Đồ án: Ứng dụng Arduino điều khiển phun xăng và đánh lửa động cơ 1 xy lanh

Tham khảo đồ án tốt nghiệp ứng dụng Arduino điều khiển hệ thống phun xăng và đánh lửa trên động cơ 1 xy lanh, từ lý thuyết đến thực nghiệm.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Lạc
• Người hướng dẫn: Lê Thanh Phúc
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Ứng dụng Arduino điều khiển đánh lửa và phun xăng lửa trên động cơ 1 xy lanh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Arduino Điều khiển Phun Xăng và Đánh Lửa Động Cơ

Đồ án Arduino điều khiển phun xăng và đánh lửa động cơ là một nghiên cứu ứng dụng công nghệ vi điều khiển hiện đại trong lĩnh vực ô tô. Dự án này tập trung vào việc phát triển hệ thống điều khiển điện tử (ECM) để quản lý các quá trình quan trọng trong động cơ đốt trong. Thông qua việc sử dụng Arduino và cảm biến thông minh, nhóm nghiên cứu đã thực hiện việc điều khiển tự động hóa phun xăng điện tử và hệ thống đánh lửa trên mô hình động cơ một xy lanh. Mục tiêu của đồ án là tìm hiểu sâu hơn về cách hoạt động của các hệ thống này trong thực tế, đồng thời phát triển kỹ năng lập trình và thiết kế mạch điện cho các kỹ sư tương lai.

1.1. Lý do chọn đề tài và mục đích nghiên cứu

Sự phát triển của công nghệ phun xăng điện tử và đánh lửa điện tử đã cải thiện đáng kể hiệu suất động cơ và giảm khí thải. Đồ án này được chọn để giúp sinh viên hiểu rõ hơn về các hệ thống điều khiển hiện đại trên ô tô. Mục đích chính là xây dựng một mô hình điều khiển động cơ sử dụng Arduino, tối ưu hóa góc đánh lửa sớm và lượng phun xăng dựa trên các thông số vận hành của động cơ.

1.2. Ý nghĩa thực tiễn của ứng dụng Arduino

Arduino là một nền tảng lập trình mã nguồn mở, được ưa chuộng trong các dự án đồ án kỹ thuật. Ứng dụng Arduino điều khiển phun xăng cho phép kiểm soát chính xác thời gian phun xăng và tín hiệu đánh lửa dựa trên tốc độ động cơ, áp suất nạp và nhiệt độ. Điều này tạo nên một hệ thống điều khiển adaptive có khả năng tự thích ứng với các điều kiện làm việc khác nhau của động cơ.

II. Cơ Sở Lý Thuyết về Hệ Thống Phun Xăng và Đánh Lửa Điện Tử

Hệ thống phun xăng điện tử (EFI) và hệ thống đánh lửa điện tử là hai thành phần then chốt trong động cơ ô tô hiện đại. Phun xăng điện tử được điều khiển bởi các kim phun nhiên liệu (fuel injector) nhận tín hiệu từ ECM (Electronic Control Module). Các cảm biến động cơ như cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP), cảm biến MAP (áp suất đường ống nạp), và cảm biến nhiệt độ cung cấp dữ liệu quan trọng. Đánh lửa điện tử được thực hiện thông qua cuộn dây đánh lửa và bugi, được kích hoạt bởi tín hiệu IGT (Ignition Trigger) từ vi điều khiển. Sự phối hợp chặt chẽ giữa phun xăng và đánh lửa đảm bảo tỉ lệ không khí-nhiên liệu tối ưu, tạo ra cháy hoàn toàn và hiệu suất động cơ cao nhất.

2.1. Cấu tạo và chức năng của hệ thống phun xăng điện tử

Hệ thống phun xăng bao gồm bình chứa xăng, bơm xăng điện, thanh áp suất, kim phun và ECM. Bơm xăng tạo áp suất để đưa xăng vào kim phun, trong khi ECM tính toán thời gian phun dựa trên tốc độ động cơ và lượng không khí nạp. Sự chính xác trong điều khiển phun xăng quyết định mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải.

