Động cơ sử dụng tia lửa điện để đốt cháy cưỡng bức hỗn hợp không khí-nhiên liệu. Do đó, hệ thống nhiên liệu của động cơ xăng phải đạt một số yêu cầu sau:
+ Phải có tia lửa mạnh.
+Thời điểm đánh lửa chính xác.
Hệ thống đánh lửa được trang bị trên động cơ Toyota Camry 2007 là hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS–Direct Ignition System ).
ECU 1 2 3 4 5 6 7 8
Hình 5.1 Hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS
1-Cảm biếnvị trí bướm ga, 2-Cảm biến lưu lượng khí nạp, 3-IC và bugi đánh lửa, 4-Cảm biến vị trí trục cam,5-Cảm biến ôxy, 6-Cảm biến vị trí trục khuỷu, 7-Cảm biến nhiệt độ nước làm mát,
8-Cảm biến kích nổ
Hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS thực hiện điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử, sử dụng mỗi bobine cho một bugi.
Hệ thống DIS (Đánh lửa trực tiếp) là một hệ thống dùng ECU động cơ để xác định thời điểm đánh lửa dựa vào các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau.
ECU động cơ tính toán thời điểm đánh lửa từ thời điểm đánh lửa tối ưu được lưu trong bộ nhớ để phù hợp với tình trạng của động cơ, và sau đó chuyển các tín hiệu đánh lửa đến IC đánh lửa.
Thời điểm đánh lửa tối ưu cơ bản được xác định bằng tốc độ của động cơ và lượng không khí nạp.
Ưu điểm khi sử dụng hệ thống đánh lửa trực tiếp:
• Động cơ khởi động dễ dàng, cầm chừng êm, tiết kiệm nhiên liệu và giảm độ độc hại khí thải.
• Tia lửa điện đạt chất lượng cao.
• Mỗi bugi có IC đánh lửa riêng (tần số hoạt động của mỗi bobine nhỏ) nên cuộn sơ cấp và thứ cấp ít nóng hơn.
• Ít hư hỏng, có tuổi thọ cao.
• Kích thước nhỏ gọn do bobine, IC, nắp chụp bugi được thiết kế chung. Với những đặc điểm nổi bậc nêu trên nên ngày nay hệ thống đánh lửa trực tiếp ngày càng được sử dụng nhiều ở những xe đời mới.
a.Kết cấu của hệ thống DIS
Hệ thống DIS gồm có các cảm biến khác nhau, ECU động cơ, các IC đánh lửa, cuộn dây đánh lửa và các bugi.
Vai trò của các cảm biến
• Cảm biến vị trí trục cam (tín hiệu G): Cảm biến này phát hiện góc quay chuẩn và thời điểm của trục cam.
• Cảm biến vị trí trục khuỷu (tín hiệu NE): Cảm biến này phát hiện góc quay trục khuỷu và tốc độ của động cơ.
• Cảm biến lưu lượng khí nạp : Cảm biến này phát hiện khối lượng khí trên đường ống nạp
• Cảm biến vị trí bướm ga (tín hiệu VTA): Cảm biến này phát hiện điều kiện chạy không tải.
• Cảm biến nhiệt độ nước (tín hiệu THW): Cảm biến này phát hiện nhiệt độ của nước làm mát.
• Cảm biến tiếng gõ (tín hiệu KNK): Cảm biến này phát hiện tình trạng của tiếng gõ.
• Cảm biến oxy (tín hiệu OX): Cảm biến này phát hiện nồng độ của oxy trong khí xả. IGT1 IGF1 IGT2 IGT3 IGT4 ECU bugi 1 bugi 2 bugi 3 bugi 4 IG2
Hình 5.2 Sơ đồ mạch điện của hệ thống đánh lửa trực tiếp
Vai trò của ECU động cơ
Cuộn đánh lửa No.1 IC đánh lửa Cuộn đánh lửa No.2 Cuộn đánh lửa No.3 Cuộn đánh lửa No.4 Cảm biến vị trí trục khuỷu Cảm biến vị trí trục cam Cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến lưu lượng
ECU động cơ nhận các tín hiệu từ các cảm biến, tính toán thời điểm đánh lửa tối ưu theo các tình trạng động cơ, và truyền tín hiệu đánh lửa (IGT) đến IC đánh lửa.
Vai trò của IC đánh lửa
IC đánh lửa nhận tín hiệu IGT do ECU động cơ phát ra để ngắt dòng điện sơ cấp trong cuộn đánh lửa một cách gián đoạn. Nó cũng gửi tín hiệu xác nhận đánh lửa IGF) đến ECU động cơ.
b. Hoạt động
Hình 5.3 Trình tự đánh lửa của hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS
ECU động cơ nhận tín hiệu từ các cảm biến khác nhau và xác nhận thời điểm đánh lửa tối ưu. ECU gửi tín hiệu đánh lửa (IGT) đến cuộn đánh lửa có IC đánh lửa. Tín hiệu đánh lửa được gửi đến IC đánh lửa theo thứ tự nổ của động cơ (1–3–4–2).
Hệ thống đánh lửa trực tiếp được sử dụng trên xe này. DIS là hệ thống đánh lửa một xylanh, sử dụng một cuộn dây đánh lửa cho mỗi xylanh và mỗi bugi được nối vào đầu của cuộn dây thứ cấp. Điện áp cao sinh ra trong cuộn dây được cấp trực tiếp đến bugi đó. Các tia lửa của bugi chạy từ điện cực giữa đến các điện cực nối mát. ECU xác định thời điểm đánh lửa và truyền tín hiệu đánh lửa (IGT) đến từng xylanh. Dùng tín hiệu IGT, ECU bật và tắt transitor công suất trong IC đánh lửa. Đến lượt transitor công suất bật và tắt dòng điện trong cuộn dây sơ cấp. Điện áp này được cấp đến các bugi để tạo ra tia lửa điện bên trong xylanh. Khi ECU cắt dòng sơ cấp, IC đánh lửa cũng gửi một tín hiệu xác nhận đánh lửa IGF cho từng xylanh đến ECU (IC có nhiệm vụ thực hiện đóng ngắt dòng sơ cấp đi qua cuộn đánh lửa. Nhờ quá trình đóng ngắt đột ngột của dòng sơ cấp mà sinh ra một dòng cao áp trên cuộn thứ cấp của bôbin).
• Tín hiệu IGT : ECU động cơ tính toán thời điểm đánh lửa tối ưu theo các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau và truyền tín hiệu IGT đến IC đánh lửa. Tín hiệu IGT được bật ON ngay trước khi thời điểm đánh lửa được bộ vi xử lý trong ECU động cơ tính toán, và sau đó tắt đi. Khi tín hiệu IGT bị ngắt, các bugi sẽ đánh lửa.
Hình 5.4 Tín hiệu IGT và IGF
• Tín hiệu IGF : IC đánh lửa gửi một tín hiệu IGF đến ECU động cơ bằng cách dùng lực điện động ngược được tạo ra khi dòng sơ cấp đến cuộn đánh lửa bị ngắt hoặc bằng giá trị dòng điện sơ cấp. Khi ECU động cơ nhận được tín hiệu IGF nó xác định rằng việc đánh lửa đã xảy ra.
Nếu ECU động cơ không nhận được tín hiệu IGF, chức năng chẩn đoán sẽ vận hành và một DTC được lưu trong ECU động cơ và chức năng an toàn sẽ hoạt động và làm ngừng phun nhiên liệu.
5.2 Điều khiển đánh lửa khi khởi động và điều khiển đánh lửa sau khi khởi động
Việc điều khiển thời điểm đánh lửa gồm có hai điều khiển cơ bản sau:
a.Điều khiển đánh lửa khi khởi động
Điều khiển việc đánh lửa lúc khởi động được thực hiện bằng việc tiến hành đánh lửa ở góc trục khuỷu được xác định trước trong các điều kiện làm việc của động cơ. Góc trục khuỷu này được gọi là "góc thời điểm đánh lửa ban đầu".
Khi khởi động, tốc độ của động cơ thấp và khối lượng không khí nạp chưa ổn định, nên không thể sử dụng tín hiệu VG làm các tín hiệu điều chỉnh. Vì vậy, thời điểm đánh lửa được đặt ở góc thời điểm đánh lửa ban đầu. Góc thời điểm đánh lửa ban đầu được điều chỉnh trong IC dự trữ ở ECU động cơ.
Việc điều chỉnh đánh lửa sau khi khởi động được thực hiện bởi góc thời điểm đánh lửa ban đầu, góc đánh lửa sớm cơ bản được tính toán theo trọng tải và tốc độ của động cơ và các hiệu chỉnh khác nhau.
Hình 5.5 Điều khiển góc đánh lửa
Điều chỉnh đánh lửa sau khi khởi động là việc điều chỉnh được thực hiện trong khi động cơ đang chạy sau khi khởi động. Việc điều chỉnh này được thực hiện bằng cách tiến hành các hiệu chỉnh khác nhau đối với góc thời điểm đánh lửa ban đầu và góc đánh lửa sớm cơ bản.
Thời điểm đánh lửa = góc thời điểm đánh lửa ban đầu + góc đánh lửa sớm cơ bản + góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh.
Khi thực hiện việc điều chỉnh đánh lửa sau khởi động, tín hiệu IGT được bộ vi xử lý tính toán và truyền qua IC.
Góc đánh lửa sớm cơ bản
Góc đánh lửa sớm cơ bản được xác định bằng cách dùng tín hiệu NE, tín hiệu VG. Tín hiệu NE và VG được dùng để xác định góc đánh lửa sớm cơ bản và được lưu giữ trong bộ nhớ của ECU động cơ. Tuỳ theo kiểu động cơ, góc đánh lửa sớm cơ bản được lưu giữ trong ECU động cơ. Các dữ liệu của một trong các góc này được dùng để xác định góc đánh lửa sớm dựa trên chỉ số octan của nhiên liệu, nên có thể chọn các dữ liệu phù hợp với nhiên liệu được người lái sử dụng. Ngoài ra, một số kiểu xe có khả năng đánh giá chỉ số octan của nhiên liệu, sử dụng tín hiệu KNK để tự động thay đổi các dữ liệu để xác định thời điểm đánh lửa.
c.Điều khiển góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh
• Hiệu chỉnh để hâm nóng
Góc đánh lửa sớm được sử dụng cho thời điểm đánh lửa khi nhiệt độ nước làm mát
thấp nhằm cải thiện khả năng làm việc.
• Hiệu chỉnh khi quá nhiệt độ
Khi nhiệt độ của nước làm nguội quá cao, thời điểm đánh lửa được làm muộn đi để tránh tiếng gõ và quá nóng. Góc thời điểm đánh lửa được làm muộn tối đa là 5o
bằng cách hiệu chỉnh này.
Động cơ cũng sử dụng các tín hiệu sau đây để hiệu chỉnh: +Tín hiệu lượng không khí nạp (VG).
+Tín hiệu tốc độ động cơ (NE). +Tín hiệu vị trí bướm ga (VTA) V.V..
• Hiệu chỉnh để tốc độ chạy không tải ổn định
Nếu tốc độ của động cơ khi chạy thay đổi từ tốc độ chạy không tải mục tiêu, ECU động cơ sẽ điều chỉnh thời điểm đánh lửa để làm cho tốc độ của động cơ được ổn định. ECU động cơ liên tục tính toán tốc độ trung bình của động cơ, nếu tốc độ của động cơ giảm xuống dưới tốc độ mục tiêu của động cơ, ECU động cơ sẽ làm thời điểm đánh lửa sớm lên theo góc đã được xác định trước.
Nếu tốc độ động cơ vượt quá tốc độ chạy không tải mục tiêu, ECU động cơ sẽ làm muộn thời điểm đánh lửa theo góc đã xác định trước. Góc của thời điểm đánh lửa có thể thay đổi đến mức tối đa là ±5o bằng cách hiệu chỉnh này.
• Hiệu chỉnh tiếng gõ
Nếu tiếng gõ xảy ra trong động cơ, cảm biến tiếng gõ biến đổi độ rung tạo ra bởi tiếng gõ thành tín hiệu điện áp (tín hiệu KNK) và chuyển nó đến ECU động cơ. ECU động cơ sẽ xác định xem tiếng gõ này mạnh, vừa phải hoặc yếu từ độ lớn của tín hiệu KNK. Sau đó nó hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa bằng cách làm muộn đi theo độ lớn của tín hiệu KNK. Nói khác đi, khi tiếng gõ mạnh thì thời điểm đánh lửa bị muộn nhiều, và khi tiếng gõ yếu thì thời điểm đánh lửa chỉ bị muộn một chút. Khi hết tiếng gõ ở động cơ, ECU động cơ ngừng làm muộn thời điểm đánh lửa và làm nó sớm lên một chút tại thời điểm được xác định trước.
Việc làm sớm này được tiến hành cho đến khi tiếng gõ lại xảy ra, và sau đó khi tiếng gõ xảy ra, việc điều chỉnh lại được thực hiện lại bằng cách làm muộn thời điểm đánh lửa. Góc của thời điểm đánh lửa được làm muộn tối đa là 10o theo cách hiệu chỉnh này.
CHƯƠNG 6
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ KHÔNG TẢI ISC
6.1 Khái quát
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 ngoài việc điều chỉnh lượng không khí nạp trong khi chạy không tải.
Trên động cơ Toyota Camry 2007 sử dụng loại điều khiển không khí nạp bằng bướm ga (loại mô tơ bước).
1 6 7 E C U 2 3 4 5 8 9
Hình 6.1 Hệ thống điều khiển tốc độ không tải ISC
1- Cảm biến vị trí bướm ga , 2- Máy khởi động , 3-Công tắc vị trí đỗ xe trung gian , 4-Cảm biến tốc độ xe , 5-Phụ tải điện , 6-Điều hòa nhiệt độ , 7- Cảm biến nước làm mát , 8-Cảm biến vị trí trục
Các chế độ hoạt động :
• Khi khởi động
ECU nhận tín hiệu từ máy khởi động (STA), cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến vị trí trục khuỷu rồi sau đó xuất tín hiệu điều khiển bướm ga (bằng môtơ bước) mở ra nhằm cải thiện khả năng khởi động.
• Khi hâm nóng động cơ
Khi nhiệt độ nước làm mát thấp, tốc độ chạy không tải được tăng lên để động cơ chạy được êm (chạy không tải nhanh). Khi nhiệt độ nước làm mát tăng lên, tốc độ chạy không tải bị giảm xuống. ECU nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ xe, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến vị trí trục khuỷu rồi sau đó xuất tín hiệu điều khiển bướm ga.
• Điều khiển phản hồi và điều khiển dự tính
ECU nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ xe, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến vị trí trục khuỷu, phụ tải điện …. Trong các trường hợp trên, nếu thay đổi tải trọng, tốc độ chạy không tải sẽ tăng lên hoặc ngăn không cho thay đổi.
Hình 6.2 Cấu tạo của mô tơ bước
6.2 Kiểu môtơ bước
ISC kiểu mô tơ bước được gắn vào buồng nạp. Van lắp ở đầu của rôto đi vào hoặc ra theo vòng quay của rôto để điều khiển lượng không khí đi qua mạch đi tắt này.
Môtơ bước sử dụng nguyên lý kéo và đẩy của nam châm vĩnh cửu (rôto) khi từ trường được tạo ra bởi dòng điện chạy vào cuộn dây. Như được thể hiện trong hình minh họa phía dưới, dòng điện chạy ở C1 làm cho nam châm bị kéo. Khi dòng điện đến C1 bị cắt trong cùng một lúc, dòng điện phải chạy vào C2, và nam châm bị kéo đến C2. Việc chuyển mạch sau đó của dòng điện lần lượt đến C3 và C4 theo cùng cách thức được sử dụng để làm quay nam châm này.
Hình 6.3 Nguyên tắc hoạt động của mô tơ bước
Nam châm cũng có thể quay theo chiều ngược lại bằng cách chuyển mạch điện theo chiều từ C4 đến C3, C2 và C1. Sự bố trí này được sử dụng để dịch chuyển nam châm đến các vị trí được xác định trước. Một môtơ bước thực tế sử dụng bốn cuộn dây để tạo ra 32 bước trong một vòng quay của nam châm (rôto). Một số môtơ có 24 bước trong một vòng quay).
• Mở van
Khi điện được truyền đến cuộn A trong một thời gian dài, van này phải dịch chuyển về phía mở.
• Đóng van
Khi điện được truyền đến cuộn B trong một thời gian dài, van này phải dịch chuyển về phía đóng.
CHƯƠNG 7
CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÁC
7.1 Khái quát
Ngoài những hệ thống EFI, DIS và ISC, phần lớn các hệ thống điều khiển động cơ được trang bị các hệ thống sau :
• ETCS-i (Electric Throttle Control System–intelligent–Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử–thông minh).
• VVT-i (Variable Valve Timing-intelligent–Thời điểm phối khí thay đổi– Thông minh).
• Hệ thống điều khiển sấy nóng cảm biến ôxy/ cảm biến tỷ lệ không khí nhiên liệu.
• Hệ thống điều khiển điều hòa không khí.
• Điều khiển quạt làm mát.
• Hệ thống kiểm soát hơi nhiên liệu. …v.v..
Tất cả những hệ thống này đều được điều khiển bởi ECU động cơ.
7.2 Hệ thống ETCS-i (Điều khiển bướm ga điện tử thông minh)a.Mô tả a.Mô tả
Hình 7.1 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống ETCS-i
máy tính để điều khiển bằng điện góc mở của bướm ga.
Góc mở của bướm ga thông thường được điều khiển trực tiếp bằng dây cáp nối từ