Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
4. KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN ĐỘNG CƠ 1GR-FE
4.1. Giới thiệu chung về hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE
Hệ thống đánh lửa trên động cơ 1GR-FE là hệ thống đánh lửa điều khiển theo
chương trình loại DIS (Direct Ignition System). Sử dụng bô bin đơn cho từng bugi,
bao gồm: ECU, các cảm biến tín hiệu, cơ cấu chấp hành.
*Các bộ phận chính trên sơ đồ hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE
- Các cảm biến: Có nhiệm vụ nhận biết các hoạt động khác nhau của động cơ
và phát ra các tín hiệu gửi đến ECU hay còn gọi là nhóm tín hiệu vào.
- ECU: Có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu và đưa tín
hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành. Cơ cấu chấp hành luôn đảm bảo thừa lệnh
ECU và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến. Ngoài ra ECU cũng giúp
chẩn đoán động cơ khi có sự cố xảy ra.
- Cơ cấu chấp hành: gồm bô bin và bu gi. Trong đó bô bin đánh lửa nhận được
tín hiệu điều khiển từ ECU và biến dòng điện thế hiệu thấp thành thế hiệu cao đến
bugi thực hiện việc đánh lửa.
Nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa: ECU nhận được tín hiệu từ các
cảm biến đầu vào, sau đó xử lý, tính toán các tín hiệu nhận được. Sau khi xử lý
xong ECU sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển đến từng xy lanh để thực hiện việc đánh lửa
theo đúng thứ tự làm việc của xy lanh.

Ignition Coil with Igniter

IGT

Ignition Coil
Igniter

ECU

IGF

Ignition Signal
(IGT)

Ignition
Confirmation
Signal (IGF)

Normal
Malfunction

Circuit Open
Time

Hình 4-1 Sơ đồ tín hiệu IGT và IGF
45


Kho sỏt h thng ỏnh la ng c 1GR-FE trờn xe
Toyota Landcruiser 2007
T s trờn ta thõy ro hot ng ca quỏ trinh ỏnh la xy ra khi ECU
truyờn tớn hiu ỏnh la ti IC ỏnh la. Sau khi quỏ trinh ỏnh la xy ra thi ECU
li nhn c tớn hiu phn hi IGF t cỏc cm bin. Khi ng c hot ng binh
thng thi quỏ trinh xy ra ờu n. Khi cú s c thi h thng ngt tớn hiu vũi phun
ờ ng c ngng hot ng m bo an ton

Tổỡừc quy

CB Vởtrờtruỷc khuyớu


G
IGT1
IGF

CB Nhióỷtõọỹnổồùc laỡm maùt

THW

IGT2
CB Nhióỷtõọỹkhờnaỷp

CB Kờch nọứ

CB Vởtrờbổồùm ga

CB TốlóỷKhọng khờ-Nhión lióỷu

THA

KNK

VTA

Bọ bin 1

Xy lanh 1

Bugi


Bọ bin 2
Xy lanh 2

IGT3

ECU

Bọ bin 3
Xy lanh 3

IGT4

Bọ bin 4
Xy lanh 4

OX

IGT5

Bọ bin 5
Xy lanh 5

CB Lổu lổồỹng khờnaỷp

VG
IGT6

CB Vởtrờbaỡn õaỷp ga

VPA


Bọ bin 6
Xy lanh 6

Hinh 4-2 S h thng ỏnh la in t ng c 1GR-FE
46


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
4.2. Các bộ phận trong hệ thống đánh lửa của động cơ 1GR-FE
4.2.1. IC đánh lửa
IC đánh lửa là mạch điện tử được tích hợp từ các linh kiện điện tử như
transistor, diot, tụ điện, các điện trở, …để điều khiển đóng ngắt dòng sơ cấp và tạo
ra tín hiệu phản hồi IGF về cho ECU động cơ. IC đánh lửa trên động cơ 1GR-FE
được làm thành một cụm chi tiết với bô bin đánh lửa nên kết cấu rất đơn giản, gọn
nhẹ. IC đánh lửa thực hiện một cách chính xác sự đóng và ngắt dòng sơ cấp đi vào
cuộn đánh lửa, phù hợp với tín hiệu IGT do ECU động cơ phát ra.
Mạch IC đánh lửa trên động cơ 1GR-FE mà ta đang khảo sát có bốn chân giao
tiếp, đó là các chân: +B, GND, IGT, IGF. Trong đó, chân +B nối với acquy, chân
GND nối mass, chân IGT và IGF nối với ECU động cơ. Hình vẽ sau thể hiện sơ đồ
điện của một IC đánh lửa bô bin đơn.
1
Acquy

+B
IGF
Âãú
n ECU


Âãú
n Bugi

IGT
GND
2

Hình 4-3 Sơ đồ điện của IC đánh lửa bô bin đơn
1. Mạch điện tử tạo tín hiệu IGF, 2. Mạch đánh lửa
Ngoài ra IC đánh lửa còn có chức năng điều khiển dòng không đổi (hạn chế
dòng điện). Khi dòng sơ cấp đạt đến một trị số đã định, IC đánh lửa sẽ khống chế
cường độ cực đại bằng cách điều chỉnh dòng. Việc điều khiển dòng điện sơ cấp ở
một giá trị xác định sẽ làm tăng tuổi thọ cho biến áp đánh lửa và đảm bảo điện áp
đánh lửa tạo ra ổn định.
Khoảng thời gian để dòng điện tăng và duy trì ổn định trong cuộn sơ cấp gọi là
góc ngậm điện (góc Dwell). Trên động cơ 1GR-FE mà ta đang khảo sát, ECU động
cơ sẽ thực hiện việc điều chỉnh góc ngậm điện bằng cách điều chỉnh thời gian ngắt
xung IGT.

