Khác với L-Jetronic, trên hệ thống phun xăng loại D-Jetronic lượng khí nạp đi vào xylanh được xác định gián tiếp (phải tính lại) thông qua cảm biến đo áp suất tuyệt đối trên đ[r]
(1)Điện động điều khiến động cơ
CHƯƠNG VI
HÊ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÔNG cơ
A MỤC TIÊU DẠY HỌC
Sau học xong chương này, người học có khả năng:
- Nhận biết thành phần hệ thống điều khiển động cơ, sơ đồ cấu tạo cảm biến, hộp điều khiển, cấu chấp hành
- Nắm hoạt động hệ thống điều khiển động chi tiết, giải thích hoạt động chúng
- Hiểu rõ thuật tóan điền khiển phun xăng, đánh lừa, phun dầu điện tử chức hệ thống điều khiển khác
- Đọc sơ đồ hệ thống điều khiển động - Nắm phương pháp chẩn đoán hư hỏng
B NỘI DUNG
6.1 Hệ thống phun nhiên liệu điện tử 6.1.1 Đặc điểm hệ thống phân loại
Hình 6.1 giới thiệu sơ đồ hệ thống phun xăng điện tử tiêu biểu [81] Xăng cung cấp đến vòi phun nhờ bơm xăng đặt thùng xăng, chênh lệch áp suất vòi phun giữ ổn định nhờ điều áp 19 Sự chênh lệch điều chỉnh nhờ van chân không 20 điều khiển từ ECU nhằm điều tiết lượng nhiên liệu phun niị xác theo khối lượng khí nạp m chế độ làm việc động đáp ứng thành phần hịa khí u cầu (bảng 6.1) Lượng nhiên liệu phun phụ thuộc vào thời gian mở vòi phun theo xung điều khiển phun ( ) ECƯ (thời gian phun)
(2)Điện động điêu khiên động cơ
Hình 6.1 Sơ đồ hệ thống phun xăng điện tử [81 ].
1- công tắc máy; 2- ắc quy; 3- đèn báo check; 4- máy nén; 5- giắc kiếm tra; 6- ECU; 7- cảm biến nhiệt độ khỉ nạp; 8- lọc gió; 9- cảm biến đo lun lượng nạp; 10- van phụ; II- van điểu khiên tóc độ khơng tải; 12- cảm biên vị trí bướm ga; 13- đường ống đến bình tích chân không; 14- công tắc nhiệt thời gian; 15- cảm biến nhiệt độ nước làm mát; 16- cảm biến oxy; 17- kim phun; 18- kim phun khởi động lạnh; 19- hộ điểu áp; 20- van chân không; 21- hôbine đánh lủa; 22- chia điện; 23- lọc nhiên liệu; 24- thùng xăng; 25- bơm xăng.
Hình 6.2 Phương pháp điều khiển hệ thống phun xăng.
(3)Bảng 6.1 Chế độ làm việc động thành phần hịa khí u cầu [8 1,83] Điện động điêu khiên động cơ
Chế đô làm viêc đơng Tỷ lệ khơng khí - nhiên liệu AFR Khởi động (ở nhiệt độ 0"C) :
Khởi động (ở nhiệt độ 20؛C)١ :
Không tải 11 :
Chạy chậm -1 :
Tăng tốc ;
Toàn tải - :
Chạy nội thị 14,7 :
Chạy tiết kiệm (đốt nghèo) - :
Hệ thống phun xăng điện tử điều khiến từ ECU thơng qua tín hiệu gửi đến từ cảm biến (Hình 6.1) Khi người lái đạp bàn đạp ga (mong muốn cơng suất động lón mức có), tín hiệu từ cảm biến bướm ga gửi đến ECU, ECU nhận yêu cầu thực thao tác chọn lựa thành phần hịa khí Đồng thời với việc nhận dạng tín hiệu lưu lượng khí nạp thực vào xylanh động cơ, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ nước làm mát động cơ, tốc độ động cơ, dựa vào liệu nhớ, ECU xác định thời gian điều khiển mở kim phun họp lý theo yêu cầu thành phần hịa khí (theo hệ số A, tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu) [22, 26] Tín hiệu cảm biến oxy dùng để điều chỉnh A, ECU tiếp nhận động chạy tốc độ ổn định khơng có biến đối đột ngột tín hiệu từ cảm biến vị trí bướm ga trình gia tốc [82]
Hệ thống phun xăng kiểu khí hãng BOSCH chế tạo thành cơng vào năm 1966 Trong hệ thống này, nhiên liệu điều tiết qua bộ tiết lưu chia xăng với lượng khơng khí hút vào động phun liên tục qua vịi phun khí có tên gọi K - Jetronic Nó ứng dụng xe hãng Mercedes số xe khác, tảng cho việc phát triển hệ thống phun xăng hệ KE -ietronic (Bộ tiết lưu chia xăng vịi phun khí hiệu chỉnh lượng xăng điện tử), ietronic (phun xăng với vòi phun điện) Motronic (phun xăng điện tử kết họp với điều khiển khác động như: đánh lửa, làm m át ) [25, 41]
