- Các tia nhiên liệu phun vào xylanh động cơ phải đảm bảo kết hợp tốt giữa số lượng, phương hướng, hình dạng, kích thước của các tia phun với hình dạng buồng cháy, cường độ và phương hướ
Trang 1I Giới thiệu 2
1 Nhiệm vụ 2
2 Yêu cầu 2
3 Phân loại 3
II Phun dầu điện tử truyền thống 3
1 Cấu trúc hệ thống phun dầu điện tử truyền thống 3
2 Hệ thống phun dầu điện tử dùng bơm cao áp VE 3
3 Nguyên lí hoạt động 4
III Phun dầu điện tử Common Rail 5
1 Cấu tạo hệ thống Common Rail 5
2 Nguyên lí hoạt động hệ thống 7
3 Các chức năng của HTNL Common Rail Diesel 9
4 Đánh giá 9
5 Kết luận 10
Trang 2Phun dầu điện tử
I Giới thiệu
Như chúng ta đã học và biết rằng: Khí thải động cơ Diesel là một trong những thủ phạm gây nên ô nhiễm môi trường Động cơ diesel hiệu quả kinh tế hơn động cơ xăng, tuy nhiên
nó vẫn còn những hạn chế trong quá trình sử dụng như: Thải khói đen khá lớn khi tăng tốc, tiêu hao nhiên liệu còn cao và tiếng ồn lớn… Ngày nay, hầu hết các nước tiên tiến trên thế giới đã sử dụng hệ thống nhiên liệu (HTNL) Common Rail Diesel lắp cho các loại ô tô trong đó có cả hãng xe Toyota mà điển hinh là: Toyota Fortuner, Hiace và Hilux Hệ thống này đã giải quyết được các nhược điểm nêu trên
1 Nhiệm vụ
- Dự trữ nhiên liệu:
Đảm bảo cho động cơ có thể làm việc liên tục trong một thời gian nhất định mà không cần cấp thêm nhiên liệu vào, lọc sạch nước, tạp chất cơ học lẫn trong nhiên liệu, giúp nhiên liệu luân chuyển dễ dàng trong hệ thống
- Cung cấp nhiên liệu cho động cơ : Đảm bảo tốt các yêu cầu sau
+ Lượng nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình phải phù hợp với chế độ làm việc của động cơ
+ Phun nhiên liệu vào đúng xy lanh thời điểm, đúng quy luật
+ Đối với động cơ nhiều xylanh thì lượng nhiên liêu phun vào các xylanh phải đồng đều trong một chu trình công tác
- Các tia nhiên liệu phun vào xylanh động cơ phải đảm bảo kết hợp tốt giữa số lượng, phương hướng, hình dạng, kích thước của các tia phun với hình dạng buồng cháy, cường độ và phương hướng chuyển động của mỗi chất trong buồng cháy để hoà khí được hình thành nhanh và đều
Trang 32 Yêu cầu
Hệ thống phun dầu điện tử là điều khiển lưu lượng phun và thời điểm phun dầu bằng điện tử để đạt đến một mức tối ưu, nhằm đạt được các thông số sau
Công suất động cơ cao
Tiêu tốn nhiên liệu thấp
Khí thải thấp
Tiếng ồn thấp
Giảm khói đen và khói trắng
Khả năng khởi động được cải thiện
3 Phân loại
Phun dầu điện tử được phân thành 2 loại sau:
Phun dầu điện tử truyền thống
Phun dầu Common Rail
II Phun dầu điện tử truyền thống
Loại phun dầu truyền thống sử dụng các loại bơm ca áp piston xoay (VE) và loại piston đối đỉnh (CAV) đối với các động cơ dùng ở xe du lịch của TOYOTA Các hãng xe khác thì
sử dụng bơm cao áp khác như PE, Cummin hoặc kiểu GM, … Tuy nhiên dù sử dụng loại bỏm cao áp nào thì phun dầu điện tử được hiểu như sau: Phun dầu điện tử là dung lượng
