ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DIESEL- HỆ THỐNG CDI

Chương IV: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY

4.1. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DIESEL- HỆ THỐNG CDI

Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel bằng điện tử một thời gian dài ít phát triển hơn so với động cơ xăng do động cơ diesel thải ra ít chất độc hại hơn động cơ xăng nên áp lực về vấn đề môi trường lên các nhà sản suất ôtô không lớn. Hơn nữa, do độ êm dịu không cao nên động cơ diesel ít được sử dụng trên xe du lịch. Trong thời gian đầu, các hãng chủ yếu sử dụng hệ thống điều khiển bơm cao áp bằng điện trong các hệ thống EDC. Hệ thống EDC vẫn sử dụng bơm cao áp kiểu cũ nhưng có thêm một số cảm biến và cơ cấu chấp hành, chủ yếu để chống ô nhiễm và điều tốc bằng điện tử. Trong những năm gần đây, hệ thống nhiên liệu diesel mới - hệ thống phun tích áp (common rail) với việc điều khiển kim phun bẳng điện tử đã được phát triển và ứng dụng.

a. Hoạt động và các chức năng

Việc tạo ra áp suất và việc 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 động cơ và lượng nhiên liệu phun ra. Nhiên liệu được trữ với áp suất cao trong bộ tích áp áp suất cao và sẵn sàng để phun. Lượng nhiên liệu phun ra được quyết định bởi lái xe, và thời điểm phun cũng như áp lực phun được điều khiển bằng ECU dựa trên các biểu đồ đã lưu trong bộ nhớ của nó. Sau đó, ECU sẽ điều khiển các kim phun tại mỗi xi lanhđộng cơ để phun nhiên liệu.

Một hệ thống common rail gồm:

- ECU và EDU hoặc ECU tích hợp - Vòi phun điều khiển điện tử - Cảm biến tốc độ động cơ - Cảm biến tốc độ trục cam - Cảm biến bàn đạp ga

- Cảm biến áp suất đường nạp

- Cảm biến áp suất nhiên liệu trong ống tích áp (common rail) - Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

- Cảm biến gió

Chức năng của hệ thống:

Chức năng chính: Điều khiển phun nhiên liệu đúng thời điểm, đúng lượng, đúng áp suất, đảm bảo động cơ diesel không chỉ hoạt động êm dịu mà còn tiết kiệm nhiên liệu.

Chức năng phụ: Điều khiển vòng kín và hở, không những nhằm giảm độ độc hại của khí thải và lượng nhiên liệu tiêu thụ mà còn làm tăng tính an toàn, sự thoải mái và tiện nghi.

b. Đặc tính phun

Đặc tính phun của hệ thống phun dầu dùng bơm cao áp:

Hình 4.1. Đặc tính phun dầu thường

Với hệ thống phun dầu dùng bơm cao áp, việc phun nhiên liệu chỉ có một giai đoạn gọi là giai đoạn phun chính, việc tạo ra áp suất và cung cấp nhiên liệu diễn ra song song với nhau bởi trục cam và piston bơm cao áp. Điều này tạo ra các tác động xấu đến đặc tính phun như sau:

- Áp suất phun tăng đồng thời với tốc độ và lượng nhiên liệu được phun.

- Suốt quá trình phun, áp suất phun tăng lên và lại giảm xuống theo áp lực đóng của ty kim ở cuối quá trình phun.

Hậu quả là:

- Khi phun với lượng dầu ít thì áp suất phun cũng nhỏ và ngược lại - Áp suất đỉnh cao gấp đôi áp suất trung bình

Để quá trình cháy đạt hiệu quả, đường cong mức độ phun nhiên liệu thực tế có dạng tam giác.

Áp suất đỉnh quyết định tải trọng đặt lên các thành phần của bơm và các thiết bị dẫn động. Ở hệ thống nhiên liệu cũ, nó còn ảnh hưởng đến tỉ lệ hỗn hợp A/FR trong buồng cháy.

Đặc tính phun của hệ thống CD Phun sơ khởi (phun mồi)

Hình 4.2. Đặc tính phun của hệ thống common rail

Phun sơ khởi có thể diễn ra sớm đến 900 trước ĐCT. Nếu thời điểm khởi phun xuất hiện nhỏ hơn 400 trước ĐCT, nhiên liệu có thể bám vào bề mặt của piston và thành xi lanhvà làm loãng dầu bôi trơn.

