Chương 6 hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ

Chương 6 ,hệ thống điều khiển, lập trình cho động cơ

Hệ thống điện điện tử ôtô đại 171 CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH CHO ĐỘNG CƠ 6.1 Khái quát hệ thống điều khiển lập trình cho động 6.1.1 Lòch sử phát triển Vào kỷ 19, kỹ sư người Pháp - ông Stevan - nghó cách phun nhiên liệu cho máy nén khí Sau thời gian, người Đức cho phun nhiên liệu vào buồng cháy không mang lại hiệu Đầu kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun nhiên liệu động tónh (nhiên liệu dùng động dầu hỏa nên hay bò kích nổ hiệu suất thấp) Tuy nhiên, sau sáng kiến ứng dụng thành công việc chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu cho máy bay Đức Đến năm 1966, hãng BOSCH thành công việc chế tạo hệ thống phun xăng kiểu khí Trong hệ thống phun xăng này, nhiên liệu phun liên tục vào trước supap hút nên có tên gọi K – Jetronic (KKonstant – liên tục, Jetronic – phun) K – Jetronic đưa vào sản xuất ứng dụng xe hãng Mercedes số xe khác, tảng cho việc phát triển hệ thống phun xăng hệ sau KE –Jetronic, Mono-Jetronic, LJetronic, Motronic… Tên tiếng Anh K-Jetronic CIS (continuous injection system) đặc trưng cho hãng xe Châu Âu có loại cho CIS là: K – Jetronic, K –Jetronic – với cảm biến oxy KE – Jetronic (có kết hợp điều khiển điện tử) KE – Motronic (kèm điều khiển góc đánh lửa sớm) Do hệ thống phun khí nhiều nhược điểm nên đầu năm 80, BOSCH cho đời hệ thống phun sử dụng kim phun điều khiển điện Có hai loại: hệ thống L-Jetronic (lượng nhiên liệu xác đònh nhờ cảm biến đo lưu lượng khí nạp) D-Jetronic (lượng nhiên liệu xác đònh dựa vào áp suất đường ống nạp) Đến năm 1984, người Nhật (mua quyền BOSCH) ứng dụng hệ thống phun xăng L-Jetronic D-Jetronic xe hãng Toyota (dùng với động 4A – ELU) Đến năm 1987, hãng Nissan dùng L – Jetronic thay cho chế hòa khí xe Nissan Sunny Song song, với phát triển hệ thống phun xăng, hệ thống điều khiển đánh lửa theo chương trình (ESA – electronic spark advance) đưa vào sử dụng vào năm đầu thập kỷ 80 Sau đó, vào đầu năm 90, hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS – direct ignition 172 Chương 6: Hệ thống điều khiển lập trình cho động system) đời, cho phép không sử dụng delco hệ thống có mặt hầu hết xe hệ Ngày nay, gần tất ôtô trang bò hệ thống điều khiển động xăng diesel theo chương trình, giúp động đáp ứng yêu cầu gắt gao khí xả tính tiết kiệm nhiên liệu Thêm vào đó, công suất động cải thiện rõ rệt Những năm gần đây, hệ động phun xăng đời Đó động phun trực tiếp: GDI (gasoline direct injection) Trong tương lai gần, chắn GDI sử dụng rộng rãi Hình 6.