47


Kho sỏt h thng ỏnh la ng c 1GR-FE trờn xe
Toyota Landcruiser 2007
Thỏỳ
p

ON 5V
Tờn hióỷ
u IGT

ECU

Tọỳ
c õọỹõọỹ
ng cồ

Cao

OFF 0V

ióử
u khióứ
n
doỡng õióỷ
n khọng õọứ
i
Trởsọỳ
quy õởnh

Cuọỹ
n õaùnh lổ
ớa coù
IC õaùnh lổ
ớa

ióử
u khióứ
n goùc
õoùng tióỳ
p õióứ

m

Doỡng sồ cỏỳ
p

ióỷ
n aùp thổ
ùcỏỳ
p

aùnh lổ
ớa

aùnh lổ
ớa

Hinh 4-4 Vai trũ ca IC ỏnh la trờn ng c 1GR-FE
4.2.2. Bụ bin ỏnh la

2

3

4

1
5

8


6

7

Hinh 4-5 Kt cõu cun ỏnh la cú IC ỏnh la
1. Vo, 2. Gic cm, 3. IC ỏnh la, 4. Cun s cõp,
5. Cun th cõp, 6. Lp cỏch in, 7. u cm bugi, 8. Loi st.
48


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
Bô bin đánh lửa là loại biến áp cao thế đặc biệt dùng để biến dòng điện thế
hiệu thấp (12V) thành các xung thế hiệu cao đảm bảo cho việc đánh lửa trong động
cơ.
Động cơ 1GR-FE sử dụng bô bin đơn cho từng máy, các IC đánh lửa cũng
được bố trí ngay trên các cuộn đánh lửa tạo thành cụm chi tiết có kết cấu rất nhỏ
gọn.
Các cuộn sơ cấp và thứ cấp được quấn quanh lõi, số vòng quay của cuộn thứ
cấp lớn hơn rất nhiều so với cuộn sơ cấp. Một đầu cuộn sơ cấp được nối với IC
đánh lửa, còn một đầu của cuộn thứ cấp được nối với bugi. Các đầu còn lại của các
cuộn được nối với dòng cấp từ ắc quy thông qua giắc cắm.
* Quá trình đánh lửa được chia thành 2 giai đoạn: giai đoạn 1 là dòng điện
trong cuộn sơ cấp và giai đoạn 2 là ngắt dòng điện vào cuộn sơ cấp và xuất hiện
điện cao thế.
- Dòng điện trong cuộn sơ cấp:
Khi động cơ chạy, tín hiệu từ các cảm biến sẽ được ECU tính toán và phát ra
tín hiệu đánh lửa IGT. Tín hiệu IGT sẽ đóng mạch sơ cấp và sẽ có dòng từ ắc quy
chạy qua IC đánh lửa vào cuộn sơ cấp.
Kết quả là các đường sức từ trường được tạo ra chung quanh cuộn dây có lõi ở

trung tâm như hình vẽ sau:

IC âaïnh læía

IGT

IGF
Cuäü
n thæïcáú
p

ÀÕ
c quy

ECU

Cuäü
n så cáú
p

Bä bin

Loîi sàõ
t
S

N

Bugi


Bugi
IC âaïnh læ
ía
ON
Acquy

Hình 4-6 Dòng điện trong cuộn sơ cấp
49


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
- Ngắt dòng điện vào cuộn sơ cấp:
Động cơ tiếp tục chạy, ECU sẽ ngắt tín hiệu IGT (OFF), IC đánh lửa nhanh
chóng ngắt dòng điện từ ắc quy vào cuộn sơ cấp. Kết quả là từ thông của cuộn sơ
cấp bắt đầu giảm vì vậy tạo ra một sức điện động có từ thông sinh ra theo chiều
chống lại sự giảm từ thông hiện có. Từ thông này cảm ứng sang cuộn thứ cấp tạo
nên một hiệu điện thế lớn khoảng 30 kV. Chính hiệu điện thế này sẽ làm bugi đánh
lửa.
Dòng sơ cấp càng lớn và sự ngắt dòng sơ cấp càng nhanh thì điện thế thứ cấp
càng lớn.
4.2.3. Bugi
Bugi đánh lửa có nhiệm vụ nhận các xung điện cao thế từ bô bin đánh lửa và
bật tia lửa điện cao thế để đốt cháy hỗn hợp khí-nhiên liệu trong xy lanh. Đây là chi
tiết quan trọng, quyết định sự làm việc ổn định và hiệu quả của hệ thống đánh lửa.
Do tiếp xúc với buồng đốt nên trong quá trình làm việc bugi chịu tác động của 3 tải
trọng:

