Trong thời đại công nghệ hiện đại, cảm biến đã trở thành những bộ não không thể thiếu, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển của các phương tiện giao thông. Trong số những cảm biến này, cảm biến tốc độ động cơ ô tô đóng vai trò không thể phủ nhận, đặc biệt là khi chúng ta chứng kiến sự tiến bộ đáng kể trong ngành công nghiệp ô tô. Khả năng đo lường chính xác và liên tục của cảm biến tốc độ động cơ không chỉ quản lý hiệu suất hoạt động của động cơ mà còn đảm bảo an toàn và sự ổn định trong quá trình vận hành.
Cảm biến tốc độ động cơ (Engine speed; crankshaft angle sensor hay còn gọi là tín hiệu NE) dùng để xác định tốc độ động cơ, tính toán hoặc tìm góc đánh lửa tối ưu và lượng nhiên liệu sẽ phun cho từng xy lanh. Cảm biến này cũng được dùng vào mục đích điều khiển tốc độ cầm chừng hoặc cắt nhiên liệu ở chế độ cầm chừng cưỡng bức.
Có nhiều cách bố trí cảm biến G và NE trên động cơ: trong delco, trên bánh đà, hoặc trên bánh răng cốt cam. Đôi khi ECU chỉ dựa vào một xung lấy từ cảm biến hoặc IC đánh lửa để xác định vị trí piston và tốc độ động cơ. Cảm biến vị trí piston và cảm biến tốc độ động cơ có nhiều dạng khác nhau như: cảm biến điện từ loại nam châm quay hoặc đứng yên, cảm biến quang, cảm biến Hall…
I – Loại dùng cảm biến điện từ:
1. Cấu tạo:
Sơ đồ bố trí cảm biến G và NE trên delco
Trên hình trình bày sơ đồ bố trí của cảm biến vị trí xy lanh và tốc độ động cơ dạng điện từ trên delco loại nam châm đứng yên. Mỗi cảm biến gồm có rotor để khép mạch từ và cuộn dây cảm ứng mà lõi gắn với một nam châm vĩnh cửu đứng yên. Số răng trên rotor và số cuộn dây cảm ứng thay đổi tùy thuộc vào loại động cơ. Phần tử phát xung G có thể có 1; 2; 4 hoặc 6, còn phần tử phát xung NE có thể có 4; 24 hoặc sử dụng số răng của bánh đà. Ở đây ta xem xét cấu tạo và hoạt động của bộ tạo tín hiệu G và NE loại một cuộn cảm ứng – một rotor 4 răng cho tín hiệu G và một cuộn cảm ứng – một rotor 24 răng cho tín hiệu NE. Hai rotor này gắn đồng trục với bộ chia điện, bánh răng tín hiệu G nằm trên, còn bánh răng phát tín hiệu NE phía dưới.
Sơ đồ nguyên lý của loại dùng cảm biến điện từ
2. Nguyên lý hoạt động:
Bộ phận chính của cảm biến gồm: cuộn cảm ứng, một nam châm vĩnh cửu và một rotor dùng để khép mạch từ có số răng tùy loại dộng cơ. Khi răng của rotor không nằm đối diện cực từ, thì từ thông đi qua cuộn dây cảm ứng sẽ có giá trị thấp vì khe hở không khí lớn nên có từ trở cao. Khi một răng đến gần cực từ của cuộn dây, khe hở không khí giảm dần khiến từ thông tăng nhanh. Như vậy, nhờ sự biến thiên từ thông, trên cuộn dây sẽ xuất hiện một sức điện động cảm ứng. Khi răng 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 răng rotor di chuyển ra khỏi cực từ, thì khe hở không khí tăng dần làm từ thông giảm sinh ra một sức điện động theo chiều ngược lại.
– Tín hiệu G: Cuộn cảm nhận tín hiệu G, gắn trên thân của delco. Rotor tín hiệu G có 4 răng sẽ cho 4 xung dạng sin trên một vòng quay của trục cam.
– Tín hiệu NE: Tín hiệu NE được tạo ra trong cuộn cảm cùng nguyên lý như tín hiệu G. Điều khác nhau duy nhất là rotor của tín hiệu NE có 24 răng. Cuộn dây cảm biến sẽ phát 24 xung trong mỗi vòng quay của delco.
