KHẢO SÁT, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG PHẦN MỀM LABVIEW

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỰ
ĐỘNG ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG PHẦN
MỀM LABVIEW

Họ và tên học sinh: Trương Văn Lượng
Nguyễn Văn Luân
Ngành: Cơ điện tử
Niên khóa: 2009 – 2013

Tháng 06 / 2013


NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG PHẦN MỀM LABVIEW

Tác giả

TRƯƠNG VĂN LƯỢNG - NGUYỄN VĂN LUÂN

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành
CƠ - ĐIỆN TỬ

Giáo viên hướng dẫn:
Th.s.Nguyễn Lê Tường

i


LỜI CẢM TẠ
Thời gian bốn năm được học tại ngôi trường này, chúng em đã rút ra rất nhiều
kinh nghiệm trong học tập cũng như trong cuộc sống. Để có thể đứng vững trên đôi
chân tới ngày hôm nay, em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô ở trường Đại Học
Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh nói chung và các thầy cô khoa Cơ Khí – Công
Nghệ Trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh nói riêng đã giúp đỡ em
trong quá trình học tập ở trường.
Trong suốt thời gian thực hiện đề tài này, chúng em nhận được sự hướng dẫn
tận tình của cô Nguyễn Lê Tường, cô đã truyền đạt những kiến thức quý báu để chúng
em có thể hoàn thành tốt đề tài này. Em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Lê Tường.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Vương Thành Tiên chủ nhiệm lớp
DH09CD cùng các thầy cô bên bộ môn Cơ – Điện Tử đã tận tình chỉ dạy chúng em
trong suốt những năm được học ở trường, giúp cho chúng em nắm vững những kiến
thức được học để tự tin bước đi trên con đường sau này.
Xin cảm ơn đến bạn Đặng Quang Hy học lớp DH09OT đã cùng chúng em hoàn
thành đề tài này.
Một lần nữa, chúng em xin cảm ơn Ba mẹ,và các anh chị em đã động viên giúp
đỡ vật chất lẫn tinh thần để chúng em hoàn thành luận văn này.

Tp.Hồ Chí Minh, Tháng 06 /2013
Sinh viên thực hiện

Trương Văn Lượng - Nguyễn Văn Luân

ii

TÓM TẮT
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch điều khiển tự động động cơ phun
xăng điện tử sử dụng phần mềm LabVIEW ”.Được thực hiện tại xưởng thực hành thí
nghiệm, bộ môn Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô, khoa Cơ Khí - Công Nghệ, Trường Đại
Học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh, thời gian từ ngày 25/02/2013 đến 10/06/2013.
Đất nước trong thời kỳ hội nhập, lĩnh vực ô tô phát triển mạnh mẽ, nhu cầu sử
dụng ô tô không ngừng nâng cao.Việc chế tạo ra một chiếc ô tô tại Việt Nam đang
được tiến tới, thì việc điều khiển động cơ không phụ vào hộp ECU là việc làm cần
thiết, cần khuyến khích phát huy. Vì vậy, luận văn “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo
mạch điều khiển tự động động cơ phun xăng điện tử sử dụng phần mềm
LabVIEW”đã được chọn làm đề tài nghiên cứu nhằm áp dụng những kiến thức khoa
học về điện – điện tử vào cuộc sống cụ thể là ứng dụng LabVIEW, vi điều khiển để lập
trình điều khiển động cơ và phục vụ cho quá trình dạy và học ở các trường kỹ thuật
lĩnh vực ô tô.
Đề tài gồm có 5 chương, trong đó chương 1và chương 3 sẽ giới thiệu sơ lược về
quá trình lí luận, nhiệm vụ và mục tiêu hướng tới của đề tài này cũng như phương
pháp-phương tiện, cách thức thực hiện trên đối tượng nghiên cứu.Chương 2 sẽ tập
trung phần cơ sở lý thuyết của đối tượng được nghiên cứu (cụ thể là mô hình động cơ
phun xăng điện tử 1ZZ-FE) cùng các bộ phận khác trên động cơ, đồng thời giới thiệu
về phần mềm được ứng dụng trong quá trình thực hiện đề tài. Chương 4 cụ thể hóa quá
trình thực hiện đề tài bằng việc kiểm tra, thu thập số liệu và mô phỏng điều khiển mô
hình động cơ. Chương 5 kết luận và đề nghị hướng phát triển của đề tài.
Đề tài cũng đạt được một số kết quả đáng kể, nhưng do trình độ kiến thức còn
hạn hẹp nên trong quá trình thực hiện đề tài còn nhiều sai sót, mong nhận được sự chỉ
dẫn, giúp đỡ của các độc giả để cho bài viết này được hoàn thiện hơn.

