Xây dựng mô hình chẩn đoán trạng thái kỹ thuật của hệ thống phun xăng điện tử EFI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------HỒNG QUANG TUẤN

LUẬN VĂN THẠC SỸ
XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHẨN ĐOÁN TRẠNG THÁI KỸ THUẬT
CỦA HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ EFI

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGÀNH CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PHẠM HỮU NAM

HÀ NỘI-2008


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây tốc độ phát triển của nền cơng nghiệp ơtơ Việt
Nam đã có những bước tiến đáng kể. Nhiều hệ thống kết cấu hiện đại đã được
trang bị cho động cơ. Tuy nhiên chúng ta cũng gặp khơng ít khó khăn trong
khai thác sử dụng và làm quen với các hệ thống đó. Đồng thời với việc thay
thế một số kết cấu đơn giản bằng các kết cấu hiện đại và phức tạp cũng đã dẫn
tới việc chuyển từ sửa chữa chi tiết sang sửa chữa thay thế, do đó trong q
trình khai thác nhất thiết phải sử dụng cơng nghệ chẩn đốn để nhanh chóng
tìm ra hư hỏng và khắc phục kịp thời.
Việc chẩn đoán hư hỏng ngày nay được thực hiện bằng nhiều phương
pháp khác nhau như: chẩn đoán được thực hiện bằng máy móc thiết bị hoặc
chẩn đốn bằng trực giác của con người. Trên các hệ thống điều khiển điện
tử, người sử dụng và sửa chữa có thể chẩn đốn lỗi của hệ thống thơng qua tín
hiệu từ đèn Check. Tín hiệu này thơng báo cho ta các mã lỗi của các tín hiệu

và phải thơng qua tài liệu ta mới xác định chính xác lỗi của hệ thống. Một
phương pháp tiên tiến hơn cũng được sử dụng khi chẩn đốn các hệ thống
điều khiển điện tử đó là dùng máy chẩn đoán, thiết bị này cho phép đọc lại
các thông số làm việc của hệ thống, đồng thời đưa ra các lỗi của hệ thống nếu
có. Tuy nhiên cả hai phương pháp chẩn đoán trên chỉ đưa ra các lỗi hư hỏng
mà không đưa ra trạng thái cảnh báo hư hỏng. Để giúp người vận hành và sửa
chữa biết được trạng thái cụ thể của tín hiệu là ở trạng thái hư hỏng hay sắp
hư hỏng để có biện pháp khắc phục chính xác hơn, tơi đã được giao đề tài
“Xây dựng mơ hình chẩn đốn trạng thái kỹ thuật của hệ thống phun
xăng điện tử EFI ”
Với đề tài luận văn này tôi đã xây dựng được mô hình chẩn đốn trạng
thái kỹ thuật trong các hệ thống điều khiển điện tử. Cũng như việc kiểm soát

1


được các thông số làm việc của hệ thống và đưa ra cảnh báo hư hỏng kịp thời
cũng như xác định hư hỏng một cách chính xác nhất.
Được sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của thầy PGS.TS Phạm Hữu Nam, cũng
như sự giúp đỡ và tạo điều kiện của các thầy cơ trong Bộ mơn Ơtơ - Viện Cơ
khí Động lực - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tơi đã có gắng để hồn
thành luận văn này. Nhưng do thời gian, trình độ cũng như kinh nghiệm cịn
hạn chế nên khơng tránh khỏi những thiếu sót, tơi rất mong nhận được những
ý kiến đóng góp, sự chỉ bảo của các thầy cô để luận văn của tôi được hồn
thiện hơn.
Cuối cùng tơi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của
thầy PGS.TS Phạm Hữu Nam và sự tạo điều kiện của Bộ môn đã giúp tơi
hồn thành luận văn này.
Hà Nội, ngày 21 tháng 11 năm 2008
Học viên

Hoàng Quang Tuấn

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHẨN ĐOÁN TRÊN ÔTÔ
1.1.BẢN CHẤT CỦA CHẨN ĐOÁN TRẠNG THÁI KỸ THUẬT ÔTÔ
Trạng thái kỹ thuật của ô tô là tập hợp các giá trị bằng số của các thông số
cấu trúc đặc trưng cho nó. Trong q trình sử dụng, ơ tơ có thể nằm ở một
trong ba trạng thái kỹ thuật sau:
- Trạng thái kỹ thuật đúng: khi đó ơ tơ làm việc ở trạng thái bình thường,
lúc này sai lệch của trị số của thông số cấu trúc so với giá trị tiêu chuẩn của
nó khơng vượt q giới hạn quy định
- Trạng thái kỹ thuật không đúng nhưng xe vẫn còn khả năng làm việc:
khi sai lệch của trị số của thông số cấu trúc so với giá trị tiêu chuẩn đã vượt
quá giới hạn quy định. Tuy nhiên lúc này xe (hoặc các hệ thống, cụm chi tiết
của chúng) vẫn còn khả năng làm việc
- Trạng thái kỹ thuật khơng đúng và xe khơng cịn khả năng làm việc:
khi sai lệch của trị số của thông số cấu trúc so với giá trị tiêu chuẩn của nó đã
vượt quá giới hạn quy định, đã xảy ra hư hỏng và xe khơng cịn khả năng làm
việc
Như vậy, trong q trình sử dụng cần thiết phải có các biện pháp để duy
trì trạng thái kỹ thuật đúng hoặc các biện pháp khôi phục lại các thông số cấu
trúc (đưa chúng về các giá trị tiêu chuẩn hoặc cho phép).
Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật là phương pháp đánh giá trạng thái kỹ thuật
của các cụm chi tiết mà không cần tháo rời, đo đạc các thông số cấu trúc riêng
của chúng.
Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật căn cứ vào các dấu hiệu của quá trình kèm
theo để đánh giá quá trình hiệu quả, từ đó rút ra các kết luận về trạng thái kỹ

thuật của đối tượng.

