Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo mô hình động cơ 1NZ-FE (Phần điện)

Đồ án tốt nghiệp thiết kế, chế tạo mô hình động cơ phần điện 1NZ-FE. Bao gồm sơ đồ mạch, mô phỏng và hướng dẫn thi công chi tiết cho sinh viên.

• Tác giả: Võ Anh Đào
• Người hướng dẫn: ThS. Huỳnh Quang Thảo
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Mô Hình Động Cơ (Phần Điện)
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Mô Hình Điện Động Cơ

Mô hình điện động cơ là một công cụ giáo dục quan trọng trong ngành công nghệ kỹ thuật ô tô. Đây là sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn, giúp sinh viên hiểu rõ cơ chế hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ hiện đại. Mô hình này bao gồm các hệ thống chính như hệ thống phun xăng điện tử (EFI), hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS), và hệ thống khởi động động cơ. Tính cấp thiết của đề tài nằm ở việc cung cấp một công cụ thực hành hiệu quả để sinh viên nắm vững các nguyên tắc kỹ thuật. Thông qua mô hình này, người học có thể trực tiếp quan sát và kiểm tra các tín hiệu cảm biến như MAF (Mass Air Flow Sensor), IAT (Intake Air Temperature), và ECT (Engine Coolant Temperature).

1.1. Tính Cấp Thiết Của Đề Tài

Ngành công nghệ ô tô yêu cầu kiến thức sâu sắc về hệ thống điều khiển động cơ. Mô hình điện động cơ cung cấp giải pháp thực tế để sinh viên làm quen với công nghệ EFI và DIS. Việc thiết kế, chế tạo mô hình này giúp nâng cao kỹ năng thực hành và khả năng chuẩn đoán lỗi động cơ. Đây là nền tảng quan trọng cho sự phát triển nghề nghiệp trong lĩnh vực bảo dưỡng và sửa chữa ô tô.

1.2. Mục Tiêu Của Đề Tài

Mục tiêu chính là thiết kế và chế tạo mô hình động cơ 1NZ-FE với phần điện hoàn chỉnh. Mô hình phải bao gồm các hệ thống đầu vào từ các cảm biến như CPS (Crankshaft Position Sensor) và CSS (Camshaft Position Sensor). Hệ thống đầu ra bao gồm hệ thống đánh lửa, hệ thống bơm nhiên liệu, và hệ thống khởi động. Mô hình còn được trang bị mạch tạo lỗi để hỗ trợ đào tạo chuẩn đoán lỗi thực tế.

II. Cấu Trúc Và Các Hệ Thống Chính

Mô hình điện động cơ được xây dựng dựa trên cấu trúc rời của các hệ thống. Hệ thống được chia thành bốn phần chính: mô hình hệ thống phun xăng đánh lửa, mô hình khởi động động cơ, mô hình động cơ và hộp số, và mô hình cung cấp điện động cơ. Bộ điều khiển điện tử (ECU) là trái tim của hệ thống, xử lý tất cả các tín hiệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị đầu ra. Cảm biến lưu lượng khí nạp (MAF) đo lượng không khí đầu vào, trong khi cảm biến nhiệt độ nước làm mát (ECT) giám sát nhiệt độ động cơ. Hệ thống kiểm tra điện áp và các bước kiểm tra được tích hợp để đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động.

2.1. Hệ Thống Phun Xăng Điện Tử EFI

Hệ thống phun xăng điện tử sử dụng cảm biến vị trí bướm ga (TPS) để xác định lượng nhiên liệu cần phun. Kim phun được điều khiển bởi ECU dựa trên tín hiệu từ các cảm biến. Cảm biến oxy giám sát nồng độ oxy trong khí thải để tối ưu hóa quá trình đốt cháy. Hệ thống này đảm bảo kinh tế nhiên liệu và giảm khí thải ô nhiễm.

