Đồ Án: Thiết Kế Chế Tạo Mô Hình Phun Xăng Đánh Lửa Kết Hợp Chẩn Đoán OBD-II

Tìm hiểu chi tiết quy trình thiết kế và chế tạo mô hình phun xăng đánh lửa kết hợp chẩn đoán OBD-II, tài liệu quan trọng cho ngành công nghệ ô tô.

• Tác giả: Nguyễn Văn Dũng
• 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 Hệ Thống Phun Xăng Đánh Lửa Kết Hợp Hệ Thống Chẩn Đoán OBD-II
• Loại tài liệu: Graduation Project
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Hệ Thống Phun Xăng Đánh Lửa

Hệ thống phun xăng đánh lửa là một trong những thành phần quan trọng nhất của động cơ ô tô hiện đại. Đây là sự kết hợp hoàn hảo giữa hệ thống phun xăng điện tử (EFI) và hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS), giúp cải thiện hiệu suất nhiên liệu, giảm khí thải độc hại và tăng công suất động cơ. Mô hình thiết kế hệ thống phun xăng đánh lửa được phát triển dựa trên các nguyên tắc kỹ thuật tiên tiến, cho phép các kỹ sư và sinh viên hiểu rõ cách hoạt động của các thành phần quan trọng. Việc thiết kế mô hình này không chỉ hỗ trợ đào tạo mà còn là cơ sở để phát triển các hệ thống điều khiển động cơ thế hệ mới, đáp ứng những yêu cầu ngày càng cao về hiệu suất và môi trường.

1.1. Cấu Trúc Cơ Bản Của Hệ Thống EFI

Hệ thống phun xăng điện tử (EFI) bao gồm ba khối chính: khối tín hiệu đầu vào, khối điều khiển động cơ và khối cơ cấu chấp hành. Khối tín hiệu đầu vào gồm các cảm biến quan trọng như cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP), cảm biến oxy (O2S), cảm biến lưu lượng khí nạp (MAF). Các cảm biến này liên tục gửi dữ liệu về điều kiện hoạt động của động cơ đến hộp điều khiển động cơ (ECM), từ đó ECM tính toán lượng xăng phun vào buồng cháy một cách chính xác.

1.2. Vai Trò Của Hệ Thống Đánh Lửa Trực Tiếp

Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS) là công nghệ hiện đại thay thế hệ thống đánh lửa với bộ phân phối truyền thống. DIS sử dụng cuộn dây lửa đơn lẻ cho mỗi xi lanh, được điều khiển bởi ECM, giúp tối ưu hóa thời điểm đánh lửa theo các điều kiện hoạt động thực tế. Điều này giúp tăng hiệu suất đốt cháy, giảm tiêu hao nhiên liệu và hạn chế khí thải độc hại, đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường hiện nay.

II. Các Cảm Biến Chính Trong Hệ Thống

Cảm biến là những linh kiện điện tử chuyên dụng giúp hệ thống đánh giá các thông số hoạt động của động cơ. Mỗi cảm biến đóng vai trò riêng biệt trong việc cung cấp thông tin cho hộp điều khiển ECM, từ đó quyết định các hành động điều khiển động cơ. Trong mô hình phun xăng đánh lửa, các cảm biến được lắp đặt tại các vị trí chiến lược để thu nhập dữ liệu chính xác. Các cảm biến chính bao gồm cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP), cảm biến vị trí trục cam (CMP), cảm biến nhiệt độ nước làm mát (ECT), cảm biến vị trí bướm ga (TPS) và cảm biến oxy (O2S). Việc hiểu rõ chức năng của từng cảm biến là nền tảng để triệu chứng hỏng hóc trong hệ thống.

2.1. Cảm Biến Vị Trí Trục Khuỷu và Trục Cam

Cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP) cung cấp thông tin về vị trí và tốc độ quay của trục khuỷu, giúp ECM xác định thời điểm phun xăng và đánh lửa chính xác. Cảm biến vị trí trục cam (CMP) phát hiện vị trí trục cam để ECM biết được giai đoạn hoạt động của buồng cháy. Cả hai cảm biến này là nền tảng của hệ thống chẩn đoán OBD-II, cho phép phát hiện sớm các lỗi điều khiển.

