Có thể mô tả tóm tắt về hệ thống quản lý của động cơ của Bosch ME- Motronic 7.1 như sau: từ tất cả các nhu cầu về phụ tải đặt lên động cơ chế độ chuyển động: tay số, quay vòng, chế độ là
Trang 1Hệ thống điện tử quản lý sự làm việc của động cơ
Chúng tôi xin giới thiệubài viết của PGS.TS Nguyễn Khắc Trai về Hệ thống điện
tử quản lý sự làm việc của động cơ (BOSCH ME- MOTRONIC 7.1 SYSTEM)
Lời tác giả: Sự phát triển kỹ thuật Cơ điện tử trên ô tô đang trong giai đoạn ứng dụng thành công ban đầu Những phát triển kỹ thuật như vậy dẫn tới một số các thay đổi nhất định về cấu trúc bên ngoài và đặc biệt là các cấu trúc bên trong, thậm chí có thể dẫn tới một vài thay đổi nhỏ về sử dụng trong kỹ thuật lái xe Để nắm bắt được các thay đổi này, bài này giới thiệu giới thiệu một hệ thống điện tử quản lý sự làm việc của động cơ của BOSCH
Trước đây hệ thống điện tử mang tính chất kiểm soát sự phun nhiên liệu của động
cơ xăng bằng cách sử dụng các cảm biến cung cấp thông tin đầu vào cho ECU, nhờ đó ECU sẽ tính toán xác định lượng phun nhiên liệu tối ưu theo các giá trị của thông tin đầu vào Phương pháp này đã đem lại hiệu quả tốt cho sự làm việc của động cơ về công suất, lượng tiêu thụ nhiên liệu, chất lượng khí thải Hệ thống như vậy đã tích hợp tối ưu giữa các thông tin của hệ thống phun nhiên liệu, đánh lửa điện tử, và chúng được gọi là “Motronic”
Trang 2Việc đưa chân ga điện tử vào hệ thống kiểm soát sự phun nhiên liệu trong giai đoạn đầu cũng vẫn được thực hiện theo phương thức trên, điều đó có nghĩa là chân
ga điện tử điều khiển bướm gió, và tùy thuộc vào vị trí bàn đạp chân ga, ECU cho phép xác định lượng phun nhiên liệu tương ứng Có thể coi vị trí chân ga điện tử
và vị trí bướm ga chỉ là các thông số đầu vào phục vụ hình thành lượng phun nhiên liệu Vậy có thể xảy ra trường hợp: Theo vị trí của bướm ga hình thành chế
độ làm việc của động cơ tạo nên công suất không phù hợp với chế độ làm việc của
ô tô Khắc phục vấn đề này, hệ thống ME- Motronic của Bosch được xây dựng trên cơ sở tư duy khác, và thực sự hình thành hệ thống quản lý sự làm việc của động cơ (Engine Management System)
Hinh1: Đặc tính ngoài động cơ V6 trên ô tô Audi
Trang 3Sự thay đổi đó dẫn tới hàng loạt các thay đổi trong lập trình logic, thay đổi các mạch điều khiển, và tất nhiên có khả năng tạo nên các ưu thế tốt hơn hệ thống trước đó Hệ thống này được gọi tên là “Bosch ME- Motronic” và có kí hiệu thứ tự Bosch ME- Motronic để nói rõ về sự phát triển của nó
Có thể mô tả tóm tắt về hệ thống quản lý của động cơ của Bosch ME- Motronic 7.1 như sau: từ tất cả các nhu cầu về phụ tải đặt lên động cơ (chế độ chuyển động: tay số, quay vòng, chế độ làm việc hiện đại của động cơ: điều hòa, đèn chiếu sáng, chế độ phanh bằng động cơ khi ô tô xuống dốc,… mức độ bàn đạp chân ga, yêu cầu về tốc độ giới hạn, chất lượng khí xả, ) ECU tính toán cho phép xác lập mô men động cơ yêu cầu, độ mở bướm ga tương ứng, chế độ phun nhiên liệu, góc đánh lủa sớm theo đặc tính của động cơ đặt trên ô tô (hình 1) Điều này có nghĩa công suất động cơ yêu cầu thực hiện thông qua các hệ thống thừa hành theo
