Hcmute nghiên cứu cơ sở lý thuyết chẩn đoán hệ thống điều khiển động cơ đốt trong

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHẨN ĐOÁN
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

MÃ SỐ:SV2019 - 100

SKC 0 0 6 7 9 7

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06/2019

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHẨN ĐOÁN
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
SV2019 - 100

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật.

TP Hồ Chí Minh, 6/2019

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHẨN ĐOÁN
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
SV2019 - 100

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật

SV thực hiện: Nguyễn Thanh Sơn, Nguyễn Hoàng Tuấn
Dân tộc: Kinh
Lớp, khoa: 15145CL2, Đào tạo Chất Lượng Cao.
Năm thứ: 4/Số năm đào tạo: 4
Ngành học: Cơng Nghệ Kỹ thuật Ơ tơ

Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Long Giang

TP Hồ Chí Minh, 6/2019

Luan van

Nam, Nữ: Nam

MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... 1
DANH MỤC VIẾT TẮT ............................................................................................. 2
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 4
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN............................................................... 6
1.1 Nhiệm vụ cơ bản của giám sát ............................................................................ 6
1.2 Kiến thức cơ bản về phát hiện và chẩn đoán lỗi .................................................. 8
1.2.1 Phân tích triệu chứng .................................................................................... 8
1.2.2 Phỏng đoán triệu chứng ................................................................................ 9
1.2.3 Chẩn đoán lỗi ............................................................................................... 9
Kết luận .................................................................................................................. 10
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN ĐỘNG
CƠ ĐỐT TRONG ...................................................................................................... 11
2.1 Điều khiển động cơ điện tử ............................................................................... 11
2.1.1 Điều khiển động cơ xăng ............................................................................ 13
2.1.2 Điều khiển động cơ diesel .......................................................................... 16
2.2 Chẩn đốn trên xe và ngồi xe trên động cơ:..................................................... 21
CHƯƠNG 3: CHẨN ĐOÁN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG .. 24
3.1 Hệ thống nạp (đường dẫn khí) .......................................................................... 24
3.1.1 Chẩn đốn lỗi hệ thống nạp bằng mơ hình vật lý ........................................ 24
3.1.2 Chẩn đốn lỗi hệ thống nạp bằng các mơ hình xác định bằng thực nghiệm . 29
3.2 Hệ thống phun và cung cấp nhiên liệu .............................................................. 40
3.2.1 Hệ thống cung cấp nhiên liệu áp suất thấp .................................................. 40
3.2.2 Hệ thống phun và cung cấp nhiên liệu áp suất cao ...................................... 42
3.2.3 Chẩn đốn rị rỉ thùng nhiên liệu ................................................................. 47
3.3 Hệ thống đánh lửa............................................................................................. 48
3.4 Hệ thống xả ...................................................................................................... 51
3.4.1 Rò rỉ và tắc nghẽn ....................................................................................... 51

3.4.2 Chẩn đốn bộ xúc tác khí thải ..................................................................... 51
3.5 Tổng quan chẩn đoán lỗi động cơ xăng ............................................................. 53
CHƯƠNG 4: CHẨN ĐOÁN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 55
4.1 Hệ thống nạp .................................................................................................... 55
4.1.1 Mơ hình hóa hệ thống nạp với mơ hình phi tuyến bán vật lý ....................... 57
4.1.2 Phát hiện lỗi bằng phương trình chẵn lẻ phi tuyến ...................................... 63

Luan van


4.2 Bơm phân phối và quá trình cháy của hệ thống phun trực tiếp .......................... 66
4.2.1 Phát hiện lỗi với các tính năng đốt và đo tốc độ .......................................... 69
4.2.2 Phát hiện lỗi với các tính năng đốt cháy và đo khơng khí thừa .................... 73
4.2.3 Kết hợp chẩn đốn cho hệ thống phun và quá trình cháy ............................ 75
4.3 Hệ thống phun dầu Common-rail ...................................................................... 79
4.3.1 Phân tích tín hiệu áp suất ống rail ............................................................... 80
4.3.2 Chẩn đoán lỗi dựa trên mơ hình .................................................................. 86
4.4 Bộ tăng áp điều khiển cánh và cửa xả ............................................................... 91
4.4.1 Mơ hình bộ tăng áp VGT ............................................................................ 92
4.4.2 Tạo triệu chứng dựa trên mơ hình ............................................................... 98
4.4.3 Van cửa xả của bộ tăng áp ........................................................................ 101
4.5 Hệ thống xả .................................................................................................... 102
4.5.1 Phân tích dư thừa khơng khí trong lưu lượng khí nạp ............................... 102
4.5.2 Kết hợp phát hiện lỗi của cửa xả tăng áp và lưu lượng khí nạp ................. 104
4.5.3 Bộ lọc hạt và chất xúc tác ......................................................................... 104
4.6 Tổng quan chẩn đoán lỗi động cơ Diesel ........................................................ 105
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 107
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 109

