1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, khi mà khoa học kỹ thuật đang phát triển như vụ bão thì những ứng dụng công nghệ tiên tiến trên ô tô ngày càng nhiều. Trong đó không thể thiếu những thiết bị tiện nghi trên xe, nhu cầu sử dụng xe hơi ngày càng khắt khe hơn người ta ngày càng quan tâm đến những chiếc xe được trang bị các hệ thống hiện đại, mà trên đó không thể thiếu hệ thống các cảm biến . Các hệ thống hiện đại này đã nâng giá trị của ô tô lên rất cao và con người không chỉ dừng ở đó, các kỹ sư ô tô còn có những ước mơ lớn hơn là làm sao để những chiếc xe thật sự thân thiện với người sử dụng, đến lúc đó khi ngồi trên xe ta sẽ có cảm giác thật sự thoải mái, giảm đến mức tối thiểu các thao tác của người lái xe, mọi hoạt động của xe sẽ được kiểm soát và điều chỉnh một cách hợp lý nhất. Cảm biến ô tô cũng giống như giác quan của cơ thể con người. Chúng có chức năng cảm nhận những tín hiệu được lập trình sẵn để đưa ra những chẩn đoán, cung cấp thông tin cho bộ xử lý, từ đó bộ xử lý sẽ xử lý thông tin và đưa ra những tính toán, hành động cho từng chức năng, bộ phận trên xe. Cảm biến dùng để biến các hiện tượng vật lý cụ thể như nhiệt độ nước làm mát động cơ, áp suất khối lượng không khí…… thành các tín hiệu điện rồi chuyển đổi tín hiệu hoặc khuếch đại tín hiệu sau đó gởi về hộp điều khiển ví dụ như hộp ECM, ECU, PCM hay hộp GEM. Từ đây các tín hiệu được xử lý rồi sau đó để điều khiển các thiết bị truyền động theo một chương trình được cài đặt sẳn trong hộp điều khiển.. Với những ý nghĩa tốt đẹp đó em quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu khảo sát hệ thống điều khiển động cơ 1SZFE lắp trên xe ô tô Toyota Yaris 2003”. 2. Nội dung nghiên cứu Tìm hiểu tổng quan về động cơ 1SZFE trên Toyota Yaris. Nắm rõ các sơ đồ, mạch điện, các thông số cơ bản và nguyên lí hoạt động của các hệ thống cảm biến trên động cơ 1SZFE trên Toyota Yaris. Khảo sát thiết kế mô hình, ảnh hưởng của cảm biến trục khuỷu đến động cơ,từ đó rút ra bài học Các dạng hư hỏng thường gặp, cách kiểm tra và sửa chữa ở hệ thống các cảm biến trên xe ô tô 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là nghiên cứu khảo sát hệ thống điều khiên động cơ 1SZFE lắp trên xe Toyota Yaris 2003. Phạm vi nghiêm cứu: Do thời gian và kiến thức có hạn nên bài luận văn của em chỉ nghiên cứu về một số hệ thống cơ bản như: Các cảm biến, cơ cấu chấp hành, ECU điều khiển động cơ. 4. Phương pháp nghiên cứu đề tài Nghiên cứu tài liệu. Nghiên cứu thực tiễn. Phương pháp phân tích suy luận. Phương pháp thống kê mô tả, tổng hợp các kết quả nghiên cứu. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Kết quả nghiên cứu khảo sát sẽ giúp chúng ta nắm được những kiến thức cơ bản về hệ thống điều khiển động cơ trên ô tô về nguyên lý hoạt động cấu tạo của các cảm biến giúp sinh viên hiểu rõ và đi sâu hơn trong việc nghiên cứu hệ thống điều khiển.
Trang 1MỤC LỤC
NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN i
NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ii
LỜI CẢM ƠN iii
LỜI NÓI ĐẦU iv
MỤC LỤC v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix
DANH MỤC BẢNG x
DANH MỤC HÌNH ẢNH xi
MỞ ĐẦU 1
1 Lý do chọn đề tài 1
2 Nội dung nghiên cứu 1
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
4 Phương pháp nghiên cứu đề tài 2
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂU ĐỘNG CƠ TRÊN ÔTÔ 3
1.1 Lịch sử hình thành và phát triển hệ thống điều khiển động cơ3 1.2 Sơ đồ cấu trúc và các khối chức năng 4
1.3 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của các cảm biến 6
1.3.1 Các cảm biến và tín hiệu đầu vào 6
1.3.1.1 Cảm biến đo gió 6
1.3.1.2 Cảm biến vị trí trục khuỷu 8
1.3.1.3 Cảm biến vị trí trục cam 11
1.3.1.4 Cảm biến tỉ lệ không khí và nhiên liệu 13
1.3.1.5 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 15
1.3.1.6 Cảm biến ôxy 15
1.3.1.7 Cảm biến kích nổ 17
1.3.1.8 Cảm biến vị trí bướm ga 18
1.3.1.9 Cảm biến vị trí bàn đạp ga 21
1.3.1.10 Cảm biến biến áp suất 23
1.3.2 ECU điều khiển động cơ 24
Trang 21.3.2.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của ECU 24
1.3.2.2 Cấu trúc của bộ ECU 26
1.3.2.3 Nguyên lý điều khiển động cơ của hộp ECU 27
1.3.2.4 Các dấu hiệu hư hỏng thường gặp của hộp ECU .27 1.4 Cơ cấu chấp hành hệ thống điều khiển động cơ 29
1.4.1 Hệ thống cung cấp điện 29
1.4.2 Hệ thống đánh lửa 29
1.4.2.1 Nhiệm vụ 29
1.4.2.2 Phân loại 30
1.4.3 Hệ thống cung cấp nhiên liệu 32
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 1SZ-FE LẮP TRÊN XE TOYOTA YARIS 2003 34
2.1 Giới thiệu về động cơ 1SZ-FE trên Toyota Yaris 34
2.1.1 Khái quát về Toyota Yaris 34
2.1.2 Tổng quan về hệ thống điều khiển động cơ 1SZ-FE 35
2.1.3 vị trí lắp đặt các cảm biến trên động cơ 36
2.2 Các cảm biến trên động cơ 1SZ-FE 37
2.2.1 Cảm biến lưu lượng không khí nạp khí nạp 37
2.2.1.1 Vị trí và chức năng 37
2.2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 37
2.2.2 Cảm biến vị trí trục cam 40
2.2.2.1 Vị trí và chức năng 40
2.2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc 40
2.2.3 Cảm biến vị trí trục khuỷu 42
2.2.3.1 Vị trí và chức năng 42
2.2.3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 42
2.2.4 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 44
2.2.4.1 Vị trí và chức năng 44
2.2.4.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc 44
2.2.5 Cảm biến ôxy 47
2.2.5.1 Vị trí và chức năng của cảm biến ôxy 47
2.2.5.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 47
Trang 32.2.6 Cảm biến vị trí bướm ga 50
2.2.6.1 Vị trí và chức năng 50
2.2.6.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 50
2.2.7 Cảm biến kích nổ 52
2.2.7.1 Vị trí và chức năng 52
2.2.7.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 53
2.2.8 Cảm biến tỷ lệ không khí- nhiên liệu 55
2.2.8.1 Vị trí và chức năng 55
2.2.8.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 55
CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂU ĐỘNG CƠ 1SZ-FE LẮP TRÊN XE TOYOTA YARIS 2003 58
3.1 Thiết kế mô hình 58
3.2 Khảo sát thí nghiệm các thông số ảnh hưởng đến hệ thông phun xăng 61
