Khai thác vận hành thiết bị ST8000 và oscilloscope để kiểm tra, đánh giá tình trạng làm việc của hệ thống điều khiển động cơ ô tô

Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ Hình 1.3: Sơ đồ các khối chức năng của hệ thống điều khiển Tốc độ động cơ Tải động cơ MAP Nhiệt độ nước làm má

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả thực nghiệm được bày trong luận văn là kết quả

tự nghiên cứu của bản thân, không sao chép từ bất kỳ một công trình nào có trước của

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp khoa Công nghệ Kỹ thuật ô tô

Trường Đại học Sao Đỏ, các thầy cô trong Viện Cơ khí trường ĐHBK Hà Nội, Công

ty cổ phần thiết bị Tân phát, Công ty Toyota Mỹ Đình, Toyota Quảng Ninh, đã giúp

đỡ trong quá trình thực hiện luận văn

Đặc biệt tôi xin trân trọng cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Viết Tiếp và PGS.TS Vũ

Hoài Ân đã tạo điều kiện, hướng dẫn và giúp đỡ tận tình trong suốt quá trình nghiên

cứu và hoàn thành luận văn

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song với thời gian eo hẹp nên luận văn không thể

tránh khỏi những thiếu sót, hạn chế Tôi rất mong nhận được sự quan tâm, đóng góp ý

kiến của các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Chí linh, 10/2010

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan……….… 01

Lời cảm ơn……… 02

Mục lục……… 03

Danh mục các chữ viết tắt……… .05

Mở đầu……….… .06

Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ ô tô……… 08

1.1 Khái quát về hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ ô tô.…….……… 08

1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển lập trình và thuật toán điều khiển………10

1.2.1 Sơ đồ cấu trúc và các khối chức năng……… 10

1.2.2 Thuật toán điều khiển lập trình……….12

1.3 Các loại cảm biến và tín hiệu ngõ vào……… 17

1.3.1 Cảm biến đo lưu lượng khí nạp……… 17

1.3.2 Cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston………..22

1.3.3 Cảm biến bướm ga……… .24

1.3.4 Cảm biến nước làm mát và cảm biến nhiệt độ khí nạp………… .26

1.3.5 Cảm biến khí thải hay cảm biến ôxy……… 28

1.3.6 Cảm biến tốc độ xe……… 30

1.3.7 Cảm biến kích nổ……… 31

1.3.8 Một số tín hiệu ngõ vào……… .32

1.4 Bộ điều khiển điện tử ECU……… .32

1.4.1 Tổng quan……….32

1.4.2 Cấu tạo……… 33

1.4.3 Cấu trúc ECU……… .34

1.4.4 Mạch giao tiếp ngõ vào……….35

1.5 Điều khiển đánh lửa……… 37

1.5.1 Giới thiệu về hệ thống đánh lửa theo chương trình……… 37

1.5.2 Hệ thống đánh lửa lập trình có bộ chia điện……… 40

1.5.3 Hệ thống đánh lửa lập trình không có bộ chia điện……… 41

1.5.4 Điều khiển chống kích nổ……… 43

1.5.5 Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo các chế độ làm việc của động cơ 44

1.6 Điều khiển nhiên liệu……… 45

1.6.1 Điều khiển phun xăng……… 45

1.6.2 Điều khiển chế độ không tải và kiểm soát khí thải……… .54

1.6.3 Hệ thống tự chẩn đoán……….57

Chương 2: Nghiên cứu vận hành thiết bị đánh giá tình trạng làm việc của động cơ……… .59

2.1 Thiết bị chẩn đoán ECU ST8000……… 59

2.1.1 Giới thiệu chung về thiết bị………..59

2.1.2 Cấu tạo của thiết bị chẩn đoán ST8000……… .59

2.1.3 Sử dụng thiết bị chẩn đoán ST8000……….63

2.2 Thiết bị kiểm tra Oscilloscope……… 70

2.2.1 Giới thiệu chung về thiết bị……… 70

2.2.2 Cấu tạo của thiết bị Oscilloscope……….…71

2.2.3 Các chức năng của Oscilloscope………..72

Chương 3: Thử nghiệm biện pháp đảm bảo tính ổn định của động cơ……….…77

3.1 Phương pháp thử nghiệm trên động cơ 77

3.2 Kết nối, vận hành thiết bị……….……… 77

3.2.1 Chuẩn bị……… 77

3.2.2 Kiểm tra động cơ trước khi thực nghiệm……….78

3.2.3 Kết nối thiết bị ST8000 với hệ thống điều khiển ……… 78

3.2.4 Kết nối thiết bị Oscilloscope với động cơ……… .82

3.3 Kết quả thực nghiệm……… 83

3.3.1 Động cơ Toyota Corolla 1995, 4A - EFI ……… 83

3.3.2 Động cơ Toyota Vios 2007, 1NZ - FE……… 84

3.3.3 Động cơ Toyota Innova 2006, 1TR - FE……….84

3.3.4 Đồ thị mối quan hệ giữa các thông số thực nghiệm (n, θ, CO, HC)… 85

3.3.5 Đánh giá, nhận xét kết quả đo……… 87

3.4 Các biện pháp đảm bảo tính ổn định của động cơ trong quá trính làm việc…… 88

3.4.1 Bảo dưỡng định kỳ……….… 88

3.4.2 Kiểm soát tín hiệu trong hệ thống điều khiển động cơ ……… 88

Kết luận và kiến nghị……… 91

Tài liệu tham khảo……… .92

Phụ lục……… 93

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AFC Sử dụng kim phun điều khiển bằng điện ABS Hệ thống phanh chống hãm cứng ADC Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự

CIS Sử dụng kim phun kiểu cơ khí DIS Hệ thống đánh lửa trực tiếp ECU Bộ điều khiển điện tử ESA Đánh lửa sớm điện tử MAP Áp suất tuyệt đối đường ống nạp

MPI Phun điện tử đa điểm TBI Phun điện tử đơn điểm TDC Điểm chết trên

EFI Hệ thống phun xăng điện tử

MỞ ĐẦU

Với sự phát triển của nền kinh tế thị thị trường, năng động đã đáp ứng được phần

lớn nhu cầu cuộc sống con người, trong đó phải kể đến từ cuộc cách mạng công nghệ

thông tin đã làm thay đổi thế giới Công nghệ thông tin đã thâm nhập vào mọi lĩnh

vực Nhờ sự ứng dụng đó mà ngành công nghệ ô tô đã có những bước phát triển mạnh

có thể coi đó là cuộc sống cách mạng công suất ngày càng cao, tiết kiệm nhiên liệu, dễ

điều khiển, an toàn ngày càng tăng và khí xả gây ô nhiễm ngày càng giảm

Cách đây vài thập niên, việc ứng dụng công nghệ thông tin, công nghệ điều khiển

tự động, cơ điện tử trong các thiết bị máy móc nói chung, phương tiện giao thông vận

tải nói riêng còn nhiều hạn chế Hầu hết các hệ thống được trang bị trên ô tô như: Hệ

thống nhiên liệu, hệ thống đánh lửa, hệ thống phanh,…mới chỉ ứng dụng đơn thuần về

mặt điều khiển cơ khí, không kiểm soát được sự làm việc của chúng Chính vì vậy nó

