MỤC LỤC

MỤC LỤC..................................1

LỜI NÓI ĐẦU.......................................................................................... 5

Chương 1: TỔNG QUAN........................................................................ 6

1.1.Đặt vấn đề........................................................................................... 6

1.2. Giới thiệu về hệ thống phun xăng điện tử........................................... 8

1.2.1. Lịch sử phát triển và phân loại........................................................ 9

1.2.1.1. Lịch sử phát triển......................................................................... 9

1.2.1.2. Phân loại.................................................................................... 11

1.2.2. Kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử.....13

1.2.2.1. Kết cấu của hệ thống EFI điển hình............................................ 13

1.2.2.2. Nguyên lý hoạt động ................................................................. 15

1.3. So sánh các chế độ làm việc của hệ thống phun xăng và hệ thống dùng chế hòa khí...............22

1.3.1. Chế độ không tải........................................................................... 22

1.3.2. Chế độ tăng tốc............................................................................. 22

1.3.3. Chế độ khởi động.......................................................................... 23

1.3.4. Chế độ sấy nóng............................................................................ 25

1.3.5. Chế độ toàn tải.............................................................................. 27

1.3.6. Chế độ giảm tốc độ đột ngột......................................................... 27

Chương 2: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ TRÊN XE MÁY......29

2.1. Lựa chọn và lắp đặt các cảm biến..................................................... 29

2.1.1. Cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP)...................................... 29

2.1.2. Cảm biến tốc độ và cảm biến thời điểm......................................... 30

2.1.3. Cảm biến nhiệt độ động cơ............................................................ 32

2.1.4. Cảm biến vị trí bướm ga................................................................ 33

2.1.5. Cảm biến Lambda......................................................................... 35

2.2. Các thành phần khác........................................................................ 37

2.2.1. Vòi phun....................................................................................... 37

2.2.2. Bơm nhiên liệu.............................................................................. 39

2.2.3. Bộ ổn định áp suất........................................................................ 40

Chương 3: THIẾT KẾ ECU.................................................................... 42

3.1. Sơ đồ thiết kế mạch cứng ECU......................................................... 42

3.2. Chọn linh kiện chế tạo ECU............................................................. 46

3.2.1. Sơ đồ chân của ATMEGA8535..................................................... 46

3.2.2. Sơ đồ khối của ATMEGA8535..................................................... 50

3.2.3. Mạch giao tiếp máy tính RS232.................................................... 50

Chương 4: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN..................... 55

4.1. Phân tích quá trình xử lý tín hiệu vào của ECU............................... 55

4.1.1. Chuyển đổi tương tự - số (A/D)..................................................... 55

4.1.2. Chuyển đổi xung – số.................................................................... 57

4.1.3. Chuyển đổi từ tín hiệu on/off sang số............................................ 58

4.2. Phân tích quá trình điều khiển ra của ECU...................................... 58

4.2.1. Cơ sở điều khiển vòi phun............................................................. 58

4.2.2. Cơ sở điều khiển đánh lửa............................................................. 59

4.2.3. Điều khiển van không tải............................................................... 60

4.2.4. Phương pháp điều khiển kim phun................................................ 61

4.2.5. Phương pháp điều khiển đánh lửa................................................. 67

4.2.5.1. Cấu tạo của hệ thống đánh lửa trực tiếp..................................... 68

4.5.5.2. Sơ đồ điều khiển góc đánh lửa sớm............................................ 69

4.2.6. Hiệu chỉnh góc đánh lửa theo các chế độ làm việc của động cơ..... 69

4.2.6.1. Chế độ khởi động....................................................................... 70

4.2.6.2. Chế độ sau khởi động................................................................. 70

4.2.6.3. Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo nhiệt độ động cơ................... 71

4.2.6.4. Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo sự ổn định của động cơ ở chế độ không tải...............72

4.2.7. Điều khiển bơm xăng..................................................................... 73

4.3. Sơ đồ thuật toán điều khiển phun xăng và đánh lửa lập trình.......... 73

4.3.1. Thuật toán điều khiển chung......................................................... 73

4.3.2. Thuật toán điều khiển phun xăng ở chế độ khởi động................... 75

4.3.3. Thuật toán điều khiển phun xăng ở chế độ chuyển tiếp khởi động-không tải..............76

4.3.4. Thuật toán khiển phun xăng ở chế độ không tải........................... 77

4.3.5. Thuật toán điều khiển phun xăng ở chế độ chuyển tiếp không tải-ổn định...............78

4.3.6. Thuật toán khiển phun xăng ở chế độ ổn định.............................. 80

4.3.7. Thuật toán điều khiển phun xăng ở chế độ chuyển tiếp ổn định-không tải................81

4.3.8. Thuật toán điều khiển đánh lửa..................................................... 82

Chương 5: CHẠY THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ......... 84

5.1. Xây dựng góc đánh lửa sớm theo tải trọng và tốc độ động cơ.......... 84

5.2. Xây dựng bộ tham số lượng nhiên liệu phun theo tải và tốc độ động cơ..............86

5.3. Giới thiệu về xe thử nghiệm.............................................................. 88

5.4. Quy trình thử nghiệm xe trên băng thử............................................. 90

5.5. Kết quả thực nghiệm......................................................................... 90

5.6. Chạy trên đường............................................................................... 92

KẾT LUẬN............................................................................................ 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................... 94

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ thì điều khiển tự động được áp dụng rất nhiều vào các lĩnh vực sản xuất, nghiên cứu cũng như các lĩnh vực khác của đời sống xã hội, đặc biệt là ngành động cơ đốt trong thì việc điều khiển tự động hóa các quá trình của động cơ là rất cần thiết.

