2. Bộ điều khiển điện tử (ECU động cơ và ECT)
2.1.2. Mức tiêu thụ nhiên liệu đối với hệ thống truyền lực có cấp
Trên hình 2.1 thể hiện đồ thị mối quan hệ giữa lƣợng tiêu thụ nhiên liệu với tốc độ chuyển động của ô tô con ở đây là khác nhau.
Có thể nhận thấy rằng, ở mỗi cấp số đều có một điểm làm việc với mức tiêu thụ nhiên liệu là tối thiểu. Do lực cản không khí tỷ lệ với bình phƣơng vận tốc nên mức tiêu thụ nhiên liệu tăng rất nhanh ở vùng vận tốc cao,
Ví dụ trên hình 2.1 cho thấy, nếu ô tô chuyển động với vận tốc 150 km/h ở cấp số 3 thì sẽ tiêu tốn hết 12,4 lít xăng cho 100km. Nhƣng nếu chọn cấp số 5 thì mức tiêu thụ nhiên liệu chỉ còn là 9.3 lít/km.
Hình 2.1. Đồ thị mức tiêu thụ nhiên liệu ở các cấp số khác nhau của ô tô con
Đồ thị mức tiêu thụ nhiên liệu trên hình 2.1 cho thấy , nếu ô tô chuyển động ở các số 3,4 và 5 thì vùng vận tốc hợp lý nằm trong khoảng từ 50 đến 70 km/h. Với vận tốc chuyển động nhƣ vậy, vận tốc của động cơ nằm trong khoảng xấp xỉ 2000v/ph. Cần lƣu ý rằng, ở cùng một cấp số của hệ thống truyền lực, nếu chạy với tốc độ quá thấp thì tính kinh tế nhiên liệu cũng sẽ kém đi. Vì vậy, để vận hành ô tô một
cách hợp lý nhất thì ngƣời lái cần biết lựa chọn cấp số (tỷ số truyền) phù hợp với điều kiện chuyển động cụ thể và duy trì mức ga (vận tốc của động cơ) hợp lý.
2.2. Quy luật chuyển số trong hộp số tự động.
Sơ đồ nguyên lý điều khiển hộp số tự động đƣợc mô tả trên hình 2.2. Khi đó chuyển động, ngƣời lái tác động lên bàn đạp ga ở một mức độ nhất định nhằm đạt đƣợc vận tốc mong muốn (Va) trong điều kiện đƣờng xá cụ thể (thể hiện bằng tổng lực cản F∑). Để đáp ứng đƣợc yêu cầu của ngƣời lái, động cơ phải cung cấp một công suất Ni, đƣợc xác định nhƣ sau:
Ni = V emax N (2.5)
Nhƣ vậy, có thể thấy rằng vị trí của bàn đạp ga tƣơng ứng với một mức công suất mà động cơ phải cung cấp để đáp ứng yêu cầu chuyển động theo mong muốn của ngƣời lái. Trong quá trình hoạt động, công suất yêu cầu thƣờng xuyên thay đổi do vận tốc thay đổi tùy theo điều kiện giao thông và lực cản cũng thay đổi do trạng thái hay độ dốc của mặt đƣờng. Chẳng hạn, khi lực cản tăng lên (chuyển động lên dốc) vận tốc ô tô sẽ giảm, lúc này ngƣời lái sẽ tăng thêm mức ga nhằm duy trì vận tốc mong muốn. Tuy nhiên, nếu tăng ga hết cỡ (góc mở bƣớm ga đạt giá trị lớn nhất αmax) mà lực kéo vẫn không đủ để thắng lực cản thì vận tốc ô tô giảm dần, kéo theo vận tốc của động cơ và dẫn đến hiện tƣợng chết máy. Đây là lúc cần phải tăng tỷ số truyền của hệ thống truyền lực bằng cách chuyển về số thấp hơn. Ngƣợc lại, khi cần tăng tốc ô tô trong điều kiện đƣờng xá thuận lợi thì ngƣời lái tăng dần mức ga tới khi động cơ đạt tới vận tốc giới hạn thì vận tốc của ô tô không tăng đƣợc nữa. Lúc này phải chuyển sang cấp số cao hơn (giảm tỷ số truyền) để ô tô có thể tiếp tục tăng tốc ở dải vận tốc cao hơn. Vì vậy, đối với hệ thống truyền lực có cấp, công suất đƣợc truyền tới các bánh xe chủ động đƣợc phân bố ở các dải tốc độ khác nhau tùy theo tỷ số truyền (hình 2.2).
α – góc mở bƣớm ga; 1- tín hiệu từ cảm biến vị trí bƣớm ga; Va – vận tốc ô tô; 2 – tín hiệu vận tốc trục ra của hộp số; F∑ - lực cản tại bánh xe; 3 – tín hiệu điều khiển sang số;
Hình 2.2. Nguyên lý điều khiển sang số trong hộp số tự động
Tóm lại, những phân tích trên đây cho thấy, điều kiện để chuyển số phụ thuộc chủ yếu vào hai thông số: độ mở bƣớm ga và vận tốc của ô tô. Vì vậy, hệ thống điều khiển hộp số tự động đƣợc thiết kế để thực hiện việc sang số dựa trên sự kết hợp của hai thông số trên. Độ mở bƣớm ga đƣợc xác định nhờ một cảm biến góc quay đặt trên trục của nó, còn vận tốc của ô tô đƣợc đo gián tiếp thông qua vận tốc trục thứ cấp của hộp số nhờ một cảm biến vận tốc góc. Dựa trên các thông tin do các cảm biến cung cấp, hệ thống điều khiển thực hiện sang số cho phù hợp với điều kiện chuyển động. Chẳng hạn, nếu góc mở của bƣớm ga lớn mà vận tốc của trục thứ cấp lại nhỏ thì phải chuyển về số thấp hơn và ngƣợc lại.
Để minh họa cho những lập luận trên, ta xét đồ thị đặc tính thể hiện trên hình 2.3. Có thể thấy rằng, nếu độ dốc của đƣờng bằng 0 và vận tốc chuyển động giới hạn trong khoảng từ 15-20 km/h thì ô tô chỉ có thể chuyển động ở cấp số 1 hoặc 2, còn trong dải vận tốc từ 40-60 km/h thì tất cả các số đều có thể đƣợc sử dụng. Ở các dải vận tốc khác nhau, khả năng cung cấp mô men tại bánh xe chủ động phụ thuộc vào cấp số đƣợc sử dụng. Chẳng hạn, nếu điều kiện chuyển động yêu cầu phải cung cấp công suất là 50 kW ở vận tốc 50 km/h thì chỉ có cấp số 1 là có thể đáp ứng. Nhƣng
nếu mức công suất yêu cầu giảm xuống 40 kW thì số 1 và 2 đều đƣợc sử dụng. Nhƣ vậy, trong một điều kiện cụ thể ô tô có chuyển động đƣợc ở nhiều cấp số khác nhau. Vì vậy, để có thể lựa chọn đƣợc cấp số hợp lý nhất cần phải dựa trên các tiêu chí phụ khác (ngoài công suất và vận tốc). Tiêu chí quan trọng hơn cả trong trƣờng hợp này chính là mức tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu.
Hình 2.3. Đồ thị công suất ở các cấp số khác nhau.
Trên thực tế, để hệ thống điều khiển có thể hoạt động đƣợc thì cần đặt ra giá trị ngƣỡng cho các tín hiệu từ các cảm biến. Khi giá trị tín hiệu của các cảm biến đạt tới ngƣỡng giới hạn thì hệ thống thực hiện việc sang số. Mối quan hệ giữa các giá trị ngƣỡng này gọi là quy luật sang số (hình 2.9). Vì vậy, để thiết kế hệ thống điều khiển hộp số tự động ngƣời ta xây dựng quy luật sang số theo các tiêu chí đã chọn trƣớc. Hai tiêu chí cơ bản vẫn là vận tốc chuyển động và góc mở bƣớm ga. Các tiêu chí phụ đƣợc lựa chọn tùy theo loại xe, mục đích và điều kiện sử dụng.
Trƣớc đây, khi các hộp số tự động sử dụng hệ thống điều khiển thuần thủy lực, thì thông tin để điều khiển sang số chỉ là 2 thông số chính đã nêu trên. Vận tốc của trục thứ cấp đƣợc đo gián tiếp thông qua một cơ cấu ly tâm, dựa trên nguyên lý: lực ly
tâm tỷ lệ thuận với bình phƣơng của vận tốc. Còn vị trí bƣớm ga đƣợc thể hiện thông qua liên động cơ khí: bàn đạp ga đƣợc liên kết cơ học với điều khiển van sang số.
Sơ đồ nguyên lý điều khiển đƣợc mô tả trên hình 2.4. Hệ thống có nhiệm vụ thực hiện việc sang số bằng cách cấp dầu điều khiển tới cơ cấu chấp hành tƣơng ứng. Các tác động điều khiển hoàn toàn là cơ học: vận tốc trục ra của hộp số đƣợc phản ánh thông qua lực ly tâm tác dụng lên các quả văng, còn bƣớm ga đƣợc nối liên động trực tiếp với cần điều khiển (xem hình vẽ). Khi lực cản chuyển động là nhỏ, trục ra của hộp số quay với vận tốc lớn, lực ly tâm lớn làm các quả văng của cơ cấu ly tâm trƣợt ra phía ngoài, đẩy đầu dƣới của cần điều khiển sang phải, đầu trên của nó dịch sang trái tạo xu hƣớng tăng cấp số. Khi tăng ga, thanh liên động đẩy đầu trên của cần điều khiển sang phải, tạo nên xu hƣớng đƣa con trƣợt về vị trí cấp dầu cho cấp số thấp hơn (giảm số). Nhƣ vậy, vị trí bàn đạp ga kết hợp với vận tốc trục ra của hộp số tạo nên vị trí của con trƣợt tƣơng ứng với một cấp số cụ thể. Khi các thông số trên thay đổi sẽ dẫn đến sự thay đổi vị trí của con trƣợt, nghĩa là thay đổi cấp số.
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý điều khiển của hệ thống thủy lực
Cách điều khiển hoàn toàn cơ học nhƣ trên cho phép hệ thống tự động lựa chọn cấp số đáp ứng yêu cầu của điều kiện chuyển động cụ thể. Tuy nhiên, cách điều
khiển này không cho phép hệ thống can thiệp vào chế độ làm việc của động cơ, vì độ mở của bƣớm ga hoàn toàn do ngƣời lái quyết định thông qua các tác động lên bàn đạp ga.
Trên các thế hệ hộp số tự động điều khiển điện thủy lực, hệ thống điện tử phối hợp hoạt động của hệ thống truyền lực với động cơ đốt trong nhằm đạt đƣợc chế độ làm việc tối ƣu của động cơ. Tùy theo nhu cầu sử dụng, hệ thống điều khiển có thể đƣợc thiết kế với nhiều chế độ làm việc tối ƣu của động cơ. Tùy theo nhu cầu sử dụng, hệ thống điều khiển có thể đƣợc thiết kế với nhiều chế độ khác nhau. Chẳng hạn, chế độ tiết kiệm (“E”-Economy) đƣợc xây dựng dựa trên tiêu chí tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm, chế độ thể thao (“S”-Sport) đƣợc thiết kế để theo yêu cầu tăng tốc nhanh, chế độ mùa đông (“W”-Winter) cho các nƣớc lạnh có băng tuyết.