Trong giai đoạn phun sơ khởi, một lượng nhỏ nhiên liệu (1-4mm3) được phun vào xi lanhđể “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 một ít nhờ vào giai đoạn phun sơ khởi và nhiên liệu cháy một phần. Điều này giúp giảm thời gian cháy trễ, sự tăng đột ngột của áp suất khí cháy và áp suất cực đại (quá trình cháy êm dịu hơn)

- Giảm tiếng ồn động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và trong nhiều trường hợp giảm được tốc độ độc hại của khí thải. Quá trình phun sơ khởi đóng vai trò gián tiếp trong việc làm tăng công suất của động cơ.

Phun mồi tạo ra những phần tử hoạt tính là các trung tâm cháy sau này. Sau đó, quá trình hình thành và tích tụ các phần tử hoạt tính tiếp tục xảy ra một cách tự nhiên thông qua các phản ứng dây chuyền phân nhánh. Phun mồi trước khi phun chính làm giảm tốc độ tăng áp suất khi cháy do hạn chế lượng nhiên liệu tham gia chẩn bị trong giai đoạn chỏy trễ nờn động cơ làm việc ờm hơn, tiếng gừ đặc thự của động cơ diesel giảm.

Phun chính:

Công suất đầu ra của động cơ xuất phát từ giai đoạn phun chính tiếp theo giai đoạn phun sơ khởi. 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 quá trình phun.

Phun chính có lượng phun nhiều hơn, quá trình cháy của động cơ chỉ thực sự diễn ra sau khi quá trình phun chính được thự hiện. Công suất đầu ra của đông cơ xuất phát từ giai đoạn phun chính tiếp theo giai đoạn phun sơ khởi. Điều này có nghĩa là giai đoạn phun chính dúp tăng lực kéo của động cơ. Áp suất phun vẫn giữ không đổi trong suốt quá trình phun.

Giai đoạn phun thứ cấp

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 được định để xảy ra trong quá trình giãn nở hay ở kì thải khoảng 200 sau ĐCT. Ngược lại vói quá trình phun sơ khởi và phun chính, nhiên liệu được phun vào không được đốt cháy mà để bốc hơi nhờ vào sức nóng của khí thải ở ống xả. Trong suốt kì thải, hỗn hợp nhiên liệu và khí thải được đẩy ra ngoài qua xuppáp xả. Tuy nhiên một phần của nhiên liệu được đưa trở lại buồng đốt thông qua hệ thống lưu hồi khí thải EGR và có tác dụng tương tự như giai đoạn phun sơ khởi. Khi bộ hóa khử được lắp để làm giảm lượng NOx, chúng tận dụng nhiên liệu trong khí thải như là một nhân tố hóa học để làm giảm nồng độ NOx trong khí thải.

Phun sau có tác dụng gia nhiệt trong quá trình giãn nở để tăng cường phản ứng oxy hóa các chất độc hại trong khí thải như CO, CmHn và muội than. Phun sau không có tác

dụng sinh công lớn mà chủ yếu để tận dụng nhiệt trên đường dãn nở để oxy hóa tiếp các thành phần độc hại.

4.2 HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ 4.2.1. Hệ thống nhiên liệu EFI- Diesel

4.2.1.1. Khái niệm hệ thống EFI- Diesel

EFI- Diesel là hệ thống điều khiển phun dầu điện tử. Thực hiện phun thông qua sự điều khiển của ECU. ECU phát hiện các tình trạng hoạt động của động cơ dựa vào các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau. Căn cứ vào các thông tin này, ECU điều khiển lượng phun nhiên liệu và thời điểm phun để đạt đến một mức tối ưu bằng cách dẫn động các cơ cấu chấp hành.

Hệ thôngd EFI- Diesel điều khiển lượng phun nhiên liệu và thời điểm phun nhiên liệu bằng điện tử để đạt đến một mức độ tối ưu. Làm như vậy sẽ đem lại những lợi ích sau:

- Công suất động cơ cao.

- Mức tiêu thụ nhiên liệu thấp.

- Các khí thải thấp.

- Tiếng ồn động cơ thấp.

