1
MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu:
Ôtô ở Việt Nam có chủng loại đa dạng và tuổi đời cao, thậm chí,
có nhiều dòng xe phụ tùng không còn sản xuất. Do tác động của các
điều kiện khí hậu và vận hành, các động cơ phun xăng điện tử
(PXĐT) có các cảm biến khí nạp (CBKN) bị sai lệch đặc tính làm
việc hoặc hư hỏng, nếu tiếp tụ
c được sử dụng sẽ gây ô nhiễm môi
trường, giảm các chỉ tiêu kỹ thuật. Chính vì vậy, vấn đề tương thích
hóa một số loại CBKN trong hệ thống PXĐT cần được nghiên cứu
nhằm giải quyết vấn đề nêu trên.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục đích: xây dựng cơ sở lý thuyết và thực tiễn cho việc tác
động vào hệ thống PX
ĐT thông qua bộ điều khiển (ECU) phụ nhằm
giải quyết bài toán tương thích hóa các CBKN, trên các động cơ ô tô
có CBKN bị sai lệch đặc tính hoặc hư hỏng.
Đối tượng nghiên cứu: tương thích hóa các CBKN bằng ECU
phụ.
Phạm vi nghiên cứu: hệ thống PXĐT của động cơ ô tô.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Ý nghĩa khoa học:
+ Lần đầu tiên, đã xây dựng cơ s
ở lý thuyết cho việc tương thích
hóa các CBKN trong hệ thống PXĐT bằng ECU phụ;
+ Đã xây dựng mô hình HTĐK PXĐT với ECU phụ, đề xuất
thuật toán, công thức mô tả đặc tính và chuyển đổi đặc tính các loại
CBKN bằng ECU phụ;
+ Đã xây dựng ngân hàng dữ liệu về đặc tính của các loại CBKN
trên ô tô đang lưu hành ở Việt Nam và mô phỏng thuật toán thay thế

(GDI); kết cấu đường nạp và động học quá trình nạp; điều khiển tối
ưu đặc tính động cơ [25].
3
2. Nghiên cứu thành phần hòa khí và điều khiển thành phần hòa
khí: thành phần hòa khí và các chế độ làm việc của động cơ, ảnh
hưởng của λ đến các chỉ tiêu và đặc tính của động cơ; điều khiển
lượng khí nạp và lượng xăng phun [21].
3. Nghiên cứu điều khiển phun xăng: lập trình điều khiển phun;
tính toán và điều khiển vòi phun; thiết kế chế tạo và hoàn thiện ECU
[48].
4. Nghiên cứu cảm biến và các cơ cấu chấp hành [67].
5. Nghiên cứu chẩn đoán: thuật toán chẩn đoán; phương pháp
chẩn đoán [80, 83].
6. Nghiên cứu hệ thống điều khiển động cơ phun xăng điện tử với
ECU phụ: lắp lẫn các loại CBKN; ứng dụng phần mềm LabVIEW
trong mô phỏng đặc tính cảm biến; chế tạo ECU phụ và thí nghiệm
trên động cơ [2, 5].
Trong sáu hướ
ng nghiên cứu liên quan đến đề tài thì hướng thứ
năm cũng rất cần thiết cho một hệ thống điều khiển tự động hiện đại
nhưng đề tài luận án không có điều kiện đề cập; hướng nghiên cứu
thứ nhất liên quan về động học, động lực học và các bản chất lý –
hóa của quá trình cháy, các giải pháp điều khiển nạp tối ưu nh
ư: điều
khiển pha phối khí thông minh, điều khiển hành trình xupáp thông
minh, điều khiển khí nạp thông minh….Bốn hướng nghiên cứu còn
lại: hai, ba, bốn, sáu có liên quan mật thiết đến luận án.
1.4 Xác định mục tiêu, phương pháp và nội dung nghiên cứu
Khi một trong các thông tin đầu vào bị thay đổi (ví dụ u
4

khí nạp và nhiên liệu cung cấp cho động cơ;
Một số công trình (trong và ngoài nước) liên quan đến nghiên cứu
chế tạo bộ điều khiển ECU chính, tính toán hệ thống cung cấp nhiên
liệu động cơ xăng, tuy nhiên, việc nghiên cứu chỉ tập trung vào việc
xây dựng thuật toán điều khiển và thiết kế ch
ế tạo mạch.
Cho đến nay, chưa có công trình nào liên quan đến việc nghiên
cứu hệ thống điều khiển động cơ bao gồm hai ECU: ECU chính
(nguyên thủy trên xe) và ECU phụ (được thiết kế lắp đặt thêm vào hệ
thống), trong đó ECU phụ giúp tương thích hóa CB nhằm giải quyết
bài toán phụ tùng thay thế.

Thông
tin đầu
vào
ECU
nguyên
thủy

Các cơ
cấu chấp
hành
Thông tin
đầu vàoECU phụ
y
1



Chương 2 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN
HỆ THỐNG PHUN XĂ
NG ĐIỆN TỬ
2.1 Đặc tính động cơ
Đặc tính của động cơ được dùng để đánh giá các chỉ tiêu kinh tế,
kỹ thuật và môi trường của động cơ trong các điều kiện hoạt động
khác nhau.
2.2 Thành phần hòa khí và điều khiển phun nhiên liệu
2.2.1 Thành phần hòa khí
Có hai cách đánh giá thành phần hòa khí: dùng hệ số dư lượng
không khí
λ
tính theo tỷ lệ khối lượng không khí thực tế/lý thuyết và
theo tỷ lệ không khí – nhiên liệu (Air Fuel Ratio). Thành phần hòa
khí chịu ảnh hưởng bởi khối lượng không khí m
a
nạp vào xy lanh
[26].
2.2.2 Điều khiển phun nhiên liệu
Việc hình thành hỗn hợp có thể thực hiện bằng cách phun nhiên
liệu vào đường ống nạp hoặc phun trực tiếp vào lòng xy lanh. Các
công trình nghiên cứu của nhiều tác giả trên thế giới đều tìm cách để
tạo hỗn hợp hòa khí phân bố đồng nhất trong xy lanh với một tỉ lệ
hòa khí nằm trong khoảng 0,9 <
λ
< 1,3 đối với phun trên đường nạp.
2.3 Vấn đề tối ưu hoá đặc tính động cơ
2.3.1 Tối ưu hoá mức tiêu thụ nhiên liệu và độ ô nhiễm môi
trường

0
&
λλ
== (2.58)
Trong đó: m
a
- khối lượng không khí (kg);
a
m
&
- lưu lượng khối
lượng không khí nạp (kg/s); L
0
– lượng không khí lý thuyết để đốt
cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu (kg/kgnl); n
e
– số vòng quay của trục
khuỷu động cơ (v/ph); i - số xy lanh.
Lượng nhiên liệu phun ra m
f
tỉ lệ với thời gian mở vòi phun t
inj
và
độ chênh lệch áp suất
Δ
p trên vòi phun và dưới vòi phun (áp suất
đường ống nạp) [62].
inj
f
effff

~
&
λ
(2.60)
Ở chế độ mà động cơ hoạt động với tỉ lệ hòa khí lựa chọn λ
0
, thời
gian phun sẽ là:
in
m
t
e
a
1201
~
0
0
&
λ
(2.61)
Ở những chế độ khác với λ ≠ λ
0
, thời gian phun sẽ được xác định:
0
0
tt
inj
λ
λ
≈ (2.62)

và được hiệu chỉnh nghèo hoặc giàu theo điều kiện làm việc cụ thể
của động cơ.
- Để có thành phần hòa khí khác nhau có thể điều khiển phun
theo hai cách: điều khiển lượng nhiên liệu phun theo l
ượng khí nạp
cho trước
λ
f
= f(
λ
a
) hoặc điều khiển lượng khí nạp theo lượng nhiên
liệu cho trước
λ
a
= f(
λ
f
). Trong đó, cách thứ nhất,
λ
f
= f(
λ
a
) được áp
dụng cho các động cơ phun xăng gián tiếp phổ biến hiện nay. Ở đây,
lượng nhiên liệu phun được quyết định bởi hai thông số gốc là lượng
không khí nạp và tốc độ quay của động cơ:
()
eainj

Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ có dạng như hình 3.4

Hình 3.4 Sơ đồ HTĐK động cơ với ECU phụ
Trong đó: r
1
(t) đến r
i
(t) – nhóm các tín hiệu đầu vào chuẩn cho
hoạt động của động cơ; V
e1
(t) … V
ei
(t) – nhóm các tín hiệu định
chuẩn; V
A1
(t) …. V
ai
(t) – nhóm các xung điều khiển các cơ cấu chấp
hành; U
1
(t) … U
i
(t) – các thông số đầu vào của động cơ;
ξ
1
(t) …
ξ
i
(t) - các tín hiệu đặc trưng đầu ra của động cơ.
3.1.2 Các phương pháp tác động vào hệ thống điều khiển phun

r
2
(t)
r
i
(t)
Ve
1
(t)
Ve
2
(t)
Vei(t)
V
A1
(t)
V
A2
(t)
V
Aia
(t)
U
1
(t)
U
2
(t)
Ui(t)
ξ

.9007,8
−
= xy (3.8)
Cổ hút
động cơ

Thiết bị
đo AVL
LabVIEW
1
2
34
USB 6009
1- bộ bình ổn áp suất;
2- ống hút gió;
3- cảm biến;
4-
k
hôn
g
khí.
11
Trong đó y- điện áp ra của cảm biến V
S
, (V);
x- lưu lượng khí nạp vào xy lanh động cơ, đơn vị (m
3
/h).
Đặc tính thực nghiệm và đặc tính hồi quy của cảm biến cánh trượt
điện áp giảm được thể hiện trên hình 3.18

Hình 3.20 Đặc
tính của cảm biến
cánh trượt điện áp
tăng
12

3.2.5 Cảm biến dây nhiệt Toyota Altis
0,2955
.0,6666 xy = (3.11)
Đặc tính thực nghiệm và đặc tính hồi quy của cảm biến dây nhiệt
Toyota Altis thể hiện trên hình 3.24.

3.2.6 Cảm biến MAP Toyota
y = 0,6928 + 0,0312 . x (3.12)
Trong đó y - điện áp ra của cảm biến, (V);
x - áp suất tuyệt đối ở cổ hút, (kPa). 3.2.7 Cảm biến MAP GM
y = - 0,4744 + 0,0560 . x (3.13)
3.2.8 Cảm biến MAP Hyundai
y = - 0,4126 + 0,0521 . x (3.14)
3.2.9 Cảm biến MAP Honda
Hình 3.22 Đặc tính
của cảm biến dây
nhiệt Nissan Sunny

Hình 3.24 Đặc tính
của cảm biến dây
nhiệt Toyota Altis

Trong đó: V
s tăng
- điện áp đầu ra của cảm biến cánh trượt điện áp
tăng
(V)

a
V
&
– là lưu lượng khí nạp tính bằng thể tích (m
3
/h)
Hàm hồi quy của cảm biến cánh trượt điện áp giảm (công thức
3.8): V
s giảm
= 8,9007 . (
a
V
&
)
-0,4938
(3.18)
Trong đó: V
s giảm
- điện áp đầu ra của CB cánh trượt điện áp giảm
(V)

a
V
&

.(9007,8
−
−
=
gS
giamS
V
V
(3.20)
3.3.2 Cảm biến dây nhiệt Nissan Sunny thay cho cảm biến dây
nhiệt Toyota Altis
6513,0
.
.
)
6198,0
.(6666,0
NissanG
ToyotaG
V
V =
(3.23)
3.3.3 Cảm biến MAP Toyota thay cho cảm biến MAP GM
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝

ρ

= f(p
a
, T
a
)
Tính
a
m
&

=
a
V
&
.
ρ

Từ
a
m
&
tìm V
G
tương
ứng trong đặc tính làm
việc đã nhập vào bộ nhớ
và xuất tín hiệu này ra


1
2
15
3558,0
tan.
.
).
9413,4
1736,22
.(6198,0
ρ
gs
NissanG
V
V
−
=
(3.29)
3.3.5 Cảm biến MAP thay cho cảm biến dây nhiệt Hình 3.31 Phương pháp thay thế cảm biến MAP – dây nhiệt
1 – Tín hiệu nguyên thủy; 2 – Tín hiệu thay thế.
3.4 Mô phỏng quá trình thay thế các loại cảm biến trên
LabVIEW
Kết quả chuyển đổi trình bày trên hình 3.34.


⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
&&

Từ
a
m
&
tìm V
G
tương ứng
tron
g
bộ nhớ và x
u
ất tín hiệu.
điện áp giảm và ECU phụ; 2- quan hệ giữa lưu lượng và điện áp ra
của cảm biến cánh trượt điện áp tăng nguyên thủy; 3- quan hệ giữa
lưu lượng và điện áp ra của cảm biến cánh trượt điện áp giảm; 4-
đồng hồ đo lưu lượng; 5- giá trị làm chương trình chạy ch
ậm lại; 6-
nút dừng chương trình; 7- hệ số A và B của hàm hồi quy CB cánh
trượt điện áp tăng; 8- Hệ số A và B của hàm hồi quy CB cánh trượt
điện áp giảm; 9- Giá trị điện áp ra của CB cánh trượt điện áp giảm;
10- giá trị điện áp ra của CB cánh trượt điện áp giảm và ECU phụ;
11- giá trị điện áp ra của CB cánh trượt điện áp tăng;

Kết luận chương 3
- Nghiên cứu lý thuyết điều khiển nối tiếp trong các hệ thống điều
khiển phức hợp nhằm duy trì, cải thiện hoặc chuyển đổi nhiều chỉ
tiêu kinh tế, kỹ thuật của hệ điều khiển trên ô tô nói riêng và các hệ
thống điều khiển công nghiệp nói chung.
- Thông qua thực nghiệm, tác giả luận án đã xây dựng được ngân
hàng dữ li
ệu đặc tính gốc của một số loại CBKN tiêu biểu, thông
dụng trên các ô tô đang lưu hành ở Việt Nam.
- Đã đề xuất thuật toán và áp dụng phần mềm LabVIEW để xây
dựng đặc tính của các CBKN và mô phỏng việc chuyển đổi đặc tính
của các CBKN bằng LabVIEW.
- Đã đề xuất các phương pháp chuyển đổi đặc tính giữa các loại
CBKN khác nhau với hai bài toán đơn biến và đa biến.
- Đã tiến hành mô ph
ỏng việc lắp lẫn CBKN.
- Đã phát triển 15 công thức phục vụ việc chuyển đổi đặc tính của
các CBKN (công thức 3.13; 3.14; 3.15; 3.16; 3.17; 3.18; 3.19; 3.20;
3.21; 3.22; 3.23; 3.24; 3.26; 3.29; 3.30).

4.1.4 Chương trình điều khiển
Các dòng lệnh đã nạp trong VĐK giúp chuyển đổi đặc tính làm
việc của các cảm biến khí nạp.
4.2 Thí nghiệm đánh giá
4.2.1 Mục đích, nội dung thí nghiệm
Mục đích của quá trình thí nghiệm nhằm đánh giá tính năng của
động cơ trước và sau khi thay thế CBKN.
4.2.2 Thiết bị thí nghiệm và đối tượ
ng thí nghiệm
4.2.2.1 Thiết bị thí nghiệm
Các thí nghiệm đánh giá được tiến hành tại Phòng thí nghiệm
động cơ và ô tô, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ
Chí Minh với thiết bị đo công suất (chassis dynomometer) LPS-2000
và máy đo khí thải MGT-5 do hãng MAHA, Cộng hòa Liên bang
Đức sản xuất. Phòng thí nghiệm này đạt tiêu chuẩn quốc tế.
19
4.2.2.2 Đối tượng thí nghiệm
Để tiến hành các thí nghiệm đánh giá, đã sử dụng xe DAEWOO
LANOS, với cảm biến MAP GM. Quãng đường xe đã chạy tại thời
điểm tiến hành thí nghiệm là 23.578 km.
4.2.2.3 Xây dựng chương trình thí nghiệm
Đã tiến hành các thí nghiệm để đo đạc các thông số: thành phần
khí thải; công suất động cơ qua bánh xe chủ động; gia tốc ô tô ở các
tay số 1, 2, 3 của hộp số. Để có thể

