nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển phun xăng dùng vi điều khiển

Tuy nhiên, cùng với sự tăng trưởng về số lượng và chất lượng của ô tô đã làm nảy sinh một vấn đề mới đối với ôtô sử dụng hệ thống phun xăng điện tử ở Việt nam đó là:  Các xe ôtô sau một

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN QUỐC CƯỜNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN PHUN XĂNG

DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN

NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô TÔ MÁY KÉO - 605246

S K C0 0 0 9 8 7

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN

PHUN XĂNG DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN

Chuyên ngành: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ ÔTÔ Mã số ngành: 605246

Họ và tên học viên: KS Trần Quốc Cường Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2004

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay đa phần các xe ô tô sử dụng động cơ xăng trên thị trường thế giới đều sử dụng hệ thống phun xăng Đây là một hệ thống có nhiều ưu điểm so với hệ thống nhiên liệu sử dụng bộ chế hòa khí như tính kinh tế và tính hiệu quả cao hơn Hơn nữa nhờ biện pháp này có thể giảm tối đa lượng khí thải độc hại của động cơ nhằm giảm mức ô nhiễm môi trường Hiện nay việc nghiên cứu hệ thống này trên thế giới đang rất được chú trọng vì các tiêu chuẩn về mức độ khí xả độc hại trên thế giới ngày càng khắc khe hơn

Việt nam tuy chưa áp dụng nghiêm khắc tiêu chuẩn về nồng độ ô nhiễm của khí xả ô tô nhưng sẽ phải bắt buộc áp dụng trong một tương lai gần Để áp dụng được các tiêu chuẩn này thì biện pháp tối thiểu là động cơ phải được điều khiển cấp nhiên liệu tự động theo lập trình Hiện nay Việt nam chưa có một liên doanh hay một nhà máy nào có thể sản xuất hoàn chỉnh toàn bộ ô tô kể cả hệ thống điều khiển nhiên liệu, mà giá thành nhập một hệ thống điều khiển nhiên liệu rất đắt Hơn nữa khi các xe đang lưu hành tại Việt nam sử dụng hệ thống này nếu như xảy

ra hư hỏng thì thường phải đặt mua tại hãng với giá rất cao hoặc thay thế bằng các hệ thống đã qua sử dụng khác đôi khi không đúng loại làm cho tính kinh tế nhiên liệu, tính hiệu quả và khả năng chống ô nhiễm khí thải không cao

Luận văn này được hoàn thành trên cơ sở thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu và chế tạo mạch điều khiển phun xăng theo lập trình bước đầu áp dụng cho động cơ

Susuki sản xuất năm 1996 Đây là loại động cơ 3 xylanh sử dụng hệ thống đánh

lửa trực tiếp và phương pháp điều khiển vòng kín với tiêu chuẩn khí xả khắc khe chỉ phổ biến ở thị trường Châu âu Do đó, việc nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển phun xăng cho loại động cơ này sẽ là cơ sở và là tiền đề cho việc nghiên cứu chế tạo các loại ECU khác nhau cho các động cơ khác nhau

Với hơn 100 trang thuyết minh bao gồm 6 chương và 3 phụ lục, luận văn đã đề cập tới các vấn đề quan trọng trong quá trình thực hiện chế tạo mạch điều khiển phun xăng theo lập trình Tuy nhiên việc nghiên cứu chế tạo ECU là một vấn đề rộng đòi hỏi phải có sự tập hợp của rất nhiều chuyên ngành và có đầy đủ thiết bị thực nghiệm, mặt khác do trình độ và thời gian có hạn nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý của Thầy Cô và các bạn đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn

Trần Quốc Cường

TÓM TẮT

Đề tài:

“Nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển phun xăng dùng vi điều khiển”

Nội dung của đề tài được trình bày trong 6 chương:

Chương 3:

Phương pháp tính toán thời gian mở kim phun trong D-Jetronic : phương pháp tốc độ – tỷ trọng Ứng dụng phương pháp này để tính toán lượng phun cơ bản cho

động cơ SUZUKI Cappuccino (SX 306) Phương pháp tính toán các đại lượng hiệu

chỉnh như: hiệu chỉnh thời gian mở kim phun theo nhiệt độ động cơ, theo nhiệt độ khí nạp,…

Chương 4:

Chọn các linh kiện để chế tạo mạch điều khiển phun xăng bao gồm: vi điều khiển, bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ADC, IC, transistor,… Nghiên cứu lý thuyết vi điều khiển, bộ chuyển đổi AD

Chương 5:

Xây dựng sơ đồ khối mạch điều khiển phun xăng, thiết kế và chế tạo mạch

điều khiển phun xăng, đồng thời nghiên cứu thuật toán điều khiển phun xăng nhằm giúp cho quá trình lập trình bằng ngôn ngữ Assembly được dễ dàng

Method of calculating opening time of injector of D - Jetronic: speed –

density method Using this method for calculating basic amount of fuel of SUZUKI

Cappuccino (SX 306) engine How to calculate adjustable quantity such as:

adjustment of opening time of injector according to parameters: water temperature, intake air temperature, …ect

Chapter 4:

Collecting component parts for making fuel injection control circuit: Microcontroller, Analog to Digital Converter (ADC), IC, transistor, …ect Theory of microcontroller, AD converter

Chapter 5:

Constructing block diagram of fuel injection control circuit, designing and manufacturing it Besides, studying fuel injection control algorithm in order to write programme by using Assembly language easily

MỤC LỤC

Lời nói đầu……….……….…1

Tóm tắt……… 2

Mục lục………4

Các chữ viết tắt……….………6

Chương 1: Chương dẫn nhập.………7

1.1 Đặt vấn đề và tầm quan trọng của vấn đề………7

1.2 Mục đích nghiên cứu……….………8

1.3 Đối tượng nghiên cứu……… 8

1.4 Phương pháp nghiên cứu……….……….………8

1.5 Giới hạn đề tài………9

Chương 2: Hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ ô tô……….10

2.1 Khái quát về hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ……….10

2.1.1 Lịch sử phát triển………10

2.1.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ và thuật toán điều khiển………11

2.2 Phân tích các cảm biến tín hiệu vào dùng cho hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ Suzuki cappucino – SX306……….….15

2.2.1 Những nguyên lý cơ bản và đặc trưng đo lường………15

2.2.2 Cảm biến áp suất đường ống nạp……….16

2.2.3 Cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston………20

2.2.4 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ……….…….24

2.2.5 Cảm biến nhiệt độ khí nạp………27

2.2.6 Cảm biến vị trí bướm ga………28

2.2.7 Cảm biến ôxy……….30

2.2.8 Tín hiệu máy khởi động………34

2.3 Các cơ cấu chấp hành………34

2.3.1 Kim phun………34

2.3.2 van điều khiển tốc độ cầm chừng………41

2.4 Bộ điều khiển điện tử………43

2.4.1 Phân tích quá trình xử lý tín hiệu của ECU……….46

2.4.2 Sự cần thiết của tín hiệu vào cho các xung phun………49

2.4.3 Các chế độ vận hành vòi phun……….51

2.4.4 ECU điều khiển khoảng thời gian phun nhiên liệu……….51

Chương 3: Tính toán điều khiển phun xăng………53

3.1 Tính toán độ rộng xung phun cơ bản………58

3.2 Hệ số làm đậm quá trình sấy nóng động cơ………61

3.3 Hệ số làm đậm theo nhiệt độ khí nạp……….62

3.4 Hệ số làm đậm phụ thuộc độ mở bướm ga……….63

3.5 Tính toán điều khiển quá trình phun nhiên liệu thời kỳ khởi động lạnh.64

3.6 Điều khiển cho quá trình sau khởi động……….65

3.7 Điều khiển cho quá trình giảm tốc đột ngột ……….65

3.8 Điều khiển cho quá trình tăng tốc đột ngột……….65

3.9 Điều khiển hạn chế tốc độ……….66

3.10 Điều chỉnh Lambda……….66

3.11 Hiệu chỉnh theo điện áp ắc quy……… 68

Chương 4: Chọn linh kiện chế tạo mạch điều khiển phun xăng dùng vi điều khiển……….69

