Thi công hệ thống điều khiển động cơ TOYOTA 3s FSE thiết kế thi công mạch thu nhập dữ liệu và truyền lên máy tính thông qua LABVIEW

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮTKý hiệu Diễn giải ECU Bộ điều khiển động cơ USB Chuẩn kết nối tuần tự đa dụng trong máy tính Universal Serial Bus LabVIEW Phần mềm máy tính Laborator

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

1.1 Lý do chọn đề tài 2

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Phương pháp nghiên cứu 3

1.4 Kế hoạch nghiên cứu 4

Giai đoạn 1: Nghiên cứu tài liệu: 4

Giai đoạn 2: Tiến hành thiết kế, chế tạo phần cứng và lập trình phần mềm cho mô hình 4

Giai đoạn 3: Tiến hành thử nghiệm thu thập dữ liệu và viết thuyết minh 4

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI TRÊN ĐỘNG CƠ TOYOTA 3S-FSE 5

2.1 Sơ lược lịch sử hệ thống phun xăng trực tiếp GDI 5

2.2 Đặc tính nổi bật của hệ thống GDI 5

2.3 Hệ thống phun xăng trực tiếp GDI trên động cơ Toyota 3S-FSE 6

2.4 Thông số kỹ thuật động cơ Toyota 3S-FSE 8

2.5 Hình ảnh mô hình động cơ Toyota 3S-FSE 9

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 10

3.1 Các cảm biến: 10

3.1.1 Cảm biến vị trí bướm ga 10

3.1.2 Cảm biến vị trí bàn đạp ga 12

3.1.3 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 13

3.1.4 Cảm biến nhiệt độ khí nạp 16

3.1.5 Cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP) 18

3.1.6 Cảm biến tốc độ động cơ (Cảm biến Ne) và vị trí piston (Cảm biến G) 21

3.1.7 Cảm biến Oxy 22

3.1.8 Cảm biến kích nổ 24

3.1.9 Cảm biến áp suất ống Rail 25

3.2 Các cơ cấu chấp hành 26

3.2.1 Van hồi nhiên liệu trong bơm cao áp 26

3.2.2 Kim phun khởi động lạnh 28

3.2.3 Kim phun 29

3.2.4 Hệ thống VVT-i 30

3.2.6 Hệ thống tuần hoàn khí thải (EGR) 33

3.2.7 Van thay đổi tiết diện đường ống nạp (SCV) 35

3.3 Điều khiển phun xăng 36

3.4 Điều khiển đánh lửa 37

3.5 Các mạch điều khiển cơ bản 39

3.5.1 Mạch rơle và cầu chì: 39

3.5.2 Mạch khởi động 40

3.5.3 Mạch điều khiển bơm xăng: 41

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ THI CÔNG VÀ LẬP TRÌNH BOARD MẠCH THU THẬP DỮ LIỆU 42

4.1 Khái quát mô hình cần thu thập dữ liệu 42

4.2 Các tín hiệu cần thu thập: 43

4.2.1 Tín hiệu cảm biến nhiệt độ khí nạp: THA 43

4.2.2 Tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát: THW 44

4.2.3 Tín hiệu cảm biến MAP áp suất tuyệt đối đường ống nạp: PIM 45

4.2.4 Tín hiệu cảm biến vị trí bướm ga: VTA 46

4.2.5 Tín hiệu cảm biến vị trí bàn đạp ga: VPA 46

4.2.6 Tín hiệu điều khiển đánh lửa ở máy số 1: IGT1 47

4.2.7 Tín hiệu điều khiển kim phun ở máy số 1: #1 47

4.3 Phương pháp thực hiện 47

4.4 Nguyên lý thực hiện 48

4.5 Khối mạch điều khiển thu nhận tín hiệu phần cứng: 49

4.6 Chương trình dưới Vi điều khiển: 49

4.7.1 Lưu đồ đọc cảm biến từ các chân Analog 50

4.7.2 Lưu đồ đọc tín hiệu đọc xung từ chân Digital 50

4.7.3 Lưu đồ tín hiệu giao tiếp với máy tính: 51

4.7.4 Chương trình trong vi điều khiển: 52

4.7.5 Thiết kế phần cứng Arduino UNO R3 53

4.8 Chương trình dưới Arduino UNO R3 54

4.9 Giải thích chương trình code 57

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ GIAO DIỆN VÀ GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH BẰNG PHẦN MỀM LABVIEW 62

5.1 Lập trình kết nối và hiển thị trên LabVIEW 62

5.1.1 Xây dựng chương trình và giao diện trên phần mêm LabVIEW 62

5.1.2 Xây dựng biểu đồ khối trên phần mềm LabVIEW 63

5.2 Thiết kế giao diện người sử dụng trên phần mềm LabVIEW: 64

5.3 Giao diện sơ đồ khối của chương trình 65

5.4 Nguyên lý thu và xử lý tín hiệu 67

5.4.1 Giao tiếp với Adruino UNO R3 bằng RS232 67

5.4.2 Tách tín hiệu 68

5.4.3 Xử lý dữ liệu 69

5.4.4 Các chương trình con (SubVI) 70

CHƯƠNG 6 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 75

6.1 Tín hiệu thu thập hiển thị trên màn hình LABVIEW khi động cơ hoạt động ở tốc độ cầm chừng nhiệt độ nước ở nhiệt độ bình thường 75

6.2 Tín hiệu thu thập hiển thị trên màn hình LABVIEW khi động cơ hoạt động ở vị trí bướm ga 15% nhiệt độ nước ở nhiệt độ bình thường 77

CHƯƠNG 7 THI CÔNG BẢNG CÔNG TẮC ĐÁNH PAN 79

7.1 Bảng công tắc pan 79

7.2 Kết quả thử pan 80

CHƯƠNG 8 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 83

8.1 Kết quả đạt được 83

8.2 Kết luận 83

8.3 Hướng phát triển của đề tài 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

PHỤ LỤC A: GIỚI THIỆU ARDUINO 86

1 Arduino là gì ? 86

2 Tổng quan về mạch Arduino đã sử dụng: 86

3 Phần mềm Arduino IDE 89

4 Ngôn ngữ lập trình trên Arduino 89

5 Giá trị: 92

PHỤ LỤC B: GIỚI THIỆU LABVIEW 95

1 LabVIEW là gì? 95

2 Ứng dụng của phần mềm LabVIEW 96

3 Những khái niệm cơ bản của LabVIEW 98

4 Các kỹ thuật lập trình trên LabVIEW 101

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Trang

Hình 2-1: Sơ đồ động cơ phun xăng trực tiếp 6

Hình 2-2: Hệ thống nhiên liệu động cơ GDI 7

Hình 2-3: Mô hình động cơ Toyota 3S-FSE 9

Hình 3-1: Vị trí cảm biến vị trí bướm ga 10

Hình 3-2: Sơ đồ mạch điện và đường đặc tính của cảm biến vị trí bướm ga 11

Hình 3-3: Cảm biến vị trí bàn đạp ga 12

Hình 3-4: Đường đặc tuyến bàn đạp ga 13

Hình 3-5: Vị trí cảm biến nhiệt độ nước làm mát 13

Hình 3-6: Cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước làm mát 14

Hình 3-7: Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát 14

Hình 3-8: Đặc tuyến cảm biến nhiệt độ nước làm mát 16

Hình 3-9: Vị trí cảm biến nhiệt độ khí nạp 16

Hình 3-10: Mạch điện cảm biến nhiệt độ khí nạp 17

Hình 3-11: Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ không khí nạp 18

Hình 3-12: Vị trí cảm biến áp suất đường ống nạp 18

Hình 3-13: Cấu tạo và mạch điện cảm biến áp suất đường ống nạp 19

Hình 3-14: Mạch điện cầu Wheatston bên trong cảm biến MAP 19

Hình 3-15: Đồ thị đường đặc tính cảm biến MAP 20

Hình 3-16: Vị trí đặt cảm biến G và Ne 21

Hình 3-17: Sơ đồ mạch điện và xung tín hiệu của cảm biến G - Ne 21

Hình 3-18: Vị trí cảm biến Oxy 22

Hình 3-19: Cấu tạo và sơ đồ mạch điện cảm biến Oxy 23

Hình 3-20: Đặc tính cảm biến oxy 23

Hình 3-21: Vị trí cảm biến kích nổ 24

Hình 3-22: Cấu tạo và đồ thị xung điện áp của cảm biến kích nổ 24

Hình 3-23: Hình dáng và cấu tạo cảm biến áp suất ống Rail 25

Hình 3-24: Màng áp trở trong cảm biến ống rail 25

Hình 3-25: Bơm cao áp 26

Hình 3-26: Hoạt động của bơm cao áp 26

Hình 3-27: Dạng sóng của van hồi nhiên liệu 27

Hình 3-28: Vị trí kim phun khởi động lạnh 28

Hình 3-29: Cấu tạo và sơ đồ mạch điện kim phun khởi động lạnh 28

Hình 3-30: Cấu tạo kim phun 29

Hình 3-31: Kết cấu hệ thống VVT-i 30

Hình 3-32: Cấu tạo hệ thống VVT-i 30

Hình 3-33: Dạng xung điều khiển VVT-i 33

Hình 3-34: Vị trí van EGR 33

Hình 3-35: Sơ đồ mạch điện van EGR 34

Hình 3-36: Dạng xung tín hiệu điều khiến motor van EGR 34

Hình 3-37: Van thay đổi tiết diện đường ống nạp 35

Hình 3-38: Dạng sóng của van điều khiển xoáy 35

Hình 3-39: Mạch điều khiển kim phun 36

Hình 3-40: Dạng xung của tín hiệu điều khiển kim phun 36

Hình 3-41: Sơ đồ mạch hệ thống đánh lửa 37

Hình 3-42: Dạng xung tín hiệu của IGT và IGF 38

Hình 3-43: Sơ đồ mạch điện rơle và cầu chì 39

Hình 3-44: Sơ đồ mạch điện mạch khởi động 40

Hình 3-45: Sơ đồ mạch điện bơm xăng 41

Hình 4-1: Hình dạng xung tín hiệu cảm biến vị trí trục cam (G) 42

Hình 4-2: Hình dạng xung tín hiệu cảm biến vị trí trục khuỷu (Ne) 42

Hình 4-3: Hình dạng xung tín đều khiển đánh lửa ở máy 1 IGT1 43

Hình 4-4: Đồ thị liên hệ giữa nhiệt độ khí nạp và điện áp 44

Hình 4-5: Đồ thị liên hệ nhiệt độ nước làm mát và điện áp 45

Hình 4-6: Đồ thị mối liên hệ áp suất đường ống nạp với điện áp 45

Hình 4-7: Đồ thị mối liên hệ giữa vị trí bướm ga với điện áp 46

Hình 4-8: Đồ thị mối liên lệ giữa vị trí bàn đạp ga với điện áp 46

Hình 4-9: Hình dạng xung tín hiệu IGT 47

Hình 4-10: Hình dạng xung tín hiệu kim phun 47

Hình 4-11: Arduino UNO R3 49

Hình 4-12: Phương thức xử lí các tín hiệu Analog 50

Hình 4-13: Sơ đồ phương thức xử lí các tín hiệu Digital 50

Hình 4-14: Sơ đồ phương thức Arduino truyền dữ liệu thu thập từ động cơ lên máy tính 51

