Tài liệu Đề tài: Phân tích đặc điểm cấu tạo và khai thác kỹ thuật thiết bị KFZ-2005D tại phòng mô phỏng và kết nối máy tính với các thiết bị năng lượng pdf

Như công nghệ đánh lửa điện tử, phun xăng điện tử…Việc áp dụng những công nghệ này có rất nhiều ưu điểm về tính kinh tế cũng như tính năng kĩ thuật của động cơ thể hiện qua công suất độn

LUẬN VĂN

và khai thác kỹ thuật thiết bị KFZ-2005D tại phòng mô phỏng và kết nối máy tính với

các thiết bị năng lượng

Phạm Tiến Mạnh

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật Nghành công nghệ ô tô cũng đạt được những tiến bộ vượt bậc Việc áp dụng những công nghệ

hiện đại để nâng cao tính năng kĩ thuật cũng như hiệu quả kinh tế luôn là những ưu

tiên hàng đầu của các nhà sản xuất ô tô

Nghành công nghiệp ô tô của việt nam phát triển chậm hơn so với các nước trên thế giới, nhưng hiện nay những công nghệ hiện đại của ngành công nghiệp này

đã được sử dụng trong quá trình sản xuất xe ở việt nam Như công nghệ đánh lửa điện tử, phun xăng điện tử…Việc áp dụng những công nghệ này có rất nhiều ưu điểm về tính kinh tế cũng như tính năng kĩ thuật của động cơ thể hiện qua công suất động cơ nhạy cảm với điều khiển, tiết kiệm nhiên liệu, lượng khí độc hại thoát ra ngoài môi trường được kiểm soát chặt chẽ

Hiện nay quá trình hoạt động của các động cơ hiện đại được điều khiển bởi

bộ điều khiển điện tử trung tâm gọi là ECU, đặc biệt là điều khiển quá trình cung cấp nhiên liệu cho động cơ hoạt động Nhiên liệu cung cấp cho động cơ luôn được tính toán phù hợp để đạt được tỷ lệ hòa khí tối ưu, và đạt được tỷ lệ hòa khí mong muốn

Với mục đích củng cố kiến thức chuyên ngành đặc biệt kiến thức về hệ thống phun xăng điện tử Đồng thời nâng cao những hiểu biết về thực tế Tôi được khoa cơ khí phân công đề tài:

tại phòng mô phỏng và kết nối máy tính với các thiết bị năng lượng”

Nội dung gồm:

1 Giới thiệu chung

2 Phân tích đặc điểm cấu tạo

3 Khai thác kĩ thuật thiết bị

4 Nhận xét và đề xuất ý kiến

Trong quá trình quá trình thực hiện đề tài này, do bước đầu làm quen với

công tác nghiên cứu khoa học, khả năng trình độ còn hạn chế, việc dịch thuật tài

liệu còn gặp nhiều khó khăn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được sự

hướng dẫn của các thầy giáo và sự đóng góp phê bình của các bạn sinh viên

Nhân đây tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn

Văn Thuần và các thầy giáo khác, các bạn đồng ngành đã giúp tôi hoàn thành đề tài

này

Nha Trang, tháng 11 năm 2007

Thực hiện Phạm Tiến Mạnh

GIỚI THIỆU PHÒNG MÔ PHỎNG VÀ KẾT NỐI MÁY TÍNH

VỚI CÁC THIẾT BỊ NĂNG LƯỢNG

những thiết bị hiện đại nhằm phục vụ cho học sinh, sinh viên, nghiên cứu sinh, và cán bộ kĩ thuật Với việc ứng dụng những thành tựu của khoa học kĩ thuật và công nghệ thông tin vào những mô hình học cụ giúp cho việc học tập và nghiên cứu tại phòng trở lên sát với thực tế hơn Trang thiết bị tại phòng đều áp dụng công nghệ hiện đại và tiên tiến nhất hiện nay của ngành công nghệ kĩ thuật ô tô Ví như mô hình KFZ – 2005D, KFZ- 2006D, KFZ – 2003D, mô hình phun xăng điện tử đa điểm, mô hình đánh lửa điều khiển điện tử, mô hình phun xăng đa chức năng…

1.1.3 Một số thiết bị tại phòng

H 1.2: Mô hình chiếu sáng

H 1.3: Mô hình phun xăng đa điểm

H1.7:Mô hình động cơ phun xăng đa chức năng

H 1.8 : Mô hình KFZ -2006D

1.2 THIẾT BỊ KFZ – 2005 D

1.2.1 Giới thiệu

KFZ – 2005D là thiết bị dạy học do viện vật lý – điện tử nghiên cứu và phát

triển Thiết bị bao gồm một động cơ Toyota 3S – FE được kết nối với máy tính Trong đó động cơ Toyota 3S – FE là động cơ sử dụng bộ điều khiển điện tử trung tâm (Elctronic Controlled Unit- ECU) để điều khiển các quá trình phun xăng và

đánh lửa của động cơ

H 1.9 :Động cơ Toyota 3S - FE Thông qua việc kết nối với máy tính ta có thể khởi động động cơ ngay trên máy tính mà không cần khởi động trên động cơ KFZ -2005D được trang bị trên phòng mô phỏng và kết nối máy tính với các thiết bị năng lượng của bộ môn kỹ thuật ôtô, với thiết bị này chúng ta có thể kiểm tra các hư hỏng của các cảm biến sử dụng trên động cơ như cảm biến ôxy, cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp … thiết bị có thể hỗ trợ việc chuẩn đoán hư hỏng của một số bộ phận khác trên động cơ Ngoài ra qua thiết bị ta có thể vẽ được một số đường đặc tuyến của các cảm biến trên động cơ

