BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

VŨ VĂN VIỆT

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN
TỰ ĐỘNG ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ
LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA
KHƠNG KHÍ Ơ TÔ ĐẦU KÉO HINO 700
SERIES

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP. HCM 10 - 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

VŨ VĂN VIỆT

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN
TỰ ĐỘNG ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ

LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA
KHƠNG KHÍ Ơ TƠ ĐẦU KÉO HINO 700
SERIES
CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
MÃ SỐ:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. LÊ HỮU SƠN

TP. HCM 10 - 2017


1

Chương 1:

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1.1. Tổng quan các vấn đề nghiên cứu về hệ thống điều hòa tự động trên ơ tơ hiện
nay
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay, điều khiển tự động được ứng dụng rất nhiều trên ơ tơ. Vì vậy, để đội ngũ
cán bộ khoa học kỹ thuật, công nhân lành nghề tiếp cận với cơng nghệ mới tốt hơn nữa,
thì chúng ta cần thiết phải chế tạo ra được một thiết bị có khả năng điều khiển tương tự.
Thứ nhất: là để chúng ta hiểu sâu sắc hơn; thứ hai: để chúng ta chủ động về công nghệ;
thứ ba: để giảm giá thành, nâng cao sức cạnh tranh trên thị trường. Vì thế một số học
viên, trung tâm công nghệ đã nhận thấy được sự cần thiết của công nghệ chế tạo, thiết kế
và lập trình vi điều khiển. Họ đã đề xuất và nghiên cứu các đề tài mang tính chất thiết kế,
chế tạo và ứng dụng cao như:
 Thiết kế, chế tạo mạch ECU điều khiển hệ thống điều hòa khơng khí tự động – Ks. Lê

Minh Mẫn – Luận văn thạc sĩ 2010 –2012, người hướng dẫn: PGS. TS Đỗ Văn Dũng –
Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM.
Luận văn được hoàn thành trên cơ sở ứng dụng vi xử lý (dùng họ vi điều khiển
AVR) để chế tạo mạch đánh lửa trên động cơ ô tô theo chương trình. Kết quả luận văn
cho thấy khả năng ứng dụng rộng rãi của vi điều khiển trong điều khiển lập trình hoạt
động cho nhiều kết cấu cơ khí và thiết bị điện phức tạp trên ơ tơ nói riêng và hệ thống
điều khiển tự động nói chung.
° Giới thiệu khái quát về họ vi điều khiển AVR:
AVR là một họ vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất (Atmel cũng là nhà sản xuất
dòng vi điều khiển 89C51 mà có thể bạn đã từng nghe đến). AVR là chip vi điều khiển 8
bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa-RISC (Reduced Instruction Set Computer), một
kiểu cấu trúc đang thể hiện ưu thế trong các bộ xử lí. So với các chip vi điều khiển 8 bits
khác, AVR có nhiều đặc tính hơn hẳn, hơn cả trong tính ứng dụng và đặc biệt là về chức
năng:


2

- Gần như chúng ta không cần mắc thêm bất kỳ linh kiện phụ nào khi sử dụng AVR, thậm
chí không cần nguồn tạo xung clock cho chip (thường là các khối thạch anh).
- Thiết bị lập trình (mạch nạp) cho AVR rất đơn giản, có loại mạch nạp chỉ cần vài điện
trở là có thể làm được. một số AVR cịn hỗ trợ lập trình on – chip bằng bootloader khơng
cần mạch nạp…
- Bên cạnh lập trình bằng ASM, cấu trúc AVR được thiết kế tương thích C.
- Nguồn tài nguyên về source code, tài liệu, application note…rất lớn trên internet.
- Hầu hết các chip AVR có những tính năng sau:
+ Giao diện nối tiếp Serial Peripheral Interface (SPI).
+ Có thể sử dụng xung clock lên đến 16MHz, hoặc sử dụng xung clock nội lên đến 8
MHz (sai số 3%).
+ Bộ nhớ chương trình Flash có thể lập trình lại rất nhiều lần và dung lượng lớn, có

SRAM (Ram tĩnh) lớn, và đặc biệt có bộ nhớ lưu trữ lập trình được EEPROM.
+ Bộ nhớ chương trình Flash có thể lập trình lại rất nhiều lần và dung lượng lớn, có
SRAM (Ram tĩnh) lớn, và đặc biệt có bộ nhớ lưu trữ lập trình được EEPROM.
+ Nhiều ngõ vào ra (I/O PORT) 2 hướng (bi-directional).
+ 8 bits, 16 bits timer/counter tích hợp PWM.
+ Các bộ chuyển đối Analog – Digital phân giải 10 bits, nhiều kênh.
+ Chức năng Analog comparator.
+ Giao diện nối tiếp USART (tương thích chuẩn nối tiếp RS-232).
+ Giao diện nối tiếp Two –Wire –Serial (tương thích chuẩn I2C) Master và Slaver.
* Đặc điểm của Atmega128:
- Khả năng thực thi cao, công suất tiêu thụ thấp, bộ xử lý 8 bit
- Bộ xử lý với cấu trúc RISC:
+ Có thể tính tốn 16 triệu lệnh trên 1s ở tần số 16MHz.
+ 32 thanh ghi với mục đích làm việc và điều khiển thiết bị ngoại vi.
+ Tạo ra đầy đủ các trạng thái.
- Bộ nhớ:
+ Bộ nhớ dữ liệu chương trình là 128KB với khả năng 10.000 lần ghi/xóa.
+ 4KB EEPROM.


3

+ 4KB bộ nhớ SRAM nội.
+ Có thể lựa chọn mở rộng khơng gian bộ nhớ ngồi lên 64KB.

