Hệ thống điều khiển phun xăng điện tử (Electronic Fuel Injection – EFI) trong động cơ đốt trong hiện đại sử dụng các thuật toán phức tạp để đảm bảo tỷ lệ không khí-nhiên liệu (Air-Fuel Ratio – AFR) lý tưởng, thường là 14.7:1 (stoichiometric ratio), nhằm tối ưu hóa hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải. Trong đó, closed loop control (kiểm soát vòng kín) là phương pháp tiên tiến sử dụng phản hồi từ cảm biến để điều chỉnh liên tục lượng nhiên liệu phun. Phần này nói về thuật toán điều khiển kín closed loop control với 1 và 2 cảm biến oxy (O2 sensors), đồng thời giải thích chi tiết về Short-Term Fuel Trim (STFT) và Long-Term Fuel Trim (LTFT) – các yếu tố cốt lõi trong việc điều chỉnh nhiên liệu. Nội dung dựa trên nguyên lý hoạt động của hệ thống EFI trong ô tô và động cơ, giúp người học hiểu rõ cách hệ thống ECU (Engine Control Unit) xử lý dữ liệu để duy trì hiệu quả. Qua đó ta sẽ phân biệt rõ ràng giữa cảm biến oxy (O2 sensor) và cảm biến A/F (Air-Fuel ratio sensor).
1. Open Loop Control (Kiểm soát vòng hở)
Trong open loop, ECU điều khiển lượng nhiên liệu dựa trên các thông số cố định hoặc dữ liệu từ cảm biến khác (như nhiệt độ động cơ, vị trí bướm ga, tốc độ động cơ) mà không có phản hồi từ khí thải.
-Ưu điểm: Đơn giản, nhanh chóng (dùng khi khởi động lạnh hoặc tải cao).
-Nhược điểm: Không điều chỉnh được sai lệch do lão hóa linh kiện hoặc thay đổi môi trường, dẫn đến AFR không chính xác.
2 Closed Loop Control (Kiểm soát vòng kín)
Closed loop sử dụng phản hồi từ cảm biến oxy hoặc A/F sensor để so sánh AFR thực tế với giá trị mục tiêu, sau đó điều chỉnh lượng nhiên liệu phun.
-Quy trình cơ bản:
a-ECU tính toán lượng nhiên liệu cơ bản dựa trên dữ liệu đầu vào (mass air flow, manifold pressure, v.v.).
b-Cảm biến oxy hoặc A/F sensor đo nồng độ oxy hoặc tỷ lệ AFR trong khí thải.
c-ECU so sánh tín hiệu cảm biến với giá trị setpoint (thường là điện áp 0.45V cho cảm biến oxy hoặc giá trị lambda cho A/F sensor).
d-Điều chỉnh fuel trim (STFT và LTFT) để bù đắp sai lệch.
-Ưu điểm: Duy trì AFR chính xác, giảm khí thải (NOx, CO, HC), cải thiện hiệu suất.
-Điều kiện kích hoạt: Động cơ ấm (trên 70°C), tải ổn định, không lỗi cảm biến.
3 Phân biệt cảm biến oxy (O2 Sensor) và cảm biến A/F (Air-Fuel Ratio Sensor)
Cả cảm biến oxy (O2 sensor) và cảm biến A/F đều đo lường đặc tính khí thải để hỗ trợ kiểm soát AFR, nhưng chúng khác nhau về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng.
3.1 Cảm biến oxy (O2 Sensor)
a-Loại phổ biến: Narrow-band (zirconia) hoặc wide-band.
b-Nguyên lý hoạt động:
-Narrow-band: Tạo ra điện áp dao động (0.1-0.9V) dựa trên nồng độ oxy trong khí thải so với không khí môi trường. Điện áp ~0.45V tương ứng AFR 14.7:1 (stoichiometric). Chỉ báo rich (>0.45V) hoặc lean (<0.45V).
-Wide-band: Đo chính xác AFR trên dải rộng (10:1 đến 20:1) bằng cách sử dụng dòng bơm (pump current) để cân bằng nồng độ oxy.
c-Ưu điểm:
Narrow-band: Giá rẻ, phổ biến trong xe đời cũ.
Wide-band: Độ chính xác cao hơn, phù hợp với hệ thống hiện đại.
d-Nhược điểm:
Narrow-band: Chỉ đo được gần stoichiometric, không chính xác ở dải AFR rộng.
Yêu cầu nhiệt độ cao (~300°C) để hoạt động.
e-Ứng dụng: Narrow-band dùng cho closed loop cơ bản; wide-band dùng trong hệ thống yêu cầu kiểm soát chính xác (xe thể thao, xe hybrid).
3.2 Cảm biến A/F (Air-Fuel Ratio Sensor)
a-Loại: Thường là wide-band (cảm biến tỷ lệ không khí-nhiên liệu).
b-Nguyên lý hoạt động:
Sử dụng tế bào điện hóa (electrochemical cell) để đo trực tiếp tỷ lệ AFR bằng cách điều chỉnh dòng bơm (pump current). Tín hiệu đầu ra thường là dòng điện tuyến tính (mA) thay vì điện áp.
Cung cấp giá trị lambda (λ), với λ = 1 tương ứng AFR 14.7:1. Có thể đo chính xác từ lean (λ > 1) đến rich (λ < 1).
c-Ưu điểm:
Đo chính xác trên dải AFR rộng (10:1 đến 20:1).
Phản hồi nhanh hơn narrow-band O2 sensor.
Hỗ trợ kiểm soát động cơ ở các điều kiện khắc nghiệt (tăng tốc mạnh, chạy lean-burn).
d-Nhược điểm:
Giá thành cao hơn O2 sensor.
Cấu tạo phức tạp, yêu cầu ECU hỗ trợ xử lý tín hiệu dòng.
e-Ứng dụng: Dùng trong xe hiện đại, động cơ lean-burn, hoặc hệ thống có yêu cầu khí thải nghiêm ngặt (Euro 6, EPA).
3.3 Tích hợp trong closed loop
-O2 sensor (narrow-band): Phù hợp cho closed loop cơ bản, điều chỉnh AFR quanh stoichiometric.
-A/F sensor: Hỗ trợ closed loop tiên tiến, cho phép điều chỉnh chính xác ở các điều kiện vận hành đa dạng (lean-burn, full load).
-Hệ thống hiện đại có thể kết hợp cả hai: A/F sensor (upstream) để kiểm soát AFR chính xác, O2 sensor (downstream) để giám sát catalytic converter.
4 Vai trò của cảm biến oxy và A/F sensor trong closed loop
Cả hai loại cảm biến đều đo nồng độ oxy hoặc tỷ lệ AFR trong khí thải để xác định trạng thái rich hay lean.
4.1 Vị trí:
Upstream (trước catalytic converter): O2 sensor hoặc A/F sensor kiểm soát AFR.
Downstream (sau catalytic converter): Thường là O2 sensor để kiểm tra hiệu quả bộ chuyển hóa xúc tác.
4.2 Chức năng:
O2 sensor (narrow-band): Cung cấp tín hiệu dao động để ECU điều chỉnh nhanh STFT.
A/F sensor: Cung cấp tín hiệu tuyến tính, cho phép ECU điều chỉnh chính xác hơn, đặc biệt ở chế độ lean-burn.
