CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TOYOTA CAMRY 2.5Q VÀ KẾT CẤU HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ TRÊN XE
2.3 Cấu tạo và hoạt động của các bộ phận chính trong hệ thống phun xăng điện tử EFI trên Toyota Camry 2.5Q 2012
2.3.2 Hệ thống điện điều khiển
ECM trên Toyota Camry là bộ xử lí ECU 32-bit có cấu tạo gồm nhiều vi mạch điện tử và các chương trình được lập trình và tích hợp sẵn trong hộp. ECM được coi là
“bộ não” điều khiển các hoạt động của nhiều chi tiết trên xe thông qua việc tiếp nhận và xử lý các dữ liệu các cảm biến trên ô tô để đưa ra một số hiểu chỉnh chính xác giúp các cơ cấu chấp hành thực hiện điều khiển hợp lý và chính xác trong từng tình huống nhất định.
Hình 2.7 Hình ảnh hộp ECM trên Toyota Camry ii. Chức năng của ECM
16
Chức năng của ECM trong hệ thống phun nhiên liệu điện tử trên Toyota Camry 2012 gồm: điều khiển thời điểm phun và điều khiển lượng phun.
- Chức năng điều khiển thời điểm phun được quyết định bằng tín hiệu đánh lửa sơ cấp IG
- Chức năng điều khiển lượng phun được quyết định bao nhiêu được xác định bằng + Tín hiệu phun cơ bản được xác định bằng tín hiệu tốc độ động cơ và tín hiệu lượng khí nạp.
+ Tín hiệu hiệu chỉnh lượng phun bao gồm các tín hiệu từ các cảm biến (nhiệt độ nước làm mát, vị trí bướm ga, cảm biến oxy…) gửi về ECM.
2.3.2.2 Cảm biến lưu lượng khí nạp
Có nhiều loại cảm biến lưu lượng khí nạp để xác định lượng không khí đi vào động cơ như: cảm biến loại cánh trượt, loại karma quang, loại dây nhiệt (MAF), loại cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP)
Đối với động cơ 2AR-FE trên xe Toyota Camry 2.5Q 2012 sử dụng bộ cảm biến đo lưu lượng khí nạp loại dây nhiệt (MAF).
Cảm biến được đặt trong khoang động cơ trên đường ống nạp khí ngay sau bộ lọc gió và đặt trước bướm ga.
Hình 2.8 Vị trí lắp đặt của cảm biến lưu lượng khí nạp trên xe
17 i. Cấu tạo
Về cấu tạo của cảm biến lưu lượng khí nạp của Toyota Camry 2012 bao gồm một dây nhiệt bằng Platinum (1) và một nhiệt điện trở (2).
Hình 2.9 Cấu tạo cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt trên Toyota Camry 1. Dây nhiệt platium
2. Nhiệt điện trở ii. Nguyên lý hoạt động
Khi không khí được hút vào buồng đốt sẽ đi qua bộ cảm biến đo gió. Trong quá trình hoạt động ECM sẽ cung cấp dòng điện chạy qua dây nhiệt (1) nằm trong bộ cảm biển đo gió làm cho nó nóng lên. Khi không khí đi qua cảm biến, dây nhiệt và nhiệt điện trở sẽ được không khí nạp đi qua làm mát. Khả năng làm mát phụ thuộc vào khối lượng khí nạp vào động cơ do đó dòng điện cung cấp cho dây nhiệt tỉ lệ thuận với lượng khí nạp đi vào động cơ. Bằng cách điều khiển dòng điện chạy qua dây nhiệt để giữ cho nhiệt độ của dây không đổi. Khi đó ECM có thể đo được lượng khí nạp thông qua việc đo dòng điện cung cấp cho dây nhiệt. Trong trường hợp này, dòng điện được chuyển thành điện áp và gửi đến ECM của động cơ.
2.3.2.3 Cảm biến nhiệt độ khí nạp i. Cấu tạo
Đối với cảm biến nhiệt độ khí nạp trên Toyota Camry 2012 được lắp đặt cùng với bộ cảm biến đo lưu lượng khí nạp. Về cấu tạo, cảm biến nhiệt độ khí nạp có cấu tạo là một nhiệt điện trở (2) có trị số điện trở âm.
18
Hình 2.10 Cấu tạo & mạch điện của cảm biến nhiệt độ khí nạp 1. Nhiệt điện trở
ii. Nguyên lý hoạt động
Cảm biến nhiệt độ khí nạp trên Toyota Camry được lắp đặt chung với bộ cảm biến đo lưu lượng khí nạp. Cảm biến được cấp nguồn 5V thông qua chân THA từ ECM. Phía trong cảm biến một nhiệt điện trở được mắc nối tiếp với chân THA. Trong quá trình hoạt động nhiệt điện trở (1) sẽ tiếp xúc trực tiếp với không khí nạp đi vào động cơ làm cho điện trở của nhiệt điện trở thay đổi. Khi điện trở trong mạch của cảm biến thay đổi làm cho điện áp từ chân THA cũng thay đổi theo. Dựa trên tín hiệu đó ECM sẽ hiệu chỉnh lượng phun nhiên liệu phù hợp. 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.
2.3.2.4 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Hình 2.11 Vị trí lắp đặt cảm biến nhiệt độ nước làm mát
19
Cảm biến nhiệt độ nước làm trên Toyota Camry được lắp đặt trên thân máy dùng để xác định nhiệt độ của nước làm mát động cơ.
i. Cấu tạo
Về cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước làm trên Toyota Camry 2012 có cấu tạo tương đối giống với cảm biến nhiệt độ khí nạp với một điện trở nhiệt (2) có trị số nhiệt điện trở âm bên trong cảm biến.
Hình 2.12 Cấu tạo & mạch điện của cảm biến nhiệt độ nước làm mát
1. Nhiệt điện trở 2. Giắc nối
ii. Nguyên lý hoạt động
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát sẽ được lắp đặt để bề mặt cảm biến tiếp xúc trục tiếp với nước làm mát của động cơ. Khi nhiệt độ nước làm mát thấp thì trị số điện trở của cảm biến cao và tín hiệu điện áp cao từ chân THW được gởi về ECM. Dựa trên cơ sở này ECM sẽ điều khiển gia tăng lượng nhiên liệu cung cấp trong suốt quá trình động cơ hoạt động lạnh. Ngược lại, khi nhiệt độ động cơ cao thì trị số điện trở của cảm biến sẽ bé, tín hiệu điện áp từ chân THW được gởi về ECM và ECM sẽ điều khiển giảm lượng nhiên liệu phun.
2.3.2.5 Cảm biến vị trí bướm ga
Cảm biến vị trí bướm ga được lắp đặt trên cụm bướm ga. Khác với các loại cảm biến bướm ga đời cũ như cảm biến bướm ga kiểu tiếp xúc hay biến trở, cảm biến bướm ga sử dụng trên Toyota Camry 2.5Q 2012 là loại không tiếp xúc (Cảm biến loại Hall).
20 i. Cấu tạo
Cấu tạo của cảm biến gồm có các mạch IC Hall (2) làm bằng các phần tử Hall và các nam châm (1) quay quanh chúng. Các nam châm được lắp ở trên trục bướm ga và quay cùng với bướm ga.
Hình 2.13 Hình ảnh & sơ đồ cấu tạo mạch cảm biến vị trí bướm ga
1. Nam châm 2. IC Hall
ii. Nguyên lí hoạt động
Khi bướm ga mở, các nam châm (1) được lắp trên trục bướm ga quay cùng một lúc và làm các nam châm này thay đổi vị trí của chúng so với vị trí ban đầu. Vào lúc đó, IC Hall (2) phát hiện sự thay đổi từ thông gây ra bởi sự thay đổi của vị trí nam châm và tạo điện áp ra của hiệu ứng Hall từ các cực VTA và VTA2 theo mức thay đổi này. Tín hiệu này được truyền đến ECM động cơ như tín hiệu mở bướm ga.
Trong quá trình hoạt động cảm biến sẽ gửi về cho ECM 2 tín hiệu: VTA và VTA2. Tín hiệu chính VTA được sử dụng để phát hiện độ mở của bướm ga, điều này cho phép ECM xác định được góc mở thực của bướm ga qua đó sử dụng điện áp ngõ ra này để điểu khiển hồi tiếp motor điều khiển bướm ga, tín hiệu VTA2 được sử dụng
21
cùng với tín hiệu VTA để so sánh nhằm đảm bảo cho quá trình làm việc chính xác của cảm biến. Điện áp tạo ra từ chân của cảm biến tỷ lệ thuận với độ mở bướm ga, có giá trị thay đổi trong khoảng từ 0 đến 5V và được truyền đến ECM thông qua cực VTA và VTA2.
2.3.2.6 Cảm biến vị trí bàn đạp ga
Cảm biến vị trí bàn đạp ga được sử dụng để đo độ mở của bàn đạp chân ga khi người lái xe nhấn vào bàn đạp. Tín hiệu từ cảm biến bàn đạp ga sẽ được gửi về ECM và ECM sẽ sử dụng các dữ liệu này để điều khiển mô tơ bướm ga mở bướm ga cho động cơ tăng tốc theo độ mở của bàn đạp chân ga và theo chế độ lái hợp lý nhất.
Cảm biến vị trí bàn đạp ga được lắp đặt bên trong cụm bàn đạp ga.
Hình 2.14 Vị trí của cảm biến bàn đạp ga trên xe i. Cấu tạo
Về phần cấu tạo cảm biến vị trí bàn đạp ga trên Toyota Camry có cấu tạo tương đối giống với cảm biến vị trí bướm ga. Các bộ phận chính trong cảm biến vị trí bướm ga bao gồm một nam châm (2) được gắn trên bàn đạp ga, một IC Hall (1) được cố định trên thân của bộ bàn đạp ga (3), một lò xo hồi.
22
Hình 2.15 Cấu tạo và mạch điện cảm biến vị trí bàn đạp ga 1. IC Hall
2. Nam châm
3. Bàn đạp ga
ii. Nguyên lí hoạt động
Nguyên lí hoạt động của cảm biến vị trí bàn đạp ga tương đối giống với cảm biến vị trí bướm ga. Khi người lái đạp bàn đạp ga (3) khi ấy các nam châm (2) gắn trên bàn đạp ga sẽ thay đổi vị trí tương đối của chúng so với với IC Hall (1) được đặt trên cụm bàn đạp ga. Khi đó IC Hall phát hiện sự thay đổi từ thông gây ra bởi sự thay đổi của vị trí nam châm và tạo điện áp ra của hiệu ứng Hall từ các cực VPA và VPA2. Các tín hiệu dạng điện áp này sẽ được gửi về ECM để điều khiển hoạt động của motor điều khiển bướm ga.
2.3.2.7 Cảm biến vị trí trục khuỷu i. Cấu tạo
Cảm biến vị trí trục khuỷu trên Toyota Camry 2012 sử dụng loại cảm biến kiểu cảm ứng từ có cấu tạo bao gồm một cuộn dây (3) quấn quanh một lõi sắt từ (5) và một nam châm vĩnh cửu (2) để nhận biết sự chuyển động liên tục của đĩa sắt từ (4).
Đĩa sắt từ được gắn quay cùng với trục khuỷu của động cơ. Trên đĩa có 34 răng và 2 răng khuyết được dùng xác định điểm chết trên đồng thời xác định góc đánh lửa sớm của động cơ.
23
Hình 2.16 Sơ đồ cấu tạo cảm biến vị trí trục khuỷu.
1. Cảm biến vị trí trục khuỷu 2. Nam châm
3. Cuộn dây
4. Lõi sắt 5. Đĩa sắt từ
ii. Nguyên lý hoạt động
Khi động cơ hoạt động trục khuỷu quay làm cho đĩa từ quay theo. Trong quá trình quay các răng trên đĩa sắt từ lần lượt quét qua bề mặt của lõi sắt trong cảm biến làm từ thông trong cuộn dây quấn quanh lõi sắt thay đổi và tạo ra dòng điện áp xoay chiều. Các tín hiệu điện áp này sẽ được truyền về ECM theo dạng xung tín hiệu. Nhờ vào các xung tín hiệu gửi về, ECM sẽ xác định được tốc độ quay của động cơ dựa trên số lượng xung được tạo ra. Khi tốc độ của động cơ càng lớn làm cho đĩa sắt từ gắn trên trục khuỷu quay càng nhanh thì số lượng xung điện xoay chiều được tạo ra càng nhiều.
2.3.2.8 Cảm biến vị trí trục cam i. Cấu tạo
24
Hình 2.17 Cấu tạo cảm biến vị trí trục cam Toyota Camry 2012 1. Cảm biến vị trí trục cam xả
2. Cảm biến vị trí trục cam nạp 3. Đĩa tạo xung
4. IC Hall 5. Nam châm 6. Phần tử Hall
Khác với cảm biến trục cam loại cảm ứng từ cấu tạo của cảm biến vị trí trục cam loại MRE trên Toyota Camry 2012 gồm có: một đĩa tạo xung (3), một nam châm vĩnh cửu (5), một mạch IC Hall (4) nằm trong cảm biến và một phần tử bán dẫn Hall (6) nằm phía đầu của cảm biến.
ii. Nguyên lý làm việc
Do có cấu tạo dạng vấu răng trên đĩa kích từ (3) nên khi trục cam quay các vấu răng quét qua đối diện với đầu của cảm biến có chứa phần tử bán dẫn Hall (6) làm cho hướng của từ trường tác dụng vào phần tử Hall thay đổi và tạo ra một điện áp.
Khi đó IC Hall (4) sẽ điều khiển gửi một tín hiệu dạng xung vuông 5V đến ECM.
Nếu các vấu răng của đĩa kích từ không quét qua đầu của cảm biến thì IC Hall sẽ điều khiển gửi tín hiệu 0V đến ECM. Nhờ vào các tín hiệu đó ECM sẽ xác định được vị trí của trục cam, kết hợp nó với tín hiệu NE từ trục khuỷu để xác định điểm chết trên kì nén của mỗi xylanh. ECM động cơ dùng thông tin này để xác định thời gian phun và thời điểm đánh lửa.
2.3.2.9 Cảm biến ôxy
25
Cảm biến oxy là cảm biến quan trọng trong hệ thống phun xăng điện tử được lắp đặt trên đường ống xả của xe sau bộ xúc tác khí xả (TWC). Cảm biến oxy có nhiệm vụ xác định lượng oxy dư trong khí thải của động cơ để truyền tín hiệu về ECM để điều chỉnh lượng phun hiệu chỉnh nhằm để đạt được tỉ lệ không khí và nhiên liệu tốt nhất cho quá trình hoạt động của động cơ.
Ngoài ra cảm biến oxy là một bộ phận rất quan trọng cho hoạt động của bộ xúc tác khí thải (TWC) đạt được hiệu quả làm việc tốt nhất giúp tránh tiêu hao nhiên liệu vô ích và giúp làm giảm phát thải các khí thải độc hại ra ngoài môi trường.
Hình 2.18 Vị trí lắp đặt của cảm biến oxy trên xe i. Cấu tạo
Hình 2.19 Cấu tạo cảm biến oxy 1. Cảm biến oxy
2. Phần tử Platium
3. Phần tử Ziconia (gốm)
4. Không khí 5. Bộ sấy
26
Cấu tạo của cảm biến ôxy có bộ sấy bao gồm một phần tử chế tạo bằng ZrO2 (đioxit Ziconium) hay còn gọi là Ziconia (3). Phần tử này sẽ sẽ sinh ra một điện áp nếu có sự chênh lệch về nồng độ ôxy giữa mặt ngoài và mặt trong của phần tử ZrO2. Một lớp mỏng platin (2) được phủ lên cả bề mặt trong và mặt ngoài của phần tử này có tác dụng như một chất xúc tác và làm cho oxy trong khí xả phản ứng tạo thành CO. Ðiều đó làm giảm lượng oxy và tăng độ nhạy của cảm biến. Không khí bên ngoài (4) được dẫn vào bên trong của cảm biến, còn bề mặt bên ngoài sẽ tiếp xúc trực tiếp với khí xả.
ii. Nguyên lý hoạt động
Trong quá trình hoạt động của động cơ khi hỗn hợp không khí nhiên liệu nhạt thì sau kì xả thì sẽ có rất nhiều oxy dư trong khí xả, khi đó sự chênh lệch về nồng độ oxy giữa bên trong (thông với khí trời) và bên ngoài cảm biến (trên đường ống xả) là không nhiều nên điện áp do phần tử ZrO2 tạo ra thấp (thấp hơn 0.45V). Vì vậy nên khi đó điện áp do cảm biến oxy gửi về ECM thấp. Ngược lại nếu hỗn hợp không khí nhiên liệu đậm thì oxy trong khí xả gần như không còn, điều đó tạo ra sự chênh lệch lớn về nồng độ ôxy giữa bên trong và bên ngoài cảm biến nên điện áp do phần tử ZrO2 là lớn (lớn hơn 0.45V) và tín điện áp được gửi về hộp ECM cũng lớn hơn.
ECM sử dụng tín hiệu điện áp được gửi từ cảm biến oxy để điều khiển tăng hay giảm lượng phun nhằm giữ cho tỷ lệ xăng và không khí luôn đạt gần lý tưởng ở mọi chế độ làm việc của động cơ. Nếu cảm biến oxy hoạt động không chính xác, ECM sẽ không thể điều khiển chính xác được tỉ lệ hòa khí lí tưởng cho động cơ.