2.5.1 Khái niệm chung
Khác với hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển bằng cơ khí (điều khiển lƣợng phun nhiên liệu bằng bộ điều tốc và điều khiển thời điểm phun bằng bộ định thời bằng cơ khí), hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển bằng điện tử (EFI Diesel) đƣợc điều khiển thơng qua tín hiệu từ ECU. Cụ thể ECU nhận các tín hiệu từ các cảm biến (tốc độ động cơ, vị trí chân ga, vị trí trục khuỷu…), sau đó sẽ xử lý và đƣa ra tín hiệu điều khiển van SPV (van điều khiển lƣợng phun), van TCV (van điều khiển thời điểm
61
phun) và các điều khiển khác. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu EFI Diesel đƣợc thể hiện trên hình 2.18.
Hệ thống EFI-diesel điều khiển lƣợng phun nhiên liệu và thời điểm phun bằng điện tử để đạt đến một mức tối ƣu. Làm nhƣ vậy, sẽ đạt đƣợc các ích lợi sau đây:
- Cơng suất của động cơ cao. - Mức tiêu thụ nhiên liệu thấp. - Các khí thải thấp.
- Tiếng ồn thấp.
- Giảm lƣợng xả khói đen và trắng. - Tăng khả năng khởi động.
Hiện nay, đối với hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển bằng điện tử có hai loại: EFI-diesel loại thơng thƣờng và EFI-diesel loại có ống phân phối.
2.5.2 Hệ thống nhiên liệu EFI-diesel thông thường
Trong EFI-diesel thông thƣờng, thời điểm phun và lƣợng phun đƣợc điều khiển bằng điện tử. Thiết bị tạo ra áp suất nhiên liệu cũng chính là loại bơm sử dụng trong động cơ diesel thông thƣờng. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu EFI-diesel thông thƣờng đƣợc thể hiện trên hình 3.64:
62
Nhiên liệu đƣợc bơm cấp liệu hút lên từ bình nhiên liệu, đi qua bộ lọc nhiên liệu rồi đƣợc dẫn vào bơm để tạo áp suất rồi đƣợc bơm đi bằng píttơng cao áp ở bên trong máy bơm cao áp. Quá trình này cũng tƣơng tự nhƣ trong máy bơm động cơ diezel thông thƣờng. Nhiên liệu ở trong buồng bơm đƣợc bơm cấp liệu tạo áp suất đạt
mức 1.5 và 2.0 Mpa. Hơn nữa, để tƣơng ứng với những tín hiệu phát ra từ ECU, SPV sẽ điều khiển lƣợng phun (khoảng thời gian phun) và TCV điều khiển thời điểm phun nhiên liệu (thời gian bắt đầu phun)
2.5.3 Hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử lập trình (PEEC)
Hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử lập trình sử dụng trên động cơ Catepilar, với bơm cao áp kiểu pít tơng 1 hàng đƣợc giới thiệu trên hình 6.
Hệ thống bao gồm:
- Khối các tín hiệu đầu vào và Bộ điều khiển ECM
+ Từ các cảm biến: tốc độ động cơ, tốc độ xe, áp suất khí tăng áp, áp suất dầu bôi trơn, nhiệt độ nƣớc làm mát.
+ Từ các công tắc báo vị trí: tay ga, chạy không tải, bộ điều khiển thời điểm phun, nhiên liệu, phanh, ly hợp. khố nguồn .
- Các tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành:
- Van điện từ điều khiển thanh răng bơm cao áp (bộ kích hoạt) - Van dầu điều khiển xoay trục cam (để thayđổi góc phun sớm)
Hình 2.19 Sơ đồ hệ thống EFI-diesel thơng thường
1 - thùng nhiên liệu; 2 - lọc nhiên liệu; 3 - bơm cao áp; 4 - van điều khiển lượng phun (SPV); 5 - vòi phun; 6 - van điều khiển thời điểm phun (TCV)
63 - Van điện từ tắt máy
- Các tín hiệu cảnh báo
- Đầu nối để chẩn đốn (check connector).
