3.1.1 Cảm biến lưu lượng khí nạp.
3.1.1.1 Chức năng và kết cấu.
- Chức năng : cảm biến lưu lượng khí cảm nhận lượng khí nạp và gửi một tín hiệu đến bộ ECU, nó sẽ quyết định đến lượng phun cơ bản.
- Kết cấu: (Hình 3.1)
Loüc giọ
Âọỹng cồ 1
3 2
4
õọỹng cồ 1FZ-FE
Hình 3.1: Biểu diễn bên ngoài và cấu tạo của bộ đo gió.
1: Lò xo hồi vị. 3: Cánh gạt.
2: Cảm biến nhiệt độ. 4: Đường thông.
- Cảm biến lưu lượng khí bao gồm một tấm đo, lò xo hồi vị và một chiết áp (biến trở). Nó cũng bao gồm một vít điều chỉnh hỗn hợp không tải, một cảm biến đo nhiệt độ khí nạp để cảm nhận nhiệt độ khí nạp, công tắc bơm nhiên liệu, khoang giảm chấn và tấm chống rung.
3.1.1.2 Cách đo của cảm biến lưu lượng khí.
SVTH : Nguyễn Ngọc Hoà - Lớp 97C4A Trang 41 Từ lọc
giọ
Đến xylanh õọỹng cồ
õọỹng cồ 1FZ-FE
Hình: 3.2 Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo gió kiểu cánh gạt.
Khi không khí đi vào xylanh qua bộ đo gió kiểu cánh gạt sẽ sinh ra chênh lệch áp suất làm cho cánh gạt bị đẩy mở ra. Nhờ bố trí lò xo hồi vị nên cánh gạt có thể quay quanh một trục. Không khí đi vào sẽ gây nên một lực làm mở cánh gạt, khi lực này cân bằng với phản lực của lò xo hồi vị thì cánh gạt ở vị trí cân bằng và dừng lại.
Vị trí này được bộ cảm biến đo xác định và tìm được lưu lượng không khí .
Trên hình 3.2 giả sử mật độ không khí ở (a) và (b) như nhau, áp dụng phương trình Becnulli và phương trình liên tục qua hai mặt cắt (a) và (b) ta có:
b b
a pa v p
v + = × × +
×
× 2 2
2 1 2
1 ρ ρ (3.1)
ρ×va ×Aá = ρ×vb×Ab (3.2)
Trong âọ :
ρ: Mật độ không khí. (kg/m3) va, vb: Tốc độ không khí tại A, B. (m/s) Pa, Pb: Áùp suất tại (a) và (b). (Pa) Aa, Ab: Diện tích tại (a) và (b). (m2) Từ (4.10) và (4.11) suy ra:
õọỹng cồ 1FZ-FE
=C×Ab × 2ρ(Pa −Pb) (3.3) Trong âọ :
G: Lưu lượng khối lượng. (Kg/s) Q: Lưu lượng thể tích. (m3/s)
C: Hệ số lưu lượng. 1 ( / )2
1
b
b A
C A
= −
Bây giờ nếu thiết kế để đo chênh lệch áp suất trước và sau cánh gạt (Pa-Pb) gần như không đổi thì lưu lượng khối lượng là tính theo công thức (3.3) được quyết định bởi khe hẹp Ab (hay nói cách khác là góc mở α của cánh gạt)và mật độ không khí ρ.
Lưu lượng không khí nạp thay đổi trong phạm vi rất lớn, phụ thuộc vào trạng thái vận hành của động cơ nên thang đo (tỷ lệ lượng nạp lớn nhất và nhỏ nhất) khoảng trên 100 lần nên đặc tính của lỗ thông đối với góc mở α của cánh gạt được thiết kế theo quan hệ.
Ab = K eα K: Hệ số.
α
α K e d
dAb
×
=
=Ab
α A d
dA
b b =
⇒ ∆ =∆α
b b
A A
∆Ab: Vi lượng biến thiên của Ab.
∆α: Vi lượng biến thiên của α.
õọỹng cồ 1FZ-FE ∆ = ∆ = ∆α
A A G
G b
∆G: Vi lượng khối lượng.
⇒ Q
C U
U
B S =
Ta có quan hệ giữa tín hiệu điện áp với khối lượng không khí nạp:
Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn quan hệ điện áp và khối lượng không khí nạp.
- Lượng khí nạp hút vào trong xylanh được xác định bằng độ mở của bướm ga và tốc độ động cơ. Khí nạp hút qua cảm biến, lượng gió thắng lực căng của lò xo làm mở tấm đo. Tấm đo và biến trở có cùng trục quay nên góc mở của tấm đo được biến trở chuyển thành điện áp. ECU sẽ nhận biết tín hiệu điện áp này (Vs ) và do đó nhận biết góc mở của tấm đo nhờ biến trở.
- Sơ đồ mạch điện: (hình 3.4)
P1 P5
Tín hiệu điện áp đến ECU
Q C U
U
B S =
Q
B S
U U
0
õọỹng cồ 1FZ-FE
Hình 3.4 : Sơ đồ điện cảm biến lưu lượng khí.
- Sơ đồ mạch thực tế : (hình 3.5)
Hình 3.5 : Sơ đồ mạch thực tế cảm biến lưu lượng - Đồ thị quan hệ Vs - Qa : (hình 3.6)
Âọng hoaìn toaìn
Mở hoàn toaìn
Vc Vb
E2 Vs
Tín hiệu điện áp
õọỹng cồ 1FZ-FE
Hình 3.6 : Đồ thị tín hiệu điện áp - lưu lượng khí nạp.
- Khi điện trở từ P1 đến P5 ( có cùng một giá trị điện trở ) được mắc nối tiếp và điện áp cấp cho mạch là 12V thì điện áp tại P5 là 12V, tại P4 là 9V, tại P3 là 6V, P2 là 3V và tại P1 là 0V. Kim dịch chuyển của biến trở chuyển động cùng tấm đo nhận biết điện áp xuất hiện và gửi một tín hiệu điện đến ECU.
3.1.1.3 Vít điều chỉnh hỗn hợp không tải.
- Cảm biến lưu lượng khí nạp có hai đường khí, đường khí chính (khí nạp được hút qua đó bằng tấm đo) và đường khí phụ. Lượng khí đi qua đường khí phụ có thể điều chỉnh được bằng vít chỉnh hỗn hợp không tải.
- Lượng khí hút vào động cơ được xác định bằng độ mở bướm ga. Nếu lượng khí đi qua đường khí phụ tăng lên thì không khí đi qua tấm đo giảm xuống và góc mở của tấm đo sẽ nhỏ lại. Ngược lại, nếu lượng khí đi qua đường khí phụ giảm xuống, lượng khí đi qua tấm đo sẽ tăng lên và góc mở sẽ lớn lên. Do lượng phun cơ bản được quyết định bởi góc mở của tấm đo gió nên tỷ lệ không khí - nhiên liệu có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh lượng khí đi qua đường khí phụ. Do vậy bằng cách thay đổi tỷ lệ không khí - nhiên liệu tại chế độ không tải, có thể điều chỉnh lượng khí CO trong khí thải. Mặc dù vậy điều này chỉ có tác dụng tại chế độ không tải bởi vì nếu tấm đo mở rộng thì lượng khí đi qua đường khí phụ sẽ nhỏ hơn nhiều so với đường khí chính.
3.1.1.4 Khoang giảm chấn và tấm giảm rung.
- Khoang giảm chấn và tấm giảm rung giúp làm chuyển động ổn định của tấm
õọỹng cồ 1FZ-FE
đo. Nếu lượng khí nạp chỉ được đo bằng tấm đo, sự thay đổi lượng khí sẽ làm cho tấm đo bị rung động. Nhưng khi tấm chống rung được gắn vào sao cho nó chuyển động cùng với tấm đo nó sẽ hấp thụ các rung động và làm ổn định chuyển động của tấm đo.
3.1.1.5 Mạch cảm biến đo lưu lượng khí.
- Mạch cảm biến đo lưu lượng khí và ECU được nối dây theo sơ đồ biểu diễn trón hỗnh 3.7.
Hình 3.7 : Mạch điện cảm biến lưu lượng khí - ECU.
- Một tín hiệu Vs sẽ tương ứng với góc mở của tấm đo được gửi đến ECU theo mạch điện như hình vẽ. Khi điện áp Vc không đổi, điện áp ra Vs tăng tỷ lệ với góc mở của tấm đo. ECU sẽ so sánh điện áp ắc quy (Ub) với chênh lệch điện áp (Us)
R
E1 + B
R E2
Vs Vc V b THA
Nối Từ rơle đất
chênh E2 Vs Vc Vb THA
Nối đất Từ rơle mở mạch Cảm biến lưu lượng khí
nảp ECU
õọỹng cồ 1FZ-FE giữa Vc và Vs để xác định lượng khí nạp.
