CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Hệ thống đánh lửa trên động cơ TOYOTA CAMRY 2AZ-FE [2]
Hình 2.1 - Các chi tiết và vị trí của các cảm biến trên động cơ trong hệ thống đánh lửa 2AZ-FE
Hình 2.2 - Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống đánh lửa trên động cơ 2AZ-FE1. Tín hiệu vị trí trí trục khủy. 4. Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát. 1. Tín hiệu vị trí trí trục khủy. 4. Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát. 2. Tín hiệu lưu lượng khí nạp. 5. Tín hiệu vị trí trục cam.
3. Tín hiệu cảm biến vị trí bướm ga. 6. Tín hiệu kích nổ.
Qua những hình ảnh về bố trí và sơ đồ điều khiển hệ thống đánh lửa ta kết luận hệ thống đánh lửa trên động cơ 2AZ-FE thuộc loại hế thống đánh lửa trực tiếp sử dụng mỗi bugi một bobine có tích hợp IC đánh lửa.
Trên động cơ 2AZ-FE được trang bị hệ thống đánh lửa trực tiếp với mỗi bugi một bôbin đánh lửa. Khi ECU động cơ nhận được tín hiệu gửi về, trong đó quan trọng nhất là các xung G, xung NE và tín hiệu của cảm biến đo gió, bộ xử lý của ECU sẽ tính toán và chọn ngay ra một điểm trên bề mặt lập trình, tức là chọn ngay một góc đánh lửa sớm tối ưu ở tốc độ và mức tải đó (chương trình đánh lửa sớm ESA- Electronic Spark Advance). Rồi thông qua một bóng điều khiển trong ECU xuất xung IGT (Ignition Timing) tới IC đánh lửa. Khi IC đánh lửa nhận được xung IGT ở đầu vào mạch transisitor, mạch này điều khiển bóng Transistor ON để nối mát cho cuộn sơ cấp W1 của bôbin qua chân C của IC đánh lửa. Khi đó xuất hiện dòng sơ cấp trong bôbin tạo ra từ trường , từ trường tồn tại trong bôbin cho tới khi bóng Transistor OFF, khi đó từ trường biến thiên cực nhanh và cảm ứng ra xung cao áp ở cuộn dây thứ cấp W2 của bobine. Xung cao áp này được đưa đến bugi theo thứ tự nổ của động cơ tạo tia lửa điện đốt cháy hòa khí.
Hình 2.4 - Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa trên động cơ 2AZ-FE1. Tín hiệu tốc độ động cơ. 4. Tín hiệu cảm biến vị trí bướm ga. 1. Tín hiệu tốc độ động cơ. 4. Tín hiệu cảm biến vị trí bướm ga. 2. Tín hiệu vị trí trí trục khủy. 5. Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát. 3. Tín hiệu lưu lượng khí nạp. 6. Tín hiệu kích nổ.
2.2. Hệ thống cung cấp nhiên liệu [1]
Hệ thống cung cấp nhiên liệu trên xe gồm các bộ phận chính sau: Bơm xăng, lọc xăng, kim phun, bộ ổn định áp xuất thùng xăng…
Nhờ vào việc sử dụng mỗi kim phun cho mỗi xy lanh làm việc mà lượng tiêu hao nhiên liệu được cải thiện đáng kể, cải thiện được khí thải giúp cho giảm bớt ô nhiễm môi trường. Lượng nhiên liệu phun vào buồng đốt được ECU điều khiển sao cho lượng phun là phù hợp nhất với điệu kiện vận hành của xe.
2.3. Hệ thống phun xăng điện tử trên động cơ 2AZ-FE [1]
Ngày nay, trên hầu hết các động cơ xăng đều được trang bị hệ thống phun xăng điện tử. Hệ thống nhiên liệu trên động cơ 2AZ-FE là hệ thống phun xăng điện tử (EFI) được trang bị thêm các hệ thống thu hồi xăng và thu hồi hơi xăng (EVAP) trong thùng xăng nên gọi là hệ thống nhiên liệu SFI.
Hình 2.5 - Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun xăng điện tử
2.4. Nguyên lí làm việc của hệ thống phun xăng điện tử [1]
Một bơm nhiên liệu cung cấp đủ nhiên liệu dưới áp suất không đổi đến các vòi phun (ở động cơ 2AZ-FE áp suất nhiên liệu là từ 3,1 kG/cm2 đến 3,5 kG/cm2). Các vòi phun sẽ phun một lượng nhiên liệu định trước vào đường ống nạp theo các tín hiệu từ ECU động cơ. ECU nhận các tín hiệu từ nhiều cảm biến thông báo về sự thay đổi các chế độ hoạt động của động cơ. ECU sử dụng các tín hiệu này để xác định khoảng thời gian cần thiết nhằm đạt được hòa khí với tỉ lệ tối ưu phù hợp với từng điều kiện hoạt động của động cơ. Khi nhiên liệu được phun ra, áp suất nhiên liệu bị thay đổi một chút. Mỗi vòi phun được lắp ở phía trước của xupap nạp. Lượng nhiên liệu phun ra được điều khiển bằng độ dài khoảng thời gian dòng điện chạy qua vòi phun.
