BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐỖ ANH CƯỜNG

ĐỖ ANH CƯỜNG

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG PHUN XĂNG
ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ CHO Ơ TƠ CĨ KẾT NỐI MÁY TÍNH
ỨNG DỤNG TRONG ĐÀO TẠO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

KHỐ 2016B
Hà Nội – Năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐỖ ANH CƯỜNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG PHUN XĂNG
ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ CHO Ơ TƠ CĨ KẾT NỐI MÁY TÍNH
ỨNG DỤNG TRONG ĐÀO TẠO

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

DANH MỤC CÁC HÌNH .....................................................................................6
MỞ ĐẦU ................................................................................................................8
1.

Lý do chọn đề tài ........................................................................................8

2.

Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................10

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................10

4.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn..................................................................10

5.

Cấu trúc luận văn......................................................................................11

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CHUNG VỀ HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ
...................................................................................................................................12
1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống phun xăng điện tử.....................................12
1.2 Khái niệm EFI .............................................................................................13
1.3 Ưu điểm của hệ thống EFI so với các loại hệ thống phun xăng khác. .......13
1.4 Phân loại .....................................................................................................15
1.4.1 Phân loại theo số vòi phun ...................................................................15
1.4.2 Phân loại theo kiểu hệ thống phun .......................................................16

2.5.4 Thiết kế phần mềm mơ phỏng hệ thống trên máy tính ........................80
2.5.5 Giao tiếp máy tính với thiết bị ngoại vi qua cổng RS232 ...................80
CHƯƠNG 3: SẢN PHẨM VÀ KẾT QUẢ .......................................................85
3.1 Sản phẩm.....................................................................................................85
3.2 Một số tính năng của phần mềm .................................................................86
3.3 Một số hình ảnh khi sử dụng phầm mềm ...................................................88
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .........................................................90
4.1 Kết luận .......................................................................................................90

3


4.2 Đề nghị ........................................................................................................90
PHỤ LỤC.............................................................................................................91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................102

4


CÁC CHỮ VIẾT TẮT THƯỜNG DÙNG
Chữ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

EFI

Electronic Fuel Injection


Throttle Body Injection

Phun đơn điểm

MPI

Multi Point Fuel Injection

Phun đa điểm

CIS

Continuous Injection System

Hệ thống phun liên tục

Air Flow Controlled Fuel

Phun nhiên liệu điểu khiển theo

Injection

dòng khí nạp

TCCS

AFC

5


Hình 2-2: Bản vẽ sắp xếp các khối trong hệ thống mô phỏng phun xăng điện tử đa điểm. ............. 48
Hình 2-3: Sa bàn mô phỏng hệ thống phun xăng điện tử đa điểm ................................................... 49
Hình 2-4: Dạng sóng 7..................................................................................................................... 50
Hình 2-5: Mơ hình mơ phỏng q trình hoạt động hệ thống. .......................................................... 50
Hình 2-6:Sơ đồ chi tiết các khối của hệ thống ................................................................................. 51
Hình 2-7: Nguyên lý hoạt động và đường đặc tính của cảm biến.................................................... 52
Hình 2-8: Sơ đồ đấu nối cảm biến lưu lượng khí nạp ...................................................................... 52
Hình 2-9: Đường đặc tính cảm biến theo datasheet ........................................................................ 53
Hình 2-10: Đường đặc tính phi tuyến theo cơng thức nội suy ......................................................... 53
Hình 2-11: Cảm biến vị trí bướm ga và đường đặc tính của cảm biến............................................ 54
Hình 2-12: Cảm biến vị trí chân ga và đặc tính của cảm biến ........................................................ 55

