Nghiên cứu chế tạo máy chẩn đoán các loại ecu điều khiển động cơ

Tuy nhiên, ơtơ sau một thời gian sử dụng sẽ cĩ các hỏng hĩc, trục trặc trong quá trình vận hành chẳng hạn như động cơ khơng khởi động được, hoặc động cơ bị dư xăng, thiếu xăng…Các hiện t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐINH ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY CHẨN ĐOÁN CÁC LOẠI ECU

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Chuyên ngành: Kỹ thuật ñộng cơ nhiệt

Mã số: 60.52.34

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2011

Công trình ñược hoàn thành tại

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm thông tin- học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Trung tâm học liệu,Đại học Đà Nẵng

Để nâng cao tính kinh tế nhiên liệu của động cơ và giảm bớt tình trạng ơ nhiễm mơi trường do khí thải của ơtơ gây ra, hầu hết các ơtơ con hiện nay đều được trang bị động cơ phun xăng và đánh lửa được điều khiển bằng điện tử Trên các động cơ này, bộ điều khiển điện tử (ECU-Electronic Control Unit) điều khiển lượng nhiên liệu phun và thời điểm đánh lửa tối ưu theo các chế độ vận hành của động

cơ Tuy nhiên, ơtơ sau một thời gian sử dụng sẽ cĩ các hỏng hĩc, trục trặc trong quá trình vận hành chẳng hạn như động cơ khơng khởi động được, hoặc động cơ bị dư xăng, thiếu xăng…Các hiện tượng vừa kể trên cĩ thể do hư hỏng của các bộ phận cơ khí trong động cơ, hoặc là do hỏng hĩc từ hệ thống điều khiển phun xăng và đánh lửa, trong đĩ cĩ bộ điều khiển điện tử ECU-Electronic Control Unit

Để cĩ thể chẩn đốn được tình trạng kỹ thuật của ECU địi hỏi phải cĩ các thiết bị chuyên dùng đắt tiền và phải phù hợp cho từng kiểu động cơ, nhà chế tạo Chỉ cĩ các trạm sửa chữa lớn, trạm bảo hành của các cơng ty lắp ráp ơtơ mới cĩ thể cĩ đầy đủ trang thiết

bị phục vụ cho cơng việc chẩn đốn các hỏng hĩc trong hệ thống điều khiển điện tử trên ơtơ

Trong thực tế, cơng việc sửa chữa các pan trên ơtơ hiện nay

gặp nhiều khĩ khăn do thiếu các thiết bị chẩn đốn chuyên dùng để

chẩn đốn trình trạng kỹ thuật của ECU Vì vậy, hiện nay “Nghiên cứu chế tạo máy chẩn đốn các loại ECU điều khiển động cơ” là

* ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Chỉ tập trung nghiên cứu các loại ECU điều khiển động cơ của các hãng xe: Toyota, Nissan, Mitsubishi, Ford Thơng qua các thơng số thực nghiệm của các cảm biến G và NE để nghiên cứu chế tạo mạch tạo các xung tín hiệu giả cho các cảm biến đã khảo sát bằng

vi điều khiển và ngơn ngữ C

Tùy thuộc vào từng đời xe, lựa chọn loại cảm biến để phát các xung tín hiệu giả thích hợp truyền vào bộ điều khiển điện tử (ECU), từ đĩ xác định số lần phát tín hiệu ra điều khiển phun xăng, điều khiển đánh lửa của ECU thơng qua sự hiển thị của các đèn LED về tần số phát xung của ECU theo tốc độ và màn hình LCD hiển thị số lần phát xung điều khiển phun xăng đánh lửa của ECU bằng tín hiệu số

Từ các kết quả hiển thị này xác định được khả năng điều khiển của ECU và đánh giá kết quả kiểm tra ECU điều khiển động cơ Được thể hiện như hình sau

* PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Để thực hiện đề tài, người nghiên cứu đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

• Phương pháp nghiên cứu tài liệu

• Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

• Phương pháp lập trình ngơn ngữ C

• Phương pháp thiết kế chế tạo mạch

• Thực nghiệm kiểm tra chẩn đốn ECU trên các xe đã khảo sát, so sánh và đánh giá các kết quả chẩn đốn

* CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Luận văn được trình bày trong 91 trang (khơng kể tài liệu tham khảo và phụ lục), ngồi phần mở đầu và kết luận được chia làm

