Luận Văn Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm bộ điều khiển tự động động cơ xăng trang bị trên ô tô hiện đại

Đồ án tốt nghiệp năm 2012
Đề tài: Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm bộ điều khiển tự động động cơ xăng trang bị trên ô tô hiện đại


MỤC LỤC
MỤC LỤC i
DANH MUC CÁC BẢNG . iv
DANH MỤC CÁC HÌNH . v
LỜI NÓI ĐẦU 1
Chương 1:
TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ
1.1. Tổng quan về cơ điện tử trên ô tô 3
1.2. Điều khiển động cơ 5
1.2.1. Điều khiển đánh lửa bằng điện tử (ESA) . 5
1.2.2. Điều khiển tốc độ không tải (ISC) 8
1.2.3. Hệ thống phun nhiên liệu điện tử (EFI) . 10
1.2.3.1. Hệ thống phun xăng điện tử (EFI-xăng) 10
1.2.3.2. Hệ thống phun dầu điện tử (EFI-diesel) . 12
1.3. Hệ thống điều khiển khung gầm 15
1.3.1. Điều kiển hệ thống chống bó cứng bánh xe (ABS) . 15
1.3.2. Hệ thống treo khí điều khiển bằng điện tử (EMAS) 17
1.3.3. Hệ thống lái trợ lực điện (EPS) 18
1.4. Các hệ thống điều khiển khác 18
1.4.1. Hệ thống điều khiển điện tử của hộp số tự động ECT . 19
1.4.2. Hệ thống mã khóa động cơ 19
Chương 2:
KẾ CẤU VÀ NGUYÊN LÝ BỘ ĐIỀU KHIỂN
TỰ ĐỘNG ĐỘNG CƠ XĂNG (ECU)
2.1. Tổng quan về ECU (Electronic Control Unit) . 21
2.1.1. Chức năng – yêu cầu của ECU 21
2.1.2. Kết cấu chung của ECU . 22
ii
2.2. Cấu tạo của ECU 26
2.2.1. Giới thiệu về ECU GEMS - K1 . 27
2.2.2. Các chân của ECU GEMS-K1 . 30
2.2.3. Cấu tạo của ECU GEMS - K1 . 37
2.2.3.1. Khối nhận tín hiệu . 40
2.2.3.2. Khối vi điều khiển . 50
2.2.3.3. Khối chấp hành . 58
Chương 3:
CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ
3.1. Đặt vấn đề . 73
3.2. Các thông số cơ bản cho hệ thống đánh lửa . 74
3.2.1. Lựa chọn các thông số cơ bản cho hệ thống đánh lửa . 74
3.2.2. Tính toán các thông số cho hệ thống đánh lửa lập trình ECU . 75
3.3. Thiết kế phần cứng ECU 82
3.3.1. Chọn linh kiện chế tạo bộ điều khiển đánh lửa điện tử . 82
3.3.1.1. Giới thiệu về atmega8 . 83
3.3.1.2. Sơ đồ khối của atmega8 86
3.3.2. Sơ đồ các khối trong ECU . 87
3.3.2. 1. Khối nguồn . 87
3.3.2.2. Khối tín hiệu vào . 88
3.3.2.3. Khối vi điều khiển atmega8 90
3.3.2.4. Khối điều khiển ra đánh lửa (khối công suất) . 92
3.4. Chương trình điều khiển đánh lửa cho ECU 95
3.4.1. Thuật toán điều khiển đánh lửa 95
3.4.2. Viết chương trình . 96
3.4. Kết quả và đánh giá 106
iii
3.4.1. Chuẩn bị . 106
3.4.2. Chạy thử . 107
3.4.3. Kết quả . 107
Chương 4:
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT KIẾN NGHỊ
4.1. Kết luận 109
4.2. Kiến nghị 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 112
iv
DANH MUC CÁC BẢNG
Bảng 2.1-Một số thông số kỹ thuật của xe 28
Bảng 2.2-Một số thông số kỹ thuật của động cơ. 28
Bảng 2.3-Chức năng các chân của ECU. . 31
Bảng 2.4-Chức năng các chân của vi điều khiển TC1677. . 52
Bảng 3.1-Thông số cho hệ thống đánh lửa. 75
Bảng 3.2-Bản đồ góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh(θ
hc
). 78
v
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1-Cấu trúc chung của hệ thống điều. 3
Hình 1.2-Một số hệ thống cơ điện tử trên ô tô. . 4
Hình 1.3-Sơ đồ tổng quát hệ thống ESA. 5
Hình 1.4-So sánh đặc tuyến điều chỉnh góc đánh lửa sớm bằng cơ khí và điện
tử 7
Hình 1.5-Điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo tốc độ xe . 7
Hình 1.6-Sơ đồ tổng quát hệ thống ISC. . 8
Hình 1.7-Sơ đồ tổng quát của hệ thống phun xăng điện tử. . 10
Hình 1.8-Sơ đồ tổng quát của hệ thống phun dầu điện tử loại thông thường. 12
Hình 1.9-Sơ đồ tổng quát của hệ thống EFI-diesel kiểu phân phối. 14
Hình 1.10-Sơ đồ điều khiển kín của ABS. . 16
Hình 1.11- Sơ đồ tổng quát của hệ thống EAMS. . 17
Hình 1.12-Sơ đồ tổng quát thệ thống lái. 18
Hình 1.13-Tổng quát hệ thống mã khóa động cơ. 20
Hình 2.1-ECU thực tế. 22
Hình 2.2-Sơ đồ khối của các hệ thống trong máy tính. 23
Hình 2.3-Cấu trúc máy tính. . 23
Hình 2.4-Mạch điện của bộ chuyển đổi A/D. 24
Hình 2.5-Mạch điện của bộ đếm. 25
Hình 2.6-Mạch điện của bộ nhớ trung gian. . 25
Hình 2.7-Mạch điện của bộ khuếch đại. . 25
Hình 2.8-Mạch điện bộ ổn áp. 26
Hình 2.9-Mạch điện giao tiếp ngõ ra. . 26
Hình 2.10-Trạng thái các bit. 27
Hình 2.11-Bên ngoài ECU GEMS– K1 . 27
Hình 2.12-Bên trong ECU GEMS– K1 . 27
vi
Hình 2.13-Động cơ SQR43F . . 29
Hình 2.14-Các chân của ECU trên j1A 30
Hình 2.15-Các chân của ECU trên j1B. . 31
Hình 2.16-Sơ đồ các khối điều khiển của ECU GEMS-K1. 37
Hình 2.17-Mạch in lớp trên của ECU. 38
Hình 2.18-Mạch in lớp dưới của ECU. . 39
Hình 2.19-Vị trí khối nguồn trên ECU. . 40
Hình 2.20-Sơ đồ mạch nguồn. 41
Hình 2.21-Sơ đồ khối IC TLE7368G . 42
Hình 2.22-Tín hiệu điện áp vào. . 44
Hình 2.23-Sơ đồ lọc tín hiệu vào từ cảm biến vị trí bướm ga1. . 44
Hình 2.24-Sơ đồ lọc tín hiệu vào từ cảm biến vị trí bướm ga2. . 45
Hình 2.25-Sơ đồ lọc tín hiệu vào từ cảm biến vị trí bàn đạp chân ga 1, 2. 45
Hình 2.26-Sơ đồ lọc tín hiệu vào từ cảm biến vị trí bướm ga. . 46
Hình 2.27-Sơ đồ lọc tín hiệu vào từ cảm biến nhiệt độ không khí nạp. 46
Hình 2.28-Sơ đồ lọc tín hiệu vào từ cảm biến nhiệt độ động cơ. . 46
Hình 2.29-Sơ đồ lọc tín hiệu vào từ cảm biến nhiệt độ động cơ. . 47
Hình 2.30-Lọc tín hiệu A/C switch. . 47
Hình 2.31-Mạch chuyển đổi tín hiệu cảm biến vị trí trục cam. . 47
Hình 2.32-Mạch chuyển đổi tín hiệu cảm biến tốc độ trục khuỷu . 48
Hình 2.33-Mạch chuyển đổi tín hiệu cảm biến Lambda_senson1. 49
Hình 2.34-Mạch chuyển đổi tín hiệu cảm biến Lambda_senson2. 49
Hình 2.35-Sơ đồ lọc tín hiệu cản biến tóc độ xe. 49
Hình 2.36-Vị trí khối đầu vào các tín hiệu trên ECU. 50
Hình 2.37-Chip TC 176. 50
Hình 2.38-Sơ đồ khối chip TC 1766 51
Hình 2.39-Vị trí khối vi điều khiển trên ECU. 58
vii
Hình 2.40-Mạch điện đến IC đánh lửa máy 1 . 59
Hình 2.41-Mạch điện đến IC đánh lửa máy 2 . 59
Hình 2.42-Mạch điện đến IC đánh lửa máy 3 . 59
Hình 2.43-Mạch điện đến IC đánh lửa máy 4 . 59
Hình 2.44-Sơ đồ khối và các chân của NGB8204N. . 60
Hình 2.45-Mạch ứng dụng NGB8204N. 60
Hình 2.46-Vị trí khối điều khiển phun xăng trên ECU. 61
Hình 2.47-Sơ đồ khối điều khiển đánh lửa. 61
Hình 2.48-Điều khiển góc đánh lửa. . 62
Hình 2.49-Góc đánh lửa sớm thực tế. . 62
Hình 2.50-Mạch điều khiển phun xăng. 64
Hình 2.51-Sơ đồ khối của TLE8710E. 65
Hình 2.52-Vị trí khối điều khiển phun xăng trên ECU. 65
Hình 2.53-Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phun xăng. . 66
Hình 2.54-Sơ đồ mạch điều khiển bướm ga. . 67
Hình 2.55-Sơ đồ khối IC TLE8209. . 68
Hình 2.56-Khối điều khiển bướm ga. 69
Hình 2.57-Khối điều khiển ISCV. 70
Hình 2.58-Sơ đồ khối của TLE4208. . 71
Hình 2.59-Khối điều khiển chạy không tải (ISCV). 72
Hình 2.60-Vị trí cụm điều khiển bướm ga ETC trên ECU. . 72
Hình 3.1-Quá trình tăng trưởng dòng sơ cấp . 77
Hình 3.2-Góc đánh lửa sớm thực tế. . 79
Hình 3.3-Dạng vấu từ và tín hiệu của cảm biến vị trí trục cam. 80
Hình 3.4-Xung tín hiệu vị trí trục cam (G). 80
Hình 3.5-Giản đồ mô tả nguyên lý đo tốc độ động cơ và điều khiển thời điểm
đánh lửa. 82
viii
Hình 3.6-Sơ đồ chân của vi điều khiển ATMEGA8L. . 85
Hình 3.7-Sơ đồ khối vi điều khiển ATMEGA8L. 87
Hình 3.8-Khối tạo nguồn 5V cho vi điều khiển . 88
Hình 3.9-Sơ đồ tín hiệu cảm biến vị trí bướm ga 88
Hình 3.10-Mạch chuyển đổi tín hiệu vào vi xử lý. 89
Hình 3.11-Tín hiệu khởi động STA. 90
Hình 3.12-Các chân tín hiệu vào và các chân tín hiệu ra điều khiển. 90
Hình 3.13-Khối mạch reset cho vi điều khiển. 91
Hình 3.14-Khối tạo xung nhịp dao động cho vi điều khiển. . 92
Hình 3.15-Sơ đồ mạch khối ra điều khiển đánh lửa. 92
Hình 3.16-Sơ đồ mạch điều khiển ECU 92
Hình 3.17-Sơ đồ thuật toán điều khiển góc đánh lửa sớm. 95
Hình 3.18-Sơ đồ tổng quát về bo mạch điều khiển đánh lửa 107
Hình 3.19-Các chân kết nối các tín hiệu của bo mạch điều khiển đánh lửa. 107
Hình 3.20-Xung IGT1 trên máy hiện sóng Oscilloscope. . 108
1
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay khoa học kỹ thuật đang phát triển rất nhanh mang lại lợi ích rất
to lớn cho con người cả về vật chất lẫn tinh thần. Để nâng cao đời sống của
nhân dân và hòa nhập với sự phát triển chung của đất nước trong khu vực
khác trên thế giới. Nhà nước ta đẩy mạnh công nghiệp hóa hiện đại hóa đất
nước. Một trong những mục tiêu đặt ra là phát triển ngành công nghiệp cơ khí
ôtô. Ngành công nghiệp cơ khí ôtô đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển
chung của toàn xã hội về giải quyết việc làm, thúc đẩy nền kinh tế quốc dân.
Trong những thập niên gần đây sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, nhu
cầu vận chuyển hàng hóa và nhu cầu đi lại ngày càng cao. Mạng lưới giao
thông phát triển nhanh phương tiện giao thông đi lại bằng ôtô ngày càng
chiếm vị trí quan trọng và không thể thiếu được đối với xã hội. Vì thế, vấn đề
học tập và nghiên cứu về ngành kỹ thuật ô tô trở nên rất cần thiết. Việc
nghiên cứu chế tạo thử nghiệm bộ điều khiển tự động động cơ xăng trang bị
trên ô tô hiện đại giúp tôi có một cái nhìn cụ thể hơn, sâu sắc hơn về vấn đề
này. Đây cũng là lý do mà đã khiến tôi chọn đề tài này làm đề tài đồ án tốt
nghiệp với mong muốn được nghiên cứu kỹ hơn, sâu hơn về hệ thống điều
khiển tự động trên động cơ xăng, để từ đó có thể chế tạo được một số hệ
thống điều khiển tự động, đưa ra được các giải pháp về các vấn đề hư hỏng
thường gặp ở hệ thống điều khiển tự động này.
Sau gần 3 tháng nỗ lực cố gắng, tôi đã hoàn thành nội dung cơ bản của đề
tài cụ thể gồm 4 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về cơ điện tử trên ô tô.
Chương 2: Kế cấu và nguyên lý điều khiển tự động động cơ.
Chương 3: Chế tạo thử nghiệm hệ thống điều khiển động cơ.
Chương 4: Kết luận và kiến nghị.


Chương 1:
TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ
1.1. Tổng quan về cơ điện tử trên ô tô
Cùng với sự phát triển của kỹ thuật, chiếc xe ngày nay ngày một tiện
nghi và hiện đại hơn. Trên một chiếc ô tô hiện đại, phần điện, điện tử chiếm
một phần đáng kể trong giá trị tổng thành của nó. Hệ thống điện và điện tử
can thiệp vào gần như tất cả các hệ thống trên một chiếc xe, từ hệ thống đơn
giản có từ lâu đời như khởi động, cung cấp điện, đánh lửa đến những hệ thống
mới được nghiên cứu ứng dụng như phanh, lái, treo, . Trong tương lai, chiếc
xe được ví như một robot, là sự kết hợp hoàn hảo giữi phần cơ và phần điện.
Tình trạng hoạt động của xe được theo dõi bằng các tín hiệu cảm biến, từ
những tín hiệu đó, ECU xử lý tín hiệu và quyết định điều khiển cơ chấp hành.
Hình 1.1-Cấu trúc chung của hệ thống điều.
Sau đây là một số hệ thống cơ bản kết hợp giữi phần cơ và phần điện (cơ
- điện tử) trên ô tô:
 Hệ thống điều khiển động cơ.
 Hệ thống điều khiển khung gầm.
 Hệ thống điều khiển khác.
 Hệ thống điều khiển động cơ:
 Điều khiển đánh lửa bằng điện tử (ESA).
 Điều khiển chạy không tải (ISC).
 Điều khiển phun nhiên liệu bằng điện tử (EFI):
4
ã Điều khiển phun xăng điện tử (EFI-xăng).
ã Điều khiển phun dầu điện tử (EFI-diesel).
Các điều khiển này giúp động cơ đáp ứng được các yêu cầu gắt gao về
khí xả và tính tiết kiệm nhiên liệu. Đồng thời, công suất động cơ được cải
thiện rõ rệt.
 Hệ thống điều khiển khung gầm:
 Điều khiển hệ thống chống bó cứng bánh xe (ABS).
 Điều khiển hệ thống treo khí bằng điện tử (EMAS).
 Điều khiển hệ thống lái (EPS).
 Một số điều khiển khác.
Các điều khiển này tăng sự an toàn cho người sử dụng.
 Các hệ thống điều khiển khác
 Điều khiển chạy tự động (ECT).
 Điều khiển hệ thống mã khóa động cơ.
 Một số điều khiển khác.
Các điều khiển này nâng cao sự tiện nghi cho ô tô.
Hình 1.2-Một số hệ thống cơ điện tử trên ô tô.
5
1.2. Điều khiển động cơ
1.2.1. Điều khiển đánh lửa bằng điện tử (ESA)
 Khái quát hệ thống
Hệ thống ESA (Đánh lửa sớm điện tử) là một hệ thống dùng ECU động
cơ để xác định thời điểm đánh lửa dựa vào các tín hiệu từ các cảm biến khác
nhau. ECU động cơ tính toán thời điểm đánh lửa từ thời điểm đánh lửa tối ưu
được lưu trong bộ nhớ để phù hợp với tình trạng của động cơ, và sau đó
chuyển các tín hiệu đánh lửa đến IC đánh lửa.
Hình 1.3-Sơ đồ tổng quát hệ thống ESA.
