Khảo sát hệ thống đánh lửa trên động cơ Toyota 1GRFE

Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN ĐỘNG CƠ 1GR-FE 4.1 Giới thiệu chung hệ thống đánh lửa động 1GR-FE Hệ thống đánh lửa động 1GR-FE hệ thống đánh lửa điều khiển theo chương trình loại DIS (Direct Ignition System) Sử dụng bô bin đơn cho từng bugi, bao gồm: ECU, cảm biến tín hiệu, cấu chấp hành *Các phận sơ đồ hệ thống đánh lửa động 1GR-FE - Các cảm biến: Có nhiệm vụ nhận biết hoạt động khác động phát tín hiệu gửi đến ECU hay gọi nhóm tín hiệu vào - ECU: Có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu đưa tín hiệu điều khiển đến cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành đảm bảo thừa lệnh ECU đáp ứng tín hiệu phản hồi từ cảm biến Ngoài ECU cũng giúp chẩn đốn động có sự cố xảy - Cơ cấu chấp hành: gồm bô bin bu gi Trong bơ bin đánh lửa nhận được tín hiệu điều khiển từ ECU biến dòng điện hiệu thấp thành hiệu cao đến bugi thực việc đánh lửa Nguyên lý làm việc hệ thống đánh lửa: ECU nhận được tín hiệu từ cảm biến đầu vào, sau xử lý, tính tốn tín hiệu nhận được Sau xử lý xong ECU sẽ đưa tín hiệu điều khiển đến từng xy lanh để thực việc đánh lửa theo đúng thứ tự làm việc xy lanh Ignition Coil with Igniter IGT Ignition Coil Igniter ECU IGF Ignition Signal (IGT) Ignition Confirmation Signal (IGF) Normal Malfunction Circuit Open Time Hình 4-1 Sơ đồ tín hiệu IGT IGF 45 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 Từ sơ đồ ta thấy rõ hoạt động trình đánh lửa xảy ECU truyền tín hiệu đánh lửa tới IC đánh lửa Sau trình đánh lửa xảy thì ECU lại nhận được tín hiệu phản hồi IGF từ cảm biến Khi động hoạt động bình thường thì trình xảy đều đặn Khi có sự cố thì hệ thống ngắt tín hiệu vòi phun để động ngừng hoạt động đảm bảo an tồn Tỉìàõc quy CB Vëtrêtrủc khuu G IGT1 IGF CB Nhiãûtâäünỉåïc lm mạt THW IGT2 CB Nhiãûtâäükhênảp CB Kêch näø CB Vëtrêbỉåïm ga CB TèlãûKhäng khê-Nhiãn liãûu THA KNK VTA Bä bin Xy lanh Bugi Bä bin Xy lanh IGT3 ECU Bä bin Xy lanh IGT4 Bä bin Xy lanh OX IGT5 Bä bin Xy lanh CB Lỉu lỉåüng khênảp VG IGT6 CB Vëtrêbn âảp ga VPA Bä bin Xy lanh Hình 4-2 Sơ đồ hệ thống đánh lửa điện tử động 1GR-FE 46 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 4.2 Các phận hệ thống đánh lửa động 1GR-FE 4.2.1 IC đánh lửa IC đánh lửa mạch điện tử được tích hợp từ linh kiện điện tử transistor, diot, tụ điện, điện trở, …để điều khiển đóng ngắt dòng sơ cấp tạo tín hiệu phản hồi IGF về cho ECU động IC đánh lửa động 1GR-FE được làm thành cụm chi tiết với bô bin đánh lửa nên kết cấu rất đơn giản, gọn nhẹ IC đánh lửa thực cách xác sự đóng ngắt dòng sơ cấp vào cuộn đánh lửa, phù hợp với tín hiệu IGT ECU động phát Mạch IC đánh lửa động 1GR-FE mà ta khảo sát có bốn chân giao tiếp, chân: +B, GND, IGT, IGF Trong đó, chân +B nối với acquy, chân GND nối mass, chân IGT IGF nối với ECU động Hình vẽ sau thể sơ đồ điện IC đánh lửa bô bin đơn Acquy +B IGF Âãú n ECU Âãú n Bugi IGT GND Hình 4-3 Sơ đồ điện IC đánh lửa bô bin đơn Mạch điện tử tạo tín hiệu IGF, Mạch đánh lửa Ngồi IC đánh lửa có chức điều khiển dòng khơng đổi (hạn chế dòng điện) Khi dòng sơ cấp đạt đến trị số định, IC đánh lửa sẽ khống chế cường độ cực đại cách điều chỉnh dòng Việc điều khiển dòng điện sơ cấp giá trị xác định sẽ làm tăng tuổi thọ cho biến áp đánh lửa đảm bảo điện áp đánh lửa tạo ổn định Khoảng thời gian để dòng điện tăng trì ổn định cuộn sơ cấp gọi góc ngậm điện (góc Dwell) Trên động 1GR-FE mà ta khảo sát, ECU động sẽ thực việc điều