Nghiên cứu chế tạo thiết bị kiểm tra ECU của các xe ô tô đời mới

Chủ nhiệm đề tài: TS. Vũ Ngọc Khiêm
Phó Hiệu trưởng | Trường Cao đẳng GTVT

Trong những năm gần đây, số lượng ô tô hiện đại sử dụng động cơ xăng nhập vào nước ta ngày càng nhiều. Các kiểu ô tô này đều đã được cải tiến theo xu hướng tăng công suất, tốc độ, giảm tiêu thụ nhiên liệu, điện tử hoá quá trình điều khiển và đặc biệt đã áp dụng mọi biện pháp, thành tựu khoa học để giảm đến mức tối thiểu các chất độc hại như cacbua hyđrô (CH), mono oxit cacbon (CO), oxit nitơ (NOX), các hạt các bon tự do (C)… trong thành phần khí xả của động cơ. Nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và tự động hoá, hầu hết các hệ thống trên xe ô tô đều được điều khiển bằng kỹ thuật số DME (Digital Motor Electronics). Tuỳ vào mức độ hiện đại của từng đời xe mà hệ thống điều khiển ô tô có thể bao gồm các bộ điều khiển điện tử Electronic Control Unit (ECU) như: ABS ECU (Anti Locking System): hệ thống chống hãm cứng khi phanh; ECT ECU: điều khiển truyền lực; EMS ECU: điều khiển hệ thống treo; TRC ECU: điều khiển đặc tính kéo; PS ECU: điều khiển hệ thống lái có trợ lực; A/C ECU: điều khiển điều hòa; ENGINE ECU: điều khiển động cơ… Đối với bộ điều khiển động cơ, tuỳ thuộc vào các nhà sản suất mà có thể có tên như ECU (Engine Control Unit), ECM (Engine Control Module) PCM, Fuel Computer ECT…Trong khuôn khổ của đề tài này, tác giả nghiên cứu tiến hành nghiên cứu bộ điều khiển động cơ, dưới đây gọi tên là ECU.

Như đã đề cập ở trên, ngày nay hầu hết các xe ô tô hiện đại sử dụng động cơ xăng trên thế giới và trong nước đều sử dụng hệ thống nhiên liệu phun xăng điện tử. Đây là hệ thống có nhiều ưu điểm so với hệ thống nhiên liệu sử dụng chế hoà khí (carburator) về tính kinh tế và tính hiệu quả. Đồng thời khi sử dụng hệ thống này có thể giảm tối đa lượng khí thải độc hại của động cơ xả ra môi trường. Tâm điểm của hệ thống phun xăng điện tử là ECU. Đây là một bộ vi xử lý điều khiển số. Bộ vi xử lý này thu nhận các thông tin về tình trạng làm việc của động cơ thông qua các cảm biến như cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến lưu lượng không khí, cảm biến nhiệt độ động cơ… sau đó xử lý và điều khiển mọi quá trình làm việc của động cơ. Trong quá trình hoạt động của động cơ, do tác động của môi trường, sự già hoá linh kiện… nên sau một khoảng thời gian, hoạt động của các cảm biến, ECU và các cơ cấu chấp hành bị sai lệch. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của động cơ. Để phát hiện lỗi hay các hư hỏng của hệ thống, trên các ô tô đều được trang bị hệ thống tự động chẩn đoán bằng đèn CHECK. Theo đó các hư hỏng đều được tự động báo lỗi khi động cơ làm việc thông qua tín hiệu đèn. Hệ thống tự động chẩn đoán này có hạn chế là do người thợ chỉ nhận biết được lỗi thông qua việc đếm số lần chớp của đèn, nên việc nhận biết và phân biệt các lỗi khác nhau theo số lần chớp khác nhau là tương đối khó khăn. Đồng thời sau khi nhận biết được số lần chớp của mỗi lỗi phải tiến hành tra bảng để xác định hư hỏng của hệ thống. Mặt khác hệ thống này chỉ có thể kiểm tra được ECU đã được kết nối đầy đủ trên xe mà không kiểm tra được các ECU rời.

Để thuận tiện hơn cho việc chẩn đoán tình trạng làm việc của ECU cũng như toàn bộ hệ thống điều khiển xe ôtô trên thế giới đã có rất nhiều hãng sản xuất thiết bị chẩn đoán như Autodianogistic T660, Automotive Dino… nhằm mục đích giúp người thợ nhanh chóng phát hiện và khắc phục kịp thời các hư hỏng của hệ thống. Các thiết bị này còn cho phép dịch mã lỗi dưới dạng chữ viết hoặc vẽ đồ thị của một số thông số cơ bản như thời gian phun xăng, góc đánh lửa sớm. Ở Việt Nam loại thiết bị này rất ít được sử dụng do giá thành khá cao. Mặt khác các thiết bị kể trên cũng chỉ có thể kiểm tra được các ECU đang lắp trên xe ô tô. Những ECU rời bên ngoài không kiểm tra được gây khó khăn cho việc đánh giá chất lượng các ECU mới và các ECU cần thay thế trong sửa chữa.

