3. Điều khiển nhiên liệu trên động cơ Toyota 5S-FE
3.3Điều khiển lượng nhiên liệu
3.3.1. Điều khiển lượng phun cơ bản
Tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu lí tưởng là tỷ lệ của lượng nhiên liệu và không khí (chứa ôxy) tối thiểu cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu.
Xăng là hỗn hợp của một số dạng hyđrôcacbon, trong đó chủ yếu là ốctan (C8H18), phản ứng chấy của nó như sau:
2C8H18 + 25O2 → 16CO2 + 18H2O
Để đốt cháy 1g ốctan và sản sinh ra nước và cacbondiôxít thì cần đến 15g không khí. Trên thực tế, nhiên liệu không phải là ốctan thuần chất mà là ôctan và các HC khác nhau. Vì vậy, tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu lí tưởng là 14,7:1.
ECU căn cứ vào lượng khí nạp và tốc độ của động cơ để xác định lượng phun cơ bản nhằm tạo ra hòa khí có tỉ lệ không khí – nhiên liệu ngang bằng với tỉ lệ tỉ lệ không khí – nhiên liệu lí tưởng. Tuy nhiên, để đạt được tỉ lệ hòa khí lí tưởng và giúp động cơ có thể vận hành một cách hợp lí ở tất cả các chế độ làm việc, ECU còn phải xác định thêm một lượng phun hiệu chỉnh ứng với từng trạng thái của động cơ và của xe. Từ đó ta thấy lượng phun thực tế chính là sự kết hợp giữa lượng phun cơ bản và lượng phun hiệu chỉnh của ECU.
Hình 3.21. Sơ đồ điều khiển lượng phun
3.3.2. Điều khiển ượng phun hiệu chỉnh
Gồm có các kiểu hiệu chỉnh sau đây :
Hiệu chỉnh để khởi động
Hiệu chỉnh để hâm nóng
Hiệu chỉnh để tăng tốc
Hiệu chỉnh phản hồi kín
Hiệu chỉnh để tăng công suất
Hiệu chỉnh cắt nhiên liệu
3.3.2.1. Hiệu chỉnh để khởi động
ECU không thể tính được thời gian phun cơ bản bằng lượng không khí nạp vì tốc độ của động cơ thấp và sự thay đổi của lượng không khí nạp rất lớn trong lúc khởi động. Vì lý do này, thời gian phun nhiên liệu lúc khởi động được xác định bằng nhiệt độ nước làm mát.
Nhiệt độ của nước làm mát được bộ cảm biến nhiệt độ nước phát hiện. Nhiệt độ nước càng thấp thì việc bốc hơi nhiên liệu càng kém. Do đó, phải làm cho hỗn hợp không khí - nhiên liệu đậm hơn bằng cách kéo dài thời gian phun.
ECU động cơ xác định rằng động cơ đang được khởi động khi tốc độ của động cơ là 400 vòng/phút hoặc thấp hơn.
Ngoài ra, khi tốc độ của động cơ đột ngột giảm xuống dưới 400 vòng/phút do tải trọng đặt lên động cơ đột ngột tăng lên, tính trễ sẽ được sử dụng để ngăn không cho ECU động cơ xác định rằng động cơ đã nổ máy đang được khởi động lại, trừ khi tốc độ động cơ hạ xuống dưới 200 vòng/phút.
3.3.2.2. Hiệu chỉnh để hâm nóng
Lượng phun nhiên liệu được tăng lên vì sự bay hơi của nhiên liệu kém trong khi động cơ còn lạnh. Khi nhiệt độ nước làm mát thấp, thời gian phun nhiên liệu được tăng lên để làm cho hỗn hợp không khí - nhiên liệu đậm hơn nhằm đạt được khả năng làm việc trong thời gian động cơ còn nguội, lúc này ECU cũng điều khiển van ISC cho gió vào nhiều hơn. Vì vậy khi mới khởi thì tốc độ cầm chừng của động cơ sẽ lớn (1000÷1200 rpm), đến khi động cơ đạt được nhiệt độ vận hành thì tốc độ cầm chừng sẽ trở lại bình thường (600÷700rpm đối với động cơ 5S-FE). Việc hiệu chỉnh tối đa dài gấp đôi nhiệt độ bình thường.
3.3.2.3. Hiệu chỉnh để tăng tốc
Trong khi bắt đầu tăng tốc, tỷ lệ không khí - nhiên liệu trở nên nhạt hơn, lúc này sẽ có một độ trễ do việc không cung cấp kịp nhiên liệu khi lượng khí nạp thay đổi nhanh chóng. Vì vậy, thời gian phun được kéo dài để tăng khối lượng phun
nhiên liệu dựa vào không khí nạp để tránh cho hỗn hợp không khí - nhiên liệu trở nên nhạt, nhằm cải thiện tính năng tăng tốc của động cơ.
Việc tăng tốc được xác định bằng tốc độ thay đổi góc mở bướm ga. ECU căn cứ trực tiếp vào tín hiệu VTA để thực hiện sự hiệu chỉnh này. Việc hiệu chỉnh trong lúc tăng tốc tăng lên mạnh khi bắt đầu tăng tốc và sau đó giảm dần cho đến khi việc tăng này kết thúc. Hơn nữa, việc tăng tốc càng nhanh thì lượng phun nhiên liệu càng lớn.
3.3.2.4. Hiệu chỉnh phản hồi kín
Khi có các dao động không lớn về tải trọng của động cơ hoặc tốc độ của động cơ, như là khi chạy không tải hoặc chạy ở tốc độ không đổi sau khi được hâm nóng (>60oC), thì ECU sẽ chuyển sang chế độ hồi tiếp. Lúc này lượng nhiên liệu phun ra được ECU điều chìn dựa trên tín hiệu gởi về từ cảm biến Oxy. Cảm biến oxy phát hiện nồng độ của oxy trong khí xả để xác định xem thời gian phun nhiên liệu hiện tại có phải là tỷ lệ không khí - nhiên liệu lý thuyết hay không.
Nếu ECU động cơ xác định từ các tín hiệu của cảm biến oxy rằng tỷ lệ không khí - nhiên liệu đậm hơn tỷ lệ không khí - nhiên liệu lý thuyết, nó sẽ rút ngắn thời gian phun để làm cho hỗn hợp không khí - nhiên liệu nhạt hơn. Ngược lại, nếu nó xác định rằng tỷ lệ không khí - nhiên liệu là nạt, nó sẽ kéo dài thời gian phun để làm cho hỗn hợp không khí - nhiên liệu đậm hơn.
Hoạt động của việc điều khiển phản hồi nhằm duy trì tỷ lệ không khí - nhiên liệu trung bình ở tỷ lệ không khí - nhiên liệu lý thuyết bằng cách liên tiếp thực hiện các hiệu chỉnh nhỏ. (Điều này được gọi là một hoạt động "vòng khép kín"). Việc điều khiển kín này còn tạo ra hàm lượng các chất đọc trong khí thải phù hợp để tạo điều kiện cho bộ xử lí khí thải hoạt động tốt. Tuy nhiên, Để ngăn chặn việc bộ trung hoà khí xả quá nóng và để bảo đảm động cơ hoạt động tốt, sự phản hồi tỷ lệ không khí - nhiên liệu không xảy ra trong các điều kiện sau đây (hoạt động vòng-hở):
Trong khi khởi động động cơ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong khi làm đậm sau khởi động
Khi nhiệt độ nước làm mát ở dưới mức xác định
Khi sự cắt nhiên liệu xảy ra
3.3.2.5. Hiệu chỉnh để tăng công suất
Khi bắt đầu hoạt động ở chế độ tải lớn, động cơ cần tăng công suất để kéo tải, lúc này nhiên liệu sẽ được phun nhiều hơn để đảm bảo động cơ hoạt động tốt. Các tải trọng lớn được xác định bằng độ mở của cảm biến vị trí bướm ga, tốc độ của động cơ, và lượng không khí nạp (PIM).
Lượng không khí nạp (PIM) càng lớn hoặc tốc độ của động cơ càng lớn, thì tỷ lệ của lượng tăng này càng lớn. Ngoài ra, mức này được tiếp tục tăng khi góc mở của bướm ga đạt đến một giá trị nào đó hoặc lớn hơn.
Việc hiệu chỉnh mức độ tăng này xấp xỉ từ 10% đến 30%.
3.3.2.6. Hiệu chỉnh cắt nhiên liệu
Trong thời gian giảm tốc, hoạt động phun nhiên liệu bị ngắt theo trạng thái giảm tốc để giảm các khí xả độc hại và tăng hiệu ứng hãm của động cơ. Trạng thái giảm tốc được xác định từ độ mở bướm ga và tốc độ của động cơ. Khi bướm ga được đóng lại và tốc độ của động cơ cao thì ECU hiểu là xe đang giảm tốc. Việc phun nhiên liệu sẽ lại tiếp tục khi tốc độ của động cơ giảm xuống đến tốc độ được xác định hoặc bướm ga mở ra trở lại.
Tốc độ cắt nhiên liệu của động cơ và tốc độ của động cơ để tiếp tục phun nhiên liệu sẽ tăng lên khi nhiệt độ nước làm nguội thấp. Ngoài ra tốc độ cắt nhiên liệu của động cơ và tốc độ của động cơ để tiếp tục phun nhiên liệu tăng lên khi công tắc của máy điều hòa bật mở để tránh cho tốc độ của động cơ bị giảm và chết máy.
3.3.2.7. Hiệu chỉnh theo nhiệt độ khí nạp
Tỷ trọng của không khí thay đổi theo nhiệt độ nó. Vì vậy, phải thực hiện việc hiệu chỉnh để làm tăng hoặc giảm lượng nhiên liệu theo nhiệt độ của không khí nạp để tối ưu hóa tỷ lệ hòa khí cần thiết cho các điều kiện hoạt động của động cơ.
Nhiệt độ của không khí nạp được phát hiện bởi cảm biến nhiệt độ khí nạp. ECU động cơ được đặt nhiệt độ chuẩn của không khí nạp là 20°C (68°F). Mức hiệu
chỉnh này được xác định khi nhiệt độ tăng lên cao hơn hoặc giảm xuống thấp hơn nhiệt độ này. Khi nhiệt độ của không khí nạp thấp, lượng này được tăng lên vì tỷ trọng của không khí cao. Khi nhiệt độ này cao, mức này được giảm xuống vì tỷ trọng của không khí thấp. Việc hiệu chỉnh mức tăng/giảm xấp xỉ 10%.
3.3.2.8. Hiệu chỉnh theo điện áp accu
Có một mức trễ nhỏ giữa thời gian khi ECU động cơ truyền một tín hiệu bơm đến vòi phun, và thời gian khi vòi phun thực sự phun nhiên liệu. Nếu điện áp của ắc quy bị giảm mạnh, thì độ trễ này sẽ dài hơn.
Có nghĩa là thời gian vòi phun phun nhiên liệu ngắn hơn thời gian được ECU động cơ tính toán. Điều này làm cho tỷ lệ của không khí trở nên cao hơn (hòa khí nhạt hơn) so với tỷ lệ hỗn hợp mà động cơ yêu cầu.
Vì vậy ECU động cơ điều chỉnh tỷ lệ này bằng cách làm cho thời gian phun của vòi phun dài hơn theo độ sụt điện áp của ắc quy.
3.4. Điều khiển bơm nhiên liệu
Bơm nhiên liệu trên động cơ Toyota 5S-FE được ECU điều khiển theo mạch sau
Hình 3.22. Mạch điện điều khiển bơm nhiên liệu
Khi khóa điện được bật ON, relay EFI và relay mở mạch được bật ON, sẽ có một dòng qua 2 relay đến bơm, làm bơm quay. Relay mở mạch được bật là nhờ ECU ấp mass cho dòng từ công tắc (IG) đến cuôn dây của nó. Lúc này nếu ta chỉ bật khóa điện nhưng không cho nổ máy, ECU sẽ cho transistor mở trong khoảng 2 giây rồi tắt. Nếu lúc này ta nổ máy thì sẽ có tín hiệu STA gởi đến ECU, ECU sẽ biết là ta muốn khởi động mở transistor làm cho bơm quay. Trong khoảng tích tắc đó, nếu có tín hiệu Ne truyền đến ECU sẽ điều khiển cho transistor tiếp tục dẫn, làm bơm quay, khởi động động cơ. Nếu như động cơ tiếp tục hoạt động thì ECU sẽ duy trì sự mở của transistor này. Nếu như động cơ đang hoạt động mà chết máy ECU sẽ ngắt transistor do không còn nhận được tín hiệu Ne, làm bơm xăng ngừng quay.
3.5. Điều khiển kim phun nhiên liệu
Trong quá trình hoạt động của động cơ, ECU liên tục nhận được những tín hiệu đầu vào từ các cảm biến. Qua đó, ECU sẽ tính ra thời gian mở kim phun. Quá trình mở và đóng của kim phun diễn ra ngắt quãng. ECU gởi tín hiệu đến kim phun trong bao lâu phụ thuộc vào độ rộng xung. Hình đưới cho thấy độ rộng xung thay đổi tuỳ theo chế độ làm việc của động cơ. Giả sử cánh bướm ga mở lớn khi tăng tốc thì cần nhiều nhiên liệu hơn. Do đó ECU sẽ tăng chiều dài xung. Điều này có nghĩa là ty kim sẽ giữ lâu hơn trong mỗi lần phun để cung cấp thêm một lượng nhiên liệu.
Hình 3.23. Xung điều khiển kim phun ứng với từng chế độ làm việc của động cơ
Khi dòng điện đi qua cuộn dây của kim phun sẽ tạo một lực từ đủ mạnh để thắng sức căng lò xo, thắng lực trọng trường của ty kim và thắng áp lực của nhiên liệu đè lên kim, kim sẽ được nhích khỏi bệ khoảng 0.1 mm làm nhiên liệu được phun ra khỏi kim phun.
Về phương pháp điều khiển kim phun, ta có hai phương pháp:
ĐIều khiển kim phu bằng áp ( điện áp )
ĐIều khiển kim phu bằng dòng (dòng điện)
Kim phun của động cơ Toyota 5S-FE là loại kim phun điện trở cao và được điều khiển bằng điện áp theo mạch sau : (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.24. Mạch điện điều khiển kim phun theo điện áp(động cơ 5S-FE)
Điện áp được cấp trực tiếp lên một đầu các kim phun, đầu còn lại nối với ECU qua chân #10 (kim số 1 và 3) và chân #20 (kim số 2 và 4). ECU sau khi xử lý các tín hiệu truyền về từ các cảm biến sẽ xác định được thời điểm phun cũng như lượng xăng cần phun (độ dài xung nhấc kim). Trong 2 vòng quay của trục khuỷu, ECU sẽ điều khiển cho mỗi transistor nối với các chân #10 và #20 dẫn một lần vào trước kì nạp của máy số 1 (chân #10) và máy số 4 (chân #20). Theo đó xăng được phun lần lượt theo hai nhóm là nhóm máy 1&3 và nhóm máy 2&4. Ở mạch này ta dùng kim phun điện trở cao nên không cần mắc điện trở phụ, độ trễ của kim phun sẽ được ECU bù trừ bằng cách tăng độ dài của xung phun.
3.6. Điều khiển cầm chừng và kiểm soát khí thải3.6.1. Tổng quan về hệ thống điều khiển cầm chừng. 3.6.1. Tổng quan về hệ thống điều khiển cầm chừng.
Hệ thống ISC ( Idle Speed Control - điều khiển tốc độ không tải) sử dụng một mạch đi tắt qua bướm ga, và lượng không khí hút từ mạch đi tắt này được điều khiển bởi ISCV (Idle Speed Controlvalve - Van điều chỉnh tốc độ không tải).
Van ISC dùng tín hiệu từ ECU động cơ để điều khiển động cơ ở tốc độ không tải tối ưu tại mọi thời điểm. Hệ thống ISC gồm có van ISCV, ECU động cơ, các cảm biến và công tắc khác nhau.
Hình 3.26. Van ISC sử dụng trên động cơ Toyota 5S-FE
ISCV loại cuộn dây quay dùng trên động cơ 5S-FE nhận được các tín hiệu hiệu dụng từ ECU động cơ và cấp điện vào 2 cuộn dây để thay đổi mức mở của van và điều khiển lượng không khí nạp.
Dây lưỡng kim trong ISCV tương ứng với nhiệt độ của nước làm mát động cơ để duy trì độ mở thích hợp của van đối với động cơ ở trạng thái hâm nóng, đây cũng chính là cơ cấu an toàn dự phòng khi các bộ phân được đều khiển bằng điện của van này bị hỏng.
Một tấm chặn cũng được lắp vào để ngăn chặn van khỏi bị kẹt khi mở hoặc đóng hoàn toàn, ngăn không cho tốc đọ cầm chừng quá thấp hoặc quá cao khi có sự cố về điện nào đó xảy ra.
3.6.2. Các chế độ làm việc. a). Chế độ khởi động
Khi động cơ ngưng hoạt động, tức không có tín hiệu tốc độ động cơ gởi đến ECU thì van điều khiển mở hoàn toàn, giúp động cơ khởi động lại dễ dàng.
b). Chế độ sau khởi động
Nhờ thiết lập trạng thái khởi động ban đầu, việc khởi động dễ dàng và lượng gió phụ vào nhiều hơn. Tuy nhiên, khi động cơ đã nổ (tốc độ tăng) nếu van vẫn mở lớn hoàn toàn thì tốc độ động cơ sẽ tăng quá cao. Vì vậy, khi động cơ đạt được một tốc độ nhất định (phụ thuộc vào nhiệt độ nước làm mát), ECU gởi tín hiệu đến van
điều khiển cầm chừng để đóng từ vị trí mở hoàn toàn đến vị trí được ấn định theo nhiệt độ nước làm mát.
c). Chế độ hâm nóng.
Ở giai đoạn này, để giúp động cơ nhanh chóng đạt được nhiệt độ vận hành, song song với việc ECU điều khiển phun thêm nhiên liệu, van ISC cũng được điều khiển mở rộng cho dòng khí nạp đi qua nhiều hơn, làm cho ga cầm chừng lúc này lớn hơn bìn thường, động cơ sẽ nhanh chóng đạt được nhiệt độ làm việc.
d). Chế độ máy lạnh
Khi động cơ đang hoạt động, nếu ta bật điều hoà nhiệt độ, do tải của máy nén lớn sẽ làm tốc độ cầm chừng động cơ tụt xuống. Nếu sự chênh lệch tốc độ thật sự của động cơ và tốc độ ổn định của bộ nhớ lớn hơn 20 v/p thì ECU sẽ gởi tín hiệu điều khiển đến van ISC để tăng lượng khí nạp nhằm mục đích tăng tốc độ động cơ khoảng 100 v/p. Ở những xe có trang bị ly hợp máy lạnh điều khiển bằng ECU, khi bật công tắc máy lạnh ECU sẽ gởi tín hiệu tới van điều khiển trước để tăng tốc độ cầm chừng sau đó đến ly hợp máy nén để tránh tình trạng động cơ đang chạy bị khựng đột ngột.