Hệ thống cơ- Điện tử ô tô hiện đại

Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh Các phương pháp điều khiển đường đặc tính động cơ trên ô tô hiện đại Động cơ ô tô là nguồn động lực giúp ô tô có thể chuyển động được trên đường. Từ khi ra đời, động cơ đã có nhiều cuộc cách mạng công nghệ làm thay đổi đáng kể kết cấu cũng như các thông số của động cơ. Với xu thế phát triển ngày một cao của nền công nghiệp ô tô bằng việc ứng dụng các thành tựu trong các lĩnh vực điện- điện tử và công nghệ thông tin. Yêu cầu về tăng tốc hay nói cách khác là nâng cao tốc độ của ô tô là mục đích của các nhà chế tạo ô tô trong tương lai. Động cơ nguyên thủy ban đầu không đáp ứng được yêu cầu này. Để có thể hiểu rõ hơn, có thể tìm hiểu từ đường đặc tính ngoài của động cơ như trên hình 1. Hình 1 : Đường đặc tính mômen xoắn của động cơ Qua đồ thị đặc tính mômen xoắn ta thấy, với động cơ nguyên thủy cho mô men xoắn cao ngay cả khi tốc độ của xe thấp đồng thời cho phép chạy không tải ổn định. Tuy nhiên nhược điểm là vùng vận tốc bị giới hạn nhỏ, khi vượt quá giới hạn vận tốc này các giá trị về mô men xoắn, công suất đều giảm nhanh chóng, suất tiêu hao nhiên liệu tăng, xe không có khả năng tăng tốc được nữa. Vấn đề đặt ra là cần thiết nâng cao tốc độ lớn nhất của ô tô hay mở rộng vùng làm việc của động cơ ở số vòng quay cao. Từ đồ thị ta thấy khi dịch chuyển đường đặc tính ngoài cho phép 1 Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh phát huy công suất cực đại của động cơ, giá trị công suất, mô men xoắn cực đại có thể tăng thêm. Như vậy mong muốn có được động cơ có hai đặc tính như trên để có thể phát huy được hết các ưu điểm và khắc phục được các nhược điểm vốn có của động cơ nguyên thủy. Để làm được điều này, các hãng ô tô ở các nước có nền công nghiệp ô tô phát triển đã nghiên cứu và triển khai nhiều công nghệ khác nhau. Sau đây là một số phương pháp điều khiển hiện đang được ứng dụng trên các loại xe hiện đại của các hãng. 1. Điều khiển pha phối khí của động cơ: Ở các nhà sản xuất khác nhau, công nghệ ứng dụng có thể khác nhau, do vậy tên gọi của hệ thống điều khiển này thường quy định theo chính nhà thiết kế. Trong nhóm điều khiển pha phối khí của động cơ: Hãng Honda dùng thuật nhữ VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) hoặc VTC (Valve Timing Control), Hãng GM dùng thuật ngữ VVT ( Variable Valve Timing), Hãng Toyota dùng thuật ngữ VVT-i (Variable Valve Timing-Intelligent) hoặc VVTL-i (Variable Valve Timing and Lift- Intelligent). Pha phối khí của động cơ được quyết định bởi cơ cấu phối khí có nhiệm vụ điều khiển quá trình trao đổi khí trong xy lanh động cơ. Yêu cầu đối với cơ cấu phối khí là nạp đầy nhiên liệu và thải sạch khí cháy ra khỏi buồng đốt đáp ứng được mọi chế độ làm việc của động cơ. Trên ô tô hiện nay phổ biến vẫn là loại cơ cấu phối khí dùng cam – xupáp. Pha phối khí của cơ cấu phối khí phụ thuộc vào việc đặt dấu cam và biên dạng cam của trục cam. Xuất phát từ điều này mà các tác động điều khiển đến cơ cấu phối khí nhằm vào tác động điều khiển đặt tự động dấu cam (xoay trục cam đi một góc nào đó so với thời điểm ban đầu) hoặc là thay đổi kết cấu biên dạng cam. a) Đặt lại dấu cam tự động: Trên các loại xe hiện đại, công việc này có thể thực hiện bằng cách điều khiển tự động thay đổi chiều căng đai cam (đối với loại dẫn động trục cam bằng dây đai). Khi thay đổi chiều căng đai cam, bánh răng đầu 2 Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh trục cam bị xoay đi một góc so với góc ban đầu làm xoay trục cam. Hoặc dùng khớp dầu đầu trục cam để làm xoay trục cam như trên hình 2. Bộ chấp hành của bộ điều khiển VVT-i dùng để điều khiển xoay trục cam nạp. Vỏ của nó được dẫn động bởi xích cam, nhận chuyển động từ trục khuỷu động cơ. Các cánh gạt được lắp trên trục cam. Sự thay đổi chiều áp lực dầu làm xoay cánh gạt đồng thời cam quay, làm thay đổi thời điểm phối khí của trục cam nạp. Hình 2 : Điều khiển pha phối khí bằng việc thay đổi khớp dầu đầu trục cam ECU sau khi nhận được các thông tin từ các cảm biến gửi về, tính toán thời điểm đóng mở xu páp tối ưu phù hợp với các chế độ của động cơ và gửi tín hiệu điều khiển van phân phối dầu đến trục cam. Việc cấp dầu làm quay cánh gạt lắp trên trục cam dẫn đến làm sớm, muộn hay duy trì thời điểm phối khí. Các trạng thái cụ thể như sau: 3 Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh *) Trạng thái làm sớm: ECU điều khiển van phân phối dầu, cấp dầu theo đường đi như hình 3, áp suất dầu tác dụng lên khoang cánh gạt, làm xoay trục cam theo chiều làm sớm pha phối khí. Hình 3 : Trạng thái sớm pha phối khí *) Trạng thái làm muộn: Ngược lại trạng thái trên, ECU điều khiển van cấp dầu đi theo chiều như hình 4, áp suất dầu làm cánh gạt quay, trục cam quay theo theo chiều làm muộn pha phối khí Hình 4 : Trạng thái muộn pha phối khí *) Trạng thái giữ: ECU tính toán góc phối khí chuẩn theo tình trạng đang hoạt động của động cơ. Sau khi đặt pha phối khí chuẩn, van phân phối dầu được điều khiển đóng van như hình 5 Hình 5 : Trạng thái giữ pha phối khí 4 Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh b) Thay đổi biên dạng cam: Trên các loại xe hiện đại, trục cam có thể có hai vấu cam hoặc ba vấu cam (cam tốc độ thấp và cam tốc độ cao). Trên hình là trục cam 3 vấu của động cơ V-TEC hãng xe Honda gồm 2 cam tốc độ thấp và 1 cam tốc độ cao: Đặc tính của động cơ khi trang bị hệ thống V-TEC: Nguyên lý làm việc của V-TEC được thể hiện trên hình 6 : - Khi chưa điều khiển ( Ở tốc độ thấp) : Các tín hiệu từ các cảm biến của động cơ gửi thông tin tới ECU ( Electronic Control Unit) về tình trạng làm việc của động cơ xác định ở tốc độ thấp. ECU không gửi tín hiệu điều khiển van tháo dầu (dầu bôi trơn), khí đó chốt (1), (2) (chốt ở cam tốc độ thấp và cam tốc độ cao) nằm ở vị trí trung gian. Khi trục cam (5) quay, cam tốc độ thấp (3) làm việc tác động lên cò mổ (6) làm mở và đóng xu páp, cam tốc độ cao cũng quay nhưng không tác dụng lên cò mổ xu páp. - Khi điều khiển (Ở tốc độ cao) : ECU nhận được thông tin động cơ đang làm việc ở số vòng quay cao, ECU sau khi nhận thông tin gửi tín hiệu xung điều khiển, điều khiển mở van tháo dầu, dầu được cấp đi qua đường rỗng bên trong trục cam đến cửa A. Do áp lực dầu, chốt 1 bị đẩy sang phải đồng thời chốt 2 cũng bị đẩy sang phải nén chốt B (có lò xo nén). Khi các chốt (1), (2) dịch chuyển sang vị trí bên phải nó sẽ khóa cứng cò mổ xu páp(6) với cò mổ trung gian (7). Trục cam (5) quay ở tốc độ cao kéo theo cam tốc độ cao (4) quay, tác động lên cò mổ trung gian (7) đến cò mổ xu páp (6) điều khiển mở, đóng xu páp ứng với chế