Nhiệm vụ của hệ thống nhiên liệu động cơ xăng
Hệ thống cung cấp xăng và không khí cho động cơ, đảm bảo môi chất cháy được đưa vào xylanh với định lượng và thành phần đồng đều giữa các xylanh, phù hợp với từng chế độ tải và tốc độ của động cơ.
Thành phần hỗn hợp cung cấp cho động cơ không chỉ cần tối ưu hóa công suất và tiêu hao nhiên liệu mà còn phải giảm thiểu nồng độ khí thải và các thành phần độc hại, nhằm bảo vệ môi trường.
Yêu cầu của hệ thống nhiên liệu động cơ xăng
Hình 1.1 Hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ xăng
Nhiên liệu cần được hòa trộn đồng đều với khí trong buồng cháy để đạt hiệu suất tối ưu Hệ thống nhiên liệu của động cơ xăng phải duy trì áp suất, kiểu hòa trộn và thời gian hòa trộn hợp lý, đảm bảo hỗn hợp vào động cơ ở dạng hơi sương Đồng thời, hệ thống này cần phản ứng kịp thời với thay đổi góc mở bướm ga và có chức năng cắt nhiên liệu khi giảm tốc để tiết kiệm nhiên liệu.
Ngoài ra, độ làm việc của hệ thống phải bền vững, dễ kiểm tra và sửa chữa, đơn giản gọn nhẹ, giá thành rẻ,…
Phân loại hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ xăng
Hệ thống phun xăng dùng bộ chế hòa khí
Trên các động cơ xăng cổ điển, quá trình tạo ra hỗn hợp nhiên liệu và không khí diễn ra bên ngoài động cơ, thông qua một thiết bị riêng biệt trước khi được đưa vào buồng cháy Thiết bị này được gọi là bộ chế hòa khí.
Hệ thống nhiên liệu sử dụng bộ chế hòa khí bao gồm các thành phần chính như thùng xăng, ống dẫn xăng, bình lọc xăng, bơm chuyển, bộ chế hòa khí, bình lọc không khí, ống hút, ống thải và ống giảm thanh Những bộ phận này phối hợp với nhau để đảm bảo quá trình cung cấp nhiên liệu và không khí cho động cơ hoạt động hiệu quả.
1.3.1.1 Cấu tạo và nguyên lí làm việc của những bộ phận bên trong bộ chế hòa khí
Hình 1.3 Bộ chế hòa khí trên ô tô
Bộ chế hòa khí được chế tạo từ hợp kim gang, với ống xăng chính được gắn ở thân Phần đầu của bộ chế hòa khí kết nối với họng gió, trong khi phần chân được lắp vào ống hút của động cơ.
+ Họng gió: Dẫn khí trời vào, là chỗ gắn họng khuyếch tán, cánh bướm ga
+ Cánh bướm ga: Là 1 cái van hình tròn để điều chỉnh khí trời và nhiên liệu
+ Họng khuyếch tán: Dùng để tăng tốc độ của khí trời, nhằm tạo ra vùng chân không ở ngay vùng trung tâm họng khuyếch tán
Vòi xăng chính kết nối từ bình xăng con đến họng khuếch tán, có nhiệm vụ hút xăng từ bình xăng con để hòa trộn với không khí, sau đó đưa vào động cơ.
Bình xăng con là bộ phận chứa nhiên liệu được cung cấp từ bơm xăng, bao gồm phao xăng bằng đồng mỏng hoặc nhựa nổi để điều khiển luồng xăng vào bình Phao xăng có bản lề để gắn vào vách bình hoặc treo trên nắp, và trên phao có gắn kim xăng giúp điều tiết lượng xăng đi vào Kim xăng có mũi nhọn hình côn khớp với bệ kim bằng đồng, được gắn trên nắp, làm việc cùng với phao xăng để đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống nhiên liệu.
1.3.1.2 Phân loại bộ chế hòa khí
A Phân loại theo cấu tạo chung của bộ chế hòa khí
- Bộ chế hòa khí 1 họng
- Bộ chế hòa khí 2 họng
- Bộ chế hòa khí điện tử
B Phân loại theo nguyên lý hoạt động của bộ chế hòa khí
Chế hoà khí bốc hơi
Chế hoà khí bốc hơi chỉ dùng cho loại xăng dễ bốc hơi Nguyên lý hoạt động của nó như sau:
Hình 1.4 Sơ đồ bộ chế hoà khí bốc hơi
1: Họng; 2: Bầu xăng; 3: Ống nạp; 4: Bướm ga
Xăng được chuyển từ thùng chứa đến bầu xăng của bộ chế hòa khí, nơi không khí lướt qua mặt xăng, tạo thành hỗn hợp hơi xăng và không khí Hỗn hợp này sau đó đi qua đường ống nạp và bướm ga trước khi được hút vào động cơ Bướm ga điều chỉnh lượng hòa khí nạp vào động cơ bằng cách thay đổi thể tích không gian giữa mặt xăng và thành bầu xăng Mặc dù chế hòa khí bốc hơi mang lại ưu điểm là hỗn hợp hơi xăng và không khí đồng đều, nhưng nó cũng có nhiều nhược điểm như kích thước lớn, dễ gây hỏa hoạn và nhạy cảm với điều kiện thời tiết, dẫn đến việc nó không còn được sử dụng hiện nay.
Hình 1.5 Sơ đồ bộ chế hoà khí phun
1: Họng; 2: Buồng chứa không khí áp suất cao; 3: Màng mỏng; 4: Buồng chứa không khí áp suất thấp; 5: Buồng chứa nhiên liệu áp suất thấp; 6: Màng mỏng; 7: Buồng chứa nhiên liệu áp suất cao; 8: Cán van; 9: Van nhiên liệu; 10: Ziclơ; 11: Vòi phun; 12: Bướm ga; 13: Đường ống
Nguyên lý làm việc của chế hoà khí phun là dùng áp lực để phun nhiên liệu vào không gian hỗn hợp
Buồng không khí (2) kết nối với đường ống nạp động cơ qua đường ống (13), với miệng đường ống (13) hướng vào chiều lưu động của dòng khí, giúp áp suất trong buồng (2) bằng tổng áp suất động và tĩnh Buồng không khí (4) nối với họng (1) tạo ra độ chân không Lực tác động từ buồng (2) lên màng mỏng (3) làm màng (3) uốn cong về phía buồng (4), dẫn đến việc cán van (8) và van (9) dịch chuyển sang bên phải, mở rộng cửa van (9) Khi áp suất đạt mức nhất định, nhiên liệu được bơm qua van vào buồng (7) Nhiên liệu sau đó đi qua ziclơ (10) và vòi phun (11), được phun thành hạt nhỏ và hòa trộn đều với không khí Buồng (5) cũng chứa nhiên liệu nhờ đường ống nối với nhiên liệu sau ziclơ (10), nhưng áp suất trong buồng (5) thấp hơn trong buồng (7), khiến màng mỏng (6) uốn cong và có xu hướng đóng van (9) Khi các lực tác động lên màng mỏng đạt cân bằng, van nhiên liệu (9) sẽ ở vị trí ổn định, tương ứng với chế độ làm việc của động cơ.
