ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khai thác kỹ thuật hệ thống phun xăng xe toyota vios 1.6e
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
Khai thác kỹ thuật hệ thống phun xăng xe toyota vios 1.6e
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.. 4
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRÊN XE TOYOTA VIOS 1.6E. 6
1.1. Giới thiệu chung. 6
1.2. Phân loại, ưu nhược điểm của hệ thống phun xăng điện tử. 8
CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH KẾT CẤU HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ TRÊN XE TOYOTA VIOS 1.6E. 11
2.1. Hệ thống phun xăng điện tử EFI trên ô tô Toyota Vios 1.6E. 11
2.1.1 Cấu tạo. 11
2.1.2 Nguyên lý hoạt động. 12
2.2. Kết cấu hệ thống phun xăng EFI15
2.2.1. Bộ phân cung cấp nhiên liệu. 15
2.2.1.1. Bơm xăng. 15
2.2.1.2. Lọc xăng. 19
- 2.1.3 Cổ họng gió. 20
2.2.1.5. Khoang nạp khí và đường ống nạp. 21
2.2.2. Bộ phân cảm biến. 22
2.2.2.1. Cảm biến lưu lượng khí nạp. 22
2.2.2.3. Cảm biến vị trí bướm ga. 29
Cảm biến vị trí cánh bướm ga được lắp ở trên trục cánh bướm ga. Cảm biến này đóng vai trò chuyển vị trí góc mở cánh bướm ga thành tín hiệu điện thế gởi đến ECU.29
2.2.2.4. Cảm biến Oxi30
2.2.2.5. Cảm biến tốc độ xe. 32
2.2.2.6. Cảm biến kích nổ. 33
2.2.2.7. Cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston. 34
2.2.2.8. Cảm biến vị trí trục khuỷu. 39
2.2.3. Bộ phân điều khiển. 43
2.2.3.1. Bộ xử lý trung tâm ECU trên ô tô. 43
2.2.4. Bộ phận chấp hành. 45
CHƯƠNG 3 KHAI THÁC KĨ THUẬT HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ TRÊN TOYOTA VISOS 1.6E. 48
3.1 Giới thiệu thiết bị chẩn đoán OBD.. 48
3.2. Một số hự hỏng thường gặp và cách khắc phục. 52
3.2. Khai thác thiết bị để tiến hành chẩn đoán hệ thống phun xăng điện tử trên xe Toyota Vios 1.6E. 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 69
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, cùng với sự phát triển của xã hội thì phương tiện giao thông cũng phát triển không ngừng kéo theo đó là vấn đề ô nhiễm môi trường mà những phương tiện này thải ra ngày càng trầm trọng, thậm chí ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người. Bên cạnh đó sự gia tăng giá đột biến của giá xăng dầu và tiêu chuẩn của khí thải của động cơ ôtô ngày càng khắt khe buộc các nhà khoa học trên thế giới không ngừng nghiên cứu tìm ra biện pháp nhằm tiết kiệm nhiên liệu kèm theo giảm khí thải ở động cơ đốt trongnghành công nghiệp ôtô đã cho ra đời rất nhiều loại ôtô với các tính năng và công dụng khác nhau. Nhiều giảm pháp được đưa ra, một trong những giải pháp được xem là thành công nhất hiện nay (áp dụng cho động cơ sử dụng nhiên liệu xăng) đó là cho ra đời động cơ EFI (hỗn hợp được tạo bên trong buồng đốt của động cơ, với sự nạp và cháy phân lớp) với hệ thống phun xăng trực tiếp. Hệ thống phun xăng điện tử EFI ra đời là một trong những giải pháp cho vấn đề nói trên. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, điện tử và tin học đã giúp nghành công nghiệp ôtô thiết kế chế tạo thành công các hệ thống phun xăng điện tử EFI có kết cấu nhỏ gọn, độ chính xác cao, an toàn, hiệu quả, vì vậy đã nâng cao được công suất động cơ, giảm được ô nhiễm môi trường. Với mục đích củng cố và mở rộng kiến thức chuyên môn, đồng thời làm quen với công tác nghiên cứu khoa học góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng hệ thống nhiên liệu trên ô tô. Em đã đựơc giao thực hiện luận văn tốt nghiệp với đề tài: “Khai thác kỹ thuật hệ thống phun xăng xe TOYOTA VIOS 1.6E”.
Trong quá trình làm đồ án, Em được sự gúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy hướng dẫn và các thầy giáo trong Bộ môn Ô tô – Khoa Cơ Khí.
Do hạn chế về mặt thời gian, năng lực bản thân đồng thời đây là những hệ thống mới và tài liệu bằng tiếng anh nên đồ án của em còn rất nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy, các bạn để đồ án của em được hoàn chỉnh hơn.
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRÊN XE TOYOTA VIOS 1.6E
1.1. Giới thiệu chung
Xu thế phát triển của các nhà sản xuất ô tô là nghiên cứu hoàn thiện quá trình hình thành hỗn hợp cháy để đạt được sự cháy hết, tăng tính kinh tế nhiên liệu và giảm được hàm lượng độc hại của khí xả thải ra môi trường. Công nghệ phun xăng điện tử EFI (Electronic Fuel Injection) là một giải pháp cho vấn đề ấy. Hiện nay, hệ thống này được các nhà sản xuất áp dụng trên nhiều loại xe, nhất là cho các dòng xe ô tô du lịch. Trước tiên, hãy bắt đầu bằng việc lịch sử ra đời và phát triển hệ thống này.
Hệ thống phun xăng điện tử EFI là hệ thống điều khiển tích hợp cả hai quá trình phun xăng và đánh lửa của động cơ, cho phép cung cấp lượng xăng chính xác dưới sự điều khiển của ECU theo sự thay đổi tốc độ động cơ và tải trọng, dẫn đến việc phân phối đều nhiên liệu tới từng xylanh.
- Lịch sử phát triển của hệ thống phun xăng điện tử EFI
Vào thế kỷ XIX, một kỹ sư người Mỹ đã nghĩ ra cách phun nhiên liệu cho một máy nén khí. Sau đó một thời gian, một người Đức đã cho phun nhiên liệu vào buồng cháy nhưng không mang lại hiệu quả. Đầu thế kỷ XX, người Đức áp dụng hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ 4 kỳ tĩnh tại (nhiên liệu dùng trên động cơ này là dầu hỏa nên hay bị kích nổ và hiệu quả thấp). Tuy nhiên, sau đó sáng kiến này đã rất thành công trong việc chế tạo hệ thống phun xăng kiểu cơ khí. Trong hệ thống phun xăng này nhiên liệu được phun trực tiếp vào trước xupap nạp nên có tên gọi là K - Jetronic. Hệ thống K - Jetronic được đưa vào sản xuất ứng dụng trên các xe của hãng Mercedes và một số xe khác, là nền tảng cho việc phát triển hệ thống phun xăng thế hệ sau như KE - Jetronic, Mono – Jetronic, L – Jetronic, Motronic…..
Do hệ thống phun xăng cơ khí có nhiều nhược điểm nên đầu những năm 80 của thế kỷ này, hãng BOSCH đã cho ra đời hệ thống phun xăng sử dụng kim phun điều khiển bằng điện, có hai 2 loại: hệ thống L – Jetronic (lượng nhiên liệu được xác định nhờ cảm biến đo lưu lượng khí nạp) và D – Jetronic (lượng nhiên liệu được xác định dựa vào áp suất trên đường ống nạp).
Đến năm 1984, người Nhật đã mua bản quyền của hãng BOSCH và đã ứng dụng hệ thống phun xăng L – Jetronic và D – Jetronic trên các xe của hãng Toyota (dung với động cơ 4A – ELU). Đến những năm 1987, hãng Nissan dùng L – Jetronic thay bộ chế hòa khí của xe Sunny.
Việc điều khiển EFI có thể chia làm hai loại, dựa trên sự khác nhau về phương pháp dùng để xác định lượng nhiên liệu phun. Một là một loại mạch tương tự, loại này điều khiển lượng phun dựa vào thời gian cần thiết để nạp và phóng vào tụ điện. Loại khác là loại được điều khiển bằng vi xử lý, loại này sử dụng dữ liệu lưu trong bộ nhớ để xác định lượng phun.
