Hệ thống điều khiển điện tử cơ bản được chia thành 3 bộ phận chính: Các cảm biến: có nhiệm vụ nhận viết các hoạt động khác nhau của động
cơ và phát ra các tín hiệu gửi đến ECU hay còn gọi là nhóm tín hiệu vào. ECU: Có nhiệm vụ xử lý và tính toán các thông số đầu vào và từ đó phát
ra các tín hiệu điều khiển đầu ra.
Các cơ cấu chấp hành: Trực tiếp điều khiển lượng phun thông qua các tín hiệu điều khiển nhận được từ ECU.
1- Cảm biến lưu lượng khí nạp 2-Cảm biến nhiệt độ khí nạp
3- Cảm biến vị trí bướm ga 4- Cảm biến ôxy
5-Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 6- Cảm biến vị trí trục cam 7- Cảm biến vị trí trục khuỷu 8- Cảm biến kích nổ ECU Các vòi phun
CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ TRÊN ĐỘNG CƠ 2AZ-FE TOYOTA CAMRY 2.5Q 2018 3.1. Giới thiệu động cơ lắp trên xe Toyota Camry 2.5Q
Động cơ được lắp trên xe Toyota Camry 2.5Q là loại động cơ có kí hiệu 2AZ-FE.
Động cơ 2AZ-FE là loại động cơ xăng 4 kỳ thế hệ mới, 4 xylanh được bố trí thẳng hàng, dung tích công tác 2494cc, động cơ có 16 van trên hai trục cam cùng với hệ thống phân phối khí thông minh VVT-1 kéo ACIS. Hệ thống điều khiển điện từ thông minh và hệ thống đánh lửa không dùng bộ chia điện.
3.2. Các cảm biến và đặc tính
3.2.1. Cảm biến lưu lượng không khí
Kết cấu của cảm biến lưu lượng khí nạp như hình vẽ 3.1. Cảm biến này có kết cấu gọn nhẹ, độ bền cao, sức cản không khí do cảm biến tạo ra thấp. Nó dùng loại dây sấy đo trực tiếp khối lượng không khí.
Hình 3.1. Cảm biến lưu lượng khí nạp dạng dây sấy
1: Nhiệt điện trở; 2: Cảm biến nhiệt độ khí nạp; 3: Phần tử đốt nóng dây Platium
Dòng điện chạy qua khiến dây sấy nóng lên. Khi không khí chạy qua dây sấy, dây sẽ được làm mát tương ứng với khối lượng không khí nạp vào. Bằng
cách điều chỉnh dòng điện chạy qua dây sấy để giữ cho nhiệt độ của dây sấy không đổi, dòng điện sẽ có tỷ lệ thuận với khối không khí nạp, có thể đo được lượng khí nạp bằng cách đo dòng điện. Dòng điện này được biến đổi thành một điện áp, sau đó được truyền đến ECU động cơ từ cực VG. Khối lượng khí nạp có thể được đo một cách chính xác. Trong hệ thống này nhiệt độ của dây sấy thường xuyên duy trì không đổi cao hơn nhiệt độ khí nạp bằng cách dùng một nhiệt trở.
Một dây sấy được ghép vào mạch cầu, mạch này có đặc tính là các điện thế tại điểm A và B bằng nhau khi tích của điện trở theo đường chéo bằng nhau. Khi dây sấy 𝑅ℎ được làm mát bằng không khí nạp, điện trở tăng hình thành độ chênh lệch giữa các điện thế của các điểm A và B. Bộ khuyếch đại xử lý (1) phát hiện chênh lệch này và làm tăng điện áp đặt vào mạch này (điều đó làm tăng dòng điện chạy qua dây sấy 𝑅ℎ). Nhiệt độ của dây sấy lại tăng lên dẫn đến sự tăng tương ứng trong điện trở cho đến khi điện thế của các điểm A và B trở lên cao hơn. Cảm biến do lưu lượng này phát hiện điện áp ở điểm B.
3.2.2. Cảm biến nhiệt độ không khí nạp ( air – temperature sensor )
Nếu nhiệt độ không khí cao, tỷ trọng không khí sẽ giảm. Ngược lại nếu nhiệt độ không khí thấp, tỷ trọng của không khí sẽ tăng. Trong cùng một kỳ hút của piston động cơ, nếu trong thời tiết se lạnh sẽ hút một lượng không khí nhiều hơn so với lúc khí trời nóng. Nói một cách khác, khối lượng của khối khí nạp vào xylanh động cơ tùy vào nhiệt độ của không khí. Bộ cảm biến nhiệt độ không khí nạp có chức năng cung cấp cho ECU điều khiển phun ra lượng xăng chính xác tạo được tỷ lệ khí hỗn hợp tối ưu. Nếu nhiệt độ khí nạp cao hơn 20 độ thì ECU sẽ điều khiển giảm lượng xăng phun ra và ngược lại. Bộ cảm biến được lắp đặt, bố trí trong thiết bị đo gió kiểu cánh van hay bố trí trong bầu lọc không khí của hệ thống nạp trang bị MAP.
