CÁC CẢM BIẾN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
Cảm biến lượng không khí nạp (bộ đo gió)
Cảm biến lượng không khí nạp trên ô tô đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát khối lượng không khí vào động cơ Khi khối lượng không khí nạp đạt 14,7 kg, ECU sẽ điều chỉnh lượng nhiên liệu phun tương ứng là 1 kg, tạo tỷ lệ A/F là 7/1.
Bộ đo gió có 5 kiểu sau đây:
− Bộ đo gió kiểu dây nhiệt hoặc màng nhiệt.
− Bộ đo gió kiểu cảm biến chân không.
− Bộ đo gió kiểu van trượt.
− Bộ đo gió kiểu Karman.
− Bộ đo gió kiểu màng nhiệt.
2.1.1 Bộ đo gió kiểu dây nhiệt (Mass Air Flow Sensor) (MAF Sensor)
Cảm biến MAF nằm giữa lọc gió và thân bướm ga, có chức năng chuyển đổi lượng không khí nạp thành tín hiệu điện áp gửi về ECU Tín hiệu này giúp ECU tính toán tải động cơ, từ đó xác định lượng nhiên liệu phun và thời điểm đánh lửa cần thiết để đốt cháy hòa khí hiệu quả.
Bộ đo gió kiểu dây nhiệt bao gồm các thành phần chính như nhiệt điện trở, điện trở thay đổi theo nhiệt độ, dây nhiệt bằng platin, mạch điều khiển điện tử và cảm biến nhiệt độ không khí nạp.
Hình 2.2 Bộ đo gió dây nhiệt
Hình 2.3 Nguyên lý làm việc của bộ đo gió dây nhiệt
Sau khi không khí được lọc, một phần sẽ được dẫn đến vùng kiểm tra của dây nhiệt Khi không khí đi qua dây nhiệt, nó làm mát dây, dẫn đến giảm điện trở Bộ điều khiển điện tự bù nhiệt sẽ tăng dòng điện qua dây nhiệt để bù đắp sự giảm nhiệt độ Khi lượng không khí nạp tăng, dòng điện qua dây nhiệt cũng tăng theo Bộ đo gió dây nhiệt hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi nhiệt độ trong bộ làm nóng.
Nhiệt độ của dây nhiệt được duy trì ổn định nhờ mối quan hệ giữa lượng không khí nạp vào và cường độ dòng điện chạy qua dây.
Dây nhiệt được lắp đặt trong một mạch cầu, nơi mà khi luồng không khí nạp tăng, điện trở nhiệt sẽ được làm mát Sự làm mát này dẫn đến việc giá trị điện trở RH giảm, được thể hiện qua phương trình: RK.R4.
Khi mạch điện phát hiện rằng V A không bằng V B, dòng điện từ nguồn V B sẽ gia tăng, dẫn đến việc điện trở R H bị nung nóng R H được điều khiển theo một phương trình nhất định.
Khi động cơ hoạt động, không khí làm mát dây nhiệt dẫn đến việc giảm điện trở 𝑅 𝐻, buộc phải tăng điện áp 𝑉 𝐵 Khi điện áp 𝑉 𝐵 vượt quá 𝑉 𝐴, bộ so sánh kích hoạt và điều khiển transistor mở, cho phép dòng điện 12v từ relay chính cung cấp cho dây nhiệt Khi dây nhiệt nóng lên, điện trở 𝑅 𝐻 tăng, dẫn đến giảm điện áp 𝑉 𝐵 cho đến khi 𝑉 𝐵 bằng 𝑉 𝐴, lúc này transistor sẽ đóng lại Bộ điều khiển sẽ đo điện áp tại điểm B và gửi thông tin về ECU, giúp ECU xác định lượng không khí nạp.
Bộ đo gió dây nhiệt có đặc tính đường cong, trong đó khi lượng không khí nạp tăng, tín hiệu gửi về ECU cũng sẽ tăng theo.
Hình 2.5 Đường đặc tính của bộ đo gió dây nhiệt
Bộ đo gió dây nhiệt có ba cực, vì cảm biến nhiệt độ khí nạp được tích hợp vào bộ đo gió nên nó có 5 cực:
− +B: nguồn 12V từ relay đến cung cấp cho bộ đo gió.
− VG: Tín hiệu bộ đo gió dây nhiệt.
− EVG: Mát bộ đo gió.
− E2: Mát cảm biến nhiệt độ.
− THA: Tín hiệu cảm biến nhiệt độ không khí nạp
Cách xác định các chân cảm biến (trên động cơ 1SZ-FE)
Để kiểm tra cảm biến, bạn cần rút giắc cảm biến và đo điện áp của các cực Sử dụng một que của đồng hồ VOM cắm vào mass, sau đó cắm que còn lại vào các chân của bộ đo gió để thực hiện phép đo.
