Nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống phun xăng đánh lửa điện tử cho ô tô có kết nối máy tính ứng dụng trong đào tạo
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.95 MB, 104 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
ĐỖ ANH CƯỜNG
ĐỖ ANH CƯỜNG
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
VÀ TỰ ĐỘNG HĨA
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG PHUN XĂNG
ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ CHO Ơ TƠ CĨ KẾT NỐI MÁY TÍNH
ỨNG DỤNG TRONG ĐÀO TẠO
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA
KHỐ 2016B
Hà Nội – Năm 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐỖ ANH CƯỜNG
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG PHUN XĂNG
ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ CHO Ơ TƠ CĨ KẾT NỐI MÁY TÍNH
ỨNG DỤNG TRONG ĐÀO TẠO
Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS.HOÀNG SĨ HỒNG
Hà Nội – Năm 2018
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn
khoa học của PGS.TS Hoàng Sỹ Hồng. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài
này là trung thực và chưa cơng bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Những số liệu
trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả
thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về nội
dung luận văn của mình.
Hà Nội, 4/2018
Học viên
Đỗ Anh Cường
1
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................1
MỤC LỤC .............................................................................................................2
CÁC CHỮ VIẾT TẮT THƯỜNG DÙNG ..........................................................5
DANH MỤC CÁC HÌNH .....................................................................................6
MỞ ĐẦU ................................................................................................................8
1.
Lý do chọn đề tài ........................................................................................8
2.
Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................10
3.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................10
4.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn..................................................................10
5.
Cấu trúc luận văn......................................................................................11
CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CHUNG VỀ HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ
...................................................................................................................................12
1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống phun xăng điện tử.....................................12
1.2 Khái niệm EFI .............................................................................................13
1.3 Ưu điểm của hệ thống EFI so với các loại hệ thống phun xăng khác. .......13
1.4 Phân loại .....................................................................................................15
1.4.1 Phân loại theo số vòi phun ...................................................................15
1.4.2 Phân loại theo kiểu hệ thống phun .......................................................16
1.4.3 Phân loại theo đối tượng điều khiển theo chương trình.......................17
1.4.4 Phân loại theo kỹ thuật điều khiển kim phun ......................................17
1.5 Hệ thống phun xăng điện tử đa điểm động cơ bốn kỳ thông dụng .............18
1.5.1 Cấu tạo chung ......................................................................................18
1.5.2 Hệ thống nạp khí ..................................................................................19
1.5.3 Hệ thống nhiên liệu ..............................................................................20
1.5.4 Hệ thống điều khiển điện tử .................................................................22
2
1.6 Khảo sát mơ hình phun xăng KFZ – 2001D – Khoa Công nghệ động lực –
Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh ....................................................43
1.6.1 Mơ hình hệ thống phun xăng KFZ-2001D ..........................................43
1.6.2 Ưu và nhược điểm của mô hình ...........................................................43
1.7 Một số yêu cầu trong đào tạo hệ thống phun xăng điện tử .........................44
1.8 Kết luận .......................................................................................................44
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG.............................................................45
2.1 Ý tưởng thiết kế ..........................................................................................45
2.2 Thiết kế tổng thể .........................................................................................45
2.3 Thiết kế mơ hình sa bàn mơ phỏng phun xăng điện tử ...............................47
2.4 Phân tích thiết kế phần cứng hệ thống đo và truyền thông tin về máy tính
(ECU mới) .............................................................................................................49
2.4.1 Các loại cảm biến được sử dụng ..........................................................51
2.4.2 Vi điều khiển ATMEGA 32 ................................................................61
2.4.3 Sơ đồ mạch nguyên lý của hệ thống ....................................................71
2.5 Phân tích thiết kế phần mềm hệ thống ........................................................76
2.5.1 Lưu đồ thuật tốn chương trình đo và truyền dữ liệu lên máy tính .....76
2.5.2 Tính tốn góc đánh lửa ........................................................................78
2.5.3 Tính tốc độ động cơ từ tín hiệu NE .....................................................80
2.5.4 Thiết kế phần mềm mơ phỏng hệ thống trên máy tính ........................80
2.5.5 Giao tiếp máy tính với thiết bị ngoại vi qua cổng RS232 ...................80
CHƯƠNG 3: SẢN PHẨM VÀ KẾT QUẢ .......................................................85
3.1 Sản phẩm.....................................................................................................85
3.2 Một số tính năng của phần mềm .................................................................86
3.3 Một số hình ảnh khi sử dụng phầm mềm ...................................................88
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .........................................................90
4.1 Kết luận .......................................................................................................90
3
4.2 Đề nghị ........................................................................................................90
PHỤ LỤC.............................................................................................................91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................102
4
CÁC CHỮ VIẾT TẮT THƯỜNG DÙNG
Chữ viết tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
EFI
Electronic Fuel Injection
Phun nhiên liệu điện tử
ECU
Electronic Control Unit
Khối xử lý điện tử trung tâm
TOYOTA Computer
Hệ thống điều khiển bằng máy
Controled Sytem
tính của Toyota
ESA
Electronic Spark Advance
Đánh lửa điện tử nâng cao
ISC
Idle Speed Control
Điều khiển tốc độ không tải
TBI
Throttle Body Injection
Phun đơn điểm
MPI
Multi Point Fuel Injection
Phun đa điểm
CIS
Continuous Injection System
Hệ thống phun liên tục
Air Flow Controlled Fuel
Phun nhiên liệu điểu khiển theo
Injection
dòng khí nạp
TCCS
AFC
5
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1-1: Sơ đồ ngun lý hệ thống EFI ......................................................................................... 19
Hình 1-2: Cấu tạo bơm xăng điện.................................................................................................... 20
Hình 1-3: Cấu tạo vịi phun ............................................................................................................. 22
Hình 1-4: Sơ đồ ngun lý mơ hình mơ phỏng hệ thống điểu khiển điện tử .................................... 23
Hình 1-5: Khối xử lý ECU ............................................................................................................... 24
Hình 1-6: Mạch ổn áp dùng IC ........................................................................................................ 25
Hình 1-7: Các loại cảm biến lưu lượng khí nạp .............................................................................. 27
Hình 1-8: Cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dây sấy ....................................................................... 27
Hình 1-9: Cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu cánh ............................................................................ 28
Hình 1-10: Cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dịng xốy Karman quang học ................................. 29
Hình 1-11: Cảm biến áp suất đường ống nạp .................................................................................. 30
Hình 1-12: Cảm biến vị trí bướm ga loại tiếp điểm ......................................................................... 31
Hình 1-13: Cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính ........................................................................ 32
Hình 1-14: Cảm biến vị trí bướm ga loại phần tử Hall ................................................................... 33
Hình 1-15: Cảm biến vị trí bàn đạp chân ga loại tuyến tính ........................................................... 34
Hình 1-16: Cảm biến vị trí chân ga kiểu phần tử Hall .................................................................... 34
Hình 1-17: Cảm biến từ điện loại nam châm đứng yên ................................................................... 35
Hình 1-18: Cảm biến từ điện loại nam châm quay cho loại động cơ 8 xylanh................................ 36
Hình 1-19: Kiểu cảm biến lắp trong bộ chia điện............................................................................ 36
Hình 1-20: Kiểu cảm biến lắp ở đầu trục cam................................................................................. 37
Hình 1-21: Cảm biến G và NE loại tách rời Cảm biến vị trí trục cam (G) ..................................... 38
Hình 1-22: Nguyên lý làm việc của cảm biến quang ....................................................................... 39
Hình 1-23: Kết cấu cảm biến dạng HALL ....................................................................................... 39
Hình 1-24: Cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước làm mát ...................................................................... 40
Hình 1-25: Cảm biến nhiệt độ khí nạp ............................................................................................. 41
Hình 1-26: Cấu tạo cảm biến oxy .................................................................................................... 42
Hình 1-27: Mơ hình phun xăng KFZ-2001D ................................................................................... 43
Hình 2-1: Sơ đồ tổng thể các khối của hệ thống .............................................................................. 46
Hình 2-2: Bản vẽ sắp xếp các khối trong hệ thống mô phỏng phun xăng điện tử đa điểm. ............. 48
Hình 2-3: Sa bàn mô phỏng hệ thống phun xăng điện tử đa điểm ................................................... 49
Hình 2-4: Dạng sóng 7..................................................................................................................... 50
Hình 2-5: Mơ hình mơ phỏng q trình hoạt động hệ thống. .......................................................... 50
Hình 2-6:Sơ đồ chi tiết các khối của hệ thống ................................................................................. 51
Hình 2-7: Nguyên lý hoạt động và đường đặc tính của cảm biến.................................................... 52
Hình 2-8: Sơ đồ đấu nối cảm biến lưu lượng khí nạp ...................................................................... 52
Hình 2-9: Đường đặc tính cảm biến theo datasheet ........................................................................ 53
Hình 2-10: Đường đặc tính phi tuyến theo cơng thức nội suy ......................................................... 53
Hình 2-11: Cảm biến vị trí bướm ga và đường đặc tính của cảm biến............................................ 54
Hình 2-12: Cảm biến vị trí chân ga và đặc tính của cảm biến ........................................................ 55
6
Hình 2-13: Sơ đồ mạch điện và dạng tín hiệu xung G và NE .......................................................... 56
Hình 2-14:Các bộ tạo tín hiệu G và NE loại độc lập....................................................................... 57
Hình 2-15: Các bộ tạo tín hiệu G và NE loại cảm biến vị trí trục khuỷu ........................................ 58
Hình 2-16: Cấu tạo, mạch điện và đặc tính của cảm biến nhiệt độ nước làm mát và nhiệt độ khí
nạp.................................................................................................................................................... 58
Hình 2-17: Đường đặc tính cảm biến nhiệt điện trở ........................................................................ 59
Hình 2-18: Cảm biến oxy. ................................................................................................................ 60
