MỞ ĐẦU 1. SƠ LƯỢC VỀ ĐỀ TÀI 1. Tính cần thiết của đề tài Phần lớn các động cơ ô tô ngày này đều sử dụng bộ điều khiển máy tính, nên kiến thức về bộ điều khiển đó cần được trang bị. Ở Việt Nam, tài liệu hỗ trợ kiến thức về hệ thống điều khiển động cơ chưa được nhiều và đa dạng, đặc biệt là khi nói riêng về một nhóm động cơ cũng như là khi cần nêu rõ quá trình chẩn đoán và bảo dưỡng hệ thống này.
Vì vậy, việc xây dựng tài liệu phục vụ chẩn đoán và bảo dưỡng hệ thống điều khiển động cơ trên động cơ 1ZZ-FE là hoàn toàn cần thiết. Hướng đi của cuốn báo cáo này Thông qua nhiệm vụ được giao trong đề tài và kết hợp với phương án thực hiện, cuốn báo cáo này sẽ trước hết tìm hiểu hệ thống điều khiển động cơ để có thể nắm được hình ảnh sơ bộ về nó (Chương 2). Sau đó, cuốn báo cáo này sẽ tìm hiểu đến ứng dụng của hệ thống này trên mẫu động cơ mô hình để từ đó xây dựng quy trình chẩn đoán và bảo dưỡng nó (Chương 3). Cuối cùng, lời đúc kết và đề xuất sẽ được đưa ra dựa theo hoàn cảnh sau khi thực hiện cuốn báo cáo này (Chương 4).
PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Với cơ sở là chương trình SOE3000B, các quy trình chẩn đoán hệ thống điều khiển động cơ mô hình sẽ được thực hiện bằng những phương pháp đo số liệu sóng từ chương trình đó và đồng thời kết hợp với các phương pháp thử điện board mạch máy tính và các cảm biến trên động cơ. Thông qua việc chẩn đoán bằng hoạt động của sóng và số liệu khi thử trên hệ thống điều khiển động cơ, việc thu thập dữ liệu sẽ trở nên tối ưu để từ đó có thể đưa ra các bước bảo dưỡng hệ thống này một cách tốt nhất. 1 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. TÌM HIỂU KHÁI QUÁT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 2.
Bộ máy tính điều khiển động cơ (engine control unit-ecu) ECU là board mạch dùng để điều khiển hoạt động của động cơ qua việc tổ hợp, nhận biết tín hiệu, sau đó tính toán, lưu trữ thông tin, quyết định chức năng hoạt động, và cuối cùng gửi tín hiệu điều khiển thích hợp đến các cơ cấu chấp hành trong động cơ. 1: Hình dáng (trái) và vị trí ECU (phải) trong hệ thống điều khiển động cơ ECU được đặt trong vỏ kim loại nhằm giúp board giải nhiệt tốt, và để board được bố trí ở nơi ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm, đồng thời bảo vệ board khỏi va đập bên ngoài. Các linh kiện điện tử trên board ECU được bày trí trên một mạch in. Các linh kiện công suất nằm ở 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 board và vi mạch điện tử giúp ECU đạt độ tin cậy cao khi làm việc. Sự phát triển của ECU trên động cơ đi liền với sự phát triển của vi xử lý. Trên những thế hệ ECU đầu tiên, người ta dùng loại 4 và 8bit. Hiện nay, nhu cầu điều khiển trên ô tô ngày càng nhiều, chương trình điều khiển ngày càng lớn và phức tạp, người ta sử dụng ECU loại 8; 16 và 32bit.
Nhìn chung, vị trí và vai trò của ECU trong hệ thống điều khiển động cơ sẽ được mô tả sơ lược như sau (ở phần sau sẽ giải thích chi tiết hơn): 2 Hình 2. 2: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển động cơ ECU sẽ nhận tín hiệu báo về từ các cảm biến, sau đó tính toán và xử lý số liệu để từ đó điều khiển các bộ chấp hành (thực hiện các nhiệm vụ như phun nhiên liệu, đánh lửa, giữ ga, chẩn đoán các bộ phận) làm việc phù hợp với tình trạng di chuyển của xe và tình trạng của động cơ. Cấu tạo bên trong ECU Xét về cấu tạo, ECU được cấu thành từ các bộ phận như minh họa trong sơ đồ bên dưới, và mỗi phần sẽ được giải thích trong một mục nhỏ: Hình 2. 3: Liên hệ các thành phần cấu tạo bên trong ECU 3 Nhìn chung, dữ liệu tín hiệu sẽ di chuyển thông qua đường truyền BUS theo hướng mũi tên từ đồng hồ hiển thị (Clock), các bộ nhớ, và các loại dữ liệu đầu vào (Input data) đến CPU của ECU để được xử lý và tính toán trước khi di chuyển đến các bộ chấp hành đầu ra (Output drivers).
Bộ nhớ trong của ECU Bộ nhớ trong của ECU bao gồm 4 thành phần với các chức năng khác: RAM, KAM ROM, PROM. • RAM (Random Access Memory-Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên): dùng để lưu trữ thông tin mới được ghi trong bộ nhớ và trao đổi dữ liệu 2 chiều với vi xử lý. RAM có thể đọc và ghi các số liệu theo địa chỉ bất kỳ. • KAM (Keep Alive Memory-Bộ nhớ duy trì thông tin): dùng để lưu trữ những thông tin mới (những thông tin tạm thời) được đưa đến bộ vi xử lý.
Dữ liệu trong KAM vẫn duy trì cho dù động cơ ngưng hoạt động hoặc tắt công tắc máy. Tuy nhiên, nếu ngắt nguồn cung cấp từ acquy đến máy tính xử lý thì dữ liệu trong KAM sẽ bị mất. • ROM (Read Only Memory-Bộ nhớ chỉ đọc): dùng để trữ thông tin một cách thường trực. Bộ nhớ này chỉ có chức năng ghi nhận dữ liệu chứ không thể ghi vào được.
Thông tin bên trong nó đã được cài đặt sẵn, và từ đó ROM cung cấp thông tin cho bộ vi xử lý. • EPROM/PROM ((Erasable) Programmable Read Only Memory-Bộ nhớ chỉ đọc cho phép lập trình (và xóa)): Cấu trúc cơ bản của nó giống như ROM, nhưng nó cho phép lập trình (nạp dữ liệu) tại nơi sử dụng chứ không phải nơi sản xuất như ROM. PROM cho phép chỉnh sửa chương trình điều khiển theo nhiều đòi hỏi khác nhau. Bộ vi xử lý của ECU Bên trong ECU, bộ phận quan trọng nhất là bộ vi xử lý (Microprocessor), hay còn gọi là CPU.
CPU lựa chọn các lệnh và xử lý số liệu từ bộ nhớ trong, các thành phần chứa các chương trình và dữ liệu ngõ ra, để điều khiển nhanh số liệu từ các cảm biến và chuyển các dữ liệu đã được xử lý đến điều khiển các cơ cấu chấp hành. Hoạt động bên trong CPU sẽ được xây dựng thành sơ đồ cấu trúc như sau: 4 Hình 2. 4: Cấu trúc làm việc của CPU Dữ liệu thông tin có thể được trao đổi qua lại giữa các thành phần trong CPU để có thể phục vụ nhiều tình huống vận hành máy khác nhau. Dữ liệu sẽ được đưa vào bộ ghi nhận lưu trữ, sau đó được xử lý trong bộ tính toán đại số và logic.
Dữ liệu được xử lý có thể được đưa trở lại bộ ghi nhận lưu trữ để thực hiện việc tích hợp lệnh. Bộ ghi nhận lưu trữ và tính toán đại số và logic có thể trao đổi dữ liệu thông tin 2 chiều với bộ điều khiển để từ đó xuất ra tín hiệu điều khiển. Đường truyền bên trong ECU Đường truyền BUS bên trong ECU được dùng để chuyển các lệnh và số liệu trong ECU để dữ liệu có thể được đưa từ bộ xử lý đến các cơ cấu chấp hành. Thiếu đi đường truyền BUS thì ECU không thể truyền mệnh lệnh điều khiển các bộ phận khác.
Các mạch giao tiếp đầu vào và ra của ECU Về mô hình chung của các mạch bên trong ECU, việc giao tiếp tín hiệu vào và ra cũng như xử lý tín hiệu được mô tả bên dưới: 5 Hình 2. 5: Các mạch điện hoạt động bên trong ECU Với nguồn (Power supply) được cấp sẵn, tín hiệu từ các đầu vào (Inputs) sẽ được tổng hợp tại mạch giao tiếp đầu vào (Input ciruit) và truyền vào mạch xử lý (Processing circuit). Tín hiệu qua xử lý sau đó sẽ được đưa đến mạch giao tiếp đầu ra (Output circuit) để từ đó truyền đến các cơ cấu chấp hành đầu ra (Outputs). Bộ điều khiển ECU hoạt động trên cơ sở tín hiệu số nhị phân với điện áp cao biểu hiện cho số 1, điện áp thấp biểu hiện cho số 0.
Mỗi giá trị 0 hoặc 1 gọi là bit. Mỗi dãy gồm 8bit như vậy sẽ tương đương 1 byte. Byte này được dùng để biểu hiện cho một lệnh hoặc 1 mẫu thông tin. 6: Minh họa xung dựa theo các giá trị bit (0 và 1) 2.
Mạch giao tiếp đầu vào • Bộ chuyển đổi A/D (ADC-Analog to Digital Converter): dùng để chuyển các tín hiệu từ đầu vào, với sự thay đổi điện áp trên các cảm biến nhiệt độ, cảm biến bướm ga,… thành các tín hiệu số để bộ vi xử lý hiểu được. Như vậy thì giá trị điện áp thay đổi liên tục sẽ được chuyển đổi thành giá trị nhị phân và được đưa vào bộ nhớ trong của ECU để CPU xử lý. 7: Sơ đồ bên trong bộ ADC • Bộ đếm (counter): đếm xung tín hiệu từ các cảm biến rồi gửi số đếm đến bộ vi xử lý. 8: Sơ đồ mạch điện bộ đếm • Bộ nhớ trung gian (Buffer): phục vụ việc chuyển tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu sóng vuông dạng số.
Nó không giữ và dùng lại lượng đếm như trong bộ đếm. Bộ phận chính là một transistor, với nhiệm vụ đóng mở theo cực tính của tín hiệu xoay chiều. Bộ nhớ trung gian là nơi tiếp nhận và lưu trữ liên tục từng mảng dữ liệu nhỏ được truyền đến khi ADC thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi sóng. Mục đích sử dụng của bộ nhớ trung gian là để giảm thời gian đợi dữ liệu nhập/xuất được xử lý khi dữ liệu được xử lý theo từng phần nhỏ ngay khi vừa được tải đến.
9: Sơ đồ mạch điện bộ nhớ trung gian 7 2. Mạch xử lý tín hiệu • Bộ khuếch đại (Amplifier): dùng để khuếch đại tín hiệu của một số cảm biến cho tín hiệu nhỏ và khó đọc. 10: Sơ đồ mạch điện bộ khuếch đại • Bộ ổn áp (Voltage regulator): trong ECU thường có hai bộ ổn áp, 5V và 12V. 2 chuẩn này là tuân theo giá trị điện áp tiêu chuẩn đọc được từ các chân tín hiệu trong các cảm biến hay các cơ cấu chấp hành.
Mục đích của bộ phận này là cho ra tín hiệu xung cố định và chính xác (các giá trị nhị phân 0 hoặc 1) để tín hiệu xuất ra từ ECU có thể điều khiển các cơ cấu chấp hành hoạt động chuẩn xác ứng với tình trạng máy. 11: Sơ đồ mạch điện bộ ổn áp 2.