Home / Ô Tô / Động cơ 1ZR: cấu tạo, nguyên lý hoạt động, lỗi hỏng hay gặp

Động cơ 1ZR: cấu tạo, nguyên lý hoạt động, lỗi hỏng hay gặp

/

Động cơ 1ZR là gì? Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ phận cảm biến, bugi, cảm biến kích nổ.

động cơ 1zr

1. Hệ thống đánh lửa động cơ 1ZR

1.1. Chức năng của hệ thống đánh lửa

Hệ thống đánh lửa là một trong những thành phần quan trọng của động cơ. Chức năng của hệ thống đánh lửa là biến điện áp thấp do ắc-quy hoặc máy phát điện cung cấp thành điện áp cao, sau đó dựa trên trình tự làm việc của động cơ, cũng như yêu cầu về thời gian đánh lửa, để phân phối điện áp cao cho các bugi một cách chính xác và đúng thời điểm. Tia lửa điện xuất hiện ở khe hở giữa các điện cực bugi sẽ đốt cháy hỗn hợp không khí-xăng trong xy-lanh. Xem thêm cách kiểm tra hệ thống đánh lửa khởi động ô tô nhanh phát hiện sự cố lỗi hỏng.

1.2. Những yêu cầu đối với hệ thống đánh lửa để động cơ có thể làm việc bình thường

– Tạo nên điện áp đủ lớn để đánh thủng khe hở giữa các điện cực của bugi.

Tia lửa điện mạnh của hệ thống đánh lửa phải được tạo ra ở khe hở giữa các điện cực của bugi, để đốt cháy hỗn hợp không khí-xăng. Vì không khí cũng có điện trở và điện trở này sẽ tăng lên khi độ nén ép của không khí tăng lên, nên hệ thống đánh lửa cần có khả năng tạo ra điện áp cao hàng chục nghìn vôn để có thể tạo nên tia lửa điện đủ mạnh để đốt cháy hỗn hợp không khí-xăng.

– Tia lửa điện do bugi sản sinh phải có năng lượng đủ lớn

Thông thường năng lượng của tia lửa điện phải nằm trong khoảng 50 – 80 mJ. Khi động cơ khởi động, năng lượng tia lửa điện phải lớn hơn 100mJ.

– Thời điểm đánh lửa phải thích hợp

Hệ thống đánh lửa phải luôn luôn dựa trên sự thay đổi về tốc độ quay và tải của động cơ để đánh lửa đúng lúc. Đánh lửa quá sớm hoặc đánh lửa quá muộn đều không thể tạo ra áp suất khí đủ lớn trên đỉnh piston.

1.3. Thành phần của hệ thống đánh lửa

cấu tạo hệ thống đánh lửa
Cấu tạo hệ thống đánh lửa

Động cơ 1ZR sử dụng hệ thống đánh lửa được điều khiển bằng máy tính (hay còn gọi là hệ thống đánh lửa điện tử). Nó gồm các cảm biến giám sát trạng thái làm việc, vận hành của động cơ, mô đun điều khiển ECM (còn gọi là ECU) để xử lý tín hiệu và phát ra lệnh, cùng cơ cấu chấp hành để thực thi lệnh đánh lửa từ ECM.

2. Cấu tạo động cơ 1ZR

2.1. Cảm biến

Cảm biến được sử dụng với mục đích giám sát các thông tin về tình trạng làm việc của động cơ có liên quan đến việc đánh lửa. Kết quả giám sát được đưa vào ECM để làm căn cứ tính toán và điều khiển thời điểm đánh lửa. 

Các cảm biến của hệ thống đánh lửa gồm có cảm biến vị trục khuỷu, cảm biến vị trí trục cam, cảm biến kích nổ, cảm biến lưu lượng khí nạp, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến nhiệt độ nước làm mát.