độ tốc độ cao. Quá trình điều khiển sẽ lặp lại tùy theo chế độ làm việc của động cơ. 5 Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh Hình 6 : Điều khiển pha phối khí của động cơ ( Honda- VTEC) 1,2: Chốt ; 3: Vấu cam tốc độ thấp; 4: Vấu cam tốc độ cao; 5: Trục cam; 6: Cò mổ xupáp; 7: Cò mổ xupáp trung gian; A: Cửa dầu đến điều khiển ; B: Chốt có lò xo nén a) Hình 7 : Trạng thái làm việc của các chốt khi điều khiển a) Chưa cấp dầu điều khiển b) Cấp dầu điều khiển b) 2. Điều khiển xu páp thông minh (Valvetronic): Khái niệm động cơ không bướm ga đã trở thành hiện thực khi trên động cơ có trang bị xu páp điều khiển thông minh. Khi được điều khiển, xu páp đóng luôn vai trò bướm ga thực hiện đóng mở phù hợp với chế độ tính toán mà ECU nhận 6 Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh được từ các thông tin gửi về. Mức tải phù hợp của động cơ được điều khiển trực tiếp bằng độ đóng mở xu páp. Kết cấu của hệ điều khiển xupáp thông minh được thể hiện trên các hình sau. 1: Trục cam phụ được điều khiển bằng một mô tơ bước (6). Môtơ bước được điều khiển bởi ECU động cơ. 2: Trục cam chính của động cơ làm việc như trục cam thông thường trên các loại động cơ trước đây. 3: Đòn trung gian: Đòn trung gian có kết cấu rất phức tạp, có biên dạng phù hợp với biên dạng của cam trên trục cam phụ và cam trên trục cam chính. 4: Cò mổ xupáp được lắp trên trục của nó. 5: Gối đệm dầu ở một đầu của cò mổ xupáp. Hình 8 : Điều khiển Xupáp thông minh ( BMW - Valvetronic) 7 Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh Quá trình điều khiển được mô tả trên hình 9: - Khi chưa điều khiển : Khi động cơ làm việc ở chế độ thông thường, ECU thu nhận thông tin từ các cảm biến, xử lý thông tin, chưa điều khiển trục cam phụ. Trục cam chính được dẫn động từ trục khuỷu động cơ làm việc bình thường. Khi trục cam chính (2) làm việc, vấu cam tỳ lên dòn trung gian (3) (có biên dạng phù hợp), đòn trung gian (3) bị đẩy ngang, đầu dưới của đòn trung gian tỳ lên vấu trên trục giàn cò điều khiển cò mổ thực hiện mở xu páp theo chế độ thông thường. Hình 9 : Điều khiển Xupáp thông minh (Valvetronic) 1: Cam phụ ; 2: Cam chính(Cam nạp); 3: Đòn trung gian; 4: Cò mổ; 5: Đệm dầu 6: Lò xo hồi vị đòn trung gian; 7: Xupáp nạp; 8: Cam xả; 9:Xu páp xả - Khi điều khiển: Khi động cơ tăng tải, các thông tin được gửi về ECU, được ECU xử lý. ECU gửi tín hiệu điều khiển tới mô tơ bước, đầu trục ra của mô tơ bước có bánh răng ăn khớp với cung răng trên trục cam phụ. Khi đó trục cam phụ (1) bị xoay với một góc độ nào đó ( theo điều khiển của môtơ bước), vấu cam trên trục cam phụ tỳ lên và làm xoay đòn trung gian, đẩy đòn trung gian hạ thấp xuống phía 8 Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh dưới. Đồng thời trục cam chính làm việc, vấu cam trên trục cam chính đẩy vào trục trung gian làm trục trung gian bị đẩy ngang nhưng ở độ cao thấp hơn so với trường hợp chưa điều khiển. Đầu dưới của đòn trung gian tỳ lên vấu của trục giàn cò, đẩy cò mổ tỳ vào đuôi xu páp thực hiện mở xu páp với chiều sâu mở lớn hơn. Với hệ điều khiển này, xupáp có thể được điều khiển đóng mở với khoảng đóng mở từ 0 đến 12mm phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ. 3. Điều khiển nạp gió thông minh Trên hệ thống phun xăng điện tử, việc điều khiển được thực hiện qua điều khiển đường gió. Khi lượng gió thay đổi, ECU sẽ điều khiển phun một lượng xăng phù hợp đảm bảo tỷ lệ theo chế độ làm việc của động cơ. Hãng Toyota đưa ra hệ điều khiển nạp gió thông minh ACIS ( Acoustic Control Induction System) và T- VIS ( Toyota- Variable Induction System). Trên hình 10 là hệ thống điều khiển nạp gió thông minh ACIS của hãng Toyota. Hệ thống này thực chất là cải thiện mômen xoắn của động cơ khi mở rộng vùng tốc độ của động cơ. Hệ thống ACIS sử dụng một van đặt đường ống nạp, van này được điều khiển đóng và mở đề thực hiện nhiệm vụ thay đổi chiều dài đường nạp. Hình 10: Hệ thống điều khiển nạp gió thông minh ACIS 1: Bướm ga ; 2: Van ACIS; 3:Bình chân không; 4: VSV (Vacuum Switching Valve) 5: Hộp màng; 6: Cảm biến vị trí bướm ga; 7: Bộ chia điện 9 Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh Van ACIS đặt tại tâm của đường nạp gió vào, chia đường nạp gió thành hai nhánh. ECU sau khi nhận thông tin từ các cảm biến về tốc độ quay của động cơ và cảm biến góc mở bướm ga. ECU sau khi xử lý thông tin, gửi tín hiệu điều khiển tới van VSV. Van VSV (4) làm việc, chân không được cung cấp tới hộp màng (5) từ bình chân không (3), nó được điều khiển đóng, hoặc mở cho phép chân không tới hộp màng sau khi nhận tín hiệu điều khiển từ ECU. Chính vì sự đóng mở của van VSC làm thay đổi chiều dài đường nạp gió, được thể hiện như trên hình 11 a) b) Hình 11 : Điều khiển nạp gió thông minh ACIS a) Van ACIS đóng b) Van ACIS Trạng thái đóng mở van quyết định chế độ làm việc của động cơ được thể hiện trên hình 12 và ứng với các đường cong mômen. Qua đồ thị nhận thấy, ở nhánh 2,3 động cơ chạy tiết kiệm nhiên liệu, ở nhánh 4 động cơ có khả năng tăng được mômen xoắn, phát huy được tốc độ một cách đáng kể. Hình 12 : Trạng thái đóng mở các van VSV và ACIS 10 Hệ thống cơ - điện tử ô tô hiện đại KS.Nguyễn Hùng Mạnh Các hệ thống trên nằm trong hệ điều khiển động cơ theo chương trình. Đây là một hệ thống điều khiển điện tử lập trình nhằm điều khiển hoạt động của các hệ thống, các khối chức năng của động cơ, ghi nhận lại những sự cố và những thông tin về sự cố trong hệ thống điều khiển. Ngoài ra hệ điều khiển này còn chịu tác động bởi các hệ điều khiển khác trên ô tô. Xu hướng phát triển của động cơ trong tương lai đó là cải tiến công nghệ vật liệu, ứng dụng công nghệ điện- điện tử và công nghệ thông tin nhằm điều khiển tối ưu động cơ, phù hợp với mọi chế độ hoạt động đồng thời tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường. Vấn đề toàn cầu của nền công nghiệp hiện nay đó là vấn đề tiết kiệm nguồn nhiên liệu truyền thống ( nhiên liệu xăng, dầu dần trở nên khan hiếm, giá thành cao) đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Động cơ lai (Hybrid_ Động cơ gồm động cơ đốt trong truyền thống và động cơ điện) đang là xu hướng phát triển mới nhằm đáp ứng những yêu cầu về tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường. Quá trình điều khiển, các chế độ hoạt động cũng như các giải pháp công nghệ đang được các hãng, các nền công nghiệp ô tô hiện đại tập trung nghiên cứu với xe Hybrid, do vậy khả năng áp dụng sản xuất hàng loạt chỉ còn là vấn đề thời gian. Những động cơ truyền thống sẽ được cải thiện và thay thế dần sang các nguồn nhiên liệu mới, tiết kiệm và giảm ô nhiễm môi trường. 11