đã làm giảm công suất, hiệu quả sử dụng xe thấp và làm ô nhiễm môi trường

Hiện nay, trên các ô tô đời mới đều được lắp đặt hệ thống máy tính, công nghệ

điện tử và điều khiển trên xe, với phần mềm và các bộ cảm biến, thực hiện chức năng

quản lý và điều khiển xe Các công cụ này đã lãm thỏa mãn người tiêu dùng Tuy

nhiên bên cạnh những ưu điểm nổi bật đó thì sự phức tạp không thể tránh khỏi đó là

công việc khắc phục sự cố khi xảy ra, việc bảo dưỡng và sửa chữa chúng

Mặc dù có khó khăn chung nhưng các nhà khoa học đã dày công nghiên cứu ra

các trang thiết bị kiểm tra và chẩn đoán ngày càng tinh vi và phức tạp thực thi nhiều

tác vụ mà không cần sự can thiệp của con người Sự ra đời của các thiết bị này là rất

cần thiết, giúp người thợ sửa chữa nhanh chóng, hiệu quả hơn

Mặt khác tính ổn định của động cơ cần được coi trọng Vì vậy cần phải kiểm soát

được tình trạng làm việc của các chi tiết, hệ thống mà đề ra các biện pháp bảo dưỡng,

sửa chữa kịp thời nhằm nâng cao tuổi thọ của các hệ thống và tổng thành xe

Từ các vấn đề trên câu hỏi được đặt ra là: Hệ thống điều khiển điện động cơ là

gì? Khai thác vận hành thiết bị kiểm tra, chẩn đoán như thế nào trong động cơ? Biện

pháp nào để ổn định trạng thái làm việc của động cơ? Việc sử dụng thiết bị để kiểm

tra, đánh giá tình trạng làm việc của động cơ là những vấn đề cần thiết trong các xe hơi

đời mới ngày nay

Với lý do nêu trên, tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu: “Khai thác, vận hành

thiết bị ST8000 và Oscilloscope để kiểm tra, đánh giá tình trạng làm việc của hệ

thống điều khiển động cơ ô tô”

 Mục đích của đề tài:

Tìm hiểu, khai thác vận hành thiết bị đánh giá tình trạng làm việc của động cơ

Đồng thời đề xuất biện pháp để nâng cao tính ổn định của động cơ

 Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Khái quát về hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ ô tô

- Khai thác vận hành thiết bị đánh giá tình trạng làm việc của động cơ

- Thử nghiệm biện pháp đảm bảo tính ổn định của động cơ

 Cấu trúc của luận văn được trình bày trong 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ ô tô

Chương 2: Nghiên cứu vận hành thiết bị đánh giá tình trạng làm việc của động cơ

Chương 3: Thử nghiệm biện pháp đảm bảo tính ổn định của động cơ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH

CHO ĐỘNG CƠ Ô TÔ 1.1 Khái quát về hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ ô tô

1.1.1 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 Sang đầu thế kỷ 20, người Đức đã áp dụng hệ thống phun

nhiên liệu cho động cơ 4 thì tĩnh tại (nhiên liệu dùng trên động cơ này là dầu hoả 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 và được đưa vào ứng dụng trên các xe của

hãng Mercedes và một số xe khác

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ

Đầu những năm 80, BOSCH đã cho ra đời hệ thống phun sử dụng kim phun

bằng điện Có 2 loại: hệ thống L - Jetronic (lượng nhiên liệu được xác định nhờ cảm

biến đo lưu lượng khí nạp và D - Jetronic (lượng nhiên liệu 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 Đến năm 1987,

hãng Nissan dùng L - Jetronic thay cho bộ chế hoà khí của xe Nissan Sunny

Ngày nay, gần như tất cả các ô tô đều được trang bị hệ thống điều khiển động cơ

theo chương trình, giúp động cơ đáp ứng được các yêu cầu khắt khe về khí xả và tính

tiết kiệm nhiên liệu đồng thời công suất động cơ cũng được cải thiện rõ rệt

1.1.2 Phân loại và ưu nhược điểm

1.1.2.1 Phân loại

a) Phân biệt theo cấu tạo kim phun

Ø Loại CIS (continuous injection system)

Đây là kiểu sử dụng kim phun cơ khí, gồm 4 loại cơ bản:

- Hệ thống K - Jetronic: việc phun nhiên liệu được điều khiển hoàn toàn bằng cơ

khí

- Hệ thống K - Jetronic có cảm biến khí thải: có thêm một cảm biến oxy

- Hệ thống KE - Jetronic: hệ thống K-Jetronic với mạch điều chỉnh áp lực phun

bằng điện tử

- Hệ thống KE - Motronic: kết hợp với việc điều khiển đánh lửa bằng điện tử

Ø Loại AFC (air flow controlled fuel injection)

Sử dụng kim phun điều khiển bằng điện: có 2 loại chính

- D - Jetronic: với lượng xăng phun được xác định bởi áp suất sau cánh bướm ga

bằng cảm biến MAP (manifold absolute pressure sensor)

- L - Jetronic: với lượng xăng phun được tính toán dựa vào lưu lượng khí nạp lấy

từ cảm biến đo gió loại cánh trượt Sau đó các phiên bản: LH - Jetronic với cảm biến

đo gió dây nhiệt, LU - Jetronic với cảm biến gió kiểu siêu âm

b) Phân biệt theo vị trí lắp đặt kim phun

Ø Loại TBI (Thorottle body injection) - phun đơn điểm

Đây là loại phun trung tâm Kim phun được bố trí phía trên cánh bướm ga và

nhiên liệu được phun bằng một hay hai kim phun Nhược điểm loại này là tốc độ dịch

chuyển của hoà khí thấp do nhiên liệu được phun ở vị trí xa supap hút và khả năng

thấp thoát trên đường ống nạp

Ø Loại MPI (Multi point fuel injection) - phun đa điểm

Đây là hệ thống phun nhiên liệu đa điểm, với mỗi kim phun cho từng xylanh

được bố trí gần supap hút Hệ thống phun xăng đa điểm ra đời đã khắp phục được các

nhược điểm cơ bản của hệ thống phun xăng đơn điểm

c) Phân biệt theo kỹ thuật điều khiển

Ø Kỹ thuật điều khiển dùng mạch tương tự: analog

Ø Kỹ thuật điều khiển dùng bộ vi xử lý: digital

1.1.2.2 Ưu nhược điểm của hệ thống phun xăng

a) Ưu điểm

- Có thể cấp hỗn hợp khí nhiên liệu đồng đều đến từng xylanh

- Có thể đạt được không khí nhiên liệu chính xác với tất cả các dải tốc độ động

cơ

- Đáp ứng kịp thời với sự thay đổi góc mở bướm ga

- Hiệu suất nạp hỗn hợp không khí - nhiên liệu cao

- Khả năng hiệu chỉnh hỗn hợp không khí nhiên liệu dễ dàng: có thể làm đậm

hỗn hợp khi nhiệt độ thấp hoặc cắt nhiên liệu khi giảm tốc

- Hòa khí được hòa trộn tốt hơn và không có thất thoát nhiên liệu trên đường ống

nạp

b) Nhược điểm

- Cấu tạo phức tạp, có độ nhạy cảm cao và yêu cầu cao đối với chất lượng xăng

và không khí

- Khó bảo dưỡng sửa chữa, yêu cầu người bảo dưỡng sửa chữa có trình độ

chuyên môn cao

- Giá thành đắt

1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển lập trình và thuật toán điều khiển