Luan van


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Phương pháp xác định lưu lượng khí vào các xy lanh với các cảm biến khác
nhau và bù lực động độ trễ đường ống nạp ................................................................. 26
Bảng 3.2: Các phương pháp xác định lưu lượng khí nạp vào xy lanh cho những trường
hợp cố định ................................................................................................................ 27
Bảng 3.3: Bảng triệu chứng lỗi dự kiến cho các cảm biến, trong tình trạng hoạt động
cố định, m˙ egr = 0, m˙ add = 0 ........................................................................................ 27
Bảng 3.4: Bảng triệu chứng lỗi dự kiến cho hệ thống nạp với các mơ hình vật lý của
dịng khơng khí bị rò rỉ và tắc nghẽn với dòng chảy quá mức qua bướm ga và khơng có
dịng khí bổ sung, m˙ add = 0 ........................................................................................ 29
Bảng 3.5: Bảng triệu chứng lỗi cho động cơ xăng phun đồng nhất với các mô hình thử
nghiệm ....................................................................................................................... 39
Bảng 3.6: Bảng chẩn đốn lỗi cho hệ thống nạp, cung cấp nhiên liệu và đánh lửa động
cơ VW 1.6 l FSI ......................................................................................................... 50
Bảng 4.1: Bảng chẩn đoán lỗi hệ thống nạp ............................................................... 66
Bảng 4.2: Bảng lỗi - triệu chứng cho hệ thống phun nhiên liệu và quá trình cháy ...... 79
Bảng 4.3: Phạm vi hoạt động để kiểm tra các thuật toán phát hiện lỗi ........................ 90
Bảng 4.4: Bảng chẩn đoán lỗi cho hệ thống common-rail .......................................... 91
Bảng 4.5: Bảng triệu chứng lỗi cho bộ tăng áp VGT, đường nạp và xả .................... 100
Bảng 4.6: Bảng chẩn đốn lỗi kết hợp mơ đun tăng áp và khí xả. Cổng xả mở ......... 104

1

Luan van


DANH MỤC VIẾT TẮT

BDC: Điểm chết dưới
ECU: Bộ điều khiển điện tử’
EGR: Hệ thống tuần hồn khí xả
HFM: Cảm biến dây nhiệt
NSC: Bộ lưu trữ NOx
TDC: Điểm chết trên
VGT: Bộ tăng áp điều khiển cánh
VVT: Trục cam biến thiên

2

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHẨN ĐOÁN HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
- SV thực hiện: Nguyễn Thanh Sơn – 15145136; Nguyễn Hoàng Tuấn - 15145172
- Lớp: 15145CL2

Khoa:Đào tạo Chất Lượng Cao. Năm thứ: 4

Số năm đào tạo: 4

- Người hướng dẫn: TS.Nguyễn Văn Long Giang
2. Mục tiêu đề tài:
Hệ thống hóa lý thuyết về chẩn đoán hệ thống điều khiển động cơ đốt trong.

3. Tính mới và sáng tạo:
Nghiên cứu các phương pháp phát hiện lỗi và chẩn đoán lỗi hiện đại. Qua đó ứng
dụng các phương pháp này trên động cơ xăng và động cơ Diesel.
4. Kết quả nghiên cứu:
Nghiên cứu được các phương pháp phát hiện lỗi và chẩn đốn lỗi trên động cơ
xăng và động cơ Diesel.
5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và
khả năng áp dụng của đề tài:
Tài liệu tham khảo về chẩn đoán ô tô cho sinh viên chuyên ngành công nghệ kỹ
thuật ô tô.
6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu
có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):
Ngày 6 tháng 06 năm 2019
SV chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(kí, họ và tên)

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề
tài (phần này do người hướng dẫn ghi):

Xác nhận của Trường
(kí tên và đóng dấu)

Ngày 10 tháng 06 năm 2019
Người hướng dẫn
(kí, họ và tên)

3

Luan van

MỞ ĐẦU
Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài:
Động cơ, khung gầm và các thành phần trên ô tô ngày càng phát triển và phức tạp.
Do đó phát triển và mở rộng các hệ thống điện tử trên ô tô không chỉ cho phép nhiều
chức năng điều khiển hơn mà còn cho phép thực hiện các chức năng giám sát và chẩn
đốn. Ngày nay, trên ơ tơ có chức năng chẩn đốn trên xe (OBD). Chức năng này giúp
phát hiện lỗi và thông báo chúng cho người tài xế. Chẩn đốn ngồi xe được thực hiện
trong xưởng bằng cách kết nối với một thiết bị kiểm tra, cho phép mở rộng phạm vi phát
hiện lỗi. Mục đích của nó là khoanh được vùng bị lỗi một cách chính xác nhất. Ngồi ra
cịn có thêm các sự hỗ trợ từ quan sát của con người và phần mềm hướng dẫn xử lý lỗi.
Cho đến khoảng năm 1979, sự giám sát của động cơ đốt trong chỉ dừng lại việc kiểm tra
áp suất dầu, nhiệt độ môi chất làm mát và điện áp định mức và thông báo cho người lái
thơng qua đèn tín hiệu. Điều khiển động cơ bằng điện tử không chỉ cho phép điều khiển
động cơ tồn diện hơn và cịn nhiều chức năng chẩn đốn trên xe hơn.
Các chương trình giám sát và chẩn đốn lỗi sẽ kiểm tra tín hiệu đầu ra và đầu vào
cũng như các chức năng điều khiển quan trọng trong q trình vận hành. Ví dụ như tín
hiệu đầu ra của các cảm biến, đầu nối giắt cắm và cáp,… Điều này bao gồm các điện áp
cung cấp cho cảm biến, phạm vi đo cảm biến và kiểm tra tính hợp lý bằng cách so sánh
các tín hiệu đầu ra của các cảm biến khác nhau. Các tín hiệu đầu ra tới bộ chấp hành
được theo dõi liên quan đến ngắt dòng, ngắn mạch âm và hở mạch. Phần cứng và phần
mềm của ECU chứa nhiều chức năng giám sát, ví dụ: vi điều khiển và lưu trữ. Chức
năng này có thể hoạt động sau khi ơ tơ khởi động, trong khi hoạt động bình thường hoặc
sau khi tắt. Giao tiếp giữa các ECU sẽ được thực hiện và kiểm tra qua các dây bus như
CAN.
Chẩn đốn ngồi xe thường được áp dụng tại các trạm dịch vụ. Bằng cách sử dụng
các dụng cụ kiểm tra chuyên dùng, thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ lỗi của ECU
được đọc qua giao diện nối tiếp. Các lỗi được lưu trữ dưới dạng mã lỗi trong bộ nhớ dữ
liệu ECU.