phương thức quản lý của hệ thống cơ điện tử (ME- Motronic) với sự liên kết chặt chẽ giữa hệ thống phun nhiên liệu, độ mở bướm ga và hệ thống đánh lửa
(Motronic) Bằng cách này, tính chất điều khiển, khí thải và tiêu thụ nhiên liệu đều được cải thiện
Một số đặc điểm chính của hệ thống được trình bày dưới đây
Sơ đồ cấu trúc tổng quát và các tín hiệu vào, tín hiệu ra của ECU
Sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống được trình bày trên hình 2 Nhìn tổng thể các khối và sự liên kết của chúng không thấy được sự khác biệt của hệ thống ME- Bosch với các thế hệ trước đây:
- Khối cung cấp khí nạp gồm: đường cấp khí chính theo bộ lọc gió và qua cảm biến (CB) đo lưu lượng tới bướm ga (mô đun bướm ga điện tử ETC-11) và đường cấp khí thứ cấp cho đường khí xả 8,
- Khối cung cấp nhiên liệu gồm bình chứa xăng, bơm xăng điện, vòi phun xăng,
Trang 4- Khối thoát khí xả gồm: đường dẫn khí xả, cảm biến lamda 16 bước sau bộ xúc tác khí xả 25, đường luân hồi khí trở về khoang khí nạp 12,
- Khối cung cấp điện cho các mạch điều khiển: bình điện, các cảm biến, ECU, mạng cung cấp thông tin toàn bộ hệ thống trên xe (CAN)
- Khối cung cấp điện sử dụng cho hệ thống được miêu tả trên hình 3 gồm: các tín hiệu vào và các tín hiệu ra và ECU của hệ thống quản lý sự làm việc của động cơ với ME- Motronic 7.1 của Bosch Sơ đồ chỉ ra cho thấy các cấu trúc của mạng điện cũng không có gì đặc biệt, ngoại trừ kênh thông tin nội bộ CAN (controller Area Network- giao tiếp với các hệ thống khác chẳng hạn như tay số truyền trong
hệ thống truyền lực)
Hình 2: Sơ đồ hệ thống ME- Motronic của động cơ V6 trên ô tô Audi
1 Bình tích xăng bay hơi 2 Van điều khiển
3 Bộ lọc hơi xăng 4 CB áp xuất đường nạp
Trang 55 Vòi phun xăng và đường cấp 6 Biến áp đánh lửa và nến điện
7 CB vị trí trục cam 8 Bơm cấp khí thứ cấp
9 Rơ le cấp khí thứ cấp 10 CB đo lượng cấp khí
11 Bướm ga (ETC) 12 Van cấp khí xả (ERG)
13 CB kích nổ 14 CB tốc độ trục khuỷu
15 CB nhiệt độ động cơ 16 CB Lamda
17 ECU động cơ 18 Đầu nối chẩn đoán
19 Đèn báo sự cố 20 Đường nối điện khác
21 Cảm biến áp suất bình xăng 22 Bơm xăng trong thùng
23 Mô đun chân ga điện tử 24 Bình điện
25 Bộ lọc khí xả 26 Khóa điện
Hình 3: Sơ đồ mạch điều khiển điện và ECU
Trang 6Các tín hiệu vào bao gồm:
- Tốc độ ô tô;
- Vị trí số truyền của hộp số;
- Vị trí trục cam;
- Tốc độ và vị trí trục khuỷu;
- Từ cảm biến ôxy kép (nằm hai bên của bộ chuyển đổi xúc tác, động cơ ‘V’
có 4 bộ cảm biến);
- Từ cảm biến kích nổ;
- Nhiệt độ nước làm mát;
- Từ cảm biến nhiệt độ không khí nạp;
- Điện áp ắc quy;
- Lưu lượng khí nạp (cùng với việc xác định dao động áp suất khí nạp);
- Từ cảm biến vị trí bướm ga;
- Từ cảm biến vị trí bàn đạp chân ga;
Tương tự như hệ thống quản lý khác gần đây, các tín hiệu ra điều khiển được đưa tới;
- Nến điện;
- Vòi phun;
Trang 7- Thiết bị hiển thị tốc độ
- Rơ le bơm nhiên liệu;
- Cảm biến Ô xy khí xả;
- Bộ kiểm soát ống góp khí nạp (kiểm soát nạp khí tới các xupap: do chiều dài cấp khí khác nhau, hoặc sự thay đổi các chiều dài đường nạp khí vào xilanh);
- Bộ kiểm soát bay hơi nhiên liệu, đường cấp khí phụ khí và tuần hoàn khí xả (tất cả các bộ kiểm soát khí thải);
