II. CÁC HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU DIESEL ĐIỆN TỬ
3. Hệ thống nhiên liệu Diesel với bơm vòi phun kết hợp
3.1. Hệ thống nhiên liệu Diesel EUI (Electronic Unit Injection ) 3.1.1. Khái quát
Mặc dù đƣợc giới thiệu vào cuối những năm 80, nhƣng hệ thống nhiên liệu EUI đã đạt đƣợc những thành tựu nhất định về mặt cấu tạo, nâng cao tính năng làm việc và độ tin cậy. EUI còn là tiền đề cho hệ thống nhiên liệu HEUI – Hydraulically Actuated Electronically Controlled Unit Injector – (Tác động thủy lực, điều khiển điện tử )sau này.
Hệ thống nhiên liệu EUI có 5 bộ phận cấu thành:
- Các vòi phun EUI: Tạo ra áp suất phun tới 207000 kPa (30.000 psi) và ở tốc độ định mức nó phun tới 19 lần/s;
- Bơm chuyển nhiên liệu: Cung cấp nhiên liệu cho các vòi phun bằng cách hút nhiên liệu từ thùng chứa và tạo ra một áp suất từ 60-125 psi;
- Mô-đun điều khiển điện tử (ECM – Electronic Control Module): Là một máy vi tính cơng suất lớn điều khiển các hoạt động chính của động cơ;
- Các cảm biến: Là những thiết bị điện tử kiểm sốt các thơng số của các động cơ: nhƣ nhiệt độ, áp suất, tốc độ… và cung cấp các thông tin cho ECM bằng một điện thế tín hiệu.
- Các thiết bị tác động: Là những thiết bị điện tử sử dụng các cƣờng độ dòng điện từ ECM để làm việc hoặc thay đổi hoạt động của động cơ. Ví dụ thiết bị tác động vịi phun là cơng tắc điện từ.
Hình 35: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu EUI 1. Thùng dầu 4. Bầu lọc tinh
2. Bầu lọc thơ 5. Các vịi phun 3. Bơm chuyển nhiên liệu 6. ECM
7. Các cảm biến
3.1.2. Hệ thống dẫn động phun
Khi trục cam quay tác động vào cò mổ tới phần bơm và tác động làm cho piston đi xuống nén nhiên liệu tạo áp suất cao. Dầu có áp suất cao này đƣợc cấp đến kim phun. Còn van điện điều khiển nạp dầu và xả dầu.
Vòi phun tạo ra áp suất nhiên liệu. Lƣợng nhiên liệu thích hợp đƣợc phun vào xi lanh ở những thời điểm chính xác. Mơdun điều khiển điện tử ECM
(Electronic Control Module) xác định thời điểm phun và lƣợng nhiên liệu cần phun. Vòi phun đƣợc dẫn động bởi vấu cam và cơ cấu đòn gánh ( cị mổ ). Trục cam có ba vấu cam cho mỗi xylanh. Hai vấu dẫn động xupap nạp và xupap xả, còn một vấu dẫn động cơ cấu bơm vòi phun. Lực đƣợc truyền từ vấu cam dẫn động vòi phun trên trục cam qua con đội đến đũa đẩy. Lực của đũa đẩy đƣợc truyền qua cơ cấu cụm cò mổ và tới chốt đẩy piston bơm. Ecu điều chỉnh cho phép điều chỉnh vịi phun.
Hình 36 : Sơ đồ dẫn động hệ thống nhiên liệu vòi phun điện tử
1. Ê cu điều chỉnh; 2. Cụm cò mổ; 3. Vòi phun; 4. Đũa đẩy; 5. Trục cam
3.1.3. Vòi phun
Các bộ phận của vòi phun bao gồm van điều khiển điện từ, khoang xylanh, piston bơm, chốt đẩy piston và cụm đầu vòi phun (phần kim phun). Các chi tiết của cụm đầu phun gồm lò xo, kim phun và một đầu phun. Van ống bao gồm các bộ phận: van điều khiển điện từ, phần ứng, van đĩa và lị xo van đĩa.(hình 37).
