Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm bộ điều khiển tự động động cơ xăng trang bị trên ô tô hiện đại

Điều khiển đánh lửa bằng điện tử ESA  Khái quát hệ thống Hệ thống ESA Đánh lửa sớm điện tử là một hệ thống dùng ECU động cơ để xác định thời điểm đánh lửa dựa vào các tín hiệu từ cá

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MUC CÁC BẢNG iv

DANH MỤC CÁC HÌNH v

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ 1.1 Tổng quan về cơ điện tử trên ô tô 3

1.2 Điều khiển động cơ 5

1.2.1 Điều khiển đánh lửa bằng điện tử (ESA) 5

1.2.2 Điều khiển tốc độ không tải (ISC) 8

1.2.3 Hệ thống phun nhiên liệu điện tử (EFI) 10

1.2.3.1 Hệ thống phun xăng điện tử (EFI-xăng) 10

1.2.3.2 Hệ thống phun dầu điện tử (EFI-diesel) 12

1.3 Hệ thống điều khiển khung gầm 15

1.3.1 Điều kiển hệ thống chống bó cứng bánh xe (ABS) 15

1.3.2 Hệ thống treo khí điều khiển bằng điện tử (EMAS) 17

1.3.3 Hệ thống lái trợ lực điện (EPS) 18

1.4 Các hệ thống điều khiển khác 18

1.4.1 Hệ thống điều khiển điện tử của hộp số tự động ECT 19

1.4.2 Hệ thống mã khóa động cơ 19

Chương 2: KẾ CẤU VÀ NGUYÊN LÝ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỘNG CƠ XĂNG (ECU) 2.1 Tổng quan về ECU (Electronic Control Unit) 21

2.1.1 Chức năng – yêu cầu của ECU 21

2.1.2 Kết cấu chung của ECU 22

2.2 Cấu tạo của ECU 26

2.2.1 Giới thiệu về ECU GEMS - K1 27

2.2.2 Các chân của ECU GEMS-K1 30

2.2.3 Cấu tạo của ECU GEMS - K1 37

2.2.3.1 Khối nhận tín hiệu 40

2.2.3.2 Khối vi điều khiển 50

2.2.3.3 Khối chấp hành 58

Chương 3: CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG CƠ 3.1 Đặt vấn đề 73

3.2 Các thông số cơ bản cho hệ thống đánh lửa 74

3.2.1 Lựa chọn các thông số cơ bản cho hệ thống đánh lửa 74

3.2.2 Tính toán các thông số cho hệ thống đánh lửa lập trình ECU 75

3.3 Thiết kế phần cứng ECU 82

3.3.1 Chọn linh kiện chế tạo bộ điều khiển đánh lửa điện tử 82

3.3.1.1 Giới thiệu về atmega8 83

3.3.1.2 Sơ đồ khối của atmega8 86

3.3.2 Sơ đồ các khối trong ECU 87

3.3.2 1 Khối nguồn 87

3.3.2.2 Khối tín hiệu vào 88

3.3.2.3 Khối vi điều khiển atmega8 90

3.3.2.4 Khối điều khiển ra đánh lửa (khối công suất) 92

3.4 Chương trình điều khiển đánh lửa cho ECU 95

3.4.1 Thuật toán điều khiển đánh lửa 95

3.4.2 Viết chương trình 96

3.4 Kết quả và đánh giá 106

3.4.1 Chuẩn bị 106 3.4.2 Chạy thử 107 3.4.3 Kết quả 107

Chương 4:

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT KIẾN NGHỊ

4.1 Kết luận 109 4.2 Kiến nghị 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO 112

DANH MUC CÁC BẢNG

Bảng 2.1-Một số thông số kỹ thuật của xe 28

Bảng 2.2-Một số thông số kỹ thuật của động cơ 28

Bảng 2.3-Chức năng các chân của ECU 31

Bảng 2.4-Chức năng các chân của vi điều khiển TC1677 52

Bảng 3.1-Thông số cho hệ thống đánh lửa 75

Bảng 3.2-Bản đồ góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh(θ hc ) 78

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1-Cấu trúc chung của hệ thống điều 3

Hình 1.2-Một số hệ thống cơ điện tử trên ô tô 4

Hình 1.3-Sơ đồ tổng quát hệ thống ESA 5

Hình 1.4-So sánh đặc tuyến điều chỉnh góc đánh lửa sớm bằng cơ khí và điện tử 7

Hình 1.5-Điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo tốc độ xe 7

Hình 1.6-Sơ đồ tổng quát hệ thống ISC 8

Hình 1.7-Sơ đồ tổng quát của hệ thống phun xăng điện tử 10

Hình 1.8-Sơ đồ tổng quát của hệ thống phun dầu điện tử loại thông thường 12 Hình 1.9-Sơ đồ tổng quát của hệ thống EFI-diesel kiểu phân phối 14

