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 HỊA KHÍ
BẰNG HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU CHO
XE GẮN MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng - Năm 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƢƠNG VIỆT HƢNG

NGHIÊN CỨU THAY THẾ BỘ CHẾ HỊA 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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng

Đà Nẵng - Năm 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào
khác.
Tác giả luận văn

Trương Việt Hưng


LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển của khoa học cơng nghệ thì điều khiển tự động được
áp dụng rất nhiều vào các lĩnh vực sản xuất, nghiên cứu cũng như các lĩnh vực khác
của đời sống xã hội, đặc biệt là ngành động cơ đốt trong thì việc điều khiển tự động
hóa các q trình của động cơ là rất cần thiết.
Hiện nay trên thế giới hệ thống phun xăng điện tử cho xe máy đã được sử dụng
rộng rãi. Ở Việt Nam, xu hướng hiện nay là thay thế hệ thống nhiên liệu sử dụng bộ
chế hòa khí bằng hệ thống phun xăng điện tử. Qua quá trình học tập và nghiên cứu em
thấy rằng việc thay thế bộ chế hịa khí bằng hệ thống phun xăng điện tử là cần thiết.
Với bộ điều khiển ECU cho phép điều chỉnh chính xác lượng phun nhiên liệu theo
từng chế độ tải trọng của động cơ, nhờ đó cải thiện được đặc tính mơ men cũng như
tăng tính kinh tế của động cơ và giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường. Với những
lý do trên em chọn đề tài “Nghiên cứu thay thế bộ chế hịa khí bằng hệ thống phun
nhiên liệu cho xe gắn máy”. Với đề tài này em hy vọng sẽ góp phần nâng cao chất
lượng dòng sản phẩm động cơ xe máy sản xuất tại Việt Nam.
Em xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của PGS.TS.Trần
Thanh Hải Tùng cũng như sự giúp đỡ tạo điều kiện của các thầy cơ giáo trong khoa Cơ

Khí Động Lực đã giúp em hoàn thành đề tài này. Nhưng do chưa có nhiều kinh nghiệm
và trình độ bản thân cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi những sai xót. Em rất mong
nhận được những ý kiến đóng góp, sự chỉ bảo của các thầy cơ cũng như các bạn để em
có thể ứng dụng đề tài này tốt hơn trong thực tế.
Đà Nẵng, Ngày 24 tháng 04 năm 2019.
Học viên thực hiện

Trương Việt Hưng


TÓM TẮT
Tên đề tài: “Nghiên cứu thay thế bộ chế hịa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu cho
xe gắn máy”
Học viên: Trương Việt Hưng
Mã số: 60.52.01.16. Khóa: K32

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng.

Tóm tắt: Nghiên cứu thay thế bộ chế hịa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu cho xe
WAVE RSX 110 là việc sử dụng các cảm biến để xác định sự thay đổi của các thông số
như tốc độ động cơ, tải trọng, nhiệt độ được mã hóa tín hiệu đưa vào ECU (electronic
control unit) xử lý và tính tốn để đưa ra lượng phun nhiên liệu và lượng khơng khí
phù hợp với từng chế độ làm việc của động cơ. Lượng phun nhiên liệu được điều khiển
qua thời gian đóng mở kim phun. Việc tối ưu tỷ lệ nhiên liệu nạp vào và khơng khí
được lưu trong bộ nhớ để phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ sao cho tiêu
hao nhiên liệu là thấp nhất mà vẫn đảm bảo công suất động cơ, cùng với đó giảm thiểu
mức độ phát thải khí CO2, NOx, HC, CO … ra mơi trường.
ABSTRACT
Title of the project: "Research on replacing carburetor with fuel injection system for

motorcycles"
Abstract:Research to replace carburetor by fuel injection system for vehicle WAVE
RSX 110 is the use of sensors to determine the change of parameters such as engine
speed, load, and temperature. Encode ECU (electronic control unit) input signal
processing and calculation to provide the fuel injection volume and air volume suitable
for each engine operation mode. The amount of fuel injection is controlled through the
nozzle opening and closing time. The optimal rate of fuel input and air is stored in the
memory to suit each engine operation mode so that fuel consumption is lowest while
ensuring engine power, along with minimizing the level of emission of CO2, NOx,
HC, CO ... into the environment.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................1
LỜI NĨI ĐẦU.........................................................................................................4
TĨM TẮT................................................................................................................ 5
DANH MỤC HÌNH ẢNH..................................................................................... 10
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài...............................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu........................................................................................1
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu...................................................................1
4. Phƣơng pháp nghiên cứu.................................................................................1
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài........................................................1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU..........................2
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT......................................................................7
2.1. Lý thuyết về hệ thống phun xăng điện tử.......................................................7
2.1.1. Nguyên lý hoạt động....................................................................................7
2.1.2. Yêu cầu của hệ thống phun xăng điện tử...................................................8
2.1.3. Tỷ lệ xăng – khơng khí................................................................................9
2.1.4. Điều khiển lượng phun cơ bản....................................................................9

