nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình hệ thống điện điều khiển động cơizz fe

Mạch điện và nguyên lý hoạt động của các cảm biến trên mô hình... Phần sa bàn: Sa bàn được bố trí các bộ phận như: ECU, Taplô đồng hồ, hộp cầu chì, các cảm biến, bộ truyền đai giả lập ho

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH

HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠIZZ - FE

Tp Hồ Chí Minh, 2010

S 0 9

S KC 0 0 2 8 2 8

MÃ SỐ: SV2010 - 23

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT



ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN :

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO

MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

TÓM TẮT CÔNG TRÌNH

Ngành ôtô hiện nay là ngành công nghiệp không thể thiếu trong đời sống xã hội và trở thành phương tiện vận chuyển chủ yếu trong xã hội Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp điện tử và việc ứng dụng điện tử trên xe ngày càng nhiều giúp cho chiếc

xe ngày càng hoàn thiện hơn

Nước ta hiện nay dang phát triển mạnh mẽ và ngành công nghiệp ôtô được xem là một thước đo chính xác cho sự phát triển khoa học kỹ thật ở một quốc gia Trên đường phố Việt Nam ta thấy ngày càng có nhiều xe hiện đại chạy trên đường Do đó mỗi sinh viên phải trang bị đầy đủ không những kiến thức ở trong trường mà còn phải cập nhật các số liệu về xe đồng thời phải có khả năng chẩn đoán, tìm PAN và biết các xử lý các số liệu

Xuất phát từ những nhu cầu đó việc nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô

hình hệ thống điểu khiển động cơ 1ZZ-FE” là đề tài cần thiết cho giảng viên có thể thực

hiện các thao tác trên mô hình để cho sinh viên trực quan hơn và với mỗi module rõ ràng sinh viên có thể dễ hiểu khi đọc và việc tra cứu các số liệu dễ dàng hơn

Do thời gian có hạn nên đề tài chỉ tham khảo các mô hình của Toyota nhưng cũng có đầy

đủ kiến thức cơ bản để từ những kiến thức cơ bản đó sinh viên có thể áp dụng với những loại

xe khác nhau

MỤC LỤC NỘI DUNG Trang PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ

II Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 4

PHẦN II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

1 Cấu tạo mô hình hệ thống điện điều khiển động

cơ 1ZZ-FE

6

1.3 Sơ đồ vị trí chân trên ECU tren mô hình 11

2 Sơ đồ mạch điện trên mô hình 13

3 Ký hiệu chân ECU trên mô hình 16

4 Bảng giá trị điện áp giới hạn của ECU 18

5 Mạch điện và nguyên lý hoạt động của các cảm

biến trên mô hình

5.10 Cảm biến oxy (cảm biến λ) 32

6 Các cơ cấu và hệ thống chấp hành 35

7 Hướng dẫn sử dụng mô hình hệ thống điện điều

khiển động cơ 1ZZ-FE

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ

I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU:

Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống điểu khiển động cơ

1ZZ-FE” nhằm nâng cao chất lượng dạy và học của giáo viên và sinh viên trong quá trình giảng

dạy và học tập thực hành Vì vậy nhóm chúng em thực hiện biên soạn tài liệu nội dung giảng dạy thực hành được phân chia thành từng nội dung rõ ràng, phần mô hình thi công theo đúng phần lý thuyết biên soạn, giúp giáo viên có sự chủ động, linh hoạt trong việc tổ chức và thực hiện giảng dạy thực hành, giúp học viên đạt hiệu quả cao trong đào tạo Đối tượng nghiên cứu trực tiếp là các hệ thống điện điều khiển trên động cơ 1ZZ – FE

Do hạn chế về thời gian và kinh phí, nên đề tài chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu hệ thống điều khiển điện của động cơ TOYOTA 1ZZ - FE Để đáp ứng nhu cầu nâng cao chất lượng giảng dạy, đề tài cần phát triển nghiên cứu thêm các ứng dụng của mô hình này sẽ tạo

ra nhiều mô hình khác với các hệ thống điều khiển bằng điện tử, điều khiển bằng máy tính

Có như vậy chúng ta mới rút ngắn được khoảng cách giữa quá trình đào tạo trong nhà trường với sự phát triển nhanh của khoa học công nghệ trên thế giới

 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN

 Tham khảo tài liệu

 Thiết kế khung đỡ và gá đặt động cơ

 Thiết kế sa bàn và bố trí các chi tiết trên sa bàn

 Thiết kế các mạch điều khiển và bố trí các dây dẫn

 Thiết kế các chi tiết khí phụ

 Tiến hành đo đạc, kiểm tra, thu thập thông số

 Thiết kế các bài giảng cho mô hình

 Viết báo cáo

II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC:

Trong những năm gần đây lĩnh vực đào tạo về công nghệ và cơ khí ô tô nói riêng và ngành giao thông vận tải nói chung đã có những bước phát triển mới Được sự quan tâm đầu

tư giúp đỡ từ nhiều phía, cả trong nước lẫn các đối tác nước ngoài Từ đó đã tạo điều kiện để công tác đào tạo ngành công nghệ ô tô được tiếp thu những công nghệ tiên tiến trên thế giới

từ sự giúp đỡ hợp tác của các nước có nền công nghệ ô tô phát triển

Với chính sách đi tắt đón đầu, chúng ta phải tìm ra con đường tiếp thu nhanh nhất và hiệu quả tối ưu nhất trong công tác đào tạo, làm cho quá trình đào tạo mang tính chất hiện đại, dễ cho người học tiếp thu kiến thức, kỹ thuật mới tiên tiến nhất mà không phải mất thời gian, điều đó rất cần có sự học hỏi tiếp thu những công nghệ mới từ các nước tiên tiến và những sáng tạo trong việc tổ chức giảng dạy, các biện pháp giáo dục tiên tiến , sử dụng các

kỹ thuật, trang thiết bị trong đào tạo, huấn luyện hiện đại, thường xuyên cập nhật đáp ứng được yêu cầu của thực tiễn

Với tiêu chí như vậy thì việc biên soạn tài liệu nội dung giảng dạy thực hành và phần

mô hình thi công theo đúng với phần lý thuyết biên soạn là cần thiết để giúp giáo viên có sự chủ động, linh hoạt trong việc tổ chức và thực hiện giảng dạy thực hành, giúp học viên đạt hiệu quả cao trong đào tạo

III NHỮNG VẤN ĐỀ CÕN TỒN TẠI:

Hiện nay hệ thống điện động cơ là hệ thống quan trọng trên xe và việc tạo ra lỗi (Pan) ở tất cả các hệ thống điện động cơ trên xe và việc tìm ra lỗi (PAN) là rất khó khăn Hầu hết các sinh viên đều lo ngại việc đọc sơ đồ tìm lỗi như thế nào cho đúng Thêm vào đó, có quá nhiều

sơ đồ được vẽ theo nhiều cách khác nhau và quá nhiều tài liệu cũng được viết theo nhiều kiểu rất khó cho sinh viên trong việc đọc các tài liệu Do đó việc tạo ra hệ thống đánh PAN trực tiếp và phương pháp chẩn đoán là điều hết sức cần thiết cho mỗi sinh viên

PHẦN II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

 Giúp sinh viên hiểu rõ và vận dụng những kiến thức học được vào thực tế, từ đó

có thể kiểm tra và đo đạc các thông số trên động cơ

 Trình bày cách chẩn đoán và sửa chữa các bộ phận trên mô hình

 Biên soạn phần bài giảng thực hành giúp giáo viên có thể theo dõi, tổ chức, thực hiện bài giảng thực hành đạt hiệu quả cao

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

 Nghiên cứu lý thuyết hệ thống điều khiển động cơ của hãng xe Toyota

 Nghiên cứu sơ đồ mạch điện của các xe thuộc Toyota

 Tham khảo tài liệu các mô hình giảng dạy hiện có tại Khoa Cơ khí Động Lực để cải tiến nội dung mô hình cho phù hợp hơn

 Thu thập thông tin, học hỏi kinh nghiệm từ thầy cô, bạn bè

 Quan sát và thực nghiệm các mô hình phục vụ cho giảng dạy

III NỘI DUNG:

1 CẤU TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 1ZZ – FE

Hình 1: Khung mô hình (Hình chiếu trục đo)

