Sự vận hành cơ bản từ tốc độ cầm chừng đến tốc độ cao
Từ tốc độ cầm chừng đến tốc độ cao, một lượng nhiên liệu cài đặt trước được phun ra tương ứng với lượng không khí nạp vào, kim phun được điều khiển bởi ECU và ECU nhận tín nhiệu từ các cảm biến.
Lượng nhiên liệu trong mỗi lần phun phụ thuộc vào thể tích không khí nạp được xác định bởi:
− Thời gian phun cơ bản: Khoảng thời gian phun nhiên liệu cơ bản được tính bởi hai loại bản đồ lưu trong bộ nhớ ECU. Hai bản đồ hay được xác định bởi số vòng quay động cơ và lượng khí nạp.
− Thời gian phun chính xác: Khoảng thời gian phun nhiên liệu hiệu chỉnh được tính toán bởi ECU theo tín hiệu cảm biến và điều kiện vận hành thực thế của động cơ.
43
Hình 2.43: Sự vận hành của hệ thống PGM – FI
Sự làm giàu nhiên liệu ở chế độ khởi động lạnh
Động cơ vận hành trong điều kiện khởi động lạnh. Nhiên liệu không hóa hơi tốt trong động cơ lạnh làm cho tỉ lệ không khí- nhiên liệu nghèo dẫn đến cầm chừng không êm. Khi động cơ lạnh ECU điều chỉnh lượng nhiên liệu bằng cách kéo dài thời gian mở kim phun tương ứng với tín hiệu điện áp từ cảm biến ECT, trong khi đó ECU điều khiển van IACV để đưa thêm lượng không khí vào để duy trì tốc độ cầm chừng nhanh.
Hình 2.44: Khởi động lạnh với PGM – FI
Sự làm giàu nhiên liệu ở chế độ tăng tốc nhanh
Động cơ vận hành dưới điều kiện tăng tốc nhanh. Khi bướm ga được mở đột ngột, lượng lớn khí nạp đi vào trong động cơ. Áp suất chân không đường ống nạp nhỏ hơn làm thiếu nhiên liệu và làm cho tỉ lệ không khí – nhiên liệu nghèo, kết quả là công suất động cơ yếu. Khi bướm ga bị mở đột ngột, ECU điều chỉnh lượng nhiên liệu theo điện áp ngỏ ra của
44 cảm biến TP, phụ thuộc vào điều kiện hoạt động của động cơ, kim phun được mở lâu hơn để phun nhiều nhiên liệu hơn vào trong xylanh, tạo ra tỉ lệ lý tưởng.
Hình 2.45: Tăng tốc với PGM – FI
Cắt nhiên liệu khi phanh bằng động cơ
Trong quá trình giảm tốc độ, nếu bướm ga đóng hoàn toàn, ECU ngắt kim phun để cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và giảm đáng kể lượng khí thải. Khi tốc độ động cơ giảm xuống dưới một tốc độ ấn định hoặc cánh bướm ga mở, nhiên liệu dược phun trở lại. Tốc độ động cơ ngắt nhiên liệu và tốc độ động cơ khi phun nhiên liệu trở lại sẽ cao hơn khi nhiệt độ nước làm mát thấp.
Hình 2.46: Chế độ cắt nhiên liệu khi giảm tốc
Điều khiển khoảng thời gian phun nhiên liệu
Thời gian phun cơ bản được xác định phụ thuộc vào thể tích khí nạp và tốc độ động cơ đo được từ điện áp ra của cảm biến CKP và cảm biến TP. Có 2 loại hệ thống chương trình bản đồ được sử dụng để kiểm soát thời gian phun xăng: Khi mở tay nhỏ/ áp suất
45 Thời gian phun
Số vòng quay động cơ Dài
chân không cổ hút lớn thì sử dụng “Đồ thị biểu thị tốc độ - mật độ” ; ngược lại “ Đồ thị biểu thị ga – tốc độ” được sử dụng khi mở tay ga lớn hơn/ áp suất chân không cổ hút nhỏ.