Hình 1.10-Sơ đồ điều khiển kín của ABS 16

Hình 1.11- Sơ đồ tổng quát của hệ thống EAMS 17

Hình 1.12-Sơ đồ tổng quát thệ thống lái 18

Hình 1.13-Tổng quát hệ thống mã khóa động cơ 20

Hình 2.1-ECU thực tế 22

Hình 2.2-Sơ đồ khối của các hệ thống trong máy tính 23

Hình 2.3-Cấu trúc máy tính 23

Hình 2.4-Mạch điện của bộ chuyển đổi A/D 24

Hình 2.5-Mạch điện của bộ đếm 25

Hình 2.6-Mạch điện của bộ nhớ trung gian 25

Hình 2.7-Mạch điện của bộ khuếch đại 25

Hình 2.8-Mạch điện bộ ổn áp 26

Hình 2.9-Mạch điện giao tiếp ngõ ra 26

Hình 2.10-Trạng thái các bit 27

Hình 2.11-Bên ngoài ECU GEMS– K1 27

Hình 2.12-Bên trong ECU GEMS– K1 27

Hình 2.13-Động cơ SQR43F 29

Hình 2.14-Các chân của ECU trên j1A 30

Hình 2.15-Các chân của ECU trên j1B 31

Hình 2.16-Sơ đồ các khối điều khiển của ECU GEMS-K1 37

Hình 2.17-Mạch in lớp trên của ECU 38

Hình 2.18-Mạch in lớp dưới của ECU 39

Hình 2.19-Vị trí khối nguồn trên ECU 40

Hình 2.20-Sơ đồ mạch nguồn 41

Hình 2.21-Sơ đồ khối IC TLE7368G 42

Hình 2.22-Tín hiệu điện áp vào 44

Hình 2.23-Sơ đồ lọc tín hiệu vào từ cảm biến vị trí bướm ga1 44

Hình 2.24-Sơ đồ lọc tín hiệu vào từ cảm biến vị trí bướm ga2 45

Hình 2.25-Sơ đồ lọc tín hiệu vào từ cảm biến vị trí bàn đạp chân ga 1, 2 45

Hình 2.26-Sơ đồ lọc tín hiệu vào từ cảm biến vị trí bướm ga 46

Hình 2.27-Sơ đồ lọc tín hiệu vào từ cảm biến nhiệt độ không khí nạp 46

Hình 2.28-Sơ đồ lọc tín hiệu vào từ cảm biến nhiệt độ động cơ 46

Hình 2.29-Sơ đồ lọc tín hiệu vào từ cảm biến nhiệt độ động cơ 47

Hình 2.30-Lọc tín hiệu A/C switch 47

Hình 2.31-Mạch chuyển đổi tín hiệu cảm biến vị trí trục cam 47

Hình 2.32-Mạch chuyển đổi tín hiệu cảm biến tốc độ trục khuỷu 48

Hình 2.33-Mạch chuyển đổi tín hiệu cảm biến Lambda_senson1 49

Hình 2.34-Mạch chuyển đổi tín hiệu cảm biến Lambda_senson2 49

Hình 2.35-Sơ đồ lọc tín hiệu cản biến tóc độ xe 49

Hình 2.36-Vị trí khối đầu vào các tín hiệu trên ECU 50

Hình 2.37-Chip TC 176 50

Hình 2.38-Sơ đồ khối chip TC 1766 51

Hình 2.39-Vị trí khối vi điều khiển trên ECU 58

Hình 2.40-Mạch điện đến IC đánh lửa máy 1 59

Hình 2.41-Mạch điện đến IC đánh lửa máy 2 59

Hình 2.42-Mạch điện đến IC đánh lửa máy 3 59

Hình 2.43-Mạch điện đến IC đánh lửa máy 4 59

Hình 2.44-Sơ đồ khối và các chân của NGB8204N 60

Hình 2.45-Mạch ứng dụng NGB8204N 60

Hình 2.46-Vị trí khối điều khiển phun xăng trên ECU 61

Hình 2.47-Sơ đồ khối điều khiển đánh lửa 61

Hình 2.48-Điều khiển góc đánh lửa 62

Hình 2.49-Góc đánh lửa sớm thực tế 62

Hình 2.50-Mạch điều khiển phun xăng 64

Hình 2.51-Sơ đồ khối của TLE8710E 65

Hình 2.52-Vị trí khối điều khiển phun xăng trên ECU 65

Hình 2.53-Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phun xăng 66

Hình 2.54-Sơ đồ mạch điều khiển bướm ga 67

Hình 2.55-Sơ đồ khối IC TLE8209 68

Hình 2.56-Khối điều khiển bướm ga 69

Hình 2.57-Khối điều khiển ISCV 70

Hình 2.58-Sơ đồ khối của TLE4208 71

Hình 2.59-Khối điều khiển chạy không tải (ISCV) 72

Hình 2.60-Vị trí cụm điều khiển bướm ga ETC trên ECU 72

Hình 3.1-Quá trình tăng trưởng dòng sơ cấp 77

Hình 3.2-Góc đánh lửa sớm thực tế 79

Hình 3.3-Dạng vấu từ và tín hiệu của cảm biến vị trí trục cam 80

Hình 3.4-Xung tín hiệu vị trí trục cam (G) 80

Hình 3.5-Giản đồ mô tả nguyên lý đo tốc độ động cơ và điều khiển thời điểm đánh lửa 82

Hình 3.6-Sơ đồ chân của vi điều khiển ATMEGA8L 85

Hình 3.7-Sơ đồ khối vi điều khiển ATMEGA8L 87

Hình 3.8-Khối tạo nguồn 5V cho vi điều khiển 88

Hình 3.9-Sơ đồ tín hiệu cảm biến vị trí bướm ga 88

Hình 3.10-Mạch chuyển đổi tín hiệu vào vi xử lý 89

Hình 3.11-Tín hiệu khởi động STA 90

Hình 3.12-Các chân tín hiệu vào và các chân tín hiệu ra điều khiển 90

Hình 3.13-Khối mạch reset cho vi điều khiển 91

Hình 3.14-Khối tạo xung nhịp dao động cho vi điều khiển 92

Hình 3.15-Sơ đồ mạch khối ra điều khiển đánh lửa 92

Hình 3.16-Sơ đồ mạch điều khiển ECU 92

Hình 3.17-Sơ đồ thuật toán điều khiển góc đánh lửa sớm 95

Hình 3.18-Sơ đồ tổng quát về bo mạch điều khiển đánh lửa 107

Hình 3.19-Các chân kết nối các tín hiệu của bo mạch điều khiển đánh lửa 107 Hình 3.20-Xung IGT1 trên máy hiện sóng Oscilloscope 108

