Khảo sát hệ thống đánh lửa trên động cơ Toyota 1GRFE

*Các bộ phận chính trên sơ đồ hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE - Các cảm biến: Có nhiệm vụ nhận biết các hoạt động khác nhau của động cơ và phát ra các tín hiệu gửi đến ECU hay còn gọi

4 KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN ĐỘNG CƠ 1GR-FE

4.1 Giới thiệu chung về hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE

Hệ thống đánh lửa trên động cơ 1GR-FE là hệ thống đánh lửa điều khiển theochương trình loại DIS (Direct Ignition System) Sử dụng bô bin đơn cho từng bugi,bao gồm: ECU, các cảm biến tín hiệu, cơ cấu chấp hành

*Các bộ phận chính trên sơ đồ hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE

- Các cảm biến: Có nhiệm vụ nhận biết các hoạt động khác nhau của động cơ

và phát ra các tín hiệu gửi đến ECU hay còn gọi là nhóm tín hiệu vào

- ECU: Có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu và đưa tín

hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành luôn đảm bảo thừa lệnhECU và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến Ngoài ra ECU cũng giúpchẩn đoán động cơ khi có sự cố xảy ra

- Cơ cấu chấp hành: gồm bô bin và bu gi Trong đó bô bin đánh lửa nhận được

tín hiệu điều khiển từ ECU và biến dòng điện thế hiệu thấp thành thế hiệu cao đếnbugi thực hiện việc đánh lửa

Nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa: ECU nhận được tín hiệu từ cáccảm biến đầu vào, sau đó xử lý, tính toán các tín hiệu nhận được Sau khi xử lýxong ECU sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển đến từng xy lanh để thực hiện việc đánh lửatheo đúng thứ tự làm việc của xy lanh

Ignition Coil with Igniter ECU

IGT Igniter Ignition Coil

Ignition Signal (IGT) Ignition Confirmation Signal (IGF) Normal Malfunction Circuit Open Time

Hình 4-1 Sơ đồ tín hiệu IGT và IGF

Từ sơ đồ trín ta thđ́y rõ hoạt động của quâ trình đânh lửa xảy ra khi ECUtruyí̀n tín hiệu đânh lửa tới IC đânh lửa Sau khi quâ trình đânh lửa xảy ra thì ECUlại nhận được tín hiệu phản hồi IGF từ câc cảm biến Khi động cơ hoạt động bìnhthường thì quâ trình xảy ra đí̀u đặn Khi có sự cố thì hệ thống ngắt tín hiệu vòi phunđí̉ động cơ ngừng hoạt động đảm bảo an toăn

Hình 4-2 Sơ đồ hệ thống đânh lửa điện tử động cơ 1GR-FE

ECU

CB Vị trí trục khuỷu

CB Nhiệt độ nước làm mát

CB Nhiệt độ khí nạp

IGT1 IGF

4.2 Câc bộ phận trong hệ thống đânh lửa của động cơ 1GR-FE

4.2.1 IC đânh lửa

IC đânh lửa lă mạch điện tử được tích hợp từ câc linh kiện điện tử nhưtransistor, diot, tụ điện, câc điện trở, …đí̉ đií̀u khií̉n đóng ngắt dòng sơ cđ́p vă tạo

ra tín hiệu phản hồi IGF ví̀ cho ECU động cơ IC đânh lửa trín động cơ 1GR-FE

được lăm thănh một cụm chi tiết với bô bin đânh lửa nín kết cđ́u rđ́t đơn giản, gọnnhẹ IC đânh lửa thực hiện một câch chính xâc sự đóng vă ngắt dòng sơ cđ́p đi văocuộn đânh lửa, phù hợp với tín hiệu IGT do ECU động cơ phât ra

Mạch IC đânh lửa trín động cơ 1GR-FE mă ta đang khảo sât có bốn chđn giaotiếp, đó lă câc chđn: +B, GND, IGT, IGF Trong đó, chđn +B nối với acquy, chđnGND nối mass, chđn IGT vă IGF nối với ECU động cơ Hình vẽ sau thí̉ hiện sơ đồđiện của một IC đânh lửa bô bin đơn

Ngoăi ra IC đânh lửa còn có chức năng đií̀u khií̉n dòng không đổi (hạn chếdòng điện) Khi dòng sơ cđ́p đạt đến một trị số đê định, IC đânh lửa sẽ khống chếcường độ cực đại bằng câch đií̀u chỉnh dòng Việc đií̀u khií̉n dòng điện sơ cđ́p ởmột giâ trị xâc định sẽ lăm tăng tuổi thọ cho biến âp đânh lửa vă đảm bảo điện âpđânh lửa tạo ra ổn định

