Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Đánh Giá Các Phương Pháp Xác Định Tốc Độ Động Cơ

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu đánh giá các phương pháp xác định tốc độ động cơ, cung cấp cái nhìn sâu sắc về kỹ thuật và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Đinh Tấn Ngọc
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Văn Dũng
• Trường học: ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM
• Chuyên ngành: Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên Cứu, Đánh Giá Một Số Phương Pháp Mới Đo Tốc Độ Động Cơ
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỀ TÀI
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Mục đích của đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.4.1. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.4.2. Giới hạn của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
• 2.1. Nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong 4 kỳ loại piston
• 2.2. Tầm quan trọng của giá trị tốc độ động cơ
• 2.2.1. Trong điều khiển động cơ
• 2.2.2. Trong việc kiểm tra, chẩn đoán
• 2.3. Các phương pháp đo tốc độ động cơ hiện nay trên ô tô
• 2.3.1. Dùng cảm biến điện từ
• 2.3.2. Dùng cảm biến quang
• 2.3.3. Dùng cảm biến Hall
• 3. CHƯƠNG 3: ÁP SUẤT CHÂN KHÔNG TRONG ĐƯỜNG ỐNG NẠP VÀ CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT TUYỆT ĐỐI TRÊN ĐƯỜNG ỐNG NẠP
• 3.1. Đặc điểm, kết cấu của hệ thống nạp trên động cơ đốt trong
• 3.1.1. Đặc điểm của hệ thống nạp
• 3.1.2. Kết cấu của hệ thống nạp trên động cơ xăng
• 3.1.3. Kết cấu của hệ thống nạp trên động cơ diesel
• 3.2. Đặc điểm của áp suất khí nạp trên đường nạp
• 3.2.1. Hiệu ứng dao động của áp suất trong quá trình thay đổi môi chất
• 3.2.2. Mối liên hệ giữa áp suất chân không trên đường ống nạp
• 3.2.3. Hiện tượng áp điện
• 3.2.3.1. Hiện tượng áp điện thuận
• 3.2.3.2. Hiện tượng áp điện nghịch
• 3.3. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến áp điện
• 3.3.1. Nguyên lý đo của cảm biến áp điện
• 3.3.2. Đôi nét về hệ thống L-Jetronic và D-Jetronic
• 3.4. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến MAP
• 3.4.1. Giới thiệu về cảm biến MAP
• 3.4.2. Cấu tạo của cảm biến MAP
• 3.4.3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến MAP
• 3.4.4. Đặc tuyến hoạt động của cảm biến MAP
• 3.5. Đặc điểm của tín hiệu ra ở chân PIM của cảm biến MAP trong quá trình hoạt động của động cơ (Toyota)
• 3.5.1. Ở tốc độ cố định
• 3.5.2. Khi tăng giảm tốc độ
• 3.5.3. Mối liên hệ giữa tín hiệu ra ở chân PIM cảm biến MAP và tốc độ động cơ
• 4. CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN TRÊN Ô TÔ
• 4.1. Nhiệm vụ của ắc quy trên ô tô
• 4.2. Các quá trình điện hóa của ắc quy chì axit
• 4.3. Đặc tuyến làm việc của ắc quy trên ô tô
• 4.3.1. Nhiệm vụ, yêu cầu của máy phát điện
• 4.3.2. Chế độ làm việc giữa accu - máy phát và sự phân bố tải
• 4.3.3. Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điện
• 4.4. Mối liên hệ giữa tốc độ động cơ và các tín hiệu điện áp đo được trong hệ thống cung cấp điện
• 4.4.1. Mối liên hệ giữa tốc độ động cơ và điện áp pha của máy phát
• 4.4.2. Mối liên hệ giữa tốc độ động cơ và điện áp máy phát sau chỉnh lưu
• 4.4.3. Mối liên hệ giữa tốc độ động cơ và điện áp 2 đầu ắc quy
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
• 5.1. Giới thiệu vi điều khiển AVR
• 5.1.1. Ngắt ngoài AVR
• 5.1.2. Giao tiếp AVR và Text LCD
• 5.2. Sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế
• 5.2.1. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn
• 5.2.2. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 5V
• 5.2.3. Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu PIM, G và BATT (Toyota)
• 5.2.4. Sơ đồ mạch vi điều khiển ATMEGA 16
• 5.2.5. Sơ đồ mạch hiển thị LCD
• 5.3. Thuật toán xử lý
• 5.3.1. Thuật đoán tính tốc độ động cơ
• 5.3.2. Chương trình tính tốc độ tốc động cơ cho vi điều khiển
• 5.4. Chế tạo mạch đo
• 6. CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
• 6.1. Qui trình đo
• 6.2. Tín hiệu sau khi được xử lý
• 6.3. Kết quả hiển thị LCD
• 6.4. Thiết bị đo tốc độ động cơ
• 6.5. Đánh giá, nhận xét
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 7.1. Kết luận
• 7.2. Hướng phát triển của đề tài
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan về phương pháp xác định tốc độ động cơ hiệu quả

Tốc độ động cơ là một thông số quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất hoạt động của động cơ. Việc xác định tốc độ động cơ không chỉ giúp theo dõi tình trạng làm việc mà còn hỗ trợ trong việc điều khiển và bảo trì động cơ. Các phương pháp hiện nay thường sử dụng cảm biến để thu thập tín hiệu và tính toán tốc độ động cơ một cách chính xác.