4.1 Vi điều khiển………69

4.1.1 Giới thiệu khái quát về họ vi điều khiển MSC - 51……… 69

4.1.2 Giới thiệu vi điều khiển AT89C52………70

4.1.3 Bộ định thời (timer) và các ngắt……….79

4.2 Giới thiệu ADC 0809……….83

4.2.1 Giới thiệu ADC 0809………83

4.2.2 Nguyên lý hoạt động………85

4.2.3 Mạch tạo xung Clock cho ADC 0809………86

4.3 Các linh kiện khác……….86

Chương 5: Chế tạo mạch điều khiển phun xăng……….88

5.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển phun xăng………88

5.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển phun xăng……….90

5.3 Sơ đồ mạch in và bố trí linh kiện……… 92

5.3.1 Sơ đồ mạch in……….92

5.3.2 Sơ đồ bố trí linh kiện……….93

5.4 Thuật toán điều khiển phun xăng……….93

Chương 6: Thí nghiệm tạo số liệu cho hoạt động của mạch điều khiển phun xăng (ECU)……….95

6.1 Giới thiệu động cơ……….95

6.2 Tạo đường đặc tính phun thời kỳ khởi động………97

6.3 Tạo các bảng số liệu phun thời kỳ chạy ổn định……….97

6.3.1 Độ rộng xung phun cơ bản……….97

6.3.2 Hiệu chỉnh theo nhiệt độ động cơ………98

6.4 Một số hình ảnh thực nghiệm………98

6.5 Phân tích khí xả ở chế độ không tải……… 104

Phụ lục A……….105

Phụ lục B……….109

Phụ lục C……….112

Kết luận và đề nghị 124

Tài liệu tham khảo……… 126

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADC : Analog to Digital Converter

: Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số

ĐCT : Điểm chết trên

ECU : Electronic Control Unit

: Bộ điều khiển điện tử

EFI : Electronic Fuel Injection

: Phun nhiên liệu điều khiển bằng điện tử

EGR : Exhaust Gas Recirculation

: Lưu hồi khí thải

EPA : Environmental Protection Agency

: Cơ quan bảo vệ môi trường

IDL : Idle

: Không tải

ISC : Idle Speed Contol

: Điều khiển tốc độ cầm chừng

ISCV : Idle Speed Control Valve

: Van điều khiển tốc độ cầm chừng

NTC : Negative Temperature Co-efficient

: Hệ số nhiệt điện trở âm

PIM : Pressure Intake Mannifold

: Aùp suất đường ống nạp

PSW : Power Switch

: Tiếp điểm toàn tải

TDC : Top Dead Center

: Điểm chết trên

VTA : Voltage Throttle Angel

: Điện áp báo góc quay của bướm ga

Chương 1

CHƯƠNG DẪN NHẬP

1.1 Đặt vấn đề và tầm quan trọng của vấn đề:

Đã hơn 118 năm kể từ khi chiếc ô tô đầu tiên trên thế giới ra đời, đến nay ô tô đã trở thành một phương tiện vận chuyển cần thiết không gì thay thế được trong xã hội loài người So với các phương tiện giao thông khác, ô tô có vị trí vô cùng quan trọng vì tỉ lệ hành khách tham gia giao thông bằng đường bộ cao hơn hẳn so với các loại phương tiện giao thông khác, hằng năm tỷ lệ tăng trưởng trong sản xuất ôtô đạt xấp xỉ 3%

Trên thế giới hiện nay ô tô được tập trung vào sản xuất ở 14 nước, sản lượng của các công ty này chiếm trên 60% lượng ô tô trên toàn thế giới Các công ty này là: General, Motor, Ford, Toyota, Nissan, Honda, Misubishi…

Ở Việt nam hiện có 12 liên doanh lắp ráp ô tô và 39 doanh nghiệp sản xuất lắp ráp trong nước chuyên lắp ráp 2 dòng xe du lịch và thương mại Năm 2002 ngành sản xuất ô tô trong nước đã sản xuất và tiêu thụ 28.232 xe ô tô các loại, tăng 54,37% so với năm trước, trong đó các liên doanh nước ngoài chiếm 24.550 chiếc Đến quý 3 năm 2003, ngành đã sản xuất và tiêu thụ tổng cộng 28.8038 xe ô tô các loại, trong đó liên doanh nước ngoài chiếm 22.699 chiếc (Số liệu do Cục đăng kiểm Việt nam cung cấp)

Như vậy theo thời gian nhất là ở vào thời điểm này, khi mà nền kinh tế nước

ta đang trên đà phát triển và đang trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước thì vấn đề xe ôtô gia tăng nhanh là một vấn đề cần quan tâm

Như chúng ta đã biết, hiện nay phần lớn các ô tô sử dụng ở Việt Nam và trên thế giới đều được trang bị hệ thống điều khiển điện tử để điều khiển các hoạt động của ô tô như : điều khiển phun xăng, điều khiển đánh lửa, điều khiển hệ thống phanh ABS, điều khiển hộp số, điều khiển hệ thống treo… nhằm mục đích thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng cũng như các tiêu chuẩn về môi trường Tuy nhiên, cùng với sự tăng trưởng về số lượng và chất lượng của ô tô đã làm nảy sinh một vấn đề mới đối với ôtô sử dụng hệ thống phun xăng điện tử ở Việt nam đó là:

 Các xe ôtô sau một thời gian sử dụng có thể bị hư hỏng hộp điều khiển điện tử ECU hay đều bị dư xăng hoặc thiếu xăng do các nguyên nhân gây ra ở trong ECU (nếu thay mới giá thành rất đắt, trong khi ở Việt nam chưa chế tạo được hộp điều khiển điện tử ECU) Dẫn đến tình trạng động

cơ không hoạt động được hoặc làm giảm tính kinh tế nhiên liệu và làm ô nhiễm môi trường xung quanh

 Ô nhiễm do khí thải từ ô tô đã trở thành nguồn ô nhiễm chính đối với môi trường sống hiện nay, đặc biệt là ở các thành phố lớn điều này càng nghiêm trọng

 Giá thành phụ tùng thay thế, đặc biệt là hộp ECU khá đắt

Chính từ các nguyên nhân trên và được sự hướng dẫn của Thầy PGS TS Đỗ

Văn Dũng mà người nghiên cứu chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển

phun xăng theo lập trình” nhằm mục đích nghiên cứu chế tạo và tiến tới chế tạo

hoàn chỉnh để thay thế các ECU đã bị hư hỏng trên ô tô, làm cơ sở để nghiên cứu chế tạo các mạch điều khiển điện tử khác và góp phần vào việc thực hiện ước mơ một ngày nào đó Việt nam sẽ tự mình sản xuất được ô tô

1.2 Mục đích nghiên cứu:

Thực hiện đề tài ‚Nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển phun xăng theo lập

trình‛ nhằm giúp cho người thực hiện đề tài có điều kiện ứng dụng những kiến

thức đã được trang bị ở nhà trường, đồng thời có cơ hội để tìm hiểu những kiến thức mới như lập trình hợp ngữ cũng như thực hành về Vi điều khiển…

Sản phẩm của đề tài có thể ứng dụng rộng rãi, trước mắt là phục vụ cho học viên, sinh viên ngành cơ khí động lực nghiên cứu về Vi điều khiển, chuyển đổi A/D… Nếu phát triển đề tài hoàn chỉnh (bao gồm cả điều khiển đánh lửa theo lập trình), sẽ tạo ra một sản phẩm hữu dụng trong ngành ôtô Việt Nam

