Tương thích hoá một số loại cảm biến khí nạp trong hệ thống phun xăng điện tử bằng bộ điều khiển phụ

1
MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu:
Ôtô ở Việt Nam có chủng loại đa dạng và tuổi đời cao, thậm chí,
có nhiều dòng xe phụ tùng không còn sản xuất. Do tác động của các
điều kiện khí hậu và vận hành, các động cơ phun xăng điện tử
(PXĐT) có các cảm biến khí nạp (CBKN) bị sai lệch đặc tính làm
việc hoặc hư hỏng, nếu tiếp tụ
c được sử dụng sẽ gây ô nhiễm môi
trường, giảm các chỉ tiêu kỹ thuật. Chính vì vậy, vấn đề tương thích
hóa một số loại CBKN trong hệ thống PXĐT cần được nghiên cứu
nhằm giải quyết vấn đề nêu trên.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục đích: xây dựng cơ sở lý thuyết và thực tiễn cho việc tác
động vào hệ thống PX
ĐT thông qua bộ điều khiển (ECU) phụ nhằm
giải quyết bài toán tương thích hóa các CBKN, trên các động cơ ô tô
có CBKN bị sai lệch đặc tính hoặc hư hỏng.
Đối tượng nghiên cứu: tương thích hóa các CBKN bằng ECU
phụ.
Phạm vi nghiên cứu: hệ thống PXĐT của động cơ ô tô.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Ý nghĩa khoa học:
+ Lần đầu tiên, đã xây dựng cơ s
ở lý thuyết cho việc tương thích
hóa các CBKN trong hệ thống PXĐT bằng ECU phụ;
+ Đã xây dựng mô hình HTĐK PXĐT với ECU phụ, đề xuất
thuật toán, công thức mô tả đặc tính và chuyển đổi đặc tính các loại
CBKN bằng ECU phụ;
+ Đã xây dựng ngân hàng dữ liệu về đặc tính của các loại CBKN
trên ô tô đang lưu hành ở Việt Nam và mô phỏng thuật toán thay thế

chúng bằng phần mềm LabVIEW.
2
Ý nghĩa thực tiễn:
+ Hệ thống điều khiển PXĐT với ECU phụ giúp tương thích hóa
các CBKN, phục hồi tính năng kỹ thuật cho các xe có CBKN hỏng
hoặc đặc tính sai lệch;
+ Giúp giảm ô nhiễm môi trường, giảm tiêu hao nhiên liệu;
+ Giảm giá thành sửa chữa và tiết kiệm ngoại tệ nhập phụ tùng;
+ Nội dung của luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho
công tác đào tạo và nghiên cứu, là nề
n tảng cho các ứng dụng tương
tự với những cảm biến khác, cơ cấu chấp hành hay các HTĐK trong
công nghiệp.

Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu
1.1 Hệ thống phun xăng điện tử
Các hệ thống phun xăng điều khiển bằng điện tử có hai loại
chính: đo trực tiếp (L-Jetronic) và đo gián tiếp (D-Jetronic) [75, 90].
1.2 Tình hình sử dụng hệ thống phun xă
ng điện tử ở Việt Nam
Đã thống kê các loại CBKN thông dụng ở Việt Nam và tỷ lệ hư
hỏng, từ đó lựa chọn các CBKN chủ yếu để khảo sát và nghiên cứu:
CBKN cánh trượt, CBKN dây nhiệt, cảm biến (CB) đo áp suất tuyệt
đối đường ống nạp (MAP).
1.3 Các công trình khoa học theo hướng nghiên cứu
Có thể tóm tắt những công trình theo hướng nghiên cứu như sau:
1. Nghiên cứu thay đổi các thông số kế
t cấu nhằm cải thiện nạp
và hòa trộn không khí/nhiên liệu: quá trình cháy của động cơ phun
xăng gián tiếp; quá trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp

(GDI); kết cấu đường nạp và động học quá trình nạp; điều khiển tối
ưu đặc tính động cơ [25].
3
2. Nghiên cứu thành phần hòa khí và điều khiển thành phần hòa
khí: thành phần hòa khí và các chế độ làm việc của động cơ, ảnh
hưởng của λ đến các chỉ tiêu và đặc tính của động cơ; điều khiển
lượng khí nạp và lượng xăng phun [21].
3. Nghiên cứu điều khiển phun xăng: lập trình điều khiển phun;
tính toán và điều khiển vòi phun; thiết kế chế tạo và hoàn thiện ECU
[48].
4. Nghiên cứu cảm biến và các cơ cấu chấp hành [67].
5. Nghiên cứu chẩn đoán: thuật toán chẩn đoán; phương pháp
chẩn đoán [80, 83].
6. Nghiên cứu hệ thống điều khiển động cơ phun xăng điện tử với
ECU phụ: lắp lẫn các loại CBKN; ứng dụng phần mềm LabVIEW
trong mô phỏng đặc tính cảm biến; chế tạo ECU phụ và thí nghiệm
trên động cơ [2, 5].
Trong sáu hướ
ng nghiên cứu liên quan đến đề tài thì hướng thứ
năm cũng rất cần thiết cho một hệ thống điều khiển tự động hiện đại
nhưng đề tài luận án không có điều kiện đề cập; hướng nghiên cứu
thứ nhất liên quan về động học, động lực học và các bản chất lý –
hóa của quá trình cháy, các giải pháp điều khiển nạp tối ưu nh
ư: điều
khiển pha phối khí thông minh, điều khiển hành trình xupáp thông
minh, điều khiển khí nạp thông minh….Bốn hướng nghiên cứu còn
lại: hai, ba, bốn, sáu có liên quan mật thiết đến luận án.
1.4 Xác định mục tiêu, phương pháp và nội dung nghiên cứu
Khi một trong các thông tin đầu vào bị thay đổi (ví dụ u
4

