Chương III: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY
3.2. HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ GIÁN TIẾP EFI
Trong những động cơ hiện đại, chúng ta thường nghe tới hệ thống phun xăng trực tiếp GDI hoặc hệ thống phun xăng điện tử EFI.
Điểm khác biệt cơ bản nhất giữa GDI và EFI là vị trí của vòi phun nhiên liệu. Hệ thống GDI sử dụng vòi phun nhiên liệu trực tiếp vào trong buồng cháy với áp suất lớn, còn hệ thống EFI phun nhiên liệu bên ngoài buồng cháy - phun gián tiếp. Như vậy hệ thống GDI, hỗn hợp (nhiên liệu, không khí) sẽ hình thành bên trong buồng cháy, còn EFI, hỗn hợp sẽ hình thành bên ngoài rồi mới qua xupap nạp vào bên trong buồng cháy (hệ thống phun xăng điện tử gián tiếp).
Hệ thống phun xăng điện tử EFI gồm ba khối thành phần sau: Khối điều khiển điện tử, khối cấp xăng, khối cấp gió.
Hình 3.1. Sơ đồ khối thể hiện kết cấu cơ bản của EFI
Hệ thống EFI sử dụng các cảm biến khác nhau để phát hiện tình trạng của động cơ và điều khiển chạy của xe. ECU động cơ tính toán lượng phun nhiên liệu tối ưu và làm cho các vòi phun phun nhiên liệu.
Hình 3.2. Sơ đồ cơ bản của EFI
Theo phương pháp phát hiện lượng không khí nạp thì hệ thống EFI được chia làm hai loại như sau:
Loại L- EFI Loại D-EFI Hình 3.3. Phân loại hệ thống EFI
Loại L-EFI (loại điều khiển lưu lượng không khí): Loại này sử dụng một cảm biến lưu lượng khí nạp để phát hiện lượng không khí chạy vào đường ống nạp. Có hai phương pháp phát hiện: Một là trực tiếp đo khối lượng khí nạp và một loại là thực hiện hiệu chỉnh dựa vào thể tích không khí.
Loại D- EFI (loại điều khiển áp suất đường ống nạp): Loại này đo áp suất trong đường ống nạp để phát hiện lượng không khí nạp theo tỷ trọng của không khí nạp.
3.2.2. Các khối điều khiển của hệ thống phun xăng điện tử gián tiếp 3.2.2.1. Khối cấp xăng
Khối này có nhiệm vụ cung cấp cho các vòi phun xăng chính và vòi phun khởi động lạnh. Mạch cung cấp xăng thực hiện từ thùng xăng, bơm xăng, lọc thô, bộ điều áp, bộ triệt xung áp suất, qua ống dẫn tới các vòi phun. Xăng được cấp cho các vòi phun qua các phần tử của bầu lọc tinh. Trong đường dẫn sau bơm xăng, áp suất xăng có thể đạt tới 220 KPa, luôn ổn định. Vòi phun chính và vòi phun khởi động lạnh chỉ phun xăng cấp cho xi lanh động cơ khi có tín hiệu của ECU.
Lượng phun của vòi phun chính được quyết định bởi áp suất nhiên liệu khi phun, thời gian phun, do ECU điều khiển theo trạng thái làm việc của động cơ.
Hình 3.4. Sơ đồ khối cấp xăng 3.2.2.2. Khối cấp gió
Cung cấp không khí có nhiệm vụ cung cấp không khí đã được lọc sạch với xăng tạo thành hỗn hợp nạp vào các xi lanh qua xupap. Mạch cấp khí thường xuyên bao gồm:
Không khí từ khí quyển qua bầu lọc khí, qua bộ đo lưu lượng khí (lưu lượng kế), tới bướm ga (điều tiết lượng khí nạp theo điều khiển của chân ga), vào khoang chứa khí chung và chia ra các đường nạp vào từng xi lanh. Tại đây không khí được trộn với xăng, phun ra từ vòi phun, đi qua cửa nạp đến buồng xi lanh.
3.2.2.3. Khối điều khiển điện tử
Phần điện trong hệ thống có nhiệm vụ cung cấp thông tin của động cơ tới bộ điều khiển trung tâm (ECU), thực hiện cấp tín hiệu cho các bộ phận thừa hành, các bộ phận cảnh báo. Các thông tin cần thu thập phản ánh trạng thái làm việc tức thời của động cơ
gồm: Nhiệt độ máy, nhiệt độ khí nạp, lượng O2 trong khí xả, lưu lượng khí nạp, vị trí bướm ga, tín hiệu thời điểm đánh lửa, tín hiệu khởi động, số vòng quay trục khuỷu, hiện tượng kích nổ, …. Các thông tin được thực hiện nhờ các cảm biến và đưa về ECU. ECU xử lý các thông tin, tính toán các trạng thái thực tế và đưa ra các tín hiệu tối ưu điều khiển các cơ cấu chấp hành: Vòi phun khởi động lạnh, các vòi phun chính, điều chỉnh chế độ mở van khí đường không tải. Các cảm biến của hệ thống phun xăng thường được tổ hợp với các hệ thống điều khiển tự động khác (nếu có) trên xe.
ECU có hai chức năng chính: Điều khiển thời điểm phun và điều khiển lượng phun nhiên liệu.
Chức năng điều khiển thời điểm phun quyết định khi nào thì từng vòi phun sẽ phun nhiên liệu vào xi lanh. Để thực hiện điều này nó sử dụng tín hiệu đánh lửa sơ cấp từ bộ chia điện hoặc biến áp đánh lửa.
Chức năng điều khiển lượng phun sẽ quyết định bao nhiêu lượng nhiên liệu được phun vào các xi lanh. Điều đó được xác định bằng:
1) Tín hiệu phun cơ bản: Tín hiệu này được xác định bằng tín hiệu tốc độ động cơ và tín hiệu lượng khí nạp.
2) Các tín hiệu hiệu lượng phun: Các tín hiệu này nhận từ các cảm biến khác, ngoài ra còn có một mạch khuếch đại công suất để kích hoạt vòi phun.
Hình 3.5. Sơ đồ khối bộ điều khiển trung tâm 3.2.3. Hệ thống L - Jetronic
3.2.3.1. Nguyên lý hoạt động
Khi động cơ hoạt động, không khí được hút vào động cơ, cảm biến đo gió đo lượng khí nạp và gửi tín hiệu đến bộ điều khiển trung tâm (ECU). Ngoài ra tín hiệu đánh lửa cũng được gửi tới ECU đó là 2 tín hiệu cơ bản và ECU xác định được tín hiệu điều khiển phun cơ bản (gọi là tỉ lệ lý thuyết).
Kết hợp với các tín hiệu do các cảm biển khác gửi đến ECU sẽ điều chỉnh tín hiệu phun xăng cho phù hợp và gửi tới vòi phun nhiên liệu. Khi nhận được tín hiệu vòi phun mở, xăng có áp suất cao do bơm xăng tạo ra thường trực tại dàn phân phối được phun vào đường nạp kết hợp với không khí tạo thành hỗn hợp cung cấp cho động cơ.
3.2.3.2. Điều khiển hiệu chỉnh lượng phun Lượng phun cơ bản:
Lượng khí nạp Lượng phun cơ bản = K
Tốc độ động cơ K: Hệ số hiệu chỉnh.
a. Làm đậm trong và sau khi khởi động
Quá trình làm đậm này sẽ tăng lượng phun phụ thuộc vào nhiệt độ nước làm mát (nhiệt độ động cơ, lượng phun tăng khi nhiệt độ nước làm mát thấp) để nâng cao khả năng khởi động và giúp động cơ hoạt động ổn định trong một khoảng thời gian nhất định sau khi khởi động. Lượng phun sẽ giảm dần đến lượng phun cơ bản. Tín hiệu gửi đến ECU từ cực ST của khoá điện ECU nhận biết động cơ đang khởi động. và từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát ECU nhận biết nhiệt độ động cơ.
Hình 3.6. Sơ đồ mạch điện hệ thống điều khiển b. Hiệu chỉnh theo nhiệt độ khí nạp
Khi nhiệt độ khí nạp giảm, mật độ không khí tăng, lượng nhiên liệu được phun tăng lên khi nhiệt độ khí nạp thấp và ngược lại sẽ giảm xuống khi nhiệt độ khí tăng. Tín hiệu gửi đến ECU từ cảm biến nhiệt độ khí nạp (lắp chung với cảm biến lưu lượng khí) ECU nhận biết nhiệt độ khí nạp.
c. Làm đậm khi tăng tốc độ động cơ
Để nâng cao khả năng tải của động cơ khi động cơ lạnh, cần làm đậm hỗn hợp khi động cơ đang nóng dần. Khi tiếp điểm không tải của cảm biến bướm ga mở, hỗn hợp được làm đậm lên và ngược lại. Tín hiệu gửi đến ECU từ cảm biến vị trí bướm ga nhận biết độ mở của bướm ga và từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát nhận biết nhiệt độ nước làm mát.
d. Làm đậm để trợ tải
Lượng phun sẽ tăng lên khi bướm ga mở lớn hơn 500 đến 600 so với vị trí đóng (động cơ hoạt động ở chế độ toàn tải). Tín hiệu gửi đến ECU từ cảm biến vị trí bướm ga ECU nhận biết độ mở của bướm ga mở lớn hơn 500 đến 600 so với vị trí đóng.
e. Cắt nhiên liệu
Khi động cơ làm việc ở chế độ không tải cưỡng bức (khi phanh bằng động cơ) việc phun nhiên liệu sẽ bị ngừng lại, tạo nên khí thải sạch và tiết kiệm nhiên liệu. Tuy nhiên nếu nhiệt độ nước làm mát thấp số vòng quay cắt nhiên liệu sẽ tăng lên để ngăn ngừa hiện tượng động cơ chạy giật cục. Tín hiệu gửi đến ECU từ cuộn dây đánh lửa sơ cấp ECU nhận biết tốc độ động cơ. Từ cảm biến vị trí bướm ga nhận biết độ mở của bướm ga mở lớn hơn 1,50 so với vị trí đóng và từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát nhận biết nhiệt độ nước làm mát.
f. Hiệu chỉnh theo điện áp
ECU sẽ tính toán thời gian phun nhiên liệu và gửi tới vòi phun, sẽ có một khoảng thời gian trễ nhỏ từ khi tín hiệu được gửi đi đến khi vòi phun mở. Như vậy thời gian phun thực tế giảm, hỗn hợp loãng. Như vậy thời gian phun được hiệu chỉnh thêm khoảng thời gian trễ. Khoảng thời gian trễ phụ thuộc vào điện áp ắc quy, vậy cần phải hiệu chỉnh để tín hiệu phun dài hơn nếu điện áp nhỏ hơn 14(V). Tín hiệu gửi đến ECU từ ắc quy nhận biết điện áp ắc quy.
g. Hiệu chỉnh tỉ lệ nhiên liệu theo tín hiệu phản hồi Tín hiệu phun
nhiên liệu Khoảng thời gian phun
Khoảng thời gian hiệu chỉnh điện áp
= +
ECU hiệu chỉnh khoảng thời gian phun dựa trên các tín hiệu từ cảm biến ôxy để duy trì tỷ lệ hỗn hợp trong khoảng hẹp nhất gần với tỷ lệ lý thuyết. Mặc dù vậy để ngăn không cho bộ lọc khí xả bị quá nóng và đảm bảo cho động cơ hoạt động tốt ECU nhận tín hiệu từ cảm biến khí xả và hiệu chỉnh lượng phun nhiên liệu cho phù hợp. Các chế độ hiệu chỉnh:
- Trong khi khởi động động cơ.
- Quá trình làm đậm hỗn hợp sau khi khởi động.
- Quá trình làm đậm khi tăng tải.
- Khi nhiệt độ nước làm mát dưới mức quy định.
- Khi cắt nhiên liệu.
h. Điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu
ECU động cơ làm thay đổi lượng phun nhiên liệu bằng cách thay đổi thời gian phun của vòi phun.
Hình 3.7. Sơ đồ điều chỉnh phun nhiên liệu ở các chế độ Thời gian phun nhiên liệu thực tế được xác định bằng 2 cách sau:
- Thời gian phun nhiên liệu cơ bản được xác định bằng lượng khí nạp và tốc độ động cơ.
- Các thời gian phun hiệu chỉnh khác nhau được xác định bằng các cảm biến khác nhau.
Thời gian phun mà ECU động cơ cuối cùng truyền vào vòi phun được bổ sung các hiệu chỉnh thời gian phun cơ bản. Có các hiệu chỉnh sau:
- Làm đậm để khởi động.
- Làm đậm để hâm nóng.
- Hiệu chỉnh phản hồi tỷ lệ hỗn hợp (chỉ có ở một số xe) - Làm đậm để tăng tốc.
- Cắt nhiên liệu.
- Làm đậm để tăng công suất.
- Các hiệu chỉnh khác.
i. Làm đậm để hâm nóng
Lượng phun nhiên liệu được tăng lên vì sự bay hơi của nhiên liệu kém trong khi động cơ còn đang lạnh. Khi nhiệt độ nước làm mát thấp, thời gian phun nhiên liệu được tăng lên để cho hỗn hợp đậm hơn nhằm đạt được khả năng làm việc trong thời gian động cơ còn nguội. Việc hiệu chỉnh tối đa dài gấp đôi nhiệt độ bình thường.
Hình 3.8. Sơ đồ làm đậm khi hâm nóng
k. Hiệu chỉnh phản hồi tỷ lệ không khí – nhiên liệu (cho hầu hết các xe)
Khi có các dao động không lớn về tải trọng của động cơ hoặc tốc độ của động cơ, như là khi chạy không tải hoặc chạy ở tốc độ không đổi sau khi được hâm nóng, nhiên liệu (hỗn hợp gần với hỗn hợp lý thuyết) được căn cứ vào lượng không khí nạp.
Các hiệu chỉnh sau đây được thực hiện khi xe chạy ở tốc độ không đổi sau khi được hâm nóng.
+ Điều khiển phản hồi bằng cảm biến ôxy (điều khiển tỷ lệ hỗn hợp):
ECU động cơ xác định thời gian phun cơ bản để đạt được tỷ lệ hỗn hợp lý thuyết xảy ra theo tình trạng lý thuyết. Tuy nhiên một độ lệch nhỏ của tỷ lệ hỗn hợp lý thuyết xảy ra theo tình trạng thực tế của động cơ, các thay đổi theo thời gian và các điều kiện
khác.
Do đó, cảm biến ôxy phát hiện nồng độ của ôxy trong khí xả để xác định thời gian phun nhiên liệu hiện tại có phải là tỷ lệ hỗn hợp lý thuyết dựa vào lượng khí nạp không.
Nếu ECU động cơ xác định từ các tín hiệu của cảm biến ôxy rằng tỷ lệ hỗn hợp đậm hơn tỷ lệ hỗn hợp lý thuyết, nó sẽ rút ngắn thời gian phun để làm hỗn hợp nhạt hơn. Ngược lại, nếu có xác định tỷ lệ hỗn hợp là nhạt nó sẽ kéo dài thời gian phun để cho hỗn hợp đậm hơn.
Hoạt động của việc điều khiển phản hồi nhằm duy trì tỷ lệ hỗn hợp trung bình ở hỗn hợp lý thuyết bằng cách liên tiếp thực hiện các hiệu chỉnh nhỏ (điều này được gọi là hoạt động “vòng khép kín”).
Hình 3.9. Chức năng hiệu chỉnh hỗn hợp
Để ngăn chặn việc trung hòa khí xả quá nóng và để đảm bảo động cơ hoạt động tốt, sự phản hồi tỷ lệ hỗn hợp không xảy ra trong điều kiện sau đây (hoạt động vòng hở)
- Trong khi khởi động động cơ.
- Trong khi làm đậm sau khởi động.
- Trong khi làm đậm để tăng công suất.
- Khi nhiệt độ nước làm ở mức độ xác định.
- Khi sự cắt nhiên liệu xảy ra.
- Khi tín hiệu nhạt tiếp tục dài hơn thời gian xác định.
Điểm giữa (a) sẽ thay đổi trong khi điều chỉnh phản hồi này theo thời gian trôi
qua. Trong trường hợp này, điểm giữa này buộc phải quay về trung tâm. Nếu không, nó sẽ làm cho việc phản hồi đi ra ngoài phạm vi hiệu chỉnh của việc điều khiển phản hồi.
Điều này được gọi là việc điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp đã biết hoặc hiệu chỉnh nhiên liệu dài hạn.
Hình 3.10. Sơ đồ hiệu chỉnh hỗn hợp
+ Điều khiển phản hồi bằng cảm biến tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu (cảm biến A/F):
Điện áp đầu ra của cảm biến ôxy thay đổi nhanh quanh tỷ lệ hỗn hợp lý thuyết như được trình bày trong hình minh họa 3.11 (phía trên).
Dữ liệu của cảm biến A/F mà ECU động cơ đạt được, được hiển thị trong màn hình của máy chẩn đoán này. Khi tỷ lệ hỗn hợp nhạt điện áp này sẽ cao. Ngược lại điện áp này thấp khi tỷ lệ này đậm. Do đó độ chính xác của việc phát hiện tỷ lệ hỗn hợp đã được cải thiện.
Nếu tỷ lệ hỗn hợp hiện thời thay đổi từ tỷ lệ hỗn hợp lý thuyết như thể hiện trong hình minh họa 3.11 (phía dưới), ECU động cơ tiếp tục hiệu chỉnh tỷ lệ hỗn hợp bằng tín hiệu của cảm biến ôxy.
Tuy nhiên, đối với cảm biến A/F, ECU động cơ lien tục hiệu chỉnh bằng cách xác định mức thay đổi tỷ lệ hỗn hợp lý thuyết.
Hình 3.11. Sơ đồ điều khiển bằng cảm biến hỗn hợp
+ Việc điều chỉnh khí xả CO đối với các xe không có cảm biến ôxy hoặc cảm biến A/F:
Đối với các xe không có cảm biến ôxy hoặc cảm biến A/F, có thể sử dụng một biến trở để điều chỉnh nồng độ của CO (%) trong thời gian chạy không tải.
Xoay biến trở này về bên R làm cho nồng độ này đậm lên, và xoay về bên L để làm nó nhạt đi. Tuy nhiên đối với các xe có trang bị cảm biến ôxy hoặc cảm biến A/F việc điều chỉnh CO không cần thiết trong thời gian chạy không tải vì được điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp thích hợp bằng tín hiệu của cảm biến.
Hình 3.12. Mô hình hiệu chỉnh khí xả CO đối vơi các xe không có cảm biến ôxy hoặc cảm biến A/F
3.3. HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI