Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:2)(cid:2)(cid:2)(cid:2) (cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3) (cid:5)(cid:5)(cid:5)(cid:5) BÀI GIẢNG
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Chuyên đề 4:
ĐỘNG CƠ - ÔTÔ
Biên soạn: Th.S Phạm Quốc Thái
Trang 1
Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái
Đà Nẵng, 2011
Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô
CHUYÊN ĐỀ 4: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
ĐỘNG CƠ VÀ ÔTÔ
4.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ - ÔTÔ
Sơ đồ cấu trúc và các khối chức năng của hệ thống điều khiển động cơ -
ôtô theo chương trình được mô tả trên hình 4.1. Hệ thống điều khiển bao gồm:
ngõ vào (Inputs) với chủ yếu là các cảm biến; Bộ điều khiển trung tâm ECU
(Electronic Control Unit) là bộ não của hệ thống; Ngõ ra (Outputs) bao gồm các
cơ cấu chấp hành (Actuators) như: vòi phun, bobin, van điều khiển cầm chừng,
động cơ bước (mở bướm ga),…
Cảm biến kiểm soát liên tục tình trạng hoạt động của động cơ và báo về
cho bộ điều khiển ECU biết. Từ đó, ECU sẽ tính toán, xử lý tín hiệu và đưa ra tín
hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành.
Chương trình điều khiển động cơ được nhà chế tạo viết và cài đạt sẵn
trong bộ nhớ của ECU. Tùy thuộc vào từng chế độ làm việc hay tình trạng của
động cơ mà ECU sẽ tính toán dựa trên chương trình sẵn có để đưa ra những tín
hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành sao cho động cơ làm việc tối ưu.
4.2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
4.2.1. Bộ điều khiển trung tâm (ECU - Electronic Control Unit)
Bộ điều khiển trung tâm ECU là một vi mạch tổ hợp cỡ lớn dùng để nhận
biết tín hiệu, tính toán, lưu trữ thông tin, quyết định chức năng hoạt động và gửi
các tín hiệu điều khiển thích hợp đến các cơ cấu chấp hành.
ECU được đặt trong vỏ kim loại để giải nhiệt tốt và được bố trí ở nơi ít bị
ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm. 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 gắn với khung kim loại của ECU với mục đích giải nhiệt. Sự
tổ hợp các chức năng trong IC (bộ tạo xung, bộ chia xung, bộ dao động đa hài
Trang 2
Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái
điều khiển việc chia tần số) giúp ECU đạt độ tin cậy cao.
Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô
CẢM BIẾN ĐẦU VÀO
BỘ ĐIỀU KHIỂN
CƠ CẤU CHẤP HÀNH
VG
Cảm biến lưu lượng khí nạp
Điều khiển nhiên liệu
#10 #20
VTA
Cảm biến vị trí bướm ga
G
Cảm biến vị trí piston
IGT
ECU
NE
Điều khiển đánh lửa
Cảm biến tốc độ động cơ
ĐỘNG
THW
Cảm biến nhiệt độ động cơ
CƠ
THA
ISC
Cảm biến nhiệt độ khí nạp
Điều khiển cầm chừng
OX
Cảm biến oxy
STA
Tín hiệu khởi động
TE1
Chẩn đoán
W
ELS
Các tín hiệu tải
A/C
Hình 4.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ - ôtô
Trên ôtô hiện đại được trang bị nhiều bộ điều khiển ECU: ECU điều khiển
động cơ, ECU điều khiển hộp số tự động, ECU điều khiển ABS, ECU điều khiển
điều hòa,…Các ECU được nối với nhau thông qua hệ thống mạng để chia sẻ cơ
Trang 3
Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái
sở dữ liệu. Bên trong ECU, bộ phận quan trọng nhất là bộ vi xử lý
Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô
(Microprocessor) hay còn gọi là CPU, CPU lựa chọn các lệnh và xử lý số liệu từ
bộ nhớ ROM và RAM chứa các chương trình và dữ liệu ngõ vào ra (I/O) điều
khiển nhanh số liệu từ các cảm biến và chuyển các dữ liệu đã xử lý đến điều
khiển các cơ cấu chấp hành.
Hình 4.2. Cấu tạo bộ điều khiển ECU
Sự phát triển của ECU trên động cơ gắn liền với sự phát triển của vi xử
lý. Trên những thế hệ ECU đầu tiên dùng loại 4, 8 bit. Hiện nay, nhu cầu điều
khiển trên ôtô ngày càng nhiều, chương trình điều khiển ngày càng lớn và phức
tạp, người ta sử dụng ECU loại 16 và 32 bit.
4.2.1.1. Bộ vi xử lý: có chức năng tính toán và ra quyết định. Nó được coi như là
MICROPROCESSOR
ROM
PROM
RAM
‘‘bộ não’’ của ECU.
Hình 4.3. Sơ đồ khối cấu trúc bên trong ECU
4.2.1.2. Bộ nhớ: bộ nhớ của ECU gồm các 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. Chương trình điều khiển
Trang 4
Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái
động cơ do nhà sản xuất lập trình và được nạp sẵn trong bộ nhớ ROM.
Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô
- RAM (Random Access Memory): bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên dùng để
lưu trữ thông tin mới tạm thời hoặc kết quả tính toán trung gian khi động cơ làm
việc. Khi mất nguồn cung cấp từ acquy đến máy tính thì dữ liệu trong bộ nhớ
RAM sẽ không còn.
- 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 sửa đổi chương trình điều khiển theo những
yêu cầu khác nhau.
4.2.1.3. Đường truyền – BUS: có nhiệm vụ chuyển các lệnh và số liệu trong
ECU và giữa các ECU với nhau theo hai chiều.
4.2.1.4. Mạch giao tiếp ngõ vào:
- Bộ chuyển đổi A/D (Analog To Digital Converter): dùng để chuyển các
tín hiệu tương tự từ đầu vào với sự thay đổi điện áp trên các cảm biến thành các
5V
Dáy tên hiãûu
Bäü chuyãøn âäøi A/d
Bäü vi xæí lyï
tín hiệu số để đưa vào bộ xử lý.
Hình 4.4. Bộ chuyển đổi A/D
- Bộ đếm (counter): đếm xung tín hiệu từ các cảm biến (tốc độ động cơ,
Säú
Bäü âãúm
SENSOR
Bäü vi xæí lyï
ECU
tốc độ xe) rồi gửi số đếm đến bộ vi xử lý.
Trang 5
Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái
Hình 4.5. Bộ đếm
Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô
- Mạch khuếch đại (amplifier): Một số cảm biến có tín hiệu rất nhỏ nên
Tên hiãûu maûnh
Tên hiãûu yãúu
Bäü vi xæí lyï
Bäü vi xæí lyï
Âiãûn aïp thay âäøi
trong ECU cần phải có các bộ khuếch đại.
ECU
Hình 4.6. Bộ khuếch đại
- Mạch ổn áp: bên trong ECU có các IC điều áp 7812 và 7805 để ổn áp:
B+ (12V)
Bäü äøn aïp
Bäü vi xæí lyï
ECU
12V và 5V. Nguồn 5V cung cấp cho các cảm biến làm việc.
Hình 4.7. Bộ ổn áp
4.2.1.5. Giao tiếp ngõ ra: tín hiệu điều khiển từ bộ vi xử lý sẽ đưa đến các
Âiãöu khiãøn
Bäü vi xæí lyï
Råle Mätå Solenoi....
ECU
transistor công suất điều khiển rơle, solenoid, môtơ, ...
Trang 6
Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái
Hình 4.8. Giao tiếp ngõ ra
Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô
4.2.2. Các cảm biến
4.2.2.1. Cảm biến lưu lượng khí nạp
• Kết cấu và nguyên lý hoạt động:
Nguyên lý của cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu dây sấy dựa trên sự phụ
thuộc của năng lượng nhiệt thoát ra từ một phần tử nhiệt được nung nóng và đặt
trong dòng khí nạp. Khi có dòng điện đi qua làm cho dây sấy nóng lên. Khi
không khí chạy qua, dây sấy được làm nguội tương ứng với khối lượng không khí
nạp, bằng cách điều chỉnh dòng điện chạy vào dây sấy này để giữ cho nhiệt độ
dây sấy không đổi, dòng điện đó sẽ tỉ lệ thuận với lượng không khí nạp bằng cách
phát hiện dòng điện đó ta xác định được lượng không khí nạp. Trong trường hợp
này, dòng điện chuyển thành điện áp và gửi đến ECU động cơ.
Hình 4.9. Kết cấu và đặc tính của cảm biến lưu lượng.
1. Nhiệt điện trở; 2. Dây sấy platin.
2
3
1
ECU
VG
R3
A
B
E2
R2
R1
• Mạch điện cảm biến đo lưu lượng khí:
Hình 4.10. Sơ đồ mạch điện của cảm biến lưu lượng khí nạp
Trang 7
Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái
1. Bộ khuyếch đại; 2. Nhiệt điện trở (Ra); 3. Dây sấy Platin (Rh).
Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô
Cảm biến lưu lượng khí nạp được đặt trên đường ống nạp, bao gồm một
dây sấy bằng platin (Rh) và nhiệt điện trở Ra được ghép vào mạch cầu
Wheatstone. Tín hiệu điện áp đầu ra của cảm biến VG tỷ lệ với lưu lượng khối
lượng khí nạp. ECU nhận dựa vào tín hiệu này để điều chỉnh thời gian phun cơ
bản và góc đánh lửa sớm cơ bản.
