Thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống phun xăng đa điểm động cơ TOYOTA 3S-FE

Các ký hiệu và viết tắt STT Kí hiệu và từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 1 ECU Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử 2 EFI Electronic Fuel Injection Phun nhiên liệu

LỜI NÓI ĐẦU

Hệ thống phun xăng điều khiển điện tử hiện nay đang được ứng dụng khá phổ biến trên động cơ ô tô và xe máy nhằm thay thế cho hệ thống dùng bộ chế hòa khí

do có nhiều ưu việt về tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Trong quá trình khai thác sử dụng thường xuất hiện các lỗi trong hệ thống điều khiển cần thiết phải được xác nhận nhanh chóng chính xác

Báo cáo này trình bày nội dung “Thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống phun xăng đa điểm động cơ TOYOTA 3S-FE” có bổ sung phần chẩn đoán mã lỗi và

hiển thị mã lỗi bằng màn hình LCD

Mô hình này được xây dựng dựa trên niềm đam mê, lòng quyết tâm và sự cố gắng không ngừng của 4 thành viên trong nhóm chúng em Mong muốn được tốt nghiệp và được để lại một đóng góp nho nhỏ cho Khoa của mình là niềm mơ ước

và là niềm vinh dự lớn lao không chỉ của mỗi thành viên trong nhóm

Khi thực hiện đồ án này, chúng em đã cố gắng tìm tòi, nghiên cứu các tài liệu và làm việc với nhau một cách nghiêm túc với mong muốn đạt được kết quả tốt nhất Tuy nhiên, vì bản thân còn ít kinh nghiệm nên không tránh khỏi những thiếu sót nhất định Chúng em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong khoa Cơ khí giao thông đã tận tụy truyền đạt những kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập Đặc biệt, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GVHD: PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng – Người đã quan tâm giúp đỡ cho chúng em trong suốt quá trình làm việc Và một lần nữa xin chân thành cảm ơn đến các Anh – Chị và các bạn đã đóng góp ý kiến, chia sẽ kinh nghiệm tạo điều kiện thuận lợi để nhóm hoàn thành đồ án này

Xin trân trọng biết ơn!

Đà Nẵng, ngày 15 tháng 6 năm 2012

Sinh viên Nguyễn Văn Bằng (Lớp 10C4LT) Phan Minh Nhật (Lớp 10C4LT) Trịnh Việt Quang (Lớp 10C4LT) Nguyễn Văn Thời (Lớp 10C4LT)

Các ký hiệu và viết tắt

STT Kí hiệu và

từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

1 ECU Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử

2 EFI Electronic Fuel Injection Phun nhiên liệu điện tử

3 ESA Electronic Spark Advance Đánh lửa sớm điện tử

5 RAM Radom Access Memory Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên

Electrically Erasable Programable Read Only Memory

Bộ nhớ chỉ đọc có thể xóa và lập trình bằng điện

7 DTC Diagnostic Trouble Code Mã lỗi chẩn đoán

9 MPI Multi Point Fuel Injection Phun nhiên liệu đa điểm

10 ADC Analog/Digital Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu tương

tự/số

11 MAP Manifold Absolute Pressure Cảm biến áp suất tuyệt đối

đường ống nạp

12 IAT Intake Air Temperature Nhiệt độ không khí nạp

13 MIL Malfunction Indicator Light Đèn báo sự cố

14 OBD On-Board Diagnostics Hệ thống chẩn đoán trên xe

15 RPM Revolutions Per Minute Số vòng quay trong một phút

16 TPS Throttle Position Sensor Cảm biến vị trí bướm ga

17 VSS Vehicle Speed Sensor Cảm biến tốc độ xe

1 TỔNG QUAN

1.1 Mục đích - ý nghĩa của đề tài

Việc thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống phun xăng đa điểm động cơ 3S-FE

có bổ sung phần chẩn đoán mã lỗi và hiển thị mã lỗi bằng màn hình tinh thể lỏng LCD không nằm ngoài mục đích chính của nhóm chúng em đó là hoàn thành đồ án

để tốt nghiệp ra trường Ngoài ra thiết bị này cũng là cơ sở giúp cho giáo viên có thể sử dụng để truyền đạt những kinh nghiệm, kiến thức chuyên môn về động cơ,

vi điều khiển cho sinh viên Qua đó, sinh viên dễ dàng tiếp cận và hiểu tường tận hơn về những kiến thức đã được học nhờ vào việc đo đạt, thực hành trực tiếp trên

Trên ôtô sử dụng một trong hai thiết bị là bộ chế hoà khí hoặc hệ thống phun xăng điện tử EFI để cung cấp hỗn hợp khí – nhiên liệu với một tỷ lệ chính xác đến các xylanh của động cơ tại tất cả các dải tốc độ, một bộ chế hòa khí hay hệ thống EFI (phun xăng điện tử) Cả hai hệ thống đo lượng khí nạp thay đổi theo góc mở của bướm ga và tốc độ động cơ, đều cung cấp một tỷ lệ nhiên liệu và không khí thích hợp đến các xylanh phụ thuộc vào lượng khí nạp

Do kết cấu của chế hoà khí khá đơn giản, nó đã được sử dụng trên hầu hết các động cơ xăng trước đây Mặc dù vậy, để đáp ứng các nhu cầu hiện nay về khí xả sạch hơn, tiêu hao nhiên liệu kinh tế hơn, cải thiện khả năng tải Bộ chế hòa khí ngày nay phải được lắp đặt các thiết bị hiệu chỉnh khác nhau, làm cho nó trở thành một hệ thống phức tạp hơn

Do vậy, hệ thống EFI được sử dụng thay thế cho chế hòa khí, đảm bảo tỷ lệ khí – nhiên liệu thích hợp cho động cơ bằng việc phun nhiên liệu điều khiển điện tử theo các chế độ lái xe khác nhau

1.2.2 Lịch sử phát triển

Vào thế kỷ 19, một kỹ sư người Mỹ - ông Stevan – 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 20, 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 hoả nên hay bị kích nổ và hiệu quả thấp) Tuy nhiên, sau đó sáng kiến này đã được ứng dụng thành công trong việc chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu cho máy bay ở Đức Đến năm 1966, hãng BOSCH đã 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 xupáp hút nên có tên gọi là K - Jetronic (K – Konstan - liên tục, Jetronic - phun) K - Jetronic được đưa vào sản xuất và 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 còn nhiều nhược điểm nên đầu những năm 80, BOSCH đã cho ra đời hệ thống phun xăng sử dụng kim phun điều khiển bằng điện

Có 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 chân không trên đường ống nạp)

Đến năm 1984, người Nhật (mua bản quyền của BOSCH) đã ứng dụng hệ thống phun xăng L - Jetronic và D – Jetronic trên các xe của hãng Toyota (dùng với động

cơ 4A - ELU) Đến những năm 1987, hãng Nissan dùng L - Jetronic thay bộ chế hòa khí của xe Nissan Sunny

Việc điều khiển EFI có thể được chia làm hai loại, dựa trên sự khác nhau về phương pháp dùng để xác định lượng nhiên liệu phun

Một là loại mạch tương tự, loại này điều khiển lượng phun dựa vào thời gian cần thiết để nạp và phóng một 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 1982

Loại hệ thống EFI điều khiển bằng bộ vi xử lý được sử dụng trong xe của Toyota gọi là TCCS (Toyota Computer Controled System – Hệ thống điều khiển bằng máy tính của Toyota), nó không chỉ điều khiển lượng phun mà còn bao gồm

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 Hai hệ thống này có thể được phân loại như sau:

Hình 1-1 Sơ đồ phân loại hệ thống phun xăng điện tử

Loại EFI mạch tương tự và điều khiển bằng bộ vi xử lý về cơ bản là giống nhau, nhưng có thể nhận thấy một vài điểm khác nhau như về các lĩnh vực điều khiển và

độ chính xác

1.2.3 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:

1.2.3.1 Loại CIS (Continuous Injection System)

Đây là kiểu sử dụng kim phun cơ khí, gồm 4 loại cơ bản:

+ Hệ thống K – Jectronic: việc phun nhiên liệu được điều khiển hoàn toàn bằng cơ khí

+ Hệ thống K – Jectronic có cảm biến khí thải: có thêm cảm biến oxy

+ Hệ thống KE – Jectronic: hệ thống K – Jectronic 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

1.2.3.2 Loại AFC (Air flow Controlled Fuel Injection)

Đây là kiểu 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 – Jectronic (xuất phát từ chữ Luft trong tiếng Đức nghĩa là không khí): với lượng xăng phun được tính toán dựa vào lưu lượng khí nạp lấy từ cảm biến đo gió dây nhiệt, LU – Jetronic với cảm biến gió kiểu siêu âm

Trong loại này nếu phân biệt theo vị trí lắp đặt kim phun, hệ thống phun xăng AFC được chia làm 2 loại:

+ Loại TBI (Throttle body injection) – phun đơn điểm

+ Loại MPI (Multi point fuel injection) – phun đa điểm

1.2.4 Giới thiệu một số hệ thống phun xăng điển hình

1.2.4.1 Hệ thống phun xăng điều khiển bằng cơ khí – điện tử (K-Jetronic)

Hình 1-2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống K-JETRONIC

1- Bình xăng; 2- Bơm xăng điện;3- Lọc xăng; 4- Vòi phun; 5- Xupáp; 6- Cảm biến

vị trí bướm ga; 7- Cảm biến lưu lượng không khí; 8- Cảm biến nhiệt độ nước; 9- Cảm biến tốc độ trục khuỷu; 10- Cảm biến ôxy; 11- Đường ống thải; 15- Vòi phun khởi động lạnh; 16- Đường không tải; 17- Bộ phân phối định lượng xăng; 18- Thiết bị chấp hành thuỷ điện; 20- Bộ tiết chế sưởi nóng động cơ; 21- Công tắc

Hệ thống phun xăng K-JETRONIC là hệ thống phun xăng cơ bản đối với các kiểu phun xăng điện tử hiện đại ngày nay Hệ thống K-JETRONIC là hệ thống phun nhiên liệu kiểu thủy cơ Lượng nhiên liệu cung cấp được điều khiển từ lượng không khí nạp và nó phun liên tục một lượng nhiên liệu vào cạnh xupáp nạp của động cơ

Các chế độ làm việc của động cơ đòi hỏi có sự điều chỉnh hỗn hợp cung cấp, sự điều chỉnh được thực hiện bởi hệ thống K-JETRONIC, nó đảm bảo được suất tiêu hao nhiên liệu và vấn đề độc hại của khí thải Sự kiểm tra trực tiếp lưu lượng không khí, cho phép hệ thống K-JETRONIC đạt được sự tính toán phù hợp với sự thay đổi chế độ làm việc của động cơ Để giải quyết vấn đề ô nhiễm nó được kết hợp với các thiết bị chống ô nhiễm Lượng khí thải được kiểm tra chính xác bằng lượng không khí nạp vào động cơ

Kiểu K-JETRONIC được quan niệm có gốc giống như một hệ thống hoàn toàn bằng cơ khí, trong thực tế nó được kết hợp với các thiết bị điện tử để điều khiển hỗn hợp khí nạp

Hệ thống K-JETRONIC bao gồm các chức năng sau:

- Cung cấp nhiên liệu

- Đo lưu lượng dòng không khí nạp

- Định lượng và phân phối nhiên liệu

* Cung cấp nhiên liệu: Dùng một bơm điện để cung cấp nhiên liệu, nhiên liệu

sau khi qua bộ lọc và bộ tích năng nó sẽ được định lượng và phân phối đến các kim phun của động cơ

* Đo lường lưu lượng dòng không khí nạp: Lượng không khí nạp của động cơ

được điều khiển bởi cánh bướm ga và được kiểm tra bởi bộ đo lưu lượng khí nạp

* Định lượng và phân phối nhiên liệu: lượng không khí nạp được xác định bởi

vị trí của cánh bướm ga và được kiểm tra bởi bộ đo lưu lượng không khí, từ đó nó điều khiển sự định lượng và phân phối nhiên liệu Bộ đo lưu lượng không khí và

bộ định lượng phân phối nhiên liệu thành bộ tiết chế hỗn hợp

Kim phun nhiên liệu phun liên tục độc lập ở xupáp nạp, ở quá trình nạp hỗn hợp

dự trữ này sẽ được cung cấp vào các xylanh của động cơ

Sự làm giàu hỗn hợp trong hệ thống có vai trò quan trọng trong khi thay đổi chế

độ làm việc của động cơ như tăng tốc, cầm chừng, đầy tải và khởi động

Như sơ đồ khối mô tả đường đi của không khí và nhiên liệu Không khí đi từ lọc gió đến cảm biến lưu lượng không khí, rồi sau đó qua cánh bướm ga vào động

cơ tại thời điểm xupáp nạp mở còn nhiên liệu đi từ thùng chứa nhiên liệu được

bơm xăng hút lên đi qua lọc xăng, bộ tích năng, để tới bộ định lượng và phân phối nhiên liệu Tại đây nhiên liệu được chia ra cho các xylanh với một lượng thích hợp

Sau đây là sơ đồ khối thể hiện phương pháp tạo hỗn hợp trên động cơ phun xăng rất cơ bản

Hình 1-3 Sơ đồ khối của hệ thống phun xăng K-JETRONIC

Kim phun Nhiên liệu

Đường ống nạp

Buồng đốt

1.2.4.2 Hệ thống phun xăng điện tử D- Jetronic

Hình 1-4 Sơ đồ động cơ phun xăng điện tử 1- Cảm biến tốc độ; 2- Bảng đồng hồ; 3- Rơle đèn hậu; 4- Rơle bộ sấy kính; 5- Khoá điện; 6- Rơle mở mạch; 7- Đèn CHECK ENGINEE; 8- Khuếch đại điều hoà; 9- Ắcquy; 10- ECU động cơ; 11- Bộ chia điện và IC đánh lửa; 12- Biến trở; 13- Cảm biến Oxy; 14- TWC; 15- Cảm biến nhiệt độ nước; 16- Cảm biến kích nổ; 17- Vòi phun; 18- Bộ điều áp; 19- Cảm biến vị trí bướm ga; 20- Cảm biến nhiệt độ khí nạp; 21- Van ISC; 22- Cảm biến áp suất đường ống nạp; 23- Bình xăng; 24- Bơm nhiên liệu; 25- Giắc kiểm tra; 26- Công tắc khởi động trung gian

Các chức năng của hệ thống điều khiển động cơ bao gồm EFI, ESA và ISC chúng điều khiển các tính năng cơ bản của động cơ, chức năng chẩn đoán, chức năng dự phòng và an toàn chỉ hoạt động khi có trục trặc trong các hệ thống điều khiển này

Ngoài ra thiết bị điều khiển phụ trên động cơ như hệ thống điều khiển khí nạp… Chức năng này đều được điều khiển bằng ECU động cơ

1110

23

24

26 25

9 8

7

6

54

12

1

* Chức năng của hệ thống điều khiển:

- Đối với hệ thống phun xăng điện tử (EFI):

Một bơm nhiên liệu cung cấp đủ nhiên liệu dưới một áp suất không đổi đến các vòi phun

Các vòi phun sẽ phun một lượng nhiên liệu định trước vào đường ống nạp theo tín hiệu từ ECU động cơ ECU động cơ nhận các tín hiệu từ rất nhiều cảm biến khác nhau thông báo về sự thay đổi của các chế độ hoạt động của động cơ như: + Áp suất đường ống nạp (PIM)

1 Vòi phun; 2- ECU; 3- Các cảm biến

- Đối với hệ thống đánh lửa sớm (ESA):

ECU động cơ lập trình với số liệu để đảm bảo thời điểm đánh lửa tối ưu dưới

do các cảm biến theo dõi các chế độ hoạt động của động cơ cung cấp như mô tả dưới đây ECU động cơ sẽ gởi tín hiệu IGT (thời điểm đánh lửa) đến IC đánh lửa

