CHƯƠNG 7 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DIESEL-HỆ THỐNG CDI (COMMON RAIN INJECTION

Hệ thống điện điện tử ôtô đại – hệ thống điện động 25 7.1 Sơ lược hệ thống Hệ thống điều khiển động diesel điện tử thời gian dài chậm phát triển so với động xăng Sở dó thân động diesel thải chất độc nên áp lực vấn đề môi trường lên nhà sản xuất ô tô không lớn Hơn nữa, độ êm dòu không cao nên diesel sử dụng xe du lòch Trong thời gian đầu, hãng chủ yếu sử dụng hệ thống điều khiển bơm cao áp điện hệ thống EDC (electronic diesel control) Hệ thống EDC sử dụng bơm cao áp kiểu cũ có thêm số cảm biến cấu chấp hành, chủ yếu để chống ô nhiễm điều tốc điện tử Trong năm gần đây, hệ thống điều khiển – hệ thống common rail với việc điều khiển kim phun điện phát triển ứng dụng rộng rãi 7.1.1 Lónh vực áp dụng Thế hệ bơm cao áp thẳng hàng giới thiệu vào năm 1927 đánh dấu khởi đầu hệ thống nhiên liệu diesel hãng Bosch Lónh vực áp dụng loại bơm thẳng hàng là: loại xe thương mại sử dụng dầu diesel, máy tónh tại, xe lửa, tàu thuỷ Áp suất phun đạt đến khoảng 1350 bar sinh công suất khoảng 160 kW xylanh Qua nhiều năm, với yêu cầu khác nhau, chẳng hạn việc lắp đặt động phun nhiên liệu trực tiếp xe tải nhỏ xe du lòch dẫn đến phát triển hệ thống nhiên liệu diesel khác để đáp ứng đòi hỏi ứng dụng đặc biệt Điều quan trọng phát triển không việc tăng công suất mà nhu cầu giảm tiêu thụ nhiên liệu, giảm tiếng ồn khí thải So với hệ thống cũ dẫn động cam, hệ thống common rail linh hoạt 26 Chương 7: Điều khiển động diesel – hệ thống CDI (common rail injection) việc đáp ứng thích nghi để điều khiển phun nhiên liệu cho động diesel, như: - Phạm vi ứng dụng rộng rãi (cho xe du lòch xe tải nhỏ có công suất đạt đến 30 kW/xylanh, xe tải nặng, xe lửa, tàu thuỷ có công suất đạt đến 200 kW/xylanh - Áp suất phun đạt đến khoảng 1400 bar - Có thể thay đổi thời điểm phun nhiên liệu - Có thể phun làm giai đoạn: phun sơ khởi (pilot injection), phun (main injection), phun kết thúc (post injection) - Thay đổi áp suất phun tùy theo chế độ hoạt động động 7.1.2 Hoạt động chức Việc tạo áp suất việc phun nhiên liệu hoàn toàn tách biệt với hệ thống common rail Áp suất phun tạo độc lập với tốc độ động lượng nhiên liệu phun Nhiên liệu trữ với áp suất cao tích áp áp suất cao (high-pressure accumulator) sẵn sàng để phun Lượng nhiên liệu phun đònh tài xế, thời điểm phun áp lực phun tính toán ECU dựa biểu đồ lưu nhớ Sau đó, ECU điều khiển kim phun xylanh động để phun nhiên liệu Một hệ thống common rail (CR) bao gồm: - ECU - Kim phun (injector) - Cảm biến tốc độ trục khuỷu (crankshaft speed sensor) - Cảm biến tốc độ trục cam (camshaft speed sensor) - Cảm biến bàn đạp ga (accelerator pedal sensor) - Cảm biến áp suất tăng áp (boost pressure sensor) - Cảm biến áp suất nhiên liệu ống (rail pressure sensor) - Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (coolant sensor) - Cảm biến đo gió (air mass sensor) Động diesel xylanh với hệ thống nhiên liệu Common Rail trình bày hình 7.1 với chức sau: a Chức Chức điều khiển việc phun nhiên liệu thời điểm, lượng, áp suất, đảm bảo động diesel không hoạt động êm dòu mà tiết kiệm b Chức phụ Hệ thống điện điện tử ôtô đại – hệ thống điện động 27 Chức phụ hệ thống điều khiển vòng kín vòng hở, nhằm giảm độ độc hại khí thải lượng nhiên liệu tiêu thụ mà làm tăng tính an toàn, thoải mái tiện nghi Ví dụ hệ thống luân hồi khí thải (EGR - exhaust gas recirculation), điều khiển turbo tăng áp, điều khiển ga tự động thiết bò chống trộm Cảm biến đo gió, ECU, Bơm cao áp, Ống trữ nhiên liệu áp suất cao, Kim phun, Cảm biến tốc độ trục khuỷu, Cảm biến nhiệt độ nước làm mát, Bộ lọc nhiên liệu - Cảm biến bàn đạp ga Hình 7.1: Cấu tạo hệ thống nhiên liệu Common Rail 7.2 Đặc tính phun 7.2.1 Đặc tính phun hệ thống phun dầu kiểu cũ Với hệ thống phun kiểu cũ dùng bơm phân phối hay bơm thẳng hàng (distributor or in-line injection pumps), việc phun nhiên liệu có giai đoạn gọi giai đoạn phun (main injection phase), khởi phun phun kết thúc nhiên liệu áp suất cao - Kim phun - Cảm biến tốc độ trục khuỷu - Cảm biến nhiệt độ nước làm mát Bộ lọc nhiên liệu - Cảm biến bàn đạp ga 28 Chương 7: Điều khiển động diesel – hệ thống