1.3. Các hệ thống trên xe Ford Focus 2013
1.3.1. Hệ thống điều khiển động cơ
Động cơ Duratec được lắp trên xe Ford Focus 2013 bao gồm bộ điều khiển trung tâm (Powertrain control module – PCM) hệ thống này có vai trò nhận tín hiệu từ cảm biến. Đồng thời, cảm biến sẽ gửi thông tin này đến máy tính. Tại đây, thông tin sẽ được xử lý một cách nhanh chóng bằng các chương tr nh đã được thiết lập từ trước.
Được mô tả như trong h nh 1.5.
1.3.1.1. Các tín hiệu đầu vào
Các tín hiệu đầu vào chủ yếu là các cảm biến để phát hiện điều kiện hoạt động của động cơ để gửi về PCM, PCM sẽ tính toán đưa ra tín hiệu điều khiển phun nhiên liệu, đánh lửa, điều khiển bướm ga, thu hồi hơi nhiên liệu,... sao cho đạt công suất tối ưu, tiết kiệm nhiên liệu, giảm tối đa ô nhiễm môi trường.
H nh 1.5. Sơ đồ khối chức năng hệ thống điều khiển động cơ xe Ford Focus
Cảm biến nhiệt độ khí nạp: Dùng để đo nhiệt độ khí nạp vào động cơ và gửi về hộp PCM để PCM thực hiện hiệu chỉnh:
Hiệu chỉnh thời gian phun theo nhiệt độ không khí: Bởi ở nhiệt độ không khí thấp mật độ không khí sẽ đặc hơn, và ở nhiệt độ cao mật độ không khí sẽ thưa hơn (ít ô xy hơn).
Nếu nhiệt độ thấp thì PCM sẽ hiệu chỉnh tăng thời gian phun nhiên liệu.
Nếu nhiệt độ cao thì PCM sẽ hiệu chỉnh giảm thời gian phun nhiên liệu.
Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo nhiệt độ không khí: Bởi nếu nhiệt độ khí nạp thấp thì thời gian màng lửa cháy lan ra trong buồng đốt sẽ chậm hơn khi nhiệt độ khí nạp cao. Nếu nhiệt độ thấp thì PCM sẽ hiệu chỉnh tăng góc đánh lửa sớm, nếu nhiệt độ cao thì PCM sẽ hiệu chỉnh giảm góc đánh lửa sớm.
Cảm biến nhiệt độ khí nạp được bố trí đặt ở đường ống nạp (sau bầu lọc gió), có thể nằm chung với cảm biến khối lượng khí nạp (MAF) hoặc cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP).
Trường hợp nhiệt độ không khí thấp điện trở cảm biến tăng cao và ngược lại điện trở cảm biến giảm khi nhiệt độ không khí tăng. Hiện tượng thay đổi điện trở của cảm biến sẽ làm thay đổi điện áp đặt ở chân cảm biến.
Hình 1.6. Cảm biến nhiệt độ khí nạp
1-Cảm biến nhiệt độ ,2-Cảm biến dây lạnh, 3-Cảm biến dây nóng
Cảm biến oxy:
Chúng được sử dụng để đo nồng độ oxy còn thừa trong khí xả gửi về PCM, PCM dựa vào tín hiệu cảm biến oxy gửi về sẽ hiểu được tình trạng nhiên liệu đang giàu (đậm) hay đang nghèo (nhạt) và từ đó đưa ra tín hiệu điều chỉnh lượng phun cho thích hợp. Phân tích thông số Long Term Fuel Trim và Short Term Fuel Trim để thấy được sự hiệu chỉnh nhiên liệu.
Được lắp tại ống xả, bề mặt làm việc của cảm biến tiếp xúc trực tiếp với khí xả, trong lõi của cảm biến có đường đưa không khí từ ngoài vào, sự chênh lệch về nồng độ oxy giữa 2 bề mặt của cảm biến sẽ tạo ra 1 điện áp: 0,1-0,9V.
Tín hiệu điện áp gần 0V là hỗn hợp nhiên liệu đang nghèo.
Tín hiệu điện áp gần 0,9V là hỗn hợp nhiên liệu đang giàu.
Cảm biến oxy làm việc trên dựa vào độ chênh lệch nồng độ oxy giữa 2 bề mặt của cảm biến, cảm biến sẽ làm việc tốt ở nhiệt độ 350 C, cho nên người ta bố trí 1 bộ phận nung nóng trong cảm biến để giúp cảm biến nhanh đạt đến nhiệt độ làm việc khi động cơ nguội.