2.1.5. Thời điểm và khoảng thời gian phun........................................................ 10
2.1.6. Đặc điểm của thành phần hỗn hợp cháy................................................... 10
2.1.7. Kết luận:..................................................................................................... 14
2.2. Các loại cảm biến............................................................................................ 14
2.2.1. Cảm biến vị trí bướm ga............................................................................ 14
2.2.2. Cảm biến oxy.............................................................................................. 16
2.2.3. Cảm biến áp suất đường ống nạp.............................................................. 17
2.2.4. Cảm biến nhiệt độ động cơ........................................................................ 18
2.2.5. Cảm biến vị trí trục cam, cảm biến vị trí trục khuỷu................................19
2.3.Điều khiển hiệu chỉnh..................................................................................... 20
2.3.1. Ở chế độ không tải chuẩn.......................................................................... 21
2.3.2. Ở chế độ tăng tốc........................................................................................ 21
2.3.3. Chế độ khởi động động cơ......................................................................... 21
2.3.4. . Quá trình sấy nóng động cơ.................................................................... 23


2.3.5. Chế độ toàn tải........................................................................................... 24
2.3.6. Chế độ giảm tốc đột ngột ( Q trình khơng tải cưỡng bức)....................24
2.3.7. Kết luận...................................................................................................... 25
2.4.Lý thuyết về mạch điện tử.............................................................................. 25
2.4.1. Giới thiệu về board Arduino Uno.............................................................. 25
2.4.2. Giới thiệu về board Arduino Nano............................................................ 26
2.4.3. Giới thiệu về board Arduino Mega 2560................................................... 27
2.5.Thiết bị và phần mềm thu nhận tín hiệu....................................................... 28
2.5.1. Module LCD I2C........................................................................................ 28
2.5.2. Màn hình LCD 20x4B............................................................................... 29
2.6.Kết luận............................................................................................................ 31
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM........................................................... 32
3.1. Thiết kế lắp đặt hệ thống phun nhiên liệu lên động cơ sử dụng bộ chế hịa
khí........................................................................................................................... 33

3.1.1. Phương án lắp đặt hệ thống nhiên liệu..................................................... 33
3.1.2. Phân tích lựa chọn và lắp đặt các cảm biến lên động cơ thử nghiệm......36
3.2. Thiết kế chế tạo mạch điều khiển hệ thống phun nhiên liệu.......................41
3.2.1. Cơ sở điều khiển vòi phun......................................................................... 41
3.2.2. Phương pháp điều khiển kim phun........................................................... 42
3.2.3. Điều khiển thời gian phun nhiên liệu....................................................... 42
3.2.4. Tính thời gian phun theo một số tín hiệu cơ bản của động cơ.................46
3.2.5. Thiết kế chế tạo mạch điều khiển phun nhiên liệu................................... 54
3.3. Viết chƣơng trình điều khiển hệ thống phun nhiên liệu bằng arduino......56
3.3.1. Xây dựng thuật toán hệ thống phun xăng................................................. 56
3.3.2. Viết chương trình điều khiển..................................................................... 57
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM............................................................... 58
4.1. Kiểm tra và chạy thử...................................................................................... 58
4.2. Kết quả đo....................................................................................................... 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 64
PHỤ LỤC................................................................................................................... 65


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)


DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật động cơ Honda Wave RSX............................................. 33
Bảng 3.2: Phun nhiên liệu với thời gian ti và số lần phun 5000 lần...........................47
Bảng 3.3: Bảng khối lượng khơng khí theo tốc độ(rpm) và độ mở bướm ga(tps) trong 1
chu trình...................................................................................................................... 50
Bảng 3.4: Bảng tỷ lệ hịa trộn giữa khơng khí và nhiên liệu theo tốc độ và độ mở bướm
ga................................................................................................................................. 50
Bảng 3.5:Bảng khối lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình..................................51
Bảng 3.6:Bảng thời quan phun trong 1 chu trình........................................................ 52
Bảng 3.7: Bảng thời gian phun để nạp vào chương trình điều khiển...........................53
Bảng 4.1: Bảng kết quả đo cơng suất ứng với đặc tính ngồi ở tay số 4 khi động cơ
dùng bộ chế hòa khí thơng thường và khi dùng hệ thống nhiên liệu phun xăng..........60
Bảng 4.2: Bảng so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi dùng bộ chế hịa khí
và khi dùng hệ thống nhiên liệu phun xăng................................................................. 61