2.2. Hệ Thống Đánh Lửa Trực Tiếp DIS

Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng cảm biến vị trí trục khuỷu (CPS) và cảm biến vị trí trục cam (CSS) để xác định thời điểm đánh lửa chính xác. Cảm biến kích nổ (Knock Sensor) phát hiện sự kích nổ bất thường và điều chỉnh thời gian đánh lửa. Điều này đảm bảo hiệu suất động cơ tối ưu và bảo vệ động cơ khỏi hư hỏng.

III. Quy Trình Thiết Kế Và Mô Phỏng Phần Điện

Quy trình thiết kế mô hình điện động cơ bao gồm nhiều bước quan trọng từ thiết kế lý thuyết đến mô phỏng thực tế. Đầu tiên, thiết kế hệ thống điều khiển động cơ được phát triển dựa trên nguyên lý hoạt động của động cơ 1NZ-FE. Thiết kế mạch nguồn đảm bảo cung cấp điện ổn định cho tất cả các thành phần. Thiết kế mô phỏng mạch tín hiệu cảm biến bao gồm các mạch xử lý cho MAF, IAT, và các cảm biến khác. Thiết kế sa bàn mạch điều khiển động cơ tích hợp tất cả các mạch thành một hệ thống hoàn chỉnh. Cuối cùng, thiết kế mạch tạo lỗi được phát triển để hỗ trợ đào tạo chuẩn đoán lỗi động cơ.

3.1. Thiết Kế Mạch Cảm Biến

Thiết kế mô phỏng mạch cảm biến lưu lượng khí nạp (MAF) và cảm biến nhiệt độ khí nạp (IAT) tạo ra các tín hiệu analog phù hợp. Mạch cảm biến kích nổ phát hiện sự rung động bất thường. Mạch cảm biến vị trí bướm ga chuyển đổi vị trí cơ học thành tín hiệu điện. Mạch cảm biến oxy đo nồng độ oxy. Mạch cảm biến nhiệt độ nước làm mát giám sát nhiệt độ động cơ. Mỗi mạch được mô phỏng để đảm bảo hoạt động chính xác.

3.2. Thiết Kế Mạch Đầu Ra

Thiết kế mô phỏng mạch đánh lửa điều khiển moment tạo ra tia lửa. Mạch bơm nhiên liệu cung cấp áp lực xăng ổn định cho kim phun. Mạch khởi động kiểm soát động cơ khởi động. Mạch cung cấp điện đảm bảo toàn bộ hệ thống nhận được nguồn điện ổn định. Mỗi mạch được thiết kế với các yêu cầu an toàn và hiệu suất cao.

IV. Thi Công Sản Phẩm Và Các Bài Thực Hành

Thi công sản phẩm mô hình điện động cơ bao gồm chuẩn bị vật tư, lắp ráp các mạch điện, và chạy thử nghiệm mô hình. Các bài thực hành được xây dựng để giúp sinh viên làm quen với hệ thống. Kiểm tra điện áp bước đầu đảm bảo nguồn điện hoạt động. Kiểm tra mạch cấp nguồn xác nhận cung cấp điện ổn định cho tất cả thành phần. Kiểm tra cảm biến vị trí bướm ga đảm bảo tín hiệu chính xác. Kiểm tra cảm biến nhiệt độ nước làm mát giám sát ECT hoạt động. Kiểm tra cảm biến oxy đo tín hiệu oxy. Kiểm tra tín hiệu đánh lửa xác nhận hệ thống đánh lửa hoạt động. Kiểm tra kim phun và tín hiệu kim phun đảm bảo phun xăng chính xác. Chuẩn đoán lỗi động cơ sử dụng máy chuẩn đoán Autel để đọc dữ liệu động của động cơ.

4.1. Các Bài Kiểm Tra Cơ Bản

Kiểm tra điện áp là bước đầu tiên, sử dụng vôn kế để đo điện áp tại các điểm chính. Kiểm tra mạch cấp nguồn xác nhận rơi áp không vượt quá giới hạn cho phép. Kiểm tra cảm biến vị trí bướm ga đo xung tín hiệu để đảm bảo tín hiệu biến thiên. Kiểm tra cảm biến nhiệt độ nước làm mát sử dụng đo nhiệt độ để xác nhận mối liên hệ. Kiểm tra cảm biến oxy đo xung tín hiệu để xác nhận hoạt động.

4.2. Chuẩn Đoán Lỗi Và Đọc Dữ Liệu

Sử dụng máy chuẩn đoán Autel để đọc dữ liệu động của động cơ và xác định lỗi. Xung tín hiệu IGT được đo để kiểm tra hệ thống đánh lửa. Xung tín hiệu kim phun được đo để xác nhận hệ thống phun xăng. Xung tín hiệu NE và G từ CPS được đo để kiểm tra vị trí trục khuỷu. Mạch điều khiển và bơm xăng được kiểm tra toàn diện. Quá trình này giúp sinh viên nắm vững chuẩn đoán lỗi thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Trong vài thập niên gần đây với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ kỹ thuật, sự hội nhập quốc tế ngày càng sâu rộng, cùng với đó Việt Nam đã tham gia nhiều hiệp định hợp tác quốc tế. Theo dó, lao động các nước có thể dể dàng sang nước khác làm việc mà không có bất kỳ rào cản nào. Một yêu cầu mang tính bắt buộc là làm sao để nâng cao chất lượng nguồn nhân lực nước nhà dể cạnh tranh với các nước bạn. Do vậy, việc đổi mới phương pháp dạy học là yêu cầu cấp bách, dựa trên những quan điểm phát huy tính tích cực của người học, đề cao vai trò tự học của người học kết hợp với sự hướng dẫn của giảng viên đang được áp dụng rộng rãi.

Đặc biệt với đặc thù của ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô Viện kỹ thuật Trường đại học công nghệ thành phố Hồ Chí Minh đã tập trung vào kỹ năng thực hành của sinh viên, cập nhật những công nghệ mới, tăng tính trực quan hóa trong quá trình giảng dạy. Vì vậy, việc nghiên cứu và chế tạo mô hình phục vụ cho công tác giảng dạy và học tập là nhiệm vụ cấp thiết hiện nay. Vì những lý do trên, với sự cho phép từ phía nhà trường Đại học Công nghệ kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh nhóm thực hiện đề tài tốt nghiệp quyết định chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo mô hình động cơ (phần điện)”. Mô hình sau khi được hoàn thiện sẽ giúp người học có cơ hội tương tác trực tiếp với động cơ.

Ngoài ra còn có các bài giảng mẫu được thiết kế dưới dạng phiếu thực hành giúp cho việc giảng dạy và học tập trên mô hình đạt kết quả cao nhất.2 Tình hình nghiên cứu Đối với nước ta, ngành ô tô là một trong những ngành đang phát triển, nên các trường giảng dạy ngành ô tô luôn luôn cập nhật, xây dựng nhiều mô hình giảng dạy cho sinh viên, vì thế đã có nhiều nghiên cứu về thiết kế chế tạo mô hình động cơ ra 1 đời với nhiều hướng xây dựng nghiên cứu khác nhau phục vụ cho giảng dạy và học tập của sinh viên điển hình như: - Đề tài nghiên cứu “Thiết kế thi công mô hình động cơ 3S-GE” được thực hiện bởi cựu sinh viên Trường ĐH SPKT TP.HCM Huỳnh Quang Thảo – Trần Hoàng Vũ (năm 2016). - Đề tài nghiên cứu “Thiết kế chế tạo mô hình chẩn đoán hệ thống điện động cơ” được thực hiện bởi nhóm sinh viên Đỗ Danh Luân và Đỗ Quốc Thi thuộc Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Nhìn chung tất cả các đề tài nghiên cứu trên đều là đề tài xây dựng mô hình động cơ với mục đích phục vụ cho quá trình học tập của sinh viên ngành ô tô.3 Mục tiêu đề tài - Nhằm phục vụ cho công tác giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho Giảng viên hướng dẫn sinh viên trong quá trình thực hành. - Giúp Sinh viên ứng dụng ngay bài học lý thuyết vào bài học thực hành.

