Trong thế kỷ 21 hiện đại, công nghệ ô tô đang trải qua một cuộc cách mạng đầy ấn tượng, với sự phát triển nhanh chóng của các hệ thống tự động hóa và điều khiển. Trong số những công nghệ này, điều khiển không tải động cơ ô tô đã thu hút sự chú ý đặc biệt của cả các nhà sản xuất và nhà nghiên cứu. Điều khiển không tải là một phần không thể tách rời của hệ thống lái ô tô tự động, làm nổi bật sự tiên tiến và hiệu suất của các dòng xe hơi trong thời đại số hóa ngày nay. Để điều khiển tốc độ cầm chừng, người ta cho thêm một lượng gió đi tắt qua cánh bướm ga vào động cơ nhằm tăng lượng hỗn hợp để giữ tốc độ cầm chừng khi động cơ hoạt động ở các chế độ tải khác nhau. Lượng gió đi tắt này được kiểm soát bởi một van điện gọi là van điều khiển cầm chừng. Đôi khi biện pháp mở thêm cách bướm ga cũng được sử dụng.
1. Chế độ khởi động:
Khi động cơ dừng hoạt động, tức không có tín hiệu tốc độ động cơ gửi đến ECU thì van điều khiển cầm chừng mở hoàn toàn, giúp động cơ khởi động lại dễ dàng.
2. Chế độ sau khởi động:
Nhờ thiết lập trạng thái khởi động động cơ ban đầu, việc khởi động động cơ dễ dàng và lượng gió phụ vào nhiều hơn. Tuy nhiên khi động cơ đã nổ (tốc độ tăng) nếu van điều khiển cầm chừng vẫn mở lớn hoàn toàn thì tốc độ động cơ sẽ tăng quá cao.
Vì vậy, khi động cơ đạt được một tốc độ nhất định (phụ thuộc vào nhiệt độ nước làm mát), ECU điều khiển van điều khiển cầm chừng để đóng từ vị trí mở hoàn toàn đến vị trí được ấn định theo nhiệt độ nước làm mát.
Ví dụ động cơ khởi động khi nhiệt độ nước làm mát ở 20°C thì van điều khiển sẽ đóng dần từ vị trí mở hoàn toàn A đến điểm B để đạt tốc độ ấn định.
Điều khiển cầm chừng ở chế độ sau khởi động
3. Chế độ hâm nóng:
Điều khiển cầm chừng ở chế độ hâm nóng
Khi nhiệt độ động cơ tăng lên van điều khiển tiếp tục đóng từ B –> C cho đến khi nhiệt độ nước làm mát đạt khoảng 80°C (Tùy thuộc vào loại động cơ).
4. Chế độ điều hòa:
Khi động cơ đang hoạt động, nếu ta bật điều hoà nhiệt độ, do tải của máy nén lớn sẽ làm tốc độ cầm chừng động cơ giảm xuống. Nếu chênh lệch tốc độthực của động cơ và tốc độ ổn định lưu trong bộ nhớ ECU lớn hơn 20 v/p thì ECU sẽ gửi tín hiệu đến van điều khiển để tăng lượng không khí thêm vào qua đường không khí mạch rẽ nhằm mục đích tăng tốc độ động cơ khoảng 100 v/p. Ở những xe có trang bị ly hợp điều hòa điều khiển bằng ECU, khi bật công tắc điều hòa thì ECU sẽ gửi tín hiệu tới van điều khiển cầm chừng trước để tăng tốc độ cầm chừng sau đó đến ly hợp máy nén để tránh tình trạng động cơ đang chạy bị giảm tốc độ đột ngột.
Chế độ điều hòa
5. Theo tải máy phát:
Khi bật các phụ tải điện công suất lớn trên xe, tải động cơ sẽ tăng do lực cản của máy phát lớn. Để tốc độ cầm chừng ổn định trong trường hợp này, ECU sẽ điều khiển bù thêm nếu thấy tải của máy phát tăng. Để kiểm soát tình trạng tải của máy phát có hai cách: lấy tín hiệu từ công tắc đèn, xông kính (TOYOTA) hoặc lấy tín hiệu từ cọc FR của máy phát (HONDA).
Điều khiển cầm chừng theo tải máy phát
6. Tín hiệu từ hộp số tự động:
Khi tay số ở vị trí “R”, “P” hoặc “D”, một tín hiệu điện áp được gửi về ECU để điều khiển mở van cho một lượng khí phụ vào làm tăng tốc độ cầm chừng.
Tín hiệu từ hộp số tự động
7. Cấu tạo van điều khiển tốc độ cầm chừng:
a. Van điều khiển tốc độ cầm chừng kiểu động cơ bước (Stepper motor)
– Cấu tạo:
Van điều khiển trên hình là loại motor bước. Motor này có thể quay cùng chiều hoặc ngược chiều kim đồng hồ để van di chuyển theo hướng đóng hoặc mở. Motor được điều khiển bởi ECU. Mỗi lần dịch chuyển là một bước, từ vị trí đóng hoàn toàn đến mở hoàn toàn có 125 bước (số bước có thể thay đổi). Việc di chuyển sẽ làm tăng giảm tiết diện cho gió qua. Lưu lượng gió đi qua van rất lớn nên ta không cần dùng van gió phụ trội cũng như vít chỉnh tốc độ cầm chừng cũng được vặn kín hoàn toàn.
Rotor: gồm một nam châm vĩnh cửu 16 cực. Số cực phụ thuộc vào từng loại động cơ.
Stator: Gồm hai bộ lõi, 16 cực xen kẽ nhau. Mỗi lõi được quấn hai cuộn dây ngược chiều nhau.
Cấu tạo van điều khiển tốc độ cầm chừng kiểu động cơ bước
1-Rotor; 2-Stator; 3-Van; 4-Bệ van; 5-Trục van; 6-Đĩa chặn
– Hoạt động:
Hoạt động của động cơ bước
ECU điều khiển các transistor lần lượt nối mát cho cuộn stator. Dựa vào nguyên lý: các cực cùng tên đẩy nhau, các cực khác tên hút nhau sẽ tạo ra một lực từ làm xoay rotor một bước. Chiều quay của rotor sẽ thay đổi nhờ sự thay đổi thứ tự dòng điện đi vào bốn cuộn stator. Với loại rotor và stator 16 cực, cứ mỗi lần dòng điện đi qua các cuộn dây thì rotor quay được 1/32 vòng. Vì trục van gắn liền với rotor nên khi rotor quay, trục van di chuyển ra vào làm giảm hoặc tăng khe hở giữa van với bệ van.
– Mạch điện:
Tốc độ cầm chừng quy định đã được lưu trong bộ nhớ theo trạng thái hoạt động của điều hoà và giá trị của nhiệt độ nước làm mát. Khi ECU nhận tín hiệu từ công tắc cánh bướm ga và tốc độ động cơ báo cho biết là đang ở chế độ cầm chừng thì nó sẽ mở theo thứ tự từ transistor Tr1 đến Tr4 cho dòng điện qua stator điều khiển mở hoặc đóng van cho đến khi đạt tốc độ ấn định.
Mạch điện của kiểu động cơ bước
b. Van điều khiển tốc độ cầm chừng kiểu Solenoid:
Cuộn solenoid được ECU điều khiển theo độ rộng xung. Khi có tín hiệu solenoid sẽ hoạt động làm thay đổi khe hở giữa van solenoid và bệ van cho không khí vào nhiều hay ít. Cứ khoảng 120ms cuộn dây của van được nhận một xung điện (ON-OFF).Vì tần số đóng mở khá lớn nên có thể coi như các cuộn dây được cấp điện liên tục, song giá trị trung bình của dòng điện được tính bằng tỉ số giữa thời gian cấp điện (ON) và thời gian ngắt điện (OFF).
Tỉ số này gọi là chỉ số làm việc W được tính theo công thức:
Nếu muốn van mở ít thì xung điều khiển có chỉ số làm việc W nhỏ và ngược lại.
– Mạch điện:
Mạch điện của van điều khiển cầm chừng kiểu solenoid
– Kiểu van xoay:
Cấu tạo van cầm chừng kiểu van xoay
+ Nam châm vĩnh cửu: Đặt ởđầu trục van có hình trụ. Nó sẽ quay dưới tác dụng lực đẩy hoặc kéo của hai cuộn T1 và T2.
+ Van: Đặt treo ở tiết diện giữa của trục van. Nó sẽđiều khiển lượng không khíđi qua mạch rẽ. Van xoay cùng với trục của nam châm.
+ Cuộn T1 và T2: Đặt đối diện nhau, ở giữa là nam châm vĩnh cửu. ECU điều khiển nối mát một trong hai cuộn dây để điều khiển đóng mở van.
c. Cuộn lò xo lưỡng kim:
Dùng để điều khiển đóng mở van theo nhiệt độ nước làm mát khi mạch điều khiển không làm việc. Một đầu cuộn lò xo lưỡng kim được bắt vào chốt cố định, còn điểm kia bắt vào chấu bảo vệ. Trên chấu bảo vệ có một rãnh, một chốt xoay liền với trục van sẽ đi vào rãnh này.
Chốt xoay sẽ không kích hoạt sự hoạt động của lò xo lưỡng kim khi hệ thống điều khiển cầm chừng hoạt động tốt cũng như lúc lò xo lưỡng kim không tiếp xúc với mặt cắt có vát rãnh trên chấu bảo vệ. Cơ cấu này là thiết bị an toàn không cho tốc độ cầm chừng quá cao hay quá thấp nếu mạch điều khiển bị hỏng.
Nguyên tắc làm việc cũng giống như loại động cơ bước nghĩa là cũng điều khiển cho một lượng không khí đi tắt qua cánh bướm ga theo sự điều khiển từ ECU. Đây là loại kết hợp giữa động cơ bước và solenoid.
– Mạch điện:
Mạch điện kiểu van xoay
Với sự phát triển không ngừng của công nghệ điện tử và vi điều khiển, các hệ thống điều khiển không tải động cơ ô tô ngày càng trở nên thông minh và linh hoạt hơn. Chúng có khả năng điều chỉnh tự động theo điều kiện lái xe và mức độ tải trọng, từ đó cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của xe.
Tuy nhiên, để áp dụng hiệu quả các công nghệ này, cần có sự kết hợp chặt chẽ giữa các nhà sản xuất ô tô, các nhà nghiên cứu và các chuyên gia về điện tử và vi điều khiển. Đồng thời, việc đào tạo và phát triển nhân lực có chuyên môn cao trong lĩnh vực này cũng là một thách thức đối với ngành công nghiệp ô tô.