iii


MỤC LỤC

Trang
Trang tựa........................................................................................................................ i
Lời cảm tạ ..................................................................................................................... ii 
Tóm tắt ......................................................................................................................... iii 
Mục lục ........................................................................................................................ iv 
Danh sách các bảng chữ viết tắt ................................................................................. vii 
Danh sách các hình .................................................................................................... viii 
Danh sách các bảng ..................................................................................................... xi 
Chương 1MỞ ĐẦU..................................................................................................... 1 
1.1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................... 1 
1.2. Sự cần thiết của đề tài ........................................................................................ 1 
1.3. Mục đích của đề tài............................................................................................ 2 
1.4. Giới hạn đề tài ................................................................................................... 2 
Chương 2TỔNG QUAN ............................................................................................. 3 
2.1. Giới thiệu về động cơ 1ZZ – FE........................................................................ 3 
2.2. Bộ điều khiển động cơ ....................................................................................... 4 
2.2.1. Bộ điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit) ............................... 4 
2.2.2. Các cảm biến sử dụng trên động cơ ........................................................... 5 
2.2.2.1. Cảm biến tốc độ động cơ (NE) và vị trí piston (TDC) ........................ 5 
2.2.2.2.Cảm biến nhiệt độ nước làm mát ......................................................... 7 
2.2.2.3. Cảm biến nhiệt độ khí nạp ................................................................... 8 
2.2.3. Điều khiển đánh lửa.................................................................................. 11 
2.2.3.1. Hệ thống đánh lửa trực tiếp ............................................................... 11 
2.2.3.2. Góc đánh lửa sớm .............................................................................. 12 
2.2.4. Điều khiển nhiên liệu................................................................................ 15 
2.2.4.1. Điều khiển bơm xăng ........................................................................ 15 
2.2.4.2. Điều khiển kim phun ......................................................................... 16 
2.3. Giới thiệu về LabVIEW .................................................................................. 18 
2.3.1. LabVIEW là gì? ........................................................................................ 18 
iv

2.3.2. Các khả năng chính của LabVIEW .......................................................... 18 
2.3.3. Môi trường phát triển của LabVIEW ....................................................... 18 
2.3.4. Các tín hiệu đo được của LabVIEW ........................................................ 19 
2.3.5. Các kỹ thuật lập trình trên LabVIEW ...................................................... 19 
2.3.5.1. Tool Palette........................................................................................ 20 
2.3.5.2. Controls Palette (Bảng điều khiển) ................................................... 21 
2.3.5.3. Function palette ................................................................................. 23 
2.4. Giới thiệu về card 9090 ................................................................................... 24 
2.5. Giới thiệu về các thiết bị đo............................................................................. 26 
2.5.1. Nhiệt kế rượu ............................................................................................ 26 
2.5.2. Máy đo tốc độ động cơ và góc đánh lửa hiệu Timing Light .................... 26 
Chương 3NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............................. 27 
3.1. Nội dung .......................................................................................................... 27 
3.2. Phương Pháp Nghiên Cứu ............................................................................... 27 
3.2.1. Phương pháp ............................................................................................. 27 
3.2.2. Phương tiện............................................................................................... 27 
Chương 4KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................. 29 
4.1. Lập sơ đồ khối và tính toán thiết kế khối ACU(Automatic Control Unit)...... 29 
4.1.1. Sơ đồ khối ................................................................................................. 29 
4.1.2. Yêu cầu thiết kế hộp ACU (Automatic Control Unit) ............................. 30 
4.1.3. Cấu tạo ACU ............................................................................................ 31 
4.2. Thiết kế phần mềm .......................................................................................... 31 
4.3. Lập trình phần mềm và chế tạo mạch.............................................................. 33 
4.3.1. Chương trình và mạch điều khiển bướm ga dùng động cơ DC................ 33 
4.3.2. Chương trình và mạch dùng để ON/OFF nguồn điện, phun xăng, đánh lửa
và khởi động động cơ ......................................................................................... 37 
4.4. Chương trình thu nhận và xử lý tín hiệu vào của các cảm biến ...................... 39 
4.4.1. Chương trình đo tín hiệu tốc độ động cơ NE ........................................... 39 