- Giảm lượng xả khói đen và trắng.

- Tăng khả năng khởi động.

Hình 4.3. Sơ đồ tổng quan hệ thống EFI- Diesel

a. Khái quát về ECU.

Hình 4.4. Sơ đồ lắp ECU trong hệ thống

Về mặt điều khiển điện tử, vai trò ECU là xác định lượng phun nhiên liệu, định thời điểm phun nhiên liệu và lượng không khí nạp vào phù hợp với các thời điểm lái xe, dựa trên các tín hiệu làm việc của các cảm biến và công tắc khác nhau. Ngoài ra, ECU chuyển các tín hiệu để vận hành các cơ cấu chấp hành. Ta có hệ thống EFI- Diesel thông thường và hệ thống EFI- Diesel ống phân phối.

4.2.1.2. Phân loại hệ thống EFI- Diesel

Hình 4.5. Hệ thống EFI- Diesel thông thường

Nhiên liệu được bơm cấp nhiên liệu hút lên từ bình nhiên liệu, đi qua bộ lọc nhiên liệu được dẫn vào bơm để tạo áp suất sau đó được bơm đi bàng bơm piston cao áp ở bên trong máy bơm phun. Nhiên liệu ở trong buồng bơm được bơm nhiên liệu tạo cho áp suất đạt mức 1.5 đến 2.0 (Mpa). Hơn nữa để tương ứng với những tín hiệu phát ra từ ECU, SPV sẽ điều khiển lượng phun (khoảng thời gian phun) và TCV sẽ điều khiển thời điểm phun nhiên liệu (thời gian bắt đầu phun).

Lượng và thời điểm phun nhiên liệu bằng điện tử.

Cơ cấu điều khiển dùng trong các quá trình bơm, phân phối và phun dựa trên những cơ cấu sử dụng trong hệ thống điều khiển diesel kiểu cơ khí.

Điều chỉnh lượng phun: SPV Điều chỉnh thời điểm phun: TCV

Bơm kiểu piston hướng trục và bơm kiểu piston hướng kính.

Như đối với bơm kiểu cơ khí có 2 loại bơm có tên căn cứ vào hình dạng phần bơm của chúng.

Phân loại bơm

Hình 4.6. Bơm piston kiểu hướng trục Cấu trúc bên trong của bơm piston kiểu hướng trục.

Hình 4.7. Bơm piston kiểu hướng kính Cấu trúc bên trong của bơm piston kiểu hướng kính.

4.2.1.3. Khái quát về SPV và TCV a. Khái quát về SPV

Có 2 loại van SPV (van điều khiển) để điều khiển lượng phun nhiên liệu:

SPV thông thường (sử dụng trong máy bơm piston hướng trục).

SPV hoạt động trực tiếp ( sử dụng trong máy bơm hướng kính cho nhữn ứng dụng áp suất cao).

Hình 4.8. Sơ đồ tổng quan van SPV (van điều khiển)

• Cấu tạo và vận hành loại SPV thông thường:

Hình 4.9. Sơ đồ cấu tạo van SPV thông thường Loại SPV thông thường bao gồm 2 van: Van chính và van điều khiển.

- Vận hành của SPV thông thường:

Hình 4.10. Sơ đồ nguyên lý của van SPV thông thường + Trong điều kiện bình thường.

Bình thường van điều khiển của SPV đóng khi cuộn dây có điện. Áp suất nhiên liệu và áp suất của lò xo làm cho van chính đóng lại chuyển qua vị trí “A” vì lúc đó áp suất ở bên trong van cao hơn áp suất ở bên ngoài van.

+ Khi tín hiệu động cơ từ ECU tắt.

Khi tín hiệu động cơ từ ECU tắt, dòng điện sẽ bị ngắt khỏi cuộn dây, van điều khiển chuyển động lên trên do lực của lò xo điều khiển, chuyển sang vị trí “B” để mở ra.

+ Khi van điều khiển mở.

Khi đó áp suất lên van chính giảm xuống. Do đó, van chính dốc chuyển sang vị trí

“A” để mở ra.

Cấu tạo và vận hành loại van SPV hoạt động trực tiếp.