Hình 2-19: Sơ đồ cấu trúc bên trong Atmega32 .............................................................................. 64
Hình 2-20: Sơ đồ chân vi điều khiển Atmega32............................................................................... 66
Hình 2-21: Tạo nguồn AVCC từ VCC.............................................................................................. 67
Hình 2-22:Sơ đồ khối bộ định thời 1................................................................................................ 70
Hình 2-23: Sơ đồ khối nguồn ........................................................................................................... 71
Hình 2-24: Sơ đồ khối truyền thơng nối tiếp .................................................................................... 72
Hình 2-25: Sơ đồ khối vi xử lý trung tâm ......................................................................................... 73
Hình 2-26: Mạch khuếch đại cảm biến oxy ..................................................................................... 74
Hình 2-27: Sơ đồ khối chuẩn hóa tín hiệu dạng xung...................................................................... 75
Hình 2-28: Khối cách ly quang ........................................................................................................ 75
Hình 2-29: Lưu đồ thuật tốn chương trình..................................................................................... 77
Hình 2-30: Góc đánh lửa ................................................................................................................. 78
Hình 2-31: Tín hiệu IGT .................................................................................................................. 78
Hình 2-32: Tính tốn góc đánh lửa.................................................................................................. 79
Hình 2-33: Lưu đồ thuật tốn tính góc đánh lửa ............................................................................. 79
Hình 2-34: Frame truyền RS232 ...................................................................................................... 82
Hình 2-35: Lấy SerialPort từ Toolbox ............................................................................................. 83
Hình 2-36:Thay đổi các thơng số của SerialPort ............................................................................ 84
Hình 3-1: Mặt trước sản phẩm ........................................................................................................ 85
Hình 3-2: Mặt sau sản phẩm............................................................................................................ 85
Hình 3-3:Sản phẩm khi hồn thiện .................................................................................................. 86
Hình 3-4: Giao diện phần mềm........................................................................................................ 87
Hình 3-5: Hướng dẫn lựa chọn hiển thị thông tin liên quan tới các thơng số được đo ................... 87
Hình 3-6: Thơng tin hiển thị khi click chuột trái vào thông số cần xem .......................................... 88
Hình 3-7: Bugi 2 đánh lửa ............................................................................................................... 88
Hình 3-8: Vịi 3 phun xăng ............................................................................................................... 89
7
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Động cơ đốt trong ra đời đã đánh dấu một bước ngoặt lớn trong lịch sử phát triển của
ngành cơ khí động lực. Cùng với sự phát triển đó là sự gia tăng nhanh chóng cả về số
lượng lẫn chủng loại ơtơ trên tồn thế giới. Tuy nhiên nguồn năng lượng hóa lỏng
khơng phải là vô hạn mà ngày càng cạn kiệt dần. Đồng thời mức độ ô nhiễm do động
cơ đốt trong tạo ra cũng dần được nhìn nhận một cách nghiêm túc.
Hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ đốt trong là hệ thống quyết định lớn tới
việc tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thành tựu của ngành
cơng nghiệp điện tử, tự động hóa và cơng nghệ thơng tin đã nhanh chóng được áp
dụng vào ngành công nghệ ôtô. Đặc biệt là các hệ thống trên động cơ đốt trong nhằm
hồn thiện q trình cháy. Đi tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu phát triển hệ thống
phun nhiên liệu điện tử cho động cơ đốt trong sử dụng trên ôtô là hãng Bosch (Đức)
từ những thập niên cuối thế kỷ trước. Đến năm 1984, người Nhật mua bản quyền của
Bosch và ứng dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử cho các mẫu xe của Toyota, hệ
thống này phân phối nhiên liệu đến các xilanh của động cơ tốt hơn so với chế hồ khí
bằng việc phun nhiên liệu có điều khiển điện tử. Ngày nay, hầu hết các phương tiện
sử dụng động cơ đốt trong (như ôtô, xe máy,…) đều được trang bị hệ thống phun
nhiên liệu điện tử EFI.
Hệ thống EFI được coi là trái tim của cả phương tiện, do đó nhu cầu tìm hiểu về cấu
tạo, quy trình vận hành của hệ thống EFI có ý nghĩa quan trọng, nhất là trong các
trường dạy nghề. Tuy nhiên, trong quá trình tiếp cận tơi nhận thấy người học gặp một
số khó khăn sau:
- Hệ thống phun xăng điện tử được lắp ráp vào xe, việc quan sát, theo dõi sự
vận hành của chúng sẽ gặp nhiều khó khăn. Các yếu tố như thời gian đốt nhiên liệu,
lưu lượng nhiên liệu,... không thể theo dõi liên tục trong quá trình vận hành của động
cơ.
8
-
Việc sử dụng phần mềm theo dõi của các hãng cần phải mua bản quyền, và
các phần mềm này chỉ biểu hiện ở dạng các đồ thị, chỉ có tác dụng chuẩn đốn, khó
khăn trong tìm hiểu và đánh giá, muốn sử dụng có hiệu quả cần kết hợp cả phần cứng.
- Một số mơ hình trên thị trường chỉ mơ phỏng lại q trình làm việc của hệ
thống, sử dụng tương tác bằng các nút bấm, chưa có khả năng xuất dữ liệu để đánh
giá được hiệu suất hệ thống cũng như quan sát trên máy tính.
- Một số cơ sở đào tạo hoặc là khơng có mơ hình EFI hoặc là có mơ hình nhưng
cịn sơ sài, chưa đáp ứng được nhu cầu học tập trực quan.
Nhận thấy tính cấp thiết từ những điểm trên, với sự hướng dẫn của PGS TS. Hồng
Sỹ Hồng tơi đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế mơ hình hệ thống phun xăng
đánh lửa điện tử cho ơ tơ có kết nối máy tính ứng dụng trong đào tạo” để thực
hiện luận văn của mình.
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều hãng xe cũng như loại xe khác nhau, tuy nhiên
loại thơng dụng nhất đó là xe của các nước châu Á như Nhật Bản, Hàn Quốc. Trong
luận văn này tôi lựa chọn hệ thống phun xăng điện tử trên động cơ 1NZ-FE được
Toyota trang bị trên các mẫu xe Vios và Yaris (2007) tại Việt Nam để làm mô hình
thí nghiệm vì những lý do sau:
-
Tính phổ biến: Hai mẫu xe trên là những mẫu xe phổ biến, dễ gặp tại Việt
Nam. (Toyota Vios là mẫu xe bán chạy nhất trong nước từ năm 2014 đến 2017).
-
Tính hồn thiện: Động cơ 1NZ-FE của Toyota được hãng sử dụng trong thời
gian dài, được đánh giá là một trong những mẫu động cơ tốt nhất của Toyota cũng
như với các đối thủ cùng phân khúc.
-
Tính ưu việt: Loại hệ thống EFI điều khiển bằng bộ vi xử lý được sử dụng
trong xe của Toyota gọi là TCCS, nó khơng chỉ điều khiển lượng phun mà còn bao
gồm ESA - điều khiển thời điểm đánh lửa; ISC - điều khiển tốc độ không tải và các
hệ thống điều khiển khác; cũng như chức năng chẩn đốn và dự phịng.
-
Tính hợp lý: Chi phí hệ thống hợp lý, khơng q đắt như các mẫu hệ thống
khác.
9
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu thiết kế mơ hình hệ thống phun xăng điện tử đa điểm ứng dụng trong đào
tạo, có kết nối với máy tính để quan sát, theo dõi, tính tốn các thơng số, đạt tới các
mục đích sau:
-
Nguyên lý làm việc tương đương với hệ thống khi lắp ráp vào ô tô.
-
Các thông số được theo dõi liên tục.
-
Có thể thay đổi điều kiện làm việc, thay đổi thông số hệ thống nếu cần.
-
Các modun dễ quản lý và thay thế khi muốn khảo sát các thiết bị khác nhau.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu cấu tạo của hệ thống phun xăng điện tử trên ô tô, đặc tính các cảm biến,
các dạng tín hiệu truyền về ECU từ cảm biến, từ đó thiết kế mơ hình của hệ thống
phun xăng điện tử đa điểm có kết nối với máy tính. Cụ thể nghiên cứu và mơ phỏng
hệ thống EFI của động cơ 1NZ-FE được Toyota trang bị trên các mẫu xe Vios và
Yaris 2007 bán tại Việt Nam.
-
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu cấu tạo chung, phân loại của hệ thống phun xăng điện tử.
Nghiên cứu đặc tính chung, đặc tính tín hiệu của các cảm biến.
Thiết kế mơ hình tổng thể hệ thống gồm phần cứng và phần mềm, có thể hiển thị dữ
liệu trên máy tính để quan sát quá trình hoạt động của hệ thống EFI.
Tính tốn góc đánh lửa của động cơ.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống phun xăng điện tử đa
điểm, nghiên cứu về đặc tính của các cảm biến trong hệ thống.
- Ý nghĩa thực tiễn :Nghiên cứu thiết kế mơ hình hệ thống phun xăng đánh lửa
điện tử ứng dụng trong đào tạo cho các trường dạy nghề một cách trực quan.
10
5. Cấu trúc luận văn
Luận văn bao gồm 4 chương như sau:
Chương 1: Tìm hiểu chung về hệ thống phun xăng điện tử
Chương 2: Thiết kế hệ thống
Chương 3: Sản phẩm và kết quả
Chương 4: Kết luận và kiến nghị
11
CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CHUNG VỀ HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ
Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu chung về hệ thống phun xăng điện tử: lịch sử
phát triển, khái niệm, ưu điểm, phân loại, cấu tạo, nguyên lý hoạt động.
1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống phun xăng điện tử
Vào cuối thế kỹ 19, một kỹ sư người Pháp ông Stévaan đã nghĩ ra cách phân phối
nhiên liệu khi dùng một máy nén khí. Sau đó một thời gian, người Đức đã cho phun
nhiên liệu vào buồng đốt, nhưng việc này không đạt được hiệu quả cao nên không
thực hiện.
Đầu thế kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun xăng trên động cơ 4 kỳ tĩnh tại
(nhiên liệu dùng cho động cơ này là dầu hỏa nên hay bị kích nổ và hiệu quả thấp),
với sự đóng góp này đã đưa ra một cơng nghệ chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu
cho máy bay ở Đức.
Từ đó trở đi, hệ thống phun xăng được áp dụng trên các loại ơtơ ở Đức và nó đã thay
dần động cơ sử dụng bộ chế hịa khí. Cơng ty Bosch đã áp dụng hệ thống phun xăng
trên mô tô 2 kỳ, bằng cách cung cấp nhiên liệu dưới áp lực cao.
Việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống phun xăng bị gián đoạn trong một khoảng thời
gian dài. Đến năm 1962, người Pháp triển khai nó trên ơtơ Peugoet 404. Họ điều
khiển sự phân phối nhiên liệu bằng cơ khí nên hiệu quả khơng cao và cơng nghệ vẫn
chưa đáp ứng tốt được. Đến năm 1966, người Đức đã đưa thế giới tiến bộ bằng kỹ
thuật áp dụng trong điều khiển.
Năm 1973, các kỹ sư người Đức đã đưa ra hệ thống phun xăng kiểu cơ khí gọi là KJetronic. Loại này được đưa vào sản xuất và ứng dụng trên hãng xe Mercedes..Vào
năm 1981 hệ thống Kjetronic được cải tiến thành KE-Jetronic và nó được sản xuất
hàng loạt vào năm 1984 và được trang bị trên các xe của hãng Mercedes.
Dù đã có nhiều thành cơng lớn khi ứng dụng hệ thống K-Jetronic và KE-Jetronic trên
ôtô. Nhưng các kiểu này có khuyết điểm là bảo dưỡng sửa chữa khó và giá thành chế
tạo rất cao. Do vậy các kỹ sư đã không ngừng nghiên cứu và đưa ra các loại khác như
L-Jetronic, Mono-jetronic và Motronic.