4.4.2. Chương trình thu nhận tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát ............ 40 
4.4.3. Chương trình thu nhận tín hiệu cảm biến nhiệt độ khí nạp ...................... 40 
4.4.4. Chương trình thu nhận tín hiệu cảm biến lưu lượng khí nạp ................... 40 
v


4.4.5. Chương trình đo góc mở của bướm ga ..................................................... 41 
4.5. Kết quả chế tạo ................................................................................................ 41 
4.5.1. Kết quả chế tạo bộ ACU........................................................................... 41 
4.5.2. Kết quả thiết kế phần mềm. ...................................................................... 43 
4.5.3. Kết quả kết nối ACU với động cơ xăng. .................................................. 47 
4.6. Kết quả khảo nghiệm sơ bộ ............................................................................. 48 
4.6.1. Kết quả khảo nghiệm sai số tín hiệu thu nhận.......................................... 48 
4.6.2. Kết quả khảo nghiệm điều khiển bướm ga ............................................... 53 
4.7. Nhận xét về kết quả thiết kế, chế tạo và ý tưởng ............................................ 54 
4.7.1. Phần mạch điều khiển............................................................................... 54 
4.7.2. Phần mềm điều khiển ............................................................................... 55 
Chương 5KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ..................................................................... 56 
5.1. Kết quả đạt được............................................................................................. 56 
5.2. Hướng phát triển đề tài ................................................................................... 56 
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 57 
Phụ lục 1 .................................................................................................................... 58 
Phụ lục 2 .................................................................................................................... 60 
Phụ lục 3 .................................................................................................................... 66 
Phụ lục 4 .................................................................................................................... 68 
Phụ lục 5 .................................................................................................................... 72 
Phụ lục 6 .................................................................................................................... 73 

vi

DANH SÁCH CÁC BẢNG CHỮ VIẾT TẮT

ECU: Electronic Control Unit
EFI: Electronic Fuel Injection
ACU: Automatic Control Unit
BRK: Brake
DIR: Direction
PWM: Pulse Width Modulation

vii


DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang
Hình 2.1: Động cơ 1ZZ – FE dùng để thí nghiệm........................................................... 3 
Hình 2.2:Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ .................................................................. 5 
Hình 2.3: Sơ đồ mạch điện .............................................................................................. 6 
Hình 2.4: Cuộn dây tín hiệu Ne và tín hiệu G cùng với dạng tín hiệu của chúng........... 6 
Hình 2.5: Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát ................................................... 7 
Hình 2.6: Đường đặc tính của cảm biến nhiệt độ nước làm mát ..................................... 8 
Hình 2.7: Cảm biến lưu lượng khí nạp loại dây nhiệt ..................................................... 9 
Hình 2.8: Sơ đồ mạch điện cảm biến lưu lượng khí nạp ................................................. 9 
Hình 2.9: Cảm biến vị trí bướm ga ................................................................................ 10 
Hình 2.10: Mạch điện cảm biến vị trí bướm ga............................................................. 10 
Hình 2.11: Đường đặc tuyến của cảm biến bướm ga .................................................... 11 
Hình 2.12: Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng mỗi bô bin cho từng máy .................. 11 
Hình 2.13: Dạng xung điều khiển đánh lửa trực tiếp .................................................... 12 
Hình 2.14: Sơđồ khối hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều

khiển góc đánh lửa sớm

bằng điện tử ................................................................................................................... 12 
Hình 2.15: Góc đánh lửa thực tế.................................................................................... 13 
Hình 2.16:Bản đồ góc đánh lửa sớm và góc ngậm điện ................................................ 14 
Hình 2.17: Tín hiệu tốc độ động cơ và tín hiệu đánh lửa .............................................. 14 
Hình 2.18: Mạch điện điều khiển bơm xăng có ECU ................................................... 15 
Hình 2.19: Cấu tạo kim phun ........................................................................................ 16 
Hình 2.20: Xung điều khiển kim phun ứng với các chế độ làm việc của động cơ ....... 16 
Hình 2.21: Sơ đồ điều khiển kim phun.......................................................................... 17 
Hình 2.22: Tín hiệu phun xăng và tốc độ động cơ ........................................................ 17 
Hình 2.23 Minh họa một chương trình LabVIEW đơn giản ......................................... 19 
Hình 2.24:Tool Palette................................................................................................... 20 
Hình 2.25:Controls Palette ............................................................................................ 21 
viii


