Nghiên cứu khai thác hệ thống điều khiển động cơ toyota camry

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH
Phần 1
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển tự động
Hình 1.2 Sơ đô nguyên lý điều khiển động cơ với liên hệ ngược
Hình 1.3 Thuật toán điều khiển động cơ
Hình 1.4 Hệ thống điều khiển động cơ sử dụng phương pháp đo trực tiếp khối
lượng khí nạp
Hình 1.5 Hệ thống điều khiển động cơ sử dụng phương pháp tốc độ - tỉ trọng
Hình 1.6 Bảng tra ROM
Hình 1.7 Bảng tra tỉ lệ A/F
Hình 2.1 Sơ đồ các bộ phận trong hệ thống điều khiển động cơ 2AZ – FE
Hình 2.2 Hệ thống điều khiển điện tử của động cơ
Hình 2.3 Sơ đồ mạch nguồn của ECU
Hình 2.4 Sơ đồ mạch ra VC
Hình 2.5 Mạch ra VC của cảm biến vị trí bướm ga và vị trí bàn đạp ra
Hình 2.6 Cảm biến vị trí bướm ga dùng điện áp VC
Hình 2.7 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát dùng nhiệt điện trở
Hình 2.8 Mạch điện của đèn phanh
Hình 2.9 Sơ đồ khối mạch điện của cảm biến lưu lượng khí nạp
1


Hình 2.10 Sơ đồ mạch điện bên trong của cảm biến lưu lượng khí nạp
Hình 2.11 Cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Hình 2.12 Sơ đồ mạch cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Hình 2.13 Đường đặc tính của cảm biến nhiệt độ khí nạp
Hình 2.14 Mạch điện của cảm biến nhiệt độ khí nạp
Hình 2.15 Cấu tạo bên trong của cảm biến vị trí bướm ga
Hình 2.16 Mạch điện bên trong của cảm biến vị trí bướm ga

Hình 2.17 Đường đặc tuyến của cảm biến vị trí bướm ga
Hình 2.18 Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bướm ga
Hình 2.19 Sơ đồ mạch cảm biến vị trí trục cam và cảm biến vị trí trục khuỷu
Hình 2.20 Tín hiệu dạng xung của G và NE
Hình 2.21 Cấu tạo và đường đặc tính của cảm biến oxy
Hình 2.22 Sơ đồ mạch điện cảm biến ôxy và bộ sấy
Hình 2.23 Cấu tạo và đường đặc tính của cảm biến tỷ lệ không khí – nhiên liệu
Hình 2.24 Sơ đồ mạch điện của cảm biến tỷ lệ không khí – nhiên liệu
Hình 2.25 Sơ đồ hoạt động của cảm biến tốc độ trên xe
Hình 2.26 Sơ đồ mạch của cảm biến tiếng gõ
Hình 2.27 Sơ đồ mạch của tín hiệu NSW
Hình 2.28 Sơ đồ khối của cấu trúc ECU
Hình 2.29 Bộ chuyển đổi A/D
Hình 2.30 Dạng tín hiệu tương tự
Hình 2.31 Một bộ chuyển đổi A/D
Hình 2.32 Chuyển đổi tương tự thành xung
Hình 2.33 Tín hiệu vào ra của bộ chuyển đổi A/D
Hình 2.34 Sơ đồ khối bộ điếm
Hình 2.25 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi xung thành số
Hình 2.36 Bộ khuếch đại
Hình 2.37 Sơ đồ khối bộ ổn áp
Hình 2.38 Sơ đồ khối bộ ra
Hình 2.39 Sơ đồ phân loại bộ nhớ bán dẫn
Hình 2.40 Cấu trúc chung
2


Hình 2.41 Sơ đồ khối các thành phần dùng trong hệ thống
Hình 2.42 Hệ thống phun xăng điện tử
Hình 2.43 Các loại phun nhiên liệu EFI

Hình 2.44 Cấu tạo bên trong của bơm nhiên liệu
Hình 2.45 Sơ đồ mạch điện của vòi phun nhiên liệu của động cơ 2AZ – FE
Hình 2.46 Vòi phun nhiên liệu
Hình 2.47 Sơ đồ mạch điều khiển bơm nhiên liệu của động cơ 2AZ – FE
Hình 2.48 Hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS
Hình 2.49 Sơ đồ mạch điện của hệ thống đánh lửa trực tiếp
Hình 2.50 Trình tự đánh lửa của hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS
Hình 2.51 Tín hiệu IGT và IGF
Hình 2.52 Điều khiển góc đánh lửa
Hình 2.53 Cấu tạo của mô tơ bước
Hình 2.54 Nguyên tắc hoạt động của mô tơ bước
Hình 2.55 Đèn check engine
Hình 2.56 Hiện thị mã lỗi 12 và 31
Hình 3.1 Kiểm tra điện áp nguồn
Hình 3.2 Sơ đồ mạch nguồn
Hình 3.3 Mạch cấp nguồn 5V
Hình 3.4 Mạch nối mát
Hình 3.5 Mạch cảm biến nhiệt độ khí nạp
Hình 3.6 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Hình 3.7 Cảm biến áp suất đường ống nạp
Hình 3.9 Mạch cảm biến vị trí bướm ga
Hình 3.10 Cảm biến G và NE
Hình 3.11 Cách nối đồng hồ đo tốc độ động cơ
Hình 3.12 Nối tắt cực T và E1 của giắc kiểm tra
Hình 3.13 Đèn kiểm tra thời điểm đánh lửa
Hình 3.14 Kiểm tra tia lửa
Hình 3.15 Đấu nối điện
Hình 3.16 Kiểm tra điện trở dây cao áp
3

Hình 3.17 Kiểm tra điện trở cuộn sơ cấp
Hình 3.18 Kiểm tra điện trở cuộn thứ cấp
Hình 3.19 Kiểm tra tín hiệu IGT bằng LED
Hình 3.20 Kiểm tra tín hiệu IGT bằng vôn kế
Hình 3.21 Xung IGT
Hình 3.22 Kiểm tra tín hiệu IGT bằng máy hiện sóng
Hình 3.23 Kiểm tra tín hiệu IGF
Hình 3.24 Kiểm tra điện trở rơ le bơm
Hình 3.25 Kiểm tra hoạt động của rơ le bơm
Hình 3.26 Sơ đồ nguyên lý mạch bơm xăng
Hình 3.27 Lắp kim phun vào dụng cụ chuyên dùng để kiểm tra lượng phun
Hình 3.28 Dùng ắc quy điều khiển kim phun
Hình 3.29 Kiểm tra chùm tia phun của kim phun
Hình 3.30 Sự rò rỉ nhiên liệu ở đầu kim phun
Hình 3.31 Sơ đồ mạch điện đấu đèn LED để kiểm tra kim phun
Phần 2
Hình 1: Sơ đồ mạch cấp nguồn cho ECU
Hình 2: Hộp ECU 3S-FE
Hình 3: Sơ đồ mạch điện của máy khởi động
Hình 4: Sơ đồ mạch điều khiển kim phun
Hình 5: Sơ đồ mạch điện của bơm nhiên liệu
Hình 6: Sơ đồ mạch đánh lửa Bobine đơn
Hình 7: Sơ đồ mạch đánh lửa Bobine đôi
Hình 8: Sơ đồ mạch đánh lửa IC+Bobine rời sử dụng bộ chia
Hình 9: Sơ đồ mạch điện của cảm biến nhiệt độ không khí nạp
Hình 10: Sơ đồ mạch điện của cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Hình 11: Sơ đồ mạch điện kiểm tra tín hiệu phun xăng bằng LED

4

PHẦN 1: NGHIÊN CỨU, KHAI THÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ TOYOTA CAMRY
CHƯƠNG I
KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TRÊN ĐỘNG CƠ
TRÊN Ô TÔ
1.1 Lịch sử phát triển
Vào thế kỷ 19, một kỹ sư người Pháp – ông Stevan đã nghĩ ra cách phun nhiên
liệu cho một máy nén khí. Sau đó một thời gian, một người Đức đã cho phun
nhiên liệu vào buồng cháy nhưng không mang lại hiệu quả. Đầu thế kỷ 20, người
Đức áp dụng hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ 4 thì tĩnh tại (nhiên liệu dùng
trên động cơ này là dầu hỏa nên hay bị kích nổ và hiệu suất rất thấp). Tuy nhiên,
sau đó sáng kiến này đã được ứng dụng thành công trong việc chế tạo hệ thống
cung cấp nhiên liệu cho máy bay ở Đức. Đến năm 1966, hãng BOSCH đã thành
công trong việc chế tạo hệ thống phun xăng kiểu cơ khí. Trong hệ thống phun
xăng này, nhiên liệu được phun liên tục vào trước supap hút nên có tên gọi là K –
Jetronic (K – Konstant – liên tục, Jetronic – phun). K – Jetronic được đưa vào sản
xuất và ứng dụng trên các xe của hãng Mercedes và một số xe khác, là nền tảng
cho việc phát triển các hệ thống phun xăng thế hệ sau như KE – Jetronic, Mono –
Jetronic,
L – Jetronic, Motronic…
5


Tên tiếng Anh của K – Jetronic là CIS (continuous injection system) đặc trưng cho
các hãng xe Châu Âu và có 4 loại cơ bản cho CIS là: K – Jetronic, K – Jetronic với
các cảm biến oxy và KE – Jetronic (có kết hợp điều khiển bằng điện tử) hoặc KE –
Motronic (kèm điều khiển góc đánh lửa sớm). Do hệ thống phun cơ khí còn nhiều
nhược điểm nên đầu những năm 80, BOSCH đã cho ra đời hệ thống phun sử dụng

kim phun điều khiển bằng điện. Có hai loại: hệ thống L – Jetronic (lượng nhiên
liệu phun được xác định nhờ cảm biến đo lưu lượng khí nạp) và D – Jetronic
(lượng nhiên liệu phun được xác định dựa vào áp suất trên đường ống nạp).
Đến năm 1984, người Nhật (mua bản quyền của BOSCH) đã ứng dụng hệ thống
phun xăng L – Jetronic và D – Jetronic trên các xe của hãng Toyota (dùng với
động cơ 4A – ELU). Đến năm 1987, hãng Nissan dùng L– Jetronic thay cho bộ
chế hoà khí của xe Nissan Sunny.
Song song với sự phát triển của hệ thống phun xăng, hệ thống điều khiển đánh lửa
theo chương trình (ESA – Electronic Spark Advance) cũng được đưa vào sử dụng
vào những năm đầu thập kỷ 80. Sau đó, vào đầu những năm 90, hệ thống đánh lửa
trực tiếp (DIS – Direct Ignition System) ra đời, cho phép không sử dụng delco và
hệ thống này đã có mặt trên hầu hết các xe thế hệ mới.
Ngày nay, gần như tất cả các ôtô đều được trang bị hệ thống điều khiển động cơ cả
động cơ xăng và động cơ Diesel theo chương trình, giúp động cơ đáp ứng được
các yêu cầu gắt gao về khí xả và tính tiết kiệm nhiên liệu. Thêm vào đó công suất
động cơ cũng được cải thiện rõ rệt.
Những năm gần đây, một thế hệ mới của động cơ phun xăng đã ra đời. Đó là động
cơ phun xăng trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection). Trong tương lai gần, chắc
chắn GDI sẽ được sử dụng rộng rãi.
1.2 Một số khái niệm về hệ thống điều khiển tự động sử dụng trên ôtô
 Hệ thống điều khiển tự động là gì ?

Hệ thống điều khiển tự động là hệ thống không có sự tham gia trực tiếp của con
người trong quá trình điều khiển.


Hệ thống điều khiển vòng hở
6

Là hệ thống thực hiện nguyên tắc khống chế cứng. Tức là tín hiệu ra Y không
cần đo lường để đưa trở về ban đầu. Mọi sự thay đổi của tín hiệu ra Y không phản
ánh vào thiết bị điều khiển. Tín hiệu X đặt vào như thế nào thì tín hiệu Y ra như thế
ấy, khả năng phản hồi của hệ thống hở không có.
Hệ thống điều khiển vòng kín



Là hệ thống thực hiện điều khiển có phản hồi tức là tín hiệu Y được đo lường và
dẫn đến đầu vào phối hợp với tín hiệu X tác dụng lên thiết bị điều khiển để tạo ra tín
hiệu U sau đó tác động vào đối tượng điều khiển gây ra sự biến đổi Y.

1.3 Sơ đồ cấu trúc và các khối chức năng
 Một trong những vấn đề chủ yếu mà điều khiển tự động trên ô tô phải giải
quyết là điều khiển các thông số ra của các hệ thống trang bị trên xe sao cho đảm
bảo tính năng và sự an toàn của ô tô là tốt nhất trong mọi điều kiện hoạt động. Đối
với ôtô khi vận hành luôn có sự thay đổi về tốc độ, tải trọng, khí hậu môi trường,
điều kiện mặt đường… Vì cần phải điều khiển các thông số
ra cho những hệ thống
Compurator
trên ô tô khá đa dạng và phức tạp, ngoài ra các hệ thống này còn chịu ảnh hưởng
của những tác động bên ngoài. Do vậy, điều khiển tự động trên ôtô thường áp
dụng hệ thống điều khiển kín và có hồi tiếp. Sự áp dụng loại hệ thống này tạo
được mối liên hệ trực tiếp giữa những tác động cần thiết để điều khiển hệ thống
với các thông số hoạt động của hệ thống đồng thời loại bỏ những tác động nhiễu
đến thông số này đảm bảo cho giá trị của chúng luôn phù hợp với giá trị mà
ta mong muốn.
 Các hệ thống được điều khiển tự động trang bị trên ôtô hiện nay là những
hệ thống điều khiển bằng máy tính (Computer Control System). Trong đó phần tử
điều khiển (Controller) gồm: một máy tính có phối hợp các thiết bị giao tiếp đầu

vào, đầu ra, các cảm biến (Sensors ) và các thiết bị thực hiện (Actators). Các thuật
toán điều khiển được tính toán và lập chương trình ghi vào bộ nhớ của máy tính.

7


 Các cảm biến có vai trò xác định thông tin và hoạt

động của động cơ cũng như các thông tin về môi
trường ngoài có liên quan đến sự hoạt động của động
cơ, những thông tin này ở dạng các tín hiệu điện áp
được cảm biến gửi về bộ vi xử lý thông qua thiết bị
giao tiếp đầu vào (khuyếch đại, chuyển đổi A/D …)
 Bộ vi xử lý sẽ so sánh những thông tin này so với

những thông tin trong bộ nhớ máy tính để từ đó phát ra
tín hiệu điều khiển thích hợp. Tín hiệu điều khiển U
được gửi đến các thiết bị thực hiện thông qua các thiết
bị kiểm soát giao tiếp đầu ra để tác động điều khiển
các thông số hoạt động của động cơ.
1.4 Thuật toán điều khiển lập trình cho ECU.
Thuật toán điều khiển lập trình cho động cơ được nhà chế tạo viết và cài đặt
sẵn trong CPU. Tuỳ thuộc vào từng chế độ làm việc hay tình trạng động cơ mà
ECU tính toán dựa trên lập trính có sẵn đó để đưa ra những tín hiện điều khiển sao
cho động cơ làm việc tối ưu nhất.
1.4.1 Lý thuyết điều khiển

8

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển động cơ với liên hệ ngược
Các hệ thống điều khiển kiểu cổ điển trên ô tô thường được thiết kế với liên hệ
ngược (feedback control). Mặc dù trong một hệ thống điều khiển có nhiều thông
số phụ thuộc, đầu tiên ta hãy xem xét hệ thống với một thông số. Sơ đồ nguyên lý
của hệ thống này được trình bày trên hình.
Thông số điều khiển xuất hiện ở đầu ra được ký hiệu ξ(t). Tín hiệu so R(t) đã
Vξ ( t )

được định sẵn. Cảm biến sẽ đưa ra tín hiệu

tỉ lệ thuận với ξ(t), tức là:

Vξ ( t ) = k s .ξ ( t )

Khi đó sẽ xuất hiện sự chênh lệch điện thế giữa tín hiệu thực và tín hiệu so Ve(t):
Ve ( t ) = r ( t ) − Vξ ( t )
Nếu hệ thống làm việc lý tưởng thì giá trị V e(t) trong một khoảng thời gian nào đó
(ví dụ ở chế độ động cơ đã ổn định) phải bằng 0. Trên thực tế giữa 2 tín hiệu nêu
trên luôn có sự chênh lệch và mạch điện điều khiển điện tử sẽ dựa vào sự chênh
lệch này để hình thành xung V a(t) điều khiển cơ cấu chấp hành (chẳng hạn kim
phun). Việc thay đổi sẽ tác động đến thông số đầu vào U(t) của động cơ (ví dụ như
tỉ lệ hòa khí).
 Ngày nay, có rất nhiều phương pháp điều khiển động

cơ dựa trên cơ sở sử dụng máy tính để xử lý tín hiệu.
Thông thường các máy tính này giải bài toán tối ưu có
điều kiện biên để điều khiển động cơ. Mục tiêu của bài
toán tối ưu là điều khiển động cơ đạt công suất lớn
nhất với mức tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất trong các
điều kiện giới hạn về độ độc hại của khí thải. Như vậy

ta có thể biểu diễn hệ thống điều khiển ô tô tối ưu
trong mối quan hệ của 3 vectơ sau:
y = ( y1 , y2 , y3 , y4 ) ;

9


u = ( u1 , u2 , u3 , u4 , u5 ) ;
x = ( x1 , x2 , x3 ) ;

Vectơ y(t) là hàm phụ thuộc vào các thông số ở ngõ ra bao gồm các thành phần:
y1 ( x( t ) , u ( t ) ) :

tốc độ tiêu hao nhiên liệu.

y2 ( x ( t ) , u ( t ) ) :
y3 ( x( t ) , u ( t ) ) :

tốc độ phát sinh HC.
tốc độ phát sinh CO.

y4 ( x ( t ) , u ( t ) ) :

tốc độ phát sinh NOx.

