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

Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG




 

 



ĐỘNG CƠ VÀ ÔTÔ
4.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ - ÔTÔ
Sơ đồ cấu trúc và các khối chức năng của hệ thống điều khiển động cơ -
ôtô theo chương trình được mô tả trên hình 4.1. Hệ thống điều khiển bao gồm:
ngõ vào (Inputs) với chủ yếu là các cảm biến; Bộ điều khiển trung tâm ECU
(Electronic Control Unit) là bộ não của hệ thống; Ngõ ra (Outputs) bao gồm các
cơ cấu chấp hành (Actuators) như: vòi phun, bobin, van điều khiển cầm chừng,
động cơ bước (mở bướm ga),…
Cảm biến kiểm soát liên tục tình trạng hoạt động của động cơ và báo về
cho bộ điều khiển ECU biết. Từ đó, ECU sẽ tính toán, xử lý tín hiệu và đưa ra tín
hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành.
Chương trình điều khiển động cơ được nhà chế tạo viết và cài đạt sẵn
trong bộ nhớ của ECU. Tùy thuộc vào từng chế độ làm việc hay tình trạng của
động cơ mà ECU sẽ tính toán dựa trên chương trình sẵn có để đưa ra những tín
hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành sao cho động cơ làm việc tối ưu.
4.2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
4.2.1. Bộ điều khiển trung tâm (ECU - Electronic Control Unit)

Bộ điều khiển trung tâm ECU là một vi mạch tổ hợp cỡ lớn dùng để nhận
biết tín hiệu, tính toán, lưu trữ thông tin, quyết định chức năng hoạt động và gửi
các tín hiệu điều khiển thích hợp đến các cơ cấu chấp hành.
ECU được đặt trong vỏ kim loại để giải nhiệt tốt và được bố trí ở nơi ít bị
ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm. Các linh kiện điện tử của ECU được sắp xếp
trong một mạch in. Các linh kiện công suất của tầng cuối, nơi điều khiển các cơ
cấu chấp hành được gắn với khung kim loại của ECU với mục đích giải nhiệt. Sự
tổ hợp các chức năng trong IC (bộ tạo xung, bộ chia xung, bộ dao động đa hài
điều khiển việc chia tần số) giúp ECU đạt độ tin cậy cao.

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


động

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

Điều khiển
đánh lửa

Chẩn đoán
Điều khiển cầm
ch
ừ
ng

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

- ROM (Read Only Memory): dùng trữ thông tin thường trực. Bộ nhớ này
chỉ đọc thông tin từ đó ra chứ không thể ghi vào được. Chương trình điều khiển
động cơ do nhà sản xuất lập trình và được nạp sẵn trong bộ nhớ ROM.
MICROPROCESSOR
ROM PROM RAM
Hình 4.3. Sơ đồ khối cấu trúc bên trong ECU
Hình 4.2.
Cấu tạo bộ điều khiển ECU
Chuyờn 4: H thng iu khin ng c - ụtụ

Biờn son: ThS. Phm Quc Thỏi Trang 5

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

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

- B m (counter): m xung tớn hiu t cỏc cm bin (tc ng c,
tc xe) ri gi s m n b vi x lý.
- Mch n ỏp: bờn trong ECU cú cỏc IC iu ỏp 7812 v 7805 n ỏp:
12V v 5V. Ngun 5V cung cp cho cỏc cm bin lm vic. 4.2.1.5. Giao tip ngừ ra: tớn hiu iu khin t b vi x lý s a n cỏc
transistor cụng sut iu khin rle, solenoid, mụt,

Hỡnh 4.7.
B n ỏp Bọỹ
vi
xổớ
lyù
Bọỹ ọứn aùp

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

Bọỹ
vi
xổớ

• Kết cấu và nguyên lý hoạt động:
Nguyên lý của cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu dây sấy dựa trên sự phụ
thuộc của năng lượng nhiệt thoát ra từ một phần tử nhiệt được nung nóng và đặt
trong dòng khí nạp. Khi có dòng điện đi qua làm cho dây sấy nóng lên. Khi
không khí chạy qua, dây sấy được làm nguội tương ứng với khối lượng không khí
nạp, bằng cách điều chỉnh dòng điện chạy vào dây sấy này để giữ cho nhiệt độ
dây sấy không đổi, dòng điện đó sẽ tỉ lệ thuận với lượng không khí nạp bằng cách
phát hiện dòng điện đó ta xác định được lượng không khí nạp. Trong trường hợp
này, dòng điện chuyển thành điện áp và gửi đến ECU động cơ.

• Mạch điện cảm biến đo lưu lượng khí:

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

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

B

R2

A

R3

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

Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái Trang 8

Cảm biến lưu lượng khí nạp được đặt trên đường ống nạp, bao gồm một
dây sấy bằng platin (R
h
) và nhiệt điện trở R
a
được ghép vào mạch cầu
Wheatstone. Tín hiệu điện áp đầu ra của cảm biến V
G
tỷ lệ với lưu lượng khối
lượng khí nạp. ECU nhận dựa vào tín hiệu này để điều chỉnh thời gian phun cơ
bản và góc đánh lửa sớm cơ bản.
4.2.2.2. Cảm biến vị trí trục khuỷu
• Kết cấu và nguyên lý hoạt động: Cảm biến vị trí trục khủy dùng để xác đinh tốc độ động cơ. ECU nhận tín
hiệu này để tính toán góc đánh lửa tối ưu và thời điểm phun nhiên liệu.
Cảm biến gồm nam châm vĩnh cửu được gắn với lõi thép, trên lõi thép

chất hấp thụ những ion oxy âm tính. Thực chất, cảm biến oxy là một pin nhiên
liệu, có sức điện động phụ thuộc vào nồng độ oxy trong khí thải với ZrO2 là chất
điện phân. Mặt trong của ZrO2 tiếp xúc với không khí, mặt ngoài tiếp xúc với
oxy trong khí thải. Ở mỗi mặt của ZrO2 được phủ một lớp điện cực bằng platin
để dẫn điện. Khi khí thải chứa lượng oxy ít do hỗn hợp giàu nhiên liệu thì số ion
oxy tập trung ở điện cực tiếp xúc với khí thải ít hơn số ion tập trung ở điện cực
tiếp xúc với không khí. Chênh lệch số ion này sẽ tạo nên một hiệu điện thế
Hình 4.12. Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí trục khuỷu.
1. Rôto tín hi
ệ
u; 2. Cu
ộ
n dây c
ả
m bi
ế
n v
ị
trí tr
ụ
c kh
ủ
y.

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

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

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

Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái Trang 11

• Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát:


n;

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

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

Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái Trang 12
• Mạch điện cảm biến kích nổ:

4.2.2.6. Cảm biến vị trí bướm ga
• Kết cấu và nguyên lý hoạt động:
Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên trục cánh bướm ga. Cảm biến này
đóng vai trò chuyển góc mở cánh bướm ga thành tín hiệu điện gửi đến ECU để
điều khiển động cơ tương ứng với độ mở bướm ga và chế độ tải của động cơ.
Hình 4.18. Kết cấu cảm biến kích nổ.
1. Thân c
ả
m bi
ế
n; 2. Ph
ầ
n t
ử
áp đi

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

Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái Trang 13 • Sơ đồ mạch điện và đặc tính cảm biến: Hình 4.21. Kết cấu cảm biến vị trí bướm ga

Hình 4.23. Đặc tính của cảm biến

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

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

Biên soạn: ThS. Phạm Quốc Thái Trang 14

4.2.3. Các cơ cấu chấp hành

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