Chương 2 : NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU
2.3. Hệ thống điều khiển nhiên liệu trên động 1NZ-FE
2.3.2. Cảm biến lưu lượng khí nạp
Theo tài liệu [1]
Cảm biến lưu lượng khí nạp là một trong những cảm biến quan trọng nhất vì nó được sử dụng trong EFI để phát hiện khối lượng hoặc thể tích khơng khí nạp. Dịng điện chạy vào dây sấy (bộ sấy) làm cho nó nóng lên. Khi khơng khí chạy quanh dây này, dây sấy được làm nguội tương ứng với khối khơng khí nạp. Bằng cách điều chỉnh dòng điện chạy vào dây sấy này để giữ cho nhiệt độ của dây sấy khơng đổi, dịng điện đó sẽ tỷ lệ thuận với khối khơng khí nạp. Sau đó có thể đo khối lượng khơng khí nạp bằng cách phát hiện dịng điện đó. Trong trường hợp của cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dây sấy, dịng điện này được biến đổi thành một điện áp, sau đó được truyền đến ECU động cơ từ cực VG.
Hình dạng của cảm biến:
Hình 2.15 Cảm biến nhiệt độ khí nạp
Vị trí của cảm biến:
17 SVTH: Dương Minh Cường, Nguyễn Đăng Ninh, Nguyễn Thế Đoan
GVTH: Nguyễn Lê ChâuThành Sơ đồ mạch điện:
Hình 2.17 Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ khí nạp
Nguyên lý hoạt động:
Trong cảm biến lưu lượng khí nạp thực tế, như trình bày ở hình minh họa, 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.
Khi dây sấy này được làm mát bằng khơng khí nạp, điện trở tăng lên dẫn đến sự hình thành độ chênh giữa các điện thế của các điểm A và B. Một bộ khuếch 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 (Rh). Khi thực hiện việc này, nhiệt độ của dây sấy (Rh) lại tăng lên dẫn đến việc tăng tương ứng trong điện trở cho đến khi 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 đặt tính của loại mạch cầu này, cảm biến lưu lượng khí nạp có thể đo được khối lượng khơng khí nạp bằng cách phát hiện điện áp ở điểm B.
18 SVTH: Dương Minh Cường, Nguyễn Đăng Ninh, Nguyễn Thế Đoan
GVTH: Nguyễn Lê ChâuThành
Trong hệ thống này, nhiệt độ của dây sấy được duy trì liên tục ở nhiệt độ khơng đổi cao hơn nhiệt độ của khơng khí nạp, bằng cách sử dụng nhiệt điện trở.
Do đó, vì có thể đo được khối lượng khí nạp, bằng cách chính xác mặc dù nhiệt độ khí nạp thay đổi, ECU của động cơ khơng cần phải hiệu chỉnh thời gian phun nhiên liệu đối với nhiệt độ khơng khí nạp.
Ngồi ra, khi mật độ khơng khí của động cơ giảm đi ở các độ cao lớn, khả năng làm nguội của khơng khí giảm xuống so với cùng thể tích khí nạp ở mực nước biển. Do đó mức làm nguội cho dây sấy này giảm xuống. Vì khối lượng khí nạp được phát hiện cũng sẽ giảm xuống, nên không cần phải hiệu chỉnh ở mức bù cho độ cao lớn.
2.3.3. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Theo tài liệu [2]
Hình dạng của cảm biến nước:
Hình 2.18 Cảm biến nhiệt độ nước
Vị trí của cảm biến:
Hình 2.19 Vị trí cảm biến nhiệt độ nước làm mát trên động cơ
Dùng để xác định nhiệt độ động cơ, thường là một trụ rỗng có ren ngồi, bên trong có gắn một điện trở dạng bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm. Khi nhiệt độ tăng
19 SVTH: Dương Minh Cường, Nguyễn Đăng Ninh, Nguyễn Thế Đoan
GVTH: Nguyễn Lê ChâuThành
điện trở giảm và khi nhiệt độ giảm thì điện trở tăng. Sự thay đổi giá trị điện trở sẽ làm thay đổi giá trị điện áp, tín hiệu này giúp ECU biết được nhiệt độ của động cơ.
Hình 2.20 Chi tiết cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Nguyên lý hoạt động:
Điện trở nhiệt là một phần tử cảm nhận thay đổi điện trở theo nhiệt độ. Điện trở mà cảm biến này sử dụng có hệ số nhiệt điện trở âm nên khi nhiệt độ tăng điện trở giảm và ngược lại. Các loại cảm biến nhiệt độ hoạt động cùng nguyên lý nhưng mức hoạt động và sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ có khác nhau. 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.
Hình 2.21 Sơ đồ mạch điện cảm biến nước làm mát
Điện áp Vc 5V qua điện trở chuẩn (điện trở này có giá trị khơng đổi theo nhiệt độ) tới cảm biến rồi trở về ECU về mass, 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 Converter – analog to digital converter).
Khi nhiệt độ động cơ thấp, giá trị điện trở cảm biến cao và điện áp gửi đến bộ biến đổi ADC lớn. Tín hiệu điện áp được chuyển đổi 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 đặt giảm,
20 SVTH: Dương Minh Cường, Nguyễn Đăng Ninh, Nguyễn Thế Đoan
GVTH: Nguyễn Lê ChâuThành
báo cho ECU biết là động cơ đang nóng, từ có đưa ra tín hiệu điều khiển thích hợp.
2.3.4. Cảm biến vị trí bướm ga
Hình dáng của cảm biến:
Hình 2.22 Cảm biến vị trí bướm ga
Vị trí của cảm biến:
Hình 2.23 Vị trí cảm biến vị trí bướm ga trên động cơ
21 SVTH: Dương Minh Cường, Nguyễn Đăng Ninh, Nguyễn Thế Đoan
GVTH: Nguyễn Lê ChâuThành
Hình 2.24 Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bướm ga
Cấu tạo, nguyên lý hoạt động:
Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên thân bướm ga. Cảm biến này chuyển hóa góc mở bướm ga thành tín hiệu điện áp và gửi nó về ECU, ECU sử dụng tín hiệu này để nhận biết mức độ tải của động cơ, từ đó hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun, thời điểm đánh lửa và điều khiển tốc độ cầm chừng.
Hình 2.25 Cấu tạo cảm biến vị trí bướm ga
Cảm biến vị trí bướm ga sử dụng trên động cơ 1NZ-FE là cảm biến kiểu phần tử Hall được cấu tạo gồm hai IC Hall nguồn cung cấp là 5V từ ECU đến cực VC và nam châm quay quanh nó, khi bướm ga mở thông qua trục bướm ga sẽ làm cho các nam châm xoay theo làm cho vị trí của chúng thay đổi theo, do đó mật độ từ thông cũng thay đổi theo, do vậy điện áp tín hiệu VTA1 và VTA2 xác định độ mở bướm ga cũng thay đổi theo. Khi góc mở bướm ga càng lớn thì
22 SVTH: Dương Minh Cường, Nguyễn Đăng Ninh, Nguyễn Thế Đoan
GVTH: Nguyễn Lê ChâuThành
lượng từ thơng qua Hall càng tăng, tín hiệu điện áp gửi về ECU tăng theo quy luật đường thẳng.
2.3.5. Cảm biến vị trí trục khuỷu
Theo tài liệu [4]:
Tín hiệu Ne và G được tạo ra bởi cuộn nhận tính hiệu, sử dụng nguyên lý điện từ, bao gồm một cảm biến vị trí trục cam hoặc cảm biến vị trí trục khuỷu, và đĩa tín hiệu (rotor tín hiệu). Thơng tin từ hai tín hiệu này được kết hợp bởi ECU động cơ để phát hiện đầy đủ góc của trục khuỷu và tốc độ động cơ.
Hình dạng của cảm biến:
Hình 2.26 Cảm biến vị trí trục khuỷu
Vị trí của cảm biến:
Hình 2.27 Vị trí cảm biến vị trí trục khuỷu trên động cơ
23 SVTH: Dương Minh Cường, Nguyễn Đăng Ninh, Nguyễn Thế Đoan
GVTH: Nguyễn Lê ChâuThành
Cảm biến vị trí trục khuỷu dùng cảm biến điện từ kiểu rơto quay. Cảm biến vị trí trục khuỷu được đặt tại đầu trục khuỷu, nó gồm một rơto và một cuộn nhận tín hiệu.
- Cuộn nhận tín hiệu lắp cố định gồm một cuộn dây và một nam châm vĩnh cửu được lắp trên một khung từ.
- Rôto được nắp ở đầu trục khuỷu có 34 răng mỗi răng ứng với 10 góc quay trục khuỷu, trên rơto có khuyết hai răng để xác định vị trí xy lanh số 1.
Nguyên lý hoạt động:
Khi trục khuỷu quay làm rôto của cảm biến quay theo, khi rôto quay các răng của rơto qt qua cuộn tín hiệu làm từ thơng đi qua cuộn dây thay đổi, sẽ tạo ra sức điện động trong cuộn dây dạng xung xoay chiều gửi về ECU để báo tốc độ động cơ qua đó tính tốn tìm góc đánh lửa tối ưu và lượng nhiên liệu sẽ phun cho từng xy lanh, mỗi vòng quay của trục khuỷu sẽ có 34 xung gửi về ECU được thể hiện trên hình vẽ.
Bảng 2.1 Giá trị điện trở cuộn tín hiệu của cảm biến tín hiệu NE Điện trở () (ở 20C) 1,15 đến 1,45 Điện trở () (ở 20C) 1,15 đến 1,45
Khe hở từ (mm) 0,2 đến 0,4
2.3.6. Cảm biến vị trí trục cam
Theo tài liệu [4]:
Hình dạng của cảm biến:
Hình 2.28 Cảm biến vị trí trục cam
24 SVTH: Dương Minh Cường, Nguyễn Đăng Ninh, Nguyễn Thế Đoan
GVTH: Nguyễn Lê ChâuThành
Hình 2.29 Bố trí cảm biến vị trí trục cam trên động cơ
Cấu tạo:
Về cấu tạo thì cảm biến vị trí trục cam giống như cảm biến vị trí trục khuỷu, nó cũng gồm một rơto và một cuộn nhận tín hiệu. Nhưng nó được lắp ở đầu trục cam, rôto của cảm biến này chỉ có 3 răng.
Nguyên lý hoạt động:
Khi trục cam quay làm rôto quay và các răng của cảm biến sẽ quét qua cuộn dây nhận tín hiệu, từ thơng qua cuộn dây biến thiên tạo ra sức điện động dạng xung hình sin gửi về ECU, ECU nhận tín hiệu này để xác định thời điểm đánh lửa và cả thời điểm phun tương ứng với điểm chết trên cuối kỳ nén của từng xy lanh theo đúng thứ tự làm việc của động cơ.
Bảng 2.2 Giá trị điện trở cuộn tín hiệu của cảm biến tín hiệu G Điện trở ( - ở 20C) 0,95 đến 1,25 Điện trở ( - ở 20C) 0,95 đến 1,25 Khe hở từ (mm) 0,2 đến 0,4
Sơ đồ mạch trục cam, trục khuỷu:
25 SVTH: Dương Minh Cường, Nguyễn Đăng Ninh, Nguyễn Thế Đoan
GVTH: Nguyễn Lê ChâuThành
2.3.7. Cảm biến oxy
Hình 2.31 Cảm biến Oxy Theo tài liệu [3]: Theo tài liệu [3]:
Cảm biến oxy được bố trí trên đường ống thải, dùng để nhận biết nồng độ oxy có trong khí thải, từ đó xác định tỷ lệ nhiên liệu và khơng khí trong buồng đốt của động cơ là đậm hay nhạt so với tỷ lệ hịa khí lí thuyết, từ đó gửi tín hiệu về ECU để ECU xử lý và cho tín hiệu điều chỉnh lại tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu cho phù hợp. Động cơ 1NZ- FE dùng hai cảm biến Oxy 4 chân loại Zirconium đặt trên đường ống xả phía gần với buồng đốt động cơ để làm cơng việc này.
Hình 2.32 Cấu tạo cảm biến Oxy
Cảm biến oxy có một phần tử làm bằng zirconi oxit (ZrO2), đây là một loại gốm. Bên trong và bên ngoài của phần tử này được bọc bằng một lớp platin mỏng. Khơng khí chung quanh được dẫn vào bên trong cịn phía ngồi 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 điện áp do sự chênh lệch lớn giữa các nồng độ của oxy ở phía trong và phía ngồi 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 zirconi
26 SVTH: Dương Minh Cường, Nguyễn Đăng Ninh, Nguyễn Thế Đoan
GVTH: Nguyễn Lê ChâuThành
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.
Khi hỗn hợp khơng khí - nhiên liệu nghèo, chỉ có một chênh lệch nhỏ về nồng độ của oxy giữa bên trong và bên ngồi 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 khơng khí - nhiên liệu giàu, hầu như khơng 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÷1V). Tín hiệu điện áp này khi đi vào ECU sẽ đi qua mạch so sánh, nếu lớn hơn 0,45V thì được xem là ở mức cao (hịa khí giàu), nếu nhỏ hơn 0,45V thì được xem là thấp (hịa 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 khơng khí, nhiên liệu trung bình ở tỷ lệ khơng khí, nhiên liệu lý thuyết.
2.3.8. Cảm biến kích nổ
Cảm biến kích nổ được gắn vào thân máy và truyền tín hiệu KNK tới ECU động cơ khi phát hiện tiếng gõ động cơ. ECU động cơ nhận tín hiệu KNK và làm trễ thời điểm đánh lửa để giảm tiếng gõ.
Hình 2.33 Cảm biến kích nổ
Nguyên lý hoạt động:
Cảm biến này có một phần tử áp điện, tạo ra một điện áp xoay chiều khi tiếng gõ gây ra rung động trong thân máy và làm biến dạng phần tử này. Thơng thường thì kích nổ xảy ra ở tần số khoảng (7kHz) tùy theo từng động cơ, từ đó người ta sử dụng tinh thể thạch anh có kích thước với tần số riêng trùng với tần số này để xảy ra hiện tượng cộng hưởng, khi đó tinh thể thạch anh sẽ chịu áp lực lớn nhất và điện áp truyền về ECU sẽ tăng lên nhanh chóng đến một mức dưới 2.5V. Lúc này ECU nhận biết có kích nổ trong động cơ và ra tín hiệu điều khiển giảm góc đánh lửa cho đến khi hết kích nổ.
27 SVTH: Dương Minh Cường, Nguyễn Đăng Ninh, Nguyễn Thế Đoan
GVTH: Nguyễn Lê ChâuThành
Nếu như tín hiệu điều khiển này không hoạt động, ECU sẽ bật chức năng an toàn để tự động giảm góc đánh lửa, tránh gây tổn hại cho động cơ.