(% thể tích) 14,34 13 15,45
n
e
(v/p) 838 828 838
4.3.2 Công suất động cơ và đánh giá
Đo công suất ở bánh xe chủ động được thực hiện ở tay số 3.
Bảng 4.8 Công suất trung bình của các lần thử
Trường hợp thử
Các thông số Trường hợp a Trường hợp b Trường hợp c
Ne
max
(kW) 48,4 46,9 48,9
n
Nemax
(v/p) 5952 5844 5996
v
Nemax
(km/h) 111 109,4 112,4
n
max
(v/p) 6350 6348 6347,6 Trung
bình
các lần
đo
v
max
(km/h) 118,4 119 119

ECU phụ. ECU phụ có kết cấu nhỏ gọn, dễ lắp đặt và đã cho kết quả
thí nghiệm như mong muốn.
- Thuật toán chuyển đổi đặc tính làm việc đ
ã nạp trong VĐK hoạt
động chính xác, mang tính mới và sáng tạo.
22
- Đã tiến hành nhiều thí nghiệm hệ thống phun xăng điện tử có và
không có ECU phụ trên các thiết bị thí nghiệm hiện đại, đủ tiêu
chuẩn và được tiến hành trên một động cơ phun xăng tiêu biểu.
- Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cũng cho thấy: ECU phụ
cùng CBKN thay thế không những giúp giảm ô nhiễm môi trường,
tăng công suất, giảm thời gian tăng tốc trong trường hợp CBKN bị
h
ư mà còn giúp phục hồi tính năng động cơ trong trường hợp cảm
biến chưa hư nhưng đặc tính làm việc của nó đã bị sai lệch so với
trạng thái ban đầu (khi mới 100%). Điều này có ý nghĩa rất quan
trọng vì hơn một nửa số xe đang lưu hành ở nước ta là các xe đã qua
sử dụng và có thời gian vận hành khá lâu.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
1 – Đã phát triển cơ sở lý thuyết và thực tiễn cho hệ điều khiển
mới với hai bộ điều khiển (ECU) mắc nối tiếp, từ đó đề xuất các giải
pháp sử dụng ECU phụ để giải quyết bài toán tương thích hóa các
loại cảm biến trong hệ thống điều khiển phun xăng điện tử.
2 – Thông qua việc nghiên cứu thực nghiệm, tác gi
ả đề tài đã xây
dựng được ngân hàng dữ liệu đặc tính gốc của một số loại CBKN
tiêu biểu, thông dụng trên các ô tô đang lưu hành ở Việt Nam.
3 – Đã đề xuất thuật toán và áp dụng phần mềm LabVIEW để xây

tính khoa học và tính thực tiễn.
9 - Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy: hệ thống ECU
phụ với chức năng chuyển đổi những tín hiệu của các CBKN khác
nhau về tín hiệu gốc (nguyên bản) đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế
- kỹ
thuật và môi trường của động cơ gốc, cho phép phục hồi tính năng
làm việc ban đầu của động cơ.
24
Tuy nhiên, trong phạm vi giới hạn của luận án, một số vấn đề sau
đây còn chưa có điều kiện đề cập đến hoặc thực hiện chưa đầy đủ
như:
- Nghiên cứu vấn đề trễ trong hệ điều khiển nối tiếp với ECU
phụ;
- Nghiên cứu vấn đề nhiễu đối với ECU phụ;
- Vấn đề chẩn đoán và tự
chẩn đoán của ECU phụ;
Kiến nghị
- Mặc dù việc ứng dụng ECU phụ góp phần làm giảm ô nhiễm
môi trường, giảm tiêu hao nhiên liệu và chi phí nhưng do các thông
số về cơ khí của xe sau một thời gian sử dụng bị sai lệch, nên việc
nạp lại các thông số điều khiển cho ECU chính là vấn đề cần tiếp tục
được thực hiện ở các hướng và đề tài nghiên cứu khác (lậ
p lại bản đồ
thông số cho ECU chính để phù hợp với tình trạng kỹ thuật cơ khí
của động cơ đã bị thay đổi).
- Trên cơ sở phương pháp của luận án, ta có thể phát triển hướng
nghiên cứu lắp ECU phụ ở đầu ra của ECU chính nhằm tương thích
các cơ cấu chấp hành.