Khảo sát hệ thống điều khiển trên động cơ phun xăng điện tử EFI

Khảo sát hệ thống điều khiển trên động cơ phun xăng điện tử EFI LỜI NÓI ĐẦU! Ngày nay, ngành công nghiệp điện tử phát triển rất mạnh mẽ. Những ứng dụng của các linh kiện bán dẫn những mạch điều khiển điện tử .được ứng dụng rất rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực của đời sống và công nghiệp. Ngành công nghiệp ô tô cũng có những phát triển mạnh mẽ khi ứng dụng các linh kiện điện tử, các vi mạch điều khiển trên ô tô với mục đích kiểm soát chính xác mọi trạng thái hoạt động của ôtô, động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu, tăng công suất . và đặc biệt là kiểm soát lượng khí xả chống ô nhiễm môi trường. Với động cơ phun xăng điện tử EFI (electronic fuel injection) thì việc điều khiển điện tử chính là phần quan trọng nhất. Động cơ EFI sẽ được điều khiển bằng một bộ vi xử lý trung tâm còn gọi là hộp đen ô tô hay ECU (engine control unit ) hay ECM (engine control module). ECU chính là bộ não để điều khiển mọi quá trình hoạt động của động cơ như tỉ lệ hòa trộn khí nhiên liệu, lượng phun nhiên liệu cho mỗi chu trình, thời điểm đánh lửa và góc đánh lửa sớm . Vì thế em chọn đề tài “ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ EFI ”với mong muốn tìm hiểu được một phần về cấu trúc và nguyên lý hoạt động cũng như một vài hư hỏng thường gặp của ECU. Em xin chân thành cảm ơn thầy Dương Việt Dũng và các thầy trong khoa đã tạo điều kiện cho em thực hiện đề tài này. Trong quá trình làm đề tài do lượng kiến thức và thời gian có hạn nên không thể tránh khỏi những sai sót em mong các thầy thông cảm và chỉ dẫn cho em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng ngày 22 tháng 05 năm 2009. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Trung. 1 Khảo sát hệ thống điều khiển trên động cơ phun xăng điện tử EFI Các ký hiệu và viết tắt: Kí hiệu/ Viết tắt Ý nghĩa 1 EFI - Electronic Fuel Injection Hệ thống phun xăng điện tử 2 ECU - Engine Control Unit Hệ thống điều khiển động cơ 3 ECM - Engine Control Module Hệ thống điều khiển động cơ 4 TCCS - Toyota Computer Controled System Hệ thống điều khiển bằng máy tính của TOYOTA 5 ESA - Electronic Spark Advance Đánh lửa sớm điện tử 6 EGR - Exhaust Gas Recirculation Sự lưu hồi khí thải 7 RAM - Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nghiên 8 ROM - Read Only Memory Bộ nhớ chỉ đọc 9 PROM - Programmable Read Only Memory Bộ nhớ cho phép ghi lại dữ liệu 10 CPU - Control Processing Unit Bộ vi xử lý 11 Microprocessor Chíp xử lý trung tâm 12 Input Nhập 13 Output Xuất 14 Clear Xóa 15 Interface Mạch giao tiếp 16 Device Thiết bị 17 Actuator Cơ cấu chấp hành 18 Sensor Cảm biến 19 Check Kiểm tra 20 Diagnosis Chẩn đoán 21 Regulation Quy Định 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ EFI VÀ BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM ECU. 1.1.Mục đích ý nghĩa của đề tài: Điều khiển điện tử là một trong những vấn đề quan trọng và rất mới mẻ trong ngành công