Tăng cơng suất, tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu khí xả độc hại vào mơi trường là những vấn đề các hãng xe luơn vươn tới, bởi vậy hệ thống nhiên liệu ngày càng được phát triển.
- Sự phát triển của hệ thống EFI:
Hệ thống phun xăng điện tử EFI đã xuất hiện từ năm 1950 nhưng phải đến năm 1980 hệ thống mới thực sự phát triển rộng rãi ở Châu Âu. Trên những mẫu xe hiện tại vẫn sử dụng hệ thống EFI, tuy nguyên lý cơ bản khơng thay đổi nhưng nhờ cơng nghệ điện tử phát triển đã giúp cho hệ thống ngày nay càng hồn thiệt và đạt hiệu quả cao hơn rất nhiều. Trong hệ thống EFI bao gồm hệ thống thống phun xăng đơn điểm, hệ thống phun xăng hai điểm và hệ thống phun xăng đa điểm. Tùy thuộc vào kết cấu và chức năng của xe mà các hệ thống được lựa chọn. Ví dụ: hệ thống phun xăng đơn điểm cĩ cấu tạo đơn giản, chi phí chế tọa rẻ nên thường chỉ xuất hiện ở xe nhỏ. Ngồi ra, hiện nay các xe chủ yếu sử dụng hệ thống phun xăng đa điểm, với vịi phun bố trí gần xupap hút nên giảm được nhiên liệu thất thốt, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí độc hại ra mơi trường.
- Sự ra đời của hệ thống phun xăng trực tiếp (GDI):
Hệ thống phun xăng trực tiếp (GDI) sử dụng vịi phun phun nhiên liệu trực tiếp vào trong buồng cháy với áp suất lớn. Hỗn hợp cháy sẽ hình thành bên trong buồng đốt. Động cơ sử dụng hệ thống phun xăng trực tiếp vào buồng cháy (Duratec Sci)tiết kệm nhiên liệu và cho khí thải sạch. Nhiên liệu giảm từ 6-8%, mang lại lợi ích kinh tế lớn.
Động cơ phun xăng trực tiếp cĩ khả năng tiết kiệm nhiên liệu đặc biệt dưới điều kiện hỗn hợp cháy nghèo (tức ít xăng và nhiều khơng khí), như trong điều kiện khơng tải như chỉ cĩ một phần của buồng cháy cĩ hỗn hợp cháy. Ở các động cơ thường thì khác, chúng cần hỗn hợp đậm đặc hơn để tạo cơng suất lớn hơn khi chạy khơng tải, chúng cĩ xu hướng hoạt động với lượng nhiên liệu vượt quá so với lượng khơng khí bởi bướm ga lúc này gần như đĩng. Hệ thống Duratec SCi cĩ một cách thơng minh để khắc phục hiện tượng này bằng cách sử dụng các van điều khiển xốy trong đường nạp cho phép chống cản và bĩp hỗn hợp. Vì thế mà động cơ tiết kiệm được nhiên liệu
Kết quả là tạo nên một quá trình cháy hiệu quả với một lượng phun nhiên liệu giảm đáng kể trong khi vẫn đủ cơng suất khi gia tốc tại tốc độ thấp. Ngồi van điều khiển xốy, cơng nghệ Sci cịn thêm các cơng nghệ nổi trội :
+ Phun nhiên liệu trực tiếp và buồng cháy thay vì phun trên đường ống nạp. + Thiết kế pít tơng đặc biệt, dạng lõm khơng đối xứng, để phân lớp nhiên liệu đậm đặc gần bougie;
+ Hệ thống nhiên liệu tương tự như hệ thống commom rail ở động cơ diesel đạt hiệu suất lên đến 120bar, cùng với khả năng phun nhiên liệu chính xác cao;
+ Hệ thống xả phức tạp, gồm 3 đường xúc tác và bộ xúc tác DeNOx giúp giảm thiếu tối đa khí độc hại;
+ Bougie năng lượng cao, đánh lửa trực tiếp với 4 điện cực được thiết kế đặc biệt cho kiều đánh lửa phân lớp.
Cùng với sự phát triển của hệ thống phun xăng, hệ thống đánh lửa điện tử ra đời và thay thế hồn hệ thống đánh lửa cơ khí. Quá trình phát triển hệ thống đánh lửa bắt đầu từ điều khiển bằng má vít với cơ cấu điều khiển đánh lửa sớm bằng chân khơng hoặc ly tâm. Sau đĩ phát triển hệ thống đánh lửa kiểu bán dẫn và kiều bán dẫn cĩ ESA (đánh lửa sớm bằng điện tử). trong hệ thống đánh lửa bán dẫn thường, gĩc đánh lửa sớm vẫn sử dụng như hệ thống đánh lửa bằng má vít. Hệ thống đánh lửa bán dẫn kểu ESA thì gĩc đánh lửa sớm được điều khiển bằng bộ điều khiển điện tử ECU. Hiện nay, trên các động cơ gần đây, đã sử dụng hệ thống đánh lửa trực
tiếp. Đây là hệ thống đánh lửa hiện đại nhất ngay nay. Thay vì sử dụng bộ chia điện, hệ thống này sử dụng bobine đơn hoặc đơi cung cấp điện áp cao áp trực tiếp cho các bougie, thời điểm đánh lửa sớm được điều khiển bởi ESA của ECU động cơ.
