(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu, đánh giá các phương pháp xác định tốc độ động cơ

TỔNG QUAN

Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu

Tốc độ động cơ, hay còn gọi là tua máy, là một thông số quan trọng phản ánh tình trạng hoạt động của động cơ, bao gồm các yếu tố như động học, động lực học và hiệu quả kinh tế nhiên liệu Thông qua tốc độ động cơ và hệ thống chẩn đoán, người ta có thể xác định liệu các chi tiết bên trong động cơ có hoạt động bình thường hay không Do đó, việc xác định tốc độ động cơ một cách nhanh chóng và kịp thời có ý nghĩa quan trọng trong việc điều khiển, kiểm tra bảo dưỡng và sửa chữa động cơ.

Các phương pháp xác định tốc độ động cơ hiện nay trên ô tô có độ bền và chính xác cao, thường dựa vào tín hiệu từ các cảm biến như cảm biến điện từ, cảm biến Hall và cảm biến quang Tín hiệu này được đưa vào bộ xử lý để xác định tốc độ động cơ Để hiển thị tốc độ lên đồng hồ Taplo, tín hiệu từ cực âm bobine hoặc chân Tach của Igniter được sử dụng Mặc dù cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các cảm biến khác nhau, nhưng chúng đều tính tốc độ động cơ bằng cách đo khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp hoặc đếm số xung trong một khoảng thời gian nhất định.

Tốc độ động cơ ảnh hưởng đến nhiều hoạt động của các hệ thống trên động cơ, dẫn đến sự biến đổi của các tín hiệu theo quy luật Vì vậy, có nhiều tín hiệu khác nhau có thể được sử dụng để tính toán tốc độ động cơ Các nhà nghiên cứu dựa vào một số tín hiệu liên quan để xác định tốc độ động cơ.

1.1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước

Tốc độ động cơ là thông số quan trọng mà các nhà nghiên cứu luôn tìm cách đo lường một cách nhanh chóng và chính xác Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra các phương pháp mới để xác định tốc độ động cơ, nhằm cải thiện tính tiện lợi trong quá trình đo lường.

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng 2 HVTH: Đinh Tấn Ngọc

“A new method for measuring engine rotational speed based on the vibration and discrete spectrum correction technique” - Hinbin Lin và Kang Ding [1]

Bài viết của tác giả Hinbin Lin và Kang Ding tại khoa Cơ khí và Kỹ thuật ô tô thuộc trường Đại học Công nghệ phía Nam Trung Quốc trình bày phương pháp xác định tốc độ động cơ piston thông qua rung động và kỹ thuật hiệu chỉnh phổ rời rạc Phương pháp này tính toán tốc độ động cơ dựa trên tần số điều hòa nhỏ nhất của tín hiệu dao động, đồng thời cải thiện độ chính xác đo lường Kết quả thử nghiệm trên băng thử và động cơ thực cho thấy độ chính xác cao khi động cơ hoạt động ở trạng thái ổn định và tốc độ thấp So với các phương pháp truyền thống, phương pháp này sử dụng phần cứng đơn giản, dễ cài đặt và phù hợp cho việc kiểm tra bảo dưỡng định kỳ ô tô.

Bài viết "Thuật toán đo lường tốc độ động cơ mới dựa trên tần số cơ bản của tín hiệu rung" của các tác giả SONG Xiang, LI Xu và ZHANG Wei-gong từ Đại học Đông Nam, Nam Kinh, Trung Quốc, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xác định tốc độ động cơ một cách nhanh chóng và chính xác trong chẩn đoán lỗi ô tô Tác giả chỉ ra những hạn chế của các phương pháp đo tốc độ động cơ truyền thống và giới thiệu phương pháp mới dựa trên tần số rung cơ bản Sử dụng phần mềm LabVIEW để thu thập dữ liệu, bài viết áp dụng các phương pháp xử lý tín hiệu như biến đổi wavelet và biến đổi Fourier thời gian ngắn, từ đó tính toán được tần số rung cơ bản Ưu điểm của phương pháp này bao gồm độ chính xác cao, chi phí thấp, độ bền cao, dễ thực hiện và tỷ lệ lỗi chỉ 1%.

 “Measurement of engine speed by the analysis of vibration” - Alastair J.Hotchkiss, Paul Smith, Barbara L and Jones [3]

Phương pháp đo tốc độ động cơ mới, được trình bày bởi Alastair J Hotchkiss, Paul Smith, Barbara L và Jones, dựa trên tín hiệu thu được từ cảm biến gia tốc gắn trên thân động cơ Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm nổi bật.

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng và HVTH: Đinh Tấn Ngọc đã phát triển một giải pháp chi phí thấp, có thể áp dụng cho cả động cơ xăng và Diesel Giải pháp này dễ dàng lắp đặt cảm biến và có khả năng đo tốc độ động cơ từ 700 vòng/phút trở lên.

5000 vòng/phút và điện năng tiêu thụ của mạch đo thấp

Hiện nay, trạm đăng kiểm thường sử dụng máy đo tốc độ động cơ AVL Dispeed và MAHA RPM VC2 để xác định tốc độ động cơ Các thiết bị này sử dụng đầu đo để thu nhận tín hiệu rung động hoặc tiếng ồn của động cơ, từ đó xác định chính xác tốc độ hoạt động.

Người nghiên cứu cũng đã nghiên cứu sự rung động của động cơ thu thập từ tín hiệu cảm biến kích nổ trên động cơ…

Tính cấp thiết của đề tài

Tốc độ động cơ là thông số quan trọng trên ô tô, giúp ECU điều khiển hoạt động phun xăng và đánh lửa một cách hợp lý, đảm bảo động cơ hoạt động tối ưu trong mọi chế độ làm việc Việc xác định nhanh chóng và chính xác tốc độ động cơ trong chẩn đoán giúp công việc bảo dưỡng và sửa chữa diễn ra thuận lợi và hiệu quả hơn.

Các cảm biến đo tốc độ động cơ ô tô hiện nay có độ chính xác và tuổi thọ cao, nhưng cũng gặp một số nhược điểm như yêu cầu gia công các đĩa có rãnh với độ chính xác cao và cần dẫn động trực tiếp hoặc gián tiếp Để giảm bớt công đoạn gia công và lắp ráp, góp phần giảm chi phí sản xuất và bảo trì, cần thiết phải phát triển một phương pháp đo tốc độ động cơ mới, thay thế cho phương pháp truyền thống nhưng vẫn đảm bảo độ bền và chính xác cao.

Mục đích của đề tài

Trong quá trình hoạt động của động cơ, các bộ phận như trục cam, máy phát điện và bơm trợ lực lái được dẫn động qua dây đai, trong khi các cảm biến trên xe gửi tín hiệu liên tục về ECU nhằm tối ưu hóa hiệu suất động cơ ở mọi chế độ làm việc Ý tưởng là nếu các bộ phận được kết nối với động cơ, ta có thể tính toán tốc độ động cơ Do đó, nghiên cứu này trình bày phương pháp sử dụng tín hiệu từ cảm biến đo áp suất tuyệt đối đường ống nạp (MAP) và dạng xung của các tín hiệu trong hệ thống cung cấp điện để thực hiện tính toán này.

Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài

Phương pháp tính toán tốc độ động cơ sử dụng tín hiệu điện áp ắc quy và so sánh với tín hiệu cảm biến vị trí trục cam cho thấy khả năng xác định tốc độ động cơ từ các cảm biến khác hoặc hệ thống ô tô Nghiên cứu thiết kế một máy đo dựa trên các tín hiệu này nhằm tính toán tốc độ động cơ, với mong muốn cải thiện hình dáng và chức năng của thiết bị để phục vụ giảng dạy và ứng dụng trong kiểm định, chẩn đoán trong tương lai.

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài

1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài

 Phân tích các phương pháp đo tốc độ động cơ

 Phân tích cơ sở lý thuyết về áp suất chân không trên đường ống nạp, cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động của cảm biến MAP

 Phân tích cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng của hê ̣ thống cung cấp điện trên ô tô

 Nghiên cứu, phân tích biên dạng tín hiệu của cảm biến MAP và tín hiệu điện trong hệ thống cung cấp điện

 Tìm hiểu về các linh kiê ̣n điê ̣n tử và vi điều khiển

 Thiết kế mạch tính tốc độ động cơ từ cảm biến MAP, G và tín hiệu điện áp ắc quy

 Thử nghiệm và đánh giá kết quả

1.4.2 Giới hạn của đề tài Đề tài chỉ tập trung giải quyết những vấn đề sau:

 Tầm quan trọng của giá trị tốc độ động cơ và các phương pháp đo tốc độ động cơ hiện nay

 Mối quan hệ giữa tín hiệu cảm biến MAP, G và các tín hiệu điện trong hệ thống cung cấp điện với tốc độ động cơ

 Thiết kế, chế tạo máy đo tốc độ động cơ, đánh giá độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tiển.

Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp nghiên cứu tài liệu

 Phương pháp khảo sát đối tượng

 Phương pháp xây dựng mô hình toán

 Phương pháp thực nghiệm và xử lí số liệu

LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

Tầm quan trọng của giá trị tốc độ động cơ

2.2.1 Trong điều khiển động cơ: Tốc độ động cơ là một trong những tín hiệu cơ bản nhất trong việc điều khiển mọi hoạt động của động cơ mà tiêu biểu là điều khiển phun nhiên liệu và đánh lửa

Hình 2.2: Bản đồ góc đánh lửa sớm lý tưởng và góc ngậm điện

Hệ thống đánh lửa đã tiến hóa từ thế hệ đầu tiên với các bộ đánh lửa sớm chân không và ly tâm, giúp hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa theo hoạt động của động cơ dựa trên hai tín hiệu cơ bản: tải và tốc độ động cơ Ngày nay, trong các hệ thống đánh lửa theo chương trình, ECU vẫn sử dụng hai thành phần này để tính toán góc đánh lửa sớm cơ bản, đồng thời điều chỉnh góc ngậm điện, phụ thuộc vào điện thế ắc quy và tốc độ động cơ.

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng 8 HVTH: Đinh Tấn Ngọc nhấn mạnh rằng khi độ động cơ tăng cao, góc đánh lửa cần phải được điều chỉnh sớm hơn Điều này nhằm đảm bảo rằng môi chất cháy và giãn nở đạt được điểm áp suất cực đại tại 10 độ sau điểm chết trên.

Điều khiển phun nhiên liệu là quá trình mà ECU sử dụng lưu lượng khí nạp và tốc độ động cơ để xác định thời điểm và lượng nhiên liệu phun Khi tín hiệu NE bị mất, ECU không thể điều chỉnh việc phun xăng, phun dầu và đánh lửa, dẫn đến việc động cơ ngừng hoạt động.