3. Mạch điện và dạng xung:
Tín hiệu G (1 cuộn kích 4 răng)
Tín hiệu NE (1 cuộn kích 24 răng).
Sơ đồ mạch điện và dạng tín hiệu xung G và NE
4. Một số mạch điện và dạng xung của tín hiệu G và NF với số răng khác nhau trên ô tô của hãng TOYOTA:
a. Tính hiệu G (1 cuộn kích, 2 răng)
Tín hiệu NE (1 cuộn kích, 24 răng)
Hình 1.27 Sơ đồ và dạng xung loại 2/24
b. Tín hiệu G1 và G2 (2 cuộn kích, 1 răng)
Tín hiệu NE (1 cuộn kích, 24 răng)
Sơ đồ và dạng xung loại 1/24
c. Tín hiệu NE (1 cuộn kích, 4 răng)
Sơ đồ và dạng xung loại 1 cuộn dây chung cho G và NE kết hợp với IC đánh lửa
d. Tín hiệu G ( 1 cuộn kích, 1 răng)
Tín hiệu NE (2 cuộn kích, 4 răng)
Hình 1.30 Sơ đồ và dạng xung loại 1/4
e. Tín hiệu NE (2 cuộn kích, 4 răng)
Sơ đồ và dạng xung loại 2 cuộn dây chung cho G và NE
f. Tín hiệu G (1 cuộn kích, 1 răng)
Tín hiệu NE( 2 cuộn kích, 4 răng)
Sơ đồ và dạng xung của loại 1/4 kết hợp IC đánh lửa
II – Loại dùng cảm biến quang:
1. Cấu tạo:
Cảm biến quang
Rotor của cảm biến (được lắp với trục delco) là một đĩa nhôm mỏng khắc vạch. Vành trong có số rãnh tương ứng với số xy lanh trong đó có một rãnh rộng hơn đánh dấu vị trí piston máy số 1. Nhóm các rãnh này kết hợp với cặp diode phát quang (LED) và diode cảm quang (photodiode) còn gọi là photocouple thứ nhất là bộ phận để phát xung G. Vành ngoài của đĩa có khắc 360 rãnh nhỏ, mỗi rãnh đều ứng với 20 góc quay của trục khuỷu. Diode phát quang và diode cảm quang thứ hai đặt trên quỹ đạo của rãnh nhỏ tạo thành bộ phận phát xung NE.
2. Mạch điện:
Mạch điện cảm biến quang
Khi đĩa quay, các rãnh lần lượt đi qua photocouple. Lúc này, ánh sáng từ đèn LED chiếu tới photodiode chúng trở nên dẫn điện. Khi đó điện áp ở ngõ vào (+) của OP AMP sẽ lớn hơn điện áp ở ngõ vào (-), vì thế, ở ngõ ra OP AMP điện áp sẽ ở mức cao. Khi rãnh ra khỏi photocouple, photodiode không nhận được ánh sáng từ đèn LED, dòng điện bị ngắt đột ngột nên điện áp ở ngõ vào (+) của OP AMP bằng 0. Kết quả là điện áp ở ngõ ra của OP AMP xuống mức thấp. Các xung G và NE ở đây đều là dạng xung vuông có giá trị cao nhất là 5V, thấp nhất là 0V.
Cảm biến tốc độ động cơ ô tô đóng vai trò quan trọng trong việc giữ cho hệ thống động cơ hoạt động một cách ổn định và hiệu quả. Khả năng đo lường chính xác của cảm biến này giúp người lái ô tô duy trì tốc độ an toàn và hiệu suất tối ưu cho chiếc xe của mình. Một trong những điểm mạnh của cảm biến tốc độ động cơ là khả năng hoạt động chính xác và ổn định trong môi trường đa dạng, từ đường bằng phẳng đến đường dốc, từ tốc độ thấp đến tốc độ cao. Điều này giúp cảm biến tối ưu hóa hiệu suất của động cơ, mang lại trải nghiệm lái xe mượt mà và an toàn. Sự kết hợp giữa công nghệ và tính năng chính xác của cảm biến này giúp ô tô duy trì tốc độ an toàn và hiệu suất tối đa trên mọi hành trình.
