CHƯƠNG 1. Xu hướng phát triển Trong vòng 20 năm trở lại đây, công nghiệp ô tô đã có những sự thay đổi lớn lao. Đặc biệt hệ thống điện và điện tử trên ô tô đã có những bước phát triển vượt bậc nhằm đáp ứng các yêu cầu: tăng công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm độ độc hại của khí thải, tăng tính an toàn và tiện nghi của ô tô. Ngày nay chiếc ô tô là một hệ thống phức tạp bao gồm cơ khí và điện tử.
Tuy nhiên có thể dễ dàng thấy rằng các thiết bị điện tử đang dần thay thế các thiết bị cơ và thuỷ lực trong các thế hệ xe hơi này. Trên hầu hết các hệ thống điện ô tô đều có mặt các bộ vi xử lí để điều khiển các quá trình của hệ thống. Các hệ thống mới lần lượt ra đời và được ứng dụng rộng rãi trên các loại xe, từ các hệ thống điều khiển động cơ và hộp số cho đến các hệ thống an toàn và tiện nghi trên ô tô. Điển hình như hệ thống đánh lửa điện tử đã thay cho hệ thống đánh lửa điều khiển bằng vít lửa, bộ chế hoà khí đã được thay bằng hệ thống phun xăng điện tử.
Sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô gắn liền với sự phát triển của các chíp xử lý những tiến bộ của ngành công nghiệp cảm biến và những thành tựu trong lĩnh vực truyền thông. Trên các ô tô hiện đại ngày nay, để đảm bảo an toàn cũng như tiết kiệm nhiên liệu cho động cơ thì hầu hết các động cơ đều được điều khiển hoàn toàn bằng một hệ thống điện tử, hệ thống điều khiển này gọi là hệ thống điều khiển động cơ, trong đó ECU có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các cảm biến và điều khiển động cơ thông qua các bộ chấp hành được gắn trên động cơ. Hệ thống này giúp xe vận hành một cách êm ái, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải độc hại gây ô nhiễm môi trường. Trên thế giới hiện nay, nhiều nước châu Âu hướng đến tiêu chuẩn khí thải (EURO 5, EURO 6) hạn chế gây hại ô nhiễm môi trường.
Chính vì lẽ đó, ECU đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc làm giảm khí thải, một cách phổ biến nhất hiện nay như là việc ô tô được trang bị thêm bộ hoá khử (TWC – Three way catalyst), bộ hoá khử này sẽ hoạt động cao nhất ở tỷ lệ hoà khí lý tưởng, thông qua cảm biến Oxy xác định phần hoà khí tức thời trong khí nạp gửi tín hiệu về ECU nhằm điều chỉnh tỷ lệ hoà khí thích hợp ở từng điều kiện nhất định. Chúng ta phải tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các cảm biến gắn trên động cơ xem chúng hoạt động thế nào, vị trí cũng như cấu tạo của cảm biến, thông qua đó sẽ xác định phương pháp kiểm tra các cảm biến, khắc phục các sự cố do các cảm biến gây ra. Sinh viên thực hiện: Trần Quang Tuyến GVHD: ThS Đỗ Phú Ngưu 3 Nguyễn Bảo Long Nguyễn Thái Bảo Khang Nghiên cứu, thiết kế thiết bị giả lập tín hiệu kiểm tra hệ thống điều khiển động cơ ô tô 1. Quá trình ra đời và phát triển của hệ thống điều khiển động cơ [2] Vào thế kỷ 19, một kỹ sư người Pháp – ông Stevan đã nghĩ ra cách phun nhiên liệu cho một máy nén khí.
Sau đó một thời gian, một người Đức đã cho phun nhiên liệu vào buồng cháy nhưng không hiệu quả. Đầu thế kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ 4 thì tĩnh tại (nhiên liệu dùng trên động cơ này là dầu hoả nên hay bị kích nổ và hiệu suất rất thấp). Tuy nhiên, sáng kiến này đã được ứng dụng thành công trong việc chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu cho máy bay ở Đức. Đến năm 1966, hãng BOSCH đã thành công trong việc chế tạo hệ thống phun xăng kiểu cơ khí.
Trong hệ thống phun xăng này, nhiên liệu được phun liên tục vào trước xupap hút nên có tên gọi là K – Jetronic (K – Konstant – liên tục, J – Jetronic – phun). K – Jetronic được đưa vào sản xuất và ứng dụng trên các xe của hãng Mercedes và một số xe khác, là nền tảng cho việc phát triển các hệ thống phun xăng thế hệ sau như KE – Jetronic, Mono – Jetronic, L – Jetronic, Jetronic, Motronic… Tên tiếng Anh của K – Jetronic CIS (Continuous injection system) đặc trưng cho các hãng xe Châu Âu và có 4 loại cơ bản cho CIS là: K – Jetronic, K – Jetronic với với các cảm biến oxy và KE – Jetronic (có kết hợp điều khiển bằng điện tử) hoặc KE – Motronic (kèm điều khiển góc đánh lửa sớm). Do hệ thống phun cơ khí còn nhiều nhược điểm nên đầu những năm 80, BOSCH đã cho ra đời hệ thống phun sử dụng kim phun điều khiển bằng điện. Có hai loại: hệ thống L – Jetronic (lượng nhiên liệu phun được xác định bằng cảm biến đo lưu lượng khí nạp) và D – Jetronic (lượng nhiên liệu phun được xác định dựa vào áp suất trên đường ống nạp).
Đến năm 1984, người Nhật (mua bản quyền của BOSCH) đã ứng dụng hệ thống phun xăng L – Jetronic và D – Jetronic trên các xe hãng TOYOTA (dùng với động cơ 4A – ELU). Đến năm 1987, hãng Nissan dùng L – Jetronic thay cho bộ chế hoà khí của xe Nissan Sunny. Song song với sự phát triển của hệ thống phun xăng, hệ thống đánh lửa điều khiển theo chương trình (ESA – Electronic Spark Advance) cũng được đưa vào sử dụng vào những năm đầu thập kỷ 80. Sau đó, vào đầu những năm 90, hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS – Direct Ignitinon System) ra đời, cho phép không sử dụng delco và hệ thống này đã có mặt trên hầu hết các xe thế hệ mới.
Ngày nay, gần như hầu hết tất cả ô tô đều được trang bị hệ thống điều khiển động cơ, cả động cơ xăng và động cơ Diesel theo chương trình, giúp động cơ đáp ứng được các yêu cầu gắt gao về khí xả và tính tiết kiệm nhiên liệu. Thêm vào đó công suất động cơ cũng được cải thiện rõ rệt. Sinh viên thực hiện: Trần Quang Tuyến GVHD: ThS Đỗ Phú Ngưu 4 Nguyễn Bảo Long Nguyễn Thái Bảo Khang Nghiên cứu, thiết kế thiết bị giả lập tín hiệu kiểm tra hệ thống điều khiển động cơ ô tô Những năm gần đây, một thế hệ mới của động cơ phun xăng đã ra đời. Đó là động cơ phun xăng trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection).
Trong tương lai gần, chắc chắn GDI sẽ được sử dụng rộng rãi. Phân loại và ưu điểm 1. Phân loại Các hệ thống điều tự động trên ô tô ngày nay rất đa dạng, sử dụng nhiều loại cảm biến và cơ cấu chấp hành khác nhau. Chúng có cấu tạo và nguyên lý làm việc khá phức tạp, các cảm biến có dạng tín hiệu đa dạng, các cơ cấu chấp hành lại đòi hỏi dạng tín hiệu điều khiển khác nhau Hệ thống phun nhiên liệu có thể được phân loại theo nhiều kiểu Nếu phân biệt theo cấu tạo kim phun ta có hai loại: - Loại CIS (Continuous Injection System): Đây là kiểu sử dụng kim phun cơ khí, gồm bốn loại cơ bản: + Hệ thống K – Jetronic: việc phun nhiên liệu được điều khiển hoàn toàn bằng cơ khí.
+ Hệ thống K – Jetronic có cảm biến khí thải: có thêm một cảm biến oxy. + Hệ thống KE – Jetronic: hệ thống K-Jetronic với mạch điều chỉnh áp lực phun bằng điện tử. + Hệ thống KE – Motronic: kết hợp với việc điều khiển đánh lửa bằng điện tử. - Loại AFC (Air Flow Controlled Fuel Injection) Sử dụng kim phun điều khiển bằng điện.
Hệ thống phun xăng với kim phun điện có thể chia làm hai loại chính: + D-Jetronic (xuất phát từ chữ Druck trong tiếng Đức là áp suất): với lượng xăng phun được xác định bởi áp suất sau cánh bướm ga bằng cảm biến MAP (Manifold absolute pressure sensor). + L-Jetronic (xuất phát từ chữ Luft trong tiếng Đức là không khí): với lượng xăng phun được tính toán dựa vào lưu lượng khí nạp lấy từ cảm biến đo gió loại cánh trượt. Sau đó có các phiên bản: LH – Jetronic với cảm biến đo gió dây nhiệt, LU – Jetronic với cảm biến gió kiểu siêu âm… Nếu phân biệt theo vị trí lắp đặt kim phun, hệ thống phun xăng AFC được chia làm hai loại: - Loại TBI (Throttle Body Injection) – phun đơn điểm Hệ thống này còn có các tên gọi khác như: SPI (single point injection), CI (central injection), Mono – Jetronic. Đây là loại phun trung tâm.
Kim phun được bố trí phía trên cánh bướm ga và nhiên liệu được phun bằng một hay hai kim phun. Nhược điểm của hệ Sinh viên thực hiện: Trần Quang Tuyến GVHD: ThS Đỗ Phú Ngưu 5 Nguyễn Bảo Long Nguyễn Thái Bảo Khang Nghiên cứu, thiết kế thiết bị giả lập tín hiệu kiểm tra hệ thống điều khiển động cơ ô tô thống này là tốc độ dịch chuyển của hòa khí tương đối thấp do nhiên liệu được phun ở vị trí xa xupap hút và khả năng thất thoát trên đường ống nạp. Loại MPI (Multi Point Fuel Injection) - phun đa điểm. Đây là hệ thống phun nhiên liệu đa điểm, với mỗi kim phun cho từng xylanh được bố trí gần supap hút (cách khoảng 10 – 15 mm).
Ống góp hút được thiết kế sao cho đường đi của không khí từ bướm ga đến xylanh khá dài, nhờ vậy, nhiên liệu phun ra được hòa trộn tốt với không khí nhờ xoáy lốc. Nhiên liệu cũng không còn thất thoát trên đường ống nạp. Hệ thống phun xăng đa điểm ra đời đã khắc phục được các nhược điểm cơ bản của hệ thống phun xăng đơn điểm. Tùy theo cách điều khiển kim phun, hệ thống này có thể chia làm ba loại chính: - Phun độc lập hay phun từng kim (Independent injection) - Phun nhóm (Group injection) - Phun đồng loạt (Simultaneous injection) Nếu căn cứ vào đối tượng điều khiển theo chương trình, người ta chia hệ thống điều khiển động cơ ra ba loại chính: chỉ điều khiển phun xăng (EFI – electronic fuel injection theo tiếng Anh hoặc Jetronic theo tiếng Đức), chỉ điều khiển đánh lửa (ESA – electronic spark advance) và loại tích hợp tức điều khiển cả phun xăng và đánh lửa (hệ thống này có nhiều tên gọi khác nhau: Bosch đặt tên là Motronic, Toyota có tên (TCCS– Toyota Computer Control System), Nissan gọi tên là (ECCS – Electronic Concentrated Control System…) Nhờ tốc độ xử lý của CPU khá cao, các hộp điều khiển động cơ đốt trong ngày nay thường gồm cả chức năng điều khiển hộp số tự động và quạt làm mát động cơ.
