Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU hệ thống nhiên liệu động cơ diesel ( Luận án tiến sĩ)

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu
kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong các công trình nào khác!
Hà Nội, tháng 9 năm 2014
Nghiên cứu sinh

TM TT HƯỚNG DẪN

GS.TS Phạm Minh Tuấn

Hồ Văn Đàm

-i-


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học,
Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí
Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Minh Tuấn và PGS.TS Khổng Vũ Quảng đã
hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và
hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt
trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện
hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này.
Tôi xin cảm ơn Đảng ủy, Ban Giám hiệu cùng tập thể cán bộ giảng viên Trường Cao
đẳng nghề kỹ thuật công nghiệp Việt Nam – Hàn Quốc đã hậu thuẫn và động viên tôi trong
suốt quá trình nghiên cứu học tập.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng
chấm luận án đã đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này
và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã
động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công
trình này.
Nghiên cứu sinh

Hồ Văn Đàm

- ii -


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................................................. viii
MỞ ĐẦU..............................................................................................................................................1
i. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ............................................................... 2
ii. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................................. 2
iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ..................................................................................................... 3
iv. Các nội dung chính trong đề tài................................................................................................... 3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU CHUẨN CHO ECU TRÊN
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG..................................................................................................................4
1.1. Điều khiển điện tử trên các máy móc ......................................................................................... 4
1.1.1. Giới thiệu chung................................................................................................................... 4
1.1.2. Hệ thống điều khiển điện tử động cơ xăng ............................................................................ 6
1.1.3. Hệ thống điều khiển điện tử động cơ diesel ......................................................................... 12


1.1.4. Vai trò của bộ dữ liệu chuẩn ECU....................................................................................... 19
1.2. Giới thiệu về xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU của động cơ đốt trong .............................. 21
1.3. Các công trình đã thực hiện trong và ngoài nước .................................................................... 22
1.3.1. Nghiên cứu ngoài nước....................................................................................................... 22
1.3.2. Nghiên cứu trong nước ....................................................................................................... 27
1.4. Lựa chọn phương pháp, giới hạn và đối tượng nghiên cứu ..................................................... 27
1.5. Kết luận chương 1 ..................................................................................................................... 28

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU CHUẨN CHO ECU ĐỘNG
CƠ ĐỐT TRONG.............................................................................................................................29
2.1. Bài toán tối ưu nhiều biến đa mục tiêu trong kỹ thuật ............................................................ 29
2.1.1. Bài toán tối ưu tổng quát ..................................................................................................... 29
2.1.2. Phân loại các bài toán tối ưu ................................................................................................ 30
2.1.3. Nội dung lấy bộ dữ liệu chuẩn ............................................................................................ 38
2.2. Mô hình hệ thống nhiên liệu động cơ đốt trong ....................................................................... 39
2.2.1. Miền làm việc của động cơ kéo máy công tác ..................................................................... 39
2.2.2. Mô hình tối ưu tổng quát của HTNL động cơ diesel sử dụng trên phương tiện cơ giới.......... 40
2.2.3. Các nội dung cần thực hiện khi xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho động cơ .............................. 43
2.3. Kết luận chương 2 ..................................................................................................................... 46

CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM ĐỂ TỐI ƯU CÁC THAM SỐ
TRONG QUÁ TRÌNH XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU CHUẨN......................................................48
3.1. Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm ............................................................................................ 48
3.1.1. Vai trò của quy hoạch thực nghiệm trong nghiên cứu thử nghiệm ........................................ 48
3.1.2. Đối tượng của quy hoạch thực nghiệm trong các ngành công nghiệp ................................... 49
3.1.3. Các phương pháp quy hoạch thực nghiệm ........................................................................... 50
3.2. Phần mềm quy hoạch thực nghiệm DX6 .................................................................................. 61
3.2.1. Giới thiệu phần mềm DX6 .................................................................................................. 61

- iii -


3.2.2. Các bước thực hiện cơ bản trên phần mềm DX6 .................................................................. 62
3.2.3. Phân tích kết quả ................................................................................................................ 63
3.2.4. Giải bài toán tối ưu hoá trên phần mềm DX6 ...................................................................... 64
3.3. Thực hiện tối ưu tham số điều chỉnh động cơ .......................................................................... 65
3.3.1. Ảnh hưởng của các tham số điều chỉnh tới các tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ sử dụng
hệ thống CR ......................................................................................................................................... 65
3.3.2. Quy trình tối ưu các tham số điều chỉnh .............................................................................. 68
3.3.3. Tiến hành bài toán quy hoạch trực giao cấp II ..................................................................... 69
3.4. Kết luận chương 3 ..................................................................................................................... 70

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU CHUẨN TRÊN
ĐỘNG CƠ DIESEL AVL 5402.......................................................................................................71
4.1. Mục đích ................................................................................................................................... 71
4.2. Nội dung thử nghiệm ................................................................................................................ 71
4.3. Thiết bị thử nghiệm .................................................................................................................. 71
4.3.1. Giới thiệu chung................................................................................................................. 71
4.3.2. Động cơ thử nghiệm ........................................................................................................... 72
4.3.3. Băng thử động cơ ............................................................................................................... 74
4.3.4. Hệ thống điều khiển băng thử ............................................................................................. 75
4.4. Quy trình và điều kiện thử nghiệm .......................................................................................... 77
4.4.1. Quy trình thử nghiệm ......................................................................................................... 77
4.4.2. Điều kiện thử nghiệm ......................................................................................................... 78
4.5. Tiến hành thử nghiệm và kết quả ............................................................................................. 78
4.5.1. Xây dựng đường đặc tính ngoài .......................................................................................... 78
4.5.2. Xây dựng đường đặc tính không tải .................................................................................... 86
4.5.3. Xây dựng các đường đặc tính tải ......................................................................................... 92
4.5.4. Đánh giá độ tin cậy của kết quả .......................................................................................... 98
4.6. Kết luận chương 4 ................................................................................................................... 100

KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN.................................................101
Kết luận chung .............................................................................................................................. 101
Phương hướng phát triển .............................................................................................................. 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................................102
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.......................................106
PHỤ LỤC ........................................................................................................................................107

- iv -


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Diễn giải

Đơn vị

EFI

Phun xăng điện tử (Electronic Fuel Injection)

-

ECU

Bộ điều khiển điện tử (Electronic Control Unit)

-

SPI

Phun xăng đơn điểm (Single-Point Injection)

-

MAP

Áp suất nạp tuyệt đối (Manifold Absolute Pressure)

-

EDC

Điều khiển điện tử động cơ diesel (Electronic Diesel Control)

-

Bơm dãy

-

Bơm phân phối

-

Hệ thống nhiên liệu tích áp (Common Rail)

-

Mô đun điều khiển động cơ (Engine Control Module)

-

PE
VE, VR
CR
ECM
HEUI

Hệ thống phun nhiên liệu điện tử thủy lực (Hydraulic Electronic
Unit Injector)

-

ANN

Mạng nơ ron nhân tạo (Artificial Neural Network)

-

AFR

Tỷ lệ không khí/nhiên liệu (Air Fuel Ratio)

-

MPC

Điều khiển theo mô hình dự báo phi tuyến (Model Predictive

-

Control)
RBF

Hàm cơ sở bán kính (Radial Basis Function)