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển động Hệ thống điện điện tử ôtô đại 173 6.1.2 Phân loại ưu nhược điểm Phân loại Hệ thống phun nhiên liệu phân loại theo nhiều kiểu Nếu phân biệt theo cấu tạo kim phun, ta có loại: a Loại CIS (continuous injection system) Đây kiểu sử dụng kim phun khí, gồm loại bản: - Hệ thống K – Jetronic: việc phun nhiên liệu điều khiển hoàn toàn khí - Hệ thống K – Jetronic có cảm biến khí thải: có thêm cảm biến oxy - Hệ thống KE – Jetronic: hệ thống K-Jetronic với mạch điều chỉnh áp lực phun điện tử - Hệ thống KE – Motronic: kết hợp với việc điều khiển đánh lửa điện tử Các hệ thống vừa nêu sử dụng xe châu Âu model trước 1987 Do chúng lỗi thời nên sách không đề cập đến b Loại AFC (air flow controlled fuel injection) Sử dụng kim phun điều khiển điện Hệ thống phun xăng với kim phun điện chia làm loại chính: − D-Jetronic (xuất phát từ chữ Druck tiếng Đức áp suất): với lượng xăng phun xác đònh áp suất sau cánh bướm ga cảm biến MAP (manifold absolute pressure sensor) − L-Jetronic (xuất phát từ chữ Luft tiếng Đức không khí): với lượng xăng phun tính toán dựa vào lưu lượng khí nạp lấy từ cảm biến đo gió loại cánh trượt Sau có phiên bản: LH – Jetronic với cảm biến đo gió dây nhiệt, LU – Jetronic với cảm biến gió kiểu siêu âm… Nếu phân biệt theo vò trí lắp đặt kim phun, hệ thống phun xăng AFC chia làm loại: c Loại TBI (Throttle Body Injection) - phun đơn điểm Hệ thống có tên gọi khác như: SPI (single point injection), CI (central injection), Mono – Jetronic Đây loại phun trung tâm Kim phun bố trí phía cánh bướm ga nhiên liệu phun hay hai kim phun Nhược điểm hệ thống tốc độ dòch chuyển hòa khí tương đối thấp nhiên liệu phun vò trí xa supap hút khả thất thoát đường ống nạp d Loại MPI (Multi Point Fuel Injection) - phun đa điểm 174 Chương 6: Hệ thống điều khiển lập trình cho động Đây hệ thống phun nhiên liệu đa điểm, với kim phun cho xylanh bố trí gần supap hút (cách khoảng 10 – 15 mm) Ống góp hút thiết kế cho đường không khí từ bướm ga đến xylanh dài, nhờ vậy, nhiên liệu phun hòa trộn tốt với không khí nhờ xoáy lốc Nhiên liệu không thất thoát đường ống nạp Hệ thống phun xăng đa điểm đời khắc phục nhược điểm hệ thống phun xăng đơn điểm Tùy theo cách điều khiển kim phun, hệ thống chia làm loại chính: phun độc lập hay phun kim (independent injection), phun nhóm (group injection) phun đồng loạt (simultaneous injection) Nếu vào đối tượng điều khiển theo chương trình, người ta chia hệ thống điều khiển động loại chính: điều khiển phun xăng (EFI - electronic fuel injection theo tiếng Anh Jetronic theo tiếng Đức), điều khiển đánh lửa (ESA - electronic spark advance) loại tích hợp tức điều khiển phun xăng đánh lửa (hệ thống có nhiều tên gọi khác nhau: Bosch đặt tên Motronic, Toyota có tên (TCCS - Toyota Computer Control System), Nissan gọi tên (ECCS - Electronic Concentrated Control System…) Nhờ tốc độ xử lý CPU cao, hộp điều khiển động đốt ngày thường gồm chức điều khiển hộp số tự động quạt làm mát động Nếu phân biệt theo kỹ thuật điều khiển ta chia hệ thống điều khiển động làm loại: analog digital Ở hệ xuất từ 1979 đến 1986, kỹ thuật điều khiển chủ yếu dựa mạch tương tự (analog) Ở hệ thống này, tín hiệu đánh lửa lấy từ âm bobine đưa hộp điều khiển để, từ đó, hình thành xung điều khiển kim phun Sau đó, đa số hệ thống điều khiển động thiết kế, chế tạo tảng vi xử lý (digital) e Ưu điểm hệ thống phun xăng − Có thể cấp hỗn hợp khí nhiên liệu đồng đến xylanh − Có thể đạt tỉ lệ khí nhiên liệu xác với tất dải tốc độ động − Đáp ứng kòp thời với thay đổi góc mở bướm ga − Khả hiệu chỉnh hỗn hợp khí nhiên liệu dễ dàng: làm đậm hỗn hợp nhiệt độ thấp cắt nhiên liệu giảm tốc Hệ thống điện điện tử ôtô đại 175 − Hiệu suất nạp hỗn hợp không khí – nhiên liệu cao − Do kim phun bố trí gần supap hút nên dòng khí nạp ống góp hút có khối lượng thấp (chưa INPUT OUTPUT trộn với nhiên liệu) đạt tốc độ xoáy lốc cao, (SENSORS) (ACTUATORS) nhờ vậy, nhiên liệu không thất thoát đường ống nạp hòa khí trộn tốt Tốc độ động trúc hệ 6.2 Cấu thống điều khiển lập trình Tải động thuật toán điều khiển (MAP) E Kim phun nhiên 6.2.1 Sơ đồ cấu trúc khối chức liệu Nhiệt độ khối chức hệ thống Sơ đồ cấu trúc nước làm điều khiển động theo chương trình mô tả hình mát 6.2 6.3 Hệ thống điều khiển baoHệ gồm: ngõ vào thống Nhiệt độ (inputs) với chủ yếu cảm biến; hộp đánhECU lửa (electronic khí nạp control unit) não hệ thống có vi xử lý; ngõ (outputs) cấu Nhiệt độ chấp hành kim phun, bobine, van điều khiển nhiên(actuators) liệu Điều khiển cầm chừng… cầm chừng C Vò trí bướm ga Cảm biến oxy Điện áp accu U Hệ thống chẩn đoán Các cảm biến khác Điều khiển hỗn hợp cầm chừng Hệ thống cấp khí Cảm biến lưu lượng gió Điều khiển tốc độ cầm chừng Cảm biến bướm ga ĐỘNG CƠ Các Kim phun nhiên ECU cảm liệu biến Hình 6.2: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển lập khác trình cho động Hệ thống cấp nhiên liệu 176 Chương 6: Hệ thống điều khiển lập trình cho động Hình 6.3: Sơ đồ khối chức hệ thống điều khiển phun xăng 6.2.2 Thuật toán điều khiển lập trình Thuật toán điều khiển lập trình cho động nhà chế r(t) Ve đặt VA ξ(t) Xử sẵn Cơ cấu vào Cả tạo viết cài CPU U(t) Tùộng thuộc lý tín chấp đốt m chế độ làm việc hay tình trạng động cơ, mà ECU tính toán hiệu hành biến dựa trênVξ(t) lập trình có sẵn để đưa tín hiệu điều khiển cho động làm việc tối ưu a Lý thuyết điều khiển Các hệ thống điều khiển kiểu cổ điển ô tô thường thiết kế với liên hệ ngược (feedback control) Mặc dù hệ thống điều khiển có nhiều thông số phụ thuộc, ta xem xét hệ thống với thông số Sơ đồ nguyên lý hệ thống trình bày hình 6.4a Hình 6.4a: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động với liên hệ ngược Thông số điều khiển xuất đầu (động đốt trong) ký hiệu ξ(t) Tín hiệu so r (t) đònh sẵn Cảm biến đưa tín hiệu Vξ(t) tỉ lệ thuận với ξ(t), tức là: Vξ (t) = ks.ξ (t) Khi xuất chênh lệch điện tín hiệu thực tín hiệu so Ve (t): Ve (t) = r (t) - Vξ (t) Nếu hệ thống làm việc lý tưởng giá trò Ve(t) khoảng thời gian (ví dụ chế độ động ổn đònh) phải Trên thực tế, tín hiệu nêu có chênh lệch mạch điều khiển điện tử dựa vào chênh lệch để hình thành Hệ thống điện điện tử ôtô đại 177 xung VA(t) điều khiển cấu chấp hành (chẳng hạn kim phun) Việc thay đổi tác động đến thông số đầu vào U(t) động (ví dụ tỉ lệ hòa khí) Ngày nay, có nhiều phương pháp điều khiển động dựa sở sử dụng máy tính để xử lý tín hiệu Thông thường máy tính giải toán tối ưu có điều kiện biên để điều khiển động Mục tiêu toán tối ưu điều khiển động đạt công suất lớn với mức tiêu hao nhiên liệu nhỏ điều kiện giới hạn độ độc hại khí thải Như