nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống điều khiển động cơ toyota yaris

Mô hình hệ thống điện điều khiển động cơ Toyota 1SZ - FE Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của mô hình điều khiển động cơ Toyota 1SZ-FE Mô hình được thiết kế để giúp cho người học nhận biết rõ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TOYOTA YARIS

MÃ SỐ: T2011- 43

Tp Hồ Chí Minh, 2011

S 0 9

S KC 0 0 3 3 6 6

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Văn Long Giang

Lời nói đầu

Mục tiêu nghiên cứu, đầu tư và cải tiến các thiết bị dạy học, đổi mới phương pháp

dạy và học thực hành, góp phần nâng cao chất lượng đào tạo theo chương trình công

nghệ hiện nay, là nhiệm vụ quan trọng của những người làm công tác giảng dạy Nhiều

năm qua, khoa Cơ khí Động lực đã có rất nhiều sáng kiến, đề tài về chế tạo đồ dùng và

thiết bị dạy học, phục vụ đắc lực cho công tác giảng dạy thực hành ngành công nghệ ôtô

tại Khoa và các trường bạn Điều này chứng tỏ đây là một định hướng đúng, phát huy

được thế mạnh và vai trò đầu tàu của Khoa và Nhà trường trong hệ thống sư phạm kỹ

thuật hiện nay của cả nước

Hệ thống điều khiển động cơ bằng điện tử đang được sử dụng rộng rãi trên các loại

xe hiện nay và là xu hướng phát triển mạnh trong thời gian tới, nhu cầu học tập và sửa

chữa về nó là rất lớn Việc hướng dẫn cho người học nắm vững cấu tạo, hoạt động và

các qui trình kiểm tra, hệ thống điều khiển động cơ Toyota số một cách chính xác, khoa

học là cần thiết

Với ý nghĩa trên, tập thể cán bộ giảng dạy Bộ môn Động cơ, khoa Cơ khí Động lực đã

thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình

hệ thống điều khiển động cơ Toyota Yaris”, phục vụ cho công tác giảng dạy thực hành

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 02/ 2010

Chủ nhiệm đề tài

ThS Nguyễn Văn Long Giang

Chöông 1: Giới thiệu mô hình hệ thống điều khiển động cơ Toyota Yaris 5

I Mô hình hệ thống điện điều khiển động cơ Toyota 1SZ – FE 5

II Sơ đồ chân của ECU điều khiển động cơ Toyota Yaris 7

III Hướng dẫn sử dụng mô hình hệ thống điều khiển động cơ Toyota Yaris 8

I Các cảm biến 11

Tài liệu tham khảo 34

TỔNG QUAN

I Tổng quan về đề tài

Ngày nay, đất nước ta đang trong quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá, hội nhập

phát triển Cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học tiên tiến trên thế

giới, các ngành khoa học của nước ta trong những năm gần đây cũng có những bước phát

triển vượt bậc, gặt hái được nhiều thành tựu to lớn, có nhiều công trình khoa học được cả

thế giới biết đến Đội ngũ các nhà khoa học không ngừng phát triển cả về số lượng và

chất lượng, nhiều công trình nghiên cứu của họ được áp dụng vào trong sản suất thực tế

đã và đang góp phần không nhỏ vào sự phát triển kinh tế của nước nhà

Do quá trình phát triển hội nhập với thế giới, trong suốt gần hai thập niên trở lại

đây, các thành tựu khoa học tiến bộ trên thế giới đã liên tục được du nhập vào Việt Nam

Thêm vào đó, sự gia tăng đầu tư của các tập đoàn kinh tế thế giới vào nước ta cũng đã

đem theo nhiều thành tựu kỹ thuật mới, giúp nền sản xuất của nước nhà không ngừng

được nâng cao và mở rộng

Trước đây, người ta chế tạo ôtô sử dụng hệ thống nhiện liệu và hệ thống đánh lửa

điều khiển độc lập với nhau nên sự phối hợp điều khiển của các hệ thống điều khiển

động cơ Do vậy quá trình cháy sẽ không triệt để, tiêu hao nhiên liệu nhiều và đặc biệt là

gây ô nhiễm môi trường

Với việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử vào điều

khiển động cơ ôtô trong đó đáng lưu ý là việc chế tạo thành công hệ thống điều khiển

