CHƢƠNG 5 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH CHO ĐỘNG CƠ 5 1 Khái quát về hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ 5 1 1 Lịch sử phát triển Vào thế kỷ 19, một kỹ sư người Pháp ông Stevan đã nghĩ ra cách ph[.]
CHƢƠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH CHO ĐỘNG CƠ 5.1 Khái quát hệ thống điều khiển lập trình cho động 5.1.1 Lịch sử phát triển Vào kỷ 19, kỹ sư người Pháp - ông Stevan - nghĩ cách phun nhiên liệu cho máy nén khí Sau thời gian, người Đức cho phun nhiên liệu vào buồng cháy không mang lại hiệu Đầu kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun nhiên liệu động tĩnh (nhiên liệu dùng động dầu hỏa nên hay bị kích nổ hiệu suất thấp) Tuy nhiên, sau sáng kiến ứng dụng thành công việc chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu cho máy bay Đức Đến năm 1966, hãng BOSCH thành công việc chế tạo hệ thống phun xăng kiểu khí Trong hệ thống phun xăng này, nhiên liệu phun liên tục vào trước supap hút nên có tên gọi K – Jetronic (K- Konstant – liên tục, Jetronic – phun) K – Jetronic đưa vào sản xuất ứng dụng xe hãng Mercedes số xe khác, tảng cho việc phát triển hệ thống phun xăng hệ sau KE –Jetronic, Mono-Jetronic, LJetronic, Motronic… Tên tiếng Anh K-Jetronic CIS (continuous injection system) đặc trưng cho hãng xe Châu Âu có loại cho CIS là: K – Jetronic, K –Jetronic – với cảm biến oxy KE – Jetronic (có kết hợp điều khiển điện tử) KE – Motronic (kèm điều khiển góc đánh lửa sớm) Do hệ thống phun khí cịn nhiều nhược điểm nên đầu năm 80, BOSCH cho đời hệ thống phun sử dụng kim phun điều khiển điện Có hai loại: hệ thống L-Jetronic (lượng nhiên liệu xác định nhờ cảm biến đo lưu lượng khí nạp) D-Jetronic (lượng nhiên liệu xác định dựa vào áp suất đường ống nạp) Đến năm 1984, người Nhật (mua quyền BOSCH) ứng dụng hệ thống phun xăng L-Jetronic D-Jetronic xe hãng Toyota (dùng với động 4A – ELU) Đến năm 1987, hãng Nissan dùng L – Jetronic thay cho chế hịa khí xe Nissan Sunny Song song, với phát triển hệ thống phun xăng, hệ thống điều khiển đánh lửa theo chương trình (ESA – electronic spark advance) đưa vào sử dụng vào năm đầu thập kỷ 80 Sau đó, vào đầu năm 90, hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS – direct ignition system) đời, cho phép không sử dụng delco hệ thống có mặt hầu hết xe hệ Ngày nay, gần tất ôtô trang bị hệ thống điều khiển động xăng diesel theo chương trình, giúp động đáp ứng yêu cầu gắt gao khí xả tính tiết kiệm nhiên liệu Thêm vào đó, cơng suất động cải thiện rõ rệt Những năm gần đây, hệ động phun xăng đời Đó động phun trực tiếp: GDI (gasoline direct injection) Trong tương lai gần, chắn GDI sử dụng rộng rãi 172 Hình 5.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển động 173 5.1.2 Phân loại ƣu nhƣợc điểm Phân loại Hệ thống phun nhiên liệu phân loại theo nhiều kiểu Nếu phân biệt theo cấu tạo kim phun, ta có loại: a Loại CIS (continuous injection system) Đây kiểu sử dụng kim phun khí, gồm loại bản: - Hệ thống K – Jetronic: việc phun nhiên liệu điều khiển hồn tồn khí - Hệ thống K – Jetronic có cảm biến khí thải: có thêm cảm biến oxy - Hệ thống KE – Jetronic: hệ thống K-Jetronic với mạch điều chỉnh áp lực phun điện tử - Hệ thống KE – Motronic: kết hợp với việc điều khiển đánh lửa điện tử Các hệ thống vừa nêu sử dụng xe châu Âu model trước 1987 Do chúng lỗi thời nên sách không đề cập đến b Loại AFC (air flow controlled fuel injection) Sử dụng kim phun điều khiển điện Hệ thống phun xăng với kim phun điện chia làm loại chính: D-Jetronic (xuất phát từ chữ Druck tiếng Đức áp suất): với lượng xăng phun xác định áp suất sau cánh bướm ga cảm biến MAP (manifold absolute pressure sensor) L-Jetronic (xuất phát từ chữ Luft tiếng Đức khơng khí): với lượng xăng phun tính tốn dựa vào lưu lượng khí nạp lấy từ cảm biến đo gió loại cánh trượt Sau có 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 chia làm loại: c Loại TBI (Throttle Body Injection) - phun đơn điểm Hệ thống cịn có tên gọi khác như: SPI (single point injection), CI (central injection), Mono – Jetronic Đây loại phun trung tâm Kim phun bố trí phía cánh bướm ga nhiên liệu phun hay hai kim phun Nhược điểm hệ thống tốc độ dịch chuyển hịa khí tương đối thấp nhiên liệu phun vị trí xa supap hút khả thất thoát đường ống nạp d Loại MPI (Multi Point Fuel Injection) - phun đa điểm Đây hệ thống phun nhiên liệu đa điểm, với kim phun cho xylanh bố trí gần supap hút (cách khoảng 10 – 15 mm) Ống góp hút thiết kế cho đường không khí từ bướm ga đến xylanh dài, nhờ vậy, nhiên liệu phun hịa trộn tốt với khơng khí nhờ xốy lốc Nhiên liệu khơng cịn thất thoát đường ống nạp Hệ thống phun xăng đa điểm đời khắc phục nhược điểm hệ thống phun xăng đơn điểm Tùy theo cách điều khiển kim phun, hệ thống chia làm loại chính: phun độc lập hay phun kim (independent injection), phun nhóm (group injection) phun đồng loạt (simultaneous injection) Nếu vào đối tượng điều khiển theo chương trình, người ta chia hệ thống điều khiển động loại chính: điều khiển phun xăng (EFI -lectronic fuel injection theo tiếng Anh Jetronic theo tiếng Đức), điều khiển đánh lửa (ESA - electronic spark advance) loại tích hợp tức điều khiển phun xăng đánh lửa (hệ thống có nhiều tên gọi khác nhau: Bosch đặt tên Motronic, Toyota có tên (TCCS - Toyota Computer 174 Control System), Nissan gọi tên (ECCS - Electronic Concentrated Control System…) Nhờ tốc độ xử lý CPU cao, hộp điều khiển động đốt ngày thường gồm chức điều khiển hộp số tự động quạt làm mát động Nếu phân biệt theo kỹ thuật điều khiển ta chia hệ thống điều khiển động làm loại: analog digital Ở hệ xuất từ 1979 đến 1986, kỹ thuật điều khiển chủ yếu dựa mạch tương tự (analog) Ở hệ thống này, tín hiệu đánh lửa lấy từ âm bobine đưa hộp điều khiển để, từ đó, hình thành xung điều khiển kim phun Sau đó, đa số hệ thống điều khiển động thiết kế, chế tạo tảng vi xử lý (digital) e Ƣu điểm hệ thống phun xăng Có thể cấp hỗn hợp khí nhiên liệu đồng đến xylanh Có thể đạt tỉ lệ khí nhiên liệu xác với tất dải tốc độ động Đáp ứng kịp thời với thay đổi góc mở bướm ga Khả hiệu chỉnh hỗn hợp khí nhiên liệu dễ dàng: làm đậm hỗn hợp nhiệt độ thấp cắt nhiên liệu giảm tốc Hiệu suất nạp hỗn hợp khơng khí – nhiên liệu cao Do kim phun bố trí gần supap hút nên dịng khí nạp ống góp hút có khối lượng thấp (chưa trộn với nhiên liệu) đạt tốc độ xoáy lốc cao, nhờ vậy, nhiên liệu khơng cịn thất đường ống nạp hịa khí trộn tốt 5.