Hệ thống điện động cơ gồm các bộ phận cấp nguồn, khởi động, thu nhận tín hiệu và điều khiển hoạt động của động cơ. Những thành phần như ắc quy, máy phát, ECU, cảm biến và kim phun phối hợp để động cơ khởi động, duy trì quá trình cháy và đáp ứng yêu cầu vận hành.
Để hiểu hệ thống điện động cơ, người học cần biết từng bộ phận nhận điện ở đâu và tín hiệu đi đến đâu. Trong bài viết này, VCE lấy động cơ xăng điều khiển điện tử làm ví dụ; động cơ diesel có khác biệt về hệ thống phun và phương thức đốt cháy.
Hệ thống điện động cơ gồm những bộ phận nào?
Có thể chia hệ thống điện động cơ thành năm nhóm: nguồn điện và khởi động; bộ điều khiển; cảm biến; cơ cấu chấp hành; đánh lửa và đường dây điện.
Hệ thống nguồn điện và khởi động
Trong hệ thống điện động cơ, các bộ phận cấp nguồn và khởi động gồm:
- Ắc quy: tích trữ điện năng, cấp điện khi động cơ chưa hoạt động và cung cấp dòng điện lớn cho máy khởi động. Khi nhu cầu điện vượt khả năng cấp của máy phát, ắc quy cũng tham gia hỗ trợ.
- Máy phát điện: được động cơ dẫn động, chuyển cơ năng thành điện năng. Dòng điện được chỉnh lưu và điều chỉnh điện áp để cấp cho phụ tải, đồng thời nạp lại ắc quy.
- Máy khởi động: sử dụng điện từ ắc quy để quay trục khuỷu, tạo điều kiện ban đầu cho động cơ tự làm việc. Sau khi động cơ khởi động thành công, máy khởi động ngừng tham gia truyền động.
- Cầu chì và rơ-le (relay): cầu chì bảo vệ mạch khi dòng điện vượt mức thiết kế; rơ-le cho phép tín hiệu điều khiển dòng nhỏ đóng, ngắt một mạch có dòng tải lớn hơn.
Trên xe có chức năng quản lý sạc, điện áp máy phát được điều chỉnh theo trạng thái vận hành. Vì vậy, không nên áp dụng một giá trị điện áp sạc cố định cho mọi mẫu xe.
Bộ điều khiển động cơ
ECU hoặc ECM động cơ là bộ điều khiển tiếp nhận thông tin, xử lý dữ liệu và phát lệnh đến cơ cấu chấp hành. Trong hệ thống điện động cơ, ECU sử dụng chương trình điều khiển cùng các bảng giá trị được nhà sản xuất thiết lập để tính toán lượng phun, thời điểm đánh lửa và các chức năng liên quan.
Khi động cơ còn lạnh, ECU sử dụng tín hiệu nhiệt độ nước làm mát để điều chỉnh chiến lược phun và tốc độ không tải.
ECU cần được cấp nguồn và có đường mass tốt. Mất nguồn, tiếp xúc giắc kém hoặc sụt áp trên đường mass có thể làm hệ thống hoạt động bất thường, không ổn định dù bản thân ECU chưa hỏng.
Hệ thống cảm biến
Cảm biến chuyển đổi các thông tin như nhiệt độ, áp suất hoặc vị trí cơ khí thành tín hiệu điện. Nhờ đó, hệ thống điện động cơ có thông tin về trạng thái thực tế để điều chỉnh hoạt động.
| Cảm biến | Thông tin cung cấp cho ECU | Vai trò chính |
| Trục khuỷu CKP | Tốc độ và vị trí trục khuỷu | Tạo tín hiệu tham chiếu cho điều khiển phun, đánh lửa |
| Trục cam CMP | Vị trí trục cam, tương quan với trục khuỷu | Nhận biết pha làm việc của động cơ, phục vụ điều khiển phun và phối khí |
| MAP/MAF | Áp suất đường ống nạp hoặc khối lượng khí nạp | Giúp ECU xác định tải và tính lượng nhiên liệu |
| Nhiệt độ nước làm mát ECT | Nhiệt độ nước làm mát | Phục vụ điều khiển khi máy lạnh, không tải và quạt làm mát |
| Oxy O2 hoặc cảm biến A/F | Thông tin về oxy trong khí xả | Phản hồi để hiệu chỉnh hòa khí khi đủ điều kiện |
| Vị trí bướm ga TPS | Góc mở thực tế của bướm ga | Giám sát và phản hồi hoạt động bướm ga |
| Kích nổ | Dao động liên quan đến hiện tượng kích nổ | Giúp ECU điều chỉnh thời điểm đánh lửa |
Xe có thể sử dụng MAP, MAF hoặc cả hai tùy thiết kế. Tín hiệu cảm biến cũng có thể là điện áp, xung hoặc tần số; không phải mọi cảm biến đều dùng nguồn 5 V.
Trong hệ thống điện động cơ, CKP và CMP phối hợp để ECU nhận biết vị trí và pha làm việc. Bạn có thể đọc thêm bài về cảm biến trục khuỷu và cảm biến trục cam để tìm hiểu từng loại.
Hệ thống cơ cấu chấp hành
Cơ cấu chấp hành thực hiện yêu cầu điều khiển của ECU, tác động trực tiếp đến quá trình vận hành. Các thiết bị thường gặp trong hệ thống điện động cơ gồm:
- Kim phun nhiên liệu: Đóng và mở theo tín hiệu điều khiển để đưa nhiên liệu vào đường nạp hoặc buồng đốt, tùy kiểu phun.
- Bướm ga điện tử: Sử dụng mô-tơ để thay đổi góc mở bướm ga. ECU điều khiển theo yêu cầu vận hành và theo dõi vị trí thực tế qua cảm biến.
- Van điều khiển VVT: Ở hệ thống phối khí biến thiên dùng thủy lực, van điều tiết dầu đến bộ chấp hành để thay đổi pha trục cam.
- Van EGR: điều tiết lượng khí xả hồi lưu về đường nạp theo chiến lược điều khiển, góp phần giảm phát thải NOx.
- Van purge EVAP: Kiểm soát việc đưa hơi nhiên liệu đã được giữ trong bộ hấp thụ than hoạt tính vào động cơ để đốt.
- Quạt làm mát và các van điện từ: Được điều khiển theo điều kiện vận hành, thông qua rơ-le hoặc mô-đun phù hợp.
Hệ thống đánh lửa và đường dây điện
Trên động cơ xăng, bobin biến đổi điện áp thấp thành điện áp cao để bugi tạo tia lửa đốt cháy hòa khí. ECU điều khiển thời điểm đánh lửa dựa trên tốc độ, tải và những thông tin liên quan. Động cơ diesel đốt cháy nhiên liệu bằng nhiệt do nén, không sử dụng bobin và bugi đánh lửa theo cách này.
Dây dẫn và giắc điện kết nối nguồn, cảm biến, ECU và cơ cấu chấp hành. Đường mass tạo đường trở về cho dòng điện và điểm tham chiếu của các mạch liên quan. Giắc lỏng, dây đứt ngầm hoặc mass tiếp xúc kém đều có thể làm hệ thống điện động cơ phát sinh lỗi.
Mạng CAN giúp ECU động cơ trao đổi dữ liệu với các bộ điều khiển khác, chẳng hạn ECU hộp số. LIN thường phục vụ những kết nối cục bộ, ví dụ bộ điều chỉnh máy phát trên một số thiết kế. Nhiều cảm biến động cơ vẫn nối trực tiếp với ECU, thay vì truyền toàn bộ thông tin qua CAN hoặc LIN.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện động cơ là gì?
Hệ thống điện động cơ kết hợp nguồn cấp với quá trình xử lý tín hiệu qua hai luồng chính:
- Luồng cấp điện: ắc quy hoặc máy phát → mạch phân phối, bảo vệ → ECU và các thiết bị → đường mass.
- Luồng điều khiển: trạng thái động cơ → cảm biến → ECU → cơ cấu chấp hành → thay đổi hoạt động → tín hiệu phản hồi.
Khi bật khóa điện và khởi động
Khi bật khóa điện hoặc nhấn nút khởi động, các mạch được cấp nguồn theo thiết kế. ECU bắt đầu hoạt động và tiếp nhận tín hiệu cần thiết. Khi đủ điều kiện cho phép khởi động, máy khởi động quay trục khuỷu.
Lúc này, hệ thống điện động cơ nhận tín hiệu CKP và CMP để xác định chuyển động, vị trí và pha làm việc. ECU sử dụng các thông tin phù hợp để điều khiển phun nhiên liệu, đánh lửa trên động cơ xăng. Khi quá trình cháy đủ để động cơ tự duy trì, máy khởi động ngừng làm việc.
Khi động cơ vận hành và thay đổi tải
Sau khi động cơ hoạt động, máy phát tham gia cấp điện và nạp ắc quy. ECU tiếp tục cập nhật tốc độ, lượng khí nạp, nhiệt độ và yêu cầu của người lái để điều chỉnh các cơ cấu chấp hành.
Ví dụ, khi người lái đạp ga, cảm biến bàn đạp ga gửi yêu cầu đến ECU. Trên xe dùng bướm ga điện tử, ECU tính toán góc mở phù hợp, điều khiển mô-tơ và theo dõi vị trí bướm ga thực tế. Khi lượng khí nạp thay đổi, lượng nhiên liệu phun và thời điểm đánh lửa cũng được điều chỉnh theo điều kiện vận hành.
Trong hệ thống điện động cơ, kim phun và bobin nhận lệnh có thời điểm, thay vì được cấp điện để làm việc liên tục. Bạn có thể xem thêm nguyên lý phun xăng điện tử để hiểu mối liên hệ giữa tín hiệu cảm biến và lượng phun.
Khi ECU sử dụng tín hiệu phản hồi
Khi đáp ứng điều kiện điều khiển vòng kín, ECU sử dụng phản hồi từ cảm biến oxy hoặc A/F để hiệu chỉnh lượng nhiên liệu. Nếu phản hồi cho thấy hòa khí lệch khỏi mục tiêu, ECU điều chỉnh lượng phun trong phạm vi cho phép.
Phản hồi vị trí bướm ga giúp kiểm soát góc mở; phản hồi trục cam giúp giám sát điều khiển phối khí. Nhờ đó, hệ thống điện động cơ nhận biết sự khác biệt giữa lệnh điều khiển và trạng thái thực tế.
Khi phát hiện bất thường đáp ứng tiêu chí giám sát, ECU có thể lưu mã lỗi DTC. Kỹ thuật viên đọc mã lỗi và dữ liệu động qua hệ thống chẩn đoán OBD để xác định hướng kiểm tra. Mã lỗi là dữ kiện chẩn đoán, chưa đủ để kết luận ngay một phụ tùng đã hỏng.
Câu hỏi thường gặp
Điện động cơ khác điện thân xe ở điểm nào?
Hệ thống điện động cơ phục vụ khởi động, cấp điện và điều khiển vận hành động cơ. Điện thân xe tập trung vào các chức năng như chiếu sáng, cửa kính, khóa cửa và tiện nghi. Hai nhóm có thể dùng chung nguồn điện và trao đổi dữ liệu.
Máy khởi động quay nhưng động cơ không nổ, có phải ECU hỏng?
Không thể kết luận như vậy. Nguyên nhân có thể thuộc nguồn điện, tín hiệu cảm biến, nhiên liệu, đánh lửa hoặc cơ khí. Cần xác nhận từng điều kiện trước khi kết luận ECU hỏng.
Người mới nên học phần nào trước?
Nên học điện cơ bản, nguồn và mass, đọc sơ đồ, sau đó tìm hiểu cảm biến và cơ cấu chấp hành trước khi đọc dữ liệu chẩn đoán.
Nếu muốn học hệ thống điện động cơ theo hướng thực hành, bạn có thể tham khảo khóa Điện điều khiển động cơ tại VCE. Chương trình kết hợp nguyên lý, đọc sơ đồ, dữ liệu máy chẩn đoán và đo kiểm để người học hiểu cơ sở của từng bước kiểm tra.