Vectơ x(t) mô tả tình trạng của động cơ tức điều kiện hoạt động , phụ thuộc vào
các thông số:
x1: áp suất trên đường ống nạp.
x2: tốc độ quay của trục khuỷu.
x3: tốc độ xe.

Vectơ u(t) mô tả các thông số được hiệu chỉnh bởi hệ thống điện tử, bao gồm các
thành phần:
u1: tỉ lệ khí-nhiên liệu trong hòa khí
u2: góc đánh lửa sớm.
u3: sự lưu hồi khí thải (EGR-Exhaust Gas Recirculation).
u4: vị trí bướm ga.
u5: tỉ số truyền của hộp số.
Để giải bài toán tối ưu nêu trên với các điều kiện biên, người ta xác định mục tiêu
tối ưu là lượng tiêu hao nhiên liệu F theo chu trình thử EPA :

10


T

F = ∫ y1 ( x( t ) , u ( t ) ) d ( t )
0

Trong đó:
T

T

0

0

G3 = ∫ y3 ( x( t ) , u ( t ) ) dt 〈 G3 G2 = ∫ y2 ( x( t ) , u ( t ) ) dt 〈 G2

x3(t) là tốc độ xe quy định khi thử

nghiệm xác định thành phần khí thải theo chu trình EPA, t là thời gian thử nghiệm.
Như vậy, động cơ đốt trong sẽ được điều khiển sao cho F luôn đạt giá trị nhỏ nhất
với điều kiện biên là quy định của các nước về nồng độ các chất độc hại trong khí
thải.
Trong đó:
G2, G3, G4 hàm lượng chất độc trong khí xả theo qui định tương ứng với HC, CO
và NOX. Trong quá trình xe chạy, các vectơ x(t), u(t) là các thông số động. Khi
giải bài toán tối ưu nêu trên, ta cũng có thể đặt ra các giới hạn của vectơ này.
Trên thực tế, các kết quả tối ưu thường được xác định bằng thực nghiệm và được
nạp vào bộ nhớ ROM dưới dạng bảng tra.

11


Hình 1.3 Thuật toán điều khiển động cơ
1.4.2 Phương pháp đo khối lượng khí nạp
Một yếu tố quan trọng trong điều khiển phun xăng là phải xác định được
khối lượng không khí nạp đi vào xy lanh. Lượng xăng tương ứng sẽ được tính toán
để bảo đảm tỉ lệ hòa khí mong muốn. Thực tế, chúng ta không thể đo chính xác
12


khối lượng không khí đi vào từng xy lanh. Vì vậy, khi điều khiển động cơ phun
xăng, người ta thường dựa trên lưu lượng không khí đi qua đường ống nạp tính
bằng khối lượng.
Có phương pháp để xác định khối lượng không khí: trong phương pháp trực
tiếp, khối lượng không khí được đo bằng cảm biến dây nhiệt. Trong phương pháp
gián tiếp, người ta sử dụng cảm biến đo thể tích không khí (dùng cảm biến đo gió
loại cánh trượt, cảm biến Karman…) hoặc cảm biến đo áp suất trên đường ống nạp

(Map sensor), sau đó phối hợp với cảm biến đo nhiệt độ khí nạp và cảm biến tốc
độ động cơ để tính toán khối lượng không khí. Phần tính toán được cài sẵn trong
ROM. Phương pháp này còn gọi là phương pháp tốc độ – tỉ trọng.
 Phương pháp trực tiếp

Hình 1.4 Hệ thống điều khiển động cơ sử dụng phương pháp đo trực tiếp
khối lượng khí nạp

13


 Phương pháp tốc độ tỉ trọng

Hình 1.5 Hệ thống điều khiển động cơ sử dụng phương pháp tốc độ – tỉ trọng
Đối với một thể tích không khí V ở điều kiện nhiệt độ T và áp suất P, tỉ trọng của
không khí được xác định bởi:

da =

Ma
V

Trong đó Ma là khối lượng không khí của thể tích V
Hay:

M a = d aV

Rm
Như vậy, lưu lượng không khí tính bằng khối lượng

có thể suy ra từ lưu lượng

Rv
không khí tính bằng thể tích

Rm = Rv d a
Phối hợp với cảm biến đo áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp và nhiệt độ khí
nạp, máy tính có thể xác định tỉ trọng da theo biểu thức:
14


da = d0

pT0
p0T

Trong đó:

d0
: tỉ trọng của không khí ở điều kiện áp suất khí quyển ở mực nước biển, và

nhiệt độ trong phòng

T0 = 2930 K

.