12
Người Mỹ đã theo người Đức cho chế tạo K-Jetronic dùng trên các xe của hãng GM,
Chrysler, Ngoài ra họ còn cho ứng dụng hệ thống L-Jetronic, Mono-Jetronic và
Motronic trên các xe Cadilac.
Đến năm 1984, người Nhật mới ứng dụng hệ thống phun xăng trên các xe của hãng
Toyota. Sau đó các hãng khác như Nissan của Nhật cũng ứng dụng kiểu L-Jetronic
thay cho bộ chế hồ khí.
1.2 Khái niệm EFI
Mặc dù K-Jetronic và KE-Jetronic ra đời đã đáp ứng được tỷ lệ hỗn hợp theo yêu cầu
của các chế độ làm việc của động cơ theo hướng cải thiện đặc tính tải, tiêu hao nhiên
liệu kinh tế hơn, giảm ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên vẫn còn điều khiển bằng cơ
khí kết hợp điện tử. Để đạt hiệu quả cao hơn người ta đã chế tạo ra loại phun xăng
hoàn toàn điều khiển bằng điện tử (EFI). Hệ thống này cung cấp tỷ lệ khí hỗn hợp
cho động cơ một cách tối ưu. Tùy theo chế độ hoạt động của ôtô, EFI điều khiển thay
đổi tỷ lệ xăng – khơng khí một cách chính xác. Cụ thể ở chế độ khởi động trong thời
tiết giá lạnh, khí hỗn hợp được cung cấp giàu xăng. Sau khi động cơ đã đạt nhiệt độ
vận hành, khí hỗn hợp sẽ nghèo xăng hơn. Ở các chế độ cao tốc và tăng tốc khí hỗn
hợp lại được cung cấp giàu xăng đúng yêu cầu.
1.3 Ưu điểm của hệ thống EFI so với các loại hệ thống phun xăng khác.
-
Có thể cấp hỗn hợp khí – nhiên liệu đồng đều đến từng xylanh:
Do mỗi một xylanh đều có vịi phun của mình và do lượng phun được điều chỉnh
chính xác bằng ECU theo sự thay đổi về tốc độ động cơ và tải trọng, nên có thể phân
phối đều nhiên liệu đến từng xylanh. Hơn nữa, tỷ lệ khí – nhiên liệu có thể điều chỉnh
tự do nhờ ECU bằng việc thay đổi thời gian hoạt động của vòi phun (khoảng thời gian
phun nhiên liệu). Vì các lý do đó, hỗn hợp khí nhiên liệu được phân phối đều đến tất
cả các xylanh & tạo ra được tỷ lệ tối ưu. Chúng có ưu điểm về cả khía cạnh kiểm sốt
khí xả lẫn tính năng về công suất.
13
-
Có thể đạt được tỷ lệ khí - nhiên liệu chính xác với tất cả các dải tốc độ động
cơ.
Vịi phun đơn của chế hồ khí khơng thể điều khiển chính xác tỷ lệ khí – nhiên liệu
ở tất cả các dải tốc độ, nên việc điều khiển chia thành hệ thống tốc độ chậm, tốc độ
cao thứ nhất, tốc độ cao thứ hai…và hỗn hợp phải được làm đậm khi chuyển từ một
hệ thống này sang hệ thống khác. Vì lý do đó, nếu hỗn hợp khí nhiên liệu khơng được
làm đậm hơn một chút thì các hiện tượng khơng bình thường (nổ trong ống nạp và
nghẹt) rất dễ xảy ra khi chuyển đổi. Mặc dù vậy, với EFI một hỗn hợp khí – nhiên
liệu chính xác và liên tục luôn được cung cấp tại bất kỳ chế độ tốc độ & tải trọng nào
của động cơ. Đây là ưu điểm ở khía cạnh kiểm sốt khí xả và tiết kiệm nhiên liệu.
-
Đáp ứng kịp thời với sự thay đổi góc mở bướm ga.
Ở động cơ lắp chế hồ khí, từ bộ phận phun nhiên liệu đến xylanh có một khoảng
cách dài. Cũng như, do có sự chênh lệch lớn giữa tỷ trọng riêng của xăng và khơng
khí, nên xuất hiện sự chậm trễ nhỏ khi xăng đi vào xylanh tương ứng với sự thay đổi
của luồng khí nạp. Mặc dù vậy, ở hệ thống EFI, vòi phun được bố trí gần xylanh và
và được nén với áp suất khoảng 2 đến 3 kgf/cm 2 , cao hơn so với áp suất đường nạp
cũng như nó được phun qua một lỗ nhỏ, nên nó dễ dàng tạo thành dạng sương mù.
Do vậy, lượng phun thay đổi tương ứng với sự thay đổi của lượng khí nạp tuỳ theo
sự đóng mở của bướm ga, nên hỗn hợp khí nhiên liệu phun vào trong các xylanh thay
đổi ngay lập tức theo độ mở của bướm ga. Nói tóm lại, nó đáp ứng kịp thời với sự
thay đổi của vị trí chân ga.
-
Hiệu chỉnh hỗn hợp khí nhiên liệu.
+ Bù tại tốc độ thấp: Khả năng tải tại tốc độ thấp được nâng cao do nhiên
liệu ở dạng sương mù tốt được phun ra bằng vòi phun khởi động lạnh khi
động cơ khởi động. Cũng như, do lượng khơng khí đầy đủ được hút vào
qua van khí phụ, khả năng tải tốt được duy trì ngay lập tức sau khi khởi
động.