Để tối ưu hóa quá trình cấp nhiên liệu, động cơ 2AZ-FE được trang bị hệ thống nhiên liệu không có ống hồi xăng (Fuel Returnless System) với việc sử dụng tích hợp bộ điều áp, lọc xăng và bơm xăng thành một cụm ngay trong thùng xăng như hình 2.6.
Hình 2.6 - Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ 2AZ-FE
Ngoài ra, trên trong thùng xăng còn trang bị thêm hệ thống thu hồi hơi xăng trong thùng gọi là hệ thống EVAP. Sự hoạt động của hệ thống thu hồi xăng bằng cách sử dụng một bầu than hoạt tính để hấp thụ lại lượng xăng đã bị bay hơi trong quá trình cấp xăng vào thùng. Điều này giúp làm giảm sự thất thoát xăng do không khí.
Hình 2.7 - Sơ đồ thu hồi hơi xăng trên động cơ 2AZ-FE
2.5. Các cảm biến và tín hiệu đầu vào [1]
Vị trí, cấu tạo:
Hình 2.9 - Vị trí và tín hiệu xung điện của cảm biến vị trí trục cam
Hình 2.10 - Cấu tạo của cảm biến vị trí trục cam
1- Cuộn dây; 2- Thân cảm biến; 3- Lớp cách điện; 4- Giắc cắm
Nguyên lý làm việc:
Cảm biến vị trí trục cam bao gồm một nam châm, lõi thép và được cuộn bằng dây đồng và được lắp trên nắp quy lát. Khi trục cam quay, 3 vấu trên trục cam đi qua cảm biến vị trí trục cam. Điều này làm kích hoạt từ trường trong cảm biến và sinh ra một điện áp trong cuộn dây đồng. Trục cam quay cùng với chuyển động quay của trục khuỷu. Khi trục khuỷu quay hai vòng, sinh ra điện áp 3 lần trong cảm biến vị trí trục cam. Điện áp sinh ra trong cảm biến tác dụng như một tín hiệu, cho phép ECU xác định được vị trí của trục cam. Tín hiệu này được dùng để điều khiển thời điểm đánh
Mạch điện:
Hình 2.11 - Sơ đồ mạch điện của cảm biến vị trí trục cam2.5.2. Cảm biến vị trí trục khuỷu (bộ tạo tín hiệu NE) [1] 2.5.2. Cảm biến vị trí trục khuỷu (bộ tạo tín hiệu NE) [1]
Nhiệm vụ: Tín hiệu NE được ECU động cơ sử dụng để phát hiện góc của trục khuỷu và tốc độ của động cơ.
Vị trí và cấu tạo:
Hình 2.12 - Cấu tạo và tín hiệu xung của cảm biến vị trí trục khuỷu
Hệ thống cảm biến vị trí trục khuỷu bao gồm đĩa tín hiệu cảm biến và cuộn nhận tín hiệu. Đĩa tín hiệu có 34 răng và được lắp trên trục khuỷu. Cuộn nhận tín hiệu được làm từ cuộn dây đồng, một lõi sắt và nam châm.
Hình 2.13 - Cấu tạo của cảm biến vị trí trục khuỷu
1- Cuộn dây; 2- Thân cảm biến; 3- Lớp cách điện; 4- Giắc cắm
Nguyên lý làm việc:
Khi đĩa tín hiệu cảm biến quay và khi từng răng của nó đi qua cuộn tín hiệu, một tín hiệu xung được tạo ra. Cuộn nhận tín hiệu sinh ra 34 tín hiệu ứng với một vòng quay của động cơ. ECU nhận biết vị trí của trục khuỷu và tốc độ động cơ dựa vào tín hiệu này. Dùng những tín hiệu này để điều khiển thời gian phun nhiên liệu và thời điểm đánh lửa.
Mạch điện:
2.5.3. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (tín hiệu THW) [1]
Nhiệm vụ: Nhận biết nhiệt độ nước làm mát và gửi tín hiệu điện về ECU.
Vị trí và cấu tạo:
Hình 2.15 - Vị trí và cấu tạo của cảm biến nhiệt độ nước làm mát1- Điện trở; 2- Thân cảm biến; 3- Chất cách điện; 4- Giắc cắm 1- Điện trở; 2- Thân cảm biến; 3- Chất cách điện; 4- Giắc cắm
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát là một trụ rỗng có ren ngoài, bên trong có gắn một điện trở dạng bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm. Ở động cơ làm mát bằng nước, cảm biến được gắn ở thân máy, gần bọng nước làm mát. Trong một số trường hợp cảm biến được lắp trên nắp máy.
Nguyên lý hoạt động:
Điện trở nhiệt là một phần tử cảm nhận thay đổi điện trở theo nhiệt độ. Nó được làm từ vật liệu bán dẫn nên có hệ số nhiệt điện trở âm (khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm). Sự thay đổi giá trị điện trở sẽ làm thay đổi giá trị điện áp được gửi đến ECU trên nền tảng cầu phân áp.
Điện áp 5V qua điện trở chuẩn (điện trở này có giá trị không đổi theo nhiệt độ) tới cảm biến về ECU rồi về mass. Như vậy điện trở chuẩn và nhiệt điện trở trong cảm biến tạo thành một cầu phân áp. Điện áp điểm giữa cầu được đưa đến bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự số (bộ chuyển đổi A/D). Khi nhiệt độ động cơ thấp, giá trị điện trở cảm biến cao và điện áp gửi đến bộ biến đổi A/D lớn. Tín hiệu điện áp được chuyển thành một dãy xung vuông và được giải mã nhờ bộ vi xử lý để thông báo cho ECU biết động cơ đang lạnh. Khi động cơ nóng giá trị điện trở cảm biến giảm kéo theo điện áp giảm, ECU biết là động cơ nóng.
Mạch điện:
Hình 2.16 - Sơ đồ mạch điện của cảm biến nhiệt độ nước làm mát2.5.4. Cảm biến lưu lượng khí nạp (tín hiệu VG) [1] 2.5.4. Cảm biến lưu lượng khí nạp (tín hiệu VG) [1]
Nhiệm vụ: Nhận biết trực tiếp khối lượng không khí nạp và gửi tín hiệu về ECU. Tín hiệu lượng khí nạp dùng để tính toán lượng phun cơ bản và góc đánh lửa sớm. Loại này có kết cấu gọn nhẹ, độ bền cao, sức cản không khí do cảm biến tạo ra thấp.
Vị trí và cấu tạo.
Hình 2.17 - Vị trí và cấu tạo của cảm biến lưu lượng khí nạp
1- Thân cảm biến; 2- Đầu cắm; 3- Cảm biến nhiệt độ khí nạp; 4- Dây sấy platin
Nguyên lý làm việc:
Dòng điện chạy qua dây sấy làm cho nó nóng lên. Khi không khí chạy qua dây sấy, nó sẽ được làm mát phụ thuộc vào khối lượng không khí nạp vào. Bằng cách điều khiển dòng điện chạy qua dây sấy để giữ cho nhiệt độ của dây không đổi có thể đo được lượng khí nạp bằng cách đo dòng điện.
Trong cảm biến lượng khí nạp thực tế, dây sấy được mắc trong mạch cầu. mạch cầu có điện thế tại điểm A, B bằng nhau khi tích điện trở tính theo đường chéo là bằng nhau. Khi không khí đi qua dây sấy Rh bị làm lạnh, điện trở giảm, kết quả là tạo ra chênh lệch điện thế giữa hai điểm A, B. Một bộ khuyếch đại nhận biết sự chênh lệch này làm cho điện áp cấp đến mạch tăng, làm cho nhiệt độ dây sấy lại tăng, kết quả là điện trở tăng cho đến khi điện thế trong mạch cầu cân bằng trở lại.
Với tính năng này của mạch cầu, cảm biến có thể đo được khối lượng khí nạp nhờ nhận biết điện áp tại điểm B. Trong hệ thống này, nhiệt độ dây sấy được thường xuyên duy trì không đổi cao hơn nhiệt độ của khí nạp bằng cách dùng một nhiệt trở Ra.
Như vậy, khối lượng khí nạp có thể đo một cách chính xác mà không cần phải hiệu chỉnh phun theo nhiệt độ hay theo áp suất khí nạp.
Mạch điện.
Hình 2.18 - Sơ đồ mạch điện của cảm biến lưu lượng khí nạp2.5.5. Cảm biến oxy (tín hiệu OX) [1] 2.5.5. Cảm biến oxy (tín hiệu OX) [1]
Nhiệm vụ:
Để chống ô nhiễm, trên các xe có trang bị bộ hoá khử (TWC – Three Way Catalyst). Bộ hoá khử sẽ hoạt động với hiệu suất cao nhất ở tỷ lệ hoà khí lý tưởng (α=1). Cảm biến oxy được sử dụng để xác định thành phần hoà khí tức thời của động cơ đang hoạt động. Nó phát ra một tín hiệu điện thế gửi về ECU để điều chỉnh tỷ lệ hoà khí thích hợp trong một điều kiện làm việc nhất định (chế độ điều khiển kín).