1.2.2 Hệ thống phun xăng

1.2.2.1 Khái niệm phun xăng điện tử

Hệ thống phun xăng điện tử (Electronic Fuel Injection – EFI) bao gồm một loạt các cảm biến liên tục đo đạc các thông số hoạt động của động cơ đốt trong như lưu lượng khí nạp, tốc độ động cơ, nhiệt độ nước làm mát, nồng độ khí oxy trong khí thải

H 1.10: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống phun xăng điện tử Bosch Motronic

Các thông số do cảm biến cung cấp: Qa: Lưu lượng khí nạp, N: Tốc độ động

cơ, n(pc): Vị trí bướm ga, Tm: Nhiệt độ động cơ, Ta: Nhiệt độ khí nạp

Ub: Điện áp ắc quy, Sd: Tín hiệu khởi động động cơ

Một bộ điều khiển điện tử ECU (Elctronic Controlled Unit) tiếp nhận và xử

lý các tín hiệu của các cảm biến gửi đến, bằng cách so sánh với các giá trị tối ưu trong bộ nhớ, sau đó tính toán và hình thành các xung điều khiển, đưa đến các thiết

bị thực hiện (quyết định thời điểm và thời gian mở van kim cho béc phun xăng đảm

bảo cho động cơ hoạt động một cách tối ưu

Động tác mở đóng của béc phun xăng gọi là một chu kỳ hoạt động của nó Thời gian mà ECU mở van cho béc phun được gọi là bề rộng của xung mở van Ví

dụ ở chế độ tăng tốc bướm ga mở lớn, không khí được nạp nhiều vào xilanh nên cần phun một lượng xăng lớn Ở chế độ này ECU sẽ tăng lớn bề rộng xung mở van Có nghĩa là ECU sẽ điều khiển cho béc phun mở lâu hơn để xăng phun ra hiều hơn

Việc ứng dụng điều khiển điện tử trong quá trình điều khiển phun xăng nhằm đảm bảo lượng nhiên liệu phun ra chính xác phù hợp với mọi chế độ hoạt động của động cơ, tiết kiệm nhiên nhiệu, giúp động cơ cháy hoàn toàn giảm lượng khí độc hại thoát ra môi trường

1.2.2.2 Yêu cầu đối với hệ thống phun xăng

- Tạo được hỗn hợp cháy có hệ số dư lượng không khí phù hợp với mọi chế

độ làm việc của động cơ

- Lượng nhiên liệu cung cấp cho các xilanh phải đều

- Có khả năng thay đổi chế độ làm việc của động cơ nhanh mềm mại

- Nhiên lệu phun ra phải tơi, nhỏ để tạo ra một hỗn hợp đồng nhất

- Cấu tạo đơn giản, gọn bền

- Dễ bảo dưỡng sửa chữa

1.2.2.3 Quá trình hình thành và phát triển của hệ thống phun xăng

1927 Hãng Bosch đưa vào sản xuất một loại bơm phun xăng dùng cho động

cơ cao tốc nhiều xilanh Một số nhà chế tạo bắt đầu quan tâm đến việc ứng dụng quá trình phun xăng vào động cơ ôtô Những nghiên cứu do viện nghiên cứu hàng không Đức thực hiện, với sự cộng tác của các hãng B.M.W,Daimler Benz và Bosch,

đã dẫn đến việc hoàn chỉnh một hệ thống phun xăng có dẫn động cơ khí

1937 HTPX trên được ứng dụng rộng rãi trên động cơ máy bay, đặc biệt là

loại máy bay Messerchmitt đã phá kỉ lục về tốc độ máy bay hồi đó và được nước đức quốc xã sử dụng rất nhiều trong chiến tranh thế giới lần thứ hai

1943 Kĩ sư người Pháp J.B.Retel hoàn tất một HTPX dùng cho động cơ ôtô

chạy bằng cồn

Từ sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, những nghiên cứu về phun xăng được tiến hành có hệ thống hơn trên thế giới, đặc biệt ở Mỹ (Stromberg,Bendix), Anh(Rolls Royce) và Đức (Bosch,B.M.W,Mercedes-Benz)

1950 Ngoài động cơ máy bay, HTPX bắt đầu được ứng dụng cho xe du lịch

cao cấp công suất lớn và xe đua, nhất là ở Mỹ

1960 Động cơ phun xăng bắt đầu trang bị cho xe ôtô sản xuất hàng loạt:

Peugeot 404 (HTPX cơ khí Kugelfischer), Lancia Flavia, Tri-umph 2000 Tuy nhiên HTPX cơ khí lúc bấy giờ còn tỏ ra khá phức tạp, đắt tiền và tế nhị trong việc sử dụng

1967 Những kĩ thuật mới trong quá trình phun xăng được phát triển mạnh,

nhất là HTPX liên tục kiểu cơ khí kết hợp với hệ thống điều khiển điện tử

Hãng Bosch lần đầu tiên đưa vào sản xuất hàng loạt HTPX D- Jetronic Hệ thống này đầu tiên áp dụng cho động cơ Volkswagen 1600 type 3 xuất sang Mỹ, sau đó dùng trên xe chạy ở châu Âu như Citroen DS21 và DS23, Renault 17TS và Volvo 144

1971-1980 Kỹ thuật ngày càng được nghiên cứu và hoàn thiện Hàng loạt xe

ôtô được trang bị hệ thống phun xăng điện tử do các hãng chế tạo (Bosch, Marelli,Pierburg )

Từ sau năm 1980, nhiều hãng xe hơi cũng đã nghiên cứu và phát triển các HTPX dùng cho xe của hãng mình, ví như :Renault hợp tác với Bendix sản xuất hệ thống Renix (sau này Renix được hãng Siemens mua lại), Honda với hệ thống PGM-FI (Programed Fuel Injection), GM Open với hệ thống Multec , Mitsubishi

với hệ thống phun xăng đặc biệt riêng

1.2.2.4 Ưu điểm của hệ thống phun xăng

1) Giảm tiêu hao nhiên liệu của động cơ

- Các hệ thống phun xăng cho phép định lương nhiên liệu rất chính xác, phù hợp với mọi điềukiện làm việc của động cơ, có tính đến các yếu tố vận hành như môi trường (nhiệt độ, áp suất không khí), tình trạng kỹ thuật như hao mòn, sự cố ,và các yêu cầu khác như mức độ độc hại trong khí xả

-Việc phun xăng vào gần cửa xupap nạp cho phép phân bố tốt hỗn hợp cho từng xilanh và tránh được các vấn đề hay gặp phải ở bộ chế hòa khí cổ điển, nhất là hiện tượng hơi xăng ngưng đọng trên đường nạp và tình trạng hỗn hợp không đồng nhất, đậm nhạt không đều ở các xilanh khác nhau Một số HTPX hiện đại ví dụ như Pireburg Ecojet M thậm chí còn cho phép hiệu chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp của từng vòi phun để tính đến trạng thái hao mòn của từng xilanh riêng biệt

Một chương trình thử nghiệm của trương đại học bách khoa Viên (Áo) cho thấy rằng với cùng một xe ôtô và trong cùng một điều kiện vận hành, HTPX cho phép tiết kiệm tới 11% nhiên liệu so với bộ chề hòa khí cổ điển Nếu sử dụng biện pháp cắt phun xăng tự động trong các chế độ phanh động cơ thì có thể giảm nhiên liệu tới 16%

b) Tăng hiệu suất thể tích (thể hiện qua công suất đơn vị hay công suất lít) của động cơ

- Ở động cơ phun xăng sức cản trên đương nạp được giảm bớt do bỏ bộ chế

hòa khí Kết cấu đường nạp có thể được tối ưu hóa để nạp đầy tối đa động cơ trong mọi chế độ vận hành

- Bộ điều khiển điện tử của một số HTPX hiện đại (Bosch Motronic,Marelli Weber, Pierburg Ecojet M, Siemens Fenic 4 ) còn chỉ huy đồng thời đánh lửa, nhờ

đó cho phép tối ưu hóa cả hai quá trình phun xăng và đánh lửa để tăng hiệu suất của động cơ

- Việc dùng hệ thống phun xăng sẽ tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc tăng

áp động cơ

2) Động cơ nhạy cảm với điều khiển hơn và làm việc tốt hơn ở các chế độ không ổn

định

- Các quá trình điều khiển bằng điện – điện tử có quán tính rất nhỏ

- Hiệu quả gia tốc tức thời do xăng được phun ngay trước cửa xupap nạp

- Rút ngắn và tối ưu hóa quá trình khởi động và sấy nóng động cơ

- Cải thiện sự làm việc của động cơ ở chế độ không tải

3) Khí thải bớt độc hại hơn

- Do xăng được phun ra dưới dạng sương mù nên hỗn hợp nhiên liệu khí được chuẩn bị tốt hơn, phân phối đều hơn trong các xilanh nên cháy tốt hơn

-Vệc sử dụng cảm biến lambda kết hợp với bộ xúc tác khí thải cho phép đạt được hỗn hợp chuẩn ở các chế độ làm việc mong muốn của động cơ và giảm đến mức cho phép các thành phần độc hại trong khí xả

4) Hoạt động tốt trong mọi điều kiện địa hình và thời tiết , không phụ thuộc vào tư

thế của xe (lên xuống dốc cao , vào cua gấp )

Tuy vậy HTPX cũng có một số hạn chế so với bộ chế hòa khí cổ điển là :

Cấu tạo phức tạp, độ nhạy cao, yêu cấu khắt khe về chất lượng nhiên liệu và không khí (lọc phải rất tốt), sửa chữa bảo dưỡng khó đòi hỏi chuyên môn cao, giá thành còn đắt

Tuy nhiên, với đà phát triển hiện nay của kỹ thuật phun xăng, với sự giảm giá liên tục của các thiết bị linh kiện điện tử và nhất là với những quy định khắt khe

về mức độ độc hại trong khí xả, các hệ thống phun xăng sẽ ngày càng được sử dụng rộng rãi

1.2.2.5 Phân loại hệ thống phun xăng

1) Phân loại theo cấu tạo kim phun

a) Hệ thống phun xăng sử dụng kim phun cơ khí (CIS)

Gồm 4 loại cơ bản

- Hệ thống K- Jetronic: Việc phun nhiên liệu được điều khiển hoàn toàn

bằng cơ khí

- Hệ thống K- Jetronic có cảm biến khí thải: Có thêm cảm biến oxy

- Hệ thống KE- Jetronic: Hệ thống K-Jetronic với mạch điều chỉnh áp lực

phun bằng điện tử

- Hệ thống KE – Motronic: Kết hợp với việc điều khiển đánh lửa bằng điện

tử

Các hệ thống kể trên sử dụng trên các xe châu âu model trước năm 1987

b) Loại sử dụng kim phun điều khiển bằng điện tử (AFC)

Hệ thống phun xăng điều khiển bằng điện có thể chia làm 2 loại

- D –Jetronic: Với lượng xăng phun được xác định bởi áp suất sau cánh

bướm ga bằng cảm biến MAP

- L – Jetronic: Với lượng xăng phun được tính toán dựa vào lưu lượng khí

nạp lấy từ cảm biến đo gió loại cánh trượt Sau đó có phiên bản LH – Jetronic với cảm biến đo gió dây nhiệt, LU - Jetronic với cảm biến đo gió kiểu siêu âm

2) Phân loại theo vị trí đặt kim phun

a) Loại phun đơn điểm (TBI)

Hệ thống này còn có các tên gọi khác như : SPI (single point injection), CI (central injection), Mono – Jetronic Đây là loại phun trung tâm Kim phun được bố

trí phía trên cánh bướm ga và nhiên liệu được phun bằng một hoặc hai kim phun Nhược điểm của loại này là tốc độ dịch chuyển của hòa khí tương đối thấp do nhiên liệu được phun ở xa vị trí xupap nạp và khả năng thất thoát trên đường ống nạp b) Loại phun đa điểm (Multi-Port Injection- MPI)

Đây là hệ thống phun nhiên liệu đa điểm với mỗi kim phun cho từng xilanh được bố trí gần xupap hút (cách khoảng 10 – 15 mm) Ống góp hút được thiết kế sao cho đường đi của không khí từ bướm ga đến xilanh khá dài, nhờ vậy nhiên liệu phun ra được hòa trộn tốt với không khí nhờ xoáy lốc Nhiên liệu cũng không còn thất thoát trên đường ống nạp Hệ thống phun xăng đa điểm ra đời đã khắc phục được những nhược điểm của hệ thống phun xăng đơn điểm

H 1.12: Hệ thống phun xăng đa điểm

c) Phun trực tiếp (Gasonline Direct Injection – GDI)

Phun trực tiếp là phun nhiên liệu trực tiếp vào xilanh Mỗi đầu phun có thể cung cấp nhiên liệu theo hai cách : Đồng nhất hoặc phân tầng Đối với kiểu nạp trực tiếp đồng nhất, đầu phun phun nhiên liệu trong nửa đầu chu trình nạp lúc này nhiên liệu sẽ được trộn với không khí từ ngoài vào, hợp khí được nén lại Phương pháp nạp đồng nhất cung cấp hỗn hợp khí giàu và có công suất cao hơn

Trong phương pháp phân tầng, đầu phun phun nhiên liệu vào cuối giai đoạn nén nhiên liệu sẽ được phun gần vào bugi và trộn với không khí đã nén sẵn tạo thành hỗn hợp cháy Phương pháp này tạo ra hỗn hợp nghèo, do vậy tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải

d) Phun trực tiếp phức hợp

DS-4 là công nghệ phun trực tiếp phức hợp, đó là sự kết hợp giữa hai phương pháp phun xăng đa điểm (Multi-Port Injection-MPI) và phun xăng trực tiếp (Gasonline Direct Injection – GDI) Công nghệ này lần đầu tiên được trang bị trên hai mẫu xe Lexus IS 250 và Is 350 đời 2006

3 Phân loại theo thời điểm và thời gian phun

a) Phun xăng liên tục (Continuous Injection) : Phun trực tiếp có nghĩa là Xăng được phun vào ống nạp, lượng xăng phun ra được ấn định áp suất tác động phun xăng.Kiểu phun liên tục có thể là phun đơn điểm hoặc đa điểm

b) Phun theo chu kỳ thời gian (Pulse Time Injection) có nghĩa là béc phun xăng ra theo từng chu kỳ thời gian quy định Loại này có thể là phun đơn điểm hoặc

đa điểm

Các thông số cơ bản của động cơ

Dung tích xilanh 1998 Cm3

Mô men xoắn cực đại 169(ở tốc độ 4400 vòng/phút) Nm

Công suất cực đại 90 (ở tốc độ 5600 vòng/phút) Kw

Tốc độ cực tiểu 700 Vòng/phút

Góc đánh lửa 10

(Trước điểm chết trên) Độ

2.2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

2.2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun xăng điện tử

H 2.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống phun xăng điện tử KFZ-2005D

Các cảm biến sẽ cung cấp thông tin dưới dạng các tín hiệu điện liên quan đến các thông số làm việc của động cơ, các tín hiệu nay được gửi đến ECU, sau khi ECU xử lý các thông tin này, bộ điều khiển trung tâm sẽ xác định lượng xăng cần cung cấp cho động cơ theo một chương trình tính toán sẵn đã được lập trình sẵn và chỉ huy sự hoạt động của các vòi phun xăng

2.2.2 Các cảm biến

2.2.2.1 Cảm biến đo lưu lượng khí nạp

Cảm biến đo gió kiểu cánh trượt được sử dung trên hệ thống L – Jetronic để nhận biết thể tích gió nạp đi vào xilanh động cơ Tín hiệu gió được sử dụng để tính toán lượng xăng phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản Hoạt động của nó dựa

vào nguyên lý dùng điện áp kế có điện trở thay đổi kiểu trượt

Cấu tạo: Thiết bị đo khí nạp kiểu mâm đo thuộc loại lưu lượng kế thể tích nó

bao gồm cánh giảm chấn, buồng giảm chấn, mạch gió phụ, cánh đo gió, vít chỉnh đường gió phụ

Vòi phun phụ Vòi phun

chính

H 2.2: Hình dáng bên ngoài

H2.4: Cấu tạo phần biến trở của cảm biến

1 Vành răng 5 Càng đóng tiếp điểm bơm xăng

2 Lò xo hoàn lực cánh đo gió 6 Thanh quét

H 2.3:Cấu tạo phần cơ khí của cảm biến

1 Cánh giảm chấn 2 Buồng giảm chấn

3 Đường gió phụ 4 Cánh đo gió

5 Vít chỉnh đường gió phụ

6

H2.5: Vị trí lắp đặt của cảm biến

Vị trí lắp đặt: Cảm biến lắp giữa bộ lọc gió và bướm ga

Nguyên lý hoạt động:

Lượng gió vào động cơ nhiều hay ít phụ thuộc vào vận tốc động cơ và vị trí

mở của bướm ga Khi gió nạp được hút vào đi qua cảm biến đo sẽ tác động vào cánh đo và mở dần cánh đo khi lực gió vào cân bằng với lực căng lò xo thì cánh đo cân bằng

Tại trục của cánh đo có lắp một điện áp kế có tác dụng khi cánh đo gió chuyển động sẽ tạo được góc mở và được chuyển thành tín hiệu điện áp Us Us được chuyển đến ECU theo mối quan hệ QlUs

Vì vận tốc của động cơ luôn thay đổi theo điều kiện hoạt động nên lượng khí nạp Ql thay đổi theo làm cánh đo gió bị rung động dẫn đến tín hiệu Us thay đổi gây ảnh hưởng đến độ chính xác Để ngăn ngừa dao động cánh đo gió, người ta thiết kế một cánh giảm chấn liền với cánh đo gió để dập tắt độ rung

Bộ đo gió có hai mạch gió: Mạch gió chính đi qua cánh đo gió và mạch gió

rẽ đi qua vít chỉnh CO Lượng gió qua mạch rẽ tăng sẽ làm giảm lượng gió qua cánh

đo gió Vì thế góc mở của cánh đo gió sẽ nhỏ lại và ngược lại

Vì lượng xăng phun cơ bản phụ thuộc vào góc mở của cánh đo gió, nên tỉ lệ xăng có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh gió qua mạch gió rẽ Nhờ vít chỉnh tỉ lệ

Lọc gió Cảm biến lưu lươngkhí nạp

hỗn hợp ở mức cầm chừng thông qua vít chỉnh CO nên thành phần %CO trong khí thải sẽ được điều chỉnh tuy nhiên, điều này chỉ thực hiện ở tốc độ cầm chừng vì khi cánh đo gió đã mở lớn, lượng gió qua mạch rẽ ảnh hưởng rất ít đến lượng gió qua

mạch chính

H 2.6: Sơ đồ mạch điện của cảm biến lưu lượng gió

2.2.2.2 Cảm biến vị trí piston và tốc độ động cơ

Cảm biến vị trí piston (TDC sensor hay còn gọi là cảm biến G) báo cho ECU

vị trí tử điểm thượng của piston.Công dụng của cảm biến này là để ECU xác định thời điểm đánh lửa và thời điểm phun nhiên liệu

Cảm biến tốc độ động cơ (Engine Speed –NE) dùng để báo tốc độ động cơ

để tính toán hoặc tìm góc đánh lửa tối ưu và lượng nhiên liệu sẽ phun cho từng xilanh.Cảm biến này được dùng vào mục đích điều khiển tốc độ cầm chừng hoặc cắt nhiên liệu ở chế độ cầm chừng cưỡng bức

H 2.8: Cấu tạo của cảm biến vị trí pitton và cảm biến tốc độ động cơ

1 Rotor phát xung G

2 Cuộn dây phát xung G

3 Cuộn dây phát xung Ne

4 Rotor phát xung Ne

H2.9: Vị trí lắp đặt của cảm biến Trên động cơ Toyota cảm biến được lắp trên delco để xác định tốc độ động

cơ và vị trí trục piston

Trên hình trình bày cấu tạo của cảm biến vị trí piston và tốc độ động cơ dạng điện từ trên xe Toyota loại nam châm đứng yên Mỗi cảm biến gồm có một rotor để khép mạch từ và cuộn dây cảm ứng mà lõi gắn với một nam châm vĩnh cửu

++

bộ chuyển đổi A/D

bộ ổn áp

điện trở chuẩn

cảm biến nhiệt độ nước

Nguyên lý hoạt động:

Bộ phận chính của cảm biến là một cuộn dây cảm ứng, một nam châm vĩnh cửu và một rotor khép mạch từ có số răng tùy loại động cơ Khi cựa răng không nằm đối diện với các cực từ, từ thông đi qua cuộn dây cảm ứng có giá trị thấp vì khe

hở không khí lớn từ trở cao.Khi một cựa răng đến gần cực từ của cuộn dây, khe hở không khí giảm khiến từ thông tăng nhanh Như vậy, nhờ biến thiên từ thông, trên cuộn dây xuất hiện một sức điện động Khi cựa răng của rotor đối diện với cực từ của cuộn dây, từ thông đạt giá trị cực đại nhưng điện áp ở hai đầu cuộn dây bằng không Khi cựa răng di chuyển ra khỏi cực từ, thì khe hở không khí tăng dần làm từ thông giảm sinh ra một sức điện động theo chiều ngược lại

Mục đích: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát dùng để xác định nhiệt độ động cơ Nguyên lý làm việc:

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát bao gồm một điện trở nhiệt là một phần tử cảm nhận thay đổi điện trở theo nhiệt độ Nó được làm bằng vật liệu bán dẫn nên có

hệ số nhiệt điện trở âm Khi nhiệt độ tăng điện trở giảm và khi nhiệt độ giảm thì nhiệt độ tăng Các loại cảm biến nhiệt độ hoạt động cùng nguyên lý nhưng mức hoạt động và sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ có sự khác nhau Sự thay đổi giá trị điện trở sẽ làm thay đổi giá trị điệ áp gửi đến ECU trên nền tảng cầu phân áp

Điện áp qua điện trở chuẩn (điện trở này có giá trị không đổi theo nhiệt độ) tới cảm biến rồi trở về ECU rồi về mát Như vậy điện trở chuẩn và nhiệt điện trở trong cảm biến tạo thành một cầu phân áp Điện áp điểm giữa cầu được đưa đến bộ chuyển đổi tín hiệu tượng tự - số

Khi nhiệt độ động cơ thấp, giá trị điện trở cảm biến cao và điện áp gửi đến

bộ biến đổi ADC lớn.Tín hiệu điện áp được chuyển đổi thành một dãy xung vuông

và được giải mã nhờ bộ vi xử lý để thông báo cho động cơ biết động cơ đang lạnh.Khi động cơ nóng, giá trị điện trở cảm biến giảm kéo theo điện áp giảm, báo cho ECU biết động cơ đang nóng

Cấu tạo:

H 2.12: Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ nước làm mát

1 giắc cắm điện, 2 Vỏ, 3 Điện trở nhiệt

Là một trụ rỗng có ren ngoài,bên trong có gắn một điện trở dạng bán dẫn có

hệ số nhiệt điện trở âm

H2.13: vị trí lắp đặt cảm biến nhiệt độ nước

Sơ đồ mach điện :

H 2.14: Sơ đồ mạch điện của cảm biến nhiệt độ nước làm mát

2.2.2.4 Cảm biến nhiệt độ khí nạp

Cảm biến nhiệt độ khí nạp cũng có cấu tạo giống như cảm biến nhiệt độ nước làm mát Nó gồm một điện trở được gắn trên đường ống nạp

Đầu ra nước làm mát

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

H 2.15: Cấu tạo cảm biến nhiệt độ khí nạp

1 Đầu ghim, 2.Điện trở

Sơ đồ mach điện :

H 2.16: Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ khí nạp

Vị trí lắp đặt: Cảm biến nhiệt độ khí nạp được lắp trong cảm biến lưu lượng khí nạp

Nhiệm vụ: Cảm biến bướm ga được lắp trên trục cánh bướm ga.Cảm biến này

đóng vai trò chuyển vị trí góc mở cánh bướm ga thành tín hiệu điện áp chuyển đến ECU

Tín hiệu cầm chừng (IDL) dùng để điều khiển phun nhiên liệu khi động cơ hoạt động ở chế độ cầm chừng

Tín hiệu toàn tải (PSW) dùng để tăng lượng xăng phun ở chế độ toàn tải để tăng công suất động cơ

Cấu tạo :

- Một cần xoay đồng trục với bướm ga

- Cam dẫn hướng xoay theo cần

- Tiếp điểm di động di chuyển dọc theo rãnh của cam dẫn hướng

- Tiếp điểm cầm chừng

- Tiếp điểm toàn tải

Hoạt động :

- Ở chế độ cầm chừng: Khi cánh bướm ga đóng (góc mở < 50) thì tiếp điểm

di động sẽ tiếp xúc với tiếp điểm cầm chừng và gửi tín hiệu điện áp thông báo cho ECU biết động cơ đang hoạt động ở chế độ cầm chừng

- Tín hiệu này cũng dùng để cắt nhiên liệu khi động cơ giảm tốc đột ngột ví dụ: Khi xe đang chạy ở tốc độ cao mà muốn giảm tốc độ, ta nhả bàn đạp ga ra thì tiếp điểm cầm chừng trong công tắc cánh bướm ga đóng, báo cho ECU biết động cơ đang giảm tốc Nếu khi đó tốc độ động cơ vượt quá giá trị quy định tùy theo nhiệt

độ nước ECU sẽ điều khiển cắt nhiên liệu cho đến khi tốc độ động cơ đạt tốc độ cầm chừng ổn định

- Ở chế độ toàn tải khi cánh bướm ga mở khoảng 500 – 700 so với vị trí đóng hoàn toàn, thì tiếp điểm di động sẽ tiếp xúc với tiếp điểm toàn tải và gửi tín hiệu điện áp báo cho ECU biết tình trạng tải lớn của động cơ

H2.18:Vị trí lắp đặt cảm biến vị trí bướm ga

H 2.19: Sơ đồ mạch điện của cảm biến vị trí bướm ga

2.2.2.6 Cảm biến khí thải

Nhiệm vụ:Cảm biến khí thải được dùng để xác định thành phần hoà kkhí tức thời

của động cơ đang hoạt động Nó phát ra một tín hiệu điện áp gửi về ECU để điều chỉnh tỷ lệ hòa khí thích hợp trong một điều kiện làm việc nhất định

Vị trí lắp đặt: Cảm biến oxy được gắn trên đường ống thải

Nguyên lý hoạt động : Bản chất của cảm biến oxy là một pin điện có sức điện động

phụ thuộc vào nồng độ oxy trong khí thải với ZrO2 là chất điện phân Mặt trong ZrO2 tiếp xúc với không khí, mặt ngoài tiếp xúc với oxy trong khí thải Ở mỗi mặt của ZrO2 được phủ một lớp điện cực bằng platin để dẫn điện Lớp platin này rất mỏng và xốp để oxy dễ khuếch tán vào.Khi khí thải chứa lượng oxy ít do hỗn hợp

Cảm biến vị trí bướm ga

giàu nhiên liệu thì số ion oxy tập trung ở điện cực tiếp xúc khí thải ít hơn số ion oxy tiếp xúc điện cực ở không khí Sự chênh lệch số ion oxy này sẽ tạo một tín hiệu điện áp khoảng 600 – 900mV Ngược lại khi độ chênh lệch ion giữa hai điện cực nhỏ trong trường hợp nghèo xăng, pin oxy sẽ phát ra tín hiệu điện áp thấp khoảng

100 – 400 mV

Cấu tạo:Thân cảm biến được giữ trong một chân có ren, bao ngoài một ống bảo vệ

và được nối với các đầu dây điện

H 2.20: cấu tạo của cảm biến khí thải

Bề mặt của chất ZrO2 được phủ một lớp platin mỏng cả mặt trong lẫn mặt ngoài Ngoài lớp platin là lớp gốm ZrO2 rất xốp và kết dính, có nhiệm vụ bảo vệ lớp platin không bị hỏng do va chạm với các phần tử rắn có trong khí thải Một ống kim loại bảo vệ bao ngoài cảm biến tại đầu mối điện uốn kép giữ liền với vỏ ống này có một lỗ để bù trrừ áp suất trong cảm biến và để đỡ lò xo đĩa Để giữ cho muội than không đóng vào lớp gốm ZrO2, đầu tiếp xúc khí thải ccủa cảm biến có một lớp đặc biệt có cấu tạo dạng rãnh để khí thải và phân tử khí cháy đi vào sẽ bị giữ lại và không tiếp xúc trực tiếp với thân gốm ZrO2

Đặc biệt của cảm biến oxy với ZrO2 là nhiệt độ làm việc phải trên 3000C Do

đó, người ta mắc thêm một điện trở bên trong cảm biến để giảm thời gian chờ Điện trở lắp trong cảm biến, được cung cấp nguồn từ ắcquy qua công tắc máy

H 2.21: Sơ đồ mạch điện của cảm biến oxy

2.2.3 Bộ điều khiển trung tâm ECU

2.2.3.1) 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 các cảm biến, xử lý tín hiệu và đưa ra ác tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành

Cơ cấu chấp hành luôn bảo đảm thừa lệnh ECU và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến.Hoạt động của các hệ thống điều khiển động cơ đem lại sự chính xác

và thích ứng cần thiết để giảm tối đa các 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 chuẩn đoán động cơ khi có sự cố xảy ra

Bộ điều khiển động cơ, máy tính hay ECU là những tên gọi khác nhau của mạch điều khiển điện tử Nhìn chung đó là tổ hợp vi mạch và bộ phận phụ dùng để nhận biết tín hiệu, trữ thông tin, tính toán, quyết định chức năng hoạt động và gửi đi 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 được sắp xếp trong mạch in Các linh kiện công suất của tầng cuối nơi điều khiển các cơ cấu chấp hành được gắn với khung kim loại của

Đầu kiểm tra

Cảm biến oxy

Một đầu ghim đa chấu dùng nối ECU với hệ thống điện trên xe, với các cơ cấu chấp hành

H 2.22: Sơ đồ tổng quát của ECU

H 2.23: Hình dáng bên ngoài của ECU

2.2.3.2) Cấu tạo

H 2.24: Sơ đồ chân ECU

Giắc cắm chân ECU

Hộp ECU

a) Bộ nhớ : Bộ nhớ chia làm 4 loại

ROM : 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 sẵn ROM cung cấp thông tin cho bộ vi xử lý và lắp cố định trên mạch in

RAM: Bộ nhớ truy suất ngẫu nhiên dùng đẻ lưu trữ thông tin mới được ghi

trong bộ nhớ và xác định bởi vi xử lý.RAM có thể đọc và ghi các số liệu theo địa chỉ bất kỳ

PROM: Có cấu trúc cơ bản giống như ROM nhưng cho phép nạp dữ liệu ở

nơi sử dụng chú không phải nơi sản suất như ROM PROM cho phép sửa đổi chương trình điều khiển theo những đòi hỏi khác nhau

KAM: Dùng để lưu trữ thông tin mới cung cấp đến bộ vi xử lý KAM vẫn

duy trì bộ nhớ cho dù động cơ ngừng hoặc tắt công tắc máy Tuy nhiên nếu tháo nguồn cung cấp từ ắc quy đến máy tính thì bộ nhớ KAM sẽ bị mất

b) Bộ vi xử lý: Bộ vi xử lý có chức năng tính toán và ra quyết định.Nó là bộ

não của ECU

H 2.25: Sơ đồ khối các hệ thống trong máy tính

c) Đường truyền: Chuyển các lệnh và số liệu trong máy tính theo hai chiều

H 2.26: Mạch nguồn cấp cho ECU

d) Mạch giao tiếp ngõ vào

- Bộ chuyển đổi A/D(analog to digital converter)

H 2.27:Bộ chuyển đổi A/D Dùng để chuyển đổi các tín hiệu tượng tự từ đầu vào với sự thay đổi điện áp trên các cảm biến nhiệt độ, bộ đo gió, cảm biến bướm ga thành các tín hiệu số để bộ

- Bộ nhớ trung gian (buffer)

Dùng để chuyển tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu sóng vuông dạng số, nó không giữ lượng đếm như trong bộ đếm Bộ phận chính là một transisstor sẽ đóng

mở cực tính theo tín hiệu xoay chiều

H 2.29: Bộ nhớ trung gian

- Bộ khuếch đại (amplifier)

Một số cảm biến có tín hiệu rất nhỏ nên trong ECU thường có bộ khuếch đại

H 2.30: Bộ khuếch đại

-Bộ ổn áp (voltage regulator)

Thông thường trong ECU có hai bộ ổn áp: 12V và 5V

2.2.3.3) Tính toán lượng xăng phun vào động cơ

Lý thuyết về điều khiển phun xăng

Việc lựa chon thuật toán điều khiển phun xăng phụ thuộc vào các yếu tố mà nhà chế tao ưu tiên như :

Điều khiển chống ô nhiễm

Việc hòa trộn có thể thực hiện bằng hai cách phun trên đường ống nạp hoặc phun trong xilanh Nếu đủ thời gian, hỗn hợp hòa khí sẽ phân bố đồng nhất trong xilanh với tỉ lệ thay đổi trong khoảng 0.9 <  1 3 Đối với động cơ phun trực tiếp

GDI với tỉ lệ hòa khí rất nghèo   1 3 cũng phải tạo ra vùng hỗn hợp tương đối giàu ở gần vùng bugi trong buồng cháy

Quá trình cháy bắt đầu từ khi có tia lửa điện và được đặc trưng bởi :

 Ngọn lửa màu xanh đối với hỗn hợp đồng nhất và tỉ lệ lý tưởng Trường hợp này không có muội than hình thành

 Ngọn lửa màu vàng đối với hỗn hợp phân lớp và tỉ lệ hòa khí nghèo Các chất đọc hại trong khí thải như : CO, HC, NOx phụ thuộc vào tỉ lệ hòa khí :