Loại hệ thống EFI điều khiển bằng mạch tương tự là loại được Toyota sử dụng lần đầu tiên trong hệ thống EFI của nó. Loại điều khiển bằng vi xử lý được bắt đầu sử dụng vào năm 1983.
Loại hệ thống EFI điều khiển bằng vi xử lý được sử dụng trong xe của Toyota gọi là TCCS (Toyota Computer Controlled System – hệ thống điều khiển bằng máy tính của Toyota), nó không chỉ điều khiển lượng phun mà còn bao gồm ESA (Electronic Spark Advance – đánh lửa sớm điển tự) để điều khiển thời điểm đánh lửa; ISC (Idle Speed Control – điều khiển tốc độ không tải) và các hệ thống điều khiển khác cũng như chức năng chẩn đoán và dự phòng. Loại EFI mạch tương tự và vi điều khiển bằng bộ vi xử lý về cơ bản là giống nhau, nhưng có thể nhận thấy một vài điểm khác nhau như các lĩnh vực điều khiển và độ chính xác. Trải qua thời gian hệ thống phun xăng điện tử EFI không ngừng cải tiến, bổ sung và hoàn thiện hơn.
Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ
1.2. Phân loại, ưu nhược điểm của hệ thống phun xăng điện tử
A. Phân loại
Hệ thống phun nhiên liệu có thể được phân loại theo nhiều kiểu. Nếu phân biệt theo cấu tạo kim phun, ta có 2 loại:
1. Loại CIS (continuous injection system)
Đây là kiểu sử dụng kim phun cơ khí, gồm 4 loại cơ bản:
- Hệ thống K – Jetronic: việc phun nhiên liệu được điều khiển hoàn toàn bằng cơ khí.
- Hệ thống K – Jetronic có cảm biến khí thải: có thêm một cảm biến oxy.
- Hệ thống KE – Jetronic: hệ thống K-Jetronic với mạch điều chỉnh áp lực phun bằng điện tử.
- Hệ thống KE – Motronic: kết hợp với việc điều khiển đánh lửa bằng điện tử.
Các hệ thống vừa nêu sử dụng trên các xe châu Âu model trước 1987. Do chúng đã lỗi thời nên quyển sách này sẽ không đề cập đến.
2. Loại AFC (air flow controlled fuel injection)
Sử dụng kim phun điều khiển bằng điện. Hệ thống phun xăng với kim phun điện có thể chia làm 2 loại chính:
D-Jetronic (xuất phát từ chữ Druck trong tiếng Đức là áp suất): với lượng xăng phun được xác định bởi áp suất sau cánh bướm ga bằng cảm biến MAP (manifold absolute pressure sensor).
- L-Jetronic(xuất phát từ chữ Luft trong tiếng Đức là không khí):với lượng xăng phun được tính toán dựa vào lưu lượng khí nạp lấy từ cảm biến đo gió loại cánh trượt. Sau đó có các phiên bản: LH – Jetronic với cảm biến đo gió dây nhiệt, LU – Jetronic với cảm biến gió kiểu siêu âm…
Nếu phân biệt theo vị trí lắp đặt kim phun, hệ thống phun xăng AFC được chia làm 2 loại
3. Loại TBI (Throttle Body Injection) - phun đơn điểm
Hệ thống này còn có các tên gọi khác như: SPI (single point injection), ci (central injection), Mono – Jetronic. Đây là loại phun trung tâm. Kim phun được bố trí phía trên cánh bướm ga và nhiên liệu được phun bằng một hay hai kim phun. Nhược điểm của hệ thống này là tốc độ dịch chuyển của hòa khí tương đối thấp do nhiên liệu được phun ở vị trí xa supap hút và khả năng thất thoát trên đường ống nạp.
4. Loại MPI (Multi Point Fuel Injection) - phun đa điểm
Đây là hệ thống phun nhiên liệu đa điểm, với mỗi kim phun cho từng xylanh được bố trí gần supap hút (cách khoảng 10 – 15 mm). Ống góp hút được thiết kế sao cho đường đi của không khí từ bướm ga đến xylanh khá dài, nhờ vậy, nhiên liệu phun ra được hòa trộn tốt với không khí nhờ xoáy lốc. Nhiên liệu cũng không còn thất thoát trên đường ống nạp. Hệ thống phun xăng đa điểm ra đời đã khắc phục được các nhược điểm cơ bản của hệ thống phun xăng đơn điểm. Tùy theo cách điều khiển kim phun, hệ thống này có thể chia làm 3 loại chính: phun độc lập hay phun từng kim (independent injection), phun nhóm (group injection) hoặc phun đồng loạt (simultaneous injection).
Nếu căn cứ vào đối tượng điều khiển theo chương trình, người ta chia hệ thống điều khiển động cơ ra 3 loại chính: chỉ điều khiển phun xăng (EFI - electronic fuel injection theo tiếng Anh hoặc Jetronic theo tiếng Đức), chỉ điều khiển đánh lửa (ESA - electronic spark advance) và loại tích hợp tức điều khiển cả phun xăng và đánh lửa (hệ thống này có nhiều tên gọi khác nhau: Bosch đặt tên là Motronic, Toyota có tên (TCCS - Toyota Computer Control System), Nissan gọi tên là (ECCS - Electronic Concentrated Control System…) Nhờ tốc độ xử lý của CPU khá cao, các hộp điều khiển động cơ đốt trong ngày nay thường gồm cả chức năng điều khiển hộp số tự động và quạt làm mát động cơ.
Nếu phân biệt theo kỹ thuật điều khiển ta có thể chia hệ thống điều khiển động cơ làm 2 loại: analog và digital.
Ở những thế hệ đầu tiên xuất hiện từ 1979 đến 1986, kỹ thuật điều khiển chủ yếu dựa trên các mạch tương tự (analog). Ở các hệ thống này, tín hiệu đánh lửa lấy từ âm bobine được đưa về hộp điều khiển để, từ đó, hình thành xung điều khiển kim phun. Sau đó, đa số các hệ thống điều khiển động cơ đều được thiết kế, chế tạo trên nền tảng của các bộ vi xử lý (digital).
B. Ưu điểm
- Có thể cấp hỗn hợp khí nhiên liệu đồng đều đến từng xylanh;
- Có thể đạt được tỉ lệ khí nhiên liệu chính xác với tất cả các dải tốc độ động cơ;
- Đáp ứng kịp thời với sự thay đổi góc mở bướm ga;
- Khả năng hiệu chỉnh hỗn hợp khí nhiên liệu dễ dàng: có thể làm đậm hỗn hợp khi nhiệt độ thấp hoặc cắt nhiên liệu khi giảm tốc;
- Hiệu suất nạp hỗn hợp không khí – nhiên liệu cao;
- Có thể đạt được tỉ lệ khí nhiên liệu chính xác với tất cả các dải tốc độ động cơ;
- Đáp ứng kịp thời với sự thay đổi góc mở bướm ga;
- Khả năng hiệu chỉnh hỗn hợp khí nhiên liệu dễ dàng: có thể làm đậm hỗn hợp khi nhiệt độ thấp hoặc cắt nhiên liệu khi giảm tốc;
- Hiệu suất nạp hỗn hợp không khí – nhiên liệu cao;
- Do kim phun được bố trí gần supap hút nên dòng khí nạp trên ống góp hút có khối lượng thấp (chưa trộn với nhiên liệu) sẽ đạt tốc độ xoáy lốc cao, nhờ vậy, nhiên liệu sẽ không còn thất thoát trên đường ống nạp và hòa khí sẽ được trộn tốt hơn.
CHƯƠNG 2PHÂN TÍCH KẾT CẤU HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ TRÊN XE TOYOTA VIOS 1.6E
2.1. Hệ thống phun xăng điện tử EFI trên ô tô Toyota Vios 1.6E
2.1.1 Cấu tạo
Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo hệ thống phun xăng điện tử EFI
1. Bình xăng; 2. Bơm xăng điện; 3. Cụm ống của đồng hồ đo xăng và bơm; 4. Lọc Xăng; 5. Bộ lọc than hoạt tính; 6. Lọc không khí; 7. Cảm biến lưu lượng khí nạp; 8.Van điện từ; 9. Môtơ bước; 10. Bướm ga; 11. Cảm biến vị trí bướm ga; 12. Ống góp nạp; 13. Cảm biến vị trí bàn đạp ga; 14. Bộ ổn định áp suất; 15. Cảm biến vị trí trục cam; 16. Bộ giảm chấn áp suất nhiên liệu; 17. Ống phân phối nhiên liệu; 18. Vòi phun; 19. Cảm biến tiếng gõ; 20. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát; 21. Cảm biến vị trí trục khuỷu; 22. Cảm biến ôxy.