Hình 4-15: Chương trình vòng điều khiển 52

Hình 4-16: Sơ đồ nguyên lý mạch thu thập tín hiệu 53

Hình 4-17: Mạch thu thập tín hiệu với Arduino UNO R3 54

Hình 5-1: Lưu đồ thuật toán truyền nhận tín hiệu giữa LabVIEW và thiết bị ngoại vi 62

Hình 5-2: Sơ đồ các biểu tượng xây dựng trong sơ đồ khối 63

Hình 5-3: Sơ đồ biểu tượng vòng lặp While và lưu đồ thuật toán 63

Hình 5-4: Sơ đồ khối giao tiếp giữa Arduino và LabVIEW 68

Hình 5-5: Mô hình khối giao tiếp VISA của LabVIEW 68

Hình 5-6: Tách dữ liệu bằng khối Match Pattern 69

Hình 5-9: SubVI THW 72

Hình 5-10: SubVI PIM 72

Hình 5-11: SubVI VTA 73

Hình 5-12: SubVI VPA 73

Hình 6-1: Tín hiệu thu thập trên LabVIEW ở tốc độ cầm chừng 75

Hình 6-2: Tín hiệu thu thập trên LabVIEW ở tốc độ 15% bướm ga 77

Hình 7-1: Bảng công tắc pan 79

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 2-1: Thông số kỹ thuật động cơ Toyota 3S-FSE 8

Bảng 3-1: Thông số kiểm tra cảm biến vị trí bướm ga 11

Bảng 3-2: Thông số kiểm tra cảm biến vị trí bàn đạp ga 13

Bảng 3-3: Giá trị đặc tính cảm biến nhiệt độ nước làm mát 15

Bảng 3-4: Thông số kiểm tra cảm biến nhiệt độ nước làm mát 16

Bảng 3-5: Giá trị đặc tính cảm biến nhiệt độ không khí nạp 17

Bảng 3-6: Thông số kiểm tra cảm nhiết nhiệt độ khí nạp 18

Bảng 3-7: Thông số kiểm tra cảm biến MAP 20

Bảng 3-8: Thông số kiểm tra cảm biến G, Ne 22

Bảng 3-9: Thông số kiểm tra cảm biến Oxy 24

Bảng 3-10: Thông số kiểm tra cảm biến áp suất ống rail 25

Bảng 3-11: thông số kiểm tra van hồi nhiên liệu 27

Bảng 4-1: Giá trị nhiệt độ khí nạp ứng với điện áp và điện trở tương ứng 43

Bảng 4-2: Giá trị nhiệt độ nước làm mát ứng với điện áp và điện trở tương ứng 44

Bảng 4-3: Ý nghĩa các kiểu biến dữ liệu 58

Bảng 7-1: Kết quả thử pan 80

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Diễn giải

ECU Bộ điều khiển động cơ

USB Chuẩn kết nối tuần tự đa dụng trong máy tính

(Universal Serial Bus)

LabVIEW Phần mềm máy tính (Laboratory Virtual Instrumentation

Engineering Workbench)

ADC Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ( Analog Digital

Converter)

THW Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát

THA Tín hiệu nhiệt độ khí nạp

VTA Tín hiệu góc mở bướm ga

SCV Tín hiệu van xoáy

NE+ Tín hiệu số vòng quay động cơ

E01 Mass kim phun

E02 Mass kim phun

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài

Với sự phát triển của công nghệ ô tô với tốc độ chóng mặt, cùng với xu hướng hộinhập hiện nay thì nên công nghiệp ô tô Việt Nam đăng trên con đường phát triển mạnh mẽ

Các nước phát triển đang chạy đua với cuộc cạch mạng công nghiệp 4.0 và côngnghệ thông tin là một phần không thể thiếu, đặc biệt là kết nối những chiếc xe hơi với nhau.Các xe hơi được kết nối Internet, truyền và nhận thông tin một cách tự động, vì vậy xe hơi sẽngày càng thông minh và có thể xử lý tình huống trước sự can thiệp của con người, hơn nữacác xe hơi còn có thể giao tiếp với nhau, giao tiếp với mọi sự vật xung quanh Để làm đượcđiều đó thì việc thu thập dữ liệu từ xe là rất quan trọng, sau đó xe sẽ tự chuẩn đoán và phântích để giúp chiếc xe được an toàn và ổn định hơn

Vì thế, đề tài: “THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TOYOTA 3S-FSE THIẾT KẾ THI CÔNG MẠCH THU THẬP DỮ LIỆU VÀ TRUYỀN LÊN MÁY TÍNH THÔNG QUA LABVIEW ” được thực hiện nhằm phần nào bổ sung thêm nguồn tài

liệu tham khảo, giúp sinh viên thấy được bức tranh tổng quát về hệ thống này, đồng thờicũng phần nào giúp các kỹ thuật viên hiểu được cơ bản nguyên lý hoạt động và một số lưu ýtrong khi bảo dưỡng, chẩn đoán, sửa chữa hệ thống mới này

1.2 Mục tiêu của đề tài

Với yêu cầu nội dung của đề tài, mục tiêu cần đạt được sau khi hoàn thành đề tài nhưsau:

- Củng cố kiến thức về nguyên lý động cơ đốt trong, hệ thống điện điều khiển trênđộng cơ

- Ứng dụng các phần mềm lập trình để lập trình hiển thị và giao tiếp với máy tính

- Thiết kế, thi công được mạch thu thập tín hiệu từ động cơ

- Thiết kế giao diện hiển thị và kết nối mô hình với máy tính thông qua phần mềmLabVIEW

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Để hoàn thành để tài, chúng em đã kết hợp nhiều phương pháp Trong đó nổi bật làphương pháp tham khảo tài liệu từ các mô hình liên quan có trước cùng với đó là các nguồntài liệu nước ngoài do nhóm tự tìm hiểu và được cung cấp từ giảng viên hướng dẫn

Bên cạnh đó là quá trình tìm hiểu, học hỏi kinh nghiệm từ thầy hướng dẫn, các thầytrong xưởng động cơ, và các bạn cùng làm chung trong kì làm đồ án để hình thành ý tưởngthiết kế khung cho mô hình, cách bố trí, sắp xếp thiết bị của mô hình

Cuối cùng là quá trình quan sát thực tế hoạt động của động cơ mẫu và kết hợp các thiết

bị máy móc chẩn đoán có trong xưởng để so sánh, kiểm tra kết quả thực hiện

 Các bước thực hiện

- Tham khảo tài liệu, nghiên cứu các tài liệu phần mềm liên quan đến đề tài Lập trình vềArduino làm các ứng dụng cơ bản có liên quan đến đề tài

- Lập trình về LabVIEW thực hiện hiển thị kết quả đơn giản

- Nắm cơ bản các hệ thống liên quan trên mạch điện xe Toyota 3S-FSE 1998

- Ôn lại kiến thức về hệ thống điều khiển động cơ và các cảm biến

- Thi công mô hình động cơ 3S-FSE

- Thiết kế phần cứng, phần mềm cho đề tài nghiên cứu thu tập tín hiệu động cơ 3S-FSE1998

- Thiết kế phần cứng là bộ thu tín hiệu và board Arduino

- Thiết kế phần mềm là hoàn thành chương trình trên phần mềm Arduino để thu thập dữ liệu

ổn định và hiển thị kết quả thu được trên LabVIEW của máy tính

- Kết nối truyền dữ liệu từ động cơ về máy tính và hiển thị các thông số thông qua phầnmềm LabVIEW

- Tiến hành vận hành hệ thống, chẩn đoán lỗi và sữa lỗi

- Tiến hành thu thập tín hiệu và viết thuyết minh

- Nổ máy xe và thực hiện thu thập và truyền dữ liệu

- Làm video về quá trình thực hiện kết quả đề tài thực nghiệm

- Viết thuyết minh bằng Word.

- Viết báo cáo bằng Powerpoint để thuyết trình

- Hoàn tất đề tài

1.4 Kế hoạch nghiên cứu

Giai đoạn 1: Nghiên cứu tài liệu:

- Sơ đồ mạch điện động cơ 3S-FSE

- Tài liệu hệ thống điều khiển động cơ

- Tài liệu lập trình với Arduino IDE

- Tài liệu thiết kế và lập trình trên phần mềm LabVIEW

- Tài liệu thiết kế mạch điện với phần mềm Proteus 8.5

Giai đoạn 2: Tiến hành thiết kế, chế tạo phần cứng và lập trình phần mềm cho mô hình.

- Phần mạch thu thập dữ liệu được thiết kế đựa vào bộ xử lí chính là mạch Arduino, sửdụng phần mềm Arduino IDE để lập trình và sử dụng phần mềm Proteus để thực hiệnthiết kế phần cứng của mạch thu thập dữ liệu này

- Các mạch hiển thị sẽ được chế tạo từ các linh kiện điện tử, thiết kế thông qua phầnmềm Proteus

- Giao tiếp máy tính với động cơ thông qua phần mềm LabVIEW

Giai đoạn 3: Tiến hành thử nghiệm thu thập dữ liệu và viết thuyết minh.

- Tiến hành thử nghiệm thu thập dữ liệu

- Tiến hành viết báo cáo bằng Word

- Tiến hành làm Powerpoint để thuyết trình

- Làm video thuyết minh đề tài

- Hoàn thành đề tài

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP

GDI TRÊN ĐỘNG CƠ TOYOTA 3S-FSE.

2.1 Sơ lược lịch sử hệ thống phun xăng trực tiếp GDI.

Vào năm 1955, Mercedes – Benz lần đầu tiên ứng dụng phun xăng trực tiếp vào buồngđốt động cơ với thiết bị tạo áp suất của Bosch Tuy nhiên việc ứng dụng bị quên lãng do vàothời điểm đó các thiết bị điện tử chưa phát triển và ứng dụng nhiều cho động cơ ô tô, nênviệc điều khiển phun nhiên liệu vào động cơ thuần túy bằng cơ khí, và việc tạo hỗn hợp phânlớp cho động cơ chưa được nghiên cứu như ngày nay Vì vậy, so với quá trình tạo hỗn hợphòa khí ngoài động cơ thì quá trình tạo hòa khí trong buồng đốt cũng không khả quan hơnnhưng kết cấu và giá thành thì cao hơn nhiều

Mãi đến năm 1966, với sự phát triển của khoa học điện tử, động cơ xăng ứng dụngphun nhiện liệu trực tiếp vào buồng đốt Mitsubishi Motors đưa trở lại thị trường Nhật Bảnvới tên GDI (Gasoline Direct Injection), và tiếp đó nó xuất hiện ở châu Âu 1998

2.2 Đặc tính nổi bật của hệ thống GDI.

