thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển đường ống nạp

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

ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN
ĐƯỜNG ỐNG NẠP
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: SV26 - 2007

S KC 0 0 1 9 1 2

Tp. Hồ Chí Minh, 2007

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HCM



ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH
ĐIỀU KHIỂN ĐƢỜNG ỐNG NẠP
MÃ SỐ: SV26 - 2007

THUỘC NHÓM NGÀNH
NGƢỜI HƢỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI
NGƢỜI THAM GIA
ĐƠN VỊ

:
:
:
:
:

KHOA HỌC KỸ THUẬT
KS PHAN NGUYỄN QUÍ TÂM
NGUYỄN SĨ PHƢỚC (04105089)
LÊ HOÀNG HIỆP
(04105042)

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TP. Hồ Chí Minh, 12 / 2007


MỤC LỤC

Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
Phần 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
I. Mục đích của đề tài:
II. Phƣơng pháp nghiên cứu:
III. Nội dung:
III.1 Khái quát về hệ thống thay đổi chiều dài đƣờng ống nạp ACIS
III.1.1 Cấu trúc của hệ thống ACIS
III.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống ACIS:
III.1.2.1 Hệ thống ACIS trên 1 số động cơ
III.2 Khái quát về hệ thống đƣờng ống nạp thay đổi T-VIS

1
1
1
1
2
2
6
7
14

III.3 Nhận xét
III.4 Ý tƣởng thiết kế

III.5 Thiết kế và chế tạo mô hình
III.5.1 Cảm biến tốc độ động cơ:
III.5.2 Cảm biến vị trí bƣớm ga loại tuyến tính:
III.5.3 Led 7 đoạn:
III.5.4 Nguyên lý mạch điều khiển:
III.6 Hƣớng dẫn sử dụng mô hình
IV. Kết quả đạt đƣợc
IV.1 Tính khoa học
IV.2 Khả năng triển khai và ứng dụng vào thực tế:

18
19
20
20
20
22
23
30
30
31
31


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
Trường ĐHSPKT
TPHCM
Giáo viên hướng dẫn


Hệ thống T-VIS và ACIS

Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ:
I. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU:
II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC:
Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam hiện nay đang từng bước phát triễn. Tuy nhiên vẫn

còn có những tồn tại lớn. Năm 2001, về Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam đứng
hàng thứ 94 trên thế giới khá xa sau Malaixia (thứ 71), Thái Lan (73), Philippin (80),
sau không ít Xri Lanka (85), Nêpan (86), Burunđi (87), sau cả Irăc (90), Xiri (92). Đến
nay thứ tự xếp hạng này cũng không mấy thay đổi. Chúng ta chưa có một tiếng nói
chung với thực trạng khoa học ở tầm vóc quốc tế và với các nước trong khu vực.
III.
NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI:
Hiện nay ở nước ta tại các trường ĐH-CĐ giảng dạy về ô tô chỉ dừng lại ở việc nghiên
cứu nguyên lý hoạt động của hệ thống ACIS và T-VIS. Nhưng trên thế giới đã chế tạo
và ứng dụng những hệ thống này trên các loại xe từ rất lâu.
Học viên, sinh viên chỉ được học về hệ thống ACIS và TVIS trên cơ sở lý thuyết điều
khiển và hình ảnh mô phỏng mà không có mô hình thực tế. Do đó học viên, sinh viên
gặp khó khăn trong việc tiếp thu kiến thức, không có sự liên hệ giữa lý thuyết và thực
tế. Giáo viên cũng gặp nhiều khó khăn trong công tác giảng dạy.
Phần 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ:
I.
Mục đích của đề tài:
Nghiên cứu và chế tạo mô hình hoạt động của hệ thống thay đổi chiều dài đường ống
nạp nhằm phục vụ cho công tác giảng dạy thực tập động cơ tại khoa Cơ Khí Động Lực
trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phô Hồ Chí Minh và tại các trường THCN,
dạy nghề về ô tô.
II.
Phương pháp nghiên cứu:
- Tìm kiếm các thông tin
- Nghiên cứu tài liệu
- Đưa ra ý tưởng
- Lập kế hoạch
- Triển khai công việc
- Chế tạo mô hình
III. Nội dung:

Công thức tính công suất có ích của động cơ:

Ne  A1.v.i.m.n.k / 

(kW )

