Phun xăng điện tử (Phần 4: Phun xăng gián tiếp LH-Motronic)

Mục lục:

Các hệ thống con của LH-Motronic
Kim phun xăng trên hệ thống LH–Motronic
Hệ thống điều khiển điện tử của LH-Motronic

Hệ thống phun xăng điện tử kiểu LH-Motronic là một hệ thống phun xăng điện tử đa điểm, sử dụng khối lượng không khí nạp (Air Mass) là một trong những đại lượng điều khiển chính.

LH-Motronic là một thế hệ phát triển kế tiếp của hệ thống L-Jetronic. Khác biệt chính giữa 2 hệ thống này nằm ở cách đo lượng không khí đầu vào. Trong khi L-Jetronic đó lượng khí nạp bằng sự thay đổi vị trí cách đo gió (đo kiểu cơ khí) thì LH-Motronic dùng cảm biến đo khối lượng khí nạp (MAF – Mass Air Flow sensor). Bên cạnh đó LH-Motronic cùng tích hợp việc quản lý cả 2 hệ thống: Phun xăng và Đánh lửa trên ECU thay vì tách biệt như của L-Jetronic. Tuy nhiên LH-Motronic vẫn chưa được trang bị chân ga điện tử (E-gas) và hệ thống chẩn đoán lỗi EOBD mà phải đợi tới thế hệ sau (ME-Motronic) mới có.

ECU điều khiển các van phun điện từ theo phương pháp tuần tự. Quá trình phun diễn ra trong đường ống nạp, ở vị trí ngay trước xu-páp nạp của động cơ. Thời điểm phun xảy ra trong lúc xu-páp nạp hãy còn đóng. Những đại lượng điều khiển chính được dùng là tốc độ quay động cơ và khối lượng không khí nạp (hệ thống m/n). Khối lượng không khí nạp được xác định bằng bộ đo khối lượng không khí kiểu dây nhiệt hoặc màng nhiệt, và đây cũng là dấu hiệu đặc trưng bên ngoài của hệ thống LH-Motronic.

L là viết tắt của từ “Luft” nghĩa là “không khí” trong tiếng Đức.
H là viết tắt của từ “Heiß” nghĩa là “nóng“, ý chỉ việc dùng cảm biến gió dạng dây hoặc màng nhiệt.
Motronic là viết tắt của “Motor” và “Elektronik“. ý chỉ việc quản lý vận hành động cơ, điều khiển điện tử.

Các hệ thống con của LH-Motronic

Hệ thống nạp khí: Không khí được hút và được lọc ở bộ lọc không khí sẽ đi qua bộ đo khối lượng không khí (MAF). ECU ghi nhận các kết quả từ bộ đo này dưới dạng tín hiệu điện áp. Một nhiệt điện trở kiểu NTC được dùng làm cảm biến nhiệt độ không khí, có thể được tích hợp sẵn trong bộ đo khối lượng không khí. Độ sụt điện áp đo được ở hai đầu điện trở tỷ lệ với nhiệt độ không khí nạp.

Hệ thống cung cấp nhiên liệu: Hệ thống 2 đường ống thường được áp dụng ở LH-Motronic. Một bơm tiếp vận dùng điện được gắn hoặc ở trong thùng nhiên liệu (bơm lắp trong thùng) hoặc ở sàn dưới xe (bơm lắp trên đường ống) đưa nhiên liệu từ thùng nhiên liệu qua bộ lọc nhiên liệu đến ống phân phối để cung cấp cho tất cả các van phun. Ở cuối ống phân phối là bộ điều áp có chức năng giữ cố định độ chênh lệch giữa áp suất nhiên liệu trong ống phân phối với áp suất trong đường ống nạp, ở khoảng 3,5 bar. Từ bộ điều áp này, nhiên liệu thừa chảy về thùng nhiên liệu qua đường ống hồi.

Hệ thống thu hồi hơi nhiên liệu: Hơi xăng được tạm chứa trong bình than hoạt tính phải được hút ra và đem đốt ở chế độ vận hành thích hợp, thí dụ như lúc chạy tải nhỏ. Khi đó, van tái sinh bình than hoạt tính (van thông hơi thùng nhiên liệu) được ECU điều khiển mở ra để không khí và hydrocarbon (hơi xăng) có thể được hút đi dưới tác dụng của áp suất chân không trong đường ống nạp.

Hệ thống hồi lưu khí thải (EGR): Hệ thống hồi lưu khí thải có thể được sử dụng để cải thiện các trị số phát thải ô nhiễm.

Điều chỉnh tốc độ không tải

Tốc độ không tải được điều chỉnh ổn định trong lúc van bướm ga đóng ở một trị số tùy thuộc vào nhiệt độ động cơ.

Khi động cơ lạnh, lực cản bên trong của động cơ lớn hơn khi động cơ ấm vì nhớt đặc hơn và ma sát lớn hơn. Công suất động cơ cần tăng lên để cân bằng với sự tăng lên của lực cản và giữ cho động cơ chạy không tải ổn định. Việc tăng công suất động cơ đạt được bằng cách tăng lượng hòa khí. Ngoài ra, các dao động tốc độ không tải khi bật tắt tải điện hay bật tắt máy điều hòa cũng phải được cân bằng.

Để điều chỉnh tốc độ không tải, ECU cần tín hiệu của các cảm biến sau:

Cảm biến tốc độ quay động cơ (tốc độ quay thực tế của động cơ)
Cảm biến nhiệt độ động cơ (để xác định tốc độ không tải mong muốn)

Một trong các phần tử chấp hành sau được sử dụng để điều chỉnh tốc độ quay:

Cơ cấu chỉnh tốc độ không tải: Tùy theo yêu cầu về tốc độ không tải, cơ cấu chỉnh tốc độ không tải điều chỉnh lượng không khí đi tắt qua van bướm ga đang đóng để vào xy-lanh. ECU đưa tín hiệu điều khiển dạng điều biến theo độ rộng xung (PWM) để thay đổi tiết diện lưu thông của đường khí phụ cho phù hợp.

Cơ cấu chỉnh vị trí van bướm ga: Nhóm thiết bị này gồm một động cơ điện, một bộ truyền động và van bướm ga. Tùy theo tốc độ quay thực tế, ECU điều khiển động cơ điện để mở thêm hoặc đóng bớt van bướm ga để đạt tốc độ quay không tải mong muốn.

Cơ cấu ngắt nhiên liệu khi thả trôi

Khi chế độ thả trôi diễn ra, nhiên liệu sẽ bị cắt để tiết kiệm nhiên liệu.

Nếu động cơ chạy với tốc độ cao khi van bướm ga đóng (thí dụ như lúc thả trôi xe xuống dốc) thì ECU không điều khiển van phun cung cấp nhiên liệu nữa. Khi van bướm ga mở lại hoặc tốc độ quay động cơ giảm thấp hơn trị số quy định, thí dụ như 1200 vòng/ phút, thì nhiên liệu được phun trở lại.

ECU cần những thông tin sau cho chế độ thả trôi:

Vị trí của van bướm ga từ tiếp điểm van bướm ga hay cảm biến vị trí bướm ga kiểu chiết áp.
Tốc độ quay động cơ từ cảm biến tốc độ quay động cơ.

Làm đậm hòa khí khi tăng tốc nhanh, khi tải toàn phần

Hòa khí được làm đậm để có thể tạo ra công suất tối đa.

Để thỏa mãn các yêu cầu về phát thải ô nhiễm, động cơ dùng bộ xúc tác 3 chức năng cần sử dụng hòa khí trong phạm vi λ = 1 như có thể để đạt kết quả tối đa. Tuy nhiên, để động cơ có thể đạt được công suất tối đa thì hòa khí cần được làm đậm với λ = 0,85 đến 0,95 tùy loại động cơ. Do vậy, chức năng điều chỉnh λ = 1 phải được tạm dừng. Hòa khí bắt đầu được làm đậm khi ECU nhận biết van bướm ga đang đạt đến vị trí tải toàn phần hoặc tốc độ mở van thay đổi, điện áp ở chiết áp van bướm ga vượt qua một trị số giới hạn đã thiết lập trong bộ nhớ. Tuy nhiên, các động cơ có công suất cực lớn không nhất thiết phải làm đậm hòa khí khi chạy tải toàn phần.

Thích nghi theo độ cao

Đối với các động cơ không sử dụng hệ thống tăng áp thì việc thích nghi độ cao là không cần thiết, vì bộ đo khối lượng không khí nạp đã tính đến việc giảm tỷ trọng không khí theo độ cao.

Giới hạn tốc độ quay tối đa

Chức năng này ngăn cản việc quay quá tốc độ của động cơ.

ECU so sánh tốc độ thực tế của động cơ với tốc độ tối đa được lưu trong bộ nhớ để tự động ngăn cản động cơ không chạy quá tốc độ cho phép bằng cách giảm góc đánh lửa sớm để giảm công suất động cơ. ECU chỉ cắt phun nhiên liệu trong một số trường hợp đặc biệt.

Thiết kế của tất cả các hệ thống phun xăng điện tử kiểu LH-Jetronic cơ bản được gọi là Motronic. Điều này có nghĩa là ECU thực hiện đồng thời hai chức năng điều khiển van phun cung cấp nhiên liệu để tạo thành hòa khí và điều khiển đánh lửa sớm để đốt cháy hòa khí. Qua đó, tùy theo yêu cầu sản phẩm của nhà sản xuất và năm sản xuất, nhiều hệ thống đánh lửa khác nhau có thể được kết hợp với LH-Jetronic. Việc áp dụng các hệ thống Motronic giúp nhà sản xuất có thể giảm chi phí chế tạo, tăng độ tin cậy và nâng cao hiệu quả làm việc của các hệ thống.

Kim phun xăng trên hệ thống LH–Motronic

Với LH-Motronic, mỗi xy-lanh được bố trí một kim phun điện từ để phun nhiên liệu vào đường ống nạp theo phương thức phun tuần tự.

Chức năng: Khi ECU đưa dòng điện qua cuộn dây điện từ của kim phun, từ trường do cuộn dây sinh ra hút lõi từ làm ti kim nhấc lên và nhiên liệu được phun ra. Độ nâng của ti kim ở khoảng 0,05 mm đến 0,1 mm tùy theo loại vòi phun. Sau khoảng thời gian từ 1,5 ms đến 18 ms tùy theo tình trạng vận hành, ECU ngắt điện qua cuộn dây điện từ làm mất từ trường hút lõi từ và ti kim bị lò xo đẩy về đóng chặt đế lỗ phun. Quá trình phun nhiên liệu kết thúc. Khối lượng nhiên liệu được phun phụ thuộc vào:

Thời gian mở kim phun.
Lượng phun trong một đơn vị thời gian (hằng số van phun).
Khối lượng riêng của nhiên liệu.
Độ chênh áp giữa áp suất nhiên liệu với áp suất trong đường ống nạp.

Điều khiển van phun: ECU điều khiển nối một đầu của kim phun lên nguồn dương với đầu kẹp 15 qua tiếp điểm của rơle. Đầu còn lại được ECU điều khiển nối mass. Nhờ vậy, ECU không bị hư hỏng nếu xảy ra hiện tượng đoản mạch với mass. Thời gian mở kim phun có thể được xác định qua tín hiệu điện áp điều khiển kim phun biến thiên theo thời gian trên dao động ký (Oscilloscope). Xung điện áp phát sinh là do hiện tượng cảm ứng điện của cuộn dây điện từ lúc dòng điện đi qua bị ngắt đột ngột khi điều khiển đóng vòi phun.