- Giúp Sinh viên có sự so sánh giữa lý thuyết và thực tế thông qua việc kiểm tra và đo đạc các thông số của các hệ thống trên động cơ Toyota 1NZ-FE. - Giúp Sinh viên có điều kiện quan sát mô hình một cách trực quan, nâng cao kỹ năng thực hành khi sinh viên được làm việc trực tiếp với mô hình động cơ. - Góp phần hiện đại hóa phương tiện và phương pháp dạy thực hành trong giáo dục và đào tạo tại trường.4 Nội dung đề tài - Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống điều khiển động cơ Toyota 1NZ-FE. - Tìm hiểu lý thuyết về động cơ đốt trong.

- Làm rõ các vấn đề, khái quát tài liệu về các hệ thống điều khiển động cơ, các sơ đồ mạch điện, cảm biến của động cơ. - Thiết kế, xây dựng các bài giảng thực hành phục vụ cho việc giảng dạy và thực hành trên động cơ Toyota 1NZ-FE.5 Phương pháp nghiên cứu 1.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Đề tài được hoàn thành trên cơ sở nhóm đã kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu, trong đó đặc biệt là phương pháp tham khảo, thu thập tài liệu, học hỏi những kinh nghiệm của thầy cô, bạn bè và nghiên cứu các mô hình giảng dạy ở trường, … 1.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Từ những phương pháp nghiên cứu lý thuyết được đúc kết chúng em tiếp tục tìm thêm những ý tưởng mới để hình thành đề cương của đề tài cũng như cách thiết kế mô hình. Song song với đó nhóm còn kết hợp cả phương pháp quan sát và thực nghiệm, tham khảo từ những mô hình rời riêng lẻ để có thể chế tạo được mô hình động cơ và biên soạn các bài thực hành một cách có hiệu quả.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp Kết cấu đồ án tốt nghiệp gồm có 6 chương: - Chương 1: Giới thiệu đề tài. - Chương 2: Tổng quan về giải pháp.

- Chương 3: Phương pháp giải quyết đề tài. - Chương 4: Quy trình thiết kế, mô phỏng phần điện. - Chương 5: Thi công sản phẩm và thử nghiệm mô hình. - Chương 6: Đánh giá kết quả, kết luận.7 Kết quả đạt được của đề tài - Thiết kế, thi công phần khung mô hình (nhóm động cơ).

- Thiết kế hệ thống điện điều khiển động cơ. - Tạo mạch sự cố trực tiếp trên mô hình. - Biên soạn tài liệu giảng dạy trên động cơ. 3 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP 2.1 Xây dựng mô hình rời từng hệ thống Để giải quyết vấn đề bổ xung nguồn mô hình phục vụ cho công tác giảng dạy của giảng viên và học tập của sinh viên ngành ô tô, có thể chế tạo một số mô hình rời riêng biệt trên xe thành từng hệ thống riêng lẻ như: 2.1 Mô hình hệ thống phun xăng đánh lửa Hình 2.

1 Mô hình hệ thống phun xăng đánh lửa [1] Ưu điểm: - Mô hình hệ thống phun xăng đánh lửa phục vụ trong quá trình giảng dạy của giảng viên, cũng như quá trình học tập ở sinh viên được tốt và hiệu quả. - Tăng khả năng tiếp thu và hiểu biết của sinh viên về hệ thống đánh lửa. - Làm rõ được các vấn đề nêu ra được ở phần lý thuyết đánh lửa. - Giúp sinh viên có cái nhìn thực tế hơn.

- Thiết kế nhỏ gọn, thuận tiện di chuyển và hỗ trợ giảng dạy hiệu quả. Nhược điểm: - Chỉ nêu được vấn đề xoay quanh về hệ thống đánh lửa, còn hạn chế về các tín hiệu đầu vào, các hệ thống liên quan. 4 - Sinh viên vẫn chưa có được cái nhìn tổng quan, cũng như mối liên hệ chặt chẽ của các hệ thống liên quan đến nhau so với khi hoạt động trên động cơ. - Chỉ cho thấy được khả năng vận hành độc lập của hệ thống, nhưng vẫn chưa thấy được ảnh hưởng của hệ thống đối với khả năng vận hành động cơ.2 Mô hình khởi động động cơ Hình 2.

2 Mô hình khởi động động cơ [2] Ưu điểm: - Sử dụng mô hình trong giảng dạy, làm tăng hiệu quả tiếp thu kiến thức của sinh viên. - Sinh viên được tự thử nghiệm, học tập, nghiên cứu tìm hiểu quá trình vận hành hệ thống khởi động của động cơ dưới sự giám sát của giảng viên. - Thiết kế nhỏ gọn thuận tiện cho việc di chuyển và hỗ trợ tốt trong giảng dạy. Nhược điểm: - Sinh viên chưa có được cái nhìn tổng quan về hệ thống khởi động, đường truyền công suất từ máy khởi động đến động cơ như thế nào.

- Chỉ nêu ra được cách thức hoạt động riêng lẻ mà chưa thể liên kết được với hoạt động thực tế trên xe. Mô hình động cơ và hộp số Ưu điểm: - Thiết kế nhỏ gọn, tăng khả năng quan sát thêm tổng quát hơn. 5 - Sinh viên có thể tự nghiên cứu về các chi tiết bên trong động cơ một cách rõ ràng hơn. - Dễ dàng di chuyển, vận chuyển.

Nhược điểm: - Chỉ là mô hình động cơ cơ bản, không thể hoạt động được. - Sinh viên chưa thể thấy được khả năng vận hành so với thực tế. 3 Mô hình cắt động cơ và hộp số [3] 2.4 Mô hình cung cấp điện động cơ Hình 2. 4 Mô hình cung cấp điện động cơ [4] Ưu điểm: - Cho phép sinh viên học tập và so sánh với thực tế.

6 - Mô hình cho cho phép người hướng dẫn diễn giải một cách dễ dàng giúp cho học viên nắm vững lý thuyết và khắc phục sự cố khi thực hành. - Sinh viên được tìm hiểu và thực hành đo kiểm trực tiếp trên mô hình. - Thiết kế nhỏ gọn, thuận tiện di chuyển. Nhược điểm: - Chưa nêu rõ được các vấn đề khác nhau trên một hệ thống điện động cơ - Sinh viên chưa thấy được sự ảnh hưởng của máy phát đối với các hệ thống điện khác nhau trên ô tô thực tế.

- Tính trực quan chưa cao. Nhìn chung một số mô hình nêu trên đều được tạo ra với mục đích phục vụ cho quá trình giảng dạy và học tập của sinh viên ngành ô tô. Tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế như: chưa khái quát được toàn bộ hệ thống động cơ, chưa đáp ứng được tổng quan về cách thức hoạt động và các liên kết trong hoạt động của một hệ thống động cơ so với thực tế, tương quan khả năng giảng dạy của giảng viên và tiếp thu kiến thức của sinh viên còn chưa thực sự hiệu quả, cũng như chưa thể nêu lên tầm quan trọng của từng hệ thống trong một loạt các hệ thống trên động cơ.2 Thiết kế chế tạo mô hình động cơ nổ Cùng với thiết kế chế tạo mô hình từng hệ thống rời, hiện nay đã có một số mô hình động cơ được thiết kế tổng hợp các hệ thống điều khiển và đưa vào mô hình phục vụ giảng dạy và học tập. Ưu điểm: - Được thiết kế bao quát được các hệ thống trên động cơ.

- Động cơ nằm ngoài nên tăng khả năng quan sát của sinh viên. - Các mô hình điều có các công tắc tạo lỗi, giúp cho sinh viên có thể thực hành chuẩn đoán trực tiếp trên động cơ. - Góp phần hiện đại hóa phương tiện và phương pháp dạy thực hành trong giáo dục và đào tạo tại trường. Nhược điểm: 7 - Thiết kế khá cồng kềnh, khó khăn trong việc di chuyển.

- Do động cơ nằm ngoài nên khi hoạt động sẽ gây khá ồn. Ảnh minh họa từ các mô hình ở Trường Đại Học Công Nghệ TP. 5 Mô hình động cơ phun dầu điện tử Commonrail KIA BONGO [5] Hình 2.