ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG 5 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

CHƯƠNG 5

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Sau khi hoàn tất chương này, sinh khi có khả năng:
−

Trình bày được các hệ thống điện điều khiển trên ô tô, các thành phần chính và

chức năng của từng hệ thống.
− Mô tả cấu tạo và giải thích nguyên lý hoạt động của các hệ thống điều khiển động
cơ.
− Mô tả nguyên lý hoạt động, chức năng và phân loại các tín hiệu đầu vào điều
khiển động cơ.
− Trình bày được hệ thống chẩn đoán trên ô tô hiện đại.
Nội dung bài giảng
5.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển động cơ

5.1.1 Hoạt động cơ bản của động cơ
Yêu cầu đối với động cơ là phải đạt được công suất đầu ra cao, tiết kiệm nhiên liệu, và
lượng khí thải sinh ra thấp nhất, do đó các động cơ ngày nay đều hướng đến sử dụng hệ
thống điều khiển rất tinh vi. Sử dụng một máy tính (ECM) để quản lý các hệ thống khác
nhau của động cơ. Có thể chia ra thành các vùng cơ bản như :
-

Hệ thống nạp khí.
Hệ thống nhiên liệu.
Hệ thống đánh lửa
Hệ thống điều khiển khí thải

Các hệ thống kể trên đều được điều khiển bởi ECM, ECM và các cảm biến, cơ cấu chấp

hành của nó được gọi là hệ thống điều khiển điện tử. hệ thống có nhiệm vụ giữ cho động
cơ hoạt động tối ưu ( tỉ lệ hòa khí, hiệu suất nhiên liệu và thời điểm đánh lửa).
5.1.2 Hệ thống nạp khí


Hình 5.1: Hệ thống nạp khí cơ bản
Không khí được lọc bởi bộ lọc khí được đo bởi cảm biến đo lượng khí nạp ( thường gọi
là cảm biến lưu lượng khí nạp ). Thể tích của không khí được điều tiết bởi bướm ga. Van
điều khiển cầm chừng điều tiết lượng không khí đi tắt vào động cơ mà không qua bướm
ga để điều chỉnh tốc độ cầm chừng.
Có nhiều dạng hệ thống nạp khí khác nhau, gồm hệ thống nạp khí không tăng áp và một
số động cơ còn sử dụng hệ thống tang áp nhằm tăng hiệu suất nạp.


5.1.3 Hệ thống nhiên liệu

Hình 5.2: Hệ thống phun nhiên liệu cơ bản
Hệ thống nhiên liệu cần cung cấp một lượng nhiên liệu chính xác vào các xy lanh theo
các điều kiện khác nhau của động cơ.
Nhiên liệu được tạo áp suất bởi bơm nhiên liệu và chuyển đến các kim phun. Có một van
điều áp được bố trí trong thùng chứa nhiên liệu hoặc trên ống phân phối để điều chỉnh áp
suất nhiên liệu phù hợp. ECM sẽ điều khiển thời gian mở của kim phun, các kim phun
khi mở sẽ cho phép nhiên liệu phun vào đường ống nạp. ECM sẽ tính toán lượng phun
dựa trên các thông số khác nhau, cơ bản là nhiệt độ và thể tích khí nạp.
5.1.4 Hệ thống đánh lửa


Hình 5.3: Hệ thống đánh lửa cơ bản
Dựa vào các điều kiện hoạt động của động cơ, ECM sẽ xác định thời điểm đốt cháy hỗn
hợp không khí – nhiên liệu theo một chương trình đã được lập trình sẵn. Bộ điều khiển