để phóng tia lửa điện tại thời điểm chính xác

1- Bugi; 2- Bộ chia điện; 3- Cuộn đánh lửa và IC đánh lửa; 4- ECU động cơ;

5- Các cảm biến

- Đối với hệ thống điều khiển tốc độ không tải (ISC):

ECU động cơ lập trình với các giá trị tốc độ động cơ tiêu chung tương ứng với các điều kiện như sau:

+ Nhiệt độ nước làm mát

+ Điều hòa không khí (A/C)

Các cảm biến truyền tín hiệu đến ECU nó sẽ điều khiển dòng khí bằng van ISC, chạy qua đường khí phụ và điều chỉnh tốc độ không tải đến giá trị tiêu chuẩn

* Chức năng chẩn đoán:

ECU động cơ thường xuyên theo dõi các tín hiệu gởi đến từ các cảm biến khác nhau Nếu nó phát hiện ra bất kỳ sự sai khác nào trong các tín hiệu đầu vào so với tín hiệu chuẩn được nhà chế tạo cài đặt sẳn trong ECU, lập tức ECU động cơ sẽ lưu dữ liệu này trong bộ nhớ của nó và bật sáng đèn “CHECK ENGINE” Khi cần thiết nó sẽ hiển thị hư hỏng bằng cách nháy đèn “CHECK ENGINE” qua dụng cụ quét hay phát ra tín hiệu điện áp

này cho phép nó điều khiển được động cơ nên tiếp tục được hoạt động bình thường của xe

* Chức năng dự phòng:

Nếu thậm chí trong trường hợp một phần của ECU không hoạt động, chức năng

dự phòng vẫn có thể tiếp tục điều khiển việc phun nhiên liệu và thời điểm đánh lửa Điều này cho phép nó điều khiển động cơ nên tiếp tục được hoạt động bình thường của xe

ECU động cơ còn điều khiển cả hệ thống điều khiển khí và các hệ thống phụ khác

1.2.4.3 Hệ thống phun xăng điện tử L- Jetronic

Hình 1-7 Sơ đồ nguyên lý HTPX điện tử L –JETRONIC 1- Bình xăng; 2- Bơm xăng điện; 3- Lọc xăng; 4- Vòi phun; 5- Bộ ổn định áp suất; 6- Cảm biến vị trí bướm ga; 7- Cảm biến lưu lượng không khí; 8- Cảm biến nhiệt

độ nước; 9- Cảm biến vị trí trục khuỷu; 10- Cảm biến ôxy; 11- Đường ống thải; 12- Lọc không khí; 13- Cảm biến nhiệt độ không khí; 14- Bộ tích tụ xăng

L - JETRONIC là hệ thống phun xăng nhiều điểm điều khiển bằng điện tử Xăng được phun vào cửa nạp của xylanh động cơ theo từng lúc chứ không phải liên tục quá trình phun xăng và định lượng nhiên liệu được thực hiện nhờ kết hợp hai kỹ thuật: đo trực tiếp khối lượng không khí nạp và các khả năng điều khiển đặc biệt của điện tử

Chức năng của hệ thống phun xăng là cung cấp cho từng xylanh động cơ một lượng xăng chính xác đáp ứng nhu cầu tải trọng của động cơ Một loạt các cảm biến ghi nhận dữ kiện về chế độ làm việc của ôtô chuyển đổi các dữ kiện này thành tín hiệu điện Sau đó các tín hiệu này được nhập vào bộ xử lý và bộ điều khiển trung tâm ECU ECU sẽ xử lý, phân tích các thông tin nhận được và tính toán chính xác lượng xăng cần phun ra, lưu lượng xăng phun ra được ấn định do thời lượng mở van của vòi phun xăng

Một bơm xăng cung cấp nhiên liệu cho động cơ và tạo áp suất đủ mạnh để phun vào xylanh Các vòi phun xăng phun nhiên liệu vào cửa nạp của từng xylanh dưới

sự điều khiển của bộ xử lý và điều khiển trung tâm ECU Hệ thống phun xăng điện

tử L-JETRONIC bao gồm các hệ thống chức năng cơ bản sau đây:

+ Hệ thống cung cấp nhiên liệu

+ Hệ thống ghi nhận thông tin về chế độ hoạt động của động cơ

+ Hệ thống định lượng nhiên liệu

Hệ thống cung cấp nhiên liệu đảm trách 3 chức năng:

+ Hút xăng từ buồng chứa để bơm đến các vòi phun

+ Tạo áp suất cần thiết để phun xăng

+ Duy trì ổn định áp suất nhiên liệu trong hệ thống

Hệ thống ghi nhận thông tin:

Một loạt các cảm biến ghi nhận các thông tin về chế độ làm việc khác nhau của động cơ Thông tin quan trọng nhất là khối lượng không khí nạp vào động cơ, thông tin này được ghi nhận nhờ bộ cảm biến khối lượng không khí nạp Các bộ cảm biến khác ghi nhận thông tin về vị trí bướm ga mở lớn hay mở nhỏ, về vận tốc trục khuỷu động cơ, về nhiệt độ không khí nạp và nhiệt độ động cơ

Hệ thống định lượng nhiên liệu:

Bộ xử lý và điều khiển trung tâm ECU tiếp nhận thông tin của các bộ cảm biến nói trên, đánh giá xử lý thông tin này, lọc vào khuếch đại thành những tín hiệu ra, sau đó đưa đến các vòi phun điều khiển mở van phun xăng

* Nhận xét, đánh giá các loại hệ thống phun xăng điện tử so với động cơ dùng bộ chế hoà khí trước đây:

Qua trình bày các loại hệ thống phun xăng điển hình nêu trên chúng ta thấy rằng

hệ thống nhiên liệu phun xăng điện tử nói chung có nhiều ưu điểm hơn so với hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hoà khí Trong đó loại D-Jetronic có những ưu điểm hơn như sau:

 Tiết kiệm nhiên liệu hơn

Trong hệ thống cung cấp nhiên liệu bằng bộ chế hòa khí do nơi kết cấu chia cắt của ống góp hút, các xylanh nhận được khí hỗn hợp không đồng nhất Công tạo ra trong thì nổ của các xylanh không đều nhau, gây ra sự hao tổn nhiên liệu Trong hệ thống D-JETRONIC mỗi xylanh được bố trí một vòi phun xăng Các vòi phun xăng của động cơ được điều khiển do cùng một bộ xử lý điều khiển trung tâm, nhờ vậy các xylanh động cơ được cung cấp lượng xăng đồng nhất ở bất cứ chế độ hoạt động nào của ôtô

 Thích nghi với các chế độ tải trọng khác nhau:

Hệ thống phun xăng điện tử D-JETRONIC có khả năng đáp ứng việc cung cấp nhiên liệu cho động cơ ở tất cả chế độ và tải trọng thay đổi khác nhau của ôtô Đặc biệt là đáp ứng và can thiệp cực nhanh, bộ điều chỉnh và điều khiển trung tâm ECU điều khiển vòi phun xăng vào xylanh trong thời gian cực nhanh tính bằng phần ngàn của giây

 Giảm lượng độc hại trong khí thải

Hệ thống D-JETRONIC có khả năng cung cấp hỗn hợp với tỷ lệ xăng – không khí tối ưu, đáp ứng đúng về yêu cầu vấn đề môi trường ngày nay của quốc

tế

 Công suất cao

Trên động cơ dùng bộ chế hòa khí, cho dù ống góp hút được thiết kế đúng quy luật khí động học, hệ số nạp vào xylanh vẫn thấp Nguyên nhân là khí hỗn hợp có lẫn xăng nặng nên lưu thông khó Đối với hệ thống phun xăng chỉ có không khí lưu thông trong ống góp hút không khí nhẹ nên lưu thông nhanh và nhiều hơn, xăng được phun thẳng vào cửa nạp của xylanh, nhờ vậy hệ số nạp lớn kết quả là công suất động cơ tăng

* Kết luận: Qua việc tìm hiểu về những hệ thống phun xăng điển hình trên đây

xét về những ưu, nhược điểm của từng hệ thống ta thấy trên động cơ Toyota 3S-FE

sử dụng hệ thống nhiên liệu loại D-JETRONIC

1.3 Cơ sở lý thuyết của hệ thống phun xăng

Quá trình tạo hỗn hợp cháy được coi là có chất lượng cao khi nó thoả mãn được những yêu cầu sau:

- Nhiên liệu phải được hòa trộn đều với toàn bộ lượng khí có trong buồng cháy, hay nói cách khác: hỗn hợp cháy phải đồng nhất

- Hỗn hợp cháy phải được phân bố đồng đều cho các xylanh của động cơ nhiều xylanh

1.3.1 Tỷ lệ nhiên liệu – không khí

Hệ thống nhiên liệu trên động cơ xăng có chức năng làm thay đổi tỷ lệ nhiên

liệu – không khí; để có được tỷ lệ hỗn hợp khí tối ưu cho mọi chế độ làm việc khác nhau của động cơ Thông thường một gam nhiên liệu hòa lẫn với 15 gam không khí, ta có tỷ lệ 1/15 Hỗn hợp khí với tỷ lệ 1/13 gọi là giàu nhiên liệu và 1/17 gọi là nghèo nhiên liệu (1/17<1/15<1/13)

Hình 1-8 cho ta thấy đường biểu diễn thành phần hỗn hợp khí cung cấp cho động cơ trong các chế độ làm việc khác nhau Lúc khởi động trời lạnh, tỷ lệ hỗn hợp khí là 1/9, trong chế độ chạy cầm chừng 1/12, ở vận tốc trung bình hỗn hợp khí nghèo nhiên liệu hơn vào khoảng 1/15 Lúc lái xe tăng tốc, tỷ lệ hỗn hợp khí được thể hiện bằng các đường cong đứt quãng, khi mở lớn tối đa bướm ga hỗn hợp khí cũng được thêm xăng Việc thay đổi tỷ lệ hỗn hợp khí nhằm mục đích luôn luôn nạp đủ nhiên liệu vào xylanh

Hình 1-8 Đường biểu diễn thành phần hỗn hợp khí cung cấp cho động cơ

ở nhiều chế độ tải khác nhau

1.3.2 Tỷ lệ hỗn hợp khí lý tưởng

Tỷ lệ hỗn hợp khí lý tưởng 1/14,7 được giới thiệu ở hình 1-9 Gọi là lý tưởng bởi vì lượng oxy trong không khí của hỗn hợp khí này hoàn toàn thích ứng với lượng hydro trong nhiên liệu giúp cho quá trình cháy của hỗn hợp khí được hoàn chỉnh nhất Sẽ xảy ra tình trạng nhiều nhiên liệu đối với hỗn hợp khí có tỷ lệ 1/14, cũng như quá trình dư thừa oxy đối với hỗn hợp có tỷ lệ 1/16

Nhằm làm giảm tình trạng ô nhiễm môi trường, ôtô thế hệ mới được trang bị bầu hóa khử (catalytic converter) Để bộ này có thể hoạt động được tốt, đòi hỏi phải duy trì tỷ lệ hỗn hợp khí ở mức lý tưởng 1/14,7

Hình 1-9 Ngưỡng cửa của tỷ lệ nhiên liệu – không khí cần phải duy trì nhằm giúp bộ xúc tác hoá khử ba chức năng hoạt động tốt

1.3.3 Hệ số dư lượng không khí λ

Để chỉ rõ mức độ sai biệt giữa tỷ lệ nhiên liệu – không khí cung cấp thực tế cho động cơ so với tỷ lệ hỗn hợp lý tưởng (1/14,7) người ta chọn hệ số dư lượng λ

λ = Lượng không khí nạp/Lượng không khí yêu cầu lý tưởng

Trên hình 1-10 giới thiệu đồ thị về ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí λ đối với công suất P và suất tiêu hao nhiên liệu ge Ta tìm hiểu ảnh hưởng này như sau:

Hình 1-10 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí λ đối với công suất P

Hiệu suất hoá khử %

+ λ = 1: Lượng không khí nạp bằng lượng không khí yêu cầu lý tưởng Hệ số

dư lượng không khí này sẽ cho một tỷ lệ hỗn hợp khí lý tưởng và cho phép động

+ λ > 1,3: Hỗn hợp quá nghèo nhiên liệu, không thể tiếp tục cháy được + λ = 0,95  0,85: Hỗn hợp cháy tốt, phát huy hết công suất tối đa cho động

cơ Lượng không khí thiếu so với lý tưởng khoảng 5% - 15%

+ λ = 1,1  1,2: Suất tiêu hao nhiên liệu bé tối đa, dư lượng không khí khoảng 20%

+ λ = 0,85  0,75: Thiếu khoảng 15% - 25% không khí Động cơ nổ chuyển tiếp tốt Chuyển tiếp có nghĩa là thay đổi từ chế độ làm việc này sang chế độ làm việc khác

1.3.4 Tính đồng nhất của hỗn hợp cháy

Hỗn hợp cháy được gọi là đồng nhất khi nó có thành phần như nhau tại mọi khu vực trong buồng cháy Để được trạng thái này, nhiên liệu phải bốc hơi hoàn toàn

và hoà trộn đều với lượng khí trong xylanh

Mức độ đồng nhất của hỗn hợp cháy có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, công suất và hàm lượng các chất độc hại trong khí xả Hỗn hợp cháy càng đồng nhất thì lượng không khí thực tế cần thiết để đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng nhiên liệu sẽ càng nhỏ Nói cách khác, độ đồng nhất càng lớn thì động cơ có thể làm việc với hỗn hợp cháy có hệ số dư lượng không khí càng nhỏ mà vẫn đảm bảo yêu cầu đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu Nếu hỗn hợp cháy không đồng nhất, sẽ có những khu vực trong buồng đốt thiếu hoặc thừa oxy Tại khu vực thiếu oxy, nhiên liệu cháy không hoàn toàn sẽ làm giảm hiệu suất nhiệt của động cơ và làm tăng hàm lượng các chất độc hại trong khí thải Việc thừa oxy quá mức cũng làm giảm hiệu suất của động cơ do phải tiêu hao năng lượng cho việc sấy nóng, nạp và xả phần không khí dư quá mức, đồng thời làm giảm hiệu quả sử dụng dung tích công tác của xylanh

Độ đồng nhất của hỗn hợp cháy được quyết định bởi các yếu tố: Tính chất vật lý của nhiên liệu (tính hoá hơi, sức căng bề mặt, độ nhớt), nhiệt độ không khí của bề

mặt tiếp xúc với hỗn hợp cháy (vách đường ống nạp, đỉnh pittông, thành xylanh), chuyển động rối của khí trong đường ống nạp và trong xylanh

Các biện pháp để nâng cao tính đồng nhất của hỗn hợp cháy thường được sử dụng là:

+ Sấy nóng đường nạp để xăng hoá hơi nhanh

+ Phun xăng thành những hạt có kích thước nhỏ

+ Tạo ra vận động rối của môi chất công tác trong đường ống nạp và xylanh bằng cách thiết kế đường ống nạp, buồng cháy có kích thước, cấu tạo hợp lý

1.3.5 Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp cháy đến công suất (N e ) và suất tiêu hao nhiên liệu (g e ) của động cơ

Hình 1-11 giới thiệu dạng điển hình của đường Ne và ge theo đặc tính điều chỉnh hỗn hợp cháy của động cơ xăng, tức là đường cong thể hiện đặc điểm biến thiên của Ne và ge theo λ khi động cơ chạy ở tốc độ quay không đổi trong điều kiện giữ nguyên vị trí bướm ga

Theo đặc tính điều chỉnh hỗn hợp cháy của động cơ xăng, Ne giảm dần theo chiều tăng của λ do tốc độ cấp nhiệt giảm Khi hỗn hợp cháy được làm đậm dần, công suất của động cơ sẽ tăng và đạt trị số cực đại ứng với λ = λN, tại đó lượng nhiên liệu được tăng thêm do giảm λ cân bằng với lượng nhiên liệu cháy không hoàn toàn do thiếu oxy Nếu tiếp tục làm đậm hỗn hợp cháy, công suất của động cơ giảm do chất lượng quá trình cháy bị ảnh hưởng, nhiên liệu cháy không hoàn toàn

Về phương diện hiệu quả biến đổi năng lượng, ge sẽ giảm mạnh theo chiều tăng của λ trong phạm vi λ < 1 do lượng nhiên liệu cháy không hoàn toàn giảm Trị số của hệ số dư lượng không khí ứng với suất tiêu hao nhiên liệu cực tiểu (λg) tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố như: tải, tốc độ quay, giới hạn loãng có ích Nếu tiếp tục làm loãng hỗn hợp cháy (λ > λg) suất tiêu thụ nhiên liệu sẽ tăng do tốc độ cháy giảm, quá trình cháy không ổn định

Hình 1-11 Ảnh hưởng của λ đến Ne và ge của động cơ xăng

1.3.6 Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp cháy tới hiệu suất của động cơ

Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp cháy tới hiệu suất của động cơ xăng được thể hiện trên hình 1-12 Đường nét đứt biểu diễn đặc điểm biến thiên của hiệu suất

lý thuyết (t) theo λ; t sẽ giảm nhanh khi λ giảm trong khu vực λ ≤ 1 do phần nhiên liệu cháy không hoàn toàn tăng Ở khu vực λ ≥ 1, nhiên liệu cháy hoàn toàn

và nhiệt lượng chu trình là không đổi (Q = Const)

Mặc khác, theo chiều tăng của λ trong vùng λ ≥ 1, nhiệt dung riêng của môi chất công tác sẽ giảm vì cả lượng nhiệt của chu trình ứng với một đơn vị số lượng khí mới, nhiệt độ của môi chất công tác trong quá trình cháy và giãn nở, hàm lượng tương đối của các khí nhiều nguyên tử (CO2, H2O) đều giảm Kết quả là hệ số đoạn nhiệt (K) sẽ tăng đôi chút và làm cho hiệu suất lý thuyết tăng nhẹ theo chiều tăng của λ

Ở động cơ thực tế, hiệu suất chỉ thị (t) cũng sẽ tăng khi hỗn hợp cháy được làm loãng dần do hiệu suất lý thuyết tăng (I = t.t - i) Tuy nhiên, khác với hiệu suất

lý thuyết, hiệu suất chỉ thị chỉ tăng đến một giá trị nhất định, tại đó quá trình cháy nhiên liệu vẫn diễn ra bình thường Khi hỗn hợp cháy quá loãng, quá trình cháy nhiên liệu sẽ diễn ra chậm và không ổn định, có thể có hiện tượng “bỏ lửa”, tất cả những yếu tố đó đều góp phần làm giảm hiệu suất chỉ thị của động cơ Thành phần hỗn hợp cháy ứng với giá trị cực đại của hiệu suất chỉ thị được gọi là giới hạn làm loãng có ích λe Giá trị của λe phụ thuộc vào nhiều yếu tố cấu tạo và vận hành như sau: loại buồng đốt, số lượng bugi, năng lượng của tia lửa điện, nhiệt độ và áp suất tại thời điểm đốt cháy nhiên liệu

Hình 1-12 Ảnh hưởng của λ đến t và i 1- Với tải bộ phận; 2- Với 100% tải; 3- Với 2 bugi cho mỗi xilanh;

4- Với khí mới phân lớp; 5- Với buồng đốt trước

1.3.7 Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp cháy đến độ độc hại của khí thải

Thành phần hỗn hợp cháy cũng ảnh hưởng rõ rệt đến độ độc hại của khí thải Hình 1-13 giới thiệu ảnh hưởng của hỗn hợp cháy đến nồng độ một số thành phần độc hại trong khí thải của động cơ xăng

Hình 1-13 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí λ đối với thành phần hơi độc trong khí thải ôtô Qua đồ thị ta thấy khi động cơ phải làm việc với hỗn hợp đậm (lúc đó λ ≤ 1), trong trường hợp này do thiếu oxy nên sinh ra nhiều khí độc như hyđro cacbon (HC) do nhiên liệu cháy không hết và cacbon monoxit (CO) do nhiên liệu cháy không hoàn toàn Ngược lại, nếu hỗn hợp khí nhiều xăng sẽ sinh ra khí độc oxit nitrogen (NOx) Hàm lượng NOx trong khí thải có giá trị cực đại khi λ = (1,05  1,1) Khi nhiên liệu loãng được đốt cháy hoàn toàn (λ ≥ 1) sản phẩm cháy sẽ gồm:

CO , H O, O còn thừa và N của không khí

1.3.8 Sự phân bố hỗn hợp cháy giữa các xylanh

Thực trạng cho thấy rằng thành phần hoà khí cung cấp cho từng xylanh riêng

biệt không giống hệt nhau cả về chất và lượng Nguyên nhân chính là do khi nhiên

liệu chuyển động dọc theo đường ống nạp, thì có một màng mỏng nhiên liệu được

tạo thành dọc theo vách ống ở một tỷ lệ thấp so với lượng hỗn hợp cháy ở dạng

hơi Điều đó dẫn đến kết quả mỗi xylanh riêng biệt nhận được một lượng nhiên

liệu không giống nhau về lượng cũng như về chất Thực nghiệm cũng chỉ ra thành

phần hoà khí không đồng đều theo từng lượng nhỏ riêng biệt về thành phần chống

kích nổ của nhiên liệu

Sự phân bố không đồng đều hỗn hợp cháy cho các xylanh sẽ dẫn đến những hậu

quả sau đây:

- Giảm công suất danh nghĩa và tăng suất tiêu hao nhiên liệu

- Phụ tải cơ và phụ tải nhiệt không đồng đều ở các xylanh

- Có thể xuất hiện hiện tượng kích nổ ở một số xylanh do thành phần chưng

cất của nhiên liệu ở những xylanh đó có trị số octane nhỏ

- Tăng hàm lượng các chất độc trong khí thải

- Mức độ khác nhau về số lượng giữa lượng nhiên liệu chu trình ở các xylanh của cùng một động cơ được đặc trưng bằng đại lượng “độ định lượng

không đồng đều gct”

Các biện pháp thông thường được sử dụng nhằm hạn chế độ định lượng không

đồng đều ở các động cơ xăng bao gồm:

- Kết cấu hệ thống nạp hợp lý

- Sấy nóng đường ống nạp bằng nhiệt của khí thải để tăng cường sự bay hơi

của nhiên liệu trong đường ống nạp

- Sử dụng hệ thống phun xăng nhiều điểm

* Kết luận:

Qua phân tích trên ta thấy rằng quá trình tạo hỗn hợp cháy ở động cơ xăng có

ảnh hưởng trực tiếp đến hàng loạt các chỉ tiêu công tác của động cơ như: Hiệu

suất, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, độ độc hại khí thải, tính năng khởi động,

sự làm việc ổn định Do đó, muốn cho hỗn hợp cháy có chất lượng tốt thì phải

đảm bảo các điều kiện sau:

- Tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu thể hiện qua hệ số dư lượng không khí

phải thích hợp với từng chế độ làm việc của động cơ

- Nhiên liệu trong hỗn hợp cháy phải giúp cho quá trình cháy tốt nhất, tức là nhiên liệu phải ở trạng thái hơi, phần nhiên liệu chưa bốc hơi phải là hạt có kích thước nhỏ

- Tăng khả năng phân bố đồng đều hỗn hợp cháy cho các xylanh

Như vậy, hệ thống tạo hỗn hợp cháy ở động cơ xăng cần đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Phải tạo được hỗn hợp cháy có thành phần cần thiết cho mọi chế độ làm việc của động cơ Các chế độ bình thường phải đảm bảo tiết kiệm nhiên liệu Khi chạy ở chế độ toàn tải phải đảm bảo động cơ phát ra công suất lớn nhất

+ Có thể điều chỉnh lượng hỗn hợp cháy và thành phần hỗn hợp cháy theo chế độ làm việc của động cơ

+ Trong mọi điều kiện khí hậu phải đảm bảo cho động cơ dễ khởi động và giữ cho động cơ làm việc ở chế độ không tải với tốc độ quay thấp Dễ điều chỉnh theo trạng thái kỹ thuật và điều kiện sử dụng của động cơ

+ Cấu tạo đơn giản, gọn, bền

+ Dễ bảo dưỡng

Cho đến những năm 1960, hầu hết động cơ xăng được trang bị hệ thống tạo hỗn hợp cháy bằng bộ chế hòa khí Trong những thập niên gần đây nhờ tiến bộ của khoa học kỹ thuật cũng như những đòi hỏi khắc khe về độ độc hại khí thải mà hệ thống tạo hỗn cháy bằng cách phun xăng được ra đời, mà đỉnh cao là hệ thống phun xăng được điều khiển bằng điện tử

1.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử EFI

Ở đây chúng ta chỉ giới thiệu cơ bản nguyên lý hoạt động chung của hệ thống phun xăng điện tử EFI, còn kết cấu và nguyên lý làm việc của từng thiết bị thì sẽ được giới thiệu rõ hơn ở phần sau của bản thuyết minh này

EFI có thể chia thành ba hệ thống: Hệ thống nhiên liệu và hệ thống nạp khí, hệ thống điều khiển điện tử Hệ thống điều khiển EFI cũng có thể được chia thành điều khiển phun nhiên liệu cơ bản và điều khiển hiệu chỉnh Ba hệ thống này sẽ được mô tả chi tiết sau đây:

Hình 1-14 Sơ đồ tổng quát hệ thống EFI

1.4.1 Điều khiển phun cơ bản

Các thiết bị phun cơ bản duy trì một tỷ lệ tối ưu (gọi là tỷ lệ lý thuyết) của

không khí và nhiên liệu hút vào trong các xylanh Để thực hiện được điều đó, nếu

có sự gia tăng lượng khí nạp, lượng nhiên liệu phun vào cũng phải gia tăng tỷ lệ hoặc là nếu lượng khí nạp giảm xuống, lượng nhiên liệu phun ra cũng giảm xuống

CB nhiệt lưu lượng khí

Hệ thống Nạp khí

Bơm nhiên liệu

Lọc nhiên liệu

Các vòi phun Vòi phun KĐ lạnh Nhiên liệu

Bộ điều áp

Hệ thống

điều khiển điện tử

Cảm biến nhiệt độ nước

1.4.1.1 Dòng không khí

Khi bướm ga mở ra, dòng không khí từ lọc gió đến các xylanh sẽ qua cảm biến

lưu lượng gió, bướm ga và đường ống nạp Khi dòng không khí đi qua cảm biến lưu lượng gió, nó sẽ ấn mở tấm đo Lượng không khí được cảm nhận bằng độ mở của tấm đo

Hỗn hợp khí – nhiên liệu

1.4.1.2 Dòng nhiên liệu

Nhiên liệu được nén lại nhờ bơm nhiên liệu chạy bằng điện và chảy đến các vòi phun qua bộ lọc Mỗi xylanh có một vòi phun, nhiên liệu được phun ra khi van điện từ của nó mở ngắt quãng Do bộ ổn định áp suất giữ cho áp suất nhiên liệu không đổi nên lượng nhiên liệu phun ra được điều khiển bằng cách thay đổi khoảng thời gian phun Do vậy, khi lượng khí nạp nhỏ, khoảng thời gian phun ngắn còn khi lượng khí nạp lớn, khoảng thời gian phun dài hơn

Hình 1-17 Sơ đồ dòng nhiên liệu

1.4.1.3 Cảm nhận khí nạp

Bướm ga điều khiển lượng khí nạp vào động cơ Bướm ga mở lớn thì lượng khí lớn hơn sẽ được nạp vào các xylanh Khi tốc độ thấp, dòng khí nạp sẽ nhỏ và tấm

đo chỉ mở ra một chút Vậy tốc độ cao và dải tải nặng, dòng khí sẽ lớn hơn và tấm

đo sẽ theo đó mở rộng hơn

Hình 1-18 Lượng khí nạp ở các chế độ

1.4.1.4 Điều khiển lượng phun cơ bản

Lượng không khí cảm nhận tại cảm biến đo lưu lượng gió được chuyển hoá

thành điện áp, điện áp này được gửi đến ECU như một tín hiệu

Tín hiệu đánh lửa sơ cấp theo số vòng quay động cơ cũng được gửi đến ECU từ cuộn dây đánh lửa ECU sau đó tính toán bao nhiêu nhiên liệu cần cho lượng khí

đó và thông báo cho mỗi vòi phun bằng thời gian mở van điện từ Khi van điện từ của vòi phun mở ra, nhiên liệu sẽ được phun vào đường ống nạp

Hình 1-19 ECU nhận các tín hiệu

1.3.1.5 Thời điểm và khoảng thời gian phun

Tín hiệu từ cuộn đánh lửa chỉ thị số vòng quay của động cơ và làm cho tất cả các vòi phun sẽ đồng thời phun nhiên liệu tại mỗi vòng quay của trục khuỷu Động

cơ bốn kỳ sẽ thực hiện các kỳ nạp, nén, nổ, xả trong mỗi vòng quay của trục khuỷu

Hình 1-20 Thời gian và thời điểm phun

Khoảng thời gian của mỗi lần phun chỉ cần một nửa yêu cầu, do vậy nó phun hai lần để cung cấp một lượng nhiên liệu chính xác cho quá trình cháy của một chu

* Kết luận:

Tuỳ theo tốc độ động cơ và lượng khí nạp đo được tại cảm biến lưu lượng khí ECU sẽ thông báo cho các vòi phun bao nhiêu nhiên liệu cần phun và hỗn hợp khí – nhiên liệu được tạo ra bên trong đường ống nạp Khái niệm “lượng phun cơ bản” được sử dụng để chỉ lượng nhiên liệu cần phun để tạo ra tỷ lệ hỗn hợp lý thuyết

Hình 1-21 Sơ đồ tổng quát hệ thống phun xăng

1.4.2 Điều khiển hiệu chỉnh

Như vậy, hoạt động cơ bản của các thiết bị cần cho việc tạo ra hỗn hợp khí – nhiên liệu lý thuyết đã được mô tả Tuy nhiên, động cơ sẽ không hoạt động tốt chỉ với lượng phun cơ bản Đó là bởi vì động cơ phải vận hành dưới nhiều chế độ và

do đó nó cần có một vài thiết bị hiệu chỉnh để điều chỉnh tỷ lệ khí – nhiên liệu tuỳ theo chế độ khác nhau này Ví dụ, khi động cơ còn lạnh dưới tải nặng, cần có hỗn hợp đậm hơn Hệ thống EFI sẽ thay đổi tỷ lệ khí – nhiên liệu theo các chế độ hoạt động của động cơ theo cách giống như chế hoà khí thay đổi hỗn hợp khí – nhiên liệu bằng bướm gió và hệ thống trợ tải Có 2 phương pháp để hiệu chỉnh tỷ lệ khí – nhiên liệu Một được coi là “hiệu chỉnh đậm”, ECU hoạt động để tăng lượng phun Phương pháp khác là các thiết bị phụ trợ sẽ thực hiện cùng một chức năng mà không liên quan đến ECU

1.4.2.1 Hiệu chỉnh

Rất nhiều loại thông tin về các chế độ hoạt động của động cơ (ví dụ: nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí nạp ) được chuyển đến ECU từ các cảm biến để thêm vào thông tin về lượng khí nạp từ cảm biến lưu lượng khí và tốc độ động cơ từ

cuộn đánh lửa ECU sẽ tăng lượng nhiên liệu dựa trên các thông tin này Nói một cách khác, thậm chí lượng khí nạp không đổi, thì lượng nhiên liệu do các vòi phun phun ra vẫn tăng hay giảm tuỳ theo các chế độ hoạt động của động cơ

1.4.2.2 Các thiết bị phụ

Có 2 thiết bị phụ để hiệu chỉnh tỷ lệ khí – nhiên liệu, một vòi phun khởi động lạnh và một van khí phụ

+ Vòi phun khởi động lạnh

Mục đích của vòi phun khởi động lạnh là cải thiện tính năng khởi động động cơ lạnh Khởi động một động cơ lạnh cần có nhiều nhiên liệu và hỗn hợp đậm hơn

Đó là chỉ khi động cơ còn lạnh và đang quay bởi máy khởi động, khi đó vòi phun khởi động lạnh sẽ phun nhiên liệu để làm đậm hỗn hợp Nói theo một cách khác, trong khi khởi động động cơ lạnh, nhiên liệu được cung cấp bằng cả vòi phun chính và vòi phun khởi động lạnh

Theo cách này, tỷ lệ nhiên liệu so với không khí tăng lên nhờ vào lượng nhiên liệu phun ra từ vòi phun khởi động lạnh, tạo nên hỗn hợp đậm hơn Vòi phun khởi động lạnh là một van điện sử dụng nguồn năng lượng của Ắc quy để mở và đóng

phun được điều khiển bằng một công tắc định thời bao gồm một phần tử lưỡng kim và cuộn dây sấy

Hình 1-23 Hoạt động của vòi phun khởi động lạnh + Van khí phụ

Khi nhiệt độ còn thấp van khí phụ sẽ tăng tốc độ không tải của động cơ đến chế

độ không tải nhanh Khi động cơ còn lạnh, thậm chí nếu bướm ga đóng, không khí vẫn nạp vào động cơ qua van khí phụ Lượng không khí đi qua van khí phụ sẽ thay đổi theo nhiệt độ Khi nhiệt độ thấp, van khí phụ mở hoàn toàn cho phép một lượng lớn không khí đi qua

Hình 1-24 Hoạt động của van khí phụ

Khi nhiệt độ tăng lên, van sẽ đóng dần lại cho đến khi động cơ đạt được nhiệt

độ hoạt động bình thường, nó sẽ đóng hoàn toàn để cắt dòng khí Tốc độ không tải nhanh tỷ lệ với lượng khí đi qua van khí phụ Nó sẽ cao khi nhiệt độ thấp và giảm đến tốc độ không tải bình thường khi nhiệt độ tăng lên

Việc đóng và mở van khí phụ được điều chỉnh ở bên trong bằng một van giãn

nở nhiệt tuỳ theo nhiệt độ nước làm mát động cơ

1.5 Một số hệ thống phun xăng điển hình hiện nay

1.5.1 Hệ thống điều khiển phun xăng và đánh lửa động cơ VE 3.0 DE DOHC trên xe Nissan

* Sơ đồ hệ thống điều khiển

Hình 1-25 Hệ thống điều khiển phun xăng và đánh lửa trên xe Nissan

* Cảm biến tín hiệu ngõ vào cơ bản

+ Cấu tạo cảm biến phát tín hiệu G và NE trên động cơ VE 3.0 DE DOHC xe Nissan

Đa số các cảm biến phát tín hiệu G và NE trên các xe của Nissan đều là loại cảm biến quang Cảm biến này còn được gọi là cảm biến góc quay trục khuỷu (CAS-Crank Angle Sensor) hoặc cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP-Crankshaft Position sensor) Nguyên lý làm việc cụ thể của cảm biến quang đã được trình bày trong chương 2 Cảm biến quang phát tín hiệu G và NE trên xe Nissan có cấu tạo như sau (hình 1-26)

Hình 1-26 Cấu tạo của cảm biến quang trên xe Nissan Đĩa rôto được dẫn động từ trục bộ chia điện, có 360 rãnh được phân bố chính xác phia bên ngoài đường kính đĩa Mỗi rãnh tương ứng 1o góc quay trục bộ chia điện (2o góc quay trục khuỷu) và thường gọi là rãnh tín hiệu 1o, các rãnh này kết hợp với cặp LED và photo- diode để phát xung NE ECU dựa vào tín hiệu này để xác định số vòng quay của động cơ

Phía trong đĩa có các rãnh, số rãnh này phụ thuộc vào số xy lanh động cơ Có 4 rãnh trên động cơ 4 xy lanh, mỗi rãnh phân bố lệch nhau 90o tương ứng với 180ogóc quay trục khuỷu và gọi là rãnh tín hiệu 180o Có 6 rãnh trên động cơ 6 xy lanh, mỗi rãnh phân bố lệch nhau 60o tương ứng với 120o góc quay trục khuỷu và gọi là rãnh tín hiệu 120o Trong các rãnh này có một rãnh rộng hơn tương ứng với vị trí điểm chết trên của xy lanh số 1 Các rãnh này kết hợp với cặp LED và photo-diode

để tạo thành bộ phát xung G ECU dựa vào các tín hiệu này để xác định thứ tự làm việc của động cơ và vị trí của piston Cảm biến quang sử dụng trên động cơ đánh lửa trực tiếp (DIS), có cấu tạo tương tự bộ chia điện nhưng không có con quay chia điện để phân phối điện cao áp đến các bugi Trục của cảm biến được dẫn động

từ trục cam (hình 1-26)

Khi đĩa rôto quay ngang qua khe hở giữa các cặp LED và photo-diode, các rãnh trên đĩa rôto sẽ luân phiên cắt ánh sáng từ LED đến photo-diode để tạo thành tín hiệu điện áp Mạch tạo xung chuyển các tín hiệu này thành tín hiệu On-Off và gửi đến ECU Các xung NE và G là dạng xung vuông, có mức cao là 5V và mức thấp là 0V ECU dựa vào các xung này để điều khiển phun nhiên liệu, thời điểm đánh lửa và các chức năng khác

Hình 1-27 Sơ đồ đấu dây cảm biến quang

Cảm biến quang thông thường có 4 dây: Một dây nguồn 12V hoặc 5V (từ máy tính), dây mass và 2 dây tín hiệu G và NE (hình 1-27)

Hình 1-28 Vị trí lắp cảm biến quang trên động cơ Nissan Maxima 92

* Điều khiển phun xăng và đánh lửa (hình 1-25 )

Hệ thống điều khiển phun xăng và đánh lửa trên xe Nissan Maxima đời 92, động cơ 3.0L DOHC, 6 xy lanh trang bị hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS) sử dụng mỗi bôbin cho một bugi, điều khiển phun nhiên liệu độc lập cho từng kim phun

Nguồn cung cấp

Tín hiệu NE,G

Thứ tự làm việc của động cơ 1-2-3-4-5-6 (động cơ chữ V, xylanh 1, 3, 5 ở phía bên trái nhìn từ puly trục khuỷu; 2,4,6 ở phía bên phải)

Điều khiển phun xăng: ECU điều khiển phun độc lập cho từng kim phun Một đầu cuộn dây của 6 kim phun được nối trực tiếp đến nguồn điện 12V từ rơle chính, đầu dây còn lại của kim phun lần lượt nối vào các chân 101, 103, 105, 110, 112, 114 của ECU Sau khi nhận các tín hiệu G và NE và các cảm biến khác, ECU sẽ tính toán thời gian phun, thời điểm phun và lấn lượt gửi các xung điều khiển các transistor nối mass các cuộn dây kim phun

Điều khiển đánh lửa: Mỗi bôbin được lắp trực tiếp phía trên bugi, một đầu cuộn dây sơ cấp nối trực tiếp với nguồn 12V tại rơle đánh lửa Các đầu dây âm của bôbin được nối với transistor công suất tại các chân a, b, c, d, e, f Khi nhận được các tín hiệu G và NE, ECU sẽ lần lượt gửi các xung IGT1, IGT2, IGT3, IGT4, IGT15, IGT6 tại các chân 1, 2, 3, 11, 12, 13 đến các chân của transistor công suất để điều khiển đánh lửa theo đúng thứ tự làm việc của động cơ Trong một chu kỳ làm việc của động cơ, ECU sẽ phát ra 6 xung IGT để điều khiển đánh lửa

* Đánh giá về đặc điểm hệ thống:

+ Sử dụng Bô bin đơn (DIS) cho mỗi máy;

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến quang lấy tín hiệu để phân phối điện áp đến các bugi;

+ Hệ thống phun nhiên liệu độc lập cho riêng từng xy lanh

1.5.2 Hệ thống điều khiển phun xăng và đánh lửa trên xe Ford

* Sơ đồ hệ thống điều khiển phun xăng và đánh lửa

Hình 1-29 Sơ đồ hệ thống điều khiển phun xăng và đánh lửa trên xe Ford Laser

* Cảm biến tín hiệu ngõ vào cơ bản

+ Cảm biến Hall (kiểu Gear tooth sensor)

Cấu tạo của cảm biến này được trình bày trên hình 1-30, đặc điểm nổi bậc của loại cảm biến này là sự thay đổi từ trường tác động vào cảm biến Hall bằng các đỉnh răng hoặc các vấu lồi và rãnh được bố trí đối diện với cảm biến với một khoảng hở thích hợp

Hình 1-30 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của cảm biến Hall dùng trên xe Ford + Cảm biến vị trí trục cam (CMP-Camshaft Position sensor)

Hình 1-31 Cảm biến vị trí trục cam - CMP Cảm biến vị trí trục cam là loại cảm biến Hall, phát ra tín hiệu số, cảm biến này

có 3 đầu cảm ứng được bố trí lệch nhau (hình 1-31) Trong mỗi vòng quay trục cam (tương ứng 2 vòng quay trục khuỷu, cảm biếm CMP sẽ phát ra 3 xung để báo cho PCM biết vị trí điểm chết trên của piston số 1 và 4 tại kỳ nén PCM dựa vào tín hiệu này để điều khiển kim phun nhiên liệu phun theo chu kỳ

Cảm biến trục cam có 3 dây: dây nguồn 12V, dây mass và dây tín hiệu, hình 1-32

Hình 1-32 Giắc nối cảm biến vị trí trục cam CMP

Khi không nhận được tín hiệu từ cảm biến vị trí trục cam (CMP), PCM sẽ ngừng điều khiển quá trình phun nhiên liệu làm cho động cơ ngưng hoạt động + Cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP-Crankshaft Position sensor)

Hình 1-33 Cảm biến vị trí trục khuỷu- CKP Tương tự như cảm biến vị trí trục cam, cảm biến vị trí trục khuỷu là loại cảm biến Hall 3 dây, phát ra tín hiệu số, cảm biến này được bố trí gần puly trục khuỷu Cảm biến CKP nhận biết tốc độ quay của động cơ (tín hiệu NE) và truyền về PCM (PCM-Power Control Modul) Do cách bố trí cảm biến CKP gần trục khuỷu nên tín hiệu gửi về máy tính có độ chính xác rất cao và không bị ảnh hưởng do dây đai bị chùng hoặc sai vị trí đặt cam Máy tính dựa vào tín hiệu này để điều khiển góc đánh lửa sớm, phun nhiên liệu v.v

Một đĩa cảm ứng được lắp trên puly trục khuỷu có 4 cực được bố trí lệch nhau 2 góc 110o và 70o Mỗi chu kỳ làm việc của động cơ (2 vòng quay trục khuỷu) cảm biến CKP phát ra 8 xung vuông gửi về máy tính

+ Điều khiển phun xăng và đánh lửa:

* Điều khiển phun xăng: Máy tính điều khiển phun độc lập cho từng kim phun

Sơ đồ đấu dây của kim phun được trình bày trên hình 1-29, một đầu cuộn dây của

4 kim phun được nối trực tiếp đến nguồn điện 12V từ rơle chính, đầu dây còn lại của kim phun lần lượt nối vào các chân 4Z, 4Y, 4X, 4W của PCM Sau khi nhận các tín hiệu từ các cảm biến CMP, CKP và các cảm biến khác, PCM sẽ tính toán thời gian phun, thời điểm phun và gửi các xung điều khiển các transistor nối mass các cuộn dây kim phun

* Điều khiển đánh lửa: Hệ thống đánh lửa trên xe Ford Laser sử dụng hệ thống đánh lửa không có bộ chia điện (DLI) bao gồm hai bôbin, mỗi bôbin đánh lửa cho

2 xy lanh (1-4, 2-3) Bôbin được lắp trên nắp xupáp

Khi đến thời điểm đánh lửa, máy tính sẽ gửi tín hiệu điều khiển đánh lửa (IGT) đến các IC đánh lửa (chân 1C hoặc 2C) được bố trí ngay bên trong bôbin để điều khiển đóng ngắt dòng sơ cấp

Hình 1-34 Bôbin và IC đánh lửa trên xe Ford Laser

- Chân 1A hoặc2A: Nguồn 12V cung cấp cho cuộn sơ cấp

- Chân 1B hoặc 2B: Mass của IC đánh lửa

- Chân 1C hoặc 2C: Tín hiệu điều khiển đánh lửa từ máy tính

* Đánh giá về đặc điểm của hệ thống:

+ Đánh lửa bôbin đôi (DLI), đánh lửa trực tiếp

+ Hệ thống phun nhiên liệu độc lập

+ Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến Hall lấy tín hiệu đánh lửa

1.5.3 Hệ thống phun xăng điện tử trín xe Honda

* Sơ đồ bố trí chung của hệ thống phun xăng điện tử động cơ K20Z2 lắp trín xe Honda Civic:

Hình 1-35 Sơ đồ bố trí chung của hệ thống phun xăng điín tử động cơ K20Z2

1- Băn đạp ga; 2- Cảm biến vị trí băn đạp ga; 3- Rơle điều khiển bơm xăng; 4- Thùng xăng; 5- Bơm xăng; 6- Lọc xăng; 7- Dăn vòi phun; 8- Vòi phun; 9- Bộ ổn định âp suất; 10- Đường xăng hồi; 11- Van thoât khí hai chiều; 12- Van EVAP; 13-Lọc không khí; 14- Cảm biến lưu lượng khí nạp; 15- Cảm biến nhiệt độ khí nạp; 16- Môtơ điều khiển bướm ga; 17- Cảm biến vị trí bướm ga; 18- Bướm ga; 19- Đường không tải; 20- Van điều chỉnh không tải; 21- Ống góp nạp; 22- Đường ống nạp; 23- Xupâp nạp; 24- Pittông; 25- Xilanh; 26- Xupâp thải; 27- Đường ống thải; 28- Van hồi lưu khí thải (EGR); 29- Cảm biến ôxy; 30- Bộ xúc tâc ba thănh phần; 31- Bộ tiíu đm; 32- Cảm biến tốc độ trục khuỷu; 33- Cảm biến kích nổ; 34-

Cảm biến nhiệt độ nước lăm mât

20 28

34

7 22

21

17 16 15

26

19 8 23

29

13

27

24 25

12

3

5 4

Ắc quy+

10

1 2

31

18 14

6 11 9

32 33

30

Khi nhận được tín hiệu truyền về từ các cảm biến trong đó quan trọng nhất là cảm biến lưu lượng khí nạp và cảm biến tốc độ động cơ, ECU sẽ nối mạch cho rơle điều khiển bơm xăng cấp điện cho bơm xăng Nhiên liệu được hút từ bình nhiên liệu bằng bơm và đưa qua lọc nhiên liệu, sau đó qua dàn vòi phun rồi đến các vòi phun, cuối ống dàn vòi phun có bộ ổn định áp suất nhằm giữ áp suất của nhiên liệu

ở một khoảng nhất định (phía có áp suất cao), nhiên liệu thừa được đưa trở lại bình xăng qua đường xăng hồi Kết hợp với lượng khí nạp được đưa vào động cơ qua hệ thống nạp, các vòi phun sẽ phun nhiên liệu vào đường ống nạp tùy theo các tín hiệu phun được ECU tính toán, để phù hợp với các tình trạng hoạt động của động cơ + Hệ thống cung cấp không khí

Không khí từ lọc gió đi qua cảm biến đo lưu lượng không khí và đi vào khoang nạp khí, lượng khí nạp đi vào khoang nạp được xác định bằng độ mở bướm ga Từ khoang nạp khí, không khí sẽ được phân phối đến các đường ống nạp và hoà trộn với nhiên liệu tạo thành hòa khí rồi được hút vào xilanh động cơ Khi động cơ còn lạnh van không tải mở cho phép không khí đi vào khoang nạp khí Không khí đi vào khoang nạp khí để tăng tốc độ không tải của động cơ thậm chí bướm ga còn đóng

+ Hệ thống điều khiển phun xăng điện tử