Khoảng thời gian đí̉ dòng điện tăng vă duy trì ổn định trong cuộn sơ cđ́p gọi lăgóc ngậm điện (góc Dwell) Trín động cơ 1GR-FE mă ta đang khảo sât, ECU động

cơ sẽ thực hiện việc đií̀u chỉnh góc ngậm điện bằng câch đií̀u chỉnh thời gian ngắtxung IGT

+B

GND

IGF Đế n ECU

IGT

Acquy

1

2 Đế n Bugi

Hình 4-3 Sơ đồ điện của IC đânh lửa bô bin đơn

1 Mạch điện tử tạo tín hiệu IGF, 2 Mạch đânh lửa

4.2.2 Bô bin đânh lửa

Điề u khiể n góc đóng tiế p điể m

Điề u khiể n dòng điệ n không đổ i Trị số quy định

Hình 4-4 Vai trò của IC đânh lửa trín động cơ 1GR-FE

Hình 4-5 Kết cđ́u cuộn đânh lửa có IC đânh lửa

1 Vỏ, 2 Giắc cắm, 3 IC đânh lửa, 4 Cuộn sơ cđ́p,

5 Cuộn thứ cđ́p, 6 Lớp câch điện, 7 Đầu cắm bugi, 8 Lõi sắt

2 3

1

7 8

4 5 6

Bô bin đânh lửa lă loại biến âp cao thế đặc biệt dùng đí̉ biến dòng điện thếhiệu thđ́p (12V) thănh câc xung thế hiệu cao đảm bảo cho việc đânh lửa trong độngcơ.

Động cơ 1GR-FE sử dụng bô bin đơn cho từng mây, câc IC đânh lửa cũngđược bố trí ngay trín câc cuộn đânh lửa tạo thănh cụm chi tiết có kết cđ́u rđ́t nhỏgọn

Câc cuộn sơ cđ́p vă thứ cđ́p được quđ́n quanh lõi, số vòng quay của cuộn thứcđ́p lớn hơn rđ́t nhií̀u so với cuộn sơ cđ́p Một đầu cuộn sơ cđ́p được nối với ICđânh lửa, còn một đầu của cuộn thứ cđ́p được nối với bugi Câc đầu còn lại của câccuộn được nối với dòng cđ́p từ ắc quy thông qua giắc cắm

* Quâ trình đânh lửa được chia thănh 2 giai đoạn: giai đoạn 1 lă dòng điệntrong cuộn sơ cđ́p vă giai đoạn 2 lă ngắt dòng điện văo cuộn sơ cđ́p vă xuđ́t hiệnđiện cao thế

- Dòng điện trong cuộn sơ cđ́p:

Khi động cơ chạy, tín hiệu từ câc cảm biến sẽ được ECU tính toân vă phât ratín hiệu đânh lửa IGT Tín hiệu IGT sẽ đóng mạch sơ cđ́p vă sẽ có dòng từ ắc quychạy qua IC đânh lửa văo cuộn sơ cđ́p

Kết quả lă câc đường sức từ trường được tạo ra chung quanh cuộn dđy có lõi ởtrung tđm như hình vẽ sau:

Bugi S

Acquy

IC đánh lửaON

N Lõi sắ t

Ắ c quy ECU

IGT IGF

Cuộ n thứ cấ p Cuộ n sơ cấ p

- Ngắt dòng điện vào cuộn sơ cấp:

Động cơ tiếp tục chạy, ECU sẽ ngắt tín hiệu IGT (OFF), IC đánh lửa nhanhchóng ngắt dòng điện từ ắc quy vào cuộn sơ cấp Kết quả là từ thông của cuộn sơcấp bắt đầu giảm vì vậy tạo ra một sức điện động có từ thông sinh ra theo chiềuchống lại sự giảm từ thông hiện có Từ thông này cảm ứng sang cuộn thứ cấp tạonên một hiệu điện thế lớn khoảng 30 kV Chính hiệu điện thế này sẽ làm bugi đánhlửa

Dòng sơ cấp càng lớn và sự ngắt dòng sơ cấp càng nhanh thì điện thế thứ cấpcàng lớn

4.2.3 Bugi

Bugi đánh lửa có nhiệm vụ nhận các xung điện cao thế từ bô bin đánh lửa vàbật tia lửa điện cao thế để đốt cháy hỗn hợp khí-nhiên liệu trong xy lanh Đây là chitiết quan trọng, quyết định sự làm việc ổn định và hiệu quả của hệ thống đánh lửa

