• Điều khiển lượng phun ở tốc độ cầm chừng (ISC System)
Hệ thống điều khiển tốc độ cầm chừng bằng cách điều chỉnh lượng phun nhiên liệu để tốc độ thực của động cơ bằng với tốc độ được tính tốn bởi ECU phù hợp với từng điều kiện vận hành như nhiệt độ nước làm mát, tải điều hịa khơng khí, vị trí số, …
77
Hình 3.81: Sơ đồ điều khiển lượng phun tốc độ cầm chừng
• Điều khiển lượng phun nhiên liệu giảm rung động ở tốc độ cầm chừng
Để giảm rung động của động cơ khi hoạt động ở chế độ cầm chừng, bộ điều khiển so sánh tốc độ góc của các xi lanh sau đó hiệu chỉnh lượng phun của từng xi lanh nếu có sự chênh lệch lớn về tốc độ góc để động cơ hoạt động êm dịu hơn.
Hình 3.82: Điều khiển lượng phun giảm rung động ở tốc độ cầm chừng
3.4.3.3. Điều khiển thời điểm phun nhiên liệu
Hệ thống nhiên liệu trên động cơ Toyota Hilux 2020 sử dụng kim phun G3Pi có thời gian phản ứng kim rất nhanh (0,1ms) nên có thể phun được nhiều lần (7-9 lần) trong một chu kỳ.
78
Hình 3.83: Các giai đoạn phun nhiên liệu Các thời điểm phun nhiên liệu vào động cơ: Các thời điểm phun nhiên liệu vào động cơ:
- Pilot injection- Phun sơ khởi (phun mồi): Thời điểm phun sơ khởi được điều khiển bằng cách thêm một khoảng thời gian phun sơ khởi trước khi phun chính. Thời điểm phun sơ khởi được tính tốn dựa vào lượng phun nhiên liệu cuối cùng, tốc độ động cơ, nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ môi trường, áp suất môi trường. Khi động cơ khởi động, khoảng thời gian phun sơ khởi được tính tốn dựa vào nhiệt độ nước làm mát và tốc độ động cơ.
- Pre injection- Phun sơ cấp: được thực hiện trước khi phun chính. Qua đó, động cơ sẽ giảm được tiếng ồn, hoạt động êm dịu hơn. Đồng thời giảm được nhiệt độ sinh ra trong q trình phun chính giúp giảm nồng độ NOx.
- Main injection- Phun chính: ECU động cơ tính tốn thời điểm phun chính dựa vào tốc độ động cơ, lượng phun cuối cùng và các tín hiệu hiệu chỉnh khác để xác định được thời điểm phun chính tối ưu.
- After and Post injection- Phun thứ cấp: Mục tiêu của quá trình phun thứ cấp là tối ưu hóa q trình đốt cháy và giảm lượng khí thải.
79
Hình 3.84: Phương pháp xác định thời điểm phun nhiên liệu
3.4.3.4. Điều khiển tỉ lệ phun nhiên liệu
Trong khi tỉ lệ phun nhiên liệu tăng nhưng thời gian cháy trễ từ thời điểm phun nhiên liệu đến khi quá trình cháy bắt đầu diễn ra vẫn khơng thay đổi. Do đó, lượng nhiên liệu được phun vào buồng đốt cho tới khi quá trình cháy diễn ra tăng lên (lượng nhiên liệu phun vào buồng đốt quá lớn), điều này dẫn đến áp suất trong buồng đốt tăng đột ngột gây nên tiếng ồn lớn cho động cơ, cùng với đó là sự tăng cao nhiệt độ buồng đốt gây tăng lượng khí NOx. Để khắc phục vấn đề này, phun sơ khởi được thực hiện nhằm mục đích giảm được độ trễ do có nhiều thời gian để hịa trộn nhiên liệu và khơng khí. Khi đó q trình cháy ở giai đoạn phun chính sẽ khơng cịn độ trễ do buồng đốt đã được gia nhiệt ở giai đoạn phun mồi làm cho áp suất buồng đốt không bị tăng đột ngột.
80
Hình 3.85: Biểu đồ tỉ lệ phun nhiên liệu
Hiện nay khơng chỉ có phun mồi, mà phun nhiều giai đoạn “multiple-injection” đã được phát triển và mở rộng rất nhiều trên các hệ thống nhiên liệu Common Rail. Hệ thống nhiên liệu trên động cơ 1GD-FTV của hãng Denso sử dụng kim phun G3Pi nên có thể tăng số lần phun trong một chu kỳ, việc điều chỉnh tỉ lệ phun nhiên liệu được chia thành 7 giai đoạn: 4 giai đoạn trước phun chính, phun chính và 2 giai đoạn sau phun chính.
3.4.3.5. Điều khiển áp suất phun nhiên liệu
ECU động cơ xác định áp suất nhiên liệu dựa vào lượng phun cuối cùng và tốc độ động cơ. Áp suất nhiên liệu tại thời điểm khởi động dựa vào nhiệt độ nước làm mát và tốc độ động cơ. Ở tốc độ cầm chừng áp suất nhiên liệu ở mức thấp hơn để giảm tiếng ồn. Áp suất phun tăng giúp nhiên liệu được phun với tốc độ cao hơn do đó mà nhiên liệu được phun tơi hơn, nhiên liệu và khơng khí được hịa trộn tốt hơn. Khả năng bốc cháy của hịa khí diễn ra dễ dàng, triệt để hơn. Nhiệt lượng sinh ra của q trình cháy nhờ đó cũng tăng cao. Áp suất buồng đốt tăng lên rõ rệt. Công suất của động cơ được nâng lên. Tuy nhiên khi tốc độ động cơ tăng cao thì áp suất nhiên liệu cũng tăng theo dựa vào tín hiệu từ cảm biến áp suất nhiên liệu ECU sẽ điều khiển
81 hoạt động của van điều áp và van SCV để giới hạn áp suất cho phép tránh hư hại động cơ.
Hình 3.86: Biểu đồ áp suất phun nhiên liệu
3.4.4 Hệ thống khác
3.4.4.1. Hệ thống luân hồi khí xả (Exhaust Gas Recirculation - EGR)
- Các hợp chất có trong khí thải của ơ tơ – Oxit Nitơ NOx (NO, NO2, N2O5, N2O…) là loại chất độc hại đối với môi trường và sức khỏe con người nên chúng ta phải hạn chế tạo ra những chất độc hại này. Trong động cơ đốt trong, NOx được hình thành chủ yếu ở điều kiện áp suất và nhiệt độ cao (từ 2500oF). Vì vậy, để giảm lượng phát thải NOx sinh ra trong quá trình cháy người ta có một số giải pháp chính sau đây:
+ Làm giàu hỗn hợp khơng khí- nhiên liệu để hạ nhiệt độ cháy. Tuy nhiên, giải pháp này sẽ làm tăng lượng chất ô nhiễm HC và CO.
+ Giảm bớt tỉ số nén của động cơ và góc đánh lửa sớm. Giải pháp này có ảnh hưởng xấu đến cơng suất và tính kinh tế nhiên liệu của động cơ.
+ Sử dụng hệ thống tuần hồn khí thải EGR (Exhaust Gas Recirculation System), dưới đây được viết tắt là “hệ thống EGR”.
Trong số các giải pháp vừa nêu thì việc sử dụng hệ thống EGR để giảm phát thải NOx là phương án hữu hiệu và hay được sử dụng nhất.
- Việc sử dụng hệ thống EGR cho phép giảm tới 60% lượng NOx có trong khí thải của động cơ. Ngồi tác dụng làm giảm lượng NOx, hệ thống EGR cịn có tác dụng
82 giảm đáng kể độ ồn đối với động cơ Diesel và giảm suất tiêu hao nhiên liệu đối với động cơ xăng.
• Cấu tạo chung của hệ thống ln hồi khí xả EGR:
Hình 3.87: Sơ đồ cấu tạo hệ thống luân hồi khí xả EGR
Chú thích:
Throttle Valve: Bướm ga
Throttle Control Motor: Mơ tơ điều khiển bướm ga Intake Manifold: Đường ống nạp
Engine: Động cơ
Exhaust Manifold: Đường ống xả EGR Valve: Van EGR
EGR Valve Position Sensor: Cảm biến vị trí độ mở van EGR Vacuum Damper: Bộ hấp thụ chân không
Vacuum Pump: Bơm chân không
E-VRV: Van điều khiển đóng/mở van EGR Engine ECU: Bộ điều khiển động cơ
83 Crankshaft Position Sensor: Cảm biến vị trí trục khuỷu
Accelerator Pedal Position Sensor: Cảm biến vị trí bàn đạp ga Water Temp Sensor: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Intake Air Temp Sensor: Cảm biến nhiệt độ khí nạp Atmospheric Temp Sensor: Cảm biến nhiệt độ khí quyển Tarbo Pressure Sensor: Cảm biến áp suất môi trường Air Flow Meter: Bộ đo gió
Hình 3.88: Ngun lý hoạt động của van điều khiển đóng/mở van EGR
- Nguyên lý hoạt động của hệ thống luân hồi khí xả (EGR):
+ Mở van EGR: khi tăng cường độ dòng điện cung cấp tới cuộn dây làm tăng lực FM tác dụng lên phần ứng của van E-VRV, bên trên màng ln có một lực hút FV do bơm chân khơng tạo ta, khi FM > FV thì piston bị kéo xuống kéo theo “van 1” làm mở đường ống chân không từ bơm chân không đến van E-VRV, lúc này chân không sẽ được bơm đến van EGR. Van EGR lúc này có độ chênh áp giữa hai bên nên thắng lực đẩy của lò xo và mở van. Mặt khác, việc mở van E-VRV cũng làm tăng áp suất buồng A, đồng nghĩa với việc tăng lực kéo FV, việc này làm cho piston của E-VRV đi lên cho đến khi hai lực FM và FV bằng nhau, thì piston đóng đường chân khơng từ bơm chân khơng đến.