2
1


4

3

5
Hình 4-7 Hình dáng bugi lắp trên động cơ
1. Đầu cực Platin, 2. Đầu cực i-rit, 3. Hình dáng bugi dài được sử
dụng trên động cơ, 4. Bugi thời cũ, 5. Áo nước làm mát bugi

50


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
- Tải trọng cơ khí: Phát sinh do áp suất khí cháy dưới dạng xung áp suất, áp
suất cực đại tác động lên bugi có thể đến 50÷60 kG/cm 2, đồng thời bugi cũng phải
thường xuyên chịu sự rung động do xe gây ra.
- Tải trọng nhiệt: Phát sinh do sự thay đổi tải trọng nhiệt trong mỗi xy lanh sau
một chu kì làm việc. Khi hỗn hợp khí-nhiên liệu cháy nhiệt độ khoảng 1800 0
÷22000C, còn trong kỳ hút nhiệt độ khoảng 50÷800C.
- Tải trọng điện: Do các xung điện truyền đến trong thời điểm đánh lửa, xung
điện thế khoảng 15÷ 40 kV hoặc cao hơn nữa.
- Việc sử dụng bugi đầu dài sẽ cải thiện vị trí và hình dáng áo nước làm mát tốt
hơn so với sử dụng loại bugi đầu ngắn.
Do phải chịu các loại tải trọng trên nên về mặt kết cấu và vật liệu cũng có
những yêu cầu đặc biệt để đảm bảo cho hệ thống đánh lửa làm việc hiệu quả.

1
2

3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Hình 4-8 Kết cấu bugi dầu dài lắp trên động cơ
1. Đầu nối, 2. Các nếp nhăn, 3. Điện cực giữa, 4. Sứ cách điện, 5. Vỏ,
Thủy tinh làm kín, 7. Điện trở, 8. Gioăng đệm, 9.Lõi đồng,

6.
10.

Cách nhiệt, 11. Điện cực trung tâm, 12. Điện cực tiếp mát
51


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
Bugi dùng trên động cơ 1GR-FE là loại bugi đầu dài do hãng DENSO sản
xuất.
Bảng 4-1 Thông số kĩ thuật của loại bugi
Nhà SX

DENSO


Chiều dài của loại dài/loại thường [mm]

K20HR-U11

Khe hở bugi [mm]

Khoảng 26.5/19,0
1.0÷1.1

Kỳ bảo dưỡng

Lên tới 192.000 km

Bugi là chi tiết phản ánh tình trạng làm việc của động cơ. Việc quan sát bugi
sau một thời gian làm việc sẽ giúp rất nhiều trong việc chẩn đoán động cơ.
4.3. Bộ điều khiển trung tâm (ECU)
4.3.1. Tổng quan
Hệ thống điều khiển động cơ theo chương trình bao gồm các cảm biến kiểm
soát liên tục tình trạng hoạt động của động cơ, một bộ ECU tiếp nhận các tín hiệu từ
cảm biến, xử lý tín hiệu và đưa tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành. Cơ
cấu chấp hành luôn đảm bảo thừa lệnh ECU và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ các
cảm biến. Hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ đem lại sự chính xác và thích
ứng cần thiết để giảm tối đa chất độc hại trong khí thải cũng như lượng tiêu hao
nhiên liệu. ECU cũng đảm bảo công suất tối đa ở các chế độ hoạt động của động cơ
và giúp chẩn đoán động cơ khi có sự cố xảy ra (việc chẩn đoán mã lỗi thông qua
đèn check Engine hoặc máy chẩn đoán chuyên dụng)
ECU là một tổ vi mạch và bộ phận dùng để nhận biết tín hiệu, lưu trữ thông
tin, tính toán, quyết định chức năng hoạt động và gửi các tín hiệu điều khiển thích
hợp. ECU được đặt trong vỏ kim loại để giải nhiệt tốt và được bố trí ở nơi ít bị ảnh
hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm.

Các linh kiện điện tử của ECU được sắp xếp trong mạch in. Các linh kiện
công suất của tầng cuối – nơi điều chỉnh 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 IC
(bộ tạo xung, bộ chia xung, bộ dao động đa hài điều khiển việc chia tần số) giúp
ECU đạt độ tin cậy cao.

52


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
Một đầu gồm nhiều giắc cắm dùng nối ECU với hệ thống điện trên xe, với các
cơ cấu chấp hành và các cảm biến.
4.3.2. Các bộ phận trong ECU
 Bộ nhớ: bộ nhớ trong ECU gồm các loại:
• ROM (Read Only Memory)
Dùng trữ thông tin thường trực. Bộ nhớ này chỉ đọc thông tin từ đó ra chứ
không thể ghi vào được. Thông tin của nó đã được cài đặt sẵn. ROM cung cấp
thông tin cho bộ xử lý và được lắp trên mạch in. Chương trình điều khiển động cơ
do nhà sản xuất lập trình và được nạp sẵn trong bộ nhớ ROM.
• RAM (Ramdom Access Memory)
Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên dùng để lưu trữ thông tin mới được ghi trong bộ
nhớ và xác định bởi vi xử lý. RAM có thể đọc và ghi các các số liệu theo địa chỉ bất
kỳ. RAM vẫn duy trì bộ nhớ cho đến khi mất nguồn cung cấp từ ắc quy đến máy
tính thì bộ nhớ RAM sẽ mất.
• PROM (Programmable Read Only Memory)
Cấu trúc cơ bản giống như ROM nhưng cho phép lập trình (nạp dữ liệu) ở nơi sử
dụng chứ không phải nơi sản xuất như ROM. PROM cho phép sửa đổi chương trình
điều khiển theo nhưng yêu cầu khác nhau.
Bộ vi xử lý (Microprocessor)