Hình 2: Khung mô hình (Hình chiếu đứng)

Hình 3: Khung mô hình (Hình chiếu cạnh)

Hình 4: Khung mô hình (Hình chiếu bằng)

1.2 Phần sa bàn:

Sa bàn được bố trí các bộ phận như: ECU, Taplô đồng hồ, hộp cầu chì, các cảm biến,

bộ truyền đai giả lập hoạt động của động cơ, bảng giắc ECU được bố trí một cách hợp lý giúp cho người học trực quan hơn trong quá trình thực tập trên mô hình

Hình 5 : Mặt trước của sa bàn gá lắp các thiết bị

Các bộ phận trên động cơ gồm có: các cảm biến và bộ phận chấp hành

 Các cảm biến:

 Cảm biến đo lưu lượng không khí trên đường ống nạp dạng dây nhiệt ( tích hợp cảm biến nhiệt độ khí nạp)

 Cảm biến vị trí cánh bướm ga

 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

 Cảm biến Oxy

 Cảm biến kích nổ

 Cảm biến vị trí trục cam

 Cảm biến vị trí trục khuỷu

 Đèn báo lỗi “check engine”

 Vị trí các bộ phận và cơ cấu trên mô hình:

1 Công tắc chính

2 Hộp cầu chì và relay

3 Bộ điều khiên điện tử trung tâm (ECU)

4 Bảng tên và vị trí các chân ra của ECU

5 Bảng đồng hồ tableu

6 Cảm biến vị trí trục cam (G)

7 Cảm biến vị trí và số vòng quay trục khuỷu (NE)

8 Cảm biến lưu lượng gió tích hợp cảm biến nhiệt độ khí nạp

9 Cụm bướm ga và cảm biến vị trí bướm ga

10 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ

11 Van điều khiển cầm chừng

12 Cảm biến oxy

13 Cảm biến kích nổ

14 Cụm IC và Bobine đánh lửa

15 Cụm kim phun nhiên liệu

16 Hộp điều chỉnh tốc độ motor giả lập chuyển động quay của trục khuỷu

17 Cụm công tắc tạo lỗi

1.3 Sơ đồ vị trí chân của ECU trên mô hình (giắc đực):

10 IGT1 10 10 ELS 10 IDLO

11 IGT2 11 VG 11 STA 11 SIL

12 IGT3 12 OX1A 12 L 12 ACT

13 IGT4 13 13 NSW 13

14 14 THW 14 PSSW 14

2 SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN TRÊN MÔ HÌNH

Hình 6: Sơ đồ mạch điện động cơ Toyota Corolla 1ZZ-FE

Hình 7: Sơ đồ mạch điện động cơ Toyota Corolla 1ZZ-FE

Hình 8: Sơ đồ mạch điện động cơ Toyota Corolla 1ZZ-FE

3 KÝ HIỆU CHÂN ECU TRÊN MÔ HÌNH

Ký hiệu Mô tả

BATT Dương thường trực của ECU

+B Dương cung cấp cho ECU sau rơle chính STA Tín hiệu khởi động

FC Tín hiệu điều khiển bơm xăng NE+ Tín hiệu tốc độ động cơ NE- Mass của tín hiệu vị trí xi lanh và tốc độ động cơ G2 Tín hiệu báo vị trí xi lanh

VC Điện áp 5V cung cấp cho các cảm biến VTA Tín hiệu cảm biến vị trí bướm ga

VG Tín hiệu cảm biến dây nhiệt EVG Tín hiệu âm của cảm biến dây nhiệt IGT1, IGT2 IGT3, IGT4 Tín hiệu điều khiển đánh lửa

IGF Tín hiệu phản hồi đánh lửa

#10 Tín hiệu điều khiển phun máy số 1

#20 Tín hiệu điều khiển phun máy số 2

#30 Tín hiệu điều khiển phun máy số 3

#40 Tín hiệu điều khiển phun máy số 4 OX1A Tín hiệu cảm biến oxy số 1

HT1A, HT1B Tín hiệu điều khiển bộ sấy cảm biến oxy

OX1B Tín hiệu cảm biến oxy số 2

KNK Tín hiệu cảm biến kích nổ

SPD Tín hiệu tốc độ xe TACH Tín hiệu tốc độ động cơ

THA Tín hiệu cảm biến nhiệt độ khí nạp THW Tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát

RSO Tín hiệu điều khiển mở van ISC

W Tín hiệu điều khiển đèn check SIL Tín hiệu chẩn đoán OBD-II E1 Nối đất của ECU động cơ E2 Nối đất của cảm biến E01, E02… Nối đất của kim phun

4 BẢNG GIÁ TRỊ GIỚI HẠN ĐIỆN ÁP CỦA ECU

Đầu nối Điều kiện hoạt động Giá trị giới hạn (V) BATT (E10 - 1) - E1 (E8 - 17) Mọi chế độ 9 - 14

+B (E10 - 16) - E1 (E8 - 17) Công tắc máy ON 9 - 14

VC (E8 - 23) - E2 (E8 - 18) Công tắc máy ON 4.5 - 5.5

VTA (E8 - 23) - E2 (E8 - 18)

Công tắc máy ON Bướm ga đóng hoàn toàn 0.3 - 1.0 Công tắc máy ON

Bướm ga mở hoàn toàn 3.2 - 4.9

VG (E8- 11) - EVG (E8 - 1)

Động cơ chạy cầm chừng, công tắc A/C - OFF, tay số

ở vị trí N hoạt P

0.5 -3.0

THA (E8 - 22) - E2 (E8 - 18)

Động cơ chạy cầm chừng, nhiệt độ khí nạp 20°C (68°F)

0.5 - 3.4

THW (E8 - 14) - E2 (E8 - 18)

Động cơ chạy cầm chừng, nhiệt độ nước làm mát 80°C (176°F)

0.2 -1.0

STA (E9 - 11) - E1 (E8 - 17) Khi khơi động động cơ <= 6.0

#10 (E7 - 1) - E01 (E7 - 21)

IGT2 (E7 - 11) - E1 (E8 - 17) Cầm chừng Xung

IGT3 (E7 - 12) - E1 (E8 - 17) Cầm chừng Xung

IGT4 (E7 - 13) - E1 (E8 - 17) Cầm chừng Xung

IGF (E7 - 25) - E1 (E8 - 17)

Công tắc máy ON 9 -14

G2 (E8 - 15) – NE- (E8 - 24) Cầm chừng Xung

NE+ (E8 - 16) - NE- (E8 - 24) Cầm chừng Xung

FC (E10 - 3) - E01 (E7 - 21)

Cầm chừng Dưới 3.0 Công tắc máy ON 9 - 14 KNK1 (E7- 27) – E1 (E8 - 17) Cầm chừng Xung

Bảng mã lổi chẩn đoán của ECU ( đƣợc thể hiện qua đèn check trên bảng tableu ) :

(Đèn check

chớp liên tục)

Không có lỗi

12 Mạch tín hiệu G hoặc NE Không có tín hiệu G hoặc NE đưa về ECU sau khi động

cơ khởi động được 2 giây

14 Mạch tín hiệu IGF Không có tín hiệu IGF đưa về ECU

15 Hệ thống đánh lửa Đang có bất kỳ một hư hỏng nào trong hệ thống đánh

Bảng công tắc tạo lỗi:

Chú ý: _ Công tắc tạo lỗi ở trạng thái bình thường hướng xuống : Không có lỗi

_ Công tắc tạo lỗi được bật ở trạng thái hướng lên : Lỗi được tạo ra

Công tắc tạo lỗi Vị trí hƣ hỏng Trạng thái hƣ hỏng

5 MẠCH ĐIỆN VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC CẢM BIẾN TRÊN

MÔ HÌNH

5.1 Mạch cấp nguồn:

Mạch cấp nguồn cho ECU động cơ trên động cơ 1ZZ-FE bao gồm nguồn điện Accu, khóa điện, rơle EFI chính, ECU động cơ Động cơ 1ZZ-FE sử dụng mạch cấp nguồn loại dòng điện chạy trực tiếp từ khóa điện đến cuộn dây rơle EFI chính để kích hoạt rơle (không

sử dụng van ISC loại môtơ bước)

Hình 9: Sơ đồ mạch cấp nguồn

Khi bật khóa điện ON, dòng điện chạy đến cuộn dây rơle EFI chính về mass làm tiếp

điểm đóng, cấp nguồn điện đến cực +B của ECU động cơ để ECU hoạt động Điện áp Accu luôn cấp đến cực BATT của ECU động cơ để cấp cho bộ nhớ

5.2 Mạch VC:

Từ điện áp Accu cung cấp cho cực +B, ECU động cơ dùng mạch ổn áp tạo ra một điện

áp không đổi 5V cũng như các cảm biến

Hình 10: Sơ đồ mạch VC

5.3 Mạch nối đất:

ECU động cơ có 3 loại nối đất cơ bản như sau:

 Cực E1, nối đất ECU động cơ

 Cực E2, nối đất các cảm biến

 Cực E01, E02…nối đất cơ cấu chấp hành các mạch dẫn động kim phun, van ISC…

Hình 11: Sơ đồ mạch nối đất

5.4 Cảm biến vị trí trục cam

5.4.1 Chức năng:

Cảm biến vị trí trục cam tạo ra tín hiệu G, ECU dựa vào tín hiệu này để nhận biết góc quay của trục khuỷu tiêu chuẩn cũng như vị trí tức thời của trục khuỷu để từ đó xác định thời điểm phun và thời điểm đánh lửa tương ứng với điểm chết trên cuối kỳ nén

5.4.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Cảm biến bao gồm một cuộn dây nhận tín hiệu, một nam châm vĩnh cửu, một roto có 3 răng (số lượng răng trên roto tùy thuộc vào từng kiểu xe) tạo tín hiệu Roto cảm biến được gắn trên puly trục cam

Khi trục cam quay khe hở không khí giữa phần nhô ra trên roto cảm biến và cảm biến trục cam sẽ thay đổi Sự thay đổi khe hở tạo ra điện áp trong cuộn nhận tín hiệu được gắn vào cảm biến này sinh ra tín hiệu G Tín hiệu G được chuyển đi như một thông tin về góc chuẩn của trục khuỷu đến ECU

Roto tạo tín hiệu kích hoạt cuộn nhận tín hiệu ba lần trong mỗi vòng quay trục cam

Từ tín hiệu này, ECU nhận biết khi nào piston số 1 ở điểm chết trên cuối kỳ nén

Hình 12: Cấu tạo cảm biến vị trí trục cam

Hình 13: Dạng sóng tín hiệu G

Hình 14 : Sơ đồ mạch cảm biến vị trí trục cam

5.5 Cảm biến vị trí và góc độ quay trục khuỷu

5.5.1 Chức năng:

Cảm biến vị trí trục khuỷu tạo ra tín hiệu NE, ECU dựa vào tín hiệu NE để tính toán góc đánh lửa và lượng phun nhiên liệu tối ưu cho từng xilanh

5.5.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Cảm biến bao gồm một cuộn dây nhận tín hiệu, một nam châm vĩnh cửu, một roto (32 răng nhỏ và 1 răng lớn) tạo tín hiệu Roto cảm biến được gắn ở đầu trục khuỷu

Khi trục khuỷu quay khe hở không khí giữa các răng trên roto tín hiệu và cảm biến trục khuỷu sẽ thay đổi Sự thay đổi khe hở tạo ra điện áp trong cuộn nhận tín hiệu được gắn vào cảm biến này sinh ra tín hiệu NE

Roto tạo tín hiệu kích hoạt cuộn nhận tín hiệu 33 lần trong mỗi vòng quay trục khuỷu

Từ tín hiệu này, ECU nhận biết tốc độ động cơ cũng như sự thay đổi từng 10 một của góc quay trục khuỷu

Hình 15: Cấu tạo cảm biến vị trí trục khuỷu

Hình 16: Dạng sóng tín hiệu NE

Hình 17: Sơ đồ mạch cảm biến vị trí trục khuỷu

5.6 Cảm biến lưu lượng khí nạp (loại dây nhiệt)

Hình 19: Nguyên lý hoạt động của cảm biến dây nhiệt

Hình 20: đồ thị biểu diễn đường đặc tuyến của biến dây nhiệt

Hình 21: Sơ đồ mạch điện cảm biến dây nhiệt