luận văn cao học Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển cho mô hình phun xăng điện tử động cơ ô tô

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các phần nội dung, số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác..

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 11 năm 2015
Học viên thực hiện

Trần Dũng


ii

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian dài thực hiện nghiên cứu, luận văn “Nghiên cứu, thiết
kế bộ điều khiển cho mô hình phun xăng điện tử động cơ ô tô” cũng đã được
hoàn thành. Ngoài sự nỗ lực làm việc của bản thân, học viên còn nhận được sự
giúp đỡ hết sức nhiệt tình từ gia đình, thầy cô và tập thể bạn bè trong quá trình
nghiên cứu.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:
+ Các quý thầy cô trong Bộ môn cơ khí ô tô đã tạo điều kiện để cho
học viên hoàn thành khóa học.
+ Thầy TS. Nguyễn Thiết Lập đã hướng dẫn trong suốt quá trình
thực hiện đề tài.
+ Thầy ThS. Trần Văn Lợi đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá
trình nghiên cứu cũng như hoàn thiện đề tài.
Qua 6 tháng thực hiện đề tài học viên đã cố gắng thực hiện để đạt được

kết quả tốt nhất cho luận văn, mặc dù đã đạt được những thành quả nhất định
nhưng chắc chắn vẫn còn nhiều thiếu sót. Vì vậy học viên rất mong nhận được
sự góp ý của quý thầy cô và bạn bè để luận văn được hoàn thiện hơn.

.

Trân trọng cám ơn!


iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. I
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... II
MỤC LỤC ..........................................................................................................III
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................... V
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................... VI
PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1 . TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .................................. 3
1.1 . Tổng quan về hệ thống phun xăng điện tử ................................................ 3
1.2 . Một số mô hình phun xăng điện tử đã xây dựng ..................................... 16
CHƯƠNG 2 . NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ KẾT NỐI MÁY TÍNH VỚI
MÔ HÌNH .......................................................................................................... 25
2.1 . Lựa chọn phương pháp kết nối máy tính với mô hình ........................... 25
2.2 . Thiết kế thiết bị kết nối máy tính với mô hình ........................................ 26
2.3 . Phần mềm cài đặt cho thiết bị ................................................................. 33
CHƯƠNG 3 . XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH PHUN
XĂNG ĐIỆN TỬ ............................................................................................... 38
3.1 . Lựa chọn ngôn ngữ .................................................................................. 38

3.1.1 . Tổng quan phần mềm LabVIEW...................................................... 38
3.1.2 . Các thanh công cụ ............................................................................. 39
3.1.3 . Các ứng dụng của LabVIEW ............................................................ 42
3.2 . Xây dựng phần mềm điều khiển.............................................................. 43
3.2.1 . Mô phỏng mạch điều khiển bơm xăng: ............................................ 43


iv

3.2.2 . Mô phỏng cảm biến Ne, Ge: ............................................................. 44
3.2.3 . Mô phỏng cảm biến đo lưu lượng khí nạp: ..................................... 46
3.2.4 . Tín hiệu đánh lửa: ............................................................................. 47
3.3 . Lắp đặt, thực nghiệm điểu khiển mô hình ............................................... 48
3.3.1 . Thực nghiệm mô hình phun xăng: .................................................... 48
3.3.2 . Thí nghiệm hiển thị tin hiệu đánh lửa: ............................................. 56
3.3.3 . Thí nghiệm giao tiếp hiển thị các cảm biến: ..................................... 61
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 72
x

Kết luận .................................................................................................... 72

x

Kiến nghị phát triển của đề tài ................................................................. 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 73


v

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1. Thông số ký hiệu chân USB .................................................................................... 28
Bảng 2.2. Mô tả chân kết nối chip FT232RL ........................................................................... 29
Bảng 2.3. Thông số kỹ thuật của card NI USB 6008/6009 ...................................................... 32


vi

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun xăng điện tử

4

Hình 1.2. Sơ đồ các khối chức năng của hệ thống phun xăng

5

Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển lập trình

6

Hình 1.4. Cảm biến vị trí trục cam

6

Hình 1.5. Cảm biến vị trí trục khuỷu

7

Hình 1.6. Sơ đồ mạch điện và dạng xung G và NE

7

Hình 1.7. Cấu tạo cảm biến kích nổ

7

Hình 1.8. Mạch điện cảm biến kích nổ

8

Hình 1.9. Cảm biến nước làm mát và đặc tính

8

Hình 1.10. Cấu tạo cảm biến oxy loại Ziconnium

9

Hình 1.11. Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bướm ga

10

Hình 1.12. Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu

11

Hình 1.13. Kết cấu vòi phun nhiên liệu

12

Hình 1.14. Tín hiệu hiệu chỉnh lượng phun khi khởi động

13

Hình 1.15. Tín hiệu hiệu chỉnh lượng phun ở chế độ hồi tiếp

13

Hình 1.16. Tín hiệu hiệu chỉnh lượng phun khi cắt nhiên liệu

14

Hình 1.17. Tín hiệu hiệu chỉnh lượng phun khi cắt nhiên liệu

14

Hình 1.18. Sơ đồ mạch điện điều khiển vòi phun

15

Hình 1.19. Các thành phần chính của mô hình động cơ xăng

17

Hình 1.20. Nguyên lý cụm cơ khí động cơ phun xăng

18

Hình 1.21. Nguyên lý hệ thống phun xăng

18

Hình 1.22. Mạch nguyên lý hệ thống đánh lửa trực tiếp

20

Hình 1.23. Các mô hình phun xăng điện tử của trường Trung cấp nghề

21

Hình 1.24. Các mô hình hệ thống phun xăng của trường đại học Công nghiệp Thành Phố Hồ
Chí Minh