Hiện nay trên thế giới hệ thống phun xăng điện tử cho xe máy đã được sử dụng rộng rãi. Ở Việt Nam, xu hướng hiện nay là thay thế hệ thống nhiên liệu sử dụng bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun xăng điện tử. Qua quá trình học tập và nghiên cứu em thấy rằng việc thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun xăng điện tử là cần thiết. Với bộ điều khiển ECU cho phép điều chỉnh chính xác lượng nhiên liệu theo từng chế độ tải trọng của động cơ, nhờ đó cải thiện được đặc tính mô men cũng như tăng tính kinh tế của động cơ và giảm  lượng khí thải độc hại ra môi trường. Với những lý do trên em chọn đề tài “Thiết kế ECU cho hệ thống phun xăng điện tử trên xe máy Super Dream”. Với đề tài này em hy vọng sẽ góp phần nâng cao chất lượng dòng sản phẩm động cơ xe máy sản xuất tại Việt Nam.

Em xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của: PGS.TS……..……… cũng như sự giúp đỡ tạo điều kiện của các thầy cô giáo trong bộ môn Cơ Khí Ôtô đã giúp em hoàn thành đề tài này. Nhưng do chưa có nhiều kinh nghiệm và trình độ bản thân còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai xót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, sự chỉ bảo của các thầy cô cũng như các bạn sinh viên để em có thể ứng dụng đề tài này tốt hơn trong thực tế.

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1.Đặt vấn đề

Theo thống kê của cục đăng kiểm hiện nay nước ta có gần 27 triệu xe máy mà đa phần trong số đó sử dụng hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí và hệ thống đánh lửa thông thường, đây là những hệ thống có nhiều nhược điểm như:

+ Do sử dụng họng tiết lưu nên làm tăng tổn thất cơ khí, giảm hệ số nạp của động cơ.

+ Khi muốn lắp thêm bộ xúc tác khí xả do không duy trì được l = 1 nên hiệu suất của bộ xúc tác không cao.

+ Góc đánh lửa sớm được giữ cố định do đó không phù hợp với tải trọng và tốc độ của động cơ.

+ Hệ số nạp được nâng cao do không có họng khuyếch tán.

+ Có thể điều khiển hệ số dư lượng không khí  λ=1 ở chế độ hoạt động chính của động cơ do vậy có thể kết hợp với bộ xúc tác khí xả ba thành phần làm giảm nồng độ các thành phần độc hại trong khí thải động cơ.

1.2. Giới thiệu về hệ thống phun xăng điện tử

Chữ EFI ở phía sau thân của các ôtô đời mới và trên động cơ là chữ viết tắt của Electronic Fuel Injection, có nghĩa là hệ thống điều khiển phun xăng bằng điện tử. Hệ thống này cung cấp hỗn hợp nhiên liệu cho động cơ một cách tối ưu. Tuy nhiên, tùy theo chế độ làm việc của động cơ, ECU thay đổi tỷ lệ khí- nhiên liệu để luôn luôn cung cấp cho động cơ một hỗn hợp hòa khí tối ưu. 

1.2.1.Lịch sử  phát triển và phân loại

1.2.1.1.Lịch sử  phát triển

Vào thế kỷ 19, một kỹ sư người Mỹ- 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. Đầu thế kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ 4 kỳ tĩnh tại (nhiên liệu dùng trên động cơ này là dầu hỏa nên hay bị kích nổ và hiệu quả 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. 

1.2.1.2.Phân loại hệ thống phun xăng điện tử

Tùy thuộc vào các tiêu chí mà ta có các cách phân loại hệ thống phun xăng khác nhau.

Dựa vào cách thức phun người ta phân thành hệ thống phun xăng đơn điểm và hệ thống phun xăng đa điểm. Hệ thống phun xăng đơn điểm ( single point) hay còn gọi là hệ thống phun xăng trung tâm, toàn bộ động cơ chỉ có một vòi phun ở đường ống nạp chung cho tất cả các xilanh.

Dựa vào các cách phân loại trên, trong thực tế có rất nhiều hệ thống phun xăng với đặc điểm phun là tổ hợp của các hình thức phân loại trên như:

- Hệ thống K- Jetronic: Đây là hệ thống phun xăng đa điểm, liên tục điều khiển bằng cơ khí.

- Hệ thống L- Jetronic và D- Jetronic: Đây là hệ thống phun xăng đa điểm, phun gián đoạn và điều khiển bằng điện tử.

1.2.2. Kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử

1.2.2.1. Kết cấu của hệ thống EFI điển hình

Hình 1.2 là sơ đồ của một hệ thống EFI điển hình bao gồm bộ điều khiển trung tâm ECU nhận các tín hiệu từ các cảm biến đầu vào như cảm biến đo áp suất khí nạp, cảm biến nhiệt độ khí nạp,cảm biến nhiệt độ động cơ, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến ôxy, cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến thời điểm, cảm biến kích nổ. 

1.2.2.2.Nguyên lý hoạt động

EFI có thể chia thành ba hệ thống : hệ thống nhiên liệu, hệ thống nạp khí và hệ thống điều khiển điện tử. 

+ Hệ thống nạp khí:

Không khí đi từ lọc gió qua cảm biến lưu lượng khí nạp rồi đến bướm ga và van khí phụ (nếu có điều khiển không tải), qua đường dẫn khí đến các xilanh của động cơ.

+ Hệ thống nhiên liệu:

Nhiên liệu từ bình xăng được đưa đến bơm nhiên liệu, qua lọc nhiên liệu đến vòi phun khởi động lạnh ( nếu có) và bộ ổn định áp suất tới các vòi phun.

1.3. So sánh các chế độ làm việc của hệ thống phun xăng điện tử và hệ thống dùng chế hòa khí

1.3.1.Ở chế độ không tải chuẩn:

+ Đối với bộ chế hòa khí:

Bướm ga hầu như đóng kín, xăng không được hút ra từ họng chính vì độ

chân không của họng nhỏ, mà xăng được hút qua đường không tải thông với không gian sau bướm ga. Lúc ấy trong xilanh có hệ số khí xót rất lớn, muốn cho động cơ chạy ổn định cần có hòa khí đậm (λ=0,6). Do hòa khí rất đậm sẽ gây ra suất tiêu hao nhiên liệu rất lớn và lượng độc hại của thành phần khí xả bao gồm CO và HC rất lớn.

+ Đối với hệ thống phun xăng điện tử:

Để tạo một thành phần hòa khí hoàn hảo nhất thì thông thường nó được thực hiện bằng  hai van khí chỉ điều chỉnh riêng thành phần không khí. Còn lượng xăng đưa vào bao nhiêu được quyết định bởi tốc độ động cơ. Hệ thống này ưu việt hơn hẳn bộ chế hòa khí, do trong chế hòa khí xăng được đưa vào chế độ không tải là nhờ độ chân không sau bướm ga hoàn toàn không điều khiển được lượng xăng còn hệ thống phun xăng điện tử lượng xăng đưa vào được tính toán một cách chính xác. 

1.3.2. Ở chế độ tăng tốc

+ Đối với bộ chế hòa khí

Khi đột ngột tăng tốc, hỗn hợp trở nên nhạt đột ngột, một lượng nhiên liệu sẽ được bù thêm vào trong suốt quá trình tăng tốc. Hơn nữa trong một thời gian ngắn khi tăng tốc động cơ chấp nhận sử dụng hỗn hợp có λ = 9  để đạt được moment cực đại.

+ Đối với hệ thống phun xăng điện tử

Cũng tương tự bộ chế hòa khí cần thêm nhiên liệu để hỗn hợp không bị nhạt. Để đảm bảo lượng xăng chính xác tạo cho quá trình chuyển tiếp được tốt và đạt sức kéo lớn trong khi tăng tốc thì tín hiệu được xác định lượng nhiên liệu  phun cần thiết dựa trên nhiệt độ động cơ và sự thay đổi đột ngột vị trí bướm ga.

1.3.4. Quá trình sấy nóng động cơ (Quá trình không tải nhanh)

+ Đối với động cơ dùng chế hòa khí cổ điển thường không được thiết kế hệ thống sấy do đó những động cơ sử dụng chế hòa khí thường bị tổn thất rất lớn làm tụt công suất thời kỳ khởi động lạnh

+ Đối với động cơ phun xăng quá trình sấy nóng động cơ bắt đầu sau khi khởi động. Trong suốt quá trình sấy nóng động cơ phải cần thêm một lượng nhiên liệu nữa để bù vào phần nhiên liệu đọng trên thành vách xilanh khi xilanh còn còn nguội. 

1.3.5. Chế độ toàn tải

Ở chế độ toàn tải động cơ đạt công suất lớn nhất tại λ = 0,9÷0,95 do đó đối với cả động cơ sử dụng chế hòa khí và động cơ phun xăng tại chế độ toàn tải lượng nhiên liệu được đưa thêm vào để động cơ đạt đựoc moment cực đại. Động cơ phun xăng hỗn hợp được làm đậm thêm bằng cách tăng thời gian phun tùy theo loại động cơ và kiểu ôtô, mức độ làm đậm khi chạy toàn tải tùy thuộc vào các giá trị đã được lập trình từ trước. 

Chương 2: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ TRÊN XE MÁY

2.1.Lựa chọn và lắp đặt cảm biến:

2.1.1.Cảm biến áp suất đường ống nạp:

Khác với hệ thống L- Jetronic, trên hệ thống phun xăng D- Jetronic lượng khí nạp vào xilanh được xác định gián tiếp thông qua cảm biến đo áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp. Khi tải thay đổi sẽ làm cho áp suất tuyệt đối trong đường ống nạp thay đổi và MAP sensor sẽ chuyển thành tín hiệu điện áp báo về ECU để tính ra lượng không khí đi vào xilanh.Sau đó dựa vào giá trị này và tín hiệu tốc độ động cơ, ECU sẽ điều khiển thời gian mở kim phun và thời điểm đánh lửa.

2.1.2. Cảm biến tốc độ quay và cảm biến thời điểm

Hai cảm biến này gửi về ECU hai tín hiệu, tín hiệu thời điểm mang thông tin về thời điểm bắt đầu tính toán góc đánh lửa sớm của từng xylanh, thời điểm mở kim phun nhiên liệu và tín hiệu vòng quay cho ECU biết tốc độ động cơ trong quá trình tính toán lượng nhiên liệu phun và góc đánh lửa sớm; ngoài ra tín hiệu này còn tạo xung nhịp để thay đổi góc đánh lửa sớm.

 2.1.3. Cảm biến nhiệt độ động cơ

Mục đích của cảm biến nhiệt độ động cơ  là báo cho ECU  biết giá trị nhiệt độ của động cơ để ECU  hiệu chỉnh lại lượng nhiên liệu phun và góc đánh lửa cho phù hợp.

Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các phương pháp chính sau đây:

Phương pháp quang dựa trên sự phân bố bức xạ nhiệt do dao động nhiệt ( hiệu ứng Doppler).

2.1.5. Cảm biến Lambda

Mục đích của cảm biến Lambda là đo liên tục nồng độ khí xả và hiệu chỉnh liên tục lượng xăng phun ra tùy theo kết quả đo, thông qua ECU.

Có 2 loại cảm biến khí xả bao gồm cảm biến oxygen và cảm biến hòa khí nghèo. Cảm biến oxygen có 2 loại. Loại thứ nhất sử dụng một ống Sứ ZrO₂, loại này khi làm việc tạo ra điện áp ≈ 0 ÷ 1V, loại thứ 2 sử dụng ống bằng Titan, khi làm việc điện trở thay đổi tùy theo hàm lượng O₂ trong khí xả. Cảm biến hòa khí nghèo khi làm việc làm thay đổi dòng nuôi. Ở đây ta chỉ xét loại cảm biến oxygen sử dụng ống ZrO₂. Hình 2.5 là kết cấu của cảm biến Lambda loại ZrO₂.

Sự chênh lệch điện áp giữa hai bề mặt chỉ xuất hiện khi có sự chênh lệch về tỉ lệ khí O₂ giữa hai bề mặt. Và chênh lệch này sẽ gia tăng đột ngột tại vị trí λ ≈ 1 do quan hệ giữa điện áp với tỷ số giữa áp suất oxy của không khí tiêu chuẩn và áp suất oxy của khí xả là quan hệ hàm logarit

Khi  λ = 0,9 điện áp trên hai cực < 0,2V

Khi  λ = 1,1 điện áp trên hai cực  > 0,8V

2.2. Các thành phần khác:

2.2.1. Vòi phun

Nguyên lý hoạt động của vòi phun xăng là khi chưa có dòng điện chạy qua cuộn dây của nam châm điện 3, lò xo ép kim phun 5 xuống đế. Lúc này vòi phun ở trạng thái đóng kín. Khi có dòng điện kích thích, nam châm điện sẽ hút lõi từ 4, và kim phun được nâng lên khoảng 0,1mm. 

+ Trở kháng cao có một biện pháp là điều khiển theo dòng điện

+Trở kháng thấp có hai biện pháp điều khiển là điều khiển theo điện áp dùng điện trở phụ và điều khiển theo dòng điện.

2.2.2. Bơm nhiên liệu

Trong các hệ thống điều khiển phun xăng ngày nay để đảm bảo an toàn thì người ta hay sử dụng bơm xăng đặt trong thùng và đây cũng là loại bơm được em lựa chọn trong việc thiết kế hệ thống. Sau đây chúng ta sẽ đi tìm hiểu loại bơm này.

2.2.3. Bộ ổn định áp suất

Bộ ổn định áp suất là ổn định áp suất nhiên liệu đến các vòi phun. Lượng phun nhiên liệu được điều khiển bằng chu kỳ của tín hiệu cung cấp đến các vòi phun. Mặc dù vậy, do sự thay đổi độ chân không trong đường ống nạp, lượng phun nhiên liệu sẽ thay đổi một chút thậm chí nếu tín hiệu phun và áp suất không đổi. 

Chương 3: THIẾT KẾ ECU

3.1. Sơ đồ thiết kế mạch cứng ECU:

 Hình vẽ thể thiện sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển phun xăng và đánh lửa lập trình bao gồm các bộ phận

+ Khối tạo nguồn 5V thông qua vi mạch ổn áp LM 7805

+ Khối các tín hiệu đầu vào: Khối nhận tín hiệu tương tự (cảm biến áp suất khí nạp, cảm biến bướm ga, cảm biến nhiệt độ động cơ, cảm biến lambda), khối nhận tín hiệu on/off (tín hiệu khởi động, tín hiệu không tải), khối nhận tín hiệu dạng xung là cảm biến tốc độ động cơ.

3.2. Chọn linh kiện chế tạo ECU

Thông thường các hãng chế tạo ECU thường thiết kế tăng cường khả năng tích hợp trên một chíp giúp giảm bớt số linh kiện phân lập trong ECU, điều này gây khó khăn khi sửa chữa các ECU hiếm trên thị trường do không tìm được linh kiện. 

Vi xử lý chính là ATMEGA8535

Các linh kiện khác được chọn trên cơ sở đảm bảo tính tương thích, dòng tiêu thụ thấp, phổ biến trên thị trường.

3.2.1. Sơ đồ chân của ATMEGA8535

Sử dụng kiến trúc RISC AVR

AVR kiến trúc RISC có chỉ tiêu chất lượng cao và tiêu thụ ít năng lượng.

+ 118 lệnh mạch, hầu hết được thực hiện trong 1 chu kỳ xung nhịp.

+ 8 kbytes RAM flash lập trình được ngay trên hệ thống, điều này cho phép ta có thể thay đổi chương trình điều khiển mà không cần lấy chíp ra khỏi mạch.

+ Giao diện nối tiếp SPI để lập trình hệ thống.

+ Chịu được 100000 lần ghi/xóa

3.2.3. Mạch giao tiếp máy tính RS232

Truyền thông qua cổng RS-232 là kiểu truyền thông phổ biến nhất khi sử dụng vi điều khiển giao tiếp với thiết bị ngoại vi. RS-232 cổng truyền nối tiếp không đồng bộ. Phương pháp truyền theo từng bit nối tiếp này có thể chia ra thành hai phần : cách mà các byte dữ liệu ban đầu được phân chia dữ liệu thành dạng nối tiếp để truyền và cách mà các dữ liệu nối tiếp này được truyền theo cách vật lý trên các dây dẫn.

Địa chỉ cơ bản của cổng nối tiếp COM1 là 3F8h

Địa chỉ cơ bản của cổng nối tiếp COM2 là 2F8h

Việc truyền dữ liệu xảy ra trên 2 đường dẫn qua chân ra TxD, gửi dữ liệu của nó đến thiết bị khác. Trong khi đó dữ liệu mà máy tính nhận được dẫn đến chân RxD, các tín hiệu khác đóng vai trò như tín hiệu hỗ trợ khi trao đổi thông tin và vì thế không phải trong mọi ứng dụng đều dùng đến.

Chương 4 : XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN

4.1. Phân tích quá trình xử lý tín hiệu vào của ECU

Ta đã biết vi xử lý chỉ làm việc với tín hiệu số vì vậy các tín hiệu từ các cảm biến khi đưa vào ECU đều phải được chuyển đổi sang tín hiệu số trước khi đưa vào vi xử lý. Các tín hiệu đưa vào ECU bao gồm tín hiệu tương tự (ANALOG), tín hiệu xung, và tín hiệu dạng on/off. Dưới đây ta sẽ xét riêng từng dạng tín hiệu.

4.1.1. Chuyển đổi tương tự – số (A/D)

Tuỳ theo dạng của f và g mà ta có thể kết luận được về bản chất của tín hiệu u, i nói trên.

Khác với tín hiệu tương tự, tín hiệu số (digital) chứa thông tin ở vị trí các xung hay sự thay đổi đột ngột của biên độ (so với tín hiệu thời gian chuẩn) còn trị số tuyệt đối của biên độ xung thì không quan trọng.

a. Sai số tĩnh

Khi thực hiện chuyển đổi các tín hiệu tương tự thành các tín hiệu số với số bit hữu hạn thường xuất hiện sai số hệ thống.  

Bên cạnh sai số hệ thống do lượng tử hoá còn có sai số cũng đáng kể do kết cấu của mạch gây ra. Nếu các điểm giữa của các bậc trên đường gấp khúc vẽ ở hình 4.2 được nối liền với nhau thì ta được một đường thẳng với một hệ số góc nhất định xuất phát từ gốc toạ độ (đường nét đứt). 

b. Sai số động

Khi sử dụng ADC trong các mạch xử lý tín hiệu, do tín hiệu đầu vào liên tục biến động vì vậy phải tiến hành lấy mẫu tín hiệu qua các khoảng thời gian bằng nhau, gọi là chu kỳ lấy mẫu. Các dữ liệu thu được sau đó sẽ chuyển sang số nhờ mạch ADC. Để có thể phục hồi được chính xác tín hiệu tương tự thì việc lấy mẫu cần phải thoả mãn điều kiện là tần số lấy mẫu ít nhất phải lớn hơn hai lần tần số lớn nhất của tín hiệu. 

4.1.2. Chuyển đổi xung – số

Cũng như tín hiệu tương tự, tín hiệu xung cũng cần phải được chuyển đổi thành tín hiệu số trước khi đưa vào vi xử lý. Dạng thông tin mà tín hiệu xung muốn truyền là tần số xung hay số lần xuất hiện xung dương trong một đơn vị thời gian.

4.2. Phân tích quá trình điều khiển ra của ECU

Các cơ cấu chấp hành do ECU điều khiển bao gồm vòi phun chính, IC đánh lửa, van không tải… Các cơ cấu này chỉ làm việc được với tín hiệu xung, vì thế cần phải chuyển đổi từ tín hiệu số thành tín hiệu xung.

4.2.1. Cơ sở điều khiển vòi phun

Việc thay đổi lượng nhiên liệu phun được thay đổi bằng độ rộng xung điều khiển vòi phun còn thời điểm phun được điều khiển bằng tín hiệu thời điểm G

Ở đây ta quan tâm chủ yếu đến biện pháp thay đổi độ rộng xung phun.

4.2.2. Cơ sở điều khiển đánh lửa

Khác với điều khiển phun xăng, ở đây do luôn luôn phải đảm bảo góc ngấm điện cho bôbin là hằng số vì thế thời điểm bắt đầu cấp điện cho bôbin không phải từ lúc xuất hiện xung thời điểm G mà phải xuất hiện sớm hơn xung thời điểm nhằm đảm bảo góc ngấm điện là đủ cho bôbin và độ mở sớm hơn xung thời điểm này phải được thay đổi theo số vòng quay nhằm đảm bảo góc ngấm điện luôn luôn giữ ổn định.

4.2.4. Phương pháp điều khiển kim phun:

4.2.4.1. Nguyên lý điều khiển kim phun:

Trong quá trình hoạt động của động cơ, ECU liên tục nhận được những tín hiệu đầu vào từ các cảm biến. Qua đó, ECU sẽ tính ra thời gian mở kim phun. Quá trình mở và đóng kim phun diễn ra ngắt quãng. Thời gian mở kim phun phụ thuộc vào xung điều khiển. 

4.2.4.2. Điều khiển thời gian phun nhiên liệu:

Thời gian phun nhiên liệu thực tế được xác định bằng hai đại lượng sau:

- t_b: Thời gian phun cơ bản chủ yếu dựa vào áp suất khí nạp và tốc độ động cơ

- t_c: Thời gian hiệu chỉnh được dựa vào các cảm biến còn lại.

 Thời gian phun nhiên liệu là tổng của 2 đại lượng trên

t= t_b + t_c

4.2.4.3. Điều khiển kim phun khi khởi động:

Trong quá trình khởi động, rất khó xác định chính xác lượng khí nạp vào và do có sự thay đổi lớn của tốc độ động cơ. Vì lí do này, ECU lấy từ trong bộ nhớ thời gian phun cơ bản tương ứng với nhiệt độ động cơ. Sau đó ECU cộng thêm thời gian hiệu chỉnh theo điện áp ắc quy để tạo ra thời gian phun thực tế t_i. Tỷ lệ hòa khí ở chế độ này thường rất đậm (λ= 0,4÷0,8 ) tùy theo nhiệt độ thân động cơ.

4.2.4.4. Điều khiển thời gian phun ở chế độ chuyển tiếp khởi động- không tải

Để quá trình chuyển tiếp từ chế độ khởi động sang không tải không diễn ra đột ngột chúng ta cần có một quá trình chuyển tiếp giữa hai giai đoạn này. Trong đồ án này tôi sử dụng số vòng quay động cơ như là một biến thời gian trong quá trình chuyển tiếp và quá trình chuyển tiếp từ khởi động sang không tải diễn ra trong khoảng 20 vòng quay động cơ. Sau thời gian khởi động động cơ, ECU sẽ xác định thời gian phun bằng cách:

 t_i = t_b + t_c + t_ắcquy – t_hc

t_c : chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ động cơ, nhiệt độ khí nạp, cảm biến bướm ga…

t_b : chịu ảnh hưởng bởi tín hiệu lượng không khí nạp và tốc độ của động cơ

Thời gian phun cơ bản t_b được xác định tùy theo loại phun xăng.

4.2.4.7. Chế độ tăng tốc

Chế độ tăng tốc được thể hiện thông qua sự thay đổi đột ngột của vị trí bướm ga từ nhỏ sang lớn. Do vậy khi ECU nhận ra sự tăng tốc của động cơ thông qua sự thay đổi đột ngột của cảm biến vị trí bướm ga ECU sẽ phun thêm một lượng nhiên liệu trong môt khoảng thời gian để cải thiện quá trình tăng tốc của động cơ. Mức độ phun thêm tỷ lệ với độ thay đổi đột ngột của cảm biến vị trí bướm ga.

4.2.4.10. Chế độ cắt nhiên liệu khi động cơ vượt quá tốc độ

Chế độ này nhằm đảm bảo độ bền của động cơ cũng như an toàn của người sử dụng. Nhiên liệu sẽ được phun trở lại khi tốc độ động cơ giảm xuống một giới hạn nào đó.

4.2.5. Phương pháp điều khiển đánh lửa

Để động cơ hoạt động hiệu quả phát huy được tính năng kinh tế kỹ thuật  thông qua việc điều khiển lượng nhiên liệu phun kết hợp với điều khiển đánh lửa là sự lựa chọn số một trên các dòng xe ôtô hiện đại. Trong đồ án này việc điều khiển đánh lửa được chúng em thực hiện thông qua hệ thống đánh lửa trực tiếp nhờ những ưu điểm sau:

- Dây cao áp ngắn hoặc không có dây cao áp nên giảm sự mất mát năng lượng, giảm điện dung ký sinh và giảm nhiễu vô tuyến trên mạch thứ cấp.

- Không có con quay chia điện nên không có khe hở giữa mỏ quẹt và dây cao áp.

- Bỏ được các chi tiết cơ dễ hư hỏng và phải chế tạo bằng các vật liệu cách điện tốt như con quay chia điện, chổi than, nắp delco.

4.2.6. Hiệu chỉnh góc đánh lửa theo các chế độ làm việc của động cơ

Động cơ có khả năng thích ứng rất cao. Từ lúc khởi động và trong suốt quá trình làm việc, chế độ làm việc động cơ luôn luôn thay đổi. Tùy từng chế độ làm việc của động cơ mà ECU thực hiện việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm đúng với bản đồ góc đánh lửa sớm lý tưởng như ở chế độ khởi động, chế độ cầm chừng, chế độ hâm nóng sau khởi động, chế độ chống kích nổ…đảm bảo hiệu suất động cơ cao nhất cũng như giảm ô nhiễm và tiêu hao nhiên liệu.

4.2.6.1. Chế độ khởi động

Góc đánh lửa sớm được đặt ở một giá trị nhất định, không thay đổi trong suốt quá trình khởi động.

4.2.6.2. Chế độ sau khởi động

Khi động cơ đã khởi động xong, góc đánh lửa sớm sẽ được hiệu chỉnh theo công thức

θ = θ_bd +θ_cb +θ_hc

θ : góc đánh lửa sớm thực tế

θ_bd :góc đánh lửa sớm ban đầu phụ thuộc vào cảm biến vị trí điểm chết trên

θ_cb : góc đánh lửa sớm cơ bản là góc đánh lửa được lưu vào bộ nhớ của ECU phụ thuộc vào tốc độ và độ mở bướm ga.

θ_hc : góc đánh lửa hiệu chỉnh.

4.2.6.4. Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo sự ổn định của động cơ ở chế độ không tải

Ở chế độ không tải, tốc độ động cơ bị dao động do tải trọng động cơ thay đổi. Việc hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm có tác dụng làm ổn định tốc độ động cơ.

4.3. Sơ đồ thuật toán điều khiển phun xăng và đánh lửa lập trình

Trên cơ sở các thiết bị phần cứng đã được chọn tôi tiến hành xây dựng các sơ đồ thuật toán điều khiển phun xăng và đánh lửa.

4.3.1. Thuật toán điều khiển chung

Sau khi bật khóa điện ECU sẽ được cấp điện và sẵn sàng điều khiển quá trình phun xăng theo các chế độ của động cơ.

Mỗi chế độ hoạt động của động cơ được đặc trưng bởi một biến trạng thái. Khi biến này được set lên trạng thái tích cực “on” , ECU sẽ tự động nhẩy xuống đoạn chương trình điều khiển lượng nhiên liệu phun ở chế độ đó.

4.3.2. Thuật toán điều khiển phun xăng ở chế độ khởi động

Khi chúng ta bật khóa điện ECU sẽ được cấp điện và hoạt động ở chế độ chờ và quét vòng liên tục.

Khi có tín hiệu báo khởi động động cơ (bấm nút khởi động) tín hiệu này sẽ được đưa tới ECU và ECU sẽ set bit khoi_dong=on  và chuyển hệ thống về chế độ khởi động.

4.3.4. Thuật toán điều khiển phun xăng ở chế độ không tải

Ở chế độ này ECU sẽ kiểm tra liên tục độ mở bướm ga thông qua cảm biến vị trí bướm ga. Nếu giá trị này lớn hơn giá trị bướm ga ở vị trí không tải, ECU sẽ chuyển hệ thống sang chế độ chuyển tiếp từ không tải sang có tải bằng cách set bit chuyen_tiep_KT_OD=on.

4.3.5. Thuật toán điều khiển phun xăng ở chế độ chuyển tiếp không tải- ổn định

Cũng như chế độ chuyển tiếp từ khởi động sang không tải, chế độ này là quá trình đệm nhằm mục đích để động cơ chuyển tiếp từ không tải sang có tải được êm dịu. Quá trình này cũng diễn ra sau 20 vòng quay của động cơ.

4.3.7. Thuật toán điều khiển phun xăng ở chế độ chuyển tiếp ổn định- không tải

Cũng như chế độ chuyển tiếp từ không tải sang ổn định. Chế độ này là quá trình đệm nhằm mục đích để động cơ chuyển tiếp từ có tải sang không tải được êm dịu. Quá trình này cũng diễn ra sau 20 vòng quay của động cơ.

Ở chế độ này, ECU sẽ kiểm tra liên tục giá trị của bien_chay ( thể hiện số vòng quay của động cơ). Nếu giá trị của bien_chay >20, ECU sẽ chuyển hệ thống sang chế độ không tải bằng cách set bit idle=on.

Chương 5 : CHẠY THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM

5.1. Xây dựng góc đánh lửa sớm theo tải trọng và tốc độ động cơ

Việc xác định góc đánh lửa sớm tối ưu được xác định bằng thực nghiệm theo tốc độ và tải trọng động cơ theo tiêu chí đảm bảo công suất động cơ phát ra lớn nhất khi mà nhiệt độ động cơ đã ở trạng thái ổn định (lớn hơn 60ºC). Việc xây dựng thực nghiệm thông qua xây dựng các đường đặc tính tải của động cơ  cách thức thực hiện như sau:

Tốc độ động cơ được chia thành các khoảng đều nhau từ 500vòng/phút đến 9000vòng/phút, tải trọng động cơ được chia thành 11 khoảng đều nhau từ không tải đến toàn tải thông qua cảm biến độ mở bướm ga. Ở mỗi đường đặc tính, tốc độ động cơ được giữ cố định bởi băng, ứng với mỗi vị trí của tải trọng ta tiến hành điều chỉnh góc đánh lửa sớm để tìm ra một góc đánh lửa sớm mà ứng với nó công suất động cơ đạt giá trị lớn nhất và đó cũng chính là góc đánh lửa sớm tối ưu ứng với mức tải  và tốc độ đó.

5.2. Xây dựng bộ tham số lượng nhiên liệu phun theo tải và tốc độ động cơ

Bộ tham số lượng nhiên liệu phun phụ thuộc vào tải và tốc độ động cơ được xây dựng bằng thực nghiệm tại phòng thử nghiệm xe máy thuộc phòng thí nghiệm động cơ đốt trong AVL. Việc xây dựng bộ tham số khi động cơ đã chạy ổn định (nhiệt độ động cơ lớn hơn 60ºC, vị trí tay ga được cố định). Với tiêu chí là điều chỉnh lượng nhiên liệu phun ở mỗi chế độ để đảm bảo hệ số dư lượng không khí λ=1. 

Bảng kết quả này sẽ được nhập vào ECU, thông qua bảng số liệu này ECU sẽ tính ra lượng nhiên liệu phun trong một chu trình ở chế độ tải và tốc độ trung gian theo thuật toán nội suy.

5.3. Giới thiệu về xe thử nghiệm

Xe thử nghiệm được em lựa chọn là xe Super Dream của hãng Honda, sau đây ta sẽ tìm hiểu các thông số cơ bản của xe.             

5.4. Quy trình thử nghiệm xe trên băng thử

+ Lắp đặt hệ thống phun xăng và đánh lửa điện tử lên xe

+ Lắp đặt xe lên băng thử kiểm tra các thông số của xe như áp suất của lốp sau phải đạt từ 3,5 – 4 KG/cm², lượng dầu bôi trơn.

+ Kẹp chặt bánh trước của xe bằng cơ cấu khí nén

5.5. Kết quả thực nghiệm

Thiết lập chế độ đo công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tay số 4 ứng với đường đặc tính ngoài động cơ. Dưới đây là các kết quả thí nghiệm.

5.6. Chạy trên đường

Nhằm kiểm tra tính năng sử dụng của động cơ tôi đã thử nghiệm chạy xe trên đường. Sau quá trình thử nghiệm tôi nhận thấy các chế độ làm việc của xe khá giống với xe nguyên bản, khởi động dễ dàng cả khi đề và đạp nổ, không tải khá êm, khả năng tăng tốc của xe tốt hơn, xe chạy rất ổn định.

KẾT LUẬN

Sau hơn ba tháng làm đồ án tốt nghiệp dưới sự hướng dẫn tận tình của: PGS.TS…………….. cũng như toàn thể các thầy cô giáo trong bộ môn Cơ Khí Ôtô, tôi đã phần nào thành công trong việc thiết kế và chế tạo thử nghiệm ECU trong hệ thống phun xăng điện tử trên xe máy SUPER DREAM 100cc, cải thiện được tính kinh tế, tính hiệu quả của động cơ.

Tuy nhiên do thời gian còn hạn hẹp nên trong đề tài không đưa ra được sự so sánh về sự phát thải các khí thải độc hại của hai hệ thống nhiên liệu, cũng như việc lắp đặt hoàn chỉnh hệ thống trên xe. Trong thời gian tới tôi sẽ tiếp tục hoàn thiện những thiếu xót của hệ thống, và hy vọng có thể đưa được hệ thống vào thực tế.

                                                                              Hà Nội, Ngày … tháng … năm 20….

                                                                              Sinh viên thực hiện

                                                                          ……………..

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Nguyễn Tất Tiến. Nguyên lý động cơ đốt trong. NXB giáo dục, Hà Nội 2003.

[2]. Phạm Minh Tuấn. Động cơ đốt trong. NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2003.

[3]. Võ Nghĩa., Lê Anh Tuấn. Tăng áp động cơ. NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2004.

[4]. Ngô Diên Tập, Kỹ thuật vi điều khiển với AVR. NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2003.

[5]. Nguyễn Doãn Phước. Lý thuyết điều khiển tuyến tính. NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2005.

 "TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"