36 - Kim phun trên động cơ 1KD – FTV: kiểu van điện từ (G3S-solenoid) sử dụng nam
châm điện từ để đóng mở van, điện áp hoạt động 60-100V.
- Ưu điểm của kim phun kiểu van điện từ: giá thành rẻ, cấu tạo, sửa chữa đơn giản, chi phí thấp.
- Kim phun trên động cơ 1GD – FTV: kiểu Piezo (G3P-Piezo) sử dụng áp điện để làm co giãn đặc tính của thanh Piezo (có cấu trúc từ gốm tổng hợp) để điều khiển đóng mở van, điện áp hoạt động trên 100V. Kim phun kiểu Piezo đang được sử dụng nhiều trên các động cơ Diesel đời mới.
- Ưu điểm của kim phun Piezo G3Pi:
+ Mở và đóng nhanh hơn gấp 5 lần so với những kim phun thế hệ trước.
+ Tự động hiệu chỉnh đồng đều lượng phun giữa các xi lanh không cần cài mã QR cho kim phun.
+ Điều khiển phun và xác định lượng phun chính xác hơn, thời gian phản hồi của kim phun cũng nhanh hơn.
+ Việc phun mồi nhiên liệu giúp giảm tiếng ồn, giúp cho việc đốt cháy nhiên liệu được sạch hơn làm giảm NOx và muội than, công suất đầu ra của động cơ cũng tăng được khoảng 10% so với hệ thống Common Rail sử dụng kim phun van điện tử.
37 - Với thiết kế mới, mỗi kim phun sẽ được tích hợp cảm biến áp suất và cảm biến nhiệt độ nhiên liệu. Dựa vào các tín hiệu này, ECM có thể điều khiển chính xác lượng phun ở từng xi lanh, do đó sự khác biệt về lượng phun nhiên liệu giữa mỗi xi lanh cũng sẽ được triệt tiêu giúp cải thiện tính kinh tế nhiên liệu đồng thời giảm tiếng ồn, dao động. Ngồi ra, dựa vào tín hiệu áp suất phản hồi trực tiếp của kim phun ở từng điều kiện hoạt động, ECU sẽ phát hiện bất thường nhanh chóng, như kim khơng phun, giá trị phun không thay đổi hoặc kim phun bị rò rỉ hay tắc nghẽn. Đặc biệt, IC trong kim phun được tích hợp chức năng Auto-Learning để gửi thơng tin cho ECU, do đó sẽ khơng cần thực hiện bất kỳ thao tác đăng ký mã bù khi thay thế kim phun mới như trước đây.
- Cấu tạo:
Hình 3.29: Cấu tạo kim phun Piezo
Chú thích:
- Piezo Stack: Phần tử gốm tổng hợp - Large Diameter Piston: Piston lớn - Small Diameter Piston: Piston nhỏ - Control Valve: Van điều khiển kim phun - Valve Plunger Spring: Lò xo hồi vị piston - Valve Control Chamber: Buồng điều khiển - Nozzle Needle: Van kim
- High pressurized fuel from common rail: Đường nhiên liệu áp suất cao từ ống phân phối
38 - Nguyên lý hoạt động:
Hình 3.30: Sơ đồ nguyên lý làm việc kim phun G3Pi
Chú thích:
- Piezo Stack: Phần tử gốm tổng hợp - Large Diameter Piston: Piston lớn - Small Diameter Piston: Piston nhỏ - Control Valve: Van điều khiển kim phun - Valve Plunger Spring: Lò xo hồi vị piston - Valve Control Chamber: Buồng điều khiển - Nozzle Needle: Van kim
- Orifice A: Lỗ tiết lưu A
- Upper Seat: Chân van điều khiển phía trên - Lower Seat: Chân van điều khiển phía dưới o Khi kim chưa phun
Khi khơng có tín hiệu điện áp cung cấp đến phần tử gốm tổng hợp (Piezo Stack), khơng có sự chênh lệch áp suất giữa buồng điều khiển và áp suất phía dưới của van kim. Do đó, van kim vẫn ở trạng thái đóng và q trình phun khơng diễn ra.
o Khi kim bắt đầu quá trình phun
Khi có tín hiệu điện áp cung cấp đến phần tử gốm tổng hợp (Piezo Stack), thì phần tử gốm tổng hợp bắt đầu hiện tượng giãn nở và truyền lực vào piston lớn. Sau đó piston lớn tiếp tục tác động vào piston nhỏ, nhờ vào sự khuếch đại khoảng dịch
39 chuyển của dầu trong buồng giãn nở, piston nhỏ tiếp tục đẩy van điều khiển đi xuống làm cho chân van điều khiển phía trên mở ra đồng thời chân van điều khiển phía dưới đóng lại. Dẫn đến kết quả nhiên liệu áp suất cao trong buồng điều khiển qua lỗ tiết lưu A đến đường dầu hồi từ đó làm cho chênh lệch áp suất giữa buồng điều khiển và áp suất phía dưới của van kim. Nhờ sự chênh lệch áp suất này van kim được nhấc lên và quá trình phun bắt đầu.