1.2.1 Sơ đồ cấu trúc và các khối chức năng

Sơ đồ cấu trúc và các khối chức năng của hệ thống điều khiển động cơ được thể

hiện trên hình 1.2 và 1.3 Hệ thống điều khiển bao gồm: ngõ vào (inputs) với chủ yếu

là các cảm biến; hộp ECU (electronic control unit) là bộ não của hệ thống có thể có

hoặc không có bộ vi xử lý; ngõ ra (outputs) là các cơ cấu chấp hành như kim phun,

bobine, van điều khiển cầm chừng

Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ

Hình 1.3: Sơ đồ các khối chức năng của hệ thống điều khiển

Tốc độ động cơ

Tải động cơ

(MAP) Nhiệt độ nước làm

mát Nhiệt độ khí nạp

Nhiệt độ nhiên

liệu

Vị trí bướm ga

Cảm biến oxy

Điện áp ắc quy

Các cảm biến

khác

Kim phun nhiên liệu

E C

U Hệ thống chẩn đoán

Hệ thống đánh lửa

Điều khiển cầm chừng

Điều khiển hỗn hợp cầm chừng Điều khiển tốc độ cầm chừng

Hệ thống

cấp khí Cảm biến lưu lượng gió Cảm biến bướm ga ĐỘNG CƠ

ECU

Các cảm

Hệ thống cấp nhiên liệu

1.2.2 Thuật toán điều khiển lập trình

a) Lý thuyết điều khiển

Xét hệ thống điều khiển trên ô tô với liên hệ ngược, một thông số hình 1.4

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển động cơ với liên hệ ngược

Thông số điều khiển xuất hiện ở đầu ra được ký hiệu ξ(t) Tín hiệu so r(t) đã

được định sẵn Cảm biến sẽ đưa ra tín hiệu Vξ(t) tỉ lệ thuận với ξ(t)

Nếu hệ thống làm việc lý tưởng thì giá trị Ve(t) trong một khoảng thời gian làm

việc nào đó (VD: 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 điều khiển điện tử sẽ dựa vào sự chênh lệch

này để hình thành xung VA(t) điều khiển cơ cấu chấp hành (kim phun) Việc thay đổi

này sẽ tác động đến thông số đầu vào U(t) của động cơ (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 này là điều khiển động cơ đạt

được công suât 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, có thể biểu diễn hệ thống điều khiển động cơ

tối ưu trong mối quan hệ của 3 véctơ sau:

)

,,

(

);

,,,,

(

);

,,,(

3 2 1

5 4 3 2 1

4 3 2 1

x x x

x

u u u u u

u

y y y y

Vξ(t)

Để giải bài toán tối ưu 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 (environmental protection

agency):

dt t u t x y

Như vậy, động cơ đốt trong sẽ được điều khiển sao cho F luôn đạt giá trị nhỏ

nhất với các điều kiện biên là qui định của các nước về nồng độ các chất độc hại trong

khí thải

b) Điều khiển phun xăng

Các chất độc trong khí thải như: CO, HC, NOX phụ thuộc mạnh vào tỉ lệ hòa khí:

λ > 1.1: giảm NOX và nhiệt độ buồng cháy, tăng hàm lượng HC do thỉnh thoảng

không cháy được hỗn hợp

λ > 1.5: chế độ đốt nghèo với khí độc thấp trừ NOX

+ Hỗn hợp giàu λ < 1 : công suất đạt cực đại nhờ lượng nhiên liệu tăng Hàm lượng chất độc trong khí thải cao

+ Hỗn hợp lý tưởng λ = 1 : công suất tương đối cao

Được sử dụng để tăng hiệu suất của bộ xúc tác

+ Hỗn hợp tương đối nghèo : hiệu suất tốt nhờ tăng lượng khí nạp

1 < λ < 1,5 nhưng hàm lượng NOX tăng

+ Hỗn hợp nghèo λ > 1.5 : hiệu suất cao nhưng hàm lượng NOX lớn

vì vậy cần có bộ xúc tác cho NOX

Lượng nhiên liệu tổng cộng được phun ra phụ thuộc vào các thông số: lưu lượng

khí nạp theo thời gian m’a; góc mở bướm ga αt; tốc độ động cơ n; nhiệt độ động cơ te;

nhiệt độ khí nạp ta; điện áp ắc quy Ub

c) Chức năng chính của điều khiển phun xăng

- Kiểm soát lượng xăng phun theo thời gian theo lượng khí nạp để đạt được tỉ lệ

như mong muốn

- Tăng lượng nhiên liệu ở chế độ làm nóng sau khởi động lạnh

- Tăng hỗn hợp không khí nhiên liệu cho động cơ nguội

- Bù lượng nhiên liệu bám trên đường ống nạp

- Cắt nhiên liệu khi giảm tốc độ hoặc khi ở nhiệt độ cao

- Điều chỉnh tốc độ cầm chừng

- Điều chỉnh λ và lưu hồi khí thải

d) Phun gián đoạn

Kiểu phun gián đoạn tiết kiệm được nhiên liệu nhờ độ chính xác cao Công suất

động cơ thay đổi trong khoảng rộng Tỉ lệ công suất động cơ toàn tải và cầm chừng là:

=100

MIN

MAX

P P

Trong khi đó, tốc độ thay đổi trong khoảng hẹp hơn

=10

MIN

MAX

n n

Ở một chế độ hoạt động cố định, lượng xăng phun ra theo thời gian m’f tỷ lệ với

công suất hiệu dụng Pe của động cơ

Nếu phun gián đoạn, trong mỗi chu kỳ, một lượng nhiên liệu nào đó được phun

ra Số lần phun trên giây sẽ tỷ lệ thuận với tốc độ động cơ

Lượng xăng phun cho mỗi xylanh vào chu kỳ cháy là:

Hình 1.5: Thuật tốn điều khiển động cơ

False True

Nhập tín hiệu tốc độ động cơ

Nhập t/h điện áp hệ thống

Nhập t/h nhiệt độ ĐC Nhập tín hiệu kích nổ

Động cơ đang

khởi động

Động cơ vượt tốc Tìm thời gian phun

Điều chỉnh thời gian phun

theo nhiệt độ ĐC

Điều chỉnh thời gian phun

theo vị trí bướm ga

Cắt nhiên liệu Động cơ bị

kích nổ

Điều chỉnh sớm 10 Điều chỉnh trễ 20

Điều chỉnh thời gian phun

theo điện áp

Tính lượng phun cơ bản ở chế

độ khởi động

Tính góc ngậm điện cơ bản ở

chế độ khởi động

Tính góc đánh lửa sớm cơ bản

ở chế độ khởi động

Hiệu chỉnh thời gian phun

theo nhiệi độ động cơ

True False

False True

True False

Tìm thời gian mở kim

Tìm góc đánh lửa sớm

Hiệu chỉnh lượng phun và

đánh lửa sớm theo nhiệt độ

động cơ

Xuất tín hiệu điều khiển kim phun và bobine False True

e) Tính toán thời gian phun

Lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ được kiểm soát bởi thời gian phun tinj là

thời gian kim phun mở Lượng nhiên liệu phun vào một xylanh phụ thuộc vào lượng

không khí:

Z n

m L L

m

st st

a f

Trong đó: ma: khối lượng không khí

m'a: lưu lượng không khí

Lst = 14.66 Thời gian phun ở một chế độ hoạt động nào đó của động cơ là:

z n

m

' 0 0

Có 2 phương pháp để xác định khối lượng không khí: phương pháp trực tiếp,

khối lượng không khí được xác định bằng cảm biến dây nhiệt Trong phương pháp

gián tiếp người ta sử dụng cảm biến đo thể tích không khí hoặc cảm biến đo áp suất

đường ống nạp, sau đó phối hợp với cảm biến nhiệt độ khí nạp, tốc độ động cơ để tính

toán khối lượng không khí Phần tính toán được cài đặt sẵn trong EEPROM Phương

pháp này gọi là phương pháp tốc độ - tỉ trọng

Tỷ trọng của không khí được xác định:

Trong đó: Ma là khối lượng không khí của thể tích V

Lưu lượng không khí tính bằng khối lượng Rm

R m =R v d a

Trong đó: - Rv: Lưu lượng không khí tính bằng thể tích

- da: tỉ trọng của không khí

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 không khí theo biểu thức:

T P

pT d

d a

0

0 0

=

Trong đó: do tỉ trọng của không khí ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn

Lưu lượng không khí tính bằng thể tích qua cánh bướm ga thường được dựa vào

cảm biến tốc độ động cơ:

v n D v

260

=

Trong đó: - D: dung tích xylanh

- ηv: hiệu suất nạp tính bằng thể tích Có giá trị thay đổi từ 0 đến 1,

phụ thuộc vào áp suất tuyệt đối đường ống nạp và tốc độ động cơ thông thường được

xác định bằng thực nghiệm và được ghi vào EEPROM

Nếu động cơ có số xylanh là Z, khối lượng không khí đi vào mỗi xylanh là:

R m

/

=

với (A/F)d: là tỉ lệ hòa khí mong muốn

Thời gian mở kim phun căn bản sẽ phụ thuộc vào lưu lượng của kim phun:

inj

fc b

R

m

t =

Rinj: là lưu lượng của kim phun

Như vậy, để xác định thời gian phun căn bản, EEPROM trong ECU dùng với

cảm biến MAP, ngoài giá trị ηv, còn phải nhớ các biểu thức để tính toán dựa vào các

tín hiệu các cảm biến đã nêu Sau 2 vòng quay của trục khuỷu động cơ, ECU sẽ lặp lại

các phép tính trên

1.3 Các loại cảm biến và tín hiệu ngõ vào

1.3.1 Cảm biến đo lưu lượng khí nạp

Để xác định lượng khí nạp đi vào xylanh người ta sử dụng các loại cảm biến

khác nhau như: cánh trượt, áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp, dạng xoáy lốc, dây

nhiệt Hiện nay trên ô tô được dùng nhiều hai loại sau:

a) Cảm biến đo gió kiểu cánh trượt

Đây là một trong những cảm biến quan trọng nhất Tín hiệu thể tích gió được sử

dụng để tính toán lượng xăng phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản

Bộ đo gió kiểu cánh trượt bao gồm

cánh đo gió được giữ bằng một lò xo

hoàn lực, cánh giảm chấn, buồng giảm

chấn, cảm biến không khí nạp,vít điều

chỉnh cầm chừng, mạch rẽ phụ, điện áp

kế kiểu trượt được gắn đồng trục với

cánh đo gió và một công tắc bơm xăng

1 Cảm biến đo gió

Lượng gió vào động cơ nhiều hay ít tùy thuộc vào vị trí cánh bướm ga và tốc độ

động cơ Khi gió nạp đi qua bộ đo gió từ lọc gió nó sẽ mở dần cánh đo Khi lực tác

động lên cách đo cân bằng với lực lò xo thì cánh đo sẽ đứng yên Cánh đo và điện áp

kế được thiết kế đồng trục nhằm mục đích chuyển góc mở cánh đo gió thành tín hiệu

điện áp nhờ điện áp kế

Bộ đo gió có hai mạch gió: mạch gió chính đi qua cánh đo gió vá mạch gió phụ

đi qua vít CO Lượng gió qua mạch rẽ tăng sẽ làm giảm lượng gió qua cánh đo gió Vì

thế, góc mở của cánh đo gió sẽ nhỏ và ngược lại

Vì lượng xăng phun cơ bản phụ thuộc vào góc mở cánh đo gió, nên tỉ lệ xăng,

gió có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh lượng gió qua mạch rẽ Nhờ chỉnh tỉ lệ hỗn

hợp ở mức cầm chừng thông qua vít CO nên % CO trong khí thải sẽ được điều chỉnh

Tuy nhiên điều này chỉ được thực hiện ở tốc độ cầm chừng vì khi cánh đo gió đã mở

lớn, lượng gió qua mạch rẽ sẽ ảnh hưởng rất ít đến lượng gió qua mạch chính

Hình 1.6: Bộ đo gió kiểu cánh trượt

Hình 1.7: Vít chỉnh hỗn hợp cầm chừng

Buồng giảm chấn và cánh giảm

chấn có công dụng ổn định chuyển động

của cánh đo gió Do áp lực gió thay đổi,

cánh đo gió sẽ bị rung, gây ảnh hưởng

đến độ chính xác Để ngăn ngừa dao

động cánh đo gió, người ta thiết kế một

cánh giảm chấn liền với cánh đo gió để

dập tắt độ rung động

● Công tắc bơm nhiên liệu

Công tắc bơm nhiên liệu được bố

trí chung với điện áp kế Khi động cơ

chạy, gió được hút vào nâng cánh đo gió

lên làm công tắc đóng Khi động cơ

ngừng hoạt động do không có lực gió tác

động lên cánh đo gió khiến cánh đo gió

về vị trí ban đầu khiến công tắc bơm

xăng ngừng hoạt động dù công tắc máy

đang ở vị trí ON Các loại xe khác không

mắc công tắc điều khiển bơm xăng trên

bộ đo gió kiểu trượt Hình 1.9: Công tắc bơm xăng trong bộ đo gió kiểu trượt

Hình 1.8: Cánh giảm chấn và buồng

giảm chấn

Ø Mạch điện

Loại 1: Điện áp VS tăng khi lượng khí nạp tăng Loại này cung cấp điện áp 12V

tại đầu VB, VC Điện áp ở đầu VS tăng theo góc mở của cánh đo gió

ECU so sánh điện áp VB với độ chênh áp giữa VC và VS để xác định lượng gió

nạp (G) theo công thức

S C

E B

V V

V V G

−

−

Hình 1.10: Mạch điện và đường đặc tuyến cảm biến đo gió loại điện áp tăng

Nếu cực VC bị đoản mạch, lúc đó G tăng ECU sẽ điều khiển lượng phun nhiên

liệu cực đại, bất chấp sự thay đổi ở tín hiệu VS Khi động cơ hoạt động ở chế độ cầm

chừng nhiên liệu được phun quá nhiều động cơ ngộp xăng dẫn tới ngừng hoạt động

Nếu VS bị đoản mạch, VC sẽ luôn ở chế độ cực đại làm cho G giảm, lúc đó ECU

sẽ điều khiển lượng phun nhiên liệu giảm đi mặc dù có sự thay đổi ở tín hiệu VS

Loại 2: Điện áp VS giảm khi lượng khí nạp tăng Loại này ECU sẽ cung cấp

điện áp 5V đến cực VC Điện áp ra VS thay đổi và giảm theo góc mở của cánh đo

Hình 1.11: Mạch điện và đường đặc tuyến của cảm biến đo gió loại điện áp giảm

VC E2

b) Cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp (MAP - Manifold Absolute

Pressure sensor)

Lượng khí nạp đi vào xylanh được xác định gián tiếp thông qua cảm biến đo áp

suất tuyệt đối trên đường ống nạp

Ø Loại áp điện kế

- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Loại cảm biến này dựa trên nguyên lý cầu

Wheatstone Cảm biến bao gồm một tấm silicon nhỏ dày hơn ở hai mép ngoài (khoảng

0,25mm) và mỏng ở giữa (khoảng 0,025 mm) Hai mép được làm kín cùng với mặt

trong của tấm silicon tạo thành buồng chân không trong cảm biến Mặt ngoài của tấm

silicon tiếp xúc với áp suất đường ống nạp Hai mặt của tấm silicon được phủ thạch

anh để tạo thành điện trở áp điện

Khi áp suất đường ống nạp thay đổi, giá trị của điện trở sẽ thay đổi Các điện trở

được nối thành cầu Wheastone Khi màng ngăn chưa bị biến dạng (động cơ chưa hoạt

bằng nhau lúc đó không có sự chênh

lệch điện áp ở hai đầu cầu Khi áp suất

đường ống nạp giảm, màng silicon bị

biến dạng dẫn đến giá trị các điện trở

cũng thay đổi làm mất cân bằng cầu

Kết quả có sự chênh lệch điện áp giữa

hai đầu cầu và tín hiệu này được khuếch

đại để điều khiển mở transistor ở ngõ ra

của các cảm biến có cực C treo Độ mở

của transistor phụ thuộc vào áp suất

đường ống nạp tới sự thay đổi điện áp

- Mạch điện:

Hình 1.14: Mạch điện cảm biến áp suất đường ống nạp

- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Hai đĩa silicon đặt cách nhau tạo thành

buồng kín ở giữa Trên mỗi đĩa có điện

cực nối hai tấm silicon với nhau Áp suất

đường ống nạp thay đổi sẽ làm cong hai

đĩa hướng vào bên trong, làm khoảng

cách giữa hai đĩa giảm khiến tăng điện

dung tụ điện Sự thay đổi điện dung của tụ

điện sinh tín hiệu điện áp gửi về ECU để

nhận biết áp suất trên đường ống nạp

1.3.2 Cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston

Cảm biến vị trí piston (TDC sensor hay còn gọi là cảm biến G) báo cho ECU

biết vị trí điểm chết trên hoặc trước vị trí đó Công dụng của cảm biến này là xác định

thời điểm đánh lửa và cả thời điểm phun

Cảm biến tốc độ động cơ (Engine speed ; crankshaft angle sensor hay còn gọi là

tín hiệu NE) dùng để báo tốc độ động cơ để tính toán hoặc tìm góc đánh lửa tối ưu và

lượng phun cho từng xylanh và điều khiển tốc độ cầm chừng hoặc cắt nhiên liệu ở chế

độ cưỡng bức

Có nhiều cách bố trí cảm biến G và NE trên động cơ: trong delco, trên bánh đà,

hoặc bánh răng cốt cam

E C U

Đường ống nạp

Hình 1.15: Sơ đồ cảm biến MAP loại

điện dung

Hình 1.16: Sơ đồ bố trí cảm biến G và NE trên xe TOYOTA

Mỗi cảm biến gồm có rotor để khép kín mạch từ, cuộn dây cảm ứng quấn quanh

một nam châm đứng yên Số cuộn dây cảm ứng và số răng trên rotor thay đổi tuỳ

thuộc loại động cơ Phần tử phát xung G có thể có 1; 2; 4; 6 còn phân tử phát xung NE

có thể có 4; 24 hoặc sử dụng số răng trên bánh đà

Hình 1.17: Sơ đồ nguyên lý của loại dùng cảm biến điện từ

Hình 1.18: Sơ đồ mạch điện và dạng xung G và NE (Tín hiệu G: một cuộn kích 1 răng;

Tín hiệu NE: một cuộn kích 4 răng)

180o CA

- Tín hiệu G: cuộn cảm nhận tín hiệu G, gắn trên thân của bộ chia điện Rotor tín

hiệu G có 1 răng sẽ cho 1 xung dạng sin cho mỗi vòng quay của trục cam

- Tín hiệu NE: được tạo ra trong cuộn cảm cùng nguyên lý như tín hiệu G có

điều khác là rotor của tín hiệu NE có 4 răng Cuộn dây cảm biến sẽ phát 4 xung trong

mỗi vòng quay của bộ chia điện (hình 1 18)

1.3.3 Cảm biến bướm ga (thorttle position sensor)

Cảm biến bướm ga được lắp trên trục cánh bướm ga Cảm biến này đóng vai trò

chuyển vị trí góc mở cánh bướm ga thành tín hiệu điện áp gửi đến ECU

- Tín hiệu cầm chừng IDL dùng để điều khiển phun nhiên liệu khi tăng tốc và

giảm tốc cũng như hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa

- Tín hiệu toàn tải PSW dùng để tăng lượng xăng phun ở chế độ toàn tải để tăng

công suất động cơ

Có nhiều loại cảm biến vị trí cánh bướm ga, tùy theo yêu cầu và thiết kế trên các

đời xe ta thường có các loại:

a) Loại công tắc

- Cấu tạo:

- Một cần xoay đồng trục với

cánh bướm ga

- Cam dẫn hướng xoay theo cần

- Tiếp điểm di động di chuyển

dọc theo rãnh của cam dẫn hướng

- Tiếp điểm cầm chừng

- Tiếp điểm toàn tải

- Nguyên lý hoạt động:

- Khi ở chế độ cầm chừng: khi cánh bướm ga đóng (cánh bướm ga <50) Thì tiếp

điểm động sẽ tiếp xúc với tiếp điểm cầm chừng và gửi tín hiệu cho ECU biết động cơ

đang hoạt động ở chế độ này Tín hiệu này cũng dùng để cắt nhiên liệu khi động cơ

giảm tốc đột ngột

- Khi ở chế độ tải lớn: khi cánh bướm ga mở khoảng 500 ÷ 700 (tùy từng loại

động cơ) so với vị trí đóng hoàn toàn, tiếp điểm di động tiếp xúc với tiếp điểm toàn tải

và gửi tín hiệu điện áp cho ECU biết tình trạng tải lớn của động cơ

- Mạch điện:

+ Loại âm chờ

Hình 1.19: Cảm biến cánh bướm ga loại

công tắc

Hình 1.20: Mạch điện cảm biến vị trí bướm ga loại âm chờ

Điện áp 5V đi qua một điện trở trong ECU đưa đến IDL và cực PSW

Ở vị trí cầm chừng điện áp từ cực IDL qua công tắc tiếp xúc IDL về mass

Ở vị trí toàn tải điện áp từ cực PSW qua công tắc tiếp xúc PSW về mas

+ Loại dương chờ

Hình 1.21: Mạch điện cảm biến vị trí bướm ga loại dương chờ

b) Cảm biến vị trí bướm ga loại biến trở

- Cấu tạo:

Loại này gồm hai con

trượt, ở mỗi đầu con trượt được

thiết kế có các tiếp điểm cho tín

hiệu cầm chừng và tín hiệu góc

mở cánh bướm ga

Hình 1.22: Cảm biến cánh bướm ga loại biến trở

IDL

PSW

E C U +B or 5V

+B or 5V

Cảm biến vị trí bướm ga

IDL

PSW

E C U +B or 5V

Cảm biến vị trí bướm ga

TL

- Mạch điện:

Điện áp 5V từ ECU cấp đến cực

VC Khi cánh bướm ga mở, con trượt

dọc theo điện trở và tạo ra điện áp tăng

dần ở cực VTA tương ứng với góc mở

cánh bướm ga Khi bướm ga đóng hoàn

toàn, tiếp điểm cầm chừng nối cực IDL

với cực E2 Trên đa số các xe, trừ

Toyota, cảm biến bướm ga loại biến trở

chỉ có 3 dây VC, VTA và E2 mà không

có dây IDL

1.3.4 Cảm biến nước làm mát và cảm biến nhiệt độ khí nạp

a) Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (Coolant water temperature sensor)

Dùng để xác định nhiệt độ động cơ, cấu tạo là một điện trở nhiệt hay là một

diode

- Cấu tạo: Là một trụ rỗng có ren

ngoài, bên trong có gắn một điện trở

dạng bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm

Được gắn ở thân máy, hoặc ở nắp máy,

Hình 1.24: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

1 Đầu ghim; 2 Vỏ; 3 Điện trở (NTC)

Bộ ổn áp

Bộ chuyển đổi A/D

Cảm biến nhiệt độ nước

Điện trở chuẩn

B+

Hình 1.23: Mạch điện cảm biến vị trí bướm

ga loại biến trở

Điện áp 5V qua điện trở chuẩn tới cảm biến rồi trở về ECU về mass Như vậy

điện trở chuẩn và nhiệt điện trở trong cảm biến tạo thành một cầu phân áp Điện áp

điểm giữa cầu được đưa đến bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số (bộ chuyển đổi ADC

- analog to digital converter)

Khi nhiệt độ động cơ thấp, giá trị điện trở của cảm biến cao và điện áp chuyển

đến bộ biến đổi ADC lớn và chuyển tín hiệu dưới dạng xung vuông về bộ vi xử lý để

thông báo cho ECU biết động cơ đang lạnh và ngược lại

- Mạch điện:

Hình 1.26: Mạch điện cảm biến nước làm mát

b) Cảm biến nhiệt độ khí nạp (intake air temperature hay manifold air

temperature sensor)

Cảm biến nhiệt độ khí nạp dùng để xác định nhiệt độ khí nạp Nó gồm có một

điện trở gắn trong bộ đo gió hoặc trên đường ống nạp

1 Đầu ghim

2 Điện trở NTC

Hình 1.27: Cảm biến nhiệt độ khí nạp

Tỷ trọng của không khí thay đổi theo nhiệt độ Nếu nhiệt độ không khí cao, hàm

lượng oxy trong không khí thấp Khi nhiệt độ không khí thấp, hàm lượng oxy trong

không khí tăng Trong các hệ thống phun xăng mà lưu lượng không khí đo bằng thể

5V Vcc

Đến Relay chính

+B +B1

E1

E2

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

E C U

tích thì khối lượng không khí phụ thuộc vào nhiệt độ khí nạp ECU xem nhiệt độ 200C

là mức chuẩn, nếu nhiệt độ khí nạp lớn hơn 200C thì ECU sẽ điều khiển giảm lượng

xăng phun; nếu nhiệt độ khí nạp nhỏ hơn 200C thì ECU sẽ điều khiển tăng lượng xăng

phun Đảm bảo tỷ lệ hỗn hợp theo môi trường

- Mạch điện:

Hình 1.28: Mạch điện của cảm biến nhiệt độ khí nạp

1.3.5 Cảm biến khí thải hay cảm biến oxy (Oxygen sensor)

Cảm biến oxy dùng để xác định thành phần hoà khí tức thời của động cơ đang

hoạt động Nó phát ra một tín hiệu điện thế gửi về ECU để điều chỉnh tỉ lệ hòa khí

thích hợp trong một điều kiện làm việc nhất định Cảm biến oxy được gắn ở đường

ống thải Có hai loại cảm biền oxy:

- Chế tạo từ dioxide zirconium (ZrO2)

- Chế tạo từ dioxide titanium (TiO2)

a) Cảm biến oxy với thành phần Zirconium

- Cấu tạo:

Hình 1.29: Cấu tạo cảm biến oxy loại Zirconium

1 thân; 2 Đệm; 3 Dây nối; 4 Vỏ; 5 Thanh tiếp xúc; 6 Gốm ZrO 2 ; 7 Màng

E1

E2

THA E2

Cảm biến nhiệt độ khí nạp

ECU

Thân cảm biến được giữ trong một chân có ren, bao ngoài một ống bảo vệ và

được nối với các đầu dây điện Bề mặt chất ZrO2 được phủ một lớp platin mỏng cả mặt

trong lẫn mặt ngoài Ngoài lớp platin là một lớp gốm ZrO2 rất xốp và kết dính bảo vệ

lớp platin không bị hỏng do va chạm các phần tử rắn có trong

khí thải Một ống kim loại bảo vệ bao ngoài cảm biến tại đầu mối nối điện giữ liền vỏ

ống này với một lỗ bù trừ áp suất trong cảm biến và để đỡ lò xo đĩa Để giữ cho muội

than không đóng vào lớp gốm ZrO2, đầu tiếp xúc khí thải có một ống đặc biệt có cấu

tạo dạng rãnh để khí thải và phân tử khí cháy đi vào bị giữ và không tiếp xúc trực tiếp

với thân gốm ZrO2

- Nguyên lý hoạt động:

Loại này được chế tạo từ chất zirconium dioxde (ZrO2) có tính chất hấp thụ

những ion oxy âm tính Mặt trong của ZrO2 tiếp xúc với không khí mặt ngoài tiếp xúc

với oxy trong khí thải Khi khí thải chứa lượng oxy ít do lượng hỗn hợp giàu nhiên liệu

thì số ion oxy tập trung ở điện cực tiếp xúc khí thải ít hơn oxy tập trung ở điện cực tiếp

xúc không khí Sự chênh lệch này sẽ tạo ra một tín hiệu điện áp khoảng 600 ÷ 900 mV

Ngược lại, khi độ chênh lệch số ion ở hai điện cực nhỏ trong trường hợp nghèo xăng,

cảm biến phát ra tín hiệu điện áp thấp khoảng 100 ÷ 400 mV

- Mạch điện:

Hình 1.30: Mạch điện cảm biến oxy loại zirconium

b) Cảm biến oxy với thành phần titanium

- Cấu tạo:

Cảm biến loại này tương tự như loại zirconium nhưng thành phần nhận biết oxy

trong khí thải là từ titanium dioxide (TiO2) Đặc tính của loại này là sự thay đổi điện

trở theo nồng độ oxy trong khí thải

Khi khí thải chứa lượng oxy thấp do hỗn hợp giàu nhiên liệu, phản ứng tách oxy

ra khỏi TiO2 dễ xảy ra Do đó điện trở của TiO2 thấp nên làm dòng qua điện trở tăng

lên Như vậy điện áp đặt vào cổng so của OP AMP qua cầu phân áp đạt giá trị 600 ÷

900mV Khi khí thải chứa lượng oxy ít do hỗn hợp nghèo phản ứng tách oxy ra khỏi

TiO2 khó xảy ra, do đó điện trở của TiO2 có giá trị cao làm dòng qua điện trở giảm

điện áp ở cổng sẽ giảm xuống khoảng 100 ÷ 400mv

- Mạch điện: hình 1.32

1.3.6 Cảm biến tốc độ xe (vehicle speed sensor)

Cảm biến này nhận biết tốc độ xe đang chạy sau đó gửi tín hiệu về ECU để điều

khiển tốc độ cầm chừng và tỉ lệ hòa khí phù hợp khi tăng tốc hoặc giảm tốc

Có 4 loại cảm biến tốc độ: loại công tắc từ; Hall; từ trở và quang Ở đây chỉ giới

thiệu loại cảm biến công tắc từ, còn các loại khác đều giống cảm biến đánh lửa

● Cảm biến tốc độ xe loại công tắc từ

- Cấu tạo: Cảm biến bao gồm

một nam châm được nối với đồng hồ

đo tốc độ xe và quay theo dây Một

công tắc đặt đối diện với nam châm

Khi nam châm quay theo dây đồng hồ

tốc độ, công tắc sẽ đóng mở theo

chiều của lực từ

- Nguyên lý hoạt động: Khi nam châm quay ở vị trí song song với công tắc,

chiều của lực từ sẽ cảm ứng trên thanh công tắc thành hai nam châm cùng cực làm

chúng đẩy nhau, công tắc ở vị trí mở

Loã noái daây coângtômet

Hình 1.33: Cảm biến tốc độ xe

Hình 1.31: Cảm biến oxy loại titanium

Đầu kiểm t

Engine ECU

R

0,45 V OX

Cảm biến oxy

1V

Hình 1.32: Mạch điện của cảm biến oxy loại

titanium

Các tín hiệu từ vị trí đóng mở của công tắc sẽ được đưa trực tiếp tới ECU mà

không qua bộ chuyển đổi xung nhờ tín hiệu sóng vuông Tại đây ECU sẽ điều khiển tỉ

lệ hoà khí phù hợp khi tăng tốc hoặc giảm tốc

- Mạch điện:

