Xemtailieu Tải về Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển phun xăng điện tử efi cho xe máy
Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp Chương I............................................................................................................................3 1.1. Đặt vấn đề 3 1.2. So sánh chung giữa bộ chế hòa khí và hệ thống phun xăng điện tử 4 1.3. Phương pháp nghiên cứu 7 1.4. Nội dung nghiên cứu 7 Chương 2............................................................................................................................8 2.1. Lịch sử phát triển và phân loại 8 2.1.1. Lịch sử phát triển 8 2.2. Kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử 11 2.2.1. Kết cấu của hệ thống EFI điển hình...............................................................11 2.2.2. Nguyên lý hoạt động.......................................................................................12 2.3. So sánh các chế độ làm việc của hệ thống phun xăng và hệ thống dùng chế hòa khí 18 2.3.1. Ở chế độ không tải chuẩn...............................................................................18 2.3.2. Ở chế độ tăng tốc............................................................................................19 2.3.3. Chế độ khởi động động cơ..............................................................................19 2.3.4. Quá trình sấy nóng động cơ (Quá trình không tải nhanh).............................21 2.3.5. Chế độ toàn tải................................................................................................22 2.3.6. Chế độ giảm tốc đột ngột (Quá trình không tải cưỡng bức)..........................23 2.4. Các chất thải độc hại trong động cơ xăng: 23 2.4.1. Tác hại và sự phụ thuộc của các thành phần khí thải độc hại với ...........23 2.4.2. Các phương pháp giảm ô nhiễm do khí thải của động cơ xăng.....................24 Chương V.........................................................................................................................27 5.1. Giới thiệu phần mềm Delphi 27 5.1.1. Delphi là gì?....................................................................................................27 5.1.2. Lịch sử phát triển của Delphi.........................................................................28 5.2. Xây dựng giao diện kết nối động cơ 29 1 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp 5.2.1. Tổng quan về giao diện kết nối......................................................................29 5.2.2. Giao diện, thuật toán trong xây dựng các khối..............................................31 5.3. Các chức năng của phần mềm 33 5.3.1. Chức năng kết nối và ngắt kết nối chương trình............................................33 5.3.2. Chức năng giới thiệu chương trình................................................................34 5.3.3. Chức năng hướng dẫn sử dụng......................................................................34 5.3.4 Chức năng xem và lưu file.............................................................................35 5.3.5 Hướng dẫn sử dụng chương trình....................................................................35 2 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp Chương I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Đặt vấn đề Theo thống kê của cục đăng kiểm hiện nay nước ta có gần 25 triệu xe máy mà đa phần trong số dó sử dụng hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí có nhiều nhược điểm như: Chất lượng hoà khí phụ thuộc nhiều vào biên dạng của kim ga do vậy không thể điều chỉnh chính xác lượng và chất của hỗn hợp phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ. Do sử dụng họng tiết lưu nên làm tăng tổn thất cơ khí giảm hệ số nạp của động cơ.thì hệ số nạp vào xylanh vẫn thấp. Do khí hỗn hợp có lẫn xăng nặng nên lưu thông kém. Động cơ dùng bộ chế hòa khí cho dù ống góp hút được thiết kế đúng quy cách động lực học Khi muốn lắp thêm bộ xúc tác khí xả do không duy trì được 1 nên hiệu xuất của bộ xúc tác không cao. Kết cấu bộ chế hòa khí là khá đơn gian, ngay nay để đáp ứng các nhu cầu về việc thải khí sạch hơn, tiêu hao nhiên liệu kinh tế hơn, cải thiện khả năng tải..,bộ chế hòa