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu đề tài này là hệ thống điều khiển điện tử gồm các thiết bị cảm biến liên tục đo các điều kiện vận hành của động cơ, bộ điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit) đánh giá các tín hiệu cảm biến, sử dụng các bảng dữ liệu và thực hiện các tính toán nhằm xác định tín hiệu ra cho các thiết bị tác động Đồng thời nghiên cứu các bộ phận và linh kiện điện tử như : chip AT 89C52, chuyển đổi ADC, transistor… nhằm lắp ráp hoàn chỉnh mạch điện tử thay thế cho ECU để điều khiển phun xăng theo lập trình

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển phun xăng theo lập trình dựa trên cơ sở nghiên cứu:

 Nghiên cứu cấu tạo và mạch điện các cảm biến tín hiệu vào như : cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến áp suất đường ống nạp, cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến ô-xy, cảm biến vị trí bướm ga…

 Lý thuyết về hệ thống điều điều khiển phun xăng, cơ sở tính toán lượng nhiên liệu phun cơ bản và các hệ số làm đậm trong các điều kiện vận hành của ôtô

 Trên cơ sở nghiên cứu như nêu trên, tiếp tục nghiên cứu các bộ phận, linh kiện điện tử và ngôn ngữ lập trình assembly

 Thực nghiệm: lắp đặt trên board và viết chương trình thử nghiệm

1.5 Giới hạn đề tài:

Do các chủng loại động cơ khác nhau có kết cấu khác nhau như : sử dụng cảm biến đo tốc độ, cảm biến đo lưu lượng gió,… khác nhau và dung tích xy lanh khác nhau nên không thể nào dùng chung một ECU cho các loại động cơ khác nhau Do đó, được sự cho phép của Thầy hướng dẫn nên người thực hiện đề tài chỉ

nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển phun xăng cho một loại động cơ cụ thể – động cơ SUZUKI Cappuccino (SX 306)

Chương 2

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH

Trong chương này giới thiệu một số nét về hệ thống điều khiển tự động động cơ và đề cập đến những lý thuyết cơ bản về phần cứng khi thiết kế ECU Bao gồm việc phân tích các cảm biến, dạng tín hiệu của cảm biến, cơ cấu chấp hành, phân tích quá trình xử lý tín hiệu trong ECU, các biến đổi của đầu vào và các biến đổi của đầu ra trong ECU từ đó lấy cơ sở cho việc tìm chọn linh kiện và thiết kế phần cứng một cách phù hợp đảm bảo ổn định cho quá trình làm việc của ECU

2.1 Khái quát về hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ ô tô

2.1.1 Lịch sử phát triển

Vào thế kỷ 19, một kỹ sư người Pháp 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 nên không được thực hiện Đầu thế kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ 4 thì tĩnh tại (nhiên liệu dùng trên động cơ này là dầu hỏa nên hay bị kích nổ và hiệu suất rất 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 liên tục vào trước supap hút

nên có tên gọi là K-Jetronic (K – Konstant – 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,…

Tên tiếng Anh của K – Jetronic là CIS (Continuous Injection System) đặc trưng cho các hãng xe Châu Aâu và có 4 loại cơ bản cho CIS là: K – Jetronic, K –

Jetronic với cảm biến ôxy và KE – Jetronic (có kết hợp điều khiển bằng điện tử)

hoặc KE – Motronic (kèm điều khiển góc đánh lửa sớm) Do hệ thống phun cơ khí

còn nhiều nhược điểm nên đầu những năm 80, BOSCH đã cho ra đời hệ thống phun

sử dụng kim phun điều khiển bằng điện Có hai loại: hệ thống L – Jetronic (lượng nhiên liệu được xác định nhờ cảm biến đo lưu lượng khí nạp) và D – Jetronic

(lượng nhiên liệu được xác định dựa vào áp suất trên đường ống nạp)

Đến năm 1984 người Nhật (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 năm 1987 hãng Nissan dùng L – Jetronic thay cho bộ

chế hòa khí của xe Nissan Sunny

Song song với sự phát triển của hệ thống phun xăng, hệ thống điều khiển

đánh lửa theo chương trình (ESA – Electronic Spark Advance) cũng được đưa vào sử

dụng vào những năm đầu thập kỷ 80 Sau đó vào đầu những năm 90, hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS – Direct Ignition Sys tem) ra đời, cho phép không sử dụng delco và hệ thống này đã có mặt trên hầu hết các xe thế hệ mới

Ngày nay, gần như tất cả các ô tô đều được trang bị hệ thống điều khiển động cơ cả xăng và diesel theo lập trình, chúng giúp động cơ đáp ứng được các yêu cầu gắt gao về khí xả và tính tiết kiệm nhiên liệu Thêm vào đó, công suất động cơ cũng được cải thiện rõ rệt

Những năm gần đây, một thế hệ mới của động cơ phun xăng đã ra đời Đó là

động cơ phun trực tiếp: GDI (Gasoline Direct Injection) Trong tương lai gần, chắc chắn GDI sẽ được sử dụng rộng rãi

 Ưu điểm của hệ thống phun xăng:

- Có thể cấp hỗn hợp khí – nhiên liệu đồng đều đến từng xylanh

- Có thể đạt được tỷ lệ khí – nhiên liệu chính xác với tất cả các dải tốc độ

động cơ

- Đáp ứng kịp thời với sự thay đổi góc mở bướm ga

- Khả năng hiệu chỉnh hỗn hợp khí - nhiên liệu dễ dàng: có thể làm đậm

hỗn hợp khi nhiệt độ thấp hoặc cắt nhiên liệu khi giảm tốc

- Hiệu suất nạp hỗn hợp không khí – nhiên liệu cao

- Do kim phun được bố trí gần supap hút nên dòng khí nạp trên ống góp

hút có khối lượng thấp (chưa trộn với nhiên liệu) sẽ đạt tốc độ xoáy lốc cao, nhờ vậy, nhiên liệu sẽ không còn thất thoát trên đường ống nạp và hòa khí sẽ được trộn tốt hơn

2.1.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển lập trình động cơ và thuật toán điều khiển

2.1.2.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ

Hệ thống điều khiển lập trình động cơ là một hệ thống điều khiển động cơ bằng điện tử và chương trình điều khiển đã được lập trình sẵn nhằm cung cấp một lượng nhiên liệu và một góc đánh lửa sớm tối ưu cho quá trình làm việc của động

cơ Hệ thống có thể được chia thành 3 phần với 3 chức năng khác nhau gồm:

 Các cảm biến tín hiệu đầu vào (Input sensors) giúp ECU nhận biết tình trạng hoạt động của động cơ Các tín hiệu vào bao gồm: tín hiệu áp suất đường ống nạp mang thông tin về áp suất đường ống nạp từ đó dựa vào tốc độ động cơ và nhiệt độ khí nạp ECU sẽ tính ra được lượng không khí nạp và lượng xăng phun cơ bản Tín hiệu nhiệt độ nước mang thông tin về nhiệt độ của động cơ, nhiệt độ khí nạp cho ECU biết nhiệt độ của không khí, đây chính là thông tin về mật độ khí nạp Tín hiệu vị trí piston cho ECU biết vị trí ĐCT của máy chuẩn Tín hiệu số vòng quay giúp ECU tính toán lượng nhiên liệu phun và điều chỉnh thời điểm đánh lửa.Tín hiệu vị trí bướm ga cho ECU biết động cơ đang làm việc ở chế độ tải nào và cho ECU biết thời điểm tăng tốc Tín hiệu khởi động cho ECU biết phải phun xăng theo chế độ khởi động Tín hiệu bật điều hòa cho ECU biết thời điểm cần tăng tốc độ cầm chừng