Hệ thống phun xăng điện tử EFI gồm có 3 phần chính: cấp xăng, dẫn không khí nạp và điều khiển điện tử.
- Hệ thống cấp xăng có bơm xăng điện cấp xăng có áp suất qua bầu lọc theo đường ống vào các vòi phun. Trên đường ống có lắp van điều chỉnh áp suất giữ áp suất xăng ở đầu vòi phun là 2.3 - 2.6 kg/cm2 ở vòng quay không tải và 2.7 - 3.1 kg/cm2 ở vòng quay định mức. Từ van điều chỉnh áp suất có đường dẫn xăng thừa về thùng. Các vòi phun được điều khiển phun theo quy luật đồng thời phun một lượng xăng xác định vào đường ống nạp không khí tuỳ theo tín hiệu từ hộp điều khiển điện tử ECU. Các vòi phun hoạt động đồng thời, mỗi chu kỳ động cơ phun hai lần, mỗi lần một nửa liều phun.
- Hệ thống dẫn không khí nạp gồm có: Bầu lọc gió, hộp bướm ga và cụm đường ống nạp có nhiệm vụ cung cấp không khí nạp vào buồng cháy.
- Hệ thống điều khiển điện tử với ECU và các cảm biến có chức năng tiếp nhận và xử lý các tín hiệu từ các cảm biến cung cấp tới. Hộp ECU có vai trò như bộ não, xử lý các thông số và đưa ra các phản hồi để hệ thống vận hành đạt hiệu quả nhất. Các thông số quan trọng đó là lưu lượng không khí nạp vào, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ nước làm mát, số vòng quay động cơ, nồng độ oxy trong khí thải và vị trí bướm ga.
2.1.2 Nguyên lý hoạt động
Nhiên liệu được hút từ bình nhiên liệu bằng bơm nhiên liệu kiểu cánh gạt qua bình lọc nhiêu liệu để lọc sách các tạp chất sau đó tới bộ giảm rung, bộ phận này có nhiệm vụ hấp thụ các dao động nhỏ của nhiên liệu sự phun nhiện liệu gây ra. Sau đó qua ống phân phối, ở cuối ống phân phối có bộ ổn định áp suất nhằm điều khiển áp suất của dòng nhiên liệu và giữ cho nó luôn ổn định.
Tiếp đến nhiên liệu được đưa tới vòi phun dưới sự điều khiển của ECU vòi phun sẽ mở ra nhiên liệu được phun vào buồng cháy để động cơ hoạt động. Nhiên liệu thừa sẽ được đưa theo đường hồi trở về bình nhiên liệu. Các vòi phun sẽ phun nhiên liệu vào ống nạp tùy theo các tín hiệu phun của ECU. Các tín hiệu phun của ECU sẽ được quyết định sau khi đã nhận được các tín hiệu từ các cảm biến và nhiên liệu sẽ được ECU điều chỉnh phù hợp với tình trạng hoạt động của động cơ.
Hệ thống này gồm có 3 khối thiết bị với từng chức năng nhiệm vụ riêng là:
+ Các cảm biến có nhiệm vụ ghi nhân các thông số hoạt động của động cơ (lưu lượng khí nạp, tốc độ động cơ, nhiệt độ, tải trọng, nồng độ oxy trong khí thải,… )
+ Bô xử lý và điều khiển trung tâm (ECU) có nhiệm vụ tiếp nhận và xử lý thông tin do các cảm biến cung cấp, tín hiệu đến này được chuyển đổi thành tín hiệu số rồi xử lý theo chương trình đã vạch sẵn.
+ Bộ phận chấp hành có nhiệm vụ nhận tín hiệu ra đã được khuếch đại của ECU rồi phát xung chỉ huy việc phun xăng và đánh lửa cũng như chỉ huy việc cấp nhiên liệu, nạp khí, luân hồi khí thải,… đảm bảo sự làm việc tối ưu cho động cơ.
Khi bật khóa điện rơle EFI đóng mạch khi đó sẽ có điện đến ECU động cơ B + ECU động cơ được đặt vào chế độ làm việc, khi khởi động động cơ tín hiệu từ máy khởi động kết hợp với tín hiệu của cảm biến lưu lượng khí nạp hoặc tín hiệu Ne của cảm biến vị trí trục cơ làm bơm xăng hoạt động, xăng được bơm từ thùng qua bơm, qua lọc xăng và đi đến giàn phân phối. Áp suất trong hệ thống nhiên liệu được bộ phân điều áp duy trì ở áp suất từ 2-3 kg/cm2. Khi động cơ hoạt động không khí được nạp vào động cơ qua hệ thống cung cấp khí, lượng không khí đi vào được đo bởi bộ đo dòng khí nạp (cảm biến lưu lượng khí nạp). Khi dòng không khí vào xi lanh, nhiên liệu được kim phun nhiên liệu phun vào để hòa trộn với không khí. Tín hiệu từ ECU sẽ mở kim phun và nhiên liệu từ kim phun được phun vào phía trước xupáp nạp. Khi nhiên liệu được phun vào trong dòng khí nạp, nó hòa trộn với không khí bên trong và tạo thành hỗn hợp hơi nhờ áp suất thấp trong đường ống góp hút. Tín hiệu từ ECU sẽ điều khiển kim phun phun lượng nhiên liệu vừa đủ để đạt được tỷ lệ lý tưởng, thông thường để nhiên liệu được phun chính xác vào động cơ là một chức năng của bộ điều khiển ECU.
ECU quyết định lượng phun cơ bản dựa vào lượng khí nạp đo được và tốc độ động cơ. Tùy thuộc vào điều kiện vận hành của động cơ, lượng phun sẽ khác nhau. ECU theo dõi các biến như nhiệt độ nước làm mát, tốc độ động cơ, góc mở bướm ga, và lượng ôxy trong khí thải và hiệu chỉnh lượng phun để quyết định lượng phun nhiên liệu cuối cùng.
Hệ thống điều khiển bao gồm: ngõ vào (inputs) với chủ yếu là các cảm biến; hộp ECU (electronic control unit) là bộ não của hệ thống có thể có hoặc không có bộ vi xử lý; ngõ ra (outputs) là các cơ cấu chấp hành (actuators) như kim phun, bobine, van điều khiển cầm chừng…
Hình 2.3 Sơ đồ các khối chức năng của hệ thống điều khiển phun xăng
2.2. Kết cấu hệ thống phun xăng EFI
2.2.1. Bộ phân cung cấp nhiên liệu
2.2.1.1. Bơm xăng
Bơm được đặt trong bình xăng. So với loại trên đường ống, loại này có độ ồn thấp. Một bơm tuabin, với đặc điểm là độ rung động nhiên liệu khi bơm nhỏ, được sử dụng. Loại này bao gồm môtơ bơm, với một van một chiều, van an toàn và bộ lọc gắn liền thành một khối.
Bơm tuabin:Bơm tuabin bao gồm một hoặc hai cánh bơm được dẫn động bằng mô tơ, vỏ bơm và nắp bơm tạo thành bộ bơm. Khi môtơ quay các cánh bơm quay cùng với nó. Các cánh gạt bố trí dọc chu vi bên ngoài của cánh bơm để đưa nhiên liệu từ cửa vào đến cửa ra.
Hình 2.4. Bơm nhiêu liệu loại trong bình.
1. Van một chiều; 2. Van an toàn; 3. Chổi than; 4. Rôto; 5. Stato; 6. Cánh bơm;
7. Lưới lọc; 8. Vỏ bơm; 9. Cửa ra; 10. Cửa vào; 11. Lưỡi gạt; 12. Cánh bơm.
-Van an toàn: Van an toàn mở khi áp suất bơm ra đạt xấp xỉ 3.5 – 6 kgf/cm3. Và nhiên liệu có áp suất cao quay trở lại bình xăng. Van an toàn ngăn không cho áp suất nhiên liệu vượt quá mức này.
-Van một chiều: Van một chiều đóng khi bơm nhiên liệu ngừng hoạt động. Van một chiều và bộ ổn áp đều làm việc để duy trì áp suất dư trong đường ống nhiên liệu khi động cơ ngừng chạy, để dễ dàng cho lần khởi động sau.
