Đồ án tính toán thiết kế ô tô: Hệ thống phun xăng điện tử EFI

Đồ án môn học tính toán thiết kế hệ thống phun xăng điện tử EFI. Nội dung chi tiết kèm file CAD và bản vẽ kỹ thuật. Tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên.

• Tác giả: Hồ Đăng Trung
• Người hướng dẫn: GVHD: Chu Đức Hùng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Đồ án tính toán phun xăng điện tử EFI
• Loại tài liệu: Đồ án môn học

Tóm tắt

I. Khái niệm và định nghĩa hệ thống phun xăng điện tử EFI

Hệ thống phun xăng điện tử EFI (Electronic Fuel Injection) là công nghệ hiện đại được ứng dụng rộng rãi trên các ôtô đời mới. Đây là hệ thống cung cấp hỗn hợp khí-nhiên liệu với tỷ lệ tối ưu cho động cơ xăng ở tất cả các chế độ lái xe khác nhau. Khác với chế hòa khí truyền thống, EFI điều khiển bằng điện tử cho phép điều chỉnh linh hoạt tỷ lệ không khí-nhiên liệu dựa trên các thông số thực tế của động cơ. Hệ thống này đảm bảo cung cấp hỗn hợp giàu xăng khi khởi động trong thời tiết lạnh, hỗn hợp nghèo xăng sau khi động cơ đạt nhiệt độ vận hành, và hỗn hợp giàu xăng trở lại ở chế độ cao tốc. Nhờ vậy, EFI cải thiện hiệu suất động cơ, giảm tiêu thụ nhiên liệu, và giảm khí thải độc hại so với các hệ thống truyền thống.

1.1. Định nghĩa và nguyên lý hoạt động EFI

EFI là viết tắt của Electronic Fuel Injection, hệ thống phun xăng điều khiển hoàn toàn bằng điện tử. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc cảm biến điện tử đo lường các thông số như lượng không khí nạp, tốc độ động cơ, nhiệt độ nước làm mát, để từ đó ECU (Engine Control Unit) tính toán và điều khiển thời gian mở/đóng các kim phun điện từ, phun xăng với độ chính xác cao vào buồng cháy.

1.2. Sự khác biệt giữa EFI và chế hòa khí truyền thống

Chế hòa khí sử dụng cơ cấu cơ học đơn giản nhưng ít linh hoạt, không thể điều chỉnh tỷ lệ khí-nhiên liệu theo thời gian thực. Ngược lại, hệ thống EFI điều khiển chính xác từng thông số, cung cấp hiệu suất cao hơn, tiêu hao nhiên liệu kinh tế hơn, khí thải sạch hơn, và khả năng tải tốt hơn.

II. Lịch sử phát triển hệ thống phun xăng điện tử

Lịch sử phun xăng điển tử bắt đầu từ thế kỷ 19 khi kỹ sư người Mỹ Stenvan đã phát triển cách phun nhiên liệu cho máy nén khí. Đầu thế kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun xăng kiểu cơ khí trên động cơ 4 kỳ. Đột phá lớn xảy ra với hệ thống K-Jetronic (phun xăng trực tiếp vào trước xupap hút), nền tảng cho các phiên bản tiếp theo như KE-Jetronic, L-Jetronic, Motronic. Những năm 1980, BOSCH phát triển L-Jetronic và D-Jetronic với kim phun điều khiển bằng điện, cải thiện độ chính xác đáng kể. Năm 1984, Toyota mua bản quyền từ BOSCH và ứng dụng trên động cơ 4A-ELU. Những năm 1987, Nissan thay thế chế hòa khí bằng L-Jetronic trên xe Sunny, đánh dấu xu hướng toàn ngành chuyển sang EFI điều khiển bằng vi xử lý để đạt hiệu suất tối ưu.

2.1. Giai đoạn phát triển sơ kỳ Thế kỷ 19 1980

Từ ý tưởng phun xăng của kỹ sư Stenval đến hệ thống K-Jetronic kiểu cơ khí, phun xăng trực tiếp vào buồng cháy. Công nghệ này được Mercedes và các hãng xe khác áp dụng, nhưng nhược điểm của phun xăng cơ khí là thiếu linh hoạt và phức tạp, khiến nó dần được thay thế bằng công nghệ điện tử.