bị thay
đổi thành u
4.1
, bằng việc ghép thêm một ECU phụ, chúng ta phục hồi
được thông tin đầu vào u
4
để đưa tới ECU nguyên thủy và hoạt động
của toàn bộ hệ thống sẽ không đổi (hình 1.19).

4



Hình 1.19 Hiệu chỉnh thông tin đầu vào ECU nguyên thủy bằng
ECU phụ
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết quá trình điều khiển hệ thống phun xăng
điện tử kết hợp với thực nghiệm.
Nội dung nghiên cứu
Nội dung của luận án ngoài phần mở đầu và kết luận được chia
thành 4 chương: Tổng quan vấn đề nghiên cứu; Lý thuyết điều khiển
hệ
thống phun xăng điện tử; Điều khiển hệ thống phun xăng điện tử
với ECU phụ; Thiết kế, chế tạo ECU phụ và thí nghiệm đánh giá;
Kết luận chương 1
Các tác giả nghiên cứu về HTĐK PXĐT đã có những công trình
về các lĩnh vực khác nhau, chủ yếu để thiết lập và hoàn thiện kết cấu
HTĐK động cơ phun xă
ng. Trong đó, có nhiều đề tài nghiên cứu
hướng hẹp mà luận văn quan tâm như phương pháp xác định lượng

khí nạp và nhiên liệu cung cấp cho động cơ;
Một số công trình (trong và ngoài nước) liên quan đến nghiên cứu
chế tạo bộ điều khiển ECU chính, tính toán hệ thống cung cấp nhiên
liệu động cơ xăng, tuy nhiên, việc nghiên cứu chỉ tập trung vào việc
xây dựng thuật toán điều khiển và thiết kế ch
ế tạo mạch.
Cho đến nay, chưa có công trình nào liên quan đến việc nghiên
cứu hệ thống điều khiển động cơ bao gồm hai ECU: ECU chính
(nguyên thủy trên xe) và ECU phụ (được thiết kế lắp đặt thêm vào hệ
thống), trong đó ECU phụ giúp tương thích hóa CB nhằm giải quyết
bài toán phụ tùng thay thế.

Thông
tin đầu
vào
ECU
nguyên
thủy

Các cơ
cấu chấp
hành
Thông tin
đầu vào


ECU phụ
y
1

y
2

y
3

y
4

u
2

u
3

u
4

u
1

u
4.1

5
Để đem lại hiệu quả thiết thực trong khai thác sử dụng các ô tô ở
Việt Nam, hiện nay có nhiều cách tiếp cận và chuyển đổi các tín hiệu
ở đầu vào, đầu ra khác nhau. Luận án sẽ đề cập đến việc tương thích
hóa một số loại CBKN trong hệ thống PXĐT bằng bộ điều khiển
phụ.

Chương 2 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN
HỆ THỐNG PHUN XĂ
NG ĐIỆN TỬ
2.1 Đặc tính động cơ
Đặc tính của động cơ được dùng để đánh giá các chỉ tiêu kinh tế,
kỹ thuật và môi trường của động cơ trong các điều kiện hoạt động
khác nhau.
2.2 Thành phần hòa khí và điều khiển phun nhiên liệu
2.2.1 Thành phần hòa khí
Có hai cách đánh giá thành phần hòa khí: dùng hệ số dư lượng
không khí
λ
tính theo tỷ lệ khối lượng không khí thực tế/lý thuyết và
theo tỷ lệ không khí – nhiên liệu (Air Fuel Ratio). Thành phần hòa
khí chịu ảnh hưởng bởi khối lượng không khí m
a
nạp vào xy lanh
[26].
2.2.2 Điều khiển phun nhiên liệu
Việc hình thành hỗn hợp có thể thực hiện bằng cách phun nhiên
liệu vào đường ống nạp hoặc phun trực tiếp vào lòng xy lanh. Các
công trình nghiên cứu của nhiều tác giả trên thế giới đều tìm cách để
tạo hỗn hợp hòa khí phân bố đồng nhất trong xy lanh với một tỉ lệ
hòa khí nằm trong khoảng 0,9 <
λ
< 1,3 đối với phun trên đường nạp.
2.3 Vấn đề tối ưu hoá đặc tính động cơ
2.3.1 Tối ưu hoá mức tiêu thụ nhiên liệu và độ ô nhiễm môi
trường

