1- đế kim phun; 2-kim phun; 3-đai ốc; 4- thanh đẩy; 5-thân vòi phun; 6-lò xo; 7- ống lồng; 8-chốt đỡ lị xo; 9-vít điều chỉnh; 10-nắp che; 11-đệm; 12-ống hồi dầu lọt; 13- đầu lắp với ống cao áp; 14-khoang nhiên liệu; 15-lỗ phun; 16- chốt kim phun
56
Trong q trình làm việc, nhiên liệu có thể lọt từ khoang 14 qua khe hở giữa thân kim phun với đế kim phun lên khoang chứa lò xo của thân vòi phun 5. Trên thân hố trí đƣờng dầu hồi 12 nhằm dẫn nhiên liệu rò trở lại đừơng nhiên liệu áp suất thấp ở bơm cao áp hoặc thùng nhiên liệu của động cơ. Rõ ràng là, vòi phun mới, khe hở nhỏ thì lƣợng dầu lọt ít và ngƣợc lại, vịi phun cũ, khe hở lớn, lƣợng dầu lọt tăng.
Thông thƣờng, vịi phun có kim (hình 7- 24a, b) có thể có nhiều lỗ phun 15 tuỳ thuộc dạng buồng cháy động cơ. Vịi phun có chốt (hình 7- 24c) chỉ có một lỗ phun đƣợc chắn bởi chốt 16. Nhiên liệu sẽ đƣợc phun ra đều xung quanh lỗ phun. Chốt l6 có dạng cơn ngƣợc có tác dụng tăng kích động lên dịng nhiên liệu vì khi kim càng nâng lên, tiết diện thông qua của lỗ phun càng thu hẹp. Do đó, nhiên liệu phun vào buồng cháy càng tơi.
Cũng nhƣ cặp xylanh - piston và van một chiều - đế van một chiều ở bơm cao áp, cặp bộ đôi kim phun 2 - đế kim phun 1 cũng là bộ đơi siêu chính xác.
2.3.2 Đặc tính vịi phun
Đặc tính vịi phun là hàm số thể hiện mối quan hệ chênh áp trƣớc và sau lỗ phun với lƣu lƣợng nhiên liệu qua lỗ.
Đơn giản nhất là vịi phun hở, tiết diện lƣu thơng của lỗ phun luôn luôn là hằng số. Nhờ phƣơng trình Becnuli, đặc tính vịi phun hở có dạng:
2 2 ) ( 2 c c nl c y f Q p p (2.2)
Trong đó: + py - Áp suất nhiên liệu phía trƣớc lỗ phun (Pa). + pc - Áp suất môi chất trong buồng cháy (Pa). + Q - Lƣu lƣợng nhiên liệu qua lỗ phun (m3/s). + nl – Khối lƣợng riêng của nhiên liệu (khơng/m3).
Hình 2.15 giới thiệu hàm (2.2). Động cơ ô tô máy kéo hoạt động trong một phạm vi tốc độ rất rộng từ 500 600 vịng/phút ở chế độ khơng tải đến 3500 4000 vòng/phút ở chế độ tồn tải. Trong phạm vi thay đổi đó chênh áp kể trên sẽ thay đổi khoảng 40 đến 70 lần. Nhƣ vậy, kể cả trƣờng hợp có áp suất phun rất lớn ở tốc độ cực đại (py - pc 150 MPa) vẫn không tránh khỏi trƣờng hợp chênh áp rất thấp (py - pc 3 6 MPa) khi chạy chậm không tải làm cho nhiên liệu khơng thể xé tơi tốt nếu khơng có thêm giải pháp đặc biệt.
57
Ngồi ra vịi phun hở thƣờng xuyên có hiện tƣợng nhỏ giọt sau khi kết thúc phun (do dao động áp suất trên) đƣờng nhiên liệu cao áp và trong xylanh) tại thời điểm mà áp suất dƣ trên đƣờng cao áp lớn hơn áp suất trong xylanh. hiện tƣợng trên sẽ làm các giọt nhiên liệu bay hơi chậm, khó cháy kiệt, dễ tạo muội kết keo gây tắc lỗ phun làm giảm công suất và hiệu suất động cơ.