2.2.2 Trong việc kiểm tra, chẩn đoán

Hư hỏng động cơ có thể biểu hiện qua nhiều dạng khác nhau, đặc biệt là liên quan đến tốc độ của động cơ Ví dụ, hiện tượng mất lửa ở một số xi lanh dẫn đến sự mất cân bằng động và tạo ra tốc độ không ổn định, gây rung lắc cho động cơ Ngoài ra, hiện tượng lọt khí vào đường ống nạp cũng làm tăng tốc độ động cơ khi cầm chừng hoặc khiến tốc độ cầm chừng trở nên không ổn định.

Trong quá trình kiểm định xe cơ giới, việc thực hiện các định mức kiểm tra là rất quan trọng, đặc biệt là ở những giá trị tốc độ động cơ hoặc tốc độ xe cụ thể Một ví dụ điển hình cho quy trình này là đo khí thải, đảm bảo rằng xe đáp ứng các tiêu chuẩn về môi trường.

Các phương pháp đo tốc độ động cơ hiện nay trên ô tô

2.3.1 Dùng cảm biến điện từ

Cảm biến điện từ được sử dụng để xác định tốc độ động cơ trên ô tô, thường được lắp đặt trong bộ chia điện hoặc ở trục khuỷu Các hãng như Toyota, Honda và Daewoo sử dụng loại cảm biến này, bao gồm một cuộn dây và một nam châm vĩnh cửu gắn trên khung từ cùng với rotor cảm biến Khi rotor chuyển động, từ trường qua cuộn dây thay đổi, tạo ra một sức điện động dạng xung xoay chiều Tín hiệu này sau đó được gửi về ECU để xử lý và tính toán tốc độ động cơ.

 Cảm biến điện từ đặt trong bộ chia điện:

Loại này có hai roto tín hiệu và hai cuộn nhận tín hiệu tương ứng với tín hiệu

G và NE nằm trong bộ chia điện Số răng của roto và số cuộn nhận tín hiệu khác nhau tuỳ theo kiểu động cơ

Khi trục khuỷu quay, nó dẫn động trục bộ chia điện quay, tạo ra tín hiệu NE Tín hiệu này được gửi về ECU động cơ để tính toán tốc độ động cơ.

Hình 2.3: Vị trí thực tế của cảm biến điện từ trong bộ chia điện

Cảm biến điện từ đặt ngoài, không sử dụng bộ chia điện, thường được lắp đặt trên các dòng xe động cơ xăng đánh lửa trực tiếp, động cơ Diesel và động cơ CNG Cảm biến NE được bố trí ở đầu trục khuỷu và được gọi là cảm biến vị trí trục khuỷu, giúp xác định vị trí của trục khuỷu trong quá trình hoạt động của động cơ.

Cảm biến quang bao gồm hai loại, khác nhau chủ yếu ở phần tử cảm quang

 Loại sử dụng một cặp LED-photo transistor

 Loại sử dụng một cặp LED-photo diode

Phần tử phát quang (LED) và phần tử cảm quang (photo transistor hoặc photo diode) được lắp đặt trong bộ chia điện, có khả năng dẫn điện khi có ánh sáng chiếu vào và ngừng dẫn điện khi không có ánh sáng Độ dẫn điện của chúng phụ thuộc vào cường độ ánh sáng.

Khi đĩa cảm biến quay, ánh sáng từ LED bị ngắt quãng, khiến phần tử cảm quang hoạt động ngắt liên tục Quá trình này tạo ra các xung vuông, từ đó cho phép tính toán tốc độ động cơ và thời điểm đánh lửa chính xác.

Cuộn nhận tín hiệu NE Rotor tín hiệu G

Cảm biến Hall được chế tạo dựa trên hiệu ứng Hall Khi cấp nguồn điện đến

IC Hall hoạt động bằng cách tạo ra điện áp khi có từ trường của nam châm vĩnh cửu đi qua Để dẫn từ trường qua IC Hall, người ta sử dụng các răng cảm biến hoặc đĩa quay có rãnh được điều khiển bởi trục bộ chia điện, nhằm chắn hoặc cho phép từ trường của nam châm vĩnh cửu tác động lên IC Hall.

Nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng của cảm biến Hall : Khi cánh chắn ra khỏi khe hở giữa

IC Hall và nam châm tạo ra từ trường sẽ xuyên qua khe hở, tác động lên IC Hall, dẫn đến sự xuất hiện của điện áp điều khiển transistor T Khi transistor T dẫn, điện áp trên đường dây tín hiệu sẽ giảm xuống chỉ còn 1V.

Hình 2.4: Khi không chắn từ

Khi cánh chặn đi vào khe hở giữa nam châm và IC Hall, trường bị cánh chặn bằng thép khép kín không tác động lên IC Hall, dẫn đến tín hiệu điện áp từ IC Hall mất, làm cho transistor T ngắt Lúc này, tín hiệu điện áp bằng điện áp từ Igniter nối với ngõ ra của cảm biến Hall.