R × 120
p T0
 n D


Rm = 
ηv − REGR ÷d 0 ×
×
Rmc = m
p0 T
nZ
 60 2


Lưu lượng không khí tính bằng thể tích đi qua bướm ga thường được dựa vào cảm
biến tốc độ động cơ:

Rv =

n D
ηv
60 2

Trong đó:
D: dung tích xy lanh

ηv
: hiệu suất nạp tính bằng thể tích.

ηv
: có giá trị thay đổi từ 0 đến 1, phụ thuộc vào áp suất tuyệt đối trên đường ống
nạp và tốc độ động cơ, thông thường được xác định bằng thực nghiệm và được ghi
vào ROM.
Trong trường hợp động cơ với cảm biến đo áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp,

có sử dụng hệ thống luân hồi khí thải (EGR-exhaust gas recirculation), một phần
khí thải sẽ quay lại đường ống nạp khi nhiệt độ động cơ cao. Vì vậy lưu lượng
không khí tính bằng khối lượng sẽ bằng:
p T
 n D

Rm = 
ηv − REGR ÷d 0 × × 0
p0 T
 60 2

15


Cần lưu ý rằng lưu lượng khí thải đi qua van luân hồi R EGR thường được xác định
bằng thực nghiệm, phụ thuộc vào độ mở của van và phương cách kiểm soát hàm
lượng NOX ở nhiệt độ cao. Đối với hệ thống điều khiển phun xăng sử dụng bộ đo
gió cánh trượt hoặc đo gió dây nhiệt, chúng ta không cần quan tâm đến giá trị

REGR
vì nó không ảnh hưởng đến lưu lương không khí cần tính.
Như vậy, trong quá trình làm việc của động cơ với hệ thống phun xăng D-Jetronic
(sử dụng MAP sensor), lưu lượng không khí tính bằng khối lượng đi qua bướm ga
được xác định chủ yếu bằng các cảm biến: tốc độ động cơ, áp suất tuyệt đôí trên
đường ống nạp, nhiệt độ khí nạp và độ mở của van luân hồi khí thải.
Nếu động cơ có số xy lanh là Z, khối lượng không khí đi vào mỗi xy lanh sẽ là:

Rmc =

Rm ×120

nZ

Từ đó, lượng nhiên liệu cần phun vào một xy lanh:

m fc =

Với

( A/ F )d

Rmc
( A/ F )d

: là tỉ lệ hòa khí mong muốn.
Rinj

Thời gian mở kim phun căn bản sẽ phụ thuộc vào lưu lượng của kim phun

tb =

:

m fc
Rinj

Nếu bộ điều áp (pressure regulator) được sử dụng. Rinj sẽ gần như một hằng số nhờ
sự chênh lệch áp suất trên ống dẫn xăng đến đầu kim phun và đuôi kim phun (áp
suất trên đường ống nạp) không đổi. Trên một số không sử dụng điều áp, bản đồ
sự phụ thuộc của lưu lượng kim phun vào áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp
phải được ghi vào ROM.

16


Như vậy, để xác định thời gian phun căn bản, ROM trong ECU dùng với cảm biến

ηv
MAP, ngoài giá trị

còn phải nhớ đến các biểu thức để tính toán dựa trên các

cảm biến đã nêu. Sau 2 vòng quay của trục khuỷu động cơ, ECU sẽ lập lại các
phép tính nêu trên.
Phương pháp tốc độ tỉ trọng có thể được thực hiện bằng cách thông qua bảng tra
ROM như hình 1.6

Hình 1.6 Bảng tra ROM

ηv
Như mô tả trong hình, ba giá trị cần được xác định là: hiệu suất nạp

da
không khí nạp

, tỉ trọng

RE
, và lưu lượng khí xả luân hồi EGR

. Hiệu suất nạp được đọc

từ ROM với một địa chỉ xác định từ đại lượng đo MAP và EGR. Tỉ trọng không
khí nạp được đọc từ ROM với một địa chỉ được xác định từ các đại lượng đo MAP

