Chương 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BƯỚM GA TRÊN ĐỘNG CƠ 2AR-FE
2.5. Kết cấu các bộ phận chính hệ thống bướm ga
Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên cổ họng gió. Cảm biến này biến đổi góc mở bướm ga thành điện áp, được truyền đến ECU động cơ như tín hiệu mở bướm ga (VTA).
Hiện nay có 2 loại được sử dụng: loại tuyến tính và loại có phần tử hall.
Trên động cơ 2AR-FE của hãng Toyota lắp trên dòng xe Camry sử dụng cảm biến vị trí bướm ga loại có phần tử hall.
Hình 2.11. Cấu tạo cảm biến vị trí bướm ga loại phần tử Hall 1- Bướm ga, 2- Trục bướm ga, 3- Các nam châm, 4- IC Hall
Cảm biến vị trí bướm ga loại phần tử Hall gồm có các mạch IC Hall làm bằng các phần tử Hall và các nam châm quay quanh chúng. Các nam châm được lắp ở trên trục bướm ga và quay cùng với bướm ga.
Khi bướm ga mở, các nam châm quay cùng một lúc, và các nam châm này thay đổi vị trí của chúng. Vào lúc đó, IC Hall phát hiện sự thay đổi từ thông gây ra
3 3
2
1
4
bởi sự thay đổi của vị trí nam châm và tạo ra điện áp ra của hiệu ứng Hall từ các cực VTA1 và VTA2 theo mức thay đổi này. Tín hiệu này được truyền đến ECU động cơ như tín hiệu mở bướm ga. Tín hiệu của cảm biến này là tín hiệu hồi tiếp được đưa đến ECU để báo vị trí thực của bướm ga để từ đó ECU điều khiển góc mở bướm ga cho phù hợp.
Cảm biến này có 2 mạch, mỗi mạch truyền một tín hiệu VTA1 và VTA2.
VTA1 để phát hiện góc mở bướm ga và VTA2 là để phát hiện trục trặc của VTA1.
Điện áp tín hiệu cảm biến này thay đổi từ 0V đến 5V tỉ lệ với góc mở của bướm ga và được bướm ga đóng thì điện truyền đến các cực VTA của ECU. Khi áp phát ra của cảm biến giảm và khi bướm ga mở thì điện áp phát ra của cảm biến tăng. ECU tính tốn góc mở bướm ga theo tín hiệu này và điều khiển bộ chấp hành bướm ga tương ứng điều khiển của lái xe. Những tín hiệu này cũng được sử dụng trong việc hiệu chỉnh tỷ lệ không khí nhiên liệu, hiệu chỉnh tăng công suất và điều khiển cắt nhiên liệu.
IC Hall
VTA1
VTA2 VC
ECU
E2
Hình 2.12. Mạch điện bên trong của cảm biến vị trí bướm ga 1-Nam châm, 2-IC Hal
Cảm biến này không chỉ phát hiện chính xác độ mở của bướm ga, mà còn sử dụng phương pháp không tiếp điểm và có cấu tạo đơn giản, vì thế nó không dễ bị hỏng. Ngồi ra, để duy trì độ tin cậy của cảm biến này, nó phát ra các tín hiệu từ hai hệ thống có các tính chất khác nhau.
➢ Bướm ga đóng hoàn toàn: vị trí bướm ga được tính theo phần trăm (VTA1) là từ 10 đến 24%.
1
2
➢ Bướm ga mở hoàn toàn: vị trí bướm ga được tính theo phần trăm (VTA1) là từ 64 đến 96%.
Góc dự phòng 6.5o (vị trí bướm ga được tính theo phần trăm VTA1 xấp xỉ 16%).
Nếu có DTC (mã chẩn đoán hư hỏng) liên quan đến hệ thống điều khiển bướm ga điện tử (ETCS), ECU sẽ chuyển sang chế độ dự phòng. Khi ở chế độ dự phòng, ECU sẽ cắt dòng điện đến bộ chấp hành bướm ga. Bướm ga sẽ hồi về vị trí bướm ga nhất định 6.5o bằng lực của lò xo hồi. Sau đó, ECU điều khiển công suất động cơ bằng cách điều khiển phun nhiên liệu (phun cắt quãng) và thời điểm đánh lửa theo vị trí buớm ga
Hình 2.12. Đường đặc tuyến của cảm biến vị trí bướm ga 2.5.2. Cảm biến vị trí bàn đạp ga
Hình 2.13. Cảm biến vị trí bàn đạp ga
Góc mở bướm ga
Cảm biến vị trí bàn đạp ga (APP) được lắp trong giá bắt bàn đạp ga và có 2 mạch cảm biến: VPA (chính) và VPA2 (phụ). Cảm biến này là kiểu không tiếp điểm. Nó dùng các phần tử hiệu ứng từ để cung cấp các tín hiệu chính xác, thậm chí trong các điều kiện lái xe khắc nghiệt như ở tốc độ cao cũng như tốc độ rất thấp.
Điện áp được cấp đến cực VPA và VPA2 của ECU, thay đổi giữa 0V và 5V tỷ lệ với góc mở của bàn đạp ga. Một tín hiệu từ VPA được sử dụng để phát hiện góc mở bàn đạp ga và được dùng để điều khiển động cơ. Một tín hiệu VPA2 cho biết tình trạng của mạch VPA và được dùng để kiểm tra APP. ECU theo dõi góc mở bàn đạp ga (góc mở bướm ga) thực tế qua những tín hiệu từ VPA, VPA2 và điều khiển bộ chấp hành bướm ga theo những tín hiệu này.
IC Hall VCP2
EPA2 VPA2 VPA EPA VCPA
ECU
Hình 2.14. Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bàn đạp ga 1- Nam châm, 2-IC Hall
Khi người tài xế nhấn bàn đạp ga, tín hiệu điện áp APPS thay đổi, tín hiệu này được đưa về ECU và tại đây sẽ xác định vị trí hiện thời của bàn đạp ga. Tùy thuộc vào thiết kế cùa từng hãng động cơ mà tín hiệu điện áp gởi về ECU khác nhau, như trường hợp cùa động cơ 2AR-FE cả hai cảm biến đều cho tín hiệu điện áp tăng.
Điện áp điều khiển được lấy từ cảm biến vị trí bàn đạp ga khi điện áp ra của cảm biến là 0V, tức là chưa có tín hiêu điều khiển nhưng lúc khởi động máy thì điện áp đặt vào hệ thống là 0.5V ứng với góc mở bướm ga là 70 để duy trì hoạt động ở chết độ garanty
Điện áp ra của cảm biến vị trí bướm ga tỷ lệ thuận với góc đạp của bàn đạp ga 1
2
Điện áp ra của cảm biến là 4,5V ứng với góc đạp lớn nhất của bàn đạp ga và góc mở hoàn toàn của bướm ga
Hình 2.14. Sơ đồ tín hiệu điện áp của cảm biến vị trí bàn đạp 2.5.3. Môtơ bướm ga
Môtơ bướm ga là động cơ điện một chiều được điều khiển bởi ECU. ECU sẽ điều khiển chiều quay và cường độ dòng điện đi vào môtơ bằng mạch điều khiển xung. Nếu có sự bất thường trong hệ thống, ECU sẽ ngắt điều khiển và lò xo hồi bướm ga sẽ đóng cánh bướm ga lại. Điều kiện này xảy ra nếu dòng điện trong mạch môtơ quá cao hoặc quá thấp. ECU sẽ điều khiển chiều quay và cường độ dòng điện cần thiết để mô tơ bướm ga hoạt động nhằm điều chỉnh vị trí bướm ga. Mô tơ bướm ga có thể hoạt động một trong các chế độ sau:
- Chế độ dự phòng.
- Chế độ bướm ga đóng.
- Chế độ bướm ga mở.
- Chế độ giữ bướm ga.
- Điều khiển tốc độ cầm chừng.