và thời điểm phun dầu được điều khiển bằng điện tử Viện tạo dầu cao áp và đưa tới kim phun được bơm cao áp mà kết cấu gần giống với bao cao áp điều khiển bằng cơ khí, và kim phun cũng là kim phun trên các máy dầu truyền thống
1 Cấu trúc hệ thống phun dầu điện tử truyền thống
Hệ thống phun dầu điện tử cũng giống như hệ thống điều khiển phun xăng, chúng gồm
3 phần: Các cảm biến công tắc (ngỏ vào), bộ xử lí ECU, các cơ cấu chấp hành (ngỏ ra)
Các cảm biến ở hệ thống phun dầu có cấu tạo hoàn toàn tương tự như phun xăng
Bộ xử lý tính hiệu điều khiển hộp ECU
Trang 4 Cơ cấu chấp hành van định lượng nhiên liệu; van điều khiển góc phun dầu; Rơle bugi xông ; đèn báo xông; van cầm chừng; van điều khiển chân không EGR; điều khiển cắt điều hòa không khí; bảng đồng hồ; điều khiển rơle chính; đèn báo
mã lổi
2 Hệ thống phun dầu điện tử dùng bơm cao áp VE
a Các cảm biến:
Các cảm biến dùng trong hệ thống phun dầu điện tử có cấu tạo và nguyên lí làm việc hoàn toàn giống với động cơ phun xăng điện tử Sơ đồ trên có cá cảm biến sau: Cảm biến
vị trí trục khuỷu; cảm biến nhiệt độ nước làm mát; cảm biến nhiệt độ khí nạp; cảm biến nhiệt độ nhiên liệu; cảm biến nhiệt độ khí nạo và một số tín hiệu khác
b ECU:
Là một máy tính nó xử lí tất cả ngõ vào (các tín hiệu gửi về hộp của cảm biến và công tắc điện
c Các cơ cấu chấp hành: Van định lượng nhiên liệu phun và van điều khiển thời điển
phun
3 Nguyên lí hoạt động
Hệ thống hoạt động như sau: nhiên liệu từ thùng chứ được bơm tiếp vận hút qua lọc và vào bơm cao áp Bơm cao áp tạo ra dầu áp lực cao và phân phối đến các kim phun, phun vào buồng đốt giống với hệ thống nhiên liệu với bơm cao áp VE dùng cơ khí Tuy nhiên với hệ thống phun dầu điện tử dùng bơm cao áp VE thì thời điển phun nhiên liệu và lượng nhiên liệu phun được điều khiển bằng van định lượng và van điều khiển thời điểm phun Các van này được ECU điều khiển , ECU gửi các xung điều khiển các van này để đạt được mục tiêu trên
Trang 5Hình 1 : Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu sử dụng bơm cao áp loại bơm phân
phối
III Phun dầu điện tử Common Rail
1 Cấu tạo hệ thống Common Rail
Hệ thống Common Rail gồm các chi tiết sau:
Phần nhiên liệu: thùng nhiên liệu, lọc dầu sơ cấp, bơm tiếp vận, lọc thứ cấp, đường dầu áp thấp, bơm cao áp, đường dẫn dầu áp cao, ống phân phối nhiên liệu, kim phun, đường dầu hồi về
Phần điều khiển điện tử
a Các tín hiệu ngõ vào:
Cảm biến nhiệt độ dầu, van giảm áp, cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến vị trí trục cam, cảm biến bàn đạp ga, cảm biến lưu lượng khí nạp, cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến nhiệt độ nước
b ECU: Bộ điều khiển điện tử (ECU, EDU) kiểm soát lượng phun chính xác, điều chỉnh áp suất và giám sát các điều kiện hoạt động của động cơ
Trang 7c Cơ cấu chấp hành:
Van điều khiển áp suất dầu, rơle sấy nhiên liệu, van EGR, rơle điều khiển xông, đèn báo xông, đồng hồ báo tốc độ động cơ, điều hòa nhiệt độ, rơle chính, đèn báo