Do tiếp xúc với buồng đốt nên trong quá trình làm việc bugi chịu tác động của 3 tảitrọng:

2

5Hình 4-7 Hình dáng bugi lắp trên động cơ

1 Đầu cực Platin, 2 Đầu cực i-rit, 3 Hình dáng bugi dài được sử

dụng trên động cơ, 4 Bugi thời cũ, 5 Áo nước làm mát bugi

- Tải trọng cơ khí: Phát sinh do áp suất khí cháy dưới dạng xung áp suất, áp

suất cực đại tác động lên bugi có thể đến 50÷60 kG/cm2, đồng thời bugi cũng phảithường xuyên chịu sự rung động do xe gây ra

- Tải trọng nhiệt: Phát sinh do sự thay đổi tải trọng nhiệt trong mỗi xy lanh sau

một chu kì làm việc Khi hỗn hợp khí-nhiên liệu cháy nhiệt độ khoảng 18000

÷22000C, còn trong kỳ hút nhiệt độ khoảng 50÷800C

- Tải trọng điện: Do các xung điện truyền đến trong thời điểm đánh lửa, xung

điện thế khoảng 15÷ 40 kV hoặc cao hơn nữa

- Việc sử dụng bugi đầu dài sẽ cải thiện vị trí và hình dáng áo nước làm mát tốt

hơn so với sử dụng loại bugi đầu ngắn

Do phải chịu các loại tải trọng trên nên về mặt kết cấu và vật liệu cũng cónhững yêu cầu đặc biệt để đảm bảo cho hệ thống đánh lửa làm việc hiệu quả

Hình 4-8 Kết cấu bugi dầu dài lắp trên động cơ

1 Đầu nối, 2 Các nếp nhăn, 3 Điện cực giữa, 4 Sứ cách điện, 5 Vỏ, 6 Thủy tinh làm kín, 7 Điện trở, 8 Gioăng đệm, 9.Lõi đồng, 10

Cách nhiệt, 11 Điện cực trung tâm, 12 Điện cực tiếp mát

12 11 10 9

1 2 3 4

8 7 6 5

Bugi dùng trên động cơ 1GR-FE là loại bugi đầu dài do hãng DENSO sảnxuất.

Bảng 4-1 Thông số kĩ thuật của loại bugi

Chiều dài của loại dài/loại thường [mm] Khoảng 26.5/19,0

Bugi là chi tiết phản ánh tình trạng làm việc của động cơ Việc quan sát bugisau một thời gian làm việc sẽ giúp rất nhiều trong việc chẩn đoán động cơ

4.3 Bộ điều khiển trung tâm (ECU)

4.3.1 Tổng quan

Hệ thống điều khiển động cơ theo chương trình bao gồm các cảm biến kiểmsoát liên tục tình trạng hoạt động của động cơ, một bộ ECU tiếp nhận các tín hiệu từcảm biến, xử lý tín hiệu và đưa tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành Cơcấu chấp hành luôn đảm bảo thừa lệnh ECU và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ cáccảm biến Hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ đem lại sự chính xác và thíchứng cần thiết để giảm tối đa chất độc hại trong khí thải cũng như lượng tiêu haonhiên liệu ECU cũng đảm bảo công suất tối đa ở các chế độ hoạt động của động cơ

và giúp chẩn đoán động cơ khi có sự cố xảy ra (việc chẩn đoán mã lỗi thông quađèn check Engine hoặc máy chẩn đoán chuyên dụng)

ECU là một tổ vi mạch và bộ phận dùng để nhận biết tín hiệu, lưu trữ thôngtin, tính toán, quyết định chức năng hoạt động và gửi các tín hiệu điều khiển thíchhợp ECU được đặt trong vỏ kim loại để giải nhiệt tốt và được bố trí ở nơi ít bị ảnhhưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm

Các linh kiện điện tử của ECU được sắp xếp trong mạch in Các linh kiệncông suất của tầng cuối – nơi điều chỉnh các cơ cấu chấp hành – được gắn vớikhung kim loại của ECU với mục đích giải 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) giúpECU đạt độ tin cậy cao

Hình 4-9 Sơ đồ khối các hệ thống trong ECU

Một đầu gồm nhiều giắc cắm dùng nối ECU với hệ thống điện trên xe, với các

cơ cấu chấp hành và các cảm biến

4.3.2 Các bộ phận trong ECU

 Bộ nhớ: bộ nhớ trong ECU gồm các loại:

• ROM (Read Only Memory)