2.1.1. Cảm biến vị trí trục khuỷu và cảm biến vị trí trục cam

vị trí lắp đặt cảm biến trục khuỷu và cảm biến trục cam
Vị trí lắp đặt cảm biến trục khuỷu và cảm biến trục cam

Trong những thông tin cảm biến đưa vào ECM, thì thông tin về vị trí trục khuỷu và thông tin vị trí trục cam là thông tin cơ bản nhất để đảm bảo ECM điều khiển hệ thống đánh lửa làm việc bình thường. 

Chức năng của cảm biến vị trí trục khuỷu là thu thập thông tin của vị trí trục khuỷu để đưa vào ECM, giúp cho ECM xác định được thời điểm đánh lửa và thời điểm phun xăng. 

Nếu cảm biến bị lỗi, thì ECM vì không có thông tin tham khảo, từ đó không thể tính toán và phán đoán, dẫn đến không thể điều khiển cuộn dây đánh lửa làm việc. 

Chức năng của cảm biến vị trí trục cam là thu thập thông tin của vị trí trục cam, giúp cho ECM xác định được điểm chết trên của kỳ nén xy-lanh số 1, từ đó điều khiển trình tự phun xăng cũng như thời điểm đánh lửa.

cấu tạo cảm ứng vị trí trục khuỷu kiểu cảm biến điện tử
Cấu tạo cảm ứng vị trí trục khuỷu kiểu cảm biến điện tử
sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí trục khuỷu
Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí trục khuỷu

Động cơ 1ZR sử dụng cảm biến vị trí trục khuỷu kiểu cảm ứng điện tử. Cảm biến này gồm 3 thành phần chính là đĩa quay, cuộn dây cảm ứng và nam châm vĩnh cửu. Khi đĩa quay, thì răng lồi ở phía ngoài của đĩa sẽ đến gần đến nam châm vĩnh cửu, khiến cho từ thông thay đổi, trong cuộn dây cảm ứng sẽ xuất hiện tín hiệu điện áp xoay chiều.

2.1.2. Cảm biến kích nổ

cấu tạo cảm biến kích nổ
Cấu tạo cảm biến kích nổ

Cảm biến kích nổ (còn được gọi là cảm biến tiếng gõ) được lắp đặt truyền tín hiệu KNK tới ECM. Sau khi thu được tín hiệu, ECM sẽ làm chậm thời điểm đánh lửa, ngăn ngừa hoặc giảm tiếng gõ. Cảm biến này có một phần tử áp điện, tạo ra một điện áp AC khi tiếng gõ gây ra rung động trong thân máy và làm biến dạng phần tử này. 

Tần số tiếng gõ của động cơ nằm trong giới hạn từ 6 – 13 kHz tùy theo kiểu động cơ. Mỗi động cơ dùng cảm biến tiếng gõ thích hợp với tiếng gõ sinh ra bởi động cơ.

Động cơ 1ZR sử dụng loại cảm biến phát hiện các mạch hở và ngăn. Trong loại mạch này, điện áp 2.5V được cung cấp liên tục đê tín hiệu KNK cũng được truyền đi với tần số cơ bản là 2.5V.

2.2. Bugi

cấu tạo bugi
Cấu tạo bugi

Bugi đưa điện áp cao vào trong buồng cháy, tạo nên tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp khí cháy. Bugi gồm các thành phần như lõi thép, sứ cách điện, điện cực trung tâm, điện cực bên và vỏ. 

Khe hở điện cực của bugi nằm trong khoảng 0.7 – 0.9 mm. Để đáp ứng nhu cầu làm sạch khí thải, sử dụng hỗn hợp nhạt (loãng xăng), hiện tại khe hở điện cực bugi có xu hướng tăng lên đến 1.0 – 1.2 mm.

2.3. Bộ phận đánh lửa

cấu tạo cuộn dây đánh lửa
Cấu tạo cuộn dây đánh lửa

Bộ phận đánh lừa gồm cuộn dây đánh lửa và IC đánh lửa. Cuộn dây đánh lửa gồm các thành phần như lõi sắt, cuộn dây sơ cấp. cuộn dây thứ cấp, lớp cách điện và vỏ nhựa.

IC đánh lửa thực hiện một cách chính xác sự ngắt dòng sơ cấp đi vào cuộn dây đánh lửa, phù hợp với tín hiệu IGT do ECU động cơ phát ra.

Sau đó, IC đánh lửa truyền một tín hiệu khẳng định IGF cho ECU phù hợp với cường độ của dòng sơ cấp. Tín hiệu khẳng định IGF được phát ra khi dòng sơ cấp đạt đến một trị số đã được ấn định IF1. 

Khi dòng sơ cấp vượt quá trị số quy định IF2 thì hệ thống sẽ xác định rằng lượng dòng cần thiết đã chạy qua và cho phát tín hiệu IGF để trở về điện thể ban đầu (Dạng sóng của tín hiệu IGF thay đổi theo từng kiểu động cơ). 

Nếu ECU không nhận được tín hiệu IGF, nó cho rằng đã có sai sót trong hệ thống đánh lửa. Để ngăn ngừa sự quá nhiệt, ECU sẽ cho ngừng phun nhiên liệu và ghi nhớ sự sai sót trong chức năng chẩn đoán. 

Tuy nhiên, ECU động cơ không thể phát hiện ra các sai sót trong mạch thứ cấp vì nó chỉ kiểm soát mạch sơ cấp để nhận tín hiệu IGF.

3. Nguyên lý làm việc của động cơ 1ZR

3.1. Hệ thống đánh lửa

nguyên lý làm việc hệ thống đánh lửa
Nguyên lý làm việc hệ thống đánh lửa

– Khởi động động cơ, bộ xử lý và điều khiển trung tâm ECU nhận được tín hiệu đồng bộ từ cảm biến vị trí trục khuỷu và cảm biến vị trí trục cam, đồng thời dựa trên chương trình và số liệu đã được lập sẵn để tính toán thời điểm đánh lửa tối ưu, sau đó gửi tín hiệu đánh lửa tới bộ đánh lửa (ECU động cơ cũng có tác dụng điều khiển đánh lửa sớm).

– Bộ đánh lửa nhận được tín hiệu đánh lửa và lập tức đóng tranzito, cho chạy dòng sơ cấp, tạo ra từ trường.

– Tiếp đến, bộ đánh lửa điều khiển cho tranzito ngắt, khiến cho dòng y cấp bị ngắt đột ngột, sinh ra dòng cao áp.

– Bộ chia điện sẽ phân phối dòng cao áp từ cuộn thứ cấp đến các bugi. Bugi nhận dòng cao áp và đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp không khí – nhiên liệu.

Mạch điện hệ thống đánh lửa động cơ 1ZR gồm ECM, bộ 5.10. Trong đó, IGT là tín hiệu thời điểm đánh lửa. ECM dựa trên tín đánh lửa (IC đánh lửa, cuộn dây đánh lửa, bugi), nguồn điện, xem hình biến vị trí trục cam để xác định thời điểm đánh lửa tối ưu. 

Khi tín hiệu hiệu được truyền về từ các cảm biến như cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm IGT thay đổi từ điện áp cao thành điện áp thấp, thì bugi sẽ đánh lửa. 

Tín hiệu khẳng định IGF là tín hiệu phản hồi đánh lửa. Sau khi cuộn dây sơ cấp bị ngắt điện, tín hiệu IGF sẽ được tạo ra và truyền đến ECM. Khi nhận được tín hiệu IGF, ECM xác nhận bugi đã đánh lửa. 

Nếu ECM không nhận được tín hiệu IGF, thì mã lỗi DTC tương ứng sẽ được lưu trữ trong ECM, đồng thời chức năng bảo vệ sẽ khiến cho vòi phun ngừng phun nhiên liệu.

sơ đồ mạch điện hệ thống đánh lửa động cơ 1zr
Sơ đồ mạch điện hệ thống đánh lửa động cơ 1ZR

3.2. Điều khiển thời điểm đánh lửa

Sự cần thiết của việc điều khiển thời điểm đánh lửa:

– Khi không khí và nhiên liệu hoà trộn trong xy-lanh bị đốt cháy, nhiệt độ tăng lên và nhiên liệu bị cháy thành khí xả. Điều này dẫn đến áp suất trong xy-lanh tăng lên đột ngột và đẩy piston đi xuống.

– Để tăng công suất và mô-men động cơ, cần thiết phải tăng áp suất xy-lanh trong kỳ cháy. Áp suất lớn nhất sẽ cho hiệu suất động cơ cao và điều này hoàn toàn phụ thuộc vào thời điểm sinh tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp khí.

– Sẽ có một thời gian trễ kể từ khi bugi phát tia lửa đến khi hỗn hợp khí bị đốt cháy hoàn toàn và áp suất trong xy-lanh đạt cao nhất. Nếu tia lửa xuất hiện khi piston chạm đến điểm chết trên của kỳ nén, piston đã sẵn sàng di chuyển xuống trước khi áp suất trong xy-lanh đạt đến trị số cao nhất. Đây không phải là thời điểm tối ưu.

– Để sử dụng triệt để năng lượng của nhiên liệu, tia lửa điện cần xuất hiện trước khi piston đạt điểm chết trên của kỳ nén để đến khi piston đi xuống đúng lúc áp suất trong xi lanh đạt trị số cao nhất.

– Đối với động cơ xăng, năng lượng nhiệt được biến thành động lực có hiệu quả cao nhất khi áp lực nổ cực đại được phát sinh vào thời điểm trục khuỷu ở vị trí 10 sau điểm chết trên.

3.3. Góc đánh lửa sớm

góc đánh lửa sớm
Góc đánh lửa sớm

– Trong quá trình piston đi lên, góc quay của trục khuỷu trong khoảng thời gian bugi bắt đầu đánh lửa cho đến khi piston đến điểm chết trên của kỳ nén được gọi là góc đánh lửa sớm.

– Với góc đánh lửa sớm thích hợp, có thể làm tăng công suất động cơ, làm giảm tiêu hao nhiên liệu và lượng chất độc hại trong khí xả. Nhưng góc đánh lửa sớm quá lớn lại làm giảm công suất động cơ, tiêu hao nhiên liệu, gây nên hiện tượng kích nổ. Đánh lửa quá muộn khiến cho động cơ bị yêu, trong trường hợp nghiêm trọng có thể gây nên hiện tượng nổ ngược trong ông xả khí thải.

3.4. Điều khiển góc đánh lửa sớm

điều khiển thời điểm đánh lửa
Điều khiển thời điểm đánh lửa

Điều khiển góc đánh lửa sớm hay còn gọi là điều khiển đánh lửa sớm. Bộ xử lý và điều khiển trung tâm ECM dựa trên số liệu lưu trữ trong bộ nhớ về thời điểm đánh lửa tốt nhất và tình trạng làm việc tương ứng của động cơ, để tính toán góc đánh lửa sớm, đồng thời truyền tín hiệu đánh lửa cho bộ phận đánh lửa. 

Thời điểm đánh lửa tốt nhất chủ yếu được quyết định bởi tốc độ quay của động cơ và lượng không khí được nạp vào động cơ.

3.5. Điều khiển kích nổ

Khi hỗn hợp không khí – nhiên liệu tự cháy trong buồng đốt sẽ gây ra hiện tượng kích nổ. Đánh lửa sớm càng khiến cho kích nổ dễ xảy ra. Kích nổ quá mức sẽ ảnh hưởng xấu đến tính năng của động cơ, chẳng hạn nhiên liệu bị tiêu hao, công suất giảm. 

Ngược lại, kích nổ ở mức độ yếu có thể cải thiện tính năng động cơ như tăng công suất, giảm hao phí nhiên liệu.

Khi cảm biến kích nổ kiểm tra thấy có hiện tượng kích nổ, ECM sẽ làm chậm thời điểm đánh lừa. Khi kiểm tra không thấy có hiện tượng kích nổ, thì sẽ đánh lửa sớm với góc đánh lửa được thiết lập sẵn trong chương trình. 

Thông qua việc ngăn ngừa hiện tượng kích nổ quá mức có thể cải thiện công suất động cơ, giảm hao phí nhiên liệu.

3.6. Tiêu chí đánh giá hỗn hợp không khí – nhiên liệu

Tỷ lệ hòa khí là tỷ lệ giữa khối lượng của không khí và khối lượng nhiên liệu trong hòa khí. Thường được biểu diễn bằng số gam không khí cần thiết để đốt cháy hết 1 gam nhiên liệu. 

Khi động cơ làm việc, nhiên liệu cần phải trộn với không khí nạp theo tỷ lệ hợp lý, thì mới có thể hình thành nên hòa khí có khả năng cháy. Tỷ lệ này được gọi là tỷ lệ hòa khí hay tỷ lệ không khí – nhiên liệu.

Tỷ lệ hòa khí lý tưởng: 1kg xăng đốt cháy hoàn toàn, về mặt lý thuyết cần 14.7kg không khí AF = 14.7.

Hòa khí có tỷ lệ giữa không khí và xăng lớn hơn tỷ lệ hòa khí lý tưởng được gọi hỗn hợp nhạt (loãng hay nghèo xăng), nhiều không khí ít xăng, hao phí xăng ít, ô nhiễm ít, nhưng công suất động cơ thấp. Tỷ lệ hòa khí này còn có tên gọi khác là tỷ lệ hòa khí kinh tế.

Hòa khí có tỷ lệ giữa không khí và xăng nhỏ hơn tỷ lệ hòa khí lý tưởng được gọi hỗn hợp đậm (giàu xăng), ít không khí, nhiều xăng, công suất lớn, nhưng hòa khí không cháy hết, dẫn đến hao phí nhiên liệu, gây ô nhiễm. Tỷ lệ hòa khí này còn có tên gọi khác là tỷ lệ hòa khí công suất.

Tỷ lệ hòa khí công suất: nhiều xăng ít không khí, AF < 14.7. Động cơ có công suất lớn.

3.7. Áp suất xy-lanh đủ lớn

Cho dù động cơ lắp trên xe là động cơ xăng hay động cơ diesel, tỷ số nén động cơ phải giữ ổn định ở giá trị thích hợp thì động cơ mới làm việc ổn định. Tỷ số nén được định nghĩa là mức độ bị nén ép của hòa khí trong xy-lanh. Nó chính là tỉ số giữa thể tích toàn phần của xi lanh (lúc piston ở vị trí thấp nhất) chia cho thể tích buồng đốt (lúc piston ở vị trí cao nhất).

Khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu chưa được nén ép bị đốt cháy, do mật độ của xăng và không khí đều thấp, tốc độ cháy sẽ chậm. 

Đốt cháy hỗn hợp không khí – nhiên liệu được nén ép, mật độ cao sẽ khiến cho hòa khí đột ngột bốc cháy. Đốt cháy cùng một loại hòa khí, thì hòa khí bị nén ép sẽ giải phóng năng lượng, công suất lớn hơn so với hòa khí không được nén ép. 

Ngoài ra, hòa khí bị nén ép làm cho nhiên liệu khi cháy sẽ có nhiệt độ cao hơn, hiệu suất chuyển hóa khí cao hơn. 

Hòa khí bị nén ép dễ cháy hơn hòa khí không bị nén ép. Mức độ nén ép của hòa khí được biểu diễn băng tỷ số nén. Thông thường, tỷ số nén càng cao, thì áp suất cháy càng lớn. Nhưng áp suất nén quá cao, dễ gây nên hiện tượng kích nổ. Vì thế, tỷ số nén của động cơ xăng thường có giá trị trong khoảng 9 – 11.

This div height required for enabling the sticky sidebar
error: Content is protected !!
Ad Clicks : Ad Views : Ad Clicks : Ad Views : Ad Clicks : Ad Views : Ad Clicks : Ad Views : Ad Clicks : Ad Views : Ad Clicks : Ad Views : Ad Clicks : Ad Views : Ad Clicks : Ad Views :