Đồ án tốt nghiệp Ngành Công nghệ kỹ thuật Ôtô MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ, ngành công nghệ ôtô đã không ngừng được cải tiến để đáp ứng những yêu cầu bức thiết về sử dụng ôtô trong giai đoạn hiện nay. Sự phát triển vượt bậc về thành tựu kỹ thuật mới trong công nghệ ôtô như: Điều khiển cơ - điện tử, kỹ thuật vi xử lý, . đã được áp dụng. Khả năng cải tiến, hoàn thiện và nâng cao chất lượng nhằm đáp ứng mục tiêu chủ yếu về tăng năng suất, vận tốc, tăng tính kinh tế. Việc kết hợp những kiến thức đã học để vận dụng vào kỹ năng thực hành đang là một vấn đề đáng quan tâm đối với phần lớn sinh viên hiện nay. Đặc biệt là tiếp cận với những kiến thức mới. Do vậy, việc thiết kế và lắp đặt mô hình thực tế sẽ đáp ứng được mục đích phục vụ công tác đào tạo của các ngành kỹ thuật nói chung và ngành CNKT ÔTÔ nói riêng. Sau 1,5 năm học tập và rèn luyện tại trường, cùng với sự đam mê nghiên cứu đến nay em đã được khoa giao cho đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và lắp đặt bảng táp lô hệ thống điện động cơ và xây dựng các bài tập thí nghiệm về các cảm biến trên mô hình động cơ 2AZ - FE xe TOYOTA Camry phục vụ công tác đào tạo ngành CNKT Ôtô”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Nhằm nâng cao kiến thức chuyên sâu về các cảm biến trên động cơ xăng - Bổ sung và hoàn thiện mô hình động cơ xăng 2AZ-FE phục vụ công tác đào tạo tại khoa Công nghệ kỹ thuật ô tô. 3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu 3.1. Phạm vị nghiên cứu Nghiên cứu trên mô hình động cơ 2AZ-FE, xe Toyota Camry tại phòng thí nghiệm động cơ ôtô, Trường Đại học Sao Đỏ. 3.2. Phương pháp nghiên cứu - Phân tích tổng hợp tài liệu. - Thực nghiệm, chế tạo và lắp đặt trên mô hình động cơ 2AZ-FE. 4. Kết cấu của đề tài Ngoài phần mở đầu và kết luận, đề tài gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về các cảm biến trên động cơ ôtô Chương 2: Thiết kế lắp đặt bảng táp lô trên mô hình động cơ 2AZ-FE Chương 3: Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ 2AZ – FE và xây dựng các bài tập thí nghiệm về các cảm biến trên mô hình động cơ 2AZ-FE trên xe Toyota Camry. 1 Đồ án tốt nghiệp Ngành Công nghệ kỹ thuật Ôtô CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC CẢM BIẾN TRÊN ĐỘNG CƠ ÔTÔ 1.1. Giới thiệu chung Ngày nay, cảm biến là linh kiện được sử dụng rất phổ biến trong phần lớn các thiết bị, từ đồ dùng gia đình cho đến các thiết bị tiên tiến. Đặc biệt trong đó có cả ngành công nghiệp ôtô. Vì vậy nghiên cứu về cảm biến và để ứng dụng nó một cách hiệu quả không chỉ trên lĩnh vực công nghệ ôtô mà còn hầu hết các thiết bị điện tử là vấn đề đang được quan tâm hiện nay. 1.1.1. Khái niệm Cảm biến là thiết bị chịu tác động của đại lượng cần đo không có tính chất điện ở đầu vào ký hiệu là m và cho ở đầu ra một đại lượng mang bản chất điện có thể đo được, ký hiệu là s. Đại lượng điện s là hàm của đại lượng cần đo m : s = F(m). Hiểu theo cách khác thì cảm biến là thiết bị dùng để biến đổi và các đại lượng không có tính chất điện đầu vào cần đo thành các đại lượng đầu ra có thể đo và xử lý được. 1.1.2. Phân loại Cảm biến được phân loại theo nhiều cách: 1.1.2.1. Theo nguyên lý chuyển đổi - Nguyên lý chuyển đổi vật lý : Nhiệt điện, quang điện, quang từ, điện từ, quang đàn hồi, nhiệt từ . - Nguyên lý chuyển đổi hóa