khí ngày nay phải được lắp đặt các thiết bị hiệu chỉnh khác nhau, nó trở thành hệ thống phức tạp hơn. Do những nhược điểm trên mà các tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ xe máy không cao nhất là vấn đề phát thải các khí thải độc hại của động cơ. Xuất phát từ những yêu cầu thực tế nhằm khắc phục các nhược điểm trên nhóm đã tiến hành nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển phun xăng điện tử EFI cho xe máy. Hệ thống phun xăng điện tử có rất nhiều ưu điểm, một trong số những ưu điểm nổi bật đó là: Có thể đạt được tỷ lệ khí nhiên liệu chính xác với tất cả các dải tốc độ và tải trọng của động cơ. Hệ số nạp được nâng cao do không có họng khuyếch tán. Dễ dàng cung cấp lượng cũng như thành phần hỗn hợp đáp ứng kịp thời với sự thay đổi góc mở bướm ga. 3 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp Khả năng hiệu chỉnh hỗn hợp khí nhiên liệu dễ dàng: có thể làm đậm hỗn hợp khi nhiệt độ động cơ thấp hoặc cắt nhiên liệu khi giảm tốc hoặc khi động cơ vượt quá tốc độ cho phép. Có thể điều khiển hệ số dư lượng không khí 1 ở chế độ hoạt động chính của động cơ do vậy có thể kết hợp với bộ xúc tác khí xả ba thành phần làm giảm nồng độ các thành phần độc hại trong khí thải động cơ. 1.2. So sánh chung giữa bộ chế hòa khí và hệ thống phun xăng điện tử Chế hòa khí (hay còn gọi là bình xăng con), được sử dụng trên cả xe máy và ô tô những năm đầu của nghành công nghiệp này. Nhiệm vụ của nó là hòa trộn không khí và xăng cho động cơ. Không khí và nhiên liệu sau khi đi qua chế bị hút vào xilanh và thực hiên quy trình nén nổ tại đây. Không khí đi vào qua đường dẫn hẹp (cửa phun) tạo thành chân không một phần. Do chênh lệch áp suất giữa cửa phun và bình chứa nên nhiên liệu sẽ đi qua ống phun và hòa lẫn vào dòng không khí. Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của chế hòa khí Một số xe sử dụng loại cửa phun cố định (Fixed Venturi-VV). Ở loại cửa phun biến thiên, kích thước của đường dẫn không khí thay đổi theo sự thay đổi để điều khiển lượng nhiên liệu được phân phối. 4 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp Mục tiêu của tất cả các chế hòa khí là tạo nên một hòa khí có tỷ lệ khối lượng tối ưu giữa không khí và nhiên liệu là 14,7:1. Với những hòa khí đạt tỷ lệ trên, nó sẽ cháy hoàn toàn. Một hỗn hợp nào đó có tỷ lệ thấp hơn được gọi là "giàu" do có quá nhiều nhiên liệu so với không khí. Ngược lại, hỗn hợp đó được coi là "nghèo". Hỗn hợp giàu sẽ không cháy hết do thừa nhiên liệu và gây hao xăng. Trong khi đó, hỗn hợp nghèo không sinh ra công tối đa, khiến động cơ làm việc yếu và thiếu ổn định. Để thực hiện điều này, chế hòa khí phải kiểm soát được lượng không khí đi vào động cơ và thông qua đó cung cấp một lượng nhiên liệu phù hợp. Tuy nhiên, điểm yếu của các loại chế hòa khí là chỉ đáp ứng tỷ lệ lý tưởng ở khoảng vận hành nhất định nên xe hoạt động không hiệu quả. Hệ thống phun nhiên xăng điện tử Xuất hiện sau kiểu phun nhiên liệu chế hòa khí khoảng 70 năm nhưng hệ thống phun nhiên liệu điện tử EFI (Electronic Fuel Injection) nhanh chóng trở nên phổ biến bởi nó khắc phục được những nhược điểm của chế hòa khí. Hình 1.2 Kim phun của hệ thống phun nhiên liệu EFI. Do vận hành tự động nên hệ thống EFI cần có các thông số nhằm cảm nhận các chế độ làm việc của động cơ để điều khiển kim phun đóng mở trong khoảng thời gian sao cho lượng nhiên liệu vừa đủ để tạo nên hỗn hợp lý tưởng. Các thông số đầu vào cần thiết để EFI hoạt động ổn định là góc quay và tốc độ trục khuỷu, lưu lượng khí nạp, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ nước làm mát (nhiệt độ thân động cơ), điện áp accu, tỷ 5 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp lệ hỗn hợp, nồng độ oxy ở khí thải....Những số liệu này được thu thập từ các cảm biến đặt ở các vị trí khác nhau trên động cơ. Có nhiều cách phân loại hệ thống phun xăng nhưng phổ biến nhất là cách phân loại theo vị trí đặt kim phun, hệ thống phun xăng EFI được chia thành hai loại phun đa điểm MFI (Multipoint Fuel Injection) và phun xăng đơn điểm (kim phun đặt trước bướm ga). Ở MFI, mỗi xi-lanh sẽ có một kim phun tức động cơ V6 sẽ có 6 kim phun và V8 sẽ có 8 kim. Không khí và nhiên liệu sẽ hòa trộn ngay tại xi-lanh. Trong khi đó, loại