Thiết kế hệ thống cơ điện tử điều khiển thời điểm mở van nạp của các xi lanh động cơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH DOANH VÀ CÔNG NGHỆ HÀ NỘI
KHOA CƠ ĐIỆN TỬ
------ oOo ------

ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI 2: Thiết kế hệ thống cơ điện tử điều khiển thời điểm
mở van nạp của các xi lanh động cơ
GVHD

: Phạm Hữu Nam

SV

: Đào Ngọc Tuấn

MSV

:

Lớp

: DO23.01

Hà Nội, Ngày tháng

năm 2022


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU...........................................................................................................3
CHƯƠNG 1: NHIỆM VỤ, SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN VAN NẠP...........................................................................4
1.1 – Nhiệm vụ......................................................................................................4
1.2 – Yêu cầu.........................................................................................................4
1.3 – Hệ thống hiện tại và giải pháp......................................................................4
1.4 – Hệ thống VVT-i............................................................................................5
1.5 – Cơ cấu chấp hành........................................................................................11
1.6 - Các cảm biến và xử lý tín hiệu các cảm biến..............................................13
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN...................................19
2.1 Các thông số ảnh hưởng tới sự làm việc:......................................................19
2.2 – Phương án thiết kế......................................................................................19
3.1 – Sơ đồ mơ phỏng:.........................................................................................20
3.2 – Mơ phỏng các tín hiệu đầu vào và xử lý tín hiệu:......................................20
3.3 – Lập trình vi điều khiển:..............................................................................22
3.4 – Các thành phần để tạo mạch:......................................................................24
4 – Kết quả mô phỏng.........................................................................................29
KẾT LUẬN.............................................................................................................33


LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển của các nghành cơng nghiệp, là sự gia tăng của vấn
đề khí thải gây ô nhiễm môi trường và các nguồn năng lượng. Trong số đó khí thải
ơtơ và năng lượng dùng cho ôtô cũng góp phần làm gia tăng thêm vấn nạn này một
số lượng khơng nhỏ. Đó là những lý do thúc đẩy các hãng chế tạo ơ tơ trong và
ngồi nước hiện nay phải cải tiến và nâng cao tính ưu việt của động cơ, làm sao
phải sử dụng nhiên liệu một cách tiết kiệm nhất mà vẫn cho hiệu suất sử dụng cao
nhất.
Hệ thống phân phối khí thơng minh VVT-i đã giải quyết được vấn đề trên.
Không những tiết kiệm nhiên liệu mà cịn giảm ơ nhiễm mơi trường.

Hiện nay, sự phát triển về công nghệ và điện tử của động cơ và ô tô thay đổi
rất phức tạp, làm cho người sử dụng và cán bộ công nhân kỹ thuật ngành ơ tơ ở
nước ta cịn nhiều lúng túng và sai sót nên cẩn có những nghiên cứu cụ thể về hệ
thống điện tử trên động cơ ô tô.
Với đề tài: “Thiết kế hệ thống cơ điện tử điều khiển thời điểm mở van nạp
của các xi lanh động cơ”
Em rất mong với đề tài này em sẽ củng cố tốt hơn kiến thức của mình.
Cuối cùng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phạm Hữu Nam
đã hướng dẫn chi tiết và chỉ bảo em tận tình, giúp em vượt qua những khó khăn
vướng mắc trong khi hồn thành đơ án của mình.


