Nghiên cứu hệ thống điều khiển bướm ga trên 2 AZ-FE lắp trên dòng xe Camry của hãng Toyota

Xe điều khiển bướm ga bằng điện tử, sẽ sử dụng một cảm biến vị trí bướm ga bàn đạp ga và một mô tơ điện được gắn cố định trên bướm ga, cái này hoạt động như cáp dây ga và điều khiển tốc

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hưng Yên, ngày.… tháng 8 năm 2013

Giáo viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hưng Yên, ngày.… tháng 8 năm 2013

Giáo viên phản biện

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 5

BẢNG CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT 6

.8

LỜI NÓI ĐẦU 8

PHẦN I: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 9

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 9

II MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 10

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11

V GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 11

VI KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 11

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BƯỚM GA TRÊN ĐỘNG CƠ 2AZ-FE 12

1.1 CHỨC NĂNG NHIỆM VỤ VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG BƯỚM GA 12

1.1.1 Chức năng nhiệm vụ của hệ thống bướm ga 12

1.1.2 Phân loại hệ thống điều khiển bướm ga 13

1.1.2.1 Hệ thống điều khiển bướm ga dẫn động bằng cơ khí 13

a) Cấu tạo 13

b) Nguyên lý hoạt động 14

1.1.2.2 Hệ thống điều khiển bướm ga bằng điện tử 14

a) Cấu tạo 14

b) Nguyên lý hoạt động 15

1.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BƯỚM GA TRÊN ĐỘNG CƠ 2AZ-FE 16

1.2.1 Giới thiệu về động cơ 2AZ-FE 16

1.2.1.1 Các bộ phận chính 16

1.2.1.2 Một số đặc điểm cơ bản của động cơ 2AZ-FE 18

1.2.1.3 Vị trí lắp đặt bướm ga trên động cơ 2AZ-FE 19

19

1.2.2 Hệ thống điều khiển bướm ga thông minh (ETCS-i) trên động cơ 2AZ-FE19 1.2.2.1 Mô tả về hệ thống ETCS-i 19

1.2.2.2 Cấu tạo và hoạt động của cổ họng gió 21

1.2.2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển bướm ga điện tử trên động cơ 2AZ-FE 22

1.2.2.5 Chức năng dự phòng (chức năng an toàn) 24

1.2.3 Kết cấu các bộ phận chính hệ thống bướm ga 28

1.2.3.1 Cảm biến vị trí bướm ga 28

1.2.3.3 Môtơ bướm ga 31

1.2.3.4 Ly hợp điện từ 34

1.2.3.5 Bộ điều chỉnh nhiệt 34

1.2.3.6 Cơ cấu an toàn 34

1.2.4 Hệ thống điều khiển tốc độ không tải ISC 37

1.2.4.1 Khái quát về hệ thống điều khiển tốc độ không tải ISC 37

1.2.4.2 Van điều chỉnh tốc độ chạy không tải ISCV 38

2.1 KIẾN THỨC CHUNG TRƯỚC KHI CHẨN ĐOÁN 40

2.1.1 Khái niệm độ tin cậy 40

2.1.2 Lý thuyết cơ bản về chẩn đoán 40

2.1.3 Khái niệm về tự chẩn đoán 41

2.1.4 Nguyên lý hình thành hệ thống tự chẩn đoán 41

2.1.5 Các loại thông số dùng trong chẩn đoán 42

2.1.6.4 Nguyên tắc làm việc với dây điện 46

Bảng 2.2 Triệu chứng hư hỏng của động cơ 50

2.2.2 Bảng thông số sửa chữa 50

2.2.3 Các cực của ECM 51

2.5.2 Hỏng cảm biến vị trí bàn đạp ga / công tắc "A" (DTC P0121) 76

2.5.3 Hỏng mạch mô tơ điều khiển bộ chấp hành bướm ga (DTC P2102, P2103) 76

2.5.5 Dòng điện mô tơ điều khiển bộ chấp hành bướm ga (DTC P2118) 79

2.5.6 Cổ họng gió điều khiển bộ chấp hành bướm ga (DTC P2119) 82

2.5.8 Điện áp hệ thống (DTC: P0560) 88

2.5.9 Lỗi bộ nhớ Ram điều khiển bên trong (DTC: P0604); ECM/bộ vi xử lý PCM (DTC: P0606); Tính năng mô đun điều khiển (DTC: P0607); Mạch điện áp nguồn bộ chấp hành/hở (DTC: P0657) 91

Chương 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN LẮP ĐẶT MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TOYOTA 2AR – FE 93

3.1 MỤC ĐÍCH CỦA MÔ HÌNH 93

3.2 NHỮNG THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ 2AR-FE 93

3.3 XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN PHƯƠNG ÁN VÀ LẮP ĐẶT MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TOYOTA 2AR-FE 93

3.3.2 Kết luận lựa chọn phương án lắp đặt 98

3.3.3.2 Thiết kế maket 101

3.3.4 Mô hình động cơ TOYOTA 2AR – FE hoàn thiện 101

PHỤ LỤC 104

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Số thứ tự Số

trang

Hình 1.1 Bướm ga dẫn động bằng cơ khí………

Hình 1.2 Bướm ga điều khiển điện tử………

Hình 1.3 Mặt cắt dọc động cơ 2AZ-FE………

Hình 1.4 Mặt cắt ngang động cơ 2AZ-FE………

Hình 1.5 Vị trí một số bộ phận trên động cơ 2AZ-FE………

Hình 1.6 Vị trí bướm ga trên động cơ 2AZ-FE………

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển bướm ga………

Hình 1.8 Cấu tạo cụm cổ họng gió………

Hình 1.9 Sơ đồ mạch điện bộ chấp hành bướm ga………

Hình 1.10 Góc mở của bướm ga ứng với các chế độ………

Hình 1.11 Mối quan hệ của các bộ phận giữ chức năng dự phòng………

Hình 1.12 Hoạt động dự phòng khi cảm biến APPS bị hỏng………

Hình 1.13 Các chế độ dự phòng khi cảm biến APPS bị hỏng………

Hình 1.14 Sơ đồ khối mạch điều khiển bướm ga điện tử………

Hình 1.15 Sơ đồ mạch điều khiển bướm ga………

Hình 1.16 Cấu tạo cảm biến vị trí bướm ga loại phần tử Hall………

Hình 1.17 Sơ đồ mạch điện và tín hiệu điện áp của TPS………

Hình 1.18 Mạch điện bên trong của cảm biến vị trí bướm ga………

Hình 1.19 Đường đặc tuyến của cảm biến vị trí bướm ga………

Hình 1.20 Cảm biến vị trí bàn đạp ga………

Hình 1.21 Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bàn đạp ga………

Hình 1.22 Sơ đồ tín hiệu điện áp của cảm biến vị trí bàn đạp ga………

Hình 1.23 Sơ đồ mạch điện điều khiển môtơ bướm ga………

Hình 1.24 Sơ đồ mạch điên điều khiển mô tơ chế độ đóng bướm ga……

Hình 1.25 Bộ điều chỉnh nhiệt………

Hình 1.26 Sơ đồ khối hoạt động của ECU………

Hình 1.27 Sơ đồ khối các hệ thống trong ECU với bộ vi xử lý………

Hình 1.28 Van ISCV loại môtơ bước………

Hình 3.1 Động cơ đặt dọc và bảng điều khiển để ở đầu máy………

Hình 3.2 Động cơ đặt ngang và bảng điều khiển đặt một phía đầu máy……

Hình 3.3 Động cơ đặt ngang và bảng điều khiển động cơ cạnh máy………

Hình 3.4 Động cơ đặt ngang và bảng điều khiển để cạnh máy………

Hình 3.5 Động cơ đặt ngang và bảng điều khiển đặt ngang………

Hình 3.6 Hình chiếu đứng………

Hình 3.7 Hình chiếu bằng………

Hình 3.8 Hình chiếu cạnh………

Hình 3.9 Hình chiếu trục đo………

14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 25 26 27 28 29 29 30 30 31 31 32 33 34 35 36 39 94 95 96 97 98 99 99 100 100

Hình 3.10 Bảng điều khiển………

Hình 3.11 Mô hình động cơ 2AR-FE hoàn thiện………

101 102 DANH MỤC BẢNG BIỂU Số thứ tự Số trang Bảng 2.1 Các loại cầu chì………

Bảng 2.2 Triệu chứng hư hỏng của động cơ………

Bảng 2.3 Thông số sữa chữa………

Bảng 2.4 Điện áp tiêu chuẩn các cực của ECM………

Bảng 2.5 Bảng mã DTC của hệ thống điều khiển bướm ga………

Bảng 3.1 Bảng dự toán vật liệu làm mô hình………

43 48 49 53 63 101

BẢNG CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

NO Số

LỜI NÓI ĐẦU

Trong giai đoạn hiện nay ngành ôtô có vai trò rất quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, ôtô được sử dụng trong nhiều ngành kinh tế như: vận tải, xây dựng, du lịch…Cùng với sự phát triển vượt bậc của mình ngành công nghệ ôtô ngày càng khẳng định vai trò quan trọng không thể thiếu trong sự phát triển của một quốc gia

Nhờ sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật và công nghệ, ngành ôtô

đã không ngừng tự làm mới mình để đáp ứng được những yêu cầu bức thiết trong vấn

đề sử dụng Ngành ôtô đã có những bước tiến bộ vượt bậc về thành tựu kỹ thuật mới như: Điều khiển điện tử và kỹ thuật bán dẫn cũng như các phương pháp tính toán hiện đại… đều được áp dụng trên ôtô Khả năng cải tiến, hoàn thiện và nâng cao để đáp ứng mục tiêu chủ yếu về tăng năng suất, vận tốc, tải trọng có ích, tăng tính kinh tế, giảm cường độ cho người lái, tính tiện nghi sử dụng cho khách hàng và giảm tối ưu lượng nhiên liệu

Ở Việt Nam, với ngành công nghiệp ô tô còn non trẻ thì hầu hết những công nghệ về ô tô đều đến từ các nước trên thế giới Chúng ta cần phải tiếp cận với công

nghệ tiên tiến này để không những tạo tiền đề cho nền công nghiệp ô tô mà còn phục

vụ cho công tác bảo dưỡng, sửa chữa

Qua thời gian học tập và nghiên cứu về chuyên ngành “Công nghệ kỹ thuật ô tô” tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên, em được khoa tin tưởng giao cho đề

tài tốt nghiệp “Nghiên cứu về hệ thống điều khiển bướm ga trên động cơ 2AZ-FE lắp trên dòng xe CAMRY của hãng TOYOTA” đây là một đề tài rất thiết thực.

Với sự cố gắng của chúng em và dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Lê Đăng Đông cùng với sự giúp đỡ của các thầy cô trong Khoa Cơ khí Động lực, các bạn trong

lớp ĐLK9LC2 em đã hoàn thành đề tài đáp ứng được yêu cầu đưa ra Song trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, với khả năng và kinh nghiệm còn hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy em rất mong sự đóng góp, chỉ bảo của các thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn và đó chính là những kinh nghiệm nghề nghiệp cho em sau khi ra trường

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa, đặc biệt là thầy Lê Đăng Đông đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn chúng em để đề tài chúng em được hoàn

Đó cũng là lý do mà em chọn Đề tài tốt nghiệp của mình là “Nghiên cứu hệ thống điều khiển bướm ga trên 2 AZ-FE lắp trên dòng xe Camry của hãng Toyota ”

và phần thực hành “Thiết kế, chế tạo và lắp đặt mô hình động cơ TOYOTA 2AR-FE trên giá” Trong phạm vi giới hạn của Đề tài, khó mà có thể nói hết được tất cả các

công việc cần phải làm để khai thác hết tính năng về phần điều khiển bướm ga trên động cơ xe ô tô Tuy nhiên, đây sẽ là nền tảng cho việc lấy cơ sở để khai thác những

động cơ tương tự sau này, làm thế nào để sử dụng một cách hiệu quả nhất, kinh tế nhất trong khoảng thời gian lâu nhất

Mô hình là điều kiện để giúp giảng viên và sinh viên thực hiện việc kiểm tra chẩn đoán trực tiếp trên các cơ cấu bộ phận của hệ thống điều khiển động cơ một cách

dễ dàng và thuận lợi Từ đó có những kinh nghiêm thực tế trong kiểm tra chẩn đoán

II MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Như đã trình bày ở phần trên, mục tiêu của Đề tài này là làm thế nào để chúng ta

có thể có một cái nhìn khái quát về các công việc có thể tiến hành để khai thác có hiệu quả nhất hệ thống điều khiển bướm ga động cơ Toyota Camry, cụ thể hơn ở đây là động cơ 2AZ-FE

Qua tìm hiểu, ta có thể nắm được tổng quan về kết cấu các bộ phận của hệ thống điều khiển bướm ga của động cơ 2AZ-FE trên xe Toyota Camry, nắm được nguyên lý làm việc của từng hệ thống trên động cơ Từ đó ta có thể so sánh, rút ra các kết luận và

ưu nhược điểm của động cơ 2AZ-FE

Nhờ những hiểu biết này, những người kỹ sư về ô tô có thể đưa ra những lời khuyên cho người sử dụng cần phải làm như thế nào để sử dụng, khai thác hệ thống điều khiển bướm ga trên động cơ Toyota Camry 2AZ-FE một cách hiệu quả nhất, trong thời gian lâu nhất với tính kinh tế và năng suất cao nhất Cuối cùng, nắm vững

và khai thác hiệu quả động cơ Toyota Camry 2AZ-FE, chúng ta sẽ có thể khai thác tốt các loại động cơ mới hơn, được ra đời sau này và có các hệ thống tiên tiến hơn Khai thác và sử dụng tốt động cơ 2AZ-FE cũng là một cách để chúng ta bảo vệ môi trường sống của chính chúng ta, bảo vệ sức khỏe cộng đồng

Xây dựng được mô hình hoàn chỉnh động cơ TOYOTA 2AR-FE Từ đây có thể dùng tài liệu này để xây dựng hệ thống bài tập thực hành trên động cơ TOYOTA 2AR-FE

Đề xuất các giải pháp nghiên cứu mới phù hợp với những thay đổi của thực tế

xã hội, nhằm cho sinh viên chủ động hơn trong việc tiếp thu những công nghệ mới thay đổi từng ngày của xã hội

III MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài này, bản thân sinh viên nhận thấy đây là một cơ hội rất lớn để có thể củng cố các kiến thức mà mình đã được học Ngoài

ra, sinh viên còn có thể biết thêm những kiến thức thực tế mà trong nhà trường khó có thể truyền tải hết được, đó thực sự là những kiến thức mà mỗi sinh viên rất cần khi công tác sau này

Thực hiện luận văn cũng là dịp để sinh viên có thể nâng cao các kỹ năng nghề nghiệp, khả năng nghiên cứu độc lập và phương pháp giải quyết các vấn đề Bản thân sinh viên phải không ngừng vận động để có thể giải quyết những tình huống phát sinh, điều đó một lần nữa giúp cho sinh viên nâng cao các kỹ năng và kiến thức chuyên ngành

Cuối cùng, việc hoàn thành luận văn tốt nghiệp sẽ giúp cho sinh viên có thêm tinh thần trách nhiệm, lòng say mê học hỏi, sáng tạo Và đặc biệt quan trọng là lòng yêu nghề nghiệp

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài em có sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau:

- Tra cứu trong các tài liệu, giáo trình kỹ thuật, sách vở, đặc biệt là các cuốn cẩm nang khai thác, bảo dưỡng sửa chữa của chính hãng Toyota

- Tìm kiếm thông tin trên mạng Internet, các website trong và ngoài nước So sánh và chắt lọc để sử dụng những thông tin cần thiết và đáng tin cậy

- Tham khảo ý kiến của các Giảng viên trong khoa cơ khí động lực Trong đó phải kể đến các Thầy trong khoa Cơ Khí Động Lực của trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên, các kỹ sư, chuyên viên kỹ thuật về ô tô tại các Trung tâm bảo hành, các xưởng sửa chữa, và cả những người có kinh nghiệm lâu năm trong việc sử dụng và bảo quản xe…

