Đồ án: Thiết kế mô hình điện động cơ 5S-FE và điều hòa không khí ô tô

Đồ án tốt nghiệp thiết kế mô hình điện động cơ 5S-FE và điều hòa ô tô. Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết, sơ đồ và các bước thực hiện chi tiết.

• Tác giả: Đào Nguyễn Bá Đạt
• Người hướng dẫn: ThS. Vũ Đình Huấn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Thực Hành Trên Hệ Thống Điện Động Cơ 5S-FE Và Hệ Thống Điều Hòa Không Khí Trên Ô Tô
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Mô hình Điện Động Cơ 5S FE

Đồ án mô hình điện động cơ 5S-FE là một công trình nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực công nghệ kỹ thuật ô tô. Đây là mô hình thực hành được thiết kế nhằm giáo dục sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Mục đích chính của mô hình 5S-FE là cung cấp nền tảng kiến thức thực tiễn về hệ thống điện động cơ trên các dòng xe ô tô. Thông qua việc nghiên cứu sâu về nguyên lý hoạt động, cấu tạo hệ thống điện động cơ, sinh viên có thể nắm bắt được các kiến thức chuyên môn cần thiết. Đồ án này kết hợp giữa lý thuyết và thực hành, tạo ra một công cụ học tập hiệu quả cho các kỹ sư ô tô tương lai.

1.1. Lý do chọn đề tài Điện Động Cơ 5S FE

Nhu cầu sửa chữa và bảo dưỡng ô tô ngày càng tăng cao, đòi hỏi kỹ sư và thợ máy phải có kiến thức chuyên sâu về hệ thống điện. Động cơ 5S-FE là loại động cơ phổ biến trên nhiều dòng xe Toyota. Việc tạo mô hình thực hành giúp sinh viên tiếp cận kiến thức một cách thực tế, từ đó nâng cao tay nghề và khả năng ứng dụng trong công việc thực tế.

1.2. Mục đích nghiên cứu và ứng dụng

Mục đích chính của đồ án là tạo ra một mô hình hoạt động ổn định cho hệ thống điện động cơ. Mô hình này có khả năng hoạt động theo đúng nguyên lý của hệ thống điện thực tế trên ô tô. Bên cạnh đó, mô hình 5S-FE cũng hỗ trợ giảng dạy lý thuyết và thực hành, giúp sinh viên hiểu rõ hơn về cấu trúc và hoạt động của hệ thống điện ô tô.

II. Cơ Sở Lý Thuyết về Hệ Thống Điện Động Cơ 5S FE

Hệ thống điện động cơ 5S-FE là một hệ thống phức tạp bao gồm nhiều thành phần điện tử và cơ khí. Nguyên lý hoạt động của hệ thống này dựa trên sự phối hợp giữa các cảm biến, bộ điều khiển và thiết bị thực thi. Sơ đồ mạch điện động cơ 5S-FE bao gồm các thành phần chính như máy khởi động, máy phát điện, hệ thống kiểm soát nhiên liệu điện tử (EFI). Hệ thống này được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải. Việc hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống 5S-FE là nền tảng quan trọng để sinh viên có thể phân tích và xử lý các sự cố liên quan đến động cơ ô tô.

2.1. Tổng quan về Hệ Thống Điện Động Cơ Toyota

Hệ thống điện động cơ Toyota 5S-FE là một trong những hệ thống điện phổ biến được sử dụng trên các dòng xe Toyota. Cấu trúc hệ thống bao gồm máy khởi động, máy phát điện xoay chiều, bộ điều khiển ECU và các cảm biến đo lường. Mỗi thành phần đều có vai trò quan trọng trong việc điều khiển và tối ưu hóa hiệu suất của động cơ.

2.2. Sơ đồ Mạch Điện và Các Thành Phần Chính

Sơ đồ mạch điện động cơ 5S-FE thể hiện các kết nối giữa các cảm biến, bộ điều khiển và bộ phận thực thi. Các cảm biến quan trọng bao gồm cảm biến áp suất đường nạp (MAP), cảm biến vị trí bướm ga (TPS), cảm biến nhiệt độ động cơ. Bộ điều khiển ECU xử lý tín hiệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị thực thi như van điều khiển hãm (VSV) và van điều khiển tốc độ không tải (ISCV).