Hình 1.34: Sơ đồ mạch điện cảm biến tốc độ xe

1.3.7 Cảm biến kích nổ ( knock or detonation sensor)

Cảm biến kích nổ được gắn trong thân xylanh hoặc nắp máy để cảm nhận xung

kích nổ phát sinh trong động cơ và gửi tín hiệu này tới ECU làm trễ thời điểm đánh lửa

nhằm ngăn chặn hiện tượng kích nổ

- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 1.35: Cấu tạo cảm biến kích nổ

1 Đáy cảm biến; 2 Tinh thể thạch anh; 3 Khối lượng quán tính; 5 Nắp

6 dây đan; 7 Đầu cảm biến

Thành phần điện áp trong cảm biến kích nổ được chế tạo từ tinh thể thạch anh là

vật liệu khi có áp lực sẽ sinh ra điện áp Phần tử áp điện được thiết kế có kích thước

với tần số riêng trùng với tần số rung của động cơ khi có kích nổ xảy ra hiệu ứng cộng

hưởng (f = 7kHz)

CPU 5V

Đến ECU hộp số tự động

Khi có kích nổ tinh thể thạch anh

sẽ chịu áp lực lớn nhất và sinh ra một

điện áp Tín hiệu này có giá trị nhỏ

hơn 2,4V Nhờ tín hiệu này ECU nhận

biết được hiện tượng kích nổ và điều

chỉnh giảm góc đánh lửa cho đến khi

không còn kích nổ ECU sau đó có thể

điều chỉnh thời điểm đánh lửa sớm trở

lại

- Mạch điện: hình 1.36

1.3.8 Một số tín hiệu ngõ vào

Ø Tín hiệu khởi động: khi khởi động một tín hiệu từ máy khởi động được gửi về

ECU, để tăng thêm lượng xăng phun trong suốt quá trình khởi động

Ø Tín hiệu công tắc máy lạnh: khi bật công tắc máy lạnh, để tốc độ cầm chừng

ổn định phải gửi tín hiệu báo về ECU nhằm điều khiển đánh lửa và tốc độ cầm chừng

Ø Tín hiệu phụ tải điện: để điều khiển tốc độ cầm chừng khi hệ thống điện công

suất lớn, máy phát sẽ phát công suất lớn

Ø Tín hiệu từ công tắc nhiên liệu: để báo loại xăng có chỉ số octane khác nhau

Ø Công tắc nhiệt độ nước: khi động cơ quá nóng (>1100C) công tắc này chuyển

từ vị trí mở sang vị trí đóng và gửi tín hiệu về ECU để giảm lượng xăng phun, giảm

góc đánh lửa sớm đồng thời điều khiển tắt công tắc máy lạnh để giảm nhiệt độ động

cơ

Ø Công tắc áp suất dầu: khi áp suất dầu bôi trơn quá thấp, công tắc ở vị trí đóng

đồng thời gửi tín hiệu về ECU để điều khiển ngưng hoạt động của động cơ

Ø Tín hiệu từ ECU hệ thống phanh chống hãm cứng (ABS - antilock brake

system): hệ thống chống hãm cứng bánh xe đang hoạt động, ECU ABS gửi tín hiệu về

ECU động cơ điều khiển ngưng phun nhiên liệu để giảm tốc độ động cơ

Ø Công tắc tăng tốc: trước khi cánh bướm ga mở hoàn toàn, công tắc tăng tốc

được tiếp xúc với bàn đạp và chuyển sang vị trí đóng, đồng thời gửi tín hiệu về ECU

để điều khiển phun thêm xăng

Ø Tín hiệu ECU hệ thống điều khiển ga tự động: khi nhấn công tắc, ECU điều

khiển ga tự động sẽ nhận được tín hiệu này, sau đó gửi về ECU động cơ để điều khiển

thời điểm đánh lửa và giữ cho tốc độ xe không đổi

1.4 Bộ điều khiển điện tử (ECU - electronic control unit)

Hệ thống điều khiển động cơ theo chương trình bao gồm các cảm biến, kiểm soát

liên tục tình trạng hoạt động của động cơ, một bộ ECU tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến,

xử lý tín hiệu và đưa tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành

ECU cũng đảm bảo công suất tối đa ở các chế độ hoạt động của động cơ và giúp

chẩn đoán khi có sự cố xảy ra

Bộ điều khiển điện tử, máy tính, ECU, hay hộp đen là những tên gọi khác nhau

của mạch điều khiển điện tử Nhìn chung, đó là tổ hợp vi mạch và bộ phận phụ để

nhận biết tín hiệu, lưu trữ thông tin, tính toán, quyết định chức năng hoạt động và gửi

đi các tín hiệu điều khiển thích hợp

ECU được đặt trong một vỏ kim loại để thoát nhiệt tốt và được bố trí nơi ít bị

ảnh hưởng bởi điều kiện nhiệt độ và độ ẩm

Các linh kiện điện tử của ECU được gắn trong một mạch in Các linh kiện công

suất của tầng cuối - nơi điều khiển cơ cấu chấp hành - được gắn với khung kim loại

của ECU với mục đích thoát nhiệt Sự tổ hợp các chức năng trong IC (bộ tạo xung, bộ

chia xung, bộ dao động đa hài điều khiển việc chia tần số) giúp ECU đạt độ tin cậy

cao

Một đầu ghim đa chấu dùng nối ECU với hệ thống điện trên xe, với các cơ cấu

chấp hành và các cảm biến

1.4.2 Cấu tạo

a) Bộ nhớ: Bộ nhớ trong ECU chia ra làm 4 loại:

Dùng trữ thông tin thường trực Bộ nhớ này chỉ đọc thông tin từ nó ra chứ không

thể ghi vào được Thông tin của nó đã được cài đặt sẵn ROM cung cấp thông tin cho

bộ vi xử lý và được lắp cố định trên mạch in

Để lưu trữ thông tin mới được ghi trong bộ nhớ và xác định bởi vi xử lý Ram có

thể đọc và ghi các số liệu theo địa chỉ bất kỳ RAM có 2 loại:

- Loại RAM xoá được: bộ nhớ sẽ mất khi mất dòng điện cung cấp

- Loại RAM không xoá được: vẫn duy trì bộ nhớ cho dùng khí tháo nguồn cung

cấp cho ô tô RAM lưu trữ những thông tin về hoạt động của các cảm biến dùng cho

hệ thống tự chẩn đoán

Cấu trúc cơ bản giống như ROM nhưng cho phép lập trình (nạp dữ liệu) ở nơi sử

dụng chứ không phải nơi sản xuất như ROM PROM cho phép sửa đổi chương trình

điều khiển theo những đòi hỏi khác nhau

Ø KAM (keep alive memory)

