Khảo sát hệ thống đánh lửa động cơ 1GR FE trên xe Toyota Landcruiser 2007

4. KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN ĐỘNG CƠ 1GR-FE 4.1. Giới thiệu chung về hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE Hệ thống đánh lửa trên động cơ 1GR-FE là hệ thống đánh lửa điều khiển theo chương trình loại DIS (Direct Ignition System). Sử dụng bô bin đơn cho từng bugi, bao gồm: ECU, các cảm biến tín hiệu, cơ cấu chấp hành. *Các bộ phận chính trên sơ đồ hệ thống đánh lửa động cơ 1GR-FE - Các cảm biến: Có nhiệm vụ nhận biết các hoạt động khác nhau của động cơ và phát ra các tín hiệu gửi đến ECU hay còn gọi là nhóm tín hiệu vào. - ECU: Có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu và đưa tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành. Cơ cấu chấp hành luôn đảm bảo thừa lệnh ECU và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến. Ngoài ra ECU cũng giúp chẩn đoán động cơ khi có sự cố xảy ra. - Cơ cấu chấp hành: gồm bô bin và bu gi. Trong đó bô bin đánh lửa nhận được tín hiệu điều khiển từ ECU và biến dòng điện thế hiệu thấp thành thế hiệu cao đến bugi thực hiện việc đánh lửa. Nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa: ECU nhận được tín hiệu từ các cảm biến đầu vào, sau đó xử lý, tính toán các tín hiệu nhận được. Sau khi xử lý xong ECU sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển đến từng xy lanh để thực hiện việc đánh lửa theo đúng thứ tự làm việc của xy lanh. Hình 4-1 Sơ đồ tín hiệu IGT và IGF Từ sơ đồ trên ta thấy rõ hoạt động của quá trình đánh lửa xảy ra khi ECU truyền tín hiệu đánh lửa tới IC đánh lửa. Sau khi quá trình đánh lửa xảy ra thì ECU lại nhận được tín hiệu phản hồi IGF từ các cảm biến. Khi động cơ hoạt động bình thường thì quá trình xảy ra đều đặn. Khi có sự cố thì hệ thống ngắt tín hiệu vòi phun để động cơ ngừng hoạt động đảm bảo an toàn Hình 4-2 Sơ đồ hệ thống đánh lửa điện tử động cơ 1GR-FE 4.2. Các bộ phận trong hệ thống đánh lửa của động cơ 1GR-FE 4.2.1. IC đánh lửa IC đánh lửa là mạch điện tử được tích hợp từ các linh kiện điện tử như transistor, diot, tụ điện, các điện trở, …để điều khiển đóng ngắt dòng sơ cấp và tạo ra tín hiệu phản hồi IGF về cho ECU động cơ. IC đánh lửa trên động cơ 1GR-FE được làm thành một cụm chi tiết với bô bin đánh lửa nên kết cấu rất 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. Hình 4-3 Sơ đồ điện của IC đánh lửa bô bin đơn 1. Mạch điện tử tạo tín hiệu IGF, 2. Mạch đánh lửa Mạch IC đánh lửa trên động cơ 1GR-FE mà ta đang khảo sát có bốn chân giao tiếp, đó là các chân: +B, GND, IGT, IGF. Trong đó, chân +B nối với acquy, chân GND nối mass, chân IGT và IGF nối với ECU động cơ. Hình vẽ sau thể hiện sơ đồ điện của một IC đánh lửa bô bin đơn. Ngoài ra IC đánh lửa còn có chức năng điều khiển dòng không đổi (hạn chế dòng điện). 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 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 động cơ 1GR-FE mà ta đang khảo sát, ECU động cơ sẽ thực hiện việc điều chỉnh góc ngậm điện bằng cách điều chỉnh thời gian ngắt xung IGT. Hình 4-4 Vai trò của IC đánh lửa trên động cơ 1GR-FE Hình 4-5 Kết cấu cuộn đánh lửa có IC đánh lửa 1. Vỏ, 2. Giắc cắm, 3. IC đánh lửa, 4. Cuộn sơ cấp, 5. Cuộn thứ cấp, 6. Lớp cách điện, 7. Đầu cắm bugi, 8. Lõi sắt. 4.2.2. Bô bin đánh lửa Bô bin đánh lửa là loại biến áp cao thế đặc biệt dùng để biến dòng điện thế hiệu thấp (12V) thành các xung thế hiệu cao đảm bảo cho việc đánh lửa trong động cơ. Động cơ 1GR-FE sử dụng bô bin đơn cho từng máy, các IC đánh lửa cũng được bố trí ngay trên các cuộn đánh lửa tạo thành cụm chi tiết có kết cấu rất nhỏ gọn. Các cuộn sơ cấp và thứ cấp được quấn quanh lõi, số vòng quay của cuộn thứ cấp lớn hơn rất nhiều so với cuộn sơ cấp. Một đầu cuộn sơ cấp được nối với IC đánh lửa, còn một đầu của cuộn thứ cấp được nối với bugi. Các đầu còn lại của các cuộn được nối với dòng cấp từ ắc quy thông qua giắc cắm. * Quá