 ECU - Bộ điều khiển điện tử (hay Microcomputer) là bộ não của hệ thống điều khiển động cơ, là bộ phận thu nhận thông tin từ các cảm biến tín hiệu đầu vào, xử lý chúng và đưa ra các tín hiệu điều khiển các bộ tác động dựa trên cấu trúc chương trình đã được cài đặt sẵn trong EEPROM của ECU

Sử dụng máy vi tính (microcomputer) đã đưa khoa học điều khiển động cơ sang thời kỳ rất hiện đại bằng việc gia tăng tốc độ xử lý thông tin nên cho phép hệ thống điều khiển động cơ điều khiển nhiều chức năng của động cơ Với khả năng xử lý thông tin cực kỳ nhanh cho phép các ECU hiện đại thực hiện chương trình đã được cài đặt sẵn một cách cực kỳ chính xác Với bất kỳ điều kiện hoạt động nào của động cơ, ECU đều có thể đưa ra các tín hiệu điều khiển phun nhiên liệu và đánh lửa là tối ưu

 Ngõ ra (outputs) là các cơ cấu chấp hành (actuators) như kim phun, bobine, van điều khiển cầm chừng,… nhận tín hiệu điều khiển từ ECU để phun nhiên liệu, đánh lửa, chỉnh tốc độ cầm chừng,… sao cho phù hợp nhất,

2.1.2.2 Thuật toán điều khiển lập trình

Thuật toán điều khiển lập trình cho động cơ được nhà chế tạo viết và cài đặt sẵn trong CPU Tuỳ thuộc vào từng chế độ làm việc hay tình trạng động cơ, mà ECU tính toán dựa trên lập trình có sẵn đó để đưa ra những tín hiện điều khiển sao cho động cơ làm việc tối ưu nhất Các hệ thống điều khiển kiểu cổ điển trên ô tô thường được thiết kế với liên hệ ngược (feedback control) Mặc dù trong một hệ thống điều khiển có nhiều thông số phụ thuộc, đầu tiên ta hãy xem xét hệ thống với một thông số Sơ đồ nguyên lý của hệ thống này được trình bày như hình 2.2

Thông số điều khiển xuất hiện ở đầu ra được ký hiệu (t) Tín hiệu so R(t) đã được định sẵn Cảm biến sẽ đưa ra tín hiệu V t tỉ lệ thuận với (t), tức là:

kim phun) Việc thay đổi sẽ tác động đến thông số đầu vào U(t) của động cơ (ví dụ

y tốc độ phát sinh NOx

Vectơ x(t) mô tả tình trạng của động cơ tức điều kiện hoạt động , phụ thuộc vào các thông số:

x1: áp suất trên đường ống nạp

x2: tốc độ quay của trục khuỷu

x3: tốc độ xe

Vectơ u(t) mô tả các thông số được hiệu chỉnh bởi hệ thống điện tử , bao gồm các thành phần:

u1: tỉ lệ khí-nhiên liệu trong hòa khí (AFR – air fuel ratio)

u2: góc đánh lửa sớm

u3: sự lưu hồi khí thải (EGR-Exhaust Gas Recirculation)

u4: vị trí bướm ga

u5: tỉ số truyền của hộp số

Để giải bài toán tối ưu nêu trên với các điều kiện biên, người ta xác định

mục tiêu tối ưu là lượng tiêu hao nhiên liệu F theo chu trình thử EPA -

Environmental Protection Agency :

   

   



 y x t u t d t F

Trên thực tế, các kết quả tối ưu thường được xác định bằng thực nghiệm và được nạp vào bộ nhớ EEPROM dưới dạng bảng tra ( look-up table)

2.2 Phân tích các cảm biến tín hiệu vào dùng cho hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ SUZUKI Cappuccino - SX 306

2.2.1 Những nguyên lý cơ bản và các đặc trưng đo lường

Các đại lượng vật lý là đối tượng đo lường như nhiệt độ, áp suất… được gọi là các đại lượng cần đo m1, m2, m3, … Sau khi tiến hành các công đoạn thực nghiệm để

đo m1, m2, m3, … ta nhận được đại lượng điện tương ứng ớ đầu ra Đại lượng điện này cùng với sự biến đổi của nó chứa đựng tất cả các thông tin cần thiết để nhận biết m1, m2, m3, … Việc đo đạc mi thực hiện được là nhờ sử dụng các cảm biến

Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần đo m không có tính chất điện và cho ta một đặc trưng mang bản chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) ký hiệu là s Đặc trưng điện s là hàm của đại lượng cần đo m

s = f(m) Trong đó s là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến và m là đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo) Việc đo đạc s cho phép nhận biết giá trị của m

Đại lượng cần đo Đại lượng điện (m) (s)

Một trong những vấn đề quan trọng khi sử dụng cảm biến là làm sao cho độ nhạy của chúng không đổi nghĩa là độ nhạy ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố như giá trị đại lượng cần đo m (độ tuyến tính), tần số thay đổi của nó (dải thông), thời gian sử dụng (độ lão hóa) và ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường xung quanh

Vì cảm biến là một phần tử của mạch điện, nên có thể coi cảm biến như một máy phát trong đó s là điện tích, điện áp hay dòng và như vậy ta có cảm biến loại tích cực gọi tắt là cảm biến tích cực như cảm biến áp suất đường ống nạp,cảm biến thời điểm G, NE, kích nổ… Như một trở kháng, trong đó s là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung, trường hợp này ta có cảm biến loại thụ động gọi tắt là cảm biến thụ động như cảm biến nhiệt độ nước, nhiệt độ khí nạp…

Khi dùng cảm biến để xác định một đại lượng cần đo, không phải chỉ có một đại lượng này tác động lên cảm biến Trên thực tế ngoài đại lượng cần đo còn có nhiều đại lượng vật lý khác có thể gây tác động ảnh hưởng đến tín hiệu đo Những đại lượng như vậy gọi là đại lượng ảnh hưởng hoặc đại lượng gây nhiễu

Sai số phép đo là hiệu số giữa giá trị thực và giá trị đo được Sai số phép đo chỉ có thể được đánh giá một cách ước tính bởi vì không thể biết giá trị thực của đại lượng cần đo Khi đánh giá sai số thường phân làm hai loại bao gồm sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên Ví dụ như ta đo một đại lượng đã biết trước giá trị thực của nó, nếu như giá trị trung bình của các giá trị đo được luôn lệch khỏi giá trị thực không phụ thuộc vào số lần đo liên tiếp thì ta nói trong trường hợp này có sai số hệ thống Còn sai số ngẫu nhiên của phép đo là sai số mà sự xuất hiện cũng như dấu và biên độ của chúng mang tính không xác định Một số nguyên nhân của sai số ngẫu nhiên có thể dự đoán được nhưng độ lớn của chúng thì không thể biết trước

Dưới đây ta sẽ xét và đánh giá riêng các đại lượng trên của từng loại cảm

biến sử dụng trong hệ thống điều khiển động cơ bằng điện tử của động cơ SUZUKI

Cảm biến MAP có 3 loại là loại áp kế điện, loại điện dung và loại sai lệch từ tính Phần này trình bày loại áp kế điện

Cảm biến

Hình 2.3 Cảm biến áp suất đường ống nạp

Loại cảm biến này dựa trên nguyên lý cầu Wheatstone Mạch cầu Wheatstone được sử dụng trong thiết bị nhằm tạo ra một điện thế phù hợp với sự thay đổi điện trở

Cảm biến bao gồm một tấm silicon nhỏ (hay gọi là màng ngăn) dày hơn ở hai mép ngoài (khoảng 0,25 mm) và mỏng ở giữa (khoảng 0,025 mm) Hai mép được làm kín cùng với mặt trong của tấm silicon tạo thành buồng chân không trong cảm biến Mặt ngoài tấm silicon tiếp xúc với áp suất đường ống nạp Hai mặt của tấm silicon được phủ thạch anh để tạo thành điện trở áp điện (Piezoresistor)

Khi áp suất trong đường ống nạp thay đổi, giá trị của điện trở áp điện sẽ thay đổi Các điện trở áp điện được nối thành cầu Wheatstone Khi màng ngăn

không bị biến dạng (tương ứng với trường hợp động cơ chưa hoạt động hoặc tải lớn), tất cả bốn điện trở áp điện đều có giá trị bằng nhau và lúc đó không có sự chênh lệch điện áp giữa hai đầu cầu Khi áp suất đường ống nạp giảm, màng silicon bị biến dạng dẫn đến giá trị điện trở áp điện cũng bị thay đổi và làm mất cân bằng cầu Wheatstone Kết quả là giữa hai đầu cầu sẽ có sự chênh lệch điện áp và tín hiệu này được khuếch đại để điều khiển mở transistor ở ngõ ra của cảm biến có cực C treo Độ mở của transistor phụ thuộc vào áp suất đường ống nạp dẫn tới sự thay đổi điện áp báo về ECU qua chân PIM (Pressure Intake Manifold)

Sơ đồ nối dây từ cảm biến đến ECU như hình 2.4 Khi áp suất đường ống nạp tăng (gần đến áp suất khí quyển) tín hiệu điện áp PIM tăng theo tỷ lệ tương ứng

Tín hiệu cảm biến này được sử dụng như là đầu vào cho điều khiển nhiên liệu và đánh lửa trong hệ thống điều khiển động cơ đốt trong Trong hệ thống hiệu chỉnh theo tốc độ thì việc sử dụng cảm biến áp suất hay được sử dụng hơn là cảm biến lưu lượng khí nạp MAF (Mass Air Flow), bởi vì nó rẻ hơn Do có độ chính xác cao nên ngày càng có nhiều nhà máy sản xuất sử dụng cảm biến lưu lượng MAF trong các loại xe đời mới

Đặc tính của cảm biến MAP như hình 2.5

Dãi sai số của cảm biến áp suất MAP là 1% trong dãi nhiệt độ làm việc của động cơ, sai số có thể tăng lên khi nhiệt độ vượt giá trị tới hạn và được mô tả bởi

Trong trường hợp này, sai số hệ thống có thể được bỏ qua bởi vì kết quả đo không phải được thông báo ra cho người sử dụng mà phục vụ ngay cho việc tính toán của ECU Việc tính toán này được lập trong quá trình thí nghiệm trên chính phần cứng của ECU với chính loại cảm biến này do đó nếu có tồn tại sai số hệ thống thì giá trị tính ra trong quá trình thí nghiệm cũng theo sai số này và giá trị tính ra trong quá trình chạy ổn định cũng được tính theo sai số này Điều đó dẫn tới sai số này không ảnh hưởng tới kết quả tính toán của ECU Sai số này sẽ gây ảnh hưởng nếu như chúng ta dùng phần tính toán này cho một ECU có phần cứng khác với phần cứng của ECU thí nghiệm Sai số ngẫu nhiên là sai số mà sự xuất hiện cũng như dấu và biên độ của chúng mang tính không xác định Đối với cảm biến áp suất thì việc xuất hiện sai số ngẫu nhiên trong kết quả đo của ECU là không tránh khỏi nếu như ta không có biện pháp khắc phục, và sai số này sẽ gây ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tính toán lượng phun nhiên liệu Để hiểu rõ hơn về sai số ngẫu nhiên của cảm biến áp suất ta xét đường đặc tính làm việc của cảm biến áp suất ở hình 2.8

Hình 2.8 biểu diễn biến thiên

điện áp của cảm biến áp suất trên

đường ống nạp trong thời kỳ giảm

tốc Sự biến thiên của tín hiệu là do

sự thay đổi áp suất trong đường ống

nạp mỗi khi xupáp nạp của một trong

các xy lanh mở Đặc điểm của mạch

chuyển đổi A/D (Analog to Digital

converter) là thường được lấy mẫu tại

một thời điểm Đối với cảm biến áp

suất nếu lấy mẫu tại một thời điểm sẽ

gây ra sai số do mạch chuyển đổi

không thể xác định được thời điểm

nào là thời điểm đúng vào giá trị

trung bình của tín hiệu Ví dụ tại chu

kỳ lấy mẫu thứ nhất có thể sẽ đúng vào giá trị max, tại chu kỳ lấy mẫu tiếp theo rất có thể sẽ rơi vào giá trị min điều đó sẽ gây cho ECU tính toán lượng nhiên liệu không thể chính xác và nhiên liệu phun ra không đều Đây chính là nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên của giá trị áp suất Nếu như không có biện pháp loại trừ sai số này thì ECU sẽ không thể làm việc ổn định được

2.2.3 Cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston

Cảm biến tốc độ động cơ (Engine speed; crankshaft angle sensor hay còn gọi

là tín hiệu NE) dùng để báo tốc độ động cơ để ECU tính toán lượng nhiên liệu phun và góc đánh lửa tối ưu cho từng xilanh Cảm biến này còn dùng cho mục đích điều khiển tốc độ cầm chừng hoặc cắt nhiên liệu ở chế độ cầm chừng cưỡng bức

Cảm biến vị trí piston (TDC sensor hay còn gọi là cảm biến G) báo cho ECU

biết vị trí tử điểm thượng hoặc trước tử điểm thượng của piston Trong một số trường hợp, chỉ có vị trí của piston xi lanh số 1 (hoặc số 6) được báo về ECU, còn vị trí các xi lanh còn lại sẽ được ECU tính toán Công dụng của cảm biến này là để ECU xác định thời điểm đánh lửa và cả thời điểm phun Vì vậy, trong nhiều hệ thống điều khiển động cơ, số xung phát ra từ cảm biến phụ thuộc vào kiểu phun (độc lập, nhóm hay đồng loạt) và bằng số lần phun trong 1 chu kỳ Trên một số xe, tín hiệu vị trí piston xi lanh số 1 còn dùng làm xung reset để ECU tính toán và nhập giá trị mới trên RAM sau mỗi chu kỳ (sau mỗi 2 vòng quay trục khuỷu)

Có nhiều cách bố trí cảm biến G và NE trên động cơ: trong delco, trên bánh đà, hoặc trên bánh răng cốt cam Đôi khi ECU chỉ dựa vào một xung lấy từ cảm biến hoặc IC đánh lửa để xác định vị trí piston lẫn tốc độ trục khuỷu

Cảm biến vị trí xi lanh và cảm biến tốc độ động cơ có nhiều dạng khác nhau như: cảm biến điện từ loại nam châm quay hoặc đứng yên, cảm biến quang, cảm

biến Hall Trên động cơ SUZUKI Cappuccino - SX 306 dùng loại cảm biến Hall

 Cảm biến Hall:

 Hiệu ứng Hall:

Một tấm bán dẫn loại P (hoặc N) có kích

thước như hình vẽ được đặt trong từ trường đều

B sao cho vectơ cường độ từ trường vuông góc

với bề mặt của tấm bán dẫn (hình 2.9) Khi cho

dòng điện I V đi qua tấm bán dẫn có chiều từ trái

sang phải, các hạt điện tử đang dịch chuyển với

F L = q.B.v

Trong đó q là điện tích hạt điện tử

Như vậy, dưới tác dụng của lực Lawrence, các hạt điện tử sẽ bị dồn lên phía trên của tấm bán dẫn khiến giữa hai bề mặt A1 và A2 xuất hiện hai lớp điện tích trái dấu Sự xuất hiện hai lớp điện tích trái dấu này tạo ra một điện trường E giữa hai bề mặt A1 và A2 ngăn cản quá trình dịch chuyển của các hạt điện tử, các hạt

điện tử này sẽ chịu tác dụng của lực Culông F C

F C = q.E

Khi đạt trạng thái cân bằng giữa hai bề mặt A1 và A2 của tấm bán dẫn, sẽ

xuất hiện một điện thế ổn định U H

Khi cân bằng: F L = F C

 U H = B.v.a

(2.1)