Hiện nay trên ơ tơ con các động cơ hầu hết đã sử dụng hệ thống phun xăng và đánh lửa được điều khiển bằng ECU. Trên các động cơ này, bộ điều khiển điện tử (ECU- Electronic Control Unit) điều khiển lượng phun nhiên liệu và thời điểm tối ưu theo các chế độ vận hành của động cơ. Vì vậy bài tốn về thời điểm đánh lửa, thời gian phun nhiên liệu, giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường luơn là vấn đề cấp bách đặt ra cho các hãng xe ơ tơ trước tình hình giá xăng tăng, ơ nhiễm mơi trường do khí xã tăng theo.
CHƢƠNG 2
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN 2.1. Đặt vấn đề
Trong quá trình tính tốn thiết kế thì việc lên ý tưởng, phương án thiết kế, nghiên cứu và đánh giá các mặt ưu nhược điểm của các phương án đĩ để từ đĩ chọn ra một phương án thích hợp nhất và hiệu quả nhất là vơ cùng quan trọng vì bước này tiết kiệm cho chúng ta được rất nhiều thời gian và chi phí để thiết kế và thử nghiệm các phương án thiết kế khơng hợp lý.
Với xu hướng phát triển này, trong chương 2 này chúng tơi sẽ đưa ra phương án, lựa chọn phương án “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo board mạch điều khiển phun xăng, đánh lửa điện tử trang bị trên ơ tơ hiện đại”. Đây là hệ thống rất quan trọng đối với động cơ xăng.
Mục đích của việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo board mạch điều khiển phun xăng, đánh lửa điện tử trang bị trên ơ tơ hiện đại là:
- Thỏa mãn được niềm đam mê, được nghiên cứu một phần nào đĩ về điều khiển tự động trên ơ tơ. Là cơ sơ, nền tảng cho việc nghiên cứu khoa học tiếp theo.
- Cĩ thể ứng dụng vào thực tiễn trên xe máy. Ví dụ như thay bộ chế hịa khí trên xe máy bằng phun xăng, đánh lửa điện tử.
Vì vậy để phù hợp với điều kiện thực tế, cũng như việc điều chỉnh các thơng số kỹ thuật khác trong quá trình thử nghiệm sau này thì trong đề tài này chúng tơi sẽ xây dựng board mạch dựa trên cơ sở lý thuyết và nguyên lý làm việc của thiết bị điều khiển phun xăng L-EFI, đánh lửa điện tử. Hệ thống phun xăng, đánh lửa điện tử trong board mạch này khi thiết kế thỏa mãn yêu cầu và chất lượng đặt ra, các chỉ tiêu chất lượng phải tốt nhất theo tiêu chuẩn tối ưu là boar mạch thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm được vật liệu, đảm bảo bền và năng lượng tiêu thụ board mạch thấp, linh kiện sử dụng trong board mạch cĩ sẵn trên thị trường việc lắp đặt, sữa chữa dễ dàng và thuận lợi.
2.2. Phân tích các phƣơng án thiết kế chế tạo
Qua quá trình học tập và thực tập chuyên ngành điện điện tử ơ tơ cùng với kiến thức được trang bị từ mơn tự động hĩa ơ tơ. Việc thiết kế hệ thống quản lý động cơ được dựa trên nhiều cơ sở. Tuy nhiên điều cần làm ở đây là thiết kế hệ thống quản lý động cơ tối ưu nhất, thích hợp nhất nhưng vẫn mang lại hiệu suất cao và giá thành rẽ và đảm bảo độ tin cậy của sản phẩm thiết kế. Vậy nên ở đây nhĩm thiết kế xét tới ba phương án làm cơ sở xây dựng và thiết kế board mạch.
Thiết kế board mạch theo ECU cĩ sẵn.
Thiết kế board mạch dựa vào thực tế của động cơ.
Kết hợp giữa ECU cĩ sẵn và thực tế của động cơ.
