LỜI CẢM TẠEm xin chân thành cảm ơn ban chủ nhiện khoa Cơ Khí-Công Nghệ đã tạo điềukiện thuận lợi cho em thực hiện đề tài: “N ghién cứu, tim hiểu nguyên lý hoạt động của các cảm biến trên
Cảm biến áp suất trên đường Ống nạp
Khác với hệ thống L-Jetronic, D-Jetronic xác định lượng khí nạp vào xi lanh một cách gián tiếp thông qua cảm biến áp suất tuyệt đối (MAP sensor) trên đường ống nạp Khi tải thay đổi, áp suất trong đường ống nạp cũng thay đổi, và cảm biến MAP sẽ chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện gửi về ECU để tính toán lượng không khí vào xi lanh Dựa trên giá trị này, ECU sẽ điều chỉnh thời gian mở kim phun và thời điểm đánh lửa.
Loại cảm biến này dựa trên nguyên lý cầu Wheatstone Mạch cầu
Wheatstone được sử dụng trong thiệt bị nhăm tao ra một điện thê phù hợp với sự thay đôi điện trở.
Cảm biến bao gồm một tấm silicon mỏng, với hai mép ngoài dày khoảng 0,25mm và phần giữa mỏng chỉ khoảng 0,025mm Hai mép này được làm kín, kết hợp với mặt trong của tấm silicon, tạo thành một buồng chân không trong cảm biến Mặt ngoài của tấm silicon tiếp xúc với áp suất trong đường ống nạp, trong khi hai mặt của tấm silicon được phủ thạch anh để tạo thành điện trở áp điện (Piezoresistor).
Khi áp suất đường ống nạp thay đối, giá trị của điện trở áp điện sẽ thay đồi.
Các điện trở áp điện được kết nối thành cầu Wheatstone Khi màng ngăn không bị biến dạng, tất cả bốn điện trở đều có giá trị bằng nhau, không có sự chênh lệch điện áp Khi áp suất đường ống nạp giảm, màng silicon biến dạng làm thay đổi giá trị điện trở, dẫn đến mất cân bằng cầu Wheatstone Hệ quả là xuất hiện chênh lệch điện áp giữa hai đầu cầu, tín hiệu này được khuếch đại để điều khiển mở transistor ở ngõ ra của cảm biến Độ mở của transistor phụ thuộc vào áp suất đường ống nạp, gây ra sự thay đổi điện áp gửi về ECU.
Hình 4: Hoạt động của cảm biến áp suất sau đường ống nạp.
Khí nạp vào khi độ chân không nho-khi bướm ga mở rộng.
Khí nạp vào khi độ chân không lớn-ứng với chế độ cầm chừng.
Mạch bán dẫn. b Sơ đồ mạch điện của cảm biên áp suât: ©)
Hình 5: Mạch điện cảm biến áp suất đường ống nạp.
(vy) Điện áp ngõ ra (PIM)
Hình 6: Đường đặc tuyến của MAP sensor.
Hiện nay, trên ôtô có hai loại cảm biến đo áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp với tín hiệu đầu ra khác nhau: cảm biến điện thế (được sử dụng bởi các hãng như TOYOTA, HONDA, DAEWOO, GM) và cảm biến tần số (được sử dụng bởi FORD) Đối với cảm biến áp suất điện thế, giá trị điện thế tối thiểu (khi cánh bướm ga đóng hoàn toàn) và giá trị tối đa (khi xe ở toàn tải) phụ thuộc vào từng loại xe, điều này gây khó khăn trong việc lắp đặt và thay thế.
Cảm biến nhiệt độ nước 2 ++s+E+Ex+E£EzErErExrxerees 17 4.3.3 Cảm biến nhiệt độ khí nạp .- 2-22 222222z22z22zze: 19 4.3.4 Cảm biến vị trí bướm ga - 2-52 2+2222222E222222zz2xz 20 113.3, CB ee ae oe re 22 5 PHƯƠNG PHAP VA PHƯƠNG TIỆN
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát hoạt động dựa trên nguyên lý điện trở nhiệt, một thành phần cảm nhận sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ Được chế tạo từ vật liệu bán dẫn với hệ số nhiệt điện trở âm (NTC), điện trở của cảm biến sẽ giảm khi nhiệt độ tăng và ngược lại Mặc dù các loại cảm biến nhiệt độ khác nhau hoạt động theo nguyên lý tương tự, nhưng mức độ hoạt động và sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ có thể khác nhau Sự thay đổi giá trị điện trở này sẽ dẫn đến sự thay đổi giá trị điện áp gửi đến ECU thông qua nền tảng phân áp.
VÀ, XA Bộ chuyên đôi 3 nhiệt độ : xã chuân nước
Hình 7: Mạch điện của cảm biến nhiệt độ nước.
Trên sơ đồ, điện áp 5V đi qua điện trở chuẩn (có giá trị không đổi theo nhiệt độ) đến cảm biến nhiệt trở, sau đó trở về ECU và Mass Điều này cho thấy điện trở chuẩn và nhiệt điện trở trong cảm biến tạo thành cầu phân áp, với điện áp tại điểm giữa cầu được chuyển đến bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số (ADC - Analog to Digital Converter).
Khi nhiệt độ thấp, nhiên liệu sẽ bay hơi kém, do đó cần phải sử dụng một hỗn hợp đậm hơn Điều này dẫn đến việc điện trở của nhiệt điện trở tăng lên khi nhiệt độ nước làm mát thấp, từ đó tín hiệu điện áp THW cao được gửi đến ECU.
Dựa trên tín hiệu này, ECU sẽ tăng lượng nhiên liệu phun vào làm cải thiện khả năng tải trong quá trình hoạt động của động cơ lạnh.
Ngược lại, nhiệt độ nước làm mát cao, một tín hiệu điện áp THW thấp được gởi đên ECU làm giảm lượng phun nhiên liệu. b Cấu tạo:
Thường là trụ rỗng có ren ngoài, bên trong có gắn một điện trở dạng bán dẫn có hệ sô nhiệt điện trở âm.
Cảm biến nhiệt độ nước trong động cơ làm mát bằng nước thường được lắp đặt gần bọng nước làm mát, tại vị trí gang máy Trong một số trường hợp, cảm biến cũng có thể được gắn trên nắp máy để đảm bảo theo dõi nhiệt độ hiệu quả.
Cam bién — "r-x 5 nhiệt độ E2] nước làm _ 1 mát 5
Hình 9: Mạch điện của cảm biên nhiệt độ nước. d Đường đặc tuyến:
Hình 10: Đường đặc tính của cảm biến nước làm mát.
4.3.3 Cảm biến nhiệt độ khí nạp:
Cảm biến nhiệt độ khí nạp có chức năng đo nhiệt độ của không khí nạp, tương tự như cảm biến nhiệt độ nước, bao gồm một nhiệt điện trở và được lắp trong cảm biến lưu lượng khí Thể tích và nồng độ không khí thay đổi theo nhiệt độ, do đó, mặc dù thể tích không khí đo được giống nhau, lượng nhiên liệu phun vào sẽ thay đổi theo nhiệt độ ECU lấy 20°C làm tiêu chuẩn, khi nhiệt độ cao hơn sẽ giảm lượng phun nhiên liệu và tăng lượng phun khi nhiệt độ thấp hơn, đảm bảo tỷ lệ hỗn hợp không khí — nhiên liệu phù hợp mà không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường.
- 20 = a Cầu tạo của cảm biên nhiệt độ khí nạp: Đầu ghim
Hình 11: Cảm biến nhiệt độ khí nạp. b Mạch điện của cảm biến nhiệt độ khí nạp:
Cảm biên 1 nhiệt độ =, khi nap E2 Et}
Hình 12: Mạch điện của cảm biến nhiệt độ khí nạp.
4.3.4 Cảm biến vị trí bướm ga:
Cảm biến vị trí bướm ga được lắp đặt trên cô họng gió, có chức năng chuyển đổi góc mở của bướm ga thành điện áp Tín hiệu này sau đó được gửi đến ECU như là thông tin về góc mở bướm ga.
Tín hiệu cầm chừng (IDL) đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển phun nhiên liệu khi tăng tốc và giảm tốc, đồng thời hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa Trên một số xe, cảm biến vị trí bướm ga còn hỗ trợ ECU trong việc điều khiển hộp số tự động.
Tín hiệu toàn tải (PSW) dùng để tăng lượng xăng phun ở chế độ toàn tải để tăng công suât động cơ.
Hình 13: Cảm biến vị trí bướm ga.
1 Cảm biến vị trí bướm ga 2 Chân TL.
3 Tiép diém khéng tai 4 Tiệp điêm di động.
5 Tiếp điểm toàn tải 6 Cam dân hướng. a Cấu tạo:
— Một cần xoay đồng trục với cánh bướm ga.
— Cam dẫn hướng xoay theo cần.
— Tiếp điểm di động di chuyên dọc theo rãnh của cam dẫn hướng.
Tiếp điểm toàn tải hoạt động ở chế độ cầm chừng khi cánh bướm ga đóng với góc mở nhỏ hơn i Trong trạng thái này, tiếp điểm di động sẽ tiếp xúc với tiếp điểm cầm chừng và gửi tín hiệu điện thế để thông báo tình trạng hoạt động.
ECU biết động cơ đang hoạt động ở mức cầm chừng.
Tín hiệu này được sử dụng để cắt nhiên liệu khi động cơ giảm tốc đột ngột, đặc biệt trong chế độ cầm chừng cưỡng bức Khi xe đang chạy với tốc độ cao và người lái muốn giảm tốc, việc nhả chân khỏi bàn đạp ga sẽ khiến tiếp điểm cầm chừng trong công tắc cánh bướm ga đóng lại Điều này gửi tín hiệu đến ECU, cho biết động cơ đang giảm tốc.
ECU sẽ điều khiển việc cắt nhiên liệu cho động cơ đến khi đạt tốc độ ổn định, tùy thuộc vào từng loại động cơ Trong chế độ tải lớn, khi cánh bướm ga mở từ 50° đến 70% so với vị trí đóng hoàn toàn, tiếp điểm di động sẽ tiếp xúc với tiếp điểm toàn tải, gửi tín hiệu điện đến ECU để thông báo về tình trạng tải lớn của động cơ.
Dé chống 6 nhiễm, trên các xe được trang bị bộ hoá khử (TWC-Three Way
Catalyst) Bộ hoá khử sẽ hoạt động với hiệu suât cao nhât ở tỷ lệ hoà khí lý tưởng tức À.= l1.
Cảm biến oxy là thiết bị quan trọng trong việc xác định thành phần hòa khí tức thời của động cơ Nó gửi tín hiệu điện về ECU để điều chỉnh tỷ lệ hòa khí phù hợp trong điều kiện làm việc nhất định, thuộc chế độ điều khiển kín (Closed loop control) Vị trí lắp đặt của cảm biến oxy trên động cơ cũng đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Cảm biến oxy trên động cơ, chủ yếu được chế tạo từ zirconium dioxide (ZrO2), hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ ion oxy âm tính Thiết bị này thực chất là một pin điện, với sức điện động phụ thuộc vào nồng độ oxy trong khí thải, trong đó ZrO2 đóng vai trò là chất điện phân Mặt trong của ZrO2 tiếp xúc với không khí, trong khi mặt ngoài tiếp xúc với oxy trong khí thải Mỗi mặt của ZrO2 được phủ một lớp điện cực bằng platin dẫn điện, với lớp platin mỏng và xốp cho phép oxy khuếch tán vào Khi khí thải chứa ít oxy do hỗn hợp giàu nhiên liệu, số ion oxy tại điện cực tiếp xúc khí thải sẽ ít hơn so với điện cực tiếp xúc không khí, tạo ra sự chênh lệch ion và tín hiệu điện áp khoảng 600-900mV.
-23- ion ở hai điện cực nhỏ trong trường hợp nghèo xăng, pin oxy sẽ phát ra tín hiệu điện áp thâp khoảng 100-400mV. c Câu tạo:
Hình 15: Cấu tạo cảm biến oxy ZrO2.
1 Điện trở tự nung 3 Zirconium dioxide
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 lớp platin mỏng cả trong lẫn ngoài, với lớp gốm xốp và kết dính nhằm bảo vệ platin khỏi hư hại do va chạm với các phần tử rắn trong khí thải Cảm biến được bao bọc bởi một ống kim loại bảo vệ, tại đầu mối điện uốn kép, có chứa 16 dé bù trừ áp suất và dé đỡ lò xo đĩa, giúp ngăn chặn muội than bám vào lớp gốm ZrO2 Đầu tiếp xúc khí thải của cảm biến có ống đặc biệt với cấu tạo dạng rãnh, cho phép khí thải và phân tử khí cháy đi vào mà không tiếp xúc trực tiếp với thân gốm Pin oxy với ZrO2 yêu cầu nhiệt độ làm việc trên 300°C, vì vậy để giảm thời gian chờ, người ta sử dụng cảm biến có điện trở tự nung bên trong, được cung cấp điện từ ắc quy.
5 PHUONG PHAP VA PHUONG TIEN
Đánh giá hoạt động của các cảm biến trong hệ thống điều khiển động cơ dựa trên lý thuyết và tác động của chúng đến hiệu suất động cơ là rất quan trọng Bài viết này sẽ trình bày phương pháp đo đạc và kiểm tra cụ thể trên động cơ TOYOTA - 2S, nhằm phân tích vai trò của các cảm biến trong việc tối ưu hóa hoạt động của động cơ.
5.1 Dung cu va trang bị dùng dé kiểm tra: Động co TOYOTA - 2S, số lượng: 1. Đồng hồ Volt — Ampere — Ohm, số lượng: 1.
5.2 Phương pháp tiễn hành thu thập số liệu:
5.2.1 Điện trở các cảm biến và công tắc nhiệt thời gian:
Dùng đồng hồ Volt — Ampere — Ohm dé đo (xoay nút van qua thang đo điện trở).
Không cho động cơ hoạt động, công tắc khởi động ở vị trí OFF.
Rút giắc cắm ra khỏi các bộ phận cần đo.
Dùng hai que đo của đông hô đặt vào chân ra giữa các cực của các cảm biên va công tac nhiệt thời gian.
„ 5.2.2 Do điện áp của các cảm biến, BATT — E1, +B1 — E1, +B — E1 và công tắc nhiệt thời gian:
Dùng đồng hồ do Volt — Ampere — Ohm dé đo (xoay nút vặn sang thang đo
Cac giac căm được nôi.
Công tác khởi động cần được thực hiện ở vị trí ON Tiến hành đo điện áp tại các cực ra của cảm biến, bao gồm BATT — El, +Bl — El, và +B — EI trên ECU Đảm bảo rằng hai que đo của đồng hồ đo được kết nối vào các cực tương ứng trên ECU để có kết quả chính xác.
5.3 Phương pháp xử lý số liệu đo được:
Tiên hành đo điện áp và điện trở của moi bộ phan năm lân, kiêm tra và lây giá trị trung bình dé được kết quả sau cùng.