động cơ được điều khiển từ bộ xử lý trung tâm ECU Hệ thống ECU này điều khiển hệ

thống nhiên liệu và hệ thống đánh lửa, hệ thống ISC,… để tăng công suất, tiết kiệm nhiên

liệu và giảm ô nhiễm cho môi trường

Hầu hết trên các xe ôtô hiện đại đều ứng dụng các hệ thống này nên nhiều sự cố về

các hệ thống điều khiển này là điều khó tránh khỏi Việc chẩn đoán và khắc phục các hư

hỏng về hệ thống này là điều quan trọng mang lại sự thoả mãn cho khách hàng và người

sửa chữa Chỉ dẫn cho sinh viên ngành ôtô làm tốt công việc này là nhiệm vụ trọng tâm

đặt ra cho các giáo viên giảng dạy về ôtô Việc tìm hiểu, nắm vững nguyên lý hoạt động

và chế tạo thành công hệ thống đánh lửa trực tiếp phục vụ học tập, giảng dạy và nghiên

cứu đối với giáo viên giảng dạy chuyên ngành ôtô là vô cùng quan trọng

Xuất phát từ nhu cầu thực tế như trên nhóm người nghiên cứu quyết định thực hiện

đề tài với mong muốn tạo ra một sản phẩm có thể áp dụng vào giảng dạy Mô hình sẽ

giúp cho sinh viên một cách nhìn trực quan, hiểu rõ nguyên lý hoạt động của các hệ

thống điều khiển của động cơ 1SZ – FE, hơn hết là từ việc nắm vững những kiến thức

chuyên môn, người học có thể tự chẩn đoán, sữa chữa mọi hư hỏng liên quan đến các hệ

thống này

II Mục tiêu đề tài

Nghiên cứu, chế tạo ra mô hình điều khiển động cơ 1SZ - FE, tạo điều kiện cho

sinh viên quan sát, khảo nghiệm các thông số của hệ thống điều khiển động cơ với mô

hình một cách trực quan, biết được hình dạng và vị trí các chi tiết lắp đặt trên hệ thống

phun xăng

Giúp sinh viên có thể kiểm tra các tín hiệu đầu vào cũng như những thông số đầu ra

của hệ thống phun xăng trên động cơ thông qua mô hình

III Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết hệ thống điều khiển động cơ của Hãng Toyota

Tham khảo các mô hình giảng dạy hiện có tại Khoa Cơ khí Động lực để cải tiến mô

hình cho phù hợp hơn

Nghiên cứu sơ đồ mạch điện của các xe Toyota Yaris

Thực nghiệm mô hình phục vụ cho giảng dạy

IV Các bước thực hiện khi nghiên cứu:

 Tham khảo tài liệu

 Thiết kế chế tạo khung mô hình và lắp đặt thiết bị mô hình

 Thiết kế chế tạo sa bàn và cách bố trí các chi tiết trên sa bàn

 Thiết kế chế tạo các mạch điện điều khiển và cách bố trí đường dây

 Thiết kế chế tạo các chi tiết phụ

 Tiến hành đo đạc, kiểm tra, thu thập các thông số

 Viết báo cáo

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG I:

GIỚI THIỆU MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TOYOTA YARIS

I Mô hình hệ thống điện điều khiển động cơ Toyota 1SZ - FE

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của mô hình điều khiển động cơ Toyota 1SZ-FE

Mô hình được thiết kế để giúp cho người học nhận biết rõ bố trí của các chi tiết

trong hệ thống điều khiển động cơ Toyota Yaris với ba bộ phận chính:

Hình 2.2: Sơ đồ khối các hệ thống điều khiển động cơ

b Các kim phun hệ thống phun nhiên liệu

c Van điều khiển cầm chừng kiểu motor quay

Ngoài ra trong mô hình còn có các bộ phận khác như: Bộ phận truyền đai để tạo ra

sự phối hợp giữa trục khuỷu và trục cam của động cơ, bảng đồng hồ, hộp rờ-le cầu chì,

