32
Khi khởi động
Khi người lái bật chìa khóa để khởi động xe thì tín hiệu STA gửi về cho ECM và ECM hiểu rằng động cơ cần khởi động và sẽ điều khiển bướm ga mở lớn hoàn toàn để giúp động cơ khởi động một cách dễ dàng. Vòng tua máy khi khởi động sẽ tăng từ 0 – 1500 vịng/phút, sau đó sẽ giảm xuống cịn 750 vịng/phút. Ngồi ra, việc điều khiển bướm ga mở khi khởi động ECM còn dựa vào tín hiệu cảm biến trục khuỷu, cảm biến nhiệt độ nước làm mát.
Hâm nóng động cơ
Sau khi động cơ khởi động, cảm biến nhiệt độ nước làm mát gửi tín hiệu về ECM báo rằng nhiệt độ động cơ đang cịn nguội thì lúc này ECM sẽ điều khiển bướm ga mở lớn làm cho động cơ hoạt động nhanh đến nhiệt độ làm việc ổn định để đạt hiệu suất tối ưu nhất (khoảng 80 - 90°). Lúc này ta có thể thấy vịng tua máy ở mức từ 750 – 800 vòng/phút.
33
nhiệt độ ổn định, ECM sẽ gửi tín hiệu đến bướm ga điện tử giảm bớt độ mở bướm ga để phù hợp ở chế độ cầm chừng (vòng tua máy tiêu chuẩn 600 vòng/phút)
Điều khiển phản hồi
Trong ECM đã được lưu số vòng tua máy tiêu chuẩn (từ 600 – 800 vòng-phút). Khi động cơ hoạt động ở chế độ cầm chừng, ECM sẽ so sánh vòng tua máy hiện tại trên xe là bao nhiêu, nếu vòng tua máy trên xe thấp hơn hoặc cao hơn vòng tua tiêu chuẩn thì ECM sẽ điều khiển bướm ga mở lớn hoặc đóng bớt lại để hiệu chỉnh tốc độ cầm chừng trên xe sao cho số vòng tua đạt đúng tiêu chuẩn
Độ trễ bàn đạp ga
Khi đạp ga tăng tốc, ECM sẽ phân tích tín hiệu bàn đạp ga rồi điều khiển Motor bướm ga mở với góc mở phù hợp. Sau đó, khi gió đi vào bướm ga ECM sẽ tiếp tục phân tích lưu lượng khí nạp, vịng tua máy, vị trí tay số để hiệu chỉnh việc phun nhiên liệu và đánh lửa sao cho chính
34
xác, nâng cao hiệu suất động cơ và giúp tiết kiệm nhiên liệu Qua đó, ta có thể thấy khi đạp ga ta muốn xe di chuyển tức thời thì những tín hiệu đầu vào và đầu ra gửi về ECM để tính tốn điều khiển là cả một đoạn đường dài. Do đó độ trễ bàn đạp ga có thể mất 1 – 2s khiến cho người lái vô cùng khó chịu và đây cũng là điều không thể tránh khỏi.
Tải máy phát
Dòng điện do máy phát sinh ra
phụ thuộc vào tốc độ của động
cơ và cũng sẽ thay đổi theo tốc độ quay của động cơ. Khi bật các phụ tải điện trên xe (Radio,
đèn pha, xơng kính,...) thì tải động cơ sẽ tăng do lực cản của máy phát điện lớn, từ đó động cơ cần hoạt động với công suất lớn để bù ga ở chế độ cầm chừng.
Để tốc độ cầm chừng ổn định thì ECM sẽ bù ga bằng cách mở bướm ga lớn hơn để đưa khí nạp nhiều hơn vào trong động cơ
35
giúp động cơ hoạt động với công suất tối ưu tránh hiệu tượng xe bị yếu dần hoặc chết máy ở chế độ khơng tải.
Tín hiệu thay đổi số
Khi cần số thay đổi (P – R - N – D) thì ECM nhận được một tín hiệu về tải trọng của động cơ, ECM sẽ điều khiển bướm ga mở lớn hoặc đóng bớt sao cho phù hợp. Ta có thể nhìn thấy khi sang số thì vịng tua máy sẽ tăng lên hoặc giảm xuống.
Giả sử khi vào số lùi R, nếu người lái xe cần lùi gấp mà nếu xe phản ứng chậm thì sẽ như thế nào? Khi đó, xe cần cơng suất và momen xoắn cao để đáp ứng di chuyển theo tay số và giảm đi độ trễ chân ga. Muốn momen xoắn cao thì động cơ cần có lượng khí nạp vào nhiều thì lúc này khi vào số lùi R, tín hiệu sang số sẽ gửi về ECM, sau đó ECM điều khiển mở bướm ga khá lớn đưa lượng khí nạp vào động cơ để giúp tăng tốc độ cầm chừng và làm cho động cơ tăng
36
thêm momen xoắn giúp xe bắt đầu tăng sức kéo và di chuyển khi có tải.
