Luận văn Nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển phun xăng dùng vi điều khiển (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển phun xăng dùng vi điều khiển (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN QUỐC CƯỜNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN PHUN XĂNG DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ơ TƠ MÁY KÉO - 605246 S K C0 0 0 9 8 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2004
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN PHUN XĂNG DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN Chuyên ngành: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ ÔTÔ Mã số ngành: 605246 Họ và tên học viên: KS. Trần Quốc Cường Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Văn Dũng TP. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2004
3. LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay đa phần các xe ô tô sử dụng động cơ xăng trên thị trường thế giới đều sử dụng hệ thống phun xăng. Đây là một hệ thống có nhiều ưu điểm so với hệ thống nhiên liệu sử dụng bộ chế hòa khí như tính kinh tế và tính hiệu quả cao hơn. Hơn nữa nhờ biện pháp này có thể giảm tối đa lượng khí thải độc hại của động cơ nhằm giảm mức ô nhiễm môi trường. Hiện nay việc nghiên cứu hệ thống này trên thế giới đang rất được chú trọng vì các tiêu chuẩn về mức độ khí xả độc hại trên thế giới ngày càng khắc khe hơn. Việt nam tuy chưa áp dụng nghiêm khắc tiêu chuẩn về nồng độ ô nhiễm của khí xả ô tô nhưng sẽ phải bắt buộc áp dụng trong một tương lai gần. Để áp dụng được các tiêu chuẩn này thì biện pháp tối thiểu là động cơ phải được điều khiển cấp nhiên liệu tự động theo lập trình. Hiện nay Việt nam chưa có một liên doanh hay một nhà máy nào có thể sản xuất hoàn chỉnh toàn bộ ô tô kể cả hệ thống điều khiển nhiên liệu, mà giá thành nhập một hệ thống điều khiển nhiên liệu rất đắt. Hơn nữa khi các xe đang lưu hành tại Việt nam sử dụng hệ thống này nếu như xảy ra hư hỏng thì thường phải đặt mua tại hãng với giá rất cao hoặc thay thế bằng các hệ thống đã qua sử dụng khác đôi khi không đúng loại làm cho tính kinh tế nhiên liệu, tính hiệu quả và khả năng chống ô nhiễm khí thải không cao. Luận văn này được hoàn thành trên cơ sở thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu và chế tạo mạch điều khiển phun xăng theo lập trình bước đầu áp dụng cho động cơ Susuki sản xuất năm 1996. Đây là loại động cơ 3 xylanh sử dụng hệ thống đánh lửa trực tiếp và phương pháp điều khiển vòng kín với tiêu chuẩn khí xả khắc khe chỉ phổ biến ở thị trường Châu âu. Do đó, việc nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển phun xăng cho loại động cơ này sẽ là cơ sở và là tiền đề cho việc nghiên cứu chế tạo các loại ECU khác nhau cho các động cơ khác nhau. Với hơn 100 trang thuyết minh bao gồm 6 chương và 3 phụ lục, luận văn đã đề cập tới các vấn đề quan trọng trong quá trình thực hiện chế tạo mạch điều khiển phun xăng theo lập trình. Tuy nhiên việc nghiên cứu chế tạo ECU là một vấn đề rộng đòi hỏi phải có sự tập hợp của rất nhiều chuyên ngành và có đầy đủ thiết bị thực nghiệm, mặt khác do trình độ và thời gian có hạn nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý của Thầy Cô và các bạn đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn. Trần Quốc Cường 1
4. TÓM TẮT Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển phun xăng dùng vi điều khiển” Nội dung của đề tài được trình bày trong 6 chương: Chương 1: Chương dẫn nhập, chương này trình bày lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu. Chương 2: Lý thuyết về hệ thống điều khiển phun xăng. Chương này chủ yếu nghiên cứu về các loại cảm biến, nghiên cứu bộ điều khiển điện tử ECU và các cơ cấu chấp hành. Ngoài ra, chương này còn trình bày thuật toán điều khiển lập trình cho động cơ. Chương 3: Phương pháp tính toán thời gian mở kim phun trong D-Jetronic : phương pháp tốc độ – tỷ trọng. Ứng dụng phương pháp này để tính toán lượng phun cơ bản cho động cơ SUZUKI Cappuccino (SX 306). Phương pháp tính toán các đại lượng hiệu chỉnh như: hiệu chỉnh thời gian mở kim phun theo nhiệt độ động cơ, theo nhiệt độ khí nạp, Chương 4: Chọn các linh kiện để chế tạo mạch điều khiển phun xăng bao gồm: vi điều khiển, bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ADC, IC, transistor, Nghiên cứu lý thuyết vi điều khiển, bộ chuyển đổi AD. Chương 5: Xây dựng sơ đồ khối mạch điều khiển phun xăng, thiết kế và chế tạo mạch điều khiển phun xăng, đồng thời nghiên cứu thuật toán điều khiển phun xăng nhằm giúp cho quá trình lập trình bằng ngôn ngữ Assembly được dễ dàng. Chương 6: Thực nghiệm trên động cơ và hiệu chỉnh các bảng số liệu tính toán trên cơ sở lý thuyết ở chương 3 nhằm đạt các giá trị tối ưu. Kết luận và đề nghị 2
5. ABSTRACT Subject: “Design and manufacture fuel injection control module by using microcontroller” Chapter 1: Introduction, reasons for choosing issue, research objectives and research methodology. Chapter 2: Theory of electronic fuel injection control system. Structural analysis of ECU operations, types of sensors, actuators used in fuel injection system. Besides, this chapter also provides programmed control algorithm of internal combustion engine. Chapter 3: Method of calculating opening time of injector of D - Jetronic: speed – density method. Using this method for calculating basic amount of fuel of SUZUKI Cappuccino (SX 306) engine. How to calculate adjustable quantity such as: adjustment of opening time of injector according to parameters: water temperature, intake air temperature, ect. Chapter 4: Collecting component parts for making fuel injection control circuit: Microcontroller, Analog to Digital Converter (ADC), IC, transistor, ect. Theory of microcontroller, AD converter. Chapter 5: Constructing block diagram of fuel injection control circuit, designing and manufacturing it. Besides, studying fuel injection control algorithm in order to write programme by using Assembly language easily. Chapter 6: Testing and adjusting values calculated in chapter 3 in order to get optimal values. Conclusion and suggestion for implementation. 3
6. MỤC LỤC Lời nói đầu . . 1 Tóm tắt 2 Mục lục 4 Các chữ viết tắt . 6 Chương 1: Chương dẫn nhập. 7 1.1 Đặt vấn đề và tầm quan trọng của vấn đề 7 1.2 Mục đích nghiên cứu . 8 1.3 Đối tượng nghiên cứu 8 1.4 Phương pháp nghiên cứu . . 8 1.5 Giới hạn đề tài 9 Chương 2: Hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ ô tô .10 2.1 Khái quát về hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ .10 2.1.1 Lịch sử phát triển 10 2.1.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ và thuật toán điều khiển 11 2.2 Phân tích các cảm biến tín hiệu vào dùng cho hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ Suzuki cappucino – SX306 . .15 2.2.1 Những nguyên lý cơ bản và đặc trưng đo lường 15 2.2.2 Cảm biến áp suất đường ống nạp .16 2.2.3 Cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston 20 2.2.4 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ . .24 2.2.5 Cảm biến nhiệt độ khí nạp 27 2.2.6 Cảm biến vị trí bướm ga 28 2.2.7 Cảm biến ôxy .30 2.2.8 Tín hiệu máy khởi động 34 2.3 Các cơ cấu chấp hành 34 2.3.1 Kim phun 34 2.3.2 van điều khiển tốc độ cầm chừng 41 2.4 Bộ điều khiển điện tử 43 2.4.1 Phân tích quá trình xử lý tín hiệu của ECU .46 2.4.2 Sự cần thiết của tín hiệu vào cho các xung phun 49 2.4.3 Các chế độ vận hành vòi phun .51 2.4.4 ECU điều khiển khoảng thời gian phun nhiên liệu .51 Chương 3: Tính toán điều khiển phun xăng 53 3.1 Tính toán độ rộng xung phun cơ bản 58 3.2 Hệ số làm đậm quá trình sấy nóng động cơ 61 3.3 Hệ số làm đậm theo nhiệt độ khí nạp .62 3.4 Hệ số làm đậm phụ thuộc độ mở bướm ga .63 4