Điều khiển bơm nhiên liệu.
Hình 2.5. Sơ đồ mạch điện bơm xăng.
1:Cầu chì dòng cao; 2,6,8,9:Cầu chì; 3,4,10:Rơ le; 5:Bơm;
7:Khóa điện; 11:Máy khởi động.
Điều khiển bật tắt bằng ECU động cơ
Bơm nhiên liệu chỉ hoạt động khi động cơ đang chạy. Ðiều này tránh cho nhiên liệu không bị bơm đến động cơ trong trường hợp khóa điện bật ON nhưng động cơ chưa chạy. Hiện nay có nhiều phương pháp điều khiển bơm nhiên liệu
Khi động cơ đang quay khởi động.
Dòng điện chạy qua cực ST2 của khóa điện đến cuộn dây máy khởi động (kí hiệu ST) và dòng diện vẫn chạy từ cực STAcủa ECU (tín hiệu STA).
Khi tín hiệu STA và tín hiệu NE được truyền đến ECU, transitor công suất bật ON, dòng điện chạy đến cuộn dây mở mạch (C/OPN), rơle mở mạch bật lên, nguồn điện cấp đến bơm nhiên liệu và bơm hoạt động.
Khi động cơ đã khởi động.
Sau khi động cơ đã khởi động, khóa điện được trở về vị trí ON (cực IG2) từ vị trí Start cực (ST), trong khi tín hiệu NE đang phát ra (động cơ đang nổ máy), ECU giữ Tr bật ON, rơle mở mạch ON bơm nhiên liệu được duy trì hoạt động
Khi động cơ ngừng.
Khi động cơ ngừng, tín hiệu NE đến ECU động cơ bị tắt. Nó tắt Transistor, do đó cắt dòng điện chạy đến cuộn dây của rơle mở mạch. Kết quả là, rơle mở mạch tắt ngừng bơm nhiên liệu.
Cơ cấu an toàn của bơm
a) Bộ giảm rung động
Áp suất nhiên liệu được duy trì ở 2,55 - 2,9 kgf/cm2 tùy theo độ chân không trên đường ống nạp bằng điều áp. Tuy nhiên, vẫn có sự dao động trên đường ống do quá trình phun nhiên liệu không liên tục. Bộ giảm rung động có tác dụng hấp thụ các dao động này bằng một lớp màng.
Hình 2.6 Bộ giảm dao động
b) Bộổn định áp suất
Bộ ổn định áp suất làm ổn định áp suất nhiên liệu đến các kim phun. Lượng phun nhiên liệu được điều khiển bằng thời gian của tín hiệu cung cấp đến các kim phun. Mặc dù vậy, do sự thay đổi độ chân không trong đường ống nạp, lượng nhiên liệu phun ra sẽ thay đổi và phụ thuộc vào lực hút ở đáy kim nếu áp suất nhiên liệu trên đầu kim không đổi. Do đó, để đạt được lượng phun nhiên liệu chính xác, tổng áp suất nhiên liệu A và độ chân không đường ống nạp B hay độ chênh áp giữa đầu kim và đáy kim phải được giữ không đổi.
c) Hoạt động của bộ điều áp
Nhiên liệu có áp suất từ ống phân phối sẽ tác động vào màng của điều áp làm mở van. Một phần nhiên liệu sẽ chảy trở lại bình chứa qua đường ống hồi. Lượng nhiên liệu trở về phụ thuộc vào độ căng của lò xo màng. Ap suất nhiên liệu cũng thay đổi theo lượng nhiên liệu hồi.
Áp thấp trên đường ống nạp được dẫn vào buồng phía lò xo màng, làm giảm sức căng lò xo và tăng lượng nhiên liệu hồi khiến áp suất giảm. Nói tóm lại, khi độ chân không của đường nạp tăng lên (giảm áp), áp suất nhiên liệu chỉ giảm tương ứng với sự giảm áp suất đó. Vì vậy, tổng áp suất của nhiên liệu A và độ chân không đường nạp B được duy trì không đổi.
Hình 2.7 Bộ điều áp và đặc tính hoạt động
Van tự động đóng lại nhờ lò xo, khi bơm nhiên liệu ngừng hoạt động. Kết quả là van một chiều bên trong bơm nhiên liệu và van bên trong điều áp duy trì áp suất dư trong đường ống nhiên liệu.
2.2.1.2. Lọc xăng
Lọc xăng có tác dụng lọc sạch cặn bẩn, tạp chất bảo đảm xăng sạch cung cấp cho vòi phun hoạt động tránh hiện tượng tắc, kẹt, đóng không kín của vòi phun.
Lọc xăng được lắp với đường ra của bơm. Thường được sử dụng bằng màng giấy, có cỡ lọc khoảng 10 m.
Hình 2.8 Cấu tạo lọc xăng.
1. Phần tử lọc; 2. Vỏ; 3. Lưới đồng.
Lọc xăng có cấu tạo cho xăng đi theo một chiều nên khi lắp phải theo đúng chiều, nếu không sẽ làm cản trở lượng xăng qua lọc. Phần tử lọc thường được làm bằng giấy, vỏ bằng thép hoặc nhựa. Sau một khoảng thời gian làm việc thì phải thay lọc mới. Thường xe chạy được từ 33.000 đến 40.000 km thì phải thay lọc mới.
- 2.1.3 Cổ họng gió
Hình 2.9 Cổ họng gió
Cổ họng gió bao gồm bướm ga, một khoang khí phụ, một vảm biến vị trí bướm ga. Bướm ga điều khiển lượng khí nạp trong quá trình động cơ hoạt động bình thường. Khoang khí phụ cho phép một lượng khí nhỏ đi qua khi chạy không tải, cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên trục của bướm ga để nhận biết góc mở bướm ga
Vít điều chỉnh tốc độ không tải: Khi động cơ chạy không tải, bướm ga sẽ đóng hoàn toàn thì dòng không khí nạp sẽ di qua khoang khí phụ vào trong khoang nạp khí. Tốc độ chạy không tải của động cơ có thể được điều chỉnh bằng việc điều chỉnh lượng khí nạp đi qua khoang khí phụ: khi xoay vít chỉnh tốc độ không tải sẽ làm tăng hoặc giảm dòng không khí nạp vào động cơ thì tốc độ chạy không tải của động cơ cũng sẽ tăng hoặc giảm theo.
2.2.1.4 Van khí phụ
Hình 2.10 Cấu tạo van khí phụ
- Van khí phụ loại sáp được tạo nên bởi một van nhiệt, một van chắn, lò xo A và lò xo B. Van nhiệt được điền đầy bởi sáp giãn nở nhiệt, sáp này giản nở và co lại phụ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ nước làm mát.
- Hoạt động:
+ Khi nhiệt độ nước làm mát thấp, van nhiệt co lại và van chắn được mở bằng lò xo A. Nó sẽ cho phép không khí đi qua van khí phụ, bỏ qua bướm ga vào trong khoang nạp khí.
+ Khi nhiệt độ nước làm mát tăng lên, van nhiệt giãn nở làm lò xo B đẩy lò xo A, van chắn đóng dần lại, hạ thấp tốc độ động cơ cho đến khi nó đóng hẳn lại.
+ Khi nhiệt độ nước làm mát đạt 800C, van chắn sẽ đóng lại và tốc độ động cơ sẽ trở lại bình thường. Khi nhiệt độ nước làm mát tăng cao hơn, van nhiệt sẽ giãn nở nhiều hơn. Nó nén lò xo B lại, làm tăng lực lò xo và giữ cho van chắn đóng chặt.
2.2.1.5. Khoang nạp khí và đường ống nạp
Do không khí hút vào trong các xylanh bị ngắt quãng nên sẽ xẩy ra rung động trong khí nạp. Rung động này sẽ làm cho tấm đo của cảm biến đo lưu lượng không khí rung động, sẽ làm cho kết quả đo không thể đo chính xác lượng khí nạp. Vì vậy, một khoang nạp khí có thể tích lớn được dùng để giảm rung động không khí nạp.
2.2.2. Bộ phân cảm biến
2.2.2.1. Cảm biến lưu lượng khí nạp
a) Chức năng và kết cấu
- Chức năng : Cảm biến lưu lượng khí nạp và gửi một tín hiệu đến bộ ECU, nó sẽ quyết định đến lượng phun cơ bản.