3


Q trình chẩn đốn trạng thái kỹ thuật của cụm chi tiết, hệ thống được
tiến hành theo trình tự sau:
- Đo đạc, phát hiện các sai lệch giữa các dấu hiệu, trị số đo được của
thơng số chẩn đốn với trị số tiêu chuẩn
- Phân tích đặc tính và nguyên nhân phát sinh các sai lệch nói trên
- Đánh giá trạng thái kỹ thuật hiện thời (chẩn đoán trạng thái kỹ thuật
chung) hoặc dự báo khả năng làm việc tiếp tục khơng xảy ra hư hỏng của đối
tượng (chẩn đốn dự báo khả năng làm việc) hoặc tiến hành xử lý các hư
hỏng theo các kết quả phân tích (chẩn đoán phát hiện hư hỏng).
Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật ôtô là một loại hình tác động kỹ thuật vào
quá trình khai thác sử dụng ơtơ nhằm mục đích đảm bảo cho ơtơ hoạt động có
độ an tồn và hiệu quả cao bằng cách phát hiện và dự báo kịp thời các hư
hỏng và tình trạng kỹ thuật hiện tại mà không cần phải tháo rời ôtô hay tổng
thành máy của ơtơ. Do đó chẩn đốn trạng thái kỹ thuật mang lại những ý
nghĩa sau:
- Nâng cao độ tin cậy của xe và an tồn giao thơng, nhờ phát hiện kịp thời
và dự đốn trước được các hư hỏng có thể xảy ra, nhằm giảm thiểu tai nạn
giao thông, đảm bảo năng suất vận chuyển. Vấn đề tai nạn giao thông và ô
nhiễm môi trường luôn luôn là vấn đề bức xúc với mọi quốc gia, khi tốc độ
vận chuyển trung bình ngày càng nâng cao, khi số lượng ơtơ tham gia giao
thông trong cộng đồng ngày càng gia tăng. Ngăn chặn kịp thời các tai nạn
giao thơng sẽ đóng góp rất lớn vào sự phát triển của xã hội.
- Nâng cao độ bền lâu, giảm chi phí về phụ tùng thay thế, giảm được độ
hao mòn các chi tiết do không phải tháo rời các tổng thành.
- Giảm được tiêu hao nhiên liệu, dầu nhờn do phát hiện kịp thời để điều

chỉnh các bộ phận đưa về trạng thái làm việc tối ưu.
- Giảm giờ công lao động cho công tác bảo dưỡng kỹ thuật và sửa chữa.

4


1.2. HỆ THỐNG CHẨN ĐOÁN TRẠNG THÁI KỸ THUẬT
Hệ thống chẩn đoán trạng thái kỹ thuật là sự kết hợp của các trang thiết bị
đo và chiến lược xử lý các thông tin nhận được nhằm đánh giá hoặc phát hiện
hư hỏng trong khi cụm chi tiết, tổng thành vẫn ở trạng thái làm việc bình
thường mà khơng cần phải tháo rời nó.
Các thành phần cơ bản trong hệ thống chẩn đoán bao gồm: ma trận chẩn
đoán (chứa đựng trong đó các thơng số chẩn đốn và chiến lược xử lý thông
tin) và các trang thiết bị đo (xác định giá trị cụ thể của thơng số chẩn đốn).
Các thành phần của hệ thống chẩn đốn có thể khác nhau tùy thuộc vào mục
đích chẩn đốn, mặc dù có thể là đối với cùng một đối tượng chẩn đốn. Ví
dụ để chẩn đoán chung trạng thái kỹ thuật của hệ thống dẫn hướng, trong các
trạm đăng kiểm thường sử dụng băng thử Side slip đo độ trượt bên của bánh
xe dẫn hướng. Tuy nhiên dùng thông số (và thiết bị này) không cho phép ta
phát hiện được những chỗ hư hỏng trong hệ dẫn động các bánh xe dẫn hướng.
Ma trận chẩn đốn là hình thức biểu diễn dạng ma trận mối quan hệ giữa
các thơng số chẩn đốn và kết quả chẩn đoán trạng thái kỹ thuật của cụm chi
tiết. Quan hệ giữa các thơng số chẩn đốn và các thông số kết cấu là mối quan
hệ hỗn hợp, nghĩa là một trạng thái kỹ thuật có thể có mối quan hệ với nhiều
thơng số chẩn đốn khác nhau.
Các thơng số chẩn đốn là các thơng số, dấu hiệu biểu hiện của đối tượng
để căn cứ vào đó mà ta đánh giá trạng thái kỹ thuật của nó. Các tiêu chuẩn để
lựa chọn thơng số chẩn đốn:
- Tính đơn trị: tính chất này quy định mỗi một giá trị của thông số cấu
trúc đặc trưng cho trạng thái kỹ thuật nào đó của hệ thống chỉ có tương ứng

với một giá trị của thơng số chẩn đốn
- Tính nhạy: u cầu lượng biến đổi của thơng số chẩn đốn cần phải lớn
hơn lượng biến đổi của thông số cấu trúc tương ứng