Hình 2.26:Numeric Controls / Indicators ...................................................................... 22 
Hình 2.27: Boolan ......................................................................................................... 22 
Hình 2.28: String & Path ............................................................................................... 23 
Hình 2.29: Function Palette ........................................................................................... 23 
Hình 2.30: Card 9090 .................................................................................................... 24 
Hình 2.31: Sơ đồ chân của card 9090............................................................................ 25 
Hình 2.32: Các chân của hàm USB HDL 9090 ............................................................. 25 
Hình 2.33: Nhiệt kế rượu dùng để đo nhiệt độ nước ..................................................... 26 
Hình 2.34: Máy đo tốc độ động cơ và góc đánh lửa hiệu Timing Light ...................... 26 
Hình 4.1:Sơ đồ khối động cơ xăng 1ZZ – FE ............................................................... 29 
Hình 4.2:Sơ đồ khối sau khi thay thế hộp ECU bằng ACU .......................................... 30 
Hình 4.3:Sơ đồ khối ACU ............................................................................................. 31 

Hình 4.4:Sơ đồ chức năng phần mềm ........................................................................... 32 
Hình 4.5:Giao diện chính của phần mềm ...................................................................... 33 
Hình 4.6:Mạch điều khiển bướm ga. ............................................................................. 34 
Hình 4.7:Thuật toán điều khiển bướm ga ...................................................................... 35 
Hình 4.8: Sơ đồ mạch thực tế ....................................................................................... 36 
Hình 4.9:Mạch nguyên lý .............................................................................................. 37 
Hình 4.10:Sơ đồ thực tế ................................................................................................. 39 
Hình 4.11:ACU chế tạo thực tế ..................................................................................... 42 
Hình 4.12: Cấu tạo ACU chế tạo thực tế ....................................................................... 43 
Hình 4.13: Giao diện thông tin đề tài ............................................................................ 44 
Hình 4.14:Chuyển sang giao diện chính........................................................................ 44 
Hình 4.15: Phần hiển thị của giao diện chính................................................................ 45 
Hình 4.16: Phần điều khiển của giao diện chính ........................................................... 45 
Hình 4.17:Giao diện chính phần mềm........................................................................... 46 
Hình 4.18: Giao diện đồ thị ........................................................................................... 47 
Hình 4.19: Kết nối ACU với động cơ xăng ................................................................... 47 
Hình 4.20 Kết nối giữa máy tính, ACU và động cơ xăng tại xưởng Ô Tô ĐH Nông
Lâm TP.HCM ................................................................................................................ 48 
Hình 4.21: Biểu đồ sai lệch giữa giá trị đo và thực của tốc độ động cơ lần 1............... 49 
ix


Hình 4.22: Biểu đồ sai lệch giữa giá trị đo và thực của tốc độ động cơ lần 2............... 50 
Hình 4.23:Biểu đồ sai lệch giữa nhiệt độ đo được với nhiệt độ thực tế lần 1 ............... 51 
Hình 4.24: Biểu đồ sai lệch giữa nhiệt độ đo được với nhiệt độ thực tế lần 2 .............. 52 
Hình 4.25: Biểu đồ khảo nghiệm góc mở bướm ga ...................................................... 53 
Hình 4.26: Biểu đồ sai lệch khi điều khiển bướm ga .................................................... 54 

x

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang

Bảng 4.1. Bảng trạng thái điều khiển bướm ga .......................................................... 36 
Bảng 4.2. Bảng trạng thái điều khiển khóa điện, phun xăng, đánh lửa và khởi động
động cơ ....................................................................................................................... 38 
Bảng 4.3: Bảng kết quả đo tốc độ động cơ lần 1 ........................................................ 49 
Bảng 4.4: Bảng kết quả đo tốc độ động cơ lần 2 ........................................................ 50 
Bảng 4.5:Bảng kết quả đo nhiệt độ nước làm mát động cơ lần 1 .............................. 51 
Bảng 4.6: Bảng kết quả đo nhiệt độ nước làm mát động cơ lần 2 ............................. 52 
Bảng 4.7: Bảng kết quả đo góc mở bướm ga lần ....................................................... 53 
Bảng 4.8:Bảng kết quả điều khiển bướm ga .............................................................. 54 

xi


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay việc điều khiển một thiết bị cơ khí nói riêng, động cơ ô tô nói chung nó
trở nên gần gũi với chúng ta khi đất nước đang trên con đường Công nghiệp hóa – hiện
đại hóa. Việc điều khiển lập trình hoạt động cho chúng có nhiều ngôn ngữ riêng như:
Pascal, Assembly, C, C++ vv… Và nổi trội hơn cả và mới nhất đó là phần mềm lập
trình LabVIEW, điều đáng nói ở đây là nó có thể điều khiển thiết bị máy móc dựa trên
một kho tàn phong phú về các thiết bị ảo(NI) đã được lập sẵn, giúp cho người lập trình
dễ dàng nhìn thấy đối tượng điều khiển của mình hiện hữu như thật trên màng hình vi
tính mà chỉ cần cái click chuột. LabVIEW được biết đến như là một ngôn ngữ lập trình
với khái niệm hoàn toàn khác so với các ngôn ngữ trình truyền thống như ngôn ngữ C,
Pascal. Bằng cách diễn đạt cú pháp thông qua các hình ảnh trược quan trong môi

trường soạn thảo, LabVIEW đã được gọi với cái tên khác là lập trình G(viết tắt của
Graphical). Các chức năng chính của LabVIEWcó thể tóm tắt như sau: Thu thập các
tín hiệu từ các cảm biến gắn trên thiết bị được LabVIEW phân tích, hiển thị để rồi điều
khiển và giao tiếp với thiết bị ngoại vi theo mong muốn. Ngoài chức năng thể hiện các
dữ liệuLabVIEW còn có thế mạnh là các chức năng đo lường và hiển thị các dữ liệu
dưới dạng đồ thị ngoài ra ta còn có thể qua máy tính điều khiển các thông số của thiết
bị.Và đây cũng chính là thế mạnh để khai thác để ứng dụng trong môi trường giảng
dạy một cách sinh động và hiệu quả.
1.2. Sự cần thiết của đề tài
Như chúng ta đã biết, hiện nay phần lớn các ô tô sử dụng ở Việt Nam và trên thế
giới điều được trang bị hệ thống phun xăng điện tử (EFI_Electronic Fuel Injection), để
điều khiển các hoạt động của ô tô như: Điều khiển phun xăng, điều khiển đánh lửa,
điều khiển hệ thống phanh ABS, điều khiển hộp số, điều khiển hệ thống treo…nhằm
mục đích thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, cũng như các tiêu chuẩn
về môi trường. Tất cả các tín hiệu trên được điều khiển thông qua bộ ECU (Electronic
1


Control Unit).Hệ thống EFI sử dụng các cảm biến khác nhau để phát hiện tình trạng
của động cơ và điều kiện chạy của xe. Tất cả những thông tin mà cảm biến thu nhận
được sẽ được gửi về bộ điều khiển trung tâm ECU. Tại đây những tham số này được
xử lý và tính toán ra lượng khí cần nạp, định lượng và thời điểm cần bơm nhiên liệu
vào buồng đốt, thời điểm đánh lửa, đảm bảo quá trình đốt cháy nhiên liệu đạt hiệu quả
tối ưu.
Ngoài ra, ECU nó còn nhiều hạn chế như: chưa hiển thị được các thông số của
động cơ lên màn hình, nên việc quan sát hay biết được các thông số đó hoạt động như
thế nào còn gặp nhiều khó khăn.Việc điều khiển động cơ còn quá phụ thuộc vào ECU
nên gây khó khăn trong việc vận hành, theo dõi và điều khiển động cơ, đồng thời nó
cũng gây nhiều hạn chế trong việc giảng dạy ở các trường đào tạo nghề. Vì vậy, luận
văn “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch điều khiển tự động động cơ phun xăng

điện tử sử dụng phần mềm LabVIEW”đã được chọn làm đề tài nghiên cứu.
1.3. Mục đích của đề tài
Khảo sát mô hình động cơ phun xăng1ZZ – FE từ đó nghiên cứu, thiết kế, chế tạo
mạch điều khiển tự độngvới tên gọi ACU (Automatic Control Unit) để điều khiển
động cơ phunxăng điện tử. Đồng thời thiết kế giao diện hiển thị và điều khiển động cơ
xăng trên máy tính bằng phần mềm LabVIEW.
1.4. Giới hạn đề tài
Đề tài chỉ giới hạn nghiên cứu hiển thịcác tín hiệu cơ bản của động cơ như: Cảm
biến nhiệt độ nước, cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến lưu
lượng khí nạp, cảm biến vị trí Piston. Và điều khiển các tín hiệu như: Điều khiển
ON/OFF phun xăng, điều khiển ON/OFF đánh lửa, điều khiển vị trí bướm ga, điều
khiển nguồn ON/OFF, điều khiển nút khởi động động cơ Start. Các tín hiệu này được
lấy từ động cơ1ZZ-FE của hãng Toyota và được lắp đặt trên xe Toyota Corolla Altis
sản xuất năm (2001 - 2006)
Sử dụng phần mềm ứng dụng LabVIEW

2


Chương 2
TỔNG QUAN
2.1. Giới thiệu về động cơ 1ZZ – FE
 Động cơ phun xăng điện tử 1ZZ-FE
 Loại động cơ

: 1ZZ – FE

 Hãng sản xuất

: Toyota

 Nhiên liệu

: xăng

 Số xy lanh

: 4 – inline

 Dung tích (m3)

: 1.794

 Công suất

: 99 kW ở 6000 vòng/phút

 Moment xoắn

: 162 N.m ở 4400 vòng/phút

 Tỷ số nén

: 10.5 : 1

Hình 2.1: Động cơ 1ZZ – FE dùng để thí nghiệm

3

Động cơ phun xăng điện tử 1ZZ-FE của hãng Toyota được lắp đặt trên xe Toyota
Corolla Altis sản xuất năm (2001- 2006 ) là loại động cơ tương đối hiện đại thuộc thế
hệ Z được ứng dụng hàng loạt cải tiến nhằm tăng công suất, giảm ô nhiễm khí xả và
tiết kiệm nhiên liệu.
Hệ thống điều khiển của động cơ 1ZZ-FE cũng được cải tiến với nhiều cơ cấu mới
như:
 Điều khiển phun nhiên liệu đa điểm tuần tự cho từng xy lanh.
 Hệ thống đánh lửa trực tiếp dùng bô bin đơn.
 Hệ thống điều khiển thời điểm phân phối khí thông minh VVT-i.
 Hoạt động của bơm xăng được điều khiển bằng ECU.
 Quạt làm mát được điều khiển bằng ECU theo tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ
nước làm mát.
 Van điều khiển tốc độ cầm chừng loại cuộn dây quay.
 Dùng cảm biến đo lưu lượng khí nạp loại dây nhiệt kết hợp với cảm biến nhiệt
độ không khí nạp.
 Về cảm biến tín hiệu G và NE thì sử dụng loại cảm biến từ lắp ngay.
2.2. Bộ điều khiển động cơ
2.2.1. Bộ điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit)
Bộ điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit) là thiết bị cho phép kết nối các
hệ thống cơ khí và điện tử trên xe ôtô, phân tích và tính toán các số liệu để điều khiển
động cơ ôtô chạy hiệu quả nhất theo từng chế độ nhằm giảm tối đa lượng khí xả độc
hại xả ra môi trường bên ngoài.
Tất cả những thông tin mà cảm biến thu nhận được sẽ được gửi về bộ điều khiển trung
tâm ECU. Tại đây những tham số này được xử lý và tính toán ra lượng khí cần nạp,
định lượng và thời điểm cần bơm nhiên liệu vào buồng đốt, thời điểm đánh lửa, đảm
bảo quá trình đốt cháy nhiên liệu đạt hiệu quả tối ưu.

4

Hình 2.2:Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ
2.2.2. Các cảm biến sử dụng trên động cơ
2.2.2.1. Cảm biến tốc độ động cơ (NE) và vị trí piston (TDC)
Cảm biến vị trí Piston (TDC sensor) hay còn gọi là cảm biến G,báo cho ECU biết vị trí
tử điểm thượng hoặc gần đến vị trí tử điểm thượng của piston. Trong một số trường
hợp,chỉ có vị trí của piston xylanh số một hoặc số sáu được báo về ECU còn vị trí các
xylanh còn lại sẽ được tính toán.Công dụng của cảm biến này là để ECU xác định thời
điểm đánh lửa và thời điểm phun xăng.
Cảm biến tốc độ động cơ (Engine speed; Crankshaft Angle Sensor hay còn gọi là tín
hiệu NE), để báo tốc độ động cơ để tính toán hoặc tìm góc đánh lửa tối ưu và lượng
nhiên liệu sẽ phun cho từng xylanh.Cảm biến này cũng được dùng vào mục đích điều
khiển tốc độ cầm chừng hoặc cắt nhiên liệu ở chế độ cầm chừng cưỡng bức.
Cảm biến vị trí xylanh và cảm biến tốc độ động cơ có nhiều dạng khác nhau như: cảm
biến điện từ (loại nam châm quay hoặc đứng yên),cảm biến quang, cảm biến Hall …
Trên động cơ 1ZZ - FE sử dụng hai sensor: một lắp ở trục khuỷu để xác định tốc
độđộng cơ (Ne) và một lắp tại trục cam để xác định vị trí của piston (G).

5


Cuộn dây tín hiệu G 3
răng

ECU

Cuộn dây tín hiệu
Ne 34 răng

Hình 2.3: Sơ đồ mạch điện

Dạng tín hiệu NE

Dạng tín hiệu G

3600

Hình 2.4: Cuộn dây tín hiệu Ne và tín hiệu G cùng với dạng tín hiệu của chúng

6


2.2.2.2.Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Dùng để xác định nhiệt độ động cơ,có cấu tạo là một điện trở nhiệt (Thermistor) hoặc
Diode.
Điện áp 5V đưa qua điện trở chuẩn(Điện trở này có giá trị không đổi theo nhiệt độ) tới
cảm biến rồi trở về ECU về mass. Như vậy nhiệt điện trở và điện trở chuẩn trong cảm
biến tạo thành một cầu phân áp.Điện áp điểm giữa cầu được đưa đến bộ chuyển đổi tín
hiệu tương tự - số (Bộ chuyển đổi ADC_Analog to Digital Converter).Khi nhiệt độ
động cơ thấp,giá trị điện trở cảm biến cao và điện áp gửi đến bộ chuyển đổi ADC lớn.
Tín hiệu điện áp được biến đổi thành một dãy xung vuông và được giải mã bằng bộ vi
xử lý để thông báo cho ECU biết động cơ đang lạnh. Khi động cơ nóng, giá trị điện trở
cảm biến giảm kéo theo điện áp đặt giảm,báo cho ECU biết là động cơ đang nóng.

Hình 2.5: Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát

7


Hình 2.6: Đường đặc tính của cảm biến nhiệt độ nước làm
á

2.2.2.3. Cảm biến nhiệt độ khí nạp
Cảm biến lưu lượng khí nạp là một trong những cảm biến quan trọng nhất vì nó được
sử dụng trong EFI kiểu L để phát hiện khối lượng không khí nạp.Tín hiệu của khối
lượng của không khí nạp được dùng để tính thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa
sớm cơ bản.
Cảm biến lưu lượng khí nạp loại dây nhiệt tích hợp luôn cả cảm biến nhiệt độ khí nạp
là loại cắm phích được đặt vào đường không khí, và làm cho phần không khí nạp chạy
qua khu vực phát hiện.
Cấu tạo gồm một dây nhiệt và nhiệt điện trở, được sử dụng như một cảm biến, lắp vào
khu vực phát hiện. Bằng cách trực tiếp đo khối lượngkhông khí nạp, độ chính xác phát
hiện được tăng lên và hầu như không có sức cản của không khí nạp.

8


Hìình 2.7: Cảảm biến lưuu lượng khí nạp loại dâây nhiệt

Nguyên lý hoạt động:
đ
Dòng
g điện chạyy vào dây sấấy (bộ sấy) làm cho nó
ó nóng lên. Khi
q
dây này,
n dây sấyy được làm
m nguội tươnng ứng với khối khôngg khí
khôngg khí chạy quanh
nạp.B
Bằng cách điều
đ chỉnh dòng

d
điện chhạy vào dâyy sấy này đđể giữ cho nhiệt
n
độ củaa dây
sấy khhông đổi, dòng
d
điện đó
đ sẽ tỷ lệ tthuận với khối
k
không khí nạp.Saau đó có thhể đo
khối lượng
l
khôn
ng khí nạp bằng cách phát hiện dòng điện đó.Trong trường
t
hợpp của
cảm biến
b lưu lượ
ợng khí nạpp kiểu dây ssấy, dòng điiện này đượ
ợc biến đổi thành một điện
áp, saau đó được truyền
t
đến ECU động cơ từ cực VG.
V

Hình
H
2.8: Sơ đồ mạch điện cảm biến lưu lượ
ợng khí nạp

9


2.2.2.4. Cảm biến vị trí bướm ga
Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên trục bướm ga. Cảm biến này biến đổi góc mở
bướm ga thành tín hiệu điện áp, được truyền đến ECU động cơ.Đa số cảm biến bướm
ga là loại tuyến tính (dạng biến trở) 3 dây gồm VTA, VC, E2. Tuy nhiên, trên một số
xe có 4 dây do bố trí thêm công tắc vị trí cầm chừng (idle).

Hình 2.9: Cảm biến vị trí bướm ga

Một điện áp không đổi 5V từ ECU cung cấp đến cực VC. Khi cánh bướm ga mở,con
trượt trượt dọc theo điện trở và tạo ra điện áp tăng dần ở cực VTA tương ứng với góc
mở cánh bướm ga. Khi cánh bướm ga đóng hoàn toàn,tiếp điểm cầm chừng nối cực
IDL với cực E2. Trên đa số các xe hiện nay,cảm biến vị trí bướm ga chỉ có 3 dây
VC,VTA và E2 mà không có dây IDL.

Hình 2.10: Mạch điện cảm biến vị trí bướm ga

10


Hình 2.11: Đường đặc tuyến của cảm biến bướm ga

2.2.3. Điều khiển đánh lửa
2.2.3.1. Hệ thống đánh lửa trực tiếp
Đa số các hệ thống đánh lửa trực tiếp thuộc loại điều khiển góc đánh lửa sớm bằng
điện tử nên việc đóng mở transistor công suất trong igniter được thực hiện bởi
ECU.Nhờ tần số hoạt động của mỗi bô bin nhỏ hơn trước nên các cuộn dây sơ cấp và
thứ cấp ít nóng hơn.Vì vậy, kích thước của bô bin rất nhỏ và được gắn dính với nắp

chụp bugi.
ECU sau khi xử lý tín hiệu từ các cảm biến sẽ gởi tín hiệu đến cực B của
từng transistor.

Hình 2.12: Hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng mỗi bô bin cho từng máy

11


Hình 2.13: Dạng xung điều khiển đánh lửa trực tiếp
2.2.3.2. Góc đánh lửa sớm
Để có thể xác định chính xác thời điểm đánh lửa cho từng xy lanh của động cơ theo
thứ tự nổ, ECU cần phải nhận được các tín hiệu cần thiết như tốc độ động cơ, vị trí cốt
máy (Vị trí Piston), lượng gió nạp, nhiệt độ động cơ… Số tín hiệu đầu vào càng nhiều
thì việc xác định góc đánh lửa sớm tối ưu càng chính xác. Sơ đồ hệ thống đánh lửa với
cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử có thể chia thành ba phần: Tín hiệu
vào (Input signals), ECU và tín hiệu từ ECU ra điều khiển Igniter (Output singnals).

Hình 2.14: Sơđồ khối hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh
lửa sớm bằng điện tử

12


Trongg các tín hiệu
h
vào tín
t hiệu tốốc độ độngg cơ, tín hhiệu vị tríí piston vàà tín
hiệu tải
t là các tínn hiệu quan

n trọng. Để xác định tố
ốc độ động ccơ người taa có thể đặt cảm
biến trên
t
một vàành răng ở đầu
đ cốt mááy, bánh đà, đầu cốt caam hoặc trêên delco.Cóó thể
dụng cảm biến Hall,
H
cảm biiến điện từ,, cảm biến quang.Để xác
x định tảii, ECU dựaa vào
ố nạp hoặặc tín hiệu lượng khí nnạp.
tín hiệệu áp suất trrên đường ống
Với cơ
c cấu hiệuu chỉnh góc đánh lửa sớm
s
bằng điện
đ
tử, gócc đánh lửa sớm được hiệu
chỉnh gần sát vớ
ớiđặc tính lý
ý tưởng. Kếết hợp hai đặc
đ tính đánnh lửa sớm
m theo tốc đđộ và
ồ góc đánh lửa sớm lýý tưởng.
theo tải có bản đồ
c
năng khác
k
của EC
CU trong vviệc điều kiển góc đánnh lửa là sự điều chỉnhh góc

Một chức
ngậm điện. Góc ngậm điện phụ thuộc hai thông sốđiện
s
áp ắắc quy và tốốc độ của động
đ
cơ.
hực tế khi đđộng cơ hoạạt động đượ
ợc xác định bằng công thức
Góc đánh lửa sớm th
sau :

θ = θbđ + θcb + θhc
Trongg đó :

θ

Góc đánh lửa sớ
ớm thực tế

θbđ

Gócc đánh lửa sớm
s
ban đầuu

θcb

Góc đánh lửa sớ
ớm cơ bản

θhc

ớm hiệu chỉnh
Góc đánh lửa sớ

θb đ

θcb

H
Hình
2.15: Góc đánh lửa
l thực tế
Sau khi
k xác địnhh được góc đánh
đ
lửa sớ
ớm ECU sẽđđưa ra xungg điện áp đểểđiều khiển
đánh lửa
l (IGT) (H
Hình 2.17)..
13