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển lập trình thuật tốn điều khiển 5.2.1 Sơ đồ cấu trúc khối chức Sơ đồ cấu trúc khối chức hệ thống điều khiển động theo chương trình mơ tả hình 5.2 5.3 Hệ thống điều khiển bao gồm: ngõ vào (inputs) với chủ yếu cảm biến; hộp ECU (electronic control unit) não hệ thống có khơng có vi xử lý; ngõ (outputs) cấu chấp hành (actuators) kim phun, bobine, van điều khiển cầm chừng… 175 Hình 5.2: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển lập trình cho động Điều khiển hỗn hợp cầm chừng Hệ thống cấp khí Cảm biến lưu lượng gió Các cảm biến khác ECU Điều khiển tốc độ cầm chừng Cảm biến bướm ga ĐỘNG CƠ Kim phun nhiên liệu Hệ thống cấp nhiên liệu Hình 5.3: Sơ đồ khối chức hệ thống điều khiển phun xăng 5.3 Các loại cảm biến tín hiệu ngõ vào 5.3.1 Cảm biến đo lƣu lƣợng khí nạp 176 Để xác định lượng khí nạp (lượng gió) vào xylanh L-Jetronic, người ta sử dụng loại cảm biến khác nhau, ta phân làm kiểu: đo lưu lượng với thể tích dịng khí (cánh trượt, Karman …) đo lưu lượng khối lượng dịng khí (dây nhiệt) A Cảm biến đo gió kiểu cánh trượt (đời 80 đến 95) Cảm biến đo gió kiểu cánh trượt sử dụng hệ thống L-Jetronic để nhận biết thể tích gió nạp vào xylanh động Nó cảm biến quan trọng Tín hiệu thể tích gió sử dụng để tính tốn lượng xăng phun góc đánh lửa sớm Hoạt động dựa vào nguyên lý dùng điện áp kế có điện trở thay đổi kiểu trượt a Cấu tạo nguyên lý hoạt động Bộ đo gió kiểu trượt bao gồm cánh đo gió giữ lị xo hồn lực, cánh giảm chấn, buồng giảm chấn, cảm biến khơng khí nạp, vít chỉnh cầm chừng, mạch rẽ phụ, điện áp kế kiểu trượt gắn đồng trục với cánh đo gió cơng tắc bơm xăng Cánh đo Cánh giảm chấn Cảm biến nhiệt độ khí nạp Điện áp kế kiểu trượt Vít chỉnh CO Mạch rẽ Buồng giảm chấn Hình 5.5: Bộ đo gió kiểu trượt Lượng gió vào động nhiều hay tùy thuộc vào vị trí cánh bướm ga tốc độ động Khi gió nạp qua đo gió từ lọc gió mở dần cánh đo Khi lực tác động lên cánh đo cân với lực lò xo cánh đo đứng yên Cánh đo điện áp kế thiết kế đồng trục nhằm mục đích chuyển góc mở cánh đo gió thành tín hiệu điện áp nhờ điện áp kế 177 b Vít chỉnh hỗn hợp cầm chừng (vít chỉnh CO) Bộ đo gió có hai mạch gió: mạch gió qua cánh đo gió mạch gió rẽ qua vít chỉnh CO Lượng gió qua mạch rẽ tăng làm giảm lượng gió qua cánh đo gió, thế, góc mở cánh đo gió nhỏ lại ngược lại Hình 5.6: Vít chỉnh hỗn hợp cầm chừng Vì lượng xăng phun phụ thuộc vào góc mở cánh đo gió, nên tỉ lệ xăng gió thay đổi cách điều chỉnh lượng gió qua mạch rẽ Nhờ chỉnh tỉ lệ hỗn hợp mức cầm chừng thơng qua vít CO nên thành phần % CO khí thải điều chỉnh Tuy nhiên, điều thực tốc độ cầm chừng cánh đo gió mở lớn, lượng gió qua mạch rẽ ảnh hưởng đến lượng gió qua mạch Trên thực tế, người ta cịn điều chỉnh hỗn hợp cách thay đổi sức căng lò xo c Buồng giảm chấn cánh giảm chấn Buồng giảm chấn cánh giảm chấn có cơng dụng ổn định chuyển động cánh đo gió Do áp lực gió thay đổi, cánh đo gió bị rung, gây ảnh hưởng đến độ xác Để ngăn ngừa dao động cánh đo gió, người ta thiết kế cánh giảm chấn liền với cánh đo để dập tắt độ rung Hình 5.7: Cánh giảm chấn buồng giảm chấn 178 d Công tắc bơm nhiên liệu (chỉ có xe Toyota) Cơng tắc bơm nhiên liệu bố trí