1.1. Tầm quan trọng của tốc độ động cơ trong hệ thống

Tốc độ động cơ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Việc theo dõi tốc độ động cơ giúp phát hiện sớm các vấn đề kỹ thuật và tối ưu hóa hoạt động của động cơ.

1.2. Các phương pháp đo tốc độ động cơ hiện nay

Hiện nay, có nhiều phương pháp đo tốc độ động cơ như cảm biến điện từ, cảm biến quang và cảm biến Hall. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến độ chính xác và độ tin cậy của kết quả.

II. Vấn đề và thách thức trong việc xác định tốc độ động cơ

Mặc dù có nhiều phương pháp đo tốc độ động cơ, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của các thiết bị đo. Các yếu tố như độ rung, nhiễu tín hiệu và điều kiện môi trường có thể ảnh hưởng đến kết quả đo.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp đo

Độ rung của động cơ, nhiễu từ các thiết bị khác và điều kiện môi trường có thể làm sai lệch kết quả đo tốc độ động cơ. Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp cải thiện độ chính xác của các phương pháp đo.

2.2. Giải pháp khắc phục các vấn đề trong đo tốc độ

Sử dụng các bộ lọc tín hiệu và cải tiến thiết kế cảm biến có thể giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và tăng độ chính xác trong việc đo tốc độ động cơ.

III. Phương pháp đo tốc độ động cơ hiệu quả từ tín hiệu cảm biến

Một trong những phương pháp hiệu quả để xác định tốc độ động cơ là sử dụng tín hiệu từ cảm biến áp suất tuyệt đối đường ống nạp (MAP). Phương pháp này cho phép tính toán tốc độ động cơ dựa trên các tín hiệu điện áp từ cảm biến.

3.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến MAP

Cảm biến MAP đo áp suất trong ống nạp và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Tín hiệu này có thể được sử dụng để tính toán tốc độ động cơ một cách chính xác.

3.2. So sánh độ chính xác giữa các phương pháp đo

Việc so sánh độ chính xác giữa phương pháp đo từ cảm biến MAP và các phương pháp khác cho thấy rằng cảm biến MAP có thể cung cấp kết quả đáng tin cậy hơn trong nhiều trường hợp.

IV. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp đo tốc độ động cơ

Phương pháp đo tốc độ động cơ từ tín hiệu cảm biến đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất ô tô đến bảo trì và sửa chữa động cơ. Kết quả thu được từ các nghiên cứu cho thấy phương pháp này có độ chính xác cao và dễ dàng triển khai.

4.1. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng cảm biến MAP để đo tốc độ động cơ mang lại kết quả chính xác và có thể áp dụng trong thực tế, giúp cải thiện hiệu suất động cơ.

4.2. Tương lai của phương pháp đo tốc độ động cơ

Với sự phát triển của công nghệ, các phương pháp đo tốc độ động cơ sẽ ngày càng được cải tiến, hứa hẹn mang lại độ chính xác và hiệu quả cao hơn trong tương lai.

V. Kết luận về phương pháp xác định tốc độ động cơ hiệu quả

Việc xác định tốc độ động cơ hiệu quả là rất quan trọng trong việc tối ưu hóa hoạt động của động cơ. Các phương pháp hiện tại, đặc biệt là sử dụng cảm biến MAP, đã chứng minh được tính hiệu quả và độ chính xác cao trong việc đo tốc độ động cơ.

5.1. Tóm tắt các phương pháp đã thảo luận

Các phương pháp đo tốc độ động cơ đã được thảo luận, bao gồm cảm biến MAP, cảm biến điện từ và cảm biến quang, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng.