nghiệp ô tô của nước ta hiện nay. Khi mà động cơ đốt trong đang phát 2 Khảo sát hệ thống điều khiển trên động cơ phun xăng điện tử EFI triển nhanh và mạnh mẽ bên cạnh đó các qui định về môi trường, khí thải càng ngày càng khắt khe, áp lực về giá nhiên liệu cũng là một vấn đề bức thiết khiến động cơ đốt trong phải áp dụng điều khiển điện tử. Trước đây người ta chỉ sử dụng những bộ phận điều khiển bằng cơ khí song với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và điện tử cho phép chúng ta ứng dụng những mạnh điều khiển điện tử vào ô tô với độ chính xác đạt được rất cao, giờ đây không chỉ là điều khiển đánh lửa sớm mà chúng ta còn có thể điều khiển thời gian, thời lượng phun nhiên liệu, kiểm soát kích nổ . một cách chính xác nhờ các ECU (Engine Control Unit) động cơ hay ECM (Engine Control Module) Tuy điều khiển điện tử trên ô tô đã phát triển từ lâu song ở nước ta nó vẫn còn là một vấn đề mới và chưa được nghiên cứu nhiều, vì thế với đề tài của mình em mong rằng sẽ góp phần giải đáp một số vấn đề nhỏ về điều khiển điện tử trên động cơ phun xăng điện tử với bộ xử lý ECU. 1.2. Giới thiệu về hệ thống phun xăng điện tử EFI: 1.2.1. Khái niệm về phun xăng điện tử EFI: EFI là chữ viết tắt của cụm từ Electronic fuel injection có nghĩa là hệ thống điều khiển nhiên liệu bằng điện tử. Hệ thống này cho phép cung cấp tỉ lệ hoà trộn nhiên liệu, không khí một cách chính xác với từng chế độ hoạt động của động cơ thông qua các cảm biến và bộ vi xử lý trung tâm ECU. Với hệ thống EFI chúng ta có một sự thay thế tối ưu cho bộ chế hoà khí, chúng ta có thể điều khiển động cơ ở nhiều chế độ hơn, cho phép động cơ hoạt động tối ưu hơn tiết kiệm hơn và khí thải ít hơn. 3 Khảo sát hệ thống điều khiển trên động cơ phun xăng điện tử EFI Hình 1: Sơ đồ cơ bản của EFI 1. lọc khí; 2. Cảm biến áp suất khí nạp; 3. Bộ điều áp xăng; 4. Lọc xăng; 5. Bình xăng. 6. Vòi phun; 7. acquy; 8. Khoá điện 1.2.2. Lịch sử phát triển của EFI: Vào thế kỷ 19, một kỹ sư người Mỹ - ông Stevan – đã nghĩ ra cách phun nhiên liệu cho một máy nén khí. Sau đó một thời gian, một người Đức đã cho phun nhiên liệu vào buồng cháy nhưng không mang lại hiệu quả. Đầu thế kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ 4 kỳ tĩnh tại (nhiên liệu dùng trên động cơ này là dầu hoả nên hay bị kích nổ và hiệu quả thấp).Tuy nhiên, sau đó sáng kiến này đã được ứng dụng thành công trong viêc chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu cho máy bay ở Đức. Đến năm 1966, hãng BOSCH đã thành công trong việc chế tạo hệ thống phun xăng kiểu cơ khí.Trong hệ thống phun xăng này nhiên liệu được phun trực tiếp vào trước supap hút nên có tên gọi tên là K-Jetronic (K– Konstan - liên tục, Jetronic - phun). K-Jetronnic được đưa vào sản xuất và ứng dụng trên các xe của hãng Mercedes và một số xe khác, là nền tảng cho việc phát triển hệ thống phun xăng thế hệ sau như:KE-Jetronic, Mono-Jetronic, L-Jetronic, Motronic . Do hệ thống phun xăng cơ khí còn nhiều nhược điểm nên đầu những