-ĐỒ THỊ: Chương trình này xác định thời gian phun phụ thuộc vào 2 yếu tố sau ( số vòng quay động cơ/ áp suất chân không cổ hút hoặc vị trí ga), như trình bày bởi dồ thị không gian 3 chiều dưới đây.
− MỞ TAY GA NHỎ/ ÁP SUẤT CHÂN KHÔNG CỔ HÚT CAO
Thời gian phun cơ bản được xác định bởi đồ thị tốc độ- mật độ, nó được quan sát tại áp suất chân không được phát hiện bởi cảm biến MAP và số vòng quay động cơ được phát hiện bởi cảm biến CKP.
Hình 2.47: Bản đồ của độ mở bướm ga nhỏ
− TĂNG GA LỚN/ ÁP SUẤT CHÂN KHÔNG CỔ HÚT THẤP
Thời gian phun cơ bản được xác định bởi đồ thị ga- tốc độ tại vị trí ga được phát hiện bởi cảm biến TP và cảm biến CKP
ĐỒ THỊ BIỂU THỊ TỐC ĐỘ- MẬT ĐỘ
Ngắn Cao
Thấp Thấp
46 Số vòng quay
động cơ Thời gian phun
cơ bản
Góc mở bướm ga
Hình 2.48: Bản đồ của độ mở bướm ga lớn
Điều khiển thời điểm phun
Trong hệ thống điều khiển của ECU, có 8 loại bản đồ chương trình độc lập được lưu trong bộ nhớ. Những bản đồ được thiết lập theo nhà sản xuất, dựa theo những điều khiện vận hành khác nhau của động cơ, các thông số thiết kế. Tám bản đồ này được thiết kế để điều chỉnh cho sự khác nhau của hệ thống nạp/thải và làm mát.
− Tải nhẹ: Khi động cơ vận hành ở tải nhẹ, lượng nhiên liệu được phun vào được xác định dựa trên áp suát khí nạp và tốc động động cơ.
− Tải nặng: Khi động cơ vận hành dưới chế độ tải nặng, lượng nhiên liệu được phun vào xác định dựa trên độ mở bướm ga và tốc độ động cơ [9].
ĐỒ THỊ GA- MẬT ĐỘ Ngắn Cao Thấp Nhỏ Lớn Dài
47
Hình 2.49: Bản đồ thời gian phun theo từng chế độ
Điều khiển lượng phun nhiên liệu (thời gian phun)
ECU điều khiển thời gian phun nhiên liệu của kim dựa trên tín hiệu của các cảm biến như: áp suất khi nạp, tốc độ động cơ và độ mở bướm ga. Những sự điều chỉnh khác (hiệu chỉnh)
dựa trên tín hiệu trả về của cảm biến Oxy và những thay đổi từ các cảm biến
48
Hiệu chỉnh lượng phun
− Tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ: khi nhiệt độ nước làm mát thấp, thời gian phun được tăng lên.
− Tín hiệu cảm biến nhiệt độ khí nạp: khi nhiệt độ khí nạp thấp, thời gian phun được tăng lên.
− Tín hiệu điện áp bình ắc quy: Khi khởi động, ECU lấy từ bộ nhớ thời gian phun cơ bản phù hợp với nhiệt độ động cơ không tính đến lượng khí nạp vào. Sau đó, ECU cộng thêm thời gian phun hiệu chỉnh theo nhiệt độ khí nạp và điện áp ắc quy để tạo ra thời gian phun thực tế. Thời gian phun lâu hơn khi điện áp ắc quy thấp.
− Tín hiệu tốc độ động cơ: ở tốc độ động cơ cao thời gian phun được tăng lên để cải thiện hoạt động của động cơ.