đánh lửa sẽ điều khiển đóng mở dòng sơ cấp của bô bin dựa trên tín hiệu từ ECM. Điện
thế cao áp sinh ra trên bô bin sẽ tạo ra tia lửa điện.
5.1.5 Hệ thống điều khiển không tải
Hệ thống ISC điều khiển tốc độ không tải sao cho nó luôn luôn thích hợp ở các điều kiện
thay đổi (hâm nóng, phụ tải điện, v.v...) Để giảm thiểu mức tiêu thụ nhiên liệu và tiếng
ồn, một động cơ phải hoạt động ở tốc độ càng thấp càng tốt trong khi vẫn duy trì một chế
độ chạy không tải ổn định. Hơn nữa, tốc độ chạy không tải phải tăng lên để đảm bảo việc


hâm nóng và khả năng làm việc thích hợp khi động cơ lạnh hoặc đang sử dụng máy điều
hòa không khí.
5.1.6 Hệ thống chẩn đoán
ECU động cơ có một hệ thống chẩn đoán. ECU luôn luôn giám sát các tín hiệu đang
được chuyển vào từ các cảm biến khác nhau. Nếu nó phát hiện một sự cố với một tín hiệu
vào, ECU sẽ ghi sự cố đó dưới dạng của những DTC (Mã chẩn đoán hư hỏng) và làm
sáng MIL (Đèn báo hư hỏng). Nếu cần ECU có thể truyền tín hiệu của các DTC này bằng
cách nhấp nháy đèn MIL hoặc hiển thị các DTC hoặc các dữ liệu khác trên màn hình của
máy chẩn đoán cầm tay. Các chức năng chẩn đoán phát ra các DTC và các dữ liệu về một
sự cố trên một máy chẩn đoán có dạng tiên tiến và hoàn chỉnh cao của hệ thống điện tử.


5.1.7 Hệ thống điều khiển động cơ bằng điện tử

Hình 5.4: Hệ thống điều khiển động cơ cơ bản
Hệ thống điều khiển động cơ bao gồm các cảm biến để phát hiện các điều kiện hoạt động
khác nhau của động cơ, một máy tính được gọi là bộ điều khiển điện tử (ECM), và các cơ
cấu chấp hành để điều khiển động cơ. Hệ thống điều khiển động cơ chia làm 3 vùng :


Hình 5.5: Hệ thống điều khiển điện tử

-

Đầu vào .
Bộ xử lý.
Đầu ra.

5.1.7.1 Tín hiệu đầu vào


Hình 5.6: Tín hiệu đầu vào
Các cảm biến được sử dụng để chuyển các điều kiện hoạt động của động cơ như nhiệt độ,
số vòng quay, vị trí bướm ga, và các thong số khác thành các tín hiệu điện áp để ECM
giám sát. Với những thông tin này, ECM chạy các chương trình để điều khiển hoạt động
của động cơ và khí thải.
5.1.7.2 Bộ xử lý


Hình 5.7: Sơ đồ khối ECM
Bộ xử lý nhận các tín hiệu đầu vào, đối chiếu với các thông số được lập trình sẵn sau đó
đưa ra những hoạt động cần thiết. ECM cũng lưu các thông tin về xe/động cơ trong bộ
nhớ của nó, mã lỗi khi xảy ra sự cố và các thong tin chẩn đoán khác. ECM cũng có thể
tích hợp nhiều tính năng khác như điều khiển hộp số tự động.
Những ECM hiện nay đều có thông tin về xe như số VIN ( Vehicle identification number)
, mã phần mềm cài đặt trong ECM CALID ( Calibration identification), số xác minh phần
mềm của xe CVN ( Calibration verification number). Những thông tin này nhằm đảm bảo
thông số phần mềm đúng với kiểu xe này.


5.1.7.3 Tín hiệu đầu ra

Hình 5.8: Các thiết bị đầu ra
Những lệnh đầu ra điều khiển các cơ cấu chấp hành được gửi từ bộ xử lý đặt trong ECM
điều khiển bởi các transistor, các loại cơ cấu chấp hành đầu ra gồm :
-

Cuộn dây solenoid : kim phun, van điều khiển chân không…
Rờ le : mạch mở rờ le…
Transistor : bộ điều khiển đánh lửa…
Các bóng đèn : đèn báo lỗi…


-

Mô tơ : mô tơ điều khiển bướm ga…
Bộ xông : bộ xông cảm biến ô xy…

5.2 Hệ thống điều khiển điện tử động cơ

5.2.1 Hệ thống nạp khí
5.2.1.1 Khái niệm
Nhiệm vụ của hệ thống nạp khí là để lọc, định lượng và đo lượng khí nạp vào động cơ.
Không khí, được lọc bởi bộ lọc đi vào đường ống nạp, lượng khí nạp đi vào động cơ phụ
thuộc vào góc mở bướm ga và tốc độ động cơ.

