Đặt vấn đề Trong thời đại ngày nay, ô tô là phương tiện giao thông cần thiết cho con người mà không có gì thay thế được. Theo thống kê, số lượng người tham gia giao thông bằng ô tô ở Việt Nam ngày càng tăng theo từng năm. Đặc biệt lĩnh vực điện tử và tự động hóa được ứng dụng trên ô tô ngày càng nhiều. Các ngành tự động hóa, kỹ thuật điện tử đã có những bước phát triển nhảy vọt, các ứng dụng của các ngành này vào các ngành khác ngày càng nhiều, trong đó có ngành công nghệ ô tô.
Ngành ô tô đang có xu hướng tự động hóa, nghĩa là tất cả các hệ thống trên ô tô người ta đang dần thay thế hệ thống điều khiển lập trình thay cho các điều khiển đơn giản bằng cơ khí với mục đích thực hiện một cách chính xác và ổn định đã giúp cho ô tô phát ra ít chất thải độc hại gây ô nhiễm môi trường, kinh tế về nhiên liệu và kiểm sóat được từng chế độ hoạt động trên ô tô. Hiện nay trên các động cơ ô tô việc điều khiển phun xăng, đánh lửa, cầm chừng được điều khiển bằng bộ điều khiển trung tâm (Electronic Control Unit) thông qua các tín hiệu cảm biến gởi về ECU. Ô tô đang lưu hành ở Việt Nam rất đa dạng, với nhiều dòng xe: Toyota, Hynhdai, BMW, Ford, Honda, Nissan, Isuzu, Suzuki…Việc vận hành trong điều kiện khí hậu nóng ẩm khiến các chi tiết điện tử trong ECU nhanh chóng hư hỏng. Ở Việt Nam vấn đề phụ tùng thay thế một số hãng còn ít và một số xe thì phụ tùng hãng xe ngưng sản xuất nên việc thay thế gặp khó khăn.
Thêm vào đó, thuật toán điều khiển lập trình cho động cơ của các hãng tương tự nhau. Để giải quyết nhu cầu thực tế về bài toán thay thế phụ tùng, người nghiên cứu đã tìm hướng giải quyết trong đề tài “Đánh giá chuyển đổi ECU trên động cơ phun xăng”. Đỗ Văn Dũng -5- HVTH: Phạm Thế Anh Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Luận văn cao học 1.2 Các kết quả nghiên cứu Sau đây là một số đề tài điển hình: Đề tài: “Nghiên cứu chuyển đổi hệ thống đánh lửa bán dẫn sang hệ thống đánh lửa trực tiếp” của học viên Lâm Bá Nha dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đỗ Văn Dũng, được thực hiện vào tháng 9 năm 2009. Đề tài đã thực hiện được việc tính toán và đề xuất được phương pháp chuyển đổi từ hệ thống đánh lửa bán dẫn sang đánh lửa trực tiếp trên mô hình thực nghiệm.
Đề tài: “Nghiên cứu khả năng thay thế một số chi tiết trên hệ thống điều khiển động cơ tại Việt Nam” của học viên Lê Văn Điện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đỗ Văn Dũng, được thực hiện vào tháng 8 năm 2007. Đề tài đã đạt được những kết quả sau: Đã khảo sát được đặc tính của các chi tiết thuộc hệ thống điều khiển động cơ bao gồm: Cảm biến đầu vào và cơ cấu chấp hành Đề tài đã đưa ra các nhóm chi tiết có thể lắp lẫn và khảo sát được tính đáp ứng của các cụm chi tiết thay thế. Đề tài: “Các phƣơng pháp dùng bộ điều khiển phụ - Sub - ECU để tƣơng thích hoá đặc tính làm việc của các cảm biến trên hệ thống điều khiển động cơ” của PGS. Bài báo đã đề xuất các phương pháp dùng cho cảm biến đo gió và thực nghiệm thành công việc lắp lẫn cảm biến thông qua ECU phụ.3 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 1.1 Mục đích nghiên cứu Mục tiêu đề tài „„Đánh giá chuyển đổi ECU trên động cơ phun xăng‟‟ là: Nghiên cứu và đề xuất phương pháp chuyể n đổ i và thực nghiê ̣m chuyể n đổ i ECU trên đô ̣ng cơ phun xăng.
