Đồ án: Nghiên cứu bản đồ phun xăng & đánh lửa tối ưu cho xe máy

Nghiên cứu phương pháp tìm bản đồ phun xăng và đánh lửa tối ưu cho động cơ xe máy nhằm tiết kiệm nhiên liệu, bảo vệ môi trường và tăng hiệu suất.

• Tác giả: Nguyễn Hữu Thiện Ân
• Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Trọng Thức
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Thử Nghiệm Tìm Bản Đồ Phun Xăng Và Đánh Lửa Cho Động Cơ Xe Máy
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm về tối ưu bản đồ phun xăng và đánh lửa

Tối ưu bản đồ phun xăng và đánh lửa là quá trình điều chỉnh các thông số hoạt động của hệ thống PGM-FI trên động cơ xe máy nhằm đạt hiệu suất tối cao. Bản đồ phun xăng (fuel map) và bản đồ đánh lửa (ignition map) là những dữ liệu được lưu trữ trong ECU – bộ xử lý trung tâm của động cơ. Những bản đồ này quyết định thời điểm phun xăng, lưu lượng phun, và góc đánh lửa dựa trên các điều kiện hoạt động khác nhau. Việc tối ưu hóa này không chỉ giúp tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm thiểu khí thải, nâng cao hiệu suất động cơ và kéo dài tuổi thọ của xe máy.

1.1. Định nghĩa bản đồ phun xăng

Bản đồ phun xăng là tập hợp các dữ liệu lập trình trong ECU, quy định lưu lượng và thời điểm phun xăng tối ưu cho từng chế độ hoạt động. Nó phụ thuộc vào tốc độ động cơ (RPM), áp suất đường ống nạp (MAP), nhiệt độ nước làm mát, và vị trí bướm ga. Thông qua các cảm biến, ECU đọc thông tin thực tế và điều chỉnh lệnh phun cho kim phun để đạt tỷ lệ xăng-không khí lý tưởng, giúp động cơ hoạt động hiệu quả nhất trong mọi điều kiện.

1.2. Định nghĩa bản đồ đánh lửa

Bản đồ đánh lửa là dữ liệu điều khiển góc trễ đánh lửa (ignition advance) để tạo ra tia lửa điện tại bugi vào thời điểm tối ưu. Góc đánh lửa phải được điều chỉnh động dựa trên tốc độ động cơ, áp suất nạp, và các điều kiện vận hành khác. Đánh lửa sớm quá gây nổ động cơ, còn đánh lửa muộn làm giảm công suất. Việc tối ưu bản đồ đánh lửa đảm bảo hiệu suất cháy tốt nhất, an toàn cho động cơ.

II. Vai trò của hệ thống PGM FI trong tối ưu hóa

Hệ thống PGM-FI (Programmed Fuel Injection) là nền tảng công nghệ cho phép điều khiển phun xăng điện tử trên xe máy hiện đại. ECU – bộ vi xử lý trung tâm của hệ thống này, liên tục nhận tín hiệu từ các cảm biến như cảm biến nhiệt độ (IAT, ECT), cảm biến áp suất (MAP), cảm biến vị trí bướm ga (TP), và cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP). Dựa trên các thông tin này, ECU tính toán và gửi lệnh chính xác đến kim phun và cuộn điện từ đánh lửa. Nhờ khả năng xử lý dữ liệu thời gian thực, PGM-FI cho phép tối ưu hóa bản đồ phun xăng và đánh lửa, giúp động cơ hoạt động ở điểm tối ưu nhất.

2.1. Cảm biến và vai trò trong điều khiển

Các cảm biến đóng vai trò cung cấp thông tin thực tế cho ECU. Cảm biến nhiệt độ khí nạp (IAT) giúp điều chỉnh độ nhạy hỗn hợp, cảm biến nhiệt độ nước làm mát (ECT) thông báo trạng thái máy nóng hay lạnh, cảm biến áp suất tuyệt đối (MAP) cho biết độ nạp của động cơ. Cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP) xác định chính xác thời điểm piston ở vị trí tối ưu để điều khiển đánh lửa. Những dữ liệu này cho phép ECU điều chỉnh động bản đồ phun xăng và đánh lửa.

