Khái quát về hệ thống điều khiển động cơ trên ô tô

PHẦN 1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TRÊN Ô TÔ CHƯƠNG 1 SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TRÊN Ô TÔ 1.1 Lịch sử phát triển Vào thế kỷ 19, một kỹ sư người Pháp – ông Stevan – đã nghĩ ra cách phun nhiên liệu cho một máy nén khí. Sau đó một thời gian, một người Đức đã cho phun nhiên liệu vào buồng cháy nhưng không mang lại hiệu quả. Đầu thế kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ 4 thì tĩnh tại (nhiên liệu dùng trên động cơ này là dầu hỏa nên hay bị kích nổ và hiệu suất rất thấp). Tuy nhiên, sau đó sáng kiến này đã được ứng dụng thành công trong việc chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu cho máy bay ở Đức. Đến năm 1966, hãng BOSCH đã thành công trong việc chế tạo hệ thống phun xăng kiểu cơ khí. Trong hệ thống phun xăng này, nhiên liệu được phun liên tục vào trước supap hút nên có tên gọi là K – Jetronic (K – Konstant – liên tục, Jetronic – phun). K – Jetronic được đưa vào sản xuất và ứng dụng trên các xe của hãng Mercedes và một số xe khác, là nền tảng cho việc phát triển các hệ thống phun xăng thế hệ sau như KE – Jetronic, Mono – Jetronic, L – Jetronic, Motronic… Tên tiếng Anh của K – Jetronic là CIS (continuous injection system) đặc trưng cho các hãng xe Châu Âu và có 4 loại cơ bản cho CIS là: K – Jetronic, K – Jetronic với các cảm biến oxy và KE – Jetronic (có kết hợp điều khiển bằng điện tử) hoặc KE – Motronic (kèm điều khiển góc đánh lửa sớm). Do hệ thống phun cơ khí còn nhiều nhược điểm nên đầu những năm 80, BOSCH đã cho ra đời hệ thống phun sử dụng kim phun điều khiển bằng điện. Có hai loại: hệ thống L – Jetronic (lượng nhiên liệu phun được xác định nhờ cảm biến đo lưu lượng khí nạp) và D – Jetronic (lượng nhiên liệu phun 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 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 ôtô đều được trang bị hệ thống điều khiển động cơ cả động cơ xăng và động cơ Diesel theo chương trình, giúp động cơ đáp ứng được các yêu cầu gắt gao về khí xả và tính 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 xăng trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection). Trong tương lai gần, chắc chắn GDI sẽ được sử dụng rộng rãi. 1.2 Tiêu chí lập trình động cơ Chống ô nhiễm. Tính kinh tế nhiên liệu. Công suất động cơ. CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH VÀ NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 2.1 Một số khái niệm về hệ thống điều khiển tự động sử dụng trên ôtô Hệ thống điều khiển tự động là gì ? Hệ thống điều khiển tự động là hệ thống không có sự tham gia trực tiếp của con người trong quá trình điều khiển. Hệ thống điều khiển vòng hở Là hệ thống thực hiện nguyên tắc khống chế cứng. Tức là tín hiệu ra Y không cần đo lường để đưa trở về ban đầu. Mọi sự thay đổi của tín hiệu ra Y không phản ánh vào TBĐK. Tín hiệu X đặt vào như thế nào thì tín hiệu Y ra như thế ấy, khả năng phản hồi của hệ thống hở không có. TBĐK ĐTĐK X Y U Hinh 2.1: Sơ đồ khối hệ thống hở. Hệ thống điều khiển vòng kín Là hệ thống thực hiện điều khiển có phản hồi tức là tín hiệu Y được đo lường và dẫn đến đầu vào phối hợp với tín hiệu X tác dụng lên TBĐK để tạo ra tín hiệu U sau đó tác động vào ĐTĐK gây sự biến đổi Y. Hình:2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển có cơ cấu phản hồi H(s) Y Cơ cấu so sánh G(s) U X1 