- Tổng hợp và phân tích các nguồn dữ liệu thu thập được, từ đó đưa ra những đánh giá

và nhận xét của riêng mình

V GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Do thời gian làm luận văn có hạn nên chỉ nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động bộ phận chính trong hệ thống, từ đó tổng hợp và đưa ra nguyên lý hoạt động chung và quy trình kiểm tra sửa chữa hư hỏng của hệ thống điều khiển bướm ga trên động cơ 2AZ-FE lắp trên dòng xe CAMRY

VI KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Thiết kế và thu thập tài liệu làm thuyết minh:

Phần thiết kế mô hình dự tính thời gian tiến hành trong khoảng 15 ngày bắt đầu

từ ngày 18 tháng 03 năm 2013

• Từ ngày 18 đến 24 tháng 03 năm 2013:

 Tìm hiểu đề tài, thu thập tài liệu có liên quan tới đề tài

 Tham khảo và tìm hiểu các mô hình khác để tìm ra các ưu nhược điểm

mà từ đó thiết kế ra mô hình động cơ Toyota 2AR-FE một cách tối ưu nhất

• Từ ngày 24 đến ngày 01 thưáng 04 năm 2013:

 Tham khảo và tìm hiểu đề tài có trước để lập dàn ý cho đề tài

 Tiến hành thiết kế mô hình trên máy tính

Xây dựng mô hình và hoàn thiện thuyết minh cho đề tài:

Dự kiến thời gian xây dựng mô hình 60 ngày bắt đầu từ ngày 02 tháng 04 năm 2013:

• Từ ngày 02-04-2013đến ngày 01-05-2013 tiến hành thực hiện xây dựng mô hình theo bản vẽ và xắp xếp lại lý thuyết làm thuyết minh cho đề tài theo dàn

ý đã lập:

 Tuần thứ nhất: chuẩn bị nguyên vật liệu cho việc xây dựng mô hình

 Tuần thứ hai và ba kế tiếp tiến hành xây dựng mô hình

 Tuần thứ tư kiểm tra và khắc phục những chỗ chưa đạt yêu cầu

• Từ ngày 02 tháng 05 đến ngày 16 tháng 05 năm 2013 tiến hành sơn bề mặt

mô hình theo quy trình sơn ôtô và hoàn thiện thuyết minh cho đề tài

• Từ ngày 17 tháng 05 đến ngày 27 tháng 05 tiến hành chế tạo mặt market và sửa chữa lỗi trình bày thuyết minh của đề tài

• Từ ngày 28 tháng 05 đến 01 tháng 06 tiến hành đưa động cơ lên mô hình, kiểm tra và sửa chữa những phần không hợp lý của mô hình và thuyết minh của đề tài

PHẦN II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BƯỚM GA TRÊN

ĐỘNG CƠ 2AZ-FE

1.1 CHỨC NĂNG NHIỆM VỤ VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG BƯỚM GA

1.1.1 Chức năng nhiệm vụ của hệ thống bướm ga

Bướm ga là nơi mà không khí thực sự đi vào trong động cơ Khi đạp bàn đạp ga thì bướm ga sẽ mở, độ mở tùy thuộc vào việc đạp bàn đạp ga bao nhiêu và cho phép gió đi vào trong ống góp hút Hầu hết các bướm ga đều được đặt ở đầu của ống góp hút và được nối với lọc gió

Cho đến thời điểm hiện tại, đa số các bướm ga được tài xế tác động trực tiếp qua dẫn động bằng cáp Bắt đầu từ năm 1992 do sự xuất hiện của điều khiển lực kéo nên trên một số xe xuất hiện bướm ga thứ hai trên đường ống nạp Thêm vào đó, hệ thống điều khiển ga tự động (Cruise control) cũng làm cũng làm cơ cấu điều khiển bằng cơ

trở nên phức tạp, dẫn đến nhiều sự cố liên quan đến cơ cấu bướm ga Chính vì vậy mà những năm gần đây, bướm ga dẫn động bằng điện và việc điều khiển bằng điện tử thông qua ECU giúp cơ cấu bướm ga trở nên đơn giản hơn.

Xe điều khiển bướm ga bằng điện tử, sẽ sử dụng một cảm biến vị trí bướm ga bàn đạp ga và một mô tơ điện được gắn cố định trên bướm ga, cái này hoạt động như cáp dây ga và điều khiển tốc độ cầm chừng, bằng cách sử dụng tín hiệu đầu vào từ cảm biến vị trí bàn đạp ga để điều khiển cánh bướm ga mở

Các bướm ga loại thường (cơ) thường được gắn kèm với cảm biến bướm ga

Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên thân bướm ga Cảm biến này chuyển đổi vị trí góc mở cánh bướm ga thành tín hiệu điện áp gởi đến ECU

Hệ thống điều khiển bướm ga trên xe có nhiệm vụ chính như sau:

 Đánh giá được chế độ làm việc của động cơ như: chế độ cầm chừng, một phần tải hay toàn tải.

 Tắt điều hòa không khí và điều khiển khí thải khí cánh bướm ga mở lớn.

 Điều chỉnh tỉ lệ không khí - nhiên liệu phù hợp.

 Tăng công suất động cơ ứng với từng chế độ hoạt động.

 Cắt nhiên liệu khi giảm tốc đột ngột.

1.1.2 Phân loại hệ thống điều khiển bướm ga

Để phân loại hệ thống điều khiển bướm ga người ta dựa vào cấu tạo, hoạt động, phương pháp điều khiển Có thể chia 2 loại hệ thống điều khiển bướm ga chính như sau:

1.1.2.1 Hệ thống điều khiển bướm ga dẫn động bằng cơ khí

a) Cấu tạo

Bướm ga dẫn động bằng cơ khí là một phần kết cấu trong bộ chế hòa khí Bộ chế hòa khí thường được sử dụng trên các xe đời cũ Cơ cấu bướm ga bao gồm các bộ phân chính như sau: bàn đạp ga được bố trí ở trong cabin của ôtô, các chốt định vị, cáp dẫn động, cánh bướm ga, lò xo hồi vị

Hình 1.1 Bướm ga dẫn động bằng cơ khí

b) Nguyên lý hoạt động

Để điều khiển hệ thống bướm ga người lái tác động vào bàn đạp ga và thông qua

hệ dẫn động bằng cơ khí sẽ tác động đến sự đóng mở của bướm ga

Cơ cấu bướm ga hình trên hoạt động như các van điều khiển trong bộ chế hòa khí Khi động cơ hoạt động bướm ga và bướm khí đều mở không khí bị hút vào từ phía trên, đi qua họng khuyếch tán Tại đây, do tiết diện lưu thông bị thu hẹp lại, tốc độ của dòng khí tăng lên làm áp suất giảm xuống tạo độ chân không hút nhiên liệu từ trong buồng phao qua đường xăng chính và phun ra dưới dạng tia Như vậy, xăng bị phun vào dòng khí có tốc độ cao, hoà trộn với không khí và bay hơi để tạo thành hỗn hợp khí cháy

Lượng khí được hút qua carburetor phụ thuộc vào độ mở của bướm ga: bướm

ga mở càng lớn thì lượng khí đi qua càng nhiều, nghĩa là tốc độ dòng khí ở họng khuyếch tán càng tăng và lượng xăng bị hút vào càng lớn Như vậy, bướm ga cho phép điều khiển hoạt động của động cơ ở các chế độ tải khác nhau tuỳ theo điều kiện làm việc Việc điều khiển bướm ga được thực hiện qua bàn đạp và hệ thống dẫn động

một bướm ga vận hành bằng điện tử Bướm ga điện tử bao gồm các bộ phận chính sau: cảm biến vị trí bướm ga, ECU động cơ, mô tơ điều khiển bướm ga.