Hình 3.3. Cảm biến nhiệt độ khí nạp
Hình 3.4. Mạch điện cảm biến đo nhiệt độ khí nạp
Cảm biến nhiệt độ khí nạp có một nhiệt điện trở được mắc nối tiếp với điện trở được gắn trong ECU động cơ sao cho điện áp của tín hiệu được phát hiện bởi ECU động cơ sẽ thay đổi theo các thay đổi của nhiệt điện trở này, khi nhiệt độ của khí nạp thấp, điện trở của nhiệt điện trở lớn tạo nên một tín hiệu điện áp cao trong tín hiệu THA.
3.2.3. Cảm biến vị trí bướm ga
Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên thân bướm ga. Cảm biến này phát hiện sự thay đổi góc đóng mở của bướm ga, biến đổi thành một điện áp và gửi về ECU như là tín hiệu mở góc bướm ga.
Hình 3.5. Kết cấu cảm biến vị trí bướm ga
Kết cấu gồm các mạch IC Hall làm bằng các phần tử Hall và các nam châm quay quanh chúng. Các nam châm nắp trên trục bướm ga và quay cùng với trục của bướm ga. Khi bướm ga mở, các nam châm quay theo tương ứng với góc mở của bướm ga, nên vị trí của chúng thay đổi. Lúc này các IC Hall phát hiện sự thay đổi từ thông gây ra bởi sự thay đổi vị trí của các nam châm và tạo ra điện áp ra của hiệu ứng Hall từ các cực VTA1 và VTA2 theo mức thay đổi đó. Tín hiệu này được truyền đến ECU động cơ như tín hiệu mở bướm ga. Các cảm biến này không những phát hiện chính xác độ mở bướm ga mà nó còn đưa ra tín hiệu điện tuyến tính với góc mở bướm ga và có cấu tạo đơn giản. Cảm biến vị trí bướm ga phát ra tín hiệu: VTA1 và VTA2. Tín hiệu VTA1 được
dùng để phát hiện góc mở bướm ga, còn VTA2 để phát hiện hư hỏng trong VTA.
3.2.4. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát hoạt động nhờ một nhiệt điện trở bên trong. Khi nhiệt độ thấp, nhiên liệu bay hơi kém, vì vậy cần một hỗn hợp đậm hơn, vì vậy mà ở nhiệt độ này, điện trở của cảm biến tăng lên, tín hiệu điện áp THW cao được gửi tới ECU và ECU sẽ tăng lượng phun. Khi nhiệt độ cao, thì tín hiệu điện áp thấp sẽ được gửi tới ECU để làm giảm lượng phun.
Hình 3.6. Mạch của cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Hình 3.7. Kết cấu cảm biến nhiệt độ nước làm mát
1: Giắc cắm; 2: Chất cách điện; 3: Thân cảm biến; 4: Nhiệt điện trở
3.2.5. Cảm biến vị trí chân ga
Cảm biến vị trí chân ga lắp trên cơ cấu quay quanh trục của bàn đạp ga và sử dụng loại phần tử Hall. Kết cấu gồm các mạch IC Hall làm bằng các phần
tử Hall và các nam châm quay quanh chúng. Khi đạp chân ga các nam châm quay cùng lúc với trục quay của bàn đạp ga, và các nam châm này thay đổi vị trí của chúng. Lúc này các IC Hall phát hiện ra sự thay đổi từ thông gây ra bởi sự thay đổi vị trí nam châm và tạo ra điện áp của hiệu ứng Hall từ các cực VPA và VPA2 theo mức thay đổi này. Tín hiệu được truyền đến ECU động cơ như tín hiệu đạp chân ga. Để đảm bảo độ tin cậy, cảm biến này phát ra hai tín hiệu từ 2 hệ thống có đặc điểm khác nhau. Tín hiệu VPA là tín hiệu chỉ ra góc mở bàn đạp thực tế và dùng điều khiển động cơ, VPA2 dùng để phát hiện các hư hỏng của cảm biến.
Hình 3.8. Mạch cảm biến vị trí chân ga 3.2.6. Cảm biến tỷ lệ không khí-nhiên liệu (A/F)
Hình 3.9. Kết cấu cảm biến tỷ lệ không khí-nhiên liệu (dạng tấm)
1: Nhôm; 2: Khe hở không khí; 3: Bộ sấy; 4: Phần tử Zirconia; 5: Điện cực Platinum; 6: Tấm nhôm; 7: Tấm giãn nở
Kết cấu của cảm biến này gần giống với cảm biến oxy. Cảm biến tỷ lệ không khí-nhiên liệu nhằm phát hiện nồng độ oxy trong khí xả. Cảm biến đặt 1 điện áp không thay đổi để nhận 1 điện áp gần như có tỷ lệ thuận với nồng độ oxy. Nhờ đó mà độ chính xác của việc phát hiện tỷ lệ không khí-nhiên liệu được cải thiện.
Giống như cảm biến oxy, cảm biến tỷ lệ không khí-nhiên liệu cũng có bộ sấy để duy trì hiệu suất phát hiện khi nhiệt độ khí xả thấp. Bộ sấy của cảm biến nhiều điện hơn các bộ sấy trong cảm biến oxy.
Hình 3.10. Mạch cảm biến tỷ lệ không khí-nhiên liệu 3.2.7. Cảm biến vị trí trục khuỷu (bộ tạo tín hiệu NE)
Hình 3.11. Cảm biến vị trí trục khuỷu
Tín hiệu NE được ECU động cơ sử dụng để phát hiện góc quay củ trục khuỷu và tốc độ động cơ. ECU dùng các tín hiệu NE và G để tính toán thời gian phun cơ bản cùng với góc đánh lửa sớm cơ bản. Tín hiệu NE được tạo ra bởi khe hở không khí giữa cảm biến với các răng trên chu vi của roto tín hiệu NE lắp trên trục khuỷu.
Hình 3.12. Mạch của cảm biến vị trí trục khuỷu
1: Roto tín hiệu; 2: Dây cảm biến
3.2.8. Cảm biến vị trí trục cam (G2)
Hình 3.13. Kết cấu của cảm biến vị trí trục cam
1: Cuộn dây; 2: Thân cảm biến; 3: Lớp cách điện; 4: Giắc cắm
Đĩa tín hiệu G được đặt đối diện với cảm biến vị trí trục cam là đĩa. Khi trục cam quay, khe hở không khí giữa các vấu nhỏ trên trục cam và cảm biến sẽ thay đổi. Sự thay đổi này khiến khe hở tạo ra 1 điệp áp trong cuộn nhận tín hiệu gắn trên cảm biến, sinh ra tín hiệu G được gửi về ECU như 1 tín hiệu về góc chuẩn của trục khuỷu, kết hợp với tín hiệu NE từ cảm biến vị trí trục khuỷu
để xác định TDC (điểm chết trên) của kỳ nén xylanh để đánh lửa. ECU dùng tín hiệu này cùng với tín hiệu NE để xác định thời gian phun và thời điểm đánh lửa.
Hình 3.14. Mạch của cảm biến vị trí trục cam
1: Roto tín hiệu; 2: Cuộn dây cảm biến
3.3. Bộ điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit)
Bộ điều khiển điện tử đảm nhiện nhiều chức năng khác nhau tùy theo từng loại của nhà chế tạo. Chung nhất là bộ tổng hợp vi mạch và bộ phận phụ dùng để nhận biết tín hiệu, lưu trử thông tin, tính toán, quyết định chức năng hoạt động và gửi các tín hiệu đi thích hợp. Những bộ phận phụ hỗ trợ cho nó là các bộ ổn áp, điện trở hạn chế dòng. Vì lí do này bộ điều khiển có nhiều tên gọi khác nhau tùy theo nhà chế tạo. Trong đồ án này ta thường dùng ECU để chỉ chung cho bộ điều khiển điện tử.
3.3.1. Chức năng hoạt động cơ bản
Bộ điều khiển ECU hoạt động theo dạng tín hiệu số nhị phân điện áp cao biểu hiện cho số1, điện áp thấp biểu hiện cho số 0 trong hệ số nhị phân có hai số 0 và 1.
Mỗi một số hạng 0 hoặc 1 gọi là 1 bít. Một dãy 8 bít sẽ tương đương 1byte hoặc một từ (word). Byte này được dùng biểu hiện cho một lệnh hoặc một mẫu thông tin. Một mạch tổ hợp (IC) tạo byte và trữ byte đó. Số byte mà IC có thể chứa là có giới hạn khoảng 64 kilobyte hoặc 256 kilobyte.
Mạch tổ hợp IC còn gọi là con chíp IC, vì hình dạng của nó.
IC có chức năng tính toán và tạo ra quyết định gọi là bộ vi xử lý (microprosessor). Bộ vi xử lý có thể là loại 8 bít, 16 bít hay cao hơn, số bít càng cao thì việc tính toán càng nhanh.
Thông tin gửi đến bộ vi xử lý từ một con IC thường được gọi là bộ nhớ. Trong bộ nhớ chia ra làm nhiều loại:
ROM: (read only memory): dùng trữ thông tin thường trực, bộ nhớ này chỉ đọc thông tin từ đó ra chứ không ghi vào được. Thông tin của nó đã được cài đặt sẵn, ROM cung cấp thông tin cho bộ vi xử lý.
PROM (programable Read Only Memory): cơ bản giống ROM ngoài ra trang bị thêm nhiều công dụng khác.
RAM (Random Access Memory): bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên trữ thông tin. Bộ vi xử lý có thể nhập bội duy nhỏ cho RAM.
RAM có hai loại:
Loại RAM xoá được: bộ nhớ mất khi mất nguồn
Loại RAM không xoá được: giữ duy trì bộ nhớ dù khi tháo nguồn. Ngoài bộ nhớ, bộ vi xử lý ECU còn có một đồng hồ để tạo ra xung ổn định và chính xác.
Các bộ phận phụ:
Ngoài bộ nhớ, vi xử lý và đồng hồ, ECU còn trang bị thêm các mạch giao tiếp giữa đầu vào và đầu ra gồm:
Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành số còn gọi là bộ chuyển đổi A/D (Anlog to Digital)
Bộ đếm (counter)
Bộ nhớ trung gian (Buffer)
Bộ khuyếch đại
Bộ ổn áp
a)Bộ chuyển đổi A/D (Anlog to digital converter)
Dùng chuyển đổi các tín hiệu tương tự từ đầu vào thay đổi điện trở như trong các cảm biến nhiệt độ, cảm biến lưu lượng, cảm biến vị trí bướm ga thành các tín hiệu số để bộ vi xử lý hiểu được.Ngoài ra còn dùng một điện trở hạn chế dòng giúp bộ chuyển đổi A/D đo điện áp rơi trên cảm biến.
b) Bộ đếm (counter)
Dùng để đếm xung. Ví dụ như từ cảm biến vị trí trục khuỷu rồi gửi lượng đếm về bộ xử lý.
Hình 3.17. Sơ đồ mạch điện bộ đếm
c) Bộ nhớ trung gian (Buffer)
Chuyển tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu sóng vuông dạng số. Nó không gửi lượng đếm như trong bộ đếm. Bộ phận chính là một transtor sẽ đóng mở theo cực tính của tín hiệu xoay chiều.
Hình 3.18. Sơ đồ bộ nhớ trung gian
d) Bộ khuếch đại (Amplifier)
Dùng để khuyếch đại tín hiệu từ các cảm biến gửi đến rồi sau đó gửi đến bộ xử lý để tính toán.
e) Bộ ổn áp (voltage regulator)
Hạ điện áp xuống 5volt mục đích để tín hiệu báo được chính xác.
Hình 3.20. Bộ ổn áp
f) Giao tiếp ngõ ra
Tín hiệu điều khiển từ bộ vi xử lý đưa đến các transitor công suất điều khiển rơle, solenoid môtơ. Các transitor này có thể được bố trí bên trong hoặc bên ngoài ECU.
Hình 3.21. Giao tiếp ngõ ra 3.3.2. Chức năng thực tế
ECU có hai chức năng chính:
Điều khiển thời điểm phun: được quyết định theo thời điểm đánh lửa. Điều khiển lượng xăng phun: tức là xác định thời điểm phun, thời gian này quyết định theo:
Tín hiệu phun cơ bản: được xác định theo tín hiệu tốc độ động cơ và tín hiệu lượng gió nạp.
Tín hiệu hiệu chỉnh: được xác định từ các cảm biến (nhiệt độ, vị trí, mức độ tải, thành phần khí thải và từ các điều kiện động cơ như: điện áp bình).
3.3.3. Các bộ phận của ECU
ECU được đặt trong vỏ kim loại để tránh nước văng. Nó được đặt ở nơi ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
Các linh kiện điện tử của ECU được sắp xếp trong một mạch kín. Các linh kiện công suất của tầng cuối bắt liền với một khung kim loại của ECU mục đích để tản nhiệt tốt. Vì dùng IC và linh kiện tổ hợp nên ECU rất gọn, sự tổ hợp các nhóm chức năng trong IC (bộ tạo xung, bộ chia xung, bộ dao động đa hài điều khiển việc chia tần số) giúp ECU đạt độ tin cậy cao. Một đầu ghim đa chấu dùng nối ECU với hệ thống điện trên xe, với kim phun và các cảm biến.
3.3.4. Các thông số hoạt động của ECU
a)Các thông số chín