Dùng trữ thông tin thường trực Bộ nhớ này chỉ đọc thông tin từ đó ra chứkhông thể ghi vào được Thông tin của nó đã được cài đặt sẵn ROM cung cấpthông tin cho bộ xử lý và được lắp trên mạch in Chương trình điều khiển động cơ

do nhà sản xuất lập trình và được nạp sẵn trong bộ nhớ ROM

• RAM (Ramdom Access Memory)

Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên dùng để lưu trữ thông tin mới được ghi trong bộnhớ và xác định bởi vi xử lý RAM có thể đọc và ghi các các số liệu theo địa chỉ bất

kỳ RAM vẫn duy trì bộ nhớ cho đến khi mất nguồn cung cấp từ ắc quy đến máytính thì bộ nhớ RAM sẽ mất

• PROM (Programmable Read Only Memory)

Cấu trúc cơ bản giống như ROM nhưng cho phép lập trình (nạp dữ liệu) ở nơi sửdụng chứ không phải nơi sản xuất như ROM PROM cho phép sửa đổi chương trìnhđiều khiển theo nhưng yêu cầu khác nhau

 Bộ vi xử lý (Microprocessor)

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

Có nhiệm vụ chuyển các lệnh và số liệu trong ECU theo hai chiều Sự pháttriển của ECU trên động cơ gắn liền với sự phát triển của vi xử lý Trên những thế

hệ ECU đầu tiín dùng loại 4, 8 bit Hiện nay, nhu cầu đií̀u khií̉n trín ô tô ngăy căngnhií̀u, chương trình đií̀u khií̉n căng nhií̀u vă phức tạp, người ta sử dụng ECU loại

16 vă 32 bit

4.3.3 Cấu trúc của ECU

Bộ phận chủ yếu của ECU lă bộ vi xử lý hay còn gọi lă ECU, ECU lựa chọncâc lệnh vă xử lý số liệu từ bộ nhớ ROM vă RAM chứa câc chương trình vă dữ liệungõ ra đií̀u khií̉n nhanh số liệu từ câc cảm biến vă chuyí̉n câc dữ liệu đê xử lý đếncâc cơ cđ́u thực hiện CPU bao gồm câc cơ cđ́u đại số logic đí̉ tính toân dữ liệu, câc

bộ phận ghi nhận lưu trữ tạm thời vă câc bộ phận đií̀u khií̉n chức năng khâc nhau

Cđ́u trúc CPU bao gồm cơ cđ́u đại số logic đí̉ tính toân dữ liệu, câc bộ phậnghi nhận lưu trữ tạm thời dữ liệu vă bộ đií̀u khií̉n câc chức năng khâc nhau

Bộ đií̀u khií̉n ECU hoạt động trín cơ sở tín hiệu số nhị phđn với điện âp caobií̉u hiện cho số 1 vă điện âp thđ́p bií̉u hiện cho số 0

Mỗi một số hạng 0 hoặc 1 gọi lă bít Mỗi dêy 8 bít sẽ tương ứng 1 byte Byteđược dùng đí̉ bií̉u hiện cho một mẫu lệnh hay một lệnh thông tin

Bộ điề u khiể n

Bộ lưu nhậ n lưu trữ

Tính toán đạ i số và logic

Hình 4-11 Sơ đồ cđ́u trúc của CPU

Hình 4-12 Bií̉u diễn thông tin của một byte

Bộ nhớ trung gian

Bộ vi xử lý PM

Hình 4-15 Bộ nhớ trung gian

4.3.4 Mạch giao tiếp ngõ văo

• Bộ chuyí̉n đổi A/D

Dùng đí̉ chuyí̉n câc tín hiệu tương tự từ đầu văo với sự thay đổi điện âp tríncâc cảm biến thănh câc tín hiệu số đí̉ đưa văo bộ xử lý

Hình 4-13 Bộ chuyí̉n đổi A/D

Bộ chuyể n đổ i A/D

Bộ vi xử lý

Dây tín hiệ u

5V

BộvixửlýECM

Số

Hình 4-14 Bộ đếm

ECU

Bộ vi xử lý

Tín hiệ u mạ nh Bộ

vixửlýECM

Hình 4-17 Bộ ổn âpECM

B+(12V)

Bộ ổn áp Bộvi

xửlý

Bộvixửlý

ECM

Điều khiển Rơle Môtơ Solenoi

Hình 4-18 Giao tiếp

ECU

Hình 4-19 Cảm biến vị trí trục khuỷu

1 Cuộn dây, 2 Lõi sắt, 3 Thân cảm biến

4 Nam châm, 5 Lớp cách điện, 6 Giắc cắm

4.4 Nguyên lý và mạch điện của các cảm biến trên động cơ 1GR-FE

4.4.1 Cảm biến vị trí trục khuỷu

4.4.1.1 Kết cấu, nguyên lý làm việc

Cảm biến vị trí trục khuỷu dùng để xác định tốc độ động cơ ECU nhận tínhiệu này để tính toán góc đánh lửa tối ưu và thời điểm phun nhiên liệu cho từng xylanh