Trong tương lai, sự phát triển của hệ thống chẩn đoán từ xa trong đó một máy tính
trên bo mạch hoặc ECU được kết nối thông qua các liên kết với các máy tính và chun
gia có khả năng tại các trạm dịch vụ để hỗ trợ chẩn đoán lỗi.
4

Luan van


Lý do chọn đề tài:
Hệ thống điều khiển động cơ trên ô tô ngày càng phát triển và phức tạp. Do đó,
phát triển chương trình phát hiện và chẩn đốn lỗi hệ thống điều khiển động cơ là một
nhiệm vụ rất quan trọng.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên, nhóm đã quyết định thực hiện đề tài “ Nghiên
cứu cơ sở lý thuyết chẩn đoán hệ thống điều khiển động cơ đốt trong “ với mong muốn
học hỏi thêm được kiến thức và tạo ra một bài nghiên cứu có thể giúp ích được cho sinh
viên ngành cơng nghệ kỹ thuật ơ tơ.
Mục tiêu đề tài:
Hệ thống hóa lý thuyết về chẩn đoán hệ thống điều khiển động cơ đốt trong.
Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu:
Tiếp cận từ cơ sở lý thuyết, tổng quan về chẩn đoán hệ thống điều khiển động cơ
đốt trong.
Sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu và sử dụng các phương pháp mơ hình
hóa để nghiên cứu vấn đề chẩn đoán động cơ.

5

Luan van


CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

Phát hiện và chẩn đoán lỗi thuộc về việc giám sát chung hoặc giám sát tình trạng
của các quy trình kỹ thuật. Nhiệm vụ là chỉ ra được các trạng thái hư hỏng, bất thường
để đưa ra được giải pháp cũng như các biện pháp sữa chữa kịp thời, tránh thiệt hại, tai
nạn hoặc gây ô nhiễm môi trường. Các hậu quả hư hỏng có thể kể đến của hệ thống
truyền động và khung gầm như : nguy hiểm (ví dụ: xe xoay vịng), hiệu quả kinh tế thấp
(ví dụ: tiêu thụ nhiên liệu cao hoặc mức độ hao mịn cao) hoặc gây ơ nhiễm mơi trường
(ví dụ: nồng độ khí thải q cao).
Các nhiệm vụ cơ bản của việc giám sát, phát hiện lỗi được trình bày chi tiết trong
[6] và [2]. Do đó, một số điểm nổi bật được nêu ra ở đây xem như là một giới thiệu và
kiến thức nền tảng cho việc tiếp cận hệ thống chẩn đốn trên ơ tơ.
1.1 Nhiệm vụ cơ bản của giám sát
Một quy trình (động cơ hoặc khung gầm) hoạt động theo vòng hở được xem xét,
(Hình 1.1 a). U(t) và Y(t) lần lượt là tín hiệu đầu vào và đầu ra. Nguyên nhân dẫn đến
lỗi có thể xuất phát từ bên ngồi lẫn bên trong. Các nguyên nhân bên ngoài thường gặp
như là ảnh hưởng từ môi trường : độ ẩm, bụi, chất hóa học, bức xạ điện từ, nhiệt độ cao
dẫn tới tình trạng xe bị ăn mịn và ơ nhiễm. Các ngun nhân bên trong có thể là thiếu
mơi chất bơi trơn dẫn tới tình trạng ma sát cao, sinh nhiệt, rò rỉ và ngắn mạch. Những
lỗi F(t) trước tiên tác động đến các thông số bên trong Θ bởi ∆Θ(t), như là thay đổi giá
trị điện trở, điện dung, độ cứng hoặc các biến đổi trạng thái bên trong x(t) bởi ∆x(t), như
là sự thay đổi lưu lượng khí nạp, nhiệt độ. Theo quy trình động học, những lỗi F(t) này
sẽ ảnh hưởng đến tín hiệu đầu ra Y(t) bằng một thay đổi ∆Y (t). Tuy nhiên, những nhiễu
loạn và tiếng ồn trong tự nhiên N(t) cũng làm thay đổi biến điều khiển U(t) và làm ảnh
hưởng đến kết quả đầu ra Y(t).
Đối với q trình vịng lặp hở, biến lỗi F(t) sẽ dẫn đến một kết quả ∆Y (t) vĩnh cửu.
Đối với trường hợp vịng lặp kín, (Hình 1.1 b), kết quả sẽ khác. Tùy thuộc vào thời gian,
mức độ thay đổi của các tham số ∆Θ(t) hoặc thay đổi của biến trạng thái ∆x(t), đầu ra
chỉ hiển thị độ lệch ∆Y(t) nhỏ nếu bộ điều khiển tỉ lệ tích phân PI được sử dụng. Nhưng
sau đó, độ lệch ∆U(t) của biến điều khiển U(t) sẽ không thay đổi trong quá trình điều
khiển PI. Nếu chỉ giám sát đầu ra Y(t), lỗi có thể khơng được phát hiện do độ lệch nhỏ
và ngắn, hơn nữa bị hỏng bởi nhiễu. Lý do là một vịng lặp kín khơng chỉ có khả năng

bù cho nhiễu N(t) mà còn bù cho thay đổi tham số ∆Θ(t) và thay đổi trạng thái ∆x(t) liên
quan đến biến điều khiển Y(t). Điều này có nghĩa là lỗi F(t) có thể được bù bởi vịng kín.
Chỉ khi lỗi tăng kích thước và khiến biến điều khiển đạt giá trị hạn chế (bão hịa) thì độ

6

Luan van


lệch vĩnh viễn ∆Y mới có thể phát sinh. Do đó đối với các quy trình trong vịng lặp kín,
giá trị đầu vào U(t) phải được giám sát giống như giá trị đầu ra Y(t).