Hình 5.9: Hệ thống nạp khí
Thể tích khí nạp được đo bằng cảm biến lưu lượng khí nạp đối với loại L – EFI, đối với
loại D – EFI, thể tích khí nạp được đo bằng cách giám sát áp suất trên đường ống nạp, giá
trị này được biến đổi tương đương với thể tích khí nạp vào động cơ.

Hình 5.10: Sơ đồ hệ thống không tải
Bướm ga điều khiển trực tiếp thể tích khí nạp vào động cơ dựa trên yêu cầu của người lái.
Them vào đó, khi động cơ lạnh, cần cung cấp them một lượng khí đi tắt vào động cơ mà
không qua bướm ga để điểu chỉnh cầm chừng nhanh. Tính năng này được điều khiển bởi
một van điều khiển cầm chừng.

5.2.1.2 Phân loại
 Loại L – EFI :

Hình 5.11: L-EFI và D-EFI


Loại này sử dụng một cảm biến lưu lượng khí nạp để phát hiện lượng không khí chạy vào
đường ống nạp. Có hai phương pháp phát hiện: Một loại trực tiếp đo khối không khí nạp,
và một loại thực hiện các hiệu chỉnh dựa vào thể tích không khí
 Loại D – EFI :

Loại này đo áp suất trong đường ống nạp để phát hiện lượng không khí nạp theo tỷ
trọng của không khí nạp.
5.2.2 Hệ thống phun nhiên liệu điện tử
Hệ thống phun xăng điện tử ngày nay sử dụng phương pháp thông thường là cung cấp
nhiên liệu tạo thành một hỗn hợp dễ cháy vào buồng cháy của động cơ. Mặc dù có thể
phun trực tiếp nhiên liệu vào trong xy lanh giống như động cơ diesel, tuy nhiên lại sinh ra
nhiều vấn đề cần giải quyết nên hiện nay trên ô tô vẫn sử dụng phương pháp phun nhiên
liệu vào đường ống nạp. Do đó, có 2 phương pháp phun nhiên liệu trên đường ống nạp,
một cách là sử dụng một kim phun để phun nhiên liệu vào trước bướm ga, cách thứ hai là
sử dụng một kim phun cho mỗi xy lanh, khi đó mỗi kim phun sẽ đặt trước xú páp nạp của
mỗi xy lanh. Hai hệ thống trên được gọi là hệ thống phun xăng đơn điểm và phun xăng
đa điểm.

Hình 5.12: Hệ thống phun nhiên liệu đơn điểm và đa điểm
5.2.2.1 Hệ thống phun xăng đơn điểm
Đây là dạng đơn giản nhất, gồm 1 kim phun bố trí trước bướm ga được điều khiển bởi
ECM, và đảm bảo tỉ lệ không khí – nhiên liệu chính xác được cung cấp vào buồng cháy
phù hợp với mọi điều kiện hoạt động của động cơ. Lượng nhiên liệu phun được ECM xác
định dựa vào tín hiệu từ cảm biến áp suất tuyệt đối đường ống nạp MAP (Manifold
Absolute Pressure ), cảm biến nhiệt độ khí nạp và cảm biến tôc độ động cơ.


Hình 5.13: Bố trí hệ thống phun đơn điểm
5.2.2.2 Hệ thống phun xăng đa điểm
 Giới thiệu :

Trong hệ thống phun xăng đa điểm, mỗi kim phun được bố trí trước xú páp nạp của
từng xy lanh, nhiên liệu cung cấp cho kim phun được từ ống phân phối.


Hình 5.14: Bố trí kim phun của hệ thống phun đa điểm
Áp suất nhiên liệu được điều chỉnh bởi một van điều áp, tùy theo từng chê độ làm việc
mà van điều áp điều chỉnh áp suất, tuy nhiên áp suất tối đa thong thường khoảng 2,5 Bar.