 Vai trò của các cảm biến
 Cảm biến vị trí trục cam (tín hiệu G): Cảm biến này phát hiện góc
quay chuẩn và thời điểm của trục cam.
 Cảm biến vị trí trục khuỷu (tín hiệu NE): Cảm biến này phát hiện góc
quay trục khuỷu và tốc độ của động cơ.
 Cảm biến lưu lượng khí nạp hoặc cảm biến áp suất đường ống nạp
(tín hiệu VG hoặc PIM): Cảm biến này phát hiện khối lượng khí nạp hoặc áp
6
suất đường ống nạp.
 Cảm biến vị trí bướm ga (tín hiệu IDL, loại công tác hoặc loại tuyến
tính VTA ): Cảm biến này phát hiện điều kiện chạy không tải.
 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (tín hiệu THW): Cảm biến này phát
hiện nhiệt độ của nước làm mát.
 Cảm biến tiếng gõ (tín hiệu KNK): Cảm biến này phát hiện tình trạng
của tiếng gõ.
 Cảm biến oxy (tín hiệu OX): Cảm biến này phát hiện nồng độ của oxy
trong khí xả.
 Tín hiệu khởi động (STA): Tín hiệu này cho biết động cơ đang ở chế
độ khởi động.
 Tín hiệu bật công tắc điều hòa (A/C): Tín hiệu này cho biết hệ thống
điều hòa đang hoạt động.
 Tín hiệu IGT: Tín hiệu dùng để đóng ngắt dòng sơ cấp.
 Tín hiệu IGF: Tín hiệu phản hồi của IC đánh lửa.
 Vai trò của ECU động cơ: ECU động cơ nhận các tín hiệu từ các cảm
biến, tính toán thời điểm đánh lửa tối ưu theo các tình trạng động cơ, và
truyền tín hiệu đánh lửa (IGT) đến IC đánh lửa.
 Vai trò của IC đánh lửa: IC đánh lửa nhận tín hiệu IGT do ECU động
cơ phát ra để ngắt dòng điện sơ cấp bobbin đánh lửa một cách gián đoạn. Nó
cũng gửi tín hiệu xác nhận đánh lửa (IGF) đến ECU động cơ. Đồng thời nó
cũng điều chỉnh góc ngậm điện và hạn chế dòng điện qua bobbin khi dòng
quá lớn.
 Hoạt động của hệ thống
ECU động cơ xác định thời điểm đánh lửa dựa vào tín hiệu góc quay trục
khuỷu (G), tín hiệu tốc độ động cơ (NE) và các tín hiệu từ các cảm biến khác.
Ví dụ ECU điều khiển theo tín hiệu tốc động cơ, khi tốc độ động cơ cao thì hệ


TÀI LIỆU THAM KHẢO
 Tiếng việt
1. PGS.TS Đỗ văn Dũng (2004), Trang bị điện và điện tử trên ôtô hiện
đại, NXB Đại học quốc gia, Tp Hồ chí Minh.
2. Ngô Diên Tập (2006), vi điều khiển với lập trình C, NXB Khoa học kỹ
thuật.
3. Ngô Diên Tập (2003), kỹ thuật vi điều khiển với avr, NXB Khoa học
kỹ thuật.
4. Toyota – Hệ thống phun xăng và đánh lửa điều khiển bằng máy tính.
5. Lâm Bá Nha, Nguyễn Khắc Bằng, Ngô Thanh Hà (2011), ―Nghiên cứu
chuyển đổi hệ thống đánh lửa bán dẫn sang hệ thống đánh lửa trực
tiếp‖, Tạp chí khoa học công nghệ, số 01 tháng 06/2011.
6. Trần Đăng Long, Vũ Việt Thắng, Đinh Quốc Trí (2009), ―Một giải
pháp tăng cường hiệu quả làm việc cho hệ thống đánh lửa kiểu CDI-AC
trên xe gắn máy‖, Tạp chí phát triển khoa hoc công nghệ, tập 12, số 14
– 2009.
 Tiếng nước ngoài
113
7. NengHui Zhou (2008), GEMS-K1 ECU hardware design Document,
Tianjin University—Infineon Automotive Electronic Joint Laboratory,
China.
 Website
8. http://www1.hcmute.edu.vn/ckd/HOATDONG/Noisan6.html
9. http://www1.hcmute.edu.vn/ckd/HOATDONG/Noisan12.html
10. http://www.hocavr.com/index.php