Hình 4.11. Sơ đồ cấu tạo loại van SPV hoạt động trực tiếp

Trái ngược với loại SPV thông thường, loại SPV hoạt động trực tiếp thích hợp cho máy bơm có áp suất cao, với các đặc điểm thích ứng và lưu lượng phun cao.

Hơn nữa, các tín hiệu từ ECU được khuếch đại bằng EDU để vận hành van ở mức điện áp cao xấp xỉ 150 (V) khi đóng van. Sau đó van vẫn ở trạng thái đóng khi điện áp giảm xuống.

- Vận hành của van SPV hoạt động trực tiếp.

Hình 4.12. Sơ đồ nguyên lý của van SPV hoạt động trực tiếp + Trong điều kiện bình thường.

Van điện từ được kéo xuống phía dưới để chuyển sang trạng thái đóng vì cuộn dây được cấp điện.

+ Khi dòng điện ngắt khỏi cuộn dây.

Khi cuộn dây bị ngắt điện, áp suất của nhiên liệu đẩy van điện từ lên phía trên để chuyển sang trạng thái mở.

b. Khái quát về TCV

- Cấu tạo của TCV (van điều khiển thời điểm phun)

Hình 4.13. Cấu tạo của TCV (van điều khiển thời điểm phun) - Sự vận hành của TCV (van điều khiển thời điểm phun)

+ Sự vận hành bộ định thời của máy bơm piston hướng trục

Van TCV được điều khiển bằng tỷ lệ hiệu dụng (tỷ lệ theo chu kỳ làm việc) thời gian tắt/bật của dòng điện chạy qua cuộn dây. Khi điện bật, độ dài thời gian mở van sẽ điều khiển áp suất nhiên liệu trong piston của bộ định thời.

Làm sớm thời điểm phun: Khi độ dài thời gian mở van rút ngắn lại (tỷ lệ của dòng điện đang sử dụng thấp), thì lượng nhiên liệu đi tắt giảm xuống. Do đó, piston của bộ định thời chuyển động sang trái làm xoay vành con lăn theo chiều làm sớm thời điểm phun.

Làm muộn thời điểm phun: Khi độ dài thời gian mở van dài (tỷ lệ của dòng điện đang sử dụng cao), thì lượng nhiên liệu đi tắt tăng lên. Do đó, piston của bộ định thời chuyển động sang phải do lực của lò xo để làm quay vành lăn theo hướng làm muộn thời điểm phun.

+ Sự vận hành bộ định thời của máy bơm piston hướng kinh

Van TCV được điều khiển bằng tỷ lệ hiệu dụng (tỷ lệ theo chu kỳ làm việc) thời gian tắt/bật của dòng điện chạy qua cuộn dây. Khi điện bật, độ dài thời gian mở van sẽ điều khiển áp suất nhiên liệu trong piston của bộ định thời.

Làm sớm thời điểm phun: Khi độ dài thời gian mở van rút ngắn lại (tỷ lệ của dòng điện đang sử dụng thấp), thì lượng nhiên liệu đi tắt giảm xuống. Do đó, piston của bộ định thời chuyển động sang trái làm xoay vành con lăn theo chiều làm sớm thời điểm phun.

Làm muộn thời điểm phun: Khi độ dài thời gian mở van dài (tỷ lệ của dòng điện đang sử dụng cao), thì lượng nhiên liệu đi tắt tăng lên. Do đó, piston của bộ định thời chuyển động sang phải do lực của lò xo để làm quay vành lăn theo hướng làm muộn thời điểm phun.

4.2.2. Hệ thống nhiên liệu với ống phân phối Common Rail (CRS)

4.2 2.1. Sơ đồ cấu tạo chung

Hình 4.14. Sơ đồ cấu tạo hệ thống nhiên liệu Diesel điện tử với ống phân phối Hệ thống nhiên liệu gồm các khối sau:

- Khối cấp dầu thấp áp: Thùng dầu, bơm cấp nhiên liệu, lọc dầu, ống dẫn dầu và đường dầu hồi

- Khối cấp dầu cao áp: Bơm cao áp, ống phân phối, các tyô cao áp, van an toàn và van xả áp

- Khối cơ điện tử: Các cảm biến và tín hiệu, ECU và EDU (nếu có), vòi phun và các van điều khiển nạp.