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1. Sơ đồ tổng qt hệ thống phun xăng điện tử.................................................7
Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ phun xăng điện tử............................9
Hình 2.3: Ngưỡng của tỷ lệ nhiên liệu khơng khí cần phải duy trì nhằm giúp bộ xúc
tác
hóa khử ba chức năng hoạt động tốt........................................................................... 10
Hình 2.4: Ảnh hưởng của hệ số dư lượng khơng khí đối với cơng suất động cơ P và

đối với suất tiêu hoa nhiên liệu ge............................................................................... 11
Hình 2.5: Ảnh hưởng của đếnt vài..................................................................... 12
Hình 2.6: Ảnh hưởng của đến Ne và ge của động cơ xăng...................................... 13
Hình 2.7 : Cảm biến vị trí bướm ga loại tiếp điểm...................................................... 15
Hình 2.8 : Cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính..................................................... 15
Hình 2.9 : Cảm biến vị trí bướm ga loại Hall.............................................................. 15
Hình 2.10: Cảm biến oxy loại nung nóng.................................................................... 16
Hình 2.11: Cảm biến oxy loại khơng nung nóng.......................................................... 17
Hình 2.12: Cảm biến áp suất đường ống nạp.............................................................. 18
Hình 2.13: Cảm biến động cơ...................................................................................... 19
Hình 2.14: Cảm biến vị trí trục cam loại cảm biến hiệu ứng điện từ...........................20
Hình 2.15: Cảm biến vị trí trục cảm loại Hall............................................................. 20
Hình 2.16: Board Arduino Uno................................................................................... 25
Hình 2.17: Board Arduino Nano.................................................................................. 26
Hình 2.18: Board Arduino Mega 2560........................................................................ 27
Hình 2.19: Mạch điều khiển màn hình LCD giao tiếp I2C.......................................... 29
Hình 2.20: Màn hình LCD 20x4B................................................................................ 29
Hình 2.21: Sơ đồ chân màn hình LCD 20x4B............................................................. 30
Hình 3.1: Cụm ống nạp............................................................................................... 33
Hình 3.2: Cụm bướm ga.............................................................................................. 34
Hình 3.3: Cụm kim phun xăng..................................................................................... 34
Hình 3.4: Bộ họng ga.................................................................................................. 35
Hình 3.5: Bình xăng.................................................................................................... 35


Hình 3.6: Bản vẽ mặt bích........................................................................................... 36
Hình 3.7: Vị trí lắp cảm biến vị trí bướm ga............................................................... 37
Hình 3.8: Vị trí lắp đặt cảm biến oxy.......................................................................... 38
Hình 3.9: Cấu tạo và đặc tính cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP).....................38
Hình 3.10: Vị trí lắp đặt cảm biến áp suất khí nạp...................................................... 39

Hình 3.11: Vị trí lắp đặt cảm biến nhiệt độ động cơ.................................................... 40
Hình 3.12: Vị trí lắp đặt cảm biến vị trí trục cam, cảm biến vị trí trục khuỷu.............41
Hình 3.13: Quá trình điều khiển phun của ECU......................................................... 41
Hình 3.14: Sơ đồ điều khiển thời gian phun theo các chế độ làm việc của động cơ....43
Hình 3.15: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phun nhiên liệu........................................ 54
Hình 3.16: Thiết kế mạch điều khiển hệ thống phun nhiên liệu................................... 55
Hình 3.17: Board mạch sau khi gia cơng.................................................................... 55
Hình 3.18: Board mạch điều khiển hệ thống phun nhiên liệu và đánh lửa điện tử hồn
chỉnh............................................................................................................................ 56
Hình 3.19: Thuật tốn hệ thống phun xăng................................................................. 57
Hình 4.1: Mơ hình xe máy được thử nghiệm............................................................... 58
Hình 4.2: Động cơ chạy ở tốc độ 1850 vịng/phút....................................................... 59
Hình 4.3: So sánh đặc tính ngồi của động cơ khi dùng bộ chế hịa khí và khi dùng hệ
thống phun xăng điện tử.............................................................................................. 60
Hình 4.4: So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi dùng bộ chế hịa khí và khi
dùng hệ thống phun xăng điện tử................................................................................. 61


1
MỞ ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài

Hiện nay động cơ xe máy sử dụng bộ chế hịa 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 hịa khí vì vậy tơi chọn đề tài “Nghiên cứu thay thế bộ chế
hịa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu cho xe gắn máy” để góp phần làm giảm tiêu
hao nhiên liệu và lượng khí thải thải ra mơi trường .