phun xăng tập trung chỉ có một kim phun đặt trên ống nạp chung cho các xi-lanh. Ưu nhược điểm của các loại Sự phổ biến của phun xăng điện tử EFI đã chứng tỏ ưu điểm lớn của nó. Khác với hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí, hệ thống nhiên liệu EFI mà đặc biệt là loại đa điểm MFI có thể tạo nên hòa khí có tỷ lệ gần ngưỡng lý tưởng ( 1 ) ở tất cả các xilanh, tùy theo điều kiện vận hành của chúng. Điều này có nghĩa hòa khí ở các xilanh được điều chỉnh đồng đều mmọt cách chính xác cả về lượng và chất do đó sẽ tăng khả năng sinh công của động cơ trong khi lượng nhiên liệu tiêu thụ ở mức vừa đủ. Do vậy sẽ cải thiện đáng kể các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ. Ngoài ưu điểm trên, EFI có thể điều chỉnh lượng xăng theo từng chế độ vận hành của động cơ. Chẳng hạn như khi khởi động, hòa khí cần đậm xăng để cháy (do khí sót nhiều và nhiệt độ động cơ còn thấp làm giảm quá trình bay hơi hòa trộn giữa xăng và không khí để tạo thành hỗn hợp…), hệ thống sẽ phun xăng nhiều hơn. Khi động cơ đã ổn định, ECU sẽ điều khiển sao cho lượng nhiên liệu ở mức vừa đủ. Như vậy, xét trên phương diện sử dụng nhiên liệu, EFI rõ ràng có nhiều ưu điểm hơn so với chế hòa khí. Tuy nhiên, rắc rối của EFI bắt nguồn từ chính sự phức tạp của nó. Nếu xảy ra hỏng hóc, người sử dụng chỉ còn cách mang xe vào garage, nhờ các kỹ thuật viên dùng máy đọc lỗi để xác định nguyên nhân. Trong khi với chế hòa khí, một người thợ bình thường cũng có thể chẩn đoán và khắc phục được. Ngoài ra, EFI sử dụng rất nhiều cảm biến nên chỉ cần một chiếc bị hỏng, cả hệ thống sẽ bị ảnh hưởng, động cơ làm việc kém ổn định đặc biệt là cảm biến tốc độ và cảm biến lưu lượng khí nạp. Hỏng hóc thường xảy ra nhất với những loại xe sử dụng EFI ở Việt Nam là tắc đầu kim phun. Nguyên nhân do chất lượng xăng ở nước ta chưa cao nên dễ tạo cặn trên đầu kim, gây tắc khiến động cơ không khởi động hoặc chết máy. Hiện nay, một vài hãng đã giới thiệu những sản phẩm có khả năng làm sạch đầu kim bằng cách pha vào xăng. Tuy nhiên, với những chất gây tác động đến cả hệ thống cung cấp nhiên liệu, tới hiệu suất làm việc của bộ xúc tác khí xả do vậy đối với những 6 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp chất phụ gia này chúng ta không nên dùng ngay mà cần tham khảo thêm ở nhiều nguồn. Cách tốt nhất là hãy sử dụng sản phẩm của những nhà sản xuất tên tuổi và có đảm bảo từ hãng xe mà mình sử dụng. Để giảm thiểu các khí thải độc hại trên các xe hiện đại thường sử dụng thêm bộ xúc tác khí xả. Hiệu suất của bộ xúc tác chỉ hoạt động tốt xung quanh một khoảng rất hẹp quanh 1 do vậy các hệ thống EFI thường có chế độ điều khiển vòng kín nhằm duy trì 1 thông qua cảm biến lamda. 1.3. Phương pháp nghiên cứu Nhằm nâng cao các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, giảm thiểu phát thải các khí thải độc hại. Trên cơ sở của xe Super Dream nhóm tiến hành tính toán thiết kế, cải tiến hệ thống nạp, không có sự thay đổi nào đến kết cấu động cơ cũng như kết cấu của xe. Sau khi tham khảo và phân tích của các hệ thống EFI đã được sử dụng đi tới chọn việc điều khiển lượng nhiên liệu phun sẽ được điều chỉnh theo tải trọng và tốc độ động cơ, đặc biệt là việc điều khiển lượng nhiên liệu phun theo chế độ vòng kín ở chế độ ổn định kết hợp với việc sử dụng bộ xúc tác khí xả ba thành phần sẽ góp phần giảm bớt các khí thải độc hại của động cơ. 1.4. Nội dung nghiên cứu Tìm hiểu cơ sở lý thuyết của hệ thống phun xăng và đánh lửa điều khiển bằng điện tử. Nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo thử hệ thống đường nạp, thải vị trí đặt các cảm biến, vòi phun của động cơ. Xây dựng mạch nguyên lý và thiết kế chế tạo bộ điều khiển ECU cho động cơ. Xây dựng thuật toán điều khiển và viết chương trình điều khiển. Tiến hành thực nghiệm tìm ra bộ dữ liệu tối ưu cho ECU. Tiến hành đo đạc trên băng thử để so sánh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của xe nguyên bản dùng bộ chế hòa khí và xe được lắp hệ thống phun xăng điện tử. Chạy xe trên đường để đánh giá so sánh các tính năng sử dụng của xe với xe nguyên bản. 7 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp Chương 2 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ Hệ thống điều khiển phun xăng EFI ( Electronic Fuel Injection) bao gồm một loạt các cảm biến liên tục đo đạc các trạng thái hoạt động của động cơ, một bộ phận điều khiển điện tử ECU ( Electronic Control Unit) đánh giá các tín hiệu vào của các cảm biến bằng cách so sánh với các giá trị tối ưu trong bộ nhớ, sau đó tính toán và hình thành các xung điều khiển đưa đến các thiết bị thực hiện ( quyết định thời điểm và thời gian mở kim phun). 