Trong thế kỷ 21 hiện nay, với sự bùng nổ của công nghệ và sự tiến bộ trong ngành ô tô, cảm biến lưu lượng không khí nạp đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và hiệu quả của động cơ xe. Điều này là hết sức quan trọng, đặc biệt là trong bối cảnh ngày càng tăng cường về hiệu quả năng lượng và đáp ứng tiêu chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt. Cảm biến lưu lượng không khí nạp, hay còn được biết đến là cảm biến MAF (Mass Air Flow), không chỉ là một thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển động cơ, mà còn là “mắt” thông minh giúp xe ô tô “cảm nhận” và “đánh giá” lượng không khí mà nó cần để hoạt động một cách hiệu quả nhất.

1. Cảm biến lưu lượng không khí kiểu cánh trượt (đời 80 đến 95)

Cảm biến lưu lượng không khí kiểu cánh trượt được sử dụng trên hệ thống L-Jetronic để nhận biết thể tích gió nạp đi vào xy lanh động cơ. Nó là một trong những cảm biến quan trọng nhất. Tín hiệu thể tích không khí được sử dụng để tính toán lượng xăng phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản. Hoạt động của nó dựa vào nguyên lý dùng điện áp kế có điện trở thay đổi kiểu trượt.

a. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động:

Bộ đo lưu lượng không khí kiểu trượt bao gồm cánh đođược giữ bằng một lò xo hồi vị, cánh giảm chấn, buồng giảm chấn, cảm biến không khí nạp, vít chỉnh cầm chừng, mạch rẽ phụ, điện áp kế kiểu trượt được gắn đồng trục với cánh đo và một công tắc bơm xăng.
Cảm Biến Lưu Lượng Không Khí Nạp - EAC

 

 

 

 

 

  1. Cánh đo
  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
  8. Bộ đo lưu lượng không khí kiểu trượt

 

 

 

 

 

 

Lượng không khí vào động cơ nhiều hay ít tùy thuộc vào vị trí cánh bướm ga và tốc độ động cơ. Khi không khí nạp đi qua bộ lưu lượng không khí từ lọc không khí nó sẽ mở dần cánh đo. Khi lực tác động lên cánh 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 thành tín hiệu điện áp nhờ điện áp kế.

b. Vít chỉnh hỗn hợp cầm chừng (vít chỉnh CO)

Bộ đo lưu lượng không khí có hai mạch không khí: mạch không khí chính đi qua cánh đo và mạch không khí rẽ đi qua vít chỉnh CO. Lượng không khí qua mạch rẽ tăng sẽ làm giảm lượng không khí qua cánh đo vì thế, góc mở của cánh đo sẽ nhỏ lại và ngược lại.

Cảm Biến Lưu Lượng Không Khí Nạp - EAC

                                     Vít chỉnh hỗn hợp cầm chừng

Vì lượng xăng phun cơ bản phụ thuộc vào góc mở cánh đo, nên tỷ lệ xăng/không khí có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh lượng không khí qua mạch rẽ. Nhờ chỉnh tỷ lệ hỗn hợp ở mức cầm chừng thông qua vít CO nên thành phần %CO trong khí thải sẽ được điều chỉnh. Tuy nhiên, điều này chỉ thực hiện được ở tốc độ cầm chừng vì khi cánh đo đã mở lớn, lượng không khí qua mạch rẽ ảnh hưởng rất ít đến lượng không khí qua mạch chính. Trên thực tế, người ta còn có thể điều chỉnh hỗn hợp bằng cách thay đổi sức căng của lò xo.

c. Buồng giảm chấn và cánh giảm chấn

Buồng giảm chấn và cánh giảm chấn có công dụng ổn định chuyển động của cánh đo. Do áp lực không khí thay đổi, cánh đo sẽ bị rung gây ảnh hưởng đến độ chính xác.

Cảm Biến Lưu Lượng Không Khí Nạp - EAC

                                              Cánh giảm chấn và buồng giảm chấn

Để ngăn ngừa dao động cánh đo, người ta thiết kế một cánh giảm chấn liền với cánh đo để dập tắt độ rung.

d. 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, không khí được hút vào nâng cánh đo lên làm công tắc đóng. Khi động cơ ngừng, do không có lực không khí tác động lên cánh đo làm cánh đo quay về vị trí ban đầu khiến công tắc hở khiến bơm xăng không hoạt động dù khóa điện đang ở vị trí ON. Các loại xe khác không mắc công tắc điều khiển bơm trên bộ đo lưu lượng không khí kiểu trượt.

Cảm Biến Lưu Lượng Không Khí Nạp - EAC

                        Công tắc bơm xăng trong bộ đo gió kiểu trượt

e. Mạch điện:

Có hai loại cảm biến đo lưu lượng không khí cánh trượt chỉ khác nhau về bản chất mạch điện.

– Loại 1: Điện áp VS tăng khi lượng không khí nạp tăng chủ yếu dùng cho L-Jetronic đời cũ. Loại này được cung cấp điện áp ắc qui 12V tại đầu VB. VC có điện áp không đổi nhưng nhỏ hơn. Điện áp ở đầu VS tăng theo góc mở của cánh đo gió.

Cảm Biến Lưu Lượng Không Khí Nạp - EAC

                                         Mạch điện và đường đặc tính cảm biến đo gió loại điện áp tăng

ECU so sánh điện áp ắc qui (VB) với độ chênh điện áp giữa VC và VS để xác định lượng không khí nạp theo công thức sau: G = ( V(B) – V(E2) ) / ( V(C) – V(S) )

Nếu cực VC bị đoản mạch, lúc đó lượng không khí tăng, ECU sẽ điều khiển lượng nhiên liệu phun cực đại, bất chấp sự thay đổi ở tín hiệu VS. Điều này có nghĩa là: khi động cơ ở chế độ chạy cầm chừng, nhiên liệu được phun quá nhiều và động cơ sẽ bị ngộp xăng dẫn tới chết máy.

Nếu cực VS bị đoản mạch, VC sẽ luôn ở mức cực đại làm cho lượng không khí giảm, lúc này ECU sẽ điều khiển lượng phun nhiên liệu giảm đi mặc dù có sự thay đổi ở tín hiệu VS.

– Loại 2: Điện áp VS giảm khi lượng không 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.

Cảm Biến Lưu Lượng Không Khí Nạp - EAC

                                                Mạch điện và đường đặc tính cảm biến đo gió loại điện áp giảm

2. Cảm biến đo lưu lượng không khí dạng lốc xoáy (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 (thanh tạo xoáy – Karman Vortex) thì phía sau nó sẽ xuất hiện sự xoáy lốc thay đổi tuần hoàn được gọi là sự xoáy lốc Karman. Đối với một ống dài vô tận có đường kính d, quan hệ giữa tần số xoáy lốc f và vận tốc dòng chảy V được xác định bởi số Struhall:
                                                               

                                                                         S = (f*d) / V

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 không khí đi qua tỉ lệ thuận với tần số xoáy lốc f và có thể xác định V bằng cách đo f.

                                                                       V = (f*d) / S

Lý thuyết về sự xoáy lốc khi dòng không 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 không khí nạp trong hệ thống điều khiển phun xăng nhưng trong khuôn khổ giáo trình này chỉ đề cập đến hai loại chính: loại Karman quang và loại Karman siêu âm.

* Karman kiểu quang:

Là loại cảm biến đo lưu lượng không khí 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.

b. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Cảm biến Karman quang có cấu tạo như trình bày trên, 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 phía sau bộ tạo xoáy còn gọi là các dòng xoáy Karman.

Các dòng xoáy Karman đi theo rãnh hướng làm rung một gương mỏng được phủ nhôm làm thay đổi hướng phản chiếu từ đèn LED đến phototransistor. Như vậy, tần số đóng mở của transistor này sẽ thay đổi theo lưu lượng khí nạp. Tần số f được xác định theo công thức sau:

                                                                          f = S*(V/d)

Trong đó: V: là vận tốc dòng khí; d: là đường kính trụ đứng; S: là 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 xy lanh, từ đó tính ra lượng xăng phun cần thiết.

