Cùng với sự phát triển của các nghành công nghiệp, là sự gia tăng của vấn đề khí thải gây ô nhiễm môi trường và các nguồn năng lượng. Trong số đó khí thải ôtô và năng lượng dùng cho ôtô cũng góp phần làm gia tăng thêm vấn nạn này một số lượng không nhỏ. Đó là những lý do thúc đẩy các hãng chế tạo ô tô trong và ngoài nước hiện nay phải cải tiến và nâng cao tính ưu việt của động cơ, làm sao phải sử dụng nhiên liệu một cách tiết kiệm nhất mà vẫn cho hiệu suất sử dụng cao nhất. Hệ thống phân phối khí thông minh VVTi đã giải quyết được vấn đề trên. Không những tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm ô nhiễm môi trường. Hiện nay, sự phát triển về công nghệ và điện tử của động cơ và ô tô thay đổi rất phức tạp, làm cho người sử dụng và cán bộ công nhân kỹ thuật ngành ô tô ở nước ta còn nhiều lúng túng và sai sót nên cẩn có những nghiên cứu cụ thể về hệ thống điện tử trên động cơ ô tô. Với đề tài: “Thiết kế hệ thống cơ điện tử điều khiển thời điểm mở van nạp của các xi lanh động cơ” Em rất mong với đề tài này em sẽ củng cố tốt hơn kiến thức của mình. Cuối cùng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phạm Hữu Nam đã hướng dẫn chi tiết và chỉ bảo em tận tình, giúp em vượt qua những khó khăn vướng mắc trong khi hoàn thành đô án của mình.
NHIỆM VỤ, SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VAN NẠP
Van nạp có nhiệm vụ điều khiển thời điểm mở, cho phép hỗn hợp không khí và xăng đi vào xi lanh thông qua áp suất chân không trong kỳ nạp, đồng thời đóng kín trong các kỳ còn lại như kỳ nén, nổ và xả.
- Nâng cao mô-men xoắn của động cơ, cắt giảm tiêu thụ nhiên liệu và khí thải độc hại.
- Hoạt động êm dịu và ổn định.
- Các xupap nạp phải kín khít, tránh lọt khí trong quá trình nén, nổ, xả.
- Tối ưu được lượng hỗn hợp công tác (không khí và xăng) vào xi lanh động cơ.
Không khí đóng vai trò quan trọng trong quá trình cháy của động cơ với tỷ lệ A/F là 14,7/1, tức là 14,7g không khí trên 1g nhiên liệu Tỷ lệ này ảnh hưởng trực tiếp đến công suất động cơ, giúp cân bằng hóa học và tối ưu hóa quá trình cháy Nhờ đó, các sản phẩm độc hại như CO và HC sẽ được giảm thiểu ở mức thấp nhất.
1.3 – Hệ thống hiện tại và giải pháp
Hiện tại, việc đóng mở xupap là cố định và không thể điều chỉnh, dẫn đến lưu lượng khí nạp không thay đổi, điều này hạn chế khả năng tăng công suất của động cơ.
Giải pháp hiệu quả cho việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ là điều chỉnh thời điểm đóng mở xupap, độ mở và khoảng thời gian mở của xupap theo từng vòng tua khác nhau Việc này giúp đảm bảo rằng xupap mở đúng lúc, với khoảng mở và thời gian mở đủ để tối đa hóa lượng hòa khí vào buồng đốt, tương tự như các hệ thống VVT-i của Toyota hay VTEC của Honda.
Tham khảo hệ thống van biến thiên VVT-i của Toyota
Nhiệm vụ chính của hệ thống điều khiển là tối ưu hóa thời điểm đóng mở và khoảng nâng của xupap, nhằm nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu quả làm việc mà còn giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải Hệ thống điều khiển này được đặc trưng bởi công nghệ điều khiển điện tử.
Bộ xử lý trung tâm ECU cùng với bộ điều khiển phối khí VVT sử dụng các van điện là những thành phần chính trong hệ thống Ngoài ra, các cảm biến như vị trí bướm ga, lưu lượng khí nạp, vị trí trục khuỷu và nhiệt độ nước cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.
Hình 1.1 – Cấu tạo hệ thống VVT-i
Hình 1.2 – Sơ đồ hệ thống
Trong quá trình hoạt động, các cảm biến như lưu lượng khí nạp, vị trí bướm ga và vị trí trục khuỷu cung cấp dữ liệu quan trọng cho ECU để tính toán thông số phối khí theo thời điểm mục tiêu Cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ cung cấp dữ liệu hiệu chỉnh, trong khi cảm biến vị trí trục cam và trục khuỷu cung cấp thông tin về tình trạng phối khí thực tế.
Dựa trên các yếu tố mục tiêu, hiệu chỉnh và thực tế, ECU sẽ tổng hợp lệnh phối khí tối ưu cho buồng đốt Áp lực dầu ảnh hưởng đến vị trí bộ điều khiển phối khí, điều chỉnh việc mở các xu-páp nạp một cách chính xác vào thời điểm cần thiết.
- Tất cả tín hiệu vào trên sơ đồ sẽ đều được gửi về ECU động cơ để ECU tính toán và xử lý:
Tín hiệu tốc độ và vị trí trục khuỷu
Tín hiệu lượng khí nạp qua cửa hút ECU sẽ tính toán thời điểm Tín hiệu của độ mở vị trí của cảnh bướm ga phối khí mục tiêu.
Tín hiệu đo được của nhiệt độ nước làm mát.
Tín hiệu tốc độ và vị trí trục khuỷu ECU tính toán thời điểm phối khí Tín hiệu vị trí trục cam thực tế.
Tín hiệu đo được của nhiệt độ nước làm mát: ECU sẽ hiệu chỉnh lại và tính toán thời điểm phối khí.
- Hiệu chỉnh hệ số xung để điều khiển van dầu phối khí.
Thời điểm phối khí được điều khiển như hình sau:
Hình 1.3 - ECU điều khiển thời điểm phối khí tối ưu.
Khi nhiệt độ và tốc độ thấp ở tải nhẹ, thời điểm phối khí trục cam nạp được điều chỉnh trễ lại, làm giảm độ trùng lặp xupap Điều này giúp giảm khí xả chạy ngược lại phía nạp, từ đó ổn định chế độ không tải và cải thiện hiệu suất kinh tế nhiên liệu cũng như khả năng khởi động.
Khi tải trung bình hoặc ở tốc độ thấp và trung bình với tải nặng, việc điều chỉnh thời điểm phối khí sớm hơn và tăng độ trùng lặp xupap giúp tăng cường năng lượng nội bộ và giảm thiểu tổn thất do bơm Điều này không chỉ cải thiện ô nhiễm khí xả mà còn nâng cao tính kinh tế nhiên liệu Đồng thời, thời điểm đóng xupap nạp cũng được điều chỉnh sớm hơn, giảm hiện tượng khí nạp quay ngược và nâng cao hiệu quả nạp.
Khi vận hành ở tốc độ cao và tải nặng, thời điểm phối khí được điều chỉnh sớm hơn, làm tăng độ trùng lặp xupap nhằm nâng cao EGR nội bộ và giảm tổn thất do bơm Điều này không chỉ cải thiện ô nhiễm khí xả mà còn nâng cao hiệu quả kinh tế nhiên liệu Đồng thời, thời điểm đóng xupap nạp cũng được đẩy sớm để giảm hiện tượng khí nạp quay ngược, từ đó cải thiện hiệu suất nạp.
Hệ thống VVT-i có 3 chế độ tuỳ theo tình trạng vận hành:
Chỉnh thời điểm phối khí sớm là quá trình mà ECU điều khiển van dầu mở, tạo áp suất dầu tác động lên khoang cánh gạt Điều này giúp trục cam nạp quay theo hướng sớm hơn, cải thiện hiệu suất động cơ.
Hình 1.4 - Áp suất dầu trong hệ thống khi làm sớm thời điểm phối khí.
Chỉnh thời điểm phối khí muộn là quá trình mà ECU điều khiển van dầu mở, tạo áp suất dầu tác động lên khoang cánh gạt Điều này làm cho trục cam nạp quay về chiều, dẫn đến việc muộn thời điểm phối khí.
Hình 1.5 - Áp suất dầu trong hệ thống khi làm muộn thời điểm phối khí.
Sau khi ECU thực hiện tính toán và xác định thời điểm phối khí chính xác, van điều khiển dầu sẽ duy trì trạng thái đường dầu đóng nhằm giữ nguyên thời điểm phối khí hiện tại.
Hình 1.6 - Áp suất dầu trong hệ thống khi giữ thời điểm phối khí.
Hình 1.7 – Cấu tạo Van điều khiển dầu phối khí (van điện từ tuyến tính)
Van điều khiển phối khí OCV (Oil Control Valve) là một van điện từ, được điều khiển bởi ECU động cơ để kiểm soát vị trí của van ống và phân phối áp suất dầu đến bộ điều khiển VVT-i, nhằm điều chỉnh thời điểm phối khí xupap nạp sớm hoặc muộn Khi động cơ ngừng hoạt động, thời điểm phối khí được giữ ở góc muộn tối đa.
ECU sẽ sử dụng tín hiệu xung vuông để điều khiển cường độ điện qua cuộn dây và điều khiển van trượt Van thuộc loại 5/3 (5 đầu nối ,3 vị trí).
Hình 1.8 - Tín hiệu xung điều khiển từ ECU đến van OCV.
THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN
Các thông số ảnh hưởng tới sự làm việc
Dựa trên mô hình có sẵn trong lớp học, bài viết này sử dụng bảng mạch Arduino Uno R3 để thực hiện nhiệm vụ của đồ án, với vai trò là vi điều khiển.
+Thiết kế và lắp mạch để điều khiển chạy van biến thiên VVT-i Sử dụng chân tạo xung của UNO R3.
+Phương án hiển thị theo yêu cầu: Sử dụng cổng kết nối I2C để kết nối với màn hình LCD.
+Chiết áp để điều khiển điện áp: 5k (Mô phỏng CB tốc độ vòng quay),10k(Mô phỏng CB bướm ga),20k(Mô phỏng CB nhiệt độ).
+Xây dựng và lắp gá cho mạch.
Hình 2.3 Sơ đồ mô phỏng.
Cường độ dòng điện qua cuộn dây của van điều khiển phối khí OCV sẽ được tính toán và điều chỉnh bởi ECU ECU nhận tín hiệu phản hồi từ các cảm biến để gửi tín hiệu xung vuông đã được điều chỉnh, đảm bảo hiệu quả trong quá trình hoạt động của động cơ.
3.2 – Mô phỏng các tín hiệu đầu vào và xử lý tín hiệu:
Hình 3.1 - Sơ đồ tín hiệu đầu vào.
- Thay đổi thời điểm phối khí:
Cảm biến tốc độ động cơ xác định tốc độ hiện tại và gửi tín hiệu đến bộ điều khiển (ECU) để tính toán thời điểm phối khí mục tiêu Khi tốc độ động cơ tăng, thời gian kỳ nạp giảm, khiến ECU phát tín hiệu xung vuông đến van điện từ để điều chỉnh cánh gạt về phía làm sớm khoảng 40-50 độ so với góc quay của trục khuỷu, theo cùng chiều chuyển động của trục khuỷu Ngược lại, khi tốc độ giảm, quá trình điều chỉnh cũng diễn ra tương tự.
Cảm biến vị trí bướm ga xác định vị trí bướm ga và gửi tín hiệu đến ECU để tính toán, từ đó điều chỉnh tín hiệu đến van điện từ nhằm hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm hoặc muộn.
Xác định thời điểm thay đổi góc đánh lửa:
Thời điểm phối khí mục tiêu = thời điểm phối khí thực tế + hiệu chỉnh
Thời điểm phối khí trong động cơ được xác định dựa trên tín hiệu từ cảm biến tốc độ động cơ và vị trí bướm ga Tín hiệu này được truyền về ECU, giúp ECU điều khiển chính xác thời điểm phối khí.
Để tối ưu hóa thời điểm phối khí, cần điều chỉnh dựa trên các tín hiệu nhiễu từ bên ngoài và trạng thái làm việc của xe, chẳng hạn như cảm biến lưu lượng khí nạp và cảm biến nhiệt độ nước làm mát Khi xác định được hai thời điểm này và kết hợp chúng, chúng ta sẽ tìm ra thời điểm phối khí phù hợp nhất cho xe trong tình huống hiện tại.
3.3 – Lập trình vi điều khiển:
Hình 3.3 Sơ đồ đấu dâyChú thích: R-red, B-black, W-white, GR-green, O-orange, Y-yellow, BR-brown, BL-blue, V-violet.
Những mạch và linh kiện cần chuẩn bị
+ Vi xử lí: Arduino UNO R3, có thể sử dụng các vi xử lí khác như Arduino Nano (Atmega-328), Arduino Mega,
+ Bộ hiển thị: Sử dụng cổng kết nối I2C để kết nối LCD 20x4
+ Chiết áp 5k,10k,20k ohm dùng để điều khiển dòng điện vào van VVT-i.
+ Dây điện để hàn mạch.
+ Đồng hồ vạn năng (dùng để đo dòng điện, điện áp, điện trở).
+ Bu lông đai ốc để cố định mạch.
3.4 – Các thành phần để tạo mạch:
- Chiết áp điều chỉnh điện áp
Thông số kí thuật của LCD 16x4
Màn hình được sử dụng để hiện thị trạng thái hoặc các thông số
LCD 16x4 có 16 chân trong đó cs 8 chân dữ liệu D0-D7 và 3 chân điều khiển
RS RW EN 5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16x4
Các chân điều khiển cho phép người dùng dễ dàng cấu hình LCD trong cả chế độ lệnh và chế độ dữ liệu, đồng thời hỗ trợ việc thiết lập chế độ đọc ghi.
- Thông số kĩ thuật I2C Điện áp hoạt động 2.5-6v DC
Hỗ trợ màn hình LCD1604
Giao tiếp I2C Địa chỉ mặc định 0X27( có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0 A1 A2 Tích hợp chân cắm để ngắt mở led
Để điều chỉnh độ tương phản cho màn hình LCD sử dụng giao tiếp I2C với Arduino, cần tích hợp biến trở xoay chiều và cài đặt thư viện LiquidCrystal_I2C.h.
Hình 3.9 Sơ đồ cổng nối dây LCD trên mô hình Chân GND I2C nối với GND Arduino.
Chân VCC I2C nối với ICSP Arduino.
Chân SDA I2C nối với chân A4.
Chân SCL I2C nối với chân A5.
Hình 3.9 Sơ đồ chân Arduino UNO
Điện áp vào khuyên dùng 7-12V.
Điện áp vào giới hạn 6-20V.
Chân dương chiết áp nối chân 5V.
Chân âm chiết áp nối GND.
Chân SDA của I2C nối vào chân A4 Arduino.
Chân SCL của I2C nối vào chân A5 Arduino.
Chân GND của I2C nối vào chân GND Arduino.
Chân VCC của I2C nối vào chân ICSP Arduino.
Chân 6 Arduino nối chân SIG IRF1404
Chân GND Arduino nối chân GND IRF1404.
Chân A0 Arduino nối chân tín hiệu chiết áp 5K (cảm biến vòng quay).
Chân A1 Arduino nối chân tín hiệu chiết áp 10K (cảm biến bàn đạp ga).
Chân A2 Arduino nối chân tín hiệu chiết áp 20K (cảm biến nhiệt độ).
Hình 4.1 Sơ đồ mạch trên proteus.
Hình 4.2 Sơ đồ thuật toán
4.2 Đường đặc tính van VVT-i
Hình 4.3 Đường đặc tính van VVT-i Độ mở = tần số*0.2382+6.853
4.3 Lập trình code và hiển thị LCD
Đoạn mã trên sử dụng thư viện LiquidCrystal_I2C để điều khiển màn hình LCD 20x4 Nó khai báo các biến cần thiết như tốc độ động cơ (TDDC), nhiệt độ động cơ (NK DCO), và bàn đạp ga (BDGA) Trong hàm setup, chân tín hiệu pwm_pin được thiết lập là đầu ra, màn hình LCD được khởi tạo và bật đèn nền Các giá trị pwm và tín hiệu điều khiển công suất cũng được khai báo để phục vụ cho việc điều khiển động cơ.
BDGA=(18*Bd+8.3); nd = analogRead(A2)/3 ; bd = analogRead(A1) / 2; td = analogRead(A0) / 1.5;
E = ne + Tn + Bd; p = nd + bd + td;
The formula for Dmo is calculated as Dmo = 2 * ((E) * 4.2857 - 3.5714) If the pressure (p) exceeds 1023, the variable p23 is activated The pulse width modulation (pwm) is determined by the equation pwm = (p) * 0.238 + 0.6, and if pwm exceeds 255, it is adjusted using pwm % 5 When TDDC is greater than 2000, both pwm and Dmo are set to zero The analogWrite function is used to output pwm to pin 6 The LCD displays various parameters: the first line shows "TD DC :" followed by TDDC and "Vg/ph"; the second line presents "BD GA :" with BDGA and "%"; the third line indicates "ND DCO :" with ND DCO and "C"; and the fourth line reveals "Do mo :" alongside Dmo and "%".