Các bộ chế hoà khí phun làm việc chính xác, ổn định dù động cơ đặt ở bất kỳ vị trí nào nhưng việc bảo dưỡng, điều chỉnh phức tạp
Bộ chế hoà khí hút đơn giản
Hình 1.6 Sơ đồ bộ chế hoà khí hút 1: Bướm ga; 2: Đường ống nhiên liệu; 3: Van kim; 4: Buồng phao; 5: Phao; 6: Ziclơ; 7: Đường ống nạp; 8: Vòi phun; 9: Họng
Không khí từ khí trời được hút qua bầu lọc vào đường ống nạp, đi qua họng của bộ chế hòa khí, tạo ra độ chân không khi không khí đi qua Tiết diện lưu thông nhỏ nhất của họng là nơi có độ chân không thấp nhất, nơi vòi phun được đặt Nhiên liệu từ buồng phao được dẫn động tới vòi phun qua ziclơ, nhờ độ chân không, nhiên liệu được hút ra và biến thành hạt sương mù nhỏ hòa trộn với không khí vào động cơ Để bộ chế hòa khí hoạt động chính xác, mức nhiên liệu trong buồng phao phải luôn cố định, được điều chỉnh bởi phao Khi mức nhiên liệu giảm, phao hạ xuống, van kim rời khỏi đế van, cho phép nhiên liệu từ đường ống vào buồng phao Phía sau họng có bướm ga để điều chỉnh lượng hỗn hợp đưa vào động cơ.
Bộ chế hoà khí hút hiện đại
Bộ chế hoà khí hút đơn giản có thể đáp ứng yêu cầu làm việc của động cơ ở chế độ không tải và tải nhỏ Tuy nhiên, khi động cơ hoạt động ở chế độ tải ổn định và toàn tải, hỗn hợp nhiên liệu lại trở nên quá loãng, dẫn đến việc động cơ không thể hoạt động hiệu quả.
Khi động cơ hoạt động hiệu quả ở chế độ tải lớn, thì ở chế độ tải nhỏ và không tải, hỗn hợp nhiên liệu thường trở nên quá giàu Do đó, các bộ chế hòa khí hiện đại được trang bị thêm nhiều hệ thống hỗ trợ như hệ thống không tải, hệ thống làm đậm và bơm tăng tốc để cải thiện hiệu suất hoạt động.
Sau đây em chỉ giới thiệu bộ chế hoà khí điển hình là K129
Bộ chế hoà khí K129 hoạt động tương tự như bộ chế hoà khí hút đơn giản, nhưng được hỗ trợ bởi các hệ thống phụ như hệ thống làm đậm, hệ thống không tải và bơm tăng tốc Nhờ đó, bộ chế hoà khí này đáp ứng đầy đủ các yêu cầu làm việc của động cơ, từ chế độ khởi động cho đến khi phát huy tối đa công suất.
Hình 1.7 Sơ đồ bộ chế hoà khí K129
1: Piston bơm tăng tốc; 2: cần đẩy bơm tăng tốc; 3: piston làm đậm; 4: đòn dẫn động; 5: van piston; 6: lỗ thông với khí trời; 7: vòi phun tăng tốc;
8: bướm gió; 9: họng nhỏ; 10: vòi phun làm đậm; 11: đường thông bầu phao với khí trời; 12: ziclơ không khí; 13: ziclơ không khí không tải; 14: van kim;
15: lọc nhiên liệu; 16: kính quan sát; 17: phao xăng; 18: nút xả; 19: thân bộ chế hòa khí; 20: ziclơ chính; 21: ziclơ không tải; 22: víc điều chỉnh không tải;
23: mạch nhiên liệu không tải; 24: lỗ trên; 25: lỗ dưới; 26: bướm ga; 27: họng lớn; 28: van kim; 29: van bi; 30: đòn dẫn động; 31: van làm đậm
Hệ thống cung cấp nhiên liệu phun xăng điện tử
Hệ thống phun xăng trực tiếp
GDI, hay phun xăng trực tiếp, là công nghệ động cơ mà trong đó xăng được phun trực tiếp vào buồng cháy của xylanh Phương pháp này khác biệt so với động cơ phun xăng điện tử thông thường, nơi xăng được phun vào đường nạp.
Hình 1.8 Cách phân biệt GDI
Hệ thống GDI (Gasoline Direct Injection) phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy với áp suất cao, tạo ra hỗn hợp nhiên liệu-khí tối ưu Việc lắp vòi phun bên trong xylanh cho phép tăng tỷ số nén động cơ, giúp hỗn hợp không khí-nhiên liệu trở nên đồng nhất hơn Kết quả là quá trình cháy diễn ra hiệu quả, nâng cao hiệu suất và công suất động cơ, đồng thời tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí thải ra môi trường.
Hệ thống nhiên liệu GDI có cấu tạo phức tạp, nhưng nguyên tắc hoạt động cơ bản dựa vào tín hiệu từ động cơ thông qua các cảm biến Các tín hiệu này được xử lý bởi bộ xử lý trung tâm ECU, từ đó điều khiển vòi phun về thời điểm, lưu lượng và áp suất Một số cảm biến quan trọng trong hệ thống này bao gồm cảm biến áp suất, cảm biến lưu lượng và cảm biến nhiệt độ.
- Cảm biến lựu lượng khí nạp: đo lượng không khí xylanh hút vào
- Cảm biến ôxy: đo lượng ôxy trong khí thải nhằm xác định nhiên liệu hòa trộn thừa hay thiếu xăng để ECU hiệu chỉnh khi cần thiết
- Cảm biến vị trí xupap: giúp ECU điều chỉnh lượng xăng phun vào phù hợp khi đạp ga
- Cảm biến nhiệt độ chất làm mát: đo nhiệt độ làm việc của động cơ
- Cảm biến hiệu điện thế : để ECU bù ga khi mở các thiết bị điện trong xe
- Cảm biến áp suất ống tiết liệu: nhằm giúp ECU đo công suất động cơ
- Cảm biến tốc độ động cơ: dùng để tính toán xung độ động cơ
* Những đặc điểm chủ yếu của động cơ phun xăng trực tiếp:
- Sự tiêu thụ nhiên liệu rất thấp Tiêu thụ còn ít hơn động cơ diesel
- Công suất động cơ siêu cao, cao hơn nhiều so với các loại động cơ phun xăng gián tiếp đang sử dụng hiện nay
Hệ thống phun xăng gián tiếp
Hình 1.9 Cấu tạo cơ bản hệ thống phun xăng điện tử EFI
Chữ EFI trên động cơ và thân xe là viết tắt của Electronic Fuel Injection, hệ thống phun xăng điều khiển bằng điện tử, cung cấp hỗn hợp nhiên liệu tối ưu cho động cơ Hệ thống tự động điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu tùy theo chế độ làm việc của ôtô, ví dụ, trong điều kiện thời tiết lạnh, hỗn hợp khí sẽ giàu xăng để khởi động dễ dàng, sau khi động cơ đạt nhiệt độ vận hành, hỗn hợp sẽ nghèo xăng hơn, và ở chế độ cao tốc, hỗn hợp khí lại trở nên giàu xăng để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Trên các xe đời cũ, bộ chế hòa khí được sử dụng để tạo hỗn hợp nhiên liệu cho động cơ, trong khi hệ thống phun xăng điện tử cũng cung cấp nhiên liệu với tỷ lệ phụ thuộc vào lượng khí nạp Tuy nhiên, để đáp ứng yêu cầu về khí xả, tiêu hao nhiên liệu và cải thiện khả năng tải, bộ chế hòa khí hiện nay đã được trang bị thêm nhiều thiết bị hiệu chỉnh, làm cho nó trở nên phức tạp hơn.
Hệ thống phun xăng điện tử EFI đã được phát triển để thay thế bộ chế hòa khí, nhằm đảm bảo tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu tối ưu cho động cơ thông qua việc phun nhiên liệu điện tử theo các chế độ lái xe khác nhau Hiện nay, có hai loại EFI cơ bản.
Hệ thống L-EFI (Loại điều khiển lưu lượng không khí) là công nghệ phun xăng đa điểm điều khiển bằng điện tử, cho phép phun xăng vào cửa nạp của các xylanh theo từng thời điểm thay vì liên tục Quá trình này dựa trên hai tín hiệu chính: khối lượng không khí nạp vào và vận tốc trục khuỷu của động cơ L-Jectronic đảm bảo cung cấp lượng xăng phù hợp cho từng xylanh, đáp ứng nhiều chế độ tải khác nhau Hệ thống cảm biến ghi nhận thông tin về chế độ làm việc và tình trạng thực tế của động cơ, từ đó tính toán chính xác lượng xăng cần phun Lưu lượng xăng được điều chỉnh thông qua thời gian mở van của các béc phun.
Loại D-EFI (điều khiển áp suất đường nạp) đo mức độ chân không trong ống nạp, giúp nhận biết khí nạp qua mật độ của nó Trong hệ thống phun xăng, lượng khí nạp được xác định dựa trên áp suất tuyệt đối trong ống nạp và tốc độ động cơ, theo các tham số chuẩn đã được thiết lập trước, đồng thời tính đến biến thiên áp suất trong quá trình nạp Các đầu đo thường sử dụng là cảm biến áp suất kiểu áp điện - điện trở kết hợp với nhiệt kế để đo nhiệt độ chuyển động.
Hệ thống phun xăng đa điểm (Multipoint Injection - MPI) được thiết kế với mỗi xylanh có một vòi phun riêng, lắp đặt ngay trước xupap Hệ thống này sử dụng tín hiệu từ góc quay trục khuỷu để xác định thời điểm phun chính xác, qua đó tối ưu hóa hiệu suất động cơ Các cảm biến ghi nhận thông tin và gửi tín hiệu về bộ xử lý trung tâm ECU, từ đó điều chỉnh hoạt động của vòi phun Cấu tạo của hệ thống bao gồm những bộ phận chính thiết yếu cho quá trình phun xăng hiệu quả.
- Cảm biến lượng khí nạp
- Cảm biến vị trí xupap
- Cảm biến nhiệt độ chất làm mát
- Cảm biến hiệu điện thế ECU
- Cảm biến áp suất ống tiết liệu
- Cảm biến tốc độ động cơ
Hệ thống nhiên liệu GDI mang lại nhiều ưu điểm so với hệ thống EFI, tuy nhiên, để lắp đặt GDI, cần sử dụng vật liệu piston và xylanh có độ bền cao do nhiệt độ trong quá trình cháy cao hơn Ngoài ra, việc chế tạo vòi phun cũng phức tạp hơn, dẫn đến chi phí cho hệ thống GDI cao hơn nhiều so với EFI Chính điều này là một trong những lý do chính khiến EFI trở nên phổ biến hơn GDI.
Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo hệ thống D-EFI và L-EFI
Ưu điểm, nhược điểm của EFI so với chế hòa khí
*Ưu điểm của hệ thống EFI so với chế hòa khí a Có thể cung cấp hỗn hợp khí-nhiên liệu đồng đều đến từng xylanh
Mỗi xylanh của động cơ được trang bị vòi phun riêng, cho phép ECU điều khiển lượng nhiên liệu phun một cách chính xác theo tốc độ động cơ và tải trọng Điều này đảm bảo phân phối nhiên liệu đồng đều đến từng xylanh với tỷ lệ hòa khí tối ưu, cung cấp tỷ lệ khí-nhiên liệu chính xác cho tất cả các dải tốc độ của động cơ.
Hỗn hợp khí-nhiên liệu được cung cấp với tỉ lệ chính xác và liên tục, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho động cơ ở mọi chế độ tốc độ và tải trọng Điều này mang lại lợi ích lớn trong việc kiểm soát khí xả và tiết kiệm nhiên liệu Hệ thống cũng đáp ứng kịp thời với sự thay đổi của góc mở bướm ga, nâng cao khả năng vận hành của động cơ.
Hệ thống phun xăng điện tử (EFI) hoạt động bằng cách phun nhiên liệu ở áp suất cao qua vòi phun gần xylanh, tạo ra sương mù dễ dàng, giúp cải thiện hiệu suất đốt cháy Khi bướm ga thay đổi, cảm biến sẽ gửi tín hiệu về ECU để điều chỉnh lượng nhiên liệu phun, tối ưu hóa hỗn hợp khí-nhiên liệu so với chế hòa khí Ở chế độ tốc độ thấp, EFI nâng cao khả năng tải nhờ phun nhiên liệu dạng sương ngay khi khởi động, duy trì lượng không khí đầy đủ Trong quá trình giảm tốc, EFI cắt phun nhiên liệu khi bướm ga đóng, giảm nồng độ H-C trong khí thải và tiết kiệm nhiên liệu Đặc biệt, EFI không cần họng khuyếch tán như chế hòa khí, mà phun nhiên liệu trực tiếp vào đường ống nạp, tận dụng quán tính dòng khí, từ đó nâng cao hiệu quả nạp hỗn hợp khí-nhiên liệu.
* Nhược điểm của hệ thống EFI so với chế hòa khí
+ Cấu tạo của hệ thống EFI phức tạp, yêu cầu khắt khe về chất lượng lọc sạch khí và nhiên liệu
+ Bảo dưỡng và sửa chữa đòi hỏi trình độ chuyên môn cao
Khái quát về hệ thống phun xăng điện tử EFI
Khái niệm về hệ thống phun xăng điện tử EFI
Hệ thống phun xăng điện tử EFI (Electronic Fuel Injection) là công nghệ cung cấp nhiên liệu cho động cơ thông qua điều khiển điện tử Hệ thống này bao gồm một bơm nhiên liệu điện hoạt động để duy trì áp suất ổn định, cung cấp nhiên liệu cho các vòi phun Các vòi phun sẽ phun một lượng nhiên liệu đã được định sẵn vào đường ống nạp dựa trên tín hiệu từ ECU động cơ ECU nhận thông tin từ các cảm biến để theo dõi trạng thái và chế độ hoạt động của động cơ, từ đó tính toán thời gian phun cần thiết để đạt được tỷ lệ hòa khí tối ưu, phù hợp với từng điều kiện hoạt động của động cơ.
Lịch sử phát triển
Vào thế kỷ XIX, kỹ sư người Mỹ Stenvan đã phát minh ra phương pháp phun nhiên liệu cho máy nén khí Sau đó, một kỹ sư người Đức thử nghiệm phun nhiên liệu vào buồng cháy nhưng không đạt được hiệu quả mong muốn.
Vào năm 1920, người Đức đã phát triển hệ thống phun nhiên liệu cho động cơ 4 kỳ tĩnh tại, sử dụng dầu hỏa, mặc dù gặp phải vấn đề về kích nổ và hiệu suất thấp Tuy nhiên, sáng kiến này đã dẫn đến thành công trong việc chế tạo hệ thống phun xăng cơ khí, với tên gọi K-Jetronic, nơi nhiên liệu được phun trực tiếp vào trước xupap hút Hệ thống K-Jetronic đã được ứng dụng trên các xe của hãng Mercedes và nhiều mẫu xe khác, tạo nền tảng cho sự phát triển của các hệ thống phun xăng thế hệ tiếp theo như KE-Jetronic, Mono-Jetronic, L-Jetronic và Motronic.
Do hệ thống phun xăng cơ khỉ có nhiều nhược điểm nên đầu những năm
Năm 1980, BOSCH phát triển hệ thống phun xăng điện tử với hai loại chính: L-Jetronic, xác định lượng nhiên liệu qua cảm biến lưu lượng khí nạp, và D-Jetronic, dựa vào áp suất trên đường ống nạp Đến năm 1984, Toyota đã mua bản quyền và áp dụng hệ thống L-Jetronic và D-Jetronic cho động cơ 4A-ELU Đến năm 1987, Nissan cũng đã sử dụng L-Jetronic để thay thế bộ chế hòa khí trên xe Sunny.
Việc điều khiển EFI được chia thành hai loại chính dựa trên phương pháp xác định lượng nhiên liệu phun Loại đầu tiên là mạch tương tự, điều khiển lượng phun dựa vào thời gian nạp và phóng điện của tụ điện Loại thứ hai là mạch điều khiển bằng vi xử lý, sử dụng dữ liệu lưu trữ trong bộ nhớ để xác định chính xác lượng nhiên liệu phun.
Hệ thống EFI điều khiển bằng mạch tương tự là công nghệ đầu tiên được Toyota áp dụng trong hệ thống EFI của mình Đến năm 1983, Toyota đã chuyển sang sử dụng loại điều khiển bằng vi xử lý, đánh dấu bước tiến quan trọng trong công nghệ điều khiển động cơ.
Hình 1.11 Phân loại hệ thống điều khiển
Hệ thống EFI điều khiển bằng bộ vi xử lý của Toyota được gọi là TCCS (Toyota Computer Controlled System), không chỉ quản lý lượng phun nhiên liệu mà còn tích hợp nhiều chức năng quan trọng như ESA (Electronic Spark Advance) để điều chỉnh thời điểm đánh lửa, ISC (Idle Speed Control) để kiểm soát tốc độ không tải, cùng với các hệ thống điều khiển khác và chức năng chẩn đoán, dự phòng.
Loại EFI mạch tương tự và vi điều khiển sử dụng bộ vi xử lý có nhiều điểm tương đồng, nhưng cũng có một số khác biệt đáng chú ý, đặc biệt trong các lĩnh vực điều khiển và độ chính xác.
Kết cấu cơ bản của hệ thống EFI
Hệ thống nhiên liệu động cơ 2AZ-FE không chỉ là một hệ thống phun nhiên liệu đơn giản, mà còn bao gồm hệ thống điều khiển điện tử (ECU) và hệ thống đánh lửa điện tử, giúp điều khiển tốc độ động cơ một cách hiệu quả Sự tương trợ giữa các thành phần này cho phép kim phun hoạt động tương tự như các xe đời mới, từ đó nâng cao khả năng điều khiển, tăng công suất động cơ và giảm tiêu hao nhiên liệu.
Lượng không khí nạp được lọc sạch qua bộ lọc không khí và được đo bởi cảm biến lưu lượng không khí ECU tính toán và điều chỉnh tỷ lệ hoà trộn không khí và nhiên liệu một cách tối ưu Cảm biến ôxy ở đường ống xả giúp phát hiện lượng ôxy dư thừa, từ đó điều khiển chính xác lượng phun nhiên liệu.
Kết cấu cơ bản của hệ thống EFI có thể chia thành 3 khối chính là:
+ Khối nhiên liệu: Bơm nhiên liệu, lọc nhiên liệu, bộ ổn áp, các vòi phun, nhiên liệu
+ Khối nạp khí: Lọc gió, cảm biến lưu lượng gió, cổ họng gió, khoang nạp khí, đường ống nạp, van khí phụ
Khối điều khiển điện tử bao gồm các cảm biến như cảm biến nhiệt độ nước, cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến vị trí bướm ga, tín hiệu khởi động và cảm biến oxy ECU (Electronic Control Unit) đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển lượng phun nhiên liệu, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.
Hình 1.12 Cấu tạo cơ bản hệ thống phun xăng điện tử
CÁC THÔNG SỐ KĨ THUẬT VÀ CẤU TRÚC CÁC BỘ PHẬN TRÊN ĐỘNG CƠ XE TOYOTA CAMRY 2.5Q 2018
Giới thiệu chung về Toyota Camry 2.5Q 2018
Chiều dài cơ sở (mm) 2775
Khoảng sáng gầm xe (mm) 150
Bán kính vòng quay tối thiểu (m) 5,5
Trọng lượng không tải (kg) 1498 Trọng lượng toàn tải (kg) 2000 Động cơ
2AR-FE 4 xy lanh thẳng hàng,
16 van, DOHC, VVT-i kép, ACIS Dung tích công tác (cc) 2494
Công suất tối đa (kW/ v/p) 178 / 6000
Mô men xoắn tối đa (Nm/ v/p) 231 / 4100
Mức tiêu thụ nhiên liệu
Trong đô thị (lít/100km) 10.7 Ngoài đô thị (lít/100km) 6.1
2018
Cấu tạo
Hệ thống phun xăng trên xe Camry 2.5Q 2018 áp dụng công nghệ phun xăng trực tiếp, được phát triển dựa trên hệ thống Bosch Toyota đã thiết kế riêng hệ thống điện tử điều khiển động cơ, được gọi là TCCS (Toyota Computer Control System), nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.
Hệ thống này gốm các hệ thống phụ sau đây:
+ Hệ thống phun xăng điện tử EFI
+ Hệ thống kiểm soát vận tốc ralangti (ISC)
+ Hệ thống điểu khiển kiểm soát đánh lửa sớm (ESA)
+ Cơ cấu điện tử kiểm soát hộp số (ECT)
+ Kiểm soát tái luân hồi khí thải (EGR)
Hệ thống gồm 3 phần chính: Các loại cảm biến và tín hiệu đầu vào, và bộ điều khiển điện từ ECU, thành phần cơ cấu chấp hành
+) Cảm biến và tín hiệu đầu vào
Cảm biến và tín hiệu đầu vào đóng vai trò quan trọng trong việc xác định trạng thái hoạt động của động cơ và các giá trị thay đổi cần thiết trong quá trình vận hành Quá trình này chuyển đổi các đại lượng vật lý thành tín hiệu điện, giúp ECU (Bộ điều khiển điện tử) thực hiện các chức năng điều khiển hiệu quả.
ECU xử lý thông tin từ cảm biến bằng cách so sánh với dữ liệu tối ưu đã được nạp vào bộ vi xử lý Sau đó, ECU tính toán và phát tín hiệu điều khiển để điều chỉnh các cơ cấu chấp hành thông qua tín hiệu điện Ngoài ra, ECU còn kết nối với các hệ thống điều khiển khác và hệ thống chẩn đoán trên xe.
Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động hệ thống phun xăng điện tử trên xe Toyota Camry 2.5Q 2018
1: Bình xăng; 2: Bơm xăng điện; 3: Cụm ống của đồng hồ đo xăng và bơm; 4: Lọc Xăng; 5: Bộ lọc than hoạt tính; 6: Lọc không khí; 7: Cảm biến lưu lượng khí nạp; 8: Van điện từ; 9: Môtơ bước; 10: Bướm ga; 11: Cảm biến vị trí bướm ga; 12: Ống góp nạp; 13: Cảm biến vị trí bàn đạp ga; 14: Bộ ổn định áp suất;15: Cảm biến vị trí trục cam; 16: Bộ giảm chấn áp suất nhiên liệu; 17: Ống phân phối nhiên liệu; 18: Vòi phun; 19: Cảm biến tiếng gõ; 20: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát; 21: Cảm biến vị trí trục khuỷu; 22: Cảm biến ôxy.
Nguyên lý hoạt động
Nhiên liệu được bơm từ bình chứa qua lọc và bộ giảm rung để hấp thụ dao động áp suất, sau đó đi qua ống phân phối đến các vòi phun Cuối ống phân phối có bộ ổn định áp suất điều khiển áp suất nhiên liệu ở phía cao, đảm bảo áp suất luôn ổn định trong béc phun khoảng 2,7 - 3,3 bar Nhiên liệu thừa sẽ được trả lại bình xăng qua ống hồi, trong khi các vòi phun phun nhiên liệu vào đường ống nạp dựa trên tín hiệu từ ECU.
Van ISC hoạt động ở nhiệt độ thấp, cho phép dòng khí từ bộ lọc đi qua và vào khoang nạp khí Khi động cơ nóng lên, không khí vẫn tiếp tục vào khoang nạp, giúp tăng tốc độ không tải Hệ thống điều khiển bao gồm các cảm biến để theo dõi tình trạng động cơ và một ECU để điều chỉnh lượng phun và thời điểm đánh lửa dựa trên tín hiệu từ các cảm biến.
Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện điều khiển hệ thống phun xăng trên xe camry
Các chế độ hoạt động
2.3.1 Khi động cơ khởi động
Khi khởi động động cơ, thời gian phun nhiên liệu được xác định dựa trên nhiệt độ nước làm mát, do không thể tính toán chính xác thời gian phun cơ bản từ lượng không khí nạp Điều này là bởi vì ở tốc độ động cơ thấp, sự biến đổi của lượng không khí nạp rất lớn trong quá trình khởi động.
Bộ cảm biến nhiệt độ nước phát hiện nhiệt độ làm mát, và khi nhiệt độ thấp, khả năng bốc hơi nhiên liệu giảm Để đảm bảo tỷ lệ không khí-nhiên liệu đậm hơn, cần kéo dài thời gian phun nhiên liệu.
ECU nhận diện rằng động cơ giảm tốc đột ngột do tải trọng tăng cao, và sẽ áp dụng tính trễ để ngăn chặn việc xác định động cơ đang khởi động lại, trừ khi tốc độ giảm xuống mức thấp hơn.
Hình 2.4 Hiệu chỉnh phun khi động cơ khởi động
2.3.2 Động cơ sau khởi động
Khi động cơ còn lạnh, lượng nhiên liệu tăng lên do sự bay bơi của nhiên liệu kém chất lượng Ở nhiệt độ nước làm mát thấp, thời gian phun nhiên liệu được kéo dài để đảm bảo hỗn hợp khí-nhiên liệu đậm đặc hơn, giúp động cơ hoạt động hiệu quả trong giai đoạn này.
Việc hiệu chỉnh vòi phun tối đa gấp nhiều lần nhiệt độ thường
Hình 2.5 Hiệu chỉnh phun khi động cơ sau khởi động
2.3.3 Động cơ đang hoạt động
Khi động cơ hoạt động ở chế độ không tải hoặc duy trì tốc độ ổn định sau khi được làm nóng, sự thay đổi về tải trọng và tốc độ không đáng kể Do đó, lượng nhiên liệu được cung cấp dựa vào lượng không khí nạp vào động cơ.
Các hiệu chỉnh sau được thực hiện khi xe đang chạy ở tốc độ không đổi sau khi được làm nóng
ECU xác định thời gian phun cơ bản nhằm đạt tỉ lệ không-khí nhiên liệu lý thuyết Tuy nhiên, tỉ lệ này có thể bị lệch nhẹ do tình trạng thực tế của động cơ và sự thay đổi theo thời gian.
Cảm biến oxy đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện nồng độ oxy trong khí xả, giúp xác định thời gian phun nhiên liệu có phù hợp với tỉ lệ khí-nhiên liệu lý thuyết hay không, dựa trên lượng khí nạp.
Khi ECU động cơ nhận diện từ tín hiệu cảm biến oxy rằng tỷ lệ không khí-nhiên liệu đang đậm hơn so với tỷ lệ lý thuyết, nó sẽ giảm thời gian phun nhiên liệu để điều chỉnh tỷ lệ không khí-nhiên liệu trở nên nhạt hơn.
Nếu tỉ lệ hỗn hợp được xác định là nhạt, thời gian phun sẽ kéo dài, dẫn đến hỗn hợp trung bình đạt tỷ lệ theo lý thuyết.
Hình 2.6 Hiệu chỉnh phun khi động cơ đang hoạt động
Khi xe tăng tốc, tỉ lệ khí-nhiên liệu trở nên nhạt, đặc biệt là trong giai đoạn bắt đầu tăng tốc Điều này xảy ra do độ trễ trong việc cung cấp nhiên liệu, thường gặp khi có sự thay đổi nhanh chóng trong lượng khí nạp khi đạp bàn đạp ga.
Để tránh hỗn hợp khí-nhiên liệu trở nên quá nhạt, thời gian phun nhiên liệu được kéo dài, giúp tăng khối lượng nhiên liệu đưa vào khí nạp Tốc độ tăng tốc được xác định dựa trên sự thay đổi góc mở bướm ga.
Việc hiệu chỉnh trong lúc tăng tốc tăng lên mạnh khi bắt đầu tăng tốc và sau đó giảm dần cho đến khi việc tăng tốc kết thúc
Hình 2.7 Hiệu chỉnh phun khi đang tăng tốc
Trong quá trình giảm tốc, hoạt động phun nhiên liệu sẽ bị ngưng lại để giảm thiểu khí xả độc hại và tăng hiệu ứng hãm của động cơ Việc cắt nhiên liệu được điều khiển để dừng phun, và trạng thái giảm tốc được xác định dựa trên tín hiệu từ phanh và tốc độ của động cơ.
Việc điều khiển cắt nhiên liệu sẽ ngưng phun nhiên liệu khi tốc độ động cơ vượt quá mức xác định, và phun nhiên liệu sẽ được khôi phục khi tốc độ động cơ giảm xuống mức này.
2.3.6 Khi xe tăng công suất
Khi xe phải chịu tải trọng lớn, như khi leo dốc, lượng khí nạp vào động cơ tăng lên, gây khó khăn trong việc trộn đều nhiên liệu với không khí Điều này dẫn đến việc không toàn bộ không khí được sử dụng trong quá trình cháy, tạo ra khí thải dư thừa Để tăng cường công suất, lượng nhiên liệu phun vào thường vượt quá tỷ lệ lý thuyết nhằm tận dụng tối đa không khí nạp Các tải trọng lớn được xác định thông qua độ mở của cảm biến vị trí bướm ga, tốc độ động cơ và lượng không khí nạp vào (VG).
Khối lượng không khí nạp càng lớn hoặc tốc của động cơ càng lớn tỷ lệ của lượng tăng này càng lớn
2.4 Hệ thống cung cấp nhiên liệu
2.4.1 Mô tả về hệ thống cung cấp nhiên liệu
Hệ thống cung cấp nhiên liệu đảm nhiệm các chức năng là:
Hút xăng từ thùng chứa để bơm đến các béc phun, tạo ra áp suất cần thiết cho quá trình phun xăng Đồng thời, duy trì áp suất nhiên liệu ổn định trong ống chia béc phun.
Hệ thống nạp khí
2.5.1 Khái quát hệ thống nạp khí
Không khí từ lọc gió đi vào cổ họng gió và khoang nạp khí, với lượng khí được điều chỉnh qua độ mở của bướm ga Góc mở này được điều khiển bởi mô-tơ thông qua tín hiệu điện tử từ ECU của động cơ Từ khoang nạp khí, không khí được phân phối đến các đường ống nạp và sau đó được hút vào từng xylanh.
Bầu lọc khí có tác dụng lọc sạch không khí trước khi đưa vào cổ họng gió và đi vào đường ống nạp
Cổ họng gió là một bộ phận quan trọng trong động cơ, bao gồm bướm ga để điều chỉnh lượng không khí nạp, đường khí phụ cho phép không khí vào khi động cơ chạy không tải, và cảm biến vị trí bướm ga để xác định góc mở Một số loại cổ họng gió còn được trang bị bộ đệm chân ga giúp bướm ga đóng lại từ từ hoặc van khí phụ loại sáp, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định cho động cơ.
Hình 2.15 Cổ họng gió 1: Cảm biến không tải; 2: Cảm biến vị trí bướm ga
Lượng khí vào động cơ phụ thuộc vào độ mở của bướm ga; khi bướm ga mở rộng, khí vào động cơ tăng lên, ngược lại, khi bướm ga mở hẹp, lượng khí vào sẽ giảm.
Hình 2.16 Hình ảnh cụm bướm ga
Hệ thống điều khiển điện tử
Hệ thống điều khiển điện tử cơ bản được chia thành 3 bộ phận chính:
Các cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi các hoạt động khác nhau của động cơ, từ đó phát tín hiệu gửi đến ECU, hay còn gọi là nhóm tín hiệu vào.
ECU: Có nhiệm vụ xử lý và tính toán các thông số đầu vào và từ đó phát ra các tín hiệu điều khiển đầu ra
Các cơ cấu chấp hành: Trực tiếp điều khiển lượng phun thông qua các tín hiệu điều khiển nhận được từ ECU
1- Cảm biến lưu lượng khí nạp
2-Cảm biến nhiệt độ khí nạp
3- Cảm biến vị trí bướm ga
5-Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
6- Cảm biến vị trí trục cam
7- Cảm biến vị trí trục khuỷu
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ TRÊN ĐỘNG CƠ 2AZ-FE TOYOTA CAMRY 2.5Q 2018
Giới thiệu động cơ lắp trên xe Toyota Camry 2.5Q
Động cơ Toyota Camry 2.5Q sử dụng loại động cơ xăng 4 kỳ 2AZ-FE, với 4 xylanh thẳng hàng và dung tích 2494cc Động cơ này trang bị 16 van trên hai trục cam, cùng hệ thống phân phối khí thông minh VVT-i và ACIS Hệ thống điều khiển điện từ và hệ thống đánh lửa không sử dụng bộ chia điện, mang lại hiệu suất tối ưu cho xe.
Các cảm biến và đặc tính
3.2.1 Cảm biến lưu lượng không khí
Cảm biến lưu lượng khí nạp có thiết kế gọn nhẹ và bền bỉ, với sức cản không khí tối thiểu Thiết bị này sử dụng dây sấy để đo trực tiếp khối lượng không khí, đảm bảo hiệu suất hoạt động tốt.
Hình 3.1 Cảm biến lưu lượng khí nạp dạng dây sấy
1: Nhiệt điện trở; 2: Cảm biến nhiệt độ khí nạp; 3: Phần tử đốt nóng dây
Dòng điện chạy qua dây sấy làm nóng dây, và khi không khí đi qua, dây sẽ được làm mát tương ứng với khối lượng không khí nạp vào Bằng cách điều chỉnh dòng điện, nhiệt độ của dây sấy được giữ ổn định, từ đó dòng điện tỷ lệ thuận với khối không khí nạp, cho phép đo lường lượng khí nạp qua việc đo dòng điện Dòng điện này được chuyển đổi thành điện áp và truyền đến ECU động cơ từ cực VG, giúp đo khối lượng khí nạp một cách chính xác Hệ thống duy trì nhiệt độ dây sấy cao hơn nhiệt độ khí nạp nhờ vào một nhiệt trở.
Dây sấy được kết nối vào mạch cầu, nơi mà điện thế tại các điểm A và B bằng nhau khi điện trở theo đường chéo cũng bằng nhau Khi dây sấy 𝑅 ℎ được làm mát bằng không khí, điện trở tăng lên, tạo ra độ chênh lệch điện thế giữa các điểm A và B Bộ khuyếch đại xử lý (1) phát hiện chênh lệch này và tăng điện áp trong mạch, dẫn đến việc tăng dòng điện qua dây sấy 𝑅 ℎ Nhiệt độ của dây sấy tăng lên, làm điện trở tăng theo, cho đến khi điện thế tại các điểm A và B cao hơn Cảm biến lưu lượng phát hiện điện áp tại điểm B.
Hình 3.2 Mạch cảm biến lưu lượng khí nạp dùng dây sấy
3.2.2 Cảm biến nhiệt độ không khí nạp ( air – temperature sensor )
Nhiệt độ không khí ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ trọng không khí, với nhiệt độ cao làm giảm tỷ trọng và nhiệt độ thấp làm tăng tỷ trọng Trong điều kiện thời tiết se lạnh, piston động cơ sẽ hút được nhiều không khí hơn so với khi trời nóng, dẫn đến khối lượng khí nạp vào xylanh phụ thuộc vào nhiệt độ không khí Bộ cảm biến nhiệt độ không khí nạp có vai trò quan trọng trong việc cung cấp thông tin cho ECU, giúp điều chỉnh lượng xăng phun ra để đạt được tỷ lệ khí hỗn hợp tối ưu Khi nhiệt độ khí nạp vượt quá 20 độ, ECU sẽ giảm lượng xăng phun ra, và ngược lại Bộ cảm biến này thường được lắp đặt trong thiết bị đo gió kiểu cánh van hoặc trong bầu lọc không khí của hệ thống nạp trang bị MAP.
Hình 3.3 Cảm biến nhiệt độ khí nạp
Hình 3.4 Mạch điện cảm biến đo nhiệt độ khí nạp 1: Khối cảm biến; 2: Điện trở nhiệt; 3: ECU; 4: Điện trở giới hạn dòng
Cảm biến nhiệt độ khí nạp hoạt động dựa trên một nhiệt điện trở nối tiếp với điện trở trong ECU động cơ, giúp thay đổi điện áp tín hiệu theo nhiệt độ khí nạp Khi nhiệt độ khí nạp thấp, điện trở của nhiệt điện trở tăng, dẫn đến tín hiệu điện áp cao trong tín hiệu THA.
3.2.3 Cảm biến vị trí bướm ga
Cảm biến vị trí bướm ga, được lắp đặt trên thân bướm ga, có chức năng phát hiện sự thay đổi góc mở và đóng của bướm ga Thiết bị này chuyển đổi những thay đổi đó thành điện áp và gửi tín hiệu về ECU, giúp điều khiển chính xác góc mở của bướm ga.
Hình 3.5 Kết cấu cảm biến vị trí bướm ga
Cảm biến vị trí bướm ga được cấu thành từ các mạch IC Hall kết hợp với nam châm quay quanh, gắn trên trục bướm ga Khi bướm ga mở, nam châm quay theo góc mở, làm thay đổi vị trí và từ thông, từ đó các IC Hall phát hiện sự thay đổi này và tạo ra điện áp ra từ các cực VTA1 và VTA2 Tín hiệu này được truyền đến ECU động cơ như tín hiệu mở bướm ga, giúp phát hiện chính xác độ mở bướm ga và cung cấp tín hiệu điện tuyến tính với góc mở Tín hiệu VTA1 được sử dụng để xác định góc mở, trong khi VTA2 giúp phát hiện hư hỏng trong hệ thống.
3.2.4 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát hoạt động dựa vào một nhiệt điện trở bên trong, giúp điều chỉnh lượng phun nhiên liệu Khi nhiệt độ thấp, điện trở của cảm biến tăng, dẫn đến tín hiệu điện áp cao được gửi tới ECU, yêu cầu tăng lượng phun để tạo ra hỗn hợp đậm hơn Ngược lại, khi nhiệt độ cao, tín hiệu điện áp thấp được gửi tới ECU để giảm lượng phun, tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Hình 3.6 Mạch của cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Hình 3.7 Kết cấu cảm biến nhiệt độ nước làm mát 1: Giắc cắm; 2: Chất cách điện; 3: Thân cảm biến; 4: Nhiệt điện trở
3.2.5 Cảm biến vị trí chân ga
Cảm biến vị trí chân ga sử dụng phần tử Hall và được lắp trên cơ cấu quay quanh trục của bàn đạp ga Cấu trúc của cảm biến bao gồm các mạch IC Hall và nam châm quay quanh chúng Khi người lái đạp chân ga, nam châm sẽ quay cùng với trục bàn đạp, dẫn đến sự thay đổi vị trí của chúng Các IC Hall sẽ phát hiện sự thay đổi từ thông và tạo ra điện áp từ các cực VPA và VPA2 Tín hiệu này được truyền đến ECU động cơ như tín hiệu đạp chân ga Để đảm bảo độ tin cậy, cảm biến phát ra hai tín hiệu từ hai hệ thống khác nhau: tín hiệu VPA chỉ ra góc mở thực tế của bàn đạp và tín hiệu VPA2 dùng để phát hiện hư hỏng của cảm biến.
Hình 3.8 Mạch cảm biến vị trí chân ga 3.2.6 Cảm biến tỷ lệ không khí-nhiên liệu (A/F)
Cảm biến tỷ lệ không khí-nhiên liệu dạng tấm bao gồm các thành phần chính như nhôm, khe hở không khí, bộ sấy, phần tử Zirconia, điện cực Platinum, tấm nhôm và tấm giãn nở Những bộ phận này phối hợp với nhau để đảm bảo hiệu suất tối ưu trong việc đo lường tỷ lệ không khí và nhiên liệu.
Cảm biến tỷ lệ không khí-nhiên liệu có cấu trúc tương tự như cảm biến oxy, với chức năng chính là phát hiện nồng độ oxy trong khí xả Cảm biến này được lắp đặt để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu của động cơ.
Điện áp không thay đổi giúp nhận diện một điện áp tỷ lệ thuận với nồng độ oxy, từ đó cải thiện độ chính xác trong việc phát hiện tỷ lệ không khí-nhiên liệu.
Cảm biến tỷ lệ không khí-nhiên liệu, tương tự như cảm biến oxy, được trang bị bộ sấy nhằm duy trì hiệu suất phát hiện ở nhiệt độ khí xả thấp Đặc biệt, bộ sấy của cảm biến này có công suất điện cao hơn so với bộ sấy trong cảm biến oxy.
Hình 3.10 Mạch cảm biến tỷ lệ không khí-nhiên liệu
3.2.7 Cảm biến vị trí trục khuỷu (bộ tạo tín hiệu NE)
Hình 3.11 Cảm biến vị trí trục khuỷu 1: Cuộn dây; 2: Thân cảm biến; 3: Lớp cách điện; 4: Giắc cắm
Tín hiệu NE là thông tin quan trọng mà ECU động cơ sử dụng để xác định góc quay của trục khuỷu và tốc độ động cơ ECU dựa vào tín hiệu NE cùng với tín hiệu G để tính toán thời gian phun nhiên liệu cơ bản và góc đánh lửa sớm Tín hiệu NE được tạo ra từ khe hở không khí giữa cảm biến và các răng trên chu vi của roto tín hiệu NE, được lắp đặt trên trục khuỷu.
Hình 3.12 Mạch của cảm biến vị trí trục khuỷu
1: Roto tín hiệu; 2: Dây cảm biến 3.2.8 Cảm biến vị trí trục cam (G2)
Hình 3.13 Kết cấu của cảm biến vị trí trục cam
1: Cuộn dây; 2: Thân cảm biến; 3: Lớp cách điện; 4: Giắc cắm Đĩa tín hiệu G được đặt đối diện với cảm biến vị trí trục cam là đĩa Khi trục cam quay, khe hở không khí giữa các vấu nhỏ trên trục cam và cảm biến sẽ thay đổi Sự thay đổi này khiến khe hở tạo ra 1 điệp áp trong cuộn nhận tín hiệu gắn trên cảm biến, sinh ra tín hiệu G được gửi về ECU như 1 tín hiệu về góc chuẩn của trục khuỷu, kết hợp với tín hiệu NE từ cảm biến vị trí trục khuỷu để xác định TDC (điểm chết trên) của kỳ nén xylanh để đánh lửa ECU dùng tín hiệu này cùng với tín hiệu NE để xác định thời gian phun và thời điểm đánh lửa
Hình 3.14 Mạch của cảm biến vị trí trục cam
1: Roto tín hiệu; 2: Cuộn dây cảm biến
Bộ điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit)
Hình 3.15 ECU (Electronic Control Unit)
Bộ điều khiển điện tử (ECU) thực hiện nhiều chức năng khác nhau tùy thuộc vào loại của nhà chế tạo, bao gồm vi mạch tổng hợp và các bộ phận phụ để nhận biết tín hiệu, lưu trữ thông tin, tính toán và quyết định chức năng hoạt động Các bộ phận hỗ trợ như bộ ổn áp và điện trở hạn chế dòng cũng rất quan trọng Do đó, ECU có nhiều tên gọi khác nhau tùy theo từng nhà sản xuất.
3.3.1 Chức năng hoạt động cơ bản
Bộ điều khiển ECU sử dụng tín hiệu số nhị phân với điện áp cao đại diện cho số 1 và điện áp thấp đại diện cho số 0, tạo thành hệ thống nhị phân với hai ký hiệu 0 và 1.
Mỗi số hạng 0 hoặc 1 được gọi là 1 bít, và một dãy 8 bít tương đương với 1 byte hoặc một từ (word) Byte này dùng để biểu diễn lệnh hoặc thông tin Một mạch tổ hợp (IC) có khả năng tạo và lưu trữ byte, với dung lượng tối đa khoảng 64 kilobyte hoặc 256 kilobyte.
Mạch tổ hợp IC còn gọi là con chíp IC, vì hình dạng của nó
Bộ vi xử lý (microprocessor) là một loại IC có khả năng tính toán và đưa ra quyết định Các bộ vi xử lý có thể có độ rộng 8 bit, 16 bit hoặc cao hơn, với số bit càng lớn thì tốc độ tính toán càng nhanh.
Thông tin gửi đến bộ vi xử lý từ một con IC thường được gọi là bộ nhớ Trong bộ nhớ chia ra làm nhiều loại:
ROM (bộ nhớ chỉ đọc) là loại bộ nhớ dùng để lưu trữ thông tin lâu dài, cho phép truy xuất dữ liệu nhưng không thể ghi mới Thông tin trong ROM đã được cài đặt sẵn và cung cấp dữ liệu cần thiết cho bộ vi xử lý hoạt động hiệu quả.
PROM (programable Read Only Memory): cơ bản giống ROM ngoài ra trang bị thêm nhiều công dụng khác
RAM (Random Access Memory): bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên trữ thông tin Bộ vi xử lý có thể nhập bội duy nhỏ cho RAM
Loại RAM xoá được: bộ nhớ mất khi mất nguồn
RAM không xoá được giữ cho bộ nhớ được duy trì ngay cả khi nguồn điện bị ngắt Bên cạnh bộ nhớ, bộ vi xử lý ECU còn được trang bị một đồng hồ để tạo ra xung ổn định và chính xác.
Ngoài bộ nhớ, vi xử lý và đồng hồ, ECU còn trang bị thêm các mạch giao tiếp giữa đầu vào và đầu ra gồm:
Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành số còn gọi là bộ chuyển đổi A/D (Anlog to Digital)
Bộ nhớ trung gian (Buffer)
Bộ ổn áp a) Bộ chuyển đổi A/D (Anlog to digital converter)
Chuyển đổi tín hiệu tương tự từ các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, cảm biến lưu lượng và cảm biến vị trí bướm ga thành tín hiệu số giúp bộ vi xử lý dễ dàng hiểu và xử lý thông tin Đồng thời, việc sử dụng một điện trở hạn chế dòng cũng hỗ trợ bộ chuyển đổi A/D trong việc đo điện áp rơi trên cảm biến, đảm bảo độ chính xác trong quá trình chuyển đổi.
Hình 3.16 Sơ đồ mạch chuyển đổi A/D b) Bộ đếm (counter)
Dùng để đếm xung Ví dụ như từ cảm biến vị trí trục khuỷu rồi gửi lượng đếm về bộ xử lý
Hình 3.17 Sơ đồ mạch điện bộ đếm c) Bộ nhớ trung gian (Buffer)
Chuyển đổi tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu sóng vuông dạng số không thực hiện việc gửi lượng đếm như trong bộ đếm Thiết bị chính sử dụng trong quá trình này là transistor, hoạt động bằng cách đóng mở theo cực tính của tín hiệu xoay chiều.
Hình 3.18 Sơ đồ bộ nhớ trung gian d) Bộ khuếch đại (Amplifier)
Dùng để khuyếch đại tín hiệu từ các cảm biến gửi đến rồi sau đó gửi đến bộ xử lý để tính toán
Hình 3.19 Sơ đồ mạch bộ khuyếch đại e) Bộ ổn áp (voltage regulator)
Hạ điện áp xuống 5volt mục đích để tín hiệu báo được chính xác
Hình 3.20 Bộ ổn áp f) Giao tiếp ngõ ra
Tín hiệu điều khiển từ bộ vi xử lý được truyền đến các transistor công suất, từ đó điều khiển rơle, solenoid và mô tơ Các transistor này có thể được lắp đặt bên trong hoặc bên ngoài ECU.
Hình 3.21 Giao tiếp ngõ ra
ECU có hai chức năng chính: điều khiển thời điểm phun nhiên liệu, được xác định theo thời điểm đánh lửa, và điều khiển lượng xăng phun, tức là xác định thời điểm và thời gian phun.
Tín hiệu phun cơ bản: được xác định theo tín hiệu tốc độ động cơ và tín hiệu lượng gió nạp
Tín hiệu hiệu chỉnh được xác định từ các cảm biến, bao gồm cảm biến nhiệt độ, vị trí, mức độ tải, thành phần khí thải và các điều kiện động cơ như điện áp bình.
3.3.3 Các bộ phận của ECU
ECU được đặt trong vỏ kim loại để tránh nước văng Nó được đặt ở nơi ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ
Các linh kiện điện tử của ECU được bố trí trong một mạch kín, với các linh kiện công suất của tầng cuối gắn liền với khung kim loại để tối ưu hóa khả năng tản nhiệt Việc sử dụng IC và linh kiện tổ hợp giúp ECU trở nên gọn nhẹ, đồng thời nâng cao độ tin cậy nhờ sự tích hợp các nhóm chức năng như bộ tạo xung, bộ chia xung và bộ dao động đa hài ECU kết nối với hệ thống điện trên xe thông qua một đầu ghim đa chấu, liên kết với kim phun và các cảm biến.
3.3.4 Các thông số hoạt động của ECU a) Các thông số chín
Tốc độ động cơ và lượng gió nạp là hai thông số quan trọng, phản ánh trực tiếp tình trạng tải của động cơ Khi điều kiện hoạt động của động cơ thay đổi, tỷ lệ hòa khí cần phải được điều chỉnh phù hợp Chúng ta sẽ xem xét các điều kiện hoạt động này để hiểu rõ hơn về sự thích nghi của động cơ.
ECU sẽ tính toán và xử lý các tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ động cơ để thích ứng với tải trong quá trình khởi động và làm ấm Khi có sự thay đổi tải, cảm biến vị trí bướm ga sẽ gửi tín hiệu đến ECU, cho biết mức tải không tải, một phần tải hoặc toàn tải Để đảm bảo chế độ vận hành tối ưu, ECU cần xem xét thêm các yếu tố ảnh hưởng khác.
Trạng thái chuyển tiếp khi gia tốc
Sự giới hạn tốc độ tối đa
Các yếu tố này được xác định từ các cảm biến đã nêu, ảnh hưởng đến tín hiệu điều khiển và tác động đến kim phun một cách tương ứng.
ECU sẽ tính toán các thông số thay đổi cùng với nhau, mục đích cung cấp cho động cơ một lượng xăng cần thiết theo từng thời điểm
3.3.5 Xử lý thông tin và tạo xung phun