Đồ án hệ thống cung cấp nhiên liệu common rail skyactiv d trên xe mazda

DANH SÁCH CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT - A/F sensor Air Fuel Ratio Sensor: Cảm biến tỷ số không khí và nhiên liệu - ACL Air Cleaner: Lọc gió - AP Accelerator Pedal : Bàn đạp ga - APP Accelera

LỜI CẢM ƠN

Để có được thành quả như ngày hôm nay, chúng em đã nhận được rất nhiều

sự giúp đỡ từ quý thầy cô Những gì quý thầy cô truyền đạt cho chúng em không chỉ

là kiến thức mà còn là cả tấm lòng của một người thầy Chúng em xin chân thành cảm ơn đến:

- Toàn thể quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu trong bốn năm học đại học vừa qua Không những kiến thức về chuyên ngành ô tô, mà còn có những kiến thực thực tiễn ngoài xã hội

- Nhóm em xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô ở khoa Cơ Khí Động Lực

đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em sớm hoàn thành đồ án “Hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail SKYACTIV – D trên xe MAZDA”

- Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn đến thầy Th.S Châu Quang Hải đã tận

tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp

Chúng em xin kính chúc trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh ngày càng lớn mạnh, chúc quý thầy cô luôn dồi dào sức khỏe để tiếp tục cống hiến cho sự nghiệp giáo dục nước nhà

Cuối cùng là lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã động viên khích lệ và tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành nhiệm vụ được giao

Sinh viên thực hiện

Ngô Xuân Hùng - Nguyễn Duy Cường

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH SÁCH CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

DANH MỤC CÁC BẢNG x

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài: 1

1.2 Phạm vi của đề tài: 2

1.3 Phương pháp nghiên cứu 2

1.4 Ý nghĩa của đề tài 3

1.5 Nội dung nghiên cứu: 3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL 5

2.1 Nhiệm vụ 5

2.2 Yêu cầu 5

2.3 Phân loại 6

2.4 Sự hình thành hỗn hợp không khí và nhiên liệu trong buồng cháy của động cơ Diezel 12

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU TRÊN ĐỘNG CƠ SKYACTIV-D 16

3.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ SKYACTIV-D 16

3.1.1 Giới thiệu về động cơ 16

3.2 HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU TRÊN ĐỘNG CƠ SKYACTIV-D 21

3.2.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống nhiên liệu động cơ SKYACTIV-D 21

3.3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ 24

3.3.1.Hệ thống tín hiệu đầu vào 24

3.3.1.1 Cảm biến lưu lượng khí nạp ( MASS AIR FLOW SENSOR) 25

3.3.1.2 Cảm biến vị trí trục khuỷu (CRANKSHAFT POSITION SENSOR ) 25

3.3.1.3 Cảm biến trục cam ( CAMSHAFT POSITION SENSOR ) 28

3.3.1.4 Cảm biến nhiệt độ làm mát động cơ(ENGINE COOLANT TEMPERATURE) 29

3.3.1.5 Cảm biến nhiệt độ khí nạp IAT( INTAKE AIR TEMPERATURE SENSOR) 30 3.3.1.6 Cảm biến tỉ lệ không khí nhiên liệu A/F (AIR FUEL RATIO SENSOR) 31

3.3.1.7 Cảm biến vị trí bàn đạp bướm ga APP (ACCELERATOR PEDAL POSITION) 33

3.3.1.8 Cảm biến vị trí bướm ga (THROTTLE POSITION SENSOR) 34

3.3.1.9 Cảm biến áp suất dầu động cơ (ENGINE OIL PRESSURE SENSOR) và nhiệt độ dầu động cơ (ENGINE OIL TEMPER SENSOR) 35

3.3.1.10 Cảm biến áp suất khí xả ( EXHAUST GAS PRESSURE SENSOR) 36

3.3.1.11 Cảm biến nhiệt độ khí thải 38

3.3.1.12 Cảm biến nhiệt độ khí nén sau turbo tăng áp (BOOST AIR TEMPARETURE SENSOR) 42

3.3.1.13 Cảm biến đo áp suất trên đường ống nạp 43

3.3.2 Bộ phận điều khiển điện tử 45

3.3.2.1 Hộp điều khiển động cơ PCM ( Powertrain Control Module): 45

3.3.2.2 Cấu tạo của bộ điều khiển điện tử 45

3.3.3 Cơ cấu chấp hành 50

3.3.3.1 Điều khiển phun nhiên liệu của PCM 50

3.3.3.2 Van giảm áp trên đường ống phân phối: 57

3.3.3.3 Van điều khiển hút ( suction control valve) 59

3.3.3.4 Hệ thống turbo tăng áp kép ( TWO-STAGE TURBO) 61

3.3.3.5 Hệ thống luân hồi khí xả (EGR) 66

3.3.4 Vùng nhiên liệu áp suất thấp và áp suất cao của hệ thống 71

3.3.4.1 Vùng áp suất thấp 71

CHƯƠNG 4 SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN CỦA HỆ THỐNG COMMON RAIL VÀ ĐỘNG CƠ SKYACTIV-D 84

4.1 Sơ đồ mạch điện hệ thống Common Rail 84

4.2 Sơ đồ mạch điện động cơ SKYACTIV-D 85

CHƯƠNG 5 MÃ LỖI, CHẨN ĐOÁN VÀ SỬA CHỮA 88

5.1 Mã lỗi 88

5.2 Chẫn đoán và sửa chữa 100

5.2.1 Lỗi DTC P0030:00 100

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 106

6.1 Kết luận: 106

6.2 Hướng phát triển của đề tài: 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

DANH SÁCH CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

- A/F sensor (Air Fuel Ratio Sensor): Cảm biến tỷ số không khí và nhiên liệu

- ACL (Air Cleaner): Lọc gió

- AP (Accelerator Pedal) : Bàn đạp ga

- APP (Accelerator Pedal Position): Vị trí bàn đạp ga

- B+ (Battery Positive Voltage ): điện áp cực dương accu

- CKPS (Crankshaft Position Sensor): Cảm biến vị trí trục khuỷu

- CMP (Camshaft Position Sensor): Cảm biến vị trí trục cam

- CPP (Clutch Pedal Position): Vị trí bàn đạp ly hợp

- DLC (Data Link Connector): Đường kết nối dữ liệu

- DPF (Diesel Particulate Filter) : Bộ lọc muội than Diesel

- DTC (Diagnostic Trouble Code): Mã báo lỗi chẩn đoán

- DTM (Diagnostic Test Mode): Phương thức kiểm tra mã lỗi

- ECT (Engine Coolant Temperature): Nhiệt độ làm mát động cơ

- EGR (Exhaust Gas Recirculation): Hệ thống tuần hoàn khí xả

- GND (Ground) : Cực nối đất

- IAT (Intake Air Temperature) : Nhiệt độ khí nạp

- MAF (Mass Air Flow): Khối lượng khí nạp

- MAP (Manifold Absolute Pressure): Áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp

- OBD (On‐Board Diagnostic) : Hệ thống chẩn đoán lỗi động cơ

- OC (Oxydation Catalytic Converter) : Bộ xúc tác oxy

- PCM (Powertrain Control Module): Hộp điều khiển

- TB (Throttle Body): Thân bướm ga

- TC (Turbocharger): turbo tăng áp

- TDC (Top Dead Center ): Điểm chết trên

- TP (Throttle Position): Vị trí bướm ga

- TPS (Throttle Position Sensor): Cảm biến vị trí bướm ga

- TWC (Three Way Catalytic Converter): Bộ xúc tác 3 thành phần

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1: Hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel sử dụng bơm cao áp loại bơm dãy 6

Hình 2.2 :Hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel sử dụng bơm cao áp loại bơm phân phối 8

Hình 2.3 : Hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail Skyactiv-D 9

Hình 2.4: Các kiểu buồng đốt của động cơ Diesel 14

Hình 3.1: Động cơ Mazda Skyactiv 16

Hình 3.2 : Quá trình hình thành bồ hóng và NOx 17

Hình 3.3 : So sánh quá trình phun nhiên liệu giữa Skyactiv-D 18

Hình 3.4 : Đồ thị so sánh tỉ số nén của động cơ SKYACTIV-D và động cơ Diesel thường 19

Hình 3.5 : Turbo tăng áp hai giai đoạn 20

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống Common Rail Skyactiv-D 22

Hình 3.7 : Sơ đồ các tín hiệu đầu vào của động cơ Skyactiv-D 24

Hình 3.8: Nguyên lý hoạt động của cảm biến MAF 25

Hình 3.9 : Vị trí của cảm biến trục khuỷu 26

Hình 3.10 : Sơ đồ tín hiệu hoạt động của cảm biến trục khuỷu 26

Hình 3.11 : Sơ đồ tín hiệu hoạt động của cảm biến trục cam 28

Hình 3.12 : Cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước làm mát 29

Hình 3.13 : Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ nước làm mát 30

Hình 3.14 : Khoảng hoạt động của cảm biến IAT 31

Hình 3.15 : Vị trí của cảm biến A/F 32

Hình 3.16 : Nguyên lý hoạt động của cảm biến A/F 32

Hình 3.17 : Vị trí của cảm biến APP 33

Hình 3.18 : Đồ thị biểu diễn khoảng hoạt động của cảm biến APP 34

Hình 3.19 : Cấu tạo của cảm biến vị trí bướm ga 34

Hình 3.20 : Cảm biến áp suất và nhiệt độ dầu 35

Hình 3.21 : Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ và áp suất dầu 36

Hình 3.22 : Đồ thị hoạt động của cảm biến nhiệt độ và áp suất dầu 36

Hình 3.23 : Cấu tạo của cảm biến áp suất khí xả số 1 37

Hình 3.24 : Đồ thị hoạt động của cảm biến áp suất dầu số 1 37

Hình 3.25 : Cấu tạo của cảm biến áp suất dầu số 2 38

Hình 3.26 : Đồ thị vùng hoạt động của cảm biến áp suất khí xả 2 38

Hình 3.27 : Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ khí xả số 1 39

Hình 3.28 : Đồ thị vùng hoạt động của cảm biến nhiệt độ khí xả số 1 39

Hình 3.29 : Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ khí xả số 2 40

Hình 3.30 : Đồ thị vùng hoạt động của cảm biến nhiệt độ khí xả số 2 40

Hình 3.31 : Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ khí xả số 3 41

Hình 3.32 : Đồ thị vùng hoạt động của cảm biến nhiệt độ khí xả số 3 41

Hình 3.33 : Vị trí của Cảm biến nhiệt độ khí nén sau turbo tăng áp 42

Hình 3.34 : Cấu tạo của cảm cảm biến nhiệt độ khí nén sau turbo tăng áp 42

Hình 3.35 : Đồ thị vùng hoạt động của cảm biến nhiệt độ khí nén sau turbo tăng áp 43

Hình 3.36 : Cấu tạo của cảm biến MAP số 1 43

Hình 3.37 : Đồ thị vùng hoạt động của cảm biến MAP số 1 44

Hình 3.38 : Đồ thị vùng hoạt động của cảm biến MAP số 2 44

Hình 3.39 : Bộ vi xử lý 46

Hình 3.40 : Đường truyền bus 47

Hình 3.41 : Nguyên lý hoạt động của bộ vi xử lý 47

Hình 3.42 : Dạng tín hiệu thông tin của bộ vi xử lý 48

Hình 3.43 : Chức năng của bộ chuyển đổi A/D 48

Hình 3.44 : Chức năng của bộ đếm 48

Hình 3.45 : Chức năng của bộ nhớ trung gian 49

Hình 3.46 : Chức năng của bộ khuếch đại 49

Hình 3.47 : Chức năng của bộ ổn áp 49

Hình 3.48 : Chức năng của mạch giao tiếp ngõ ra 50

Hình 3.49 : Sơ đồ tín hiệu điều khiển phun nhiên liệu 51

Hình 3.50 : Đồ thị tín hiệu điều khiển phun nhiên liệu 53

Hình 3.51 : Tín hiệu điều khiển áp suất nhiên liệu 55

Hình 3.52 : Thời gian đóng mở van SCV trong 1 lần phun nhiên liệu 55

Hình 3.53 : Tín hiệu đầu vào điều khiển thời điểm phun nhiên liệu 56

Hình 3.54 : Nguyên lý hoạt động điều khiển thời điểm phun nhiên liệu 57

Hình 3.55 : Vị trí của van giảm áp trên ống phân phối 58

Hình 3.56 : Cấu tạo của van giảm áp trên ống phân phối 58

Hình 3.57 : Nguyên lý hoạt động của van giảm áp trên ống phân phối 59

Hình 3.58 : Cấu tạo của van điều khiển hút 59

Hình 3.59 :Van điều khiển hút mở 60

Hình 3.60 : Van điều khiển hút đóng 60

Hình 3.61 : Vị trí của hệ thống turbo tăng áp 61

Hình 3.62 : Cấu tạo của turbo tăng áp 62

Hình 3.63 : Ống làm mát và ống dầu động cơ của hệ thống turbo tăng áp 62

Hình 3.64 : Nguyên lý hoạt động của bộ bù nạp 66

Hình 3.65 : Tín hiệu điều khiển hệ thống luân hồi khí xả EGR 67

Hình 3.66 : Hệ thống EGR khi nhiệt độ làm mát động cơ thấp hơn 55 ° C {131 ° F} 68

Hình 3.67 : Hệ thống EGR khi nhiệt độ làm mát động cơ là từ 55 ° C đến 70 ° C 69

Hình 3.68: Hệ thống EGR khi nhiệt độ nước làm mát động cơ là 70 ° C {158 ° F} trở lên 69

Hình 3.69: Hệ thống EGR khi nhiệt độ khí thải là 440 ° C {824 ° F} trở lên 70

Hình 3.70 : Hệ thống EGR khi tăng nhanh tốc độ cầm chừng 70

Hình 3.71 : Vùng nhiên liệu áp suất thấp ( đường màu xanh) 71

Hình 3.72 : Cấu tạo thùng chứa nhiên liệu 72

Hình 3.73 : Cấu tạo và nguyên lý của van một chiều ở thùng chứa 72

Hình 3.74 : Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của van cuộn 73

Hình 3.75 : Cấu tạo của bộ lọc nhiên liệu 74

Hình 3.76 : Nguyên lý hoạt động của bộ lọc nhiên liệu 74

Hình 3.77 : Cấu tạo của công tắc báo mức nước 75

Hình 3.78 : Vùng nhiên liệu áp suất cao ( đường màu đỏ) 76

Hình 3.79 : Bơm cao áp HP3 77

Hình 3.80 : Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bơm cao áp HP3 78

Hình 3.81 : Cấu tạo của ống phân phối 79

Hình 3.82 : Cấu tạo của van giảm áp trên ống phân phối 80

Hình 3.83 : Nguyên lý hoạt động của van giảm áp trên ống phân phối 80

Hình 3.84 : Vị trí của cảm biến áp suất nhiên liệu trên ống phân phối 81

Hình 3.85 :Đồ thị vùng hoạt động của cảm biến áp suất nhiên liệu trên ống phân phối 81 Hình 3.86 : Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của kim phun 82

Hình 4.1 : Sơ đồ mạch điện hệ thống Common Rail 84

Hình 4.2 : Sơ đồ mạch điện động cơ SKYACTIV-D 87

Hình 5.1 : Kí hiệu số chân giắc của cảm biến A/F 102

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 : Bảng thông số động cơ MAZDA CX5 SKYACTIV-D 21 Bảng 5.1 : Mã lỗi và chẩn đoán động cơ MAZDA CX5 SKYACTIV-D 88