học : Biến đổi hóa học, biến đổi điện hóa . - Nguyên lý chuyển đổi sinh học : Biến đổi sinh hoá, biến đổi vật lý. 1.1.2.2. Theo tín hiệu kích thích - Cảm biến quang điện - Cảm biến nhiệt điện - Cảm biến vị trí, khoảng cách - Cảm biến vận tốc - Cảm biến đo lường 1.1.2.3. Theo nguyên lý hoạt động - Cảm biến loại điện trở - Cảm biến loại điện từ - Cảm biến loại tĩnh điện - Cảm biến loại nhiệt điện - Cảm biến loại điện tử và ion - Cảm biến loại quang điện 1.1.2.4. Theo tính năng của cảm biến - Độ nhạy - Độ chính xác - Độ phân giải 2 Đồ án tốt nghiệp Ngành Công nghệ kỹ thuật Ôtô - Độ chọn lọc - Độ chính xác - Công suất tiêu thụ . 1.1.2.5. Theo phạm vi sử dụng - Khả năng quá tải - Tốc độ đáp ứng - Độ ổn định - Tuổi thọ - Kích thước, trọng lượng . 1.1.3. Chức năng của cảm biến trong hệ thống điều khiển động cơ ôtô Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển lập trình cho động cơ Các cảm biến đặt trên động cơ : cảm biến bướm ga, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến ôxy, cảm biến nhiệt độ khí nạp . đóng vai trò là thiết bị thu thập tất cả các tín hiệu đầu vào (INPUT) của động cơ. Sau đó các tín hiệu này được cung cấp đến ECU, ECU sẽ lưu giữ và xử lý các tín hiệu này để điều khiển cơ cấu chấp hành (ACTUATORS) làm việc, sao cho động cơ hoạt động một cách hiệu quả nhất. 3 Tốc độ động cơ Tải động cơ (MAP) Nhiệt độ nước làm mát Nhiệt độ khí nạp Nhiệt độ nhiên liệu Vị trí bướm ga Cảm biến ôxy Điện áp ắc quy Các cảm biến khác Kim phun nhiên liệu E C U Hệ thống chẩn đoán Hệ thống đánh lửa Điều khiển cầm chừng INPUT (SENSORS) OUTPUT (ACTUATORS) Đồ án tốt nghiệp Ngành Công nghệ kỹ thuật Ôtô 1.2. Cấu tạo, sơ đồ mạch điện của các cảm biến trên độ cơ ôtô 1.2.1. Cảm biến lưu lượng khí nạp Để xác định lượng khí nạp đi vào xylanh người ta sử dụng các loại cảm biến khác nhau như: cánh trượt, áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp, dạng xoáy lốc, dây nhiệt .Hiện nay trên ôtô được dùng nhiều hai loại sau: 1.2.1.1. Cảm biến đo gió kiểu cánh trượt  Cấu tạo Đây là một trong những cảm biến quan trọng nhất. Tín hiệu thể tích gió được sử dụng để tính toán lượng xăng phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản. Bộ đo gió kiểu cánh trượt bao gồm cánh đo gió được giữ bằng một lò xo hoàn lực, cánh giảm chấn, buồng giảm chấn, cảm biến không khí nạp, vít điều chỉnh cầm chừng, mạch rẽ phụ, điện áp kế kiểu trượt được gắn đồng trục với cánh đo gió và một công tắc bơm xăng. 1. Cánh đo gió 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 chấn  Nguyên lý hoạt động Lượng gió vào động cơ nhiều hay ít tùy thuộc vào vị trí cánh bướm ga và tốc độ động cơ. Khi gió nạp đi qua bộ đo gió từ lọc gió nó sẽ mở dần cánh đo. Khi lực tác động lên cách 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 gió thành tín hiệu điện áp nhờ điện áp kế. 4 Hình 1.2: Bộ đo gió kiểu cánh trượt. Đồ án tốt nghiệp Ngành Công nghệ kỹ thuật Ôtô  Vít chỉnh hỗn hợp cầm chừng (vít chỉnh CO) Hình 1.3: Vít chỉnh hỗn hợp cầm chừng. Bộ đo gió có hai mạch gió: mạch gió chính đi qua cánh đo gió vá mạch gió phụ đi qua vít CO. Lượng gió qua mạch rẽ tăng sẽ làm giảm lượng gió qua cánh đo gió. Vì thế, góc mở của cánh đo gió sẽ nhỏ và ngược lại. Vì lượng xăng phun cơ bản phụ thuộc vào góc mở cánh đo gió, nên tỉ lệ xăng, gió có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh lượng gió qua mạch rẽ. Nhờ chỉnh tỉ lệ hỗn hợp ở mức cầm chừng thông qua vít CO nên % CO trong khí thải sẽ được điều chỉnh. Tuy nhiên điều này chỉ được thực hiện ở tốc độ cầm chừng vì khi cánh đo gió đã mở lớn, lượng gió qua mạch rẽ sẽ ảnh hưởng rất ít đến lượng gió qua mạch chính. Trên thực tế người ta còn điều chỉnh hỗn hợp bằng sức căng căng của lò xo.  Buồng giảm chấn và cánh giảm chấn Hình 1.4: Cánh giảm chấn và buồng giảm chấn. 5 Đồ án tốt nghiệp Ngành Công nghệ kỹ thuật Ôtô Buồng giảm chấn và cánh giảm chấn có công dụng ổn định chuyển động của cánh đo gió. Do áp lực gió thay đổi, cánh đo gió sẽ bị rung, gây ảnh hưởng đến độ chính xác. Để ngăn ngừa dao động cánh đo gió, người ta thiết kế một cánh giảm chấn liền với cánh đo gió để dập tắt độ rung động. Nếu cực V C bị đoản mạch, lúc đó G tăng. ECU sẽ điều khiển lượng phun nhiên liệu cực đại, bất chấp sự thay đổi ở tín hiệu V S . Khi động cơ hoạt động ở chế độ cầm chừng nhiên liệu được phun quá nhiều động cơ ngộp xăng dẫn tới ngừng hoạt động. Nếu V S bị đoản mạch, V C sẽ luôn ở chế độ cực đại làm cho G giảm, lúc đó ECU sẽ điều khiển lượng phun nhiên liệu giảm đi mặc dù có sự thay đổi ở tín hiệu V S . ● Công tắc bơm nhiên liệu (chỉ có trên xe TOYOTA) Công tắc bơm nhiên liệu được bố trí chung với điện áp kế. Khi động cơ chạy, gió được hút vào nâng cánh đo gió lên làm công tắc đóng. Khi động cơ ngừng hoạt động do không có lực gió tác động lên cánh đo gió khiến cánh đo gió về vị trí ban đầu khiến công tắc bơm xăng ngừng hoạt động dù công tắc máy đang ở vị trí ON. Các loại xe khác không mắc công tắc điều khiển bơm xăng trên bộ đo gió kiểu trượt.  Mạch điện Loại 1: Điện áp V S tăng khi lượng khí nạp tăng. Loại này cung cấp điện áp 12V tại đầu V B , V C . Điện áp ở đầu V S tăng theo góc mở của cánh đo gió. ECU so sánh điện áp V B với độ chênh áp giữa V C và V S để xác định lượng gió nạp (G) theo công thức. SC EB VV VV G − − = 2 6 Hình 1.5: Công tắc bơm xăng trong bộ đo gió kiểu trượt. Đồ án tốt nghiệp Ngành Công nghệ kỹ thuật Ôtô Hình 1.6: Mạch điện và đường đặc tuyến cảm biến đo gió loại điện áp tăng. Nếu cực V C bị đoản mạch, lúc đó G tăng. ECU sẽ điều khiển lượng phun nhiên liệu cực đại, bất chấp sự thay đổi ở tín hiệu V S . Khi động cơ hoạt động ở chế độ cầm chừng nhiên liệu được phun quá nhiều động cơ ngộp xăng dẫn tới ngừng hoạt động. Nếu V S bị đoản mạch, V C sẽ luôn ở chế độ cực đại làm cho G giảm, lúc đó ECU sẽ điều khiển lượng phun nhiên liệu giảm đi mặc dù có sự thay đổi ở tín hiệu V S . Loại 2: Điện áp VS giảm khi lượng khí nạp tăng. Loại này ECU sẽ cung cấp điện áp 5V đến cực VC. Điện áp ra VS thay đổi và giảm theo góc mở của cánh đo. Hình 1.7: Mạch điện và đường đặc tuyến của cảm biến đo gió loại điện áp giảm. 1.2.1.2. Cảm biến đo gió dạng xoáy lốc (Karman) a) Nguyên lý làm việc * Các cảm biến loại này dựa trên hiện tượng vật lý sau: Khi cho dòng khí đi qua một vật thể cố định khó chảy vòng (tạo thành xoáy- Krman Vortex) thì phía sau nó sẽ suất hiện sự xoáy lốc thay đổi tuần hoàn được gọi là 7 Đồ án tốt nghiệp Ngành Công nghệ kỹ thuật Ôtô sự xoáy lốc Karman. Đối với một ống dài vô tận có đường kính d, quan hệ giữa tấn số xoáy lốc f và vận tốc dòng chảy V được xác định bởi số Struhall: V f.d S = Trong hiệu ứng Karman nêu trên, số Struhall