Trước thực trạng đó, nhóm nghiên cứu đã thực hiện đề tài nghiên cứu chế tạo thiết bị kiểm tra ECU cho phép kiểm tra các ECU rời và ECU gắn trên xe, giúp cho thợ sửa chữa động cơ ôtô có những kết luận chính xác và thuyết phục. Kết quả thu được của đề tài là một bộ thiết bị chẩn đoán ECU có tên là ECU KTdiagno-2005, với các công dụng cơ bản sau:
Chức năng chẩn đoán ECU rời:
Một chức năng đặc biệt của thiết bị chẩn đoán ECU KTdiagno-2005 là có thể chẩn đoán ECU rời không lắp trên xe. Đây là chức năng của ECU KTdiagno-2005 mà chưa có thiết bị chẩn đoán nào có thể thực hiện được nhờ vào hệ thống các mạch điện mô phỏng tín hiệu của các cảm biến như: tốc độ động cơ, tốc độ xe, áp suất, nhiệt độ không khí nạp, nhiệt độ nước làm mát, nồng độ khí xả, Các tín hiệu này được gửi tới ECU giống như các tín hiệu trên xe thật. Một mạch chẩn đoán trong thiết bị ECU KTdiagno-2005 sẽ tiếp nhận các tín hiệu đầu ra của ECU để thông báo lên màn hình.
Chức năng làm mô hình hướng dẫn đào tạo
Ngoài chức năng chẩn đoán ECU trên xe và chẩn đoán ECU rời, thiết bị ECU KTdiagno-2005 còn có thể sử dụng trong công tác đào tạo sinh viên chuyên ngành động cơ hoặc cơ khí ôtô. Từ thiết bị này có thể:
– Cho phép học sinh hiểu được nguyên tắc hoạt động cơ bản trong hệ thống phun xăng
– Tìm hiểu nguyên tắc làm việc của các cảm biến.
– Tìm hiểu nguyên tắc làm việc của bộ điều khiển ECU
– Tìm hiểu cơ chế tự động báo lỗi bằng cách tạo lỗi trên đường tín hiệu của các cảm biến.
– Tìm hiểu sự ảnh hưởng của các thông số đầu vào tới các thông số đầu ra, bao gồm xem xét sự ảnh hưởng của lưu lượng không khí nạp tới lượng nhiên liệu phun và góc đánh lửa sớm, tốc độ động cơ ảnh hưởng tới góc đánh lửa sớm, nhiệt độ động cơ, nhiệt độ khí nạp ảnh hưởng tới lượng nhiên liệu phun và góc đánh lửa sớm, chế độ giảm tốc đột ngột…

Dưới đây là một số hình ảnh nhóm nghiên cứu triển khai lắp đặt và chạy thử thiết bị ECU KTdiagno-2005 tại Phòng Thí nghiệm động cơ trường Đại học Bách Khoa Hà Nội:

Từ những kết quả nhận được từ quá trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị chẩn đoán bộ điều khiển động cơ ECU KTdiagno-2006 có thể rút ra một số kết luận sau:

1. Ngày nay hầu hết các ôtô hiện đại dùng động cơ xăng đều ứng dụng kỹ thuật phun xăng điện tử. Việc ứng dụng kỹ thuật phun xăng điện tử cho phép khắc phục những nhược điểm của bộ chế hoà khí cổ điển nhưng cũng gây nhiều khó khăn trong công tác bảo dưỡng và sửa chữa, thay thế. Đặc biệt đối với bộ điều khiển động cơ (ECU), chỉ cần một hư hỏng nhỏ có thể sẽ làm cho toàn bộ động cơ không thể hoạt động được. Tuy nhiên cho đến nay, muốn biết ECU có hoạt động được không buộc phải kết nối với các cảm biến trên xe, điều này làm tăng khối lượng công tác sửa chữa. Vì vậy việc nghiên cứu chế tạo thiết bị kiểm tra ECU đặc biệt là ECU rời là một nhu cầu cần thiết cần được quan tâm.

2. Đề tài đã phân tích được kết cấu và nguyên lý hoạt động của động cơ phun xăng điện tử, phân tích được đặc tính tín hiệu đầu vào của các cảm biến, quá trình xử lý tín hiệu và nguyên tắc điều khiển đầu ra của ECU. Đây là cơ sở lý thuyết quan trọng để thiết kế các mạch mô phỏng tín hiệu của các cảm biến để cung cấp cho ECU cần kiểm tra, đồng thời để thiết kế mạch gia công các tín hiệu đầu ra của ECU.

3. Đề tài đã chế tạo được thiết bị kiểm tra ECU (với tên gọi là thiết bị ECU KTdiagno-2005) cho phép kiểm tra đánh giá được tình trạng kỹ thuật của ECU trên xe và ECU rời một cách dễ dàng, nhanh chóng và trực quan thông qua màn hình LCD hoặc máy tính PC.

4. Những kết quả nghiên cứu nói trên đã được nhóm nghiên cứu thể hiện trên một thiết bị mẫu bằng những linh kiện điện tử và IC thông dụng ở Việt Nam với giá hoàn toàn chấp nhận được. Điều này một lần nữa khẳng định rằng giải pháp công nghệ cho việc nâng cao tỉ lệ nội địa hoá ngành công nghiệp ôtô của Việt nam là hoàn toàn hiện thực nhờ vào tiến bộ khoa học công nghệ thông tin và tự động hoá.

5. Các nội dung nghiên cứu của đề tài có thể giúp ích cho công tác giảng dạy, học tập và nghiên cứu môn lý thuyết động cơ đốt trong cho các trường đại học, cao đẳng có liên quan ở Việt Nam.