2.2.1. Phƣơng án 1: Thiết kế board mạch theo ECU cĩ sẵn
Là việc nghiên cứu, phân tích một ECU cĩ sẵn của hãng xe nào đĩ từ cấu tạo, nguyên lý hoạt động, sơ đồ mạch điện, cách bố trí linh kiện trên một board mạch và lấy cơ sở đĩ để thiết kế hoặc để cải tiến một ECU khác. Với việc thiết kế board mạch theo ECU cĩ sẵn trên thị trường này sẽ cĩ những ưu, nhược điểm sau.
- Ƣu điểm:
+ Cơ sở để thiết kế board mạch sẽ hồn thiện hơn.
+ Đảm bảo tuổi thọ nâng cao, chất lượng, tính ổn định của board mạch. + Nhỏ gọn, bố trí sắp xếp các linh kiện hợp lý.
- Nhƣợc điểm:
+ Nguồn tài liệu tham khảo hạn chế, tài liệu chỉ mang tính bản quyền. + Thời gian cho việc nghiên cứu lâu dài.
+ Việc tiếp xúc với các loại ECU cĩ sẵn trên thị trường cịn hạn chế. + Chi phí thiết kế, thử nghiệm board mạch trong phương án này cao.
+ Linh kiện thiết kế cho phần cứng trong ECU cĩ sẵn này ít được tiếp xúc, trên thị trường thì rất ít khi gặp linh kiện này.
+ Việc thay thế, sữa chữa cao.
+ Việc viết chương trình điều khiển cho board mạch phức tạp.
2.2.2. Phƣơng án 2: Thiết kế board mạch dựa vào thực tế của động cơ
Thiết kế board mạch dựa vào thực tế của động cơ là việc khảo nghiệm các thơng số kỹ thuật của một động cơ mẫu về các giá trị phần cứng của cảm biến, cơ cấu chấp hành và các chế độ hoạt động của động cơ để đưa ra bản đồ thời gian phun xăng và bản đồ gĩc đánh lửa của động cơ đĩ. Phương án này đã cĩ những ưu nhược điểm sau.
- Ƣu điểm:
+ Tài liệu tham khảo, báo chí, sách vở, nguồn internet nhiều.
+ Linh kiện sử dụng trong thiết kế board mạch, dễ hiểu, cĩ nhiều trên thị trường với giá thành hợp lý.
+ Sửa chữa, thay thế dễ dàng.
+ Phương án viết chương trình, cơng thức tính tốn sử dụng trong board mạch được đơn giản hĩa.
- Nhƣợc điểm:
+ Khảo sát động cơ mẫu cần nhiều thời gian và kinh phí.
+ Trang thiết bị khơng đủ để khảo sát hết các giá trị của động cơ mẫu. + Độ chính xác, tin cậy chưa được cao do sự sai số linh kiện trong board mạch, các tín hiệu đầu vào chưa ổn định.
+ Board thiết kế chưa nhỏ gọn, do linh kiện điện tử, dây dẫn lớn.
2.2.3. Phƣơng án 3: Kết hợp giữa ECU cĩ sẵn và thực tế của động cơ.
Phương án 3 này chính là sự kết hợp những ưu điểm nổi bật và khắc phục những hạn chế của hai phương án nêu trên. Để từ đĩ thiết kế một board mạch hồn thiện hơn, đạt yêu cầu tốt nhất.
- Ƣu điểm:
+ Ý tưởng cho việc thiết kế, chế tạo rõ ràng hơn và sản phẩm nhỏ gọn, cĩ tính thẩm mỹ cao và đạt các tính năng hiện đại.
+ Board mạch thuận tiện hơn nhờ việc nạp lại chương trình để phù hợp với phần cứng.
+ Cĩ các thêm tính năng hiển thị trực tiếp lên màn hình LCD như tốc độ động cơ, giá trị của tín hiệu đầu vào và đèn led báo tín hiệu đầu ra….
- Nhƣợc điểm:
+ Kết cấu board mạch phức tạp.
2.3. Lựa chọn phƣơng án thiết kế 2.3.1. Phƣơng án thiết kế 2.3.1. Phƣơng án thiết kế
Qua phân tích ba phương án trên, mỗi phương án đều cĩ những ưu, nhược điểm riêng. Nhưng ở phương án 3 cĩ nhiều ưu điểm, để tính tốn thiết kế:
- Phù hợp với điều kiện thực tế, nghiên cứu và hướng phát triển của đề tài. - Giảm được thời gian và kinh phí cho việc khảo nghiệm trên động cơ mẫu. - Linh kiện điện tử sử dụng trong board mạch, phổ biến trên thị trường thích hợp với việc nghiên cứu tìm hiểu và sáng tạo của sinh viên.
- Nâng cấp và thay đổi chương trình cho boar mạch nhiều lần.
Vì vậy chúng tơi chọn phương án 3 làm cơ sở để thiết kế cho board mạch.
2.3.2. Phƣơng án điều khiển phun xăng điện tử
Phương án điều khiển phun xăng của đề tài dựa vào cở sở lý thuyết và nguyên lý làm việc của thiết bị điều khiển phun xăng đa điểm (L - EFI), kết cấu phun xăng sau:
Chú thích hình (2.3).
1:Bình Xăng, 2:Bơm xăng điện, 3:Lọc Xăng, 4: Dàn phân phối, 5: Bộ điều chỉnh áp suất xăng, 6: Bộ giảm dao động áp suất, 7: Bộ điều khiển trung tâm, 8:Boobin đánh lửa, 9:Bộ chia, 10: Bugi, 11: Vịi phun, 12: Vịi phun khởi động lạnh; 13: Vít chỉnh khơng tải, 14:Bướm ga, 15: Cảm biến vị trí bướm ga, 16: Lưu lượng khơng khí nạp, 17: Cảm biến nhiệt độ khí nạp, 18: Cảm biến lamda, 19: Cảm biến KNK, 20: Cảm biến nước làm mát, 21: Thiết bị bổ sung khi chạy ấm máy, 22: Vít điều chỉnh khi chạy khơng tải, 23: Cảm biến vị trí trục khuỷu, 24: Cảm biến tốc độ động cơ, 25: Accu, 26: Cơng tắc khởi động, 27: Rơle chính, 28: Rơle bơm xăng.
2.3.2.1. Phƣơng án bố trí kim phun
Hệ thống phun xăng phân biệt theo vị trí lắp đặt kim phun chia làm 2 loại.
Phun đơn điểm.
Phun đa điểm.
o Phun xăng đơn điểm.
Phun xăng đơn điểm là sử dụng một vịi phun duy nhất cho tất cả các xylanh, xăng được phun vào đường nạp trên bướm ga, hỗn được tạo thành trên đường nạp.
- Ƣu điểm:
Kết cấu đơn giản.
Chi phí lắp đặt khơng cao.
Kiểm tra bảo dưỡng, thay thế nhanh chĩng. - Nhƣợc điểm:
Tốc độ dịch chuyển của hịa khí tương đối thấp do nhiên liệu được phun ở vị trí xa supap hút và khả năng thất thốt trên đường ống nạp.
Các xylanh trên cùng một động cơ nhận được lượng hỗn hợp cháy khơng đồng nhất.
Phun xăng đa điểm.
Phun xăng đa điểm là mỗi kim phun cho từng xylanh được bố trí gần supap hút.
- Ƣu điểm:
Cĩ thể cấp hỗn hợp khí nhiên liệu đồng điều đến từng xyanh.
Do kim phun bố trí gần supap hút nên dịng khí nạp trên ống gĩp hút cĩ khối lượng thấp sẽ đạt tốc độ xốy lốc cao, nhờ vậy, nhiên liệu sẽ khơng cịn thất thốt trên đường chân ống nạp và hịa khí sẽ được trộn tốt hơn, nhiên liệu cháy tốt.
Tiết kiệm nhiên liệu, tăng hiệu suất động cơ và giảm hơi độc hại của khí thải.
- Nhƣợc điểm:
Kết cấu phức tạp. Giá thành lắp đặt cao.
Kết luận do yếu tố bắt buộc như, nâng cao cơng suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu, giảm lượng khí thải độc hại. Để đáp ứng những chỉ tiêu như vậy nhĩm thực hiện chọn phương án bố trí kim phun đa điểm.
2.3.2.2. Phƣơng án điều khiển kim phun
Hệ thống phun xăng chia làm ba loại điều khiển kim phun sau:
Độc lập.
Từng nhĩm.
Đồng loạt.
Độc lập
Điều khiển phun độc lập là tất cả các kim phun được điều khiển riêng lẻ theo thứ tự đánh lửa được xác định trước, nhiên liệu được phun độc lập cho từng xi lanh mỗi lần sau hai vịng quay của trục khủyu.
Từng nhĩm
Điều khiển phun từng nhĩm là mỗi cặp kim phun (cặp 1-4 và cặp 3-2 được điều khiển một cách đồng loạt), nhiên liệu được phun cho mỗi nhĩm mỗi lần sau hai vịng quay trục khuỷu.
Hình 2.6 Phương pháp phun độc lập
Đồng loạt
Điều khiển phun đồng loạt là tất cả các kim phun được điều khiển đồng loạt, nhiên liệu được phun đồng thời vào các xilanh tương ứng một lần sau mỗi vịng quay trục khuỷu. Lượng nhiên liệu cần đốt cháy được phun trong hai lần phun.
Kết luận trong thiết kế board mạch này chúng tơi chọn phương án điều khiển kim phun độc lập với 4 vịi phun ưu điểm của phương án tăng hiệu suất của động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải ra mơi trường.
2.3.3. Phƣơng án điều khiển đánh lửa điện tử