CHƯƠNG 1: NHIỆM VỤ, SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN VAN NẠP
1.1 – Nhiệm vụ
Có nhiệm vụ điều khiển thời điểm mở van nạp, cho phép hỗn hợp cơng tác
(khơng khí và xăng) đi từ các đường ống nạp vào xi lanh nhờ áp xuất chân khơng
trong kì nạp và đóng kín trong các kì cịn lại (kì nén, nổ, xả).
1.2 – u cầu
- Nâng cao mô-men xoắn của động cơ, cắt giảm tiêu thụ nhiên liệu và khí thải độc
hại.
- Hoạt động êm dịu và ổn định.
- Các xupap nạp phải kín khít, tránh lọt khí trong q trình nén, nổ, xả.
- Tối ưu được lượng hỗn hợp cơng tác (khơng khí và xăng) vào xi lanh động cơ.
- Khơng khí có vai trị quan trọng trong quá trình cháy của động cơ với tỷ lệ A/F là
14,7/1 (14,7g khơng khí trên 1g nhiên liệu), có ảnh hưởng trực tiếp tới cơng suất
động cơ vì với tỷ lệ này cân bằng hóa học sẽ được cân bằng, quá trình cháy trong
động cơ sẽ được tối ưu. Các sản phẩm độc hại sau quá trình cháy như CO, HC sẽ ở
mức thấp nhất.
1.3 – Hệ thống hiện tại và giải pháp

Hiện tại: Việc đóng mở xupap là cố định và không thể điều chỉnh dẫn đến lưu
lượng khí nạp khơng đổi nên khơng thể tăng được cơng suất của động cơ.
Giải pháp: Tìm cách tác động để thời điểm đóng mở xupap, độ mở và khoảng thời
gian mở biến thiên theo từng vòng tua khác nhau sao cho chúng mở đúng lúc,
khoảng mở và thời gian mở đủ để lấy đầy hịa khí vào buồng đốt ( ví dụ như hệ
thống VVT-i của Toyota hay VTEC của Honda,..)
Tham khảo hệ thống van biến thiên VVT-i của Toyota


1.4 – Hệ thống VVT-i
Nhiệm vụ: Điều khiển thời điểm đóng mở, khoảng nâng cũng như khoảng
thời gian đóng mở xupap để tối ưu hố cơng suất làm việc của động cơ giúp nâng
cao hiệu quả làm việc, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và khí xả.
Đặc điểm: Điều khiển điện tử
Cấu tạo: Bộ xử lý trung tâm ECU; Bộ điều khiển phối khí (VVT) với các
van điện; Các cảm biến: vị trí bướm ga, lưu lượng khí nạp, vị trí trục khuỷu, nhiệt
độ nước.


Hình 1.1 – Cấu tạo hệ thống VVT-i

Sơ đồ hệ thống


Hình 1.2 – Sơ đồ hệ thống
Nguyên lý hoạt động:
Trong q trình hoạt động, các cảm biến lưu lượng khí nạp, vị trí bướm ga
và vị trí trục khuỷu cung cấp các dữ liệu chính về ECU để tính tốn thơng số phối
khí theo thời điểm phối khí mục tiêu. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ
cung cấp dữ liệu hiệu chỉnh, cịn cảm biến vị trí trục cam và vị trí trục khuỷu thì

cung cấp các thơng tin về tình trạng phối khí thực tế.


Trên cơ sở các yếu tố mục tiêu, hiệu chỉnh và thực tế, ECU sẽ tổng hợp được
lệnh phối khí tối ưu cho buồng đốt. Áp lực dầu sẽ tác động thay đổi vị trí bộ điều
khiển phối khí, mở các xu-páp nạp đúng mức cần thiết vào thời điểm thích hợp.
Các tín hiệu vào:
- Tất cả tín hiệu vào trên sơ đồ sẽ đều được gửi về ECU động cơ để ECU
tính tốn và xử lý:
Tín hiệu tốc độ và vị trí trục khuỷu.
Tín hiệu lượng khí nạp qua cửa hút.
Tín hiệu của độ mở vị trí của cảnh bướm ga.

ECU sẽ tính tốn thời điểm
phối khí mục tiêu.

Tín hiệu đo được của nhiệt độ nước làm mát.
Tín hiệu tốc độ và vị trí trục khuỷu.

ECU tính tốn thời điểm phối khí

Tín hiệu vị trí trục cam.

thực tế.

Tín hiệu đo được của nhiệt độ nước làm mát: ECU sẽ hiệu chỉnh lại và tính tốn
thời điểm phối khí.
Tín hiệu ra:
- Hiệu chỉnh hệ số xung để điều khiển van dầu phối khí.