6
Lượng nhiên liệu được phun và góc đánh lửa sớm là hai thông số
quan trọng nhất ảnh hưởng đến mức tiêu thụ nhiên liệu cũng như độ
ô nhiễm môi trường.
2.3.2 Tối ưu hóa đặc tính tốc độ động cơ
Để có được công suất và mô men cực đại (vùng đặc tính tối ưu),
nhiều tác giả chọn các giải pháp điều khiển chính là điều khiển
λ
và
hệ số nạp
η
v
.
2.4 Lý thuyết điều khiển phun xăng điện tử
Lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ được kiểm soát bởi thời
gian phun t
inj
. Như vậy, lượng nhiên liệu phun vào một xy lanh phụ
thuộc vào lượng khí nạp [62]:
in
m
LL
m
m
e
a
o
a
f
1201

0
&
λλ
== (2.58)
Trong đó: m
a
- khối lượng không khí (kg);
a
m
&
- lưu lượng khối
lượng không khí nạp (kg/s); L
0
– lượng không khí lý thuyết để đốt
cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu (kg/kgnl); n
e
– số vòng quay của trục
khuỷu động cơ (v/ph); i - số xy lanh.
Lượng nhiên liệu phun ra m
f
tỉ lệ với thời gian mở vòi phun t
inj
và
độ chênh lệch áp suất
Δ
p trên vòi phun và dưới vòi phun (áp suất
đường ống nạp) [62].
inj
f
effff

t
p
m
ρ
ρ
Δ
Α≈ 2 (2.59)
Trong đó:
ρ
f
- khối lượng riêng của nhiên liệu (kg/m
3
);
A
eff
- tiết diện lỗ kim (m
2
).
Ở kiểu phun trên đường ống nạp (port injection), Δp
≈
5 bar.
Thời gian phun ở một chế độ hoạt động nào đó của động cơ:
7
in
m
t
e
a
inj
1201

~
&
λ
(2.60)
Ở chế độ mà động cơ hoạt động với tỉ lệ hòa khí lựa chọn λ
0
, thời
gian phun sẽ là:
in
m
t
e
a
1201
~
0
0
&
λ
(2.61)
Ở những chế độ khác với λ ≠ λ
0
, thời gian phun sẽ được xác định:
0
0
tt
inj
λ
λ
≈ (2.62)

Kết luận chương 2
Từ việc nghiên cứu và phân tích cơ sở lý thuyết điều khiển động
cơ nói chung và động cơ phun xăng nói riêng có thể thấy:
- Đặc tính và nhiều thông số của động cơ phụ thuộc lớn vào
thành phần hòa khí
λ
và hệ số nạp
η
v
.
- Có thể làm thay đổi đặc tính của động cơ, tạo ra hai hoặc nhiều
đặc tính bằng việc thay đổi pha phân phối khí, thay đổi hành trình
xupáp, điều khiển dòng khí nạp Các điều khiển nêu trên chủ yếu
tác động vào quá trình nạp hoặc cả nạp/xả của động cơ tức là phụ
thuộc vào lượng khí nạp, tốc độ nạp thải. Trong đó, không khí nạp
(được đo dưới dạ
ng thể tích, khối lượng hoặc áp suất) sẽ là một trong
những thông số quan trọng hàng đầu tác động vào hệ điều khiển của
động cơ để làm thay đổi các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, chỉ tiêu môi
trường và đặc tính của động cơ.
- Thành phần hòa khí, được đặc trưng bởi hệ số dư lượng không
khí
λ
hoặc tỷ lệ không khí/nhiên liệu là một trong những chỉ tiêu có
ảnh hưởng nhiều đến quá trình cháy, sản phẩm cháy và các chỉ tiêu
kỹ thuật và môi trường của động cơ.
8
- Trong các động cơ PXĐT, thành phần hòa khí được điều khiển
ở chế độ lý tưởng λ = 1,0 hoặc AFR (Air Fuel Ratio) = 14,66:1 khi
động cơ hoạt động ở chế độ tải trung bình (khi chạy trong nội thành)

và được hiệu chỉnh nghèo hoặc giàu theo điều kiện làm việc cụ thể
của động cơ.
- Để có thành phần hòa khí khác nhau có thể điều khiển phun
theo hai cách: điều khiển lượng nhiên liệu phun theo l
ượng khí nạp
cho trước
λ
f
= f(
λ
a
) hoặc điều khiển lượng khí nạp theo lượng nhiên
liệu cho trước
λ
a
= f(
λ
f
). Trong đó, cách thứ nhất,
λ
f
= f(
λ
a
) được áp
dụng cho các động cơ phun xăng gián tiếp phổ biến hiện nay. Ở đây,
lượng nhiên liệu phun được quyết định bởi hai thông số gốc là lượng
không khí nạp và tốc độ quay của động cơ:
()
eainj