2.

Mục đích nghiên cứu

Thay thế bộ chế hịa khí của động cơ bằng hệ thống phun xăng điều khiển điện tử
để tận dụng các ưu điểm của hệ thống phun nhiên liệu làm giảm tiêu hao nhiên liệu và
giảm lượng khí thải thải ra mơi 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 hịa 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.


2

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Tài nguyên và mơi trường có vị trí đặc biệt quan trọng đối với con người và sự
phát triển của xã hội. Hàng ngày chúng ta sử dụng khơng khí, nước, thực phẩm để tồn
tại và sử dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên và môi trường để đáp ứng các nhu cầu
thiết yếu của cuộc sống. Mỗi sự biến đổi của tự nhiên, của môi trường đều liên hệ mật
thiết đến chúng ta, sự đe dọa nào đối với thiên nhiên, mơi trường cũng chính là đe dọa
đối với chúng ta.
Trong quá trình sản xuất và sinh hoạt, con người đã và đang thải vào môi trường
hàng triệu tấn các chất độc hại có rất nhiều nguyên nhân khác nhau như: do q trình
sản xuất cơng nghiệp thải ra khí thải độc hại, do quá trình khai thác tài nguyên thiên
nhiên, các loại hóa chất sử dụng trong cơng nghiệp, nơng nghiệp, do việc sử dụng
nhiên liệu của các phương tiện giao thông vận tải gây ra…
Mới đây, bản đồ của Đại học Yale được tạp chí Forbes Việt Nam dẫn lại thể hiện
màu đỏ và đỏ sẫm chủ đạo tại khu vực miền Bắc, Việt Nam - cho thấy nơi này là khu
vực bị ơ nhiễm khơng khí nặng nhất cả nước, trong đó, nặng hơn cả là Thủ đơ Hà Nội
và các tỉnh thành lân cận.
Với những số liệu thu thập được, Đại học Yale xếp hạng chất lượng khơng khí
của Việt Nam là 54,76/100 điểm, đứng thứ 170/180 nước nghiên cứu. Chỉ số PM 2.5
(Particulate Matter - nghĩa là chất dạng hạt) của Việt Nam hiện tại là 43.95, xếp thứ
170/180 nước. Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ, những khu vực có chỉ số PM 2.5
tiêu cực, người dân rất hay mắc các bệnh về phổi và đường hô hấp, đặc biệt là với
người già cũng như trẻ nhỏ.
ỞViệt Nam, ơ nhiễm khơng khí phổ biến nhất là ơ nhiễm khói bụi, sau đó là
ơ
nhiễm CO2 và một số loại khí khác như SO2, NOx... Hai tác nhân chủ yếu gây ra ơ
nhiễm khơng khí là khí thải từ các phương tiện cơ giới và hoạt động sản xuất công
nghiệp. Theo một số nghiên cứu, hiện tại khí thải từ các phương tiện giao thơng cơ
giới chiếm 70% tác nhân gây ơ nhiễm khơng khí tại Việt Nam.
Năm 2000, Việt Nam tiêu thụ khoảng 7,5 triệu tấn xăng dầu thì đến năm 2015
con số này đã vọt lên 17,5 triệu (số liệu từ Petrolimex) - trong đó q nửa phục vụ hoạt

động giao thơng vận tải. Ơ nhiễm khơng khí do phương tiện cơ giới gây ra nhiều khả
năng sẽ còn nghiêm trọng hơn nữa trong những năm tới bởi các phương tiện giao


3
thơng cá nhân sẽ tiếp tục tăng vọt. Ước tính của Bộ Công nghiệp thời điểm năm 2007
cho thấy đến năm 2025, tiêu thụ xăng dầu cả nước sẽ đạt 40-50 triệu tấn.
Các phương tiện giao thông vận tải chủ yếu sử dụng nhiên liệu truyền thống
như xăng và diesel. Chính vì vậy trong khí thải của động cơ chứa rất nhiều khí độc hại
như: NOX, SOX, HC cháy khơng hoàn toàn, kèm theo những hạt bụi rắn thải vào mơi
trường khơng khí làm cho hàm lượng khí độc hại trong bầu khí quyển ngày càng tăng
lên.
Ở

Việt Nam, xe máy cũng chính là loại phương tiện giao thơng phổ biến nhất.