Các loại vịi phun kín có thể tránh đƣợc hiện tƣợng trên Vịi phun kín tiêu chuẩn (hình 2.14) có
kim tỳ lên đế van, gây ngăn cách giữa khơng gian phía trƣớc và phía sau mặt tỳ của kim phun. Hiệu suất giữa áp suất p2 ở sau mặt tỳ của kim phun và áp suất pz trong buồng cháy là: 2 2 2 ) ( 2 c c nl z f Q p p (2.3) Hàm p2 = f (Q), thể hiện qua đƣờng I giống đặc tính vịi phun hở.
Biến thiên áp suất py trong khơng gian phía trƣớc đế tỳ đƣợc xác định nhờ hai biểu thức (2.4) và (2.5).
- Phƣơng trình cân bằng lực tác dụng trên kim phun:
4 ) ( 4 . 2 1 2 0 2 1 2 d d p d p x B A y (2.4)
Trong đó: + A - lực ép ban đầu của lò xo ép kim phun (N). + B - Độ cứng của lò xo (N/m).
+ x - hành trình nâng kim (m).
d1, d0 - Đƣờng kính trung bình mặt tỳ mũi kim và đƣờng kính cho ta biểu thức sau: 2 2 2 ) ( 2 c c nl y f Q p p (2.5)
Trong đó: + 1, f1 - hệ số lƣu lƣợng và diện tích lƣu thơng qua đế tỳ của kim
f 1 = x. d1. sin (2.6)
Hình 2.16. Đặc tính vịi phun kín tiêu chuẩn chuẩn
58 Với - góc cơn của mũi kim
Hàm py = f(Q) thể hiện qua đƣờng II càng tăng Q thì đƣờng II càng sát với đƣờng I, nếu độ nâng kim x không bị hạn chế. Tiết diện lƣu thông tƣơng đối nhỏ tại đế kim phun f1 gây tiết lƣu và làm tăng chuyển động rối của nhiên liệu tại đây, cải thiện chất lƣợng phun tơi, nên có thể giảm bớt áp suất phun (khơng vƣợt quá 40 MPa khi động cơ chạy toàn tải ở tốc độ lớn nhất). Ở chế độ khơng tải, chạy chậm vịi phun kín tiên chuẩn vẫn cho chất lƣợng phun tốt. Nhờ có kim phun ngăn cách hai khơng gian trƣớc và sau đế tỳ của kim, nên khi kết thúc phun đã tránh đƣợc hiện tƣợng nhỏ giọt.
Áp suất nâng kim phun vào khoảng 15 60 MPa. Hành trình nâng kim khoảng 0,3 0,5 mm để tránh hƣ hỏng đế tỳ do va đập. Thông thƣờng 1 1,52,0
c f f
để tránh gây cản của tiết diện lƣu thơng tại đó.
Đƣờng III là hàm py = f (Q) khi x = xmax (Hành trình nâng kim phun bị hạn chế)
Đƣờng IV là hàm x = f (Q). Áp suất nâng kim p tác dụng lên diện tích thành vành khuyên fv [fv = ( ) 4 2 2 0 dk d
- trong đó dk - đƣờng kính lớn của mặt tỳ hình cơn của kim]. Khi kim đã mở, áp suất nhiên liệu trong vịi phun tác dụng lên tồn bộ diện tích
ngang f0 phần dẫn hƣớng của kim
4 2 0 0 d f . Nếu '
p là áp suất bắt đầu đóng kim, thì quan hệ giữa ' p và p nhƣ sau: ' p .f0 pfv (2.7) Từ đó ta có: . 0. 0 ' p f f p p v (2.8) Trong đó 0 f fv
Cuối q trình phun áp suất trong vòi phun còn tƣơng đối lớn, muốn cho kim phun đƣợc đóng nhanh cần chon 0,75 và chọn độ cứng lò xo trong phạm vi 150 300 N/mm.
59
2.4 Bơm thấp áp kiểu piston
Bơm thấp áp đẩy nhiên liệu qua bình lọc tinh vào rãnh hút bơm cao áp, giữ áp suất trong đó ở giới hạn 0,08-0,12 MPa. Áp suất này ngăn cản khơng khí hồ tan trong nhiên liệu thốt ra, cần thiết để cho bơm đẩy nhiên liệu vào mỗi vịi phun với áp suất khơng đổi và nhƣ nhau ngay cả khi tải trọng động cơ dao động đột ngột.
Bơm thấp áp (hình 2.17) có thân 11, piston 16 với lị xo 9, nút 10, con đội 13 vời thanh truyền 14 và lò xo 12, các van 7 (hút) và 17 (đẩy) với các lò xo và bơm tay.
Hình 2.17 Bơm thấp áp kiểu piston
a. cấu tạo của bơm; b,c. sơ đồ làm việc của bơm khi chuyển động; d. sơ đồ làm việc của bơm tay; 1- nút bơm tay; 2- nắp xi lanh; 3- cần piston; 4- xi lanh; 5- piston với vịng khít cao su; 6-đệm cao su; 7- van hút; 8- lò xo van; 9- lò xo piston; 10- nút; 11- thân bơm; 12-lò xo con đội; 13-con đội; 14-thanh truyền con đội; 15- bạc dẫn hướng thanh truyền; 16-piston bơm; 17- van thoát; 18-thân van; 19- cam lệch tâm trục bơm cao áp; A. buồng hút; B. buồng đẩy; C. rãnh
60
Bơm tay gồm có xi lanh 4 với nắp 2, piston 5 với vịng khít cao su và cần đẩy 3 với nùm bơm.
Thân bơm bằng gang, các van đƣợc chế tạo bằng chất dẻo kaprơn, cịn các chi tiết còn lại bằng thép. Piston 16 lắp vào lỗ thân với khe hở nhỏ, thanh truyền 14 đƣợc chọn chính xác theo lỗ bạc 15. Nhỉên liệu đƣợc piston 16 đẩy đi sau 2 hành trình.
- Hành trình thứ nhất – chuẩn bị (2.17,a): khi trục bơm quay, cam lệch tâm 19
đẩy con đội 13 lên, làm thanh truyền 14 xê dịch piston về phía buồng hút A. Cho nên buồng A có áp suất, cịn trong buồng đẩy B là chân khơng. Lị xo 9 và 12 bị ép, nhiên liệu chảy từ buồng A ra làm nâng van 17 và theo rãnh C chảy vào buồng B.
- Hành trình thứ hai – làm việc (hình 2.17,c): Phần lồi của cam lệch tâm rời
khỏi con đội, lị xo 9 xê dịch piston 16 về phía buồng B. Khi đó trong buồng A tạo nên độ chân không, một phần nhiên liệu mới đƣợc nạp đầy vào buồng A, còn trong buồng B dƣới tác dụng của áp suất, nhiên liệu qua rãnh C đƣợc đẩy vào bình lọc.
Nếu sức cản của bình lọc tăng lên thì đối áp của nhiên liệu trong khoang đẩy cùa bơm cũng tăng lên; kết quả là lị xo 9 khơng thể đƣa piston trở về vị trí cũ, hành trình làm việc của piston và năng suất bơm giảm đi.
Khi bình lọc quá bẩn, đối áp của nhiên liệu trong buồng B tăng lên bằng lực nén của lị xo, nó khơng thể làm xê dịch piston và nhiên liệu ngừng cung cấp. Để hồi phục sự làm việc của bơm cần làm sạch hoặc thay các bình lọc nhiên liệu mới.
Bơm tay dùng để nạp đầy nhiên liệu vào các bình lọc và nắp bơm cao áp trƣớc khi khởi động động cơ và xả khơng khí khỏi hệ thống nhiên liệu. Khi kéo núm 1 (hình 2.17,d) piston 5 đi lên tạo chân khơng ở mỗi phía dƣới piston, van hút 7 mở và nhiên liệu nạp đầy buồng A của bơm. Khi piston dịch chuyển xuống dƣới tạo áp suất trong buồng A, nhiên liệu làm mở van 17 và theo ống dẫn tới bình lọc, khơng buồng đẩy B của bơm. Sau khi dùng bơm tay nạp đầy nhiên liệu, vặn chặt núm1 để tránh khơng khí lọt vào bơm.
2.5 Hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển bằng điện tử (EFI diesel) 2.5.1 Khái niệm chung 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:
- Công 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 thơng 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 bơi trơn, nhiệt độ nƣớc làm mát.
+ Từ các cơng 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 thông 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 đoán (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-vịi 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), Đòn 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 vòi 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 thơng 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 – vịi 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-Lị 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