Sâu hơn một chút về cảm biến trên ô tô
Mình là amatur, mình bắt đầu tìm hiểu về các loại cảm biến trên ô tô. Trong quá trình tìm hiểu sẽ tập hợp tài liệu lại và chia sẻ lên đây. Mong mọi người vào xem góp ý nhiệt tình để mình xây dựng được những kiến thức đúng đắn.
Theo vòng tròn mình sẽ tìm hiểu dần dần các loại cảm biến
1-Knock Sensor
Key
SOC start of combustion ~ sự kiện đầu đốt bắt đầu đánh lửa
SOI start of injection ~ sự kiện kim phun bắt đầu phun nhiên liệu
SI spark ignited ~ tia lửa
EGR exhaust gas recirculation ~ quay vòng khí thải/trích khí thải phản hồi
DSP digital signal processor ~ xử lý tín hiệu số
CCM Cylinder Control Module ~ Mô-đun điều khiển xi-lanh
1. Giới thiệu
Phẩm chất khí thải và hiệu suất đốt nhiên liệu của động cơ diesel phụ thuộc trực tiếp vào SOC. Một mặt, nhiên liệu không nên được đốt cháy quá sớm vì sẽ sinh ra nhiều NOx hơn. Mặt khác, SOC xảy ra quá muộn lại làm giảm hiệu suất động cơ. Hai mặt mâu thuẫn này làm nổi bật lên tầm quan trọng của việc kiểm soát SOC nhằm tối ưu hóa hiệu suất động cơ. Các bộ luật về yêu cầu khí thải đang ngày càng khắt khe nên việc làm chủ được lượng khí thải là rất cần thiết. Các hệ thống ngày nay phụ thuộc vào độ dung sai cơ khí nhỏ, thiết bị điện tử đắt tiền, thiết bị kiểm soát SOI và SOC. Khoảng trễ giữa SOI và SOC phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ không khí, nhiên liệu, chất lượng máy, EGR và nhiều thông số khác cần để tính toán SOC. Viêc tính toán SOC có thể thực hiện bằng cách đo áp suất buồng đốt hoặc công nghệ đo dòng ion xi-lanh. Nhưng các công nghệ này không được áp dụng rộng rãi do giá thành cao. Ý tưởng giải quyết đơn giản hơn để tính toán SOC là đo đạc “knock” hay còn gọi là tiếng nổ, tiếng gõ.
Khi dùng SI để đốt cháy động cơ, knock là hiện tượng gây hại cho động cơ, khi mà xi-lanh “đang chuyển động”, SOC xảy ra, nhiên liệu cháy giải phóng năng lượng làm “chuyển hướng xi-lanh đột ngột” không đúng thời điểm xi-lanh “dừng”, do vậy sẽ xảy ra “knock”.
Đo đạc knock là giải pháp không tốn kém và giúp hoàn chỉnh vòng điều khiển kín kiểm soát SOC. Phương pháp này ít tốn kém về mặt thiết kế cơ học và điện tử. Ngoài ra, nó còn có thể đánh giá được chất lượng vòi/kim phun cũng như phẩm chất nhiên liệu bằng việc đo đạc độ trễ của SOI.
2. Lý thuyết
Chương này tìm hiểu về đặc điểm của knock, cấu tạo cảm biến, vị trí cảm biến và phân tích tín hiệu.
2.1 Đặc điểm của knock
Khi knock xảy ra, các sóng xung kích tạo ra hiệu ứng âm thanh trong kết cấu kim loại của động cơ và áp xuất buồng đốt tăng đáng kể. Ảnh hưởng xấu nhất có thể phá vỡ kết cấu của động cơ.
2.1.1 Một số nguyên nhân có thể gây ra knock
knock là kết quả cảu nhiệt độ, áp suất và thời gian. Một số yếu tố có thể gây ra knock:
- Hỗn hợp không khí-nhiên liệu không đồng nhất
- Tốc độ động cơ và tải của động cơ
- Thời điểm đánh lửa quá sớm
- Nhiên liệu tồn dư bị đốt cháy
2.1.2 Tác hại của knock
knock xảy ra thường xuyên gây ra:
- Hư hại đầu xi-lanh và miếng đệm đầu xi lanh
- Kẹt piston
- Nóng chảy piston và van
- Gia tăng mài mòn vòng bi
- Tiêu tốn nhiên liệu hơn
- Gia tăng lượng khí thải
2.2 Cảm biến knock
Có 2 phương pháp đo knock chính là đo áp suất buồng đốt và đo âm thanh/rung động mà knock gây ra bằng hiệu ứng áp điện (piezoelectric).
2.2.1 Phương pháp đo áp suất buồng đốt
Phương pháp khảo sát đường cong áp suất buồng đốt đưa ra thông tin hữu ích nhất để kiểm soát SOC. Tuy nhiên đầu đo và kết cấu cơ khí phức tạp hơn khiến giá thành cao và ít thông dung.
2.2.2 Phương pháp dùng hiệu ứng áp điện
Hiêu ứng áp điện chuyển đổi mọi rung động của động cơ thành tín hiệu điện có thể đo đạc, phân tích được. Phương pháp này sẽ đưọc ưu tiên tìm hiểu trong các phần sau đây.
2.2.3 Cấu tạo của cảm biến Knock hiệu ứng áp điện
Chú thích:
1 - Phần tử áp điện
2 - Lớp cách điện
3 - Lõi sắt tiếp nhận rung động
4 - Điện trở điều chỉnh
5 - Màng rung
A - Loại dẹt
B - Loại trụ
Loại dẹt có thể cảm nhận được dải tần số rộng hơn loại trụ.
Cảm biến Knock đương nhiên đặt tại vùng gần buồng đốt vì đó là nguồn gây ra hiệu ứng knock.
2.3 Hiệu ứng áp điện
Hiệu ứng áp điện có thể giải thích ngắn gọn là điện tích trong khối vật liệu thay đổi để thích ứng với biến dạng cơ học ( Hiệu ứng áp điện thuận). Thuật ngữ áp điện có nghĩa là điện sinh ra từ áp lực. Các hiệu ứng áp điện là một quá trình thuận nghịch, các vật liệu xảy ra hiện tượng áp điện thuận cũng xảy ra hiện tượng áp điện nghịch. Tức là khi cấp một điện trường vào vật liệu, nó sẽ biến dạng ( Ứng dụng trong loa áp điện, Ví dụ loa đồng hồ điện tử Casio).
2.3.1 Ứng dụng
Công nghệ áp điện được ứng dụng trong thị trường bán dẫn cao cấp như y tế, công nghệ ô tô và cũng xuất hiện trong cuộc sống hàng ngày như máy tạo sương dùng siêu âm, loa nhỏ. Các loại đầu phát sóng siêu âm ( sóng siêu âm có dải tần số cao hơn 16kHz) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đo đạc khoảng cách, đo tốc độ dòng chảy, đo tốc độ gió, siêu âm y tế, dao cắt siêu âm hay các máy sục rửa.
2.3.2 Hiệu ứng áp điện thuận
Hiệu ứng áp điện thuận là hiện tượng chuyển đồi năng lượng cơ học thành năng lượng điện.
Phần tử áp điện ở trạng thái bình thường có một sự cân bằng điện tích, tức là điện tích âm và dương triệt tiêu lẫn nhau trong cấu truc phân tử.Khi sự cân bằng này bị phá vỡ do sự biến dạng cơ học, cấu trúc phân tử bị thay đổi, các điện tích sẽ dạt về 2 bề mặt đối diện của vật liệu tạo ra một điện trường E trên phần tử, ta có thể đo đạc được điện trường này. Khi đảo ngược chiều tác dụng lực, điện trường E cũng đổi chiều.
2.3.3 Hiệu ứng áp điện nghịch
Hiệu ứng áp điện nghịch là hiện tượng chuyển đổi điện trường tác dụng lên phần tử thành lực cơ học. Khi đặt một điện áp AC lên phần tử, phần tử sẽ biến dạng cùng với tần số của điện áp AC (Nguyên lý tạo sóng siêu âm).
2.3.4 Các yếu tố khác
Các yếu tố như phương, chiều tác dụng lực,độ ẩm, nhiệt độ môi phần tử áp điện có tác dụng đáng kể đến hiệu ứng áp điện. Các yếu tố đó cần được tính toán cụ thể, phần này xin bỏ qua, ai cần tài liệu có thể liên hệ với mình.
2.4 Đo đạc knock và phát hiện lỗi của cảm biến
2.4.1. Đo đạc knock
Knock có thể đo bằng cảm biến áp điện hoặc cảm biến áp suất như đã nói. Các phép đo được thục hiện trong một cửa sổ góc quay cụ thể. Khi của sổ góc quay đã trôi qua, các dữ liệu được đưa vào bộ xử lý DSP và giá trị tính toán được dùng cho ứng dụng điều khiển SOC. Điều này có nghĩa là mỗi chu kỳ động cơ (720 độ) của mỗi xi lanh sẽ đo đạc được một giá trị knock.
Hình trên là một ví dụ về cửa sổ góc quay.
Đường màu đen: Dữ liệu cảm biến áp suất xi-lanh
Đường màu đỏ: Dữ liệu cảm biến Knock
Hình 1 mô tả dữ liệu cảm biến trong quá trình đốt cháy thông thường.
Hình 2 mô tả dữ liệu cảm biến trong quá trình đốt cháy sớm sinh ra knock.
Bởi vì rung động giảm dần nhưng vẫn diễn ra cho đến chu kì tiếp theo nên các bộ DSP đóng vai trò rất quan trọng.
2.4.2. Phát hiện lỗi cảm biến Knock
DSP tính toán giá trị knock từ dữ liệu cảm biến gửi về và gửi kết quả đến ứng dụng kiểm soát Knock. Cảm biến Knock áp điện thường được sử dụng kết hợp với cảm biến đó áp suất xi-lanh nhằm kiểm soát các thông số liên quan( ví đụ áp suất đỉnh trên xi-lanh). Nếu cảm biến áp điện lỗi, thông tin gửi đến CCM có kèm theo tín hiệu trạng thái lỗi của cảm biến.
Phương pháp “mạch DC” thường được sử dung để phát hiện cảm biến Knock áp điện bị lỗi.
Nguyên lý cơ bản như sau:
Tín hiệu từ cảm biến là tín hiệu điện không đối xứng. Mạch nối nối tiếp cảm biến với điện trở Rx, khi cấp một nguồn DC vào mạch sẽ tạo thành 1 mạch kín. Nguồn DC có thể trích từ CCM. Điện trở nội của cảm biến và Rx tạo ra một mạch chia điện áp.
Sử dụng mạch lọc thông cao đơn giản, ta có thể phát hiện được tình trạng cảm biến Knock:
- Trường hợp cảm biến Knock còn hoạt động, tín hiệu đo knock có thể đi qua bộ lọc thông cao. Ta cần đo điện áp đầu ra mạch thông cao.
- Trường hợp cảm biến Knock bị vỡ, đứt làm hở mạch DC. Điện áp ra nhỏ hơn 0.5V.
- Trường hợp cảm biến Knock bị ngắn mạch bên trong hoặc cáp dẫn, điện áp ra sẽ lớn hơn 3.1V DC. (Tùy thuộc việc chọn giá trị điện trở).
3. Kiểm tra
Để mô phỏng, khảo sát cảm biến Knock, người ta đưa ra mạch thay thế cho cảm biến để xây dựng mô hình toán học cho cảm biến. Qua đó xây dựng các ứng dụng chuẩn đoán tình trạng cảm biến Knock.
Mạch thay thế được thể hiện ở hình dưới đây:
Mạch gồm có:
- Điện trở Shunt-Điện trở của lớp cách điện
- Nguồn xuay chiều-Điện áp sinh ra do hiệu ứng áp điện thuận
- Tụ điện-Điện dung của phần tử áp điện
- Trở kháng cách ly-Điện trở giữa 2 chân kết nối của cảm biến
Mỗi hãng lại đưa ra ứng dụng kiểm tra cảm biến riêng và có hướng dẫn cụ thể nên mình xin kết thúc ở đây.
Theo vòng tròn mình sẽ tìm hiểu dần dần các loại cảm biến
1-Knock Sensor
Key
SOC start of combustion ~ sự kiện đầu đốt bắt đầu đánh lửa
SOI start of injection ~ sự kiện kim phun bắt đầu phun nhiên liệu
SI spark ignited ~ tia lửa
EGR exhaust gas recirculation ~ quay vòng khí thải/trích khí thải phản hồi
DSP digital signal processor ~ xử lý tín hiệu số
CCM Cylinder Control Module ~ Mô-đun điều khiển xi-lanh
1. Giới thiệu
Phẩm chất khí thải và hiệu suất đốt nhiên liệu của động cơ diesel phụ thuộc trực tiếp vào SOC. Một mặt, nhiên liệu không nên được đốt cháy quá sớm vì sẽ sinh ra nhiều NOx hơn. Mặt khác, SOC xảy ra quá muộn lại làm giảm hiệu suất động cơ. Hai mặt mâu thuẫn này làm nổi bật lên tầm quan trọng của việc kiểm soát SOC nhằm tối ưu hóa hiệu suất động cơ. Các bộ luật về yêu cầu khí thải đang ngày càng khắt khe nên việc làm chủ được lượng khí thải là rất cần thiết. Các hệ thống ngày nay phụ thuộc vào độ dung sai cơ khí nhỏ, thiết bị điện tử đắt tiền, thiết bị kiểm soát SOI và SOC. Khoảng trễ giữa SOI và SOC phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ không khí, nhiên liệu, chất lượng máy, EGR và nhiều thông số khác cần để tính toán SOC. Viêc tính toán SOC có thể thực hiện bằng cách đo áp suất buồng đốt hoặc công nghệ đo dòng ion xi-lanh. Nhưng các công nghệ này không được áp dụng rộng rãi do giá thành cao. Ý tưởng giải quyết đơn giản hơn để tính toán SOC là đo đạc “knock” hay còn gọi là tiếng nổ, tiếng gõ.
Khi dùng SI để đốt cháy động cơ, knock là hiện tượng gây hại cho động cơ, khi mà xi-lanh “đang chuyển động”, SOC xảy ra, nhiên liệu cháy giải phóng năng lượng làm “chuyển hướng xi-lanh đột ngột” không đúng thời điểm xi-lanh “dừng”, do vậy sẽ xảy ra “knock”.
Đo đạc knock là giải pháp không tốn kém và giúp hoàn chỉnh vòng điều khiển kín kiểm soát SOC. Phương pháp này ít tốn kém về mặt thiết kế cơ học và điện tử. Ngoài ra, nó còn có thể đánh giá được chất lượng vòi/kim phun cũng như phẩm chất nhiên liệu bằng việc đo đạc độ trễ của SOI.
2. Lý thuyết
Chương này tìm hiểu về đặc điểm của knock, cấu tạo cảm biến, vị trí cảm biến và phân tích tín hiệu.
2.1 Đặc điểm của knock
Khi knock xảy ra, các sóng xung kích tạo ra hiệu ứng âm thanh trong kết cấu kim loại của động cơ và áp xuất buồng đốt tăng đáng kể. Ảnh hưởng xấu nhất có thể phá vỡ kết cấu của động cơ.
2.1.1 Một số nguyên nhân có thể gây ra knock
knock là kết quả cảu nhiệt độ, áp suất và thời gian. Một số yếu tố có thể gây ra knock:
- Hỗn hợp không khí-nhiên liệu không đồng nhất
- Tốc độ động cơ và tải của động cơ
- Thời điểm đánh lửa quá sớm
- Nhiên liệu tồn dư bị đốt cháy
2.1.2 Tác hại của knock
knock xảy ra thường xuyên gây ra:
- Hư hại đầu xi-lanh và miếng đệm đầu xi lanh
- Kẹt piston
- Nóng chảy piston và van
- Gia tăng mài mòn vòng bi
- Tiêu tốn nhiên liệu hơn
- Gia tăng lượng khí thải
2.2 Cảm biến knock
Có 2 phương pháp đo knock chính là đo áp suất buồng đốt và đo âm thanh/rung động mà knock gây ra bằng hiệu ứng áp điện (piezoelectric).
2.2.1 Phương pháp đo áp suất buồng đốt
Phương pháp khảo sát đường cong áp suất buồng đốt đưa ra thông tin hữu ích nhất để kiểm soát SOC. Tuy nhiên đầu đo và kết cấu cơ khí phức tạp hơn khiến giá thành cao và ít thông dung.
2.2.2 Phương pháp dùng hiệu ứng áp điện
Hiêu ứng áp điện chuyển đổi mọi rung động của động cơ thành tín hiệu điện có thể đo đạc, phân tích được. Phương pháp này sẽ đưọc ưu tiên tìm hiểu trong các phần sau đây.
2.2.3 Cấu tạo của cảm biến Knock hiệu ứng áp điện
Chú thích:
1 - Phần tử áp điện
2 - Lớp cách điện
3 - Lõi sắt tiếp nhận rung động
4 - Điện trở điều chỉnh
5 - Màng rung
A - Loại dẹt
B - Loại trụ
Loại dẹt có thể cảm nhận được dải tần số rộng hơn loại trụ.
Cảm biến Knock đương nhiên đặt tại vùng gần buồng đốt vì đó là nguồn gây ra hiệu ứng knock.
2.3 Hiệu ứng áp điện
Hiệu ứng áp điện có thể giải thích ngắn gọn là điện tích trong khối vật liệu thay đổi để thích ứng với biến dạng cơ học ( Hiệu ứng áp điện thuận). Thuật ngữ áp điện có nghĩa là điện sinh ra từ áp lực. Các hiệu ứng áp điện là một quá trình thuận nghịch, các vật liệu xảy ra hiện tượng áp điện thuận cũng xảy ra hiện tượng áp điện nghịch. Tức là khi cấp một điện trường vào vật liệu, nó sẽ biến dạng ( Ứng dụng trong loa áp điện, Ví dụ loa đồng hồ điện tử Casio).
2.3.1 Ứng dụng
Công nghệ áp điện được ứng dụng trong thị trường bán dẫn cao cấp như y tế, công nghệ ô tô và cũng xuất hiện trong cuộc sống hàng ngày như máy tạo sương dùng siêu âm, loa nhỏ. Các loại đầu phát sóng siêu âm ( sóng siêu âm có dải tần số cao hơn 16kHz) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đo đạc khoảng cách, đo tốc độ dòng chảy, đo tốc độ gió, siêu âm y tế, dao cắt siêu âm hay các máy sục rửa.
2.3.2 Hiệu ứng áp điện thuận
Hiệu ứng áp điện thuận là hiện tượng chuyển đồi năng lượng cơ học thành năng lượng điện.
Phần tử áp điện ở trạng thái bình thường có một sự cân bằng điện tích, tức là điện tích âm và dương triệt tiêu lẫn nhau trong cấu truc phân tử.Khi sự cân bằng này bị phá vỡ do sự biến dạng cơ học, cấu trúc phân tử bị thay đổi, các điện tích sẽ dạt về 2 bề mặt đối diện của vật liệu tạo ra một điện trường E trên phần tử, ta có thể đo đạc được điện trường này. Khi đảo ngược chiều tác dụng lực, điện trường E cũng đổi chiều.
2.3.3 Hiệu ứng áp điện nghịch
Hiệu ứng áp điện nghịch là hiện tượng chuyển đổi điện trường tác dụng lên phần tử thành lực cơ học. Khi đặt một điện áp AC lên phần tử, phần tử sẽ biến dạng cùng với tần số của điện áp AC (Nguyên lý tạo sóng siêu âm).
2.3.4 Các yếu tố khác
Các yếu tố như phương, chiều tác dụng lực,độ ẩm, nhiệt độ môi phần tử áp điện có tác dụng đáng kể đến hiệu ứng áp điện. Các yếu tố đó cần được tính toán cụ thể, phần này xin bỏ qua, ai cần tài liệu có thể liên hệ với mình.
2.4 Đo đạc knock và phát hiện lỗi của cảm biến
2.4.1. Đo đạc knock
Knock có thể đo bằng cảm biến áp điện hoặc cảm biến áp suất như đã nói. Các phép đo được thục hiện trong một cửa sổ góc quay cụ thể. Khi của sổ góc quay đã trôi qua, các dữ liệu được đưa vào bộ xử lý DSP và giá trị tính toán được dùng cho ứng dụng điều khiển SOC. Điều này có nghĩa là mỗi chu kỳ động cơ (720 độ) của mỗi xi lanh sẽ đo đạc được một giá trị knock.
Hình trên là một ví dụ về cửa sổ góc quay.
Đường màu đen: Dữ liệu cảm biến áp suất xi-lanh
Đường màu đỏ: Dữ liệu cảm biến Knock
Hình 1 mô tả dữ liệu cảm biến trong quá trình đốt cháy thông thường.
Hình 2 mô tả dữ liệu cảm biến trong quá trình đốt cháy sớm sinh ra knock.
Bởi vì rung động giảm dần nhưng vẫn diễn ra cho đến chu kì tiếp theo nên các bộ DSP đóng vai trò rất quan trọng.
2.4.2. Phát hiện lỗi cảm biến Knock
DSP tính toán giá trị knock từ dữ liệu cảm biến gửi về và gửi kết quả đến ứng dụng kiểm soát Knock. Cảm biến Knock áp điện thường được sử dụng kết hợp với cảm biến đó áp suất xi-lanh nhằm kiểm soát các thông số liên quan( ví đụ áp suất đỉnh trên xi-lanh). Nếu cảm biến áp điện lỗi, thông tin gửi đến CCM có kèm theo tín hiệu trạng thái lỗi của cảm biến.
Phương pháp “mạch DC” thường được sử dung để phát hiện cảm biến Knock áp điện bị lỗi.
Nguyên lý cơ bản như sau:
Tín hiệu từ cảm biến là tín hiệu điện không đối xứng. Mạch nối nối tiếp cảm biến với điện trở Rx, khi cấp một nguồn DC vào mạch sẽ tạo thành 1 mạch kín. Nguồn DC có thể trích từ CCM. Điện trở nội của cảm biến và Rx tạo ra một mạch chia điện áp.
Sử dụng mạch lọc thông cao đơn giản, ta có thể phát hiện được tình trạng cảm biến Knock:
- Trường hợp cảm biến Knock còn hoạt động, tín hiệu đo knock có thể đi qua bộ lọc thông cao. Ta cần đo điện áp đầu ra mạch thông cao.
- Trường hợp cảm biến Knock bị vỡ, đứt làm hở mạch DC. Điện áp ra nhỏ hơn 0.5V.
- Trường hợp cảm biến Knock bị ngắn mạch bên trong hoặc cáp dẫn, điện áp ra sẽ lớn hơn 3.1V DC. (Tùy thuộc việc chọn giá trị điện trở).
3. Kiểm tra
Để mô phỏng, khảo sát cảm biến Knock, người ta đưa ra mạch thay thế cho cảm biến để xây dựng mô hình toán học cho cảm biến. Qua đó xây dựng các ứng dụng chuẩn đoán tình trạng cảm biến Knock.
Mạch thay thế được thể hiện ở hình dưới đây:
Mạch gồm có:
- Điện trở Shunt-Điện trở của lớp cách điện
- Nguồn xuay chiều-Điện áp sinh ra do hiệu ứng áp điện thuận
- Tụ điện-Điện dung của phần tử áp điện
- Trở kháng cách ly-Điện trở giữa 2 chân kết nối của cảm biến
Mỗi hãng lại đưa ra ứng dụng kiểm tra cảm biến riêng và có hướng dẫn cụ thể nên mình xin kết thúc ở đây.
Nguồn: oto-hui.com
EmoticonEmoticon