4.2.2.2. Nguyên lý hoạt động

Bơm dầu được đặt trong bơm cao áp, hút dầu trong thùng và được đưa tới các van điều khiển nạp rồi tới khoang cao áp và được nén với áp suất cần thiết. Piston trong bơm áp cao tạo ra áp suất phun cần thiết, áp suất này thay đổi theo tốc độ động cơ và điều kiện tải trọng xe, áp suất này thay đổi từ: 20 Mpa ở chế độ không tải đến 135 Mpa ở chế độ tải cao (đối với loại Diesel điện tử thông thường thì áp suất từ: 10 – 80Mpa).

ECU điều khiển van SCV (van điều khiển nạp), để điều chỉnh lượng áp suất vào khoang bơm áp cao và nhờ đó điều chỉnh được áp suất nhiên liệu.

ECU luụn theo dừi ỏp suất nhiờn liệu trong ống phõn phối bằng cảm biến ỏp suất nhiên liệu và thực hiện điều khiển tín hiệu phản hồi.

4.2.2.3. Các cụm chi tiết trong hệ thống 1. Bơm cấp nhiên liệu

Bơm nhiên liệu là một bơm điện và lọc nhiên liệu hay một bơm bánh răng. Bơm này có nhiệm vụ hút nhiên liệu từ thùng đến khoang áp cao của bơm cao áp

Hình 4.15. Bơm cấp nhiên liệu kiểu bánh răng ăn khớp ngoài

1. Đường dầu vào từ thùng nhiên liệu; 2. Đường dầu ra khoang áp cao;3. Thân bơm 2. Bơm cao áp

Bơm cap áp của hệ thống CRS-I gồm có 3 loại chính:

- Loại bơm 2 piston.

- Loại bơm 3 piston.

- Loại bơm 4 piston.

a). Bơm cao áp loại 2 piston

Cấu tạo bơm loại này gồm các chi tiết: Trục bơm, cam lệch tâm, piston, van SCV

a b

Hình 4.16. Bơm cao áp loại 2 piston

a. Cấu tạo bơm 2 piston; b. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bơm 2 piston Nguyên lý hoạt động:

Khi piston B dẫn nhiên liệu vào trong thì piston A lại đưa nhiên liệu ra. Do đó, piston A và B lần lượt hút nhiên liệu từ bơm cấp đưa đến khoang cao áp rồi đưa tới ống phân phối. Việc quay của cam lệch tâm làm cho cam quay vòng, cả hai di chuyển cùng chiều, một đi lên một đi xuống. Nếu piston B đi xuống nó sẽ nén nhiên liệu và đẩy nhiên liệu vào ống phân phối, còn piston A bị đẩy xuống hút nhiên liệu vào, và ngược lại khi piston A đi lên thì thực hiện nén nhiên liệu và đưa tới ống phân phối còn piston B sẽ được đẩy lên thực hiện hút nhiên liệu.

b). Bơm cao áp loại 3 piston

Loại này gồm có các chi tiết: Cam lệch tâm 3 vấu và 3 cụm piston- xylanh được đặt cách nhau 1200.

Hình 4.17. Cấu tạo bơm cao áp loại ba piston

1. Trục lệch tâm; 2. Cam lệch tâm;3. Piston;4. Van nạp; 5. Lò xo hồi vị; 6. Bơm cấp nhiên liệu; 7. Van định lượng nhiên liệu; 8. Đường dầu hồi; 9. Đường dầu hồi về từ ống

rail; 10. Đường dầu đến dầu đến ống rail; 11. Đường nhiên liệu từ bơm bánh răng;

12. Khoang bơm cao Nguyên lý hoạt động:

Bên trong bơm cao áp, nhiên liệu được nén bằng 3 piston bơm và được bố trí hướng kính và các piston cách nhau 1200. Do 3 piston bơm hoạt động luân phiên trong 1 vòng quay nên chỉ làm tăng nhẹ lực cản của bơm. Do đó ứng suất trên hệ thống dẫn động vẫn giữ đồng bộ.

Khi trục cam của bơm cao áp có các cam lệch tâm quay làm di chuyển 3 piston của bơm lên xuống tùy theo hình dạng các mấu cam. Khi các piston này di chuyển, nhiên liệu được hút vào và đẩy đến ống phân phối như bơm cao áp loại 2 piston.