KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1. Mục đích và nội dung nghiên cứu thực nghiệm
4.3. Chuyển đổi xe gắn máy chạy xăng sang chạy bằng LPG-ethanol
Hệ thống phun xăng điện tử (PGM-FI-Programmed Fuel Injection) chia làm 03 nhóm chính: các cảm biến cung cấp các tín hiệu vào, ECM động cơ với vai trò là bộ xử lý trung tâm và các cơ cấu chấp hành thực hiện tín hiệu đầu ra.
Khác với bộ chế hòa khí, việc cung cấp nhiên liệu xăng của hệ thống phun xăng điện tử được thực hiện thông qua một vòi phun trên đường ống nạp, đặt sau bướm ga. Khi bật khóa điện, bơm xăng được cấp điện và bắt đầu làm việc vận chuyển xăng đến vòi phun với một áp suất nhất định. Áp suất phun được giữ ổn định nhờ bộ điều áp được bố trí bên cạnh bơm xăng đặt trong bình nhiên liệu.
Lượng nhiên liệu phun ra từ vòi phun ở một chế độ nhất định được quyết định bởi tín hiệu của các cảm biến gởi về cho ECM. ECM xử lý các tín hiệu đó theo một chương trình đã lập trình sẵn và đưa ra thời gian mở vòi phun phù hợp với chế độ
104
công tác của động cơ. Các cảm biến sử dụng làm tín hiệu điều khiển lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ bao gồm: cảm biến áp suất khí nạp (MAP), cảm biến vị trí bướm ga (TP), cảm biến nhiệt độ khí nạp (IAT), cảm biến nhiệt độ dầu động cơ (EOT), cảm biến oxygen, cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP). Hình 4.7 giới thiệu vị trí của các cảm biến trên xe và trên động cơ [89].
3
4 1 2
6 5
7 8 9 10 11
1
ECM
6
3 2
5 4
7
8 9 10
Hình 4.7: Bố trí các cảm biến trên động cơ và trên xe gắn máy Honda RSX 1. Cảm biến áp suất khí nạp (MAP), 2. Cảm biến vị trí bướm ga (TP), 3. Cảm biến
nhiệt độ khí nạp (IAT), 4. Cảm biến oxygen, 5. Cảm biến nhiệt độ dầu động cơ (EOT), 6. Cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP), 7. Bơm nhiên liệu, 8. ECM, 9. Accu,
10. Khóa điện, 11. Hub đấu dây dữ liệu
Từ tốc độ cầm chừng đến tốc độ cao, vòi phun phun một lượng nhiên liệu chính xác vào cổ góp của đường trong ống nạp, trên cơ sở tính toán lượng không khí nạp cung cấp vào động cơ. Khoảng thời gian mở vòi phun được tính bởi giản đồ được lưu trong bộ nhớ ECM theo công thức dựa vào tín hiệu của các cảm biến MAP, IAT, TP...
Khi động cơ lạnh, ECM 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 ECM điều khiển van IACV để đưa thêm lượng không khí vào để duy trì tốc độ cầm chừng nhanh.
105
Khi gia tốc, bướm ga bị mở đột ngột, ECM điều chỉnh lượng nhiên liệu theo điện áp đầu ra của 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 hệ số tương đương lý tưởng. Khi bướm ga đóng nhanh và phanh động cơ, ECM phát hiện vị trí bướm ga và áp suất nạp qua cảm biến TP và cảm biến CKP và chuyển thời gian phun về vị trí phun cầm chừng.
4.3.2. Thiết kế mạch điều khiển phun nhiên liệu xăng-LPG-ethanol 4.3.2.1. Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu lỏng/khí
Trên cơ sở nghiên cứu hệ thống PGM Fi trên đây, tôi tiến hành thiết kế hệ thống phun nhiên liệu lỏng/khí cho xe gắn máy Honda RSX Fi 2014. Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu lỏng/khí được giới thiệu trên hình 4.8.