Bộ vi xử lý có chức năng tính toán và ra quyết định. Nó là “bộ não” của ECU

MICROPROCESSOR

ROM

PROM

RAM

Hình 4-9 Sơ đồ khối các hệ thống trong ECU


Đường truyền –BUS

Có nhiệm vụ chuyển các lệnh và số liệu trong ECU theo hai chiều. Sự phát
triển của ECU trên động cơ gắn liền với sự phát triển của vi xử lý. Trên những thế
53


Kho sỏt h thng ỏnh la ng c 1GR-FE trờn xe
Toyota Landcruiser 2007
h ECU u tiờn dựng loi 4, 8 bit. Hin nay, nhu cu iờu khiờn trờn ụ tụ ngy cng
nhiờu, chng trinh iờu khiờn cng nhiờu v phc tp, ngi ta s dung ECU loi
16 v 32 bit.
4.3.3. Cu trỳc ca ECU
B phn ch yu ca ECU l b vi x ly hay cũn gi l ECU, ECU la chn

cỏc lnh v x ly s liu t b nh ROM v RAM cha cỏc chng trinh v d liu
ngo ra iờu khiờn nhanh s liu t cỏc cm bin v chuyờn cỏc d liu ó x ly n
cỏc c cõu thc hin. CPU bao gm cỏc c cõu i s logic ờ tớnh toỏn d liu, cỏc
b phn ghi nhn lu tr tm thi v cỏc b phn iờu khiờn chc nng khỏc nhau.
Tờn hióỷ
u
õióử
u khióứ
n

ROM

Dổợlióỷ
u

ROM

RAM

BUS

Bọỹlổu nhỏỷ
n
lổu trổợ

Bọỹõióử
u
khióứ
n


INPUT
OUTPUT

Tờnh toaùn õaỷ
i
sọỳvaỡlogic

Hinh 4-10 S cõu truc ca ECM

Hinh 4-11 S cõu truc ca CPU

Cõu truc CPU bao gm c cõu i s logic ờ tớnh toỏn d liu, cỏc b phn
ghi nhn lu tr tm thi d liu v b iờu khiờn cỏc chc nng khỏc nhau.
B iờu khiờn ECU hot ng trờn c s tớn hiu s nh phõn vi in ỏp cao
biờu hin cho s 1 v in ỏp thõp biờu hin cho s 0
Mi mt s hng 0 hoc 1 gi l bớt. Mi dóy 8 bớt se tng ng 1 byte. Byte
c dựng ờ biờu hin cho mt mu lnh hay mt lnh thụng tin.

1

0 1

1 0

1 0

0

Hinh 4-12 Biờu din thụng tin ca mt byte


54


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
4.3.4. Mạch giao tiếp ngõ vào
• Bộ chuyển đổi A/D
5V
Dáy tên hiãû
u

Bäüvi
xæílyï

Bäüchuyãø
n
âäø
i A/D

Hình 4-13 Bộ chuyển đổi A/D
Dùng để chuyển các tín hiệu tương tự từ đầu vào với sự thay đổi điện áp trên
các cảm biến thành các tín hiệu số để đưa vào bộ xử lý
• Bộ đếm (counter)
Dùng để đếm xung rồi gửi lượng đếm đến bộ vi xử lý

SENSOR

Bäüâãú
m


Säú

Bäü
vi
xæí
lyï

ECU
ECM

Hình 4-14 Bộ đếm
• Bộ nhớ trung gian
Dùng chuyển tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu sóng vuông dạng số, nó không
giữ lượng đếm như bộ đếm. Bộ phận chính là một transistor sẽ đóng mở theo cực
tính của tín hiệu xoay chiều

PM

Bäünhåï
trung gian

Bäüvi
xæ
ílyï

Hình 4-15 Bộ nhớ trung gian

55



Kho sỏt h thng ỏnh la ng c 1GR-FE trờn xe
Toyota Landcruiser 2007
B khuch i
Mt s cm bin cú tớn hiu rõt nho nờn trong ECU thng cú b khuch i.

Tờn hióỷ
u
yóỳ
u

Tờn hióỷ
u maỷ
nh

Bọỹ
vi
xổ
ớ
lyù

Bọỹvi
xổ
ớlyù
ióỷ
n aùp
thay õọứ
i

ECM
Hinh 4-16 B khuch i

B n ỏp
Bờn trong ECU cú cỏc IC 7812 v 7805 ờ n ỏp:12V v 5V

B+(12V)

Bọỹọứ
n aùp
ECM

Bọỹ
vi
xổ
ớ
lyù

Hinh 4-17 B n ỏp
4.3.5. Giao tip ngừ ra
Tớn hiu iờu khiờn t b vi x ly se a n cỏc transistor cụng suõt iờu khiờn
rle, solenoid, mụ t,...

ióửu khióứn

Bọỹ
vi
xổớ
lyù

Rồle
Mọtồ
Solenoi...