Hình 5.15: Van điều áp
Trong quá trình hoạt động, bơm nhiên liệu thường cung cấp nhiều nhiên liệu hơn mức
yêu cầu. Khi áp suất vượt quá mức yêu cầu, van số 5 bị nâng lên, nhiên liệu được hồi về
thùng chứa qua cổng số 6. Màng số 2 được điều khiển bởi độ chân không trong đường
ống nạp, cho phép lò xo và màng điều chỉnh áp suất nhiên liệu phù hợp với điều kiện hoạt
động. Khi bướm ga đóng lại, áp thấp điều khiển màng nâng lên, thắng được lực lò xo, áp
suất nhiên liệu sẽ giảm xuống, cho phép áp suất nhiên liệu xuống gần 1,8 Bar. Khi bướm

ga mở lớn, màng hạ xuống cho phép áp suất tăng lên đến 2,5 Bar.
Lượng nhiên liệu phun vào ống nạp được xác định bằng thời gian mở của kim phun. Khi
thay đổi thời gian mở của kim phun, lưu lượng phun sẽ thay đổi. Lượng nhiên liệu yêu
cầu cho mỗi động cơ khác nhau, tùy thuộc vào người thiết kế và được lưu trong bộ nhớ
của ECM (ROM). ECM sẽ nhận thông tin từ các cảm biến và so sánh các dữ liệu đầu vào
từ các cảm biến và so sánh với dữ liệu được lưu trong bộ nhớ máy tính. Từ việc so sánh
dữ liệu này, máy tính ECM cung cấp các dữ liệu đầu ra truyền dẫn đến các kim phun
thong qua dây dẫn dưới dạng xung điện. thời gian của các xung điện này thay đổi từ 2 ms


đến 10 ms. Khái niệm chu kỳ làm việc ( Duty cycle) là tỉ số thời gian xung ON trên chu
kỳ.

Hình 5.16: Dạng xung vuông
Hình trên thể hiện một dạng xung vuông cơ bản, một chu kỳ xác định bằng C, thời gian
mở A và thời gian tắt là B. Chu kỳ làm việc là tỉ số thời gian mở A với chu kỳ C quy ra
phần trăm. Tương tự hình trên thì chu kỳ làm việc là 25%.
Hoạt động của hệ thống nhiên liệu cũng giống như hệ thống đánh lửa, dựa vào các tín
hiệu đầu vào, ECM điều chỉnh lưu lượng phun theo biểu đồ phun. Điểm khác giữa biểu
đồ phun với biểu đồ đánh lửa là tải động cơ được nhận biết từ vị trí bướm ga và góc đánh
lửa sớm thay bằng tỉ lệ không khí – nhiên liệu. Biểu đồ phun được lưu trong bộ nhớ
ROM của ECM và được so sánh với các tín hiệu đầu vào từ các cảm biến, nhờ đó máy
tính co thể xác định được xung điều khiển phun nhiên liệu.
Trong hệ thống phun xăng đa điểm, bố trí một kim phun cho mỗi xy lanh của động cơ.
Các kim phun này được thiết kế để phun nhiên liệu trước xú páp nạp, vị trí và góc phun
thực tế khác nhau theo từng loại động cơ.
Trong hệ thống như trên hình, lượng khí nạp được đo bằng cảm biến lưu lượng khí nạp
loại dây nhiệt. Máy tính sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến lưu lượng khí nạp và kết hoepj tín
hiệu này cùng tín hiệu từ các cảm biến khác như là tốc độ động cơ, nhiệt độ nước làm
mát, vị trí bướm ga …để xác định độ rộng xung phun.

 Các bộ phận :

Nhiên liệu được lấy từ bình nhiên liệu bằng bơm nhiên liệu và được phun dưới áp suất
bởi kim phun.
Áp suất nhiên liệu trong đường ống nhiên liệu phải được điều chỉnh để duy trì việc phun
nhiên liệu ổn định bằng bộ điều áp và bộ giảm rung động.