14
+ Cắt nhiên liệu khi giảm tốc: Trong quá trình giảm tốc, động cơ chạy với
tốc độ cao ngay cả khi bướm ga đóng kín. Do vậy, lượng khí nạp vào
xylanh giảm xuống và độ chân không trong đường nạp trở nên rất lớn. Ở
chế hồ khí, xăng bám trên thành của đường ống nạp sẽ bay hơi và vào
trong xylanh do độ chân không của đường ống nạp tăng đột ngột, kết quả
là một hỗn hợp quá đậm, quá trình cháy khơng hồn tồn và làm tăng lượng
cháy khơng hết trong khí xả. Ở động cơ EFI, việc phun nhiên liệu bị loại
bỏ khi bướm ga đóng và động cơ chạy tại tốc độ lớn hơn một giá trị nhất
định, do vậy nồng độ lượng cháy không hết trong khí xả giảm xuống và
làm tiêu hao nhiên liệu.
+ Nạp hỗn hợp khí - nhiên liệu có hiệu quả: Ở chế hồ khí, dịng khơng khí
bị thu hẹp tại họng khuếch tán để tăng tốc độ dịng khí, tạo nên độ chân
khơng bên dưới họng khếch tán. Đó là ngun nhân hỗn hợp khí – nhiên
liệu được hút vào trong xylanh trong hành trình đi xuống của piton. Tuy
nhiên họng khếch tán làm hẹp (cản trở) dịng khí nạp và đó là nhược điểm
của động cơ. Mặt khác, ở EFI một áp suất xấp xỉ 2 - 3 kgf/cm 2 luôn được
cung cấp đến động cơ để nâng cao khả năng phun sương của hỗn hợp khí
– nhiên liệu, do có thể làm đường ống nạp nhỏ hơn nên có thể lợi dụng
qn tính của dịng khí nạp của hỗn hợp khí – nhiên liệu tốt hơn.
Mặc dù có đầy đủ các ưu điểm trên, tuy nhiên hệ thống phun xăng điện tử cũng có
một số nhược điểm như cấu tạo phức tạp, có yêu cầu khắt khe về chất lượng lọc sạch
nhiên liệu và khơng khí; bảo dưỡng, sửa chữa cần có trình độ chun mơn cao; giá
thành đắt.
1.4 Phân loại
1.4.1 Phân loại theo số vòi phun
- Loại TBI – Phun đơn điểm
Hệ thống này cịn có các tên gọi khác như: SPI (single point injection), CI (central
injection), Mono – Jetronic. Đây là loại phun trung tâm, kim phun được bố trí phía
15
trên cánh bướm ga và nhiên liệu được phun bằng một hay hai kim phun. Nhược điểm
của hệ thống này là tốc độ dịch chuyển của hịa khí tương đối thấp do nhiên liệu được
phun ở vị trí xa xu-páp hút và khả năng thất thoát trên đường ống nạp.
- Loại MPI – phun đa điểm
Đây là hệ thống phun nhiên liệu đa điểm, với mỗi kim phun cho từng xy lanh được
bố trí gần xu-páp hút (cách khoảng 10-15 mm). Ống góp hút được thiết kế sao cho
đường đi của khơng khí từ bướm ga đến xylanh khá dài, nhờ vậy, nhiên liệu phun ra
được hòa trộn tốt với khơng khí nhờ xốy lốc. Nhiên liệu cũng khơng cịn thất thoát
trên đường ống nạp. Hệ thống phun xăng đa điểm ra đời đã khắc phục được các nhược
điểm cơ bản của hệ thống phun xăng đơn điểm. Tùy theo cách điều khiển kim phun,
hệ thống này có thể chia làm 3 loại chính: Phun độc lập hay phun từng kim, phun
nhóm hoặc phun độc lập.
1.4.2 Phân loại theo kiểu hệ thống phun
- Loại CIS - đây là kiểu sử dụng kim phun cơ khí, gồm 4 loại cơ bản:
+ Hệ thống K-J tronic: việc phun nhiên liệu được điều khiển hồn tồn bằng
cơ khí.
+ Hệ thống K-J tronic có cảm biến khí thải: có thêm cảm biến oxy.
+ Hệ thống KE-J tronic: Hệ thống - K-J tronic với mạch điều chỉnh áp lực
phun bằng điện tử
+ Hệ thống KE-Motronic: kết hợp với việc điều khiển đánh lửa bằng điện tử
Các hệ thống này được sử dụng trên các xe model trước năm 1987.
- Loại AFC - sử dụng kim phun điều khiển bằng điện. Hệ thống phun xăng với
kim phun điện có thể chia làm 2 loại chính:
+ D – Jetronic: với lượng xăng phun được xác định bởi áp suất sau cánh bướm
ga bằng cảm biến MAP (manifold absolute pressure sensor).
+ L – Jetronic: với lượng xăng phun được tính tốn dựa vào lưu lượng khí nạp
lấy từ cảm biến đo gió loại cánh trượt. Sau đó có các phiên bản: LH -
16
Jetronic với cảm biến đo gió dây nhiệt, LU - Jetronic với cảm biến đo gió
kiểu siêu âm...
1.4.3 Phân loại theo đối tượng điều khiển theo chương trình
Nếu căn cứ vào đối tượng điều khiển theo chương trình, người ta chia hệ thống điều
khiển động cơ ra 3 loại chính:
- Chỉ điều khiển phun xăng EFI.