vậy, ta biểu diễn hệ thống điều khiển động tối ưu mối quan hệ vectơ sau: y = (y1, y2, y3, y4); u = (u1, u2, u3, u4, u5); x = (x1, x2, x3) Vectơ y(t) hàm phụ thuộc thông số ngõ bao gồm thành phần sau: y1(x(t), u(t)) - tốc độ tiêu hao nhiên liệu y2(x(t), u(t)) - tốc độ phát sinh HC y3(x(t), u(t)) - tốc độ phát sinh CO y4(x(t), u(t)) - tốc độ phát sinh NOx Vectơ x(t) mô tả tình trạng động tức điều kiện hoạt động, phụ thuộc vào thông số: x1 - áp suất đường ống nạp x2 - tốc độ quay trục khuỷu x3 - tốc độ xe Vectơ u(t) mô tả thông số hiệu chỉnh hệ thống điện tử, bao gồm thành phần: u1 - tỉ lệ khí – nhiên liệu hòa khí (AFR – air fuel ratio) u2 - góc đánh lửa sớm u3 - lưu hồi khí thải (EGR – exhaust gas recirculation) u4 - vò trí bướm ga u5 - tỉ số truyền hộp số Để giải toán tối ưu nêu với điều kiện biên, người ta xác đònh mục tiêu tối ưu lượng tiêu hao nhiên liệu F theo chu trình thử EPA (environmental protection agency): T F = y1( x( t) ,u( t) ) dt ∫ Trong đó: 178 Chương 6: Hệ thống điều khiển lập trình cho động x3(t): tốc độ xe qui đònh thử nghiệm xác đònh thành phần khí thải theo chu trình EPA, T thời gian thử nghiệm Như vậy, động đốt điều khiển cho F đạt giá trò nhỏ với điều kiện biên qui đònh nước nồng độ chất độc hại khí thải T ∫ y ( x( t) ,u( t) ) dt〈G ∫ y ( x( t) ,u( t) ) dt〈G ∫ y ( x( t) ,u( t) ) dt〈G T T Trong đó: G2, G3, G4 - hàm lượng chất độc khí xả theo qui đònh tương ứng với HC, CO NOx Trong trình xe chạy, vectơ x(t), u(t) thông số động Khi giải toán tối ưu nêu trên, ta đặt giới hạn vectơ Trên thực tế, kết tối ưu thường xác đònh thực nghiệm nạp vào nhớ EEPROM dạng bảng tra (look-up table) b Điều khiển phun xăng Việc lựa chọn thuật toán điều khiển phun xăng phụ thuộc vào yếu tố mà nhà chế tạo ưu tiên như” - Điều khiển chống ô nhiễm Việc hòa trộn hỗn hợp thực cách phun đường ống nạp phun xylanh (GDI) Nếu đủ thời gian, hỗn hợp hòa khí phân bố đồng xylanh với tỉ lệ thay đổi khoảng 0.9 < λ < 1.3 động phun trực tiếp GDI với tỉ lệ hòa khí nghèo λ > 1.3 phải tạo vùng hỗn hợp tương đối giàu vùng gần bougie buồng cháy Quá trình cháy có tia lửa đặc trưng bởi: • Ngọn lửa màu xanh hỗn hợp đồng tỉ lệ lý tưởng Trường hợp muội than hình thành • Ngọn lửa màu vàng hỗn hợp phân lớp tỉ lệ hòa khí nghèo Muội than hình thành Các chất độc khí thải như: CO, HC, NO X phụ thuộc mạnh vào tỉ lệ hòa khí: λ < 1: tăng lượng HC CO Hệ thống điện điện tử ôtô đại 179 λ = 1: có đủ chất CO, HC, NOX để phản ứng với xúc tác Sau xúc tác có chất độc λ ≅ 1.1 : lượng NOX đạt giá trò cực đại nhiệt độ buồng cháy cao thừa oxy λ > 1.1: giảm NOX nhiệt độ buồng cháy, tăng hàm lượng HC không cháy hỗn hợp λ > 1.5: chế độ đốt nghèo với khí độc thấp trừ NOX Hàm lượng O2 pô dùng để xác đònh tỉ lệ λ λ ≥ thông qua cảm biến oxy - Công suất động − Hỗn hợp giàu λ < : − Hỗn hợp lý tưởng : λ=1 công suất dung tích xylanh đạt cực đại nhờ lượng nhiên liệu tăng Sử dụng phổ biến chế độ tải lớn trước 1970 Ngày dùng chế độ làm nóng (warm-up) động Hàm lượng chất độc khí thải cao công suất tương đối cao Được sử dụng để tăng hiệu suất xúc tác − Hỗn hợp