Khi On chìa dây sấy của cảm biến sẽ được PCM nhịp mát để nung nóng cảm biến.
Hình 1.7. Cảm biến oxy
1- Vỏ; 2- Không khí; 3- Giá đỡ; 4- Chất điện phân; 5- Cực Platinum; 6- Bộ sấy; 7- Lớp phủ; 8- Khí xả
Những xe đời mới sử dụng thêm 1 cảm biến Oxy phía sau bầu xúc tác khí xả để giám sát sự làm việc của bầu xúc tác khí xả. Điện áp đầu ra của Oxygen Sensor số 2 rất ít thay đổi, thông thường nằm ở mức 0.45V.
Cảm biến vị trí trục khuỷu: đây là bộ tạo tín hiệu CPS, tín hiệu CPS được PCM sử dụng để phát hiện góc của trục khuỷu và tốc độ động cơ. PC dùng tín hiệu này kết hợp với tín hiệu vị trí trục cam (CA ) và tải để tính thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản. Tín hiệu CPS được tạo ra do khe hở giữa cảm biến vị trí trục khuỷu và các răng trên chu vi của roto tín hiệu CPS được lắp trên trục khuỷu. Bộ tạo tín hiệu CPS có 34 răng trên chu vi của roto tín hiệu CPS và hai răng khuyết. Khu vực hai răng khuyết này dùng để phát hiện góc của trục khuỷu, nhưng nó không xác định được đó là điểm chết trên ở chu kỳ nén hay chu kỳ xả. PCM kết hợp tín hiệu CPS và tín hiệu CA để xác định chính xác góc trục khuỷu. Khi PCM không nhận được tín hiệu này nó sẽ xác định động cơ đã ngừng chạy và tắt máy.
Cảm biến vị trí trục cam: giữ một vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển của động cơ. PC sử dụng tín hiệu này để xác định điểm chết trên của máy số 1 hoặc các máy, đồng thời xác định vị trí của trục cam để xác định thời điểm đánh lửa (với động cơ xăng) hay thời điểm phun nhiên liệu (động cơ phun dầu điện tử Common rail) cho chính xác.
Với những động cơ đời mới hiện nay được trang bị thêm hệ thống điều khiển trục cam biến thiên thông minh cảm biến trục cam còn đóng vai trò giám sát sự hoạt động của hệ thống điều khiển trục cam biến thiên, PCM sử dụng tín hiệu của cảm biến này để xác định rằng hệ thống Trục cam biến thiên có đang làm việc đúng như tín hiệu từ hộp PCM điều khiển hay không.
Hình 1.8. Kết cấu và sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí trục khuỷu 1-Cuộn dây, 2-Thân cảm biến, 3-Lớp cách điện, 4-Giắc cắm, 5-Roto tín hiệu
Khi trục khuỷu quay, thông qua dây cam dẫn động làm trục cam quay theo, trên trục cam có 1 vành tạo xung có các vấu cực, các vấu cực này quét qua đầu cảm biến, khép kín mạch từ và cảm biến tạo ra 1 xung tín hiệu gửi về PCM để PCM nhận biết được điểm chết trên của xi lanh số 1 hay các máy khác. Số lượng vấu cực trên vành tạo xung của trục cam khác nhau tùy theo mỗi động cơ.
Cảm biến vị trí bướm ga: được sử dụng để đo độ mở vị trí của cánh bướm ga để báo về hộp PCM. Từ đó, PC sẽ sử dụng thông tin tín hiệu mà cảm biến vị trí bướm ga gửi về để tính toán mức độ tải của động cơ nhằm hiệu chỉnh thời gian phun nhiên liệu, cắt nhiên liệu, điều khiển góc đánh lửa sớm, điều chỉnh bù ga cầm chừng và điều khiển chuyển số.
Khi đạp gấp ga ở trong chế độ toàn tải, ECM sẽ tự động ngắt A/C, PCM chuyển về chế độ “Open loop” để điều khiển phun nhiên liệu, bỏ qua tín hiệu từ cảm biến ô- xy.
Hình 1.9. Cảm biến vị trí trục cam
1-Cuộn dây, 2-Thân cảm biển, 3-Lớp cách điện, 4-Giắc cắm
H nh 1.10. Sơ đồ điện cảm biển vị trí bướm ga 1-Các IC Hall, 2-Các nam châm
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 trên trục của bướm ga và quay cùng trục 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 thay đổi từ thông gây ra bỡi sự thay đổi vị trí nam châm và tạo ra điện áp của hiệu ứng Hall từ các cực TPS và TPS2 theo mức thay đổi này. Tín hiệu này được truyền đến PCM động cơ như tín hiệu mở bướm ga. Cảm biến vị trí bướm ga có 2 tín hiệu phát ra TPS và TPS2. TPS được dùng để phát hiện góc mở bướm ga và TPS2 được dùng để phát hiện hư hỏng trong TPS. Điện áp cấp vào TPS và TPS2 thay đổi từ 0-5V tỉ lệ thuận với góc mở của bướm ga. PCM thực hiện một vài phép kiểm tra để xác định đúng hoạt động của cảm biến vị trí bướm ga và TPS. PCM đánh giá góc mở bướm ga thực tế từ các tín hiệu này qua các cực TPS và TPS2, PCM điều khiển môtơ bướm ga.
1.2.1.2. Bộ điều khiển điện tử
Bộ điều khiển điện tử trung tâm (Powertrain control module – PCM hay còn gọi là Electronic Control Unit - ECU) là bộ điều khiển trung tâm của máy tính (computer) hay “Bộ não” để điều khiển sự hoạt động của hệ thống. Ban đầu PCM được sử dụng để điều khiển động cơ, về sau PCM được sử dụng rất nhiều trên ô tô để điều khiển cho nhiều hệ thống khác trên xe đảm bảo sự hoạt động chính xác, hiệu quả, tăng sự tiện nghi và sự an toàn của chiếc xe, những chiếc xe ô tô đời mới có thể lên tới cả trăm hộp PCM.
Tổng quan: Hệ thống điều khiển động cơ theo chương tr nh bao gồm các cảm biến kiểm soát liên tục tình trạng hoạt động của động cơ, một bộ PCM tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu và đưa ra tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành.
Cơ cấu chấp hành luôn bảo đảm thừa lệnh PCM và đáp ứng các tính 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. PCM 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 có sự cố xảy ra.
Cấu trúc PCM được chia ra làm 4 loại như sau:
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 sẵn, ROM cung cấp thông tin cho bộ vi xử lý và được lắp cố định trên mạch in.
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 RA xóa được: Bộ nhớ sẽ mất khi mất dòng điện cung cấp.
Loại RA không xóa được: Vẫn giữ duy trì bộ nhớ cho dù khi tháo nguồn cung cấp ổ RA lưu trữ những thông tin về hoạt động của các cảm biến dùng cho hệ thống tự chuẩn đoán.
PROM (Programmable Read Only Memory): Cấu trúc cơ bản giống như RO nhưng nó cho phép lập trình (nạp dữ liệu) ở nơi sử dụng chứ không phải ở nơi sản xuất như RO . PRO cho phép sửa đổi chương tr nh điều khiển theo những đòi hỏi khác nhau.
KAM (Keep Alive Memory): KA dùng để lưu trữ những thông tin mới cung cấp đến bộ vi xử lý. KAM vẫn duy trì bộ nhớ cho dù động cơ ngừng hoạt động hoặc tắt công tắc máy. Tuy nhiên nếu tháo nguồn cung cấp từ ắc quy 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 PCM.
Đường truyền - BUS:
Chuyển các lệnh và số liệu trong máy tính theo 2 chiều.
PCM với những thành phần nêu trên có thể tồn tại dưới dạng một IC hoặc trên nhiều IC. Ngoài ra người ta thường phân loại máy tính theo độ dài từ các RAM (tính theo bit).
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 bit 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 lại 4 bit. Vì vậy, hiện nay để điều khiển các hệ thống
H nh 1.11. Sơ đồ khối của bộ vi xử lý
khác nhau trên ô tô với tốc độ thực hiện nhanh và chính xác cao, người ta sử dụng máy 8 bit, 16 bit hoặc 32 bit.
Ngày nay trên ô tô hiện đại có thể trang bị nhiều PCM điều khiển các hệ thống khác nhau.
Bộ phận chủ yếu của nó là bộ vi xử lý (microprocessor) hay còn gọi là PCM (Powertrain control module), PCM lựa chọn các lệnh và xử lý số liệu từ bộ nhớ ROM và RAM chứa các chương tr nh và dữ liệu và ngõ vào ra (I/O) điều khiển nhanh số liệu từ các cảm biến và chuyển dữ liệu đã xử lý đến các cơ cấu thực hiện.
Nó bao gồm cơ cấu đại số logic để tính toán dữ liệu, các bộ ghi nhận lưu trữ tạm thời dữ liệu và bộ điều khiển các chức năng khác nhau. Ở các PCM thế hệ mới, người ta thường chế tạo PCM, ROM, RAM trong một IC.
Bộ điều khiển PCM hoạt động trên cơ sở tín hiệu số nhị phân với điện áp cao biểu hiện cho số 1, điện áp thấp biểu hiện cho số 0.
Mỗi một số hạng 0 hoặc 1 gọi là bit. Mỗi dãy 8 bit sẽ tương đương 1 byte hoặc 1 từ (word). Byte này được dùng để biểu hiện cho một lệnh hoặc 1 mẫu thông tin.
Mạch giao tiếp ngõ vào/ra:
Bộ chuyển đổi A/D:
Bộ chuyển đổi A/D là viết tắt của cụm từ Analog to Digital Converter, bộ này dùng để chuyển các tín hiệu từ đầu vào, dựa trên sự thay đổi điện áp của các cảm biến ghi nhận để chuyển thành các tín hiệu số cho bộ vi xử lý hiểu được.
Bộ đếm:
Bộ đếm được dùng để đếm xung, chúng ta có thể dễ hiểu hơn với ví dụ như từ một cảm biến vị trí piston rồi gửi lượng đếm về bộ vi xử lý như h nh dưới.
Hình 1.12. Mạch điện của bộ chuyển đổi A/D
Bộ khuếch đại:
Có một số cảm biến bên trong PCM mang tín hiệu rất nhỏ, vậy nên trong bộ PCM cần phải có thêm bộ khuếch đại tín hiệu.
Bộ ổn áp:
Trong bộ PCM có bộ ổn áp: 12V
Hình 1.13. Bộ đếm
Hình 1.14. Bộ khuếch đại
Hình 1.15. Bộ ổn áp
Mạch giao tiếp ngõ ra:
Những tín hiệu được điều khiển từ bộ vi xử lý sẽ được gửi đến các transistor công suất điều khiển relay, solenoid, motor,… Ngoài ra các transistor này có thể được bố trí bên trong hoặc bên ngoài PCM.
1.3.1.3. Các cơ cấu chấp hành
Điều khiển bướm ga điện tử (ECT):
Để điều khiển lưu lượng khí nạp và tốc độ động cơ một cách chính xác nhất, hệ thống bướm ga điện tử đã được ra đời. Thêm vào đó, ECT còn điều khiển chế độ ổn định xe (ESP), điều khiển lực kéo (TSC), điều khiển tốc độ không tải và điều khiển chế độ chạy tự động. Nhờ cơ cấu đơn giản nên khả năng gặp lỗi ít khi xảy ra.
Hình 1.16. Mạch giao tiếp ngõ ra
Hình 1.17. Cấu tạo bộ điều khiển ga tự động
1- Bướm gió; 2- Thân; 3- ô tơ điện; 4- Trục; 5- TPS1,2;
6- Bánh rang; 7- Lò xo hồi
Như trên h nh minh họa, cổ họng gió bao gồm bướm ga, cảm biến vị trí bướm ga dùng để phát hiện góc mở của bướm ga, mô tơ bướm ga để mở và đóng bướm ga, và một lò xo hồi để trả bướm ga về một vị trí cố định. ô tơ bướm ga ứng dụng một mô tơ điện 1 chiều (DC) có độ nhạy tốt và tiêu thụ ít năng lượng.
PCM động cơ điều khiển độ lớn và hướng của dòng điện chạy đến mô tơ điều khiển bướm ga, làm quay hay giữ mô tơ, và mở/đóng bướm ga qua một cụm bánh răng giảm tốc. Góc mở bướm ga thực tế được phát hiện bằng một cảm biến vị trí bướm ga, và thông số đó được phản hồi về cho PCM động cơ.
Khi dòng điện không chạy qua mô tơ, lò xo hồi sẽ giữ bướm ga ở một vị trí cố định (khoảng 7 độ). Tuy nhiên, trong chế độ không tải, bướm ga được đóng lại nhỏ hơn so với vị trí cố định.
Khi PCM động cơ phát hiện thấy có trục trặc, nó bật đèn báo hư hỏng trên đồng hồ taplo đồng thời cắt nguồn đến mô tơ, nhưng do bướm ga được giữ ở góc mở khoảng 7 độ nên xe vẫn có thể chạy đến nơi an toàn.
Những kiểu xe đầu tiên có hệ thống ETCS-i sử dụng một ly hợp từ giữa mô tơ và bướm ga, nó có thể dùng để nối và ngắt mô tơ.
Điều khiển van nạp khí:
H nh 1.18. Điều khiển van nạp khí
1-Cơ cấu chấp hành, 2- Cảm biến vị trí van VIS, 3- VAN VIS