zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Cơ khí - Chế tạo máy

Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển nhiên liệu cho động cơ xe ECO

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Báo xấu

33
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mạch cũng cho phép thay đổi bản đồ phun xăng và bản đồ góc đánh lửa để điều khiển phù hợp với xe ECO, đồng thời hiển thị các thông tin cần thiết giúp tài xế dễ dàng quan sát và điều chỉnh trong quá trình thi đấu. Ứng dụng này giúp các đội có thể tinh chỉnh tùy theo thiết kế của mình và thông tin hiển thị giúp quá trình thi đấu được đơn giản và tối ưu hơn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển nhiên liệu cho động cơ xe ECO

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 63 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ XE ECO A DESIGN OF FUEL CONTROL UNIT FOR ECO VEHICLE ENGINES Nguyễn Trọng Thức Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Việt Nam Ngày toà soạn nhận bài 15/4/2021, ngày phản biện đánh giá 26/4/2021, ngày chấp nhận đăng 25/6/2021 TÓM TẮT Giải pháp điều khiển phun nhiên liệu là giải pháp hiệu quả nhất cho việc thiết kế 1 chiếc xe tiết kiệm nhiên liệu khi mà giải pháp thiết kế cơ khí hiện nay gần như đạt đến bão hòa. Bài báo này sẽ trình bày kết quả nghiên cứu và chế tạo mạch điều khiển phun nhiên liệu (ECU) chuyên cho 2 cuộc thi xe Honda EMC và Shell ECO-marathon được tổ chức hàng năm. Mạch điều khiển được thiết kế và lập trình dùng Arduino MEGA, các cảm biến và bộ chấp hành dùng thiết bị có sẵn của xe thông dụng trên thị trường. Mạch cũng cho phép thay đổi bản đồ phun xăng và bản đồ góc đánh lửa để điều khiển phù hợp với xe ECO, đồng thời hiển thị các thông tin cần thiết giúp tài xế dễ dàng quan sát và điều chỉnh trong quá trình thi đấu. Ứng dụng này giúp các đội có thể tinh chỉnh tùy theo thiết kế của mình và thông tin hiển thị giúp quá trình thi đấu được đơn giản và tối ưu hơn. Từ khóa: Honda EMC; Shell ECO; ECU; Arduino Mega; bản đồ phun xăng; bản đồ góc đánh lửa. ABSTRACT Nowadays, solution of fuel injection is the best way for design of fuel economy vehicle while mechanical improvement has almost reached its limit. This article shows result of the research and making the fuel injection electronic control unit (ECU) used for two annually contests named Honda EMC and Shell ECO-marathon. The control circuit is designed and coded with Arduino Mega, sensors and actuators equipped in popular cars. The circuit also allows users to change the fuel injection map and the ignition timing map to suit ECO vehicle, its necessary data help driver to have better seeing and adjusting during contest time. This permit contestant teams to modify base on their design and showed data can help contest process become more optimized and simply. Keywords: Honda EMC; Shell ECO; ECU; Arduino Mega; Fuel injection Map; Ignition timing Map. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trên thế giới hiện nay, việc chế tạo ECU điều khiển cũng được các hãng đầu tư và Hiện nay, 2 cuộc thi xe Honda EMC và thực hiện rất nhiều. Hãng ECOTRONS [1] Shell ECO-marathon được tổ chức hàng năm cũng đã giới thiệu một ECU điều khiển cho nhằm tìm kiếm những giải pháp thiết kế để động cơ cỡ nhỏ “Small Engine ECU”. ECU tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi này có thể sử dụng cho cuộc thi xe ECO trường. Các giải pháp bao gồm cả cơ khí và nhưng theo đánh giá thì chưa phù hợp để gắn điện tử. Tuy nhiên, giải pháp về cơ khí gần trên động cơ xe ECO vì những khác biệt như bão hòa hoặc bị giới hạn về công nghệ. trong thiết kế và vận hành giữa xe gắn máy Vì vậy, giải pháp điều khiển điện tử được áp và xe ECO. ECU này cũng không có hiển thị dụng triệt để giúp xe vận hành đúng chế độ thông số điều khiển khiến quá trình vận hành và tiết kiệm nhiên liệu hơn. Doi: https://doi.org/10.54644/jte.66.2021.1067
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) 64 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh nên khó kiểm soát. Hoặc một công ty chuyên Nút Điều chỉnh: nhấn nút để chọn thông số bán hệ thống phun nhiên liệu được xem là cần điều khiển, xoay để điều chỉnh dữ liệu. thiết kế chuyên dụng cho xe ECO: có màn Modul Bluetooth: truyền và nhận dữ liệu hình hiển thị và điều chỉnh được các thông số giao tiếp từ máy tính hoặc điện thoại. là FC-DESIGN. Tuy nhiên, hệ thống động cơ phải được điều chỉnh lại để phù hợp mạch Modul LCD: hiển thị các thông tin của xe khi điều khiển này. Ngoài ra, để tương thích hơn đang vận hành hoặc thông số người dùng cần phải mua thêm các thiết bị đi kèm nên điều khiển. giá thành khá cao. Còn nhiều hãng khác nữa Kim phun: dùng điều khiển lượng nhiên liệu. cũng thiết kế hệ thống phun xăng tương tự nhưng cũng chưa phù hợp cho cuộc thi xe tự Đánh lửa: dùng điều khiển góc đánh lửa sớm chế này. và góc ngậm. Vì vậy, nhóm thiết kế đã nghiên cứu và Bướm ga: motor dùng điều khiển góc mở chế tạo mạch có thể điều khiển, hiển thị và bướm ga. vận hành đầy đủ các chế độ phù hợp cho 2.2 Sơ đồ mạch thiết kế dòng xe tự chế này. Mạch không những giúp VCC thay đổi dữ liệu để điều khiển tối ưu cho 1 VCC động cơ xe mà còn hỗ trợ cho tài xế có thể R1 1 lựa chọn và điều khiển trong suốt quá trình R3 C1 1 2 thi đấu. INT0 2 2 TP1 R5 R6 2 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG 1 1 2 2 1 2 1 Q1 1 2.1 Sơ đồ khối hệ thống CKP D1 C5 3 2 1 Hình 2. Mạch chỉnh xung CKP VCC 1 VCC R11 1 R13 C8 1 2 INT1 2 2 TP4 R17 R18 2 1 1 2 1 2 1 Q4 2 1 SPD D4 C12 3 2 Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống thiết kế 1 Cảm biến CKP: xác định vị trí trục khuỷu và Hình 3. Mạch chỉnh xung SPD số vòng quay động. VCC 1 1 1 Cảm biến TP: xác định độ mở của bướm ga. R20 1 1 R22 R21 1 1 R24 R23 1 R27 R25 Cảm biến IAT: xác định nhiệt độ khí nạp. VCC_OUT R29 2 2 2 BR2 2 2 Cảm biến ECT: xác định nhiệt độ động cơ. R37 2 2 1 R38 2 U 1 2 2 R39 2 TP 1 Cảm biến SPD: xác định tốc độ xe. 3 4 1 1 R41 2 R42 2 VPA ECT 5 R43 2 IAT 1 Cảm biến Tay ga: xác định vị trí tay ga tài xế 6 7 1 1 R44 2 R45 2 NC ON 8 đang điều khiển. 9 1 2 OFF 10 Nút ON: nhấn nút để khởi động cơ. Nút OFF: nhấn nút để tắt động cơ. Hình 4. Mạch đệm ngõ vào các tín hiệu