22

Hình 1.25. Mô hình hệ thống phun xăng, đánh lửa điện tử của trường đại học Giao thông Vận
tải (tại cơ sở 2)

22

Hình 2.1. Biểu tượng các thiết bị ghép nối với cổng USB

25

Hình 2.2 Nguyên lý mô hình hệ thống phun xăng giao tiếp máy tính

26

vii
Hình 2.3. Sơ đồ mạch giao tiếp máy tính

27

Hình 2.4. Sơ đồ chân cổng USB kiểu A và B

28

Hình 2.5. Sơ đồ mạch vi điều khiển PIC16F628A

30

Hình 2.6. Cấu trúc card giao tiếp máy tính

31

Hình 2.7. Card NI USB 6008/6009

31

Hình 2.8. Giao diện phần mềm khi bắt đầu cài đặt

33

Hình 2.9. Giao diện phần mềm khi cài đặt cài đặt NI – DAQmx drive

33

Hình 2.10. Giao diện phần mềm khi hoàn tất cài đặt

34

Hình 2.11. Đấu dây khi kiểm tra kết nối

34

Hình 2.12. Giao diện phần mềm khi kiểm tra kết nối

35

Hình 2.13. Sơ đồ chân tín hiệu analog Card NI USB 6008/6009

35

Hình 2.14. Cách kết nối cảm biến có tín hiệu analog Card NI USB 6008/6009: Phương pháp
Diffential

35

Hình 2.15. Sơ đồ ghép nối các chân Digital

36

Hình 2.16. Khai báo kết nối

36

Hình 2.17. Chọn chân làm việc của card giao tiếp với máy tính

36

Hình 2.18. Chọn thông số giải đo

37

Hình 2.19. Lập trình tạo giao diện

37

Hình 3.1. Mã nguồn viết bằng LabVIEW

38

Hình 3.2. Front Panel của chương trình Labview

40

Hình 3.3. Block Diagram của chương trình LabVIEW

40

Hình 3.4. Controls palette

41

Hình 3.5. Sơ đồ mạch điện điều khiển bơm xăng

43

Hình 3.6. Mô phỏng mạch bơm xăng trên LabVIEW

44

Hình 3.7. Sơ đồ mạch điện cảm biế Ne, Ge

45

Hình 3.8. Mô phỏng tín hiệu Ne, trên LabVIEW

45

Hình 3.9. Mô phỏng tín hiệu Ge trên LabVIEW

45

Hình 3.10. Sơ đồ mạch điện cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt

46

Hình 3.11. Mô phỏng tín hiệu cảm biến đo gió trên LabVIEW

46

Hình 3.12. Sơ đồ mạch điện đánh lửa

47

Hình 3.13. Mô phỏng tín hiệu đánh lửa trênLabVIEW

48

Hình 3.14. Sơ đồ bố trí hệ thống phun xăng điện tử xe Vios

49

Hình 3.15. Bộ khung mô hình

50

Hình 3.16. Bảng lắp các thiết bị

51


viii
Hình 3.17. Đấu nối các thiết bị với mô hình

51

Hình 3.18. Mô hình hệ thống phun xăng giao tiếp máy tính

52

Hình 3.19. Giao diện giao tiếp hệ thống phun xăng với máy tính

53

Hình 3.20. Lập trình hiển thị các tín hiệu đầu vào và đầu ra

53

Hình 3.21. Góc đánh lửa sớm thực tế

57

Hình 3.22. Xung điều khiển đánh lửa IGT

58

Hình 3.23. Nguyên lý mô hình kết nối với máy tính hiển thị tín hiệu đánh lửa

59

Hình 3.24. Sơ đồ kết nối tín hiệu đánh lửa trên mô hình hiển thị trên máy tính

60

Hình 3.25. Giao diện hiển thị tín hiệu đánh lửa trên mô hình giao tiếp với

60

Hình 3.26. Kết quả hiển thị xung đánh lửa

60

Hình 3.27. Nguyên lý mô hình kết nối với máy tính hiển thị tín hiệu NE

62

Hình 3.28. Sơ đồ kết nối tín hiệu cảm biến tốc độ trên mô hình hiển thị trên máy tính

62

Hình 3.29. Giao diện hiển thị tín hiệu cảm biến tốc độ NE trên mô hình giao tiếp với máy
tính

63

Hình 3.30. Kết quả hiển thị xung tốc độ động cơ NE

63

Hình 3.31. Nguyên lý mô hình kết nối với máy tính hiển thị tín hiệu vị trí trục cam

64

Hình 3.32. Sơ đồ kết nối tín hiệu G trên mô hình hiển thị trên máy tính

64

Hình 3.33. Giao diện hiển thị tín hiệu vị trí trục cam G trên mô hình giao tiếp với máy tính 64
Hình 3.34. Kết quả hiển thị xung vị trí trục cam G

65

Hình 3.35. Nguyên lý mô hình kết nối với máy tính hiển thị tín hiệu lưu lượng khí nạp

65

Hình 3.36. Sơ đồ kết nối tín hiệu lưu lượng khí nạp VG trên mô hình hiển thị trên máy tính 66
Hình 3.37. Giao diện hiển thị tín hiệu VG trên mô hình giao tiếp với máy tính

66

Hình 3.38. Kết quả hiển thị tín hiệu cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dây nhiệt VG

66

Hình 3.39. Nguyên lý mô hình kết nối với máy tính hiển thị tín hiệu điều khiển kim phun

69

Hình 3.40. Sơ đồ kết nối tín hiệu điều khiển kim phun trên mô hình hiển thị trên máy tính 70
Hình 3.41. Giao diện hiển thị tín hiệu điều khiển kim phun trên mô hình giao tiếp với máy
tính

70

Hình 3.42. Kết quả hiển thị xung cảm biến điều khiển kim phun - hiệu điện thế kim phun

71

Hình 3.43. Kết quả hiển thị xung cảm biến điều khiển kim phun - điện áp

71

1

PHẦN MỞ ĐẦU
Ngày nay, xu hướng tích hợp điều khiển tự động cho các hệ thống thuần cơ
khí là xu hướng chính nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng, độ chính xác cũng như
tạo cảm giác thoải mái trong quá trình sử dụng. Một trong các hướng trên đang
được quan tâm nghiên cứu là hệ thống phun xăng điện tử (Electronic Fuel
Injection). Ở hệ thống EFI, bộ chế hòa khí được thay thế bằng dây dẫn, kim
phun điện, các cảm biến, hộp điều khiển. Do có các thay đổi như trên nên phát
sinh một số vấn đề cần phải đảm bảo và tính toán kỹ lưỡng như: thời gian phun,
lưu lượng phun thời gian trễ xảy ra giữa bộ phận điều khiển và bộ phận chấp
hành, tính năng dự phòng và tính năng an toàn khi xảy ra sự cố …
Trên thế giới, hệ thống EFI vẫn đang trong quá trình phát triển và hoàn
thiện. Hệ thống này, với nhiều ưu điểm như loại bỏ các cơ cấu cơ khí nên tránh
trực tiếp các tác động ảnh hưởng do việc thay đổi điều kiện hoạt động. Việc điều
khiển hệ thống EFI cũng trở lên linh hoạt có thể tích hợp với các hệ thống khác
đảm bảo hoạt động của xe tối ưu. Có thể nói hệ thống này là một trong nhưng hệ
thống quan trọng đã đang phổ biến trên ô tô. Do vậy việc nghiên cứu tìm hiểu về
hệ thống đã và đang được quan tâm bởi nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài
nước.
Hệ thống phun xăng điện tử là một bước tiến lớn về ứng dựng điều khiển
cơ điện tử trong công nghệ chế tạo ô tô, tạo được bước đột phá về hiệu quả sử
dụng nhiên liệu nâng cao công suất, hệ số an toàn thân thiện với môi trường.
Kết cấu của hệ thống phun xăng điện tử nằm ở lĩnh vực cơ điện tử, nhằm
tạo ra một hệ thống điều khiển phun xăng đáp ứng được lưu lượng phun, thời
điểm phun, phù hợp với yêu cầu làm việc của động cơ. Bao gồm các bộ vi xử lý
điều khiển tạo ra các tín hiệu điều khiển đến bộ chấp hành, khi nhận các thông
số từ cảm biến.Trái tim của hệ thống là bộ điều khiển trung tâm (ECU).

2
Hiện nay, một số cơ sở đào tạo đã thiết kế, xây dựng các mô hình hệ
thống phun xăng điện tử để phục vụ cho công tác học tập, nghiên cứu. Tuy
nhiên, việc điều khiển các chế độ làm việc thông qua máy tính thì vẫn chưa thực
hiện được. Vì vậy, việc thiết kế bộ giao tiếp để điều khiển sự hoạt động của mô
hình phun xăng điện tử thông qua máy tính là rất cần thiết.
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tiến hành nghiên cứu để thiết kế bộ
giao tiếp giữa mô hình với máy tính và xây dựng phần mềm điều khiển cho mô
hình.
Đối tượng nghiên cứu bao gồm:
- Hệ thống phun xăng điện tử (PXĐT) trên động cơ ô tô.
- Các mô hình PXĐT hiện có.
- Các phương pháp kết nối mô hình với máy tính
Phạm vi nghiên cứu của luận văn là thiết kế bộ kết nối và phần mềm điều
khiển cho mô hình đã có.
Phương pháp nghiên cứu gồm lý thuyết kết hợp thực nghiệm trên mô hình
thực tế.
Kết cấu của luận văn, ngoài phần mở đầu và kết luận, gồm 3 chương:
Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu
Chương 2. Nghiên cứu, thiết kế bộ kết nối máy tính với mô hình
Chương 3. Xây dựng phần mềm điều khiển mô hình PXĐT.


3

Chương 1 . TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 . Tổng quan về hệ thống phun xăng điện tử
Ngày nay, cùng với sự phát triển của nền công nghệ thông tin, cơ điện tử,
cộng với những thành tựu trong công nghệ điện tử tạo bước đột phá về khoa học
trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô. Việc phát triển các hệ thống mới trên ô

tô, mang lại cho con người nhiều tiện ích hơn khi sở hữu chiếc xe là một trong
những xu hướng của tập đoàn sản xuất ô tô hiện nay trên thế giới. Xu hướng tích
hợp điều khiển tự động cho các hệ thống thuần cơ khí nhằm nâng cao hiệu quả
sử dụng, tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện với mô trường, độ chính xác cũng như
tạo cảm giác thoải mái trong quá trình sử dụng. Hệ thống phun xăng điện tử trên
ô tô cũng là một trong những hệ thống được áp dụng các công nghệ của cơ điện
tử để tạo ra các sản phẩm mới có những ưu điểm vượt trội. Có thể thấy qua các
hệ thống phun xăng như: Hệ thống phun xăng kiểu cơ khí K - Jetronic, hãng
BOSCH chế tạo (nhiên liệu được phun lien tục vào trước supap hút) được ứng
dụng trên các xe của hãng Mercedes, là nền tảng cho việc phát triển hệ thống
phun xăng thế hệ sau như K – Jettronic (với cảm biến oxy) và KE – Jettronic (có
kết hợp điều khiển bằng điện tử) hoặc KE – Motronic (kèm điều khiển góc đánh
lửa sớm). Đầu những năm 80, BOSCH đã cho ra đời hệ thống phun xăng sử
dụng kim phun điều khiển bằng điện. Có hai loại: hệ thống L – Jettronic (lượng
nhiên liệu phun được xác định nhờ cảm biến đo lưu lượng khí nạp) và D –
Jettronic (lượng nhiên liệu phun được xác định dựa vào áp suất trên đường ống
nạp). Đến năm 1984 người Nhật (mua bản quyền của hãng BOSCH) đã ứng
dụng hệ thống phun xăng L – Jettronic và D – Jettronic trên các xe của hãng
Toyota, năm 1987 hãng Nissan ứng dụng hệ thống L – Jettronic thay cho bộ chế
hòa khí. Hệ thống phun xăng điện tử (EFI) là một trong những hệ thống được
nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây. Kết cấu của hệ thống EFI là sự kết


4
hợp của nhiều lĩnh vực (lĩnh vực cơ điện tử) với mục đích chính là tạo ra một hệ
thống phun xăng đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về tỷ lệ khí nhiên liệu, khả năng
hiệu chỉnh hỗn hợp theo nhiệt độ và điều kiện làm việc

, giảm thất thoát nhiên

liệu trên đường ống nạp.
Hệ thống phun xăng EFI thay thế việc tạo hòa khí do sư thay đổi áp suất trên
đường ống nạp bằng các cơ cấu cung cấp nhiên liệu trực tiếp, chính vì điều này
nên hệ thống được chia thành ba phần chính. Phần một bao gồm: các cảm biến
tốc độ động cơ, tải động cơ, nhiệt độ nước làm mát, …được gọi chung là ngõ
vào. Phần hai là phần điều khiển (ECU) dựa vào các tín hiệu ngõ vào mà đưa ra
các tín hiệu điều khiển. Phần ba ngõ ra là các cơ cấu chấp hành như kim phun,
hệ thống đánh lửa,... nhận các tín hiệu điều khiển từ ECU. Hoạt động của hệ
thống thể hiện qua sơ đồ Hình 1.1.
1

2
3

6

4

5

7
8

9

10

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun xăng điện tử

1- Cảm biến vị trí trục cam, 2- Van PDI, 3- Bô bin và bugi đánh lửa, 4,10- cảm

biến oxy, 5- Kim phun, 6- cảm biến lưu lượng khí nạp, 7, 8 –cảm biến tốc độ
động cơ, 9- cảm biến nhiệt độ nước


5
Nguyên lý hoạt động của hệ thống được chia thành các nhóm: Nhóm điều
khiển kim phun, chống ô nhiễm trên bộ catalyst, điều khiển phối khí thông
minh VVTi, điều khiển đánh lửa và điều khiển tốc độ cầm chừng tự động. Hoạt
động của hệ thống cung cấp nhiên liệu được thể hiện qua hình 1.2.

Hình 1.2. Sơ đồ các khối chức năng của hệ thống phun xăng

Để xác định lượng khí nạp (lượng gió) đi vào xy lanh trong L-Jetronic người
ta sử dụng các loại cảm biến khác nhau nhưng ta có thể phân làm 2 kiểu: đo lưu
lượng với thể tích dòng khí (cánh trượt, Kármán ...) và đo lưu lượng bằng khối
lượng dòng khí (dây nhiệt).
Do có các sự thay đổi như trên nên một số vấn đề để đảm bảo các yêu cầu về
cung cấp nhiên liệu được cải thiện: hao hụt trên đường ống nạp, thời gian cung
cấp nhiên liệu chính xác, tính năng tự chẩn đoán hư hỏng. Hệ thống phun xăng
điện tử EFI có rất nhiều ưu điểm:
x Cung cấp hỗn hợp khí nhiên liệu đồng đều đến từng xy lanh.
x Đạt được tỷ lệ khí nhiên liệu chính xác với tất cả các dải tốc độ
động cơ.
x Đáp ứng kịp thời với sự thay đổi góc mở bướm ga.
x Khả năng hiệu chỉnh hỗn hợp khí nhiên liệu dễ dàng: có thể làm
đậm hỗn hợp khi nhiệt độ thấp hoặc cắt nhiên liệu khi giảm tốc.
x Hiệu suất nạp hỗn hợp không khí – nhiên liệu cao.


6

x Do kim phun được bố trí gần suppap hút nên dòng khí nạp trên ống
góp hút có khối lượng thấp đạt tốc độ xoáy lốc cao, nhờ vậy nhiên liệu sẽ không
còn thất thoát trên đường ống nạp và hòa khí sẽ được trộn tốt hơn. Hệ thống EFI
điều khiển bằng bộ vi xử lý được sử dụng trên xe Toyota gọi là TCCS nó không
chỉ điều khiển lượng phun mà còn bao gồm ESA, ISC, cũng như chức năng chẩn
đoán và dự phòng.

Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển lập trình

Cảm biến vị trí trục cam G2: Trên trục cam đối diện với cảm biến vị trí trục
cam là đĩa tín hiệu G2 có 4 răng. Khi trục cam quay, khe hở không khí giữa các
vấu nhô ra trên trục cam và cảm biến này sẽ thay đổi. Sự thay đổi khe hở tạo ra
một điện áp trong cuộn nhận tín hiệu được gắn vào cảm biến này, sinh ra tín
hiệu G2. Tín hiệu G2 này được chuyển đi như một thông tin về góc chuẩn của
trục khuỷu đến ECU động cơ, kết hợp nó với tín hiệu NE từ cảm biến vị trí của
trục khuỷu để xác định điểm chết trên kỳ nén của mỗi xi lanh để đánh lửa và
phát hiện góc quay của trục khuỷu. ECU động cơ dùng thông tin này để xác định
thời gian phun và thời điểm đánh lửa.

Hình 1.4. Cảm biến vị trí trục cam


7
Cảm biến tốc độ trục khuỷu NE: Tín hiệu NE được tạo ra trong cuộn cảm
cùng nguyên lý với tín hiệu G. Điều khác nhau duy nhất là rotor của tín hiệu NE
có 24 răng. Cuộn dây cảm biến sẽ phát 24 xung trong mỗi vòng quay của delco.
Tín hiệu NE được ECU động cơ sử dụng để phát hiện góc của trục khuỷu và tốc
độ của động cơ. ECU động cơ dùng tín hiệu NE và tín hiệu G để tính toán thời
gian phun cơ bản và góc đánh lửa cơ bản.

Hình 1.5. Cảm biến vị trí trục khuỷu

Hình 1.6. Sơ đồ mạch điện và dạng xung G và NE

Cảm biến kích nổ:Cảm biến kích nổ thường được chế tạo bằng vật liệu áp
điện. Nó được lắp trên thân xylanh hoặc nắp máy để cảm nhận xung kích nổ
phát sinh trong động cơ và gửi tín hiệu này đến ECU động cơ, làm trễ thời điểm
đánh lửa nhằm ngăn chặn hiện tượng kích nổ.

Hình 1.7. Cấu tạo cảm biến kích nổ


8
Thành phần áp điện trong cảm biến kích nổ được chế tạo bằng tinh thể thạch
anh, là vật liệu khi có áp lực sẽ sinh ra điện áp. Phần tử áp điện được thiết kế có
kích thước với tần số riêng trùng với tần số rung của động cơ khi có hiện tượng
kích nổ để xảy ra hiệu ứng cộng hưởng (f = 7KHz). Như vậy, khi có kích nổ,
tinh thể thạch anh sẽ chịu áp lực lớn nhất và sinh ra một điện áp. Tín hiệu điện
áp này có giá trị nhỏ hơn 2,4V. Nhờ tín hiệu này, ECU động cơ nhận biết hiện
tượng kích nổ và điều chỉnh giảm góc đánh lửa cho đến khi không còn kích nổ.
ECU động cơ có thể điều chỉnh thời điểm đánh lửa sớm trở lại.

Hình 1.8. Mạch điện cảm biến kích nổ

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát: Cảm biến này được dùng để xác định
nhiệt độ động cơ, có cấu tạo dạng trụ rỗng có ren ngoài, bên trong được lắp một
nhiệt điện trở. Nó được làm bằng vật liệu bán dẫn nên có hệ số nhiệt điện trở
âm. Khi nhiệt độ tăng điện trở giảm và khi nhiệt độ giảm thì điện trở tăng. Sự
thay đổi giá trị điện trở sẽ làm thay đổi giá trị điện áp, tín hiệu này giúp ECU
biết được nhiệt độ của động cơ.

Hình 1.9. Cảm biến nước làm mát và đặc tính

Cảm biến ô xy: Để lọc được khí xả tốt nhất cần phải duy trì tỷ lệ không khí
và nhiên liệu nằm trong khoảng gần với tỷ lệ lý thuyết. cảm biến nồng độ oxy


9
nhận biết tỷ lệ không khí nhiên liệu đậm hay nhạt hơn tỷ lệ lý thuyết. Cảm biến
được đặt ở đường ống xả.

Hình 1.10. Cấu tạo cảm biến oxy loại Ziconnium

1- Đầu bảo vệ.,2- Lớp zirconia, 3- Đệm, 4- Thân cảm biến, 5- Lớp cách điện, 6Vỏ cảm biến, 7- Đường thông với không khí, 8-Đầu dây nối, 9- Đường khí vào
Cảm biến vị trí bướm ga: Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên cổ họng
gió. Cảm biến này biến đổi góc mở bướm ga thành điện áp, được truyền đến
ECU động cơ như tín hiệu mở bướm ga (VTA). Ngoài ra, một số thiết bị truyền
một tín hiệu IDL riêng biệt. Các bộ phận khác xác định nó lúc tại thời điểm chạy
không tải khi điện áp VTA này ở dưới giá trị chuẩn. Khi bướm ga đóng điện áp
phát ra của cảm biến giảm và khi bướm ga mở điện áp phát ra của cảm biến
tăng. ECM tính toán góc mở bướm ga theo những tín hiệu này và điều khiển bộ
chấp hành bướm ga tương ứng với điều khiển của lái xe..
Một điện áp không đổi 5V từ ECU cung cấp đến cực VC. 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 hoàn toàn, tiếp
điểm cầm chừng nối cực IDL với cực E2. Trên xe Toyota cảm biến bướm ga
loại điện trở chỉ có 3 chân VC, VTA, E2 mà không có dây IDL.
Giống như các mạch điện cảm biến khác mạch cảm biến gồm các bộ phận
chính: ECU, các dây dẫn, dây nối… khi vị trí con trượt và điện trở R2 thay đổi
thì giá trị điện trở của cảm biến cũng thay đổi. nhờ có bộ phận xác định điện áp

mà bộ phận điều khiển ECU có thể xác định chính xác vị trí của bộ phận, nhận
biết thông qua giá trị điện áp tại con trượt.


10

Hình 1.11. Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bướm ga

Hộp ECU:ECU là một mạch điều khiển điện tử, nó là bộ tổ hợp vi mạch và
bộ phận phụ dùng để nhận biết tín hiệu, trữ thông tin, tính toán, quyết định chức
năng hoạt động và gửi đi các tín hiệu điều khiển thích hợp. Các linh kiện điện tử
của ECU được sắp xếp trong một mạch in. Các linh kiện công suất tầng cuối nơi
điều khiển các cơ cấu chấp hành được gắn với khung kim lọa của ECU với mục
đích giải nhiệt. Sự tổ hợp các chức năng trong IC (bộ tạo xung, bộ chia xung, bộ
dao động, bộ đo đa hài điều khiển việc chia tần số) giúp ECU đạt độ tin cậy cao.
ECU động cơ đang khai thác có các chức năng sau:
- Chức năng điều khiển đánh lửa sớm điện tử ESA (Electronic Spark
Advance).
- Chức năng điều khiển phun nhiên liệu.
Hộp ECU được đặt chương trình để phát tín hiệu đánh lửa vào thời điểm tối
ưu trong bất ký chế độ làm việc nào của động cơ. Các thông số từ đầu cảm ứng
đo số vòng quay, áp suất tuyệt đối dòng khí nạp, nhiệt độ nước… được đưa vào
xử lý trong ECU, hộp này sẽ phát tín hiệu đánh lửa chính xác vào thời điểm cần
thiết.
- Chức năng chẩn đoán sửa chữa.
- Chức năng dự phòng:
Trong trường hợp có hỏng hóc trong mạch của hệ thống ECU, hộp ECU có
mạch dự phòng tự động đấu vào để đảm bảo khả năng tối thiểu cho xe chạy đến
cơ sở sửa chữa, lúc đó đèn CHECK ENGINE luôn sáng.

11
Trong đề tài này chủ yếu khai thác chức năng điều khiển đánh lửa sớm điện
tử ESA (Electronic Spark Advance ).
Để có thể xác định chính xác thời điểm đánh lửa cho từng xylanh của động
cơ theo thứ tự nổ, ECU cần phải nhận được các tín hiệu cần thiết như tốc độ
động cơ, vị trí piston, lượng gió nạp, nhiệt độ động cơ,… Số tín hiệu vào càng
nhiều thì việc xác định góc đánh lửa sớm tối ưu càng chính xác. Sơ đồ hệ thống
đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử có thể chia thành
ba phần: tín hiệu vào, ECU và tín hiệu từ ECU ra điều khiển ingiter.
Ngoài ra còn có thể có các tín hiệu vào từ cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm
biến tốc độ xe, cảm biến oxy. Sau khi nhận tín hiệu từ các cảm biến ECU sẽ xủ
lý và đưa ra xung đến igniter để điều khiển đánh lửa.
Để xác định tải của động cơ, ECU dựa vào sự thay đổi tín hiệu áp suất trên
đường ống nạp hoặc tín hiệu lượng khí nạp. Do sự thay đổi về áp suất trên
đường ống nạp khi thay đổi tải, tín hiệu điện áp gửi về ECU sẽ thay đổi và ECU
nhận tín hiệu này để xử lý và quy ra mức tải tương ứng để xác định góc đánh lửa
sớm.
Hệ thống xăng:

Hình 1.12. Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu

1-Bình xăng, 2- cụm bơm nhiên liệu, 3- đường nhiên liệu lên ống phân
phối, 4 lọc xăng, 5- bộ giảm rung động, 6- ống phân phối, 7- vòi phun, 8bộ ổn định áp suất , 9- Đường hồi nhiên liệu.
Nguyên lý làm việc: Nhiên liệu từ thùng xăng được chuyển lên các ống dẫn
nhiên liệu, tới ống phân phối... bằng cụm bơm nhiên liệu. Nhiên liệu được bơm
và duy trì với áp suất khoảng 2,90 – 2,95 kg/cm2. Bộ ổn định áp suất sẽ duy trì


12

áp suất nhiên liệu ở 1 giá trị áp suất nhất định và cung cấp tới ống phân phối.
Ngoài ra trên ống phân phối còn có bộ giảm rung động để đảm bảo nhiên liệu
luôn có áp suất cung cấp ổn định đến vòi phun. Cảm biến mức xăng luôn gửi tín
hiệu về ECM và đồng hồ táp lô để báo mức xăng.
Vòi phun trên xe sử dụng loại mới có đầu dài hơn để giảm được ô nhiễm do
hạn chế nhiên liệu bám dính trên đường ống nạp.
Hoạt động của vòi phun: Vòi được điều khiển từ ECM động cơ,vòi phun có
chức năng phun vào cửa nạp, xuppap nạp hút một lượng xăng đã được định lượng
chính xác. Mỗi xi lanh động cơ có riêng một vòi phun mỗi khi nhận được tín hiệu
của ECM cuộn dây được cấp điện và nâng kim phun mở cho xăng phun ra. Khi
chưa có dòng điện chạy qua cuộn dây lò xo ấn van kim đóng kín bệ của nó đây là
trạng thái đóng của vòi phun. Đến lúc ECM phát tín hiệu đặt một điện áp vào
cuộn dây nam chân điện sẽ nhấc lõi từ và van kim lên khoảng 1mm xăng sẽ được
phun ra và được định lượng chính xác. Đầu của van kim có hình dáng đặc biệt
giúp làm tơi nhiên liệu khi phun ra, thời gian mở và đóng vòi phun phụ thuộc vào
chế độ làm việc của động cơ.

Hình 1.13. Kết cấu vòi phun nhiên liệu

1- Thân vòi phun; 2- Giắc cắm; 3- Đầu vào; 4- Gioăng chữ O; 5- Cuộn
dây;6-Lò xo; 7- Piston; 8- Đệm cao su; 9-Van kim
ECM điều khiển 2 thông số của vòi phun là thời điểm phun và thời gian
phun:
+ Thời điểm phun.


13
Thời gian phun bao gồm thời gian phun cơ bản (được tính ra từ tín hiệu tốc
độ động cơ Ne và lưu lượng khí nạp) và thời gian phun hiệu chỉnh.
Lượng nhiên liệu hiệu chỉnh được xác định tùy theo các chế độ làm việc

khác nhau của động cơ. Các chế độ hiệu chỉnh nhiên liệu:
+ Tăng nhiên liệu để khởi động:
Khi khởi động thì tốc độ của động cơ thấp, lưu lượng không khí thay đổi lớn
vì vậy việc xác định lượng nhiên liệu để cung cấp cho động cơ sẽ dựa vào nhiệt
độ nước làm mát. Nhiệt độ nước làm mát thấp thì nhiên liệu bốc hơi khó do đó
phải kéo dài thời gian phun để làm đậm lượng hòa khí. ECM xác định khi tốc độ
động cơ nhỏ hơn 400 v/p thì nó đang khởi động. Còn khi tốc độ đột ngột giảm
xuống dưới 400 v/p thì tính trễ sẽ hoạt động để ngăn ECM xác định động cơ
đang hoạt động.

Hình 1.14. Tín hiệu hiệu chỉnh lượng phun khi khởi động

Tăng nhiên liệu để hâm nóng:
Khi động cơ còn nguội thì nhiên liệu khó bốc hơi khi đó ECM nhận tín hiệu
từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát để tăng thời gian phun nhằm làm đậm hòa
khí.
+ Hiệu chỉnh phản hồi tỉ lệ không khí - nhiên liệu:
Điều kiện để hiệu chỉnh trong trường hợp này là động cơ phải nổ máy ổn
định.Khi đó tín hiệu đầu vào là điện áp của cảm biến ô xy.

Hình 1.15. Tín hiệu hiệu chỉnh lượng phun ở chế độ hồi tiếp


14
ECM xác định thời gian phun cơ bản để đạt được tỉ lệ hòa khí lý thuyết. Khi
động cơ hoạt động có sự thay đổi tỉ lệ này và cảm biến ô xy phát hiện sự thay
đổi đó báo cho ECM biết để ECM điều chỉnh lượng nhiên liệu phù hợp và gần
với tỷ lệ lý thuyết nhất. Hiệu chỉnh này không hoạt động khi (Khởi động, làm
đậm khi khởi động, làm đậm để tăng công suất, nhiệt độ nước làm mát quá thấp,
điều chỉnh cắt bơm).

+ Điều khiển cắt nhiên liệu: Điều khiển dựa trên 2 tín hiệu là tốc độ động
cơ và tín hiệu vị trí bướm ga VTA.

Hình 1.16. Tín hiệu hiệu chỉnh lượng phun khi cắt nhiên liệu

Trong thời gian giảm tốc, hoạt động phun nhiên liệu bị ngắt theo trạng thái
giảm tốc độ và giảm khí thải độc hại. Đồng thời tăng hiệu ứng hãm động cơ.
Trạng thái giảm tốc được xác định bởi độ mở bướm ga và cảm biến vị trí trục
cơ.
+ Tăng nhiên liệu để tăng công suất:
Khi cần tăng công suất thì lượng khí nạp lớn hơn do bướm ga mở rộng, tải
trọng của động cơ lớn vì vậy việc hòa trộn hòa khí dẫn đến quá trình cháy không
hoàn toàn và không khí còn dư.

Hình 1.17. Tín hiệu hiệu chỉnh lượng phun khi cắt nhiên liệu

Do ECM điều khiển tăng thời gian phun để đạt được hỗn hợp giàu hơn lý
thuyết nhằm sử dụng hết lượng không khí nạp để nâng cao công suất động cơ.


15
Tải trọng lớn được xác định từ độ mở của bướm ga, tốc độ động cơ và lưu lượng
khí nạp.
+ Hiệu chỉnh điện áp ắc quy:
Khi có một mức trễ nhỏ thì ECM truyễn tín hiệu đến vòi phun, nếu điện áp
thấp thì thời gian trễ càng lớn. Trong hiệu chỉnh điện áp, ECM bù lại khoảng
thời gian trễ này bằng cách kéo dài thời gian của tín hiệu phun.
+ Hiệu chỉnh lượng phun ở chế độ không tải:
Ở chế độ không tải ECM điều chỉnh mở bướm ga 1 góc thích hợp. Hệ thống
này điều khiển góc mở bướm ga đến giá trị tối ưu theo mức nhấn xuống của bàn

đạp ga. Ở vị trí không tải bàn đạp ga ở vị trí không nhấn xuống, lúc này ETCS-i
điều khiển bướm ga mở 1 góc thích hợp với chế độ tải thường và không tải quá
độ. Ở chế độ thường thì chỉ động cơ hoạt động, ở chế độ không tải quá độ (có tín
hiêu AC...)

Hình 1.18. Sơ đồ mạch điện điều khiển vòi phun

Các vòi phun được bố trí trên đường ống góp nạp. Chúng phun nhiên liệu
vào các xylanh dựa trên các tín hiệu từ ECM.
ECM điều khiển 2 thông số của vòi phun là thời gian phun và thời điểm
phun. Khi ECM xác định cần phải phun nhiên liệu, nó sẽ gửi một dòng điên đến
cực B của Transistor làm Transistor mở mạch. Dòng điện đi từ cực dương ắc
quy qua khóa điện qua cuộn dây vòi phun về mát. Khi dòng điện đi qua cuộn


16
dây sinh ra lực từ hút kim phun đi lên và nhiên liệu được phun vào ống nạp của
động cơ.
Như vậy, việc nghiên cứu về lĩnh vực cơ điện tử trên ô tô là một việc hết sức
quan trọng. Đây là vấn đề mới về khoa học và công nghệ ô tô tại Việt Nam và
cũng là lý do chính của việc lựa chọn đề tài nghiên cứu. Thông qua đề tài này,
học viên có thể sử dụng làm tài liệu phục vụ cho công tác giảng dạy. Nhiệm vụ
chính của đề tài là thiết kế bộ điều khiển cho mô hình phun xăng điện tử động cơ
ô tô.
1.2 . Một số mô hình phun xăng điện tử đã xây dựng
Để phố biến kiến thức về hệ thống phun xăng điện tử, tai trường đại học cao
đẳng trung cấp thường trang bị các thiết bị thí nghiệm kèm theo các mô hình học
cụ. Đặc biệt đối với các trường trung cấp, dạy nghề thì mô hình học cụ giúp sinh
viên hiểu được cấu tạo một cách trực quan, nắm được nguyên lý hoạt động, giáo
viên thuận tiện hơn khi hướng dẫn học viên tháo lắp trên mô hình, cũng như học

viên có thể quan sát thao tác của giáo viên thuận lợi hơn khi tiến hành trên
phương tiện.
Ngoài giá đỡ mô hình, kết cấu mô hình động cơ xăng có thể chia thành bảy
nhóm hệ thống chính. Các hệ thống trên bao gồm kết cấu cơ khí, hệ thống cung
cấp nhiên liệu, hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn, hệ thống đánh lửa, hệ thống
nguồn điện, hệ thống điều khiển (Hình 1.19).


17

KẾT CẤU CƠ KHÍ

HỆ THỐNG CUNG CẤP
NHIÊN LIỆU

HỆ THỐNG LÀM

CHƯƠNG TRÌNH
ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG

MÁT

CƠ

HỆ THỐNG NGUỒN

HỆ THỐNG BÔI

ĐIỆN

TRƠN
HỆ THỐNG ĐÁNH
LỬA

Hình 1.19. Các thành phần chính của mô hình động cơ xăng

Kết cấu cơ khí: Trên động cơ đốt trong kết cấu cơ khí bao gồm các chi tiết
như thân máy, nắp thân máy, trục khủy thanh truyền, piston, supap, trục cam.
Kết cấu cơ khí thường được chế tạo bằng kim loại như gang, hợp kim nhôm, sắt.
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, cũng như yêu cầu có một động
cơ nhẹ hơn, êm hơn, giảm rung, tăng công suất. Xu hướng thay đổi chung là
giảm về khối lương với việc áp dụng tiến bộ của công nghệ vật liệu, bằng cách
thay thế các loại vật liệu truyền thống trong chế tạo nắp máy và thân máy từ
gang sang hợp kim gang hoặc hợp kim nhôm, một số động cơ tốc độ cao sử
dụng kim loại quý hiếm như titan vào chế tạo trục khủy, piston.
Còn thay đổi về kết cấu như thay piston đỉnh bằng truyền thống bằng piston
đỉnh lõm làm tăng quá trình hòa trộn xăng và không khí. Thay đổi hệ thống cam
treo trước đây sang hệ thống cam đặt, điều khiển trực tiếp từ trục cam đến supap
không thông qua cò mổ hoặc từ điều khiển cơ khí sang điều khiển thủy lực.