Hình 1.1: Sơ đồ của một quá trình (động cơ hoặc khung gầm) P bị ảnh hưởng bởi các
lỗi F a. Q trình vịng lặp hở b. Q trình vịng lặp kín.

Hình 1.2: Sơ đồ chung chẩn đốn lỗi
Sự giám sát của các quy trình kỹ thuật trong hoạt động bình thường hoặc kiểm sốt
chất lượng sản phẩm trong sản xuất thường được thực hiện bằng cách kiểm tra một số
biến đầu ra Y(t) có thể đo được như áp suất, lực, mức độ chất lỏng, nhiệt độ, tốc độ và
dao động. Điều này có nghĩa là kiểm tra xem giá trị có nằm trong vùng dung sai Ymin <
Y (t) < Ymax. Nếu vượt quá vùng dung sai, một báo động được đưa ra. Hành động này
cũng được gọi là giám sát.
7

Luan van


1.2 Kiến thức cơ bản về phát hiện và chẩn đoán lỗi
Phát hiện và chẩn đoán lỗi là những kiến thức cơ bản cho các phương pháp giám
sát và quản lý lỗi tiên tiến. Nói chung, phát hiện và chẩn đoán lỗi dựa trên các biến đo

được đo bằng dụng cụ và các kĩ thuật viên sẽ giám sát các biến đo đó.
Việc xử lý các biến đo để phát hiện lỗi địi hỏi kiến thức về phân tích quy trình
cũng như trực giác, kinh nghiệm chun mơn của một chuyên gia. (Hình 1.2) cho thấy
một sơ đồ tổng thể.
1.2.1 Phân tích triệu chứng
Các kiến thức phân tích quy trình được sử dụng để tạo ra thơng tin phân tích, định
lượng. Để làm điều này, việc xử lý dữ liệu dựa trên các biến đo phải được thực hiện để
tạo các giá trị đặc trưng đầu tiên bằng cách:
 Kiểm tra giá trị giới hạn của các tín hiệu trực tiếp đo được. Các giá trị đặc trưng
là dung sai tín hiệu bị vi phạm.
 Phân tích các tín hiệu có thể đo trực tiếp bằng cách sử dụng các mơ hình tín hiệu
như các hàm tương quan, phổ tần số, bình quân dịch chuyển hồi quy (ARMA)
hoặc các giá trị đặc trưng, ví dụ: phương sai, biên độ, tần số hoặc mơ hình tham
số.
 Phân tích q trình bằng cách sử dụng các mơ hình q trình tốn học cùng với
ước tính tham số, ước tính trạng thái và phương pháp phương trình chẵn lẻ. Các
giá trị đặc trưng là tham số, biến trạng thái hoặc phần dư.

Hình 1.3: Khảo sát các phương pháp phân tích lỗi
Trong một số trường hợp, các đặc tính đặc biệt sau đó có thể được trích xuất từ các
giá trị đặc trưng này, ví dụ: các hệ số quy trình được xác định vật lý hoặc phần dư được
8

Luan van


lọc hoặc biến đổi đặc biệt. Các tính năng này sau đó được so sánh với các tính năng
thơng thường của quy trình khơng bị lỗi. Đối với điều này, các phương pháp phát hiện
và phân loại thay đổi được áp dụng. Những thay đổi kết quả (sự khác biệt) trong các tín
hiệu, mơ hình tín hiệu hoặc mơ hình quá trình được đề cập trực tiếp được coi là triệu

chứng phân tích. (Hình 1.3) đưa ra một khảo sát chi tiết hơn về các phương pháp phát
hiện lỗi phân tích, được xử lý trong các chương sau.
1.2.2 Phỏng đốn triệu chứng
Ngồi việc tìm hiểu các triệu chứng của ơ tơ thơng qua các thơng tin định lượng,
ta có thể phỏng đốn các triệu chứng thơng qua thơng tin định tính từ người lái xe hoặc
nhân viên xưởng. Thơng qua giám sát và kiểm tra của con người, những thông tin như
tiếng ồn lạ, màu sắc, mùi, rung, hao mòn...được thu lại. Lịch sử sữa chữa, lỗi cũ, tuổi
thọ cũng là một nguồn thơng tin để phỏng đốn được triệu chứng của ơ tơ. Dữ liệu thống
kê (ví dụ: thời gian trung bình giữa các lỗi, xác suất lỗi) đạt được từ kinh nghiệm với
các quy trình tương tự có thể được thêm vào. Theo cách này, phỏng đoán triệu chứng có
thể được tạo ra dưới dạng các biến ngơn ngữ (ví dụ: nhỏ, trung bình, lớn) hoặc là những
giá trị số (ví dụ: xung quanh một giá trị nhất định) (Hình 1.2).
1.2.3 Chẩn đốn lỗi
Nhiệm vụ của chẩn đốn lỗi là xác định được những thông tin cụ thể như: loại lỗi,
mức độ của lỗi, thời gian phát hiện lỗi và vùng có khả năng bị lỗi cao nhất.