A/C điều hịa
Khi khởi động xe, nếu ta bật điều hịa thì tải của máy nén sẽ lớn làm cho tốc độ cầm chừng bị tụt xuống. Lúc này, ECM sẽ gửi tín hiệu đến bướm ga điện tử mở lớn hơn để tăng lượng khí nạp vào động cơ nhằm mục đích bù ga. Vịng tua máy khi bật điều hòa lúc này sẽ tăng lên từ 600 – 750 vòng/phút.
Ở xe Toyota Vios có trang bị ly hợp máy lạnh điều khiển bằng tốc độ cầm chừng, giúp động cơ không bị khựng đột ngột.
3.4.2 Kết luận quá trình khảo sát
Dựa vào kết quả khảo sát đã được phân tích trên dịng xe Toyota Vios 2014, nhóm em đưa ra nhận xét như sau:
Theo như tìm hiểu và khảo sát thì hầu hết các dịng xe phổ thông hiện nay khi đứng yên thường có sức ỳ rất lớn, muốn xe di chuyển mà tiết kiệm nhiên liệu thì ta phải tăng ga một cách nhẹ nhàng. Lúc này, động cơ rất dễ bị tắt đột ngột, đặc biệt là trong trường hợp tải trọng xe ô tô lớn hoặc sức cản của mặt đường quá lớn. Cách khắc phục tình trạng này chính là nhấn ga thật nhiều nhưng không nên quá mạnh. Khi muốn tăng tốc của xe hãy đạp ga thật chậm rãi để tốc độ của xe tăng dần dần
37
chứ không phải tăng đột ngột. Tăng tốc độ đột ngột có thể gây ra nguy cơ xảy ra tai nạn, bên cạnh đó cịn có thể khiến xe hao tổn tuổi thọ và tốn nhiều nhiên liệu hơn. Nhà sản xuất cố tình xây dựng độ trễ chân ga như vậy là vì:
Đáp ứng nhu cầu an toàn cho người lái tránh tình trạng đạp nhầm chân ga.
Giúp tiết kiệm nhiên liệu, đối với một dòng xe phổ thông mà không phải xe thể thao thì độ trễ như thế là rất cần thiết.
Một số người lái xe muốn giảm độ trễ chân ga đã lắp cái gọi là chip. Chúng có thể được mua với giá từ từ vài triệu cho đến mười mấy triệu. Chip điện tử này khơng làm thay đổi vị trí của bàn đạp trong xe mà chỉ có chức năng thay đổi điện áp gửi từ bàn đạp chân ga về ECM bằng cách đánh lừa, giúp ECM hiểu rằng người lái cần ga nhiều giúp rút ngắn hành trình của chân ga.
Đối với một chiếc xe tiêu chuẩn thì các phụ tải trên xe là rất cần thiết và được vận hành bởi công suất của động cơ, dây đai truyền động phụ uốn khúc chạy máy phát điện, máy bơm nước, máy nén, máy bơm trợ lực lái và các phụ kiện khác. Các phụ tải trên xe rất là ảnh hưởng đến mặt công suất của cộng cơ và ảnh hưởng tới tiêu mức tiêu hao nhiên liệu, vì để cho các phụ tải đó hoạt động hết cơng suất thì bắt buộc động cơ phải hoạt động với vòng tua máy cao, mà để hoạt được cao thì cánh bướm ga phải mở lớn hơn so với lúc bình thường, mà đã mở lớn thì lượng gió sẽ vơ nhiều và lượng nhiên liệu sẽ phun đậm hơn. Không chỉ ở tốc độ cầm chừng, ở các chế độ tay số khác cũng vậy thậm chí cịn nhiều hơn vì vịng tua ở các tay số khác lớn.
Điều hòa là một trong những yếu tố gây mất công suất động cơ và ảnh hưởng tới tiêu mức tiêu hao nhiên liệu. Vì để cho điều hịa hoạt động hết cơng suất thì bắt buộc động cơ phải hoạt động với vòng tua máy cao, mà để hoạt động được cao thì bướm ga phải mở lớn hơn so với lúc bình thường, mà khi đã mở lớn hơn bình thường thì lượng khí nạp sẽ vào nhiều hơn và lượng nhiên liệu sẽ phun đậm hơn. Do đó, muốn động cơ hoạt động với công suất tối ưu hơn và tiết kiệm nhiên liệu
38
hơn thì chúng ta nên hạn chế sử dụng điều hịa khi khơng cần thiết hoặc khi sử dụng nên hạn chế bật hết cơng suất điều hịa.
3.5 Giới thiệu về phần mềm Matlab 3.5.1 Matlab là gì 3.5.1 Matlab là gì
Matlab là phần mềm cung cấp mơi trường tính tốn số và lập trình. Matlab cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thơng tin, thực hiện thuật tốn, tạo các giao diện người dùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngơn ngữ lập trình khác.
Hình 3.15: Ứng dụng Matlab 3.5.2 Khả năng ứng dụng của Matlab trong thực tế 3.5.2 Khả năng ứng dụng của Matlab trong thực tế
Khi làm đồ án, Matlab là công cụ mô phỏng chủ yếu và hiệu quả về hệ thống thơng tin và xử lý tín hiệu.
Matlab được sử dụng như cơng cụ tính tốn trong các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật, bao gồm các lĩnh vực vật lý, hóa học, tốn học và cơng nghệ. Matlab được sử dụng hầu hết trong các việc:
Xử lý tín hiệu và truyền thơng. Xử lý hình ảnh và video. Hệ thống điều khiển. Kiểm tra và đo lường. Tính tốn tài chính. Tính tốn sinh học.
39
3.5.3 Lập trình với Matlab Simulink
Simulink là một phần mềm mở rộng của Matlab, dùng để mơ hình hóa, mơ phỏng và phân tích hệ thống động nào đó. Thơng thường dùng để thiết kế hệ thống điều khiển, DSP, thông tin và các ứng dụng mô phỏng khác.
Để mơ hình hóa thì Simulink sẽ cung cấp giao diện đồ họa để sử dụng xây dựng mơ hình bằng cách nhấn và kéo chuột. Với giao diện đồ họa ta có thể xây dựng mơ hình mơ phỏng và khảo sát một cách trực quan hơn.
Hình 3.16: Thư viện trên Simulink 3.5.4 Ưu nhược điểm của Matlab Simulink 3.5.4 Ưu nhược điểm của Matlab Simulink
Bảng 3.2: Bảng ưu nhược điểm của Matlab Simulink
Ưu điểm - Cung cấp một cơng cụ tính tốn và lập trình bậc cao dễ sử dụng và có hiệu quả
- Giúp người dùng thực hiện các bài tốn mơ hình mơ phỏng trên máy tính
- Thời gian tính tốn khá nhanh - Có cơng cụ trợ giúp trực tuyến
Nhược điểm - Không chuyển thành file .exe nên phải chạy từ
Matlab
- Chỉ sử dụng trong nghiên cứu, học tập chứ không sử dụng ngoài thực tế được
40
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN BƯỚM GA ĐIỆN TỬ TRÊN MATLAB
4.1 Điều kiện ban đầu
Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử trên ô tô thực tế là 1 hệ thống điều khiển rất phức tạp, với nhiều yếu tố tác động qua lại. Do đó, dựa trên mục đích của đề tài, nhóm em thực hiện xây dựng mô tả lại hệ thống điều khiển bướm ga điện tử trên phần mềm mathlab với 3 yếu tố đầu vào chính: Cơng tắc A/C, trạng thái cảm biến vị trí bàn đạp ga và vị trí tay số R.
4.2 Sơ đồ hệ thống
Hình 4.1: Mơ hình thiết kế các cụm chức năng trên Matlab
Với mục đích khảo sát và đánh giá sự thay đổi về độ mở của bướm ga theo 3 trường hợp cụ thể là tín hiệu đầu vào, như sau:
- Góc mở bướm ga thay đổi theo tín hiệu điều khiển của tài xế, chính là trạng thái cảm viến vị trí bàn đạp ga.
- Góc mở bướm ga thay đổi khi động cơ hoạt động ở chế độ cầm chừng và tài xế bật hệ thống điều hịa khơng khí lên, tức A/C ON.
41
- Cuối cùng là góc mở bướm ga thay đổi khi động cơ hoạt động ở chế độ cầm chừng và tài xế gài số lùi (R).
Để tối ưu hóa trong quá trình xây dựng lại hệ thống nhóm đã lượt bỏ nhiều điều kiện và hệ thống liên quan khác có tác động đến động cơ nói chung và đến góc mở của bướm ga nói riêng. Ví dụ: hệ thống khởi hành ngang dốc hay hệ thống kiểm sốt hành trình (CCS), hoặc cơng suất của máy phát.
