Đồ án Khảo sát thông số đầu vào tới quá trình phun của vòi phun nhiên liệu

Đồ án Khảo sát thông số đầu vào tới quá trình phun của vòi phun nhiên liệu 1 MỤC LỤC PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHUN XĂNG VÀ ĐÁNH LỬA ....... 5 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG PHUN XĂNG .............. 5 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ .............. 5 2. HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ EFI LÀ GÌ ? ................................ 10 2.1 Ưu điểm của hệ thống EFI so với các loại hệ thống phun xăng khác. ........ 10 2.2 Kết cấu cơ bản của EFI. .............................................................................. 12 2.3 Phân loại hệ thống phun xăng. .................................................................... 15 2.4 Kết cấu của hệ thống phun xăng điện tử EFI. ............................................. 17 CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ............................................................ 34 1. KHÁI QUÁT, NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ. ................................................................................................... 34 2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ....................... 35 2.1 Hệ thống đánh lửa bằng vít. ......................................................................... 35 2.2 Hệ thống đánh lửa bán dẫn. ......................................................................... 36 2.3 Hệ thống đánh lửa bán dẫn có ESA (đánh lửa sớm bằng điện tử). ............. 37 3. CÁC THÔNG SỐ CHỦ YẾU CỦA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA. ............... 38 3.1 Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U2m: .............................................................. 38 3.2 Hiệu điện thế đánh lửa Udl: .......................................................................... 38 3.3 Hệ số dự trữ Kdt:........................................................................................... 39 3.4 Năng lượng dự trữ Wdt: ................................................................................ 39 3.5 Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S: ............................................ 39 3.6 Tần số và chu kỳ đánh lửa: .......................................................................... 40 2 3.7 Góc đánh lửa sớm : ...................................................................................... 40 3.8 Năng lượng tia lửa và thời gian phóng điện: .............................................. 41 4. SƠ LƢỢC VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỮA TRỰC TIẾP. ........................... 42 4.1 Ưu điểm của hệ thống đánh lửa trực tiếp: ................................................... 42 4.2 Phân loại, cấu tạo và hoạt động HTĐL trực tiếp: ....................................... 42 PHẦN 2: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ TRÊN ĐỘNG CƠ 3S-FE ................................................................................................ 46 1. HỆ THỐNG TÍN HIỆU ĐẦU VÀO. .......................................................... 46 1.1 Cảm biến vị trí bướm ga. ............................................................................. 47 1.2 Cảm biến áp suất đường ống nạp MAP. ...................................................... 48 1.3 Cảm biến nhiệt độ khí nạp ........................................................................... 50 1.4 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát. ................................................................ 51 1.5 Cảm biến ô xy. .............................................................................................. 53 1.6 Cảm biến vị trí trục cam và cảm biến tốc độ động cơ. ................................ 55 2. HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU. ....................................................................... 