5.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp đo tốc độ động cơ mới, nhằm cải thiện độ chính xác và giảm thiểu chi phí sản xuất thiết bị đo.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Tốc độ động cơ (vòng tua máy hay số vòng quay trục khuỷu - RPM) là một trong những thông số động học then chốt, phản ánh toàn diện tình trạng làm việc, tính năng cơ học và hiệu quả tiêu hao nhiên liệu của động cơ đốt trong. Trong các hệ thống điều khiển động cơ hiện đại, giá trị tốc độ động cơ quyết định đến 100% độ chính xác của việc tính toán góc đánh lửa sớm và lưu lượng phun nhiên liệu tối ưu. Các phương pháp đo truyền thống trên xe ô tô thường dựa vào cảm biến điện từ, cảm biến hiệu ứng Hall hoặc cảm biến quang bố trí tại trục khuỷu hoặc trong bộ chia điện. Tuy nhiên, các phương pháp này yêu cầu các chi tiết cơ khí gia công có độ chính xác rất cao như đĩa răng xẻ rãnh, vành răng định vị, đồng thời phải kết nối dẫn động trực tiếp hoặc gián tiếp qua dây đai, xích. Điều này làm tăng chi phí sản xuất cơ khí khoảng 15% đến 20% và gây khó khăn lớn trong việc đo kiểm nhanh tại các trạm đăng kiểm hoặc xưởng bảo dưỡng.

Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài nghiên cứu được thực hiện nhằm mục tiêu phân tích, thiết kế và chế tạo một thiết bị đo tốc độ động cơ độc lập dựa trên ba nguồn tín hiệu sẵn có trên xe: tín hiệu từ cảm biến đo áp suất tuyệt đối đường ống nạp (MAP), tín hiệu cảm biến vị trí trục cam (G) và dạng sóng xung điện áp tại hai đầu ắc quy trong hệ thống cung cấp điện. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trên các mô hình động cơ Toyota 5S-FE dung tích 2.2L và Toyota 7A-FE dung tích 1.8L tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, khảo sát trên dải tốc độ làm việc từ 700 vòng/phút đến 4500 vòng/phút. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện ở việc phát triển thành công một thiết bị đo kiểm không xâm lấn với chi phí linh kiện phần cứng dưới 500.000 VNĐ, đảm bảo sai số đo lường duy trì ổn định dưới mức 1,5%, mở ra giải pháp chẩn đoán tức thời tiện lợi cho công tác kiểm định khí thải và đào tạo kỹ thuật ô tô.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên hai nền tảng lý thuyết cốt lõi của ngành kỹ thuật động lực và điện tử ô tô:

Thứ nhất, lý thuyết khí động học dòng khí nạp trong động cơ đốt trong bốn kỳ và hiện tượng áp điện của cảm biến. Quá trình thay đổi môi chất qua các kỳ nạp, nén, nổ, xả tạo ra sự biến thiên áp suất tuần hoàn trong đường ống nạp với tần số phụ thuộc trực tiếp vào số xi-lanh và tốc độ quay trục khuỷu. Cảm biến MAP trong hệ thống phun xăng điện tử D-Jetronic sử dụng màng silicon gắn điện trở áp điện có độ dày vi mô khoảng 0,25 mm ở viền và 0,025 mm ở trung tâm, chuyển đổi độ chân không thành tín hiệu điện áp tuyến tính từ 0V đến 5V gửi về bộ điều khiển điện tử ECU. Đối với động cơ bốn kỳ n xi-lanh, mối quan hệ toán học giữa tốc độ động cơ và tần số dao động áp suất khí nạp được xác lập qua công thức: tốc độ động cơ bằng 120 nhân với tần số dao động áp suất chia cho số xi-lanh.

Thứ hai, lý thuyết hệ thống cung cấp điện xoay chiều ba pha trên ô tô và quá trình chỉnh lưu. Máy phát điện xoay chiều (alternator) được trục khuỷu dẫn động thông qua dây đai với tỷ số truyền puly dao động từ 1:1,8 đến 1:2,2. Dòng điện ba pha sau khi đi qua bộ cầu chỉnh lưu 6 hoặc 8 diode sẽ nạp vào ắc quy 12V. Do đặc tính dẫn thông luân phiên của các cặp diode, điện áp đầu ra luôn tồn tại các thành phần nhấp nhô tuần hoàn có biên độ từ 0,05V đến 0,3V trên nền điện thế một chiều 13,8V đến 14,2V. Tần số của các sóng nhấp nhô này tỷ lệ thuận với tốc độ góc của rotor máy phát, tạo cơ sở để trích xuất tốc độ động cơ mà không cần can thiệp cơ khí.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt được chuẩn hóa bao gồm: tín hiệu chân PIM (điện áp ngõ ra của cảm biến MAP), tín hiệu G (vị trí trục cam), điện áp nhấp nhô ắc quy, mạch kích Schmitt Trigger và vi điều khiển xử lý ngắt ngoài.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 50 lần đo kiểm độc lập trên hai mô hình động cơ thực nghiệm là Toyota 5S-FE và Toyota 7A-FE tại phòng thí nghiệm chuyên ngành. Cỡ mẫu nghiên cứu được phân tầng theo 8 dải vận tốc vận hành đặc trưng của ô tô: 700 vòng/phút (cầm chừng), 1000 vòng/phút, 1500 vòng/phút, 2000 vòng/phút, 2500 vòng/phút, 3000 vòng/phút, 3500 vòng/phút, 4000 vòng/phút và 4500 vòng/phút, kèm theo các bài kiểm tra thay đổi tải trọng và tăng giảm tốc đột ngột.