2.2. Giai đoạn phát triển hiện đại Từ 1980 đến nay

BOSCH phát triển L-Jetronic và D-Jetronic vào đầu những năm 1980, sử dụng kim phun điều khiển bằng điện. Các công ty Nhật Bản như Toyota (1984) và Nissan (1987) nhanh chóng áp dụng công nghệ này. Sự chuyển sang điều khiển bằng vi xử lý cho phép đạt tỷ lệ khí-nhiên liệu tối ưu với độ chính xác cao, giảm tiêu hao và khí thải.

III. Cấu trúc và thành phần chính của hệ thống EFI

Hệ thống phun xăng điện tử EFI bao gồm nhiều thành phần quan trọng hoạt động liên kết chặt chẽ. Bể xăng chứa nhiên liệu, bơm xăng điện tạo áp suất cấp xăng tới các kim phun điện từ. Bộ lọc xăng loại bỏ tạp chất để bảo vệ hệ thống. ECU (Engine Control Unit) là "bộ não" điều khiển toàn bộ quá trình, nhận dữ liệu từ các cảm biến như MAF (lưu lượng không khí), TPS (vị trí bướm ga), RPM (tốc độ động cơ), CLT (nhiệt độ nước làm mát). Thanh áp suất nhiên liệu duy trì áp suất ổn định. Các kim phun được điều khiển chính xác bởi xung điện từ ECU, phun xăng với thời gian và lượng tính toán kỹ lưỡng, đảm bảo hỗn hợp khí-nhiên liệu tối ưu cho từng điều kiện lái xe, từ khởi động lạnh đến vận hành cao tốc, tối ưu hóa hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải.

3.1. Các cảm biến và bộ điều khiển ECU

Cảm biến MAF đo lưu lượng không khí nạp, cảm biến TPS theo dõi vị trí bướm ga, cảm biến RPM phát hiện tốc độ động cơ, cảm biến CLT giám sát nhiệt độ nước làm mát. Tất cả dữ liệu được gửi đến ECU, bộ vi xử lý điều khiển động cơ, xử lý thông tin từ các cảm biến và tính toán thời gian phun xăng tối ưu cho từng chế độ lái xe khác nhau.

3.2. Hệ thống phun nhiên liệu và bơm xăng

Bơm xăng điện cung cấp áp suất xăng, thanh áp suất điều chỉnh áp suất ổn định, kim phun điện từ được điều khiển bởi xung điện từ ECU để phun xăng chính xác. Hệ thống này đảm bảo xăng được phun vào buồng cháy với độ chính xác cao, phù hợp với nhu cầu của động cơ.

IV. Ứng dụng File CAD và thiết kế đồ án phun xăng EFI

Đồ án tính toán phun xăng điện tử EFI kết hợp với File CAD cho phép sinh viên, kỹ sư thực hiện phân tích kỹ thuật chi tiết từ thiết kế đến tính toán hiệu suất. File CAD cung cấp các bản vẽ kỹ thuật 3D của các thành phần EFI như kim phun, bộ điều khiển ECU, cảm biến, bơm xăng, giúp hiểu rõ cấu trúc hệ thống. Thông qua phần mềm CAD, người dùng có thể mô phỏng hoạt động của hệ thống, tính toán lưu lượng xăng, áp suất phun, thời gian phun tối ưu cho từng điều kiện lái xe. Đồ án này không chỉ giúp sinh viên nắm vững kiến thức về hệ thống phun xăng hiện đại, mà còn phát triển kỹ năng thiết kế, tính toán, mô phỏng trong lĩnh vực công nghệ động cơ. Ứng dụng CAD trong đồ án EFI là bước đi quan trọng để chuẩn bị cho công việc kỹ sư ô tô chuyên nghiệp, nơi yêu cầu độ chính xác cao và hiểu biết sâu sắc về các hệ thống động cơ phức tạp.

4.1. Vai trò của File CAD trong thiết kế EFI

File CAD cung cấp mô hình 3D chi tiết các thành phần EFI, giúp trực quan hóa cấu trúc hệ thống. Thông qua CAD, kỹ sư có thể thiết kế, sửa đổi các thành phần, tính toán kích thước, công suất, kiểm tra độ tương thích giữa các bộ phận, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và an toàn.