nmft ,= (2.65)
- Chất lượng hòa khí phụ thuộc vào phương pháp phun nhiên liệu
và tốc độ biến động, hình thái biến động của dòng khí nạp và nhiệt
độ khí nạp, tức là phụ thuộc nhiều vào kết cấu, đặc điểm điều khiển
và động học đường khí nạp.
Trên cơ sở các vấn đề nêu trên, có thể đưa ra các kết luận quan
trọng sau đây:
1- Bằng cách thay đổi cấu trúc hệ th
ống đường ống nạp kết hợp
với các điều khiển biến thiên có thể duy trì, cải thiện hoặc thay đổi
đặc tính và nhiều thông số kinh tế - kỹ thuật, môi trường và các tính
năng động lực của động cơ.
2- Bằng cách thay đổi lượng nhiên liệu phun, phương pháp phun
và điều khiển tối ưu lượng nhiên liệu phun cũng có thể tác động lớn
đến đặc tính và các chỉ tiêu kinh tế
- kỹ thuật và môi trường của động
cơ.
9
3- Không khí nạp (đo theo thể tích, khối lượng hoặc áp suất) là
một trong 2 yếu tố chính quyết định đến đặc tính và các chỉ tiêu kinh
tế - kỹ thuật của động cơ. Vì vậy, thông tin của CBKN đóng vai trò
rất quan trọng trong hệ điều khiển động cơ.

Chương 3
ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ VỚI BỘ
ĐIỀU KHIỂN (ECU) PH
Ụ
3.1 Cơ sở khoa học và thực tiễn tác động đến hệ thống phun
xăng
3.1.1 Sơ đồ và các tính năng của hệ điều khiển

Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ có dạng như hình 3.4

Hình 3.4 Sơ đồ HTĐK động cơ với ECU phụ
Trong đó: r
1
(t) đến r
i
(t) – nhóm các tín hiệu đầu vào chuẩn cho
hoạt động của động cơ; V
e1
(t) … V
ei
(t) – nhóm các tín hiệu định
chuẩn; V
A1
(t) …. V
ai
(t) – nhóm các xung điều khiển các cơ cấu chấp
hành; U
1
(t) … U
i
(t) – các thông số đầu vào của động cơ;
ξ
1
(t) …
ξ
i
(t) - các tín hiệu đặc trưng đầu ra của động cơ.
3.1.2 Các phương pháp tác động vào hệ thống điều khiển phun

xăng điện tử
3.1.2.1 Phương pháp tác động thông số
Xử lý
tín hiệu
B
(ECU

chính)

Các cơ
cấu chấp
hành
Xử lý
tín hiệu
A
(ECU
phụ)
u1


Động
cơ đốt
trong

Các
cảm
biến
r
1
(t)

r
2
(t)
r
i
(t)
Ve
1
(t)
Ve
2
(t)
Vei(t)
V
A1
(t)
V
A2
(t)
V
Aia
(t)
U
1
(t)
U
2
(t)
Ui(t)
ξ

1
(t)
ξ
2
(t)
ξ
i
(t)
10
Hiệu chỉnh tỷ lệ hòa khí bằng cách điều chỉnh các thông số phụ
được trình bày trong [15].
3.1.2.2 Phương pháp hiệu chỉnh đặc tính các cảm biến bằng
ECU phụ
Việc chuyển đổi đặc tính cảm biến có thể phân thành 2 bài toán:
bài toán đơn biến dùng trong trường hợp chuyển đổi giữa những
CBKN cùng đo một đại lượng vật lý nhưng khác đặc tính làm việc và
bài toán đa biến nhằm chuyển đổi gi
ữa các CBKN đo các đại lượng
vật lý khác nhau. Để giải các bài toán vừa nêu, trước tiên ta cần phải
xây dựng ngân hàng dữ liệu về đặc tính của các loại cảm biến.
3.2 Thực nghiệm xây dựng đặc tính gốc của các CBKN
3.2.1 Thiết bị thí nghiệm
Sơ đồ lắp đặt thiết bị thí nghiệm được trình bày trên hình 3.11.

Hình 3.11 Sơ đồ lắp đặt thiết bị thí nghiệm đo lưu lượ
ng khí nạp
Từ việc xử lý số liệu thực nghiệm, người nghiên cứu đã xây dựng
được các hàm mô tả đặc tính làm việc của các CBKN
3.2.2 Cảm biến cánh trượt điện áp giảm
4938,0

.9007,8
−
= xy (3.8)
Cổ hút
động cơ

Thiết bị
đo AVL
LabVIEW
1
2
34
USB 6009
1- bộ bình ổn áp suất;
2- ống hút gió;
3- cảm biến;
4-
k
hôn
g
khí.
11
Trong đó y- điện áp ra của cảm biến V
S
, (V);
x- lưu lượng khí nạp vào xy lanh động cơ, đơn vị (m
3
/h).
Đặc tính thực nghiệm và đặc tính hồi quy của cảm biến cánh trượt
điện áp giảm được thể hiện trên hình 3.18

3.2.3 Cảm biến cánh trượt điện áp tăng
x
y
22,1736
4,9413 −=
(3.9)
Trong đó y- điện áp ra của cảm biến V
S
, (V);
x- lưu lượng khí nạp vào xy lanh động cơ, đơn vị
(m
3
/h).
Đặc tính thực nghiệm và đặc tính hồi quy của cảm biến cánh trượt
điện áp tăng được thể hiện trên hình 3.20

3.2.4 Cảm biến dây nhiệt Nissan Sunny
0,3558
.0,6198 xy = (3.10)
Trong đó y - điện áp ra của cảm biến V
G
; (V);
x - lưu lượng khí nạp vào xy lanh động cơ, (kg/h).
Đặc tính thực nghiệm và đặc tính hồi quy của cảm biến dây nhiệt
Nissan Sunny thể hiện trên hình 3.22.
Hình 3.18 Đặc tính
của cảm biến cánh
trượt điện áp giảm

Hình 3.20 Đặc
tính của cảm biến
cánh trượt điện áp
tăng
12

3.2.5 Cảm biến dây nhiệt Toyota Altis
0,2955
.0,6666 xy = (3.11)
Đặc tính thực nghiệm và đặc tính hồi quy của cảm biến dây nhiệt
Toyota Altis thể hiện trên hình 3.24.

