Hệ thống điều khiển bao gồm: ngõ vào Inputs với chủ yếu là các cảm biến; Bộ điều khiển trung tâm ECU Electronic Control Unit là bộ não của hệ thống; Ngõ ra Outputs bao gồm các cơ cấu ch
Trang 1KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG
BÀI GIẢNG
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ - ÔTÔ
Biên soạn: Th.S Phạm Quốc Thái
Đà Nẵng, 2011
Chuyên đề 4:
Trang 2CHUYÊN ĐỀ 4: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
ĐỘNG CƠ VÀ ÔTÔ
4.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ - ÔTÔ
Sơ đồ cấu trúc và các khối chức năng của hệ thống điều khiển động cơ - ôtô theo chương trình được mô tả trên hình 4.1 Hệ thống điều khiển bao gồm: ngõ vào (Inputs) với chủ yếu là các cảm biến; Bộ điều khiển trung tâm ECU
(Electronic Control Unit) là bộ não của hệ thống; Ngõ ra (Outputs) bao gồm các
cơ cấu chấp hành (Actuators) như: vòi phun, bobin, van điều khiển cầm chừng, động cơ bước (mở bướm ga),…
Cảm biến kiểm soát liên tục tình trạng hoạt động của động cơ và báo về cho bộ điều khiển ECU biết Từ đó, ECU sẽ tính toán, xử lý tín hiệu và đưa ra tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành
Chương trình điều khiển động cơ được nhà chế tạo viết và cài đạt sẵn trong bộ nhớ của ECU Tùy thuộc vào từng chế độ làm việc hay tình trạng của động cơ mà ECU sẽ tính toán dựa trên chương trình sẵn có để đưa ra những tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành sao cho động cơ làm việc tối ưu
4.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
4.2.1 Bộ điều khiển trung tâm (ECU - Electronic Control Unit)
Bộ điều khiển trung tâm ECU là một vi mạch tổ hợp cỡ lớn dùng để nhận biết tín hiệu, tính toán, lưu trữ thông tin, quyết định chức năng hoạt động và gửi các tín hiệu điều khiển thích hợp đến các cơ cấu chấp hành
ECU được đặt trong vỏ kim loại để giải nhiệt tốt và được bố trí ở nơi ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm Các linh kiện điện tử của ECU được sắp xếp trong một mạch in Các linh kiện công suất của tầng cuối, nơi điều khiển các cơ cấu chấp hành được gắn với khung 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) giúp ECU đạt độ tin cậy cao
Trang 3Trên ôtô hiện đại được trang bị nhiều bộ điều khiển ECU: ECU điều khiển động cơ, ECU điều khiển hộp số tự động, ECU điều khiển ABS, ECU điều khiển điều hòa,…Các ECU được nối với nhau thông qua hệ thống mạng để chia sẻ cơ
sở dữ liệu Bên trong ECU, bộ phận quan trọng nhất là bộ vi xử lý
Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ - ôtô
Cảm biến lưu
lượng khí nạp
ECU ĐỘNG
CƠ
Cảm biến vị trí
bướm ga
Cảm biến vị trí
piston
Cảm biến nhiệt
độ động cơ
Cảm biến nhiệt
độ khí nạp
Cảm biến oxy
Tín hiệu khởi
động
Các tín hiệu tải
Cảm biến tốc độ
động cơ
Điều khiển nhiên liệu
Điều khiển đánh lửa
Chẩn đoán
Điều khiển cầm chừng
V G
VTA
G
NE
THW
THA
OX
STA
ELS A/C
TE1
W
#10
#20
IGT
ISC
CẢM BIẾN
ĐẦU VÀO
BỘ ĐIỀU KHIỂN CHẤP HÀNH CƠ CẤU
Trang 4(Microprocessor) hay còn gọi là CPU, CPU lựa chọn các lệnh và xử lý số liệu từ
bộ nhớ ROM và RAM chứa các chương trình và dữ liệu ngõ vào ra (I/O) điều khiển nhanh số liệu từ các cảm biến và chuyển các dữ liệu đã xử lý đến điều khiển các cơ cấu chấp hành