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Lý do chọn đề tài:

Trong xu thế hội nhập hiện nay, nền công nghiệp Việt Nam đang đứng trước những cơ hội đầy tiềm năng và ngành công nghiệp ô tô Việt Nam cũng không ngoại

lệ Ở nước ta số lượng ô tô hiện đại đang được lưu hành ngày một tăng Các loại ô

tô này đều được cải tiến theo hướng tăng công suất, tốc độ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu, điện tử hoá quá trình điều khiển và hạn chế mức thấp nhất thành phần ô nhiễm trong khí xả động cơ

Với sự phát triển mạnh mẽ của tin học trong vai trò dẫn đường, quá trình tự động hóa đã đi sâu vào các ngành sản xuất và các sản phẩm của chúng, một trong số

đó là ô tô Nhờ sự giúp đỡ của máy tính để cải thiện quá trình làm việc nhằm đạt hiệu quả cao và chống ô nhiễm môi trường, tối ưu hoá quá trình điều khiển dẫn đến kết cấu của động cơ và ô tô thay đổi rất phức tạp, làm cho người sử dụng và cán bộ công nhân kỹ thuật ngành ô tô ở nước ta còn nhiều lúng túng và sai sót nên cần có những nghiên cứu cụ thể về hệ thống điện tử trên động cơ ô tô

Sau 5 năm có mặt tại Việt Nam, MAZDA trở thành thương hiệu ô tô hàng đầu được khách hàng tin tưởng lựa chọn Đáng chú ý năm 2016 vừa qua, MAZDA bùng nổ với doanh số hơn 32.000 xe, tăng 60% so với năm 2015, tăng trưởng gấp đôi mức tăng chung của toàn thị trường và lập kỷ lục mới trong suốt 5 năm MAZDA trở lại Việt Nam Trong đó, hai kiểu xe MAZDA dẫn đầu về doanh số bán MAZDA3 và CX-5 Tháng 12/2016, MAZDA3 đạt hơn 1.500 xe, mức doanh số cao nhất từ trước tới nay, giúp MAZDA3 liên tục giữ vững vị trí Top 10 xe bán chạy nhất tại Việt Nam

Kế đến CX-5 cũng dẫn đầu về sản lượng tiêu thụ ở phân khúc CUV 5 chỗ với doanh số bán đạt 1.059 xe, tăng 39% so với cùng kỳ 2015 Tính chung cả năm

2016, đã có hơn 8.000 xe đến tay khách hàng, duy trì vị trí xe CUV 5 chỗ bán chạy nhất trên thị trường Với việc giới thiệu các phiên bản mới, tăng tiện nghi, CX-5 đã khẳng định được sức hút và trở thành lựa chọn hàng đầu trong phân khúc Ngoài ra, các kiểu xe còn lại của MAZDA như MAZDA2, MAZDA6 và BT-50 đều tăng

trưởng ổn định, góp phần chung cho sự phát triển vượt bậc của thương hiệu MAZDA thời gian qua

Ngoài lợi thế về mặt giá bán và trang bị tiện nghi, thiết kế KODO cùng công nghệ SKYACTIV tiết kiệm nhiên liệu là chìa khóa mang lại thành công cho các dòng sản phẩm mới của MAZDA Ngôn ngữ thiết kế mới mang triết lý KODO - LINH HỒN CỦA SỰ CHUYỂN ĐỘNG, mang đến sự cuốn hút, nổi bật cho các dòng xe MAZDA Với hàng loạt ưu điểm về thiết kế, trang bị, đa dạng về lựa chọn động cơ, đặc biệt công nghệ SKYACTIV hiệu quả, những kiểu xe của MAZDA ngày càng hút khách và tiếp tục trở thành lựa chọn hàng đầu trong từng phân khúc

Vì vậy là một sinh viên của ngành công nghệ kỹ thuật ô tô sắp ra trường, nhóm em chọn đề tài: "Khảo sát hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Mazda SKYACTIV-D Engine " làm đề tài tốt nghiệp của mình Nhóm em rất mong với đề tài này sẽ củng cố tốt hơn kiến thức của mình để khi ra trường có thể đóng góp vào ngành công nghiệp ô tô của nước ta, góp phần vào sự phát triển chung của ngành

1.2 Phạm vi của đề tài:

- Đề tài của nhóm chủ yếu nghiên cứu các dòng xe sử dụng hệ thống Common Rail SKYACTIV – D của MAZDA đang phổ biến và hiện hành trên thị trường xe hơi Việt Nam hiện nay

- Phạm vi của đề tài chủ yếu tập trung vào hệ thống động cơ Common Rail

và sự cải tiến với công nghệ SKYACTIV - D của MAZDA sử dụng trên các dòng

xe từ Mazda 6, CX_5

1.3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với tham khảo tài liệu traning của MAZDA

về hệ thống cung cấp nhiên liệu COMMON RAIL trên các dòng xe MAZDA

- Tham khảo tài liệu tiếng anh của một số tài liệu hãng khác như Toyota, Honda, Kia để so sánh với động cơ xe MAZDA

1.4 Ý nghĩa của đề tài

- Đem đến cho người đọc cái nhìn mới hơn về công nghệ mới của MAZDA

trên thị trường

- Cung cấp thêm thông tin tham khảo cho sinh viên trong và ngoài trường

nghiên cứu các hệ thống mới về điều khiển động cơ trên các dòng xe

1.5 Nội dung nghiên cứu:

 Chương 1: Ý nghĩa của đề tài

 Chương 2: Tổng quan về hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel

 Chương 3: Hệ thống cung cấp nhiên liệu SKYACTIV - D

- Giới thiệu về động cơ

- Các thông số kỹ thuật

- Cấu tạo hệ thống Common Rail

- Nguyên lý hoạt động của hệ thống

- Hệ thống điều khiển điện tử

- Các tín hiệu đầu vào

- Bộ phận điều khiển

- Các cơ cấu chấp hành

- Vùng nhiên liệu áp suất thấp

- Vùng nhiên liệu áp suất cao

 Chương 4: Sơ đồ mạch điện của hệ thống

 Chương 5:Mã lỗi, Chẩn đoán và sửa chữa

- Nguyên nhân

- Biểu hiện

- Cách sửa chữa

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP

NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL

2.1 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

+ Cung cấp nhiên liệu vào xylanh động cơ đúng thời điểm theo một quy luật

- 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

2.2 Yêu cầu :

Hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel phải thoả mãn các yêu cầu sau

- Hoạt động ổn định, có độ tin cậy và tuổi thọ cao

- Dễ dàng và thuận tiện trong sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa

- Dễ chế tạo, giá thành hạ

2.3 Phân loại:

Dựa vào các loại bơm cao áp của hệ thống nhiên liệu ta có thể phân loại sơ

bộ hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel thành 3 loại sau

a Hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel sử dụng bơm cao áp loại bơm dãy

Bơm cao áp là 1 loại bơm gồm nhiều tổ bơm ghép thành 1 khối có vấu cam điều khiển nằm trong thân bơm và điều khiển chung bằng 1 thanh răng

Hình 2.1: Hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel sử dụng bơm cao áp loại bơm dãy

1 Thùng chứa nhiên liệu 5 Bầu lọc tinh

2 Bầu lọc thô 6 Ống dầu cao áp

3 Bơm tay 7 Kim phun

4 Bơm cao áp 8 Buồng cháy

1 8 7

6 5

2 3

4

Để hệ số nạp của các tổ bơm ổn định, và không gián đoạn quá trình cấp nhiên liệu thì nhiên liệu đi vào xylanh bơm cao áp không được lẫn không khí

+ Không khí lẫn trong hệ thống nhiên liệu do những nguyên nhân như sau:

− Không khí hòa tan trong nhiên liệu tách ra khi áp suất thay đổi đột ngột

− Không khí trời lọt qua những đoạn ống không kín, đặc biệt ở những khu vực mà áp suất nhiên liệu thấp hơn áp suất khí trời

+ Một số biện pháp để tách không khí ra khỏi nhiên liệu trong hệ thống:

− Nhiên liệu được tuần hoàn liên tục từ thùng chứa, qua bầu lọc, qua bơm cao áp, qua van tràn và đường ống tràn về thùng chứa Sự tuần hoàn cuốn không khí trong hệ thống đưa về thùng chứa, do đó không khí được tách khỏi nhiên liệu

− Trước khi khởi động máy, dùng bơm tay bơm dầu thật căng và giữ nguyên bơm tay sau đó nới lỏng ốc xả gió trên bầu lọc cho không khí tràn ra ngoài, rồi siết chặt ốc xả gió lại, tiếp tục bơm và lại xả đến khi nào hết không khí thì thôi Làm tương tự như vậy để xả không khí trong bơm cao áp bằng ốc xả gió trên thân bơm

Bơm tay lắp song song với bơm chuyển vận 3 được sử dụng để bơm nhiên liệu vào hệ thống khi máy ngừng hoạt động lâu ngày, nhiên liệu trong hệ thống đường ống bị rò qua những chỗ không kín khít Sau đó phải khóa bơm tay lại rồi mới khởi động động cơ

b : Hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel sử dụng bơm cao áp loại bơm phân phối

Hình 2.2 :Hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel sử dụng bơm cao áp

loại bơm phân phối

1 Thùng chứa nhiên liệu 7 Buồng cháy

2 Bơm tay 8 Bơm cao áp

3 Bầu lọc tinh 9 Van cao áp

4 Bơm tiếp vận 10 Piston

5 Van điều áp 11 Lỗ đưa nhiên liệu đến kim phun

Bơm phân phối khác với bơm dãy ở chỗ là chỉ cần một bộ đôi piston-xylanh nhưng vẫn đảm bảo cung cấp nhiên liệu cho các xylanh Piston vừa tịnh tiến, vừa xoay Với động cơ có i xylanh thì piston sẽ chuyển động tịnh tiến i lần và trong một chu kỳ của động cơ, piston sẽ xoay đủ một vòng

− Lỗ nạp nhiên liệu: đưa nhiên liệu từ bơm tiếp vận vào xylanh của bơm cao áp

− Thân xylanh có rãnh dẫn nhiên liệu cao áp vào lỗ B

− Piston gồm:

+ Phần hình trụ trên để tạo áp suất cao

+ Phần hình trụ dưới có xẻ rãnh dọc, khi rãnh này áp vào lỗ đến kim phun thì nhiên liệu cao áp được đưa đến kim phun

* Nguyên lý hoạt động:

Khi piston chuyển động xuống dưới, nhiên liệu từ bơm tiếp vận qua lỗ A

được nạp vào xylanh

7

9

12 8

10

Khi piston đi lên trên, một phần nhiên liệu thoát qua lỗ A, cho đến khi đỉnh

piston bắt đầu đóng lỗ A, áp suất nhiên liệu bắt đầu tăng, áp suất tăng cao và mở

van cao áp (9), nhiên liệu theo đường cao áp vào lỗ B, vào xylanh chứa trong phần

hình trụ dưới

Chuyển động xoay tròn của piston xảy ra đồng thời với chuyển động tịnh

tiến, khi rãnh dọc áp vào lỗ đến kim phun nào thì lỗ đó được nhận nhiên liệu cao áp

Để điều chỉnh lượng nhiên liệu chu kỳ, người ta thay đổi vị trí của vành điều

lượng (12), nếu mặt trong của vành điều lượng (12) che kín lỗ C thì không có nhiên

liệu cao áp thoát ra ngoài

Khi piston chuyển động đi lên, đến một lúc nào đó, mép dưới làm hở lỗ C,

lúc đó nhiên liệu cao áp từ đỉnh piston theo lỗ dọc, xuống lỗ C thoát ra ngoài Khi

đó áp suất trong xylanh giảm đột ngột, quá trình phun nhiên liệu chấm dứt

c : Hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail

Hình 2.3 : Hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail Skyactiv-D

2 Fuel Filter (lọc nhiên liệu) 6 Injectors (kim phun)

3 Supply Pump (bơm cung cấp) 7 PCM (hộp điều khiển)

4 Rail pressure sensor (cảm biến áp suất dầu) 8 Injector return back pressure system (hệ thống áp suất dầu hồi về từ kim phun)

Nguyên lý:

Nhiên liệu có áp suất cao được bơm vào ống phân phối để từ đó cung cấp cho các kim phun Nhiên liệu từ thùng chứa (1) được bơm hút lên và đi vào bộ lọc (2) qua bơm cao áp (3) vào ống dự trữ để chờ tín hiệu PCM (7) cấp nhiên liệu cho kim phun (6) sau đó qua van điều chỉnh áp suất (5) và về thùng chứa (1) Tại đường ống phân phối sẽ có các đường ống cao áp nối tới kim phun để phun nhiên liệu vào buồng đốt động cơ và quá trình phun nhiên liệu được điều khiển bởi PCM

PCM nhận các tín hiệu từ các cảm biến (cảm biến tốc độ, cảm biến vị trí trục cam, cảm biến nhiệt độ nhiên liệu, cảm biến vị trí bàn đạp ga, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến áp suất…) sau khi xử lý các tín hiệu đầu vào này PCM sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển kim phun

Hệ thống nhiên liệu của động cơ Diesel không ngừng được cải tiến với các giải pháp kỹ thuật tối ưu nhằm làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm môi trường và suất tiêu hao nhiên liệu Các nhà khoa học đã nghiên cứu và đã đề ra nhiều biện pháp khác nhau về kỹ thuật phun và tổ chức tốt quá trình cháy nhằm giới hạn chất ô nhiễm Các biện pháp được đưa ra nhằm giải quyết các vấn đề sau:

- Tăng áp suất và chia nhiều giai đoạn phun nhiên liệu vào động cơ để làm giảm nồng độ bồ hóng, tiếng ồn động cơ do làm tăng sự hòa trộn nhiên liệu- không khí

- Điều chỉnh dạng quy luật phun theo khuynh hướng phun nhiều lần để làm giảm HC

- Biện pháp lưu hồi khí xả (ERG: Exhaust Gas Recirculation) mục đích cho khí xả quay lại đường ống nạp giảm bớt oxy và nhiệt độ cháy nhằm giảm ô nhiễm

Hiện nay, các nhược điểm của hệ thống nhiên liệu Diesel đã được khắc phục dần bằng cách cải tiến các bộ phận của hệ thống nhiên liệu như: Bơm cao áp, kim phun, ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao, các ứng dụng điều khiển tự động nhờ sự phát triển của công nghệ Trong động cơ Diesel hiện đại, áp suất phun được lưu trữ

ở ống phân phối do PCM điều chỉnh và đưa đến kim phun với áp suất cao Hệ thống

Common Rail về cơ bản bao gồm các thành phần sau:

− Kim phun điều khiển bằng van điện từ (piezo stack) được gắn vào nắp máy

− Ống tích trữ nhiên liệu (ống phân phối áp lực cao)

− Bơm cao áp (bơm tạo áp suất cao)

Các thiết bị sau cũng cần cho sự hoạt động điều khiển của hệ thống :

cơ, và một cảm biến trên trục cam để nhận biết kỳ hoạt động Lợi ích của kim phun Common Rail là làm giảm mức độ tiếng ồn, nhiên liệu được phun ra với áp suất rất cao đồng thời kết hợp hệ thống điều khiển điện tử để kiểm soát lượng phun, thời điểm phun một cách chính xác Do đó làm hiệu suất động cơ và tính kinh tế nhiên liệu cao hơn