2.1. Lịch sử phát triển và phân loại 2.1.1. Lịch sử phát triển Vào thế kỷ 19, một kỹ sư người Mỹ - ông Stevan – đã nghĩ ra cách phun nhiên liệu cho một máy nén khí. Sau đó một thời gian, một người Đức đã cho phun nhiên liệu vào buồng cháy nhưng không mang lại hiệu quả. Đầu thế kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ 4 kỳ tĩnh tại (nhiên liệu dùng trên động cơ này là dầu hoả nên hay bị kích nổ và hiệu quả thấp). Tuy nhiên, sau đó sáng kiến này đã được ứng dụng thành công trong viêc chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu cho máy bay ở Đức. Đến năm 1966, hãng BOSCH đã thành công trong việc chế tạo hệ thống phun xăng kiểu cơ khí.Trong hệ thống phun xăng này nhiên liệu được phun trực tiếp vào trước supap hút nên có tên gọi tên là K - Jetronic (K – Konstan - liên tục, Jetronic phun). K - Jetronnic được đưa vào sản xuất và ứng dụng trên các xe của hãng Mercedes và một số xe khác, là nền tảng cho việc phát triển hệ thống phun xăng thế hệ sau như: KE - Jetronic, Mono - Jetronic, L - Jetronic, Motronic... Do hệ thống phun xăng cơ khí còn nhiều nhược điểm nên đầu những năm 80, BOSCH đã cho ra đời hệ thống phun xăng sử dụng kim phun điều khiển bằng điện. Có 2 loại: hệ thống L – Jetronic (lượng nhiên liệu được xác định nhờ cảm biến đo lưu lượng khi nạp) và D – Jetronic (lượng nhiên liệu được xác định dựa vào áp suất trên đường ống nạp). Đến năm 1984, người Nhật (mua bản quyền của BOSCH) đã ứng dụng hệ thống phun xăng L - Jetronic và D – Jetronic trên các xe của hãng Toyota (dùng với động cơ 4A - ELU). Đến những năm 1987, hãng Nissan dùng L - Jetronic thay bộ chế hòa khí của xe Nissan Sunny. Việc điều khiển EFI có thể được chia làm hai loại, dựa trên sự khác nhau về phương pháp dùng để xác định lượng nhiên liệu phun. 8 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp Một là một loại mạch tương tự, loại này điều khiển lượng phun dựa vào thời gian cần thiết để nạp và phóng một tụ điện. Loại khác là loại được điều khiển bằng vi xử lý, loại này sử dụng dữ liệu lưu trong bộ nhớ để xác định lượng phun. Loại hệ thống EFI điều khiển bằng mạch tương tự là loại được TOYOTA sử dụng lần đầu tiên trong hệ thống EFI của nó. Loại điều khiển bằng vi xử lý được bắt đầu sử dụng vào năm 1983. Loại hệ thống EFI điều khiển bằng bộ vi xử lý được sử dụng trong xe của TOYOTA gọi là TCCS (TOYOTA Computer Controled System – Hệ thống điều khiển bằng máy tính của TOYOTA), nó không chỉ điều khiển lượng phun mà còn bao gồm ESA (Electronic Spark Advance – Đánh lửa sớm điện tử) để điều khiển thời điểm đánh lửa; ISC (Idle Speed Control – Điều khiển tốc độ không tải) và các hệ thống điều khiển khác cũng như chức năng chuẩn đoán và dự phòng. Hai hệ thống này có thể được phân loại như sau: Hình 2.1 Sơ đồ phân loại hệ thống phun xăng điện tử 9 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp Loại EFI mạch tương tự và điều khiển bằng bộ vi xử lý về cơ bản là giống nhau, nhưng có thể nhận thấy một vài điểm khác nhau như về các lĩnh vực điều khiển và độ chính xác. 2.1.2.Phân loại hệ thống phun xăng gián tiếp Tùy thuộc vào các tiêu chí mà ta có các cách phân loại hệ thống phun xăng khác nhau. Dựa vào cách thức phun người ta phân thành hệ thống phun xăng đơn điểm và hệ thống phun xăng đa điểm. Hệ thống phun xăng đơn điểm ( single – point) hay còn gọi là hệ thống phun xăng trung tâm, toàn bộ động cơ chỉ có một vòi phun ở đường ống nạp chung cho tất cả các xilanh. Còn hệ thống phun đa điểm (Multi-point) mỗi xilanh có một vòi phun được bố trí ngay sát xupap nạp. Hệ thống phun đa điểm so với hệ thống phun đơn điểm có ưu điểm là xăng được phun vào xupap là nơi có nhiệt độ cao nên có điều kiện bay hơi tốt hơn và giảm được hiện tượng đọng bám xăng trên đường ống nạp. Dựa vào cách thức diều khiển vòi phun người ta phân thành hệ thống điều khiển bằng điện tử và hệ thống điều khiển bằng cơ khí hay hỗn hợp cơ khí-điện tử. . Dựa vào việc tổ chức quá trình phun người ta phân thành hệ thống phun xăng liên tục hay gián đoạn. Với các cách phân loại trên, trong thực tế có rất nhiều hệ thống phun xăng với đặc điểm phun là tổ hợp của các hình thức phân loại trên như: - Hệ thống K-Jetronic: Đây là hệ thống phun xăng đa điểm, liên tục điều khiển bằng cơ khí. - Hệ thống L-Jetronic và D-Jetronic: Đây là hệ thống phun xăng đa điểm, phun gián đoạn và điều khiển bằng điện tử. D-Jetronic: lượng xăng phun được xác định dựa vào áp suất sau cánh bướm ga bằng cảm biến áp suất khí nạp MAP (manifold absolute pressure sensor) và được hiệu chỉnh theo nhiệt độ khí nạp. L-Jetronic lượng xăng phun được tính toán dựa vào lưu lượng khí nạp lấy từ cảm biến đo gió loại cánh trượt. Sau đó có các phiên bản: LH-Jetronic với cảm biến đo gió dây nhiệt, LU-Jetronic với cảm biến đo gió kiểu siêu âm. - Mono-Jetronic: Đây là hệ thống phun xăng đơn điểm. Theo phương án này xăng được phun vào ống nạp chung để cung cấp hỗn hợp cho các xilanh. Về mặt nguyên tắc có thể sử dụng các biện pháp phun liên tục hay gián đoạn. Vòi phun được bố trí ngay 10 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp trên bướm tiết lưu, tại đây vận tốc dòng khí lớn nhất tạo điều kiện tốt cho quá trình xé tơi xăng và hòa trộn với không khí. - Loại MPI : Đây là hệ thống phun đa điểm, với mỗi kim phun cho từng xilanh được bố trí gần xupap nạp. Đường ống nạp được thiết kế sao cho đường đi của không khí từ bướm ga đến xilanh khá dài, nhờ vậy, nhiên liệu phun ra được hòa trộn tốt với không khí nhờ xoáy lốc. Nhiên liệu cũng không thất thoát trên đường ống nạp. 2.2. Kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử 2.2.1. Kết cấu của hệ thống EFI điển hình Hình 2.2. Hệ thống EFI điển hình 2.2.2. Nguyên lý hoạt động EFI có thể chia thành ba hệ thống: hệ thống nhiên liệu và hệ thống nạp khí, hệ thống điều khiển điện tử. EFI cũng có thể được chia thành điều khiển phun nhiên liệu cơ bản và điều khiển hiệu chỉnh. Ba hệ thống này sẽ được mô tả chi tiết sau đây. 11 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp Hình 2.3 Sơ đồ tổng quát của hệ thống EFI. 2.2.2.1 Điều khiển phun cơ bản Các thiết bị phun cơ bản duy trì một tỷ lệ tối ưu (gọi là tỷ lệ lý thuyết) của không khí và nhiên liệu hút vào trong các xylanh. Để thực hiện được điều đó, nếu có sự gia tăng lượng khí nạp, lượng nhiên liệu phun vào cũng phải gia tăng tỷ lệ hoặc là nếu lượng khí nạp giảm xuống, lượng nhiên liệu phun ra cũng giảm xuống. 12 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp Dòng không khí Khi bướm ga mở ra, dòng không khí từ lọc gió đến các xylanh sẽ qua cảm biến lưu lượng gió, bướm ga và đường ống nạp. Khi dòng không khí đi qua cảm biến lưu lượng gió, nó sẽ ấn mở tấm đo. Lượng không khí được cảm nhận bằng độ mở của tấm đo. Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống cung cấp khí Dòng nhiên liệu Nhiên liệu được nén lại nhờ bơm nhiên liệu chạy bằng điện và chảy đến các vòi phun qua bộ lọc. Mỗi xylanh có một vòi phun, nhiên liệu được phun ra khi van điện từ của nó mở ngắt quãng. Do bộ ổn định áp suất giữ cho áp suất nhiên liệu không đổi nên lượng nhiên liệu phun ra được điều khiển bằng cách thay đổi khoảng thời gian phun. Do vậy, khi lượng khí nạp nhỏ, khoảng thời gian phun ngắn còn khi lượng khí nạp lớn, khoảng thời gian phun dài hơn. 13 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp Hình 2.6 Sơ đồ mạch cung cấp nhiên liệu. Cảm biến đo lưu lượng khí nạp Bướm ga điều khiển lượng khí nạp vào động cơ. Bướm ga mở lớn thì lượng khí lớn hơn sẽ được nạp vào các xylanh. Khi tốc độ thấp, dòng khí nạp sẽ nhỏ và tấm đo chỉ mở ra một chút. Vậy tốc độ cao và dải tải nặng, dòng khí sẽ lớn hơn và tấm đo sẽ theo đó mở rộng hơn. Hình 2.7 Sơ đồ của cảm biến đo lưu lượng khí nạp. Điều khiển lượng phun cơ bản Lượng không khí cảm nhận tại cảm biến đo lưu lượng gió được chuyển hoá thành điện áp, điện áp này được gửi đến ECU như một tín hiệu. Tín hiệu đánh lửa sơ cấp theo số vòng quay động cơ cũng được gửi đến ECU từ cuộn dây đánh lửa. ECU sau đó tính toán bao nhiêu nhiên liệu cần cho lượng khí đó và thông