mô-tơ truyền động, công tắc điều chỉnh tốc độ mô-tơ, công tắc tạo pan …

II Sơ đồ chân của bộ điều khiển ECU động cơ Toyota Yaris

Ký hiệu Nghĩa tiếng Anh Mô tả

#10 No.10 –for injector Kim phun

#20 No.20 –for injector Kim phun

#30 No.30 –for injector Kim phun

#40 No.40 –for injector Kim phun

+B Battery (+) Accu qua contact máy

FC Fuel Pumb Control Điều khiển bơm xăng

G2 Group No.2 Cảm biến vị trí trục cam

IGF Ignition Failure signal Tín hiệu phản hồi đánh lửa

IGT1 Ignition Timing Signal 1 Tín hiệu đánh lửa số 1

KNK Knock Sensor Cảm biến kích nổ

NE+ Crankshaft position signal Cảm biến vị trí trục khuỷu

OX1 Oxy sensor no.1 Cảm biến Ôxy số 1

OX2 Oxy sensor no.2 Cảm biến Ôxy số 2

SPD Vehicle Speed Tín hiệu tốc độ xe

STA Stater signal Tín hiệu khởi động

STP Stop lamp switch signal Công tắc đèn phanh

THA Thermo, intake Air Tín hiệu nhiệt độ khí nạp

THW Thermo, Water Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát

VC Voltage Constant Nguồn nuôi các cảm biến

VTA Voltage, throttle angle Tín hiệu vị trí bướm ga

E2 Mass sensors Nối đất No.2

EVG

W “Check Engine” Warning Lamp Đèn “check engine”

III Hướng dẫn sử dụng mô hình hệ thống điều khiển động cơ Toyota Yaris

 Sinh viên phải được học về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống

phun xăng trên động cơ Toyota trước khi thao tác trên mô hình

 Sinh viên phải nắm được cấu tạo tổng quan của mô hình

 Điện áp sử dụng cho mô hình là 12V, chú ý khi lắp accu vào động cơ phải

 Khi công tắc ở vị trí IG thì đèn check engine phải sáng

 Sau khi động cơ hoạt động ta có thể tiến hành đo các thông số thông qua

giắc

Sơ đồ mạch điện điều khiển động cơ 1SZ - FE

CHƯƠNG II

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TOYOTA YARIS

I CÁC CẢM BIẾN (SENSORS)

1 Cảm biến bộ đo gió dây nhiệt

Bộ đo gió dây nhiệt kiểm tra khối lượng không khí nạp vào động cơ Phạm vi đo khối

lượng không khí nạp từ tốc độ cầm chừng đến chế độ tải lớn là rất rộng, đặc biệt là khi

dùng turbo để tăng áp cho động cơ

Hình3.1: Hình dáng bộ đo gió dây nhiệt

Bộ đo gió dây nhiệt gồm một nhiệt điện trở (Thermister), dây nhiệt bằng platin (Platinum

Hot Wire) đặt trên đường di chuyển của không khí và mạch điện tử Nhiệt điện trở dùng

để kiểm tra nhiệt độ không khí nạp vào bộ đo gió

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý bộ đo gió dây nhiệt

Dây nhiệt và nhiệt điện trở được bố trí trên đường di chuyển của không khí Nếu lượng

không khí nạp qua dây nhiệt càng nhiều, lượng nhiệt mang đi càng lớn và nó càng nguội

đi Khi nhiệt độ của dây platin được giữ ở một giá trị không đổi, có sự quan hệ giữa

lượng không khí nạp và cường độ dòng điện qua dây nhiệt để duy trì nhiệt độ của dây

nhiệt

Trong thực tế dây nhiệt được mắc trong một mạch cầu và nó có đặc điểm điện thế tại

điểm A và B bằng nhau Do vậy, khi dây nhiệt bị làm nguội bởi không khí nạp thì điện

trở của nó giảm, nên điện áp tại điểm B gia tăng và làm cho bộ khuếch đại hoạt động,

transistor mở để cho dòng điện vào mạch điện và dòng điện qua dây nhiệt tăng  điện

trở dây nhiệt tăng cho đến khi điện thế tại điểm B bằng điểm A

Hình 3.3: Mối quan hệ giữa điện áp và lượng khí đi qua cảm biến dây nhiệt

Bằng cách sử dụng tính năng của mạch cầu, lượng không khí nạp VG có thể xác định

bằng cách đo điện áp tại điểm B Trong thiết kế, nhiệt độ dây nhiệt được duy trì cao hơn

nhiệt độ của khí nạp ở một mức không đổi, khi độ chênh lệch nhiệt độ càng cao thì cảm

biến càng nhạy

Trong quá trình làm việc nếu nhiệt độ không khí nạp tăng một đại lượng là T thì nhiệt