- Kết cấu: Vô cùng đơn giản được biểu diễn trên hình
Hình 2.11 Cấu tạo cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt trên xe
b) Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý của bộ đo gió kiểu nhiệt dưạ trên sự phụ thuộc của năng lượng nhiệt W thoát ra từ một linh kiện được nung nóng bằng điện (phần tử nhiệt) như : dây nhiệt, màng nhiệt hoặc điện trở nhiệt (thermistor) được đặt trong dòng khí nạp vào khối lượng gió G đi qua
Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo lưu lượng khí nạp
Dòng điện chạy vào dây sấy làm cho nó nóng lên. Khi dòng điện đi qua dây sấy được làm nguội tương ứng với khối lượng không khí nạp nhờ cách điều chỉnh dòng điện chạy vào dây sấy để giữ cho nhiệt độ dây sấy không đổi, dòng điện tỉ lệ thuận với lượng không khí nạp, bằng cách xác định dòng điện đó ta xác định được lượng không khí nạp.
Việc xác lập khoảng chênh lệch nhiệt độ ∆t giữa phần tử nhiệt RHvà nhiệt độ dòng khí được điều chỉnh bởi RP.
Nếu ∆t càng lớn thì độ nhạy của cảm biến càng tăng.
Khi nhiệt độ không khí nạp thay đổi sẽ dẫn tới sự thay đổi ∆t. Vì vậy, vấn đề cân bằng nhiệt được thực hiện bởi RKmắc ở một nhánh khác của cầu Wheatstone. Thông thường trong các mạch tỉ lệ RH : RK =1:10.
Trong quá trình làm việc, mạch điện tử luôn giữ cho sự chênh lệch nhiệt độ ∆t giữa dây nhiệt và dòng không khí vào khoảng 1500C (air mass sensor BOSCH).
Hình 2.13 Sơ đồ mạch điện lưu lượng khí nạp
Điện trở RH (được nung nóng) và điện trở bù nhiệt RK (làm bằng platin) được mắc vào hai nhánh của cầu Wheatstone. Cả hai điện trở này đều được đặt trên đường ống nạp.
Khi nối các ngõ vào của khuếch đại thuật toán l (OP AMP) với đường chéo của cầu, OP AMP1 sẽ giữ cho cầu luôn được cân bằng (có nghĩa là VA –VB = 0) bằng cách điều khiển transitor T1và T2, làm thay đổi cường độ dòng điện chảy qua cầu.
Như vậy, khi có sự thay đổi lượng không khí đi qua, giá trị điện trở đo RH thay đổi làm cho cầu mất cân bằng, OP AMP1 điều chỉnh dòng qua cầu giữ cho giá trị RHkhông đổi và cầu sẽ cân bằng với bất cứ vận tốc vào của dòng không khí. Tín hiệu điện thế ra của mạch đo được lấy từ R2có hệ số nhiệt điện trở rất nhỏ, do đó tỉ lệ thuận với dòng điện đi qua nó. Tín hiệu này sau khi đi qua cầu phân thế gồm R3và R4được đưa đến OP AMP2 giữ chức năng chuyển phát. Điện trở R4dùng để điều chỉnh điện thế ở ngõ ra.
Khi thiết kế cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt, đặt trên đường ống nạp của động cơ cần lưu ý những đặc điểm sau:
- Cảm biến bị tác động bởi dòng khí trong đường ống nạp, bất kỳ từ hướng nào nên có thể tăng độ sai số khi có sự xung động của dòng khí.
- Trên các chế độ chuyển tiếp của động cơ, (tăng tốc, giảm tốc…) do cảm biến có độ nhạy cao nên có thể xảy ra trường hợp không ăn khớp giữa tín hiệu báo về ECU và lượng không khí thực tế đi vào buồng đốt. Điều đó sẽ xảy ra nếu không tính đến vị trí lắp đặt của cảm biến và các quá trình khí động học trên đường ống nạp, sẽ làm trễ dòng khí khi tăng tốc độ đột ngột.
- Cảm biến đo gió kiểu nhiệt đo trực tiếp khối lượng không khí nên ECU không cần mạch hiệu chỉnh hòa khí theo áp suất khí trời cho trường hợp xe chạy ở vùng núi cao.
- Vít chỉnh CO trên cảm biến không nằm trên đường bypass mà là biến trở gắn trên mạch điện tử.
- Trên một số xe, cảm biến đo gió kiểu nhiệt được kết hợp với kiểu xoáy Karman. Khi dòng không khí đi qua vật tạo xoáy, sự xoáy lốc của không khí sẽ ảnh hưởng đến nhiệt độ dây nhiệt theo tần số xoáy lốc. Tần số này tỉ lệ thuận với lượng không khí và được đưa về ECU xử lý để tính lượng xăng tương ứng.
2.2.2.2. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát và nhiệt độ khí nạp
- Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (Coolant water temperature sensor)
Dùng để xác định nhiệt độ động cơ, có cấu tạo là một điện trở nhiệt (thermistor) hay là một diode.
Nguyên lý làm việc chung của cảm biến nhiệt độ
...
Hình 2.14 Mạch điện của cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Điện trở nhiệt là một phần tử cảm nhận thay đổi điện trở theo nhiệt độ. Nó được làm bằng vật liệu bán dẫn nên có hệ số nhiệt điện trở âm (NTC –negative temperature co-efficient). Khi nhiệt độ tăng điện trở giảm và ngược lại. Các loại cảm biến nhiệt độ hoạt động cùng nguyên lý nhưng mức hoạt động và sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ có khác nhau. Sự thay đổi giá trị điện trở sẽ làm thay đổi giá trị điện áp được gởi đến ECU trên nền tảng cầu phân áp.
Điện áp 5V qua điện trở chuẩn (điện trở này có giá trị không đổi theo nhiệt độ) tới cảm biến rồi trở về ECU về mass. Như vậy điện trở chuẩn và nhiệt điện trở trong cảm biến tạo thành một cầu phân áp. Điện áp điểm giữa cầu được đưa đến bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số (bộ chuyển đổi ADC – analog to digital converter).
Khi nhiệt độ động cơ thấp, giá trị điện trở cảm biến cao và điện áp gửi đến bộ biến đổi ADC lớn. Tín hiệu điện áp được chuyển đổi thành một dãy xung vuông và được giải mã nhờ bộ vi xử lý để thông báo cho ECU biết động cơ đang lạnh. Khi động cơ nóng, giá trị điện trở cảm biến giảm kéo theo điện áp đặt giảm, báo cho ECU biết là động cơ đang nóng.
Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Thường là trụ rỗng có ren ngoài, bên trong có gắn một điện trở dạng bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm.
Ở động cơ làm mát bằng nước, cảm biến được gắn ở thân máy, gần bọng nước làm mát. Trong một số trường hợp, cảm biến được lắp trên nắp máy.
|
2 |
|
1 |
|
3 |
Hình 2.15 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
1. Đầu ghim; 2. Vỏ; 3. Điện trở (NTC)
Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Hình 2.16 Mạch điện cảm biến nước làm mát
Đường đặc tuyến
Hình 2.17 Đường đặc tuyến của cảm biến nước làm mát
B. Cảm biến nhiệt độ khí nạp
Cảm biến nhiệt độ khí nạp dùng để xác định nhiệt độ khí nạp. Cũng giống như cảm biến nhiệt độ nước, nó gồm có một điện trở được gắn trong bộ đo gió hoặc trên đường ống nạp.
Ti trọng của không khí thay đổi theo nhiệt độ. Nếu nhiệt độ không khí cao, hàm lượng oxy trong không khí thấp. Khi nhiệt độ không khí thấp, hàm lượng oxy trong không khí tăng. Trong các hệ thống điều khiển phun xăng (trừ loại LH- Jetronic với cảm biến đo gió loại dây nhiệt) lưu lượng không khí được đo bởi các bộ đo gió khác nhau chủ yếu được tính bằng thể tích. Vì vậy, khối lượng không khí sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ của khí nạp. Đối với các hệ thống phun xăng nêu trên (đo lưu lượng bằng thể tích), ECU xem nhiệt độ 20oC là mức chuẩn, nếu nhiệt độ khí nạp lớn hơn 20oC thì ECU sẽ điều khiển giảm lượng xăng phun; nếu nhiệt độ khí nạp nhỏ hơn 20oC thì ECU sẽ điều khiển tăng lượng xăng phun. Với phương pháp này, tỉ lệ hỗn hợp sẽ được đảm bảo theo nhiệt độ môi trường.
