Tài liệu MÔ ĐUN CHÂN GA ĐIỆN TỬ

MÔ ĐUN CHÂN GA ĐIỆN TỬ (ELECTRONIC PEDAL MODUN) PGS.TS. Nguyễn Khắc Trai 1. Sự hình thành: Chân ga điện tử ra đời (hình 1) cùng với những thành quả trong việc điều khiển ABS, khi các nhà thiết kế thực hiện ý định điều khiển lực kéo chống trượt quay bánh xe chủ động (TRC) thông qua việc sử dụng thiết bị ABS như một bộ phận tiêu thụ bớt mô men quay. Ở chế độ (TRC), ô tô cần thực hiện điều chỉnh mô men truyền tới bánh xe chủ động nhằm hạn chế sự tăng quá mức lực kéo. Giải pháp hạn chế sự tăng quá mức lực kéo được thực hiện bằng cách tạo mô men phanh bánh xe ở trục dẫn ra bánh xe. Thực hiện ý đồ này dẫn tới các cơ cấu phanh phải làm việc quá mức gây nhanh mòn, đồng thời tiêu hao công suất của động cơ gây lãng phí nhiên liệu và có thể tăng lượng phát thải độc hại của khí xả ô tô. Như vậy liên kết cơ khí giữa bàn đạp chân ga và chế độ hoạt động của động cơ là không tương thích, và cần thiết thay liên kết này bằng liên kết điều khiển “mềm”. Chân ga điện tử đã ra đời xuất phát từ mục đích tạo liên kết “mềm” này. Khái niệm chân ga điện tử được hiểu là thay đổi liên kết chân ga cơ khí với thiết bị điều chỉnh tốc độ động cơ bằng liên kết thông qua các thiết bị điện tử. Chân ga điện tử ra đời và bắt đầu thử nghiệm áp dụng vào khoảng năm 1986. Hình 1: Hình dáng của cấu trúc các mô đun chân ga điện tử bố trí trên ô tô  Chân ga đặt treo  Chân ga đặt tựa Sự hoàn thiện chân ga điện tử ở mức độ cao hơn được gọi là: Mô dun chân ga điện tử và xuất hiện vào khoảng những năm 1990. Sau một giai đoạn thử nghiệm trên xe khoảng 5 năm, đến năm 1996 bắt đầu tiến hành sản xuất hàng loạt lớn. Từ đó mô đun chân ga điện tử đã trở thành mô đun tiêu chuẩn của nhiều loại ô tô con. Một hãng tham gia sản xuất phụ trợ cho công nghiệp ô tô đã đẩy nhanh sản lượng trong một thời gian ngắn. Sau 13 năm hoạt động hãng này đã chế tạo khoảng 100 triệu mô đun, và bán cho nhiều hãng lắp ráp ô tô trên thế giới. Ngày nay, mô đun chân ga điện tử đang dần dần thay thế chân ga liên kết cơ khí cho cả ô tô con, ô tô tải, ô tô buýt. 2. Cấu trúc cơ bản: Chân ga điện tử ngày nay thực sự là một cơ cấu điều khiển bằng dây (by-wire), đáp ứng được các tiêu chí của các chân ga thông thường, với vai trò là một phần chức năng của thiết bị điều khiển tốc độ động cơ. Liên kết chân ga điện tử với động cơ thông qua mô tơ bước có độ nhạy cao, góc điều chỉnh được chia rất nhỏ (hình 2 và hình 3). Hình 2: Các khối cơ bản của thiết bị điều khiển bướm ga điện tử 1. Mô đun chân ga điện tử: Throttle Actuator Control (TAC) Module 2. Bướm ga Throttle Body Assembly 3. Khối cảm biến vị trí Accelerator Pedal Position (APP) Sensor Hình 3: Vị trí các khối cơ bản của thiết bị điều khiển bướm ga điện tử bố trí trên một loại động cơ xăng 1. Mô đun chân ga điện tử Accelerator-pedal module, 2. Khối điều khiển bướm ga Engine-management ECU, 3 Bướm ga Throttle device Mô đun chân ga điện tử (hình 4) được tổ hợp bao gồm:  Bàn đạp và cơ cấu giá đỡ;  Bộ cảm