Theo điều tra xác định tỷ lệ các loại xe trong một dịng xe thì có tới 85,8% xe là xe
máy, 12,3% là ô tô, 1,2% là xe tải và xe bt chỉ chiếm 0,7%. Từ đó, người ta tính
tốn ví dụ như ở Hà Nội thì cứ 1km đường sẽ có tới 2.500 xe máy hoạt động.
Hiện nay ở các thành phố lớn như Hà Nội và TP Hồ Chí Minh, xe máy chiếm tới 95%
các phương tiện giao thông và tiêu thụ 56% xăng, lượng phát thải hydrocarbon chiếm
94%, carbon monoxide (CO) chiếm 87% và ôxit nitơ chiếm 57%. Điều này cho thấy,
tình trạng ơ nhiễm khơng khí do các phương tiện cơ giới gây ra ngày càng ở mức báo
động.
Tại hội thảo về: “Công tác bảo vệ mơi trường - ứng phó biến đổi khí hậu trong
tình hình hiện nay” do Ủy ban MTTQ Việt Nam TP Hồ Chí Minh tổ chức, các nhà
khoa học đã báo động về tình trạng ơ nhiễm khơng khí, đặc biệt là sự gia tăng nồng độ
các chất độc hại trong khơng khí với những thơng số đáng lo ngại.
PGS.TS Nguyễn Lê Ninh cho biết: Hiện nồng độ bụi đặc trưng PM10 có nơi đạt
tới 80 microgram/m³, trong khi nồng độ cho phép nhỏ hơn con số này nhiều lần. Nồng

độ SO2 lên đến 30 microgram/m³, nồng độ benzen có nơi đạt 35 - 40 microgram/m³.
Hằng năm, tại Việt Nam, các phương tiện giao thông đã thải ra 6 triệu tấn CO2, 61.000
tấn CO, 35.000 tấn NO2, 12.000 tấn SO2... Nồng độ các chất có hại trong khơng khí ở
các đơ thị lớn vượt quá mức cho phép nhiều lần, riêng SO2 cao gấp 2-3 lần.
Từ năm 1995, Việt Nam đã ban hành quy định kiểm sốt khí thải ơtơ, trong đó
ngành Giao thơng vận tải tập trung quản lý mức khí thải của phương tiện ơtơ và kiểm
sốt chất lượng phương tiện đối với xe máy.


4
Trên thực tế, hiện nay chỉ kiểm sốt được khí thải từ khâu sản xuất, lắp ráp, lưu
hành và nhập khẩu đối với ơtơ, nhưng chưa có quy định cụ thể về niên hạn, kiểm sốt
khí thải đối với phương tiện xe máy đang lưu hành. Sở Giao thông vận tải TP.HCM
cũng gấp rút đề nghị chính quyền thành phố kiến nghị đến Thủ tướng Chính phủ sớm
thơng qua đề án kiểm tra, kiểm sốt khí thải xe máy do Bộ Giao thơng đề ra. Theo đó,
3

việc áp dụng tiêu chuẩn khí thải đối với mơtơ gắn máy có dung tích từ 175cm trở lên
trong giai đoạn 2018-2020 làm tiền đề để áp dụng cho các dòng xe khác. Được biết,
trước đây, Bộ cũng đã xây dựng Đề án Kiểm sốt khí thải đối với xe mơ tơ, gắn máy
tại một số thành phố lớn, sau đó sẽ tiến hành triển khai đại trà.
Theo ơng Nguyễn Hữu Trí - Phó Cục trưởng Cục Đăng kiểm Việt Nam, hiện nay
cả nước có khoảng 40 triệu xe máy, trong số này có những xe hoạt động từ những năm
80 - 90 của thế kỷ trước nhưng vẫn cịn lưu thơng. Khơng chỉ mất an tồn giao thơng,
trong q trình hoạt động những chiếc xe "quá đát" này còn ảnh hưởng nghiêm trọng
đến môi trường và sức khỏe người dân. Những chiếc xe này do sử dụng công nghệ lạc
hậu nên khả năng đốt cháy nhiên liệu khơng hết, thải ra ngồi mơi trường gấp nhiều
lần ơ tơ và phần lớn khí thải độc hại là hydrocarbon, ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con
người.
Cịn theo các nhà khoa học thì trong khí thải của các phương tiện có rất nhiều

thành phần độc hại như ôxit nitơ, hydrocarbon, CO, khi thải ra môi trường sẽ xảy ra
phản ứng hóa học tạo ra các loại khí độc hại, làm cho con người bị ngộ độc, thậm chí
ngạt thở. Bởi đốt cháy nhiên liệu chính là q trình phân giải các chất hữu cơ.
Thành phần khí thải này lại phụ thuộc nhiều vào chất lượng động cơ. Động cơ
càng cũ, cơng nghệ càng lạc hậu thì việc đốt cháy triệt để nhiên liệu càng bị giảm đi,
khí thải độc hại vì thế càng tăng. Trong q trình hoạt động, các phương tiện "q đát"
thải ra mơi trường một lượng khí thải độc hại cao gấp 2-4 lần các loại xe mới, được
bảo dưỡng định kỳ.[7]
Hiện nay nước ta xe máy đa phần sử dụng hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hịa
khí và hệ thống đánh lửa thơng thường, đây là những hệ thống có nhiều nhược điểm
như:
+

