Khác với L-Jetronic, trên hệ thống phun xăng loại D-Jetronic lượng khí nạp đi vào xylanh được xác định gián tiếp (phải tính lại) thông qua cảm biến đo áp suất tuyệt đối trên đ[r]
Trang 1Điện động cơ và điều khiến động cơ
CHƯƠNG VI
Sau khi học xong chương này, người học có khả năng:
- Nhận biết các thành phần của hệ thống điều khiển động cơ, sơ đồ cấu tạo của các cảm biến, hộp điều khiển, cơ cấu chấp hành
- Nắm được hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ và các chi tiết, giải thích hoạt động của chúng
- Hiểu rõ thuật tóan điền khiển phun xăng, đánh lừa, phun dầu điện tử và các chức năng của các hệ thống điều khiển khác
- Đọc được sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ
- Nắm được các phương pháp chẩn đoán hư hỏng
6.1 Hệ thống phun nhiên liệu điện tử
6.1.1 Đặc điểm hệ thống và phân loại
Hình 6.1 giới thiệu sơ đồ một hệ thống phun xăng điện tử tiêu biểu [81] Xăng được cung cấp đến các vòi phun nhờ bơm xăng đặt trong thùng xăng, chênh lệch áp suất trên
và dưới vòi phun được giữ ổn định nhờ bộ điều áp 19 Sự chênh lệch này cũng được điều chỉnh nhờ van chân không 20 điều khiển từ ECU nhằm điều tiết lượng nhiên liệu
phun niị chính xác theo khối lượng khí nạp m ở mọi chế độ làm việc của động cơ và
đáp ứng thành phần hòa khí yêu cầu (bảng 6.1) Lượng nhiên liệu phun phụ thuộc vào
thời gian mở vòi phun theo xung điều khiển phun ( ) của ECƯ (thời gian phun).
Trang 2Điện động cơ và điêu khiên động cơ
Hình 6.1 Sơ đồ hệ thống phun xăng điện tử [81 ].
1- công tắc máy; 2- ắc quy; 3- đèn báo check; 4- máy nén; 5- giắc kiếm tra; 6- ECU; 7- cảm biến nhiệt độ khỉ nạp; 8- lọc gió; 9- cảm biến đo lun lượng khi nạp; 10- van khi phụ; II- van điểu khiên tóc độ không tải; 12- cảm biên vị trí bướm ga; 13- đường ống đến bình tích chân không; 14- công tắc nhiệt thời gian; 15- cảm biến nhiệt độ nước làm mát; 16- cảm biến oxy; 17- kim phun; 18- kim phun khởi động lạnh; 19- hộ điểu áp; 20- van chân không; 21- hôbine đánh lủa; 22- bộ chia điện; 23- lọc nhiên liệu; 24- thùng xăng; 25- bơm xăng.
Hình 6.2 Phương pháp điều khiển hệ thống phun xăng.
Trang 3Bảng 6.1 Chế độ làm việc của động cơ và thành phần hòa khí yêu cầu [8 1,83]
Điện động cơ và điêu khiên động cơ
Chế đô làm viêc của đông cơ Tỷ lệ không khí - nhiên liệu AFR
Khởi động (ở nhiệt độ 0"C) 1 : 1
Khởi động (ở nhiệt độ 20؛C)١ 5 : 1
Chạy tiết kiệm (đốt nghèo) 1 6 - 1 8 : 1
Hệ thống phun xăng điện tử được điều khiến từ ECU thông qua các tín hiệu gửi đến
từ cảm biến (Hình 6.1) Khi người lái đạp bàn đạp ga (mong muốn công suất động cơ lón hơn mức hiện có), tín hiệu từ cảm biến bướm ga được gửi đến ECU, ECU nhận được yêu cầu này và thực hiện thao tác chọn lựa thành phần hòa khí Đồng thời với việc nhận dạng tín hiệu lưu lượng khí nạp thực đi vào xylanh của động cơ, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ nước làm mát động cơ, tốc độ động cơ, dựa vào dữ liệu trong bộ nhớ, ECU xác định thời gian điều khiển mở kim phun họp lý theo yêu cầu thành phần hòa khí (theo hệ
số A, hoặc tỷ lệ không khí/nhiên liệu) [22, 26] Tín hiệu của cảm biến oxy dùng để điều chỉnh A, bằng 1 chỉ được ECU tiếp nhận khi động cơ chạy ở tốc độ ổn định và không
có sự biến đối đột ngột tín hiệu từ cảm biến vị trí bướm ga trong quá trình gia tốc [82]
Hệ thống phun xăng kiểu cơ khí được hãng BOSCH chế tạo thành công vào năm
1966 Trong hệ thống này, nhiên liệu được điều tiết qua một bộ tiết lưu chia xăng với
lượng không khí hút vào động cơ và phun liên tục qua các vòi phun cơ khí có tên gọi là
K - Jetronic Nó được ứng dụng trên các xe của hãng Mercedes và một số xe khác, là nền tảng cho việc phát triển những hệ thống phun xăng thế hệ kế tiếp như KE -ietronic (Bộ tiết lưu chia xăng và vòi phun cơ khí hiệu chỉnh lượng xăng bằng điện tử), ietronic (phun xăng với vòi phun điện) và Motronic (phun xăng điện tử kết họp với các điều khiển khác của động cơ như: đánh lửa, làm m át ) [25, 41]
Hệ thống phun xăng sử dụng vòi phun điều khiển bằng điện (ietronic) được BOSCH cho ra đời vào cuối những năm 70 của thế kỷ 20 Dựa vào phương pháp đo khí nạp cấp vào động cơ, người ta chia hệ thống phun xăng ra làm hai loại chính: loại đo trực tiếp (L-Jetronic) và đo gián tiếp (D-Jetronic)
D-Jetronic (xuất phát từ chữ Druck trong tiếng Đức là áp suất): với lượng xăng
phun được xác định dựa vào áp suất sau cánh bướm ga bằng cảm biến MAP (maniíold
Trang 4absolute pressure sensor) và tốc ciộ động cơ.
phun được tính toán dựa vào lưu lượng khí nạp lấy từ cảm biến khí nạp loại cánh trượt Sau đó có các phiên bản: LH - Jetronic với cảm biến khí nạp dây nhiệt, LU - Jetronic
với cảm biến gió kieu siêu âm
Neu phân biệt theo v/ trí lắp đặt kim phun, hệ thống phun xăng được chia làm hai loại:
Loại TBI (Throttle Body Injection) - phun đơn điểm
Hệ thống này còn có các tên gọi khác như: SPI (single poin t injection), C l (central injection), Mono - Jetronic. Đây là kieu phun trung tâm Kim phun được bố trí phía trên cánh bướm ga và nhiên liệu được phun bằng một hay hai kim phun Nhược điểm của hệ thống này là tốc độ dịch chuyến của hòa khí tương đối thấp do nhiên liệu được phun ở vị trí xa supap hút và khả năng thất thoát trên đường ống nạp
Loại PI (Port Injection) - phun trên đường nạp, trước supap hút.
Đây là hệ thống phun nhiên liệu trên đưòng nạp vào kỳ hút, với mỗi kim phun cho từng xylanh được bố trí gần supap hút (cách khoảng 1 0 - 1 5 mm), áp suất đưa đến kim phun cỡ 3kgf/cm^ ố n g góp hút được thiết kế sao cho đường đi của không khí từ bướm ga đến xylanh khá dài, nhờ vậy, nhiên liệu phun ra được hòa trộn tốt với không khí nhờ xoáy lốc Nhiên liệu cũng không còn thất thoát trên đường ống nạp Hệ thống phun xăng trên đường nạp ra đời đã khắc phục được các nhược điểm cơ bản của bộ chế hòa khí và phun xăng đơn điếm Tùy theo cách điều khiển kim phun, hệ thống này
có thể chia làm ba loại chính: phun độc lập, phun từng kim (independent injection) hay trình tự (sequential injection), phun nhóm (group injection) hoặc phun đồng loạt (simultaneous injection)
Loại DI (Direct Injection) - Phun trực tiếp vào buồng đốt.
Trong lọai DI, nhiên liệu được phun vào kỳ nén nên áp suất đưa đến kim phun tăng cao (30 kgf/cm؛) thông qua một bơm cao áp Chế độ phun DI chỉ được thực hiện ở chế
độ tải nhỏ hoặc trung bình và phải có đỉnh piston phải có dạng lõm hoặc sử dụng buồng đốt phụ để tạo ra sự phân lớp của hồn hợp; hỗn hợp hòa khí siêu nghèo (ultra lean) trong buồng đốt và lambda gần bằng 1 ở vùng gần bougie Trên một số xe, có sự kết hợp giữa DI và PI, chẳng hạn, động cơ 4 xylanh nhưng có 4 kim phun đặt tên đường nạp và 4 kim phun đặt trong buồng đốt
Nếu căn cứ vào đối tượng điều khiển theo chương trình, người ta chia hệ thống điều khiến động cơ ra ba loại chính: chỉ điều khiến phun xăng (EFI - electronic fuel injection theo tiếng Anh hoặc Jetronic theo tiếng Đức), chỉ điều khiến đánh lửa (ESA
- electronic spark advance) và loại tích hợptức điều khiển cả phun xăng và đánh lửa
Hệ thống này có nhiều tên gọi khác nhau: Bosch đặt tên là Motronic, Toyota có tên
Concentrated Control System) Nhờ tốc độ xử lý của CPU khá cao, các hộp điều
khiển động cơ đốt trong ngày nay thường gồm cả chức năng điều khiển hộp số tự động, quạt làm mát động cơ, máy phát điện, nên người ta hay gọi là PCM (Powertrain Control Module)
Điện động cơ và điêu khiên động cơ
Trang 5Neu phân biệt theo kỹ thuật điều khiển ta có thề chia hệ thống điều khiển động cơ
làm hai loại: analog và digital.
ở những thế hệ đầu tiên xuất hiện từ 1979 đến 1985, kỹ thuật điều khiển chủ yếu
dựa trên các mạch tương tự {analog), ở các hệ thống này, tín hiệu đánh lửa lấy từ âm
bobine được đưa về hộp điều khiến đe hình thành xung điều khiển kim phun Sau đó,
đa số các hệ thống điều khiển động cơ đều được thiết kế, chế tạo trên nền lảng của các
bộ vi xử lý {digital).
Trong L-Jetronic, lưu lượng khí nạp được xác định trực tiếp nhờ cảm biến đo lưu lượng khí nạp tính bằng thể tích (volume air flowmeter) hoặc cảm biến đo lưu lư.ỵng khí nạp tính bằng khối lượng (mass air flowmeter) Trong D-Jetronic, lưu lượng khí nạp được ECU xác định gián tiếp dựa vào cảm biến đo áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp (Manifold Absolute Pressure - MAP sensor) và cảm biến tốc độ động cơ [75, 90] Cấu trúc khối của hai hệ thống này khác nhau cơ bản ở phần mạch khí nạp và phương pháp đo
Trong hệ thống L-Jetronic (hình 6.3), cảm biến đo lưu lượng khí nạp (air flow meter) được đặt ngay sau lọc gió Vì vậy, toàn bộ lượng không khí vào động cơ đều đi qua cảm biến này và lưu lượng khí nạp được đo trực tiếp, ở những thế hệ đầu tiên, các cảm biến đo lưu lượng khí nạp chỉ đo được lưu lượng không khí tính bằng thế tích, chủ yếu
là loại cánh trượt (vane air flow sensor) hoặc cảm biến loại Karman (Karman air f،ow sensor) [27] Chính vì vậy, hệ thống điều khiển cần có thêm cảm biến nhiệt độ khí nạp
và áp suất khí trời đe xác định khối lượng riêng không khí Sau đó, ECU tính ra lưu lượng khí nạp theo khối lượng:
Điện động cơ và điều khiến động cơ
Trong dó: ỉha- lưu lượng khối lượng không khi (kg/s)
ﺯﻻ
١ - lưu lượng thể tích không khi ﺏ ﺅ/.؟)
p - khối lượng riêng khOng khi (kg/m3)
Khối lượng riêng của không khi p là hàm phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất khi
quyển Pa Thông thưímg, giá trị khối lượng riêng không khi p = íịta , Pa) dược dọc từ
bảng tra (look-up table) trong EEPROM [34]
Trang 6Điện động cơ và điêu khiên động cơ
Hình 6.3 Sơ đồ mạch khí nạp của động cơ phun xăng kiểu L-Jetronic
Ngày nay, các cảm biến đo lưu lượng khí nạp dạng thể tích dần được thay bởi cảm biến đo lưu lưọng tính bằng khối lượng Nhờ vậy, cảm biến nhiệt độ khí nạp và áp suất khí trời được loại bỏ Hộp ECU nhận trực tiếp tín hiệu đo lưu lượng khí nạp tính bằng khối lượng , để tính ra lượng nhiên liệu cần phun [28]
Cảm biến MAP
Cụm bướm ga
Đường ống nạp
Hình 6.4 Sơ đồ mạch khí nạp cùa động cơ phun xăng kiểu D-Jetronic
Mạch khí nạp cuả hệ thống phun xăng kiểu D-Jetronic được trình bày trên hình 6.4 [32, 40] Trong D-Jetronic, phương pháp tổc độ - tỷ trọng được sử dụng để xác định lưu lượng không khí nạp, từ đó, ECU tính được lượng nhiên liệu cần phun Lượng xăng phun được tính toán dựa vào áp suất sau bưÓTO ga (đo bằng cảm biến MAP), tốc độ động cơ, nhiệt độ khí nạp (lAT - Intake Air Temperature) và áp suất khí trời (Barometric Pressure) [30, 44]
Song song, với sự phát triển của hệ thống phun xăng, hệ thống điều khiển đánh lửa
theo chương trình {ESA ~ electronic spark advance) cũng được đưa vào sử dụng vào
những năm đầu thập kỷ 80 Sau đó, vào đầu những năm 90, hệ thống đánh lửa trực tiếp
{DIS ~ direct ignition system) ra đời, cho phép không sử dụng bộ chia điện (delco) và
hệ thống này đã có mặt trên hầu hết các xe hiện nay
Ngày nay, gần như tất cả các ôtô đều được trang bị hệ thống điều khiển động cơ
cả xăng và diesel theo chương trình, giúp động cơ đáp ứng được các yêu cầu gắt gao
về khí xả và tính tiết kiệm nhiên liệu Thêm vào đó, công suất động cơ cũng được cải thiện rõ rệt
Trang 7Điện động cơ và điêu khiên động cơ
Những năm gần đây, động cơ phun trực tiếp - GDI (gasoline direct injection) trên động cơ xăng và GDI (common rail diesel injection) trên động cơ diesel đang dần trở
nên phổ biến
6.1.2 Sơ đồ khối của hệ thống phun xăng điện tử
Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển phun xăng điện tử được mô tả trên hình 6.5
Hệ thống điều khiển bao gồm: đầu vào {inputs) với các cảm biến và các tín hiệu dạng công tắc; hộp ECU là bộ não của hệ thống; đầu ra {outputs) là các cơ cấu chấp hành
{actuators) như vòi phun, bôbine, van điều khiển không tải [50, 53].
Hình 6.5 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển phun xăng điện tử [55]
Từ sơ đồ khối (hình 6.5) có thế thấy các phần tử của hệ thống phun xăng điện ti' rất đa dạng
6.1.3 ưu điểm của hệ thống phun xăng
ư u điểm lớn nhất của hệ thong phun xăng PI so với bộ chế hòa khí là sự hòa trội giữa không khí và xăng diễn ra tốt hơn trong buồng đốt Việc bố trí kim phun gầi suppap hút cho phép tăng chiều dài đường ống nạp mà không sợ xăng bám vào nó, giúi
Trang 8Điện động cơ và điều khiển động cơ
tăng vận tốc khí nạp, tạo ra xoáy lốc giúp việc hòa trộn tôt hơn khiến hỗn hợp đồng nhất hơn Thêm vào đó, dòng khí nạp trên ống góp hút có khối lượng thấp (chưa trộn với nhiên liệu) sẽ đạt tốc độ xoáy lốc cao, nhờ vậy, nhiên liệu sẽ không còn thất thoát trên đường ống nạp và hòa khí sẽ được trộn tốt hơn
Có thể cấp hỗn hợp khí nhiên liệu đồng đều đến từng xylanh
Có thể đạt được tỉ lệ khí nhiên liệu chính xác với tất cả các dải tốc độ động cơ Đáp ứng kịp thời với sự thay đổi góc mở bướm ga
Khả năng hiệu chỉnh hỗn hợp khí nhiên liệu dễ dàng: có thể làm đậm hỗn họp khi nhiệt độ thấp hoặc cắt nhiên liệu khi giảm tốc
Hiệu suất nạp hỗn họp không khí - nhiên liệu cao
6.2 Các loại cảm biến trong hệ thống điều khiển động cơ
Cảm biến nói chung và cảm biến khí nạp nói riêng là một bộ phận cảm nhận các biến đổi (biến số) ở đầu vào, dưới nhiều dạng khác nhau (cơ học, nhiệt học, quang học ) và chuyển đổi thành các tín hiệu điện dưới dạng tín hiệu tương tự (analog) hoặc tín hiệu số (digital) [23] và được mô hình hóa như sau (hình 6.6):
Hình 6.6 Mô hình cảm biến [39]
Một cảm biến có thể xác định bằng các hàm sau: Tín hiệu ra của cảm biến
£■ :=/((!),71,72 ) Các biến số đo cần thiết là: ٠ = g(£',71,72 ) Neu các hàm / và g
đã biết thì những biểu thức này sẽ là những mô tả toán học của cảm biến, các thông số cần đo được biểu diễn bởi tín hiệu điện áp ra E và các tác động Y [42].
Các tín hiệu ra của cảm biến không chỉ ở dưới dạng cưÒTig độ dòng hoặc điện áp
mà còn thay đổi theo biên độ, tần số, pha, thời gian và chu kỳ của các dao động điện hoặc đôi khi cũng là các thông số về điện như điện trở, điện dung, độ tự cảm [46]
Có nhiều dạng đặc tính khác nhau của cảm biến (hình 6.7)
Trang 9Điện động cơ và điều khiển động cơ
a - Đường thắng, liên tục; b - Đường phi tuyến, liên tục;
c - Không liên tục nhiều nấc; d - Không liên tục hai nấc.
Hình 6.7: Các dạng đặc tính của cảm biến [57]
Theo dạng tín hiệu ra, cảm biến có hai loại:
٠ Loại 1 : Tín hiệu ra dạng tương tự;
٠ Loại 2: Tín hiệu ra dạng số
6.2.2 Cảm biến khí nạp (Airflowmeter)
Các cảm biến khí nạp áp dụng trên ô tô hiện nay gồm 8 loại và chia làm hai nhóm [4]:
Nhóm đo trực tiếp (L-TYPE): đo lưu lượng khí nạp, gồm 6 loại:
٠ Cảm biến cánh trượt điện áp tăng; Cảm biến cánh trượt điện áp giảm; Cảm biến dây nhiệt (dây nóng); Cảm biến màng nóng; Cảm biến Karman kiểu quang; Cảm biến Karman kiểu siêu âm
Trong nhóm các cảm biển đo trực tiếp, ta cần phân biệt 2 lọai sau:
- Loại đo lưu lượng khí nạp tính bằng thể tích V (cảm biến cánh trượt, cảm biến
Karman quang và siêu âm) Đối với các lọai cảm biến này, do ECU chỉ nhận được tín hiệu lưu lượng khí nạp tính bằng thể tích nên nó cần dựa vào bảng tra khối lượng riêng d phụ thuộc vào cảm biến nhiệt độ khí nạp và áp suất khí trời rồi tìm
ra lưu lượng khí nạp tính bằng khối lượng: từ đó tính ra lượng xăng cần phun
- Lọai đo lưu lượng khí nạp tính bằng khối lượng (chủ yếu dạng dây nhiệt và màng nhiệt), báo về ECU thông số lưu lượng khí nạp tình bằng khối lưọTig
Trang 10Điện động cơ và điều khiển động cơ
Nhóm đo gián tiếp (D - TYPE): đo áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp
• Cảm biến MAP loại tenxơ 1 điện trở; Cảm biến MAP loại tenxơ 4 điện trở vi sai
6.2.2.1 Cảm biến khí nạp kiểu trưọt (đòi 80 đến 97)
Cảm biến cánh trượt [75, 77] được sử dụng trên hệ thống L-Jetronic để nhận biết lưu lượng thế tích khí nạp đi vào xylanh động cơ Tín hiệu lưu lượng thể tích khí nạp 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
Cảm biến khí nạp kiểu trượt bao gồm cánh khí nạp được giữ bằng một lò xo hồi lực, cánh giảm chấn, buồng giảm chấn, cảm biến không khí nạp, vít chỉnh không tải, mạch
rẽ phụ, điện áp kế kiếu trượt được gắn đồng trục với cánh đo lưu lượng khí nạp và một công tắc bơm xăng (hình 6.8a, 6.8b)
1 Cảnh đo;
2 Cánh giảm chấn;
3 Cảm biến nhiệt độ khí nạp;
4 Điện áp kế kiểu trượt;
5 Vít chỉnh CO;
6 Mạch rẽ;
7 Buồng giảm chẩn.
Hình 6.8a; Cảm biế ،١.I1 I i c t p Í V Ẳ V U W U I I I I t i u ٧ t L ٧ 1 J
Lưu lượng khí nạp vào động cơ nhiều hay ít tùy thuộc vào vị trí bướm ga và tốc độ động cơ Khi khí nạp đi qua cảm biến khí nạp 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 khí nạp thành tín hiệu điện áp nhờ điện áp kế
Vít chỉnh hỗn hợp không tải (vít chỉnh CO)
Cảm biến khí nạp kiểu cánh trượt có hai mạch gió: mạch gió chính đi qua cánh khí nạp và mạch gió rẽ đi qua vít chỉnh c o LưọTig gió qua mạch rẽ tăng sẽ làm giảm lượng gió qua cánh khí nạp, vì thế, góc mở của cánh khí nạp sẽ nhỏ và ngược lại