- Chỉ điều khiển đánh lửa ESA.
- Loại tích hợp tức là điều khiển cả phun xăng và đánh lửa
Ngày nay các loại xe chủ yếu sử dụng loại tích hợp, ngồi ra các hộp điều khiển động
cơ đốt trong thường gồm các chức năng điều khiển khác như điều khiển hộp số…
1.4.4 Phân loại theo kỹ thuật điều khiển kim phun
Nếu phân loại theo kỹ thuật điều khiển ta có thể chia hệ thống điều khiển động cơ
làm 3 loại:
-
Hệ thống phun xăng cơ khí: Được điều khiển bằng cần ga, bơm cơ khí và bộ
điều tốc để kiểm soát số lượng nhiên liệu phun vào động cơ.
-
Hệ thống phun xăng thủy lực: Được trang bị các bộ phận di động bởi áp lực
của gió hay của nhiên liệu. Điều khiển thủy lực sử dụng cảm biến cánh bướm gió và
bộ phân phối nhiên liệu để điều khiển lượng xăng phun vào động cơ.
-
Hệ thống phun xăng điện tử (EFI): ở các hệ thống phun xăng loại này, một
loạt các cảm biến sẽ cung cấp thơng tin dưới dạng tín hiệu điện liên quan đến các
thông số làm việc của động cơ cho ECU. Sau khi xử lý các thông tin này, bộ điều
khiển trung tâm sẽ xác định lượng xăng cần cung cấp cho động cơ theo một chương
trình tính tốn đã được lập trình sẵn và chỉ huy sự hoạt động của các vòi phun xăng
(thời điểm phun và thời gian phun). Tùy theo kiểu và mức độ hồn thiện, EFI cịn có
thể thực hiện một số chức năng khác như:
+ Điều khiển đồng bộ quá trình đánh lửa bán dẫn hoặc điện tử.
+ Chống kích nổ tự thích ứng.
17
+ Điều chỉnh Lambda: điều chỉnh hệ số dư lượng khơng khí thơng qua cảm
biến Oxy đặt trên đường thải để có hỗn hợp chuẩn.
+ Điều khiển thiết bị thu hồi hơi xăng: Bình xăng chỉ được thơng với khí
quyển thông qua một bộ hấp thụ hơi xăng dùng than hoạt tính. Hơi xăng sẽ
được tự động đưa trở lại đường nạp ở những điều kiện nhất định.
+ Luân hồi khí thải: vì ơxít nitơ (NOx) được tạo ra chủ yếu trong khoảng nhiệt
độ 1800oC – 2000oC, nên việc giảm nhiệt độ cháy cực đại sẽ góp phần hạn
chế lượng khí độc hại này. Trong trường hợp hàm lượng khí NOx trong khí
thải vượt quá mức quy định, thiết bị luân hồi cho phép đưa một lượng khí
thải từ đường thải trở về đường nạp, qua đó làm giảm lượng oxy trong khí
nạp, dẫn đến hạ nhiệt độ cháy.
+ Điều chỉnh tự thích ứng: khả năng tự động điều chỉnh các cảm biến.
+ Điều khiển hoạt động của các động cơ trong các chế độ vận hành không ổn
định (khởi động, chạy ấm máy, tăng hoặc giảm tốc, …).
+ Hạn chế tốc độ tối đa.
+ Hiệu chỉnh toàn tải: làm đậm hỗn hợp qua việc phun bổ sung nhiên liệu để
đạt công suất tối đa.
+ Điều chỉnh chạy chậm không tải: tự động điều chỉnh lượng hỗn hợp nạp vào
xilanh để giữ ổn định số vịng quay khơng tải, khơng bị ảnh hưởng bởi mức
độ hao mòn và nhiệt độ động cơ, cũng như việc có tải trọng phụ khi xe đỗ.
1.5 Hệ thống phun xăng điện tử đa điểm động cơ bốn kỳ thông dụng
1.5.1 Cấu tạo chung
Từ tài liệu của Toyota, ta có được sơ đồ nguyên lý hệ thống EFI, cũng như thành các
thành phần của hệ thống được trình bày trên Hình 1-1 có thể chia thành 3 khối chính:
-
Hệ thống điều khiển điện tử.
-
Hệ thống nhiên liệu.
-
Hệ thống nạp khí.
18
Hình 1-1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống EFI
1.5.2 Hệ thống nạp khí
1.5.2.1 Bầu lọc khí
Bầu lọc khí có tác dụng lọc sạch khơng khí trước khi đưa vào cổ họng gió và đi vào
đường ống nạp.
1.5.2.2 Bướm ga
Lượng khí đi vào động cơ phụ thuộc vào độ mở của bướm ga. Bướm ga mở càng
rộng thì lượng khí đi vào động cơ càng nhiều và ngược lại, bướm ga mở nhỏ thì lượng
khí đi vào động cơ ít đi.
19
1.5.2.3 Cổ họng gió
Bao gồm bướm ga để điều khiển lượng khơng khí nạp trong q trình hoạt động của
động cơ. Một đường khí phụ để cho phép một lượng khí nhỏ đi vào trong q trình
chạy khơng tải. Một cảm biến vị trí bướm ga để nhận biết góc mở bướm ga. Một số
loại cổ họng gió cịn trang bị một bộ đệm chân ga để cho phép bướm ga trả từ từ khi
nó đóng lại hay khi dùng van khí phụ loại sáp.