Cảm Biến Lưu Lượng Không Khí Nạp - EAC

                                  Bộ đo lưu lượng không khí kiểu Karman quang

1.Photo transistor
2.Đèn led
3.Gương (được tráng nhôm)
4. Mạch đếm dòng xoáy
5.Lưới ổn định
6.Vật tạo xoáy
7.Cảm bíến áp suất khí trời
8.Dòng xoáy

Khi lượng không khí vào ít, tấm gương rung ít và phototransistor sẽ đóng mở ở tần số f thấp. Ngược lại, khi lượng không khí vào nhiều, gương rung nhanh và tần số f cao.

Cảm Biến Lưu Lượng Không Khí Nạp - EAC

                                                              Cấu tạo và dạng xung loại Karman

c. Mạch điện:

Cảm Biến Lưu Lượng Không Khí Nạp - EAC

                                                          Mạch điện đo gió kiểu Karman quang

* Bộ đo lưu lượng không khí Karman kiểu siêu âm (ultrasonic)

– Cấu tạo: Bộ đo lượng không khí Karman kiểu siêu âm được sử dụng trong hệ thống LU-Jetronic (Misubishi, Huyndai) có cấu trúc tạo xoáy tương tự như kiểu quang nhưng việc đo tần số xoáy lốc được thực hiện thông qua sóng siêu âm. Nó bao gồm các bộ phận sau:

– Lỗ định hướng:Phân bố dòng khí đi vào.

– Cục tạo xoáy:Tạo các dòng xoáy lốc Karman.

– Bộ khuếch đại: Tạo ra sóng siêu âm .

– Bộ phát sóng:Phát các sóng siêu âm .

– Bộ nhận sóng:Nhận các sóng siêu âm.

– Bộ điều chỉnh xung:Chuyển đổi các sóng siêu âm đã nhận được thành các xung điện dạng số.

d. Phương pháp đo khí:

Khi dòng khí đi qua cục tạo xoáy dạng cột với mặt cắt hình tam giác, nó sẽ tạo ra 2 dòng xoáy ngược chiều nhau: một dòng theo chiều kim đồng hồ và dòng kia ngược chiều kim đồng hồ (dòng xoáy Karman). Tần số xuất hiện dòng xoáy tỉ lệ thuận với lưu lượng khí nạp, nghĩa là phụ thuộc vào độ mở của cánh bướm ga.

Cảm Biến Lưu Lượng Không Khí Nạp - EAC

                                                  Cấu tạo cảm biến đo gió Karman kiểu siêu âm

Cảm Biến Lưu Lượng Không Khí Nạp - EAC

                                                                         Cách tạo xoáy lốc

Khi không có dòng khí đi qua thì cục tạo xoáy không thể phát ra dòng xoáy Karman, vì thế sóng siêu âm được lan từ bộ phận phát sóng (loa) đến bộ nhận sóng (micro) trong một thời gian cố định T được dùng làm thời gian chuẩn để so. (xem hình 1.16).

Cảm Biến Lưu Lượng Không Khí Nạp - EAC

                                                                    Bộ phát sóng và dạng xung

Sóng siêu âm khi gặp dòng xoáy theo chiều kim đồng hồ đi qua sẽ truyền đến bộ nhận nhanh hơn tức thời gian để sóng siêu âm đi qua đường kính d của ống nạp T1 ngắn hơn thời gian chuẩn T.

Cảm Biến Lưu Lượng Không Khí Nạp - EAC

                               Hình 1.17 Dòng khí xoáy cùng chiều sóng siêu âm

Trong trường hợp sóng siêu âm gặp dòng xoáy ngược chiều kim đồng hồ, thời gian để bộ nhận sóng nhận được tín hiệu từ bộ phát là T2 lớn hơn thời gian chuẩn T.

Cảm Biến Lưu Lượng Không Khí Nạp - EAC

                                        Dòng khí ngược chiều sóng siêu âm

Như vậy, khi không khí đi vào xy lanh, do các dòng xoáy thuận và nghịch chiều kim đồng hồ liên tục đi qua giữa bộ phát và bộ nhận nên thời gian đo được sẽ thay đổi. Cứ mỗi lần thời gian sóng truyền thay đổi từ T2 đến T, bộ chuyển đổi sẽ phát ra 1 xung vuông.

Khi lượng không khí vào nhiều, sự thay đổi về thời gian sẽ nhiều hơn và bộ điều chỉnh phát xung sẽ phát ra xung vuông với tần số lớn hơn. Ngược lại, khi gió vào ít, ECU sẽ nhận được các xung vuông có mật độ thưa hơn. Như vậy thể tích không khí đi vào đường ống nạp tỷ lệ thuận với tần số phát xung của bộ điều chỉnh.

e. Mạch điện:

Cảm Biến Lưu Lượng Không Khí Nạp - EAC

                                                 Mạch điện cảm biến đo lưu lượng không khí Karman siêu âm

3. Cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt (trong LH-Jetronic):

Nguyên lý của bộ đo ưu lượng không khí kiểu nhiệt dưạ trên sự phụ thuộc của năng lượng nhiệt W thoát ra từ một linh kiện được nung nóng bằng điện (phần tử nhiệt) như: dây nhiệt, màng nhiệt hoặc điện trở nhiệt (thermistor) được đặt trong dòng khí nạp vào, khối lượng không khí G đi qua và được tính theo công thức sau:

                                                                 W = K * Δt * Gˆn

Trong đó: K: hằng số tỷ lệ; Δt: chênh lệch nhiệt độ giữa phần tử nhiệt và dòng khí; n: hệ số phụ thuộc vào đặc tính trao đổi nhiệt giữa phần tử nhiệt và môi trường.

Sơ đồ cảm biến đo lượng không khí loại nhiệt độ không đổi được trình bày trên. Điện trở R(H) (được nung nóng) và điện trở bù nhiệt R(K) (làm bằng platin) được mắc vào hai nhánh của cầu Wheatstone. Cả hai điện trở này đều được đặt trên đường ống nạp.

Khi nối các ngõ vào của khuếch đại thuật toán l (OP AMP) với đường chéo của cầu, OP AMP1 sẽ giữ cho cầu luôn được cân bằng (có nghĩa là VA –VB = 0) bằng cách điều khiển transitor T1 và T2, làm thay đổi cường độ dòng điện chảy qua cầu.

Như vậy, khi có sự thay đổi lượng không khí đi qua, giá trị điện trở đo R(H) thay đổi làm cho cầu mất cân bằng, OP AMP1 điều chỉnh dòng qua cầu giữ cho giá trị R(H) không đổi và cầu sẽ cân bằng với bất cứ vận tốc vào của dòng không khí. Tín hiệu điện thế ra của mạch đo được lấy từ R2 có hệ số nhiệt điện trở rất nhỏ, do đó tỷ lệ thuận với dòng điện đi qua nó. Tín hiệu này sau khi đi qua cầu phân thế gồm R3 và R4 được đưa đến OP AMP2 giữ chức năng chuyển phát. Điện trở R4 dùng để điều chỉnh điện thế ở ngõ ra. Việc xác lập khoảng chênh lệch nhiệt độ Δt giữa phần tử nhiệt R(H) và nhiệt độ dòng khí được điều chỉnh bởi R(P). Nếu Δt càng lớn thì độ nhạy của cảm biến càng tăng.

Khi nhiệt độ không khí nạp thay đổi sẽ dẫn tới sự thay đổi Δt. Vì vậy, vấn đề cân bằng nhiệt được thực hiện bởi RKmắc ở một nhánh khác của cầu Wheatstone. Thông thường trong các mạch tỷ lệ R(H) : R(K) =1:10.

Trong quá trình làm việc, mạch điện tử luôn giữ cho sự chênh lệch nhiệt độ Δt giữa dây nhiệt và dòng không khí vào khoảng 150°C (air mass sensor BOSCH).

Cảm Biến Lưu Lượng Không Khí Nạp - EAC

                                        Mạch điện cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt

Cảm Biến Lưu Lượng Không Khí Nạp - EAC

            Sự phụ thuộc của hiệu điện thế ngõ ra vào khối lượng khí nạp ở các mức chênh lệch nhiệt độ khác nhau

Để làm sạch điện trở nhiệt (bị bẩn vì bị bám bụi, dầu…), trong một số ECU dùng cho động cơ có công suất lớn, với số xy lanh Z ≥ 6 còn có mạch sấy dây nhiệt trong vòng một giây, đưa nhiệt độ từ 150°C lên 1000°C sau khi tắt khóa điện, trong trường hợp tốc độ động cơ trên 1500vòng/phút, tốc độ xe trên 20km/h và nhiệt độ nước dưới 150°C (air mass senssor NISSAN). Theo số liệu của một số hãng, độ ẩm của không khí gần như không ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến.

Trên dòng cảm biến của hãng HITACHI, cảm biến đo lưu lượng không khí loại dây nhiệt thường được đặt trên mạch không khí rẽ, song song với đường không khí chính. Nhờ vậy mà hoạt động của cảm biến ít phụ thuộc vào sự rung động của dòng khí.

Thang đo của cảm biến từ 9 ÷ 360 kg/h sai số 5 ÷ 7% và có độ nhạy cao nhờ hằng số thời gian của mạch chỉ vào khoảng 20ms.

Đối với các xe MỸ (GM, FORD…) thay vì dây nhiệt, người ta sử dụng màng nhiệt. Cảm biến đo lưu lượng không khí loại màng nhiệt khắc phục được nhược điểm chủ yếu của loại dây nhiệt là độ bền cơ học của cảm biến được tăng lên

Cảm Biến Lưu Lượng Không Khí Nạp - EAC

                                      Cảm biến đo gió loại màng nhiệt
        1-Giắc kết nối; 2-Thành ống đo; 3-Mạch đo; 4-Màng nhiệt; 5-Thân cảm biến;                                     6- Đường khí đi qua; 7-Khí ra; 8-Khí vào

Hình trên trình bày cấu tạo cảm biến đo gió loại màng nhiệt của hãng BOSCH. Màng 4 gồm hai điện trở: điện trở đo RH và điện trở bù nhiệt RK được phủ trên một đế làm bằng chất dẻo. Sự chênh lệch nhiệt độ của RH với dòng không khí được giữ ở 700C nhờ mạch tương tự như hình 1.21. Thang đo của cảm biến trong khoảng 15÷470 kg/h.

Khi thiết kế cảm biến đo lượng không khí kiểu nhiệt, đặt trên đường ống nạp của động cơ cần lưu ý những đặc điểm sau:

(1) Cảm biến bị tác động bởi dòng khí trong đường ống nạp, bất kỳ từ hướng nào nên có thể tăng độ sai số khi có sự dao động của dòng khí.

(2) Ở các chế độ chuyển tiếp của động cơ (tăng tốc, giảm tốc…) do cảm biến có độ nhạy cao nên có thể xảy ra trường hợp không đồng nhất giữa tín hiệu báo về ECU và lượng không khí thực tế đi vào buồng cháy. Điều đó sẽ xảy ra nếu không tính đến vị trí lắp đặt của cảm biến và các quá trình khí động học trên đường ống nạp, sẽ làm trễ dòng khí khi tăng tốc độ đột ngột.

(3) Cảm biến đo lượng không khí kiểu nhiệt đo trực tiếp khối lượng không khí nên ECU không cần mạch hiệu chỉnh hòa khí theo áp suất khí trời cho trường hợp xe chạy ở vùng núi cao.

(4) Vít chỉnh CO trên cảm biến không nằm trên đường không khí rẽ mà là biến trở gắn trên mạch điện tử.

(5) Trên một số xe, cảm biến đo lượng không khí kiểu nhiệt được kết hợp với kiểu xoáy Karman. Khi dòng không khí đi qua vật tạo xoáy, sự xoáy lốc của không khí sẽ ảnh hưởng đến nhiệt độ của dây nhiệt theo tần số xoáy lốc. Tần số này tỷ lệ thuận với lượng không khí và được đưa về ECU xử lý để tính lượng xăng tương ứng.
Cảm biến kiểu nhiệt thường gặp trên các động cơ phun xăng có tăng áp (Turbo charger), vì áp lực lớn trên đường ống nạp nên không thể sử dụng MAP sensor hoặc cảm biến đo gió loại cánh trượt.

Nhờ có quán tính thấp, kết cấu gọn, nhẹ, không có phần tử di động và tổn thất nhỏ, nên cảm biến đo lượng không khí kiểu nhiệt đã được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển phun xăng hiện nay.