Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật ô tô hiện đại, hệ thống điện – điện tử đóng vai trò trung tâm trong việc tối ưu hóa quá trình làm việc của động cơ đốt trong, giúp nâng cao công suất, tiết kiệm nhiên liệu và cắt giảm lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường. Động cơ xăng thế hệ mới đòi hỏi sự chính xác tuyệt đối trong việc điều khiển thời điểm phun nhiên liệu và thời điểm đánh lửa. Nhằm phục vụ công tác chẩn đoán và khắc phục sự cố trên thực tế, người kỹ thuật viên cần nắm vững cấu tạo, nguyên lý vận hành cũng như sơ đồ mạch điều khiển của hệ thống điện động cơ.

Đề tài "Khảo sát và xây dựng mô hình hệ thống đánh lửa trực tiếp Toyota Innova" do nhóm sinh viên Khoa Cơ khí, Trường Cao đẳng Nghề Đà Nẵng thực hiện vào năm 2024, xuất phát từ các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Củng cố và hệ thống hóa toàn bộ kiến thức chuyên môn đã học trong chương trình đào tạo chuyên ngành Công nghệ Ô tô.
  2. Trang bị phương pháp làm việc độc lập, kỹ năng giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế khi tiếp xúc với hệ thống điều khiển động cơ.
  3. Thiết kế, chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh một mô hình học cụ hệ thống đánh lửa trực tiếp có khả năng vận hành thực tế, phục vụ trực tiếp cho công tác nghiên cứu của sinh viên và giảng dạy của giảng viên tại xưởng thực hành.
  4. Phân tích kết cấu, nguyên lý của từng chi tiết, cụm chi tiết trong hệ thống điện điều khiển động cơ 1TR-FE lắp trên xe Toyota Innova để xây dựng quy trình kiểm tra, bảo dưỡng và sửa chữa chính xác.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào hệ thống đánh lửa trực tiếp (Direct Ignition System - DIS) và các mạch điện điều khiển liên quan trên động cơ xăng 1TR-FE của hãng Toyota. Về không gian và thời gian, đề tài được triển khai thực hiện và hoàn thành tại Trường Cao đẳng Nghề Đà Nẵng vào tháng 01 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên nguyên lý điều khiển động cơ đốt trong sử dụng hộp điều khiển điện tử tử (ECU), hệ thống đánh lửa trực tiếp không sử dụng bộ chia điện (DLI/DIS) và hệ thống phun xăng điện tử (EFI). Động cơ khảo sát là loại Toyota 1TR-FE, 4 xy lanh thẳng hàng, dung tích 2.0 lít, trang bị trục cam kép DOHC 16 van với cơ cấu phối khí biến thiên thông minh VVT-i và con đội thủy lực tự động triệt tiêu khe hở xupap.

Thông số kết cấu động cơ 1TR-FE Giá trị tiêu chuẩn theo tài liệu kỹ thuật
Kiểu bố trí xupap DOHC, 4 xupap/xy lanh (góc lệch 22,85°)
Thời điểm mở/đóng van nạp Mở: 52° ~ 0° BTDC; Đóng: 12° ~ 64° ABDC
Thời điểm mở/đóng van xả Mở: 44° BTDC; Đóng: 8° ABDC
Công suất cực đại 100 kW tại 5600 vòng/phút
Đường kính piston tiêu chuẩn 85,951 mm đến 95,986 mm
Khe hở miệng séc-măng khí số 1 0,22 mm đến 0,34 mm (xử lý PVD)
Khe hở miệng séc-măng khí số 2 0,45 mm đến 0,57 mm (mạ crôm)
Khe hở miệng séc-măng dầu 0,10 mm đến 0,40 mm
Đường kính cổ trục chính trục khuỷu ϕ59,981 mm đến ϕ59,994 mm
Đường kính cổ biên (đầu to thanh truyền) ϕ52,989 mm đến ϕ53,002 mm

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm chế tạo:

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập, phân tích tài liệu kỹ thuật chính hãng của dòng xe Toyota Innova, giáo trình chuyên ngành và các đề tài khóa trước; tham khảo ý kiến chuyên môn của giảng viên và kỹ thuật viên sửa chữa ô tô.
  • Phương pháp mô hình hóa: Sử dụng phần mềm thiết kế AutoCAD và SolidWorks để dựng bản vẽ 2D, không gian 3D của khung giá đỡ và bố trí thiết bị trước khi gia công.
  • Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Khảo sát các mô hình sẵn có tại xưởng, tính toán tỷ số truyền cơ khí, thiết kế mạch điện điều khiển, gia công khung thép, lắp ráp linh kiện thực tế và vận hành thử nghiệm trên nguồn điện một chiều 12V.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu kỹ thuật, sơ đồ chân ECU, thông số điện trở cảm biến và mã lỗi chẩn đoán (DTC) được trích xuất từ cẩm nang sửa chữa động cơ Toyota 1TR-FE.

Thiết kế và triển khai mô hình

Mô hình thực nghiệm được thiết kế theo dạng khung hình chữ L nhằm tối ưu hóa khả năng quan sát và thuận tiện cho việc đo kiểm, giảng dạy. Khung đỡ sử dụng sắt V3 với tổng chiều dài 10 mét, bề mặt gắn thiết bị được ốp bằng 2 tấm vật liệu Alu chịu lực và cách điện.

Cơ cấu dẫn động mô phỏng chuyển động quay của trục khuỷu và trục cam bao gồm một mô-tơ DC 775, kết hợp với module điều tốc, dẫn động qua cụm pu-ly và dây curoa 400 mm. Tỷ số truyền được thiết lập thông qua pu-ly dẫn 20 răng và pu-ly bị dẫn 40 răng (trục 5 mm) để tái hiện chính xác tương quan tốc độ 2:1 giữa trục khuỷu và trục cam trong chu trình hoạt động của động cơ 4 kỳ.

Hệ thống điện và điều khiển trên mô hình bao gồm các cụm chi tiết chính:

  • Hộp điều khiển động cơ (ECU): Nhận tín hiệu từ cảm biến và phát xung điều khiển IGT, nhận xung phản hồi IGF.
  • Cảm biến vị trí trục khuỷu và đĩa xung: Đĩa răng 36 thiếu 2 răng gắn trên trục dẫn động, mỗi răng tương ứng 10° góc quay trục khuỷu để ECU xác định tốc độ động cơ và góc quay trục khuỷu.
  • Cảm biến vị trí trục cam và đĩa xung: Đĩa xung 3 răng cung cấp tín hiệu G để ECU nhận biết điểm chết trên kỳ nén của từng xy lanh.
  • Cơ cấu đánh lửa: 4 bô-bin đơn tích hợp mạch IC đánh lửa 4 chân, kết nối trực tiếp với 4 bu-gi loại đầu dài.
  • Hệ thống cấp nguồn và bảo vệ: Ắc quy 12V – 5Ah, khóa điện, hệ thống rơ-le (2 cái), cầu chì bảo vệ (3 cái), 50 đầu kẹp cá sấu và 50 mét dây điện chuyên dụng 12V.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương này trình bày tính cấp thiết của việc nghiên cứu hệ thống điện điều khiển động cơ, mục tiêu đào tạo nghề, đối tượng và phạm vi nghiên cứu xoay quanh động cơ 1TR-FE trên xe Toyota Innova. Tác giả giới thiệu tổng quan về cấu tạo cơ khí động cơ 1TR-FE, bao gồm thông số phối khí, kết cấu nắp quy lát bằng hợp kim nhôm, lốc máy thép đúc có gân tăng cứng, cùng các kích thước tiêu chuẩn của cụm piston, séc-măng, thanh truyền và trục khuỷu. Chương 1 cũng khái quát nguyên lý của hệ thống nhiên liệu EFI và hệ thống đánh lửa trực tiếp điều khiển bởi ECU.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung phân tích các thành phần trong hệ thống điều khiển điện tử động cơ xăng:

  • Hệ thống cảm biến và tín hiệu vào: Phân tích đặc điểm, yêu cầu kỹ thuật và phân loại của bộ tạo tín hiệu G và NE, cảm biến tốc độ ô tô (loại điện từ, công tắc lưỡi gà, quang điện), tín hiệu khởi động STA và tín hiệu công tắc khởi động trung gian NSW trên hộp số tự động.
  • Hộp điều khiển điện tử (ECU): Cấu trúc phần cứng mạch kín đặt trong vỏ kim loại tản nhiệt, vai trò thu nhận, xử lý tín hiệu và xuất lệnh điều khiển.
  • Cơ cấu chấp hành: Tổng quan hệ thống phun xăng điện tử (phân loại theo nguyên lý CIS, AFC gồm D-Jetronic, L-Jetronic; phân loại theo vị trí kim phun gồm TBI đơn điểm và MPI đa điểm) và hệ thống đánh lửa (nhiệm vụ biến đổi điện áp thấp 12V thành điện áp cao 12.000 V – 24.000 V, phân loại từ đánh lửa thường, bán dẫn đến đánh lửa trực tiếp bô-bin đôi và bô-bin đơn).

Chương 3: Đặc điểm kết cấu các bộ phận chính trên hệ thống điện điều khiển động cơ Toyota Innova

Chương 3 đi sâu vào chi tiết kỹ thuật của hệ thống đánh lửa trực tiếp trên xe Innova:

  • Cảm biến vị trí trục cam (tín hiệu G): Sử dụng đĩa tín hiệu 3 răng tạo ra xung điện áp xoay chiều gửi về ECU để xác định thời điểm phối khí và thứ tự đánh lửa.
  • Cảm biến vị trí trục khuỷu (tín hiệu NE): Đĩa răng 36-2 tạo xung điện thế xoay chiều giúp ECU tính toán tốc độ vòng tua và góc đánh lửa sớm cơ bản.
  • Các chế độ điều khiển của ECU: Phân tích chi tiết thuật toán điều khiển lượng phun và thời điểm đánh lửa qua các chế độ: khởi động (làm đậm theo nhiệt độ nước làm mát), hâm nóng động cơ (giai đoạn đầu 30 giây cấp thêm 30-60% lượng xăng), vận hành một phần tải, toàn tải, gia tốc, thích ứng nhiệt độ khí nạp (lấy mốc chuẩn 20°C), giới hạn tốc độ và giảm tốc.
  • Hệ thống điều khiển tốc độ không tải (ISC): Kết cấu mô-tơ bước 4 cuộn dây (loại 24 bước hoặc 32 bước/vòng quay) điều khiển lưu lượng khí phụ qua bướm ga.
  • Bô-bin tích hợp IC và bu-gi: Bô-bin biến đổi 12V thành điện áp cao 15 – 40 kV. Khi ngắt tín hiệu IGT, sức điện động tự cảm sinh ra khoảng 500V ở cuộn sơ cấp và cảm ứng tương hỗ sinh ra khoảng 30 kV ở cuộn thứ cấp. Mạch IC phát tín hiệu phản hồi IGF khi dòng sơ cấp đạt ngưỡng IF1 và IF2; nếu mất tín hiệu IGF, ECU sẽ ngắt phun nhiên liệu để bảo vệ hệ thống.
  • Hệ thống chẩn đoán: Giới thiệu phương pháp chẩn đoán thủ công (nối tắt cực TC và CG tại giắc DLC3 để đọc mã nháy đèn Check Engine) và chẩn đoán OBD-II qua thiết bị đọc mã DTC (như P0010/39, P0011/59, P0012/59).

Chương 4: Kết quả thi công và vận hành mô hình hệ thống đánh lửa trực tiếp động cơ Toyota Innova

Chương này tổng kết toàn bộ quá trình thi công thực tế:

  • Chuẩn bị và lắp ráp: Lập bảng thống kê 23 hạng mục vật tư, tiến hành gia công khung giá chữ L, gá lắp ECU, cụm bô-bin, bu-gi, đĩa xung, cảm biến và đấu nối dây dẫn điện 12V theo sơ đồ mạch điện nguyên lý.
  • Vận hành thử nghiệm: Cấp nguồn ắc quy 12V, điều khiển mô-tơ quay đĩa xung, kiểm tra độ nhạy của cảm biến và sự phóng tia lửa điện tại 4 đầu bu-gi, tiến hành tinh chỉnh các sai sót để hệ thống hoạt động ổn định.
  • Quy trình kiểm tra, bảo dưỡng:
    • Cảm biến vị trí trục cam: Đo điện trở cuộn dây ở trạng thái nguội (-10°C đến 50°C) đạt tiêu chuẩn 835 Ω đến 1.400 Ω.
    • Ắc quy: Đo tỉ trọng dung dịch điện phân đạt tiêu chuẩn 1,25 đến 1,28 ở 20°C, chênh lệch giữa các ngăn không vượt quá 0,025; kiểm tra mức dung dịch giữa vạch UPPER và LOW.
    • Bu-gi: Vệ sinh muội than, sử dụng tuýp 16 mm để tháo lắp, kiểm tra điện trở cách điện bằng ôm kế Mega đạt từ 10 MΩ trở lên; quan sát màu sắc điện cực tiêu chuẩn (màu trắng hoặc xám).

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài

Tổng kết quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, khẳng định mô hình đã được lắp đặt hoàn thiện, hoạt động chính xác theo nguyên lý đánh lửa trực tiếp của động cơ Toyota Innova và có thể ứng dụng trực tiếp làm thiết bị dạy học thực hành.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật và đóng góp cụ thể:

  • Chế tạo thành công mô hình hệ thống đánh lửa trực tiếp động cơ Toyota 1TR-FE hoàn chỉnh trên khung chữ L, vận hành ổn định bằng nguồn điện một chiều 12V.
  • Mô phỏng chính xác sự tương quan giữa tín hiệu góc quay trục cam (G) và trục khuỷu (NE) tác động đến quá trình tính toán xung điều khiển đánh lửa IGT và xung phản hồi IGF của ECU.
  • Hệ thống hóa các thông số kỹ thuật kiểm tra và quy trình bảo dưỡng các cụm chi tiết:
Hạng mục kiểm tra Thiết bị / Phương pháp Tiêu chuẩn kỹ thuật trong văn bản
Điện trở cảm biến trục cam Đồng hồ VOM (trạng thái lạnh) 835 Ω đến 1.400 Ω (tại -10°C đến 50°C)
Tỉ trọng dung dịch ắc quy Tỉ trọng kế (tại 20°C) 1,25 – 1,28 (độ lệch giữa các ngăn ≤ 0,025)
Điện áp sơ cấp bô-bin Tự cảm khi ngắt tín hiệu IGT Khoảng 500 V
Điện áp thứ cấp bô-bin Cảm ứng tương hỗ sang cuộn thứ cấp Khoảng 30 kV (dải làm việc 15 – 40 kV)
Điện trở cách điện bu-gi Ôm kế Mega (Megohmmeter) Đạt từ 10 MΩ trở lên

Đề tài đóng góp trực tiếp một mô hình thiết bị đào tạo nghề trực quan cho Khoa Cơ khí, Trường Cao đẳng Nghề Đà Nẵng, giúp sinh viên ngành Công nghệ Ô tô quan sát trực tiếp tia lửa điện, thực hành đo kiểm tín hiệu cảm biến và thao tác chẩn đoán lỗi hệ thống điều khiển động cơ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Do giới hạn về kinh nghiệm thực tế và thời gian thực hiện, đồ án chỉ tập trung khảo sát và mô phỏng riêng biệt hệ thống đánh lửa trực tiếp trên động cơ 1TR-FE, chưa tích hợp đầy đủ toàn bộ hệ thống phun xăng điện tử EFI, cụm bướm ga điện tử và tải thực tế của động cơ lên cùng một sa bàn hoạt động đồng bộ.
  • Hướng phát triển: Nghiên cứu tích hợp thêm hệ thống phun nhiên liệu hoàn chỉnh, bổ sung các giắc đo tín hiệu cảm biến chuyên dụng, kết nối hoàn chỉnh cổng giao tiếp OBD-II để kết nối với các thiết bị chẩn đoán chuyên dụng và thiết lập các công tắc tạo pan lỗi phục vụ giảng dạy thực hành nâng cao.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại các trường cao đẳng, đại học và cơ sở đào tạo nghề:

  • Phần thiết kế khung và mạch điện (Chương 4): Cung cấp danh mục vật tư chi tiết, sơ đồ bố trí và quy trình lắp ráp một mô hình học cụ đánh lửa điện tử sử dụng linh kiện thực tế từ xe thương mại.
  • Phần phân tích nguyên lý và tín hiệu điều khiển (Chương 3): Cung cấp kiến thức sâu về dạng sóng IGT, IGF, cơ chế bảo vệ ngắt phun xăng khi mất tín hiệu IGF và các chế độ hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm của ECU động cơ Toyota 1TR-FE.
  • Phần bảo dưỡng và đo kiểm (Chương 4): Cung cấp tài liệu quy trình kiểm tra điện trở cảm biến, tỷ trọng ắc quy và kiểm tra điện trở cách điện bu-gi phục vụ thực hành xưởng.

Câu hỏi thường gặp

1. Đĩa tạo tín hiệu trục khuỷu trên động cơ Toyota 1TR-FE có bao nhiêu răng và có đặc điểm gì?
Đĩa tạo tín hiệu NE được làm liền với puly trục khuỷu, có tổng cộng 36 răng nhưng bị khuyết 2 răng. Việc thiếu 2 răng giúp ECU xác định được góc quay trục khuỷu (mỗi răng tương ứng 10° góc quay) và tính toán thời điểm góc đánh lửa sớm cơ bản cũng như tốc độ vòng tua của động cơ.

2. Điện áp sinh ra ở cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp của bô-bin đánh lửa đạt giá trị bao nhiêu khi ngắt xung IGT?
Khi IC đánh lửa ngắt dòng điện sơ cấp theo lệnh từ tín hiệu IGT, hiện tượng tự cảm tạo ra sức điện động khoảng 500V ở cuộn sơ cấp. Đồng thời, hiện tượng cảm ứng tương hỗ trong cuộn thứ cấp tạo ra suất điện động cao áp khoảng 30 kV (trong dải điện áp làm việc 15 đến 40 kV) để phóng tia lửa điện qua khe hở bugi.

3. Tín hiệu phản hồi IGF có vai trò gì trong hệ thống đánh lửa trực tiếp?
Tín hiệu IGF được IC đánh lửa gửi về ECU nhằm xác nhận dòng điện sơ cấp đã đạt giá trị quy định và quá trình đánh lửa đã diễn ra. Nếu ECU không nhận được xung IGF, hệ thống chẩn đoán sẽ ghi nhận mã lỗi DTC, đồng thời kích hoạt chức năng an toàn để ngừng phun nhiên liệu nhằm tránh tình trạng quá nhiệt và đọng xăng trong buồng đốt.

4. Cách đọc mã lỗi chẩn đoán thủ công trên xe Toyota Innova sử dụng động cơ 1TR-FE được thực hiện như thế nào?
Người kiểm tra đưa khóa điện về vị trí ON (khi động cơ không nổ, điện áp ắc quy ≥ 11V, số ở vị trí N, tắt các phụ tải), sau đó dùng dây kiểm tra chuyên dụng nối tắt cực TC và CG của giắc DLC3. Mã lỗi chẩn đoán hư hỏng sẽ được xác định thông qua số lần nhấp nháy của đèn báo kiểm tra động cơ (Check Engine).

5. Quy trình xóa mã lỗi chẩn đoán lưu trong bộ nhớ ECU động cơ được tiến hành ra sao?
Sau khi khắc phục hư hỏng, để xóa mã lỗi lưu trong bộ nhớ ECU, người sửa chữa cần tắt khóa điện và tháo cầu chì "STOP" (15A) hoặc cầu chì "EFI" (15A) trong thời gian từ 10 giây trở lên (thời gian ngắt cầu chì phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, nhiệt độ càng thấp thì cần ngắt càng lâu).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Khảo sát và xây dựng mô hình hệ thống đánh lửa trực tiếp Toyota Innova" của nhóm sinh viên Trường Cao đẳng Nghề Đà Nẵng đã nghiên cứu toàn diện kết cấu cơ khí động cơ 1TR-FE và nguyên lý điều khiển điện tử của hệ thống đánh lửa DIS. Bằng việc kết hợp giữa phân tích lý thuyết và chế tạo cơ điện, đề tài đã lắp ráp hoàn thiện một mô hình học cụ dạng chữ L hoạt động chính xác với nguồn 12V. Công trình cung cấp bảng số liệu đo kiểm tiêu chuẩn, sơ đồ mạch điện và quy trình chẩn đoán lỗi rõ ràng, mang lại giá trị thực tiễn cao cho công tác đào tạo thực hành chuyên ngành Công nghệ Ô tô.