+ Đóng van EGR: khi cường độ dịng điện cung cấp đến cuộn dây giảm làm cho lực FV tăng dần từ đó làm cho màng chân không và piston từ từ bị kéo lên trên (thời
84 điểm ban đầu “van 1” và piston nhờ vào lực tác dụng của lị xo vẫn đóng vai trị làm kín giữa hai buồng A và B). Piston vẫn tiếp tục đi lên trên làm thông 2 buồng A và B, khơng khí được truyền tới van EGR lúc này ở van EGR có sự cân bằng áp suất giữa 2 buồng nên van EGR đóng lại do lị xo đẩy về. Việc giảm chân không của van đồng nghĩa với việc giảm lực FV, piston bị lị xo đẩy xuống đến khi FM = FV, thì piston đóng đường khơng khí vào buồng A của van.
- Bộ làm mát khí xả trong hệ thống luân hồi khí xả
Trong một số trường hợp, một bộ làm mát khí xả được trang bị để giảm nhiệt độ của khí thải trước khi nó được tuần hồn vào động cơ. Điều này giúp tránh việc đưa khí thải có nhiệt độ quá cao vào buồng đốt (giảm nhiệt độ khí xả từ 700°C xuống 150°C) dẫn đến việc sinh ra nhiều khí NOx và có khả năng gây ra tiếng gõ trong động cơ.
85
Hình 3.90: Bộ làm mát khí xả
- Bộ làm mát khí xả có cấu tạo chính gồm: lưới tản nhiệt, van By-pass.
- Bên trong bộ làm mát khí xả được chia thành hai đường dẫn khí xả với hai chức năng khác nhau. Phần thứ nhất được sử dụng khi nhiệt độ khí xả quá cao với chức năng khi khí xả đi qua đường dẫn này thì sẽ được làm mát để đáp ứng các điều kiện của quá trình nạp. Phần cịn lại dành cho khí xả với mức nhiệt độ khơng q cao với chức năng đi tắt qua bộ làm mát mà không cần làm mát khí xả đồng thời dịng khí xả này hỗ trợ làm nóng động cơ trong trường hợp động cơ mới khởi động mà vẫn đáp ứng được nhu cầu của quá trình nạp.
- Hai đường dẫn này được điều khiển bằng một cách linh hoạt nhờ van by-pass dựa vào tín hiệu từ ECU động cơ.
• Van by-pass
86
- Cấu tạo:
+ Vacuum line connector: Đầu nối chân không + Spring: Lò xo hồi vị
+ Actuator rod connected to valve arm: Thanh nối điều khiển van by-pass + Sealed housing: vỏ van by-pass
- Nguyên lý hoạt động:
+ Van by-pass được điều khiển bằng ECU động cơ (ECU động cơ lấy tín hiệu từ
cảm biến nhiệt độ khí xả) qua một van điện từ selenoid. Van selenoid này sẽ được cấp điện áp và cho phép áp suất chân khơng đi qua nó, dưới tác dụng của chân khơng thì màng chân khơng gắn liền với thanh nối điểu khiển van by-pass sẽ bị kéo sang phía bên trái, nhờ đó khí xả trong hệ thống luân hồi khí xả EGR được đi tắt qua bộ làm mát và đi trực tiếp vào đường ống nạp để hỗ trợ việc làm nóng động cơ.
+ Khi van by-pass khơng được cấp điện áp thì dưới tác dụng của lị xo hồi vị thì thanh nối điều khiển van by-pass bị đẩy ngược lại vị trí ban đầu. Đường dẫn khí xả đi qua bộ làm mát khí xả được mở ra và khí xả bắt đầu được làm mát.
- Kiểm tra:
Ta có thể kiểm tra van bằng cách cấp nguồn 12V cho van sau đó nghe tiếng nhấc
van và quan sát trạng thái thanh điều khiển đóng mở van để xác định tình trạng của van hoặc đo điện trở giữa 2 cực giá trị điện trở cho phép phải nằm trong khoảng từ 33-39 trong điều kiện 20OC chứng tỏ van cịn hoạt động tốt.
