1.4.3.1. Hệ thống nhiên liệu điều chỉnh bằng cam dọc
Loại điều chỉnh bằng cam dọc (cam di động dọc trục). Ở đây cam có dạng nửa hình côn. Ta điều chỉnh lượng cung cấp nhiên liệu bằng cách điều chỉnh trục cam dọc, chính là điều chỉnh phần cam làm việc có ích lớn hay nhỏ sẽ làm thay đổi hành trình piston bơm từ đó làm thay đổi lượng nhiên liệu đến vòi phun. Khi trục cam di động làm con đội piston bơm tiếp xúc và làm việc ở phần cam lớn sẽ làm tăng hành trình piston do đó làm tăng lưu lượng nhiên liệu phun. Ngược lại khi con đội piston bơm tiếp xúc và làm việc ở phần cam nhỏ sẽ làm giảm lưu lượng nhiên liệu phun. Phương pháp này hiện nay không còn được sử dụng.
23
Hình 1.19. BCA điều chỉnh bằng cam dọc
1. Piston; 2. Xylanh; 3. Đầu nối ống cao áp; 4. Ống cao áp; 5. Van triệt hồi; 6.Van nạp; 7. Lò xo khứ hồi; 8. Con đội; 9. Cam nhiên liệu; 10. Thân bơm.
1.4.3.2. Hệ thống nhiên liệu điều chỉnh bằng cách tiết lưu
Loại điều chỉnh bằng cách tiết lưu. Lượng nhiên liệu cung cấp được điều chỉnh thông qua một van tiết lưu, khi điều chỉnh van chính là điều chỉnh đóng bớt, hay mở lớn van tiết lưu, lượng nhiên liệu phun vào xylanh sẽ bị thay đổi theo. Khi đóng bớt van tiết lưu, nhiên liệu hồi về ít sẽ làm tăng lưu lượng nhiên liệu đến vòi phun hay chính là lượng nhiên liệu phun vào xylanh động cơ nhiều hơn. Ngược lại, mở van tiết lưu lớn làm nhiên liệu hồi về nhiều hơn, do đó làm giảm lưu lượng nhiên liệu đến vòi phun và xylanh động cơ.
24
Hình 1.20. Bơm cao áp điều chỉnh bằng van tiết lưu
1. Piston; 2. Xy lanh; 3. Đầu nối ống cao áp; 4. Ống cao áp; 5. Van tiết lưu; 6. Lỗ nạp; 7. Chêm điều chỉnh góc phun sớm; 8. Lò so khứ hồi; 9.Thân BCA; 10. Con đội; 11. Cam nhiên liệu; 12. Cần bơm tay.
1.4.3.3. Hệ thống nhiên liệu điều chỉnh bằng rãnh chéo trên piston
Loại điều chỉnh bằng rãnh chéo trên piston. Trên thân piston của bơm cao áp có rãnh chéo để khi xoay piston quanh tâm của nó sẽ làm thay đổi hành trình có ích của piston bơm, tức làm cho rãnh chéo tiếp xúc sớm hay muộn với đường nhiên liệu đến bơm cao áp, từ đây sẽ làm thay đổi lượng nhiên liệu đến vòi phun hay phun vào xylanh động cơ. Loại này hiện nay được sử dụng phổ biến trên hầu hết trên hệ thống nhiên liệu động cơ diesel hiện nay .