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay khoa học kỹ thuật đang phát triển rất nhanh mang lại lợi ích rất

to lớn cho con người cả về vật chất lẫn tinh thần Để nâng cao đời sống của nhân dân và hòa nhập với sự phát triển chung của đất nước trong khu vực khác trên thế giới Nhà nước ta đẩy mạnh công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước Một trong những mục tiêu đặt ra là phát triển ngành công nghiệp cơ khí ôtô Ngành công nghiệp cơ khí ôtô đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển chung của toàn xã hội về giải quyết việc làm, thúc đẩy nền kinh tế quốc dân Trong những thập niên gần đây sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, nhu cầu vận chuyển hàng hóa và nhu cầu đi lại ngày càng cao Mạng lưới giao thông phát triển nhanh phương tiện giao thông đi lại bằng ôtô ngày càng chiếm vị trí quan trọng và không thể thiếu được đối với xã hội Vì thế, vấn đề học tập và nghiên cứu về ngành kỹ thuật ô tô trở nên rất cần thiết Việc nghiên cứu chế tạo thử nghiệm bộ điều khiển tự động động cơ xăng trang bị trên ô tô hiện đại giúp tôi có một cái nhìn cụ thể hơn, sâu sắc hơn về vấn đề này Đây cũng là lý do mà đã khiến tôi chọn đề tài này làm đề tài đồ án tốt nghiệp với mong muốn được nghiên cứu kỹ hơn, sâu hơn về hệ thống điều khiển tự động trên động cơ xăng, để từ đó có thể chế tạo được một số hệ thống điều khiển tự động, đưa ra được các giải pháp về các vấn đề hư hỏng thường gặp ở hệ thống điều khiển tự động này

Sau gần 3 tháng nỗ lực cố gắng, tôi đã hoàn thành nội dung cơ bản của đề tài cụ thể gồm 4 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về cơ điện tử trên ô tô

Chương 2: Kế cấu và nguyên lý điều khiển tự động động cơ

Chương 3: Chế tạo thử nghiệm hệ thống điều khiển động cơ

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Với tôi, đây là đề tài khá mới, tài liệu tham khảo còn ít, kiến thức chuyên

môn còn nhiều hạn chế, kinh nghiệm chưa nhiều và điều kiện thời gian không cho phép nhưng bản thân đã rất cố gắng hoàn thành các nội dung cơ bản của

đề tài, mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong các quý thầy cô giáo trong bộ môn và bạn bè góp ý để nội dung

của đồ án được bổ sung hoàn thiện hơn

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo hướng dẫn Trần Ngọc Anh, các thầy cô giáo trong bộ môn cùng tất cả các bạn sinh viên đã giúp tôi hoàn thành đồ án này

Xin chân thành cám ơn!

Nha Trang, ngày 01 tháng 07 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Đỗ Văn Đắc

Chương 1:

TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ

1.1 Tổng quan về cơ điện tử trên ô tô

Cùng với sự phát triển của kỹ thuật, chiếc xe ngày nay ngày một tiện nghi và hiện đại hơn Trên một chiếc ô tô hiện đại, phần điện, điện tử chiếm một phần đáng kể trong giá trị tổng thành của nó Hệ thống điện và điện tử can thiệp vào gần như tất cả các hệ thống trên một chiếc xe, từ hệ thống đơn giản có từ lâu đời như khởi động, cung cấp điện, đánh lửa đến những hệ thống mới được nghiên cứu ứng dụng như phanh, lái, treo, Trong tương lai, chiếc

xe được ví như một robot, là sự kết hợp hoàn hảo giữi phần cơ và phần điện Tình trạng hoạt động của xe được theo dõi bằng các tín hiệu cảm biến, từ những tín hiệu đó, ECU xử lý tín hiệu và quyết định điều khiển cơ chấp hành

Hình 1.1-Cấu trúc chung của hệ thống điều.

Sau đây là một số hệ thống cơ bản kết hợp giữi phần cơ và phần điện (cơ

- điện tử) trên ô tô:

 Hệ thống điều khiển động cơ

 Hệ thống điều khiển khung gầm

 Hệ thống điều khiển khác

 Hệ thống điều khiển động cơ:

 Điều khiển đánh lửa bằng điện tử (ESA)

 Điều khiển chạy không tải (ISC)

 Điều khiển phun nhiên liệu bằng điện tử (EFI):

• Điều khiển phun xăng điện tử (EFI-xăng)

• Điều khiển phun dầu điện tử (EFI-diesel)

Các điều khiển này giúp động cơ đáp ứng được các yêu cầu gắt gao về khí xả và tính tiết kiệm nhiên liệu Đồng thời, công suất động cơ được cải thiện rõ rệt

 Hệ thống điều khiển khung gầm:

 Điều khiển hệ thống chống bó cứng bánh xe (ABS)

 Điều khiển hệ thống treo khí bằng điện tử (EMAS)

 Điều khiển hệ thống lái (EPS)