biến đo vị trí bàn đạp chân ga, chuyển hóa thành tín hiệu điện áp;  Bộ lưu trữ và phân tích dữ liệu nhằm xác định các ý định của người lái;  Một bộ dây nối đóng vai trò chuyển dữ liệu trạng thái bàn đạp chân ga;  Cơ cấu tạo hồi vị bàn đạp chân ga. Cảm biến kiểm soát vị trí, tốc độ bàn đạp chân ga là các cảm biến vị trí, sử dụng nguồn điện áp 5 V hoặc nguồn điện từ ắc quy ô tô. Gần đây, các cảm biến này được hình thành trên cơ sở hiệu ứng Hall, ghép trong mô đun theo công nghệ CIPOS, cho phép: tiết kiệm năng lượng, kích thước nhỏ gọn, tốc độ quản lí dữ liệu nhanh, có khả năng tích hợp đa chức năng và bố trí thuận lợi cho nhiều chủng loại xe khác nhau. Để nâng cao độ tin cậy trong sử dụng, trong mô đun có mạch cảm biến dự phòng. Hình 4: Cơ cấu hồi vị chân ga giúp cho bàn đạp có khả năng hồi vị về vị trí Bàn đạp chân ga và giá đỡ ban đầu khi người lái không tác dụng lực lên bàn đạp. Cơ cấu hồi vị đồng thời đảm nhận chức năng tạo cảm giác lực cho người điều khiển. Việc tạo cảm giác cho người điều khiển khiến họ hiểu được đã đạp bàn đạp chân ga điều khiển đến mức nào, thông qua mức nhấn sâu (chân ga nặng), nhấn ít (chân ga nhẹ). Cơ cấu hồi vị bố trí trong mô đun chân ga điện tử, tuy nhiên bộ phận này tạo lực cảm giác không lớn, và lực đặt lên bàn đạp chỉ nhỏ bằng một nửa lực điều khiển của chân ga liên kết cơ khí. Như vậy, mô đun chân ga điện tử cung cấp các trạng thái bàn đạp theo ý định của người lái bằng các tín hiệu điện để thực hiện điều khiển sự làm việc của động cơ. Trong một số trạng thái làm việc của động cơ nhất định, các tín hiệu từ chân ga điện tử giúp tạo nên các chế độ làm việc tối ưu của động cơ: tự động giảm tốc độ động cơ khi ô tô xuống dốc nhằm đáp ứng tính kinh tế nhiên liệu, tự động tăng tốc độ động cơ nhằm đáp ứng tính ổn định. Chế độ tự động tăng tốc độ động cơ còn được gọi là “chế độ bù ga tự động”. 3. Chế độ bù ga tự động trong động cơ có mô đun chân ga điện tử:  Động cơ làm việc ở chế độ chạy chậm Ở chế độ chạy chậm của động cơ phun xăng EFI, khi chân ga nằm ở vị trí ban đầu, hiện tượng bù ga được thực hiện thông qua đường khí không tải. Van khí không tải lắp bên cạnh bướm ga, tạo nên đường cấp khí đi tắt qua bướm ga, giúp cho động cơ làm việc ở chế độ không tải. Việc mở rộng đường khí phụ giúp cho động cơ tăng thêm tốc độ không tải phục vụ việc tăng tải ở chế độ chạy chậm, hay còn gọi là “chế độ chạy chậm có tải”, nhằm duy trì sự làm việc ổn định của động cơ (tránh bị chết máy đột ngột). Trong sử dụng, chế độ chạy chậm có tải tương ứng với việc người lái bật đèn pha, bật điều hòa.  