Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành công nghiệp sản xuất và lắp ráp ô tô tại Việt Nam có những bước chuyển mình mạnh mẽ thông qua các liên doanh quốc tế, yêu cầu nâng cao trình độ kỹ thuật và năng lực tự chủ nghiên cứu, chế tạo của đội ngũ kỹ sư trong nước trở nên cấp thiết. Bên cạnh các chỉ tiêu về an toàn và vận hành, mức độ tiện nghi của không gian nội thất – đặc biệt là hệ thống điều hòa không khí (HVAC) – đóng vai trò then chốt trong việc đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng đối với các dòng xe du lịch.

Đồ án tốt nghiệp "Khảo sát hệ thống điều hòa không khí trên xe Toyota Vios 2018" do sinh viên Nguyễn Hoài Bảo thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Tôn Nguyễn Thành Sang tại Khoa Cơ khí, Trường Công nghệ & Kỹ thuật thuộc Đại học Duy Tân (Đà Nẵng, tháng 05/2024), tập trung giải quyết các vấn đề chuyên môn nhằm phục vụ công tác đào tạo thực hành và kỹ thuật sửa chữa thực tế.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể như sau:

  1. Mục tiêu nghiên cứu: Củng cố và nâng cao kiến thức chuyên sâu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống điều hòa không khí trên dòng xe thương mại phổ biến; đồng thời cung cấp tài liệu kỹ thuật có tính trực quan cao nhằm phục vụ công tác giảng dạy thực hành bằng mô hình tại các cơ sở đào tạo chuyên ngành ô tô.
  2. Nhiệm vụ nghiên cứu: Khảo sát chi tiết thông số kỹ thuật tổng thể của dòng xe Toyota Vios 2018; phân tích sâu kết cấu và nguyên lý của từng cụm chi tiết trong hệ thống điện lạnh; bóc tách sơ đồ mạch điện điều khiển và tổng hợp quy trình kiểm tra, chẩn đoán, bảo dưỡng và xử lý các hư hỏng thường gặp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cấu tạo, nguyên lý làm việc, hệ thống cảm biến, mạch điện điều khiển và quy trình bảo trì, sửa chữa hệ thống điều hòa không khí trang bị trên dòng xe Toyota Vios 2018.
  • Phạm vi không gian: Thực hiện tại Trường Công nghệ & Kỹ thuật – Trường Đại học Duy Tân, kết hợp khai thác trang thiết bị thực tế tại xưởng thực hành và các cơ sở kỹ thuật bên ngoài.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được hoàn thành trong khung thời gian 02 tháng (từ tháng 03/2024 đến tháng 05/2024).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp khảo sát

Đồ án xây dựng dựa trên nền tảng nhiệt động lực học của chu trình làm lạnh nén hơi (Vapor-Compression Refrigeration Cycle) ứng dụng trên phương tiện giao thông đường bộ, kết hợp các nguyên lý điều khiển tự động điện tử trên ô tô hiện đại.

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật sử dụng:

  • Chu trình nhiệt động của môi chất R-134a: Quá trình nén đoạn nhiệt của máy nén, ngưng tụ đẳng áp - giải nhiệt tại giàn nóng, quá trình tiết lưu giảm áp đẳng enthalpy qua van giãn nở khối (block type), và quá trình sôi bốc hơi đẳng áp - thu nhiệt tại giàn lạnh.
  • Mô hình tính toán nhiệt độ khí ra cửa gió (TAO - Temperature Air Output): Thuật toán điều khiển nhiệt độ tối ưu dựa trên tương quan giữa nhiệt độ cài đặt của người dùng, nhiệt độ thực tế trong khoang lái, nhiệt độ môi trường xung quanh và cường độ bức xạ mặt trời.
  • Mô hình mạng nơ-ron (Neural Network): Cơ chế điều khiển hiện đại tích hợp trong hộp điều khiển điều hòa (A/C ECU) nhằm xử lý các mối quan hệ phi tuyến phức tạp giữa các thông số môi trường và cảm giác nhiệt sinh lý của hành khách.

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, đối chiếu và dịch thuật các cẩm nang sửa chữa chính hãng (Toyota Service Manual), sơ đồ mạch điện gốc và giáo trình chuyên ngành kỹ thuật nhiệt - điện lạnh ô tô.
  • Phương pháp khảo sát thực tiễn: Tiếp cận khảo sát thực tế trên dòng xe Toyota Vios 2018 tại xưởng cơ khí để định vị vị trí lắp đặt thực tế của các đường ống dẫn ga, giàn nóng, giàn lạnh, cụm máy nén và hệ thống cảm biến.
  • Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Thực hành kết nối bộ đồng hồ đo áp suất chuyên dụng (Manifold Gauge Set), kiểm tra rò rỉ môi chất bằng thiết bị dò xì, và mô phỏng các trạng thái vận hành trên sơ đồ mạch điện.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu kỹ thuật, thông số kích thước và bản vẽ kết cấu được trích xuất từ tài liệu kỹ thuật Toyota Motor Corporation, kết hợp tài liệu giảng dạy của Khoa Cơ khí - Đại học Duy Tân.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về Toyota Vios 2018

Chương này trình bày lịch sử phát triển, vị thế thương mại và các thông số kỹ thuật nền tảng của mẫu sedan hạng B Toyota Vios thế hệ 2018 tại thị trường Việt Nam. Tác giả phân tích các hệ thống chính trên xe làm cơ sở nền tảng cho việc tích hợp hệ thống phụ tải điều hòa.

Thông số kỹ thuật Giá trị / Đặc tính kỹ thuật
Kích thước tổng thể ($D \times R \times C$) $4410 \times 1700 \times 1475\text{ mm}$ (bản 1.5E MT) / $4475\text{ mm}$ (dài tổng thể thế hệ 2018)
Chiều dài cơ sở ($L$) $2500\text{ mm}$ (bản MT) / $2550\text{ mm}$
Khoảng sáng gầm xe / Bán kính quay vòng $133\text{ mm}$ / $5,1\text{ m}$
Trọng lượng không tải / Toàn tải $1068\text{ kg}$ / $1500\text{ kg}$
Mã động cơ 1NZ-FE (1.5L, 4 xy-lanh thẳng hàng, 16 van DOHC, Dual VVT-i)
Công suất tối đa ($N_{e\max} / n_N$) $79\text{ kW}$ ($107\text{ HP}$) tại $6000\text{ vòng/phút}$
Mô-men xoắn tối đa ($M_{e\max} / n_M$) $140\text{ Nm}$ tại $4200\text{ vòng/phút}$
Hệ thống truyền động & Hộp số Cầu trước FWD, Tỷ số truyền cuối $i_0 = 4,06$; Hộp số sàn 5 cấp hoặc vô cấp CVT
Hệ thống lái & Phanh Trợ lực lái điện EPS; Phanh đĩa 4 bánh thủy lực chân không tích hợp ABS
Phân loại hệ thống điều hòa trên xe Chỉnh tay cơ khí (Manual) trên bản E; Tự động (Auto) trên bản cao cấp G

Tác giả nhấn mạnh đặc tính động cơ 1.5L kết hợp công nghệ biến thiên van nạp/xả Dual VVT-i giúp tối ưu hóa công suất và tiết kiệm nhiên liệu khi phải gánh thêm tải trọng kéo máy nén điều hòa qua dây đai dẫn động.

Chương 2. Khảo sát hệ thống điều hòa trên xe Toyota Vios 2018

Chương 2 là phần trọng tâm kỹ thuật của đồ án, đi sâu bóc tách kết cấu phần cứng, quy luật nhiệt động và giải thuật điều khiển của toàn bộ hệ thống làm lạnh trên xe Vios 2018:

  • Nguyên lý chu trình nhiệt lạnh: Khí môi chất R-134a áp suất thấp và nhiệt độ thấp được máy nén hút vào và nén lên áp suất cao, nhiệt độ cao đưa sang giàn nóng. Tại giàn nóng, quạt làm mát giải nhiệt biến hơi môi chất thành dạng lỏng cao áp. Môi chất lỏng chảy qua bình lọc/hút ẩm để loại bỏ tạp chất và ẩm thừa, sau đó đi qua van tiết lưu để giảm áp đột ngột, hóa thành dạng sương áp suất thấp, nhiệt độ thấp đi vào giàn lạnh. Tại giàn lạnh, môi chất hấp thụ nhiệt từ không khí trong cabin để sôi bốc hơi hoàn toàn, làm hạ nhiệt độ không khí trước khi được quạt lồng sóc thổi vào xe.
  • Máy nén (Compressor): Sử dụng dạng máy nén piston đĩa chéo (swash plate) với tỉ số nén làm việc dao động trong khoảng $5 \div 8,1$. Cơ cấu đĩa nghiêng biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến qua lại của các cặp piston đặt lệch góc ($72^\circ$ cho loại 10 xy-lanh hoặc $120^\circ$ cho loại 6 xy-lanh), cho phép quá trình nén và hút diễn ra liên tục.
  • Ly hợp điện từ (Magnetic Clutch): Gồm cuộn dây stato (nam châm điện) gắn cố định trên thân máy nén, puli quay trơn và đĩa ép định tâm bắt chặt với trục máy nén. Khi A/C bật, dòng điện kích hoạt stato tạo lực từ hút đĩa ép dính chặt vào puli đang quay theo động cơ để truyền mô-men.
  • Giàn nóng kép tích hợp (Sub-cooling Condenser): Cấu tạo ống nhôm uốn chữ U gắn cánh tản nhiệt mỏng. Trên Vios 2018, hệ thống sử dụng giàn nóng tích hợp bộ chia hơi - lỏng (sub-cooling) giúp tối ưu hóa quá trình làm mát phụ, ngưng tụ hoàn toàn môi chất thành thể lỏng trước khi sang van tiết lưu, nâng cao năng suất lạnh và triệt tiêu bình chứa rời truyền thống.
  • Bình lọc/hút ẩm và Mắt ga (Sight Glass): Chứa chất khử ẩm đặt giữa các màng lọc tinh, hấp thụ hơi ẩm tránh hiện tượng đóng băng kẹt van tiết lưu. Cửa sổ quan sát (mắt ga) phía trên cho phép kỹ thuật viên theo dõi bọt khí để nhận diện lượng môi chất nạp đủ hay thiếu.
  • Van tiết lưu kiểu hộp (Block Type Expansion Valve): Tự động điều chỉnh tiết diện lỗ phun môi chất thông qua chuyển động của màng chắn và thanh cảm ứng nhiệt dựa trên sự biến thiên nhiệt độ tại đường ra của giàn lạnh.
  • Hệ thống cảm biến điện tử trên xe:
    • Cảm biến nhiệt độ trong xe: Dạng nhiệt điện trở NTC gắn trên bảng táp-lô kèm đầu hút khí cưỡng bức từ quạt gió.
    • Cảm biến nhiệt độ ngoài xe: Nhiệt điện trở gắn phía trước giàn nóng để thu nhận nhiệt độ môi trường.
    • Cảm biến bức xạ mặt trời: Đi-ốt quang (Photodiode) bố trí trên mặt táp-lô, biến đổi quang năng thành tín hiệu điện thế phản ánh mức độ bức xạ nắng tác động lên cabin.
    • Cảm biến nhiệt độ giàn lạnh: Nhiệt điện trở đo nhiệt độ bề mặt cánh tản nhiệt giàn lạnh, đóng vai trò phát tín hiệu ngắt máy nén chống đóng băng bề mặt.
    • Cảm biến nhiệt độ nước làm mát: Lấy dữ liệu từ ECU động cơ nhằm điều khiển lượng nhiệt sưởi ấm qua két nước nóng.
  • Giải thuật điều khiển tự động: ECU tính toán chỉ số TAO theo tải nhiệt tổng hợp để điều khiển mô-tơ bước của cửa trộn gió (Air mix damper), điều khiển tuyến tính tốc độ quạt gió qua transistor công suất, tích hợp rơ-le ngắt mạch bảo vệ quá dòng (Relay EX-HI và điện trở LO) và ứng dụng thuật toán mạng thần kinh giúp tinh chỉnh môi trường nhiệt vi mô thích ứng với sinh lý hành khách.

Chương 3. Sơ đồ mạch điện, hư hỏng và sửa chữa hệ thống điều hòa

Chương 3 trình bày hệ thống tài liệu kỹ thuật phục vụ trực tiếp cho công tác chẩn đoán và sửa chữa:

  • Hệ thống sơ đồ mạch điện: Khảo sát và bóc tách toàn bộ 13 bản vẽ sơ đồ mạch điện chi tiết của hệ thống điều hòa Toyota Vios 2018, thể hiện rõ các đường cấp nguồn, cầu chì bảo vệ, rơ-le A/C, các ngõ vào/ra (I/O) của hộp ECU điều khiển, đường truyền tín hiệu cảm biến và các bộ chấp hành (mô-tơ trộn gió, mô-tơ chia gió, quạt dàn lạnh).
  • Trang thiết bị chuyên dụng: Khảo sát danh mục thiết bị đo kiểm gồm bộ đồng hồ áp kế cao áp/thấp áp (Manifold Gauge), máy hút chân không chuyên dụng, bình nạp môi chất R-134a có cân định lượng điện tử, thiết bị phát hiện rò rỉ ga (đèn UV/máy ngửi điện tử), và nhiệt kế điện tử đo cửa gió.
  • Quy trình kiểm tra, chẩn đoán áp suất: Hướng dẫn kỹ thuật kết nối khớp nối nhanh (Quick Coupler) của bộ đồng hồ áp kế vào đầu van dịch vụ thấp áp ($L$) và cao áp ($H$) trên xe, từ đó phân tích các dải giá trị áp suất chuẩn để đánh giá hiệu năng máy nén, giàn nóng và van tiết lưu.
  • Tổng hợp bảng hư hỏng, nguyên nhân và biện pháp khắc phục:
Hiện tượng hư hỏng Nguyên nhân kỹ thuật Phương pháp xử lý
Hệ thống không mát hoàn toàn Mất nguồn điện cấp tới ly hợp từ, đứt cuộn dây stato ly hợp; rò rỉ hết môi chất lạnh; đứt dây curoa dẫn động. Kiểm tra mạch điện, đo thông mạch cuộn hút ly hợp; dùng thiết bị dò xì tìm chỗ thủng, hàn/thay mới, hút chân không và nạp lại ga.
Độ lạnh kém, làm mát chậm Thiếu môi chất do rò rỉ nhẹ; giàn nóng bám nhiều bụi bẩn cản trở giải nhiệt; phin lọc bị nghẹt một phần; quạt tản nhiệt giàn nóng quay yếu. Vệ sinh bề mặt tản nhiệt giàn nóng; kiểm tra mắt ga, bổ sung ga đúng định lượng; thay thế túi hút ẩm/phin lọc; kiểm tra mô-tơ quạt giàn nóng.
Giàn lạnh bị đóng băng, gió thổi yếu dần Hỏng cảm biến nhiệt độ giàn lạnh; van tiết lưu mở quá lớn; quạt giàn lạnh quay quá chậm hoặc lưới lọc gió cabin bị tắc nghẹt hoàn toàn. Thay cảm biến nhiệt độ giàn lạnh; kiểm tra thay thế van tiết lưu; vệ sinh hoặc thay mới lọc gió điều hòa khoang lái.
Có tiếng ồn lớn khi đóng lốc lạnh Vòng bi puli ly hợp từ bị mòn/rơ; máy nén thiếu dầu bôi trơn chuyên dụng hoặc piston/đĩa chéo bên trong máy nén bị mài mòn cơ khí. Căn chỉnh khe hở đĩa ép ly hợp, thay thế vòng bi puli; bổ sung dầu bôi trơn máy nén PAG đúng chủng loại hoặc đại tu thay mới cụm máy nén.

Kết quả và đóng góp

  1. Kết quả chính:

    • Hoàn thành bộ tài liệu khảo sát hoàn chỉnh về hệ thống điều hòa ô tô Toyota Vios 2018, bóc tách đầy đủ nguyên lý làm việc của cụm máy nén piston đĩa chéo (tỉ số nén $5 \div 8,1$), chu trình nhiệt giàn nóng tích hợp phụ làm mát và cơ cấu tự điều tiết của van tiết lưu kiểu hộp.
    • Giải mã và hệ thống hóa 13 sơ đồ mạch điện điều khiển A/C nguyên bản, làm rõ cơ chế tương tác giữa các cảm biến nhiệt điện trở, photodiode và bộ vi xử lý ECU điều hòa.
    • Xây dựng quy trình chuẩn về việc kết nối bộ áp kế, phương pháp kiểm tra rò rỉ môi chất R-134a, quy trình hút chân không và bảng tra cứu lỗi thực hành.

  2. Giải pháp kỹ thuật đề xuất:

    • Đề xuất quy trình bảo dưỡng định kỳ hệ thống điều hòa ô tô kết hợp giữa kiểm tra áp suất đồng hồ và tra cứu mã lỗi tự chẩn đoán (Self-diagnosis) lưu trong bộ nhớ ECU.
    • Ứng dụng phương pháp quan sát dòng bọt khí qua mắt ga kết hợp kiểm tra độ rơ cơ khí của đĩa ép ly hợp từ nhằm phát hiện sớm các nguy cơ hư hỏng máy nén trước khi xảy ra sự cố nghiêm trọng.

  3. Đóng góp của đồ án:

    • Đồ án đã tổng hợp một cách có hệ thống kiến thức từ các tài liệu lý thuyết nhiệt kỹ thuật và tài liệu thực hành của hãng Toyota thành một tài liệu kỹ thuật có tính trực quan cao.
    • Đóng góp trực tiếp vào nguồn học liệu chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại Đại học Duy Tân, làm cơ sở lý thuyết cho việc chế tạo các mô hình dạy học sa bàn cắt bổ và mô hình mô phỏng mạch điện điều hòa thực hành.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế:

    • Khảo sát thực hiện chủ yếu dựa trên tài liệu kỹ thuật của một phiên bản cụ thể (Toyota Vios 2018) trong giới hạn thời gian 02 tháng tại xưởng trường, chưa thực hiện được các đo đạc thực nghiệm sâu về công suất lạnh tiêu thụ ($Q_0$) thực tế trên bệ thử động lực học chuyên dụng.
    • Các sơ đồ mạch điện chủ yếu dừng lại ở mức khảo sát và phân tích nguyên lý, chưa đi sâu vào việc lập trình giải mã các gói tin mạng giao tiếp CAN/LIN giữa ECU điều hòa và ECU thân xe (Body ECU).

  • Hướng phát triển:

    • Thiết kế và chế tạo mô hình thực hành vật lý hoàn chỉnh hệ thống điều hòa Toyota Vios 2018 có gắn các giắc chẩn đoán và hộp đánh pan lỗi điện phục vụ trực tiếp cho sinh viên thực tập tại xưởng.
    • Mở rộng nghiên cứu sang hệ thống điều hòa tự động đa vùng khí hậu độc lập và hệ thống điều hòa sử dụng máy nén xoắn ốc biến tần trên các dòng xe Hybrid (xăng lai điện) và xe thuần điện (EV).

Giá trị tham khảo

Đồ án là nguồn tư liệu kỹ thuật hữu ích đối với các đối tượng cụ thể:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô và Kỹ thuật Nhiệt - Điện lạnh: Nắm vững cấu tạo chi tiết, chu trình nhiệt động và giải thuật tính toán TAO của hệ thống HVAC trên ô tô con.
  • Giảng viên và kỹ thuật viên xưởng thực hành: Sử dụng 13 bản vẽ sơ đồ mạch điện và bảng hướng dẫn chẩn đoán áp suất làm tài liệu hướng dẫn sinh viên thực tập môn Điện - Điện tử Ô tô và Chẩn đoán hệ thống điều hòa không khí.
  • Thợ sửa chữa điện lạnh ô tô: Tham khảo bảng thông số kỹ thuật, quy trình đo kiểm áp suất và bảng phân tích hiện tượng pan bệnh phục vụ quá trình bảo trì dòng xe Toyota Vios trong thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Tỉ số nén làm việc của máy nén trên hệ thống điều hòa Toyota Vios 2018 là bao nhiêu?
Trong quá trình vận hành, máy nén loại piston đĩa chéo của hệ thống điều hòa ô tô Vios 2018 duy trì tỉ số nén nằm trong khoảng từ $5 \div 8,1$, phụ thuộc trực tiếp vào điều kiện nhiệt độ môi trường xung quanh và trạng thái của môi chất lạnh R-134a.

2. Điểm cải tiến của giàn nóng kép (giàn nóng tích hợp) trên xe Vios 2018 so với hệ thống truyền thống là gì?
Giàn nóng tích hợp trên xe được trang bị bộ chia hơi - lỏng (sub-cooling) tích hợp sẵn phin lọc và chất hút ẩm bên trong. Cấu tạo này cho phép môi chất được làm mát phụ để chuyển hóa hoàn toàn sang dạng lỏng, làm tăng năng suất lạnh của chu trình và loại bỏ sự cần thiết của bình chứa/lọc ga rời đặt bên ngoài.

3. Cảm biến nhiệt độ giàn lạnh có nhiệm vụ gì trong hệ thống điều hòa tự động?
Cảm biến nhiệt độ giàn lạnh sử dụng một nhiệt điện trở gắn trực tiếp tại bề mặt giàn lạnh nhằm theo dõi nhiệt độ không khí sau khi đi qua giàn. Tín hiệu này giúp ECU điều khiển ngắt máy nén để ngăn chặn hiện tượng đóng băng bề mặt cánh tản nhiệt, đồng thời hỗ trợ thuật toán điều chỉnh luồng khí trong các giai đoạn quá độ.

4. Đại lượng TAO (Temperature Air Output) được tính toán dựa trên những thông số cảm biến nào?
ECU tính toán nhiệt độ khí ra cửa gió (TAO) dựa trên sự tổng hợp dữ liệu từ: nhiệt độ do người dùng cài đặt, cảm biến nhiệt độ thực tế trong xe, cảm biến nhiệt độ môi trường bên ngoài xe và cường độ bức xạ nhiệt thu nhận từ cảm biến mặt trời.

5. Rơ-le EX-HI và điện trở LO trong mạch quạt gió giàn lạnh có vai trò gì?
Rơ-le EX-HI có nhiệm vụ nối mát trực tiếp mô-tơ quạt gió khi người dùng yêu cầu lưu lượng gió cực đại, giúp tránh sụt áp trên transistor công suất và tận dụng tối đa điện áp nguồn. Điện trở LO tiếp nhận dòng điện ban đầu khi kích hoạt nhằm hạn chế dòng khởi động lớn, bảo vệ an toàn cho transistor công suất.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Hoài Bảo đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu khảo sát toàn diện về kết cấu cơ khí, chu trình nhiệt động và sơ đồ mạch điện điều khiển của hệ thống điều hòa trên xe Toyota Vios 2018. Công trình đã làm rõ nguyên lý hoạt động của cụm máy nén piston đĩa chéo, giàn nóng tích hợp làm mát phụ và hệ thống điều khiển tự động thông minh dựa trên tính toán nhiệt độ khí ra TAO. Kết quả nghiên cứu không chỉ hệ thống hóa kiến thức chuyên môn kỹ thuật ô tô hiện đại mà còn mang lại tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng cao cho công tác đào tạo thực hành và kỹ thuật sửa chữa tại các xưởng dịch vụ.