o Khi kim kết thúc quá trình phun
Khi ngắt tín hiệu điện áp cung cấp đến phần tử gốm tổng hợp (Piezo Stack), thì
phần tử gốm tổng hợp trở về trạng thái ban đầu. Lúc này cả 2 piston lớn, piston nhỏ và van điều khiển bị nhiên liệu áp suất cao và lò xo hồi vị đẩy lên trên quay lại vị trí khi kim chưa phun. Đồng thời chân van điều khiển phía trên bị đóng lại và chân van điều khiển phía dưới mở ra dẫn đến áp suất nhiên liệu trong buồng điều khiển bằng với áp suất của ống phân phối. Do đó, van kim được đẩy xuống quá trình phun kết thúc.
Hình 3.31: Áp suất hồi kim phun G3Pi
- Khi đường dầu hồi của kim phun khơng có nhiên liệu và có khơng khí vào buồng giãn nở giữa piston lớn và piston nhỏ trong kim phun thì khả năng truyền động từ thanh gốm tổng hợp (piezo stack) đến piston lớn và piston nhỏ khơng cịn nên van kim khơng nhấc lên nên q trình phun nhiên liệu khơng xảy ra. Để tránh tình trạng này, nhiên liệu được cung cấp
40 đến đường dầu hồi của kim phun thông qua bơm tiếp vận trong bơm cao áp (với áp suất 7,9 kgf/cm2). Do đó, khơng khí được nén lại và bị loại bỏ khỏi buồng giãn nở. Khi động cơ đã hoạt động, áp suất dầu trong buồng giãn nở cũng chính là áp suất hồi của kim phun (với áp suất 10 kgf/cm2). Khi áp suất hồi kim phun vượt quá giới hạn cho phép (11 kgf/cm2) thì dầu sẽ qua van một chiều và trở về thùng nhiên liệu.
3.4.1.5. Kim phun bù nhiên liệu
Hình 3.32: Sơ đồ hệ thống xử lý khí thải có tích hợp kim phun bù nhiên liệu
Chú thích:
- Exhaust gas: Khí xả
- Exhaust fuel addition injector: Kim phun bù nhiên liệu - Turbocharger: Bộ tăng áp
- Catalytic converter: Bộ xử lý khí thải - A/F sensor: Cảm biến lamda A/F - ECM: Bộ điều khiển trung tâm
- Exhaust gas temperature: Nhiệt độ khí xả
Kim phun bù nhiên liệu được gắn vào đường ống xả của động cơ, nhiên liệu áp suất thấp được cung cấp đến kim phun từ bơm tiếp vận trong bơm cao áp. Sau khi kim phun bù nhiên liệu nhận tín hiệu từ ECM để thực hiện việc tái tạo bầu lọc khí thải thì ECM
41 sẽ điều khiển việc nhấc kim phun để phun bù nhiên liệu vào đường ống xả giúp nhiệt độ của bầu lọc khí xả tăng lên cao (khoảng 650OC) để tái tạo lại bầu lọc.
Hình 3.33: Đường đặc tính kim phun bù nhiên liệu
Để xác định lỗi của kim phun bù nhiên liệu, ECU giám sát tín hiệu tỉ lệ hịa khí A/F và nhiệt độ khí xả ở bầu lọc khí xả. Khi nhiệt độ khí xả cao hơn bình thường và tỉ lệ A/F giàu thì ECU thơng báo kim phun nhiên liệu bị kẹt mở và đèn báo lỗi động cơ MIL phát sáng.
42
Hình 3.34: Sơ đồ mạch điện kim phun bù nhiên liệu
Kiểm tra:
Sử dụng đồng hồ VOM đo điện trở 2 cực của kim phun bù nhiên liệu, giá trị điện trở đo được phải nằm trong giới hạn cho phép từ 7.1-7.9 ở 20OC (68OF). Nếu giá trị điện trở đo được không nằm trong giới hạn cho phép thì cần phải thay thế kim phun bù nhiên liệu mới.