Hình 1.4: Khảo sát các phương pháp chẩn đốn lỗi
Quy trình chẩn đốn lỗi là sử dụng phân tích triệu chứng và phỏng đốn triệu chứng
có thể xảy ra. Chúng phải được trình bày dưới dạng thống nhất như số tin cậy, hàm thành
viên của tập mờ hoặc hàm mật độ xác suất sau khi đánh giá thống kê theo thời gian. Sau
đó, các phương pháp phân loại có thể được áp dụng để xác định lỗi từ các mẫu và hoặc
9

Luan van


cụm triệu chứng theo quy trình mơ hình chuẩn phù hợp.Tuy nhiên, nếu có thêm thơng
tin về mối quan hệ triệu chứng lỗi, ví dụ: ở dạng cây phân tích lỗi hoặc quy tắc nguyên
nhân-kết quả đã được biết đến, phương pháp suy luận (lý luận phương pháp) với chuỗi
tiến và lùi có thể được áp dụng [6]. (Hình 1.4) đưa ra một khảo sát về các phương pháp

này.
Kết luận
Tóm tắt các phương pháp chẩn đoán và phát hiện lỗi cơ bản được trình bày trong
chương này được giới hạn trong các quy trình tuyến tính là chủ yếu. Một số phương
pháp cũng có thể được áp dụng trực tiếp cho các quy trình phi tuyến, ví dụ: phân tích tín
hiệu, phương trình chẵn lẻ và ước tính tham số. Tuy nhiên, tất cả các phương pháp phải
được điều chỉnh theo quy trình thực. Theo nghĩa này, các phương pháp cơ bản nên được
kết hợp đúng cách để đáp ứng các yêu cầu thực tế để phát hiện lỗi trên quy trình thực.

Hình 1.5: Sơ đồ chuẩn đốn và phát hiện lỗi với các phương pháp dựa trên tín hiệu và
mơ hình quy trình

10

Luan van


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐỐN
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Vì các chức năng giám sát và chẩn đoán của động cơ đốt trong liên hệ mật thiết
với các chức năng điều khiển, nên chương này sẽ trình bày ngắn gọn về các nhiệm vụ
điều khiển cơ bản và một số chức năng điều khiển. Tiếp theo là tìm hiểu sơ bộ về hệ
thống chẩn đốn trên xe (OBD) hiện nay và các phương pháp đã được tiếp cận. Cuối
cùng, phát hiện lỗi động cơ theo mô hình chuẩn được giới thiệu.
2.1 Điều khiển động cơ điện tử
Bộ điều khiển động cơ điện tử (ECU) có nhiệm vụ kiểm sốt, tối ưu hóa và giám
sát tất cả các chức năng có liên quan của động cơ đốt trong (ICE). Thoạt nhìn, điều này
bao gồm:


Tạo mơ-men xoắn theo bàn đạp ga



Đảm bảo tính kinh tế nhiên liệu



Đảm bảo nồng độ khí thải và tiếng ồn thấp (tuân thủ theo luật pháp quy định)



Đảm bảo vận hành ổn định

Đối với các chi tiết, bộ phận trên động cơ đốt trong, các chức năng điều khiển có
thể được chia cho các hệ thống con hoặc các bộ phận động cơ sau:
1.
2.
3.
4.
5.

Hệ thống nạp (hệ thống khơng khí)
Hệ thống phun nhiên liệu
Hệ thống cung cấp nhiên liệu
Quá trình cháy và dẫn động trục khuỷu, bộ tăng áp
Hệ thống bôi trơn

6.

Hệ thống khí thải, tuần hồn khí thải

7.

Hệ thống làm mát

Một phần của các hệ thống con về cơ bản được điều khiển bằng cơ khí, ví dụ: thời
điểm xupap nạp và xupap xả mở thông qua trục cam cho động cơ bốn thì thơng thường,
áp suất nhiên liệu, áp suất dầu với các van giảm áp và nhiệt độ nước làm mát với các
van hằng nhiệt . Nhiều biến quan trọng khác được điều khiển bằng điện tử như lưu lượng
khí nạp, lượng nhiên liệu, sự cháy, mô-men xoắn, tốc độ, tuần hồn khí thải và xử lý khí
thải. Tuy nhiên, trục cam cũng có thể được điều khiển bằng điện tử trong trường hợp bộ
truyền động van biến thiên (VVT) và áp suất nhiên liệu cho các hệ thống phun trực tiếp
“ common rail”, cũng như áp suất dầu.
Việc tối ưu hóa xây dựng và thiết kế cơ học, động lực học chất lỏng và nhiệt động
lực học của động cơ đốt trong đã dẫn đến số lượng bộ chấp hành và cảm biến ngày càng
11

Luan van


tăng, dẫn đến các chức năng điều khiển điện tử cũng tăng theo. Bộ điều khiển điện tử
(ECU) điều khiển khởi động, cầm chừng, làm nóng và vận hành ổn định. Sự gia tăng
của các chức năng điều khiển được thể hiện bằng kích thước của các chương trình và dữ
liệu của hệ thống vi tính kỹ thuật số. Trong vòng 15 năm qua, tần số xung nhịp của bộ
vi xử lý đã tăng từ 12 lên 150 MHz, độ rộng cơ sở dữ liệu từ 8 bit đến 32 bit, lưu trữ
chương trình từ 32 kbyte đến 5 Mbyte, thời gian tính tốn từ khoảng 10 đến 300 triệu
lệnh mỗi giây (MIPS) và nhãn hiệu chuẩn từ khoảng 2500 đến 30000. Trong khoảng
thời gian 15 năm này, các đặc điểm này đã tăng lên theo các yếu tố sau: bộ nhớ: 1: 100,
cơng suất máy tính (MIPS): 1:30 và thơng số hiệu chuẩn 1:10, (Hình 2.1).

Sự phát triển này chủ yếu bị ảnh hưởng bởi sự gia tăng của các biến số để tối ưu
hóa q trình đốt cháy và xử lý khí thải. Sự phát triển thể hiện đầu tiên ở trên động cơ
xăng, ví dụ: tùy thuộc vào tải, phun nhiên liệu đồng nhất hoặc phân tầng và kiểm soát
hệ số λ, hệ thống sẽ tối ưu hóa thời điểm đóng mở xupap kết hợp với phun nhiên liệu.
Trong trường hợp động cơ diesel, sự phát triển này giúp tối ưu hóa việc phun nhiều lần,
thời điểm đóng mở xupap, bộ tăng áp, tuần hồn khí thải và các bộ lọc hạt.