3.2.6 Cảm biến MAP Toyota
y = 0,6928 + 0,0312 . x (3.12)
Trong đó y - điện áp ra của cảm biến, (V);
x - áp suất tuyệt đối ở cổ hút, (kPa).


3.2.7 Cảm biến MAP GM
y = - 0,4744 + 0,0560 . x (3.13)
3.2.8 Cảm biến MAP Hyundai
y = - 0,4126 + 0,0521 . x (3.14)
3.2.9 Cảm biến MAP Honda
Hình 3.22 Đặc tính
của cảm biến dây
nhiệt Nissan Sunny

Hình 3.24 Đặc tính
của cảm biến dây
nhiệt Toyota Altis

Hình 3.25 Đặc tính
của cảm biến MAP
Toyota

13
y = 0,2582 + 0,0277 . x (3.15)
3.2.10 Cảm biến MAP Mitsubishi
y = 0,0478 . x
0,9702
(3.16)
3.3 Xây dựng thuật toán thay thế các loại cảm biến:
Bài toán đơn biến: khi chuyển đổi giữa những CBKN cùng loại
nhưng khác đặc tính làm việc.
Từ những hàm đặc tính của các CBKN cùng loại người nghiên
cứu đã xây dựng được 15 hàm chuyển đổi giữa 2 đặc tính. Đối với
những cảm biến cùng loại, ta chỉ cần nạp vào EEPROM của VĐK
đặc tính thực nghiệm của 2 cảm biế
n cần hoán đổi và lập trình
chuyển từ đường này sang đường kia.
3.3.1 Cảm biến cánh trượt điện áp giảm thay cho cảm biến cánh
trượt điện áp tăng hoặc ngược lại
Hàm hồi quy cảm biến cánh trượt điện áp tăng có dạng (lấy từ
công thức 3.9): V
s tăng
= 4,9413 – 22,1736/
a
V
&
(3.17)

Trong đó: V
s tăng
- điện áp đầu ra của cảm biến cánh trượt điện áp
tăng
(V)

a
V
&
– là lưu lượng khí nạp tính bằng thể tích (m
3
/h)
Hàm hồi quy của cảm biến cánh trượt điện áp giảm (công thức
3.8): V
s giảm
= 8,9007 . (
a
V
&
)
-0,4938
(3.18)
Trong đó: V
s giảm
- điện áp đầu ra của CB cánh trượt điện áp giảm
(V)

a
V
&

– là lưu lượng khí nạp tính bằng thể tích (m
3
/h)
Từ (3.17) và (3.18) ta tìm được mối quan hệ giữa V
s tăng
và V
s giảm
+ Cảm biến cánh trượt điện áp giảm thay cho cảm biến cánh
trượt điện áp tăng:
4938,0
1
.
tan.
)
9007,8
.(1736,229413,4
giamS
gS
V
V −=
(3.19)
14
+ Cảm biến cánh trượt điện áp tăng thay cho cánh trượt điện áp
giảm:
4938,0
tan.
.
)
9413,4
1736,22

.(9007,8
−
−
=
gS
giamS
V
V
(3.20)
3.3.2 Cảm biến dây nhiệt Nissan Sunny thay cho cảm biến dây
nhiệt Toyota Altis
6513,0
.
.
)
6198,0
.(6666,0
NissanG
ToyotaG
V
V =
(3.23)
3.3.3 Cảm biến MAP Toyota thay cho cảm biến MAP GM
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝

⎛
−
⋅+−=
0312,0
6928,0
056,04744,0
.
.
ToyotaPIM
GMPIM
V
V
(3.26)
Bài toán đa biến: chuyển đổi giữa các cảm biến khác loại. Đối
với cảm biến khác loại, do đặc tính khác nhau và cả thông số đo cũng
khác nhau nên ta phải sử dụng thuật toán chuyển đổi phức tạp hơn.
3.3.4 Cảm biến cánh trượt điện áp tăng thay cho cảm biến dây
nhiệt Nissan Sunny







Hình 3.30 Phương pháp thay thế cảm biến cánh trượt – dây nhiệt
1 – Tín hi
ệu nguyên thủy; 2 – Tín hiệu thay thế.
ECU phụ

ρ

= f(p
a
, T
a
)
Tính
a
m
&

=
a
V
&
.
ρ

Từ
a
m
&
tìm V
G
tương
ứng trong đặc tính làm
việc đã nhập vào bộ nhớ
và xuất tín hiệu này ra

ECU
chính
Cảm
biến
cánh
tr
ư
ợ
t
Áp suất
khí trời
Pa
Nhiệt độ
khí nạp
Ta
V
G
Cảm biến
Dây nhiệt

a
m
&
V
G

1
2
15
3558,0
tan.
.
).
9413,4
1736,22
.(6198,0
ρ
gs
NissanG
V
V
−
=
(3.29)
3.3.5 Cảm biến MAP thay cho cảm biến dây nhiệt





Hình 3.31 Phương pháp thay thế cảm biến MAP – dây nhiệt
1 – Tín hiệu nguyên thủy; 2 – Tín hiệu thay thế.
3.4 Mô phỏng quá trình thay thế các loại cảm biến trên
LabVIEW
Kết quả chuyển đổi trình bày trên hình 3.34.

Main ECU
Sub-ECU

a
m
EGRv
he
a
Tp
Tp
v
iVn
m
0
0
0
.
2
.
60
ρη

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
&&

Từ
a
m
&
tìm V
G
tương ứng
tron
g
bộ nhớ và x
u
ất tín hiệu.

Main
ECU
Cảm biến
MAP xuất
tín hiệu p
m

Tín hiệu tốc độ
động cơ n
e

Nhiệt độ
khí nạp Ta
V
G
Cảm biến dây
nhi
ệt
V
G
a
m
&
1
2
Hình 3.34 Kết quả thay thế cảm biến cánh trượt điện áp tăng bằng cảm
biến cánh trượt điện áp giảm nhờ ECU phụ
16
1- quan hệ giữa lưu lượng và điện áp ra của cảm biến cánh trượt

điện áp giảm và ECU phụ; 2- quan hệ giữa lưu lượng và điện áp ra
của cảm biến cánh trượt điện áp tăng nguyên thủy; 3- quan hệ giữa
lưu lượng và điện áp ra của cảm biến cánh trượt điện áp giảm; 4-
đồng hồ đo lưu lượng; 5- giá trị làm chương trình chạy ch
ậm lại; 6-
nút dừng chương trình; 7- hệ số A và B của hàm hồi quy CB cánh
trượt điện áp tăng; 8- Hệ số A và B của hàm hồi quy CB cánh trượt
điện áp giảm; 9- Giá trị điện áp ra của CB cánh trượt điện áp giảm;
10- giá trị điện áp ra của CB cánh trượt điện áp giảm và ECU phụ;
11- giá trị điện áp ra của CB cánh trượt điện áp tăng;

Kết luận chương 3
- Nghiên cứu lý thuyết điều khiển nối tiếp trong các hệ thống điều
khiển phức hợp nhằm duy trì, cải thiện hoặc chuyển đổi nhiều chỉ
tiêu kinh tế, kỹ thuật của hệ điều khiển trên ô tô nói riêng và các hệ
thống điều khiển công nghiệp nói chung.
- Thông qua thực nghiệm, tác giả luận án đã xây dựng được ngân
hàng dữ li
ệu đặc tính gốc của một số loại CBKN tiêu biểu, thông
dụng trên các ô tô đang lưu hành ở Việt Nam.
- Đã đề xuất thuật toán và áp dụng phần mềm LabVIEW để xây
dựng đặc tính của các CBKN và mô phỏng việc chuyển đổi đặc tính
của các CBKN bằng LabVIEW.
- Đã đề xuất các phương pháp chuyển đổi đặc tính giữa các loại
CBKN khác nhau với hai bài toán đơn biến và đa biến.
- Đã tiến hành mô ph
ỏng việc lắp lẫn CBKN.
- Đã phát triển 15 công thức phục vụ việc chuyển đổi đặc tính của
các CBKN (công thức 3.13; 3.14; 3.15; 3.16; 3.17; 3.18; 3.19; 3.20;
3.21; 3.22; 3.23; 3.24; 3.26; 3.29; 3.30).

17
Chương 4 – THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ECU PHỤ VÀ
THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ
Trong chương này, giới thiệu việc thiết kế chế tạo ECU phụ và
đánh giá hiệu quả hoạt động của nó trên xe thực tế qua các thí
nghiệm đo thành phần khí thải, công suất động cơ và gia tốc của ô tô.
Cần lưu ý rằng, trong luận án này có hai phần thực nghiệm: phần
thực nghiệm xây dựng ngân hàng dữ liệu đặ
c tính các cảm biến khí
nạp đã được trình bày ở chương 3, trong chương 4 chỉ mô tả các thí
nghiệm dùng để so sánh, đánh giá kết quả của việc áp dụng ECU phụ
trong việc tương thích hóa các cảm biến.
4.1 Thiết kế, chế tạo ECU phụ
4.1.1 Chọn VĐK
Sử dụng VĐK AVR 8 bit.
4.1.2 Thiết kế mạch bộ điều khiển phụ
Phần thiết kế mạch ECU phụ bao g
ồm: khối nguồn, khối VĐK,
mạch in và thuật toán điều khiển.