3.4.1.6. Ống phân phối nhiên liệu
43
Hình 3.36: Ống phân phối nhiên liệu trên động cơ 1GD-FTV
- Ống phân phối là một trong những thành phần chính của hệ thống nhiên liệu Common Rail, đóng vai trị như nơi lưu trữ nhiên liệu với áp suất cao để phân phối nhiên liệu với áp suất cao cho các kim phun. Ống phân phối duy trì nhiêu liệu áp suất cao khoảng 160 MPa đối với động cơ Toyota Hilux 1KD-FTV và đối với động cơ Toyota Hilux 1GD-FTV khoảng trên 200 MPa. Ngay cả khi một lượng nhiên liệu bị mất đi khi phun, ống phân phối vẫn duy trì áp suất thực tế bên trong khơng đổi. Để đảm bảo việc áp suất không thay đổi trong mọi điều kiện hoạt động của động cơ là do bơm cao áp đảm nhiệm vụ cung cấp lượng nhiên liệu để bù vào phần nhiên liệu vừa phun.
- Đối với động cơ Toyota Hilux 1KD-FTV trên ống phân phối được trang bị cảm biến áp suất và van điều áp, nhưng đối với động cơ Toyota Hilux 1GD-FTV thì cảm biến áp suất đã khơng cịn xuất hiện trên ống phân phối mà được tích hợp trên mỗi kim phun nhằm tạo ra sự chính xác nhất đối với từng kim phun.
- Trong quá trình hệ thống nhiên liệu Common Rail làm việc, nhiên liệu được đưa tới ống phân phối có độ dao động rất lớn. Điều này xảy ra là do nhiên liệu bị nén và đẩy từ buồng piston bơm lên ống phân phối không phải liên tục, mà chia thành từng đợt như các cơn sóng. Bên cạnh đó, trong q trình phun, trong ống phân phối sẽ xảy ra độ sụt áp nhất định do bơm cao áp không thể ngay lập tức bù được sự sụt áp này nên cũng sẽ sinh ra các đợt dao động. Nếu sự dao động này trong ống phân phối trên không được dập tắt thì sẽ ảnh hưởng rất lớn tới q trình phun. Nó sẽ gây ra các hậu quả sau:
44 + Áp suất phun không ổn định.
+ Lượng nhiên liệu phun khơng chính xác.
+ Hình dạng chùm tia phun khơng đúng như tính tốn.
- Để đáp ứng được những yêu cầu trên, ống phân phối phải được tính tốn và thiết kế hợp lý và chính xác theo các nguyên lý thủy lực. Các yêu cầu cụ thể là:
+ Có thể tích đủ lớn để làm giảm thiểu sự dao động của nhiên liệu.
+ Có thể tích đủ nhỏ để cho phép áp suất nhiên liệu tăng nhanh trong một khoảng thời gian tối thiểu để đảm bảo cung cấp đủ áp suất cho hệ thống ở tốc độ cao.
+ Ở các vị trí nối với ống tới kim phun phải được thiết kế có tiết diện lớn để giảm dao động và kịp thời cung cấp lượng nhiên liệu cần thiết trong các q trình phun.
- Ngồi ra, ở một vài hệ thống nhiên liệu Common Rail khác được trang bị thêm bộ dập dao động nhiên liệu và van giảm áp.
• Van điều áp (Pressure discharger valve)
Hình 3.37: Van điều áp
- Van điều áp nằm ngay trên ống phân phối dùng để giải phóng áp suất cho phép nhiên liệu quay lại thùng nhiên liệu nếu áp suất trong ống phân phối cao hơn giá trị cho phép. Khi áp suất trên đường ống phân phối vượt mức 250 MPa và thắng lực lò xo, làm cho van điều áp mở ra. Khi áp suất giảm xuống khoảng 35-50 MPa van điều áp trở về trạng thái bình thường (đóng van) để duy trì áp suất thích hợp.
45
3.4.1.7. Lọc nhiên liệu Diesel
Hình 3.38: Cấu tạo lọc nhiên liệu Diesel
Chức năng:
- Thường sử dụng bộ phận lọc bằng giấy, sợi vải giấy, sợi vải tổng hợp và một số loại vật liệu khác. Tuy nhiên, được sử dụng rộng rãi hơn cả là bộ lọc bằng giấy, loại này có thể sử dụng khoảng 80.000 km. Cấu tạo của một dạng bầu lọc nhiên liệu gồm có 3 lưới lọc bằng giấy. Dầu được hút vào trong bầu lọc bằng bơm tiếp vận, sau đó đi qua các ống giấy lọc và đi ra ngồi. Trên lọc nhiên liệu thường tích hợp thêm bơm tay để cung cấp nhiên liệu đến bơm tiếp vận giúp động cơ dễ dàng hoạt động trong lần khởi động đầu tiên sau khi sửa chữa, thay thế hệ thống nhiên liệu.