Hình 1.1: Sơ đồ chân Atmega128

- Giao tiếp JTAG:
+ Khả năng quét toàn diện theo chuẩn JTAG.
+ Hỗ trợ khả năng Debug on-chip.

+ Hỗ trợ lập trình Flash, EEROM, fuse…
+ Lock bit qua giao tiếp JTAG.
- Giao tiếp ngoại vi:
+ 2 bộ timer/counter 8 bit với các mode: so sánh và chia tần số.
+ 2 bộ timer/counter 16 bit với các mode: Hoạt động riêng lẽ, chế độ so sánh và lưu
trữ.
+ 1 timer thời gian thực với tần số dao động riêng.
+ 2 kênh PWM 8 bit,.


4

+ 6 kênh PWM với khả năng thay đổi được từ 2 đến 16 bit.
+ Khối so sánh đầu ra.
+ 8 kênh biến đổi ADC 10 bit.
+ 2 khối giao tiếp USART có thể lập trình.
+ Giao tiếp SPI đồng bộ
- Những thuộc tính đặc biệt của vi điều khiển:
+ Có nguồn ngắt bên trong và mở rộng.
+ Có khả năng lựa chọn xung clock bằng phần mềm.
+ 6 chế độ nghỉ: chế độ chạy không tải, giảm nhiễu ADC, tiết kiệm năng lượng,
nguồn thấp, chế độ dự phòng và dự phịng mở rộng.
+ Có khả năng định cỡ xung dao động thời gian thực bên trong.
- Các cổng vào ra:
+ Gồm 53 chân có thể lập trình.
+ Chíp có 64 chân.
+ Dải điện áp làm việc từ 4.5÷5.5V
+ Dải tốc độ từ 0÷16MHz.
Hiện nay, tỷ lệ nội địa hố của máy lạnh Việt Nam vẫn còn thấp và nhất là vẫn
phải nhập ngoại toàn bộ board điều khiển cũng như các phụ kiện của nó. Đứng trước yêu

cầu tăng tỉ lệ nội địa hoá máy lạnh và chủ động sản xuất. Cho nên Phịng Cơng Nghệ Tự
Động Hố. Viện Công Nghệ Thông Tin. Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam, do
PGS_TSKH PHẠM THƯỢNG CÁT chủ trì đã thành lập trung tâm nghiên cứu phát
triển CHIP chuyên dụng trên công nghệ PSoC (Progamable System on Chip) cho hệ
thống điều khiển máy điều hòa nhiệt độ. Họ đã nghiên cứu chế tạo sản phẩm thay thế:
Board điều khiển máy điều hồ nhiệt độ, bằng cơng nghệ tạo chip thơng minh PSoC.
 Cấu trúc phần cứng của CHIP điều khiển máy điều hịa một chiều:
Hình 1.2 minh hoạ tổng qt về cấu trúc của một máy điều hồ nói chung. Đây chỉ
là loại điều hồ một chiều, vì vậy về cấu trúc điều khiển là đơn giản hơn so với loại điều
hồ hai chiều. Ta có thể chỉ cần sử dụng một bo mạch điều khiển là đủ cho cả hai block
trong và ngồi phịng (dàn lạnh và dàn nóng). Hệ thống điều khiển máy điều hoà gồm


5

board điều khiển và bộ điều khiển hồng ngoại từ xa cầm tay. Chip thay thế trên board điều
khiển được được thiết kế như sau: Các đầu vào của chip điều khiển gồm có:
+Emergency Botton: Tạo xung tín hiệu trên cổng vào mC, khởi động module
Emergency trong trường hợp không có bộ điều khiển từ xa.
+Infared Receiver: Đầu nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển từ xa.
+Sensor 1 và Sensor 2: Là các cảm biến nhiệt độ và cảm biến điểm đơng của mơi
trường khơng khí trong phịng.
- Các đầu ra của chip điều khiển gồm có:
+Led display: Đèn chỉ thị báo chế độ hoạt động của máy.
+Buzzer: Loa tín hiệu, phát âm thanh khi nhận được lệnh bất kì.
+Louver motor: Động cơ đảo cánh gió, loại động cơ bước.
+Fan motor: Động cơ quạt gió, có thể thay đổi tốc độ.
+Compessor motor: Động cơ máy nén dàn nóng. Hai đầu vào cho sensor nhiệt độ và
điểm đông được biến đổi qua các cổng ADC, các đầu I/O còn lại đều dùng các cổng
vào ra số thơng thường.


Hình 1.2: Sơ đồ khối tổng quát

- Cấu trúc thiết kế trên chip thay thế:


6

Hình 1.3 mơ tả các tín hiệu của chip điều khiển máy lạnh được tạo ra trên công
nghệ PSoC cho bo mạch chính dùng thay thế cho board điều khiển máy điều hoà
VBHCON9U-15C. Các port_x_x là những tài nguyên vào/ra chưa sử dụng.

Hình 1.3: Chip ĐKML được thiết kế trên nền chip trắng CY8C26443 của công nghệ PSoC
- Cấu

trúc và tài nguyên sử dụng trong chip điều khiển máy lạnh:


7

Hình 1.4: Sơ đồ của chíp ĐKML

Trên cấu trúc này ta đã sử dụng cả tài nguyên số (diagital) và tài nguyên tương tự
(analog). Trong đó, gồm hai ADC phục vụ cho các đầu đo nhiệt độ và điểm đông, hai
ADC này sử dụng hết 4 khối số và 2 khối analog. Một đầu thu tín hiệu điều khiển hồng
ngoại của bộ điều khiển cầm tay, sử dụng 3 khối số. Và một khối số được dùng làm đồng
hồ xung nhịp cho hai ADC đo nhiệt độ và điểm đơng.
Bảng 1.1: Các thơng số cấu hình hoạt động của Chip