7. 3.5 Tính toán điều khiển quá trình phun nhiên liệu thời kỳ khởi động lạnh.64 3.6 Điều khiển cho quá trình sau khởi động .65 3.7 Điều khiển cho quá trình giảm tốc đột ngột .65 3.8 Điều khiển cho quá trình tăng tốc đột ngột .65 3.9 Điều khiển hạn chế tốc độ .66 3.10 Điều chỉnh Lambda .66 3.11 Hiệu chỉnh theo điện áp ắc quy 68 Chương 4: Chọn linh kiện chế tạo mạch điều khiển phun xăng dùng vi điều khiển .69 4.1 Vi điều khiển 69 4.1.1 Giới thiệu khái quát về họ vi điều khiển MSC - 51 69 4.1.2 Giới thiệu vi điều khiển AT89C52 70 4.1.3 Bộ định thời (timer) và các ngắt .79 4.2 Giới thiệu ADC 0809 .83 4.2.1 Giới thiệu ADC 0809 83 4.2.2 Nguyên lý hoạt động 85 4.2.3 Mạch tạo xung Clock cho ADC 0809 86 4.3 Các linh kiện khác .86 Chương 5: Chế tạo mạch điều khiển phun xăng .88 5.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển phun xăng 88 5.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển phun xăng .90 5.3 Sơ đồ mạch in và bố trí linh kiện 92 5.3.1 Sơ đồ mạch in .92 5.3.2 Sơ đồ bố trí linh kiện .93 5.4 Thuật toán điều khiển phun xăng .93 Chương 6: Thí nghiệm tạo số liệu cho hoạt động của mạch điều khiển phun xăng (ECU) .95 6.1 Giới thiệu động cơ .95 6.2 Tạo đường đặc tính phun thời kỳ khởi động 97 6.3 Tạo các bảng số liệu phun thời kỳ chạy ổn định .97 6.3.1 Độ rộng xung phun cơ bản .97 6.3.2 Hiệu chỉnh theo nhiệt độ động cơ 98 6.4 Một số hình ảnh thực nghiệm 98 6.5 Phân tích khí xả ở chế độ không tải 104 Phụ lục A .105 Phụ lục B .109 Phụ lục C .112 Kết luận và đề nghị 124 Tài liệu tham khảo 126 5
8. CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC : Analog to Digital Converter. : Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số. ĐCT : Điểm chết trên. ECU : Electronic Control Unit. : Bộ điều khiển điện tử. EFI : Electronic Fuel Injection. : Phun nhiên liệu điều khiển bằng điện tử. EGR : Exhaust Gas Recirculation. : Lưu hồi khí thải. EPA : Environmental Protection Agency. : Cơ quan bảo vệ môi trường. IDL : Idle. : Không tải. ISC : Idle Speed Contol. : Điều khiển tốc độ cầm chừng. ISCV : Idle Speed Control Valve. : Van điều khiển tốc độ cầm chừng. NTC : Negative Temperature Co-efficient. : Hệ số nhiệt điện trở âm. PIM : Pressure Intake Mannifold. : Aùp suất đường ống nạp. PSW : Power Switch. : Tiếp điểm toàn tải. TDC : Top Dead Center. : Điểm chết trên. VTA : Voltage Throttle Angel. : Điện áp báo góc quay của bướm ga. 6
9. Chương 1 CHƯƠNG DẪN NHẬP 1.1 Đặt vấn đề và tầm quan trọng của vấn đề: Đã hơn 118 năm kể từ khi chiếc ô tô đầu tiên trên thế giới ra đời, đến nay ô tô đã trở thành một phương tiện vận chuyển cần thiết không gì thay thế được trong xã hội loài người. So với các phương tiện giao thông khác, ô tô có vị trí vô cùng quan trọng vì tỉ lệ hành khách tham gia giao thông bằng đường bộ cao hơn hẳn so với các loại phương tiện giao thông khác, hằng năm tỷ lệ tăng trưởng trong sản xuất ôtô đạt xấp xỉ 3%. Trên thế giới hiện nay ô tô được tập trung vào sản xuất ở 14 nước, sản lượng của các công ty này chiếm trên 60% lượng ô tô trên toàn thế giới. Các công ty này là: General, Motor, Ford, Toyota, Nissan, Honda, Misubishi . Ở Việt nam hiện có 12 liên doanh lắp ráp ô tô và 39 doanh nghiệp sản xuất lắp ráp trong nước chuyên lắp ráp 2 dòng xe du lịch và thương mại. Năm 2002 ngành sản xuất ô tô trong nước đã sản xuất và tiêu thụ 28.232 xe ô tô các loại, tăng 54,37% so với năm trước, trong đó các liên doanh nước ngoài chiếm 24.550 chiếc. Đến quý 3 năm 2003, ngành đã sản xuất và tiêu thụ tổng cộng 28.8038 xe ô tô các loại, trong đó liên doanh nước ngoài chiếm 22.699 chiếc. (Số liệu do Cục đăng kiểm Việt nam cung cấp). Như vậy theo thời gian nhất là ở vào thời điểm này, khi mà nền kinh tế nước ta đang trên đà phát triển và đang trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước thì vấn đề xe ôtô gia tăng nhanh là một vấn đề cần quan tâm. Như chúng ta đã biết, hiện nay phần lớn các ô tô sử dụng ở Việt Nam và trên thế giới đều được trang bị hệ thống điều khiển điện tử để điều khiển các hoạt động của ô tô như : điều khiển phun xăng, điều khiển đánh lửa, điều khiển hệ thống phanh ABS, điều khiển hộp số, điều khiển hệ thống treo nhằm mục đích thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng cũng như các tiêu chuẩn về môi trường. Tuy nhiên, cùng với sự tăng trưởng về số lượng và chất lượng của ô tô đã làm nảy sinh một vấn đề mới đối với ôtô sử dụng hệ thống phun xăng điện tử ở Việt nam đó là: Các xe ôtô sau một thời gian sử dụng có thể bị hư hỏng hộp điều khiển điện tử ECU hay đều bị dư xăng hoặc thiếu xăng do các nguyên nhân gây ra ở trong ECU (nếu thay mới giá thành rất đắt, trong khi ở Việt nam chưa chế tạo được hộp điều khiển điện tử ECU). Dẫn đến tình trạng động 7