-

HTNL

Hệ thống nhiên liệu

-

ĐKĐT

Điều khiển điện tử

-

ĐCĐT

Động cơ đốt trong

-

QHTT

Quy hoạch tuyến tính

-

QHPT

Quy hoạch phi tuyến

-

QHTN

Quy hoạch thực nghiệm

-

PTHQ

Phương trình hồi quy

-

QHTG

Quy hoạch trực giao

-

PUMA

Phần mềm điều khiển băng thử động cơ

-

INCA

Phần mềm liên kết với ECU mở

-

AMK

Cụm phanh điện

-

Thiết bị điều khiển tải

-

THA 100

-v-


FEM

Chuyển đổi tín hiệu số và tín hiệu tương tự

-

DX6

Phần mềm quy hoạch thực nghiệm

-

φs

Góc phun sớm

độ

pf

Áp suất phun

bar

Gnl

Lượng tiêu thụ nhiên liệu

g/h

Me

Mô men động cơ

Nm

Ne

Công suất động cơ

Hp

- vi -


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Độ rộng xung phun cơ bản (mili giây) theo tốc độ động cơ và tải -------------------------- 20
Bảng 1.2. Các hệ số xác định từ thông số đo từ cảm biến------------------------------------------------- 21
Bảng 4.1. Bảng thông số kỹ thuật của băng thử ------------------------------------------------------------ 71
Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật của động cơ AVL 5402 ----------------------------------------------------- 73
Bảng 4.3. Các điểm thử nghiệm tại tốc độ 3000 v/ph ----------------------------------------------------- 80
Bảng 4.4. Các giá trị bj tại tốc độ 3000 v/ph ---------------------------------------------------------------- 81
Bảng 4.5. Các điểm thử nghiệm tại tốc độ 2800 v/ph ----------------------------------------------------- 83
Bảng 4.6. Các giá trị bj tại tốc độ 2800 v/ph ---------------------------------------------------------------- 83
Bảng 4.7. Giá trị bj ở các tốc độ khác nhau trên đường đặc tính ngoài --------------------------------- 84
Bảng 4.8. Giá trị mô men lớn nhất ở đường đặc tính ngoài ----------------------------------------------- 85
Bảng 4.9. Các điểm thử nghiệm tại tốc độ 1000 v/ph ----------------------------------------------------- 87
Bảng 4.10. Các giá trị bj tại tốc độ 1000 v/ph --------------------------------------------------------------- 87
Bảng 4.11. Các điểm thử nghiệm tại tốc độ 1200 v/ph ---------------------------------------------------- 89
Bảng 4.12. Các giá trị bj ở các tốc độ khác nhau trên đường đặc tính không tải ---------------------- 91
Bảng 4.13. Các giá trị Gnlmin , φs và pf ở các tốc độ khác nhau trên đường đặc tính không tải ------ 91
Bảng 4.14. Bộ thông số φs tối ưu tại các điểm cơ sở ------------------------------------------------------- 94
Bảng 4.15. Bộ thông số pf tối ưu tại các điểm cơ sở ------------------------------------------------------- 94
Bảng 4.16. Me tối ưu tại các điểm cơ sở --------------------------------------------------------------------- 95
Bảng 4.17. Bộ thông số φs tối ưu sau khi nội suy----------------------------------------------------------- 95
Bảng 4.18. Bộ thông số pf tối ưu sau khi nội suy----------------------------------------------------------- 96
Bảng 4.19. Me tối ưu sau khi nội suy ------------------------------------------------------------------------- 97
Bảng 4.20. So sánh Me giữa tính toán và thực nghiệm ---------------------------------------------------- 99

- vii -


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ chung một hệ thống điều khiển -------------------------------------------------------------4
Hình 1.2. Sơ đồ bố trí cảm biến lưu lượng khí nạp trong hệ thống EFI [11]-----------------------------7
Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý chung của một hệ thống phun xăng điện tử [11] ----------------------------7
Hình 1.4. Thuật toán điều khiển thời gian phun nhiên liệu [10] -------------------------------------------8
Hình 1.5. Hiệu chỉnh thời gian phun trong quá trình khởi động -------------------------------------------8
Hình 1.6. Đặc tính hiệu chỉnh khi chạy ấm máy -------------------------------------------------------------9
Hình 1.7. Đặc tính hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun theo nhiệt độ khí nạp -----------------------------9
Hình 1.8. Đặc tính hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun khi tăng tốc -------------------------------------- 10
Hình 1.9. Đặc tính hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun khi giảm tốc ------------------------------------- 10
Hình 1.10. Đặc tính hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun theo điện áp ac-qui ---------------------------- 11
Hình 1.11. Tỷ lệ hòa khí và đặc tính hiệu chỉnh phản hồi ------------------------------------------------ 11
Hình 1.12. Sơ đồ hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ Mitsubishi 6D1 -------------------------- 12
Hình 1.13. Cơ cấu điều khiển xoay bạc xả ------------------------------------------------------------------ 13
Hình 1.14. Cấu tạo bơm cao áp Mitsubishi 6D1 ----------------------------------------------------------- 13
Hình 1.15. Hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử 3406E trên xe Caterpillar ------------------------- 14
Hình 1.16. Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu thủy lực điện tử HEUI ------------------------------------- 15
Hình 1.17. Sơ đồ hệ thống điều khiển điện tử HEUI [14] ------------------------------------------------ 16
Hình 1.18. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu tích áp --------------------------------------------------------------- 16
Hình 1.19. Cấu tạo bơm cao áp của hệ thống nhiên liệu CR --------------------------------------------- 17
Hình 1.20. Cấu tạo vòi phun điện từ ------------------------------------------------------------------------- 18
Hình 1.21. Vòi phun thạch anh (piezo injector) của Denso [40] ----------------------------------------- 18
Hình 1.22. Qui luật phun nhiên liệu -------------------------------------------------------------------------- 19
Hình 1.23. Sơ đồ điều khiển thời điểm phun của ECU ---------------------------------------------------- 19
Hình 1.24. Mô hình mô phỏng một nơ-ron nhân tạo ------------------------------------------------------ 22
Hình 1.25. Sơ đồ các điểm trong vùng huấn luyện và vùng tính toán [52]----------------------------- 23
Hình 1.26. Sai lệch giữa kết quả tính của mô hình và kết quả đo [52] ---------------------------------- 23
Hình 1.27. Sai số điều khiển AFR và lượng nhiên liệu phun [53] --------------------------------------- 24
Hình 1.28. Cấu trúc hệ FES với các bộ mờ hóa (fuzzification) và giải mờ (defuzzification) [55].- 24
Hình 1.29. Hàm với 2 thông số đầu vào và 4 thông số đầu ra [55] -------------------------------------- 25
Hình 1.30. So sánh kết quả dự báo của mô hình FES với kết quả thực nghiệm [55] ---------------- 26
Hình 2.1. Miền làm việc của động cơ kéo máy phát điện------------------------------------------------- 39
Hình 2.2. Miền làm việc của động cơ dẫn động trực tiếp chân vịt -------------------------------------- 40
Hình 2.3. Miền làm việc của động cơ trên các phương tiện cơ giới [3] -------------------------------- 40
Hình 2.4. Sơ đồ chia lưới-phân vùng làm việc của động cơ ---------------------------------------------- 44
Hình 2.5. Sơ đồ xác định các điểm khảo sát ---------------------------------------------------------------- 45
Hình 2.6. Mô hình nội suy tuyến tính ------------------------------------------------------------------------ 46
Hình 3.1. Sơ đồ đối tượng nghiên cứu có và không có nhiễu [24, 26] ---------------------------------- 49
Hình 3.2. Mô hình đối tượng công nghệ MIMO (nhiều vào, nhiều ra) [24] --------------------------- 50
Hình 3.3. Màn hình giao diện chính của phần mềm DX6------------------------------------------------- 62
Hình 3.4. Màn hình lựa chọn số yếu tố đầu vào và phương pháp quy hoạch thực nghiệm ---------- 62
Hình 3.5. Các bước thực hiện cơ bản trên phần mềm DX6 ----------------------------------------------- 63
Hình 3.6. Lựa chọn hiển thị dạng điểm ---------------------------------------------------------------------- 63