1.5.2.4 Van khí phụ
Van khí phụ điều khiển tốc độ của động cơ khi động cơ còn lạnh.
1.5.3 Hệ thống nhiên liệu
Hệ thống cung cấp nhiên liệu đảm nhiệm các chức năng là:
+ Hút năng từ thùng chứa để bơm đến các vòi phun.
+ Tạo áp suất cần thiết để phun xăng.
+ Duy trì áp suất nhiên liệu cố định trong ốc chia vòi phun.
1.5.3.1 Bơm xăng điện
Hình 1-2: Cấu tạo bơm xăng điện
20
Cấu tạo của bơm xăng điện được minh họa trong Hình 1-2, điện được thiết kế để bơm
xăng nhiều hơn mức yêu cầu tối đa của động cơ. Yếu tố này tạo được áp suất cần thiết
trong mạch ở bất kì chế độ hoạt động nào của động cơ. Bơm được thiết kế van chặn
bố trí tại cửa thốt của bơm xăng ngăn không cho xăng tháo lui tới thùng chứa khi
bơm nhiên liệu ngừng bơm. Van giới hạn áp suất giới hạn áp suất xăng đi. Khi nối
mạch công tắc máy và cơng tắc khởi động thì bơm xăng hoạt động tức thì và liên tục
sau khi khởi động xong.
1.5.3.2 Bầu lọc xăng
Có cơng dụng lọc sạch các tạp chất trong xăng nhằm bảo vệ các vòi phun xăng. Bầu
lọc có hai phần tử lọc: Một lõi lọc bằng giấy và một tấm lọc. Xăng phải chui xuyên
qua lõi giấy và tấm lọc trước khi chảy vào bộ phân phối.
1.5.3.3 Ống chia các vịi phun xăng
Ống chia xăng có chức năng như một kho chứa nhiên liệu của các vịi phun. Dung
tích của nó lớn hơn nhiều lần so với lượng xăng cần thiết cung cấp cho chu kì hoạt
động của động cơ. Nhờ vậy tránh được tình trạng làm thay đổi áp suất trong ống chia.
Ống chia có tác dụng sau đây:
+ Cung cấp xăng đồng thời cho các vòi phun dưới áp suất bằng nhau.
+ Làm nơi gá, lắp các vòi phun và giúp cho việc tháo, lắp các vòi phun dễ dàng.
1.5.3.4 Bộ điều áp nhiên liệu
Trong mạch cung cấp nhiên liệu, bộ điều áp điều chỉnh áp suất nhiên liệu vào vòi
phun ở 324 kPa (3,3 kgf/cm2) (giá trị này có thể thay đổi tùy loại động cơ). Ngồi ra,
bộ điều áp cịn duy trì áp suất dư trong đường ống nhiên liệu cũng như cách thức duy
trì ở van một chiều của bơm nhiên liệu.
1.5.3.5 Vòi phun
Vòi phun phun nhiên liệu vào các cửa nạp của các xi lanh theo tín hiệu từ ECU động
cơ (Hình 1-3). Các tín hiệu từ ECU động cơ làm cho dòng điện chạy vào cuộn dây
điện từ, làm cho pít-tơng bơm bị kéo, mở van để phun nhiên liệu.
21
Hình 1-3: Cấu tạo vịi phun
1.5.4 Hệ thống điều khiển điện tử
Hệ thống điều khiển điện tử bao gồm các cảm biến, bộ vi xử lý trung tâm và các cơ
cấu chấp hành. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống được mơ tả trong Hình 1-4.
Bộ xử lý trung tâm nhận các tín hiệu từ các cảm biến gửi về phân tích, xử lý và lựa
chọn chế độ phun nhiên liệu hợp lý được lưu trữ trong bộ nhớ của ECU, đồng thời
xuất tín hiệu điều khiển các cơ cấu chấp hành cho hệ thống cung cấp nhiên liệu.
Điểm khác nhau căn bản giữa hệ thống cung cấp nhiên liệu thông thường với hệ thống
phun xăng điện tử ở chỗ:
- Với hệ thống cung cấp nhiên liệu thông thường, chế độ làm việc của động cơ
phụ thuộc hoàn toàn vào bàn đạp chân ga, hỗn hợp nhiên liệu và không khí được hịa
trộn trong xy-lanh nhờ sự tụt áp.
22
- Trong khi đó, với hệ thống phun xăng điện tử, chế độ làm việc của động cơ
không chỉ phụ thuộc vào bàn đạp chân ga mà còn phụ thuộc vào trạng thái môi trường
làm việc (nhiệt độ nước), phụ tải (có bật điều hịa hay khơng), mức độ và thành phần
khí thải (cảm biến ơxy), số vịng quay của trục khuỷu động cơ, trục cam (cảm biến vị
trí trục khuỷu, trục cam), lưu lượng khơng khí (cảm biến lưu lượng khí), áp suất
đường ống nạp (cảm biến áp suất đường ống nạp)...
Hình 1-4: Sơ đồ ngun lý mơ hình mơ phỏng hệ thống điểu khiển điện tử
Do đó, hỗn hợp khơng khí được pha trộn theo tỷ lệ hợp lý hơn, giúp cho q trình
cháy hồn hồn hảo hơn. Chính vì lý do đó mà động cơ có hệ thống phun xăng điện
tử sẽ tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường hơn động cơ với hệ thống cung
cấp nhiên liệu thông thường.
1.5.4.1 Bộ xử lý trung tâm ECU
- Nguyên lý hoạt động của ECU
23