III. Hệ Thống Điều Hòa Không Khí Trên Ô tô

Hệ thống điều hòa không khí là một trong những hệ thống tiện nghi quan trọng trên ô tô hiện đại. Vai trò chính của hệ thống A/C là điều khiển nhiệt độ bên trong cabin, tạo ra môi trường thoải mái và dễ chịu cho người lái và hành khách. Cấu tạo hệ thống điều hòa bao gồm các thành phần chính như nén khí (compressor), tụ lạnh (condenser), thiết bị lọc khô (drier), van nở (expansion valve) và tẩn tàng (evaporator). Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều hòa dựa trên chu trình làm lạnh của chất lạnh để loại bỏ nhiệt từ cabin. Với nhu cầu sử dụng ô tô ngày càng lớn, việc bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống điều hòa đòi hỏi kỹ sư phải có kiến thức chuyên sâu về hệ thống A/C ô tô.

3.1. Cấu Tạo và Nguyên Lý Hoạt Động A C

Hệ thống điều hòa ô tô hoạt động dựa trên nguyên lý chu trình thermodynamics. Chất lạnh (refrigerant) lưu thông qua các thành phần chính, hấp thụ nhiệt từ cabin tại bộ tản tàng (evaporator) và toả nhiệt ra ngoài tại tụ lạnh (condenser). Nén khí (compressor) được điều khiển bởi hệ thống điều khiển để tối ưu hóa công suất làm lạnh và tiết kiệm nhiên liệu.

3.2. Các Thành Phần Chính và Phương Pháp Điều Khiển

Các thành phần chính của hệ thống điều hòa bao gồm nén khí compressor, tụ lạnh condenser, van nở expansion valve, bộ tẩn tàng evaporator và bộ điều khiển. Phương pháp điều khiển hệ thống A/C sử dụng các cảm biến nhiệt độ và hệ thống điều khiển tự động để duy trì nhiệt độ cabin ở mức thoải mái mong muốn.

IV. Ứng Dụng và Ý Nghĩa của Đồ án Mô hình Trong Giáo Dục

Đồ án mô hình điện động cơ 5S-FE và hệ thống điều hòa không khí có ý nghĩa giáo dục sâu sắc đối với sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô. Mô hình thực hành này cung cấp một công cụ học tập hiệu quả giúp sinh viên kết hợp lý thuyết với thực hành. Thông qua việc vận hành mô hình, sinh viên có thể quan sát trực tiếp nguyên lý hoạt động, cấu tạo các thành phần và cách chúng tương tác với nhau. Mô hình 5S-FE không chỉ hỗ trợ giảng dạy lý thuyết mà còn cung cấp nền tảng thực hành để sinh viên phát triển tay nghề và kỹ năng chuyên môn. Bên cạnh đó, đồ án này cũng có thể được sử dụng làm công cụ huấn luyện cho các kỹ sư, thợ máy trong các xưởng sửa chữa ô tô, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ bảo dưỡng ô tô.

4.1. Ứng Dụng Trong Giảng Dạy Lý Thuyết

Mô hình 5S-FE được sử dụng để minh họa các khái niệm phức tạp về hệ thống điện động cơ và hệ thống điều hòa. Sinh viên có thể xem cấu trúc mô hình, hiểu rõ vị trí các thành phần và cách chúng kết nối với nhau. Việc này giúp sinh viên ghi nhớ kiến thức tốt hơn so với chỉ học qua sách vở.

4.2. Ứng Dụng Trong Giảng Dạy Thực Hành

Mô hình thực hành cho phép sinh viên vận hành trực tiếp, quan sát hoạt động và thu thập số liệu thực tế. Sinh viên có thể thực hiện các bài tập kiểm tra, bảo dưỡng, xác định sự cố trên mô hình mà không cần phải sử dụng ô tô thực. Điều này giảm chi phí đào tạo và tăng tính an toàn cho sinh viên trong quá trình học tập.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Khi nền kinh tế ngày càng phát triển, đời sống con người ngày càng được nâng cao. Sự đòi hỏi được cung cấp những gì tốt nhất, hiện đại nhất là một nhu cầu thiết yếu. Do đó không thể chỉ dừng lại ở việc đảm bảo về độ an toàn, về tính hiệu quả kinh tế hay tính thẩm mỹ của một chiếc xe, mà còn cần phải đảm bảo trang bị được những hệ thống, thiết bị tiện nghi nhằm thỏa mãn nhu cầu, sở thích của người tiêu dùng.

Vì thế đó là một trong những yêu cầu hàng đầu mà buộc các nhà thiết kế, chế tạo ô tô phải đặc biệt quan tâm, lưu ý. Ngày nay, việc sử dụng ô tô ở Việt Nam ngày càng trở nên phổ biến, đa dạng. Các xe được trang bị hệ thống điều hòa không khí chiếm một số lượng ngày càng nhiều. Điều đó đồng nghĩa với việc nhu cầu sửa chữa hệ thống điều hòa trên ô tô ngày càng lớn.

Vì vậy yêu cầu đặt ra đối với những người thợ, người kỹ sư sửa chữa điều hòa đó là có được những kiến thức, kỹ năng về hệ thống điều hòa tốt nhất. Tuy nhiên, do việc học tập và nghiên cứu về hệ thống điều hòa còn hạn chế, cơ sở vật chất kỹ thuật cho việc dạy và học còn thiếu thốn. Vì vậy các học sinh, sinh viên chưa tiếp xúc được nhiều về mảng đề tài này. Điều này sẽ là hạn chế về mặt kiến thức cũng như kỹ năng khi ra trường làm việc trong môi trường nghiên cứu, sửa chữa ngày càng khắc nghiệt.

Xuất phát từ những lý do trên, nhóm em quyết định chọn đề tài : “Thiết kế mô hình thực hành trên hệ thống điện động cơ 5S-FE và hệ thống điều hòa không khí trên ô tô”. Mục đích nghiên cứu Đề tài: “Thiết kế mô hình thực hành trên hệ thống điện động cơ 5S-FE và hệ thống điều hòa không khí trên ô tô” được thực hiện nhằm mục đích : - Tìm hiểu chung về hệ thống điện động cơ ô tô nhằm củng cố nâng cao kiến thức cho người học. - Tìm hiểu về hệ thống điều hòa trên ô tô như cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phương pháp điều khiển điều hòa. 1 - Nâng cao về khả năng tìm hiểu, phân tích một số sơ đồ mạch điện động cơ, điều hòa của một số hãng xe tiêu biểu.

- Chẩn đoán và sửa chữa những hư hỏng thường gặp trong điện động cơ và hệ thống điều hòa không khí ô tô. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điện động cơ 5S – FE và hệ thống điều hòa không khí trên ô tô. Phương pháp nghiên cứu  Phân tích tổng hợp lý thuyết. - Nghiên cứu các tài liệu, các sách hướng dẫn về hệ thống điều hòa trên xe ô tô.

- Nghiên cứu trên các phần mềm: Autodata, Ondemand 5. - Tra cứu trên internet, sách báo.  Quan sát, thực tập sửa chữa tại xưởng. Giới hạn đề tài Do điều kiện và thời gian có hạn, cũng như kiến thức còn hạn chế nên đề tài của em mới chỉ nghiên cứu và làm trên mô hình có sẵn.

Mặt khác, do sự không đồng bộ giữa các thiết bị trên mô hình nên em chưa tiếp cận được với hệ thống điều hòa tự động trên ô tô. 2 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Hệ thống điện động cơ Toyota 5S - FE 2. Tổng quan hệ thống điện động cơ 2.