Analog Power


SC On/Ref High

CPU_Clock

12_MHz

Ref Mux

(Vcc/2)+/-(Vcc/2)

Supply Voltage

5.0V

SwitchModePump

OFF

Trip Voltage [LVD (SMP)]

4.64V (5.00V)

Watchdog Enable

Enable


8


1.1.2. Tình hình nghiên cứu ngồi nước
Cơ sở lý thuyết của bơm nhiệt đã được Carno nêu lên từ đầu thế kỷ 19 sau đó được
các nhà bác học Nga như V.A Mikhenxơn, A.F.Iôfê, … điều chỉnh dần.
Năm 1852 Thomson (Lord Kelvin) sáng chế ra bơm nhiệt đầu tiên của thế giới.
Song song với đó chính là hệ thống điều hịa khơng khí. Những thành cơng lớn nhất của
bơm nhiệt bắt đầu từ những năm 1940 khi hàng loạt bơm nhiệt công suất lớn được lắp đặt
thành công ở châu Âu để sưởi ấm, đun nước nóng và điều hịa khơng khí.
Từ khi xảy ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào đầu thập kỷ 70, bơm nhiệt lại
bước vào bước tiến nhảy vọt mới. Hàng loạt bơm nhiệt đủ mọi kích cỡ cho các ứng dụng
khác nhau được nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện và bán rộng rãi trên thị trường.
Ngày nay bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong các lĩnh vực điều hịa khơng
khí, sấy, hút ẩm, đun nước,…

 M. H. Kim - VDO Halla Korea, Y. M. Yang - VDO Halla Korea , J. H. Lee - VDO
Halla Korea , J. A. Jung - VDO Halla Korea , G. S. Kwon - Kyungwon Tech.
Bài viết này đề cập đến vấn đề mô phỏng thời gian thực để liên hệ với tất cả các
giá trị vật lý áp dụng cho điều hịa khơng khí tự động trên xe ơ tơ, Điều khiển khơng khí
tự động và thay đổi nhiệt độ bên trong cabin. Việc thực hiện này được kiểm soát theo hệ
thống HVAC, cấu trúc cabin, nhiệt từ bên ngồi cabin đ vào và thuật tốn điều khiển. Tuy
nhiên, một trong những vấn đề lớn nhất đồi với hệ thống điều hịa khơng khí tự động là nó
địi hỏi nhiều chi phí và thời gian cho việc xác minh các thông số thực nghiệm. Hơn nữa,
CFD không thể phân tích hồn hảo hết tất cả những giá trị thực. Vì lý do này, chúng tơi
giải quyết vấn đề này thơng qua các mơ hình tốn học đơn giản hóa và các phương trình
đó được đánh giá từ mơ hình thử nghiệm. Kết quả mơ phỏng bao gồm kiểm soát nhiệt độ
nội thất, kiểm soát thời gian thực và hoạt động của bộ điều khiển được so sánh với kết quả
thực nghiệm để đánh giá hiệu suất của RTS.
Thơng qua phương pháp này, nó có thể là giảm thời gian và chi phí để phát triển bộ
điều khiển khí hậu tự động.
 Fabio Mingrino - Centro Ricerche Fiat S.P.A, Giovanni Toscano Rivalta - Magneti
Marelli Div. Termico Vettura



9

Các vấn đề điều khiển tự động dịng khí để cho người ngồi trong cabin ơ tơ có một
trạng thái thoải mái nhất, không chỉ liên quan đến việc kiểm sốt nhiệt độ khơng khí đầu
vào. Từ hiệu ứng khác nhau ở cảm giác nhiệt của mỗi người, khả năng tự động của một
HVAC (Heating Ventilation Air Conditioning), nên để tìm hiểu các thói quen nhiệt của
hành khách và để bù đắp những tác động của một số nhiễu loạn như bức xạ mặt trời, thay
đổi nhiệt độ đầu ra, thay đổi trong các umidity. Bài báo giải thích cách trình bày vấn đề đã
được tiếp cận bởi các khái niệm về nhiệt độ tương đương.
 Taeyoung Han - Delphi Research Labs, Delphi Corp., David K. Lambert - Delphi
Research Labs, Delphi Corp., Larry M. Oberdier - Delphi Research Labs, Delphi Corp.,
Dale L. Partin - Delphi Research Labs, Delphi Corp, Michel F. Sultan - Delphi
Research Labs, Delphi Corp.
Hệ thống điều hòa khơng khí tự động trên ơ tơ có thể cải thiện bằng cách đo nhiệt
độ khơng khí bằng siêu âm. Nhiệt thoải mái tương quan tốt hơn với nhiệt độ khơng khí
lớn hơn so với nhiệt độ đo bằng cảm biến trong xe hơi. Thời gian chuyển động của một
xung siêu âm trong khơng khí cung cấp cho nhiệt độ khơng khí số lượng nhiệt lớn. Trong
một thí nghiệm chứng minh rằng, giá trị chính xác đến ± 0,5°C từ -40÷600C. Hai chế độ
hoạt động được thể hiện: Xung vọng, trong đó chỉ có một bộ chuyển đổi duy nhất tạo ra
một xung và phát hiện nó quay trở lại từ phản xạ, và duy nhất vượt qua trong đó một bộ
chuyển đổi nguồn tạo ra một xung mà đi trực tiếp đến một đầu dò riêng biệt.
 Tapan Sahoo, Prashant Tuli, Ritesh Khandelwal - Maruti Suzuki India Ltd., India
Thay đổi sở thích của khách hàng và nhu cầu thị trường với các chỉ tiêu bảo vệ môi
trường đã khiến việc sử dụng các thiết bị điện tử hiện đại gần như được trang bị trên tất cả
các ô tô hiện nay. Ơ tơ điều hịa khơng khí cũng đã tiến một bước về phía trước với sự
giới thiệu của "hệ thống điều hịa khơng khí tự động" (thường được gọi là "tự động điều
hịa khơng khí"). Mặc dù khái niệm kỹ thuật, cho mỗi lần gia nhập, đã được sử dụng rộng
rãi trong phịng của AC, đó chỉ là những tiến bộ gần đây trong ngành điện tử ô tơ và nó

được áp dụng trong điều hịa khơng khí ô tô.
Một số lượng đáng kể các loại xe tại các thị trường ở nước ngoài được trang bị hệ
thống điều hịa khơng khí tự động. Ấn Độ khơng lâu sau thì rất nhiều các loại xe cao cấp
đã được trang bị hệ thống điều hịa khơng khí tự động. Maruti Udyog đã chủ động theo


10

hướng này bằng cách giới thiệu "Hệ thống điều hòa khơng khí tự động" trong chiếc xe
gần nhất.
Bài viết này đề cập đến việc được thông qua và phù hợp của hệ thống điều hịa
khơng khí tự động trong điều kiện địa lý của Ấn Độ. Thiết kế của hệ thống là rất nhạy
cảm với điều kiện khí hậu địa phương. Các thông số thiết kế của một đất nước khó có thể
được thơng qua hồn tồn khi nhập khẩu sang một quốc gia khác, trừ khi cả hai nước ấy
có điều kiện tự nhiên như nhau, cũng như các phản ứng tương tự như con người với
những điều kiện khí hậu. Bài viết dựa trên kinh nghiệm của Maruti đối với sự phát triển
và đánh giá hệ thống quản lý nhiệt độ tự động. Kết quả của nghiên cứu có đề cập và so
sánh giữa hệ thống điều khiển cổ điển và hệ thống điều hịa khơng khí tự động. Nó cũng
đề cập đến một số lợi ích cho khách hàng từ việc thơng qua "hệ thống điều hịa khơng khí
tự động ". Một số hạn chế mà có thể ức chế từ các nhà sản xuất giới thiệu rộng rãi công
nghệ cũng đã được nêu bật trong bài báo.
 Padraig Donovan, John Manning - Viện Công nghệ Waterford
Mục tiêu chính của nghiên cứu được trình bày trong bài báo này là một bằng
chứng của khái niệm về một chiếc xe chiến lược kiểm soát độc lập dựa trên trạng thái
hiện có của các thành phần hệ thống kiểm sốt nhiệt độ và cung cấp khơng khí vào cabin
xe ở nhiệt độ và độ ẩm một cách chính xác, trong khi mức độ cải thiện hiệu quả một cách
tổng thể. Thực hiện yêu cầu này, chính phủ trực tiếp kiểm tra các thành phần của hệ thống
điều khiển nhiệt độ và các cảm biến. Một chiếc xe chiến lược độc lập kiểm soát đã đưa ra
cách sử dụng logic mờ để kiểm soát hiệu quả các hệ thống phức tạp và phi tuyến tính
trong khi tối đa hóa hiệu quả cải thiện các đặc tính vốn có của nhà nước của các thành

phần trong hệ thống điều hòa tự động. Bài viết này cung cấp tổng quan về hệ thống đang
đề xuất và một số kết quả kiểm tra.
 Helmut Bengsch - Ford-Werke AG
Chương trình máy tính đã được thành lập trong đó mơ phỏng các chức năng của
một hệ thống điều hịa nhiệt độ được kiểm sốt bởi bộ vi xử lý và phản ứng của xe. Các
thông số đặc trưng được lấy ra từ kết quả kiểm tra của xe, trong khi điều kiện môi trường
xung quanh và người lái xe cũng như các điểm đặt nhiệt độ phải được xác định, các thuật
toán điều khiển cung cấp các tín hiệu đầu ra để điều khiển. Một mơ hình chiếc xe được sử


11

dụng để xác định các thông số điều khiển của hệ thống, quan sát các tín hiệu điều khiển
như: Lượng nhiệt, sự chuyển đổi và cân bằng giá trị nhiệt độ cho phép bên trong xe và
được sử dụng như dữ liệu thơng tin phản hồi cho các thuật tốn điều khiển.
Các chương trình này cung cấp hỗ trợ hữu ích trong việc phát triển các hệ thống
điều hòa khí hậu tự động.

 Thomas J. Johnson - Kysor of Byron
Sự thoải mái của lái xe và hành khách là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng
đến an tồn xe khi đang hoạt động. Bài viết này phác thảo những phát triển quan trọng
trong hệ thống điều hịa khơng khí tự động đã đạt được trong những năm qua, hiện tại và
tương lai. Nội dung bao gồm các cuộc thảo luận về các lĩnh vực mà vấn đề quan trọng
nhất là lam sao cho người sử dụng phương tiện cảm thấy thoải mái và an toàn nhất, và
làm thế nào để các khu vực này được điều khiển thông qua hệ thống điều hịa khơng khí
tự động. Ngồi ra, hệ thống cũng sẽ được xem xét và đánh giá một cách dễ dàng các hoạt
động và kiểm sốt được tín hiệu đầu ra.
 Helene Håkansson - AB Volvo
Quá trình phát triển một bộ điều khiển nhiệt độ dung năng lượng một cách có hiệu
quả EECC (Energy Efficient Climate Controller) được giới thiệu như sau. Mục đích của

