`
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
= = =  = = = VÕ VĂN CHINH
TRẦN VĂN HIỆU
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BOARD
MẠCH ĐIỀU KHIỂN PHUN XĂNG, ĐÁNH LỬA
ĐIỆN TỬ TRANG BỊ TRÊN Ô TÔ HIỆN ĐẠI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành:Công nghệ kỹ thuật ô tô GVHD: KS. TRẦN NGỌC ANH

NHA TRANG – 06/2014 `


Họ và tên sinh viên: Võ Văn Chinh Lớp: 52OT MSSV: 52130299
Và: Trần Văn Hiệu Lớp: 52OT MSSV: 52130303
Chuyên ngành : Công nghệ kỹ thuật ôtô Mã ngành: 52510205
Tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo board mạch điều khiển phun xăng,
đánh lửa điện tử trang bị trên ô tô hiện đại”
Số trang: 124 Số chương: 4 Số tài liệu tham khảo: 12
Hiện vật:
 03 đĩa CD chứa toàn bộ nội dung đồ án và 03 cuốn đồ án.
 Board mạch điều khiển phun xăng, đánh lửa.
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN Kết luận

Nha trang, ngày… tháng…. năm 2014
Cán bộ hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)

KS. Trần Ngọc Anh
ii

(ký và ghi rõ họ tên)
ĐIỂM CHUNG
Bằng số
Bằng chữ
iii

`
MỤC LỤC
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii
DANH MỤC BẢNG viii
DANH MỤC HÌNH ix
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƢƠNG 1 3
TỔNG QUAN VỀ PHUN XĂNG VÀ ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ TRÊN ĐỘNG
CƠ Ô TÔ ĐỜI MỚI 3
1.1. Lịch sử hình thành phun xăng và đánh lửa điện tử trên ô tô 3
1.2. Lý thuyết về phun xăng và đánh lửa trên ô tô 4
1.2.1. Khái niệm, đặc điểm, phân loại hệ thống phun xăng 4
1.2.2. Lý thuyết hệ thống phun xăng 7
1.2.2.1. Tỷ lệ xăng– không khí………………………………………………7
1.2.2.2. Tỷ lệ khí hỗn hợp lý tưởng…………………………………………. 7
1.2.2.3. Hệ số dư lượng không khí………………………………………… 8
1.2.2.4. Độ đồng nhất của hỗn hợp cháy………………………………… 10

2.3.3. Phương án điều khiển đánh lửa điện tử 35
2.3.4. Phương án phần cứng ECU phun xăng, đánh lửa 40
2.3.5. Phương án lập trình cho ECU phun xăng, đánh lửa 40
2.3.6 Sơ đồ chân ECU 42
2.4. Giới thiệu động cơ mẫu 44
2.4.1. Thông số kỹ thuật xe Toyota caldina 44
2.4.2 Giới thiệu hệ thống phun xăng, đánh lửa của xe toyota calinda 2002 46
CHƢƠNG 3 47
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, VIẾT PHẦN MỀM, THỬ NGHIỆM VÀ ĐIỀU
CHỈNH BOARD MẠCH 47
3.1. Xây dựng thuật toán điều khiển phun xăng và đánh lửa 47
3.2. Tính toán các thông số cơ bản của hệ thống 50
3.2.1. Công thức tính thời gian phun theo một số tín hiệu cơ bản của động cơ 50
3.2.1.1. Thời điểm phun xăng………………………………………………50
v

`
3.2.1.2. Thời gian phun xăng……………………………………………… 51
3.2.2. Tính toán các thông số cho hệ thống đánh lửa lập trình ECU 57
3.2.2.1. Thời gian ngậm điện cần thiết để nạp vào chương trình………… 57
3.2.2.2. Hiệu chỉnh góc đánh lửa theo các chế làm việc động cơ………… 59
3.3. Tính toán, thiết kế phần cứng ECU 62
3.3.1. Chọn linh kiện chế tạo board mạch 62
3.3.2. Sơ đồ các khối trong ECU 69
3.3.2.1. Sơ đồ khối chung…………………………………………………. 69
3.3.2.2. Khối nguồn……………………………………………………… 70
3.3.2.3. Khối cảm biến…………………………………………………… 70
3.3.2.4. Khối vi điều khiển atmega16………………………………………76
3.3.2.5. Khối điều khiển ra phun xăng, đánh lửa (Khối công suất) 79
3.3.3. Quy trình làm board mạch 82

CIS : Continuous Injection System
TBI : Throttle Body Injection
ESA : Electronic Spark Advance viii

`
DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Giới thiệu sơ đồ chân nối của ECU 43
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật xe Toyota caldina 2002 45
Bảng 3.1 Một số thông số của mô hình khảo sát 50
Bảng 3.2 Thời gian phun cơ bản 53
Bảng 3.3 Thời gian hiệu chỉnh theo THW 55
Bảng 3.4 Thời gian hiệu chỉnh theo điện áp 56
Bảng 3.5 Kết quả tính toán với các dòng
ng

11
Hình 1.7 Ảnh hưởng của

đến N
e
và g
e
của động cơ xăng 12
Hình 1.8 So sánh đặc tuyến điều chỉnh góc đánh lửa sớm kiểu cơ khí và điện tử 16
Hình 1.9 Bản đồ góc đánh lửa sớm lý tưởng 17
Hình 1.10 Góc đánh lửa sớm thực tế 18
Hình 1.11 Xung điều khiển đánh lửa IGT 19
Hình 1.12 Kết cấu cơ bản hệ thống phun xăng điều khiển bằng điện tử 20
Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun xăng điện tử 21
Hình 1.14 Kết cấu cơ bản của hệ thống đánh lửa điều khiển bằng điện tử 22
Hình 2.1 ECU thực tế 28
Hình 2.2 Mạch điều khiển động cơ dùng vi điều khiển 89S51 29
Hình 2.3 Kết cấu hệ thống phun xăng L-EFI 31
Hình 2.4 Phun xăng đơn điểm 32
Hình 2.5 Phun xăng đa điểm 33
Hình 2.6 Phương pháp phun độc lập 34
Hình 2.7 Phương pháp phun từng nhóm 34
Hình 2.8 Phương pháp phun đồng loạt 35
Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng
điện tử 35
x

`
Hình 2.10 Đánh lửa điện tử có bộ chia điện 36
Hình 2.11 Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng mỗi bobine cho từng bougie 38

điều khiển thời điểm đánh lửa 75
Hình 3.22 Sơ đồ tín hiệu khởi động 76
Hình 3.23 Các chân tín hiệu vào và các chân tín hiệu ra điều khiển 76
Hình 3.24 Khối mạch RESET cho vi điều khiển 77
Hình 3.25 Khối tạo xung nhịp dao động cho vi điều khiển. 77
Hình 3.26 Màn hình LCD 16 × 2 79
Hình 3.27 Sơ đồ mạch khối ra điều khiển vòi phun 79
Hình 3.28 Sơ đồ mạch khối ra điều khiển đánh lửa 81
Hình 3.29 Giao diện phần mềm orcad 10.5 82
Hình 3.30 Giao diện layout in proteus 82
Hình 3.31 Linh kiện sắp xếp trên phần mềm proteus 83
Hình 3.32 Sơ đồ mạch in sau khi in ra giấy 83
Hình 3.33 Cắt phần layout từ giấy in 84
Hình 3.34 Cắt board đồng 84
Hình 3.35 Ủi mạch 85
Hình 3.36 Board mạch sau khi ngâm vào dung dịch chứa bột sắt 85
Hình 3.37 Board mạch sau khi vệ sinh 86
Hình 3.38 Khoan mạch 86
Hình 3.39 Hàn mạch 87
Hình 3.40 Board mạch sau khi hoàn thành 87
Hình 3.41 Kết cấu của board mạch phun xăng, đánh lửa 89
Hình 3.42 Chế độ khởi động lạnh 91
Hình 3.43 Chế độ sau khởi động 91
Hình 3.44 Chế độ thay đổi tải 92
1

`
LỜI NÓI ĐẦU
Hệ thống phun xăng, đánh lửa điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi trên ô
tô nhằm mục đích tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường.

nghiệm thực tế, đồ án này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Nhóm
thực hiện xin chân thành cảm ơn thầy giáo Trần Ngọc Anh cùng Quý thầy trong
Bộ môn kỹ thuật ô tô bằng thiện chí và nhiệt tình nghề nghiệp đã chỉ bảo và hướng
2

`
dẫn trong thời gian thiết kế đề tài cùng tất cả các bạn sinh viên đã giúp nhóm hoàn
thành đồ án này. Một lần nữa chúng tôi xin chân thành cảm ơn!
Nha Trang, tháng 06 năm 2014
Nhóm thực hiện
Võ Văn Chinh
Trần Văn Hiệu

kim phun điều khiển bằng điện. Có hai loại: hệ thống L-Jetronic (lượng nhiên liệu
được xác định nhờ cảm biến đo lưu lượng khí nạp) và D-Jetronic (lượng nhiên liệu
được xác định 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
4

`
hoà khí của xe Nissan Sunny. 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 ô tô đều được trang bị hệ thống điều khiển động
cơ xăng và diesel theo chương trình, giúp động cơ đáp ứng được các yêu cầu gắt
gao về khí xả và 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 trực tiếp: GDI (gasoline direct injection). Trong tương lai gần, chắc
chắn GDI sẽ được sử dụng rộng rãi.
1.2. Lý thuyết về phun xăng và đánh lửa trên ô tô
1.2.1. Khái niệm, đặc điểm, phân loại hệ thống phun xăng
 Khái niệm về phun xăng điển tử
Phun xăng điện tử là quá trình phun nhiên liệu vào động cơ được điều khiển
bởi một hệ thống điện tử được gọi là ECU (electronic control unit). ECU là một bộ
vi xử lý, khi nhận được các tín hiệu từ cảm biến, ECU sẽ tính toán để đưa ra được
thời điểm và lượng phun tối ưu nhất theo từng chế độ làm việc của động cơ.
 Đặc điểm hệ thống phun xăng điện tử
- Kiểm soát lượng xăng phun theo thời gian theo lượng khí nạp để đạt tỉ lệ

m
hoặc góc mở bướm ga 
t
. Lưu lượng không khí nạp vào xylanh
cũng phụ thuộc vào các thay đổi áp suất trên ống nạp p’
m
.

Hình 1.1 Loại điều khiển theo áp suất đường ống nạp. 6

`
 L - Jetronic (xuất phát từ chữ Luft trong tiếng Đức là không khí): với
lượng xăng phun được tính toán dựa vào lưu lượng khí nạp lấy từ cảm biến đo gió
loại cánh trượt. Sau đó có các phiên bản: LH – Jetronic với cảm biến đo gió dây
nhiệt, LU – Jetronic với cảm biến gió kiểu siêu âm…

- Hỗn hợp cháy phải được phân bố đồng điều cho các xilanh của động cơ
nhiều xilanh.
1.2.2.1. Tỷ lệ xăng– không khí
Hệ thống nhiên liệu trên động cơ xăng có chức năng làm thay đổi tỷ lệ xăng –
không khí để có được khí hỗn hợp tối ưu cho mọi chế độ làm việc khác nhau của
động cơ. Thông thường 1 gram xăng hòa trộn lẫn với 15 gram không khí, ta có tỷ lệ
khí hỗn hợp cung cấp cho động cơ trong nhiều chế độ làm việc khác nhau. Lúc khởi
động trởi lạnh, tỷ lệ khí hỗn hợp là 1/9. Trong chế độ chạy cầm chừng 1/12, ở vận
tốc trung bình khí hỗn hợp nghèo xăng hơn, vào khoảng 1/15. Lúc lái xe tăng tốc, tỷ
lệ khí hỗn hợp được thể hiện bằng các đường cong đứt quãng khi mở lớn tối đa
bướm ga, khí hỗn hợp cũng được thêm xăng.
Việc thay đổi tỷ lệ thích hợp nhằm mục đích luôn luôn nạp đủ nhiên liệu vào
xilanh. Ví dụ lúc khởi động trời lạnh, hay lúc động cơ xăng đang nguội phải cần đến
một tỷ lệ khí hỗn hợp rất giàu xăng. Bởi lúc này chỉ có một phần nhỏ xăng bốc hơi,
do đó phải cần thật nhiều xăng để xilanh nhận đủ lượng nhiên liệu cần thiết.
1.2.2.2. Tỷ lệ khí hỗn hợp lý tƣởng
Tỷ lệ hỗn hợp lý tưởng 1/14,7 được giới thiệu trên đồ thị hình (1.3) gọi là lý
tưởng bởi vì lượng oxy trong khí hỗn hợp này hoàn toàn thích ứng với lượng
hydrocacbon trong xăng giúp cho quá trình cháy của khí hỗn hợp được hoàn chỉnh
nhất. Sẽ xẩy ra tình trạng nhiều xăng đối với tỷ lệ 1/14, cũng như quá dư thừa oxy
đối với tỷ lệ hỗn hợp 1/16.
Nhằm giảm tình trạng ô nhiễm môi trường, ô tô thế hệ mới được trang bị bầu
hóa khử (catalytic converter). Để bộ này có thể hoạt động được tốt, đòi hỏi phải duy
trì tỷ lệ hỗn hợp khí ở mức lý tưởng 1/14,7.
8

`

- b Nghèo xăng – dư không khí.
Hỗn hợp quá nghèo xăng, không thể tiếp tục cháy được nếu
3,1


Hỗn hợp cháy tốt phát huy công suất tối đa cho động cơ. Lượng không khí
thiếu so với lý tưởng khoảng 5 – 15 %.
85,095,0 


Suất tiêu hao nhiên liệu bé tối đa. Dư lượng không khí khoảng 20%.
2,11,1 


Hệ số dư lượng không khí này sẽ cho một tỷ lệ khí hỗn hợp lý tưởng và cho
phép động cơ vận hành ổn định ở chế độ chạy cầm chừng.
0,1


Thiếu khoảng 15 – 25 % không khí. Động cơ nổ chuyên tiếp tốt, chuyển tiếp
có nghĩa là thay đổi chế độ làm việc từ chế độ này sang chế độ khác.
75,085,0 


10

`
1.2.2.4. Độ đồng nhất của hỗn hợp cháy
Hỗn hợp cháy được gọi là đồng nhất khi nó có thành phần như nhau tại mọi
khu vực trong buồng cháy. Để được trạng thái này, nhiên liệu phải bốc hơi hoàn


đến
t

và
i


1 – với tải bộ phận, 2 – với 100% tải, 3 – với hai bugi cho mỗi xilanh
4 – với khí mới phân lớp, 5 – với buồng đốt trước
Đường nét đứt biểu diễn đặc điểm biến thiên của hiệu suất lý thuyêt (
t

) theo

;
t

sẽ giảm khi

giảm trong khu vực


1 do phần nhiên liệu cháy không
hoàn toàn và nhiệt lượng chu trình là không đổi (Q=const).
Mặt khác, theo chiều tăng của

trong vùng



phụ thuộc vào nhiều yếu tố cấu tạo và vận hành của loại buồng đốt, số lượng bougie,
năng lượng của tia lửa điện, nhiệt độ và áp suất tại thời điểm đốt cháy nhiên liệu, …
Ở những động cơ hiện nay,
e

dao động trong khoảng (1,05 – 1,2) ở chế độ
toàn tải (bướm ga mở hoàn toàn). Trị số
e

sẽ giảm dần khi điều kiện cho nhiên liệu
bốc cháy ít thuận lợi hơn.
Nâng cao giá trị của
e

nói cách khác đảm bảo cho nhiên liệu cháy ổn định
với hỗn hợp cháy loãng hơn đã và đang là vấn đề được các chuyên gia trong lĩnh vực động
cơ đốt trong quan tâm không chỉ nhằm mục đích tăng hiệu suất mà còn có tác dụng
giảm độ độc hại của khí thải.
1.2.2.6. Ảnh hƣởng của

đến công suất có ích (N
e
) và công suất tiêu thụ nhiên
liệu(
e
g
) của động cơ