4.2. Mục tiêu và ý nghĩa của đồ án tính toán EFI

Đồ án phun xăng EFI giúp sinh viên nắm vững kiến thức về hệ thống cung cấp nhiên liệu hiện đại, phát triển kỹ năng tính toán thiết kế, ứng dụng công cụ CAD chuyên nghiệp. Qua đó, sinh viên chuẩn bị tốt hơn cho công việc kỹ sư ô tô, hiểu rõ các vấn đề hư hỏng và đưa ra giải pháp sửa chữa khoa học cho hệ thống EFI.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Tổng quan về hệ thống phun xăng điện tử EFI 1. Lịch sự phát triển của hệ thống phun xăng điển tử: 1.1 Khái niệm về phun xăng điển tử: Chữ EFI ở phía sau thân của các ôtô đời mới và trên động cơ là chữ viết tắt của Electronic fuel injection, có nghĩa là hệ thống phun xăng điều khiển bằng điện tử. hệ thống này cung cấp xăng hỗn hợp khí một cách hoàn hảo. Tuy nhiên, tùy theo chế độ làm việc của ô tô mà EFI thay đổi tỷ lệ khí nhiên liệu để luôn luôn cung cấp cho động cơ một hỗn hợp khí tối ưu.

Cụ thể ở chế độ khởi động trong thời tiết giá lạnh hỗn hợp khí được cung cấp giàu xăng hơn, sau khi động cơ đã đủ nhiệt độ vận hành hỗn hợp khí sẽ nghèo xăng hơn. ở chế độ cao tốc lại được cung cấp hỗn hợp khí giàu xăng trở lại. Ôtô sử dụng một trong hai thiết bị hay hệ thống để cung cấp hỗn hợp khi- nhiên liệu với một tỷ lệ nhất định đến các xylanh của động cơ tại tất cả các dải tốc độ; một bộ chế hòa khí hay hệ thống phun xăng điển tử. cả hai hệ thống đo lường khí nạp mà thay đổi theo góc mở của bướm ga và tốc độ động cơ, đều cung cấp một tỷ lệ nhiên liệu và không khí thích hợp đến các xylanh phụ thuộc vào lượng khí nạp.

Do kết cấu của chế hòa khí khá đơn giản, nó đã được sử dụng trên hầu hết các động cơ xăng trước đây. Mặc dù vậy, để đáp ứng các nhu cầu hiện nay về khí xả sạch hơn, tiêu hao nhiên liệu kinh tế hơn, cải thiện khả năng tải…., bộ chế hòa khí ngày nay phải được lắp đặt các thiết bị hiệu chỉnh khác, làm cho nó trở nên phức tạp hơn rất nhiều. Do vậy, hệ thống EFI được sử dụng thay thế cho chế hòa khí, đảm bảo tỷ lệ khí – nhiên liệu thích hợp cho động cơ bằng việc phun nhiên liệu điển tử theo các chế độ lái xe khac nhau. GVHD: CHU ĐỨC HÙNG SVTH : HỒ ĐĂNG TRUNG Đồ án môn học tính toán thiết kế ôtô 3 GVHD: CHU ĐỨC HÙNG SVTH : HỒ ĐĂNG TRUNG Đồ án môn học tính toán thiết kế ôtô 4 Hình vẽ: hệ thống EFI điển hình 1.2 lịch sử phát triển: Vào thế kỷ 19, một kỹ sư người mỹ ông Stenvan đã nghĩ ra cách phun nhiên liệu cho một máy nén khí.

Sau đó một thời gian, một người Đức đã cho phun nhiên liệu vào buồng cháy nhưng không mang lại hiệu quả. Đầu thế kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ 4 kỳ tĩnh tại ( nhiên liệu dùng trên động cơ này là dầu hỏa nên hay bị kích nổ và hiệu quả thấp ). Tuy nhiên, sau đó sáng kiến này đã rất thành công trong việc chế tạo hệ thống phun xăng kiểu cơ khí. Trong hệ thống phun xăng này nhiên liệu được phun trực tiếp vào trước xupap hút nên có tên goi là K - Jetronic.

