Tổng quan nghiên cứu

Động cơ phun dầu điện tử Common-rail là một trong những công nghệ tiên tiến giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong các động cơ Diesel hiện đại. Theo ước tính, hệ thống Common-rail được ứng dụng rộng rãi trên các dòng xe ô tô hiện nay, đặc biệt là các mẫu xe đời mới như Kia Sedona 2021. Tuy nhiên, việc giám sát và chẩn đoán các thông số vận hành của động cơ này vẫn còn nhiều hạn chế, đặc biệt trong việc thu thập dữ liệu vận hành liên tục và không dây.

Nghiên cứu này tập trung phát triển một bộ giám sát thông số vận hành động cơ phun dầu điện tử Common-rail sử dụng vi điều khiển ESP32 kết nối mạng CAN-bus qua cổng DLC3 chuẩn OBD-II. Mục tiêu chính là thiết kế phần cứng và phần mềm để đọc, lưu trữ và hiển thị các thông số vận hành như tốc độ động cơ, áp suất nhiên liệu, nhiệt độ nước làm mát, lưu lượng khí nạp, vị trí bàn đạp ga, độ mở van EGR,... trong thời gian thực. Nghiên cứu được thực hiện trên động cơ Kia Sedona 2021 trong khoảng thời gian từ tháng 9/2021 đến tháng 6/2022 tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh.

Việc phát triển bộ giám sát này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao khả năng theo dõi, chẩn đoán và bảo dưỡng động cơ, giúp giảm chi phí sửa chữa và tăng tuổi thọ động cơ. Đồng thời, dữ liệu thu thập được có thể làm cơ sở cho các ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong dự đoán và phòng tránh hư hỏng động cơ trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Hệ thống phun dầu điện tử Common-rail: Bao gồm bộ điều khiển điện tử ECU, các cảm biến đo áp suất, nhiệt độ, vị trí và lưu lượng, cùng hệ thống cung cấp nhiên liệu áp suất cao. ECU xử lý tín hiệu từ các cảm biến để điều khiển thời điểm và lượng phun nhiên liệu nhằm tối ưu hóa hiệu suất động cơ.

  • Giao thức mạng CAN (Controller Area Network): Là giao thức truyền thông nối tiếp tốc độ cao, ổn định, chống nhiễu tốt, được tiêu chuẩn hóa theo ISO 11898. CAN cho phép các vi điều khiển trên xe ô tô giao tiếp hiệu quả, đặc biệt trong hệ thống OBD-II.

  • Chuẩn OBD-II và mã PID (Parameter IDs): OBD-II là hệ thống chẩn đoán tự động trên xe ô tô, cung cấp các mã PID để truy xuất thông số vận hành động cơ. Tiêu chuẩn SAE J1979 quy định các chế độ (mode) và mã PID để lấy dữ liệu từ ECU qua mạng CAN.

  • Vi điều khiển ESP32: Sử dụng vi điều khiển ESP32 DEVKIT V1 với lõi kép Tensilica Xtensa LX6, hỗ trợ giao tiếp CAN, WiFi, Bluetooth, và các giao tiếp SPI, UART, I2C. ESP32 có khả năng xử lý dữ liệu nhanh, tiêu thụ điện năng thấp, phù hợp cho ứng dụng giám sát thời gian thực.

Các khái niệm chính bao gồm: tín hiệu CAN vi sai, khung dữ liệu CAN chuẩn 11 bit, các chế độ OBD-II (Mode 01 đến Mode 0A), và các thông số cảm biến như áp suất nhiên liệu, nhiệt độ nước làm mát, vị trí bướm ga, tốc độ động cơ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu được thu thập trực tiếp từ ECU động cơ phun dầu điện tử Common-rail trên xe Kia Sedona 2021 thông qua cổng DLC3 chuẩn OBD-II. Các thông số vận hành được lấy qua mạng CAN-bus bằng bộ đọc dữ liệu do nghiên cứu phát triển.

  • Phương pháp phân tích: Thiết kế phần cứng gồm vi điều khiển ESP32, module CAN Transceiver SN65HDV230, module giảm áp LM2596 3A và module lưu trữ Micro SDHC SPI 2GB. Phần mềm được lập trình trên Arduino IDE, sử dụng thư viện ESP32CAN để giao tiếp CAN, xử lý dữ liệu OBD-II theo chuẩn SAE J1979, lưu trữ dữ liệu và hiển thị trên phần mềm LabView khi kết nối với máy tính.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 9/2021, hoàn thiện phần cứng và phần mềm trong vòng 9 tháng, tiến hành thử nghiệm thực tế trên xe Kia Sedona 2021 và các dòng xe khác trong tháng 6/2022.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Thí nghiệm chính trên xe Kia Sedona 2021, sau đó kiểm tra tính tương thích trên các dòng xe phổ biến như Ford, Hyundai, Toyota, Chevrolet, Mitsubishi, Isuzu để đánh giá tính linh hoạt của bộ giám sát.