Hình 5.18: Bố trí hệ thống nhiên liệu
Các bộ phận chính
• Bình nhiên liệu
• Cụm bơm nhiên liệu
• Bơm nhiên liệu
• Lưới lọc của bơm nhiên liệu
• Bộ lọc nhiên liệu
• Bộ điều áp
• Ống phân phối
• Kim phun
• Bộ giảm rung động
Bơm nhiên liệu :
Bơm nhiên liệu được lắp trong bình nhiên liệu và được kết hợp với bộ lọc nhiên liệu, bộ
điều áp, bộ đo nhiên liệu, v.v... Cánh bơm được mô tơ quay để nén nhiên liệu. Van một
chiều đóng lại khi bơm nhiên liệu dừng để duy trì áp suất trong đường ống nhiên liệu và
làm cho việc khởi động động cơ dễ dàng hơn. Nếu không có áp suất, dễ xảy ra hiện tượng
khoá hơi ở nhiệt độ cao, làm cho việc khởi động lại khó khăn. Van an toàn mở ra khi áp
suất ở phía cửa ra trở nên quá cao, nhằm ngăn chặn áp suất nhiên liệu trở nên quá cao
-


này.

Hình 5.19: Cấu tạo bơm nhiên liệu
-

Bộ điều áp :

Hình 5.20: Cấu tạo bộ điều áp
Bộ điều áp này điều chỉnh áp suất nhiên liệu vào kim phun ở 324 kPa (3,3 kgf/cm 2).
(Các giá trị này có thể thay đổi tuỳ theo kiểu của động cơ).
Ống phân phối liên tục điều chỉnh áp suất nhiên liệu để giữ cho áp suất nhiên liệu
cao hơn áp suất được xác định từ áp suất đường ống nạp. Độ chân không của đường ống
nạp được đặt vào buồng trên của màng chắn, áp suất nhiên liệu được điều chỉnh bằng
cách thay đổi áp suất nhiên liệu khi van mở ra theo độ chân không của đường ống nạp.
Nhiên liệu được trả về bình nhiên liệu qua ống hồi nhiên liệu.
Lỗ phun của kim phun có độ chân không gây ra bởi chân không của đường ống nạp, nó
hút nhiên liệu ra. Độ chân không này luôn luôn thay đổi theo các tình trạng của động cơ.


Do đó, vì áp suất nhiên liệu của loại này được điều chỉnh liên tục bằng độ chân không
của đường ống nạp để duy trì áp suất nhiên liệu cao hơn áp suất đặt trước để duy trì một
lượng phun đã đặt trong thời gian phun.
- Bộ giảm rung động :
Bộ giảm rung này dùng một màng ngăn để hấp thụ một lượng nhỏ xung của áp suất nhiên
liệu sinh ra bởi việc phun nhiên liệu và độ nén của bơm nhiên liệu.

Hình 5.21: Bộ giảm rung động
-

Kim phun:

Kim phun phun nhiên liệu vào các cửa nạp của các xi lanh theo tín hiệu từ ECU động cơ.
Các tín hiệu từ ECU động cơ làm cho dòng điện chạy vào cuộn dây điện từ, làm cho
píttông bơm bị kéo, mở van để phun nhiên liệu. Vì hành trình của pít tông bơm không
thay đổi, lượng phun nhiên liệu được điều chỉnh tại thời điểm dòng điện chạy vào cuộn
điện từ này.

Hình 5.22: Cấu tạo kim phun


-

Lọc nhiên liệu :

Hình 5.23: Lọc nhiên liệu
Bộ lọc nhiên liệu khử bụi bẩn và các tạp chất trong nhiên liệu được bơm lên bởi bơm
nhiên liệu.
Lưới lọc của bơm nhiên liệu khử bụi bẩn và các tạp chất ra khỏi nhiên liệu trước khi đi
vào bơm nhiên liệu.
- Điều khiển bơm nhiên liệu :

Hình 5.24: Mạch điện điều khiển bơm nhiên liệu
+ Khoá điện ở vị trí ON:


Khi bật khoá điện ở vị trí IG, relay EFI bật.
+ Khoá điện ở vị trí START:
Khi động cơ quay khởi động, một tín hiệu STA (tín hiệu máy khởi động) được
truyền đến ECU động cơ từ cực ST của khoá điện. Khi tín hiệu STA được đa vào ECU
động cơ, động cơ bật ON transistor này và relay mở mạch được bật ON. Sau đó, dòng
điện được chạy vào bơm nhiên liệu để vận hành bơm.