K - Jetronic được đưa vào sản xuất ứng dụng trên các xe của hãng Mercedes và một số xe khác, là nền tảng cho việc phát triển hệ thống phun xăng thế hệ sau như KE - Jetronic, Mono – Jetronic, L – Jetronic, Motronic…. GVHD: CHU ĐỨC HÙNG SVTH : HỒ ĐĂNG TRUNG Đồ án môn học tính toán thiết kế ôtô 5 Do hệ thống phun xăng cơ khí có nhiều nhược điểm nên đầu những năm 80, BOSCH đã cho ra đời hệ thống phun xăng sử dụng kim phun điều khiển bằng điện, có hai loại : hệ thống L – Jetronic (lượng nhiên liệu được xác định nhờ cảm biến đo lưu lượng khí nạp ) và D – Jetronic (lượng nhiên liệu được xác định dựa vào áp suất trên đường ống nạp). Đến năm 1984, người Nhật đã mua bản quyền của BOSCH và đã ứng dụng hệ thống phun xăng L – Jetronic và D – Jetronic trên các xe của hãng Toyota (dung với động cơ 4A – ELU). Đến những năm 1987 , hãng Nissan dung L – Jetronic thay bộ chế hòa khí của xe Sunny.

Việc điều khiển EFI có thể chia làm hai loại, dựa trên sự khác nhau về phương pháp dung để xác định lượng nhiên liệu phun. Một là một loại mạch tương tự, loại này điều khiển lượng phun dựa vào thời gian cần thiết để nạp và phóng vào tụ điện. Loại khác là loại được điều khiển bằng vi xử lý,loại này sử dụng dữ liệu lưu trong bộ nhớ để xác định lượng phun. Loại hệ thống EFI điều khiển bằng mạch tương tự là loại được Toyota sử dụng lần đầu tiên trong hệ thống EFI của nó.

Loại điều khiển bằng vi xử lý được bắt đầu sử dụng vào năm 1983. Loại hệ thống EFI điều khiển bằng bôn vi xử lý được sử dụng trong xe của Toyota gọi là TCCS (Toyota computer controlled system – hệ thống điều khiển bằng máy tính của Toyota), nó không chỉ điều khiển lượng phun mà còn bao gồm ESA (Electronic Spark advance – đánh lửa sớm điển tự) để điều khiển thời điểm đánh lửa ; ISC (Idle speed control – điều khiển tốc độ không tải) và các hệ thống điều khiển khác cũng như chức năng chẩn đoán và dự phòng. Hai hệ thống này có thể phân loại như sau: GVHD: CHU ĐỨC HÙNG SVTH : HỒ ĐĂNG TRUNG Đồ án môn học tính toán thiết kế ôtô 6 Sơ đồ phân loại hệ thống phun xăng điển tử Loại EFI mạch tương tự và vi điều khiển bằng bộ vi xử lý về cơ bản là giống nhau, nhưng có thể nhận thấy một vài điểm khác nhau như các lĩnh vực điều khiển và độ chính xác.3 Phân loại hệ thống phun xăng: Hệ thống phun nhiên liệu có thể được phân loại theo nhiều kiểu. nếu phân biệt theo cấu tạo kim phun, ta có 2 loại: 1.1 loại CIS : GVHD: CHU ĐỨC HÙNG SVTH : HỒ ĐĂNG TRUNG Đồ án môn học tính toán thiết kế ôtô 7 Đây là hệ thống kiểu sử dụng kim phun cơ khí, chỉ sự dụng trên một số động cơ, bộ phun mở lien tục, sự thay đổi áp suất đối với nhiên liệu sẽ làm thay đổi lượng nhiên liệu được phun.

Gồm bốn loại cơ bản sau:  Hệ thống K – Jectronic: Đây là hệ thống phun nhiên liệu được điều khiển hoàn toàn bằng cơ khí và thủy lực sau đó được cải thiện thành hệ thống KE – Jectronic với hệ thống ECM mạnh hơn. Là hệ thống phun xăng cơ bản của các kiểu phun xăng điển tự ngày nay. Nó có các đặc điểm như không cần những cơ cấu dẫn động của động cơ, có nghĩa là động tác điều chỉnh xăng phun ra do chính độ chân không trong ống hút điều khiển.xăng phun ra lien tục cà được xác định tùy theo khối lượng không khí nạp. Được sử dụng cho các xe như Audi : coupe, Quattro, 80, 90, 100, 200.