Trong đó:
n - tốc độ động cơ (vòng/phút ).
m - hiệu suất cơ giới ( m = 0.63  0.93 ).
i - suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị.
v - hệ số nạp.
 - hệ số dư lượng không khí.
k - khối lượng riêng của không khí phía trước bướm ga ( kg/m³ ).
A1 - hằng số.
Từ biểu thức trên ta nhận thấy một trong những phương pháp tăng công suất cho động
cơ là tăng hệ số nạp v . Do đó hệ thống thay đổi chiều dài đường ống nạp ACIS

1


Hệ thống T-VIS và ACIS

(Acoustic Control Induction System ) và hệ thống đường ống nạp thay đổi T-VIS
(Toyota Variable Induction System ) được nghiên cứu và ra đời.

Hình 1 : Đồ thị mô men động cơ
III.1 Khái quát về hệ thống thay đổi chiều dài đường ống nạp ACIS
Hệ thống ACIS thay đổi chiều dài ống góp nạp của động cơ dựa trên sự thay đổi về tốc
độ động cơ và độ mở bướm ga. Ở từng chế độ hoạt động của động cơ, thể tích khí nạp
được tăng lên do đó hiệu suất nạp, công suất động cơ tăng lên.

III.1.1 Cấu trúc của hệ thống ACIS:

-

Hình 2 : Sơ đồ cấu trúc hệ thống ACIS
Hệ thống ACIS bao gồm các bộ phận chính như sau:
ECU động cơ
Cảm biến tốc độ động cơ
Cảm biến vi trí bướm ga
Van điều khiển khí nạp

2


Hệ thống T-VIS và ACIS

-

Bộ chấp hành (bầu chân không)
Van điều khiển chân không (VSV)
Bình chân không

III.1.1.1 Van điều khiển khí nạp:

Hình 3 : Van điều khiển khí nạp
Van điều khiển khí nạp được bố trí bên trong buồng nạp, khi van mở hoặc đóng sẽ làm
thay đổi chiều dài có ích của đường ống nạp.
III.1.1.2 Bộ chấp hành
Bộ chấp hành (bầu chân không) là cơ cấu cơ khí sử dụng chân không để làm thay đổi
trạng thái (đóng/ mở) của van điều khiển khí nạp.

Hình 4 : Bộ chấp hành
III.1.1.3 Van điều khiển chân không (VSV):
VSV dùng để điểu khiển độ chân không cung cấp đến bộ chấp hành để xoay van điều
khiển không khí nạp đóng hoặc mở căn cứ vào tín hiệu điều khiển của ECU động cơ.

3


Hệ thống T-VIS và ACIS

Hình 5 : Van chân không VSV
III.1.1.4 Bình chân không:

Hình 6 : Bình chân không
Bình chân không dùng để lưu trữ độ chân không nhất định. Chân không từ bình sẽ
được cung cấp tới bộ chấp hành để xoay van điều khiển không khí nạp qua van VSV.
Bên trong bình có chứa 1 van 1 chiều ( Check Valve ).
III.1.1.5 Cảm biến tốc độ động cơ:
Cảm biến tốc độ động cơ phát ra tín hiệu Ne gửi về ECU để nhận biết tốc độ động cơ.
Có 3 loại cảm biến tốc độ động cơ:
- Loại đặt bên trong bộ chia điện.
- Loại cảm biến vị trí cam.
- Loại tách rời.
III.1.1.6 Cảm biến vị trí bướm ga:
Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên cổ họng gió. Cảm biến này chuyển hóa góc mở
bướm ga thành một điện áp và gửi nó đến ECU như là một tín hiệu về góc mở bướm
ga. Có 2 loại cảm biến vị trí bướm ga:

4

Hệ thống T-VIS và ACIS

-

Loại tiếp điểm.

-

Hình 7 : Cảm biến vị trí bướm ga loại tiếp điểm
Loại tuyến tính.

Hình 8 : Cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính
III.1.1.7 ECU động cơ:

Hình 9 : ECU động cơ

5


Hệ thống T-VIS và ACIS

ECU động cơ nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến tốc độ động cơ và
tính toán đưa ra tín hiệu điện áp điều khiển van VSV.
III.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống ACIS:
Các cảm biến vị trí bướm ga và tốc độ động cơ gửi tín hiệu về ECU. ECU nhận biết
được chế độ hoạt động của động cơ và so sánh những tín hiệu đó với tín hiệu chuẩn.
Từ đó ECU đưa ra tín hiệu điện áp điều khiển van VSV đóng/mở, điều khiển độ chân
không tới bộ chấp hành. Bô chấp hành sẽ điều khiển đóng/mở van điều khiển khí nạp

làm thay đổi chiều dài đường ống nạp.
Chiều dài đường ống nạp thay đổi thích hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ
làm tăng hiệu quả nạp, cải thiện moment, công suất động cơ.

Hình 10 : Sơ đồ mạch nguyên lý
III.1.2.1 Hệ thống ACIS trên 1 số động cơ:
III.1.2.1.1 Hệ thống ACIS trên động cơ 3UZ-FE:
 Khái quát:
Hệ thống ACIS trên động cơ 3UZ-FE sử dụng một van điều khiển khí nạp để chia
đường ống nạp thành 2 đoạn mà cho phép thay đổi chiều dài hiệu dụng của đường ống
nạp phù hợp với tốc độ động cơ và góc mở bướm ga. Chiều dài đường ống nạp trong
hệ thống ACIS này có thể thay đổi được 2 trạng thái

6


Hệ thống T-VIS và ACIS

Hình 11: Sơ đồ hệ thống ACIS trên động cơ 3UZ-FE

Hình 12 : Van điều khiển khí nạp và bộ chấp hành

7


Hệ thống T-VIS và ACIS

Hình 13: Van điều khiển chân không VSV
 Hoạt động:
Khi van điều khiển khí nạp đóng (VSV mở):

Khi ECU động cơ bật van VSV để phù hợp với chu kỳ hoạt động dài, chân không
được cấp đến màng bộ chấp hành. Nó đóng van điều khiển làm cho chiều dài hiệu
dụng của đường ống nạp kéo dài, nâng cao hiệu quả nạp khí và công suất ở dải tốc độ
thấp và trung bình do hiệu ứng dao động của không khí.

Hình 14 : Hoạt động khi van điều khiển khí nạp VSV mở
Khi van điều khiển khí nạp mở (VSV đóng):
Khi ECU động cơ tắt van VSV để phù hợp với chu kỳ dao động ngắn, áp suất khí
quyển được cấp đến màng bộ chấp hành, mở van điều khiển khí nạp. Khi đó chiều dài
hiệu dụng của đường ống nạp được rút ngắn lại, tạo ra hiệu quả nạp tối đa để tăng
công suất ở dải tốc độ cao.

8


Hệ thống T-VIS và ACIS

Hình 15 : Hoạt động khi van điều khiển khí nạp VSV đ óng
III.1.2.1.2 Hệ thống ACIS trên động cơ 1MZ -FE:

Hình 16 : Hệ thống ACIS trên động cơ 1MZ-FE
Hệ thống này có 3 trạng thái thay đổi chiều dài, sử dụng 2 van VSV và 3 van điều
khiển khí nạp

9


Hệ thống T-VIS và ACIS

Hình 17 : Cấu trúc hệ thống ACIS trên động cơ 1MZ-FE

III.1.2.1.2.1 Tải lớn - tốc độ chậm:
Ở tốc độ chậm và tải lớn, ECU điều khiển VSV mở để cung cấp độ chân không đến
màng van điều khiển không khí nạp, làm van điều khiển đóng. Chiều dài có ích của
đường ống nạp gia tăng và cải thiện được hiệu suất nạp từ tốc độ chậm đến tốc độ
trung bình nên làm gia tăng công suất của động cơ.

Hình 18 : Tải lớn - tốc độ chậm
III.1.2.1.2.2 Tải lớn - tốc độ trung bình:
ECU cung cấp bề rộng xung đến VSV ngắn sẽ làm cho VSV đóng. Điều này sẽ làm
cho không khí từ môi trường được cung cấp đến màng van điều khiển làm cho van này

10


Hệ thống T-VIS và ACIS

mở làm cho chiều dài của buồng nạp khí ngắn hơn. Diện tích nạp của buồng nạp được
mở rộng và hiệu quả nạp là lớn nhất.

Hình 19 : Tải lớn - tốc độ trung bình
III.1.2.1.2.3 Tốc độ cầm chừng:
Ở chế độ này các van mở lớn, chiều dài có ích của đường ống nạp là dài nhất và hiệu
quả nạp là cao nhất.

Hình 20 : Tốc độ cầm chừng

11


Hệ thống T-VIS và ACIS

III.1.2.1.3 Hệ thống ACIS trên động cơ 3VZ-FE, 7M-GE:

Hình 21 : Cấu trúc hệ thống ACIS trên động cơ 3VZ-FE, 7M-GE

Hình 22 :Hệ thống ACIS trên động cơ 7M – GE

12


Hệ thống T-VIS và ACIS

Hình 23 :Hệ thống ACIS trên động cơ 3VZ – FE
III.1.2.1.4 Hệ thống ACIS trên động cơ 2JZ-FE:

Hình 24 :Hệ thống ACIS trên động 2JZ – FE
III.2 Khái quát về hệ thống đường ống nạp thay đổi T-VIS
( Toyota Variable Induction System)

13


Hệ thống T-VIS và ACIS

Hình 25 : Sơ đồ hệ thống T-VIS
Hệ thống đường ống nạp thay đổi T-VIS dựa vào tín hiệu tốc độ động cơ để điều khiển
tiết diện đường ống nạp qua các cơ cấu chấp hành. Hệ thống T-VIS bao gồm các bộ
phận chính:
- Cảm biến tốc độ động cơ
- Van điều khiển khí nạp.

- Bộ chấp hành
- Van điều khiển chân không ( van VSV ).
- Bình chân không.
- ECU động cơ
Khí nạp cấp cho động cơ qua 2 đường riêng biệt. Một đường cung cấp khí nạp khi
đông cơ ở tốc độ thấp (đường chính). Đường còn lại thay đổi tiết diện đường ống nạp
qua sự thay đổi vị trí của van điều khiển khí nạp.
Khi động cơ ở tốc độ thấp thì khí nạp đi vào động cơ qua đường chính. Lúc này van
điều khiển khí nạp đóng lại, khí nạp được nạp với vận tốc cao do đường ống nạp dài và
hẹp.
Van khí nạp được mở ra khi thỏa điều kiện vể tốc độ động cơ để có thể cung cấp đủ
lượng khí nạp cho động cơ ở tốc độ cao. Vì vậy hệ số nạp được gia tăng ở tốc độ thấp
và tốc độ cao.

Hình 26 : Sơ đồ vị trí các bộ phận của hệ thống T-VIS

14


Hệ thống T-VIS và ACIS

Hình 27 : Sơ đồ vị trí các bộ phận của hệ thống T-VIS
III.2.1 Van chân không ( VSV):
Có 2 loại van chân không được sử dụng trong hệ thống T-VIS
III.2.1.1VSV loại thường đóng:
Loại này được sử dụng trên động cơ 3S-GE, chân không đi qua VSV tới bộ chấp hành
( bầu chân không ) khi ECU không cấp điện áp.
+ Tốc độ động cơ thấp: ECU không cấp điện áp đến VSV, van điều khiển khí nạp
đóng lại.
+ Tốc độ động cơ cao: ECU cấp điện áp (điện áp bình) cho VSV khóa chân không

đến bộ chấp hành, van điều khiển khí nạp mở ra.

15


Hệ thống T-VIS và ACIS

Hình 28 :Van VSV loại thường đóng
III.2.1.2 VSV loại thường mở:
Được sử dung trên động cơ 3S-GTE, 4A-GZE, 4A- GE. Chân không đi qua VSV
đến bộ chấp hành khi ECU cấp điện áp cho VSV.
+ Tốc độ động cơ thấp: VSV được ECU cấp điện áp cho phép chân không dến bộ
chấp hành và giữ van điều khiển khí nạp đóng.
+ Tốc độ động cơ cao: ECU không cấp điện áp cho VSV do đó không có chân
không đến bộ chấp hành, van điều khiển khí nạp mở ra.

16


Hệ thống T-VIS và ACIS

Hình 29 : Van VSV loại thường mở

Hình 30 : Sơ đồ mạch điện hệ thống T-VIS
III.3 Nhận xét.
III.3.1 Sự giống nhau giữa hệ thống ACIS và T-VIS:
- Đường ống nạp được điều khiển thay đổi phù hợp với từng chế độ hoạt động của
động cơ.
- Tăng công suất cho động cơ.
- Sử dụng những cơ cấu điều khiển và cơ cấu chấp hành giống nhau.