Cảm biến gồm nam châm vĩnh cửu được gắn với lõi thép, trên lõi thép đượcquấn cuộn dây tính hiệu Rô to tín hiệu dùng để khép mạch từ được đặt gần cuộndây cảm biến và được dẫn động từ trục khuỷu

Khi động cơ làm việc, rô to quay làm thay đổi khe hở giữa các răng của rôto

và cuộn nhận tín hiệu, làm cho từ trường xuyên qua cuộn dây biến thiên Sự biến

thiên từ trường tạo nên sức điện động xoay chiều cảm ứng trên cuộn dây tín hiệu.Tín hiệu này được đưa về ECU

Ngoài ra, trên rô to có 2 răng khuyết nên cảm biến này còn dùng để xác định

vị trí pít tông ECU động cơ dùng thông tin này để xác định thời gian phun và thờiđiểm đánh lửa

4.4.1.2 Mạch điện cảm biến vị trí trục khuỷu

1 2

21 NE+

20 B3

4.4.2 Cảm biến vị trí bàn đạp ga

Cảm biến vị trí bàn đạp chân ga loại phần tử Hall gồm có các mạch IC Halllàm bằng các phần tử Hall và các nam châm quay quanh chúng Các nam châmđược lắp trên trục của bàn đạp chân ga và quay cùng trục bàn đạp chân ga

Khi đạp chân ga các nam châm quay cùng một lúc và các nam châm này thay đổi vịtrí của chúng Vào lúc đó IC Hall phát hiện thay đổi từ thông gây ra bởi sự thay đổi

vị trí nam châm và tạo ra điện áp của hiệu ứng Hall từ các cực VPA và VPA2 theomức thay đổi này Tín hiệu này được truyền đến ECU động cơ như tín hiệu đạpchân ga

Trong cảm biến vị trí bàn đạp ga, điện áp được cấp đến cực VPA và VPA2 củaECU, thay đổi từ 0-5V tỷ lệ với góc của bàn đạp ga VPA là tín hiệu chỉ ra góc mởbàn đạp thực tế và dùng để điều khiển động cơ VPA2 thường được dùng để pháthiện các hư hỏng của cảm biến ECU kiểm tra lực bàn đạp ga từ tín hiệu VPA vàVPA2 phát ra và điều khiển mô tơ bướm ga theo các tín hiệu này

4.4.3 Cảm biến vị trí bướm ga

4.4.3.1 Kết cấu,nguyên lý làm việc

Cảm biến vị trí bướm ga loại không tiếp xúc Cảm biến vị trí bướm ga sẽ chuyển sự thay đổi mật độ đường sức của từ trường thành tín hiệu điện

Hình 4-21 Sơ đồ mạch điện và đặc tính cảm biến vị trí bàn đạp ga

1 Mạch IC Hall, 2 Nam châm

Góc mở bướm ga được điều khiển bởi ECU động cơ, ECU nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí bàn đạp ga xử lý và truyền tín hiệu điều khiển đến mô tơ bước điều khiển Mô tơ bướm ga sẽ đóng mở bướm ga theo tín hiệu điều khiển từ ECU, từ mô

tơ bướm ga truyền sang trục bướm ga thông qua bộ răng giảm tốc

4.4.3.2 Mạch điện cảm biến vị trí bướm ga

Cảm biến vị trí bướm ga có 2 tín hiệu phát ra VTA1 và VTA2 Dùng 2 tín hiệuVTA1 và VTA2 là để dự phòng Điện áp cấp vào VTA1 và VTA2 thay đổi từ 0-5V

tỷ lệ thuận với góc mở của bướm ga ECU thực hiện một vài phép kiểm tra để xácđịnh đúng hoạt động của cảm biến vị trí bướm ga

ECU đánh giá góc mở bướm ga thực tế từ các tín hiệu này qua các cực VTA1

và VTA2 và ECU điều khiển mô tơ bướm ga, nó điều khiển góc mở bướm ga đúng

21

Hình 4-22 Sơ đồ nguyên lý điều khiển góc mở bướm ga

1 Cảm biến vị trí bướm ga, 2 Mô tơ bước điều khiển bướm ga

1

Hình 4-23 Đặc tính cảm biến vị trí bướm ga