Xăng/Ethanol Bơm Ổn áp
Lọc Arduino
ECU
Điều chỉnh Tỉ lệ nhiên liệu
B
C
C AB
1 2 3 4 5 6 7
Hình 4.8: Sơ đồ hệ thống cung cấp đa nhiên liệu liệu xăng-ethanol-LPG cho động cơ xe gắn máy
1. Cảm biến vị trí bướm ga, 2. Cảm biến áp suất khí nạp, 3. Cảm biến áp suất nhiên liệu, 4. Cảm biến tốc độ, 5. Cảm biến kích nổ, 6. Cảm biến nhiệt độ thành xi lanh,
7.Cảm biến oxygen, A. Tín hiệu điều khiển vòi phun nhiên liệu lỏng, B. Tín hiệu điều khiển vòi phun nhiên liệu khí, C. Tín hiệu điều khiển đánh lửa
106
Hệ thống gồm 02 vòi phun được lắp phía sau bướm ga: vòi phun nhiên liệu lỏng để phun ethanol, xăng hay các loại nhiên liệu lỏng khác, vòi phun nhiên liệu khí để phun LPG. Vòi phun nhiên liệu lỏng là vòi phun xăng được giữ nguyên vị trí.
Vòi phun LPG không nhất thiết phải lắp thẳng vào đường nạp mà có thể lắp ở bất kỳ vị trí nào thuận tiện gần nơi đặt ống phun (nozzle). Ống phun LPG được nối với miệng vòi phun LPG bằng ống mềm. Hình 4.9 giới thiệu họng nạp sau khi đã cải tạo và lắp ống phun LPG.
(a) (b) (c) Hình 4.9: Họng nạp nguyên bản (a), lỗ khoan để lắp vòi phun thứ hai (b),
họng nạp sau cải tạo (c)
Khi bật khóa điện, bơm nhiên liệu được cấp điện và bắt đầu bơm nhiên liệu đến vòi phun. Áp suất nhiên liệu luôn ổn định nhờ bộ điều áp được bố trí bên cạnh bơm nhiên liệu. Đồng thời van điện từ mở, LPG được dẫn đến vòi phun nhiên liệu khí sau khi qua bộ ổn áp.
Như đã mô tả trên đây, khi động cơ chạy bằng xăng thì thời gian nhấc kim phun xăng do ECU cung cấp dựa trên thông tin từ các cảm biến gửi về: cảm biến áp suất khí nạp (MAP), cảm biến vị trí bướm ga (TP), cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến oxygen.
Khi động cơ chạy bằng hai nhiên liệu lỏng/khí được cấp qua hai vòi phun độc lập thì thời gian mở các vòi phun được cung cấp bởi vi điều khiển Arduino. Vi điều khiển nhận tín hiệu điều khiển vòi phun xăng (nguyên thủy) sau đó chia thành hai nhánh tín hiệu điều khiển với thời gian mỗi nhánh được xác định theo tỷ lệ nhiên liệu cần cung cấp. Phương pháp này giúp chúng ta tận dụng được toàn bộ cấu
107
trúc của hệ thống phun xăng cũ, giúp cho việc cải tạo hệ thống nhiên liệu của động cơ gọn nhẹ, đơn giản.
VÒI PHUN 1
VÒI PHUN 2
VÒI PHUN 3 (-)
(+)
(-) (+)
Acquy
OUT (+)
PWM GND
DC (-) DC (+)
OUT (-) OUT
(+)
PWM GND
DC (-) DC (+)
OUT (-) OUT
(+) A
R D U I N O U N O
0 1 2 3 4 5 6 8 9 10
7 11 12 13 AREF
A0 A1 A2 A3 A4 A5 RESET 5V GND
POWER DIGITAL(PWM)
VIC
ANALOGIN
PWM GND
DC (-) DC (+)
OUT (-)
MP1584
GND
3,5V GND
Rgi?
l?p
GND VCC SDA SCL bi?n tr?
Hình 4.10: Sơ đồ nối dây mạch vi điều khiển
Sơ đồ mạch vi điều khiển hệ thống phun đa nhiên liệu được trình bày trên hình 4.10. Trong sơ đồ này chúng ta thiết kế thêm cổng điều khiển vòi phun thứ ba để sử dụng khi nghiên cứu phun 3 loại nhiên liệu xăng, ethanol và LPG riêng rẽ.