10. cơ không hoạt động được hoặc làm giảm tính kinh tế nhiên liệu và làm ô nhiễm môi trường xung quanh. Ô nhiễm do khí thải từ ô tô đã trở thành nguồn ô nhiễm chính đối với môi trường sống hiện nay, đặc biệt là ở các thành phố lớn điều này càng nghiêm trọng. Giá thành phụ tùng thay thế, đặc biệt là hộp ECU khá đắt. Chính từ các nguyên nhân trên và được sự hướng dẫn của Thầy PGS. TS Đỗ Văn Dũng mà người nghiên cứu chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển phun xăng theo lập trình” nhằm mục đích nghiên cứu chế tạo và tiến tới chế tạo hoàn chỉnh để thay thế các ECU đã bị hư hỏng trên ô tô, làm cơ sở để nghiên cứu chế tạo các mạch điều khiển điện tử khác và góp phần vào việc thực hiện ước mơ một ngày nào đó Việt nam sẽ tự mình sản xuất được ô tô. 1.2 Mục đích nghiên cứu: Thực hiện đề tài ‚Nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển phun xăng theo lập trình‛ nhằm giúp cho người thực hiện đề tài có điều kiện ứng dụng những kiến thức đã được trang bị ở nhà trường, đồng thời có cơ hội để tìm hiểu những kiến thức mới như lập trình hợp ngữ cũng như thực hành về Vi điều khiển Sản phẩm của đề tài có thể ứng dụng rộng rãi, trước mắt là phục vụ cho học viên, sinh viên ngành cơ khí động lực nghiên cứu về Vi điều khiển, chuyển đổi A/D Nếu phát triển đề tài hoàn chỉnh (bao gồm cả điều khiển đánh lửa theo lập trình), sẽ tạo ra một sản phẩm hữu dụng trong ngành ôtô Việt Nam. 1.3 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài này là hệ thống điều khiển điện tử gồm các thiết bị cảm biến liên tục đo các điều kiện vận hành của động cơ, bộ điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit) đánh giá các tín hiệu cảm biến, sử dụng các bảng dữ liệu và thực hiện các tính toán nhằm xác định tín hiệu ra cho các thiết bị tác động. Đồng thời nghiên cứu các bộ phận và linh kiện điện tử như : chip AT 89C52, chuyển đổi ADC, transistor nhằm lắp ráp hoàn chỉnh mạch điện tử thay thế cho ECU để điều khiển phun xăng theo lập trình. 1.4 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển phun xăng theo lập trình dựa trên cơ sở nghiên cứu: Nghiên cứu cấu tạo và mạch điện các cảm biến tín hiệu vào như : cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến áp suất đường ống nạp, cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến ô-xy, cảm biến vị trí bướm ga 8
11. Lý thuyết về hệ thống điều điều khiển phun xăng, cơ sở tính toán lượng nhiên liệu phun cơ bản và các hệ số làm đậm trong các điều kiện vận hành của ôtô. Trên cơ sở nghiên cứu như nêu trên, tiếp tục nghiên cứu các bộ phận, linh kiện điện tử và ngôn ngữ lập trình assembly. Thực nghiệm: lắp đặt trên board và viết chương trình thử nghiệm. 1.5 Giới hạn đề tài: Do các chủng loại động cơ khác nhau có kết cấu khác nhau như : sử dụng cảm biến đo tốc độ, cảm biến đo lưu lượng gió, khác nhau và dung tích xy lanh khác nhau nên không thể nào dùng chung một ECU cho các loại động cơ khác nhau. Do đó, được sự cho phép của Thầy hướng dẫn nên người thực hiện đề tài chỉ nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển phun xăng cho một loại động cơ cụ thể – động cơ SUZUKI Cappuccino (SX 306). 9
12. Chương 2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH CHO ĐỘNG CƠ Ô TÔ Trong chương này giới thiệu một số nét về hệ thống điều khiển tự động động cơ và đề cập đến những lý thuyết cơ bản về phần cứng khi thiết kế ECU. Bao gồm việc phân tích các cảm biến, dạng tín hiệu của cảm biến, cơ cấu chấp hành, phân tích quá trình xử lý tín hiệu trong ECU, các biến đổi của đầu vào và các biến đổi của đầu ra trong ECU từ đó lấy cơ sở cho việc tìm chọn linh kiện và thiết kế phần cứng một cách phù hợp đảm bảo ổn định cho quá trình làm việc của ECU. 2.1 Khái quát về hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ ô tô 2.1.1 Lịch sử phát triển Vào thế kỷ 19, một kỹ sư người Pháp ông Stevan đã nghĩ ra cách phun nhiên liệu cho một máy nén khí. Sau đó một thời gian, một người Đức đã cho phun nhiên liệu vào buồng cháy nhưng không mang lại hiệu quả nên không được thực hiện . Đầu thế kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ 4 thì tĩnh tại (nhiên liệu dùng trên động cơ này là dầu hỏa nên hay bị kích nổ và hiệu suất rất thấp). Tuy nhiên sau đó sáng kiến này đã được ứng dụng thành công trong việc chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu cho máy bay ở Đức. Đến năm 1966, hãng BOSCH đã thành công trong việc chế tạo hệ thống phun xăng kiểu cơ khí. Trong hệ thống phun xăng này, nhiên liệu được phun liên tục vào trước supap hút nên có tên gọi là K-Jetronic (K – Konstant – liên tục, Jetronic – phun). K – Jetronic được đưa vào sản xuất và ứng dụng trên các xe của hãng Mercedes và một số xe khác, là nền tảng cho việc phát triển hệ thống phun xăng thế hệ sau như KE – Jetronic, Mono – Jetronic, L – Jetronic, Motronic, Tên tiếng Anh của K – Jetronic là CIS (Continuous Injection System) đặc trưng cho các hãng xe Châu Aâu và có 4 loại cơ bản cho CIS là: K – Jetronic, K – Jetronic với cảm biến ôxy và KE – Jetronic (có kết hợp điều khiển bằng điện tử) hoặc KE – Motronic (kèm điều khiển góc đánh lửa sớm). Do hệ thống phun cơ khí còn nhiều nhược điểm nên đầu những năm 80, BOSCH đã cho ra đời hệ thống phun sử dụng kim phun điều khiển bằng điện. Có hai loại: hệ thống L – Jetronic (lượng nhiên liệu được xác định nhờ cảm biến đo lưu lượng khí nạp) và D – Jetronic (lượng nhiên liệu được xác định dựa vào áp suất trên đường ống nạp). Đến năm 1984 người Nhật (mua bản quyền của BOSCH) đã ứng dụng hệ thống phun xăng L – Jetronic và D – Jetronic trên các xe của hãng Toyota (dùng 10
13. với động cơ 4A – ELU). Đến năm 1987 hãng Nissan dùng L – Jetronic thay cho bộ chế hòa khí của xe Nissan Sunny. Song song với sự phát triển của hệ thống phun xăng, hệ thống điều khiển đánh lửa theo chương trình (ESA – Electronic Spark Advance) cũng được đưa vào sử dụng vào những năm đầu thập kỷ 80. Sau đó vào đầu những năm 90, hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS – Direct Ignition Sys tem) ra đời, cho phép không sử dụng delco và hệ thống này đã có mặt trên hầu hết các xe thế hệ mới. Ngày nay, gần như tất cả các ô tô đều được trang bị hệ thống điều khiển động cơ cả xăng và diesel theo lập trình, chúng giúp động cơ đáp ứng được các yêu cầu gắt gao về khí xả và tính tiết kiệm nhiên liệu. Thêm vào đó, công suất động cơ cũng được cải thiện rõ rệt. Những năm gần đây, một thế hệ mới của động cơ phun xăng đã ra đời. Đó là động cơ phun trực tiếp: GDI (Gasoline Direct Injection). Trong tương lai gần, chắc chắn GDI sẽ được sử dụng rộng rãi.  Ưu điểm của hệ thống phun xăng: - Có thể cấp hỗn hợp khí – nhiên liệu đồng đều đến từng xylanh. - Có thể đạt được tỷ lệ khí – nhiên liệu chính xác với tất cả các dải tốc độ động cơ. - Đáp ứng kịp thời với sự thay đổi góc mở bướm ga. - Khả năng hiệu chỉnh hỗn hợp khí - nhiên liệu dễ dàng: có thể làm đậm hỗn hợp khi nhiệt độ thấp hoặc cắt nhiên liệu khi giảm tốc. - Hiệu suất nạp hỗn hợp không khí – nhiên liệu cao. - Do kim phun được bố trí gần supap hút nên dòng khí nạp trên ống góp hút có khối lượng thấp (chưa trộn với nhiên liệu) sẽ đạt tốc độ xoáy lốc cao, nhờ vậy, nhiên liệu sẽ không còn thất thoát trên đường ống nạp và hòa khí sẽ được trộn tốt hơn. 2.1.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển lập trình động cơ và thuật toán điều khiển 2.1.2.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ Hệ thống điều khiển lập trình động cơ là một hệ thống điều khiển động cơ bằng điện tử và chương trình điều khiển đã được lập trình sẵn nhằm cung cấp một lượng nhiên liệu và một góc đánh lửa sớm tối ưu cho quá trình làm việc của động cơ. Hệ thống có thể được chia thành 3 phần với 3 chức năng khác nhau gồm: 11
14.  Các cảm biến tín hiệu đầu vào (Input sensors) giúp ECU nhận biết tình trạng hoạt động của động cơ. Các tín hiệu vào bao gồm: tín hiệu áp suất đường ống nạp mang thông tin về áp suất đường ống nạp từ đó dựa vào tốc độ động cơ và nhiệt độ khí nạp ECU sẽ tính ra được lượng không khí nạp và lượng xăng phun cơ bản. Tín hiệu nhiệt độ nước mang thông tin về nhiệt độ của động cơ, nhiệt độ khí nạp cho ECU biết nhiệt độ của không khí, đây chính là thông tin về mật độ khí nạp. Tín hiệu vị trí piston cho ECU biết vị trí ĐCT của máy chuẩn. Tín hiệu số vòng quay giúp ECU tính toán lượng nhiên liệu phun và điều chỉnh thời điểm đánh lửa.Tín hiệu vị trí bướm ga cho ECU biết động cơ đang làm việc ở chế độ tải nào và cho ECU biết thời điểm tăng tốc. Tín hiệu khởi động cho ECU biết phải phun xăng theo chế độ khởi động. Tín hiệu bật điều hòa cho ECU biết thời điểm cần tăng tốc độ cầm chừng.  ECU - Bộ điều khiển điện tử (hay Microcomputer) là bộ não của hệ thống điều khiển động cơ, là bộ phận thu nhận thông tin từ các cảm biến tín hiệu đầu vào, xử lý chúng và đưa ra các tín hiệu điều khiển các bộ tác động dựa trên cấu trúc chương trình đã được cài đặt sẵn trong EEPROM của ECU. 12
15. Sử dụng máy vi tính (microcomputer) đã đưa khoa học điều khiển động cơ sang thời kỳ rất hiện đại bằng việc gia tăng tốc độ xử lý thông tin nên cho phép hệ thống điều khiển động cơ điều khiển nhiều chức năng của động cơ. Với khả năng xử lý thông tin cực kỳ nhanh cho phép các ECU hiện đại thực hiện chương trình đã được cài đặt sẵn một cách cực kỳ chính xác. Với bất kỳ điều kiện hoạt động nào của động cơ, ECU đều có thể đưa ra các tín hiệu điều khiển phun nhiên liệu và đánh lửa là tối ưu.  Ngõ ra (outputs) là các cơ cấu chấp hành (actuators) như kim phun, bobine, van điều khiển cầm chừng, nhận tín hiệu điều khiển từ ECU để phun nhiên liệu, đánh lửa, chỉnh tốc độ cầm chừng, sao cho phù hợp nhất, 2.1.2.2 Thuật toán điều khiển lập trình Thuật toán điều khiển lập trình cho động cơ được nhà chế tạo viết và cài đặt sẵn trong CPU. Tuỳ thuộc vào từng chế độ làm việc hay tình trạng động cơ, mà ECU tính toán dựa trên lập trình có sẵn đó để đưa ra những tín hiện điều khiển sao cho động cơ làm việc tối ưu nhất. Các hệ thống điều khiển kiểu cổ điển trên ô tô thường được thiết kế với liên hệ ngược (feedback control). Mặc dù trong một hệ thống điều khiển có nhiều thông số phụ thuộc, đầu tiên ta hãy xem xét hệ thống với một thông số. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống này được trình bày như hình 2.2. Thông số điều khiển xuất hiện ở đầu ra được ký hiệu (t). Tín hiệu so R(t) đã được định sẵn. Cảm biến sẽ đưa ra tín hiệu V t tỉ lệ thuận với (t), tức là: V t ks. t Khi đó sẽ xuật hiện sự chênh lệch điện thế giữa tín hiệu thực và tín hiệu so Ve(t): Ve t R t V t Nếu hệ thống làm việc lý tưởng thì giá trị Ve(t) trong một khoảng thời gian nào đó (ví dụ ở chế độ động cơ đã ổn định) phải bằng 0. Trên thực tế giữa 2 tín hiệu nêu trên luôn có sự chênh lệch và mạch điện điều khiển điện tử sẽ dựa vào sự chênh lệch này để hình thành xung Va(t) điều khiển cơ cấu chấp hành (chẳng hạn 13
16. kim phun). Việc thay đổi sẽ tác động đến thông số đầu vào U(t) của động cơ (ví dụ tỉ lệ hòa khí). Ngày nay, có rất nhiều phương pháp điều khiển động cơ dựa trên cơ sở sử dụng máy tính để xử lý tín hiệu. Thông thường các máy tính này giải bài toán tối ưu có điều kiện biên để điều khiển động cơ. Mục tiêu của bài toán tối ưu là điều khiển động cơ đạt công suất lớn nhất với mức tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất trong các điều kiện giới hạn về độ độc hại của khí thải. Như vậy ta có thể biểu diễn hệ thống điều khiển ô tô tối ưu trong mối quan hệ của 3 vectơ sau: y y1, y2 , y3, y4 ; u u1,u2 ,u3,u4,u5 ; x x1, x2 , x3 ; Vec tơ y(t) là hàm phụ thuộc vào các thông số ở ngõ ra bao gồm các thành phần sau: y1 x t ,u t : tốc độ tiêu hao nhiên liệu. y2 x t ,u t : tốc độ phát sinh HC. y3 x t ,u t : tốc độ phát sinh CO. y4 x t ,u t : tốc độ phát sinh NOx. Vectơ x(t) mô tả tình trạng của động cơ tức điều kiện hoạt động , phụ thuộc vào các thông số: x1: áp suất trên đường ống nạp. x2: tốc độ quay của trục khuỷu. x3: tốc độ xe. Vectơ u(t) mô tả các thông số được hiệu chỉnh bởi hệ thống điện tử , bao gồm các thành phần: u1: tỉ lệ khí-nhiên liệu trong hòa khí (AFR – air fuel ratio). u2: góc đánh lửa sớm. u3: sự lưu hồi khí thải (EGR-Exhaust Gas Recirculation). u4: vị trí bướm ga. u5: tỉ số truyền của hộp số. Để giải bài toán tối ưu nêu trên với các điều kiện biên, người ta xác định mục tiêu tối ưu là lượng tiêu hao nhiên liệu F theo chu trình thử EPA - Environmental Protection Agency : 14
