Hệ thống cảm biến trên ô tô này đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát nhiên liệu cung cấp cho động cơ để đảm bảo xe vận hành mạnh mẽ nhưng vẫn tiết kiệm nhiên liệu.
1. Hệ thống cảm biến ô tô là gì?
Hệ thống cảm biến trên ô tô này đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát nhiên liệu cung cấp cho động cơ để đảm bảo xe vận hành mạnh mẽ nhưng vẫn tiết kiệm nhiên liệu. Ngoài ra, các cảm biến này còn có khả năng kiểm soát lượng khí thải phù hợp với tiêu chuẩn và bảo vệ môi trường. Các loại cảm biến động cơ gồm:
Cảm biến lưu lượng khí nạp là một trong những cảm biến quan trọng nhất vì nó được sử dụng trong EFI kiểu L để phát hiện khối lượng hoặc thể tích không khí nạp. Tín hiệu của khối lượng hoặc thể tích của không khí nạp được dùng để tính thời gian phun cơ bản và gốc đánh lửa sớm cơ bản.
Cảm biến lưu lượng khí nạp chủ yếu được chia thành 2 loại, các cảm biến để phát hiện khối lượng không khí nạp, và cảm biến do thể tích không khí nạp, biến do khối lượng và cảm biến đo lưu lượng không khí nạp có các loại như sau:
– Cảm biến đo khối lượng khí nạp: Kiểu dây sấy.
– Cảm biến đo lưu lượng khí nạp: Kiểu cánh và kiểu gió xoáy quang học Karman.
Hiện nay hầu hết các xe sử dụng cảm biến lưu lượng khí nạp khí kiểu dây nóng vì nó đo chính xác hơn, trọng lượng nhẹ hơn và độ bền cao hơn.
2.1. Cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu cánh
Cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu cánh gồm có nhiều bộ phận như thể hiện ở hình minh họa. Khi không khí đi qua cảm biến lưu lượng khí nạp này từ bộ lọc khí, nó đẩy tấm đo mở ra cho đến khi lực tác động vào tấm đo cân bằng với lò xo phản hồi.
Chiết áp, được nối đồng trục với tấm đo này, sẽ biến đổi thể tích không khí nạp thành một tín hiệu điện áp [tín hiệu VS] được truyền đến ECU động cơ.
2.2. Cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dòng xoáy Karman quang học
Kiểu cảm biến lưu lượng khí nạp này trực tiếp cảm nhận thể tích không khí nạp bằng quang học. So với loại cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu cánh, nó có thể làm nhỏ hơn và nhẹ hơn về trọng lượng.
Cấu tạo đơn giản của đường không khi cũng giảm sức cản của không khí nạp. Một trụ “bộ tạo dòng xoáy” được đặt ở giữa một luồng không khí đồng đều tạo ra gió xoáy được gọi là “gió xoáy Karman” ở hạ lưu của trụ này.
Vì tần số dòng xoáy Karman được tạo ra tỷ lệ thuận với tốc độ của luồng không khí, thể tích của luồng không khí có thể được tính bằng cách do tần số của gió xoáy này. Các luồng gió xoáy được phát hiện bằng cách bắt bề mặt của một tấm kim loại mỏng [được gọi là “gương”] chịu áp suất của các gió xoáy và phát hiện các độ rung của gương bằng quang học bởi một cặp quang điện [một LED được kết hợp với một tranzito quang].
Tín hiệu của thể tích khí nạp [KS] là một tín hiệu xung giống như tín hiệu. Khi thể tích không khí nạp nhỏ, tín hiệu này có tần số thấp. Khi thể tích khí nạp lớn, tín hiệu này có tần số cao.
2.3. Cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dây nóng
Cấu tạo của cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dây nóng rất đơn giản. Cảm biến lưu lượng khí nạp gọn và nhẹ như được không khí, và làm cho phần không khí nạp chạy qua khu vực phát hiện.
Một dây nóng và nhiệt điện trở, được sử dụng như một cảm biến, được lắp vào khu vực phát hiện. Bằng cách trực tiếp đo khối lượng không khí nạp, độ chính xác phát hiện được tăng lên và hầu như không có sức cản của không khí nạp.
Ngoài ra, vì không có các cơ cấu đặc biệt, dụng cụ này có độ bền tuyệt hảo. Cảm biến lưu lượng khí nạp cũng có một cảm biến nhiệt độ không khí nạp gắn vào.