 Một số điều khiển khác

Các điều khiển này tăng sự an toàn cho người sử dụng

 Các hệ thống điều khiển khác

 Điều khiển chạy tự động (ECT)

 Điều khiển hệ thống mã khóa động cơ

1.2 Điều khiển động cơ

1.2.1 Điều khiển đánh lửa bằng điện tử (ESA)

 Khái quát hệ thống

Hệ thống ESA (Đánh lửa sớm điện tử) là một hệ thống dùng ECU động

cơ để xác định thời điểm đánh lửa dựa vào các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau ECU động cơ tính toán thời điểm đánh lửa từ thời điểm đánh lửa tối ưu được lưu trong bộ nhớ để phù hợp với tình trạng của động cơ, và sau đó chuyển các tín hiệu đánh lửa đến IC đánh lửa

Hình 1.3-Sơ đồ tổng quát hệ thống ESA

 Vai trò của các cảm biến

 Cảm biến vị trí trục cam (tín hiệu G): Cảm biến này phát hiện góc quay chuẩn và thời điểm của trục cam

 Cảm biến vị trí trục khuỷu (tín hiệu NE): Cảm biến này phát hiện góc quay trục khuỷu và tốc độ của động cơ

 Cảm biến lưu lượng khí nạp hoặc cảm biến áp suất đường ống nạp

(tín hiệu VG hoặc PIM): Cảm biến này phát hiện khối lượng khí nạp hoặc áp

suất đường ống nạp

 Cảm biến vị trí bướm ga (tín hiệu IDL, loại công tác hoặc loại tuyến

tính VTA ): Cảm biến này phát hiện điều kiện chạy không tải

 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (tín hiệu THW): Cảm biến này phát hiện nhiệt độ của nước làm mát

 Cảm biến tiếng gõ (tín hiệu KNK): Cảm biến này phát hiện tình trạng của tiếng gõ

 Cảm biến oxy (tín hiệu OX): Cảm biến này phát hiện nồng độ của oxy trong khí xả

 Tín hiệu khởi động (STA): Tín hiệu này cho biết động cơ đang ở chế

độ khởi động

 Tín hiệu bật công tắc điều hòa (A/C): Tín hiệu này cho biết hệ thống điều hòa đang hoạt động

 Tín hiệu IGT: Tín hiệu dùng để đóng ngắt dòng sơ cấp

 Tín hiệu IGF: Tín hiệu phản hồi của IC đánh lửa

 Vai trò của ECU động cơ: ECU động cơ nhận các tín hiệu từ các cảm biến, tính toán thời điểm đánh lửa tối ưu theo các tình trạng động cơ, và truyền tín hiệu đánh lửa (IGT) đến IC đánh lửa

 Vai trò của IC đánh lửa: IC đánh lửa nhận tín hiệu IGT do ECU động

cơ phát ra để ngắt dòng điện sơ cấp bobbin đánh lửa một cách gián đoạn Nó cũng gửi tín hiệu xác nhận đánh lửa (IGF) đến ECU động cơ Đồng thời nó cũng điều chỉnh góc ngậm điện và hạn chế dòng điện qua bobbin khi dòng quá lớn

thống ECU sẽ điều khiển tăng góc đánh lửa sớm, còn khi tốc độ động cơ thấp thì điều khiển giảm góc đánh lửa sớm cho phù hợp với tình trạng hoạt động của động cơ Với hệ thống này, sử dụng càng nhiều tín hiệu cảm biến báo về ECU thì độ chính xác càng cao, đường đánh lửa sớm càng gần với đường đánh lửa lý tưởng (Hình 1.4)

đi, dòng điện sơ cấp và từ thông giảm đột ngột Trên cuộn thứ cấp của bô bin

sẽ sinh ra một hiệu điện thế vào khoảng từ 15KV - 40KV Đồng thời, tín hiệu IGF được gửi đến ECU động cơ

Hình 1.5-Điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo tốc độ xe

Ví dụ điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo tốc độ động cơ (hình 1.5) Hình (a) khi xe chạy ở chế độ không tải thì góc đánh lửa sẽ được điều chỉnh ở góc đánh lửa ban đầu khoảng 100

góc quay tục khuỷu (tùy vào mỗi loại động cơ

mà giá trị này có thể đổi), hình (b) khi xe chạy ở tốc độ không đổi thì góc đánh lửa sớm sẽ được điều chỉnh sớm lên hơn 100

tùy theo tín hiệu của các cảm biến báo về ECU, hình (c) khi xe tăng tốc thì góc đánh lửa sẽ được điều chỉnh muộn đi để động cơ có thể tăng công suất, giảm ô nhiêm môi trường, và ngăn chặn kích nổ một cách có hiệu quả

1.2.2 Điều khiển tốc độ không tải (ISC)

 Khái quát hệ thống

Hệ thống ISC (Điều khiển tốc độ không tải) có một mạch đi tắt qua bướm ga, và lượng không khí hút từ mạch đi tắt này được điều khiển bởi ISCV (Vanđiều chỉnh tốc độ không tải)

Van ISCV dung tín hiệu ECU động cơ để điều khiển động cơ ở tốc độ không tải tối ưu tại mọi thời điểm

Hệ thống ISC gồm các van ISCV, ECU động cơ, các cảm biến và các công tắc khác nhau

Hình 1.6- Sơ đồ tổng quát hệ thống ISC

 Cảm biến tốc độ xe (SPD): Cảm biến này phát hiện tốc độ của xe

 Tín hiệu phụ tải điện (ELS): Tín hiệu này cho biết các phụ tải điện (đèn pha, cốt, xi nhan ) có đang sử dụng hay không