3.2.1 Lắp đặt thiết bị kiểm tra 61
3.2.2 Ký hiệu màu dây 62
3.2.3 Ảnh hưởng cảm biến nhiệt độ nước làm mát lên hệ thống phun xăng 62
3.2.4 Ảnh hưởng cảm biến vị trí trục khuỷu lên hệ thống phun xăng 64
3.2.5 Ảnh hưởng cảm biến vị trí bướm ga lên hệ thống phun xăng 65
3.2.6 Ảnh hưởng cảm biến nhiệt độ không khí nạp lên hệ thống phun xăng 67
3.3 Xây dựng bài học trên mô hình 68
3.3.1 Mô tả mô hình 68
3.3.2 Mục đích 69
3.3.3 An toàn 69
3.3.4 Chuẩn bị 69
3.3.5 Yêu cầu sử dụng 69
Trang 4CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH THÁO LẮP, KIỂM TRA CHẨN ĐOÁN VÀ BẢO DƯỠNG SỬA CHỮA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
1SZ-FE TRÊN XE TOYOTA YARIS 2003 70
4.1 Trình tự tháo, lắp các cảm biến trên động cơ 70
4.1.1 Trình tự tháo, lắp cảm biến lưu lượng khí nạp 70
4.1.1.1 Tháo cảm biến lưu lượng khí nạp 70
4.1.1.2 Lắp cảm biến lưu lượng khí nạp 70
4.1.2 Trình tự tháo lắp cảm biến vị trí trục cam 71
4.1.2.1 Tháo cảm biến vị trí trục cam 71
4.1.2.2 Lắp cảm biến vị trí trục cam 73
4.1.3 Trình tự tháo lắp cảm biến vị trí trục khuỷu 76
4.1.3.1.Tháo cảm biến vị trí trục khuỷu 76
4.1.3.2 Lắp cảm biến vị trí trục khuỷu 78
4.1.4 Trình tự tháo, lắp cảm biến nhiệt độ nước làm mát 80
4.1.4.1 Tháo cảm biến nhiệt độ nước làm mát 81
4.1.4.2 Lắp cảm biến nhiệt độ nước làm mát 83
4.1.5 Trình tự tháo lắp cảm biến oxy 87
4.1.5.1 Tháo cảm biến oxy 87
4.1.5.2 Lắp cảm biến oxy 88
4.1.6 Trình tự tháo lắp cảm biến tiếng gõ 89
4.1.6.1 Tháo cảm biến tiếng gõ 89
4.1.6.2 Lắp cảm biếng tiếng gõ 97
4.1.7 Trình tự tháo, lắp cảm tỷ lệ không khí nhiên liệu 109
4.1.7.1 Tháo cảm biến tỷ lệ không khí nhiên liệu 109
4.1.7.2 Lắp cảm biến tỷ lệ không khí- nhiên liệu 110
4.2 Quy trình kiểm tra, bảo dưỡng sửa chữa các cảm biến trên động cơ 111
4.2.1 Kiểm tra mạch cấp nguồn ECU động cơ: 111
4.2.2 Kiểm tra cảm biến vị trí trục khuỷu 113
4.2.3 Kiểm tra cảm biến vị trí trục cam 114
4.2.4 Kiểm tra cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ 116
4.2.5 Kiểm tra cảm biến lưu lượng không khí nạp 118
Trang 54.2.6 Kiểm tra cảm biến kích nổ 120
4.2.7 Kiểm tra cảm biến oxy 121
4.2.8 Kiểm tra cụm cổ họng gió 124
4.3 Bảng mã lỗi chẩn đoán 126
KẾT LUẬN 128
TÀI LIỆU THAM KHẢO 129
Trang 6DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ESA: (Electronic Spark Advance): Bộ đánh lửa sớm
DIS: (Direct Ignition System): Hệ thống đánh lửa không bộ chia điện.
GDI: (Gasoline Direct Injection): Phun xăng trực tiếp.
ECM: (Engine Control Module): Hộp điều khiển động cơ
ECU: (Electronic Control Unit): Hộp điều kiển động cơ (ECM).
EGR: (Exhaust Gas Recirculation): Luân hồi khí thải.
ISC: (Idle Speed Control): Điều khiển tốc độ không tải.
NE: Tín hiệu trục khuỷu
G: Tín hiệu trục cam
THA: Tín hiệu nhiệt độ không khí nạp
VG: Tín hiệu lưu lượng không khí nạp
THW: Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát
VTA: Tín hiệu vị trí bướm ga
KNK: Tín hiệu kích nổ
A/F: (Air/Fuel): Tỉ lệ không khí / nhiên liệu
ETCS-i: (Electronic Throttle Control System – intelligence): Hệ thống kiểm soát
bướm ga điện tử - thông minh
VVT-i: (Variable Valve Timing With Intelligence): Van điều khiển góc phân phối khí
thông minh (của TOYOTA)
PCV: (Positive Crankase Ventilation): Thông khí hộp các te
MIL: (Malfunction Indicator Lamp): Đèn báo lỗi
Trang 7DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Thông số cơ bản của động cơ 1SZ-FE 35
Bảng 2.2: Cấu tạo hệ thống điều khiển động cơ 1SZ-FE 35
Bảng 3.2: Bảng ký hiệu màu dây 62
Bảng 4.1: Dấu hiệu và nguyên nhân cảm biến hỏng 113
Bảng 4.2: Dấu hiệu và nguyên nhân cảm biến hỏng 114
Bảng 4.3: Dấu hiệu và nguyên nhân hư hỏng 116
Bảng 4.4: Dấu hiệu và nguyên nhân hư hỏng 118
Bảng 4.5: Dấu hiệu và nguyên nhân cảm biến hỏng 120
Bảng 4.6: Dấu hiệu và nguyên nhân cảm biến hỏng 122
Bảng 4.7: Kiểm tra điện áp cảm biến oxy 123
Bảng 4.8: Kiểm tra điện áp cảm biến vị trí cánh bướm ga 124
Bảng 4.9:Bảng mã lỗi của động cơ 1SZ-FE 126
Trang 8DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển động cơ 4
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tự động trên ô tô 6
Hình 1.3: Cấu tạo cảm biến lưu lượng kiểu dây nóng 6
Hình 1.4: Mạch điện cảm biến lưu lượng khí nạp 7
Hình 1.5: Cấu tạo cảm biến nhiệt độ không khí nạp 8
Hình 1.6: sơ đồ điện cảm biến THA 8
Hình 1.7: Cấu tạo cảm biến trục khuỷu 9
Hình 1.8: Cấu tạo cảm biến trục khuỷu loại điện từ 9
Hình 1.9: Cấu tạo cảm biến vị trí trục khuỷu loại Hall 10
Hình 1.10: Cấu tạo cảm biến vị trí trục khuỷu loại quang 10
Hình 1.11: Dạng sóng tín hiệu NE 11
Hình 1.12: Cấu tạo cảm biến vị trí trục cam 12
Hình 1.13: Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí trục cam 12
Hình 1.14: Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ không khí nạp 13
Hình 1.15: Cấu tạo, đường đặc tính của cảm biến tỷ lệ không khí- nhiên liệu 13
Hình 1.16: Sơ đồ mạch điện của cảm biến tỷ lệ không khí-nhiên liệu 14
Hình 1.17: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 15
Hình 1.18: Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát 15
Hình 1.19: Cấu tạo của cảm biến oxy 16
Hình 1.20: Sơ đồ mạch điện cảm biến oxy có bộ sấy 17
Hình 1.21: Cấu tạo của cảm biến kích nổ 17
Hình 1.22: Sơ đồ mạch điện cảm biến kích nổ 18
Hình 1.23: Cấu tạo cảm biến bướm ga loại tiếp điểm 19
Hình 1.24: Sơ đồ mạch điện cảm biến bướm ga loại tiếp điểm 19
Hình 1.25: Cấu tạo cảm biến bướm ga loại tuyến tính 20
Hình 1.26: Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính 20
Hình 1.27: Cấu tạo cảm biến bướm ga loại từ Hall 20
Hình 1.28: Sơ đồ mạch điện cảm biến bướm ga loại Hall 21
Hình 1.29: Cấu tạo của cảm biến bàn đạp ga loại tuyến tính 22
Hình 1.30: Cấu tạo của cảm biến bàn đạp ga loại Hall 23
Trang 9Hình 1.31: Cấu tạo cảm biến MAP 23
Hình 1.32: Sơ đồ nguyên lý cảm biến áp suất đường ống nạp 24
Hình 1.33: Hộp ECU động cơ 25
Hình 1.34: Sơ đồ cấu trúc chung của ECU 26
Hình 1.35: Đèn check báo sáng trên đồng hồ 28
Hình 1.36: Kiểm tra và sửa chữa ECU ô tô khi xe có dấu hiệu khó khởi động 29
Hình 1.37: Hệ thống đánh lửa ngắt tiết điểm 30
Hình 1.38: Hệ thống đánh lửa kiểu bán dẫn 31
Hình 1.39: Hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS 31
Hình 1.40: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu 32
Hình 2.1: Xe Toyota Yaris 34
Hình 2.2: Vị trí lắp đặt các cảm biến trên động cơ 36
Hình 2.3: Vị trí cảm biến lưu lượng không khí nạp 37
Hình 2.4: Cấu tạo của cảm biến lưu lượng khí nạp 37
Hình 2.5: Kiểu chân giắc cảm biến lưu lượng khí nạp 38
Hình 2.6: Sơ đồ mạch điện bên trong của cảm biến lưu lượng khí nạp 38
Hình 2.7: Đặc tính bộ đo gió dây nhiệt 39
Hình 2.8: Vị trí cảm biến vị trí trục cam 40
Hình 2.9: Cảm biến vị trí trục cam 40
Hình 2.10: Cấu tạo của cảm biến G 41
Hình 2.11: Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí trục cam và dạng sóng G 41
Hình 2.12: Vị trí của cảm biến vị trí trục khuỷu 42
Hình 2.13: Cấu tạo cảm biến vị trí trục khuỷu 43
Hình 2.14: Sơ đồ mạch điện và dạng sóng cảm biến Ne 43
Hình 2.15: Vị trí của cảm biến nhiệt độ nước làm mát 44
Hình 2.16: Sơ đồ cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước làm mát 44
Hình 2.17: Kiểu chân giắc của cảm biến nhiệt độ nước làm mát 45
Hình 2.18: Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát 45
Hình 2.19: Mạch điện và đặc tính cảm biến nhiệt độ nước làm mát 46
Hình 2.20: Vị trí của cảm biến ôxy 47
Hình 2.21: Cấu tạo cảm biến ôxy 48
Hình 2.22: Tín hiệu cảm biến ôxy 48
Trang 10Hình 2.23: Đặc tính của cảm biến ôxy 49
Hình 2.24: Bộ sấy của cảm biến ôxy 49
Hình 2.25: Sơ đồ và đường đặc tính cảm biến ôxy 50
Hình 2.26: Vị trí cảm biến bướm ga 50
Hình 2.27: Cấu tạo của cảm biến vị trí bướm ga 51
Hình 2.28: Sơ đồ mạch điện của cảm biến vị trí bướm ga 51
Hình 2.29: Đặc tính của cảm biến vị trí bướm ga 52
Hình 2.30: Vị trí của cảm biến kích nổ 53
Hình 2.31: Cách bố trí của cảm biến kích nổ 53
Hình 2.32: Kiểu chân giắc cảm biến kích nổ 53
Hình 2.33: Cấu tạo cảm biến kích nổ 54
Hình 2.34: Sơ đồ mạch điện của cảm biến kích nổ 54
Hình 2.35: Đồ thị biểu diễn tần số kích nổ 55
Hình 2.36: Vị trí của cảm biến tỷ lệ không khí nhiên liệu 55
Hình 2.37: Cấu tạo, đường đặc tính của cảm biến tỷ lệ không khí- nhiên liệu 56
Hình 2.38: Sơ đồ mạch điện của cảm biến tỷ lệ không khí-nhiên liệu 56
Hình 3.1: Bản vẽ mô hình 58
Hình 3.2: Ảnh Gá lên mica đo kích thước 59
Hình 3.3: Lắp các đomino 59
Hình 3.4: Ảnh kim phun và bô bin đánh lửa 60
Hình 3.5: Mô hình hoàn thành 61
Hình 3.6: Sơ đồ thí nghiệm 62
Hình 3.7: Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát 62
Hình 3.8: Mối quan hệ giữa điện áp và nhiệt độ nước làm mát 63
Hình 3.9: Biểu đồ ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm mát đến thời gian phun 63
Hình 3.10: Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí trục khuỷu 64
Hình 3.11: Mối quan hệ giữa tốc độ động cơ và thời gian phun 64
Hình 3.12: Biểu đồ ảnh hưởng cảm biến vị trí trục khuỷu đến thời gian phun 65
Hình 3.13: Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bướm ga 65
Hình 3.14: Mối quan hệ giữa điện áp và góc mở bướm ga 66
Hình 3.15: Biểu đồ ảnh hưởng của trí bướm ga đến thời gian phun 66
Hình 3.16: Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ không khí nạp 67
Trang 11Hình 3.17: Mối quan hệ giữa điện áp và nhiệt độ không khí nạp 67
Hình 3.18: Biểu đồ ảnh hưởng của nhiệt độ không khí nạp đến thời gian phun 68
Hình 4.1 Các bộ phận của cảm biến lưu lượng khí nạp 70
Hình 4.2 Các bộ phận của cảm biến vị trí trục cam 71
Hình 4.3 Các bộ phận của cảm biến vị trí trục khuỷu 76
Hình 4.4 Các bộ phận của cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ 80
Hình 4.5 Các bộ phận của cảm biến ôxy 87
Hình 4.6: Các bộ phận của cảm biến tiếng gõ 89
Hình 4.7 Các bộ phận của cảm biến tỷ lệ không khí-nhiên liệu 109
Hình 4.8: Sơ đồ mạch cấp nguồn cho ECU động cơ 112
Hình 4.9: Sơ đồ mạch điện cảm biến trục khuỷu 113
Hình 4.10: Hình lắp cảm biến vị trí trục khuỷu 114
Hình 4.11: Sơ đồ cảm biến trục cam 115
Hình 4.12: Hình lắp cảm biến vị trí trục cam 115
Hình 4.13: Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát 116
Hình 4.14: Kiểm tra ngắn mạch cảm biến nhiệt độ nước 117
Hình 4.15: Kiểm tra hở mạch cảm biến nhiệt độ nước 117
Hình 4.16: Kiểm tra cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ 118
Hình 4.17: Sơ đồ mạch điện cảm biến lưu lượng không khí nạp 119
Hình 4.18: Sơ đồ mạch điện cảm biến kích nổ 120
Hình 4.19: Sơ đồ mạch điện cảm biến oxy 121
Hình 4.20: Vị trí chân giắc cảm biến oxy 122
Hình 4.21: Sơ đồ cảm biến vị trí cánh bướm ga 124
Trang 12MỞ ĐẦU
1 Lý do chọn đề tài
Ngày nay, khi mà khoa học kỹ thuật đang phát triển như vụ bão thì những ứng dụngcông nghệ tiên tiến trên ô tô ngày càng nhiều Trong đó không thể thiếu những thiết bịtiện nghi trên xe, nhu cầu sử dụng xe hơi ngày càng khắt khe hơn người ta ngày càngquan tâm đến những chiếc xe được trang bị các hệ thống hiện đại, mà trên đó khôngthể thiếu hệ thống các cảm biến Các hệ thống hiện đại này đã nâng giá trị của ô tô lênrất cao và con người không chỉ dừng ở đó, các kỹ sư ô tô còn có những ước mơ lớnhơn là làm sao để những chiếc xe thật sự thân thiện với người sử dụng, đến lúc đó khingồi trên xe ta sẽ có cảm giác thật sự thoải mái, giảm đến mức tối thiểu các thao táccủa người lái xe, mọi hoạt động của xe sẽ được kiểm soát và điều chỉnh một cách hợp
lý nhất
Cảm biến ô tô cũng giống như giác quan của cơ thể con người Chúng có chức năngcảm nhận những tín hiệu được lập trình sẵn để đưa ra những chẩn đoán, cung cấpthông tin cho bộ xử lý, từ đó bộ xử lý sẽ xử lý thông tin và đưa ra những tính toán,hành động cho từng chức năng, bộ phận trên xe Cảm biến dùng để biến các hiệntượng vật lý cụ thể như nhiệt độ nước làm mát động cơ, áp suất khối lượng khôngkhí…… thành các tín hiệu điện rồi chuyển đổi tín hiệu hoặc khuếch đại tín hiệu sau đógởi về hộp điều khiển ví dụ như hộp ECM, ECU, PCM hay hộp GEM Từ đây các tínhiệu được xử lý rồi sau đó để điều khiển các thiết bị truyền động theo một chươngtrình được cài đặt sẳn trong hộp điều khiển
Với những ý nghĩa tốt đẹp đó em quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu khảo sát hệ thống điều khiển động cơ 1SZ-FE lắp trên xe ô tô Toyota Yaris 2003”.
2 Nội dung nghiên cứu
- Tìm hiểu tổng quan về động cơ 1SZ-FE trên Toyota Yaris.
- Nắm rõ các sơ đồ, mạch điện, các thông số cơ bản và nguyên lí hoạt động của các
hệ thống cảm biến trên động cơ 1SZ-FE trên Toyota Yaris
- Khảo sát thiết kế mô hình, ảnh hưởng của cảm biến trục khuỷu đến động cơ,từ đórút ra bài học
- Các dạng hư hỏng thường gặp, cách kiểm tra và sửa chữa ở hệ thống các cảm biến trên
xe ô tô
Trang 133 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là nghiên cứu khảo sát hệ thống điều khiên động cơ 1SZ-FElắp trên xe Toyota Yaris 2003
- Phạm vi nghiêm cứu: Do thời gian và kiến thức có hạn nên bài luận văn của emchỉ nghiên cứu về một số hệ thống cơ bản như: Các cảm biến, cơ cấu chấp hành, ECUđiều khiển động cơ
4 Phương pháp nghiên cứu đề tài
- Nghiên cứu tài liệu
- Nghiên cứu thực tiễn
- Phương pháp phân tích suy luận
- Phương pháp thống kê mô tả, tổng hợp các kết quả nghiên cứu
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Kết quả nghiên cứu khảo sát sẽ giúp chúng ta nắm được những kiến thức cơ bản
về hệ thống điều khiển động cơ trên ô tô về nguyên lý hoạt động cấu tạo của các cảmbiến giúp sinh viên hiểu rõ và đi sâu hơn trong việc nghiên cứu hệ thống điều khiển
Trang 14CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂU
ĐỘNG CƠ TRÊN ÔTÔ1.1 Lịch sử hình thành và phát triển hệ thống điều khiển động cơ
Vào thế kỷ 19, một kỹ sư người Pháp ông Stevan đã nghĩ ra cách phun nhiên liệucho một máy nén khí Sau đó một thời gian một người Đức đã cho phun nhiên liệu vàobuồng cháy nhưng không mang lại hiệu quả nên không được thực hiện Đầu thế kỷ 20,người Đức áp dụng hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ 4 thì tĩnh tại (nhiên liệudùng trên động cơ này là dầu hoả nên hay bị kích nổ và hiệu suất rất thấp) Tuy nhiên,sau đó sáng kiến này đã được ứng dụng thành công trong việc chế tạo hệ thống cungcấp nhiên liệu cho máy bay ở Đức Đến năm 1966, hãng BOSCH đã thành công trongviệc chế tạo hệ thống phun xăng kiểu cơ khí Trong hệ thống phun xăng này, nhiênliệu được phun liên tục vaò trước supap hút nên có tên gọi là K – Jetronic (K-Konstant – liên tục, Jetronic – phun). K – Jetronic được đưa vào sản xuất và ứng dụngtrên các xe của hãng Mercedes và một số xe khác, là nền tảng cho việc phát triển cho
hệ thống phun xăng thế hệ sau như KE –Jetronic, Mono-Jetronic, L-Jetronic,Motronic …
Tên tiếng Anh của K-Jetronic là CIS (Continuous Injection System) đặc trưng chocác hãng xe Châu Âu và có 4 loại cơ bản cho CIS là: K – Jetronic, K –Jetronic – vớicảm biến oxy và KE – Jetronic( có kết hợp điều khiển bằng điện tử) hoặc KE –Motronic (kèm điều khiển góc đánh lửa sớm) Do hệ thống phun cơ khí còn nhiềunhược điểm nên đầu những năm 80, BOSCH đã cho ra đời hệ thống phun sử dụng kimphun điều khiển bằng điện Có hai loại: hệ thống L-Jetronic (lượng nhiên liệu đượcxác định nhờ cảm biến đo lưu lượng khí nạp) và D-Jetronic (lượng nhiên liệu được xácđịnh dựa vào áp suất trên đường ống nạp)
Đến năm 1984 người Nhật (mua bản quyền của BOSCH) đã ứng dụng hệ thốngphun xăng L-Jetronic và D-Jetronic trên các xe của hãng Toyota ( dùng với động cơ4A – ELU) Đến năm 1987 hãng Nissan dùng L – Jetronic thay cho bộ chế hoà khí của
xe Nissan Sunny Song song với sự phát triển của hệ thống phun xăng, hệ thống điềukhiển đánh lửa theo chương trình (ESA – Electronic Spark Advance) cũng được đưavào sử dụng vào những năm đầu thập kỷ 80 Sau đó vào đầu những năm 90, hệ thống
Trang 15đánh lửa trực tiếp (DIS – Direct Ignition System) ra đời, cho phép không sử dụngdelco và hệ thống này đã có mặt trên hầu hết các xe thế hệ mới
Ngày nay, gần như tất cả các ô tô đều được trang bị hệ thống điều khiển động cơ cảxăng và diesel theo chương trình chúng giúp động cơ đáp ứng được các yêu cầu gắtgao về khí xả và tính tiết kiệm nhiên liệu Thêm vào đó, công suất động cơ cũng đượccải thiện rõ rệt Những năm gần đây, một thế hệ mới của động cơ phun xăng đã ra đời
Đó là động cơ phun trực tiếp: GDI (Gasoline Direct Injection). Trong tương lai gần,chắc chắn GDI sẽ được sử dụng rộng rãi
1.2 Sơ đồ cấu trúc và các khối chức năng
Hệ thống điều khiển bao gồm:
- Ngõ vào (Inputs) với chủ yếu là các cảm biến
- Hộp ECM (Engine Control Module) là bộ não của hệ thống
- Ngõ ra (Outputs) là các cơ cấu chấp hành (Actuators) như kim phun, bobine, vanđiều khiển cầm chừng,…
Trang 16Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển động cơ
Sơ đồ cấu trúc và các khối chức năng của hệ thống điều khiển động cơ - ôtô theochương trình được mô tả trên hình Hệ thống điều khiển bao gồm: ngõ vào (Inputs) vớichủ yếu là các cảm biến; Bộ điều khiển trung tâm ECU (Electronic Control Unit) là bộnão của hệ thống; Ngõ ra (Outputs) bao gồm các cơ cấu chấp hành (Actuators) như:vòi phun, bobin, van điều khiển cầm chừng, động cơ bước (mở bướm ga),
Cảm biến kiểm soát liên tục tình trạng hoạt động của động cơ và báo về cho bộ điềukhiển ECU động cơ biết Từ đó, ECU động cơ sẽ tính toán, xử lý tín hiệu và đưa ra tínhiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành
Một trong những vấn đề chủ yếu mà điều khiển tự động trên ô tô phải giải quyết làđiều khiển các thông số ra của các hệ thống trang bị trên xe sao cho đảm bảo tính năng
và sự an toàn của ô tô là tốt nhất trong mọi điều kiện hoạt động
Đối với ôtô khi vận hành luôn có sự thay đổi về tốc độ, tải trọng, khí hậu môitrường, điều kiện mặt đường … Vì cần phải điều khiển các thông số ra cho những hệthống trên ô tô khá đa dạng và phức tạp, ngoài ra các hệ thống này còn chịu ảnh hưởngcủa những tác động bên ngoài Do vậy, điều khiển tự động trên ôtô thường áp dụng hệthống điều khiển kín và có hồi tiếp Sự áp dụng loại hệ thống này tạo được mối liên hệtrực tiếp giữa những tác động cần thiết để điều khiển hệ thống với các thông số hoạtđộng của hệ thống đồng thời loại bỏ những tác động nhiễu đến thông số này đảm bảocho giá trị của chúng luôn phù hợp với giá trị mà ta mong muốn
