- Nhiên liệu tự bốc cháy dưới tác động của áp suất và nhiệt độ cao của không khí trong buồng đốt - Sử dụng nhiên liệu khó bay hơi... * Quá trình cháy ở động cơ diesel:- Cơ chế phát hỏa:
Trang 1THẢO LUẬN CHUYÊN ĐỀ
HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU COMMON RAIL
Giảng viên hướng dẫn: TS LÊ BÁ KHANG Học viên thực hiện: NGUYỄN BẢO QUỐC
PHẠM TẠO
Trang 2- Hệ thống Common Rail đầu tiên được phát minh bởi Robert Huber, người Switzerland vào cuối những năm 1960.
- Giữa những năm 90, tập đoàn Denso – một nhà sản xuất phụ tùng ô tô lớn của Nhật Bản đã phát triển tiếp và ứng dụng trên các xe tải nặng
- Năm 1995 ứng dụng rộng rãi trên các xe du lịch
- Hiện nay, hầu như tất cả các hãng ô tô đã sử dụng phổ biến
hệ thống này
Trang 3- Giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
- Cải tiến chất lượng vận hành động cơ (cổ điển …)
* Đối tượng nghiên cứu:
Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel COMMON RAIL (CR)
* Phạm vi nghiên cứu:
- Cơ sở lý thuyết hệ thống nhiên liệu động cơ diesel.
- Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các cụm, chi tiết thuộc hệ thống CR.
- Đánh giá ưu, nhược điểm của hệ thống CR dựa trên các tiêu chí: sử dụng, bảo quản, công nghệ, kinh tế, …
Trang 4tiến tới sử dụng, sửa chữa và cải tạo các tính năng kỹ thuật,
nâng cao hiệu quả làm việc của động cơ
- Trên cơ sở phân tích, tìm hiểu nguyên lý vận hành, tính năng kỹ thuật của các cụm, chi tiết thiết bị của hệ thống CR để thu thập kiến thức lý thuyết và ứng dụng vào thực tiễn chuyên ngành
Trang 5LÝ VẬN HÀNH CÁC CỤM CHI TIẾT
PHÂN TÍCH ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA
HỆ THỐNG
Trang 6* Cơ sở lý thuyết về tạo hỗn hợp cháy (HHC) ở động cơ diesel:
+ Đặc điểm quá trình hình thành HHC:
- HHC được hình thành bên trong không gian công tác của xylanh
- HHC tại thời điểm phát hỏa là không đồng nhất do thời gian chuẩn bị HHC ngắn
- Nhiên liệu tự bốc cháy dưới tác động của áp suất và nhiệt độ cao của không khí trong buồng đốt
- Sử dụng nhiên liệu khó bay hơi
Trang 7* Quá trình cháy ở động cơ diesel:
- Cơ chế phát hỏa: Do nhiệt độ trong xilanh tại thời điểm phun nhiên
liệu không đủ cao để phá hủy cấu trúc phân tử nhiên liệu để phản
ứng cháy xảy ra như ở động cơ xăng Tuy nhiên ở nhiệt độ (300 –
400 0C) vẫn xảy ra các phản ứng hóa học giữa các phân tử CnHm và O2, tạo thành những chất peroxide, khi tích tụ đến nồng độ giới hạn
sẽ dễ dàng tự phân hủy để hình thành những trung tâm cháy trong buồng đốt
- Thời gian chậm cháy: kéo dài từ thời điểm nhiên liệu được phun vào buồng đốt đến thời điểm xuất hiện những trung tâm cháy đầu
tiên
Trang 8* Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy ở động cơ diesel:
- Ảnh hưởng của thời gian chậm cháy: tăng lượng nhiên liệu
cháy rớt, tốc độ tăng áp suất và áp suất cháy cực đại đều tăng
- Tỷ số nén của động cơ diesel được quyết định chủ yếu bởi yêu cầu đảm bảo sự tự bốc cháy của nhiên liệu (còn động cơ xăng là yêu cầu không bị kích nổ) Tỷ số nén ở động cơ diesel ε = 14 – 20
- Động cơ diesel hiện nay đều hoạt động trên cơ sở chu trình cấp nhiệt hỗn hợp (có hiệu quả kinh tế thấp hơn động cơ xăng nhưng lại có hiệu suất nhiệt cao hơn)
Trang 10- Thành phần HHC: Quá giàu hoặc quá nghèo đều có tốc độ phản ứng
hóa học thấp
- Tốc độ cháy của HHC không đồng nhất: được quyết định chủ yếu
bởi tốc độ hóa hơi và hòa trộn hơi nhiên liệu với không khí
- Hệ quả của quá trình cháy không đồng nhất:
khói đen và bồ hóng
+ Tại những khu vực có HHC đậm: các phân tử Hydrocacbon bị phân hủy thành các phân tử C và các chất khác do điều kiện nhiệt độ cao và thiếu Oxy
Trang 11* Ảnh hưởng của tốc độ tăng áp suất và áp suất cháy cực đại:
- Tốc độ tăng áp suất lớn sẽ làm cho động cơ làm việc “cứng”, ồn và rung động mạnh
- Tốc độ tăng áp suất trung bình trong giai đoạn cháy không điều
khiển ở động cơ diesel cao (4 – 5)bar/0gqtk
- Biện pháp hạn chế:
+ Giảm thời gian chậm cháy.