5


- Tính đo: các thơng số cấu trúc phải có khả năng đo đếm được bằng các
trang thiết bị phù hợp với khả năng hiện có
- Tính thuận tiện: có thể tiến hành lắp đặt, bố trí các trang thiết bị để đo
các thơng số chẩn đốn một cách dễ dàng, thuận tiện mà không làm ảnh
hưởng tới cấu trúc bên trong của tổng thành hoặc gây tốn kém về thời gian
Tùy theo đặc tính của thơng số chẩn đốn ta có thể phân chia ra các loại:
- Thơng số chẩn đốn riêng: là thơng số độc lập, giá trị của nó sẽ xác
định một trạng thái hư hỏng cụ thể, đặc trưng cho một trạng thái hư hỏng cụ
thể của đối tượng. Ví dụ tiếng gõ va đập đặc trưng cho hư hỏng của bạc lót
thanh truyền hay trục khuỷu.
- Thơng số chẩn đốn chung là các thơng số chẩn đoán đặc trưng cho
trạng thái kỹ thuật chung của hệ thống.
- Thơng số chẩn đốn kết hợp là các thông số mà giá trị của chúng được
xác định đồng thời và phối hợp thành bộ với nhau để đánh giá một trạng thái
kỹ thuật cụ thể nào đó của đối tượng. Cách kết hợp cũng như trị số của thơng
số chẩn đốn trong mỗi sự kết hợp như thế cho phép đánh giá các trạng thái
khác nhau của đối tượng.
Việc lựa chọn thơng số chẩn đốn khơng những phải quan tâm đến số
lượng thơng số mà cịn cần chú ý đến cả ý nghĩa thông tin của thông số đó với
các trạng thái kỹ thuật của đối tượng chẩn đốn. Số lượng các thơng số chẩn
đốn phải chọn đủ lớn để đảm bảo xác định được các trạng thái kỹ thuật của
đối tượng. Theo lý thuyết thông tin, đối với đối tượng có n trạng thái kỹ thuật
để xác định được chính xác trạng thái hiện thời của hệ thống cần ít nhất là n

thơng tin (n thơng số chẩn đốn) độc lập nhau. Ngồi ra giá trị thơng tin của
mỗi thơng số chẩn đốn lại có ý nghĩa khác nhau đối với việc xác định trạng
thái kỹ thuật cụ thể của đối tượng.

6


Để các số liệu của thơng số chẩn đốn có tính khách quan, tin cậy cần
phải có các dụng cụ thiết bị đo phù hợp. Nếu thơng số chẩn đốn được chọn
lại khơng có khả năng đo được thì việc lựa chọn sẽ khơng có ý nghĩa. Như
vậy, ta thấy vai trị của thiết bị đo rất quan trọng, có tính quyết định đến mức
độ chính xác cũng như độ tin cậy của kết quả chẩn đoán.
Đối với các hệ thống, cụm chi tiết trên ơtơ thường có hai loại chẩn đoán
sau: chẩn đoán đánh giá trạng thái kỹ thuật chung và chẩn đoán trạng thái kỹ
thuật sâu để phát hiện các nguyên nhân hư hỏng trong hệ thống.
Chẩn đoán kỹ thuật chung chỉ cho ta kết quả dưới dạng “ đạt/ khơng đạt”,
khơng xác định được chính xác hư hỏng xuất hiện ở đâu trong hệ thống. Do
đó, phương pháp chẩn đốn này chỉ phù hợp trong cơng việc kiểm tra định kỳ,
kiểm tu, kiểm định trạng thái kỹ thuật xe trong lưu hành. Đối với chẩn đoán
kỹ thuật chung, thơng số chẩn đốn thường được sử dụng là thông số hiệu quả
- thông số đặc trưng cho chức năng , nhiệm vụ chính của hệ thống. Ví dụ đối
với động cơ là thông số công suất, tốc độ vịng quay động cơ.
Chẩn đốn kỹ thuật sâu cho phép ta xác định được nguyên nhân phát sinh
hư hỏng. Vì lẽ đó phương pháp này thường được sử dụng trong các xưởng
sửa chữa và bảo dưỡng xe. Đối với phương pháp chẩn đốn này các thơng số
được lựa chọn phải có ý nghĩa nhiều đối với các dạng hư hỏng cần phát hiện.
Các hệ thống, cụm chi tiết trên ôtô thường phức tạp, nhiều trạng thái hư hỏng
có thể xảy ra vì vậy nhiều trường hợp phải phân chia thành “hệ thống lớn, hệ
thống con”. Một “hệ thống lớn” là tập hợp nhiều “hệ thống con” làm việc
đồng thời để thực hiện một chức năng cụ thể nào đó (ví dụ chức năng phanh,

chức năng dẫn hướng, động cơ – nguồn động lực). Các thơng số chẩn đốn
phải được chọn sao cho đặc trưng cho các trạng thái hư hỏng của mỗi “hệ
thống con”. Trong nhiều trường hợp, các thông số chẩn đốn khơng có đủ số
lượng cũng như giá trị thông tin để xác định các hư hỏng cụ thể khi đó phải