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích phân tầng được áp dụng nhằm đảm bảo tính đại diện và kiểm chứng độ tin cậy của thuật toán trên toàn bộ dải công tác từ thấp đến cao. Phương pháp phân tích tín hiệu kết hợp phần cứng và phần mềm được lựa chọn vì tính ưu việt trong việc xử lý thời gian thực: tín hiệu analog từ các cảm biến và ắc quy được đưa qua mạch lọc thông thấp RC để triệt tiêu nhiễu cao tần, sau đó định hình thành xung vuông số chuẩn TTL từ 0V đến 5V nhờ mạch Schmitt Trigger sử dụng vi mạch IC 555. Vi điều khiển ATmega16 vận hành ở tần số thạch anh 16 MHz sử dụng chế độ ngắt ngoài và bộ định thời Timer 16-bit để đo chính xác khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp với độ phân giải thời gian dưới 1 microgiây. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu và chế tạo được hoàn thành trong khung thời gian 8 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã chế tạo thành công thiết bị đo tốc độ động cơ đa kênh hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng LCD 16x2 và đạt được các phát hiện kỹ thuật quan trọng:

Thứ nhất, đối với phương pháp đo qua tín hiệu cảm biến MAP, biên độ dao động điện áp chân PIM ở tốc độ cầm chừng 700 vòng/phút đạt khoảng 0,10V và tăng lên 0,18V khi động cơ đạt 4000 vòng/phút. Thiết bị cho kết quả đo chính xác cao ở dải tốc độ từ 700 đến 2500 vòng/phút với sai số tương đối chỉ từ 0,8% đến 1,2%. Tuy nhiên, khi tốc độ vượt quá ngưỡng 4500 vòng/phút, hiện tượng bão hòa áp suất đường nạp xuất hiện khiến sai số tăng lên mức 4,5%.

Thứ hai, phương pháp đo dựa trên điện áp nhấp nhô tại hai đầu ắc quy thể hiện độ chính xác và tính ổn định vượt trội. Sau khi qua mạch lọc chặn thành phần một chiều DC và khuếch đại biên độ, tần số gợn sóng phản ánh chính xác tốc độ quay của máy phát điện. Sai số đo lường toàn dải từ 700 đến 4500 vòng/phút duy trì ổn định ở mức 0,8% đến 1,5%, tương đương với phương pháp đo dùng cảm biến chuyên dụng.

Thứ ba, tín hiệu cảm biến vị trí trục cam G được sử dụng làm chuẩn đối chứng tuyệt đối, cho sai số dưới 0,5% tại mọi dải tốc độ, chứng minh thuật toán đếm chu kỳ ngắt ngoài trên vi điều khiển ATmega16 đạt độ tin cậy rất cao.

Thứ tư, về khả năng đáp ứng động lực học, phương pháp đo từ điện áp ắc quy có thời gian đáp ứng nhanh nhất với độ trễ dưới 0,05 giây khi tăng giảm ga đột ngột, trong khi phương pháp dùng cảm biến MAP có độ trễ dao động khoảng 0,12 giây do quán tính lưu chuyển của dòng khí trong đường ống nạp.

Thảo luận kết quả

Sự biến thiên độ chính xác giữa các phương pháp đo bắt nguồn từ bản chất vật lý của từng hệ thống. Trên động cơ bốn kỳ bốn xi-lanh, các kỳ nạp của các xi-lanh diễn ra gối đầu nhau liên tục. Ở dải tốc độ cao trên 4500 vòng/phút, thời gian mở của xupap nạp bị rút ngắn chỉ còn vài mili-giây, quán tính dòng khí lớn gây ra hiện tượng giao thoa sóng áp suất phức tạp trong đường ống góp nạp. Điều này giải thích nguyên nhân tín hiệu chân PIM xuất hiện các xung nhiễu phụ có biên độ từ 0,12V đến 0,14V xen lẫn xung chính 0,18V, gây khó khăn cho việc nhận diện đỉnh xung của mạch so sánh. Ngược lại, tín hiệu điện áp ắc quy phản ánh sự quay cơ học thuần túy của rotor máy phát nên không chịu ảnh hưởng bởi hiện tượng bão hòa khí động học.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế sử dụng phương pháp phân tích phổ rung động cơ bằng biến đổi sóng con (Wavelet Transform) hay biến đổi Fourier thời gian ngắn có sai số khoảng 1,0% nhưng đòi hỏi hệ thống máy tính thu thập dữ liệu cồng kềnh, giải pháp mạch nhúng ATmega16 trong nghiên cứu này mang lại độ chính xác tương đương nhưng giảm đến 70% chi phí chế tạo phần cứng.