+ Sử dụng quy luật phun phù hợp hoặc phun phân đoạn.
+ Sử dụng phương pháp tạo HHC bề mặt
+ Sử dụng buồng đốt ngăn cách
Trang 12Ảnh hưởng của kết cấu buồng đốt, hệ thống nạp và
xả đến việc tạo HHC ở động cơ diesel:
Trang 16* Ảnh hưởng của lượng nhiên liệu chu trình
- Tăng mật độ khí nạp và tăng hệ số nạp sẽ làm tăng lượng không
khí có trong xilanh → đốt cháy hoàn toàn lượng nhiên liệu
- Nếu giảm được λ sẽ cho phép đưa vào buồng đốt nhiều nhiên liệu hơn mà vẫn đảm bảo yêu cầu cháy hoàn toàn
- Giải pháp để tăng lượng cấp nhiệt chu trình:
+ Tăng áp cho động cơ (tăng ρ k và η v )
+ Nâng cao chất lượng quá trình thay đổi khí (tăng η v )
+ Tổ chức quá trình cháy tối ưu (giảm λ)
Trang 17* Ảnh hưởng của tốc độ quay và chất lượng quá trình cháy:
- Cường độ chuyển động rối của khí trong xilanh và chất lượng phun nhiên liệu chịu ảnh hưởng rất lớn của tốc độ quay Tốc độ quay càng cao thì chuyển động rối càng mạnh và cấu trúc vi mô của tia nhiên liệu càng có lợi cho quá trình hòa trộn đều nhiên liệu với không khí trong buồng đốt
- Mặt tiêu cực là ở tốc độ quay cao thì thời gian dành cho quá trình
chuẩn bị HHC và đốt cháy nhiên liệu sẽ ngắn trong khi quá trình hóa hơi hoàn toàn các hạt nhiên liệu sau khi được phun vào buồng đốt vẫn đòi hỏi 1 khoảng thời gian đáng kể Như vậy tốc độ quay ở động cơ diesel càng lớn thì lượng nhiên liệu cháy rớt (hoặc cháy không hoàn toàn) càng nhiều → hiệu suất nhiệt càng thấp, khí xả độc hại tăng
- Hiện nay tốc độ quay ở động cơ diesel chưa vượt quá 6.000 rpm
Trang 18* Chất lượng quá trình tạo HHC:
i Độ đồng nhất: ảnh hưởng đến công suất, hiệu suất và độ độc hại
của khí thải
- Độ đồng nhất được quyết định bởi các yếu tố: tính chất vật lý của
NL (tính bay hơi, sức căng bề mặt), nhiệt độ của không khí và các
bề mặt tiếp xúc với HHC, chuyển động rối của lượng khí nạp, …
- Các biện pháp kỹ thuật làm tăng độ đồng nhất của HHC:
+ Phun tơi nhiên liệu (dưới áp suất cao phối hợp cấu trúc vĩ mô tia nhiên liệu)
+ Phối hợp cấu trúc tia NL và hình dáng,kích thước buồng đốt
+ Khoét lõm piston, hướng đường ống nạp theo phương tiếp tuyến.+ Sử dụng buồng đốt phân cách hiệu ứng phun thứ cấp
Trang 19* Chất lượng quá trình tạo HHC (tt):
ii Chất lượng định lượng: đánh giá bằng 2 thông số: lượng NL chu trình
(gct) và độ định lượng không đồng đều ( ∆ gct).
Ở tốc độ quay càng cao thì ảnh hưởng của hiện tượng thủy động trong hệ thống BCA - ống CA – VP đến lượng NL chu trình, thời điểm bắt đầu và kết thúc phun NL càng lớn.
iii Chất lượng định thời: đặc trưng bằng 2 thông số: góc phun sớm NL
và độ định thời không đồng đều.
+ Nếu góc phun sớm quá lớn động cơ làm việc “cứng”
+ Nếu góc phun sớm nhỏ công suất và hiệu suất giảm do có nhiều NL cháy khi piston đã rời xa ĐCT.
iiii Quy luật phun NL: Bao hàm thời gian phun và đặc điểm phân bố tốc
độ phun
Trang 23- Mạch NL thấp áp.
- Mạch NL cao áp.
Trang 24* Mạch NL thấp áp: gồm bơm tiếp vận (nằm trong bơm cao áp) hút nhiên
liệu từ thùng chứa qua lọc nhiên liệu để lọc sạch cặn bẩn và tách nước và đưa đến van điều khiển hút (SCV) lắp trên bơm cao áp
Trang 25cao, theo ống dẫn cao áp đến ống phân phối (rail) và đến các kim phun Áp suất nhiên liệu được quyết định bởi tính toán của ECM tùy theo chế độ làm việc thông qua các tín hiệu cảm biến gửi về ECM sẽ điều khiển mức độ đóng mở của van SCV để điều khiển áp suất hệ thống.
Trang 26* Mạch điều khiển phun NL:
Trang 27* Lọc NL:
Công dụng tách nước và cặn bẫn lẫn trong nhiên liệu trước khi đưa đến bơm cao áp Lọc nhiên liệu có lõi lọc bằng giấy, vỏ ngoài bằng nhựa và được lắp thêm bơm tay để bơm mồi nhiên liệu từ thùng chứa
lên bơm cao áp khi tháo lắp hệ thống
Trang 28* Bơm cao áp (BCA):
Công dụng hút nhiên liệu từ thùng chứa và nén nhiên liệu lên áp
suất cao khoảng 1500 ~ 1800 bar khi hệ động cơ hoạt động
Trang 29* Bơm cao áp (BCA):
Trang 30* Bơm cao áp (BCA):
Trang 31* Van SCV – Van điều khiển hút:
Van SCV dùng loại van điện từ, hoạt động nhờ tín hiệu xung hệ số tác dụng từ ECM Dùng điều khiển lượng nhiên liệu nạp vào buồng bơm Khi van mở nhiều nhiên liệu nạp vào buồng bơm nhiều
áp suất nhiên liệu trong ống phân phối tăng và ngược lại
1.Van SCV;
2 Van hút và xả
3 Cam lệch tâm
4 Vòng cam
Trang 32* Van SCV – Van điều khiển hút:
Trang 33* Ống phân phối - Rail: được chế tạo bằng gang đúc, thành ống dày
để chịu được áp suất cao ( > 1800 bar), một đầu ống được lắp cảm biến áp suất nhiên liệu, đầu còn lại lắp van xả áp Dọc theo thân ống được bố trí các cút nối để nhận nhiên liệu áp suất cao từ bơm cao áp
đến và phân phối nhiên liệu áp suất cao đến các kim phun
Trang 34* Ống phân phối - Rail:
Trang 35* Vòi phun:
Trang 36* Vòi phun:
Trang 37* Đặc tính phun của hệ thống Common Rail
So với đặc điểm của hệ thống nhiên liệu cũ thì ở hệ thống CR, các yêu cầu về tổ chức quá trình phun NL đã được thực hiện dựa vào đường đặc tính phun lý tưởng :
- Lượng nhiên liệu và áp suất nhiên liệu phun độc lập với nhau
trong từng điều kiện hoạt động của động cơ (cho phép dễ đạt được
tỉ lệ hỗn hợp A/F lí tưởng)
- Đặc điểm phun nhiều lần: phun mồi, phun chính và phun thứ cấp
Trang 38* Sơ đồ tổng thể hệ thống điện tử:
Trang 40* Sơ lược về ECU:
Trang 41* Quá trình thu nhận tín hiệu của ECU:
Trang 42* Cảm biến chân ga :
Trang 43* Cảm biến lưu lượng gió :
Trang 44* Cảm biến vị trí trục khuỷu cũng sử dụng loại cuộn dây điện từ,
được lắp phía đầu động cơ dùng để phát hiện góc quay trục khuỷu và
số vòng quay động cơ
Trang 45* Cảm biến vị trí trục cam: sử dụng loại cuộn dây điện từ, được lắp
phía đầu động cơ, gần bơm cao áp Cảm biến này phát hiện vị trí
TDC của xylanh để gửi tín hiệu về ECM.
Trang 46* Cảm biến nhiệt độ nước làm mát: sử dụng loại nhiệt điện trở có
hệ số nhiệt âm, khi nhiệt độ nước làm mát tăng, giá trị điện trở cảm biến giảm và ngược lại, ECM dùng tín hiệu này để phát hiện tình trạng nhiệt độ động cơ
Trang 47* Cảm biến nhiệt độ khí nạp:
Trang 48* Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu: là loại nhiệt điện trở có hệ số nhiệt
âm, được lắp vào thân bơm cao áp để phát hiện nhiệt độ nhiên liệu và gửi tín hiệu này về ECM
Trang 49* Cảm biến áp suất nhiên liệu: được lắp trên ống phân phối, dùng
xác định áp suất nhiên liệu thực tế tức thời tại ống phân phối và gửi tín hiệu về ECM để làm thông tin phản hồi về áp suất nhiên liệu để ECM hiệu chỉnh áp suất nhiên liệu cho phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ Cảm biến này sử dụng loại biến trở silicon Áp suất nhiên liệu tác dụng lên phần tử silicon làm nó biến dạng và thay
đổi giá trị điện trở
Trang 50EGR càng mạnh, van nâng lên càng nhiều lượng khí xả tuần hoàn về
nhiều ECM nhận tín hiệu phản hồi từ cảm biến độ nâng van EGR sẽ điều chỉnh hệ số tác dụng của tín hiệu xung điều khiển đến van bật tắt chân
không để điều khiển chính xác độ nâng của van EGR
Trang 51- Chức năng: được đặt trong ống xả của động cơ, dùng phát hiện
hàm lượng các chất dư sau phản ứng cháy Cơ cấu hoạt động của bộ cảm biến dựa trên các phản ứng hóa học, tạo ra các điện thế Bộ xử lý của động cơ sẽ đo các điện thế này, để phát hiện xem hỗn hợp tạo
thành là dư hay thiếu, từ đó điều chỉnh lượng nhiên liệu đốt kế tiếp
Trang 52* Ưu điểm:
- Tiêu hao nhiên liệu thấp.
- Phát thải ô nhiễm thấp.
- Động cơ làm việc êm dịu, giảm được tiếng ồn.
- Cải thiện tính năng động cơ.
- Áp suất phun NL cao tạo HHC đồng đều Tăng công suất ĐC
- Điều khiển hoàn toàn bằng điện tử tối ưu hóa các chức năng : áp suất phun, thời điểm phun, số lần phun trong 1 chu kỳ động cơ phù hợp xu thế
sử dụng.
* Nhược điểm:
- Kết cấu và chế tạo phức tạp đòi hỏi công nghệ cao.
- Giá thành cao, khi hỏng khó sửa chữa, thường phải thay mới.
- Khó xác định và lắp đặt thay thế các chi tiết Common Rail cho các động cơ
kiểu cũ
Trang 53- Hệ thống NL Common Rail với công nghệ tối ưu hóa các chức năng:
áp suất phun, thời điểm phun, số lần phun đã góp phần cải thiện tính
năng động cơ, tiết kiệm NL và giảm thiểu tối đa lượng khí thải độc hại
Trang 541 PGS.TS Nguyễn Văn Nhận, Giáo trình Động cơ đốt trong nâng cao – Trường ĐH Nha Trang, 10/2012.
2 PGS.TS Đỗ Dũng, Trang bị điện và điện tử trên ô tô hiện đại -
Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM, 2007
3 TS Lê Bá Khang, Tương lai phát triển ô tô – Trường ĐH Nha Trang, 2012
4 Toyota Service Training, Hệ thống điều khiển động cơ diesel - Công
ty ô tô Toyota Việt Nam
5 Các website chuyên ngành ô tô