Thành phần hịa khí phụ thuộc chủ yếu vào áp suất đường ống nạp và tốc độ

động cơ, nhưng trên thực tế thành phần hịa khí cịn phụ thuộc vào nhiệt độ động cơ,


5
nhiệt độ khí nạp, độ mở bướm ga…Hơn nữa cơ cấu điều chỉnh lượng nhiên liệu bằng
cơ khí, khơng 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 khơng duy trì được = 1 nên hiệu

suất của bộ xúc tác khơng cao.
+ Góc đánh lửa sớm được giữ cố định do đó khơng 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 u cầu về giảm khí
thải, giảm ơ 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 hịa khí cũng ngày càng được
phức tạp hóa hơn, để đảm bảo động cơ hoạt động một cách hiệu quả nhất. Tuy bộ chế
hịa 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 khơng khí và nhiên liệu đồng đều đến từng xilanh.
- Đạt được tỉ lệ hòa trộn khơng 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 khơng 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 hịa khí thì hệ thống phun

xăng


có hiệu suất nạp cao hơn vì giảm cản trên đường nạp.


6
- Sự hịa trộn khơng khí và nhiên liệu được tốt hơn nhờ dịng khí được tăng
sự
xốy lốc và giảm sự thất thoát nhiên liệu do bám trên đường ống nạp.
-

Nhờ tỉ lệ khơng khí nhiên liệu được hịa trộn theo tỉ lệ lí tưởng và có hệ thống

xử lí khí thải nên động cơ phun xăng ít ơ 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 hịa khí cũng như mong muốn được nghiên cứu tiếp
cận và làm chủ các công nghệ hiện đại trong lĩnh vực ôtô xe máy. Tơi đã tiến hành
“Nghiên cứu thay thế bộ chế hịa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu cho xe gắn máy”.


7
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Lý thuyết về hệ thống phun xăng điện tử

Phun xăng điện tử (Fi) là một khái niệm khơng cịn xa lạ đối với những ai đang
sử dụng xe máy. Nguyên lý hoạt động cơ bản của Fi là sử dụng một hệ thống điều
khiển điện tử để can thiệp vào quá trình phun nhiệu liệu vào buồng đốt động cơ nhằm
tối ưu hóa việc sử dụng nhiên liệu.
2.1.1. Nguyên lý hoạt động

Phun xăng điện tử có thể chia thành ba hệ thống : hệ thống nhiên liệu, hệ thống
nạp khí và hệ thống điều khiển điện tử. Ba hệ thống này sẽ được mô tả chi tiết như
sau:

Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát hệ thống phun xăng điện tử.


8


Hệ thống nạp khí:

Khơng khí đi từ lọc gió qua cảm biến áp suất khí nạp rồi đến bướm ga và van
khí phụ (nếu có điều khiển khơng tải), qua đường dẫn khí đến xilanh của động cơ.


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
tốn để điều khiển các cơ cấu chấp hành như cuộn đánh lửa, vòi phun…
2.1.2. 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 thơng 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 tốn 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 hịa khí khơng 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,
cịn 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 khơng khí nạp. Nhờ đó làm tăng diện tích bề mặt hóa
hơi của nhiên liệu. Vì vậy nhiên liệu hóa hơi nhanh hơn, giúp hịa trộn với khơng khí
tốt hơn làm cháy hết hồn tồn và ít phát thải ơ 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 vịi phun để hịa 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 vịi phun với áp suất nhất định.


9

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ phun xăng điện
tử 2.1.3. Tỷ lệ xăng – không khí
Hệ thống nhiên liệu trên động cơ xăng có chức năng làm thay đổi tỷ lệ xăng khơng khí để có được khí hỗn hợp tối ưu cho mọi chế độ làm việc khác nhau của động
cơ. Thông thường 1 gram xăng hịa trộn lẫn với 15 gram khơng khí, ta có tỷ lệ khí hỗn
hợp cung cấp cho động cơ trong nhiều chế độ làm việc khác nhau. Lúc khởi động trởi
lạnh, tỷ lệ khí hỗn hợp là 1/9. Trong chế độ chạy cầm chừng 1/12, ở vận tốc trung bình
khí hỗn hợp nghèo xăng hơn, vào khoảng 1/15. Lúc lái xe tăng tốc, tỷ lệ khí hỗn hợp
được thể hiện bằng các đường cong đứt quãng khi mở lớn tối đa bướm ga, khí hỗn hợp
cũng được thêm xăng.
Việc thay đổi tỷ lệ thích hợp nhằm mục đích ln ln nạp đủ nhiên liệu vào
xilanh. Ví dụ lúc khởi động trời lạnh, hay lúc động cơ xăng đang nguội phải cần đến
một tỷ lệ khí hỗn hợp rất giàu xăng. Bởi lúc này chỉ có một phần nhỏ xăng bốc hơi, do
đó phải cần thật nhiều xăng để xilanh nhận đủ lượng nhiên liệu cần thiết.
Tỷ lệ hỗn hợp lý tưởng 1/14,7 gọi là lý tưởng bởi vì lượng oxy trong khí hỗn hợp
này hồn tồn thích ứng với lượng hydrocacbon trong xăng giúp cho quá trình cháy
của khí hỗn hợp được hồn chỉnh nhất. Sẽ xảy ra tình trạng nhiều xăng đối với tỷ lệ
1/14, cũng như quá dư thừa oxy đối với tỷ lệ hỗn hợp 1/16.
2.1.4. Điều khiển lượng phun cơ bản
Lượng khơng 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.
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 tốn bao nhiêu nhiên liệu cần cho lượng khí đó và


10
thơng báo cho mỗi vịi phun bằng thời gian mở van điện. Khi van điện của vòi phun
mở ra, nhiên liệu sẽ được phun vào đường ống nạp.
2.1.5. Thời điểm và khoảng thời gian phun
a) 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.
b) 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 cơng suất thường thay đổi cùng
lúc. Vì vậy việc tính tốn liên tục thời gian phun cơ bản t b. Ở tốc độ cao công suất
động cơ cao (mức toàn tải) thời gian tb dài hơn, lượng xăng phun nhiều hơn.
2.1.6. Đặc điểm của thành phần hỗn hợp cháy
a)

Hệ số dư lượng khơng khí

Để chỉ rõ mức độ sai biệt giữa tỷ lệ nhiên liệu–khơng khí cung cấp thực tế cho
động cơ so với tỷ lệ hỗn hợp lý tưởng(1/14,7) người ta chọn hệ số dư lượng = Lượng
không khí nạp/Lượng khơng khí u cầu lý tưởng.

Hình 2.3: Ngưỡng của tỷ lệ nhiên liệu khơng khí cần phải duy trì nhằm giúp bộ xúc
tác hóa khử ba chức năng hoạt động tốt.


11
Hình 2.3 giới thiệu đồ thị về ảnh hưởng của hệ số dư khơng khí đối với cơng
suất P và suất tiêu hao nhiên liệu ge .Ta tìm được ảnh hưởng này như sau:

Hình 2.4: Ảnh hưởng của hệ số dư lượng khơng khí đối với cơng suất động cơ P và
đối với suất tiêu hoa nhiên liệu ge

Trong đó:
- a Giàu xăng – thiếu khơng khí.
- b Nghèo xăng – dư khơng khí.
Hỗn hợp q nghèo xăng, khơng thể tiếp tục cháy được nếu1,3
Hỗn hợp cháy tốt phát huy cơng suất tối đa cho động cơ. Lượng khơng khí thiếu
so với lý tưởng khoảng 5 – 15 %.



 0,95 0,85

Suất tiêu hao nhiên liệu bé tối đa. Dư lượng khơng khí khoảng 20%.



1,11,2

Hệ số dư lượng khơng khí này sẽ cho một tỷ lệ khí hỗn hợp lý tưởng và cho
phép động cơ vận hành ổn định ở chế độ chạy cầm chừng.



1,0

Thiếu khoảng 15 – 25 % không khí. Động cơ nổ chun tiếp tốt, chuyển tiếp có
nghĩa là thay đổi chế độ làm việc từ chế độ này sang chế độ khác.


b)

 0,85 0,75

Độ đồng nhất của hỗn hợp cháy

Hỗn hợp cháy được gọi là đồng nhất khi nó có thành phần như nhau tại mọi khu
vực trong buồng cháy. Để được trạng thái này, nhiên liệu phải bốc hơi hoàn toàn và
hào trộn đều với lượng khí trong xilanh.


12
Mức độ đồng nhất của hỗn hợp cháy có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, công
suất và hàm lượng các chất độc hại trong khí xả. Hỗn hợp cháy càng đồng nhất thì
lượng khơng khí thực tế cần thiết để đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng nhiên
liệu sẽ càng nhỏ. Nói cách khác, độ đồng nhất càng lớn thì động cơ có thể làm việc với
hỗn hợp cháy có hệ số dư lượng khơng khí càng nhỏ mà vẫn đảm bảo yêu cầu đốt cháy
hoàn toàn nhiên liệu. Nếu hỗn hợp cháy không đồng nhất, sẽ có những khu vực trong
buồng đốt thiếu hoặc thừa oxy. Tại khu vực thiếu oxy, nhiên liệu cháy khơng hồn
tồn sẽ làm giảm hiệu suất nhiệt của động cơ và làm tăng hàm lượng các chất độc hại
trong khí thải. Việc thừa oxy quá mức cũng làm giảm hiệu suất của động cơ do phải
tiêu hao năng lượng cho việc sấy nóng, nạp và xả phần khơng khí q mức, đồng thời
làm giảm hiệu quả sử dụng dung tích cơng tác xilanh.
Độ đồng nhất của hỗn hợp cháy được quyết định bởi các yếu tố: tính chất vật lý
của nhiên liệu ( tính bốc hơi, sức căng bề mặt, độ nhớt), nhiệt độ khơng khí và của bề
mặt tiếp xúc với hỗn hợp cháy (vách đường ống nạp, đỉnh piston, thành xilanh),
chuyển động rối của khí trong đường ống nạp vào trong xilanh….
c)

Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp cháy đến hiệu suất của động cơ

Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp cháy tới hiệu suất của động cơ xăng được

phát thể hiện trên hình 2.5

Hình 2.5: Ảnh hưởng của đếnt vài
1 – với tải bộ phận; 2 – với 100% tải; 3 – với hai bugi cho mỗi xilanh;4 – với khí mới
phân lớp; 5 – với buồng đốt trước


13
Đường nét đứt biểu diễn đặc điểm biến thiên của hiệu suất lý thuyết t theo ;

t sẽ giảm khi giảm trong khu vực 1 do phần nhiên liệu cháy khơng hồn tồn và
nhiệt lượng chu trình là khơng đổi (Q=const).
Mặt khác, theo chiều tăng của  trong vùng   1, nhiệt dung riêng của môi
chất công tác sẽ giảm vì cả lượng nhiệt của chu trình ứng với một đơn vị số lượng khí
mới, nhiệt độ của mơi chất cơng tác trong q trình cháy và giản nở, hàm lượng tương
đối của các khí nhiều nguyên tử (CO2 , H2O) đều giảm. Kết quả là hệ số đoạn nhiệt
(K)
.
Ở

sẽ tăng đôi chút và làm cho hiệu suất lý thuyết tăng nhẹ theo chiều tăng của
động cơ thực tế, hiệu suất chỉ thị ( t ) cũng sẽ tăng khi hỗn hợp cháy làm

loãng dần do hiệu suất lý thuyết tăng. Tuy nhiên, khác với hiệu suất lý thuyết, hiệu
suất chỉ thị tăng đến một giá trị nhất định, tại đó q trình cháy nhiên liệu vẫn diễn ra
bình thường. Khi hỗn hợp cháy q lỗng, q trình cháy nhiên liệu sẽ chậm ra và
khơng ổn định, có thể có hiện tượng “bỏ lửa”, tất cả những yếu tố đó đều phần làm
giảm hiệu suất chỉ thị của động cơ. Thành phần hỗn hợp cháy phản ứng với giá trị cực
đại của hiệu suất chỉ thị được gọi là giới hạn làm lỏng có ích e. Gía trị của e phụ
thuộc vào nhiều yếu tố cấu tạo và vận hành của loại buồng đốt, số lượng bougie, năng

lượng của tia lửa điện, nhiệt độ và áp suất tại thời điểm đốt cháy nhiên liệu, …
Ở

những động cơ hiện nay,e dao động trong khoảng (1,05 – 1,2) ở chế độ toàn

tải (bướm ga mở hoàn toàn). Trị số e sẽ giảm dần khi điều kiện cho nhiên liệu bốc
cháy ít thuận lợi hơn.
d)

Ảnh hưởng của đến cơng suất có ích (N e ) và công suất tiêu thụ nhiên

liệu ge của động cơ

Hình 2.6: Ảnh hưởng của đến Ne và ge của động cơ xăng