- Bộ điều khiển điện tử bướm ga
Hệ thống ME- Motronic của Bosch có hai thành phần quan trọng: cảm biến vị trí của bàn đạp chân ga và bộ điều khiển điện tử bướm ga Liên hệ giữa hai thành phần được mô tả trên hình 4
Hình 4: Liên hệ giữa mô đun chân ga và bộ điều khiển bướm ga
Cảm biến vị trí bàn đạp chân ga
Trang 8Mô đun chân ga điện tử của xe Audi được trình bày ở hình 5
Mô đun có hai bộ cảm biến vị trí chân ga nhưng đều cho ra tín hiệu điện chỉ thị giống nhau và không có mạch phản hồi Dịch chuyển của bàn đạp chân ga dẫn tới hai bộ biến điện áp dạng quay Trang bị hai bộ cảm biến với mục đích dự phòng- nếu một bộ bị sự cố, bộ còn lại kia vẫn cho phép hệ thống hoạt động
Trong trường hợp cảm biến vị trí bàn đạp chân ga bị sự cố, không còn tồn tại bất
kỳ liên kết cơ khí nào giữa bàn đạp chân ga và bướm ga, đòi hỏi đưa kỹ thuật “giới hạn tối thiểu” vào trong chương trình Xe Audi sử dụng hai chương trình kỹ thuật khẩn cấp cho mô đun chân ga điện tử:
Hình 5: Mô đun chân ga điện tử của AUDI
a) Chương trình khẩn cấp #1
Chương trình được thực hiện khi chỉ có một cảm biến vị trí bàn đạp chân ga bị sự cố:
Trang 9- Vị trí của bướm ga bị giới hạn tới giá trị xác định trước đó;
- Trong trường hợp các tín hiệu không khớp nhau từ hai cảm biến, giá trị thấp hơn được chon;
- Tín hiệu đèn phanh được hiển thị để chỉ thị: ô tô chỉ chạy tới tốc độ giới hạn xác định trước đó;
- Đèn báo lỗi được bật sáng
b) Chương trình khẩn cấp #2
- Chương trình được thực hiện khi cả hai cảm biến bàn đạp chân ga bị sự cố:
- Động cơ chỉ chạy ở tốc độ chạy chậm;
- Đèn báo lỗi được bật sáng
Nếu bàn đạp chân ga và bàn đạp phanh cùng bị ấn xuống đồng thời, bướm ga được
tự động đưa về giá trị mô men yêu cầu xác định trước đó Nếu chỉ bàn đạp phanh
bị ấn, bướm ga được kích hoạt về vị trí mở nhỏ
Bộ điều khiển bướm ga điện tử
Bướm ga điện tử ở trong hệ thống ME- Motronic của Bosch lắp trên xe Audi (hình 6) bao gồm: một động cơ DC, một hộp giảm tốc và hai cảm biến góc quay bướm
ga có mạch điện phản hồi Giống như mô đun chân ga điện tử, bộ điều khiển bướm ga điện tử sử dụng hai cảm biến mang tính dự phòng Tuy nhiên không giống như cảm biến vị trí chân ga điện tử, các cảm biến này có đặc tính trở kháng đối lập với nhau
Trang 10Hình 6: Bộ điều khiển và cảm biến vị trí bướm ga
Khi các cảm biến vị trí bướm ga làm việc, ECU xác nhận 4 vị trí chức năng quan trọng của bướm ga:
- Vị trí giới hạn cơ khí thấp nhất- bướm ga hoàn toàn đóng;
- Vị trí giới hạn điện tử thấp nhất- thấp hơn mức giới hạn sử dụng trong các hoạt động bình thường Ở vị trí này bướm ga không hoàn toàn đóng, nhằm ngăn ngừa sự mòn giữa thân và bướm ga;
- Vị trí làm việc khẩn cấp- vị trí của bướm ga khi nó không được cấp năng lượng điều khiển Vị trí này cho phép luồng không khí cấp vừa đủ để động cơ làm việc cao hơn tiêu chuẩn;
- Vị trí giới hạn điện tử cao nhất- bướm ga hoàn toàn mở
Hệ thống điều khiển có chức năng tự học, nhờ đó các trạng thái làm việc của phần
cơ trong bướm ga (độ cứng phần đoàn hồi bướm ga) tự xác lập theo tốc độ phản ứng của bướm ga
Trang 11Như với cảm biến vị trí bàn đạp chân ga, kỹ thuật “giới hạn tối thiểu” cũng được
áp dụng cho các chương trình khẩn cấp của bộ chấp hành bướm ga điện tử Chúng bao gồm:
a) Chương trình khẩn cấp #1
Chương trình khẩn cấp được thực hiện nếu một cảm biến góc quay bướm ga bị sự
cố hoặc tín hiệu của một cảm biến nhận được bị ngờ có sai sót Cảm biến đo góc quay bướm ga và lưu lượng khí nạp vào ống nạp được giữ theo giới hạn trước đó
- Mô men mong muốn yêu cầu từ các hệ thống khác sẽ được bỏ qua (chẳng hạn
từ thiết bị kiểm soát phanh bằng động cơ);
- Đèn báo lỗi được bật sáng
b) Chương trình khẩn cấp #2
Chương trình này được thực hiện nếu xuất hiện sự cố hay bị lỗi ở: mô tơ bộ điều khiển bướm ga, ở cả hai cảm biến vị trí bướm ga, hệ thống được xác lập ở chế độ
vị trí làm việc khẩn cấp của bướm ga
- Bộ điều khiển bướm ga ở trạng thái OFF (mô tơ tắt) để mặc định bướm ga ở vị trí làm việc khẩn cấp;
- Bộ điều khiển đánh lửa sớm, bộ kiểm soát turbo tăng áp được đưa về thực hiện
mô men xoắn yêu cầu;
- Đèn báo lỗi được bật sáng
c) Chương trình khẩn cấp # 3
Trang 12Chương trình này được thực hiện khi không nhận biết được vị trí của bướm ga hoặc nếu vị trí của bướm ga không được xác định chắc chắn, hệ thống thực hiện theo vị trí làm việc khẩn cấp của bướm ga
- Bộ điều khiển bướm ga ở trạng thái OFF (mô tơ tắt) để mặc định bướm ga ở vị trí làm việc khẩn cấp;
- Tốc độ động cơ được giới hạn trong khoảng 1.200 rpm nhờ bộ kiểm soát phun nhiên liệu;
- Đèn báo lỗi được bật sáng
Các nhà thiết kế của Bosch đã rất cẩn thận để đảm bảo các sự cố của hệ thống bướm ga điện tử sẽ không gây ra bị đột biến òa ga hoặc động cơ bị chết máy
Logic hoạt động của hệ thống ME- MOTRONIC
Như đã nêu ở phần trước, hệ thống Bosch ME- Motronic điều khiển chế độ làm việc của động cơ là công cụ phát triển hoàn thiện từ các hệ thống điện tử của động
cơ trước đó
Mối quan hệ giữa vị trí bàn đạp chân ga và góc mở bướm ga không còn là cố định, thay vào đó bằng ECU để xác định cần cung cấp theo yêu cầu bao nhiêu mô men động cơ và sau đó mở bướm ga đến góc mở thích hợp Việc lựa chọn góc mở bướm ga dựa trên các phần mềm phức tạp của mô hình mà mô men xoắn cần thiết của động cơ cần đáp ứng tức thời và so sánh nó với mô men yêu cầu cần thiết (không chỉ từ các yêu cầu của động lực chuyển động của ô tô mà còn có cả các yêu cầu toàn bộ ô tô)
Xe Audi twin turbo V6 (hình 7) là ví dụ của một động cơ được trang bị với hệ thống quản lý ME- Motronic
Trang 13Hình 7: Audi V6 và động cơ twin turbo
a) Lô gic điều khiển mô men xoắn
Hệ thống ME- Motronic xác định mô men xoắn yêu cầu để nhằm tới việc thực
hiện kiểm soát tổng thể mô men xoắn của động cơ Theo sơ đồ trên hình 8 cho
thấy: mô men xoắn tổng hợp yêu cầu được chia thành là “bên trong” và “bên
ngoài” Moomen xoắn yêu cầu “bên ngoài” bao gồm: những từ sự điều khiển của
người lái, hệ thống kiểm soát tình hình, hệ thống động lực học chuyển động như
hệ thống ASC, VSC Mô men xoắn yêu cầu “bên trong” là những yêu cầu bởi các
yếu tố bên trong của ECU (kiểm soát động cơ và kiểm soát chế độ chạy
chậm,…).Mô men xoắn tổng hợp yêu cầu sau đó được chuyển thành tín hiệu thông