2.2. ECU trung tâm xử lý thông tin

ECU (Electronic Control Unit) là bộ vi xử lý có chứa thuật toán điều khiển phức tạp, xử lý dữ liệu từ các cảm biến hàng ngàn lần mỗi giây. ECU lưu trữ bản đồ phun xăng và đánh lửa, so sánh điều kiện hoạt động thực tế với dữ liệu đã lập trình, rồi gửi lệnh điều chỉnh đến kim phun và hệ thống đánh lửa. Khả năng lập trình lại ECU cho phép tối ưu hóa bản đồ theo yêu cầu cụ thể như tiết kiệm nhiên liệu hoặc tăng công suất.

III. Phương pháp tối ưu bản đồ phun xăng và đánh lửa

Tối ưu bản đồ phun xăng và đánh lửa yêu cầu quy trình khoa học gồm nhiều bước. Đầu tiên, cần nghiên cứu các chế độ hoạt động tiết kiệm nhiên liệu của xe, tham khảo các tiêu chuẩn từ cuộc thi ECO Shell Marathon. Tiếp theo, phải thiết kế và chế tạo ECU với các chế độ đã được lập trình sẵn, sau đó cải tạo động cơ lên phun xăng điện tử hoàn toàn. Bước quan trọng là lắp đặt ECU lên động cơ xe máy thử nghiệm (Wave 110cc), thiết kế lại bướm ga điện tử, và tiến hành thử nghiệm thực tế. Cuối cùng, dựa trên dữ liệu thu thập được, tinh chỉnh bản đồ theo hướng tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường.

3.1. Thử nghiệm và thu thập dữ liệu

Quá trình thử nghiệm diễn ra trên động cơ thực tế với các điều kiện hoạt động khác nhau. Cần lắp thêm các thiết bị đo lường để giám sát nhiệt độ, áp suất, lưu lượng xăng, và khí thải. Qua mỗi lần chạy thử, dữ liệu được ghi lại và so sánh với bản đồ hiện tại. Điều này giúp xác định những vùng trong bản đồ cần điều chỉnh để đạt hiệu suất cao hơn. Thử nghiệm phải thực hiện ở nhiều tốc độ động cơ khác nhau, từ chế độ nhịp nhàng đến tốc độ cao.

3.2. Tinh chỉnh và validation

Sau khi thu thập đủ dữ liệu, bước tinh chỉnh (calibration) bắt đầu bằng cách điều chỉnh các giá trị trong bản đồ phun xăng và đánh lửa. Mỗi điều chỉnh nhỏ được kiểm tra lại thông qua thử nghiệm để đảm bảo hiệu quả. Việc validate (xác nhận) kết quả rất quan trọng, đảm bảo rằng động cơ hoạt động ổn định, tiết kiệm nhiên liệu, và không gây hại môi trường. Các chỉ số như mức tiêu hao xăng, khí thải CO₂, CO cần được so sánh liên tục với tiêu chuẩn ban đầu.

IV. Lợi ích và ứng dụng thực tế của tối ưu hóa

Tối ưu bản đồ phun xăng và đánh lửa mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho người dùng xe máy và cộng đồng. Về mặt kinh tế, xe máy sau tối ưu sẽ tiêu thụ ít nhiên liệu hơn, giúp giảm chi phí vận hành hàng ngày. Về mặt kỹ thuật, hiệu suất động cơ được nâng cao, tuổi thọ của các linh kiện kéo dài nhờ điều kiện hoạt động tối ưu. Về mặt môi trường, khí thải giảm đáng kể, đặc biệt là CO, CO₂, và các chất ô nhiễm khác, góp phần cải thiện chất lượng không khí. Ứng dụng này đặc biệt quan trọng ở Việt Nam, nơi cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và ô nhiễm không khí đang là những thách thức lớn.

4.1. Tiết kiệm nhiên liệu và giảm chi phí

Bản đồ phun xăng tối ưu giúp cung cấp đúng lượng xăng cần thiết cho mỗi chế độ hoạt động, tránh lãng phí. Xe máy sau tối ưu có thể đạt mức tiêu hao thấp hơn 15-25% so với xe tiêu chuẩn. Đối với những lái xe hay đi lại hàng ngày, việc tiết kiệm xăng là tiết kiệm chi phí đáng kể hàng tháng. Ngoài ra, bản đồ đánh lửa tối ưu giúp cháy nhiên liệu hiệu quả hơn, không để xăng không cháy hết, từ đó cũng giảm chi phí bảo dưỡng động cơ.

4.2. Bảo vệ môi trường và tiêu chuẩn khí thải

Ô nhiễm không khí ở Việt Nam đang ở mức cảnh báo, xe máy là một trong những nguyên nhân chính. Bằng cách tối ưu hóa đánh lửa, xăng được cháy hoàn toàn hơn, giảm lượng khí thải độc hại. Khí CO và CO₂ giảm đáng kể, đạt tiêu chuẩn Euro 2-3. Xe máy sau tối ưu có thể giảm khí thải lên đến 30-40%, góp phần bảo vệ môi trường. Đây là bước đi quan trọng trong chiến dịch năng lượng sạch của các quốc gia trên thế giới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Thị trường xăng dầu việt nam 2019-2020 Ảnh hưởng của dịch bệnh Covid-19 đã gây tác động không nhỏ lên nền kinh tế nước ta, thể hiện ở việc tiêu thụ hàng hóa nói chung và mặt hàng xăng dầu nói riêng giảm mạnh. Các doanh nghiệp sản xuất và doanh nghiệp kinh doanh xăng dầu đang phải đối mặt với vấn đề mức tồn kho xăng dầu ngày càng tăng cao. Giảm sút tiêu thụ xăng dầu là tình hình chung trong nước và trên thế giới. Các nước trên thế giới đang phải cắt giảm sản lượng sản xuất rất lớn, Việt Nam cũng không thể nằm ngoài diễn biến chung này [1].

Sau khi thế giới nới cách ly, nhu cầu dầu mỏ dần được khôi phục lại kéo theo nhu cầu sử dụng phương tiện giao thông tăng lên ở châu Á, dẫn đầu là sự gia tăng ở một loạt các quốc gia như Việt Nam, Đài Loan (Trung Quốc), Thái Lan, Hàn Quốc… Đây là tín hiệu tốt cho sự phục hồi nhu cầu xăng dầu của châu Á. Cập nhật đến ngày 25-5, Việt Nam đã có 39 ngày không có ca nhiễm bệnh trong cộng đồng. Sản xuất kinh tế và các hoạt động xã hội dần trở lại bình thường. Tại Hà Nội và TP.HCM, vào giờ cao điểm, nhiều tuyến đường lại trở về cảnh ùn tắc quen thuộc.

Các hoạt động kinh tế của Việt Nam quay trở lại bình thường đang giúp các đơn vị sản xuất, kinh doanh xăng dầu như BSR, Petrolimex, PVOil… đẩy mạnh các hoạt động sản xuất kinh doanh, vượt qua khó khăn, từng bước ổn định và gia tăng lợi nhuận [2]. Có thể thấy việc thay thế dần nhiên liệu hóa thạch bằng năng lượng tái tạo đang là xu hướng chung trên toàn cầu. Nhưng sự kiện dịch bệnh Covid-19 vừa qua đã khẳng định rằng xăng dầu vẫn đóng vai trò rất quan trọng trong ngành năng lượng, là nhiên liệu chính cho phương tiện giao thông của người dân châu Á nói chung và tại Việt Nam nói riêng.1: Biến động giá bán lẻ xăng dầu trong nước tháng 2/2020-6/2020 1.2 Thực trạng ô nhiễm không khí ở việt nam Đến tháng 02 năm 2020, toàn quốc có tổng số 3.700 xe ô tô và khoảng 45 triệu xe máy đang tham gia giao thông. Trong đó, Hà Nội có gần 6 triệu xe máy, Thành phố Hồ Chí Minh có hơn 8 triệu xe máy lưu thông hàng ngày, chưa tính đến các phương tiện giao thông của người dân từ các địa phương khác đi qua.

Trong số đó, rất nhiều phương tiện cũ không đảm bảo tiêu chuẩn khí thải, nhiều xe qua nhiều năm sử dụng và không thường xuyên bảo dưỡng dẫn đến hiệu quả sử dụng nhiên liệu thấp, kéo theo hệ quả là nồng độ chất độc hại và bụi trong khí thải cao. Đây là một trong những nguyên nhân của vấn đề ô nhiễm không khí ở các thành phố lớn ở Việt Nam, đặc biệt là Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh thời gian gần đây ngày càng gia tăng. - Từ năm 2018 đến năm 2019: nồng độ bụi PM2.5 có xu hướng tăng hơn so với giai đoạn từ năm 2010 đến năm 2017 - Từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2019: chỉ số chất lượng không khí tại một số đô thị như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh có nhiều thời điểm ở mức xấu với chỉ số AQI từ 150 đến 200, có khi vượt 200 tương đương mức rất xấu. Nguy hại nhất là bụi mịn gồm những hạt nhỏ bay lơ lửng trong không trung như PM2.5 micromet), khi thẩm thấu qua đường hô hấp sẽ là nguyên nhân tiềm ẩn của hàng loạt các căn bệnh, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng.

2 - Nửa cuối tháng 3/2020 đến nay: có giai đoạn cả nước thực hiện cách ly xã hội để phòng ngừa dịch bệnh Covid 19, giá trị thông số PM2.5 và CO thấp hơn hẳn thời gian cùng kỳ những năm trước đó. Đây cũng là những khoảng thời gian ghi nhận lượng phương tiện tham gia giao thông trong các khu vực nội đô giảm so với thời gian từ tháng 02 năm 2020 về trước, nhiều hoạt động kinh tế - xã hội phải tạm dừng hoặc giảm. Điều này cho thấy ảnh hưởng của các nguồn phát thải như giao thông và hoạt động sản xuất có tác động đáng kể đến chất lượng không khí đô thị, thể hiện khá rõ tại Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội [3].3 Lý dó chọn đề tài Với hai lý do đã nêu phía trên: xăng dầu vẫn đóng vai trò là nhiên liệu chính cho phương tiện giao thông cộng với tình trạng ô nhiễm không khí ngày càng nặng nề, trên thế giới và tại Việt Nam đã sử dụng vài phương pháp nhằm giảm thiểu tối đa ô nhiễm không khí, tiết kiệm nhiên liệu đồng nghĩa với việc nâng cao hiệu suất tiêu hao nhiên liệu cho phương tiện giao thông. Cụ thể có thể kể đến một vài giải pháp: - Sử dụng nguồn năng lượng mới.

Trong đó, khí LPG và CNG đã được đưa vào sử dụng trên động cơ xe bus tại việt nam - Động cơ chạy bằng điện phân nước lấy Hydro - Xe lai điện - Xe điện - Hệ thống phun xăng điện tử Với giải pháp sử dụng năng lượng mới, xe lai, xe điện mặc dù đã áp dụng trên các phương tiện giao thông ngày nay, nhưng do vấn đề chi phí sản xuất, giá thành và tính tiện lợi nên vẫn chưa thể phổ biến tại việt nam được. Trong đó, hệ thống phun xăng điện tử là giải pháp thành công nhất, đáp ứng được các tiêu chí như: tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm không khí. Lượng xăng được phun vào buồng đốt một cách vừa đủ dựa trên sự tính toán lượng không khí nạp vào, điều kiện làm việc của động cơ, giảm hiện tượng dư thừa xăng thải ra môi trường gây ô nhiễm. Theo thử nghiệm, cùng một hãng xe, dung tích xy lanh, xe gắn máy sử dụng phun xăng điện tử có thể tiết kiệm nhiên liệu đến 6% so với xe sử dụng bộ chế hòa khí.

Đây 3 không phải là một con số quá lớn, nhưng nếu xét trên tổng số người sử dụng xe máy taị Việt Nam, 6% là một con số đáng khích lệ [4]. Với những ưu điểm nổi bật của hệ thống phun xăng điện tử so với bộ chế hòa khí truyền thống trên xe máy, cùng với việc số lượng phương tiện giao thông chủ yếu ở Việt Nam là xe gắn máy, nhóm đã quyết định nghiên cứu và thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun xăng điện tử và nghiên cứu thực nghiệm để tìm bản đồ đánh lửa phun xăng phù hợp nhất cho mô hình này.2 Mục tiêu đề tài Mục tiêu của đề tài nằm trong phạm vi nghiên cứu, thiết kế, thi công, thử nghiệm hệ thống phun xăng điện tử và bướm ga điện tử thay thế cho bộ chế hòa khí trên một động cơ nhất định và nghiên cứu để tìm ra bản đồ đánh lửa tối ưu về hiệu suất nhất cho động cơ đó. Hệ thống phun xăng điện tử này có nhiều chế độ hoạt động, các chế độ tiết kiệm và có thể tinh chỉnh các thông số trên bản đồ của ECU để phù hợp với mục đích người sử dụng. Tuy nhiên, để có thể thiết kế một hệ thống phun xăng điện tử một cách đầy đủ và chính xác cần có nhiều thời gian, nhân lực, chi phí thử chế tạo và thử nghiệm.

Do đó, giới hạn của đề tài này là thiết kế hệ thống phun xăng điện tử với ECU tự thiết kế và các phần cứng, cảm biến, bộ chấp hành được sử dụng từ động cơ có sẵn.3 Phạm vi nghiên cứu ● Chỉ nghiên cứu, thiết kế, lắp đặt và thử nghiệm trên động cơ Honda Wave 110cc ● Tập trung nghiên cứu vào hệ thống phun xăng điện tử và đánh lửa. ● Tập trung thử nghiệm các chế độ hoạt động của các Map trên ECU.4 Phương pháp thực hiện ● Nghiên cứu tài liệu phun xăng đánh lửa điện tử xe gắn máy của hãng Honda. Bao gồm các xe: Honda Wave RSX, Honda Winner 150, Honda Future Neo Fi, Honda Lead. 4 ● Tham khảo tài liệu động cơ đốt trong, tài liệu PGM-FI.

● Tham khảo tài liệu lập trình vi điều khiển. ● Tham khảo tài liệu sửa chữa, bảo hành hãng Honda. ● Tham khảo tài liệu về ECU. ● Tham khảo tài liệu về tinh chỉnh bản đồ phun xăng cho động cơ Fi.5 Bố cục của đề tài Đề tài gồm 4 phần: Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Lý thuyết về linh kiện điện tử sử dụng trong đồ án Chương 4: Thiết kế, thi công mô hình cho phù hợp mục đích tối ưu Chương 5: Kết quả đạt được sau khi tinh chỉnh bản đồ 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Hệ thống phun nhiên liệu điện tử PGM – FI 2.1 Khái niệm Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống PGM – FI trên xe HONDA Hệ thống phun xăng điện tử PGM – FI (Programmed Fuel Injection) được hãng Honda chế tạo vào những năm 1980 để thay thế cho bộ chế hòa khí truyền thống.

Hệ thống phun xăng điện tử được điều khiển từ ECU thông qua các tín hiệu gửi đến từ cảm biến. Khi người điều khiển xe lên ga, tín hiệu từ cảm biến bướm ga được gửi đến ECU, ECU nhận được yêu cầu này và thực hiên thao tác chọn lựa thành phần hòa khí. Đồng thời với việc nhận dạng tín hiệu lưu lượng khí nạp thực đi vào xy – lanh của động cơ, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ nước làm mát động cơ, dựa vào dữ liệu trong bộ nhớ (còn gọi là bản đồ ECU – MAP), ECU xác định thời gian điều khiển mở kim phun hợp lý theo yêu cầu thành phần hòa khí. Cảm biến O2 dùng để điều chỉnh tỷ lệ hòa khí sao cho tối ưu nhất với từng chế độ hoạt động.

Hệ thống phun xăng 6 điện tử là một vòng lặp kín. PGM – FI là hệ thống phun xăng điện tử phun trên đường ống nạp – trước xu páp hút – PI (port injection). Hệ thống phun xăng điện tử có nhiều ưu điểm hơn so với bộ chế hòa khí thông thường. Ưu điểm lớn nhất là sự hòa trộn giữa không khí và xăng diễn ra tốt hơn trong buồng đốt, việc bố trí kim phun gần xu – páp nạp cho phép tăng chiều dài đường ống nạp mà không sợ xăng bám vào, giúp tăng vận tốc khí nạp, tạo ra xoáy lốc giúp việc hòa trộn tốt hơn khiến hỗn hợp đồng nhất hơn.

Thêm vào đó, dòng khí nạp trên ống góp hút có khối lượng thấp (chưa trộn với nhiên liệu) sẽ đạt tốc độ xoáy lốc cao, nhờ đó, nhiên liệu sẽ không còn thất thoát trên đường ống nạp và hòa khí sẽ được trộn tốt hơn.