87 • Cảm biến nhiệt độ khí xả (Exhaust Gas Temperature Sensor – EGT sensor)
Cảm biến nhiệt độ khí xả dùng để xác định nhiệt độ khí xả (được lắp đặt tại nhiều vị trí trên đường ống xả) sau đó gửi tín hiệu điện áp về ECU điều khiển động cơ cho phép ECU điều khiển động cơ ở nhiều chế độ khác nhau để giảm lượng khí xả và bảo vệ các chi tiết của động cơ bằng cách giảm áp suất tăng áp đối với động cơ sử dụng turbo tăng áp. Đối với động cơ Diesel, cảm biến này có có chức năng giám sát nhiệt độ bộ lọc DPF (Diesel Particulate Filter) để thiết lập giá trị nhiệt độ phù hợp cho việc tái sử dụng bộ lọc DPF khi bộ lọc nghẹt.
- Cấu tạo:
Hình 3.93: Cảm biến nhiệt độ khí xả
- Nguyên lý hoạt động:
Tương tự như các cảm biến đo nhiệt độ khác. Cảm biến nhiệt độ khí xả có một nhiệt điện trở âm bên trong cảm biến kết hợp với điện trở bên trong ECU của mạch điện tạo thành một cầu phân áp. Khi ECU cấp điện áp 5V đến cảm biến, tùy theo nhiệt độ khí xả mà giá trị điện trở sẽ thay đổi. Bộ vi xử lý nhận giá trị điện áp tại cực THCO để xác định nhiệt độ của khí xả tại thời điểm đó. Nhiệt độ tăng thì giá trị điện trở của cảm biến giảm, tín hiệu điện áp đầu ra giảm theo và ngược lại.
88
Hình 3.95: Cảm biến nhiệt độ và biểu đồ giữa nhiệt độ và giá trị điện trở
3.4.4.2. Turbo tăng áp (Variable-geometry turbocharger)
Turbo hay bộ tăng áp động cơ (Turbocharger) là thiết bị thường được gắn vào họng xả động cơ tận dụng dịng khí xả để dẫn động cánh tua bin để cung cấp lượng khí nạp với áp suất cao vào động cơ nhằm tăng sức mạnh cho động cơ mà không phải tăng số lượng và dung tích xi lanh.
89 Chú thích: 1 - Bộ lọc gió 2 - Bộ làm mát turbo 3 - Cụm turbo tăng áp 4 - Bướm ga 5 - Cổ hút - Cấu tạo:
+ Bộ turbo tăng áp thường có hình dạng xoắn ốc.
+ Cấu tạo bên trong bao gồm: cánh tuabin, cánh bơm, trục và ổ bi đỡ. Ngồi ra cịn có đường dẫn dầu bơi trơn trục turbo.
+ Cánh tuabin được lắp bên khoang gắn với cổ góp xả để nhận lực từ dịng khí xả, cịn cánh bơm được lắp ở bên khoang đối diện. Cánh bơm và cánh tuabin được nối liền với nhau thơng qua một trục.
+ Ngồi ra, trên các xe hiện đại trên cụm turbo tăng áp cịn được tích hợp thêm motor điện để điều khiển thanh đẩy nối với các cánh điều hướng phía cánh tua bin.
90 Chú thích 1 - Turbo tăng áp 2 - Bộ cơ cấu chấp hành 3 - Thanh nối 4 - Cánh bơm 5 – Lò xo 6 - Cánh điều hướng 7 - Cánh tua bin 8 - Đòn dẫn 9 - Đòn bị dẫn - Nguyên lý hoạt động:
Turbo tăng áp được cố định trên đường ống xả khí bằng các bu lơng. Khí xả từ các xi lanh sẽ làm quay các cánh tua bin, nó hoạt động theo nguyên lý giống một động cơ tua bin khí. Cánh tua bin được gắn lên cùng một trục với cánh bơm, cánh bơm được đặt giữa bộ lọc khí và đường ống dẫn khí nạp. Các cánh nén khí là một loại bơm ly tâm, nó hướng dịng khơng khí từ tâm quay theo biên dạng cánh hướng ra ngoài. Nhờ cánh bơm, khơng khí được nén vào trong các xi lanh với áp suất cao.
Dịng khí xả từ các xi lanh thổi ra tạo áp lực lên các cánh tua bin làm cánh tua bin quay. Càng nhiều khí xả đi qua các cánh tua bin thì cánh tua bin quay càng nhanh. Cánh tua bin phải chịu được nhiệt và có độ bền cao vì nó tiếp xúc trực tiếp với khí xả, quay với tốc độ cao và trở nên rất nóng. Bởi vậy, nó được làm bằng hợp kim siêu