BÀI GIẢNG CẤU TẠO ĐỘNG CƠ OTO

Để giảm ảnh hưởngcủa thay đổi áp suất trong đường nạp thì suất nhiên liệu cung cấp cũng thay đổitheo sao cho chênh lệch áp suất của nhiên liệu cung cấp và đầu vòi phun làkhông đổi.Hoạt đ

Chương 8:

HỆ THỐNG PHUN XĂNG NHIỀU CỔNG (ĐA ĐIỂM)

(MULTIPORT FUEL INJECTION- MFI)

1 TỔNG QUAN.

1.1 Hỗn hợp lý tưởng.

Như chúng ta đã biết để đốt cháy hoàn toàn một Kg nhiên liệu cần phải có 14,7 Kgkhông khí Hỗn hợp có tỉ lệ Không khí /Nhiên liệu = 14,7 gọi là hỗn hợp lý tưởng(Stoichiometric ratio) Trong điều kiện lý tưởng khi đốt cháy hỗn hợp có tỉ lệ lý tưởngthì sản phẩm sinh ra sau khi cháy chỉ là hơi nước (H2O) và carbonic (CO2) mà không

có những chất gây ô nhiễm khác trong khí thải Tuy nhiên quá trình cháy trong xy lanhđộng cơ khác xa điều kiện lý tưởng và xãy ra quá nhanh không đủ thời gian cho hỗnhợp cháy hoàn toàn Do vậy, với hỗn hợp có tỉ lệ lý tưởng thì trong khí xả động cơ vẫnchứa một lượng hydrocarbon (HC) do nhiên liệu chưa cháy hết và carbon monoxide(CO), cả hai chất này là khí thải ngoài ý muốn Trong điều kiện khắc nghiệt như nhiệt

độ cao trong buồng đốt, oxygen và nitrogen có trong không khí sẽ kết hợp và hìnhthành những oxide nitrogen (NOx) Một trong số đó là oxide nitric (NO), là một chấtthải rất độc

Giảm tỉ lệ Không khí/nhiên liệu ( Hỗn hợp giàu-Đậm) sẽ sinh ra nhiều HC và CO dothiếu oxygen nên nhiên liệu không cháy hết

Tăng tỉ lệ không khí /nhiên liệu ( Hỗn hợp nghèo-Loãng) tức là cung cấp nhiềuoxygen hơn để đốt cháy nhiên liệu Trong trường hợp này có thể làm cho quá trìnhcháy không hoàn toàn trong từng khu vực khác nhau của buồng đốt Vì vậy cũng làmgia tăng lượng HC, CO trong khí thải và tạo thuận lợi việc hình thành NOx

Qua các phân tích trên, tỉ lệ không khí/ nhiên liệu lý tưởng là tối ưu nhất trong việcgiảm thiểu ô nhiễm trong khí thải Điều này có ý nghĩa đặc biệt trong trường hợp xử

lý khí thải bằng cách sử dụng bộ chuyển hóa xúc tác ba đường ( Three-way catalyticconverter)

1.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ không khí-nhiên liệu trên hiệu quả xử lý của bộ

chuyển hóa xúc tác.

Mục đích của bộ chuyển hóa xúc tác ba đường là làm sạch các chất ô nhiểm NOx, HC

và CO trong khí thải của động cơ Quá trình xử lý xảy ra trong hai giai đoạn giai đoạnđầu NOx được tách ra thành Nitrogen (N2) và Oxygen (O2) với một phần oxygen này

sẽ thúc đẩy oxid hóa CO thành chất không độc hại là CO2 Trong giai đoạn hai, khíthải thừa oxygen đi vào bộ xúc tác thứ hai thúc đẩy oxide hóa HC và CO để tạo ra hơinước và CO2

Hình 8.1a: Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đối với công suất và

suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ.

Hình 8.1b: Hiệu suất hoạt động của bộ chuyển hóa xúc tác ba thành phần.

1.3 Tỉ lệ không khí-nhiên liệu trong các chế độ hoạt động của động cơ.

Trong một vài trường hợp đặc biệt, động cơ đòi hỏi một tỉ lệ KK/NL khác với tỉ lệ lýtưởng lúc đó người ta tạm thời gác qua việc kiểm soát tối ưu khí thải của động cơ.Khi khởi động hay khi hoạt động dưới nhiệt độ vận hành, các bề mặt bên trong củađường nạp có nhiệt độ thấp ảnh hưởng đến nồng độ của hỗn hợp hay trong trường hợpnhiệt độ của không khí nạp quá thấp sẽ làm nhiên liệu khó bốc hơi và hoà trôn tốt vớikhông khí Do đó hỗn hợp đòi hỏi phải đậm hơn bình thường

Khi gia tốc, để động cơ không chết máy cũng cần cung cấp hỗn hợp đậm hơn Trongtrường hợp tải trọng lón, công suất động lớn đòi hỏi một hỗn hợp đậm

Để đáp ứng các qui định ngày khắc khe của luật bảo vệ môi trường, những qui địnhchặt chẽ về tiêu chuẩn khí thải ôtô thì việc kiểm soát tì lệ không khí – nhiên liệu trongtừng điều kiện hoạt động của động cơ đòi hỏi phải chính xác Động cơ phun xăngnhiều cổng điều khiển bằng điện tử có thể đáp ứng các yêu cầu này và đã thay thếhoàn toàn các loại động cơ carburetor và phun xăng đơn điểm

Hình 8.2: Sơ đồ cung cấp nhiên liệu trên động cơ phun xăng đơn điểm (A)và

đa điểm(B).

1 Đường nhiên liệu; 2 Đường không khí nạp; 3.Bướm ga

4 Ống góp nạp; 5 Vòi phun; 6 Động cơ.

1.4 Sơ lượt về hệ thống phun xăng đa điểm cơ bản.

Hình 8.3: Sơ đồ hệ thống phun xăng đa điểm cơ bản

Sơ đồ điều khiển:

Hình 8.4: Sơ đồ điều khiển hệ thống phun xăng cơ bản.

Mô tả hoạt động của hệ thống phun xăng đa điểm cơ bản.

Hệ thống có thể chia thành ba hệ thống phụ: Hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thốngnạp không khí và hệ thống điều khiển điện tử

* Hệ thống cung cấp nhiên liệu.

- Hệ thống cung cấp nhiên liệu gồm: thùng nhiên liệu, bơm nhiên liệu, lọc nhiên liệu,đường ống dẫn nhiên liệu, đường nhiên liệu chung ( Fuel rail), bộ điều hòa áp suấtnhiên liệu.

- Nhiên liệu từ thùng được một bơm điện bơm đến đường ống nhiên liệu chung quamột ống dẫn nhiên liệu và lọc nhiên liệu Từ đường ống chung nhiên liệu cung cấpcho tất cả các vòi phun của động cơ

- Nhiên liệu cung cấp đến vòi phun được duy trì ở một áp suất cố định ( 3-3,5Bar) nhờ

bộ điều hòa áp suất lắp trên đường ống dẫn nhiên liệu

- Bơm nhiên liệu:

Bơm nhiên liệu thường được lắp trong thùng nhiên liệu và thường dùng loại bơm cánhquạt vì có ưu điểm là làm việc êm, giao động áp suất thấp Cấu tạo được trình bàytrong hình (8.4) Trên bơm có bố trí một van xả cho phép nhiên liệu trở về thùng khi

áp suất trong đường ống quá giới hạn và một van một chiều có tác dụng duy trì một ápsuất dư trên đường ống phân phối khi động cơ ngừng hoạt động để cho lần khởi độngsau được dễ dàng hơn

Hình 8.4: Cấu tạo một bơm nhiên liệu.

- Bộ điều áp:

Có nhiệm vụ duy trì một áp suất ổn định trên đường ống phân phối nhiên liệuđến vòi phun Tuy nhiên do tác dụng của độ chân không trong đường ống góp

nạp có ảnh hưởng đến lượng nhiên liệu phun của vòi phun Để giảm ảnh hưởngcủa thay đổi áp suất trong đường nạp thì suất nhiên liệu cung cấp cũng thay đổitheo sao cho chênh lệch áp suất của nhiên liệu cung cấp và đầu vòi phun làkhông đổi.

Hoạt động của bộ điều áp: Nhiên liệu có áp suất từ đường ống phân phối đi vào

bộ điều áp tác dụng lên màng làm mở van bi, nhiêu liệu qua van trở về thùngchứa làm giảm áp suất của đường phân phối cho đến một áp suất qui định màng

đi xuống đóng nhỏ van bi hạn chế lượng nhiên liệu trở về thùng Áp thấp trênđường ống nạp được nối với buồng trên của màng Khi độ chân không trênđường nạp giảm thì áp suất nhiên liệu tăng lên tương ứng sao cho hiệu của ápsuất nhiên liệu trước và sao vòi phun không đổi

Hình 8.5: Cấu tạo một bộ điều áp.

* Hệ thống điều khiển điện tử.

- Hệ thống điều khiển điện tử bao gồm nhiều cảm biến khác nhau, Một bộ điều khiểntrung tâm (ECM), các vòi phun và hệ thống dây dẫn điện liên quan

- ECM xác định chính xác lượng nhiên liệu cần cung cấp cho động cơ từ các dữ liệughi nhận của các cảm biến

- ECM điều khiển thời gian vòi phun mở một cách chính xác ( Độ rộng xung điềukhiển) để có một tỉ số không khí / nhiên liệu hoàn hảo ( Tỉ số KK/NL= 14.7/1)

- Phụ thuộc vào tình trạng hoạt động của động cơ lượng nhiên liệu phun sẽ thay đổi.ECM ghi nhận thay đổi nhiệt độ nước làm mát, tốc độ động cơ, góc mở bướm ga, khốilượng không khí nạp, nồng độ oxygen trong khí xả và xác định lượng nhiên liệu phun

1.5 Ưu điểm của hệ thống phun xăng đa điểm.

So với các hệ thống cung cấp nhiên liệu trước đây, hệ thống phun xăng đa điểm có các

ưu điểm sau:

- Hỗn hợp nhiên liệu đồng nhất giữa các xy lanh động cơ Do nhiên liệu được phun

trực tiếp vào van nạp của mỗi xy lanh

- Kiểm soát được chính xác tỉ số không khí/ nhiên liệu ở từng chế độ hoạt động của động cơ.

- Cải thiện momen động cơ và đáp ứng nhanh của bướm ga Do nhiên liệu phun

trực tiếp vào van nạp, nên việc thiết kế dạng ống góp hút có thể cải thiện vận tốc dòngkhông khí đi vào van nạp Do đó cải thiện momen động cơ và đáp ứng nhanh hơn củabướm ga

- Tiết kiệm nhiên liệu và cải thiện kiểm việc soát khi thải Có thể giảm bớt việc làm

giàu hỗn hợp khi động cơ nguội hay khi mở lớn bướm ga vì việc xăng bám vào đườngống nạp không còn nữa Do đó sẽ tiết kiệm nhiên liệu hơn và kiểm soát khí thải tốthơn

- Cải thiện khả năng khởi động và hoạt động ở nhiệt độ thấp Kết hợp giữa phun

sương nhiên liệu và phun trực tiếp gần van nạp làm cho động cơ khởi động và hoạtđộng dễ hơn ở nhiệt độ thấp

- Hệ thống có ít các bộ phận cơ khí và giảm thiểu các điều chỉnh phức tạp Hệ

thống không đòi hỏi điều chỉnh phức tạp và giảm việc chăm sóc bảo dưỡng

2 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG

2.1 Sơ đồ bố trí của hệ thống cung cấp nhiện liệu trên động cơ phun xăng MFI:

Hình 8.6: Hệ thống phun xăng đa điểm của Bosch ( L-Jetronic, năm 1979)

1.Thùng xăng; 2.Bơm xăng; 3 Lọc xăng; 4 Bộ giảm dao động áp suất; 5.ECU;

6 Bôbin đánh lửa; 7 Bộ chia điện; 8 Bugi; 9.Vòi phun; 10 Đường phân phối nhiên liệu; 11.Bộ điều hòa áp suất; 12.Van khởi động lạnh; 13.Vít không tải; 14 Bướm ga;

15 Cảm biến vị trí bướm ga; 16 Cảm biến lưu lượng khí nạp; 17 Cảm biến nhiệt độ không khí nạp 18 Cảm biến oxygen; 19 Công tắc nhiệt; 20 Cảm biến nhiệt độ nước

làm mát; 21 Đường gió phụ; 22 Vít điều chỉnh hỗn hợp cần chừng; 23 Cảm biến vị trí; 24 Cảm biến tốc độ; 25 Accu; 26 Công tắc đánh lửa; 27 Rơle chính; 28 Rơle bơm nhiên liệu.

Hình 8.7: Sơ đồ điều khiển Bosch (L – Jetronic)

Hình 8.8: Sơ đồ bố trí chung trên đông cơ phun xăng đa điểm Mitsubishi 4B11

( Lancer 2008) Các cảm biến: *1 Cảm biến khối lượng không khí nạp; *2 Cảm biến nhiệt độ không

khí nạp; *3 Cảm biến vị trí bướm ga; *4 Cảm biến áp suất tuyệt đối đường ống nạp;

*5 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát; *6 Cảm biến vị trí trục cam nạp; *7 Cảm biến

vị trí trục cam xả; *8 Cảm biến vị trí trục khuỷu; *9 Cảm biến kích nổ; *10 Cảm biến oxygen(trước); *11 Cảm biến oxygen(sau); *12 Cảm biến chênh lệch áp suất thùng nhiên liệu *13 Cảm biến nhiệt độ thùng nhiên liệu.

Các chi tiết khác: ♦1 Valva dầu điều khiển trục cam nạp; ♦2 Valve dầu điểu khiển

trục cam xả; ♦3 Motor dẫn động bướm ga; ♦4 Vòi phun; ♦5 Solenoid valve xả hơi xăng; ♦6 Van thông hơi xăng.

Hình 8.9: Sơ đồ bố trí chung của hệ thống phun xăng đa điểm trên động cơ

G4KC-GSL2.4 ( SOTANA 2.4 HYUNDAI 2006) Các cảm biến: 1 MAFS- Cảm biến khối lượng không khi nạp; 2 TPS-Cảm biến vị trí

bướm ga; 3 ETS-Motor điều khiển vị trí bướm ga; 4 Knock Sensor-Cảm biến kích nổ; 5 CKPS-Cảm biến vị trí trục khuỷu; 6 Vòi phun; 7 CMPS-Cảm biến vị trí trục cam; 8 Van dầu điều khiển VVT; 9 Cuộn đánh lửa; 10 ECTS-Cảm biến nhiệt độ nước làm mát; 11 HO2S(FR)-Cảm biến oxygen loại đun nóng(trước); 12 Cảm biến

vị trí bàn đạp ga; 13 HO2S(RR)-Cảm biến oxygen(sau); 14 PCM (Power train control module)-Modun điều khiển động cơ và hệ thống truyền lực.

Hình 8.10: Sơ đồ bố trí chung của ĐC Toyota 2AZ-FE(Camry2007)

Hình 8.11: Sơ đồ bố trí chung của động cơ Toyota 1ZZ-FE

2.2 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển phun xăng MFI trên ôtô hiện đại.

Ngoài các nhiệm vụ trên ECM cũng giúp cho việc chẩn đoán các hư hỏng đơn giảnhơn bằng những thiết bị tiên tiến, đơn giản hóa việc thiết kế và sản xuất ôtô, giảm sốlượng dây điện trên xe, tăng tính an toàn và tiện nghi…

Sơ đồ khối của ECM:

Một bộ phận điều khiển động cơ (ECM) hiện đại bao gồm:

- Một bộ vi xử lý 32 bit, khoảng 40 MHz ( bằng 1/100 so với PC ),

- Chương trình điều khiển được mã hóa có dung lượng nhỏ hơn 1MB ( bằng 1/1000 sovới PC)

- Một bộ nhớ truy xuất ngẩu nhiên (RAM)

- Một bộ nhớ chỉ đọc (ROM), bộ nhớ ROM hiện nay có thể sử dụng bộ nhớ FLASHcho phép ghi dữ liệu và có thể thay, đổi chỉnh sửa dữ liệu với một thiết bị chuyêndùng Bộ nhớ là một EEPROM ( Electrically Erasable Programmable ROM )

- Giao diện nhập và xuất dữ liệu hổ trợ cho bộ vi xử lý bao gồm:

* Bộ chuyển đổi tín hiệu Analog sang Digital (A-D converter) Những tín hiệu

ra từ các bộ cảm biến là những tín hệu điện dạng analog sau đó được chuyển thành tínhiệu số cung cấp cho bộ vi xử lý

* Bộ khuyết đại tín hiệu vào- Một vài sensor có tín hiệu ra quá nhỏ cần phảiđược khuyết đại trước khi đi vào bộ chuyển đổi tín hiệu từ analog sang digital (nhưHeated oxygen sensor tín hiệu ra từ 0-1.1 V sẽ được nâng lên từ 0-4,4V)

* Bộ khuyết đại tín hiệu số ngõ ra- Tín hiệu số xuất ra của bộ vi xử lý có côngsuất rất bé không thể điều khiển trực tiếp các bộ phận chấp hành Tín hiệu này đượcnâng mức công suất lên cao hơn để điều khiển bộ chấp hành ( Vòi phun nhiên liệu,những role điều khiển quạt làm mát, các van dầu điều khiển trục cam…) Vì vậy tínhiệu điều khiển từ vi xử lý sẽ được khuyết đại với công suất phù hợp với mỗi bộ phậnkích hoạt

* Các Chip truyền thông- những chip này có thể cài đặt những tiêu chuẩntruyền thông khác nhau Hiện nay tiêu chuẩn quốc tế được sử dụng phổ biến là CAN(Controller Area Network) Tiêu chuẩn này cho phép tốc độ truyền dữ liệu đến 1Mbps.Nhờ những chip này chúng ta có thể biết được những thông tin về tình trạng hoạt độngcủa các bộ phận, có thể chẩn đoán những hư hỏng nhanh chóng bằng những dụng cụchuẩn đoán tiến tiến và giảm số lượng dây điện trên xe do tín hiệu điều khiển các hệthống trên xe có thể sử dụng CAN ( Mạng thông tin nội bộ), trong đó cáp truyền dữliệu chỉ sử dụng 2 dây tín hiệu

Hình 8.12: Bên trong một ECM trên xe Ford

Hình 8.13: Đầu nối dây tín hiệu vào và ra của ECM

Hình 8.14: Cổng chẩn đoán trên xe Toyota-DLC

3.2 CẢM BIẾN TRÊN ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG ĐA ĐIỂM ( MFI).

3.2.1 Cảm biến khối lượng dòng khí nạp ( Mass air flow sensor- MAFS)

- Cảm biếu lưu lượng không khí kiểu cánh (Air flow sensor-Flap type)

Được sử dụng trong một số hệ thống phun xăng đa điểm trước đây ( K-Jetronic, KEJetronic, L- Jetronic…Hiện nay không còn được sử dụng) Cánh đo gió được lắp trênđường dẫn không khí nạp Trục quay của cánh được lắp với một chiết áp kế Khi

không khí đi qua sẽ làm cho cánh xoay, góc xoay phụ thuộc vào thể tích không khínạp Do đó làm thay đổi điện trở của chiết áp, ECU nhận tín hiệu điện áp thay đổi đểxác định lưu lượng không khí nạp (Sơ đồ hình 8.3)

Hình 8.15: Cảm biến lưu lượng không khí nạp loại cánh.

1 Cánh bù; 2 Buồng giảm rung; 3 Đường tắt; 4 Cánh đo gió; 5; Vít điều chỉnh cầm chừng.

Hình 8.16: Sơ đồ hoạt động của chiết áp ở các chế độ tải trọng.

Cảm biến khối lượng dòng khí nạp có nhiệm vụ xác định khối lượng dòng khí nạp đi vào ống góp nạp hay đi qua bướm ga

- Cảm biến MAF loại Karman-vortex.

Là loại cảm biến đo lưu lượng không khí nạp có cấu tạo gồm một trụ đứng có tiếtdiện tam giác dùng để tạo xoáy Khi dòng không khí đi qua trụ sẽ tạo thành cácxoáy lốc Karman phía sau trụ Áp suất của dòng Karman đi theo lỗ dẫn tác dụngvào một gương mỏng và làm rung gương, ánh sáng của đèn Led chiếu qua gương

sẽ phản xạ lệch hướng với transistor quang nên làm thay đổi tần số đóng , mở củatrasistor quang Như vậy tần số của trasistor quang sẽ thay đổi theo lưu lượngkhông khí nạp

Hình 8.17: Cấu tạo và hoạt động của cảm biến Karman-vortex

Hình 8.18: So đồ mạch và tín hiệu ra của cảm biến Karman vortex.

- Cảm biến MAF loại dây nóng ( Hot wire)

Cảm biến MAF dùng để đo khối lượng không khí đi qua đường ống nạp hay quabướm ga Cấu tạo của cảm biến gồm một dây platinum được đun nóng đặt trong luồngkhông khí nạp Dòng không khí đi qua cảm biến sẽ làm nguội cả hai dây platinum vàthermistor làm thay đổi điện trở của chúng Để duy trì một giá trị nhiệt độ (1200C)không đổi thì ECM sẽ thay đổi điện áp trên dây nóng ( tín hiệu điện áp) Điện áp này tỉ

lệ với dòng không khí đi qua cảm biến ECM sử dụng tín hiệu thay đổi này để xácđịnh khối lượng dòng khí nạp Dây nóng và thermistor tạo thành một mạch cầu.Transitor công suất được điều khiển sao cho điện thế của A và B bằng nhau để duy trìmột nhiệt độ không đổi xác định

Hình 8.19: Cấu tạo cảm biến MAF loại dây nóng.

1 Đường gió nạp; 2 Lưới bảo vệ; 3 Dây nóng; 4 Điện trở cảm biến; 5 Họng

khuếch tán.

Hình 8.20: Sơ đồ họat động và mạch điện của cảm biến MAF loại dây đun nóng

với tín hiệu điện áp thay đổi theo khối lượng không khí nạp.

- Cảm biến MAF loại màng nóng ( Hot film)

MAF sensor được lắp ở đầu đường ống nạp, giữa bầu lọc không khí và thân bướm ga.Phần tử cảm biến loại điện trở dạng tấm mỏng được đun nóng ở một nhiệt độ cố định.Loại cảm biến này làm việc chính xác, tuổi thọ cao và nguyên lý hoạt động tương tựnhư loại cảm biến kiểu dây nóng Khi dòng khí nạp đi ngang cảm biến thì nhiệt từ bềmặt tấm mỏng sẽ truyền cho dòng khí nạp làm nhiệt độ của cảm biến giảm Vì vậy đểduy trì nhiệt độ không đồi cho phần tử này thì dòng điện hoặc điện áp cung cấp để đun

nóng điện trở cảm biến phải tăng lên Cảm biến có thể sử dụng tín hiệu dòng điện, điện áp hoặc tần số để xác định khối lượng dòng không khí nạp ECM sử dụng tín

hiệu này để quyết định thời gian phun nhiên liệu ( hay lượng nhiên liệu phun) sao cho

tỉ lệ giữa không khí/ nhiên liệu phù hợp

Hình 8.21: Cảm biến khối lượng không khí nạp loại màng nóng

(MAFS)

-3.2.2 Cảm biến nhiệt độ không khí nạp ( Intake air temperature sensor- IATS)

Cảm biến nhiệt độ không khí nạp là một thermistor được lắp chung trên thân bộ cảmbiến khối lượng không khí nạp Khi nhiệt độ dòng khí nạp thay đổi thì điện trở củacảm biến cũng thay đổi Tín hiệu điện áp ra của cảm biến đi đến ECM thay đổi ECM

sử dụng thông tin này để thêm hoặc bớt lượng nhiên liệu cơ bản cung cấp cho vòiphun

Hình 8.23: Cảm biến nhiệt độ không khí nạp ( IAT)

Hình 8.24: Đặc tính của IATS

Số liệu tham khảo đặc tính của IATS trên động cơ G4KC-GSL2.4- Hyundai

3.2.3 Cảm biến áp suất tuyệt đối đường ống nạp (Manifold absolute pressure

sensor-MAPS)

Cảm biến áp suất tuyệt đối đường ống nạp dùng để đo áp suất tuyệt đối trên đường nạp

Áp suất tuyệt đối được chuyển thành tín hiệu điện áp cung cấp cho ECM ECM sử dụngtín hiệu này để xác định số lượng không khí nạp, tốc độ động cơ để điều chỉnh bù trừlượng nhiên liệu phun

Cảm biến được lắp trên đường ống nạp Cảm biến sử dụng chất bán dẫn có điện trở thayđổi theo áp lực tác dụng ( piezo resistive semiconductor) Điện trở được lắp trên mộtmàng silicon, màng silicon biến dạng đàn hồi theo áp suất tác dụng Màng silicon, đế thủytinh và nắp chụp tạo thành một buồng kín, buồng được hút chân không Khi có áp suất tácdụng màng bị biến dạng, điện trở cảm biến tăng lên, tín hiệu điện áp ra tăng theo Tínhiệu điện áp ra tỉ lệ với áp suất tuyệt đối đường nạp ECM sử dụng tín hiệu điện thế này

để thêm hoặc bớt lượng nhiên liện phun

Hình 8.25: Cấu tạo và hoạt động của MAPS.

A Tải toàn phần ( áp suất cao)

B Không tải (áp suất thấp)

(1)Dây dẫn điện; (2)Buồng chân không; (3)Đường dẫn điện được làm kín; (4) IC cảm biến; (5)Đế thủy tinh; (6)Nắp chụp làm kín; (7) Đường dẫn khí cần đo áp

3.2.4 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát ( Engine coolant temperature sensor-ECTS)

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát được lắp trên nắp máy nơi có nhiệt độ nước cao nhất.Cảm biến sử dụng một thermistor Điện thế ra của cảm biến thay đổi theo nhiệt độnước làm mát ECM sử dụng tín hiệu điện thế ra để điều khiển lượng nhiên liệu phun,tốc độ cầm chừng và thời điểm đánh lửa

Hình 8.28: Cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước làm mát.

Hình 8.29: Đặc tính của ECTS

Số liệu tham khảo đặc tính của ECTS trên ĐC G4KC-GSL2.4 (SOTANA 2.4HYUNDAI 2006)

3.2.5 Cảm biến vị trí bướm ga ( Throttle position sensor- TPS)

- Cảm biến vị trí bướm ga loại có tiếp điểm ( Chiết áp)

Cảm biến sử dụng một chiết áp, khi xoay trục bướm ga thì điện trở thay đổi hay thayđổi tín hiệu điện thế ra Tín hiệu điện thế ra tì lệ thuận với góc mở của bướm ga

Hình 8.30: Sơ đồ nguyên lý làm việc của cảm biến vị trí bướm ga loại chiết áp.

1 Trục bướm ga; 2 Tay quẹt; 3 Điện trở.

TPS ECM

Hình 8.31: Đặc tính của TPS

- Cảm biến vị trí bướm ga loại không tiếp điểm ( IC Hall

Cảm biến bao gồm một nam châm vĩnh cửu lắp trên trục bướm ga và một IC Hall lắp

cố định trên thân hộp bướm ga Điện thế ra của IC thay đổi theo mật độ từ thông đi qua IC hay góc xoay của nam châm vĩnh cửu trên trục bướm ga

Mật độ từ thông qua IC tỉ lệ với điện thế ra Cảm biến vị trí bướm ga có hai cảm biếnchính và phụ cung cấp tín hiệu điện thế cho ECM Khi xoay trục bướm ga điện thế racủa cảm biến chính và phụ thay đổi Tín hiệu này giúp cho ECM xác định góc mởbướm ga và điều khiển ngược lại motor dẫn động bướm ga Quan hệ giữa góc mở củabướm ga và tín hiệu ra của 2 cảm biến được trình bày trong hình

Hình 8.32: Cấu tạo và hoạt động cảm biến vị trí bướm ga

* Số liệu tham khảo đặc tính của TPS trên động cơ G6DA-GSL3.8 (Azera-GLS 2006,Hyundai)

3.2.6 Cảm biến vị trí bàn đạp ga ( Accelerator pedal position sensor-APPS)

Cảm biến vị trí bàn đạp ga được tích hợp trên bàn đạp ga, có nhiệm vụ xác định góc

mở của bàn đạp Điện thế ra của cảm biến thay đổi theo góc mở của bàn đạp ECM sửdụng tín hiệu ra để điều khiển góc mở bướm ga và điều chỉnh lượng nhiên liệu cungcấp Cảm biến sử dụng một IC Hall và là loại không tiếp điểm

Cấu tạo cảm biến bao gồm một nam châm vĩnh cửu lắp trên một khung từ của trục bànđạp Tín hiệu điện thế ra của IC Hall tỉ lệ với mật độ từ thông của nam châm vĩnh cửu

đi qua IC.( Hình 1.6.1)

Hình 8.34: Đặc tính của APPS

Hình 8.35: Cấu tạo và hoạt động của APPS

Cảm biến vị trí bàn đạp ga có hai bộ cảm biến chính và phụ giống như cảm biến TPS

Vị trí của bàn đạp do người lái điều khiển làm thay đổi tín hiệu điện thế ra của cảmbiến chính và cảm biến phụ ECM xác định được mức độ đạp ga của người lái và điều

khiển góc mở bướm ga phù hợp và lượng nhiên liệu cung cấp ECM cũng so sánh tínhiệu ra của cảm biến chính và cảm biến phụ để kiểm tra hoạt động không bình thườngcủa cảm biến ECM sẽ ngắt dòng cấp cho motor điều khiển bướm ga và chuyển quachế độ chạy chậm (Limp mode)

Số liệu tham khảo đặc tính của APPS trên động cơ G4KC-GSL2.4 (Sotana 2.4Hyundai 2006)

- Input voltage: 4.8-5.2 V

- Specification

3.2.7 Cảm biến oxygen ( Heated oxygen sensor-HO 2 S)

Cảm biến Oxygen loại đun nóng được lắp ở hai vị trí phía trước và sau của bộ chuyểnhóa xúc tác (Catalytic converter) Cảm biến có lắp một bộ đun nóng để cảm biến hoạtđộng lúc động cơ còn nguội cho phép kiểm soát được tỉ lệ không khí/ nhiên liệu khiđộng cơ vừa khởi động

Cảm biến oxygen gồm một phần tử dẫn thuần oxygen được chế tạo từ hỗn hợp oxidcủa zirconium (Zr) và yttrium (Y) rồi được phủ platinum bên trong và bên ngoài Bêntrong phần tử này có lắp một điện trở đun nóng được cấp nguồn từ bên ngoài Khi đunnóng đến nhiệt độ nhất định ( ≥ 3500 C) sẽ sinh ra một sức điện động giữa hai điện cựcplatinum Sức điện động này thay đổi với lượng oxygen chứa trong khí xả

Đặc tính thay đổi đột ngột điện thế ra gần với tỉ số lý thuyết không khí/nhiên liệu(KK/NL=14.7) Đặc tính này được sử dụng để phát hiện mật độ oxygen trong khí xả.Tín hiệu chuyển đến ECM cho phép đánh giá hỗn hợp nhiên liệu và không khí nạpgiàu hay nghèo so với tỉ lệ NL/KK lý thuyết

Cảm biến oxygen được bảo vệ bởi vỏ bảo vệ bên ngoài với một cửa hạn chế dòng khínhằm tránh cho bộ cảm biến bị làm nguội bởi dòng khí xả khi động cơ vừa khởi động.Điện thế ra của HO2S thay đổi từ 0.1V đến 0.9V phụ thuộc vào nồng độ oxygen trongkhí thải Khi hỗn hợp đậm thì điện thế > 0.45V, hỗn hợp nghèo thì điện thế ra < 0.45V

Hình 8.36: Nguyên lý hoạt động của cảm biến oxygen

Hình 8.37: Cấu tạo của cảm biến oxygen dạng cốc

Cảm biến loại dạng phẳng có nguyên lý làm việc giống như dạng cốc Cảm biến sửdụng Alumina (Oxyt nhôm) tích hợp với dây đun nóng , Alumina là chất cách điện vàdẫn nhiệt tốt vì vậy thời gian đun nóng của cảm biến sẽ ngắn hơn ( khoảng 10 giây)

Hình 8.38: Cấu tạo cảm biến oxygen dạng phẳng

Cảm biến oxygen sau có cấu tạo và hoạt động tương tự như cảm biến oxygen trước.Tín hiệu điện thế ra của cảm biến sau được ECM so sánh với tín hiệu ra của cảm biếntrước để đánh giá khả năng làm sạch khí thải của bộ chuyển hóa xúc tác.

Hình 8.39: Đặc tính của H.O 2 S.

* Số liệu tham khảo đặc tính của H.O2S trên động cơ G6DA-GSL3.8 (Azera-GLS

2006, Hyundai)

3.2.8 Cảm biến tỉ lệ Không khí-Nhiên liệu ( Air-Fuel Ratio Sensor)

Cảm biến λ có cấu tạo và nguyên lý làm việc tương tự như cảm biến oxygen Cảmbiến λ có thể xác định được tỉ lệ KK/NL ở khoảng rộng hơn rất nhiều so với cảm biếnO2 ( Tỉ số KK/NL = 10-20)

Để có được tín hiệu ra thay đổi theo trị số λ, Cảm biến được áp một dòng điện có điệnthế khoảng 0,4 V vào hai cực platinum Tín hiệu dòng điện ra sẽ thay đổi theo nồng độoxygen trong khí thải ECM sẽ chuyển dòng điện ra thành tín hiệu điện thế ( từ 2,9-3,3 V)

Hình 8.40 : Đặc tính của Cảm biến lambda(Toyota)

3.2.9 Cảm biến kích nổ ( Knock sensor-KS)

- Loại cộng hưởng ( Hiện nay ít sử dụng)

Loại này sử dụng một tấm rung có tần số cộng hưởng cùng với tần số kích nổ củađộng cơ Khi động cơ kích nổ tần số của tấm rung tăng lên bất thường do cộng hưởng

Vì vậy cảm biến sẽ phát hiện động cơ bị kích nổ ở một dãy tần số nhất định Tuynhiên do dãy tần số giao động của động cơ khi kích nổ sẽ thay đổi phụ thuộc vào tốc

độ động cơ nên hiện nay loại cảm biến này được thay thế bởi loại cảm biến tấm phẳng

có tần số hoạt động rộng hơn ( Tần số hoạt động từ 6 KHz-15 KHz)

Hình 8.41: Cấu tạo của cảm biến kích nổ loại cộng hưởng

thép nặng Lực quán tính của vòng thép tác dụng một lực lên phần tử áp điện Phần tử

áp điện sẽ sinh ra một sức điện động tỉ lệ với cường độ rung động của động cơ ECM

sử dụng tín hiệu này để phát hiện rung động không bình thường khi có hiện tượngkích nổ và điều khiển thời điểm đánh lửa trể hơn phụ thuộc vào cường độ kích nổ

Hình 8.42: Cấu tạo và hoạt động của cảm biến kích nổ (loại tấm phẳng)

Hình 8.43: Đặc tính của cảm biến kích nổ.

3.2.10 Cảm biến vị trí trục khuỷu ( Crankshaft position sensor-CKPS)

Hệ thống cảm biến vị trí trục khuỷu bao gồm một đĩa cảm biến (đĩa tiêu) lắp trên trụckhuỷu và một đầu cảm ứng lắp cố định trên thân động cơ Số răng hay chốt lắp trênđĩa cảm biến khác nhau theo mã hiệu động cơ Đầu cảm biến có thể sử dụng một cuôndây quấn quanh một lõi sắt từ và nam châm hay có thể sử dụng một điện trở từ tính(Hall)

Khi đĩa cảm biến quay, mỗi răng đi ngang qua đầu cảm biến loại cuộn dây sẽ sinh mộttín hiệu xung điện cảm biến trong cuộn dây Như vậy trên đĩa có bao nhiêu răng ( haychốt) thì mỗi vòng quay trục khuỷu cuộn dây cảm biến sẽ phát ra bấy nhiêu xung điệncảm ứng

Cảm biến vị trí trục cam có cấu tạo và hoạt tương tự như cảm biến vị trí trục khuỷuchỉ khác nhau hình dáng và số răng trên đĩa cảm biến Cảm biến được lắp trên nắpđộng cơ

Trên động cơ Toyota 1NZ-FE ( Yaris 2006 và Vios 2006) đĩa cảm biến vị trítrục khuỷu có 34 răng và răng khuyết Đầu cảm biến là loại cuộn dây cảm biến Khitrục khuỷu quay một vòng thì cảm biến sẽ phát ra 34 tín hiệu xung điện Dựa vào cáctín hiệu này ECM sẽ xác định được vị trí trục khuỷu và tốc độ vòng động cơ ECM sẽđiều khiển thời điểm phun nhiên liệu và thời điểm đánh lửa

Cảm biến vị trí trục cam trên động cơ này được lắp trên trục cam nạp Cảmbiến có một đĩa cảm biến có 3 răng và được lắp trên trục cam nạp Đầu cảm biến đượclắp cố định trên nắp máy Trục cam quay đồng bộ với trục khuỷu khi trục khuỷu quay

2 vòng thì trục cam quay một vòng và phát ra 3 tín hiệu xung điện trong cuôn dây.ECM dựa vào tín hiệu này kết hợp với tín hiệu của cảm biến vị trí trục khuỷu để xácđịnh chính xác vị trí của trục cam và vị trí của từng xy lanh trong động cơ ECM sửdụng các tín hiệu này để điều khiển thời điểm cung cấp nhiện liệu, thời điểm đánh lửa

và hệ thống thay đổi pha phối khí ( VVT)

Hình 8.44: Cấu tạo, sơ đồ mạch điện và dạng tín hiệu của cảm biến

vị trí trục khuỷu và trục cam (CKPS,CMPS) trên động cơ xe Toyota Yaris 2006.