Các bộ phận chính của vịi phun
1. Van ĐK điện từ; 2. chốt đẩy piston; 3. Piston bơm; 4. Khoang xylanh 5. phần kim phun
Hoạt động của vòi phun:
Hoạt động của vòi phun điện tử EUI bao gồm 4 giai đoạn sau: Trƣớc khi
phun, Phun, Kết thúc phun và nạp nhiên liệu. Các vòi phun dùng chốt đẩy piston và xylanh ép để bơm nhiên liệu áp suất cao vào buồng đốt. Vòi phun đƣợc lắp vào lỗ vòi phun trên mặt quy lát có đƣờng cấp liệu thống nhất. Ống lót vịi phun
cách ly nó với chất làm mát động cơ và áo nƣớc. Một số động cơ sử dụng ống lót làm bằng thép khơng rỉ đƣợc ép nhẹ vào mặt quy lát
Nạp nhiên liệu Phun nhiên liệu Hình 38 : Các giai đoạn hoạt động của vịi phun
Trước khi phun: Việc tạo sƣơng mù trƣớc khi phun bắt đầu với chốt đẩy
piston và xi lanh ép của vịi phun ở trên đỉnh của hành trình phun nhiên liệu. Khi rãnh của chốt đẩy piston đầy nhiên liệu, van trụ và van kim ở vị trí mở. Nhiên liệu ra khỏi rãnh của chốt đẩy piston khi cơ cấu đòn gánh đẩy xylanh ép và Pis chốt đẩy piston đi xuống. Dòng nhiên liệu bị van kim đóng chặn lại sẽ chảy qua van trụ mở về đƣờng cấp nhiên liệu trong mặt quy lát. Nếu cơng tắc điện từ có điện, van trụ tiếp tục mở và nhiên liệu từ chốt đẩy piston tiếp tục chảy vào đƣờng cấp nhiên liệu.
Phun: Để bắt đầu phun, ECM gửi một dịng điện tới cơng tắc điện từ trên
van ống. Công tắc điện từ tạo ra từ trƣờng để hút phần ứng. Khi công tắc điện từ hoạt động, bộ phần ứng sẽ nâng van trụ do đó van trụ tiếp xúc với đế van. Đây là vị trí đóng. Ngay khi van trụ đóng, đƣờng dẫn nhiên liệu đi vào trong rãnh chốt đẩy piston bị đóng. Chốt đẩy piston tiếp tục nén nhiên liệu từ rãnh Piston lông- giơ và làm áp suất nhiên liệu tăng lên. Khi áp suất nhiên liệu đạt khoảng 34.500kPa (5000 psi), lực của nhiên liệu áp suất cao thắng đƣợc lực căng của lò xo. Lực căng này giữ vịi phun ở vị trí đóng. Kim phun di chuyển cùng đế van lên trên và nhiên liệu đƣợc phun ra ngoài. Đây là sự bắt đầu phun.
Kết thúc phun: Sự phun vẫn tiếp tục khi Pít tông long-giơ di chuyển xuống dƣới và van trụ ở vị đóng. Khi áp suất khơng đạt tới mức quy định, ECM dừng dịng điện tới cơng tắc điện từ. khi dịng điện tới cơng tắc điện từ bị ngắt, van trụ mở. Van trụ đƣợc mở bởi lị xo và áp suất nhiên liệu. Khi đó, nhiên liệu
áp suất cao có thể chảy qua van trụ mở và trở lại nguồn cung cấp nhiên liệu. Đó là kết quả sự giảm nhanh chóng áp suất trong vịi phun. Khi áp suất vòi phun giảm tới khoảng 24.000 kPa (3500 pis), vịi phun đóng và sự phun dừng lại. Đây là kết thúc phun.
Nạp: Khi chốt đẩy piston đi xuống tới dƣới của xylanh, nhiên liệu không
bị ép từ rãnh chốt đẩy piston nữa. chốt đẩy piston bị đẩy bởi bộ phận truyền động và lò xo hồi vị. Sự dịch chuyển lên phía trên của chốt đẩy piston là do áp suất trong rãnh chốt đẩy piston hạ thấp hơn áp suất nguồn cung cấp nhiên liệu. Nhiên liệu chảy từ nguồn cung cấp nhiên liệu qua van trụ mở và đi vào rãnh chốt đẩy piston và làm chốt đẩy piston di chuyển lên trên. Khi chốt đẩy piston đi đến đỉnh của hành trình, khoang chốt đẩy piston chứa đầy nhiên liệu và nhiên liệu chảy vào khoang chốt đẩy piston dừng lại. Đây là bắt đầu của chuẩn bị phun
3.2. Hệ thống nhiên liệu Diesel điện tử HEUI (Hydraulically Actuated Electronically Controlled Unit Injector)
3.2.1. Khái quát về hệ thống nhiên liệu Diesel HEUI
Hệ thống nhiên liệu HEUI (Hydraulically Actuated Electronically Controlled Unit Injector- Tác động thủy lực, điều khiển điện tử) là một trong những cải tiến lớn của động cơ Diesel. Nó cũng là một bộ phận trong công nghệ ACERT của hãng Carterpillar.
Sự ra đời của HEUI đã thiết lập những tiêu chuẩn mới đối với động cơ về tiêu hao nhiên liệu, độ bền cũng nhƣ các tiêu chuẩn về khí thải. Cơng nghệ phun nhiên liệu HEUI đang thay đổi cách nghĩ của cả nhà kỹ thuật lẫn ngƣời vận hành về hiệu suất của động cơ Diesel. Vƣợt trội hơn hẳn công nghệ phun nhiên liệu truyền thống trƣớc đây, HEUI cho phép điều chỉnh chính xác nhiên liệu phun vào buồng cháy cả về thời gian, áp suất và lƣợng nhiên liệu phun mang lại hiệu suất cao cho động cơ.
Công nghệ phun nhiên liệu truyền thống trƣớc đây phụ thuộc vào tốc độ động cơ, khi tốc độ động cơ tăng thì áp suất phun cũng tăng lên, gây ảnh hƣởng đến độ bền của động cơ và làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ. Áp suất phun đối với hệ thống nhiên liệu HEUI không phụ thuộc vào tốc độ động cơ, mà đƣợc điều khiển bằng điện. Vì vậy, động cơ trang bị hệ thống HEUI sẽ tiết kiệm nhiên liệu hơn và khí xả sạch hơn. Nhƣ vậy ứng dụng hệ thống nhiên liệu HEUI vào động cơ cho phép nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ, tiết kiệm nhiện liệu và giảm thiểu các tổn thất cũng nhƣ tiếng ồn của động cơ.
Tuy nhiên, các thiết bị trong hệ thống nhiêu liệu HEUI có độ chính xác rất cao, nhiên liệu bẩn có thể gây mịn, thậm chí phá hỏng các chi tiết trong hệ thống. Hạt bẩn có đƣờng kính chỉ bằng 1/5 đƣờng kính sợi tóc đã có thể gây nguy hiểm cho hệ thống. Chính vì vậy bộ lọc giữ một vai trò rất lớn trong việc nâng cao độ bền của hệ thống.
Hình 39 : Đặc tính áp suất phun của hệ thống nhiên liệu HEUI
Ba nhân tố quyết định để hiệu suất gia tăng ở HEUI là :
a. Sử lý mức độ: Mức độ phun có thể điều khiển phù hợp với bất kỳ tình trạng làm việc của động cơ.
b. Điều khiển thời điểm: Bắt đầu và kết thúc phun đƣợc điều khiển bằng điện tử. Không giống nhƣ loại điều khiển điện tử cổ điển tác động cho mỗi kim phun, Piston HEUI không dịch chuyển điện tử cho tới khi ống có điện năng. Sự dịch chuyển của piston plumger không giới hạn tốc độ và thời gian.
c. Ap suất phun cao hơn: Một piston tăng áp trong hệ thống HEUI làm tăng áp lực nhiên liệu trên piston định lƣợng. Ap suất phun đƣợc điều khiển trong khoảng từ (3000÷21000) PSI bằng cách thay đổi áp suất nhiên liệu đƣa vào. Ap suất phun cao đƣợc sử dụng cho toàn bộ tốc độ động cơ ở tốc độ cầm chừng cũng nhƣ ở tốc độ cao của động cơ.
Sơ đồ hệ thống nhiên liệu HEUI
1. Bơm áp cao; 2. Van điều khiển áp suất tác động phun; 3. Cụm vòi phun; 4. Các cảm biến; 5. ECM
3.2.3. Vòi phun HEUI. a. Cấu tạo
Vịi phun HEUI thì q trình phun có cả phun mồi (Pilot Injection).
Vòi phun là một thiết bị độc lập đƣợc điều khiển trực tiếp bởi mô dun điều khiển điện tử ECM. Dầu Diesel có áp suất từ 800 đến 3000 psi đƣợc bơm cấp chuyển đến vịi phun. Bộ phận pít tơng lơng-giơ trong vịi phun hoạt động tƣơng tự nhƣ xi lanh thuỷ lực có tác dụng nâng áp suất dầu vào vòi phun lên đến áp suất phun (từ 3000 đến 21000 psi) .
Van điện từ ở phía trên vịi phun nhận tín hiệu điều khiển từ ECM, qua đó điều khiển dầu bơi trơn tác động tác động vào pít tơng lơng-giơ để điều khiển thời điểm và lƣợng nhiên liệu phun.
Vòi phun HEUI Cấu tạo vịi phun HEUI
Q trình phun của vòi phun HEUI
b. Nguyên lý làm việc:
Bơm áp cao của hệ thống cấp một lƣợng dầu thủy lực tới van điện từ của vòi phun HEUI. Tại đây van điện từ sẽ đƣợc điều khiển mở cho dầu có áp suất cao này vào trong khoang phía dƣới van hình nấm để tác động phun. Một bơm cấp liệu (bơm dầu Diesel) nằm trong bơm áp cao đồng thời cấp một lƣợng nhiên liệu có áp suất nhất định vào đƣờng biên của cụm kim phun. Tại đây nhiên liệu có áp suất nhất định sẽ chờ sẵn ở khoang của cụm phun nằm phía dƣới cần đẩy. Một phần nhiên liệu cũng đƣợc đƣa xuống cụm piston tăng cƣờng áp suất. Khi van điện từ mở, dầu áp cao sẽ đƣợc đƣa vào trong khoang của van hình nấm, tạo nên một áp suất đẩy cần đẩy đi xuống.
Cần đẩy (Plunger) đi xuống sẽ đồng thời tạo ra một áp suất thắng đƣợc sức căng của lò xo trong cụm tăng cƣờng áp suất, đẩy nhiên liệu chờ sẵn dƣới khoang của cần đẩy ra ngoài buồng đốt của động cơ. Khi van điện từ đóng lại, dầu cao áp ngừng cấp vào khoang van hình nấm, áp suất trên khoang van bị mất, đồng thời áp suất khoang bên dƣới cần đẩy cũng giảm đột ngột, áp suất khoang phía dƣới cần đẩy ko đủ để thắng sức căng của lò xo cụm tăng áp nữa, ngắt quá trình phun nhiên liệu.
3.2.4. Mô đun điều khiển điện tử (ECM–Electronic Control Modul) Hoạt động nhƣ một máy tính điều khiển tồn bộ động cơ. ECM nhận tín hiệu từ các cảm biến khác nhau, phân tích xử lý nhờ phần mềm đã cài đặt trong bộ nhớ của ECM và đƣa tín hiệu điều khiển đến van điện từ của vòi phun để điều khiển thời điểm, và lƣợng nhiên liệu phun. Đồng thời, ECM cũng gửi tín hiệu đến van điều khiển áp suất tác động phun để điều khiển áp suất dầu chuyển đến vòi phun. Do áp suất này tỉ lệ với áp suất phun, nên qua đó ECM sẽ điều khiển đƣợc áp suất phun. Nhƣ vậy ECM sẽ điều khiển đƣợc tồn bộ q trình phun nhiên liệu phù hợp với tín hiệu do các cảm biến gửi về.
3.2.5. Bơm cao áp
Là bơm pít tơng hƣớng trục thay đổi lƣu lƣợng. Dầu từ thùng dầu đƣợc hút qua các thiết bị lọc vào bơm, hoạt động của bơm sẽ làm cho áp suất dầu tăng lên đến áp suất yêu cầu và bơm dầu đến vòi phun HEUI. Bơm cao áp ở hệ thống HEUI có nhiệm vụ tạo ra áp suất cao cho dầu thủy lực (chính là dầu bơi trơn) tác động phun để đẩy xilanh ép. ECM sẽ điều khiển dòng dầu cao áp này vào khoang ép của xilanh ép trong vòi phun.
3.2.6. Van điều khiển áp suất tác động phun
Thông thƣờng, áp suất do bơm cao áp tạo ra sẽ cao hơn áp suất phun, van điều khiển áp suất tác động phun sẽ xả một phần dầu trở về thùng để ổn định áp suất dầu bằng áp suất yêu cầu do tín hiệu ECM qui định.