PHẦN 1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TRÊN Ô TÔ CHƯƠNG 1 SƠ LƯC VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TRÊN Ô TÔ 1.1 Lòch sử phát triển Vào thế kỷ 19, một kỹ sư người Pháp – ông Stevan – đã nghó 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 thì tónh tại (nhiên liệu dùng trên động cơ này là dầu hỏa nên hay bò kích nổ và hiệu suất rất thấp). Tuy nhiên, sau đó sáng kiến này đã được ứng dụng thành công trong việc 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 liên tục vào trước supap hút nên có tên gọi là K – Jetronic (K – Konstant – liên tục, Jetronic – phun). K – Jetronic 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 các hệ thống phun xăng thế hệ sau như KE – Jetronic, Mono – Jetronic, L – Jetronic, Motronic… Tên tiếng Anh của K – Jetronic là CIS (continuous injection system) đặc trưng cho các hãng xe Châu Âu và có 4 loại cơ bản cho CIS là: K – Jetronic, K – Jetronic với các cảm biến oxy và KE – Jetronic (có kết hợp điều khiển bằng điện tử) hoặc KE – Motronic (kèm điều khiển góc đánh lửa sớm). Do hệ thống phun cơ khí còn nhiều nhược điểm nên đầu những năm 80, BOSCH đã cho ra đời hệ thống phun sử dụng kim phun điều khiển bằng điện. Có hai loại: hệ thống L – Jetronic (lượng nhiên liệu phun được xác đònh nhờ cảm biến đo lưu lượng khí nạp) và D – Jetronic (lượng nhiên liệu phun được xác đònh 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 năm 1987, hãng Nissan dùng L– Jetronic thay cho bộ chế hoà khí của xe Nissan Sunny. 1 Song song với sự phát triển của hệ thống phun xăng, hệ thống điều khiển đánh lửa theo chương trình (ESA – Electronic Spark Advance) cũng được đưa vào sử dụng vào những năm đầu thập kỷ 80. Sau đó, vào đầu những năm 90, hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS – Direct Ignition System) ra đời, cho phép không sử dụng delco và hệ thống này đã có mặt trên hầu hết các xe thế hệ mới. Ngày nay, gần như tất cả các ôtô đều được trang bò hệ thống điều khiển động cơ cả động cơ xăng và động cơ Diesel theo chương trình, giúp động cơ đáp ứng được các yêu cầu gắt gao về khí xả và tính tiết kiệm nhiên liệu. Thêm vào đó công suất động cơ cũng được cải thiện rõ rệt. Những năm gần đây, một thế hệ mới của động cơ phun xăng đã ra đời. Đó là động cơ phun xăng trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection). Trong tương lai gần, chắc chắn GDI sẽ được sử dụng rộng rãi. 1.2 Tiêu chí lập trình động cơ  Chống ô nhiễm.  Tính kinh tế nhiên liệu.  Công suất động cơ. 2 CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH VÀ NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 2.1 Một số khái niệm về hệ thống điều khiển tự động sử dụng trên ôtô  Hệ thống điều khiển tự động là gì ? Hệ thống điều khiển tự động là hệ thống không có sự tham gia trực tiếp của con người trong quá trình điều khiển.  Hệ thống điều khiển vòng hở Là hệ thống thực hiện nguyên tắc khống chế cứng. Tức là tín hiệu ra Y không cần đo lường để đưa trở về ban đầu. Mọi sự thay đổi của tín hiệu ra Y không phản ánh vào TBĐK. Tín hiệu X đặt vào như thế nào thì tín hiệu Y ra như thế ấy, khả năng phản hồi của hệ thống hở không có.  Hệ thống điều khiển vòng kín Là hệ thống thực hiện điều khiển có phản hồi tức là tín hiệu Y được đo lường và dẫn đến đầu vào phối hợp với tín hiệu X tác dụng lên TBĐK để tạo ra tín hiệu U sau đó tác động vào ĐTĐK gây sự biến đổi Y. 3 TBĐK ĐTĐK X YU Hinh 2.1: Sơ đồ khối hệ thống hở. Hình:2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển có cơ cấu phản hồi H(s) Y Cơ cấu so sánh G(s) U X1 2.2 Sơ đồ cấu trúc và các khối chức năng Một trong những vấn đề chủ yếu mà điều khiển tự động trên ô tô phải giải quyết ta điều khiển các thông số ra của các hệ thống trang bò trên xe sao cho đảm bảo tính năng và sự an toàn của ô tô là tốt nhất trong mọi điều kiện hoạt động. Đối với ôtô khi vận hành luôn có sự thay đổi về tốc độ, tải trọng, khí hậu môi trường, điều kiện mặt đường … Vì cần phải điều khiển các thông số ra cho những hệ thống trên ô tô khá đa dạng và phức tạp, ngoài ra các hệ thống này còn chòu ảnh hưởng của những tác động bên ngoài. Do vậy, điều khiển tự độâng trên ôtô thường áp dụng hệ thống điều khiển kín và có hồi tiếp. Sự áp dụng loại hệ thống này tạo được mối liên hệ trực tiếp giữa những tác động cần thiết để điều khiển hệ thống với các thông số hoạt động của hệ thống đồng thời loại bỏ những tác động nhiễu đến thông số này đảm bảo cho giá trò của chúng luôn phù hợp với giá trò mà ta mong muốn.  Các hệ thống được điều khiển tự động trang bò trên ôtô hiện nay là những hệ thống điều khiển bằng máy tính (Computer Control System). Trong đó phần tử điều khiển (Controller) gồm: một máy tính có phối hợp các thiết bò giao tiếp đầu vào, đầu ra, các cảm biến (Sensors ) và các thiết bò thực hiện (Actators). Các thuật toán điều khiển được tính toán và lập chương trình ghi vào bộ nhớ của máy tính.  Các cảm biến có vai trò xác đònh thông tin và hoạt động của động cơ cũng như các thông tin về môi trường ngoài có liên quan đến sự hoạt động của động cơ, những thông tin này ở dạng các tín hiệu đòên áp (Electric Signals) được cảm biến gửi về bộ vi xử lý thông qua thiết bò giao tiếp đầu vào (khuyếch đại, chuyển đổi A/D …) 4 Dữ liệu chứa trong bộ nhớ máy tính Thiết bò thực hiện Các cảm biến Các thiết bò giao tiếp đầu vào H e ä t h o á n g c a à n đ i e à u k h i e å n Bộ điều khiển Thiết bò giao tiếp đầu ra Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tự động trên ô tô Compurator  Bộ vi xử lý sẽ so sánh những thông tin này so với những thông tin trong bộ nhớ máy tính để từ đó phát ra tín hiệu điều khiển thích hợp. Tín hiệu điều khiển U được gửi đến các thiết bò thực hiện thông qua các thiết bò kiểm soát giao tiếp đầu ra để tác động điều khiển các thông số hoạt động của động cơ. 2.3 Thuật toán điều khiển lập trình cho ECU. Thuật toán điều khiển lập trình cho động cơ được nhà chế tạo viết và cài đặt sẵn trong CPU. Tuỳ thuộc vào từng chế độ làm việc hay tình trạng động cơ mà ECU tính toán dựa trên lập trính có sẵn đó để đưa ra những tín hiện điều khiển sao cho động cơ làm việc tối ưu nhất. 2.3.1 lý thuyết điều khiển Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển động cơ với liên hệ ngược Các hệ thống điều khiển kiểu cổ điển trên ô tô thường được thiết kế với liên hệ ngược ( feedback control ). Mặc dù trong một hệ thống điều khiển có nhiều thông số phụ thuộc, đầu tiên ta hãy xem xét hệ thống với một thông số. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống này được trình bày trên hình. Thông số điều khiển xuất hiện ở đầu ra được ký hiệu ξ(t). Tín hiệu so R(t) đã được đònh sẵn. Cảm biến sẽ đưa ra tín hiệu ( ) tV ξ tỉ lệ thuận với ξ(t), tức là: ( ) ( ) tktV s ξ ξ . = Khi đó sẽ xuật hiện sự chênh lệch điện thế giữa tín hiệu thực và tín hiệu so V e (t): ( ) ( ) ( ) tVtrtV e ξ −= Nếu hệ thống làm việc lý tưởng thì giá trò V e (t) trong một khoảng thời gian nào đó (ví dụ ở chế độ động cơ đã ổn đònh) phải bằng 0. Trên thực tế giữa 2 tín hiệu nêu trên luôn có sự chênh lệch và mạch điện điều khiển điện tử sẽ dựa vào sự chênh lệch này để hình thành xung V a (t) điều khiển cơ cấu chấp hành (chẳng hạn kim phun). Việc thay đổi sẽ tác động đến thông số đầu vào U(t) của động cơ (ví dụ tỉ lệ hòa khí).  Ngày nay, có rất nhiều phương pháp điều khiển động cơ dựa trên cơ sở sử dụng máy tính để xử lý tín hiệu. Thông thường các máy tính này giải bài toán tối ưu có điều kiện biên để điều khiển động cơ. Mục tiêu của 5 bài toán tối ưu là điều khiển động cơ đạt công suất lớn nhất với mức tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất trong các điều kiện giới hạn về độ độc hại của khí thải. Như vậy ta có thể biểu diễn hệ thống điều khiển ô tô tối ưu trong mối quan hệ của 3 vectơ sau: ( ) ;,,, 4321 yyyyy = ( ) ;,,,, 54321 uuuuuu = ( ) ;,, 321 xxxx = Vec tơ y(t) là hàm phụ thuộc vào các thông số ở ngõ ra bao gồm các thành phần sau: ( ) ( )( ) :, 1 tutxy tốc độ tiêu hao nhiên liệu. ( ) ( )( ) :, 2 tutxy tốc độ phát sinh HC. ( ) ( )( ) :, 3 tutxy tốc độ phát sinh CO. ( ) ( )( ) :, 4 tutxy tốc độ phát sinh NO x . Vectơ x(t) mô tả tình trạng của động cơ tức điều kiện hoạt động , phụ thuộc vào các thông số: x 1 : áp suất trên đường ống nạp. x 2 : tốc độ quay của trục khuỷu. x 3 : tốc độ xe. Vectơ u(t) mô tả các thông số được hiệu chỉnh bởi hệ thống điện tử , bao gồm các thành phần: u 1 : tỉ lệ khí-nhiên liệu trong hòa khí u 2 : góc đánh lửa sớm. u 3 : sự lưu hồi khí thải (EGR-Exhaust Gas Recirculation). u 4 : vò trí bướm ga. u 5 : tỉ số truyền của hộp số. Để giải bài toán tối ưu nêu trên với các điều kiện biên, người ta xác đònh mục tiêu tối ưu là lượng tiêu hao nhiên liệu F theo chu trình thử EPA : ( ) ( )( ) ( ) ∫ = T tdtutxyF 0 1 , Trong đó: x 3 (t) là tốc độ xe quy đònh khi thử nghiệm xác đònh thành phần khí thải theo chu trình EPA, t là thời gian thử nghiệm. Như vậy, động cơ đốt trong sẽ được điều 6 khiển sao cho F luôn đạt giá trò nhỏ nhất với điều kiện biên là quy đònh của các nước về nồng độ các chất độc hại trong khí thải. ( ) ( )( ) ∫ 〈= T GdttutxyG 0 222 , ( ) ( )( ) ∫ 〈= T GdttutxyG 0 333 , Trong đó: G 2 , G 3 , G 4 hàm lượng chất độc trong khí xả theo qui đònh tương ứng với HC, CO và NO X . Trong quá trình xe chạy, các vectơ x(t), u(t) là các thông số động. Khi giải bài toán tối ưu nêu trên, ta cũng có thể đặt ra các giới hạn của vectơ này. Trên thực tế, các kết quả tối ưu thường được xác đònh bằng thực nghiệm và được nạp vào bộ nhớ ROM dưới dạng bảng tra (look-up table). Trình tự tính toán và tìm kiếm các thông số tối ưu của động cơ được mô tả trên lưu đồ thuật toán điều khiển trình bày trên hình 2.5 7 hỡnh 2.5 Thuaọt toaựn ủieu khieồn ủoọng cụ 8 2.3.2 Phương pháp đo khối lượng khí nạp Một yếu tố quan trọng trong điều khiển phun xăng là phải xác đònh được khối lượng không khí nạp đi vào xy lanh. Lượng xăng tương ứng sẽ được tính toán để bảo đảm tỉ lệ hòa khí mong muốn. Trên thực tế,chúng ta không thể đo chính xác khối lượng không khí đi vào từng xy lanh. Vì vậy, khi điều khiển động cơ phun xăng, người ta thường dựa trên lưu lượng không khí đi qua đường ống nạp tính bằng khối lượng. Có phương pháp để xác đònh khối lượng không khí: trong phương pháp trực tiếp, khối lượng không khí được đo bằng cảm biến dây nhiệt (airmass sensor). Trong phương pháp gián tiếp, người ta sử dụng cảm biến đo thể tích không khí (dùng cảm biến đo gió loại cánh trượt, cảm biến Karman…) hoặc cảm biến đo áp suất trên đường ống nạp (Map sensor), sau đó phối hợp với cảm biến đo nhiệt độ khí nạp và cảm biến tốc độ động cơ để tính toán khối lượng không khí. Phần tính toán được cài sẵn trong ROM. Phương pháp này còn gọi là phương pháp tốc độ – tỉ trọng.  Phương pháp trực tiếp Hình 2.6 hệ thống điều khiển động cơ sử dụng phương pháp đo trực tiếp khối lượng khí nạp 9  Phương pháp tốc độ tỉ trọng Hình 2.7 hệ thống điều khiển động cơ sử dụng phương pháp tốc độ – tỉ trọng Đối với một thể tích không khí V ở điều kiện nhiệt độ T và áp suất P, tỉ trọng của không khí được xác đònh bởi: a a M d V = Trong đó M a là khối lượng không khí của thể tích V Hay: a a M d V= Như vậy, lưu lượng không khí tính bằng khối lượng m R có thể suy ra từ lưu lượng không khí tính bằng thể tích v R m v a R R d = Phối hợp với cảm biến đo áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp và nhiệt độ khí nạp, máy tính có thể xác đònh tỉ trọng d a theo biểu thức: 0 0 0 a pT d d p T = 10 . 15 PHẦN 2 KHAI THÁC – LẮP ĐẶT MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 4S- FE CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 4S- FE 1.1 Mô tả hệ thống Các. xe. 18 CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÁC Ở một số loại động cơ, ECU động cơ còn điều khiển cả hệ thống điều khiển cắt số truyền tăng, hệ thống điều khiển khí