25
Hình 1.21. Cấu tạo cặp piston - xylanh có rãnh chéo trên piston loại BCA Bosch
1. Lỗ nạp; 2. Xylanh; 3. Piston; 4. Lỗ xả bà định vị; 5. Rãnh dọc; 6. Mép vát; 7. Rãnh chéo; 8. Rãnh ngang;
Cặp piston - xylanh của BCA gồm 2 chi tiết : xylanh và piston. Trên thành xylanh có lỗ nạp, lỗ xả và lỗ định vị. Lỗ nạp để nhiên liệu từ khoang nạp (không gian chứa nhiên liệu thấp áp trong BCA) đi vào khoang bơm (không gian công tác của xylanh được giới hạn bởi đỉnh piston, van triệt hồi và thành xylanh của BCA). Lỗ xả để nhiên liệu thoát từ khoang bơm ra khoang nạp. Lỗ định vị để cố định xylanh với vỏ BCA. Một lỗ trên xylanh có thể chỉ thực hiện một chức năng (nạp, xả, định vị) hoặc thực hiện đồng thời 2 hay cả 3 chức năng. Trên phần đầu của piston có rãnh dọc, rãnh chéo và rãnh ngang. Rãnh dọc để cho nhiên liệu từ khoang bơm thoát về khoang nạp sau khi rãnh chéo thông với lỗ xả. Mép vát có tác dụng làm thay đổi hành trình có ích của piston, qua đó điều chỉnh lượng nhiên liệu chu trình khi piston được xoay trong lòng xylanh. Để tạo ra được áp suất rất cao của nhiên liệu trước khi phun vào buồng đốt, khe hở hướng kính giữa piston và xylanh phải rất nhỏ (khoảng 0,015 ÷0,025 mm).
Cặp piston - xylanh là bộ phận quan trọng nhất của BCA và là một trong các cặp lắp ghép siêu chính xác trong hệ thống phun nhiên liệu của động cơ diesel.
26
1.4.3.4. Hệ thống nhiên liệu điều chỉnh bằng khâu phân lượng
Điều chỉnh bằng khâu phân lượng tức là khi ta điều chỉnh khâu phân lượng dịch lên hay dịch xuống sẽ làm thay đổi lỗ ngang của piston bơm với mạch nhiên liệu trễ hay sớm, sẽ làm cho nhiên liệu đến vòi phun nhiều hay ít. Khi ta điều chỉnh khâu phân lượng nhích lên thì thời điểm mở thông lỗ ngang của piston bơm với mạch nhiên liệu sẽ trễ, do đó lượng nhiên liệu sẽ đi đến vòi phun nhiều. Ngược lại, nếu điều chỉnh khâu phân lượng hạ xuống sẽ làm lượng nhiên liệu đến vòi phun ít.
1.5. Phương pháp tổ hợp các thành tố của hệ thống
1.5.1. Hệ thống nhiên liệu với BCA kiểu piston – xylanh loại đơn (PF)
Bơm cao áp PF hoạt động nhờ dẫn động từ trục cam của động cơ, mỗi bơm cao áp PF riêng biệt cung cấp nhiên liệu cho một xylanh động cơ. Bộ phận chính của bơm cao áp PF là một cặp piston – xylanh siêu chính xác, trên piston có xẻ rãnh.
Điều chỉnh lượng nhiên liệu đến vòi phun được thực hiện bằng cách thay đổi hành trình có ích của piston nhờ vào điều chỉnh thanh răng để xoay ty bơm, làm thay đổi thời điểm rãnh chéo trên piston để mở lỗ xả thông nhiên liệu với ống nạp. Nhiên liệu được nén với áp suất cao ở bơm cao áp rồi đưa đến vòi phun qua ống cao áp. Loại này có ưu điểm là ống dẫn cao áp ngắn, các ống đều bằng nhau. Các bơm hoạt động độc lập nên ta có thể sửa chữa một bơm trong khi các bơm khác vẫn đang hoạt động do đó sức sống của động cơ và thiết bị (tàu, ô tô…) cao.
Bơm PF không thể tự điều chỉnh thời điểm phun, việc điều chỉnh này được thực hiện nhờ vào các cơ cấu lắp trên trục cam động cơ và quy luật phun do biên dạng cam quyết định.
Bơm PF có nhiều kích cỡ, đường kính piston bơm khác nhau từ 4 ly đến 40 ly, khoảng chạy của piston bơm từ 7 ly đến 35 ly tùy vào mỗi quốc gia và chúng cũng có những ký hiệu khác nhau: Bơm do Mỹ chế tạo có ký hiệu APF, do Anh chế tạo là BPF, Đức là Rober Bosch.
27
Hình 1.22. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu sử dụng bơm cao áp đơn PF 1. Thùng nhiên liệu; 2, 4. Ống dầu thấp áp; 3. Lọc nhiên liệu 5. Thanh răng; 6. Bơm cao áp; 7. Đế bơm; 8. Vòi phun; 9. Ống dầu hồi
1.5.2. Hệ thống nhiên liệu với BCA kiểu piston – xylanh loại cụm (PE)
Trong hệ thống nhiên liệu với BCA cụm PE thì bơm cao áp là bộ phận quan trọng nhất, bơm vừa thực hiện nhiệm vụ định lượng, định thời cũng như quy luật phun nhiên liệu.
Bơm cao áp PE là một tổ hợp bơm gồm nhiều phần tử bơm PF lắp trong một vỏ, các phần tử bơm được dẫn động bằng một trục cam nằm trong vỏ bơm và một thanh răng chung điều khiển các piston bơm.
Định lượng trong bơm PE được thực hiện thông qua bộ điều tốc cơ khí để điều khiển thanh răng nhiên liệu làm xoay piston bơm để làm thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình. Định thời được thực hiện bằng bộ điều chỉnh góc phun sớm lắp tại vị trí nối giữa bánh răng dẫn động trục cam và trục cam nhiên liệu. Quy luật phun do biên dạng cam quyết định.
28
Ngoài ra, hệ thống cũng có các bộ phận khác như thùng chứa nhiên liệu, bơm tiếp vận được lắp bên hông bơm cao áp, hút nhiên liệu từ thùng chứa qua bầu lọc sơ cấp và thứ cấp trước khi đi vào bơm cao áp.
Lọc sơ cấp được gắn trong bơm tiếp vận có tác dụng lắng nước và lọc các cặn lớn. Lọc thứ cấp (lọc tinh) lọc sạch các cặn bẩn rất bé trước khi đi vào bơm cao áp. Nơi rắc co dầu về ở bầu lọc thứ cấp có một van tràn để đảm bảo áp suất tiếp vận cần thiết để đẩy nhiên liệu đi qua bầu lọc thứ cấp trước khi tràn về thùng chứa. Nếu lò xo van này bị yếu hay gãy thì bơm cao áp sẽ thiếu nhiên liệu. Do đó, động cơ không làm việc được ở tốc độ cao.
Hình 1.23. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu với BCA PE
1. Đường dầu hồi; 2. Thùng dầu; 3. Đường dầu đến bơm tiếp vận; 4. Bơm cao áp; 5. Bơm tiếp vận; 6. Lọc nhiên liệu;
7. Đường dầu cao áp; 8. Vòi phun.
1.5.3. Hệ thống nhiên liệu với BCA – Vòi phun liên hợp
Bơm cao áp - vòi phun liên hợp được lắp trực tiếp lên nắp xylanh và phun nhiên liệu vào buồng đốt, mỗi xylanh động cơ được trang bị một bộ bơm cao áp - vòi phun liên hợp, piston bơm được dẫn động nhờ vào hệ thống cam, đệm đẩy, đũa
29
đẩy và cò mổ. Định lượng nhiên liệu được thực hiện nhờ vào điều chỉnh thanh răng nhiên liệu thông qua bộ điều tốc. Định thời nhiên liệu và quy luật phun do các bộ điều chỉnh góc phun sớm và biên dạng cam nhiên liệu qui định.
Một số loại bơm cao áp - vòi phun liên hợp: bơm cao áp - vòi phun liên hợp của hãng GM, bơm cao áp PT của hãng Cummin có phương pháp dẫn động tương tự như bơm cao áp vòi phun liên hợp của hãng GM nhưng dùng vòi phun hở, bơm cao áp vòi phun liên hợp của công ty Detroit trang bị cho động cơ series 53,71,92 có kết cấu tương tự như bơm cao áp của hãng GM.
Hình 1.24. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu với BCA - Vòi phun liên hợp 1.Thùng chứa nhiên liệu; 2. Lọc thô; 3. Bơm tiếp vận; 4. Lọc tinh;
5. Ống dầu đến; 6. Ống dầu hồi; 7. BCA - Vòi phun
1.5.4. Hệ thống nhiên liệu với BCA kiểu phân phối
Bơm cao áp kiểu phân phối là loại bơm cao áp có một trục quay phân phối duy nhất, đảm bảo được độ đồng đều nhiên liệu cung cấp cho các xylanh.
Bơm có kết cấu nhỏ gọn, trọng lượng nhỏ, cấu tạo và hoạt động đơn giản. Trong bơm không chứa bánh răng và lò xo làm việc lớn như bơm thành hàng (PE). Toàn bộ bơm là một khối kín và chắc, việc bôi trơn các bộ phân chuyển động do
30
chính nhiên liệu đã được lọc sạch chạy trong lòng bơm dưới áp suất tương đối lớn ngăn không cho không khí, nước và các bụi bẩn từ bên ngoài vào.
Hình 1.25. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu bơm cao áp phân phối loại CAV-DPA 1. Thùng nhiên liệu; 2. Bơm chuyển; 3. Lọc nhiên liệu; 4. Cần ga; 5. Bơm tiếp
vận; 6. Bộ điều áp; 7. Piston điều áp; 8. Đường dầu cao áp; 9, 13. Rotor; 10, 12. Đường dầu nạp; 11. Vòi phun.
Hệ thống nhiên liệu này được định lượng nhờ vào van phân lượng, bộ diều tốc cơ khí (loại bơm đặt nằm) hay bộ điều tốc thủy lực (loại bơm đặt đứng) sẽ điều khiển van này làm thay đổi lượng nhiên liệu cho piston tăng áp để từ đó làm thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình. Định thời của hệ thống được thực hiện nhờ vào bộ tự động điều chỉnh góc phun sớm tác động trực tiếp lên vòng cam. Quy luật phun nhiên liệu do biên dạng cam dẫn động piston tăng áp quyết định.
Hệ thống nhiên liệu sử dụng các loại bơm phân phối như: Bơm cao áp CAV của Mỹ dùng cho động cơ Perkin 6-354, BMC ….Ngoài ra, hiên nay còn sử dụng loại bơm cao áp phân phối như VE điều khiển bằng cơ khí, VE điều khiển bằng điện tử.
31
1.5.5. Hệ thống nhiên liệu trang bị điều khiển điện tử Common rail
Nhằm nâng cao chất lượng tạo hỗn hợp cháy ở động cơ diesel, khắc phục những nhược điểm mà hệ thống nhiên liệu cổ điển bằng cơ khí vẫn còn tồn tại như việc định lượng và định thời điểm phun chưa chính xác cao, tính tự động điều chỉnh và tự động hoá còn hạn chế. Việc áp dụng thiết bị điện tử vào hệ thống nhiên liệu động cơ diesel nhằm mục đích giải quyết những vấn đề này. Ngoài ra, hệ thống nhiên liệu với BCA trang bị điều khiển điện tử còn góp phần giảm bớt tính độc hại cho môi trường do khí thải gây ra.
So với hệ thống cũ thì hệ thống 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 và xe tải nhỏ có công suất đạt đến 30 kW/xylanh, các xe tải nặng, tàu thủy có công suất đạt đến 200 kW/xylanh;
Áp suất phun cực đại đạt đến 1400 bar; Có thể thay đổi thời điểm phun nhiên liệu;
Có thể chia làm 3 giai đoạn: phun sơ khởi, phun chính và phun kết thúc; Thay đổi áp suất phun tùy theo chế độ làm việc động cơ.
Việc thay đổi áp suất phun tùy theo chế độ làm việc động cơ được thực hiện thông qua van điều khiển áp suất (press control valve) đặt tại bơm tăng áp. Tùy theo chế độ làm việc của động cơ do ECU nhận được từ các cảm biến (cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến nhiệt độ nước làm mát..v..v..) để điều khiển đóng mở van.
Van điều khiển áp suất có cấu tạo gồm một nam châm điện dẫn động một lõi thép, một piston và lò xo hồi vị. Piston được khoét rỗng bên trong và có các rãnh thông giữa bơm nạp và bơm tăng áp, rãnh thông có thể thay đổi tiết diện khi piston di chuyển. Piston chịu tác dụng hai lực ngược chiều từ lo hồi vị và lõi thép của nam châm điện, khi nam châm điện không hoạt động piston chỉ chiệu lực tác từ lò xo hồi vị và rãnh thông được mở lớn nhất. ECU động cơ điều khiển cường độ dòng điện tác động đến bộ điều chỉnh, để điều khiển lượng nhiên liệu cung cấp cho bơm
32
tăng áp. Khi không có dòng điện điều khiển của ECU tác động, lò xo hồi vị sẽ đẩy piston của van điều khiển sang phải, mở hoàn toàn rãnh thông giữa bơm nạp và bơm tăng áp, lượng nhiên liệu cấp cho bơm tăng áp sẽ lớn nhất. Khi có dòng điện điều khiển từ ECU động cơ với cường độ thích hợp đến bộ điều khiển, cuộn dây của bộ điều khiển sẽ tạo ra lực từ đẩy lỏi thép, piston và ép lò xo hồi vị sang trái, làm giảm tiết diện của rãnh thông tại van điều khiển, giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho bơm tăng áp. Độ mở của rãnh thông phụ thuộc vào cường độ dòng điện điều khiển từ ECU, nếu cường độ dòng điện lớn nhất rãnh thông sẽ đóng hoàn toàn, bơm tăng áp sẽ không được cấp nhiên liệu và áp suất trong ống phân phối sẽ giảm.
1.5.5.1. Đặc điểm
Trong hệ thống nhiên liệu Common rail thì việc tạo ra áp suất phun và việc phun nhiên liệu hoàn toàn tách biệt nhau. Áp suất phun được tạo ra độc lập với tốc độ động cơ và nhiên liệu phun ra.
-Các bộ phận cơ bản của hệ thống nhiên liệu Common rail:
+ Vòi phun: Vòi phun dùng trong hệ thống nhiên liệu common rail là loại vòi phun điện tử, nhiều lỗ và có trở kháng áp suất cao, việc đóng mở vòi phun được thực hiện bằng dòng điện từ hệ thống điều khiển nên không phụ thuộc vào áp suất phun và rút ngắn thời gian phun.
+ Ống phân phối: dùng để chứa nhiên liệu áp suất cao dùng cho tất cả các xylanh, thể tích bên trông của ống thường xuyên để điền đầy bằng nhiên liệu có áp suất. Khi nhiên liệu ra khỏi ống để phun thì áp suất thực tế trong bộ tích trữ nhiên liệu áp suất cao vẫn được duy trì không đổi. Sự thay đổi áp suất là do bơm cao áp thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp để bù vào phần nhiên liệu vừa phun.
+ Bơm tăng áp: thực hiện nhiệm vụ nén nhiên liệu đến một áp suất lên đến 1350 bar rồi chuyển đến đường ống áp suất cao và được đưa vào bộ tích nhiên liệu áp suất cao (ống phân phối).
33
+ ECU: là bộ xỷ lý trung tâm thực hiện nhiệm vụ xác định lượng phun nhiên liệu, định thời điểm phun nhiên liệu dựa trên các tín hiệu nhận được từ các cảm biến