Việc tạo ra áp suất và việc phun nhiên liệu hoàn toàn tách biệt với nhau trong hệ thống Common Rail. Áp suất phun đƣợc tạo ra độc lập với tốc độ động cơ và lƣợng nhiên liệu phun ra.
Nhiên liệu đƣợc trữ với áp suất cao trong bộ tích áp suất cao (high-pressure accumulator) và sẵn sàng để phun. Lƣợng nhiên liệu phun ra đƣợc quyết định bởi ngƣời lái xe, và thời điểm phun cũng nhƣ áp lực phun đƣợc tính toán bằng ECU và các biểu đồ đã lƣu trong bộ nhớ của nó. Sau đó ECU sẽ điều khiển các kim phun phun tại mỗi xy lanh động cơ để phun nhiên liệu.
Chức năng chính của hệ thống Common Rail là điều khiển phun nhiên liệu đúng thời điểm, đúng lƣu lƣợng, đúng áp suất, đảm bảo cho động cơ diesel không chỉ hoạt động êm diu mà còn tiết kiệm nhiên liệu.
So với hệ thống cũ dẫn động bằng cam, hệ thống Common Rail khá linh hoạt trong việc đáp ứng thích nghi để điều khiển phun nhiên liệu cho động cơ diesel nhƣ: - Phạm vi ứng dụng rộng rãi (cho xe du lịch, khách,tải nhẹ, tải nặng, xe lửa và tàu thủy).
Hình 2-24. Sự vận hành bộ định thời bơm hướng
26 - Áp suất phun đạt đến (1350-2000) bar.
- Thay đổi áp suất phun tùy theo chế độ hoạt động của động cơ. - Có thể thay đổi thời điểm phun.
- Phun chia làm ba giai đoạn: Phun mồi, phun chính và phun kết thúc. Hệ thống Common Rail Diesel có các ƣu điểm sau:
- Tính năng động cơ và hiệu suất phun nhiên liệu cao + Nhiên liệu đƣợc điều khiển bằng điện tử + Hệ thống phun tạo sự cháy tối ƣu
- Tiếng ồn và ô nhiếm môi trƣờng thấp
+ Thân thiện môi trƣờng và phù hợp với các quy định về ô nhiễm khí xả trên toàn thế giới
+ Vòi phun đặt thẳng đứng ở trung tâm
+ Có giai đoạn phun mồi góp phần tăng công suất đông cơ
2.4.1. Cấu tạo
Hệ thống Common Rail (hình 2-25) gồm các khối sau:
- Khối cấp dầu thấp áp: Thùng dầu, bơm tiếp dầu, bộ lọc dầu, ống dẫn dầu và đƣờng dầu hồi.
- Khối cấp dầu cao áp: Bơm áp cao, Ống phân phối dầu cao áp đến các vòi phun (ống rail, ống chia chung), các ống cao áp, van an toàn và van xả áp, vòi phun.
- Khối cơ-điện tử: các cảm biến và tín hiệu, ECU (ECM) và EDU (nếu có), vòi phun, các van điều khiển hút (còn gọi là van điều khiển áp suất rail )
Bơm điện Bầu lọc
Bơm cao áp
Van điều khiển định lƣợng nhiên liệu
Van điều khiển áp suất nhiên liệu
Cảm biến áp suất nhiên liệu
Vòi phun nhiên liệu Áp suất thấp
Áp suất cao Hồi nhiên liệu
27
2.4.2. Nguyên lý hoạt động
Nhiên liệu đƣợc dẫn lên từ bơm cấp liệu đặt trong bơm cao áp đƣợc nén tới áp suất cần thiết. Piston trong bơm tạo ra áp suất phun cần thiết. áp suất này thay đổi theo tôc độ động cơ và điều kiện tải từ 20 Mpa ở chế độ không tải đến 135 Mpa ở chế độ tải cao và tốc độ vận hành cao (trong EFI-diesel thông thƣờng thì áp suất này từ 10 đến 80 Mpa). ECU điều khiển SCV (Van điều khiển hút) để điều chỉnh áp suất nhiên liệu, điều chỉnh lƣợng nhiên liệu đi vào bơm cao áp.
ECU luôn luôn theo dõi áp suất nhiên liệu trong ống phân phối bằng cảm biến áp suất nhiên liệu và thực hiện điều khiển phản hồi.
Nhiên liệu từ ống phân phối đƣợc dẫn tới các vòi phun, sẵn sàng phun vào xy lanh động cơ theo lệnh của ECU qua EDU.
Nhiên liệu thừa từ vòi phun, bơm cao áp và ống phân phối theo đƣờng dầu hồi trở về thùng nhiên liệu.
2.4.3. Các bộ phận chính của hệ thống 1. Bơm cao áp
Bơm cao áp là bộ phận giao tiếp giữa mạch nhiên liệu thấp áp và mạch cao áp trong hệ thống nhiên liệu. Nó có chức năng cơ bản là đảm bảo đủ lƣợng nhiên liệu
8
Hình 2-26. Cấu tạo hệ thống Comon rail Denso
1.Thùng nhiên liệu; 2. Bầu lọc nhiên liệu; 3. Bơm cao áp; 4. Cảm biến áp suất; 5. Ống phân phối; 6. Bộ giới hạn áp suất; 7. Các tín hiệu từ cảm biến; 8. Các vòi phun
1 2 3 4 5 6 7 8
28 cung cấp tại áp suất cần thiết phù hợp với từng chế độ làm việc của động cơ.
Bơm áp cao của hê thống Common rail đƣợc chia ra làm 3 loại chính: loại bơm 2 piston, loại bơm 3 piston và loại bơm 4 piston.
a) Bơm cao áp loại 2 piston (hình 2-27)
Cấu tạo:
Cấu tạo bơm áp cao loại 2 piston gồm các chi tiết chính: vỏ bơm, trục bơm,
Hình 2-27. Bơm cao áp loại 2 piston
Hình 2-28. Sơ đồ dòng nhiên liệu trong bơm cao áp EFI-diesel kiểu phun ống
29 cam lệch tâm, piston, van điều khiển hút (SCV).
Hoạt động
Piston B dẫn nhiên liệu vào trong khi piston A bơm nhiên liệu ra. Do đó, piston A và B lần lƣợt hút nhiên liệu từ bơm cấp liệu vào khoang cao áp và bơm nhiên liệu ra ống phân phối (hình 2-28).
Việc quay của cam lệch tâm làm cho cam vòng quay với một trục lệch. Cam vòng quay và đẩy một trong hai piston đi lên trong khi đẩy piston kia đi xuống hoặc ngƣợc lại đối với hƣớng đi xuống.
Piston B bị đẩy xuống để nén nhiên liệu và chuyển nó vào ống phân phối khi piston A bị kéo xuống để hút nhiên liệu vào. Ngƣợc lại, khi piston A đƣợc đẩy lên để nén nhiên liệu và dẫn nó đến ống phân phối thì piston B đƣợc kéo lên để hút nhiên liệu lên.
b) Bơm áp cao loại 3 piston
Cấu tạo:
Bơm áp cao loại 3 piston gồm : 1 cam lệch tâm 3 vấu và 3 cụm xilanh piston đặt cách nhau 120. Cấp dầu vào khoang bơm cao áp đƣợc điều khiển qua van điều khiển hút (SCV) và truyền dầu từ bơm sơ cấp (hình 2-29).
Hình 2-29. Sơ đồ dòng nhiên liệu trong bơm cao áp EFI-diesel kiểu phun ống
1. Trục lệch tâm; 2. Cam lệch tâm; 3. Piston bơm; 4. Van nạp; 5. Lò xo hồi vị; 6. Bơm cấp liệu; 7. PCV- Van ĐK nạp; 8. Đƣờng dầu hồi; 9. Đƣờng dầu vào; 10.Đƣờng dầu đến ống rail
30 Nguyên lý hoạt động:
Hoạt động của bơm cao áp có ba piston đƣợc mô tả trên hình (2-30). Bơm cấp nhiên liệu vào ống phân phối bằng cách: các piston lần lƣợt hút nhiên liệu vào qua van PCV và bơm nhiên liệu ra ống phân phối.
ECU điều khiển lƣợng nhiên liệu dẫn vào piston bằng PCV (van nam châm tỉ lệ), nó có các chức năng giống nhƣ của SCV (van điều khiển hút).
Khi cam trong quay sẽ làm cam ngoài quay và dẫn động các piston dịch chuyển tạo nên sự hút và đẩy nhiên liệu qua các van một chiếu.
Trên hình 2-30, nếu piston C ở trạng thái hút nhiên liệu vào bơm qua van PCV thì piston A và B ở trạng thái nén nhiên liệu lên ống phân phối. Hoạt động hút và nén nhiên liệu của các piston do cam trong và ngoài quyết định.
Bơm cấp liệu
Cửa dầu vào
Cửa dầu ra
Hình 31. Bơm bánh răng Bosch CP3 Hình 2-30. Nguyên lý tạo áp suất trong bơm cao áp 3 piston
31
c) Bơm áp cao loại 4 piston
Cấu tạo
Bơm áp cao loại 4 piston gồm : 1 cam vòng 4 piston đặt đối đỉnh với nhau từng đôi một. Cấp dầu vào khoang bơm cao áp đƣợc điều khiển qua van điều khiển hút (SCV) và truyền dầu từ bơm sơ cấp ( hình 2-33).
Hoạt động
Nhiên liệu đƣợc nạp bởi bơm cấp liệu sẽ di chuyển qua SCV và van một chiều, và đƣợc nén bởi piston và đƣợc bơm qua van phân phối đến ống phân phối.
Hình 2-32. Bơm cấp liệu
1. Đƣờng dầu vào từ bình nhiên liệu; 2.Đƣờng dầu ra khoang cao áp; 3. Thân bơm; 4. Bánh răng bơm
Hình 2-33. Cấu tạo bơm áp cao loại 4 piston( Dùng cho động cơ 2KD-FTV-Toyota)
32 Điều khiển van hút (SCV)
Có nhiều cách gọi van điều khiển hút tùy thuộc vào từng hãng : Toyota : SCV ( Suction control vale )
Bosch : PCV ( Pressure control vale ) Delphi : IMV ( Inlet Metering Vale )
Nhiên liệu đƣợc nạp bởi bơm cấp liệu sẽ di chuyển qua SCV và van một chiều, và đƣợc nén bởi píston và đƣợc bơm qua van phân phối đến ống phân phối. SCV hoạt động dƣới sự điều khiển theo chu kỳ xung của ECU. Bằng cách thay đổi tỷ lệ ON/OFF của xung sẽ làm cho lƣợng dầu cấp nạp vào khoang bơm áp cao thay đổi, từ đó dẫn tới thay đổi áp suất rail ( xem hình 2-34)
Van điều khiển lƣợng nhiên liệu Bosch CP3
Cửa dầu vào
Cửa dầu ra Hình 2-35. Van điều khiển lượng nhiên liệu Bosch CP3 Hình 2-34. Hoạt động của SCV
33 Van điều khiển nhiên liệu Bosch CP3 lắp đằng sau bơm cao áp để điều khiển dung lƣợng nhiên liệu vào bơm cao áp. Nó hoạt động theo sự điều khiển của ECM. Van mở khi không đƣợc ECM kích hoạt dẫn tới dung lƣợng nhiên liệu cung cấp cho bơm cao áp nhỏ. Ngƣợc lại, khi đƣợc ECM kích hoạt, van đóng làm cho dung lƣợng nhiên liệu cấp cho bơm cao áp lớn.
Lợi ích của việc điều khiển lƣợng nhiên liệu cấp cho bơm cao áp:
- Giảm công vận hành bơm cao áp vì lƣợng cấp liệu vừa đủ theo yêu cầu - Giảm lƣợng nhiên liệu hồi nên giảm đƣợc nhiệt độ nhiên liệu
2. Ống phân phối
Ống phân phối (hình 2-37) chứa nhiên liệu áp suất cao đƣợc tạo ra bởi bơm cao áp, và phân phối nhiên liệu đó qua các ống phun tới các vòi phun của xi lanh. Do nhiên liệu có áp suất rất cao nên cần chú ý đặc biệt để ngăn ngừa sự rò rỉ.
Hình 36. Hoạt động của van điều khiển lượng nhiên liệu
1. Bơm cao áp; 2. Van áp suất; 3. Đƣờng nhiên liệu đến ống phân phối; 4. Van nhiên liệu vào; 5. Đƣờng hồi; 6. Van an toàn; 7. Từ thùng nhiên liệu; 8. Bơm cấp liệu; 9. Van điều khiển lƣợng nhiên liệu; 10. Tiết lƣu; 11. Piston điều khiển; 12. Đƣờng dẫn dầu bôi trơn
Dung lƣợng nhỏ Dung lƣợng lớn 1 2 3 4 6 5 7 8 9 10 11 12
34 Trên ống phân phối bố trí cảm biến áp suất nhiên liệu. Cảm biến áp suất nhiên liệu phát hiện áp suất trong ống phân phối và truyền tín hiệu tới ECU.
Ngoài cảm biến áp suất, trên ống phân phối còn có van an toàn ( bộ hạn chế áp suất) Trong trƣờng hợp hệ thống bị trục trặc, trong đó áp suất trong ống phân phối lên cao tới mức không bình thƣờng thì van này mở và xả áp suất, nhiên liệu đƣợc hồi về bình nhiên liệu.
a) Bộ hạn chế áp suất (hình 2-39)
Trong trƣờng hợp hệ thống bị trục trặc, trong đó áp suất trong ống phân phối lên cao tới mức không bình thƣờng thì van này sẽ mở và xả áp suất, nhiên liệu trở về bình nhiên liệu
Bộ hạn chế áp suất đƣợc vận hành cơ khí thông thƣờng để xả áp suất trong trƣờng hợp áp suất trong ống phân phối lên cao tới mức không bình thƣờng
Hình 2-37. Cấu tạo ống phân phối
35
b) Van xả áp suất (hình 2-40)
Khi áp suất nhiên liệu của ống phân phối trở nên cao hơn áp suất phun mong muốn thì van xả áp suất nhận đƣợc một tín hiện từ ECU động cơ để mở van và hồi nhiên liệu ngƣợc về bình nhiên liệu để cho áp suất nhiên liệu có thể trở lại áp suất phun mong muốn.
3. Vòi phun nhiên liệu
Vòi phun của hệ thống nhiên liệu Common rail có nhiệm vụ phun tơi, đúng thời điểm vào xy lanh động cơ diesel một lƣợng nhiên liệu phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ, theo quy luật nhất định, giúp việc tạo thành hòa khí tốt và cháy kiệt, tạo công suất lớn, hiệu suất cao, giảm tiếng ồn, rung động và phát xạ khí thải ô nhiếm.
a) Cấu tạo
Vòi phun của Common rail khác với vòi phun của hệ thống nhiên liệu Diesel thông thƣờng ở chỗ gồm 2 phần :
+ Phần trên là một van điện tử đƣợc điều khiển từ ECU hoặc EDU
Hình 2-39. Bộ hạn chế áp suất
36 + Phần dƣới là phần vòi phun cơ khí nhƣng cũng rất khác vớí vòi phun thông thƣờng: Đó là lò xo rất cứng của vòi phun thông thƣờng đƣợc thay bằng một chốt tỳ khá dài ( dài nhất của vòi phun).
Để đóng chặt kim phun thì phải cấp áp suất rail vào khoang chốt tỳ . Khoang chốt tỳ có 2 van tiết lƣu :
- Tiết lƣu số 1: Thông với đầu nối ống cao áp từ ống phân phối đến
- Tiết lƣu số 2: Thông với khoang của van điện (để nếu van điện mở thì áp suất ở khoang chốt tỳ sẽ xả về đƣờng dầu hồi).