 Tiêu thụ nhiên liệu ít hơn, tối ưu hơn và hiệu suất cao hơn Thời điểm phun được tínhtoán rất chính xác nhằm đáp ứng được sự thay đổi tải trọng của động cơ.Ở chế độ tảitrọng trung bình và xe chạy trong thành phố thì nhiên liệu phun ra ở cuối thì nén,giống như động cơ diesel và như vậy hổn hợp loãng đi rất nhiều.Ở chế độ đầy tải,nhiên liệu được phun ra cuối thì nạp, điều này có khả năng cung cấp 1 hổn hợp đồngnhất giống như động cơ MPI nhằm mục đích đạt được hiệu suất cao

 Điều khiển được lượng xăng cung cấp rất chính xác, hệ số nạp cao như động cơ diesel

và thậm chí hơn hẳn động cơ diesel

 Động cơ có khả năng làm việc được với hổn hợp cực loãng (Air/Fuel) = (35¸-55) Ởtốc độ cao (trên 120 Km/h), động cơ “GDI” sẽ đốt 1 hổn hợp nhiên liệu cực loãng,tiết kiệm được lượng nhiên liệu tiêu thụ

 Hệ số nạp rất cao, tỉ số nén e cao (e = 12) Động cơ GDI vừa có khả năng tải rất cao,

sự vận hành hoàn hảo, vừa có các chỉ tiêu khác hơn hẳn động cơ MPI

 Ở chế độ công suất cực đại: Khi động cơ GDI hoạt động ở chế độ tải lớn, toàn tải, tốc

độ cao thì nhiên liệu được phun vào xylanh động cơ trong suốt kỳ nạp, sự cháy hoànhảo hơn, nhiên liệu được cháy sạch, cháy kiệt, động cơ làm việc êm dịu, không cótiếng gõ

 Sự tiêu thụ nhiên liệu rất thấp Tiêu thụ nhiên liệu còn ít hơn động cơ diesel.Công suất động cơ siêu cao, cao hơn nhiều so với các loại động cơ MPI đang sử dụnghiện nay

2.3 Hệ thống phun xăng trực tiếp GDI trên động cơ Toyota 3S-FSE

 Mô tả chung:

Hình 2-1: Sơ đồ động cơ phun xăng trực tiếp

Động cơ phun xăng trực tiếp GDI gồm 4 xylanh đặt thẳng hàng, thứ tự kì nổ 1-3- 4-2

Là động cơ đánh lửa trực tiếp (4 bô bin), IC đặt trong bộ bô bin

Hệ thống điều khiển xú páp thông minh VVT-i

Hệ thống điều khiển bướm ga thông minh

Hệ thống luân hồi khí thải

 Hệ thống nhiên liệu

Hệ thống cung cấp nhiên liệu ở GDI đòi hỏi áp suất nhiên liệu phải cao (trong khoảng4-13 Mpa so với PFI chỉ 0,25-0,45 Mpa) Các bộ phận chính của hệ thống GDI bao gồm:thùng nhiên liệu, bơm thấp áp, lọc nhiên liệu, bơm cao áp, ống phân phối, cảm biến áp suất

Hình 2-2: Hệ thống nhiên liệu động cơ GDI

Nguyên lý: nhiên liệu được bơm từ bình chứa qua lọc đến bơm cao áp với áp suấtkhoảng 0,35 MPa Bơm cao áp được dẫn động từ động cơ sẽ đưa nhiên liệu đến ống phânphối với áp suất 4-13 MPa Áp suất này được xác định bởi cảm biến áp suất và có thể đượcđiều chỉnh bằng các dữ liệu ứng dụng dựa trên chế độ làm việc của động cơ Việc giữ cho ápsuất trong ống phân phối được cố định là vô cùng quan trọng vì nó ảnh hưởng đến công suấtđộng cơ, lượng khí phát thải và tiếng ồn Do đó có một van điều áp để ổn định áp suất trongống phân phối Van này sẽ cho một lượng nhiên liệu vừa đủ quay lại bình chứa.Bộ phậnquan trọng nhất của hệ thống GDI chính là kim phun, được gắn trên giữa ống phân phối vàbuồng cháy và được điều khiển đóng mở bởi ECU

 Hệ thống điều khiển điện tử:

Gồm bộ xử lý trung tâm ECU, bộ khuếch đại điện áp để mở kim phun EDU, các cảmbiến đầu vào và bộ chấp hành ECU thu thập các tín hiệu từ nhiều cảm biến khác nhau đểnhận biết tình trạng hoạt động của động cơ, sau đó tính toán lượng phun, thời điểm phunnhiên liệu và gửi tín hiệu điều khiển phun đến EDU để EDU điều khiển mở kim phun Ngoài

ra hệ thống điều khiển điện tử còn tính toán và điều khiển áp suất nhiên liệu và tuần hoàn khíxả

Điều khiển phun nhiên liệu: ECU tính toán thời điểm và lượng phun nhiên liệu ra tối

ưu cho từng chế độ làm việc cụ thể của động cơ dựa vào tín hiệu từ cảm biến gửi về và gửitín hiệu yêu cầu phun nhiên liệu đến EDU EDU có nhiệm vụ khuếch đại điện áp từ 12V-85V cấp đến kim phun để mở kim sau đó nhiên liệu có áp suất cao đang chờ sẵn trong ốngphân phối sẽ phun vào buồng đốt khi kim mở và dứt phun khi EDU ngừng cấp điện cho kimphun Thời điểm bắt đầu phun được quyết định bởi thời điểm ECU phát tín hiệu phun, lượngnhiên liệu phun ra được quyết định bởi độ dài thời gian phát tín hiệu phun của ECU Tínhiệu yêu cầu phun phát ra càng sớm thời điểm phun càng sớm và ngược lại, tín hiệu yêu cầuphun phát ra càng dài lượng nhiên liệu phun ra càng nhiều và ngược lại

2.4 Thông số kỹ thuật động cơ Toyota 3S-FSE

Bảng 2-1: Thông số kỹ thuật động cơ Toyota 3S-FSE

2.5 Hình ảnh mô hình động cơ Toyota 3S-FSE

Hình 2-3: Mô hình động cơ Toyota 3S-FSE

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 3.1 Các cảm biến:

3.1.1 Cảm biến vị trí bướm ga.

Cảm biến vị trí bướm ga trong hệ thống điều khiển bướm ga điện tử thông minh(ETCS-i) có hai con trượt tiêp điêm và hai điện trở Cỏ hai tín hiệu là VTA và VTA2.

