Hình 2.8. Kim phun PI
1. Đường nạp nhiên liệu 2. Gioăng cao su 3. Vỏ kim phun
Giắc cấp điện (đầu nối) 4. Bộ lọc
5. Điện cực bên trong
6. Lò plastic clip with injection pin (kẹp nhựa cố định chốt kim phun)
7. Lò xo nâng 8. Cuộn dây điện từ
9. Van kim phun với phần ứng (solenoid). 10. Van bi
11. Bệ van 12. Tấm lỗ phun
Hình 2.9. Cấu tạo kim phun PI 2.7.1. Cấu tạo của kim phun PI
2.7.1.1. Các liên kết trong kim phun:
Khi kim phun được sử dụng, nhiên liệu cung cấp đến kim phun theo hướng trục, từ đáy kim phun (đầu cổng cấp nhiên liệu).
Đường dẫn nhiên liệu được giữ chặt ở đường nhiên liệu bởi một cái giá cố định. Kẹp cố định đảm bảo sự căn chỉnh và giữ chặt một cách tin cậy. Gioăng cao su ở đường nạp nhiên liệu làm kín kim phun với đường ống nhiên liệu.
Kim phun được kết nối với ECU của động cơ.
2.7.2. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động chi tiết của kim phun PI trên đường ống nạp
Kim phun trên đường ống nạp này có thể:
− Nhiên liệu phun ra có kích thước nhỏ
2.7.2.1. Kết nối
Trên các kim phun PI hiện đang được sử dụng, nhiên liệu cung cấp cho kim phun theo hướng trục của kim phun từ trên xuống dưới ("nguồn cấp từ trên"). Đường nhiên liệu được cố định vào đường nạp nhiên liệu bằng kẹp. Kẹp giúp giữ, đảm bảo sự cố định và gắn chặt một cách tin cậy. Vòng đệm (vòng chữ o) (2) khiến cổng nạp nhiên liệu (1) bị nhấc ra khỏi kim phun ở đường ống nạp nhiên liệu. Kim phun được kết nối bằng điện với ECU động cơ.
2.7.2.2. Hoạt động của vòi phun
Khi cuộn dây điện từ (9) bị ngắt năng lượng → kim van (10) và van bi (11) → lò xo (8) ép vào chân van (13) và lực đó tạo bởi áp suất nhiên liệu → hệ thống cung cấp nhiên liệu được đóng kín khỏi ống góp vào.
Khi cuộn dây điện từ (9) được cấp điện, điều này tạo ra từ trường hút phần ứng điện từ của phần ứng van kim→ Van bi nâng ra khỏi bệ van → nhiên liệu được phun vào.
Khi ngắt dòng điện kích thích, kim van sẽ đóng lại do lực lò xo.
2.7.2.3. Đầu ra nhiên liệu
Nhiên liệu được phun ra nhờ một tấm lỗ phun (13) trong đó có một số lỗ. Các lỗ này (lỗ phun) được đẩy ra khỏi đĩa và đảm bảo rằng lượng nhiên liệu phun vào luôn không đổi. Tấm lỗ phun không nhạy cảm với cặn nhiên liệu. Hình dạng của nhiên liệu rời khỏi kim phun được tạo ra bởi số lượng lỗ phun và cấu hình của lỗ phun.
Kim phun được làm kín hiệu quả bởi chân van bằng nguyên tắc làm kín hình nón / bi ở đầu kim phun. Kim phun được lắp vào lỗ có sẵn cho nó trong ống nạp. Vòng đệm thấp hơn sẽ cho phép có vòng đệm giữa ống phun và ống góp.
Về cơ bản, lượng nhiên liệu phun vào tính theo thời gian phun và sẽ được xác định bằng hệ thống áp suất trong hệ thống cung cấp nhiên liệu, áp suất ngược trong đường ống nạp và hình dạng của khu vực phun nhiên liệu.
Nhờ các bề mặt chống mài mòn, PI cũng làm tăng độ ổn định với độ bền cao và tuổi thọ lâu dài. Nhờ khả năng làm kín hiệu quả cao, kim phun này đáp ứng tất cả các yêu cầu liên quan đến "không bay hơi", không có hơi nhiên liệu thoát ra khỏi chúng.
2.7.2.4. Kích hoạt điện
Một mô-đun đầu ra trong Motronic ECU kích hoạt kim phun bằng tín hiệu chuyển mạch. Dòng điện trong cuộn dây điện từ tăng lên (b) và làm cho kim van (c) nâng lên. Độ nâng van tối đa đạt được sau khi thời gian (thời gian nạp) trôi qua. Nhiên liệu được phun ngay khi quả cầu van nhấc ra khỏi bệ đỡ của nó. Tổng lượng nhiên liệu được bơm vào trong một xung phun được thể hiện trong Hình.2.10. d
Hình 2.10. Tổng nhiên liệu phun vào trong một xung phun.
− Dòng hiện tại ngừng khi tắt kích hoạt. Khối lượng quán tính làm cho van đóng,
nhưng chỉ từ từ. Van được đóng lại hoàn toàn sau khi hết thời gian phun.
− Khi van mở hoàn toàn, lượng nhiên liệu phun vào sẽ tỷ lệ thuận với thời gian. Sự không tuyến tính trong giai đoạn lấy và xả van phải được bù trừ cho việc tiết lưu mà không có khoảng thời gian mà kim phun được kích hoạt (thời gian phun).
− Tốc độ mà kim van nâng ra khỏi bệ đỡ của nó cũng phụ thuộc vào điện áp của pin. − Theo thời gian, các kim phun đã liên tục được phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày
càng cao về kỹ thuật, chất lượng, độ tin cậy và trọng lượng.
2.7.2.5. Hình thành phun
Hình dạng hình học của đường ống nạp trong thực tế và đầu xi lanh làm cho nó cần phải có các kiểu phun khác nhau. Hình 4.5 mô tả các hình dạng nhiên liệu được phun ra.
.
Hình 2.12. Hình dạng kim phun và góc phun.
Khi cuộn dây điện từ không được cấp năng lượng thì van kim và van bi bị lò xo ép vào bệ van hình nón với lực tác động bởi nó, nhiên liệu bị bịt kín khỏi ống nạp. Khi cuộn dây điện từ được cấp điện, nó tạo ra từ trường hút phần vỏ van kim nhờ phần ứng điện từ. Van bi nâng ra khỏi bệ van và nhiên liệu được phun vào.
Khi ngắt dòng điện kích từ, kim van đóng lại do lực lò xo. Lúc này, nhiên liệu được nguyên tử hóa (phun tơi sương) bằng đầu phun dạng tấm có nhiều lỗ phun. Những lỗ phun
này đóng chặt trên tấm đầu kim phun và đảm bảo nhiên liệu phun ra với số lượng và áp suất cao. Và không có nhiên liệu đọng lại trên đầu kim phun, số lượng tia phun sẽ theo số lượng lỗ phun.
Thông qua các chế độ hoạt động của động cơ, thì ECU tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến và gửi tín hiệu điện đến kim phun để điều khiển kim phun, điều khiển lượng nhiên liệu phun ra thông qua thời gian nhấc kim phun.
2.7.3. Thông số kết cấu mô phỏng chi tiết
Hình 2.13. Bản vẽ kim phun PI tiêu chuẩn
2.7.3.1. Thông số cơ học
− Áp suất hệ thống: 5 bar − Câng nặng: 30 g
− Chiều dài : 33.6, 48.65, hoặc 60.65 mm − Nhiên liệu đầu vào: Đầu kim phun − Nhiệt độ hoạt động: -40 – 110oC − Nhiệt độ nhiên liệu cho phép: ≤ 70°C
− Tốc độ dòng chảy ở 3 bar: 151-1.462 cm3/phút − Góc phun α : 15 đến 85 °
− Góc uốn cong: 0-15oC
2.7.3.2. Thông số điện
− Nguồn cấp: 6- 16.5V
2.8. Kim phun trực tiếp đa điểm GDI (kim phun cao áp)
2.8.1. Cấu tạo của kim phun cao áp GDI
1.Đầu nạp nhiên liệu có bộ lọc 2.Giắc cấp điện
3. Lò xo 4.Cuộn dây 5.Vỏ kim phun
6.Vòi phun nhiên liệu có cuộn dây điện từ
7.Kệ đỡ kim phun
8.Đầu phun nhiên liệu của kim phun
Hình 2.14. Cấu tạo của kim phun trực tiếp 2.8.2. Nhiệm vụ và yêu cầu với kim phun cao áp:
2.8.2.1. Nhiệm vụ
Kim phun có nhiệm vụ đo lường lượng nhiên liệu phun và nguyên tử hóa nhiên liệu
(thông qua việc phun tơi nhiên liệu vào buồng đốt) để điều khiển lượng hòa khí theo từng
khu vực đặc biệt của buồng đốt. Phụ thuộc vào các chế độ hoạt động, lượng nhiên liệu tập
trung xung quanh bugi (ở chế độ phân tầng) hoặc phân bố khắp trong buồng đốt (ở chế độ
đồng nhất).
2.8.2.2. Yêu cầu với kim phun cao áp
Thời gian phun nhiên liệu vào buồng đốt ngắn hơn rất nhiều so với phun ngoài đường ống nạp.
ra phải tơi và bốc hơi nhanh ngay sau khi phun ra nhằm đảm bảo sự hoạt động tối ưu tuyệt đối của kim phun.
Hình 2.15. Sự so sánh giữa thời gian phun trên đường ống nạp và phun trực tiếp
Dựa vào hình trên, ta có thể thấy cùng một lượng nhiên liệu phun ra nhưng thời gian phun của kim phun trực tiếp nhắn hơn rất nhiều cụ thể ở vòng quay 6000 vòng/phút:
− Kim phun trực tiếp: từ 0.4 đến 5 ms để đạt lượng nhiên liệu.
− Kim phun trên đường ống nạp: từ 3.5 đến 20 ms để đạt lượng nhiên liệu phun. Ở phun xăng trực tiếp, nhu cầu nhiên liệu ở mức đầy tải sẽ thấp hơn so với phun xăng trên đường ống nạp nên khi tải cao thường hay sử dụng phun xăng trực tiếp để tiết kiệm nhiên liệu.
2.8.3 Nguyên lí hoạt động của kim phun trực tiếp GDI trong AVL BOOST Hydsim Kim phun trực tiếp trực tiếp GDI có các chức năng: Kim phun trực tiếp trực tiếp GDI có các chức năng:
− Phun nhiên liệu trực tiếp với áp suất cao
− Phun nhiên liệu theo nhiều cách để đạt được sự kiểm soát nhiên liệu theo khu vực cụ thể của buồng đốt.
− Phun theo chế độ vận hành, nhiên liệu sẽ tập trung ở vùng lân cận của bugi (phân tầng) hoặc phân bố đều khắp buồng đốt (đồng nhất).
2.8.3.1. Nguyên lí hoạt động
− Khi dòng điện chạy qua cuộn dây → một từ trường được tạo ra → nâng kim van ra khỏi chân van chống lại lực của lò xo → mở các đường ra của kim phun (8). Áp suất hệ thống bây giờ ép vào một lượng nhiên liệu, lượng nhiên liệu này sẽ tùy thuộc vào thời gian của kim phun và áp suất nhiên liệu, nhấc càng lâu, áp suất càng cao thì nhiên liệu phun ra càng nhiều và ngược lại.
− Khi ngắt dòng điện, van kim bị lực lò xo ép ngược xuống bệ đỡ của nó và làm gián đoạn dòng chảy của nhiên liệu.
− Khả năng phun nhiên liệu tuyệt vời đạt được nhờ vào hình dạng vòi phun phù hợp ở đầu kim phun.
2.8.3.2. Hoạt động của kim phun GDI trong xi lanh
Hình 2.16. Hoạt động của kim phun GDI trong xi lanh
Kim phun phải được kích hoạt với đặc tính dòng điện cao để tuân thủ các yêu cầu đối với quá trình phun nhiên liệu tái tạo, xác định (hình 4.9).
− Bộ vi điều khiển trong ECU động cơ chỉ phát tín hiệu kích hoạt kỹ thuật số (a). Một mô-đun đầu ra (ASIC) sử dụng tín hiệu này để tạo ra tín hiệu kích hoạt (b) cho kim phun.
− Một bộ chuyển đổi D/C trong ECU động cơ tạo ra điện áp tăng cường 65V. Điện áp này là cần thiết để đưa dòng điện lên càng nhanh càng tốt trong pha tăng cường đến giá trị dòng điện cao. Điều này là cần thiết để tăng tốc kim phun càng nhanh càng tốt. Trong giai đoạn lấy hàng (t bật), kim giá trị sau đó đạt được độ nâng mở tối đa (c). Khi kim phun mở, một dòng điện kích hoạt nhỏ (dòng điện giữ) là đủ để giữ cho kim phun mở.
Hình 2.17. Sự hoạt động của kim phun cao áp GDI
− Với độ nâng kim phun không đổi, lượng nhiên liệu phun vào (d) tỷ lệ với thời gian phun.
2.8.3.3. Hình thành phun
Nhiên liệu sau khi được đưa đến đầu kim phun, với áp suất cao và cấu tạo vòi phun 6 lỗ phun, nhiên liệu được phun sương ra theo 6 lỗ phun này.
Hình 2.18. Đầu kim phun áp cao GDI
Hướng nhiên liệu phun ra được mô tả trong hình 4.11
Hình 2.19. Hướng nhiên liệu phun ra trong buồng đốt
2.8.3.4. Các chế độ hoạt động
Kim phun trực tiếp hoạt động theo hai chế độ là chế độ nạp đồng nhất và chế độ nạp phân tầng.
- Chế độ nạp đồng nhất:
Động cơ hoạt động trên hỗn hợp A/F đồng nhất (lamda = 1), nghĩa là có một hỗn hợp gần như hoàn hảo giữa nhiên liệu và không khí trong xi lanh. Nhiên liệu được bơm vào ngay khi bắt đầu hành tình nạp để tạo cho nhiên liệu vào có thời gian hòa trộn với không khí nhiều nhất, để tạo thành hỗn hợp A/F đồng nhất. Chế độ này cho phép sử dụng bộ TWC để xử lí khí thải.
- Chế độ nạp phân tầng:
Tạo ra một vùng hỗn hợp A/F xung quanh bugi, vùng này được bao quang bởi vùng không khí trong phần còn lại của xi lanh, Điều này dẫn đến lượng nhiên liệu được phun vào xi lanh ít hơn, dẫn đến tỉ lệ A/F tổng thế rất cao lamda > 8, với tỉ lệ không khí trung bình lamda = 3..5 khi tải trung bình và lamda = 1 khi đầy tải. Chế độ nạp phân tầng cũng giữ cho ngọn lửa cách xa thành xi lanh, giúp giảm tổn thất nhiệt. Nhiên liệu sẽ được phun trong giai đoạn sau của kì nén, kết hợp với khoang xoáy ở trên cùng của piston tạo ra hỗn hợp nhiên liệu phân tầng xoáy siêu nghèo mà các hệ thống nhiên liệu cho động cơ xăng khác không làm được. Được sử dụng ở mức tải thấp, nhằm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu
và lượng khí thải.
2.8.3.5. Điều khiển nhiên liệu
ECU tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến áp suất nhiên liệu trong xi lanh, cảm biến bàn đạp ga… xử lí và gửi tín hiệu điện đến kim phun đển điều khiển dòng điện cấp cho kim phun, lượng điện cung cấp càng lâu thì lượng nhiên liệu phun ra sẽ càng nhiều và áp suất phun từ 2.75MPa đến 20MPa.
2.8.4. Thông số kết cấu mô phỏng trực tiếp
Hình 2.20. Bản vẽ chi tiết kim phun GDI
2.8.4.1. Thông số cơ khí:
− Khối lượng kim phun: 68g
− Đường kính thân kim phun: 20,7 mm − Chiều dài kim phun: 87 mm
− Tốc độ phun: 1.640g/phút − Số lượng 8 lỗ
− Góc phun: 110o
− Tia đươn góc phun: 8 đén 20o − Rò rỉ: =< 2,5 mm3/ phút pử 23o
2.8.4.2. Thông số điện tử của cuộn dây điện từ:
− Dòng cấp tăng áp: 65V − Dòng tăng áp: 13,4V − Thời gian tăng áp: 480 µs − Nguồn cấp: 12V
− Thời gian nhấc kim: 704 µs Dòng duy trì: 3.7A - Độ trễ 0.8A
2.9. Đường ống dẫn nhiên liệu
2.9.1. Đường ống dẫn nhiên liệu áp suất thấp (LP)
Được làm từ thép dập, và thành của nó đóng vai trò là van điều tiết xung áp suất nhiên liệu.
Cảm biến áp suất được lắp trong thanh ray.
Hình 2.21. Đường ống nhiên liệu áp thấp 2.9.2. Đường ống dẫn nhiên liệu áp suất cao (HP)
Được làm từ tháp dập, có một cảm biến áp suất cung cấp tín hiệu phản hồi cho ECU. Các kim phun được giữ bằng giá đỡ lò xo giúp giảm rung động và không cho chúng di chuyển trong quá trình khởi động (khi áp suất trong xi lanh cao hơn áp suất nhiên liệu trong đường ống).
Hình 2.22. Đường dẫn nhiên liệu áp suất cao
2.10. Hệ thống chứa và lọc nhiên liệu
2.10.1. Bình xăng
Hình 2.23. Bình xăng
Có nhiệm vụ lưu trữ nhiên liệu, đảm bảo cho động cơ hoạt động liên tục trong một khoảng thời gian nhất định.
Đây là nơi chứa bơm xăng áp thấp EV 165, bộ lọc nhiên liệu tinh và lọc thô (bộ lọ chút nhiên liệu).
2.10.2. Bộ lọc nhiên liệu
− Bầu lọc thô có nhiệm vụ tách nước ra khỏi nhiên liệu và lọc các hạt thô có kích thước 0.04-0.1mm.
− Bầu lọc tinh có nhiệm vụ lọc sạch cặn bẩn có kích thước rất nhỏ trong nhiên liệu để đảm bảo chất lượng làm việc cũng như độ bền của bơm cao áp và vòi phun.
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHẦN MỀM
MÔ PHỎNG AVL BOOST HYDSIM
3.1. Giới thiệu tổng quan về phần mềm AVL BOOST Hydsim
BOOST Hydsim là một chương trình phân tích động các hệ thống thủy lực và cơ khí thủy lực. Nó dựa trên lý thuyết về động lực học chất lỏng và chuyển động của các hệ thống đa vật thể. Phạm vi ứng dụng chính của BOOST Hydsim là mô phỏng phun nhiên liệu. Ban đầu, phần mềm được phát triển để mô phỏng các hệ thống phun nhiên liệu GDI.
Ngày nay, BOOST Hydsim rất phù hợp cho việc mô hình hóa xăng, dầu nặng, phun nhiên liệu thay thế... Ngoài ra, các ứng dụng mới như truyền thủy lực, van điện từ (solenoid) và bộ truyền động đã được cập nhập. BOOST Hydsim có thể được sử dụng cho mô phỏng nhiều hệ thống phun nhiên liệu và các hệ thống khác bao gồm các bộ điều khiển. Nói chung, chương trình này rất hữu ích trong nhiều lĩnh vực liên quan đến phân tích động các hệ thống thủy lực, cơ khí và điều khiển. Ví dụ, bằng cách sử dụng giao Diện MATLAB, BOOST Hydsim có thể mô phỏng động lực học của các thiết bị điều khiển cơ khí, chẳng hạn như đầu vào động cơ và điều khiển nâng van xả và độ