Các cảm biến có vai trò xác định thông tin và hoạt động của động cơ cũng như cácthông tin về môi trường ngoài có liên quan đến sự hoạt động của động cơ, nhữngthông tin này ở dạng các tín hiệu địên áp (Electric Signals) được cảm biến gửi về bộ vi
xử lý thông qua thiết bị giao tiếp đầu vào (khuyếch đại, chuyển đổi A/D …)
Bộ vi xử lý sẽ so sánh những thông tin này so với những thông tin trong bộ nhớmáy tính để từ đó phát ra tín hiệu điều khiển thích hợp Tín hiệu điều khiển được gửiđến các thiết bị thực hiện thông qua các thiết bị kiểm soát giao tiếp đầu ra để tác độngđiều khiển các thông số hoạt động của động cơ
Các cảm biến có vai trò xác định thông tin và hoạt động của động cơ cũng như cácthông tin về môi trường ngoài có liên quan đến sự hoạt động của động cơ, những
Trang 17thông tin này ở dạng các tín hiệu địên áp (Electric Signals) được cảm biến gửi về bộ vi
xử lý thông qua thiết bị giao tiếp đầu vào (khuyếch đại, chuyển đổi A/D …)
Các hệ thống được điều khiển tự động trang bị trên ô tô hiện nay là những hệ thống
điều khiển bằng máy tính (Computer Control System)
1.3 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của các cảm biến
1.3.1 Các cảm biến và tín hiệu đầu vào
1.3.1.1 Cảm biến đo gió
a Cảm biến lưu lượng không khí nạp
Chức năng
Cảm biến lưu lượng không khí nạp đo chính xác khối lượng không khí được nạp
vào và chuyển thành tín hiệu điện áp gửi về ECM
Cấu tạo
Bộ so sánh
Thiết
bị giao tiếp đầu ra
Bộ điều khiển
Hệ thống cần điều khiển
Các thiết bị giao tiếp đầu vào
Các cảm biến
Thiết
bị thực hiện
Trang 18Hình 1.3: Cấu tạo cảm biến lưu lượng kiểu dây nóng
Cấu tạo của cảm biến lưu lượng không khí nạp rất đơn giản gồm một dây nhiệt vàmột nhiệt điện trở được lắp trực tiếp vào luồng không khí nạp trên đường ống nạp gầnlọc gió
Nguyên lý hoạt động
Hình 1.4: Mạch điện cảm biến lưu lượng khí nạp
Dòng điện chạy vào dây sấy làm cho nó nóng lên Khi không khí chạy qua, dây sấyđược làm nguội tương ứng với khối lượng không khí nạp, bằng cách điều chỉnh dòngđiện chạy vào dây sấy này để giữ cho nhiệt độ dây sấy không đổi, dòng điện đó sẽ tỉ lệthuận với lượng không khí nạp bằng cách phát hiện dòng điện đó ta xác định đượclượng không khí nạp Trong trường hợp này, dòng điện có thể chuyển thành điện áp vàgửi đến ECM động cơ
b Cảm biến nhiệt độ không khí nạp
Chức năng
Còn được gọi là cảm biến IAT - Intake Air Temperature hay tên gọi tiếng anh khác
là cảm biến THA - THERMAL AIR Chúng có chức năng đo nhiệt độ dòng khí nạpvào động cơ, rồi chuyển tín hiệu này thành sung để gửi về ECU thông báo các thôngtin giúp hệ thống điều điều khiển thời gian phun và góc đánh lửa sớm:
Nếu nhiệt độ thấp, thì ECU sẽ điều khiển tăng thời gian phun đồng thời tăng cả gócđánh lửa sớm
Trang 19Nếu nhiệt độ cao, thì ECU sẽ điều khiển giảm thời gian phun đồng thời giảm cả gócđánh lửa sớm.
Cấu tạo
Cấu tạo cảm biến IAT khá đơn giản, nó thực chất là một nhiệt điện trở có trị số âm.Thường được đặt ở đường ống nạp nằm ngay sau bầu lọc gió, hoặc cũng có thể được
đặt chung với cảm biến áp suất khí nạp MAP và cảm biến lưu lượng khí nạp MAF
Hình 1.5: Cấu tạo cảm biến nhiệt độ không khí nạp
Nguyên lí hoạt động
Điện trở sẽ ở mức cao khi nhiệt độ thấp, và tăng dần lên khi nhiệt độ cao Sự thayđổi điện trở này sẽ làm thay đổi điện áp ở chân cảm biến THA, tín hiệu này sẽ đượctạo lập và gửi về ECU động cơ
“Thông tin thêm: ECU động cơ sẽ cấp nguồn 5V cho cảm biến, khi nhiệt độ ở 25 ̊cthì Rcb=1KΩ đến 1.6 KΩ”
Hình 1.6: sơ đồ điện cảm biến THA
Trang 201.3.1.2 Cảm biến vị trí trục khuỷu
Chức năng
Cảm biến vị trí trục khuỷu tạo ra tín hiệu NE, ECU dựa vào tín hiệu NE để tính toángóc đánh lửa và lượng phun nhiên liệu tối ưu cho từng xylanh Cảm biến gồm namchâm vĩnh cửu được gắn với lõi thép, trên lõi thép được quấn cuộn dây tính hiệu, Rôtotín hiệu dùng để khép mạch từ, được đặt gần cuộn dây cảm biến và được dẫn động từtrục khuỷu
Ngoài ra,trên rôto có hai răng khuyết cảm biến này để xác định vị piston.ECU dùngthông tin này để xác định thời gian phun và đánh lửa
Cấu tạo
Trang 21Hình 1.7: Cấu tạo cảm biến trục khuỷu
Trang 22- loại cảm biến từ: gồm có cuộn dây điện từ, lõi nam châm vĩnh
cửu và vành răng tạo xung
Hình 1.8: Cấu tạo cảm biến trục khuỷu loại điện từ
– Cảm biến vị trí trục khuỷu loại Hall: Gồm 1 phần tử Hall ở đầu
cảm biến, IC và nam châm vĩnh cửu trong cảm biến
Hình 1.9: Cấu tạo cảm biến vị trí trục khuỷu loại Hall
Trang 23– Cảm biến vị trí trục khuỷu loại Quang: (nằm trong bộ chia
điện)
Hình 1.10: Cấu tạo cảm biến vị trí trục khuỷu loại quang
Hệ thống cảm biến vị trí trục khuỷu bao gồm một đĩa tín hiệu cảm biến vị trí trụckhuỷu và một cuộn nhận tín hiệu
Đĩa tín hiệu cảm biến có 34 răng và được lắp trên trục khuỷu Cuộn nhận tín hiệuđược làm từ cuộn dây đồng, một lõi sắt và nam châm
Nguyên lý hoạt động
Khi trục khuỷu quay khe hở không khí giữa các răng trên roto tín hiệu và cảm biếntrục khuỷu sẽ thay đổi Sự thay đổi khe hở tạo ra điện áp trong cuộn nhận tín hiệuđược gắn vào cảm biến này sinh ra tín hiệu NE
Đĩa tín hiệu sẽ quay và khi từng răng của nó đi qua cuộn nhận tín hiệu, một tín hiệuxung được tạo ra
Cuộn nhận tín hiệu sinh ra 34 tín hiệu ứng với một vòng quay của động cơ Dựa vàonhững tín hiệu này, ECM nhận biết tốc độ động cơ cũng như sự thay đổi từng 10 mộtcủa góc quay trục khuỷu, tính toán vị trí của trục khuỷu và tốc độ động cơ
ECM dùng những tính toán này, để điều khiển thời gian phun nhiên liệu và thời điểmđánh lửa
Trang 24 Cấu tạo
Hình 1.12: Cấu tạo cảm biến vị trí trục cam
+ Loại cảm biến hiệu ứng điện từ
Đây là loại cảm biến hiệu ứng điện từ Nó được cấu tạo chính từmột cuộn dây điện từ cùng một nam châm vĩnh cửu và hoạt độngtương tự như một máy phát điện mini Khi nó hoạt động, sẽ tạo ramột xung điện áp hình sin và gửi về cho ECU
+ Loại cảm biến hiệu ứng Hall
Trang 25Những dòng xe đời mới ngày nay đa phần đều sử dụng loại cảm biến hiệu ứng Hall.
Nó được cấu tạo bởi bộ phận chính là một phần từ Hall đặt ngay đầu cảm biến, mộtnam châm vĩnh cửu và một IC tổ hợp nằm trong cảm biến
Ngoài 2 loại cảm biến trên, một số dòng xe vẫn còn sử dụng Delco chia điện, vẫncòn sử dụng loại cảm biến Quang Tuy nhiên, hiện giờ chúng không còn thông dụng
Trang 26Hình 1.14: Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ không khí nạp
1.3.1.4 Cảm biến tỉ lệ không khí và nhiên liệu
Chức năng
ECM sử dụng các thông tin từ cảm biến A/F để điều chỉnh tỉ lệ A/F và duy trì nó ởgần mức lý tưởng Việc này sẽ tối ưu hóa khả năng của bộ trung hòa khí xả ba thànhphần để lọc khí xả
Cấu tạo
Hình 1.15: Cấu tạo, đường đặc tính của cảm biến tỷ lệ không khí- nhiên liệu
Cảm biến A/F sẽ xác định lượng ôxy trong khí xả và truyền tín hiệu đến ECM Mặtbên trong của phần tử cảm biến được tiếp xúc với không khí bên ngoài Mặt bên ngoàicủa cảm biến tiếp xúc với khí xả, các phần tử cảm biến được làm bằng bạch kim(platin) có phủ chất zirconia và có chứa phần tử sấy tích hợp Phần tử zircinia sẽ sinh
Trang 27ra một điện áp nhỏ khi có một sự chênh lệch lớn trong nồng độ ôxy giữa khí xả vàkhông khí bên ngoài Lớp mạ bạch kim khuyếch đại điện áp này.
Cảm biến A/F hoạt động hiệu quả hơn khi được sấy nóng Khi nhiệt độ khí xảthấp cảm biến không thể tạo ra đủ tín điện áp khi không được sấy bổ trợ ECM điềuchỉnh bộ sấy bằng cách sử dụng chu kỳ hiệu dụng tiếp cận để điều chỉnh dòng điệntrung bình trong phần tử bộ sấy cảm biến Nếu dòng điện đi qua bộ sấy nằm ngoàiphạm vi bình thường, tín hiệu được truyền bởi cảm biến A/F trở nên không chính xác,kết quả là ECM không thể hiệu chỉnh tỉ lệ không khí nhiên liệu chính xác được
Nguyên lí hoạt động
Hình 1.16: Sơ đồ mạch điện của cảm biến tỷ lệ không khí-nhiên liệu
Khi khí thải đi vào những lỗ thông của cảm biến A/F, nó sẽ di chuyển qua buồngkhuếch tán để đến Nernst cell Phần Nernst cell thực chất là một cảm biến oxy thôngthường nên nó sẽ sản sinh ra điện áp khoảng từ 100 milivolts đến 900 millivolts tùyvào lượng oxy còn sót lại trong khí xả
Tại buồng giám sát nhiệm vụ của nó là luôn giữ cho tỉ lệ A/F ở mức 14.7/1 tươngứng với điện áp 450 millivolt của Nernst cell Sự thay đổi điện áp trong Nernst cell sẽđược giám sát, từ đó điều khiển sự thay đổi dòng điện trong pump cell Và ECM dựavào sự thay đổi dòng điện này để hiệu chỉnh tỉ lệ không khí/ nhiên liệu
Dòng điện trong Nernst cell là phản ánh trực tiếp tỉ lệ không khí/ nhiên liệu Nếu tỉ
lệ A/F là 14.7/1 thì dòng điện sẽ không được sản sinh trong pump cell
1.3.1.5 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Chức năng
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát có nhiệm vụ đo nhiệt độ của nước làm mát động
cơ và truyền tín hiệu đến bộ xử lý trung tâm để tính toán thời gian phun nhiên liệu, góc
Trang 28đánh lửa sớm, tốc độ chạy không tải, …ở một số dòng xe, tín hiệu này còn được dùng
để điều khiển hệ thống kiểm soát khí xả, chạy quạt làm mát động cơ
Cấu tạo
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát có cấu tạo dạng trụ rỗng có ren ngoài, bên trong cólắp một điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm
Hình 1.17: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
1 Nhiệt điện trở; 2 Thân cảm biến; 3 Lớp cách điện; 4 Giắc cắm dây
Nguyên lý làm việc
Khi động cơ hoạt động, cảm biến nhiệt độ nước làm mát thường xuyên theo dõi vàbáo cho ECU biết tình hình nhiệt độ động cơ Cảm biến có cấu tạo từ một nhiệt điệntrở, có hệ số số nhiệt âm Sự thay đổi nhiệt độ của nước làm mát sẽ làm thay đổi điệntrở của nhiệt điện trở bên trong cảm biến Khi nhiệt độ động cơ tăng, điện trở sẽ giảm
Trang 29thích hợp Cảm biến oxy giúp phân tích thông số Long Term Fuel Trim và Short TermFuel Trim, từ đó thấy được sự hiệu chỉnh nhiên liệu.
Nguyên lý hoạt động
Cảm biến oxy được dùng để xác định hòa khí tức thời của động cơ đang hoạt động
Nó phát ra tín hiệu điện áp gửi về ECU để điều chỉnh tỷ lệ hòa khí thích hợp trong mọiđiều kiện làm việc của động cơ Cảm biến oxy được chế tạo chủ yếu từ ZrO2 (đioxytZiconium) có tính chất hấp thụ những ion oxy âm tính
Thực chất, cảm biến oxy là một pin nhiên liệu, có sức điện động phụ thuộc vàonồng độ oxy trong khí thải với ZrO2 là chất điện phân Mặt trong của ZrO2 tiếp xúcvới 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 Khi khíthải chứa lượng oxy ít do hỗn hợp giàu nhiên liệu thì số ion oxy tập trung ở điện cựctiếp xúc với khí thải ít hơn số ion tập trung ở điện cực tiếp xúc với không khí Chênhlệch số ion này sẽ tạo nên một hiệu điện thế khoảng 600 – 900mV
Ngược lại, khi hỗn hợp nghèo, chênh lệch số ion ở hai điện cực nhỏ, pin sẽ phát ramột tín hiệu điện áp thấp từ 100 – 400mV