Áp suất bên trong vòi phun bằng áp suất trong ống phân phối, nhƣ vậy ta thấy rằng vòi phun đƣợc thiết kế làm việc ở áp suất rất cao do đó các chi tiết lò xo, van bi, kim phun và van điện từ phải đƣợc chế tạo bằng vật liệu chất lƣợng cao và gia công rất chính xác.
b) Hoạt động
Khi động cơ khởi động bơm áp cao sẽ nén dầu đến áp suất rail cấp vào ống phân phối và từ ống phân phối thông qua các ty ô cao áp cấp điện đến các vòi phun chờ sẵn. Ở đƣờng vào của vòi phun thì dầu cao áp chia thành 2 hƣớng:
- Hƣớng 1 : Cấp xuống khoang kim phun
- Hƣớng 2 : Thông qua van tiết lƣu 1 đƣợc cấp vào khoang chốt tỳ
Nếu lúc này ECU chƣa cấp xung điều khiển vào van điện của vòi phun thì lò xo van điện đẩy van ngoài xuống đóng kín đƣờng dầu hồi ở khoang chốt tỳ . Do đó áp suất rail phía trên chốt tỳ sẽ tạo áp lực đè chặt kim phun không cho vòi phun dầu.
Áp suấ
t, MP
a
Tốc độ động cơ, v/p
Hình 2-41. Quan hệ giữa áp suất phun và tốc độ động cơ của các hệ thống nhiên liệu khác nhau
37 Nếu ECU cấp xung điều khiển vào van điện tạo từ trƣờng hút van ngoài và mở đƣờng hồi dầu làm mất áp suất đè chốt tỳ. Khi đó áp suất rail ở khoang kim phun sẽ đẩy kim phun cùng chốt tỳ đi lên để phun dầu vào buồng cháy động cơ
Khi kết thúc xung điều khiển phun thì lò xo ở van điện đẩy van ngoài đóng đƣờng dầu hồi. Lúc này dầu ở áp suất rail lại thông qua tiết lƣu 1 để cấp vào khoang chốt tỳ tạo áp lực đè chặt kim phun kết thúc hành trình phun.
Điều khiển lượng phun (hình 2-43)
Hình 2-42. Cáu tạo vòi phun nhiên liệu
1. Van ngoài; 2.Tiết lƣu 2; 3. Tiết lƣu 1; 4. Đƣờng dầu từ ống phân phối; 5. Chốt tỳ; 6. Van trong; 7. Đƣờng dầu hồi; 8. Khoang chốt tỳ; 9.Lò xo hồi vị; 10.Kim phun
38 Các tín hiện từ ECU đƣợc khuếch đại bởi EDU để vận hành vòi phun. Điện áp cao đƣợc sử dụng đặc biệt khi van đƣợc mở để mở vòi phun.
Lƣợng phun và thời điểm phun đƣợc điều khiển bằng cách điều chỉnh thời điểm đóng và mở vòi phun tƣơng tự nhƣ trong hệ thống EFI của động cơ xăng.
Quá trình phun có giai đoạn phun trƣớc (phun mồi) và phun chính:
- Phun trƣớc: tiến hành trƣớc điểm chết trên với một lƣợng nhỏ nhằm đạt một số hiệu quả nhƣ: Áp suất cuối quá trình nén tăng một ít và nhiên liệu cháy một phần. Điều này giúp giảm thời gian trễ cháy, giảm sự tăng đột ngột của áp suất khí cháy và áp suất cực đại (quá trình cháy êm dịu hơn). Kết quả là giảm tiếng ồn của động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và trong nhiều trƣờng hợp giảm đƣợc độ độc hại của khí thải. Quá trình phun trƣớc góp phần gián tiếp vào việc tăng công suất động cơ (hình 2-39b). - Phun chính: công suất đầu ra của động cơ phụ thuộc vào giai đoạn phun chính tiếp theo giai đoạn phun trƣớc Điều này có nghĩa là giai đoạn phun chính giúp tăng lực kéo của động cơ. Với hệ thống Common Rail, áp suất phun vẫn giữ không đổi trong suốt quá trình phun.
c) Điện trở vòi phun (hình 2-45)
Với cùng một khoảng thời gian phun, sự không khớp cơ khí vẫn đang gây ra sự