6


Hình 2-13: Sơ đồ mạch điện và dạng tín hiệu xung G và NE .......................................................... 56
Hình 2-14:Các bộ tạo tín hiệu G và NE loại độc lập....................................................................... 57
Hình 2-15: Các bộ tạo tín hiệu G và NE loại cảm biến vị trí trục khuỷu ........................................ 58
Hình 2-16: Cấu tạo, mạch điện và đặc tính của cảm biến nhiệt độ nước làm mát và nhiệt độ khí
nạp.................................................................................................................................................... 58
Hình 2-17: Đường đặc tính cảm biến nhiệt điện trở ........................................................................ 59
Hình 2-18: Cảm biến oxy. ................................................................................................................ 60
Hình 2-19: Sơ đồ cấu trúc bên trong Atmega32 .............................................................................. 64
Hình 2-20: Sơ đồ chân vi điều khiển Atmega32............................................................................... 66
Hình 2-21: Tạo nguồn AVCC từ VCC.............................................................................................. 67
Hình 2-22:Sơ đồ khối bộ định thời 1................................................................................................ 70
Hình 2-23: Sơ đồ khối nguồn ........................................................................................................... 71
Hình 2-24: Sơ đồ khối truyền thơng nối tiếp .................................................................................... 72
Hình 2-25: Sơ đồ khối vi xử lý trung tâm ......................................................................................... 73
Hình 2-26: Mạch khuếch đại cảm biến oxy ..................................................................................... 74

việc tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thành tựu của ngành
cơng nghiệp điện tử, tự động hóa và cơng nghệ thơng tin đã nhanh chóng được áp
dụng vào ngành công nghệ ôtô. Đặc biệt là các hệ thống trên động cơ đốt trong nhằm
hồn thiện q trình cháy. Đi tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu phát triển hệ thống
phun nhiên liệu điện tử cho động cơ đốt trong sử dụng trên ôtô là hãng Bosch (Đức)
từ những thập niên cuối thế kỷ trước. Đến năm 1984, người Nhật mua bản quyền của
Bosch và ứng dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử cho các mẫu xe của Toyota, hệ
thống này phân phối nhiên liệu đến các xilanh của động cơ tốt hơn so với chế hồ khí
bằng việc phun nhiên liệu có điều khiển điện tử. Ngày nay, hầu hết các phương tiện
sử dụng động cơ đốt trong (như ôtô, xe máy,…) đều được trang bị hệ thống phun
nhiên liệu điện tử EFI.
Hệ thống EFI được coi là trái tim của cả phương tiện, do đó nhu cầu tìm hiểu về cấu
tạo, quy trình vận hành của hệ thống EFI có ý nghĩa quan trọng, nhất là trong các
trường dạy nghề. Tuy nhiên, trong quá trình tiếp cận tơi nhận thấy người học gặp một
số khó khăn sau:
- Hệ thống phun xăng điện tử được lắp ráp vào xe, việc quan sát, theo dõi sự
vận hành của chúng sẽ gặp nhiều khó khăn. Các yếu tố như thời gian đốt nhiên liệu,
lưu lượng nhiên liệu,... không thể theo dõi liên tục trong quá trình vận hành của động
cơ.

8


-

Việc sử dụng phần mềm theo dõi của các hãng cần phải mua bản quyền, và

các phần mềm này chỉ biểu hiện ở dạng các đồ thị, chỉ có tác dụng chuẩn đốn, khó
khăn trong tìm hiểu và đánh giá, muốn sử dụng có hiệu quả cần kết hợp cả phần cứng.
- Một số mơ hình trên thị trường chỉ mơ phỏng lại q trình làm việc của hệ

hệ thống điều khiển khác; cũng như chức năng chẩn đốn và dự phịng.
-

Tính hợp lý: Chi phí hệ thống hợp lý, khơng q đắt như các mẫu hệ thống

khác.

9


2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu thiết kế mơ hình hệ thống phun xăng điện tử đa điểm ứng dụng trong đào
tạo, có kết nối với máy tính để quan sát, theo dõi, tính tốn các thơng số, đạt tới các
mục đích sau:
-

Nguyên lý làm việc tương đương với hệ thống khi lắp ráp vào ô tô.

-

Các thông số được theo dõi liên tục.

-

Có thể thay đổi điều kiện làm việc, thay đổi thông số hệ thống nếu cần.

-

Các modun dễ quản lý và thay thế khi muốn khảo sát các thiết bị khác nhau.