Như vâ ̣y khi làm viê ̣c cảm bi ến Hall sẽ tạo ra xung vuông tương tự như tín hiệu cảm biến quang

ÁP SUẤT CHÂN KHÔNG TRONG ĐƯỜNG ỐNG NẠP VÀ CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT TUYỆT ĐỐI TRÊN ĐƯỜNG ỐNG NẠP

Đặc điểm, kết cấu của hệ thống nạp trên động cơ đốt trong

3.1.1 Đặc điểm của hệ thống nạp

Hệ thống nạp đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp không khí hoặc hòa khí cho quá trình nạp của động cơ, đảm bảo nạp đầy không khí vào buồng đốt Nó ảnh hưởng lớn đến công suất động cơ, tính kinh tế và môi trường Do đó, khi nghiên cứu hệ thống nạp, cần xem xét mối quan hệ của nó với các hệ thống khác trong động cơ.

3.1.2 Kết cấu của hệ thống nạp trên động cơ xăng

 Hệ thống nạp động cơ dùng chế hòa khí

Hình3.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống nạp thải 1.Bộ lọc không khí; 2.Cổ họng gió; 3.Bộ góp nạp; 4.Bộ góp thải;

5.Bộ xử lý khí thải; 6.Bộ giảm âm

Không khí được hút vào xylanh động cơ qua bộ lọc không khí đến cổ họng gió, nơi mà trong động cơ sử dụng bộ chế hòa, hòa khí được hình thành nhờ độ chân không tại họng Từ đây, không khí sẽ được dẫn đến bộ góp nạp và đi vào buồng đốt Mỗi cụm chi tiết trong hệ thống nạp đều đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp lượng không khí cần thiết cho quá trình đốt cháy.

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng, 12 HVTH: Đinh Tấn Ngọc, đã chỉ ra rằng không khí sạch là yếu tố cần thiết trong buồng đốt động cơ Việc cung cấp không khí sạch giúp quá trình nạp diễn ra hiệu quả hơn, từ đó góp phần đáng kể vào việc tăng công suất của động cơ.

 Hệ thống nạp động cơ phun xăng điện tử

Hình 3.2: Sơ đồ đường nạp động cơ phun xăng điện tử dùng cảm biến MAP

1 Bộ lọc khí 2 Bướ m ga 3 Cảm biến vị trí bướm ga 4 Cổ họng gió

5 Cảm biến MAP 6 Đường ống nạp

Không khí được hút qua bộ lọc để loại bỏ bụi bẩn trước khi vào cổ họng gió, nơi lượng không khí được điều tiết bởi độ mở của bướm ga Dòng khí nạp từ cổ gió đi vào bộ góp nạp và phân chia thành các nhánh vào xylanh động cơ Tùy thuộc vào loại động cơ, cảm biến sẽ được bố trí ở trước hoặc sau bướm ga để xác định lưu lượng không khí nạp vào động cơ, gửi tín hiệu về ECU nhằm tính toán định lượng phun phù hợp Đối với động cơ D-Jetronic, cảm biến MAP (cảm biến chân không) được lắp đặt sau bướm ga để xác định lưu lượng khí nạp thông qua sự thay đổi áp suất.

3.1.3 Kết cấu của hệ thống nạp trên động cơ Diesel

 Trên động cơ Diesel không tăng áp

Không khí được hút vào xylanh động cơ qua bộ lọc không khí và ống góp nạp Ở những quốc gia có khí hậu lạnh, động cơ được trang bị hệ thống sưởi ấm để đảm bảo hoạt động hiệu quả.

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng cùng HVTH: Đinh Tấn Ngọc đã nghiên cứu về việc sử dụng dây điện trở để sưởi ấm không khí trước khi vào các xylanh động cơ, hoặc sử dụng bougie sưởi trong buồng đốt Phương pháp này giúp động cơ dễ nổ khi khởi động trong điều kiện lạnh Đặc biệt, đối với động cơ diesel ở các nước có khí hậu nóng, việc không sử dụng bộ sưởi không khí là một yếu tố cần được xem xét.

 Trên động cơ Diesel tăng áp

Hình 3.3: Sơ đồ nạp thải của động cơ diesel tăng áp

1 Động cơ 2 Mạch giảm tải 3 Van điều tiết 4.Máy nén

5 Bầu lọc không khí 6 Bộ làm mát trung gian 7 Khoang khí nạp Ở động cơ diesel, để tận dụng dụng năng lượng của dòng khí thải trên đường ống thải người ta bố trí tuabin tăng áp để tăng áp dòng khí nạp Khi dòng khí thải đi vào bánh tuabin ta ̣o đô ̣ng năng làm quay tr ục dẫn động bánh nén làm khí n ạp được tăng áp đi vào đường ống nạp động cơ Áp suất tăng áp khí nạp phụ thuộc vào tốc độ động cơ (tốc độ dòng khí thải hay tốc độ quay của bánh tuabin) Với mục đích ổn định tốc độ quay của bánh tuabin trong khoảng hoạt động tối ưu theo số vòng quay của động cơ trên đường nạp có bố trí mạch giảm tải Mạch giảm tải làm việc nhờ van điều tiết thông qua đường khí phản hồi và cụm xi lanh Khi áp suất tăng van mở 1 phần khí thải không qua bánh tuabin, thực hiện giảm tốc độ cho bánh nén khí nạp, hạn chế sự gia tăng quá mức của áp suất khí nạp

Van điều tiết được lắp đặt trên vỏ tuabin, giúp điều chỉnh áp suất khí thải khi động cơ hoạt động ở tải cao Khi áp suất khí thải tăng lên, cánh tuabin sẽ hoạt động với tốc độ lớn hơn, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống Mạch giảm tải cũng đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát áp suất, giúp bảo vệ động cơ khỏi các tình huống quá tải.