• Chân số 4: 5V → Chân cảm biến nhiệt độ không khí nạp THA
− Sau đó dùng đồng hồ VOM và bật thang đo điện trở Chân có điện trở với chân THA là E2 (𝑅 = 1,874𝐾Ω) → Chân số 5 là E2
− Cắm lại giắc ghim, đo điện áp 2 cực còn lại với mát Chân có điện áp bằng 0,736V là chân VG (chân số 3), chân còn lại là EVG (chân số 2)
Hình 2.6 Xác định chân cảm biến trên động cơ 1SZ - FE
Kiểu cảm biến này còn được sử dụng trên các động cơ: 2SZ-FE, 1SZ-FE, 1MZ-FE
Cách xác định các chân và kiểm tra tín hiệu cảm biến (trên động cơ 2AR-FE)
Để xác định các chân cảm biến và kiểm tra tín hiệu cảm biến trên động cơ 2AR – FE, quy trình thực hiện tương tự như trên động cơ 1SZ – FE Tuy nhiên, cần lưu ý rằng thứ tự các chân cảm biến trên động cơ 2AR – FE có sự khác biệt.
Hình 2.7 Xác định chân cảm biến trên động cơ 2AR - FE
2.1.2 Bộ đo gió kiểu màng nhiệt
Bộ đo gió kiểu màng nhiệt được thiết kế để kiểm tra khối lượng không khí nạp, giúp kiểm soát tỉ lệ không khí và nhiên liệu vào động cơ Đặc biệt, thiết bị này không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của nhiệt độ và áp suất không khí, đảm bảo độ chính xác trong phép đo.
Kích thước đường kính của bộ đo gió màng nhiệt thế hệ thứ 5 được xác định bởi lượng không khí nạp và động cơ, với mức tiêu thụ từ 370-390kg/h Ống đo được lắp đặt sau lọc không khí trong đường ống nạp, kèm theo lưới nhựa kết hợp với lưới thép để điều chỉnh và làm đều dòng chảy trong ống.
Bộ phận quan trọng nhất của cảm biến là ô đo trong cửa nạp không khí, kết hợp với mạch điện tử tích hợp Ô đo sử dụng màng mỏng chất bán dẫn nhạy cảm, tạo thành màn ngăn kết hợp với các cảm biến nhiệt độ Mạch điện tử được lắp trên đế gốm và kết nối với ECM qua các cực.
Hình 2.8 Bộ đo gió kiểu màng nhiệt (HFM 5)
Nguyên lý hoạt động của kiểu HFM5:
Một điện trở được đặt ở trung tâm ô đo, có chức năng nung nóng màng cảm biến và duy trì nhiệt độ ổn định Hai cảm biến nhiệt độ được lắp đặt đối xứng ở phía trên và dưới bộ xông nóng để theo dõi và điều chỉnh nhiệt độ hiệu quả.
Cảm biến G và cảm biến NE
2.2.1 Cảm biến G và Ne dùng trong hệ thống đánh lửa sử dụng bộ chia điện
Cảm biến G và Ne được lắp đặt trong bộ chia điện của hệ thống đánh lửa sử dụng bộ chia điện Delco, với ba loại chính: cảm biến điện từ, cảm biến Hall và cảm biến quang.
Cảm biến G gửi tín hiệu đến ECU để xác định vị trí của piston số 1 ở ĐCT cuối kỳ nén, từ đó điều khiển thời điểm phun nhiên liệu vào đường ống nạp hoặc xy lanh động cơ Tín hiệu này cũng giúp xác định thời điểm chuẩn (ĐCT), cho phép ECU điều chỉnh thời điểm đánh lửa nhằm tối ưu hóa công suất động cơ.
Cảm biến Ne hay cảm biến số vòng quay động cơ Cảm biến này dùng để:
− Điều khiển góc đánh lửa sớm: Khi số vòng quay càng cao để bảo đảm điểm áp suất cực đại tối ưu phải tăng góc đánh lửa sớm
− Điều khiển lượng nhiên liệu phun: Khi số vòng quay càng nhanh, lượng nhiên liệu phun sẽ giảm để giới hạn số vòng quay của động cơ
Điều khiển tốc độ cầm chừng là quá trình mà ECU, kết hợp với cảm biến bướm ga, xác định và duy trì động cơ hoạt động ở tốc độ cầm chừng ECU sẽ điều chỉnh để giữ tốc độ cầm chừng ổn định, dựa trên thông tin đã được cài đặt trước trong bộ nhớ của nó.
− Điều khiển rơ le bơm nhiên liệu: ECU nhận tín hiệu Ne để điều khiển dòng điện chạy qua cuộn dây của rơ le bơm xăng
− Cảm biến Ne còn dùng để điều khiển hệ thống tuần hoàn khí thải (EGR), cắt nhiên liệu khi giảm tốc
Cảm biến điện từ bao gồm một khung từ với một đầu gắn nam châm vĩnh cửu và đầu còn lại lắp một cuộn dây Rotor cảm biến được lắp trên trục của bộ chia điện (delco), quay theo tốc độ của trục delco.
Khi rotor đứng yên từ thông của nam châm vĩnh cửu qua cuộn dây không đổi nên sức điện động sinh ra trong cuộn dây bằng không
Khi rotor quay, khe hở từ thay đổi dẫn đến sự biến đổi từ thông qua cuộn dây, tạo ra sức điện động xoay chiều Tín hiệu này được gửi về ECU Tốc độ quay của trục delco càng nhanh, sức điện động sinh ra càng lớn.
Hình 2.23 Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện từ
Vị trí A: Khe hở từ quá lớn, từ thông qua cuộn dây quá yếu nên sức điện động sinh ra bằng không
Khi rotor quay đến vị trí B, khe hở từ giảm dần dẫn đến sự gia tăng từ thông qua cuộn dây Do đó, sức điện động trong cuộn dây cũng tăng theo Tại vị trí B, sự thay đổi từ thông đạt giá trị lớn nhất, khiến sức điện động sinh ra trong cuộn dây đạt cực đại.
