là bình xăng con), được sử dụng trên cả xe máy và ô tô những năm đầu của nghành công nghiệp này. Nhiệm vụ của nó là hòa trộn không khí và xăng cho động cơ. Không khí và nhiên liệu sau khi đi qua chế bị hút vào xilanh và thực hiên quy trình nén nổ tại đây. Không khí đi vào qua đường dẫn hẹp (cửa phun) tạo thành chân không một phần. Do chênh lệch áp suất giữa cửa phun và bình chứa nên nhiên liệu sẽ đi qua ống phun và hòa lẫn vào dòng không khí. Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của chế hòa khí Một số xe sử dụng loại cửa phun cố định (Fixed Venturi-VV). Ở loại cửa phun biến thiên, kích thước của đường dẫn không khí thay đổi theo sự thay đổi để điều khiển lượng nhiên liệu được phân phối. Mục tiêu của tất cả các chế hòa khí là tạo nên một hòa khí có tỷ lệ khối lượng tối ưu giữa không khí và nhiên liệu là 14,7:1. Với những hòa khí đạt tỷ lệ trên, nó sẽ cháy hoàn toàn. Một hỗn hợp nào đó có tỷ lệ thấp hơn được gọi là "giàu" do có quá nhiều nhiên liệu so với không khí. Ngược lại, hỗn hợp đó được coi là "nghèo". 3 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp Hỗn hợp giàu sẽ không cháy hết do thừa nhiên liệu và gây hao xăng. Trong khi đó, hỗn hợp nghèo không sinh ra công tối đa, khiến động cơ làm việc yếu và thiếu ổn định. Để thực hiện điều này, chế hòa khí phải kiểm soát được lượng không khí đi vào động cơ và thông qua đó cung cấp một lượng nhiên liệu phù hợp. Tuy nhiên, điểm yếu của các loại chế hòa khí là chỉ đáp ứng tỷ lệ lý tưởng ở khoảng vận hành nhất định nên xe hoạt động không hiệu quả. Hệ thống phun nhiên xăng điện tử Xuất hiện sau kiểu phun nhiên liệu chế hòa khí khoảng 70 năm nhưng hệ thống phun nhiên liệu điện tử EFI (Electronic Fuel Injection) nhanh chóng trở nên phổ biến bởi nó khắc phục được những nhược điểm của chế hòa khí. Hình 1.2 Kim phun của hệ thống phun nhiên liệu EFI. Do vận hành tự động nên hệ thống EFI cần có các thông số nhằm cảm nhận các chế độ làm việc của động cơ để điều khiển kim phun đóng mở trong khoảng thời gian sao cho lượng nhiên liệu vừa đủ để tạo nên hỗn hợp lý tưởng. Các thông số đầu vào cần thiết để EFI hoạt động ổn định là góc quay và tốc độ trục khuỷu, lưu lượng khí nạp, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ nước làm mát (nhiệt độ thân động cơ), điện áp accu, tỷ lệ hỗn hợp, nồng độ oxy ở khí thải Những số liệu này được thu thập từ các cảm biến đặt ở các vị trí khác nhau trên động cơ. Có nhiều cách phân loại hệ thống phun xăng nhưng phổ biến nhất là cách phân loại theo vị trí đặt kim phun, hệ thống phun xăng EFI được chia thành hai loại phun đa điểm MFI (Multipoint Fuel Injection) và phun xăng đơn điểm (kim phun đặt trước bướm 4 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp ga). Ở MFI, mỗi xi-lanh sẽ có một kim phun tức động cơ V6 sẽ có 6 kim phun và V8 sẽ có 8 kim. Không khí và nhiên liệu sẽ hòa trộn ngay tại xi-lanh. Trong khi đó, loại phun xăng tập trung chỉ có một kim phun đặt trên ống nạp chung cho các xi-lanh. Ưu nhược điểm của các loại Sự phổ biến của phun xăng điện tử EFI đã chứng tỏ ưu điểm lớn của nó. Khác với hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí, hệ thống nhiên liệu EFI mà đặc biệt là loại đa điểm MFI có thể tạo nên hòa khí có tỷ lệ gần ngưỡng lý tưởng ( 1 = λ ) ở tất cả các xi- lanh, tùy theo điều kiện vận hành của chúng. Điều này có nghĩa hòa khí ở các xilanh được điều chỉnh đồng đều mmọt cách chính xác cả về lượng và chất do đó sẽ tăng khả năng sinh công của động cơ trong khi lượng nhiên liệu tiêu thụ ở mức vừa đủ. Do vậy sẽ cải thiện đáng kể các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ. Ngoài ưu điểm trên, EFI có thể điều chỉnh lượng xăng theo từng chế độ vận hành của động cơ. Chẳng hạn như khi khởi động, hòa khí cần đậm xăng để cháy (do khí sót nhiều và nhiệt độ động cơ còn thấp làm giảm quá trình bay hơi hòa trộn giữa xăng và không khí để tạo thành hỗn hợp…), hệ thống sẽ phun xăng nhiều hơn. Khi động cơ đã ổn định, ECU sẽ điều khiển sao cho lượng nhiên liệu ở mức vừa đủ. Như vậy, xét trên phương diện sử dụng nhiên liệu, EFI rõ ràng có nhiều ưu điểm hơn so với chế hòa khí. Tuy nhiên, rắc rối của EFI bắt nguồn từ chính sự phức tạp của nó. Nếu xảy ra hỏng hóc, người sử dụng chỉ còn cách mang xe vào garage, nhờ các kỹ thuật viên dùng máy đọc lỗi để xác định nguyên nhân. Trong khi với chế hòa khí, một người thợ bình thường cũng có thể chẩn đoán và khắc phục được. Ngoài ra, EFI sử dụng rất nhiều cảm biến nên chỉ cần một chiếc bị hỏng, cả hệ thống sẽ bị ảnh hưởng, động cơ làm việc kém ổn định đặc biệt là cảm biến tốc độ và cảm biến lưu lượng khí nạp. Hỏng hóc thường xảy ra nhất với những loại xe sử dụng EFI ở Việt Nam là tắc đầu kim phun. Nguyên nhân do chất lượng xăng ở nước ta chưa cao nên dễ tạo cặn trên đầu kim, gây tắc khiến động cơ không khởi động hoặc chết máy. Hiện nay, một vài hãng đã giới thiệu những sản phẩm có khả năng làm sạch đầu kim bằng cách pha vào xăng. Tuy nhiên, với những chất gây tác động đến cả hệ thống cung cấp nhiên liệu, tới hiệu suất làm việc của bộ xúc tác khí xả do vậy đối với những chất phụ gia này chúng ta không nên dùng ngay mà cần tham khảo thêm ở nhiều nguồn. Cách tốt nhất là hãy sử dụng sản phẩm của những nhà sản xuất tên tuổi và có đảm bảo từ hãng xe mà mình sử dụng. Để giảm thiểu các khí thải độc hại trên các xe hiện đại thường sử dụng thêm bộ xúc tác khí xả. Hiệu suất của bộ xúc tác chỉ hoạt động tốt xung quanh một khoảng rất 5 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp hẹp quanh 1 = λ do vậy các hệ thống EFI thường có chế độ điều khiển vòng kín nhằm duy trì 1 = λ thông qua cảm biến lamda. 1.3. Phương pháp nghiên cứu Nhằm nâng cao các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, giảm thiểu phát thải các khí thải độc hại. Trên cơ sở của xe Super Dream nhóm tiến hành tính toán thiết kế, cải tiến hệ thống nạp, không có sự thay đổi nào đến kết cấu động cơ cũng như kết cấu của xe. Sau khi tham khảo và phân tích của các hệ thống EFI đã được sử dụng đi tới chọn việc điều khiển lượng nhiên liệu phun sẽ được điều chỉnh theo tải trọng và tốc độ động cơ, đặc biệt là việc điều khiển lượng nhiên liệu phun theo chế độ vòng kín ở chế độ ổn định kết hợp với việc sử dụng bộ xúc tác khí xả ba thành phần sẽ góp phần giảm bớt các khí thải độc hại của động cơ. 1.4. Nội dung nghiên cứu Tìm hiểu cơ sở lý thuyết của hệ thống phun xăng và đánh lửa điều khiển bằng điện tử. Nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo thử hệ thống đường nạp, thải vị trí đặt các cảm biến, vòi phun của động cơ. Xây dựng mạch nguyên lý và thiết kế chế tạo bộ điều khiển ECU cho động cơ. Xây dựng thuật toán điều khiển và viết chương trình điều khiển. Tiến hành thực nghiệm tìm ra bộ dữ liệu tối ưu cho ECU. Tiến hành đo đạc trên băng thử để so sánh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của xe nguyên bản dùng bộ chế hòa khí và xe được lắp hệ thống phun xăng điện tử. Chạy xe trên đường để đánh giá so sánh các tính năng sử dụng của xe với xe nguyên bản. Chương 2 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ Hệ thống điều khiển phun xăng EFI ( Electronic Fuel Injection) bao gồm một loạt các cảm biến liên tục đo đạc các trạng thái hoạt động của động cơ, một bộ phận điều khiển điện tử ECU ( Electronic Control Unit) đánh giá các tín hiệu vào của các cảm biến bằng cách so sánh với các giá trị tối ưu trong bộ nhớ, sau đó tính toán và hình thành các 6 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp xung điều khiển đưa đến các thiết bị thực hiện ( quyết định thời điểm và thời gian mở kim phun). 2.1. Lịch sử phát triển và phân loại 2.1.1. Lịch sử phát triển Vào thế kỷ 19, một kỹ sư người Mỹ - ông Stevan – đã nghĩ ra cách phun nhiên liệu cho một máy nén khí. Sau đó một thời gian, một người Đức đã cho phun nhiên liệu vào buồng cháy nhưng không mang lại hiệu quả. Đầu thế kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ 4 kỳ tĩnh tại (nhiên liệu dùng trên động cơ này là dầu hoả nên hay bị kích nổ và hiệu quả thấp). Tuy nhiên, sau đó sáng kiến này đã được ứng dụng thành công trong viêc chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu cho máy bay ở Đức. Đến năm 1966, hãng BOSCH đã thành công trong việc chế tạo hệ thống phun xăng kiểu cơ khí.Trong hệ thống phun xăng này nhiên liệu được phun trực tiếp vào trước supap hút nên có tên gọi tên là K - Jetronic (K – Konstan - liên tục, Jetronic - phun). K - Jetronnic được đưa vào sản xuất và ứng dụng trên các xe của hãng Mercedes và một số xe khác, là nền tảng cho việc phát triển hệ thống phun xăng thế hệ sau như: KE - Jetronic, Mono - Jetronic, L - Jetronic, Motronic . Do hệ thống phun xăng cơ khí còn nhiều nhược điểm nên đầu những năm 80, BOSCH đã cho ra đời hệ thống phun xăng sử dụng kim phun điều khiển bằng điện. Có 2 loại: hệ thống L – Jetronic (lượng nhiên liệu được xác định nhờ cảm biến đo lưu lượng khi nạp) và D – Jetronic (lượng nhiên liệu được xác định dựa vào áp suất trên đường ống nạp). Đến năm 1984, người Nhật (mua bản quyền của BOSCH) đã ứng dụng hệ thống phun xăng L - Jetronic và D – Jetronic trên các xe của hãng Toyota (dùng với động cơ 4A - ELU). Đến những năm 1987, hãng Nissan dùng L - Jetronic thay bộ chế hòa khí của xe Nissan Sunny. Việc điều khiển EFI có thể được chia làm hai loại, dựa trên sự khác nhau về phương pháp dùng để xác định lượng nhiên liệu phun. Một là một loại mạch tương tự, loại này điều khiển lượng phun dựa vào thời gian cần thiết để nạp và phóng một tụ điện. Loại khác là loại được điều khiển bằng vi xử lý, loại này sử dụng dữ liệu lưu trong bộ nhớ để xác định lượng phun. Loại hệ thống EFI điều khiển bằng mạch tương tự là loại được TOYOTA sử dụng lần đầu tiên trong hệ thống EFI của nó. Loại điều khiển bằng vi xử lý được bắt đầu sử dụng vào năm 1983. 7 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp Loại hệ thống EFI điều khiển bằng bộ vi xử lý được sử dụng trong xe của TOYOTA gọi là TCCS (TOYOTA Computer Controled System – Hệ thống điều khiển bằng máy tính của TOYOTA), nó không chỉ điều khiển lượng phun mà còn bao gồm ESA (Electronic Spark Advance – Đánh lửa sớm điện tử) để điều khiển thời điểm đánh lửa; ISC (Idle Speed Control – Điều khiển tốc độ không tải) và các hệ thống điều khiển khác cũng như chức năng chuẩn đoán và dự phòng. Hai hệ thống này có thể được phân loại như sau: Hình 2.1 Sơ đồ phân loại hệ thống phun xăng điện tử Loại EFI mạch tương tự và điều khiển bằng bộ vi xử lý về cơ bản là giống