So với hệ thống cũ dẫn động bằng trục cam thì hệ thống nhiên liệu Common Rail khá linh hoạt trong việc đáp ứng thích nghi để điều khiển phun nhiên liệu cho động cơ Diesel như:

- Phạm vi ứng dụng rộng rãi (cho xe du lịch, khách, tải nhẹ, tải nặng, xe lửa và tàu thủy)

- Thay đổi áp suất phun tùy theo chế độ hoạt động của động cơ

- Có thể thay đổi thời điểm phun

Phun nhiên liệu chia làm ba giai đoạn: Phun sơ khởi, phun chính và phun kết thúc Các giai đoạn phun sơ khởi làm giảm thời gian cháy trễ và phun thứ cấp tạo

cho quá trình cháy hoàn thiện Qua đây ta thấy hệ thống nhiên liệu Common Rail có những ưu điểm sau

Động cơ Diesel thế hệ “cũ” trong quá trình làm việc hệ thống cung cấp nhiên liệu thì tạo ra tiếng ồn khá lớn Khi khởi động và tăng tốc đột ngột lượng khói đen thải ra lớn Vì vậy làm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm cao Ở hệ thống nhiên liệu Common Rail áp suất phun lên đến 1350 bar, có thể phun ở mọi thời điểm, mọi chế

độ làm việc và ngay cả động cơ lúc tốc độ thấp 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 Ngoài những ưu điểm nổi trội như đã nêu trên thì hệ thống nhiên liệu Common Rail còn tồn tại một số nhược điểm sau:

2.4 Sự hình thành hỗn hợp không khí và nhiên liệu trong buồng cháy của động cơ Diezel

Tính kinh tế của động cơ Diesel, tiếng ồn và ứng suất của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền phụ thuộc nhiều vào tốc độ biến thiên hóa năng của nhiên liệu thành nhiệt năng Thời gian cấp nhiên liệu, tính chất của nhiên liệu có ý nghĩa quyết định tới tốc độ phản ứng hóa học, quá trình tạo hỗn hợp giữa nhiên liệu và không khí Vì vậy để quá trình cháy diễn ra 1 cách hiệu quả nhất thì ta cần điều chỉnh thật tốt chùm tia nhiên liệu trong buồng cháy Thời gian tạo hỗn hợp được điều khiển bởi kết cấu buồng cháy bằng cách phân chia nhiên liệu thành hạt nhỏ mịn kết hợp với xoáy lốc của không khí để tạo được sự tối ưu trong quá trình cháy của nhiên liệu

trong buồng cháy của động cơ

Ở động cơ Diesel hỗn hợp nhiên liệu và không khí được hình thành bên trong xylanh động cơ trong 1 khoảng thời gian rất ngắn Tính theo góc quay của trục khuỷu, chỉ bằng 1/10 đến 1/20 so với trường hợp của động cơ xăng Ngoài ra nhiên liệu của động cơ Diesel lại khó bay hơi hơn động cơ xăng nên nhiên liệu phải được phun thật tơi và hoà trộn thật đều trong không gian buồng cháy thì quá trình cháy mới thật hiệu quả Vì vậy phải tạo điều kiện để nhiên liệu được sấy nóng, bay hơi nhanh và hoà trộn đều với không khí trong buồng cháy nhằm tạo ra hỗn hợp tốt nhất Mặt khác phải đảm bảo cho nhiệt độ không khí trong buồng cháy tại thời gian phun nhiên liệu phải đủ lớn để hỗn hợp không khí và nhiên liệu tự bốc cháy Quy luật cháy và tỏa nhiệt trong động cơ có ý nghĩa quyết định tới các thông số như áp suất cháy, hiệu suất nhiệt, công suất và thành phần chất độc trong khí thải của động

cơ Trong đó quy luật phun nhiên liệu có ý nghĩa quyết định tới chất lượng phun

sương mù và khả năng bốc hơi của nhiên liệu trong buồng cháy

Quá trình hình thành hỗn hợp và quá trình bốc cháy nhiên liệu trong động cơ Diesel chồng chéo lên nhau, xảy ra liên tục Sau khi phun nhiên liệu thì trong buồng cháy diễn ra một loạt thay đổi về tính chất lý hoá của nhiên liệu, sau đó một phần nhiên liệu được phun vào trước đã tạo thành hoà khí thì tự bốc cháy trong khi nhiên liệu vẫn được tiếp tục phun vào để cung cấp cho xylanh động cơ Thời gian tạo hỗn hợp được điều khiển bởi bản thân kết cấu buồng cháy bằng cách phân chia nhiên liệu thành nhiều hạt nhỏ, mịn kết hợp với xoáy lốc của không khí Chính đặc điểm của quá trình hình thành hoà khí và quá trình cháy như vậy nên để cho phù hợp thì động cơ Diesel có rất nhiều loại buồng cháy khác nhau tuỳ theo cấu tạo của động cơ

và mục đích sử dụng động cơ Hình dáng của buồng cháy phải đáp ứng các yêu cầu

kỹ thuật sau:

− Thích ứng với lượng và hình dáng chùm tia nhiên liệu phun vào

− Tạo được sự xoáy lốc mạnh trộn lẫn không khí với nhiên liệu

Hiện nay buồng cháy của động cơ Diesel được phân loại theo hai cách

- Dựa vào vị trí bay hơi của nhiên liệu thì được chia thành :

+ Hình thành kiểu màng trực tiếp

+ Hình thành kiểu thể tích

+ Hình thành kiểu thể tích - màng

- Dựa vào nhân tố điều khiển và sự hình hành hoà khí thì chia thành :

+ Phun trực tiếp

+ Phun gián tiếp

Đối với động cơ phun trực tiếp thì buồng cháy trong động cơ được chia thành :

- Buồng cháy thống nhất

- Buồng cháy khoét lõm sâu trên đỉnh piston

Còn động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu phun gián tiếp thì buồng cháy của

động cơ cũng được chia thành ba loại sau đây:

+ Buồng cháy xoáy lốc

+ Buồng cháy dự bị

+ Buồng cháy không khí

a b c d e

Hình 2.4: Các kiểu buồng đốt của động cơ Diesel

a Buồng cháy xoáy lốc b Buồng cháy thống nhất c Buồng cháy dự bị

d Buồng cháy kiểu man e Buồng cháy có đỉnh khoét sâu

Quá trình hình thành hỗn hợp của động cơ Diesel chỉ chiếm một thời gian

nhỏ do đặc điểm kết cấu của động cơ và hình thành hỗn hợp nhiên liệu là hỗn hợp

không đồng nhất Vì vậy quá trình hình thành hỗn hợp là một quá trình rất phức tạp

và diễn ra ở nhiều giai đoạn khác nhau

Hơn nữa quá trình bay hơi của các hạt nhiên liệu rất phức tạp, điều kiện cho

việc bay hơi của các hạt nhiên liệu ở mỗi vị trí của chùm tia là khác nhau do đó việc

tính toán là rất phức tạp và chỉ mang tính gần đúng Nhiên liệu phun vào buồng

cháy có đường kính khác nhau mà sự sấy nóng và bay hơi của các hạt nhiên liệu lại

D d

D d

phụ thuộc rất nhiều vào đường kính, nhiệt độ, áp suất của các hạt nhiên liệu phun vào Ngoài ra còn phụ thuộc vào tính chất vật lý của nhiên liệu Thời gian để bay hơi hoàn toàn các hạt nhiên liệu trong xylanh động cơ phụ thuộc vào áp suất, nhiệt

độ ở thời điểm phun Khi tăng áp suất không khí nạp sẽ ảnh hưởng mạnh tới sự bay hơi bởi vì áp suất và nhiệt độ của không khí cuối quá trình nén sẽ tăng Sự xoáy lốc mạnh của không khí nạp trong buồng cháy cũng có tác dụng nâng cao cường độ và tốc độ bay hơi của nhiên liệu