Hình 2.9 Hiệu ứng Hall

qa d

 

(2.2)

Trong đó: j- Vectơ mật độ dòng điện

- Mật độ của hạt điện tử

d- Bề dày của tấm bán dẫn

aA A

Thế (2.2) vào (2.1) ta được:

v H

B I U

qd



Điện thế UH chỉ vào khoảng vài trăm mV Nếu dòng điện I v được giữ không

đổi thì khi thay đổi từ trường B, điện thế U H sẽ thay đổi Sự thay đổi từ trường làm

thay đổi điện thế U H tạo ra các xung điện áp được ứng dụng trong cảm biến Hall Hiện tượng vừa trình bày trên được gọi là hiệu ứng Hall (là tên của người đã khám phá ra hiện tượng này)

 Cảm biến Hall:

1 Phần tử Hall; 2 Ổn áp ; 3 Op – Amp; 4 Bộ xử lý tín hiệu

Hình 2.10 Sơ đồ cấu tạo cảm biến Hall

Do điện áp U H rất nhỏ nên trong thực tế, để điều khiển đánh lửa người ta phải khuếch đại và xử lý tín hiệu trước khi đưa đến ECU Hình 2.10 là sơ đồ khối của một cảm biến Hall Cảm biến Hall thường được đặt trong delco, gồm một rôto bằng thép có các cánh chắn và các cửa sổ cách đều nhau gắn trên trục của delco Số cánh chắn sẽ tương ứng với số xylanh của động cơ Khi rôto quay, các cánh chắn lần lượt sẽ xen vào khe hở giữa nam châm và IC Hall (hình 2.11)

Hình 2.11 Cấu tạo delco với cảm biến Hall

H

E

P

M 12V

SUPPLY LINE SIGNAL LINE

Hình 2.12 Nguyên lý làm

việc của cảm biến Hall

Để khảo sát hoạt động của cảm biến Hall, ta xét hai vị trí làm việc của rôto ứng với khe hở của IC Hall (hình 2.12) Khi cánh chắn ra khỏi khe hở giữa IC Hall và nam châm, từ trường sẽ xuyên qua khe hở tác dụng lên IC Hall làm xuất hiện điện áp điều khiển transistor Tr làm cho Tr dẫn Kết quả là trên đường dây tín hiệu (cực C), điện áp sẽ giảm xuống chỉ còn 1V Khi cánh chắn đi vào khe hở giữa nam châm và IC Hall, từ trường bị cánh chắn bằng thép khép kín không tác dụng lên IC Hall, tín hiệu điện áp từ IC Hall mất làm transistor Tr ngắt Tín hiệu điện áp ra lúc này bằng điện áp từ ECU nối với ngõ ra của cảm biến Hall

Như vậy, khi làm việc cảm biến Hall sẽ tạo ra tín hiệu dạng xung vuông, tín hiệu này giúp ECU nhận biết được tốc độ động cơ hoặc vị trí piston của máy chuẩn

Ở động cơ SUZUKI Cappuccino - SX 306 có 3 xylanh (thứ tự nổ 1-3-2) sử

dụng hệ thống đánh lửa trực tiếp nên không có delco Cảm biến Hall được đặt ở đầu trục cam, về nguyên lý cảm biến này làm việc hoàn toàn giống cảm biến Hall đặt trong delco được mô tả ở trên Tuy nhiên, rôto của cảm biến có 7 cựa để khép kín từ trường của nam châm Ba cặp cựa cách đều nhau 1200 dùng để báo tốc độ động cơ (xung NE) và báo vị trí điểm chết trên của piston (xung G); cựa thứ 7 là dùng để reset hệ thống

a- Cảm biến Hall b- Dạng xung tín hiệu

1- Giắc nối điện 2- Vỏ cảm biến 3- Đế tựa 4- Phót làm kín 5- Nam châm vĩnh cửu 6- IC Hall

7- Rotor

2.2.4 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (THW)

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (hình 2.14) thường được đặt ở gần cửa xả nước đầu xylanh, Cảm biến này kiểm tra nhiệt độ nước làm nguội động cơ bằng thermistor Thermistor có hệ số nhiệt điện trở âm NTC (Negative Temperature Coefficient), do đó giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ làm nguội tăng và ngược lại

Đồ thị điện trở ở hình bên minh họa quan hệ này

Mối quan hệ chính xác giữa nhiệt độ và điện trở tùy thuộc vào vật liệu dùng chế tạo cảm biến Dạng chung của thermistor theo phương trình:

11

T T e R

Với: R = điện trở ở nhiệt độ T

R0= điện trở ở nhiệt độ T0

e = 2,71828

T, T0 = nhiệt độ tuyệt đối (K)

= hệ số đường cong NTC

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát là cần thiết, do sự phun sương nhiên liệu sẽ kém hiệu quả khi động cơ nguội, ma sát động cơ đốt trong cũng tăng khi vận hành nguội, làm tăng tải vận hành Tín hiệu THW được ECU sử dụng để xác định sự hiệu chỉnh độ đậm nhiên liệu cần thiết nhằm đạt được hiệu suất động cơ tối ưu Ngoài việc tính toán nhiên liệu, tín hiệu THW còn có vai trò quan trọng trong hầu như mọi chức năng của ECU

Bộ cảm biến nhiệt độ nước làm mát có đầu nối điện 2 chấu (hình 2.15) gắn với một đầu của linh kiện thermistor Cảm biến và ECU được mắc dây như hình 2.15 Đặc tuyến điện áp tín hiệu được xác định bằng giá trị của địện trở 2,7 K và 5K ở bên trong ECU

Hình 2.15 Sơ đồ mạch điện và

đường đặc tính của của cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Một tín hiệu điện áp 5V qua điện trở giới hạn dòng (điện trở này có giá trị không đổi) rồi trở về ECU về mass Nối song song với cảm biến là bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành số (gọi là bộ chuyển đổi ADC ) Bộ chuyển đổi ADC sẽ đo điện áp rơi (độ sụt áp) trên cảm biến Khi nhiệt độ động cơ thấp, giá trị điện trở cảm biến cao và điện áp đặt giữa hai đầu của bộ chuyển đổi ADC cao Tín hiệu điện áp cao được chuyển đổi thành một dãy xung vuông và được giải mã nhờ bộ vi xử lý sẽ thông báo cho ECU biết động cơ đang lạnh Khi động cơ nóng giá trị điện trở cảm biến giảm, điện áp đặt giảm, tín hiệu điện áp giảm sẽ báo cho ECU biết động cơ đang nóng lên

Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các phương pháp chính sau:

5V Vcc

Đến relay chính

+B +B1

- Đo nhiệt độ bằng điện trở

- Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt

- Đo nhiệt độ bằng điot và transistor

Để đơn giản và phù hợp với đầu vào ECU, có sai số do nhiễu là nhỏ nhất thì phương pháp đo nhiệt độ bằng điện trở được dùng nhiều trên ô tô Hình 2.14 là đặc tính của cảm biến nhiệt độ nước dùng điện trở Đặc tính của cảm biến nhiệt độ nước dùng cho ECU là phi tuyến và có vùng sai số rộng Nhưng do không phải thể hiện kết quả đo mà giá trị này chỉ sử dụng để tính toán lượng nhiên liệu phun thêm và tối ưu hóa góc đánh lửa nên không cần độ chính xác của cảm biến cao

2.2.5 Cảm biến nhiệt độ khí nạp (THA)

Cảm biến nhiệt độ không khí nạp nhận biết nhiệt độ của khí nạp Cũng giống như cảm biến nhiệt độ nước làm mát, nó bao gồm một nhiệt điện trở được lắp trên cảm biến lưu lượng khí (loại D-EFI cảm biến nhiệt độ khí nạp lắp trên vỏ lọc gió trên khoang nạp khí) Thể tích và nồng độ không khí thay đổi theo nhiệt độ Do vậy, ngay cả nếu thể tích không khí đo được bằng cảm biến lưu lượng khí giống như nhau thì lượng nhiên liệu phun vào sẽ thay đổi theo nhiệt độ ECU lấy nhiệt độ 20o

C (68o F) làm chuẩn, khi nhiệt độ cao hơn nó sẽ giảm lượng nhiên liệu phun vào và tăng lượng phun khi nhiệt độ thấp hơn Theo cách này, sẽ đảm bảo tỉ lệ nhiên liệu-không khí thích hợp mà không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường

Cảm biến nhiệt độ khí nạp và ECU được mắc dây như hình 2.16 Đường đặc tuyến của cảm biến nhiệt độ khí nạp cũng tương tự như đường đặc tuyến của cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Sự kiểm tra nhiệt độ khí nạp là cần thiết trong hệ thống EFI do áp suất và tỷ trọng không khí thay đổi theo nhiệt độ, do không khí có tỷ trọng tăng khi nguội, khi đó ECU sẽ đưa tín hiệu nhiệt độ khí nạp vào chương trình hiệu chỉnh phun nhiên liệu

Vcc=5V

Đến relay chính

+B +B1

Hình 2.16 Sơ đồ mạch điện của

cảm biến nhiệt độ khí nạp

2.2.6 Cảm biến vị trí bướm ga

Đây là thông tin phản ánh mức tải của động cơ Nó đặc biệt quan trọng tới hai trạng thái đầu (không tải) và 75% tải trở lên của bướm ga, ngoài ra nó còn dùng để điều khiển hộp số tự động, hệ thống treo tự động và điều khiển đặc tính của động cơ

Cảm biến vị trí bướm ga (hình 2.17) được lắp trên thân bướm ga Cảm biến này được phân loại theo kiểu on-off và kiểu tuyến tính Tùy loại động cơ và model, người ta sử dụng một trong hai kiểu cảm biến vị trí bướm ga

Cảm biến bướm ga đưa ra hai thông tin quan trọng báo về ECU là thông tin về vị trí không tải hay thông tin về vị trí toàn tải, và thông tin tại thời điểm tăng tốc Mạch cảm biến on/off gồm hai loại, cảm biến này thường được dùng trên các

xe đời cũ

Mọi cảm biến bướm ga đều cung cấp thông tin cơ bản cho ECU về trạng thái chạy cầm chừng và yêu cầu của người lái Thông tin này được ECU sử dụng để đánh giá độ đậm của hỗn hợp nhiên liệu, giảm nhiên liệu khi giảm tốc, tính ổn định chạy cầm chừng và các hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm

Động cơ SUZUKI Cappuccino - SX

306 sử dụng cảm biến vị trí bướm ga loại

tuyến tính

Cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính (VTA)

Cảm biến này được lắp ở thân bướm ga (hình 2.18) gồm hai tiếp điểm di động, điện trở cố định và 4 đầu dây điện, hai tiếp điểm di động lắp trên cùng một trục với bướm ga Một được dùng cho tín hiệu góc mở bướm ga (VTA) và một dùng cho tín hiệu cầm chừng (IDL) Khi bướm ga mở, mạch điện áp kế biến đổi sự dịch chuyển cơ học của van bướm ga thành tín hiệu điện áp biến thiên Điện áp do cảm biến này tạo ra tỷ lệ với góc mở van bướm ga

Hình 2.19a Sơ đồ mạch điện của cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính

Cảm biến loại này có đầu nối điện 4 cực là: VCC, VTA (Tín hiệu điện áp analog góc mở bướm ga), IDL và E2

Cảm biến và ECU được mắc dây như hình (hình 2.19) Một điện áp không đổi 5V từ ECU cung cấp đến cực VCC Khi cánh bướm ga mở, con trượt trượt dọc theo điện trở và tạo ra điện áp tăng dần ở cực VTA tương ứng với góc mở cánh bướm ga Khi cánh bướm ga đóng hoàn toàn, tiếp điểm cầm chừng nối cực IDL với cực E2

Các điện trở R1 và R2 cung cấp khả năng tự chẩn đoán và cho phép điện áp rơi an toàn ở ECU khi hở mạch Hai điện trở này có giá trị điện trở rất cao và không có ảnh hưởng điện đối với mạch trong các điều kiện vận hành bình thường Nhưng sẽ tác động đến điện áp hở mạch được đo ở dây VTA trên ECU

Hình 2.19b Đường đặc tính của cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính

2.2.7 Cảm biến oxy (Oxygen sensor)

Để chống ô nhiễm, trên các xe được trang bị bộ hóa khử (TWC – Three way catalyst) Bộ hóa khử sẽ hoạt động với hiệu suất cao nhất ở tỷ lệ hòa khí lý tưởng tức  = 1

Cảm biến oxy được dùng để xác định thành phần hòa khí tức thời của động

cơ đang hoạt động Nó phát ra một tín hiệu điện thế gởi về ECU để điều chỉnh tỷ lệ hòa khí thích hợp trong một điều kiện làm việc nhất định (chế độ điều khiển kín – Closed loop control)

Cảm biến oxy được gắn ở đường ống thải (hình 2.20) Có hai loại cảm biến oxy, khác nhau chủ yếu ở vật liệu chế tạo:

- Chế tạo từ Dioxide Zirconium (ZrO2)

- Chế tạo từ Dioxide Titanium (TiO2)

Để nhanh chóng đưa động cơ vào chế độ vận hành vòng kín (vì cảm biến oxy hoạt động tốt khi nhiệt độ đạt 3000C) , nhiều động cơ sử dụng cảm biến oxy có nung nóng Sử dụng cảm biến có nung nóng cho phép động cơ vận hành vòng kín sớm hơn trong các chu kỳ làm nóng động cơ và cho phép bố trí bộ cảm biến oxy linh hoạt hơn Các yếu tố này cho phép đáp ứng tốt hơn các tiêu chuẩn kiểm soát khí thải

Động cơ được bán ở California còn có bộ cảm biến oxy phụ, giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống xúc tác, cảm biến này đặt phía sau bộ xúc tác và được dùng để điều chỉnh tỷ số không khí - nhiên liệu phân phối đến các kim phun, giúp tối ưu hóa hiệu suất xúc tác

2.2.7.1 Cảm biến oxy với thành phần Zirconium

Cảm biến Zirconium dioxide (ZrO2) là thiết bị điện hóa so sánh hàm lượng oxy trong dòng khí thải với oxy trong mẫu không khí xung quanh (hình 2.21), chứa phần tử ZrO2 xếp lớp giữa hai điện cực platin, lớp platin này rất mỏng và xốp để oxy dễ khuếch tán vào Cảm biến này hoạt động tương tự pin điện, các điện cực là các tấm dương(+) và âm(-), còn ZrO2 là chất điện phân Cảm biến khi làm việc tạo

ra điện áp  01V

1 Đệm dẫn điện

2 Thân

3 Chất điện phân khô

4,5 Điện cực ngoài và trong

Hình 2.21 Cảm biến với thành phần Zirconium

Khi khí thải chứa lượng oxy ít do hỗn hợp giàu nhiên liệu thì số ion oxy tập trung ở điện cực tiếp xúc khí thải ít hơn số ion oxy tập trung ở điện cực tiếp xúc không khí Sự chênh lệch số ion này sẽ tạo một tín hiệu điện áp khoảng 600 – 900

mV Ngược lại, khi độ chênh lệch số ion ở hai điện cực nhỏ trong trường hợp nghèo xăng, pin oxy sẽ phát ra tín hiệu điện áp thấp khoảng 100 – 400 mV

Sức điện động mà cảm biến ôxy sinh ra được tính theo công thức Nerst:

02 02

kt kk

P RT

1- Thân ; 2- Đệm ; 3-Dây nối ; 4- Vỏ ; 5-Thanh tiếp xúc; 6- Gốm Zro2 ; 7- Màng bảo vệ

Hình 2.22 Cấu tạo cảm biến oxy loại Zirconium

Trong đó:

R - là hằng số

T - là nhiệt độ điện cực bằng platin

F - hằng số Faraday

Z - điện tích của Zr =4

P02kt - áp suất cục bộ của oxy trong khí thải

P02kk - áp suất cục bộ của oxy trong không khí

Hình 2.23 Mạch điện của cảm biến oxy loại Zirconium

2.2.7.2 Cảm biến oxy với thành phần Titanium

Cảm biến này có cấu tạo tương tự như loại Ziconium nhưng thành phần nhận biết oxytrong khí thải được làm từ dioxide titanium (TiO2) Đặc tính của chất này là sự thay đổi điện trở theo nồng độ oxy còn trong khí thải

Nghèo hơn Giàu hơn

Hoà khí lý thuyết

Hình 2.24 Cấu tạo cảm biến oxy loại Titanium

Khi khí thải chứa lượng oxy ít do hỗn hợp giàu nhiên liệu, phản ứng tách oxy khỏi TiO2 dễ xảy ra Do đó điện trở của TiO2 có giá trị thấp làm dòng qua điện trở tăng lên Nhờ vậy điện áp đặt vào cổng so của OP AMP qua cầu phân áp đạt giá trị

600 – 900 mV Khi khí thải chứa lượng oxy nhiều do hỗn hợp nghèo, phản ứng tách oxy ra khỏi TiO2 khó xảy ra, do đó điện trở của TiO2 có giá trị cao làm dòng qua điện trở giảm, điện thế ở cổng ra sẽ giảm xuống khoảng 100 – 400 mV

Điện trở suất của chất Ti02:

Trong đó :

A- là hằng số

P –áp suất cục bộ của oxy trong khí thải

N e P A

0

.

1 02





Đầu kiểm tra

1V

2.2.8 Tín hiệu máy khởi động (STA)

STA là tín hiệu digital được ECU sử dụng để xác định động cơ có quay không Tín hiệu này được tạo ra ở đầu dây ST1 của công tắc đánh lửa và được ECU sử dụng để tăng lượng phun nhiên liệu trong khi đang khởi động

STA là tín hiệu digital được ECU sử dụng để xác định động cơ có hoạt động

ở chế độ khởi động không Tín hiệu này được tạo ra ở đầu dây ST1 của công tắc đánh lửa và được ECU sử dụng để tăng lượng phun nhiên liệu trong khi đang khởi động

Mạch STA được mắc với ECU như hình 2.26 Tín hiệu STA là một điện áp giống như điện áp cấp đến máy khởi động

Hình 2.26 Mạch điện khởi động

2.3 Các cơ cấu chấp hành

2.3.1 Kim phun

2.3.1.1 Kết cấu kim phun

Hình 2.27 Kết cấu kim phun

Kim phun là một loại van điện từ có cấu tạo gồm các phần chính sau:

M Accu

Công tắc

Công tắc an toàn (A/T)

E1

STA

Engine ECU

 Bộ lọc: bảo đảm nhiên liệu đi vào kim phun phải thật sạch

 Giắc cắm: nối với mạch điện điều khiển

 Cuộn dây: tạo ra từ trường khi có dòng điện

 Van kim: đóng kín vòi phun, khi có dòng điện sẽ bị nhấc lên cho

nhiên liệu phun ra

 Vòi phun: định góc phun và xé nhỏ nhiên liệu

 Vỏ kim: bảo vệ các bộ phận bên trong

 Lò xo

2.3.1.2 Hoạt động của kim phun

Trong quá trình hoạt động của động cơ, ECU liên tục nhận được những tín

hiệu đầu vào từ các cảm biến Qua đó, ECU sẽ tính thời gian mở kim phun Quá

trình đóng và mở của kim phun diễn ra ngắt quãng ECU gởi tín hiệu đến kim phun

trong bao lâu phụ thuộc vào độ rộng xung

Hình dưới đây cho thấy độ rộng xung thay đổi tuỳ theo từng chế độ làm việc

của động cơ Giả sử cánh bướm ga mở lớn khi tăng tốc thì sẽ cần nhiều nhiên liệu

hơn Do đó ECU sẽ tăng chiều dài xung Điều này có nghĩa là ti kim sẽ được giữ

lâu hơn trong mỗi lần phun để cung cấp thêm một lượng nhiên liệu

Hình 2.28 Xung điều khiển kim phun ứng với các chế độ của động cơ

Khởi động lạnh

Chạy với điều kiện lạnh

Chạy với điều kiện ấm

Chạy sau hành trình dài tăng tốc

Cầm chừng nóng

Cánh bướm ga đóng kín

Khi dòng điện đi qua cuộn dây của kim phun sẽ tạo một lực từ đủ mạnh để thắng sức căng ló xo, thắng lực trọng trường của ti kim và thắng áp lực nhiên liệu đè lên kim, kim sẽ được nhấc lên khỏi bệ khoảng 0.1mm nên nhiên liệu được phun

ra khỏi kim phun

2.3.1.3 Các loại kim phun

Có rất nhiều loại kim phun, nhưng chúng có thể được chia tạm thời thành các loại sau dựa vào kết cấu của nó:

 Hình dạng của cổng phun:

 Loại kim: (xé nhỏ tốt)

 Loại lỗ: (khó bị tắt):

_ Do ND chế tạo (van hình côn, 1 hay 2 lỗ)

_ Do AISAN chế tạo (van hình cầu hay côn, 1 hay 2 lỗ)

 Giá trị điện trở:  Điện trở thấp (xấp xỉ 2 đến 3)

 Điện trở cao (xấp xỉ 13.8 )

 Dạng giắc nối:

Bảng 2.1 Phân loại kim phun theo dạng giắc nối

Có 4 dạng giắc nối, chúng khác nhau tuỳ theo hình dáng của cổng phun và giá trị điện trở Màu của của giắc nối cũng khác nhau tuỳ theo lượng phun

2.3.1.4 Các phương pháp điều khiển kim phun

°Điều khiển bằng điện áp

 Phương pháp điều khiển kim phun bằng điện áp cho loại kim phun có điện trở cao, (xấp xỉ 13.8 V)

Điện áp accu cung cấp trực tiếp đến kim phun qua công tắc máy Khi transistor Tr trong ECU mở sẽ có dòng chạy qua kim phun, qua chân N0 10, N0 20 đến E01 , E02 về mass Trong khi Tr mở, dòng điện chạy qua kim phun làm nhấc ti kim và nhiên liệu được phun vào trước xupáp nạp

Hình 2.29 Mạch điện điều khiển kim phun bằng áp,

loại kim phun có điện trở cao

 Phương pháp điều khiển kim phun bằng áp cho loại kim phun điện trở thấp

Mạch điện làm việc tương tự như loại trên nhưng vì sử dụng kim có điện trở thấp nên có một điện trở phụ Rf mắc giữa công tắc máy và kim phun để hạn dòng

No 20

No 10

E01 E02

Tr Engine ECU Công tắc máy

Kim phun

Hình 2.30 Mạch điện điều khiển kim phun bằng áp,

loại kim phun có điện trở thấp

Có nhiều cách mắc điện trở phụ, có các cách mắc như hình sau:

(a) (b)

Kim phun

Điện trở phụ

Kim phun Điện trở phụ

Kim phun Điện trở phụ

Hình 2.31 Các cách mắc điện trở phụcho kim phun

điện trở thấp

a) Một điện trở phụ cho mỗi kim phun

b) Một điện trở phụ cho 3 kim phun

c) Một điện trở phụ cho 2 kim phun

Điện trở phụ

No 20

No 10

E01 E02

Tr Engine ECU Công tắc máy

Kim phun