Trong các tín hiệu ngõ vào thì tín hiệu tốc độ động cơ, vị trí piston và tín hiệu tải là các tín hiệu quan trọng nhất. Đây là các tín hiệu cơ bản của hệ thống đánh lửa. Ngoài ra còn có các tín hiệu khác hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm như: tín hiệu từ cảm biến kích nổ, tín hiệu từ cảm biến oxy, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến vị trí bườm ga,…
3.4.3.1 Cảm biến vị trí trục khuỷu- tín hiệu Ne
Đĩa tạo tín hiệu Ne được làm liền với puly trục khuỷu và có 36 răng, thiếu 2 răng (thiếu 2 răng vì ứng với từng tín hiệu được tạo ra do sự chuyển động quay của một răng ta sẽ xác định được góc quay trục khuỷu và xác định được góc đánh lửa sớm của động cơ). Chuyển động quay của đĩa tạo tín hiệu sẽ làm làm thay đổi khe hở không khí giữa các răng của đĩa và cuộn nhận tín hiệu Ne, điều đó tạo ra tín hiệu Ne.
ECU sẽ xác định khoảng thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản dựa vào tín hiệu này. Khi răng càng ra xa cực nam châm thì khe hở không khí càng lớn, nên từ trở cao, do đó từ trường yếu đi. Tại vị trí đối diện, khe hở nhỏ, nên từ trường mạnh, tức là có nhiều đường sức từ cắt, trong cuộn dây sẽ xuất hiện một dòng điện xoay chiều, đường sức qua nó càng nhiều, thì dòng điện phát sinh càng lớn.
Hình 3.7: Kết cấu và sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí trục khuỷu 1: Cuộn dây; 2: Thân cảm biến; 3: Lớp cách điện; 4: Giắc cắm; 5: Rôto
tín hiệu; 6: Cuộn dây cảm biến vị trí trục cam.
Tín hiệu sinh ra thay đổi theo vị trí của răng, và nó được ECU đọc xung điện thế sinh ra, nhờ đó mà ECU nhận biết vị trí trục khuỷu và tốc động cơ.
Loại tín hiệu Ne này có thể nhận biết được cả tốc độ động cơ và góc quay trục khuỷu tại vị trí răng thiếu của đĩa tạo tín hiệu, nhưng không xác định được điểm chết trên của kỳ nén hay kỳ thải.
3.4.3.2 Cảm biến vị trí trục cam- tín hiệu G
Kết cấu và nguyên lý hoạt động:
1: Cuộn dây; 2: Thân cảm biến; 3: Lớp cách điện; 4: Giắc cắm
Nguyên lý làm việc: trên trục cam đối diện với cảm biến trục cam là đĩa tín hiệu G có 3 răng. Khi trục cam quay khe hở giữa các vấu cam nhô ra trên trục cam và cảm biến này sẽ thay đổi. Sự thay đổi khe hở tạo ra điện áp trong cuộn nhận tín hiệu được gắn vào cảm biến này, sinh ra tín hiệu G. Tín hiệu G này được truyền đi như một thông tin về góc chuẩn của trục khuỷu đến ECU động cơ, kết hợp nó với tín hiệu Ne từ trục khuỷu để xác định điểm chết trên kì nén của mỗi xylanh để đánh lửa và phát hiện góc quay của trục khuỷu. Ecu động cơ dùng thông tin này để xác định thời gian phun và thời điểm đánh lửa hợp lý nhất.
Mạch điện cảm biến vị trí trục cam:
1: Rôto tín hiệu; 2: Cuộn dây
3.4.3.3 Cảm biến nhiệt độ khí nạp.
Cảm biến nhiệt độ khí nạp lắp bên trong cảm biến lưu lượng khí nạp và theo dõi nhiệt độ khí nạp. Cảm biến nhiệt độ khí nạp sử dụng một điện trở nhiệt Khi nhiệt độ không khí thấp điện trở cảm biến sẽ cao và ngược lại khi nhiệt độ không khí tăng điện trở của cảm biến sẽ giảm. Sự thay đổi của điện trở được thông tin gửi đến ECU dưới sự thay đổi của điện áp.
1: Nhiệt điện trở; 2: Vỏ cảm biến; 3: Khối cảm biến; 4: Điện trở nhiệt 5: ECU; 6: Điện trở giới hạn dòng.
Cảm biến nhiệt độ khí nạp có một nhiệt điện trở được mắc nối tiếp với điện trở được gắn trong ECU động cơ sao cho điện áp của tín hiệu được phát hiện bởi ECU động cơ sẽ thay đổi theo các thay đổi của nhiệt điện trở này, khi nhiệt độ của khí nạp thấp, điện trở của nhiệt điện trở lớn tạo nên một tín hiệu điện áp cao trong tín hiệu của cảm biến nhiệt độ nước làm mát THA.
3.4.3.4 Cảm biến lưu lượng khí nạp.
Hình 3.10: Kết cấu và sơ đồ điện cảm biến nhiệt độ khí nạp
Kết cấu và nguyên lý hoạt động.
Nguyên lý hoạt động: Dòng điện chạy vào dây sấy làm cho nó nóng lên. Khi không khí chạy qua, dây sấy được làm nguội tương ứng với khối lượng không khí nạp, bằng cách điều chỉnh dòng điện chạy vào dây sấy này để giữ cho nhiệt độ dây sấy không đổi, dòng điện đó sẽ tỉ lệ thuận với lượng không khí nạp bằng cách phát hiện dòng điện đó ta xác định được lượng không khí nạp. Trong trường hợp này, dòng điện có thể chuyển thành điện áp và gửi đến ECU động cơ.
Mạch điện cảm biến đo lưu lượng khí.
1: Bộ khuyếch đại; 2: Ra(nhiệt điện trở); 3: Ra(bộ sấy).
Cảm biến lưu lượng khí nạp có một dây sấy được ghép vào mạch cầu. Mạch cầu này có đặc tính là các điện thế tại điểm A và B bằng nhau khi tích của điện trở theo đường chéo bằng nhau (Ra + R3)*R1=Rh*R2.
Khi dây sấy (Rh) được làm mát bằng không khí nạp, điện trở giảm dẫn đến sự hình thành độ chênh giữa các điện thế của các điểm A và B. Một bộ khuyếch đại xử lý phát hiện chênh lệch này và làm tăng điện áp đặt vào mạch này (làm tăng dòng điện chạy qua dây sấy). Khi thực hiện việc này, nhiệt độ của dây sấy lại tăng lên dẫn đến việc tăng tương ứng trong điện trở cho đến khi
Hình 3.12: Sơ đồ kết cấu và điều khiển của cảm biến đo lưu lượng không khí
điện thế của các điểm A và B trở nên bằng nhau (các điện áp của các điểm A và B trở nên cao hơn). Bằng cách sử dụng các đặc tính của loại mạch cầu này, cảm biến lưu lượng khí nạp có thể đo được khối lượng khí nạp bằng cách phát hiện điện áp ở điểm B.
Trong hệ thống này nhiệt độ của dây sấy (Rh) được duy trì liên tục ở nhiệt độ không đổi cao hơn nhiệt độ của không khí nạp, bằng cách sử dụng nhiệt điện trở (Ra). Do đó có thể đo được khối lượng khí nạp một cách chính xác mặc dù nhiệt độ khí nạp thay đổi, ECU động cơ không cần phải hiệu chỉnh thời gian phun nhiên liệu đối với nhiệt độ không khí nạp.
Ngoài ra khi nhiệt độ không khí giảm ở các độ cao lớn, khả năng làm ngưội của không khí giảm xuống so với cùng thể tích khí nạp ở mức nước biển. Do đó mức làm nguội cho dây sấy này giảm xuống. Vì khối khí nạp được phát hiện cũng giảm xuống, nên không cần phải hiệu chỉnh mức bù cho độ cao lớn.
Khi ECU phát hiện thấy cảm biến lưu lượng bị hỏng một mã nào đó, ECU sẽ chuyển vào chế độ dự phòng. Khi ở chế độ dự phòng, thời điểm đánh lửa được tính toán bằng ECU, dựa vào tốc độ động cơ và vị trí của bướm ga. Chế độ dự phòng tiếp tục cho đến khi hư hỏng được sửa chữa.
3.4.3.5 Cảm biến kích nổ.
Cảm biến kích nổ trong động cơ 1NZ-FE là loại phẳng (không cộng hưởng) có cấu tạo để phát hiện rung động trong phạm vi từ 6- 15Khz. Bên trong cảm biến có một điện trở phát hiện hở mạch.
Cảm biến kích nổ được gắn vào thân máy và truyền tín hiệu KNK tới ECU động cơ khi phát hiện sự kích nổ của động cơ. ECU động cơ nhận tín hiệu KNK và làm trễ thời điểm đánh lửa nhằm ngăn chặn hiện tượng kích nổ xảy ra, đến lúc ECU động cơ nhận thấy tiếng gõ kết thúc thì nó sẽ điều chỉnh thời điểm đánh lửa sớm trở lại sau khoảng thời gian nhất định.
Cảm biến này có một phần tử áp điện tạo ra một điện áp AC khi tiếng gõ gây ra rung động trong thân máy khi có tiếng gõ.
1: Thân cảm biến; 2: Phần tử áp điện; 3: Điện trở phát hiện hở mạch; 4: phần tử điện áp, 5: điện trở.
3.4.3.6 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát.
1: Điện trở; 2: Thân cảm biến; 3: Lớp cách điện; 4: Giắc cắm dây; 5: Khối cảm biến; 6: Điện trở nhiệt; 7: Khối điều khiển;
8: Khối điện trở giới hạn dòng.
Nguyên lý làm việc: Khi động cơ hoạt động, cảm biến nhiệt độ nước làm mát thường xuyên theo dõi và báo cho ECU biết tình hình nhiệt độ nước làm mát động cơ. Nếu nhiệt độ nước làm mát của động cơ thấp (động cơ vừa mới khởi động) thì ECU sẽ ra lệnh cho hệ thống phun thêm xăng khi động cơ còn nguội. Cũng thông tin về nhiệt độ nước làm mát, ECU sẽ thay đổi điểm đánh lửa thích hợp với nhiệt độ động cơ. Khi ECU tính toán nhiệt độ nước làm mát
Hình 3.13: Kết cấu cảm biến tếng gõ
Hình 3.14: Kết cấu và sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát
thấp hơn -400C hoặc lớn hơn 1400C lúc này ECU sẽ báo hỏng và ECU nhập chế độ dự phòng với nhiệt độ quy ước là 800C.
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát và điện trở R được mắc nối tiếp. Khi giá trị điện trở của cảm biến thay đổi theo sự thay đổi của nhiệt độ nước làm mát, điện áp tại cực THW cũng thay đổi theo. Dựa trên tín hiệu này ECU tăng lượng phun nhiên liệu nhằm nâng cao khả năng ổn định khi động cơ nguội.
3.4.3.7 Cảm biến ô xy
Cảm biến ôxy được bố trí trên đường ống thải, dùng để nhận biết nồng độ ôxy có trong khí thải, từ đó xác định tỉ lệ nhiên liệu và không khí trong buồng đốt của động cơ là đậm hay nhạt so với tỉ lệ hòa khí lí thuyết, từ đó gửi tín hiệu về ECU để ECU xử lý và cho tín hiệu điều chỉnh lại tỉ lệ không khí/nhiên liệu cho phù hợp. Động cơ 1NZ-FE dùng hai cảm biến Oxy 3 chân loại Ziconium đặt trên đường ống xả phía gần với buồng đốt động cơ để làm công việc này.
Cảm biến oxy có một phần tử làm bằng ziconi ôxit (ZrO2), đây là một loại gốm. Bên trong và bên ngoài của phần tử này được bọc bằng một lớp platin mỏng. Không khí chung quanh được dẫn vào bên trong còn phía ngoài của cảm biến lộ ra phía khí thải. Ở nhiệt độ cao (400°C [752°F] hay cao hơn), phần tử
zirconi tạo ra một điệnáp do sự chênh lệch lớn giữa các nồng độ của ôxy ở phía trong và phía ngoài của phần tử zirconi này. Vì ở nhiệt độ này cảm biến mới hoạt động được nên người ta dùng một điện trở dây sấy đặt vào mặt trong lớp ziconi để giúp nó hoạt động nhanh hơn, giảm được thời gian chờ. Dây sấy này được cấp nguồn B+ và được điều khiển bởi ECU thông qua cực HT.
Ngoài ra, platin tác động như một cất xúc tác để gây ra phản ứng hóa học giữa oxy và cacbon monoxit (CO) trong khí xả. Vì vậy, điều này sẽ làm giảm lượng oxy và tăng tính nhạy cảm của cảm biến.
Khi hỗn hợp không khí - nhiên liệu nghèo, chỉ có một chênh lệch nhỏ về nồng độ của oxy giữa bên trong và bên ngoài của phần tử zirconi. Do đó, phần tử zirconi sẽ chỉ tạo ra một điện áp thấp (0,1÷0,4V). Ngược lại, khi hỗn hợp không khí- nhiên liệu giàu, hầu như không có oxy trong khí xả. Vì vậy, có sự khác biệt lớn về nồng độ oxy giữa bên trong và bên ngoài của cảm biến này để phần từ zirconi tạo ra một điện áp tương đối lớn (0,6÷1 V). Tín hiệu điện áp này khi đi vào ECU sẽ đi qua mạch so sánh, nếu lớn hơn 0,45 V thì được xem là ở mức cao (hòa khí giàu), nếu nhỏ hơn 0,45 V thì được xem là thấp (hòa khí nghèo). Căn cứ vào tín hiệu (gọi là tín hiệu OX) này , ECU động cơ sẽ tăng hoặc giảm lượng phun nhiên liệu để duy trì tỷ lệ không khí - nhiên liệu trung bình ở tỷ lệ không khí - nhiên liệu lý thuyết.
3.4.3.8 Cảm biến vị trí bàn đạp ga.
Cảm biến vị trí bàn đạp chân ga loại phần tử Hall: Có cấu tạo và nguyên lý hoạt động về cơ bản giống như cảm biến vị trí bướm ga loại phần tử Hall.
Cảm biến vị trí bàn đạp chân ga loại phần tử Hall gồm có các mạch IC Hall làm bằng các phần tử Hall và các nam châm quay quanh chúng. Các nam châm được lắp trên trục của bàn đạp chân ga và quay cùng trục bàn đạp chân ga.
1: Mạch IC Hall; 2: Nam châm; 3: Mạch IC Hall; 4: Nam châm.
Khi đạp chân ga các nam châm quay cùng một lúc và các nam châm này thay đổi vị trí của chúng. Vào lúc đó IC Hall phát hiện thay đổi từ thông gây ra bỡi sự thay đổi vị trí nam châm và tạo ra điện áp của hiệu ứng Hall từ các cực VPA và VPA2 theo mức thay đổi này. Tín hiệu này được truyền đến ECU động cơ như tín hiệu đạp chân ga.
Trong cảm biến vị trí bàn đạp ga, điện áp được cấp đến cực VPA và VPA2 của ECU, thay đổi từ 0-5V tỷ lệ với góc của bàn đạp ga. VPA là tín hiệu chỉ ra góc mở bàn đạp thực tế và dùng để điều khiển động cơ. VPA2 thường được dùng để phát hiện các hư hỏng của cảm biến. ECU kiểm lực bàn đạp ga từ tín hiệu VPA và VPA2 phát ra và điều khiển môtơ bướm ga theo các tín hiệu này.
Hình 3.17: Kết cấu và sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bàn đạp ga
3.4.3.9 Cảm biến vị trí bướm ga.
Động cơ 1NZ-FE sử dụng cảm biến vị trí bướm ga có 3 chân VC, VTA, E2 mà không có dây IDL, loại tuyến tính, nó gồm một con trượt và một điện trở. Một đầu điện trở được gắn với cực Vc (cấp nguồn 5V), đầu còn lại gắn với cực E2 của cảm biến (cấp Mass). Một đầu của con trượt trượt lên điện trở và đầu còn lại gắn với cực.
VTA của cảm biến. Các cực của cảm biến được nối với các chân tương ứng trên ECU. ECU cấp nguồn 5V và Mass đến cho cảm biến, đồng thời nhận tín hiệu điện áp từ cực VTA của cảm biến, điện áp được đặt vào cực này sẽ tỉ lệ thuận với độ mở của cánh bướm ga. Sơ đồ mạch điện như sau:
Hình 3.18: Mạch điện cảm biến vị trí cánh bướm ga
Khi điện áp từ chân VTA gởi về ECU nằm trong khoảng 0. 3 – 0. 8 V, ECU sẽ hiểu là bướm ga đã đóng, khi cánh bướm ga mở hoàn toàn thì điện áp gởi về là 4. 9V.