báo cho mỗi vòi phun bằng thời gian mở van điện. Khi van điện của vòi phun mở ra, nhiên liệu sẽ được phun vào đường ống nạp. Thời điểm và khoảng thời gian phun 14 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp Tín hiệu từ cuộn đánh lửa chỉ thị số vòng quay của động cơ và làm cho tất cả các vòi phun sẽ đồng thời phun nhiên liệu tại mỗi vòng quay của trục khuỷu. Động cơ bốn kỳ sẽ thực hiện các kỳ nạp, nén, nổ, xả trong mỗi vòng quay của trục khuỷu. Kết luận Tuỳ theo tốc độ động cơ và lượng khí nạp đo được tại cảm biến lưu lượng khí. ECU sẽ thông báo cho các vòi phun bao nhiêu nhiên liệu cần phun và hỗn hợp khí – nhiên liệu được tạo ra bên trong đường ống nạp. Khái niệm “lượng phun cơ bản” được sử dụng để chỉ lượng nhiên liệu cần phun để tạo ra tỷ lệ hỗn hợp lý thuyết. Hình 2.8 Sơ đồ tổng quát hệ thống nhiên liệu EFI 2.2.2.2 Điều khiển hiệu chỉnh Như vậy, hoạt động cơ bản của các thiết bị cần cho việc tạo ra hỗn hợp khí – nhiên liệu lý thuyết đã được mô tả. Tuy nhiên, động cơ sẽ không hoạt động tốt chỉ với lượng phun cơ bản. Đó là bởi vì động cơ phải vận hành dưới nhiều chế độ và do đó nó cần có một vài thiết bị hiệu chỉnh để điều chỉnh tỷ lệ khí – nhiên liệu tuỳ theo chế độ khác nhau này. Ví dụ, khi động cơ còn lạnh dưới tải nặng, cần có hỗn hợp đậm hơn. Hệ thống EFI sẽ thay đổi tỷ lệ khí – nhiên liệu theo các chế độ hoạt động của động cơ theo cách giống như chế hoà khí thay đổi hỗn hợp khí – nhiên liệu bằng bướm gió và hệ thống trợ tải. Có 2 phương pháp để hiệu chỉnh tỷ lệ khí – nhiên liệu. Một được coi là 15 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp “hiệu chỉnh đậm”, ECU hoạt động để tăng lượng phun. Phương pháp khác là các thiết bị phụ trợ sẽ thực hiện cùng một chức năng mà không liên quan đến ECU. Hiệu chỉnh Rất nhiều loại thông tin về các chế độ hoạt động của động cơ (ví dụ: nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí nạp, điện áp accu...) được chuyển đến ECU từ các cảm biến để thêm vào thông tin về lượng khí nạp từ cảm biến lưu lượng khí và tốc độ động cơ từ cuộn đánh lửa. ECU sẽ tăng lượng nhiên liệu dựa trên các thông tin này. Nói một cách khác, thậm chí lượng khí nạp không đổi, thì lượng nhiên liệu do các vòi phun phun ra vẫn tăng hay giảm tuỳ theo các chế độ hoạt động của động cơ. Hình 2.9 Sơ đồ hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun. Các thiết bị phụ: Có 2 thiết bị phụ để hiệu chỉnh tỷ lệ khí – nhiên liệu, một vòi phun khởi động lạnh và một van khí phụ. -Vòi phun khởi động lạnh Mục đích của vòi phun khởi động lạnh là cải thiện tính năng khởi động động cơ lạnh. Khởi động một động cơ lạnh cần có nhiều nhiên liệu và hỗn hợp đâm hơn. Đó là chỉ khi động cơ còn lạnh và đang quay bởi máy khởi động, khi đó vòi phun khởi động 16 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp lạnh sẽ phun nhiên liệu để làm đậm hỗn hợp. Nói theo một cách khác, trong khi khởi động động cơ lạnh, nhiên liệu được cung cấp bằng cả vòi phun chính và vòi phun khởi động lạnh. Theo cách này, tỷ lệ nhiên liệu so với không khí tăng lên nhờ vào lượng nhiên liệu phun ra từ vòi phun khởi động lạnh, tạo nên hỗn hợp đâm hơn. Vòi phun khởi động lạnh là một van điện sử dụng nguồn năng lượng của accu để mở và đóng van bên trong và phun nhiên liệu. Để tránh cho hỗn hợp quá đậm, khoảng thời gian phun được điều khiển bằng một công tắc định thời bao gồm một phần tử lưỡng kim và cuộn dây sấy. -Van khí phụ Khi nhiệt độ còn thấp van khí phụ sẽ tăng tốc độ không tải của động cơ đến chế độ không tải nhanh. Khi động cơ còn lạnh, thậm chí nếu bướm ga đóng, không khí vẫn nạp vào động cơ qua van khí phụ. Lượng không khí đi qua van khí phụ sẽ thay đổi theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ thấp, van khí phụ mở hoàn toàn cho phép một lượng lớn không khí đi qua Khi nhiệt độ tăng lên, van sẽ đóng dần lại cho đến khi động cơ đạt được nhiệt độ hoạt động bình thường, nó sẽ đóng hoàn toàn để cắt dòng khí. Tốc độ không tải nhanh tỷ lệ với lượng khí đi qua van khí phụ. Nó sẽ cao khi nhiệt độ thấp và giảm đến tốc độ không tải bình thường khi nhiệt độ tăng lên.Việc đóng và mở van khí phụ được điều chỉnh ở bên trong bằng một van giãn nở nhiệt tuỳ theo nhiệt độ nước làm mát động cơ. 2.3. So sánh các chế độ làm việc của hệ thống phun xăng và hệ thống dùng chế hòa khí 2.3.1. Ở chế độ không tải chuẩn + Đối với bộ chế hòa khí: Bướm ga hầu như đóng kín, xăng không được hút ra từ họng chính vì độ chân không của họng nhỏ, mà xăng được hút qua đường không tải thông với không gian sau bướm ga. Lúc ấy trong xylanh có hệ số khí sót rất lớn, muốn cho động cơ chạy ổn định cần có hòa khí đậm (=0,6). Do hòa khí rất đậm sẽ gây ra suất tiêu hao nhiên liệu rất lớn và lượng độc hại của thành phần khí xả bao gồm CO và HC rất lớn. + Đối với hệ thống phun xăng điện tử: Để tạo một thành phần hòa khí hoàn hảo nhất thì thông thường nó được thực hiện bằng hai van khí chỉ điều chỉnh riêng thành phần không khí. Còn lượng xăng đưa vào bao nhiêu được quyết định bởi tốc độ động cơ. Hệ thống này ưu việt hơn hẳn bộ chế 17 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp hòa khí do trong chế hòa khí xăng được đưa vào chế độ không tải là nhờ độ chân không sau bướm ga hoàn toàn không điều khiển được lượng xăng còn hệ thống phun xăng điện tử lượng xăng đưa vào được tính toán một cách chính xác. Có thể nói trong hệ thống phun xăng điện tử số vòng quay không tải thấp nhất, hỗn hợp cháy không tải nhạt nhất mà vẫn đảm bảo sự làm việc của động cơ. 2.3.2. Ở chế độ tăng tốc + Đối với bộ chế hòa khí: Khi đột ngột tăng tốc hỗn hợp trở nên nhạt đột ngột, một lượng nhiên liệu sẽ được bù thêm vào trong suốt quá trình tăng tốc. Hơn nữa trong một thời gian ngắn khi tăng tốc động cơ chấp nhận sử dụng hỗn hợp có =0,9 để đạt được mômen cực đại. Tín hiệu nhận biết tăng tốc là sự thay đổi đột ngột vị trí bướm ga thông qua hệ thống cơ khí làm cho bơm tăng tốc ngay lập tức phun một lượng xăng vào trước họng đảm bảo hỗn hợp không quá nhạt. + Đối với hệ thống phun xăng điện tử: Cũng tương tự bộ chế hòa khí cần thêm nhiên liệu để hỗn hợp không bị nhạt. Để đảm bảo lượng xăng chính xác tạo cho quá trình chuyển tiếp được tốt và đạt sức kéo lớn trong khi tăng tốc thì tín hiệu được xác định lượng nhiên liệu phun cần thiết dựa trên nhiệt động cơ và sự thay đổi đột ngột vị trí bướm ga. Tín hiệu để nhận biết tăng tốc chính là tín hiệu của cảm biến bướm ga. Đối với bướm ga kiểu chiết áp tín hiệu để nhận biết xe tăng tốc chính là sự thay đổi đột ngột điện áp ở chân giữa của chiết áp. Nếu bình thường thì ECU phải biết được sự thay đổi lượng khí nạp vào hoặc sự thay đổi của độ chân không đường nạp, sau đó tính toán lượng xăng cần thiết, như thế sẽ quá lâu. Để tăng tốc thì khi ECU nhận được tín hiệu thay đổi đột ngột của bướm ga, thì ngay lập tức nó dựa vào nhiệt độ động cơ để phun chứ không cần biết lưu lượng khí hoặc độ chân không đường nạp là bao nhiêu. Vòi phun sẽ phun thêm một lượng nhiên liệu trong vài chu trình (tùy theo từng hãng) chờ sẵn ở đường nạp mỗi xilanh. 2.3.3. Chế độ khởi động động cơ + Đối với bộ chế hòa khí: Khi khởi động, số vòng quay động cơ nhỏ nên độ chân không ở họng rất nhỏ, nhiên liệu bị hút vào ít, không tơi và khó bay hơi do nhiệt độ thấp. Do đó để dễ dàng cho việc khởi động cần có thêm một lượng nhiên liệu để hỗn hợp có thể đậm hơn. Để 18 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp giải quyết vấn đề này bộ chế thường dùng bướm gió, do khi khởi động bướm ga đóng kín nên độ chân không sau bướm ga lớn nên cả hệ thống chính và hệ thống không tải đều hoạt động làm cho hỗn hợp đậm theo yêu cầu. Khi động cơ đã nổ, để tránh hiện tượng hỗn hợp quá đậm do chưa mở bướm ga thì trên bướm ga lắp một van khí nhằm bù thêm không khí khi động cơ đã nổ mà chưa mở bướm ga + Đối với động cơ phun xăng: Khi động cơ vừa khởi động do tốc độ động cơ dao động rất lớn vì thế phép đo lượng không khí vào không chính xác. Lúc này lượng xăng phun dựa vào tín hiệu khởi động và nhiệt độ động cơ. Trong suốt quá trình khởi động không chỉ có một lượng xăng lớn được vòi phun phun vào mà một lượng nhiên liệu nữa cũng được phun bởi vòi phun khởi động lạnh đặt ở giữa đường chia khí phía sau bướm ga. Một công tắc nhiệt lắp trên đường nước làm mát động cơ sẽ xác định thời gian vòi phun khởi động lạnh làm việc, công tắc này đặc biệt là ngoài việc nhận nhiệt từ nước làm mát nó còn được đốt nóng bởi một dòng điện trong quá trình động cơ khởi động. Mục đích của việc đốt nóng