ECU
ECM

Hinh 4-18 Giao tip
ngo ra

56


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
4.4. Nguyên lý và mạch điện của các cảm biến trên động cơ 1GR-FE
4.4.1. Cảm biến vị trí trục khuỷu
4.4.1.1. Kết cấu, nguyên lý làm việc

1

2 3

4

5

6

Hình 4-19 Cảm biến vị trí trục khuỷu
1. Cuộn dây, 2. Lõi sắt, 3. Thân cảm biến
4. Nam châm, 5. Lớp cách điện, 6. Giắc cắm.
Cảm biến vị trí trục khuỷu dùng để xác định tốc độ động cơ. ECU nhận tín

hiệu này để tính toán góc đánh lửa tối ưu và thời điểm phun nhiên liệu cho từng xy
lanh.
Cảm biến gồm nam châm vĩnh cửu được gắn với lõi thép, trên lõi thép được
quấn cuộn dây tính hiệu. Rô to tín hiệu dùng để khép mạch từ được đặt gần cuộn
dây cảm biến và được dẫn động từ trục khuỷu.
Khi động cơ làm việc, rô to quay làm thay đổi khe hở giữa các răng của rôto
và cuộn nhận tín hiệu, làm cho từ trường xuyên qua cuộn dây biến thiên. Sự biến
thiên từ trường tạo nên sức điện động xoay chiều cảm ứng trên cuộn dây tín hiệu.
Tín hiệu này được đưa về ECU.
Ngoài ra, trên rô to có 2 răng khuyết nên cảm biến này còn dùng để xác định
vị trí pít tông. ECU động cơ dùng thông tin này để xác định thời gian phun và thời
điểm đánh lửa.
4.4.1.2. Mạch điện cảm biến vị trí trục khuỷu

ECU

Baío vãû

CB vëtrêtruû
c khuyíu

1

21 NE+
B3

2

20
NEB3


Hình 4-20 Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí trục khuỷu
57


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
4.4.2. Cảm biến vị trí bàn đạp ga
Cảm biến vị trí bàn đạp chân ga loại phần tử Hall gồm có các mạch IC Hall
làm bằng các phần tử Hall và các nam châm quay quanh chúng. Các nam châm
được lắp trên trục của bàn đạp chân ga và quay cùng trục bàn đạp chân ga.

Hình 4-21 Sơ đồ mạch điện và đặc tính cảm biến vị trí bàn đạp ga
1. Mạch IC Hall, 2. Nam châm.
Khi đạp chân ga các nam châm quay cùng một lúc và các nam châm này thay đổi vị
trí của chúng. Vào lúc đó IC Hall phát hiện thay đổi từ thông gây ra bởi sự thay đổi
vị trí nam châm và tạo ra điện áp của hiệu ứng Hall từ các cực VPA và VPA2 theo
mức thay đổi này. Tín hiệu này được truyền đến ECU động cơ như tín hiệu đạp
chân ga.
Trong cảm biến vị trí bàn đạp ga, điện áp được cấp đến cực VPA và VPA2 của
ECU, thay đổi từ 0-5V tỷ lệ với góc của bàn đạp ga. VPA là tín hiệu chỉ ra góc mở
bàn đạp thực tế và dùng để điều khiển động cơ. VPA2 thường được dùng để phát
hiện các hư hỏng của cảm biến. ECU kiểm tra lực bàn đạp ga từ tín hiệu VPA và
VPA2 phát ra và điều khiển mô tơ bướm ga theo các tín hiệu này.
4.4.3. Cảm biến vị trí bướm ga
4.4.3.1. Kết cấu,nguyên lý làm việc
Cảm biến vị trí bướm ga loại không tiếp xúc. Cảm biến vị trí bướm ga sẽ
chuyển sự thay đổi mật độ đường sức của từ trường thành tín hiệu điện.

58



Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
1
2

Hình 4-22 Sơ đồ nguyên lý điều khiển góc mở bướm ga
1. Cảm biến vị trí bướm ga, 2. Mô tơ bước điều khiển bướm ga

1

Hình 4-23 Đặc tính cảm biến vị trí bướm ga
Góc mở bướm ga được điều khiển bởi ECU động cơ, ECU nhận tín hiệu từ
cảm biến vị trí bàn đạp ga xử lý và truyền tín hiệu điều khiển đến mô tơ bước điều
khiển. Mô tơ bướm ga sẽ đóng mở bướm ga theo tín hiệu điều khiển từ ECU, từ mô
tơ bướm ga truyền sang trục bướm ga thông qua bộ răng giảm tốc.
4.4.3.2. Mạch điện cảm biến vị trí bướm ga
Cảm biến vị trí bướm ga có 2 tín hiệu phát ra VTA1 và VTA2. Dùng 2 tín hiệu
VTA1 và VTA2 là để dự phòng. Điện áp cấp vào VTA1 và VTA2 thay đổi từ 0-5V
tỷ lệ thuận với góc mở của bướm ga. ECU thực hiện một vài phép kiểm tra để xác
định đúng hoạt động của cảm biến vị trí bướm ga.
ECU đánh giá góc mở bướm ga thực tế từ các tín hiệu này qua các cực VTA1
và VTA2 và ECU điều khiển mô tơ bướm ga, nó điều khiển góc mở bướm ga đúng