Hình 1.2 Bướm ga điều khiển điện tử

b) Nguyên lý hoạt động

Bướm ga điều khiển điện tử loại bỏ hiện tượng kẹt hoặc bó hay xảy ra với cơ cấu bướm ga điều khiển bằng cơ khí do lò xo bướm ga không thể hồi về Khi người lái tác động vào bàn đạp ga ở trong cabin cảm biến vị trí bàn đạp và cảm biến vị trí bướm

ga sẽ nhận tín hiệu gửi về ECU động cơ ECU động cơ sẽ gửi tín hiệu đến mô tơ bướm

ga để điều khiển sự đóng mở bướm ga

ECU có khả năng xử lý thông minh hơn tài xế khi phải đưa ra các lựa chọn tối

ưu trong việc đạp chân ga, đặc biệt là trong các tình huống xe bị mất lực kéo hoặc mất lái khi bắt đầu khởi hành Tái xế có thể không phản ứng đủ nhanh, bởi vậy máy tính điều khiển tích hợp trong xe đóng bớt một phần bướm ga lại để tăng lực kéo và giảm

sự quay trượt của bánh xe.Việc điều khiển tốc độ không tải trong bướm ga điều khiển điện là được thực hiện nhờ một van điều khiển khí nạp không tải riêng biệt trên thân của cụm bướm ga, nó cho phép không khí đi tắt qua cánh bướm ga

1.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BƯỚM GA TRÊN ĐỘNG CƠ 2AZ-FE

1.2.1 Giới thiệu về động cơ 2AZ-FE

1.2.1.1 Các bộ phận chính

Động cơ 2AZ-FE được sử dụng trên xe Camry của Toyota Tính đến hiện tại hơn 10 triệu chiếc Camry đến tay khách hàng kể từ năm khai sinh 1983 và hầu hết trong số đó được bán tại Mỹ

Hình 1.3 Mặt cắt dọc động cơ 2AZ – FE

Hình 1.4 Mặt cắt ngang động cơ 2AZ – FE

Hình 1.5 Vị trí một số bộ phận trên động cơ 2AZ – FE

1 - Cacste; 2- Hộp trục khuỷu;3- Bánh răng chủ động; 4- Thanh truyền; 5- Piston 6-

Áo nước; 7- Vòi phun; 8- Cam nạp; 9- Bô bin đánh lửa; 10- Cam xả; 11- Nắp đậy; 12- Nắp xylanh; 13- Que thăm dầu;14- Thân xylanh; 15- Van hằng nhiệt; 16 - Thân xylanh

1.2.1.2 Một số đặc điểm cơ bản của động cơ 2AZ-FE

Động cơ 2.4 lít, 4 xilanh thẳng hàng, 16 xúpáp, DOHC, VVT-i

Ngoài ra bên thân máy còn có nước được dẫn từ bơm nước lên làm mát xylanh.Nến điện được bố trí bên phải buồng cháy

Các lò xo nấm hút làm bằng thép và lò xo có khả năng chịu tải ở mọi chế độ vòng quay động cơ

Trục cam được dẫn động bằng xích Trục cam có 5 ổ đỡ nằm giữa các con đội của từng xylanh và ở phía đầu xylanh số 1 Việc bôi trơn các ổ trục cam được thực hiện nhờ có đường dầu từ nắp máy

1.2.1.3 Vị trí lắp đặt bướm ga trên động cơ 2AZ-FE

Bướm ga là nơi mà không khí đi vào động cơ Khi đạp bàn đap ga thì cánh bướm

ga sẽ mở, độ mở tùy thuộc vào việc đạp bàn đạp ga bao nhiêu và cho phép gió đi vào trong ống góp hút Trên động cơ 2AZ-FE bướm ga được đặt ở đầu vào của ống góp hút và được nối với lọc gió

Cảm biến vị trí bướm ga được bắt trực tiếp trên phần cuối của trục bướm ga và báo cho hộp ECU chính xác độ mở của cánh bướm ga Ngoài ra trên thân bướm ga còn gắn mô tơ điện để điều khiển việc mở cánh bướm ga

Hình 1.6 Vị trí bướm ga trên động cơ 2AZ-FE

1.2.2 Hệ thống điều khiển bướm ga thông minh (ETCS-i) trên động cơ 2AZ-FE

1.2.2.1 Mô tả về hệ thống ETCS-i

Ngày nay cùng với xu hướng phát triển chung của thế giới, nền công nghiệp ô tô phát triển nhanh chóng để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng và cùng với sự ứng dụng mạnh mẽ của kỹ thuật điều khiển tự động vào ô tô đã dần thay thế cho các cơ cấu điều khiển bằng cơ khí vốn không chính xác và đòi hỏi thường xuyên phải sửa chữa, bảo dưỡng định kỳ Trên ô tô ngày càng có nhiều hệ thống điều khiển bằng điện tử, điều đó đã đem lại cho ô tô một số thuận lợi trong điều khiển, trong sửa chữa, bảo dưỡng và trên hết là sự điều khiển bằng các hệ thống điện tử được thực hiện một cách chính xác và ổn định đã giúp cho ô tô phát ra ít chất thải độc hại gây ô nhiễm môi

Thân bướm ga

Mô tơ và cảm biến vị trí bướm ga

trường, kinh tế về nhiên liệu và kiểm soát được từng chế độ hoạt động trên ô tô Hệ thống điều khiển bướm ga bằng điện tử thông minh (Electronic Throttle Control System intelligent–ETCS-i) trên động cơ 2AZ-FE là một hệ thống điều khiển bằng điện tử được trang bị trên dòng xe Camry của hãng Toyoto nhằm đem lại cho ô tô những ưu điểm đó

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển bướm ga

Hệ thống khiển điện bướm ga trên động cơ 2AZ-FE (ETCS-i – Electronic Throttle Control System) là một hệ thống điều khiển bằng điện được nối trực tiếp giữa bàn đạp ga với cánh bướm ga Tuy hệ thống điều khiển bướm ga bằng điện tử đã được

đề xuất nghiên cứu trong gần một thập kỷ vừa qua nhưng nó chỉ mới được đưa vào ứng dụng trong vài năm gần đây trên dòng xe Camry của hãng Toyota Khác với các

hệ thống bướm ga truyền thống được điều khiển dẫn động trực tiếp từ chân bàn đạp ga thông qua cáp nối và lò xo hồi vị, ở hệ thống ETCS-i, cáp nối được thay thế bằng các cảm biến vị trí và một cụm các chi tiết gọi là bộ chấp hành được tích hợp bên trong thân bướm ga, bộ chấp hành bao gồm: một môtơ một chiều để tạo lực kéo, một lò xo hồi vị và các bánh răng giảm tốc

Góc mở của bướm ga thông thường được điều khiển trực tiếp bằng dây cáp nối

từ bàn đạp ga đến bướm ga để mở và đóng nó Trong hệ thống này, dây cáp được loại

bỏ, và ECU động cơ dùng môtơ điều khiển bướm ga để điều khiển góc mở của bướm

ga đến một giá trị tối ưu tương ứng với mức độ đạp bàn đạp ga Ngoài ra, góc mở của bàn đạp ga được nhận biết bằng cảm biến vị trí bàn đạp ga, và góc mở của bướm ga được nhận biết bởi cảm biến vị trí bướm ga

Hệ thống ECTS-i bao gồm cảm biến vị trí bướm ga, ECU động cơ và cổ họng gió Cổ họng gió bao gồm bướm ga, môtơ điều khiển bướm ga, cảm biến vị trí bướm ga và các bộ phận khác

1.2.2.2 Cấu tạo và hoạt động của cổ họng gió.

Cổ họng gió bao gồm bướm ga, cảm biến vị trí bướm ga dùng để phát hiện góc

mở của bướm ga, môtơ bướm ga để mở và đóng bướm ga, và một lò xo hồi để trả bướm ga về một vị trí cố định Môtơ bướm ga ứng dụng một môtơ điện một chiều có

độ nhạy tốt và tiêu thụ ít năng lượng

ECU động cơ điều khiển độ lớn và hướng của dòng điện chạy đến môtơ điều

khiển bướm ga, làm quay hay giữ môtơ, và mở và đóng bướm ga qua một cụm bánh răng giảm tốc Góc mở bướm ga thực tế được phát hiện bằng một cảm biến vị trí bướm

ga và thông số đó được phản hồi về cho ECU động cơ

Hình 1.8 Cấu tạo cụm cổ họng gió

Khi dòng điện không chạy qua môtơ, lò xo hồi sẽ mở bướm ga đến một vị trí cố định (khoảng 7o) Tuy nhiên, trong chế độ không tải bướm ga được đóng lại nhỏ

Bướm ga

Cảm biến vị trí bướm ga

Bánh răng giảm tốc

Ly hợp từ

Cánh bướm ga

Mô tơ bướm ga

IC hall

hơn so với vị trí cố định Khi ECU động cơ phát hiện thấy có trục trặc, nó bật đèn báo

hư hỏng trên đồng hồ táp lô đồng thời cắt nguồn đến môtơ, nhưng do bướm ga được giữ ở góc mở khoảng 70, xe vẫn có thể chạy đến nơi an toàn Những kiểu xe đầu tiên

có hệ thống ETCS-i sử dụng một ly hợp từ giữa môtơ và bướm ga, nó có thể dùng để nối và ngắt môtơ

1.2.2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển bướm ga điện tử trên động cơ 2AZ-FE.

Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử có một mạch cấp nguồn riêng Điện

áp +B được theo dõi và khi điện áp thấp (nhỏ hơn 4V), ECU kết luận rằng có hư hỏng trong ETCS và dòng điện tới bộ chấp hành bướm ga bị cắt Khi điện áp trở nên không

ổn định, ETCS cũng trở nên không ổn định Vì lý do đó, khi điện áp thấp, dòng điện tới bộ chấp hành bị cắt Nếu việc sửa chữa được tiến hành và hệ thống đã trở về trạng thái bình thường thì ECU sau đó cho phép dòng điện chạy đến bộ chấp hành bướm ga

để sau cho nó có thể khởi động được

Mạch nguồn cho ECU

Mạch điều chỉnh bộ chấp hành bướm ga

Từ rơle EFI

Tư øẮc quy

Bộ chấp hành bướm ga

Hệ thống bướm ga bao gồm các chế độ hoạt động khác nhau như sau:

 Điều khiển phi tuyến (non-linear control)

Điều khiển phi tuyến có nghĩa là ECU điều khiển hoạt động cánh bướm ga dựa trên nhiều nhân tố như tốc độ dịch chuyển của bàn đạp ga, tốc độ động cơ, tốc độ xe

và điều kiện mặt đường để hoạt động của động cơ đạt hiệu quả tốt hơn Ở điều kiện trượt, bướm ga được điều khiển nhằm mục đích ổn định ôtô

 Điều khiển giảm giật khi chuyển số

Cánh bướm ga sẽ được điều khiển đồng thời với sự điều khiển hộp số tự động trong quá trình sang số nhằm giảm va đập khi lên số cũng như xuống số

 Điều khiển tốc độ cầm chừng

ECU điều khiển sự hoạt động của bướm ga để duy trì tốc độ cầm chừng định trước

 Điều khiển lực kéo TRC

Là một phần của hệ thống TRC, bướm ga sẽ đóng khi ECU nhận tín hiệu từ hộp điều khiển ABS &TRC nếu có sự trượt xảy ra ở các bánh xe chủ động

Ta nhận thấy ở điều kiện đường trơn trượt (đường có tuyết chẳng hạn) thì công suất động cơ sẽ giảm tương ứng với lực đạp ga có nghĩa là muốn đạt được bằng công suất trên đường bình thường thì trên đường trơn trượt người lái xe phải đạp ga sâu hơn Nhưng ta biết rằng trong điều kiện trơn trượt, nếu bướm ga mở lớn thì công suất phát ra cũng lớn mà mặt đường không có khả năng tiếp nhận hết công suất (do hệ số

ma sát thấp) nên xảy ra hiện tượng trượt Do vậy khi nhận được tín hiệu điều khiển ABS &TRC thì ECU sẽ điều khiển cánh bướm ga đóng lại từ từ cho đến khi nào không nhận được tín hiệu trượtđóng lại từ ABS và TRC để tránh trường hợp xe bị trượt

Hình 1.10 Góc mở bướm ga ứng với các chế độ.

 Điều khiển hỗ trợ chống trượt (VSC -Vehicle skid control)

Sự hoạt động của VSC sẽ được hiệu quả hơn khi góc mở bướm ga được thay đổi bởi các tín hiệu từ ECU ABS & TRC

 Điều khiển chạy tự động

Hệ thống bướm ga điện tử hỗ trợ cho việc điều khiển chạy tự động Nhờ hệ thống bướm ga điện tử mà bộ phận điều khiển Cruise control được tích hợp vào trong ECU Khi người tài xế cài chế độ chạy tự động, việc điều khiển bướm ga sẽ hoàn toàn dựa vào các tín hiệu từ ECU Cruise control

1.2.2.5 Chức năng dự phòng (chức năng an toàn).

Nếu ECU động cơ phát hiện có trục trặc trong hệ thống ETCS-i, nó bật đèn báo

hư hỏng trên bảng táp lô để báo cho lái xe Cảm biến vị trí bàn đạp ga có mạch cảm biến cho 2 hệ thống, chính và phụ Nếu hư hỏng xảy ra trong một mạch cảm biến, và ECU phát hiện thấy có sự chênh lệch điện áp không bình thường trong tín hiệu giữa 2 mạch cảm biến, ECU động cơ sẽ chuyển sang chế độ hoạt động hạn chế Trong chế độ hoạt động hạn chế, mạch còn lại được sử dụng để tính tốn góc của bàn đạp ga và xe vận hành với góc mở bướm ga hạn chế hơn so với bình thường Ngoài ra, nếu có vẻ như hư hỏng xảy ra trong cả hai mạch, ECU động cơ sẽ đặt bướm ga ở trạng thái không tải Lúc này xe chỉ có thể chạy ở trong phạm vi không tải

Hình 1.11 Mối quan hệ của các bộ phận giữ chức năng dự phòng

Cảm biến vị trí bướm ga cũng có 2 mạch cảm biến, chính và phụ Nếu hư hỏng xảy ra ở trong mạch cảm biến, và ECU động cơ phát hiện thấy điện áp không bình thường giữa 2 mạch cảm biến, ECU động cơ sẽ cắt dòng điện đến môtơ điều khiển bướm ga và sau đó chuyển sang chế độ hoạt động hạn chế Lúc này bướm ga được mở

ở góc cố định bằng lò xo hồi, và lượng phun nhiên liệu và thời điểm đánh lửa được

điều khiển bằng tín hiệu bàn đạp ga Công suất của động cơ sẽ bị hạn chế đi nhiều nhưng xe vẫn có thể chạy được Khi ECU động cơ phát hiện thấy có hư hỏng trong hệ thống môtơ điều khiển bướm ga, khi đó nó sẽ điều khiển giống như khi có hư hỏng về cảm biến vị trí bướm ga.

Hoạt động dự phòng trong trường hợp cảm biến bàn đạp ga APPS bị hỏng:

Hình 1.12 Hoạt động dự phòng khi cảm biến APPS bị hỏng

Khi có sự bất thường trong tín hiệu cảm biến bàn đạp ga Chế độ dự phòng trong ECU sẽ bắt đầu hoạt động Nếu một trong hai tín hiệu từ cảm biến bàn đạp ga bị hỏng,

hệ thống sẽ điều khiển cho bướm ga hoạt động trong giới hạn từ vị trí cầm chừng cho đến vị trí mở 25% độ mở tối đa của bướm ga nhằm duy trì sự hoạt động của động cơ

để ôtô có thể tiếp tục chạy về trạm sửa chữa Tuy nhiên, nếu mất cả hai tín hiệu VPA

và VPA2 của cảm biến APPS thì ECU hiểu rằng bàn đạp ga ở vị trí thấp nhất nên điều khiển động cơ hoạt động ở chế độ cầm chừng

Hình 1.13 Các chế độ dự phòng khi cảm biến APPS bị hỏng

Hoạt động dự phòng trong trường hợp cảm biến bướm ga (TPS) bị hỏng:

Khi mất tín hiệu cảm biến vị trí bướm ga, lúc này hệ thống dự phòng cũng bắt

đầu hoạt động Ở trạng thái này, tốc độ cầm chừng của động cơ sẽ cao hơn bình

thường khi nhiệt độ động cơ đạt đến nhiệt độ hoạt động Tuy nhiên, cánh bướm ga sẽ

di chuyển nếu người tài xế ấn sâu vào bàn đạp ga Cùng lúc này, ở hệ thống phun xăng

và đánh lửa cũng được điều chỉnh lại cho phù hợp với các chế độ hoạt động dự phòng của ECU

1.2.2.6 Mạch điều khiển bướm ga.

Hình 1.14 Sơ đồ khối mạch điều khiển bướm ga điện tử

Tín hiệu từ cảm biến bàn đạp ga được gửi đến vi xử lý, vi xử lý sẽ gửi tín hiệu đầu ra để điều khiển mạch công suất quay motor cánh bướm ga Đồng thời có một tín hiệu phản hồi từ cảm biến vị trí bướm ga để vi xử lý tiến hành so sánh để điều khiển cánh bướm ga chính xác hơn Bên cạnh đó, khi có các tín hiệu điều khiển của Cruise control hay Traction control gửi đến thì vi xử lý cũng điều khiển cánh bướm ga tương ứng với các chế độ đó

Các tín hiệu tương tự từ cảm biến vị trí bướm ga và cảm biến vị trí bàn đạp ga

được bộ chuyển đổi A/D chuyển thành tín hiệu số trước khi gửi vào vi xử lý Quá trình chuyển đổi được điều khiển bởi sự kết hợp giữa vi điều khiển AT 89S52 với bộ

chưyển đổi ADC 0808.