Công suất động cơ

- Hỗn hợp giàu  1: Công suất cực đại nhờ lượng nhiên liệu tăng, sử dụng

ở chế độ tải lớn trước năm 1970 Ngày nay chỉ được dùng trong chế độ làm nóng động cơ Hàm lượng độc hại trong khí thải lớn

- Hỗn hợp lý tưởng  1: Công suất tương đối cao được sử dụng để tăng hiệu suất của bộ xúc tác

- Hỗn hợp tương đối nghèo 1  1 5: Hiệu suất tốt nhờ tăng lượng khí nạp nhưng hàm lượng NOx tăng sử dụng ở chế độ tải nhỏ trước năm 1980

- Hỗn hợp nghèo  1 5: Hiệu suất rất cao nhưng hàm lượng NOx vẫn còn lớn, vì vậy cần có bộ xúc tác cho NOx

Lượng nhiên liệu tổng cộng được phun ra phụ thuộc vào các thông số sau

- Lưu lượng khí nạp theo thời gian m’a

Chức năng của điều khiển phun xăng

- Kiểm soát lượng xăng phun theo thời gian, theo lượng khí nạp để đạt tỉ lệ mong muốn

- Tăng lượng nhiên liệu ở chế độ làm nóng sau khởi động lạnh

- Tăng lượng nhiên liệu và lượng khí nạp cho động cơ nguội vì ma sát lớn

- Bù lượng nhiên liệu bám trên ống nạp

- Cắt nhiên liệu khi giảm tốc độ hoặc khi tốc độ quá cao

- Điều chỉnh tốc độ cầm chừng

- Điều chỉnh 

- Điều chỉnh hồi lưu khí nạp

Tính toán thời gian phun

H 2.33: Sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị điều khiển điện tử

1 Khối chuẩn hóa tín hiệu và chia tần số, 2 Tính toán thời gian phun

3 Tầng khuếch đại , 4 Tầng ra, 5 Vòi phun Lượng xăng phun vào xilanh trong mỗi chu trình hoạt động của động cơ sẽ được quy về việc tính toán thời gian mở kim phun

Việc xác định thời gian phun cơ bản được thực hiện bởi một mạch điện tử tích hợp đặc biệt, gọi là bộ phận chia đa dao động Thiết bị này tiếp nhận thông tin

về tốc độ động cơ và kết hợp với tín hiệu lưu lượng thể tích khí nạp Tín hiệu ra của

bộ phân chia đa dao động là một xung vuông có dộ dài tp, biểu thị lượng xăng phun chưa tính đến các giá trị hiệu chỉnh Việc thích ứng thời gian phun cơ bản với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ được thực hiện ở tầng nhân Tầng này tiếp nhận các thông tin về sự làm việc của động cơ như khởi động lạnh, chạy sấy nóng, chạy toàn tải …qua đó tính toán thông số hiệu chỉnh K Độ dài của tín hiệu ra sẽ là

tp + tm trong đó tm = k.tp Như vậy, lượng tm đặc trưng cho sự làm đậm thêm hỗn hợp

và k gọi là hệ số làm đậm

Mặt khác quán tính của vòi phun xăng phụ thuộc nhiều vào sự ổn định của điện áp cung cấp Sự sụt áp, ví dụ như khi khởi động hoặc do ắc quy có vấn đề… sẽ làm tăng thời gian cần thiết để kích thích nam châm điện và nâng kim phun lên khỏi đế, dẫn đến làm giảm lượng xăng ra Để khắc phục, cần phải kéo dài thêm thời gian phun Bộ điều khiển trung tâm sẽ kiểm tra điện áp thực tế của accu ,và mạch

bù điện tử sẽ kéo dài thêm thời gian phun ts, tỷ lệ với sự tăng quán tính đóng mở của vòi phun do sự sụt áp Như vậy thời gian phun thực tế tổng cộng là ti = tp + tm + ts

2.2.4 Cấu tạo và hoạt động của các thiết bị thuộc hệ thống cung cấp nhiên liệu 2.2.4.1 Điều khiển bơm xăng và điều áp

 Cấu tạo bơm xăng và nguyên lý hoạt động của bơm xăng

Cấu tạo:

- Mô tơ điện một chiều

- Bộ phận công tác của bơm

- Van giảm áp và van một chiều

Bộ phận bơm là một buồng rỗng hình trụ, trong đó có một đĩa quay sai tâm được bố trí con lăn trong các rãnh và bắt dính vào rotor Khi có dòng điện chạy qua,

rotor sẽ kéo theo đĩa sai tâm quay Dưới tác dụng của lực ly tâm, các con lăn sẽ bị

ép ra ngoài tạo một đệm xoay vòng liên tục làm tăng thể tích ở cửa vào và giảm thể

ở cửa ra

H 2.34 : Mặt cắt dọc và mặt cắt ngang của bơm xăng

1 Roto, 2 Con lăn, 3.Van ổn định áp suất, 4.Van một chiều,

Van một chiều :

Van một chiều sẽ đóng khi bơm ngừng làm việc Tác dụng của nó là giữ cho

áp suất trong đường ống ở một giá trị nhất định, giúp cho việc khởi động lại dễ dàng, nếu áp suất trong mạch không được giữ do nhiên liệu bốc hơi hoặc quay về thùng thì việc khởi động lại sẽ rất khó khăn

Van an toàn:

Van làm việc khi áp suất vượt qua giá trị quy định Van này có tác dụng bảo

vệ mạch nhiên liệu khi áp suất vượt quá giới hạn cho phép (trong trường hợp nghẹt đường ống chính

Vị trí lắp đặt: Bơm xăng được đặt bên trong thùng chứa nhiên liệu