5
0 V
Ðóng hoàn toàn M? hoàn toàn
VPA2
Ði?n áp ra VPA
t
Mở hoàn toàn Điện
áp ra
Đóng hoàn toàn
t
Hình 2.15. Sơ đồ điện điều khiển môtơ DC
Mạch mô tơ bướm ga bao gồm bốn transistor điều khiển trong mạch MO và MC. Một transistor cấp nguồn (transistor dương) và một transistor nối mass cho mô tơ. Điều này cho phép ECU điều khiển chiều dòng điện đi qua mô tơ.
Mạch xung dùng để điều khiển tốc độ hoạt động của bướm ga và giữ bướm ga tại một vị trí xác định. Để điều khiển tốc độ đóng mở bướm ga, tỉ lệ khoảng thời gian xung ở mức cao và mức thấp (khoảng thời gian hiệu dụng xung) sẽ thay đổi phù hợp với từng điều kiện hoạt động. Để giữ bướm ga ở vị trí định trước, ECU sẽ cung cấp dòng để lực từ tạo ra vừa đủ chống lại sức căng của lò xo hồi vị. Ở chế độ điều khiển kết hợp TRC, khoảng thời gian xung ở mức cao bị giảm lại; giới hạn của việc điều khiển này là vị trí cầm chừng. Nếu lúc này bướm ga mở quá lớn, ECU sẽ ngắt xung điều khiển để đóng nhanh bướm ga.
- Vị trí dự phòng:
Khi không có dòng điện cung cấp đến môtơ, lò xo hồi bướm ga sẽ giữ bướm ga ở vị trí dự phòng. Điều kiện này xảy ra khi khoá điện ở vị trí OFF hoặc ECU phát hiện lỗi trong hệ thống ETC. Khi hệ thống bị lỗi sẽ không có dòng điện cung cấp đến môtơ và ly hợp. Lúc này motor được ngắt ra khỏi trục bướm ga nhằm ngăn ngừa môtơ điều khiển cánh bướm ga hoạt động. Ở trạng thái này tốc độ cầm chừng sẽ cao hơn bình thường khi nhiệt độ động cơ đạt đến nhiệt độ hoạt động. Tuy nhiên, cánh bướm ga sẽ di chuyển nếu người lái xe ấn sâu vào bàn đạp ga.
- Điều khiển đóng bướm ga:
Lúc này chiều dòng điện sẽ đi từ cực MC đến cực MO của ECU. Tốc độ đóng bướm ga là sự kết hợp của lực căng lò xo, xung điều khiển và chiều dòng điện. Để bướm ga đóng qua khỏi vị trí dự phòng thì chiều của dòng điện như hình vẽ.
Hình 2.16. Sơ đồ mạch điện điều khiển ở chế độ đóng bướm ga - Chế độ dự phòng:
Khi bướm ga ở trên vị trí dự phòng, MO là transistor dương và MC là transistor âm sẽ mở điều này cho phép dòng điện đi từ MO sang MC của ECU như hình vẽ để tăng góc mở bướm ga.
Khi bướm ga ở vị trí phía dưới vị trí dự phòng, lúc này chiều dòng điện sẽ được cung cấp tương tự như trường hợp cánh bướm ga đóng. Dòng điện sẽ đi ra từ cực MC qua môtơ và về mass ở chân MO của ECU. Tuy nhiên xung điều khiển lúc này sẽ giảm để kết hợp với lực căng lò xo nhằm tăng góc mở bướm ga.
- Điều khiển giữ bướm ga:
Để cố định góc mở bướm ga, ECU sẽ cung cấp vừa đủ dòng điện để lực từ tạo ra trong motor chống lại sức căng của lò xo.
- Điều khiển tốc độ cầm chừng:
Bướm ga sẽ được điều chỉnh để duy trì tốc độ cầm chừng mong muốn. Nếu tốc độ cầm chừng đòi hỏi bướm ga phải mở ở vị trí ban đầu thì mạch đóng bướm ga sẽ hoạt động.
Khi tốc độ cầm chừng giảm dưới mức quy định, góc mở bướm ga được tăng lên để tăng tốc độ động cơ. Nếu tốc độ cầm chừng đòi hỏi phải mở bướm ga qua khỏi vị trí ban đầu thì mạch mở bướm ga sẽ hoạt động.
2.5.4. Ly hợp điện từ
Bộ phận ly hợp điện từ được trang bị trên hệ thống điều khiển bướm ga điện tử. Ở chế độ bình thường ly hợp từ sẽ nối bướm ga với môtơ bướm ga. Hoạt động của ly hợp từ được điều khiển bởi điện áp dạng xung nhằm giảm sự tiêu thụ năng
Đóng bướm ga
lượng. Nếu có sự bất thường trong hệ thống bướm ga điện tử, ECU sẽ ngắt điều khiển ly hợp từ. Điều này xảy ra khi cường độ dòng điện trong mạch quá cao hoặc quá thấp.
2.5.6. Cơ cấu an toàn
Cơ cấu này hoạt động với điều kiện hoạt động của hệ thống bướm ga điện tử không bình thường và đèn kiểm tra sáng báo cho người lái xe biết. Khi đó không có d.ng điện đến môtơ điều khiển bướm ga và ly hợp điện từ, do đó, nhờ lò xo hồi vị đóng cánh bướm ga lại, trường hợp này gọi là chế độ an toàn (limp mode). Khi cánh bướm ga hoạt động ở chế độ này thì cánh bướm ga bị giới hạn mở một góc nhỏ nhờ cần điều khiển an toàn do đó tốc độ và công suất của động cơ giảm xuống, bên cạnh đó các van ISC (Idle switch control) và hệ thống Cruise control không hoạt động.
2.5.7. ECU ( Electronic Control Unit)
Là bộ xử lý và điều khiển điện tử trung tâm, thực tế là bộ máy tính điện tử tiếp nhận và xử lý các tín hiệu theo một chương trình định sẵn.
Cơ cấu chấp hành luôn bảo đảm thừa lệnh ECU và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến. Hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ đem lại sự chính xác và thích ứng cần thiết, để giảm tối đa chất độc hại trong khí thải cũng như lượng tiêu hao nhiên liệu của động cơ. ECU cũng đảm bảo công suất tối ưu ở các chế độ hoạt động của động cơ, giúp chẩn đoán động cơ một cách hệ thống khi sự cố xảy ra Điều khiển động cơ bao gồm hệ thống điều khiển nhiên liệu, góc đánh lửa, góc phối cam, ga tự động…..
Bộ ghi nhận lưu trữ
Tính toán đại số và logic học Dữ liệu
Tín hiệu điều khiển
Bộ điều khiển
Bộ điều khiển, máy tính, ECU hay hộp đen là những tên gọi khác nhau của mạch điều khiển điện tử. Nhìn chung, đó là bộ tổ hợp vi mạch và bộ phận phụ dùng để nhận biết tín hiệu, trữ thông tin, tính toán, quyết định chức năng hoạt động và gửi đi các tín hiệu thích hợp. Các linh kiện điện tử của ECU được sắp xếp trong một mạch in. Các linh kiện công suất của tầng cuối – nơi điều khiển các cơ cấu chấp hành được lắp với khung kim loại của ECU với mục đích giải nhiệt. Sự tổ hợp các chức năng trong mạch điều khiển (bộ tạo xung, bộ chia xung, bộ dao động đa hài điều khiển việc chia tần số) giúp ECU đạt độ tin cậy cao.
Cấu tạo của bộ điều khiển điện tử:
- Bộ nhớ
Bộ nhớ trong ECU chia làm 4 loại:
+ ROM (Read Only Memory): Dùng trữ thông tin thường trực. Bộ nhớ này chỉ đọc thông tin từ đó ra chứ không thể ghi vào được. Thông tin của nó đã được cài đặt sẵn, ROM cung cấp thông tin cho bộ vi xử lý.