tương đối − hiệu suất tốt nhờ tăng lượng khí nạp hàm lượng NOX tăng Sử dụng chế độ tải nhỏ trước 1980 − Hỗn hợp nghèo λ > :− hiệu suất cao hàm lượng NOX lớn, phải có xúc tác cho NOX nghèo < λ < 1.5 : 1.5 Lượng nhiên liệu tổng cộng phun phụ thuộc vào thông số sau: − − − − − − Lưu lượng khí nạp theo thời gian m’a Góc mở bướm ga αt Tốc độ động n Nhiệt độ động ϒe Nhiệt độ môi trường (khí nạp) ϒa Điện áp ắc quy Ub c Chức điều khiển phun xăng Kiểm soát lượng xăng phun theo thời gian theo lượng khí nạp để đạt tỉ lệ mong muốn 180 Chương 6: Hệ thống điều khiển lập trình cho động Tăng lượng nhiên liệu chế độ làm nóng sau khởi động lạnh Tăng lượng khí nạp lẫn nhiên liệu (tăng hỗn hợp) cho động nguội ma sát lớn Bù lượng nhiên liệu bám ống nạp Cắt nhiên liệu giảm tốc tốc độ cao Hiệu chỉnh theo nhiệt độ khí nạp áp suất khí trời L - Jetronic Điều chỉnh tốc độ cầm chừng Điều chỉnh λ Điều chỉnh lưu hồi khí thải d Phun gián đoạn So với kiểu phun liên tục (K-Jetronic), phun gián đoạn tiết kiệm nhiên liệu nhờ độ xác cao Công suất động thay đổi khoảng lớn Tỉ lệ công suất động toàn tải cầm chừng là: PMAX = 100 PMIN Trong đó, tốc độ thay đổi khoảng hẹp nMAX = 10 nMIN Ở chế độ hoạt động cố đònh, lượng xăng phun theo thời gian m’f tỉ lệ với công suất hiệu dụng Pe động Nếu phun gián đoạn, chu kỳ, lượng nhiên liệu phun Số lần phun giây tỉ lệ thuận với tốc độ động Lượng xăng phun cho xylanh chu kỳ cháy là: m f = ∫ n z m' f dt Số hỗn hợp đốt lần vòng quay trục khuỷu Nếu m’f không đổi chế độ làm việc động cơ, ta có: m' f mf = n Z Do đó, tỉ lệ lượng xăng phun cao thấp là: mmax Pmax nmin = = 10 mmin Pmin nmax e Tính toán thời gian phun Lượng nhiên liệu cung cấp cho động kiểm soát thời gian phun tinj thời gian kim phun mở Như vậy, 206 Chương 6: Hệ thống điều khiển lập trình cho động Cảm biến tốc độ động (Engine speed ; crankshaft angle sensor hay gọi tín hiệu NE) dùng để báo tốc độ động để tính toán tìm góc đánh lửa tối ưu lượng nhiên liệu phun cho xylanh Cảm biến dùng vào mục đích điều khiển tốc độ cầm chừng cắt nhiên liệu chế độ cầm chừng cưỡng Có nhiều cách bố trí cảm biến G NE động cơ: delco, bánh đà, bánh cốt cam Đôi ECU dựa vào xung lấy từ cảm biến IC đánh lửa để xác đònh vò trí piston lẫn tốc độ trục khuỷu Cảm biến vò trí xylanh cảm biến tốc độ động có nhiều dạng khác như: cảm biến điện từ loại nam châm quay đứng yên, cảm biến quang, cảm biến Hall A Loại dùng cảm biến điện từ a Cấu tạo Hình 6.30: Sơ đồ bố trí cảm biến G NE xe TOYOTA Trên hình 6.30 trình bày sơ đồ bố trí cảm biến vò trí xylanh tốc độ động dạng điện từ xe Toyota loại nam châm đứng yên Mỗi cảm biến gồm có rotor để khép mạch từ cuộn dây cảm ứng mà lõi gắn với nam châm vónh cửu đứng yên Số rotor số cuộn dây cảm ứng thay đổi tùy thuộc vào loại động Phần tử phát xung G có 1; 2; 6, phần tử phát xung NE có 4; 24 sử dụng số bánh đà Ở ta xem xét cấu tạo hoạt động tạo tín hiệu G NE loại cuộn cảm ứng – Nam châm rotor cho tín hiệu G cuộn cảm ứng vónh cửu rotor 24 cho tín hiệu NE Hai rotor gắn đồng trục với chia điện, bánh tín hiệu G nằm Cuộn trên, bánh phát tín hiệu NE