trình đánh lửa được chia thành 2 giai đoạn: giai đoạn 1 là dòng điện trong cuộn sơ cấp và giai đoạn 2 là ngắt dòng điện vào cuộn sơ cấp và xuất hiện điện cao thế. - Dòng điện trong cuộn sơ cấp: Khi động cơ chạy, tín hiệu từ các cảm biến sẽ được ECU tính toán và phát ra tín hiệu đánh lửa IGT. Tín hiệu IGT sẽ đóng mạch sơ cấp và sẽ có dòng từ ắc quy chạy qua IC đánh lửa vào cuộn sơ cấp. Kết quả là các đường sức từ trường được tạo ra chung quanh cuộn dây có lõi ở trung tâm như hình vẽ sau: Hình 4-6 Dòng điện trong cuộn sơ cấp - Ngắt dòng điện vào cuộn sơ cấp: Động cơ tiếp tục chạy, ECU sẽ ngắt tín hiệu IGT (OFF), IC đánh lửa nhanh chóng ngắt dòng điện từ ắc quy vào cuộn sơ cấp. Kết quả là từ thông của cuộn sơ cấp bắt đầu giảm vì vậy tạo ra một sức điện động có từ thông sinh ra theo chiều chống lại sự giảm từ thông hiện có. Từ thông này cảm ứng sang cuộn thứ cấp tạo nên một hiệu điện thế lớn khoảng 30 kV. Chính hiệu điện thế này sẽ làm bugi đánh lửa. Dòng sơ cấp càng lớn và sự ngắt dòng sơ cấp càng nhanh thì điện thế thứ cấp càng lớn. 4.2.3. Bugi Bugi đánh lửa có nhiệm vụ nhận các xung điện cao thế từ bô bin đánh lửa và bật tia lửa điện cao thế để đốt cháy hỗn hợp khí-nhiên liệu trong xy lanh. Đây là chi tiết quan trọng, quyết định sự làm việc ổn định và hiệu quả của hệ thống đánh lửa. Do tiếp xúc với buồng đốt nên trong quá trình làm việc bugi chịu tác động của 3 tải trọng: 1 3 4 2 5 Hình 4-7 Hình dáng bugi lắp trên động cơ 1. Đầu cực Platin, 2. Đầu cực i-rit, 3. Hình dáng bugi dài được sử dụng trên động cơ, 4. Bugi thời cũ, 5. Áo nước làm mát bugi - 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 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 xy lanh sau một chu kì làm việc. Khi hỗn hợp khí-nhiên liệu cháy nhiệt độ khoảng 18000 ÷22000C, còn trong kỳ hút nhiệt độ khoảng 50÷800C. - Tải trọng điện: Do các xung điện truyền đến trong thời điểm đánh lửa, xung điện thế khoảng 15¸ 40 kV hoặc cao hơn nữa. - Việc sử dụng bugi đầu dài sẽ cải thiện vị trí và hình dáng áo nước làm mát tốt hơn so với sử dụng loại bugi đầu ngắn. Hình 4-8 Kết cấu bugi dầu dài lắp trên động cơ 1. Đầu nối, 2. Các nếp nhăn, 3. Điện cực giữa, 4. Sứ cách điện, 5. Vỏ, 6. Thủy tinh làm kín, 7. Điện trở, 8. Gioăng đệm, 9.Lõi đồng, 10. Cách nhiệt, 11. Điện cực trung tâm, 12. Điện cực tiếp mát Do phải chịu các loại tải trọng trên nên về mặt kết cấu và vật liệu cũng có những yêu cầu đặc biệt để đảm bảo cho hệ thống đánh lửa làm việc hiệu quả. Bugi dùng trên động cơ 1GR-FE là loại bugi đầu dài do hãng DENSO sản xuất. Bảng 4-1 Thông số kĩ thuật của loại bugi Nhà SX DENSO K20HR-U11 Chiều dài của loại dài/loại thường [mm] Khoảng 26.5/19,0 Khe hở bugi [mm] 1.0÷1.1 Kỳ bảo dưỡng Lên tới 192.000 km Bugi là chi tiết phản ánh tình trạng làm việc của động cơ. Việc quan sát bugi sau một thời gian làm việc sẽ giúp rất nhiều trong việc chẩn đoán động cơ. 4.3. Bộ điều khiển trung tâm (ECU) 4.3.1. Tổng quan Hệ thống điều khiển động cơ theo chương trình bao gồm các cảm biến kiểm soát liên tục tình trạng hoạt động của động cơ, một bộ ECU tiếp nhận các tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu và đưa tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành. Cơ cấu chấp hành luôn đảm bảo thừa lệnh ECU và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến. Hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ đem lại sự chính xác và thích ứng cần thiết để giảm tối đa chất độc hại trong khí thải cũng như lượng tiêu hao nhiên liệu. ECU cũng đảm bảo công suất tối đa ở các chế độ hoạt động của động cơ và giúp chẩn đoán động cơ khi có sự cố xảy ra (việc chẩn đoán mã lỗi thông qua đèn check Engine hoặc máy chẩn đoán chuyên dụng) ECU là một tổ vi mạch và bộ phận dùng để nhận biết tín hiệu, lưu trữ thông tin, tính toán, quyết định chức năng hoạt động và gửi các tín hiệu điều khiển thích hợp. ECU được đặt trong vỏ kim loại để giải nhiệt tốt và được bố trí ở nơi ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm. Các linh kiện điện tử của ECU được sắp xếp trong mạch in. Các linh kiện công suất của tầng cuối – nơi điều chỉnh các cơ cấu chấp hành – được gắn với khung kim loại của ECU với mục đích giải nhiệt. Sự tổ hợp các chức năng trong IC (bộ tạo xung, bộ chia xung, bộ dao động đa hài điều khiển việc chia tần số) giúp ECU đạt độ tin cậy cao. Một đầu gồm nhiều giắc cắm dùng nối ECU với hệ thống điện trên xe, với các cơ cấu chấp hành và các cảm biến. 4.3.2. Các bộ phận trong ECU Bộ nhớ: bộ nhớ trong ECU gồm các loại: ROM (Read Only Memory) Dùng trữ thông tin thường trực. Bộ nhớ này chỉ đọc thông tin từ đó ra chứ không thể ghi vào được. Thông tin của nó đã được cài đặt sẵn. ROM cung cấp thông tin cho bộ xử lý và được lắp trên mạch in. Chương trình điều khiển động cơ do nhà sản xuất lập trình và được nạp sẵn trong bộ nhớ ROM. RAM (Ramdom Access Memory) Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên dùng để lưu trữ thông tin mới được ghi trong bộ nhớ và xác định bởi vi xử lý. RAM có thể đọc và ghi các các số liệu theo địa chỉ bất kỳ. RAM vẫn duy trì bộ nhớ cho đến khi mất nguồn cung cấp từ ắc quy đến máy tính thì bộ nhớ RAM sẽ mất. PROM (Programmable Read Only Memory) Cấu trúc cơ bản giống như ROM nhưng cho phép lập trình (nạp dữ liệu) ở nơi sử dụng chứ không phải nơi sản xuất như ROM. PROM cho phép sửa đổi chương trình điều khiển theo nhưng yêu cầu khác nhau. Bộ vi xử lý (Microprocessor) Bộ vi xử lý có chức năng tính toán và ra quyết định. Nó là “bộ não” của ECU Hình 4-9 Sơ đồ khối các hệ thống trong ECU Đường truyền –BUS Có nhiệm vụ chuyển các lệnh và số liệu trong ECU theo hai chiều. Sự phát triển của ECU trên động cơ gắn liền với sự phát triển của vi xử lý. Trên những thế hệ ECU đầu tiên dùng loại 4, 8 bit. Hiện nay, nhu cầu điều khiển trên ô tô ngày càng nhiều, chương trình điều khiển càng nhiều và phức tạp, người ta sử dụng ECU loại 16 và 32 bit. Cấu trúc của ECU Bộ phận chủ yếu của ECU là bộ vi xử lý hay còn gọi là ECU, ECU lựa chọn các lệnh và xử lý số liệu từ bộ nhớ ROM và RAM chứa các chương trình và dữ liệu ngõ ra điều khiển nhanh số liệu từ các cảm biến và chuyển các dữ liệu đã xử lý đến các cơ cấu thực hiện. CPU bao gồm các cơ cấu đại số logic để tính toán dữ liệu, các bộ phận ghi nhận lưu trữ tạm thời và các bộ phận điều khiển chức năng khác nhau. Hình 4-11 Sơ đồ cấu trúc của CPU Hình 4-10 Sơ đồ cấu trúc của ECM Cấu trúc CPU bao gồm cơ cấu đại số logic để tính toán dữ liệu, các bộ phận ghi nhận lưu trữ tạm thời dữ liệu và bộ điều khiển các chức năng khác nhau. Bộ điều khiển ECU hoạt động trên cơ sở tín hiệu số nhị phân với điện áp cao biểu hiện cho số 1 và điện áp thấp biểu hiện cho số 0 Mỗi một số hạng 0 hoặc 1 gọi là bít. Mỗi dãy 8 bít sẽ tương ứng 1 byte. Byte được dùng để biểu hiện cho một mẫu lệnh hay một lệnh thông tin. Hình 4-12 Biểu diễn thông tin của một byte Mạch giao tiếp ngõ vào Hình 4-13 Bộ chuyển đổi A/D Bộ chuyển đổi A/D Dùng để chuyển các tín hiệu tương tự từ đầu vào với sự thay đổi điện áp trên các cảm biến thành các tín hiệu số để đưa vào bộ xử lý Bộ đếm (counter) Hình 4-14 Bộ đếm ECU Dùng để đếm xung rồi gửi lượng đếm đến bộ vi xử lý Bộ nhớ trung gian Dùng chuyển tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu sóng vuông dạng số, nó không giữ lượng đếm như bộ đếm. Bộ phận chính là một transistor sẽ đóng mở theo cực tính của tín hiệu xoay chiều Hình 4-15 Bộ nhớ trung gian Bộ khuếch đại Một số cảm biến có tín hiệu rất nhỏ nên trong ECU thường có bộ khuếch đại. Hình 4-16 Bộ khuếch đại Bộ ổn áp Bên trong ECU có các IC 7812 và 7805 để ổn áp:12V và 5V Hình 4-17 Bộ ổn áp Giao tiếp ngõ ra Tín hiệu điều khiển từ bộ vi xử lý sẽ đưa đến các transistor công suất điều khiển rơle, solenoid, mô tơ,... Hình 4-18 Giao tiếp ngõ ra ECU 4.4. Nguyên lý và mạch điện của các cảm biến trên động cơ 1GR-FE 4.4.1. Cảm biến vị trí trục khuỷu 4.4.1.1. Kết cấu, nguyên lý làm việc Hình 4-19 Cảm biến vị trí trục khuỷu 1. Cuộn dây, 2. Lõi sắt, 3. Thân cảm biến 4. Nam châm, 5. Lớp cách điện, 6. Giắc cắm. Cảm biến vị trí trục khuỷu dùng để xác định tốc độ động cơ. ECU nhận tín hiệu này để tính toán góc đánh lửa tối ưu và thời điểm phun nhiên liệu cho từng xy lanh. Cảm biến gồm nam châm vĩnh cửu được gắn với lõi thép, trên lõi thép được quấn cuộn dây tính hiệu. Rô to tín hiệu dùng để khép mạch từ được đặt gần cuộn dây cảm biến và được dẫn động từ trục khuỷu. Khi động cơ làm việc, rô to quay làm thay đổi khe hở giữa các răng của rôto và cuộn nhận tín hiệu, làm cho từ trường xuyên qua cuộn dây biến thiên. Sự biến thiên từ trường tạo nên sức điện động xoay chiều cảm ứng trên cuộn dây tín hiệu. Tín hiệu này được đưa về ECU. Ngoài ra, trên rô to có 2 răng khuyết nên cảm biến này còn dùng để xác định vị trí pít tông. ECU động cơ dùng thông tin này để xác định thời gian phun và thời điểm đánh lửa. Hình 4-20 Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí trục khuỷu 4.4.1.2. Mạch điện cảm biến vị trí trục khuỷu 4.4.2. Cảm biến vị trí bàn đạp ga Hình 4-21 Sơ đồ mạch điện và đặc tính cảm biến vị trí bàn đạp ga 1. Mạch IC Hall, 2. Nam châm. Cảm biến vị trí bàn đạp chân ga loại phần tử Hall gồm có các mạch IC Hall làm bằng các phần tử Hall và các nam châm quay quanh chúng. Các nam châm được lắp trên trục của bàn đạp chân ga và quay cùng trục bàn đạp chân ga. Khi đạp chân ga các nam châm quay cùng một lúc và các nam châm này thay đổi vị trí của chúng. Vào lúc đó IC Hall phát hiện thay đổi từ thông gây ra bởi sự thay đổi vị trí nam châm và tạo ra điện áp của hiệu ứng Hall từ các cực VPA và VPA2 theo mức thay đổi này. Tín hiệu này được truyền đến ECU động cơ như tín hiệu đạp chân ga. Trong cảm biến vị trí bàn đạp ga, điện áp được cấp đến cực VPA và VPA2 của ECU, thay đổi từ 0-5V tỷ lệ với góc của bàn đạp ga. VPA là tín hiệu chỉ ra góc mở bàn đạp thực tế và dùng để điều khiển động cơ. VPA2 thường được dùng để phát hiện các hư hỏng của cảm biến. ECU kiểm tra lực bàn đạp ga từ tín hiệu VPA và VPA2 phát ra và điều khiển mô tơ bướm ga theo các tín hiệu này. 4.4.3. Cảm biến vị trí bướm ga 4.4.3.1. Kết cấu,nguyên lý làm việc Cảm biến vị trí bướm ga loại không tiếp xúc. Cảm biến vị trí bướm ga sẽ chuyển sự thay đổi mật độ đường sức của từ trường thành tín hiệu điện. 2 1 Hình 4-22 Sơ đồ nguyên lý điều khiển góc mở bướm ga 1. Cảm biến vị trí bướm ga, 2. Mô tơ bước điều khiển bướm ga 1 Hình 4-23 Đặc tính cảm biến vị trí bướm ga Góc mở bướm ga được điều khiển bởi ECU động cơ, ECU nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí bàn đạp ga xử lý và truyền tín hiệu điều khiển đến mô tơ bước điều khiển. Mô tơ bướm ga sẽ đóng mở bướm ga theo tín hiệu điều khiển từ ECU, từ mô tơ bướm ga truyền sang trục bướm ga thông qua bộ răng giảm tốc. 4.4.3.2. Mạch điện cảm biến vị trí bướm ga Cảm biến vị trí bướm ga có 2 tín hiệu phát ra VTA1 và VTA2. Dùng 2 tín hiệu VTA1 và VTA2 là để dự phòng. Điện áp cấp vào VTA1 và VTA2 thay đổi từ 0-5V tỷ lệ thuận với góc mở của bướm ga. ECU thực hiện một vài phép kiểm tra để xác định đúng hoạt động của cảm biến vị trí bướm ga. ECU đánh giá góc mở bướm ga thực tế từ các tín hiệu này qua các cực VTA1 và VTA2 và ECU điều khiển mô tơ bướm ga, nó điều khiển góc mở bướm ga đúng với đầu vào do người lái tác động lên bàn đạp ga. Hình 4-24 Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bướm ga 4.4.4. Cảm biến kích nổ 4.4.4.1. Kết cấu, nguyên lý làm việc Cảm biến kích nổ được gắn vào thân máy và truyền tín hiệu KNK tới ECU động cơ khi phát hiện sự kích nổ của động cơ. ECU động cơ nhận tín hiệu KNK và làm trễ thời điểm đánh lửa nhằm ngăn chặn hiện tượng kích nổ xảy ra, đến lúc ECU động cơ nhận thấy hiện tượng kích nổ kết thúc thì nó sẽ điều chỉnh thời điểm đánh lửa sớm trở lại sau khoảng thời gian nhất định. Hình 4-25 Kết cấu cảm biến kích nổ. 1. Thân cảm biến, 2. Phần tử áp điện, 3. Điện trở phát hiện hở mạch Cảm biến kích nổ được chế tạo từ vật liệu áp điện, thường dùng nhất là tinh thể thạch anh. Khi có hiện tượng kích nổ xảy ra, tinh thể thạch anh sẽ chịu một áp lực lớn và tần số rung động cao (f = 6 – 15 kHz), do đó sẽ sinh ra tín hiệu điện áp. Hình 4-26 Đồ thị biểu diễn dạng tín hiệu kích nổ Hình 4-27 Sơ đồ mạch điện cảm biến kích nổ 4.4.4.2. Mạch điện cảm biến kích nổ 4.4.5. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 4.4.5.1. Kết cấu, nguyên lý làm việc Hình 4-28 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát. 1. Nhiệt điện trở, 2. Thân cảm biến, 3. Lớp cách điện, 4. Giắc cắm dây. Khi động cơ hoạt động, cảm biến nhiệt độ nước làm mát thường xuyên theo dõi và báo cho ECU biết tình hình nhiệt độ nước làm mát động cơ. Nếu nhiệt độ nước làm mát của động cơ thấp (động cơ vừa mới khởi động) thì ECU sẽ ra lệnh cho hệ thống phun thêm xăng khi động cơ còn nguội. Cũng thông tin về nhiệt độ nước làm mát, ECU sẽ thay đổi điểm đánh lửa thích hợp với nhiệt độ động cơ. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát và điện trở R được mắc nối tiếp. Khi giá trị điện trở của cảm biến thay đổi theo sự thay đổi của nhiệt độ nước làm mát, điện áp tại cực THW cũng thay đổi theo. Dựa trên tín hiệu này ECU tăng lượng phun nhiên liệu nhằm nâng cao khả năng ổn định khi động cơ nguội. Hình 4-29 Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát 1’. Nhiệt điện trở, 2’. Vỏ cảm biến 4.4.5.2. Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát Hình 4-30 Đặc tính của cảm biến nhiệt độ nước làm mát 4.4.6. Cảm biến lưu lượng khí nạp 4.4.6.1. Kết cấu,nguyên lý làm việc Nguyên lý của cảm biến đo lưu lượng khí nạp kiểu dây sấy dựa trên sự phụ thuộc của năng lượng nhiệt thoát ra từ một phần tử nhiệt được nung nóng và đặt trong dòng khí nạp. Khi có dòng điện đi qua làm cho dây sấy nóng lên. Khi không khí chạy qua, dây sấy được làm nguội tương ứng với khối lượng không khí nạp, bằng cách điều chỉnh dòng điện chạy vào dây sấy này để giữ cho nhiệt độ dây sấy không đổi, dòng điện đó sẽ tỉ lệ thuận với lượng không khí nạp bằng cách phát hiện dòng điện đó ta xác định được lượng không khí nạp. Trong trường hợp này, dòng điện chuyển thành điện áp và gửi đến ECU động cơ. Hình 4-31 Kết cấu và đặc tính của cảm biến lưu lượng khí nạp 1. Nhiệt điện trở, 2. Dây sấy platin 4.4.6.2. Mạch điện cảm biến lưu lượng khí nạp Hình 4-32 Sơ đồ mạch điện của cảm biến lưu lượng khí nạp 1. Bộ khuếch đại, 2. Nhiệt điện trở (Ra), 3. Dây sấy Platin (Rh) 1 ECU E2 VG 3 2 R1 B R2 A R3 Cảm biến lưu lượng khí nạp được đặt trên đường ống nạp, bao gồm một dây sấy bằng platin (Rh) và nhiệt điện trở Ra được ghép vào mạch cầu Wheatstone. Tín hiệu điện áp đầu ra của cảm biến VG tỷ lệ với lưu lượng khối lượng khí nạp. ECU nhận dựa vào tín hiệu này để điều chỉnh thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản. 4.4.7. Cảm biến nhiệt độ khí nạp 4.4.7.1. Kết cấu, nguyên lý làm việc Hình 4-33 Cảm biến nhiệt độ khí nạp 1. Nhiệt điện trở, 2. Thân cảm biến, 3. Lớp cách điện, 4. Giắc cắm dây. Cảm biến nhiệt độ khí nạp lắp bên trong cảm biến lưu lượng khí nạp và theo dõi nhiệt độ khí nạp. Cảm biến nhiệt độ khí nạp sử dụng một nhiệt điện trở mà điện trở của nó thay đổi theo nhiệt độ khí nạp. Điện trở của cảm biến này được làm bằng chất bán dẫn nên có hệ số nhiệt điện trở âm nghĩa là nhiệt độ tăng thì điện trở giảm và ngược lại điện trở tăng thì nhiệt độ giảm. Sự thay đổi của điện trở được thông tin gửi đến ECU dưới sự thay đổi của điện áp. Hình 4-34 Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ khí nạp 1. Nhiệt điện trở, 2. Vỏ cảm biến Khi nhiệt độ của khí nạp thấp, điện trở của nhiệt điện trở lớn tạo nên một tín hiệu điện áp cao trong tín hiệu của cảm biến nhiệt độ nước làm mát THA. Điện áp thay đổi sẽ được truyền về ECU động cơ. ECU sẽ điều khiển chế độ làm việc của động cơ phù hợp. 4.4.7.2. Mạch điện cảm biến nhiệt độ khí nạp 4.4.8. Cảm biến tỉ lệ không khí-nhiên liệu Hình 4-35 Kết cấu cảm biển tỉ lệ Không khí – Nhiên liệu 4.3.8.1. Kết cấu, nguyên lý làm việc Hình 4-36 Đặc tính của cảm biến tỉ lệ không khí – nhiên liệu Phần tử zirconia được cấp một điện áp khi nhiệt độ cao (650o hay cao hơn) và kết quả là dòng điện này có giá trị tỉ lệ với nồng độ oxy trong khí xả. Hay nói cách khac khi hỗn hợp không khí- nhiên liệu đậm sẽ không có oxy trong khí xả, nên không có dòng điện chạy trong phần tử zirconia. Khi hỗn hợp không khí- nhiên liệu nhạt, sẽ có rất nhiều oxy trong khí xả và có dòng điện chạy trong phần tử zirconia sẽ lớn, như đồ thị sau. Cảm biến này được lắp đặt để đảm bảo rằng tỷ lệ không khí- nhiên liệu được duy trì trong khoảng xác định, do đó cải thiện được tính kinh tế nhiên liệu cũng như khả năng tải. Với dòng điện thay đổi tỷ lệ với hỗn hợp không khí- nhiên liệu được truyền tín hiệu về ECU, ECU nhận tín hiệu xử lý để đảm bảo quá trình cháy của động cơ đạt hiệu quả cao nhất. Hình 4-37 Sơ đồ mạch điện cảm biến tỉ lệ Không khí – Nhiên liệu ECU 4.4.8.2. Mạch điện cảm biến tỉ lệ không khí – nhiên liệu 4.5. Điều khiển đánh lửa Hệ thống đánh lửa điều khiển theo chương trình có góc đánh lửa sớm được điều khiển bằng một chương trình tính toán được thiết lập trong một máy tính điện tử được bố trí trên xe gọi là ECU. Góc đánh lửa sớm được tính toán thông qua các tín hiệu vào ECU từ các cảm biến ghi nhận từ động cơ, từ các tín hiệu này bộ vi xử lý của ECU sẽ tính toán đưa ra các góc đánh lửa sớm tối ưu phù hợp với điều kiện làm việc hiện tại của động cơ. Việc đánh lửa điều khiển theo chương trình được chia làm hai giai đoạn làm việc cơ bản: điều khiển đánh lửa khi khởi động và điều khiển đánh lửa sau khi khởi động. 4.5.1. Điều khiển đánh lửa khi khởi động Điều khiển đánh lửa khi khởi động được thực hiện ngay sau khi ECU nhận được tín hiệu Ne. Góc đánh lửa này tương ứng với thời điểm đánh lửa ban đầu, = 5o ÷ 15o được lưu sẵn trong bộ nhớ. Khi có tín hiệu khởi động mạch chuyển đổi trạng thái (có thể nằm trong hoặc ngoài ECU) sẽ nối đường IGT sang vị trí ST. Khi đó xung IGT được điều khiển bởi Back up IC (IC dự phòng) thông qua hai tín hiệu G và Ne. Nếu động cơ đã nổ thì IGT sẽ được nối sang vị trí After ST (sau khởi động) và việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm được thực hiện bởi ECU. Hình 4-38 Điều khiển đánh lửa ở chế độ khởi động 4.5.2. Điều khiển đánh lửa sau khi khởi động Sau khi điều khiển động cơ, ECU sẽ nhận tín hiệu từ các cảm biến và hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm tùy theo chế độ làm việc của động cơ. Các hiệu chỉnh khác nhau (dựa trên các tín hiệu từ cảm biến có liên quan) được thêm vào góc thời điểm đánh lửa ban đầu và thêm vào góc đánh lửa sớm cơ bản. Hình 4-39 Điều khiển đánh lửa sau khởi động Góc đánh lửa sớm sau khi khởi động được xác định như sau: Trong đó: + : Góc đánh lửa sớm thực tế. +: Góc đánh lửa sớm cơ bản. +: Góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh +: Góc đánh lửa sớm ban đầu Hình 4-40 Góc đánh lửa sớm thực tế - Góc đánh lửa cơ bản được xác định theo tốc độ và tải động cơ và được lưu sẵn trong bộ nhớ của ECU. - Góc đánh lửa hiệu chỉnh là tổng tất cả các góc đánh lửa theo các điều kiện làm việc của động cơ sao cho động cơ làm việc tối ưu. Việc hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm trên động cơ được thực hiện theo các yếu tố sau: + Hiệu chỉnh theo nhiệt độ động cơ. + Hiệu chỉnh ổn định không tải. + Hiệu chỉnh phản hồi tỉ lệ khí – nhiên liệu. + Hiệu chỉnh kích nổ. + Hiệu chỉnh góc ngậm điện. + Hiệu chỉnh bù độ cao,… Hình 4-41 Bản đồ góc đánh lửa sớm cơ bản theo tốc độ và tải 4.5.2.1. Hiệu chỉnh theo nhiệt độ động cơ Tùy thuộc vào nhiệt độ động cơ thông qua các cảm biến nhiệt độ nước làm mát mà góc đánh lửa sớm được điều chỉnh tăng hay giảm cho phù hợp với điều kiện cháy của động cơ. Khi nhiệt độ của động cơ nằm trong khoảng 20÷ 60o, góc đánh lửa sớm được hiệu chỉnh từ 0o÷15o. Nếu nhiệt độ của động cơ nhỏ hơn 20o góc đánh lửa sớm cũng chỉ được cộng thêm 15o. Sở dĩ phải tăng góc đánh lửa sớm lúc động cơ nguội là vì ở nhiệt độ thấp thì tốc độ cháy chậm nên phải kéo dài thời gian để nhiên liệu cháy hết phát huy tối đa công suất của động cơ. Khi nhiệt độ động cơ vào khoảng 60o ÷110o thì ECU không thực hiện sự hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo nhiệt độ. Trong trường hợp nhiệt độ động cơ quá nóng (>110o) sẽ dễ gây ra hiện tượng kích nổ và tăng hàm lượng NOx trong khí thải vì vậy ECU sẽ điều khiển góc đánh lửa sớm xuống một góc tối đa 5o. Tín hiệu liên quan đến hiệu chỉnh này là tín hiệu nhiệt độ nước làm mát THW. Hình 4-42 Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo nhiệt độ động cơ 4.5.2.2. Hiệu chỉnh ổn định không tải Khi động cơ ở chế độ không tải thì sẽ dao động ở chế độ không tải chuẩn, ECU động cơ sẽ điều chỉnh thời điểm đánh lửa để ổn định tốc độ động cơ. Nếu tốc độ động cơ giảm xuống thấp hơn tốc độ chuẩn, ECU sẽ điều chỉnh cho góc đánh lửa sớm lên, và khi tốc độ động cơ quá cao ECU động cơ sẽ làm giảm góc đánh lửa sớm. Góc đánh lửa sớm được thay đổi tối đa xấp xỉ ±5o bởi hiệu chỉnh này. Tín hiệu liên quan đến hiệu chỉnh này là: - Tốc độ động cơ (NE) - Vị trí bướm ga (VTA) - Tốc độ xe (SPD) Hình 4-43 Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm ở chế độ cầm chừng 4.5.2.3. Hiệu chỉnh phản hồi tỉ lệ khí-nhiên liệu Trong quá trình phản hồi tỉ lệ khí – nhiên liệu, tốc độ động cơ thay đổi theo sự tăng hay giảm lượng phun nhiên liệu. Động cơ đặc biệt nhạy cảm với những thay đổi trong tỉ lệ khí-nhiên liệu khi nó chạy không tải, nên để chế độ chạy không tải ổn định ECU động cơ sẽ làm sớm thời điểm đánh lửa để phù hợp với tỉ lệ khí – nhiên liệu. Thời điểm đánh lửa được làm sớm lên tối đa khoảng 5o bởi hiệu chỉnh này. Các tín hiệu liên quan đến cảm biến này: - Cảm biến oxy - Cảm biến vị trí bướm ga - Cảm biến tốc độ xe 4.5.2.4. Hiệu chỉnh tránh kích nổ Để nhận biết và tránh được sự kích nổ trên các xy lanh động cơ, trên động cơ được trang bị cảm biến kích nổ, cảm biến này ghi nhận lại sự kích nổ thông qua sự rung động của động cơ sau đó chuyển thành các xung tín hiệu dưới dạng tín hiệu điện và chuyển đến ECU của động cơ. Khi động cơ hoạt động bình thường thì các xung tín hiệu dao động rất nhỏ, khi xảy ra hiện tượng kích nổ các xung này sẽ dao động với biên độ lớn và truyền tới ECU của động cơ, ECU sẽ điều chỉnh và giảm góc đánh lửa sớm. Quá trình kiểm soát kích nổ được thực hiện theo một chu kỳ kín, hiện tượng kích nổ chỉ xảy ra ở một vài xy lanh. Vì vậy dựa vào thời điểm kích nổ (quá trình cháy) và vị trí trục khuỷu mà ECU nhận biết được xy lanh nào đã cháy và xảy ra hiện tượng kích nổ. Việc hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm cho quá trình kích nổ chỉ được thực hiện ở xy lanh này để ít ảnh hưởng đến công suất động cơ. Việc giảm góc đánh lửa sớm được thực hiện từng góc nhỏ theo từng chu kỳ của từng xy lanh cho đến khi hiện tượng kích nổ chấm dứt thì ECU từng bước tăng dần góc đánh lửa sớm về tối ưu. Để tránh hiện tượng kích nổ xảy ra khi dùng các loại xăng khác nhau, ECU động cơ được lưu các dữ liệu tương ứng với các loại xăng. Khi dùng loại xăng khác nhau chỉ cần thay đổi vị trí giắc cắm được bố trí trên xe. Tín hiệu liên quan đến hiệu chỉnh nay là tín hiệu kích nổ (KNK). 