- Van điều khiển dầu phối khí trục cam hoạt động theo sự điều khiển từ ECU động cơ để điều khiển vị trí của van
7 Hệ thống đánh lửa.
Ba yếu tố quan trọng nhất của động cơ xăng là: - Hỗn hợp khơng khí nhiên liệu tốt.
- Nén ép tốt. - Đánh lửa tốt.
Động cơ xăng sử dụng tia lửa điện để đốt cháy cưỡng bức hỗn hợp khơng khí nhiên liệu. Do đĩ, hệ thống nhiên liệu của động cơ xăng phải đạt một số yêu cầu sau:
- Phải cĩ tia lửa mạnh: Trong hệ thống đánh lửa, tia lửa điện được phát ra giữa các điện cực của buogie để đốt cháy hỗn hợp khơng khí nhiên liệu. Ngay khi bị nén dưới áp suất cao, khơng khí vẫn cĩ điện trở, nên cần phải tạo ra dịng điện hàng chục ngàn vơn để đảm bảo phát ra tia lửa mạnh, đốt cháy hỗn hợp khơng khí nhiên liệu.
- Thời điểm đánh lửa chính xác: Hệ thống đánh lửa luơn phải cĩ thời điểm đánh lửa chính xác, phù hợp với mọi chế độ hoạt động của động cơ.
- Ngồi ra, hệ thống đánh lửa cũng rất cần cĩ đủ độ bền để chịu đựng các tác động của rung động và nhiệt độ của động cơ.
Hệ thống đánh lửa được trang bị trên động cơ 1NZ –FE là hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS – Direct Ignition System ) hay cịn gọi là hệ thống đánh lửa khơng cĩ bộ chia điện.
Hình: Sơ đồ hệ thống đánh lửa trực tiếp.
Hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS thực hiện điều khiển gĩc đánh lửa sớm bằng điện tử, sử dụng mỗi bobine cho một bougie. Kiểu đánh lửa này cĩ nhiều ưu điểm vượt trơi: nhờ tần số hoạt động của mỗi bobine nhỏ nên cuộn sơ cấp và thứ cấp ít nĩng hơn. Do đĩ kích thước bobine nhỏ , được thiết kế chung với IC và nắp chụp bougie.
Hoạt động
ECU động cơ nhận tín hiệu từ các cảm biến khác nhau và xác nhận thời điểm đánh lửa tối ưu. ECU gửi tín hiệu đánh lửa (IGT) đến cuộn đánh lửa cĩ IC đánh lửa. Tín hiệu đánh lửa được gửi đến IC đánh lửa theo thứ tự nổ của động cơ (1 – 3 – 4 – 2 ).
IC cĩ nhiệm vụ thực hiện đĩng ngắt dịng sơ cấp đi qua cuộn đánh lửa. Nhờ quá trình đĩng ngắt đột ngột của dịng sơ cấp mà sịnh ra một dịng cao áp trên cuộn thứ cấp của bobin. Khi dịng sơ cấp vượt quá một trị số xác định, IC sẽ gửi một tín hiệu phản hồi (IGF) về cho ECU động cơ. Cịn dịng cao áp trên cuộn thứ cấp sẽ được dẫn đến bugi, thực hiện đánh lửa.
Điều khiển thời điểm đánh lửa.
Hệ thống đánh lửa sớm theo chương trình được trang bị trên động cơ Toyota là hệ thống ESA.
Hệ thống ESA là hệ thống dùng ECU động cơ để xác định thời điểm đánh lửa dựa vào các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau. ECU động cơ tính tốn thời điểm đánh lửa từ thời điểm đánh lửa tối ưu được lưu trong bộ nhớ để phù hợp với điều kiện làm việc thực tế của động cơ và sau đĩ chuyển thành tín hiệu đánh lửa gửi đến IC đánh lửa. Mục đích cuối cùng là để đạt được áp lực nổ cực đại xuất hiện ở 100 sau điểm chết trên cho mọi chế độ hoạt động
Tín hiệu đánh lửa cơ bản được xác định từ cảm biến tốc độ trục khuỷu và cảm biến vị trí trục cam.
Khi đã xác định được thời điểm đánh lửa, ECU động cơ gửi tín hiệu IGT đến IC đánh lửa. IC đánh lửa thực hiện chính xác sự ngắt dịng sơ cấp đi vào cuộn đánh lửa, phù hợp với tín hiệu IGT do ECU gửi tới. Sau đĩ, IC gửi một tín hiệu khẳng định (IGF) cho ECU phù hợp với cường độ dịng sơ cấp.
(DTC) được lưu lại trong ECU động cơ và chức năng an tồn hoạt động, thực hiện việc ngừng phun nhiên liệu vào động cơ.
Việc điều khiển đánh lửa gồm hai việc điều khiển cơ bản:
- Điều khiển đánh lửa khi khởi động, được thực hiện bằng việc tiến hành đánh lửa ở gĩc quay trục khuỷu được xác định trước trong điều kiện làm việc của động cơ. Gĩc trục khuỷu này gọi là gĩc thời điểm đánh lửa ban đầu. Khi đĩ, do tốc độ động cơ thấp nên khơng thể dùng tín hiệu từ cảm biến khác để hiệu chỉnh. Vì vậy thời điểm đánh lửa được đặt ở gĩc thời điểm đánh lửa ban đầu.
- Điều khiển đánh lửa sau khởi động là việc điều chỉnh thời điểm đánh lửa khi động cơ đang hoạt động sau khi khởi động. Việc điều khiển này được tiến hành bằng các hiệu chỉnh khác nhau đối với gĩc thời điểm đánh lửa ban đầu và gĩc đánh lửa sớm cơ bản.
Thời điểm đánh lửa thực = gĩc thời điểm đánh lửa ban đầu + gĩc đánh lửa sớm + gĩc đánh lửa sớm hiệu chỉnh.
Gĩc đánh lửa sớm cơ bản được xác định dựa vào tín hiệu từ cảm biến trục khuỷu (Ne) và cảm biến trục cam
- 43 -
(G). Gĩc đánh lửa sớm cơ bản được lưu trong bộ nhớ của ECU động cơ.
Gĩc đánh lửa sớm hiệu chỉnh được xác định dựa vào tín hiệu của các cảm biến khác nhau dựa vào điều kiện làm việc thực tế của động cơ gồm cĩ các hiệu chỉnh sau:
• Hiệu chỉnh để hâm nĩng
• Hiệu chỉnh khi quá nhiệt
• Hiệu chỉnh để ổn định tốc độ khơng tải
• Hiệu chỉnh theo tiếng gõ động cơ.
Một số bộ phận của hệ thống đánh lửa.
a - Cuộn đánh lửa cĩ IC đánh lửa
Thiết bị này bao gồm IC đánh lửa, cuộn đánh lửa ( bobine ) và nắp chụp bugi kết hợp thành một cụm.
Như vậy, cuộn thứ cấp được đặt trực tiếp vào bugi, khơng thơng qua dây cao áp. Điều này giảm được thất thốt điện áp qua dây cao áp và hiện tượng nhiễu điện từ, nâng cao độ tin cậy sử dụng. Ghi chú: 1 – IC đánh lửa 2 – Cuộn sơ cấp 3 – Cuộn thứ cấp 4 – Lõi 5 – Mũ bugi
b – Bugi
Điện thế cao trong cuơn thứ cấp làm phát sinh ra tia lửa giữa điện cực trung tâm và điện cực nối đất của bugi để đốt cháy hỗn hợp khơng khí nhiên liệu trong buồng đốt.
Sự nổ của hỗn hợp khơng khí nhiên liệu do tia lửa từ bugi được gọi chung là sự bùng cháy.
Cấu tạo của bugi được mơ tả như hình minh hoạ. Đặc tính đánh lửa của bugi phụ thuộc vào các yếu tố sau:
− Hình dáng điện cực và đặc tính phĩng điện
− Khe hở điện cực và điện áp yêu cầu.