chỉnh góc ngậm điện cách điều chỉnh thời gian ngắt xung IGT 47 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 Tháú p ON 5V Tên hiãû u IGT ECU Täú c âäüâäü ng cå Cao OFF 0V Âiãư u khiãø n dng âiãû n khäng âäø i Trësäú quy âënh Cü n âạnh lỉ ía cọ IC âạnh lỉ ía Âiãư u khiãø n gọc âọng tiãú p âiãø m Dng så cáú p Âiãû n ạp thỉ ïcáú p Âạnh lỉ ía Âạnh lỉ ía Hình 4-4 Vai trò IC đánh lửa động 1GR-FE 4.2.2 Bô bin đánh lửa Hình 4-5 Kết cấu cuộn đánh lửa có IC đánh lửa Vỏ, Giắc cắm, IC đánh lửa, Cuộn sơ cấp, Cuộn thứ cấp, Lớp cách điện, Đầu cắm bugi, Lõi sắt 48 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 Bô bin đánh lửa loại biến áp cao đặc biệt dùng để biến dòng điện hiệu thấp (12V) thành xung hiệu cao đảm bảo cho việc đánh lửa động Động 1GR-FE sử dụng bô bin đơn cho từng máy, IC đánh lửa cũng được bố trí cuộn đánh lửa tạo thành cụm chi tiết có kết cấu rất nhỏ gọn Các cuộn sơ cấp thứ cấp được quấn quanh lõi, số vòng quay cuộn thứ cấp lớn rất nhiều so với cuộn sơ cấp Một đầu cuộn sơ cấp được nối với IC đánh lửa, đầu cuộn thứ cấp được nối với bugi Các đầu lại cuộn được nối với dòng cấp từ ắc quy thơng qua giắc cắm * Quá trình đánh lửa được chia thành giai đoạn: giai đoạn dòng điện cuộn sơ cấp giai đoạn ngắt dòng điện vào cuộn sơ cấp xuất điện cao - Dòng điện cuộn sơ cấp: Khi động chạy, tín hiệu từ cảm biến sẽ được ECU tính tốn phát tín hiệu đánh lửa IGT Tín hiệu IGT sẽ đóng mạch sơ cấp sẽ có dòng từ ắc quy chạy qua IC đánh lửa vào cuộn sơ cấp Kết đường sức từ trường được tạo chung quanh cuộn dây có lõi trung tâm hình vẽ sau: IC âaïnh lỉía IGT IGF Cü n thỉïcáú p ÀÕ c quy ECU Cü n så cáú p Bä bin Li sàõ t S N Bugi Bugi IC âạnh lỉ ía ON Acquy Hình 4-6 Dòng điện cuộn sơ cấp 49 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 - Ngắt dòng điện vào cuộn sơ cấp: Động tiếp tục chạy, ECU sẽ ngắt tín hiệu IGT (OFF), IC đánh lửa nhanh chóng ngắt dòng điện từ ắc quy vào cuộn sơ cấp Kết từ thông cuộn sơ cấp bắt đầu giảm vì tạo sức điện động có từ thông sinh theo chiều chống lại sự giảm từ thơng có Từ thơng cảm ứng sang cuộn thứ cấp tạo nên hiệu điện lớn khoảng 30 kV Chính hiệu điện sẽ làm bugi đánh lửa Dòng sơ cấp lớn sự ngắt dòng sơ cấp nhanh thì điện thứ cấp lớn 4.2.3 Bugi Bugi đánh lửa có nhiệm vụ nhận xung điện cao từ bô bin đánh lửa bật tia lửa điện cao để đốt cháy hỗn hợp khí-nhiên liệu xy lanh Đây chi tiết quan trọng, định sự làm việc ổn định hiệu hệ thống đánh lửa Do tiếp xúc với buồng đốt nên trình làm việc bugi chịu tác động tải trọng: Hình 4-7 Hình dáng bugi lắp động Đầu cực Platin, Đầu cực i-rit, Hình dáng bugi dài được sử dụng động cơ, Bugi thời cũ, Áo nước làm mát bugi 50 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 - Tải trọng khí: Phát sinh áp suất khí cháy dưới dạng xung áp suất, áp suất cực đại tác động lên bugi có thể đến 50÷60 kG/cm 2, đồng thời bugi cũng phải thường xuyên chịu sự rung động xe gây - Tải trọng nhiệt: Phát sinh sự thay đổi tải trọng nhiệt xy lanh sau chu kì làm việc Khi hỗn hợp khí-nhiên liệu cháy nhiệt độ khoảng 1800 ÷22000C, kỳ hút nhiệt độ khoảng 50÷800C - Tải trọng điện: Do xung điện truyền đến thời điểm đánh lửa, xung điện khoảng 15÷ 40 kV hoặc cao - Việc sử dụng bugi đầu dài sẽ cải thiện vị trí hình dáng áo nước làm mát tốt so với sử dụng loại bugi đầu ngắn Do phải chịu loại tải trọng nên về mặt kết cấu vật liệu cũng có yêu cầu đặc biệt để đảm bảo cho hệ thống đánh lửa làm việc hiệu 10 11 12 Hình 4-8 Kết cấu bugi dầu dài lắp động Đầu nối, Các nếp nhăn, Điện cực giữa, Sứ cách điện, Vỏ, Thủy tinh làm kín, Điện trở, Gioăng đệm, 9.Lõi đồng, 10 Cách nhiệt, 11 Điện cực trung tâm, 12 Điện cực tiếp mát 51 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 Bugi dùng động 1GR-FE loại bugi đầu dài hãng DENSO sản xuất Bảng 4-1 Thông số kĩ thuật loại bugi Nhà SX DENSO Chiều dài loại dài/loại thường [mm] K20HR-U11 Khe hở bugi [mm] Khoảng 26.5/19,0 1.0÷1.1 Kỳ bảo dưỡng Lên tới 192.000 km Bugi chi tiết phản ánh tình trạng làm việc động Việc quan sát bugi sau thời gian làm việc sẽ giúp rất nhiều việc chẩn đoán động 4.3 Bộ điều khiển trung tâm (ECU) 4.3.1 Tổng quan Hệ thống điều khiển động theo chương trình bao gồm cảm biến kiểm soát liên tục tình trạng hoạt động động cơ, ECU tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu đưa tín hiệu điều khiển đến cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành đảm bảo thừa lệnh ECU đáp ứng tín hiệu phản hồi từ cảm biến Hoạt động hệ thống điều khiển động đem lại sự xác thích ứng cần thiết để giảm tối đa chất độc hại khí thải cũng lượng tiêu hao nhiên liệu ECU cũng đảm bảo công suất tối đa chế độ hoạt động động giúp chẩn đốn động có sự cố xảy (việc chẩn đốn mã lỗi thơng qua đèn check Engine hoặc máy chẩn đoán chuyên dụng) ECU tổ vi mạch phận dùng để nhận biết tín hiệu, lưu trữ thơng tin, tính tốn, định chức hoạt động gửi tín hiệu điều khiển thích hợp ECU được đặt vỏ kim loại để giải nhiệt tốt được bố trí nơi bị ảnh hưởng nhiệt độ độ ẩm Các linh kiện điện tử ECU được sắp xếp mạch in Các linh kiện công suất tầng cuối – nơi điều chỉnh cấu chấp hành – được gắn với khung kim loại ECU với mục đích giải nhiệt Sự tổ hợp chức IC (bộ tạo xung, chia xung, dao động đa hài điều khiển việc chia tần số) giúp ECU đạt độ tin cậy cao 52 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 Một đầu gồm nhiều giắc cắm dùng nối ECU với hệ thống điện xe, với cấu chấp hành cảm biến 4.3.2 Các phận ECU  Bộ nhớ: nhớ ECU gồm loại: • ROM (Read Only Memory) Dùng trữ thơng tin thường trực Bộ nhớ đọc thông tin từ chứ khơng thể ghi vào được Thơng tin được cài đặt sẵn ROM cung cấp thông tin cho xử lý được lắp mạch in Chương trình điều khiển động nhà sản xuất lập trình được nạp sẵn nhớ ROM • RAM (Ramdom Access Memory) Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên dùng để lưu trữ thông tin mới được ghi nhớ xác định vi xử lý RAM có thể đọc ghi các số liệu theo địa bất kỳ RAM trì nhớ mất nguồn cung cấp từ ắc quy đến máy tính thì nhớ RAM sẽ mất • PROM (Programmable Read Only Memory) Cấu trúc giống ROM cho phép lập trình (nạp liệu) nơi sử dụng chứ nơi sản xuất ROM PROM cho phép sửa đổi chương trình điều khiển theo yêu cầu khác Bộ vi xử lý (Microprocessor)  Bộ vi xử lý có chức tính tốn định Nó “bộ não” ECU MICROPROCESSOR ROM PROM RAM Hình 4-9 Sơ đồ khối hệ thống ECU  Đường truyền –BUS Có nhiệm vụ chuyển lệnh số liệu ECU theo hai chiều Sự phát triển ECU động gắn liền với sự phát triển vi xử lý Trên 53 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 hệ ECU dùng loại 4, bit Hiện nay, nhu cầu điều khiển ô tô ngày nhiều, chương trình điều khiển nhiều phức tạp, người ta sử dụng ECU loại 16 32 bit 4.3.3 Cấu trúc ECU Bộ phận chủ yếu ECU vi xử lý hay gọi ECU, ECU lựa chọn lệnh xử lý số liệu từ nhớ ROM RAM chứa chương trình liệu ngõ điều khiển nhanh số liệu từ cảm biến chuyển liệu xử lý đến cấu thực CPU bao gồm cấu đại số logic để tính tốn liệu, phận ghi nhận lưu trữ tạm thời phận điều khiển chức khác Tên hiãû u âiãö u khiãø n ROM Dỉỵliãû u ROM RAM BUS Bäülỉu nháû n lỉu trỉỵ Bäüâiãư u khiãø n INPUT OUTPUT Tênh toạn âả i säúvlogic Hình 4-10 Sơ đồ cấu trúc ECM Hình 4-11 Sơ đồ cấu trúc CPU Cấu trúc CPU bao gồm cấu đại số logic để tính tốn liệu, phận ghi nhận lưu trữ tạm thời liệu điều khiển chức khác Bộ điều khiển ECU hoạt động sở tín hiệu số nhị phân với điện áp cao biểu cho số điện áp thấp biểu cho số Mỗi số hạng hoặc gọi bít Mỗi dãy bít sẽ tương ứng byte Byte được dùng để biểu cho mẫu lệnh hay lệnh thông tin 1 1 0 Hình 4-12 Biểu diễn thông tin byte 54 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 với đầu vào người lái tác động lên bàn đạp ga ECU 20 VTA1 B1 VTA 23 VC B1 VC 5V 19 VTA2 B1 VTA2 28 E2 B1 E2 Hình 4-24 Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bướm ga 4.4.4 Cảm biến kích nổ 4.4.4.1 Kết cấu, nguyên lý làm việc Cảm biến kích nổ được gắn vào thân máy truyền tín hiệu KNK tới ECU động phát sự kích nổ động ECU động nhận tín hiệu KNK làm trễ thời điểm đánh lửa nhằm ngăn chặn tượng kích nổ xảy ra, đến lúc ECU động nhận thấy tượng kích nổ kết thúc thì sẽ điều chỉnh thời điểm đánh lửa sớm trở lại sau khoảng thời gian nhất định Cảm biến kích nổ được chế tạo từ vật liệu áp điện, thường dùng nhất tinh thể thạch anh Khi có tượng kích nổ xảy ra, tinh thể thạch anh sẽ chịu áp lực lớn tần số rung động cao (f = – 15 kHz), sẽ sinh tín hiệu điện áp Hình 4-25 Kết cấu cảm biến kích nổ Thân cảm biến, Phần tử áp điện, Điện trở phát hở mạch 60 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 Hình 4-26 Đồ thị biểu diễn dạng tín hiệu kích nổ 4.4.4.2 Mạch điện cảm biến kích nơ Hình 4-27 Sơ đồ mạch điện cảm biến kích nổ 4.4.5 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 4.4.5.1 Kết cấu, nguyên lý làm việc Hình 4-28 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát Nhiệt điện trở, Thân cảm biến, Lớp cách điện, Giắc cắm dây 61 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 Khi động hoạt động, cảm biến nhiệt độ nước làm mát thường xuyên theo dõi báo cho ECU biết tình hình nhiệt độ nước làm mát động Nếu nhiệt độ nước làm mát động thấp (động vừa mới khởi động) thì ECU sẽ lệnh cho hệ thống phun thêm xăng động nguội Cũng thơng tin về nhiệt độ nước làm mát, ECU sẽ thay đổi điểm đánh lửa thích hợp với nhiệt độ động Cảm biến nhiệt độ nước làm mát điện trở R được mắc nối tiếp Khi giá trị điện trở cảm biến thay đổi theo sự thay đổi nhiệt độ nước làm mát, điện áp cực THW cũng thay đổi theo Dựa tín hiệu ECU tăng lượng phun nhiên liệu nhằm nâng cao khả ổn định động nguội 4.4.5.2 Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát ECU 5V THW E2 21 THW B1 R 28 E2 B1 2' 1' Hình 4-29 Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát 1’ Nhiệt điện trở, 2’ Vỏ cảm biến Hình 4-30 Đặc tính cảm biến nhiệt độ nước làm mát 62 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 4.4.6 Cảm biến lưu lượng khí nạp 4.4.6.1 Kết cấu,nguyên lý làm việc Nguyên lý cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu dây sấy dựa sự phụ thuộc lượng nhiệt thoát từ phần tử nhiệt được nung nóng đặt dòng khí nạp Khi có dòng điện qua làm cho dây sấy nóng lên Khi khơng khí chạy qua, dây sấy được làm nguội tương ứng với khối lượng khơng khí nạp, cách điều chỉnh dòng điện chạy vào dây sấy để giữ cho nhiệt độ dây sấy không đổi, dòng điện sẽ tỉ lệ thuận với lượng khơng khí nạp cách phát dòng điện ta xác định được lượng khơng khí nạp Trong trường hợp này, dòng điện chuyển