- viii -


Hình 3.7. Kiểm tra sự phù hợp của mô hình theo chuẩn Fisher ------------------------------------------ 63
Hình 3.8. Dạng phương trình hồi quy tìm được ------------------------------------------------------------ 64
Hình 3.9. Khảo sát giá trị của yếu tố đầu ra phụ thuộc các yếu tố đầu vào ---------------------------- 64
Hình 3.10. Kết quả giải bài toán tối ưu ---------------------------------------------------------------------- 65
Hình 3.11. Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp lớn tới suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ [64] ----- 66
Hình 3.12. Ảnh hưởng của các tham số điều chỉnh tới các tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ
[65]--------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 67
Hình 3.13. Ảnh hưởng của áp suất phun tới chiều dài tia phun và kích thước hạt nhiên liệu [65] - 68
Hình 3.14. Lưu đồ thuật toán các bước thực hiện bài toán QHTN TG cấp II ------------------------- 69
Hình 4.1. Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm ------------------------------------------------------------------- 72
Hình 4.2. Mặt cắt dọc động cơdiesel 1 xy lanh AVL 5402--- -------------------------------------------- 73
Hình 4.3. Mặt cắt ngang động cơ diesel 1 xy lanh AVL 5402 ------------------------------------------- 73
Hình 4.4. Động cơ diesel 1 xy lanh AVL 5402 ------------------------------------------------------------- 74
Hình 4.5. Băng thử lắp động cơ diesel 1 xy lanh AVL 5402 tại Phòng thí nghiệm------------------- 74
Hình 4.6. Cấu trúc các FEM trong hệ thống PUMA ------------------------------------------------------- 76
Hình 4.7. Sơ đồ kết nối của hệ thống INCA --------------------------------------------------------------- 77
Hình 4.8. Vùng làm việc của động cơ------------------------------------------------------------------------ 77
Hình 4.9. Các bước xây dựng bộ tham số (φs, pf) tối ưu -------------------------------------------------- 78
Hình 4.10. Giới hạn vùng làm việc khi khảo sát đường đặc tính ngoài --------------------------------- 79
Hình 4.11. Thuật toán xác định bộ số liệu φs và pf tại đặc tính ngoài ----------------------------------- 79
Hình 4.12. Mô men thể hiện theo các đường đồng mức tại tốc độ 3000 v/ph ------------------------- 81
Hình 4.13. Mô men thể hiện theo không gian ba chiều tại tốc độ 3000 v/ph -------------------------- 82
Hình 4.14. Mô men thể hiện theo các đường đồng mức ở tốc độ 2800 v/ph --------------------------- 83
Hình 4.15. Mô men thể hiện theo không gian ba chiều tại tốc độ 2800 v/ph -------------------------- 84
Hình 4.16. Bộ thông số tối ưu ở đường đặc tính ngoài ---------------------------------------------------- 85
Hình 4.17. Thuật toán xác định bộ số liệu φs và pf tại đặc tính không tải ------------------------------ 86
Hình 4.18. Giá trị Gnl thể hiện theo các đường đồng mức ở tốc độ 1000 v/ph ------------------------ 88
Hình 4.19. Giá trị Gnl thể hiện theo không gian ba chiều ở tốc độ 1000 v/ph -------------------------- 88
Hình 4.20. Giá trị Gnl thể hiện theo các đường đồng mức ở tốc độ 1200 v/ph ------------------------ 90
Hình 4.21. Giá trị Gnl thể hiện theo không gian ba chiều ở tốc độ 1200 v/ph-------------------------- 90
Hình 4.22. Bộ thông số tối ưu ở đường đặc tính không tải ----------------------------------------------- 92
Hình 4.23. Các điểm cơ sở trong bài toán quy hoạch ------------------------------------------------------ 93
Hình 4.24. φs tối ưu theo tốc độ và tải trọng động cơ ------------------------------------------------------ 96
Hình 4.25. pf tối ưu theo tốc độ và tải trọng động cơ ----------------------------------------------------- 97
Hình 4.26. M e tối ưu theo tốc độ và tải trọng đ ộng cơ -------------------------------------------- 98
Hình 4.27. Đặc tính toàn tải theo QHTN và đo trên băng thử -------------------------------------------- 99

- ix -


MỞ ĐẦU
Tăng hiệu suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và thành phần độc hại của khí thải động cơ
cùng với nâng cao tuổi thọ và giảm giá thành là những thách thức lớn và cũng là nguồn
động lực cho việc phát triển các công nghệ mới trong ngành công nghiệp ôtô [35, 36]. Do
vậy, cùng với sự phát triển của các ngành khoa học, một số lượng lớn các nhà khoa học đã
đầu tư rất nhiều thời gian, công sức tập trung nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới
thân thiện với môi trường để áp dụng cho ngành công nghiệp ôtô [37]. Với mục đích tăng
hiệu suất sử dụng nhiên liệu và giảm thiểu lượng phát thải độc hại do các phương tiện giao
thông gây ra.
Trong thời gian qua các kết quả nghiên cứu đã thực sự đạt được những thành công và
đóng góp đáng kể trong việc phát triển các công nghệ mới cho ngành công nghiệp ôtô thế
giới. Trong đó phải kể đến sự phát triển vượt bậc của việc ứng dụng các công nghệ điện,
điện tử và điều khiển trong điều khiển các hệ thống của động cơ đốt trong, nổi trội của các
ứng dụng này là hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử.
Với các tính năng nổi trội cả về kỹ thuật và kinh tế do hệ thống nhiên liệu điều khiển
bằng điện tử đem lại, hiện nay hệ thống này đã được các hãng sản xuất động cơ hàng đầu
trên thế giới tập trung đầu tư nghiên cứu, phát triển và đưa vào ứng dụng khai thác trên các
sản phẩm của mình. Cùng với sự phát triển chung của nền công nghiệp ôtô thế giới, Việt
Nam hiện nay cũng đã khai thác và sử dụng một lượng không nhỏ động cơ sử dụng hệ
thống nhiên liệu điều khiển điện tử. Tuy nhiên công nghệ này còn tương đối mới mẻ, hơn
nữa hệ thống này thường được sản xuất tách riêng bởi các hãng sản xuất chuyên nghiệp,
sau đó cung cấp sản phẩm cho các hãng sản xuất động cơ. Do vậy việc tiếp cận hợp tác,
học hỏi và chuyển giao các công nghệ này còn rất hạn chế. Chính vì vậy việc làm chủ công
nghệ mới này đang là những thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu sản xuất, khai thác
sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa động cơ ở Việt Nam. Hiện nay trong quá trình vận hành
khai thác, sử dụng, và bảo dưỡng luôn phải cần có sự hỗ trợ kỹ thuật của chuyên gia các
hãng cung cấp. Đặc biệt đối với các động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu điều khiển điện
tử sau khi đại tu sửa chữa hoặc cải tiến, dẫn đến một số dữ liệu ban đầu của động cơ bị
thay đổi, làm cho động cơ không đảm bảo yêu cầu làm việc tối ưu, tiêu hao nhiên liệu và
phát thải vượt quá mức cho phép. Từ những đặc điểm cơ bản đó, đòi hỏi cần phải có bộ dữ
liệu mới cho ECU phù hợp với động cơ hiện tại, tuy nhiên đây là công việc phức tạp mà
hiện nay vẫn chưa có hướng giải quyết cụ thể. Chính vì vậy đã tạo ra những hạn chế không
nhỏ trong quá trình khai thác, sử dụng, cải tiến, bảo dưỡng và sửa chữa các động cơ có hệ
thống nhiên liệu điều khiển bằng điện tử. Hơn nữa để tiến tới có nền công nghiệp riêng về
động cơ ở Việt Nam theo quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ôtô Việt Nam đến năm
2010, tầm nhìn 2020 theo Quyết định 177/2004/QĐ-TTg, thì động cơ phải đạt tỷ lệ sản
xuất trong nước 50%. Cùng với yêu cầu khí thải của ô tô, xe mô tô theo Quyết định số
49/2011/QĐ-TTg ngày 1/9/2011 lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải đối với xe ô tô, xe mô
tô hai bánh sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới. Thực tế đó đòi hỏi phải chú trọng quan tâm
nghiên cứu - phát triển hơn nữa về ứng dụng điện tử trên động cơ hiện đại.
1