mã lỗi
Trang 81 Thùng nhiên liệu; 2 Bơm cao áp Common rail; 3 Lọc nhiên liệu; 4 Đường cấp nhiên liệu cao áp; 5 Đường nối cảm biến áp suất đến ECU ; 6 Cảm biến áp suất; 7 Common Rail tích trữ &điều áp nhiên liệu (hay còn gọi ắcquy thuỷ lực) ; 8 Van an toàn (giới hạn áp suất); 9 Vòi phun; 10 Các cảm biến nối đến ECU và Bộ điều khiển thiết bị (EDU); 11.Đường về nhiên liệu (thấp áp) ; EDU: (Electronic Driver Unit) và ECU : (Electronic Control Unit) Với phương pháp này áp suất phun lên đến 1500 bar có thể thực hiện ở mọi thời điểm ngay
cả động cơ lúc thấp tốc Trong hệ thống Common Rail quá trình phun được chia thành các
cách phun: Phun mồi (hay Phun sơ khởi- Pre-injection hoặc Pilot- injection), Phun chính (Main injection) và phun thứ cấp
2 Nguyên lí hoạt động hệ thống
a Nguyên lí làm việc
Tương tự như HTNL diesel thông thường, trên hình 1 nhiên liệu được bơm cung cấp đẩy đi từ thùng nhiên liệu trên đường ống thấp áp qua bầu lọc (3) đến Bơm cao áp (2), từ đây nhiên liệu được bơm cao áp nén đẩy vào ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao (7) hay còn gọi ắc quy thủy lực- và được đưa đến vòi phun Common Rail (9) sẵn sàng để phun vào xy lanh động cơ Việc tạo áp suất
và phun nhiên liệu hoàn toàn tách biệt với nhau trong hệ thống Common Rail
Áp suất phun được tạo ra độc lập với tốc độ và lượng nhiên liệu phun ra Nhiên liệu được trữ với áp suất cao trong ắc quy thủy lực Lượng phun ra được quyết định bởi điều khiển bàn đạp ga, thời điểm phun cũng như áp suất phun được tính toán bằng ECU dựa trên các biểu đồ dữ liệu đã lưu trên nó Sau đó ECU và EDU sẽ điều khiển các kim phun của các vòi phun tại mỗi xy lanh động cơ để phun nhiên liệu nhờ thông tin từ các cảm biến (10) với áp suất phun có thể đến
Trang 9ắcquy thủy lực có gắn cảm biến áp suất và đầu cuối có bố trí van an toàn (8), nếu áp suất tích trữ trong ắc quy thủy lực (7) lớn quá giới hạn van an toàn sẽ
mở để nhiên liệu tháo về thùng chứa
Mạch dầu hồi:
Hình 4 Van điều khiển áp suất mở cho phép nhiên liệu về lại thùng chứa (mũi tên chỉ cho thấy khi van mở nhiên liệu qua bơm cao áp về lại thùng chứa)
b Quá trình phun
Quá trình phun nhiên liệu vào buồng đốt diễn ra 3 giai đoạn sau:
B 1Giai đoạn phun mồi (Pilot injection):
Phun mồi có thể diễn ra sớm 900 trước từ điểm thượng (BTDC) Nếu thời điểm phuna xuất hiện nhỏ hơn 400 BTDC, nhiên liệu có thể bám vào bề mặt của piston và thành xylanh và làm loãng dầu bôi trơn Trong giai đoạn phun mồi, một lượng nhiên liệu được phun vào xylanh để mồi Kết quả là quá trình cháy được cải thiện và đạt được một số hiệu quả sau:
Áp suất cuối quá trình nén tăng lên một ít nhờ vào giai đoạn phun mồi và nhiên liệu cháy một phần Điều này giúp làm giảm thời gian cháy trể, sự tăng đột ngột của áp suất khi cháy và áp suất cực đại (quá trình cháy sẽ êm dịu hơn)
Kết quả là làm giảm tiếng ồn của động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu
và trong nhiều trưởng hợp giảm được độ độc hại của khí thải Quá trình sơ khởi đóng vai trò gián tiếp trong việc tăng công suất của động cơ
B 2 Giai đoạn phun chính (main injection):
Công suất của động cơ quyết định bởi giai đoạn phun chính diễn ra kế tiếp giai đoạn phun mồi Tức là giai đoạn phun chính giúp tăng lực kéo động
cơ Với hệ thống Common Rail, áp suất phun vẫn giữ không đổi trong
Trang 10B 3 Giai đoạn phun thứ cấp ( Secondary injection):
Theo quan điểm xử lí khí thải, phun thứ cấp có thể được áp dụng để đốt cháy NOx Nó diễn ra ngay sau giai đoạn phun chính và xảy ra trong quá trình giản nỡ hay kì thải khoảng 2000 sau từ điểm thượng (ATDC) Ngược lại với quá trình phun mồi và quá trình phun chính, quá trình phun thứ cấp phun nhiên liệu vào buồng đốt không được đốt cháy mà để bốc hơi nhờ sức nóng của khí thải Trong suốt kì thải, hỗn hợp khí thải và nhiên liệu được đẩyra ngoài hệ thống thoát khí thải thông qua xupap thải Tuy nhiên một phần của nhiên liệu được đưa trở lại buồng đốt thông qua hệ thống EGR, và có tác dụng tương tự như giai đoạn phun mồi Khi bộ hóa khử được lắp để giảm lượng NOx chúng tận dụng nhiên liệu trong khí thải như nhân tố hóa học, để làm giảm nồng độ NOx trong khí thải
3 Các chức năng của HTNL Common Rail Diesel.
Với Common Rail, người ta phải phân biệt giữa ba nhóm chức năng khác nhau:
+ Mạch áp suất thấp (hình 2)
+ Mạch áp suất cao (hình 3)
+ ECU và các cảm biến ( hình5)
Chức năng chính : Là điều khiển phun nhiên liệu đúng thời điểm, đúng lượng, đúng áp suất phù hợp từng chế độ làm việc của động cơ
Chức năng phụ: Là điều khiển vòng kín và vòng hở như điều khiển hệ thống hồi lưu khí thải, tăng áp, ga tự động,… làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải độc hại
4 Đánh giá:
Qua phân tích trên ta có thể kết luận Hệ thống Common Rail Diesel có 5 ưu điểm sau:
· 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
· Thiết kế phù hợp để thay thế cho các động cơ Diesel đang sử dụng
Động cơ Diesel thế hệ “cũ”, trong quá trình làm việc hệ thống cung cấp nhiên liệu tạo
ra tiếng ồn khá lớn Khi khởi động và tăng tốc đột ngột lượng khói đen thải lớn.Vì vậy làm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm cao Ở HTNL Common Rail áp suất phun lên đến
1500 bar, có thể phun ở mọi thời điểm, mọi chế độ làm việc và ngay cả động cơ lúc thấp tốc mà áp suất phun vẫn không thay đổi Với áp suất cao, nhiên liệu được phun càng tơi nên quá trình cháy càng sạch hơn
Động cơ làm việc êm dịu là nhờ cải tiến Bơm cao áp (hình 6) Với kiểu bơm pittông
Trang 115 Kết luận:
Hệ thống Common Rail Diesel ra đời góp phần cải thiện nhiều cho tính năng động cơ
và tính kinh tế nhiên liệu mà lâu nay người sử dụng cũng như các nhà Bảo vệ Môi trường mong đợi Nó tạo nên hướng nghiên cứu mới cho các ngành Cơ khí Động lực, Giao thông,… trong nước Hiện nay, bạn đọc có thể tìm hiểu hệ thống này trên các dòng xe như Transit, Sprinter,…