Báo cáo môn học hệ thống điện động cơ ô tô đề tài tìm hiểu các loại cảm biến sử dụng trong hệ thống điện động cơ

TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH BÀI BÁO CÁO MÔN HỌC HỆ THỐNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ Ô TÔ Đề tài Tìm hiểu các loại cảm biến sử dụng trong hệ thống điện động cơ LÊ THÀNH PHƯƠNG MSSV 2051130182 MHP 010[.]

TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.

HỒ CHÍ MINH

BÀI BÁO CÁO MÔN HỌC HỆ

THỐNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ Ô TÔ

Đề tài: Tìm hiểu các loại cảm biến sử dụng trong hệ thống điện động cơ

LÊ THÀNH PHƯƠNG- MSSV: 2051130182

MHP:010108603603 Giáo viên hướng dẫn: DƯƠNG MINH THÁI

TP HỒ CHÍ MINH 2023

MỤC LỤC

CHƯƠNG I CÁC CẢM BIẾN KHÍ NẠP 2

1.1 Cảm biến lưu lượng khí nạp 2

1.2 Cảm biến áp suất khí nạp 8

1.3 Cảm biến nhiệt độ khí nạp 9

CHƯƠNG II CÁC CẢM BIẾN ĐỘNG CƠ 10

2.1 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 10

2.2 Cảm biến tốc độ động cơ 12

2.3 Cảm biến vị trí trục khuỷu 15

2.4 Cảm biến vị trí trục cam 16

2.5 Cảm biến kích nổ 18

CHƯƠNG III CÁC CẢM BIẾN KHÁC 19

3.1 Cảm biến vị trí bướm ga 19

3.2 Cảm biến oxy 21

CHƯƠNG I CÁC CẢM BIẾN KHÍ NẠP 1.1 Cảm biến lưu lượng khí nạp

1.1.1 Cảm biến đo gió loại cánh trượt

3

Hình 1.2 Sơ đồ mạch điện của cảm biến đo gió cánh

trượt loại điện áp giảm

Loại điện áp giảm: Trong loại này ECU được thiết kế trong một mạch điện ápkhông đổi, luôn cung cấp điện áp 5V đến cực VC Điện áp ra VS thay đổi chỉđịnh chính xác góc mở của cánh đo tức là chỉ định chính xác lượng gió hút vào

Hình 1.3 Sơ đồ mạch điện của cảm biến đo gió cánh

trượt loại điện áp tăng

Loại điện áp tăng: Loại này được cung cấp điện áp bình tại cực VB Khi VC cóđiện áp không đổi thì điện áp VS tăng tỷ lệ với góc mở của cánh đo gió ECU

so sánh điện áp bình (VB) với độ chênh lệch điện áp giữa VC và VS để xácđịnh lượng gió nạp

D Hư hỏng và sữa chữa

Dấu hiệu: động cơ chạy không êm, không đều hoặc không chạy được, công suất động

cơ kém, xe chạy tốn nhiên liệu hơn, chết máy,…

1.1.2 Cảm biến đo gió loại Karman

a Cấu tạo

Hình 1.4 Cấu tạo cảm biến đo gió loại Karman

1 Bộ tạo xoáy Karman 2 Rãnh hướng áp lực 3 Gương phẳng

4 Đèn Led 5 Quang Transistor 6 Lò xo lá

Là loại cảm biến lưu lượng gió cảm quang trực tiếp lượng khí nạp So với loạicánh trượt thì nó có ưu điểm là nhỏ gọn hơn và nhẹ hơn Ngoài ra vì cấu trúc và đườngống đơn giản nên làm giảm trở lực đường ống nạp Có cấu tạo như trên hình 1.4 gồmmột trụ đứng gọi là bộ tạo dòng xoáy, được đặt ở giữa dòng khí khi dòng khí đi qua bộtạo xoáy nó sẽ tạo ra một dòng khí xoáy gọi là dòng xoáy Karman

Hình 1.5 Cấu tạo cảm biến đo gió loại Karman

1 Photo transistor 2 Đèn Led 3.Gương 4.Mạch đếm dòng xoáy

5 Lưới ổn định 6 Vật tạo xoáy 7 Cảm biến áp suất khí trời 8 Dòng xoáy

5

b Nguyên lý hoạt động

Dòng xoáy Karman đi theo dòng hướng làm rung một màng mỏng bằng kimloại làm thay đổi hướng chiếu sáng của đèn led, từ đó một transistor quang sẽ cảmnhận sự thay đổi này tạo ra một xung tín hiệu có tần số f

Nhờ đo tần số f này ECU sẽ xác định được lượng gió nạp vào động cơ, khilượng gió vào ít tấm kim loại rung ít tầng số f thấp, khi lượng khí vào nhiều tấm kimloại rung nhiều tầng số f cao

c Sơ đồ mạch điện

Hình 1.6 Sơ đồ mạch điện cảm biến đo gió loại Karman

1.1.3 Cảm biến đo gió loại dây nhiệt

a Cấu tạo

Loại này dùng một dây nhiệt đặt trong đường ống nạp Khi không khí đi quadây nó có khuynh hướng làm dây lạnh đi Lượng khí qua càng nhiều thì nhiệt độ củadây càng thấp, làm giảm điện trở kháng trong dây Vì vậy cần có một dòng điện phụthêm dùng để duy trì trở kháng trong của dây bằng cách đo dòng điện này ECU sẽ xácđịnh được lượng gió nạp ECU sẽ chuyển đổi tín hiệu và đo lượng gió tín bằng gram/s.Sau khi tắc công tắc máy vẫn còn một dòng điện đi qua dây nhiệt làm nóng nó để đốtsạch những phần tử dính trên dây có cấu tạo như trên hình

Hình 1.7 Cấu tạo cảm biến đo gió loại dây nhiệt

b Nguyên lý hoạt động

Dòng điện chạy vào dây sấy làm cho nó nóng lên Khi không khí chạy quanhdây này, dây sấy được làm nguội tương ứng với khối lượng không khí nạp Bằng cáchđiều chỉnh dòng điện chạy vào dây sấy này để giữ cho nhiệt độ của dây sấy không đổi,dòng điện đó sẽ tỷ lệ thuận với khối lượng không khí nạp Sau đó có thể đo khối lượngkhông khí bằng cách phát hiện dòng điện đó Trong trường hợp của cảm biến đo gióloại dây sấy, dòng điện này được biến đổi thành một điện áp, sau đó được truyền đếnECU động cơ từ cực VG

c Sơ đồ mạch điện

Hình 1.8 Sơ đồ mạch điện của cảm biến đo gió loại dây sấy

Trong cảm biến lưu lượng khí nạp thực tế, một dây sấy được ghép mạch cầu.Mạch cầu này có đặc tích là các điện thế tại điểm A và B bằng nhau khi tích của điệntrở theo đường chéo nhau bằng nhau

Khi dây sấy (Rh) được làm mát bằng không khí nạp, điện trở tăng lên dần dẫn đến

sự hình thành độ chênh lệch giữa các điện thế của các điểm A và B Một bộ khuếch đại xử

lý phát hiện chênh lệch này và làm tăng điện áp đặt vào mạch này (làm tăng dòng điệnchạy qua dây sấy) Khi thực hiện việc này, nhiệt độ của dây sấy lại tăng lên dẫn đến việctăng tương ứng trong điện trở cho đến khi điện thế của các điểm A và B trở nên bằngnhau Bằng cách sử dụng các đặc tính của loại mạch cầu này, cảm biến lưu

lượng khí nạp có thể đo được khối lượng không khí nạp bằng cách phát hiện điện áp ở điểm B.

1.2 Cảm biến áp suất khí nạp

a Cấu tạo

Hình 1.9 Cấu tạo của cảm biến áp suất khí nạp

Cảm biến áp suất đường ống nạp được cấu tạo từ một buồng chân không có gắnmột con chip silicon, lưới lọc, đường ống dẫn và giắc cắm

b Nguyên lý hoạt động

Cảm biến áp suất đường ống nạp cảm nhận áp suất đường ống nạp bằng một IClắp trong cảm biến và phát ra tín hiệu PIM ECU động cơ quyết định khoản thời gianphun nhiên liệu cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản dựa vào tín hiệu PIM này

Một chip silicon gắn liền với buồng chân không được duy trì độ chân khôngchuẩn, tất cả được đặt trong bộ cảm biến Một phía của chip tiếp xúc với áp suấtđường ống nạp, một phía tiếp xúc với độ chân không trong buồng chân không

Áp suất đường ống nạp thay đổi làm hình dạng của chip silicon thay đổi và giátrị điện trở của nó cũng dao động theo mức độ biến dạng

Sự dao động của giá trị điện trở này được chuyển hóa thành một tín hiệu điện

áp nhờ IC lắp bên trong cảm biến và sau đó được gửi đến ECU động cơ ở cực PIMdùng làm tín hiệu áp suất đường ống nạp Cực VC của ECU động cơ cấp nguồn khôngđổi 5V đến IC

c Sơ đồ mạch điện

Hình 1.10 Sơ đồ mạch điện của cảm biến áp suất khí nạp

Cảm biến áp suất đường ống nạp có 3 chân, 1 chân nhận nguồn 5V – VC, 1 chân mass E2 và 1 chân tín hiệu PIM

d Kiểm tra sửa chữa Kiểm

tra điện áp nguồn 1 Ngắt giắc

nối của cảm biến

2 Bật khóa điện ON

3 Dùng một Vôn kế, hãy đo điện áp giữa các cực VC và E2 của giắc nối phía dâyđiện

Điện áp tiêu chuẩn: 4.5 – 5.5V

Nếu kết quả không như tiêu chuẩn, hãy kiểm tra dây điện hoặc ECM

Cảm biến nhiệt độ khí nạp có 1 biến trở nhiệt có trị số điện trở âm (điện trở sẽtăng khi nhiệt độ thấp và ngược lại) được gắn trong bộ đo gió hoặc trên đường ốngnạp Mật độ khí sẽ thay đổi theo nhiệt độ.

b Nguyên lý hoạt động

Cảm biến nhiệt độ khí nạp được đặt ở đường ống nạp (sau bầu lọc gió), hoặc nằm chung với cảm biến khối lượng khí nạp (MAF) hay cảm biến áp suất đường ốngnạp (MAP) Khi nhiệt độ không khí thấp điện trở cảm biến sẽ cao và ngược lại khi nhiệt độ không khí tăng điện trở của cảm biến sẽ giảm sự thay đổi điện trở của cảm biến sẽ làm thay đổi điện áp đặt ở chân cảm biến

c Sơ đồ mạch điện

Hình 1.12 Sơ đồ mạch điện của cảm biến nhiệt độ khí nạp

d Hư hỏng, sửa chữa

Cảm biến hư do đứt dây hoặc dây cảm biến chạm nhau (dây cảm biến chạm dươnghoặc chạm mass)

Đo bằng cách dùng máy sấy tóc hơ vào cảm biến, lấy đồng hồ đo sự thay đổi điện trở của cảm biến:

Nếu kim đồng hồ đo có sự thay đổi, chứng tỏ cảm biến đang hoạt động tốt.Nếu kim đồng hồ không có sự thay đổi thì có thể cảm biến đã bị hư hỏng

CHƯƠNG II CÁC CẢM BIẾN ĐỘNG

CƠ 2.1 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

a Cấu tạo

Thường là trụ rỗng có ren ngoài, bên trong có gắn một điện trở có hệ thống số nhiệt điện âm (NTC) Khi nhiệt độ nước thấp, tín hiệu thông báo cho ECU biết động cơ

đang lạnh ECU sẽ tăng lượng xăng phun cải thiện tính năng hoạt động khi động cơlạnh Khi nhiệt độ nước cao thì ECU sẽ giảm lượng xăng phun.

Hình 2.1 Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ nước làm mát 1 Đầu ghim 2 Vỏ 3 Điện trở NTC

b Nguyên lý hoạt động

Biến trở nhiệt là một phần tử cảm nhận thay đổi điện trở theo nhiệt độ Nó đượclàm bằng vật liệu có hệ số nhiệt điện trở âm (NTC) Tức là khi nhiệt độ tăng sẽ làmcho điện trở giảm và ngược lại

Sự thay đổi giá trị điện trở làm thay đổi giá trị dòng điện được gởi đến bởi ECU

Theo mạch ta có: Một tính hiệu điện áp 5V qua điện trở giới hạn dòng (điện trởnày có giá trị không đổi) tới cảm biến rồi trở về ECU về max Nối song song với cảmbiến là một bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành số(gọi là bộ chuyển đổi A/D) Bộchuyển đổi A/D sẽ đo điện áp rơi (sụt áp) trên cảm biến

Khi nhiệt độ nước làm mát thấp, giá trị điện trở cảm biến cao và điện áp đặtgiữa hai đầu của bộ biến đổi A/D cao Tín hiệu điện áp cao sẽ thông báo cho ECU biếtđộng cơ đang lạnh Khi nước làm mát nóng, giá trị điện trở cảm biến giảm điện áp đặtgiảm Tín hiệu điện áp giảm sẽ báo cho ECU biết là động cơ đang nóng lên Các loạicảm biến nhiệt độ hoạt động cùng nguyên lý trên nhưng mức hoạt động và sự thay đổinhiệt độ có khác nhau

Hình 2.3 Cấu tạo của cảm biến điện từ

Bộ phận chính của cảm biến là một cuộn cảm nhận, một nam châm vĩnh cửu,một đĩa thép khắc rãnh hoặc tạo cựa răng phụ thuộc vào cách thiết kế hệ thống phunxăng

b Nguyên lý hoạt động

Khi cựa của đĩa thép không nằm đối diện cực từ, thì từ trường trong cuộn cảm ứng

sẽ yếu vì khe hở không khí có từ trở cao Khi một cựa đến gần cực từ khe hở không khígiảm dần, từ trường tập trung vào phía trong Khi từ trường di chuyển vào trong thì cácđường sức từ cắt qua cuộn cảm ứng sinh ra một điện áp Khi cựa đối diện với cực

từ thì từ trường mạnh nhất và điện áp bằng không Khi cựa di chuyển tiến ra khỏi cực

từ, thì khe hở không khí tăng dần làm từ trường giảm sinh ra một điện áp theo chiềungược lại

bộ chia trên van xoay là các cánh chắn Khi van xoay các cánh chắn sẽ chắn vào khe

hở giữa nam châm và vật liệu Hall nhưng không chạm vào chúng

b Nguyên lý hoạt động

Khi cánh chắn không vào khe hơ: thì đường sức từ xuyên qua vật liệu Hall làmsinh ra một điện áp Khi cánh chắn vào khe hở thì đường sức từ không đến được vậtliệu Hall, và điện áp sinh ra bằng 0 Sự thay đổi điện áp sẽ điều khiển đóng mở mộtcon transistor như trên sơ đồ mạch Cánh chắn không vào khe hở: Tín hiệu điện ápsinh ra kích cực gốc (B) của transistor dẫn điện, cho dòng điện đi từ nguồn cung cấpđến cực góp (C) dẫn đến cực phát (E) rồi về mass Điều này, làm đầu cảm nhận tínhiệu sụt áp chỉ còn 1V

Khi cánh chắn vào khe hở: Tín hiệu điện áp ra rất thấp không kích cực gốctransistor dẫn điện được Kết quả là đầu cảm nhận không bị sụt áp, điện áp ghi nhận là12V Sự chênh lệch giữa 1V và 12V xem như tín hiệu xung vuông hay tín hiệu số(đóng mở transistor) Tín hiệu này dùng xác định tốc độ động cơ và vị trí cốt máy

Hình 2.7 Cấu tạo của cảm biến quang

A Cảm biến quang khi mở B Cảm biến quang khi tắt

Để tự điều chỉnh góc đánh lửa sớm, các tín hiệu từ bộ điều khiển đánh lửa đượcđưa đến ECU

có lõi nam châm vĩnh cửu và IC.

b Nguyên lý hoạt động

Về nguyên lý hoạt động, cảm biến trục khuỷu dù là cảm biến từ hay cảm biếnHall đều có thành phần chính là nam châm vĩnh cửu nhằm tạo ra từ trường ổn định.Khi các chân thép xoay trong quá trình trục khuỷu quay sẽ tạo ra dao động trong từtrường và một tín hiệu dòng xoay chiều (AC) ECU sẽ dựa vào tín hiệu này do cảmbiến trục khuỷu thu về để đo tốc độ quay của trục khuỷu, từ đó xác định chuẩn xác gócđánh lửa sớm và thời gian phun nhiên liệu

c Sơ đồ mạch điện

Hình 2.9 Sơ đồ mạch điện của cảm biến trục khuỷu

Loại cảm biến điện từ có 2 dây (không cần nguồn cấp), một số xe sử dụng thêmdây bọc chống nhiễu nên ta thấy giắc cắm nó có 3 pin

d Hư hỏng và sửa chữa

Cảm biến này bị lỗi hoặc hư hỏng sẽ gây ảnh hưởng đến khả năng vận hành củađộng cơ như khó khởi động, tốc độ cầm chừng hoặc tăng tốc không ổn định, rung lắcbất thường do đánh lửa sai và hao xăng Trường hợp xấu hơn, xe sẽ không thể nổ máy

Hình 2.10 Cấu tạo của cảm biến điện từ

1 Vỏ cảm biến 2 Dây tín hiệu ra 3 Vỏ bảo vệ dây 4 Nam châm vĩnh cửu

5 Cuộn dây cảm ứng 6 Vấu cực 7 Bánh răng kích từ G Khe hở không

khí

Loại Hall được cấu tạo bởi những bộ phận chính là một phần tử Hall đặt ở đầu cảmbiến, một nam châm vĩnh cửu và một IC tổ hợp nằm trong cảm biến

16

Hình 2.11, Cấu tạo của cảm biến Hall

1 Vỏ cảm biến 2 Dây tín hiệu ra 3 IC 4 Nam châm vĩnh cửu 5 Phần

tử Hall 6 Bánh răng kích từ G Khe

hở không khí

b Nguyên lý hoạt động

Khi trục khuỷu quay, thông qua dây cam dẫn động làm trục cam quay theo, trêntrục cam có 1 vành tạo xung có các vấu cực, các vấu cực này quét qua đầu cảm biến,khép kín mạch từ và cảm biến tạo ra 1 xung tín hiệu gửi về ECU để ECU nhận biếtđược điểm chết trên của xi lanh số 1 hay các máy khác

Số lượng vấu cực trên vành tạo xung của trục cam khác nhau tùy theo mỗi độngcơ

Phân loại dạng xung sinh ra của cảm biến trục cam:

Cảm biến trục cam loại Điện từ: Tạo ra loại xung có dạng hình sin, Xung này cóđiện áp từ 0,5-4,5V

Cảm biến trục cam loại Hall: Tạo ra loại xung có dạng vuông

c Sơ đồ mạch điện

Hình 2.12 Sơ đồ mạch điện của cảm biến điện từ

Mạch điện cảm biến trục cam loại điện từ (2 dây, không cần nguồn cấp), cónhững xe đời mới sử dụng thêm 1 dây nối mass bọc xung quanh 2 dây tín hiệu đểchống nhiễu tín hiệu

Khi cảm biến này bị lỗi, đèn kiểm tra động cơ (Check Engine) sẽ bậtsáng để báo cho tài xế đem xe đến trung tâm sửa chữa ô tô kiểm tra

Khi cảm biến này bị lỗi, đèn kiểm tra động cơ (Check Engine)

sẽ bật sáng để báo cho tài xế đem xe đến trung tâm sửa chữa ô tôkiểm tra

Hình 2.13 Cấu tạo cảm biến kích nổ

1 Đáy cảm biến 2 Tính thể thạch anh 3 Khối lượng quán tính 5 Nắp

6 Dây đan 7 Đầu cảm biến

b Nguyên lý hoạt động

Khi động cơ hoạt động, vì lý do nào đó dẫn tới có tiếng gõ (tự kích nổ, động cơnóng quá, va đập cơ khí….) cảm biến sẽ tạo ra 1 tín hiệu điện áp gửi về ECU và ECU

sẽ điều chỉnh trễ góc đánh lửa lại để giảm tiếng gõ

Cụ thể: Các phần tử áp điện của cảm biến kích nổ được thiết kế có kích thướcvới tần số riêng trùng với tần số rung của động cơ khi có hiện tượng kích nổ để xảy rahiệu ứng cộng hưởng (f = 6KHz – 13KHz)

Như vậy, khi động cơ có xảy ra hiện tượng kích nổ, tinh thể thạch anh sẽ chịu

áp lực lớn nhất và sinh ra một điện áp Tín hiệu điện áp này có giá trị nhỏ hơn 2,5V.Nhờ tín hiệu này, ECU động cơ nhận biết hiện tượng kích nổ và điều chỉnh giảm gócđánh lửa cho đến khi không còn kích nổ ECU động cơ có thể điều chỉnh thời điểmđánh lửa sớm trở lại

c Sơ đồ mạch điện

Hình 2.14 Sơ đồ mạch điện của cảm biến kích nổ

CHƯƠNG III CÁC CẢM BIẾN KHÁC 3.1 Cảm biến vị trí bướm ga

Loại sau này chỉ còn dùng 1 mạch tuyến tính, không sử dụng tiếp điểm IDLnữa, với loại không có công tắc thì ECM sẽ tự động chuyển chế độ không tảikhi điện áp tín hiệu báo về ECM xuống thấp

Các thế hệ động cơ đời mới sử dụng bướm ga điện tử sẽ có 2 tín hiệu cảm biếnbướm ga để tăng độ tin cậy, và cb bướm ga cũng không sử dụng loại mạchtuyến tính trở than nữa mà sử dụng loại hiệu ứng Hall để tăng độ bền.

b Nguyên lý hoạt động

Hoạt động của cảm biến vị trí bướm ga đời thấp loại tiếp điểm: cảm biến có 2tiếp điểm IDL và PSW, Khi bướm ga ở vị trí không đạp ga, chân IDL được nối vớichân E2 báo về hộp ECU, ECU sẽ nhận biết là đang ở chế độ không tải để bù ga vàđiều khiển lượng phun nhiên liệu ở chế độ không tải, khi ga lớn trên 50% cực PSW sẽnối với cực E2 và ECU nhận biết được là đang mở ga lớn (chạy ở chế độ toàn tải),ECU sẽ hiệu chỉnh lượng nhiên liệu đậm lên để tăng công suất động cơ

Loại tuyến tính + tiếp điểm(còn ít): Bao gồm 4 chân (+, -, signal, IDLE)

Loại tuyến tính (giống 1 biến trở): Cảm biến được cấp nguồn Vc (5V) và mát ,cấu tạo gồm 1 mạch trở than và 1 lưỡi quét trên mạch trở than đó, khi trục của cánhbướm xoay (đóng mở bướm ga) thì sẽ làm cho lưỡi quét thay đổi vị trí trên mạch trởthan làm thay đổi điện áp đầu ra (chân signal)

Loại hall (đời mới): cb bướm ga có 2 tín hiệu, điện áp của cảm biến cũng thayđổi 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

c Sơ đồ hoạt động

C