Động cơ diesel với ưu điểm có tính kinh tế cao chiếm tỷ lệ ngày càng lớn trong tổng
các loại động cơ. Động cơ diesel hiện nay ngày càng hiện đại với hệ thống nhiên liệu CR
(common rail) điều khiển điện tử được áp dụng rộng rãi từ động cơ cỡ lớn (tĩnh tại, tàu
thủy) đến cỡ trung (ôtô) và cỡ nhỏ (máy kéo, máy nông nghiệp, gia dụng…). Để từng bước
làm chủ công nghệ tiên tiến, trong thời gian qua nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống
nhiên liệu này đã được các nhà khoa học Việt Nam đầu tư nghiên cứu và đạt được những
thành công nhất định [1-6]. Tuy nhiên, các công trình này mới bước đầu đề cập đến phần
cứng mà chưa đề cập nhiều đến phần mềm của hệ thống điều khiển.
Đối với máy móc có điều khiển điện tử nói chung và động cơ đốt trong có hệ thống
nhiên liệu điện tử nói riêng đều có bộ điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit).
Trong hệ thống HTNL ĐKĐT thì ECU là bộ não điều khiển mọi hoạt động của hệ thống và
toàn bộ động cơ. Cơ sở để ECU hoạt động là bộ dữ liệu các tham số điều chỉnh được xây
dựng trong quá trình nghiên cứu-phát triển động cơ, gọi là bộ dữ liệu chuẩn, được tích hợp
trong ECU. Tuy nhiên, phương pháp xây dựng bộ dữ liệu chuẩn thường là bí quyết công
nghệ của nhà sản xuất nên không được công bố và rất khó tiếp cận và cũng chưa có tài liệu
nào hướng dẫn xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU nói chung và động cơ đốt trong nói
riêng.
Với tính cấp thiết như đã trình bày ở trên, tác giả thực hiện luận án Tiến sĩ của mình
với đề tài: “Nghiên cứu xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU hệ thống nhiên liệu động
cơ diesel”.

i.

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

 Mục đích nghiên cứu
Đưa ra quy trình xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU của hệ thống nhiên liệu sử
dụng trên động cơ đốt trong.
Ứng dụng quy trình trên để xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU của hệ thống
nhiên liệu CR sử dụng trên động cơ diesel nghiên cứu.
 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Động cơ diesel có hệ thống nhiên liệu CR được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu.
Cụ thể nghiên cứu hệ thống nhiên liệu CR sử dụng trên động cơ nghiên cứu AVL 5402.
Các nội dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện tại Phòng thử động cơ một xylanh
thuộc Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội.

ii.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu thực hiện trên cơ sở kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và thực
nghiệm, trong đó lý thuyết quy hoạch thực nghiệm được sử dụng xuyên suốt trong nghiên
cứu. Sử dụng phương pháp tối ưu để xây dựng mô hình và xây dựng quy trình tối ưu hóa
các tham số trong hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử động cơ diesel. Chạy thực nghiệm
2


trên băng thử để tối ưu các tham số trong hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử động cơ
diesel.

iii.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đây có thể coi là lần đầu tiên sử dụng phương pháp xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho
ECU của động cơ đốt trong ở Việt Nam. Luận án đưa ra một cách hệ thống về phương
pháp tối ưu hóa các tham số điều khiển trong hệ thống nhiên liệu có điều khiển điện tử của
động cơ.
Các kết quả của luận án có thể dùng làm tài liệu tham khảo trong việc nghiên cứu
phát triển động cơ có hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử. Hơn nữa các kết quả này có
thể sử dụng trong công tác đào tạo chuyên sâu về chuyên ngành động cơ đốt trong.
Trên cơ sở các kết quả đạt được của luận án, các nhà sản xuất và khai thác sẽ chủ
động trong sử dụng bảo dưỡng, thay thế phụ tùng các động cơ có hệ thống nhiên liệu điều
khiển bằng điện tử. Hơn nữa, luận án đóng góp bước đầu hướng tới cho việc chủ động tự
sản xuất bộ điều khiển điện tử cho động cơ đốt trong tương lai của ngành công nghiệp ôtô
Việt Nam.

iv.

Các nội dung chính trong đề tài
Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần như sau:

 Mở đầu
 Chương 1. Tổng quan về xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU trên động cơ đốt
trong
 Chương 2. Cơ sở lý thuyết xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU động cơ đốt trong
 Chương 3. Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm để tối ưu các tham số trong quá trình
xây dựng bộ dữ liệu chuẩn
 Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng bộ dữ liệu chuẩn trên động cơ diesel
AVL 5402
 Kết luận chung và phương hướng phát triển

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU
CHUẨN CHO ECU TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Điều khiển điện tử hiện nay là một phương pháp hết sức phổ biến trong mọi lĩnh vực
kỹ thuật của thế giới hiện đại. Điều khiển điện tử thực chất là một công nghệ tích hợp của
nhiều công nghệ truyền thống khác nhau trong một thể thống nhất, các sản phẩm điều
khiển điện tử trước hết phải bắt nguồn từ những thiết kế tối ưu với cấu trúc và nguyên lý
hoạt động của nó. Các bộ phận cấu thành như modul cơ khí, điện và điện tử, khí nén và
thuỷ lực cũng như các phần tử điều khiển (Sensor: cảm biến, Actuator: bộ chấp hành), các
phần mềm tin học... trong một đơn vị sản phẩm phải có ảnh hưởng lẫn nhau tạo nên thể
thống nhất hữu cơ. Trong chương này sẽ khái quát về sự điều khiển điện tử ở động cơ đốt
trong gồm: động xăng và động cơ diesel. Đồng thời nêu lên những đặc điểm, phương pháp
xây dựng bộ dữ liệu cho bộ phận điều khiển điện tử ở động cơ đốt trong.

1.1. Điều khiển điện tử trên các máy móc
1.1.1. Giới thiệu chung
Điều khiển là tập hợp tất cả các tác động có mục đích nhằm điều khiển một quá trình
này hay quá trình kia theo một quy luật hay một chương trình cho trước. Quá trình điều
khiển hoặc điều chỉnh được thực hiện mà không có sự tham gia trực tiếp của con người, thì
chúng ta gọi đó là quá trình điều khiển và điều chỉnh tự động. Tập hợp tất cả các thiết bị
mà nhờ đó quá trình điều khiển được thực hiện gọi là hệ thống điều khiển [7, 8].