17. T F y x t , u t d t 1 0 Trong đó: x3(t) là tốc độ xe quy định khi thử nghiệm xác định thành phần khí thải theo chu trình EPA, T là thời gian thử nghiệm. Như vậy, động cơ đốt trong sẽ được điều khiển sao cho F luôn đạt giá trị nhỏ nhất với điều kiện biên là quy định của các nước về nồng độ các chất độc hại trong khí thải. T T y x t, u t dt G y x t, u t dt G 22 33 0 0 T y x t, u t dt G 44 0 Trong đó: G2, G3, G4 hàm lượng chất độc trong khí xả theo qui định tương ứng với HC, CO vàNOX. Trong quá trình xe chạy, các vectơ x(t), u(t) là các thông số động. Khi giải bài toán tối ưu nêu trên, ta cũng có thể đặt ra các giới hạn của vectơ này. Trên thực tế, các kết quả tối ưu thường được xác định bằng thực nghiệm và được nạp vào bộ nhớ EEPROM dưới dạng bảng tra ( look-up table). 2.2 Phân tích các cảm biến tín hiệu vào dùng cho hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ SUZUKI Cappuccino - SX 306 2.2.1 Những nguyên lý cơ bản và các đặc trưng đo lường Các đại lượng vật lý là đối tượng đo lường như nhiệt độ, áp suất được gọi là các đại lượng cần đo m1, m2, m3, Sau khi tiến hành các công đoạn thực nghiệm để đo m1, m2, m3, ta nhận được đại lượng điện tương ứng ớ đầu ra. Đại lượng điện này cùng với sự biến đổi của nó chứa đựng tất cả các thông tin cần thiết để nhận biết m1, m2, m3, . Việc đo đạc mi thực hiện được là nhờ sử dụng các cảm biến. Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần đo m không có tính chất điện và cho ta một đặc trưng mang bản chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) ký hiệu là s. Đặc trưng điện s là hàm của đại lượng cần đo m s = f(m) Trong đó s là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến và m là đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Việc đo đạc s cho phép nhận biết giá trị của m 15
18. Đại lượng cần đo Đại lượng điện Cảm biến (m) (s) Một trong những vấn đề quan trọng khi sử dụng cảm biến là làm sao cho độ nhạy của chúng không đổi nghĩa là độ nhạy ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố như giá trị đại lượng cần đo m (độ tuyến tính), tần số thay đổi của nó (dải thông), thời gian sử dụng (độ lão hóa) và ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường xung quanh. Vì cảm biến là một phần tử của mạch điện, nên có thể coi cảm biến như một máy phát trong đó s là điện tích, điện áp hay dòng và như vậy ta có cảm biến loại tích cực gọi tắt là cảm biến tích cực như cảm biến áp suất đường ống nạp,cảm biến thời điểm G, NE, kích nổ Như một trở kháng, trong đó s là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung, trường hợp này ta có cảm biến loại thụ động gọi tắt là cảm biến thụ động như cảm biến nhiệt độ nước, nhiệt độ khí nạp Khi dùng cảm biến để xác định một đại lượng cần đo, không phải chỉ có một đại lượng này tác động lên cảm biến. Trên thực tế ngoài đại lượng cần đo còn có nhiều đại lượng vật lý khác có thể gây tác động ảnh hưởng đến tín hiệu đo. Những đại lượng như vậy gọi là đại lượng ảnh hưởng hoặc đại lượng gây nhiễu . Sai số phép đo là hiệu số giữa giá trị thực và giá trị đo được. Sai số phép đo chỉ có thể được đánh giá một cách ước tính bởi vì không thể biết giá trị thực của đại lượng cần đo. Khi đánh giá sai số thường phân làm hai loại bao gồm sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Ví dụ như ta đo một đại lượng đã biết trước giá trị thực của nó, nếu như giá trị trung bình của các giá trị đo được luôn lệch khỏi giá trị thực không phụ thuộc vào số lần đo liên tiếp thì ta nói trong trường hợp này có sai số hệ thống. Còn sai số ngẫu nhiên của phép đo là sai số mà sự xuất hiện cũng như dấu và biên độ của chúng mang tính không xác định. Một số nguyên nhân của sai số ngẫu nhiên có thể dự đoán được nhưng độ lớn của chúng thì không thể biết trước. Dưới đây ta sẽ xét và đánh giá riêng các đại lượng trên của từng loại cảm biến sử dụng trong hệ thống điều khiển động cơ bằng điện tử của động cơ SUZUKI Cappuccino - SX 306 2.2.2 Cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP sensor - Manifold Absolute Pressure) Cảm biến này (đôi khi còn gọi là bộ cảm biến chân không) được dùng trên động cơ trang bị hệ thống phun xăng kiểu D-jetronic, đặt ở phía đầu đường chân không hướng thẳng đến đường ống nạp (hình 2.3), đo thể tích khí nạp một cách gián tiếp thông quasự thay đổi áp suất tuyệt đối, là hàm của tải động cơ. Cảm biến MAP có 3 loại là loại áp kế điện, loại điện dung và loại sai lệch từ tính. Phần này trình bày loại áp kế điện. 16
