Hệ thống điều khiển và các cảm biến trong hệ thống nhiên liệu disel điện tử

trí bướm ga 2 VTA 1 STA E2 E2 VRT Điện trở VRT THA VC E2 Điện trở VRP PIM VRP Cảm biến nhiệt độ khí nạp THA VTA TCV Van TCV THW Relay chính THW IDL SPV Van SPV Cảm biến nhiệt độ nước Relay_SPV THF THF VRP VRT Cảm biến nhiệt độ dầu diesel NE- TE2 TE1 1 2 NE+ VF TACH Đồng hồ táp lô SPD Cảm biến tốc độ động cơ TDC- GIND E1 W 1 2 TDC+ Cảm biến vị trí trục khuỷu SPV NE+ NE- +B1 S_REL TDC+ TDC- VF Giắc chẩn đoán TE2 Relay SPV TE1 +B1 Van EGR EGR VSV2 Van VSV1 VSV1 VSV1 Van VSV2 VSV2 E02 SPV EGR +IG 15A E01 TCV E2 BATT E1 E01 E02 M_REL Hộp ECU Relay chính Hình 52 :Sơ đồ mạch điều khiển Động cơ ECU 1KZ- TE +IG 40A Đồng hồ táp lô HT xông +IG 30A IGS/W STA BATT +B S_REL STA IGSW 3 VC MAP 2 PIM M_REL Sensor 1 +IG 80A W G_REL G_REL 4 Cảm biến 3 IDL Relay HT xông vị trí bướm ga 2 VTA 1 E2 E2 PIM VTA E2 THA VC VRT Điện trở VRT THA THW IDL VRP Điện trở VRP Cảm biến nhiệt độ khí nạp THF TCV Van TCV THW Relay chính VRP VRT SPV Van SPV Cảm biến nhiệt độ nước Relay_SPV TE2 TE1 THF VF Cảm biến nhiệt độ dầu diesel NE- 1 2 NE+ TACH Đồng hồ táp lô SPD Cảm biến tốc độ động cơ TDC- GIND W 1 2 TDC+ Cảm biến vị trí trục khuỷu SPV NE+ NE- TDC+ TDC- +B1 S_REL VF Giắc chẩn đoán TE2 Relay SPV TE1 +B1 Van EGR EGR VSV2 EGR Van VSV1 VSV1 VSV1 SPV E1 Van VSV2 VSV2 E02 +IG 15A TCV E01 E2 E01 E02 BATT E1 M_REL Hộp ECU Relay chính Hình 53 :Sơ đồ mạch điều khiển Động cơ ECU Toyota 2L TE89661 2. CÁC CẢM BIẾN Hình 53 : Sơ đồ khối các cảm biến 2.1. Vị trí các cảm biến Hình 54 : Vị trí các cảm biến trong hệ thống nhiên liệu EFI- Diesel với bơm cao áp 1. Cảm biến tốc độ 5. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 2. Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu 6. Cảm biến áp suất tuabin 3. Cảm biến vị trí bàn đạp ga 7. Cảm biến vị trí trục khuỷu 4. Cảm biến nhiệt độ khí nạp Hình 55 : Vị trí các cảm biến trong hệ thống nhiên liệu EFI- Diesel ống phân phối 1. Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu 6. Cảm biến vị trí trục cam 2. Cảm biến áp suất nhiên liệu 7. Cảm biến nhiệt độ nước 3. Cảm biến lưu lượng khơng khí nạp 8. Cảm biến áp suất tuabin 4. Cảm biến vị trí bàn đạp ga 9. Cảm biến vị trí trục khuỷu 5. Cảm biến nhiệt độ khí nạp 2.2. Cấu tạo và hoạt động của các cảm biến 2.2.1. Cảm biến bàn đạp ga Hình 56 : Cảm biến vị trí bàn đạp ga Cĩ hai kiểu cảm biến bàn đạp ga : - Cảm biến vị trí bàn đạp ga, nĩ tạo thành một cụm cùng với bàn đạp ga. Cảm biến này là loại cĩ một phần tử Hall, nĩ phát hiện gĩc mở của bàn bàn đạp ga. Một điện áp tương ứng với gĩc mở của bàn đạp ga cĩ thể phát hiện được tại cực tín hiện ra. - Cảm biến vị trí bướm ga, nĩ được đặt tại họng khuyếch tán và là loại sử dụng một biến trở. Hình 57 : Cảm biến vị trí bướm ga 2.2.2. Cảm biến tốc độ động cơ. Hình 58 : Cảm biến tốc độ động cơ Cảm biến tốc độ động cơ được lắp trong bơm cao áp. Nĩ gồm cĩ một rơto được