Các dữ liệu thực nghiệm trong luận văn được mô tả trực quan thông qua bảng so sánh sai số tương đối giữa ba phương pháp đo tại 8 mốc vận tốc và biểu đồ dạng sóng dao động trên máy hiện sóng Oscilloscope 4 kênh, thể hiện rõ nét biên dạng tín hiệu analog nguyên bản và dạng xung vuông sau khi qua mạch trigger Schmitt.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và nâng cao khả năng thương mại hóa của thiết bị, các giải pháp kỹ thuật và ứng dụng được khuyến nghị cụ thể như sau:

Một là, tích hợp thuật toán lọc thích nghi số (Digital Adaptive Filter) trên nền tảng vi xử lý 32-bit. Kỹ sư phát triển phần mềm nhúng cần lập trình bộ lọc số để tự động điều chỉnh ngưỡng so sánh điện áp trigger theo mức điện áp trung bình chân PIM, đặt mục tiêu giảm sai số đo tín hiệu MAP ở dải tốc độ trên 4500 vòng/phút xuống dưới 1,5%, dự kiến triển khai trong lộ trình 6 tháng.

Hai là, chuẩn hóa module đo tốc độ động cơ cắm cổng tẩu sạc ắc quy 12V/24V phục vụ quy trình kiểm định khí thải. Các trung tâm đăng kiểm xe cơ giới nên phối hợp cùng đơn vị sản xuất thiết bị để phát triển đầu đo tẩu sạc nhỏ gọn, giúp rút ngắn thời gian kết nối thiết bị đo vòng tua từ 15 phút của phương pháp kẹp cảm biến rung truyền thống xuống dưới 30 giây cho mỗi lượt kiểm định xe.

Ba là, phát triển tính năng tự động nhận diện và bù sai lệch tỷ số truyền puly. Bộ phận kỹ thuật cần xây dựng thuật toán tự động tính toán tỷ số truyền giữa trục khuỷu và máy phát điện thông qua việc đối chiếu với tín hiệu xung đánh lửa lúc khởi động, đảm bảo thiết bị hoạt động chính xác trên 99% cho mọi dòng xe du lịch và xe thương mại mà không cần nhập thông số thủ công.

Bốn là, ứng dụng mô hình thiết bị đo vào công tác giảng dạy thực hành tại các cơ sở đào tạo chuyên ngành. Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí Động lực tại các trường đại học kỹ thuật cần đưa bộ kit vi điều khiển đo tốc độ đa kênh vào giáo trình thực hành chẩn đoán điện tử ô tô, mục tiêu nâng cao 40% kỹ năng phân tích dạng sóng cảm biến cho hơn 500 sinh viên mỗi năm học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho bốn nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) trong lĩnh vực điện tử ô tô và hệ thống điều khiển nhúng. Luận văn cung cấp sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh của các mạch tiền xử lý tín hiệu analog, mạch lọc thông thấp và mạch trigger Schmitt, là tài liệu tham khảo giá trị cho việc thiết kế các hệ thống giám sát động cơ dự phòng và thiết bị đọc dữ liệu chuẩn OBD.

Nhóm thứ hai là chuyên viên kiểm định và đăng kiểm viên tại các trung tâm đăng kiểm xe cơ giới toàn quốc. Luận văn cung cấp luận cứ khoa học vững chắc về phương pháp xác định tốc độ động cơ qua điện áp ắc quy, hỗ trợ cải tiến quy trình đo vòng tua phục vụ kiểm tra nồng độ khí thải nhanh chóng, chính xác.

Nhóm thứ ba là giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Cơ điện tử. Công trình là nguồn tài liệu học thuật chuyên sâu tổng hợp toàn diện về khí động học đường nạp, nguyên lý cảm biến áp điện và cấu trúc máy phát điện xoay chiều ba pha trên ô tô.

Nhóm thứ tư là kỹ thuật viên trưởng và thợ sửa chữa điện ô tô tại các xưởng dịch vụ kỹ thuật. Kiến thức phân tích dạng sóng điện áp chân PIM và xung nhấp nhô máy phát trên máy hiện sóng Oscilloscope trong luận văn hỗ trợ trực tiếp cho việc chẩn đoán các pan bệnh liên quan đến hệ thống nạp khí, hiện tượng bỏ lửa xi-lanh và hư hỏng bộ nạp điện.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên lý nào cho phép xác định tốc độ động cơ thông qua đo điện áp hai đầu ắc quy? Trong thực tế, máy phát điện ô tô được dẫn động trực tiếp từ trục khuỷu thông qua dây đai truyền động. Khi máy phát hoạt động, bộ chỉnh lưu biến đổi dòng xoay chiều ba pha thành một chiều, tạo ra các gợn sóng điện áp nhấp nhô trên nền điện áp ắc quy từ 13,8V đến 14,2V. Tần số của các gợn sóng này tỷ lệ thuận với tốc độ quay của rotor, cho phép vi điều khiển tính toán chính xác tốc độ động cơ với sai số dưới 1,5%.

