CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU CHUẨN CHO ECU TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Điều khiển điện tử hiện nay là một phương pháp hết sức phổ biến trong mọi lĩnh vực kỹ thuật của thế giới hiện đại. Điều khiển điện tử thực chất là một công nghệ tích hợp của nhiều công nghệ truyền thống khác nhau trong một thể thống nhất, các sản phẩm điều khiển điện tử trước hết phải bắt nguồn từ những thiết kế tối ưu với cấu trúc và nguyên lý hoạt động của nó. Các bộ phận cấu thành như modul cơ khí, điện và điện tử, khí nén và thuỷ lực cũng như các phần tử điều khiển (Sensor: cảm biến, Actuator: bộ chấp hành), các phần mềm tin học.
trong một đơn vị sản phẩm phải có ảnh hưởng lẫn nhau tạo nên thể thống nhất hữu cơ. Trong chương này sẽ khái quát về sự điều khiển điện tử ở động cơ đốt trong gồm: động xăng và động cơ diesel. Đồng thời nêu lên những đặc điểm, phương pháp xây dựng bộ dữ liệu cho bộ phận điều khiển điện tử ở động cơ đốt trong. Điều khiển điện tử trên các máy móc 1.
Giới thiệu chung Điều khiển là tập hợp tất cả các tác động có mục đích nhằm điều khiển một quá trình này hay quá trình kia theo một quy luật hay một chương trình cho trước. Quá trình điều khiển hoặc điều chỉnh được thực hiện mà không có sự tham gia trực tiếp của con người, thì chúng ta gọi đó là quá trình điều khiển và điều chỉnh tự động. Tập hợp tất cả các thiết bị mà nhờ đó quá trình điều khiển được thực hiện gọi là hệ thống điều khiển [7, 8]. Sơ đồ chung một hệ thống điều khiển Một hệ thống điều khiển được thể hiện ở Hình 1.1, thường bao gồm ba thành phần cơ bản là bộ điều khiển (ECU - Electronic Control Unit), đối tượng điều khiển (máy công tác) và các cảm biến.
Việc điều khiển hệ thống cần thực hiện thông qua các thông số đầu vào I, còn ECU điều khiển máy công tác thông qua các thông số điều khiển và các tham số điều chỉnh II. Để phục vụ cho việc điều khiển cần lấy các tín hiệu phản hồi từ máy công tác trở về ECU thông qua các cảm biến. Các thông số đầu ra của hệ thống thể hiện trong nhóm III. 4 Các thông số vào hệ thống thể hiện trong nhóm I (x1, x2,…xn) xác lập chế độ làm việc của máy công tác, ví dụ như ở động cơ đốt trong là vị trí cơ cấu điều khiển nhiên liệu, mô men cản… Các thông số điều khiển và điều chỉnh máy công tác được thể hiện trong nhóm II (u).
Trong nhóm này lại có thể chia thành các thông số điều khiển và các tham số điều chỉnh với bộ dữ liệu chuẩn. Các thông số điều khiển, biểu thị trong nhóm u1, ví dụ đối với động cơ đốt trong là lượng nhiên liệu phun (thời gian mở vòi phun…) hay hệ số dư lượng không khí l… là các thông số được ECU tính toán để cụ thể hóa chế độ làm việc động cơ sau khi được xác lập bởi các thông số đầu vào đã nói ở trên. Còn các tham số điều chỉnh, thể hiện trong nhóm u2, là bộ dữ liệu chuẩn của ECU để điều chỉnh máy công tác hoạt động nhằm đạt được những mục tiêu nhất định gọi là điều kiện ràng buộc đối với các thông số đầu ra III (y1, y2. Lấy ví dụ đối với động cơ diesel, bộ dữ liệu chuẩn là bộ dữ liệu góc phun sớm, áp suất phun, chế độ phun (phun nhiều giai đoạn)… nhằm đạt giá trị tối ưu về mômen, suất tiêu hao nhiên liệu, chất lượng khí thải, độ rung ồn… trong miền làm việc của động cơ.