- Hệ thống nhiên liệu có bơm cao áp kiểu phân phối có thể sử dụng một bầu lọc chung cho cả hệ thống hoặc có thêm lọc nhiên liệu cao áp. Trên lọc nhiên liệu Diesel có tích hợp chức năng cảnh báo nghẹt lọc hoặc trong lọc có đọng nước để cảnh báo tình trạng của lọc lên đồng hồ táp lơ.
46
Hình 3.39: Đèn cảnh báo trạng thái lọc nhiên liệu Diesel
3.4.1.8. Lọc nhiên liệu cao áp
Hình 3.40: Lọc nhiên liệu cao áp trên động cơ Toyota Hilux 1GD-FTV
➢ Chức năng và vị trí:
- Lọc cao áp được đặt trên thân động cơ dùng để lọc nhiên liệu cao áp, bảo vệ các kim phun, cụm ống phân phối hoặc cụm bơm cao áp khỏi các tạp chất trong nhiên liệu từ đó tránh được hư hỏng khơng đáng có và tăng được tuổi thọ của hệ thống nhiên liệu. - Khi phát hiện lọc nhiên liệu cao áp đang bị tắc, màn hình sẽ hiển thị thơng báo cảnh
47
Hình 3.41: Đèn cảnh báo lỗi lọc nhiên liệu cao áp
➢ Cấu tạo:
Hình 3.42: Sơ đồ đường đi và mặt cấu của lọc nhiên liệu cao áp
Lọc nhiên liệu cao áp được cấu tạo từ các bộ phận như sau: - Vỏ lọc nhiêu liệu cao áp
48 - Van xả khí
- Đường ống dẫn nhiên liệu hồi lại từ bơm cao áp đến lọc nhiên liệu cao áp - Đường ống dẫn nhiên liệu từ bơm cao áp đến đến lọc nhiên liệu cao áp
- Đường ống dẫn nhiên liệu hồi lại từ kim phun và ống phân phối đến lọc nhiên liệu cao áp
- Đường ống dẫn nhiên liệu từ lọc nhiên liệu cao áp đến bơm cao áp
- Đường ống dẫn nhiên liệu từ lọc nhiên liệu cao áp đến thùng chứa nhiên liệu
3.4.1.9. Bugi xơng
Hình 3.43: Bugi xơng - Chức năng - Chức năng
Động cơ Diesel hoạt động bằng cách nén hỗn hợp nhiên liệu dưới áp suất lớn đến mức tự bốc cháy sinh công. Bởi không sử dụng tia lửa điện, động cơ Diesel cần một tỉ số nén lớn để tăng nhiệt độ lên cao. Tỉ số này có khi đạt tới trên 20:1 trong khi ở động cơ xăng trung bình chỉ cần 9,5:1. Khi trời lạnh, đặc biệt miền bắc vào mùa đơng, động cơ Diesel sẽ khó nổ hơn bình thường do các lí do sau: diện tích buồng đốt lớn, toả nhiệt nhiều nên nhiệt độ của khơng khí cuối kì nén bị thất thốt đáng kể. Vì vậy, bugi xơng giúp sưởi ấm khơng khí nén trong buồng đốt để có thể đốt cháy nhiên liệu tốt hơn.
- Cấu tạo
Các bugi xơng có dạng dây đốt may so, được lắp vào vị trí trong buồng cháy của xi lanh động cơ, đối diện với kim phun, các bugi xông được nối song song với nhau. Các bugi xông được điều khiển bởi hộp điều khiển bugi xông bao gồm rờ le bugi xông, bộ định thời gian xơng và đèn báo xơng.
49
Hình 3.44: Sơ đồ mạch điện điều khiển bugi xông - Nguyên lý hoạt động - Nguyên lý hoạt động
Trước khi khởi động, bật khố điện ở vị trí IG ON. ECM dựa vào tín hiệu nhiệt độ nước làm mát THW và tín hiệu từ khóa điện IG SW. Sau đó xuất tín hiệu đến bộ điều khiển bugi xơng.
Khi nhiệt độ q thấp: dịng điện từ ắc quy qua khố điện vào bộ điều khiển bugi xông và tới cuộn dây của rờ le bugi xông nhiệt độ cao, tiếp điểm của rờ le đóng lại. Lúc đó các bugi xơng được cấp 100% điện áp của ắc quy để đảm bảo quá trình sấy nhanh.
Khi nhiệt độ bình thường: bugi xơng được điều khiển qua rờ le bugi xơng nhiệt độ thấp, dịng điện vào bugi xơng thông qua 1 điện trở phụ, điện áp đặt vào các bugi xơng bị giảm đi, mức độ đốt nóng của các bugi xông giảm so với khi xông ở nhiệt độ quá lạnh.
Bộ điều khiển bugi xơng nhận tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ từ ECM để điều khiển tự động ngắt dịng điện qua các bugi xơng khi thời gian xông