2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa điện tử

Hệ thống đánh lửa điện tử hoạt động dựa trên tín hiệu CKP từ trục khuỷu. Góc đánh lửa sớm được tính toán dựa trên tốc độ động cơ và áp suất nạp để tối ưu hóa thời gian cháy. Cuộn dây đánh lửa được kích hoạt bởi IC điều khiển đánh lửa, tạo ra điện áp cao (khoảng 20,000V) để tạo tia lửa tại bugi.

III. Thiết Kế và Lập Trình Hệ Thống Điều Khiển Arduino

Thiết kế hệ thống điều khiển Arduino cho phun xăng và đánh lửa yêu cầu sự phối hợp giữa phần cứng và phần mềm. Vi điều khiển ATmega được lập trình để xử lý các tín hiệu cảm biến đến từ CKP, MAP, IAT và những cảm biến khác. Chương trình ngắt ngoài (external interrupt) được sử dụng để đếm xung từ cảm biến CKP một cách chính xác, giúp xác định vị trí trục khuỷu và tốc độ động cơ. Thuật toán xác định xung số 1 được áp dụng để tìm điểm chết trên (TDC) một cách đáng tin cậy. Dựa trên tốc độ động cơ và các thông số khác, phần mềm tính toán góc đánh lửa sớm và thời gian phun xăng, sau đó điều khiển các tín hiệu IGT (đánh lửa) và tín hiệu điều khiển kim phun tương ứng.

3.1. Xử lý tín hiệu cảm biến và tính toán tốc độ động cơ

Cảm biến CKP cung cấp xung báo hiệu vị trí trục khuỷu. Chương trình ngắt ngoài đếm số xung để xác định tốc độ động cơ (RPM) chính xác. Công thức tính tốc độ: RPM = (Số xung / Số răng chuỗi) × 60 × Tần số lấy mẫu. Các tín hiệu analog từ cảm biến MAP và IAT được chuyển đổi thành tín hiệu digital thông qua ADC, cung cấp thông tin áp suất nạp và nhiệt độ không khí cho thuật toán điều khiển.

3.2. Điều khiển tín hiệu đánh lửa và phun xăng

Góc đánh lửa sớm được tính toán dựa trên bảng tra cứu (lookup table) chứa các giá trị tối ưu cho những tốc độ động cơ khác nhau. Tín hiệu IGT được sinh ra với độ rộng xung chính xác để điều khiển thời gian đánh lửa. Tương tự, thời gian phun xăng được tính từ lượng không khí nạp chia cho tỉ lệ A/F mong muốn, điều khiển kim phun thông qua các IC driver.

IV. Thực Nghiệm Kết Quả và Ứng Dụng Thực Tế

Quá trình thực nghiệm mô hình động cơ bao gồm việc kết nối tất cả thiết bị điều khiển và cảm biến theo sơ đồ mạch điện được thiết kế. Mô hình được vận hành ở các tốc độ khác nhau (1200 vòng/phút, 3000 vòng/phút) để kiểm tra tính ổn định của hệ thống. Các dữ liệu thực nghiệm được ghi nhận để đánh giá hiệu suất điều khiển. Kết quả cho thấy, hệ thống điều khiển Arduino có thể điều khiển phun xăng và đánh lửa một cách hiệu quả, mặc dù còn một số yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định do tín hiệu cảm biến không luôn ổn định. Dự án này chứng minh khả năng ứng dụng Arduino trong điều khiển hệ thống động cơ thực tế, mở ra hướng phát triển cho các ứng dụng ô tô thông minh và hệ thống điều khiển hybrid.

4.1. Phương pháp tiến hành thực nghiệm

Mô hình được lắp ráp theo sơ đồ thiết kế với các mạch điều khiển được cấp điện an toàn. Cảm biến CKP được hiệu chuẩn để đảm bảo tín hiệu chính xác. Mô hình chạy ở các điều kiện vận hành khác nhau để kiểm tra độ chính xác của lập trình và phản ứng của hệ thống. Các thông số động cơ được ghi lại và phân tích để tối ưu hóa thêm.

4.2. Kết quả đạt được và triển vọng ứng dụng

Hệ thống điều khiển Arduino đã thành công trong việc điều khiển phun xăng và đánh lửa trên mô hình. Những thách thức gặp phải như tín hiệu cảm biến không ổn định đã được khắc phục bằng các phương pháp lọc tín hiệu. Đồ án này tạo nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về điều khiển động cơ tiên tiến và công nghệ ô tô tự lái.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển nhiên liệu và đánh lửa. Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá mô hình.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị. Tài liệu tham khảo. 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Mục tiêu:  Trình bày về hệ thống phun xăng và đánh lửa trên xe ô tô và xe gắn máy.  Giới thiệu về lập trình arduino và arduino mega 2560.

Giới thiệu về hệ thống phun xăng và đánh lửa điện tử trên ô tô 2. Cấu tạo và nhiệm vụ của hệ thống phun xăng điện tử Hệ thống phun xăng đã được phát minh từ lâu, nhưng vào thời kỳ đó công nghệ chế tạo còn rất kém, nên nó không được sử dụng trong thực tế. Ngày nay nhờ vào các thành tựu về kinh tế, kỹ thuật đã giúp các hãng chế tạo hoàn thiện và phát triển hệ thống phun xăng. Với hệ thống phun xăng, nhiên liệu được phun vào đường ống nạp bên cạnh xuppap nạp bằng bộ phận cơ khí hay điện tử thay vì dùng bộ chế hòa khí.

Khi nhiên liệu phun vào nó được hòa trộn với không khí để tạo thành hỗn hợp có tỉ lệ không khí và nhiên liệu tối ưu. Sau khi hòa trộn, hỗn hợp được hút vào xy lanh của động cơ khi xuppap nạp mở. Trong hệ thống phun xăng, nhiên liệu được phun vào với một áp suất nhất định. Áp suất này phải đảm bảo cho sự hình thành hỗn hợp để quá trình cháy xảy ra là tốt nhất.

Nhờ hệ thống phun xăng, các nhà chế tạo nâng được công suất của động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và giải lớn về vấn đề quyết phần độc hại của khí thải [2].  Hệ thống bao gồm ba bộ phận chính:  Các cảm biến: cảm biến bướm ga, cảm biến nhiệt độ không khí nạp, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến tốc độ động cơ….gửi tín hiệu về ECM để tính toán thời điểm và lượng phun tối ưu.  Các cơ cấu chấp hành: bơm nhiên liệu, kim phun… 4 Hình 2. Cấu tạo của hệ thống phun xăng và đánh lửa điện tử  Sự đáp ứng thành phần hỗn hợp nhiên liệu không khí của hệ thống phun xăng điện tử.

 Khi khởi động lạnh. Khi động cơ lạnh, do nhiệt độ động cơ thấp nên nhiên liệu khó bay hơi và lượng nhiên liệu bám vào đường ống nạp và vách buồng đốt nhiều nên hỗn hợp bị nghèo. Do đó phải có sự phun thêm nhiên liệu để bù trừ hiện tượng trên, giúp cho động cơ khởi động dễ dàng và nhanh chóng khi lạnh. Sau khi khởi động ở nhiệt độ thấp, sự làm giàu hỗn hợp phải được tiếp tục trong một khoảng thời gian ngắn để bù trừ hỗn hợp không khí xấu do ngưng tụ, giúp cho động cơ làm việc tốt hơn từ lúc khởi động chuyển sang chế độ cầm chừng.

 Chế độ làm ấm. Tiếp theo sự khởi động lạnh, sự làm giàu hỗn hợp phải được coi là cần thiết, để bù trừ lượng nhiên liệu ngưng tụ trên đường ống nạp, vách xy lanh…cho đến khi nhiệt độ động cơ đạt bình thường. Ở chế độ này tốc độ cầm chừng động cơ cao hơn bình thường, còn gọi là cầm chừng nhanh. 5  Khi tăng tốc.

