Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - o tô potx

Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô

Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái Trang 1

















TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG




 

 







BÀI GIẢNG


HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ - ÔTÔ


Biên soạn: Th.S Phạm Quốc Thái








Đà Nẵng, 2011


Chuyên đề 4:

Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô

Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái Trang 2

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
điều khiển việc chia tần số) giúp ECU đạt độ tin cậy cao.

Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô

Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái Trang 3



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
sở dữ liệu. Bên trong ECU, bộ phận quan trọng nhất là bộ vi xử lý
Hình 4.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ - ôtô
Cảm biến lưu
lượng khí nạp





ECU
ĐỘNG
CƠ
Cảm biến vị trí
bướm ga
Cảm biến vị trí
piston
Cảm biến nhiệt
độ động cơ
Cảm biến nhiệt
độ khí nạp

Cảm biến oxy
Tín hiệu khởi

động

Các tín hiệu tải
Cảm biến tốc độ
động cơ
Điều khiển
nhiên li
ệ
u

Điều khiển
đánh lửa

Chẩn đoán
Điều khiển cầm
ch
ừ
ng

V
G
VTA
G
NE
THW
THA
OX
STA
ELS
A/C

TE1
W
#10
#20
IGT
ISC
CẢM BIẾN
ĐẦU VÀO
BỘ ĐIỀU
KHIỂN
CƠ CẤU
CHẤP HÀNH
Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô

Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái Trang 4

(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.

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
‘‘bộ não’’ của 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
động cơ do nhà sản xuất lập trình và được nạp sẵn trong bộ nhớ ROM.
MICROPROCESSOR
ROM PROM RAM
Hình 4.3. Sơ đồ khối cấu trúc bên trong ECU
Hình 4.2.
Cấu tạo bộ điều khiển ECU
Chuyờn 4: H thng iu khin ng c - ụtụ

Biờn son: ThS. Phm Quc Thỏi Trang 5

- RAM (Random Access Memory): b nh truy xut ngu nhiờn dựng
lu tr thụng tin mi tm thi hoc kt qu tớnh toỏn trung gian khi ng c lm
vic. Khi mt ngun cung cp t acquy n mỏy tớnh thỡ d liu trong b nh
RAM s khụng cũn.
- PROM (Programmable read only memory): cu trỳc c bn ging nh
ROM nhng cho phộp lp trỡnh (np d liu) ni s dng ch khụng phi ni
sn xut nh ROM. PROM cho phộp sa i chng trỡnh iu khin theo nhng
yờu cu khỏc nhau.
4.2.1.3. ng truyn BUS: cú nhim v chuyn cỏc lnh v s liu trong
ECU v gia cỏc ECU vi nhau theo hai chiu.
4.2.1.4. Mch giao tip ngừ vo:

- B chuyn i A/D (Analog To Digital Converter): dựng chuyn cỏc
tớn hiu tng t t u vo vi s thay i in ỏp trờn cỏc cm bin thnh cỏc
tớn hiu s a vo b x lý.

- B m (counter): m xung tớn hiu t cỏc cm bin (tc ng c,
tc xe) ri gi s m n b vi x lý.

Hỡnh 4.5.
B m


Bọỹ
vi
xổớ
lyù
Bọỹ õóỳm
Sọỳ
ECU
SENSOR
Hỡnh 4.4. B chuyn i A/D

Bọỹ chuyóứn
õọứi A/d

Bọỹ
vi
xổớ
lyù
Dỏy tờn hióỷu
5V
Chuyờn 4: H thng iu khin ng c - ụtụ

Biờn son: ThS. Phm Quc Thỏi Trang 6

- Mch khuch i (amplifier): Mt s cm bin cú tớn hiu rt nh nờn
trong ECU cn phi cú cỏc b khuch i.

- Mch n ỏp: bờn trong ECU cú cỏc IC iu ỏp 7812 v 7805 n ỏp:
12V v 5V. Ngun 5V cung cp cho cỏc cm bin lm vic.


4.2.1.5. Giao tip ngừ ra: tớn hiu iu khin t b vi x lý s a n cỏc
transistor cụng sut iu khin rle, solenoid, mụt,

Hỡnh 4.7.
B n ỏp


Bọỹ
vi
xổớ
lyù
Bọỹ ọứn aùp

ECU
B+ (12V)
Hỡnh 4.8. Giao tip ngừ ra



ECU

Bọỹ
vi
xổớ

lyù
ióửu khióứn
Rồle
Mọtồ
Solenoi
Hỡnh
4.6. B khuch i

Tờn hióỷu maỷnh

Bọỹ
vi
xổớ
lyù

Bọỹ
vi
xổớ
lyù
Tờn hióỷu
yóỳu
ióỷn aùp
thay õọứi
ECU
Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô

Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái Trang 7

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.