Thời điểm phối khí được điều khiển như hình sau:

Hình 1.3 - ECU điều khiển thời điểm phối khí tối ưu.
– Khi nhiệt độ thấp, khi tốc độ thấp ở tải nhẹ hay khi tải nhẹ: Thời điểm phối
khí trục cam nạp được làm trễ lại và độ trùng lặp xupap giảm đi để giảm khí xả
chạy ngược lại phía nạp. Điều này làm ổn định chế độ không tải và cải thiện tính
kinh tế nhiên liệu và tính khởi động.
– Khi tải trung bình, hay khi tốc độ thấp và trung bình ở tải nặng: Thời điểm
phối khí được làm sớm lên và độ trùng lặp xupap tăng lên để tăng năng lượng nội
bộ và giảm mất mát do bơm. Điều này cải thiện ơ nhiễm khí xả và tính kinh tế


nhiên liệu. Ngồi ra, cùng lúc đó thời điểm đóng xupap nạp được đẩy sớm lên để
giảm hiện tượng quay ngược khí nạp lại đường nạp và cải thiện hiệu quả nạp.
– Khi tốc độ cao và tải nặng: Thời điểm phối khí được làm sớm lên và độ trùng
lặp xupap tăng lên để tăng EGR nội bộ và giảm mất mát do bơm. Điều này cải
thiện ơ nhiễm khí xả và tính kinh tế nhiên liệu. Ngồi ra, cùng lúc đó thời điểm
đóng xupap nạp được đẩy sớm lên để giảm hiện tượng quay ngược khí nạp lại
đường nạp và cải thiện hiệu quả nạp.
Hệ thống VVT-i có 3 chế độ tuỳ theo tình trạng vận hành:
Chỉnh thời điểm phối khí sớm: ECU đẩy van điều khiển dầu mở để áp suất dầu
tác động lên khoang cánh gạt phía làm sớm thời điểm phối khí, khiến trục cam nạp
quay về chiều làm sớm thời điểm phối khí.

Hình 1.4 - Áp suất dầu trong hệ thống khi làm sớm thời điểm phối khí.


Chỉnh thời điểm phối khí muộn: ECU đẩy van điều khiển dầu mở để áp suất dầu
tác động lên khoang cánh gạt phía làm muộn thời điểm phối khí, khiến trục cam

nạp quay về chiều làm muộn thời điểm phối khí.

Hình 1.5 - Áp suất dầu trong hệ thống khi làm muộn thời điểm phối khí.
Giữ nguyên thời điểm phối khí: Sau khi ECU tính tốn và đặt thời điểm phối khí
chuẩn, van điều khiển dầu sẽ duy trì đường dầu đóng để giữ ngun thời điểm phối
khí hiện tại.

Hình 1.6 - Áp suất dầu trong hệ thống khi giữ thời điểm phối khí.


1.5 – Cơ cấu chấp hành

Hình 1.9 – Vị trí van

Hình 1.7 – Cấu tạo Van điều khiển dầu phối khí (van điện từ tuyến tính)


Nhiệm vụ:
Van điều khiển phối khí OCV (Oil Control Valve): là một van điện từ, hoạt
động theo sự điều khiển (tỷ lệ hiệu dụng) từ ECU động cơ để điều khiển vị trí của
van ống và phân phối áp suất dầu cấp đến bộ điều khiển VVT-i để phía làm sớm
hay làm muộn. Khi động cơ ngừng hoạt động, thời điểm phối khí xupap nạp được
giữ ở góc muộn tối đa.
ECU sẽ sử dụng tín hiệu xung vng để điều khiển cường độ điện qua cuộn
dây và điều khiển van trượt. Van thuộc loại 5/3 (5 đầu nối ,3 vị trí).

Hình 1.8 - Tín hiệu xung điều khiển từ ECU đến van OCV.
Ngun lý hoạt động:
Chế độ chưa có dịng điện đi qua cuộn dây lị xo sẽ ln đẩy van trượt sang
phải (hình 1.7). Đóng đường dầu lên bầu cam ở phía sớm và mở đường phía muộn

ứng với chế độ làm muộn thời điểm phối khí (ở tốc độ thấp hoặc chế độ khởi động
của động cơ).
Chế độ khi có dịng điện đi qua cuộn dây sẽ tạo ra lực từ đẩy van trượt sang
trái. Đóng đường dầu lên bầu cam ở phía muộn và mở đường phía sớm ứng với chế
độ làm sớm thời điểm phối khí của động cơ (ở tố độ cao hoặc tải lớn của động cơ).
Khi thay đổi cường độ dòng điện qua cuộn dây ở hệ số hiệu dụng thích hợp, ta có
thể điều chỉnh con trượt đóng cả 2 đường dầu đi và đường dầu xả đễ giữ cố định
góc phối khí của động cơ.


1.6 - Các cảm biến và xử lý tín hiệu các cảm biến

a. Cảm biến vị trí trục khuỷu (Crank shaft sensor)

Hình 1.9 – Vị trí và cấu tạo trục khuỷu
Nhiệm vụ:
Đo tín hiệu tốc độ của trục khuỷu, vị trí trục khuỷu gửi về cho ECU và ECU
sử dụng tín hiệu đó để tính tốn góc đánh lửa sớm cơ bản, thời gian phun nhiên
liệu cơ bản cho động cơ.
Nguyên lý hoạt động:
Cảm biến trục khuỷu dù là cảm biến từ hay cảm biến Hall đều có thành phần
chính là nam châm vĩnh cửu nhằm tạo ra từ trường ổn định. Khi các chân thép
xoay trong quá trình trục khuỷu quay sẽ tạo ra dao động trong từ trường và một tín
hiệu dịng xoay chiều (AC). Máy tính động cơ sẽ dựa vào tín hiệu này do cảm biến
trục khuỷu thu về để đo tốc độ quay của trục khuỷu, từ đó xác định chuẩn xác góc
đánh lửa sớm và thời gian phun nhiên liệu.


b. Cảm biến lưu lượng khí nạp (Mass Air Flow Sensor)

Hình 1.10– Vị trí và cấu tạo cảm biến lưu lượng khí nạp
Nhiệm vụ:
Đo khối lượng khí nạp qua cửa hút và truyền tín hiệu về ECU để điều chỉnh
lượng nhiên liệu phun đạt tỉ lệ chuẩn và điều chỉnh góc đánh lửa phù hợp.
Ngun lý hoạt động:
Khi khơng khí đi qua cảm biến từ bộ lọc khí, nó đẩy tấm đo mở ra cho đến
lực tác động vào tấm đo cân bằng với lò xo phản hồi.Chiết áp được nối đồng trục
với tấm đo này, sẽ biến đổi thể tích khơng khí nạp thành một tín hiệu điện áp (tín
hiệu VS) được truyền đến ECU động cơ.


c. Cảm biến vị trí bướm ga (Throttle Position Sensor)

Hình 1.11 – Vị trí và cấu tạo cảm biến vị trí bướm ga
Nhiệm vụ:
Để đo độ mở vị trí của cánh bướm ga để báo về hộp ECU. Từ đó, ECU sẽ sử
dụng thơng tin tín hiệu mà cảm biến vị trí bướm ga gửi về để tính tốn mức độ tải
của động cơ nhằm hiệu chỉnh thời gian phun nhiên liệu, cắt nhiên liệu, điều khiển
góc đánh lửa sớm, điều chỉnh bù ga cầm chừng và điều khiển chuyển số.
Nguyên lý làm việc (loại tuyến tính):
Khi cánh bướm ga mở, con trượt trượt dọc theo điện trở và tạo ra điện áp
tăng dần ở cực VTA tương ứng với góc mở cánh bướm ga. Khi cánh bướm ga đóng
hồn toàn, tiếp điểm cầm chừng nối cực IDL với cực E2. Tín hiệu sẽ được đưa đến
những hộp điều khiển khác để thực hiện việc điều chỉnh lượng nhiên liệu cho động
cơ.


d. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Hình 1.12 – Vị trí và cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Nhiệm vụ:
Để đo nhiệt độ nước làm mát của động cơ giúp bảo vệ động cơ, nâng cao hiệu
quả làm việc của động cơ và giúp cho động cơ hoạt động ổn định hơn và gửi tín
hiệu về ECU để ECU thực hiện những hiệu chỉnh sau:
 Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm
 Hiệu chỉnh thời gian phun nhiên liệu
 Điều khiển quạt làm mát
 Điều khiển tốc độ không tải
 Điều khiển chuyển số
Nguyên lý hoạt động:
Cảm biến ECT được đặt trong khoang nước của động cơ và tiếp xúc trực
tiếp với nước của động cơ. Vì ECT có hệ số nhiệt điện trở âm nên khi nhiệt độ
nước làm mát thấp thì điện trở cảm biến sẽ cao và ngược lại, khi nhiệt độ nước làm
mát tăng lên thì điện trở của cảm biến sẽ giảm xuống. Sự thay đổi điện trở của cảm
biến nhiệt độ nước làm mát sẽ làm thay đổi điện áp đặt ở chân cảm biến.


e. Cảm biến vị trí trục cam

Hình 1.13 – Vị trí và cấu tạo cảm biến vị trí trục cam
Nhiệm vụ:
ECU sử dụng tín hiệu này để xác định điểm chết trên của máy số 1 hoặc các
máy, đồng thời xác định vị trí của trục cam để xác định thời điểm đánh lửa (với
động cơ xăng) hay thời điểm phun nhiên liệu (động cơ phun dầu điện tử Common
rail) cho chính xác.
Nguyên lý hoạt động:
Khi trục khuỷu quay, trục cam sẽ quay thông qua dây cam dẫn động. Trên
trục cam có 1 vành tạo xung có các vấu cực, các vấu cực này quét qua đầu các cảm
biến, khép kín mạch từ và cảm biến tạo thành 1 xung tín hiệu gửi về ECU. Từ đó
ECU nhận biết được điểm chết trên của xylanh số 1 hay các máy khác.

Tùy thuộc vào từng loại động cơ mà số lượng vấu cam nằm trên vanh tạo xung của
trục cam sẽ khác nhau.


f. Cảm biến đo tốc độ xe

Hình 1.14 – Cảm biến tốc độ xe
Nhiệm vụ: Đo tốc độ di chuyển của phương tiện
Nguyên lí hoạt động:
Hệ thống cảm biến tốc độ xe ô tô sẽ hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng từ.
Với thiết kế có một nam châm gắn gần một bánh răng kim loại đồng thời sẽ
chyển động cùng với bánh xe khiến khi xe của bạn chuyển động hay bánh xe quay
hoặc bánh răng sẽ chuyển động theo.
Và khi lúc các răng đi qua nam châm sẽ tạo nên một dịng điện xoay chiều.
Lúc đó tín hiệu điện được đọc thông qua số lượng các xung theo thời gian và qua
đó chuyển thành vận độ.


CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN

Góc ứng α1 với đoạn d1r là góc mở sớm xupap nạp
2.1 Các thông số ảnh hưởng tới sự làm việc:
- Tốc độ động cơ.
- Nhiệt độ động cơ.
- Độ mở bướm ga.
2.2 – Phương án thiết kế
+Dựa trên mơ hình có sẵn trên lớp và sử dụng bảng mạch Arduino Uno R3 đã được
hướng dẫn đóng vai trị là vi điều khiển thực hiện nhiệm vụ đồ án.
+Thiết kế và lắp mạch để điều khiển chạy van biến thiên VVT-i...Sử dụng chân
tạo xung của UNO R3.

+Phương án hiển thị theo yêu cầu: Sử dụng cổng kết nối I2C để kết nối với màn
hình LCD.
+Chiết áp để điều khiển điện áp: 5k (Mơ phỏng CB tốc độ vịng quay),10k(Mơ
phỏng CB bướm ga),20k(Mơ phỏng CB nhiệt độ).
+Xây dựng và lắp gá cho mạch.


3.1 – Sơ đồ mơ phỏng:

Hình 2.3 Sơ đồ mơ phỏng.
Cường độ dòng điện qua cuộn dây của van điều khiển phối khí OCV (Oil
Control Valve) sẽ được tính tốn và điều chỉnh thơng qua ECU. ECU sẽ nhận tín
hiệu phản hồi từ các cảm biến để gửi tín hiệu xung vuông đã được điều chỉnh phù
hợp và hiệu quả trong q trình động cơ làm việc.
3.2 – Mơ phỏng các tín hiệu đầu vào và xử lý tín hiệu:

Hình 3.1 - Sơ đồ tín hiệu đầu vào.
- Thay đổi thời điểm phối khí:
+ Cảm biến tốc độ động cơ sẽ xác định tốc độ động cơ hiện tại và gửi tín hiệu
về bộ điều khiển (ECU) để tính tốn và xác định thời điểm phối khí mục tiêu. Nếu
tốc độ động cơ càng cao, thì (thời gian kỳ nạp) càng giảm -> ECU tính tốn và gửi
tín hiệu xung vuông đến van điện từ -> Đẩy cánh gạt về phía làm sớm trong
khoảng 40-50so với góc quay của trục khuỷu (cùng chiều chuyển động của trục
khuỷu). Ngược lại cũng vậy.


+ Cảm biến vị trí bướm ga sẽ xác định vị trí của bướm ga rồi gửi tín hiệu về
ECU để tính tốn và gửi tín hiệu đến van điện từ ->Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm
(hoặc muộn).

Xác định thời điểm thay đổi góc đánh lửa:
Thời điểm phối khí mục tiêu = thời điểm phối khí thực tế + hiệu chỉnh
+ Thời điểm phối khí thực tế dựa vào tín hiệu của cảm biến tốc độ động cơ, vị trí
bướm ga. Tín hiệu từ cảm biến được gửi về ECU để ECU điều khiển thời điểm
phối khí.
+ Hiệu chỉnh thời điểm phối khí dựa vào các tín hiệu nhiễu từ bên ngoài và trạng
thái làm việc của xe như: CB lưu lượng khí nạp, CB nhiệt độ nước làm mát, …
Khi ta xác định được 2 thời điểm trên rồi gộp lại ta sẽ có được thời điểm phối khí
phù hợp nhất của xe hiện tại.


3.3 – Lập trình vi điều khiển:
3.3.1 Sơ đồ mạch

Hình 3.2. Sơ đồ mạch


3.3.2 Sơ đồ đấu dây

Hình 3.3. Sơ đồ đấu dây
Chú thích: R-red, B-black, W-white, GR-green, O-orange, Y-yellow, BR-brown,
BL-blue, V-violet.


Những mạch và linh kiện cần chuẩn bị
+ Vi xử lí: Arduino UNO R3, có thể sử dụng các vi xử lí khác như Arduino Nano
(Atmega-328), Arduino Mega, ...
+ Bộ hiển thị: Sử dụng cổng kết nối I2C để kết nối LCD 20x4
+ Chiết áp 5k,10k,20k ohm dùng để điều khiển dòng điện vào van VVT-i.
+ Tấm mica 26x39cm

+ Dăm đực.
+ Dây nối đực cái
+ Dây nối cái cái.
+ Dây điện để hàn mạch.
+ Thiếc và máy hàn.
+ Đồng hồ vạn năng (dùng để đo dòng điện, điện áp, điện trở).
+ Bu lông đai ốc để cố định mạch.
+ Nguồn ắc quy 12V.
+ Modun IRF 1404.
3.4 – Các thành phần để tạo mạch:
- Chiết áp điều chỉnh điện áp

Hình 3.4. Chiết áp