Giải thích lưu đồ thuật toán:

Các tín hiệu đầu vào là tín hiệu được biến đổi thành tín hiệu số Sau khi biến đổi thành tín hiệu số thì vi xử lý tiến hành so sánh giữa tín hiệu số của cảm biến vị trí bướm ga với tín hiệu số của cảm biến vị trí bàn đạp ga để vi xử lý tiến hành điều khiển bướm ga Trong khi thực hiện công việc này, nếu có tín hiệu của Cruise control hay

CB VỊ TRÍ BÀN ĐẠP GA

CRUISE CONTROL

VI XỬ LÝ

ĐỔI A/D

TRACTION CONTROL

ĐIỀU KHIỂN BƯỚM GA

Traction control thì vi xử lý ưu tiên tiến hành thực hiện chế độ Cruise control hay Traction control Data1 là tín hiệu số của cảm biến vị trí bướm ga, còn data2 là tín hiệu

số của cảm biến vị trí bàn đạp ga sau khi đã được chuyển đổi từ tín hiệu tương tự

Thành phần mạch điện điều khiển bướm ga:

Hình 1.15 Sơ đồ mạch điều khiển bướm ga

 Mạch ổn áp - cấp nguồn

Mạch điều khiển sử dụng nguồn điện là do accu cung cấp và sử dụng loại accu có điện áp 12V, đồng thời các mạch xử lý và mạch hiển thị phải sử dụng điện áp chuẩn là 5V, do đó, cần phải có mạch ổn áp để có được điện áp cần dùng

 Mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ADC

Mạch chuyển đổi sử dụng ADC 0808 dùng để chuyển các tín hiệu tương tự từ đầu vào với sự thay đổi điện áp trên các cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến vị trí bàn đạp

ga thành các tín hiệu số để bộ vi xử lý hiểu được Việc kết nối giữa mạch chuyển đổi A/D và vi điều khiển được thực hiện bởi bus 8 bit và thêm một số bit phụ để báo hiệu cho thời điểm bắt đầu và kết thúc quá trình chuyển đổi

 Mạch xử lý (CPU)

Mạch vi xử lý sử dụng vi điều khiển AT89S52 làm trung tâm xử lý tín hiệu và điều khiển Nó có nhiệm vụ chính là tiếp nhận các tín hiệu từ bộ chuyển đổi A/D, các tín hiệu điều khiển của Cruise control và Traction control để điều khiển góc mở bướm ga phù hợp Ngoài ra, vi điều khiển AT 89S52 còn tham gia vào việc chọn kênh cho mạch biến đổi A/D và hiển thị trên LCD

 Mạch hiển thị

Mạch hiển thị LCD sử dụng LCD L1682, có nhiệm vụ là hiển thị % góc mở bướm

ga, % góc mở bàn đạp ga cũng như báo hiệu các chế độ hoạt động trên LCD

 Mạch công suất

Mạch công suất có nhiệm vụ chủ yếu là điều khiển motor quay cánh bướm ga, nó bao gồm Transisitor công suất TIP 142 hoạt động ở chế độ ngắt và dẫn bão hoà tương ứng với chế độ không hoạt động và hoạt động của motor Điện áp cung cấp cho motor bằng điện áp accu 12V

 Mạch quản lý

Mạch quản lý có nhiệm vụ là điều khiển cánh bướm ga hoạt động theo các chế độ Cruise Control và Traction Control Các chân của vi điều khiển sẽ nhận tín hiệu điều khiển từ nút bấm để thực hiện các chế độ hoạt động của Cruise control và Traction control

1.2.3 Kết cấu các bộ phận chính hệ thống bướm ga

1.2.3.1 Cảm biến vị trí bướm ga.

Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên cổ họng gió Cảm biến này biến đổi góc

mở bướm ga thành điện áp, được truyền đến ECU động cơ như tín hiệu mở bướm ga (VTA)

Hiện nay có 2 loại được sử dụng: loại tuyến tính và loại có phần tử hall.

Trên động cơ 2AZ-FE của hãng Toyota lắp trên dòng xe Camry sử dụng cảm

biến vị trí bướm ga loại có phần tử hall

Hình 1.16 Cấu tạo cảm biến vị trí bướm ga loại phần tử Hall

Cảm biến vị trí bướm ga loại phần tử Hall gồm có các mạch IC Hall làm bằng

các phần tử Hall và các nam châm quay quanh chúng Các nam châm được lắp ở trên trục bướm ga và quay cùng với bướm ga

Khi bướm ga mở, các nam châm quay cùng một lúc, và các nam châm này thay đổi vị trí của chúng Vào lúc đó, IC Hall phát hiện sự thay đổi từ thông gây ra bởi sự thay đổi của vị trí nam châm và tạo ra điện áp ra của hiệu ứng Hall từ các cực VTA1

và VTA2 theo mức thay đổi này Tín hiệu này được truyền đến ECU động cơ như tín hiệu mở bướm ga Tín hiệu của cảm biến này là tín hiệu hồi tiếp được đưa đến ECU để báo vị trí thực của bướm ga để từ đó ECU điều khiển góc mở bướm ga cho phù hợp

Hình 1.17 Sơ đồ mạch điện và tín hiệu điện áp của TPS

Cảm biến này có 2 mạch, mỗi mạch truyền một tín hiệu VTA1 và VTA2 VTA1

để phát hiện góc mở bướm ga và VTA2 là để phát hiện trục trặc của VTA1 Điện áp tín hiệu cảm biến này thay đổi từ 0V đến 5V tỉ lệ với góc mở của bướm ga và được truyền đến các cực VTA của ECU Khi bướm ga đóng thì điện áp phát ra của cảm biến giảm và khi bướm ga mở thì điện áp phát ra của cảm biến tăng ECU tính tốn góc mở bướm ga theo tín hiệu này và điều khiển bộ chấp hành bướm ga tương ứng điều khiển của lái xe Những tín hiệu này cũng được sử dụng trong việc hiệu chỉnh tỷ lệ không khí nhiên liệu, hiệu chỉnh tăng công suất và điều khiển cắt nhiên liệu

IC Hall

VTA1 VTA2 VC

ECU

E2

Hình 1.18 Mạch điện bên trong của cảm biến vị trí bướm ga

Nam châm

Cảm biến này không chỉ phát hiện chính xác độ mở của bướm ga, mà còn sử

dụng phương pháp không tiếp điểm và có cấu tạo đơn giản, vì thế nó không dễ bị hỏng Ngồi ra, để duy trì độ tin cậy của cảm biến này, nó phát ra các tín hiệu từ hai hệ thống có các tính chất khác nhau

 Bướm ga đóng hoàn toàn: vị trí bướm ga

được tính theo phần trăm (VTA1) là từ

10 đến 24%

 Bướm ga mở hoàn toàn: vị trí bướm ga

được tính theo phần trăm (VTA1) là từ

64 đến 96%

Góc dự phòng 6.5o (vị trí bướm ga được tính

theo phần trăm VTA1 xấp xỉ 16%)

Nếu có DTC (mã chẩn đoán hư hỏng)

liên quan đến hệ thống điều khiển bướm ga

điện tử (ETCS), ECU sẽ chuyển sang chế độ

dự phòng Khi ở chế độ dự phòng, ECU sẽ

cắt dòng điện đến bộ chấp hành bướm ga

Bướm ga sẽ hồi về vị trí bướm ga nhất định 6.5o bằng lực của lò xo hồi Sau đó, ECU điều khiển công suất động cơ bằng cách điều khiển phun nhiên liệu (phun cắt quãng)

và thời điểm đánh lửa theo vị trí của bàn đạp ga, có thể lái xe một cách chậm rãi

Hình 1.19 Đường đặc tuyến của cảm

biến vị trí bướm ga

1.2.3.2 Cảm biến vị trí bàn đạp ga.

Cảm biến vị trí bàn đạp ga (APP) được

lắp trong giá bắt bàn đạp ga và có 2 mạch

cảm biến: VPA (chính) và VPA2 (phụ) Cảm

biến này là kiểu không tiếp điểm Nó dùng

các phần tử hiệu ứng từ để cung cấp các tín

hiệu chính xác, thậm chí trong các điều kiện

lái xe khắc nghiệt như ở tốc độ cao cũng như

tốc độ rất thấp Điện áp được cấp đến cực

VPA và VPA2 của ECU, thay đổi giữa 0V và

5V tỷ lệ với góc mở của bàn đạp ga Một tín

hiệu từ VPA được sử dụng để phát hiện góc

mở bàn đạp ga và được dùng để điều khiển

động cơ Một tín hiệu VPA2 cho biết tình

trạng của mạch VPA và được dùng để kiểm

tra APP ECU theo dõi góc mở bàn đạp ga

(góc mở bướm ga) thực tế qua những tín hiệu

từ VPA, VPA2 và điều khiển bộ chấp hành

bướm ga theo những tín hiệu này

EPA2 VPA2

VPA EPA VCPA

ECU

Hình 1.21 Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bàn đạp ga

Khi người tài xế nhấn bàn đạp ga, tín hiệu điện áp APPS thay đổi, tín hiệu này được đưa về ECU và tại đây sẽ xác định vị trí hiện thời của bàn đạp ga Tùy thuộc vào thiết kế cùa từng hãng động cơ mà tín hiệu điện áp gởi về ECU khác nhau, như trường hợp cùa động cơ 2AZ-FE cả hai cảm biến đều cho tín hiệu điện áp tăng

Nam châm

Hì

nh 1.20 Cảm biến vị trí bàn đạp ga

Cảm biến vị trí bàn đạp ga

Hình 1.22 Sơ đồ tín hiệu điện áp của cảm biến vị trí bàn đạp

1.2.3.3 Môtơ bướm ga.

Môtơ bướm ga là động cơ điện một chiều được điều khiển bởi ECU ECU sẽ

điều khiển chiều quay và cường độ dòng điện đi vào môtơ bằng mạch điều khiển xung Nếu có sự bất thường trong hệ thống, ECU sẽ ngắt điều khiển và lò xo hồi bướm ga sẽ đóng cánh bướm ga lại Điều kiện này xảy ra nếu dòng điện trong mạch môtơ quá cao

hoặc quá thấp ECU sẽ điều khiển chiều quay và cường độ dòng điện cần thiết để mô

tơ bướm ga hoạt động nhằm điều chỉnh vị trí bướm ga Mô tơ bướm ga có thể hoạt động một trong các chế độ sau:

Góc đạp chân ga

Hình 1.23 Sơ đồ điện điều khiển môtơ

Mạch xung dùng để điều khiển tốc độ hoạt động của bướm ga và giữ bướm ga tại một vị trí xác định Để điều khiển tốc độ đóng mở bướm ga, tỉ lệ khoảng thời gian xung ở mức cao và mức thấp (khoảng thời gian hiệu dụng xung) sẽ thay đổi phù hợp với từng điều kiện hoạt động Để giữ bướm ga ở vị trí định trước, ECU sẽ cung cấp dòng để lực từ tạo ra vừa đủ chống lại sức căng của lò xo hồi vị Ở chế độ điều khiển kết hợp TRC, khoảng thời gian xung ở mức cao bị giảm lại; giới hạn của việc điều khiển này là vị trí cầm chừng Nếu lúc này bướm ga mở quá lớn, ECU sẽ ngắt xung điều khiển để đóng nhanh bướm ga

- Vị trí dự phòng:

Khi không có dòng điện cung cấp đến môtơ, lò xo hồi bướm ga sẽ giữ bướm ga ở

vị trí dự phòng Điều kiện này xảy ra khi khoá điện ở vị trí OFF hoặc ECU phát hiện lỗi trong hệ thống ETC Khi hệ thống bị lỗi sẽ không có dòng điện cung cấp đến môtơ

và ly hợp Lúc này motor được ngắt ra khỏi trục bướm ga nhằm ngăn ngừa môtơ điều khiển cánh bướm ga hoạt động Ở trạng thái này tốc độ cầm chừng sẽ cao hơn bình thường khi nhiệt độ động cơ đạt đến nhiệt độ hoạt động Tuy nhiên, cánh bướm ga sẽ

di chuyển nếu người lái xe ấn sâu vào bàn đạp ga

- Điều khiển đóng bướm ga:

Lúc này chiều dòng điện sẽ đi từ cực MC đến cực MO của ECU Tốc độ đóng bướm ga là sự kết hợp của lực căng lò xo, xung điều khiển và chiều dòng điện Để bướm ga đóng qua khỏi vị trí dự phòng thì chiều của dòng điện như hình vẽ

Hình 1.24 Sơ đồ mạch điện điều khiển ở chế độ đóng bướm ga

- Chế độ dự phòng:

Khi bướm ga ở trên vị trí dự phòng, MO là transistor dương và MC là transistor

âm sẽ mở điều này cho phép dòng điện đi từ MO sang MC của ECU như hình vẽ để tăng góc mở bướm ga

Khi bướm ga ở vị trí phía dưới vị trí dự phòng, lúc này chiều dòng điện sẽ được cung cấp tương tự như trường hợp cánh bướm ga đóng Dòng điện sẽ đi ra từ cực MC qua môtơ và về mass ở chân MO của ECU Tuy nhiên xung điều khiển lúc này sẽ giảm

để kết hợp với lực căng lò xo nhằm tăng góc mở bướm ga.

- Điều khiển giữ bướm ga:

Để cố định góc mở bướm ga, ECU sẽ cung cấp vừa đủ dòng điện để lực từ tạo ra trong motor chống lại sức căng của lò xo

- Điều khiển tốc độ cầm chừng:

Bướm ga sẽ được điều chỉnh để duy trì tốc độ cầm chừng mong muốn Nếu tốc

độ cầm chừng đòi hỏi bướm ga phải mở ở vị trí ban đầu thì mạch đóng bướm ga sẽ hoạt động

Khi tốc độ cầm chừng giảm dưới mức quy định, góc mở bướm ga được tăng lên

để tăng tốc độ động cơ Nếu tốc độ cầm chừng đòi hỏi phải mở bướm ga qua khỏi vị trí ban đầu thì mạch mở bướm ga sẽ hoạt động

1.2.3.4 Ly hợp điện từ.

Bộ phận ly hợp điện từ được trang bị trên hệ thống điều khiển bướm ga điện tử

Ở chế độ bình thường ly hợp từ sẽ nối bướm ga với môtơ bướm ga Hoạt động của ly hợp từ được điều khiển bởi điện áp dạng xung nhằm giảm sự tiêu thụ năng lượng Nếu

có sự bất thường trong hệ thống bướm ga điện tử, ECU sẽ ngắt điều khiển ly hợp từ Điều này xảy ra khi cường độ dòng điện trong mạch quá cao hoặc quá thấp

1.2.3.5 Bộ điều chỉnh nhiệt.

Bộ điều chỉnh nhiệt được trang bị trên hệ thống điều khiển bướm ga điện tử Nó

được gắn trên cổ họng gió để cắt dòng nước làm mát khi nhiệt độ nước làm mát cao Việc này ngăn ngừa sự quá nhiệt ở thân bướm ga làm giảm chất lượng khí nạp Bộ điều chỉnh nhiệt sử dụng một van sáp giãn nở để đóng hoặc mở đường nước làm mát

đi qua cổ họng gió

Hình 1.25 Bộ điều chỉnh nhiệt 1.2.3.6 Cơ cấu an toàn.