5 chương

Mở đầu

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

Chương 2 : Phân tích bộ điều khiển điện tử và tín hiệu Chương 3 : Các dạng xung tín hiệu của cảm biến G và NE Chương 4 : Nghiên cứu chế tạo máy chẩn đốn các loại ECU Chương 5 : Thực nghiệm chẩn đốn ECU

Kết luận

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 DẪN NHẬP

Chế độ hoạt động tối ưu của động cơ, phụ thuộc vào tín hiệu của các cảm biến Các tín hiệu này rất quan trọng, nhưng chỉ là yếu

tố gián tiếp ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ, vì tất cả tín hiệu của cảm biến đều gửi về ECU xử lý, dựa trên các tín hiệu cảm biến ECU tính tốn và đưa ra tín hiệu điều khiển sự hoạt động của các cơ cấu chấp hành của động cơ Vì vậy, sự hoạt động tối ưu của động cơ, phụ thuộc rất lớn vào tín hiệu điều khiển của ECU, hay nĩi cách khác ECU là bộ xử lý trung tâm quyết định rất lớn đến sự hoạt động của động cơ

Hình 1.1 Kết cấu cơ bản của hệ thống phun xăng điều khiển bằng

điện tử

1.2 MỘT SỐ MÁY CHẨN ĐỐN ĐỘNG CƠ

Song song với việc hiện đại hĩa chiếc ơ tơ ngày càng hồn hảo hơn thì vấn đề bảo trì, chẩn đốn, sửa chữa cũng ngày càng phức tạp hơn Với những chiếc ơ tơ hiện đại hiện nay, lượng dữ liệu điều

khiển xe ngày càng nhiều Vì vậy, chẩn đốn, sửa chữa theo phương pháp thủ cơng đã trở nên hết sức khĩ khăn nếu khơng muốn nĩi là khơng tưởng Do đĩ, để giúp cho người kỹ thuật viên thực hiện tốt cơng việc chẩn đốn và sửa chữa, các ơ tơ đời mới đã trang bị hệ thống tự chẩn đốn Sau đây là một số loại máy chẩn đốn động cơ

1.2.1 Máy chẩn đốn X431

1.2.2 Máy chẩn đốn 3100EVN

1.2.3 Máy chẩn đốn OBD-II (On Board Diagnostic)

1.3 NHỮNG VẤN ĐỀ CẤP THIẾT VỀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Ở CƠ SỞ ĐÀO TẠO NGHỀ

Là một ngành cơng nghệ luơn cĩ sự biến đổi liên tục về cơng nghệ, các kỹ sư ngành ơ tơ cũng phải được trang bị những kiến thức mới nhất, cập nhật nhất Tuy vậy, trong điều kiện hạn chế về tài chính, các máy mĩc, trang thiết bị phục vụ dạy học nhập khẩu cĩ giá thành đắt đỏ, chưa phù hợp với tình hình kinh tế của Việt Nam, càng khiến cho việc đào tạo chuyên sâu về kiến thức ơ tơ khĩ khăn hơn bao giờ hết

Trong bối cảnh đĩ, ngồi việc đào tạo kiến thức chuyên mơn, các giảng viên kỹ thuật cịn phải cĩ nhiệm vụ nghiên cứu ứng dụng các thiết bị dạy học hiện đại, sản xuất phục vụ cho cơng tác đào tạo

là cơng việc cĩ ý nghĩa thiết thực Trước mắt đĩ chính là sự chủ động

về cơng nghệ, về trang thiết bị, phù hợp với thực tiễn tình hình giảng dạy, sau đĩ là việc giảm giá thành so với các giải pháp nhập ngoại Mặt khác, các trang thiết bị tự nghiên cứu sẽ kích thích sự phát triển cơng nghệ trong nước, giúp nền khoa học của nước nhà hịa nhập với thế giới

1.3.1 Những vấn đề cấp thiết

1.3.2 Về mặt con người

1.3.3 Về mặt kinh tế

1.4 CÁC GIẢI PHÁP NGHIÊN CỨU VỀ ECU

Qua quá trình giảng dạy và tìm hiểu về chuyên ngành điện ơ

tơ và giải quyết một vấn đề được phân tích ở trên, một số giải pháp nghiên cứu về ECU như sau:

1.4.1 Thiết kế máy chẩn đốn lỗi động cơ

1.4.2 Thiết kế mạch giao tiếp giữa máy tính và ECU điều khiển

động cơ

1.4.3 Thiết kế máy chẩn đốn ECU

Máy chẩn đốn ECU với chức năng chủ yếu là đánh giá khả năng điều khiển phun xăng và điều khiển đánh lửa của ECU từ đĩ đánh giá tình trạng làm việc của động cơ Với yêu cầu đề tài như vậy, người thiết kế chỉ cần tìm ra tín hiệu nào quan trọng nhất, quyết định đến khả năng điều khiển phun xăng, điều khiển đánh lửa của ECU và nhận tín hiệu điều khiển đánh lửa và điều khiển phun xăng

từ ECU Bằng việc sử dụng ngơn ngữ C và kết hợp với các linh kiện điện tử Người thiết kế, lập giả xung tín hiệu cảm biến, quyết định sự điều khiển phun xăng, điều khiển đánh lửa và nhận tín hiệu điều khiển của ECU, để kiểm tra ECU và tình trạng làm việc do ECU này điều khiển

Theo phân tích trên đây ta thấy phương án này là khả thi với khả năng và thời gian thiết kế Vì vậy, tác giả quyết định chọn

“Nghiên cứu chế tạo máy chẩn đốn các loại ECU điều khiển

động cơ” làm đề tài luận văn thạc sĩ của mình

Chương 2

2.1 BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ (ECU – Electronic Control Unit)

2.1.1 Dẫn nhập

2.1.2 Cấu tạo

Hình 2.1 Sơ ñồ khối của các hệ thống trong máy tính với vi xử lý

2.1.3 Cấu trúc của ECU

tốc độ động cơ khi bật A/C, điều khiển bơm xăng, rơle EFI và đèn báo động cơ…như Hình 2.11 sau:

Hình 2.11 Sơ đồ điều khiển động cơ

Kết luận:

Qua tìm hiểu cấu tạo, chức năng điều khiển động cơ của ECU dựa vào tín hiệu từ các cảm biến, cho thấy ECU cĩ khả năng quyết định trực tiếp đến hoạt động của động cơ Nhưng tín hiệu cảm biến gửi đến ECU rất nhiều, trong đĩ cảm biến vị trí trục khuỷu G và cảm biến tốc độ động cơ NE, đặc trưng cho sự hoạt động của động

cơ và 2 tín hiệu này cĩ mối quan hệ mật thiết với nhau Vì vậy cần thiết phải lập trình giả xung cảm biến G và NE, để nghiên cứu, chế tạo máy chẩn đốn các loại ECU điều khiển động cơ

Chương 3 CÁC DẠNG XUNG TÍN HIỆU CỦA CẢM BIẾN G VÀ NE 3.1 ĐIỀU KHIỂN ĐÁNH LỬA

3.1.1 Dẫn nhập

3.1.2 Hệ thống ñánh lửa lập trình có bộ chia ñiện ( Distributor Ignition System)

Hình 3.3 Sơ ñồ hệ thống ñánh lửa lập trình có bộ chia ñiện

3.1.3 Hệ thống ñánh lửa lập trình không có bộ chia ñiện

3.1.3.1 Loại sử dụng một bôbin cho từng cặp bugi Distributorless Ignition)

(DLI-3.1.3.2 Loại sử dụng mỗi bôbin cho một bugi (DIS-Direct Ignition System)

3.2.1 Dẫn nhập

3.2.2 Điều khiển kim phun

3.2.2.1 Cấu tạo và phân loại

3.2.2.2 Phương pháp ñiều khiển kim phun

3.2.2.3 Chức năng của ECU trong việc ñiều khiển kim phun

• Phun ñồng thời

Hình 3.15 Phương pháp phun ñồng thời

• Tín hiệu G: 1 cuộn nhận tín hiệu, 4 răng

• Tín hiệu NE: 1 cuộn nhận tín hiệu, 24 răng

Hình 3.18 Sơ ñồ mạch ñiện, dạng tín hiệu G và NE loại 4-24 Thực nghiệm ño xung loại cảm biến này như sau:

Hình 3.19 Tín hiệu G và NE cảm biến 4-24 loại ñặt trong bộ chia

ñiện

- Loại 2-24

• Tín hiệu G: 1 cuộn nhận tín hiệu, 2 răng

• Tín hiệu NE: 1 cuộn nhận tín hiệu, 24 răng

- Lo ại 1-1-24

• Tín hiệu G1 và G2: 2 cuộn nhận tín hiệu, một răng

• Tín hiệu NE: 1 cuộn nhận tín hiệu, 24 răng

- Loại 4

• Tín hiệu NE : 2 cuộn nhận tín hiệu ñấu nối tiếp, 4 răng

- Loại 1- 4

• Tín hiệu G: 1 cuộn nhận tín hiệu, 1 răng

• Tín hiệu NE: 2 cuộn nhận tín hiệu ñấu nối tiếp, 4 răng

3.3.1.2 Loại tách rời

- Loại 1-1-12

Dạng tín hiệu G và NE ở cảm biến này tương tự với tín hiệu ở cảm biến 1-1-24 loại ñược bố trí trong bộ chia ñiện [2]