Hệ thống khởi động  Cấu tạo: Hình 2.1 : Cấu tạo máy khởi động  Nguyên lý: Hình 2.2 : Nguyên lý hoạt động của máy khởi động Khi bật công tắc ở vị trí ST thì dòng điện sẽ rẽ thành 2 nhánh: (+) Wg mass Wh Wst Brush Wrotor mass 3 Dòng qua cuộn giữ và hút sẽ tạo ra lực từ để hút lõi thép đi vào bên trong. Lực hút sẽ đẩy bánh răng của máy khởi động về phía bánh đà, đồng thời đẩy lá đồng nối tắt cọc (+) ắc quy xuống máy khởi động. Lúc này, hai đầu cuộn hút đẳng thế và sẽ không có dòng đi qua mà chỉ có dòng qua cuộn giữ. Do lõi thép đi vào bên trong mạch từ khiến từ trở giảm nên lực từ tác dụng lên lõi thép tăng lên.

Vì thế, chỉ cần một cuộn Wg vẫn giữ được lõi thép. Khi động cơ đã nổ, tài xế trả công tắc về vị trí ON, mạch hở nhưng do quán tính, dòng điện vẫn còn. Do đó hai bánh răng còn dính và dòng vẫn qua lá đồng. Như vậy, dòng sẽ đi từ: (+) Wh Wg mass.

Lúc này, hai cuộn dây mắc nối tiếp nên dòng như nhau, dòng trong cuộn giữ không đổi chiều, còn dòng qua cuộn hút ngược với chiều ban đầu. Vì vậy, từ trường hai cuộn triệt tiêu nhau. Kết quả là, dưới tác động của lực lò xo, bánh răng và lá đồng trở về vị trí ban đầu. Hệ thống cung cấp điện Máy phát điện xoay chiều là nguồn năng lượng chính trên ô tô.

Nó có nhiệm vụ cung cấp điện cho các phụ tải và nạp điện cho ắc quy.3 : Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều kích từ 4 Máy phát điện có 3 phần chính là stator, rotor và bộ chỉnh lưu. Stator: gồm khối thép từ được lắp ghép bằng các lá thép ghép lại với nhau, phía trong có xẻ rãnh đều để xếp các cuộn dây phần ứng. Cuộn dây stator có 3 pha mắc theo kiểu hình sao, hoặc theo kiểu hình tam giác.4 : Các kiểu đấu dây Rotor: bao gồm trục 5 và ở phía cuối trục có lắp các vòng tiếp điện 4, còn ở giữa có lắp 2 chùm cực hình móng 1 và 2. Giữa 2 chùm cực là cuộn dây kích thích được quấn trên ống thép dẫn từ 6.

Các đầu dây kích thích được hàn vào các vòng tiếp điện.5 : Stator của máy phát điện xoay chiều 5 Khi có dòng điện một chiều đi qua cuộn dây kích thích thì cuộn dây và ống thép dẫn từ trở thành một nam châm điện mà hai đầu ống thép là hai cực từ khác dấu. Dưới ảnh hưởng của các từ cực, các móng trở thành các cực của rotor.6 : Rotor máy phát điện xoay chiều kích từ có vòng tiếp điểm Bộ chỉnh lưu: Để biến đổi dòng điện xoay chiều của máy phát sang dòng điện một chiều, ta dùng bộ chỉnh lưu 6 diode, 8 diode hoặc 14 diode. Hệ thống điều khiển động cơ Hệ thống phun xăng điện tử được điều khiển từ ECU thông qua các tín hiệu gửi đến từ các cảm biến. Khi người lái đạp bàn đạp ga, tín hiệu từ cảm biến bướm ga được gửi đến ECU, ECU nhận được yêu cầu này và thực hiện thao tác chọn lựa thành phần hòa khí.