Động cơ 1 NZ – FE sử dụng bugi do hãng DENSO sản xuất. Kí hiệu K16R - U11 với khe hở điện cực 1,1 mm.
Ghi chú: 1 – Đầu nối 2 – Nếp gợn sĩng 3 – Sứ cách điện 4 – Thân trên 6 – Vỏ 7 – Chất làm kín bằng thuỷ tinh 8 – Điện trở 9 – Gioăng 10 – Lõi đồng 11 – Oáng cách điện 12 – Điện cực trung tâm 13 – Điện cực tiếp đất
- 45 -
8 – Hệ thống các cảm biến
a - Cảm biến lưu lượng khí nạp
Trên xe Vios sử dụng cảm biến lưu lượng khơng khí nạp kiểu dây sấy. (MAF – Mass Air Flow )
Vị trí: Cảm biến lưu lượng khí nạp được gắn trên đường ống khí nạp, trên lọc giĩ
Nguyên lý của bộ đo giĩ kiểu nhiệt dựa trên sự phụ thuộc của năng lượng nhiệt W thốt ra từ một điện trở nhiệt được nung nĩng bằng điện, cịn gọi là phần tử nhiệt. Được đặt trong dịng khí nạp vào.
Cấu tạo: Cấu tạo của cảm biến dây nhiệt được mơ tả như sau:
Hình: Cấu tạo cảm biến lưu lượng khí nạp
Cảm biến trên hình minh hoạ gồm phích cắm được đặt vào trong đường khơng khí và làm cho phần khí nạp chạy qua khu vực phát hiện. Một dây nĩng ( nhiệt điện trở) được dùng như một cảm biến lắp vào khu vực phát hiện cùng với một dây sấy bằng platin
Bằng cách đo trực tiếp khối lượng khơng khí nạp, độ chính xác được tăng lên và hầu như khơng cĩ sức cản khơng khí. Ngồi ra, khơng cĩ các cơ cấu đặc biệt nên cảm biến dây nhiệt cĩ độ bền tuyệt hảo.
phần tử nhiệt lượng, dẫn đến nhiệt điện trở sẽ được làm nguội tương ứng với khối lượng khơng khí nạp. Bằng cách điều khiển dịng điện qua điện trở để giữ điện trở ở một nhiệt độ khơng đổi, dịng điện đĩ sẽ tỉ lệ thuận với khối lượng khơng khí đi qua điện trở. Dịng điện này sẽ được đưa về ECU động cơ dưới dạng áp ở cực VG.
Hình: Sơ đồ mạch điện cảm biến lưu lượng khơng khí nạp
b - Cảm biến nhiệt độ khơng khí nạp.( IAT – intake air temperature )
Cảm biến nhiệt độ khơng khí nạp cĩ cấu tạo là một nhiệt điện trở, được gắn trong bộ cảm biến lưu lượng khơng khí và theo dõi nhiệt độ của khí nạp.
Do lượng và mật độ khơng khí sẽ thay đổi theo nhiệt độ khơng khí, do đĩ khối lượng khơng khí sẽ thay đổi khi nhiệt độ khơng khí nạp thay đổi.
Nhiệt điện trở được lắp trong cảm biến nhiệt độ khơng khí nạp là loại nhiệt
điện trở âm (NTC – negative temperature coefficient). Khi
nhiệt độ khơng khí nạp thấp thì điện trở cao và ngược lại, khi nhiệt độ khơng khí nạp cao thì điện trở thấp. Sự thay đổi này được phản ánh dưới dạng sự thay đổi điện áp đến ECU.
Cảm biến nhiệt độ khí nạp được nối với ECU. Điện áp nguồn 5 V trong ECU được cấp đến cảm biến nhiệt độ khí nạp từ cực THA. Khi điện trở của cảm biến nhiệt độ khơng khí nạp thay đổi tương ứng với nhiệt đội khơng khí nạp thay đổi thì điện áp cực THA cũng thay đổi. Dựa trên sự thay đổi điện áp này, ECU tính tốn lượng phun nhiên liệu thích hợp, cải thiện khả năng vận hành động cơ ở các điều kiện khí hậu khác nhau.
c - Cảm biến vị trí bướm ga.
Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên cổ họng giĩ. Cĩ nhiệm vụ xác nhận vị trí của gĩc mở bướm ga. Cảm biến này biến đổi gĩc mở của cánh bướm ga thành điện áp, được truyền đến ECU như tín hiệu của gĩc mở bướm ga ( VTA ).
Trên TOYOTA VIOS được trang bị một cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính lắp trong cổ họng giĩ để cảm nhận gĩc mở của bướm ga.
Khi bướm ga đĩng hồn tồn điện áp khoảng 0,7V
Hình: Cấu tạo cảm biến nhiệt độ khí nạp
Hình: Đường đặc tuyến nhiệt độ khơng khí nạp
ga và bằng khoảng 3,5 đến 5V khi bướm ga mở hồn tồn.
ECU sẽ đánh giá điều kiện tải động cơ từ những tín hiệu điện vào cực VTA này, dùng chúng như một điều kiện để quyết định hiệu chỉnh tỉ lệ khơng khí – nhiên liệu, hiệu chỉnh tăng tải, điều khiển cắt nhiên
liệu, điều khiển phun cơ bản …
d - Cảm biến nhiệt độ nước làm mát.
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát dùng để xác định nhiệt độ động cơ
Cấu tạo:
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát cĩ cấu tạo là một trụ rỗng cĩ ren ngồi, bên trong cĩ gắn một nhiệt điện trở âm. Hai chân của điện trở được nối với hai đầu ghim. Ở động cơ, cảm biến nhiệt độ nước làm mát được gắn ở thân máy, gần bọng nước làm mát.
Nguyên lý:
Điện trở nhiệt là một phần tử cảm nhận sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ.
- 49 -
Hình: Mạch điện cảm biến vị trí bướm ga
Được làm từ vật liệu bán dẫn nên cĩ hệ số nhiệt điện trở âm (NTC – negative temperature coefficient ), nghĩa là khi nhiệt độ tăng lên thì điện trở giảm và ngược lại (đường đặc tuyến). Những thay đổi này phản ánh dưới dạng điên áp phát ra từ cảm biến. ECM theo dõi điện áp của cảm biến và dùng để tính tốn giá trị của ECT. Khi điện áp của cảm biến lệch ra khỏi phạm
vi hoạt động bình thường thì ECM coi đĩ là hư hỏng và thiết lập mã DTC.
e - Cảm biến tốc độ động cơ và cảm biến vị trí piston
Trên xe TOYOTA VIOS sử dụng cảm biến tốc độ động cơ (NE) và cảm biến vị trí trục khuỷu dạng điện từ loại nam châm đứng yên. Mỗi cảm biến gồm cĩ rotor để khép mạch từ và cuộn dây cảm ứng mà lõi gắn với một nam châm vĩnh cửu đứng yên.
Các tín hiệu G và NE được tạo ra bởi cuộn nhận tín hiệu, bao gồm một cảm biến vị trí trục cam, một cảm biến vị trí trục khuỷu và rotor tín hiệu. Thơng tin từ hai tín hiệu này được kết hợp bởi ECM để phát hiện đầy đủ gĩc của trục khuỷu và tốc độ của động cơ. Hai tín hiệu này khơng chỉ rất quan trọng với hệ thống EFI mà cịn quan trong đối với hệ thống ESA.
Cảm biến vị trí trục cam.
Trên trục cam, đối diện với cảm biến trục cam là một đĩa tín hiệu G cĩ 3 răng. Khi trục cam quay, khe hở khơng khí giữa các vấu nhơ ra trên trục cam và cảm biến này sẽ thay đổi. Sự thay đổi của khe hở tạo ra một điện áp trong cuộn nhận tín hiệu được gắn vào cảm biến này, sinh ra tín hiệu G. tín hiệu G này được chuyển đi như
Hình: Đường đặc tuyến của cảm biến nhiệt độ nước
định TDC kì nén của mỗi xi lanh để đánh lửa và phát hiện gĩc quay trục khuỷu. ECM dùng thơng tin này để xác định thời gian phun và thời điểm đánh lửa.
Cảm biến vị trí trục khuỷu
Cảm biến tốc độ động cơ phát hiện gĩc của trục khuỷu và tốc độ của động cơ, tín hiệu NE được gửi về ECM. ECM dùng tín hiệu G và NE để tính tốn thời gian phun cơ bản và gĩc đánh lửa sớm cơ bản. Đối với tín hiệu G, tín hiệu NE được tạo ra bởi khe khơng khí giữa cảm biến vị trí trục khuỷu và các răng trên chu vi của rotor tín hiệu NE được lắp trên trục khuỷu.
f - Cảm biến nồng độ ơxy
Để cho động cơ cĩ lắp đặt bộ TWC ( bộ lọc khí xả ba thành phần ) đạt được hiệu quả lọc tốt nhất cần phải duy trì tỷ lệ khơng khí nhiên liệu gần với tỷ lệ lý thuyết.
Cảm biến ơxy nhận biết tỷ lệ khơng khí – nhiên liệu là đậm hay nhạt hơn so với tỷ lệ lý thuyết.
Trên xe TOYOTA VIOS sử dụng cảm biến ơxy loại Zirconia. Một phần tử làm bằng Đioxit Zirconia (ZnO2) là một loại gốm. Phần tử này được phủ cả bên trong và bên ngồi bằng một lớp mỏng Platin. Khơng khí bên ngồi được dẫn vào trong của cảm biến và bên ngồi thì tiếp xúc trực tiếp với khí xả.
Hoạt động:
- 51 -
Hình: Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí trục cam và tốc độ trục khuỷu
Nếu nồng độ ơxy trên bề mặt bên trong của phần tử Zirconia chênh lệch lớn so với bề mặt bên ngồi tại nhiệt độ cao ( 4000C hay cao hơn), phần tử Zirconia sẽ tạo ra một điện áp đĩng vai trị như một tín hiệu OX đến ECM, để báo về nồng độ ơxy
trong khí xả tại mọi thời điểm.
Khi tỷ lệ khơng khí – nhiên liệu là nhạt, sẽ cĩ nhiều ơxy trong khí xả, nên cĩ sự chênh lệch nhỏ về nồng độ giữa bên trong và bên ngồi cảm biến. Vì lý do đĩ, điện áp do nĩ tạo ra nhỏ (dưới 0,45V). Ngược lại, nếu tỷ lệ khơng khí – nhiên liệu là đậm, ơxy trong khí xả gần như biến mất. Điều đĩ tạo ra sự chênh lệch lớn về nồng
độ ơxy bên trong và bên ngồi của cảm biến. Nên điện áp tạo ra tương đối lớn (lớn hơn 0,45V).
Platin (phủ bên ngồi phần tử cảm biến) cĩ tác dụng như một chất xúc tác làm cho ơxy và CO trong khơng khí xả phản ứng với nhau. Nĩ làm giảm lượng ơxy và tăng độ nhậy của cảm biến.
Dựa trên tín hiệu từ cảm biến này, ECM sẽ điều chỉnh để tăng hay giảm lượng nhiên liệu để duy trì tỷ lệ khơng khí - nhiên
Hình:Cấu tạo cảm biến nồng độ oxy
Chú thích: 1 – mặt bích; 2 –điện cực rắn(Zirconia); 3 – phần tử Platin; 4 – khơng khí; 5 – vỏ
Hình: Đường đặc tính điện áp ra của cảm biến nồng độ ơxy
Khi nhiệt độ khí xả thấp hoặc trường hợp bề mặt cảm biến bị dính bụi, khi đĩ ECM sẽ điều chỉnh dịng điện