năm 80, BOSCH đã cho ra đời hệ thống phun xăng sử dụng kim phun điều khiển bằng điện. Có 2 loại: hệ thống L–Jetronic (lượng nhiên liệu được xác định nhờ cảm biến đo lưu lượng khí nạp) và D–Jetronic (lượng nhiên liệu được xác định dựa vào áp suất trên 4 Khảo sát hệ thống điều khiển trên động cơ phun xăng điện tử EFI đường ống nạp). Đến năm 1984, người Nhật (mua bản quyền của BOSCH) đã ứng dụng hệ thống phun xăng L-Jetronic và D–Jetronic trên các xe của hãng Toyota (dùng với động cơ 4A - ELU). Đến những năm 1987, hãng Nissan dùng L-Jetronic thay bộ chế hòa khí của xe Nissan Sunny. Việc điều khiển EFI có thể được chia làm hai loại, dựa trên sự khác nhau về phương pháp dùng để xác định lượng nhiên liệu phun. Một là một loại mạch tương tự, loại này điều khiển lượng phun dựa vào thời gian cần thiết để nạp và phóng một tụ điện. Loại khác là loại được điều khiển bằng vi xử lý, loại này sử dụng dữ liệu lưu trong bộ nhớ để xác định lượng phun. Loại hệ thống EFI điều khiển bằng mạch tương tự là loại được TOYOTA sử dụng lần đầu tiên trong hệ thống EFI của nó. Loại điều khiển bằng vi xử lý được bắt đầu sử dụng vào năm 1983. Loại hệ thống EFI điều khiển bằng bộ vi xử lý được sử dụng trong xe của TOYOTA gọi là TCCS (TOYOTA Computer Controled System – Hệ thống điều khiển bằng máy tính của TOYOTA), nó khơng chỉ điều khiển lượng phun mà còn bao gồm ESA (Electronic Spark Advance – Đánh lửa sớm điện tử) để điều khiển thời điểm đánh lửa; ISC (Idle Speed Control – Điều khiển tốc độ khơng tải) và các hệ thống điều khiển khác cũng như chức năng chuẩn đốn và dự phòng. Hai hệ thống này có thể được phân loại như sau: ESA ISC Chẩn đoán Dự phòng Hệ thống khác EFI(Loại điều khiển bằng vi xử lý) EFI(Loại mạch tương tự) TCCS Hệ thống điều khiển động cơ Hình 1.2: Sơ đồ phân loại hệ thống EFI 5 Khảo sát hệ thống điều khiển trên động cơ phun xăng điện tử EFI 1.2.3. Phân loại hệ thống EFI. 1.2.3.1. Phân loại theo số lượng vòi phun:  Hệ thống phun xăng một điểm (phun xăng trung tâm): Xăng được phun vào đường ống nạp nhờ một vòi phun duy nhất từ vị trí phía trước bướm ga giống như bộ chế hoà khí.  Hệ thống phun xăng hai điểm: Trên cơ sở hệ thống phun xăng một điểm nhưng bố trí thêm một vòi phun thứ hai nằm sau bướm ga nhằm cải thiện chất lượng hỗn hợp.  Hệ thống phun xăng nhiều điểm: Mỗi xi lanh sẽ có một vòi phun để cung cấp nhiên liệu. 1.2.3.2. Phân loại theo phương pháp điều khiển phun xăng:  Hệ thống phun xăng bằng cơ khí: Việc dẫn động, điều chỉnh, điều khiển thành phần hỗn hợp được thực hiện bằng biện pháp cơ khí.  Hệ thống phun xăng điện tử: Trong hệ thống này các cảm biến cung cấp thông tin cho bộ phận điều khiển trung tâm dưới dạng các tín hiệu điện. Bộ phận xử lý trung tâm có nhiệm vụ tiếp nhận và xử lý tín hiệu sau đó cung cấp các tín hiệu điều khiển quá trình cung cấp nhiên liệu qua thời gian hoạt động của các vòi phun dựa theo các phần mềm đã lập trình sẵn trong ECU. Ngoài ra với ECU hệ thống phun xăng điện tử còn thực hiện được một số nhiệm vụ sau:  Chỉ huy đánh lửa (bán dẫn hoặc điện tử)  Kiểm soát kích nổ.  Điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp ( α ≈ 1)  Chỉ huy thu hồi hơi xăng.  Điều khiển tự thích ứng.  Điều khiển hoạt động của động cơ ở các chế độ chuyển tiếp.  Hiệu chỉnh toàn tải.  Điều chỉnh chạy chậm không tải.  Hiệu chỉnh độ cao so với mực nước biển.  Các thiết bị chống khởi động được mã hoá, đối thoại với hộp số tự động, liên lạc với máy tính của xe, báo lỗi và chuẩn đoán hư hỏng, sự cố . 1.2.3.3. Phân loại theo cách xác định lượng khí nạp:  Hệ thống phun xăng dùng lưu lượng kế loại L: Trong loại này chúng ta có thể bắt gặp các loại lưu lượng kế khác nhau như lưu lượng kế thể tích, khối lượng, lưu lượng kế thể tích kiểu dây đốt nóng, kiểu tâm đốt nóng  hệ thống phun xăng dùng áp kế đo áp suất khí nạp: Loại D 6 Khảo sát hệ thống điều khiển trên động cơ phun xăng điện tử EFI 1.2.4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử EFI. EFI có thể chia thành ba hệ thống: hệ thống nhiên liệu và hệ thống nạp khí, hệ thống điều khiển điện tử. EFI cũng có thể được chia thành điều khiển phun nhiên liệu cơ bản và điều khiển hiệu chỉnh. Ba hệ thống này sẽ được mô tả chi tiết sau đây. H e ä t h o á n g ñ i e àu k h i e å n ñ i e än t ö û C o ân g t a éc ñ ? n h t h ô ø i v o øi p h u n k h ô û i ñ o än g l a ï n h C a ù c c a ûm b i e án C a ûm b i e á n n h i e ä t ñ o ä n ö ô ùc l a øm m a ùt C a û m b i e á n n h i e ä t ñ o ä k h í n a ïp C a û m b i e án v ? t r í b ö ô ùm g a T í n h i e äu k h ô ûi ñ o ä n g C a ûm b i e á n o âx i E C U Ñ i e à u k h i e å n l ö ô ïn g p h u n n h i e ân l i e äu C a ûm b i e án l ö u l ö ô ïn g k h o ân g k h í C a û m n h a än l ö ô ïn g k h í n a ïp T í n h i e äu ñ a ùn h l ö ûa H e ä t h o án g n h i e â n l i e äu N h i e ân l i e äu B ô m n h i e â n l i e äu L o ïc n h i e ân l i e äu V o øi p h u n k h ô û i ñ o än g l a ïn h B o ä o ån a ù p C a ù c v o øi p h u n H e ä t h o á n g n a ï p k h í L o ï c g i o ù C o å h o ï n g g i o ù K h o a n g n a ïp k h í C a ùc x y l a n h V a n k h í p h u ï C a ûm b i e á n l ö u l ö ô ï n g g i o ù Ñ ö ô øn g o án g n a ï p Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun xăng điện tử. 7 Khảo sát hệ thống điều khiển trên động cơ phun xăng điện tử EFI 1.2.4.1. Hệ thống cung cấp khí nạp: Khi bướm ga mở ra, dòng khơng khí từ lọc gió đến các xylanh sẽ qua cảm biến lưu lượng gió, bướm ga và đường ống nạp. Khi dòng khơng khí đi qua cảm biến lưu lượng gió, nó sẽ ấn mở tấm đo. Lượng khơng khí được cảm nhận bằng độ mở của tấm đo. Ngun lý hoạt động của hệ thống điều khiển cấp khơng khí được miêu tả như hình 1.4: Lọc gió Cảm biến lưu lượng khí Bướm ga Bàn đạp ga Đường ống nạp Các Xi lanh Không khíù Hình 1.4: Sơ đồ điều khiển cung cấp khơng khí. 1.2.4.2. Hệ thống cung cấp nhiên liệu: Nhiên liệu được nén lại nhờ bơm nhiên liệu chạy bằng điện và chảy đến các vòi phun qua bộ lọc. Mỗi xylanh có một vòi phun, nhiên liệu được phun ra khi van