+ RAM (Random Access Memory): Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên, dùng để lưu trữ thông tin mới được ghi trong bộ nhớ và xác định bởi vi xử lý. RAM có thể đọc và ghi các số liệu theo địa chỉ bất kỳ. RAM có hai loại:
Loại RAM xóa được: Bộ nhớ sẽ mất khi mất dòng điện cung cấp.
Loại RAM không xóa được: Vẫn giữ duy trì bộ nhớ cho dù khi tháo nguồn cung cấp. RAM lưu trữ những thông tin về hoạt động của cảm biến dùng cho hệ thống tự chuẩn đoán
+ PROM (Programmable Read Only Memory): Cấu trúc cơ bản giống như ROM nhưng cho phép lập trình (nạp dữ liệu) ở nơi sử dụng chứ không phải nơi sản xuất như ROM. PROM cho phép sữa đổi chương trình điều khiển theo những đòi hỏi khác nhau.
+ KAM (Keep Alive Memory): KAM dùng để lưu trữ những thông tin mới (những thông tin tạm thời) cung cấp đến bộ vi xử lý. KAM vẫn duy trì bộ nhớ cho dù động cơ ngưng hoạt động hoặc tắt công tắc máy. Tuy nhiên, nếu tháo nguồn cung cấp từ acquy đến máy tính thì bộ nhớ KAM sẽ bị mất.
- Bộ vi xử lý (Microprocessor)
Bộ vi xử lý có chức năng tính toán và ra quyết định. Nó là “bộ não” của ECU.
- Đường truyền – BUS: Dùng để chuyển các lệnh và số liệu trong ECU.
Ở những thế hệ đầu tiên, máy tính điều khiển động cơ dùng loại 4, 8, hoặc 16 bit phổ biến nhất là loại 4 và 8 bit. Máy tính 4 bit chứa rất nhiều lệnh vì nó thực
hiện các lệnh logic tốt hơn. Tuy nhiên, máy tính 8 bit làm việc tốt hơn với các phép đại số, và chính xác hơn 16 lần so với loại 4 bit. Vì vậy, hiện nay để điều khiển các hệ thống khác nhau trên ôtô với tốc độ thực hiện nhanh và chính xác cao, người ta sử dụng máy tính 8 bit, 16 bit hoặc 32 bit.
Hình 2.18. Sơ đồ khối các hệ thống trong ECU với bộ vi xử lý 2.5.8. Hệ thống điều khiển tốc độ không tải ISC
a) Khái quát về hệ thống điều khiển tốc độ không tải ISC
ISC có một cơ cấu điều khiển lượng không khí nạp trong thời gian chạy không tải bằng tín hiệu từ ECU động cơ và điều khiển tốc độ chạy không tải.
Có 2 loại cơ cấu ISC như sau:
- Loại đi tắt qua bướm ga và điều khiển lượng khí nạp (loại cuộn dây quay):
Vì bướm ga đóng hoàn toàn trong thời gian chạy không tải, cơ cấu này cho lượng không khí cần thiết chạy qua trong lúc chạy không tải.
- Loại điều khiển lượng không khí nạp bằng bướm ga (loại môtơ bước): Với loại này, bướm ga được điều khiển thích hợp lượng không khí nạp trong thời gian chạy không tải. Hệ thống này được gọi là ETCS-i (Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử-thông minh), và thực hiện các chức năng điều khiển khác ngồi việc điều chỉnh lượng không khí nạp trong khi chạy không tải.
Trên động cơ Toyota Camry 2AR-FE sử dụng loại điều khiển không khí nạp bằng bướm ga.
Hệ thống ISC (Điều khiển tốc độ không tải) có một mạch đi tắt qua bướm ga, và lượng không khí hút từ mạch đi tắt này được điều khiển bởi ISCV (Van điều chỉnh tốc độ không tải). Van ISC dùng tín hiệu từ ECU động cơ để điều khiển động
RAM PROM
ROM
BỘ VI XỬ LÝ