19. Hình 2.3 Cảm biến áp suất đường ống nạp Loại cảm biến này dựa trên nguyên lý cầu Wheatstone. Mạch cầu Wheatstone được sử dụng trong thiết bị nhằm tạo ra một điện thế phù hợp với sự thay đổi điện trở. Cảm biến bao gồm một tấm silicon nhỏ (hay gọi là màng ngăn) dày hơn ở hai mép ngoài (khoảng 0,25 mm) và mỏng ở giữa (khoảng 0,025 mm). Hai mép được làm kín cùng với mặt trong của tấm silicon tạo thành buồng chân không trong cảm biến. Mặt ngoài tấm silicon tiếp xúc với áp suất đường ống nạp. Hai mặt của tấm silicon được phủ thạch anh để tạo thành điện trở áp điện (Piezoresistor). Khi áp suất trong đường ống nạp thay đổi, giá trị của điện trở áp điện sẽ thay đổi. Các điện trở áp điện được nối thành cầu Wheatstone. Khi màng ngăn 17
20. không bị biến dạng (tương ứng với trường hợp động cơ chưa hoạt động hoặc tải lớn), tất cả bốn điện trở áp điện đều có giá trị bằng nhau và lúc đó không có sự chênh lệch điện áp giữa hai đầu cầu. Khi áp suất đường ống nạp giảm, màng silicon bị biến dạng dẫn đến giá trị điện trở áp điện cũng bị thay đổi và làm mất cân bằng cầu Wheatstone. Kết quả là giữa hai đầu cầu sẽ có sự chênh lệch điện áp và tín hiệu này được khuếch đại để điều khiển mở transistor ở ngõ ra của cảm biến có cực C treo. Độ mở của transistor phụ thuộc vào áp suất đường ống nạp dẫn tới sự thay đổi điện áp báo về ECU qua chân PIM (Pressure Intake Manifold). Sơ đồ nối dây từ cảm biến đến ECU như hình 2.4. Khi áp suất đường ống nạp tăng (gần đến áp suất khí quyển) tín hiệu điện áp PIM tăng theo tỷ lệ tương ứng. Tín hiệu cảm biến này được sử dụng như là đầu vào cho điều khiển nhiên liệu và đánh lửa trong hệ thống điều khiển động cơ đốt trong. Trong hệ thống hiệu chỉnh theo tốc độ thì việc sử dụng cảm biến áp suất hay được sử dụng hơn là cảm biến lưu lượng khí nạp MAF (Mass Air Flow), bởi vì nó rẻ hơn. Do có độ chính xác cao nên ngày càng có nhiều nhà máy sản xuất sử dụng cảm biến lưu lượng MAF trong các loại xe đời mới. Đặc tính của cảm biến MAP như hình 2.5. Dãi sai số của cảm biến áp suất MAP là 1% trong dãi nhiệt độ làm việc của động cơ, sai số có thể tăng lên khi nhiệt độ vượt giá trị tới hạn và được mô tả bởi 18
21. đường đặc tính hình 2.6. Sai số của cảm biến áp suất cũng tăng khi giá trị áp suất nằm ngoài khoảng cho phép được mô tả bởi đường đặc tính hình 2.7. Ngoài sai số do nhiệt độ hay áp suất nằm ngoài khoảng thì kết quả đo giá trị áp suất của ECU luôn luôn tồn tại sai số. Trong đó bao gồm sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Trong trường hợp này, sai số hệ thống có thể được bỏ qua bởi vì kết quả đo không phải được thông báo ra cho người sử dụng mà phục vụ ngay cho việc tính toán của ECU. Việc tính toán này được lập trong quá trình thí nghiệm trên chính phần cứng của ECU với chính loại cảm biến này do đó nếu có tồn tại sai số hệ thống thì giá trị tính ra trong quá trình thí nghiệm cũng theo sai số này và giá trị tính ra trong quá trình chạy ổn định cũng được tính theo sai số này. Điều đó dẫn tới sai số này không ảnh hưởng tới kết quả tính toán của ECU. Sai số này sẽ gây ảnh hưởng nếu như chúng ta dùng phần tính toán này cho một ECU có phần cứng khác với phần cứng của ECU thí nghiệm. Sai số ngẫu nhiên là sai số mà sự xuất hiện cũng như dấu và biên độ của chúng mang tính không xác định. Đối với cảm biến áp suất thì việc xuất hiện sai số ngẫu nhiên trong kết quả đo của ECU là không tránh khỏi nếu như ta không có biện pháp khắc phục, và sai số này sẽ gây ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tính toán lượng phun nhiên liệu. Để hiểu rõ hơn về sai số ngẫu nhiên của cảm biến áp suất ta xét đường đặc tính làm việc của cảm biến áp suất ở hình 2.8. 19
22. S K L 0 0 2 1 5 4