59


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007

với đầu vào do người lái tác động lên bàn đạp ga.
ECU

20 VTA1
B1

VTA 6

23
VC
B1

VC 5

5V

19
VTA2
B1

VTA2 4

28
E2
B1

E2 3

Hình 4-24 Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bướm ga
4.4.4. Cảm biến kích nổ

4.4.4.1. Kết cấu, nguyên lý làm việc
Cảm biến kích nổ được gắn vào thân máy và truyền tín hiệu KNK tới ECU
động cơ khi phát hiện sự kích nổ của động cơ. ECU động cơ nhận tín hiệu KNK và
làm trễ thời điểm đánh lửa nhằm ngăn chặn hiện tượng kích nổ xảy ra, đến lúc ECU
động cơ nhận thấy hiện tượng kích nổ kết thúc thì nó sẽ điều chỉnh thời điểm đánh
lửa sớm trở lại sau khoảng thời gian nhất định.
Cảm biến kích nổ được chế tạo từ vật liệu áp điện, thường dùng nhất là tinh
thể thạch anh. Khi có hiện tượng kích nổ xảy ra, tinh thể thạch anh sẽ chịu một áp
lực lớn và tần số rung động cao (f = 6 – 15 kHz), do đó sẽ sinh ra tín hiệu điện áp.

1

2

3

Hình 4-25 Kết cấu cảm biến kích nổ.
1. Thân cảm biến, 2. Phần tử áp điện, 3. Điện trở phát hiện hở mạch
60


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007

Hình 4-26 Đồ thị biểu diễn dạng tín hiệu kích nổ
4.4.4.2. Mạch điện cảm biến kích nô

Hình 4-27 Sơ đồ mạch điện cảm biến kích nổ
4.4.5. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
4.4.5.1. Kết cấu, nguyên lý làm việc


Hình 4-28 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát.
1. Nhiệt điện trở, 2. Thân cảm biến, 3. Lớp cách điện, 4. Giắc cắm dây.

61


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007

Khi động cơ hoạt động, cảm biến nhiệt độ nước làm mát thường xuyên theo
dõi và báo cho ECU biết tình hình nhiệt độ nước làm mát động cơ. Nếu nhiệt độ
nước làm mát của động cơ thấp (động cơ vừa mới khởi động) thì ECU sẽ ra lệnh
cho hệ thống phun thêm xăng khi động cơ còn nguội. Cũng thông tin về nhiệt độ
nước làm mát, ECU sẽ thay đổi điểm đánh lửa thích hợp với nhiệt độ động cơ. Cảm
biến nhiệt độ nước làm mát và điện trở R được mắc nối tiếp. Khi giá trị điện trở của
cảm biến thay đổi theo sự thay đổi của nhiệt độ nước làm mát, điện áp tại cực THW
cũng thay đổi theo. Dựa trên tín hiệu này ECU tăng lượng phun nhiên liệu nhằm
nâng cao khả năng ổn định khi động cơ nguội.
4.4.5.2. Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát
ECU

5V
THW
2
E2
1

21
THW

B1

R

28
E2
B1

2'
1'

Hình 4-29 Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát
1’. Nhiệt điện trở, 2’. Vỏ cảm biến

Hình 4-30 Đặc tính của cảm biến nhiệt độ nước làm mát

62


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007

4.4.6. Cảm biến lưu lượng khí nạp
4.4.6.1. Kết cấu,nguyên lý làm việc
Nguyên lý của cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu dây sấy dựa trên sự phụ
thuộc của năng lượng nhiệt thoát ra từ một phần tử nhiệt được nung nóng và đặt
trong dòng khí nạp. Khi có dòng điện đi qua làm cho dây sấy nóng lên. Khi không
khí chạy qua, dây sấy được làm nguội tương ứng với khối lượng không khí nạp,
bằng cách điều chỉnh dòng điện chạy vào dây sấy này để giữ cho nhiệt độ dây sấy
không đổi, dòng điện đó sẽ tỉ lệ thuận với lượng không khí nạp bằng cách phát hiện

dòng điện đó ta xác định được lượng không khí nạp. Trong trường hợp này, dòng
điện chuyển thành điện áp và gửi đến ECU động cơ.