chung với điện áp kế Khi động chạy, gió hút vào nâng cánh đo gió lên làm cơng tắc đóng Khi động ngừng, khơng có lực gió tác động lên cánh đo làm cánh đo quay vị trí ban đầu khiến cơng tắc hở khiến bơm xăng không hoạt động dù công tắc máy vị trí ON Các loại xe khác không mắc công tắc điều khiển bơm đo gió kiểu trượt Hình 5.8: Cơng tắc bơm xăng đo gió kiểu trượt e Mạch điện Có hai loại cảm biến đo gió cánh trượt khác chất mạch điện Loại 1: Điện áp VS tăng lượng khí nạp tăng chủ yếu dùng cho L-Jetronic đời cũ Loại cung cấp điện áp accu 12V đầu VB VC có điện áp khơng đổi nhỏ Điện áp đầu VS tăng theo góc mở cánh đo gió Voltage of battery FC E1 E2 VB VC VS THA VB E2 VC E2 VS E2 Hình 5.9: Mạch điện đường đặc tuyến cảm biến đo gió loại điện áp tăng ECU so sánh điện áp accu (VB) với độ chênh điện áp VC VS để xác định lượng gió nạp theo cơng thức: G G: lượng gió nạp VB VE VC VS 179 Nếu cực VC bị đoản mạch, lúc G tăng, ECU điều khiển lượng nhiên liệu phun cực đại, bất chấp thay đổi tín hiệu VS Điều có nghĩa là: động cầm chừng, nhiên liệu phun nhiều động bị ngộp xăng dẫn tới ngưng hoạt động Nếu cực VS bị đoản mạch, VC mức cực đại làm cho G giảm, lúc ECU điều khiển lượng phun nhiên liệu giảm có thay đổi tín hiệu VS Loại 2: FC E1 E2 Điện áp VS giảm lượng khí nạp tăng Loại ECU cung cấp điện áp 5V đến cực VC Điện áp VS thay đổi giảm theo góc mở cánh đo VC E2 VC E2 VS E2 VS THA Hình 5.10: Mạch điện đường đặc tuyến cảm biến đo gió loại điện áp giảm B Cảm biến đo gió dạng xốy lốc (Karman): a Ngun lý làm việc: Các cảm biến loại dựa tượng vật lý sau: Khi cho dịng khí qua vật thể cố định khó chảy vịng (thanh tạo xốy Karman Vortex) phía sau xuất xốy lốc thay đổi tuần hồn gọi xoáy lốc Karman Đối với ống dài vơ tận có đường kính d, quan hệ tần số xốy lốc f vận tốc dịng chảy V xác định số Struhall: S f.d V Trong hiệu ứng Karman nêu trên, số Struhall không đổi dải rộng số Reinolds, nên vận tốc dòng chảy hay lưu lượng khí qua tỉ lệ thuận với tần số xốy lốc f xác định V cách đo f V f.d S Lý thuyết xốy lốc dịng khí ngang qua vật cản đưa Struhall từ năm 1878 Nhưng đến năm 1934, dụng cụ đo dựa lý thuyết chế tạo Ngày có nhiều sáng chế lĩnh vực ứng dụng để đo lưu lượng khí nạp hệ thống điều khiển phun xăng, khn khổ giáo trình khảo sát hai loại chính: loại Karman quang loại Karman siêu âm Karman kiểu quang 180 Là loại cảm biến đo lưu lượng gió kiểu quang đo trực tiếp thể tích khí nạp So với kiểu trượt, có ưu điểm nhỏ gọn nhẹ Ngoài ra, cấu trúc đường ống đơn giản giảm trở lực đường ống nạp b Cấu tạo nguyên lý hoạt động Cảm biến Karman quang có cấu tạo trình bày hình 5.11, bao gồm trụ đứng đóng vai trị tạo dịng xốy, đặt dịng khí nạp Khi dịng khí qua, xốy lốc hình thành phía sau tạo xốy cịn gọi dịng xốy Karman Các dịng xốy Karman theo rãnh hướng làm rung gương mỏng phủ nhôm làm thay đổi hướng phản chiếu từ đèn LED đến photo - transistor Như vậy, tần số đóng mở transistor thay đổi theo lưu lượng khí nạp Tần số f xác định theo cơng thức sau: f S V d Trong đó: V: vận tốc dịng khí d: đường kính trụ đứng S: số Struhall (S = 0,2 cảm biến này) Căn vào tần số f, ECU xác định thể tích tương ứng khơng khí vào xylanh, từ tính lượng xăng phun cần thiết Photo - transistor Đèn led Gương (được tráng nhơm) Mạch đếm dịng xốy Lưới ổn định Vật tạo xốy Cảm bíến áp suất khí trời Dịng xốy LED Hình 5.11: Bộ đo gió kiểu Karman quang Khi lượng gió vào ít, gương rung photo - transistor đóng mở tần số f thấp Ngược lại, lượng gió vào nhiều, gương rung nhanh tần số f cao Photo - transistor Gương Gió vào Bộ tạo xốy Lưu lượng Gió vào nhiều gió trung bình 181 Hình 5.12: Cấu tạo dạng xung loại Karman Mạch điện VC KS LED ECU E2 E1 Photo - transitor Hình 5.13: Mạch điện đo gió kiểu Karman quang Bộ đo gió Karman kiểu siêu âm (ultrasonic) Cấu tạo Bộ đo gió Karman kiểu siêu âm sử dụng hệ thống LU-Jetronic (Misubishi, Huyndai) có cấu trúc tạo xoáy tương tự kiểu quang việc đo tần số xốy lốc thực thơng qua sóng siêu âm Nó bao gồm phận sau: Lỗ định hướng : phân bố dịng khí vào Cục tạo xốy : tạo dịng xốy lốc Karman Bộ khuếch đại : tạo sóng siêu âm Bộ phát sóng : phát sóng siêu âm Bộ nhận sóng : nhận sóng siêu âm Bộ điều chỉnh xung : chuyển đổi sóng siêu âm nhận thành xung điện dạng số Sóng siêu âm Nguồn cung cấp 102 Khuếch đại 107 Loa phát Dịng xốy Karman Đến bướm ga 5V Bộ nhận Bộ điều chỉnh 10 Hình 5.14: Cấu tạo cảm biến đo gió Karman kiểu siêu âm 182 Phƣơng pháp đo gió Khi dịng khí qua cục tạo xoáy dạng cột với mặt cắt hình tam giác, tạo dịng xốy ngược chiều nhau: dòng theo chiều kim đồng hồ dịng ngược chiều kim đồng hồ (dịng xốy Karman) Tần số xuất dịng xốy tỉ lệ thuận với lưu lượng khí nạp tức phụ thuộc vào độ mở cánh bướm ga Hình 5.15: Cách tạo xốy lốc Khi khơng có dịng khí qua cục tạo xốy khơng thể phát dịng xốy Karman, sóng siêu âm lan từ phận phát sóng (loa) đến nhận sóng (micro) thời gian cố định T dùng làm thời gian chuẩn để so (xem hình 5.16) T1 T1 T1 Loa phát Thời gian chuẩn T T2 T2 Bộ nhận Xung hiệu chỉnh Hình 5.16: Bộ phát sóng dạng xung Sóng siêu âm gặp dịng xốy theo chiều kim đồng hồ qua truyền đến nhận nhanh tức thời gian để sóng siêu âm qua đường kính d ống nạp T1 ngắn thời gian chuẩn T Loa phát Bộ nhận Loa phát Bộ nhận Hình 5.17: Dịng khí xốy chiều sóng Hình 5.18: Dịng khí ngƣợc chiều sóng siêu âm siêu âm Trong trường hợp sóng siêu âm gặp dịng xốy ngược chiều kim đồng hồ, thời gian để nhận sóng nhận tín hiệu từ phát T2 lớn thời gian chuẩn T (Hình 5.18) Như vậy, khơng khí vào xylanh, dịng xốy thuận nghịch chiều kim đồng hồ liên tục qua phát nhận nên thời gian đo thay đổi Cứ lần thời gian sóng truyền thay đổi từ T2 đến T, chuyển đổi phát xung vng 183 Khi gió vào nhiều, thay đổi thời gian nhiều điều chỉnh phát xung phát xung vng với tần số lớn Ngược lại, gió vào ít, ECU nhận xung vng có mật độ thưa Như thể tích gió vào đường ống nạp tỉ lệ thuận với tần số phát xung điều chỉnh T Khi có nhiều khơng khí qua Khi có khơng khí qua T1 T T2 Tín hiệu xung biến đổi modulator T2 Tín hiệu xung biến đổi Hình 5.19: Xung đo gió Karman siêu âm thay đổi theo lưu lượng khí nạp 184 Mạch điện +5V Bộ nhận sóng +12V Bộ tạo sóng Bộ điều chỉnh CPU Bộ phát sóng ECU Hình 5.20: Mạch điện cảm biến đo gió Karman siêu âm C Cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt (trong LH - Jetronic) Nguyên lý đo gió kiểu nhiệt dưạ phụ thuộc lượng nhiệt W từ linh kiện nung nóng điện (phần tử nhiệt) : dây nhiệt, màng