Tiểu luận common rail system lý do ra đời và lịch sử hình thành của common rail system

Bằng cách điều khiển điện tử việc phun nhiên liệu và áp suất, hệ thống phun nhiên liệu chung hiệu quả hơn nhiều so với hệ thống phun cơ khí.Hệ thống phun diesel Common Rail là hệ thống p

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHKHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TIỂU LUẬN

COMMON RAIL SYSTEM

SVTH : PHAN THANH DUY

1.2 So sánh Crs với hệ thống phun nhiên liệu cơ học

1.3 Lịch sự hình thành của common rail system

-Chương 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA CRS:2.1 Cấu tạo của CRS trên xe Mazda CX-5

2.2 Nguyên lí hoạt động của CRS trên xe Mazda CX-5

-Chương 3: ƯU ĐIỂM, NHƯỢC ĐIỂM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CRS ĐẾN CÁC CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT KHÁC SỬ DỤNG TRÊN ĐỘNG CƠ

3.1 Ưu điểm và nhược điểm của Crs

3.2 Ảnh hưởng của Crs đến các công nghệ và kỹ thuật khác sử dụng trên động cơ

-Chương 4:TÌNH HÌNH HIỆN TẠI VÀ TƯƠNG LAI Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI, NHẬN XÉT CỦA CÁ NHÂN

4.1 Tình hình hiện tại và tương lai ở Việt Nam4.2 Tình hình hiện tại và tương lai ở thế giới4.3 Nhận xét của cá nhân

TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CRS: Common rail system UI: Unit injection

SCV: Suction control valve PLN: Pump-Line-Nozzel ECU: electronic control unit ECM: engine control module

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 LÝ DO RA ĐỜI VÀ LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CỦA COMMON RAIL SYSTEM

1.1 Lý do ra đời của CRS:

Việc phun dầu diesel trước đây rất thô sơ, khó khăn và kém hiệu quả Hầu hết các hệ thống phun dầu diesel ngày xưa đều tích hợp một máy bơm nhiên liệu để cung cấp nhiên liệu cho máy bơm phun Khi bơm phun được dẫn động bởi động cơ, nhiên liệu được hút vào buồng phân phối của bơm phun, nơi nó được nén và đưa qua một đường thép cứng tới vòi phun Vòi phun sử dụng nhiên liệu được điều áp để nhấc kim phun ra khỏi yên và ép nhiên liệu qua vòi vào xi lanh Phương pháp cung cấp nhiên liệu thô sơ này thường khiến động cơ chạy yếu và kém hiệu quả, chưa kể đến tiếng ồn Tuy nhiên, chúng hoạt động tốt, không gặp sự cố trong nhiều năm.

Trong lịch sử, động cơ diesel đã sử dụng hệ thống UI và hệ thống phun nhiên liệu PLN Những hệ thống cũ này có những nhược điểm chính: Thứ nhất, chúng được dẫn động bằng cam và kết quả là áp suất phun nhiên liệu tối đa chỉ đạt được ở tốc độ động cơ cao Thứ hai, chúng bị hạn chế về số lượng phun có thể cung cấp cho mỗi chu kỳ đốt.

Trong cuộc cách mạng công nghệ của ngành ô tô, đã xuất hiện một loạt những sáng kiến mới nhằm nâng cao chất lượng và hiệu suất của chúng Tuy nhiên trong quá trình này, một điều rất quan trọng đã bị lãng quên - đó là bảo vệ môi trường Điều này đã thúc đẩy việc thiết lập các quy định nghiêm ngặt về việc giảm phát khí thải từ ô tô ra môi trường Áp lực này đã buộc các nhà sản xuất phải đưa ra những giải pháp không chỉ để giảm thiểu hydrocacbon và oxit nitơ trong khí thải mà còn để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về hiệu suất hoạt động Trong dòng sáng kiến đó, hệ thống common rail nổi bật như một bước tiến lớn trong việc giảm thiểu phát thải và nâng cao hiệu suất của các loại xe ô tô.

1.2 So sánh giữa CRS và hệ thống phun nhiên liệu cơ học:

Hệ thống phun nhiên liệu thông thường được điều khiển bằng cơ học trong khi hệ thống phun nhiên liệu chung được điều khiển bằng bộ điều khiển điện tử Bộ điều khiển điện tử điều chỉnh lượng nhiên liệu được phun và lượng áp suất sử dụng

Bằng cách điều khiển điện tử việc phun nhiên liệu và áp suất, hệ thống phun nhiên liệu chung hiệu quả hơn nhiều so với hệ thống phun cơ khí.

Hệ thống phun diesel Common Rail là hệ thống phun nhiên liệu hiện đại cung cấp nhiên liệu có áp suất cho kim phun của động cơ Loại hệ thống này sử dụng một đường ống phân phối tập trung với các van điện tử riêng lẻ điều khiển từng kim phun.

Ngược lại, hệ thống phun cơ học sử dụng máy bơm cơ học để đưa nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt, nơi nhiên liệu hòa trộn và đốt cháy với không khí.

Nguyên lí hoạt động của crs:

Động cơ diesel Common Rail sử dụng bơm nhiên liệu cao áp tập trung ở ống phân phối để cung cấp nhiên liệu có áp suất cho kim phun Kim phun là các van điều khiển điện tử giúp đo lượng nhiên liệu chính xác vào từng xi-lanh để đáp ứng với đầu vào từ hệ thống quản lý động cơ.

Các hệ thống này cũng sử dụng van điện từ hoặc bộ phận áp điện mở và đóng rất nhanh, cho phép đánh lửa hiệu quả và đốt cháy tốt hơn Chúng có xu hướng êm hơn hệ thống phun cơ học, khiến chúng trở nên lý tưởng cho xe khách và xe tiện ích (UTE) Nguyên lí hoạt động của hệ thống phun cơ học:

Động cơ diesel phun cơ học sử dụng bơm cơ học để đưa nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt thông qua các vòi phun riêng lẻ Loại hệ thống này thường được tìm thấy trong các ứng dụng nặng hơn như xe tải, xe buýt và thiết bị nông nghiệp.

Không giống như hệ thống đường ray thông thường, hệ thống phun cơ khí không sử dụng van điều khiển điện tử; thay vào đó, chúng dựa vào chuyển động của piston động cơ để cung cấp thời điểm đánh lửa chính xác Điều này giúp cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu và công suất đầu ra nhưng có thể dẫn đến chi phí bảo trì cao hơn do các bộ phận bị mài mòn nhiều hơn.

1.3 Lịch sử ra đời của CRS:

Hệ thống common rail ban đầu đã được phát triển với mục đích sử dụng cho động cơ tàu ngầm Phiên bản đầu tiên của hệ thống này đã xuất hiện từ năm 1916 nhờ vào nhóm kỹ sư tại nhà máy đóng tàu Vickers ở phía Tây Bắc nước Anh.

Khi đó, động cơ hoạt động bằng hơi nước gặp phải vấn đề về hiệu quả và hiệu suất thấp Nhưng nhóm kỹ sư tại Vickers đã có một bước đột phá bằng cách sử dụng hệ thống Common Rail để cung cấp năng lượng cho động cơ diesel trên tàu ngầm của họ Hệ thống này hoạt động bằng cách sử dụng một hoặc nhiều máy bơm xả nhiên liệu áp suất cao để đưa nhiên liệu đến kim phun, đóng vai trò là nguyên tắc cơ bản mà chúng ta vẫn áp dụng cho ngày nay.

Hệ thống common rail, nguyên mẫu của động cơ ô tô, bắt đầu được phát triển vào cuối những năm 1960 bởi Robert Huber của Thụy Sĩ Trải qua những năm 70 của thế kỉ XX, công nghệ này tiếp tục được cải tiến bởi Tiến sĩ Marco Ganser tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ ở Zurich, nơi ông là kỹ sư dự án của Stanadyne Diesel Tập đoàn Stanadyne đã phát triển máy bơm phun diesel cho nhiều nhà sản xuất động cơ diesel Năm 1985, Tiến sĩ Ganser thành lập công ty riêng – Ganser Hydromag – với mục tiêu phát triển hệ thống common rail của mình Sự thành công đầu tiên của hệ thống

common rail trên xe sản xuất hàng loạt bắt đầu vào giữa những năm 1990 tại Nhật Bản Tiến sĩ Shohei Itoh và Masahiko Miyaki của Tập đoàn Denso, một nhà sản xuất phụ tùng ô tô Nhật Bản, đã phát triển hệ thống nhiên liệu Common Rail cho xe hạng nặng

và biến nó thành ứng dụng thực tế trên hệ thống Common Rail ECD-U2 gắn trên xe tải Hino Ranger, được bán ra vào năm 1995

Denso tuyên bố hệ thống common rail áp suất cao thương mại đầu tiên vào năm 1995 Cùng những năm 1990, nhiều hệ thống common rail đã được phát triển bằng cách sử dụng bộ điều khiển điện tử Fiat, hợp tác với Magneti-Marelli, là một trong những nhà sản xuất ô tô lớn đầu tiên phát triển mẫu concept này Tuy nhiên, sau đó Fiat quyết định bán ý tưởng này cho Bosch do rắc rối về tài chính Bosch đã phát triển ý tưởng này và đưa hệ thống common rail đầu tiên vào một chiếc ô tô sản xuất tại Alfa-Romeo 156 vào năm 1997.

Cuối năm 1997, Mercedes-Benz đã giới thiệu hệ thống common rail trên mẫu W202 của họ Năm 2001, Common Rail được đưa vào xe bán tải với động cơ Duramax LB7 V8 6,6 lít được sử dụng trên các mẫu Chevrolet Silverado và GMC Sierra HD Dodge và Cummins đã triển khai điều này vào năm 2003, và Ford đã áp dụng công nghệ này vào năm 2008 với động cơ PowerStroke 6.4L do Navistar chế tạo Hiện nay, hệ thống Common Rail được áp dụng rộng rãi trên tất cả các xe bán tải chạy bằng diesel.

2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CRS TRÊN XE MAZDA CX-5

2.1 Cấu tạo của CRS trên xe Mazda CX-5

Dưới đây là cấu tạo chính của SKYACTIV-D CRS:

2.1.1 Bơm cao áp

Loại bơm được sử dụng cùng với SKYACTIV-D CRS (HP3) chịu được áp suất lên tới 200 Mpa Một cổng được sử dụng để cung cấp nhiên liệu cho hệ thống điều áp ngược về vòi phun Chức năng của bơm cao áp: đảm bảo cung cấp đủ nhiên liệu ở áp suất chuẩn trong toàn bộ phạm vi hoạt động của động cơ Điều này bao gồm việc cung cấp đủ nhiên liệu để động cơ khởi động nhanh và tăng áp suất trong ống phân phối.

2.1.2 Ống phân phối

Loại ống được sử dụng cùng với SKYACTIV-D CRS (HP3) chịu được áp suất lên tới 200 Mpa Chức năng của ống cao áp: đóng vai trò như một hệ thống phân phối nhận nhiên liệu có áp suất từ bơm cao áp và đưa nó đến các kim phun riêng lẻ Nó duy trì áp suất nhiên liệu ổn định trong toàn hệ thống, tối ưu hóa độ chính xác phun và hiệu suất động cơ.

2.1.3 Van giảm áp

Nếu áp suất của đường ống đạt hoặc vượt quá giá trị quy định, cuộn dây điện từ được cấp điện để mở một đường dẫn trong van và đưa nhiên liệu trở lại thùng nhiên liệu, nhờ đó làm giảm áp suất đến giá trị quy định.

2.1.4 Cảm biến áp suất ống phân phối

Cảm biến áp suất ống phân phối tương thích với áp suất lên tới 200 Mpa.

2.1.5 Vòi phun

Vòi phun Piezo loại GP3 được trang bị trên động cơ có thể phun nhiên liệu ở tốc độ cực cao ở áp suất 200 Mpa Dẫn tới khả năng phun sương nhiên liệu từ vòi phun được cải thiện, từ đó làm tăng hiệu suất đốt và giảm lượng khí thải Vòi phun Piezo bao gồm một ngăn áp điện, một piston có đường kính lớn, một piston có đường kính nhỏ, van điều khiển và kim phun.

2.1.6 Hệ thống điều áp ngược về vòi phun

Khi kim phun không có nhiên liệu, không khí đi vào buồng và giãn nở thể tích bên trong kim phun, khả năng truyền giữa các ngăn piezo bị mất và không thể phun được nữa Để giải quyết các trường hợp nêu trên, nhiên liệu được đưa ngược về vòi phun từ bơm cao áp thông qua bộ phận van cấp để tạo áp suất ngược Do đó, không khí được nén để cải thiện khả năng khởi động Hệ thống điều áp ngược về vòi phun được tích hợp vào hộp dưới của khoang động cơ

2.1.7 ECU

ECU nhận dữ liệu từ nhiều cảm biến khác nhau để theo dõi tình trạng động cơ và điều chỉnh quá trình phun nhiên liệu cho phù hợp ECU tối ưu việc cung cấp nhiên liệu để đạt được hiệu suất, hiệu suất và tuân thủ khí thải, đảm bảo CRS hoạt động liền mạch.

2.1.8 Cảm biến vị trí trục khuỷu

Cảm biến vị trí trục khuỷu phát hiện góc quay của trục khuỷu, đo tín hiệu tốc độ của trục khuỷu, vị trí trục khuỷu gửi về cho ECU và ECU sử dụng tín hiệu đó để tính toán góc đánh lửa sớm cơ bản, thời gian phun nhiên liệu cơ bản cho động cơ Sao xung có 56 răng (cách nhau ở 6°CA TDC cho mỗi xi lanh + nhận dạng số xi lanh 1) khoảng cách, với bốn răng bị thiếu để phát hiện Điểm chết trên [TDC] cho số xi lanh 1 và không 4).

2.1.9 Cảm biến nhận dạng Xy lanh

Cảm biến nhận dạng xi lanh xác định xi lanh động cơ Sao xung có năm răng (công nhận TDC cho mỗi xi lanh + nhận dạng số xi lanh 1)

2.1.10 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát được gắn vào khối xi lanh động cơ để phát hiện nhiệt độ nước làm mát động cơ Cảm biến nhiệt độ nước làm mát sử dụng nhiệt điện trở Nhiệt điện hiển thị một đặc tính trong đó giá trị điện trở của phần tử thay đổi theo nhiệt độ Như vậy, nhiệt điện trở khử đo nhiệt độ bằng cách chuyển đổi những thay đổi về nhiệt độ chất làm mát thành những thay đổi về điện trở Như tính khí tăng thì giá trị điện trở của nhiệt điện trở giảm.

2.1.11 Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu

Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu phát hiện nhiệt độ nhiên liệu và gửi tín hiệu tương ứng đến ECU động cơ Các ECU sau đó tính toán hiệu chỉnh phun phù hợp với nhiệt độ nhiên liệu dựa trên thông tin tín hiệu Bầu trời CRS của động cơ ACTIV-D có đường hồi nhiên liệu từ bơm cung cấp được tích hợp vào hộp dưới của khoang động cơ.

2.1.12 Cảm biến A/F

Cảm biến A/F phát hiện tỷ lệ không khí-nhiên liệu trong động cơ trên tất cả các vùng từ giàu đến nghèo dựa trên nồng độ oxy trong khí thải của xe và nồng độ nhiên liệu chưa cháy hết Tỷ lệ không khí-nhiên liệu được đưa trở lại ECU động cơ để điều khiển quá trình đốt cháy ở trạng thái được tối ưu hóa cho các điều kiện lái xe.

2.1.13 Van điều khiển không khí (ETB)

ETB vận hành mô tơ ga DC để thay đổi vị trí bướm ga theo tín hiệu từ ECU tương ứng với vị trí bàn đạp ga Ngoài ra, ETB được khóa liên động bằng công tắc phím để chặn không khí nạp khi dừng động cơ để giảm độ rung của động cơ.

2.2 Nguyên lí hoạt động của CRS trên xe Mazda CX-5

Bơm cấp nhiên liệu sẽ cung cấp nhiên liệu áp suất thấp qua bộ lọc tới bơm cao áp, từ đây nhiên liệu sẽ được nén đến áp suất lớn hơn và được chuyển tới ống phân phối Vòi phun sẽ được nạp nhiên liệu áp suất cao từ ống phân phối Ở đây vòi phun sẽ có 3 chế độ:

- Không hoạt động: Khi không cấp điện áp vào Piezo, áp suất trong buồng điều khiển và ở đáy kim phun sẽ có cùng giá trị với nhiên liệu trong ống phân phối Kim phun vẫn đóng do sự khác biệt về diện tích bề mặt tiếp xúc áp suất giữa buồng điều khiển và đáy kim phun Vì vậy, kim phun không hoạt động.

- Khi hoạt động: điện áp được đặt vào Piezo, các lớp tinh thể Piezo sẽ mở rộng Việc truyền lực tác động từ piston có đường kính lớn đến piston có đường kính nhỏ làm tăng độ dịch chuyển của Piezo và đẩy van điều khiển xuống, từ đó mặt tiếp xúc trên mở và

rò rỉ qua lỗ A và áp suất buồng điều khiển giảm Do áp suất ở đáy kim phun lớn hơn áp suất ở buồng điều khiển nên kim phun được đẩy lên và quá trình phun được hoạt động - Khi hoàn thành: Khi điện áp đặt vào Piezo bị loại bỏ, các tinh thể Piezo co lại và cả piston có đường kính lớn, piston có đường kính nhỏ cũng như van điều khiển được đẩy lên Ngoài ra, mặt tiếp xúc trên đóng và mặt tiếp xúc dưới mở Kết quả là, đường dẫn nhiên liệu đến buồng điều khiển mở ra và áp suất nhiên liệu trong buồng điều khiển nhanh chóng trở lại như cũ bằng với áp lực trong đường ống phân phối Do đó, kim phun bị đẩy xuống dưới và quá trình phun nhiên liệu dừng lại.

Một cảm biến áp suất đo áp suất nhiên liệu trong ống phân phối Số liệu của nó được so sánh với số liệu chuẩn được lưu trữ trong hệ thống điều khiển động cơ (ECM) Nếu số liệu đo được khác với số liệu chuẩn, van giảm áp sẽ mở để nhiên liệu tháo về thùng chứa Việc đóng mở kim phun được điều khiển bởi ECM Thời gian phun, áp suất nhiên liệu trong đường ống phân phối và diện tích dòng phun của kim phun quyết định lượng nhiên liệu được phun Nhiên liệu thừa của vòi phun đi qua hệ thống điều áp ngược và trở về bơm cao áp, van điều khiển áp suất tại bơm mở để nó trở về thùng nhiên liệu.

3 Ưu điểm, nhược điểm của Crs và ảnh hưởng của Crs đến các công nghệ và kỹ thuật khác sử dụng trên động cơ

3.1 Ưu điểm và nhược điểm của Crs

Ưu điểm của hệ thống CRDi trên các ứng dụng đa dạng của nó bao gồm:

o Đạt được mức tăng đáng kể 25% về công suất và mô-men xoắn so với động cơ phun xăng trực tiếp truyền thống.

o Yêu cầu đầu tư ban đầu tối thiểu để thực hiện.

o Tăng cường khả năng tăng tốc và đạt được hiệu suất đón được cải thiện.

o Giảm thiểu tiếng ồn và độ rung, góp phần vận hành êm ái hơn.

o Mang lại quãng đường đi được nâng cao và hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu o Giảm đáng kể lượng khí thải đến mức tối thiểu.

o Giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu để vận hành tiết kiệm.

o Đạt được kết quả tổng thể vượt trội và các tiêu chuẩn hiệu suất o Giá xe cao hơn do các tính năng tiên tiến của công nghệ.

o Chi phí tăng cao liên quan đến các bộ phận và bộ phận o Chi phí bảo trì tăng cao do sự phức tạp của hệ thống.

o Thiết kế phức tạp do sự hiện diện của nhiều thành phần phức tạp.

o Ưu điểm của động cơ diesel đường ray thông thường áp suất cao là mức tiêu thụ nhiên liệu thấp, độ tin cậy cao, tuổi thọ cao và mô-men xoắn cao Động cơ diesel có Common Rail thải ra ít khí độc hại hơn nhiều so với động cơ không có Common Rail (đặc biệt là ít CO) nên thân thiện với môi trường so với động cơ xăng.

o Nhược điểm của động cơ diesel đường ray chung áp suất cao bao gồm chi phí sản xuất và bảo trì (giá cả) cao, tiếng ồn cao và khó khởi động Nếu động cơ chạy lâu, nhiệt độ và áp suất động cơ cao sẽ sinh ra nhiều muội than và than cốc trong xi lanh, đồng thời dầu động cơ cũng dễ bị oxy hóa tạo ra keo Vì vậy, dầu động cơ diesel yêu cầu khả năng tẩy rửa tốt ở nhiệt độ cao.

3.2 Ảnh hưởng của Crs đến các công nghệ và kỹ thuật khác sử dụng trên động cơ

1 Tăng hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu: Hệ thống common rail giúp tăng đáng

kể hiệu suất của động cơ diesel thông qua việc cung cấp nhiên liệu chính xác và linh hoạt hơn Điều này không chỉ làm tăng công suất mà còn giảm tiêu hao nhiên liệu, giúp xe hoạt động hiệu quả hơn và tiết kiệm chi phí vận hành.

2 Giảm khí thải: Common rail system cho phép kiểm soát chính xác lượng nhiên

liệu được phun vào động cơ, từ đó giảm khả năng sinh ra khí thải có hại như các hợp chất ô nhiễm và các hạt bụi độc hại Điều này giúp các xe ô tô đáp ứng được các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt và bảo vệ môi trường.

3 Tăng độ bền và tuổi thọ động cơ: Việc cung cấp nhiên liệu chính xác và áp

lực ổn định trong common rail system giúp giảm stress và mài mòn cho các bộ phận quan trọng như bơm phun, bộ phận điều khiển, và các linh kiện khác Điều này có thể làm tăng tuổi thọ và độ bền của động cơ.

4 Cải thiện độ linh hoạt và điều khiển: Hệ thống common rail cho phép điều

chỉnh áp lực và thời điểm phun nhiên liệu một cách linh hoạt và chính xác thông qua điều khiển điện tử Điều này giúp cải thiện đáng kể khả năng điều khiển và linh hoạt của động cơ, từ đó cải thiện trải nghiệm lái xe và hiệu suất hoạt động 5 Khả năng tích hợp công nghệ cao: Hệ thống common rail thường được kết

hợp với các công nghệ khác như hệ thống xử lý khí thải (DPF, SCR), hệ thống