- Sử dụng tín hiệu tốc độ động cơ để điều khiển.
III.3.2 Sự khác nhau giữa hệ thống ACIS và T-VIS:
- Hệ thống ACIS sử dụng tín hiệu tốc độ động cơ và góc mở bướm ga để điều khiển
sự thay đổi chiều dài hiệu dụng của đường ống nạp.
- Hệ thống T-VIS chỉ sử dụng tín hiệu tốc độ động cơ để điều khiển sự thay đổi tiết
diện của đường ống nạp.
III.4 Ý tưởng thiết kế:
Chế tạo ra mô hình hoạt động của hệ thống ACIS trên động cơ 1UZ- FE, 3UZ-FE và
T-VIS
Sử dụng:
+ Đường ống nạp chế tạo bộ van điều khiển khí và ống góp nạp của hệ thống ACIS.
+ Bộ van điều khiển và đường ống nạp của hệ thống T-VIS.
+ Cảm biến tốc độ động cơ loại điện từ 24 răng nằm trong bộ chia điện.
+ Van điều khiển chân không VSV.
+ Bộ chấp hành (màng chân không).
+ Một motor điện để quay bộ chia điện tạo tín hiệu tốc độ động cơ.
+ Hai motor điện để quay van điều khiển khí nạp của hai hệ thống ACIS và T-VIS.
+ Một cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính được gắn trên họng ga.

17


Hệ thống T-VIS và ACIS

+ Một mạch điện tử lấy tín hiệu từ cảm biến tốc độ động cơ và cảm biến vị trí bướm
ga, so sánh với một giá trị chuẩn. Từ đó gửi tín hiệu điều khiển đến 2 motor làm quay
van điều khiển khí nạp.
+ Hai bộ hiển thị led 7 đoạn dung hiển thị giá trị % góc mở bướm ga và tốc độ động
cơ.
+ Biến trở làm thay đổi giá trị dòng điện cấp đến motor để thay đổi tốc độ của motor,

thay đổi giá trị tốc độ động cơ.
+ Một bàn đạp ga dùng để thay đổi góc mở bướm ga.
+ Một bộ khung sắt dùng để gá lắp.

Hình 31: Sơ đồ bố trí thiết bị trên mô hình
III.5 Thiết kế và chế tạo mô hình.
III.5.1 Cảm biến tốc độ động cơ:
- Sử dụng cảm biến điện từ loại 24 răng .
- Nguyên lý hoạt động:
Tín hiệu tốc độ động cơ ( Ne ) được sinh ra trong cuộn dây nhận tín hiệu nhờ rôto tín
hiệu 24 răng. Nó kích hoạt cuộn nhận tín hiệu Ne 24 lần trong một vòng quay của trục
bộ chia điện, tạo ra tín hiệu dạng sóng như hình vẽ. Từ những tín hiệu này, ECU động
cơ nhận biết được tốc độ động cơ cũng như từng thay đổi 30° một của góc quay trục

18


Hệ thống T-VIS và ACIS

khuỷu.

Hình 32 : Cảm biến tốc độ động cơ kiểu điện từ 24 răng
III.5.2 Sử dụng cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính :

Hình 32 : Cảm biến vị trí bướm ga
- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
Cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính bao gồm hai tiếp điểm trượt ( tại mỗi đầu của
nó có lắp các tiếp điểm để tạo tín hiệu IDL và VTA ).
Một điện áp không đổi 5V được cấp cho cực VC từ ECU động cơ. Khi tiếp điểm trượt
giá trị điện trở thay đổi tương ứng với góc mở của bướm ga, một điện áp được cấp đến

cực VTA tỷ lệ với góc mở này.

19


Hệ thống T-VIS và ACIS

Khi bướm ga đóng hoàn toàn, tiếp điểm cho tín hiệu IDL nối cực IDL và E2. Tín hiệu
ra VTA và IDL như hình vẽ.

Hình 34 : Cấu tạo cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính

Hình 35 : Sơ đồ mạch điện của cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính

20


Hệ thống T-VIS và ACIS

Hình 36 : Đặc tuyến của cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính
III.5.3 Led 7 đoạn
Led 7 đoạn được sử dụng để hiển thị các thông số tốc độ động cơ và vị trí bướm ga

Hình 37 : Led 7 đoạn

21