Xem mẫu
- 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
nguon tai.lieu . vn
