Nghiên cứu thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu cho xe gắn máy

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƢƠNG VIỆT HƢNG

NGHIÊN CỨU THAY THẾ BỘ CHẾ HÒA KHÍ BẰNG HỆ
THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU CHO XE GẮN MÁY

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 60.52.01.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỶ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng- Năm 2019


Công trình được hoàn thành tại
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng

Phản biện 1: TS. Phạm Quốc Thái

Phản biện 2: TS. Phùng Xuân Thọ

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp
thạc sĩ ngành Kỹ thuật cơ khí động lực họp tại Trường Đại học Bách
khoa vào ngày 26 tháng 04 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trƣờng Đại học
Bách khoa
 Thư viện Cơ khí giao thông, Trường Đại học Bách khoa - ĐH


1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

EFI (Electronic Fuel Injection)
ECU (Engine Control Unit)
MAP (Manifold Absolute Pressure)
IAT (Intake Air Temperature)
ECT (Engine Coolant Temperature)
TDC (Top Dead Center)
BDC (Bottom Dead Center)
WOT (Wide Open Throttle)
RPM (Revolutions Per Minute)
NTC (Negative Temperature Coefficient)
VVT (Variable Valve Timing)
GPS (Global Positioning System)
LCD (Liquid Crystal Display)
ADC (Analog to Digital Convert)
TPS (Throttle Position Sensor)


2
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay động cơ xe máy sử dụng bộ chế hòa khí ngày càng
cũ và sử dụng công nghệ lạc hậu làm việc đốt cháy triệt để nhiên liệu

càng bị giảm đi, khí thải độc hại vì thế càng tăng. Mặc khác, động cơ
sử dụng hệ thống phun nhiên liệu giải quyết được các khuyết điểm
của bộ chế hòa khí vì vậy tôi chọn đề tài “Nghiên cứu thay thế bộ
chế hòa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu cho xe gắn máy” để góp
phần làm giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải thải ra môi trường .
2. Mục đích nghiên cứu
Tận dụng các ưu điểm của hệ thống phun nhiên liệu làm giảm
tiêu hao nhiên liệu và giảm lượng khí thải thải ra môi trường bên
ngoài.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Động cơ Honda Wave RSX 110
Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống phun xăng điện tử
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lắp đặt các cảm biến lên động cơ, thay thế bộ chế
chế hòa khí bằng hệ thống phun xăng. Nghiên cứu phần mềm
Arduino, viết chương điều khiển hệ thống phun xăng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Sử dụng hệ thống phun xăng thay cho bộ chế hòa khí trên
động cơ đốt trong sẽ làm giảm mức độ phát thải khí CO2, NOx, HC,
CO … góp phần thực hiện các công ước quốc tế về môi trường mà
Việt Nam đã cam kết tham gia.


3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Hiện nay nước ta xe máy đa phần sử dụng hệ thống nhiên
liệu dùng bộ chế hòa khí và hệ thống đánh lửa thông thường, đây là
những hệ thống có nhiều nhược điểm như:
+ Thành phần hòa khí phụ thuộc chủ yếu vào áp suất đường
ống nạp và tốc độ động cơ, nhưng trên thực tế thành phần hòa khí

còn phụ thuộc vào nhiệt độ động cơ, nhiệt độ khí nạp, độ mở bướm
ga…Hơn nữa cơ cấu điều chỉnh lượng nhiên liệu bằng cơ khí, không
đảm bảo điều khiển chính xác lượng và chất của hổn hợp phù hợp
với các chế độ làm việc của động cơ.
+ Do sử dụng họng tiết lưu nên làm tăng tổn thất cơ khí,
giảm hệ số nạp của động cơ.
+ Khi muốn lắp thêm bộ xúc tác khí xả do không duy trì
được  = 1 nên hiệu suất của bộ xúc tác không cao.
+ Góc đánh lửa sớm được giữ cố định do đó không phù hợp
với tải trọng và tốc độ của động cơ.
Do những nhược điểm trên mà các tính năng kinh tế kỹ thuật
của động cơ xe máy không cao, nhất là vấn đề phát thải các khí thải
độc hại.
Cùng với sự ra đời và phát triển của động cơ đốt trong, hệ
thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ đốt trong cũng ngày càng
phát triển để đảm bảo yêu cầu về giảm khí thải, giảm ô nhiễm môi
trường, tiết kiệm tối đa nhiên liệu.... Suốt thời gian qua, các hệ thống
nhiên liệu trong xe hiện nay đã thay đổi rất nhiều, những yêu cầu cho
nó ngày càng khắt khe hơn. Cùng với sự phát triển đó bộ chế hòa khí


4
cũng ngày càng được phức tạp hóa hơn, để đảm bảo động cơ hoạt
động một cách hiệu quả nhất. Tuy bộ chế hòa khí đã ngày càng phát
triển nhưng vẫn tồn tại những khuyết điểm không thể khắc phục. Sự
ra đời của hệ thống phun xăng đã khắc phục được những nhược điểm
của bộ chế hòa khí, vì vậy ngày nay trên các động cơ hầu hết đều
dùng hệ thống phun xăng điện tử để cơ bản đáp ứng được những nhu
cầu gắt gao về khí xả và tính tiết kiệm nhiên liệu với những ưu điểm
nổi bật của hệ thống phun xăng:

- Có thể cung cấp hỗn hợp không khí và nhiên liệu đồng đều
đến từng xilanh.
- Đạt được tỉ lệ hòa trộn không khí và nhiên liệu chính xác ở
tất cả các dải tốc độ.
- Lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ thay đổi kịp thời
với sự thay đổi của góc mở bướm ga.
- Có khả năng thay đổi tỉ lệ hỗn hợp không khí và nhiên liệu
để phù hợp với tình trạng làm việc của động cơ như chế độ khởi
động, tăng tốc, toàn tải hoặc giảm tốc.
- So với kiểu cung cấp nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí thì hệ
thống phun xăng có hiệu suất nạp cao hơn vì giảm cản trên đường
nạp.
- Sự hòa trộn không khí và nhiên liệu được tốt hơn nhờ dòng
khí được tăng sự xoáy lốc và giảm sự thất thoát nhiên liệu do bám
trên đường ống nạp.


5
- Nhờ tỉ lệ không khí nhiên liệu được hòa trộn theo tỉ lệ lí
tưởng và có hệ thống xử lí khí thải nên động cơ phun xăng ít ô nhiễm
môi trường hơn.
Xuất phát từ những yêu cầu thực tế nhằm khắc phục các nhược
điểm đã nêu của động cơ xe máy sử dụng bộ chế hòa khí cũng như
mong muốn được nghiên cứu tiếp cận và làm chủ các công nghệ hiện
đại trong lĩnh vực ôtô xe máy. Tôi đã tiến hành “Nghiên cứu thay thế
bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu cho xe gắn máy”.


6
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1. Lý thuyết về hệ thống phun xăng điện tử

Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát hệ thống phun xăng điện tử.
Tùy theo tốc độ động cơ và lượng khí nạp đo được tại cảm
biến lưu lượng khí ECU sẽ thông báo cho các vòi phun bao nhiêu
nhiên liệu cần phun và hỗn hợp khí- nhiên liệu được tạo ra bên trong
đường ống nạp. Khái niệm “ lượng phun cơ bản” được sử dụng để
chỉ lượng nhiên liệu cần phun để tạo ra tỷ lệ hỗn hợp lý thuyết.
 Hệ thống nạp khí:
Không khí đi từ lọc gió qua cảm biến áp suất khí nạp rồi đến
bướm ga và van khí phụ (nếu có điều khiển không tải), qua đường
dẫn khí đến xilanh của động cơ.


7
 Hệ thống nhiên liệu:
Nhiên liệu từ bình xăng được đưa đến bơm nhiên liệu, qua
lọc nhiên liệu đến vòi phun khởi động lạnh (nếu có) và bộ ổn định áp
suất tới các vòi phun.
 Hệ thống điều khiển điện tử:
Bao gồm ECU, các cảm biến và hệ thống điều khiển các cơ
cấu chấp hành. Trên cơ sở thông tin từ các cảm biến đầu vào và tín
hiệu đánh lửa, ECU sẽ tiến hành tính toán để điều khiển các cơ cấu
chấp hành như cuộn đánh lửa, vòi phun…
2. Yêu cầu của hệ thống phun xăng điện tử
Để động cơ sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử hoạt
động bình thường thì ECU cần nhiều thông số như vị trí trục cam,
trục khuỷu, lưu lượng khí nạp, nhiệt độ động cơ, nồng độ O2 ở khí
thải… Những số liệu này được thu thập từ các cảm biến đặt khắp nơi
trên động cơ. Sau khi nhận tín hiệu từ cảm biến ECU sẽ tính toán để