 Hệ thống K – Jectronic có cảm biến khí thải: Có thêm cảm biến oxy  Hệ thống KE – Jectronic: Là hệ thống được phát triển từ hệ thống K – Jectronic với mạch điều chỉnh áp lực phun bằng điện tử.2 Loại AFC: Đây là hệ thống phun xăng sử dụng kim phun điều khiển bằng điện. Hệ thống phun xăng với kim phun điện có thể chia làm 2 loại chính:  L – Jectronic (xuất phát từ chữ Luft trong tiếng Đức là không khí): là hệ thống phun xăng đa điểm điều khiển bằng điện tử. xăng được phun vào cửa nạp của các xylanh động cơ theo từng lúc chứ không phun lien tục. Quá trình phun xăng và định lượng nhiên liệu được thực hiện theo hai tín hiệu gốc: tín hiệu về khối lượng không khí đang nạp vào và tín hiệu về vận tốc trục khuỷu của động cơ.

Chức năng của L – Jectronic là cung cấp cho từng xylanh động cơ một lượng xăng đáp ứng nhiều chế độ tải khác nhau của động cơ. Một hệ thống các bộ cảm biến ghi nhận thông tin về chế độ làm việc của ôtô, về tình trạng thực tế của động cơ, chuyển đổi các thông tin này thành tín hiệu điện. ECU sẽ xử lý, phân tích các thông tin nhận được và tính toán chính xác lượng xăng cần phun ra. Lưu lượng phun xăng phun ra ấn định do thời lượng mở van của béc phun xăng.

GVHD: CHU ĐỨC HÙNG SVTH : HỒ ĐĂNG TRUNG Đồ án môn học tính toán thiết kế ôtô 8  D – Jectronic: Với lượng xăng phun được xác định bởi áp suất sau cánh bướm ga bằng cảm biến MAP. Nếu phân biệt theo vị trí lắp đặt kim phun , ta có thể chia hệ thống phun xăng thành hai loại:  Loại TBI(throttle body injection): Phun xăng đơn điểm, gồm một hoặc hai béc phun xăng và phun trực tiếp vào cánh bướm ga tại đầu họng hút.  Loại MPI(multi points injection): Phun xăng đa điểm, trên hệ thống phun xăng này động cơ có bao nhiêu xy lanh thì sẽ có bây nhiêu kim phun béc phun xăng. Béc được bố trí xịt xăng vào ngay cửa hút gần sát xu páp hút.

Hệ thống phun xăng điển tử đa điểm là hệ thống định lượng và điều khiển hiện đại nhất hiên nay, nó tối ưu cả hai quá trình phun xăng và đánh lửa của động cơ. Hệ thống MPI Hệ thống TBI 2. Hệ thống phun xăng điện tử EFI: GVHD: CHU ĐỨC HÙNG SVTH : HỒ ĐĂNG TRUNG Đồ án môn học tính toán thiết kế ôtô 9 2.1 Thành phần hòa khí: Thành phần hòa khí thể hiện tỷ lệ hòa trộn giữa xăng và không khí trong hòa khí, được đặc trưng bằng hệ số dư không khí α (hoặc λ) hoặc bằng hệ số tỷ lệ không khí – nhiên liệu m – đó là tỷ số lượng không khí Gk và số lượng xăng Gx chứa trong hòa khí (m= ). Với m= 14,7:1 – đủ không khí, ta có α=1 và có hòa khí chuẩn (lý tưởng) Với m >14,7:1 – dư không khí, ta có α >1 và có hòa khí nhạt (nghèo xăng) Với m <14,7:1 – thiếu không khí, ta có α <1 và có hòa khí đậm (giàu xăng) Thành phần hòa khí gây ảnh hưởng lớn tới tính năng hoạt động của xe đòi hỏi một thành phần hòa khí nhất định.1: biến thiên cua tỷ số không khí – nhiên liệu theo điều kiện hoạt động của xe.

Ký hiệu : A: khởi động GVHD: CHU ĐỨC HÙNG SVTH : HỒ ĐĂNG TRUNG Đồ án môn học tính toán thiết kế ôtô 10 B: cầm chừng C: bướm ga mở một phần D: gia tốc E: bướm ga mở hoàn toàn Hình trên giới thiệu các thành phần hòa khí nhất định.2 giới thiệu các các hòa khí yêu cầu động cơ khi hoạt đông ở các chế độ khác nhau.