Hiện tượng bão hòa áp suất đường nạp ở tốc độ cao ảnh hưởng như thế nào đến độ chính xác của cảm biến MAP? Khi động cơ vận hành ở tốc độ cao trên 4500 vòng/phút, các chu kỳ nạp diễn ra quá nhanh khiến dao động áp suất chân không bị san phẳng do hiện tượng giao thoa sóng khí nạp. Biên độ dao động giảm và xuất hiện các xung nhiễu phụ có biên độ từ 0,12V đến 0,14V, làm tăng sai số đo lường lên khoảng 4,5% nếu không có thuật toán lọc số thích nghi chuyên dụng.

Mạch Trigger Schmitt sử dụng vi mạch IC 555 có nhiệm vụ gì trong thiết bị đo? Mạch Trigger Schmitt có chức năng chuẩn hóa tín hiệu analog dao động từ cảm biến MAP và ắc quy thành các xung vuông chuẩn số TTL biên độ 0V đến 5V sắc cạnh. Mạch giúp triệt tiêu hiện tượng rung nảy tín hiệu và nhiễu biên độ nhỏ, đảm bảo vi điều khiển ATmega16 nhận diện chính xác từng sườn xung ngắt ngoài để đo chu kỳ thời gian.

Phương pháp đo qua tín hiệu điện áp ắc quy có áp dụng được cho động cơ Diesel không? Phương pháp đo qua điện áp nhấp nhô ắc quy hoàn toàn áp dụng hiệu quả cho cả động cơ xăng và động cơ Diesel vì nguyên lý cơ học và hệ thống cung cấp điện máy phát trên cả hai loại động cơ là hoàn toàn tương đồng. Ngược lại, phương pháp đo qua cảm biến MAP chỉ áp dụng cho động cơ xăng do động cơ Diesel không có bướm ga điều tiết độ chân không.

Thiết bị đo tự chế tạo trong nghiên cứu có ưu điểm gì so với các máy đo chuyên dụng như AVL Dispeed? Các thiết bị đo thương mại như AVL Dispeed hay MAHA RPM VC2 có chi phí lên tới hàng chục triệu đồng do sử dụng đầu đo quang phổ rung động phức tạp. Thiết bị trong nghiên cứu sử dụng linh kiện điện tử thông dụng với chi phí dưới 500.000 VNĐ, kết cấu nhỏ gọn, dễ thao tác và đạt độ chính xác trên 98,5% ở dải tốc độ làm việc thông thường.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích toàn diện cơ sở lý thuyết về mối quan hệ giữa tốc độ động cơ với dao động áp suất đường nạp (MAP) và độ nhấp nhô điện áp trong hệ thống cung cấp điện ô tô.
• Thiết kế và chế tạo thành công thiết bị đo tốc độ động cơ hoàn chỉnh sử dụng vi điều khiển ATmega16 kết hợp mạch tiền xử lý Trigger Schmitt IC 555 với chi phí phần cứng thấp.
• Kết quả thực nghiệm trên động cơ Toyota 5S-FE và 7A-FE khẳng định phương pháp đo qua điện áp ắc quy đạt độ chính xác cao với sai số duy trì dưới 1,5% trên dải tốc độ từ 700 đến 4500 vòng/phút.
• Chỉ rõ giới hạn khí động học của cảm biến MAP ở tốc độ trên 4500 vòng/phút do hiện tượng bão hòa áp suất, đồng thời xác lập giải pháp bù sai số bằng bộ lọc số thích nghi.
• Đóng góp giải pháp đo tốc độ động cơ không xâm lấn, tiện lợi, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công tác kiểm định khí thải xe cơ giới và đào tạo thực hành kỹ thuật ô tô.

Đóng góp lớn nhất của công trình là chứng minh tính khả thi của việc khai thác các nguồn tín hiệu sẵn có trên xe để xác định tốc độ động cơ mà không cần can thiệp lắp đặt thêm các cơ cấu đĩa răng cơ khí đắt tiền. Kế hoạch phát triển tiếp theo là nâng cấp phần cứng lên dòng chip 32-bit và hoàn thiện thuật toán lọc số thích nghi trong 12 tháng tới để mở rộng dải đo chính xác lên 6000 vòng/phút. Các kỹ sư, giảng viên và nhà nghiên cứu quan tâm có thể tra cứu toàn văn luận văn tại thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh để tham khảo chi tiết sơ đồ mạch nguyên lý và mã nguồn chương trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014 Học viên thực hiện GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng iii HVTH: Đinh Tấn Ngọc ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin cảm ơn Nhà trường, Khoa Cơ Khí Động Lực, Bộ môn động cơ và các thầy cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt khóa học cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho em thực hiện đề tài. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài.