- Công thức tính toán như sau :
Lỉồng khờ nảp =UbUs = VcVb−Vs 3.1.2 Cảm biến nhiệt độ khí nạp.
- Cảm biến nhiệt độ khí nạp nhận biết nhiệt độ của khí nạp. Nó bao gồm một nhiệt điện trở và được lắp trong cảm biến lưu lượng khí.
- Sơ đồ cấu tạo: (hình 3.8)
Hình 3.8: Cảm biến nhiệt độ khí nạp.
1: Thanh lưỡng kim. 3: Ống lót.
2: Thân cảm biến 4: Đầu đo
- Thể tích và nồng độ không khí sẽ thay đổi theo nhiệt độ. Vì vậy lượng phun nhiên liệu sẽ thay đổi theo nhiệt độ . ECU lấy nhiệt độ 200C làm tiêu chuẩn, khi nhiệt độ khí nạp vào cao hơn nó sẽ giảm lượng phun nhiên liệu vào và tăng lượng
1
Khọng khờ 4
2
3
õọỹng cồ 1FZ-FE
phun khi nhiệt độ thấp. Vì thế sẽ đảm bảo được tỷ lệ không khí - nhiên liệu thích hợp mà không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường.
3.1.2 Cảm biến vị trí bướm ga.
- Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên cổ họng gió (thân bướm ga). Cảm biến này sẽ biến đổi góc mở của bướm ga thành một điện áp và gửi nó đến ECU như là một tín hiệu góc mở bướm ga.
- Kết cấu: (hình3.9)
Hình 3.9: Cảm biến vị trí bướm ga.
1: Vị trí bướm ga mở hoàn toàn. 2: Con trược tiếp điểm.
3: Điện trở. 4:Vị trí bướm ga đóng hoàn toàn
5: Giây điện 6:Lớp cách điện.
7: Giắc cắm 8: Thân cảm biến.
9: Trục bướm ga.
- Cảm biến vị trí bướm ga đưa ra hai tín hiệu đến ECU: tín hiệu IDL và tín hiệu PSW. Tín hiệu IDL sử dụng chủ yếu cho việc điều khiển ngắt nhiên liệu còn tín hiệu PSW sử dụng cho việc tăng lượng phun nhiên liệu và tăng công suất ra của
1
3 4
5 6
7
8 2
9
õọỹng cồ 1FZ-FE õọỹng cồ.
- Sơ đồ mạch điện: (hình 3.10)
Hình 3.10 : Sơ đồ mạch cảm biến vị trí bướm ga - ECU.
- Điện áp ắc quy sẽ đi qua một điện trở nằm trong ECU, sau đó cấp đến cực TL của cảm biến vị trí bướm ga.
- Tại chế độ không tải, điện áp cấp đến cực IDL của ECU đi qua các tiếp điểm và cực IDL của cảm biến vị trí bướm ga. Khi bướm ga mở lớn hơn 500 hay 600 so với vị trí đóng, điện áp được cấp đến cực PSW của cảm biến vị trí bướm ga.
- Tiếp điểm không tải: khi bướm ga ở vị trí đóng tiếp điểm động và tiếp điểm không tải tiếp xúc với nhau báo cho ECU biết động cơ ở chế độ không tải. Tín hiệu này cũng dùng cho việc cắt nhiên liệu khi giảm tốc.
IDLTL PSW
ECU
Từ rơ le chính
R Cảm biến vị trí
bướm ga
õọỹng cồ 1FZ-FE
- Tiếp điểm trợ tải: khi bướm ga mở một góc khoảng 500 hay 600 từ vị trí đóng, tiếp điểm động và tiếp điểm trợ tải tiếp xúc với nhau và xác định chế độ đầy tải.
- Tiếp điểm không tiếp xúc: trong tất cả các thời gian còn lại tiếp điểm sẽ không tiếp xúc.
3.1.3 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát.
- Cảm biến này nhận biết nhiệt độ của nước làm mát bằng một nhiệt điện trở bãn trong.
- Kết cấu: (hình 3.11)
Hình 3.11: Cảm biến nhệt độ khí nạp.
1: Điện trở 2: Thân cảm biến.
3: Giắc cắm. 4: Chất cách điện.
- Nhiên liệu sẽ bay hơi kém khi nhiệt thấp, vì vậy cần có hỗn hợp đậm hơn. Vì thế khi nhiệt độ nước làm mát thấp, điện trở của nhiệt điện trở tăng lên và tín hiệu điện áp THW cao được đưa tới ECU. Dựa trên tín hiệu này, ECU sẽ tăng lượng nhiên liệu phun vào làm cải thiện khả năng tải trong quá trình hoạt động của động cồ lảnh.
1 2 3 4
õọỹng cồ 1FZ-FE
- Ngược lại, khi nhiệt độ nước làm mát cao, một tín hiệu điện áp thấp THW được gửi đến ECU làm giảm lượng phun nhiên liệu.
- Sơ đồ mạch điện: (hình 3.12)
Hình 3.12: Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát - ECU.
- Do điện trở R trong ECU và nhiệt điện trở trong cảm biến nhiệt độ nước làm mát được nối tiếp nên điện áp của tín hiệu THW thay đổi khi giá trị điện trở của nhiệt điện trở thay đổi.
3.1.4 Tín hiệu đánh lửa động cơ.
- Đây là một tín hiệu quan trọng cho ECU để nhận biết tốc độ động cơ. Nó được dùng để tính toán lượng phun cơ bản và để ngắt nhiên liệu.
- Sơ đồ mạch điện: (hình 3.13) Cảm biến nhiệt
độ nước.
Tín hiệu THW
R
12V V E1
E2 THW
THW E2
ECU
õọỹng cồ 1FZ-FE
Hình 3.13 : Sơ đồ mạch điện tín hiệu đánh lửa động cơ.
- Nếu mạch bị hở trong hệ thống dây dẫn hay các đầu cực không tiếp xúc thì tín hiệu sẽ bị ngừng cung cấp đến ECU và động cơ sẽ bị chết máy.
3.1.5 Cảm biến Ôxy.
- Cảm biến ôxy nhận biết tỷ lệ không khí - nhiên liệu đậm hoặc nhạt hơn tỷ lệ theo lý thuyết. Cảm biến ôxy được đặt trong đường ống xả và bao gồm một phần tử chế tạo bằng ZrO2. Cả mặt trong và mặt ngoài của phần tử này được phủ một lớp mỏng Platin. Không khí bên ngoài được dẫn vào bên trong của cảm biến còn bên ngoài nó tiếp xúc với khí xả.
- Kết cấu và sơ đồ mạch điện: (hình 3.14)
AM IG
Khoá điện
+ _
E1 IG
ECU
Cuọỹn õạnh lửa
õọỹng cồ 1FZ-FE
Hình 3.14: Cảm biến ôxy.
- Nguyên lý làm việc:
Khi nồng độ ôxy trên bề mặt trong của phần tử ZrO2 chênh lệch so với bề mặt bên ngoài tại nhiệt độ cao (4000C), phần tử ZrO2 sẽ sinh ra một điện áp. Khi hỗn hợp không khí nhiên liệu nhạt (có nhiều ôxy trong khí xả) do vậy có sự chênh lệch nhỏ giữa nồng độ ôxy bên trong và bên ngoài cảm biến. Do đó điện áp do ZrO2 sinh ra là thấp (gần bằng 0V). Ngược lại, khi hỗn hợp không khí - nhiên liệu đậm, ôxy trong khí xả gần như không còn sẽ làm cho có sự chênh lệch lớn về nồng độ ôxy ở bên trong và bên ngoài cảm biến và điện áp do phần tử ZrO2 tạo ra là lớn (khoảng1V).
ECU sử dụng tín hiệu điện áp này để tăng hay giảm lượng phun nhằm giữ cho tỷ lệ không khí - nhiên liệu luôn đạt gần tỷ lệ lý thuyết.
Khê thaíi
Điện cực bạch kim phêa khê thaíi Điện cực bạch kim
phía khí trời
õọỹng cồ 1FZ-FE 3.1.6 Cảm biến vị trí trục khuỷu.
- Kết cấu: (hình 3.15).
Hình 3.15: Cảm biến vị trí trục khuỷu.
1: Lõi sắt. 2: Cuộn dây.
3: Bộ tạo từ trường. 4: Nam châm.
- Đĩa tạo tín hiệu NE được làm liền với puly trục khuỷu và có 36 răng, thiếu 2 răng (thiếu 2 răng là vì ứng với từng tín hiệu được tạo ra do sự chuyển động quay của một răng ta sẽ xác định được 100 của 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
1 2 3 4
õọỹng cồ 1FZ-FE
dòng điện xoay chiều, đường sức qua nó càng nhiều, thì dòng điện phát sinh càng lớn. 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.