Hình 1.1. Sơ đồ chung một hệ thống điều khiển

Một hệ thống điều khiển được thể hiện ở Hình 1.1, thường bao gồm ba thành phần cơ
bản là bộ điều khiển (ECU - Electronic Control Unit), đối tượng điều khiển (máy công tác)
và các cảm biến. Việc điều khiển hệ thống cần thực hiện thông qua các thông số đầu vào I,
còn ECU điều khiển máy công tác thông qua các thông số điều khiển và các tham số điều
chỉnh II. Để phục vụ cho việc điều khiển cần lấy các tín hiệu phản hồi từ máy công tác trở
về ECU thông qua các cảm biến. Các thông số đầu ra của hệ thống thể hiện trong nhóm III.
4


Các thông số vào hệ thống thể hiện trong nhóm I (x1, x2,…xn) xác lập chế độ làm việc
của máy công tác, ví dụ như ở động cơ đốt trong là vị trí cơ cấu điều khiển nhiên liệu, mô
men cản… Các thông số điều khiển và điều chỉnh máy công tác được thể hiện trong nhóm
II (u). Trong nhóm này lại có thể chia thành các thông số điều khiển và các tham số điều
chỉnh với bộ dữ liệu chuẩn. Các thông số điều khiển, biểu thị trong nhóm u1, ví dụ đối với
động cơ đốt trong là lượng nhiên liệu phun (thời gian mở vòi phun…) hay hệ số dư lượng
không khí l… là các thông số được ECU tính toán để cụ thể hóa chế độ làm việc động cơ
sau khi được xác lập bởi các thông số đầu vào đã nói ở trên. Còn các tham số điều chỉnh,
thể hiện trong nhóm u2, là bộ dữ liệu chuẩn của ECU để điều chỉnh máy công tác hoạt
động nhằm đạt được những mục tiêu nhất định gọi là điều kiện ràng buộc đối với các thông
số đầu ra III (y1, y2... yn). Lấy ví dụ đối với động cơ diesel, bộ dữ liệu chuẩn là bộ dữ liệu
góc phun sớm, áp suất phun, chế độ phun (phun nhiều giai đoạn)… nhằm đạt giá trị tối ưu
về mômen, suất tiêu hao nhiên liệu, chất lượng khí thải, độ rung ồn… trong miền làm việc
của động cơ.
Tính toán các thông số điều khiển dựa trên các thông số xác lập chế độ làm việc của
máy. Đối với động cơ đốt trong, từ vị trí của cơ cấu điều khiển nhiên liệu và tốc độ vòng
quay, ECU sẽ tính toán lượng nhiên liệu cơ bản cho một chu trình. Đối với động cơ phun
xăng [1, 9, 10], lượng xăng cơ bản được tính toán dựa vào lưu lượng khí nạp và ràng buộc
về hệ số dư lượng không khí l (theo đặc tính điều chỉnh để đạt ge hay yêu cầu l = 1 khi
động cơ có bộ xử lý xúc tác khí thải ba thành phần). Ngoài ra ECU còn dựa vào bộ dữ liệu
điều chỉnh để bổ sung một lượng nhiên liệu phun hiệu chỉnh tùy thuộc vào chế độ đặc biệt
như khởi động, hâm nóng máy, tăng tốc… Đối với động cơ diesel cũng tương tự, từ vị trí
cơ cấu điều khiển nhiên liệu và tốc độ vòng quay, ECU tính ra lượng nhiên liệu chu trình
cơ bản gct và cũng bổ sung thêm một lượng tùy thuộc vào các chế độ đặc biệt như trên [34,
40].
Bộ dữ liệu chuẩn điều chỉnh cần phải thiết lập trên máy thực ở các chế độ khác nhau
trong miền làm việc của nó và nạp vào ECU. Đối với động cơ đốt trong, việc này được tiến
hành trong phòng thí nghiệm trên băng thử động cơ trong quá trình nghiên cứu-phát triển.
Tuy nhiên hiện nay chưa có tại liệu nào nói về việc xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU.
Đây chính là đối tượng nghiên cứu của luận án.
Khi máy móc hoạt động (khi đó trong ECU đã có tất cả các dữ liệu cần thiết cho điều
khiển u1 và điều chỉnh u2), từ các thông số xác lập chế độ làm việc, ECU tính toán ra u1. Từ
các thông số vào và tín hiệu phản hồi qua các cảm biến thì ECU gọi ra và tính toán giá trị
các tham số điều chỉnh u 2 để điều hành hoạt động của máy. Việc này được thực hiện theo
lý thuyết nhận dạng của quá trình điều khiển [8].
Quá trình điều khiển trong hệ thống được thực hiện trên cơ sở một trong ba nguyên
tắc cơ bản sau: điều khiển theo sai lệch, điều khiển theo phương pháp bù nhiễu, điều khiển
theo sai lệch và bù nhiễu. Khi điều khiển theo sai lệch, tín hiệu ra được đưa vào so sánh
với tín hiệu vào nhằm tạo nên tín hiệu tác động lên đầu vào bộ điều khiển nhằm tạo tín
hiệu điều khiển đối tượng. Nguyên tắc điều khiển bù nhiễu là sử dụng một thiết bị bù để
5


giảm ảnh hưởng của nhiễu là nguyên nhân trực tiếp gây ra hậu quả cho hệ thống. Nguyên
tắc điều khiển hỗn hợp là phối hợp cả hai nguyên tắc trên, vừa có hồi tiếp theo sai lệch vừa
dùng các thiết bị để bù nhiễu [38, 39].
Các hệ thống điều khiển tự động cũng còn thường được phân loại theo nguyên lý xây
dựng hệ thống: điều khiển mạch vòng hở và điều khiển mạch vòng kín. Trong đó, hệ thống
điều khiển mạch kín với ưu điểm tự điều chỉnh và thích nghi với các điều kiện bên ngoài
thay đổi đang chiếm ưu thế và được sử dụng rộng rãi hơn. Cụ thể nghiên cứu với hai loại
động cơ chính là động cơ xăng và động cơ diesel, cả hai loại ngày càng được điện tử hoá
điều khiển để đáp ứng yêu cầu đối với động cơ hiện đại, được trình bày ở các phần sau.
Quá trình điều khiển trình bày tóm tắt ở trên thuộc lĩnh vực chuyên sâu của chuyên
ngành Điều khiển tự động, không phải là đối tượng nghiên cứu của luận án.
1.1.2. Hệ thống điều khiển điện tử động cơ xăng
1.1.2.1. Khái niệm và phân loại
Động cơ xăng được trang bị điều khiển điện tử từ rất sớm vào những năm 70 của thế
kỷ 20 và nay rất phổ biến đối với hầu hết dải công suất. Hệ thống điều khiển điện tử trên
động cơ xăng, hay thực chất là hệ thống điều khiển phun xăng điện tử (EFI - Electronic
Fuel Injection), bao gồm một bộ điều khiển điện tử (ECU), các cảm biến và cơ cấu chấp
hành. Các cảm biến có nhiệm vụ ghi nhận các thông số, trạng thái hoạt động của động cơ
làm các giá trị đầu vào (hoặc so sánh) của hệ thống điều khiển. ECU so sánh các giá trị đầu
vào này với các giá trị tối ưu ghi sẵn trong bộ nhớ, tính toán và đưa ra các thông số điều
khiển phù hợp cho cơ cấu chấp hành (vòi phun, hệ thống đánh lửa...).
Hệ thống phun xăng điện tử có thể được phân loại theo số vòi phun (số điểm phun),
theo nguyên lý điều khiển quá trình phun, hay theo nguyên lý đo lưu lượng khí nạp…
Khi phân loại theo số vòi phun, có thể chia thành hệ thống phun xăng đơn điểm (SPI
- Single-Point Injection) và hệ thống phun xăng đa điểm (MPI - Multi-Point Injection). Hệ
thống phun xăng đơn điểm là hệ thống chỉ dùng một vòi phun trung tâm để phun xăng vào
đường nạp trước bướm ga và tạo thành khí hỗn hợp trên đường nạp. Hệ thống này được
dùng cho động cơ công suất nhỏ do cấu tạo đơn giản và giá thành thấp. Hệ thống phun
xăng đa điểm dùng nhiều vòi phun, mỗi xilanh được cung cấp nhiên liệu bởi một vòi phun
riêng biệt, xăng được phun vào đường nạp ở vị trí gần xupáp nạp hoặc phun xăng trực tiếp
vào buồng cháy. Hệ thống phun xăng đa điểm có nhiều ưu điểm như đạt tính kinh tế cao và
giảm thiểu ô nhiễm môi trường nên hiện nay được sử dụng trên hầu hết các dòng xe hiện
đại [9÷11].
Khi phân loại theo phương pháp đo lưu lượng khí nạp, có thể chia thành 2 loại: L-EFI
và D-EFI. L-EFI sử dụng cảm biến lưu lượng khí nạp để đo lượng không khí đi vào đường
ống nạp. Có hai phương pháp đo: loại thứ nhất đo trực tiếp khối lượng không khí nạp và
loại thứ hai tính toán khối lượng không khí nạp nhờ đo sự thay đổi về thể tích không khí
(cảm biến loại cánh trượt), nhiệt độ (cảm biến nhiệt điện trở), hay tần số xung (cảm biến
xoáy Karman) bên trong buồng đo. Trong khi đó, D-EFI dùng cảm biến đo áp suất chân
6


không trên đường ống nạp, qua đó tính toán khối lượng không khí nạp theo tỷ trọng của
không khí nạp bằng cảm biến áp suất tuyệt đối (MAP - Manifold Absolute Pressure). Các
sơ đồ bố trí cảm biến khí nạp được trình bày trên Hình 1.2.

Hình 1.2. Sơ đồ bố trí cảm biến lưu lượng khí nạp trong hệ thống EFI [11]

1.1.2.2. Cấu trúc hệ thống phun xăng điện tử
a) Sơ đồ nguyên lý chung
Sơ đồ một hệ thống phun xăng điện tử điển hình như thể hiện trên Hình 1.3. Các bộ
phận chính trong hệ thống gồm có: ECU động cơ, các cảm biến (lưu lượng khí nạp, vị trí
góc quay trục khuỷu, vị trí trục cam, vị trí bướm ga, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ nước làm
mát, cảm biến oxi,…) [11].

Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý chung của một hệ thống phun xăng điện tử [11]

Có thể chia một hệ thống phun xăng điện tử như trên thành 3 khối: khối cấp không
khí, khối cấp nhiên liệu và khối điều khiển điện tử. Hệ thống hoạt động cơ bản như sau, từ
vị trí bướm ga và tốc độ động cơ, các cảm biến nhận thông tin và gửi đến ECU. ECU sẽ so
7


sánh với bộ dữ liệu điều khiển và tính toán đưa ra tín hiệu điều khiển thời gian mở vòi
phun để điều khiển lượng xăng phun cho phù hợp với chế độ làm việc của động cơ. Ngoài
ra, từ bộ dữ liệu chuẩn ECU còn điều chỉnh góc đánh lửa sớm, hệ số dư lượng không khí
l... để động cơ làm việc tối ưu. Khi nhận được tín hiệu vòi phun mở, xăng có áp suất cao
do bơm xăng tạo ra thường trực tại ống phân phối được phun vào đường nạp kết hợp với
không khí tạo thành hỗn hợp.
b) Điều khiển phun trong hệ thống phun xăng điện tử
Lượng nhiên liệu phun được ECU điều khiển thông qua thời gian phun nhiên liệu - là
tổng của thời gian phun nhiên liệu cơ bản (tb) và thời gian phun hiệu chỉnh (tc). Thời gian
phun nhiên liệu cơ bản được tính toán theo lượng khí nạp đo được và tốc độ động cơ. Thời
gian phun hiệu chỉnh dùng để hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun ở các chế độ làm việc khác
nhau của động cơ như khởi động, chạy ấm máy, tăng tốc, giảm tốc,… Lưu đồ thuật toán
điều khiển thời gian phun được thể hiện ở Hình 1.4. Các chế độ hiệu chỉnh phun có thể tóm
tắt như sau [10].

Hình 1.4. Thuật toán điều khiển thời gian phun nhiên liệu [10]

c) Chế độ khởi động
Để nâng cao khả năng khởi động, giúp
động cơ hoạt động ổn định trong một khoảng
thời gian nhất định sau khi khởi động thì hỗn
hợp cần được làm đậm. Do rất khó xác định
chính xác lượng khí nạp ở chế độ khởi động
và tốc độ động cơ thay đổi lớn nên ECU lấy
thời gian phun cơ bản (ứng với nhiệt độ động
cơ) cộng thêm thời gian hiệu chỉnh theo điện
áp ắc quy để tạo ra thời gian phun thực tế ti
[10], thể hiện trên Hình 1.5.
8

Hình 1.5. Hiệu chỉnh thời gian phun trong
quá trình khởi động


Tỷ lệ hòa khí ở chế độ này thường rất đậm (λ = 0,4 ÷ 0,8) tùy theo nhiệt độ động cơ.
Ở chế độ khởi động, tín hiệu từ cực ST của khóa điện được gửi đến ECU để nhận biết động
cơ đang khởi động, ngoài ra tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ động cơ cũng được gửi tới để
xác định nhiệt độ động cơ.
d) Chạy ấm máy
Để rút ngắn thời gian hâm nóng máy, lượng nhiên liệu phun được tăng lên khi nhiệt
độ động cơ thấp. Tuy nhiên tỷ lệ làm đậm sẽ giảm xuống khi tiếp điểm không tải ở cảm
biến bướm ga đóng, như thể hiện trên Hình 1.6.
Sau thời gian khởi động động cơ, ECU xác định thời gian phun theo biểu thức:
ti = tb + tc + taq
Trong đó, thời gian phun chính tb được tính toán theo tín hiệu lượng không khí nạp và
tốc độ của động cơ; thời gian phun hiệu chỉnh tc căn cứ theo nhiệt độ động cơ, lượng khí
nạp, cảm biến bướm ga; taq thời gian hiệu chỉnh theo điện áp ắc quy.

Hình 1.6. Đặc tính hiệu chỉnh khi chạy ấm máy

e) Hiệu chỉnh theo nhiệt độ khí nạp
Khi nhiệt độ khí nạp giảm, mật
độ không khí tăng dẫn đến lượng
không khí thực đi vào xilanh động cơ
tăng lên. Do đó cần hiệu chỉnh lượng
nhiên liệu phun tăng lên khi nhiệt độ
khí nạp thấp và ngược lại, thể hiện
trên Hình 1.7. Việc hiệu chỉnh này
được thực hiện với tín hiệu từ cảm
biến nhiệt độ khí nạp gửi về ECU.

Hình 1.7. Đặc tính hiệu chỉnh lượng nhiên
liệu phun theo nhiệt độ khí nạp

9


g) Chế độ tăng tốc
Ở chế độ tăng tốc, đặc biệt khi bắt đầu tăng tốc, hòa khí quá nhạt do nhiên liệu chưa
kịp bổ sung trong khi lượng khí nạp tăng nhanh do bướm ga thay đổi đột ngột. Vì vậy, để
động cơ có thể tăng tốc tốt thì cần phải tăng lượng nhiên liệu phun (thời gian phun) tương
ứng với lượng không khí nạp, thể hiện trên Hình 1.8. Mức độ tăng tốc được xác định bằng
tốc độ thay đổi độ mở bướm ga. Lượng hiệu chỉnh sẽ tăng lên nhanh khi mới tăng tốc và
sau đó giảm dần cho đến khi quá trình tăng tốc kết thúc, tăng tốc càng nhanh thì lượng
nhiên liệu phun nhiên liệu càng lớn.

Hình 1.8. Đặc tính hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun khi tăng tốc

f) Chế độ tải cao
Khi bướm ga mở lớn hơn 50° ÷ 60° so với vị trí đóng, nghĩa là động cơ hoạt động ở
chế độ tải lớn đến toàn tải thì lượng nhiên liệu phun cần phải được tăng lên. Do vậy, ECU
sẽ thu nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí bướm ga để nhận biết độ mở của bướm ga và quyết
định điều chỉnh tăng thời gian phun phù hợp.
h) Chế độ giảm tốc
Khi động cơ làm việc ở chế độ
không tải cưỡng bức, việc phun nhiên
liệu sẽ bị ngừng lại, tạo nên khí thải
sạch và tiết kiệm nhiên liệu. Tuy nhiên
nếu nhiệt độ động cơ thấp thì tốc độ
vòng quay cắt nhiên liệu sẽ tăng lên để
ngăn ngừa hiện tượng động cơ chạy
không ổn định, như thể hiện trên Hình
1.9.

Hình 1.9. Đặc tính hiệu chỉnh lượng nhiên liệu
phun khi giảm tốc

Các tín hiệu được gửi đến ECU từ
cuộn dây đánh lửa sơ cấp để nhận biết
tốc độ động cơ; từ cảm biến vị trí bướm ga để nhận biết độ mở của bướm ga mở lớn hơn
1,5° so với vị trí đóng và tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ động cơ để nhận biết nhiệt độ động
cơ.
10


k) Hiệu chỉnh theo điện áp ắc qui
Khi ECU tính toán thời gian phun và sau đó gửi tín hiệu tới vòi phun thì sẽ có một
khoảng thời gian trễ nhỏ từ khi gửi tín hiệu cho đến khi vòi phun mở. Thời gian trễ sẽ tăng
khi điện áp ac-qui giảm và như vậy thời gian phun thực tế giảm, hỗn hợp sẽ nhạt hơn. Do
vậy thời gian phun phải được hiệu chỉnh thêm, thể hiện trên Hình 1.10.

Hình 1.10. Đặc tính hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun theo điện áp ac-qui

l) Hiệu chỉnh tỷ lệ nhiên liệu theo tín hiệu phản hồi
ECU hiệu chỉnh khoảng thời gian phun dựa trên các tín hiệu từ cảm biến ôxy (cảm
biến λ) nhằm duy trì tỷ lệ hỗn hợp trong khoảng hẹp gần với tỷ lệ hòa khí lý thuyết, để bộ
xúc tác khí thải ba thành phần hoạt động với hiệu suất cao. ECU nhận tín hiệu từ cảm biến
lambda và hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun nhiên liệu cho phù hợp, thể hiện ở Hình 1.11.
Hiệu chỉnh phản hồi không được thực hiện ở các chế độ như khi cắt nhiên liệu, trong
khi khởi động, quá trình làm đậm hỗn hợp sau khi khởi động, quá trình làm đậm khi tăng
tốc và khi nhiệt độ động cơ dưới mức quy định.

Hình 1.11. Tỷ lệ hòa khí và đặc tính hiệu chỉnh phản hồi

11


1.1.3. Hệ thống điều khiển điện tử động cơ diesel
1.1.3.1. Khái niệm và phân loại
Hệ thống điều khiển điện tử (ĐKĐT) động cơ diesel (EDC - Electronic Diesel
Control), tương tự như hệ thống ĐKĐT động cơ xăng, được tích hợp vào động cơ nhằm
tăng công suất, giảm độ ồn, giảm phát thải độc hại và tăng tính kinh tế nhiên liệu.
Hệ thống EDC hiện đã được áp dụng cho tất cả các hệ thống nhiên liệu (HTNL) của
động cơ diesel: bơm dãy (PE), bơm phân phối (VE, VR), cụm bơm-vòi phun, và hệ thống
bơm tích áp (CR). Mặc dù các hệ thống phun nhiên liệu nêu trên có nguyên lý hoạt động
khác nhau, được lắp trên các loại phương tiện khác nhau nhưng chúng đều có chung dạng
hệ thống điều khiển EDC [12, 13]. Sau đây chúng ta sẽ lần lượt điểm qua các hệ thống
ĐKĐT trên động cơ diesel.
1.1.3.2. Hệ thống điều khiển trên bơm dãy (bơm Bosch)
Hệ thống điều khiển điện tử loại này có thể tự động điều chỉnh góc phun sớm cho phù
hợp với các trạng thái làm việc của động cơ, đồng thời cho phép cài đặt để giới hạn tốc độ
cực đại và tắt máy bằng động cơ điện. Hình 1.12 dưới đây thể hiện sơ đồ hệ thống điện tử
điều khiển góc phun sớm của động cơ Mitsubishi 6D1 [14].

Hình 1.12. Sơ đồ hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ Mitsubishi 6D1
1. Công tắc khởi động; 2. Hộp cầu chì và rơ le; 3. Công tắc chẩn đoán; 4. Công tắc xoá mã
lỗi; 5. Đầu nối chẩn đoán; 6. Máy phát điện; 7. Cảm biến nhiệt độ nước; 8. Mô tơ bước; 9. Cảm
biến vị trí thanh răng; 10. Cảm biến tốc độ động cơ; 11. Bộ điều chỉnh thời điểm phun kiểu cơ khí;
12. Bơm cao áp; 13. Bộ điều tốc cơ khí; 14. Bảng đồng hồ; 15. Đèn báo chẩn đoán; 16. Đồng hồ
tốc độ; 17. Khối điều khiển điện tử.
A. Tín hiệu khởi động; B. Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát; C. Tín hiệu đầu cuối máy phát;
D. Tín hiệu vòng quay động cơ; E. Tín hiệu vị trí thanh răng; F. Tín hiệu vị trí bắt đầu cấp nhiên
liệu; G. Tín hiệu kích hoạt mô tơ bước; H. Tín hiệu đèn check; J. Tín hiệu đồng hồ tốc độ; L. Tín
hiệu xoá mã lỗi; K. Tín hiệu chẩn đoán.

12


Mô-tơ bước (8) làm dịch chuyển bạc xả được điều khiển tự động nhờ bộ điều khiển
điện tử (17), do đó cho phép chọn được góc phun sớm phù hợp với mọi chế độ hoạt động
của động cơ. Góc phun sớm tốt nhất ở từng chế độ làm việc được nhà chế tạo xây dựng
trước từ hàng loạt thử nghiệm trên băng thử. Qua đó, các thông số chuẩn được lập thành
các bản đồ (map) điều khiển và nạp vào bộ vi xử lý. Các tham số chính để xây dựng bản đồ
điều khiển là tín hiệu khởi động A, tốc độ động cơ D, vị trí thanh răng E, nhiệt độ động cơ
B. Khi động cơ làm việc, bộ vi xử lý sẽ nhận các tín hiệu trên từ các cảm biến, so sánh với
thông số chuẩn và từ đó điều khiển cơ cấu dịch chuyển bạc xả trên bơm cao áp để thay đổi
góc phun sớm theo map đã có sẵn.
Cơ cấu điều khiển xoay bạc xả thể hiện trên
Hình 1.13. Mô tơ bước (1) điều khiển trục xoay
(2), thông qua chốt gạt (9) làm bạc (4) đi lên
hoặc xuống tuỳ theo chiều quay của trục. Nếu
dịch chuyển bạc xả lên trên so với vị trí ban
đầu, thời điểm bắt đầu cấp nhiên liệu sẽ muộn
hơn do pít-tông phải đi tiếp mới đóng được lỗ
nạp và ngược lại.
Cấu tạo cụm bơm cao áp Mitsubishi 6D1
và các bộ phận trong hệ thống điều khiển thay
đổi góc phun sớm lắp trên bơm được thể hiện
trên Hình 1.14.

Hình 1.13. Cơ cấu điều khiển xoay bạc xả
1. Mô tơ bước; 2. Trục xoay; 3. Xy lanh;
4. Bạc xả; 5. Lỗ xả; 6. Piston; 7. Lỗ nạp;
8. Đường dầu; 9. Chốt gạt.