độ dây nhiệt cũng gia tăng một đại lượng tương ứng, để giải quyết vấn đề này bằng cách

người ta lắp một điện trở nhiệt ở nhánh khác của cầu Do vậy trong hệ thống không cần

có cảm biến nhiệt độ không khí nạp để hiệu chỉnh lưu lượng phun

Khi xe chạy ở độ cao càng cao thì mật độ không khí nạp giảm, nên khả năng làm nguội

dây nhiệt cũng kém theo, nên không cần phải hiệu chỉnh phun theo độ cao của xe đang

hoạt động Trong bộ đo gió có lắp một cảm biến nhiệt độ không khí nạp (Intake Air

Thermistor) để sử dụng cho các hệ thống điều khiển khác của động cơ

2 Cảm biến vị trí trục cam

Trên trục cam đối diện với cảm biến vị trí trục cam là đĩa tín hiệu G có các răng Số răng

là 1, 3 hoặc một số khác tuỳ theo kiểu động cơ (Trong hình vẽ có 3 răng) Khi trục cam

quay, khe hở không khí giữa các vấu nhô

ra trên trục cam và cảm biến này sẽ thay

đổi Sự thay đổi khe hở tạo ra một điện áp

trong cuộn nhận tín hiệu được gắn vào

cảm biến này, sinh ra tín hiệu G Tín hiệu

G này được chuyển đi như một thông tin

về góc chuẩn của trục khuỷu đến ECU

động cơ, kết hợp nó với tín hiệu NE từ

cảm biến vị trí của trục khuỷu để xác định

TDC (điểm chết trên) kỳ nén của mỗi xi

lanh để đánh lửa và phát hiện góc quay

trục khuỷu ECU động cơ dùng thông tin này để điều khiển thời điểm phun nhiên nhiên

và thời điểm đánh lửa

Tín hiệu NE được ECU động cơ sử dụng để phát hiện góc của trục khuỷu và tốc

độ của động cơ ECU động cơ dùng tín hiệu NE và tín hiệu G để tính toán thời gian

phun

cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản Đối với tín hiệu G, tín hiệu NE được tạo ra bởi

khe không khí giữa cảm biến vị trí trục khuỷu và các răng trên chu vi của rôto tín

hiệu NE được lắp trên trục khuỷu Hình minh họa trình bày một bộ tạo tín hiệu có 34

răng ở chu vi của rôto tín hiệu NE và một khu vực có 2 răng khuyết Khu vực có 2

răng khuyết này có thể được sử dụng để phát hiện góc của trục khuỷu, nhưng nó

không thể xác định xem đó là TDC của chu kỳ nén hoặc TDC của kỳ xả ECU động

cơ kết hợp tín hiệu NE và tín hiệu G để xác định đầy đủ và chính xác góc của trục

khuỷu

Ngoài loại này, một số bộ phát tín hiệu có 12, 24 hoặc một răng khác, nhưng độ

chính xác của việc phát hiện góc của trục khuỷu sẽ thay đổi theo số răng Ví dụ, Loại

có 12 răng có độ chính xác về phát hiện góc của trục khuỷu là 30°CA

Hình 3.7: Xung tín hiệu cảm biến vị trí trục khuỷu

4 Cảm biến nhiệt độ nước / Cảm biến nhiệt độ khí nạp

Cảm biến nhiệt độ nước và cảm biến nhiệt độ khí nạp đã được gắn các nhiệt điện trở

bên trong, mà nhiệt độ càng thấp, trị số điện trở càng lớn, ngược lại, nhiệt độ càng cao,

trị số điện càng thấp Và sự thay đổi về giá trị điện trở của nhiệt điện trở này được sử

dụng để phát hiện các thay đổi về nhiệt độ của nước làm mát và không khí nạp

Hình 3.8:Cảm biến nhiệt độ nước và nhiệt độ khí nạp

Như được thể hiện trong hình minh họa, điện trở được gắn trong ECU động cơ và

nhiệt điện trở trong cảm biến này được mắc nối tiếp trong mạch điện sao cho điện áp

của tín hiệu được phát hiện bởi ECU động cơ sẽ thay đổi theo các thay đổi của nhiệt