nhiệt điện trở nhiệt (thermistor) đặt dòng khí nạp vào khối lượng gió G qua tính theo cơng thức sau: W K.t G n Trong đó: K: số tỉ lệ t: chênh lệch nhiệt độ phần tử nhiệt dịng khí n: hệ số phụ thuộc vào đặc tính trao đổi nhiệt phần tử nhiệt môi trường Sơ đồ cảm biến đo gió dây nhiệt loại nhiệt độ khơng đổi trình bày hình 5.21 Điện trở RH (được nung nóng) điện trở bù nhiệt RK (làm platin) mắc vào hai nhánh cầu Wheatstone Cả hai điện trở đặt đường ống nạp Khi nối ngõ vào khuếch đại thuật toán l (OP AMP) với đường chéo cầu, OP AMP1 giữ cho cầu cân (có nghĩa VA –VB = 0) cách điều khiển transitor T1 T2 , làm thay đổi cường độ dịng điện chảy qua cầu Như vậy, có thay đổi lượng khơng khí qua, giá trị điện trở đo RH thay đổi làm cho cầu cân bằng, OP AMP1 điều chỉnh dòng qua cầu giữ cho giá trị RH không đổi cầu cân với vận tốc vào dịng khơng khí Tín hiệu điện mạch đo lấy từ R2 có hệ số nhiệt điện trở nhỏ, tỉ lệ thuận với dịng điện qua Tín hiệu sau qua cầu phân gồm R3 R4 đưa đến OP AMP2 giữ chức chuyển phát Điện trở R4 dùng để điều chỉnh điện ngõ + RB T2 T1 RH RK +U A A1 B –U + R P R3 R2 R4 R1 + +A2 U R6 R7 + R5 U ou t Hình 5.21: Mạch điện cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt 185 Việc xác lập khoảng chênh lệch nhiệt độ t phần tử nhiệt RH nhiệt độ dịng khí điều chỉnh RP Nếu t lớn độ nhạy cảm biến tăng U (V) Ät = 1160C Ät = 560C Ät = 300C 100 200 300 400 G (Kg/h) Hình 5.22: Sự phụ thuộc hiệu điện ngõ vào khối lượng khí nạp mức chênh lệch nhiệt độ khác Khi nhiệt độ khơng khí nạp thay đổi dẫn tới thay đổi t Vì vậy, vấn đề cân nhiệt thực RK mắc nhánh khác cầu Wheatstone Thông thường mạch tỉ lệ RH : RK =1:10 Trong trình làm việc, mạch điện tử giữ cho chênh lệch nhiệt độ t dây nhiệt dịng khơng khí vào khoảng 1500C (air mass sensor BOSCH) Để làm điện trở nhiệt (bị dơ bị bám bụi, dầu…), số ECU dùng cho động có phân khối lớn, với số xylanh Z cịn có mạch nung dây nhiệt vòng giây, đưa nhiệt độ từ 1500C lên 10000C sau tắt công tắc máy, trường hợp động chạy 1500 vòng/phút, tốc độ xe 20km/h nhiệt độ nước 1500C (air mass senssor NISSAN) Theo số liệu số hãng, độ ẩm khơng khí gần khơng ảnh hưởng đến độ xác cảm biến Trên cảm biến hãng HITACHI, cảm biến đo gió loại dây nhiệt thường đặt mạch gió rẽ, song song với đường gió Nhờ mà hoạt động cảm biến phụ thuộc vào rung động dịng khí Thang đo cảm biến từ 360 kg/h sai số 7% có độ nhạy cao nhờ số thời gian mạch vào khoảng 20ms Đối với xe MỸ (GM, FORD…) thay dây nhiệt, người ta sử dụng màng nhiệt Cảm biến đo gió loại màng nhiệt khắc phục nhược điểm chủ yếu loại dây nhiệt độ bền học cảm biến tăng lên 186 Hình 5.23: Cảm biến đo gió loại màng nhiệt Thân; Cảm biến nhiệt độ khơng khí; Lưới ổn định; 4.Kênh đo; Màng nhiệt; Mạch điện tử Hình 5.23 trình bày cấu tạo cảm biến đo gió loại màng nhiệt hãng GENERAL MOTORS Màng gồm hai điện trở: điện trở đo RH điện trở bù nhiệt RK phủ đế làm chất dẻo Sự chênh lệch nhiệt độ RH với dịng khơng khí giữ 70oC nhờ mạch tương tự hình 5.21 Thang đo cảm biến khoảng 15470 kg/h Khi thiết kế cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt, đặt đường ống nạp động cần lưu ý đặc điểm sau: Cảm biến bị tác động dịng khí đường ống nạp, từ hướng nên tăng