− Tín hiệu tăng tốc/giảm tốc: Trong quá trình tăng tốc, nhiên liệu phun ra được tăng lên để cải thiện hoạt động tăng tốc của động cơ. Khi giảm tốc, ECU giảm lượng nhiên liệu phun vào để ngăn ngừa hỗn hợp quá đậm dẫn đến lãng phí nhiên liệu.
− Tín hiệu giảm tốc: trong quá trình giảm tốc độ, nếu bướm ga đóng hoàn toàn và tốc độ vẫn cao, ECU sẽ ngắt kim để cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và giảm đáng kể lượng khí thải. Khi tốc độ động cơ xuống tới mức ấn định, kim phun hoạt động trở lại. − Tín hiệu cảm biến nghiêng: Khi xe bị nghiên quá góc cho phép, ECU sẽ ngắt tín hiệu
đánh lửa và bơm xăng, xe tắt máy.
2.5 Bướm ga điện tử - ECT 2.5.1. Giới thiệu
Khác với các hệ thống bướm ga truyền thống được điều khiển dẫn động trực tiếp từ tay ga thông qua cáp nối và lò xo hồi vị, ở hệ thống bướm ga điện tử ECT (Electronic
Control Throttle), cáp nối dược thay thế bằng các cảm biến vị trí và một cụm các chi tiết gọi là bộ phận chấp hành được tích hợp bên trong thân bướm ga. Bộ chấp hành bao gồm: một motor một chiều để tạo ra lực kéo, một lo xò hồi vị, các bánh răng giảm tốc.
49 So với các loại bướm ga truyền thống, bướm ga điện tử có ưu điểm hơn vì ECU sẽ điều khiển mở cách bướm ga một cách tối ưu nhất ứng với mục đích điều khiển tay ga. Ngoài ra, còn có các ưu điểm khác như sau:
− Sử dụng hệ thống bướm ga điện tử sẽ giúp cho hệ thống điều khiển trên xe có thể điều khiển dễ dàng toàn bộ các quá trình hoạt động của động cơ. ECU có thể dễ dàng can thiệp và điều chỉnh hơn sơ với bướm ga dẫn động bằng dây cáp.
− Sử dụng bướm ga điện tử đảm bảo việc điều hiển mở bướm ga luôn đúng với từng chế độ hoạt động của động cơ ở bất kỳ trường hợp nào.
− Sử dụng bướm ga điện tử sẽ tối ưu hóa được lượng khí nạp. Điều này làm cho lượng khí thải độc hại phát sinh được duy trì ở mức thấp nhất ngoại trừ một số trường hợp đặc biệt.
Hình 2.51: Sơ đồ tổng quan hệ thống điều khiển bướm ga điện tử
2.5.2 Phân loại bướm ga điện tử
Dựa vào kết cấu, ứng dụng cũng như khả năng của hệ thống ECT, người ta phân loại hệ thống ECT theo những tiêu chí sau:
50 ● Hệ thống ECT có bộ phận điều khiển riêng biệt.
● Hệ thống ECT có ECU điều khiển (bộ điều khiển ECT được tích hợp trong ECU).
− Theo loại motor sử dụng.
● Motor bước (step – motor).
● Motor điện một chiều có chổi than (brushed motor – servo motor). − Khả năng điều khiển của hệ thống.
− Loại động cơ sử dụng hệ thống ECT [5].
2.5.3 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động bướm ga điện tử
- Bướm ga điện tử bao gồm các bộ phận sau: motor bướm ga sẽ điều khiển hoạt động của bướm ga, cảm biến vị trí bướm ga được gắn trên tay ga, ECU sẽ điều chỉnh góc mở bướm ga phù hợp với các chế độ hoạt động của bướm ga.
- Khi người điều khiển vặn tay ga, cảm biến vị trí tay ga sẽ gửi tín hiệu (điện áp) về bộ xử lý, bộ xử lý nhận tín hiệu này và kết hợp so sánh với các tín hiệu khác, sau đó xuất tín hiệu điều khiển bộ chấp hành (motor bướm ga).
51
CHƯƠNG 3 : LÝ THUYẾT VỀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1 Mạch điều khiển Arduino Mega 2560 REV3
3.1.1 Giới thiệu
Arduino là một nền tảng mã nguồn mở về phần cứng lẫn phần mềm. Phần cứng Arduino được ra đời tại thị trấn Ivrea, Ý. Arduino được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, đèn LED, động cơ, công tắc,… Arduino được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới, phục vụ những dự án lớn nhỏ khác nhau. Những đối tượng sử dụng Arduino trải dài từ học sinh, sinh viên, lập trình viên đến các nhà nghiên cứu chuyên nghiệp. Hệ thống mã nguồn mở của Arduino cho phép người dùng đóng góp các dự án của mình, từ đó, Arduino phát triển lớn mạnh. Một số điểm mạnh của Arduino có thể kể đến như sau:
− Giá thành rẻ: Nếu so sánh với các bo vi điều khiển khác, Arduino có giả thành rẻ hơn
rất nhiều, một module Arduino đắt nhất cũng có giá chưa tới $50.
− Đa nền tảng: Phần mềm lập trình Arduino (IDE - Integrated Development
Environment) tương thích với hầu hết các hệ điều hành hiện nay như Window. Macintosh OSX, Linux, trong khi đó hầu hết các vi điều khiển đều chỉ giới hạn trong hệ điều hành Windows.
− Môi trường lập trình đơn giản: Phần mềm lập trình IDE vừa thân thiện với những người
mới bắt đầu với vi điều khiển, vừa linh hoạt cho những người có yêu cầu cao. Việc lập trình với Arduino càng đơn giản hơn khi hệ thống mã nguồn mở được chia sẽ rộng rãi trên mạng Internet, nơi người dùng có thể hỗ trợ lẫn nhau.
52
3.1.2 Tổng quan
Board Arduino Mega 2560 là một bo vi điều khiển dựa trên vi điều khiển ATmega2560. Bo có 54 chân đầu ra/đầu vào kỹ thuật số (trong đó có 15 chân có thể sử dụng như chân xuất xung PWM), 16 chân đầu vào tín hiệu tương tự, 4 chân URATs, sử dụng thạch anh 16 MHz , kết nối USB,…Arduino Mega 2560 có đầy đủ các tính năng hỗ trợ cho vi điều khiển, tương thích về hầu hết các shield cho Uno. Arduino 2560 cơ bản vẫn giống với
Uno R3, chỉ khác số lượng chân và có nhiều tính năng mạnh mẽ hơn.
Hình 3.1: Board vi điều khiển Arduino mega
3.1.3 Thông số kỹ thuật
Thông số kỹ thuật của bo Arduino Mega 2560
Vi điều khiển: ATmega 2560.
Điện áp hoạt động: 5V.
Điện áp cung cấp (khuyên dùng): 7 – 12V. Điện áp cung cấp (tối đa): 6 – 20V.
53
Chân analog: 16 chân.
Dòng ở mỗi chân I/O: 20 mA.
Dòng ở mỗi chân 3.3V: 50 mA.
Bộ nhớ flash: 256 KB. Bộ nhớ tĩnh SRAM: 8 KB. EEPROM: 4 KB. Tốc độ xung: 16 MHz. LED_BUILTIN: 13. Dài: 101,52 mm. Rộng: 53,3 mm. Nặng: 37 gram.
3.1.4 Đặc tính kỹ thuật của Arduino Mega 2560
- Lập trình
Mega 2560 có thể được lập trình bằng phần mềm Arduino IDE. Vi điều khiển ATmega 2560 được lập trình sẵn với một bootloader cho phép người dùng nạp code mới mà không phải sử dụng các phần cững hỗ trợ lập trình khác. Mega 2560 sử dụng giao thức.
Về phần mềm Arduino IDE, đây là phần mềm có giao diện dễ sử dụng, đặc biệt với người mới bắt đầu. Không những thế, với mã nguồn mở cho phép người dùng có thể linh hoạt hơn trong việc lập trình.