4.3.2.2. Sơ đồ kết nối ICU điều khiển phun LPG-ethanol và ECM của động cơ Sơ đồ kết nối cụ thể của ICU điều khiển phun LPG-ethanol và ECM của động cơ như hình 4.11. Xung điều khiển vòi phun xăng của động cơ trước khi cải tạo được đưa vào chân số 3 của vi điều khiển Arduino thông qua IC cách ly quang PC817. Tín hiệu điều khiển vòi phun LPG được xuất ra từ chân 8 còn tín hiệu điều
108
khiển vòi phun ethanol được xuất ra từ chân 9. Biến trở điều chỉnh tỉ lệ độ rộng xung ethanol/LPG được đấu vào cực GND, cực dương 5V và chân analogue Ao. Các tín hiệu điều khiển vòi phun dẫn đến chân điều khiển các Mosfet cách ly quang.
Dòng điện điều khiển các vòi phun có điện áp 12V được cấp thông qua Mosfet.
Hình 4.11: Sơ đồ kết nối ICU điều khiển phun LPG-ethanol và ECM của động cơ Nguyên lý hoạt động của ICU như sau:
Khi ECM phát xung điều khiển vòi phun xăng (như trước khi cải tạo), vi điều khiển sẽ nhận thông tin ở chân số 3 với trạng thái RISING. Khi kết thúc xung phun, chân số 3 ở trạng thái FALLING. Các mốc thời gian ở hai trạng thái này cho phép chúng ta tính toán được độ rộng xung phun xăng và thời điểm phun. Biến trở cung cấp thông tin qua chân Ao, thông qua hàm MAP, độ rộng xung được chia thành tp_LPG và tp_Ethanol để phát tín hiệu điều khiển các vòi phun LPG và ethanol tương ứng.
ECM
ARDUINO GND 3 Ao
8 +5V
9 PC817
Xung điều khiển vòi phun xăng
Vòi phun LPG
Vòi phun Ethanol +12V
Mosfet HW-532BLR7843
Biến trở
109 4.3.2.3. Sơ đồ thuật toán điều khiển các vòi phun
Hình 4.12. Sơ đồ thuật toán điều khiển các vòi phun
Hình 4.12 giới thiệu sơ đồ thuật toán điều khiển các vòi phun được cài đặt vào vi điều khiển. Ethanol ở trạng thái lỏng, có nhiệt ẩn bốc hơi cao nên cần được phun trước để lợi dụng lúc nhiệt độ đường nạp còn cao cho việc bốc hơi, LPG phun ngay sau đó. Hình 4.13 giới thiệu xung xác định ĐCT, xung đánh lửa, xung vòi phun LPG
- Khai báo tham số - Khai báo các thư viện Arduino sử dụng
- Gán các chân vi điều khiển Cài đặt trạng thái ban đầu các chân vi điều khiển
- Chân 3 : INPUT_PULLUP - Chân 8 : OUT PUT
- Chân 9 : OUT PUT
Điều kiện kích hoạt chân 3 RISING/FALLING Xác định trạng thái chân 3
RISING : Thời điểm bắt đầu xung phun xăng FALLING: Thời điểm kết thúc xung phun xăng
Độ rộng xung phun xăng Độ rộng xung phun
Ethanol
Thời điểm bắt đầu phun Ethanol
Thời điểm kết thúc phun Ethanol
Thời điểm bắt đầu phun LPG
Thời điểm kết thúc phun LPG
Độ rộng xung phun LPG
110
và xung vòi phun ethanol. Xung điều khiển các vòi phun chỉ xuất hiện trong kỳ nạp. Xung đánh lửa chỉ xuất hiện vào cuối kỳ nén.
Hình 4.13: Xung xác định ĐCT, xung phun LPG, xung phun ethanol và xung
đánh lửa
Các hình 4.14 a, b, c, d giới thiệu sự thay đổi độ rộng các xung phun khi tăng tải động cơ.
Hình 4.14: Biến thiên độ rộng các xung điều khiển vòi phun ethanol và LPG khi tăng tải động cơ
Khi bướm ga mở rộng, độ rộng xung điều khiển vòi phun xăng do ECM phát ra tăng, khi đó ICU tự động điều chỉnh độ rộng các xung phun LPG, ethanol tương
111
ứng. Luận án này chỉ tập trung nghiên cứu hệ thống điều khiển các vòi phun ethanol và LPG, không nghiên cứu điều chỉnh góc đánh lửa sớm. Vì vậy xung đánh lửa do ECM của động cơ điều khiển.