1982 hãng General Motors sử dụng trên các động cơ do hãng sản xuất một hệthống chẩn đoán gọi là Assembly Line Diagnostics Link (ALCL). Giao thức
truyền thông của ALCL có tốc độ 160 baut và sử dụng kỹ thuật PWM
1987 California Air Resources Board (CARB) qui định tất cả ôtô bán ở California từ năm 1988 phải có khả năng chẩn đoán OBD để kiểm soát khí xả phát ra từ động cơ. Hê thống chẩn đoán này đƣợc gọi là chẩn đoán OBD-1. Trong chẩn đoán OBD-1 không qui định các tiêu chuẩn về vị trí và đầu nối của đƣờng truyền dữ liệu cũng nhƣ không qui định về giao thức truyền thông tin
1988 Hội kỹ sƣ ôtô quốc tế (Society of Automotive Engineers - SAE) khuyến nghị về tiêu chuẩn hoá hình dạng, kích thƣớc đầu nối và các tín hiệu mã lỗi khi chẩn đoán
1994 để thúc đẩy nhanh chƣơng trình kiểm soát khí thải, CARB ban hành chuẩn OBD-2 và qui định tất cả ôtô sản xuất ơ California từ 1996 phải đáp ứng các qui định của OBD-2. Hình dạng, kích thƣớc đầu nối và các tín hiệu mã lỗi phải theo khuyến nghị của SAE
1996 ban hành đạo luật qui định tất cả các bộ phân liên quan đến hệ thống kiểm soát khí xả khi bị hƣ hỏng (khi đèn báo lỗi MIL sáng) bắt buộc phải tiến hành khắc phuc, sửa chữa ngay. Đạo luật này đã góp phần thúc đẩy việc kiểm soát khí thải từ ôtô chặt chẽ hơn trƣớc
1998 Chẩn đoán OBD-2 là bắt buộc đối với ôtô sản xuất tại Mỹ
2001 Cộng đồng châu âu ban hành tiêu chuẩn EOBD có các yêu cầu tƣơng tự nhƣ OBD-2. Tiêu chuẩn EOBD áp dụng cho tất cả ôtô dùng động cơ xăng sản xuất ở châu âu từ 2001
2002 các xe ôtô bán ở Nhật phải tuân theo tiêu chuẩn JOBD, các qui định của JOBD tƣơng tự nhƣ EOBD và OBD-2
2008 qui định các xe ôtô bán ở Mỹ phải theo tiêu chuẩn ISO15765-4 đây là tiêu chuẩn truyền thông tin theo chuẩn CAN
Hình 2.1. Quá trình phát triển hệ thống chẩn đoán OBD
2.3. Chức năng và nguyên lý làm việc của hệ thống chẩn đoán OBD-1 2.3.1. Chức năng
Hệ thống chẩn đoán OBD-1 làm việc dựa trên nguyên lý phát hiện lỗi khi các tín hiệu từ các cảm biến gửi về ECU nằm ngoài dải làm việc, ví dụ nhƣ các loại cảm biến đƣợc sử dụng sau.
Mạch nối ghép cảm biến với ECU: bộ vi xử lý làm việc với điện áp thấp (5 vol) nên nguồn điện áp cấp cho các cảm biến làm việc cũng là nguồn 5 vol (một số trƣờng hợp đặc biệt mà điện áp là 12 vol). Mạch nguồn này bố trí trong bộ xử lý trung tâm. Các sơ đồ cơ bản nối ghép cảm biến với bộ điều khiển trung tâm đƣợc trình bày trên hình 1.2, ... 1.6.