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng, 14 HVTH: Đinh Tấn Ngọc, cho biết rằng độ cao làm tăng áp suất không khí nạp vào động cơ Mạch giảm tải có nhiệm vụ điều khiển van điều tiết để xả bớt khí thải từ cửa vào tuabin và ra trực tiếp ống thải Đối với động cơ diesel hiện đại common rail, trên đường nạp còn có cảm biến đo lưu lượng khí nạp (MAF) và luôn được trang bị máy nén tăng áp.

3.2 Đặc điểm áp suất khí nạp trên đường ống nạp

3.2.1 Hiệu ƣ́ng đô ̣ng của dao đô ̣ng áp suất trong quá trình thay đổi môi chất [6]

Trong quá trình thay đổi môi chất thực tế, dòng chảy trong đường ống không phải là dòng chảy dừng và ổn định, mà là dòng chảy không dừng với dạng sóng dồn, giật liên tục Hiện tượng này bao gồm sóng nén, sóng giãn nở và sự truyền sóng, gây ra sóng phản xạ Những yếu tố này sẽ ảnh hưởng đến quá trình nạp và thải của động cơ trong các điều kiện nhất định.

Đồ thị công vùng thấp áp thể hiện sự biến thiên của áp suất trong xi lanh theo thể tích hoặc góc quay trục khuỷu trong quá trình thay đổi môi chất Áp suất trong xi lanh không ổn định mà liên tục dao động trong suốt thời gian này Khi mở xupap, áp suất trong xi lanh giảm nhanh xuống mức thấp hơn áp suất khí trời, sau đó lại tăng lên và tiếp tục dao động Tương tự, trong quá trình nạp, áp suất cũng giảm xuống rất thấp trước khi tăng dần và dao động Hiện tượng này xảy ra do dòng khí thoát ra từ xi lanh với tốc độ cao làm giảm áp suất nhanh chóng, có lúc thấp hơn áp suất khí trời, trong khi sản phẩm cháy đi vào đường thải làm tăng áp suất tại đây, gây cản trở cho dòng khí thoát ra từ xi lanh.

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng và HVTH: Đinh Tấn Ngọc đã chỉ ra rằng hiện tượng tăng trở lại và piston cường chế đẩy sản vật cháy ra ngoài xảy ra do tốc độ đẩy không đều của piston Điều này dẫn đến sự thay đổi liên tục trong tiết diện lưu thông qua xupap, tạo ra hiện tượng tăng giảm áp suất môi chất trong xi lanh.

Trong quá trình nạp, tác động hút của piston và lực cản của đường ống nạp tạo ra độ chân không trong xi lanh Tốc độ chuyển động không đều của piston cùng với sự thay đổi tiết diện lưu thông của xupap gây ra dao động áp suất Khi thay đổi môi chất, hiệu ứng dao động áp suất của khí thể trên đường ống làm cho sự thay đổi áp suất trong xi lanh trở nên phức tạp hơn.

3.2.2 Mối liên hệ giữa áp suất chân không trên đường ống nạp và tốc độ động cơ

Dao động của áp suất chân không trên đường ống nạp xuất phát từ sự thay đổi môi chất trong quá trình hoạt động của động cơ Tần số dao động áp suất phụ thuộc vào tần số thay đổi môi chất của các xi lanh, mà tần số này lại được quyết định bởi tốc độ động cơ Khi tốc độ động cơ tăng, tần số thay đổi môi chất cũng tăng, dẫn đến dao động áp suất diễn ra nhanh hơn Do đó, tốc độ động cơ ảnh hưởng trực tiếp đến tần số dao động của áp suất, và từ tần số này, ta có thể xác định được tốc độ động cơ.

Hiện tượng áp điện, được phát hiện lần đầu bởi nhà khoáng vật học người Pháp vào năm 1817 và sau đó được nghiên cứu bởi anh em Pierre và Jacques Curie vào năm 1880, là hiện tượng mà một chất có tính chất gần giống gốm có thể biến đổi hình dạng khi chịu tác động của điện trường và ngược lại, tạo ra dòng điện khi có lực cơ học tác động Hiện tượng này hoạt động như một máy biến đổi năng lượng trực tiếp giữa điện và cơ học, với hai hiệu ứng thuận và nghịch: khi tác dụng lực lên vật, nó sinh ra điện áp, và khi áp dụng điện thế, nó tạo ra lực làm biến dạng vật.

Hiện tƣợng áp điện

Hiện tượng áp điện, lần đầu tiên được nhà khoáng vật học Pháp đề cập vào năm 1817 và sau đó được anh em nhà Curie nghiên cứu vào năm 1880, là hiện tượng mà một chất có tính chất gần giống gốm có thể biến đổi hình dạng khi chịu tác động của điện trường và ngược lại, tạo ra dòng điện khi có lực cơ học tác động Hiện tượng này cho phép chuyển đổi trực tiếp giữa năng lượng điện và năng lượng cơ học Khi tác dụng lực lên vật, điện áp sẽ được sinh ra, trong khi khi áp dụng điện thế, vật sẽ biến dạng do lực tạo ra.

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng và 16 HVTH: Đinh Tấn Ngọc đã chỉ ra rằng các vật liệu PZT (chì Pb, zirconia, titan) có khả năng tạo ra tính chất áp điện, tương tự như thạch anh Hiện tượng áp điện được phân loại thành hai loại chính: hiện tượng áp điện thuần và hiện tượng áp điện nghịch.

3.3.1 Hiện tƣợng áp điện thuận

Khi tác động lực cơ học lên các tinh thể gốm, như nén hoặc kéo giãn theo những phương đặc biệt, sẽ xuất hiện điện tích trái dấu ở các mặt giới hạn của tinh thể Điều này dẫn đến việc hình thành một hiệu điện thế giữa hai bề mặt.

Hình 3.5: Hiện tượng áp điện

Chiều hiệu điện thế giữa hai bề mặt vật liệu phụ thuộc vào tác động kéo hoặc nén Hiện tượng áp điện xảy ra ở các tinh thể như thạch anh, tuamalin, muối sécnhet, đường, và titanat bari Hiện tượng áp điện thuận được ứng dụng trong kỹ thuật để chuyển đổi các dao động cơ thành dao động điện.

Trên mô ̣t vài dòng xe ô tô hiê ̣n nay có sử dụng cảm biến MAP , cảm biến kích nổ… đươ ̣c dựa trên hiê ̣n tượng áp điê ̣n thuâ ̣n

3.3.2 Hiện tƣợng áp điện nghịch

Khi áp dụng một hiệu điện thế lên hai mặt của các tinh thể, chúng sẽ trải qua hiện tượng dãn hoặc nén Đặc biệt, nếu hiệu điện thế là xoay chiều, tinh thể sẽ liên tục giãn-nén và dao động theo tần số của hiệu điện thế đó.

Tính chất này được ứng dụng để chế tạo các nguồn phát sóng siêu âm

3.4 Cấu tạo, nguyên lý đo của cảm biến áp điện

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến áp điện

Bộ chuyển đổi kiểu áp điện sử dụng phần tử áp điện để chuyển đổi trực tiếp ứng lực do lực F tác động từ áp suất thành tín hiệu điện.

Cảm biến kiểu áp điện bao gồm hai loại chính: phần tử áp điện dạng tấm và phần tử áp điện dạng ống Khi áp suất p tác động lên các bản áp điện, lực F sẽ tạo ra một điện tích Q trên hai mặt của bản áp điện, tỉ lệ với lực tác dụng.

Hằng số áp điện k của thạch anh là 2,22 x 10^-12 C/N Để tăng điện tích Q, người ta ghép song song nhiều bản cực Đối với phần tử áp điện dạng ống, điện tích trên các bản cực được xác định theo công thức cụ thể.

D, d: đường kính ngoài và đường kính trong của phần tử áp điện

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng 18 HVTH: Đinh Tấn Ngọc h: chiều cao phần phủ kim loại

Cảm biến áp điện có khả năng giảm kích thước một cách hiệu quả, đặc biệt trong trường hợp ống dạng hình trụ, có thể giảm đường kính xuống chỉ còn vài milimet.

Cảm biến áp điện có dải áp suất đo được từ vài mbar đến hàng ngàn bar, với độ nhạy dao động từ 0,05 pC/bar đến 1 pC/bar, phụ thuộc vào hình dạng của phần tử áp điện và dải đo Độ tuyến tính của cảm biến nằm trong khoảng 0,1% đến 1% của dải đo, kèm theo độ trễ dưới 0,0001% và độ phân giải đạt 0,001%.

3.4.2 Nguyên lý đo của cảm biến áp điện

Trong cảm biến áp suất, vật trung gian thường là các phần tử đo lực với thông số hình học có khả năng thay đổi dưới tác dụng của lực F = p.S Một số cảm biến sử dụng màng mỏng để đo áp suất, trong đó sự khác biệt về áp suất giữa hai mặt của màng tạo ra lực tổng cộng F, gây ra biến dạng tại mọi điểm trên màng Đối với chất lưu không chuyển động, áp suất được gọi là áp suất tĩnh, được biểu diễn bằng công thức p = p_t.

Đo áp suất chất lưu là quá trình xác định lực tác động lên một diện tích của thành bình Đối với chất lưu đứng yên trong một ống hở thẳng đứng, áp suất tĩnh tại điểm M, cách bề mặt tự do một khoảng h, được tính theo công thức: p = p₀ + ρgh.

Trong đó: p 0 : áp suất khí quyển ρ: khối lượng riêng chất lưu g : gia tốc trọng trường Để đo áp suất tĩnh có thể tiến hành bằng các phương pháp sau:

 Đo áp suất chất lưu lấy qua một lỗ được khoan trên thành bình nhờ cảm biến thích hợp

 Đo trực tiếp biến dạng của thành bình do áp suất gây nên

Trong phương pháp đo áp suất đầu tiên, cảm biến được đặt sát thành bình, giúp cân bằng áp suất cần đo với áp suất thuỷ tĩnh do cột chất lỏng tạo ra Khi sử dụng vật trung gian có phần tử nhạy cảm với lực, cảm biến thường được trang bị bộ phận chuyển đổi điện Để đảm bảo sai số đo nhỏ, thể tích chết của kênh dẫn và cảm biến cần phải không đáng kể so với tổng thể tích chất lưu cần đo.

Trong phương pháp đo thứ hai, cảm biến đo ứng suất được gắn vào thành bình để theo dõi biến dạng, biến dạng này phụ thuộc vào áp suất Đối với chất lỏng đang chuyển động, áp suất tổng cộng p được xác định bằng tổng của áp suất tĩnh p t và áp suất động p d, theo công thức p = p t + p d.

