CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
3.4. Hệ thống Common Rail trên động cơ 1GD-FTV
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 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. 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 khơng thay đổi hoặc kim phun bị rị 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 q 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.