2.2 Sơ đồ cấu trúc và các khối chức năng ØMột trong những vấn đề chủ yếu mà điều khiển tự động trên ô tô phải giải quyết ta điều khiển các thông số ra của các hệ thống trang bị trên xe sao cho đảm bảo tính năng và sự an toàn của ô tô là tốt nhất trong mọi điều kiện hoạt động. Đối với ôtô khi vận hành luôn có sự thay đổi về tốc độ, tải trọng, khí hậu môi trường, điều kiện mặt đường … Vì cần phải điều khiển các thông số ra cho những hệ thống trên ô tô khá đa dạng và phức tạp, ngoài ra các hệ thống này còn chịu ảnh hưởng của những tác động bên ngoài. Do vậy, điều khiển tự độâng trên ôtô thường áp dụng hệ thống điều khiển kín và có hồi tiếp. Sự áp dụng loại hệ thống này tạo được mối liên hệ trực tiếp giữa những tác động cần thiết để điều khiển hệ thống với các thông số hoạt động của hệ thống đồng thời loại bỏ những tác động nhiễu đến thông số này đảm bảo cho giá trị của chúng luôn phù hợp với giá trị mà ta mong muốn. Dữ liệu chứa trong bộ nhớ máy tính Thiết bị thực hiện Các cảm biến Các thiết bị giao tiếp đầu vào Hệ thống cần điều khiển Bộ điều khiển Thiết bị giao tiếp đầu ra Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tự động trên ô tô Compurator Ø Các hệ thống được điều khiển tự động trang bị trên ôtô hiện nay là những hệ thống điều khiển bằng máy tính (Computer Control System). Trong đó phần tử điều khiển (Controller) gồm: một máy tính có phối hợp các thiết bị giao tiếp đầu vào, đầu ra, các cảm biến (Sensors ) và các thiết bị thực hiện (Actators). Các thuật toán điều khiển được tính toán và lập chương trình ghi vào bộ nhớ của máy tính. Các cảm biến có vai trò xác định thông tin và hoạt động của động cơ cũng như các thông tin về môi trường ngoài có liên quan đến sự hoạt động của động cơ, những thông tin này ở dạng các tín hiệu địên áp (Electric Signals) được cảm biến gửi về bộ vi xử lý thông qua thiết bị giao tiếp đầu vào (khuyếch đại, chuyển đổi A/D …) Bộ vi xử lý sẽ so sánh những thông tin này so với những thông tin trong bộ nhớ máy tính để từ đó phát ra tín hiệu điều khiển thích hợp. Tín hiệu điều khiển U được gửi đến các thiết bị thực hiện thông qua các thiết bị kiểm soát giao tiếp đầu ra để tác động điều khiển các thông số hoạt động của động cơ. 2.3 Thuật toán điều khiển lập trình cho ECU. Thuật toán điều khiển lập trình cho động cơ được nhà chế tạo viết và cài đặt sẵn trong CPU. Tuỳ thuộc vào từng chế độ làm việc hay tình trạng động cơ mà ECU tính toán dựa trên lập trính có sẵn đó để đưa ra những tín hiện điều khiển sao cho động cơ làm việc tối ưu nhất. 2.3.1 lý thuyết điều khiển Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển động cơ với liên hệ ngược Các hệ thống điều khiển kiểu cổ điển trên ô tô thường được thiết kế với liên hệ ngược ( feedback control ). Mặc dù trong một hệ thống điều khiển có nhiều thông số phụ thuộc, đầu tiên ta hãy xem xét hệ thống với một thông số. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống này được trình bày trên hình. Thông số điều khiển xuất hiện ở đầu ra được ký hiệu x(t). Tín hiệu so R(t) đã được định sẵn. Cảm biến sẽ đưa ra tín hiệu tỉ lệ thuận với x(t), tức là: Khi đó sẽ xuật hiện sự chênh lệch điện thế giữa tín hiệu thực và tín hiệu so Ve(t): Nếu hệ thống làm việc lý tưởng thì giá trị Ve(t) trong một khoảng thời gian nào đó (ví dụ ở chế độ động cơ đã ổn định) phải bằng 0. Trên thực tế giữa 2 tín hiệu nêu trên luôn có sự chênh lệch và mạch