Mega 2560 có thể được cấp nguồn bằng cách kết nối USB với máy tính, hoặc nguồn ngoài. Về nguồn ngoài (external power supply) có thể cấp bằng adapter AC – DC hoặc pin. Adapter AC – DC cấp nguồn cho bo thông qua jack 2.1mm, pin cấp nguồn cho bo qua chân GND và Vin trên bo (GND ứng với cực âm của pin, Vin ứng với cực dương của bo.
54 Board hoạt động ở dải điện áp cấp từ 6 đến 20 vôn. Nếu cấp nguồn nhỏ hơn 7V, bo hoạt động sẽ không ổn định. Ngược lại, nếu lớn hơn 12V, sẽ gây ra hiện tượng quá nhiệt và làm hư hỏng bo. Vì thế, khuyên dùng ở dải điện áp từ 7 đến 12V.
Hình 3.2: Giao diện của Arduino IDE
Chân cấp nguồn như sau:
+ Vin: Chân cấp nguồn cho bo khi sử dụng nguồn ngoài. Người dùng có thể cấp nguồn
vào chân này, hoặc jack 2.1mm. Mega 2560 có thể cấp nguồn thông qua jack 2.1mm (7 – 12V), USB (5V), Vin (7 – 12V).
+ 5V: Chân nguồn 5V từ bo. + 3.3V: Chân nguồn 3.3V từ bo.
55 - Bộ nhớ
ATmega2560 có 256 KB bộ nhớ flash cho việc chứa code (8 KB sử dụng cho bootloader), 8 KB bộ nhớ tĩnh SRAM và 4 KB cho EEPROM.
- Input và Output
54 chân trên Mega có thể vừa sử dụng như chân tín hiệu đầu ra và đầu vào, thông qua các hàm như pinMode(), digitalWrite(), digitalRead(). Các chân này hoạt động ở điện áp 5V, dòng 20mA. Mỗi chân có điện trở kéo 20 – 50 kOhm. Các chân có chức năng đặc biệt như sau:
+ Kết nối serial: 0 (RX) and 1 (TX); Serial 1: 19 (RX) and 18 (TX); Serial 2: 17 (RX)
and 16 (TX); Serial 3: 15 (RX) and 14 (TX). Trong đó RX là nhận (receive) và TX là truyền (transmit).
+ Ngắt ngoài: 2 (interrupt 0), 3 (interrupt 1), 18 (interrupt 5), 19 (interrupt 4), 20 (interrupt 3), and 21 (interrupt 2). Những chân ngắt ngoài này có thể cấu hình lại để ngắt ở mức thấp, cạnh tăng hoặc giảm bằng hàm attachInterrupt().
+ Xung PWM: Chân 2 đến chân 13 và chân 44 đến 46. Những chân này cung cấp xung
PWM 8 – bit thông qua hàm analogWrite().
56
Hình 3.3: Các linh kiện trên board
- Giao tiếp với máy tính
Mega2560 có thể giao tiếp với máy tính, các bo khác, hoặc các vi điều khiển khác. ATmega2560 cung cấp bốn phần cứng UARTs cho giao tiếp nối tiếp TTL (5V). Phần mềm IDE hỗ trợ giao diện hiển thị các dữ liệu dạng chữ đơn giản được gửi từ bo hoặc nhận từ các cảm biến [10][11][12].
3.2 Module encorder motor
Thông số kĩ thuật
Độ rộng rãnh 5mm
Led hiển thị trạng thái đọc
Mức cao HIGH khi bị chắn, LOW khi kg bị chắn
57
Điện áp hoạt động: 3.3V-5V
Kích thước: 3.2cm x 1.4cm
Dễ dàng lắp đặt
Ứng dụng đa dạng cho các nền tảng Arduino / AVR / ARM
Hình 3.4: Module encorder motor
Chân chức năng:
VCC: cực dương nguồn 3.3 hay 5 VDC