Chương 4: Kết luận và kiến nghị

11


CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CHUNG VỀ HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ
Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu chung về hệ thống phun xăng điện tử: lịch sử
phát triển, khái niệm, ưu điểm, phân loại, cấu tạo, nguyên lý hoạt động.
1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống phun xăng điện tử
Vào cuối thế kỹ 19, một kỹ sư người Pháp ông Stévaan đã nghĩ ra cách phân phối
nhiên liệu khi dùng một máy nén khí. Sau đó một thời gian, người Đức đã cho phun
nhiên liệu vào buồng đốt, nhưng việc này không đạt được hiệu quả cao nên không
thực hiện.
Đầu thế kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun xăng trên động cơ 4 kỳ tĩnh tại
(nhiên liệu dùng cho động cơ này là dầu hỏa nên hay bị kích nổ và hiệu quả thấp),
với sự đóng góp này đã đưa ra một cơng nghệ chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu
cho máy bay ở Đức.
Từ đó trở đi, hệ thống phun xăng được áp dụng trên các loại ơtơ ở Đức và nó đã thay
dần động cơ sử dụng bộ chế hịa khí. Cơng ty Bosch đã áp dụng hệ thống phun xăng
trên mô tô 2 kỳ, bằng cách cung cấp nhiên liệu dưới áp lực cao.
Việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống phun xăng bị gián đoạn trong một khoảng thời
gian dài. Đến năm 1962, người Pháp triển khai nó trên ơtơ Peugoet 404. Họ điều
khiển sự phân phối nhiên liệu bằng cơ khí nên hiệu quả khơng cao và cơng nghệ vẫn
chưa đáp ứng tốt được. Đến năm 1966, người Đức đã đưa thế giới tiến bộ bằng kỹ
thuật áp dụng trong điều khiển.
Năm 1973, các kỹ sư người Đức đã đưa ra hệ thống phun xăng kiểu cơ khí gọi là KJetronic. Loại này được đưa vào sản xuất và ứng dụng trên hãng xe Mercedes..Vào
năm 1981 hệ thống Kjetronic được cải tiến thành KE-Jetronic và nó được sản xuất
hàng loạt vào năm 1984 và được trang bị trên các xe của hãng Mercedes.
Dù đã có nhiều thành cơng lớn khi ứng dụng hệ thống K-Jetronic và KE-Jetronic trên
ôtô. Nhưng các kiểu này có khuyết điểm là bảo dưỡng sửa chữa khó và giá thành chế

phối đều nhiên liệu đến từng xylanh. Hơn nữa, tỷ lệ khí – nhiên liệu có thể điều chỉnh
tự do nhờ ECU bằng việc thay đổi thời gian hoạt động của vòi phun (khoảng thời gian
phun nhiên liệu). Vì các lý do đó, hỗn hợp khí nhiên liệu được phân phối đều đến tất
cả các xylanh & tạo ra được tỷ lệ tối ưu. Chúng có ưu điểm về cả khía cạnh kiểm sốt
khí xả lẫn tính năng về công suất.

13


-

Có thể đạt được tỷ lệ khí - nhiên liệu chính xác với tất cả các dải tốc độ động

cơ.
Vịi phun đơn của chế hồ khí khơng thể điều khiển chính xác tỷ lệ khí – nhiên liệu
ở tất cả các dải tốc độ, nên việc điều khiển chia thành hệ thống tốc độ chậm, tốc độ
cao thứ nhất, tốc độ cao thứ hai…và hỗn hợp phải được làm đậm khi chuyển từ một
hệ thống này sang hệ thống khác. Vì lý do đó, nếu hỗn hợp khí nhiên liệu khơng được
làm đậm hơn một chút thì các hiện tượng khơng bình thường (nổ trong ống nạp và
nghẹt) rất dễ xảy ra khi chuyển đổi. Mặc dù vậy, với EFI một hỗn hợp khí – nhiên
liệu chính xác và liên tục luôn được cung cấp tại bất kỳ chế độ tốc độ & tải trọng nào
của động cơ. Đây là ưu điểm ở khía cạnh kiểm sốt khí xả và tiết kiệm nhiên liệu.
-

Đáp ứng kịp thời với sự thay đổi góc mở bướm ga.

Ở động cơ lắp chế hồ khí, từ bộ phận phun nhiên liệu đến xylanh có một khoảng
cách dài. Cũng như, do có sự chênh lệch lớn giữa tỷ trọng riêng của xăng và khơng
khí, nên xuất hiện sự chậm trễ nhỏ khi xăng đi vào xylanh tương ứng với sự thay đổi
của luồng khí nạp. Mặc dù vậy, ở hệ thống EFI, vòi phun được bố trí gần xylanh và

khơng bên dưới họng khếch tán. Đó là ngun nhân hỗn hợp khí – nhiên
liệu được hút vào trong xylanh trong hành trình đi xuống của piton. Tuy
nhiên họng khếch tán làm hẹp (cản trở) dịng khí nạp và đó là nhược điểm
của động cơ. Mặt khác, ở EFI một áp suất xấp xỉ 2 - 3 kgf/cm 2 luôn được
cung cấp đến động cơ để nâng cao khả năng phun sương của hỗn hợp khí
– nhiên liệu, do có thể làm đường ống nạp nhỏ hơn nên có thể lợi dụng
qn tính của dịng khí nạp của hỗn hợp khí – nhiên liệu tốt hơn.
Mặc dù có đầy đủ các ưu điểm trên, tuy nhiên hệ thống phun xăng điện tử cũng có
một số nhược điểm như cấu tạo phức tạp, có yêu cầu khắt khe về chất lượng lọc sạch
nhiên liệu và khơng khí; bảo dưỡng, sửa chữa cần có trình độ chun mơn cao; giá
thành đắt.
1.4 Phân loại
1.4.1 Phân loại theo số vòi phun
- Loại TBI – Phun đơn điểm
Hệ thống này cịn có các tên gọi khác như: SPI (single point injection), CI (central
injection), Mono – Jetronic. Đây là loại phun trung tâm, kim phun được bố trí phía

15


trên cánh bướm ga và nhiên liệu được phun bằng một hay hai kim phun. Nhược điểm
của hệ thống này là tốc độ dịch chuyển của hịa khí tương đối thấp do nhiên liệu được
phun ở vị trí xa xu-páp hút và khả năng thất thoát trên đường ống nạp.
- Loại MPI – phun đa điểm
Đây là hệ thống phun nhiên liệu đa điểm, với mỗi kim phun cho từng xy lanh được
bố trí gần xu-páp hút (cách khoảng 10-15 mm). Ống góp hút được thiết kế sao cho
đường đi của khơng khí từ bướm ga đến xylanh khá dài, nhờ vậy, nhiên liệu phun ra
được hòa trộn tốt với khơng khí nhờ xốy lốc. Nhiên liệu cũng khơng cịn thất thoát
trên đường ống nạp. Hệ thống phun xăng đa điểm ra đời đã khắc phục được các nhược
điểm cơ bản của hệ thống phun xăng đơn điểm. Tùy theo cách điều khiển kim phun,

cơ đốt trong thường gồm các chức năng điều khiển khác như điều khiển hộp số…
1.4.4 Phân loại theo kỹ thuật điều khiển kim phun
Nếu phân loại theo kỹ thuật điều khiển ta có thể chia hệ thống điều khiển động cơ
làm 3 loại:
-

Hệ thống phun xăng cơ khí: Được điều khiển bằng cần ga, bơm cơ khí và bộ

điều tốc để kiểm soát số lượng nhiên liệu phun vào động cơ.
-

Hệ thống phun xăng thủy lực: Được trang bị các bộ phận di động bởi áp lực

của gió hay của nhiên liệu. Điều khiển thủy lực sử dụng cảm biến cánh bướm gió và
bộ phân phối nhiên liệu để điều khiển lượng xăng phun vào động cơ.
-