Các loại kim phun: Với LH-Motronic, nhiều loại kim phun khác nhau được sử dụng tương ứng cho động cơ có hai hoặc nhiều xu-páp nạp. Những kim phun này khác nhau về hình dạng và góc của tia nhiên liệu được phun ra:

Kim phun ở động cơ 2 xu-páp nạp và nhiều xu-páp nạp

Kim phun có không khí bao bọc (Hình dưới) được sử dụng để dễ dàng hóa sương nhiên liệu hơn và hòa trộn với không khí tốt hơn. Ở đây, một đường trích khí dẫn không khí từ trước van bướm ga đến thẳng kim phun. Ở chế độ tải nhỏ, áp suất thấp trong đường ống nạp sẽ làm tăng tốc độ dòng khí khi chảy qua khe hẹp ở đầu kim phun. Không khí di chuyển ở tốc độ cao hòa trộn với nhiên liệu được phun và nhờ đó nhiên liệu được hóa sương mịn hơn.

Nếu kim phun được cung cấp nhiên liệu từ ống phân phối thì nhiên liệu được nạp vào van phun từ bên trên (top-feed). Đầu trên của van phun được đặt vào ống phân phối và được làm kín bởi một vòng đệm gioăng cao su (gioăng chữ O), đầu dưới đặt vào đường ống nạp và cũng được làm kín bởi một vòng đệm khác. Để giảm chiều cao các bộ phận, các kim phun còn thường được lắp chung trong ống phân phối thành một cụm gọi là mô đun phân phối. Nhiên liệu nạp vào các kim phun ở vị trí bên cạnh, giữa thân kim phun (bottom-feed). Nhờ đó, nhiên liệu làm mát kim phun và hỗ trợ quá trình khởi động nóng tốt hơn.

Mô-đun phân phối với kim phun nạp liệu từ phía dưới

Kim phun nạp liệu phía trên và kim phun nạp liệu phía dưới

Hệ thống điều khiển điện tử của LH-Motronic

Sơ đồ khối (hình dưới) và sơ đồ mạch điện ở (hình dưới) trình bày ngắn gọn bố trí chung của hệ thống điều chỉnh điện tử của LH-Motronic. Theo đó, những cảm biến và phần tử chấp hành sau được sử dụng.

Bộ đo khối lượng không khí bằng màng nhiệt B3: ECU xác định được khối lượng không khí nạp từ tín hiệu điện áp của bộ đo khối lượng không khí bằng màng nhiệt, và kết hợp với tốc độ quay động cơ để xác định lượng nhiên liệu phun cơ bản (số lượng). Trường hợp cảm biến bị hỏng, ECU sử dụng thông tin từ cảm biến vị trí van bướm ga để thay thế và xe chỉ chạy được trong một giới hạn cho phép (chế độ vận hành khẩn cấp). Bộ đo khối lượng không khí được cung cấp điện áp nguồn từ chân 10 và dây mass từ đầu kẹp 31. Bộ đo gửi tín hiệu điện áp về ECU ở chân 10 và chân 12.

Cảm biến tốc độ quay động cơ B1: Cùng với tín hiệu từ bộ đo khối lượng không khí nạp, tín hiệu tốc độ quay động cơ được dùng để tính lượng nhiên liệu phun cơ bản. Hệ thống sử dụng cảm biến tốc độ quay kiểu cảm ứng lắp trong phạm vi trục khuỷu và quét chuyển động của một đĩa phát xung đặc biệt. Trên đĩa phát xung thường có dấu tham chiếu, cần thiết để xác định vị trí ĐCT của xy-lanh số 1. Nếu không có tín hiệu từ cảm biến này, ECU không thể điều khiển động cơ vận hành được, cũng như không thể điều khiển tốc độ không tải, cắt nhiên liệu khi thả trôi và giới hạn tốc độ tối đa của động cơ. Tín hiệu của cảm biến có thể được kiểm tra bằng máy hiện sóng ở các chân 6 và chân 7.

Cảm biến vị trí van bướm ga bằng chiết áp B4: Thông tin từ cảm biến này cho biết đồng thời vị trí và tốc độ biến thiên vị trí theo thời gian của van bướm ga. Cặp tiếp điểm không tải tích hợp cũng được sử dụng để xác định trường hợp động cơ vận hành ở chế độ không tải. Nếu cảm biến bị hỏng, ECU sử dụng một trị số mặc định đã lưu trữ để làm cơ sở điều khiển sao cho động cơ chỉ làm việc ở số vòng quay tối thiểu. Trong trường hợp này, ECU không còn điều khiển tốc độ không tải và động cơ làm việc với tốc độ không tải cao hơn bình thường. Đồng thời, chức năng cắt nhiên liệu khi thả trôi và làm đậm hòa khí khi tăng tốc cũng không còn hiệu lực. Tín hiệu của cảm biến có thể đo được ở các chân 13 và 14 hay 12. Cặp tiếp điểm không tải được kiểm tra ở chân 15 và tại đầu kẹp 31.

Để tăng cường tính an toàn và độ tin cậy, một số hệ thống sử dụng đồng thời hai bộ chiết áp để đo vị trí van bướm ga, nhất là khi các hệ thống này có sử dụng cơ cấu chỉnh vị trí van bướm ga.

Cảm biến nhiệt độ không khí nạp B7: Nhiệt độ không khí nạp được đo bằng cảm biến nhiệt điện trở kiểu NTC đặt trên đường ống nạp. ECU sử dụng thông tin này để hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun thêm. Thời gian phun có thể kéo dài thêm đến 20 % khi không khí có nhiệt độ rất thấp. ECU chuyển sang sử dụng một trị số mặc định đã lưu trữ trong bộ nhớ nếu không thể đo được tín hiệu từ cảm biến này. Điện trở của cảm biến có thể được kiểm tra ở các chân 18 và chân 19.

Sơ đồ khối của các cảm biến và bộ chấp hành trên hệ thống phun xăng điện tử LH-Jetronic

Cảm biến nhiệt độ động cơ B5: Nhiệt độ động cơ (ND: nước làm mát) được đo bằng cảm biến nhiệt điện trở kiểu NTC. Tùy theo độ sụt áp đo được ở điện trở, ECU điều chỉnh phụ thuộc vào nhiệt độ lượng phun nhiên liệu thích ứng với tình trạng vận hành. Thời gian phun có thể được tăng thêm đến 70 % khi động cơ rất lạnh. Ngoài ra, góc đánh lửa sớm, tốc độ không tải, chức năng hồi lưu khí thải và điều chỉnh chống kích nổ ở động cơ cũng được thay đổi khi động cơ lạnh. ECU chuyển sang dùng một trị số mặc định nếu tín hiệu từ cảm biến bị gián đoạn hoặc cảm biến bị ngắn mạch. Tuy nhiên, ECU không thể phát hiện được sự tăng điện trở bất thường trong mạch, thí dụ do một đầu nối bị ăn mòn, dẫn đến việc làm đậm hòa khí và dẫn đến việc làm tăng lượng khí thải CO. Điện trở của nhiệt điện trở NTC có thể được kiểm tra ở các chân 12 và chân 16 tại giắc cắm của ECU.

Cảm biến pha B2: Các tín hiệu của cảm biến pha kiểu cảm ứng ở trục khuỷu và cảm biến pha kiểu Hall ở trục cam cùng được sử dụng để xác định chính xác ĐCT ở cuối kỳ nén. Từ đó và cùng với tốc độ quay động cơ, ECU xác định chính xác thời điểm phun và góc đánh lửa sớm phù hợp cho từng xy-lanh. Tín hiệu cảm biến có thể được kiểm tra bằng máy hiện sóng ở các chân 8 và chân 5. Đầu kẹp ở cảm biến: 7 (1) = tín hiệu điện dương ở ngõ ra cảm biến; 31d (31d) = mass. Nguồn điện được cấp vào chân 9 = đầu kẹp 8h (2).