thành điện áp gửi đến ECU động Hình 4-31 Kết cấu đặc tính cảm biến lưu lượng khí nạp Nhiệt điện trở, Dây sấy platin 4.4.6.2 Mạch điện cảm biến lưu lượng khí nạp ECU R A R VG B R E Hình 4-32 Sơ đồ mạch điện cảm biến lưu lượng khí nạp Bộ khuếch đại, Nhiệt điện trở (Ra), Dây sấy Platin (Rh) 63 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 Cảm biến lưu lượng khí nạp được đặt đường ống nạp, bao gồm dây sấy platin (Rh) nhiệt điện trở Ra được ghép vào mạch cầu Wheatstone Tín hiệu điện áp đầu cảm biến V G tỷ lệ với lưu lượng khối lượng khí nạp ECU nhận dựa vào tín hiệu để điều chỉnh thời gian phun góc đánh lửa sớm 4.4.7 Cảm biến nhiệt độ khí nạp 4.4.7.1 Kết cấu, nguyên lý làm việc Hình 4-33 Cảm biến nhiệt độ khí nạp Nhiệt điện trở, Thân cảm biến, Lớp cách điện, Giắc cắm dây Cảm biến nhiệt độ khí nạp lắp bên cảm biến lưu lượng khí nạp theo dõi nhiệt độ khí nạp Cảm biến nhiệt độ khí nạp sử dụng nhiệt điện trở mà điện trở thay đổi theo nhiệt độ khí nạp Điện trở cảm biến được làm chất bán dẫn nên có hệ số nhiệt điện trở âm nghĩa nhiệt độ tăng thì điện trở giảm ngược lại điện trở tăng thì nhiệt độ giảm Sự thay đổi điện trở được thông tin gửi đến ECU dưới sự thay đổi điện áp Khi nhiệt độ khí nạp thấp, điện trở nhiệt điện trở lớn tạo nên tín hiệu điện áp cao tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát THA Điện áp thay đổi sẽ được truyền về ECU động ECU sẽ điều khiển chế độ làm việc động phù hợp ECU 4.4.7.2 Mạch điện cảm biến nhiệt độ khí nạp 5V THA E2 22 THA B1 R 28 E2 B1 Hình 4-34 Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ khí nạp Nhiệt điện trở, Vỏ cảm biến 64 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 4.4.8 Cảm biến tỉ lệ không khí-nhiên liệu 4.3.8.1 Kết cấu, nguyên lý làm việc Khäng khê Vbc Âiãûn cỉûc Platin Cháútâiãûn phán âàûc (Ngun täúZirconia) Låïp phngoi (Ceramic) Khêx Hình 4-35 Kết cấu cảm biển tỉ lệ Khơng khí – Nhiên liệu Phần tử zirconia được cấp điện áp nhiệt độ cao (650 o hay cao hơn) kết dòng điện có giá trị tỉ lệ với nồng độ oxy khí xả Hay nói cách khac hỗn hợp khơng khí- nhiên liệu đậm sẽ khơng có oxy khí xả, nên khơng có dòng điện chạy phần tử zirconia Khi hỗn hợp khơng khí- nhiên liệu nhạt, sẽ có rất nhiều oxy khí xả có dòng điện chạy phần tử zirconia sẽ lớn, đồ thị sau Hình 4-36 Đặc tính cảm biến tỉ lệ khơng khí – nhiên liệu Cảm biến được lắp đặt để đảm bảo tỷ lệ không khí- nhiên liệu được trì khoảng xác định, cải thiện được tính kinh tế nhiên liệu cũng khả tải 65 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 Với dòng điện thay đổi tỷ lệ với hỗn hợp khơng khí- nhiên liệu được trùn tín hiệu về ECU, ECU nhận tín hiệu xử lý để đảm bảo trình cháy động đạt hiệu cao nhất 4.4.8.2 Mạch điện cảm biến tỉ lệ không khí – nhiên liệu ECU ECM MREL E47 HT1B B1 +B HT1B (*1) OX1B 18 B1 OX1B +B HT2B HT2B B2 E2 OX2B 33 B2 OX2B E2 EFI No EFI (*1) EFI 28 B1 E2 Battery Hình 4-37 Sơ đồ mạch điện cảm biến tỉ lệ Khơng khí – Nhiên liệu 4.5 Điều khiển đánh lửa Hệ thống đánh lửa điều khiển theo chương trình có góc đánh lửa sớm được điều khiển chương trình tính tốn được thiết lập máy tính điện tử được bố trí xe gọi ECU Góc đánh lửa sớm được tính tốn thơng qua tín hiệu vào ECU từ cảm biến ghi nhận từ động cơ, từ tín hiệu vi xử lý ECU sẽ tính tốn đưa góc đánh lửa sớm tối ưu phù hợp với điều kiện làm việc động Việc đánh lửa điều khiển theo chương trình được chia làm hai giai đoạn làm việc bản: điều khiển đánh lửa khởi động điều khiển đánh lửa sau khởi động 4.5.1 Điều khiển đánh lửa khởi động 66 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 Điều khiển đánh lửa khởi động được thực sau ECU nhận được tín hiệu Ne Góc đánh lửa tương ứng với thời điểm đánh lửa ban đầu, θ bd = 5o ÷ 15o được lưu sẵn nhớ Khi có tín hiệu khởi động mạch chủn đổi trạng thái (có thể nằm hoặc ngồi ECU) sẽ nối đường IGT sang vị trí ST Khi xung IGT được điều khiển Back up IC (IC dự phòng) thơng qua hai tín hiệu G Ne Nếu động nổ thì IGT sẽ được nối sang vị trí After ST (sau khởi động) việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm được thực ECU G After ST NE ST BÄÜVI XỈÍLY ECU IGT Hình 4-38 Điều khiển đánh lửa chế độ khởi động 4.5.2 Điều khiển đánh lửa sau khởi động Sau điều khiển động cơ, ECU sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm tùy theo chế độ làm việc động Các hiệu chỉnh khác (dựa tín hiệu từ cảm biến có liên quan) được thêm vào góc thời điểm đánh lửa ban đầu thêm vào góc đánh lửa sớm G ST NE After ST BÄ ÜV I X ỈÍL Y ECU IGT Hình 4-39 Điều khiển đánh lửa sau khởi động 67 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 Góc đánh lửa sớm sau khởi động được xác định sau: θ đl = θ bd + θ cb + θ hc Trong đó: + θ : Góc đánh lửa sớm thực tế + θ cb : Góc đánh lửa sớm + θ hc : Góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh + θ bd : Góc đánh lửa sớm ban đầu θ đl ECU θ cb θ bd θ hc Hình 4-40 Góc đánh lửa sớm thực tế - Góc đánh lửa θ cb được xác định theo tốc độ tải động được lưu sẵn nhớ ECU - Góc đánh lửa hiệu chỉnh θ hc tổng tất góc đánh lửa theo điều kiện làm việc động cho động làm việc tối ưu Việc hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm động được thực theo yếu tố sau: + Hiệu chỉnh theo nhiệt độ động + Hiệu chỉnh ổn định không tải + Hiệu chỉnh phản hồi tỉ lệ khí – nhiên liệu + Hiệu chỉnh kích nổ + Hiệu chỉnh góc ngậm điện + Hiệu chỉnh bù độ cao,… Gọc âạnh lỉía såïm cå bn 68 Hình 4-41 Bản đồ góc đánh lửa sớm theo tốc độ tải Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 4.5.2.1 Hiệu chỉnh theo nhiệt độ động Tùy thuộc vào nhiệt độ động thông qua cảm biến nhiệt độ nước làm mát mà góc đánh lửa sớm được điều chỉnh tăng hay giảm cho phù hợp với điều kiện cháy động Khi nhiệt độ động nằm khoảng 20÷ 60 o, góc đánh lửa sớm được hiệu chỉnh từ 015o Nếu nhiệt độ động nhỏ 20o góc đánh lửa sớm cũng được cộng thêm 15o Sở dĩ phải tăng góc đánh lửa sớm lúc động nguội vì nhiệt độ thấp thì tốc độ cháy chậm nên phải kéo dài thời gian để nhiên liệu cháy hết phát huy tối đa công suất động Khi nhiệt độ động vào khoảng 60o ÷110o thì ECU khơng thực sự hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo nhiệt độ Trong trường hợp nhiệt độ động nóng (>110 o) sẽ dễ gây tượng kích nổ tăng hàm lượng NOx khí thải vì ECU sẽ điều khiển góc đánh lửa sớm xuống góc tối đa 5o Tín hiệu liên quan đến hiệu chỉnh tín hiệu nhiệt độ nước làm mát THW Tang θhc 15° 5° gi?m -20 60 110 t (°C) dc Hình 4-42 Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo nhiệt độ động 4.5.2.2 Hiệu chỉnh ôn định không tải Khi động chế độ không tải thì sẽ dao động chế độ không tải chuẩn, ECU động sẽ điều chỉnh thời điểm đánh lửa để ổn định tốc độ động Nếu tốc 69 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 độ động giảm xuống thấp tốc độ chuẩn, ECU sẽ điều chỉnh cho góc đánh lửa sớm lên, tốc độ động cao ECU động sẽ làm giảm góc đánh lửa sớm Góc đánh lửa sớm được thay đổi tối đa xấp xỉ ±5o hiệu chỉnh Tín hiệu liên quan đến hiệu chỉnh là: - Tốc độ động (NE) - Vị trí bướm ga (VTA) - Tốc độ xe (SPD) θ hc Tàng Gi?m n( vng/phụt) Hình 4-43 Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm chế độ cầm chừng 4.5.2.3 Hiệu chỉnh phản hồi tỉ lệ khí-nhiên liệu Trong trình phản hồi tỉ lệ khí – nhiên liệu, tốc độ động thay đổi theo sự tăng hay giảm lượng phun nhiên liệu Động đặc biệt nhạy cảm với thay đổi tỉ lệ khí-nhiên liệu chạy khơng tải, nên để chế độ chạy không tải ổn định ECU động sẽ làm sớm thời điểm đánh lửa để phù hợp với tỉ lệ khí – nhiên liệu Thời điểm đánh lửa được làm sớm lên tối đa khoảng 5o hiệu chỉnh Các tín hiệu liên quan đến cảm biến này: - Cảm biến oxy - Cảm biến vị trí bướm ga - Cảm biến tốc độ xe 4.5.2.4 Hiệu chỉnh tránh kích nơ Để nhận biết tránh được sự kích nổ xy lanh động cơ, động được trang bị cảm biến kích nổ, cảm biến ghi nhận lại sự kích nổ thơng qua sự 70 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 rung động động sau chủn thành xung tín hiệu dưới dạng tín hiệu điện chuyển đến ECU động Khi động hoạt động bình thường thì xung tín hiệu dao động rất nhỏ, xảy tượng kích nổ xung sẽ dao động với biên độ lớn truyền tới ECU động cơ, ECU sẽ điều chỉnh giảm góc đánh lửa sớm Quá trình kiểm sốt kích nổ được thực theo chu kỳ kín, tượng kích nổ xảy vài xy lanh Vì dựa vào thời điểm kích nổ (quá trình cháy) vị trí trục khuỷu mà ECU nhận biết được xy lanh cháy xảy tượng kích nổ Việc hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm cho q trình kích nổ được thực xy lanh để ảnh hưởng đến cơng śt động Việc giảm góc đánh lửa sớm được thực từng góc nhỏ theo từng chu kỳ từng xy lanh tượng kích nổ chấm dứt thì ECU từng bước tăng dần góc đánh lửa sớm về tối ưu Để tránh tượng kích nổ xảy dùng loại xăng khác nhau, ECU động được lưu liệu tương ứng với loại xăng Khi dùng loại xăng khác cần thay đổi vị trí giắc cắm được bố trí xe Tín hiệu liên quan đến hiệu chỉnh tín hiệu kích nổ (KNK) 4.5.2.5 Hiệu chỉnh góc ngậm điện Một chức khác ECU về điều khiển đánh lủa động sự điều chỉnh góc ngậm điện Góc ngậm điện phụ thuộc vào hiệu điện ắc quy tốc độ động Khi khởi động hiệu điện ắc quy bị giảm gây tượng sụt áp Vì ECU động sẽ điều khiển tăng thời gian ngậm điện nhằm mục đích đảm bảo dòng điện cuộn thứ cấp đạt đến giá trị I ôđ ổn định trước transistor trạng thái ngắt Ở tốc độ thấp thời gian tích lũy lượng dài (góc ngậm điện lớn) gây lãng phí lượng làm nóng bơ bin đánh lửa nên ECU sẽ giảm bớt thời gian ngậm điện xuống để tránh tượng Trong trường hợp dòng sơ cấp tăng cao giá trị ổn định, phận hạn chế dòng sẽ làm việc giữ dòng diện sơ cấp khơng thay đổi Việc điều chỉnh góc ngậm điện được thực ECU động Góc ngậm điện tối ưu được lưu sẵn nhớ ECU động Các tín hiệu liên quan đến hiệu chỉnh này: 71 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 - Tín hiệu điện áp ắc quy - Tín hiệu tốc độ động 4.6 Tính tốn thơng số điện áp thứ cấp hệ thống đánh lửa Thông số U2 là một thông số quan trọng đánh giá chất lượng đánh lửa vậy cần phải được tiến hành kiểm tra Quá trình đánh lửa chia thành giai đoạn : - Tăng dòng sơ cấp KK’ đóng lại - Tăng xuất SĐĐ cao áp cuộn thứ cấp KK’ mở - Xuất tia lửa điện bugi U2 tăng đến giá trị Uđl * Giai đoạn tăng dòng sơ cấp KK’ đóng lại: Khi KK' đóng, sẽ có dòng sơ cấp i1 chạy theo mạch: (+)AQ → Kđ → Rf → W1 → Cần tiếp điểm → KK' → (-)AQ Dòng điện tăng từ đến giá trị giới hạn xác định điện trở mạch sơ cấp Mạch thứ cấp lúc coi hở Do suất điện động tự cảm, dòng i khơng thể tăng tức thời mà tăng dần khoảng thời gian Trong giai đoạn gia tăng dòng sơ cấp ta có thể viết phương trình sau: Ung + eL1 = i1.R1 Trong đó: (4 1) Ung - Thế hiệu nguồn điện (ắc quy hoặc máy phát) [V] eL1 - SĐĐ tự cảm cuộn sơ cấp [V] R1 - Điện trở mạch sơ cấp [Ω] eL1 = − L1 Mà: di1 di ⇒ U ng − L1 = i1 R1 dt dt (4.2) Giải phương trình vi phân (4.2) ta xác định được: i1 = Trong đó: t −  U ng  1− e τ1  R1    (4.3) t - Thời gian tiếp điểm đóng [s] τ1 = L1 - Hằng số thời gian mạch sơ cấp R1 Biểu thức (4.3) cho thấy: Dòng sơ cấp tăng theo quy luật đường tiệm cận Khi t=0 (tiếp điểm vừa đóng lại) thì i1 = di1 U ng = dt L1 (4.4) 72 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 Khi t=∞ (tiếp điểm đóng rất lâu) thì: i1 = U ng R1 di1 =0 dt & (4.5) Từ biểu thức ta thấy rõ rằng, tốc độ gia tăng dòng sơ cấp phụ thuộc vào giá trị Ung L1 L1 lớn thì tốc độ tăng dòng sơ cấp giảm Tốc độ có giá trị cực đại vào thời điểm tiếp điểm bắt đầu đóng (t=0)  di1   được xác định thời  dt  Giá trị nhỏ nhất tốc độ tăng dòng sơ cấp  điểm mở tiếp điểm Trong trình làm việc hệ thống đánh lửa, tốc độ không bao giờ giảm đến Vì thời gian tiếp điểm đóng ngắn nên dòng sơ cấp khơng kịp đạt giá trị ổn định Giá trị cực đại mà dòng sơ cấp có thể đạt được (i 1max) phụ thuộc vào điện trở mạch sơ cấp thời gian tiếp điểm trạng thái đóng Thay giá trị t= t đ vào phương trình (4.3), ta xác định được: i1max = I1ng R − td  U ng  L = 1 − e  R1   (4 6) Với đại lượng từ bảng thông số động Ung = 12 [V], R = 0,4 [Ω], L1 = [mH], tđ = [ms] ta tính được I1ng − 2.10 −  12  −3 = 1 − e 2.10  = 9,89 [A] 0,4   0, i1 max = I 1ng * Giai đoạn tăng xuất SĐĐ cao áp cuộn thứ cấp KK’ mở Khi tiếp điểm mở ra, dòng sơ cấp từ thơng sinh giảm rất nhanh thời gian ngắn Do cuộn thứ cấp W bơ bin đánh lửa sẽ xuất SĐĐ cảm ứng có giá trị rất lớn Giá trị SĐĐ cao áp có thể xác định từ phương trình cân biến đổi lượng hệ thống đánh lửa: - Ngay trước tiếp điểm mở, mạch từ biến áp đánh lửa tích lũy lượng điện từ là: Wđt = L1 I 21ng (4.7) - Khi tiếp điểm mở (nhưng chưa xuất tia lửa điện cao thế) thì 73 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 lượng biến thiên lượng tĩnh điện tích lũy điện dung C mạch sơ cấp C2 mạch thứ cấp, phần rất nhỏ biến thành nhiệt tiêu tán môi trường Như vậy, phương trình cân lượng lúc tiếp điểm bắt đầu mở có thể viết sau: L1 I 21ng C1U 21 C 2U 2 = + +Q 2 U1 = U Mà: [4.8]  W W1 ⇒ L1 I 21ng = C1  W2   W2    + C U 2 + Q   [4.9] Sau biến đổi ta nhận được: U = I 1ng L1 W C1   W2   + C  η ' [4.10] Trong đó: C1: Điện dung mạch sơ cấp = 0,2.10-6 [F] C2: Điện dung mạch thứ cấp = 10-10 [F] K= W2 : Hệ số biến áp = 50 W1 η ' : Hệ số tính đến sự giảm U2 tổn thất lượng dưới dạng nhiệt hai mạch sơ cấp thứ cấp = 0,8 Ta thay thông số vào [4.10] U = 9,89 2.10 −3 0,8 =26373,33 [V] 0,2.10 −6.0,02 + 10 −10 ≈ 26,733 [kV] Từ kết tính tốn ta thấy U 2= 26,733 kV> [U2] =15 kV => đảm bảo trình đánh lửa xảy chế độ làm việc động 74 ... 4-2 Sơ đồ hệ thống đánh lửa điện tử động 1GR-FE 46 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 4.2 Các phận hệ thống đánh lửa động 1GR-FE 4.2.1 IC đánh lửa IC đánh lửa mạch... khiển đánh lửa khởi động điều khiển đánh lửa sau khởi động 4.5.1 Điều khiển đánh lửa khởi động 66 Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 Điều khiển đánh lửa khởi động. . .Khảo sát hệ thống đánh lửa động 1GR-FE xe Toyota Landcruiser 2007 Từ sơ đồ ta thấy rõ hoạt động trình đánh lửa xảy ECU truyền tín hiệu đánh lửa tới IC đánh lửa Sau trình đánh lửa xảy