Hình 2.19 Mạch điện của cảm biến nhiệt độ khí nạp
2.2.2.3. Cảm biến vị trí bướm ga
a) Chức năng và kết cấu
Cảm biến vị trí cánh bướm ga được lắp ở trên trục cánh bướm ga. Cảm biến này đóng vai trò chuyển vị trí góc mở cánh bướm ga thành tín hiệu điện thế gởi đến ECU.
Hình 2.20 Cảm biến vị trí bướm ga.
Cấu tạo gồm:
- Các mạch IC Hall làm bằng các phần tử Hall và các nam châm quay quanh chúng
- Các nam châm được lắp quanh trục bướm ga và quay cùng bướm ga
b) Nguyên lý hoạt động
Sơ đồ mạch điện:
Hình 2.21 Sơ đồ mạch cảm biến vị trí bướm ga
Dựa vào sơ đồ mạch điện, hoạt động của vị trí bướm ga được diễn ra như sau :
- Khi bướm ga mở, các nam châm gắn trên trục bướm ga thay đổi vị trí tạo ra biến thiên từ thông
- Biến thiên từ thông này được chuyển đổi thành điện áp ngõ ra tại các chân VTA nhờ IC Hall
- Độ chính xác cao và ít bị hư hỏng so với loại công tắc hay biến trở
- Ngoài ra để đảm bảo an toàn người ta thường tích hợp hai mạch đo VTA1 và VTA2 bên trong cảm biến
2.2.2.4. Cảm biến Oxi
a) Chức năng và kết cấu của cảm biến ô xi
Để chống ô nhiễm, trên các xe trang bị bộ hóa khử (TWC - three way catalyst). Bộ hóa khử sẽ hoạt động với hiệu suất cao nhất ở tỉ lệ hòa khí lý tưởng tức l = 1.
Cảm biến oxy được dùng để xác định thành phần hòa khí tức thời của động cơ đang hoạt động. Nó phát ra một tín hiệu điện thế gởi về ECU để điều chỉnh tỉ lệ hòa khí thích hợp trong một điều kiện làm việc nhất định (chế độ điều khiển kín - closed loop control).
Cảm biến oxy được gắn ở đường ống thải. Được chế tạo từ dioxide zirconium
b) Nguyên lý hoạt động
1. Đệm dẫn điện
2. Thân
3. Chất điện phân khô
4,5. Điện cực ngoài và trong
Hình 2.22 Cảm biến với thành phần zirconium
Loại này được chế tạo chủ yếu từ chất zirconium dioxide (ZrO2) có tính chất hấp thụ những ion oxy âm tính. Thực chất, cảm biến oxy loại này là một pin điện có sức điện động phụ thuộc vào nồng độ oxy trong khí thải với ZrO2 là chất điện phân. Mặt trong ZrO2 tiếp xúc với không khí, mặt ngoài tiếp xúc với oxy trong khí thải. Ở mỗi mặt của ZrO2 được phủ một lớp điện cực bằng platin để dẫn điện. Lớp platin này rất mỏng và xốp để oxy dễ khuyếch tán vào. Khi khí thải chứa lượng oxy ít do hỗn hợp giàu nhiên liệu thì số ion oxy tập trung ở điện cực tiếp xúc khí thải ít hơn số ion oxy tập trung ở điện cực tiếp xúc không khí. Sự chênh lệch số ion này sẽ tạo một tín hiệu điện áp khoảng 600-900 mV. Ngược lại, khi độ chênh lệch số ion ở hai điện cực nhỏ trong trường hợp nghèo xăng, pin oxy sẽ phát ra tín hiệu điện áp thấp khoảng 100-400 mV.
c) Cấu tạo cảm biến ô xi loại zirconium
Hình 2.23 Cấu tạo cảm biến oxy loại Zirconium
1. Thân ; 2. Đệm ; 3. Dây nối ; 4. Vỏ ; 5. Thanh tiếp xúc;
Gốm Zro2 ; 7. Màng bảo vệ
Thân cảm biến được giữ trong một chân có ren, bao ngoài một ống bảo vệ và được nối với các đầu dây điện.
Bề mặt của chất ZrO2 được phủ một lớp platin mỏng cả mặt trong lẫn mặt ngoài. Ngoài lớp platin là một lớp gốm ZrO2 rất xốp và kết dính, có nhiệm vụ bảo vệ lớp platin không bị hỏng do va chạm các phần tử rắn có trong khí thải. Một ống kim loại bảo vệ bao ngoài cảm biến tại đầu mối điện uốn kép giữ liền với vỏ ống này có một lỗ để bù trừ áp suất trong cảm biến và để đỡ lò xo đĩa. Để giữ cho muội than không đóng vào lớp gốm ZrO2 , đầu tiếp xúc khí thải của cảm biến có một ống đặc biệt có cấu tạo dạng rãnh để khí thải và phân tử khí cháy đi vào sẽ bị giữ và không tiếp xúc trực tiếp với thân gốm ZrO2.
Đặc điểm của pin oxy với ZrO2 là nhiệt độ làm việc phải trên 300C. Do đó, để giảm thời gian chờ, người ta dùng loại cảm biến có điện trở tự nung bên trong. Điện trở dây nung được lắp trong cảm biến và được cung cấp điện từ accu.
d) Mạch điện cảm biến ô xi
Hình 2.24 Mạch điện của cảm biến oxy loại zirconium
2.2.2.5. Cảm biến tốc độ xe
Cảm biến này nhận biết tốc độ xe đang chạy sau đó gởi tín hiệu về ECU để điều khiển tốc độ cầm chừng và tỉ lệ hòa khí phù hợp khi tăng tốc hoặc khi giảm tốc.
a) Cấu tạo cảm biến tốc đô xe
Hình 2.25 Cảm biến tốc độ xe
Cảm biến bao gồm một nam châm được gắn với dây nối với đồng hồ tốc độ xe và quay theo dây. Một công tắc được đặt đối diện với nam châm. Khi nam châm quay theo dây đồng hồ tốc độ, công tắc sẽ đóng mở theo chiều của lực từ.
Khi nam châm quay ở vị trí song song với công tắc, chiều của lực từ sẽ cảm ứng trên công tắc thành hai nam châm cùng cực làm chúng đẩy nhau, công tắc ở vị trí mở.
Các tín hiệu từ vị trí đóng mở của công tắc sẽ được đưa trực tiếp tới ECU mà không qua bộ chuyển đổi xung nhờ tín hiệu sóng vuông. Tại đây ECU sẽ điều khiển tỉ lệ hòa khí phù hợp khi tăng tốc hoặc giảm tốc.
b. Mạch điện cảm biến tốc độ xe
Hình 2.26 Sơ đồ mạch cảm biến tốc độ xe
2.2.2.6. Cảm biến kích nổ
Cảm biến kích nổ thường được chế tạo bằng vật liệu áp điện. Nó được gắn trên thân xylanh hoặc nắp máy để cảm nhận xung kích nổ phát sinh trong động cơ và gởi tín hiệu này tới ECU làm trễ thời điểm đánh lửa nhằm ngăn chặn hiện tượng kích nổ.
a. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động cảm biến kích nổ
Hình 2.27: Cấu tạo cảm biến kích nổ
1.Đáy cảm biến 2. Tinh thể thạch anh
3.Khối lượng quán tính 5.Nắp 6.Dây đan 7. Đầu cảm biến
Thành phần áp điện trong cảm biến kích nổ được chế tạo bằng tinh thể thạch anh là những vật liệu khi có áp lực sẽ sinh ra điện áp (piezoelement). Phần tử áp điện được thiết kế có kích thước với tần số riêng trùng với tần số rung của động cơ khi có hiện tượng kích nổ để xảy ra hiệu ứng cộng hưởng (f = 7kHz). Như vậy, khi có kích nổ, tinh thể thạch anh sẽ chịu áp lực lớn nhất và sinh ra một điện áp. Tín hiệu điện áp này có giá trị nhỏ hơn 2,4 V. Nhờ tín hiệu này, ECU nhận biết hiện tượng kích nổ và điều chỉnh giảm góc đánh lửa cho đến khi không còn kích nổ. ECU sau đó có thể chỉnh thời điểm đánh lửa sớm trở lại.