dự án là giảm tiêu thụ năng lượng của hệ thống điều hòa nhiệt độ trong xe hơi, nhưng vẫn
đảm bảo yêu cầu là điều kiện khí hậu trong xe thật dể chịu.
Hiệu quả năng lượng của EECC được xác định bằng cách đo mức tiêu thụ nhiên
liệu của chiếc xe ở các điều kiện khí hậu khác nhau trong mơi trường có kiểm sốt của
một đường hầm gió khí hậu (như mơ hình chiếc xe ô tô).
Các phép đo cho thấy EECC làm giảm tiêu thụ nhiên liệu 1,6% so với một bộ điều
khiển nhiệt độ bằng điện tử ECC (Electronic Climate Controller) của một chiếc xe sản
xuất hiện có, khi lái xe trong một năm trong một khu vực khí hậu châu Âu.
 F. D. Rubin - Buick Motor Div. , R. A. Wilke - Lake Center Industries
Bài viết này nói về một hệ thống điều khiển bằng điện tử, điều khiển servo điện
cho điều hịa khơng khí và điều khiển hâm nóng nhưng độc lập với chân khơng, và hoạt
động của động cơ. Hệ thống mới này sử dụng động cơ điện được truyền động điều khiển


12

vị trí của cánh dẫn gió vào và các chế độ hịa trộn khơng khí thơng qua một bộ vi xử lý
trong bảng điều khiển.
Bộ vi xử lý này được lập trình sẵn để tự động điều tiết hoạt động hệ thống và tốc
độ quạt. Nó cũng được lập trình để phân tích và xác định vị trí thiết bị truyền động và hệ
thống dây dẫn, và cung cấp một tín hiệu go-no-go, chẩn đốn tín hiệu xung tích cực nếu
nhận được tín hiệu đầu vào.
Giới thiệu các thiết bị điện tử vào hệ thống cung cấp khả năng kiểm soát tốc độ
quạt, hoạt động cảm ứng, và để thực hiện tính năng bổ sung nhiệt mà hệ thống điều hịa
khơng khí cổ điển khơng thể làm được.
1.2. Tính mới, tính khoa học và tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa
học kỹ thuật, ngành công nghiệp ô tô đã có những sự phát triển vượt bậc. Các
tập đồn ô tô trên thế giới đã và đang cố gắng chế tạo ra những chiếc ơ tơ hồn
hảo về mặt kỹ thuật mà cịn đảm bảo tính an tồn và tiện nghi cho tài xế và hành

khách.
Khơng nằm ngồi sự phát triển đó, hệ thống điều hịa khơng khí đã được các hãng
chú trọng cải tiến liên tục và được áp dụng rộng rãi trên các dòng xe du lịch cao cấp hiện
nay, đó chính là hệ thống điều hịa khơng khí tự động, hệ thống này đã nâng tầm một
chiếc xe ô tô lên một đẳng cấp mới sang trọng hơn, tiện nghi hơn và đặc biệt tiết kiệm
nhiên liệu hơn. Tuy nhiên, hệ thống điều hịa khơng khí trên một số xe tải và và xe đầu
kéo Hino 700 Series vẫn sử dụng hệ thống điều hịa khơng khí thường. Vì vậy, tơi đã
mạnh dạng nhận đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển tự động để nâng cao hiệu
quả làm việc của hệ thống điều hịa khơng khí ơ tơ đầu kéo Hino 700 series”. Với mục
đích tăng tính tiện nghi và tiết kiệm nhiên liệu cho xe.
Bên cạnh đó, nội địa hố sản phẩm, đẩy mạnh nền công nghệ sản xuất trong nước
là một yêu cầu tất yếu để hạ giá thành sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao
tính cạnh tranh của các sản phẩm Việt Nam trên thị trường trong nước cũng như quốc tế.
Đây cũng là một trong những mục tiêu chính của nền cơng nghiệp nước ta hiện nay. Tuy
nhiên vấn đề tồn tại lớn nhất chính là vốn và cơng nghệ. Mục tiêu sản xuất với chi phí


13

thấp, đồng thời làm chủ được công nghệ cao để có được sự chủ động trong sản xuất đang
được các cơ sở sản xuất quan tâm hàng đầu. Vì thế PGS_TS Lê Hữu Sơn nhận thấy
được sự cần thiết của cơng nghệ chế tạo, thiết kế và lập trình vi điều khiển. Thầy đã đề
xuất và hướng dẫn tơi hồn thành tốt đề tài này.
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu hệ thống điều hịa khơng khí ơ tơ đầu kéo Hino 700
Series và hệ thống điều hịa khơng khí tự động trang bị trên xe du lịch, cụ thể là xe Toyota
Camry.
- Đối với hệ thống điều hịa khơng khí ơ tơ đầu kéo Hino 700 Series học viên tập trung
nghiên cứu: Mạch điện, giàn nóng, giàn lạnh, van tiết lưu, quạt giàn lạnh, quạt giàn nóng,

cơng tắc áp suất, bảng điều khiển và tài liệu hướng dẫn theo xe…
- Đối với hệ thống điều hịa khơng khí tự động học viên tập trung nghiên cứu: dùng máy
chẩn đoán để xác định các thông số đầu vào, các thông số đầu ra, tìm hiểu cơ chế làm việc
của hệ thống…

1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
Để hồn thành một mơ hình hoàn chỉnh ứng dụng trên xe thực tế, cụ thể là xe đầu
kéo Hino 700 Series thì cần phải có kinh phí, thời gian và một số điều kiện cần thiết
khác. Vì vậy ở đề tài này học viên chỉ thiết kế và lắp đặt mơ hình mơ phỏng hệ thống điều
hòa điều khiển tự động ứng dụng trên xe đầu kéo Hino 700 Series.
1.4. Mục tiêu và ý nghĩa của vấn đề sử dụng điều khiển tự động trong hệ thống điều
hịa khơng khí
 Khảo sát các hệ thống điều hịa khơng khí ơ tơ đầu kéo Hino 700 series và điều hịa
tự động đang sử dụng trên ơtơ hiện nay.
 Nghiên cứu bài toán thiết kế mạch điều khiển hệ thống điều hòa, nhằm tiết kiệm
nhiên liệu và sự tiện nghi.