điều khiển lượng phun nhiên liệu phù hợp với các chế độ làm việc
khác nhau của động cơ.
Trên động cơ nguyên thủy sử dụng bộ chế hòa khí không có
bơm xăng mà xăng được đưa vào bình xăng con từ bình xăng lớn,
khi động cơ hoạt động sẽ tạo áp suất để hút xăng và không khí vào
theo tỷ lệ được canh chỉnh sẵn trên bình xăng con, còn hệ thống phun
xăng thì sử dụng bơm nhiên liệu để tạo áp suất và vòi phun để phun
nhiên liệu ở dạng sương tinh vào không khí nạp. Nhờ đó làm tăng
diện tích bề mặt hóa hơi của nhiên liệu. Vì vậy nhiên liệu hóa hơi
nhanh hơn, giúp hòa trộn với không khí tốt hơn làm cháy hết hoàn


8
toàn và ít phát thải ô nhiễm. Hệ thống phun phải luôn luôn phun
cùng một lượng nhiên liệu và phương pháp điều chỉnh là thay đổi
thời gian phun.
+ So với động cơ sử dụng bộ chế hòa khí thì động cơ hệ
thống phun xăng có thêm một số bộ phận:
- Các cảm biến: Tiếp nhận các thông số của động cơ.
- Bộ điều khiển: Nhận tín hiệu từ các cảm biến, điều khiển
vòi phun để hòa khí có tỷ lệ phù hợp với các chế độ làm việc của
động cơ.
- Vòi phun: Phun nhiên liệu điều khiển bằng tín hiệu điện.
- Bơm xăng: Đưa nhiên liệu từ bình chứa đến vòi phun với
áp suất nhất định.

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ phun xăng điện tử
2.1.

Điều khiển lượng phun cơ bản

Lượng không khí cảm nhận tại cảm biến đo lưu lượng gió
được chuyển hóa thành điện áp, điện áp này được gửi đến ECU như
một tín hiệu.


9
Tín hiệu đánh lửa sơ cấp theo số vòng quay động cơ cũng
được gửi đến ECU từ cuộn dây đánh lửa. ECU sau đó tính toán bao
nhiêu nhiên liệu cần cho lượng khí đó và thông báo cho mỗi vòi
phun bằng thời gian mở van điện. Khi van điện của vòi phun mở ra,
nhiên liệu sẽ được phun vào đường ống nạp.
2.2.

Thời điểm phun
Động cơ 4 kỳ sẽ thực hiện các kỳ nạp, nén, nổ, xả trong mỗi

vòng quay của trục khuỷu. Ở đây ta điểu khiển để vòi phun thực hiện
việc phun nhiên liệu 2 lần trên đường ống nạp, với mỗi lần phun
bằng ½ lượng phun thực tế. Tức là vòi phun sẽ thực hiện phun vào
cuối kỳ thải và cuối kỳ nén.
2.3.

Khoảng thời gian phun
Thời gian phun cơ bản được xác định bởi lượng khí nạp vào

(tín hiệu VE) và tốc độ động cơ (NE). Bộ nhớ trong của ECU động
cơ có chứa các số liệu về khoảng thời gian phun cơ bản khác nhau
tương ứng với các tín hiệu nhận được.
Khi vận hành bình thường, tốc độ động cơ và công suất

thường thay đổi cùng lúc. Vì vậy việc tính toán liên tục thời gian
phun cơ bản tb. Ở tốc độ cao công suất động cơ cao (mức toàn tải)
thời gian tb dài hơn, lượng xăng phun nhiều hơn.
3. Các loại cảm biến ứng dụng trong động cơ
-

Cảm biến vị trí bướm ga

-

Cảm biến oxy

-

Cảm biến áp suất đường ống nạp

-

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát


10
- Cảm biến vị trí trục cam, cả biến vị trí trục khuỷu
4. Lý thuyết về mạch điện tử

Hình 2.3: Board Arduino Mega 2560
Ta chọn Board mạch Arduino Mega 2560 có tốc độ xử lí
cao, khả năng chống nhiễu tốt, lập trình dễ dàng, phần mềm được hỗ
trợ từ nhà sản xuất nên phù hợp với việc điều khiển hệ thống phun
nhiên liệu.[13]

11
5.

Thiết bị và phần mềm thu nhận tín hiệu

Màn hình LCD 20x4B

Hình 2.4: Sơ đồ chân màn hình LCD 20x4B


12
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM
1.