Đồng thời với việc nhận dạng tín hiệu lưu lượng khí nạp thực đi vào xylanh của động cơ, nhiệt độ khí nạp , nhiệt độ nước làm mát động cơ, tốc độ động cơ, dựa vào dữ liệu trong bộ nhớ, ECU xác định thời gian điều khiển mở kim phun hợp lý theo yêu cầu thành phần hòa khí. Tín hiệu của cảm biến Oxy dùng để điều chỉnh bằng 1 chỉ được ECU tiếp nhận khi động cơ chạy ở tốc độ ổn định và không có sự biến đổi đột ngột tín hiệu từ cảm biến vị trí bướm ga trong quá trình gia tốc.7 : Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển lập trình  Cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP Sensor) Vị trí: lắp ngay sau không gian của bướm ga Hình 2.8 : Cấu tạo và nguyên lý của cảm biến áp suất đường ống nạp 7 Nguyên lý hoạt động: Cảm biến áp suất đường ống nạp hoạt động dựa trên nguyên lý cầu Wheatstone. Ở trạng thái tĩnh: khi động cơ chưa làm việc áp suất không thay đổi màng ngăn không bị biến dạng tất cả 4 điện trở điện áp đều có giá trị bằng nhau lúc đó không có điện áp giữa 2 đầu cầu. Khi làm việc: khi áp suất đường ống nạp giảm, màng silicon bị biến dạng dẫn đến giá trị điện trở điện áp thay đổi và làm mất cân bằng cầu wheatstone.

Kết quả là giữa 2 đầu cầu có sự chênh lệch điện áp và tín hiệu này được khuếch đại để mở transistor ở ngõ ra của cảm biến. Độ mở transistor phụ thuộc vào áp suất đường ống nạp dẫn đến sự thay đổi điện áp báo về ECU.9 : Mạch điện cảm biến áp suất đường ống nạp  Cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston Cảm biến vị trí piston (còn gọi là tín hiệu G) báo cho ECU biết vị trí điểm chết trên hoặc trước điểm chết trên của piston. Công dụng của cảm biến này là để ECU xác định thời điểm đánh lửa và cả thời điểm phun. Cảm biến tốc độ động cơ (còn gọi là tín hiệu NE) dùng để báo tốc độ động cơ sử dụng trong quá trình tính toán hoặc tìm góc đánh lửa tối ưu và lượng nhiên liệu sẽ phun cho từng xylanh.

Cảm biến này cũng được sử dụng vào mục đích điều khiển tốc độ không tải hoặc cắt nhiên liệu ở chế độ không tải cưỡng bức. Vị trí: Có nhiều cách bố trí cảm biến G và NE trên động cơ: trong delco, trên bánh đà, hoặc trên bánh răng cam. Cấu tạo của cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston: Bộ phận chính của cảm biến là một cuộn cảm ứng, một nam châm vĩnh cửu và một rotor dùng để khép mạch từ có số răng tùy thuộc vào từng loại động cơ.10 : Sơ đồ bố trí cảm biến G và NE Nguyên lý hoạt động của cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Ở trạng thái tĩnh: khi tốc độ động cơ bằng không rotor không quay nên không có từ thông xuất hiện trong mạch.

Tín hiệu là một đường thẳng Khi làm việc: Khi đỉnh răng của rotor không nằm đối diện cực từ, thì từ thông đi qua cuộn dây cảm ứng sẽ có giá trị thấp vì khe hở không khí lớn nên có từ trở cao. Khi một đỉnh răng đến gần cực từ của cuộn dây, khe hở không khí giảm dần khiến từ thông tăng nhanh. Như vậy nhờ sự biến thiên từ thông, trên cuộn dây sẽ xuất hiện một sức điện động cảm ứng. Khi đỉnh răng của rotor đối diện với cực từ của cuộn dây, từ thông đạt giá trị cực đại nhưng điện áp ở hai đầu cuộn dây bằng không.

Khi đỉnh răng rotor di chuyển ra khỏi cực từ, thì khe hở không khí tăng dần làm từ thông sinh ra giảm theo chiều ngược lại. Tín hiệu có dạng: Hình 2.11 : Sơ đồ mạch điện và dạng tín hiệu xung G và NE 9  Cảm biến vị trí bướm ga Vị trí: được lắp ở trên trục cánh bướm ga. Cấu tạo: Hình 2.