Động cơ làm việc ở chế độ gài số Khi động cơ đã làm việc việc gài số từ thấp đến cao nhằm thực hiện ở chế độ tải trọng thay đổi. Phụ tải đặt lên động cơ lớn hơn phụ tải của chế độ chạy chậm. Thông thường người lái phải nhấn sâu một chút chân ga để động cơ làm việc cân bằng với phụ tải của ô tô, hoặc tiến hành vê côn (vê li hợp). Nếu thả hoàn toàn chân ga, không vê côn, động cơ có thể dẫn tới chết máy. Trên ô tô có mô đun chân ga điện tử, để khắc phục tình trạng này khi thả chân ga hoàn toàn, người lái không cần vê côn, mô dun chân ga điện tử nhận dạng trạng thái và cung cấp tín hiệu cho động cơ mở thêm bướm ga và tăng lượng phun nhiên liệu duy trì cho động cơ làm việc ở trạng thái cân bằng với phụ tải, động cơ không bị chết máy mà người lái không phải thực hiện thao tác vê côn. Chế độ này được gọi là chế độ bù ga theo tải trọng. Khi đó động cơ sẽ tự động chuyển về trạng thái làm việc khác nhau tùy thuộc vào tay số gài và tải trọng đặt lên bánh xe chủ động. Khi số truyền được gài càng cao thì số vòng quay của động cơ càng lớn. Chế độ xử lý tự động như là một ưu việt của kết cấu bù ga điện tử khi dùng mô đun chân ga điện tử. Mức độ bù ga tùy thuộc vào chất lượng ổn định của động cơ, đặc tính tốc độ của động cơ. Như vậy, có thể có động cơ cần bù ga lớn và có động cơ cần bù ga nhỏ. Thực hiện mức độ bù ga nhỏ là rất khó khăn khi tải trọng đặt lên ô tô thay đổi trong giới hạn rộng. Tuy nhiên, đây cũng là một xu hướng để các nhà nghiên cứu phát triển kỹ thuật cho động cơ. Một vấn đề khác được đặt ra là khi bù ga theo chế độ tải trọng, nếu vì một lý do nào đó, ô tô chở tải và hoạt động ở vùng tốc độ cao, người lái gặp chướng ngại, đột ngột thả chân ga, không đạp li hợp và chuyển sang chân phanh. Điều đó có nghĩa là phụ tải gia tăng và hệ thống bù ga làm việc nhằm tạo cân bằng với tải lớn của ô tô và có thể dẫn tới ô tô bị tăng tốc ngoài ý muốn. Trong trường hợp này nhất thiết phải thực hiện đạp ly hợp và chuyển số về “Mo”, khi đó phụ tải động cơ giảm nhỏ và động cơ không được điều khiển bù ga. Hiển nhiên đây chỉ là giả thiết đặt ra, còn thực tiễn trả lời điều này chỉ có thể là các nhà thiết kế và xây dựng phần mềm mới có thể lý giải đầy đủ.  Động cơ làm việc ở chế độ quay vòng Một chế độ bù ga khác đã được thực hiện cũng nhờ mô đun chân ga điện tử trên các ô tô có bố trí hệ thống VSC (Vehicle Stability Control: ổn định hướng chuyển động). Khi ô tô quay vòng trên đường cong, tiêu hao năng lượng cho ô tô chuyển động trên đường có thể lên tới 25% so với năng lượng khi ô tô chuyển động thẳng cùng tốc độ. Điều này dễ dàng nhận thấy khi người lái giữ nguyên mức độ bàn đạp chân ga chuyển sang quay vành lái thực hiện quỹ đạo cong của đường, tốc độ chuyển động của ô tô sẽ giảm. Sự biến đổi vận tốc ô tô trong đường cong sẽ dẫn tới thay đổi mạnh các phản lực thẳng đứng và gây bất lợi cho sự lăn của một vài bánh xe trên đường. Để khắc phục điều này, mặc dù chân ga giữ nguyên, nhưng sau khi bộ điều khiển VSC đã kiểm soát được gia tốc bên và nhận thấy gia tốc bên không nằm trong vùng cận nguy hiểm, hệ thống cho phép bù ga để ô tô giữ nguyên tốc độ chuyển động. Cấu trúc như vậy giúp người lái tập trung tốt hơn trong việc xử lý tình huống mặt đường, hạn chế khả năng trượt ngang của các bánh xe cầu sau. Trên động cơ ô tô ngày nay còn có thể được bố trí thêm một số chế độ bù ga khác, tuy nhiên các chế độ bù ga này ít liên