thiết kế ecu cho hệ thống phum xăng điện tử trên xe máy super dream ii

Chương 1: TỔNG QUAN1.1.Đặt vấn đề Theo thống kê của cục đăng kiểm hiện nay nước ta có gần 27 triệu xe máy mà đa phần trong số đó sử dụng hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí và hệ t

MỤC LỤC

Nội dung Trang

LỜI NÓI ĐẦU 5

Chương 1: TỔNG QUAN 6

1.1.Đặt vấn đề 6

1.2 Giới thiệu về hệ thống phun xăng điện tử 8

1.2.1 Lịch sử phát triển và phân loại 9

1.2.1.1 Lịch sử phát triển 9

1.2.1.2 Phân loại 11

1.2.2 Kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử 13

1.2.2.1 Kết cấu của hệ thống EFI điển hình 13

1.2.2.2 Nguyên lý hoạt động 15

1.3 So sánh các chế độ làm việc của hệ thống phun xăng và hệ thống dùng chế hòa khí 22

1.3.1 Chế độ không tải 22

1.3.2 Chế độ tăng tốc 22

1.3.3 Chế độ khởi động 23

1.3.4 Chế độ sấy nóng 25

1.3.5 Chế độ toàn tải 27

1.3.6 Chế độ giảm tốc độ đột ngột 27

Chương 2: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ TRÊN XE

MÁY 29

2.1 Lựa chọn và lắp đặt các cảm biến 29

2.1.1 Cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP) 29

2.1.2 Cảm biến tốc độ và cảm biến thời điểm 30

2.1.3 Cảm biến nhiệt độ động cơ 32

2.1.4 Cảm biến vị trí bướm ga 33

2.1.5 Cảm biến Lambda 35

2.2 Các thành phần khác 37

2.2.1 Vòi phun 37

2.2.2 Bơm nhiên liệu 39

2.2.3 Bộ ổn định áp suất 40

Chương 3: THIẾT KẾ ECU 42

3.1 Sơ đồ thiết kế mạch cứng ECU 42

3.2 Chọn linh kiện chế tạo ECU 46

3.2.1 Sơ đồ chân của ATMEGA8535 46

3.2.2 Sơ đồ khối của ATMEGA8535 50

3.2.3 Mạch giao tiếp máy tính RS232 50

Chương 4: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 55

4.1 Phân tích quá trình xử lý tín hiệu vào của ECU 55

4.1.1 Chuyển đổi tương tự - số (A/D) 55

4.1.2 Chuyển đổi xung – số 57

4.1.3 Chuyển đổi từ tín hiệu on/off sang số 58

4.2 Phân tích quá trình điều khiển ra của ECU 58

4.2.1 Cơ sở điều khiển vòi phun 58

4.2.2 Cơ sở điều khiển đánh lửa 59

4.2.3 Điều khiển van không tải 60

4.2.4 Phương pháp điều khiển kim phun 61

4.2.5 Phương pháp điều khiển đánh lửa 67

4.2.5.1 Cấu tạo của hệ thống đánh lửa trực tiếp 68

4.5.5.2 Sơ đồ điều khiển góc đánh lửa sớm 69

4.2.6 Hiệu chỉnh góc đánh lửa theo các chế độ làm việc của động cơ 69

4.2.6.1 Chế độ khởi động 70

4.2.6.2 Chế độ sau khởi động 70

4.2.6.3 Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo nhiệt độ động cơ 71

4.2.6.4 Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm theo sự ổn định của động cơ ở chế độ không tải 72

4.2.7 Điều khiển bơm xăng 73

4.3 Sơ đồ thuật toán điều khiển phun xăng và đánh lửa lập trình 73

4.3.1 Thuật toán điều khiển chung 73

4.3.2 Thuật toán điều khiển phun xăng ở chế độ khởi động 75

4.3.3 Thuật toán điều khiển phun xăng ở chế độ chuyển tiếp khởi động-không

tải 76

4.3.4 Thuật toán khiển phun xăng ở chế độ không tải 77

4.3.5 Thuật toán điều khiển phun xăng ở chế độ chuyển tiếp không tải-ổn định 78

4.3.6 Thuật toán khiển phun xăng ở chế độ ổn định 80

4.3.7 Thuật toán điều khiển phun xăng ở chế độ chuyển tiếp ổn định-không tải 81

4.3.8 Thuật toán điều khiển đánh lửa 82

Chương 5: CHẠY THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 84

5.1 Xây dựng góc đánh lửa sớm theo tải trọng và tốc độ động cơ 84

5.2 Xây dựng bộ tham số lượng nhiên liệu phun theo tải và tốc độ động cơ 86 5.3 Giới thiệu về xe thử nghiệm 88

5.4 Quy trình thử nghiệm xe trên băng thử 90

5.5 Kết quả thực nghiệm 90

5.6 Chạy trên đường 92

KẾT LUẬN 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ thì điều khiển tự động

được áp dụng rất nhiều vào các lĩnh vực sản xuất, nghiên cứu cũng như các lĩnh vực khác của đời sống xã hội, đặc biệt là ngành động cơ đốt trong thì việc điều khiển tự động hóa các quá trình của động cơ là rất cần thiết

Hiện nay trên thế giới hệ thống phun xăng điện tử cho xe máy đã được sử dụng rộng rãi Ở Việt Nam, xu hướng hiện nay là thay thế hệ thống nhiên liệu

sử dụng bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun xăng điện tử Qua quá trình học tập và nghiên cứu em thấy rằng việc thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun xăng điện tử là cần thiết Với bộ điều khiển ECU cho phép điều chỉnh chính xác lượng nhiên liệu theo từng chế độ tải trọng của động cơ, nhờ đó cải thiện được đặc tính mô men cũng như tăng tính kinh tế của động cơ và giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường Với những lý do trên em chọn đề tài

“Thiết kế ECU cho hệ thống phun xăng điện tử trên xe máy Super Dream” Với đề tài này em hy vọng sẽ góp phần nâng cao chất lượng dòng sản phẩm động cơ xe máy sản xuất tại Việt Nam

Em xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của PGS.TS.Nguyễn Văn Bang cũng như sự giúp đỡ tạo điều kiện của các thầy cô giáo trong bộ môn Cơ Khí Ôtô đã giúp em hoàn thành đề tài này Nhưng do chưa có nhiều kinh nghiệm và trình độ bản thân còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai xót Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, sự chỉ bảo của các thầy cô cũng như các bạn sinh viên để em có thể ứng dụng đề tài này tốt hơn trong thực tế

Hà Nội, Ngày 4 tháng 5 năm 2009

Sinh viên thực hiệnBùi Tiến Lâm

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1.Đặt vấn đề

Theo thống kê của cục đăng kiểm hiện nay nước ta có gần 27 triệu xe máy

mà đa phần trong số đó sử dụng hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí và

hệ thống đánh lửa thông thường, đây là những hệ thống có nhiều nhược điểm như:

+ Thành phần hòa khí phụ thuộc chủ yếu vào áp suất đường ống nạp và tốc

độ động cơ, nhưng trên thực tế thành phần hòa khí còn phụ thuộc vào nhiệt độ động cơ, nhiệt độ khí nạp, độ mở bướm ga…Hơn nữa cơ cấu điều chỉnh lượng nhiên liệu bằng cơ khí, không đảm bảo điều khiển chính xác lượng và chất của hổn hợp phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ

+ Do sử dụng họng tiết lưu nên làm tăng tổn thất cơ khí, giảm hệ số nạp của động cơ

+ Khi muốn lắp thêm bộ xúc tác khí xả do không duy trì được λ = 1 nên hiệu suất của bộ xúc tác không cao

+ Góc đánh lửa sớm được giữ cố định do đó không phù hợp với tải trọng và tốc độ của động cơ

Do những nhược điểm trên mà các tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ

xe máy không cao, nhất là vấn đề phát thải các khí thải độc hại

Ngày nay trước những sức ép về tiết kiệm nhiên liệu khi mà nguồn dầu mỏ đang ngày càng cạn kiệt cũng như việc cắt giảm hàm lượng các khí thải độc hại theo các tiêu chuẩn khí thải mới, đã thúc đẩy các nhà sản xuất áp dụng các biện pháp công nghệ đã được áp dụng trên các ôtô hiện đại vào lĩnh vực xe máy Một trong những hướng đó là nghiên cứu thay thế hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun xăng điện tử Việc thay thế này đã

được áp dụng trên một số dòng xe như Future Neo FI, SCR của hãng HONDA Tuy nhiên số lượng còn hạn chế và giá thành rất đắt.

Như chúng ta đã biết so với hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí và đánh lửa thông thường thì hệ thống phun xăng và đánh lủa điện tử có rất nhiều ưu điểm, môt trong số những ưu điểm đó như:

+ Có thể đạt được tỷ lệ nhiên liệu chính xác với tất cả các dải tốc độ và tải trọng của động cơ

+ Dễ dàng cung cấp lượng cũng như thành phần hỗn hợp đáp ứng kịp thời với sự thay đổi góc mở buớm ga

+ Khả năng hiệu chỉnh hỗn hợp khí nhiên liệu dễ dàng: có thể làm đậm hỗn hợp khi nhiệt độ động cơ thấp hoặc cắt nhiên liệu khi giảm tốc hay khi động

cơ vượt quá tốc độ cho phép…

+ Hệ số nạp được nâng cao do không có họng khuyếch tán

+ Có thể điều khiển hệ số dư lượng không khí λ=1 ở chế độ hoạt động chính của động cơ do vậy có thể kết hợp với bộ xúc tác khí xả ba thành phần làm giảm nồng độ các thành phần độc hại trong khí thải động cơ

+ Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh tối ưu cho từng chế độ hoạt động của động cơ

Xuất phát từ những yêu cầu thực tế nhằm khắc phục các nhược điểm đã nêu của động cơ xe máy cũng như mong muốn được nghiên cứu tiếp cận và làm chủ các công nghệ hiện đại trong lĩnh vực ôtô- xe máy Tôi đã tiến hành nghiên cứu, thiết kế và chế tạo ECU trong hệ thống phun xăng điện tử trên xe máy

1.2.Giới thiệu về hệ thống phun xăng điện tử

Chữ EFI ở phía sau thân của các ôtô đời mới và trên động cơ là chữ viết tắt

của Electronic Fuel Injection, có nghĩa là hệ thống điều khiển phun xăng bằng điện tử Hệ thống này cung cấp hỗn hợp nhiên liệu cho động cơ một cách tối

ưu Tuy nhiên, tùy theo chế độ làm việc của động cơ, ECU thay đổi tỷ lệ khí- nhiên liệu để luôn luôn cung cấp cho động cơ một hỗn hợp hòa khí tối ưu Cụ thể ở chế độ khởi động trong thời tiết lạnh giá, hỗn hợp khí được cung cấp giàu nhiên liệu, sau khi động cơ đã đạt nhiệt độ vận hành, nhiên liệu phun sẽ

tự động giảm xuống để đạt thành phần hòa khí Lambda=1.Ở chế độ tải trọng cao, hệ số dư lượng không khí Lambda sẽ tự động giảm xuống (Lambda<1)

để động cơ phát ra công suất lớn nhất

Ôtô ngày nay có thể sử dụng một trong hai thiết bị hay hệ thống để cung cấp hỗn hợp không khí- nhiên liệu với một tỷ lệ thích hợp đến các xylanh của động cơ tại tất cả các dải tốc độ, đó là sử dụng bộ chế hòa khí hoặc hệ thống EFI ( phun xăng điện tử).Cả hai hệ thống trên lượng khí nạp sẽ thay đổi theo góc mở của bướm ga và tốc độ động cơ Lượng nhiên liệu cung cấp được điều chỉnh theo các chế độ làm việc của động cơ Đối với hệ thống dùng bộ chế hòa khí việc cung cấp nhiên liệu sẽ do giclơ nhiên liệu đảm nhận Còn với hệ thống EFI sẽ do ECU (Electronic Control Unit) tính toán sau đó đưa ra lượng nhiên liệu phun thông qua việc điều khiển thời gian mở kim phun

Do kết cấu của chế hòa khí khá đơn giản, nó đã được sử dụng trên hầu hết các động cơ xăng trước đây Mặc dù vậy, để đáp ứng các nhu cầu hiện nay về khí xả sạch hơn, nâng cao các tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ…,bộ chế hòa khí ngày nay phải được lắp đặt các thiết bị hiệu chỉnh khác nhau, làm cho nó trở thành một hệ thống phức tạp hơn nhưng vẫn không đáp ứng được các yêu cầu cần thiết

Do vậy , hệ thống EFI được sử dụng thay thế cho chế hòa khí, đảm bảo tỷ lệ khí- nhiên liệu thích hợp cho động cơ bằng việc phun nhiên liệu điều khiển điện tử theo các chế độ làm việc khác nhau của động cơ.

1.2.1.Lịch sử phát triển và phân loại

1.2.1.1.Lịch sử phát triển

Vào thế kỷ 19, một kỹ sư người Mỹ- ông Stevan- đã nghĩ ra cách phun

nhiên liệu cho một máy nén khí Sau đó một thời gian, một người Đức đã cho phun nhiên liệu vào buồng cháy nhưng không mang lại hiệu quả Đầu thế kỷ

20, người Đức áp dụng hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ 4 kỳ tĩnh tại (nhiên liệu dùng trên động cơ này là dầu hỏa nên hay bị kích nổ và hiệu quả thấp) Tuy nhiên, sau đó sáng kiến này đã được ứng dụng thành công trong việc chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu cho máy bay ở Đức Đến năm 1966, hãng BOSCH đã thành công trong việc chế tạo hệ thống phun xăng kiểu cơ khí Trong hệ thống phun xăng này nhiên liệu được phun trực tiếp vào trước supáp hút nên có tên gọi là K-Jetronic ( K- Konstan –liên tục, Jentronic- phun ) K-Jetronic được đưa vào sản xuất và ứng dụng trên các xe của hãng Mercedes và một số xe khác, là nền tảng cho việc phát triển hệ thống phun xăng thế hệ như : KE- Jetronic, Mono-Jetronic, L- Jetronic, Motronic…

Do hệ thống phun xăng cơ khí còn nhiều nhược điểm nên đầu những năm

80, BOSCH đã cho ra đời hệ thống phun xăng sử dụng kim phun đìều khiển bằng điện Có 2 loại: hệ thống L-Jetronic ( lượng nhiên liệu được xác định nhờ cảm biến đo lưu lượng khí nạp) và D- Jetronic ( lượng nhiên liệu được xác định dựa vào áp suất trên đường ống nạp)

Đến năm 1984, người Nhật ( mua bản quyền của BOSCH ) đã ứng dụng hệ thống phun xăng L-Jetronic và D- Jetronic trên các xe của hãng Toyota ( dùng với động cơ 4A – ELU) Đến những năm 1987, hãng Nissan dùng L- Jetronic thay bộ chế hòa khí của xe Nissan Sunny

Việc điều khiển EFI có thể được chia làm 2 loại, dựa trên sự khác nhau về phương pháp dùng để xác định lượng nhiên liệu phun.

ECU trước năm 1983 là một loại mạch tương tự, loại này điều khiển lượng phun dựa vào thời gian cần thiết để nạp và phóng một tụ điện Từ năm 1985 trở lại đây là loại được điều khiển bằng vi xử lý, loại này sử dụng dữ liệu lưu trong bộ nhớ để xác định lượng phun

Hệ thống EFI điều khiển bằng mạch tương tự là loại được TOYOTA sử dụng lần đầu tiên trong hệ thống EFI của nó Loại điều khiển bằng vi xử lý được bắt đầu sử dụng vào năm 1983

Hệ thống EFI điều khiển bằng bộ vi xử lý được sử dụng trong xe của TOYOTA gọi là TCCS ( TOYOTA Computer Controled System – Hệ thống điều khiển bằng máy tính của TOYOTA ), nó không chỉ điều khiển lượng phun mà còn bao gồm cả ESA( Electronic Spark Advance- Đánh lửa sớm điện tử) để điều khiển thời điểm đánh lửa; ISC ( Idle Speed Control- Điều khiển tốc độ không tải) và các hệ thống điều khiển khác cũng như chức năng chẩn đoán và dự phòng Hai hệ thống này có thể được phân loại như sau:

Loại EFI điều khiển tương tự và điều khiển bằng vi xử lý về cơ bản là giống nhau, nhưng có thể nhận thấy một vài điểm khác nhau về phương pháp điều khiển như hệ thống EFI tương tự lượng nhiên liệu phun được tính toán dựa trên các phép toán của điện tử tương tự, còn EFI số thì việc điều khiển lượng nhiên liệu phun được tính toán và lập trình trên một bộ vi xử lý và do vậy độ chính xác của hệ thống này cao hơn hệ thống EFI tương tự

Dựa vào vị trí đặt vòi phun người ta phân thành hệ thốn phun xăng trực tiếp ( Gasoline Direct Injection- GDI) xăng được phun trực tiếp vào buồng cháy ở cuối kỳ nén, và hệ thống phun xăng gián tiếp với vòi phun được bố trí bên ngoài động cơ

Hệ thống phun xăng trực tiếp có hình thức phun nhiên liệu tương tự như động cơ Diesel nên nó mang một số ưu điểm của động cơ Diesel như hệ số dư lượng không khí λ rất đồng đều giữa các xilanh ( với động cơ nhiều xilanh),

hệ số nạp lớn Tuy nhiên do xăng là loại nhiên liệu nhẹ, độ nhớt nhỏ nên để tạo áp suất phun lớn đòi hỏi các nhà chế tạo phải giải quyết hàng loạt vấn đề công nghệ liên quan đến việc chế tạo bơm cao áp và vòi phun với khe hở cực nhỏ, bôi trơn bơm cao áp, lọc không khí, tạp chất trong nhiên liệu… vì vậy động cơ rất phức tạp và không phổ biến trong thực tế Chính vì vậy sau đây chúng ta chỉ tìm hiểu về hệ thống phun xăng gián tiếp

Hình 1.1 Sơ đồ phân loại hệ thống phun xăng điện tử.

1.2.1.2.Phân loại hệ thống phun xăng điện tử

Tùy thuộc vào các tiêu chí mà ta có các cách phân loại hệ thống phun xăng khác nhau

Dựa vào cách thức phun người ta phân thành hệ thống phun xăng đơn điểm

và hệ thống phun xăng đa điểm Hệ thống phun xăng đơn điểm ( single point)

hay còn gọi là hệ thống phun xăng trung tâm, toàn bộ động cơ chỉ có một vòi phun ở đường ống nạp chung cho tất cả các xilanh

Còn hệ thống phun đa điểm (Multi point) mỗi xilanh có một vòi phun được

bố trí ngay sát xupap nạp Hệ thống phun đa điểm so với hệ thống phun đơn

điểm có ưu điểm là xăng được phun vào xupap là nơi có nhiệt độ cao nên có

điều kiện bay hơi tốt hơn và giảm được hiện tượng đọng bám xăng trên đường ống nạp đồng thời phân phối nhiên liệu đến từng xylanh đều hơn

Dựa vào cách thức điều khiển vòi phun người ta phân thành hệ thống điều

khiển bằng điện tử và hệ thống điều khiển bằng cơ khí hay hỗn hợp cơ khí-

điện tử.

Dựa vào việc tổ chức quá trình phun người ta phân thành hệ thống phun

xăng liên tục hay gián đoạn.

Dựa vào các cách phân loại trên, trong thực tế có rất nhiều hệ thống phun xăng với đặc điểm phun là tổ hợp của các hình thức phân loại trên như:

- Hệ thống K- Jetronic: Đây là hệ thống phun xăng đa điểm, liên tục điều khiển bằng cơ khí

- Hệ thống L- Jetronic và D- Jetronic: Đây là hệ thống phun xăng đa điểm, phun gián đoạn và điều khiển bằng điện tử

D- Jetronic: lượng xăng phun được xác định dựa vào áp suất sau bướm ga bằng cảm biến áp suất khí nạp MAP ( Manifold absolute pressure sensor) và được hiệu chỉnh theo nhiệt độ khí nạp

L-Jetronic: lượng xăng phun được tính toán trực tiếp dựa vào lưu lượng khí nạp lấy từ cảm biến đo gió loại cánh trượt Sau đó có các phiên bản: LH-

Jetronic với cảm biến đo gió dây nhiệt, LU- Jetronic với cảm biến đo gió kiểu siêu âm.

- Mono- Jetronic: Đây là hệ thống phun xăng đơn điểm Theo phương án này xăng được phun vào ống nạp chung để cung cấp hỗn hợp cho các xilanh.Về mặt nguyên tắc có thể sử dụng các biện pháp phun liên tục hay gián đoạn Vòi phun được bố trí ngay trên bướm tiết lưu, tại đây vận tốc dòng khí lớn nhất tạo điều kiện tốt cho quá trình xé tơi xăng và hòa trộn với không khí

- Loại MPI: Đây là hệ thống phun đa điểm, với mỗi kim phun cho từng xilanh được bố trí gần xupap nạp Đường ống nạp được thiết kế sao cho đường đi của không khí từ bướm ga đến xilanh khá dài Nhờ vậy,nhiên liệu được phun ra được hòa trộn tốt với không khí nhờ xoáy lốc Nhiên liệu cũng không thất thoát trên đường ống nạp

1.2.2 Kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử 1.2.2.1 Kết cấu của hệ thống EFI điển hình

Hình 1.2 là sơ đồ của một hệ thống EFI điển hình bao gồm bộ điều khiển trung tâm ECU nhận các tín hiệu từ các cảm biến đầu vào như cảm biến đo áp suất khí nạp, cảm biến nhiệt độ khí nạp,cảm biến nhiệt độ động cơ, cảm biến

vị trí bướm ga, cảm biến ôxy, cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến thời điểm, cảm biến kích nổ Trên cơ sở đó ECU điều khiển các thông số đầu ra như bơm nhiên liệu, van không tải, vòi phun, đánh lửa (Ign coil) Ngoài ra, nó còn liên kết với các thiết bị hoặc hệ thống khác như thiết bị chẩn đoán Diagnostic

Cảm biến thời điểm

và mạch đánh lửa

Cảm biến nhiệt

độ khí nạp

CB buom ga

Cảm biến áp suất ống nạp

Van không tải

Bộ xúc tác khí thải Cảm biến ôxy

Cảm biến kích nổ

Cảm biến nhiệt độ ĐC

Vòi phun

Công tắc số mo

Cảm biến tốc độ xe

Đồng hồ tốc độ xe Giắc chẩn đoán

Rơ le EFI

ổ khóa điện

ECU

Thùng xăng

Hỡnh 1.2 Sơ đồ hệ thống EFI điển hỡnh.

1.2.2.2.Nguyên lý hoạt động

EFI có thể chia thành ba hệ thống : hệ thống nhiên liệu, hệ thống nạp khí và

hệ thống điều khiển điện tử EFI cũng có thể được chia thành điều khiển phun nhiên liệu cơ bản và điều khiển hiệu chỉnh Ba hệ thống này sẽ được mô tả chi tiết như sau:

Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát hệ thống EFI.

+ Hệ thống nạp khí:

Không khí đi từ lọc gió qua cảm biến lưu lượng khí nạp rồi đến bướm ga và

van khí phụ( nếu có điều khiển không tải), qua đường dẫn khí đến các xilanh của động cơ

+ Hệ thống nhiên liệu:

Nhiên liệu từ bình xăng được đưa đến bơm nhiên liệu, qua lọc nhiên liệu đến vòi phun khởi động lạnh ( nếu có) và bộ ổn định áp suất tới các vòi phun

+ Hệ thống điều khiển điện tử:

Bao gồm ECU, các cảm biến và hệ thống điều khiển các cơ cấu chấp hành Trên cơ sở thông tin từ các cảm biến đầu vào và tín hiệu đánh lửa, ECU sẽ tiến hành tính toán để điều khiển các cơ cấu chấp hành như cuộn đánh lửa, vòi phun, van khí phụ…

1.2.2.2.1 Điều khiển phun cơ bản

Các thiết bị phun cơ bản duy trì một tỷ lệ tối ưu (gọi là tỷ lệ lý thuyết) của

không khí và nhiên liệu hút vào trong các xilanh Để thực hiện được điều đó, nếu có sự gia tăng lượng khí nạp, lượng nhiên liệu phun vào cũng phải gia tăng tỷ lệ hoặc là nếu lượng khí nạp giảm xuống, lượng nhiên liệu phun ra cũng giảm xuống

Hình 1.4 Sơ đồ điều khiển phun cơ bản.

a)Hệ thống cung cấp khí:

Khi bướm ga mở ra, dòng không khí từ lọc gió đến các xilanh sẽ qua cảm biến lưu lượng gió loại trực tiếp như cảm biến đo lưu lượng dạng cánh gạt hoặc kiểu nhiệt điện trở hay đo gián tiếp thông qua cảm biến áp suất khí nạp

(đặt sau bướm ga) kết hợp với cảm biến tốc độ và cảm biến nhiệt độ khí nạp,bướm ga và đường ống nạp.

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống cung cấp khí và đo lưu lượng khí bằng cảm biến

dạng van lật.

Đối với cảm biến đo lưu lượng gió trực tiếp dạng cánh gạt khi dòng không

khí đi qua cảm biến lưu lượng gió,nó sẽ ấn mở tấm đo Lượng không khí được cảm nhận bằng độ mở của tấm đo

Còn với cảm biến đo lưu lượng gián tiếp qua áp suất khí nạp khi dòng khí đi qua nó sẽ làm độ chân không của đường ống tăng Độ chân không phụ thuộc vào độ mở bướm ga và tốc độ động cơ Chính vì vậy,sau khi đo áp suất đường ống nạp kết hợp với tốc độ động cơ và nhiệt độ của dòng khí nạp ta có thể tính toán chính xác được lưu lượng khí nạp

b) Hệ thống cung cấp nhiên liệu:

Nhiên liệu được nén lại nhờ bơm nhiên liệu chạy bằng điện và chảy đến các vòi phun qua bộ lọc Mỗi xilanh có một vòi phun, nhiên liệu được phun ra khi van điện từ mở Do bộ ổn định áp suất giữ cho áp suất nhiên liệu không đổi nên lượng nhiên liệu phun ra được điều khiển bằng cách giữ cho áp suất trước vòi phun và sau vòi phun là hằng số, do đó lượng nhiên liệu phun chỉ phụ

thuộc vào thời gian mở kim phun Do vậy, khi lượng khí nạp nhỏ, khoảng thời gian phun ngắn còn khi lượng khí nạp lớn thì khoảng thời gian phun dài hơn.

Hình 1.6 Sơ đồ mạch cung cấp nhiên liệu.

c) Điều khiển lượng phun cơ bản:

Lượng không khí cảm nhận tại cảm biến đo lưu lượng gió được chuyển hóa

thành điện áp, điện áp này được gửi đến ECU như một tín hiệu

Tín hiệu đánh lửa sơ cấp theo số vòng quay động cơ cũng được gửi đến ECU từ cuộn dây đánh lửa ECU sau đó tính toán bao nhiêu nhiên liệu cần cho lượng khí đó và thông báo cho mỗi vòi phun bằng thời gian mở van điện Khi van điện của vòi phun mở ra, nhiên liệu sẽ được phun vào đường ống nạp

d) Thời điểm và khoảng thời gian phun:

Tín hiệu từ cuộn đánh lửa chỉ thị số vòng quay của động cơ và làm cho tất

cả các vòi phun sẽ đồng thời phun nhiên liệu tại mỗi vòng quay của trục khuỷu.Động cơ 4 kỳ sẽ thực hiện các kỳ nạp, nén, nổ , xả trong mỗi vòng quay của trục khuỷu

e) Kết luận:

Tùy theo tốc độ động cơ và lượng khí nạp đo được tại cảm biến lưu lượng

khí ECU sẽ thông báo cho các vòi phun bao nhiêu nhiên liệu cần phun và hỗn hợp khí- nhiên liệu được tạo ra bên trong đường ống nạp Khái niệm “ lượng phun cơ bản” được sử dụng để chỉ lượng nhiên liệu cần phun để tạo ra tỷ lệ hỗn hợp lý thuyết

Hình 1.7 Sơ đồ tổng quát hệ thống nhiên liệu EFI.

1.2.2.2.2 Điều khiển hiệu chỉnh

Như vậy, hoạt động cơ bản của các thiết bị cần cho việc tạo ra hỗn hợp khí-

nhiên liệu lý thuyết đã được mô tả Tuy nhiên, động cơ sẽ không hoạt động tốt chỉ với lượng phun cơ bản Đó là bởi vì động cơ phải vận hành dưới nhiều chế

độ và do đó nó cần có một số chương trình khác để điều chỉnh tỷ lệ khí- nhiên liệu tùy theo chế độ khác nhau này Ví dụ, khi động cơ còn lạnh dưới tải nặng, cần có hỗn hợp đậm hơn ECU sẽ thay đổi tỷ lệ khí- nhiên liệu theo các chế

độ hoạt động của động cơ theo cách giống như chế hòa khí thay đổi hỗn hợp khí- nhiên liệu bằng bướm gió Có 2 phương pháp để hiệu chỉnh tỷ lệ khí-

nhiên liệu Một được coi là “hiệu chỉnh đậm”, ECU hoạt động để tăng lượng phun Phương pháp khác là các thiết bị phụ trợ sẽ thực hiện cùng một chức năng mà không liên quan đến ECU như van điều khiển khí phụ, điều khiển dòng khí nạp đi tắt qua bướm ga phụ thuộc nhiệt độ nước làm mát.

a) Hiệu chỉnh

Rất nhiều loại thông tin về các chế độ hoạt động của động cơ (ví dụ: nhiệt

độ nước làm mát, nhiệt độ khí nạp, điện áp ắc quy…) được chuyển đến ECU

từ các cảm biến để thêm vào thông tin về lượng khí nạp Từ cảm biến lưu lượng khí và tốc độ động cơ từ cuộn đánh lửa hoặc cảm biến thời điểm, ECU

sẽ tăng lượng nhiên liệu dựa trên các thông tin này Nói một cách khác, thậm chí lượng khí nạp không đổi, thì lượng nhiên liệu do các vòi phun phun ra vẫn tăng hay giảm tùy theo các chế độ hoạt động của động cơ

Hình 1.8 Sơ đồ hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun.

b) Các thiết bị phụ

Có 2 thiết bị phụ để hiệu chỉnh tỷ lệ khí- nhiên liệu, một vòi phun khởi động lạnh và một van khí phụ

+ Vòi phun khởi động lạnh

Mục đích của vòi phun khởi động lạnh là cải thiện tính năng khởi động khi

động cơ lạnh Khởi động một động cơ lạnh cần có nhiều nhiên liệu và hỗn hợp đậm hơn, bởi vì lúc này nhiên liệu rất khó bay hơi, đọng chủ yếu trên thành đường ống nạp, do đó cần tăng lượng phun để tăng lượng nhiên liệu bay hơi Khi đó vòi phun khởi động lạnh sẽ phun nhiên liệu để làm đậm hỗn hợp Nói theo một cách khác, trong khi khởi động động cơ lạnh, nhiên liệu được cung cấp bằng cả vòi phun chính và vòi phun khởi động lạnh

Theo cách này, tỷ lệ nhiên liệu so với không khí tăng lên nhờ vào lượng nhiên liệu phun ra từ vòi phun khởi động lạnh,tạo nên hỗn hợp đậm hơn Vòi phun khởi động lạnh là một van điện sử dụng nguồn năng lượng của ắc quy để

mở, đóng van bên trong và phun nhiên liệu Để tránh cho hỗn hợp quá đậm, khoảng thời gian phun nhiên liệu được điều khiển bằng một công tắc định thời bao gồm một phần tử lưỡng kim và cuộn dây sấy

+ Van khí phụ

Khi nhiệt độ còn thấp van khí phụ sẽ tăng tốc độ không tải của động cơ đến chế độ không tải nhanh Khi động cơ còn lạnh, thậm chí nếu bướm ga đóng, không khí vẫn nạp vào động cơ qua van khí phụ Lượng không khí đi qua van khí phụ sẽ thay đổi theo nhiệt độ Khi nhiệt độ thấp, van khí phụ mở hoàn toàn cho phép một lượng lớn không khí đi qua

Khi nhiệt độ tăng lên, van sẽ đóng dần lại cho đến khi động cơ đạt được nhiệt độ hoạt động bình thường, nó sẽ đóng hoàn toàn để cắt dòng khí.Tốc độ không tải nhanh tỷ lệ với lượng khí đi qua van khí phụ Nó sẽ cao khi nhiệt độ thấp và giảm đến tốc độ không tải bình thường khi nhiệt độ tăng lên Việc đóng và mở van khí phụ được điều chỉnh ở bên trong bằng một van giãn nở nhiệt tùy theo nhiệt độ nước làm mát động cơ

1.3 So sánh các chế độ làm việc của hệ thống phun xăng điện tử và hệ thống dùng chế hòa khí

1.3.1.Ở chế độ không tải chuẩn:

+ Đối với bộ chế hòa khí:

Bướm ga hầu như đóng kín, xăng không được hút ra từ họng chính vì độ

chân không của họng nhỏ, mà xăng được hút qua đường không tải thông với không gian sau bướm ga Lúc ấy trong xilanh có hệ số khí xót rất lớn, muốn cho động cơ chạy ổn định cần có hòa khí đậm (λ=0,6) Do hòa khí rất đậm sẽ gây ra suất tiêu hao nhiên liệu rất lớn và lượng độc hại của thành phần khí xả bao gồm CO và HC rất lớn

+Đối với hệ thống phun xăng điện tử:

Để tạo một thành phần hòa khí hoàn hảo nhất thì thông thường nó được

thực hiện bằng hai van khí chỉ điều chỉnh riêng thành phần không khí Còn lượng xăng đưa vào bao nhiêu được quyết định bởi tốc độ động cơ Hệ thống này ưu việt hơn hẳn bộ chế hòa khí, do trong chế hòa khí xăng được đưa vào chế độ không tải là nhờ độ chân không sau bướm ga hoàn toàn không điều khiển được lượng xăng còn hệ thống phun xăng điện tử lượng xăng đưa vào được tính toán một cách chính xác Có thể nói trong hệ thống phun xăng điện

tử số vòng quay không tải thấp nhất,động cơ làm việc ổn định, hỗn hợp cháy không tải nhạt mà vẫn đảm bảo sự làm việc của động cơ

1.3.2 Ở chế độ tăng tốc

+ Đối với bộ chế hòa khí

Khi đột ngột tăng tốc, hỗn hợp trở nên nhạt đột ngột, một lượng nhiên liệu sẽ

được bù thêm vào trong suốt quá trình tăng tốc Hơn nữa trong một thời gian ngắn khi tăng tốc động cơ chấp nhận sử dụng hỗn hợp có λ = 9 để đạt được

moment cực đại.Tín hiệu nhận biết tăng tốc là sự thay đổi đột ngột vị trí bướm

ga thông qua hệ thống cơ khí làm cho bơm tăng tốc ngay lập tức phun một lượng xăng vào trước họng đảm bảo hỗn hợp không quá nhạt

+Đối với hệ thống phun xăng điện tử

Cũng tương tự bộ chế hòa khí cần thêm nhiên liệu để hỗn hợp không bị nhạt

Để đảm bảo lượng xăng chính xác tạo cho quá trình chuyển tiếp được tốt và đạt sức kéo lớn trong khi tăng tốc thì tín hiệu được xác định lượng nhiên liệu phun cần thiết dựa trên nhiệt độ động cơ và sự thay đổi đột ngột vị trí bướm ga

Tín hiệu để nhận biết tăng tốc chính là tín hiệu của cảm biến bướm ga Đối với bướm ga kiểu biến trở tín hiệu để nhận biết xe tăng tốc chính là sự thay đổi đột ngột điện áp ở chân giữa của biến trở Nếu bình thường thì ECU phải biết được sự thay đổi lượng khí nạp vào hoặc sự thay đổi của độ chân không đường nạp, sau đó tính toán lượng xăng cần thiết, như thế sẽ quá lâu Để tăng tốc thì khi ECU nhận được tín hiệu thay đổi đột ngột của bướm ga, thì ngay lập tức nó dựa vào nhiệt độ động cơ để phun chứ không cần biết lưu lượng khí hoặc độ chân không đường nạp là bao nhiêu Vòi phun sẽ phun thêm một lượng nhiên liệu trong vài chu trình ( tùy theo từng hãng) chờ sẵn ở đường nạp mỗi xilanh

1.3.3 Chế độ khởi động động cơ

+ Đối với bộ chế hòa khí: Khi động cơ khởi động, số vòng quay của động cơ

nhỏ nên độ chân không ở họng rất nhỏ, nhiên liệu bị hút vào ít, không tơi và khó bay hơi do nhiệt độ thấp Do đó để dễ dàng cho việc khởi động cần có thêm một lượng nhiên liệu để hỗn hợp có thể đậm hơn Để giải quyết vấn đề này bộ chế thường dùng bướm gió, do khi khởi động bướm ga đóng kín nên

độ chân không sau bướm ga lớn nên cả hệ thống chính và hệ thống không tải đều hoạt động làm cho hỗn hợp đậm theo yêu cầu Khi động cơ đã nổ, để

tránh hiện tượng hỗn hợp quá đậm do chưa mở bướm ga thì trên bướm ga lắp một van khí nhằm bù thêm không khí khi động cơ đã nổ mà chưa mở bướm ga.

+ Đối với động cơ phun xăng: Khi động cơ vừa khởi động do tốc độ động

cơ dao động rất lớn vì thế phép đo lượng không khí vào không chính xác Lúc này lượng xăng phun dựa vào tín hiệu khởi động và nhiệt độ động cơ Trong suốt quá trình khởi động không chỉ có một lượng xăng lớn được vòi phun phun vào mà một lượng nhiên liệu nữa cũng được phun bởi vòi phun khởi động lạnh đặt giữa đường chia khí phía sau bướm ga Một công tắc nhiệt lắp trên đường nước làm mát động cơ sẽ xác định thời gian vòi phun khởi động lạnh làm việc, công tắc này đặc biệt là ngoài việc nhận nhiệt từ nước làm mát nó còn được đốt nóng bởi một dòng điện trong quá trình động cơ khởi động Mục đích của việc đốt nóng công tắc nhiệt là khi trời quá lạnh công tắc nhiệt sẽ tự cắt sau 7÷8 giây nhằm tránh hiện tượng sặc xăng Lượng nhiên liệu phun thêm vào là cần thiết do trong quá trình khởi động số vòng quay rất thấp nên sự xoáy lốc tạo hỗn hợp rất kém làm cho hỗn hợp rất nghèo Ngoài ra, do nhiệt độ đường ống nạp thấp nên nhiên liệu bay hơi hòa trộn rất ít mà đa phần

bị ngưng đọng trên đường ống nạp Để giải quyết vấn đề này và tạo cho động

cơ lạnh dễ dàng thì vòi phun khởi động lạnh phun thêm nhiên liệu trong một thời gian ngắn khi động cơ khởi động

+ Thay đổi đặc tính phun khi khởi động được rất nhiều hãng áp dụng đối với loại xe không trang bị vòi phun khởi động riêng Lượng xăng phun thêm sẽ do các vòi phun chính đảm nhiệm Thay vì chỉ phun 1 hoặc 2 lần, ECU sẽ điều khiển xăng phun nhiều lần trong một chu trình động cơ nhằm tạo mục đích tạo ra hỗn hợp đậm Lượng xăng phun thêm sẽ giảm dần khi tốc độ động cơ vượt qua một ngưỡng nhất định tùy theo nhiệt độ và số vòng quay

+Khi động cơ phun xăng khởi động không chỉ có một lượng xăng được phun thêm mà thời điểm đánh lửa cũng được quá điều chỉnh để đảm bảo thời gian

khởi động nhanh nhất Tín hiệu để tạo ra sự hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa là tốc độ động cơ, nhiệt độ động cơ và nhiệt độ khí nạp Nếu nhiệt độ động cơ lạnh và tốc độ động cơ thấp thì góc đánh lửa tốt nhất là ở gần điểm chết trên Nếu góc đánh lửa quá lớn thì có thể gây nguy hiểm do sự trở ngược của mô men quay gây hư hỏng môtơ khởi động Nếu tốc độ động cơ ban đầu lớn và thêm nữa góc đánh lửa cũng được hiệu chỉnh tốt thì động cơ dễ dàng khởi động và nhiệt độ động cơ tăng lên nhanh chóng Nếu động cơ nóng, sự trả ngược của mô men quay thậm trí xảy ra với góc đánh lửa nhỏ, nguyên nhân là

do hỗn hợp của nhiên liệu và không khí hòa trộn rất tốt nên khả năng cháy và tốc độ cháy lớn Để giải quyết vấn đề này góc đánh lửa được giảm bớt tương xứng khi nhiệt độ động cơ tăng lên, và góc đánh lửa cũng vì thế mà giảm đi + Sau khi khởi động, ở mức nhiệt độ thấp, vẫn cần thiết phun thêm một lượng nhiên liệu nữa để bù cho hỗn hợp nghèo do đa phần nhiên liệu đều bám trên thành vách xilanh và rút ngắn thời gian sấy nóng máy Lượng nhiên liệu tăng thêm cũng làm tăng thêm mô men vì thế cải thiện được chế độ không tải sang chế độ có tải Quá trình chạy sau khi khởi động cũng được điều chỉnh sao cho động cơ hoạt động mà không gặp phải vấn đề gì trong bất kì mức nhiệt độ nào, và đạt được sự tiêu thụ nhiên liệu là thấp nhất Lượng nhiên liệu được sử dụng thời kỳ sau khởi động được điều chỉnh dựa vào nhiệt độ và thời gian Giá trị nhiệt độ ban đầu được điều chỉnh gần như tuyến tính với thời gian

1.3.4 Quá trình sấy nóng động cơ ( Quá trình không tải nhanh)

+ Đối với động cơ dùng chế hòa khí cổ điển thường không được thiết kế hệ

thống sấy do đó những động cơ sử dụng chế hòa khí thường bị tổn thất rất lớn làm tụt công suất thời kỳ khởi động lạnh

+ Đối với động cơ phun xăng quá trình sấy nóng động cơ bắt đầu sau khi khởi động Trong suốt quá trình sấy nóng động cơ phải cần thêm một lượng

nhiên liệu nữa để bù vào phần nhiên liệu đọng trên thành vách xilanh khi xilanh còn còn nguội Nếu lượng này không được thêm vào thì tốc độ động cơ

sẽ bị giảm xuống sau khi vòi phun khởi động dừng, làm kéo dài thời gian chạy ấm làm tăng tổn thất nhiệt và làm giảm công suất động cơ thời kỳ khởi động

+Vào thời kỳ này do động cơ lạnh nên sự tính toán chính xác lượng nhiên liệu

là rất khó Tại vì một lượng rất lớn nhiên liệu bị ngưng tụ lại nơi cuối đường ống thành những giọt nhiên liệu Chỗ nhiên liệu này rất khó bay hơi khi đông

cơ còn lạnh Do đó khi nhiệt độ thấp, một lượng nhiên liệu nữa phải được thêm vào hỗn hợp sao cho sự bốc cháy trong xilanh hoàn hảo nhất tại mọi nhiệt độ

+ Thời điểm đánh lửa cũng phụ thuộc vào nhiệt độ động cơ do đó trong chương trình này, góc đánh lửa cũng phải thay đổi Hiệu ứng nhiệt độ được chương trình hóa riêng biệt cho mỗi kỳ khởi động, không tải, xuống dốc, nửa tải và toàn tải

+ Lượng nhiên liêu thêm vào hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong quá trình chạy ấm máy không đủ để đảm bảo động cơ chạy tốt nhất là ở chế độ không tải Một động cơ lạnh sự cản trở ma sát bên trong cao hơn nhiều động

cơ đã nóng, điều đó có nghĩa là số vòng quay không tải của một động cơ lạnh

sẽ dễ dàng bị tụt xuống dẫn tới chết máy Để đảm bảo vấn đề đó không xảy ra thì động cơ phải cần một lượng lớn khí hỗn hợp Động cơ nhận lượng khí này

từ van khí phụ Van này mở cho phép động cơ được nhận thêm không khí lấy

từ trước bướm ga Lượng không khí này được xác định từ cảm biến lưu lượng khí nạp và lượng nhiên liệu được thêm vào một cách tương ứng Lượng hỗn hợp thêm vào này đảm bảo động cơ chạy tại chế độ không tải mà không gặp phải vấn đề gì Khi nhiệt độ động cơ đủ lớn thì van khí phụ cũng nóng làm lượng khí đi tắt qua bướm ga bị giảm dần và cắt hẳn đúng như yêu cầu Van khí này bao gồm một thanh lưỡng kim sẽ điều chỉnh tiết diện lưu thông của

thiết bị tùy theo nhiệt độ động cơ Thiết bị bổ xung không khí còn được trang

bị một mạch điện đốt nóng, giống như công tắc nhiệt cho phép điều chỉnh một cách chủ động thời gian đóng mở cửa kênh nối bổ sung không khí

+ Để hoàn thiện quá trình chạy sấy nóng động cơ, một số hệ thống phun sử dụng một cartographie bổ xung cho chương trình chạy ấm máy Các số liệu chuẩn này cho phép xác định hệ số làm đậm khi sấy nóng tùy theo số vòng quay và tải trọng động cơ Hệ số này sẽ nhỏ khi tải trọng và vòng quay nhỏ

1.3.5 Chế độ toàn tải

Ở chế độ toàn tải động cơ đạt công suất lớn nhất tại λ = 0,9÷0,95 do đó đối

với cả động cơ sử dụng chế hòa khí và động cơ phun xăng tại chế độ toàn tải lượng nhiên liệu được đưa thêm vào để động cơ đạt đựoc moment cực đại Động cơ phun xăng hỗn hợp được làm đậm thêm bằng cách tăng thời gian phun tùy theo loại động cơ và kiểu ôtô, mức độ làm đậm khi chạy toàn tải tùy thuộc vào các giá trị đã được lập trình từ trước Khi động cơ làm việc ở λ < 1 mạch điều chỉnh λ không làm việc Đối với một số động cơ phun xăng lượng nhiên liệu phun thêm vào vừa đảm bảo đạt mô men cực đại vừa tránh được kích nổ nhờ thay đổi góc đánh lửa sớm, việc thay đổi góc đánh lửa sớm được thông qua một chương trình điều khiển có tính đến các yếu tố liên quan đến hiện tượng kích nổ như nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ động cơ, nhiệt độ khí xả và tiếng gõ kích nổ (nếu được trang bị cảm biến kích nổ)

1.3.6 Chế độ giảm tốc đột ngột ( Quá trình không tải cưỡng bức)

+ Đối với các xe sử dụng chế hòa khí khi giảm tốc đột ngột bướm ga đóng kín, nhiên liệu không được cắt mà vẫn tiếp tục phun ra theo đường không tải làm tăng tiêu hao nhiên liệu, đây là đặc điểm không tốt của chế hòa khí Hệ thống phun xăng đã khắc phục được nhược điểm này

+ Khi động cơ đang ở tốc độ cao giảm tốc độ đột ngột, ECU sẽ cắt phun xăng nhằm tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí xả thoát ra đồng thời cho phép tăng hiệu quả của việc dùng phanh động cơ Tuy nhiên, biện pháp này chỉ thực hiện khi nhiệt độ động cơ đã đạt tới một giới hạn định trước ECU nhận biết việc giảm tốc đột ngột thông qua sự thay đổi đột ngột vị trí bướm

ga, vị trí cánh gạt cảm biến đo lưu lượng hoặc sự thay đổi đột ngột áp suất trong đường ống nạp Một số loại xe được trang bị một công tắc ở bàn đạp ga cho phép xác định thời điểm người lái đột ngột dời chân ga Quá trình phun được thiết lập trở lại bình thường khi số vòng quay tụt xuống dưới một ngưỡng xác định trước

Chương 2: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ

TRÊN XE MÁY

2.1.Lựa chọn và lắp đặt cảm biến:

2.1.1.Cảm biến áp suất đường ống nạp:

Khác với hệ thống L- Jetronic, trên hệ thống phun xăng D- Jetronic lượng

khí nạp vào xilanh được xác định gián tiếp thông qua cảm biến đo áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp Khi tải thay đổi sẽ làm cho áp suất tuyệt đối trong đường ống nạp thay đổi và MAP sensor sẽ chuyển thành tín hiệu điện áp báo về ECU để tính ra lượng không khí đi vào xilanh.Sau đó dựa vào giá trị này và tín hiệu tốc độ động cơ, ECU sẽ điều khiển thời gian mở kim phun và thời điểm đánh lửa

4

1

3 2

Loại cảm biến được lựa chọn là cảm biến dạng áp điện có cấu tạo và đặc tính như hình 2.1.

Loại cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên lý cầu Wheasttone Mạch cầu

Wheasttone được sử dụng trong thiết bị nhằm tạo ra điện áp phù hợp với sự thay đổi điện trở

Cảm biến bao gồm một tấm silicon nhỏ( còn gọi là màng ngăn) Tấm silicon này được làm kín với thành cảm biến tạo thành buồng chân không trong cảm biến Mặt ngoài tiếp xúc với áp suất đường ống nạp Hai mặt của tấm silicon được phủ thạch anh để tạo thành điện trở áp điện

Khi áp suất đường ống nạp thay đổi, giá trị của điện trở áp điện thay đổi Các điện trở áp điện được nối thành cầu Wheasttone Ứng với động cơ không hoạt động hoặc tải lớn ta có một điện áp thể hiện chế độ toàn tải của động cơ

Ở chế độ không tải với bướm ga đóng kín áp suất đường ống nạp giảm làm thay đổi giá trị điện trở áp điện và ta đo được điện áp ở chế độ không tải Trên

cơ sở hai điện áp này ta tiến hành phân chia các mức độ tải khác nhau của động cơ

2.1.2 Cảm biến tốc độ quay và cảm biến thời điểm

Hai cảm biến này gửi về ECU hai tín hiệu, tín hiệu thời điểm mang thông tin về thời điểm bắt đầu tính toán góc đánh lửa sớm của từng xylanh, thời điểm mở kim phun nhiên liệu và tín hiệu vòng quay cho ECU biết tốc độ động

cơ trong quá trình tính toán lượng nhiên liệu phun và góc đánh lửa sớm; ngoài

ra tín hiệu này còn tạo xung nhịp để thay đổi góc đánh lửa sớm

Trên trục quay được gắn một vấu sắt, cảm biến là một cuộn dây cuốn trên một lõi nam châm, khi trục quay làm vấu sắt quét qua cảm biến, từ trở mạch từ của cuộn dây biến thiên một cách tuần hoàn làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động có tần số tỷ lệ với tốc độ quay

Biên độ E suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố là khoảng cách và tốc độ quay Khoảng cách giữa cuộn dây với các vấu sắt chính

là khe từ, khoảng cách càng lớn thì biên độ của suất điện động càng nhỏ, thông thường sự thay đổi khoảng cách này không vượt quá 0,2 ÷ 0,4 mm Tốc

độ quay tỷ lệ thuận với biên độ của suất điện động Khi tốc độ quay rất nhỏ biên độ sẽ quá bé để có thể phát hiện được nó, do vậy vùng tốc độ chết là vùng mà ở đó không thể đo được suất điện động Vùng này càng rộng khi khoảng cách giữa cuộn dây và vấu sắt càng lớn

§iÖn ¸p

G G-

Thêi gian Côc tõ

Hình 2.2 Dạng vấu từ và tín hiệu của cảm biến thời điểm động cơ.

Dải đo của cảm biến từ điện phụ thuộc vào số răng của đĩa Tốc độ tối thiểu Vmin có thể đo được sẽ nhỏ khi số răng lớn Tốc độ tối đa Vmax có thể đo được càng lớn khi số răng càng nhỏ

Sai số của loại cảm biến này thường chỉ là sai số về vị trí tương đối giữa các vấu, các vấu không đều nhau sẽ dẫn đến việc điều khiển thời điểm không

ổn định đối với từng máy Sai số này do nhà sản xuất trong quá trình đúc gây ra.

2.1.3 Cảm biến nhiệt độ động cơ

Mục đích của cảm biến nhiệt độ động cơ là báo cho ECU biết giá trị nhiệt

độ của động cơ để ECU hiệu chỉnh lại lượng nhiên liệu phun và góc đánh lửa cho phù hợp

Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các phương pháp chính sau đây:

Phương pháp quang dựa trên sự phân bố bức xạ nhiệt do dao động nhiệt ( hiệu ứng Doppler)

Phương pháp cơ dựa trên sự giãn nở của vật rắn, của chất lỏng hoặc khí ( với

áp suất không đổi) hoặc dựa trên tốc độ âm

Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ, hiệu ứng Seebeck, hoặc dựa trên sự thay đổi tần số dao động của thạch anh

Để đơn giản và phù hợp với đầu vào ECU, tránh sai số do nhiễu là nhỏ nhất thì phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ là được dùng nhiều nhất Hình 2.4 là đặc tính của cảm biến nhiệt độ nước dùng điện trở và cách mắc chúng với ECU Đặc tính của cảm biến nhiệt độ nước dùng cho ECU là phi tuyến và có vùng sai số rộng Nhưng do không phải thể hiện kết quả đo mà giá trị này chỉ sử dụng để tính toán lượng nhiên liệu phun thêm

và tối ưu hóa góc đánh lửa nên không cần độ chính xác của cảm biến cao Đường đặc tính này được rời rạc hóa và nhập vào ECU dưới dạng mảng hai chiều thông qua việc đọc giá trị của ADC ở các giá trị nhiệt độ khác nhau từ 0ºC đến 120ºC với bước rời rạc là 20ºC Các giá trị nhiệt độ trung gian sẽ được ECU tính toán qua giá trị đọc được từ ADC và tính toán ngược lại theo phương pháp nội suy

0 20

100 120 80

Đây là thông tin phản ánh mức tải của động cơ Nó đặc biệt quan trọng đối

với hai trạng thái đầu( không tải ) và 75% tải trở lên của bướm ga Có hai loại cảm biến là loại tiếp điểm (a) và loại biến trở (b) hình 2.5 Loại tiếp điểm có hai hoặc ba tiếp điểm hay có thêm nhiều tiếp điểm phụ Cảm biến bướm ga đưa ra hai thông tin quan trọng báo về ECU là thông tin về vị trí không tải hay thông tin về vị trí toàn tải, và thông tin về thời điểm tăng tốc Loại cảm biến kiểu công tắc không cho biết chính xác vị trí bướm ga mà chỉ cho biết máy đang hoạt động ở chế độ nào, đối với loại này việc xác định thời điểm tăng tốc dựa vào khoảng thời gian từ lúc công tắc không tải mở tới khi công tắc 75% tải đóng Loại cảm biến kiểu biến trở có thể biết vị trí bướm ga tại bất kỳ vị trí

nào, việc xác định tăng tốc đối với loại cảm biến này là việc tăng đột ngột điện áp tại chân giữa của cảm biến.

5 4 3 2 1 0

Vµnh tr ¦ ît - tiÕp ®iÓm cho tÝn hiÖu VTA Më

5V +B

E2 IDL VTA VC

Hình 2.4 Cấu tạo và đặc tính cảm biến bướm ga kiểu biến trở.

Đặc điểm của cảm biến công tắc là hai đầu tiếp điểm cố định luôn luôn chờ sẵn một mức điện áp cố định , đây được gọi là mức 1 Khi công tắc chuyển sang đóng vị trí nào thì tại vị trí đó điện áp tụt xuống bằng 0 và được gọi là mức 0 do chân giữa của cảm biến nối mát Còn đối với cảm biến kiểu biến trở mức điện áp tai chân giữa thay đổi, không cố định tại mức nào do đó để tín hiệu này có thể sử dụng để điều khiển phun thì tín hiệu phải đi qua một bộ chuyển đổi A/D để trở thành tín hiệu số

Cảm biến bướm ga được em lựa chọn là cảm biến dạng biến trở có đường đặc tính như trên hình vẽ 2.4

2.1.5 Cảm biến Lambda

Mục đích của cảm biến Lambda là đo liên tục nồng độ khí xả và hiệu chỉnh

liên tục lượng xăng phun ra tùy theo kết quả đo, thông qua ECU

Có 2 loại cảm biến khí xả bao gồm cảm biến oxygen và cảm biến hòa khí nghèo Cảm biến oxygen có 2 loại Loại thứ nhất sử dụng một ống Sứ ZrO2, loại này khi làm việc tạo ra điện áp ≈ 0 ÷ 1V, loại thứ 2 sử dụng ống bằng Titan, khi làm việc điện trở thay đổi tùy theo hàm lượng O2 trong khí xả Cảm biến hòa khí nghèo khi làm việc làm thay đổi dòng nuôi Ở đây ta chỉ xét loại cảm biến oxygen sử dụng ống ZrO2 Hình 2.5 là kết cấu của cảm biến Lambda loại ZrO2

Đặc điểm cấu tạo của loại này bao gồm một ống sứ ZrO2, một đầu bịt kín, với hai bề mặt là các điện cực được tạo thành bởi một lớp Platin( bạch kim) rất mỏng và có cấu trúc rỗng, cho phép khí có thể thẩm thấu qua Một điện cực( mặt ngoài ống) tiếp xúc trực tiếp với khí xả từ động cơ, điện cực kia( mặt trong ống) tiếp xúc với không khí chuẩn Mặt ống đo hướng về khí xả được phủ một lớp xứ rỗng nhằm bảo vệ lớp Platin khỏi sự xói mòn do các chất cặn, muội trong khí xả Ống bảo vệ có thể chịu được nhiệt độ tới 1000ºC, được xẻ rãnh chữ chi nhằm tránh rung động trực tiếp của khí xả lên phần tử đo Nguyên lý đo dựa trên sự so sánh hàm lượng oxy trong không khí chuẩn và khí xả Khi có sự chênh lệch về lượng oxy thì trên hai bề mặt ống sứ xuất hiện điện áp, giá trị điện áp phụ thuộc mức độ chênh lệch hàm lượng oxy với điều kiện cảm biến đã được nung nóng đến nhiệt độ nhất định

ranh giíi 3 pha

Hình 2.5 Kết cấu cảm biến Lambda.

Giá trị điện áp giữa hai điện cực được tính:

p

p F

pO2’ : áp suất riêng phần của khí oxy trong khí xả

pO2”: áp suất riêng phần của khí oxy trong không khí tiêu chuẩn

Sự chênh lệch điện áp giữa hai bề mặt chỉ xuất hiện khi có sự chênh lệch về

tỉ lệ khí O2 giữa hai bề mặt Và chênh lệch này sẽ gia tăng đột ngột tại vị trí λ

≈ 1 do quan hệ giữa điện áp với tỷ số giữa áp suất oxy của không khí tiêu chuẩn và áp suất oxy của khí xả là quan hệ hàm logarit

Khi λ = 0,9 điện áp trên hai cực < 0,2V

Khi λ = 1,1 điện áp trên hai cực > 0,8V

Cảm biến Lambda chỉ hoạt động có hiệu quả khi nhiệt độ của cảm biến > 250ºC

Cảm biến Lambda của hệ thống mà em lựa chọn còn được trang bị thêm một sợi đốt nằm bên trong cảm biến nhằm rút ngắn thời gian sấy nóng cảm biến khi động cơ mới khởi động, quá trình sấy nóng được điều khiển từ ECU

Hình 2.6 Kết cấu vòi phun điện tử.

Nguyên lý hoạt động của vòi phun xăng là khi chưa có dòng điện chạy qua cuộn dây của nam châm điện 3, lò xo ép kim phun 5 xuống đế Lúc này vòi

phun ở trạng thái đóng kín Khi có dòng điện kích thích, nam châm điện sẽ hút lõi từ 4, và kim phun được nâng lên khoảng 0,1mm Nhiên liệu sẽ được phun ra qua tiết diện hình vành khuyên có kích thước hoàn toàn xác định Quán tính vòi phun phụ thuộc vào biện pháp điều khiển vòi phun Như vậy, việc đóng mở kim phun của vòi phun xăng kiểu điện từ không phải do tác dụng của áp suất nhiên liệu như trường hợp vòi phun điêzen, mà qua điều khiển bên ngoài nhờ tín hiệu điện Nếu độ chênh áp trước và sau lỗ phun không đổi thì lượng nhiên liệu cung cấp chỉ phụ thuộc vào thời gian mở kim phun hay phụ thuộc vào độ rộng xung phun được tính toán bởi ECU tùy thuộc vào các chế độ làm việc của động cơ.

Có hai loại là loại vòi phun thường được sử dụng đó là loại vòi phun trở kháng thấp và vòi phun trở kháng cao Trở kháng vòi phun khác nhau dẫn đến cách điều khiển vòi phun khác nhau

+ Trở kháng cao có một biện pháp là điều khiển theo dòng điện

+Trở kháng thấp có hai biện pháp điều khiển là điều khiển theo điện áp dùng điện trở phụ và điều khiển theo dòng điện

Đặc điểm của 3 biện pháp này là: biện pháp điều khiển vòi phun trở kháng cao theo dòng điện có ưu điểm là dòng nâng kim phun và duy trì rất thấp chỉ khoảng 1A do đó bóng bán dẫn điều khiển vòi phun này không cần phải chịu dòng lớn Nhưng nhược điểm của biện pháp này là thời gian nâng kim phun lâu( thời gian trễ) Biện pháp điều khiển vòi phun trở kháng thấp theo điện áp

có ưu điểm là thời gian nâng kim phun rất nhỏ nhưng nhược điểm của phương pháp này là có dòng mở và duy trì lớn tới 2A cho nên bóng bán dẫn điều khiển vòi phun này phải chịu dòng lớn Biện pháp điều khiển vòi phun trở kháng thấp theo dòng điện có ưu điểm là thời gian nâng kim phun rất thấp, nhỏ hơn cả hai biện pháp trên nhưng nhược điểm của biện pháp này là bóng công suất phải chịu dòng rất lớn Dòng điện ban đầu lên tới 8A nhằm thắng

được sức nén của lò xo trong kim phun, sau khi nâng được kim phun lên thì dòng điện giảm xuống còn 2A để duy trì Việc xác định thay đổi dòng nâng kim phun thông qua sụt áp trên điện trở nối từ chân emiter xuống mát.

Trên cơ sở phân tích như trên để giảm thời gian mở kim phun cũng như chọn vòi phun có công suất phù hợp em đã lựa chọn vòi phun một lỗ phun có trở kháng 0,65Ω

2.2.2 Bơm nhiên liệu

Trong các hệ thống điều khiển phun xăng ngày nay để đảm bảo an toàn thì

người ta hay sử dụng bơm xăng đặt trong thùng và đây cũng là loại bơm được

em lựa chọn trong việc thiết kế hệ thống Sau đây chúng ta sẽ đi tìm hiểu loại bơm này

Hình 2.7 Cấu tạo bơm xăng.

Cấu tạo của bơm gồm một động cơ điện một chiều Các cánh bơm có tác dụng hút xăng từ bình và đưa xăng ra cửa Các van một chiều sẽ đóng bơm khi bơm ngừng làm việc nhằm duy trì một áp suất dư trong đường ống cho lần hoạt động sau.Van giảm áp giữ áp suất trong đường ống không vượt quá giá trị quy định Lọc dùng để lọc cặn bẩn trong xăng tránh tắc vòi phun

2.2.3 Bộ ổn định áp suất

Bộ ổn định áp suất là ổn định áp suất nhiên liệu đến các vòi phun Lượng phun nhiên liệu được điều khiển bằng chu kỳ của tín hiệu cung cấp đến các vòi phun Mặc dù vậy, do sự thay đổi độ chân không trong đường ống nạp, lượng phun nhiên liệu sẽ thay đổi một chút thậm chí nếu tín hiệu phun và áp suất không đổi Do đó, để đạt được lượng nhiên liệu chính xác, tổng áp suất nhiên liệu A và độ chân không đường ống nạp B phải được duy trì tại 2,55 hay 2,9 KG/cm².

Hình 2.8 Bộ ổn định áp suất.

Nhiên liệu có áp suất từ ống phân phối sẽ ấn vào màng mở van Một phần nhiên liệu sẽ chảy ngược trở lại bình chứa qua đường ống hồi Lượng nhiên liệu trở về phụ thuộc vào độ căng của lò xo màng và áp suất nhiên liệu thay đổi tùy theo lượng nhiên liệu hồi

Độ chân không của đường ống nạp được dẫn vào buồng phía lò xo màng, làm giảm sức căng của lò xo và tăng lượng nhiên liệu hồi làm giảm áp suất Nói tóm lại, khi độ chân không của đường ống nạp tăng lên( giảm áp), áp suất nhiên liệu chỉ giảm tương ứng với sự giảm áp suất đó Vì vậy tổng áp suất của nhiên liệu A và độ chân không đường nạp B được duy trì không đổi