Hình 2.1: Phát triển các đặc tính ECU để điều khiển động cơ, ETAS (2010)
(Hình 2.2) cho thấy một sơ đồ dịng tín hiệu đơn giản hóa cho động cơ xăng. Hệ
thống điều khiển động cơ phải được thiết kế cho 6-8 biến được điều khiển và 5-8 biến
đầu ra, dẫn đến một hệ thống đa đầu ra, đa đầu vào phi tuyến phức tạp. Do một số biến
đầu ra không thể đo được như mô-men xoắn và nồng độ khí thải, vì chúng q tốn kém
hoặc khơng có độ chính xác cao. Một số biến đầu ra của động cơ được điều khiển bởi
điều khiển suy luận tiến, còn được gọi là cấu trúc vòng hở. Cấu trúc điều khiển này đòi
hỏi phải đo các giá trị như vị trí bàn đạp ga của người lái, tốc độ động cơ, lưu lượng khí
nạp, nhiệt độ và áp suất khơng khí, nhiệt độ dầu và nước làm mát và quá trình suy luận
12

Luan van


tiến đối với các biến điều khiển phải được định rõ Trong trường hợp động cơ xăng, bộ
điều khiển phản hồi và điều khiển vịng kín được sử dụng để điều khiển λ và điều khiển
kích nổ. Cịn động cơ diesel sử dụng để điều khiển áp suất tăng áp, tốc độ khí nạp và
kiểm sốt vượt tốc, xem (Hình 2.3). Cả hai loại động cơ đều sử dụng bộ điều khiển phản
hồi để điều khiển tốc độ cầm chừng và nhiệt độ nước làm mát. Cấu trúc suy luận tiến có
ưu điểm là phản hồi nhanh, độ ổn định cao, nhưng chúng cần các mơ hình và cảm biến
động cơ tương đối chính xác cho các biến ảnh hưởng chính. Các cấu trúc vịng lặp kín
khơng chỉ có khả năng bù nhiễu mà bộ điều khiển của chúng còn có khả năng thích ứng
chính xác các trạng thái động học phi tuyến của động cơ. Tất cả các chức năng điều

khiển phụ thuộc vào tải, tốc độ cũng như trạng thái vận hành khởi động, làm nóng, vận
hành ổn định, cầm chừng, toàn tải và tắt máy.
2.1.1 Điều khiển động cơ xăng
(Hình 2.4) minh họa các thành phần chính của động cơ xăng phun trực tiếp với các
bộ chấp hành và cảm biến. Để tạo ra một mô-men xoắn nhất định tại trục khuỷu, động
cơ xăng đòi hỏi một hỗn hợp nhiên liệu khơng khí cụ thể. Để đốt cháy tối ưu, hệ thống
cần một hỗn hợp khơng khí và nhiên liệu cân bằng hóa học trong phạm vi 0,8 < λ <1,4.
Nếu áp dụng bộ xúc tác thì tỷ lệ khơng khí trên nhiên liệu phải chính xác trong khoảng
0,98 < λ < 1,02. Khối lượng khơng khí (khơng khí nạp) đưa vào các xy lanh tỉ lệ với
nhiên liệu để đạt được mô men xoắn cần thiết. Nó được đo bằng cảm biến lưu lượng khí
nạp hoặc được xác định gián tiếp bằng cảm biến áp suất đường ống nạp. Tuy nhiên, việc
kiểm sốt tải thơng thường của động cơ bằng bướm ga ngược dòng tạo ra tổn thất đường
nạp, trái ngược với động cơ diesel. ECU điều khiển bướm ga điện tử bằng tín hiệu vị trí
bàn đạp ga và điều chỉnh lượng phun nhiên liệu bằng điều khiển suy luận tiến. Nhiên
liệu được bơm vào đường ống nạp ở trước xupap nạp (phun đa điểm) bằng bơm áp suất
thấp (4 – 6 bar) hoặc trực tiếp vào buồng đốt với bơm nhiên liệu áp suất cao được kiểm
soát (120 – 200 bar).
Phun vào đường ống nạp trong kỳ nạp của các xy lanh (chế độ phun đồng nhất)
được điều khiển bằng điện tử (phun đa điểm). ECU chuyển đổi vị trí bàn đạp ga thành
giá trị mô-men xoắn mong muốn. Bằng cách sử dụng các chức năng hiệu chỉnh khác
nhau, lượng khơng khí với lượng nhiên liệu tương ứng trên mỗi xy lanh và góc đánh lửa
tối ưu so với điểm chết trên của trục khuỷu được tính tốn theo tỉ lệ tối ưu nhất. Các
biến điều khiển như góc mở bướm ga, thời gian và góc phun nhiên liệu cũng như tín
hiệu đánh lửa được thiết lập bởi bộ điều khiển suy luận tiến. Khối lượng nhiên liệu được
phun vào xy lanh được điều chỉnh bằng bộ điều khiển phản hồi lambda với các phép đo
λ trong hệ thống xả (trước và sau bộ xúc tác) nhằm đạt được sự đốt cháy cân bằng hóa
học và hỗ trợ q trình chuyển hóa CO, HC và NOx trong bộ xúc tác.
13

Luan van

Hình 2.2: Cấu trúc điều khiển đơn giản của động cơ xăng phun nhiên liệu vào đường
nạp. 6 - 8 biến được điều khiển, 5 - 8 biến đầu ra

Hình 2.3: Cấu trúc điều khiển đơn giản của động cơ diesel với bộ tăng áp. 6 – 8 biến
điều khiển, 5 - 8 biến đầu ra