CDI (common Hình 7.1 Cấu tạo hệ thống nhiênrail liệu injection) Common Rail Hình 7.2: Đặc tính phun dầu thường Dựa vào ý tưởng bơm phân phối sử dụng kim phun điện, cải tiến thực theo hướng đưa vào giai đoạn phun kết thúc Trong hệ thống cũ, việc tạo áp suất cung cấp lượng nhiên liệu diễn song song với cam piston bơm cao áp Điều tạo tác động xấu đến đường đặc tính phun sau: - Áp suất phun tăng đồng thời với tốc độ lượng nhiên liệu phun - Suốt trình phun, áp suất phun tăng lên lại giảm xuống theo áp lực đóng ty kim cuối trình phun Hậu là: - Khi phun với lượng dầu áp suất phun nhỏ ngược lại - Áp suất đỉnh cao gấp đôi áp suất phun trung bình Để trình cháy hiệu quả, đường cong mức độ phun nhiên liệu thực tế có dạng tam giác Áp suất đỉnh đònh tải trọng đặt lên thành phần bơm thiết bò dẫn động Ở hệ thống nhiên liệu cũ, ảnh hưởng đến tỉ lệ hỗn hợp A/F buồng cháy 7.2.2 Đặc tính phun hệ thống common rail So với đặc điểm hệ thống nhiên liệu cũ yêu cầu sau thực dựa vào đường đặc tính phun lý tưởng: - Lượng nhiên liệu áp suất nhiên liệu phun độc lập với điều kiện hoạt động động (cho phép dễ đạt tỉ lệ hỗn hợp A/F lý tưởng) - Lúc bắt đầu phun, lượng nhiên liệu phun cần lượng nhỏ Các yêu cầu thoả mãn hệ thống common rail, với đặc điểm phun lần: phun sơ khởi phun Hệ thống điện điện tử ôtô đại – hệ thống điện động 29 Hình 7.3: Đường đặc tính phun hệ thống Common Rail Hệ thống common rail hệ thống thiết kế theo module, có thành phần: - Kim phun điều khiển van solenoid gắn vào nắp máy - Bộ tích trữ nhiên liệu (ống phân phối áp lực cao) - Bơm cao áp (bơm tạo áp lực cao) Các thiết bò sau cần cho hoạt động điều khiển hệ thống: - ECU - Cảm biến tốc độ trục khuỷu - Cảm biến tốc độ trục cam Đối với xe du lòch, bơm có piston hướng tâm (radial-piston pump) sử dụng bơm cao áp để tạo áp suất Áp suất tạo độc lập với trình phun Tốc độ bơm cao áp phụ thuộc tốc độ động ta thay đổi tỉ số truyền So với hệ thống phun cũ, việc phân phối nhiên liệu thực tế xảy đồng bộ, có nghóa bơm cao áp hệ thống common rail nhỏ mà hệ thống truyền động chòu tải trọng Về bản, kim phun nối với ống tích áp nhiên liệu (rail) đường ống ngắn, kết hợp với đầu phun solenoid cung cấp điện qua ECU Khi van solenoid không cấp điện kim ngưng phun Nhờ áp suất phun không đổi, lượng nhiên liệu phun tỷ lệ với độ dài xung điều khiển solenoid Yêu cầu mở nhanh van solenoid đáp ứng việc sử dụng điện áp cao dòng lớn Thời điểm phun điều khiển hệ thống điều khiển góc phun sớm Hệ thống dùng cảm biến trục khuỷu để nhận biết tốc độ động cơ, cảm biến trục cam để nhận biết kỳ hoạt động a Phun sơ khởi (pilot INJECTION) Phun sơ khởi diễn sớm đến 90o trước tử điểm thượng (BTDC) Nếu thời điểm khởi phun xuất nhỏ 30 Chương 7: Điều khiển động diesel – hệ thống CDI (common rail injection) o 40 BTDC, nhiên liệu bám vào bề mặt piston thành xylanh làm loãng dầu bôi trơn Trong giai đoạn phun sơ khởi, lượng nhỏ nhiên liệu (1 - mm3) phun vào xylanh để “mồi” Kết trình cháy cải thiện đạt số hiệu sau: Áp suất cuối trình nén tăng nhờ vào giai đoạn phun sơ khởi nhiên liệu cháy phần Điều giúp giảm thời gian trễ cháy, tăng đột ngột áp suất khí cháy áp suất cực đại (quá trình cháy êm dòu hơn) Kết giảm tiếng ồn động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu nhiều trường hợp giảm độ độc hại khí thải Quá trình phun sơ khởi đóng vai trò gián tiếp việc làm tăng công suất động b Giai đoạn phun (main INJECTION) Công suất đầu động xuất phát từ giai đoạn phun giai đoạn phun sơ khởi Điều có nghóa giai đoạn phun giúp tăng lực kéo động Với hệ thống common rail, áp suất phun giữ không đổi suốt trình phun c Giai đoạn phun thứ cấp (secondary INJECTION) Theo quan điểm xử lý khí thải, phun thứ cấp áp dụng để đốt cháy NOx Nó diễn sau giai đoạn phun đònh để xảy trình giãn nở hay kỳ thải khoảng 200o sau tử điểm thượng (ATDC) Ngược lại với trình phun sơ khởi phun chính, nhiên liệu phun vào không đốt cháy mà để bốc nhờ vào sức nóng khí thải ống pô Trong suốt kỳ thải, hỗn hợp khí thải nhiên liệu đẩy hệ thống thoát khí thải thông qua supap thải Tuy nhiên phần nhiên liệu đưa lại vào buồng đốt thông qua hệ thống luân hồi khí thải EGR có tác dụng tương tự giai đoạn phun sơ khởi Khi