điện điều khiển điện tử sẽ dựa vào sự chênh lệch này để hình thành xung Va(t) điều khiển cơ cấu chấp hành (chẳng hạn kim phun). Việc thay đổi sẽ tác động đến thông số đầu vào U(t) của động cơ (ví dụ tỉ lệ hòa khí). Ngày nay, có rất nhiều phương pháp điều khiển động cơ dựa trên cơ sở sử dụng máy tính để xử lý tín hiệu. Thông thường các máy tính này giải bài toán tối ưu có điều kiện biên để điều khiển động cơ. Mục tiêu của bài toán tối ưu là điều khiển động cơ đạt công suất lớn nhất với mức tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất trong các điều kiện giới hạn về độ độc hại của khí thải. Như vậy ta có thể biểu diễn hệ thống điều khiển ô tô tối ưu trong mối quan hệ của 3 vectơ sau: Vec tơ y(t) là hàm phụ thuộc vào các thông số ở ngõ ra bao gồm các thành phần sau: tốc độ tiêu hao nhiên liệu. tốc độ phát sinh HC. tốc độ phát sinh CO. tốc độ phát sinh NOx. Vectơ x(t) mô tả tình trạng của động cơ tức điều kiện hoạt động , phụ thuộc vào các thông số: x1: áp suất trên đường ống nạp. x2: tốc độ quay của trục khuỷu. x3: tốc độ xe. Vectơ u(t) mô tả các thông số được hiệu chỉnh bởi hệ thống điện tử , bao gồm các thành phần: u1: tỉ lệ khí-nhiên liệu trong hòa khí u2: góc đánh lửa sớm. u3: sự lưu hồi khí thải (EGR-Exhaust Gas Recirculation). u4: vị trí bướm ga. u5: tỉ số truyền của hộp số. Để giải bài toán tối ưu nêu trên với các điều kiện biên, người ta xác định mục tiêu tối ưu là lượng tiêu hao nhiên liệu F theo chu trình thử EPA : Trong đó: x3(t) là tốc độ xe quy định khi thử nghiệm xác định thành phần khí thải theo chu trình EPA, t là thời gian thử nghiệm. Như vậy, động cơ đốt trong sẽ được điều khiển sao cho F luôn đạt giá trị nhỏ nhất với điều kiện biên là quy định của các nước về nồng độ các chất độc hại trong khí thải. Trong đó: G2, G3, G4 hàm lượng chất độc trong khí xả theo qui định tương ứng với HC, CO và NOX. Trong quá trình xe chạy, các vectơ x(t), u(t) là các thông số động. Khi giải bài toán tối ưu nêu trên, ta cũng có thể đặt ra các giới hạn của vectơ này. Trên thực tế, các kết quả tối ưu thường được xác định bằng thực nghiệm và được nạp vào bộ nhớ ROM dưới dạng bảng tra (look-up table). Trình tự tính toán và tìm kiếm các thông số tối ưu của động cơ được mô tả trên lưu đồ thuật toán điều khiển trình bày trên hình 2.5 hình 2.5 Thuật toán điều khiển động cơ 2.3.2 Phương pháp đo khối lượng khí nạp Một yếu tố quan trọng trong điều khiển phun xăng là phải xác định được khối lượng không khí nạp đi vào xy lanh. Lượng xăng tương ứng sẽ được tính toán để bảo đảm tỉ lệ hòa khí mong muốn. Trên thực tế,chúng ta không thể đo chính xác khối lượng không khí đi vào từng xy lanh. Vì vậy, khi điều khiển động cơ phun xăng, người ta thường dựa trên lưu lượng không khí đi qua đường ống nạp tính bằng khối lượng. Có phương pháp để xác định khối lượng không khí: trong phương pháp trực tiếp, khối lượng không khí được đo bằng cảm biến dây nhiệt (airmass sensor). Trong phương pháp gián tiếp, người ta sử dụng cảm biến đo thể tích không khí (dùng cảm biến đo gió loại cánh trượt, cảm biến Karman…) hoặc cảm biến đo áp suất trên đường ống nạp (Map sensor), sau đó phối hợp với cảm biến đo nhiệt độ khí nạp và cảm biến tốc độ động cơ để tính toán khối lượng không khí. Phần tính toán được cài sẵn trong ROM. Phương pháp này còn gọi là phương pháp tốc độ – tỉ trọng. Phương pháp trực tiếp Hình 2.6 hệ thống điều khiển động cơ sử dụng phương pháp đo trực tiếp khối lượng khí nạp Phương pháp tốc độ tỉ trọng Hình 2.7 hệ thống điều khiển động cơ sử dụng phương pháp tốc độ – tỉ trọng Đối với một thể tích không khí V ở điều kiện nhiệt độ T và áp suất P, tỉ trọng của không khí được xác định bởi: Trong đó Ma là khối lượng không khí của thể tích V Hay: Như vậy, lưu lượng không khí tính bằng khối lượng có thể suy ra từ lưu lượng không khí tính bằng thể tích Phối hợp với cảm biến đo áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp và nhiệt độ khí nạp, máy tính có thể xác định tỉ trọng da theo biểu thức: Trong đó: :tỉ trọng của không khí ở điều kiện áp suất khí quyển ở mực nước biển, và nhiệt độ trong phòng . Lưu lượng không khí tính bằng thể tích đi qua bướm ga thường được dựa vào cảm biến tốc độ động cơ: Trong đó: D: dung tích xy lanh :hiệu suất nạp tính bằng thể tích. : có giá trị thay đổi từ 0 đến 1, phụ thuộc vào áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp và tốc độ động cơ, thông thường được xác định bằng thực nghiệm và được ghi vào ROM. Trong trường hợp động cơ với cảm biến đo áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp, có sử dụng hệ thống luân hồi khí thải (EGR-exhaust gas recirculation), một phần khí thải sẽ quay lại đường ống nạp khi nhiệt độ động cơ cao. Vì vậy lưu lượng không khí tính bằng khối lượng sẽ bằng: Cần lưu ý rằng lưu lượng khí thải đi qua van luân hồi REGR thường được xác định bằng thực nghiệm, phụ thuộc vào độ mở của van và phương cách kiểm soát hàm lượng NOX ở nhiệt độ cao. Đối với hệ thống điều khiển phun xăng sử dụng bộ đo gió cánh trượt hoặc đo gió dây nhiệt, chúng ta không cần quan tâm đến giá trị vì nó không ảnh hưởng đến lưu lương không khí cần tính. Như vậy, trong quá trình làm việc của động cơ với hệ thống phun xăng D-Jetronic (sử dụng MAP sensor), lưu lượng không khí tính bằng khối lượng đi qua bướm ga được xác định chủ yếu bằng các cảm biến: tốc độ động cơ, áp suất tuyệt đôí trên đường ống nạp, nhiệt độ khí nạp và độ mở của van luân hồi khí thải. Nếu động cơ có số xy lanh là Z, khối lượng không khí đi vào mỗi xy lanh sẽ là: Từ đó, lượng nhiên liệu cần phun vào một xy lanh: Với :là tỉ lệ hòa khí mong muốn. Thời gian mở kim phun căn bản sẽ phụ thuộc vào lưu lượng của kim phun : Nếu bộ điều áp (pressure regulator) được sử dụng. Rinj sẽ gần như một hằng số nhờ sự chênh lệch áp suất trên ống dẫn xăng đến đầu kim phun và đuôi kim phun (áp suất trên đường ống nạp) không đổi. Trên một số không sử dụng điều áp, bản đồ sự phụ thuộc của lưu lượng kim phun vào áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp phải được ghi vào ROM. Như vậy, để xác định thời gian phun căn bản, ROM trong ECU dùng với cảm biến MAP, ngoài giá trị còn phải nhớ đến các biểu thức để tính toán dựa trên các cảm biến đã nêu. Sau 2 vòng quay của trục khuỷu động cơ, ECU sẽ lập lại các phép tính nêu trên. Phương pháp tốc độ tỉ trọng có thể được thực hiện bằng cách thông qua bảng tra ROM như hình 2.8. Hình 2.8 bảng tra ROM Như mô tả trong hình, ba giá trị cần được xác định là: hiệu suất nạp , tỉ trọng không khí nạp ,và lưu lượng khí xả luân hồi EGR . Hiệu suất nạp được đọc từ ROM với một địa chỉ xác định từ đại lượng đo MAP và EGR. Tỉ trọng không khí nạp được đọc từ ROM với một địa chỉ được xác định từ các đại lượng đo MAP và . lưu lượng thể tích EGR được đọc từ ROM với một địa chỉ được xác định từ sự