điện trở này Khi nhiệt độ của nước làm mát hoặc khí nạp thấp, điện trở của nhiệt điện

trở sẽ lớn, tạo nên một điện áp cao trong các tín hiệu THV và THA

a Cảm biến nhiệt độ nước

Cảm biến nhiệt độ nước đo nhiệt độ của nước làm mát động cơ Khi nhiệt độ của

nước làm mát động cơ thấp, phải tăng tốc độ chạy không tải, tăng thời gian phun, góc

đánh lửa sớm, v.v nhằm cải thiện khả năng làm việc và để hâm nóng Vì vậy, cảm

biến nhiệt độ nước không thể thiếu được đối với hệ thống điều khiển động cơ

b Cảm biến nhiệt độ khí nạp

Cảm biến nhiệt độ khí nạp này đo nhiệt độ của không khí nạp Lượng và mật độ

không khí sẽ thay đổi theo nhiệt độ của không khí Vì vậy cho dù lượng không khí được

cảm biến lưu lượng khí nạp phát hiện là không thay đổi, lượng nhiên liệu phun phải

được hiệu chỉnh Tuy nhiên cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dây sấy trực tiếp đo khối

lượng không khí Vì vậy không cần phải hiệu chỉnh

Đối với chức năng làm sạch khí xả tối đa của động cơ có TWC (bộ trung hoà khí

xả 3 thành phần) phải duy trì tỷ lệ không khí-nhiên liệu trong một giới hạn hẹp xoay

quanh tỷ lệ không khí-nhiên liệu lý thuyết Cảm biến oxy phát hiện xem nồng độ oxy

trong khí xả là giàu hơn hoặc nghèo hơn tỷ lệ không khí - nhiên liệu lý thuyết Cảm biến

này chủ yếu được lắp trong đường ống xả, nhưng vị trí lắp và số lượng khác nhau tuỳ

theo kiểu động cơ Cảm biến oxy có một phần tử làm bằng ziconi ôxit (ZrO2), đây là

một loại gốm Bên trong và bên ngoài của phần tử này được bọc bằng một lớp platin

mỏng Không khí chung quanh được dẫn vào bên trong của cảm biến này, và phía ngoài

của cảm biến lộ ra phía khí thải Ở nhiệt độ cao (400°C hay cao hơn), phần tử zirconi

tạo ra một điện áp như là do sự chênh lệch lớn giữa các nồng độ của ôxy ở phía trong và

phía ngoài của phần tử zirconi này

Hình 3.9:Cảm biến Oxi

Ngoài ra, platin tác động như một chất xúc tác để gây ra phản ứng hóa học giữa oxy

và cácbon monoxit (CO) trong khí xả Vì vậy, điều này sẽ làm giảm lượng oxy và tăng

tính nhạy cảm của cảm biến Khi hỗn hợp không khí - nhiên liệu nghèo, phải có oxy

trong khí xả sao cho chỉ có một chênh lệch nhỏ về nồng độ của oxy giữa bên trong và

bên ngoài của nguyên tố zirconi Do đó, phần tử zirconi sẽ chỉ tạo ra một điện áp thấp

(gần 0V) Ngược lại, khi hỗn hợp không khí - nhiên liệu giàu, hầu như không có oxy

trong khí xả Vì vậy, có sự khác biệt lớn về nồng độ oxy giữa bên trong và bên ngoài

của cảm biến này để phần từ zirconi tạo ra một điện áp tương đối lớn (xấp xỉ 1V) Căn

cứ vào tín hiệu OX do cảm biến này truyền đến, ECU động cơ sẽ tăng hoặc giảm lượng

phun nhiên liệu để duy trì tỷ lệ không khí - nhiên liệu trung bình ở tỷ lệ không khí -

nhiên liệu lý thuyết

Một số cảm biến oxy zirconi có các bộ sấy để sấy nóng phần từ zirconi Bộ sấy này

cũng được ECU động cơ điều khiển Khi lượng không khí nạp thấp (nói khác đi, khi

nhiệt độ khí xả thấp), dòng điện được truyền đến bộ sấy để làm nóng cảm biến này

6 Cảm biến tiếng gõ

Cảm biến tiếng gõ được gắn vào thân máy, và truyền tín hiệu KNK tới ECU

động cơ khi phát hiện tiếng gõ động cơ ECU động cơ nhận tín hiệu KNK và làm trễ

thời điểm đánh lửa để giảm tiếng gõ Cảm biến này có một phần tử áp điện, tạo ra một

điện áp AC khi tiếng gõ gây ra rung động trong thân máy và làm biến dạng phần tử này