Hình 3-4: Vị trí cảm biến vị trí bướm ga

Sơ đồ mạch điện – đường đặc tuyến của cảm biến vị trí bướm ga:

Hình 3-5: Sơ đồ mạch điện và đường đặc tính của cảm biến vị trí bướm ga

 Một điện áp không đổi 5V từ ECU cung cấp đến cực VC Khi cảnh bướm ga mở, contrượt trượt dọc theo điện trở và tạo ra điện áp tăng dần ở cực VTA tương ứng với góc

mở cánh bướm ga

 VTA2 làm việc tương tự nhưng bắt đầu ở mức điện áp ra cao hơn và tốc độ thay đổiđiện áp thì khác so với tín hiệu VTA Khi bướm ga mở, hai tín hiệu điện áp tăng vớimột tốc độ khác nhau ECU sử dụng cả hai tín hiệu này đề phát hiện sự thay đổi vị trícánh bướm ga Bằng cách sử dụng hai cảm biến, ECU có thể so sánh các điện áp vàphát hiện các vấn đề

Thông số kiểm tra

Bảng 3-2: Thông số kiểm tra cảm biến vị trí bướm ga

VTA, E2 Công tắc bật ON, cánh bướm ga ở vị trí cầm

Hình 3-6: Cảm biến vị trí bàn đạp ga

3.1.2 Cảm biến vị trí bàn đạp ga

Cấu tạo và nguyên lí hoạt động

Cảm biến vị trí bàn đạp ga (Acceleration Pedal Position Sensor) được bố trí trên trụccủa bướm ga Cần ga được kết nối với dây cáp tới bàn đạp ga Khi đạp ga, có tín hiệu bànđạp ga gởi về ECU và ECU dựa vào tín hiệu này để tính toán góc mở của bướm ga

Hành trình bàn đạp ga được xác định bởi cảm biến bàn đạp ga và tín hiệu này đượcchuyển về ECU động cơ ECU sẽ điều khiển mô tơ bố trí ở thân bướm ga để xoay trục bướm

ga làm bướm ga mở một góc là tối ưu nhất Độ mở của bướm ga được cảm biến vị trí bướm

ga xác định và chuyển tín hiệu về ECU

Khi đạp ga, tín hiệu điện áp APPS thay đổi Có hai tín hiệu điện áp của cảm biến bànđạp ga ECU dựa vào tín hiệu này để tính toán góc mở của bướm ga Bằng cách sử dụng haitín hiệu, ECU so sánh để xác định sự làm việc bất thường của cảm biến bàn đạp ga

Hình 3-7: Đường đặc tuyến bàn đạp ga

Thông số kiểm tra:

Bảng 3-3: Thông số kiểm tra cảm biến vị trí bàn đạp ga

VPA, E2 Công tắc bật ON, cánh bướm ga ở vị trí cầm

3.1.3 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát dùng để xác định nhiệt độ động cơ

Hình 3-8: Vị trí cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Cấu tạo:

Hình 3-9: Cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Thường là trụ rỗng có ren ngoài,bên trong có gắn một điện trở có hệ số nhiệt điện trở

âm (tức là khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm xuống và ngược lại) Cảm biến được gắn ở trênthân máy, gần họng nước làm mát

Điện áp 5V qua điện trở chuẩn (điện trở này có giá trị không đổi theo nhiệt độ) tớicảm biến rồi trở về ECU về mass Điện trở chuẩn và nhiệt điện trở tạo nên cầu phân áp Điện

Khi nhiệt độ động cơ thấp, giá trị điện trở của cảm biến cao, điện áp gửi đến bộ chuyểnđổi ADC lớn Tín hiệu điện áp được chuyển đổi thành một dãy xung vuông và được giải mãnhờ bộ vi xử lí để thông báo cho ECU biết động cơ đang lạnh Khi động cơ nóng, giá trị điệntrở cảm biến giảm kéo theo điện áp đặt giảm, báo cho ECU biết động cơ đang nóng.

ECU dùng nhiệt độ chuẩn là 800C Khi nhiệt độ nước làm mát bé hơn 800C, ECU sẽđiều khiển tăng lượng phun

Khi nhiệt độ nước làm mát thay đổi, điện áp tại cực THW thay đổi theo và ECU dùng tínhiệu này để hiệu chỉnh lượng phun nhiên liệu

Lượng nhiên liệu phun thay đổi theo nhiệt độ nước làm mát là rất lớn Khi cảm biến bị

hở mạch thì điện áp tại cực THW sẽ rất cao, lượng nhiên liệu phun sẽ tăng mạnh làm động

cơ bị ngộp xăng không thể hoạt động được Khi cảm biến bị ngắn mạch, điện áp tại cựcTHW là bé nhất làm cho động cơ hoạt động không ổn định, nhất là khi nhiệt độ động cơdưới 800C

Bảng 3-4: Giá trị đặc tính cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Hình 3-11: Đặc tuyến cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Thông số kiểm tra:

Bảng 3-5: Thông số kiểm tra cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Cảm biến được bố trí ở phía trước họng bướm ga, phần chính cảm biến là một điện trở

có trị số nhiệt điện trở âm ECU dụng nhiệt độ cơ bản là 200C để giảm lượng nhiên liệu phunkhi nhiệt độ không khí nạp tăng cao và sẽ gia tăng lượng nhiên liệu khi nhiệt độ không khí

bé hơn 200C

Mạch điện:

Hình 3-13: Mạch điện cảm biến nhiệt độ khí nạp

Tương tự như cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến nhiệt độ không khí cũng lấy tín hiệu từ cầu phân áp giữ điện trở chuẩn trong ECU và nhiệt điện trở trên cảm biến

Bảng 3-6: Giá trị đặc tính cảm biến nhiệt độ không khí nạp

Hình 3-14: Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ không khí nạp

Thông số kiểm tra:

Bảng 3-7: Thông số kiểm tra cảm nhiết nhiệt độ khí nạp

THA, E2 Nhiệt độ khí nạp từ 0 – 80oC 0.5 -3.4 V

3.1.5 Cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP)

Lượng khí nạp đi vào xylanh được xác định gián tiếp thông qua cảm biến áp suất trên đường ống nạp

Hình 3-15: Vị trí cảm biến áp suất đường ống nạp

Hình 3-16: Cấu tạo và mạch điện cảm biến áp suất đường ống nạp

Bằng cách gắn một IC vào cảm biến này với nguyên lý chính là sử dụng mạch cầuWheatstone nhằm tạo ra một điện thế phù hợp khi giá trị điện trở thay đổi Phần chính của

IC này là một tấm silicon nhỏ (hay gọi là màng ngăn) dày hơn ở mép ngoài (khoảng 25mm)

và mỏng ở giữa (khoảng 0,025mm) Hai mép được làm kín cùng với mặt trong của tấmsilicon tạo thành buồng chân không trong cảm biến Mặt ngoài của tấm silicon tiếp xúc ápsuất đường ống nạp Hai mặt của tấm silicon được phủ thạch anh để tạo thành điện trở ápđiện (Piezoresistor)

Hình 3-17: Mạch điện cầu Wheatston bên trong cảm biến MAP

Khi động cơ chưa hoạt động, màng silicon không bị biến dạng nên 4 điện trở của cầu

có giá trị bằng nhau và lúc đó không có sự chênh lệch điện áp giữa hai cầu Khi tải thay đổi,không khí được nạp vào nhiều hơn do đó áp suất trên đường ống nạp thay đổi Sự thay đổi

áp suất này làm màng silicon dao động dẫn đến giá trị điện trở của các điện trở trên cầuWheatston thay đổi Kết quả là giữa hai cầu sẽ có sự chênh lệnh điện áp và tín hiệu đượckhuếch đại thông qua con op_amp để điều khiển Transistor ở ngõ ra của cảm biến có cực Ctreo Độ mở của Transistor phụ thuộc vào áp suất đường ống nạp dẫn đến sự thay đổi điện áp

báo về ECU, tín hiệu đó gọi là tín hiệu PIM (Pressure Intake Manifold) Sau đó ECU động

cơ xác định được thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản trên cơ sở của tín hiệuPIM này

Như trình bày ở hình minh họa, một chíp silic kết hợp với một buồng chân không đượcduy trì ở độ chân không định trước, được gắn vào bộ cảm biến này Một phía của chíp nàyđược lộ ra với áp suất của đường ống nạp và phía bên kia thông với buồng chân không bêntrong Vì vậy, không cần phải hiệu chỉnh mức bù cho độ cao lớn vì áp suất của đường ốngnạp có thể đo được chính xác ngay cả khi độ cao này thay đổi

Đường đặc tính

Hình 3-18: Đồ thị đường đặc tính cảm biến MAP

Thông số kiểm tra cảm biến MAP khi bật công tắc máy ON

Bảng 3-8: Thông số kiểm tra cảm biến MAP

Hình 3-20: Sơ đồ mạch điện và xung tín hiệu của cảm biến G - Ne

Cảm biến G gồm một cuộn dây, một nam châm vĩnh cửu và một rotor cảm biến Sốrang của rotor cảm biến là 3 răng Khi rotor chuyển động sẽ làm cho từ thông qua cuộn dâythay đổi, sẽ tạo ra một sức điện động trong cuộn dây dạng xung xoay chiều và tín hiệu nàyđược gửi về ECU

Cảm biến Ne gồm một cuộn dây, một nam châm vĩnh cửu và một rotor cảm biến.Nguyên lý hoạt động tương tự như cảm biến G

Thông số kiểm tra cảm biến G, Ne

Bảng 3-9: Thông số kiểm tra cảm biến G, Ne

Hình 3-22: Cấu tạo và sơ đồ mạch điện cảm biến Oxy

Cảm biến Oxy gồm hợp chất Zirconia, điện cực Platin và bộ xông cảm biến Cảm biếnOxy cho ra tín hiệu điện áp cơ bản dựa vào sự so sánh lượng Oxy trong khí thải và ngoàimôi trường

Khi Oxy trong khí thải nhiều, điện áp tại hai điện cực Platin sẽ thấp và ngược lại Khi

sự chênh lệch Oxy trong khí thải và ngoài môi trường càng lớn thì điện áp cảm biến càngcao Từ lượng khí thải mà ECU xác định được, nó sẽ hiệu chỉnh tỉ lệ hỗn hợp trong buồngđốt Khi hỗn hợp giàu, tín hiệu điện áp của cảm biến oxy từ 0.6V đến 0.1V Khi hỗn họpnghèo, tín hiệu điện áp phát ra sẽ thấp, từ 0.4V đến 0.1V K tỉ lệ không khí và nhiên liệu là14,7/1 thì điện áp phát ra là 0.45V