  • Phương pháp thu thập dữ liệu: Bộ đọc dữ liệu liên tục lấy tín hiệu từ mạng CAN, giải mã các khung dữ liệu OBD-II, lưu trữ thông số lên thẻ nhớ micro SD 2GB và truyền dữ liệu thời gian thực lên phần mềm LabView.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế phần cứng thành công: Bộ đọc dữ liệu với vi điều khiển ESP32 kết hợp module CAN Transceiver SN65HDV230 và module giảm áp LM2596 3A hoạt động ổn định, lấy nguồn trực tiếp từ cổng DLC3 12V, chuyển đổi xuống 5V cung cấp cho ESP32. Thiết bị có kích thước nhỏ gọn, chi phí thấp và dễ dàng thay thế linh kiện.

  2. Khả năng đọc và lưu trữ dữ liệu hiệu quả: Bộ đọc dữ liệu thu thập thành công các thông số vận hành như tốc độ động cơ, áp suất tăng áp, áp suất ống nhiên liệu, thời điểm phun, nhiệt độ nước làm mát, lưu lượng khí nạp, nhiệt độ khí nạp, vị trí bàn đạp ga và độ mở van EGR. Dữ liệu được lưu liên tục trên thẻ nhớ micro SD 2GB trong suốt quá trình vận hành.

  3. Hiển thị dữ liệu thời gian thực trên LabView: Khi kết nối với máy tính qua cổng USB, bộ đọc dữ liệu truyền tải các thông số lên phần mềm LabView, cho phép người dùng theo dõi trực tiếp các thông số vận hành với độ trễ thấp, giúp phát hiện kịp thời các bất thường.

  4. Tính linh hoạt và tương thích cao: Bộ giám sát đã được thử nghiệm trên nhiều dòng xe khác nhau như Ford, Hyundai, Toyota, Chevrolet, Mitsubishi, Isuzu và đều hoạt động ổn định, cho thấy khả năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

Thảo luận kết quả

Việc sử dụng vi điều khiển ESP32 với module CAN Transceiver SN65HDV230 cho phép giao tiếp mạng CAN-bus với tốc độ 500 kbps, đáp ứng yêu cầu truyền dữ liệu thời gian thực của hệ thống OBD-II. Bộ giảm áp LM2596 3A đảm bảo nguồn điện ổn định cho vi điều khiển trong suốt quá trình vận hành xe, giúp thiết bị hoạt động liên tục và bền bỉ.

So với các thiết bị chẩn đoán có dây truyền thống, bộ giám sát này cho phép thu thập dữ liệu liên tục mà không cần người dùng phải luôn hiện diện tại cổng DLC3, nâng cao tính tiện lợi và hiệu quả trong giám sát động cơ. Dữ liệu lưu trữ trên thẻ nhớ giúp người dùng có thể truy xuất và phân tích sau, hỗ trợ công tác bảo dưỡng và chẩn đoán lỗi chính xác hơn.

Kết quả thử nghiệm trên nhiều dòng xe cho thấy bộ giám sát có tính tương thích cao với các hệ thống ECU khác nhau, phù hợp với đa dạng mẫu xe sử dụng động cơ phun dầu điện tử Common-rail. Các biểu đồ và bảng biểu dữ liệu thu thập được có thể minh họa rõ ràng sự biến đổi các thông số vận hành theo thời gian, giúp kỹ thuật viên dễ dàng phân tích và đưa ra quyết định bảo trì.

Tuy nhiên, nghiên cứu cũng nhận thấy một số hạn chế như bộ giám sát chưa tích hợp chức năng cảnh báo lỗi tự động và chưa áp dụng các thuật toán trí tuệ nhân tạo để dự đoán hư hỏng. Đây là hướng phát triển tiềm năng trong tương lai nhằm nâng cao giá trị ứng dụng của bộ giám sát.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển tính năng cảnh báo lỗi tự động: Tích hợp phần mềm phân tích dữ liệu thời gian thực để phát hiện các dấu hiệu bất thường và cảnh báo người dùng kịp thời, giúp giảm thiểu rủi ro hư hỏng động cơ.

  2. Mở rộng bộ dữ liệu và ứng dụng trí tuệ nhân tạo: Thu thập dữ liệu vận hành đa dạng từ nhiều dòng xe và điều kiện khác nhau để xây dựng cơ sở dữ liệu lớn, phục vụ cho việc phát triển các mô hình AI dự đoán lỗi và bảo trì dự phòng.

  3. Thiết kế giao diện người dùng thân thiện hơn: Cải tiến phần mềm hiển thị trên LabView hoặc phát triển ứng dụng di động để người dùng dễ dàng theo dõi và quản lý thông số vận hành mọi lúc mọi nơi.

  4. Nâng cao độ bền và khả năng chống nhiễu: Tăng cường thiết kế phần cứng với các linh kiện có độ bền cao, cải thiện khả năng chống nhiễu điện từ để đảm bảo hoạt động ổn định trong môi trường ô tô phức tạp.

  5. Khuyến nghị chủ thể thực hiện: Các nhà sản xuất thiết bị chẩn đoán, các trung tâm bảo dưỡng ô tô và các đơn vị nghiên cứu công nghệ ô tô nên phối hợp triển khai các giải pháp trên trong vòng 1-2 năm tới để nâng cao hiệu quả giám sát và bảo dưỡng động cơ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí động lực: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về hệ thống phun dầu điện tử Common-rail, mạng CAN và giao thức OBD-II, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các thiết bị giám sát động cơ.

  2. Các kỹ thuật viên và trung tâm bảo dưỡng ô tô: Bộ giám sát giúp cải thiện công tác chẩn đoán và bảo dưỡng, giảm thiểu thời gian và chi phí sửa chữa nhờ theo dõi liên tục các thông số vận hành.

  3. Nhà sản xuất thiết bị chẩn đoán và công nghệ ô tô: Tham khảo để phát triển các sản phẩm giám sát, chẩn đoán không dây, tích hợp công nghệ IoT và trí tuệ nhân tạo trong bảo trì ô tô.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật cơ khí, điện tử ô tô: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu và thực hành thiết kế hệ thống giám sát động cơ hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ giám sát này có thể áp dụng cho những loại động cơ nào?
    Bộ giám sát được thiết kế chủ yếu cho động cơ phun dầu điện tử Common-rail, phổ biến trên các dòng xe Diesel hiện đại. Thử nghiệm đã chứng minh tính tương thích với nhiều dòng xe như Kia Sedona, Ford, Hyundai, Toyota, Chevrolet, Mitsubishi và Isuzu.

  2. Thiết bị lấy nguồn điện như thế nào khi kết nối với xe?
    Thiết bị lấy nguồn trực tiếp từ cổng DLC3 chuẩn OBD-II với điện áp 12V, sau đó sử dụng module giảm áp LM2596 3A để chuyển đổi xuống 5V cung cấp cho vi điều khiển ESP32, đảm bảo hoạt động liên tục trong suốt quá trình vận hành xe.

  3. Dữ liệu được lưu trữ và truy xuất ra sao?
    Dữ liệu vận hành được lưu liên tục trên thẻ nhớ micro SD 2GB thông qua module Micro SDHC SPI. Khi cần, người dùng có thể kết nối bộ giám sát với máy tính qua cổng USB để truy xuất và hiển thị dữ liệu trên phần mềm LabView.

  4. Bộ giám sát có hỗ trợ cảnh báo lỗi tự động không?
    Hiện tại, bộ giám sát chưa tích hợp chức năng cảnh báo lỗi tự động. Tuy nhiên, dữ liệu thu thập có thể được sử dụng để phát triển các thuật toán cảnh báo trong các nghiên cứu tiếp theo.

  5. Làm thế nào để bộ giám sát tương thích với các dòng xe khác nhau?
    Bộ giám sát sử dụng giao thức mạng CAN và chuẩn OBD-II, vốn là tiêu chuẩn quốc tế được áp dụng rộng rãi trên các xe ô tô hiện đại. Việc quét và xác định các mã PID hỗ trợ trên từng xe giúp thiết bị tương thích và thu thập dữ liệu chính xác.

Kết luận

  • Đã thiết kế và phát triển thành công bộ giám sát thông số vận hành động cơ phun dầu điện tử Common-rail sử dụng vi điều khiển ESP32 và giao tiếp mạng CAN qua cổng DLC3 chuẩn OBD-II.
  • Bộ giám sát có khả năng đọc, lưu trữ và hiển thị các thông số vận hành quan trọng như tốc độ động cơ, áp suất nhiên liệu, nhiệt độ nước làm mát, lưu lượng khí nạp, vị trí bàn đạp ga và độ mở van EGR.
  • Thiết bị hoạt động ổn định, chi phí thấp, dễ dàng thay thế linh kiện và tương thích với nhiều dòng xe phổ biến trên thị trường.
  • Dữ liệu thu thập được có thể làm nền tảng cho các ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong dự đoán và phòng tránh hư hỏng động cơ trong tương lai.
  • Đề xuất phát triển thêm các tính năng cảnh báo lỗi tự động, mở rộng bộ dữ liệu và cải tiến giao diện người dùng trong các nghiên cứu tiếp theo.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực ô tô áp dụng và phát triển bộ giám sát này, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng trí tuệ nhân tạo để nâng cao hiệu quả bảo dưỡng và chẩn đoán động cơ.