2.2. Cảm Biến Oxy và Cảm Biến Kích Nổ

Cảm biến oxy (O2S) đo lượng khí oxy trong khí thải, cho phép ECM điều chỉnh tỉ lệ khí-xăng tối ưu. Cảm biến kích nổ (KNK) phát hiện sự cháy nổ bất thường trong buồng cháy, giúp bảo vệ động cơ khỏi hư hỏng. Hai cảm biến này rất quan trọng để duy trì hiệu suất động cơ và tuân thủ tiêu chuẩn chẩn đoán OBD-II.

III. Quy Trình Thiết Kế Mô Hình Thực Tế

Thiết kế mô hình hệ thống phun xăng đánh lửa là một quá trình phức tạp đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các công nghệ động cơ. Mô hình được xây dựng trên nền tảng các yêu cầu kỹ thuật cao, bao gồm thiết kế khung sườn, bố trí các thành phần điện tử, thi công mạch điện và lắp đặt giao diện hiển thị. Việc thiết kế mô hình cần tuân thủ các nguyên tắc an toàn điện, dễ dàng sử dụng và dễ bảo trì. Mô hình hoàn chỉnh phải có khả năng mô phỏng hoàn toàn các quy trình hoạt động của hệ thống thực, từ việc cảm biến thu thập dữ liệu, xử lý tín hiệu bởi ECM, cho đến điều khiển các cơ cấu chấp hành như bơm xăng và cuộn dây lửa.

3.1. Giai Đoạn Thiết Kế Cơ Khí

Thiết kế khung mô hình bắt đầu từ việc lựa chọn vật liệu phù hợp, thường là thép hoặc nhôm để đảm bảo độ bền và khả năng chịu tải. Bảng đứng được thiết kế để chứa các cảm biến và thành phần điều khiển chính, trong khi bảng nằm ngang chứa các chi tiết cơ học như động cơ mẫu, hệ thống nhiên liệu. Mỗi chi tiết được bố trí sao cho dễ quan sát và dễ tiếp cận để bảo trì.

3.2. Giai Đoạn Thiết Kế Điện Tử

Thiết kế bảng mạch điện là phần hCore của mô hình, nơi tất cả các tín hiệu từ cảm biến được xử lý. Hộp ECU động cơ được lập trình để thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp. Giắc cắm DLC3 được chuẩn hoá để kết nối với hệ thống chẩn đoán OBD-II, cho phép đọc mã lỗi và thông tin chẩn đoán từ mô hình.

IV. Hệ Thống Chẩn Đoán OBD II và Ứng Dụng

Hệ thống chẩn đoán OBD-II (On-Board Diagnostic) là tiêu chuẩn quốc tế bắt buộc trên tất cả các ô tô hiện đại. Hệ thống này có khả năng tự động phát hiện lỗi trong hệ thống điều khiển động cơ, hệ thống phun xăng, hệ thống đánh lửa và hệ thống chức năng khác. Mô hình phun xăng đánh lửa kết hợp OBD-II cho phép sinh viên và kỹ sư học tập cách thức hoạt động của hệ thống chẩn đoán. Khi có lỗi xảy ra, đèn báo lỗi (MIL) sẽ sáng lên, đồng thời mã lỗi (DTC) được ghi lại trong bộ nhớ của ECM. Những thông tin này có thể được truy xuất thông qua cổng kết nối DLC bằng cách sử dụng thiết bị chẩn đoán chuyên dụng. Việc hiểu rõ hệ thống OBD-II là kỹ năng cơ bản không thể thiếu trong ngành sửa chữa ô tô hiện đại.

4.1. Cấu Trúc Và Chức Năng Của OBD II

Hệ thống OBD-II bao gồm hộp ECM, cảm biến, cơ cấu chấp hành và cổng DLC3. ECM liên tục giám sát các tín hiệu cảm biến so với các giá trị tiêu chuẩn, nếu phát hiện sai lệch vượt quá ngưỡng cho phép, hệ thống sẽ ghi nhận mã lỗi chuẩn hóa (DTC). Cổng DLC3 cho phép các thiết bị chẩn đoán ngoài kết nối và truy xuất dữ liệu từ ECM, hỗ trợ sửa chữa và bảo trì.