Tính toán các thông số điều khiển dựa trên các thông số xác lập chế độ làm việc của máy. Đối với động cơ đốt trong, từ vị trí của cơ cấu điều khiển nhiên liệu và tốc độ vòng quay, ECU sẽ tính toán lượng nhiên liệu cơ bản cho một chu trình. Đối với động cơ phun xăng [1, 9, 10], lượng xăng cơ bản được tính toán dựa vào lưu lượng khí nạp và ràng buộc về hệ số dư lượng không khí l (theo đặc tính điều chỉnh để đạt ge hay yêu cầu l = 1 khi động cơ có bộ xử lý xúc tác khí thải ba thành phần). Ngoài ra ECU còn dựa vào bộ dữ liệu điều chỉnh để bổ sung một lượng nhiên liệu phun hiệu chỉnh tùy thuộc vào chế độ đặc biệt như khởi động, hâm nóng máy, tăng tốc… Đối với động cơ diesel cũng tương tự, từ vị trí cơ cấu điều khiển nhiên liệu và tốc độ vòng quay, ECU tính ra lượng nhiên liệu chu trình cơ bản gct và cũng bổ sung thêm một lượng tùy thuộc vào các chế độ đặc biệt như trên [34, 40].
Bộ dữ liệu chuẩn điều chỉnh cần phải thiết lập trên máy thực ở các chế độ khác nhau trong miền làm việc của nó và nạp vào ECU. Đối với động cơ đốt trong, việc này được tiến hành trong phòng thí nghiệm trên băng thử động cơ trong quá trình nghiên cứu-phát triển. Tuy nhiên hiện nay chưa có tại liệu nào nói về việc xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU. Đây chính là đối tượng nghiên cứu của luận án.
Khi máy móc hoạt động (khi đó trong ECU đã có tất cả các dữ liệu cần thiết cho điều khiển u1 và điều chỉnh u2), từ các thông số xác lập chế độ làm việc, ECU tính toán ra u1. Từ các thông số vào và tín hiệu phản hồi qua các cảm biến thì ECU gọi ra và tính toán giá trị các tham số điều chỉnh u 2 để điều hành hoạt động của máy. Việc này được thực hiện theo lý thuyết nhận dạng của quá trình điều khiển [8]. Quá trình điều khiển trong hệ thống được thực hiện trên cơ sở một trong ba nguyên tắc cơ bản sau: điều khiển theo sai lệch, điều khiển theo phương pháp bù nhiễu, điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu.
Khi điều khiển theo sai lệch, tín hiệu ra được đưa vào so sánh với tín hiệu vào nhằm tạo nên tín hiệu tác động lên đầu vào bộ điều khiển nhằm tạo tín hiệu điều khiển đối tượng. Nguyên tắc điều khiển bù nhiễu là sử dụng một thiết bị bù để 5 giảm ảnh hưởng của nhiễu là nguyên nhân trực tiếp gây ra hậu quả cho hệ thống. Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp là phối hợp cả hai nguyên tắc trên, vừa có hồi tiếp theo sai lệch vừa dùng các thiết bị để bù nhiễu [38, 39]. Các hệ thống điều khiển tự động cũng còn thường được phân loại theo nguyên lý xây dựng hệ thống: điều khiển mạch vòng hở và điều khiển mạch vòng kín.
Trong đó, hệ thống điều khiển mạch kín với ưu điểm tự điều chỉnh và thích nghi với các điều kiện bên ngoài thay đổi đang chiếm ưu thế và được sử dụng rộng rãi hơn. Cụ thể nghiên cứu với hai loại động cơ chính là động cơ xăng và động cơ diesel, cả hai loại ngày càng được điện tử hoá điều khiển để đáp ứng yêu cầu đối với động cơ hiện đại, được trình bày ở các phần sau. Quá trình điều khiển trình bày tóm tắt ở trên thuộc lĩnh vực chuyên sâu của chuyên ngành Điều khiển tự động, không phải là đối tượng nghiên cứu của luận án. Hệ thống điều khiển điện tử động cơ xăng 1.