Hình 4.5 Lớp dưới mạch in và bố trí linh kiện
4.1.3 Thuật toán điều khiển
Lưu đồ giải thuật chuyển đổi đặc tính CBKN chứa trong VĐK
được trình bày trên hình 4.6

18

Hình 4.6 Lưu đồ giải thuật chuyển đổi đặc tính CBKN

4.1.4 Chương trình điều khiển
Các dòng lệnh đã nạp trong VĐK giúp chuyển đổi đặc tính làm
việc của các cảm biến khí nạp.
4.2 Thí nghiệm đánh giá
4.2.1 Mục đích, nội dung thí nghiệm
Mục đích của quá trình thí nghiệm nhằm đánh giá tính năng của
động cơ trước và sau khi thay thế CBKN.
4.2.2 Thiết bị thí nghiệm và đối tượ
ng thí nghiệm
4.2.2.1 Thiết bị thí nghiệm
Các thí nghiệm đánh giá được tiến hành tại Phòng thí nghiệm
động cơ và ô tô, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ
Chí Minh với thiết bị đo công suất (chassis dynomometer) LPS-2000
và máy đo khí thải MGT-5 do hãng MAHA, Cộng hòa Liên bang
Đức sản xuất. Phòng thí nghiệm này đạt tiêu chuẩn quốc tế.
19
4.2.2.2 Đối tượng thí nghiệm
Để tiến hành các thí nghiệm đánh giá, đã sử dụng xe DAEWOO
LANOS, với cảm biến MAP GM. Quãng đường xe đã chạy tại thời
điểm tiến hành thí nghiệm là 23.578 km.






4.2.2.3 Xây dựng chương trình thí nghiệm
Đã tiến hành các thí nghiệm để đo đạc các thông số: thành phần
khí thải; công suất động cơ qua bánh xe chủ động; gia tốc ô tô ở các
tay số 1, 2, 3 của hộp số. Để có thể

so sánh, đánh giá hiệu quả của
việc sử dụng ECU phụ, các thí nghiệm được tiến hành trên cùng một
đối tượng là xe Daewoo Lanos trong ba trường hợp:
Trường hợp a- Ô tô Daewoo Lanos lắp cảm biến MAP GM đã sử
dụng một thời gian với ECU nguyên thủy.
Trường hợp b- Ô tô Daewoo Lanos lắp cảm biến MAP hư hỏng
(chập mạch) với ECU nguyên thủy.
Trường hợp c- Ô tô Daewoo Lanos lắp cảm biến MAP Toyota
cùng với ECU phụ và ECU nguyên thủ
y.
Trong mỗi trường hợp, người nghiên cứu tiến hành 5 lần đo, sau
đó lấy giá trị trung bình.
4.3 Kết quả thí nghiệm và đánh giá

Hình 4.10 Thiết bị đo, vẽ đồ thị
côn
g
su
ấ
t, mô men

Hình 4.12 Ô tô trên băng thử
20
4.3.1 Thành phần khí thải của động cơ và đánh giá
Bảng 4.4 Kết quả trung bình của các lần thử khí thải
Trường hợp a Trường hợp b Trường hợp c
CO (% thể tích) 2,55 3,31 1,97
HC (ppm thể tích) 712 929 465
CO
2

(% thể tích) 14,34 13 15,45
n
e
(v/p) 838 828 838
4.3.2 Công suất động cơ và đánh giá
Đo công suất ở bánh xe chủ động được thực hiện ở tay số 3.
Bảng 4.8 Công suất trung bình của các lần thử
Trường hợp thử
Các thông số Trường hợp a Trường hợp b Trường hợp c
Ne
max
(kW) 48,4 46,9 48,9
n
Nemax
(v/p) 5952 5844 5996
v
Nemax
(km/h) 111 109,4 112,4
n
max
(v/p) 6350 6348 6347,6


Trung
bình
các lần
đo
v
max
(km/h) 118,4 119 119

Động cơ lắp ECU phụ và MAP thay thế cho công suất và mô men
tốt hơn động cơ lắp cảm biến MAP nguyên thủy đã qua một thời gian
sử dụng.
21

Hình 4.16 Đồ thị công suất động cơ lắp ECU phụ và MAP Toyota
4.3.3 Gia tốc ô tô và đánh giá
Đã đo thời gian tăng tốc trong phạm vi tốc độ giới hạn ở các tay
số khác nhau gồm: tay số I dãy tốc độ từ 15 đến 25 km/h; tay số II
dãy tốc độ từ 25 đến 45 km/h; tay số III dãy tốc độ từ 40 đến 85
km/h.
Bảng 4.12 Gia tốc trung bình của các lần thử
Chế độ
thử
Các thông số Trường hợp a
(s)
Trường hợp b
(s)
Trường hợp c
(s)
Số 1 0,4 0,48 0,38
Số 2 0,92 1,26 0,92
Trung
bình các
lần đo
Số 3 3,02 3,22 3,12
Động cơ lắp ECU phụ có thời gian tăng tốc ở các tay số khác
nhau nhỏ hơn so với các trường hợp khác.
Kết luận chương 4
- Đã chọn được VĐK hợp lý theo các yêu cầu đặt ra để chế tạo