Đánh giá thực nghiệm: Đo nồ ng đô ̣ khí thải theo phương án chuyể n đổ i. Đề tài là tài liệu trợ giúp cho các kỹ thuật viên, thợ sửa chữa để chuyển đổi ECU. Đỗ Văn Dũng -6- HVTH: Phạm Thế Anh Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Luận văn cao học 1.2 Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ xăng. Nghiên cứu thông số kỹ thuật các động cơ, các loại cảm biến tín hiệu đầu vào, bộ điều khiển ECU và tín hiệu bộ chấp hành.
Làm mô hình thực nghiệm, tiến hành thử nghiệm và đánh giá sự tương thích của việc chuyển đổi.4 Đối tƣợng nghiên cứu Lý thuyết về điều khiển phun xăng, đánh lửa, cầm chừng. Các động cơ của các hãng khác nhau dùng để chuyển đổi ECU. Các cảm biến tín hiệu đầu vào điều khiển động cơ. Bộ điều khiển trung tâm điều khiển động cơ (ECU).
Các cơ cấu chấp hành điều khiển động cơ: Kim phun, đánh lửa, cầm chừng.5 Điểm mới của đề tài Viê ̣c thực hiê ̣n thành công chuyể n đổ i ECU sẽ cho phép lắ p lẫn các ECU có sẵn trên thi ̣trường Viê ̣t Nam với giá thành rẻ , khác với phụ tùng chính hãng , giải quyế t đươ ̣c bài toán khan hiế m phu ̣ tùng thay thế ở Viê ̣t Nam. Luận văn cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các kỹ thuật viên và thợ sửa chữa ô tô.6 Giới hạn đề tài. Do thời gian th ực hiện có hạn , được thực hiện trong điều kiện thiếu thốn về trang thiết bị, người nghiên cứu chỉ làm chuyển đổi thực nghiệm của hai động cơ trên mô hình.7 Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu tài liệu. Phân tić h lý thuyế t các tin ́ hiê ̣u điề u khiể n động cơ xăng.
Thực nghiê ̣m chuyể n đổ i ECU của đô ̣ng cơ xăng và đo khí thải. Quan sát thố ng kê kế t quả thực nghiê ̣m và đánh giá kế t quả thực nghiê ̣m. Đỗ Văn Dũng -7- HVTH: Phạm Thế Anh Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Luận văn cao học 2. CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu Hệ thống điều khiển động cơ theo chương trình bao gồm các cảm biến kiểm sóat liên tục tình trạng hoạt động của động cơ, một bộ ECU tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu và đưa ra tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành.
Cơ cấu chấp hành luôn bảo đảm thừa lệnh ECU và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến. Hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ đem lại sự chính xác và thích ứng cần thiết để giảm tối đa chất độc hại trong khí thải cũng như lượng tiêu hao nhiên liệu. ECU cũng đảm bảo công suất tối ưu ở các chế độ hoạt động của động cơ, giúp chẩn đoán động cơ một cách hệ thống khi có sự cố xảy ra. Điều khiển động cơ bao gồm hệ thống điều khiển phun xăng, đánh lửa, cầm chừng.