Hình 2.2. Mắc cảm biến kiểu biến trở Hình 2.3. Mắc cảm biến kiểu điện trở nhiệt
(1/1)ECU ECU BAT T + B Throttle position sensor VC 0- 5V 5 V 5V E 2 E 1 Codns tant- voltage circuit Microprocessor Vi xử lý Điện áp không đổi 5V ECU Cảm biến R E2 E1
Điện áp không đổi
Vi xử lý
A 5V
Cản biến này đựơc dùng trên xe ở cảm biến vị trí bƣớm ga, cảm biến chân ga. Dải làm việc của cảm biến từ 0→5v, nếu điện áp gửi về ECU nằm ngoài dải trên tức hệ thống đang có lỗi
Cản biến này đựơc dùng trên xe ở cảm biến nhiệt độ nƣớc làm mát, nhiệt độ khí nạp. Dải làm việc của cảm biến này từ 0,1→4,8v, nếu điện áp gửi về ECU nằm ngoài dải trên tức hệ thống đang có lỗi
Hình 2.4. Cảm biến kiểu phát điện
Cản biến này đựơc dùng trên xe ở
cảm biến trục khuỷu, trục cam hay bánh đà. Khi động cơ làm việc cảm biến này sẽ phát ra điện áp và gửi về ECU
Ví dụ, cảm biến nhiệt độ nƣớc làm mát làm nhiệm vụ cấp thông tin về nhiệt độ nƣớc làm mát của động cơ.
Dải làm việc của cảm biến nhiệt độ nƣớc làm mát. Điện áp đầu ra của cảm biến nhiệt độ nƣớc làm mát (đo ở đầu THW) nằm trong dải 4,8 V đến 0,1V, tƣơng ứng
Hình 2.5. Ví dụ phát hiện lỗi nhờ tín hiệu của cảm biến
EC U
Pickup coil
Microprocessor
Điện áp không đổi
Vi xử lý
Cảm biến
5V
với nhiệt độ nƣớc làm mát động cơ trong phạm vi từ -400C tới 1050C. Khi điện áp ở đầu ra THW nhỏ hơn 0,1V (nhiệt độ nƣớc làm mát > 1300C) hay lớn hơn 4,8V (nhiệt độ nƣớc làm mát là <-500C) có nghĩa đã xuất hiện sự cố trong các bộ phận liên quan đến hệ thống làm mát (hỏng cảm biến, sự cố trên đƣờng truyền dẫn, hƣ hỏng các phần cơ khí).
Phƣơng pháp xác định lỗi căn cứ vào dải điện áp làm việc gọi là phƣơng pháp xác định lỗi ngoài dải làm việc. Phƣơng pháp này cho phép khoanh vùng hƣ hỏng để hạn chế thời gian cũng nhƣ chi phí để phát hiện và khắc phục hƣ hỏng sửa chữa. Ngoài ra, hạn chế của phƣơng pháp này là chỉ phát hiện sau khi lỗi đã xảy ra, không có khả năng dự đoán trƣớc để chủ động có biện pháp ngăn ngừa, chủ động khắc phục trƣớc. Trong quá trình làm việc, các thông tin trong hệ thống ĐKĐT là thông tin liên tục do đó có thể căn cứ vào sự biến đổi của các thông tin này để đánh giá trạng thái kỹ thuật của các bộ phận thành phần của hệ thống. Phƣơng pháp quan sát liên tục các thông tin về trạng thái đối tƣợng trong khi hoạt động gọi là phƣơng pháp đánh giá trạng thái kỹ thuật theo các thông số trạng thái. Trong hệ thống ĐKĐT, mỗi thông tin từ cảm biến, từ ECU hoặc từ mạch công tác của cơ cấu chấp hành có thể coi là những thông số chẩn đoán trạng thái kỹ thuật của hệ thống. Một trạng thái kỹ thuật là tập hợp bộ giá trị các thông tin tại thời điểm khảo sát. Do đó muốn khoanh vùng hoặc xác định chính xác vị trí xảy ra lỗi cần có một bộ giá tƣơng ứng các thông tin chẩn đoán. Việc xác định giá trị cụ thể của bộ thông số đặc trƣng cho từng hƣ hỏng đòi hỏi phải hiểu biết sâu sắc về nguyên lý hoạt động, kết cấu các mạch, phần mềm thiết kế chuyên biệt cho chức năng chẩn đoán lỗi trong hệ thống ĐKĐT. Do nguyên lý làm việc của hệ thống dựa trên cơ sở phát hiện các lỗi trong mạch điện điều khiển nên hệ thống chẩn đoán không có khả năng phát hiện các lỗi, sự cố ở các bộ phận thuần tuý cơ khí, ở các vị trí không có bố trí các cảm biến
Các chức năng chẩn đoán của OBD-1 cũng nhƣ các qui định chung đối với hệ thống chẩn đoán cụ thể nhƣ sau: Chức năng kiểm tra hƣ hỏng trong các mạch điện của xe (kiểm tra phát hiện các sự cố đứt hoặc chập mạch)
Chức năng kiểm soát thành phần hỗn hợp công tác cấp cho xi lanh động cơ, kiểm soát sự làm việc của hệ thống luân hồi khí xả
Chức năng kiểm soát một số các thông số trạng thái làm việc của động cơ liên quan đến quá trình cháy của nhiên liệu (số thông số kiểm soát <20)
Không có qui định thống nhất về ký hiệu mã lỗi và giao thức truyền thông tin Không có qui định thống nhất về đầu kết nối cũng nhƣ phƣơng thức kiểm tra, hiển thị lỗi
Đèn báo MIL hoặc đèn Check Engine đƣợc bố trí trên bảng điều khiển. Mỗi khi xuất hiện lỗi trong các mạch của hệ thống ĐKĐT, đèn MIL sẽ sáng (hình 2.6).
Hình 2.6. Đèn check trên bảng tableau
Mã lỗi của OBD-1: mã lỗi thông dụng của hệ thống chẩn đoán OBD-1 thƣờng là mã lỗi kiểu 2 ký tự. Tuy nhiên ký hiệu mã lỗi của các hãng không giống nhau, vị dụ mã 13 đối với động cơ xe Huyndai là lỗi liên quan đến cảm biến nhiệt độ khí nạp, tuy nhiên mã 13 đối với động cơ xe Ford lại liên quan đến van điều khiển không tải ISC. Mã lỗi đƣợc lƣu tại bộ nhớ RAM vì vậy đối với các động cơ ôtô có trang bị hệ thống ĐKĐT qui định không đƣợc ngắt nguồn ắc qui.
Cách phát mã lỗi trong hệ thống chẩn đoán OBD-1: trong hệ thống chẩn đoán OBD-1, các lỗi có thể quan sát bằng nhiều cách khác nhau (dùng volmeter, dùng đèn, dùng thiết bị chuyên dụng đọc lỗi của nhà sản xuất xe)
Hình 2.7. Các phƣơng pháp phát hiện lỗi
Chức năng phát mã lỗi bằng đèn Check Engine là một chức năng phổ biến trên nhiều động cơ ôtô. Hình 2.8 mô tả nguyên lý phát mã lỗi bằng đèn, theo các qui định về thời gian sáng/tắt của đèn để phân biệt các lỗi khác nhau và phát lặp lại các lỗi .
Hình 2.8. Nguyên lý phát mã lỗi bằng đèn sáng/tắt
Hình 2.9 trình bày mạch điện hệ thống chẩn đoán lỗi OBD-1 của Toyota. Đèn MIL có hai nhiệm vụ: báo trạng thái lỗi và phát mã lỗi.
Hình 2.9. Mạch chẩn đoán OBD-1 của Toyota
Để đèn phát mã lỗi, ta dùng đoạn dây nối tắt các cực TE1 và E1 của đầu nối DLC1 hoặc đầu nối DLC2, bật khoá điện sang vị trí IG và không khởi động động cơ. Khi đó đèn MIL sẽ phát sáng theo chu kỳ tƣơng ứng với ký hiệu mã lỗi, các tín hiệu điện áp đo ở đầu w có dạng xung đồng bộ với tần số nhấp nháy của đèn MIL. Mức cao của xung điện áp đo ở w có trị số 12 vol. Tín hiệu xuất hiện ở đầu ra ở VF1 (khi nối tắt TE2 với E1) cũng có dạng xung đồng bộ với tần số xung của mã lỗi, tuy nhiên mức điện áp cao của xung đo ở VF1 là 5 vol.
Trong hệ thống chẩn đoán OBD-1 các thông tin chỉ truyền theo một chiều từ ECU tới các chân W hoặc VF1 của đầu nối kiểm tra. Nói cách khác, với hệ thống chẩn đoán OBD-1 ta chỉ có thể quan sát (nhận biết) các thông tin về hệ thống
Tới cảm biến Điện áp không đổi 5V
Vi xử lý
VF1 nhận đƣợc dữ liệu khi kết nối TE2 và E1. Một cách truyền thông tin giữa ECM → Scan tool
Chú ý: TE2 không đƣớc dùng trên DLC1, trên một số xe với DLC2
ĐKĐT mà không thể tác động can thiệp vào sự làm việc của hệ thống điều khiển này.
2.3.2. Nguyên lý chẩn đoán OBD-1
Hệ thống chẩn đoán cho động cơ theo chuẩn OBD-1 hoạt động theo nguyên lý tiếp nhận các thông tin theo một chiều truyền từ ECU tới đầu nối kiểm tra DLC1 (hoặc DLC2). Các thông tin này có dạng xung (với mức điện áp cao là 12 vol khi lấy ra từ chân w, hoặc mức điện áp cao 5 vol khi lấy ra từ chân VF1). Chức năng chính của hệ thống chẩn đoán cho động cơ theo chuẩn OBD-1 là phát hiện và phát mã lỗi phù hợp với các động cơ khác nhau. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống trình bày trên hình 2.9 có các cấu trúc cơ bản sau: Kết nối thiết bị chẩn đoán với động cơ và với máy tính điều khiển: thiết bị chẩn đoán phải có 2 đầu kết nối, một đầu kết nối với thiế bị và một đầu kết nối với đầu nối chẩn đoán DLC1 hoặc DLC2 của động cơ.
Nhận dạng hệ thống ĐKĐT của động cơ cần chẩn đoán lỗi: trong chẩn đoán OBD-1, mỗi loại động cơ có qui cách mã lỗi riêng vì vậy bƣớc đầu tiên cần nhận dạng động cơ (loại động cơ, năm sản xuất) để từ đó chọn bộ số liệu phù hợp từ cơ sở dữ liệu đã xây dựng sẵn trong phần mềm máy tính. Trƣờng hợp bộ số liệu về động cơ chƣa đƣợc thiết lập, hệ thống cần hiển thị thông báo lỗi để kiểm tra phần khai báo nhận dạng (trong trƣờng hợp khai báo sai) hoặc kết thúc chƣơng trình.
Đọc mã lỗi: chức năng này yêu cầu thiết bị tiếp nhận các tín hiệu mã lỗi mà ECU động cơ gửi tới chân w (hoặc VF1) của đầu nối DLC1 hoặc DLC2. Các tín hiệu này có dạng xung chữ nhật và nhịp xung thay đổi nhƣ trên hình 2.10 (với loại mã lỗi 2 ký tự)
Chu kỳ phát mã lỗi gồm có các thành phần: phát từng lỗi liên tiếp, phát lặp lại. Dấu hiệu để phân biệt các thành phần hàng chục và hàng đơn vị của một mã lỗi (nhƣ trong trƣờng hợp mã lỗi 2 ký tự) cũng nhƣ phân biệt hai mã lỗi khác nhau, phát lặp lại các mã lỗi là khoảng nghỉ của mỗi xung nhƣ mô tả trên hình 2.10 Thuật toán đếm một chu kỳ phát xung đƣợc trình bày trên hình 2.8 đƣợc lấy làm cơ sở để lập trình điều khiển quá trình đếm xung khi đọc mã lỗi.
Trong trƣờng hợp động cơ không có lỗi, các tín hiệu xung ở đầu ra w có dạng nhƣ trên các hình 2.11. (mã 2 kỹ tự).
Hình 2.11. Dạng xung khi động cơ không có lỗi (mã lỗi 2 ký tự)
Nhận dạng và hiển thị mã lỗi: phần mềm điều khiển tiến hành tham chiếu các mã lỗi đã "đọc" đƣợc với bộ số liệu chuẩn về mã lỗi tƣơng ứng với động cơ đã đƣợc nhận dạng. Kết quả tham chiếu đƣợc hiển thị trên màn hình thông báo các mã lỗi của động cơ tại thời điểm chẩn đoán. Giải thích mã lỗi: dữ liệu dƣới dạng text đƣợc tham chiếu tƣơng ứng với từng mã lỗi đƣợc hiển thị.
Hƣớng dẫn xử lý lỗi: dữ liệu dƣới dạng text hoặc đồ hoạ sẽ đƣợc nhúng vào phần mềm điều khiển. Để xây dựng phần thông tin này cần thu thập, tham khảo các tài liệu hƣớng dẫn sửa chữa xe của các hãng.
2.3.3. Thao tácchẩn đoán OBD-1
Trình tự thao tác chung để đọc mã lỗi theo OBD-1:
Động cơ ở trạng thái không hoạt động, tắt tất cả các trang bị điện phụ (đèn, radio...).
nối kiểm tra DLC1 hoặc DLC2 (hình 2.12)
Hình 2.12. Nối tắt các chân TE1 và E1 khi thao tác đọc mã lỗi Bật khoá điện tới vị trí ON. Quan sát ghi lại tần số nhấp nháy của đèn MIL Đối chiếu kết quả quan sát với bảng qui định mã lỗi của nhà sản xuất để biết đƣợc nội dung của mã lỗi.
Có thể sử dụng đồng hồ vạn năng để đọc mã lỗi bằng cách đo điện áp ở các chân w-E1, quan sát tần số dao động của kim đồng hồ để nhận biết mã lỗi
Khi sử dụng thiết bị kiểm tra lỗi chuyên dụng của hãng (Hand-Tester), đầu để nhận tín hiệu ra là chân VF1.
Xoá lỗi trong chẩn đoán OBD-1: sau khi đã khắc phục, xử lý các phần tử gây ra lỗi, cần phải thực hiện thao tác xoá mã lỗi trƣớc khi khởi động lại động cơ. Thao tác xoá mã lỗi bằng cách rút cầu chì EFI hoặc ngắt cực của ắc qui trong khoảng 30 sec. Sau đó, khởi động động cơ, nếu các lỗi đã đƣợc khắc phục hết thì đèn MIL không sáng nữa, nếu lỗi chƣa đƣợc khắc phục hoặc phát sinh lỗi mới thì đèn MIL lại sáng.
2.3.4. Hạn chế của chẩn đoán OBD-1
Hệ thống chẩn đoán OBD-1 ra đời, nó đã cải thiện đáng kể cho sự điều khiển hệ thống nhiên liệu và hệ thống đánh lửa của động cơ, nhằm mục đích kiểm soát lƣợng khí phát thải của các động cơ, ngành công nghệ ô tô bƣớc sang một giai đoạn phát triển mới nhƣng việc kiểm tra chẩn đoán theo OBD-1 còn gặp nhiều các khó khăn: do mỗi loại xe có mã lỗi riêng, không chẩn đoán đƣợc lỗi khi động cơ đang làm việc, chỉ phát hiện lỗi sau khi chi tiết hay cơ cấu đã bị hỏng, vị trí bố trí cũng
nhƣ hình dạng đầu nối kiểm tra DLC1, DLC2 không giống nhau nên việc chẩn đoán và mô tả lỗi mất nhiều thời gian, cần tài liệu hƣớng dẫn cụ thể của nhà sản xuất.
Hệ thống chẩn đoán OBD-1 chỉ cung cấp các thông tin về trạng thái lỗi mà không cung cấp đƣợc thông tin đầy đủ về trạng thái làm việc của động cơ khi xảy ra lỗi do đó việc khoanh vùng tìm nguyên nhân hƣ hỏng còn mất nhiều thời gian.
2.4. Đặc điểm của chẩn đoán OBD-2
Kiểm tra, cấp thông tin liên tục trạng thái làm việc của các mạch điện, sự làm việc của các cảm biến và cơ cấu chấp hành. Các thông tin, tín hiệu đƣợc xử lý ở chế độ thời gian thực nên nâng cao tính kinh tế cũng nhƣ an toàn chuyển động của xe Sử dụng hệ thống tiêu chuẩn thống nhất về mã lỗi đối với tất cả các loại xe và các giao thức truyền dữ liệu giữa hệ thống ĐKĐT của xe và thiết bị chẩn đoán.