+ Động cơ quay khởi động - nổ máy
Cùng một lúc khi động cơ quay khởi động, ECU động cơ nhận tín hiệu NE từ cảm biến vị
trí của trục khuỷu, làm cho transistor này tiếp tục duy trì hoạt động của bơm nhiên liệu.
+ Nếu động cơ tắt máy:
Thậm chí khi khoá điện bật ON, nếu động cơ tắt máy, tín hiệu NE sẽ không còn được đưa
vào ECU động cơ, nên ECU động cơ sẽ ngắt transistor này, nó ngắt relay mở mạch, làm
cho bơm nhiên liệu ngừng lại.
 Điều khiển thời gian phun :

Các phương pháp phun nhiên liệu và thời điểm phun :
Các phương pháp phun nhiên liệu bao gồm phun nhiên liệu độc lập cho từng xi lanh,
hoặc phun nhiên liệu đồng thời vào tất cả các xi lanh. Thời điểm phun cũng khác nhau,
nh phun ở thời điểm được xác định hoặc phun theo sự thay đổi của lượng không khí nạp
hoặc tốc độ của động cơ. Phương pháp phun nhiên liệu cơ bản và thời điểm phun nh sau.
Ngoài ra, khi lượng phun càng lớn thì thời điểm bắt đầu phun càng nhanh.
- Phun độc lập : Nhiên liệu được phun độc lập cho từng xi lanh mỗi lần sau 2 vòng
quay của trục khuỷu.


Hình 5.25: Điều khiển phun độc lập
-

Phun theo nhóm : Nhiên liệu được phun cho mỗi nhóm mỗi lần sau 2 vòng quay
của trục khuỷu.

Hình 5.26: Điều khiển phun theo nhóm
-

Phun đồng thời : Nhiên liệu được phun đồng thời vào các xi lanh tương ứng một
lần sau mỗi vòng quay của trục khuỷu. Lượng nhiên liệu cần thiết để đốt cháy

được phun trong 2 lần phun.

Hình 5.27: Điều khiển phun đồng thời
 Điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu :

ECU động cơ làm thay đổi lượng phun nhiên liệu bằng cách thay đổi thời gian phun của
kim phun. Thời gian phun nhiên liệu thực tế được xác định bằng 2 mục sau.


Thời gian phun nhiên liệu cơ bản được xác định bằng lượng khí nạp và tốc độ
động cơ.
- Các thời gian phun hiệu chỉnh khác nhau được xác định bằng các cảm biến khác
nhau.
Thời gian phun mà ECU động cơ cuối cùng truyền vào kim phun được bổ sung các hiệu
chỉnh thời gian phun cơ bản. Có các hiệu chỉnh sau :
• Làm đậm để khởi động
• Làm đậm để hâm nóng
• Hiệu chỉnh phản hồi tỷ lệ không khí - nhiên liệu (chỉ có ở một số kiểu xe)
• Làm đậm để tăng tốc
• Cắt nhiên liệu
• Làm đậm để tăng công suất
• Các hiệu chỉnh khác
-

5.2.3 Hệ thống điều khiển không tải
5.2.3.1 Khái quát
Hệ thống ISC (Điều khiển tốc độ không tải) có một mạch đi tắt qua bướm ga, và lượng
không khí hút từ mạch đi tắt này được điều khiển bởi ISCV (Van điều chỉnh tốc độ không
tải). Van ISC dùng tín hiệu từ ECU động cơ để điều khiển động cơ ở tốc độ không tải tối
ư tại mọi thời điểm. Hệ thống ISC gồm có van ISCV, ECU động cơ, các cảm biến và

công tắc khác nhau.

Hình 5.28: Hệ thống điều khiển không tải