KAM dùng để lưu trữ những thông tin mới (thông tin tạm thời) cung cấp đến bộ

vi xử lý KAM vẫn duy trì bộ nhớ cho dù động cơ ngừng hoạt động hoặc công tắc

máy Tuy nhiên, nếu tháo nguồn cung cấp từ ắc quy đến máy tính thì bộ nhớ KAM sẽ

bị mất

b) Bộ vi xử lý (microprocessor)

Bộ vi xử lý có chức năng tính toán và ra quyết định Nó là bộ não của ECU

Hình 1.37: Sơ đồ khối của các hệ thống trong máy tính với microprocessor

c) Đường truyền - BUS

Chuyển các lệnh và số liệu trong máy tính theo 2 chiều ECU với các thành phần

nêu trên có thể tồn tại dưới dạng một IC hoặc trên nhiều IC Ngoài ra người ta còn

phân loại máy tính theo độ dài từ các RAM (tính theo bit)

Máy tính điều khiển động cơ dùng loại 4, 8 hoặc 16 bit Máy tính loại 4 bit chứa

được nhiều lệnh vì nó thực hiện các lệnh logic tốt hơn Tuy nhiên loại 8 bit làm việc

tốt hơn với các phép tính đại số và chính xác gấp 16 lần so với loại 4 bit Hiện nay trên

ô tô người ta dùng loại 8, 16 hoặc 32 bit

1.4.3 Cấu trúc ECU

MICROPROCESSOR

RAM PROM

ROM

ROM

RAM

INPUT OUTPUT

CPU

BUS

Hình 1.38: Cấu trúc máy tính

Bộ phận chủ yếu của nó là vi xử lý (microprocessor) hay còn gọi là CPU

(control processing unit), CPU lựa chọn và xử lý nhanh các dữ liệu từ bộ nhớ ROM và

RAM chứa các chương trình và dữ liệu ngõ vào (I/O) điều khiển nhanh các số liệu từ

các cảm biến và chuyển dữ liệu đã xử lý đến cơ cấu thực hiện

CPU bao gồm cơ cấu đại số logic để tính toán dữ liệu, bộ phận ghi nhận lưu trữ

tạm thời dữ liệu và bộ điều khiển các chức năng khác nhau

Bộ điều khiển ECU hoạt động trên cơ sở tín hiệu số nhị phân với điện áp cao

biểu hiện cho số 1, điện áp thấp biểu hiện cho số 0

Hình 1.39: Cấu trúc CPU

1.4.4 Mạch giao tiếp ngõ vào

Ø Bộ chuyển đổi A/D (analog to digital converter)

Dùng để chuyển các tín hiệu tương tự đầu vào với sự thay đổi điện áp trên các

cảm biến thành các tín hiệu số để bộ vi xử lý hiểu được

Tính toán đại số

và Logic

Bộ điều khiển

Dữ liệu

Tín hiệu điều khiển

Hình 1.41: Bộ đếm

Ø Bộ nhớ trung gian (buffer)

Dùng để chuyển tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu sóng vuông dạng số Bộ phận

chính của nó là một transistor sẽ đóng mở theo cực tính của tín hiệu xoay chiều

Hình 1.42: Bộ nhớ trung gian

Ø Bộ khuếch đại (amplifier)

Một số cảm biến có tín hiệu rất nhỏ nên trong ECU thường có các bộ khuếch đại

Bộ khuếch đại

Tín hiệu mạnh

Tín hiệu yếu

Bộ ổn áp

ECU B+ (12V)

Ø Giao tiếp ngõ ra

Tín hiệu điều khiển từ bộ vi xử lý sẽ được đưa đến các transistor công suất điều

khiển relay, selenoid, motor,…các transistor này có thể bố trí bên trong hoặc bên ngoài

ECU

Hình 1.45: Giao tiếp ngõ ra

1.5 Điều khiển đánh lửa

1.5.1 Giới thiệu về hệ thống đánh lửa theo chương trình

Trên các ô tô hiện đại, kỹ thuật số đã được áp dụng vào hệ thống đánh lửa từ

nhiều năm nay Việc điều khiển góc đánh lửa sớm và góc ngậm điện sẽ được máy tính

đảm nhận Các thông số như tốc độ động cơ, tải, nhiệt độ được các cảm biến mã hóa

tín hiệu đưa vào ECU xử lý và tính toán để đưa ra góc đánh lửa sớm tối ưu theo từng

chế độ hoạt động của động cơ

Hệ thống đánh lửa sớm với cơ cấu điều khiển đánh lửa sớm bằng điện tử (ESA-

electronic spark advance) được chia làm 2 loại sau:

- Hệ thống đánh lửa theo chương trình có delco

- Hệ thống đánh lửa theo chương trình không có delco (đánh lửa trực tiếp)

có những ưu điểm sau:

- Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh tối ưu cho từng chế độ hoạt động của động

cơ

- Góc ngậm điện luôn luôn được điều chỉnh theo tốc độ động cơ và theo điện áp

của ắc quy, đảm bảo điện áp thứ cấp có giá trị cao ở mọi thời điểm

- Động cơ khởi động dễ dàng, cầm chừng êm dịu, tiết kiệm nhiên liệu và giảm

độc hại của khí thải

- Công suất và đặc tính động học của động cơ được cải thiện rõ rệt

- Có khả năng điều khiển chống kích nổ cho động cơ

- Ít hư hỏng tuổi thọ cao và không cần bảo dưỡng

4 Tín hiệu từ cảm biến vị trí cánh bướm ga

5 Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát

6 Tín hiệu điện áp ắc quy

7 Tín hiệu kích nổ

Để xác định chính xác thời điểm đánh lửa cho từng xylanh theo thứ tự nổ, ECU

phải nhận được các tín hiệu cần thiết như tốc độ động cơ, vị trí piston, lượng gió nạp,

nhiệt độ động cơ,…số tín hiệu càng nhiều thì việc xác định góc đánh lửa sớm tối ưu

càng chính xác

Sơ đồ gồm 3 phần: tín hiệu vào (input signals), ECU và tín hiệu từ ECU ra điều

khiển ingiter (output signals)

Trong các loại tín hiệu ngõ vào, tín hiệu tốc độ động cơ, vị trí piston và tín hiệu

tải là các tín hiệu quan trọng ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến đó để xác định góc

đánh lửa sớm

Một chức năng khác của ECU trong việc điều khiển đánh lửa là sự điều chỉnh

góc ngậm điện Góc ngậm điện phụ thuộc vào 2 thông số là hiệu điện áp ắc quy và tốc

Bobine

Bougie

khiển tăng thời gian ngậm điện nhằm mục đích tăng dòng trong cuộn sơ cấp Ở tốc độ

thấp ECU điều khiển xén bớt xung điện áp điều khiển để giảm thời gian ngậm điện,

nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng và tránh nóng cho bobine Trong trường hợp

dòng sơ cấp vẫn tăng cao so với ấn định thì bộ phận hạn chế dòng sẽ làm việc và giữ

cho dòng điện sơ cấp không đổi

Hình 1.47: Cấu tạo của hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa

sớm bằng điện tử

Góc đánh lửa sớm thực tế khi động cơ hoạt động được xác định bằng góc sớm

ban đầu, góc đánh lửa sớm cơ bản và góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh

Dựa vào tốc độ động cơ và tải động cơ, ECU sẽ đọc được giá trị của góc đánh

lửa sớm cơ bản được lưu trữ trong bộ nhớ

b)