Sự phát triển của ECU trên động cơ gắn liền với sự phát triển của vi xử
lý Trên những thế hệ ECU đầu tiên dùng loại 4, 8 bit Hiện nay, nhu cầu điều khiển trên ôtô ngày càng nhiều, chương trình điều khiển ngày càng lớn và phức tạp, người ta sử dụng ECU loại 16 và 32 bit
4.2.1.1 Bộ vi xử lý: có chức năng tính toán và ra quyết định Nó được coi như là
‘‘bộ não’’ của ECU
4.2.1.2 Bộ nhớ: bộ nhớ của ECU gồm các loại:
- ROM (Read Only Memory): dùng trữ thông tin thường trực Bộ nhớ này chỉ đọc thông tin từ đó ra chứ không thể ghi vào được Chương trình điều khiển động cơ do nhà sản xuất lập trình và được nạp sẵn trong bộ nhớ ROM
MICROPROCESSOR
Hình 4.3 Sơ đồ khối cấu trúc bên trong ECU
Hình 4.2. C ấu tạo bộ điều khiển ECU
Trang 5- RAM (Random Access Memory): bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiín dùng để lưu trữ thông tin mới tạm thời hoặc kết quả tính toân trung gian khi động cơ lăm việc Khi mất nguồn cung cấp từ acquy đến mây tính thì dữ liệu trong bộ nhớ RAM sẽ không còn
- PROM (Programmable read only memory): cấu trúc cơ bản giống như ROM nhưng cho phĩp lập trình (nạp dữ liệu) ở nơi sử dụng chứ không phải nơi sản xuất như ROM PROM cho phĩp sửa đổi chương trình điều khiển theo những yíu cầu khâc nhau
4.2.1.3 Đường truyền – BUS: có nhiệm vụ chuyển câc lệnh vă số liệu trong
ECU vă giữa câc ECU với nhau theo hai chiều
4.2.1.4 Mạch giao tiếp ngõ văo:
- Bộ chuyển đổi A/D (Analog To Digital Converter): dùng để chuyển câc tín hiệu tương tự từ đầu văo với sự thay đổi điện âp trín câc cảm biến thănh câc tín hiệu số để đưa văo bộ xử lý
- Bộ đếm (counter): đếm xung tín hiệu từ câc cảm biến (tốc độ động cơ,
tốc độ xe) rồi gửi số đếm đến bộ vi xử lý
Hình 4.5. B ộ đếm
Bộ
vi xử lý
Bộ đếm
Số
ECU SENSOR
Hình 4.4 Bộ chuyển đổi A/D
Bộ chuyển đổi A/d
Bộ
vi xử lý
Dây tín hiệu 5V
Trang 6- Mạch khuếch đại (amplifier): Một số cảm biến có tín hiệu rất nhỏ nín trong ECU cần phải có câc bộ khuếch đại
- Mạch ổn âp: bín trong ECU có câc IC điều âp 7812 vă 7805 để ổn âp: 12V vă 5V Nguồn 5V cung cấp cho câc cảm biến lăm việc
4.2.1.5 Giao tiếp ngõ ra: tín hiệu điều khiển từ bộ vi xử lý sẽ đưa đến câc
transistor công suất điều khiển rơle, solenoid, môtơ,
Hình 4.7. Bộ ổn âp
Bộ
vi xử lý Bộ ổn áp
B+ (12V)
Hình 4.8 Giao tiếp ngõ ra
ECU
Bộ
vi xử lý
Điều khiển Rơle Môtơ Solenoi
Hình 4.6 Bộ khuếch đại
Tín hiệu mạnh Bộ
vi xử lý
Bộ
vi xử lý
Tín hiệu yếu
Điện áp
Trang 74.2.2 Các cảm biến
4.2.2.1 Cảm biến lưu lượng khí nạp
• Kết cấu và nguyên lý hoạt động:
Nguyên lý của cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu dây sấy dựa trên sự phụ thuộc của năng lượng nhiệt thoát ra từ một phần tử nhiệt được nung nóng và đặt trong dòng khí nạp Khi có dòng điện đi qua làm cho dây sấy nóng lên Khi không khí chạy qua, dây sấy được làm nguội tương ứng với khối lượng không khí nạp, bằng cách điều chỉnh dòng điện chạy vào dây sấy này để giữ cho nhiệt độ dây sấy không đổi, dòng điện đó sẽ tỉ lệ thuận với lượng không khí nạp bằng cách phát hiện dòng điện đó ta xác định được lượng không khí nạp Trong trường hợp này, dòng điện chuyển thành điện áp và gửi đến ECU động cơ
• Mạch điện cảm biến đo lưu lượng khí:
Hình 4.9 Kết cấu và đặc tính của cảm biến lưu lượng
1 Nhi ệt điện trở; 2 Dây sấy platin
Hình 4.10 Sơ đồ mạch điện của cảm biến lưu lượng khí nạp
1
ECU
E2 VG
3
2
R1
B R2
A R3
Trang 8Cảm biến lưu lượng khí nạp được đặt trên đường ống nạp, bao gồm một
lượng khí nạp ECU nhận dựa vào tín hiệu này để điều chỉnh thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản
4.2.2.2 Cảm biến vị trí trục khuỷu
• Kết cấu và nguyên lý hoạt động:
Cảm biến vị trí trục khủy dùng để xác đinh tốc độ động cơ ECU nhận tín hiệu này để tính toán góc đánh lửa tối ưu và thời điểm phun nhiên liệu
Cảm biến gồm nam châm vĩnh cửu được gắn với lõi thép, trên lõi thép được quấn cuộn dây tính hiệu, Rôto tín hiệu dùng để khép mạch từ, được đặt gần cuộn dây cảm biến và được dẫn động từ trục khủy
Khi động cơ làm việc, rôto 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 và được đưa về ECU
Ngoài ra, trên rôto có 2 răng khuyết nên cảm biến này còn dùng để xác định vị trí piston ECU động cơ dùng thông tin này để xác định thời gian phun và thời điểm đánh lửa
Hình 4.11 Cảm biến vị trí trục khuỷu
1 Cu ộn dây; 2 Lõi sắt; 3 Thân cảm biến;
4 Nam châm; 5 L ớp cách điện 6 Giắc cắm
Trang 9• Mạch điện cảm biến vị trí trục khủy:
4.2.2.3 Cảm biến nồng độ oxy
• Kết cấu và nguyên lý hoạt động:
Cảm biến oxy được dùng để xác định hòa khí tức thời của động cơ đang hoạt động Nó phát ra tín hiệu điện áp gửi về ECU để điều chỉnh tỷ lệ hòa khí thích hợp trong mọi điều kiện làm việc của động cơ
Cảm biến oxy được chế tạo chủ yếu từ ZrO2 (đioxyt Ziconium) có tính chất hấp thụ những ion oxy âm tính Thực chất, cảm biến oxy là một pin nhiên liệu, có sức điện động phụ thuộc vào nồng độ oxy trong khí thải với ZrO2 là chất điện phân Mặt trong của ZrO2 tiếp xúc với không khí, mặt ngoài tiếp xúc với oxy trong khí thải Ở mỗi mặt của ZrO2 được phủ một lớp điện cực bằng platin
để dẫn điện Khi khí thải chứa lượng oxy ít do hỗn hợp giàu nhiên liệu thì số ion oxy tập trung ở điện cực tiếp xúc với khí thải ít hơn số ion tập trung ở điện cực tiếp xúc với không khí Chênh lệch số ion này sẽ tạo nên một hiệu điện thế
Hình 4.12 Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí trục khuỷu
1 Rôto tín hi ệu; 2 Cuộn dây cảm biến vị trí trục khủy
Hình 4.13 Kết cấu và đặc tính của cảm biến oxy có bộ sấy
Trang 10khoảng 600 – 900mV Ngược lại, khi hỗn hợp nghèo, chênh lệch số ion ở hai điện cực nhỏ, pin sẽ phát ra một tín hiệu điện áp thấp từ 100 – 400mV
• Mạch điện cảm biến ôxy:
Trong cảm biến có một bộ sấy được gắn phía trước để vận hành bộ trung hòa khí xả ba thành phần được tối ưu
4.2.2.4 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
• Kết cấu và nguyên lý hoạt động:
Khi động cơ hoạt động, cảm biến nhiệt độ nước làm mát thường xuyên theo dõi và báo cho ECU biết tình hình nhiệt độ động cơ Cảm biến có cấu tạo từ một nhiệt điện trở, có hệ số số nhiệt âm Sự thay đổi nhiệt độ của nước làm mát
sẽ làm thay đổi điện trở của nhiệt điện trở bên trong cảm biến Khi nhiệt độ động
cơ tăng, điện trở sẽ giảm và ngược lại
Thông tin từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát báo về ECU Từ đó, ECU sẽ hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm và thời gian phun nhiên liệu
Hình 4.14 Sơ đồ mạch điện cảm biến ôxy có bộ sấy
Hình 4.15 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
1 Nhi ệt điện trở; 2 Thân cảm biến; 3 Lớp cách điện; 4 Giắc cắm dây
Trang 11• Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát:
4.2.2.5 Cảm biến kích nổ
• Kết cấu và nguyên lý hoạt động:
Cảm biến kích nổ được gắn trên thân xy lanh dùng để phát hiện hiện tượng kích nổ xảy ra Từ đó ECU sẽ điều chỉnh góc đánh lửa sớm để ngăn chặn hiện tượng này
Cảm biến kích nổ được chế tạo từ vật liệu áp điện, thường dùng nhất là tinh thể thạch anh Khi có hiện tượng kích nổ xảy ra, tinh thể thạch anh sẽ chịu một áp lực lớn và tần số rung động cao (f = 6 – 15 kHz), do đó sẽ sinh ra tín hiệu điện áp
Hình 4.16 Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát
1 Kh ối cảm biến; 2 Nhiệt điện trở; 3 Khối điều khiển;
E2
R THW
Hình 4.17 Đặc tính của cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Trang 12• Mạch điện cảm biến kích nổ:
4.2.2.6 Cảm biến vị trí bướm ga
• Kết cấu và nguyên lý hoạt động:
Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên trục cánh bướm ga Cảm biến này đóng vai trò chuyển góc mở cánh bướm ga thành tín hiệu điện gửi đến ECU để điều khiển động cơ tương ứng với độ mở bướm ga và chế độ tải của động cơ
Hình 4.18 Kết cấu cảm biến kích nổ
1 Thân c ảm biến; 2 Phần tử áp điện; 3 Điện trở phát hiện hở mạch
Hình 4.19 Đồ thị biểu diễn dạng tín hiệu kích nổ
Hình 4.20 Sơ đồ mạch điện cảm biến kích nổ
1 Ph ần tử áp điện; 2 Điện trở
ECU
5V KNK1
EKNK
Trang 13• Sơ đồ mạch điện và đặc tính cảm biến:
Hình 4.21 Kết cấu cảm biến vị trí bướm ga
Hình 4.23 Đặc tính của cảm biến Hình 4.22 Sơ đồ mạch cảm biến vị trí bướm ga
Trang 144.2.3 Các cơ cấu chấp hành
4.2.3.1 Vòi phun
• Kết cấu và nguyên lý hoạt động:
Trong quá trình làm việc của động cơ, ECU liên tục nhận các tín hiệu đầu vào từ các cảm biến Qua đó, ECU sẽ tính toán và đưa tín hiệu đến điều khiển vòi phun tương ứng với lượng nhiên liệu cần thiết cung cấp cho động cơ
Vòi phun hoạt động bằng điện từ, lượng phun và thời điểm phun nhiên liệu phụ thuộc vào tín hiệu từ ECU Vòi phun được lắp vào nắp quy lát ở gần cửa nạp của từng xy lanh qua một tấm đệm cách nhiệt và được bắt chặt vào ống phân phối nhiên liệu
Khi cuộn dây (5) nhận được tín hiệu từ ECU, piston (7) sẽ bị kéo lên thắng được sức căng của lò xo Do van vòi và piston là cùng một khối nên van cũng bị kéo lên tách khỏi đế van của nó và nhiên liệu được phun ra Lượng nhiên liệu phun được điều khiển bằng khoảng thời gian phát ra tín hiệu của ECU
Hình 4.24 Kết cấu vòi phun nhiên liệu
1 Thân vòi phun ;2 Gi ắc cắm; 3 Đầu vào; 4 Gioăng chữ O;
Trang 15• Mạch điện điều khiển phun nhiên liệu:
Điện áp từ ắc quy được cung cấp đến các vòi phun qua cầu chì và khóa điện Một đầu của vòi phun được nối với ắc quy, đầu còn lại được điều khiển bởi ECU ECU sẽ thu thập các thông tin từ các cảm biến, từ đó tính toán và đưa ra tín hiệu điều khiển vòi phun vào thời điểm thích hợp cho từng xilanh của động cơ
Hình 4.25 Sơ đồ mạch điện điều khiển phun nhiên liệu