• Mạch điện cảm biến đo lưu lượng khí:

Hình 4.9. Kết cấu và đặc tính của cảm biến lưu lượng.
1. Nh
i
ệ
t đi
ệ
n tr
ở
; 2. Dây s
ấ
y platin.

Hình
4.10. Sơ đồ mạch điện của cảm biến lưu lượng khí nạp
1. B
ộ
khuy
ế

ch đ
ạ
i; 2. Nhi
ệ
t đi
ệ
n tr
ở
(R
a
); 3. Dây s
ấ
y Platin (R
h
).

1

ECU

E2

VG

3

2

R1

B

R2

A

R3

Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô

Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái Trang 8

Cảm biến lưu lượng khí nạp được đặt trên đường ống nạp, bao gồm một
dây sấy bằng platin (R
h
) và nhiệt điện trở R
a
được ghép vào mạch cầu
Wheatstone. Tín hiệu điện áp đầu ra của cảm biến V
G
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
• Kết cấu và nguyên lý hoạt động:


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
thời điểm đánh lửa.
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.
1 3
5
6
2
4
Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô

Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái Trang 9

• Mạch điện cảm biến vị trí trục khủy:

4.2.2.3. Cảm biến nồng độ oxy
• Kết cấu và nguyên lý hoạt động:

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
tiếp xúc với không khí. Chênh lệch số ion này sẽ tạo nên một hiệu điện thế
Hình 4.12. Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí trục khuỷu.
1. Rôto tín hi
ệ
u; 2. Cu
ộ
n dây c
ả
m bi
ế
n v
ị
trí tr
ụ
c kh
ủ
y.

Hình 4.13. Kết cấu và đặc tính của cảm biến oxy có bộ sấy.
1. N
ắ
p; 2. Ph
ầ
n t

ử
Zirconia; 3. B
ộ
s
ấ
y; 4. Không khí; 5. Ph
ầ
n t
ử
Platin.

Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô

Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái Trang 10

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.

4.2.2.4. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
• Kết cấu và nguyên lý hoạt động:

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

hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm và thời gian phun nhiên liệu.
Hình 4.14. Sơ đồ mạch điện cảm biến ôxy có bộ sấy.
Hình
4.15. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát.
1. Nhi
ệ
t đi
ệ
n tr
ở
; 2. Thân c
ả
m bi
ế
n; 3. L
ớ
p cách đi
ệ
n; 4. Gi
ắ
c c
ắ
m dây.

Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô

Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái Trang 11

• Mạch điện 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
điện áp.
Hình
4.16. Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát.
1. Kh
ố
i c
ả
m bi
ế
n; 2. Nhi
ệ
t đi
ệ
n tr
ở
; 3. Kh
ố
i đi
ề
u khi
ể

n;

E2
R
THW
Hình 4.17. Đặc tính của cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô

Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái Trang 12



• Mạch điện cảm biến kích nổ:

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
điều khiển động cơ tương ứng với độ mở bướm ga và chế độ tải của động cơ.
Hình 4.18. Kết cấu cảm biến kích nổ.
1. Thân c
ả
m bi
ế
n; 2. Ph
ầ
n t
ử
áp đi

ệ
n; 3.

Đi
ệ
n tr
ở
phát hi
ệ
n h
ở
m
ạ
ch

1
2
3
Hình 4.19. Đồ thị biểu diễn dạng tín hiệu kích nổ

Hình 4.20. Sơ đồ mạch điện cảm biến kích nổ.
1. Phần tử áp điện; 2. Điện trở.

E
C
U
5V
KNK1
EKNK
1 2

Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô

Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái Trang 13


• Sơ đồ mạch điện và đặc tính cảm biến:


Hình 4.21. Kết cấu cảm biến vị trí bướm ga

Hình 4.23. Đặc tính của cảm biến

Hình 4.22. Sơ đồ mạch cảm biến vị trí bướm ga
1. C
ả
m bi
ế
n; 2. B
ộ
đi
ề
u khi
ể
n.

Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô

Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái Trang 14

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.

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
phun được điều khiển bằng khoảng thời gian phát ra tín hiệu của ECU.
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.
Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ - ôtô

Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái Trang 15

• 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

1. Ắc quy; 2. Cầu chì; 3. Khóa điện; 4. Cầu chì; 5. Vòi phun.