Cơ cấu này hoạt động với điều kiện hoạt động của hệ thống bướm ga điện tử không bình thường và đèn kiểm tra sáng báo cho người lái xe biết Khi đó không có d.ng điện đến môtơ điều khiển bướm ga và ly hợp điện từ, do đó, nhờ lò xo hồi vị đóng cánh bướm ga lại, trường hợp này gọi là chế độ an toàn (limp mode) Khi cánh bướm ga hoạt động ở chế độ này thì cánh bướm ga bị giới hạn mở một góc nhỏ nhờ cần điều khiển an toàn do đó tốc độ và công suất của động cơ giảm xuống, bên cạnh

đó các van ISC (Idle switch control) và hệ thống Cruise control không hoạt động

1.2.3.7 ECU ( Electronic Control Unit)

Là bộ xử lý và điều khiển điện tử trung tâm, thực tế là bộ máy tính điện tử tiếp nhận và xử lý các tín hiệu theo một chương trình định sẵn

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 của động cơ 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 sự cố xảy ra Điều khiển động cơ bao gồm hệ thống điều khiển nhiên liệu, góc đánh lửa, góc phối cam, ga tự động…

Hình 1.26 Sơ đồ khối hoạt động của ECU

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, trữ thông tin, tính toán, quyết định chức năng hoạt động và gửi đi các tín hiệu thích hợp 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 lắp với khung kim loại của ECU với mục đích giải nhiệt Sự tổ hợp các chức năng trong mạch điều khiển (bộ tạo xung, bộ chia xung, bộ dao động đa hài điều khiển việc chia tần số) giúp ECU đạt độ tin cậy cao

Cấu tạo của bộ điều khiển điện tử:

- Bộ nhớ

Bộ nhớ trong ECU chia làm 4 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 Thông tin của nó đã được cài đặt sẵn, ROM cung cấp thông tin cho bộ vi xử lý

+ 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 RAM lưu trữ những thông tin về hoạt động của cảm biến dùng cho hệ thống tự chuẩn đoán

Bộ ghi nhận lưu trữ

Tính toán đại số và logic học

Bộ điều khiển

+ PROM (Programmable Read Only Memory): 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 sữa 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 ngưng hoạt động hoặc tắt công tắc máy Tuy nhiên, nếu tháo nguồn cung cấp từ acquy đến máy tính thì bộ nhớ KAM sẽ bị mất

- 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: Dùng để chuyển các lệnh và số liệu trong ECU

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 tính 8 bit, 16 bit hoặc 32 bit

Hình 1.27 Sơ đồ khối các hệ thống trong ECU với bộ vi xử lý

1.2.4 Hệ thống điều khiển tốc độ không tải ISC

1.2.4.1 Khái quát về hệ thống điều khiển tốc độ không tải ISC

ISC có một cơ cấu điều khiển lượng không khí nạp trong thời gian chạy không tải bằng tín hiệu từ ECU động cơ và điều khiển tốc độ chạy không tải

Có 2 loại cơ cấu ISC như sau:

- Loại đi tắt qua bướm ga và điều khiển lượng khí nạp (loại cuộn dây quay): Vì bướm

ga đóng hoàn toàn trong thời gian chạy không tải, cơ cấu này cho lượng không khí cần thiết chạy qua trong lúc chạy không tải

- Loại điều khiển lượng không khí nạp bằng bướm ga (loại môtơ bước): Với loại này, bướm ga được điều khiển thích hợp lượng không khí nạp trong thời gian chạy không tải Hệ thống này được gọi là ETCS-i (Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử-thông minh), và thực hiện các chức năng điều khiển khác ngồi việc điều chỉnh lượng không khí nạp trong khi chạy không tải

Trên động cơ Toyota Camry 2AZ-FE sử dụng loại điều khiển không khí nạp bằng bướm ga (loại mô tơ bước)

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 (Van điều chỉnh tốc

độ không tải) Van ISC dùng tín hiệu từ ECU động cơ để điều khiển động cơ ở tốc độ không tải tối ưu tại mọi thời điểm Hệ thống ISC gồm có van ISCV, ECU động cơ, các cảm biến và công tắc khác nhau

Các chế độ hoạt động:

- Khi khởi động

ECU nhận tín hiệu từ máy khởi động (STA), cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến vị trí trục khuỷu rồi sau đó xuất tín hiệu điều khiển bướm ga (bằng môtơ bước) mở ra nhằm cải thiện khả năng khởi động

- Khi hâm nóng động cơ

Khi nhiệt độ nước làm mát thấp, tốc độ chạy không tải được tăng lên để động cơ chạy được êm (chạy không tải nhanh) Khi nhiệt độ nước làm mát tăng lên, tốc độ chạy không tải bị giảm xuống ECU nhận được tín hiệu từ cảm biến tốc độ xe, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến vị trí trục khuỷu rồi sau

đó xuất tín hiệu điều khiển bướm ga

- Điều khiển phản hồi và dự tính

ECU nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ xe, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến vị trí trục khuỷu, phụ tải điện… Trong các trường hợp trên, nếu thay đổi tải trọng, tốc độ chạy không tải sẽ tăng lên hoặc ngăn không cho thay đổi

1.2.4.2 Van điều chỉnh tốc độ chạy không tải ISCV

ISCV là một cơ cấu điều khiển lượng không khí nạp trong thời gian chạy không tải bằng tín hiệu từ ECU động cơ và điều khiển tốc độ chạy không tải

Có 2 loại van ISCV như sau:

- Loại đi tắt qua bướm ga và điều khiển lượng khí nạp

Vì bướm ga đóng hoàn toàn trong thời gian chạy không tải, ISCV cho lượng không khí cần thiết chạy qua trong lúc chạy không tải.

- Loại điều khiển lượng không khí nạp bằng bướm ga

Với loại này bướm ga điều khiển thích hợp lượng không khí trong thời gian chạy không tải Hệ thống này là ETCS-i (Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử thông minh)

và thực hiện chức năng điều khiển khác ngoài việc điều chỉnh lượng không khí nạp trong khi chạy không tải

- Van ISCV loại cuộn dây quay:

Loại van này có một cuộn dây, IC, nam châm vĩnh cửu, van, và được gắn vào

cổ họng gió IC này dùng tín hiệu hiệu dụng từ ECU động cơ để điều khiển chiều và giá trị của dòng điện chạy trong cuộn dây và điều chỉnh lượng không khí đi tắt qua bướm ga, làm van này quay

Khi tỷ lệ hiệu dụng cao, IC này làm dịch chuyển van theo chiều mở, và khi tỷ lệ làm việc thấp, IC làm dịch chuyển van này về phía đóng Van ISC thực hiện việc đóng

mở theo cách này

Nếu có sự cố ví dụ như hở mạch, sẽ làm cho điện ngừng chạy vào vanISC, van này được mở ra ở một vị trí đặt trước bằng lực của nam châm vĩnh cửu.Việc này sẽ duy trì một tốc độ chạy không tải xấp xỉ 1000 đến 1200 vòng/phút

- Van ISCV loại mô tơ bước:

Trên động cơ Toyota 2AZ-FE van điều chỉnh tốc độ chạy không tải ISCV là loại

mô tơ bước ISCV kiểu mô tơ bước được gắn vào buồng nạp Van lắp ở đầu của rôto

đi vào hoặc ra theo vòng quay của rôto để điều khiển lượng không khí đi qua mạch đi tắt này

Môtơ bước sử dụng nguyên lý kéo và đẩy của nam châm vĩnh cửu (rôto) khi từ trường được tạo ra bởi dòng điện chạy vào cuộn dây Như được thể hiện trong hình minh họa phía dưới, dòng điện chạy ở C1 làm cho nam châm bị kéo Khi dòng điện đến C1 bị cắt trong cùng một lúc, dòng điện phải chạy vào C2, và nam châm bị kéo đến C2 Việc chuyển mạch sau đó của dòng điện lần lượt đến C3 và C4 theo cùng cách thức được sử dụng để làm quay nam châm này

Nam châm cũng có thể quay theo chiều ngược lại bằng cách chuyển mạch điện theo chiều từ C4 đến C3, C2 và C1 Sự bố trí này được sử dụng để dịch chuyển nam châm đến các vị trí được xác định trước Một môtơ bước thực tế sử dụng bốn cuộn dây

để tạo ra 32 bước trong một vòng quay của nam châm (rôto) Một số môtơ có 24 bước trong một vòng quay)

Mở van:

Khi điện được truyền đến cuộn A trong một thời gian dài, van này phải dịch chuyển về phía mở