nghiên cứu, khai thác hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển điện tử kiểu commonrail_ hvktqs

Các tiêu chí quan trọng nhất của quá trình phun nhiên liệu diesel bao gồm: Thời điểm và khoảng thời gian phun; Mức độ phun tơi và sự phân bố nhiên liệu trong không gian buồng cháy; Thời

Chơng 1 Tổng quan về hệ thống nhiên liệu diesel

của hãng Bosch 1.1 Các vấn đề cơ bản của quá trình phun nhiên liệu diesel

Quá trình cháy trong động cơ diesel phụ thuộc chủ yếu vào cách thức nhiên liệu đợc phun vào trong buồng cháy động cơ, thờng đợc biểu diễn thông qua quy luật cung cấp nhiên liệu hoặc đặc tính phun (Injection Characteristic) Các tiêu chí quan trọng nhất của quá trình phun nhiên liệu diesel bao gồm: Thời điểm và khoảng thời gian phun; Mức độ phun tơi và

sự phân bố nhiên liệu trong không gian buồng cháy; Thời điểm cháy; Tốc

độ phun (lợng nhiên liệu đợc phun vào theo góc quay trục khuỷu/trục cam); Tổng khối lợng nhiên liệu đợc cung cấp cho 1 chu trình tùy theo chế độ tải của động cơ

Để động cơ và hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel hoạt động hiệu quả thì tất cả các yếu tố thay đổi nói trên phải đợc xem xét một cách kỹ l- ỡng Trong thực tế, hệ thống cung cấp nhiên liệu đã đợc thiết kế phù hợp với động cơ diesel và phạm vi sử dụng của nó Tuy nhiên, khi có khá nhiều yếu tố biến đổi (trong đó có những nhiều yếu tố là mâu thuẫn lẫn nhau) cần

đợc xem xét thì bản thiết kế cuối cùng có thể chỉ là sự thỏa hiệp.

Thành phần và trạng thái của hỗn hợp không khí/nhiên liệu (air/fuel)

có ảnh hởng mạnh đến suất tiêu hao nhiên liệu, mô men xoắn (công suất ra), thành phần khí thải và tiếng ồn cháy của động cơ Chất lợng và hiệu quả của quá trình tạo hỗn hợp phụ thuộc chủ yếu vào hệ thống phun nhiên liệu diesel

Những thông số thay đổi của quá trình phun có ảnh hởng tới quá trình tạo hỗn hợp, diễn biến quá trình cháy và do đó có ảnh hởng tới mức độ ô nhiễm, công suất/hiệu suất của động cơ bao gồm:

+ Thời điểm phun nhiên liệu

+ Đặc tính phun (khoảng thời gian phun và diễn biến tốc độ phun)+ áp suất phun

+ Hớng phun và số tia phun

Khối lợng nhiên liệu cung cấp vào xi lanh trong 1 chu trình và tốc độ

động cơ là những thông số vận hành sẽ quyết định công suất ra của động cơ

hợp giàu nhiên liệu là nguyên nhân chính tạo chất thải dạng hạt (PM) trong

buồng cháy động cơ diesel Để hạn chế việc hình thành nhiều vùng hỗn hợp

giàu nhiên liệu, động cơ diesel (khác với động cơ xăng) làm việc với hệ số

lợng d không khí tổng thể >1

Giá trị λ của động cơ diesel tăng áp kiểu tua bin khí ở chế độ toàn tải trong khoảng từ 1,15 ữ 2 Khi chạy ở chế độ không tải cầm chừng và chế độ không tải thì hệ số λ có thể lớn hơn 10

Xét về một góc độ nào đó, hệ số d lợng không khí tổng thể thể hiện

tổng khối lợng nhiên liệu và không khí bên trong xy lanh Tuy nhiên, về cơ bản, quá trình tự bốc cháy và hình thành các chất ô nhiễm phụ thuộc chủ yếu vào hệ số d lợng không khí cục bộ.

Do đặc điểm của động cơ diesel (tạo hỗn hợp bên trong, hỗn hợp không đồng nhất, tiếp tục cấp nhiên liệu trong quá trình cháy) nên không thể đạt đợc sự hoà trộn hoàn toàn của nhiên liệu với không khí nạp trớc và trong suốt quá trình cháy Hỗn hợp tự bốc cháy sau một khoảng thời gian ngắn (thờng tính theo độ góc quay trục khuỷu – 0GQTK) tính từ thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu (hiện tợng cháy trễ).

Trong vùng hỗn hợp không đồng nhất của động cơ diesel, hệ số d lợng không khí “cục bộ” có thể thay đổi trong một khoảng khá rộng, từ λ = 0 (vùng thuần tuý nhiên liệu) tại vùng thể tích chết của vòi phun tới λ = ∞ (vùng thuần tuý không khí) tại vùng biên ngoài cùng của tia phun Quan sát chi tiết một hạt nhiên liệu lỏng cho thấy, ở khu vực ngoài cùng của hạt (đ-

ợc bao bởi hơi nhiên liệu), xuất hiện hệ số λ cục bộ trong khoảng từ 0,3 đến 1,5 (Hình 1.1)

Hình 1.1 Đờng cong tỷ số A/F đối với một hạt nhiên liệu tĩnh, [7]

Từ đó có thể suy luận rằng, với sự nguyên tử hoá nhiên liệu tốt (quá trình phun tạo thành một số lợng lớn các hạt có đờng kính rất nhỏ), với mức

hệ số d lợng không khí lớn và chuyển động rối phù hợp của dòng khí cuối

quá trình nén, sẽ tạo ra một số lợng lớn các khu vực cục bộ có nồng độ hỗn hợp nhạt Theo lý thuyết, điều này sẽ làm giảm hàm lợng NOx và PM hình thành trong quá trình cháy.

Có thể thu đợc quá trình nguyên tử hóa nhiên liệu tốt hơn bằng cách phun nhiên liệu với áp suất cao (hiện nay, áp suất phun nhiên liệu lớn nhất

đã vợt quá ngỡng 2000 bar) áp suất phun cao sẽ làm tăng vận tốc tơng đối giữa tia phun và không khí nén trong xi lanh và điều này có tác dụng xé tơi tia nhiên liệu

Nhằm giảm khối lợng động cơ và giá thành, với mục đích là thu đợc công suất lớn nhất đối với dung tích công tác xác định, động cơ diesel th-ờng đợc thiết kế để vận hành với hệ số d lợng không khí nhỏ ở chế độ tải cao Tuy nhiên, hệ số d lợng không khí nhỏ sẽ làm tăng mức độ ô nhiễm của động cơ Do vậy, cần phải giới hạn giá trị của λ (nghĩa là thể tích nhiên liệu phun vào phải tỷ lệ chính xác, phù hợp với lợng không khí có thể có trong xi lanh và tốc độ của động cơ)

Khi động cơ diesel vận hành ở áp suất môi trờng thấp (độ cao lớn) cũng yêu cầu giảm lợng nhiên liệu phun vì lợng khí nạp có trong xi lanh cũng ít hơn

1.1.2 Thời điểm phun và thời điểm cung cấp của bơm cao áp

a Thời điểm phun nhiên liệu

Thời điểm bắt đầu nhiên liệu phun vào trong buồng cháy có ảnh hởng quyết định đến thời điểm bắt đầu cháy hỗn hợp không khí/nhiên liệu, và do vậy sẽ ảnh hởng hởng đến mức độ ô nhiễm, mức tiêu thụ nhiên liệu và mức

độ ồn của qúa trình cháy Chính vì thế, thời điểm phun có vai trò quan trọng trong việc tối u hoá sự vận hành của động cơ

Thời điểm phun nhiên liệu, tính theo 0GQTK tới điểm chết trên (ĐCT), là thời điểm mà vòi phun mở và nhiên liệu bắt đầu đợc đa vào trong buồng cháy Vị trí của pít tông so với ĐCT (cũng nh hình dạng của đờng

nạp) ở thời điểm đó sẽ xác định trạng thái, nhiệt độ và tỷ trọng của dòng khí nén bên trong buồng cháy Do đó, mức độ hoà trộn của nhiên liệu và không khí cũng phụ thuộc vào thời điểm phun nhiên liệu Vì thế, thời điểm phun

sẽ ảnh hởng đến mức độ ô nhiễm (chất thải dạng hạt-PM, các ô xít nitơ-

NOx, hydrocarbon cha cháy- HC, và monoxide carbon-CO)

Hình 1.2 ảnh hởng của thời điểm phun và thời gian phun

đến suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh) và hàm lợng NO x (g/kW.h), [7]

Hình 1.3 ảnh hởng của thời điểm phun và thời gian phun

đến hàm lợng HC(g/kWh) và PM (g/kWh), [7]

Thời điểm phun ( 0 GQTK)

10 15 20 25 30 Thời gian phun ( 0 GQTK)

-5 -10 -15 -20

10 15 20 25 30 Thời gian phun ( 0 GQTK)

10 15 20 25 30 Thời gian phun ( 0 GQTK)

-5 -10 -15 -20

10 15 20 25 30 Thời gian phun ( 0 GQTK)

Thời điểm phun nhiên liệu yêu cầu phụ thuộc vào chế độ tải của động cơ (Hình 1.4) Do vậy, cần phải có sự điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu theo các chế độ tải của động cơ Trên các động cơ diesel hiện đại dùng hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử, các dữ liệu về đặc tính vận hành của động cơ đợc xác định và lu giữ dạng điện tử trong “Bản đồ dữ liệu động cơ”(Engine Data Map) “Bản đồ” này biểu diễn thời điểm phun nhiên liệu

yêu cầu theo chế độ tải, tốc độ và nhiệt độ của động cơ Đồng thời, “Bản

đồ” này cũng xét đến mức tiêu thụ nhiên liệu, yêu cầu về mức phát thải chất

ô nhiễm và mức độ ồn tại mọi giá trị công suất ra xác định

Dựa trên yêu cầu của điều luật ô nhiễm (Tiêu chuẩn Euro 3), thời

điểm phun đợc xác định nh sau:

+ Đối với động cơ diesel xe con phun nhiên liệu trực tiếp:

- Chế độ toàn tải : từ -3 đến - 6 0GQTK cho đến +2 0GQTK

Đối với động cơ diesel xe con và xe tải, khi khởi động nguội, thời

điểm phun đợc sớm lên từ 3 ữ100 ở chế độ toàn tải, khoảng thời gian cháy

từ 40ữ60 0GQTK

* Phun nhiên liệu quá sớm: Nhiệt độ cuối quá trình nén lớn nhất đạt

đợc tại ĐCT Nếu quá trình cháy đợc bắt đầu quá sớm trớc ĐCT thì áp suất cháy tăng mạnh và cản trở chuyển động đi lên của pít tông Tổn thất nhiệt trong quá trình sẽ làm giảm hiệu suất của động cơ và do vậy sẽ làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu Sự tăng nhanh của áp suất nén cũng sinh ra tiếng

ồn cháy lớn hơn Khi tăng góc phun sớm sẽ làm tăng nhiệt độ trong buồng

cháy Kết quả là hàm lợng NOx tăng trong khi hàm lợng HC giảm (Hình 1.4)

* Phun nhiên liệu quá muộn: Khi giảm góc phun sớm (làm chậm

thời điểm phun nhiên liệu) ở chế độ không tải có thể làm cho quá trình cháy không hoàn toàn, vì thế lợng thải HC tăng lên Sự mâu thuẫn lẫn nhau giữa một bên là suất tiêu hao nhiên liệu và hàm lợng HC với một bên là hàm l-ợng PM và NOx dẫn đến cần có một sự phối hợp mang tính thỏa hiệp (với dung sai rất nhỏ) khi thay đổi thời điểm phun đối với một động cơ cụ thể

αN – Thời điểm phun tối u ở chế độ không tải

αV Thời điểm phun tối – u ở chế độ toàn tải

Hình 1.4 ảnh hởng của thời điểm phun nhiên liệu đến hàm lợng

NO x và HC của động cơ diesel xe tải (không tuần hoàn khí thải) , [7]

-4 -3 - 2 -1

Giảm Tăng

1 2 3 4 Thời điểm phun ( 0 GQTK)

Khi động cơ nguội, để giảm khói trắng và khói xanh cần tăng góc phun sớm và/hoặc sử dụng biện pháp phun mồi.

Để giữ cho tiếng ồn cháy và hàm lợng các chất ô nhiễm ở mức chấp nhận đợc thì sự điều chỉnh về thời điểm phun thờng cần thiết đối với chế độ tải cục bộ hơn là chế độ toàn tải

b Thời điểm cung cấp của bơm cao áp

Ngoài thời điểm bắt đầu phun thì một yếu tố khác thờng đợc quan tâm là thời điểm bắt đầu cung cấp của BCA (liên quan đến thời điểm bơm cao áp bắt đầu chuyển nhiên liệu tới vòi phun) Nguyên nhân của việc này

là đối với hệ thống nhiên liệu diesel truyền thống và khi động cơ không vận hành thì việc xác định thời điểm bắt đầu cung cấp của BCA là dễ dàng hơn

so với thời điểm phun thực tế Ngoài ra, sự đồng bộ giữa thời điểm bắt đầu phun với động cơ (nhất là đối với bơm cao áp vạn năng kiểu dãy và bơm cao áp phân phối) về cơ bản là dựa theo thời điểm bắt đầu cung cấp (do tồn tại quan hệ xác định giữa thời điểm bắt đầu cung cấp với thời điểm bắt đầu phun) Thời gian cần thiết để sóng áp suất lan truyền từ bơm cao áp đến vòi phun phụ thuộc vào chiều dài đờng ống cao áp và tạo nên hiện tợng trễ phun (injection lag) tính theo GQTK Hiện tợng trễ phun này tăng tỷ lệ với tốc độ động cơ Những nguyên nhân trên dẫn đến yêu cầu là hệ thống phun phải có khả năng điều chỉnh thời điểm bắt đầu cung cấp/thời điểm bắt đầu phun

1.1.3 Lợng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình

Khối lợng nhiên liệu cung cấp cho 1 xy lanh trong một chu trình me, tính theo mg, đợc xác định theo phơng trình sau:

.33,33

e e

P g m

n i

= (1.1)

trong đó:

P- Công suất phát ra của động cơ

ge- suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ, [g/kw.h]

n- tốc độ quay của trục khuỷu, [vg/ph]

P g Q

Khối lợng nhiên liệu do hệ thống nhiên liệu diesel cấp vào xi lanh trong một chu trình phụ thuộc vào các biến số sau:

+ Tiết diện lu thông hiệu dụng của vòi phun

+ Sự thay đổi theo thời gian của chênh lệch giữa áp suất phun (áp suất nhiên liệu) và áp suất môi chất (khí nén) trong buồng cháy

+ Tỷ trọng của nhiên liệu diesel

Tại điều kiện áp suất cao, nhiên liệu diesel đợc coi là môi chất có thể nén đợc Điều này sẽ ảnh hởng đến lợng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình

và nó cần đợc quan tâm khi thiết kế hệ thống phun diesel

Sự thay đổi về lợng nhiên liệu phun sẽ dẫn đến sự thay đổi về mức độ

ô nhiễm và công suất ra của động cơ Bằng việc sử dụng hệ thống phun có khả năng định lợng chính xác và điều tốc điện tử, lợng nhiên liệu phun vào

xi lanh có thể đợc kiểm soát với độ chính xác cao

1.1.4 Đặc tính phun

Đặc tính ô nhiễm và mức tiêu thụ nhiên liệu là 2 yếu tố vô cùng quan trọng của động cơ Với mục tiêu đảm bảo 2 yếu tố trên, hệ thống phun nhiên liệu diesel phải đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Thời điểm phun nhiên liệu phải chính xác Trên thực tế, chỉ với những sai lệch nhỏ về thời điểm phun cũng có ảnh hởng đáng kể tới mức tiêu thụ nhiên liệu, mức độ ô nhiễm khí thải và tiếng ồn cháy.

+ áp suất phun có thể thay đổi với mức độ độc lập cao nhất có thể, nhằm đáp ứng yêu cầu của tất cả các chế độ vận hành của động cơ

+ Có khả năng kết thúc nhanh quá trình phun Hiện tợng phun rớt, phun trễ sẽ làm gia tăng mức độ ô nhiễm khí thải

Khái niệm “Đặc tính phun” nhằm mô tả diễn biến lợng nhiên liệu phun phun vào trong buồng cháy theo thời gian

1.1.4.1 Thời gian phun

Một trong những tham số chính của đặc tính phun là thời gian phun (thời gian kim phun mở và dòng nhiên liệu phun vào buồng cháy), đợc xác

định theo 0GQTK, độ góc quay trục cam (0GQTC) hoặc theo thời gian thực (thờng tính theo mili giây- ms) Với các động cơ diesel khác nhau thì yêu cầu về thời gian phun nhiên liệu cũng khác nhau (ví dụ ở chế độ công suất

định mức):

+ Động cơ diesel xe con phun nhiên liệu trực tiếp: từ 32 ữ 38 0GQTK+ Động cơ diesel xe con phun nhiên liệu gián tiếp: từ 35 ữ 40 0GQTK+ Động cơ diesel xe tải phun nhiên liệu trực tiếp: từ 25 ữ 36 0GQTK.Với khoảng thời gian phun là 30 0GQTK sẽ tơng ứng với 15 0GQTC và nếu xét tại tốc độ động cơ là 2000 vg/ph thì sẽ tơng ứng với thời gian phun

Chó thÝch: 1- Giai ®o¹n phun måi 2- Giai ®o¹n phun chÝnh 7- ¸p suÊt gi¶m nhanh

3- ¸p suÊt phun t¨ng m¹nh 4- ¸p suÊt phun t¨ng 2 giai ®o¹n 8- Phun bæ sung 5- ¸p suÊt phun t¨ng chËm 6- ¸p suÊt phun gi¶m chËm 9- Phun muén

+ Đờng (1): Giai đoạn phun mồi- PI (Pre-injection) Mục đích là

giảm tiếng ồn cháy và hàm lợng NOx, nhất là với động cơ diesel phun trực tiếp

+ Giai đoạn (2): Giai đoạn phun chính-MI (Main injection (Ml) Tùy

theo loại động cơ, dạng đặc tính phun yêu cầu của giai đoạn này rất khác nhau (đờng 3, 4, 5-6 hoặc 7)

+ Đờng (3): áp suất phun tăng mạnh trong suốt phần đầu của giai

đoạn phun chính Mục đích để giảm hàm lợng NOx của động cơ diesel không tuần hoàn khí thải

+ Đờng (4): áp suất phun tăng 2 giai đoạn (4) trong phần đầu của

giai đoạn phun chính để giảm hàm lợng NOx và PM của động cơ diesel không tuần hoàn khí thải

+ Đờng (3, 7) : áp suất phun cao và không đổi trong suốt giai đoạn

phun chính Mục đích để giảm hàm lợng PM của động cơ diesel có tuần hoàn khí thải

+ Đờng (8): Phun bổ sung (Advanced post-injection) ngay sau giai

đoạn phun chính để giảm hàm lợng PM, hoặc

+ Đờng (9): Phun muộn (Retarded post-injection) Mục đích của quá

trình phun muộn này là tạo chất xúc tác (hơi nhiên liệu) cho bộ xử lý NOx trên đờng thải theo công nghệ deNOx [4], và/hoặc để tăng nhiệt độ khí thải cho mục đích tái sinh đối với bộ lọc PM trên đờng thải

+ Đờng (5,6): dạng đặc tính phun (hình tam giác) của hệ thống phun

diesel truyền thống

Với hệ thống phun diesel kiểu truyền thống, áp suất đợc tạo ra liên tục trong quá trình phun bởi bơm cao áp Do vậy, tốc độ trục bơm cao áp có tác động trực tiếp đến áp suất và tốc độ phun nhiên liệu

Với bơm cao áp kiểu phân phối (không dùng van điều khiển điện tử)

và bơm cao áp cơ khí truyền thống kiểu dãy, quá trình phun chỉ bao gồm 1

giai đoạn phun chính (giai đoạn 2) mà không có các giai đoạn phun mồi PI, phun bổ sung, phun muộn.

Với bơm cao áp phân phối có van điều khiển điện tử, có thể có giai

đoạn phun mồi PI Hiện nay, với hệ thống phun dùng BCA-VP kết hợp lắp trên động cơ diesel xe con, giai đoạn phun mồi đợc điều khiển bằng phơng pháp thủy-cơ

Trong hệ thống phun nhiên liệu diesel truyền thống, áp suất sinh ra

và lợng nhiên liệu đợc phun vào xi lanh là phụ thuộc lẫn nhau do liên kết giữa vấu cam và bơm cao áp Do vậy, đặc tính phun của hệ thống này có những đặc điểm sau:

+ áp suất phun tăng khi tăng tốc độ động cơ và lợng nhiên liệu đợc phun

+ áp suất phun tăng tại thời điểm bắt đầu phun nhng lại giảm trớc khi kết thúc quá trình phun

Điều này dẫn đến những hệ quả sau:

+ Một lợng nhỏ nhiên liệu đợc phun vào xi lanh với áp suất thấp.+ Đặc tính phun có dạng hình tam giác, khá phù hợp với động cơ diesel không tuần hoàn khí xả (độ dốc đờng áp suất phun không lớn nên quá trình cháy xảy ra êm dịu)

Nhân tố gây ứng suất đối với các bộ phận của BCA và các chi tiết của cơ cấu dẫn động là áp suất phun lớn nhất Ngoài ra, áp suất phun lớn nhất còn là thớc đo chất lợng quá trình nguyên tử hóa nhiên liệu trong buồng cháy

Với động cơ phun gián tiếp (buồng cháy xoáy lốc hoặc buồng cháy trớc), vòi phun dùng kim phun kiểu chốt đợc sử dụng để tạo ra một tia phun

đơn và cũng xác định dạng của đặc tính phun Kiểu vòi phun này có diện tích lu thông hiệu dụng là hàm của độ nâng kim phun Điều này tạo ra sự phát triển áp suất tăng dần và giảm tiếng ồn của quá trình cháy

Đồ thị diễn biến áp suất cháy của một động cơ không có phun mồi (Hình 1.6 a) cho thấy, tiếp theo quá trình nén đờng cong áp suất có độ dốc không lớn cho tới ĐCT Sau đó, đờng cong áp suất có độ dốc tăng nhanh kể

từ thời điểm bắt đầu cháy Đây chính là nguyên nhân gây nên tiếng ồn cháy lớn đối với động cơ diesel không có phun mồi

Hình 1.6 ảnh hởng của việc phun mồi đến diễn biến áp suất cháy, [7]

Quá trình phun mồi sẽ cấp một lợng nhỏ nhiên liệu (từ 1 đến 4 mm3) vào buồng cháy nhằm tạo điều kiện thuận lợi trong buồng cháy trớc khi bắt đầu giai

đoạn phun chính Quá trình phun mồi đạt đợc 2 mục đích: giảm thời gian cháy trễ

và giảm độ dốc của đờng cong áp suất trong giai đoạn cháy chính Chính vì vậy,

nó sẽ tác động đến tiếng ồn cháy, mức tiêu hao nhiên liệu và hàm lợng NOx, HC Tuỳ thuộc vào thời điểm bắt đầu giai đoạn phun chính và khoảng cách giữa giai

đoạn phun mồi với giai đoạn phun chính, suất tiêu hao nhiên liệu sẽ thay đổi

* Quá trình phun bổ sung và phun muộn:

Hệ thống phun kiểu commonrail có thể phun bổ sung một lợng nhiên liệu ngay sau giai đoạn phun chính (không phụ thuộc vào việc phun muộn

để hỗ trợ bộ xử lý NOx và bộ lọc PM) Trong trờng hợp này, nhiên liệu đợc phun vào trong khi quá trình cháy vẫn tiếp diễn Do vậy, các hạt PM (đã hình thành) sẽ bị đốt tiếp và kết quả là lợng PM có thể giảm từ 20 ữ 70%

Quá trình phun muộn đợc sử dụng để cung cấp một lợng xác định chất khử (dạng hơi nhiên liệu) cho bộ xử lý NOx trên đờng thải Quá trình phun muộn xảy ra trong quá trình cháy-giãn nở hoặc quá trình thải cho đến khoảng 200 0GQTK sau ĐCT Trái lại với quá trình phun mồi và giai đoạn phun chính, nhiên liệu đợc phun trong giai đoạn phun muộn sẽ không cháy

mà sẽ bị bay hơi do nhiệt của khí thải trong xi lanh Hỗn hợp khí thải và hơi nhiên liệu này sẽ bị đẩy ra đờng thải Khi đó, hơi nhiên liệu đóng vai trò là chất khử cho bộ xử lý NOx Kết quả là khi thải ra môi trờng, hàm lợng NOx giảm đáng kể Ngoài ra, quá trình phun muộn còn có thể sử dụng để tăng nhiệt độ khí thải nhằm hỗ trợ quá trình tái sinh lọc đối với bộ lọc PM kiểu o

xy hóa lắp trên đờng thải Quá trình phun muộn có thể làm loãng màng dầu bôi trơn của động cơ diesel Do vậy, khi sử dụng hệ thống phun có khả năng này cần có sự trao đổi kỹ lỡng với hãng sản xuất động cơ

1.1.4.3 Phun rớt và thể tích chết của vòi phun

Quá trình phun bổ sung không đợc kiểm soát (còn gọi là phun rớt) có thể gây

ra hậu quả xấu Quá trình này xảy ra khi vòi phun mở lần thứ hai ngay sau khi vừa

đóng và kéo theo là một lợng nhiên liệu (với điều kiện phun rất xấu) đợc cấp vào xi lanh vào giai đoạn cuối của quá trình cháy Lợng nhiên liệu này không đợc đốt cháy hoàn toàn và thải ra đờng thải làm tăng lợng thải HC Hiện tợng phun rớt có thể khắc phục bằng cách đóng nhanh vòi phun với áp suất đủ lớn và duy trì một áp suất tĩnh thấp trong đờng ống cao áp

Lợng nhiên liệu ở đầu khoang miệng vòi phun (về phía xi lanh) cũng gây ra hậu quả tơng tự nh hiện tợng phun rớt Lợng nhiên liệu trong thể tích

chết này chảy vào buồng cháy sau khi quá trình cháy đã kết thúc cũng sẽ

làm gia tăng lợng thải HC (Hình 1.7) Việc sử dụng vòi phun có thể tích chết nhỏ sẽ khắc phục đợc vấn đề này

a- Vòi phun có thể tích chết nhỏ b- Vòi phun thông thờng.

Hình 1.7 ảnh hởng của vòi phun đến hàm lợng HC, [7]

1.1.4.4 Đặc tính thời điểm của các loại hệ thống phun

Trên hình 1.8 biểu diễn lần lợt diễn biến độ nâng và tốc độ chuyển

động của cam, độ nâng của van điện từ, áp suất nhiên liệu trên đờng ống cao áp (phía bơm cao áp, phía vòi phun), độ nâng kim phun và tốc độ phun của hệ thống phun diesel dùng bơm cao áp phân phối (kiểu hớng tâm) –

VP 44 Ta thấy, áp suất và đặc tính phun có sự thay đổi lớn giữa phía BCA

và phía VP (đợc xác định bởi đặc tính của các bộ phận có liên quan trên ờng truyền nhiên liệu cao áp nh: biên dạng cam, BCA, van cao áp, đờng ống cao áp, VP) Chính vì vậy, hệ thống phun nhiên liệu phải thực sự phù hợp với động cơ diesel sẽ dùng nó

ơ a

0 1 2 3 Thể tích chết (mm 3 )

Động cơ 1

Động cơ 2

4 3 2 1 0

0,4 0

H×nh 1.8 DiÔn biÕn c¸c qu¸ tr×nh trong hÖ thèng phun diesel, [7]

Diễn biến các quá trình trong tất cả các hệ thống phun diesel mà tạo cao áp bằng bơm kiểu pít tông (BCA kiểu dãy, BCA-VP kết hợp, BCA riêng biệt) có dạng tơng tự nh trên Hình 1.8 Tuy nhiên, riêng với hệ thống phun kiểu commonrail thì hoàn toàn khác (Hình 1.9)

1.1.4.5 Thể tích nhiên liệu chịu nén trong hệ thống phun truyền thống

Thể tích nhiên liệu chịu nén (còn đợc gọi là thể tích “bất lợi”) nhằm

ám chỉ thể tích nhiên liệu trong mạch cao áp của một vòi phun (bao gồm phần nhiên liệu chứa trong khoang cao áp của bơm cao áp, trong đờng ống cao áp và trong vòi phun) Với mỗi lần phun, thể tích này sẽ bị nén và giảm

áp Kết quả là tồn tại tổn thất nén và tạo ra hiện tợng phun trễ Thể tích nhiên liệu trong đờng ống cao áp bị nén bởi quá trình động lực do sóng áp suất tạo ra

Khi thể tích “bất lợi” càng lớn, thì hiệu quả quá trình thủy lực của hệ thống phun càng thấp Do vậy, khi thiết kế hệ thống phun cần giảm thiểu thể tích chịu nén của nhiên liệu và đảm bảo thể tích này là giống nhau giữa các xi lanh Hệ thống phun dùng BCA-VP kết hợp có thể tích “bất lợi” là nhỏ nhất

1.1.4.6 Đặc tính phun của hệ thống phun kiểu commonrail

Với hệ thống phun kiểu CR, một bơm cao áp sẽ tạo cao áp trong bình tích áp (fuel-rail) độc lập với quá trình phun áp suất trong bình tích áp sẽ duy trì gần nh không đổi trong suốt quá trình phun (Hình 1.9) Do đặc tính cung cấp gần nh không đổi nên BCA có kích thớc nhỏ hơn đáng kể và có thể thiết kế với mô men dẫn động nhỏ hơn

Đoạn đờng ống cao áp nối giữa bình tích áp với vòi phun là ngắn Ngoài ra, do vòi phun đợc điều khiển bởi bộ điều khiển nên thời điểm bắt

đầu và kết thúc phun có thể thay đổi rất linh động tùy theo loại và phạm vi ứng dụng của động cơ Việc phun mồi và phun bổ sung nhiều lần là có thể thực hiện đợc

Với một áp suất nhất định trong hệ thống, lợng nhiên liệu phun tỷ lệ với khoảng thời gian van điện từ của vòi phun mở và hoàn toàn độc lập với

động cơ hoặc tốc độ BCA (hệ thống phun dựa theo thời gian thực)

Do vậy, thời điểm bắt đầu phun, khoảng thời gian phun và áp suất phun có thể điều chỉnh độc lập để phù hợp với mọi chế độ nhằm tối u hóa

sự vận hành của động cơ Các thông số này đợc điều khiển (theo vị trí trục khủyu/theo thời gian) bởi Hệ thống điều khiển diesel điện tử – EDC (The Electronic Diesel Control)

1.1.5 áp suất phun

Quá trình phun sử dụng áp suất trong hệ thống nhiên liệu để tạo ra dòng nhiên liệu chuyển động qua các lỗ phun Hệ thống phun có áp suất cao sẽ dẫn đến tốc độ phun nhiên liệu qua lỗ phun lớn Sự nguyên tử hoá nhiên liệu xảy ra do sự va chạm hỗn loạn giữa các tia nhiên liệu với dòng không khí nén bên trong buồng cháy Vì vậy, khi tăng vận tốc tơng đối giữa dòng nhiên liệu và không khí, tăng tỷ trọng của không khí nén trong xi lanh thì chất lợng phun tơi sẽ tốt hơn Bằng cách lựa chọn kích thớc của đờng ống cao áp phù hợp, có thể làm cho áp suất phun tại phía VP cao hơn áp suất tạo ra ở đầu BCA

áp suất phun-p

p 0

p r

Phun mồi Phun chính

1.1.5.1 Với động cơ diesel phun trực tiếp

Trong động cơ diesel phun trực tiếp, tốc độ chuyển động của không khí bên trong buồng cháy là tơng đối chậm (chỉ chuyển động do quán tính khối lợng của dòng khí) Hiệu ứng rối này đợc sự trợ giúp bởi chuyển động

đi lên của pít tông và mức độ rối tăng lên khi pít tông đến gần ĐCT

Trong động cơ phun nhiên liệu trực tiếp, nhiên liệu đợc phun vào trong buồng cháy với áp suất cao Với áp suất phun nhiên liệu cao tới 2000 bar, lợng PM và khói sẽ đợc giảm một cách cơ bản Với các hệ thống phun nhiên liệu hiện đại, ở chế độ toàn tải, có thể tạo ra áp suất phun cực đại từ

1000 ữ 2050 bar (với động cơ diesel xe con) và từ 1000 ữ 1800 bar (với

động cơ diesel xe tải)

Tuy nhiên, áp suất phun cao chỉ có thể đạt đợc tại dải vòng quay trục khuỷu cao hơn (ngoại trừ hệ thống phun kiểu CommonRail) Nói chung, muốn có đợc một đặc tính mô men xoắn tốt cùng với mức ô nhiễm khí thải thấp sẽ yêu cầu áp suất phun cao khi động cơ làm việc ở chế độ tải lớn tại tốc độ thấp Dựa theo những điều kiện này, đối với động cơ diesel xe con và

xe tải, áp suất phun tại chế độ mô men xoắn lớn nhất nằm trong khoảng từ

800 ữ 1400 bar

1.1.5.2 Với động cơ diesel phun gián tiếp

Trong động cơ diesel phun nhiên liệu gián tiếp, áp suất cháy tăng lên

sẽ đẩy hỗn hợp ra khỏi buồng cháy phụ (buồng cháy xoáy lốc hoặc buồng cháy trớc) vào buồng cháy chính để tiếp tục cháy Các loại động cơ này, dòng khí trong buồng cháy phụ và trong rãnh nối giữa buồng cháy phụ và buồng cháy chính có tốc độ chuyển động cao Do vậy, sẽ không hiệu quả khi tăng áp suất phun lên trên giá trị 450 bar

1.1.6 Hớng phun và số lợng tia phun

1.1.6.1 Với động cơ diesel phun trực tiếp

Trên động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp thờng dùng vòi phun

kín nhiều lỗ, với số lỗ phun từ 4 đến 10 (thông thờng là từ 6 đến 8 lỗ phun),

đợc bố trí xung quanh tâm Số lợng và hớng của tia phun phải rất phù hợp với hình dạng buồng cháy Chỉ với độ lệch khoảng 20 (so với giá trị góc phun tối u) cũng có thể dẫn đến sự tăng lên đáng kể của khói đen và mức tiêu thụ nhiên liệu

1.1.6.2 Với động cơ diesel phun gián tiếp

Trên động cơ diesel phun nhiên liệu gián tiếp thờng sử dụng vòi phun kín có kim phun dạng chốt, với duy nhất một tia phun Vòi phun này sẽ phun nhiên liệu vào buồng cháy phụ sao cho nến sấy (hỗ trợ khởi động nguội) nằm trong vùng tia phun Hớng tia phun cũng phải rất phù hợp với hình dạng buồng cháy Hớng phun không chính xác sẽ không tận dụng đợc

ô xy trong khí nén và vì thế sẽ làm tăng khói đen và hàm lợng HC trong khí thải

Bảng 1-1 Tác động của những yếu tố chính của quá trình phun

đến sự làm việc của động cơ diesel, [7]

-(PM ↑ )Tác động của những yếu tố cơ bản của quá trình phun đến sự làm việc của động cơ diesel đợc trình bày trong Bảng 1-1

1.2 Tổng quan về hệ thống phun nhiên liệu diesel của hãng Bosch 1.2.1 Các vấn đề chung

Động cơ diesel với u điểm nổi bật là tính kinh tế nhiên liệu cao, đợc

sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực với thiết kế rất khác nhau (Bảng 1-2), bao gồm:

Bảng 1-2 Phạm vi ứng dụng của các hệ thống phun nhiên liệu diesel (Bosch), [7]

Chú thích:

- M, MW, A, P, H, ZWM, CW: Kích thớc tăng dần của bơm cao áp kiểu dãy

- PE: Bơm phun nhiên liệu riêng biệt

- VE: Bơm pít tông hớng trục

- VR: Bơm pít tông hớng tâm

- UIS: Hệ thống BCA- VP kết hợp

- UPS: Hệ thống BCA riêng biệt

+ Máy phát điện: với công suất lên đến khoảng 10 kW/ 1 xy lanh

+ Động cơ cao tốc trên xe con và xe tải hạng nhẹ: với công suất lên

Trong xu thế phát triển chung, hệ thống phun nhiên liệu diesel điều khiển cơ khí sẽ nhanh chóng đợc thay thế bởi hệ thống phun diesel điều khiển

điện tử –EDC (Electronic Diesel Control) Hiện nay, hệ thống phun nhiên liệu trên tất cả các xe con và xe tải thế hệ mới đều đã đợc điện tử hoá

1.2.2 Hệ thống phun diesel dùng bơm cao áp kiểu dãy

Trong hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) diesel dùng BCA kiểu dãy (Hình 1.10), số phân bơm của BCA bằng số xy lanh động cơ, các phân bơm

có thể bố trí 1 dãy hoặc 2 dãy (hình chữ V) Khi làm việc, pít tông BCA 4 chuyển động tịnh tiến trong xy lanh 1 dới tác dụng của trục cam 7 và lò xo hồi vị 5 Nhiên liệu (do bơm thấp áp cung cấp) qua cửa nạp 2 vào khoang

áp suất bị nén tới áp suất cao và đợc đa tới vòi phun Việc định thời điểm và lợng nhiên liệu cấp cho một chu trình đợc thực hiện thông qua các rãnh 3

bố trí trên thân pít tông

Bơm cao áp kiểu dãy có tính vạn năng cao, có thể sử dụng cho một

họ động cơ có công suất khác nhau Tuy nhiên, BCA kiểu dãy khó đảm bảo chính xác về độ cung cấp đồng đều giữa các xy lanh cũng nh thời điểm bắt

đầu cung cấp nhiên liệu của các phân bơm Ngoài ra, với HTPNL dùng

BCA kiểu dãy, các thông số cơ bản của quy luật phun nhiên liệu phụ thuộc vào chế độ tốc độ và chế độ tải của BCA.

a- BCA kiểu dãy dạng trụ; b- BCA kiểu dãy dạng ống lồng.

X- hành trình có ích của pít tông BCA 1- Xy lanh BCA; 2- Cửa nạp;

9- Điều chỉnh thời điểm cấp; 10- Nhiên liệu đến vòi phun.

Hình 1.10 Nguyên lý làm việc của BCA kiểu dãy, [7]

1.2.3 Hệ thống phun diesel dùng bơm cao áp phân phối

Trong HTPNL dùng BCA phân phối, pít tông BCA phải tham gia cả hai chuyển động tịnh tiến và quay để thực hiện đồng thời hai chức năng: bơm và phân phối nhiên liệu cho các xy lanh Tuỳ theo số xy lanh, có thể sử dụng 1 hoặc 2 BCA phân phối

Khi bơm làm việc( Hình 1.11), nhiên liệu áp suất cao đợc sinh ra bởi pít tông hớng trục 4 (trong BCA phân phối, pít tông có thể bố trí hớng trục hoặc hớng tâm) đợc dẫn động bởi đĩa cam 3 thông qua các con lăn 2 Nhiên liệu cao áp tạo ra trong khoang 6 đợc phân phối đến các xy lanh thông qua các rãnh phân phối 8

1 2 X

3 4

8 4 5 6

7 9

Ngoài BCA phân phối điều khiển cơ khí truyền thống (Hình 1.11), trên thực tế còn sử dụng BCA phân phối đợc điều khiển bởi van cao áp điện

từ (Hình 1.12)

7- Nhiên liệu đến vòi phun; 8- Rãnh phân phối nhiên liệu

Hình 1.11 Nguyên lý hoạt động của BCA phân phối

7- Nhiên liệu đến vòi phun; 8- Rãnh định lợng nhiên liệu.

Hình1.12 BCA phân phối kiểu pít tông hớng tâm

điều khiển bằng van cao áp điện từ, [7]

So với BCA kiểu dãy, BCA kiểu phân phối có kích thớc và khối lợng nhỏ hơn nhiều Ngoài ra, BCA kiểu phân phối có khả năng phân phối nhiên liệu cho các xy lanh đồng đều hơn; đảm bảo độ đồng đều về thời điểm cung cấp nhiên liệu cho các xy lanh Tuy nhiên, cấu tạo BCAphân phối lại phức tạp hơn nhiều

1.2.4 Hệ thống phun diesel riêng biệt cho từng xi lanh

a Hệ thống phun diesel dùng BCA-VP kết hợp điều khiển điện tử

Trong HTPNL diesel dùng BCA-VP kết hợp (Hình 1.13), bơm và vòi phun đợc kết hợp thành bộ cho từng xy lanh Khi làm việc, dới tác dụng của trục cam 1 (qua cơ cấu cò mổ) sẽ ép pít tông BCA đi xuống Chuyển dịch đi lên của pít tông BCA là do tác dụng của lò xo BCA Thời điểm phun nhiên liệu và lợng nhiên liệu phun đợc điều khiển bởi van cao áp điều khiển điện

từ 3

2 1

Hình 1.13 Nguyên lý hoạt động của

hệ thống phun nhiên liệu diesel dùng BCA-VP kết hợp điều khiển bằng van cao áp điện từ, [7]

Về cơ bản, HTPNL diesel điều khiển điện tử dùng BCA riêng biệt có nguyên lý hoạt động tơng tự nh HTPNL điều khiển điện tử dùng BCA-VP kết hợp Điểm khác biệt là giữa vòi phun và bơm cao áp đợc nối với nhau bằng một đờng ống cao áp ngắn 3 (Hình 1.14).

Với các HTPNL diesel riêng biệt cho từng xi lanh, do đờng ống cao áp ngắn (hoặc không có đờng ống cao áp) nên có khả năng tạo đợc áp suất phun cao nhất có thể Ngoài ra, chúng đồng thời có khả năng kết thúc nhanh quá trình phun và giảm đợc thể tích nhiên liệu bị nén (“thể tích bất lợi”) trong mạch cao áp

1.2.5 Hệ thống phun diesel kiểu CommonRail

Trong HTPNL diesel kiểu CommonRail (Hình 1.15), chức năng tạo cao

áp và phun nhiên liệu đợc tách biệt áp suất đợc tạo ra và kiểm soát bởi bơm cao áp 1 Nhiên liệu áp suất cao đợc đa tới bình tích áp 2 và từ đó dẫn tới các vòi phun Thời điểm phun và lợng nhiên liệu phun đợc điều khiển bởi van cao

áp điện từ 3 HTPNL diesel kiểu Commonrail có mức độ linh động rất cao trong việc lựa chọn các tham số của quá trình phun.

Ta thấy, hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) diesel rất đa dạng về thiết kế, nguyên lý hoạt động cũng nh phạm vi áp dụng Đối với HTPNL diesel của hãng Bosch, có thể phân loại theo các tiêu chí cơ bản nh:

+ Theo đặc điểm kết cấu chung: có thể phân thành 4 nhóm lớn là

HTPN diesel dùng BCA kiểu dãy, HTPN diesel dùng BCA phân phối, HTPNL riêng biệt cho từng xi lanh, HTPNL diesel kiểu Commonrail

+ Theo phơng pháp kiểm soát lợng nhiên liệu phun: có thể chia

thành 2 nhóm lớn: dùng rãnh xoắn (Helix-Controlled) hoặc cửa nạp/cửa xả (Port-Controlled) nh trong các loại BCA truyền thống; dùng van điện từ (Solenoid-Valve-Controlled) nh trong HTPNL diesel điều khiển điện tử

+ Theo phơng pháp điều khiển: gồm điều khiển cơ khí, điều khiển

điện-cơ khí, điều khiển thủy lực và điều khiển điện tử

Sơ đồ phân loại các HTPNL diesel của Bosh đợc trình bày trên Hình 1.16 Đặc tính kỹ thuật các HTPNL diesel của hãng Bosch đợc trình bày

trong Bảng 1-3

Hệ thống nhiên liệu diesel của hãng Bosch

HTPNL dùng BCA kiểu dãy

(In-line Pump)

HTPNL dùng BCA phân phối

(Distributor Pump)

HTPNL dùng BCA riêng biệt

(Discrete Cylinder sytems)

Điều khiển

điện tử

Điều khiển cơ

khí/thuỷ lực

điện-cơ

khí

Điều khiển thuỷ lực

Bơm pít tông hướng

Bơm pít tông hướng trục

Kiểu PF

Kiểu BCA-VP kết hợp

Kiểu BCA riêng biệt

Thế hệ thứ nhất

Thế hệ thứ hai

Thế hệ thứ ba

Bảng 1- 3 Đặc tính kỹ thuật các loại hệ thống phun diesel

Các tham số liên quan đến động cơ

150 ữ 1800 0

800 ữ

Bất kỳ

300 ữ 2000

75 ữ 1000

1.3 Sự cần thiết phải điện tử hoá hệ thống phun nhiên liệu diesel

Những cải tiến không ngừng đối với HTPNL diesel chính là nhân tố then chốt để nâng cao công suất ra của động cơ, tạo khả năng đáp ứng các

điều luật môi trờng ngày càng khắt khe hơn trong khi vẫn duy trì đợc u

điểm về suất tiêu hao nhiên liệu Hiện nay, khi thiết kế HTPNL diesel cần phải đảm bảo đồng thời và hài hòa 4 mục tiêu sau:

+ Tăng công suất riêng và mô men xoắn riêng của động cơ

+ Giảm suất tiêu hao nhiên liệu

+ Giảm mức ô nhiễm khí thải

+ Đảm bảo đặc tính NVH (Noise, Vibration & Harshness)

Với HTPNL diesel truyền thống có nhiều hạn chế (áp suất phun thấp

và phụ thuộc vào chế độ tải, tốc độ động cơ; thời điểm phun và thời gian phun khó thay đổi; hạn chế của phơng pháp điều khiển truyền thống; khó

định lợng chính xác lợng nhiên liệu phun ) nên rất khó đáp ứng đ… ợc 4 mục tiêu trên Vì vậy, việc điện tử hoá HTPN diesel là xu thế tất yếu và đã trở thành tiêu chuẩn tại các nớc có điều luật môi trờng khắt khe Tuy nhiên,

mức độ điện tử hóa HTPNL diesel sẽ tác động đến u/nhợc điểm của chúng

Với HTPNL diesel điều khiển điện tử kiểu CommonRail, “phần cơ khí” và “phần điện tử” đã hoàn toàn tách biệt nhau u điểm nổi bật của hệ

thống này là áp suất phun hoàn toàn độc lập với chế độ tải và tốc độ của

động cơ; có khả năng thay đổi rất linh hoạt các thông số của quá trình phun (áp suất phun, thời điểm bắt đầu và kết thúc phun, số lần phun mồi, phun muộn ) Chính vì vậy, ngay tại Việt Nam, HTPNL kiểu CommonRail đã…

đợc sử dụng rộng rãi trên các phơng tiện cơ động quân sự và dân sự, cũng

nh trên các thiết bị/máy móc thuộc ngành xây dựng Đây cũng là lý do em

chọn đề tài Đồ án Tốt nghiệp đại học là: “Nghiên cứu, khai thác hệ thống

nhiên liệu diesel điều khiển điện tử kiểu CommonRail”

Chơng 2

Hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển điện tử kiểu commonrail 2.1 Tổng quan về HTPNL kiểu CommonRail

2.1.1 Các vấn đề chung

HTPNL diesel điều khiển điện tử kiểu CommonRail (CR) hiện đang

đợc sử dụng rộng rãi trên các loại động cơ diesel (xe con, xe tải, tầu thuỷ )

do nó có khả năng đáp ứng tốt các yêu cầu của quá trình cung cấp nhiên liệu, đó là: áp suất phun cao, có thể lên đến 1600 bar (trong tơng lai có thể tới 1800 bar); áp suất phun có thể thay đổi, thích ứng với các chế độ vận hành (từ 200 ữ 1800 bar); Thời điểm phun có thể thay đổi rất linh hoạt; Có khả năng phun mồi, phun muộn một vài lần trong 1 chu trình

Động cơ

Tín hiệu Nhiên liệu

Vì thế, HTPNL kiểu CR giúp tăng công suất riêng, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu, giảm tiếng ồn và giảm hàm lợng các chất ô nhiễm trong khí thải Ngày nay, CR đã trở thành HTPNL thông dụng nhất trên động cơ diesel xe con cao tốc buồng cháy thống nhất HTPNL kiểu CR (Hình 2.1) bao gồm các thành phần chính sau:

+ Mạch áp suất thấp: gồm những bộ phận hệ thống cấp nhiên liệu + Mạch áp suất cao: gồm BCA, bình tích áp, VP, đờng ống cao áp +Phần điều khiển điện tử động cơ diesel (EDC): gồm các môdul hệ

thống, các cảm biến, bộ điều khiển điện tử và các cơ cấu chấp hành

Bộ phận quan trọng nhất của HTPNL kiểu CR là vòi phun (3), đợc tích hợp 1 van tác động nhanh kiểu điện từ (hoặc hiệu ứng áp điện) cho phép điều khiển quá trình phun đối với mỗi xi lanh Việc thiết kế theo modul giúp HTPNL kiểu CR có khả năng sử dụng trên nhiều loại động cơ

đã có sẵn mà không cần sửa đổi nhiều về kết cấu

2.1.2 Nguyên lý vận hành

Trong HTPNL kiểu CR, chức năng tạo áp suất tách biệt với chức năng phun nhiên liệu; áp suất phun tạo ra độc lập với tốc độ động cơ và l-ợng nhiên liệu phun (tải của động cơ) Bộ điều khiển điện tử diesel-EDC (Electronic Diesel control) điều khiển các bộ phận của hệ thống

a Tạo áp suất: Chức năng tạo áp suất và phun nhiên liệu đợc tách

biệt thông qua bình tích áp Nhiên liệu có áp đợc cấp đến bình tích áp và

sẵn sàng cho quá trình phun áp suất trong bình tích áp đợc duy trì độc lập với tốc độ động cơ và lợng nhiên liệu phun áp suất phun trong hệ thống đ-

ợc tạo ra bởi BCA hoạt động liên tục Do đặc tính phun gần nh không thay

đổi nên thiết kế BCA nhỏ gọn hơn và mô men dẫn động cũng thấp hơn so với HTPNL truyền thống HTPNL kiểu CR dùng BCA kiểu pít tông hớng tâm (trên các động cơ diesel xe tải đôi khi sử dụng BCA kiểu dãy)

b Kiểm soát áp suất: Phơng pháp kiểm soát áp suất khá đa dạng tùy

theo từng hệ thống

+ Kiểm soát phía mạch áp suất cao: Trong HTPNL kiểu CR dùng

trên xe con, áp suất yêu cầu trong bình tích áp đợc kiểm soát ở phía mạch

áp suất cao bằng 1 van kiểm soát áp suất Nhiên liệu thừa sẽ đi về mạch áp suất thấp thông qua van kiểm soát áp suất Kiểu điều khiển lặp này sẽ cho phép áp suất trong bình tích áp có khả năng phản ứng nhanh với sự thay đổi

về điểm vận hành (khi tải của động cơ thay đổi) Phơng án này đợc sử dụng trên HTPNL kiểu CR thế hệ thứ nhất Van kiểm soát áp suất đợc lắp trên bình tích áp (tốt hơn) hoặc có thể đợc lắp trực tiếp trên BCA

+ Kiểm soát lợng cung cấp phía hút nhiên liệu: Một cách khác để

kiểm soát áp suất trong bình tích áp là kiểm soát lợng nhiên liệu cung cấp bên phía mạch hút nhiên liêu (từ thùng chứa) Bộ định lợng nhiên liệu (đợc lắp cùng khối với BCA) đảm bảo rằng BCA sẽ cung cấp chính xác lợng nhiên liệu đến bình tích áp nhằm duy trì áp suất phun theo yêu cầu của hệ thống Trong trờng hợp có trục trặc, van giảm áp sẽ hoạt động để ngăn áp suất trong bình tích áp không vợt quá giá trị lớn nhất cho phép Phơng án này có u điểm là giảm lợng nhiên liệu cao áp nên sẽ giảm đợc công suất dẫn động BCA Ngoài ra, nó còn có u điểm là giảm đợc nhiệt độ của dòng nhiên liệu thừa hồi về thùng chứa

+ Sử dụng 2 cơ cấu kiểm soát áp suất: sử dụng kết hợp cả van kiểm

soát áp suất và bộ định lợng Giải pháp này tận dụng đợc u điểm của cả 2 phơng án kể trên

c Phun nhiên liệu: Nhiên liệu cao áp đợc dẫn từ bình tích áp đến

VP thông qua một đoạn đờng ống cao áp ngắn, và đợc phun trực tiếp vào buồng cháy ECU của động cơ sẽ điều khiển van điện từ (tích hợp trong thân VP) để đóng hoặc mở VP Thời gian mở VP và áp suất trong hệ thống

sẽ quyết định lợng nhiên liệu đợc cấp vào xi lanh trong 1 chu trình Với một

áp suất phun không đổi, lợng nhiên liệu phun sẽ tỷ lệ với thời gian mở của

VP Do vậy, nó sẽ độc lập với tốc độ trục BCA (hệ thống phun dựa theo thời gian)

Việc tách biệt 2 chức năng tạo áp và phun đã tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc điều khiển quá trình cháy khi so sánh với các HTPNL truyền thống áp suất phun có thể lựa chọn khá tự do trong phạm vi của “bản đồ phun” Ngoài ra, HTPNL kiểu CR cho phép giảm đáng kể mức độ ô nhiễm khí thải và tiếng ồn thông qua việc phun mồi/phun nhiều giai đoạn (có khả năng phun đến 5 lần/1 chu trình công tác) Hơn nữa, quá trình đóng VP đợc trợ lực bằng thủy lực nên quá trình phun kết thúc rất nhanh

đạp chân ga và trạng thái vận hành hiện tại của động cơ thông qua các cảm biến Các dữ liệu đầu vào cần thu thập bao gồm: góc quay và tốc độ trục khuỷu, áp suất nhiên liệu trong bình tích áp, áp suất khí tăng áp, nhiệt độ (khí nap, nớc làm mát, nhiên liệu), khối lợng khí nạp, tốc độ phơng tiện ECU sẽ đánh giá các tín hiệu đầu vào và đồng bộ hóa với quá trình cháy trong động cơ Nó sẽ tính toán, xác định tín hiệu điều khiển sẽ gửi đến van kiểm soát áp suất (hoặc bộ định lợng nhiên liệu), VP, cũng nh các cơ cấu chấp hành khác (van EGR, bộ chấp hành của van xả khí của hệ thống tăng

áp )

Bộ điều khiển diesel điện tử EDC cho phép định lợng chính xác lợng nhiên liệu phun Ngoài ra, nó còn có các chức năng bổ sung nhằm cải thiện khả năng đáp ứng và thuận tiện trong việc điều khiển động cơ

+ Chức năng cơ bản: Các chức năng cơ bản nhằm điều khiển chính

xác thời điểm phun và lợng nhiên liệu phun tại áp suất tham chiếu Do vậy, chúng sẽ đảm bảo cho động cơ diesel có mức tiêu thụ nhiên liệu thấp và vận hành êm

+ Chức năng hiệu chỉnh lợng nhiên liệu phun tính toán: Các chức

năng này nhằm bù trù sự sai khác giữa hệ thống nhiên liệu và động cơ: bù

l-ợng cung cấp của VP, chuẩn không điểm cung cấp, điều khiển cân bằng nhiên liệu, thích ứng lợng nhiên liệu cung cấp trung bình

+ Chức năng bổ sung: gồm các chức năng điều khiển vòng lặp kín/hở

nhằm các mục đích giảm ô nhiễm và mức tiêu thụ nhiên liệu, tăng tính an toàn và tiện nghi (ví dụ nh: kiểm soát tuần hoàn khí thải, kiểm soát áp suất khí tăng áp, kiểm soát chế độ tiết kiệm nhiên liệu ) Ngoài ra, EDC còn cho phép liên lạc với các hệ cơ-điện tử khác trên phơng tiện (hệ thống truyền lực, hệ thống điều hòa không khí ); lu trữ dữ liệu và giao tiếp với các thiết bị chẩn đoán

2.1.3 Hệ thống phun nhiên liệu diesel kiểu CR dùng cho xe con

2.1.3.1 Cung cấp nhiên liệu

Trên HTPNL kiểu CR dùng cho xe con, sử dụng 2 loại bơm thấp áp

để chuyển nhiên liệu tới BCA, với các phơng án cụ thể nh sau:

+Sử dụng bơm điện: bơm điện đợc tích hơp sẵn trong thùng chứa hoặc

lắp trên đờng cung cấp Nhiên liệu đợc hút qua bầu lọc thô và chuyển đến BCA với áp suất khoảng 6 bar (Hình 2.2) và lu lợng cung cấp lớn nhất khoảng 190 lít /giờ Để đảm bảo khởi động động cơ dễ dàng (tạo áp suất cần thiết trong mạch áp suất thấp), bơm điện sẽ làm việc ngay khi ngời lái bật khóa điện Bầu lọc tinh đợc bố trí trên đờng cấp nhiên liệu tới BCA

Hình 2.2 HTPNL kiểu CR thế hệ thứ hai cho động cơ 4 xy lanh, [7]

Hình 2.3 HTPNL kiểu CR thế hệ thứ hai với 2 cơ cấu chấp hành

bộ sấy (lựa chọn) 3-Thùng chứa nhiên liệu 4-Bầu lọc thô

5-Bình tích áp 6-Cảm biến áp suất rail 7-VP điều khiển bằng van điện từ 8-Van xả

1-BCA (CP3) với bơm bánh răng

và bộ định lợng nhiên liệu 2-Bầu lọc tinhvới bộ tách nớc và

bộ sấy (lựa chọn) 3-Thùng chứa nhiên liệu 4-Bầu lọc thô

5-Bình tích áp 6-Cảm biến áp suất rail 7-VP điều khiển bằng van điện từ 8-Van kiểm soát áp suất

9-Bộ phân phối

1-BCA (CP1H) với bộ định ợng nhiên liệu

l-2-Bầu lọc tinh với bộ tách nớc

và bộ sấy (lựa chọn) 3-Thùng chứa nhiên liệu 4-Bầu lọc thô

5-Bình tích áp 6-Cảm biến áp suất rail 7-Vòi phun Piezo 8-Van kiểm soát áp suất 9-Bơm điện

+ Sử dụng bơm bánh răng: bơm bánh răng đợc bắt bằng mặt bích và

đợc dẫn động từ BCA (Hình 2.3 và 2.4) Do vậy, bơm thấp áp chỉ làm việc khi động cơ đã khởi động, với lu lợng cung cấp phụ thuộc vào tốc độ trục BCA (có thể đạt mức 400 lít/giờ với áp suất lên đến khoảng 7 bar) Bầu lọc thô đợc lắp trong thùng chứa Bầu lọc tinh lắp trên đờng cung cấp phía trớc bơm bánh răng

+ Sử dụng kết hợp cả hai kiểu bơm: khi đó bơm điện sẽ nâng cao khả

năng khởi động, nhất là khi khởi động nóng (do lu lợng cung cấp của bơm bánh răng sẽ thấp hơn khi nhiên liệu nóng và do vậy lu lợng sẽ giảm khi tốc

độ trục BCA thấp)

2.1.3.2 Kiểm soát cao áp

Trên HTPNL kiểu CR thế hệ thứ nhất, áp suất trong bình tích áp đợc kiểm soát bởi van kiểm soát áp suất BCA (kiểu CP1) luôn cung cấp lu lợng nhiên liệu lớn nhất (không phụ thuộc vào lợng nhiên liệu động cơ yêu cầu) Nhiên liệu thừa sẽ qua van kiểm soát áp suất về thùng chứa

HTPNL kiểu CR thế hệ thứ 2 kiểm soát áp suất bình tích áp, về phía mạch áp suất thấp, thông qua bộ định lợng nhiên liệu (Hình 2.2 và 2.3) BCA (kiểu CP3 và CP1H) chỉ cần cung cấp lợng nhiên liệu mà động cơ yêu cầu Do vậy, sẽ giảm đợc công suất dẫn động BCA và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ

HTPNL kiểu CR thế hệ thứ 3 có điểm đặc trng là sử dụng VP Piezo

bố trí thẳng hàng (Piezo-inline Jnjector)

Nếu áp suất chỉ đợc điều chỉnh về phía mạch áp suất thấp, sẽ mất nhiều thời gian để giảm áp suất trong bình tích áp khi xuất hiện sự giảm mạnh về tải của động cơ Khi đó, sẽ làm chậm sự phù hợp của áp suất trong bình tích áp với sự thay đổi về điều kiện tải (nhất là với VP piezo vì rò lọt/khe hở bên trong của nó là rất nhỏ) Vì vậy, một số HTPNL kiểu CR có lắp thêm 1 van kiểm soát áp suất (Hình 2.4) gần BCA và bộ định lợng nhiên liệu Phơng án kết hợp này có đợc cả 2 u điểm (của việc kiểm soát mạch áp suất thấp, cũng nh khả năng phản ứng nhanh đối với việc kiểm soát áp suất phía mạch cao áp)

2.1.3.3 Sơ đồ khối các bộ phận