Hệ thống phun xăng điện tử (EFI): ở các hệ thống phun xăng loại này, một

loạt các cảm biến sẽ cung cấp thơng tin dưới dạng tín hiệu điện liên quan đến các
thông số làm việc của động cơ cho ECU. Sau khi xử lý các thông tin này, bộ điều
khiển trung tâm sẽ xác định lượng xăng cần cung cấp cho động cơ theo một chương
trình tính tốn đã được lập trình sẵn và chỉ huy sự hoạt động của các vòi phun xăng
(thời điểm phun và thời gian phun). Tùy theo kiểu và mức độ hồn thiện, EFI cịn có
thể thực hiện một số chức năng khác như:
+ Điều khiển đồng bộ quá trình đánh lửa bán dẫn hoặc điện tử.
+ Chống kích nổ tự thích ứng.

17



Hệ thống nhiên liệu.

-

Hệ thống nạp khí.

18


Hình 1-1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống EFI

1.5.2 Hệ thống nạp khí
1.5.2.1 Bầu lọc khí
Bầu lọc khí có tác dụng lọc sạch khơng khí trước khi đưa vào cổ họng gió và đi vào
đường ống nạp.
1.5.2.2 Bướm ga
Lượng khí đi vào động cơ phụ thuộc vào độ mở của bướm ga. Bướm ga mở càng
rộng thì lượng khí đi vào động cơ càng nhiều và ngược lại, bướm ga mở nhỏ thì lượng
khí đi vào động cơ ít đi.

19


1.5.2.3 Cổ họng gió
Bao gồm bướm ga để điều khiển lượng khơng khí nạp trong q trình hoạt động của
động cơ. Một đường khí phụ để cho phép một lượng khí nhỏ đi vào trong q trình
chạy khơng tải. Một cảm biến vị trí bướm ga để nhận biết góc mở bướm ga. Một số
loại cổ họng gió cịn trang bị một bộ đệm chân ga để cho phép bướm ga trả từ từ khi
nó đóng lại hay khi dùng van khí phụ loại sáp.

+ Cung cấp xăng đồng thời cho các vòi phun dưới áp suất bằng nhau.
+ Làm nơi gá, lắp các vòi phun và giúp cho việc tháo, lắp các vòi phun dễ dàng.
1.5.3.4 Bộ điều áp nhiên liệu
Trong mạch cung cấp nhiên liệu, bộ điều áp điều chỉnh áp suất nhiên liệu vào vòi
phun ở 324 kPa (3,3 kgf/cm2) (giá trị này có thể thay đổi tùy loại động cơ). Ngồi ra,
bộ điều áp cịn duy trì áp suất dư trong đường ống nhiên liệu cũng như cách thức duy
trì ở van một chiều của bơm nhiên liệu.
1.5.3.5 Vòi phun
Vòi phun phun nhiên liệu vào các cửa nạp của các xi lanh theo tín hiệu từ ECU động
cơ (Hình 1-3). Các tín hiệu từ ECU động cơ làm cho dòng điện chạy vào cuộn dây
điện từ, làm cho pít-tơng bơm bị kéo, mở van để phun nhiên liệu.

21


Hình 1-3: Cấu tạo vịi phun

1.5.4 Hệ thống điều khiển điện tử
Hệ thống điều khiển điện tử bao gồm các cảm biến, bộ vi xử lý trung tâm và các cơ
cấu chấp hành. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống được mơ tả trong Hình 1-4.
Bộ xử lý trung tâm nhận các tín hiệu từ các cảm biến gửi về phân tích, xử lý và lựa
chọn chế độ phun nhiên liệu hợp lý được lưu trữ trong bộ nhớ của ECU, đồng thời
xuất tín hiệu điều khiển các cơ cấu chấp hành cho hệ thống cung cấp nhiên liệu.
Điểm khác nhau căn bản giữa hệ thống cung cấp nhiên liệu thông thường với hệ thống
phun xăng điện tử ở chỗ:
- Với hệ thống cung cấp nhiên liệu thông thường, chế độ làm việc của động cơ
phụ thuộc hoàn toàn vào bàn đạp chân ga, hỗn hợp nhiên liệu và không khí được hịa
trộn trong xy-lanh nhờ sự tụt áp.

22