nhau, nhưng có thể nhận thấy một vài điểm khác nhau như về các lĩnh vực điều khiển và độ chính xác. 2.1.2.Phân loại hệ thống phun xăng gián tiếp Tùy thuộc vào các tiêu chí mà ta có các cách phân loại hệ thống phun xăng khác nhau. Dựa vào cách thức phun người ta phân thành hệ thống phun xăng đơn điểm và hệ thống phun xăng đa điểm. Hệ thống phun xăng đơn điểm ( single – point) hay còn gọi là 8 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp hệ thống phun xăng trung tâm, toàn bộ động cơ chỉ có một vòi phun ở đường ống nạp chung cho tất cả các xilanh. Còn hệ thống phun đa điểm (Multi-point) mỗi xilanh có một vòi phun được bố trí ngay sát xupap nạp. Hệ thống phun đa điểm so với hệ thống phun đơn điểm có ưu điểm là xăng được phun vào xupap là nơi có nhiệt độ cao nên có điều kiện bay hơi tốt hơn và giảm được hiện tượng đọng bám xăng trên đường ống nạp. Dựa vào cách thức diều khiển vòi phun người ta phân thành hệ thống điều khiển bằng điện tử và hệ thống điều khiển bằng cơ khí hay hỗn hợp cơ khí-điện tử. . Dựa vào việc tổ chức quá trình phun người ta phân thành hệ thống phun xăng liên tục hay gián đoạn. Với các cách phân loại trên, trong thực tế có rất nhiều hệ thống phun xăng với đặc điểm phun là tổ hợp của các hình thức phân loại trên như: - Hệ thống K-Jetronic: Đây là hệ thống phun xăng đa điểm, liên tục điều khiển bằng cơ khí. - Hệ thống L-Jetronic và D-Jetronic: Đây là hệ thống phun xăng đa điểm, phun gián đoạn và điều khiển bằng điện tử. D-Jetronic: lượng xăng phun được xác định dựa vào áp suất sau cánh bướm ga bằng cảm biến áp suất khí nạp MAP (manifold absolute pressure sensor) và được hiệu chỉnh theo nhiệt độ khí nạp. L-Jetronic lượng xăng phun được tính toán dựa vào lưu lượng khí nạp lấy từ cảm biến đo gió loại cánh trượt. Sau đó có các phiên bản: LH-Jetronic với cảm biến đo gió dây nhiệt, LU-Jetronic với cảm biến đo gió kiểu siêu âm. - Mono-Jetronic: Đây là hệ thống phun xăng đơn điểm. Theo phương án này xăng được phun vào ống nạp chung để cung cấp hỗn hợp cho các xilanh. Về mặt nguyên tắc có thể sử dụng các biện pháp phun liên tục hay gián đoạn. Vòi phun được bố trí ngay trên bướm tiết lưu, tại đây vận tốc dòng khí lớn nhất tạo điều kiện tốt cho quá trình xé tơi xăng và hòa trộn với không khí. - Loại MPI : Đây là hệ thống phun đa điểm, với mỗi kim phun cho từng xilanh được bố trí gần xupap nạp. Đường ống nạp được thiết kế sao cho đường đi của không khí từ bướm ga đến xilanh khá dài, nhờ vậy, nhiên liệu phun ra được hòa trộn tốt với không khí nhờ xoáy lốc. Nhiên liệu cũng không thất thoát trên đường ống nạp. 2.2. Kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử 2.2.1. Kết cấu của hệ thống EFI điển hình 9 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp Hình 2.2. Hệ thống EFI điển hình 2.2.2. Nguyên lý hoạt động EFI có thể chia thành ba hệ thống: hệ thống nhiên liệu và hệ thống nạp khí, hệ thống điều khiển điện tử. EFI cũng có thể được chia thành điều khiển phun nhiên liệu cơ bản và điều khiển hiệu chỉnh. Ba hệ thống này sẽ được mô tả chi tiết sau đây. 10 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Lương Minh Báu Lê Đăng Việt . trên nhóm đã tiến hành nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển phun xăng điện tử EFI cho xe máy. Hệ thống phun xăng điện tử có rất nhiều ưu điểm,. dung nghiên cứu Tìm hiểu cơ sở lý thuyết của hệ thống phun xăng và đánh lửa điều khiển bằng điện tử. Nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo thử hệ thống