Thiết kế lắp đặt hệ thống phun nhiên liệu lên động cơ sử

dụng bộ chế hòa khí
1.1. Phƣơng án lắp đặt hệ thông phun nhiên liệu lên đông cơ sử
dụng bộ chế hòa khí
Chọn bộ họng ga và bình xăng của động cơ Honda Wave
RSX Fi để thay thế cho bộ chế hòa khí và bình xăng trên động cơ thử
nghiệm gồm các chi tiết:

Hình 3.1: Bộ họng ga


13

Hình 3.2: Bình xăng
1.2. Thiết kế lắp đặt mặt bích lắp ống nạp của hệ thống phun
nhiên liệu lên động cơ nguyên thủy

Hình 3.3: Bản vẽ mặt bích


14
2.

Tính thời gian phun theo một số tín hiệu cơ bản của động cơ
2.1.

Đặc tính vòi phun

Gnl = x.K.t0 + K.t (g), với 0 < x < 1 [3]
Bảng 1: Phun nhiên liệu với thời gian ti và số lần phun 5000 lần
ti(ms)

lần phun

wFuel(gam)

1

5000

3

1.1

5000

3.9

1.2

5000

4.3

1.3

5000

4.8

1.4

5000

5.5

1.5

5000

6

1.6

5000

6.2

1.7

5000

6.7

1.8

5000

7

1.9

5000

7.6

2

5000

8.2

2.5

5000

10.2

3

5000

12.4

3.5

5000

14.7

4

5000

17.2

5

5000

22.4

6

5000

27.6

7

5000

34

8

5000

39.5

9

5000

44.5

10

5000

49.15

15
Sử dụng hàm xấp xỉ ta xác định được x = 0.6; K = 0.0018, t 0
= 0.5
2.2.

Điều khiển thời gian phun nhiên liệu

Thời gian phun nhiên liệu thực tế được xác định bằng hai đại
lượng sau:
- tb: Thời gian phun cơ bản chủ yếu dựa vào áp suất khí nạp và tốc độ
động cơ.
- tc: Thời gian hiệu chỉnh được dựa vào các cảm biến còn lại.
Thời gian phun nhiên liệu là tổng của 2 đại lượng trên:
t= tb + tc
Trong khuôn khổ đề tài này, ECU sẽ điều khiển kim phun
theo các chế độ sau:
+ Chế độ khởi động với λ rất nhỏ.
+ Chế độ chuyển tiếp từ khởi động sang không tải.
+ Chế độ hâm nóng máy (không tải khi nhiệt độ động cơ còn
thấp).
+ Chế độ chuyển tiếp từ không tải sang có tải.
+ Chế độ tăng tốc.
+ Chế độ giảm tốc.
+ Chế độ ổn định.
+ Chế độ cắt nhiên liệu khi động cơ bị kéo.
+ Chế độ cắt nhiên liệu khi quá tốc độ.
+ Điều khiển kín với λ= 1 khi tải trung bình và động cơ đã
đủ nóng.

16
NE

TPS
Cắt nhiên liệu

Làm giàu khi tăng tốc

tb
Cảm biến
áp suất

TW
Làm giàu khi khởi động

tc

Làm giàu khi chuyển tiếp

ST

TA
Điện áp
Accu

Làm giàu lúc sấy nóng

ti kim phun
Cảm biến Lambda

Điều chỉnh Lambda = 1

Hỡnh 3.4: S iu khin thi gian phun theo cỏc ch lm vic
ca ng c.
2.3.

Thi gian phun xng c bn

Ta xột tc n = 500v/p, m bm ga l 25%,
Vh= 109.1cm3, i= 4,
= 0.00129 g/cm3, = 0.9
mkk = Vh x = 109.1 x 0.00129 = 0.140739 (g)
T l hn hp lý tng 1/14,7 gi l lý tng bi vỡ lng
oxy trong khớ hn hp ny hon ton thớch ng vi lng
hydrocacbon trong xng giỳp cho quỏ trỡnh chỏy ca khớ hn hp
c hon chnh nht.


17
VE = Lượng không khí thực tế nạp / tỷ lệ hòa trộn không khí
và xăng
Thời gian phun:t = (VE – x.K.t0)/K
 Ở tốc độ n = 500v/p, độ mở bướm ga là 25%, hệ số nạp ν = 0.9
Thì mkktt = mkk x ν x 25% = 0.140739 x 0.9 x 25% = 0.0317 (g)
3. Mô phỏng chế tạo mạch điều khiển

Hình 3.5: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phun nhiên liệu


18

Hình 3. 6: Mạch điều khiển hệ thống phun nhiên liệu và đánh lửa
điện tử hoàn chỉnh