Hình 4-31 Kết cấu và đặc tính của cảm biến lưu lượng khí nạp
1. Nhiệt điện trở, 2. Dây sấy platin
4.4.6.2. Mạch điện cảm biến lưu lượng khí nạp
1

2

3
ECU

R
3 A
R
2

VG
B
R
1

E
2

Hình 4-32 Sơ đồ mạch điện của cảm biến lưu lượng khí nạp
1. Bộ khuếch đại, 2. Nhiệt điện trở (Ra), 3. Dây sấy Platin (Rh)
63



Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
Cảm biến lưu lượng khí nạp được đặt trên đường ống nạp, bao gồm một dây sấy
bằng platin (Rh) và nhiệt điện trở Ra được ghép vào mạch cầu Wheatstone. Tín hiệu
điện áp đầu ra của cảm biến V G tỷ lệ với lưu lượng khối lượng khí nạp. ECU nhận
dựa vào tín hiệu này để điều chỉnh thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ
bản.
4.4.7. Cảm biến nhiệt độ khí nạp
4.4.7.1. Kết cấu, nguyên lý làm việc

Hình 4-33 Cảm biến nhiệt độ khí nạp
1. Nhiệt điện trở, 2. Thân cảm biến, 3. Lớp cách điện, 4. Giắc cắm dây.
Cảm biến nhiệt độ khí nạp lắp bên trong cảm biến lưu lượng khí nạp và theo
dõi nhiệt độ khí nạp. Cảm biến nhiệt độ khí nạp sử dụng một nhiệt điện trở mà điện
trở của nó thay đổi theo nhiệt độ khí nạp. Điện trở của cảm biến này được làm bằng
chất bán dẫn nên có hệ số nhiệt điện trở âm nghĩa là nhiệt độ tăng thì điện trở giảm
và ngược lại điện trở tăng thì nhiệt độ giảm. Sự thay đổi của điện trở được thông tin
gửi đến ECU dưới sự thay đổi của điện áp.
Khi nhiệt độ của khí nạp thấp, điện trở của nhiệt điện trở lớn tạo nên một tín
hiệu điện áp cao trong tín hiệu của cảm biến nhiệt độ nước làm mát THA. Điện áp
thay đổi sẽ được truyền về ECU động cơ. ECU sẽ điều khiển chế độ làm việc của
động cơ phù hợp.
ECU

4.4.7.2. Mạch điện cảm biến nhiệt độ khí nạp

5V
THA
4

E2
5

2

22
THA
B1

R

28
E2
B1

1

Hình 4-34 Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ khí nạp
1. Nhiệt điện trở, 2. Vỏ cảm biến

64


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007

4.4.8. Cảm biến tỉ lệ không khí-nhiên liệu
4.3.8.1. Kết cấu, nguyên lý làm việc

Khäng khê Voíboüc

Âiãûn cæûc Platin
Cháútâiãûn phán âàûc
(Nguyãn täúZirconia)

Låïp phuíngoaìi
(Ceramic)
Khêxaí

Hình 4-35 Kết cấu cảm biển tỉ lệ Không khí – Nhiên liệu
Phần tử zirconia được cấp một điện áp khi nhiệt độ cao (650 o hay cao hơn) và
kết quả là dòng điện này có giá trị tỉ lệ với nồng độ oxy trong khí xả. Hay nói cách
khac khi hỗn hợp không khí- nhiên liệu đậm sẽ không có oxy trong khí xả, nên
không có dòng điện chạy trong phần tử zirconia. Khi hỗn hợp không khí- nhiên liệu
nhạt, sẽ có rất nhiều oxy trong khí xả và có dòng điện chạy trong phần tử zirconia sẽ
lớn, như đồ thị sau.

Hình 4-36 Đặc tính của cảm biến tỉ lệ không khí – nhiên liệu
Cảm biến này được lắp đặt để đảm bảo rằng tỷ lệ không khí- nhiên liệu được
duy trì trong khoảng xác định, do đó cải thiện được tính kinh tế nhiên liệu cũng như
khả năng tải.

65


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
Với dòng điện thay đổi tỷ lệ với hỗn hợp không khí- nhiên liệu được truyền tín
hiệu về ECU, ECU nhận tín hiệu xử lý để đảm bảo quá trình cháy của động cơ đạt
hiệu quả cao nhất.
4.4.8.2. Mạch điện cảm biến tỉ lệ không khí – nhiên liệu


ECU
ECM
8 MREL
E47

1
HT1B
B1

2 +B HT1B 1
(*1)
OX1B

3

18
B1 OX1B

2 +B HT2B 1

5 HT2B
B2

4 E2 OX2B 3

33
B2 OX2B

4 E2


2
EFI
No. 2
1
3

1
EFI

5

2

(*1)

2
EFI

28
B1 E2

1

Battery

Hình 4-37 Sơ đồ mạch điện cảm biến tỉ lệ Không khí – Nhiên liệu
4.5. Điều khiển đánh lửa
Hệ thống đánh lửa điều khiển theo chương trình có góc đánh lửa sớm được
điều khiển bằng một chương trình tính toán được thiết lập trong một máy tính điện

tử được bố trí trên xe gọi là ECU. Góc đánh lửa sớm được tính toán thông qua các
tín hiệu vào ECU từ các cảm biến ghi nhận từ động cơ, từ các tín hiệu này bộ vi xử
lý của ECU sẽ tính toán đưa ra các góc đánh lửa sớm tối ưu phù hợp với điều kiện
làm việc hiện tại của động cơ.
Việc đánh lửa điều khiển theo chương trình được chia làm hai giai đoạn làm
việc cơ bản: điều khiển đánh lửa khi khởi động và điều khiển đánh lửa sau khi khởi
động.
4.5.1. Điều khiển đánh lửa khi khởi động

66


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007
Điều khiển đánh lửa khi khởi động được thực hiện ngay sau khi ECU nhận
được tín hiệu Ne. Góc đánh lửa này tương ứng với thời điểm đánh lửa ban đầu, θ bd
= 5o ÷ 15o được lưu sẵn trong bộ nhớ. Khi có tín hiệu khởi động mạch chuyển đổi
trạng thái (có thể nằm trong hoặc ngoài ECU) sẽ nối đường IGT sang vị trí ST. Khi
đó xung IGT được điều khiển bởi Back up IC (IC dự phòng) thông qua hai tín hiệu
G và Ne. Nếu động cơ đã nổ thì IGT sẽ được nối sang vị trí After ST (sau khởi
động) và việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm được thực hiện bởi ECU.

G
After
ST

NE

ST


BÄÜVI XÆÍLY

ECU

IGT

Hình 4-38 Điều khiển đánh lửa ở chế độ khởi động
4.5.2. Điều khiển đánh lửa sau khi khởi động
Sau khi điều khiển động cơ, ECU sẽ nhận tín hiệu từ các cảm biến và hiệu
chỉnh góc đánh lửa sớm tùy theo chế độ làm việc của động cơ. Các hiệu chỉnh khác
nhau (dựa trên các tín hiệu từ cảm biến có liên quan) được thêm vào góc thời điểm
đánh lửa ban đầu và thêm vào góc đánh lửa sớm cơ bản.

G
ST

NE

After
ST

BÄ ÜV I X ÆÍL Y

ECU

IGT

Hình 4-39 Điều khiển đánh lửa sau khởi động
67



Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007

Góc đánh lửa sớm sau khi khởi động được xác định như sau:
θ đl = θ bd + θ cb + θ hc

Trong đó:
+ θ : Góc đánh lửa sớm thực tế.

+ θ cb : Góc đánh lửa sớm cơ bản.

+ θ hc : Góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh

+ θ bd : Góc đánh lửa sớm ban đầu

θ đl

ECU

θ cb

θ bd

θ hc

Hình 4-40 Góc đánh lửa sớm thực tế
- Góc đánh lửa cơ bản θ cb được xác định theo tốc độ và tải động cơ và được
lưu sẵn trong bộ nhớ của ECU.
- Góc đánh lửa hiệu chỉnh θ hc là tổng tất cả các góc đánh lửa theo các điều

kiện làm việc của động cơ sao cho động cơ làm việc tối ưu. Việc hiệu chỉnh góc
đánh lửa sớm trên động cơ được thực hiện theo các yếu tố sau:
+ Hiệu chỉnh theo nhiệt độ động cơ.
+ Hiệu chỉnh ổn định không tải.
+ Hiệu chỉnh phản hồi tỉ lệ khí – nhiên liệu.
+ Hiệu chỉnh kích nổ.
+ Hiệu chỉnh góc ngậm điện.
+ Hiệu chỉnh bù độ cao,…

Goïc âaïnh læía såïm cå baín

68
Hình 4-41 Bản đồ góc đánh lửa sớm cơ bản theo tốc độ và tải


Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE trên xe
Toyota Landcruiser 2007

4.5.2.1. Hiệu chỉnh theo nhiệt độ động cơ
Tùy thuộc vào nhiệt độ động cơ thông qua các cảm biến nhiệt độ nước làm
mát mà góc đánh lửa sớm được điều chỉnh tăng hay giảm cho phù hợp với điều kiện
cháy của động cơ. Khi nhiệt độ của động cơ nằm trong khoảng 20÷ 60 o, góc đánh
lửa sớm được hiệu chỉnh từ 0o÷15o. Nếu nhiệt độ của động cơ nhỏ hơn 20o góc đánh
lửa sớm cũng chỉ được cộng thêm 15o. Sở dĩ phải tăng góc đánh lửa sớm lúc động
cơ nguội là vì ở nhiệt độ thấp thì tốc độ cháy chậm nên phải kéo dài thời gian để
nhiên liệu cháy hết phát huy tối đa công suất của động cơ. Khi nhiệt độ động cơ vào
khoảng 60o ÷110o thì ECU không thực hiện sự hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo
nhiệt độ.
Trong trường hợp nhiệt độ động cơ quá nóng (>110 o) sẽ dễ gây ra hiện tượng
kích nổ và tăng hàm lượng NOx trong khí thải vì vậy ECU sẽ điều khiển góc đánh

lửa sớm xuống một góc tối đa 5o.
Tín hiệu liên quan đến hiệu chỉnh này là tín hiệu nhiệt độ nước làm mát
THW.
Tang

θhc

15°

0
5°

gi?m

-20

60

110

t (°C)
dc

Hình 4-42 Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo nhiệt độ động cơ
4.5.2.2. Hiệu chỉnh ôn định không tải
Khi động cơ ở chế độ không tải thì sẽ dao động ở chế độ không tải chuẩn,
ECU động cơ sẽ điều chỉnh thời điểm đánh lửa để ổn định tốc độ động cơ. Nếu tốc

69