Tại vị trí C, khi đi qua vị trí B, sự thay đổi từ thông giảm dần, dẫn đến việc lượng từ thông qua cuộn dây tăng lên Sức điện động sinh ra trong cuộn dây cũng giảm dần Ở vị trí C, lượng từ thông qua cuộn dây đạt giá trị lớn nhất, nhưng vì không có sự thay đổi từ thông, nên sức điện động sinh ra trong cuộn dây bằng không.
Tại vị trí D, sự thay đổi từ thông đạt cực đại, dẫn đến sức điện động sinh ra cũng đạt cực tiểu Khi rotor tiếp tục quay, khe hở từ tăng dần, làm giảm từ thông qua cuộn dây, khiến sức điện động trong cuộn dây yếu dần và cuối cùng trở về giá trị bằng không.
Hình 2.24 Biểu đồ động của cảm biến điện từ
Khi tốc độ càng nhanh, từ thông quét qua cuộn dây càng nhanh, biên độ tín hiệu càng lớn và thời gian giữa 2 xung ngắn lại
Hệ thống đánh lửa sử dụng bộ chia điện bao gồm hai cảm biến chính: cảm biến G và cảm biến Ne Cảm biến G có số răng ít hơn và được đặt ở vị trí trên, trong khi cảm biến Ne nằm ở vị trí dưới Cảm biến Ne có hai cực là Ne+ và Ne-, trong khi cảm biến G có hai cực G+ và G-.
Bộ chia điện Delco bao gồm cảm biến G và cảm biến Ne Cảm biến G có cấu tạo gồm một nam châm, cuộn dây và khung từ, hoạt động với rotor có 4 răng lệch nhau 90°, tạo ra 4 xung trong một vòng quay trục, mỗi xung cách nhau 180° CA Trong khi đó, cảm biến Ne gồm khung từ, cuộn dây và nam châm, tương tác với rotor có 24 răng lệch nhau 15°, tạo ra 24 xung, mỗi xung cách nhau 30° CA.
Hình 2.25 Cấu tạo và đặc tính của cảm biến điện từ
Hình 2.26 Mạch ECU điều khiển cảm biến G, Ne
Số răng cảm biến G: 1R, 2R,4R… Số răng cảm biến Ne: 4R, 16R, 24R…
Kiểm tra cảm biến G và Ne:
− Kiểm tra khe hở từ: Δ = 0,2 − 0,4mm Nếu không đúng thì điều chỉnh
− Kiểm tra điện trở cuộn dây cảm biến và so sánh với thông số nhà sản suất
− Kiểm tra sự kết nối tốt của giắc điện, sự chạm mát, ngắn mạch và đứt mạch của đường dây
Hiệu ứng Hall, được phát minh bởi Tiến Sĩ Edwin Hall vào năm 1879, đã xác minh dòng electron mà Kelvin đề xuất trước đó khoảng 30 năm Trong thí nghiệm của mình, Hall phát hiện rằng khi từ trường của nam châm vĩnh cửu đặt vuông góc với một mặt hình chữ nhật có vật liệu vàng mỏng và dòng điện một chiều chạy qua, sẽ xuất hiện điện thế ở mặt đối diện Ông nhận thấy điện áp sinh ra tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện qua vật dẫn và từ thông Ứng dụng của hiệu ứng này đã được phát triển nhờ sự ra đời của các chất bán dẫn vào thập niên sau đó.
1950 Đột phá về cảm biến Hall vào năm 1965 khi nó được tích hợp hoàn toàn trong một con chip silicon và được sản xuất đại trà trên thế giới
Khi dòng điện được dẫn qua một chất bán dẫn mỏng, hay còn gọi là phần tử Hall, tín hiệu đầu ra sẽ được đặt vuông góc với hướng dòng điện Trong trường hợp không có từ trường tác động lên phần tử Hall, cường độ dòng điện sẽ phân bố đều và không xuất hiện điện áp đầu ra.
Khi từ thông của nam chân vĩnh cửu vuông góc với phần tử Hall, lực Lorentz gây ra sự nhiễu loạn dòng điện, dẫn đến chênh lệch điện áp ở đầu ra Điện áp này được gọi là điện áp Hall, tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện I và từ trường B.
Phần tử Hall thường được làm từ Silicon và hoạt động dựa trên hiệu ứng điện trở áp điện, tức là điện trở thay đổi theo độ biến dạng Một mạch tích hợp (IC) Hall thường sử dụng từ 2 đến 4 phần tử Hall Cảm biến Hall là loại cảm biến chuyên dụng để phát hiện từ trường.
Hình 2.28 Mạch khuếch đại cảm biến Hall_1
Nguồn điện cung cấp cho IC Hall qua bộ ổn áp để đảm bảo cường độ dòng điện qua
Điện áp đầu ra của IC Hall không thay đổi và chỉ phụ thuộc vào từ trường mà nó tiếp xúc Với điện áp đầu ra rất nhỏ (30 Microvolts cho mỗi gauss từ trường), tín hiệu này cần được khuếch đại bằng Opamp.
Cảm biến nhiệt độ không khí nạp
Trong các động cơ sử dụng cảm biến chân không MAP Sensor, cảm biến nhiệt độ không khí nạp được lắp đặt sau lọc gió hoặc sau đường ống nạp Đối với những xe sử dụng bộ đo gió, cảm biến này được tích hợp trực tiếp vào bộ đo gió.
Cảm biến nhiệt độ không khí là một chất bán dẫn có trị số nhiệt điện trở âm
Cảm biến nhiệt độ không khí được kết nối nối tiếp với một điện trở cố định trong ECU, nơi ECU cung cấp điện áp 5 vôn cho mạch điện cảm biến và theo dõi sự thay đổi điện áp tại điểm giữa điện trở cố định và cảm biến.
Khi nhiệt độ của cảm biến thay đổi, điện áp tín hiệu THA cũng sẽ thay đổi Bộ vi xử lý nhận diện tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ không khí thông qua việc đo điện áp tại cực THA.
Hình 2.47 Cảm biến nhiệt độ không khí nạp
Cảm biến nhiệt độ không khí được ký hiệu TA, THA, MAT (Manifold Air Temperature Sensor), IATS (Intake Air Temperature Sensor)
Cảm biến nhiệt độ không khí nạp hoạt động hiệu quả nhất ở mức 20°C Khi nhiệt độ không khí vượt quá 20°C, mật độ không khí nạp giảm, dẫn đến ECU điều chỉnh giảm lượng nhiên liệu phun Ngược lại, khi nhiệt độ không khí thấp hơn 20°C, mật độ không khí nạp tăng, khiến ECU tăng lượng phun nhiên liệu Cảm biến này có hai chân kết nối.
− THA: Chân tín hiệu của cảm biến
Cách kiểm tra cảm biến nhiệt độ (trên động cơ 1G-FE)
Dùng đồng hồ VOM bật 2 thang đo điện trở và tiến hành đo điện trở của cảm biến
− Nếu cảm biến có điện trở (𝑅 = 1,481𝐾Ω) → cảm biến còn tốt
− Nếu đo ra điện trở lớn hoặc 0L thì nhiệt điện trở cảm biến bị hư
Hình 2.48 Kiểm tra cảm biến nhiệt độ không khí nạp
Cảm biến nhiệt độ nước
The coolant temperature sensor, commonly referred to as TW, THW, ECT Sensor, or CTS, is strategically positioned in the coolant water pathway This sensor plays a crucial role in monitoring the engine coolant temperature, ensuring optimal engine performance and efficiency.
Hình 2.49 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Cảm biến nhiệt độ nước hoạt động dựa trên chất bán dẫn với trị số nhiệt điện trở âm Khi nhiệt độ nước thay đổi, điện trở và điện áp THW cũng thay đổi tương ứng Tín hiệu điện áp này sau đó được gửi đến ECU để tính toán nhiệt độ nước làm mát động cơ.
Chuẩn làm việc của cảm biến là 80°C Khi nhiệt độ nước dưới 80°C ECU xem động cơ lạnh Tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước dùng để:
− Điều khiển thời điểm đóng mở của xú páp
− Tăng tốc độ cầm chừng khi động cơ lạnh
− Tăng lượng phun khi động cơ lạnh
− Tăng góc đánh lửa sớm khi động cơ lạnh
− Điều khiến quạt làm mát
− Điều khiển hoạt động của hộp số tự động
− Điều khiển thời gian đóng mở supap
− Điều khiển hệ thống tuần hoàn khí thải RGR
− Là thông số cơ bản khi khởi động
Cảm biến nhiệt độ nước THW được lắp đặt gần hệ thống làm mát để đo nhiệt độ nước làm mát Tín hiệu từ cảm biến này giúp ECU xác định nhiệt độ động cơ và điều khiển quạt làm mát hiệu quả.
Cách kiểm tra cảm biến nhiệt độ nước làm mát (trên động cơ 1SZ-FE)
Tháo giắc ghim và dùng đồng hồ VOM bật thang đo điện trở rồi kiểm tra điện trở của cảm biến nhiệt độ nước
− Nếu cảm biến có điện trở (R = 1,826KΩ) → cảm biến còn tốt
− Nếu điện trở 2 đầu cảm biến và 0L hoặc lên tới 𝑀Ω thì điện trở của cuộn dây bị đứt
Hình 2.50 Kiểm tra nhiệt độ cảm biến nước làm mát
− Đưa đầu của cảm biến nhiệt độ nước làm mát và một nồi nước
− Đun nóng nồi dùng nhiệt kế kiểm tra nhiệt độ nước thay đổi
− Dùng đồng hồ VOM để kiểm tra điện trở xem thử điện trở có thay đổi khi nhiệt độ nước thay đổi hay không
Nếu khi đun nước mà điện trở của cảm biến không ổn định hoặc không thay đổi theo thông số của nhà sản xuất, điều này cho thấy cảm biến đã hỏng Điện trở của các cảm biến nhiệt độ nước làm mát trên động cơ rất quan trọng để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Bảng 2.4 Điện trở của các cảm biến nhiệt độ nước làm mát trên các động cơ Động cơ Điện trở cảm biến (KΩ)
Cảm biến vị trí bướm ga
Cảm biến vị trí bướm ga, nằm trên thân bướm ga và được điều khiển bởi trục bướm ga, gửi tín hiệu về ECU để xác định tải động cơ và điều chỉnh lượng nhiên liệu phun, góc đánh lửa sớm và tốc độ cầm chừng Các kiểu cảm biến bướm ga hiện có rất đa dạng.
Nó sử dụng cho động cơ cũ, thông dụng là kiểu hai tiếp điểm 3 cực:
− PSW: Xác định tải lớn
− IDL: Xác định cầm chừng
Tiếp điểm E2 được bố trí ở vị trí trung tâm Khi ở tốc độ cầm chừng, tiếp điểm E2 nối với điểm IDL, dẫn đến điện áp tại cực IDL bằng 0 và điện áp tại cực PSW là 5 vôn Tín hiệu IDL còn kết hợp với tín hiệu khác.
Ne để cắt nhiên liệu khi giảm tốc
Khi bướm ga mở với góc xoay lớn hơn 8°, trục bướm ga sẽ điều khiển tiếp điểm E2 thông qua rãnh cam, dẫn đến việc tiếp điểm E2 tách khỏi tiếp điểm IDL Kết quả là điện áp tại cực IDL và PSW đều đạt 5 vôn, thể hiện chế độ tải trung bình.
Hình 2.51 Nguyên lý hoạt động cảm biến vị trí bướm ga kiểu tiếp điểm
Khi bướm ga mở lớn, rảnh cam điều khiển tiếp điểm E2 nối tiếp điểm đầy tải PSW điện áp lúc này tại IDL= 5V còn PSW=0V
2.5.2 Kiểu tuyến tính có tiếp điểm IDL
Hình 2.52 Cảm biến vị trí bướm ga kiểu tuyến tính có tiếp điểm IDL
Kiểu tuyến tính này cảm biến vị trí bướm ga có 4 cực:
− VC = 5V: Nguồn cung cấp từ ECU cho cảm biến
− VTA: Tín hiệu cảm biến
− IDL: Xác định cầm chừng
Nguồn điện từ ECU cung cấp cho cảm biến qua 2 cực: 12V cho cực IDL và cực VC
= 5V Con trượt chuyển động trên điện trở như hình 2 53 Ở vị trí cầm chừng thì con trượt nối cực E2 và IDL với nhau lúc này điện áp cực IDL=0V
Khi bướm ga mở, con trượt di chuyển trên điện trở, dẫn đến việc cực E2 tách ra khỏi cực IDL Kết quả là điện áp của IDL đạt 10V, trong khi điện áp chân tín hiệu VTA tăng dần, tạo thành đường đặc tính tuyến tính.
Khi điện áp tại cực IDLV thì ECU nhận tín hiệu điện áp từ chân VTA và xác định vị trí bướm ga
− Đo 2 chân bất kì và xoay trục cảm biến, dùng động hồ VOM đo điện trở thấy
R điện trở R không đổi ta tìm được chân VC và chân E2 Hai chân còn lại là VTA và IDL
Để xác định chân VC và IDL trong mạch cảm biến, xoay trục cảm biến và đo điện trở giữa một trong hai chân VC hoặc E2 với một trong hai chân còn lại Nếu điện trở tăng dần, ta có thể xác định chân VC, trong khi chân còn lại sẽ là IDL.
Hình 2.53 Nguyên lý cảm biến vị trí bướm ga kiểu tuyến tính có tiếp điểm IDL
2.5.3 Kiểu tuyến tính không có tiếp điểm IDL
Hình 2.54 Cảm biến vị trí bướm ga kiểu tuyến tính không có tiếp điểm IDL
Kiểu tuyến tính không có tiếp điểm IDL, trong đó ECU xác định vị trí bướm ga thông qua cực VTA Ở tốc độ cầm chừng, điện áp tại cực VTA dao động từ 0,45V đến 0,65V Cảm biến này có cấu tạo với 3 cực.
− VC=5V: Nguồn cung cấp từ ECU cho cảm biến
− VTA: Tín hiệu cảm biến
Nguồn điện 5V từ ECU cung cấp cho cảm biến vị trí bướm ga Khi bướm ga mở, con trượt trên điện trở gửi tín hiệu vị trí về ECU qua chân VTA Ở chế độ cầm chừng, con trượt gần E2, dẫn đến điện trở cao và điện áp thấp, khoảng từ 0,45V đến 0,65V.
Khi cánh bướm ga mở rộng, con trượt di chuyển gần vị trí VC, dẫn đến việc điện trở giảm dần và điện áp tăng dần Điện áp tại VTA có thể đạt khoảng 3,5V đến 4,7V.
Hình 2.55 Nguyên lý của Cảm biến vị trí bướm ga kiểu tuyến tính không có tiếp điểm
Xác định các chân và kiểm tra tín hiệu của cảm biến (tra trên động cơ 1G – FE)
Cấp nguồn 12V cho động cơ, contact máy On Dùng đồng hồ VOM, Đo điện áp cả ba chân của cảm biến với mass:
− Đo 1 chân có giá trị 0,53V lúc bình thường, khi xoay bướm ga hết cỡ điện áp tăng lên 3,929V → chân VTA
− Đo điện áp được giá trị 5,02V → chân VC
− Chân còn lại đo được 0V → chân E
Động cơ 1G-FE sử dụng cảm biến vị trí bướm ga kiểu tuyến tính không tiếp điểm IDL, với một chân bất kỳ cho giá trị điện áp đo được là 0,53V trong điều kiện bình thường.
Một số động cơ sử dụng cảm biến vị trí bướm ga kiểu tuyến tính không tiếp điểm IDL như: động cơ 1SZ – FE, động cơ 7A – FE
Hình 2.56 Xác định các chân cảm biến
2.5.4 Kiểu tuyến tính dùng 2 cảm biến
Hệ thống điều khiển bướm ga thông minh (ETCS-i) sử dụng kiểu hai cảm biến, hoạt động tương tự như kiểu một cảm biến nhưng có cấu trúc nâng cao với hai con trượt và hai điện trở bên trong.
Kiểu này cảm biến có 4 chân:
− VC=5V: Nguồn cung cấp từ ECU cho hai cảm biến
− VTA: Tín hiệu cảm biến thứ nhất
− VTA2: Tín hiệu cảm biến thứ hai
Khi bướm ga mở, tín hiệu điện áp VTA và VTA2 đều tăng, với VTA2 có điện áp đầu ra khởi đầu cao hơn Tốc độ thay đổi điện áp giữa VTA và VTA2 cũng khác nhau.
Hình 2.57 Nguyên lý cảm biến vị trí bướm ga kiểu tuyến tính dùng hai cảm biến
ECU sử dụng tín hiệu từ hai cảm biến khác nhau để xác định góc mở của bướm ga Mỗi cảm biến có đặc tính riêng biệt, giúp ECU phát hiện sự bất thường trong hoạt động của cảm biến thông qua việc so sánh các đặc tính này.
Hình 2.58 Đường đặc tính cảm biến vị trí bướm ga dùng hai cảm biến
Xác định các chân và kiểm tra tín hiệu của cảm biến (trên động cơ 3S-FSE)
− Xoay contact máy On, không rút giắc cảm biến, đo điện áp các chân cảm biến:
• Chân số 2: 0,99V xoay bướm ga hết cỡ điện áp tăng lên 2,706V
• Chân số 3: 2,68V xoay bướm ga hết cỡ điện áp tăng lên 4,88V
− Ta thấy điện áp chân số 2 nhỏ hơn chân số 3 → Chân số 2 là VTA chân số 3 là VTA2
Hình 2.59 Xác định các chân cảm biến vị trí bướm ga dùng hai cảm biến
Tín hiệu đầu ra kiểu phần tử Hall tương tự như kiểu dùng điện trở Kiểu này không xử dụng con trượt để xác định độ mở bướm ga
Kiểu phần tử Hall nổi bật với độ tin cậy và tuổi thọ cao Điện áp đầu ra từ IC Hall phụ thuộc vào mật độ và hướng của từ trường Khi mật độ từ thông gia tăng qua IC, điện áp đầu ra cũng tăng theo.
Hình 2.60 Cấu tạo cảm biến vị trí bướm ga kiểu Hall
Cảm biến Hall bao gồm một IC Hall và nam châm xoay quanh nó Khi bướm ga mở, trục bướm ga khiến nam châm xoay, làm thay đổi vị trí và mật độ từ thông đi qua IC Hall Kết quả là tín hiệu VTA và VTA2 cũng thay đổi và được gửi về ECU.
ECU sử dụng tín hiệu VTA và VTA2 để xác định góc mở bướm ga, đồng thời so sánh hai tín hiệu điện áp nhằm phát hiện sự hư hỏng của cảm biến.
Hình 2.61 Đường đặc tính của cảm biến
Xác định các chân và kiểm tra tín hiệu của cảm biến (trên động cơ 2SZ – FE)
Cấp nguồn 12V cho động cơ, contact máy On Dùng đồng hồ VOM, Đo điện áp cả sáu chân của cảm biến với mass:
− Đo hai chân 1 và 2 có giá trị 11,9V và 11,3V (từ 9V đến 12V) → có chân M + ,
− Đo chân số 3 có giá trị bằng 0V → chân E
− Đo chân số 5 có giá trị bằng 4,98V → chân VC
− Đo chân số 4 có giá trị 2,55V lúc bình thường, khi xoay bướm ga hết cỡ điện áp tăng lên 4,9V → chân VTA2
− Đo chân số 6 có giá trị 0,95V lúc bình thường, khi xoay bướm ga hết cỡ điện áp tăng lên 4,9V → chân VTA1
Cảm biến bàn đạp ga
Cảm biến bàn đạp ga, motor điều khiển bướm ga và cảm biến vị trí bướm ga hợp thành hệ thống điều khiển bướm ga thông minh, giúp tối ưu hóa hiệu suất vận hành của xe.
Khi nhấn ga, tín hiệu từ bàn đạp ga được gửi đến ECU, điều này cho phép ECU điều khiển motor xoay bướm ga theo góc tương ứng Cảm biến bướm ga xác nhận và gửi tín hiệu trở lại ECU để đảm bảo hoạt động chính xác.
Hình 2.63 Nguyên lý cảm biến bàn đạp ga kiểu tuyến tính
Cảm biến bàn đạp ga kiểu tuyến tính thì thường được bố trí ở trên thân bướm ga hoặc trên bàn đạp ga
Cảm biến bàn đạp ga khác với cảm biến bướm ga ở chỗ sử dụng hai nguồn 5V riêng biệt, nhưng vẫn hoạt động theo nguyên lý tương tự như cảm biến vị trí bướm ga kiểu tuyến tính.
Xác định chân và kiểm tra tín hiệu của cảm biến cảm biến (trên động cơ 1MZ-FE)
− Rút giắc cảm biến, bật thang đo điện trở, đo điện trở các cặp chân với nhau ta chia được 2 nhóm:
• Các chân 1, 2, 4 chung nhóm (nhóm 1)
• Các chân 3, 5, 6 chung nhóm (nhóm 2)
Hình 2.64 Xác định các chân cảm biến
− Đo điện trở các cặp chân nhóm 1 với nhau và đạp bàn đạp:
• Chân 1 với chân 4: điện trở không đổi → Chân 1, 4 là hai chân EP và chân VCP chân số 2 là VPA
• Chân 1 với chân 2: 𝑅 12 = 0,882𝐾Ω (điện trở thấp)
• Chân 2 với chân 4: 𝑅 42 = 2,449𝐾Ω (điện trở cao)
→ Ta thấy điện trở 𝑅 12 < 𝑅 42 Nên chân số 1 là EP, chân số 2 là VCP
− Làm tương tự với nhóm 2:
• Chân 3 với chân 6: điện trở không đổi → Chân 3, 6 là hai chân EP và chân VCP chân số 5 là VPA
• Chân 3 với chân 5: 𝑅 35 = 0,407𝐾Ω (điện trở thấp)
• Chân 6 với chân 5: 𝑅 65 = 2,75𝐾Ω (điện trở cao)
→ Ta thấy điện trở 𝑅 35 < 𝑅 65 Nên chân số 3 là EP, chân số 6 là VCP
− Cắm lại giắc, đạp bàn đạp ga và đo điện áp chân số 2 và chân số 5:
• Chân số 2 có điện áp tăng từ 1,2 đến 3,9V
• Chân số 5 có điện áp tăng từ 0,5V đến 3,2V
→ Ta thấy điện áp chân số 2 cao hơn Nên ta được các chân như sau:
Hình 2.65 Xác định các chân cảm biến_2
2.6.2 Cảm biến bàn đạp kiểu phần tử Hall
Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall bao gồm việc sử dụng hai IC Hall cố định và hai nguồn cung cấp 5V VCPA và VCP2 Khi đạp ga, trục truyền động làm cho các nam châm quay quanh hai IC Hall, dẫn đến sự thay đổi từ thông Sự thay đổi này tạo ra tín hiệu điện áp VPA và VPA2, sau đó được gửi về ECU để xác định góc mở của bàn đạp ga.
Cảm biến bàn đạp ga có từ hai cảm biến trở lên, các đường đặc tính của chúng cũng khác nhau tùy theo hãng
Hình 2.66 Cảm biến bàn đap ga kiểu Hall
Cách xác định các chân và kiểm tra tín hiệu của cảm biến (trên động cơ 2SZ-FE)
Để kiểm tra cảm biến vị trí bàn đạp ga kiểu Hall, cần rút giắc cảm biến cố định 1 que đồng hồ VOM và đo điện trở với 5 chân còn lại của cảm biến Khi đạp bàn đạp, điện trở không thay đổi, điều này xác nhận loại cảm biến này.
− Cắm 1 que vào mass, que kia đo 6 chân còn lại ta được:
Hình 2.67 Xác định các chân của cảm biến bàn đạp ga kiểu Hall_1
− Ta thấy điện áp chân số 3 lớn hơn chân số 6 (1,63V > 0,85V) → chân số 3 là chân VPA2, chân số 6 là VPA
• Chân 6: → VPA Đo điện áp 2 chân VPA, VPA2 và đạp bàn đạp ga ta thấy điện áp thay đổi:
− VPA: 0,85V → đạp ga hết cỡ thấy điện áp tăng 3,6V
− VPA2: 1,63V → đạp ga hết cỡ thấy điện áp tăng 4,23V
Hình 2.68 Xác định các chân của cảm biến bàn đạp ga kiểu Hall_2
Cảm biến ôxy
Cảm biến ôxy được lắp đặt gần ống góp thải để đo hàm lượng oxy trong khí thải Thiết bị này hỗ trợ ECU duy trì tỉ lệ cân bằng giữa oxy và nhiên liệu trong buồng đốt, đảm bảo quá trình đốt cháy diễn ra hoàn toàn Tỉ lệ không khí/nhiên liệu được so sánh với tỉ lệ cân bằng (A/F = 14,6-14,7 / 1) thông qua việc phát hiện nồng độ oxy trong khí thải, từ đó ECU xác định được hỗn hợp giàu hay nghèo.
Cảm biến ôxy được cấu tạo từ điện cực bạch kim, chất điện phân Zirconia (Zirconium dioxit) và bộ xông nóng Có hai loại cảm biến ôxy: loại cốc và loại phẳng, mỗi loại có cấu trúc và nguyên lý hoạt động riêng, do đó không thể hoán đổi cho nhau.
Cảm biến oxy hoạt động bằng cách so sánh lượng oxy trong khí thải với oxy trong không khí, tạo ra điện áp cơ bản Khi hàm lượng oxy trong khí thải thấp (hỗn hợp giàu), điện áp phát ra sẽ lớn và ngược lại Trong điều kiện hoạt động bình thường, chu kỳ điện áp dao động từ khoảng 100mV đến 900mV.
Hình 2.70 Đặc tính cảm biến Oxy
Khi hỗn hợp nhiên liệu giàu, lượng ôxy trong buồng đốt gần như được đốt cháy hoàn toàn, dẫn đến tín hiệu điện áp cao từ 0,6V đến 1V Ngược lại, khi hỗn hợp nghèo, lượng ôxy còn lại sau quá trình nổ nhiều, khiến điện áp phát ra thấp, chỉ từ 0,4V đến 0,1V Tại tỉ số không khí nén cân bằng, sự thay đổi này ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của động cơ.
53 hóa học (14,7/1) điện áp phát ra của cảm biến được ECU sử dụng là điện áp chuẩn là 0,45V
Cảm biến ôxy có phạm vi phát hiện hạn chế, khiến ECU không thể xác định chính xác tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu Do đó, ECU liên tục điều chỉnh lượng nhiên liệu, dẫn đến chu kỳ hoạt động giàu và nghèo.
Các cảm biến ôxy từ các phương tiện khác nhau không thể hoán đổi cho nhau được Khi thay thế phải thay thế đúng mã phụ tùng, hình dạng…
Cảm biến ôxy hoạt động hiệu quả nhất khi đạt nhiệt độ tối thiểu 400°C Để nhanh chóng đạt được nhiệt độ này, cảm biến được trang bị một bộ xông nóng bên trong ECU sẽ điều khiển dòng điện qua bộ xông để làm nóng cảm biến và duy trì nhiệt độ ổn định.
Hình 2.71 Mạch điều khiển cảm biến ôxy
ECU sử dụng tín hiệu từ nhiệt độ nước làm mát và tín hiệu tải động cơ để điều chỉnh hoạt động Trong quá trình vận hành bình thường, mạch làm nóng cảm biến ôxy tiêu thụ khoảng 2 Ampe và sẽ tự động tắt khi không cần thiết.
Cảm biến oxy thường được lắp đặt trên đường ống xả của động cơ, với số lượng tùy thuộc vào từng loại động cơ Cụ thể, các động cơ 2SZ-FE, 7A-FE, 3S-FSE và 1SZ-FE sử dụng một cảm biến oxy, trong khi động cơ 1MZ-FE và 1G-FE được trang bị hai cảm biến oxy.
Xác định các chân và kiểm tra cảm biến oxy (trên động cơ 1SZ-FE)
− Rút giắc cảm biến ta đo điện điện trở các chân của cảm biến Thấy một cặp có điện trở khoảng 15,6Ω thì xác định được chân +B và HT
− Cắm lại giắc và nổ máy Đo điện áp các chân được:
• Chân E1: 0V Kết luận cảm biến hoạt động tốt, hàm lượng ôxy có trong khí thải thấp (hỗn hợp giàu)
Nếu điện áp chân OX nằm trong khoảng 0,1 đến 0,4V, điều này cho thấy hỗn hợp nghèo có nhiều oxy sau khi đốt cháy Ngược lại, nếu điện áp nằm trong khoảng 0,6 đến 1,0V, kết luận cho thấy lượng oxy còn lại sau khi cháy là ít trong hỗn hợp nghèo.
Hình 2.72 Kiểm tra cảm biến Oxy
Cảm biến A/F
Cảm biến A/F tương tự như cảm biến ôxy nhưng có cấu trúc và nguyên lý hoạt động khác biệt Thay vì thay đổi điện áp đầu ra, cảm biến A/F điều chỉnh cường độ dòng điện dựa trên lượng ôxy trong khí thải ECU sử dụng cường độ dòng điện này để tạo ra tín hiệu điện áp phản ánh hàm lượng ôxy trong khí thải.
Cảm biến A/F có khả năng phát hiện tỉ lệ không khí chính xác hơn so với cảm biến oxy, giúp ECU kiểm soát lượng nhiên liệu phun hiệu quả hơn và giảm thiểu khí thải Nhiệt độ hoạt động tối ưu của cảm biến A/F là khoảng 450°C.
Có hai loại cảm biến A/F:
− Cảm biến A/F kiểu cốc: cảm biến được kích hoạt qua việc bổ sung nhiệt gián tiếp thông qua một lớp không khí
Cảm biến A/F kiểu phẳng hoạt động nhờ vào việc bổ sung nhiệt trực tiếp và sử dụng hợp chất Zirconia Với việc tích hợp Alumina, cảm biến này có khả năng dẫn nhiệt và cách nhiệt vượt trội, giúp nâng cao hiệu quả xông nóng của cảm biến.
Hình 2.74 Các thành phần cảm biến A/F
Cảm biến A/F mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm khả năng cung cấp tín hiệu rộng, phát hiện nhanh chóng và điều chỉnh chính xác hơn so với cảm biến ôxy Nhờ đó, cảm biến A/F giúp cải thiện hiệu quả trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Hệ thống cảm biến A/F hoạt động dựa trên bơm Zirconia O2, sử dụng điện áp từ ECU để truyền oxy qua chất điện phân được nung nóng ở 650°C Nồng độ ôxy trong khí thải tỷ lệ thuận với hỗn hợp nghèo (A/F>15) và nồng độ không khí cháy tỷ lệ với hỗn hợp giàu (A/F