4.3 Q trình xây dựng mơ phỏng
42
4.3.1 Khối bướm ga
Hình 4.3: Cấu trúc bên trong cụm mơ hình bướm ga
Nhóm tham khảo mơ hình bướm ga được thực hiện với tham số [Trích ở tài
liệu 11]
Với giá trị trên nhóm sử dụng khối Transfer fcn để tạo ra mơ hình tốn của bướm ga.
43
4.3.2 Khối ECU động cơ ( bộ điều khiển P.I.D)
Hình 4.5: Cấu trúc bên trong khối ECM động cơ
Bộ điều khiển mơ hình của nhóm hoạt động chủ yếu dựa trên nguyên tắc làm việc của khối P.I.D Controller.
Hình 4.6: Cấu hình và tham số khâu P.I.D của bộ điêu khiển
Phương trình tổng quát:
Các tham số của phương trình được nhóm lựa chọn ngẫu nhiên (xác suất) nhằm mục đích giúp đồ thị của mơ hình có trạng thái ổn định và giá trị sai số điều khiển có xu hướng tiệp cận bằng 0:
- Tham số khâu P: 0.1 - Tham số khâu I: 0 - Tham số khâu D: 5
44
4.3.3 Khối bàn đạp ga
Hình 4.7: Cấu trúc của khối bàn đạp ga
Khối bàn đạp chân ga (bản chất chính là cảm biến vị trí bàn đạp ga - APS) hoạt động với nhiệm vụ là giới hạn giá trị đầu vào của tín hiệu điều khiển, nằm trong vùng giới hạn là 0 900 tương ứng với góc mở giới hạn của cánh bướm ga thực tế.
45
4.3.4 Khối chuyển chế độ hoạt động
Hình 4.9: Khối chuyển chế độ giữa tín hiệu đạp ga từ tài xế và chế độ hoạt động cầm chừng của động cơ
Hình 4.10: Cấu hình khối tạo xung tín hiệu đạp ga của tài xế
Khối tín hiệu đạp ga được nhóm sử dụng khối chức năng Repeating Sequence nhằm tạo ra tín hiệu xung với giới hạn thời gian thay đổi trạng thái là 2s
và biên độ cao nhất của xung là 50 ứng với 50o góc mở bướm ga mong muốn.
4.3.5 Khối động cơ
46
Nhóm em tham khảo cấu trúc và nguyên lý khối động cơ với kết quả của khối chức năng thể hệ khả năng đáp ứng chỉ số Engine Load (tải động cơ) dựa vào giá trị tải đầu vào.
Khối động cơ, nhóm em đã mặc định giá trị Engine Load tối ưu là 20% tức là khi động cơ có giá trị tải thấp nhất thì chỉ số Engine Load sẽ tiệp cận giá trị bằng 20%.
Hình 4.12: Khối chức năng vào số lùi và bật điều hòa
Hai khối chức năng trên, được nhóm em tiến hành cấu hình là 2 giá trị hằng số cố định ứng với giá trị tải mong muốn và được điều khiển thông qua khối chức năng Slider Switch của Matlab:
Các giá trị đã được nhóm tăng lên nhiều lần so với thực tế vì lý do nhóm muốn thể hiện rõ ràng sự thay đổi và giúp đồ thị dễ nhìn hơn.
Bảng 4.1: Giá trị hằng số của 2 khối chức năng
ON OFF
Số lùi (R) 50 0
47
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỒ THỊ
5.1 Góc mở bướm ga đáp ứng theo tín hiệu đạp ga từ tài xế
Hình 5.1: Biểu đồ thể hiện góc mở bướm ga theo tín hiệu đạp chân ga
Biều đồ cho ta thấy góc mở bướm ga thực tế (đường cam nét liền) với giá trị nhỏ nhất là 60
ứng với góc mở tối thiểu khi động cơ hoạt động ở chế độ cầm chừng, và giá trị lớn nhất của góc mở thực tế ứng với giá trị lớn nhất của góc mở bướm ga mong muốn, tức lúc này người lái tác động vào bàn đạp ga, dẫn đến thay đổi trạng thái cảm biến APS.
Bên cạnh đó, đường đồ thị góc mở bướm ga thực tế cũng có hình dáng tương ứng v với giá trị góc mở bướm ga mong muốn Điều đó, cho thấy khâu P.I.D mà nhóm lựa chọn là tối ưu. Đồng thời, cho thấy đặc tính hoạt động của bướm ga khi có tín hiệu điều khiển đạp ga từ tài xế.
5.2 Góc mở bướm ga đáp ứng chế độ hoạt động cầm chừng, và bật công tắc A/C (hệ thống điều hịa khơng khí)