7


sử dụng phương pháp kiểm tra, loại trừ dần các khả năng hư hỏng có thể đi
đến xác định đúng nguyên nhân (vùng) hư hỏng của đối tượng.
1.3.ĐẶC ĐIỂM CHẨN ĐOÁN TRẠNG THÁI KỸ THUẬT CÁC HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ TRÊN ÔTÔ
Trong những năm gần đây, kỹ thuật điện tử điều khiển được sử dụng rộng
rãi trong các hệ thống của ôtô. Các hệ thống được điều khiển điện tử được sử
dụng trên ôtô hiện nay như: hệ thống đánh lửa sớm ESA, hệ thống phanh
chống bó cứng ABS, và không thể không kể đến hệ thống phun xăng điện tử
EFI,... Việc điều khiển bằng điệ tử có đặc điểm là góp phần làm tăng cơng
suất của động cơ, tiết kiểm nhiên liệu, giảm bớt hàm lượng khí thải qua đó
bảo vệ mơi trường.....
Bên cạnh đó kỹ thuật điện tử được sử dụng vào các hệ thống chẩn đoán tự
động. Các hệ thống chẩn đốn này khơng những cho phép theo dõi kiểm tra
thường xuyên, liên tục trạng thái kỹ thuật các cụm chi tiết hệ thống của ôtô
mà cịn làm tăng tính chất an tồn trong kỹ thuật vận hành xe.
Hệ thống điều khiển điện tử trên ôtô đều bao gồm 3 phần chính là: khối
cung cấp thơng tin đầu vào với chủ yếu là các cảm biến; khối xử lý thơng tin
chính là ECU động cơ; và khối cơ cấu chấp hành (actuator) như kim phun,
các van điều khiển cầm chừng...
Trong hệ thống điều khiển điện tử các cảm biến giữ một vị trí hết sức
quan trọng. Nó cho phép đo đạc các thơng số làm việc của hệ thống trong suốt
quá trình làm việc một cách thuận tiện. Các cảm biến (sensors) giúp ECU

nhận biết tình trạng hoạt động của động cơ. Các cảm biến bao gồm: cảm biến
áp suất đường ống nạp mang thông tin về áp suất đường ống nạp từ đó dựa
vào tốc độ động cơ và nhiệt độ khí nạp ECU sẽ tính ra được lượng khơng khí
nạp và lượng xăng phun cơ bản. Cảm biến nhiệt độ nước mang thông tin về
nhiệt độ của động cơ, nhiệt độ kí nạp cho ECU biết nhiệt độ của khơng khí,

8


đây chính là thơng tin về mật độ khí nạp. Tín hiệu vị trí piston (tín hiệu G)
cho ECU biết vị trí ĐCT của máy chuẩn. Tín hiệu số vịng quay động cơ (tín
hiệu NE) giúp ECU tính tốn lượng nhiên liệu phun và điều chỉnh thời điểm
đánh lửa. Cảm biến vị trí bướm ga cho ECU biết động cơ đang làm việc ở chế
độ tải nào và cho ECU biết thời điểm tăng tốc. Tín hiệu khởi động (tín hiệu
STA) cho ECU biết phải phun xăng theo chế độ khởi động. Tóm lại, các
thơng tin mà cảm biến gửi về là cơ sở để tiến hành công việc chẩn đoán trạng
thái kỹ thuật chuyên sâu để xác định được nguyên nhân và khoanh vùng hư
hỏng một cách chính xác. Từ những phân tích trên tác giả quyết đinh lựa chọn
phương pháp chẩn đoán là dựa trên cơ sở sự phân tich các thông số cấu trúc
của hệ thống phun xăng điện tử EFI.
Các mục tiêu đề tài cần đạt được là:
- Nghiên cứu sự hoạt động của hệ thống phun xăng E F I , từ đó lựa chọn
các thơng số chẩn đốn trạng thái kỹ thuật
- Tiến hành xây dựng mơ hình chẩn đốn lỗi cho hệ thống phun xăng EFI
- Xây dựng hệ thống đo các thông số kỹ thuật chính của hệ thống phun
xăng EFI
- Thiết kế mạch đo và tiến hành khảo nghiệm trên thực tế, đánh giá khả
năng ứng dụng của hệ thống đo được thiết kế.

9

CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHẨN ĐỐN TRẠNG KỸ
THUẬT ĐỐI VỚI HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ EFI
2.1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ EFI
Hệ thống phun xăng điện tử cung cấp khí hỗn hợp cho từng xilanh động
cơ một lượng xăng chính xác và đặt một góc đánh lửa tối ưu đáp ứng nhiều
chế độ tải khác nhau của động cơ. Tùy theo từng chế độ làm việc của ơtơ, EFI
thay đổi tỷ lệ hịa trộn xăng – khơng khí để ln ln cung cấp cho động cơ
một lượng hỗn hợp tối ưu.
Do dòng chảy của khơng khí trên đường ống nạp của động cơ là xung liên
tục và yêu cầu hỗn hợp công tác lại được xác định theo từng xilanh, vì vậy ở
đây ta chọn thông số điều khiển hợp lý là khối lượng khơng khí (khối lượng
oxygen) được nạp vào xilanh trong mỗi chu trình làm việc. Khối lượng này
gồm các thành phần sau
∆Gctr = ∆G0 + ∆G1 + ∆G2
Trong đó: ∆G0 lượng khí nạp vào xilanh động cơ tại thời điểm cuối kỳ hút
∆G1 lượng khơng khí nạp được nạp thêm do van nạp đóng
muộn
∆G2 lượng khơng khí quay lại do van nạp đóng muộn
∆G1, ∆G2 thay đổi theo chế độ tốc độ động cơ
∆G0 được xác định theo công thức sau; ∆G0 = (Vak*pak)/(r* Tak)
Trong đó Vak, pak, Tak tương ứng là thể tích xilanh, áp suất và nhiệt độ
khơng khí nạp tại thời điểm đóng van nạp;
Như vậy lượng khơng khí nạp cơ sở của một chu trình có thể được xác
định bằng cách đo trực tiếp ∆G0 hoặc tính gián tiếp thơng qua các trị số của
pak, Tak
Tuy nhiên đo trực tiếp các giá trị của ∆G0 , pak, Tak là cơng việc khó khăn,
vì vậy có thể xác định các thông số cho phép xác định gần đúng ∆G0. Có hai

10


phương án xác định gần đúng ∆G0 như sau: đo lưu lượng khơng khí trên
đường ống nạp ∆Gkk và tốc độ động cơ ne hoặc đo áp suất tuyệt đối trên
đường ống nạp và nhiệt độ vùng van nạp;
Hệ thống điều khiển động cơ có 3 thành phần chính (Hình 2.1): cảm biến,
thành phần xử lý tín hiệu ECU, và cơ cấu chấp hành.

Hình 2.1. Các thành phần chính của hệ thống phun xăng điện tử

+) Cảm biến.
Cảm biến và các tín hiệu đầu vào có nhiệm vụ ghi nhận các trạng thái làm
việc của động cơ. Thông qua sự thay đổi điện trở hoặc điện áp trên các cảm
biến và dựa vào đặc tính của các cảm biến sẽ cho biết trạng thái và thông số
làm việc của động cơ. Quá trình chuyển đổi ở đây là từ các tín hiệu vật lý
chuyển thành các tín hiệu điện.
+) ECU (Electronic control unit).
ECU xử lý các thông tin từ cảm biến, bằng việc so sánh với bộ dữ liệu tối
ưu được nạp sẵn vào bộ vi xử lý, sau đó ECU sẽ tính tốn và đưa ra tín hiệu
điều khiển cơ cấu chấp hành. ECU điều khiển các cơ cấu chấp hành bằng các
tín hiệu điện. ECU cũng được kết nối với các hệ thống điều khiển khác và hệ
thống chuẩn đoán trên xe.
+) Cơ cấu chấp hành.

11


Cơ cấu chấp hành trong hệ thống phun xăng điện tử là các vịi phun, van
khơng tải, điều khiển đánh lửa, hệ thống chẩn đoán. ECU sẽ đưa ra các tín

hiệu dưới dạng xung điều khiển hoặc tín hiệu điện áp on/off tới các cơ cấu
chấp hành, tín hiệu điều khiển từ ECU phải phù hợp với các trạng thái làm
việc của động cơ.
2.2. VAI TRÒ CỦA CÁC CẢM BIẾN TRONG HỆ THỐNG PHUN
XĂNG ĐIỆN TỬ EFI
Như chúng ta đã biết nguyên tắc của hệ thống này là lưu lượng khơng
khí nạp được đo gián tiếp thơng qua cảm biến áp suất đường ống nạp. Cảm
biến này được gắn trên đường ống nạp. Tín hiệu về áp suất tỷ lệ với lượng
khơng khí nạp được một vơn kế ghi nhận và gửi đến ECU. ECU sẽ tính tốn
lượng xăng phun cơ bản dựa vào cảm biến áp suất đường ống nạp và số vịng
quay động cơ. Ngồi ra ECU cịn lấy tín hiệu từ các cảm biến khác như: cảm
biến oxy, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến
vị trí trục cam, cảm biến kích nổ,… các tín hiệu này đóng vai trị là các tín
hiệu hiệu chỉnh. Dựa vào các tín hiệu này ECU sẽ tính tốn được lượng xăng
phun tối ưu nhất phù hợp với các chế độ tải khác nhau của động cơ.
Cảm biến cho các tín hiệu đầu ra là các tín hiệu điện, nếu các tín hiệu
đầu ra này nằm trong vùng làm việc đã quy định của cảm biến thì hệ thống
hoạt động bình thường. Ngược lại, nếu các tín hiệu này vượt khỏi dải làm việc
thì hệ thống có trục trặc.
Bên cạnh đó, việc bố trí các cảm biến trong hệ thống phun xăng EFI
còn cho phép người sử dụng luôn giám sát được các thông số của hệ thống.
Tóm lại, trong hệ thống phun xăng điện tử thì các cảm biến đóng vai trị rất
quan trọng.
2.2.1. Cảm biến đo lưu lượng khí nạp (sử dụng cho động cơ L – EFI):

12


Để xác định lượng khí nạp đi vào xy lanh, người ta sử dụng các loại
cảm biến khác nhau, nhưng ta có thể phân làm 2 kiểu: đo lưu lượng với thể

tích dịng khí và đo lưu lượng bằng khối lượng dịng khí.
Cảm biến đo lưu lượng bằng khối lượng dịng khí có hai loại, chúng
khác nhau về mạch điện. Một loại, điện áp VS giảm khi lượng khí nạp lớn cịn
loại kia tăng khi lượng khí nạp tăng.
 Loại 1:
ECU động cơ có một mạch điện áp khơng đổi cấp điện áp 5 v đến cực
VC của cảm biến lưu lượng khí nạp. Vì vậy, điện áp VS sẽ ln báo chính xác
góc mở của tấm đo và do đó báo chính xác lượng khí nạp.

Hình 2.1. Sơ đồ mạch điện và đường đặc tính của loại 1

 Loại 2:
Loại cảm biến lưu lượng khí nạp này được cấp điện áp ắc quy đến cực
VB.

13


Loại cảm biến lưu lượng khí nạp này khơng được cấp điện áp không
đổi 5 v từ ECU nên điện áp xác định bởi tỷ số điện trở giữa VB và VC và điện
trở giữa VC và E2 được đưa đến ECU động cơ qua cực VC.

Hình 2.2. Sơ đồ mạch điện và đường đặc tính

Cảm biến đo gió dạng xốy lốc (Karman): là loại cảm biến đo lưu lượng
gió kiểu quang đo trực tiếp thể tích khí nạp. So với kiểu trượt, nó có ưu điểm
là nhỏ gọn và nhẹ hơn. Ngoài ra, cấu trúc đường ống đơn giản sẽ giảm trở lực
trên đường ống nạp.
Cảm biến Karman quang bao gồm một trụ đứng đóng vai trị của bộ tạo
dịng xốy, được đặt ở giữa dịng khí nạp. Khi dịng khí đi qua, sự xốy lốc sẽ

được hình thành phía sau bộ tạo xốy cịn gọi là các dịng xoáy Karman.

14


Xốy Karman sinh ra có tần số là “f”, tốc độ của dịng khơng khí là “V”
và đường kính của thanh tạo xốy “d” có mối liên hệ sau:
f = K.

V
d

Sử dụng quy tắc này, bằng cách đo tần số của xốy tạo ra bởi bộ tạo
xốy, có thể xác định được lượng khí nạp.
Dịng xốy này được cảm nhận bằng cách cho bề mặt của một lá kim
loại mỏng (gọi là tấm phản chiếu) tiếp xúc với áp suất của xoáy và rung động
của tấm này được nhận biết bằng một cặp transitor quang học (một điốt phát
quang kết hợp với một transitor quang học).

Hình 2.3. Sơ đồ mạch điện và đường đặc tính cảm biến kiểu quang

Tín hiệu lưu lượng khí nạp (KS) là một tín hiệu xung như trong hình
2.3. Khi lượng khí nạp thấp, tín hiệu này có tần số thấp. Khi lượng khí nạp
nhiều tín hiệu này có tần số cao.

15


2.2.2. Cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp MAP
Cảm biến áp suất đường ống nạp dùng để xác định lượng khí nạp, cảm

biến này kết hợp với cảm biến tốc độ để tính lượng nhiên liệu phun cơ bản.
Khi áp suất đường ống nạp thay đổi, giá trị của điện trở áp điện sẽ thay
đổi. Các điện trở áp điện được nối thành cầu Wheatstone. Giá trị đo được từ
cảm biến áp suất chân không là giá trị điện áp tại chân PIM và thơng quađặc
tính cảm biến ECU xác định được giá trị áp suất tương ứng.

Hình 2.4. Sơ đồ và đặc tính cảm biến áp suất chân không trên đường ống nạp

2.2.3. Cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston
Cảm biến vị trí piston (TDC sensor hay cịn gọi là tín hiệu G) báo cho
ECU biết vị trí điểm chết trên hoặc trước điểm chết trên của piston. Công
dụng của cảm biến này là để ECU xác định thời điểm đánh lửa và cả thời
điểm phun.
Cảm biến tốc độ động cơ (Engine speed; crankshaft angle sensor hay cịn
gọi là tín hiệu NE) dùng để báo tốc độ động cơ sử dụng trong quá trình tính
tốn hoặc tìm góc đánh lửa tối ưu và lượng nhiên liệu sẽ phun cho từng
xylanh. Cảm biến này cũng được sử dụng vào mục đích điều khiển tốc độ
không tải hoặc cắt nhiên liệu ở chế độ không tải cưỡng bức.

16


Có nhiều cách bố trí cảm biến G và NE trên động cơ: trong delco, trên
bánh đà, hoặc trên bánh răng cam.
Bộ phận chính của cảm biến là một cuộn cảm ứng, một nam châm vĩnh
kiểu và một rotor dùng để khép mạch từ có số răng tùy thuộc vào từng loại
động cơ. Khi đỉnh răng của rotor không nằm đối diện cực từ, thì từ thơng đi
qua cuộn dây cảm ứng sẽ có giá trị thấp vì khe hở khơng khí lớn nên có từ trở
cao. Khi một đỉnh răng đến gần cực từ của cuộn dây, khe hở khơng khí giảm
dần khiến từ thơng tăng nhanh. Như vậy nhờ sự biến thiên từ thông, trên cuộn

dây sẽ xuất hiện một sức điện động cảm ứng. Khi đỉnh răng của rotor đối diện
với cực từ của cuộn dây, từ thông đạt giá trị cực đại nhưng điện áp ở hai đầu
cuộn dây bằng không. Khi đỉnh răng rotor di chuyển ra khỏi cực từ, thì khe hở
khơng khí tăng dần làm từ thông sinh ra giảm theo chiều ngược lại.
Giá trị cảm biến tốc độ đo được là giá trị dạng xung, thông qua số xung
biến đổi trên đơn vị thời gian ECU sẽ xác định được vị trí điểm chết trên (tín
hiệu G) và số vịng quay của động cơ (tín hiệu NE).

Hình 2.5. Sơ đồ mạch điện và dạng tín hiệu xung G và NE

2.2.4. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát và nhiệt độ khí nạp
2.2.4.1. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát:
Cảm biến này nhận biết nhiệt độ nước làm mát bằng một nhiệt điện trở
bên trong. Khi nhiệt độ tăng điện trở giảm và ngược lại. Các cảm biến nhiệt
độ hoạt động cùng nguyên lý nhưng mức hoạt động và sự thay đổi điện trở

17


theo nhiệt độ có sự khác nhau. Sự thay đổi giá trị điện trở sẽ làm thay đổi giá
trị điện áp được gửi đến ECU.
Đặc tính của cảm biến nhiệt độ nước dùng cho ECU là phi tuyến và có
vùng sai số rộng. Nhưng do không phải thể hiện kết quả đo mà giá trị này chỉ
sử dụng để tính toán lượng nhiên liệu phun thêm và tối ưu hoá góc đánh lửa
nên khơng cần độ chính xác của cảm biến cao. Để vi xử lý hiểu được tín hiệu
này thì phải chuyển đổi sang tín hiệu số qua bộ chuyển đổi ADC (Analog to
Digital Converter).

Hình 2.6. Sơ đồ mạch điện và đặc tính của cảm biến nhiệt độ nước làm mát

2.2.4.2. Cảm biến nhiệt độ khí nạp:
Cảm biến nhiệt độ khí nạp dùng để xác định nhiệt độ khí nạp. Cũng
giống như cảm biến nhiệt độ nước làm mát, nó gồm một điện trở được gắn
trong bộ đo gió hoặc trên đường ống nạp.
Tỉ trọng của khơng khí thay đổi theo nhiệt độ. Nếu nhiệt độ khơng khí
cao, hàm lượng oxy trong khơng khí thấp. Khi nhiệt độ khơng khí thấp, hàm
lượng oxy trong khơng khí tăng. Trong hệ thống phun xăng, ECU xem nhiệt
độ 20oC là mức chuẩn, nếu nhiệt độ khí nạp lớn hơn 20oC thì ECU sẽ điều
khiển giảm lượng xăng phun; nếu nhiệt độ khí nạp nhỏ hơn 20oC thì ECU sẽ
điều khiển tăng lượng xăng phun. Với phương pháp này, tỉ lệ hỗn hợp sẽ được
đảm bảo theo nhiệt độ môi trường.

18


Giá trị của cảm biến đưa về ECU là sự thay đổi của giá trị điện trở tại chân
THW (nhiệt độ nước làm mát) và chân THA (nhiệt độ khí nạp) tương ứng với
sự thay đổi nhiệt độ của động cơ. Thơng qua đường đặc tính của cảm biến
ECU sẽ xác định được giá trị nhiệt độ tương ứng.

Hình 2.7. Sơ đồ mạch điện và đặc tính của cảm biến nhiệt độ khí nạp

2.2.5. Cảm biến vị trí bướm ga
Đây là thông tin phụ phản ánh mức tải của động cơ. Nó đặc biệt quan
trọng hai trạng thái đầu (khơng tải) và 75% tải trở lên của bướm ga ngoài ra
nó cịn dùng để điều khiển hộp số tự động, hệ thống treo tự động và điều
khiển đặc tính của động cơ. Có hai loại cảm biến là loại tiếp điểm và loại biến
trở, loại tiếp điểm có hai hoặc ba tiếp điểm hay có thêm nhiều tiếp điểm phụ.