không đổi trong dải rộng của các số Reinolds, nên vận tốc dòng chảy hay lưu lượng khí đi qua tỉ lệ thuận với tần số xoáy lốc f và có thể xác định V bằng cách đo f. S f.d V = Lý thuyết về sự xoáy lốc khi dòng khí đi ngang qua vật cản đã được đưa ra bởi Struhall từ năm 1878. Nhưng mãi đến năm 1934, dụng cụ đo đầu tiên dựa trên lý thuyết này mới được chế tạo. Ngày nay có rất nhiều sáng chế trong lĩnh vực này được ứng dụng để đo lưu lượng khí nạp trong hệ thống điều khiển phun xăng. b) Cấu tạo nguyên lý hoạt động Cảm biến Karman quang có cấu tạo như trình bày trên hình 1.8, 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 ở phía sau bộ tạo xoáy còn gọi là các dòng xoáy Karman. Các dòng xoáy Karman đi theo rãnh dẫn hướng làm rung một gương mỏng được phủ nhôm làm thay đổi hướng phản chiếu từ đèn LED đến photo- transitor Như vậy, tấn số đóng mở của transitor 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 Struhall (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 phun xăng cần thiết. 8 Đồ án tốt nghiệp Ngành Công nghệ kỹ thuật Ôtô Hình 1.8: Bộ đo gió kiểu Karman quang. Khi lượng gió vào ít, tấm gương rung ít và photo-transistor sẽ đóng mở các tấn số f thấp. Ngược lại, khi lượng gió vào nhiều, gương rung nhanh và tấn số f cao. Hình 1.9: Cấu tạo dạng xung loại Karman.  Mạch điện Hình 1.10: Mạch điện đo gió kiểu Karman quang. 9 1 - Photo- transostor 2 - Đèn LED 3 - Gương ( được tráng nhôm) 4 - Mạch đếm dòng xoáy 5 - Lưới ổn định 6 - Vật tạo xoáy 7 - Cảm biến áp suất khí trời 8 - Dòng xoáy Gió vào ít Gương Photo - transistor LED Bộ tạo xoáy Lưu lượng gió trung bìnhbình Gió vào nhiều VC KS E2 E1 ECU Photo - transitor LED Đồ án tốt nghiệp Ngành Công nghệ kỹ thuật Ôtô 1.2.2. Cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp (MAP - Manifold Absolute Pressure sensor). Lượng khí nạp đi vào xylanh được xác định gián tiếp thông qua cảm biến đo áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp. 1.2.2.1. Loại điện áp kế  Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Loại cảm biến này dựa trên nguyên lý cầu Wheatstone. Cảm biến bao gồm một tấm silicon nhỏ dày hơn ở hai mép ngoài (khoảng 0,25mm) và mỏng ở giữa (khoảng 0,025 mm). Hai mép được làm kín cùng với mặt trong của tấm silicon tạo thành buồng chân không trong cảm biến. Mặt ngoài của tấm silicon tiếp xúc với áp suất đường ống nạp. Hai mặt của tấm silicon được phủ thạch anh để tạo thành điện trở áp điện. Khi áp suất đường ống nạp thay đổi, giá trị của điện trở sẽ thay đổi. Các điện trở được nối thành cầu Wheastone. Khi màng ngăn chưa bị biến dạng (động cơ chưa hoạt động hoặc ở tải lớn). 1. Mạch bán dẫn 2. Buồng chân không 3. Giắc cắm 4. Lọc khí 5. Đường ống nạp Hình 1.11: Cảm biến áp suất đường ống nạp. Tất cả bốn điện trở áp có giá trị bằng nhau lúc đó không có sự chênh lệch điện áp ở hai đầu cầu. Khi áp suất đường ống nạp giảm, màng silicon bị biến dạng dẫn đến giá trị các điện trở cũng thay đổi làm mất cân bằng cầu. Kết quả có sự chênh lệch điện áp giữa hai đầu cầu và tín hiệu này được khuếch đại để điều khiển mở transistor ở ngõ ra của các cảm biến có cực C treo. Độ mở của transistor phụ thuộc vào áp suất đường ống nạp tới sự thay đổi điện áp báo về ECU  Mạch điện: 10 Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý cảm biến áp suất đường ống nạp