Hình 3-23: Đặc tính cảm biến oxy

Thông số kiểm tra:

Bảng 3-10: Thông số kiểm tra cảm biến Oxy

3.1.8 Cảm biến kích nổ.

Ở động cơ xăng, khi xảy ra hiện tượng kích nổ, áp suất trong các xy lanh tăng nhanhđột ngột ở lân cận điểm chết trên Sự tăng áp đột ngột sinh ra va đập giữa các chi tiết làmcho chúng rung động mạnh, công suất động cơ giảm Cảm biến kích nổ đung để xác địnhhiện tượng kích nổ xảy ra trong các xy lanh và gửi tín hiệu điện áp đến ECU ECU sử dụngtín hiệu này để điều khiển đánh lửa trể cho đến khi hiện tượng kích nổ không còn xảy ra nữa

Hình 3-24: Vị trí cảm biến kích nổ

Cảm biến kích nổ được chế tạo bằng phần tử áp điện Khi kích nổ xãy ra, các xy lanh

bị rung động mạnh làm biến dạng phần tử này và cảm biến phát ra xung điện áp từ 6kHz đến13kHz

Hình 3-25: Cấu tạo và đồ thị xung điện áp của cảm biến kích nổ

3.1.9 Cảm biến áp suất ống Rail

Hình 3-26: Hình dáng và cấu tạo cảm biến áp suất ống Rail

Gồm có: 1 Mạch điện; 2 Màng so; 3 Màng áp trở; 4 ống dẫn áp suất; 5 Ren lắp ráp Nguyên lý hoạt động:

Nhiên liệu chảy vào cảm biến áp suất thông qua ống dẫn áp suất Một đầu cảm biếnđược bịt kín bởi màng áp trở Thành phần chính của cảm biến là màng áp trở, dùng đểchuyển áp suất thành tín hiệu điện Tín hiệu do cảm biến tạo ra đưa vào mạch khuếch đại tín

hiệu và đưa đến ECU

Hình 3-27: Màng áp trở trong cảm biến ống rail.

Khi màng áp trở biến dạng thì lớp điện trở lắp trên màng sẽ thay đổi giá trị Sự biếndạng (khoảng 1mm ở áp suất 180MPa) là do áp suất tăng lên trong hệ thống, sự thay đổiđiện trở dẫn theo sự thay đổi điện thế ở mạch cầu điện trở Điện áp thay đổi trong khoảng từ0- 70mmV và được khuếch đại bởi mạch khuếch đại đến 0.5 – 4.5V

Thông số kiểm tra cảm biến áp suất ống rail:

Bảng 3-11: Thông số kiểm tra cảm biến áp suất ống rail

3.2 Các cơ cấu chấp hành.

3.2.1 Van hồi nhiên liệu trong bơm cao áp.

Hình 3-29: Hoạt động của bơm cao áp

2 Van hồi nhiên liệu trong bơm cao áp

- Chức năng chính là để làm giảm áp suất trong bơm cao áp khi áp suất tăng quá cao

- ECU sẽ trực tiếp điều khiển van hồi nhiên liệu thông qua 2 tín hiệu FP+ và FP-

Hình 3-30: Dạng sóng của van hồi nhiên liệu

Thông số kiểm tra van hồi nhiên liệu

Bảng 3-12: thông số kiểm tra van hồi nhiên liệu

3.2.2 Kim phun khởi động lạnh.

Kim phun khởi động lạnh được thiết kế để bổ sung cho các động cơ ở vùng khí hậulạnh Kim phun khởi động lạnh là loại kim phun có điện trở thấp và nó được bố trí ở buồngnạp

Hình 3-31: Vị trí kim phun khởi động lạnh

Kim phun khởi động lạnh chỉ hoạt động khi thỏa mãn hai điều kiện:

 Khi khởi động động cơ

 Khi nhiệt độ nước làm mát dưới 30oC

Hình 3-32: Cấu tạo và sơ đồ mạch điện kim phun khởi động lạnh

Kim phun khởi động lạnh thực chất là một van điện Khi có dòng điện đi qua cuộn dâykim phun thì van kim nhấc lên và nhiên liệu được phun vào buồng nạp Lỗ phun nhiên liệuđược thiết kế đảm bảo phun sương ở số vòng quay thấp

khởi động lạnh, làm lưỡng kim nhiệt chạm tiếp điểm, nối mát Van kim nhấc lên, nhiên liệuphun vào buồng nạp.

Sau khi khởi động, công tắc máy về vị tri ON, kim phun khởi động lạnh ngừng phun

3.2.3 Kim phun.

Lượng nhiên liệu phun qua kim phun phụ thuộc chính vào lượng không khí nạp và sốvòng quay của động cơ, ngoài ra còn phụ thuộc vào trạng thái làm việc của động cơ nhờ vàocác cảm biến khác Kim phun được lắp trong thân máy, phun nhiên liệu trực tiếp vào tronglòng xy lanh

Hình 3-33: Cấu tạo kim phun

Kim phun bao gồm thân kim và van kim đặt trong ống từ Thân kim phun chứa mộtcuộn dây, nó điều khiển sự đóng mở của van kim Khi không có dòng điện cấp cho cuộndây, lò xo đẩy van kim vào đế của nó Khi dòng điện đi qua cuộn dây, cuộn dây trở thànhnam châm điện hút van kim lên khỏi bệ van khoảng 0.1mm và lượng nhiên liệu phun ra khỏikim nhờ áp suất trong ống phân phối