Sự mở đột ngột của bướm ga làm cho áp thấp sau cánh bướm ga giảm đột ngột, nhưng áp thấp trên cánh bướm ga gia tăng không kịp sẽ làm cho hỗn hợp nghèo đi tức thời. Hiện tượng này được khắc phục bằng cách làm giàu hỗn hợp để đảm bảo cho động cơ tăng tốc đạt hiệu quả nhất.  Chế độ tải trung bình. Ở chế độ này đòi hỏi phải có sự tiêu hao nhiên liệu là nhỏ nhất, đảm bảo tính tiết kiệm nhiên liệu đồng thời phải đảm bảo được vấn đề ô nhiễm môi trường (A/F=1).

 Chế độ đầy tải. Ở chế độ này đòi hỏi công suất của động cơ phát ra là lớn nhất, do vậy hỗn hợp đòi hỏi phải giàu nhiên liệu (A/F=0,85 - 0,95).  Tốc độ cầm chừng. Hệ thống phun xăng cung cấp một lượng hỗn hợp cần thiết ở chế độ cầm chừng.

Tùy theo nhiệt độ động cơ nóng hay lạnh mà lượng hỗn hợp được cung cấp cho động cơ nhiều hay ít, chủ yếu để khắc phục ma sát bên trong động cơ.  Chế độ giảm đột ngột. Khi giảm tốc đột ngột, sự cung cấp nhiên liệu cho động cơ là không cần thiết. Đồng thời do độ chân không tăng mạnh ở sau bướm ga làm cho nhiên liệu phun ra nhiều hơn.

Chính vì vậy, phải cắt nhiên liệu khi giảm tốc để tiết kiệm nhiên liệu và chống ô nhiễm môi trường.  Chế độ hạn chế tốc độ. Số vòng quay của động cơ xăng được giới hạn để đảm bảo động cơ không bị hỏng do lực quán tính gây nên. Ở động cơ xăng chế độ hạn chế tốc độ được thực hiện bằng cách cắt nhiên liệu hoàn toàn đến các kim phun khi số vòng quay của động cơ vượt quá quy định của nhà sản xuất [2].

Hệ thống đánh lửa điện tử Hệ thống ESA (Đánh lửa sớm điện tử) là một hệ thống dùng ECM động cơ để xác định thời điểm đánh lửa dựa vào các tính hiệu từ các cảm biến khác nhau. ECM động cơ tính toán thời điểm đánh lửa tối ưu được lưu trong bộ nhớ để phù hợp với tình trạng của động cơ và sau đó chuyển các tín hiệu đánh lửa đến IC đánh lửa. Thời điểm đánh lửa tối ưu cơ bản được xác định bằng tốc độ của động cơ và lượng không khí nạp (áp suất đường ống nạp).  Cấu tạo: Hệ thống ESA bao gồm các cảm biến khác nhau, ECM động cơ, các IC đánh lửa, cuộn dây đánh lửa và các bugi.

 Sự điều khiển của ESA Việc điều khiển thời điểm đánh lửa gồm có hai việc điều khiển cơ bản.  Điều khiển đánh lửa khi khởi động: Điều khiển việc đánh lửa khi khởi động được thực hiện bằng việc tiến hành đánh lửa ở góc trục khủy được xác định trước trong các điều kiện làm việc của động cơ. Góc trục khuỷu này được gọi là “góc thời điểm đánh lửa ban đầu”.  Điều khiển đánh lửa sau khi khởi động: Việc điều chỉnh đánh lửa sau khi khởi động được thực hiện bởi góc thời điểm đánh lửa ban đầu, góc đánh lửa sớm cơ bản, đượ tính toán theo trọng tải và tốc độ của động cơ, và các hiệu chỉnh khác [3].

Tính toán góc đánh lửa sớm 2. Hệ thống phun xăng điện tử trên xe máy Hệ thống phun xăng điện tử là một hệ thống điều khiển đánh lửa và phun xăng bằng điện tử giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường đem lại hiệu quả rõ rệt so với hệ thống sử dụng bộ chế hòa khí. Cũng như hệ thống phun xăng điện tử trên ô tô, hệ thống phun xăng điện tử bao gồm 3 phần chính: các cảm biến, ECM và các cơ cấu chấp hành. Sự vận hành cơ bản của hệ thống phun xăng điện tử: Từ tốc độ cầm chừng đến tốc độ cao, một lượng nhiên liệu được cài đặt trước phun ra từ kim xăng tương ứng với lượng không khí nạp, kim phun được điều khiển bởi ECM và ECM nhận tín hiệu điện áp từ các cảm biến.

Kim phun phun một lượng nhiên liệu chính 8 xác vào đường ống nạp, phụ thuộc vào thể tích không khí nạp bằng cách thêm vào khoảng thời gian phun chính xác tới cơ bản:  Khoảng thời gian phun nhiêu liệu được tính bởi 2 loại bản đồ được lưu trong bộ nhớ ECM mà được tìm bởi số vòng quay và lượng khí nạp ( được tính toán trước và đo MAP, IAT và TP để tính).  Khoảng thời gian phun nhiêu liệu chính xác được tính toán bởi ECM theo hiệu điện thế ngõ ra của mỗi cảm biến và điều kiện vận hành của động cơ. Bên cạnh nguyên lý cơ bản trên, với PGM FI, khi giảm tốc, bướm ga đóng và phanh được sử dụng, ECM phát hiện bướm ga đóng hoàn toàn theo tín hiệu cảm biến TP và cảm biến CKP. ECM ngắt nguồn nhiên liệu đến xy lanh bằng cách đặt thời gian phun nhiên liệu về không, ngăn nhiên liệu chưa cháy hết thải ra ngoài không khí để tránh tiêu hao và ô nhiễm môi trường.

ECM bao gồm CPU (Central Processing Units), bộ nhớ (ROM) và I/O (Input/Output). Tín hiệu điện từ mỗi cảm biến được gửi đến phần thu dữ liệu và sau đó gửi đến CPU. Dựa trên thông tin nhận được, CPU phân tích lượng nhiên liệu cần thiết bằng cách sử dụng những bản đồ chương trình theo những điều kiện vận hành khác nhau của động cơ. Sau đó tín hiệu vận hành của kim phun được gửi đến phần xuất dữ liệu.

Có 8 loại bản đồ độc lập được lưu trong bộ nhớ. Như vậy, so với hệ thống và cơ cấu hoạt động của bộ chế hòa khí, thì phun xăng điện tử có lợi hơn rất nhiều về mặt tiêu thụ nhiên liệu, giữ độ bền cho xe bởi mọi hoạt động đều được phân tích chính các bằng vi điều khiển [4]. Giới thiệu lập trình Arduino, Vi điều khiển 2. Arduino Arduino là một board mạch vi điều khiển, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi.

Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi điều khiển AVR Atmel 8 bit, hoặc ARM Atmel 32 bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O digital tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau [5]. Arduino Uno Được giới thiệu vào năm 2005, những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới gồm các bắt đầu bao gồm robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động.

Đi cùng với nó là một môi trường phát triển thích hợp ( Arduino IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Arduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++ [5]. Arduino được tạo ra vào năm 2005 như là một dự án dành cho sinh viên tại Interaction Design Institute Ivrea (Viện thiết kế tương tác Ivrea) tại Ivrea, Italy. Vào thời điểm đó các sinh viên sử dụng một “ BASIC Stamp” ( con tem Cơ Bản) có giá khoảng $100, xem như giá dành cho sinh viên. Cái tên “Arduino” đến từ một quán bar tại Ivrea, nơi một vài nhà sáng lập của dự án này thường xuyên gặp mặt.