phía dây cảm biến Rotor Hệ thống điện điện tử ôtô đại 207 Hình 6.31: Sơ đồ nguyên lý loại dùng cảm biến điện từ Chương 6: Hệ thống điều khiển lập trình cho động 208 b Nguyên lý hoạt động (xem hình 6.31) Bộ phận cảm biến cuộn cảm ứng, nam châm vónh cửu rotor dùng để khép mạch từ có số tùy loại dộng Khi cựa rotor không nằm đối diện cực từ, từ thông qua cuộn dây cảm ứng có giá trò thấp khe hở không khí lớn nên có từ trở cao Khi cựa đến gần cực từ cuộn dây, khe hở không khí giảm dần khiến từ thông tăng nhanh Như vậy, nhờ biến thiên từ thông, cuộn dây xuất mộ sức điện động cảm ứng Khi cựa rotor đối diện với cực từ cuộn dây, từ thông đạt giá trò cực đại điện áp hai đầu cuộn dây không Khi cựa rotor di chuyển khỏi cực từ, khe hở không khí tăng dần làm từ thông giảm sinh sức điện động theo chiều ngược lại • Tín hiệu G Cuộn cảm nhận tín hiệu G, gắn thân chia điện Rotor tín hiệu G có cho xung dạng sin cho vòng quay trục cam Xem hình 6.32 • Tín hiệu NE Tín hiệu NE tạo cuộn cảm nguyên lý tín hiệu G Điều khác rotor tín hiệu NE có 24 Cuộn dây cảm biến phát 24 xung vòng quay delco Mạch điện dạng xung G NE Igniter G G- NE Engine ECU Tín hiệu G (1 cuộn kích răng) Tín hiệu NE (1 cuộn kích 24 răng) Tín hiệu G 180o CA Hình 6.32: Sơ đồ mạch điện dạng tín hiệu xung GTín hiệu NE NE Một số mạch điện dạng xung tín hiệu G NE với số khác TOYOTA Tín hiệu G (1 cuộn kích, răng) Hệ thống điện điện tử ôtô đại Tín hiệu NE (1 cuộn kích, 24 răng) 209 Chương 6: Hệ thống điều khiển lập trình cho động 210 180oCA G G Tín hiệu G G180oCA Tín hiệu NE NE NE Hình 6.33: Sơ đồ dạng xung loại 2/24 Tín hiệu G1 G2 (2 cuộn kích, răng) Tín hiệu NE (1 cuộn kích, 24 răng) 720o CA G1 G2 G G- Tín hiệu G1 NE NE Tín hiệu G2 Tín hiệu NE Hình 6.34: Sơ đồ dạng xung loại 1/24 NE Engine ECU Igniter Tín hiệu NE (1 cuộn kích, răng) NE 180o CA G Engine ECU Hình 6.35: Sơ đồ dạng xung loại cuộn dây chung cho G NE kết hợp với IC đánh lửa Tín hiệu NE răng) Tín hiệu G (1 cuộn kích, G (2 cuộn kích, răng) Tín hiệu Ne GNE Tín hiệu G 180o CA NE Tín hiệu NE- NE Hệ thống điện điện tử ôtô đại 211 Hình 6.36: Sơ đồ dạng xung loại 1/4 NE Engine ECU Tín hiệu NE (2 cuộn kích, răng) 180o CA Hình NE 6.37: Sơ đồ dạng xung loại cuộn dây chung cho G Tín NE hiệu NE G NE Igniter G G- NE Engine ECU Tín hiệu G (1 cuộn kích, răng) NETín hiệu NE (2 cuộn kích, răng) Tín hiệu G 180o CA Hình 6.38: Sơ đồ dạng xung loại 4/4 kết hợpTínIC hiệu đánh lửa NE 212 Chương 6: Hệ thống điều khiển lập trình cho động B Loại dùng cảm biến quang a Cấu tạo Hình 6.39: Cấu tạo cảm biến quang Rotor cảm biến (được lắp với trục delco) đóa nhôm mỏng khắc vạch Vành có số rãnh tương ứng với số xylanh có rãnh rộng đánh dấu vò trí piston máy số Nhóm rãnh kết hợp với cặp diode phát quang (LED) diode cảm quang (photodiode) gọi photocouple thứ phận để phát xung G Vành đóa có khắc 360 rãnh nhỏ, rãnh ứng với 2o góc quay trục khuỷu Diode phát quang diode cảm quang thứ hai đặt quỹ đạo rãnh nhỏ tạo thành phận phát xung NE b Mạch điện LED Accu 5V Photo diodes 5V 5V 5V CB vò 02 vòng quay trục khuỷu CB tốc độ động 5V 0V CB vò trí piston5V 0V trí piston 2 5V CB tốc độ động Khi ánh sáng LED qua rãnh Hình 6.40: Mạch điện cảm biến quang dạng xung Khi đóa quay, rãnh qua photo-couple Lúc này, ánh sáng từ đèn LED chiếu tới photodiode chúng trở nên dẫn điện Khi điện áp ngõ vào (+) OP AMP lớn điện áp ngõ vào (-), thế, Hệ thống điện điện tử ôtô đại 213 ngõ OP AMP điện áp mức cao Khi rãnh khỏi photo-couple, photo-diode không nhận ánh sáng từ đèn LED, dòng điện bò ngắt đột ngột nên điện áp ngõ vào (+) OP AMP Kết điện áp ngõ OP AMP xuống mức thấp Các xung G NE dạng xung vuông có giá trò cao 5V, thấp 0V 6.3.3 Cảm biến bướm ga (throttle position sensor) Cảm biến vò trí cánh bướm ga lắp trục cánh bướm ga Cảm biến đóng vai trò chuyển vò trí góc mở cánh bướm ga thành tín hiệu điện gởi đến ECU Tín hiệu cầm chừng (IDL) dùng để điều khiển phun nhiên liệu tăng tốc giảm tốc hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa Trên số xe, cảm biến vò trí bướm ga giúp ECU điều khiển hộp số tự động Tín hiệu toàn tải (PSW) dùng để tăng lượng xăng phun chế độ toàn tải để tăng công suất động Có nhiều loại cảm biến vò trí cánh bướm ga, tùy theo yêu cầu thiết kế đời xe ta thường có loại: a Loại công tắc • Cấu tạo − Một cần xoay đồng trục với cánh bướm ga − Cam dẫn hướng xoay theo cần − Tiếp điểm di động di chuyển dọc theo rãnh cam dẫn hướng − Tiếp điểm cầm chừng − Tiếp điểm toàn tải Hình 6.41: Cảm biến cánh bướm ga loại công tắc • Hoạt động − Ở chế độ cầm chừng: Khi cánh bướm ga đóng (góc mở < 5o) tiếp điểm di động tiếp xúc với tiếp điểm cầm chừng gởi tín hiệu điện Chương 6: Hệ thống điều khiển lập trình cho động 214 thông báo cho ECU biết động hoạt động mức cầm chừng − Tín hiệu dùng để cắt nhiên liệu động giảm tốc đột ngột (chế độ cầm chừng cưỡng bức) Ví dụ, xe chạy tốc độ cao mà ta muốn giảm tốc độ, ta nhả chân bàn đạp ga tiếp điểm cầm chừng công tắc cánh bướm ga đóng, báo cho ECU biết động giảm tốc Nếu tốc độ động vượt giá trò đònh tùy theo loại động ECU điều khiển cắt nhiên liệu tốc độ động đạt tốc độ cầm chừng ổn đònh − Ở chế độ tải lớn: Khi cánh bướm ga mở khoảng 500 – 700 (tùy loại động cơ) so với vò trí đóng hoàn toàn, tiếp điểm di động tiếp xúc với tiếp điểm toàn tải gởi tín hiệu điện để báo cho ECU biết tình trạng tải lớn động • Mạch điện: Có hai loại: ∗ Loại âm chờ Cảm biến vò trí bướm ga EC U IDL +B or 5V PSW +B or 5V Hình 6.42: Mạch điện cảm biến vò trí cánh bướm ga loại âm chờ Điện áp 5V qua điện trở ECU đưa đến cực IDL cực PSW Ở vò trí cầm chừng điện áp từ cực IDL qua công tắc tiếp xúc IDL mass Ở vò trí toàn tải điện áp từ cực PSW qua công tắc tiếp xúc PSW mass ∗ Loại dương chờ Cảm biến vò trí bướm ga IDL TL PS W EC U +B or 5V Hệ thống điện điện tử ôtô đại 215 Hình 6.43: Mạch điện cảm biến vò trí bướm ga loại dương chờ b Cảm biến vò trí cánh bướm ga loại biến trở Hình 6.44: Cảm biến cánh bướm ga loại biến trở Loại có cấu tạo gồm hai trượt, đầu trượt thiết kế có tiếp điểm cho tín hiệu cầm chừng tín hiệu góc mở cánh bướm ga, có cấu tạo hình 6.44 Mạch điện Hình 6.45: Mạch điện cảm biến vò trí cánh bướm ga loại biến trở Một điện áp không đổi 5V từ ECU cung cấp đến cực VC Khi cánh bướm ga mở, trượt trượt dọc theo điện trở tạo điện áp tăng dần 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 Trên đa số xe, trừ Toyota, cảm biến bướm ga loại biến trở có dây VC, VTA E2 mà dây IDL 216 Chương 6: Hệ thống điều khiển lập trình cho động c Một số loại cảm biến vò trí cánh bướm ga có thêm giắc phụ Trên xe có trang bò hộp số tự động, sang số cảm biến vò trí cánh bướm ga đồng thời bật sang vò trí L1, L2, L3 tương ứng với vò trí tay số Tín hiệu gởi ECU để điều chỉnh lượng xăng phun phù hợp với chế độ tải Hình 6.46: Cảm biến cánh bướm ga có thêm vò trí tay số Đối với loại cảm biến có công tắc ACC1 ACC2 Khi động tăng tốc chế độ khác nhau, tín hiệu từ hai vò trí công tắc gởi ECU điều khiển tăng lượng xăng phun đáp ứng trình tăng tốc động Hình 6.47: Cảm biến có công tắc ACC1 ACC2 Một số cảm biến có thêm công tắc cháy nghèo (lean burn) Hệ thống điện điện tử ôtô đại 217 Hình 6.48: Cảm biến bướm ga có thêm công tắc cháy nghèo (LSW) Chương 6: Hệ thống điều khiển lập trình cho động 218 6.3.4 Cảm biến nước làm mát cảm biến nhiệt độ khí nạp a Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (Coolant water temperature sensor) Dùng để xác đònh nhiệt độ động cơ, có cấu tạo điện trở nhiệt (thermistor) diode ∗ Nguyên lý Điện trở nhiệt phần tử cảm nhận thay đổi điện trở theo nhiệt độ Nó làm vật liệu bán dẫn nên có hệ số nhiệt điện trở âm (NTC – negative temperature co-efficient) Khi nhiệt độ tăng điện trở giảm ngược lại Các loại cảm biến nhiệt độ hoạt động nguyên lý mức hoạt động thay đổi điện trở theo nhiệt độ có khác Sự thay đổi giá trò điện trở làm thay đổi giá trò điện B+ phân áp áp gởi đến ECU tảng cầu Cảm biến nhiệt độ nước Bộ ổn áp Bộ chuyển đổi A/D Điện trở chuẩn Hình 6.49: Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát Trên sơ đồ hình 6.49 ta có: Điện áp 5V qua điện trở chuẩn (điện trở có giá trò không đổi theo nhiệt độ) tới cảm biến trở ECU mass Như điện trở chuẩn nhiệt điện trở cảm biến tạo thành cầu phân áp Điện áp điểm cầu đưa đến chuyển đổi tín hiệu tương tự - số (bộ chuyển đổi ADC – analog to digital converter) Khi nhiệt độ động thấp, giá trò điện trở cảm biến cao điện áp gửi đến biến đổi ADC lớn Tín hiệu điện áp chuyển đổi thành dãy xung vuông giải mã nhờ vi xử lý để thông báo cho ECU biết động lạnh Khi động nóng, giá trò điện trở cảm biến giảm kéo theo điện áp đặt giảm, báo cho ECU biết động nóng ∗ Cấu tạo Thường trụ rỗng có ren ngoài, bên có gắn điện trở dạng bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm Hệ thống điện điện tử ôtô đại 219 Hình 6.50: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát Đầu ghim; Vỏ; Điện trở (NTC) Ở động làm mát nước, cảm biến gắn thân máy, gần bọng nước làm mát Trong số trường hợp, cảm biến lắp nắp máy Mạch điện E C U Đến relay THW E2 +B +B1 5V Vcc ADC CPU E2 E1 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát Hình 6.51: Mạch điện cảm biến nước làm mát Đường đặc tuyến 220 Chương 6: Hệ thống điều khiển lập trình cho động Hình 6.52: Đường đặc tuyến cảm biến nước làm mát