Cảm biến Oxy (λ) (cảm biến điện áp nhảy) B6: ECU nhận biết tình trạng oxy còn lại trong khí thải dựa trên điện áp đo từ cảm biến 2 và điều chỉnh lượng nhiên liệu cần phun về λ = 1. Vì cảm biến chỉ hoạt động ở khoảng nhiệt độ từ 250 °C đến 300 °C nên bộ gia nhiệt bằng điện được sử dụng để nhanh chóng làm nóng cảm biến đến nhiệt độ làm việc hiệu quả. Khi cảm biến hỏng, ECU không còn điều chỉnh được nữa mà chỉ điều khiển hệ thống trộn hòa khí. Tín hiệu của cảm biến có thể được kiểm tra bằng máy hiện sóng ở các chân 17 và đầu kẹp 31. Bộ gia nhiệt cảm biến nhận điện áp nguồn từ đầu kẹp 87 của rơle K2 và nối mass với đầu kẹp 31.

Role chính K1: Khi công tắc khởi động bật ở vị trí ON thì đầu kẹp 85 của rơle chính được nối đến nguồn qua kẹp 85 từ đầu kẹp 15 và đầu kẹp 86 được ECU nối mass qua chân 3. Qua đó, mạch điện công tác của rơle được đóng lại và cấp điện áp nguồn đến chân 4 của ECU. Đồng thời các van điện từ Y1 đến Y7, và mạch điện điều khiển được rơle K2 cấp điện áp ở đầu kẹp 85.

Rơle điều khiển bơm nhiên liệu K2: Role K2 được đóng lại khi rơle chính K1 nối đầu kẹp 85 với nguồn và ECU nối đầu kẹp 86 với mass, qua chân 30 của ECU đã nối mass. Nhờ đó, bơm nhiên liệu M và bộ gia nhiệt của cảm biến λ được mạch điện công tác cung cấp điện để hoạt động. Điện áp nguồn này sẽ bị ngắt khi ECU không còn đo được tín hiệu tốc độ từ cảm biến tốc độ quay động cơ.

Các van phun Y1 đến Y4: Các van phun này cũng nhận điện áp nguồn từ rơle chính K1 như rơle điều khiển bơm nhiên liệu K2. ECU nối mass đầu dây còn lại của kim phun tương ứng với các chân 26, 27, 28, 29 để điều khiển mở kim phun.

Cơ cấu chỉnh tốc độ không tải Y5: Thông qua cơ cấu này, ECU điều chỉnh tốc độ không tải phù hợp với nhiệt độ động cơ. Cơ cấu chỉnh được cung cấp điện nguồn từ đầu kẹp 87 của rơle K1. ECU điều chỉnh tiết diện đường khí phụ thay đổi vô cấp bằng cách điều khiển nối mass đầu dây còn lại của cơ cấu bằng tín hiệu điều biến độ rộng xung (PWM).

Van tái sinh bình than hoạt tính Y6: Van điện từ này mở và đóng đường ống nối giữa đường ống nạp sau van bướm ga với bình than hoạt tính. ECU điều khiển van mở bằng cách nối mass một đầu dây của van với tín hiệu PWM ở chân 24. Đầu dây còn lại của van được nối với điện áp nguồn bằng đầu kẹp 87 của rơle chính K1. Khi không có tín hiệu (ND: không được nối mass hay cấp nguồn), van ở trạng thái đóng.

Van hồi lưu khí thải Y7: Van điện từ này mở và đóng ống nối giữa đường ống thải và đường ống nạp phía sau van bướm ga. ECU điều khiển van mở bằng cách nối mass một đầu dây của van với tín hiệu PWM ở chân 23. Đầu dây còn lại của van được nối với điện áp nguồn bằng đầu kẹp 87 của rơle chính K1. Khi không có tín hiệu, van ở trạng thái đóng.

Xem thêm: