Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp ô tô chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ xu thế phân công lao động và chuyên môn hóa sản xuất. Quá trình chế tạo một phương tiện hoàn chỉnh là sự kết hợp của nhiều nhà máy, xí nghiệp chuyên trách từng cụm chi tiết hoặc cụm kết cấu. Cùng với sự phát triển của công nghệ vật liệu và điều khiển điện tử, các cơ cấu chấp hành và hệ thống điều khiển như van điều khiển dầu (OCV), hệ thống phun xăng điện tử và hệ thống đánh lửa đóng vai trò tối ưu hóa quá trình đốt cháy, tiết kiệm nhiên liệu, giảm phát thải ô nhiễm và tăng công suất động cơ. Để phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật ô tô, việc nắm vững cấu tạo, nguyên lý làm việc và quy trình chẩn đoán các hệ thống này trên dòng xe thương mại là yêu cầu thiết thực.

Đề tài tập trung giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo, vị trí lắp đặt và nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến cùng cơ cấu chấp hành trên ô tô.
  2. Khảo sát chi tiết đặc tính kỹ thuật của dòng xe Toyota Vios 2014 trang bị động cơ 1NZ-FE, phân tích sơ đồ mạch điện điều khiển bơm nhiên liệu, mạch điều khiển kim phun và hệ thống van biến thiên OCV.
  3. Thiết lập quy trình kiểm tra, chẩn đoán từng bước đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu, van điện từ OCV và các cảm biến liên quan.
  4. Xây dựng mô đun (module) thực hành hệ thống đánh lửa và phun nhiên liệu phục vụ mô phỏng, đo kiểm và chẩn đoán tín hiệu điều khiển động cơ.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống điều khiển điện tử động cơ 1NZ-FE trên xe Toyota Vios thế hệ 2014, bao gồm mạng lưới cảm biến tín hiệu, bộ điều khiển điện tử (ECM/ECU), mạch điều khiển bơm nhiên liệu, cụm vòi phun, hệ thống đánh lửa độc lập và van OCV. Phạm vi không gian nghiên cứu gắn liền với việc xây dựng mô đun kỹ thuật thực nghiệm tại xưởng thực hành ô tô (Hưng Yên), thời gian thực hiện hoàn thành vào tháng 1 năm 2024 dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Văn Thịnh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển động cơ đốt trong hiện đại, bao gồm:

  • Khung lý thuyết hệ thống phun xăng điện tử (EFI - Electronic Fuel Injection) và hệ thống đánh lửa độc lập (DIS - Direct Ignition System).
  • Nguyên lý điều khiển thời điểm phối khí biến thiên thông minh (VVT-i) thông qua van điều khiển đường dầu OCV (Oil Control Valve).
  • Hệ thống bướm ga điện tử thông minh (ETCS-i) và hệ thống xử lý khí thải sử dụng bộ lọc xúc tác 3 thành phần (TWC).
  • Nguyên lý chuyển đổi tín hiệu vật lý - điện áp của các nhóm cảm biến nhiệt điện trở (IAT, ECT), cảm biến áp điện (Knock Sensor), cảm biến hiệu ứng Hall/điện từ (CMP, VSS, Crankshaft), cảm biến quang/biến trở (TPS, APS) và cảm biến điện hóa (Oxygen Sensor).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được tác giả áp dụng:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu kỹ thuật: Khảo sát sơ đồ mạch điện nguyên lý, thông số tiêu chuẩn của nhà sản xuất Toyota đối với dòng xe Vios 2014 động cơ 1NZ-FE.
  • Phương pháp kiểm tra - chẩn đoán kỹ thuật: Sử dụng máy chẩn đoán kết nối qua cổng OBD-II (giắc DLC3), thiết lập quy trình kiểm tra kích hoạt (Active Test), đọc danh sách dữ liệu (Data List), đo điện áp và thông mạch bằng đồng hồ vạn năng theo từng chân giắc ECM.
  • Phương pháp thiết kế và lắp ráp mô hình thực nghiệm: Đấu nối dây dẫn, tích hợp các linh kiện thực tế (bô bin, vòi phun, bugi, van OCV, cụm cảm biến) lên khung giá để hình thành mô đun học cụ hoàn chỉnh.
  • Nguồn dữ liệu nghiên cứu: Dữ liệu kỹ thuật chuẩn của hãng Toyota, thông số đo kiểm thực tế trên linh kiện xe Toyota Vios 2014 và quy trình kiểm nghiệm tại phòng thực hành.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống mô đun đánh lửa và phun nhiên liệu được thiết kế nhằm mô phỏng trực quan cơ chế vận hành của động cơ 1NZ-FE ngoài thực tế. Kiến trúc phần cứng của mô đun bao gồm:

  • Khối điều khiển trung tâm: Hộp ECM tiếp nhận các nguồn tín hiệu cảm biến và xuất lệnh điều khiển đóng ngắt dòng điện qua các transistor công suất.
  • Khối tín hiệu cảm biến: Module cảm biến vị trí trục cam (G) và trục khuỷu (NE) tạo xung đồng bộ; cảm biến lưu lượng khí nạp (MAF) và nhiệt độ khí nạp (IAT); cảm biến bàn đạp ga (APS); cảm biến vị trí bướm ga (TPS); cảm biến nhiệt độ nước làm mát (ECT) và cảm biến kích nổ.
  • Khối chấp hành đánh lửa: Hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS gồm 4 cụm bô bin tích hợp IC đánh lửa và bugi tương ứng cho từng xi lanh, chuyển đổi điện áp 12V ắc quy thành điện áp cao áp 30 kV.
  • Khối chấp hành phun nhiên liệu: Ống phân phối, 4 vòi phun 4 lỗ đường kính 0,1 mm, cụm bơm xăng mô đun và mạch rơle mở mạch (C/OPN).
  • Khối điều phối dầu thủy lực: Van điện từ OCV kết nối mạch dầu bôi trơn để điều khiển cơ cấu VVT-i.

Quy trình triển khai kỹ thuật được thực hiện thông qua việc lập sơ đồ chân giắc từ hộp ECM tới các tải chấp hành. Hệ thống kiểm thử tín hiệu sử dụng máy quét lỗi qua giắc DLC3 kết hợp cùng đồng hồ đo kiểm tra hở mạch, ngắn mạch và các giá trị điện trở tiêu chuẩn của từng cảm biến, cơ cấu chấp hành trước khi cấp nguồn vận hành toàn bộ mô đun.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH TRÊN Ô TÔ

Chương này mô tả chi tiết chức năng, vị trí lắp đặt và nguyên lý vận hành của 11 loại cảm biến cùng 4 cơ cấu chấp hành chính sử dụng trong hệ thống điều khiển động cơ xe Toyota Vios 2014:

Thiết bị Vị trí lắp đặt Nguyên lý làm việc chính
Cảm biến MAF Ống hút không khí gần họng hút Dây nhiệt điện từ; đo biến thiên dòng điện khi luồng khí đi qua
Cảm biến IAT Trên đường ống hút không khí Biến trở nhiệt; điện trở giảm khi nhiệt độ khí nạp tăng
Cảm biến ECT Thân van hoặc ống nước làm mát Biến trở nhiệt tiếp xúc trực tiếp với nước làm mát động cơ
Cảm biến TPS Đặt trên trục van bướm ga Biến trở xoay hoặc phần tử Hall; xuất tín hiệu điện áp theo góc mở ga
Cảm biến kích nổ Thân lốc máy / đầu xi lanh Cảm biến cơ điện tử phát hiện dao động va đập kích nổ
Cảm biến trục khuỷu Gần puly trục khuỷu Hiệu ứng từ trường/điện tử nhận biết tốc độ và góc quay trục khuỷu
Cảm biến trục cam (CMP) Trên nắp quy lát gần trục cam Đo vị trí góc quay trục cam để nhận biết điểm chết trên kỳ nén
Cảm biến tốc độ xe (VSS) Cụm hộp số hoặc trục truyền động Cảm ứng điện từ hoặc Hall phát hiện số vòng quay của trục
Cảm biến Oxygen (O2) Đặt trên đường ống xả Cặp điện cực điện hóa tạo suất điện động chênh lệch nồng độ oxy
Cảm biến MAP Trên cổ góp hút (múi hút) Cảm ứng màng silicon đo áp suất chân không đường nạp
Cảm biến bàn đạp ga (APS) Dưới bàn đạp ga khoang lái Đo điện trở biến thiên theo độ dịch chuyển của bàn đạp chân ga
Bô bin đánh lửa Trên đỉnh bugi từng xi lanh Cảm ứng điện từ: Cuộn sơ cấp tạo 500V, cuộn thứ cấp sinh dòng 30 kV
Vòi phun nhiên liệu Gắn trên nắp quy lát Cuộn solenoid 12V nhấc ty kim mở lỗ phun nhiên liệu sương mù
Bơm nhiên liệu Trong thùng chứa nhiên liệu Động cơ điện một chiều được cấp nguồn qua rơle mở mạch C/OPN
Bướm ga điện tử Cổ họng nạp động cơ Động cơ điện/servo nhận lệnh từ ECU mở đóng đĩa bướm ga

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nội dung chương tập trung trình bày tổng quan xe Toyota Vios 2014, các thông số kỹ thuật của động cơ 1NZ-FE và mạch điện điều khiển.

Về xe Toyota Vios 2014: Mẫu sedan hạng nhỏ ra mắt thị trường Việt Nam ngày 18/3/2014 thay thế thế hệ cũ (xuất hiện từ tháng 8/2003). Kích thước chiều dài tăng thêm khoảng 50 mm giúp mở rộng khoang nội thất; bảng đồng hồ trung tâm được chuyển về phía sau vô lăng. Xe có các phiên bản: Vios 1.5G (hộp số tự động 4 cấp, giá công bố 28.900 USD, đắt hơn đời cũ 1.700 USD, trang bị 6 loa), bản 1.5E (hộp số sàn 5 cấp, 4 loa) và bản J (2 loa). Các công nghệ an toàn tích hợp gồm ABS, EBD, TRC, VSC, túi khí và khung xe ACE.

Thông số động cơ 1NZ-FE Giá trị kỹ thuật
Kiểu loại 4 kỳ, 4 xi lanh thẳng hàng, 16 van DOHC, VVT-i
Dung tích xi lanh 1497 cc
Đường kính x Hành trình piston 75 mm x 84,7 mm
Đường kính bệ xupap nạp 30,5 mm
Tỷ số nén 10,5 : 1
Công suất cực đại 107 HP (79 kW) tại 6.000 vòng/phút
Mô men xoắn cực đại 141 N·m tại 4.200 vòng/phút
Thời điểm phối khí xupap nạp Mở: -7° ~ 33° BTDC; Đóng: 52° ~ 12° ABDC
Thời điểm phối khí xupap xả Mở: 42° BBDC; Đóng: 2° ATDC
Dầu bôi trơn khuyên dùng SAE 5W-30
Nhiên liệu & Trị số octan Xăng không chì, trị số ốc tan 14,5:1
Thời gian tăng tốc 0 - 100 km/h 12,5 giây (Tốc độ tối đa: 190 km/h)
Cấu tạo vòi phun 4 lỗ phun, đường kính mỗi lỗ 0,1 mm
Nước làm mát động cơ Nước làm mát siêu bền SLLC (Toyota Super Long Life Coolant)

Quy trình chẩn đoán mạch điều khiển bơm nhiên liệu gồm 9 bước:

  • Bước 1: Dùng máy chẩn đoán kết nối giắc DLC3 kích hoạt rơle C/OPN (Active Test).
  • Bước 2: Đo điện áp chân rơle C/OPN (4B-11, 4F-4 với Mát: OFF đạt dưới 1V, ON đạt 11 - 14V).
  • Bước 3: Đo điện trở dây nối ECU chính và rơle tổ hợp (tiêu chuẩn dưới 1 Ω; chân 4B-11, 4F-4 với Mát đạt từ 10 kΩ trở lên).
  • Bước 4: Kiểm tra điện trở rơle C/OPN (tiêu chuẩn 10 kΩ trở lên; khi cấp nguồn ắc quy vào cực 4D-1 và 4A-5 thì điện trở giảm xuống dưới 1 Ω).
  • Bước 5: Đo điện trở đường dây giữa ECU chính (chân 4E-5) và cực FC của ECM (chân A21-7) đạt dưới 1 Ω; đo với mát đạt 10 kΩ trở lên.
  • Bước 6: Kiểm tra đường dây từ rơle C/OPN đến bơm xăng (cực J5-4 và chân 4A-8 đạt dưới 1 Ω; cực J5-5 nối mát đạt dưới 1 Ω).
  • Bước 7: Đo điện trở cuộn dây bơm xăng đạt tiêu chuẩn 0,3 Ω ở 20°C.
  • Bước 8 & 9: Kiểm tra tín hiệu khởi động STARTER SIG và tín hiệu tốc độ động cơ ENGINE SPD trên máy quét.

Quy trình chẩn đoán mạch điều khiển kim phun gồm 8 bước:

  • Bước 1: Đo điện áp cấp tới các chân #10 (C23-108), #20 (C23-107), #30 (C23-106), #40 (C23-105) với chân E01 (C23-45) khi khóa điện ON đạt từ 11 đến 14V.
  • Bước 2: Đo điện trở thông mạch giữa chân E01 (C23-45) với mát thân xe đạt dưới 1 Ω.
  • Bước 3: Đo kiểm lưu lượng phun thực tế của cụm vòi phun.
  • Bước 4: Kiểm tra thông mạch cầu chì AM2 (điện trở tiêu chuẩn dưới 1 Ω).
  • Bước 5: Kiểm tra rơle IG2 (điện trở cực 1C-1 và 1B-4 không cấp điện đạt trên 10 kΩ; khi cấp điện vào chân 1B-2 và 1B-3 đạt dưới 1 Ω).
  • Bước 6: Đo điện trở cuộn dây vòi phun giữa cực 1 và 2 ở 20°C (68°F) đạt 11,4 Ω.
  • Bước 7: Kiểm tra dây dẫn từ vòi phun (C4-2, C5-2, C6-2, C7-2) tới các chân tương ứng trên ECM (#10, #20, #30, #40) có điện trở dưới 1 Ω; đo cách điện với mát đạt từ 10 kΩ trở lên.
  • Bước 8: Kiểm tra dây cấp nguồn từ vòi phun về chân 1B-4 của rơle tổ hợp (dưới 1 Ω thông mạch, trên 10 kΩ cách điện vỏ).

Nguyên lý van điều khiển dầu OCV: Làm việc dựa trên sự cân bằng lực giữa lò xo hồi vị và lực hút điện từ của cuộn solenoid dưới sự điều khiển từ ECM. Van có 3 chế độ vận hành: Chế độ mở sớm (cung cấp dầu vào khoang mở sớm, xả khoang trễ), Chế độ mở trễ (cung cấp dầu vào khoang trễ, xả khoang mở sớm) và Chế độ giữ (duy trì áp suất dầu cân bằng ở cả hai khoang).

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MODUL HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU

Chương này mô tả chi tiết phương pháp kiểm tra van OCV và cấu trúc các khối chức năng cấu thành mô đun thực nghiệm:

  • Kiểm tra van OCV: Bước 1 tiến hành đo điện trở cuộn dây giữa 2 cực ở 20°C, giá trị tiêu chuẩn đạt từ 6,9 đến 7,9 Ω; Bước 2 cấp điện áp (+) ắc quy vào cực 1 và (-) vào cực 2 để quan sát chuyển động của van (khi cấp điện van dịch chuyển sang trái, khi ngắt điện lò xo đẩy van hồi vị sang phải).
  • Cấu trúc tích hợp mô đun đánh lửa và phun nhiên liệu: Tích hợp đầy đủ các cụm module phần cứng gồm module kim phun, module bô bin đánh lửa, bugi, module cảm biến vị trí trục khuỷu và trục cam (G và NE), module cảm biến MAF, module cảm biến kích nổ, module cảm biến nhiệt độ ECT, module bàn đạp ga APS và module bướm ga TPS. Toàn bộ các module này liên kết thành hệ thống hoàn chỉnh nhận lệnh từ ECM để giả lập quá trình vận hành động cơ.

Kết quả và đóng góp

Đề tài đã tổng hợp và xây dựng thành công bộ tư liệu kỹ thuật cùng mô hình thực hành với các kết quả cụ thể:

  • Xác định và hệ thống hóa chính xác toàn bộ thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của động cơ 1NZ-FE và các thiết bị điện tử trên xe Toyota Vios 2014 (công suất 107 HP, mô men 141 N·m, tỷ số nén 10,5:1, thời gian tăng tốc 12,5 giây).
  • Đưa ra bộ thông số kiểm chuẩn chi tiết cho công tác sửa chữa điện động cơ: Điện áp mạch điều khiển 11 - 14V; điện trở bơm xăng đạt 0,3 Ω ở 20°C; điện trở vòi phun đạt 11,4 Ω ở 20°C; điện trở cuộn van điện từ OCV đạt 6,9 - 7,9 Ω ở 20°C; điện áp xung tự cảm cuộn sơ cấp bô bin đạt 500V và điện áp phóng tia lửa thứ cấp đạt 30 kV.
  • Thiết lập quy trình kiểm tra chẩn đoán logic gồm 9 bước đối với mạch bơm nhiên liệu và 8 bước đối với mạch vòi phun, kết hợp máy chẩn đoán qua giắc OBD-II (DLC3) và đo đạc điện trở mạch dây.
  • Hoàn thiện mô đun thực hành đánh lửa và phun nhiên liệu tích hợp các cảm biến thực tế, phục vụ trực quan hóa quá trình điều khiển góc đánh lửa sớm và thời gian phun xăng điện tử.

Về mặt đóng góp kỹ thuật, đồ án đã chuyển đổi các sơ đồ nguyên lý phức tạp trên xe nguyên bản thành mô hình mô đun trực quan, hỗ trợ đo kiểm độc lập từng cảm biến hoặc vận hành đồng bộ hệ thống phun xăng - đánh lửa mà không cần nổ máy toàn bộ xe thật.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Phạm vi nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở các khối chức năng điều khiển động cơ xăng 1NZ-FE trên dòng xe Toyota Vios 2014, chưa mở rộng so sánh với các thế hệ động cơ nâng cấp sau này (như dòng động cơ 2NR-FE sử dụng Dual VVT-i).
  • Các bước kiểm tra chẩn đoán chủ yếu tập trung vào mạch điện phần cứng, đo điện trở tĩnh và thử kích hoạt rơle; chưa phân tích sâu dạng sóng dao động ký (Oscilloscope) của các cảm biến phát xung NE, G và tín hiệu điều khiển kim phun trong các dải tải trọng khác nhau.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Khai thác sâu hơn chức năng phân tích dữ liệu động trên máy chẩn đoán chuyên dụng cho hệ thống van OCV và cơ cấu chấp hành bướm ga ETCS-i.
  • Tiếp tục mở rộng hoàn thiện mô đun để tích hợp thêm các cảm biến phụ trợ và xây dựng các bài thực hành chẩn đoán pan bệnh giả lập phục vụ công tác giảng dạy kỹ thuật ô tô.

Giá trị tham khảo

Đồ án là nguồn tài liệu hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực làm tài liệu tham khảo khi thực hiện đồ án tốt nghiệp, đồ án môn học kết cấu động cơ đốt trong và hệ thống điện - điện tử ô tô.
  • Giảng viên và kỹ thuật viên xưởng thực hành sử dụng các sơ đồ chân giắc ECM, quy trình kiểm tra chẩn đoán 9 bước mạch bơm xăng và 8 bước mạch kim phun làm giáo trình hướng dẫn thực tập.
  • Kỹ thuật viên sửa chữa ô tô tra cứu nhanh các thông số điện trở tiêu chuẩn của cảm biến, kim phun (11,4 Ω), bơm xăng (0,3 Ω), van OCV (6,9 - 7,9 Ω) và quy trình kiểm tra mã lỗi trên dòng xe Toyota Vios động cơ 1NZ-FE.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ 1NZ-FE trên xe Toyota Vios 2014 có công suất và mô men xoắn cực đại là bao nhiêu?
Động cơ 1NZ-FE đạt công suất cực đại 107 HP (tương đương 79 kW) tại tốc độ vòng tua 6.000 vòng/phút và mô men xoắn cực đại đạt 141 N·m tại tốc độ vòng tua 4.200 vòng/phút.

2. Giá trị điện trở tiêu chuẩn của cuộn dây vòi phun và bơm nhiên liệu là bao nhiêu ở nhiệt độ 20°C?
Theo số liệu kỹ thuật trong đồ án, điện trở tiêu chuẩn của cuộn dây vòi phun nhiên liệu là 11,4 Ω (ở 20°C / 68°F), trong khi điện trở tiêu chuẩn của bơm nhiên liệu là 0,3 Ω (ở 20°C).

3. Van điều khiển dầu OCV có thông số điện trở cuộn dây bao nhiêu và hoạt động theo những chế độ nào?
Điện trở cuộn dây van OCV đo giữa cực 1 và cực 2 ở 20°C đạt giá trị tiêu chuẩn từ 6,9 đến 7,9 Ω. Van hoạt động theo 3 chế độ: Chế độ mở sớm (cấp dầu vào khoang mở sớm), Chế độ mở trễ (cấp dầu vào khoang trễ) và Chế độ giữ (cung cấp lượng nhỏ dầu cân bằng áp suất ở cả hai khoang).

4. Khi kiểm tra mạch nguồn cấp cho các kim phun (#10, #20, #30, #40) tại giắc ECM C23, mức điện áp tiêu chuẩn là bao nhiêu?
Khi bật khóa điện sang vị trí ON, điện áp tiêu chuẩn đo giữa các chân điều khiển kim phun (C23-108, C23-107, C23-106, C23-105) với chân tiếp mát E01 (C23-45) phải nằm trong khoảng từ 11 đến 14V.

5. Bô bin trong hệ thống đánh lửa trực tiếp tạo ra điện áp thứ cấp là bao nhiêu để bugi phóng tia lửa?
Hiện tượng tự cảm trong cuộn sơ cấp bô bin tạo nên một thế điện động khoảng 500V, sau đó hiệu ứng cảm ứng tương hỗ ở cuộn thứ cấp tạo ra suất điện động cao áp khoảng 30 kV dẫn tới bugi để phóng tia lửa điện đốt cháy hòa khí.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã trình bày toàn diện cấu tạo, nguyên lý vận hành của các loại cảm biến, cơ cấu chấp hành và hệ thống điều khiển điện tử trên xe Toyota Vios 2014 trang bị động cơ 1NZ-FE. Tác giả đã thiết lập thành công quy trình kiểm tra, chẩn đoán tiêu chuẩn cho mạch bơm nhiên liệu, mạch vòi phun và van điện từ OCV dựa trên các thông số kỹ thuật thực nghiệm chính xác. Kết quả xây dựng mô đun hệ thống đánh lửa và phun nhiên liệu mang lại giá trị thực tiễn cao, đáp ứng tốt yêu cầu mô phỏng, đo kiểm và phục vụ công tác đào tạo chuyên ngành kỹ thuật ô tô.