Khái niệm và phân loại Động cơ xăng được trang bị điều khiển điện tử từ rất sớm vào những năm 70 của thế kỷ 20 và nay rất phổ biến đối với hầu hết dải công suất. Hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ xăng, hay thực chất là hệ thống điều khiển phun xăng điện tử (EFI - Electronic Fuel Injection), bao gồm một bộ điều khiển điện tử (ECU), các cảm biến và cơ cấu chấp hành. Các cảm biến có nhiệm vụ ghi nhận các thông số, trạng thái hoạt động của động cơ làm các giá trị đầu vào (hoặc so sánh) của hệ thống điều khiển. ECU so sánh các giá trị đầu vào này với các giá trị tối ưu ghi sẵn trong bộ nhớ, tính toán và đưa ra các thông số điều khiển phù hợp cho cơ cấu chấp hành (vòi phun, hệ thống đánh lửa.
Hệ thống phun xăng điện tử có thể được phân loại theo số vòi phun (số điểm phun), theo nguyên lý điều khiển quá trình phun, hay theo nguyên lý đo lưu lượng khí nạp… Khi phân loại theo số vòi phun, có thể chia thành hệ thống phun xăng đơn điểm (SPI - Single-Point Injection) và hệ thống phun xăng đa điểm (MPI - Multi-Point Injection). Hệ thống phun xăng đơn điểm là hệ thống chỉ dùng một vòi phun trung tâm để phun xăng vào đường nạp trước bướm ga và tạo thành khí hỗn hợp trên đường nạp. Hệ thống này được dùng cho động cơ công suất nhỏ do cấu tạo đơn giản và giá thành thấp. Hệ thống phun xăng đa điểm dùng nhiều vòi phun, mỗi xilanh được cung cấp nhiên liệu bởi một vòi phun riêng biệt, xăng được phun vào đường nạp ở vị trí gần xupáp nạp hoặc phun xăng trực tiếp vào buồng cháy.
Hệ thống phun xăng đa điểm có nhiều ưu điểm như đạt tính kinh tế cao và giảm thiểu ô nhiễm môi trường nên hiện nay được sử dụng trên hầu hết các dòng xe hiện đại [9÷11]. Khi phân loại theo phương pháp đo lưu lượng khí nạp, có thể chia thành 2 loại: L-EFI và D-EFI. L-EFI sử dụng cảm biến lưu lượng khí nạp để đo lượng không khí đi vào đường ống nạp. Có hai phương pháp đo: loại thứ nhất đo trực tiếp khối lượng không khí nạp và loại thứ hai tính toán khối lượng không khí nạp nhờ đo sự thay đổi về thể tích không khí (cảm biến loại cánh trượt), nhiệt độ (cảm biến nhiệt điện trở), hay tần số xung (cảm biến xoáy Karman) bên trong buồng đo.
Trong khi đó, D-EFI dùng cảm biến đo áp suất chân 6 không trên đường ống nạp, qua đó tính toán khối lượng không khí nạp theo tỷ trọng của không khí nạp bằng cảm biến áp suất tuyệt đối (MAP - Manifold Absolute Pressure). Các sơ đồ bố trí cảm biến khí nạp được trình bày trên Hình 1. Sơ đồ bố trí cảm biến lưu lượng khí nạp trong hệ thống EFI [11] 1. Cấu trúc hệ thống phun xăng điện tử a) Sơ đồ nguyên lý chung Sơ đồ một hệ thống phun xăng điện tử điển hình như thể hiện trên Hình 1.
Các bộ phận chính trong hệ thống gồm có: ECU động cơ, các cảm biến (lưu lượng khí nạp, vị trí góc quay trục khuỷu, vị trí trục cam, vị trí bướm ga, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ nước làm mát, cảm biến oxi,…) [11].