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
Phương án điều khiển đánh lửa được xây dựng, theo hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển gĩc đánh lửa sớm bằng điện tử chia làm ba phần: tín hiệu đầu vào, ECU và tín hiệu từ ECU ra điều khiển Igniter.
Hình 2.8 Phương pháp phun đồng loạt
Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển gĩc đánh lửa sớm bằng điện tử
Chú thích hình (2.9).
1. Tín hiệu tốc độ động cơ (Ne). 5. Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát. 2. Tín hiệu vị trí piston (G). 6. Tín hiệu điện áp accu.
3. Tín hiệu tải. 7. Tín hiệu kích nổ.
4. Tín hiệu từ cảm biến vị trí bướm ga.
2.3.3.1. Phƣơng án phân bố điện áp
Dựa vào cấu tạo ta cĩ hai loại sau:
Hệ thống đánh lửa cĩ bộ chia điện.
Hệ thống đánh lửa trực tiếp hay khơng cĩ bộ chia điện.
Hệ thống đánh lửa cĩ bộ chia điện.
Sau khi nhận tín hiệu từ các cảm biến, ECU sẽ đưa các tín hiệu này vào bộ xử lý trung tâm (CPU).Tại đây CPU sẽ xử lý các tín hiệu và đưa ra các xung tín hiệu phù hợp với gĩc đánh lửa sớm để điều khiển transistor T1tạo ra các xung IGT đưa vào Igniter các xung IGT cịn là xung dài chưa được xén sẽ được đưa vào bộ kiểm sốt gĩc ngậm (Dwell angle control). Các xung sau khi được xén sẽ điều khiển transistor cơng suất T2 đĩng ngắt mạch sơ cấp tạo ra xung điện cao thế tại bobine và được đưa đến bộ chia điện. Cực E của transistor cơng suất T2 mắc nối tiếp với cảm biến dịng sơ cấp đưa đến bộ kiểm sốt gĩc ngậm điện để hạn chế dịng sơ cấp trong trường hợp dịng sơ cấp tăng cao hơn quy định. Khi transistor T2 ngắt, bộ phát xung IGF dẫn và ngược lại, quá trình này sẽ tạo ra một xung gọi là xung IGF. Xung IGF
sẽ được gửi lại bộ xử lý trung tâm ECU để báo rằng hệ thống đánh lửa đang hoạt động. Hệ thống đánh lửa điện tử cĩ bộ chia điện cĩ những ưu nhược điểm sau:
- Ƣu điểm:
Cấu tạo đơn giản. Chi phí lắp đặt thấp.
Kiểm tra bảo dưỡng, sữa chữa nhanh chĩng.
- Nhƣợc điểm:
Dây cao áp dài, làm giảm năng lượng truyền từ bộ chia đến các đầu bougie. Tiếp điểm, khe hở trong bộ chia điện dễ hư hỏng do phĩng điện. Chi phí tốn kém cho vật liệu cách điện như mỏ quẹt, nắp delco…
Hệ thống đánh lửa trực tiếp hay khơng cĩ bộ chia điện.
Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DFI- Direct fire Ignitor) hay cịn gọi là hệ thống đánh khơng cĩ bộ chia điện được phát triển từ giữa thập kỷ 80, ngày nay được ứng dụng rộng rãi trên các loại xe. Hệ thống đánh lửa trực tiếp cĩ những ưu nhược điểm sau:
- Ƣu điểm:
Dây cao áp ngắn hoặc khơng cĩ dây cao áp nên giảm sự mất mát năng lượng, giảm điện dung ký sinh và giảm nhiễu vơ tuyến trên mạch thứ cấp.
Khơng cịn mỏ quẹt nên khơng cĩ khe hở giữa mỏ quẹt và dây cao áp. Bỏ được các chi tiết cơ dễ hỏng và phải chế tạo bằng vật liệu cách điện tốt như mỏ quẹt, chuổi than, nắp declo.
Loại bỏ được những hư hỏng thường gặp do hiện tượng phĩng điện trên mạch cao áp và giảm chi phí bảo dưỡng.
- Nhƣợc điểm:
Chi phí lắp đặt cho hệ thống đánh lửa trực tiếp cao.
Kết cấu đồng bộ nên khi hư hỏng phải thay nguyên cụm bobine.
Kết luận hệ thống đánh lửa lập trình khơng cĩ bộ chia điện ra đời nhằm khắc phục những nhược điểm của hệ thống đánh lửa lập trình cĩ bộ chia điện, do khơng cĩ tiếp điểm nên khơng cĩ sự hình thành tia lửa điện tại vị trí tiếp xúc nên
tăng độ tin cậy chính xác, ổn định rất nhiều và tăng tuổi thọ của cả hệ thống. Vậy nhĩm thực hiện chọn phương án hệ thống đánh lửa lập trình khơng cĩ bộ chia điện.
2.3.3.2. Phƣơng án sử dụng bobine
Đa số các hệ thống đánh lửa trực tiếp thuộc loại điều khiển gĩc đánh lửa sớm bằng điện tử nên việc đĩng mở transistor cơng suất trong Igniter được thực hiện bởi ECU. Hệ thống đánh lửa trực tiếp cĩ thể chia ra làm 3 loại chính sau:
Sử dụng mỗi bobine cho một bougie.
Sử dụng mỗi bobine chi từng cặp bougie.
Sử dụng một bobine cho tất cả các bougie.
o Sử dụng mỗi bobine cho một bougie.
Nhờ tần số hoạt động của mỗi bobine nhỏ và chỉ đảm nhiệm một bougie nên các cuộn dây sơ cấp, thứ cấp ít nĩng hơn. Vì vậy kích thước của bobine rất nhỏ và được gắn dính với nắp chụp bougie.
- Ƣu điểm:
Cải thiện cơng suất. Tiết kiệm nhiên liệu. Tia lửa mạnh.
Kết cấu nhỏ gọn, phù hợp trên các dịng xe hiện đại.
- Nhƣợc điểm:
Sử dụng chủ yếu trên dịng xe hiện đại. Chi phí lắp đặt khá cao.
Sử dụng mỗi bobine cho từng cặp bougie.
Các bobine đơi được gắn vào bougie của 2 xylanh song hành. Ví dụ, đối với động cơ 4 xylanh cĩ thứ tự nổ 1-3-4-2, ta sử dụng hai bobine. Bobine thứ nhất cĩ hai đầu của cuộn thứ cấp được nối trực tiếp với bougie số 1 và số 4 cịn bobine thứ 2 và số 3.
Hệ thống đánh lửa trực tiếp mỗi bobine cho từng cặp bougie, cĩ dây cao áp dẫn từ bobine đến từng cặp xilanh nên làm giảm năng lượng, độ bền của hệ thống, dẫn đến cơng suất động cơ và tính kinh tế nhiên liệu giảm.
Sử dụng một bobine cho tất cả bougie
Loại này bobine cĩ hai cuộn sơ cấp và một cuộn thứ cấp được nối với các bougie qua các diode cao áp. Do hai cuộn sơ cấp quấn ngược chiều nhau. Nên khi ECU điều khiển mở tuần tự transistor T1 và T2 điện áp trên cuộn thứ cấp sẽ đổi dấu . Tùy theo dấu của xung cao áp, tia lửa sẽ xuất hiện ở số 1 và số 4.
Hình 2.12 Hệ thống đánh lửa trực tiếp mỗi bobine cho từng cặp bougie
Diode D5 và D6 dùng để ngăn chặn ảnh hưởng từ lẫn nhau giữa hai cuộn sơ cấp (lúc T1 hoặc T2 đĩng) nhưng chúng làm tăng cơng suất tiêu hao trên Igniter.
Nhược điểm của hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng một bobine cho tất cả các bougie là chiều đánh lửa trên hai bougie cùng cặp ngược nhau dẫn đến hiệu điện thế đánh lửa chênh lệch nhau khoảng 1,5 đến 2kV.
Kết luận trong thiết kế board mạch này dựa trên hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng mỗi bobine cho từng bougie, điều khiển 4 bougie độc lập.
2.3.4. Phƣơng án phần cứng ECU phun xăng, đánh lửa
Để board mạch hoạt động tốt, ổn định và hạn chế các yếu tố tác động từ bên ngồi thì phần cứng của ECU được thực hiện tốt bởi các yêu cầu sau: