Nguyên lý hoạt động Nhiên liệu được bơm cung cấp 1 đẩy đi từ thùng nhiên liệu trên đường ống thấp áp qua bộ sấy nóng nhiên liệu 3 và bầu lọc 4 đến Bơm cao áp 7, từ đây nhiên liệu được bơ
Tổng quan về hệ thống nhiên liệu động cơ diesel trên ô tô
Sơ lược về lịch sử phát triển động cơ diesel
Động cơ Diesel phát triển vào năm 1897 nhờ Rudolf Diesel hoạt động theo nguyên lý Tự cháy Ở gần cuối quá trình nén, nhiên liệu được phun vào buồng cháy động cơ để hình thành hòa khí rồi tự bốc cháy Đến năm 1927 Robert Bosch phát triển Bơm cao áp (Bơm phun Bosch lắp cho động cơ diesel ô tô thương mại và ô tô khách vào năm 1936) Hệ thống nhiên liệu Diesel không ngừng được cải tiến, với các giải pháp kỹ thuật tối ưu làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu Các nhà động cơ Diesel đã đề ra nhiều biện pháp khác nhau về kỹ thuật phun và tổ chức quá trình cháy nhằm giới hạn các chất ô nhiễm Các biện pháp chủ yếu tập trung vào giải quyết các vấn đề:
- Tăng tốc độ phun để làm giảm nồng độ P.M do tăng tốc hòa trộn nhiên liệu - không khí
- Tăng áp suất phun, đặc biệt là đối với động cơ phun trực tiếp
- Điều chỉnh dạng quy luật phun theo khuynh hướng kết thúc nhanh quá trình phun để làm giảm Hidrocacbon
- Biện pháp hồi lưu một bộ phận khí xả (ERG: Exhaust Gas Recirculation)
Hiện nay, các nhược điểm của HTNL Diesel đã được khắc phục bằng cải tiến các bộ phận như: Bơm cao áp, vòi phun, ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao, các ứng dụng điều khiển tự động nhờ sự phát triển của công nghệ (năm 1986 Bosch đưa vào thị trường việc điều khiển điện tử cho động cơ diesel) Đó là Hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel.
Tổng quan về hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ diesel
- Dự trữ nhiên liệu: Đảm bảo cho động cơ có thể làm việc liên tục trong một thời gian nhất định mà không cần cấp thêm nhiên liệu vào, lọc sạch nước, tạp chất cơ học lẫn trong nhiên liệu, giúp nhiên liệu luân chuyển dễ dàng trong hệ thống
- Cung cấp nhiên liệu cho động cơ: Đảm bảo tốt các yêu cầu sau
+ Lượng nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình phải phù hợp với chế độ làm việc của động cơ
+ Phun nhiên liệu vào đúng xylanh thời điểm, đúng quy luật
+ Đối với động cơ nhiều xylanh thì lượng nhiên liêu phun vào các xylanh phải đồng đều trong một chu trình công tác
- Các tia nhiên liệu phun vào xylanh động cơ phải đảm bảo kết hợp tốt giữa số lượng, phương hướng, hình dạng, kích thước của các tia phun với hình dạng buồng cháy, cường độ và phương hướng chuyển động của mỗi chất trong buồng cháy để hoà khí được hình thành nhanh và đều
Hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel phải thoả mãn các yêu cầu sau:
- Hoạt động ổn định, có độ tin cậy và tuổi thọ cao
- Dễ dàng và thuận tiện trong sử dụng, bảo dưỡng và sữa chữa
- Dễ chế tạo, giá thành hạ
Theo cách phân loại dựa vào các loại bơm cao áp của hệ thống nhiên liệu ta có thể phân loại sơ bộ hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel thành 3 loại sau a Hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel sử dụng bơm cao áp loại bơm dãy
Bơm cao áp là 1 loại bơm gồm nhiều tổ bơm ghép thành 1 khối có vấu cam điều khiển nằm trong thân bơm và điều khiển chung bằng 1 thanh răng
1- Thùng chứa nhiên liệu; 2- Cốc lọc; 3- Bơm tay; 4- Bơm cao áp
5- Bầu lọc tinh; 6- Ống dầu cao áp; 7- Vòi phun; 8- Buồng cháy b Hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel sử dụng bơm cao áp loại bơm phân phối
Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu sử dụng bơm dãy
Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu sử dụng bơm cao áp loại bơm phân phối
1- Thùng chứa nhiên liệu; 2- Bơm tiếp vận; 3- Bầu lọc tinh; 4- Van điều áp; 6- Vòi phun; 7- Buồng cháy; 8- Bơm cao áp phân phối; 9- Van cao áp; 10- Piston; 11- Lỗ đưa nhiên liệu đến các vòi phun ; 12 - Vành điều lượng c Hệ thống cung cấp nhiên liệu Commol rail
1- Thùng chứa; 2- Ống tản nhiệt; 3- Bộ lọc ; 4- Van đóng mở(theo nhiệt độ); 5 -Bơm chuyển nhiên liệu; 6- Van điều áp suất thấp; 7- Van điều áp suất cao; 8- Đường ống dự trữ; 9 -Cảm biến áp suất nhiên liệu; 10-Bơm cao áp; 11- ECU; 12-Kim phum: 13- Bơm điện; 14- Cảm biến nhiệt độ nước làm mát; 15- Cảm biến vị trí trục khuỷu; 16- Cảm biến áp suất; 17- Cảm biến vị trí trục cam: 18
- Cảm biến vị trí bàn đạp ga: 19- Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu
Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu common rail
Hệ thống nhiên liệu diesel trên xe Fortuner 2020
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống nhiên liệu diesel trên xe
2.1.1 Sơ đồ cấu tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel trên xe Fortuner
1- Bơm chuyển nhiên liệu; 2- Thùng chứa nhiên liệu; 3- Bộ sấy nóng nhiên liệu; 4- Lọc nhiên liệu; 5- Van hạn chế áp suất; 6- Cảm biến vị trí pít tông; 7- Bơm cao áp; 8- Van an toàn; 9- Vòi phun; 10- Cảm biến áp suất; 11- Ắc quy thủy lực; 12- ECU; 13- Bộ làm mát nhiên liệu; 14- Cảm biết nhiệt độ nhiên liệu; a- Đường nhiên liệu áp suất thấp b- Đường nhiên liệu áp suất cao c- Đường nhiên liệu hồi về thùng chứa d- dây điện từ ECU tới các cơ cấu chấp hành e- Dây điện từ các cảm biến tới ECU
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu trên xe fortuner 2020
Nhiên liệu được bơm cung cấp 1 đẩy đi từ thùng nhiên liệu trên đường ống thấp áp qua bộ sấy nóng nhiên liệu 3 và bầu lọc (4) đến Bơm cao áp (7), từ đây nhiên liệu được bơm cao áp nén đẩy vào ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao
(11) hay còn gọi là ống phân phối và được đưa đến vòi phun Common Rail (9) sẵn sàng để phun vào xy lanh động cơ
Việc tạo áp suất và phun nhiên liệu hoàn toàn tách biệt với nhau trong hệ thống Common Rail Áp suất phun được tạo ra độc lập với tốc độ và lượng nhiên liệu phun ra Nhiên liệu được trữ với áp suất cao trong ống phân phối Lượng phun ra được quyết định bởi sự điều khiển bàn đạp ga, thời điểm phun cũng như áp suất phun được tính toán bằng ECU dựa trên các biểu đồ dữ liệu đã lưu trên nó Sau đó ECU sẽ điều khiển các kim phun của các vòi phun tại mỗi xy lanh động cơ để phun nhiên liệu nhờ thông tin từ các cảm biến với áp suất phun có thể đến 1350 bar Nhiên liệu thừa của vòi phun và của bơm cao áp theo đường dầu hồi trở về thùng chứa nhiên liệu (2) Trên ống phân phối có gắn cảm biến áp suất 10 , cảm biến nhiệt độ nhiên liệu 14 và đầu cuối có bố trí van an toàn (8), nếu áp suất tích trữ trong ống phân phối (5) lớn quá giới hạn van an toàn sẽ mở để nhiên liệu được tháo Ở hệ thống nhiên liệu này sẽ có 3 mạch áp suất của nhiên liệu khác nhau Đầu tiên đó là mạch nhiên liệu áp suất thấp Dòng nhiên liệu này sẽ đi từ thùng chứa nhiên liệu qua bầu lọc 4 và qua bộ sấy nóng nhiên liệu 3 để đưa lên bơm cao áp nhờ bơm chuyển nhiên liệu 1
Mạch áp suất nhiên liệu thứ 2 đó là mạch nhiên liệu áp suất cao Dòng nhiên liệu sau khi đến bơm cao áp, nhờ bơm cao áp nén nên nhiên liệu sẽ đạt đến 1 áp suất rất cao sau đó nhiên liệu sẽ qua ống phân phối và được tích trữ trong ống phân phối và đưa đến vòi phun sẵn sàng phun vào xy lanh động cơ Nhiên liệu có áp suất cao được tạo ra độc lập với lượng nhiên liệu phun ra Nhiên liệu có áp suất cao được tạo ra do sự hoạt động của bơm cao áp còn việc phun nhiên liệu thì do ECU điều khiển b
Hình 2.2 Mạch nhiên liệu áp suất thấp
Hình 2.3 Mạch nhiên liệu áp suất cao
Mạch áp suất nhiên liệu thứ 3 đó là mạch dầu hồi Nhiên liệu sau khi qua bộ lọc nếu nhiều quá thì sẽ về thùng chứa theo đường dầu hồi Nhiên liệu sau khi đến bơm cao áp nếu lượng nhiên liệu nhiều quá thì 1 phần nhiên liệu sẽ trở về thùng chứa theo đường dầu hồi Nhiên liệu áp suất cao tích trữ trong ống phân phối và trong vòi phun nếu quá nhiều thì 1 lượng nhiên liệu cũng theo đường dầu hồi về thùng chứa
Khác với hệ thống phun nhiên liệu diesel truyền thống trước đây đó là các vòi phun đều được cung cấp nhiên liệu bởi các bơm cáo áp độc lập, một bơm phân phối dẫn động bởi động cơ sẽ cung cấp nhiên liệu theo các đường độc lập đến vòi phun Ở động cơ xe Fortuner 2020 thì hệ thống cung cấp nhiên liệu được sử dụng công nghệ CDI Với hệ thống nhiên liệu này nhiên liệu được tích trữ trong ống phân phối chung hay ống (Common rail) tại đó áp suất duy trì ở một cấp độ cao bằng một bơm cao áp riêng Từ ống phân phối này, nhiên liệu sẽ được phân phối tới các vòi phun cao áp Với cải tiến mới này, so với các động cơ diesel thế hệ cũ hơn hệ thống Common rail khi đó đã tạo ra một áp suất phun tới 1350 bar ngay cả khi số vòng tua máy thấp Việc tạo ra nhiên liệu có áp suất cao và duy trì áp suất đó ngay cả khi tốc độ động cơ thay đổi đồng thời cung cấp một lượng nhiên liệu rất đều vào tất cả các vòi phun là một quá trình phức c
Hình 2.4 Mạch nhiên liệu hồi tạp Đó là quá trình kết hợp làm việc nhịp nhàng của các bộ phận sau , bơm cao áp, van điều chỉnh áp suất, ống phân phối, cảm biến áp suất nhiên liệu, van hạn chế áp suất, ECU
1 : Bơm cao áp 2 : Ống phân phối 3 : Cảm biến áp nhiên liệu
4 : ECU 5 : Van điều chỉnh áp suất Đầu tiên cảm biến áp suất được gắn trên ống phân phối sẽ ghi nhận tình trạng áp suất nhiên liệu trong ống phân phối Sau đó sẽ gửi thông tin về áp suất nhiên liệu trong ống phân phối về ECU bằng tín hiệu điện ECU sẽ xử lý tín hiệu đó và ECU sẽ vận hành van điều khiển áp suất làm việc một cách hợp lý để giữ cho áp suất nhiên liệu trong ống phân phối luôn trong một khoảng giới hạn hợp lý Ngoài ra để giữ cho các bộ phận của hệ thống nhiên liệu luôn an toàn thì trên ống phân phối có gắn một van giới hạn áp suất ở cuối ống phân phối.
Các bộ phận của hệ thống nhiên liệu diesel trên xe Fortuner 2020
Bơm cao áp có nhiệm vụ tạo ra nhiên liệu có áp suất cao cho quá trình phun Bơm này được lắp đặt phía trước động cơ và được dẫn động từ trục khuỷu thụng qua bỏnh đai răng (tốc độ quay của trục bơm bằng ẵ tốc độ động cơ, do
Hình 2.5 Các cơ cấu điều khiển phun nhiên liệu bánh răng trục khuỷu có 21 răng còn bánh răng trục bơm có 42 răng, nhưng tối đa là 3000 vòng/phút) và được bôi trơn bằng chính nhiên liệu nó bơm
Bơm cao áp tạo áp lực nhiên liệu đến một áp suất lên đến 1350 bar Nhiên liệu được tăng áp suất này sau khi ra khỏi bơm cao áp được vận chuyển đến đường ống cao áp chung để sẵn sàng phun vào buồng cháy của các xy lanh a : Van ngắt mở b : Van ngắt đóng d : Van nạp mở e : Van nạp đóng
1 : Đường nhiên liệu từ bơm tiếp vận 2 ; Trục dẫn động 3 : Pít tông bơm cao áp 4 : Van ngắt 5 : Van an toàn 6 : Ống nối dầu cao áp 7 : Van điều chỉnh áp suất 8 : Đường dầu hồi 9 : Cam lệch tâm
Nguyên lý hoạt động của bơm cao áp
Bơm nạp đưa nhiên liệu từ thùng chứa nhiên liệu qua bộ lọc đến đường dầu vào bơm cao áp bằng đường nhiên liệu 1
Trục 2 của bơm cao áp có cam lệch tâm làm di chuyển 3 piston lên xuống tùy theo hình dạng các vấu cam làm cho 3 piston hút nén một cách liên tục Van nạp mở ra nhiên liệu được đưa đến buồng chứa của bơm piston tại đây nhiên liệu được nén dưới áp suất cao khi piston lên tới điểm chết trên, nhiên liệu thoát ra ngoài đến ống phân phối Do bơm cao áp được thiết kế để có thể d e a b
Hình 2.6 Bơm cao áp phân phối lượng nhiên liệu lớn nên lượng nhiên liệu có áp suất cao sẽ bị thừa trong giai đoạn chạy cầm chừng và tải trung bình Lượng nhiên liệu thừa này sẽ được trở lại bình chứa thông qua van điều chỉnh áp suất Đó là nguyên lý làm việc chung của bơm cao áp, sau đây ta nguyên cứu vào cấu tạo, nguyên lý làm việc của các chi tiết chính trong bơm cao áp gồm : Bơm piston, van điều chỉnh áp suất
Bơm piston của bơm cao áp làm nhiệm vụ bơm nhiên liệu áp suất cao đến ống phân phối, lượng nhiên liệu được bơm ít hay nhiều phụ thuộc vào van điều chỉnh áp suất a : quá trình hút nhiên liệu b : quá trình đẩy nhiên liệu
Bơm cao áp gồm ba piston bơm được bố trí hướng kính và các piston cách nhau 120 độ , 3 piston này được đẩy lên nhờ cam lệch tâm, hành trình đi xuống của piston nhờ lò xo và cam lệch tâm Khi Piston đi xuống nhờ lực đẩy của lò xo, van nạp mở ra Nhờ độ chân không phía trên piston nhiên liệu được nạp vào không gian này cho đến khi piston nằm ở vị trí thấp nhất Piston đi lên nhờ cam lệch tâm thì nhiên liệu ở khoảng không gian phía trên piston bị nén tăng áp suất, đẩy mở van bi 7 mở ra, nhiên liệu áp suất cao đi vào đường ống cao áp đến ống phân phối, đồng thời van nạp đóng lại không cho nhiên liệu trở lại bơm nạp a b
Ba piston bơm được bố trí hướng kính và các piston cách nhau 120 độ nên khi piston A đi lên thực hiện quá trình nén và bơm nhiên liệu đến ống phân phối piston thì B và C đi xuống thực hiện quá trình hút, 3 bơm làm việc luân phiên hút và nén nhiên liệu, bơm nhiên liệu đến ống phân phối dưới áp suất cao và ổn định Với kiểu bơm pít tông bố trí hình sao lệch nhau 120 độ làm cho động cơ hoạt động êm dịu hơn Còn bơm thì hoạt động nhẹ nhàng, linh hoạt và năng suát cao hơn đồng thời giảm được tải trọng động trên động cơ
2.2.2 Van điều chỉnh áp suất
1 : vỏ 2: cuộn dây 3 : lò xo 4 : dây ra giắc cắm 5 : đĩa van từ 6 : van bi a : Van điều chỉnh áp suất b : Van từ đóng c : Van từ mở
Van điều chỉnh áp suất được gá lên bơm cao áp Để ngăn cách khu vực áp suất cao với khu vực áp suất thấp, một lõi thép đẩy van bi vào vị trí đóng kín Có 2 lực tác dụng lên lõi thép: Lực đẩy xuống dưới bởi lò xo và lực điện từ Nhằm bôi trơn và giải nhiệt, lõi thép được nhiên liệu bao quanh Thông tin áp suất nhiên liệu trong ống phân phối được ghi nhận bởi cảm biến áp suất nhiên liệu gắn trên ống phân phối Thông tin này được gửi đến ECU xác định tình trạng áp suất trong ống phân phối để tính toán và vận hành van điều khiển áp suất nhằm điều hòa lại áp suất nhiên liệu trong 1 giới hạn xác định.Van điều khiển áp suất được điều khiển theo quy luật sau
Khi cuộn dây của van điều chỉnh áp suất chưa có tín hiệu điện từ ECU gửi tới.Lò xo ép đĩa cảm ứng đẩy van bi sang trái làm cho van bi đóng lỗ thông lại ngăn không cho dầu hồi về thùng chứa , Như thế sẽ giữ cho áp suất nhiên c b
Hình 2.8 Van điều chỉnh áp suất liệu không bị giảm xuống Tức áp suất nhiên liệu trong bơm cao áp không bi điều chỉnh.Khi có tín hiệu điện từ ECU gửi tới cuộn dây của van điều chỉnh.Lúc này cuộn dây sẽ sinh lực từ hút mạnh đĩa cảm ứng Khi lực từ sinh ra đủ lớn thắng lực của lò xo thì đĩa cảm ứng sẽ ép mạnh lò xo làm cho van bi dịch chuyển sang phải mở lố thông cho nhiên liệu cao áp trong bơm cao áp rò về thùng chứa như vậy áp suất nhiên liệu trong bơm cao áp sẽ giảm xuống Áp suất nhiên liệu sẽ giảm xuống đến khi lực tự do cuộn dây sinh ra và áp lực do nhiên liệu nhỏ hơn lực do lò xo đảy ngược lại Lúc đó van bi sẽ lại dịch chuyển sang trái và đóng lỗ thông lại áp suất nhiên liệu trong bơm cao áp sẽ không giảm xuống nữa.như vậy áp suất nhiên liệu trong bơm cao áp đã được điều chỉnh nhờ van điều chỉnh áp suất
2.2.3 Van ngắt a : Van ngắt mở b : van ngắt đóng
Khi chưa có tín hiệu điện từ ECU gửi tới cuộn dây của van ngắt thì đĩa từ luôn nằm ở vị trí mở Khi đó các bơm pít tông luôn làm việc bình thường và hoạt động 1 cách nhịp nhàng Khi có tín hiệu điện từ ECU gửi tín hiệu điện tới cuộn dây, lúc này cuộn dây sẽ sinh ra lực từ Lực từ được tạo ra sẽ đẩy đĩa từ ép xuống , do đĩa từ có diện tích đủ lớn sẽ đậy kín xy lanh bơm pít tông lại không cho nhiên liệu vào xy lanh Khi đó 1 bơm sẽ bị ngắt và chỉ có hai bơm còn lại hoạt động Khi nhiệt độ nhiên liệu vượt quá 1060c thì cảm biến nhiệt độ a b
Hình 2.9 Van ngắt nhiên liệu sẽ báo về ECU, ECU sẽ tiến hành vận hành cho vít ngắt làm việc, lúc này vít ngắt sẽ đóng 1 bơm pít tông lại chỉ để cho 2 bơm làm việc
Q : lượng nhiên liệu cung cấp N : tốc độ động cơ a : 2 bơm pít tông làm việc.b ; 2 hoặc 3 bơm pít tông làm việc c : 3 bơm pít tông làm việc
Hình 2.10 Mối quan hệ giữa tốc độ động cơ và lượng nhiên liệu cung cấp khi van ngắt làm việc
1 : Bộ ổn định nhiệt độ dầu 2 : Lõi lọc 3 : Nắp bầu lọc 4 : đệm a , đường dầu từ bơm chuyển nhiên liệu b , đường dầu tới bơm cao áp c, đường dầu về thùng nhiên liệu.: d, đường dầu từ bộ sấy nóng nhiên liệu e, đường dầu tới bộ sấy nóng nhiên liệu
Tính toán thiết kế chi tiết và thiết kế hệ thống
2.3.1 Tính toán thiết kế đường kính piston bơm cao áp
Bảng 2.1 Thông số động cơ
Tên thông số Kí hiệu Giá trị Đơn vị
Công suất tối đa của động cơ N 148 Mã lực
Số vòng quay định mức n 3400 Vòng/phút Đường kính xy-lanh D 92 mm
Số xy-lanh i 4 Xy-lanh
Số kỳ động cơ 4 Kỳ
Thể tích nhiên liệu cung cấp cho một chu trình
VCT: Thể tích nhiên liệu cung cấp cho một chu trình vct: Một đơn vị thể tích công tác xylanh vct = 95.𝜂 𝑐
𝜂 𝑐 : Hệ số cung cấp của bơm; 𝜂 𝑐 = 0,75 Bơm cao áp HP3
𝛼: Hệ số dư lượng không khí (Đối với động cơ diesel, chọn 𝛼 = 1,75)
Vh: Thể tích công tác xylanh
Đường kính piston bơm cao áp dPT P C P
dPT: Đường kính piston bơm cao áp
CP: Vận tốc piston bơm
CP = 2.fPT.SPT fPT: Số hành trình bơm trong một phút fPT = 𝑛
2.4 n: Số vòng quay động cơ n = 3400 (vòng/phút)
SPT: Hành trình thực tế của piston bơm
Vậy CP = 2.6800.3,4 = 46240 (mm/phút) = 770,67 (mm/s)
p: Góc phun sớm Đối với động cơ 2GD-FTV: p = 20 0
K: Hệ số đánh giá tỷ số giữa tốc độ cung cấp nhiên liệu cực đại với tốc độ trung bình
K = 1,4 nc: Số vòng quay của bơm cao áp nc = 1600 (vòng/phút) (Đối với động cơ tạo được áp suất phun lên tới 1350 bar thì nc = 1500 – 2000 vòng/phút)
Vậy theo tính toán, kích thước đường kính piston của bơm cao áp trên xe Toyota Fortuner (Động cơ 2GD – FTV) là 6mm Để tăng hiệu suất làm việc của động cơ thì chúng ta phải thay đổi kích thước của đường kính piston bơm cao áp Ta thấy, với mỗi kích thước đường kính piston, ta sẽ có thể tích cung cấp nhiên liệu cho một chu trình là khác nhau Vậy nên để tăng hiệu suất làm việc của động cơ, ta phải tăng thể tích cung cấp nhiên liệu cho một chu trình
Sự phụ thuộc của thể tích nhiên liệu vào kích thước đường kính piston được thể hiện qua bảng sau:
Bảng 2.2 Bảng thể hiện sự phụ thuộc của thể tích nhiên liệu cung cấp cho một chu trình vào kích thước đường kính piston bơm cao áp d pt V ct
Từ số liệu bảng trên, ta lập được một đồ thị về sự phụ thuộc của thể tích nhiên liệu cung cấp cho một chu trình vào kích thước đường kính piston của bơm cao áp
Chọn dPT = 6,3 (mm); Vì mục đích khi cải tiến cần mang lại hiệu suất cao hơn lúc ban đầu, nhưng nếu chỉ quan tâm đến việc tăng hiệu suất tức là càng tăng đường kính piston lên sẽ làm cho kết cấu của hệ thống thay đổi nhiều và phát sinh thêm chi phí khi sản xuất Vậy nên để đảm bảo được việc không thay đổi kết cấu nhiều mà vẫn cải tiến đáng kể hiệu suất thể tích nhiên liệu cung cấp cho một chu trình, em chọn dPT = 6,3 (mm)
Vậy với dPT = 6,3 (mm) thì thể tích cung cấp nhiên liệu cho 1 chu trình sẽ tăng:
Biểu đồ thể hiện mối liên hệ giữa đường kính piston của bơm cao áp với thể tích nhiên liệu cung cấp cho một chu trình
Hình 2.30 Biểu đồ thể hiện mối liên hệ giữa đường kính piston của bơm cao áp với thể tích nhiên liệu cung cấp cho một chu trình
2.3.2 Thiết kế hệ thống nhiên liệu cho động cơ 2GD-FTV trên xe Toyota Fortuner 2020
Qua quá trình phân tích các ưu nhược điểm của hệ thống nhiên liệu và dựa vào các kết quả tính toán ở trên Em chọn hệ thống nhiên liệu có kết cấu chung như được trình bày ở hình dưới đây:
1- Bơm chuyển nhiên liệu; 2- Thùng chứa nhiên liệu; 3- Bộ sấy nóng nhiên liệu; 4- Lọc nhiên liệu; 5- Van hạn chế áp suất; 6- Cảm biến vị trí pít tông; 7- Bơm cao áp; 8- Van an toàn; 9- Vòi phun; 10- Cảm biến áp suất; 11- Ắc quy thủy lực; 12- ECU; 13- Bộ làm mát nhiên liệu; 14- Cảm biết nhiệt độ nhiên liệu a- Đường nhiên liệu áp suất thấp; b- Đường nhiên liệu áp suất cao; c- Đường nhiên liệu hồi về thùng chứa; d- Dây điện từ ECU tới các cơ cấu chấp hành; e- Dây điện từ các cảm biến tới ECU
Bơm cao áp (7) có nhiệm vụ tạo ra nhiên liệu cao áp có áp suất cao cho quá trình phun Bơm này được lắp đặt trên một ngăn của hệ thống Thường thì giống như vị trí đặt bơm phân phối trước đây của các động cơ cũ Nhiên liệu sau khi ra khỏi bơm cao áp được vận chuyển vào bộ phận tích luỹ nhiên liệu cao áp Ống Rail (11) này là bộ phận tích luỹ cao áp và luôn được cấp nhiên liệu để phục vụ cho việc phun nhiên liệu Nhiên liệu trong ống luôn có áp suất khoảng 2000 bar, và khi phun vào trong xylanh động cơ áp suất phun có thể lên tới 1350 bar Một số thành phần của hệ thống Common Rail được đặt trực tiếp trên ống như cảm biến áp suất, van giới hạn áp suất, cảm biến nhiệt độ nhiên liệu
Vòi phun (9) có chức năng phun nhiên liệu vào xylanh động cơ ECU quyết định lượng nhiên liệu được phun và thời điểm phun
Common Rail là một hệ thống phun được điều khiển bằng ECU ECU điều khiển và giám sát quá trình phun bằng những giá trị cần thiết được măc định sẵn cho quá trình phun nhiên liệu
CHƯƠNG 3 NHỮNG HƯ HỎNG VÀ BIỆN PHÁP BẢO DƯỠNG SỬA
Các dạng hư hỏng thường gặp
3.1.1 Các hư hỏng bơm cao áp
Cặp piston-xylanh bơm cao áp bị mòn : do có lẫn tạp chất cơ học có trong nhiên liệu tạo ra các hạt mài, khi piston chuyển động trong xylanh các hạt mài này gây mòn piston-xylanh Trong quá trình làm việc cặp piston-xylanh bơm cao áp thường bị mòn và cào xước bề mặt ở các khu vực cửa nạp, cửa xả của xylanh, và cạnh đỉnh piston Do điều kiện làm việc của pittông-xylanh bơm cao áp chịu áp lực cao, mài mòn , nên trong hành trình nén áp lực dầu tác dụng lên các phần trên đầu piston không cân bằng gây ra va đập Điều đó làm cho phần đầu pittông và xylanh mòn nhiều nhất Khi pittông-xylanh mòn làm áp suất nhiên liệu trong thời kỳ nén nhiên liệu giảm, áp suất nhiên liệu đưa đến vòi phun không đúng giá trị qui định gây ảnh hưởng đến chất lượng phun nhiên liệu Lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình giảm, động cơ không phát huy được công suất, suất tiêu hao nhiên liệu tăng
3.1.2 Các hư hỏng của vòi phun
Lỗ phun bị tắc hoặc giảm tiết diện : do trong quá trình sử dụng muội than bám vào đầu vòi phun làm tắc lỗ phun Trong nhiên liệu và quá trình cháy tạo ra các axít ăn mòn đầu vòi phun làm ảnh hưởng đến chất lượng phun
Kim phun mòn : tăng khe hở phần dẫn hướng làm giảm áp suất phun, lượng nhiên liệu hồi tăng lên giảm lượng nhiên liệu cung cấp vào buồng cháy Công suất động cơ giảm
Lò xo van điện từ bị giãn: Khi đó chỉ cần một lực nhỏ cũng có thể nâng được kim phun lên Do đó nhiên liệu phun vào buồng cháy không tơi, nhỏ giọt Động cơ không khởi động được, khi động cơ làm việc thì công suất không cao, động cơ hoạt động có khói đen
Kẹt kim phun: Do nhiệt độ từ buồng cháy truyền ra làm cho kim phun nóng lên và giãn nở Do sự giãn nở không đồng đều làm tăng ma sát giữa kim phun và phần dẫn hướng làm kim phun khó di chuyển
3.1.3 Các hư hỏng của bộ lọc nhiên liệu
Lõi lọc quá cũ, bẩn gây mất chức năng lọc dẫn đến tắc lọc Cặn bẩn, tạp chất nhiều trong cốc lọc gây tắc lọc giảm tính thông qua của lọc
3.1.4 Các hư hỏng của đường ống dẫn nhiên liệu
Các đường ống hở không khí lọt vào làm động cơ không nổ Tại các điểm nối bị hở, ống bị thủng Làm rò rỉ nhiên liệu, nhiên liệu không cung cấp đến bơm cao áp hay vòi phun, nhiên liệu cung cấp không đủ áp suất làm động cơ không nổ Các đường ống bị va đập làm dẹp, các chỗ uốn bị gãy gây trở lực lớn trong đường ống hoặc bị tắc ống dẫn Các van an toàn, van một chiều lắp trên đường ống không điều chỉnh đúng áp lực mở theo qui định
3.1.5 Hư hỏng hệ thống điện tử và các cảm biến Đối với các hư hỏng này phải dùng các pan mà nhà chế tạo cung cấp để phát hiện các triệu chứng Để khắc phục các hư hỏng này thì thường phải thay mới.
Khắc phục các hư hỏng hệ thống nhiên liệu
Bơm cao áp bị hư ta thay bơm mới, ta thiết lập giá trị ban đầu, cân lượng nhiên liệu cung cấp từ bơm cấp liệu
Cài đặt giá trị lượng nhiên liệu cung cấp từ bơm cao áp vào ECU sau khi thay mới
Nếu ống phân phối bị hỏng ta chỉ việc thay mới, không thao rã ống phân phối
Sau khi sữa chữa vòi phun hoặc thay mới thì phải cài đặt lại thông số hiệu chỉnh lượng phun cho vòi phun.
Phương pháp chẩn đoán
Ở đây ta chẩn đoán theo trạng thái hoạt động của động cơ
3.3.1 Động cơ không tải, không êm, bị rung động
Bảng 3.1 Bảng chẩn đoán động cơ không tải, không êm, bị rung động
Trạng thái hư hỏng Khu vực chẩn đoán chính Khu vực chẩn đoán có liên quan
1 Không tải không êm hay rung do có quá trình cháy không bình thường
2 Rung khi xe khởi hành do hư hỏng của hệ thống ly hợp
1 Hư hỏng trong vòi phun
- Chuyển động của piston vòi phun trục trặc
- Hư hỏng mạch điện vòi phun
2 Hư hỏng hệ thống ly hợp
- Hệ thống ly hợp (rung khi xe khởi động)
- Mã hiệu chỉnh vòi phun
- Rò rỉ hệ thống nạp khí
- Tắc hệ thống nạp khí
- Hệ thống đóng đường nạp
- Cảm biến lưu lượng khí nạp
- EDU (Nếu P0200 thiết lập đồng thời)
- Nhiên liệu chất lượng thấp
3.3.2 Động cơ có tiếng gõ, kêu lạch cạch
Bảng 3.2 Bảng chẩn đoán động cơ có tiếng gõ, kêu lạch cạch
Khu vực chẩn đoán chính
Khu vực chẩn đoán có liên quan
1 Tiếng gõ và âm thanh không bình thường do áp suất cháy đặc biệt cao
2 Âm thanh không bình thường do ma sát giữa các chi tiết
- Chuyển động của piston trong vòi phun bị hỏng
2 Áp suất ống phân phối không bình thường
- Âm thanh xung áp nhiên liệu
- Không khí trong nhiên liệu
3 Ma sát giữa các chi tiết
- Mã hiệu chỉnh vòi phun
- Rò rỉ hệ thống nạp khí
- Tắc hệ thống nạp khí
- Hệ thống đóng đường nạp
- Cảm biến áp suất nhiên liệu
- Cảm biến áp suất tuyệt đối đường nạp
- Cảm biến lưu lượng khí nạp
- Cảm biến áp suất khí quyển (bên trong ECU)
- Nhiên liệu chất lượng thấp
Bảng 3.3 Bảng chẩn đoán động cơ bị yếu, bị ì Trạng thái hư hỏng Khu vực chẩn đoán chính
Khu vực chẩn đoán có liên quan
1 Động cơ bị yếu do lượng phun nhiêu liệu không bình thường (hỏng bơm cấp áp)
2 Động cơ bị yếu do lượng khí nạp vào thiếu (Hỏng tuabin tăng áp hay đoạn ống xả trước hay bộ trung hòa khí xả bị tắc)
- Chuyển động của píttông trong vòi phun bị hỏng
2 Áp suất ống phân phối không bình thường
3 Lượng khí nạp không bình thường
- Đoạn ống xả trước bị tắc
- Bộ trung hòa khí xả bị tắc
- Van xả áp (P1271 được thiết lập)
- Cảm biến lưu lượng khí nạp
- Rò rỉ hệ thống nạp khí
- Tắc hệ thống nạp khí
- Hệ thống nhiêu liệu bị tắc
- Hệ thống đóng đường nạp
- Mã điều chỉnh vòi phun
- Cảm biến áp suất nhiên liệu
- EDU (Nếu P0200 được thiết lập)
- Nhiên liệu chất lượng thấp
- Nhiên liệu bị đông cứng
Công tác bảo dưỡng hệ thống nhiên liệu common rail lắp trên động cơ 2KD-FTV
Kế hoạch bảo dưỡng sửa chữa thường xuyên là rất cần thiết để động cơ luôn luôn có được chất lượng tốt và độ tin cậy tối đa Sự sẵn sàng hoạt động, sự an toàn khi hoạt động cũng như chi phí vận hành, bảo dưỡng sửa chữa và chăm sóc động cơ là thấp nhất Hệ thống Common Rail sử dụng các cấp bảo dưỡng sau:
Bảo dưỡng sửa chữa thường xuyên (W1): Bao gồm nội dung kiểm tra có tính chất thường xuyên nhằm khắc phục các hư hỏng xảy ra trong vận dụng Công tác bảo dưỡng sửa chữa thường xuyên W1 được thực hiện hàng ngày (tương ứng với 25 giờ hoạt động của động cơ)
Bảo dưỡng sửa chữa định kỳ: Bảo dưỡng sửa chữa theo các cấp qui định là việc bảo dưỡng sửa chữa mang tính chất dự phòng Các cấp bảo dưỡng qui định cụ thể như sau :
+ W2 : Tương ứng với 250 giờ hoạt động của động cơ
+ W3 : Tương ứng với 1000 giờ hoạt động của động cơ
+ W4 : Tương ứng với 2000 giờ hoạt động của động cơ
+ W5 : Tương ứng với 8000 giờ hoạt động của động cơ
+ W6 : Tương ứng với 24000 giờ hoạt động của động cơ
Hệ thống nhiên liệu của động cơ cũng tuân theo các qui định về bảo dưỡng và sửa chữa như động cơ Nội dung các công việc trong các kỳ bảo dưỡng cụ thể như sau :
Cấp bảo dưỡng sửa chữa W1:
Bộ phận kiểm tra Công việc kiểm tra
Bộ phận xả khí Kiểm tra màu khí xả
Két làm mát khí nạp Kiểm tra đường ống xả nước ở chổ nước ra
Lọc khí nạp Kiểm tra đồng hồ đo áp lực hút khí nạp
Nhiên liệu Kiểm tra mức nhiên liệu
Các cấp bảo dưỡng sửa chữa W2,3,4: Không tháo động cơ
Bộ phận kiểm tra Công việc kiểm tra Cấp Đường dẫn khí nạp Kiểm tra các hư hỏng, độ kín mặt hút W2,3,4
Hệ thống xả khí Kiểm tra và xả nước W3,4
Lọc khí nạp Vệ sinh W3,4 Đường dẫn khí nạp Kiểm tra khóa đóng khí nạp W3,4
Hệ thống xả khí Kiểm tra các liên kết bulông, sự ngăn cách của ống xả và tăng áp
Bầu lọc thô Vệ sinh W3,4
Bầu lọc kép Xả nhiên liệu thay lõi lọc W3,4
Hệ thống khí nạp Kiểm tra áp lực khí nạp W4
Lọc khí nạp Thay lõi lọc W4
Két làm mát khí nạp Vệ sinh đường ống xả nước W4
Vòi phun cao áp Tháo ra, kiểm tra, thay roăng làm kín, thay đầu vòi phun mới nếu cần W4
Cấp bảo dưỡng và sửa chữa W5: Ngược lại với các cấp W2,3,4 không tháo động cơ, ở cấp W5 một số bộ phận của động cơ được tháo Những công việc sau được thực hiện và kiểm tra
Bộ phận kiểm tra Công việc kiểm tra
Mặt quy lát Giải thể mặt quy lát, cân chỉnh lại vòi phun
Bộ phối khí Tháo gỡ cò mổ và kiểm tra Ống dẫn khí nạp Giải thể, vệ sinh, thay mới roăng làm kín Ống xả tiêu âm Vệ sinh thay mới roăng
Két làm mát khí nạp Tháo gỡ vệ sinh kiểm tra độ kín Ống xả Tháo gỡ vệ sinh thay mới roăng làm kín và lớp bảo vệ
Bơm cao áp Tháo gỡ và kiểm tra lưu lượng bơm và độ kín, kiểm tra khớp nối, thời điểm phun
Bộ cô lập máy Kiểm tra tính hoạt động
Cấp bảo dưỡng và sửa chữa W6: Nhất thiết phải tháo toàn bộ động cơ và kiểm tra toàn bộ
Các công việc bảo dưỡng động cơ khi động cơ ngừng làm việc lâu: Nếu động cơ phải ngừng làm việc lâu, thì trong đường hút khí nạp phải được phun dầu bôi trơn Sau đó tác động lên bộ tắc máy và cho động cơ quay bằng hệ thống đề.