Nguyên lý hoạt động cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dây nóng:
Dòng điện chạy vào dây sấy [bộ sấy] làm cho nó nóng lên. Khi không khí chạy quanh dây này, dây sấy được làm nguội tương ứng với khối không khí nạp. Bằng cách điều chỉnh dòng điện chạy vào dây sấy này để giữ cho nhiệt độ của dây sấy không đổi, dòng điện đó sẽ tỷ lệ thuận với khối không khí nạp.
Sau đó có thể do khối lượng không khí nạp bằng cách phát hiện dòng điện đó. Trong trường hợp của cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dây sấy, điện này được biến đổi thành một điện áp, sau đó được truyền đến ECU cơ từ cực VG.
Mạch điện bên trong:
Trong cảm biến lưu lượng khí nạp thực tế, như trình bày ở hình minh họa, một dây sấy được ghép vào mạch cầu. Mạch cầu này có đặc tính là các diện thế tại điểm A và B bằng nhau khi tích của điện trở theo đường chéo bằng nhau [[Ra+R3]*R1=Rh*R2].
Khi dây sấy này [Rh] được làm mát bằng không khí nạp, điện trở tăng lên dẫn đến sự hình thành độ chênh giữa các điện thế của các điểm A và B. Một bộ khuếch đại xử lý phát hiện chênh lệch này và làm tăng điện áp đặt vào mạch này [làm tăng dòng điện chạy qua dây sấy [Rh].
Khi thực hiện việc này, nhiệt độ của dây sấy [Rh] lại tăng lên dẫn đến việc tăng tương ứng trong điện trở cho đến khi điện thế của các điểm A và B trở nên bằng nhau [các điện áp của các điểm A và B trở nên cao hơn].
Bằng cách sử dụng các đặc tính của loại mạch cầu này, cảm biến lưu lượng khí nạp có thể do được khối lượng không khí nạp bằng cách phát hiện điện áp ở điểm B.
3. Cảm biến nhiệt độ khí nạp
Cấu tạo cảm biến nhiệt độ khí nạp:
Cảm biến nhiệt độ khí nạp [IAT] được lắp bên trong cảm biến lưu lượng khí nạp [MAF] và theo dõi nhiệt độ khí nạp. Một nhiệt điện trở nằm trong cảm biến sẽ thay đổi điện trở tương ứng với nhiệt độ khí nạp. Khi nhiệt độ khí nạp thấp, giá trị điện trở của nhiệt điện trở lớn, và nhiệt độ khí nạp cao thì giá trị điện trở thấp. Sự thay đổi của điện trở được phản ánh dưới sự thay đổi điện áp đến ECU.
Nguyên lý hoạt động cảm biến nhiệt độ khí nạp:
Cảm biến nhiệt độ khí nạp được nối với ECU, điện áp nguồn 5V trong ECU được cấp đến cảm biến nhiệt độ khí nạp từ cực THA thông qua điện trở R.
Nghĩa là, điện trở R và cảm biến nhiệt độ khí nạp được mắc nối tiếp. Khi điện trở của cảm biến nhiệt độ khí nạp thay đổi tương ứng với sự thay đổi của nhiệt độ khí nạp, thì điện áp của cực THA cũng thay đổi. Dựa trên tín hiệu này, ECU tăng lượng phun nhiên liệu để cải thiện khả năng vận hành khi động cơ nguội.
4. Cảm biến áp suất đường ống nạp [cảm biến chân không]
Cảm biến áp suất đường ống nạp được dùng cho hệ thống EFI kiểu D để cảm nhận áp suất đường ống nạp. Đây là một trong những cảm biến quan trọng nhất trong EFI kiểu D.
Bằng cách gắn một IC vào cảm biến này, cảm biến áp suất đường ống nạp cảm nhận được áp suất đường ống nạp như một tín hiệu PIM. Sau đó ECU động cơ xác định được thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản trên cơ sở của tín hiệu PIM này.
Một chíp silic kết hợp với một buồng chân không được duy trì ở độ chân không định trước, được gắn vào bộ cảm biến này. Một phía của chip này được lộ ra với áp suất của đường ống nạp và phía bên kia thông với buồng chân không bên trong.
Vì vậy, không cần phải hiệu chỉnh mức bù cho độ cao lớn vì áp suất của đường ống nạp có thể đo được chính xác ngay cả khi độ cao này thay đổi. Một thay đổi về áp suất của đường ống nạp sẽ làm cho hình dạng của chip silic này thay đổi, và trị số điện trở của chíp này dao động theo mức biến dạng này. Tin hiệu điện áp, mà IC biến đổi từ sự dao động của giá trị điện trở này gọi là tín hiệu PIM.
5. Cảm biến vị trí bướm ga
Cảm biến vị trí bướm ga được lắp trên cổ họng gió. Cảm biến này biến đổi ga thành điện áp, được truyền đến ECU động cơ như tín hiệu mở bướm ga [VTA]. Ngoài ra, một số thiết bị truyền một tín hiệu IDL riêng biệt. Các bộ phận khác xác định nó lúc tại thời điểm chạy không tải khi điện áp VTA này ở dưới giá trị chuẩn. Hiện nay, có 2 loại, loại tuyến tính và loại cổ phần tử Hall được sử dụng. Ngoài ra, dầu ra 2 hệ thống được sử dụng để tăng độ tin cậy.
5.1. Cảm biến vị trí bướm ga loại tiếp điểm
Loại cảm biến vị trí bướm ga này dùng tiếp điểm không tải [IDL] và tiếp điểm trợ tải [PSW] để phát hiện xem động cơ đang chạy không tải hoặc đang chạy dưới tải trọng lớn. Khi bướm ga được đóng hoàn toàn, tiếp điểm IDL đóng ON và tiếp điểm PSW ngắt OFF.
ECU động cơ xác định rằng động cơ đang chạy không tải. Khi đạp bàn đạp ga, tiếp điểm IDL sẽ bị ngắt OFF, và khi bướm ga mở quá một điểm xác định, tiếp điểm PS sẽ đóng ON, tại thời điểm này ECU động cơ xác định rằng động cơ dang chạy dưới tải nặng.
5.2. Cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính
Cảm biến này gồm có 2 con trượt và một điện trở, và các tiếp điểm cho các tín hiệu IDL và VTA được cung cấp ở các đầu của mỗi tiếp điểm.
Khi tiếp điểm này trượt dọc theo điện trở đồng thời với góc mở bướm ga, điện áp này được đặt vào cực VTA theo tỷ lệ thuận với góc mở của bướm ga. Khi bướm ga được đóng lại hoàn toàn, tiếp điểm của tín hiệu IDL được nối với các cực IDL và E2.
Các cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính hiện nay có các kiểu không có tiếp điểm IDL hoặc các kiểu có tiếp điểm IDL nhưng nó không được nối với ECU động cơ. Các kiểu này dùng tín hiệu VTA để thực hiện việc điều khiển đã nhớ và phát hiện trạng thái chạy không tải.
5.3. Cảm biến vị trí bướm ga loại phần tử Hall
Cảm biến vị trí bướm ga loại phần tử Hall gồm có các mạch IC Hall làm bằng các phần tử Hall và các nam châm quay quanh chúng. Các nam châm được lắp ở trên trục bướm ga và quay cùng với bướm ga.
Khi bướm ga mở, các nam châm quay cùng một lúc, và các nam châm này thay đổi vị trí của chúng. Vào lúc đó, IC Hall phát hiện sự thay đổi từ thông gây ra bởi sự thay đổi của vị trí nam châm và tạo ra điện áp ra của hiệu ứng Hall từ các cực VTA1 và VTA2 theo mức thay đổi này.
Tín hiệu này được truyền đến ECU động cơ như tín hiệu mở bướm ga. Cảm biến này không chỉ phát hiện chính xác độ mở của bướm ga, mà còn sử dụng phương pháp không tiếp điểm và có cấu tạo đơn giản, vì thế nó không dễ bị hỏng.
Ngoài ra, để duy trì độ tin cậy của cảm biến này, nó phát ra các tín hiệu từ hai hệ thống có các tính chất khác nhau.
6. Cảm biến vị trí trục khuỷu NE và cảm biến vị trí trục cam G
Nhiệm vụ: Thông báo cho ECU biết trục khuỷu đang quay với tốc độ nào để ECU kiểm soát lượng xăng phun ra, và quyết định thời điểm đánh lửa.
Cấu tạo: Cảm biến vị trí trục khuÿu [tín hiệu NE] bao gồm một nam châm, lõi thép và cuộn nhận tín hiệu. Đĩa tín hiệu NE [đĩa cảm biến vị trí trục khuỷu] được lắp trên trục khuỷu và tùy vào từng loại động cơ mà đĩa cảm biến này được bố trí ở đầu trục, giữa trục bay ở đầu sau của trục và cũng tùy từng nhà sản xuất mà số răng trên trục là khác nhau nhưng điểm giống nhau của các đĩa này là đều có một răng khuyết.
Loại đặt trong bộ chia điện: Loại này có một rôto tín hiệu và cuộn nhận tín hiệu tương ứng với tín hiệu G và NE nằm trong bộ chia điện. Số răng của rôto và số cuộn nhận tín hiệu khác nhau tùy theo kiểu động cơ. ECU được cung cấp các thông tin dùng làm tiêu chuẩn đó là, thông tin về góc quay của trục khuỷu là tín hiệu G, và thông tin về tốc độ động cơ là tín hiệu NE.
6.1. Cảm biến vị trí trục cam [bộ tạo tín hiệu G]
Trên trục cam đối diện với cảm biến vị trí trục cam là đĩa tín hiệu G có các răng. Số răng là 1, 3 hoặc một số khác tuỳ theo kiểu động cơ. Khi trục cam quay, khe hở không khí giữa các vấu nhô ra trên trục cam và cảm biến này sẽ thay đổi. Sự thay đổi khe hở tạo ra một điện áp trong cuộn nhận tín hiệu được gắn vào cảm biến này, sinh ra tín hiệu G.
Tín hiệu G này được chuyển đi như một thông tin về góc chuẩn của trục khuỷu đến ECU động cơ, kết hợp với tín hiệu NE từ cảm biến vị trí của trục khuỷu để xác định TDC [điểm chết trên] kỳ nén của mỗi xilanh để đánh lửa và phát hiện góc quay của trục khuỷu. ECU động cơ dùng thông tin này để xác định thời gian phun và thời điểm đánh lửa.
6.2. Cảm biến vị trí của trục khuỷu [bộ tạo tín hiệu NE]
Tín hiệu NE dược ECU động cơ sử dụng để phát hiện góc của trục khuỷu và tốc độ của động cơ. ECU động cơ dùng tín hiệu NE và tín hiệu G để tính toán thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản.
Đối với tín hiệu G, tín hiệu NE được tạo ra bởi khe không khí giữa cảm biến vị trí trục khuỷu và các răng trên chu vi của rôto tín hiệu NE được lắp trên trục khuỷu. Một bộ tạo tín hiệu có 34 răng ở chu vi của rôto tín hiệu NE và một khu vực có 2 răng khuyết.
Khu vực có 2 răng khuyết này có thể được sử dụng để phát hiện góc của trục khuỷu, nhưng nó không thể xác định xem đó là TDC của chu kỳ nén hoặc TDC của kỳ xả. ECU động cơ kết hợp tín hiệu NE và tín hiệu G để xác định đầy đủ và chính xác góc của trục khuỷu.
Ngoài loại này, một số bộ phát tin hiệu có 12, 24 hoặc một răng khác, nhưng độ chính xác của việc phát hiện góc của trục khuỷu sẽ thay đổi theo số răng. Ví dụ: Loại có 12 răng có độ chính xác về phát hiện góc của trục khuỷu là 30CA.
7. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Cảm biến nhiệt độ nước được gắn nhiệt điện trở bên trong, mà nhiệt độ càng thấp, trị số điện trở càng lớn, ngược lại, nhiệt độ càng cao, trị số điện càng thấp.
Và sự thay đổi về giá trị điện trở của nhiệt điện trở này được sử dụng để phát hiện các thay đổi về nhiệt độ của nước làm mát. Như được thể hiện trong hình minh họa, điện trở được gắn trong ECU động cơ được mắc nối tiếp trong mạch điện sao cho điện áp của tín hiệu được phát hiện bởi ECU động cơ sẽ thay đổi theo các thay đổi của nhiệt điện trở này.
Khi nhiệt độ của nước làm mát thấp, điện trở của nhiệt điện trở sẽ lớn, tạo nên một điện áp cao trong các tín hiệu THW. Cảm biến nhiệt độ nước đo nhiệt độ của nước làm mát động cơ.