Thực nghiệm ño xung tín hiệu G và NE trên ñông cơ bằng máy Snap-on 1500 của loại cảm biến 1-1-12 như Hình 3.24 sau:

Hình 3.24 Tín hiệu NE và G1 cảm biến 1-1-12 loại tách rời trên

ñộng cơ

- Loại 1-(36-2)

Trong một chu kỳ làm việc của ñộng cơ (720o CA) sẽ phát ra

1 xung G và 68 xung NE

• Sơ ñồ mạch ñiện và dạng xung của tín hiệu NE và G22 loại 1-(36-2)

3.3.1.3 Loại cảm biến ñiện từ 3 cuộn nhận tín hiệu

Hình 3.31 Sơ ñồ mạch ñiện cảm biến TDC, CKP và CYP trên xe

Hình 3.35 Dạng xung G và NE của cảm biến quang 4-360

3.3.2.2 Cảm biến quang 6-360 trên các ñộng cơ 6 xy lanh

3.3.2.3 Cảm biến quang 4d-360 trên ñộng cơ 4 xy lanh

Thực nghiệm ño ñược dạng xung của cảm biến quang loại 4d-360, dạng xung của cảm biến này tương tự như 2 loại trình bày ở trên

Hình 3.38 Đo thực nghiệm dạng xung G và NE và cấu tạo của cảm

biến quang 4d-360 1-LED và photo diode 3-Đĩa rôto 2-Rãnh tạo tín hiệu G 4-Rãnh tạo tín hiệu NE

3.3.3.2 Cảm biến Hall 1-4 (1 tín hiệu G và 4 tín hiệu NE )

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY CHẨN ĐỐN

CÁC LOẠI ECU 4.1 CHỨC NĂNG CỦA MÁY CHẨN ĐỐN

4.2 SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT

Hình 4.1 thể hiện sơ đồ khối hệ thống của máy chẩn đốn

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống của máy chẩn đốn

4.3 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

4.3.1 Khối nguồn

1 J1

TBLOCK-I2

BR1

B80C1000

C4 1000u

C5 1000u

R2 330R D1 LED-RED +12v

C6 1uF C7

4.3.2.1 Dẫn nhập về LCD

4.3.2.2 Cấu trúc khối hiển thị

LCD được sử dụng trong máy chẩn đốn là loại 4x20

PORT dữ liệu của LCD là PORT 0, các chân điều khiển lần lượt được nối vào P2.5, P2.6 và P2.7

R9 là điện trở cĩ tác dụng bật LED nền của LCD, cịn RV1

là chiết áp điều khiển độ tương phản của LCD

4.3.3 Khối nhận tín hiệu phản hồi

Khi gửi tín hiệu xung giả G và NE vào ECU để kiểm tra, ngay lập tức ECU sẽ gửi các xung phản hồi đánh lửa và phun xăng

Ta dựa vào tín hiệu phản hồi này để tính tốn đưa ra kết quả thích hợp

IGT3 IGT4 IGT5

IJN0 IJN1 IJN2

IJN3 IJN4 IJN5

R4 10k

D2 1N4148 D3 1N4148 D4 1N4148 D5 1N4148 D6 1N4148 D7 1N4148

Q2

BC184

R5 10k R6

10k

D10 1N4148 D11 1N4148 D12 1N4148 D13 1N4148 D14 1N4148 D15 1N4148

Q3

BC161

R7 10k

R8 10k

D18 LED-RED D19 LED-RED D20 LED-RED D21 LED-RED D22 LED-RED D23 LED-RED

D24 LED-RED D25 LED-RED D26 LED-RED D27 LED-RED D28 LED-RED D29 LED-RED

1 4 7 10 J2

TBLOCK-I12

R33 330R R34 330R R35 330R R36 330R R37 330R R38 330R

R39 330R R40 330R R41 330R R42 330R R43 330R R44 330R

Hình 4.6 Khối nhận tín hiệu phản hồi

4.3.4 Khối giả xung G và NE

4.3.4.1 Dẫn nhập

Vận tốc ñộng cơ là n vòng/phút Mỗi chu kỳ làm việc, trục khuỷu cần quay ñược 2 vòng tương ứng với 720o Vậy thời gian thực hiện mỗi chu kỳ làm việc ứng với vận tốc n là:

n

T duty =120Cho rằng N là số khoảng chia xung lớn nhất của cảm biến Vậy khoảng trễ nhỏ nhất của xung cảm biến là:

N n N

- N: là số khoảng chia lớn nhất của cảm biến NE và G

- CA: là tỉ số trục khuỷu/khoảng chia

- n: là tốc ñộ quay của ñộng cơ (vòng/phút)

4.3.4.2 IC khuếch ñại dòng ULN2803

4.3.4.3 Mạch tạo xung giả lập G và NE trong các loại ñộng cơ

sin3-sin3+

sin2+

sin1+

sin2- p17

sin1-p15

p13

p11

vuong1-

vuong3-TR1 TRSAT2P2S

TR2 TRSAT2P2S

TR3 TRSAT2P2S

D34 1N4007

D35 1N4007

D36 1N4007

RESPACK-8

D37 1N4728A

D38 1N4728A

D39 1N4728A D40 1N4728A

D41 1N4728A D42 1N4728A

1B 1 2B 2 3B 3 4B 4 5B 5 6B 6 7B 7 8B 8

1C 182C 17 3C 164C 15 5C 14 6C 137C 12 8C 11

COM 10 U3

ULN2803

+12v

C8 33p

C9 33p

C10 33p R10 10k

R11 10k R12 10k

D43 1N4007 D44 1N4007 D45 1N4007

Hình 4.9 Sơ ñồ mạch chế tạo giả xung tín hiệu G và NE

4.3.5 Khối nhận phím ñiều khiển

INT1

INT1 IJN_INT

BT0 BT1 BT2 BT3 BT0 BT1 BT2 BT3

2 4 6 8

RP1 RESPACK-8

D30 1N4148

D31 1N4148

D32 1N4148

D33 1N4148

Hình 4.10 Sơ ñồ khối bàn phím

4.3.6 Khối xử lý trung tâm

4.3.6.1 Dẫn nhập

4.3.6.2 Thiết kế hệ thống

Dưới ñây là sơ ñồ thiết kế:

Hình 4.11 Sơ ñồ khối trung tâm

4.4 THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

Chương 5

5.1 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG MÁY CHẨN ĐOÁN CÁC LOẠI ECU

Hình 5.1 Cấu tạo máy chẩn đốn các loại ECU

5.1.2 An tồn khi sử dụng máy

5.2 THỰC NGHIỆM CHẨN ĐỐN ECU CỦA HÃNG XE TOYOTA

5.2.1 Sơ đồ đấu dây

5.2.2 Vận hành chẩn đốn

- Ấn Start để bắt đầu kiểm tra Màn hình hiện ra như sau:

Hình 5.5 Màn hình kiểm tra ECU trên động cơ 3S-FE(Cảm biến

4S-24S )

5.2.3 Đánh giá kết quả:

Theo kết quả kiểm tra từ máy chẩn đốn ECU của của động

cơ 3S-FE, loại cảm biến 4S-24S cho thấy, trong một chu kỳ làm việc,

ECU cung cấp 4 tín hiệu đánh lửa và 2 tín hiệu phun xăng Chứng tỏ, ECU cịn điều khiển tốt

5.3 THỰC NGHIỆM CHẨN ĐỐN ECU CỦA HÃNG XE FORD

5.3.1 Sơ đồ nối dây

5.3.2 Vận hành chẩn đốn

5.3.3 Đánh giá kết quả:

Kết quả đo được hiển thị trên máy chẩn đốn: Mỗi chu kỳ làm việc của động cơ cĩ 4 tín hiệu đánh lửa và 1 tín hiệu phun xăng Khớp với kết quả đo trên máy hiện sĩng Vậy cĩ thể kết luận rằng ECU cịn hoạt động tốt

5.4 THỰC NGHIỆM CHẨN ĐỐN ECU CỦA HÃNG XE NISSAN

5.4.1 Sơ đồ nối dây

5.4.2 Vận hành chẩn đốn

Hình 5.9 Sơ đồ nối dây cho ECU của hãng xe Nissan

5.4.3 Đánh giá kết quả:

5.4.3.1 Đánh giá kết quả kiểm tra ECU bằng máy chẩn đốn

Để đánh giá kết quả chẩn đốn ECU ta dựa vào các bộ phận