Trang 14tin đầu ra (theo chương trình lập sẵn- ý đồ chiến lược) theo các địa chỉ: kiểm soát đường khí nạp, nhiệt độ của bộ chuyển đổi xúc tác khí xả và các cơ cấu thừa hành đảm bảo hoạt động của động cơ bao gồm cả vị trí làm việc tức thời của bướm ga
HÌnh 8: Sơ đồ khối tổng quát
Trong các hệ thống kiểm soát động cơ trước đây, khi hệ thống quản lý dùng cho việc điều khiển động cơ bị giới hạn, người lái xe thông qua những thay đổi cơ học của góc mở bướm ga- thực hiện điều khiển trực tiếp toàn bộ các chế độ làm việc của các xilanh (chỉ tăng giảm nhiên liệu) hoặc làm tăng thêm mô men xoắn bằng cách thay đổi khối lượng không khí nạp đi tắt qua bướm ga Cách quản lý này không thích ứng hoàn hảo với các dạng biến động và những biến động nhỏ thường không được thỏa mãn và đáp ứng nhanh chóng
Hệ thống ME- Motronic của Bosch quan tâm toàn diện kể cả đối với các biến động tổn thất nội bộ (ma sát, bơm dầu bôi trơn,…), chế độ ký sinh song hành (tổn thất của trợ lực lái và bơm nước) Các biến động tổn thất nội bộ được quản lý bởi ECU và cho phép tối ưu các đặc tính kỹ thuật để có được mức độ tổn thất nhỏ, thời gian phun và thời điểm đánh lửa tối ưu đối với bất kỳ giá trị mô men xoắn
Trang 15mong muốn nào, và còn tính đến các yêu cấu có tính mâu thuẫn giữa tính kinh tế nhiên liệu và chất lượng khí phát thải Những yêu cầu này được hệ thống đáp ứng tốt kể cả khi trạng thái thay đổi nhanh (thay đổi đột ngột mô men xoắn, hay khi đảm bảo động cơ làm việc lâu dài ở trạng thái ổn định
Điều này cho thấy các sự khác nhau cơ bản của các hệ thống trước đây với hệ thống ME- Motronic cua Bosch
Hệ điều hành kiểm soát đầu tiên của Bosch được gọi là Path Charge.’Charge’
trong ngữ cảnh này dùng để chỉ đến việc điều khiển chế độ làm việc của động cơ được quy từ lưu lượng của không khí nạp vào trong xilanh Tại một giá trị của hệ
số dư lượng không khí (λ) và góc đánh lửa sớm, khối lượng không khí tỷ lệ thuận với mô men sinh ra quá trình đốt cháy Path Charge, có nghĩa là chế độ làm việc của động cơ được kiểm soát bởi góc mở của bướm ga (tạo mô men động cơ thích hợp), trong khi cố định các thông số khác Khả năng hoạt động của hệ thống điều khiển này đối với các thay đổi nhanh bị hạn chế bởi tốc độ điều chỉnh của bộ chấp hành bướm ga và khoảng thời gian di chuyển không khí trong ống nạp, nó bị kéo dài tới hàng trăm mili giây (ms) ở vận tốc quay thấp của động cơ
Kỹ thuật ME- Motronic của Bosch này được gọi bằng cái tên hơi kỳ quặc:
Crankshaft Suychronous Path Điều này nói đến các biến động của mô men xoắn
trên trục khuỷu có thể được tạo ra bởi những thay đổi nhanh chóng của thời gian đánh lửa và quy luật phun nhiên liệu, và hệ số (λ) được sử dụng ở vùng tối ưu Phương pháp quản lý này của Bosch thể hiện đặc biệt ưu việt ở ô tô hiện đại có EAT, TRC, VDC Mọi sự biến động tức thời của tải trọng đặt lên động cơ được kiểm soát và đáp ứng nhanh chóng như: khi thực hiện chuyển số truyền của EAT
và khi đưa VSC vào hoạt động hay khi đảm bảo nâng cao hợp lý lực kéo của TRC trước sự thay đổi của sự bám với mặt đường Thế mạnh của hệ thống ME-
Motronic của Bosch hiện nay còn là: cho phép tiếp nhận tất cả thông tin đồng thời trực tiếp từ các địa chỉ Mô men xoắn yêu cầu của người lái (thông qua vị trí bàn