19

Hình 2.7. Sơ đồ mạch và đặc tính cảm biến vị trí bướm ga
Cảm biến bướm vị trí bướm ga đưa ra hai thông tin quan trọng báo về
ECU là thơng tin về vị trí khơng tải và thơng tin về vị trí tồn tải, và thơng tin
về thời điểm tăng tốc.
Giá trị của cảm biến đo được là sự thay đổi điện áp tại chân VTA, thông
qua sự thay đổi điện áp và dựa vào đặc tính của cảm biến, ECU sẽ xác định
được vị trí của cảm biến bướm ga.
2.2.6. Cảm biến Lambda (cảm biến Oxy)
Mục đích của cảm biến λ là đo liên tục nồng độ khí xả và hiệu chỉnh liên
tục lượng xăng phun ra tuỳ theo kết quả đo, thông qua ECU.
Nguyên lý đo dựa trên sự so sánh hàm lượng oxy trong khơng khí chuẩn
và khí xả. Khi có sự chênh lệch về lượng ôxy thì trên hai bề mặt ống xứ xuất
hiện điện áp, giá trị điện áp phụ thuộc mức độ chênh lệch hàm lượng O2 với
điều kiện cảm biến đã được nung nóng đến nhiệt độ nhất định.
Khi λ < 0,9 điện áp trên hai cực > 0,8v
Khi λ > 1,1 điện áp trên hai cực < 0,2v
Cảm biến λ chỉ hoạt động có hiệu quả khi nhiệt độ của cảm biến >2500C.
20


Thông thường các cảm biến λ hiện nay được trang bị thêm một sợi đốt
nằm bên trong cảm biến nhằm rút ngắn thời gian sấy nóng khi động cơ mới
khởi động.

Hình 2.8. Sơ đồ mạch và đặc tính của cảm biến oxy

Kết luận:
• Các cảm biến làm nhiệm vụ cung cấp các thông tin về trạng thái làm

việc của động cơ và môi trường. Các thông tin từ cảm biến được gửi về ECU
để làm cơ sở xác định lượng nhiên liệu cần cấp cho các xy lanh động cơ.
• Thơng tin của các cảm biến dưới dạng các tín hiệu điện. Đặc tính của
cảm biến là quan hệ của các thông số điện ở đầu ra theo các biến đổi của đại
lượng vật lý đầu vào của cảm biến.
• Có thể căn cứ vào giá trị điện áp đầu ra của cảm biến để đánh giá
trạng thái làm việc của cụm chi tiết hay phần của hệ thống mà cảm biến chịu
trách nhiệm giám sát.
Các tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra trong hệ thống EFI sẽ được đưa
vào mạch chẩn đốn để đo lại các thơng số làm việc của động cơ. Tuy nhiên
để xác định được lỗi từ các tín hiệu này thì phải so sánh với giá trị chuẩn của

21


chúng ở trạng thái mà nó đang làm việc. Bảng 2.1 thể hiện một số giá trị
chuẩn của các tín hiệu:

Bảng 2.1. Tthông số kỹ thuật trong hệ thống điều khiển ĐC dùng cảm biến của hãng

22


Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật trong hệ thống điều khiển động cơ

23


2.3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHẨN ĐỐN TRẠNG THÁI KỸ THUẬT
2.3.1. Ngun lý xây dựng mơ hình chẩn đốn trạng thái kỹ thuật

Các mơ hình hệ thống trên động cơ sử dụng hệ thống điều khiển điện tử
luôn được chẩn đốn và tích hợp các mơ hình chẩn đốn lỗi, tuy nhiên để tích
hợp được hệ thống chẩn đốn trong các hệ thống điều khiển điện tử thì phải
xây dựng mơ hình hệ thống chẩn đốn.
Có nhiều phương pháp để xây dựng mơ hình chẩn đốn, nhưng thơng
thường sử dụng phương pháp xác định giá trị ngoài dải.
2.3.1.1. Xác định giá trị ngoài dải
Định nghĩa giá trị ngoài dải: Giá trị ngồi dải r(t) là một véctơ vơ hướng,
nó là các giá trị nằm ngoài dải làm việc. Trong trường hợp khơng có lỗi giá trị
véctơ này bằng 0 hoặc rất nhỏ và trong trường hợp một lỗi xuất hiện giá trị
này #0.
Ví dụ: Các tín hiệu trong hệ thống phun xăng điện tử đều là các véctơ vô
hướng như là: Tín hiệu tốc độ, tín hiệu đánh lửa, tín hiệu lưu lượng khí nạp,
tín hiệu điều khiển vịi phun…. Vì các giá trị của chúng thay đổi liên tục theo
cả chiều tăng và giảm.
Phương pháp xác định giá trị ngồi dải trong mơ hình chẩn đốn: Thứ
nhất là phát hiện giá trị ngoài dải và tiếp theo là ước lượng giá trị ngồi dải.
Mục đích của việc phát hiện giá trị ngồi dải là phát hiện các tín hiệu vượt
khỏi dải làm việc của các các bộ phận trong hệ thống, cịn mục đích của việc
ước lượng giá trị ngoài dải là ước lượng giá trị vượt khỏi dải so với giá trị làm
việc thơng thường của nó để quyết định lỗi xảy ra.
Ví dụ: - Để phát hiện giá trị ngồi dải của tín hiệu trong hệ thống điều
khiển điện tử ta phải sử dụng các thiết bị để đo tín hiệu đó, như: sử dụng đồng
hồ vạn năng để đo điện áp, sử dụng osiloscop để đo các tín hiệu dạng xung,

24