quan tới tính chất an toàn chuyển động và được bố trí trên động cơ với mục đích tăng tiện nghi sử dụng, giảm bớt cường độ làm việc của người lái. 4. Chế độ giảm ga tự động trong động cơ có mô đun chân ga điện tử:  Động cơ làm việc ở chế độ chạy chậm Trước hết, chế độ giảm tốc độ động cơ thực hiện ở chế độ chạy chậm khi động cơ còn nguội, thông qua cơ cấu tự động giảm tốc độ vòng quay khi máy bắt đầu đạt tới nhiệt độ trên 80 oC. Cơ cấu này được viết tắt là cơ cấu van ISC. Khi động cơ còn nguội tốc độ động cơ cần cao, khi nhiệt độ máy tăng lên van ISC đóng lại, lượng khí nạp đi vào giảm nhỏ giúp cho động cơ giảm tốc độ, giảm bớt lượng tiêu thụ nhiên liệu và hạn chế lượng khí phát thải.  Động cơ làm việc ở chế độ có đặt TRC Như đã nêu ở phần xuất xứ hình thành chân ga điện tử, với ô tô có ABS và liên hợp TRC, sự trượt quay bánh xe chủ động được hạn chế khi giảm mô men từ động cơ truyền xuống. Ở trạng thái có trượt quay, người lái nhấn sâu chân ga, động cơ làm việc ở số vòng quay cao, nhưng tốc độ ô tô không tăng, một phần năng lượng của động cơ bị tiêu hao vô ích cho việc thực hiện quay trơn bánh xe. Trên ô tô có bố trí mô đun chân ga điện tử kết hợp với các hệ thống ABS liên hợp TRC, khi nhấn bàn đạp chân ga sự trượt quay bánh xe gia tăng tới một giá trị giới hạn, nếu cứ nhấn sâu chân ga tiếp, trước tiên hệ thống phanh ABS sẽ tham gia điều khiển phanh đối với từng bánh xe, đồng thời giảm góc mở bướm ga và giảm lượng phun nhiên liệu, tốc độ động cơ tự giảm xuống mặc dù chân ga vẫn nằm ở vị trí nhấn sâu. Thực hiện điều này cho phép ô tô sử dụng tối ưu nhiên liệu, hạn chế khả năng mòn lốp xe và nâng cao khả năng điều khiển ô tô.  Động cơ làm việc ở chế độ quay vòng Trên xe có bố trí VDC (Vehicle Dynamic Control: ổn định động học quay vòng) có cảm biến gia tốc bên. Cảm biến có nhiệm vụ xác định gia tốc bên của ô tô để kiểm soát trạng thái quay vòng thực tế của ô tô so với trạng thái quay vòng theo quay vành lái. Nếu gia tốc bên của ô tô nằm trong vùng lân cận của giá trị nguy hiểm, mặc dù chân ga đang nằm ở một vị trí nào đó ở trạng thái nhấn ga, hệ thống VDC lập tức điều khiển giảm tốc độ động cơ để giảm tốc độ ô tô, đưa gia tốc bên thực tế về vùng gia tốc an toàn. Ở trong vùng gia tốc an toàn, nếu quỹ đạo cong của ô tô không phù hợp với quỹ đạo của vành lái (không phù hợp với trạng thái quay vòng mong muốn: quay vòng thiếu hay quay vòng thừa), hệ thống ABS tự động được kích hoạt và điều khiển phanh riêng rẽ các bánh xe theo chương trình định sẵn để đưa ô tô về trạng thái quay vòng đúng. Trong quá trình đó công suất của động cơ phát ra bị dư thừa và cần thiết đưa ra tín hiệu hiệu chỉnh giảm tốc độ động cơ. Như vậy, mô đun chân ga điện tử giúp cho hệ thống không thực hiện tác động của bàn đạp chân ga. Tuy nhiên, sau khi đã thực hiện được việc điều chỉnh quỹ đạo, lệnh điều khiển này được hủy bỏ và hệ thống chuyển về thực hiện tăng tốc động cơ đến giá trị mong muốn của bàn đạp chân ga trước đó. Thực hiện giảm và tăng linh hoạt chế độ làm việc của động cơ giúp nâng cao tính ổn định động của xe (VDC) đồng thời sử dụng hiệu quả nhiên liệu là ý đồ của nhà thiết kế và có sự tham gia tích cực của mô đun chân ga điện tử.  Động cơ làm việc khi gặp chướng ngại trên đường Một số ô tô con đã bắt đầu bố trí thiết bị điều khiển tốc độ ô tô theo khoảng cách di chuyển giữa ô tô cùng di chuyển trên đường. Thiết bị cho phép xác định khoảng cách giữa các xe bằng thiết bị nhận dạng kiểu quang học. khoảng cách giữa các xe, tốc độ di chuyển của xe đi trước (chướng ngại). Nếu khoảng cách giữa ô tô với chướng ngại đủ đảm bảo an toàn cho hệ thống phanh xe khi cần thiết, hệ thống cho phép làm việc theo tín hiệu điều khiển của mô đun bàn đạp chân ga. Nhưng nếu khoảng cách nằm trong vùng không an toàn, mặc dù bàn đạp chân ga nhấn sâu nhưng thiết bị điều khiển động cơ giảm tốc độ, giữ khoảng cách an toàn. Trong trường hợp đặc biệt, động cơ có thể tắt máy và xe bị phanh gấp theo dạng phanh hỗ trợ khẩn cấp (BAS), trong lúc người lái chưa kịp phanh xe và bàn đạp chân ga chưa được thả hoàn toàn. Thiết bị như vậy thuộc loại hệ thống điều khiển thông minh và đang được nghiên cứu để lắp phổ biến trên ô tô con và mô đun chân ga điện tử là một thành phần không thể thiếu. Ngoài các tính năng tự động bù ga, tự động giảm ga trong các trường hợp điển hình nói trên, cũng còn có một số chức năng khác liên quan tới mô đun chân ga điện tử. Việc xuất hiện và hoàn chỉnh cùng với số lượng sản phẩm ngày càng gia tăng thể hiện được tính ưu việt của mô đun chân ga điện tử. 5. Sự không tương thích giữa thói quen điều khiển và các thiết bị mới Theo một quy luật chung của sự phát triển khoa học kỹ thuật đối với các thiết bị mới, trong đó có sự áp dụng của chân ga điện tử vào ô tô, luôn xảy các xung đột về phát triền và thói quen vận hành. Nhưng tổng thể việc đưa mô đun chân ga điện tử vào điều khiển tốc độ ô tô là một tiến bộ kỹ thuật, với các ưu việt đã được trình bày. Trong khai thác kết cấu mới cần chú ý các đặc điểm sau:  Nguồn điện của ô tô đóng vai trò rất quan trọng, trong mọi trường hợp sử dụng không để xảy ra mất nguồn điện hay ắc quy quá yếu.  Kiểm soát hệ thống bằng các biện pháp tự chẩn đoán và hệ thống chẩn đoán.  Hệ thống cần được kiểm tra và chăm sóc đầy đủ trước khi vận hành, tránh để xảy ra sự cố đứt dây nối điện, rỉ sét các chỗ nối.  Trước khi vận hành cần được hiểu cơ bản chức năng các thiết bị mới và biết phương pháp xử lý các sự cố có thể xảy ra.  Hệ thống làm mất đi cảm giác thật về mức độ điều khiển chân ga, mà thay vào đó là cảm giác “ảo” được bố trí trong thiết bị, sự không tương thích như vậy có thể làm mất đi một thú vị trong việc điều khiển ô tô. Qua các vấn đề xảy ra trong thực tiễn, công nghệ ô tô ngày càng trở nên phức tạp, trách nhiệm của người làm công tác kỹ thuật ngày càng phải được nâng cao, trước hết là: làm quen và thích nghi, để ô tô có thể phục vụ tốt nhất con người và hạn chế tối đa các hệ quả sai sót có thể xảy ra.