 Công tắc (A/C): Tín hiệu này cho biết chế độ ON/OFF của máy điều hòa không khí

 Cảm biến vị trí trục khuỷu (NE): Cảm biến này phát hiện góc quay trục khuỷu và tốc độ của động cơ

 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (tín hiệu THW): Cảm biến này phát hiện nhiệt độ của nước làm mát

 Cảm biến vị trí bướm ga (IDL): Cảm biến này phát hiện điều kiện chạy không tải

 Khí hâm nóng: Khi nhiệt độ nước làm mát thấp, tốc độ chạy không tải được tăng lên để động cơ chạy được êm Khi nhiệt động nước làm mát tăng lên, tốc độ chạy không tải giảm xuống ECU nhận tín hiệu từ cản biến vị trí bướm ga (IDL), cảm biến tốc độ xe (SPD), cảm biến tốc độ động cơ (NE)

và tín hiệu khởi động (STA) để điều khiển van ISCV

 Điều khiển phản hồi và điều khiển dự tính: Khi bật công tắc A/C, pha cốt nếu tăng hoặc thay đổi tải trọng, tốc độ chạy không tải sẽ được tăng lên hoặc ngăn không cho thay đổi

1.2.3 Hệ thống phun nhiên liệu điện tử (EFI)

1.2.3.1 Hệ thống phun xăng điện tử (EFI-xăng)

 Cảm biến lưu lượng khí nạp hoặc cảm biến áp suất đường ống nạp

(tín hiệu VG hoặc PIM): Cảm biến này phát hiện khối lượng khí nạp hoặc áp

suất đường ống nạp

 Cảm biến vị trí bướm ga(tín hiệu IDL, loại công tác hoặc loại tuyến

tính VTA ): Cảm biến này phát hiện điều kiện chạy không tải

 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (tín hiệu THW): Cảm biến này phát hiện nhiệt độ của nước làm mát

 Cảm biến oxy (tín hiệu OX): Cảm biến này phát hiện nồng độ của oxy trong khí xả

 Tín hiệu khởi động (STA): Tín hiệu này cho biết động cơ đang ở chế

độ khởi động

 Hoạt động của hệ thống

ECU nhận các tín hiệu từ các cảm biến (G, NE, STA, THW, ), sau đó ECU xử lý tín hiệu, tính toán thời điểm, thời gian phun nhiên liệu tối ưu rồi quyết định gửi tín hiệu điều khiển các vòi phun

Một số hiệu chỉnh thời gian phun nhiên liệu ứng với một số chế độ hoạt động của động cơ:

 Làm đậm khi khởi động: Không thể tính được thời gian phun cơ bản

bằng lượng không khí nạp vì tốc động của động cơ thấp và sự thay đổi của lượng không khí nạp rất lớn trong lúc khởi động Vì lý do này, thời gian phun nhiên liệu lúc khởi động được xác định bằng nhiệt độ nước làm mát Nhiệt độ nước làm mát càng thấp thì việc bốc hơi nhiên liệu – không khí càng kém Do

đó, phải làm cho hỗn hợp nhiên liệu-không khí đậm hơn bằng cách kéo dài thời gian phun

 Làm đậm để hâm nóng: Lượng phun nhiên liệu được tăng lên vì sự bay hơi của nhiên liệu kém trong khi động cơ còn lạnh Khi nhiệt độ nước làm mát thấp, thời gian phun nhiên liệu càng tăng lên để làm cho hỗn hợp nhiên liệu-không khí đậm hơn nhằm đạt được khả năng làm việc trong thời gian động cơ còn nguội

 Làm đậm để tăng tốc: Khi tỷ lệ nhiên liệu-không khí trở nên nhạt, đặc

biệt trong khi bắt đầu tăng tốc, vì độ trễ của việc cung cấp nhiên liệu thường

xảy ra trong lúc tăng tốc đối với việc thay đổi nhanh lượng không khí nạp khi đạp bàn chân ga Vì vậy, thời gian phun được kéo dài để tăng khối lượng nhiên liệu dựa vào không khí nạp để tránh cho hỗn hợp mhiên liệu-không khí trở nên nhạt Việc tăng tốc được xác định bằng tốc độ thay đổi góc mở bướm

ga

1.2.3.2 Hệ thống phun dầu điện tử (EFI-diesel)

 Hệ thống phun dầu điện tử được chia làm hai loại:

 EFI-diesel kiểu thông thường

 EFI-diesel kiểu phân phối

a) EFI-diesel kiểu thông thường

 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (THW): Phát hiện nhiệt độ nước

 Cảm biến vị trí trục khuỷu (TDC): Phát hiện vị trí góc của trục khuỷu

 Cảm biến tốc độ động cơ (NE): Được lắp trên cam rô to của bơm, cảm biến này phát hiện tốc độ động cơ và góc cam của bơm

 Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu (THF): Phát hiện nhiệt độ nhiên liệu

 Cảm biến vị trí bàn đạp chân ga (IDL/VA,VAS): Cho biết vị trí bàn đạp chân ga

 Van tuần hoàn khí thải (EGR): Mở và đóng theo các tín hiệu từ ECU

để tái tuần hoàn khí thải nhằm giảm lượng độc hại khí thải

 Van điều khiển lượng phun (SPV ): Điều khiển lượng phun nhiên liệu

 Van điều khiển thời điểm phun (TCV): Điều khiển thời điểm phun nhiên liệu

 Hoạt động của hệ thống

ECU phát hiện các tình trạng hoạt động của động cơ dựa vào các cảm biến khác nhau Căn cứ vào thông tin này, ECU sẽ điều khiển lượng phun nhiên liệu và thời điểm phun để đạt đến mức tối ưu bằng cách dẫn động các

ECU sẽ kích hoạt SPV

b) EFI-diesel kiểu phân phối

 Khái quát hệ thống

Hình 1.9- Sơ đồ tổng quát của hệ thống EFI-diesel

kiểu phân phối

Thay vì bản thân bơm phân phối nhiên liệu vào các xi lanh, nhiên liệu được trữ trong ống phân phối ở áp suất cần thiết để phun Giống như đối với

hệ thống EFI của động cơ xăng, các vòi phun mở và đóng theo các tín hiệu phun từ ECU để thực hiện việc phun nhiên liệu tối ưu

 Cảm biến vị trí trục cam (G): Nhận dạng các xi lanh

 Cảm biến nhiệt độ không khí nạp (THA): Phát hiện nhiệt độ không khí

nạp

 Cảm biến áp suất tăng áp tuabin (PIM): Phát hiện áp suất của đường ống nạp

 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (THW): Phát hiện nhiệt độ nước

 Cảm biến vị trí trục khuỷu (NE): Phát hiện vị trí tham khảo góc của trục khuỷu

 Cảm biến áp suất nhiện liệu (PCR): Phát hiện áp suất trong ống phân phối

 Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu (THF): Phát hiện nhiệt độ nhiên liệu

 Vòi phun: Phun nhiên liệu theo tín hiệu điều khiển của ECU

 Van tuần hoàn khí thải( Van EGR): Mở và đóng theo các tín hiệu từ ECU để tái tuần hoàn khí thải nhằm giảm lượng độc hại khí thải

 Van điều khiển hút (SCV): Được lắp ở bơm cung cấp, SCV điều chỉnh khối lượng nhiên liệu được hút vào bơm cung cấp

 ECU: Xác định các tình trạng hoạt động dựa vào các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau và truyền các tín hiệu điều khiển động cơ

 EDU: Khuếch đại các tín hiệu của ECU để điều khiển các vòi phun

 Ống phân phối: Lưu trữ nhiên liệu đã được bơm cung cấp nén đến áp suất cần thiết cho việc phun nhiên liệu

 Hoạt động của hệ thống

Dựa vào các tín hiệu vào từ các cảm biến khác nhau ECU xử lý các tín hiệu vào, tính toán thời điểm bắt đầu phun, thời gian mở vòi phun nhiên liệu tối ưu nhất rồi chuyền tín hiệu điều khiển đến EDU, EDU khuếch các tín hiệu của ECU rồi chuyền tín hiệu điều khiển các vòi phun

1.3 Hệ thống điều khiển khung gầm

1.3.1 Điều kiển hệ thống chống bó cứng bánh xe (ABS)

 Khái quát về hệ thống

Hình 1.10-Sơ đồ điều khiển kín của ABS

1 - Bộ chấp hành thủy lực; 2- Xy lanh phanh chính;

3 - Xy lanh làm việc; 4 - Bộ điều khiển (ECU);

5- Cảm biến tốc độ bánh xe

 Tín hiệu đầu vào và cơ cấu chấp hành

 Cảm biến tốc độ (Speed sensors): Đo tốc độ bánh xe

 Cảm biến giảm tốc (chỉ có ở vài xe): Cảm biến giảm tốc cho phép

ABS đo trực tiếp sự giảm sóc của bánh xe trong quá trình phanh

• Cảm biến giảm tốc: Phát hiện gia tốc theo phương thẳng đứng của xe

• Cảm biến chiều cao xe: Xác định chiều cao của gầm xe theo chế độ

hoạt động của hệ thống treo

• Công tắc chọn chế độ giảm chấn: Cho phép người lái lựa chọn chế độ

giảm chấn và độ cứng của lo xo hệ thống treo

• Công tắc chọn chế độ chiều cao xe: Cho phép người lái lựa chọn chiều

cao gầm xe

 Hoạt động của hệ thống

ECU nhận tín hiệu từ tất cả các cảm biến để điều khiển lực giảm chấn,

độ cứng của lo xo, độ cao của xe theo điều kiện hoạt động của xe thông qua

bộ chấp hành điều khiển hệ thống Bộ chấp hành điều khiển điện tử phản ứng chính xác với sự thay đổi liên tục về điều kiện hoạt động của xe

1.3.3 Hệ thống lái trợ lực điện (EPS)

 Sơ đồ hệ thống lái EPS

Hình 1.12- Sơ đồ tổng quát thệ thống lái

 Chức năng các chi tiết

 Cụm trục lái

• Cảm biến mô men: Phát hiện sự xoay của thanh xoắn Tính toán mô

men tác dụng lên thanh xoắn nhờ vào sự thay đổi điện áp đặt trên đó Đưa tín hiệu điện áp đó về EPS ECU

• Mô tơ điện DC: Tạo ra lực trợ lực tùy vào tín hiệu từ EPS ECU

 EPS ECU: Vận hành mô tơ DC gắn trên trục lái để tạo ra lực trợ lực

căn cứ vào tín hiệu từ các cảm biến, tốc độ xe và tốc độ động cơ

 ECU động cơ: Đưa tín hiệu tốc độ động cơ tới EPS ECU

 Cụm đồng hồ bảng táp lô: Đưa tín hiệu tốc độ xe đến EPS ECU

 Đèn cảnh báo P/S (Trên bảng đồng hồ táp lô): Bật đèn báo khi hệ thống có hư hỏng

1.4 Các hệ thống điều khiển khác

1.4.1 Hệ thống điều khiển điện tử của hộp số tự động ECT

Bản thân hộp số tự động (trừ thân van) thực tế giống như hộp số điều khiển thuỷ lực hoàn toàn, nhưng nó còn bao gồm các chi tiết điện tử, các cảm biến, một ECU (bộ điều khiển điện tử) và vài cơ cấu chấp hành Để hiểu ECT, việc đầu tiên là phải tìm hiểu nó khác hộp số điều khiển thuỷ lực hoàn toàn ở những điểm nào

Hộp số điều khiển thuỷ lực hoàn toàn hoạt động bởi sự biến đổi một cách

cơ khí tốc độ của xe khởi hành áp suất ly tâm và độ mở bướm ga thành áp suất thuỷ lực để điều khiển hoạt động của các ly hợp và các phanh trong cụm bánh răng hành tinh, do đó điều khiển thời điểm lên, về số Nó được gọi là ― phương pháp điều khiển thuỷ lực‖

Mặt khác trong trường hợp ECT, các cảm biến phát hiện tốc độ xe, mở bướm ga, biến chúng thành tín hiệu điện và gửi về bộ điều khiển điện tử (ECU) Sau đó điều khiển hoạt động của các ly hợp, phanh trên cơ sở những tín hiệu này Vì vậy nó sẽ điều khiển thời điểm chuyển số một cách tự động

1.4.2 Hệ thống mã khóa động cơ

Hệ thống mã hoá khoá động cơ là một hệ thống chống trộm cho xe Hệ thống này ngăn không cho động cơ khởi động bằng cách ngăn cản quá trình đánh lửa và phun nhiên liệu khi bất kỳ một chìa khoá nào không phải là chìa khoá có mã ID (mã chìa khoá điện) đã được đăng ký trước Khi đặt chế độ cho hệ thống mã hoá khoá động cơ động, thì đèn chỉ báo an ninh nháy để cho biết hệ thống đã được xác lập

Hệ thống mã hoá khoá động cơ gồm có một chíp mã chìa khoá, một cuộn dây thu phát tín hiệu, ECU khoá động cơ và ECU động cơ vv Có hai loại hệ thống mã hoá khoá động cơ, một loại điều khiển bằng ECU độc lập (ECU khoá động cơ) và loại kia thì điều khiển bằng ECU động cơ có ECU khoá

động cơ ở bên trong

Hình 1.13-Tổng quát hệ thống mã khóa động cơ

Chương 2:

KẾ CẤU VÀ NGUYÊN LÝ BỘ ĐIỀU KHIỂN

TỰ ĐỘNG ĐỘNG CƠ XĂNG (ECU)

2.1 Tổng quan về ECU (Electronic Control Unit)

2.1.1 Chức năng – yêu cầu của ECU

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 ra tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành luôn bảo đảm thừa lệnh ECU và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến Hoạt động của hệ thống điều khiển động

cơ đem lại sự chính xác và thích ứng cần thiết để giảm tối đa chất độc hại trong khí thải cũng như lượng tiêu hao nhiên liệu ECU cũng đảm bảo công suất tối ưu ở các chế độ hoạt động của động cơ, giúp chẩn đoán động cơ một cách hệ thống khi có sự cố xảy ra Điều khiển động cơ bao gồm hệ thống điều khiển phun xăng, đánh lửa, góc phân phối khí (VVT-i - Variable valve timing with intelligence), ga tự động (cruise control) Ngoài ra, trên các động cơ diesel ngày nay thường sử dụng hệ thống nhiên liệu bằng điện tử (EDC – electronic diesel control hoặc unit pump in line)

Bộ điều khiển, máy tính, ECU hay hộp đen là những tên gọi khác nhau của mạch điều khiển điện tử Nhìn chung, đó là bộ tổ hợp vi mạch và bộ phận phụ dùng để nhận biết tín hiệu, lưu trữ thông tin, tính toán, quyết định chức năng hoạt động và gởi đi các tín hiệu thích hợp

ECU được đặt trong một 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 điểu 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

 Bộ nhớ bán dẫn thường được sử dụng trong ECU

Bộ nhớ bán dẫn có kích thước nhỏ, năng lượng tiêu thụ thấp, tốc độ truy xuất cao Vì vây, bộ nhớ bán dẫn được dùng làm bộ nhớ trong của ECU Bộ nhớ trong ECU chia ra làm 4 loại :

• ROM (Read Only Memory): Dùng lưu trữ thông tin thường trực Bộ

nhớ này chỉ đọc thông tin từ đó ra chứ không thể ghi vào được Thông tin của

nó đã được gài đặt sẵn, ROM cung cấp thông tin cho bộ vi xử lý và được lắp

cố định trên mạch in

Hình 2.2 - Sơ đồ khối của các hệ thống trong máy tính.

• RAM (Random Access memory): Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên dùng

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 hai

loại:

- Loại RAM xóa được: bộ

nhớ sẽ mất khi mất dòng điện cung

cấp

- Loại RAM không xóa được: vẫn giữ duy trì bộ nhớ cho dù khi tháo

nguồn cung cấp ô tô Ram lưu trữ những thông tin về hoạt động của các cảm biến dùng cho hệ thống tự chẩn đoán

• PROM (Programmable Read Only Memory): Có 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

• KAM ( Keep Alive Memory): KAM dùng để lưu trữ những thông tin

mới (những 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 tắt công tắc máy Tuy nhiên nếu tháo nguồn cung cấp từ ắcquy đến máy tính thì bộ nhớ KAM sẽ bị mất

Hình 2.3- Cấu trúc máy tính

 Bộ vi xử lý (Microprocessor): Bộ vi xử lý có chức năng tính toán và ra

quyết định Nó là ―bộ não― của ECU

 Đường truyền - BUS: Chuyển các lệnh và số liệu trong máy tính theo 2

chiều

ECU với những thành phần nêu trên có thể tồn tại dưới dạng một IC hoặc trên nhiều IC Ngoài ra người ta thường phân loại máy tính theo độ dài từ các RAM (tính theo bit) Ở những thế hệ đầu tiên, máy tính điều khiển động cơ dùng loại 4, 8 hoặc 16 bit phổ biến nhất là loại 4 và 8 bit Máy tính 4 bit chứa rất nhiều lệnh vì nó thực hiện các lệnh logic tốt hơn Tuy nhiên, máy tính 8 bit làm việc tốt hơn với các phép đại số và chính xác hơn 16 lần so với loại 4 bit

Vì vậy, hiện nay để điều khiển các hệ thống khác nhau trên ôtô với tốc độ thực hiện nhanh và chính xác cao, người ta sử dụng máy 8 bit, 16 bit hoặc 32 bit

 Bộ nhận kết nối giao tiếp ra - vào

 Bộ chuyển đổi A/D ( Analog to Digital Converter)

Trong các tín hiệu vào ECU thì tín hiệu tương tự (Analog) bao gồm: Tín hiệu áp suất đường ống nạp, tín hiệu nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ không khí nạp, tín hiệu vị trí bướm ga, tín hiệu Lambda, tín hiệu điện áp cung cấp v.v Bộ chuyển đổi A/D dùng để chuyển đổi các tín hiệu tương tự nêu trên thành các tín hiệu số để bộ vi xử lý hiểu được

Hình 2.4-Mạch điện của bộ chuyển đổi A/D

 Bộ đếm (Counter)

Dùng để đếm xung ví dụ như từ cảm biến vị trí piston (tín hiệu G), số vòng quay của động cơ (NE), rồi gởi lượng đếm về bộ vi xử lý

Hình 2.5- Mạch điện của bộ đếm

 Bộ nhớ trung gian (Buffer)

Chuyển tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu sóng vuông dạng số, nó không giữ lượng đếm như trong bộ đếm Bộ phận chính là một transistor sẽ đóng

mở theo cực tính của tín hiệu xoay chiều

Hình 2.6-Mạch điện của bộ nhớ trung gian

 Bộ khuếch đại (Amplifier)

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

Hình 2.7-Mạch điện của bộ khuếch đại

Hình 2.9- Mạch điện giao tiếp ngõ ra

2.2 Cấu tạo của ECU

Bộ phận chủ yếu của cấu trúc ECU là bộ vi xử lý (microprocessor) hay còn gọi là CPU (Central Processing Unit), CPU lựa chọn các lệnh và xử lý số liệu từ bộ nhớ ROM và RAM chứa các chương trình và dữ liệu và ngõ vào ra (I/O) điều khiển nhanh số liệu từ các cảm biến và chuyển dữ liệu đã xử lý đến

các cơ cấu thực hiện Nó bao gồm cơ cấu đại số logic để tính toán dữ liệu, các

bộ ghi nhận lưu trữ tạm thời dữ liệu và bộ điều khiển các chức năng khác nhau Ở các CPU thế hệ mới, người ta thường chế tạo CPU, ROM, RAM trong một IC

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 Mỗi một số hạng 0 hoặc 1 gọi là bit Mỗi dãy 8 bit sẽ tương đương 1 byte hoặc 1 từ (word) Byte này được dùng để biểu hiện cho một lệnh hoặc 1 mẫu thông tin

Ngày nay trên ô tô hiện đại có thể trang bị nhiều ECU điều khiển các hệ thống khác nhau Mỗi hãng xe, mỗi loại, mỗi đời xe được trang bị những ECU khác nhau Vì vậy để tiện cho việc nghiện cứu, trong đề tài này tôi xin

giới thiệu về ECU GEMS-K1 (Gasoline Engine Management System-K1)

2.2.1 Giới thiệu về ECU GEMS - K1

 ECU GEMS-K1: Được hãng xe CHERY AUTOMOBILE sử dụng và được trang bị trên xe ô tô Chery QQ6 sản xuất năm 2009 với:

Hình 2.12-Bên trong ECU GEMS– K1

Hình2.11-Bên ngoài ECU GEMS– K1

Hình 2.10 -Trạng thái các bit.

Hình 2.12-Bên trong ECU GEMS-K1 Hình2.11-Bên ngoài ECU GEMS-K1

 Chức năng điều khiển của ECU GEMS-K1:

 Điều khiển phun xăng

Dài x rộng x cao toàn bộ 3998mm x 1640mm x 1535mm

Bảng 2.1-Một số thông số kỹ thuật của xe

Bảng 2.2-Một số thông số kỹ thuật của động cơ.

 Điều khiển đánh lửa

 Điều khiển bướm ga thông minh

 Điều khiển tốc động chạy không tải

 Điều khiển hệ thống phân phối khí

 Chức năng chẩn đoán OBD

 Chức năng an toàn

 Chức năng dự phòng  Các hệ thống điều khiển khác

Hình 2.13-Động cơ SQR43F

2.2.2 Các chân của ECU GEMS-K1

J1A

Hình 2.14-Các châncủa ECU trên J1A

A20