• Nhờ sự phát triển về công nghệ điều khiển tự động và áp dụng mạnh mẽ tiến bộ khoa học kỹ thuật trên hệ thống nhiên liệu Diesel. Hệ thống điều khiển điện tử (DieselEDC) ngày nay đã đạt được những bước tiến mạnh mẽ, giải quyết được những nhược điểm cố hữu của động cơ diesel thông thường (điều khiển cơ khí) thế hệ trước nhờ sử dụng : Bơm cao áp điều khiển điện tử; Vòi phun điều khiển điện tử; Ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao (Common Rail System);. Với ưu điểm Áp suất phun tăng; Tối ưu hoá suất tiêu hao nhiên liệu trong mọi điều kiện vận hành; Sự phát thải khí thải giảm; Tuổi thọ động cơ diesel được tăng cao.
Trang 1BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG CAO ĐẲNG GIAO THÔNG VẬN TẢI TRUNG ƯƠNG V
MÔ-ĐUN
BẢO DƯỠNG VÀ SỬA CHỮA
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ
TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL
Mã mô-đun: MĐ 26
(Ban hành theo Quyết định số….của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng GTVT TW V)
Đà Nẵng, năm 2022
Trang 2Bài 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG EDC TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL
1 Khái quát hệ thống EDC trên động cơ Diesel
• Năm 1892, Rudolf Diesel đã phát minh ra động cơ diesel theo nguyên lý tự cháy;
• Năm 1927 bơm phun Bosch mới được phát triển và lắp trên động cơ diesel trang bị cho Ôtô thương mại và xe khách;
• Do quy định ngày càng khắt khe về mức độ ô nhiễm khí thải, tiếng ồn, cũng như suất tiêu hao nhiên liệu Các nhà thiết kế động cơ luôn tìm ra các giải pháp kỹ thuật khác nhau, chủ yếu tập trung vào giải quyết các vấn đề sau
- Tăng áp suất phun làm tăng tốc độ phun làm tăng sự hoà trộn nhiên liệu với không khí làm giảm nồng độ khí thải (bồ hóng);
- Điều chỉnh quy luật phun theo dạng kết thúc nhanh quá trình phun để làm giảm lượng HC (hydrocarbure);
- Sử dụng biện pháp hồi lưu một phần khí thải
• Năm 1997 hãng Bosch đã đưa ra thị trường hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel điều khiển điện tử, được gọi là hệ thống nhiên liệu Common Rail System
Trong hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel Common Rail System hiện đại, áp suất phun không phụ thuộc vào tốc độ trục khuỷu, luôn được duy trì thường trực trong ống “Rail” tới ≅ 200MPa và được bộ điều khiển điện tử ECM điều khiển phân phối
đến từng vòi phun với (áp suất phun và thời điểm phun) tùy theo chế độ làm việc của
động cơ
• Nhờ sự phát triển về công nghệ điều khiển tự động và áp dụng mạnh mẽ tiến
bộ khoa học kỹ thuật trên hệ thống nhiên liệu Diesel Hệ thống điều khiển điện tử (Diesel/EDC) ngày nay đã đạt được những bước tiến mạnh mẽ, giải quyết được những nhược điểm cố hữu của động cơ diesel thông thường (điều khiển cơ khí) thế
hệ trước nhờ sử dụng
- Bơm cao áp điều khiển điện tử;
- Vòi phun điều khiển điện tử;
- Ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao (Common Rail System);
• Ưu điểm
- Áp suất phun tăng;
- Tối ưu hoá suất tiêu hao nhiên liệu trong mọi điều kiện vận hành;
- Sự phát thải khí thải giảm;
- Tuổi thọ động cơ diesel được tăng cao
2 Phân loại hệ thống EDC trên động cơ Diesel
∎ Sơ đồ phân loại tổng quát (hình 1.1)
Trang 32
Hình 1.1 Sơ đồ phân loại tổng quát hệ thống EDC trên động cơ Diesel
HỆ THỐNG EDC TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL
Hệ thống EDC Diesel dùng bơm cao áp
Hệ thống EDC Diesel dùng bơm cao áp vòi phun kết hợp
Hệ thống EDC Diesel dùng ống phân phối
(Common Rail System)
Bơm
PE - EDC
dùng cơ
cấu ga
điện từ
Bơm
VE - EDC dùng cơ cấu ga điện từ
Bơm
VE - EDC dùng valve (SPV - TCV)
Bơm VE - EDC Piston hướng kính
Bơm VE - EDC Piston hướng trục
Bơm cao áp vòi phun kết hợp EUI - EDC
Bơm cao áp vòi phun HEUI - EDC
Bơm cao áp thế hệ 2
Bơm cao áp thế hệ 3
Bơm cao áp thế hệ 4
Trang 43 Đặc điểm các hệ thống EDC trên động cơ Diesel
3.1 Hệ thống EDC dùng bơm cao áp PE (hình 1.2)
∎ Bơm cao áp PE - EDC về cơ bản giống bơm cao áp PE (điều khiển cơ khí) đó
là dùng cơ cấu thanh răng làm xoay piston longgio để điều chỉnh lượng nhiên liệu phun, chỉ khác là
- Cơ cấu solenoid 17 điện từ có chức năng điều khiển thay đổi vị trí hành trình thanh răng 13 (không dùng bộ điều tốc hỗ trợ);
- Cơ cấu solenoid 16 điện từ có chức năng điều khiển thay đổi vị trí ống lưu lượng 4 (lên – xuống) để làm thay đổi thời điểm phun nhiên liệu
Trang 54
∎ Nguyên lý hoạt động
Hình 1.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động hệ thống EDC dùng bơm cao áp PE
a) Vị trí BDC của piston; b) Bắt đầu cung cấp nhiên liệu; c) Kết thúc việc cung cấp nhiên liệu; d) Vị trí TDC của piston;
h1 – Độ cao từ mặt dưới ống điều khiển đến lỗ phân phối; h2 – Hành trình có ích; h3 – Hành trình xả tự do;
1 Valve cao áp; 2 Khoang áp suất cao; 3 Xilanh bơm; 4 Ống điều khiển thời điểm cấp nhiên liệu;
5 Rãnh cắt chéo; 6 Lỗ ngang phân phối; 7 Piston longgio; 8 Lò xo piston; 9 Con đội; 10 Thuỳ cam; 11 Cửa xả;
12 Khoang chứa nhiên liệu thấp áp; 13 Thanh răng; 14 Cơ cấu và trục điều khiển ống lưu lượng khởi phun 4;
15 Trục cam bơm; 16 Solenoid điều khiển ống khởi phun; 17 Solenoid điều khiển hành trình thanh răng;
18 Cảm biến hành trình thanh răng; 19 Giắc kết nối tín hiệu điều khiển;
20 Đĩa chặn và vị trí gá lắp cảm biến giám sát tốc độ trục cam bơm;
X Khoảng chạy điều khiển
Trang 6• Hành trình nạp (hình 1.2a)
Khi cam 10 chưa tác động, piston 7 bị lò xo 8 ép đi xuống vị trí BDC một khoảng (h1) Nhiên liệu trong khoang 12 điền đầy vào trong thân piston qua lỗ phân phối 6
• Hành trình khởi phun (thời điểm bắt đầu cấp nhiên liệu) (hình 1.2b)
Khi cam 10 quay tác động đội mở piston longgio 7 từ vị trí BDC đi lên một khoảng ngắn Ngay khi mặt dưới của ống điều khiển 4 vừa đóng kín lỗ ngang 6 của piston 7 Áp suất khoang 2 lớn hơn áp suất khoang 12 áp suất nhiên liệu phía trên đỉnh piston 7 bị nén và tăng bắt đầu phun
• Hành trình kết thúc phun (hình 1.2c)
Piston 7 đi lên tiến dần tới vị trí TDC, quá trình phun vẫn tiếp tục cho đến khi cạnh của rãnh cắt chéo 5 trùng với cửa xả 11 trong ống 4 Áp suất trong khoang 2
và khoang 12 cân bằng và giảm nhanh valve cao áp 1 đóng lại dưới tác động của
lò xo và áp suất nhiên liệu Kết thúc phun (hành trình cấp nhiên liệu có ích h2)
∎ Điều chỉnh thời điểm bắt đầu phun
Việc bắt đầu phun nhiên liệu phụ thuộc vào sự điều chỉnh thay đổi đồng thời của việc nâng lên và hạ xuống của ống điều khiển 4 trong xilanh bơm 3
- Nếu ống điều khiển 4 đi lên, vị trí gần TDC của ống điều khiển 4 sẽ làm cho
- Nếu ống điều khiển 4 đi xuống, vị trí gần BDC của ống điều khiển 4 sẽ làm
- Quá trình điều khiển lên - xuống ống điều khiển 4 do cuộn solenoid 16;
- Quá trình điều khiển thanh răng 13 làm xoay piston 7 để hành trình có ích
∎ Chức năng của cơ cấu ga (solenoid) điện từ
- Kiểm soát được tốc độ động cơ dù có tải hay không có tải;
- Đáp ứng được tốc độ của động cơ theo yêu cầu phụ tải;
- Giới hạn được số vòng quay trục khuỷu để tránh gây hư hỏng cho động cơ;
- Cắt nhiên liệu để tắt máy tự động khi số vòng quay vượt quá mức quy định
∎ Hệ thống EDC
- Sử dụng tín hiệu truyền về từ các cảm biến (sensor), bộ điều khiển điện tử ECM thực hiện thuật toán, phân tích và phát tín hiệu xung điện điều khiển đến Solenoid 16 làm xuất hiện từ trường Ống lưu lượng phun 4 dịch chuyển (lên -
xuống) dưới sự điều khiển của solenoid 16, làm thay đổi (thời điểm khởi phun - kết
- Do tín hiệu từ các cảm biến (tốc độ trục cam bơm - vị trí bàn đạp ga - vị trí
thanh răng…) đến bộ điều khiển ECM khác nhau, nên tín hiệu xung điện có tần số
điều khiển solenoid 17 cũng khác nhau Hành trình thanh răng 13 dịch chuyển làm xoay piston bơm 7 đến từng góc độ cũng khác nhau Lưu lượng nhiên liệu cấp cho phụ tải của động cơ phù hợp với mọi chế độ (hình 1.2);
- Bơm PE - EDC là loại được chế tạo và sử dụng nhiều nhất trong suốt lịch sử hình thành của động cơ Diesel, do hoạt động bền bỉ theo thời gian, chúng được áp dụng cho động cơ từ 2 ÷ 12 xilanh, phạm vi công suất từ 10 ÷ 200 KW mỗi xi lanh
và áp suất xả từ 550 ÷ 1200 bar
Trang 73.2 Hệ thống EDC dùng bơm cao áp VE - loại cơ cấu ga điện từ (1986)
Hình 1.3 Cấu trúc bơm cao áp VE - EDC dùng cơ cấu ga điện từ
1 Solenoid điều khiển vòng ga 4; 2 Trục xoay điều khiển vòng ga;
3 Trục chính bơm cao áp; 4 Vòng ga định lượng nhiên liệu;
5 Valve (TCV) điều khiển thời điểm phun; 6 Valve cao áp (thoát áp);
7 Piston phân phối; 8 Valve điện từ đóng - mở đường nhiên liệu nạp;
9 Cảm biến góc xoay trục điều khiển 2
∎ Bơm cao áp VE - EDC có trục 2 xoay để điều khiển vòng định lượng 4 Đây là một cụm cơ cấu ga Solenoid điện từ, thay cho bộ điều tốc ly tâm (không dùng bộ
điều tốc như bơm VE điều khiển cơ khí) Cơ cấu điều khiển góc phun sớm cũng
giống như loại bơm cao áp VE cơ khí, nhưng được điều khiển bởi valve điện từ 5 (TCV) điều khiển thời điểm phun, áp suất phun của loại bơm này đạt ≈ 80MPa
∎ Nguyên lý hoạt động
- Khi bật khóa điện ON, bơm thấp áp quay hút nhiên liệu từ thùng chứa nhiên liệu, qua bộ lắng lọc nước và nhiên liệu, đi vào khoang bơm tạo ra áp suất nhiên liệu trong buồng bơm Van điện từ 8 mở thông đường cấp nhiên liệu trong buồng bơm đến khoang áp suất cao trước piston phân phối 7 trong xilanh chia của bơm;
- Khi bộ ECM nhận tín hiệu từ các cảm biến, phân tích và phát tín hiệu xung
điện điều khiển đến Solenoid 1 làm xuất hiện từ trường, (do trục 2 và vòng định
lượng 4 liên kết bằng chốt) Solenoid 1 làm xoay trục 2, điều khiển vòng định lượng 4
dịch chuyển dọc piston phân phối 7, định lượng nhiên liệu (hành trình có ích);
- Tín hiệu (tốc độ trục bơm - vị trí chân ga - góc quay…) từ các cảm biến đến ECM khác nhau, nên ECM phát xung điện điều khiển đến cuộn dây solenoid 1 cũng khác nhau làm trục 2 xoay điều khiển vòng định lượng 4 đến từng vị trí khác nhau
lưu lượng nhiên liệu cấp phù hợp với mọi chế độ phụ tải của động cơ;
- Valve 5 (TCV) nhận xung điện điều khiển từ ECM để điều khiển cơ cấu phun sớm (sớm - muộn - có tải - không có tải) ứng với mọi chế độ hoạt động của động cơ
Trang 83.3 Hệ thống EDC dùng bơm cao áp VE - piston hướng trục - valve SPV (1986)
Hình 1.4 Cấu trúc bơm cao áp VE - EDC dùng van SPV loại một piston hướng trục
1 Cảm biến vòng quay trục bơm; 2 Bơm thấp áp; 3 Vành con lăn; 4 Đĩa cam;
5 Piston phân phối; 6 Cơ cấu định thời; 7 Valve TCV điều khiển thời điểm phun;
8 Valve SPV điều khiển lưu lượng phun; 9 Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu
Trang 93.4 Hệ thống EDC dùng bơm cao áp VE - piston hướng kính - valve SPV (1996)
Hình 1.5 Cấu trúc bơm VE – EDC loại nhiều piston hướng kính
1 Bơm thấp áp; 2 Valve điều áp; 3 Piston hướng kính; 4 Con lăn;
5 Vòng cam; 6 Valve điều khiển thời điểm phun TCV; 7 Valve cao áp;
8 Kim van điều khiển lưu lượng phun SPV; 9 Thân xilanh chia;
10 Gờ phân cách; 11 Cơ cấu điều chỉnh góc phun sớm;
12 Cảm biến tốc độ trục bơm; 13 Pump control unit;
14 Nhiên liệu áp suất cao đến vòi phun; 15 Valve điều khiển lưu lượng phun SPV
Trang 103.4.1 Cấu tạo valve (SPV) điều khiển lưu lượng phun (loại điều khiển gián tiếp)
Hình 1.6 Cấu tạo valve (SPV) điều khiển lưu lượng nhiên liệu phun
1 Lò xo valve điều khiển; 2 Lò xo hồi vị valve điều khiển;
3 Buồng valve chính; 4 Piston phân phối; 5 Buồng áp suất cao;
6 Valve chính (t ự động); 7 Valve điều khiển (điện từ);
8 Cuộn dây Solenoid; 9 Valve SPV điều khiển;
A Rãnh nạp trên piston; B Cửa phân phối nhiên liệu; C Cửa nạp nhiên liệu
∎ Điều khiển hành trình nạp nhiên liệu (hình 1.7)
- Do đĩa cam lúc này đang ở vị trí (min), piston phân phối 4 bị lò xo hồi vị đẩy tịnh tiến về bên trái ĐCD (rãnh nạp A trên piston 4 xoay trùng với cửa nạp C) Nhiên liệu từ trong thân bơm được hút vào buồng áp suất cao 5 qua cửa C nạp nhiên liệu;
- Lúc này tín hiệu xung điều khiển từ bộ ECM cấp đến solenoid 8, làm xuất hiện từ trường Valve điều khiển 7 đóng Áp suất nhiên liệu trong thân bơm và lực
lò xo trong valve chính 6 tăng Valve chính 6 (tự động) đóng;
- Cửa nạp C: Mở - (Nhiên liệu được hút vào)
- Cửa phân phối nhiên liệu B: Đóng (do cửa phân phối trên thân piston 4
không trùng với cửa phân phối B trong xilanh)
- Valve điều khiển 7: Đóng
- Valve chính 6: Đóng (tự động)
Hình 1.7 Điều khiển hành trình nạp nhiên liệu của valve SPV
Trang 11∎ Điều khiển hành trình nén - phun (hình 1.8)
- Khi đĩa cam xoay đội piston phân phối 4 sang phải tiến gần cuối hành trình ĐCT thực hiện nén nhiên liệu trong buồng áp suất cao 5 tới một áp suất đủ để nhấc
lò xo van cao áp Lúc này cửa thoát trên thân piston phân phối 4 trùng với cửa phân phối B trên xilanh (nén và phân phối nhiên liệu);
- Lúc này tín hiệu xung điều khiển từ ECM vẫn cấp đến solenoid 8, nên valve
điều khiển 7 và valve chính 6 (tự động) vẫn còn đóng kín đường hồi dầu;
- Cửa nạp C: Đóng (rãnh nạp A trên piston 4 đóng cửa C)
- Cửa phân phối nhiên liệu B: Mở (do cửa thoát trên thân piston 4 trùng
với cửa phân phối B trong xilanh)
- Valve điều khiển 7: Đóng
- Valve chính 6: Đóng (tự động)
Hình 1.8 Điều khiển hành trình nén - phun nhiên liệu của valve SPV
∎ Điều khiển hành trình kết thúc phun
- Tín hiệu xung điều khiển từ ECM ngắt Từ trường trong solenoid 8 mất Valve điều khiển 7 bị lò xo 2 đẩy ngược lên mở thông lỗ (đường dầu tràn), một lượng nhỏ nhiên liệu chảy thoát ra khỏi buồng valve 6 áp suất nhiên liệu trong buồng valve chính 6 giảm (hình 1.9a);
Trang 12- Piston 4 tiến gần cuối hành trình ĐCT nên cửa nạp C lúc này vẫn bị đóng
(do một phần thân piston 4 che), áp suất nhiên liệu trong buồng cao áp 5 vẫn còn
cao đi qua (lỗ tiết lưu của valve 6), đẩy valve chính 6 (tự động) đi lên mở thông
liệu giảm nhanh Quá trình phun kết thúc ngay cả khi piston 4 vẫn còn tiếp tục di chuyển, valve chính 6 (tự động) đóng lại nhờ lò xo hồi vị; (hình 1.9b);
- Cửa nạp nhiên liệu C: Đóng
- Cửa phân phối nhiên liệu B : Mở
- Valve điều khiển 7: Mở
- Tín hiệu xung điều khiển từ bộ ECM đến valve điều khiển SPV thay đổi theo tín hiệu của các cảm biến báo về và hành động người lái xe, nên lưu lượng nhiên liệu cấp đến các vòi phun cũng được điều chỉnh phù hợp tải trọng
Hình 1.9 Điều khiển hành trình kết thúc phun nhiên liệu của valve SPV
3.4.2 Cấu tạo valve SPV điều khiển lưu lượng phun (loại điều khiển trực tiếp)
- Khác với loại valve SPV (điều khiển gián tiếp) dùng cho bơm cao áp VE piston hướng trục, valve SPV (điều khiển trực tiếp) sử dụng cho bơm cao áp VE
piston hướng kính gồm có: (Cuộn dây công suất lớn - valve điện từ và lò xo) Valve SPV loại này thích hợp cho bơm cao áp tạo ra áp suất cao (≈ 130MPa), tín hiệu từ ECM được EDU khuếch đại lên ở mức điện áp cao để vận hành valve khi valve đóng
( ≈ 150V) và khi điện áp giảm thấp xuống sau đó, valve vẫn ở trạng thái đóng;
- EDU là một thiết bị điện cao áp, được lắp giữa ECM và cơ cấu chấp hành EDU khuếch đại điện áp của acquy trên cơ sở từ tín hiệu của ECM để kích hoạt valve SPV, ngoài ra EDU cũng tạo ra điện áp cao khi bị đóng Bộ EDU được lắp bên trong ECM hoặc lắp ngoài (tuỳ từng trường hợp);
- Mạch tín hiệu - điện: [ECM tín hiệu mạch điều khiển EDU (khuếch đại)
tín hiệu mạch tạo cao áp cao áp Valve SPV EDU mass]
Trang 13Hình 1.10 C ấu tạo valve SPV điều khiển lưu lượng phun (loại điều khiển trực tiếp)
1 Cuộn dây công suất lớn; 2 Phần ứng; 3 Lò xo;
4 Ống valve điện từ; 5 Thân valve; 6 Lõi solenoid
∎ Điều khiển hành trình nạp - nén - phun
- Các con lăn và piston phân phối dịch chuyển ra xa tâm vòng cam thực hiện hành trình nạp nhiên liệu được hút vào trong buồng áp suất cao của xilanh bơm;
- Khi các con lăn và piston phân phối dịch chuyển gần vào tâm vòng cam thực hiện nén nhiên liệu áp suất nhiên liệu tăng cao;
- Tín hiệu từ bộ ECM cấp phần ứng 2 của valve SPV bị hút sang trái Điều này làm cho ống valve 4 di chuyển và tiếp xúc với thân van 5, do đó buồng cao áp
trước piston phân phối kín dầu (áp suất tăng cao);
- Rotor quay cửa thoát nhiên liệu trong rotor phân phối trùng với cửa phân phối xilanh nhiên liệu đi đến vòi phun;
- Áp suất phun ≈ 130MPa
∎ Điều khiển hành trình kết
thúc phun
ECM ngắt tín hiệu điều
khiển đến valve, lò xo 3 đẩy ống
valve 4 mở nhiên liệu trong
buồng áp suất cao trước rotor
phân phối tràn qua đường dưới
ống valve 4 Áp suất nhiên liệu
trong buồng áp suất cao hạ
nhanh, quá trình phun kết thúc