Hệ thống phun xăng sử dụng vòi phun điều khiển điện (ietronic) BOSCH cho đời vào cuối năm 70 kỷ 20 Dựa vào phương pháp đo khí nạp cấp vào động cơ, người ta chia hệ thống phun xăng làm hai loại chính: loại đo trực tiếp (L-Jetronic) đo gián tiếp (D-Jetronic)
D-Jetronic (xuất phát từ chữ Druck tiếng Đức áp suất): với lượng xăng phun xác định dựa vào áp suất sau cánh bướm ga cảm biến MAP (maniíold
(4)absolute pressure sensor) tốc ciộ động
L-Jetronic (xuất ph át từ chừ Luft tiếníỊ Đức ìà khơng khí): với lượng xăng phun tính tốn dựa vào lưu lượng khí nạp lấy từ cảm biến khí nạp loại cánh trượt Sau có phiên bản: LH - Jetronic với cảm biến khí nạp dây nhiệt, LU - Jetronic với cảm biến gió kieu siêu âm
Neu phân biệt theo v/ trí lắp đặt kim phun, hệ thống phun xăng chia làm hai loại:
Loại TBI (Throttle Body Injection) - phun đơn điểm
Hệ thống có tên gọi khác như: SPI (single poin t injection), C l (central injection), Mono - Jetronic. Đây kieu phun trung tâm Kim phun bố trí phía cánh bướm ga nhiên liệu phun hay hai kim phun Nhược điểm hệ thống tốc độ dịch chuyến hịa khí tương đối thấp nhiên liệu phun vị trí xa supap hút khả thất thoát đường ống nạp
Loại PI (Port Injection) - phun đường nạp, trước supap hút.
Đây hệ thống phun nhiên liệu đưòng nạp vào kỳ hút, với kim phun cho xylanh bố trí gần supap hút (cách khoảng - mm), áp suất đưa đến kim phun cỡ 3kgf/cm^ ố n g góp hút thiết kế cho đường khơng khí từ bướm ga đến xylanh dài, nhờ vậy, nhiên liệu phun hòa trộn tốt với khơng khí nhờ xốy lốc Nhiên liệu khơng cịn thất đường ống nạp Hệ thống phun xăng đường nạp đời khắc phục nhược điểm chế hịa khí phun xăng đơn điếm Tùy theo cách điều khiển kim phun, hệ thống chia làm ba loại chính: phun độc lập, phun kim (independent injection) hay trình tự (sequential injection), phun nhóm (group injection) phun đồng loạt (simultaneous injection)
Loại DI (Direct Injection) - Phun trực tiếp vào buồng đốt.
Trong lọai DI, nhiên liệu phun vào kỳ nén nên áp suất đưa đến kim phun tăng cao (30 kgf/cm؛) thông qua bơm cao áp Chế độ phun DI thực chế độ tải nhỏ trung bình phải có đỉnh piston phải có dạng lõm sử dụng buồng đốt phụ để tạo phân lớp hồn hợp; hỗn hợp hịa khí siêu nghèo (ultra lean) buồng đốt lambda gần vùng gần bougie Trên số xe, có kết hợp DI PI, chẳng hạn, động xylanh có kim phun đặt tên đường nạp kim phun đặt buồng đốt
Nếu vào đối tượng điều khiển theo chương trình, người ta chia hệ thống điều khiến động ba loại chính: chỉ điều khiến phun xăng (EFI - electronic fuel injection theo tiếng Anh Jetronic theo tiếng Đức), chỉ điều khiến đánh lửa (ESA
- electronic spark advance) loại tích hợptức 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 có tên gọi là( 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 cơ, máy phát điện, nên người ta hay gọi PCM (Powertrain Control Module)
Điện động điêu khiên động cơ
(5)Neu phân biệt theo kỹ thuật điều khiển ta có thề chia hệ thống điều khiển động làm hai loại: analog digital.
ở hệ xuất từ 1979 đến 1985, kỹ thuật điều khiển chủ yếu dựa mạch tương tự {analog), hệ thống này, tín hiệu đánh lửa lấy từ âm bobine đưa hộp điều khiến đe hình thành xung điều khiển kim phun Sau đó, đa số hệ thống điều khiển động thiết kế, chế tạo lảng vi xử lý {digital).
Trong L-Jetronic, lưu lượng khí nạp xác định trực tiếp nhờ cảm biến đo lưu lượng khí nạp tính thể tích (volume air flowmeter) cảm biến đo lưu lư.ỵng khí nạp tính khối lượng (mass air flowmeter) Trong D-Jetronic, lưu lượng khí nạp ECU xác định gián tiếp dựa vào cảm biến đo áp suất tuyệt đối đường ống nạp (Manifold Absolute Pressure - MAP sensor) cảm biến tốc độ động [75, 90]
Cấu trúc khối hai hệ thống khác phần mạch khí nạp phương pháp đo
Trong hệ thống L-Jetronic (hình 6.3), cảm biến đo lưu lượng khí nạp (air flow meter) đặt sau lọc gió Vì vậy, tồn lượng khơng khí vào động qua cảm biến lưu lượng khí nạp đo trực tiếp, hệ đầu tiên, cảm biến đo lưu lượng khí nạp đo lưu lượng khơng khí tính tích, chủ yếu loại cánh trượt (vane air flow sensor) cảm biến loại Karman (Karman air f،ow sensor) [27] Chính vậy, hệ thống điều khiển cần có thêm cảm biến nhiệt độ khí nạp áp suất khí trời đe xác định khối lượng riêng khơng khí Sau đó, ECU tính lưu lượng khí nạp theo khối lượng:
Điện động điều khiến động cơ
ì h a = V a P (6.1) Trong dó: ỉha- lưu lượng khối lượng khơng (kg/s)
ﺯﻻ
١ - lưu lượng thể tích không ﺏ ﺅ/.؟)
p - khối lượng riêng khOng (kg/m3)
Khối lượng riêng không p hàm phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất Pa Thơng thưímg, giá trị khối lượng riêng khơng p = íịta, Pa) dược dọc từ bảng tra (look-up table) EEPROM [34]
(6)Điện động điêu khiên động cơ
Hình 6.3 Sơ đồ mạch khí nạp động phun xăng kiểu L-Jetronic
Ngày nay, cảm biến đo lưu lượng khí nạp dạng thể tích dần thay cảm biến đo lưu lưọng tính khối lượng Nhờ vậy, cảm biến nhiệt độ khí nạp áp suất khí trời loại bỏ Hộp ECU nhận trực tiếp tín hiệu đo lưu lượng khí nạp tính khối lượng , để tính lượng nhiên liệu cần phun [28]
Cảm biến MAP
Cụm bướm ga
— \ —
Đường ống nạp
Lọc gió Nắp máv
Hình 6.4 Sơ đồ mạch khí nạp cùa động phun xăng kiểu D-Jetronic
Mạch khí nạp cuả hệ thống phun xăng kiểu D-Jetronic trình bày hình 6.4 [32, 40] Trong D-Jetronic, phương pháp tổc độ - tỷ trọng sử dụng để xác định lưu lượng khơng khí nạp, từ đó, ECU tính lượng nhiên liệu cần phun Lượng xăng phun tính tốn dựa vào áp suất sau bưĨTO ga (đo cảm biến MAP), tốc độ động cơ, nhiệt độ khí nạp (lAT - Intake Air Temperature) áp suất khí trời (Barometric Pressure) [30, 44]
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 system) đời, cho phép không sử dụng chia điện (delco) hệ thống có mặt hầu hết xe
Ngày nay, gần tất ôtô trang bị 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
(7)Điện động điêu khiên động cơ
Những năm gần đây, động phun trực tiếp - GDI (gasoline direct injection) động xăng GDI (common rail diesel injection) động diesel dần trở nên phổ biến
6.1.2 Sơ đồ khối hệ thống phun xăng điện tử
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phun xăng điện tử mơ tả hình 6.5 Hệ thống điều khiển bao gồm: đầu vào {inputs) với cảm biến tín hiệu dạng cơng tắc; hộp ECU não hệ thống; đầu {outputs) cấu chấp hành
{actuators) vòi phun, bơbine, van điều khiển khơng tải [50, 53]
Hình 6.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phun xăng điện tử [55]
Từ sơ đồ khối (hình 6.5) thấy phần tử hệ thống phun xăng điện ti' đa dạng
6.1.3 ưu điểm hệ thống phun xăng
ư u điểm lớn hệ thong phun xăng PI so với chế hịa khí hịa trội khơng khí xăng diễn tốt buồng đốt Việc bố trí kim phun gầi suppap hút cho phép tăng chiều dài đường ống nạp mà không sợ xăng bám vào nó, giúi
(8)Điện động điều khiển động cơ
tăng vận tốc khí nạp, tạo xốy lốc giúp việc hịa trộn tôt khiến hỗn hợp đồng Thêm vào đó, dịng khí nạp ống góp hút có khối lượng thấp (chưa trộn với nhiên liệu) đạt tốc độ xoáy lốc cao, nhờ vậy, nhiên liệu khơng cịn thất đường ống nạp hịa khí trộn tốt
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 kịp thời với thay đổi góc mở bướm ga
Khả hiệu chỉnh hỗn hợp khí nhiên liệu dễ dàng: làm đậm hỗn họp nhiệt độ thấp cắt nhiên liệu giảm tốc
Hiệu suất nạp hỗn họp khơng khí - nhiên liệu cao
6.2 Các loại cảm biến hệ thống điều khiển động cơ
6.2.1 Những vấn đề chung cảm biến
Cảm biến nói chung cảm biến khí nạp nói riêng phận cảm nhận biến đổi (biến số) đầu vào, nhiều dạng khác (cơ học, nhiệt học, quang học ) chuyển đổi thành tín hiệu điện dạng tín hiệu tương tự (analog) tín hiệu số (digital) [23] mơ hình hóa sau (hình 6.6):
Hình 6.6 Mơ hình cảm biến [39]
Một cảm biến xác định hàm sau: Tín hiệu cảm biến £■ :=/((!),71,72 ) Các biến số đo cần thiết là: ٠ = g(£',71,72 ) Neu hàm / g biết biểu thức mơ tả tốn học cảm biến, thơng số cần đo biểu diễn tín hiệu điện áp E tác động Y. [42]
Các tín hiệu cảm biến khơng dạng cưỊTig độ dịng điện áp mà cịn thay đổi theo biên độ, tần số, pha, thời gian chu kỳ dao động điện thông số điện điện trở, điện dung, độ tự cảm [46] Có nhiều dạng đặc tính khác cảm biến (hình 6.7)
(9)Điện động điều khiển động cơ
c) X d) X
a - Đường thắng, liên tục; b - Đường phi tuyến, liên tục; c - Không liên tục nhiều nấc; d - Khơng liên tục hai nấc.
Hình 6.7: Các dạng đặc tính cảm biến [57] Theo dạng tín hiệu ra, cảm biến có hai loại:
٠ Loại : Tín hiệu dạng tương tự; ٠ Loại 2: Tín hiệu dạng số
6.2.2 Cảm biến khí nạp (Airflowmeter)
Các cảm biến khí nạp áp dụng ô tô gồm loại chia làm hai nhóm [4]:
Nhóm đo trực tiếp (L-TYPE): đo lưu lượng khí nạp, gồm loại:
٠ Cảm biến cánh trượt điện áp tăng; Cảm biến cánh trượt điện áp giảm; Cảm biến dây nhiệt (dây nóng); Cảm biến màng nóng; Cảm biến Karman kiểu quang; Cảm biến Karman kiểu siêu âm
Trong nhóm cảm biển đo trực tiếp, ta cần phân biệt lọai sau:
- Loại đo lưu lượng khí nạp tính thể tích V (cảm biến cánh trượt, cảm biến Karman quang siêu âm) Đối với lọai cảm biến này, ECU nhận tín hiệu lưu lượng khí nạp tính thể tích nên cần dựa vào bảng tra khối lượng riêng d phụ thuộc vào cảm biến nhiệt độ khí nạp áp suất khí trời tìm lưu lượng khí nạp tính khối lượng: từ tính lượng xăng cần phun
- Lọai đo lưu lượng khí nạp tính khối lượng (chủ yếu dạng dây nhiệt màng nhiệt), báo ECU thơng số lưu lượng khí nạp tình khối lưọTig
(10)Điện động điều khiển động cơ
Nhóm đo gián tiếp (D - TYPE): đo áp suất tuyệt đối đường ống nạp
• Cảm biến MAP loại tenxơ điện trở; Cảm biến MAP loại tenxơ điện trở vi sai
6.2.2.1 Cảm biến khí nạp kiểu trưọt (đòi 80 đến 97)
Cảm biến cánh trượt [75, 77] sử dụng hệ thống L-Jetronic để nhận biết lưu lượng tích khí nạp vào xylanh động Tín hiệu lưu lượng thể tích khí nạp sử dụng để tính tốn lượng xăng phun góc đánh lửa sớm Hoạt động dựa vào nguyên lý dùng điện áp kế có điện trở thay đổi kiểu trượt
Cảm biến khí nạp kiểu trượt bao gồm cánh khí nạp giữ lò xo hồi lực, cánh giảm chấn, buồng giảm chấn, cảm biến khơng khí nạp, vít chỉnh không tải, mạch rẽ phụ, điện áp kế kiếu trượt gắn đồng trục với cánh đo lưu lượng khí nạp cơng tắc bơm xăng (hình 6.8a, 6.8b)
1 Cảnh đo;
2 Cánh giảm chấn;
3 Cảm biến nhiệt độ khí nạp; 4 Điện áp kế kiểu trượt; 5 Vít chỉnh CO;
6 Mạch rẽ;
7 Buồng giảm chẩn.
Hình 6.8a; Cảm biế ،١.I1 I i c t p Í V Ẳ V U W U I I I I t i u٧ t L٧ J
Lưu lượng khí nạp vào động nhiều hay tùy thuộc vào vị trí bướm ga tốc độ động Khi khí nạp qua cảm biến khí nạp từ lọc gió mở dần cánh đo Khi lực tác động lên cánh đo cân với lực lò xo cánh đo đứng yên Cánh đo điện áp kế thiết kế đồng trục nhằm mục đích chuyển góc mở cánh đo khí nạp thành tín hiệu điện áp nhờ điện áp kế
Vít chỉnh hỗn hợp khơng tải (vít chỉnh CO)
Cảm biến khí nạp kiểu cánh trượt có hai mạch gió: mạch gió qua cánh khí nạp mạch gió rẽ qua vít chỉnh c o LưọTig gió qua mạch rẽ tăng làm giảm lượng gió qua cánh khí nạp, thế, góc mở cánh khí nạp nhỏ ngược lại
(11)^ ٠ ١
Điện động điêu khiên động cơ
Vane Afr Flow Meter
Slider
Return Spring
<١
lntcJ(0 Nr Temp^ature
(lAT) Sensor
Potentiometer CompensatÌMt Plate
From Air Clear١er
To Air Intake Chamber via Throttle Valv*
l<٠e Mixttire
Adjusting Screw
l^'Paee PMsage
M e^uhng Rate
Hình 6.8b: Cấu tạo cảm biến khí nạp loại cánh trượt
Vì lượng xăng phun phụ thuộc vào góc mở cánh khí nạp, nên tỉ lệ xăng gió thay đổi cách điều chỉnh lượng gió qua mạch rẽ Nhờ chỉnh tỉ lệ hỗn hợp chế độ khơng tải thơng qua vít conên thành phần % cotrong khí thải điều chỉnh Tuy nhiên, điều thực tốc độ không tải cánh khí nạp mở lớn, lượng gió qua mạch rẽ ảnh hưởng đến lượng gió qua mạch Trên thực tế, người ta cịn điều chỉnh hỗn hợp cách thay đổi sức căng lò xo
Buồng giảm chẩn cánh giảm chẩn
Buồng giảm chấn cánh giảm chấn có cơng dụng ổn định chuyển động cánh khí nạp Do áp lực gió thay đổi, cánh khí nạp bị rung, gây ảnh hưởng đến độ chỉnh xác Để ngăn ngừa dao động cánh khí nạp, người ta thiết kế cánh giảm chấn liền với cánh đo để dập tắt độ rung
Potentiometer
198
Hình 6.9: Cánh giảm chấn buồng giảm chấn
(12)D iện đ ộ n g c v đ iều khiến đ ộ n g c ơ
Công tắc bơm nhiên liệu (chỉ có xe Toyota, Mazda)
Cơng tắc bơm nhiên liệu bố trí chung với điện áp kế Khi động chạy, gió hút vào nâng cánh khí nạp lên làm cơng tắc đóng Khi động ngừng, khơng có lực gió tác động lên cánh đo làm cánh đo quay vị trí ban đầu khiến công tắc hở khiến bơm xăng không hoạt động dù cơng tẳc máy vị trí ON Các loại xe khác không mắc công tắc điều khiển bơm khí nạp kiểu trượt
Có hai loại cảm biến khí nạp cánh trượt, chúng khác chất mạch điện Loại 1: Điện áp vs tăng lượng khí nạp tăng chủ yếu dùng cho L-Jetronic đời cũ Loại cung cấp điện áp ắc quy 72 L.tại đầu VB vc có điện áp khơng đổi nhỏ Vg Điện áp đầu vs tăng theo góc mở cánh đo khí nạp (hình 6.10)
Hình 6.10: Mạch điện đặc tính cảm biến khí nạp cánh trượt điện áp tăng [81]
(13)Đ iệ n đ ộ n g c v đ iều khiển đ ộ n g c ơ
Air Flow Metw ECM
Hình 6.11: M ạch điện đặc tính cảm biến khí nạp loại cánh trượt điện áp giảm [81]
Loại 2: Điện áp vs giảm lượng khí nạp tăng Loại ECU cung cấp điện áp
5V đến cực vc. Điện áp vs thay đổi giảm theo góc mở cánh đo (hình 6.11)
ố.2.2.2 Cảm biến khí nạp dạng xốy iốc (Cảm biến Karman):
Nguyên lỷ làm việc: Các cảm biến loại dựa hiệu ứng Karman vật lý.
Khi cho dịng khí qua vật thể cố định khó chảy vịng (thanh tạo xốy - Karman Vortex), phía sau xuất xốy lốc thay đổi tuần hồn gọi xốy lốc Karman Đối với ống dài vơ tận có đường kính d, quan hệ tần số xốy lốc / vận tốc dòng chảy V xác định số Struhall:
s =L i
V
Trong hiệu ứng Karman nêu trên, số Struhall không đổi dải rộng số Reinolds, nên vận tốc dịng chảy hay lưu lượng khí qua tỉ lệ thuận với tần số xốy lốc / xác định F cách đo /
v ^ L l
s
Lý thuyết xốy lốc dịng khí ngang qua vật cản đưa Struhall từ năm 1878, đến năm 1934, dụng cụ đo dựa lý thuyết chế tạo Ngày có nhiều sáng ché lĩnh vực ng dng o lu luỗfng khớ np h thống điều khiển động Trong khn khổ giáo trình này, giới thiệu hai loại chính: loại Karman quang loại Karman siêu âm
Cảm biển khỉ nạp Karman kiểu quang
Là loại cảm biển đo lưu lượng gió kiểu quang đo trực tiếp thể tích khí nạp So với kiểu trượt, có ưu điểm nhỏ gọn nhẹ Ngoài ra, cấu trúc đường ống đơn giản giảm trở lực đường ống nạp
(14)Đ iện đ ộ n g c đ iều khiển đ ộ n g c ơ
Cẩu tạo nguyên lỷ hoạt động
Cảm biến Karman quang có cấu tạo trình bày hình 6.12, bao gồm trụ đứng đóng vai trị tạo dịng xốy, đặt dịng khí nạp Khi dịng khí qua, xốy lốc hình thành phía sau tạo xốy cịn gọi dịng xốy Karman Các dịng xốy Karman theo rãnh hướng làm rung gưong mỏng phủ nhôm làm thay đổi hướng phản chiếu từ đèn LED đến photo - transistor Như vậy, tần số đóng mở transistor thay đổi theo lưu lượng khí nạp Tần số/đư ợ c xác định theo công thức sau:
f = s V
Trong đó: V - vận tốc dịng khí, d: đường kính trụ đứng, S: số Struhall {S = 0,2
đối với cảm biến Karman quang)
Căn vào tần số/ ECU xác định thể tích tưong ứng khơng khí vào xylanh, từ tính lượng xăng phun cần thiết
1 Photo - transistor 2 Đèn LED
3 Gương (được tráng nhơm) 4 Mạch đếm dịng xốy 5 Lưới ổn định
6 Vật tạo xoáy
7 Cảm biến áp suất khí trời. 8 Dịng xốy.
Hình 6.12: Cảm biến khí nạp kiểu Karman quang
Khi lượng gió vào ít, gưong rung photo - transistor đóng mở / thấp Ngược lại, lượng gió vào nhiều, gưomg rung nhanh tần số/ cao
\ ệ
ở tân sô
LED Photo - transistor
Gưong
Gió vào ít
Lưu lượng Gio vào gió trung
binh
nhiêu
Hình 6.13: Cấu tạo dạng xung cảm biến loại Karman quang
(15)7
\ ٠ ٠
Điện động điều khiên động cơ
Cảm biến khí nạp Karman kiểu siêu ăm (ultrasonic) Cẩu tạo
Cảm biến khí nạp Karman kiểu siêu âm sử dụng hệ thống LU-Jetronỉc (Mitsubishi, Hyundai, Lexus) có cấu trúc tạo xốy tưoTig tự kiểu quang việc đo tần số xoáy lốc thực thơng qua sóng siêu âm Nó bao gồm phận sau: Lỗ định hướng: phân bố dịng khí vào Thanh tạo xốy: tạo dịng xốy lốc Karman Bộ khuếch đại: tạo sóng siêu âm Bộ phát sóng: phát sóng siêu âm Bộ nhận sóng: nhận sóng siêu âm Bộ điều chỉnh xung: chuyển sóng siêu âm nhận thành xung vng
Phương pháp đo
Khi dịng khí qua cục tạo xốy dạng cột với mặt cắt hình tam giác, tạo hai dịng xốy ngược chiều nhau: dịng theo chiều kim đồng hồ dòng ngược chiều kim đồng hồ (dòng xốy Karman) Tần số xuất dịng xốy tỉ lệ thuận với lưu lượng khí nạp tức phụ thuộc vào tải động
(16)’
١
Đ iệ n đ ộ n g c v đ iêu khiên đ ộ n g c ơ
\
Hình 6.16: Cách tạo xốy lốc
Khi khơng có dịng khí qua cục tạo xốy khơng thể phát dịng xốy Karman, thế, sóng siêu âm lan từ phận phát sóng (loa) đến nhận sóng (micro) thời gian cố định T dùng làm thời gian chuẩn để so (xem hình 6.17)
Loa nhát
<
Thời gian
?
chuân
M icro
Xung hiệu chỉnh
Hình 6.17: Bộ phát sóng dạng xung
Sóng siêu âm gặp dịng xốy theo chiều kim đồng hồ qua truyền đến micro nhanh tức thời gian để sóng siêu âm qua đường kính d ống nạp ngắn thời gian chuẩn T.
Loa phát Loa phát
Micro
H ình 6.18: Dịng khí xốy chiều H ình 6.19: Dịng khí ngược chiều
sóng siêu âm sóng siêu âm
(17)Trong trường hợp sóng siêu âm gặp dịng xốy ngược chiều kim đồng hồ, thời gian để micro nhận tín hiệu từ phát lớn thời gian chuẩn T(Hình 6.19) Như vậy, khơng khí vào xylanh, dịng xốy thuận nghịch chiều kim đồng hồ liên tục qua loa micro nên thời gian đo thay đổi Cứ lần thời gian sóng truyền thay đổi từ đến T, chuyển đổi phát xung vuông
Khi khơng khí vào động nhiều, thay đổi thời gian nhiều điều chỉnh phát xung phát xung vuông với tần số lớn Ngược lại, gió vào ECU nhận xung vng có mật độ thưa Như vậy, thể tích gió vào đường ống nạp tỉ lệ thuận với tần số phát xung điều chỉnh
Điện động điều khiển động cơ
Khỉ có nhiều khơng khí Khi có không khí qua
T
„ T„ T2
Tín hiệu xung biến đối
Tín hiệu xung biển đổi
Hình 6.20: Xung cảm biến khí nạp Karman siêu âm thay đổi theo lưu lượng khí nạp
Micro
Loa
+ V
A A /V — ►
CPU
ECƯ
Hình 6.21: Mạch điện cảm biến khí nạp Karman siêu âm
6.2.2.3 Cảm biến khí nạp ỉọai dây nhiệt hay dây nóng (trong LH - Jetronic).
Nguyên lý cảm biến khí nạp kiểu nhiệt [74] dựa phụ thuộc lượng nhiệt w thoát từ linh kiện dạng nhiệt điện trở nung nóng điện (thermistor) như: dây nhiệt, màng nhiệt điện trở nhiệt đặt dịng khí nạp vào khối lượng khơng khí qua
Trên hình 6.22 [87], điện trở R„ (được nung nóng) điện trở bù nhiệt Rf; (làm platin) mắc vào hai nhánh cầu Cả hai điện trở đặt đường ống nạp Khi nối đầu vào khuếch đại thuật toán (OP AMP) với đường
(18)Điện động điêu khiên động cơ
chéo cầu, OP-AMPl giữ cho cầu cân (có nghĩa VA - VB = 0) cách điều khiến transitor TI T2, làm thay đổi cường độ dòng điện chạy qua cầu
Như vậy, có thay đổi lượng khơng khí qua, giá trị điện trở đo thay đổi làm cho cầu cân bằng, mạch khuếch đại thuật toán (OP A M Pl) điều chỉnh dòng qua cầu giữ cho giá trị R,! không đối cầu cân với vận tốc dịng khí nạp Tín hiệu điện áp mạch đo lấy từ /?2 có hệ số nhiệt điện trở nhỏ, đó, tỉ lệ thuận với dịng điện qua Tín hiệu sau qua cầu phân áp gồm k /?4 đưa đến mạch khuếch đại thuật toán (OP-AMP2) giữ chức chuyển phát Điện trở dùng để điều chỉnh điện áp ngõ
Việc xác lập khoảng chênh lệch nhiệt độ A/ phần tử nhiệt nhiệt độ dịng khí điều chỉnh R Neu At lớn độ nhạy cảm biến tăng
Hình 6.23: Sự phụ thuộc cúa hiệu điện ngõ vào khối lượng khí nạp mức chênh lệch nhiệt độ khác
Khi nhiệt độ khơng khí nạp thay đổi dẫn tới thay đổi At Vì vậy, vấn đề cân nhiệt thực R m ic ở nhánh khác cầu Wheatstone Thông
(19)’
١
Đ iện đ ộ n g c v đ iêu khiên đ ộ n g c ơ
thưòmg mạch tỉ lệ Rf/Rf =ỉ: 0 .
Trong q trình làm việc, mạch điện tử ln giữ cho chênh lệch nhiệt độ At dây nhiệt dịng khơng khí vào khoảng 75Ỡ.C (air mass sensor BOSCH)
Để làm điện trở nhiệt (bị dơ bị bám bụi, dầu ), số ECU dùng cho động có phân khối lớn, với số xylanh z>6 cịn có mạch nung dây nhiệt vịng giây, đưa nhiệt độ từ 150°c lên l.ooo^c sau tắt công tắc máy, trường hợp động chạy 1.500 vòng/phủt, tốc độ xe 20km/h nhiệt độ nước
150°c (air mass senssor NISSAN) Theo số liệu số hãng, độ ẩm khơng khí gần khơng ảnh hưỏng đến độ xác cảm biến
Trên cảm biến hãng HITACHI, cảm biến khí nạp loại dây nhiệt thường đặt mạch gió rẽ, song song với đường gió Nhờ mà hoạt động cảm biến phụ thuộc vào rung động dịng khí Thang đo cảm biến từ p -360 -؛ kg/h sai sổ 5 - 7 -؛% có độ nhạy cao nhờ số thời gian mạch vào khoảng 20ms. Đối với xe MỸ (GM, FORD ) thay dây nhiệt, người ta sử dụng màng nhiệt Cảm biến khí nạp loại màng nhiệt khắc phục nhược điểm chủ yếu loại dây nhiệt độ bền học cảm biến tăng lên
Hình 6.24: Cảm biến khí nạp loại màng nhiệt
1 Thân; Cảm biến nhiệt độ khỉ nạp; Lưới ổn định; 4.Kênh đo; 5 Màng nhiệt; Mạch điện tử.
Hình 6.24 trình bày cấu tạo cảm biến khí nạp loại màng nhiệt hãng GENERAL MOTORS Màng gồm hai điện trở: điện trở đo R^ điện trở bù nhiệt R^ phủ đế làm chất dẻo Sự chênh lệch nhiệt độ R^ với dịng khơng khí giữ 7Ỡ.C nhờ mạch tương tự hình 6.23 Thang đo cảm biến khoảng
15U 70 kg/h.
Khi thiết kế cảm biến khí nạp kiểu dây nhiệt, đặt đường ống nạp động cần lưu ý đặc điểm sau;
٠ Cảm biến bị tác động dịng khí đường ống nạp, từ hướng nên tăng độ sai số có xung động dịng khí
٠ Trên chế độ chuyển tiếp động cơ, (tăng tốc, giảm tốc ) cảm biến có độ nhạy cao nên xảy trường hợp khơng ăn khófp tín hiệu báo
(20)Điện động điều khiến động cơ
ECU lượng khơng khí thực tế vào buồng đốt Điều xảy khơng tính đến vị trí lắp đặt cảm biến q trình khí động học đường ống nạp, làm trễ dòng khí tăng tốc độ đột ngột
٠ Cảm biến khí nạp kiểu nhiệt đo trực tiếp khối lượng khơng khí nên ECU khơng cần mạch hiệu chỉnh hịa khí theo áp suất khí trời cho trường hợp xe chạy vùng núi cao
٠ Vít chỉnh CO cảm biến không nằm đường bypass mà biến trở gắn mạch điện tử
٠ Trên số xe, cảm biến khí nạp kiểu nhiệt kết hợp với kiểu xốy Karman Khi dịng khơng khí qua vật tạo xốy, xốy lốc khơng khí ảnh hưcmg đến nhiệt độ dây nhiệt theo tần số xoáy lốc Tần số tỉ lệ thuận với lượng khơng khí đưa ECU xử lý để tính lượng xăng tưcmg ứng
Cảm biến khí nạp kiểu dây nhiệt trước thường gặp động phun xăng có tăng áp (turbocharger), áp lực lớn đường ống nạp nên sử dụng MAP sensor cảm biến khí nạp loại cánh trượt Nhờ có qn tính thấp, kết cấu gọn, nhẹ, khơng có phần tử di động cản gió, nên cảm biến khí nạp kiểu nhiệt ứng dụng rộng rãi hệ thống điều khiển phun xăng
6.1.2 A Cảm biến áp suất tuyệt đối đường ống nạp (MAP Manifold Absolute
Pressure sensor) ManifoM Absolute Pressure Sensor Barometric Presswe Sensor Vapor Pressure Sensor Turbocharger Pressure Sensor * ٠ ٠ ٠ intake Manifold Pressure Atmospheric Pressw'e B/aporative System Pressure Intake M a n i^d Pressure
Hình 6.25: Các loại cảm biến đo áp suất
Hình 6.25 giới thiệu loại cảm biến áp suất Có nhiều loại cảm biến áp suất ứng dụng hệ thống điều khiển động cơ: Áp suất đường ống nạp, áp suất khí trời, áp suất nhiên liệu, áp suất tăng áp, áp suất dầu ống rail ■Các lọai cảm biến đo áp suất có nguyên lý giống dựa vào chênh lệch áp suất để làm biến dạng màng dẫn đế thay đổi giá trị điện trở ten-xơ hay điện trở áp điện
Khác với L-Jetronic, hệ thống phun xăng loại D-Jetronic lượng khí nạp vào xylanh xác định gián tiếp (phải tính lại) thơng qua cảm biến đo áp suất tuyệt đối đường ống nạp, tốc độ động cơ, nhiệt độ khí nạp áp suất khí trời Khi tải động thay đối, áp suất tuyệt đối đưòmg ống nạp thay đối MAP sensor chuyển thành tín hiệu điện áp báo ECU để tính lượng khơng khí vào xylanh Sau đó, dựa vào giá trị ECU điều khiên thời gian mở kim phun thời điểm đánh lửa