Hình 2.28 Đồ thị biểu diễn tần số kích nổ
b. Mạch điện cảm biến kích nổ
Hình 2.29 Mạch điện cảm biến kích nổ
2.2.2.7. Cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston
Cảm biến vị trí piston (TDC sensor hay còn gọi là cảm biến G)
báo cho ECU biết vị trí tử điểm thượng hoặc trước tử điểm thượng của piston. Trong một số trường hợp, chỉ có vị trí của piston xylanh số 1 được báo về ECU, còn vị trí các xylanh còn lại sẽ được tính toán. Công dụng của cảm biến này là để ECU xác định thời điểm đánh lửa và cả thời điểm phun. Vì vậy, trong nhiều hệ thống điều khiển động cơ, số xung phát ra từ cảm biến phụ thuộc vào kiểu phun (độc lập, nhóm hay đồng loạt) và thường bằng số lần phun trong một chu kỳ. Trên một số xe, tín hiệu vị trí piston xylanh số 01 còn dùng làm xung reset để ECU tính toán và nhập giá trị mới trên RAM sau mỗi chu kỳ (2 vòng quay trục khuỷu).
Cảm biến tốc độ động cơ (crankshaft angle sensor hay còn gọi là tín hiệu NE)
dùng để báo tốc độ động cơ để tính toán hoặc tìm góc đánh lửa tối ưu và lượng nhiên liệu sẽ phun cho từng xylanh. Cảm biến này cũng được dùng vào mục đích điều khiển tốc độ cầm chừng hoặc cắt nhiên liệu ở chế độ cầm chừng cưỡng bức.
Có nhiều cách bố trí cảm biến G và NE trên động cơ: trong delco, trên bánh đà, hoặc trên bánh răng cốt cam. Đôi khi ECU chỉ dựa vào một xung lấy từ cảm biến hoặc IC đánh lửa để xác định vị trí piston lẫn tốc độ trục khuỷu.
Loại dùng cảm biến điện từ
a) Cấu tạo cảm biến G và NE
Hình 2.30 Sơ đồ bố trí cảm biến G và NE trên xe TOYOTA
Trên hình 2.30 trình bày sơ đồ bố trí của cảm biến vị trí xylanh và tốc độ động cơ dạng điện từ trên xe Toyota loại nam châm đứng yên. Mỗi cảm biến gồm có rotor để khép mạch từ và cuộn dây cảm ứng mà lõi gắn với một nam châm vĩnh cửu đứng yên. Số răng trên rotor và số cuộn dây cảm ứng thay đổi tùy thuộc vào loại động cơ. Phần tử phát xung G có thể có 1; 2; 4 hoặc 6, còn phần tử phát xung NE có thể có 4; 24 hoặc sử dụng số răng của bánh đà. Ở đây ta xem xét cấu tạo và hoạt động của bộ tạo tín hiệu G và NE loại một cuộn cảm ứng – một rotor 4 răng cho tín hiệu G và một cuộn cảm ứng - một rotor 24 răng cho tín hiệu NE. Hai rotor này gắn đồng trục với bộ chia điện, bánh răng tín hiệu G nằm trên, còn bánh răng phát tín hiệu NE phía dưới.
b) Nguyên lý hoạt động
Hình 2.31 Sơ đồ nguyên lý của loại dùng cảm biến điện từ
Bộ phận chính của cảm biến là một cuộn cảm ứng, một nam châm vĩnh cửu và một rotor dùng để khép mạch từ có số răng tùy loại dộng cơ. Khi cựa răng của rotor không nằm đối diện cực từ, thì từ thông đi qua cuộn dây cảm ứng sẽ có giá trị thấp vì khe hở không khí lớn nên có từ trở cao. Khi một cựa răng đến gần cực từ của cuộn dây, khe hở không khí giảm dần khiến từ thông tăng nhanh. Như vậy, nhờ sự biến thiên từ thông, trên cuộn dây sẽ xuất hiện một sức điện động cảm ứng. Khi cựa răng rotor đối diện với cực từ của cuộn dây, từ thông đạt giá trị cực đại nhưng điện áp ở hai đầu cuộn dây bằng không. Khi cựa răng rotor di chuyển ra khỏi cực từ, thì khe hở không khí tăng dần làm từ thông giảm sinh ra một sức điện động theo chiều ngược lại.
- Tín hiệu G
Cuộn cảm nhận tín hiệu G, gắn trên thân của bộ chia điện. Rotor tín hiệu G có 4 răng sẽ cho 4 xung dạng sin cho mỗi vòng quay của trục cam.
- Tín hiệu NE
Tín hiệu NE được tạo ra trong cuộn cảm cùng nguyên lý như tín hiệu G. Điều khác nhau duy nhất là rotor của tín hiệu NE có 24 răng. Cuộn dây cảm biến sẽ phát 24 xung trong mỗi vòng quay của delco.
Mạch điện và dạng xung
1. Tín hiệu G (1 cuộn kích 4 răng)
Tín hiệu NE (1 cuộn kích 24 răng).
Hình 2.32Sơ đồ mạch điện và dạng tín hiệu xung G và NE.
B. Loại dùng cảm biến quang
a) Cấu tạo cảm biến quang
Hình 2.33 Cấu tạo cảm biến quang
Rotor của cảm biến (được lắp với trục delco) là một đĩa nhôm mỏng khắc vạch. Vành trong có số rãnh tương ứng với số xylanh trong đó có một rãnh rộng hơn đánh dấu vị trí piston máy số 1. Nhóm các rãnh này kết hợp với cặp diode phát quang (LED) và diode cảm quang (photodiode) còn gọi là photocouple thứ nhất là bộ phận để phát xung G. Vành ngoài của đĩa có khắc 360 rãnh nhỏ, mỗi rãnh đều ứng với 2o góc quay của trục khuỷu. Diode phát quang và diode cảm quang thứ hai đặt trên quỹ đạo của rãnh nhỏ tạo thành bộ phận phát xung NE.
b) Mạch điện cảm biến quang
Hình 2.34 Mạch điện cảm biến quang và dạng xung ra
Khi đĩa quay, các rãnh lần lượt đi qua photo-couple. Lúc này, ánh sáng từ đèn LED chiếu tới photodiode chúng trở nên dẫn điện. Khi đó điện áp ở ngõ vào (+) của OP AMP sẽ lớn hơn điện áp ở ngõ vào (-), vì thế, ở ngõ ra OP AMP điện áp sẽ ở mức cao. Khi rãnh ra khỏi photo-couple, photo-diode không nhận được ánh sáng từ đèn LED, dòng điện bị ngắt đột ngột nên điện áp ở ngõ vào (+) của OP AMP bằng 0. Kết quả là điện áp ở ngõ ra của OP AMP xuống mức thấp. Các xung G và NE ở đây đều là dạng xung vuông có giá trị cao nhất là 5V, thấp nhất là 0V.
2.2.2.8. Cảm biến vị trí trục khuỷu
Cảm biến vị trí trục khuỷu (bộ tạo tín hiệu NE) dùng để phát hiện góc của trục khuỷu và tốc độ của động cơ. ECU sử dụng tín hiệu này cùng với tín hiệu G được gửi về từ cảm biến vị trí trục cam để tính toán hoặc tìm góc đánh lửa tối ưu và lượng nhiên liệu sẽ phun vào từng xylanh. Cảm biến này cũng được dùng vào mục đích điều khiển tốc độ cầm chừng hoặc cắt nhiên liệu ở chế độ cầm chừng cưỡng bức.
a) Cấu tạo cảm biến vị trí trục khuỷu
Hình 2.35 Cảm biến vị trí trục khuỷu
1. Lõi thép; 2. Cuộn dây; 3. Bộ tạo từ trường; 4. Nam châm
b) Nguyên lý hoạt động
Hình 2.36. Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí trục khuỷu.
Đĩa tạo tín hiệu NE được làm liền với puly trục khuỷu và có 36 răng, thiếu 2 răng (thiếu 2 răng là vì ứng với từng tín hiệu được tạo ra do sự chuyển động quay của một răng ta sẽ xác định được 100 của góc quay trục khuỷu và xác định được góc đánh lửa sớm của động cơ). Chuyển động quay của đĩa tạo tín hiệu sẽ làm làm thay đổi khe hở không khí giữa các răng của đĩa và cuộn nhận tín hiệu NE, điều đó tạo ra tín hiệu NE. ECU sẽ xác định khoảng thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản dựa vào tín hiệu này. Khi răng càng ra xa cực nam châm thì khe hở không khí càng lớn, nên từ trở cao, do đó từ trường yếu đi. Tại vị trí đối diện, khe hở nhỏ, nên từ trường mạnh, tức là có nhiều đường sức từ cắt, trong cuộn dây sẽ xuất hiện một dòng điện xoay chiều, đường sức qua nó càng nhiều, thì dòng điện phát sinh càng lớn. Tín hiệu sinh ra thay đổi theo vị trí của răng, và nó được ECU đọc xung điện thế sinh ra, nhờ đó mà ECU nhận biết vị trí trục khuỷu và tốc động cơ.
Loại tín hiệu NE này có thể nhận biết được cả tốc độ động cơ và góc quay trục khuỷu tại vị trí răng thiếu của đĩa tạo tín hiệu, nhưng không xác định được điểm chết trên của kỳ nén hay kỳ thải.
2.2.2.9. Cảm biến vị trí trục cam
a) Cấu tạo cảm biến vị trục cam
Hình 2.37 Cảm biến vị trí trục cam
1. Cuộn dây; 2. Thân cảm biến; 3. Lớp cách điện; 4. Giắc cắm.
b) Nguyên lý hoạt động
Hình 2.38 Sơ đồ mạch điện cảm biến trục cam
1. Cuộn dây; 5. Đĩa tín hiệu.
Trên trục cam đối diện với cảm biến vị trí trục cam là đĩa tín hiệu G có 3 răng. Khi trục cam quay, ở vị trí cựa răng của rotor không nằm đối diện cực từ, thì từ thông đi qua cuộn dây cảm ứng sẽ có giá trị thấp vì khe hở không khí lớn nên có từ trở cao. Khi một cựa răng đến gần cực từ của cuộn dây, khe hở không khí giảm dần khiến từ thông tăng nhanh. Như vậy nhờ sự biến thiên từ thông, trên cuộn dây sẽ xuất hiện một sức điện động cảm ứng.
Khi cựa răng rotor đối diện với cực từ của cuộn dây, từ thông đạt giá trị cực đại nhưng điện áp ở hai đầu cuộn dây bằng không. Khi cựa răng rotor di chuyển ra khỏi cực từ thì khe hở không khí tăng dần làm từ thông giảm sinh ra một sức điện động theo chiều ngược lại. Tóm lại sự thay đổi khe hở tạo ra một điện áp trong cuộn nhận tín hiệu được gắn vào cảm biến này, sinh ra tín hiệu G. Tín hiệu G này được truyền đi như một thông tin về góc chuẩn của trục khuỷu đến ECU động cơ, kết hợp nó với tín hiệu NE từ trục khuỷu để xác định điểm chết trên kì nén của mỗi xylanh để đánh lửa và phát hiện góc quay trục khuỷu. ECU động cơ dùng thông tin này để xác định thời gian phun và thời điểm đánh lửa
2.2.3. Bộ phân điều khiển
2.2.3.1. Bộ xử lý trung tâm ECU trên ô tô
ECU là 1 cụm linh kiện điện tử để tiếp nhận các thông tin từ cảm biến và các ECU khác để xử lý tính toán các điều kiện cho cơ cấu chấp hành dẫn đến tăng hiệu quả của hệ thống cơ điện tử.
Bộ nhớ trong ECU bao gồm 2 thành phần chính là phần cứng và phần mềm:
Phần cứng bao gồm:
- Bộ điều chỉnh điện áp (cấp nguồn cho cảm biến)
- Bộ khuếch đại
- Cổng giao tiếp
- Bộ nhớ tạm
- Vi xử lý
- Bộ nhớ
- Đồng hồ
- Các thiết bị ra
- Bảng mạch
- Các dây nối
- Vỏ thiết bị
Bộ điều chỉnh điện áp: cung cấp nguồn điện phù hợp cho ECU và các cảm biến, điều chỉnh điện áp ổn định cho ECU và các cảm biến.
Bộ khuếch đại: khuếch đại tín hiệu lấy từ cảm biến để đưa ra giá trị phù hợp cho điều khiển.
Cổng giao tiếp:
- Đầu vào ADC: chuyển dổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số.
- Đầu ra DAC: chuyển hiệu tín hiệu số dang tín hiệu tương tự, bảo vệ để điện áp cao không vào ECU.
Bộ nhớ tạm:
- Lưu trữ thông tin tạm thời.
- Bảo vệ các thiết bị nội vị từ các thông tin nhiễu được thiết kế trong bộ ADC.
Vi xử lý: phân tích tính toán dữ liệu điều khiển đầu ra dung mã nhị phân để điều khiển, đưa ra tín hiệu đầu ra đạt hiệu quả cao nhất.
Bộ nhớ: lưu trữ thông tin qua chip nhớ:
- RAM: lưu trữ thông tin tạm thời.
- ROM: bộ nhớ trong.
- PROM: các thông tin của chương trình có thể thay thế lập trình được.
Phần mềm:
Là các chương trình được viết bằng ngôn ngữ lập trình dựa trên các thuật toán để điều khiển các thiết bị phần cứng thực hiện theo đúng tính toán ban đầu.
Hình 2.39 Cấu tạo ECU
1.Sensor: cảm biến; 2. Microprocessor uses digital or number singnal: bộ xử lý trung tâm; 3. Mechanical movement output: cơ cấu chấp hành; 4. Amplifier increases voltage signal strength: bộ khuếch đại tín hiệu điện; 5. Digital to Analog Converter (DAC): bộ chuyển đổi số tương tự; 6. Memory: Bộ nhớ tạm (RAM); 7. Clock reference: đồng hồ tham chiếu; 8. Digital, analog: tín hiệu số, tín hiệu tương tự
2.2.3.2. Chức năng của ECU
ECU có nhiều chức năng như: - Chức năng lưu dự phòng.
- Chức năng an toàn.
- Chức năng chẩn đoán…
ECU có hai chức năng chính: Điều khiển thời điểm phun & điều khiển lượng phun.
- Chức năng điều khiển thời điểm phun quyết định khi nào thì từng vòi phun sẽ phun nhiên liệu vào xylanh. Điều đó được quyết định bằng tín hiệu đánh lửa sơ cấp (IG).
- Chức năng điều khiển lượng phun quyết định bao nhiêu nhiên liệu sẽ được phun vào các xylanh; Điều đó được xác định bằng 1 tín hiệu phun cơ bản, nó lần lượt được xác định bằng tín hiệu tốc độ động cơ và tín hiệu lượng khí nạp; 2 Các tín hiệu hiệu chỉnh lượng phun. Ngoài ra còn có một mạch khuếch đại để kích hoạt các vòi phun.
2.2.4. Bộ phận chấp hành
- Kim phun nhiên liệu
a. xơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển kim phun
Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển kim phun
Hình 2.40 Sơ đồ tổng quát hệ thống bơm nhiên liệu
b. Kết cấu một kim phun
Cấu tạo của kim gồm :
Hình 2.41 Kết cấu kim phun
1.Bộ lọc; bảo đảm nhiên liệu đi vào kim phun phải thật sạch; 2. Giắc cắm: nối với mạch điện điều khiển; 3. Cuộn dây: tạo ra từ trường khi có dòng điện; 4. Ty kim: tác động đến sự đóng mở của van kim; 5. Van kim: đóng kín vòi phun, khi có dòng điện sẽ bị nhấc lên cho nhiên liệu phun ra; 6. Vòi phun: định góc phun và xé tơi nhiên liệu; 7. vỏ kim.
Lượng phun được điều khiển bằng khoảng thời gian phát ra tín hiệu của ECU. Do độ mở của van được giữ cố định trong khoảng thời gian ECU phát tín hiệu, vậy lượng nhiên liệu phun ra chỉ phụ thuộc vào thời gian ECU phát tín hiệu.
- Hoạt động của kim phun
Trong quá trình hoạt động của động cơ, ECU liên tục nhận được những tín hiệu đầu vào từ các cảm biến. Qua đó, ECU sẽ tính ra thời gian mở kim phun. Quá trình mở và đóng của kim phun diễn ra ngắt quãng. ECU gởi tín hiệu đến kim phun trong b