lắp ép lên một trục dẫn động, và 0 một cảm biến( là 1 cuộn dây). Điện trở của cuộn dây ở 20 C là 205 – 255  . Các tín hiệu điện được tạo ra trong cảm biến (cuộn dây) phù hợp với sự quay của rơto. Hình 59 : Quan hệ giữa sự quay của rơto và dạng sĩng sinh ra - ECU sẽ đếm số lượng xung để phát hiện ra tốc độ động cơ. - Rơto tạo nửa vịng quay đối với mỗi vịng quay của động cơ. - ECU sẽ phát hiện gĩc tham khảo này từ phần răng sĩng bị mất, mà răng này được bố trí trên chu vi của rơto. 2.2.3. Cảm biến vị trí trục khuỷu. Hình 60 : Cảm biến vị trí trục khuỷu Cảm biến vị trí trục khuỷu được lắp lên thân máy. Nĩ phát hiện vị trí tham khảo của gĩc trục khuỷu dưới dạng tín hiệu TDC. Cảm biến vị trí trục khuỷu kiểu ống phân phối tạo ra các tín hiệu tốc độ động cơ (NE). Nĩ phát hiện gĩc trục khuỷu trên cơ sở các tín hiệu NE đĩ. Hoạt động : Một xung được tạo ra khi phần nhơ ra lắp trên trục khuỷu đi đến gần cảm biến do sự quay của trục khuỷu. Một xung được tạo ra đối với mỗi vịng quay của trục khuỷu và nĩ được phát hiện dưới dạng một tín hiệu vị trí tham khảo của gĩc trục khuỷu. 2.2.4. Cảm biến vị trí trục cam. Hình 61: Cảm biến vị trí trục cam Cảm biến vị trí trục cam sử dụng trên một số động cơ thay cho vị trí tham khảo gĩc quay của trục khuỷu được phát hiện dưới dạng một tín hiệu G. Cảm biến vị trí trục cam sử dụng một phần từ Hall. Trigơ định giờ trên bánh răng phối khí sẽ phát hiện vị trí của trục cam bằng việc phát ra một tín hiệu đối với hai vịng quay của trục khuỷu. 2.2.5. Cảm biến áp suất tuabin. Cảm biến áp suất tăng áp tua-bin được nối với đường ống nạp qua một ống mềm dẫn khơng khí và một VSV, và phát hiện áp suất đường ống nạp (lượng khơng khí nạp vào). Hình 62 : Cảm biến áp suất tuabin 2.2.6. Cảm biến nhiệt độ. Hình 63 : Cảm biến nhiệt độ Cĩ 3 kiểu cảm biến nhiệt độ được sử dụng để điều khiển EFI- Diesel: - Cảm biến nhiệt độ nước được lắp trên thân máy để phát hiện nhiệt độ của nước làm mát động cơ. - Cảm biến nhiệt độ khí nạp được lắp lên ống nạp của động cơ để phát hiện nhiệt độ của khơng khí nạp vào. - Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu được lắp lên bơm và phát hiện nhiệt độ của nhiên liệu. Hình 64 : Cấu tạo và đặc tính của cảm biến nhiệt độ Mỗi kiểu cảm biến nhiệt độ đều cĩ một nhiệt điện trở lắp bên trong, giá trị điện trở của nĩ thay đổi theo nhiệt độ và đặc tính của nĩ được mơ tả trong biểu đồ. 2.2.7. Cảm biến áp suất nhiên liệu. Cảm biến áp suất nhiên liệu sử dụng trong điezen kiểu ống phân phối phát hiện áp suất của nhiên liệu trong ống phân phối. Trên cơ sở các tín hiệu từ cảm biến áp suất nhiên liệu, ECU sẽ điều khiển SCV (van điều khiển hút) để tạo ra áp suất quy định phù hợp với các điều kiện lái xe. Hình 65 : Cảm biến áp suất nhiên liệu 2.2.8. Cảm biến lưu lượng khí nạp. Hình 66 : Cảm biến lưu lượng khí nạp Một cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dây sấy được sử dụng trong diezen EFI kiểu ống phân phối để phát hiện lượng khơng khí nạp vào. 3. BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM ECU( Electric Control Unit ) 3.1. Khái quát về ECU Hình 67 : Khái quát ECU Về mặt điều khiển điện tử, vai trị của ECU là xác định lượng phun nhiên liệu, định thời điểm phun nhiên liệu và lượng khơng khí nạp vào phù hợp với các điều kiện lái xe, dựa trên các tín hiện nhận được từ các cảm biến và cơng tắc khác nhau. Ngồi ra, ECU chuyển các tín hiệu để vận hành các bộ chấp hành. Đối với hệ thống EFI-diesel thơng thường và hệ thống EFI-diesel ống phân phối. 3.1.1. Đối với hệ thống EFI – Diesel thơng thường Hình 68 : Khi động cơ chưa làm việc Hình 69 : ECU tiếp nhận các tín hiệu gửi từ các cảm biến và xử lý để điều khển lượng phun Hình 70 : ECU tiếp nhận các tín hiệu gửi từ các cảm biến và xử lý để điều khiển thời điểm phun 3.1.2. Đối với hệ thống EFI – Diesel ống phân phối Hình 71: Khi động cơ chưa làm việc Hình 72: ECU tiếp nhận các tín hiệu gửi từ các cảm biến và xử lý để điều khển lượng phun Hình 73 : ECU tiếp nhận các tín hiệu gửi từ các cảm biến và xử lý để điều khiển thời điểm phun 3.2. Xác định lượng phun. ECU thực hiện ba chức năng để xác định lượng phun : - Tính tốn lượng phun cơ bản. - Tính tốn lượng phun tối đa. - Điều chỉnh lượng phun. - So sánh lượng phun cơ bản và lượng phun tối đa. 3.2.1. Tính tốn lượng phun cơ bản. Việc tính tốn lượng phun cơ bản được thực hiện trên cơ sở các tín hiệu tốc độ động cơ và lực bàn đạp tác động lên bàn đạp ga Hình 74 : ECU tính tốn lượng phun cơ bản 3.2.2. Tính tốn lượng phun tối đa. Hình 75 : ECU tính tốn lượng phun tối đa Việc tính tốn lượng phun tối đa được thực hiện trên cơ sở các tín hiệu từ cảm biến tốc độ động cơ ( Cảm biến NE ), cảm biến nhiệt độ nước, cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến nhiệt độ nhiên liệu và áp suất tua-bin. Đối với EFI- diesel kiểu ống phân phối, các tín hiệu từ cảm biến áp suất nhiên liệu cũng được sử dụng. ECU so sánh lượng phun cơ bản đã tính tốn và lượng phun tối đa và xác định lượng nhỏ hơn làm lượng phun. 3.2.3 Điều chỉnh lượng phun. Hình 76: ECU điều chỉnh áp suất và nhiệt độ khí nạp Điều chỉnh áp suất khơng khí nạp vào: Lượng phun được điều chỉnh phù hợp với áp suất khơng khí nạp vào (lưu lượng). Điều chỉnh nhiệt độ khơng khí nạp vào Tỉ trọng của khơng khí nạp vào (lượng khơng khí) thay đổi phù hợp với nhiệt độ khơng khí nạp vào. (Nhiệt độ khơng khí nạp vào thấp → điều chỉnh tăng lượng phun) Điều chỉnh nhiệt độ nhiên liệu: Nhiệt độ nhiên liệu cao → điều chỉnh tăng lượng phun Điều chỉnh động cơ lạnh: Nhiệt độ nước làm mát thấp → điều chỉnh tăng lượng phun Điều chỉnh áp suất nhiên liệu: Trong diezen kiểu ống phân phối những thay đổi áp suất nhiên liệu trong ống phân phối được phát hiện trên cơ sở các tín hiệu từ cảm biến áp suất nhiên liệu. Nếu áp suất nhiên liệu thấp hơn áp suất dự định thì thời gian mở vịi phun sẽ được kéo dài. Hình 77: ECU hiệu chỉnh nhiệt độ nhiên liệu 3.2.4. So sánh lượng phun cơ bản và lượng phun tối đa. Hình 78 : ECU so sánh lượng phun cơ bản và lượng phun tối đa So sánh lượng phun cơ bản và lượng phun tối đa : Sự khác biệt trong lượng phun thực tế của diezen EFI thơng thường được tạo ra do sự khơng ăn khớp cơ khí xảy ra đối với các bơm, sẽ được điều chỉnh. Xác định thời điểm phun. ECU thực hiện các chức năng sau để xác định thời điểm phun: Đối với EFI – Diesel thơng thường: - Xác định thời điểm phun mong muốn - Xác định thời điểm phun thực tế - So sánh thời điểm phun mong muốn và thời điểm phun thực tế Đối với EFI – Diesel ống phân phối: - So sánh thời điểm phun mong muốn và thời điểm phun thực tế 3.2.5. Xác định thời điểm phun mong muốn ( EFI – Diesel thơng thường ) Thời điểm phun mong muốn được xác định bằng cách tính thời điểm phun cơ bản thơng qua tốc độ động cơ và gĩc mở bàn đạp ga và bằng cách thêm giá trị điều chỉnh trên cơ sở nhiệt độ nước, áp suất khơng khí nạp và nhiệt độ khơng khí nạp vào. Hình 79 : ECU xác định thời điểm phun mong muốn Thời điểm phun mong muốn được xác định bằng cách tính thời điểm phun cơ bản thơng qua tốc độ động cơ và gĩc mở bàn đạp ga và bằng cách thêm giá trị điều chỉnh trên cơ sở nhiệt độ nước, áp suất khơng khí nạp và nhiệt độ khơng khí nạp vào. 3.2.6. Xác định thời điểm phun thực tế ( EFI – Diesel thơng thường ) Việc phát hiện thời điểm phun thực tế được thực hiện thơng qua tính tốn trên cơ sở các tín hiêụ tốc độ động cơ và vị trí trục khuỷu. Đối với việc điều khiển lượng phun, những sự khơng khớp suất hiện trong điều khiển thời điểm phun giữa các bơm sẽ được điều chỉnh thơng qua sử dụng một điện trở hiệu chỉnh hoặc một ROM hiệu chỉnh. Hình 80: ECU phát hiện thời điểm phun Đĩa cam và rơto (tạo ra tín hiệu NE của cảm biến tốc độ động cơ) quay cùng với nhau. Do đĩ, ECU cĩ thể phát hiện được thời điểm khi pittơng chuyển động và sự phun thực tế xảy ra do vị trí của tín hiệu NE. Về sự khơng khớp pha xảy ra giữa thời điểm phun thực tế và tín hiệu NE do những sai sĩt riêng của các bơm người ta sử dụng một điện trở điều chỉnh để hiệu chỉnh và nhận biết nĩ như một vị trí chuẩn. So sánh tín hiệu NE và tín hiệu TDC của biến cảm gĩc quay của trục khuỷu và tính tốn thời điểm phun liên quan đến gĩc của trục khuỷu động cơ cũng như thời điểm phun thực tế. 3.2.7. So sánh thời điểm phun mong muốn và thời điểm phun thực tế ( EFI – Diesel thơng thường ) Hình 81: ECU so sánh thời điểm phun ECU so sánh thời điểm phun mong muốn và thời điểm phun thực tế và chuyển các tín hiệu thời điểm phun sớm và thời điểm phun muộn tới van điều khiển thời điểm phun sao cho thời điểm phun thực tế và thời điểm phun mong muốn khớp với nhau. 3.2.8. So sánh thời điểm phun mong muốn và thời điểm phun thực tế ( EFI – Diesel ống phân phối ) Hình 82 : ECU so sánh thời điểm phun Như đối với EFI- diezen thơng thường, thời điểm phun phun cơ bản của EFI-diesel kiểu ống phân phối được xác định thơng qua tốc độ động cơ và gĩc mở bàn đạp ga và bằng cách thêm một giá trị điều chỉnh dựa trên cơ sở nhiệt độ nước và áp suất khơng khí nạp (lưu lượng). ECU sẽ gửi các tín hiệu phun tới EDU và làm sớm hoặc làm muộn thời điểm phun để điều chỉnh thời điểm bắt đầu phun. 3.3. Điều khiển lượng phun khi khởi động. Lượng phun khi khởi động được xác định bằng việc điều chỉnh lượng phun cơ bản phù hợp với các tín hiệu ON của máy khởi động (thời gian ON) và các tín hiệu của cảm biến nhiệt độ nước làm mát Khi động cơ nguội, nhiệt độ nước làm mát sẽ thấp hơn và lượng phun sẽ lớn hơn. Để xác định rằng thời điểm bắt đầu phun đã được điều chỉnh phù hợp với tín hiệu của máy khởi động, nhiệt độ nước và tốc độ động cơ. Khi nhiệt độ nước thấp, nếu tốc độ động cơ cao thì điều chỉnh thời điểm phun sẽ sớm lên. Hình 83: Điều chỉnh lượng phun 3.4. Điều khiển gián đoạn phun. 3.4.1. Phun ngắt quãng Hình 84 : ECU điều khiển phun ngắt quãng Một bơm pittơng hướng kích thực hiện việc phun ngắt quãng (phun hai lần) khi khởi động, động cơ ở nhiệt độ quá thấp (dưới -100) để cải thiện khả năng khởi động và giảm sự sinh ra khĩi đen và khĩi trắng 3.4.2. Phun trước ( phun mồi ) Hình 85 : ECU điều khiển phun trước EFI-diesel kiểu ống phân phối cĩ sử dụng phun trước. Trong hệ thống phun trước một lượng nhỏ nhiên liệu được phun đầu tiên trước khi việc phun chính được thực hiện. Khi việc phun chính bắt đầu thì lượng nhiên liệu được bắt lửa làm cho nhiên liệu của quá trình phun chính được đốt đều và êm. 3.5. Điều khiển tốc độ khơng tải Hình 86 : ECU điều khiển tốc độ khơng tải Dựa trên các tín hiệu từ các cảm biến, ECU tính tốc độ mong muốn phù hợp với tình trạng lái xe. Sau đĩ, ECU so sánh gía trị mong muốn với tín hiệu (tốc độ động cơ) từ cảm biến tốc độ động cơ và điều khiển bộ chấp hành (SPV/ vịi phun) để điều khiển lượng phun nhằm điều chỉnh tốc độ khơng tải. ECU thực hiện điều khiển chạy khơng tải (để cải thiện hoạt động làm ấm động cơ) trong quá trình chạy khơng tải nhanh khi động cơ lạnh, hoặc trong quá trình hoạt động của điều hồ nhiệt độ/ bộ gia nhiệt. Ngồi ra, để ngăn ngừa sự giao động tốc độ khơng tải sinh ra do sự giảm tải động cơ khi cơng tắc A/C được tắt, và lượng phun được tự động điều chỉnh trước khi tốc độ động cơ dao động 4. EDU EDU là một thiết bị phát điện cao áp. Được lắp giữa ECU và một bộ chấp hành, EDU khuếch đại điện áp của ắc quy và trên cơ sở các tín hiệu từ ECU sẽ kích hoạt SPV kiểu tác động trực tiếp trong EFI-diesel thơng thường, hoặc phun trong hệ thống kiểu EFI-diesel cĩ ống phân phối. Hình 87 : Tổng quan về EDU Hoạt động của EDU : - ECU → (Tín hiệu) → mạch điều khiển EDU - Mạch điều khiển EDU → (tín hiệu) → mạch tạo cao áp (khuếch đại) - Mạch tạo cao áp (khuếch đại) → (Điện áp cao) → SPV → EDU → Tiếp mát - SPV → (tín hiệu kiểm tra) → ECU Hình 88 : Hoạt động ECU A. Mạch tạo ra điện áp cao B. Mạch điều khiển