ECU phụ. ECU phụ có kết cấu nhỏ gọn, dễ lắp đặt và đã cho kết quả
thí nghiệm như mong muốn.
- Thuật toán chuyển đổi đặc tính làm việc đ
ã nạp trong VĐK hoạt
động chính xác, mang tính mới và sáng tạo.
22
- Đã tiến hành nhiều thí nghiệm hệ thống phun xăng điện tử có và
không có ECU phụ trên các thiết bị thí nghiệm hiện đại, đủ tiêu
chuẩn và được tiến hành trên một động cơ phun xăng tiêu biểu.
- Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cũng cho thấy: ECU phụ
cùng CBKN thay thế không những giúp giảm ô nhiễm môi trường,
tăng công suất, giảm thời gian tăng tốc trong trường hợp CBKN bị
h
ư mà còn giúp phục hồi tính năng động cơ trong trường hợp cảm
biến chưa hư nhưng đặc tính làm việc của nó đã bị sai lệch so với
trạng thái ban đầu (khi mới 100%). Điều này có ý nghĩa rất quan
trọng vì hơn một nửa số xe đang lưu hành ở nước ta là các xe đã qua
sử dụng và có thời gian vận hành khá lâu.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
1 – Đã phát triển cơ sở lý thuyết và thực tiễn cho hệ điều khiển
mới với hai bộ điều khiển (ECU) mắc nối tiếp, từ đó đề xuất các giải
pháp sử dụng ECU phụ để giải quyết bài toán tương thích hóa các
loại cảm biến trong hệ thống điều khiển phun xăng điện tử.
2 – Thông qua việc nghiên cứu thực nghiệm, tác gi
ả đề tài đã xây
dựng được ngân hàng dữ liệu đặc tính gốc của một số loại CBKN
tiêu biểu, thông dụng trên các ô tô đang lưu hành ở Việt Nam.
3 – Đã đề xuất thuật toán và áp dụng phần mềm LabVIEW để xây

dựng đặc tính của các CBKN và mô phỏng việc thay thế đặc tính của
các CBKN. Kết quả mô phỏng chính xác của LabVIEW đã hỗ trợ rất
đắc lực cho việc hoàn thành luận án và khẳng
định tính khoa học của
luận án.
23
4 - Đã đề xuất các phương pháp chuyển đổi đặc tính giữa các loại
CBKN khác nhau với hai bài toán đơn biến và đa biến. Từ đó, đã xây
dựng thuật toán chuyển đổi cho các trường hợp lắp lẫn CBKN.
5 - Đã phát triển 15 công thức thực nghiệm phục vụ việc chuyển
đổi đặc tính làm việc của các CBKN. Các công thức này có thể là
nền tảng cho các công trình nghiên cứu tiếp theo về cảm biến trên
động c
ơ phun xăng.
6 – Đã thiết kế chế tạo ECU phụ đáp ứng các yêu cầu đặt ra ban
đầu. ECU có giá thành thấp, làm việc tốt trên ô tô thử nghiệm và
đang được thương mại hóa (đã có một số lượng ECU phụ được bán
cho các garage sửa chữa ô tô).
7 – Lần đầu tiên, ECU phụ được sử dụng trong hệ thống điều
khiển phun xăng điện tử. Điều đó có thể
bổ sung cho lý thuyết điều
khiển nối tiếp trong các hệ thống điều khiển phức hợp nhằm duy trì,
cải thiện hoặc chuyển đổi nhiều chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của hệ điều
khiển trên ô tô nói riêng và các hệ thống điều khiển công nghiệp nói
chung.
8 – Đã tiến hành các thí nghiệm để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật
và môi trường của động c
ơ ô tô trước và sau khi lắp lẫn các CBKN.
Các kết quả đạt được trong thí nghiệm đã chứng minh mục tiêu,
phương pháp nghiên cứu của đề tài đề ra là đúng đắn, có tính mới,

tính khoa học và tính thực tiễn.
9 - Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy: hệ thống ECU
phụ với chức năng chuyển đổi những tín hiệu của các CBKN khác
nhau về tín hiệu gốc (nguyên bản) đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế
- kỹ
thuật và môi trường của động cơ gốc, cho phép phục hồi tính năng
làm việc ban đầu của động cơ.
24
Tuy nhiên, trong phạm vi giới hạn của luận án, một số vấn đề sau
đây còn chưa có điều kiện đề cập đến hoặc thực hiện chưa đầy đủ
như:
- Nghiên cứu vấn đề trễ trong hệ điều khiển nối tiếp với ECU
phụ;
- Nghiên cứu vấn đề nhiễu đối với ECU phụ;
- Vấn đề chẩn đoán và tự
chẩn đoán của ECU phụ;
Kiến nghị
- Mặc dù việc ứng dụng ECU phụ góp phần làm giảm ô nhiễm
môi trường, giảm tiêu hao nhiên liệu và chi phí nhưng do các thông
số về cơ khí của xe sau một thời gian sử dụng bị sai lệch, nên việc
nạp lại các thông số điều khiển cho ECU chính là vấn đề cần tiếp tục
được thực hiện ở các hướng và đề tài nghiên cứu khác (lậ
p lại bản đồ
thông số cho ECU chính để phù hợp với tình trạng kỹ thuật cơ khí
của động cơ đã bị thay đổi).
- Trên cơ sở phương pháp của luận án, ta có thể phát triển hướng
nghiên cứu lắp ECU phụ ở đầu ra của ECU chính nhằm tương thích
các cơ cấu chấp hành.