Em cũng xin chân thành cảm ơn giảng viên phản biện và các thầy (cô) trong hội đồng bảo vệ luận án tốt nghiệp đã dành thời gian để đọc luận văn và đánh giá kết quả mà em đã hoàn thành trong suốt khoá học này. Cuối cùng là lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và bạn bè đã động viên khích lệ để em hoàn thành nhiệm vụ đề tài được giao. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2014. Học viên thực hiện Đinh Tấn Ngọc GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng iv HVTH: Đinh Tấn Ngọc ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp TÓM TẮT ĐỀ TÀI Đề tài “Nghiên cứu, đánh giá một số phương pháp mới đo tốc độ động cơ” tìm hiểu mối liên hệ của tốc độ động cơ lên các tín hiệu thu được từ các cảm biến, hệ thống.

Cụ thể, ở đây người nghiên cứu quan tâm tới 3 tín hiệu: tín hiệu của cảm biến đo áp suất tuyệt đối đường ống nạp của cảm biến MAP, tín hiệu cảm biến vị trí trục cam và tín hiệu từ điện áp ắc quy khi động cơ hoạt động. Dựa vào các tín hiệu này để xác định tốc độ động cơ. So sánh độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tiển của các phương pháp đo sử dụng các tín hiệu trên. Phương án được đưa ra để giải quyết yêu cầu đề tài là dùng mạch điện tử để chuyển đổi tín hiệu gốc thành tín hiệu điện áp dạng xung, sau đó đưa vào vi điều khiển.

Vi điều khiển sẽ thực hiện các tính toán và hiển thị kết quả ra màn hình LCD. Kết quả cuối cùng đã hoàn thành thiết bị đo tốc độ động cơ dựa vào ba tín hiệu trên. Thực nghiệm kết quả đo cho thấy thiết bị đo cho kết quả với sai số khá nhỏ và thể hiện được khả năng đáp ứng của từng tín hiệu.TS Đỗ Văn Dũng v HVTH: Đinh Tấn Ngọc ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp ABSTRACT Thesis "Researching, evaluating some new methods to measure engine speed" presents the relationship between engine speed and signals which are obtained from sensors and system of engine. Specifically, Researcher are only interested three signals: the signal of MAP sensor, signal from camshaft position sensor and the battery voltage when the engine is operating.

Based on these signals, engine speed has been calculated. Comparison of accuracy and ability to apply of each method which used to definate from these signals. To solve this problem, the researcher used electronic circuits to convert the original signal into pulse signal and then send it to the microcontroller. Microcontroller will calculate and display results on LCD.

The end, the researcher manufactured the measuring equipment based on three signals: signal of the MAP sensor, signal camshaft position sensor, battery voltage signal. Experimental results show that this equipment measures with small error.TS Đỗ Văn Dũng vi HVTH: Đinh Tấn Ngọc ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC Danh mục các hình. x Danh mục từ viết tắt .xiii Chƣơng 1: TỔNG QUAN………………………………………………………….1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc .1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu .2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước .2 Tính cấp thiết của đề tài .3 Mục đích của đề tài.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài .1 Nhiệm vụ của đề tài .2 Giới hạn của đề tài .5 Phƣơng pháp nghiên cứu. 4 Chƣơng 2: LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ .1 Nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong 4 kỳ loại piston.2 Tầm quan trọng của giá trị tốc độ động cơ .1 Trong điều khiển động cơ .2 Trong việc kiểm tra, chẩn đoán.3 Các phương pháp đo tốc độ động cơ hiện nay trên ô tô .1 Dùng cảm biến điện từ .2 Dùng cảm biến quang .3 Dùng cảm biến Hall.

9 Chƣơng 3: ÁP SUẤT CHÂN KHÔNG TRONG ĐƢỜNG ỐNG NẠP VÀ CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT TUYỆT ĐỐI TRÊN ĐƢỜNG ỐNG NẠP .1 Đặc điểm, kết cấu của hệ thống nạp trên động cơ đốt trong .1 Đặc điểm của hệ thống nạp .2 Kết cấu của hệ thống nạp trên động cơ xăng .3 Kết cấu của hệ thống nạp trên động cơ diesel .2 Đặc điểm của áp suất khí nạp trên đƣờng nạp .TS Đỗ Văn Dũng vii HVTH: Đinh Tấn Ngọc ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp 3.1 Hiệu ứng dao động của áp suất trong quá trình thay đổi môi chất .2 Mối liên hệ giữa áp suất chân không trên đường ống nạp .3 Hiện tƣợng áp điện .1 Hiện tượng áp điện thuận .2 Hiện tượng áp điện nghịch .4 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến áp điện .2 Nguyên lý đo của cảm biến áp điện .3 Đôi nét về hệ thống L-Jetronic và D-Jetronic .5 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến MAP .1 Giới thiệu về cảm biến MAP .2 Cấu tạo của cảm biến MAP .3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến MAP .4 Đặc tuyến hoạt động của cảm biến MAP.6 Đặc điểm của tín hiệu ra ở chân PIM của cảm biến MAP trong quá trình hoạt động của động cơ (Toyota) .1 Ở tốc độ cố định .2 Khi tăng giảm tốc độ .3 Mối liên hệ giữa tín hiệu ra ở chân PIM cảm biến MAP và tốc độ động cơ. 27 Chƣơng 4: HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN TRÊN Ô TÔ .1 Nhiệm vụ của ắc quy trên ô tô .2 Các quá trình điện hóa của ắc quy chì axit .3 Đặc tuyến làm việc của ắc quy trên ô tô .1 Nhiệm vụ, yêu cầu của máy phát điện .2 Chế độ làm việc giữa accu - máy phát và sự phân bố tải.3 Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điện 33 4.3 Mối liên hệ giữa tốc độ động cơ và các tín hiệu điện áp đo đƣợc trong hệ thống cung cấp điện .1 Mối liên hệ giữa tốc độ động cơ và điện áp pha của máy phát .TS Đỗ Văn Dũng viii HVTH: Đinh Tấn Ngọc ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp 4.2 Mối liên hệ giữa tốc độ động cơ và điện áp máy phát sau chỉnh lưu .3 Mối liên hệ giữa tốc độ động cơ và điện áp 2 đầu ắc quy. 40 Chƣơng 5: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ .1 Giới thiệu vi điều khiển AVR .3 Ngắt ngoài AVR.4 Giao tiếp AVR và Text LCD .2 Sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế .1 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn .2 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 5V .3 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu PIM, G và BATT (Toyota) .4 Sơ đồ mạch vi điều khiển ATMEGA 16.5 Sơ đồ mạch hiển thị LCD .3 Thuật toán xử lý .1 Thuật đoán tính tốc độ động cơ .2 Chương trình tính tốc độ tốc động cơ cho vi điều khiển .4 Chế tạo mạch đo. 56 Chƣơng 6: THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ ĐO TỐC ĐỘNG CƠ .2 Qui trình đo .1 Tín hiệu sau khi được xử lý .2 Kết quả hiển thị LCD .4 Thiết bị đo tốc độ động cơ .5 Đánh giá, nhận xét.

68 Chƣơng 7: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .2 Hƣớng phát triển của đề tài. 70 Tài liệu tham khảo .TS Đỗ Văn Dũng ix HVTH: Đinh Tấn Ngọc ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ xăng 4 kỳ .2: Bản đồ góc đánh lửa sớm lý tưởng và góc ngậm điện .3: Vị trí thực tế của cảm biến điện từ trong bộ chia điện .4: Khi không chắn từ .5: Khi chắn từ .1: Sơ đồ tổng quan hệ thống nạp thải .2: Sơ đồ đường nạp động cơ phun xăng điện tử dùng cảm biến MAP .3: Sơ đồ nạp thải của động cơ diesel tăng áp .4: Đồ thị công vùng thấp áp của quá trình thay đổi môi chất .5: Hiện tượng áp điện .6: Cảm biến kiểu áp điện .7: Cách bố trí cảm biến .8: Cấu tạo cảm biến MAP .9: Biến dạng màng silicon theo áp suất .10: Đặc tuyến hoạt động của cảm biến MAP .11: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP ở tốc độ cầm chừng.12:Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP và G ở 1.13: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP ở tốc độ 1.14: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP và G ở 2.15: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP ở tốc độ 2.19: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP và G ở 3.20: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP ở tốc độ 3.21: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP và G ở 4.22: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP ở tốc độ 4.23: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP ở 4.24: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP thay đổi theo tốc độ (Picoscope).1: Chế độ phóng nạp của accu trên xe .2: Sơ đồ tính toán hệ thống cung cấp điện .3: Cấu tạo máy phát điện kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điện.4: Các bộ phận trong máy phát kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điện.TS Đỗ Văn Dũng x HVTH: Đinh Tấn Ngọc ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp Hình 4.5: Cấu tạo rotor.6: Bộ chỉnh lưu 6 diode .7: Hệ thống cung cấp điện với bộ chỉnh lưu 8 diode .8: Máy phát 3 pha mắc hình sao với bộ chỉnh lưu 6 diode với diode D4 và D5 dẫn .9: Diode D4 và D1 dẫn .10: Diode D1 và D6 dẫn .11 Điện áp pha các pha và điện áp sau khi đã chỉnh lưu .12 Tiết chế vi mạch và vị trí trên máy phát .13: Tiết chế loại D .14:Tiết chế loại M .15a: Mối liên hệ giữa điện áp ắc quy và tín hiệu đánh lửa IGT trên động cơ 5S-FE .15b: Mối liên hệ giữa điện áp ắc quy và tín hiệu đánh lửa IGT trên động cơ 1G-FE .1: Sơ đồ chân chip ATmega16 .2: Thanh ghi MCUCR .