4.2. Ứng Dụng Chẩn Đoán Và Bảo Trì

Mô hình OBD-II cho phép thực hành đọc mã lỗi, hiểu nguyên nhân sự cố và thực hiện sửa chữa thích hợp. Các lỗi có thể liên quan đến cảm biến hỏng, mạch điện bị ngắt, hoặc hộp ECM hoạt động sai. Bằng cách sử dụng mô hình để huấn luyện, kỹ sư có thể phát triển kỹ năng chẩn đoán nhanh chóng và xác định nguyên nhân gốc rễ của sự cố, giúp giảm thời gian sửa chữa và tăng độ tin cậy của hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu về đề tài. - Chương 2: Tổng quan về giải pháp. - Chương 3: Phương pháp giải quyết đề tài. - Chương 4: Quy trình thiết kế.

- Chương 5: Thi công mô hình. - Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. - Tài liệu tham khảo. 5 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP 2.

Hiện trạng các mô hình đào tạo Trường Đại Học Công Nghệ TP. HCM có truyền thống phát triển gần 30 năm là nơi chuyên đào tạo các nhân viên chuyên môn kỹ thuật, thợ sửa chữa ô tô có chất lượng cao, đảm bảo nhiệm vụ kỹ thuật cho nên công nghiệp nước ta. Hiện nay nhà trường chú trọng đầu tư mua sắm các trang thiết bị, học cụ mô hình huấn luyện nhưng các trang thiết bị, học cụ, mô hình huấn luyện phục vụ nhiệm vụ đào tạo của nhà trường vẫn còn thiếu nhiều, nhất là các học cụ mô hình huấn luyện chuyên ngành cơ khí ô tô còn nhiều hạn chế. Các học cụ mô hình động cơ đốt trong hiện có từ trước đến nay chủ yếu là của các xe Nhật không còn sản xuất, một số học cụ, mô hình mới được trang bị của các xe tư bản đời mới thì chủ yếu là các học cụ rời và một số mô hình, cụm chi tiết tổng thành cắt bổ không hoạt động.

Do đó, để giải quyết vấn đề này chúng em có ý tưởng đưa ra giải pháp xây dựng một mô hình có trên một chiếc ô tô. Các giải pháp hiện có tương tự ❖ Hệ thống đánh lửa thường sử dụng cuộn biến áp cùng với bộ chia điện cơ bản: Hình 2.1: Mô hình hệ thống đánh lửa thường [1]. 6 ❖ Hệ thống đánh lửa bán dẫn có má vít: Hình 2.2: Mô hình hệ thống đánh lửa bán dẫn [1]. ❖ Hệ thống điện xe Zin-131: Hình 2.3: Mô hình hệ thống điện xe Zin-131 [1].

7 ❖ Hệ thống khởi động và động cơ Toyota cắt bổ: Hình 2.4: Mô hình động cơ Toyota cắt bổ [1]. ❖ Động cơ sử dụng hệ thống phun xăng EFI cắt bổ: Hình 2.5: Mô hình động cơ có hệ thống EFI cắt bổ [1]. Lựa chọn giải pháp 8 Với các mô hình trên chỉ có thể giảng dạy, học tập nghiên cứu tìm hiểu về cấu tạo các cụm chi tiết nhưng không thể giảng dạy, học tập, nghiên cứu tìm hiểu được quá trình làm việc thật cũng như chẩn đoán các hư hỏng của các hệ thống, cụm chi tiết tổng thành trên ô tô. Vì vậy các mô hình hiện có chưa đáp ứng được nhiệm vụ đào tạo mới của nhà trường và yêu cầu về đổi mới phương pháp dạy học trong các nhà trường đào tạo chuyên ngành ô tô, đặc biệt là yêu cầu về đào tạo những thế hệ xe mới của chuyên ngành cơ khí ô tô.

Do đó chúng em thực hiện thiết kế một mô hình liên quan đến môn học “Động cơ đốt trong”. Trong một động cơ đốt trong thì có khá nhiều hệ thống làm việc nhưng để động cơ có thể hoạt động tối thiểu thì nhất định phải có hệ thống phun xăng và đánh lửa đối với động cơ xăng, từ yếu tố đó chúng em lên phương án thiết kế một mô hình phun xăng đánh lửa với các công nghệ phổ biến hiện nay, là hệ thống phun xăng và hệ thống đánh lửa. Từ đó nhóm chúng em lựa chọn đề tài “Thiết kế mô hình hệ thống phun xăng đánh lửa kết hợp hệ thống chẩn đoán OBDII” nhằm: - Thuận tiện cho công tác giảng dạy và học tập của sinh viên. - Tăng tính trực quan, thực tế cho người học, đồng thời hiểu được tổng quan toàn bộ hệ thống phun xăng, đánh lửa điện tử và nắm vững được cấu tạo, nguyên lý làm việc của các cảm biến trên hệ thống phun xăng, đánh lửa điện tử trên động cơ ô tô.

- Thực hành kiểm tra, chẩn đoán được hư hỏng của hệ thống phun xăng và đánh lửa điện tử trên mô hình. Giới hạn của giải pháp Hiện nay công nghệ phun xăng và đánh lửa điện tử được áp dụng phổ biến trên các ô tô con, gồm nhiều hãng phát triển và phân ra làm nhiều loại hệ thống phun xăng và đánh lửa điện tử khác nhau. Trên hệ thống phun xăng điện tử và hệ thống đánh lửa điện tử thì các cảm biến giữ vai trò đặc biệt quan trọng quyết định đến khả năng làm việc, tính chính xác, hiệu quả của hệ thống. Vì vậy ngoài nhiệm vụ chung, tham gia cùng nhóm đề tài xây dựng mô hình hệ thống phun xăng và đánh lửa điện tử, nhiệm vụ riêng của đề tài là tìm 9 hiểu lý thuyết về “Đặc điểm cấu tạo và làm việc của các cảm biến trong hệ thống phun xăng điện tử và đánh lửa điện tử trên ô tô”.

Tuy nhiên để tài chỉ dừng ở mức thiết kế, chế tạo mô hình phun xăng đánh lửa sử dụng một số tín hiệu cảm biến cơ bản, các tín hiệu cảm biến gửi về hộp điều khiển không hoàn toàn chính xác tuyệt đối mà nằm ở mức giả lập. 10 Chương 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT ĐỀ TÀI 3. Khối tín hiệu đầu vào Để xây dựng mô hình hệ thống phun xăng đánh lửa chúng em phải lựa tìm hiểu và lựa chọn những loại cảm biến dùng trong hệ thống điều khiển động cơ cơ bản. Các loại cảm biến mà chúng em dùng trong mô hình này bao gồm: - Cảm biến vị trí trục khuỷu.

- Cảm biến vị trí trục cam. - Cảm biến vị trí bướm ga. - Cảm biến nhiệt độ nước làm mát. - Cảm biến nhiệt độ khí nạp.

- Cảm biến lưu lượng khí nạp. - Cảm biến oxy. - Cảm biến kích nổ. Cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP) ❖ Công dụng: Cảm biến tốc độ động cơ được sử dụng để nhận biết tốc độ động cơ, gửi tín hiệu điện tới ECU.

Tín hiệu tốc độ động cơ dùng để tính toán xác định góc đánh lửa sớm cơ bản và lượng phun nhiên liệu cơ bản cho từng xi lanh. Cảm biến này cũng được dùng vào mục đích điều khiển tốc độ cầm chừng hoặc cắt nhiên liệu ở chế độ cầm chừng cưỡng bức. ❖ Cấu tạo: Gồm một cuộn dây được quấn quanh lõi thép như một nam châm điện và một giắc nối 2 chân bao gồm chân NE- và NE+.1: Cấu tạo cảm biến vị trí trục khuỷu [1]. 1-Cuộn dây; 2- Thân cảm biến; 3-Lớp cách điện; 4-Giắc cắm ❖ Làm việc: Chuyển động quay của đĩa tạo ra tín hiệu NE trên trục khuỷu, làm thay đổi khe hở không khí giữa các vấu lồi của đĩa và cuộn nhận tín hiệu NE.

Sự thay đổi khe hở không khí tạo ra lực điện từ trong cuộn dây nhận tín hiệu tạo ra tín hiệu NE. Tín hiệu NE tạo ra trong cuộn dây nhận tín hiệu bởi đĩa tạo tín hiệu giống như tín hiệu G nhưng đĩa tạo tín hiệu NE có 12 răng (đĩa tạo tín hiệu G có 1 răng) và như vậy 12 tín hiệu NE tạo ra trong mỗi vòng quay. ❖ Mạch điện: Hình 3.2: Sơ đồ mạch điện của cảm biến vị trí trục khuỷu [1]. ❖ Vị trí lắp cảm biến trên xe: 12 Hình 3.3: Vị trí cảm biến vị trí trục khuỷu.

➢ Sau khi tìm hiểu và xem xét chúng em chọn lại cảm biến điện từ và sử dụng một đĩa bánh răng nhằm giả lập tín hiệu tốc độ động cơ gửi về hộp điều khiển ECU. Cảm biến vị trí trục cam (CMP) ❖ Công dụng: Cảm biến vị trí trục cam được sử dụng để nhận biết vị trí tử điểm chết trên, rồi gửi tín hiệu điện tới ECU. Tín hiệu của cảm biến này là để ECU xác định thời điểm đánh lửa và thời điểm phun nhiên liệu. ❖ Cấu tạo: Hình 3.4: Sơ đồ cấu tạo cảm biến trục cam [1].

1-Cuộn dây; 2- Thân cảm biến; 3- Lớp cách điện; 4- Giắc cắm 13 Để tạo được tín hiệu (G) thì ngoài cảm biến ra còn có mọt đĩa tạo tín hiệu bằng sắt hình tròn có từ 1 đến 3 răng trên đĩa tạo tín hiệu, đĩa này được gắn trên trục cam. ❖ Nguyên lý làm việc: Chuyển động quay của đĩa tạo ra tín hiệu G trên trục cam, làm thay đổi khe hở không khí giữa các vấu lồi của đĩa và cuộn nhận tín hiệu G. Sự thay đổi khe hở không khí tạo ra lực điện từ trong cuộn dây nhận tín hiệu tạo ra tín hiệu G. ❖ Mạch điện: Hình 3.5: Sơ đồ mạch điện của cảm biến trục cam [1].

❖ Vị trí lắp trên ô tô: Hình 3.6: Vị trí lắp cảm biến trục cam. 14 ➢ Tương tự như cảm biến vị trí trục khuỷu chúng em chọn cảm biến vị trí trục cam loại điện từ và sử dụng một đĩa xung 3 răng giả lập tín hiệu gửi về hộp. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (ECT) ❖ Công dụng: Nhận biết nhiệt độ nước làm mát và gửi tín hiệu điện về ECU ❖ Cấu tạo: Hình 3.7: Cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước làm mát [1]. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát là một trụ rỗng có ren ngoài, bên trong có gắn một điện trở dạng bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm.

Ở động cơ làm mát bằng nước, cảm biến được gắn ở thân máy, gần bọng nước làm mát. Trong một số trường hợp cảm biến được lắp trên nắp máy. ❖ Nguyên lý hoạt động: Điện trở nhiệt là một phần tử cảm nhận thay đổi điện trở theo nhiệt độ. Nó được làm từ vật liệu bán dẫn nên có hệ số nhiệt điện trở âm (khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm).

Sự thay đổi giá trị điện trở sẽ làm thay đổi giá trị điện áp được gửi đến ECU trên nền tảng cầu phân áp. Điện áp 5V qua điện trở chuẩn (điện trở này có giá trị không đổi theo nhiệt độ) tới cảm biến về ECU rồi về mass. Như vậy điện trở chuẩn và nhiệt điện trở trong cảm biến tạo thành một cầu phân áp. Điện áp điểm giữa cầu được đưa đến bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự-số (bộ chuyển đổi A/D).

Khi nhiệt độ động cơ thấp, giá trị điện trở cảm biến cao và điện áp gửi đến bộ biến đổi A/D lớn. Tín hiệu điện áp được chuyển thành một dãy xung vuông và được giải mã nhờ bộ vi xử lý để thông báo cho ECU 15 biết động cơ đang lạnh. Khi động cơ nóng giá trị điện trở cảm biến giảm kéo theo điện áp giảm, ECU biết là động cơ nóng. ❖ Mạch điện: Hình 3.8: Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát [1].

❖ Vị trí lắp cảm biến: Hình 3.9: Vị trí cảm biến nhiệt độ nước làm mát. Cảm biến vị trí bướm ga (TPS) Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên cổ họng gió, nó chuyển góc mở bướm ga thành một điện áp gửi về ECU.