Trước năm 1981, chỉ có hệ thống điều khiển động cơ hiện còn tồn tại là EFI (Phun nhiên liệu bằng điện tử), sử dụng máy tính để điều khiển lượng phun nhiên liệu. Ngoài EFI này, bây giờ có các hệ thống được điều khiển bằng máy tính, bao gồm ESA (Đánh lửa sớm bằng điện tử), ISC (Điều khiển tốc độ chạy không tải)… 2.1 Khái quát về hệ thống EFI (Phun nhiên liệu điện tử) Hệ thống EFI sử dụng các cảm biến khác nhau để phát hiện các tình trạng hoạt động của động cơ. Theo các tín hiệu từ các cảm biến này, ECU tính tóan lượng phun nhiên liệu thích hợp nhất và điều khiển các vòi phun để phun khối lượng nhiên liệu thích hợp. Trong thời gian xe chạy bình thường, ECU động cơ xác định khối lượng phun nhiên liệu để đạt được tỷ lệ không khí - nhiên liệu theo lý thuyết, nhằm đảm bảo công suất, mức tiêu thụ nhiên liệu và mức khí xả thích hợp trong cùng một lúc.
Ở các thời điểm khác, như trong thời gian hâm nóng, tăng tốc, giảm tốc hoặc các điều kiện làm việc với tải trọng cao, ECU động cơ phát hiện các điều kiện đó GVHD: PGSTS. Đỗ Văn Dũng -8- HVTH: Phạm Thế Anh Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Luận văn cao học bằng các cảm biến khác nhau và sau đó hiệu chỉnh khối lượng phun nhiên liệu nhằm đảm bảo một hỗn hợp không khí - nhiên liệu thích hợp nhất ở mọi thời điểm.2 Khái quát về hệ thống ESA (Đánh lửa sớm bằng điện tử) Hệ thống ESA phát hiện các điều kiện của động cơ căn cứ vào các tín hiệu do các cảm biến khác nhau cung cấp, và điều khiển các bugi đánh lửa ở thời điểm thích hợp. Căn cứ vào tốc độ động cơ và tải trọng của động cơ, ESA điều khiển chính xác thời điểm đánh lửa để động cơ có thể tăng công suất, làm sạch các khí xả, và ngăn chặn kích nổ một cách có hiệu quả.3 Khái quát về hệ thống ISC (Điều khiển tốc độ không tải) Hệ thống ISC điều khiển tốc độ không tải sao cho nó luôn luôn thích hợp ở các điều kiện thay đổi (hâm nóng, phụ tải điện, v. Để giảm thiểu mức tiêu thụ nhiên liệu và tiếng ồn, một động cơ phải hoạt động ở tốc độ càng thấp càng tốt trong khi vẫn duy trì một chế độ chạy không tải ổn định.
Hơn nữa, tốc độ chạy không tải phải tăng lên để đảm bảo việc hâm nóng và khả năng làm việc thích hợp khi động cơ lạnh hoặc đang sử dụng máy điều hòa không khí. Đỗ Văn Dũng -9- HVTH: Phạm Thế Anh Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Luận văn cao học 2.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển lập trình và thuật toán điều khiển lập trình 2.1 Sơ đồ cấu trúc và các khối chức năng Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển lập trình GVHD: PGSTS. Đỗ Văn Dũng - 10 - HVTH: Phạm Thế Anh Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Luận văn cao học Sơ đồ cấu trúc và các khối chức năng của hệ thống điều khiển động cơ theo chương trình được mô tả trên hình 2. Hệ thống điều khiển bao gồm: ngõ vào (inputs) với chủ yếu là các cảm biến, hộp ECU là bộ não của hệ thống; ngõ ra (outputs) là các cơ cấu chấp hành (actuators) như kim phun, bobine, van điều khiển cầm chừng… 2.2 Thuật toán điều khiển lập trình Thuật toán điều khiển lập trình cho động cơ được nhà chế tạo viết và cài đặt sẵn trong CPU.
Tùy thuộc vào từng chế độ làm việc hay tình trạng động cơ, mà ECU tính toán dựa trên lập trình có sẵn đó để đưa ra những tín hiệu điều khiển sao cho động cơ làm việc tối ưu nhất.