Chương 1. KẾT CẤU VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA
1.2. Chọn hệ thống đánh lửa chế tạo mô hình
1.2.2.1. Mạch điện hệ thống đánh lửa
Sơ đồ mạch điện hệ thống đánh lửa được thể hiện trên hình 1.14.
Hình 1.14: Sơ đồ mạch đánh lửa trên động cơ 2NZ-FE.
14 - Accu
Accu có nhiệm vụ cung cấp dòng điện một chiều, điện áp 12V đến ECM và bôbin đánh lửa. Có hai loại accu để cung cấp điện là accu axit và accu kiềm, nhưng thông dụng nhất là accu axit vì so với accu kiềm nó có sức điện động của mỗi cặp bản cực cao hơn, có điện trở nhỏ hơn.
- Khóa điện
Khóa điện có chức năng đóng mở dòng điện từ accu đi đến các thiết bị tải điện và bảo vệ mạch điện. Ngoài ra khóa điện còn có chức năng khởi động động cơ.
- Các cảm biến tạo tín hiệu
+ Cảm biến vị trí trục khuỷu - NE (vòng quay động cơ) Đĩa tạo tín hiệu Ne được làm liền với puly trục khuỷu và có 34 răng.
Chuyển động quay của đĩa tạo tín hiệu sẽ 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 ác định khoảng thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản dựa vào tín hiệu này. Khi răng càng ra a 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 đường sức từ cắt ngang, trong cuộn dây sẽ xuất hiện một dòng điện xoay chiều, đường sức từ qua nó càng nhiều thì dòng điện phát sinh càng lớn.
Sơ đồ cấu tạo và mạch điện của cảm biến vị trí trục khuỷu được thể hiện như trên hình 1.15.
Hình 1.15: Sơ đồ cấu tạo và mạch điện cảm biến vị trí trục khuỷu.
1. Cuộn dây; 2. Thân cảm biến;; 3. Lớp cách điện;
4. Giắc cắm; 5. Roto tín hiệu; 6. Cuộn dây cảm biến.
15
Tín hiệu sinh ra thay đổi theo vị trí của răng, nó được ECU đọc ung điện thế sinh ra. Nhờ đó mà ECU nhận biết vị trí trục khuỷu và tốc độ 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 ác định được điểm chết trên của piston ở kỳ nén hay kỳ thải.
+ Cảm biến vị trí trục cam - G
Đĩa tạo tín hiệu G được làm liền với puly trục cam và có 4 răng tương ứng với 4 xylanh. Chuyển động quay của đĩa tạo tín hiệu sẽ làm thay đổi khe hở không khí giữa các răng của đĩa và cuộn nhận tín hiệu G, điều đó tạo ra tín hiệu G. Tín hiệu G được gửi đến ECU giúp ECU ác định xylanh nào đang ở kỳ nổ, hệ thống máy tính trên xe sẽ so sánh vị trí quay của trục cam so với trục khuỷu thông qua cảm biến vị trí trục cam. ECU sẽ dùng thông tin này để điều khiển thời điểm đánh lửa. Vì vậy, cảm biến này ảnh hưởng đến các yếu tố như tiết kiệm nhiên liệu, kiểm soát lượng khí thải và công suất động cơ.
Có hai loại cảm biến đó là loại điện từ và Hall. Cả hai loại trên đều truyền tín hiệu điện áp đến ECU động cơ. Loại cảm biến điện từ sẽ tạo ra xung có dạng hình sin còn loại Hall sẽ tạo ra xung vuông.
Sơ đồ cấu tạo và mạch điện của cảm biến trục cam được thể hiện như trên hình sau (hình 1.16).
Hình 1.16: Sơ đồ cấu tạo và mạch điện của cảm biến vị trí trục cam.
+ Cảm biến vị trí bướm ga (Throttle position sensor)
Cảm biến vị trí bướm ga được lắp ở trên trục cánh bướm ga. Cảm biến này đóng vai trò chuyển vị trí góc mở cánh bướm ga thành tín hiệu điện thế gửi đến ECU.
16
Tín hiệu c m chừng (IDL) dùng để điều khiển phun nhiên liệu khi tăng tốc và giảm tốc cũng như hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa.
Tín hiệu toàn tải (PSW) dùng để tăng lượng ăng phun ở chế độ toàn tải để tăng công suất động cơ.
Hình 1.17: Sơ đồ cảm biến cánh bướm ga loại biến trở
Có nhiều loại cảm biến vị trí bướm ga, tùy theo yêu c u và thiết kế trên các đời e ta thường có các loại: Loại công tắc, loại biến trở, loại có thêm các giắc phụ. Trên động cơ 2NZ-FE sử dụng cảm biến vị trí bướm ga loại biến trở.
Loại này có cấu tạo gồm hai con trượt, ở đ u mỗi con trượt được thiết kế có các tiếp điểm cho tín hiệu c m chừng và tín hiệu góc mở cánh bướm ga (hình 1.17).
Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bướm ga thể hiện trên hình 1.18.
Hình 1.18: Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bướm ga.
17
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 d n ở cực VTA tương ứng với góc mở cánh bướm ga. Khi cánh bướm ga đóng hoàn toàn, tiếp điểm c m chừng nối cực IDL với cực E2 đưa tín hiệu đến các hộp điều khiển khác.
+ Cảm biến kích nổ (knock sensor)
Hình 1.19: Sơ đồ cấu tạo cảm biến kích nổ.
1. Đáy cảm biến; 2. Tinh thể thạch anh; 3. Khối lượng quán tính;
4. Nắp; 5. Dây đan; 6. Đầu cảm biến.
Cảm biến kích nổ thường được chế tạo bằng vật liệu áp điện. Nó thường được gắn trên thân xylanh hoặc nắp máy để cảm nhận xung kích nổ phát sinh trong động cơ và gửi tín hiệu này tới ECU làm trễ thời điểm đánh lửa nhằm ngăn chặn hiện tượng kích nổ. Sơ đồ cấu tạo được thể hiện trên hình 1.19.
Thành ph n áp điện trong cảm biến kích nổ được chế tạo bằng tinh thể thạch anh, là vật liệu khi có áp lực sẽ sinh ra điện áp. Ph n tử áp điện được thiết kế có kích thước với t n số riêng (hình 1.20) trùng với t n số rung của động cơ khi có hiện tượng kích nổ để xảy ra hiệu ứng cộng hưởng (f = 7 KHz).
Hình 1.20: Đồ thị biểu diễn tần số kích nổ.
18
Như vậy, khi có kích nổ, tinh thể thạch anh sẽ chịu áp lực lớn nhất và sinh ra một điện áp. Tín hiệu điện áp này có giá trị nhỏ hơn 2,4V. Nhờ tín hiệu này, ECU động cơ nhận biết hiện tượng kích nổ và điều chỉnh giảm góc đánh lửa cho đến khi không còn kích nổ. ECU động cơ có thể điều chỉnh thời điểm đánh lửa sớm trở lại.
+ Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát dùng để ác định nhiệt độ động cơ. Có cấu tạo là một nhiệt điện trở hay là một diode. Hình 1.21 thể hiện cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước làm mát loại nhiệt điện trở.
Hình 1.21: Cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Nhiệt điện trở là một ph n 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 và ngược lại. sự thay đổi giá trị điện trở sẽ làm thay đổi giá trị điện áp được gửi đến ECU trên nền tảng c u phân áp.
Nguyên lý làm việc: Khi động cơ hoạt động, cảm biến nhiệt độ nước làm mát thường xuyên theo dõi và báo cáo về cho ECU biết tình hình nhiệt độ nước làm mát của động cơ. Nếu nhiệt độ thấp (động cơ mới khởi động) thì ECU sẽ lệnh cho hệ thống phun thêm ăng khi động cơ còn nguội. Cũng thông tin về nhiệt độ nước làm mát, ECU sẽ thay đổi thời điểm đánh lửa cho phù hợp với nhiệt độ động cơ.
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát thường được gắn ở thân máy, g n bọng nước làm mát. Một số trường hợp, cảm biến này được lắp trên nắp máy.
19 + Cảm biến oxy (Oxygen sensor)
Cảm biến o y được dùng để ác định thành ph n hòa 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 hòa khí thích hợp trong một điều kiện làm việc nhất định.
Cảm biến o y được gắn ở đường ống thải. Có hai loại cảm biến oxy, khác nhau chủ yếu ở vật liệu chế tạo.
- Chế tạo từ dioxide zirconium (ZrO2);
- Chế tạo từ dioxide titanium (TiO2).
- IC đánh lửa
IC đánh lửa là mạch điện tử tích hợp từ các linh kiện điện tử như transistor, diot, tụ điện, các con điện trở,... để điều khiển đóng ngắt dòng sơ cấp và tạo ra tín hiệu ngược IGF về cho ECU.
IC đánh lửa trên động cơ 2NZ-FE được làm thành một cụm chi tiết với bôbin đánh lửa nên kết cấu đơn giản, gọn nhẹ.
IC đánh lửa thực hiện một cách chính xác sự đóng và ngắt dòng sơ cấp đi vào cuộn đánh lửa, phù hợp với tín hiệu IGT do ECU động cơ phát ra.
Mạch IC đánh lửa trên động cơ 2NZ-FE mà ta đang khảo sát có 4 chân giao tiếp, đó là các chân: +B, GND, IGT, IGF.Trong đó, chân +B nối với accu, chân GND nối với mass, chân IGT và IGF nối với ECU động cơ. Hình 1.232 thể hiện sơ đồ điện của một IC đánh lửa bôbin đơn.
Hình 1.22: Sơ đồ điện của IC đánh lửa bôbin đơn.
1. Mạch điện tử tạo tín hiệu IGF; 2. Mạch đánh lửa.
20
Ngoài ra, IC đánh lửa còn có chức nằng điều khiển dòng không đổi. Khi dòng sơ cấp đạt đến một trị số đã định, IC đánh lửa sẽ khống chế cường độ cực đại bằng cách điều chỉnh dòng. Việc điều khiển dòng điện sơ cấp ở một giá trị xác định sẽ làm tăng tuổi thọ cho biến áp đánh lửa và đảm bảo điện áp đánh lửa tạo ra luôn ổn định.
Khoảng thời gian để dòng điện tăng và duy trì ổn định trong cuộn sơ cấp gọi là góc ngậm điện (góc Dwell). Trên hệ thống đánh lửa mà ta đang khảo sát thì ECU động cơ sẽ thực hiện việc điều chỉnh góc ngậm điện bằng cách điều chỉnh thời gian ngắt xung IGT.
- Bộ điều khiển điện tử ECU
Bộ điều khiển điện tử ECU là tổ hợp vi mạch và các bộ phận dùng để nhận biết các tín hiệu từ các cảm biến, lưu trữ thông tin, tính toán và đưa ra các thông tin ử lý đến các cơ cấu chấp hành. Chính vì vậy mà động cơ luôn được đảm bảo về mặt công suất, tính kinh tế về nhiên liệu, độ nhạy và hoạt động ổn định trong các điều kiện làm việc. Đặc biệt ECU còn có chức năng chẩn đoán nên giúp thợ sửa chữa ác định một cách nhanh chóng và chính ác các hư hỏng và vùng hư hỏng trên động cơ cũng như trên ô tô do đó rút gắn được thời gian chẩn đoán và sửa chữa.
Bên trong ECU, các linh kiện điện tử được sắp xếp và bố trí trong mạch in, các linh kiện bán dẫn như các transistor được sắp xếp ở t ng dưới và gắn trên các thanh kim loại để giải nhiệt tốt. Bên ngoài ECU có trang bị các đ u nối (giắc cắm) để giao tiếp với các cảm biến và các bộ phận khác của động cơ.
+ Bộ nhớ tín hiệu vào
Các tín hiệu của các cảm biến sau khi qua bộ xử lý tín hiệu được chuyển vào bộ nhớ của ECU. Bộ nhớ của ECU bao gồm:
- Bộ nhớ ROM (Read Only Memory): Bộ nhớ này dùng để lưu trữ các thông tin thường trực như các thông số của động cơ gồm dung tích xylanh, tỷ số nén,...và các thông số dùng để kiểm tra. Bộ nhớ này chỉ đọc chứ không thể sửa đổi thông tin trên đó. Các thông tin được cài đặt từ trước và không bị mất đi khi tắt máy hoặc mất nguồn điện;
21
- Bộ nhớ RAM (Random Access Memory): Đây là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, dùng để lưu các thông tin mới trong bộ nhớ. Các thông tin lưu trữ trong RAM gồm: Các dữ liệu về tình trạng hoạt động hiện tại của động cơ, các thông tin hoặc hệ thống c n thiết mà bộ xử lý máy tính ghi nhận tạm thời khi khởi động.
Khi động cơ ngừng hoạt động thì các thông tin trong bộ nhớ này đều bị mất;
- Bộ nhớ PROM (Programmable Read Only Memory): Cấu trúc cơ bản thì giống bộ nhớ ROM nhưng các dữ liệu mới được nạp ở nơi sử dụng chứ không phải nơi sản xuất;
- Bộ nhớ KAM (Keep Alive Memory): Bộ nhớ này dùng để lưu trữ các thông tin mới (thông tin tạm thời). Bộ nhớ này vẫn được duy trì lưu trữ các thông tin khi động cơ đã tắt hoặc tắt khóa điện.
Để đảm bảo được vấn đề này thì một ph n của bộ nhớ được cấp nguồn điện độc lập từ accu nên những thông tin được cập nhật trong vùng nhớ này theo yêu c u của bộ vi xử lý không bị mất khi tắt khóa điện.
Thông tin lưu trữ trong vùng nhớ này được gọi là thông tin hiệu chỉnh, ví dụ như các thông tin về tình trạng hư hỏng mà bộ xử lý phát hiện khi động cơ đang hoạt động.
+ Bộ xử lý trung tâm (Bộ vi xử lý)
Bộ vi xử lý có nhiệm vụ nhập các thông tin dữ liệu mới sau đó lưu và so sánh với các thông tin được lưu trong bộ nhớ đ u và sau đó mới xuất các thông tin này đến các bộ nhớ tín hiệu ra. Bộ vi xử lý hoạt động tương tự một máy tính điện tử thông qua các chương trình đã được thiết lập từ trước do đó không c n người điều khiển.
+ Đường truyền sử dụng mạng CAN
Chuyển các lệnh và số liệu trong máy theo hai chiều.
ECU với những thành ph n nêu trên có thể tồn tại dưới dạng một IC hoặc nhiều IC, ngoài ra người ta còn phân loại theo độ dài tới các RAM.
22 - Cuộn đánh lửa (Bôbin)
Cuộn đánh lửa là loại biến áp cao thế đặc biệt dùng để biến ung điện thế áp thấp (12V) thành các ung điện thế cao áp (15 kV – 40 kV) đảm bảo cho việc đánh lửa trong động cơ.
Hệ thống đánh lửa trực tiếp trang bị cho động cơ 2NZ-FE được sử dụng bôbin đơn cho từng máy, các IC đánh lửa cũng được bố trí ngay trên các cuộn đánh lửa
tạo thành các cụm chi tiết có kết cấu nhỏ gọn, được thể hiện trên hình 1.23.
Hình 1.23: Kết cấu bôbin có IC đánh lửa
1. Vỏ; 2. Giắc cắm; 3. IC đánh lửa; 4. Cuộn sơ cấp; 5. Cuộn thứ cấp; 6. Lõi sắt;
7. Sứ cách điện; 8. Mũ bugi.
Các cuộn sơ cấp và thứ cấp được quấn quanh lõi, số vòng dây của cuộn thứ cấp lớn hơn rất nhiều so với cuộn sơ cấp. Một đ u cuộn sơ cấp được nối với IC đánh lửa, còn một đ u của cuộn thứ cấp được nối với bugi. Các đ u còn lại của các cuộn được nối với dòng cấp từ accu thông qua giắc cắm.
- Bugi
Bugi đánh lửa có nhiệm vụ nhận các ung điện cao thế từ bộ chia điện truyền đến và bật tia lửa điện cao thế để đốt cháy hòa khí trong ylanh. Đây là chi tiết quan trọng quyết định sự làm việc ổn định và hiệu quả của hệ thống đánh lửa.
23
Do tiếp xúc với buồng đốt trong quá trình làm việc bugi chịu tác động của ba tải trọng:
- Tải trọng cơ khí: phát sinh do áp suất khí cháy dưới dạng xung áp suất, áp suất cực đại tác động lên bugi có thể lên đến 50 60 kG/cm2. Đồng thời bugi cũng phải thường xuyên chịu sự rung động do xe gây ra;
- Tải trọng nhiệt: phát sinh do sự thay đổi tải trọng nhiệt trong mỗi xylanh sau một chu kỳ làm việc. Khi hỗn hợp nhiên liệu – không khí cháy, nhiệt độ 1800oC – 2200oC, còn trong kỳ hút, nhiệt độ khoảng 50oC – 80oC;
- Tải trọng điện: do các ung điện truyền đến trong thời điểm đánh lửa, xung điện áp khoảng 15kV – 40kV hoặc cao hơn nữa.
Việc sử dụng bugi đ u dài sẽ cải thiện vị trí và hình dáng áo nước làm mát tốt hơn so với sử dụng loại bugi đ u ngắn.
Do phải chịu các loại tải trong trên nên về mặt kết cấu và vật liệu cũng có những yêu c u đặc biệt để đảm bảo cho hệ thống đánh lửa làm việc hiệu quả.
Bugi dùng cho hệ thống đánh lửa trên động cơ 2ZN-FE là loại bugi đ u dài do hãng Denso sản xuất.
Hình 1.24: Kết cấu bugi đầu dài dùng trên động cơ 2NZ-FE
Kết cấu của loại bugi đ u dài này được thể hiện qua hình sau (hình 1.24).
Bugi là chi tiết quan trọng, phản ánh tình trạng làm việc của động cơ. Việc quan sát bugi sau một thời gian làm việc sẽ giúp cho người kỹ thuật viên rất nhiều trong việc chẩn đoán động cơ để ác định và khắc phục những hư hỏng, lỗi xảy ra trong động cơ.