Khi nhiệt độ của nước làm mát động cơ thấp, phải tăng tốc độ chạy không tải, tăng thời gian phun, góc đánh lửa sớm, v.v… nhằm cải thiện khả năng làm việc và để hâm nóng. Vì vậy, cảm biến nhiệt độ nước không thể thiếu được đối với hệ thống điều khiển động cơ.
8. Cảm biến oxy [cảm biến O2]
Đối với chức năng làm sạch khí xả tối đa của động cơ có TWC [bộ trung hòa khí xả 3 thành phần] phải duy trì tỷ lệ không khí – nhiên liệu trong một giới hạn hẹp xoay quanh tỷ lệ không khí – nhiên liệu lý thuyết.
Cảm biến oxy phát hiện xem nồng độ oxy trong khí xả là giàu hơn hoặc nghèo hơn tỷ lệ không khí – nhiên liệu lý thuyết. Cảm biến này chủ yếu được lắp trong đường ống xả, nhưng trí lắp và số lượng khác nhau tùy theo kiểu động cơ. Cảm biến oxy có một phần tử làm bằng zirconi ôxit [ZrO2], đây là một loại gốm.
Bên trong và bên ngoài của phần tử này được bọc bằng một lớp platin mỏng. Không khí chung quanh được dẫn vào bên trong của cảm biến này, và phía ngoài của cảm biến lộ ra phía khí thải. Ở nhiệt độ cao [400 độ C hay cao hơn], phần tử zirconi tạo ra một điện áp như là do sự chênh lệch lớn giữa các nồng độ của ôxy ở phía trong và phía ngoài của phần tử zirconi này.
Ngoài ra, platin tác động như một chất xúc tác để gây ra phản ứng hóa học giữa oxy và các bon monoxit [CO] trong khí xả. Vì vậy, điều này sẽ làm giảm lượng oxy và tăng tính nhạy cảm của cảm biến.
Khi hỗn hợp không khí – nhiên liệu nghèo phải có oxy trong khí xả sao cho chỉ có một chênh lệch nhỏ về nồng độ của oxy giữa bên trong và bên ngoài của nguyên tố zirconi.
Do đó, phần tử zirconi sẽ chỉ tạo ra một điện áp thấp [gần 0V]. Ngược lại, khi hỗn hợp không khí – nhiên liệu giàu, hầu như không có oxy trong khí xả.
Vì vậy, có sự khác biệt lớn về nồng độ oxy giữa bên trong và bên ngoài của cảm biến này để phần tử zirconi tạo ra một điện áp tương đối lớn [xấp xỉ 1 V].
Căn cứ vào tín hiệu OX do cảm biến này truyền đến, ECU động cơ sẽ tăng hoặc giảm lượng phun nhiên liệu để duy trì tỷ lệ không khí – nhiên liệu trung bình ở tỷ lệ không khí – nhiên liệu lý thuyết.
Một số cảm biến oxy zirconium có các bộ sấy để sấy nóng phần từ zirconi. Bộ sấy này cũng được ECU động cơ điều khiển. Khi lượng không khí nạp thấp [nói khác đi, khi nhiệt độ khí xả thấp], dòng điện được truyền đến bộ sấy để làm nóng cảm biến này.
9. Cảm biến tiếng gõ
Cảm biến tiếng gõ được gắn vào thân máy, và truyền tín hiệu KNK tới ECU động cơ khi phát hiện tiếng gõ động cơ. ECU động cơ nhận tín hiệu KNK và làm trễ thời điểm đánh lửa để giảm tiếng gõ.
Cảm biến này có một phần tử áp điện, tạo ra một điện áp AC khi tiếng gõ gây ra rung động trong thân máy và làm biến dạng phần tử này. Tần số tiếng gõ của động cơ nằm cảm biến tiếng gõ thích hợp theo tiếng gõ sinh ra bởi động cơ.
Có hai loại trong giới hạn từ 6 đến 13 KHz tuỳ theo kiểu động cơ. Mỗi động cơ dùng một cảm biến tiếng gõ. Một loại tạo ra một điện áp cao trong giới hạn tần số rung động hẹp, và loại kia tạo ra một điện áp cao trong dải tần số rung động rộng.
Hiện nay người ta đang dùng một số cảm biến phát hiện các mạch hở và ngắn, như thể hiện trong hình minh họa. Trong loại mạch này, điện áp 2,5V được cung cấp liên tục để tín hiệu KNK cũng được truyền đi với một tần số cơ bản 2,5V.