14

Luan van


Hình 2.4: Sơ đồ động cơ phun xăng trực tiếp với bộ chấp hành, cảm biến và ECU cho
chế độ đồng nhất
Phun trực tiếp vào các xy lanh cần có điều khiển áp suất cao trong ống nhiên liệu.
Điều này cho phép áp dụng nhiều phương pháp đốt cháy nhiên liệu khác nhau của động
cơ. Ở tốc độ động cơ và mơ-men xoắn thấp hơn thì động cơ có thể hoạt động bằng nạp
nhiên liệu phân tầng, trong đó ở một vùng xung quanh bugi là hỗn hợp khơng khí và
nhiên liệu giàu, dễ cháy. Vùng khác sẽ chứa hỗn hợp nhiên liệu nghèo và khí xót. Các
vùng này được điều khiển bằng một vạt xoáy trong đường ống nạp. Do đó, bướm ga có
thể được mở để tránh tổn thất nạp cho hiệu quả tốt hơn. Khác với chế độ phun đồng
nhất, nhiên liệu trong chế độ phun phân tầng được phun trong quá trình nén. Tuy nhiên
quá trình cháy nghèo sẽ tạo ra nồng độ NOx lớn hơn và bộ xúc tác khí thải sẽ khơng
được sử dụng. Do đó, lượng NOx sẽ được điều khiển bởi tuần hồn khí thải (EGR). Ở
tốc độ cao và mơ-men xoắn lớn, động cơ phải chạy ở chế độ đồng nhất, bởi vì việc tạo
ra các điều kiện phân tầng khơng thể thực hiện được. Do đó, q trình đốt cháy hai chế
độ (cũng là ba chế độ) này đòi hỏi các chức năng điều khiển chính xác cho một số biến
và hoạt động bằng cách sử dụng các cảm biến lambda phổ (băng rộng) với các điểm đặt
thay đổi cho tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu. Một cảm biến NOx cũng có thể được sử dụng.

Ngồi ra, kiểm sốt phản hồi kích nổ sẽ điều chỉnh góc đánh lửa bằng cách sử dụng một
hoặc hai cảm biến kích nổ ở trục khuỷu để tránh cháy kích nổ có thể dẫn đến hư hỏng
động cơ.

15

Luan van


Dựa trên các nhiệm vụ điều khiển chính này (Hình 2.5) cho thấy sơ đồ khối định
hướng điều khiển cho động cơ xăng. Các mô-đun điều khiển là điều khiển mơ-men xoắn,
phun nhiên liệu, điều khiển khơng khí/nhiên liệu, điều khiển đánh lửa, kiểm sốt kích
nổ, khí nạp và điều khiển EGR trong trạng thái động cơ vận hành ổn định. Tốc độ của
động cơ sẽ tương ứng với công suất, tải, truyền động và xe. Ngồi ra, có các mô-đun
điều khiển đặc biệt tùy thuộc vào trạng thái vận hành của động cơ, chẳng hạn như khi
khởi động, làm nóng, tắt máy và cầm chừng.
2.1.2 Điều khiển động cơ diesel
Các bộ phận chính của động cơ diesel với bộ tăng áp được thể hiện trong (Hình
2.6). Khơng khí được hút vào các xy lanh với áp suất nhỏ hơn áp suất khí trời (khơng sử
dụng bộ tăng áp) và mô-men xoắn được điều khiển bởi lượng nhiên liệu được phun. Tuy
nhiên, hầu hết các động cơ diesel hiện đại đều có bộ tăng áp để tăng mơ-men xoắn và
cơng suất. Việc nạp khơng khí sau đó phụ thuộc vào áp suất tăng áp được điều khiển bởi
bộ điều khiển áp suất nạp, ví dụ: bằng cách thay đổi vị trí cửa xả hoặc vị trí cánh điều
khiển của bộ tăng áp (VTG). Ở mức tải thấp, động cơ diesel hoạt động với lượng khơng
khí dư lớn, tức là có tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu lớn được biểu thị bằng hệ số khơng khí
thừa λ. Chỉ ở mức tải cao, λ đến gần hơn 1. Nếu nó quá thấp, động cơ diesel bắt đầu có
khói. Tỷ số nén tương đối cao trong các xy lanh cùng với tổn thất nạp thấp do bướm ga
không hoạt động trong cửa hút, do đó cung cấp khơng khí tốt dẫn đến hiệu quả cao hơn
so với động cơ xăng, đặc biệt là ở chế độ một phần tải. Tuy nhiên, nhiệt độ đốt cháy cao
dẫn đến hiệu suất nhiệt động lực học càng cao thì càng tạo ra nhiều khí NOx do q

trình oxy hóa khí nitơ có trong khơng khí. Để giảm nhiệt độ đốt cháy và nồng độ NOx,
khí thải có thể được tuần hoàn lại đường nạp để đạt được hiệu quả nhiên liệu tốt hơn.
Động cơ diesel hiện đại có hệ thống phun dầu common rail hoặc một bơm nhiên
liệu với áp suất phun lên đến 2200 bar. ECU điều chỉnh lượng nhiên liệu được phun vào
xy lanh theo vị trí bàn đạp ga. Để tác động đến quá trình đốt liên quan đến mức tiêu thụ
nhiên liệu được tối ưu hóa, sự hình thành NOx, muội than và tiếng ồn thì phun nhiều
lần được áp dụng như phun mồi, phun chính và phun thứ cấp. Tốc độ dịng khí trong hệ
thống nạp được điều khiển gián tiếp bằng van EGR (chủ yếu là xe du lịch). Bởi vì hỗn
hợp khí sạch được lấy trong các xy lanh là không đổi đối với một điểm vận hành nhất
định, tỉ lệ dòng EGR - m˙ egr tăng dẫn đến giảm tỉ lệ dịng khơng khí - m˙ air . Điều này có
nghĩa là tỷ lệ m˙ egr / m˙ air khơng khí bị thay đổi. Biến điều khiển của vịng điều khiển kín
khối lượng khí nạp là mức khơng khí được đo, biến bị điều khiển là vị trí van EGR và
giá trị tham chiếu được tính từ hệ số khơng khí dư tham chiếu mong muốn λref. Một điều
khiển phản hồi nữa là vòng điều khiển áp suất nạp, nó điều chỉnh cổng xả cho các bộ

16

Luan van


tăng áp có hình dạng cố định hoặc điều chỉnh bộ tăng áp điều khiển cánh (VGT). Cả hai
vòng điều khiển kín được kết hợp mạnh mẽ với nhau.
Động cơ diesel yêu cầu bộ điều khiển tốc độ cho tốc độ tối đa, để hạn chế tốc độ
bằng cách giảm khối lượng nhiên liệu. Nếu khơng, động cơ có thể bị hư hỏng do vượt
tốc. Điều này là do không có bộ phận kiểm sốt tải bằng cách điều chỉnh lượng khí nạp
như đối với động cơ xăng. Kiểm sốt tốc độ cũng được áp dụng cho chế độ cầm chừng,
nhưng không phải trong trạng thái động cơ vận hành ổn định.
Bộ xử lý khí thải có nhiệm vụ giảm HC, CO, NOx và phần tử hạt. Trong hầu hết
các động cơ diesel, HC, CO và muội than được loại bỏ bởi một chất xúc tác oxy hóa.
Điều này có thể được theo dõi bởi một bộ xúc tác lưu trữ NOx (NSC), trong đó giai đoạn

tạo ra NO2 được lưu trữ trong vòng 30 đến 300 giây trong hỗn hợp nghèo (λ> 1). Tái tạo
và loại bỏ NO2 diễn ra trong hỗn hợp giàu (λ < 1) trong vòng 2 đến 10 giây. Việc loại
bỏ hoặc giảm NO2 này được thực hiện với CO và H2 trong hỗn hợp giàu bằng cách làm
trễ góc phun và điều tiết khí nạp. Việc kiểm sốt bộ xúc tác lưu trữ địi hỏi phải có cảm
biến nhiệt độ và cảm biến NOx hoặc cảm biến λ. Một cách khác là dùng công nghệ xử
lý khí thải chọn lọc (SCR), trong đó NOx được loại bỏ bởi amoniac NH3, bắt nguồn từ
urê lỏng. Quá trình này hoạt động liên tục bằng cách bơm dung dịch urê/nước từ một bể
phụ và được điều khiển phản hồi bằng cách sử dụng cảm biến NOx và NH3.
Các hạt muội than phát ra có thể được loại bỏ bằng các bộ lọc hạt diesel (DPF).
Chúng bao gồm gốm xốp hoặc kim loại thiêu kết và phải được tạo ra bằng cách đốt cháy
muội than với oxy trong khí thải và nhiệt độ tăng tối thiểu 600◦C, sinh ra CO2. Việc tái
tạo được bắt đầu khi vượt quá tiêu chí dựa trên sự kết hợp giữa tăng áp suất chênh lệch
và lưu trữ mụi than được tính tốn từ mơ hình lưu trữ. Sau đó, nhiệt độ khí thải được
tăng lên bằng việc phun trễ và điều chỉnh khí nạp, tùy thuộc vào trạng thái hoạt động
của động cơ. Quá trình tái tạo này mất khoảng 10 đến 20 phút và động cơ được điều
khiển để mô-men xoắn khơng bị giảm đáng kể. Việc kiểm sốt DPF địi hỏi một cảm
biến chênh lệch áp suất và cảm biến nhiệt độ.
(Hình 2.7) mơ tả sơ đồ khối định hướng điều khiển của động cơ diesel với các bộ
chấp hành và các cảm biến chính. Bảy bộ chấp hành điều khiển khơng khí, nhiên liệu,
tuần hồn khí thải và xử lý khí thải. Người ta có thể phân các mơ-đun điều khiển thành
điều khiển mô-men xoắn, điều khiển phun, lưu lượng khí nạp, điều khiển EGR và kiểm
sốt khí thải cho trạng thái vận hành ổn định của động cơ. Các chức năng điều khiển
được liên kết chặt chẽ với nhau. Điều khiển vịng kín thường được thực hiện đối với lưu
lượng khơng khí, áp suất đường ống rail, áp suất tăng áp và trong một số trường hợp đối
với xử lý khí thải.
17

Luan van

18

Luan van

Hình 2.5: Sơ đồ khối định hướng điều khiển của động cơ xăng với phun trực
tiếp, các cơ cấu chấp hành, mô-đun điều khiển và một số cảm biến


Hình 2.6: Sơ đồ động cơ diesel phun trực tiếp với bộ tăng áp VGT, các cơ cấu chấp
hành, cảm biến và ECU
Một số chức năng dựa trên các mô hình vật lý có hệ số hiệu chỉnh, nhưng nhiều
chức năng và thuật toán điều khiển được hiệu chỉnh sau khi đo trên băng thử động cơ và
trên xe. Tuy nhiên, khi độ phức tạp và các biến thể của động cơ tăng lên nên các phương
pháp thiết kế nhận dạng và điều khiển dựa trên mơ hình động cơ ngày càng trở nên quan
trọng [7].
Bên cạnh các chức năng điều khiển chính, cần có một số điều khiển phụ, chẳng
hạn như điều khiển vị trí bướm ga, bơm cao áp, trục cam, vạt lật, vạt xoáy, điều khiển
áp suất cho nhiên liệu và dầu bôi trơn. Đối với các điều kiện vận hành đặc biệt, các chức
năng điều khiển như kiểm sốt kích nổ (SI), điều khiển giới hạn khói (CI), điều khiển
tốc độ cầm chừng, điều khiển khởi động lạnh và điều khiển làm ấm động cơ được triển
khai.

19

Luan van


20

Luan van

Hình 2.7: Sơ đồ khối định hướng điều khiển của động cơ diesel với hệ thống phun common rail, các bộ
chấp hành, mô-đun điều khiển và một số cảm biến