Vị trí và cấu tạo
Hình 2.19 - Vị trí và cấu tạo của cảm biến Oxy
1- Đệm dẫn điện; 2- Thân cảm biến; 3- Chất điện phân khô; 4,5- Điện cực ngoài và trong
Nguyên lý hoạt động:
Loại này chế tạo chủ yếu từ chất Zirconium dioxide (ZrO2) có tính chất hấp thụ những ion oxy âm tính. Thực chất cảm biến oxy loại này là một pin có sức điện động phụ thuộc nồng độ oxy trong khí xả với ZnO2 là chất điện phân. Mặt trong ZnO2 tiếp xúc với không khí, mặt ngoài tiếp xúc oxy trong khí xả. ở mỗi mặt ZnO2 được phủ lớp điện cực bằng patin để dẫn điện. lớp platin này rất mỏng và xốp để oxy dễ khuếch tán vào. Khi khí thải chứa lượng oxy ít do hỗn hợp giàu nhiên liệu thì số ion oxy tập chung ở điện cực tiếp xúc khí thải ít hơn số ion tập chung điện cực tiếp xúc không khí. Sự chênh lệch số ion này sẽ tạo tín hiệu điện áp khoảng 600÷900mV. Ngược lại, khi độ chênh lệch số ion ở hai điện cực nhỏ hơn trong trường hợp nghèo xăng, pin oxy phát ra tín hiệu điện áp thấp khoảng 100-400mV.
Mạch điện:
Hình 2.20 - Sơ đồ mạch điện của cảm biến Oxy 2.5.6. Cảm biến vị trí bướm ga (tín hiệu VTA) [1]
Nhiệm vụ:
Cảm biến này đóng vai trò chuyển vị trí góc mở bướm ga thành tín hiệu điện thế gởi đến ECU. Đa số các loại cảm biến vị trí bướm ga là loại tuyến tính (dạng biến trở) 3 dây. Tuy nhiên, trên một số xe có 4 dây có bố trí thêm công tắc vị trí cầm chừng (idle). Tín hiệu IDL được sử dụng chủ yếu để điều khiển cắt nhiên liệu khi giảm tốc và hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa, còn tín hiệu VTA và PSW dùng để tăng lượng phun nhiên liệu để tăng công suất.
Cảm biến vị trí bướm ga được lắp ở trên cổ họng gió.
Cấu tạo: bao gồm hai tiếp điểm trượt, tại mỗi đầu của nó được thiết kế có các tiếp điểm cho tín hiệu cầm chừng và tín hiệu góc mở bướm ga.
Nguyên lí hoạt động:
Một điện áp không đổi 5V từ ECU cung cấp đến cực VC. Khi cánh bướm ga mở, con trượt trượt dọc theo điện trở và tạo ra điện áp tăng dần cực VTA tương ứng góc mở bướm ga. Tín hiệu này gửi về ECU và ECU tính toán biết được góc mở bướm ga.
Mạch điện:
Hình 2.22 - Sơ đồ mạch điện của cảm biến vị trí bướm ga
2.6. Bộ điều khiển trung tâm ECU (Electronic Control Unit) [1]
2.6.1. Tổng quan
ECU là viết tắt của cụm từ Electronic Control Unit nghĩa là bộ điều khiển điện tử, nó như một máy tính (Computer) hay “Bộ não” để điều khiển sự hoạt động của hệ thống. Ban đầu ECU được sử dụng để điều khiển động cơ, về sau ECU được sử dụng rất nhiều trên ô tô để điều khiển cho nhiều hệ thống khác trên xe đảm bảo sự hoạt động chính xác, hiệu quả, tăng sự tiện nghi và sự an toàn của chiếc xe, những chiếc xe ô tô đời mới có thể lên tới cả trăm hộp ECU.
Hệ thống điều khiển động cơ theo chương trình bao gồm các cảm biến kiểm soát liên tục tình trạng hoạt động của động cơ, một bộ ECU tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu và đưa ra tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành. Cơ cấu chấp hành luôn bảo đảm thừa lệnh ECU và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến. Hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ đem lại sự chính xác và thích ứng cần thiết để giảm tối đa chất độc hại trong khí thải cũng như lượng tiêu hao nhiên liệu. ECU cũng đảm bảo công suất tối đa ở các chế độ hoạt động của động cơ và giúp chẩn đoán động