điện từ của nó mở ngắt qng. Do bộ ổn định áp suất giữ cho áp suất nhiên liệu khơng đổi nên lượng nhiên liệu phun ra được điều khiển bằng cách thay đổi khoảng thời gian phun. Do vậy, khi lượng khí nạp nhỏ, khoảng thời gian phun ngắn còn khi lượng khí nạp lớn, khoảng thời gian phun dài hơn. Sơ đồ cung cấp nhiên liệu như hình 1.5. Các Xi lanh Các vòi phun Bộ ổn đinh áp suất Thùng nhiên liệu Bơm nhiên liệu Hình 1.5. Đường nhiên liệu cấp cho xylanh 1.2.4.3: Điều khiển phun cơ bản: 8 Khảo sát hệ thống điều khiển trên động cơ phun xăng điện tử EFI Lượng khơng khí cảm nhận tại cảm biến đo lưu lượng gió được chuyển hố thành điện áp, điện áp này được gửi đến ECU như một tín hiệu. Tín hiệu đánh lửa sơ cấp theo số vòng quay động cơ cũng được gửi đến ECU từ cuộn dây đánh lửa. ECU sau đó tính tốn bao nhiêu nhiên liệu cần cho lượng khí đó và thơng báo cho mỗi vòi phun bằng thời gian mở van điện. Khi van điện của vòi phun mở ra, nhiên liệu sẽ được phun vào đường ống nạp. Cảm biến lưu lượng khí nạp Cảm biến tốc độ động cơ ECU Các vòi phun Hình 1.6: Điều khiển lượng phun cơ bản. Q trình phun cơ bản duy trì một tỷ lệ tối ưu (gọi là tỷ lệ lý thuyết) của khơng khí và nhiên liệu hút vào trong các xylanh. Hình 1.7 miêu tả q trình điều khiển phun cơ bản. Cổ họng gió Đường ống nạp Các Xi lanh Các vòi phun Bơm nhiên liệu Nhiên liệu Tốc độ động cơ ECU Cảm biến lưu lượng khí Cảm nhận lượng khí nạp Điều khiển lượng phun Lọc gió Tín hiệu phun Hình 1.7: Điều khiển q trình phun cơ bản. 1.2.4.4. Điều khiển thời gian phun. Thời gian phun nhiên liệu thực tế của động cơ được xác định bởi hai yếu tố:  Thời gian phun cơ bản: Được xác định bởi lượng khí nạp và tốc độ động cơ.  Thời gian phun hiệu chỉnh: được xác định bởi các tín hiệu từ các cảm biến đầu vào của động cơ.Lượng thời gian hiệu chỉnh này sẽ thay đổi theo các chế độ hoạt động của động cơ và nó phụ thuộc vào từng động cơ theo đường đặc tính của động cơ đó. 9 Khảo sát hệ thống điều khiển trên động cơ phun xăng điện tử EFI ECU Thời gian phun cơ bản Lưu lượng khí nạp Tốc độ động cơ Tốc độ động cơ Thời gian phun hiệu chỉnh Thời gian phun thực tế Các vòi phun Hình 1.8: Điều khiển thời gian phun. 1.2.4.5. Điều khiển hiệu chỉnh khi phun nhiên liệu. Động cơ sẽ khơng thể hoạt động tốt chỉ với một giá trị của thời gian phun và lượng phun cơ bản vì giá trị đó được tính tốn ở chế độ định mức còn khi hoạt động ơ tơ phải làm việc với nhiều chế độ khác nhau vì thế vấn đề hiệu chỉ thời điểm phun và thời gian phun được tính đến. Việc điều chỉnh này cũng giống như khi chúng ta dùng bộ chế hồ khí với những mạch tăng tốc, mạch làm đậm . Trong q trình hiệu chỉnh ECU sẽ nhận tín hiệu từ các cảm biến của động cơ để rồi tính tốn các thơng số hiệu chỉnh. Cảm biến áp suất đường ống nạp Cảm biến tốc độ Cảm biến nhiệt độ khí nạp Cảm biến vi trí bướm ga Điện áp ắc qui Cảm biến nhiệt độ nước làm mát Tín hiệu khởi động Bộ chia điện ECU Các vòi phun Điều khiển hiệu chỉnh thời gian phun Hình 1.9: Sơ đồ hiệu chỉnh phun. 10