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 65 U1 86 SCL 85 1 SDA 84 2 NC AREF 83 3 5V I/O GND4 82 4 RESET 13 81 5 3.3V 12 80 serv oVPA VCC SV2 6 5V 11 79 Den serv oVPA GND 10 Coi 1 7 78 GND1 9 STart VCC 2 8 77 VIN 8 3 U kimphun PWM 9 76 Serv o TP 10 A0 7 75 bom VPA 11 A1 6 74 bobine ECT 12 A2 5 73 IAT 13 A3 4 72 INT0 NC 14 A4 3 71 INT1 A5 2 R73 470 ANALOG IN ON 15 70 OFF 16 A6 (TXD0) 1 69 1 2 A7 (RXD0) 0 TX R76 470 BR4 COMMUNICATION 17 68 18 A8 (TXD3) 14 67 RX 1 2 4 19 A9 (RXD3) 15 66 3 20 A10 (TXD2) 16 65 LCD-I2C1 2 21 A11 (RXD2) 17 64 1 1 A12 (TXD1) 18 VCC 22 63 2 GND 23 A13 (RXD1) 19 62 SDAVCC 3 VCC BR5 HC06 24 A14 A15 (SDA) 20 (SCL) 21 61 SCL 4 SDA SCL 1 2 VCC Hình 8. Mạch in lớp trên T 3 59 60 VCC 5V_D1 5V_D2 VCC U3 57 58 DS18B20 55 22 23 56 1 16 VB 53 24 25 54 2 EN VMOT 15 BR7 51 26 27 52 3 MS1 GNDO 14 2B 28 29 MS2 2B 2A 1 49 50 4 13 30 31 MS3 2A 1A 2 47 48 5 12 32 33 RST 1A 1B 3 45 46 6 11 34 35 SLE 1B 4 43 44 7 10 36 37 STEP VDD VCC 41 42 8 9 MOTOR 39 38 39 40 DIR GND 37 40 41 38 NX1 42 43 A4988 35 36 NX2 33 44 45 34 NX3 BR6 31 46 47 32 T R85 NUT XOAY 29 48 49 30 NX1 1 R86 2 50 (MISO) (MOSI) 51 1 27 28 NX2 1 R87 2 52 (SCK) (SS) 53 NX3 2 25 26 1 2 GND2 GND3 3 470 4 470 MEGA2560 470 Hình 5. Mạch xử lý, điều khiển và giao tiếp Mạch xử lý chính dùng board điều khiển Arduino MEGA với chip xử lý chính là Hình 9. Mạch in lớp dưới ATmega2560 [2] và được lập trình trên phần 2.3 Sơ đồ mạch thực tế mềm Arduino IDE [3]. VB TP15 TP16 1 1 R46 2 2 bobine 1 2 1 Q5 R47 Q8 1 4 kimphun 1 2 1 2 ISO6 Q7 3 3 1 1 R50 2 3 3 3 1 1 Q9 R49 2 2 TP30 TP19 2 1 1 2 2 2 2 R84 D21 R51 D20 bom 1 2 1 Q6 Coi 1 2 1 Q3 Hình 10. Mạch sau khi gia công 3 1 3 1 TP33 TP28 1 1 2 2 3. CẢI TẠO, THỬ NGHIỆM 2 2 R91 D34 R83 D22 STart 1 2 1 Q29 Den 1 2 1 Q10 3.1 Cải tạo 1 số chi tiết 3 1 3 1 Hình 6. Mạch điều khiển công suất Để đạt được các điều khiển tối ưu và VCC đảm bảo phát triển chạy tự động, sau khi tìm TP34 F2 D35 U-1 L1 hiểu các hệ thống trên xe máy phun xăng [4], 1 VBAT 1 2 1 2 VB 1 VIN OUT 2 1 2 VCC_OUT nhóm nghiên cứu cải tạo lại động cơ từ 1 động cơ Honda Wave dùng chế hòa khí kiểu 2 8-30V 4 1 1 1 5 FB D-1 cũ. Các chi tiết chính cần cải tạo như là: 1 TP37 C15 ON/OFF C16 C17 1 C14 LM2576/TO 2 2 2 a) Cảm biến CKP [5] là cảm biến quan 1 2 E1 trọng để mạch nhận vị trí piston và đo tốc độ. Hình 7. Mạch nguồn ổn áp 5V Để đảm bảo độ chính xác và đáp ứng nhanh,
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) 66 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh nhóm thiết kế đĩa quang 12 xung khuyết 3 3.2 Sơ đồ đấu dây hệ thống xung kết hợp mạch nhận giá rẻ phổ biến trên thị trường như hình 11. BAT IG IGSW 1 2 K1 May LS1 1 1 4 1 khoi 1 1 T1 5 + MG1 L1 3 2 12V BOM XANG KIM PHUN 1 1 START 2 4 8 A 2 RELAY START dong SPEAKER 2 - 2 1 BOBINE STOP D1 2 1 2 LED E0 BAT C P # S SK 2 L VCC B+ BUOM TAY GA GA +5V ECU - LCD - BLUETOOTH A0 A6 A7 VPA A2 VTA A1 2 2 TW THW A3 TA THA A4 2- MOTOR PIM A5 2+ BUOC 1- 1 1+ 1 E2 T X1 X2 E1 RC Hình 11. Chế tạo và lắp đặt cảm biến CKP SERVO CKP K2A 4 b) Họng gió tích hợp kim phun và cảm doc do banh xe 3 biến Vị trí bướm ga được thay cho bộ chế Hình 14. Sơ đồ đấu dây mạch với cảm biến hòa khí, bơm xăng cũng được lắp thêm vào ở và bộ chấp hành bình xăng như hình 12. Sau khi cải tiến thiết kế lại một số chi tiết trên động cơ Honda Wave như gắn cảm biến CKP loại cảm biến quang giá rẻ, đổi chế hòa khí thành họng gió có kim phun và thêm motor servo điều khiển bướm ga. Mạch đã hoạt động điều khiển cho phép động cơ nổ. Song song đó, mạch hiển thị chi tiết các thông tin về hệ thống động cơ và xe đang vận hành trên LCD, hoặc App Android trên điện thoại hoặc phần mềm trên máy tính. Hình 12. Họng gió và bơm xăng được lắp 3.3 Điều chỉnh và hiển thị LCD đặt Mạch giao tiếp với LCD qua chuẩn I2C. c) Một motor servo được thiết kế thêm Tài xế sẽ có 1 nút nhấn và xoay thông minh vào để điều khiển bướm ga mà không cần để có thể thay đổi các thông số cài đặt, thông dùng dây cáp đảm bảo chế độ điều khiển tin cảm biến hoặc trạng thái vận hành điều được linh động và có thể phát triển chạy tự chỉnh sẽ hiển thị lên LCD như hình 15. động trong khi thi đấu, như hình 13. Hình 15. Màn hình LCD hiển thị Các thông tin hiển thị trên LCD: 1. Chế độ AUTO-NORM. 2. Chế độ chạy test hoặc thi đấu. Hình 13. Motor servo lắp đặt để kéo bướm 3. Đang khởi động, đang chạy, đang tắt. ga 4. Đang phun xăng (X) và đánh lửa (L).
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 67 5. Tốc độ động cơ. 6. Tốc độ xe. 7. Điện áp ắc quy. 8. Tỷ lệ điều chỉnh xăng của tài xế. 9. Độ mở bướm ga. 10. Góc đánh lửa sớm. 11. Thời gian phun. 12. Nhiệt độ động cơ, nhiệt độ khí nạp. 3.4 Cài đặt và hiển thị thông tin dùng App điện thoại Hình 17. Giao diện cài đặt các thông số Để hiển thị rõ ràng và trực quan, nhóm lập trình thêm 1 App cài đặt trên điện thoại Android, thông qua bluetooth cho phép cài đặt các thông số cho mạch khi thi đấu như: tỷ lệ nhiên liệu, vị trí cầm chừng khi test và khi thi đấu, tốc độ giới hạn max-min để cảnh báo tài xế hoặc dùng cho khởi động xe tự động trong thi đấu, khoảng cách xung tốc độ xe và góc đánh lửa sớm ban đầu. Các thông số hiển thị và các nút lựa chọn chế độ thì tương tự trên LCD. Giao diện App như hình 16: Hình 18. Giao diện chức năng hiển thị và lưu trữ Giao diện trên máy tính giúp hiển thị thông tin chi tiết và giúp người thiết kế điều chỉnh phù hợp với thiết kế của động cơ và xe. Phần mềm này có thể dùng cho điều chỉnh và chạy thử nghiệm trong quá trình thiết kế, không dùng trong quá trình thi đấu vì bất tiện khi để laptop lên xe. Ngoài các thông số điều chỉnh như trên App điện thoại, phần mềm máy tính cho phép đọc và điều chỉnh bản đồ phun xăng cơ bản và bản đồ góc đánh lửa sớm cơ bản. Con trỏ hiển thị điểm làm việc của động cơ trên bản Hình 16. Giao diện hiển thị trên điện thoại đồ phun xăng và bản đồ đánh lửa giúp người dùng dễ dàng cân chỉnh thông số phù hợp 3.5 Thiết lập nâng cao dùng phần mềm cho động cơ tại điểm làm việc mong muốn. máy tính 3.6 Thử nghiệm Để thiết lập các chức năng nâng cao, nhóm đã lập trình một phần mềm cài đặt trên Mạch được đấu nối vào mô hình động cơ máy tính giao tiếp với mạch qua bluetooth xe máy Honda Wave và tiến hành cài đặt cho phép người dùng cài đặt tất cả chức năng thông số, tinh chỉnh các giá trị và chạy thử có thể. động cơ, nhóm rút ra một số nhận xét:
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) 68 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh - Mạch chạy tốt, ổn định, không bị nhiễu. vừa, thỉnh thoảng khi tăng tốc có nổ dội. Đây là kết quả quan trọng đáng chú ý trong Thực ra, quá trình thử nghiệm này chủ yếu để thiết kế. kiểm tra hoạt động mạch và những nhiễu - Mạch giao tiếp hiển thị LCD đáp ứng thực tế, còn việc chỉnh các bản đồ và thông đủ nhanh để quan sát, tuy nhiên nếu thực tế số cho động thì tùy thuộc vào từng loại động thiết kế đặt ECU ở phía sau xe và đặt LCD ở cơ người dùng thiết kế. Tùy loại xe và tải của phía trước tài xế thì đường truyền LCD quá xe mà người dùng cần có nhiều thời gian để dài và có những vị trí đi dây bị nhiễu do dây tinh chỉnh. cao áp đánh lửa. Nên khi thiết kế xe người 4. KẾT LUẬN dùng cần lưu ý điều này để đi đường dây tín Qua quá trình nghiên cứu rất dài, một số hiệu này cho hợp lý. phiên bản đầu tiên đã được ứng dụng trong - Mạch giao tiếp bluetooth trên App điện nhiều năm đi thi đấu tại Việt Nam và thoại khá ổn định. Điều chỉnh và hiển thị các Singapore và đã đạt được những thành tích thông số rất chính xác và rõ ràng. Có thể thay nhất định. Phiên bản này đã được tích hợp thế LCD để giúp tài xế quan sát thông tin rõ thêm nhiều tính năng nhất giúp quá trình ràng trong quá trình thi đấu. thiết kế cũng như thi đấu dễ dàng và linh - Mạch giao tiếp bluetooth với phần động hơn. Nhìn chung, những thử nghiệm đã ổn định nhưng chủ yếu dựa vào thực tế và mềm máy tính cũng rất tốt, có thể tinh chỉnh cảm nhận của người dùng mà chưa có thiết bị nạp trình bản đồ phun xăng và đánh lửa tốt, đo đạc chính xác. dữ liệu truyền đã kiểm soát lỗi rất chặt chẽ nên không có sai sót dữ liệu cài đặt này. Các Trong thời gian tới, nếu chấp nhận giá chế độ đọc và lưu trữ bản đồ trên mạch cũng thành cao hơn có thể thay thế vi điều khiển chính xác và ổn định. dùng mạch arduino DUE xử lý 32 bit tốc độ 84MHz sẽ giúp mạch xử lý nhanh và mạnh - Riêng phần thử nghiệm quá trình chạy mẽ hơn, khi đó có thể thay cảm biến CKP của động cơ Honda Wave do chưa có các nhiều xung hơn giúp điều khiển chính xác cảm biến nhiệt độ nên động cơ chỉ nổ ổn định hơn nữa. Lựa chọn 1 động cơ mới cùng với khi đã nóng. Ở chế độ cầm chừng, động cơ máy đo xung lưu trữ thời gian dài để thử nổ êm, ổn định tốc độ và không có mùi xăng nghiệm cũng đảm bảo quá trình thiết kế và dư. Ở chế độ tăng tốc, do chỉnh tiết kiệm thử nghiệm tin cậy hơn. tránh dư xăng nên động cơ tăng tốc ở mức độ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://www.ecotrons.com/products/small_engine_ecu/ [2] https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/ATmega640-1280-1281-2560-25 61-Datasheet-DS40002211A.pdf [3] https://www.arduino.cc/reference/en/ [4] Phần mềm ALLMOTO - Phần tài liệu Honda [5] PGS-TS Đỗ Văn Dũng – Trang bị điện và điện tử trên ô tô hiện đại, hệ thống điện động cơ – NXB Đại học Quốc Gia, Tp HCM – Năm 2004, tr171 - tr274. Tác giả chịu trách nhiệm bài viết: Nguyễn Trọng Thức Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Email: thucnt@hcmute.edu.vn

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2431 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.