4.5.2.5. Hiệu chỉnh góc ngậm điện Một chức năng khác của ECU về điều khiển đánh lủa trên động cơ là sự điều chỉnh góc ngậm điện. Góc ngậm điện này phụ thuộc vào hiệu điện thế ắc quy và tốc độ động cơ. Khi khởi động hiệu điện thế ắc quy bị giảm và gây hiện tượng sụt áp. Vì vậy ECU động cơ sẽ điều khiển tăng thời gian ngậm điện nhằm mục đích đảm bảo dòng điện trong cuộn thứ cấp luôn đạt đến giá trị Iôđ ổn định trước khi các transistor ở trạng thái ngắt. Ở tốc độ thấp do thời gian tích lũy năng lượng dài (góc ngậm điện lớn) gây lãng phí năng lượng và làm nóng bô bin đánh lửa nên ECU sẽ giảm bớt thời gian ngậm điện xuống để tránh hiện tượng trên. Trong trường hợp dòng sơ cấp vẫn tăng cao hơn giá trị ổn định, bộ phận hạn chế dòng sẽ làm việc và giữ dòng diện sơ cấp không thay đổi. Việc điều chỉnh góc ngậm điện được thực hiện trong ECU động cơ. Góc ngậm điện tối ưu được lưu sẵn trong bộ nhớ của ECU động cơ. Các tín hiệu liên quan đến hiệu chỉnh này: - Tín hiệu điện áp ắc quy - Tín hiệu tốc độ động cơ 4.6. Tính toán thông số điện áp thứ cấp của hệ thống đánh lửa Thông số U2 là một thông số quan trọng đánh giá chất lượng đánh lửa do vậy cần phải được tiến hành kiểm tra. Quá trình đánh lửa chia thành 3 giai đoạn : Tăng dòng sơ cấp khi KK’ đóng lại Tăng xuất hiện SĐĐ cao áp trong cuộn thứ cấp khi KK’ mở ra Xuất hiện tia lửa điện ở bugi khi U2 tăng đến giá trị Uđl * Giai đoạn tăng dòng sơ cấp khi KK’ đóng lại: Khi KK' đóng, sẽ có dòng sơ cấp i1 chạy theo mạch: (+)AQ ® Kđ ® Rf ® W1 ® Cần tiếp điểm 2 ® KK' ® (-)AQ Dòng điện này tăng từ 0 đến một giá trị giới hạn xác định bởi điện trở của mạch sơ cấp. Mạch thứ cấp lúc này coi như hở. Do suất điện động tự cảm, dòng i1 không thể tăng tức thời mà tăng dần trong một khoảng thời gian nào đó. Trong giai đoạn gia tăng dòng sơ cấp ta có thể viết phương trình sau: Ung + eL1 = i1.R1 (4. 1) Trong đó: Ung - Thế hiệu của nguồn điện (ắc quy hoặc máy phát) [V]. eL1 - SĐĐ tự cảm trong cuộn sơ cấp [V]. R1 - Điện trở thuần của mạch sơ cấp [W]. Mà: (4.2) Giải phương trình vi phân (4.2) ta xác định được: (4.3) Trong đó: t - Thời gian tiếp điểm đóng [s] - Hằng số thời gian của mạch sơ cấp. Biểu thức (4.3) cho thấy: Dòng sơ cấp tăng theo quy luật đường tiệm cận. Khi t=0 (tiếp điểm vừa đóng lại) thì i1 = 0 và (4.4) Khi t=¥ (tiếp điểm đóng rất lâu) thì: (4.5) Từ các biểu thức trên ta thấy rõ rằng, tốc độ gia tăng dòng sơ cấp phụ thuộc vào giá trị Ung và L1. L1 càng lớn thì tốc độ tăng dòng sơ cấp càng giảm. Tốc độ này có giá trị cực đại vào thời điểm tiếp điểm bắt đầu đóng (t=0). Giá trị nhỏ nhất của tốc độ tăng dòng sơ cấp được xác định bởi thời điểm mở tiếp điểm. Trong quá trình làm việc của hệ thống đánh lửa, tốc độ này không bao giờ giảm đến 0. Vì thời gian tiếp điểm đóng ngắn nên dòng sơ cấp không kịp đạt giá trị ổn định. Giá trị cực đại mà dòng sơ cấp có thể đạt được (i1max) phụ thuộc vào điện trở mạch sơ cấp và thời gian tiếp điểm ở trạng thái đóng. Thay giá trị t= tđ vào phương trình (4.3), ta xác định được: (4. 6) Với các đại lượng từ bảng thông số của động cơ Ung = 12 [V], R1 = 0,4 [W], L1 = 2 [mH], tđ = 2 [ms] ta tính được I1ng [A] * Giai đoạn tăng xuất hiện SĐĐ cao áp trong cuộn thứ cấp khi KK’ mở ra Khi tiếp điểm mở ra, dòng sơ cấp và từ thông do nó sinh ra giảm rất nhanh trong một thời gian ngắn. Do đó trong cuộn thứ cấp W2 của bô bin đánh lửa sẽ xuất hiện một SĐĐ cảm ứng có giá trị rất lớn. Giá trị của SĐĐ cao áp này có thể xác định từ phương trình cân bằng và biến đổi năng lượng trong hệ thống đánh lửa: - Ngay trước khi tiếp điểm mở, trong mạch từ của biến áp đánh lửa tích lũy một năng lượng điện từ là: (4.7) - Khi tiếp điểm mở ra (nhưng chưa xuất hiện tia lửa điện cao thế) thì năng lượng này biến thiên năng lượng tĩnh điện tích lũy trong điện dung C1 của mạch sơ cấp và C2 của mạch thứ cấp, còn một phần rất nhỏ biến thành nhiệt năng tiêu tán ra môi trường. Như vậy, phương trình cân bằng năng lượng lúc tiếp điểm bắt đầu mở có thể viết như sau: [4.8] Mà: [4.9] Sau khi biến đổi ta nhận được: [4.10] Trong đó: C1: Điện dung mạch sơ cấp = 0,2.10-6 [F] C2: Điện dung mạch thứ cấp = 10-10 [F] : Hệ số biến áp = 50 : Hệ số tính đến sự giảm U2 do tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt trong cả hai mạch sơ cấp và thứ cấp = 0,8 Ta thay các thông số vào [4.10] =26373,33 [V] [kV] Từ kết quả tính toán ta thấy U2= 26,733 kV> [U2] =15 kV => đảm bảo quá trình đánh lửa xảy ra trong mọi chế độ làm việc của động cơ.