57 2.1 Bơm nhiên liệu. ............................................................................................ 58 2.2 Điều khiển bơm nhiên liệu. .......................................................................... 59 2.3 Lọc nhiên liệu ............................................................................................... 61 2.4 Ống phân phối .............................................................................................. 61 2.5 Bộ điều áp. ................................................................................................... 62 2.6 Vòi phun. ...................................................................................................... 64 3. BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM. .............................................................. 70 3.1 Cấu tạo ......................................................................................................... 70 3.3 Phương pháp phun và thời điểm phun ......................................................... 72 3 3.4 Điều khiển lượng phun ................................................................................. 73 4. ĐIỀU KHIỂN CẦM CHỪNG VÀ KIỂM SOÁT KHÍ THẢI. ................... 82 4.1 Chế độ khởi động ......................................................................................... 83 4.2 Chế độ sau khởi động ................................................................................... 83 4.3 Chế độ hâm nóng ......................................................................................... 84 4.4 Chế độ máy lạnh ........................................................................................... 84 4.5 Theo tải máy phát ......................................................................................... 85 4.6 Tín hiệu từ hộp số tự động ........................................................................... 85 4.7 Động cơ 3S- FE sữ dụng van ISC Kiểu van xoay ........................................ 85 5. CHỨC NĂNG TỰ CHẨN ĐOÁN............................................................... 87 PHẦN 3: THIẾT KẾ, LẮP ĐẶT SA BÀN HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ VÀ ĐÁNH LỬA TRỰC TIẾP ĐỘNG CƠ 3S-FE ....................................... 89 1. Ý NGHĨA ..................................................................................................... 89 2. PHƢƠNG ÁN LỰA CHỌN ........................................................................ 89 3. CÁC THIẾT BỊ ĐI KÈM. ........................................................................... 98 4. HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG MÔ HÌNH. .................................................... 101 4.1 Cung cấp ngu n điện cho mô h nh............................................................. 101 4.2 Sử dụng bộ điều khiển tốc độ động cơ dẫn động cảm biến. ...................... 101 4.3 Sử dụng biến trở giả l p tín hiệu của các cảm biến và đ ng h nước xăng101 4.4 Cung cấp nhiên liệu cho mô h nh............................................................... 101 4.5 Chú ý .......................................................................................................... 102 5. KIỂM TRA THÔNG SỐ VÀ KẾT NỐI, XỬ LÝ SỰ CỐ NẾU CÓ. ........ 102 5.1 Kiểm tra sự hoạt động của bộ xử lý ECU. ................................................. 102 5.2 Kiểm tra sự hoạt động của các thiết bị cung cấp ngu n điện. .................. 103 4 5.3 Kiểm tra điện áp cung cấp cho các cảm biến. ........................................... 106 5.4 Kiểm tra sự hoạt động của các cảm biến. .................................................. 106 5.5 Kiểm tra tín hiệu điều khiển từ ECU.......................................................... 112 5.6 Kiểm tra hệ thống nhiên liệu. ..................................................................... 117 5.7 Phương pháp kiểm tra hỏng hóc bằng đèn báo Check. ............................. 122 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 129 KIẾN NGHỊ ..12 5 PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHUN XĂNG VÀ ĐÁNH LỬA CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG PHUN XĂNG 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ Cho đến những năm của thập kỷ 60, chế hoà khí đã từng được sử dụng trong phần lớn các hệ thống phân phối nhiên liệu tiêu chuẩn. Mặc dù vậy, đến năm 1971, Toyota đã phát triển hệ thống EFI (Electronic Fuel injection - hệ thống phun xăng điện tử) của mình, hệ thống này phân phối nhiên liệu đến các xilanh của động cơ tốt hơn so với chế hoà khí bằng việc phun nhiên liệu có điều khiển điện tử. Việc xuất khẩu các xe có lắp động cơ EFI bắt đầu sớm nhất vào năm 1979 với xe Crown (động cơ 5M – E) và xe Cressida (4M - E). Kể từ đó, động cơ trang bị EFI sản xuất tăng dần lên về quy mô cũng như là số lượng. Việc điều khiển EFI có thể được chia thành hai loại, dựa trên sự khác nhau về phương pháp dùng để xác định lượng nhiên liệu phun. Một là một mạch tương tự, loại này điều khiển lượng phun dựa vào thời gian cần thiết để nạp và phóng một tụ điện. Loại khác là loại điều khiển bằng bộ vi sử lý, loại này sử dụng dữ liệu lưu trong bộ nhớ để xác định lượng phun. Loại mạch tương tự là loại được Toyota sử dụng lần đầu tiên trong hệ thống EFI của nó. Loại điều khiển bằng bộ vi sử lý được bắt đầu sử dụng vào năm 1983. Loại hệ thống EFI điều khiển bằng bộ vi sử lý được sử dụng trong xe của Toyota gọi là TCCS ( TOYOTA Computer Controled Sytem - Hệ thống điều khiển bằng máy tính của TOYOTA ), nó không chỉ điều khiển lượng phun mà còn bao gồm ESA ( Electronic Spark Advance – Đánh lửa sớm điện tử ) để điều khiển thời điểm đánh lửa; ISC ( Idle Speed Control - Điều khiển tốc độ không 6 tải ) và các hệ thống điều khiển khác; cũng như chức năng chẩn đoán và dự phòng.  Vào cuối thế kỷ 19, một kỹ sư người Pháp ông Stevan đã nghĩ ra cách phân phối nhiên liệu khi dùng một máy nén khí.  Sau đó một thời gian, người Đức đã cho phun nhiên liệu vào buồng đốt, nhưng việc này không đạt được hiệu quả cao nên không thực hiện.  Đến năm 1887 người Mỹ đã có đóng góp to lớn trong việc triển khai hệ thống phun xăng vào sản xuất, áp dụng trên động cơ tỉnh tại.  Đầu thế kỷ 20, hệ thống phun xăng được áp dụng trên các loại ôtô ở Đức và nó đã thay dần động cơ sử dụng bộ chế hòa khí.  Năm 1962, người Pháp triển khai nó trên ôtô Peugoet 404.  Năm 1973, các kỹ sư người Đức đã đưa ra hệ thống phun xăng kiểu cơ khí gọi là K-Jetronic. Hệ thống phun xăng K-Jetronic là hệ thống phun xăng cơ bản của các kiểu phun xăng điện tử hiện đại ngày nay. Các đặc điểm kỹ thuật của hệ thống phun xăng có thể tóm lược như sau:  Được điều khiển hoàn toàn bằng cơ khí- thuỷ lực.  Không cần những dẫn động của động cơ, có nghĩa là động tác điều chỉnh lưu lượng xăng phun ra do chính độ chân không trong ống hút điều khiển.  Xăng phun ra liên tục và được định lượng tuỳ theo khối lượng không khí nạp. 7 Hình 1: – Hệ thống phun xăng K-Jetronic  Sau K-Jetronic cịn được cải tiến thêm van tần số. Ở loại này người ta dùng van tần số để thay đổi áp suất buồng dưới của các bộ chênh lệch áp suất, mục đích là để điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp để cho động cơ hoạt động được tốt hơn.  Vào năm 1981 hệ thống K-Jetronic được cải tiến thành KE-Jetronic và nó được sản xuất hàng loạt vào năm 1984 và được trang bị trên các xe của hãng Mercedes. Hệ thống phun xăng KE-Jetronic được hãng BOSCH chế tạo dựa trên nền tảng của hệ thống K-Jetronic và K-Jetronic với van tần số. Các nhà thiết kế nhận thấy rằng ở hệ thống K-Jetronic với van tần số thì độ chính xác không cao lắm do các cảm biến sử dụng để nhận biết tình trạng làm việc của động cơ còn quá ít và việc sử dụng van tần số để hiệu chỉnh áp lực các buồng dưới, cũng như dùng bộ điều chỉnh áp lực theo nhiệt độ để hiệu chỉnh tỷ lệ hỗn hợp để đáp ứng các chế độ làm việc của động cơ là chưa hoàn thiện… Bởi vì các chế độ làm việc của động cơ phụ thuộc rất nhiều vào thời gian mở và đóng của van tần số và sự thay đổi của áp suất điều chỉnh trên đỉnh piston. Nếu sự phối hợp cả hai yếu tố trên là không đồng bộ thì độ tin cậy làm việc của hệ thống là không đảm bảo. 8 Hình 2: Sơ đ kết cấu hệ thống phun xăng KE-Jetronic 1 – Thùng xăng; 2 – Bơm xăng; 3 – Bộ tích năng; 4 – Lọc xăng; 5 – Bộ điều áp xăng; 6 – Kim phun xăng; 7 – Đường ống nạp; 8 – Kim phun xăng khởi động lạnh; 9 – Bộ định lượng và phân phối nhiên liệu; 10 – Bộ đo lưu lượng không khí; 11 – Bộ điều chỉnh áp lực bằng điện; 12 – Cảm biến Oxy; 13 – Công tắc nhiệt-thời gian; 14 – Cảm biến nhiệt độ nước làm mát; 15 – Delco; 16 – Van khí phụ; 17 – Công tắc vị trí bướm ga; 18 – ECU; 19 – Công tắc máy; 20 – Ắc quy. Để khắc phục nhược điểm trên cũng như dựa vào cơ sở của hệ thống K- Jetronic với van tần số, các nhà chế tạo đã đưa ra loại KE-Jetronic. Ở hệ thống KE- Jetronic, tỷ lệ hỗn hợp để đáp ứng với các điều kiện hoạt động của động cơ dựa vào sự thay đổi áp lực nhiên liệu của các buồng dưới của các bộ chênh lệch áp suất, nhưng áp suất điều khiển ở trên đỉnh piston điều khiển là được giữ cố định. Các cảm biến bố trí xung quanh động cơ của KE-Jetronic được sử dụng nhiều hơn, tín hiệu từ các cảm biến được gửi về trung tâm điều khiển điện tử và 9 từ đó trung tâm điều khiển sẽ làm thay đổi áp suất trong hệ thống để đáp ứng tốt các yêu cầu làm việc của động cơ. Như vậy chúng ta thấy rằng ngoài việc định lượng nhiên liệu bằng cơ khí như K- Jetronic, hệ thống điện điều khiển của KE-Jetronic sẽ điều chỉnh lại lượng nhiên liệu cung cấp đến các kim phun dựa vào tình trạng làm việc của động cơ theo các chế độ tải, điều kiện môi trường, nhiệt độ động cơ… Ở hệ thống KE- Jetronic hình dạng phễu không khí được chế tạo sao cho tỷ lệ hỗn hợp luôn ở mức =1 cho tất cả các chế độ hoạt động của động cơ.  Đến năm 1984, người Nhật mới ứng dụng hệ thống phun xăng trên các xe của hãng Toyota. Sau đó các hãng khác như Nissan của Nhật cũng ứng dụng kiểu L-Jetronic thay cho bộ chế hoà khí.  Yêu cầu của hệ thống phun xăng.  Tỉ lệ không khí và nhiên liệu phải thích hợp với các chế độ làm việc của động cơ.  Hạt nhiên liệu cung cấp phải nhỏ và phần lớn phải ở dạng hơi.  Hỗn hợp phải đồng nhất trong xy lanh và như nhau ở mỗi xy lanh.  Điều khiển cắt nhiên liệu khi giảm tốc nhằm tiết kiệm được nhiên liệu và giải quyết được vấn đề ô nhiểm môi sinh.  Thời gian hình thành hỗn hợp phải đáp ứng tốt khi động cơ làm việc ở số vòng quay cao.  Hỗn hợp cung cấp phải phù hợp với sự ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất môi trường và nhiệt độ của động cơ.  Lượng nhiên liệu sử dụng phải có chất lượng tốt.  Do không sử dụng độ chân không để hút nhiên liệu như bộ chế hoà khí. Do vậy người ta tăng đường kính và chiều dài của đường ống nạp để làm giảm sức cản và tận dụng quán tính lớn của dòng khí để nạp đầy.  Lượng khí thải được kiểm tra để hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun cho chính xác… 10 2. HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ EFI LÀ GÌ ? Mặc dù K-Jetronic và KE-Jetronic ra đời đã đáp ứng được tỷ lệ hỗn hợp theo yêu cầu của các chế độ làm việc của động cơ theo hướng cải thiện đặc tính tải, tiêu hao nhiên liệu kinh tế hơn, giảm ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên vẫn còn điều khiển bằng cơ khí kết hợp điện tử. Để đạt hiệu quả cao hơn người ta đã chế tạo ra loại phun xăng hoàn toàn điều khiển bằng điện tử (EFI). Hệ thống này cung cấp tỷ lệ khí hỗn hợp cho động cơ một cách tối ưu. Tùy theo chế độ hoạt động của ôtô, EFI điều khiển thay đổi tỷ lệ xăng – không khí một cách chính xác. Cụ thể ở chế độ khởi động trong thời tiết giá lạnh, khí hỗn hợp được cung cấp giàu xăng. Sau khi động cơ đã đạt nhiệt độ vận hành, khí hỗn hợp sẽ nghèo xăng hơn. Ở các chế độ cao tốc và tăng tốc khí hỗn hợp lại được cung cấp giàu xăng đúng yêu cầu. 2.1 Ƣu điểm của hệ thống EFI so với các loại hệ thống phun xăng khác. 2.1.1 Có thể cấp hỗn hợp khí – nhiên liệu đồng đều đến từng xylanh. Do mỗi một xylanh đều có vòi phun của mình & do lượng phun được điều chỉnh chính xác bằng ECU theo sự thay đổi về tốc độ động cơ và tải trọng, nên có thể phân phối đều nhiên liệu đến từng xylanh. Hơn nữa, tỷ lệ khí – nhiên liệu có thể điều chỉnh tự do nhờ ECU bằng việc thay đổi thời gian hoạt động của vòi phun (khoảng thời gian phun nhiên liệu). Vì các lý do đó, hỗn hợp khí nhiên liệu được phân phối đều đến tất cả các xylanh & tạo ra được tỷ lệ tối ưu. Chúng có ưu điểm về cả khía cạnh kiểm soát khí xả & lẫn tính năng về công suất. 2.1.2 Có thể đạt đƣợc tỷ lệ khí - nhiên liệu chính xác với tất cả các dải tốc độ động cơ. Vòi phun đơn của chế hoà khí không thể điều khiển chính xác tỷ lệ khí – nhiên liệu ở tất cả các dải tốc độ, nên việc điều khiển chia thành hệ thống tốc độ chậm, tốc độ cao thứ nhất, tốc độ cao thứ hai…và hỗn hợp phải được làm đậm khi chuyển từ một hệ thống này sang hệ thống khác. Vì lý do đó, nếu hỗn hợp khí nhiên liệu không được làm đậm hơn một chút thì các hiện tượng không bình 11 thường (nổ trong ống nạp và nghẹt) rất dễ xảy ra khi chuyển đổi. Mặc dù vậy, với EFI một hỗn hợp khí – nhiên liệu chính xác và liên tục luôn được cung cấp tại bất kỳ chế độ tốc độ & tải trọng nào của động cơ. Đây là ưu điểm ở khía cạnh kiểm soát khí xả & kinh tế nhiên liệu. 2.1.3 Đáp ứng kịp thời với sự thay đổi góc mở bƣớm ga. Ở động cơ lắp chế hoà khí, từ bộ phận phun nhiên liệu đến xylanh có một khoảng cách dài. Cũng như, do có sự chênh lệch lớn giữa tỷ trọng riêng của xăng và không khí, nên xuất hiện sự chậm trễ nhỏ khi xăng đi vào xylanh tương ứng với sự thay đổi của luồng khí nạp. Mặc dù vậy, ở hệ thống EFI, vòi phun được bố trí gần xylanh & và được nén với áp suất khoảng 2 đến 3 kgf/cm2, cao hơn so với áp suất đường nạp cũng như nó được phun qua một lỗ nhỏ, nên nó dễ dàng tạo thành dạng sương mù. Do vậy, lượng phun thay đổi tương ứng với sự thay đổi của lượng khí nạp tuỳ theo sự đóng mở của bướm ga, nên hỗn hợp khí nhiên liệu phun vào trong các xylanh thay đổi ngay lập tức theo độ mở của bướm ga. Nói tóm lại, nó đáp ứng kịp thời với sự thay đổi của vị trí chân ga. 2.1.4 Hiệu chỉnh hỗn hợp khí nhiên liệu. Bù tại tốc độ thấp: Khả năng tải tại tốc độ thấp được nâng cao do nhiên liệu ở dạng sương mù tốt được phun ra bằng vòi phun khởi động lạnh khi động cơ khởi động. Cũng như, do lượng không khí đầy đủ được hút vào qua van khí phụ, khả năng tải tốt được duy trì ngay lập tức sau khi khởi động. Cắt nhiên liệu khi giảm tốc: Trong quá trình giảm tốc, động cơ chạy với tốc độ cao ngay cả khi bướm ga đóng kín. Do vậy, lượng khí nạp vào xylanh giảm xuống & độ chân không trong đường nạp trở nên rất lớn. Ở chế hoà khí, xăng bám trên thành của đường ống nạp sẽ bay hơi & vào trong xylanh do độ chân không của đường ống nạp tăng đột ngột, kết quả là một hỗn hợp quá đậm, quá trình cháy không hoàn toàn & làm tăng lượng cháy không hết (HC) trong khí xả. Ở động cơ EFI, việc phun 12 nhiên liệu bị loại bỏ khi bướm ga đóng & động cơ chạy tại tốc độ lớn hơn một giá trị nhất định, do vậy nồng độ HC trong khí xả giảm xuống & làm tiêu hao nhiên liệu. Nạp hỗn hợp khí - nhiên liệu có hiệu quả: Ở chế hoà khí, dòng không khí bị thu hẹp tại họng khuếch tán để tăng tốc độ dòng khí, tạo nên độ chân không bên dưới họng khếch tán. Đó là nguyên nhân hỗn hợp khí – nhiên liệu được hút vào trong xylanh trong hành trình đi xuống của piton. Tuy nhiên họng khếch tán làm hẹp (cản trở) dòng khí nạp & đó là nhược điểm của động cơ. Mặt khác, ở EFI một áp suất xấp xỉ 2 - 3 kgf/cm 2 luôn được cung cấp đến động cơ để nâng cao khả năng phun sương của hỗn hợp khí – nhiên liệu, do có thể làm đường ống nạp nhỏ hơn nên có thể lợi dụng quán tính của dòng khí nạp của hỗn hợp khí – nhiên liệu tốt hơn. 2.2 Kết cấu cơ bản của EFI. 2.2.1 Khái quát: EFI có thể chia thành 3 khối chính: - Hệ thống điều khiển điện tử. - Hệ thống nhiên liệu. - Hệ thống nạp khí. EFI cũng có thể được chia thành điều khiển phun nhiên liệu cơ bản & điều khiển hiệu chỉnh. 3 hệ thống này sẽ được mô tả chi tiết sau đây. 13 Hệ thống điều Khiển điện tử Hệ thống Nhiên liệu Hệ thống Nạp khí Công tắc định thời Gian khở