Hệ thống Common Rail trên động cơ 1GD-FTV- 123docz.net

Hình 3.13: Hệ thống nhiên liệu Common Rail trên động cơ 1GD-FTV

- Hệ thống nhiên liệu Common rail của động cơ 1GD-FTV sử dụng kiểu bơm HP5S của hãng Denso để cung cấp nhiên liệu cho động cơ vì kết cấu bơm gọn nhẹ và cung cấp nhiên liệu với áp suất lớn hơn những loại bơm khác (khoảng 200 MPa). Kiểu bơm này hầu hết được trang bị trên xe du lịch và xe tải cỡ nhỏ. Các thành phần của hệ thống nhiên liệu: bơm cao áp HP5S, ống cao áp, ống phân phối, kim phun, thùng chứa nhiên liệu, van SCV, bơm tiếp vận, van phân phối, van điều áp, lọc nhiên liệu. - Nhiên liệu được hút từ thùng nhiên liệu đến bơm cao áp. Nhiên liệu sau khi được nén

bởi bơm cao áp sẽ mang một áp suất lớn đi đến đường ống phân phối (thanh rail). Tại ống phân phối, nhiên liệu được kiểm soát áp suất và phân phối đến các kim phun ở các xi lanh. ECU sẽ gửi tín hiệu điện đến thanh gốm (Piezo Stack) trong kim phun dựa vào sự giãn nở của thanh gốm để điều khiển sự đóng mở của kim phun qua đó điều khiển sự bắt đầu và kết thúc phun nhiên liệu. Áp suất nhiên liệu được điều chỉnh bởi lượng nhiên liệu được bơm vào bơm cao áp. Trong khi, lượng nhiên liệu này được điều chỉnh bởi các tín hiệu điện từ ECU gửi đến để điều khiển van hút (Suction Control Valve) đóng – mở.

3.4.1.1. Bơm tiếp vận

Hình 3.14: Hình dạng bơm tiếp vận

- Hệ thống Diesel thường có hai bơm nhiên liệu gồm bơm chuyển nhiên liệu và bơm tiếp vận nhiên liệu. Bơm chuyển nhiên liệu có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu liên tục cho bơm tiếp vận, ngoài ra còn có tác dụng châm dầu, xả gió khi động cơ chưa hoạt động. Bơm chuyển nhiên liệu thường được dùng là bơm điện. Nếu thùng nhiên liệu được đặt cao hơn động cơ thì không cần bơm chuyển nhiên liệu.

- Nguyên lý hoạt động:

Bơm tiếp vận nhiên liệu được thiết kế nằm trong bơm cao áp và được dẫn động đồng thời bằng trục cam của bơm cao áp. Chức năng của bơm tiếp vận là nhận nhiên liệu từ thùng nhiên liệu sau đó cung cấp nhiên liệu cho piston bơm qua lọc thô (bên trong bơm cao áp) và van điều khiển hút (SCV).

Nguyên lí hoạt động của bơm tiếp vận dựa trên sự thay đổi của việc tăng lên và giảm xuống của thể tích giữa hai bánh răng. Khi trục cam của bơm quay theo chiều kim đồng hồ làm cho vòng trong quay cùng vận tốc với bơm cao áp và kéo theo vòng ngoài của rotor bơm tiếp vận quay theo. Lúc này thể tích buồng hút của bơm từ từ được tăng lên, nhiên liệu từ cửa nạp được bơm đầy vào buồng bơm. Cùng với sự quay của rotor, nhiên liệu được nén dần về phía cửa nén và đi vào piston bơm.

Đây là loại bơm không điều chỉnh được lưu lượng và áp suất khi số vòng quay cố định. Do đó lưu lượng nhiên liệu mà bơm cung cấp sẽ tỉ lệ với tốc độ động cơ trong mọi trường hợp. Vì lý do này, trên bơm tiếp vận được gắn van điều khiển áp suất nhiên liệu SCV có nhiệm vụ điều khiển lượng nhiên liệu trước khi cấp tới bơm cao áp thông qua tín hiệu điện tử ECU gửi tới.

Hình 3.15: Bơm tiếp vận

• Van điều chỉnh áp suất nhiên liệu

- Van điều chỉnh áp suất nhiên liệu dụng để ngăn ngừa hiện tượng áp suất nhiên liệu do bơm tiếp vận tạo ra vượt quá giá trị giới hạn. Khi áp suất vượt quá giá trị cho phép thì lúc này áp suất sẽ thắng lực lò xo và van điều chỉnh áp suất mở ra, áp suất nhiên liệu giảm xuống và quay về bơm tiếp vận.

Hình 3.16: Van điều chỉnh áp suất nhiên liệu

Chú thích: 1 - Ống lót 2 - Piston bơm 3 - Lò xo hồi vị 4 - Đai ốc giữ 5 - Cụm bơm tiếp vận 6 - Vỏ bơm

3.4.1.2. Bơm cao áp HP5S của hãng Denso

- Hệ thống Common Rail trên động cơ Toyota Hilux 1GD-FTV dùng bơm cao áp Denso HP5S. Bơm được dẫn động bởi trục khuỷu động cơ theo tỉ lệ 1:1. Bơm cao áp có công dụng hút nhiên liệu từ thùng chứa và nén nhiên liệu lên áp suất cao khoảng trên 2000 bar (200MPa) khi động cơ hoạt động.

- Bơm cao áp là chi tiết trung gian giữa hệ thống nhiên liệu áp suất thấp và hệ thống nhiên liệu áp suất cao. Nó có tác dụng tạo ra và duy trì áp suất cao cho nhiên liệu trong suốt quá trình làm việc của hệ thống. Lượng nhiên liệu này sẽ được đưa đến và tích trữ trong ống phân phối, sẵn sàng cung cấp đến các kim phun ở mọi chế độ làm việc của động cơ.

- Nhiệm vụ chính của bơm cao áp là tạo và duy trì áp suất cao cho nhiên liệu trong ống phân phối. Do đó, trong hệ thống Common Rail, áp suất của nhiên liệu không phải được sinh ra trong từng quá trình phun riêng lẻ, khác với các hệ thống nhiên liệu sử dụng bơm cao áp trước đây. Nhờ vào quá trình tạo áp suất cho nhiên liệu được thực hiện thông qua bơm cao áp do đó nhiên liệu luôn được duy trì ở áp suất cao mà chất lượng của quá trình phun luôn tối ưu ở mọi tốc độ và chế độ tải khi động cơ hoạt động.

Hình 3.17: Mặt cắt bơm cao áp Denso HP5S

28 Chú thích:

1 – Pre-stroke Control Valve: Van điều khiển hút (Suction Control Valve) 2 – Plunger: Piston bơm

3 - Spring: Lò xo hồi vị

4 - Follower: Cơ cấu đỡ piston 5 – Roller: Con lăn

6 – Camshaft: Trục cam dẫn động bơm 7 - Double cam: Vấu cam

8 - Check ball: Van một chiều

a – Tới kim phun bù nhiên liệu và lọc cao áp b – Đường ống hồi

c – Đường ống nhiên liệu từ thùng nhiên liệu d – Tới ống phân phối (thanh rail)

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật bơm cao áp HP5S

Loại bơm HP5S

Chiều dài A 202.2mm

B 144.6mm

Số lượng van/ Loại van Pre-stroke Control Valve (SCV)

1 - Loại thường đóng

Tỉ lệ vòng quay Np : Ne 1:1

Điện áp 12V

Kích thước piston bơm - số lượng

Φ 6.5mm x 1

Nguyên lý hoạt động của bơm HP5S:

Hình 3.19: Sơ đồ đường đi của hệ thống nhiên liệu

Chú thích:

1 – Ống phân phối (thanh rail) 2 – Van điều áp

3 – Bộ điều khiển trung tâm (ECU) 4 – Cảm biến vị trí trục khuỷu 5 – Cảm biến vị trí trục cam 6 – Kim phun

7 – Van điều khiển hút 8 – Bơm cao áp

30 10 – Kim phun bù nhiêu liệu

11 – Lọc tinh

12 – Thùng nhiên liệu

- Đường nhiên liệu áp suất cao

- Đường nhiên liệu từ thùng nhiên liệu - Đường nhiên liệu hồi về

- Đường bù nhiên liệu

- Đường nhiên liệu đi trong bơm: nhiên liệu được hút bởi bơm tiếp vận từ thùng nhiên liệu đi qua lọc thô, sau đó qua lọc cao áp đến van điều khiển hút Pre-stroke Control Valve hay còn được gọi là Suction Control Valve (SCV). Tại đây, van SCV điều chỉnh lượng nhiên liệu cần thiết trước khi vào bơm cao áp để áp suất nhiên liệu đầu ra phù hợp ở từng chế độ hoạt động. Sau khi nhiên liệu được nén bởi các piston bơm cao áp thì dẫn đến ống phân phối (thanh rail).

Hình 3.21: Cấu tạo chính của bơm cao áp HP5S

Chú thích:

1 – Van điều khiển hút 2 – Piston bơm

3 – Lò xo hồi vị 4 – Con đội 5 - Con lăn 6 – Cam lệch tâm

Cam lệch tâm được lắp đặt trên trục truyền động và một piston bơm được dẫn động bởi cam lệch tâm thông qua con lăn 5. Khi trục bơm quay làm cam lệch tâm quay. Dựa vào hình dạng đặc biệt của cam lệch tâm làm piston bơm hút nén liên tục. Nhiên liệu được cung cấp đến các xi lanh, khi cam đội làm cho piston đi lên thì nhiên liệu được nén lại và đi qua các van một chiều đi đến ống phân phối.

Khi piston bơm không được cam đội thì bị lò xo ép xuống lúc này ECU điều khiển cấp dòng cho van SCV, van SCV mở điều khiển lượng nhiên liệu vào trong xi lanh của bơm.

3.4.1.3. Van điều khiển hút (Suction Control Valve - SCV)

Chức năng chính của van SCV là cung cấp đủ lượng nhiên liệu cần thiết để đạt được áp suất nhiên liệu mà hệ thống cần sau khi nhiên liệu đi qua bơm cao áp. Nhờ đó mà tải kéo bơm cao áp sẽ giảm. Van SCV động cơ 1GD-FTV Toyota Hilux là loại van điện từ thường đóng. Van SCV được điều khiển bởi ECU động cơ để đóng - mở đường nhiên liệu từ bơm tiếp vận vào bơm cao áp, từ đó điều khiển được lượng nhiên liệu đi vào xi lanh bơm thông qua độ mở của van SCV.

Hình 3.22: Cấu tạo van SCV loại thường đóng

- Nguyên lý điều khiển van SCV: Thời gian cấp điện cho cuộn dây trong van tỉ lệ thuận

với độ mở của van.

33 - Thời gian mở van SCV ngắn

Hình 3.24: Độ mở van SCV khi thời gian mở ngắn

Khi thời gian cấp điện SCV ngắn, dòng điện trung bình chạy qua cuộn dây nhỏ không thắng được lực đẩy của lò xo hồi vị. Kết quả tạo ra một độ mở van SCV nhỏ dẫn đến kết quả lượng nhiêu liệu được cung cấp vào bơm cao áp ít.

34 - Thời gian mở van SCV dài

Hình 3.25: Độ mở van SCV khi thời gian mở dài

Khi thời gian cấp điện SCV dài, dòng điện trung bình chạy qua cuộn dây lớn thắng được lực đẩy của lò xo hồi vị làm cho van kim bị kéo sang phải. Kết quả tạo ra một độ mở van SCV lớn dẫn đến kết quả lượng nhiêu liệu được cung cấp vào bơm cao áp nhiều hơn.

3.4.1.4. Kim phun G3Pi

Hình 3.26: Các giai đoạn phát triển của kim phun

- Ở hệ thống phun nhiên liệu Common Rail, kim phun được nối với ống phân phối bằng những đoạn ống cao áp ngắn. Khu vực nối giữa kim phun với buồng đốt động cơ được làm kín bằng long đền đồng và phốt cao su. Kim phun được gắn trên nắp động cơ bằng lỗ côn. Dựa vào thiết kế của kiểu lỗ phun, kim phun được gắn thẳng đứng hoặc nghiêng trên động cơ phun trực tiếp.

- Chức năng của kim phun là phun nhiên liệu áp suất cao từ đường ống phân phối vào buồng đốt động cơ theo đúng thời điểm, thể tích, tỉ lệ và phun tơi theo các tín hiệu từ ECU.

Hình 3.27: 1: Kim phun kiểu Piezo trên động cơ 1GD-FTV Hình 3.27: 2: Kim phun kiểu Solenoid trên động cơ 1KD-FTV

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. Ngoài 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 không 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 thông tin cho ECU, do đó sẽ không 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:

- 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 không có tín hiệu điện áp cung cấp đến phần tử gốm tổng hợp (Piezo Stack), không 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 quá trình phun không 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 không có nhiên liệu và có không khí vào buồng giãn nở

Hệ thống Common Rail trên động cơ 1GD-FTV

Toyota Hilux thế hệ thứ nhất

Toyota Hilux thế hệ thứ 4