Đồ án Khai thác và lắp đặt hệ thống điều khiển động cơ 4s FE xe ô tô

EBOOKBKMT.COM - HỖ TRỢ TÀI LIỆU HỌC TẬP

PHẦN 1

KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN ĐỘNG CƠ TRÊN Ô TÔ
CHƯƠNG 1

SƠ LƯC VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ
TRÊN Ô TÔ
1.1 Lịch sử phát triển
Vào thế kỷ 19, một kỹ sư người Pháp – ông Stevan – đã
nghó 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 tónh 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…
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).
1


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 Tiêu chí lập trình động cơ


Chống ô nhiễm.



Tính kinh tế nhiên liệu.



Công suất động cơ.

2


CHƯƠNG 2:

THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
VÀ NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
2.1 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



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 TBĐK. 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.
X

TBĐK

U

Y

ĐTĐK

Hinh 2.1: Sơ đồ khối hệ thống hở.

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 TBĐK để tạo ra tín hiệu U sau
cấTĐK
so sánh
đó tác độngCơ
vào
gây sự biến đổi Y.
U

G(s)

Y

X1

H(s)
Hình:2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
3
có cơ cấu phản
hồi


2.2 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 ta 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 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 độâng 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. Compurat
or

Thiế
t bị
giao
tiếp
đầu

ra

Bộ
điều
khiể
n
Các thiết
bị giao
tiếp đầu
vào

Thie
át
bị
thự
c
hiệ
n
Các
cảm
biến

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tự
động trên ô tô

4

Hệ thống
cần điều
khiển

Dữ
liệu
chứa
trong
bộ
nhớ
máy
tính



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
địên áp (Electric Signals) 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.
2.3 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.
2.3.1 lý thuyết điều khiển

Hình 2.4 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
(t). Tín hiệu so R(t) đã được định sẵn. Cảm biến sẽ đưa ra
tín hiệu V  t  tỉ lệ thuận với (t), tức là:
V  t   k s .  t 

Khi đó sẽ xuật hiện sự chênh lệch điện thế giữa tín
hiệu thực và tín hiệu so Ve(t):
5


Ve  t  r  t   V  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 Va(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 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  ;
u u1 , u2 , u3 , u4 , u5  ;
x  x1 , x2 , x3  ;

Vec tơ y(t) là hàm phụ thuộc vào các thông số ở ngõ ra
bao gồm các thành phần sau:
y1  x t , u  t   : tốc độ tiêu hao nhiên liệu.
y2  x t , u  t   : tốc độ phát sinh HC.
y3  x t , u  t   : 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).
6


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 :
T

F y1  x t , u  t   d  t 
0

Trong đó:
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.
T

G2  y2  x t , u  t   dt  G2
0

T

G3  y3  x t , u  t   dt  G3
0

Trong đó: G2, G3, G4 hàm lượng chất độc trong khí xả theo
qui định tương ứng với HC, CO và NO X. 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 (look-up table).
Trình tự tính toán và tìm kiếm các thông số tối ưu của
động cơ được mô tả trên lưu đồ thuật toán điều khiển
trình bày trên hình 2.5

7


hình 2.5 Thuật toán điều khiển động cơ

2.3.2 Phương pháp đo khối lượng khí nạp
8


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. Trên thực tế,chúng ta
không thể đo chính xác 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 (airmass sensor). 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 2.6 hệ thống điều khiển động cơ sử dụng phương pháp đo trực
tiếp khối lượng khí nạp

9


Phương pháp tốc độ tỉ trọng



Hình 2.7 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
Như vậy, lưu lượng không khí tính bằng khối lượng Rm có
thể suy ra từ lưu lượng không khí tính bằng thể tích Rv
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:
da  d0

pT0
p0T

10


Trong đó:

d 0 :tỉ trọng của không khí ở điều kiện áp suất khí
quyển ở mực nước biển,
T0  2930 K .

và nhiệt độ trong phòng

R �120
p T
�n D
�
Rm  �
v  REGR �d 0 � � 0 Rmc  m
nZ
�60 2
� p0 T
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
v
60 2

Trong đó:
D: dung tích xy lanh

v :hiệu suất nạp tính bằng thể tích.
v : 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  �
v  REGR �d 0 � � 0
�60 2
� p0 T

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.
11

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 

Rmc
 A/ F  d

Với  A / F  d :là tỉ lệ hòa khí mong muốn.
Thời gian mở kim phun căn bản sẽ phụ thuộc vào lưu
lượng của kim phun Rinj :

tb 

m fc
Rinj

Nếu bộ điều áp (pressure regulator) được sử dụng. R inj 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.

Như vậy, để xác định thời gian phun căn bản, ROM trong
ECU dùng với cảm biến MAP, ngoài giá trị v 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 2.8.

12


Hình 2.8 bảng tra ROM

Như mô tả trong hình, ba giá trị cần được xác định là:
hiệu suất nạp v , tỉ trọng không khí nạp d a ,và lưu lượng
khí xả luân hồi EGR RE . 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 và Ti . 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  �
v  REGR �d a
�60 2
�

2.4 Các chế độ điều khiển nhiên liệu

Động cơ có các 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 có thể nhận được từ cảm biến EGO. 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.
Trong 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 lưa chọn một biểu đồ
mà cung cấp một hòa khí giàu cho thời điểm tăng tốc
hoạc tải nặng. Trong chế độ giảm tốc, tỉ lệ 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 đươc 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
13

lượng nhiên liệu phun vào mỗi xy lanh trong mỗi chu kỳ
hoạt động của động cơ. Lương nhiên liệu này phụ thuộc
vào các điều kiện hoạt động riêng biệt.
2.4.1 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.
2.4.2 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 2.9 Bảng tra tỉ lệ A/F

Một sơ đồ minh hoạ bảng tra chọn tỉ lệ A/F thích hợp được
trình bày ở hình 2.9. 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 (D/B).
2.4.3. 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
14


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 
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 NOX lại đạt giá trị lớn nhất.
Nếu điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp theo hướng poor lean burn
thì  1 sẽ giảm được CO, NOX còn HC tăng một ít.
2.4.4 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 ( = 0,8 0,9 ).
2.4.5 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.
2.4.6 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. 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, NO X giaûm

15


PHẦN 2

KHAI THÁC – LẮP ĐẶT MÔ HÌNH HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 4S-FE
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN ĐỘNG CƠ
4S-FE
1.1 Mô tả hệ thống
Các chức năng của hệ thống điều khiển động cơ
bao gồm 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.

Hình 1.1 sơ đồ các bộ phận trong hệ thống điều khiển động cơ 4SFE

1.2 Chức năng của hệ thống điều khiển động cơ
4S-FE
16


Ngày nay với sự ra đời và phát triển mạnh của khoa
học - công nghệ TĐĐK đã làm cơ sở và nền tảng cho
việc thiết lập các hệ thống điều khiển theo chương trình
trên động cơ 4S-FE đã giải quyết được các vấn đề hiện
đang đặt ra như: công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, khí
thải…
EFI (phun xăng điện tử)
ESA (đánh lửa sớm điện
tử)
Hệ thống điều
khiển động cơ

ISC (điều khiển tốc độ
không tải)
Chức năng chẩn đoán
Chức năng an toàn
Chức năng dự phòng
Các
hệ
thống
khiển khác

điều

EFI (HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ)

Một bơm nhiên liệu cung cấp đủ nhiên liệu, dưới một
áp suất không đổi, đến các vòi phun.
Các vòi phun sẽ phun một lượng nhiên liệu định trước
vào đường ống nạp theo các tín hiệu từ ECU động cơ.
ECU động cơ nhận tín hiệu từ rất nhiều cảm biến khác
nhau thông báo về sự thay đổi của các chế độ hoạt
động của động cơ như:

p suất đường ống nạp (PIM) hay lượng khí nạp (VS, KS
và VG).


Góc quay trục khuỷu (G).



Tốc độ động cơ (NE).



Tăng tốc / giảm tốc (VTA).



Nhiệt độ nước làm mát (THW).



Nhiệt độ khí nạp (THA).



…
17


ECU sử dụng các tín hiệu này để xác định khoảng thời
gian phun cần thiết nhằmđạt được tỷ lệ khí - nhiên liệu
tối ưu phù hợp với điều kiện hoạt động hiện thời của
động cơ.
ESA (ĐÁNH LỬA SỚM ĐIỆN TỬ)
ECU động cơ được lập trình với số liệu để đảm bảo thời
điểm đánh lửa tối ưu dưới bất kỳ và mọi chế độ hoạt
động nào của động cơ. Dưa trên các số liệu này, và
các số liệu do các cảm biến theo dõi các chế độ hoạt
động của động cơ cung cấp như mô tả dưới đây, ECU
động cơ sẽ gửi tín hiệu IGT (thời điểm đánh lửa)
đến IC đánh lửa để phóng tia lửa điện tại thời điểm
chính xác.


Góc quay trục khuỷu (G).



Tốc độ động cơ (NE).


p suất đường ống nạp (PIM) hay lượng khí nạp (VS,
KS, hay VG).



Nhiệt độ nước làm mát (THW).



…

ISC (ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ KHÔNG TẢI)
ECU động cơ được lập trình với các giá trị tốc độ động
cơ tiêu chuẩn tương ứng với các điều kiện như sau:


Nhiệt độ nước làm mát (THW).



Điều hoà không khí tắt hay bật (A/C).



…

Các cảm biến truyền tín hiệu đến ECU, nó sẽ điều
khiển dòng khí, bằng van ISC, chạy qua đường khí phụ và
điều chỉnh tốc độ không tải đến giá trị tiêu chuẩn.
CHỨC NĂNG CHẨN ĐOÁN
ECU động cơ thường xuyên theo dõi các tín hiệu gửi đến
từ các cảm biến khác nhau. Nếu nó phát hiện ra bất
kỳ hư hỏng nào trong các tín hiệu đầu vào, ECU động cơ

sẽ lưu dữ liệu hư hỏng trong bộ nhớ của nó và bật
sáng đèn “CHECK ENGINE”.
CHỨC NĂNG AN TOÀN
Nếu các tín hiệu đầu vào ECU động cơ không bình
thường, ECU động cơ sẽ chuyển sang dùng tín hiệu chuẩn
lưu ở bộ nhớ trong để điều khiển động cơ. Điều này cho
18


phép nó điều khiển được động cơ nên tiếp tục được hoạt
động bình thường của xe.
CHỨC NĂNG DỰ PHÒNG
Nếu thậm chí trong trường hợp một phần của ECU không
hoạt động, chức năng dự phòng vẫn có thể tiếp tục
điều khiển việc phun nhiên liệu và thời điểm đánh lửa.
Điều này cho phép nó điều khiển được động cơ nên tiếp
tục được hoạt động bình thường của xe.
CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÁC
Ở một số loại động cơ, ECU động cơ còn điều khiển cả
hệ thống điều khiển cắt số truyền tăng, hệ thống
điều khiển khí nạp và các hệ thống phụ khác.

19


1.3 Kết cấu của hệ thống điều khiển động cơ 4SFE
SƠ ĐỒ KHỐI
Hệ thống điều khiển động cơ có thể chia thành 3 nhóm
chính: các cảm biến, ECU động cơ và các cơ cấu chấp
hành.

CÁC CẢM
BIẾN
Cảm biến áp
suất đường ống
nạp (MAP)
Tín hiệu tốc độ
động cơ
Tín hiệu góc truc
khuỷu
Cảm biến nhiệt
độ nước
Cảm biến nhiệt độ
khí nạp

Cảm biến vị trí
bướm ga
Tín hiệu khởi
động
Cảm biến tốc độ
xe

CÁC BỘ CHẤP
HÀNH
PIM
#10
NE
#20
G

Vòi phun No.2

ESA
IC đánh lửa

IGF
IDL
PSW
STA
SPD

NSW

rơle đèn hậu và
sấy kính

IGT

THA

CT khởi động
trung gian

Giắc kiểm tra

Vòi phun No.4

THW

OX

Cảm biến tiếng
gõ

Vòi phun No.1

Vòi phun No.3

Cảm biến oxi

Điều hoà không
khí

EFI

Cuộn dây đánh
lửa
Bộ chia điện
ECU
ĐỘNG CƠ

Các bugi
RSC
RSO

ISC (Van điều khiển
tốc độ không tải)

HT

Bộ sấy cảm biến

oxy

FC

Rơle mở mạch

W

Đèn báo kiểm tra
động cơ

+B

rơle EFI chính

A/C
KNK
T
ELS

BATT

20

ắc quy


CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG CÁC CẢM BIẾN

Các cảm biến có vai trò xác định và thu thập thông
tin về sự hoạt động của hệ thống cũng như các thông
tin về môi trường bên ngoài có liên quan đến sự hoạt
động của hệ thống. Những thông tin này ở dạng tín
hiệu điện áp (electronic signals) được các máy tính gửi về
bộ vi xử lý của máy tính thông qua các thiết bị giao
tiếp đầu vào (bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi A/D – Anolog
to Digital Converter,…). Tại đây, bộ vi xử lý sẽ so sánh
những thông tin này với thông tin trong bộ nhớ của máy
tính để từ đó phát ra các tín hiệu điều khiển thích
hợp.Tín hiệu điều khiển từ máy tính được gửi đến các cơ
cấu chấp hành thông qua các thiết bị kiểm soát giao
tiếp đầu ra để tác động điều khiển các thông số của
hệ thống.

hình 2.1 Các bậc kết hợp của cảm biến

SE: cảm biến
SA: tín hiệu Analog
A/D: bộ chuyển đổi Analog- Digital
SG: Bộ điều khiển điện tử SG (digital)
MC: mạch xử lý
2.1 Cảm biến đo lượng khí nạp
Để xác định lượng khí nạp (lượng gió) đi vào xy lanh
động cơ, người ta sử dụng các loại cảm biến khác nhau,
nhưng có thể phân loại như sau:
21


cảm biến áp suất

đường ống nạp (MAP)
Loại cánh
Cảm
biến đo
lượng
khí nạp

Cảm biến lưu lượng khí
nạp

Loại xoáy
quang học
karman

Cảm biến khối lượng
khí nạp

Loại dây
sấy

hình 2.2 các loại cảm biến đo lưu lượng khí nạp

2.1.1 Cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP
sensor)
a) Nhiệm vụ:
Cảm biến áp suất đường ống nạp được sử dụng
trong hệ thống phun xăng loại D-EFI (D-Jetronic), dùng để
đo áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp. Đây là một
trong những cảm biến quan trọng nhất của EFI loại D.
Cảm biến áp suất đường ống nạp cảm nhận áp

suất đường ống nạp bằng một IC lắp trong cảm biến và
phát ra tín hiệu PIM. ECU động cơ quyết định khoảng thời
gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản dựa vào
tín hiệu PIM này.
b) Cấu tạo và hoạt động:
Cảm biến áp suất đưòng ống nạp có ba loại:


Loại điện áp kế.



Loại điện dung.



Loại sai lệch từ tuyến tính.

Hệ thống điều khiển động cơ 4S-FE sử dụng cảm biến
áp suất đường ống nạp loại điện áp kế.
+ Cấu tạo:

22


Hình 2-3 : Cảm biến áp suất đường ống nạp.

Loại cảm biến này dựa trên nguyên lý Wheatstone.
Mạch cầu Wheatstone được sử dụng trong thiết bị nhằm
tạo ra điện thế phù hợp với sự thay đổi điện trở.

Cảm biến bao gồm một tấm silicon nhỏ (hay gọi là
màng ngăn) dày hơn ở 2 mép ngoài khoảng 0,25mm và
mỏng ở giữa khoảng 0,025mm. Hai mép được làm kín
cùng với mặt trong của silicon tạo thành buồng chân
không trong cảm biến. Mặt ngoài tấm silicon tiếp xúc
với áp suất đường ống nạp. Hai mặt của tấm silicon
được phủ thạch anh để tạo thành điện trở áp điện.
+ Hoạt động:
Khi áp suất đường ống nạp thay đổi giá trị của điện
trở áp điện sẽ thay đổi. Các điện trở áp điện được nối
thành mạch cầu Wheatstone. Khi màng ngăn không bị
biến dạng (tương ứng với trường hợp động cơ chưa hoạt
động hoặc tải lớn) tất cả 4 điện trở áp điện đều có
giá trị bằng nhau và lúc đó không có sự chênh lệch
điện áp giữa hai đầu cầu. Khi áp suất đường ống nạp
giảm, màng silicon bị biến dạng dẫn tới giá trị điện trở
áp điện cũng bị thay đổi và làm mất cân bằng cầu
Wheatstone. Kết quả là giữa 2 đầu cầu sẽ có sự chênh
lệïch điện áp và tín hiệu này được khếch đại để mở
Transistor ở ngõ ra của cảm biến có cực C treo. Độ mở
của Transistor phụ thuộc vào áp suất đường ống nạp
dẫn tới sự thay đổi điện áp báo về ECU.

23


Sơ đồ nguyên lý cảm biến áp suất đường ống nạp :

Hình 2-4 : Nguyên lý áp suất đường ống nạp.

+ Mạch điện :

Hình 2-5 Mạch điện cảm biến áp suất đường ống nạp.

+ Đường đặc tuyến:

Hình 2.6 Đường đặc tuyến của cảm biến MAP

24


Hiện nay trên các ôtô tồn tại 2 loại cảm biến đo
áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp khác nhau về tín
hiệu đầu ra: điện thế (TOYOTA, HONDA, DEAWOO, GM,…..)
và tần số (FORD). Ở loại MAP điện thế, giá trị điện thế
thấp nhất (lúc cánh bướm ga đóng hoàn toàn) và giá
trị cao nhất (lúc toàn tải) cũng phụ thuộc vào loại xe
gây khó khăn trong việc lắp lẫn.
* Chú ý:
Cảm biến áp suất đường ống nạp dùng độ chân
không được tạo ra trong buồng chân không. Độ chân
không trong buồn này gần như tuyệt đối và nó không
bị ảnh hưởng bởi sự dao động của áp suất khí quyển
xảy ra do sự thay đổi độ cao.
Cảm biến áp suất đường ống nạp so sánh áp suất
đường ống nạp với độ chân không này và phát ra tín
hiệu PIM nên tín hiệu này cũng không bị dao động theo
sự thay đổi của áp suất khí quyển.
Điều đó cho phép ECU giữa được tỷ lệ không khí nhiên liệu ở mức tối ưu tại bất kỳ độ cao nào.
2.1.2 hướng phát triển

Cảm biến kiểu dây nhiệt trước đây thường gặp trên
các động cơ phun xăng có tăng áp, vì áp lực lớn trên
đường ống nạp nên không thể sử dụng cảm biến MAP
hoặc cảm biến đo gió loại cánh trượt. Ngày nay cảm
biến dây nhiệt được sử dụng rộng rãi, các xe đời mới
của Toyota như COROLLA, CAMRY, INNOVA,…đều sử dụng loại
cảm biến này, nhờ những ưu điểm vượt trội sau:

Có quán tính thấp, kết cấu gọn nhẹ, không có
phần tử di động và ít cản gió.

Cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt đo trực tiếp khối
lượng khí nạp một cách chính xác thậm chí nếu nhiệt độ
khí nạp thay đổi nên ECU động cơ không cần điều chỉnh
thời gian phun theo so thay đổi của nhiệt độ. Ngoài ra, khi
mật độ không khí giảm xuống do độ cao, khả năng làm
mát của không khí giảm nếu so với cùng một thể tích
khí nạp ở độ cao mặt nước biển, kết quả là mức độ
làm mát dây nhiệt giảm. Khi đó khối lượng khí nạp nhận
biết được cũng giảm nên hiệu chỉnh phun để bù độ cao
không cần thiết. Với loại cảm biến này ECU tính toán
thời gian (thời gian mở kim phun) chính xác hơn so với các
hệ thống sử dụng các cảm biến đo gió khác. Vì không
cần phải kết hợp với cảm biến nhiệt độ khí nạp vaø
25