4.2.2.2. Cảm biến vị trí trục khuỷu
4
6
5
1
2
3
• Kết cấu và nguyên lý hoạt động:
Hình 4.11. Cảm biến vị trí trục khuỷu.
1. Cuộn dây; 2. Lõi sắt; 3. Thân cảm biến;
4. Nam châm; 5. Lớp cách điện 6. Giắc cắm.
Cảm biến vị trí trục khủy dùng để xác đinh tốc độ động cơ. ECU nhận tín
hiệu này để tính toán góc đánh lửa tối ưu và thời điểm phun nhiên liệu.
Cảm biến gồm nam châm vĩnh cửu được gắn với lõi thép, trên lõi thép
được quấn cuộn dây tính hiệu, Rôto tín hiệu dùng để khép mạch từ, được đặt gần
cuộn dây cảm biến và được dẫn động từ trục khủy.
Khi động cơ làm việc, rôto quay làm thay đổi khe hở giữa các răng của
rôto và cuộn nhận tín hiệu, làm cho từ trường xuyên qua cuộn dây biến thiên. Sự
biến thiên từ trường tạo nên sức điện động xoay chiều cảm ứng trên cuộn dây tín
hiệu và được đưa về ECU.
Ngoài ra, trên rôto có 2 răng khuyết nên cảm biến này còn dùng để xác
định vị trí piston. ECU động cơ dùng thông tin này để xác định thời gian phun và
Trang 8
Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái
thời điểm đánh lửa.
Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô
• Mạch điện cảm biến vị trí trục khủy:
Hình 4.12. Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí trục khuỷu.
1. Rôto tín hiệu; 2. Cuộn dây cảm biến vị trí trục khủy.
4.2.2.3. Cảm biến nồng độ oxy
• Kết cấu và nguyên lý hoạt động:
Hình 4.13. Kết cấu và đặc tính của cảm biến oxy có bộ sấy.
1. Nắp; 2. Phần tử Zirconia; 3. Bộ sấy; 4. Không khí; 5. Phần tử Platin.
Cảm biến oxy được dùng để xác định hòa khí tức thời của động cơ đang
hoạt động. Nó phát ra tín hiệu điện áp gửi về ECU để điều chỉnh tỷ lệ hòa khí
thích hợp trong mọi điều kiện làm việc của động cơ.
Cảm biến oxy được chế tạo chủ yếu từ ZrO2 (đioxyt Ziconium) có tính
chất hấp thụ những ion oxy âm tính. Thực chất, cảm biến oxy là một pin nhiên
liệu, có sức điện động phụ thuộc vào nồng độ oxy trong khí thải với ZrO2 là chất
điện phân. Mặt trong của ZrO2 tiếp xúc với không khí, mặt ngoài tiếp xúc với
oxy trong khí thải. Ở mỗi mặt của ZrO2 được phủ một lớp điện cực bằng platin
để dẫn điện. Khi khí thải chứa lượng oxy ít do hỗn hợp giàu nhiên liệu thì số ion
oxy tập trung ở điện cực tiếp xúc với khí thải ít hơn số ion tập trung ở điện cực
Trang 9
Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái
tiếp xúc với không khí. Chênh lệch số ion này sẽ tạo nên một hiệu điện thế
Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô
khoảng 600 – 900mV. Ngược lại, khi hỗn hợp nghèo, chênh lệch số ion ở hai
điện cực nhỏ, pin sẽ phát ra một tín hiệu điện áp thấp từ 100 – 400mV.
• Mạch điện cảm biến ôxy:
Trong cảm biến có một bộ sấy được gắn phía trước để vận hành bộ trung
hòa khí xả ba thành phần được tối ưu.
Hình 4.14. Sơ đồ mạch điện cảm biến ôxy có bộ sấy.
4.2.2.4. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
• Kết cấu và nguyên lý hoạt động:
Hình 4.15. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát.
1. Nhiệt điện trở; 2. Thân cảm biến; 3. Lớp cách điện; 4. Giắc cắm dây.
Khi động cơ hoạt động, cảm biến nhiệt độ nước làm mát thường xuyên
theo dõi và báo cho ECU biết tình hình nhiệt độ động cơ. Cảm biến có cấu tạo từ
một nhiệt điện trở, có hệ số số nhiệt âm. Sự thay đổi nhiệt độ của nước làm mát
sẽ làm thay đổi điện trở của nhiệt điện trở bên trong cảm biến. Khi nhiệt độ động
cơ tăng, điện trở sẽ giảm và ngược lại.