Ti
và

. Lưu lượng thể tích EGR được đọc từ ROM với một địa chỉ được xác định

từ sự chênh lệch áp suất DP và vị trí van EGR.
Lưu lượng không khí tính bằng khối lượng:

 n D

Rm = 
ηv − REGR ÷d a
 60 2


17


1.5 Các chế độ điều khiển nhiên liệu
Động cơ có chế độ hoạt động khác nhau khi điều kiện hoạt động thay đổi.
Trong khi động cơ quay khởi động và chế độ hâm nóng động cơ bộ điều khiển
giữ tỉ lệ hoà khí A/F ở một giá trị thấp (hoà khí giàu nhiên liệu).
Sau chế độ làm nóng, bộ điều khiển vẫn hoạt động ở chế độ điều khiển vòng
hở cho đến khi các giá trị đọc chính xác. Bộ điều khiển sau đó chuyển sang và duy
trì ở chế độ điều khiển vòng kín dưới những điều kiện lái xe thông thường.
Suốt quá trình tăng tốc hoặc giảm tốc, bộ điều khiển điều chỉnh tỉ lệ A/F cần
thiết. Khi tăng tốc hoặc tải nặng, chế độ điều khiển lựa chọn một biểu đồ cung cấp

một hòa khí giàu cho thời điểm tăng tốc hoặc tải nặng. Trong chế độ giảm tốc, tỉ lệ
hòa khí A/F được tăng để giảm thành phần khí xả HC và CO từ nhiên liệu dư
không cháy hết.
Trong chế độ không tải, một lượng gió được điều khiển đi tắt qua cánh bướm
ga vào động cơ nhằm tăng lượng hỗn hợp để giữ tốc độ cầm chừng khi động cơ
hoạt động ở các chế độ tải khác nhau.
Hệ thống điều khiển chọn một chế độ hoạt động phù hợp dựa trên điều kiện
hoạt động tức thời được xác định từ các giá trị đo được của các cảm biến.
Tương ứng với các chế độ hoạt động, một tỉ lệ hòa khí A/F phù hợp được
chọn. Bộ điều khiển sau đó xác định lượng nhiên liệu phun vào mỗi xy lanh trong
mỗi chu kỳ hoạt động của động cơ. Lượng nhiên liệu này phụ thuộc vào các điều
kiện hoạt động riêng biệt.
1.5.1 Chế độ quay khởi động
Trong khi động cơ quay khởi động, hệ thống điều khiển nhiên liệu phải cung
cấp một tỉ lệ hòa khí từ 2:1 đến 12:1 phụ thuộc vào nhiệt độ động cơ (nhiệt độ
nước làm mát động cơ). Tỉ lệ hòa khí đúng được chọn từ một bảng tra ROM với
hàm của nhiệt độ nước làm mát. Khi nhiệt độ động cơ thấp khả năng hoá hơi của
nhiên liệu kém do đó làm giảm khả năng phun sương của nhiên liệu và lượng
nhiên liệu hòa trộn với không khí không hết dẫn đến hòa khí nghèo vì vậy ở chế
độ này cần phải cung cấp một tỉ lệ A/F giàu nhiên liệu.
18


1.5.2 Chế độ hâm nóng
Trong khi động cơ quay khởi động, một tỉ lệ A/F giàu nhiên liệu vẫn được
cung cấp để giữ cho động cơ chạy một cách trơn tru, nhưng yêu cầu tỉ lệ A/F thay
đổi khi nhiệt độ tăng. Điều khiển nhiên liệu vẫn trong chế độ điều khiển vòng hở
nhưng việc điều khiển tỉ lệ A/F vẫn tiếp tục thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Mục
đích của chế độ này là làm cho động cơ hoạt động trơn tru và nhanh chóng được
hâm nóng, tính kinh tế nhiên liệu và điều khiển chống ô nhiễm không quan trọng ở

chế độ này.

Hình 1.7 Bảng tra tỉ lệ A/F
Về bản chất, giá trị nhiệt độ nước làm mát đo được được chuyển đổi đến một địa
chỉ của bảng tra. Địa chỉ này được cung cấp đến bảng tra thông qua hệ thống Bus.
1.5.3 Chế độ tải trung bình
Đây là chế độ làm việc ổn định của động cơ và là chế độ hoạt động thường
xuyên nên yêu cầu tỷ lệ hỗn hợp ở chế độ này loãng, để tiết kiệm nhiên liệu và
giảm lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường. Ở chế độ này có hai xu hướng điều
chỉnh tỷ lệ hỗn hợp, hỗn hợp giàu hoặc hỗn hợp nghèo (rich burn or poor burn).
Nếu điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp theo hướng rich burn thì λ dao động trong
khoảng (=1) hỗn hợp cháy tốt, động cơ phát huy được công suất, suất tiêu hao
nhiên liệu là nhỏ nhất. Đồng thời lượng khí thải CO, HC nhỏ nhất, nhưng NO X lại
đạt giá trị lớn nhất.
Nếu điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp theo hướng poor lean burn thì λ>1 sẽ giảm được
CO, NOX còn HC tăng một ít.

19


1.5.4 Chế độ đầy tải (trợ tải)
Chế độ này bướm ga mở lớn, hỗn hợp đòi hỏi phải đậm để tăng công suất động
cơ (λ = 0,8÷ 0,9 ).
1.5.5 Chế độ tăng tốc
Khi tăng tốc bướm ga mở đột ngột, đòi hỏi phải gia tăng thêm một lượng
nhiên liệu để tăng công suất động cơ. Hỗn hợp đậm CO, HC cao và NO X cũng
tăng do nhiệt độ buồng cháy tăng.
1.5.6 Chế độ giảm tốc
Chế độ này công suất động cơ giảm (bướm ga đóng đột ngột), do đó yêu cầu
phải giảm nhiên liệu để tiết kiệm và giảm ô nhiễm môi trường. Vì khi bướm ga

đóng đột ngột tốc độ động cơ vẫn cao, độ chênh lệch chân không trong buồng
cháy lớn làm giảm tốc độ lan truyền màng lửa nhiên liệu cháy không hết CO, HC
tăng cao, NOX giảm.

20


CHƯƠNG 2
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TOYOTA 2AZ-FE
2.1 Mô tả hệ thống
Các chức năng của hệ thống điều khiển động cơ như EFI, ESA và ISC, chúng
điều khiển các tính năng cơ bản của động cơ, chức năng chẩn đoán, rất hữu ích khi
sửa chữa, chức năng dự phòng và an toàn chỉ hoạt động khi có trục trặc trong các
hệ thống điều khiển này. Ngoài ra còn có các thiết bị điều khiển phụ trên động cơ
như hệ thống điều khiển cắt số truyền tăng, hệ thống điều khiển khí nạp v.v. Các
chức năng này đều được điều khiển bằng ECU động cơ.

21


Hình 2.1 Sơ đồ các bộ phận trong hệ thống điều khiển động cơ 2AZ-FE

2.2 Hệ thống điều khiển động cơ Toyota 2AZ-FE
Ngày nay với sự ra đời và phát triển mạnh của khoa học - công nghệ tự động
điều khiển đã làm cơ sở và nền tảng cho việc thiết lập các hệ thống điều khiển theo
chương trình trên động cơ 2AZ-FE đã giải quyết được các vấn đề hiện đang đặt ra
như: công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, khí thải…
Hệ thống điều khiển động cơ có thể chia thành 3 nhóm chính:
•
•

Các cảm biến
ECU động cơ
22


•

Các cơ cấu chấp hành

SƠ ĐỒ KHỐI

23


24


2.3 Hệ thống các cảm biến
2.3.1 Mô tả
Hệ thống điều khiển động cơ gồm các cảm biến, ECU động cơ, và các bộ chấp
hành. Chương này giải thích các cảm biến (các tín hiệu), sơ đồ mạch điện và và các
điện áp cực của cảm biến.
Các chức năng của ECU động cơ được chia thành điều khiển EFI, điều khiển
DIS, điều khiển ISC, chức năng chẩn đoán, các chức năng an toàn, dự phòng và các
chức năng khác.

Cảm biến

Cảm biến

Bộ chấp hành

ECU

Cảm biến

Bộ chấp hành

Bộ chấp hành

Hình 2.2 Hệ thống điều khiển điện tử của động cơ
Mạch nguồn
Mạch nguồn là các mạch điện cung cấp điện cho ECU của động cơ. Các mạch
điện này bao gồm khoá điện, rơle chính EFI v.v.
Khi bật khóa điện ON, điện áp dương ắc quy được cấp đến cực IGSW của ECU.
Tín hệu ra từ cực MREL của ECU làm cho dòng điện chạy đến cuộn dây, đóng các
tiếp điểm của hộp đầu nối khoang động cơ (Rơle EFI) và cấp nguồn đến một trong
các cực +B hay +B2 của ECU.

25