Quá trình hình thành hoà khí tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nhưng chủ yếu là phụ thuộc vào kết cấu của buồng cháy trong động cơ

Đối với động cơ Diesel có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy trong động cơ, trong các yếu tố đó có nhiều yếu tố thuộc khâu kết cấu, thiết kế buồng cháy, kết cấu đường ống nạp và có nhiều yếu tố phụ thuộc vào chế độ hoạt

động của động cơ như : Số vòng quay, thời điểm phun, lượng phun

Khả năng làm việc tối ưu của động cơ Diesel phụ thuộc chủ yếu vào 2 yếu tố điều chỉnh cơ bản là : Lượng nhiên liệu phun vào động cơ và thời điểm phun Cả hai thông số điều chỉnh cơ bản này đều được điều chỉnh bởi bộ điều khiển điện tử trên

cơ sở xử lý các thông tin đầu vào như : Số vòng quay, chế độ tải trọng động cơ, nhiệt độ nước làm mát Nói chung có nhiều bộ xử lý điều khiển nhiều hệ thống khác nhau lắp trên ô tô Tuy nhiên bộ xử lý nào cũng hoạt động theo nguyên lý thu thập thông tin dựa vào điều kiện làm việc của hệ thống và trên cơ sở đó điều khiển các cơ cấu chấp hành theo cách mà người thiết kế mong muốn Khuynh hướng hiện nay vẫn tập trung vào việc nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp cháy trong động cơ Diesel nhằm mục đích nâng cao công suất, tiết kiệm nhiên liệu, giảm chất độc hại

trong khí thải

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU TRÊN

ĐỘNG CƠ SKYACTIV-D

3.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ SKYACTIV-D

3.1.1 Giới thiệu về động cơ

Công nghệ "SKYACTIV" của Mazda có nhiệm vụ phát huy tối đa tiềm năng của động cơ đốt trong trước khi phải tận dụng công nghệ động cơ điện Cũng vì lý

do này, trong khi những nhà sản xuất ô tô khác phát triển xe EV và Hybrid, Mazda tập trung vào việc phát triển những công nghệ độc đáo nhằm phát huy tiềm năng của động cơ đốt trong

Hình 3.1: Động cơ Mazda Skyactiv

Theo Mazda, mặc dù đã liên tục được cải tiến hàng trăm năm qua, nhưng động cơ đốt trong hiện nay chỉ mới tận dụng được từ 20% đến 30% năng lượng hàm chứa trong nhiên liệu để biến thành động năng vận hành các bánh xe Phần còn lại hoặc không được đốt trọn vẹn hoặc bị mất đi một cách vô ích dưới dạng nhiệt năng.Công nghệ "SKYACTIV" của Mazda có nhiệm vụ phát huy tối đa tiềm năng của động cơ đốt trong trước khi phải tận dụng công nghệ động cơ điện Cũng vì lý

do này, trong khi những nhà sản xuất ô tô khác phát triển xe EV và Hybrid, Mazda tập trung vào việc phát triển những công nghệ độc đáo nhằm phát huy tiềm năng của động cơ đốt trong

Các công nghệ then chốt tạo nên sự khác biệt của động cơ SKYACTIV-D so với các động cớ Diesel thông thường khác

Các tính năng của động cơ SKYACTIV-D:

 Hiệu suất nhiên liệu 20% tốt hơn nhờ tỉ lệ nén thấp 14.0: 1

Một bộ tăng áp hai giai đoạn mới thực hiện êm dịu và điều khiển ở tốc độ động cơ thấp tới cao, làm tăng mô men xoắn động cơ (lên đến 5.200 Rpm) Phù hợp với các quy định về phát thải khí thải toàn cầu (Euro 6 ở châu Âu và Quy định mới

về dài hạn ở Nhật Bản), mà không cần xử lý NOx đắt tiền

 Nguyên nhân sinh ra NOx và bồ hóng

Do thực tế rằng động cơ Diesel thường có tỷ số nén cao, nhiệt độ nén và áp suất ở điểm chết trên của piston (TDC) rất cao.Nếu nhiên liệu được bơm vào dưới những điều kiện này, sự cháy sẽ diễn ra trước khi một hỗn hợp không khí-nhiên liệu được hình thành, gây ra sự cháy cục bộ không đồng nhất trong buồng đốt Kết quả

là việc hình thành NOx, và do sự cháy với oxy không đủ, hình thành nên bồ hóng trong buồng đốt

Hình 3.2 : Quá trình hình thành bồ hóng và NOx

Do các quy định nghiêm ngặt về giảm thiểu khí thải gần đây (EURO 6) đã gây ra khó khăn cho quá trình đốt cháy nhiên liệu (do nhiên liệu hòa trộn chưa đều

và sinh ra nhiều khí thải độc hại) Không còn lựa chọn nào khác ngoài việc trì hoãn quá trình đốt cháy cho đến khi piston bắt đầu đi xuống và làm thấp áp suất và nhiệt

độ trong xi-lanh, mặc dù đây là nguyên nhân làm xấu đi tính kinh tế nhiên liệu

 Tối ƣu hóa thời gian đốt cháy bằng cách giảm tỷ lệ nén

Khi tỷ số nén được hạ xuống, nhiệt độ nén và áp suất nén tại điểm chết trên giảm, làm ảnh hưởng đến quá trình đốt cháy nhiên liệu ngay cả khi nhiên liệu được phun gần TDC Do tỷ số nén thấp nên quá trình cháy nhiên liệu sẽ diễn ra dài hơn

và nhiên liệu sẽ được hòa trộn tốt hơn (tối ưu hơn) so với động cơ có tỷ số nén cao Điều này làm giảm bớt sự hình thành NOx và bồ hóng vì quá trình đốt cháy trở nên đồng nhất hơn mà không xuất hiện nơi có nhiệt độ cao cục bộ và thiếu oxy Hơn nữa, việc phun và đốt gần TDC tạo ra một động cơ Diesel hiệu suất cao, trong đó chu trình công tác diễn ra dài hơn (hoặc một tỷ lệ giãn nở cao hơn) so với động cơ Diesel có tỷ số nén cao và đồng thời không gây ra kích nổ cho động cơ

Hình 3.3 : So sánh quá trình phun nhiên liệu giữa Skyactiv-D

 Giảm trọng lƣợng và ma sát cơ học do giảm tỷ lệ nén

Do tỷ lệ nén thấp, áp suất trong xi lanh của SKYACTIV-D thấp hơn động cơ Diesel thông thường, giảm trọng lượng đáng kể thông qua việc tối ưu hóa cấu trúc

Ví dụ, có thể thay đổi vật liệu của khối xi lanh bằng nhôm, giảm được khối lượng so với động cơ Diesel thông thường Đầu xi lanh trở nên nhẹ hơn với bề dày động cơ mỏng, gọn hơn và một ống xả tích hợp Đối với các bộ phận lồi, trọng lượng của piston đã giảm khá nhiều

Trục khuỷu đã có đường kính cổ trục chính giảm Kết quả là, ma sát cơ học

đã giảm đáng kể đến mức bằng với động cơ xăng trung bình

Hình 3.4 : Đồ thị so sánh tỉ số nén của động cơ SKYACTIV-D

và động cơ Diesel thường

Có hai vấn đề chính đã ngăn sự phát triển của động cơ Diesel tỉ số nén thấp bất

kể những thành tích này Thứ nhất là khi áp suất nén giảm, nhiệt độ nén trong quá trình khởi động lạnh là quá thấp để gây ra sự cháy, làm động cơ khó khởi động Thứ hai động cơ bị tắt trong quá trình khởi động do thiếu nhiệt độ và áp suất nén

Và công nghệ SKYACTIV-D ra đời đảm bảo khả năng khởi động lạnh và ngăn ngừa sự tắt trong suốt quá trình làm nóng

 Sự hình thành hỗn hợp cháy với kim phun lớp tinh thể (piezo)

Các kim phun mới cho phép kim phun hoạt động nhiều kiểu phun hơn vào động cơ theo từng chế độ tải của xe (tối đa là 8 lần phun trong 1 chu kỳ động cơ)

Độ chính xác của liều lượng phun và thời gian phun làm tăng tính chính xác của việc kiểm soát nồng độ hỗn hợp, đảm bảo khả năng khởi động lạnh Các kim phun này có khả năng phun nhiều lần vào buồng đốt trong 1 chu kỳ cháy Cùng với ba lần phun cơ bản: phun trước, phun chính, và phun sau, các kiểu phun khác nhau sẽ được đặt theo điều kiện xe chạy ở mỗi chế độ khác nhau Động cơ có thể bắt đầu khởi động ngay cả với tỷ lệ nén thấp là do việc điều khiển phun chính xác cũng như việc chấp nhận các pugi xông

 Mô-men xoắn cao hơn, phát thải sạch, và tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn

với bộ tăng áp hai giai đoạn

Không cần phải nói rằng động cơ tăng áp góp phần lớn vào mô-men xoắn cao của động cơ Diesel, nhưng chúng cũng không thể thiếu trong việc giảm phát thải và tiêu hao nhiên liệu SKYACTIV-D sử dụng một turbo tăng áp hai giai đoạn, trong đó một turbo nhỏ và một turbo lớn được điều khiển theo các điều kiện xe chạy Công nghệ này đạt được mô men và đáp ứng yêu cầu tốt hơn ở tốc độ thấp, khi lượng khí thải ra ít nhưng turbo tăng áp vẫn đảm bảo hoạt động tốt do có thêm turbo nhỏ, và công suất cao ở tốc độ cao Hơn nữa, có thể đảm bảo hiệu quả quá trình cháy với tỷ số nén thấp và giảm khí thải NOx và bồ hóng vì có thể đảm bảo đủ lượng không khí nạp vào ngay cả ở tốc độ thấp (oxy)

Hình 3.5 : Turbo tăng áp hai giai đoạn

3.1.2 Các thông số kỹ thuật của động cơ SKYACTIV-D

Thông số Giá trị Đơn vị

Bảng 3.1 : Bảng thông số động cơ MAZDA CX5 SKYACTIV-D

3.2 HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU TRÊN ĐỘNG CƠ SKYACTIV-D

3.2.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống nhiên liệu động cơ SKYACTIV-D

a Cấu tạo của hệ thống:

Trên động cơ SKYACTIV-D sử dụng hệ thống nhiên liệu Common Rail Hệ thống có cấu tạo gồm 2 phần chính sau:

 Hệ thống cung cấp nhiên liệu:

- Gồm thùng nhiên liệu, lọc nhiên liệu, bơm cao áp, ống phân phối, kim phun, các đường ống cao áp và các đường nhiên liệu áp suất thấp Hệ thống cũng

cấp nhiên liệu có công dụng hút nhiên liệu từ thùng chứa sau đó nén nhiên liệu lên

áp suất cao và nhờ tín hiệu điều khiển pcm sẽ phun nhiên liệu vào buồng đốt

 Hệ thống điều khiển điện tử:

- Gồm bộ xử lý trung tâm PCM, các cảm biến vào và bộ chấp hành, PCM

thu thập các tín hiệu từ cảm biến khác nhau để nhận biết tình trạng hoạt động của

động cơ, sau đó tính toán lượng phun, thời gian phun để điều khiển kim phun phun

nhiên liệu vào xi lanh Ngoài ra hệ thống điều khiển điện tử còn tính toán và điều

khiển áp suất nhiên liệu, hệ thống tuần hoàn khí xả(ERG) và hệ thống turbo tăng áp

2 chế độ (two-stage turbo)

Sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống như hình dưới:

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống Common Rail Skyactiv-D

1 Bơm cao áp 8 Kim phun

2 Van điều khiển hút 9 Công tắc báo mực nước

3 Van nạp nhiên liệu 10 Bộ lọc nhiên liệu

4 Van kiểm soát nhiên liệu 11 Bộ sưởi ấm nhiên liệu

5 Ống phân phối 12 Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu

6 Cảm biến áp suất nhiên liệu 13 Thùng chứa nhiên liệu

7 Van giảm áp trên ống rail 14 Bơm dầu trong thùng nhiên liệu

b Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

Nhiên liệu được bơm tiếp vận hút nhiên liệu từ thùng chứa, qua lọc nhiên liệu

để lọc sạch cặn bẩn và tách nước, sưởi ấm nhiên liệu khi thời tiết lạnh và nhiệt độ nhiên liệu thay đổi và đưa đến van điều khiển hút (SCV) được lắp trên bơm cao áp

Nhiên liệu từ van điều khiển hút (SCV) được đưa vào buồng bơm cao áp, tại đây nhiên liệu sẽ được bơm cao áp nén lên áp suất cao và sau đó đi theo đường ống cao áp đến ống phân phối (Common Rail) và từ ống phân phối đến kim phun chờ sẵn Áp suất nhiên liệu sẽ được tính toán và quyết định bởi PCM tùy theo chế độ làm việc của động cơ từ các tín hiệu của cảm biến gửi về PCM sẽ điều khiển sự đóng mở dài ngắn của van SCV để thay đổi áp suất nhiên liệu phù hợp với động cơ

PCM sẽ điều khiển lượng phun, thời điểm và áp suất phun tối ưu nhất vào buồng đốt theo từng chế độ hoạt động của động cơ dựa vào các tín hiệu từ các cảm biến gửi về Lượng phun được điều khiển bằng cách nhấc viên bi ở cuối kim phun dựa vào tín hiệu điều khiển từ PCM Kim phun được PCM điều khiển phun nhiều lần mục đích làm cho quá trình cháy diễn ra chậm hơn và làm giảm tiếng ồn động

cơ và NOx PCM xác định và điều khiển thời gian phun tối ưu theo điều kiện hoạt động của động cơ dựa vào tín hiệu đầu vào từ các cảm biến, áp suất nhiên liệu trong ống phân phối cũng được PCM kiểm soát dựa vào cảm biến áp suất trên ống để đạt được áp suất phun nhiên liệu tối ưu nhất cho các điều kiện hoạt động của động cơ Dựa vào tín hiệu báo về từ các cảm biến PCM sẽ điều chỉnh van áp suất nhiên liệu

và duy trì áp suất cao ngay cả ở tốc độ thấp và kết quả là làm giảm khí NOx và PM

3.3 Hệ thống điều khiển điện tử

3.3.1.Hệ thống tín hiệu đầu vào

Sơ đồ các tín hiệu đầu vào của động cơ Skyactiv-D

Hình 3.7 : Sơ đồ các tín hiệu đầu vào của động cơ Skyactiv-D

3.3.1.1 Cảm biến lưu lượng khí nạp ( MASS AIR FLOW SENSOR)

a Chức năng

Phát hiện lượng không khí nạp sau khi nó đi qua bộ lọc không khí và gửi đến PCM làm thông tin cơ bản để chủ yếu xác định lượng phun nhiên liệu

b Cấu tạo

Cảm biến lưu lượng khí nạp được lắp đặt ở trước bộ lọc không khí

Đây là một loại cảm biến dây nhiệt và được tích hợp cả cảm biến nhiệt độ khí nạp (IAT) số 1

c Nguyên lý hoạt động

Dòng điện chạy vào dây sấy (bộ sấy) làm cho nó nóng lên.Khi không khí chạy quanh dây này, dây sấy được làm nguội tương ứng với khối không khí nạp.Bằng cách điều chỉnh dòng điện chạy vào dây sấy này để giữ cho nhiệt độ của dây sấy không đổi, dòng điện đó sẽ tỷ lệ thuận với khối lượng không khí nạp.Sau đó

có thể đo khối lượng không khí nạp bằng cách phát hiện dòng điện đó.Trong trường hợp của cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dây sấy, dòng điện này được biến đổi thành một điện áp, sau đó được truyền đến PCM

Hình 3.8: Nguyên lý hoạt động của cảm biến MAF

3.3.1.2 Cảm biến vị trí trục khuỷu (CRANKSHAFT POSITION SENSOR )

a Chức năng

Cảm biến vị trí trục khuỷu lắp vào vỏ trước của động cơ hoặc lắp ở thân máy gần bánh đà Cảm biến này sử dụng phần tử GMR có cấu tạo giống với cảm biến Hall

Hình 3.9 : Vị trí của cảm biến trục khuỷu

Cảm biến tốc độ trục khuỷu để nhận biết tốc độ của động cơ, vị trí trục khuỷu và sự bỏ máy của động cơ.Tín hiệu của cảm biến vị trí trục khuỷu kết hợp với tín hiệu cảm biến trục cam để chỉ ra được vị trí của xylanh ở trong kỳ nén và PCM xác định được thứ tự phun nhiên liệu của động cơ

Cảm biến vị trí trục khuỷu phát hiện góc quay trục khuỷu Đĩa tạo tín hiệu trục khuỷu có 56 răng (tách ra ở khoảng 6° CA, với 4 răng bị thiếu để phát hiện Top Dead Center [TDC] cho các xi lanh số 1 và số 4)

c Nguyên lý hoạt động

Cảm biến vị trí trục khuỷu là loại cảm biến cảm ứng từ Thông tin ghi nhận được gửi tới PCM bằng tín hiệu điện áp Cảm biến trục khuỷu được xem như một máy phát xung từ tính ở nam châm điện bên trong cảm biến Cảm biến trục khuỷu nhận biết vị trí trục khuỷu và tốc độ quay của động cơ tại vị trí răng thiếu của bánh

đà, nhưng không xác định được điểm chết trên của kỳ nén hay kỳ thải Như vậy, một vòng quay trục khuỷu, cảm biến chỉ phát ra 1 xung Phương án này làm cho độ chính xác trong đo đạc giảm xuống, tuy nhiên lại gọn nhẹ Để đo tốc độ động cơ ta phải dựa vào việc đo thời gian giữa 2 xung liên tiếp nhau Thời gian này tỷ lệ nghịch với tốc độ

Cảm biến trục khuỷu là loại cảm biến từ trở thay đổi.Điều này chỉ xảy ra khi

di chuyển một vật liệu sắt từ (đầu từ trở) ngang qua từ trường cảm biến, cảm biến tạo ra tín hiệu điện áp dạng sóng hình sin truyền đến bộ xử lý Tín hiệu tạo ra khi đầu từ trở chuyển động ngang qua cảm biến Khi một răng trên đầu từ trở chuyển động đến gần cảm biến (cuộn dây), đường sức từ của cảm biến thay đổi làm sinh ra một điện áp dương bên trong cuộn dây của cảm biến Từ trường thay đổi càng nhiều, điện áp sinh ra càng lớn Khi răng chuyển động ra xa từ trường thay đổi theo xu hướng ngược lại và tạo ra dạng xung âm cho đến khi khoảng hở giữa các răng thẳng hàng với đầu cảm biến lúc này điện áp không được sinh ra, không có sự thay đổi từ trường

Như vậy khi một vật thể sắt từ quét qua, cuộn dây trong cảm biến sẽ phát ra một sóng hình sin có biên độ thay đổi theo tốc độ Để PCM nhận biết được thì phải nắn tín hiệu này thành xung vuông chuẩn 5V

PCM sẽ xác định khoảng thời gian phun cơ bản và lượng phun cơ bản dựa vào tín hiệu này Khi răng càng ra xa cực nam châm thì khe hở không khí càng lớn, nên từ trở cao, do đó từ trường yếu đi Tại vị trí đối diện, khe hở nhỏ, nên từ trường

mạnh, tức là có nhiều đường sức từ cắt, trong cuộn dây sẽ xuất hiện một dòng điện xoay chiều, đường sức qua nó càng nhiều, thì dòng điện phát sinh càng lớn Tín hiệu sinh ra thay đổi theo vị trí của răng, và nó được PCM đọc xung điện thế sinh

ra, nhờ đó mà PCM nhận biết vị trí trục khuỷu và tốc động cơ

3.3.1.3 Cảm biến trục cam ( CAMSHAFT POSITION SENSOR )

a Chức năng

Trong các loại cảm biến trên ô tô thì cảm biến vị trí trục cam có chức năng xác định vị trí của trục cam kết hợp với cảm biến vị trí trục khuỷu cung cấp thông tin cho bộ xử lý trung tâm để tính toán thời điểm phun nhiên liệu hợp lý nhất

b Cấu tạo

Hình 3.11 : Sơ đồ tín hiệu hoạt động của cảm biến trục cam

Bộ phận chính của cảm biến là một cuộn cảm ứng, một nam châm vĩnh cửu

và một rotor dùng để khép mạch từ có số răng tùy loại động cơ

c Nguyên lý hoạt động

Trên trục cam đối diện với cảm biến vị trí trục cam là đĩa tín hiệu G có các răng Số răng là 5 Khi trục cam quay, khe hở không khí giữa các vấu nhô ra trên trục cam và cảm biến này sẽ thay đổi Sự thay đổi khe hở tạo ra một điện áp trong cuộn nhận tín hiệu được gắn vào cảm biến này, sinh ra tín hiệu G Tín hiệu G này được chuyển đi như một thông tin về góc chuẩn của trục khuỷu đến PCM động cơ, kết hợp nó với tín hiệu NE từ cảm biến vị trí của trục khuỷu để xác định TDC (điểm

chết trên) kỳ nén của mỗi xi lanh để phun nhiên liệu và phát hiện góc quay của trục khuỷu PCM động cơ dùng thông tin này để xác định thời gian phun và thời điểm phun

3.3.1.4 Cảm biến nhiệt độ làm mát động cơ ( ENGINE COOLANT TEMPERATURE )

a Chức năng

Cảm biến nhiệt độ làm mát động cơ được lắp trên nắp xylanh hoặc lắp ở gần đường vào trên két nước Cảm biến này có cấu tạo dạng trụ rỗng có ren bên ngoài, bên trong có lắp một điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát có nhiệm vụ đo nhiệt độ của nước làm mát động cơ và truyền tín hiệu đến bộ xử lý trung tâm để tính toán thời gian phun nhiên liệu, góc phun sớm, tốc độ chạy không tải, …ở một số dòng xe, tín hiệu này còn được dùng để điều khiển hệ thống kiểm soát khí xả, chạy quạt làm mát động cơ

áp được gửi đến PCM động cơ trên nền tảng cầu phân áp

Hình 3.13 : Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Điện áp 5V qua điện trở chuẩn (điện trở này có giá trị không đổi theo nhiệt độ) đến cảm biến rồi trở về PCM về mass Như vậy điện trở chuẩn và nhiệt điện trở trong cảm biến tạo thành một cầu phân áp.Điện áp điểm giữa cầu được đưa đến bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự – số (bộ chuyển đổi ADC – Analog to Digital converter)

Khi nhiệt độ động cơ thấp, giá trị điện trở cảm biến cao và điện áp gửi đến

bộ biến đổi ADC lớn Tín hiệu điện áp được chuyển đổi thành một dãy xung vuông

và được giải mã nhờ bộ vi xử lý để thông báo cho PCM động cơ biết động cơ đang lạnh Khi động cơ nóng, giá trị điện trở cảm biến giảm kéo theo điện áp đặt giảm, báo cho PCM động cơ biết là động cơ đang nóng

3.3.1.5 Cảm biến nhiệt độ khí nạp IAT ( INTAKE AIR TEMPERATURE SENSOR)

một cách chính xác và hiệu quả hơn