Đề cương bài giảng hệ thống cơ điện tử trên ô tô

Cảm biến này đóng vai trò chuyển đổi vị trí góc mở bướm ga thành tín hiệu điện áp để gửi về các ECU Cảm biến bướm ga có nhiều loại: loại công tắc hoặc loại biến trở loại tiếp xúc cơ khí

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CƠ- ĐIỆN TỬ ÔTÔ

1.1 KHÁI NIỆM VÀ CÁC HỆ THỐNG TIÊU BIỂU

Ôtô ngày nay là tổ hợp của các hệ thống cơ khí, thủy khí và cơ- điện tử, trong đó hệ thống cơ- điện tử gồm 3 thành phần chính là: khối các thông tin đầu vào, chủ yếu là các cảm biến; kkối tính toán và điều khiển, là các ECU; khối các cơ cấu chấp hành, chủ yếu là các rơle điện từ, các van điện từ, các loại môtơ, các mạch IC điều khiển Hệ thống cơ- điện tử được ví như cấu trúc của con người (hình 1.1a)

a) b)

Hình 1.1 Tổng quát về Cơ- điện tử

Hình 1.2 Sơ đồ khối cơ bản

1.1.1 Các hệ thống điều khiển động cơ

1.1.2 Các hệ thống điều khiển gầm ôtô

Hình 1.3 Hệ thống lái hiện đại

Hình 1.3 Hệ thống treo hiện đại

1.1.3 Các hệ thống điều khiển các trang bị tiện nghi

1.1.4 Mạng truyền thông

1.1.5 Các hệ thống điều khiển giao thông minh và xe tự lái

CHƯƠNG 2-CẢM BIẾN

2.1 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN

2.1.1 Định nghĩa và khái niệm về cảm biến

Cảm biến được định nghĩa là cơ cấu cảm nhận sự biến đổi các đại lượng cơ học, nhiệt học,

quang học, hóa học v.v…(gọi chung là các đại lượng hóa lý) và các đại lượng không có tính

chất điện khác cần đo và biến đổi giá trị, quy luật của chúng thành các đại lượng điện có thể đo

và xử lý được Các đại lượng cần đo (đại lượng hoá lý, không có tính chất điện) gọi là đầu vào (còn gọi là yếu tố kích thích) cùng với yếu tố gây nhiễu tác động lên cảm biến, cho ta

một đại lượng đầu ra (còn gọi là phản ứng của cảm biến), đặc trưng - đại lượng điện như:

điện áp, dòng điện, tần số, xung…chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng

đo Đặc trưng là hàm của đại lượng cần đo

Hình 2.1 Chức năng của cảm biến Hình 2.2 Biểu tượng cảm biến

Một cảm biến có thể được xác định với các thông số sau:

- Tín hiệu đầu ra:

- Đại lượng cần đo:

Cảm biến cũng có thể có chức năng xử lý tín hiệu hoặc không

2.1.2 Ứng dụng của cảm biến trên ôtô

Cảm biến và cơ cấu chấp hành hình thành lên giao diện của ôtô với các tính năng phức hợp

như lái, phanh, treo, khung vỏ… cũng như chức năng dẫn hưỡng và định vị Các tín hiệu phải

được xử lý bởi mạch xử lý tín hiệu để đưa về dạng tiêu chuẩn yêu cầu bởi ECU

Hình 2.3 Cảm biến trên ôtô

Các mạch xử lý tín hiệu này được chế tạo riêng cho từng cảm biến cụ thể và tương thích

với một chiếc ôtô cụ thể Bộ xử lý của ôtô sẽ xử lý phức hợp các tín hiệu này với các tín hiệu

từ các ECU liên kết và việc điều khiển của người lái Bộ phận hiển thị thông tin cho người lái

các trạng thái hoạt động trong toàn bộ quá trình Dưới đây là một ví dụ về hệ thống các cảm biến trên ôtô hiện đại (hình 2.4) Và nó còn tăng thêm nhanh chóng trong các năm tới đây

Hình 2.4 Ví dụ về hệ thống các cảm biến trên ôtô

2.1.3 Phân loại cảm biến

Các cảm biến nói chung được phân loại theo các tiêu chí khác nhau:

+ Theo nguyên lý biến đổi đầu vào-đầu ra có các kiểu: nhiệt-điện, quang-điện, từ-điện,

hóa-điện;

+ Theo dạng kích thích có các kiểu:

- Âm thanh: biên pha, phân cực; phổ; tốc độ truyền sóng…

- Điện: điện tích, dòng điện; điện thế, điện áp; điện trường (biên, pha, phân cực, phổ); điện dẫn, hằng số điện môi

- Từ: từ trường (biên, pha, phân cực, phổ); từ thông, cường độ từ trường; độ từ thẩm…

- Quang: biên, pha, phân cực, phổ; tốc độ truyền; hệ số phát xạ, khúc xạ; hệ số hấp thụ,

hệ số bức xạ…

- Cơ học: vị trí; lực, áp suất; gia tốc, vận tốc, tốc độ quay; ứng suất, độ cứng; mômen; khối lượng, tỷ trọng; vận tốc lưu chất, độ nhớt …

- Nhiệt: nhiệt độ; thông nhiệt; nhiệt dung, tỷ nhiệt …

- Bức xạ: kiểu bức xạ; năng lượng bức xạ; cường độ bức xạ …

+ Theo tính năng và đặc tính có các kiểu theo: độ nhạy, độ chính xác, độ phân dải, độ

chọn lọc, độ tuyến tính, công suất tiêu thụ, dải tần, độ trễ, khả năng quá tải, tốc độ đáp ứng,

độ ổn định, tuổi thọ, điều kiện môi trường sử dụng, kích thước và trọng lượng

Tuy nhiên, để đơn giản hơn, các cảm biến trên ôtô có thể được phân chia thành ba kiểu: + Kiểu chỉ thị/hành động

+ Kiểu tín hiệu liên tục

+ Kiểu tín hiệu dạng xung

2.1.3.1 Kiểu chỉ thị/hành động:

Các cảm biến trong kiểu này lại có thể phân chia theo hai nhóm:

+ Nhóm cảm biến có chức năng phát hiện trạng thái đóng/mở

+ Nhóm cảm biến về an toàn hay chống trộm

+ Nhóm cảm biến theo dõi nhiên liệu, độ mòn hay thông tin về người lái/hành khách

2.1.3.2 Kiểu tín hiệu liên tục:

Kiểu này có thể phân chia thành các nhóm sau:

+ Tín hiệu liên tục, tuyến tính: Nhóm này rất thích hợp cho dải đo rộng

+ Tín hiệu liên tục, không tuyến tính: Nhóm này thường sử dụng cho phạm vi đo hẹp (ví dụ

tỷ lệ hoà khí, độ võng lò xo…)

+ Tín hiệu không liên tục, dạng 2 bậc, nhiều bậc: Dùng để theo dõi giá trị giới hạn

Hình 2.5 Tín hiệu liên tục

2.1.3.3 Kiểu tín hiệu dạng xung:

+ Tín hiệu tương tự: Dòng điện, điện áp, tần số, tỷ lệ thường trực xung

+ Tín hiệu rời rạc: tín hiệu số (mã nhị phân)…

Hình 2.6 Tín hiệu dạng xung

2.1.4 Các đặc trưng cơ bản của cảm biến

2.1 4.1 Hàm truyền

Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của cảm biến có thể cho dưới dạng bảng giá trị,

đồ thị hoặc biểu thức toán học

Có 2 loại sai số của cảm biến:

 Sai số hệ thống: có giá trị không đổi và có độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được

Nguyên nhân:

- Do nguyên lý của cảm biến

- Giá trị đại lượng chuẩn không đúng

- Do thay đổi đặc tính của thiết bị

- Do nhiễu ngẫu nhiên

- Do ảnh hưởng các thông số môi trường (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, điện từ…)

kích thích Một số loại cảm biến có thời gian đáp ứng tắt dần, tức là khoảng thời gian đáp ứng giảm dần thay đổi theo tín hiệu kích thích



  

Độ nhạy được định nghĩa bằng giới hạn giữa tín hiệu kích thích và đáp ứng Là tỉ

số giữa sự thay đổi nhỏ trong đáp ứng với sự thay đổi nhỏ trong tín hiệu kích thích

Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến Nhờ giá trị đó, người sử dụng có thể đánh giá được độ lớn của đại lượng đầu ra của cảm biến và độ lớn của những biến thiên của đại lượng đo Điều này cho phép lựa chọn được cảm biến thích hợp để sao cho mạch đo thỏa mãn các điều kiện đặt ra

2.1.4.7 Độ tuyến tính

Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đo đó

độ nhạy S không phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo m

Trên thực tế và ngay cả trong lý thuyết cảm biến là tuyến tính thì các điểm Si, mi cũng không nằm trên một đường thẳng Đó là do có sự không chính xác trong khi đo và sai lệch trong khi chế tạo cảm biến

Từ thực nghiệm có thể tính được phương trình đường thẳng biểu diễn sự tuyến tính, đường thẳng đó gọi là đường thẳng tốt nhất có phương trình: S = am + b

Trong đó:

với N là số điểm thực nghiệm đo chuẩn cảm biến

Độ lệch tuyến tính cho phép đánh giá độ tuyến tính của đường cong chuẩn Nó được xác định từ độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất trong dải

đo (tính bằng %)

2.1.4.8 Độ nhanh và thời gian đáp ứng

Độ nhanh của cảm biến cho phép đánh giá đại lượng ngõ ra có đáp ứng được về mặt thời gian với độ biến thiên của đại lượng đo hay không

Thời gian đáp ứng là đại lượng xác định giá trị của độ nhanh

2.1 4.9 Hiện tượng trễ

Một số cảm biến không đáp ứng cùng thời điểm với tín hiệu kích thích Độ rộng của

sự sai lệch được gọi là hiện tượng trễ

2.1.4.10 Nhiễu

Nhiễu xuất hiện ở ngõ ra cảm biến, bao gồm nhiễu của cảm biến sinh ra và nhiễu

do sự dao động của tín hiệu kích thích Nhiễu làm giới hạn khả năng hoạt động của cảm biến Nhiễu được phân bố qua phổ tần số

Nhiễu không thể loại trừ mà chỉ có thể phòng ngừa Làm giảm ảnh hưởng và khắc phục nhiễu đòi hỏi nhiều biện pháp tổng hợp

Ta có thể phân nhiễu thành 2 loại:

- Nhiễu nội tại phát sinh do sự không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế tạo, vật liệu cảm biến,… do đó đáp ứng có thể bị méo so với dạng lý tưởng

- Nhiễu do truyền dẫn

Hình 2.7 Xử lý nhiễu

Để chống nhiễu ta thường dùng kỹ thuật vi sai phối hợp cảm biến đôi, trong đó tín hiệu ra là hiệu của hai tín hiệu ra của từng bộ Một bộ được gọi là cảm biến chính và bộ kia

là cảm biến chuẩn được đặt trong màn chắn (hình 1.8)

Để giảm nhiễu đường truyền ta có thể sử dụng các biện pháp sau:

- Cách ly nguồn nuôi, màn chắn, nối đất, lọc nguồn

- Bố trí các linh kiện hợp lý, không để dây cao áp gần đầu vào và cảm biến

- Sử dụng cáp ít nhiễu

2.1.4.11 Giới hạn sử dụng cảm biến

Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu ứng lực cơ khí hoặc nhiệt độ tác động lên chúng Nếu các ứng lực này vượt quá ngưỡng cho phép sẽ làm thay đổi các đặc trưng của cảm biến Do đó người sử dụng phải biết các giới hạn ngưỡng của cảm biến

- Vùng làm việc danh định: ứng với điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến

- Vùng không gây nên hư hỏng

- Vùng không phá hủy

Dải đo của cảm biến được xác định bởi giá trị giới hạn của vùng đại lượng đo mà trong vùng đó cảm biến đáp ứng các yêu cầu đề ra Thông thường dải đo trùng với vùng danh định

. Đặc tính cơ bản của loại CCCH này (RLĐT) là có độ trễ do hiện tượng tự cảm của cuộn dây rơle Vì vậy phải xử lý trễ trong điều khiển Cách xử lý trễ phổ biến là tăng điện áp vào thời điểm bắt đầu điều khiển để đóng hoặc mở tiếp điểm nhanh và triệt giảm từ dư trong lõi thép của rơle bằng cách đấu ngược một diode song song với cuộn dây rơle

và dịch chuyển Mối liên hệ giữa vật dịch chuyển và cảm biến được thực hiện thông qua mối liên kết trung gian như: điện trường, từ trường hoặc điện từ trường, ánh sáng, truyền sóng v.v…

Các cảm biến vị trí gồm cảm biến đo khoảng cách và góc xoay, là một trong những cảm biến phổ biến nhất trên ôtô hiện đại

Biến đo: Có thể là đo trực tiếp hoặc gián tiếp

Bảng 2.1 Một số loại cảm biến vị trí loại đo trực tiếp

Vị trí dịch chuyển ghế lái, đèn pha, gương chiếu hậu

Hành trình và vị trí của thanh răng bơm cao áp của động cơ diesel 21mm

Góc xoay của cơ cấu điều ga điện từ trong bơm cao áp VE điện tử 600

Khoảng cách giữa 2 ôtô hoặc giữa ôtô và chướng ngại vật 150m

Bảng 2.2 Một số cảm biến vị trí loại đo gián tiếp

2.2.1.Cảm biến bướm ga (Throttle Position Sensor- TPS-CẢM BIẾN VỊ TRÍ BƯỚM GA)

Cảm biến bướm ga (CBBG) được lắp ở cụm bướm ga, liên kết cơ khí với trục bướm ga Cảm biến này đóng vai trò chuyển đổi vị trí góc mở bướm ga thành tín hiệu điện áp để gửi về các ECU

Cảm biến bướm ga có nhiều loại: loại công tắc hoặc loại biến trở (loại tiếp xúc cơ khí ) và loại không tiếp xúc, không bị mài mòn nên có tuổi thọ cao

Trong giáo trình này giới thiệu một số loại CBBG phổ biến: Loại công tắc (tiếp điểm), loại biến trở (còn gọi là loại tuyến tính) và loại Hall

Tùy từng kiểu CBBG mà tín hiệu ra của chúng có thể khác nhau Tuy nhiên, tất cả các CBBG đều phải xác định các vị trí và dịch chuyển quan trọng là: vị trí không tải trong hoạt động của động cơ, vị trí chạy ở chế độ hòa khí nghèo, chế độ công suất cao (chế độ toàn tải) và

có thể vị trí các chế độ trung gian khác

Ở chế độ không tải CBBG phát ra tín hiệu không tải (IDL) dùng để điều khiển phun nhiên liệu, hiệu chỉnh thời điểm đánh lửa (đối với động cơ xăng) và điều khiển van ISC hoặc môtơ bướm ga khi động cơ hoạt động ở chế độ này

Ở chế độ toàn tải CBBG phát ra tín hiệu toàn tải (PSW) dùng để điều khiển tăng lượng nhiên liệu phun ở chế độ toàn tải, làm tăng công suất động cơ Trên một số xe, cảm biến bướm ga còn gửi tín hiệu cho ECT ECU điều khiển hộp số tự động, ABS ECU điều khiển hệ thống phanh

2.2.1.1 Cảm biến bướm ga loại công tắc

loại cảm biến âm chờ được nối mát, còn của loại cảm biến dương chờ được nối với nguồn

dương +B hoặc 5V (hình 2.9)

Nguyên lý làm việc: Khi trục bướm ga xoay theo mức mở bướm ga, cam nhựa cũng xoay theo

một góc tương ứng làm cho lá tiếp điểm E hoặc TL bị đẩy sang bên này hoặc bên kia Ở chế

độ không tải (cầm chừng) bướm ga đóng ( góc mở <50) thì tiếp điểm di động E hoặc TL sẽ tiếp

xúc với tiếp điểm IDL và tín hiệu điện áp tại giắc IDL báo cho ECU biết động cơ đang hoạt

động chế độ không tải Tín hiệu này dùng để cắt nhiên liệu khi động cơ giảm tốc đột ngột

a) b) Hình 2.9 Mạch điện cảm biến bướm ga loại âm chờ (a) và loại dương chờ (b)

Ở chế độ tải lớn, bướm ga mở 500-700 ( tùy từng loại động cơ) so với vị trí đóng hoàn toàn,

tiếp điểm di động E hoặc TL tiếp xúc với tiếp điểm toàn tải PSW và tín hiệu điện áp tại giắc

PSW báo cho ECU biết động cơ đang hoạt động chế độ tải lớn để ECU điều khiển phun xăng

tăng thêm nhằm phát huy công suất của động cơ

Loại CBBG có thêm giắc LSW dùng để xác định vị trí động cơ hoạt động ở vùng tốc độ

trung bình và tải nhẹ, giúp cho ECU điều khiển tiết kiệm nhiên liệu bằng việc tạo ra hòa khí

nghèo; nếu có thêm các giắc như: L1, L2, L3 là tín hiệu các vùng độ mở bướn ga hoặc ACC1,

ACC2 để ECT ECU điều khiển chuyển số tự động hoặc ABS ECU điều khiển chế độ phanh

2.2.1.2 Cảm biến bướm ga loại biến trở

Đối với loại bướm ga cơ khí (loại dẫn động bằng đòn boặc dây cáp mềm) người ta sử dụng

loại CBBG một cấp như hình 2.10

Hình 2.10 Cảm biến bướm ga loại biến trở một cấp

Cấu tạo: loại này có một hoặc hai con trượt, ở mỗi đầu con trượt được thiết kế những tiếp

điểm để trượt trên mạch điện trở than Mạch điện trở than được gắn trên miến nhựa lắp với

trục bướm ga Tùy loại cảm biến mà các con trượt có thể được đấu với giắc (hoặc các giắc)

VC, VTA, E2 và IDL, trong đó:

VC- Điện áp ổn áp 5V từ ECU; E2- Mát; VTA- Tín hiệu ra của cảm biến, xác định góc mở bướm ga; IDL- Tín hiệu không tải

Khi bướm ga mở, con trượt trượt trên điện trở than và tạo ra điện áp tăng dần ở giắc VTA tương ứng với góc mở của bướm ga Khi bướm ga đóng hoàn toàn, tiếp điểm không tải IDL nối với cực E2 Trên đa số các xe, cảm biến bướm ga loại biến trở chỉ có 3 dây VC, VTA và

E2 mà không có dây IDL

Đối với loại bướm ga dẫn động bằng môtơ điện,người ta sử dụng loại CBBG hai cấp như

hình 2.11

CBBG ECU

a) Sơ đồ mạch và kết nối với ECU b) Đặc tính của CBBG hai cấp

Hình 2.11 Cảm biến bướm ga loại biến trở hai cấp

2.2.1 3 Cảm biến bướm ga loại Hall

Cấu tạo cơ bản gồm hai IC Hall được lắp cố định trên một nắp nhựa của cụm bướm ga và được cấp nguồn 5V qua chân VC và E , đầu ra của cảm biến là tín hiệu VTA1 và VTA2 Hai miếng nam châm vĩnh cửu được gắn trên trục bướm ga và lồng vào phía ngoài các IC Hall thông qua một khe hở nhỏ (hình 2.12a và 2.12b) Để đảm bảo độ tin cậy cao hơn, phải cung cấp nguồn độc lập cho từng IC Hall

Hoạt động: Khi bướm ga mở, trục bướm ga xoay kéo theo các nam châm xoay quanh các IC

Hall Từ thông của các nam châm tác động đến các IC Hall thay đổi và dẫn đến điện áp tại các đầu ra VTA1, VTA2 thay đổi theo góc mở bướm ga, có quy luật tuyến tính như trên hình 2.12c

a) b) c)

Hình 2.12: Cảm biến bướm ga loại Hall

a- Cấu tạo b- Sơ đồ mạch c- Đặc tính

Cấu tạo cơ bản gồm hai IC Hall được lắp cố định trên một nắp nhựa của cụm bướm ga và được cấp nguồn 5V qua chân VC và E , đầu ra của cảm biến là tín hiệu VTA1 và VTA2 Hai miếng nam châm vĩnh cửu được gắn trên trục bướm ga và lồng vào phía ngoài các IC Hall thông qua một khe hở nhỏ (hình 2.12a và 2.12b) Để đảm bảo độ tin cậy cao hơn, phải cung cấp nguồn độc lập cho từng IC Hall

Hoạt động: Khi bướm ga mở, trục bướm ga xoay kéo theo các nam châm xoay quanh các IC

Hall Từ thông của các nam châm tác động đến các IC Hall thay đổi và dẫn đến điện áp tại các đầu ra VTA1, VTA2 thay đổi theo góc mở bướm ga, có quy luật tuyến tính như trên hình 2.6c

2.2.2 Cảm biến chân ga (Pedal position sensor- PPS CẢM BIẾN VỊ TRÍ BÀN ĐẠP GA)

Trên động cơ ôtô thường sử dụng 2 loại cảm biến chân ga đó là: cảm biến chân ga loại tuyến tính và cảm biến chân ga loại Hall

2.2.2.1 Cảm biến chân ga loại tuyến tính:

Cảm biến này được lắp đặt rất chính xác vào cụm chân ga Cấu tạo và hoạt động của cảm biến này (hình 2.13) giống với cảm biến bướm ga hai cấp loại tuyến tính

Trong các tín hiệu từ cảm biến này gửi tới ECU, một tín hiệu là VPA truyền điện áp thay đổi tuyến tính với góc đạp chân ga Tín hiệu thứ hai (VPA2) là tín hiệu bù của tín hiệu VPA

a b c a- Cấu tạo b- Sơ đồ mạch c-Đườngđặc tuyến

Hình 2.13: Cảm biến chân ga loại tuyến tính

2.2.2.2 Cảm biến chân ga loại Hall

Cấu tạo và hoạt động của cảm biến này (hình 2.14) giống như cảm biến bướm ga loại Hall

a) Kiểu 1

a) Kiểu 2

Hình 2.14: Cảm biến chân ga loại Hall

2.2.3 Cảm biến mức nhiên liệu

Cảm biến này gồm một biến trở trượt được gắn với một phao đặt trong thùng nhiên liệu và lắp độc lập hoặc lắp với cụm bơm nhiên liệu (hình 2.15)

Khi phao dịch chuyển, vị trí của tiếp điểm trượt trên biến trở thay đổi làm thay đổi điện trở và thay đổi giá trị điện áp ra, phản ảnh mức nhiên liệu (hình 2.15) Vị trí chuẩn của phao để đo được đặt hoặc là vị trí cao hơn hoặc là vị trí thấp hơn của bình chứa Do kiểu đặt ở vị trí thấp chính xác hơn khi mức nhiên liệu thấp, nên nó được sử dụng ở những đồng hồ có dải đo rộng

như đồng hồ hiển thị số

Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý và đặc tính của cảm biến loại biến trở

1 Thùng xăng; 2 Bơm xăng 1 Giắc điện; 2 Lá lò xo; 3 Tiếp điểm; 4 Tấm điện trở than

3 Cảm biến mức xăng; 4 Phao 5 Chân giắc; 6 Tấm tiếp điện kép; 7 Đòn phao; 8 Phao;

9 Đáy thùng xăng

Hình 2.16 Cụm bơm xăng và cảm biến mức xăng

2.2.4 Cảm biến độ cao thân xe

Cảm biến này phát hiện độ cao thân xe trong việc điều khiển khoảng sáng gầm xe để tăng tính ổn định ở tốc độ cao Đồng thời cảm biến này còn phát hiện sự nảy đuôi xe hoặc đầu xe trong trường hợp tăng tốc nhanh hoặc phanh gấp để giúp hệ thống treo điện tử điều khiển độ cứng các phần tử đàn hồi phù hợp sao cho xe ổn định khi tăng tốc nhanh và phanh gấp

2.2.4.1 Cảm biến loại biến trở

Hình 2.17 Cảm biến điều chỉnh chiều cao xe

Cảm biến này chuyển đổi các biến động về chiều cao của xe thành những thay đổi về góc quay của thanh liên kết Khi đó kết quả thay đổi được phát hiện dưới dạng thay đổi điện áp Khi xe trở nên cao hơn thì điện áp tín hiệu cũng cao hơn; khi xe trở nên thấp hơn thì điện áp

tín hiệu cũng giảm xuống

2.2.4.2 Cảm biến loại Hall

1 Đòn xoay(pivot lever); 2 Giá treo nối với đòn treo dưới;

3.Giá treo nối với khung; 4 Cảm biến độ cao thân xe; 5 Cần dẫn

Hình 2.18 Cảm biến độ cao thân xe

1 Đòn xoay; 2 Trục; 3 Vỏ CB; 4 Khung xoay gắn nam châm; Roto IC Hall; 6 Nam châm

Hình 2.19 Cấu tạo và đặc tính cụm cảm biến độ cao thân xe loại Hall

Cấu tạo: Đòn xoay (pivot lever) xoay tương ứng với độ cao thân xe, thông qua trục dẫn

động 2 làm xoay giá 4 và xoay nam châm hình xuyến 6 được gắn trên giá này IC Hall được gắn trên stator 5 sẽ sinh ra điện áp Hall có độ lớn tương ứng với lượng từ thông của các nam châm xuyên qua nó Khi trục 2 xoay theo sự thay đổi độ cao thân xe dẫn đến xoay giá 4 và xoay các nam châm, từ thông của các nam châm xuyên qua IC Hall thay đổi sẽ dẫn đến điện

áp Hall thay đổi theo

2.2.5 Cảm biến góc lái

Cảm biến góc lái loại quang có cấu tạo gồm một đĩa cảm biến (còn gọi là đĩa phát xung) có khóet rãnh được lắp trên trục lái và quay cùng tốc độ với trục lái Khối phát xung gồm 3 bộ LED và photo transistor (tranzito quang) hoặc photodiode (điốt quang), vi trí cặp LED và

photo transsitos giữa tương ứng với trường hợp xe đi thẳng, vi trí cặp LED và photo transsitos bên phải tương ứng với trường hợp quay lái sang phải, vi trí cặp LED và photo transsitos bên

trái tương ứng với trường hợp quay lái sang trái

Hình 2.20 Vị trí cảm biến góc lái

Đặc trưng của các phần tử cảm quang này là khi có dòng ánh sáng chiếu vào nó sẽ trở nên dẫn điện và ngược lại, khi không có dòng ánh sáng chiếu vào nó sẽ không dẫn điện Độ dẫn điện của chúng phụ thuộc vào cường độ dòng ánh sáng

Hình 2.21 Nguyên lý làm việc của cảm biến góc lái

Khi đĩa cảm biến quay cùng với trục lái, dòng ánh sáng phát ra từ LED sẽ bị ngắt quãng, làm cho phần tử cảm quang (điốt quang hoặc tranzito quang) dẫn / ngắt liên tục tạo ra các xung vuông làm tín hiệu để xác định chiều quay lái, góc quay của vô lăng

Hình 2.22 Hình xung Encoder

Ta thấy rằng nếu như khi xung ST 1 đang từ mức thấp xuống mức cao, mà lúc đó ST 2 đang ở mức thấp, thì chúng ta sẽ xác định được chiều chuyển động của encoder theo chiều mũi tên (quay sang trái) Nếu ST 1 đang từ mức cao xuống mức thấp, mà ST 2 đang ở mức cao, thì chúng ta sẽ biết encoder đang quay theo chiều mũi tên (quay sang phải)

THAM KHẢO

Hình 2.23 Cảm biến góc lái của hãng Kia

2.2.6 Cảm biến mức dịch chuyển/ xoay thân xe

Hình 2.24 Cảm biến độ lệch thân xe kiểu áp điện

Cảm biến độ lệch của xe được lắp ở mặt cắt ngang bên phải của dầm ngang trong khoang hành lý Cảm biến độ lệch của xe sử dụng một con quay kiểu rung có hình âm thoa Mỗi cái cộng hưởng gồm có một phần rung và một phần phát hiện được dịch chuyển 90 độ để hình thành một bộ phận Một miếng gốm áp điện được lắp vào cả phần rung và phần phát điện Đặc tính của miếng gốm áp điện là bị biến dạng khi có điện áp đặt vào, và sinh ra điện áp khi có

một ngoại lực tác động làm biến dạng miếng gốm này

Để phát hiện độ lệch hướng, người ta đặt điện áp xoay chiều vào phần rung, điện áp này làm cho nó rung Sau đó, mức lệch hướng được phát hiện từ phần phát hiện theo mức lệch và hướng lệch của miếng gốm áp điện, do tác động của lực coriolis được tạo ra quanh cái cộng hưởng

Hình 2.25 Cảm biến độ lệch thân xe kiểu điện dung

2.2.7 Cảm biến khoảng cách (ultrasonic sensor)

Cảm biến khoảng cách loại siêu âm này dùng để xác định khoảng cách từ ô tô tới các chướng

ngại vật và thăm dò khoảng cách an toàn phía trước và phía sau của ô tô khi ra vào chuồng

Hình 2.26 Mặt cắt cảm biến

Cảm biến với vỏ nhựa được tích hợp giắc cắm, bộ phát sóng siêu âm (là màng nhôm có gắn phần tử áp điện), một bản mạch PCB

Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên lý xung phản hồi Nhận xung điều khiển từ ECU, trong khoảng thời gian 300 micro giây, mạch điều khiển của cảm biến kích hoạt màng nhôm bằng một xung vuông ở tần số cộng hưởng và khiến nó sinh ra sóng siêu âm Xung phản hồi từ vật cản sẽ đập trở lại màng nhôm và được truyền trở lại mạch tạo dao động Trong khoảng thời gian (khoảng 900 micro giây) từ lúc nhận tín hiệu phản hồi cho đến khi ngừng dao

động thì không tiếp nhận thêm sóng phản hồi nào nữa Phần tử áp điện trong bộ tạo dao động

sẽ tạo ra tín hiệu dạng tương tự, sau đó tín hiệu này được khuếch đại và số hoá ở mạch điều khiển của cảm biến

Hình 2.27 Sơ đồ khối cảm biến

2.3 CẢM BIẾN TỐC ĐỘ

2.3.1 Cảm biến tốc độ động cơ và cảm biến vị trí trục cam

2.3.1.1 Cảm biến loại từ- điện

Loại nam châm đứng yên :

Cảm biến bao gồm một rotor có số cánh phát xung tương ứng với số xylanh động cơ (cũng

có loại 1 ,2 hoặc 3 cánh phát xung), một cuộn dây quấn quanh một lõi sắt từ ghép với một thanh nam châm vĩnh cửu Cuộn dây và lõi sắt được đặt cách các cánh phát xung của rotor một khe nhỏ (0,20,4mm) và được cố định trên vỏ bộ chia điện Khi rotor quay, các

Hình 2.28 Cảm biến từ điện loại nam châm đứng yên

cánh phát xung lần lượt tiến lại gần và lùi ra xa cuộn phát xung

Khi cánh phát xung ở vị trí như hình 2.29.A , điện áp trên cuộn phát xung bằng 0 Khi cánh phát xung tiến lại gần cực từ của lõi thép, khe hở giữa cánh phát xung và lõi thép giảm dần và

từ trường mạnh dần lên Sự biến thiên của từ thông xuyên qua cuộn phát xung sẽ tại ra sức điện động e ( hình 2.30)

dt

d k

 .

Trong đó:

- k : hệ số phụ thuộc chất liệu từ của lõi thép và khe hở giữa lõi thép và cánh phát xung

-  : số vòng dây của cuộn phát xung

- n : tốc độ quay của rotor

-

t

d

d

: tốc độ biến thiên của từ thông trong lõi thép

Khi cánh phát xung của rotor đối diện với lõi thép, độ biến thiên của từ trường bằng 0

và sức điện động trong cuộn phát xung nhanh chóng giảm về 0 ( hình 2.29 C)

Khi cánh phát xung đi xa lõi thép ( hình 2.29 D), từ thông qua lõi thép giảm dần và sức điện động xuất hiện trong cuộn phát xung có chiều ngược lại (xung âm)

Ở chế độ khởi động, sức điện động phát ra rất nhỏ, chỉ vào khoảng 0,5 (V) Ở tốc độ cao lên khoảng vài chục V

Hình 2.29 Vị trí tương đối của rotor và cuộn dây nhận tín hiệu

Hình 2.30 Nguyên lý làm việc của cảm biến từ điện loại nam châm đứng yên

Hình 2.30 mô tả quá trình biến thiên của từ thông lõi thép và xung điện áp ở hai đầu ra của cuộn phát xung Xung này có dạng nhọn

Loại nam châm quay:

Hình 31 Cảm biến từ điện loại nam châm quay cho loại động cơ 8 xylanh

1 Rotor nam châm ; 2 Lõi thép từ ; 3.Cuộn phát xung

Đối với loại này, nam châm được gắn trên rotor, còn cuộn phát xung được quấn quanh một lõi thép và cố định trên vỏ bộ chia điện Khi nam châm quay, từ thông xuyên qua cuộn phát xung biến thiên tạo nên một sức điện động trong cuộn phát xung Do từ thông qua cuộn phát xung đổi dấu nên sức điện động sinh ra trong cuộn phát xung lớn Ở chế độ cầm

chừng, tín hiệu điện áp ra khoảng 2(V) Xung điện áp có dạng trên hình 2.31

Một số kiểu cảm biến từ- điện phổ biến trên thị trường

Cảm biến từ điện phổ biến trên thị trường chia làm 3 kiểu: kiểu đặt trong bộ chia điện, kiểu đặt ở đầu trục khuỷu, trục cam và kiểu tách rời

Kiểu lắp trong bộ chia điện:

Hình 3.32: Kiểu cảm biến lắp trong bộ chia điện

Đối với kiểu này cảm biến vị trí trục cam (G) và cảm biến tốc độ động cơ (NE) đều được lắp trong bộ chia điện Số lượng cánh phát xung của rotor và số lượng cuộn phát xung cho từng loại động cơ và từng hãng có thể khác nhau Trên các hình 2.32, 2.33 là kết cấu và dạng xung (tín hiệu) của bộ cảm biến G và NE tiêu biểu của dòng TOYOTA

Xung (tín hiệu) G báo cho ECU biết góc trục quay trục cam, tức là kỳ của các xylanh trong động cơ để xác định thời điểm đánh lửa so với điểm chết trên (TDC) của mỗi xylanh

Các bộ phận để tạo xung (tín hiệu) G gồm:

- Rotor tín hiệu G có 4 cánh phát xung, được gắn vào trục của bộ chia điện và quay 1 vòng khi trục khuỷu quay 2 vòng

- Cuộn phát xung G, được lắp bên trong vỏ của bộ chia điện

Rotor có 4 cánh phát xung và kích hoạt cuộn phát xung 4 lần trong mỗi vòng quay trục bộ chia điện, tạo ra tín hiệu dạng xung như hình 2.32 Từ tín hiệu này, ECU nhận biết được piston nào gần điểm chết trên (TDC) để điều khiển đánh lửa

Xung (tín hiệu) NE được ECU động cơ sử dụng để nhận biết tốc độ động cơ Tín hiệu NE được sinh ra trong cuộn phát xung nhờ cánh phát xung giống như khi tạo ra tín hiệu G Chỉ có

sự khác biệt duy nhất là rotor cảm biến NE có 24 cánh phát xung Nó kích hoạt cuộn phát xung

24 lần trong một vòng quay của trục bộ chia điện (tương ứng với 2 vòng quay của trục khuỷu động cơ), tạo ra tín hiệu dạng xung như hình 2.33 Từ các tín hiệu này, ECU động cơ nhận biết tốc độ đông cơ cũng như từng thay đổi 300 một của góc quay trục

khuỷu

Kiểu lắp ở đầu trục cam :

Kết cấu và hoạt động của kiểu lắp ở đầu trục cam giống như kiểu lắp trong bộ chia điện,

nhưng phía trên rotor cảm biến G không có con quay chia điện và nắp chia điện

Hình 2.34: Cảm biến NE và xung tín hiệu

Cuộn phát xung Rotor cảm biến

NE

Kiểu lắp trên trục cam và trục khuỷu:

So với các loại khác, cảm biến G và NE loại tách rời khác về vị trí lắp đặt của cảm biến, như trong hình 2.36 Tuy nhiên, chức năng cơ bản là giống nhau Chuyển động quay của cánh phát xung G trên trục cam và cánh phát xung NE trên trục khuỷu làm thay đổi khe hở không khí giữa các cánh phát xung và cuộn phát xung Sự thay đổi này tạo ra sự biến thiên của từ trường trong cuộn phát xung, làm xuất hiện các xung G và NE theo nguyên lý cảm ứng từ điện đã nêu trên

Hình 2.36: Cảm biến G và NE loại tách rời

Cảm biến vị trí trục cam (G)

Trên trục cam đối diện với cuộn phát xung của cảm biến vị trí trục cam có các cánh phát xung

Số cánh phát xung là 1 hoặc 3 hoặc một số khác tùy theo kiểu động cơ ( trong hình 2.37 và 2.38 có 3 cánh phát xung)

Hình 2.35 :Cảm biến G và

NE lắp ở trục cam

Hình 2.37: Cảm biến vị trí trục cam (G) và xung tín hiệu

Cảm biến vị trí trục khuỷu (NE)

Hình 2.38: Cảm biến vị trí trục khuỷu (NE) và xung tín hiệu

Trên trục khuỷu, đối diện với cuộn phát xung của cảm biến vị trí trục khuỷu có một rotor với 34 cánh phát xung chia đều trên chu vi và một khu vực có hai cánh khuyết Khu vực có 2 cánh khuyết này có thể được sử dụng để phát hiện góc của trục khuỷu nhưng nó không thể xác định xem đó là điểm chết trên (TDC) của chu kỳ nén hoặc của kỳ xả ECU động cơ kết hợp tín hiệu NE và tín hiệu G để xác định đầy đủ và chính xác góc của trục khuỷu ứng với điểm chết trên của xilanh số 1 Ngoài loại này, một số bộ cảm biến có rotor với 12, 24 cánh phát xung ,

và độ chính xác của việc phát hiện góc của trục khuỷu sẽ thay đổi theo số cánh phát xung Ví dụ: loại 12 cánh phát xung có độ chính xác về phát hiện góc trục khuỷu là 300

2.3.1.2 Cảm biến loại quang- điện

Cảm biến quang gồm hai loại, khác nhau chủ yếu ở phần tử cảm quang :

- Loại sử dụng một cặp LED - photo transistor

- Loại sử dụng một cặp LED – photo diode

Phần tử phát quang (LED – lighting emission diode) và phần tử cảm quang (photo

transistor hoặc photo diode ) được đặt trong một cụm bao kín (có thể lắp trong bộ chia điện hoặc lắp ở trục cam) Đĩa cảm biến (đĩa tạo xung) được gắn vào trục và có số rãnh xẻ tùy theo loại động cơ (Hình 2.39)

Điểm đặc biệt của hai loại phần tử cảm quang này là khi có dòng ánh sáng chiếu vào, nó sẽ trở nên dẫn điện và ngược lại Độ dẫn điện của chúng phụ thuộc vào cường độ ánh sáng

Hình 2.39 : Nguyên lý làm việc của cảm biến quang

Khi đĩa cảm biến quay, dòng ánh sáng từ LED (phần tử phát quang) chiếu rọi về phía phần

tử cảm quang sẽ bị ngắt quãng tạo ra hiện tượng dẫn - ngắt điện và bộ phận chuẩn xung sẽ tạo

ra các xung vuông

Hình dạng và vị trí của các rãnh xẻ trên đĩa cảm biến sẽ quyết định biên dạng xung Tùy từng hệ thống đánh lửa mà người ta thiết kế đĩa có các kiểu xẻ rãnh khác nhau (hình 2.40)

Hình 2.40: Hình dạng đĩa cảm biến và xung tín hiệu

a : Đĩa cảm biến và hai xung đơn NE và G

b : Đĩa cảm biến và xung kép NE và TDC

Một số kiểu cảm biến quang- điện phổ biến trên thị trường

Kiểu lắp trong bộ chia điện

Hình 2.41: Cảm biến quang lắp trong bộ chia điện Kiểu lắp ở đầu trục cam

Hình 2.42: Cảm biến quang lắp ở đầu trục khuỷu

2.3.1.3 Cảm biến loại Hall

Một số loai cảm biến Hall (cảm biến tốc độ động cơ NE, cảm biến vị trí trục cam G, cảm

biến bướm ga, cảm biến chân ga, cảm biến tốc độ bánh xe …) dựa trên nguyên lý của hiệu ứng Hall

Hiện tượng sau đây được gọi là hiệu ứng Hall (tên của người đã khám phá ra hiện tượng này) Một tấm bán dẫn loại n có kích thước như hình 2.43 được đặt trong từ trường đều sao cho vector cường độ từ trường B vuông góc với bề mặt của tấm bán dẫn Khi cho dòng điện

Iv đi qua tấm bán dẫn có chiều từ trái qua phải, các hạt điện tử dịch chuyển với tốc độ V trong tấm bán dẫn sẽ bị tác dụng bởi lực Lawrence là tích có hướng của hai vector V và B và chiều hướng từ dưới lên trên

F =q  B V

Hình 2.43: Hiệu ứng Hall và một số kiểu cảm biến Hall

Vector B vuông góc với vector V ta có thể viết:

F L = q.B.v

Trong đó: q là điện tích của hạt

Như vậy, dưới tác dụng của lực Lawrence, các hạt điện tử sẽ bị dịch lên phía trên của tấm

bán dẫn khiến giữa hai bề mặt A1 và A2 xuất hiện hai lớp điện tích trái dấu Sự xuất hiện hai

lớp điện tích trái dấu này tạo ra một điện trường E giữa hai bề mặt A1và A2, ngăn cản quá trình

dịch chuyển của các hạt điện tử, do chúng bị tác dụng bởi lực Coulomb Fc

Iv

 (2.2) Trong đó:

- j : Vectơ mật độ dòng điện

-  : Mật độ của hạt điện tử

- d : Bề dầy của tấm bán dẫn

- a : Chiều cao của tấm bán dẫn

Thay (3.2) vào (3.1) ta được:

d q

I B

U H





Điện áp UH chỉ vào khoảng vài trăm mV Nếu dòng điện Iv được giữ không đổi thì khi

thay đổi từ trường B, điện thế UH sẽ thay đổi Sự thay đổi từ trường làm thay đổi điện áp UH

tạo ra các xung điện áp được ứng dụng trong cảm biến Hall

Để tạo ra cảm biến Hall người ta phải chế tạo IC Hall, đó là một mạch IC tổ hợp gồm mạch

ổn áp 5(V), mạch khếch đại tín hiệu Hall và mạch biến đổi xung đầu ra

Cảm biến Hall với kiểu lắp trong bộ chia điện hoặc lắp ở đầu trục cam, trục khủy và trên đầu

bánh đà có cấu trúc cơ bản như trên hình 2.44

Để chế tạo 1 cảm biến Hall lắp trong bộ chia điện thì IC Hall được gắn vào một khung dẫn từ và một nam châm vĩnh cửu cũng được gắn vào khung dẫn từ đối diện với IC Hall cách nhau một khe hở đủ để cánh chắn từ (cánh phát xung) quay

Hoạt động của cảm biến Hall có thể tóm tắt như sau:

Khi cánh chắn từ nằm chắn khe hở giữa IC Hall và nam châm thì từ trường của nam châm vĩnh cửu bị cánh chắn, không tác động lên IC Hall làm Transistor ngắt (OFF), tín hiệu điện áp

ở ngõ ra Vra là 5(V)

Xung của cảm biến Hall gửi về ECU có dạng xung vuông (hình 2.47)

Hình 2.44: Cấu tạo của cảm biến Hall

Hình 2.46:Cấu trúc mạch điện của

cảm biến Hall

1 Phần tử Hall; 2 Ổn áp

3 OP –AMP; 4 Bộ xử lý tín hiện

Một số kiểu cảm biến Hall phổ biến trên thị trường

Kiểu lắp trong bộ chia điện :

Kiểu lắp trên trục cam, trục khuỷu :

Hình 2.49: Cảm biến Hall lắp trên trục cam, trục khuỷu

2.3.2 Cảm biến tốc độ ôtô(Vehicle Speed Sensor- VSS):

Cảm biến tốc độ ôtô dùng để báo tốc độ thực của xe.Cảm biến này truyền tín hiệu SPD đến ECU để điều khiển phun xăng, điều khiển số tự động điện tử (nếu có), điều khiển hệ thống treo, lái tự động Có 4 loại cảm biến tốc độ ôtô: Loại công tắc lưỡi gà, loại từ điện, loại quang điện, loại mạch từ trở MRE

2.3.2.1 Loại công tắc lưỡi gà

Hình 2.50: Cảm biến tốc độ ôtô loại công tắc lưỡi gà

Hình 2.47: Dạng xung của cảm

biến Hall

Cảm biến này gồm một ống thủy tinh, trong đó lắp một cặp tiếp điểm nhiễm từ (được gọi là công tắc lưỡi gà) lắp cố định ở phía sau đồng hồ tốc độ ôtô (công tơ mét) Hai miếng nam châm được lắp trên một mâm quay và lắp vào trục cáp mềm của đồng hồ tốc độ như trong hình 2.50 Khi ôtô chuyển động, dây cáp mềm của đồng hồ tốc độ truyền tốc độ quay lên đồng

hồ và làm quay mâm nam châm, lực từ trường của các nam châm tác động lên các tiếp điểm lưỡi gà làm cho công tắc lưỡi gà đóng và mở bốn lần trong mỗi vòng quay của cáp đồng hồ tốc

độ và tạo ra chuỗi xung vuông 5 V hoặc 12 V (tùy vào nguồn điện áp cấp vào công tắc lưỡi gà)

3.2.2 Loại cảm biến từ điện

Nguyên lý hoạt động của cảm biến này giống như cảm biến đánh lửa loại từ điện

Cánh phát xung của cảm biến được lắp vào trục thứ cấp hộp số, cuộn phát xung được lắp trên

vỏ hộp số và phát hiện tốc độ quay của trục thứ cấp hộp số bằng cách tạo ra chuỗi xung xoay chiều tỷ lệ với vận tốc của ôtô

2.3.2.3 Loại cảm biến quang điện

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến này cũng giống như cảm biến đánh lửa loại quang

Hình 2.52: Cảm biến tốc độ ôtô loại quang điện

Cảm biến này được đặt trong cụm đồng hồ ở bảng táplô và có cánh phát xung được xẻ 20 khe Xung vuông 5V hoặc 12V của cảm biến có tần số tỷ lệ với vận tốc của ôtô

2.3.2.4 Cảm biến tốc độ ôtô loại MRE

Hình 2.53: Cảm biến tốc độ loại MRE

Cảm biến này được lắp trong hộp số hoặc hộp số phụ,và được dẫn động bởi trục thứ cấp Cảm biến có cấu tạo gồm một mạch tích hợp HIC sử dụng mạch cầu điện trở từ MRE và các vòng từ tính MRE là một mạch cầu có bốn cuộn dây Khi vòng từ tính qoay, từ thông biến thiên qua các cuộn dây này, sẽ cảm ứng ra các suất điện động làm cho điện thế tại các điểm giữa của hai nhánh thay đổi Một bộ so sánh khuếch đại sẽ căn cứ vào sự chênh lệch điện áp tại 2 điểm giữa này (điểm 2 và 4) sẽ tạo ra các xung vuông để điều khiển một bóng công suất Tần số của xung này bằng số cực của các nam châm gắn vào vòng từ tính Có hai loại vòng từ tính, loại 20 cực và loại 4 cực

Hình 2.54: Nguyên lý hoạt động loại MRE

Các mạch ra của cảm biến gồm có loại điện áp và loại biến trở

Loại điện áp Loại biến trở

2.4 CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG KHÍ NẠP (CẢM BIẾN GIÓ)

Cảm biến lưu lượng khí nạp được sử dụng để phát hiện khối lượng hoặc thể tích không khí

nạp

Tín hiệu khối lượng hoặc thể tích không khí nạp được ECU sử dụng để tính toán lượng phun nhiên liệu cơ bản và góc đánh lửa sớm (hoặc phun dầu sớm đối với động cơ điêzen) cơ bản

Hình 2.55: Sơ đồ mạch của cảm biến MRE

Cảm biến lưu lượng khí nạp chủ yếu được chia thành 2 loại : đo lưu lượng với thể tích dòng khí (cánh trượt, Karman ) và đo lưu lượng bằng khối lượng dòng khí (dây nhiệt)

2.4.1 Cảm biến khí nạp (cảm biến gió) kiểu cánh gạt

Cảm biến gió kiểu cánh gạt được sử dụng trên hệ thống L- Jetronic để nhận biết thể tích gió nạp vào xylanh động cơ Nó là một trong những cảm biến quan trọng nhất Tín hiệu thể tích gió được sử dụng để tính toán lượng xăng phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản Hoạt động của nó dựa vào nguyên lý dùng điện áp kế có điện trở thay đổi kiểu trượt

Hình 2.56: Cấu tạo và đặc tính của cảm biến kiểu cánh gạt

Cảm biến gió kiểu cánh gạt gồm: Cánh gió được giữ bằng 1 lò xo hoàn lực, cánh giảm chấn, buồng giảm chấn, vít chỉnh thành phần hòa khí ở chế độ không tải (cầm chừng), mạch rẽ phụ, điện áp kế kiểu trượt (biến trở) được gắn đồng trục với cánh đo gió và một công tắc bơm xăng

Lượng gió vào động cơ nhiều hay ít phụ thuộc vào vị trí cánh bướm ga và tốc độ động cơ Khi gió nạp đi qua cảm biến gió từ lọc gió nó sẽ mở dần cánh đo Khi lực tác động lên cánh đo cân bằng với lực lò xo thì cánh đo sẽ đứng yên Cánh đo và điện áp kế được thiết kế đồng trục nhằm mục đích chuyển góc mở cánh đo gió thành tín hiệu điện áp nhờ điện áp kế

Có hai loại cảm biến gió kiểu cánh gạt, chỉ khác nhau về bản chất mạch điện:

Loại 1:

Hình 2.57: Cảm biến gió loại điện áp tăng

Điện áp đầu ra của cảm biến (đầu giắc VS và E2) tăng khi lượng khí nạp tăng, chủ yếu dùng cho loại L-Jetronic đời cũ Loại này được cung cấp điện áp ắc quy 12 (V) tại giắc VB VC có điện áp không đổi nhưng nhỏ hơn điện áp ở giắc VS

ECU so sánh điện áp ắc quy (VB) với độ chênh điện áp giữa VC và VS để xác định lượng gió nạp theo công thức:

Trong đó: G là lượng gió nạp

Nếu cực VC bị đoản mạch lúc đó G tăng, ECU điều khiển lượng phun cực đại , bất chấp sự thay đổi tín hiệu VS Điều này có nghĩa là: khi động cơ ở ở chế độ không tải, nhiên liệu được phun quá nhiều và động cơ sẽ bị ngộp (sặc) xăng dẫn tới ngừng hoạt động

Nếu cực VS bị đứt mạch VC sẽ luôn cực đại làm cho G giảm lúc này ECU sẽ điều khiển

lượng phun nhiện liệu giảm đi mặc dù có sự thay đổi tín hiệu VS

Loại 2:

Điện áp VS giảm khi lượng khí nạp tăng Với loại này ECU sẽ cung cấp điện áp 5V đến cực VC Điện áp ra VS thay đổi và giảm theo góc mở của cánh đo

Hình 2.58 Cảm biến gió loại điện áp giảm

2.4.2 Cảm biến khí nạp loại xoáy lốc Karman

Loại cảm biến này có 2 kiểu: Kiểu quang và kiểu siêu âm

2.4.2.1 Cảm biến khí nạp Karman kiểu quang

Loại cảm biến đo lưu lượng gió kiểu quang đo trực tiếp thể tích khí nạp (gió) So với kiểu trượt, nó có ưu điểm là nhỏ gọn và nhẹ hơn Ngoài ra, cấu trúc đường ống đơn giản sẽ giảm lực cản trên đường ống nạp

Cảm biến khí nạp Karman kiểu quang gồm một trụ đứng đóng vai trò của bộ tạo dòng xoáy, ở giữa dòng khí nạp Khi dòng khí đi qua, sự xoáy lốc sẽ được hình thành phía sau bộ tạo xoáy còn gọi là các dòng xoáy Karman

Hình 2.59 Cấu tạo và dạng xung của cảm biến khí nạp Karman kiểu quang

Các dòng xoáy Karman đi theo rãnh trích gió làm cho một gương mỏng đặt phía trên cửa trích gió lắc nghiêng, thay đổi hướng phản chiếu tia sáng từ đèn Led đến Photo-transistor Như vậy, tần số đóng mở (ON/OFF) của transistor này sẽ thay đổi theo lưu lượng khí nạp, tần số f được xác định bởi công thức sau:

d

V S

f Trong đó:

- V : Vận tốc dòng khí

- D : Đường kính ống

- S : Số struhall ( S=0,2 đối với cảm biến này) Căn cứ vào tần số f, ECU xác định thể tích tương ứng của không khí đi vào các xylanh, từ đó tính ra lượng xăng phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản

Khi lượng gió vào ít tấm gương lắc nghiêng với tần số thấp và photo-transistor sẽ đóng mở tần số f thấp Ngược lại, khi lượng gió vào nhiều, gương lắc nghiêng nhanh và tần số f cao

Hình 2.60 Dạng xung và đặc tính của cảm biến khí nạp Karman kiểu quang

Mạch điện của cảm biến Karman kiểu quang

Hình 2.61 Mạch điện cảm biến khí nạp Karman kiểu quang

2.4.2.2 Cảm biến khí nạp Karman kiểu siêu âm

Cảm biến khí nạp (cảm biến gió) Karman kiểu siêu âm được sử dụng chủ yếu trên xe của các hãng: Misubishi, Huyndai… có cấu trúc tạo xoáy tương tự loại quang nhưng việc đo tần số xoáy lốc được thực hiện thông qua sóng siêu âm, nó gồm các bộ phận sau

- Lỗ định hướng : Phân bố dòng khí đi vào

- Cục tạo xoáy : Tạo dòng xoáy lốc Karman

- Bộ khếch đại : Tạo ra sóng siêu âm

- Bộ phát sóng : Phát các sóng siêu âm

- Bộ nhận sóng : Nhận các sóng siêu âm

- Bộ điều chỉnh xung: Chuyển đổi các sóng siêu âm đã nhận được thành các xung điện dạng số

Hình 2.62 Cấu tạo cảm biến khí nạp Karman kiểu siêu âm

Khi dòng khí đi qua cục tạo xoáy dạng cột với mặt cắt hình tam giác, nó sẽ tạo ra hai dòng xoáy ngược chiều nhau: một dòng theo chiều kim đồng hồ và dòng kia ngược chiều kim đồng

hồ (dòng xoáy Karman) Tần số xuất hiện dòng xoáy tỉ lệ thuận với lưu lượng khí nạp tức phụ thuộc vào độ mở của cánh bướm ga

Hình 2.63 Cánh tạo xoáy lốc và nguyên lý phát xung

Khi không có dòng khí đi qua thì cục tạo xoáy không thể phát ra dòng xoáy Karman, vì thế

sóng siêu âm được lan từ bộ phận phát sóng (loa) đến bộ phận nhận sóng (mirco) trong một thời gian cố định T, được dùng làm thời gian chuẩn để so

Sóng siêu âm khi gặp dòng xoáy theo chiều kim đồng hồ đi qua sẽ truyền đến bộ phận nhận nhanh hơn, tức thời gian để sóng siêu âm đi qua đường kính d của ống gió T1 ngắn hơn thời gian tiêu chuẩn T

Trong trường hợp sóng siêu âm gặp dòng xoáy ngược chiều kim đồng hồ, thời gian để bộ nhận sóng nhận được tín hiệu từ bộ phát là T2 lớn hơn thời gian chuẩn T

Như vậy, khi không khí đi vào xylanh, do các dòng xoáy thuận và ngịch chiều kim đồng hồ liên tục đi qua giữa bộ phát và bộ nhận nên thời gian đo sẽ được thay đổi Cứ mỗi lần thời gian sóng truyền thay đổi từ T2 đến T, bộ chuyển đổi phát ra một xung vuông

Khi gió vào nhiều thì sự thay đổi về thời gian sẽ nhiều hơn và bộ điều chỉnh phát xung sẽ phát ra xung vuông với tần số lớn hơn Ngược lại, khi gió vào ít, ECU nhận được các xung

vuông có mật độ thưa hơn Như vậy thể tích gió đi vào đường ống nạp tỷ lên thuận với tần số phát xung của bộ điều chỉnh

Hình 2.64 Xung ra của cảm biến khí nạp Karman siêu âm thay đổi theo lưu lượng khí nạp

Mạch điện của cảm biến Karman kiểu siêu âm

2 4.3 Cảm biến khí nạp loại dây nóng (hot wire), màng nóng (hot film):

Các loại cảm biến này dựa trên sự phụ thuộc của năng lượng nhiệt thoát ra từ một linh

kiện được nung nóng bằng điện (phần tử nhiệt) như : dây sấy platin, màng nhiệt hoặc điện trở nhiệt (thermistor) được đặt trong dòng khí nạp Năng lượng nhiệt thoát ra tỷ lệ với độ chênh lệch nhiệt độ ∆ T giữa phần tử nhiệt với dòng khí nạp, khối lượng khí nạp Gkk và hệ số trao đổi nhiệt giữa phần tử nhiệt và dòng khí nạp

Hình 2.66 Cảm biến khí nạp loại dây nóng, màng nóng

Hình dáng và cấu tạo của một số cảm biếnkhí nạp loại dây nóng, màng nóng được trình bày trên hình 2.66 và 2.67, gồm:

Hình 2.65 Mạch điện cảm biến gió Karman siêu âm

Hình 2.67 Vị trí và mạch của cảm biến gió loại dây nóng

+ Một mạch cầu điện trở Wheatstone với điện trở platin Rh (dây sấy) và nhiệt điện trở

Ra được đặt trong ống đo gió và đấu vào hai nhánh trên của mạch cầu như hình vẽ Các điện trở R1, R2 được đấu vào các nhánh dưới của mạch cầu Hai điểm giữa của mạch cầu là A và

B Điện áp giữa hai điểm này được dùng để điều khiển dòng điện cấp cho mạch cầu nhằm duy trì nhiệt độ không đổi trên điện trở Rh

+ Một bộ khuếch đại xử lý phát hiện sự chênh lệch điện áp giữa hai điểm A và B Mạch cầu điện trở cân bằng (VA = VB) khi và chỉ khi ( R3 + Ra )*R1 = Rh*R2

+ IC nhận biết điện áp UB (giữa VB điểm B và mát) để tính toán ra khối lượng khí nạp

và gửi tín hiệu về ECU động cơ qua chân VG

+ Nhiệt điện trở Ra vừa là một nhánh của mạch cầu, vừa là cảm biến nhiệt độ khí nạp (cảm biến nhiệt độ gió)

Nguyên lý hoạt động:

Hình 2.68 Đặc điểm làm việc và đặc tính

Để khử sự ảnh hưởng của sự chênh lệch nhiệt độ giữa dây sấy và khí nạp ∆T tới nhiêt

lượng toả ra bởi dây sấy, người ta sẽ điều chỉnh cho giá trị này cố định (ở khoảng 150o

C )

Mặt khác, dây sấy Rh có dòng điện chạy qua sẽ sinh nhiệt, dòng điện càng lớn thì nhiệt sinh

càng nhiều Đồng thời khi động cơ chạy, dòng khí nạp sẽ hấp thụ nhiệt do Rh sinh ra, làm giảm nhiệt độ Rh Do đó bộ khuếch đại vi xử lý phải điều chỉnh transistor để thay đổi dòng điện đi qua Rh cho đến khi ∆T cố định

Bộ khuếch đại vi xử lý nhận biết sự chênh lệch điện thế VA và VB khi giá trị điện trở của nhiệt điện trở Ra thay đổi, qua đó sẽ điều khiển transistor để thay đổi điện áp cấp vào mạch cầu

(dòng điện qua Rh sẽ thay đổi) cho đến khi mạch cân bằng

Như vậy, khi khối lượng gió tăng, nhiệt độ của dây sấy Rh giảm, để đưa mạch cầu về

vị trí cân bằng, bộ khuếch đại vi xử lý phải điều khiển tăng điện áp cấp vào mạch cầu Khi đó điện thế VB cũng tăng IC sẽ nhận biết sự thay đổi VB để tính toán ra lưu lượng khí nạp

2.5 CẢM BIẾN LỰC, MÔMEN VÀ ÁP SUẤT

2 5.1 Cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp (MAP sensor)

Khác với L-Jectronic , trong hệ thống phun xăng loại D-Jectronic lượng khí nạp đi vào xylanh được xác định gián tiếp thông qua cảm biến đo áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp Khi tải thay đổi, áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp sẽ thay đổi và MAP sensor sẽ chuyển đổi giá trị áp suất này thành tín hiệu điện áp báo về ECU để tính ra lượng không khí đi vào xylanh Sau đó, dựa vào giá trị này, ECU sẽ điều khiển thời gian mở kim phun và điều chỉnh góc đánh lửa sớm cơ bản

a) b)

c) d)

Hình 2.69 Cấu tạo (d), mạch điện (a & c)và đặc tính (b) của CB áp suất đường nạp

Loại cảm biến này cũng dựa trện nguyên lý mạch cầu điện trở Wheatstone, gồm:

+ Một tấm silicon (chíp bán dẫn- chíp sillic) nhỏ hay gọi là màng ngăn, dày hơn ở hai mép ngoài ( khoảng 0,25 mm) và mỏng ở giữa (khoảng 0,025 mm) Hai mép được làm kín