Trên động cơ 4B11 lắp ở xe Mitsubishi Lancer 2008, cảm biến vị trí trục khuỷu gồmmột đĩa cảm biến có 33 răng và 3 răng khuyết được bố trí như trên hình dưới đây Mộtđầu cảm biến sử dụng các điện trở Hall được lắp cố định trên thân máy Khi trụckhuỷu quay, răng trên đĩa đi ngang qua mặt điện trở, các đường sức từ cửa nam châmvĩnh cửu sẽ đi qua các điện trở Hall làm cho trị số điện trở tăng lên Khi các răngkhuyết đi ngang qua bề mặt điện trở, đường sức từ của nam châm không đi qua điện

trở nên trị số điện trở giảm Cảm biến vị trí trục khuỷu chuyển thay đổi trị số điện trởnày thành các tín hiệu xung điện thế 5V cung cấp đến ECM.

Cảm biến vị trí trục cam nạp và cam xả trên động cơ này được trình bày tronghình dưới đây nó có cấu tạo và nguyên lý hoạt động giống như CKPS Cảm biếnchuyển thay đổi trị số điện trở thành các xung điện thế 5V cung cấp đến ECM

ECM sử dụng các tín hiệu xung điện từ CKPS, ICMPS, ECMPS để xác địnhchính xác vị trí của trục khuỷu, trục cam, tốc độ vòng của động cơ, vị trí của từng xylanh một và điều khiển thời điểm phun nhiên liệu, thời điểm đánh lửa và pha phânphối khí của trục cam nạp và cam xả (MIVEC- Intake, Exhaust engine oil controlvalve)

Hình 8.45: Cấu tạo, hoạt động , sơ đồ mạch điện của cảm biến CKPS và CMPS

Hình 8.46: Dạng tín hiệu của cảm biến CKPS và CMPS ( động cơ 4B11 trên xe

Lancer 2008)

3.3 Bộ phận chấp hành (Actuator)

Trong sơ đồ khối của hệ thống điều khiển động cơ ở mục 2.1, chúng ta đã biết ECMnhận các tín hiệu từ các cảm biến của động cơ, thực hiện công việc tính toán và ralệnh điều khiển hàng chục bộ phận chấp hành ( Lượng nhiên liệu phun, góc mở bướm

ga, thời điểm đánh lửa, thay đổi pha phối khí ) Trong chương này chúng ta chỉ giớihạn tìm hiểu vài bộ phận chấp hành chính của hệ thống phun nhiên liệu như vòi phun,motor điều khiển bướm ga

3.3.1 Vòi phun xăng ( Injector)

Vòi phun nhiên liệu được lắp trên đường ống nạp của mỗi xy lanh gần với van nạp vàđược cố định trên một đường cấp nhiên liệu có áp suất Khi có dòng điện cung cấp từECM, cuộn solenoid sẽ tạo thành một nam châm điện hút plunger đi lên Van bi ( hayvan kim) tích hợp ở đầu plunger bị kéo lên, lổ phun nhiên liệu được mở ra và nhiên

liệu có áp suất được phun ra khỏi vòi phun Lượng nhiên liệu phun tỉ lệ với thời gian

mở của vòi phun ( Độ dài xung điện do ECM cung cấp) Để nhiên liệu hoà trộn tốtkhông khi nạp, nhiên liệu cần phải được phun thật sương Trên một số động cơ hiệnnay số lỗ phun ở đầu vòi phun có thể đến 12 lỗ phun với đường kính lỗ ф=130µm

Hình 8.47: Bố trí lỗ phun trên đầu vòi phun (ĐC: HR,MR Nissan)

Hình 8.48: Cấu tạo vòi phun nhiên liệu

1 Lọc; 2 Đầu nối; 3 Cuộn solenoid; 4 Thân vòi phun;

5.Lõi ứng điện; 6; Thân van; 7 Van kim

Hình 8.49: Sơ đồ mạch điều khiển vòi phun

3.3.2 Motor điều khiển bướm ga.( Throttle control motor)

Motor là một động cơ điện một chiều có chổi than Chiều quay của motor hay chiềuđóng mở của bướm ga tùy thuộc chiều dòng điện do ECM cung cấp Motor dẫn độngtrục bướm ga qua trung gian bộ bánh răng giảm tốc Khi không có dòng cung cấp chomotor, nhờ lò xo trả về bướm ga vẫn duy trì một góc mở cho trước Vì vậy khi có hưhỏng ở hệ thống điều khiển thì động cơ vẫn có thể duy trì hoạt động ở tốc độ thấp.ECM nhận biết mức độ nhấn bàn đạp ga của người lái thông qua cảm biến vị trí bànđạp ga Góc mở cơ bản của bướm ga ở điều kiện hoạt động bình thường được cài đặttheo độ dịch chuyển của bàn đạp ga