Áp suất tĩnh là áp suất xuất hiện khi chất lỏng không di chuyển, và có thể được đo bằng các phương pháp đã đề cập Ngược lại, áp suất động là kết quả của sự chuyển động của chất lưu, có giá trị tỷ lệ với bình phương vận tốc của chất lưu.

Trong đó ρ là khối lượng riêng chất lưu

Khi dòng chảy va đập vuông góc với mặt phẳng, áp suất động chuyển thành áp suất tĩnh, và áp suất tác dụng lên mặt phẳng là áp suất tổng Do đó, áp suất động được xác định bằng cách đo chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh Việc đo hiệu (p - p t) thường được thực hiện thông qua hai cảm biến kết nối với hai đầu ra của ống Pitot, trong đó cảm biến số 1 đo áp suất tổng và cảm biến số 2 đo áp suất tĩnh.

Hình 3.7: Cách bố trí cảm biến

Áp suất động có thể được đo bằng cách đặt áp suất tổng lên mặt trước và áp suất tĩnh lên mặt sau của màng đo, từ đó cảm biến cung cấp tín hiệu chênh lệch giữa hai áp suất này Cảm biến áp suất sử dụng chuyển đổi tín hiệu bằng điện có ưu điểm là đáp ứng tần số tốt, thích hợp cho việc đo áp suất thay đổi nhanh, đồng thời có kích thước nhỏ và ít nhạy cảm với gia tốc.

Đến nay, cảm biến áp suất loại áp điện thạch anh đã được xác định là phù hợp để chẩn đoán các thông số bên trong động cơ.

3.4.3 Đôi nét về hệ thống L-Jetronic và D-Jetronic

Hệ thống L-Jetronic, với "L" là viết tắt của từ "Luft" trong tiếng Đức, nghĩa là không khí, sử dụng các cảm biến đo gió trực tiếp như cảm biến đo gió kiểu cánh trượt, cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt, và cảm biến đo gió kiểu siêu âm Ngược lại, hệ thống D-Jetronic, với "D" là viết tắt của từ "Druck" trong tiếng Đức, nghĩa là áp suất, sử dụng cảm biến MAP để đo lưu lượng không khí gián tiếp thông qua áp suất trong đường ống nạp.

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến MAP

3.5.1 Giới thiệu về cảm biến MAP [7]

Cảm biến MAP (Cảm biến áp suất tuyệt đối ống nạp) là thiết bị đo áp suất tuyệt đối trong ống nạp, còn được gọi là cảm biến chân không Cảm biến này hoạt động dựa trên hiện tượng áp điện thuần và được lắp đặt bên ngoài động cơ, với cấu trúc gọn nhẹ, không gây cản trở cho quá trình dò khí nạp như các loại cảm biến khác.

Nó thường được sử dụng cho các hãng Honda, Toyota, Dahatsu, Ford, …

3.5.2 Cấu tạo của cảm biến MAP[5]

Cảm biến MAP gồm buồng chân không , ống kết nối để lấy áp suất phía sau cánh bướm ga, lưới lọc, chip sillicon

Hình 3.8: Cấu tạo cảm biến MAP [5]

3.5.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến MAP[7]

Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên mối quan hệ giữa độ chân không trong đường ống nạp và lưu lượng không khí nạp Khi khối lượng không khí nạp giảm, độ chân không trong đường ống nạp sẽ tăng lên và ngược lại Độ chân không này được chuyển thành tín hiệu điện áp thông qua một IC bên trong cảm biến, sau đó gửi về ECU để xác định lưu lượng không khí nạp.

Hình 3.12: Biến dạng của màng silicon theo áp suất [7]

Bên trong cảm biến, có một màng silicon được phủ thạch anh, tạo thành điện trở áp điện (piezoresistor) với độ dày khoảng 0.25 mm ở mép ngoài và 0.025 mm ở trung tâm, kết hợp với buồng chân không và một con IC.

Màng silicon được bố trí tiếp xúc với độ chân không trong đường ống nạp, trong khi mặt còn lại được duy trì trong buồng chân không với áp suất cố định Khi áp suất trong đường ống nạp thay đổi, màng silicon sẽ biến dạng, dẫn đến sự thay đổi điện trở của nó Tín hiệu điện áp từ IC gửi về ECU cũng sẽ thay đổi theo áp suất trong đường ống nạp ECU cung cấp cho IC một điện áp ổn định là 5V Khi áp suất trong đường ống nạp tăng, tín hiệu điện áp từ chân tín hiệu gửi về ECU cũng tăng theo, và ngược lại.

3.5.4 Đặc tuyến hoạt động của cảm biến MAP [5]

Khác với hệ thống phun xăng L-Jetronic, D-Jetronic xác định lượng khí nạp vào xi lanh một cách gián tiếp thông qua cảm biến đo áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp (MAP).

Hình 3.103: Đặc tuyến hoạt động của cảm biến MAP [5]

Khi áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp thay đổi do tải của động cơ, cảm biến MAP sẽ gửi tín hiệu điện áp về ECU để xác định lượng không khí vào xylanh Dựa vào giá trị này, ECU điều khiển thời gian mở kim phun và thời điểm đánh lửa Vì vậy, tín hiệu từ cảm biến MAP rất quan trọng trong hệ thống D-Jetronic.

3.6 Đặc điểm tín hiệu ra ở chân PIM cảm biến MAP trong quá trình hoạt động của động cơ (Toyota)

Điện áp chân PIM của cảm biến MAP tỉ lệ thuận với áp suất tuyệt đối trong đường ống nạp, cho thấy tín hiệu này dao động theo tốc độ động cơ Ở động cơ một xi lanh, áp suất đường ống nạp thay đổi mạnh giữa mức chân không và khí trời, dẫn đến sự dao động lớn của tín hiệu cảm biến MAP Tuy nhiên, ở động cơ nhiều xi lanh, do các thì nạp chồng chéo, sự dao động áp suất giảm, làm cho chênh lệch điện áp ở chân PIM không lớn Ở tốc độ cao, hiện tượng áp suất nạp “bão hòa” có thể xảy ra, khiến mối liên hệ với tốc độ động cơ trở nên không rõ ràng, và áp suất trung bình cũng khác nhau ở từng tốc độ, dẫn đến điện áp trung bình của tín hiệu cũng thay đổi.

Đặc điểm của tín hiệu ra ở chân PIM của cảm biến MAP trong quá trình hoạt động của động cơ (Toyota)

Kết quả đo tín hiệu cảm biến MAP trên động cơ 4 xi lanh 4 kỳ 5S-FE được thể hiện qua các giá trị tốc độ khác nhau Các đường biểu diễn tín hiệu này được vẽ bằng phần mềm Matlab 2012 dựa trên dữ liệu thu thập từ máy Oscilloscope.

Ở tốc độ cầm chừng, tín hiệu dao động trong khoảng 0.08V (từ 1,52 đến 1,6 V), cho thấy tính chu kỳ của tín hiệu theo tốc độ động cơ Mặc dù ở các tốc độ khác nhau cũng xuất hiện tính chu kỳ này, mức độ rõ ràng của nó thay đổi tùy thuộc vào tốc độ.

Hình 3.11: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP ở tốc độ cầm chừng

Tại 1.500 rpm, tín hiệu cảm biến MAP chỉ nhỉnh hơn một chút so với khi xe ở chế độ cầm chừng (0,1V), nhưng vẫn có thể nhận thấy rõ bốn xung tín hiệu MAP giữa các xung tín hiệu G Các tín hiệu nhiễu từ hoạt động đóng muộn và mở sớm của xupap nạp các xi lanh có biên độ lớn hơn, gây biến dạng tín hiệu MAP nhiều hơn so với chế độ cầm chừng Giá trị trung bình của tín hiệu giảm do độ chân không sau cánh bướm ga tăng lên so với tốc độ cầm chừng.

Hình 3.12:Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP và G ở 1.500 rpm

Hình 3.13: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP ở tốc độ 1.500 rpm

Ở 2.500 rpm, dao động tín hiệu vẫn ở mức nhỏ nhưng chịu ảnh hưởng nhiều từ nhiễu Tần số tín hiệu tăng theo tốc độ động cơ, cho thấy giữa hai xung tín hiệu G vẫn có thể quan sát thấy 4 xung tín hiệu PIM.

Hình 3.14: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP và G ở 2.500 rpm

Ở 3.500 rpm, biên độ dao động tăng lên 0,15V, giúp làm rõ biên dạng dao động của tín hiệu Đồng thời, mức điện áp trung bình tại chân PIM cũng tăng do cánh bướm ga mở rộng, dẫn đến giảm áp suất chân không sau cánh bướm ga.

Tại mức 4.100, biên độ dao động tiếp tục gia tăng, đạt 0,18V Ảnh hưởng của nhiễu tín hiệu trở nên rõ ràng, khi mỗi xung tín hiệu chính bị biến dạng thành hai xung: một xung lớn với biên độ khoảng 0,18V và một xung nhỏ hơn từ 0,12 đến 0,14V Mỗi xung G tương ứng với 4 xung chính của cảm biến MAP.

Khi đạt 4.800 rpm, việc nhận diện xung tín hiệu từ cảm biến MAP trở nên khó khăn do sai lệch lớn trong biên dạng tín hiệu Ở tốc độ cao hơn hoặc khi động cơ gặp hư hỏng gây rung lắc, áp suất động của dòng khí nạp tăng cao và dao động mạnh, dẫn đến tín hiệu cảm biến MAP không còn liên quan đến tốc độ động cơ Hiện tượng này được gọi là "bão hòa" áp suất khí nạp.

Hình 3.20: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP ở 4.800 rpm

3.6.2 Khi tăng, giảm tốc độ

Hình 3.21: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP thay đổi theo tốc độ

3.6.3 Mối liên hệ giữa tín hiệu cảm biến MAP và tốc độ động cơ

Dao động chu kỳ của tín hiệu PIM xuất phát từ hoạt động của kỳ nạp động cơ Khi một xi lanh ở kỳ nạp, độ chân không trong ống góp nạp tăng, dẫn đến giảm điện áp chân PIM Sau khi qua kỳ nạp, áp suất tăng lên làm điện áp tăng Ở động cơ 4 kỳ 4 xi lanh, có bốn kỳ nạp xảy ra trong hai vòng quay trục khuỷu, tương ứng với bốn dao động của tín hiệu MAP Do đó, tốc độ động cơ liên quan trực tiếp đến tần số dao động này.

RPM = 60.f MAP /2= 30f MAP (3.8) Tổng quát, đối với động cơ 4 kỳ n xi lanh thì:

HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN TRÊN Ô TÔ

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ ĐO TỐC ĐỘNG CƠ

Định dạng
Số trang	89
Dung lượng	7,46 MB