19
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN
Nhằm đánh giá tính năng kỹ thuật và xác định chất lượng động
cơ sau khi thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu ta
tiến hành thí nghiệm đo công suất và tiêu hao nhiên liệu trên động cơ
thử nghiệm.
Tỷ số truyền của truyền lực chính được xác định từ điều kiện
đảm bảo cho ô tô đạt được vận tốc cực đại ở tay số cao nhất của hộp
số cơ khí khi xe đầy tải nên ta chọn tay số 4 khi động cơ hoạt động
để thử nghiệm. Dưới đây là các kết quả đo được:

Ne (KW)
V (Km/h)

Bộ chế hòa khí

Phun xăng điện tử

45

2.2

2.6

50

2.4

2.8

60

2.9

3.1

70

3.3

3.3

80

3.3

3.5

90

2.6

3.1

Bảng 2: Bảng kết quả đo công suất ứng với đặc tính ngoài ở tay số 4

khi động cơ dùng bộ chế hòa khí thông thường và khi dùng hệ thống
nhiên liệu phun xăng.


Công suất (KW)

20
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0

20

40

60

80

100

Tốc độ xe(Km/h)
xe dïng bé chÕ hßa khÝ

xe phun x¨ng ®iÖn tö
Hình 4.1: So sánh đặc tính ngoài của động cơ khi dùng bộ chế hòa
khí và khi dùng hệ thống phun xăng điện tử.

ge (g/KW.h)
V (Km/h)

Bộ chế hòa khí

Phun xăng điện tử

45

317

312

50

312

310

60

314

313

70

320

317.5

80

324

321

90

331

325

Bảng 3: Bảng so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi dùng
bộ chế hòa khí và khi dùng hệ thống nhiên liệu phun xăng.


21

Suất tiêu hao nhiên liệu
(g/kW.h)

335
330
325
320

315

310
305

0

20

40

60

80

100

Tốc độ xe(Km/h)
bé chÕ hßa khÝ
hÖ thèng phun x¨ng
Hình 4.2: So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi dùng bộ
chế hòa khí và khi dùng hệ thống phun xăng điện tử.
Qua hai đường đặc tính trên ta thấy tính hiệu quả của động cơ
được nâng lên rõ rệt thể hiện là đường đặc tính ngoài của động cơ
khi dùng hệ thống nhiên liệu điện tử luôn cao hơn so với khi dùng bộ
chế hòa khí. Suất tiêu hao nhiên liệu cũng giảm đi một chút do vậy
cũng cải thiện được tính kinh tế của động cơ.


22

KẾT LUẬN-KIẾN NGHỊ
Qua kết quả của đề tài tôi có những kết luận như sau:
- Động cơ sử dụng hệ thống phun xăng thay cho bộ chế hòa
khí thì động cơ xe Honda Wave RSX vẫn hoạt động ổn định ở các
chế độ làm việc.
- Điều chỉnh được thời điểm phun và lượng phun nhiên liệu
tùy vào từng chế độ làm việc của động cơ.
- Có thể dùng hệ thống điều khiển điện tử này cho các xe cùng
loại.
- Ở tốc độ 70km/h thì động cơ thì công suất của động cơ sử
dụng bộ chế hòa khí và động cơ được thay thế hệ thống phun xăng
điện tử là như nhau, còn ở các dải tốc độ khác động cơ sử dụng hệ
thống phun xăng sinh ra công suất lớn hơn động cơ nguyên thủy.
- Qua kết quả đo, ở các tốc độ của xe thì suất tiêu hao nhiên
liệu giảm khi thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu
điều khiển điện tử.
Trong quá trình thực hiện đề tài nhóm thực hiện có 1 số kiến nghị
sau:

- Trên board mạch thử nghiệm mới chỉ dừng lại ở việc phun
xăng đánh lửa.Cần phát triển board mạch hoàn thiện hơn không chỉ
dừng lại ở việc phun xăng, đánh lửa mà thêm 1 số chức năng khác
như điều khiển chạy không tải, chức năng dự phòng ECU một số
mạch chẩn đoán mã lỗi....

- Chưa tối ưu hóa được lượng tiêu hao nhiêu liệu, công suất
động cơ và hàm lượng khí thải thải ra môi trường bên ngoài.


23

- Chưa kiểm tra được mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ
sau khi thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun xăng điện tử.
Hướng phát triển đề tài:
- Tối ưu hóa lượng phun và góc đánh lửa sớm ứng với mỗi
chế độ làm viêc khác nhau của động cơ sao cho tiêu hao nhiêu nhiên
liệu là nhỏ nhất và lượng khí thải là thấp nhất mà vẫn đảm bảo công
suất động cơ hoạt động ổn định.
- Phát triển đề tài để thực hiện trên động cơ nhiều xi lanh.