Thông tin từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát báo về ECU. Từ đó, ECU sẽ
Trang 10
Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái
hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm và thời gian phun nhiên liệu.
Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô
THW
R
E2
• Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát:
Hình 4.16. Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát.
1. Khối cảm biến; 2. Nhiệt điện trở; 3. Khối điều khiển;
Hình 4.17. Đặc tính của cảm biến nhiệt độ nước làm mát
4.2.2.5. Cảm biến kích nổ
• Kết cấu và nguyên lý hoạt động:
Cảm biến kích nổ được gắn trên thân xy lanh dùng để phát hiện hiện tượng
kích nổ xảy ra. Từ đó ECU sẽ điều chỉnh góc đánh lửa sớm để ngăn chặn hiện
tượng này.
Cảm biến kích nổ được chế tạo từ vật liệu áp điện, thường dùng nhất là
tinh thể thạch anh. Khi có hiện tượng kích nổ xảy ra, tinh thể thạch anh sẽ chịu
một áp lực lớn và tần số rung động cao (f = 6 – 15 kHz), do đó sẽ sinh ra tín hiệu
Trang 11
Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái
điện áp.
Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô
2
3
1
Hình 4.18. Kết cấu cảm biến kích nổ.
1. Thân cảm biến; 2. Phần tử áp điện; 3. Điện trở phát hiện hở mạch
Hình 4.19. Đồ thị biểu diễn dạng tín hiệu kích nổ
1
2
ECU 5V
KNK1
EKNK
• Mạch điện cảm biến kích nổ:
Hình 4.20. Sơ đồ mạch điện cảm biến kích nổ.
1. Phần tử áp điện; 2. Điện trở.
4.2.2.6. Cảm biến vị trí bướm ga
• Kết cấu và nguyên lý hoạt động:
Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên trục cánh bướm ga. Cảm biến này
đóng vai trò chuyển góc mở cánh bướm ga thành tín hiệu điện gửi đến ECU để
Trang 12
Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái
điều khiển động cơ tương ứng với độ mở bướm ga và chế độ tải của động cơ.
Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô
Hình 4.21. Kết cấu cảm biến vị trí bướm ga
• Sơ đồ mạch điện và đặc tính cảm biến:
Hình 4.22. Sơ đồ mạch cảm biến vị trí bướm ga
1. Cảm biến; 2. Bộ điều khiển.
Trang 13
Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái
Hình 4.23. Đặc tính của cảm biến
Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô
4.2.3. Các cơ cấu chấp hành
4.2.3.1. Vòi phun
• Kết cấu và nguyên lý hoạt động:
Trong quá trình làm việc của động cơ, ECU liên tục nhận các tín hiệu đầu
vào từ các cảm biến. Qua đó, ECU sẽ tính toán và đưa tín hiệu đến điều khiển vòi
phun tương ứng với lượng nhiên liệu cần thiết cung cấp cho động cơ.
Hình 4.24. Kết cấu vòi phun nhiên liệu.
1. Thân vòi phun ;2. Giắc cắm; 3. Đầu vào; 4. Gioăng chữ O;
5.Cuộn dây;6. Lò xo; 7. Piston ; 8. Đệm cao su; 9.Van kim.
Vòi phun hoạt động bằng điện từ, lượng phun và thời điểm phun nhiên
liệu phụ thuộc vào tín hiệu từ ECU. Vòi phun được lắp vào nắp quy lát ở gần cửa
nạp của từng xy lanh qua một tấm đệm cách nhiệt và được bắt chặt vào ống phân
phối nhiên liệu.
Khi cuộn dây (5) nhận được tín hiệu từ ECU, piston (7) sẽ bị kéo lên thắng
được sức căng của lò xo. Do van vòi và piston là cùng một khối nên van cũng bị
kéo lên tách khỏi đế van của nó và nhiên liệu được phun ra. Lượng nhiên liệu
Trang 14
Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái
phun được điều khiển bằng khoảng thời gian phát ra tín hiệu của ECU.
Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô
• Mạch điện điều khiển phun nhiên liệu:
Điện áp từ ắc quy được cung cấp đến các vòi phun qua cầu chì và khóa
điện. Một đầu của vòi phun được nối với ắc quy, đầu còn lại được điều khiển bởi
ECU. ECU sẽ thu thập các thông tin từ các cảm biến, từ đó tính toán và đưa ra tín
hiệu điều khiển vòi phun vào thời điểm thích hợp cho từng xilanh của động cơ.
Hình 4.25. Sơ đồ mạch điện điều khiển phun nhiên liệu
Trang 15
Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái
1. Ắc quy; 2. Cầu chì; 3. Khóa điện; 4. Cầu chì; 5. Vòi phun.
