Máy kiểm tra các chi tiết hệ thống điều khiển động cơ

1.2 Giới hạn đề tài nghiệm về lập trình điều khiển nên đề tài được thực hiện qua ba phần chính: - Kiểm tra các cảm biến dạng Analog như: cảm biến đo gió kiểu cánh trượt, cảm biến đo gió

VÕ ĐÔNG HUỀ

MÁY KIỂM TRA CÁC CHI TIẾT

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Ô tô-Máy kéo

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2008

giả đã lĩnh hội nhiều kiến thức rất quý báu của Thầy Cô làm cơ sở cho tác giả nghiên cứu và tiếp cận thêm rất nhiều lĩnh vực khoa học mới Tác giả chân thành cảm ơn đến các cá nhân, tập thể để hết lòng giúp đỡ tác giả hoàn thành đề tài luận văn:

- Xin cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Cao đẳng Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long đã tạo điều kiện cho tác giả theo học lớp cao học chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô-máy kéo

- Xin cảm ơn quý Thầy Cô trong Ban Giám hiệu, Phòng sau Đại học, Khoa Kỹ thuật Giao Thông trường Đại Học Bách khoa đã trang bị cho tác giả kiến thức nền tảng giúp tác giả hoàn thành luận văn tốt nghiệp

- Xin cám ơn Thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình giúp tác giả hoàn thành luận văn

- Xin cám ơn Thầy Cô phản biện đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu giúp tác giả hoàn thiện nội dung luận văn này

- Xin cám ơn Thầy Cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh đã hướng dẫn tác giả thực nghiệm để hoàn thành sản phẩm của luận văn

TP Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 11 năm 2008

Học viên

Võ Đông Huề

hệ thống phun xăng, hệ thống đánh lửa theo chương trình, hệ thống điều khiển tốc độ cầm chừng Do đó việc kiểm tra các chi tiết điều khiển động cơ cũng trở nên phức tạp đòi hỏi phải có độ chính xác cao Chế tạo máy kiểm tra các chi tiết hệ thống điều khiển động cơ với chi phí thấp để trang bị cho các cơ sở sửa chữa ôtô, trường dạy

nghề là mục tiêu của đề tài Đề tài “Máy kiểm tra các chi tiết hệ thống điều khiển

động cơ” bao gồm các nội dung sau:

1 Nghiên cứu lý thuyết hệ thống điều khiển động cơ, lý thuyết vi điều khiển, LCD LM1682, bộ chuyển đổi ADC, ngôn ngữ lập trình Assembly

2 Xây dựng lưu đồ thuật toán kiểm tra các cảm biến và các bộ chấp hành

3 Dùng ngôn ngữ Assembly viết chương trình điều khiển máy

4 Thiết kế, chế tạo máy kiểm tra các chi tiết hệ thống điều khiển động cơ

5 Thực nghiệm kiểm tra và so sánh kết quả kiểm tra với OBD-II

system and electronics system such as Electronic Fuel Injection (EFI), Electronics Spark Advandce (ESA), Idle Speed Control (ISC) Therefore, They became extremely complex to test with high fidelity The target of this thesis is to make the parts of control engining system test machine with cheaper cost for using in automotive service

stations or vocational schools The following issuses in the thesis “The parts of control

engine system test machine” will be carried out:

1 Research about theory of engine control systems, microelectronis, Liquid Crystal Display (LCD LM1682), ADC (Analog to Digital Converter), Assembly language

2 Construct algorism control diagram for sensors and actuators

3 Using Assembly language for AT89S52 microcontroller

4 Designing and manufacturing “The parts of control engine system test

machine”

5 To carry out test experiments and make comparision with the result of code reader OBD –II

Trang bìa

Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ

Tóm tắt luận văn

Mục lục

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề và tầm quan trọng của vấn đề 1

1.2 Giới hạn của đề tài 3

1.3 Mục đích nghiên cứu 3

1.4 Đối tượng nghiên cứu 4

1.5 Phương pháp và phương tiện thực hiện 4

1.6 Kế hoạch thực hiện 5

CHƯƠNG II: CÁC TÍN HIỆU NGÕ VÀO VÀ PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA 6

2.1 Sơ đồ cấu trúc và các khối chức năng của hệ thống điều khiển động cơ 6

2.2 Các loại cảm biến và phương pháp kiểm tra 7

2.2.1 Cảm biến đo lưu lượng không khí nạp 7

2.2.1.1 Cảm biến đo gió kiểu trượt 7

2.2.1.2 Cảm biến đo gió kiểu xoáy lốc (Karman) 11

a) Kiểu Karman quang 11

b) Kiểu Karman siêu âm 13

2.2.1.3 Cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt 16

2.2.1.4 Cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp (MAP) 19

a) Loại áp kế 20

b) Loại điện dung 21

c) Loại sai lệch từ tuyên tính 22

b) Cảm biến điện từ loại nam châm quay 25

2.2.2.2 Loại dùng cảm biến quang 28

2.2.2.3 Loại dùng cảm biến HALL 29

2.2.3 Cảm biến cánh bướm ga kiểu biến trở 30

2.2.4 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 31

2.2.5 Cảm biến nhiệt độ không khí nạp 32

CHƯƠNG III: CƠ CẤU CHẤP HÀNH VÀ PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA 34

3.1 Van điều khiển cầm chừng và nguyên lý kiểm tra 34

3.1.1 Van điều khiển cầm chừng kiểu mô tơ bước 34

3.1.2 Van điều cầm chừng kiểu solenoid 35

3.1.3 Van điều khiển cầm chừng kiểu van quay 36

3.2 IC đánh lửa và nguyên lý kiểm tra 38

3.3 Kim phun và nguyên lý kiểm tra 39

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY KIỂM TRA VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 45

4.1 Thiết kế khối điều khiển 45

4.1.1 Yêu cầu thiết kế 45

4.1.2 Cơ sở thiết kế 45

4.1.2.1 Giới thiệu tổng quát về vi điều khiển AT89S52 46

a) Sơ đồ và chức năng các chân 46

b) Tổ chức bộ nhớ 51

c) Hoạt động của bộ định thời (Timer) 53

d) Ngắt (Interupt) 57

e) Ngôn ngữ lập trình assembly 59

f) Hoạt động của trình biên dịch (Assembler Operation) 60

b) Các đặc điểm ADC0809 63

c) Nguyên lý hoạt động 64

d) Mạch tạo xung clock cho ADC0809 66

e) Sơ đồ mạch kết nối ADC0809 với vi điều khiển và thuật toán điều khiển 67

4.2 Thiết kế bàn phím 68

4.2.1 Yêu cầu thiết kế 68

4.2.2 Sơ đồ thiết kế các phím nhấn 68

4.2.3 Thuật toán và chương trình quản lý phím nhấn 69

4.3 Thiết kế khối hiển thị 70

4.3.1 Yêu cầu thiết kế 70

4.3.2 Cơ sở thiết kế 70

4.3.2.1 Giới thiệu về LCD 70

4.3.2.2 Thuật toán hiển thị LCD 85

4.4 Thuật toán kiểm tra các cảm biến và chương trình vi điều khiển 87

4.4.1 Cảm biến đo gió kiểu cánh trượt và cảm biến vị trí cánh bướm ga 87

4.4.1.1 Thuật toán kiểm tra 87

4.4.1.2 Chương trình vi điều khiển 88

4.4.2 Cảm biến đo gió có xung tín hiệu dạng Digital 89

4.4.2.1 Thuật toán kiểm tra 89

4.4.2.2 Chương trình vi điều khiển 89

4.4.3 Cảm biến có xung tín hiệu dạng Analog 90

4.4.3.1 Thuật toán kiểm tra 90

4.4.3.2 Chương trình vi điều khiển 91

4.4.4 Cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston loại điện từ 92

4.4.4.1 Thuật toán kiểm tra 92

4.5.1.1 Thuật toán kiểm tra 94

4.5.1.2 Chương trình vi điều khiển 95

4.5.2 IC đánh lửa 96

4.5.2.1 Thuật toán kiểm tra 96

4.5.2.2 Chương trình vi điều khiển 97

4.5.3 Kiểm tra kim phun 98

4.5.3.1 Thuật toán kiểm tra 98

4.5.3.2 Chương trình vi điều khiển 99

CHƯƠNG V: THỰC NGHIỆM MÁY KIỂM TRA CÁC CHI TIẾT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 100

5.1 Thi công phần cứng 100

5.2 Thi công phần mềm 104

5.3 Thực nghiệm kiểm tra các cảm biến, cơ cấu chấp hành 108

5.3.1 Vận hành máy kiểm tra 108

5.3.2 An toàn sử dụng máy kiểm tra 110

5.3.3 Kiểm tra cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến nhiệt độ khí nạp 111

5.3.4 Kiểm tra cảm biến dây nhiệt 113

5.3.5 Kiểm tra cảm biến áp suất tuyệt đối không khí nạp 115

5.3.6 Kiểm tra cảm biến vị trí cánh bướm ga và cảm biến đo gió cánh trượt 116

5.3.7 Kiểm tra cảm biến đo gió kiểu xoáy lốc 119

5.3.8 Kiểm tra cảm biến vị trí piston, tốc độ động cơ 121

5.3.9 Kiểm tra IC đánh lửa 124

5 3.10 Kiểm tra kim phun 126

5 3.11 Kiểm tra van điều khiển cầm chừng 129

6.3 Hướng phát triển của đề tài 134

Tài liệu tham khảo 135

Lý lịch trích ngang 136

Phụ lục 137

Hầu hết ôtô ngày nay đều trang bị các hệ thống điện-điện tử hiện đại và khá phức tạp như hệ thống phun xăng, hệ thống phanh điều khiển cầm chừng, hệ thống đánh lửa điện tử, hệ thống kiểm soát khí thải, hệ thống lái trợ lực điều khiển bằng điện tử Do đó việc kiểm tra các chi tiết càng trở nên phức tạp đòi hỏi phải chính xác cao

Năm 1988, Uỷ ban tài nguyên môi trường ở bang California (CARB-California Air resources Board) và Trung tâm bảo vệ môi trường quốc gia (EPA-Environmental Protection Agency) đòi hỏi các nhà sản xuất xe hơi chế tạo hệ thống tự chẩn đoán các các chi tiết hệ thống điều khiển động cơ Hệ thống chẩn đoán đầu tiên ra đời được biết với cái tên là OBD-I (On Board Diagnostics) thể hiện các hư hỏng thông qua đèn báo (check engine) Sự cải tiến và cho ra đời của OBD-II đã đáp ứng được các tiêu chuẩn mới của bộ luật về bảo vệ môi trường ở Mỹ và các tiêu chuẩn về mã code, giắc giao tiếp của các nhà sản xuất

liệu động cơ được truyền từ máy tính này đến máy tính khác các thông số như: điện áp, nhiệt độ, tốc độ, thời gian, độ rộng xung kim phun, góc đánh lửa sớm được hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng Các thông số của động cơ được “số hóa” và được truyền thành dòng dữ liệu nối tiếp nhau Các thông số hiển thị được cập nhật liên tục trong

chu kỳ truyền dữ liệu do đó tốc độ thay đổi dữ liệu hiển thị phụ thuộc vào số ký tự trên dòng dữ liệu và tốc độ truyền dữ liệu

Ưu điểm của OBD (máy quét dữ liệu nối tiếp là: cho phép chúng ta truy xuất số lượng lớn thông tin qua giắc chẩn đoán, hữu ích trong việc kiểm tra nhanh chóng tình trạng hoạt động của các cảm biến, bộ chấp hành và các dữ liệu tính toán của ECU

quá trình tra cứu mã code, sự thành công của việc xóa code sau khi đã thực hiện kiểm tra phát hiện thấy chi tiết có hư hỏng…Ngoài ra, dữ liệu nối tiếp là chuỗi dữ liệu được

xử lý chứ không phải là tín hiệu trực tiếp Nó hiển thị những gì mà ECM xử lý, điều này dễ dàng hơn việc nhận tín hiệu thật mà ECU đo được Chẳng hạn, với OBD dữ liệu

Trường hợp những tín hiệu ra không cần thiết thể hiện tình trạng mạch điện mà chỉ cần thể hiện chuỗi dữ liệu các tín hiệu đã được xử lý tính toán Một ví dụ khác, khi động cơ không quay mà nhiên liệu không phun (do không có tín hiệu IGF), thời gian phun được tính toán và hiển thị trên chuỗi ngay cả kim phun không hoạt động

- Khi tốc độ cập nhật dữ liệu thấp do tốc độ truyền thấp dẫn đến xảy ra lỗi chập chờn của một tín hiệu nào đó đúng vào thời gian cập nhật dữ liệu hiển thị thì máy không phát hiện được lỗi đó Chẳng hạn, khi một đường dây tín hiệu của cảm biến vị trí cánh bướm ga bị hở, xe vận hành không êm Nếu tình trạng hở mạch xảy ra không quá 1.25s thì máy quét sẽ không phát hiện giá trị tín hiệu thay đổi này Các lỗi chập chờn trên xe sử dụng V-BOB tốt hơn so với OBD (trừ OBD II có tốc độ cao)

có dụng cụ kiểm tra chuyên dùng hoặc chỉ kiểm tra được bằng các dụng cụ đơn giản bằng đồng hồ VOM một số chi tiết đơn giản Đối với những động cơ không có chức năng tự chẩn đoán hay những chi tiết của hệ thống điều khiển động cơ tháo rời rất cần dụng cụ để kiểm tra chúng Hơn nữa, máy có thể kiểm tra từng chi tiết riêng rẽ đã được

tháo rời thường gặp trong các cơ sở dạy nghề, cơ sở sửa chữa trong khi hệ thống tự chẩn đoán hay máy chuyên dùng phải mắc thành hệ thống hoàn chỉnh kèm theo hộp điều khiển (ECU) có chức năng chẩn đoán

Thấy được vấn đề này, cộng với sự hướng dẫn của thầy PGS-TS Đỗ Văn Dũng, học viên quyết định thực hiện đề tài “Máy kiểm tra các chi tiết hệ thống điều khiển

động cơ” Sản phẩm của đề tài là máy kiểm tra các chi tiết hệ thống điều khiển động cơ

phun xăng Máy kiểm tra là kết quả của việc tự nghiên cứu, thực hành lập trình điều khiển trên chip AT89S52 ứng với thuật toán kiểm tra từng chi tiết cần kiểm tra, lập trình hiển thị trên LCD, thực hành thiết kế mạch, thực hiện kiểm tra các chi tiết, so sánh và hiệu chỉnh Máy kiểm tra các chi tiết hệ thống điều khiển động cơ được tác giả

tự thiết kế, chế tạo với sự hướng dẫn, kiểm tra của giáo viên hướng dẫn

1.2 Giới hạn đề tài

nghiệm về lập trình điều khiển nên đề tài được thực hiện qua ba phần chính:

- Kiểm tra các cảm biến dạng Analog như: cảm biến đo gió kiểu cánh trượt, cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt, cảm biến áp suất đường nạp, cảm biến cánh bướm ga loại biến trở, cảm biết nhiệt độ không khí nạp, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến vị trí piston và tốc độ động cơ loại điện từ

- Kiểm tra các cảm biến dạng Digital như: cảm biến đo gió kiểu Karman, cảm biến

vị trí piston và tốc độ động cơ loại quang, cảm biến Hall

- Kiểm tra được một số bộ phận chấp hành như: van điều khiển cầm chừng, IC đánh lửa, kim phun

- Làm mô hình giảng dạy, kiểm tra các chi tiết điều khiển động cơ cho các cơ sở dạy nghề

- Là cơ sở nghiên cứu cho những ứng dụng khác trên ôtô

1.4 Đối tượng nghiên cứu

Người thực hiện đã tìm hiểu trên các động cơ điều khiển phun xăng, ECU, các cảm biến, các linh kiện điện tử như: chip AT 89S52, bộ chuyển đổi ADC, LCD và các linh kiện điện tử khác…Ngoài ra còn tham khảo các tài liệu như: Trang bị điện-điện tử

trên ô tô, Họ vi điều khiển 8051, Automobile electrical and electronic system (Tom

Denton BA), Understanding automotive electronics (William B Ribbens Ph.D)

1.5 Phương pháp và phương tiện thực hiện

1.5.1 Phương pháp thực hiện

- Tham khảo tài liệu: các tài liệu chuyên ngành ô tô và họ vi điều khiển của các tác giả khác nhau, các tài liệu liên quan đến kiểm tra các chi tiết điều khiển động cơ, Ngoài ra, người nghiên cứu còn trao đổi với bạn bè, học tập kinh nghiệm ở thầy cô và những người đi trước để nhận các ý kiến đóng góp quí báu khác

- Thực nghiệm: thiết kế bo mạch, viết chương trình kiểm tra từng chi tiết cụ thể, thực nghiệm kiểm tra, so sánh kết quả kiểm tra với thiết bị khác và hoàn tất chương trình điều khiển

1.5.2 Phương tiện thực hiện

- Phương tiện sử dụng để thu thập tài liệu: sách tham khảo, máy tính PC, mạng Internet…

- Phương tiện phục vụ thí nghiệm: bo mạch, máy tính PC, mạch nạp Vi điều khiển, đồng hồ VOM, các cảm biến, bộ phận chấp hành và một số thiết bị liên quan khác

1.6 Kế hoạch thực hiện

Đề tài được thực hiện theo trình tự thời gian như sau:

• Chọn đề tài, chính xác hóa đề tài

• Thu thập tài liệu, xác định nhiệm vụ, đối tượng nghiên cứu, xác định mục tiêu thực hiện, phân tích tài liệu liên hệ

• Lập đề cương chi tiết

CHƯƠNG 2: CÁC TÍN HIỆU NGÕ VÀO VÀ PHƯƠNG

PHÁP KIỂM TRA

-ZY -

2.1 Sơ đồ cấu trúc và các khối chức năng của hệ thống điều khiển động cơ

Hệ thống điều khiển động cơ bao gồm các tín hiệu ngõ vào (input) với chủ yếu

là các cảm biến, các công tắc Hộp ECU (Electronic Control Unit) là bộ não của hệ thống thụ hiện tiếp nhận, xử lý tín hiệu ngõ vào Ngõ ra (output) là các cơ cấu chấp hành (actuators) như kim phun, bobin, van điều khiển cầm chừng

Hình 2.1: Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển động cơ

2.2 Các loại cảm biến và phương pháp kiểm tra

2.2.1 Cảm biến đo lưu lượng khí nạp và phương pháp kiểm tra

2.2.1.1 Cảm biến đo gió kiểu cánh trượt (đời 80 đến 95)

Có hai loại cảm biến đo gió kiểu cánh trượt: loại điện áp tăng và loại điện áp giảm Cảm biến đo gió kiểu cánh trượt được sử dụng trên động cơ phun xăng loại L-Jectronic để đo lưu lượng khí nạp vào xylanh động cơ Đây là một trong những cảm

biến quan trọng để tính toán lượng xăng phun và góc đánh lửa sớm cơ bản

Hình 2.2: Cấu tạo bộ đo gió kiểu cánh trượt

Hình 2.3: Mạch điện của cảm biến đo gió cánh trượt kiểu tăng

Hình 2.4: Đường đặc tuyến của cảm biến đo gió cánh trượt kiểu tăng

Điện áp accu khoảng 14V được cung cấp tại cực VB, cực VC có điện áp không đổi khoảng 12V để cung cấp cho ECU thay vì điện áp VB (do điện áp VB không được

ổn định theo tải điện và nhiệt độ môi trường xung quanh) Điện áp ở cực VS tăng theo góc mở của cánh đo gió ECU so sánh điện áp accu (VB) với độ chênh áp giữa VC và

VS để xác định lượng gió nạp theo công thức:

S C

E B

V V

V V G

−

−

G: là lượng gió nạp

VB, VE2, VS,VC là điện áp của các cực tương ứng

- Nếu cực VC bị đoản mạch (bị nối mass), lúc đó G tăng, ECU sẽ điều khiển lượng phun nhiên liệu cực đại bất chấp sự thay đổi của tín hiệu VS do đó động cơ không hoạt động được ở tốc độ cầm chừng được (ngộp xăng)

- Nếu cực VS bị đoản mạch, VC luôn ở mức cao làm G giảm do đó ECU điều khiển giảm lượng nhiên liệu và động cơ bị nghèo xăng

Hình 2.5: Mạch điện cảm biến đo gió loại điện áp giảm

Hình 2.6: Đường đặc tuyến cảm biến đo gió loại điện áp giảm

Phương pháp kiểm tra cảm biến đo gió kiểu cánh trượt

Nếu một cảm biến đo gió kiểu cánh trượt loại điện áp tăng hoặc giảm làm việc bình

thường sẽ cho dạng đặc tuyến dạng hyperbol

Khi bề mặt điện trở bị trầy xướt, nứt hoặc tiếp xúc không tốt với con trượt không tốt dẫn đến tín hiệu điện áp không còn dạng hyperbol mà có những nơi điện áp thay đổi đột ngột thậm chí giảm xuống bằng không (tiếp xúc không tốt hoặc bị nứt)

trầy xướt

Hình 2.7: Đặc tuyến đo gió kiểu cánh trượt loại điện áp tăng khi làm việc bình

thường (a) và có hư hỏng (b)

Khi xoay cánh trượt, điện áp tại chân VS phải thay đổi nhưng không đột ngột Ở tốc độ xoay bình thường, nếu sự thay đổi quá quá đột ngột (<1 ms) do biến trở bị trầy xướt, con trượt không dẫn điện hoặc lò xo yếu vi điều khiển báo cảm biến có hư hỏng Nếu độ chênh áp theo góc mở cánh bướm ga không quá lớn LCD báo cảm biến làm việc bình thường

Đối với loại cảm biến đo gió cánh trượt kiểu điện áp giảm, việc kiểm tra cũng tương tự như loại điện áp tăng, chỉ khác ở giá trị nạp trong bộ nhớ ROM của vi điều khiển

Sau khi đấu dây cảm biến và chọn loại cảm biến đo gió kiểu cánh trượt để kiểm tra, ADC0809 sẽ chuyển tín hiệu điện áp thành tín hiệu số và được nạp nối tiếp vào bộ nhớ vi điều khiển Khi bắt đầu đóng hoặc mở hoàn toàn cánh bướm ga, vi điều khiển sẽ lưu các giá trị đó làm “mốc” Trong giai đoạn xoay cánh trượt, điện áp liên tục được chuyển đổi và nạp vào các thanh ghi A, Ri Các giá trị này được so sánh với hai “mốc”

đã lưu vào ROM trước đó Quá trình chuyển đổi, so sánh liên tục theo vòng lặp kín Khi có tình trạng “nhảy cóc”, vi điều khiển sẽ cho hiện thị ra LCD báo cảm biến có hư hỏng

Cảm biến có hư hỏng thường do: biến trở bị trầy sướt, con trượt không dẫn điện hoặc lò xo yếu Nếu độ độ thay đổi của điện áp tỉ lệ theo góc mở của cánh bướm ga và không có hiện tượng sụt áp đột ngột, LCD báo cảm biến làm việc bình thường

Đối với loại cảm biến đo gió cánh trượt kiểu điện áp giảm, việc kiểm tra cũng tương tự như loại điện áp tăng, chỉ khác ở giá trị nạp trong ROM của vi điều khiển

2.2.1.2 Cảm biến đo gió kiểu xoáy lốc (Karman):

Các cảm biến loại này dựa trên hiện tượng vật lý cơ bản sau: khi cho dòng khí đi qua một vật thể cố định khó chảy vòng (thanh tạo xoáy – Karman Vortex) thì phía sau

nó sẽ xuất hiện sự xoáy lốc thay đổi tuần hoàn được gọi là sự xoáy lốc Karman Đối với một ống dài vô tận có đường kính d, quan hệ giữa tần số xoáy lốc f và vận tốc dòng chảy V được xác định bởi số Strouhall:

Có hai kiểu Karman: Karman quang và Karman siêu âm

a) Kiểu Karman quang (7M-GTE, 2JZ-GE, 1UZ-FE Lexus )

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

Cảm biến Karman quang bao gồm một trụ đứng đóng vai trò của bộ tạo dòng xoáy, được đặt 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

Các dòng xoáy Karman đi theo rãnh hướng làm rung một gương mỏng được phủ nhôm làm thay đổi hướng phản chiếu từ đèn LED đến photo - transistor Như vậy, tần số đóng mở của transistor này sẽ thay đổi theo lưu lượng khí nạp Tần số f được xác định theo công thức sau:

d

V S.

f =

Trong đó:

V: vận tốc dòng khí

d: đường kính trụ đứng

S: số Strouhall (S = 0,2 đối với cảm biến này)

Căn cứ vào tần số f, ECU sẽ xác định thể tích tương ứng của không khí đi vào các xylanh, từ đó tính ra lượng xăng phun cần thiết

Hình 2.8: Sơ đồ cấu tạo của cảm biến đo gió Karman quang

Hình 2.9: Nguyên lý bộ đo gió kiểu Karman quang

Hình 2.10: Sơ đồ mạch điện bộ đo gió

Hình 2.11: Dạng xung cảm biến đo gió Karman quang (cực KS)

b) Kiểu Karman siêu âm

Bộ đo gió Karman kiểu siêu âm được sử dụng trong hệ thống LU-Jetronic (Misubishi, Huyndai) có cấu trúc tạo xoáy tương tự như kiểu quang nhưng việc đo tần

số xoáy lốc được thực hiện thông qua sóng siêu âm Cảm biến Karman siêu âm bao gồm các bộ phận sau:

- Lỗ định hướng : phân bố dòng khí đi vào

xung điện dạng số

Hình 2.12: Cấu tạo cảm biến đo gió Karman siêu âm

Khi dòng khí đi qua cục tạo xoáy dạng cột với mặt cắt hình tam giác, nó sẽ tạo

ra 2 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

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 nhận sóng

(micro) trong một thời gian cố định T được dùng làm thời gian chuẩn để so

Hình 2.13: Dòng xoáy ngược chiều sóng siêu âm và cùng chiều sóng siêu âm

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

Hình 2.14: Xung phát ra của bộ đo gió Karman siêu âm thay đổi theo lưu lượng khí nạp

Hình 2.15: Mạch điện cảm biến đo gió Karman siêu âm

™ Phương pháp kiểm tra cảm biến đo gió kiểu Karman

Tín hiệu ra từ chân KS của cảm biến có dạng xung vuông mức 0-1 (0V hoặc 5V) Việc kiểm tra cảm biến đo gió kiểu Karman thực hiện bằng cách kiểm tra có tín hiệu dạng digital ở cực KS hay không

Sau khi đấu dây, chọn loại cảm biến cần kiểm tra, tiến hành thổi luồng gió vào đường ống nạp, tín hiệu xung điện áp được vi điều khiển nhận biết và gởi lệnh lên LCD

và LED báo tình trạng làm việc của cảm biến

2.2.1.3 Cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt

Nguyên lý của bộ đo gió kiểu nhiệt dưạ trên sự phụ thuộc của năng lượng nhiệt

W thoát ra từ một linh kiện được nung nóng bằng điện (phần tử nhiệt) như: dây nhiệt, màng nhiệt hoặc điện trở nhiệt (thermistor) được đặt trong dòng khí nạp vào khối lượng gió G đi qua và được tính theo công thức sau:

Trong đó:

Δt: chênh lệch nhiệt độ giữa phần tử nhiệt và dòng khí

Hình 2.16: Sơ đồ mạch điện cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt

Điện trở RH (được nung nóng) và điện trở bù nhiệt RK (làm bằng platin) được mắc vào hai nhánh của cầu Wheatstone Cả hai điện trở này đều được đặt trên đường ống nạp

Khi nối các ngõ vào của khuếch đại thuật toán l (OP AMP) với đường chéo của cầu, OP AMP1 sẽ giữ cho cầu luôn được cân bằng (có nghĩa là VA –VB = 0) bằng cách điều khiển transitor T1 và T2, làm thay đổi cường độ dòng điện chảy qua cầu

Như vậy, khi có sự thay đổi lượng không khí đi qua, giá trị điện trở đo RH thay đổi làm cho cầu mất cân bằng, OP AMP1 điều chỉnh dòng qua cầu giữ cho giá trị RH không đổi và cầu sẽ cân bằng với bất cứ vận tốc vào của dòng không khí Tín hiệu điện thế ra của mạch đo được lấy từ R2 có hệ số nhiệt điện trở rất nhỏ, do đó tỉ lệ thuận với dòng điện đi qua nó Tín hiệu này sau khi đi qua cầu phân thế gồm R3 và R4 được đưa

đến OP AMP2 giữ chức năng chuyển phát Điện trở R4 dùng để điều chỉnh điện thế ở ngõ ra Việc xác lập khoảng chênh lệch nhiệt độ (t giữa phần tử nhiệt RH và nhiệt độ

dòng khí được điều chỉnh bởi RP Nếu Δt càng lớn thì độ nhạy của cảm biến càng tăng

Hình 2.17: Sự phụ thuộc của điện áp ngõ ra vào khối lượng khí nạp ở các mức

chênh lệch nhiệt độ khác nhau

Khi nhiệt độ không khí nạp thay đổi sẽ dẫn tới sự thay đổi ∆t Vì vậy, vấn đề cân bằng nhiệt được thực hiện bởi RK mắc ở một nhánh khác của cầu Wheatstone Thông thường trong các mạch tỉ lệ RH : RK =1:10

Trong quá trình làm việc, mạch điện tử luôn giữ cho sự chênh lệch nhiệt độ (t giữa dây

Để làm sạch điện trở nhiệt (bị dơ vì bị bám bụi, dầu…), trong một số ECU dùng cho động cơ có phân khối lớn, với số xylanh Z (6 còn có mạch nung dây nhiệt trong

trường hợp động cơ đã chạy trên 1500 vòng/phút, tốc độ xe trên 20km/h và nhiệt độ

không khí gần như không ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến

Trên cảm biến hãng HITACHI, cảm biến đo gió loại dây nhiệt thường được đặt trên mạch gió rẽ, song song với đường gió chính Nhờ vậy mà hoạt động của cảm biến

ít phụ thuộc vào sự rung động của dòng khí

Thang đo của cảm biến từ 9 ÷ 360 kg/h, sai số 5 ÷ 7% và có độ nhạy cao nhờ hằng số thời gian của mạch chỉ vào khoảng 20ms

Đối với các xe Mỹ (GM, FORD…) thay vì dây nhiệt, người ta sử dụng màng nhiệt Cảm biến đo gió loại màng nhiệt khắc phục được nhược điểm chủ yếu của loại dây nhiệt là độ bền cơ học của cảm biến được tăng lên

™ Phương pháp kiểm tra cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt

Khi lượng không khí đi ngang qua dây nhiệt thay đổi làm cầu Weatston mất cân bằng tạo nên tín hiệu điện áp Bộ chuyển đổi ADC sẽ chuyển tín hiệu điện áp này thành dạng tín hiệu số ở dạng byte dữ liệu Vi điều khiển tính toán trên byte dữ liệu này và chuyển thành số ASCII gởi đến LCD để hiển thị điện áp

Hình 2.18: Sơ đồ mạch đệm cho tín hiệu VG

Do độ nhạy của cảm biến cao nên dùng một điện trở 150 KΩ treo lên nguồn 5V giúp việc chuyển đổi tín hiệu được ổn định Giá trị điện trở này có gí trị đúng bằng giá trị điện trở đo trên ECU

2.2.1.4 Cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp (MAP-Manifold Absolute Pressure sensor)

Khác với L-Jectronic, 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 thay đổi sẽ chuyển thành tín hiệu điện áp báo về ECU để tính ra lượng không khí đi vào xylanh Sau đó, nhờ vào giá trị này, ECU sẽ điều khiển mở kim phun và đánh lửa

Có ba loại cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp:

a) Loại áp kế

Loại cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên lý cầu Wheatstone Mạch cầu wheatstone được sử dụng trong thiết bị nhằm tạo ra một điện áp phù hợp với sự thay đổi điện trở

Hình 2.19: Cấu tạo cảm biến áp suất trên đường ống nạp.

Hình 2.20: Sơ đồ nguyên lý cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp

Hình 2.21: Đường đặc tuyến cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp loại

không sử dụng tăng áp của Toyota

Hình 2.22: Đường đặc tuyến cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp loại sử

dụng tăng áp của Toyota

Độ chân không kPa

(mmHg)

13.3 (100)

2.67 (200)

40.0 (300)

53.5 (400)

66.7 (500)

Bảng 1.1: Điện áp rơi theo độ chân không của cảm biến áp suất đường nạp

b) Loại điện dung:

Cảm biến này dựa trên nguyên lý thay đổi điện dung tụ điện Cảm biến loại này bao gồm hai đĩa silicon đặt cách nhau tạo thành buồng kín ở giữa Trên mỗi đỉa có điện

cực nối hai tấm với nhau Áp suất đường ống nạp thay đổi sẽ làm cong hai đĩa vào hướng bên trong làm khoảng cách giữa hai đĩa giảm khiến cho điện dung của tụ điện tăng Sự thay đổi điện dung của tụ điện sinh tín hiệu điện áp gởi về ECU để nhận biết

áp suất trên đường ống nạp

Hình 2.23: Sơ đồ cấu tạo cảm biến áp suất đường nạp loại điện dung

c) Loại sai lệch từ tuyến tính

Cảm biến này bao gồm một cuộn dây sơ cấp, hai cuộn dây thứ cấp quấn ngược chiều nhau và một lõi sắt di chuyển Một nguồn áp xoay chiều được cung cấp cho cuộn

sơ cấp Khi lõi ở vị trí giữa, chênh lệch điện áp giữa hai cuộn bằng không Khi áp suất trên đường ống nạp thay đổi, buồng khí sẽ hút lõi thép di chuyển phù hợp với tải động

cơ, lúc này từ thông qua hai cuộn thứ cấp sẽ khác biệt nhau gây nên sự thay đổi điện

áp Tín hiệu điện áp từ các cuộn thứ cấp gởi về ECU nhận biết tình trạng áp suất trên đường ống nạp

Hình 2.24: Sơ đồ nguyên lý cảm biến áp suất đường nạp loại sai lệch từ tuyến tính

™ Phương pháp kiểm tra cảm biến áp suất đường nạp

Khi áp suất trên đường ống nạp thay đổi, điện áp ngõ ra của cảm biến (điện áp tại chân tín hiệu) cũng thay đổi tuyến tính, vi điều khiển sẽ chuyển đổi các giá trị điện

áp thành tín hiệu số và được chuyển sang mã ASCII hiển thị điện áp thực tế của cảm biến trên LCD Khi đường dây dẫn nối với chân tín hiệu bị đứt hoặc chạm chập, giá trị điện áp mà ADC chuyển đổi nằm trong các giá trị giới hạn sẽ báo cảm biến có hư hỏng

do đứt hoặc ngắn mạch

2.2.2 Cảm biến tốc độ động cơ, vị trí piston và phương pháp kiểm tra

Cảm biến vị trí piston (TDC sensor hay còn gọi là cảm biến G) báo cho ECU biết vị trí tử điểm thượng hoặc trước tử điểm thượng của piston số 1 hoặc số 6 (nếu động cơ 6 xylanh) Cảm biến tốc độ động cơ (hay cảm biến NE) báo tốc độ động cơ để

vi điều khiển tính toán thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm ban đầu

2.2.2.1 Loại dùng cảm biến điện từ:

a) Cảm biến điện từ loại nam châm đứng yên

Hình 2.25: Cấu tạo cảm biến G và NE

Hình 2.26: Sơ đồ nguyên lý cảm biến điện từ loại dùng cảm biến điện từ

Khi cựa răng của rotor không nằm đối diện với cực từ, từ thông đi qua cuộn dây

có giá trị thấp vì khe hở lớn có từ trở cao Khi một răng đến gần cực từ của cuộn dây, khe hở không khí giảm dần khiến từ thông tăng nhanh Như vậy, nhờ sự biến thiên của

từ thông, trên cuộn dây sẽ xuất hiện một suất điện động Khi răng rotor đối diện với cực từ, từ thông xuyên qua cuộn dây cực đại nhưng không biến thiên do đó điện áp hai đầu cuộn dây bằng không Khi răng rotor di chuyển ra khỏi cực từ, thì khe hở không khí tăng dần làm từ thông giảm nên sinh ra một suất điện động theo chiều ngược lại

Hình 2.27: Dạng xung cảm biến điện từ loại nam châm đứng yên

Hình 2.28: Xung tín hiệu cảm biến G và Ne loại điện từ b) Cảm biến điện từ loại nam châm quay

Sơ đồ nguyên lý cảm biến điện từ loại nam châm quay được mô tả như hình dưới đây:

Hình 2.29: Cảm biến điện từ loại nam châm quay cho loại động cơ 8 xylanh

1-Rotor nam châm, 2-lõi thép từ, 3-Cuộn dây cảm biến

Một số dạng cảm biến G & NE loại điện từ:

- Dây tín hiệu G (1 cuộn kích 4 răng), dây tín hiệu NE (1 cuộn kích 24 răng)

Hình 2.30: Sơ đồ mạch điện, dạng tín hiệu G và NE loại 1-4

- Dây tín hiệu G (1 cuộn kích 2 răng), dây tín hiệu NE (1 cuộn kích 24 răng)

Hình 2.31: Sơ đồ mạch điện, dạng tín hiệu G và NE loại 2-24

- Dây tín hiệu G1 và G2 (2 cuộn kích 1 răng), dây tín hiệu NE (1 cuộn kích 24 răng)

Hình 2.32: Sơ đồ mạch điện, dạng tín hiệu G và NE loại 1-24

Phương pháp kiểm tra cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston loại điện từ

Khi quay trục bộ chia điện, các cuộn dây tín hiệu sinh một điện áp dạng sin

khiển LED sáng hoặc tắt tuỳ theo vị trí của răng rô to với cuộn dây cảm biến

NE

D22

LED

1 2

VCC

R14 R

OR VAR

+

-U9C

LM339

9 8

14

VNE Vre

Hình 2.33: Mạch điện kiểm tra cảm biến G & NE

2.2.2.2 Loại dùng cảm biến quang

Hình 2.34: Cấu tạo cảm biến quang

Rotor của cảm biến (được lắp cùng với trục bộ chia điện) là một đĩa nhôm mỏng

có khắc vạch Vành trong của đĩa có số rãnh tương ứng với số xylanh trong đó có một rãnh rộng hơn, rãnh này đánh dấu máy số 1 Nhóm các rãnh này kết hợp với cặp diode phát quang (LED) và diod cảm quang (Photodiode) còn gọi là photocouple thứ nhất đảm nhận phát xung G Vành ngoài của đĩa có 360 rãnh nhỏ, mỗi rãnh tạo thành bộ

phận phát xung NE

Hình 2.35: Mạch điện cảm biến quang

Khi đĩa quay, các rãnh lần lượt đi qua photo-couple Lúc này, ánh sáng từ đèn LED chiếu tới photodiode chúng trở nên dẫn điện Khi đó điện áp ở ngõ vào (+) của

OP AMP sẽ lớn hơn điện áp ở ngõ vào (-), vì thế, ở ngõ ra OP AMP điện áp sẽ ở mức cao Khi rãnh ra khỏi photo-couple, photo-diode không nhận được ánh sáng từ đèn LED, dòng điện bị ngắt đột ngột nên điện áp ở ngõ vào (+) của OP AMP bằng 0 Kết quả là điện áp ở ngõ ra của OP AMP xuống mức thấp Các xung G và NE ở đây đều là dạng xung vuông có giá trị cao nhất là 5V, thấp nhất là 0V

2.2.2.3 Loại dùng cảm biến HALL

Hình 2.36: Hiệu ứng HALL

H E

P M

P M

Góc ngậm

Hình 2.37: Nguyên lý làm việc và dạng xung tín hiệu của cảm biến Hall

Phương pháp kiểm tra cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston loại quang và Hall

Cũng giống như phương pháp kiểm tra cảm biến đo gió kiểu Karman Vi điều khiển nhận biết tín hiệu ra của cảm biến đồng thời gởi lệnh đến LCD để hiển thị tình trạng làm việc của cảm biến và điều khiển LED sáng tắt

2.2.3 Cảm biến cánh bướm ga kiểu biến trở

Hình 2.38: Cấu tạo cảm biến vị trí cánh bướm ga loại biến trở

- Mạch điện và đặc tuyến:

Hình 2.39: Sơ đồ mạch điện cảm biến cánh bướm ga loại biến trở

Phương pháp chung kiểm tra cảm biến vị trí cánh bướm ga loại biến trở

Phương pháp kiểm tra cảm biến vị tri cánh bướm ga cũng tương tự như kiểm tra cảm biến đo gió kiểu trượt Tín hiệu ngõ ra của cảm biến dạng Anolog, được vi điều

khiển chuyển đổi thành tín hiệu số và hiển thị trên màn hình LCD tình trạng làm việc của cảm biến

2.2.4 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát thường có dạng hình trụ rỗng bên trong có gắn một điện trở kiểu bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm (là loại điện trở mà giá trị của nó tăng khi nhiệt độ giảm và ngược lại) Sự thay đổi giá trị điện trở sẽ làm thay đổi giá trị điện áp được gởi đến ECU trên nền tảng cầu phân áp Bên ngoài có ren để lắp vào mạch nước làm mát trong thân động cơ hoặc nắp máy

Hình 2.40: Sơ đồ cấu tạo và mạch điện của cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Hình 2.41: Đường đặc tuyến của cảm biến nước làm mát

Điện áp 5V qua điện trở chuẩn (điện trở này có giá trị không đổi theo nhiệt độ) tới cảm biến rồi trở về ECU về mass Như vậy điện trở chuẩn và nhiệt điện trở trong