Cấu tạo
Hình 1.19: Cấu tạo của cảm biến oxy
1 Nắp; 2 Phần tử Zirconia; 3 Bộ sấy; 4 Không khí; 5 Phần tử Platin.
Trang 30Cảm biến kích nổ thường được lắp trên thân máy, nắp máy hoặc trên cổ góp hút.Cảm biến này có nhiệm vụ cảm nhận và phát hiện các rung động do hiện tượng kích
nổ gây ra ECU động cơ sử dụng tín hiệu từ cảm biến này để điều chỉnh lại thời điểmđánh lửa và ngăn chặn hiện tượng kích nổ
Cấu tạo
Hình 1.21: Cấu tạo của cảm biến kích nổ
1 Thân cảm biến; 2 Phần tử áp điện; 3 Điện trở phát hiện hở mạch
Hiện tượng kích nổ
Trang 31Hiện tượng kích nổ có thể hiểu là hỗn hợp nhiên liệu và không khí cháy trước khi
có tia lửa của bugi
Nguyên nhân: Có thể là do nhiệt độ của buồng đốt quá cao nên khiến một bộ phậnhòa khí bắt cháy trước khi bugi đánh lửa Quá trình cháy này sẽ tạo ra một lượng ápsuất lớn và va đập với lượng áp suất tạo ra do bugi đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu Từ đótạo nên những rung động va đập lên thành xilanh và gây hư hỏng các chi tiết nhưpiston
nổ ECU động cơ có thể điều chỉnh thời điểm đánh lửa sớm trở lại
1.3.1.8 Cảm biến vị trí bướm ga
Chức năng
Cảm biến vị trí bướm ga được sử dụng để đo độ mở vị trí của cánh bướm ga để báo
về hộp ECU Từ đó, ECU sẽ sử dụng thông tin tín hiệu mà cảm biến vị trí bướm ga gửi
về để tính toán mức độ tải của động cơ nhằm hiệu chỉnh thời gian phun nhiên liệu, cắtnhiên liệu, điều khiển góc đánh lửa sớm, điều chỉnh bù ga cầm chừng và điều khiểnchuyển số Cấu tạo của cảm biến vị trí bướm ga khá đơn giản, chúng ta có thể phânbiệt chúng theo từng đời xe theo các dấu hiệu sau đây:
Trang 32+ Loại cảm biến bướm ga động cơ đời thấp sử dụng 2 tiếp điểm IDL và PSW.
+ Loại thế hệ cao hơn 1 chút sử dụng một mạch tuyến tính ( bằng trở than) và vẫn
có tiếp điểm IDL
+ Loại sau này chỉ còn dùng 1 mạch tuyến tính, không sử dụng tiếp điểm IDL nữa,với loại không có công tắc thì ECM sẽ tự động chuyển chế độ không tải khi điện áp tínhiệu báo về ECM xuống thấp
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Có 3 loại cảm biến vị trí bướm ga:
- Loại tiếp điểm:
Hình 1.23: Cấu tạo cảm biến bướm ga loại tiếp điểm
Loại cảm biến này sẽ sử dụng tiếp điểm không tải (IDL) và tiếp điểm trợ tải (PSW)nằm kiểm tra động cơ đang chạy không tải hay chạy trong điều kiện tải trọng lớn Khi bướm ga đóng hoàn toàn, IDL đóng on và tiếp điểm PSW ngắt OFF, lúc này hệthống điều khiển của xe sẽ hiểu rằng động cơ đang vận hành không tải
Hình 1.24: Sơ đồ mạch điện cảm biến bướm ga loại tiếp điểm
Nếu đạp ga, IDL sẽ ngắt OFF và bướm ga mở ra ở vị trí xác định
Đồng thời ấy, PSW sẽ bật lên và hệ thống điều khiển (ECU) sẽ xác định động cơđang chạy tải nặng
Trang 33Nếu ở vị trí cầm chừng, điện áp từ cực IDL qua công tắc tiếp xúc IDL về mass
Ở vị trí toàn tải, điện áp từ cực PSW qua công tắc PSW về mass
- Loại tuyến tính
Hình 1.25: Cấu tạo cảm biến bướm ga loại tuyến tính
Hình 1.26: Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính
Cảm biến vị trí bướm ga lúc này sẽ được cấu tạo bởi con trượt và các cực điện.Trong đó, con trượt sẽ được điều chỉnh chay dọc theo chiều điện trở Ở cực VTA sẽđược tăng dần điện áp lên theo tỷ lệ thuận với vị trí mở cánh bướm Nếu bướm gahoàn toàn đóng, tiếp điểm cầm chừng sẽ nối cực IDL và E2 lại Từ đó, tín hiệu sẽ đượcđẩy đến hộp điều khiển và điều chỉnh lượng nhiên liệu động cơ
- Loại phần từ Hall:
Trang 34Hình 1.27: Cấu tạo cảm biến bướm ga loại từ Hall
Hình 1.28: Sơ đồ mạch điện cảm biến bướm ga loại Hall
Là loại cảm biến vị trí bướm ga hiện đại mới nhất, Hall sẽ cảm nhận sự thay đổi vịtrí bướm ga được chính xác nhất bởi các nam châm Bên cạnh đó, hiệu ứng Hall sẽ tạođiện áp ra từ các cực VTA 1 và VTA 2 Sau đó, các tín hiệu này sẽ được truyền về hộpđiều khiển để làm làm thông số giúp tính toán lượng nhiên liệu Cảm biến vị trí bướm
ga có 2 tín hiệu điện áp của cảm biến cũng thay đổi theo độ mở của bướm ga nhưngdựa trên nguyên lý hiệu ứng Hall (có 2 loại):
+ Loại thuận: 2 tín hiệu cùng tăng cùng giảm
+ Loại nghịch: 1 tín hiệu tăng 1 tín hiệu giảm
Trang 35Với động cơ phun dầu điện tử Common Rail thì tín hiệu từ cảm biến bàn đạp gatruyền về ECU và ECU sử dụng nó để điều khiển lượng phun nhiên liệu để tăng tốcđộng cơ.Hộp ECU điều khiển hộp số tự động cũng sử dụng tín hiệu cảm biến chân ga
để điều khiển thời điểm chuyển số trong hộp số tự động, nếu người tài xế đạp ga gấpECU hộp số sẽ điều khiển Kick Down (về số thấp) để tăng tốc chiếc xe
Cấu tạo và nguyên lí hoạt động
Cảm biến bàn đạp ga có 2 loại chính đó là: Loại tuyến tính và loại phần tửhall.Trong các tín hiệu từ hai hệ thống này, một là tín hiệu VPA truyền điện áp theođường thẳng trong toàn bộ phạm vi bàn đạp ga Tín hiệu khác là tín hiệu VPA2, truyềnđiện áp bù từ tín hiệu VPA
Tín hiệu truyền về ECM của cảm biến bàn đạp chân ga ở dạng điện áp, điện áp này
sẽ thay đổi theo độ mở của bàn đạp ga ga
Tùy theo thiết kế mà APS có một hoặc hai tín hiệu gửi về ECM và có hoặc không
có công tắc báo chế độ không tải (Một số xe tải sử dụng 1 tín hiệu Signal và 1 tín hiệu công tắc IDL).
Điện áp chân tín hiệu ở không tải là 0,5-0,8V, khi đạp ga điện áp sẽ tăng dần lên4.5V
a Loại tuyến tính
Cảm biến bàn đạp ga có cấu tạo khá giống với cảm biến bướm ga, nhưng do yêucầu về sự an toàn cũng như độ tin cậy về thông tin nên hầu hết các dòng xe ô tô đều sửdụng 2 tín hiệu cảm biến bàn đạp ga để báo về ECU Một số xe tải sử dụng 1 tín hiệucảm biến và 1 công tắc IDL ở cảm biến bàn đạp chân ga
Loại tuyến tính (giống như biến trở): Cảm biến được cấp nguồn APS2 Power (5V)
và mass(-), cấu tạo gồm 1 mạch trở than và 1 lưỡi quét trên mạch trở than đó, khi trụccủa bàn đạp ga xoay thì sẽ làm cho lưỡi quét thay đổi vị trí trên mạch trở than làm thay
Trang 36đổi điện áp đầu ra (chân signal), Lưu ý là trong cảm biến có cấu tạo như là 2 biến trởnên nó có 2 tín hiệu (chân Signal) báo về ECU để tăng độ tin cậy của cảm biến
Hình 1.29: Cấu tạo của cảm biến bàn đạp ga loại tuyến tính
b Loại Hall
Loại hall (đời mới): cảm biến bàn đạp ga cũng được cấp nguồn VC (5V), và Mass,
có 2 dây tín hiệu, điện áp của 2 chân tín hiệu (Signal) cảm biến cũng thay đổi theo độ
mở của bướm ga nhưng dựa trên nguyên lý hiệu ứng Hall (có 2 loại):
Loại thuận: 2 tín hiệu cùng tăng cùng giảm
Loại nghịch: 1 tín hiệu tăng 1 tín hiệu giảm
Hình 1.30: Cấu tạo của cảm biến bàn đạp ga loại Hall
1.3.1.10 Cảm biến biến áp suất
Cấu tạo
Trang 37Hình 1.31: Cấu tạo cảm biến MAP
1 Giắc cấm; 2.Buồng chân không; 3.Chip Silic; 4.Lọc; 5.Áp suất đường ống nạp
Nguyên lý hoạt động
Hình 1.32: Sơ đồ nguyên lý cảm biến áp suất đường ống nạp
Hai mặt của tấm silicon được phủ thạch anh để tạo thành điện trở áp điện(piezoresistor) Khi áp suất đường ống nạp thay dổi, giá trị của điện trở áp điện sẽ thaydối Các điện trở áp điện được nối thành cầu Wheatstone
Khi màng ngăn không bị biến dạng (tương ứng với trường hợp dộng cơ chưa hoạtđộng hoặc tải lớn), tất cả bốn điện trở áp điện đều có giá trị bằng nhau và lúc đó không
có sự chênh lệch điện áp giữa hai dầu cầu
Khi áp suất đường ống nạp giảm, màng silicon bị biến dạng dẫn đếnn giá trị diện trở
áp điện cũng bị thay đổi và làm mất cân bằng cầu
Kết quả là giữa hai dầu cầu sẽ có sự chênh lệch điện áp và tin hiệu này dược khuếchđại để điều khiển mở transistor ở ngõ ra của cảm biến có cực C treo Độ mở của
Trang 38transistor phụ thuộc vào áp suất dường ống nạp dẫn tới sự thay đổi điện áp báo vềECU.
1.3.2 ECU điều khiển động cơ
1.3.2.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của ECU
ECU ô tô viết tắt của cụm từ Electronic Control Unit, là bộ tổ hợp vi mạch điện tửđược trang bị trên xe hơi với nhiệm vụ nhận biết, phân tích tín hiệu để điều khiển vàchi phối toàn bộ hoạt động của động cơ
Cấu thành nên ECU là các con chip máy tính đã được lập trình sẵn giúp xử lý vàkiểm soát dữ liệu một cách nhanh chóng, hiệu quả
ECU là bộ phận không thể thiếu trên các dòng ô tô hiện đại Hầu hết bộ điều khiểnđiện tử đều có khả năng điều chỉnh điện áp về các mức chính xác: 1,8V; 2,6V; 3,3V;5V; 30V và tối đa 250V từ nguồn cung cấp 10 - 15V của ô tô
Nguyên Lý hoạt động ECU
ECU hoạt động được một phần là do cảm biến tốc độ của động cơ và các piston Sựphụ thuộc lẫn nhau này sẽ hỗ trợ ECU xác định được thời điểm phun xăng, đánh lửa
để nâng cao hiệu suất xe và đảm bảo khả năng tối ưu nhiên liệu ECU ô tô hoạt độngtheo ba giai đoạn cụ thể như sau:
Đầu vào: ECU ô tô thu thập thông tin từ các thiết bị cảm biến (cảm biến lưu lượngkhí nạp, cảm biến tốc độ, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, ), tín hiệu bật, tắt và dữliệu từ các mô-đun khác trong ô tô
Trang 39Hình 1.33: Hộp ECU động cơ
Xử lý: Sau khi thu thập dữ liệu, bộ xử lý bắt đầu xác định các thông số kỹ thuật đầu
ra theo chỉ dẫn của phần mềm được lưu trữ trong thiết bị Tiếp đó, ECU sẽ tính toán đểđưa ra quyết định về hoạt động phù hợp cho từng bộ phận.
Đầu ra: ECU ô tô tiến hành các công việc điều khiển và quản lý tất cả mọi hoạt
động của động cơ thông qua việc tiếp nhận dữ liệu các cảm biến, bao gồm:
- Đưa ra lượng công suất chính xác để đảm bảo động cơ vận hành hiệu quả
Kiểm soát độ rộng xung của kim phun để điều chỉnh thời gian kim phun mở
- Dựa trên tín hiệu nhận được từ các loại cảm biến để quyết định thời điểm hoạtđộng chính xác của hệ thống đánh lửa.
- Dùng mô tơ điều khiển bướm ga giúp các góc mở của bộ phận này đạt đến mứcgiá trị tối ưu.
1.3.2.2 Cấu trúc của bộ ECU
Ngày nay trên ô tô hiện đại có thể trang bị nhiều ECU điều khiển các hệ thống khácnhau Cấu trúc của ECU được trình bày trên hình sau:
Hình 1.34: Sơ đồ cấu trúc chung của ECU
Bộ phận này chủ yếu là bộ vi xử lý Microprocessor hay còn gọi là ControlProcessing Unit (CPU) CPU sẽ lựa chọn các lệnh và xử lý các số liệu từ bộ nhớ của
Trang 40ROM và RAM chứa các chương trình cũng như dữ liệu đã xử lý gửi đến các cơ cấuthực hiện.
Sơ đồ cấu trúc của CPU bao gồm các cơ cấu đại số logic dùng để tính toán các dữliệu, các bộ ghi nhận và lưu trữ tạm những dữ liệu cũng như các bộ điều khiển cácchức năng khác nhau
Trên các CPU thế hệ mới, các nhà sản xuất thường chế tạo CPU, ROM,RAM tíchhợp trong một IC và gọi nó là bộ vi điều khiển Microcontroller
ECU là bộ điều khiển hoạt động dựa trên các tín hiệu số nhị phân bằng điện áp thấpbiểu hiện cho số 0 và điện áp cao biểu hiện là số 1
Bit là một số hạng 0 hoặc 1 và mỗi dãy với 8 bit tương đương 1 byte hoặc 1 từ Biểuhiện một lệnh hoặc 1 mẫu thông tin gọi là Byte
1.3.2.3 Nguyên lý điều khiển động cơ của hộp ECU
ECU tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến, các cảm biến kiểm soát liên tục tình trạnghoạt động của động cơ ECU xử lý tín hiệu và đưa ra tín hiệu điều khiển đến cơ cấuchấp hành nhờ những chương trình có sẵn trong bộ nhớ
Cơ cấu chấp hành luôn bảo đảm thực hiện lệnh của ECU và đáp ứng các tín hiệuphản hồi từ các cảm biến
Hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ đem lại sự chính xác và thích ứng cầnthiết 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 giúpchẩn đoán động cơ khi có sự cố xảy ra
1.3.2.4 Các dấu hiệu hư hỏng thường gặp của hộp ECU
ECU ô tô đóng vai trò rất quan trọng đối với quá trình vận hành của các dòng xe hơihiện đại ngày nay Do đó, bất kỳ vấn đề trục trặc nào xảy ra với bộ phận này đều ảnhhưởng nghiêm trọng đến toàn bộ hệ thống động cơ, thậm chí là phương tiện phảingưng vận hành Dưới đây là một số dấu hiệu trục trặc ECU thường gặp:
Đèn Check Engine (đèn báo lỗi động cơ) báo sáng: Nguyên nhân là do ECU trên ô
tô phát hiện các bộ phận mạch điện, cảm biến, đang gặp vấn đề Tuy nhiên, tìnhtrạng này đôi lúc xảy ra do sự cố nhầm lẫn của bộ điều khiển điện tử Do đó, để xácđịnh chính xác nguyên nhân, chủ xe chỉ cần quét các mã sự cố theo hướng dẫn của nhàsản xuất