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:
Vi mạch được phủ nhựa thơng để chống oxy hĩa và cách điện.
Dây dẫn giữa các linh kiện được tối ưu hĩa dưới dạng các đường đồng trong board mạch.
Linh kiện được hàn theo sơ đồ nguyên lý và bố trí trên board mạch.
Để kiểm tra hoạt động tốt của mạch thì lắp các led báo nguồn và các led ở đầu ra để dễ dàng theo dõi tình trạng của board mạch và màn hình LCD quan sát tín hiệu đầu vào.
Để board mạch được bảo quản tốt thì bộ ECU được đựng vào hộp để bảo quản và cĩ các cổng vào ra để thuận tiện trong việc sử dụng thử nghiệm.
Kết luận phương án phần cứng ECU phun xăng, đánh lửa phải đảm bảo cơng suất tiêu tán thấp, cĩ khả năng nâng cấp, tương thích cao và tính ổn định khi làm việc.
2.3.5. Phƣơng án lập trình cho ECU phun xăng, đánh lửa
Vi điều khiển cho ECU
- Ƣu điểm:
Cấu trúc phần cứng ECU đơn giản.
Khả năng tính tốn, xử lý, thay đổi chương trình linh hoạt theo mục đích của người sử dụng.
Cĩ giá thành thấp, sử dụng đơn giản. Linh kiện cĩ sẵn trên thị trường.
- Nhƣợc điểm:
Người sử dụng phải cĩ kiến thức điện tử cơ bản và hiểu biết rộng về linh kiện điện tử, cĩ kiến thức về lập trình.
Thiết kế mạch in phức tạp.
o Lập trình C++
- Ƣu điểm:
C++ là ngơn ngữ được dùng nhiều nhất hiện nay, đa số phần mềm thương mại được viết bằng C++. Tên của ngơn ngữ cĩ lý do: C++ bao gồm tất cả ưu điểm của C và bổ sung thêm các tính năng hướng đối tượng. Cĩ các cơng cụ thương mại và miễn phí cho gần như mọi hệ điều hành.
C là ngơn ngữ mạnh và mền dẻo (linh động). C cĩ thể sử dụng để viết hệ điều hành, trình biên dịch của ngơn ngữ khác, trình điều khiển, soạn thảo văn bản, đồ họa, bảng tính,………..
Ngơn ngữ C được sử dụng rộng rãi bởi các nhà lập trình chuyên nghiệp. Chương trình dịch cĩ hiệu quả cao: đến 80% chương trình đĩ viết trên mã máy. Ngơn ngữ C cĩ thể sử dụng khá nhiều chương trình dịch và các thư viện tiện ích.
C cĩ ít từ khĩa nên súc tích và cơ đọng.
C là ngơn ngữ cĩ cấu trúc modul thơng qua việc sử dụng các hàm.
- Nhƣợc điểm:
Ngơn ngữ C cĩ cú pháp lạ và khĩ học.
2.3.6 Sơ đồ chân ECU
Sau khi phân tích và lựa chọn phương án thiết kế để chế tạo boar mạch cho hệ thống phun xăng, đánh lửa điện tử và để hiểu rõ hơn về cấu tạo hệ thống điều khiển động cơ thì chúng tơi xin giới thiệu sơ đồ chân ECU gồm các tín hiệu sau.
Hình 2.14 Sơ đồ chân ECU
Bảng 2.1 Giới thiệu sơ đồ chân nối của ECU
Kí hiệu Tên gọi và chức năng
STA Tín hiệu khởi động
E1 Mass ECU
E01 Mass
E02 Mass
+ B Nguồn sau cơng tắc khĩa No.1, No.2 Vịi phun máy1 và máy 2 No.3, No.4 Vịi phun mát 3 và 4
FC Cơng tắc bơm xăng
BATT Nguồn 12 v
NE Tín hiệu vịng quay
G- Tín hiệu cuộn dây CB vị trí piston (-) G1 Tín hiệu cuộn dây CB vị trí piston (+) OX Tín hiệu cảm biến oxy
THA Tín hiệu cảm biến nhiệt độ khơng khí nạp
E2 Mass cảm biến
THW Tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát VS Tín hiệu cảm biến lưu lượng
VC Nguồn nuơi ECU 5v
2.4. Giới thiệu động cơ mẫu
Từ những phân tích và các phương án đã chọn ở trên. Việc thiết kế một board mạch phun xăng, đánh lửa cần phải dựa trên các số liệu của một động cơ thực tế. Cụ thể là ở đây là bảng thời gian phun và bản đồ gĩc đánh lửa. Vì vậy chúng tơi đã chọn động cơ 3S-GTE lắp trên xe TOYOTA CALDINA 2.0 làm động cơ mẫu. Động cơ 3S-GTE là động cơ xăng 4 kỳ hiện đại, động cơ sử dụng hệ thống phun xăng EFI và hệ thống đánh lửa lập trình được điều khiển bằng ECU
2.4.1. Thơng số kỹ thuật xe Toyota caldina