chênh lệch áp suất DP và vị trí van EGR. Lưu lượng không khí tính bằng khối lượng: 2.4 Các chế độ điều khiển nhiên liệu Động cơ có các chế độ hoạt động khác nhau khi điều kiện hoạt động thay đổi. Trong khi động cơ quay khởi động và chế độ hâm nóng động cơ bộ điều khiển giữ tỉ lệ hoà khí A/F ở một giá trị thấp (hoà khí giàu nhiên liệu). Sau chế độ làm nóng, bộ điều khiển vẫn hoạt động ở chế độ điều khiển vòng hở cho đến khi các giá trị đọc chính xác có thể nhận được từ cảm biến EGO. Bộ điều khiển sau đó chuyển sang và duy trì ở chế độ điều khiển vòng kín dưới những điều kiện lái xe thông thường. Trong suốt quá trình tăng tốc hoặc giảm tốc, bộ điều khiển điều chỉnh tỉ lệ A/F cần thiết. Khi tăng tốc hoặc tải nặng, chế độ điều khiển lưa chọn một biểu đồ mà cung cấp một hòa khí giàu cho thời điểm tăng tốc hoạc tải nặng. Trong chế độ giảm tốc, tỉ lệ A/F được tăng để giảm thành phần khí xả HC và CO từ nhiên liệu dư không cháy hết. Trong chế độ không tải, một lượng gió đươc điều khiển đi tắt qua cánh bướm ga vào động cơ nhằm tăng lượng hỗn hợp để giữ tốc độ cầm chừng khi động cơ hoạt động ở các chế độ tải khác nhau. Hệ thống điều khiển chọn một chế độ hoạt động phù hợp dựa trên điều kiện hoạt động tức thời được xác định từ các giá trị đo được của các cảm biến. Tương ứng với các chế độ hoạt động, một tỉ lệ hòa khí A/F phù hợp được chọn. Bộ điều khiển sau đó xác định lượng nhiên liệu phun vào mỗi xy lanh trong mỗi chu kỳ hoạt động của động cơ. Lương nhiên liệu này phụ thuộc vào các điều kiện hoạt động riêng biệt. 2.4.1 Chế độ quay khởi động Trong khi động cơ quay khởi động, hệ thống điều khiển nhiên liệu phải cung cấp một tỉ lệ hòa khí từ 2:1 đến 12:1 phụ thuộc vào nhiệt độ động cơ (nhiệt độ nước làm mát động cơ). Tỉ lệ hòa khí đúng được chọn từ một bảng tra ROM với hàm của nhiệt độ nước làm mát. Khi nhiệt độ động cơ thấp khả năng hoá hơi của nhiên liệu kém do đó làm giảm khả năng phun sương của nhiên liệu và lượng nhiên liệu hòa trộn với không khí không hết dẫn đến hòa khí nghèo vì vậy ở chế độ này cần phải cung cấp một tỉ lệ A/F giàu nhiên liệu. 2.4.2 Chế độ hâm nóng Trong khi động cơ quay khởi động,một tỉ lệ A/F giàu nhiên liệu vẫn được cung cấp để giữ cho động cơ chạy một cách trơn tru, nhưng yêu cầu tỉ lệ A/F thay đổi khi nhiệt độ tăng.Điều khiển nhiên liệu vẫn trong chế độ điều khiển vòng hở nhưng việc điều khiển tỉ lệ A/F vẫn tiếp tục thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Mục đích của chế độ này là làm cho động cơ hoạt động trơn tru và nhanh chóng được hâm nóng, tính kinh tế nhiên liệu và điều khiển chống ô nhiễm không quan trọng ở chế độ này. Hình 2.9 Bảng tra tỉ lệ A/F Một sơ đồ minh hoạ bảng tra chọn tỉ lệ A/F thích hợp được trình bày ở hình 2.9. Về bản chất, giá trị nhiệt độ nước làm mát đo được được chuyển đổi đến một địa chỉ của bảng tra. Địa chỉ này được cung cấp đến bảng tra thông qua hệ thống bus (D/B). 2.4.3. Chế độ tải trung bình Đây là chế độ làm việc ổn định của động cơ và là chế độ hoạt động thường xuyên nên yêu cầu tỷ lệ hỗn hợp ở chế độ này loãng, để tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường. Ở chế độ này có hai xu hướng điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp, hỗn hợp giàu hoặc hỗn hợp nghèo (rich burn or poor burn). Nếu điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp theo hướng rich burn thì l dao động trong khoảng (=1) hỗn hợp ch