hoá khử lắp để làm giảm lượng NOx, chúng tận dụng nhiên liệu khí thải nhân tố hoá học để làm giảm nồng độ NO x khí thải 7.3 Chức chống ô nhiễm 7.3.1 Thành phần hỗn hợp tác động đến trình cháy So với động xăng, động diesel đốt nhiên liệu khó bay (nhiệt độ sôi cao), nên việc hoà trộn hỗn hợp hoà khí không diễn giai đoạn phun bắt đầu cháy, mà suốt trình cháy Kết hỗn hợp đồng Động diesel luôn hoạt động Hệ thống điện điện tử ôtô đại – hệ thống điện động 31 chế độ nghèo Mức tiêu hao nhiên liệu, muội than, CO HC tăng không đốt cháy chế độ nghèo hợp lý Tỉ lệ hòa khí đònh dựa vào thông số: - Áp suất phun; - Thời gian phun; - Kết cấu lỗ tia; - Thời điểm phun; - Vận tốc dòng khí nạp; - Khối lượng không khí nạp Tất đại lượng ảnh hưởng đến mức độ tiêu hao nhiên liệu nồng độ khí thải Nhiệt độ trình cháy cao lượng oxy nhiều làm tăng lượng NOx Muội than sinh hỗn hợp nghèo 7.3.2 Hệ thống nạp lại khí thải (EGR) Khi EGR, khí NOx sinh vượt mức quy đònh khí thải, ngược lại muội than sinh nằm giới hạn EGR phương pháp để giảm lượng NO x sinh mà không làm tăng nhanh lượng khói đen Điều thực hiệu với hệ thống Common Rail với tỉ lệ hoà khí mong muốn đạt nhờ vào áp suất phun cao Với EGR, phần khí thải đưa vào đường ống nạp chế độ tải nhỏ động Điều không làm giảm lượng oxy mà làm giảm trình cháy nhiệt độ cực đại, kết làm giảm lượng NOx Nếu có nhiều khí thải nạp lại (quá 40% thể tích khí nạp), khói đen, CO, HC sinh nhiều tiêu hao nhiên liệu tăng thiếu oxy 7.3.3 Ảnh hưởng việc phun nhiên liệu Thời điểm phun, đường đặc tính phun, tán nhuyễn nhiên liệu ảnh hưởng đến tiêu hao nhiên liệu nồng độ khí thải a Thời điểm phun Nhờ vào nhiệt độ trình thấp hơn, phun nhiên liệu trễ làm giảm lượng NOx Nhưng phun trễ lượng HC tăng tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn, khói đen sinh chế độ tải lớn Nếu thời điểm phun lệch 1o khỏi giá trò lý tưởng lượng NOx tăng lên 5% Ngược lại thời điểm phun sớm lệch sớm 2o làm cho áp suất đỉnh tăng lên 10 bar, trễ 2o làm tăng nhiệt độ khí thải thêm 20oC Với yếu tố nhạy cảm nêu trên, ECU cần phải điều chỉnh thời điểm phun xác tối đa b Đường đặc tính phun 32 Chương 7: Điều khiển động diesel – hệ thống CDI (common rail injection) Đường đặc tính phun quy đònh thay đổi lượng nhiên liệu phun vào suốt chu kỳ phun (từ lúc bắt đầu phun đến lúc dứt phun) Đường đặc tính phun đònh lượng nhiên liệu phun suốt giai đoạn cháy trễ (giữa thời điểm bắt đầu phun bắt đầu cháy) Hơn nữa, ảnh hưởng đến phân phối nhiên liệu buồng đốt có tác dụng tận dụng hiệu dòng khí nạp Đường đặc tính phun phải có độ dốc tăng từ từ để nhiên liệu phun trình cháy trễ giữ mức thấp Nhiên liệu diesel bốc cháy tức thì, trình cháy bắt đầu gây tiếng ồn tạo thành NO x Đường đặc tính phun phải có đỉnh không nhọn để ngăn ngừa tượng nhiên liệu không tán nhuyễn – yếu tố dẫn đến lượng HC cao, khói đen, tăng tiêu hao nhiên liệu suốt giai đoạn cháy cuối trình cháy c Sự tán nhuyễn nhiên liệu Nhiên liệu tán nhuyễn tốt thúc đẩy hiệu hoà trộn không khí nhiên liệu Nó đóng góp vào việc giảm lượng HC khói đen khí thải Với áp suất phun cao hình dạng hình học tối ưu lỗ tia kim phun giúp cho tán nhuyễn nhiên liệu tốt Để ngăn ngừa muội than, lượng nhiên liệu phun phải tính dựa vào lượng khí nạp vào Điều đòi hỏi lượng khí phải nhiều từ 10 – 40 % (λ =1.1 – 1.4) 7.4 Cấu tạo nguyên lý làm việc chi tiết hệ thống common rail 7.4.1 Tổng quát hệ thống nhiên liệu Hệ thống nhiên liệu hệ thống common rail (hình 7.4) bao gồm vùng: vùng nhiên liệu áp suất thấp vùng nhiên liệu áp suất cao Hệ thống điện điện tử ôtô đại – hệ thống điện động 33 Thùng chứa nhiên liệu Lọc thô Bơm tiếp vận Lọc tynh Đường nhiên liệu áp suất thấp Bơm cao áp Đường nhiên liệu áp suất cao Ống trữ nhiên liệu áp suất cao Kim phun 10 Đường dầu 11 ECU Hình 7.4 : Hệ thống nhiên liệu common rail 7.4.2 Vùng áp suất thấp Vùng áp suất thấp bao gồm phận: Bình chứa nhiên liệu Bình chứa nhiên liệu phải làm từ vật liệu chống ăn mòn phải giữ cho không bò rò rỉ áp suất gấp đôi áp suất hoạt động bình thường Van an toàn phải lắp để áp suất cao tự thoát Nhiên liệu không rò rỉ cổ nối với bình lọc nhiên liệu hay thiết bò bù áp suất xe bò rung xóc nhỏ, xe vào cua dừng hay chạy đường dốc Bình nhiên liệu động phải nằm cách xa để trường hợp tai nạn xảy nguy bò cháy Đường nhiên liệu áp suất thấp Đường ống nhiên liệu mềm bọc thép thay cho đường ống thép dùng ống áp suất thấp Tất phận mang nhiên liệu phải bảo vệ lần khỏi tác động nhiệt độ Đối với xe buýt, đường ống nhiên liệu không đặt không gian hành khách hay cabin xe phân phối trọng lực Bơm tiếp vận (presupply pump) Bơm tiếp vận bao gồm bơm điện với lọc nhiên liệu, hay bơm bánh Bơm hút nhiên liệu từ bình 34 Chương 7: Điều khiển động diesel – hệ thống CDI (common rail injection) chứa tiếp tục đưa đủ lượng nhiên liệu đến bơm cao áp Lọc nhiên liệu Một lọc nhiên liệu không thích hợp dẫn đến hư hỏng cho thành phần bơm, van phân phối kim phun Bộ lọc nhiên liệu làm nhiên liệu trước đưa đến bơm cao áp, ngăn ngừa mài mòn nhanh chi tiết bơm Nắp bầu lọc Đường dầu vào Phần giấy lọc Bọng chứa dầu sau lọc Phần chứa nước có lẫn dầu Thiết bò báo mực nứơc bầu lọc vựơt mức cho phép Đường dầu Hình 7.5 Lọc nhiên liệu Nước lọt vào hệ thống nhiên liệu cóù thể làm hư hỏng hệ thống dạng ăn mòn Tương tự với hệ thống nhiên liệu khác, hệ thống common rail cần lọc nhiên liệu có bình chứa nước, từ nước xả Một số xe du lòch lắp động diesel thường có thiết bò cảnh báo đèn lượng nước bình lọc vượt mức 7.4.3 Vùng áp suất cao Vùng áp suất cao hệ thống common rail bao gồm: - bơm cao áp với van điều khiển áp suất - đường ống nhiên liệu áp suất cao tức ống phân phối đóng vai trò tích áp suất cao với cảm biến áp suất nhiên liệu, van giới hạn áp suất, giới hạn dòng chảy, kim phun đường ống dầu Chương 7: Điều khiển động diesel – hệ thống CDI (common rail injection) Trục dẫn Tùy động thuộc vào không gian sẵn có, van điều khiển áp Đóa cam lệch tâm suất lắp trực tiếp bơm hay lắp xa bơm Thành phần bơm Bên bơm cao áp (hình 7.7), nhiên liệu đựơc nén với piston bơm piston bơm bố trí hướng kính piston Buồng chưá cáchbơm 120o Do piston bơm hoạt động luân phiên thành phần vòng quay nên làm tăng nhẹ lực cản Van hút bơm Do đó, ứng suất hệ thống dẫn động Van ngắt giữ đồng Điều có nghóa hệ thống Common Van xả Tấm Rail nêmđặt tải trọng lên hệ thống truyền động so Nhiên liệu ápthống suất cũ Công suất yêu cầu để dẫn động với hệ cao đến ống trữ bơm nhỏ tỉ lệ với áp suất ống phân 10 Van phối điều khiển ápđộ bơm Đối với động thể tích lít tốc suất cao quay tốc độ cao, áp suất ống phân phối đạt 11 Van bi khoảng 1350 bar, bơm cao áp tiêu thụ 3.8kW 12 Đường dầu 36 13.Đường nhiên liệu từ bơm tiếp vận 14 Van an toàn 15 Đường nhiên liệu áp suất thấp đưa đến bơm Hệ thống điện điện tử ôtô đại – hệ thống điện động 37 Hình 7.7 Bơm cao áp Thông qua lọc có cấu tách nước, bơm tiếp vận cung cấp nhiên liệu từ bình chứa đến đường dầu Trục vào dẫn củộng bơm cao áp van an toàn Nó đẩy nhiên Đóa liệucam qualệch lỗ khoan van an toàn vào mạch dầu bôi tâm trơn làm mát bơm cao áp Trục bơm cao áp có Piston bơmlệch tâm làm di chuyển piston bơm lên xuống cam Van hút tuỳ theo hình dạng mấu cam Van thoát Ngay áp suất phân phối vượt mức van an Cửa vào toàn xả bớt áp suất (0.5-1,5 bar), bơm tiếp vận đẩy nhiên liệu đến bơm cao áp thông qua van hút vào buồng bơm, nơi mà piston chuyển động hướng xuống Van nạp đóng lại piston ngang qua tử điểm hạ từ cho phép nhiên liệu buồng bơm thoát với áp suất phân phối Áp suất tăng lên cao mở van thoát áp suất ống phân phối đủ lớn Nhiên liệu nén vào mạch dầu áp suất cao Piston bơm tiếp tục phân phối nhiên liệu đến tử điểm thượng, sau đó, áp suất bò giảm xuống nên van thoát đóng lại Nhiên liệu lại nằm buồng bơm chờ đến piston xuống lần Khi áp suất buồng bơm thành phần bơm giảm xuống van nạp mở trình lặp lại lần Do bơm cao áp thiết kế để phân phối lượng nhiên liệu lớn nên lượng nhiên liệu có áp suất 38 Chương 7: Điều khiển động diesel – hệ thống CDI (common rail injection) cao thừa giai đoạn chạy cầm chừng tải trung bình Lượng nhiên liệu thừa đưa trở thùng chứa thông qua van điều khiển áp suất Nhiên liệu bò nén nằm thùng gây tổn thất lượng Hơn lượng nhiệt tăng lên nhiên liệu làm giảm hiệu chung Ở mức độ tổn thất bù cách ngắt bớt hai xylanh bơm Khi xylanh bơm bò loại dẫn đến việc giảm lượng nhiên liệu bơm đến ống phân phối Việc ngắt bỏ thực cách giữ cho van hút trạng thái mở liên tục Khi van solenoid dùng để ngắt thành phần bơm kích hoạt, chốt gắn với phần ứng giữ van hút mở Kết nhiên liệu hút vào xylanh bơm bò nén nên bò đẩy trở lại mạch áp suất thấp Với xylanh bơm bò loại bỏ không cần công suất cao bơm cao áp không cung cấp nhiên liệu liên tục màø cung cấp gián đoạn Bơm cao áp phân phối lượng nhiên liệu tỉ lệ với tốc độ quay Và đó, hàm tốc độ động Trong suốt trình phun, tỷ số truyền tính cho mặt lượng nhiên liệu mà cung cấp không lớn, mặt khác, yêu cầu nhiên liệu đáp ứng suốt chế độ hoạt động Tùy theo tốc độ trục khuỷu mà tỉ số truyền hợp lý 1:2 1:3 b Van điều khiển áp suất (pressure control valve) Van điều khiển áp suất giữ cho nhiên liệu ống phân phối có áp suất thích hợp tùy theo tải động cơ, trì mức - Nếu áp suất ống cao van điều khiển áp suất mở phần nhiên liệu trở bình chứa thông qua đường ống dầu - Nếu áp suất ống thấp van điều khiển áp suất đóng lại ngăn khu vực áp suất cao (high pressure stage) với khu vực áp suất thấp (low pressure stage) Van bi Lõi Nam châm điện Lò xo Mạch điện Hình 7.8: Cấu tạo van điều áp Hệ thống điện điện tử ôtô đại – hệ thống điện động 39 Van điều khiển áp suất gá lên bơm cao áp hay ống phân phối Để ngăn cách khu vực áp suất cao với khu vực áp suất thấp, lõi thép đẩy van bi vào vò trí đóng kín Có lực tác dụng lên lõi thép: lực đẩy xuống lò xo lực điện từ Nhằm bôi trơn giải nhiệt, lõi thép nhiên liệu bao quanh Van điều khiển áp suất điều khiển theo vòng: - Vòng điều khiển đáp ứng chậm điện dùng để điều chỉnh áp suất trung bình ống - Vòng điều khiển đáp ứng nhanh dùng để bù cho dao động lớn áp suất Khi van điều khiển áp suất chưa cung cấp điện, áp suất cao ống hay đầu bơm cao áp đặt lên van điều khiển áp suất áp suất cao Khi chưa có lực điện từ, lực nhiên liệu áp suất cao tác dụng lên lò xo làm cho van mở trì độ mở tuỳ thuộc vào lượng nhiên liệu phân phối Lò xo thiết kế để chòu áp suất khoảng 100 bar Khi van điều khiển áp suất cấp điện: Nếu áp suất mạch áp suất cao tăng lên, lực điện từ tạo để cộng thêm vào lực lò xo Khi van đóng lại giữ trạng thái đóng lực áp suất dầu phía cân với lực lò xo lực điện từ phía lại Sau đó, van trạng thái mở trì áp suất không đổi Khi bơm thay đổi lượng nhiên liệu phân phối hay nhiên liệu bò mạch áp suất cao bù lại cách điều chỉnh van đến độ mở khác Lực điện từ tỷ lệ với dòng điện cung cấp trung bình điều chỉnh cách thay đổi độ rộng xung (pulse-widthmodulation pulse) Tần số xung điện khoảng kHz đủ để ngăn chuyển động ý muốn lõi thép thay đổi áp suất ống c Ống trữ nhiên liệu áp suất cao (ống phân phối) Ngay kim phun lấy nhiên liệu từ ống phân phối để phun áp suất nhiên liệu ống phải không đổi Điều thực nhờ vào co giãn nhiên liệu Áp suất nhiên liệu đo cảm biến áp suất ống phân phối trì van điều khiển áp suất nhằm giới hạn áp suất tối đa 1500 bar 40 Chương 7: Điều khiển động diesel – hệ thống CDI (common rail injection) Ống trữ; Đường dầu vào từ bơm cao áp; Cảm biến áp suất ống trữ; Van giới hạn áp suất; Đường dầu về; Lỗ tuyết lưu; Đường dầu đến kim Hình 7.9: Cấu tạo ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao Ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao (ống phân phối) hình 7.9 dùng để chứùa nhiên liệu có áp suất cao Đồng thời, dao động áp suất bơm cao áp tạo giảm chấn (damped) thể tích ống Ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao dùng chung cho tất xylanh Do đó, tên “đường ống chung” (“common rail”) Ngay lượng nhiên liệu bò phun, ống trì áp suất thực tế bên không đổi Điều bảo đảm cho áp suất phun kim không đổi từ kim mở Để thích hợp với điều kiện lắp đặt khác động cơ, ống phải thiết kế với nhiều kiểu để phù hợp với hạn chế dòng chảy dự phòng chỗ để gắn cảm biến, van điều khiển áp suất, van hạn chế áp suất Thể tích bên ống thường xuyên điền đầy nhiên liệu có áp suất Khả nén nhiên liệu áp suất cao tận dụng để tạo hiệu tích trữ Khi nhiên liệu rời khỏi ống để phun áp suất thực tế tích trữ nhiên liệu áp suất cao trì không đổi Sự thay đổi áp suất bơm cao áp thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp để bù vào phần nhiên liệu vừa phun d Kim phun (injectors) Thời điểm phun lượng nhiên liệu phun điều chỉnh cách cho dòng điện qua kim phun Các kim phun thay kim phun khí Tương tự kim phun khí động diesel phun nhiên liệu trực Hệ thống điện điện tử ôtô đại – hệ thống điện động 41 tiếp, kẹp thường sử dụng để lắp kim vào nắp máy Kim phun chia làm phần theo chức sau: − Lỗ kim phun; − Hệ thống dẫn dầu phụ; − Van điện Theo hình 7.10, nhiên liệu từ đường dầu đến kim theo đường ống dẫn đến buồng điều khiển thông qua lỗnạp Buồng điều khiển nối với đường dầu thông qua lỗ xả mở van solenoid Khi lỗ đóng, áp lực dầu đặt lên piston cao áp lực dầu thân ty kim 11 Kết kim bò đẩy xuống làm kín lỗ phun với buồng đốt Khi van solenoid có dòng điện, lỗ xả mở Điều làm cho áp suất buồng điều khiển giảm xuống, kết áp lực tác dụng lên piston giảm theo Khi áp lực dầu piston giảm xuống thấp áp lực tác dụng lên ty kim, ty kim mở nhiên liệu phun vào buồng đốt qua lỗ phun Kiểu điều khiển ty kim gián tiếp dùng hệ thống khuyếch đại thuỷ lực lực cần thiết để mở kim thật nhanh trực tiếp tạo nhờ van solenoid Thời điểm phun lượng nhiên liệu phun điều chỉnh thông qua dòng qua kim phun Tương tự kim phun kiểu cũ động phun nhiên liệu trực tiếp, kẹp ưu tiên sử dụng để lắp kim vào nắp máy Kim phun chia làm phần theo chức sau: − Lỗ kim phun; − Hệ thống trợ lực dầu (the hydraulic servo-system); − Van điện Hoạt động kim phun chia làm giai đoạn động làm việc bơm cao áp tạo áp suất cao: − − − − Kim phun đóng (khi có áp lực dầu tác dụng); Kim phun mở (bắt đầu phun); Kim phun mở hoàn toàn; Kim phun đóng (kết thúc phun) Các giai đoạn hoạt động kết phân phối lực tác dụng lên thành phần kim phun Khi 42 Chương 7: Điều khiển động diesel – hệ thống CDI (common rail injection) động dừng lại áp suất ống phân phối, lò xo kim đóng kim phun − Kim phun đóng (ở trạng thái nghỉ) − Ở trạng thái nghỉ, van solenoid chưa cung cấp điện kim phun đóng Khi lỗ xả đóng, lò xo đẩy van bi đóng lại Áp suất cao ống tăng lên buồng điều khiển buồng thể tích ty kim có áp suất tương tự Áp suất ống đặt vào phần đỉnh piston, với lực lò xo ngược chiều với lực mở kim giữ ty kim vò trí đóng * Kim phun mở (bắt đầu phun) Van solenoid cung cấp điện với dòng kích lớn để bảo đảm mở nhanh Lực tác dụng van solenoid lớn lực lò xo lỗ xả làm mở lỗ xả Gần tức thời, dòng điện cao giảm xuống thành dòng nhỏ đủ để tạo lực điện từ để giữ ty Điều thực nhờ khe hở mạch từ nhỏ Khi lỗ xả mở ra, nhiên liệu chảy vào buồng điều khiển van vào khoang bên từ trở bình chứa thông qua đường dầu Lỗ xả làm cân áp suất nên áp suất buồng điều khiển van giảm xuống Điều dẫn đến áp suất buồng điều khiển van thấp áp suất buồng chứa ty kim (vẫn với áp suất ống) Áp suất giảm buồng điều khiển van làm giảm lực tác dụng lên piston điều khiển nên ty kim mở nhiên liệu bắt đầu phun Hệ thống điện điện tử ôtô đại – hệ thống điện động 43 a Khi kim đóng b Khi kim nhấc Đường dầu Mạch điện Van điện Đường dầu vào (dầu có áp suất cao) từ ống trữ Van bi Van xả Ống cấp dầu Van điều khiển buồng Van điều khiển piston 10 Lỗ cấp dầu cho đầu kim 11 Đầu kim Hình 7.10: Cấu tạo kim phun Tốc độ mở ty kim đònh khác biệt tốc độ dòng chảy lỗ nạp lỗ xả Piston điều khiển tiến đến vò trí dừng phía nơi mà chòu tác dụng đệm dầu tạo dòng chảy nhiên liệu lỗ nạp lỗ xả Kim phun mở hoàn toàn, nhiên liệu phun vào buồng đốt áp suất gần với áp suất ống Lực phân phối kim tương tự với giai đoạn mở kim 44 Chương 7: Điều khiển động diesel – hệ thống CDI (common rail injection) * Kim phun đóng (kết thúc phun) Khi dòng qua van solenoid bò ngắt, lò xo đẩy van bi xuống van bi đóng lỗ xả lại Lỗ xả đóng làm cho áp suất buồng điều khiển van tăng lên thông qua lỗ nạp Áp suất tương đương với áp suất ống làm tăng lực tác dụng lên đỉnh piston điều khiển Lực với lực lò xo cao lực tác dụng buồng chứa ty kim đóng lại Tốc độ đóng ty kim phụ thuộc vào dòng chảy nhiên liệu qua lỗ nạp * Đầu kim phun Ty kim mở van solenoid kích hoạt để nhiên liệu chảy qua Chúng phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy Lượng nhiên liệu dư cần để mở ty kim đưa trở lại bình chứa thông qua đường ống dầu Nhiên liệu hồi từ van điều áp từ vùng áp suất thấp đựơc dẫn theo đường dầu với nhiên liệu dùng để bôi trơn cho bơm cao áp Thiết kế đầu phun đònh bởi: − Việc kiểm soát nhiên liệu phun (thời điểm lượng nhiên liệu phun theo góc độ trục cam); − Việc điều khiển nhiên liệu (số lỗ tia, hình dạng nhiên liệu phun tán nhuyễn nhiên liệu, phân phối nhiên liệu buồng cháy, mức độ làm kín buồng cháy) Đầu phun loại P có đường kính mm dùng động phun nhiên liệu trực tiếp common rail Những đầu phun gồm loại: đầu phun lỗ tia hở đầu phun lỗ tia kín Lỗ tia phun đònh vò dựa vào hình nón phun Số lượng lỗ tia đường kính chúng dựa vào: Lượng nhiên liệu phun ra; Hình dạng buồng cháy; Sự xoáy lốc buồng cháy Đối với hai loại lỗ tia hở lỗ tia kín phần cạnh lỗ tia gia công phương pháp ăn mòn hydro nhằm mục đích ngăn ngừa mài mòn sớm cạnh lỗ tia gây phần tử mài mòn giảm sai lệch dung lượng phun Để làm giảm lượng hydrocacbon thải ra, thể tích nhiên liệu điền đầy đầu ty kim cần thiết phải giữ mức nhỏ Việc thực tốt với loại đầu phun lỗ tia kín Hệ thống điện điện tử ôtô đại – hệ thống điện động 45 Lỗ tia loại xếp quanh lỗ bao Trong trường hợp đỉnh đầu phun hình tròn, hay tuỳ thuộc vào thiết kế, lỗ tia khoan khí máy phóng điện (EDM - electrical-discharge machinin) Lỗ tia với đỉnh đầu phun hình nón khoan phương pháp EDM Đầu phun lỗ tia hở dùng với loại lỗ bao với kích thước khác lỗ bao hình trụ lỗ bao hình nón * Đầu phun lỗ tia hở với lỗ bao hình trụ đầu tròn Với hình dạng lỗ bao bao gồm hình ống phần hình bán cầu cho phép dễ dàng thiết kế với điều kiện: − Số lượng lỗ; − Chiều dài lỗ tia; − Góc phun Đỉnh đầu phun hình bán cầu kết hợp với hình dạng lỗ bao giúp lỗ tia có chiều dài giống * Đầu phun lỗ tia hở với lỗ bao hình trụ đỉnh đầu phun hình nón Loại dùng riêng biệt với lỗ tia có chiều dài 0.6 mm Đỉnh đầu phun có hình nón cho phép tăng độ dày thành đầu phun Kết tăng độ cứng đỉnh kim phun 46 Chương 7: Điều khiển động diesel – hệ thống CDI (common rail injection) 10 11 12 13 14 Đầu ghim áp suất Bề mặt chòu áp lục Đường dầu vào Mặt côn Tín dụng kim Đầu kim Thân kim Đế kim Buồng áp suất Trục đònh hướng Vành kim Lỗ đònh vò Dấu bề mặt Bề mặt công tắc áp suất Hình 7.11: Cấu tạo đầu kim lỗ tia hở * Đầu phun lỗ tia hở với lỗ bao hình nón đỉnh hình nón Trong loại này, có hình nón nên tích lỗ bao nhỏ đầu phun có lỗ bao hình trụ Loại trung gian đầu phun lỗ tia kín đầu phun lỗ tia hở có lỗ bao hình trụ Để có bề dày đồng đỉnh kim phải có hình nón phù hợp với hình dạng lỗ bao * Đầu phun lỗ tia kín Để làm giảm thể tích có hại lỗ bao để làm giảm lượng HC thải ra, lỗ tia nằm phần côn với lỗ phun kín, bao quanh ty kim Điều có nghóa kết nối trực tiếp lỗ bao buồng cháy Thể tích có hại nhỏ nhiều so với loại đầu phun lỗ tia hở So với đầu phun lỗ tia hở, loại có giới Hệ thống điện điện tử ôtô đại – hệ thống điện động 47 hạn tải trọng thấp nhiều sản xuất loại P với lỗ tia dài mm Để đạt độ cứng cao, đỉnh kim có hình nón Lỗ tia tạo phương pháp gia công máy phóng điện EDM e Đường ống dẫn nhiên liệu áp suất cao Những đường ống nhiên liệu mang nhiên liệu áp suất cao Do đó, chúng phải thường xuyên chòu áp suất áp suất cực đại hệ thống suốt trình ngưng phun Vì vậy, chúng chế tạo từ thép ống Thông thường, chúng có đường kính khoảng mm đường kính khoảng 2.4 mm Các đường ống nằm ống phân phối kim phun phải có chiều dài Sự khác biệt chiều dài ống phân phối kim phun bù cách uốn cong đường ống nối Tuy nhiên, đường ống nối nên giữ ngắn tốt f Cảm biến áp suất ống (rail-pressure sensor) Cảm biến áp suất ống đo áp suất tức thời ống phân phối báo ECU với độ xác thích hợp tốc độ đủ nhanh Mạch điện Màng so Màng phần tử cảm biến Ống dẫn áp suất Ren lắp ghép Hình 7.12: Cảm biến áp suất ống phân phối 48 Chương 7: Điều khiển động diesel – hệ thống CDI (common rail injection) Nhiên liệu chảy vào cảm biến áp suất ống thông qua đầu mở phần cuối bòt kín màng cảm biến Thành phần cảm biến thiết bò bán dẫn gắn màng cảm biến, dùng để chuyển áp suất thành tín hiệu điện Tín hiệu cảm biến tạo đưa vào mạch khuyếch đại tín hiệu đưa đến ECU Cảm biến hoạt động theo nguyên tắc: − Khi màng biến dạng lớp điện trở đặt màng thay đổi giá trò Sự biến dạng (khoảng 1mm 1500 bar) áp suất tăng lên hệ thống, thay đổi điện trở gây thay đổi điện mạch cầu điện trở − Điện áp thay đổi khoảng 0-70mV (tùy thuộc áp suất tác động) khuyếch đại mạch khuyếch đại đến 0.5V-4.5 V Việc kiểm soát cách xác áp suất ống điều bắt buộc để hệ thống hoạt động Đây nguyên nhân cảm biến áp suấ ống phải có sai số nhỏ trình đo Trong dải hoạt động động cơ, độ xác đo đạt khoảng 2% Nếu cảm biến áp suất ống bò hư van điều khiển áp suất điều khiển theo giá trò đònh sẵn ECU g Van giới hạn áp suất (pressure limiter valve) Van giới hạn áp suất có chức van an toàn Trong trường hợp áp suất vượt cao, van giới hạn áp suất hạn chế áp suất ống cách mở cửa thoát Van giới hạn áp suất cho phép áp suất tức thời tối đa ống khoảng 1500 bar Mạch cao áp Van Lỗ dầu Piston Lò xo Đế Thân van Đường dầu Hình 7.13: Van giới hạn áp suất Van giới hạn áp suất thiết bò khí bao gồm thành phần sau: − Phần cổ có ren để lắp vào ống; − Một chỗ nối với đường dầu về; − Một piston di chuyển; Hệ thống điện điện tử ôtô đại – hệ thống điện động 49 − Một lò xo; Tại phần cuối chỗ nối với ống có buồng với đường dẫn dầu có phần đuôi hình côn mà piston xuống làm kín bên buồng Ở áp suất hoạt động bình thường (tối đa 1350 bar), lò xo đẩy piston xuống làm kín ống Khi áp suất hệ thống vượt mức, piston bò đẩy lên áp suất dầu ống thắng lực căng lò xo Nhiên liệu có áp suất cao thoát thông qua van vào đường dầu trở lại bình chứa Khi van mở, nhiên liệu rời khỏi ống vậy, áp suất ống giảm xuống h Van hạn chế dòng chảy (flow limiter) Nhiệm vụ hạn chế dòng chảy ngăn cho kim không phun liên tục ví dụ trường hợp kim không đóng lại Để thực điều này, lượng nhiên liệu rời khỏi ống vượt mức đònh sẵn van giới hạn dòng chảy đóng đường dầu nối với kim lại Mạch dầu đến ống Vòng đệm Piston Lò xo Thân Mạch dầu đến kim Mặt côn Van tiết lưu Hình 7.14: Van giới hạn dòng chảy Van giới hạn dòng chảy bao gồm buồng kim loại với ren phía để bắt với ống (có áp suất cao) ren để bắt với đường dầu đến kim phun Van có đường dẫn dầu đầu để nối với ống với đường dầu đến kim Có G/đ piston bên van phun Ròhạn chế dòng chảy đẩy lò xo theo rỉ hướng tích trữ nhiên G/đ liệu Piston làm kín với thành buồng van nghỉ đường dầu theo chiều dọc thông qua lỗ dầu thân piston dẫn dầu từ phía bên phía bên Góc quay trục piston khưỷu Lỗ dầu theo chiều dọc có đường kính giảm dần phần cuối đóng vai trò van tiết lưu 50 Chương 7: Điều khiển động diesel – hệ thống CDI (common rail injection) Hình 7.15: Van giới hạn dòng chảy chế độ hoạt động bình thường với lượng nhiên liệu rò rỉ nhỏ − Ở chế độ hoạt động bình thường Ở trạng thái nghỉ, piston nằm vò trí gần chỗ nối với ống Khi nhiên liệu phun ra, áp suất phun giảm xuống phần cuối kim phun làm cho piston dòch chuyển theo hướng kim phun Van giới hạn dòng chảy bù lại lượng nhiên liệu bò kim phun lấy từ ống cách thay thể tích nhiên liệu lượng thể tích dòch chuyển piston lỗ khoan ngang lượng nhiên liệu nhỏ Ở cuối trình phun, piston nhấc lên chút mà không đóng đường dầu hoàn toàn Lò xo đẩy piston lên nằm trạng thái nghỉ nhiên liệu chảy qua lỗ khoan ngang Lò xo lỗ khoan ngang đònh kích thước cho với lượng nhiên liệu phun tối đa (cộng với lượng dự phòng an toàn) piston di chuyển trở trạng thái nghỉ lần phun kế − Ở chế độ hoạt động bất thường với lượng nhiên liệu bò rò rỉ lớn Nhờ vào lượng nhiên liệu rời khỏi ống, piston van giới hạn dòng chảy bò đẩy khỏi vò trí trạng thái nghỉ làm kín đường dầu Piston giữ vò trí ngăn nhiên liệu đến kim phun − Ở chế độ hoạt động bất thường với lượng nhiên liệu bò rò rỉ nhỏ Nhờ vào lượng nhiên liệu bò rò rỉ, piston van giới hạn dòng chảy trở lại vò trí trạng thái nghỉ Sau số lần phun piston di chuyển tới vò trí làm kín ngõ dầu Piston giữ trạng thái động tắt đóng ngõ dầu vào kim phun ... liệu - Cảm biến bàn đạp ga 28 Chương 7: Điều khiển động diesel – hệ thống CDI (common Hình 7. 1 Cấu tạo hệ thống nhiênrail liệu injection) Common Rail Hình 7. 2: Đặc tính phun dầu thường Dựa vào... sensor) Động diesel xylanh với hệ thống nhiên liệu Common Rail trình bày hình 7. 1 với chức sau: a Chức Chức điều khiển việc phun nhiên liệu thời điểm, lượng, áp suất, đảm bảo động diesel không... nhiệt độ nước làm mát, Bộ lọc nhiên liệu - Cảm biến bàn đạp ga Hình 7. 1: Cấu tạo hệ thống nhiên liệu Common Rail 7. 2 Đặc tính phun 7. 2.1 Đặc tính phun hệ thống phun dầu kiểu cũ Với hệ thống phun