công tắc nhiệt là khi trời quá lạnh công tắc nhiệt sẽ tự cắt sau 7 8 giây nhằm tránh hiện tượng sặc xăng. Lượng nhiên liệu phun thêm vào là cần thiết do trong quá trình khởi động số vòng quay rất thấp nên sự xoáy lốc tạo hỗn hợp rất kém làm cho hỗn hợp rất nghèo ngoài ra do nhiệt độ đường ống nạp thấp nên nhiên liệu bay hơi hòa trộn rất ít mà đa phần bị ngưng đọng trên đường ống nạp. Để giải quyết vấn đề này và tạo cho động cơ lạnh dễ dàng thì vòi phun khởi động lạnh phun thêm nhiên liệu trong một thời gian ngắn khi động cơ khởi động. Thay đổi đặc tính phun khi khởi động được rất nhiều hãng áp dụng đối với loại xe không trang bị vòi phun khởi động riêng. Lượng xăng phun thêm sẽ do các vòi phun chính đảm nhiệm. Thay vì chỉ phun 1 hoặc 2 lần. ECU sẽ điều khiển xăng phun nhiều lần trong một chu trình động cơ nhằm tạo mục đích tạo ra hỗn hợp đậm. Lượng xăng phun thêm sẽ giảm dần khi tốc độ động cơ vượt qua một ngưỡng nhất định tùy theo nhiệt độ và số vòng quay. Khi động cơ phun xăng khởi động không chỉ có một lượng xăng được phun thêm mà thời điểm đánh lửa cũng được quá trình khởi động và quá trình sưởi ấm máy mỗi lần khởi động. Tín hiệu để tạo sự hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa là tốc độ động cơ, nhiệt độ động cơ và nhiệt độ khí nạp. Nếu nhiệt độ động cơ lạnh và tốc độ động cơ thấp thì góc đánh lửa tốt nhất là ở gần điểm chết trên. Nếu góc đánh lửa quá lớn thì có thể gây nguy hiểm do sự trở ngược của mô men quay gây hư hỏng môtơ khởi động. Nếu tốc độ động cơ ban đầu lớn và thêm nữa góc đánh lửa cũng được hiệu chỉnh tốt thì 19 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động cơ Đốt trong Đồ án tốt nghiệp động cơ sẽ dễ dàng khởi động và nhiệt độ động cơ tăng lên nhanh chóng. Nếu động cơ nóng, sự trả ngược của mômen quay thậm trí xảy ra với góc đánh lửa nhỏ, nguyên nhân là do hỗn hợp của nhiên liệu và không khí hòa trộn rất tốt nên khả năng cháy và tốc độ cháy lớn. Để giải quyết vấn đề này góc đánh lửa được giảm bớt tương xứng khi nhiệt độ động cơ tăng lên. Và góc đánh lửa cũng vì thế mà giảm đi nhiệt độ không khí đương nạp cao hơn nhiệt độ cuối nén của động cơ nhằm tránh kích nổ có thể xảy ra. Sau khi khởi động, ở mức nhiệt độ thấp, vẫn cần thiết phun thêm một lượng nhiên liệu nữa để bù cho hỗn hợp nghèo do đa phần nhiên liệu đều bám trên thành vách xi lanh. Lượng nhiên liệu tăng thêm cũng làm tăng thêm mômen vì thế cải thiện được chế độ không tải sang chế độ có tải. Quá trình chạy sau khi khởi động cũng được điều chỉnh sao cho động cơ hoạt động mà không gặp phải vấn đề gì trong bất kỳ mức nhiệt độ nào, và đạt được sự tiêu thụ nhiên liệu là thấp nhất. Lượng nhiên liệu được sử dụng thời kỳ sau khởi động được điều chỉnh dựa vào nhiệt độ và thời gian. Giá trị nhiệt độ ban đầu được điều chỉnh gần như tuyến tính với thời gian. 2.3.4. Quá trình sấy nóng động cơ (Quá trình không tải nhanh) + Đối với động cơ dùng chế hòa khí cổ điển thường không được thiết kế hệ thống sấy do đó những động cơ sử dụng chế hòa khí thường bị tổn thất rất lớn làm tụt công suất thời kỳ khởi động lạnh. + Đối với động cơ phun xăng quá trình sấy nóng động cơ bắt đầu sau khi khởi động. Trong suốt quá trình sấy nóng động cơ phải cần thêm một lượng nhiên liệu nữa để bù vào phần nhiên liệu đọng trên thành vách xi lanh khi xi lanh còn nguội. Nếu xăng này không được thêm vào thì tốc độ động cơ sẽ bị giảm xuống sau khi vòi phun khởi động lạnh làm kéo dài thời gian chạy ấm làm tăng tổn thất nhiệt và làm giảm công suất động cơ thời kỳ khởi động. + Vào thời kỳ này do động cơ lạnh nên sự tính toán chính xác lượng nhiên liệu là rất khó. Tại vì một lượng rất lớn nhiên liệu bị ngưng tụ lại nơi cuối đường ống thành những giọt nhiên liệu. Chỗ nhiên liệu này rất khó bay hơi khi động cơ còn lạnh. Do đó khi nhiệt độ thấp một lượng nhiên liệu nữa phải được thêm vào hỗn hợp sao cho sự bốc cháy trong xi lanh hoàn hảo nhất tại mọi nhiệt độ. + Thời điểm đánh lửa cũng phụ thuộc vào nhiệt độ động cơ do đó trong chương trình này góc đánh lửa cũng phải thay đổi. Hiệu ứng nhiệt độ được chương trính hóa riêng biệt cho mỗi kỳ khởi động, không tải, xuống dốc, nửa tải và toàn tải. 20 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Tải về bản full