độ sai số có xung động dịng khí Trên chế độ chuyển tiếp động cơ, (tăng tốc, giảm tốc…) cảm biến có độ nhạy cao nên xảy trường hợp khơng ăn khớp tín hiệu báo ECU lượng khơng khí thực tế vào buồng đốt Điều xảy khơng tính đến vị trí lắp đặt cảm biến q trình khí động học đường ống nạp, làm trễ dịng khí tăng tốc độ đột ngột Cảm biến đo gió kiểu nhiệt đo trực tiếp khối lượng khơng khí nên ECU khơng cần mạch hiệu chỉnh hịa khí theo áp suất khí trời cho trường hợp xe chạy vùng núi cao Vít chỉnh CO cảm biến không nằm đường bypass mà biến trở gắn mạch điện tử Trên số xe, cảm biến đo gió kiểu nhiệt kết hợp với kiểu xốy Karman Khi dịng khơng khí qua vật tạo xốy, xốy lốc khơng khí ảnh hưởng đến nhiệt độ dây nhiệt theo tần số xoáy lốc Tần số tỉ lệ thuận với lượng khơng khí đưa ECU xử lý để tính lượng xăng tương ứng Cảm biến kiểu nhiệt trước thường gặp động phun xăng có tăng áp (Turbo charger), áp lực lớn đường ống nạp nên sử dụng MAP sensor cảm biến đo gió loại cánh trượt Nhờ có quán tính thấp, kết cấu gọn, nhẹ, khơng có phần tử di động cản gió, nên cảm biến đo gió kiểu nhiệt ứng dụng rộng rãi hệ thống điều khiển phun xăng D Cảm biến áp suất tuyệt đối đƣờng ống nạp (MAP - Manifold Absolute Pressure sensor) Khác với L-Jetronic, hệ thống phun xăng loại D-Jetronic lượng khí nạp vào xylanh xác định gián tiếp (phải tính lại) thơng qua cảm biến đo áp suất tuyệt đối đường ống nạp Khi tải thay đổi, áp suất tuyệt đối đường ống nạp thay đổi MAP sensor chuyển thành tín hiệu điện báo ECU để tính lượng khơng khí vào xylanh Sau đó, dựa vào giá trị ECU điều khiển thời gian mở kim phun thời điểm đánh lửa Có ba loại: 187 Loại áp điện kế a Cấu tạo nguyên lý hoạt động Loại cảm biến dựa nguyên lý cầu Wheatstone Mạch cầu Wheatstone sử dụng thiết bị nhằm tạo điện phù hợp với thay đổi điện trở Cảm biến bao gồm silicon nhỏ (hay gọi màng ngăn) dày hai mép (khoảng 0,25 mm) mỏng (khoảng 0,025 mm) Hai mép làm kín với mặt silicon tạo thành buồng chân không cảm biến Mặt silicon tiếp xúc với áp suất đường ống nạp Hai mặt silicon phủ thạch anh để tạo thành điện trở áp điện (Piezoresistor) Mạch bán dẫn Buồng chân không Giắc cắm Lọc khí Đường ống nạp Hình 5.24: Cảm biến áp suất đường ống nạp 188 Khi áp suất đường ống nạp thay đổi, giá trị điện trở áp điện thay đổi Các điện trở áp điện nối thành cầu Wheatstone Khi màng ngăn không bị biến dạng (tương ứng với trường hợp động chưa hoạt động tải lớn), tất bốn điện trở áp điện có giá trị lúc khơng có chênh lệch điện áp đầu cầu Khi áp suất đường ống nạp giảm, màng silicon bị biến dạng dẫn đến giá trị điện trở áp điện bị thay đổi làm cân cầu Wheastone Kết đầu cầu có chênh lệch điện áp tín hiệu khuếch điều khiển mở transistor ngõ cảm biến có cực C treo Độ mở transistor phụ thuộc vào áp suất đường ống nạp dẫn tới thay đổi điện áp báo ECU 5V 15K 5K ECU R1 R2 R4 R3 15K 5K Khuếch đại Hình 5.25: Sơ đồ nguyên lý cảm biến áp xuất đường ống nạp b Mạch điện IC VC VC PIM PIM E2 E2 ECU 5V E1 Hình 5.26: Mạch điện cảm biến áp xuất đường ống nạp 189 Điện áp ngõ (PIM) c Đường đặc tuyến 150 (20) 450 (60) 750 (100) mmHg (kPa) Hình 5.27: Đường đặc tuyến MAP sensor Hiện ô tô, tồn loại cảm biến đo áp suất tuyệt đối đường ống nạp khác tín hiệu đầu ra: điện (TOYOTA, HONDA, DAEWOO, GM, CHRYSLER…) tần số(FORD) Ở loại MAP điện thế, giá trị điện thấp (lúc cánh bướm ga đóng hồn tồn) giá trị cao ( lúc toàn tải) phụ thuộc vào loại xe, gây khó khăn cho việc lắp lẫn Loại điện dung Cảm biến dựa nguyên lý thay đổi điện dung tụ điện Cảm biến bao gồm hai đĩa silicon đặt cách tạo thành buồng kín Trên đĩa có điện cực nối hai silicon với Áp suất đường ống nạp thay đổi làm cong hai đĩa vào hướng bên trong, làm khoảng cách hai đĩa giảm khiến tăng điện dung tụ điện Sự thay đổi điện dung tụ điện sinh tín hiệu điện áp gởi ECU để nhận biết áp suất đường ống nạp Buồng ngăn Đĩa Đĩa Đường ống nạp E C U Hình 5.28: Sơ đồ cấu tạo cảm biến MAP loại điện dung 190 Loại sai lệch từ tuyến tính Đường ống nạp Đường ống nạp VOUT VIN VOUT E C U VIN E C U VOUT VOUT Hình 5.29: Sơ đồ nguyên lý MAP sensor loại sai lệch từ tuyến tính Cảm biến bao gồm cuộn dây sơ cấp, hai cuộn dây thứ cấp quấn ngược chiều lõi sắt di chuyển Một nguồn điện áp xoay chiều cung cấp cho cuộn sơ cấp Khi lõi vị trí giữa, chênh lệch điện hai cuộn thứ cấp không Khi áp suất đường ống nạp thay đổi, buồng khí áp hút lõi thép di chuyển phù hợp với tải động cơ, lúc từ thông qua hai cuộn thứ cấp khác biệt gây nên chênh lệch điện Tín hiệu điện từ cuộn thứ cấp gởi ECU nhận biết tình trạng áp suất đường ống nạp 5.3.2 Cảm biến tốc độ động vị trí piston Cảm biến vị trí piston (TDC sensor hay gọi cảm biến G) báo cho ECU biết vị trí tử điểm thượng trước tử điểm thượng piston Trong số trường hợp, có vị trí piston xylanh số (hoặc số 6) báo ECU, cịn vị trí xylanh cịn lại tính tốn Cơng dụng cảm biến để ECU xác định thời điểm đánh lửa thời điểm phun Vì vậy, nhiều hệ thống điều khiển động cơ, số xung phát từ cảm biến phụ thuộc vào kiểu phun (độc lập, nhóm hay đồng loạt) thường số lần phun chu kỳ Trên số xe, tín hiệu vị trí piston xylanh số 01 dùng làm xung reset để ECU tính tốn nhập giá trị RAM sau chu kỳ (2 vòng quay trục khuỷu) Cảm biến tốc độ động (Engine speed ; crankshaft angle sensor hay cịn gọi tín hiệu NE) dùng để báo tốc độ động để tính tốn tìm góc đánh lửa tối ưu lượng nhiên liệu phun cho xylanh Cảm biến dùng vào mục đích điều khiển tốc độ cầm chừng cắt nhiên liệu chế độ cầm chừng cưỡng Có nhiều cách bố trí cảm biến G NE động cơ: delco, bánh đà, bánh cốt cam Đôi ECU dựa vào xung lấy từ cảm biến IC đánh lửa để xác định vị trí piston lẫn tốc độ trục khuỷu Cảm biến vị trí xylanh cảm biến tốc độ động có nhiều dạng khác như: cảm biến điện từ loại nam châm quay đứng yên, cảm biến quang, cảm biến Hall A Loại dùng cảm biến điện từ a Cấu tạo ... tốt 5 .2 Cấu trúc hệ thống điều khiển lập trình thuật tốn điều khiển 5 .2. 1 Sơ đồ cấu trúc khối chức Sơ đồ cấu trúc khối chức hệ thống điều khiển động theo chương trình mơ tả hình 5 .2 5.3 Hệ thống. .. Loại cung cấp điện áp accu 12V đầu VB VC có điện áp khơng đổi nhỏ Điện áp đầu VS tăng theo góc mở cánh đo gió Voltage of battery FC E1 E2 VB VC VS THA VB E2 VC E2 VS E2 Hình 5.9: Mạch điện đường... hiệu VS Loại 2: FC E1 E2 Điện áp VS giảm lượng khí nạp tăng Loại ECU cung cấp điện áp 5V đến cực VC Điện áp VS thay đổi giảm theo góc mở cánh đo VC E2 VC E2 VS E2 VS THA Hình 5.10: Mạch điện đường