Hình 2.20 Kết cấu hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử lập trình PEEC
Nguyên tắc điều khiển của hệ thống trình bày trên hình 2.21.
64
2.5.4 Hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử 3406E Catepilar
Sơ đồ hệ thống 3406E giới thiệu trên hình 2.22. Hệ thống này là sự kết hợp giữa điều khiển bằng cơ khí và điều khiển bằng điện tử các tổ bơm-vòi phun liền khối bố trí trên từng xy lanh động cơ. Phần truyền động cơ khí thực hiện nhiệm vụ nén pít tơng bơm cao áp (8), gồm các bộ phận: Trục cam (1), Con đội con lăn (2), Đũa đẩy (4), Địn bẩy (6). Hệ thống điều khiển điện tử có cấu trúc tƣơng tự nhƣ hệ thống PEEC song tín hiệu ra của ECM sẽ điều khiển van điện từ (7) để thực hiện việc cấp nhiên liệu từ bơm cao áp xuống vịi phun.
Hình 2.22 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử 3406E trên xe Catepilar 1-Trục cam ; 2-Con đội con lăn ; 3- Đường dầu bôi trơn; 4-Đũa đẩy; 5- Đầu đòn bẩy; 1-Trục cam ; 2-Con đội con lăn ; 3- Đường dầu bôi trơn; 4-Đũa đẩy; 5- Đầu đòn bẩy;
6- Đòn bẩy; 7- Van điện từ; 8- Bơm - vòi phun
Nguyên lý hoạt động của bơm nhƣ sau: Van điện từ (11) có tác dụng chặn hoặc mở thông đƣờng dầu cao áp trong bơm pít tơng (3) với đƣờng dầu thấp áp (10); Khi bơm cao áp đƣợc cam nén xuống, ECM sẽ điều khiển van (11) đóng, do đó nhiên liệu cao áp sẽ theo đƣờng dẫn xuống vòi phun (6) và phun vào xy lanh; Khi van (11) đƣợc ECM điều khiển mở, nhiên liệu cao áp sẽ qua van về đƣờng (10), quá trình phun kết thúc. Nhƣ vậy thời điểm bắt đầu phun đƣợc quyết định bởi thời điểm đóng van, thời gian đóng van dài hay ngắn sẽ cho phép luợng nhiên liệu phun vào xy lanh là nhiều hay ít. Căn cứ vào thơng tin thu nhận từ các cảm biến, bộ ECM sẽ điều khiển van đóng mở hợp lý, cho phép động cơ làm việc một cách tối ƣu.
65
Hình 2.23 Kết cấu tổ bơm – vòi phun điều khiển điện tử
1-Lị so; 2-Pít tơng bơm cao áp ; 3-Xy lanh bơm; 4-Vịng đệm kín trên; 5-Vịng đệm kín dưới; 6-Kim phun; 7-Thân; 8-Tấm cách; 9-Lò so kim phun; 10-Đường dầu cung cấp thấp áp;
66
2.5.5 Hệ thống phun nhiên liệu điện tử thuỷ lực HEUI
Hệ thống này đƣợc trang bị nhiều trên các động cơ xe tải, máy phát điện diesel... đời mới. Đặc điểm cơ
bản của hệ thống là: sử dụng dầu nhờn có áp suất cao (dầu kích hoạt) để nén pít tơng bơm cao áp, đƣa nhiên liệu qua vòi phun, phun vào xy lanh động cơ. Việc thay đổi thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu cũng nhƣ lƣợng nhiên liệu phun, đƣợc quyết định bởi thời điểm và thời gian mở van đƣa dầu vào nén pít tơng bơm cao áp. Tồn bộ q trình hoạt động của hệ thống đƣợc điều khiển tự động. Sơ đồ hệ thống HEUI thể hiện trên hình 2.23. Kết cấu và nguyên tắc hoạt động các phần cơ bản của hệ thống này nhƣ sau:
- Hệ thống dầu kích hoạt bơm phun
Dầu máy từ các te (1), qua bộ lọc và làm mát (2), vào bơm dầu tăng áp (3). Dầu qua bơm có áp suất cao (dầu kích hoạt), đƣợc đƣa tới đƣờng ống (6) và chờ sẵn trƣớc cửa van dầu của từng bơm phun (8). Khi bơm phun đƣợc
ECM (5) điều khiển mở van dầu, dầu kích hoạt sẽ nén pít tơng bơm nhiên liệu phun vào xy lanh. Áp suất dầu kích hoạt đƣợc đo bằng cảm biến áp suất (4) và đƣợc điều chỉnh bởi một van xả nằm trong khối bơm dầu (3)
- Hệ thống cung cấp nhiên liệu thấp áp : Trên cụm bơm (3) có gắn bơm nhiên
liệu thấp áp để hút nhiên liệu từ thùng (9); Nhiên liệu qua bộ lọc tinh và tách hơi (7) đi đến đƣờng dầu vào của các bơm phun (8), sau đó trở về thùng dầu.
Hình 2.23. Sơ đồ hệ thống HEUI 1-Các te dầu; 2-Bình lọc dầu; 3-Khối bơm dầu và bơm nhiên liệu; 4-Cảm biến áp suất
dầu ; 5-Bộ điều khiển điện tử; 6-Đường dầu áp suất cao để nén pít tơng bơm cao áp; 7-Bình lọc nhiên liệu; 8-Các bơm vòi phun liền khối; 9-Thùng nhiên liệu đieden
67
- Khối bơm phun cao áp: Đây là loại bơm cao áp kiểu bơm vòi phun liền khối;
Mỗi xy lanh có một bơm phun. Kết cấu và nguyên lý hoạt động của bơm phun (8) sẽ đƣợc mô tả ở phần sau.
- Hệ thống điều khiển điện tử ECM
Phần cơ bản của hệ thống là bộ điều khiển ECM.
Thông tin đầu vào ECM lấy từ các cảm biến: Vị trí chân ga, tốc độ động cơ, điểm chết trên máy 1, áp suất khí tăng áp, áp suất dầu kích hoạt, áp suất nhiên liệu, áp suất khí quyển, nhiệt độ dầu, nhiệt độ nhiên liệu, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ làm mát, mức dung dịch làm mát.
Thông tin đầu ra ECM điều khiển các bộ phận: van xả trên đƣờng dầu kích hoạt, van đƣa dầu kích hoạt vào các bơm vịi phun, cơng tắc tắt máy, bộ điều khiển chạy chậm, điều khiển quạt gió làm mát, bộ sấy nóng nƣớc làm mát khi trời lạnh, đèn báo nguy, đèn chẩn đoán. Sơ đồ hệ thống điều khiển HEUI mơ tả trên hình 2.24, sơ đồ kết cấu hệ thống trình bày trên hình 2.25.
68
Hình 2.25. Sơ đồ kết cấu hệ thống HEUI
1.Thùng dầu 2.Lọc thô 3.Bơm dầu 4.Bộ làm mát dầu 5.Lọc tinh 6.Đường dầu thấp áp 7.Bơm dầu cao áp 8.Thùng nhiên liệu khởi động lạnh 9.Cảm biến nhiệt độ 10.Đường dầu cao áp 11.Đường dầu hồi 12.Cảm biến áp suất dầu 13.Vịi phun 14.Dây tín hiệu điều khiển phun 15.Bộ điều chỉnh áp suất nhiên liệu 16.Đường nhiên liệu hồi 17.Thùng nhiên liệu 18.Lọc thô
nhiên liệu 19.Đường nhiên liệu vào vòi phun 20.Lọc tinh nhiên liệu 21.Bơm nhiên liệu 22.ECM 23.Đường dẫn tín hiệu cảm biến tới ECM 24.Khố điện 25.Ác quy 26.Các cảm biến
nhiệt độ/tốc độ/áp suất 27.Cảm biến vị trí trục khuỷu.
Kết cấu cụ thể của một tổ bơm – vòi phun và nguyên lý hoạt động của chúng nhƣ sau:
Thời kỳ nạp (hình 2.26).
Van 2 đóng, chặn đƣờng dầu kích hoạt vào bơm cao áp. Pít tơng bơm cao áp 5 đƣợc lò so đẩy lên vị trí điểm chết trên, dầu kích hoạt trên đỉnh pít tơng theo đƣờng 4 hồi về thùng; Nhiên liệu từ cửa 7 đƣợc điền đầy vào khoang phía dƣới pít tơng 5.
Hình 2.26. Chu kỳ nạp bơm HEUI
1- Đường dầu kích hoạt vào bơm; 2- Van dầu ; 3- Rơ le điện từ ; 4- Cửa xả dầu ; 5-Pít tơng bơm cao áp ; 6-Kim
69
phun ; 7-Cửa nạp nhiên liệu
Thời kỳ phun (hình 2.27).
Rơ le điện từ 3 đƣợc bộ ECM điều khiển mở sẽ hút van dầu 2 sang phải, mở đƣờng cho dầu kích hoạt đi vào phía trên pít tơng bơm cao áp và chặn bớt đƣờng dầu hồi; Dƣới áp lực của dầu kích hoạt, pít tơng bị đẩy xuống phía dƣới, đến khi đỉnh pít tơng bịt hoàn toàn đƣờng nhiên liệu thấp áp, sẽ bắt đầu quá trình cấp nhiên liệu xuống kim phun 6 để phun vào xy lanh.
Hình 2.27 Kỳ phun bơm HEUI
Kết thúc phun
Bộ ECM ngắt dòng điện điều khiển rơ le điện từ 3, do đó lị so phản hồi đẩy van 2 dịch chuyển sang phải, đóng đƣờng dầu kích hoạt vào pít tơng đồng thời mở đƣờng xả 4; Pít tơng đƣợc giải phóng áp suất nén lại dịch chuyển lên trên, bắt đầu một chu kỳ làm việc mới.
Nhƣ vậy bơm phun HEUI khơng có cam dẫn động và bộ điều tốc nhƣ các loại bơm cao áp truyền thống khác mà
đƣợc vận hành dƣới áp lực dầu kích hoạt. Nhờ áp suất dầu kích hoạt đƣợc duy trì ổn định và có giá trị khá cao nên tạo đƣợc áp suất phun cao ngay cả khi động cơ chạy ở vòng quay thấp, điều này giúp cho chế độ chạy khơng tải tốt hơn rất nhiều. Hành trình có ích của pít tơng đƣợc điều chỉnh bằng cách thay đổi lƣợng dầu kích hoạt đƣa
70 van điện từ 2;
Thời điểm bắt đầu mở van 2 sẽ quyết định thời điểm phun sớm của vòi phun; Động cơ đƣợc giữ ổn định ở mọi tốc độ mong muốn bằng cách tự động điều khiển tăng giảm lƣợng dầu (thay đổi hành trình có ích của bơm cao áp) khi tốc độ động cơ có sự dao động. Những đại lƣợng này đƣợc ECM điều khiển rất chính xác, cho phép động cơ đạt hiệu quả tối ƣu khi làm việc ở mọi chế độ cơng suất và vịng quay.
Đặc tính thay đổi áp suất phun theo tốc độ động cơ của vòi phun HEUI so với các hệ thống nhiên liệu thơng thƣờng giới thiệu trên hình 2.28.
Kết cấu cụ thể vịi phun HEUI giới thiệu trên hình 2.29
Hình 2.29 Kết cấu vịi phun HEUI
1-Van trụ; 2-Cửa dầu; 3-Đường dầu cao áp; 4-Lò so; 5-Đường dầu hồi; 6-Van điện từ; 7-Thân trên vòi phun; 8-Cốc trượt; 9-Lị so phản hồi; 10-Pittơng bơm cao áp; 11-Van một
chiều; 12-Van cấp nhiên liệu; 13-Lò so kim phun; 14-Kim phun; 15-Thân dưới; 16-Cửa cấp nhiên liệu; 17-Khoang nén; 18-Đường nhiên liệu hồi
71
- Máy hoạt động ổn định với mọi vòng quay (nhƣ động cơ lắp điều tốc đa chế).
- Sự thay đổi công suất diễn ra êm dịu (khi xe lên dốc, xuống dốc, phanh...) do việc cung cấp nhiên liệu đƣợc điều khiển chính xác.
- Cho phép xác lập các chế độ chạy không tải chậm, không tải nhanh, khống chế thời gian chạy không tải, giới hạn tốc độ xe ổn định.
- Có hệ thống cảnh báo khi các chế độ nhiệt độ làm mát quá cao, áp suất dầu bơi trơn q thấp; Có thể tự động giảm công suất hoặc dừng máy trong trƣờng hợp nguy hiểm.
- Cho phép sử dụng hệ thống phanh bổ trợ bằng động cơ, với sự ngắt nhiên liệu cung cấp kết hợp với điều khiển cơ cấu giảm áp suất trong xy lanh khi phanh xe.
- Hệ thống tự chẩn đoán cho phép lƣu trữ các mã lỗi; Thao tác đọc mã lỗi từ đèn Check đơn giản, thông qua việc bật công tắc điều khiển mà không phải dùng công cụ chẩn đốn. Trong trƣờng hợp cần các thơng tin nhiều hơn về q trình làm việc của xe, có thể sử dụng thiết bị quét (Scanner) lắp vào ECM để khai thác.
Ghi lại các trƣờng hợp dừng xe đột ngột khi tốc độ xe từ 36km/h trở lên cùng với các thông tin về trạng thái hoạt động của xe lúc đó, giúp cho ngƣời quản lý giám sát lái xe một cách hiệu quả.
2.5.6 Hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử Common Rail
2.5.6.1 Sơ đồ nguyên lý
Hệ thống phun nhiên liệu Common Rail là hệ thống nhiên liệu kiểu tích áp với sụ điều khiển phun bằng điện tử. Trong hệ thống này, nhiên liệu thấp áp đƣợc chuyển đến bơm cao áp 12, tại đây nhiên liệu đƣợc nén sang bộ điều chỉnh áp suất 13 và duy trì ổn định ở một áp suất rất cao (có thể trên 1300 bar), sau đó đi sang các nhánh chung (Common Rail) 16; Trên nhánh 16 có các đƣờng ống cao áp để đƣa nhiên liệu xuống chờ sẵn ở vòi phun 17. Để đảm bảo ổn định lƣu lƣợng dòng nhiên liệu thấp áp, trên hệ thống cịn có các van điều chỉnh, các bộ làm mát và sấy nóng nhiên liệu, các bơm chuyển nhiên liệu sơ cấp.
72
Nhiên liệu chờ ở vòi phun sẽ đƣợc điều khiển phun theo nguyên tắc sau:
Từ ống cao áp, qua lỗ (3), nhiên liệu đi vào khoang trên (4) của thanh đẩy, đồng thời xuống khoang trên của kim phun (5) tức là tạo ra một áp suất phía dƣới thanh đẩy,
Hình 2.30 Sơ đồ cấu tạo hệ thống nhiên liệu Common rail
1. Bơm hút nhiên liệu 2. Buồng ổn áp 3. Van 4. Bộ làm mát bằng khơng khí 5. Bơm nhiên liệu sơ cấp 6. Van điện 7. Van nhiệt 8. Bộ làm mát bằng nước 9.
Bầu lọc 10. Bơm nhiên liệu thứ cấp 11. Van điều chỉnh 12. Bơm cao áp 13. Bộ điều chỉnh áp suất 14. Cảm biến áp suất 15. Van xả 16. Đường dầu cao áp
73
do có sự cân bằng áp suất trên và dƣới của thanh đẩy nên kim phun bị lị so ép tì vào đế khơng cho nhiên liệu phun ra (hình 2.31).
Tƣơng tự nhƣ hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử 3406E, Hệ thống Common Rail cũng điều chỉnh thời điểm phun và lƣợng nhiên liệu phun bằng cách điều khiển thời điểm và thời gian mở van điện từ trên mỗi vòi phun. Song áp suất nhiên liệu trong đƣờng ống Rail cao và khá ổn định nên việc điều khiển phun rất linh hoạt, có thể cho phép tạo ra nhiều chu kỳ phun liên tiếp trong một thời gian rất ngắn của quá trình