14

 Thực nghiệm để xác định các thông số trên mơ hình ứng dụng điều khiển tự động
trong hệ thống điều hịa khơng khí.
 Sản phẩm của đề tài có thể ứng dụng rộng rãi, trước mắt là phục vụ để nâng cao
tính kinh tế của xe. Nếu phát triển đề tài hoàn thiện, sẽ tạo ra một sản phẩm hữu dụng
trong ngành ôtô Việt Nam.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Sưu tầm tài liệu về sơ đồ mạch điện, nguyên lý
hoạt động của từng hệ thống, thơng số hệ thống điều hịa, vi điều khiển … và tài liệu liên
quan đến hệ thống điều hòa.
 Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát, đo kiểm, lấy thơng số điều hịa khơng khí ơ tơ

đầu kéo Hino 700 series và điều hòa tự động để làm cơ sở thực hiện đề tài.
 Các bước thực hiện:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hệ thống điều hịa khơng khí;
- Xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển tự động;
- Mơ tả tốn học cho hệ thống;
- Tính tốn và thiết kế mạch;
- Thí nghiệm sản phẩm trên mơ hình. Hiệu chỉnh các thơng số;
- So sánh và kết luận.

Chương 2:


15

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU
HÒA TỰ ĐỘNG
2.1. Cơ sở lý thuyết hệ thống điều hịa khơng khí
2.1.1. Lý thuyết làm mát cơ bản

Hình 2.1: Nước bay hơi lấy nhiệt của cơ thể

Trong một ngày nóng nực, chúng ta cảm thấy hơi lạnh sau khi bơi. Đó là vì khi bay
hơi, nước đã lấy nhiệt từ cơ thể của chúng ta. Tương tự như vậy chúng ta cũng cảm thấy
lạnh khi chúng ta bôi cồn vào tay: Cồn đã lấy nhiệt của chúng ta khi bay hơi. Chúng ta có
thể làm cho các vật lạnh đi bằng cách sử dụng các hiện tượng tự nhiên này: Chất lỏng bay
hơi có thể lấy nhiệt từ các chất.
Quan sát thí nghiệm trên hình 2.2. Một bình có vịi được đặt trong một hộp cách
nhiệt tốt. Chất lỏng trong bình là chất có thể bốc hơi ngay ở nhiệt độ khơng khí. Khi
miệng vịi được mở chất lỏng trong bình sẽ bay hơi. Khi đó nó hấp thụ nhiệt từ khơng khí
nằm giữa bình và hộp. Nhiệt này được truyền vào hơi của chất lỏng và bay ra ngoài. Ở

thời điểm này, nhiệt độ của khơng khí trong hộp sẽ thấp hơn so với nhiệt độ của nó trước
khi mở vòi.


16

Hình 2.2: Thí nghiệm về sự hấp thụ nhiệt

Ngun lý này được ứng dụng trong hệ thống điều hịa khơng khí. Tuy nhiên, nếu
nguyên lý này được áp dụng trực tiếp thì khơng thực tế bởi vì khí bay hơi sẽ bị mất đi nên
chúng ta phải cấp gas lỏng liên tục. Trong thực tế, hệ thống điều hịa khơng khí sử dụng
chu trình khép kín. Trong đó, gas bay hơi được làm mát và ngưng tụ thành chất lỏng trong
một vịng kín tuần hồn.

Hình 2.3: Chu trình kín làm mát và ngưng tụ

2.1.2. Mơi chất (Ga điều hồ)
Mơi chất là chất trao đổi nhiệt khi nó tuần hồn. Nó nhận nhiệt khi bay hơi và giải
phóng nhiệt khi nó hoá lỏng, tuỳ theo áp suất và nhiệt độ mà mơi chất có thể ở trạng thái
lỏng hoặc khí.


17

Các tính chất cần thiết đối với một mơi chất. Mơi chất dùng cho điều hồ ơ tơ cần
có những tính chất sau đây:
- Dễ bay hơi và hố lỏng;
- An tồn ;
- Ổn định và chất lượng khơng thay đổi.


Hình 2.4: Đồ thị trạng thái của mơi chất

Đặc tính của môi chất:
Đồ thị cho ta biết áp suất và điểm sơi của mơi chất HCF-134a (R134a). Ga điều
hồ R134a bay hơi ở nhiệt độ và áp suất thấp, nhưng khi áp suất cao thì nó chuyển về
trạng thái lỏng và khơng bay hơi thậm chí khi nhiệt độ cao.
Điều hồ ơ tơ sử dụng tính chất này và làm cho mơi chất dễ dàng hố lỏng bằng
cách sử dụng máy nén. Ví dụ: Mơi chất ở dạng khí có nhiệt độ 700C và áp suất 1,47 MPa
(15kgf/cm2) được nén bằng máy nén khí sau đó được giải nhiệt xuống khoảng 12÷130C sẽ
làm cho mơi chất sẽ chuyển sang trạng thái lỏng.
Môi chất tên là CFC-12 (R-12) đã được sử dụng trong điều hồ ơ tơ tới tận năm


18

1995. Tuy nhiên người ta phát hiện ra rằng CFC-12 (R-12) có thể phá huỷ tầng ơ zơn khi
nó bay vào tầng khơng khí. Việc phá huỷ tầng ơ zơn sẽ làm tăng lượng bức xạ tia cực tím
từ mặt trời đến trái đất gây ra bệnh ung thư da và huỷ hoại mơi trường, đây là một vấn đề
có tính tồn cầu. Vì vậy khi cần phải thay thế hoặc sửa chữa các chi tiết của điều hoà phải
thu hồi lại môi chất. Nếu môi chất được thu hồi một cách chính xác bằng máy phục hồi
mơi chất thì mơi chất sẽ khơng giảm đi các tính chất của nó khi tái sử dụng.
Bảng 2.1: So sánh đặc tính kỹ thuật của mơi chất lạnh R-12 và R134a

Đặc tính kỹ thuật

R-134a

R-12

- Công thức phân tử


CH2FCF3

CCl2F2

- Trọng lượng phân tử

120.3

120.91

- Điểm sôi

-26.80C

-29.790C

- Nhiệt độ tới hạn

101.150C

111.800C

- Áp suất điểm sôi

4.065mPa

4.125mPa

- Mật độ tới hạn


511kg/cm3

558 kg/cm3

- Mật độ dung dịch bão hồ

1206.0kg/cm3

1310.9 kg/cm3

- Thể tích riêng (hơi bão hồ)

0.031009m3/kg

0.027085 m3/kg

- Nhiệt dung riêng (dung dịch bão hòa

1.4287kJ/kgK

0.9682 kJ/kgK

- Nhiệt ẩn khi bốc hơi

216.5kJ/kg

166.56 kJ/kg

- Tính dẫn nhiệt (dung dịch bão hịa)


0.0815W/mK

0.0702 W/mK

- Tính cháy được

Khơng cháy

Khơng cháy

- Chỉ số làm suy kiệt ozon

0

1.0

- Chỉ số làm nóng trái đất

0.24 ÷ 0.29

0.24 ÷ 3.4

ở áp suất ko đổi)

2.1.3. Dầu nhờn bôi trơn hệ thống điều hịa khơng khí
Tuỳ theo quy định của nhà chế tạo, lượng dầu bơi trơn khoảng 150 ÷ 200ml được
nạp vào máy nén nhằm đảm bảo các chức năng: Bơi trơn các chi tiết của máy nén tránh
mịn khuyết và kẹt cứng, một phần dầu nhờn sẽ hòa lẫn với môi chất lạnh và lưu thông
khắp nơi trong hệ thống giúp van giãn nở hoạt động chính xác, bôi trơn phốt trục máy nén

v…v…Dầu nhờn bôi trơn cho hệ thống điện lạnh ôtô phải tinh khiết, không sủi bọt,


19

không lẫn lưu huỳnh. Dầu nhờn bôi trơn máy nén khơng có mùi, trong suốt màu vàng
nhạt. Bất cứ một loại tạp chất nào cũng làm cho dầu nhờn đổi sang màu nâu đen. Vì vậy
nếu phát hiện thấy dầu bôi trơn trong hệ thống điện lạnh đổi sang màu nâu đen đồng thời
có mùi hăng nồng, chứng tỏ dầu đã bị nhiễm bẩn. Nếu gặp phải trường hợp này phải xả
sạch dầu nhiễm bẩn, thay mới bầu lọc hút ẩm, châm dầu bôi trơn mới đúng loại và đúng
dung lượng quy định. Chủng loại và độ nhờn của dầu bôi trơn hệ thống điện lạnh ôtô tuỳ
thuộc vào quy định của nhà chế tạo máy nén và tuỳ thuộc vào loại mơi chất lạnh đang sử
dụng. Để có thể châm thêm dầu bôi trơn vào máy nén bù đắp cho lượng dầu bị thất thốt
do xì ga, người ta sản xuất những bình dầu nhờn chứa 59ml dầu nhờn và một lượng thích
ứng mơi chất lạnh. Lượng mơi chất lạnh cùng chứa trong bình có cơng dụng tạo áp suất
đẩy dầu nhờn nạp vào hệ thống. Trong công tác bảo trì sửa chữa hệ thống điện lạnh ơtơ,
cụ thể như xả môi chất lạnh, thay mới các bộ phận, cần phải châm thêm dầu nhờn bôi trơn
đúng chủng loại và đúng lượng. Dầu nhờn phải được châm thêm sau khi tiến hành tháo xả
môi chất lạnh, sau khi thay mới một bộ phận và trước khi rút chân không. Như ta đã biết,
dầu nhờn hồ tan với mơi chất lạnh và lưu xuyên suốt cả hệ thống, do đó bên trong mỗi
bộ phận đều có tích tụ một số dầu bôi trơn khi ta tháo tách bộ phận này ra khỏi hệ thống.
2.1.4. Chu trình làm lạnh

Hình 2.5: Chu trình làm lạnh


20

Trong hệ thống làm lạnh, môi chất lưu chuyển tuần hồn và khép kín. Mơi chất đi
từ máy nén qua giàn nóng, lọc, van giãn nở, giàn lạnh và về lại máy nén.