Hình 1.14. Cấu tạo bơm cao áp Mitsubishi 6D1
1. Thanh răng; 2. Cần điều khiển bạc xả; 3. Bạc xả; 4. Xilanh; 5. Răcco dầu; 6. Van triệt áp
7. Bi; 8. Lò xo; 9. Kim van triệt áp; 10. Chốt; 11. Thân bơm; 12. Piston; 13. Lò xo bơm cao
áp; 14. Con đội; 15. Trục cam; 16. Bộ điều khiển phun sớm; 17. Cơ cấu truyền động; 18.
Cảm biến vị trí bạc xả; A. Cảm biến vị trí thanh răng; B. Cảm biến tốc độ động cơ; C. Bộ
điều khiển phun sớm cơ khí; D. Bộ điều tốc cơ khí.

13


1.1.3.3. Hệ thống điều khiển trên cụm bơm - vòi phun
Sơ đồ hệ thống nhiên liệu kiểu cụm bơm - vòi phun trên xe Caterpillar 3406E thể hiện
trên Hình 1.15. Hệ thống này kết hợp giữa điều khiển bằng cơ khí và điều khiển bằng điện
tử các tổ bơm - vòi phun liền khối bố trí trên từng xilanh động cơ. Phần truyền động cơ khí
thực hiện nhiệm vụ nén pít tông bơm cao áp (8), gồm các bộ phận: trục cam (1), con đội
con lăn (2), đũa đẩy (4), đòn bẩy (6). Hệ thống điều khiển điện tử với module điều khiển
động cơ (ECM - Engine Control Module) sẽ cấp tín hiệu ra điều khiển van điện từ (7) thực
hiện cấp nhiên liệu từ bơm cao áp xuống vòi phun.
Nguyên lý hoạt động của bơm như sau: Van điện từ (11) có tác dụng chặn hoặc mở
thông đường dầu cao áp trong bơm pít tông (3) với đường dầu thấp áp (10). Khi bơm cao
áp được cam nén xuống, ECM sẽ điều khiển van (11) đóng, do đó nhiên liệu cao áp sẽ theo
đường dẫn xuống vòi phun (6) và phun vào xilanh. Khi van (11) được ECM điều khiển
mở, nhiên liệu cao áp sẽ qua van về đường (10), quá trình phun kết thúc. Như vậy thời
điểm bắt đầu phun được quyết định bởi thời điểm đóng van, thời gian đóng van dài hay
ngắn sẽ cho phép luợng nhiên liệu phun vào xilanh là nhiều hay ít. Căn cứ vào thông tin
thu nhận từ các cảm biến, bộ ECM sẽ điều khiển van đóng mở hợp lý, cho phép động cơ
làm việc một cách tối ưu.

b)

a)

Hình 1.15. Hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử 3406E trên xe Caterpillar
a. Hệ thống nhiên liệu kiểu cụm bơm; b. Sơ đồ nguyên lý làm việc của một tổ bơm
1. Trục cam; 2. Con đội con lăn;
3. Đường dầu bôi trơn;
4. Đũa đẩy; 5. Đầu đòn bẩy;
6. Đòn bẩy; 7. Van điện từ;
8. Bơm - vòi phun.

1. Lò xo; 2. Pít tông bơm cao áp; 3. Xilanh bơm;
4. Vòng đệm kín trên; 5. Vòng đệm kín dưới;
6. Kim phun; 7. Thân; 8. Tấm cách;
9. Lò xo kim phun; 10. Đường dầu cung cấp thấp áp;
11. Van điện từ; 12. Đầu nối ECM.

Một kết cấu bơm - vòi phun khác sử dụng trên các xe Carterpillar là hệ thống phun
nhiên liệu điện tử thủy lực (HEUI - Hydraulic Electronic Unit Injector). Điểm khác biệt cơ

14


bản của hệ thống này với hệ thống bơm - vòi phun đã mô tả ở trên là sử dụng dầu bôi trơn
có áp suất cao (dầu kích hoạt) để nén pít tông bơm cao áp, đưa nhiên liệu qua vòi phun,
phun vào xilanh động cơ. Việc thay đổi thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu cũng như lượng
nhiên liệu phun được quyết định bởi thời điểm và thời gian mở van đưa dầu vào nén pít
tông bơm cao áp. Sơ đồ hệ thống HEUI thể hiện trên Hình 1.16.

Hình 1.16. Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu thủy lực điện tử HEUI
1. Các te dầu; 2. Bình lọc dầu; 3. Khối bơm dầu và bơm nhiên liệu; 4. Cảm biến áp suất dầu;
5. Bộ điều khiển điện tử; 6. Đường dầu áp suất cao để nén pít tông bơm cao áp; 7. Bình lọc
nhiên liệu; 8. Các bơm vòi phun liền khối; 9. Thùng nhiên liệu diesel.

Kết cấu và nguyên tắc hoạt động của các cụm trong hệ thống HEUI như sau:
- Cụm dầu kích hoạt bơm phun: Dầu máy từ các te 1, qua bộ lọc và làm mát 2, vào
bơm dầu tăng áp 3. Dầu qua bơm có áp suất cao (dầu kích hoạt), được đưa tới đường ống 6
và chờ sẵn trước cửa van dầu của từng bơm phun 8.
- ECM 5 điều khiển mở van dầu, dầu kích hoạt sẽ nén pít tông bơm nhiên liệu phun
vào xy lanh. Áp suất dầu kích hoạt được đo bằng cảm biến áp suất 4 và được điều chỉnh
bởi một van xả nằm trong khối bơm dầu 3.
Cụm cung cấp nhiên liệu thấp áp: Trên cụm bơm 3 có gắn bơm nhiên liệu thấp áp để
hút nhiên liệu từ thùng 9; Nhiên liệu qua bộ lọc tinh và tách hơi 7 đi đến đường dầu vào
của các bơm phun 8, sau đó trở về thùng dầu.
Cụm bơm cao áp - vòi phun: Đây là loại bơm cao áp kiểu bơm vòi phun liền khối,
mỗi xilanh có một bơm phun.
Hệ thống điều khiển điện tử ECM: Thông tin đầu vào ECM lấy từ các cảm biến: vị trí
chân ga, tốc độ động cơ, điểm chết trên máy 1, áp suất khí tăng áp, áp suất dầu kích hoạt,
áp suất nhiên liệu, áp suất khí quyển, nhiệt độ dầu, nhiệt độ nhiên liệu, nhiệt độ khí nạp,
nhiệt độ làm mát, mức dung dịch làm mát. Thông tin đầu ra ECM điều khiển các bộ phận:
van xả trên đường dầu kích hoạt, van đưa dầu kích hoạt vào các bơm vòi phun, công tắc tắt
máy, bộ điều khiển chạy chậm, điều khiển quạt gió làm mát, bộ sấy nóng nước làm mát khi
trời lạnh, đèn báo nguy, đèn chẩn đoán. Sơ đồ hệ thống điều khiển điện tử HEUI cho trên
Hình 1.17 [14].
15


Hình 1.17. Sơ đồ hệ thống điều khiển điện tử HEUI [14]

1.1.3.4. Hệ thống nhiên liệu tích áp (CR)
Hệ thống nhiên liệu tích áp (CR) [12, 13, 40] được hãng Bosch đưa ra thị trường lần
đầu vào năm 1997. Sau đó, nhiều nhà máy sản xuất ôtô lớn đã đón nhận và ứng dụng trên
nhiều dòng xe của mình. Tính đến nay, số lượng xe sử dụng hệ thống nhiên liệu tích áp
trên thế giới đã trên 40 triệu chiếc. Với yêu cầu ngày càng gắt gao về vấn đề môi trường và
lượng nhiên liệu tiêu thụ thì hệ thống nhiên liệu tích áp là một trong các lựa chọn phù hợp.

Hình 1.18. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu tích áp

16


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×