Trạng thái môi chất trước và sau khi qua máy nén:
Trước khi qua máy nén, môi chất được cho qua giàn lạnh. Tại đây, môi chất được
bốc hơi hồn tồn nhờ sự cấp nhiệt từ dịng khơng khí đi qua giàn lạnh. Kết quả là môi
chất ở trạng thái hơi và nhiệt độ thấp. Sau khi qua máy nén, môi chất được nén lên áp suất
rất cao. Và do q trình nén nên nhiệt độ mơi chất được tăng lên cao. Vì vậy, dù áp suất
cao nhưng mơi chất vẫn ở trạng thái hơi vì nhiệt độ cao.
Bảng 2.2: Trạng thái môi chất sau khi qua máy nén

Nhiệt độ

Áp suất

Trạng thái

Trước khi qua máy nén

30C đến 40C

Xấp xỉ 0.2 Mpa

Hơi

Sau khi qua máy nén

Xấp xỉ 800C

Xấp xỉ 1.7MPa

Hơi


Trạng thái mơi chất trước và sau khi qua giàn nóng:
Giàn nóng là bộ phận tản nhiệt cho mơi chất. Dịng khơng khí đi qua giàn nóng lấy
đi một phần nhiệt của giàn nóng, làm cho mơi chất giảm nhiệt độ. Với áp suất cao và
nhiệt độ thấp, môi chất chuyển sang trạng thái lỏng.
Bảng 2.3: Trạng thái môi chất trước và sau khi qua giàn nóng

Nhiệt độ

Áp suất

Trạng thái

Trước khi qua giàn nóng Xấp xỉ 800C

Xấp xỉ 1.7MPa

Hơi

Xấp xỉ 600C

Xấp xỉ 1.7MPa

Lỏng

Sau khi qua giàn nóng

Trạng thái mơi chất trước và sau khi qua van tiết lưu:
Van tiết lưu hay còn gọi là van giãn nở, là bộ phận ngăn cách giữa phần áp suất
thấp và áp suất cao. Tiết diện lưu thông của van tiết lưu nhỏ nên chỉ cho qua một lượng
môi chất nhất định. Kết quả là dưới tác dụng của máy nén, một sự chênh lệch áp suất

được tạo ra ở hai bên van tiết lưu. Dịng mơi chất được phun ra ở van tiết lưu. Lúc này, do
sự bay hơi đột ngột, nhiệt độ môi chất giảm xuống khá thấp làm cho một phần môi chất
khơng thể bốc hơi hồn tồn, cho nên nó ở dạng sương.
Bảng 2.4: Trạng thái môi chất trước và sau van tiết lưu


21

Nhiệt độ

Áp suất

Trạng thái

Trước khi qua van tiết lưu Xấp xỉ 600C

Xấp xỉ 1.7MPa

Lỏng

Sau khi qua van tiết lưu

Xấp xỉ 0.2 Mpa

Hơi sương

Xấp xỉ 00C

Trạng thái môi chất trước và sau khi qua giàn lạnh:
Hơi sương được cho qua giàn lạnh, dịng khơng khí thổi qua giàn lạnh cấp nhiệt

cho nó và làm cho nhiệt độ mơi chất tăng lên, làm nó bốc hơi hồn tồn.
Bảng 2.5: Trạng thái mơi chất trước và sau khi qua giàn lạnh

Nhiệt độ

Áp suất

Trạng thái

Trước khi qua giàn lạnh

Xấp xỉ 00C

Xấp xỉ 0.2 Mpa

Hơi sương

Sau khi qua giàn lạnh

30C đến 40C

Xấp xỉ 0.2 Mpa

Hơi

Quá trình tiết tục, mơi chất được nén bởi máy nén và về lại máy nén. Cho nên, đây
là một chu trình kín. Mơi chất khơng bị hao tổn trong một chu trình kín như vậy ngoại trừ
trường hợp hư hỏng phải tháo rã hệ thống, sửa chữa hay bị rò gas. Trong một chu trình
kín, năng lượng được bảo tồn. Nghĩa là, muốn có khơng khí mát thổi ra ở giàn lạnh thì
bắt buộc phải có giải nhiệt ở giàn nóng. Ngược lại, nếu q trình giải nhiệt ở giàn nóng

khơng tốt thì khơng khí thổi ra giàn lạnh khơng đủ mát.
2.2. Hệ thống điều hịa khơng khí tự động
2.2.1. Khái qt hệ thống điều hịa khơng khí tự động

Hình 2.6: Hệ thống điều hịa khơng khí tự động


22

Điều hịa khơng khí thơng thường ln hoạt động tại một nhiệt độ khí thổi vào và
tốc độ thổi khí do lái xe định trước. Tuy nhiên, những yếu tố như sự tỏa nhiệt của mặt
trời, nhiệt độ động cơ, nhiệt từ ống xả, nhiệt do hành khách thải ra…sẽ ảnh hưởng đến
nhiệt độ trong xe theo thời gian. Vì vậy, với hệ thống điều hòa loại này cần phải điều
chỉnh lại nhiệt độ, tốc độ thổi khí, hay cả hai khi cần thiết.
Hệ thống điều hịa khơng khí tự động đã được phát triển để loại bỏ các thao tác
điều chỉnh khơng thuận tiện này. Hệ thống điều hịa khơng khí tự động phát hiện nhiệt độ
bên trong xe và nhiệt độ mơi trường, bức xạ mặt trời…từ đó điều chỉnh nhiệt độ khí thổi
cũng như tốc độ quạt một cách tự động theo nhiệt độ đặt trước bởi người lái.
Hệ thống điều hồ khơng khí tự động được kích hoạt bằng cách đặt nhiệt độ mong
muốn bằng núm chọn nhiệt độ và ấn vào công tắc AUTO. Hệ thống sẽ điều chỉnh ngay
lập tức và duy trì nhiệt độ ở mức đã thiết lập nhờ chức năng điều khiển tự động của ECU.


23

2.2.2. Các bộ phận chính trong hệ thống điều hịa khơng khí tự động
2.2.2.1. ECU điều khiển A/C

Hình 2.7: ECU điều khiển A/C


ECU tính tốn nhiệt độ và lượng khơng khí được hút vào dựa trên nhiệt độ được
xác định bởi mỗi cảm biến và nhiệt độ mong muốn xác lập ban đầu. Những giá trị này
được sử dụng để điều khiển vị trí cánh trộn khí, tốc độ motor quạt giàn lạnh và vị trí cánh
điều tiết thổi khí.