Qua bảng so sánh trên, ta thấy các tín hiệu đầu vào, chức năng của bộ điều khiển trung tâm ECU là như nhau. Tuy nhiên có sự khác nhau ở bộ phận chấp hành: Ở hệ thống dùng nhiên liệu bơm VE, ECU sẽ điều khiển van SPV nhằm điều chỉnh lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy động cơ và thời điểm phun nhiên liệu được điều khiển bởi van điều khiển thời điểm phun TCV. Còn ở hệ thống Common Rail, EDU sẽ điều khiển kim phun điện tử, qua đó sẽ điều khiển lượng phun nhiên liệu và thời điểm phun, áp suất nhiên liệu sẽ được điều khiển bởi van SCV. Như vậy, ở hai hệ thống trên, chức năng của SPV – vòi phun, chức năng của các van TCV – SCV là như nhau. Nhưng đối với thống Common Rail việc điều khiển phun nhiên liệu được tính tốn chính xác hơn, và hiệu quả hơn cho với những hệ thống phun nhiên liệu cũ, giảm tải được các chi tiết cơ khí như bộ phun dầu sớm, cơ cấu điều ga, thay vào đó ECU điều khiển trực tiếp kim phun.
Nguyên lý điều khiển phun nhiên liệu
Các loại điều khiển phun nhiên liệu như sau :
Điều khiển lượng nhiên liệu phun: Hiệu chỉnh tín hiệu tốc độ động cơ và vị trí bàn đạp ga.
Điều khiển thời gian phun nhiên liệu : Hiệu chỉnh tín hiệu tốc độ động cơ,và lượng nhiên liệu phun.
Điều khiển tỉ lệ phun nhiên liệu : Hiệu chỉnh tỉ lệ phun nhiên liệu mà được phun từ van tiết lưu của kim phun trong một đơn vị thời gian.
Điều khiển áp suất phun : Sử dụng cảm biến áp suất ống phân phối đo áp suất nhiên liệu, rồi truyền dữ liệu này đến ECU động cơ để điều khiển lượng nhiên liệu bơm.
3.2.7.2 Điều khiển lượng nhiên liệu phun:
Để tính tốn ra được lượng nhiên liệu phun tối ưa nhất ECU phải thực hiện chức năng tính tốn lượng nhiên liệu phun cơ bản và lượng nhiên liệu phun tối đa sau đó so sánh hai thơng số này với nhau và sử dụng lượng nhiên liệu nhỏ hơn, tiếp đến là hiệu chỉnh lại lượng phun này để cho ra lượng phun tối ưu để đưa đến kim phun.
Hình 3.51: Sơ đồ điều khiển phun nhiên liệu của ECU
Điều khiển lượng phun cơ bản
Lượng nhiên liệu phun cơ bản được xác định từ độ mở cánh bướm gá và tốc độ động cơ. Khi tốc độ động cơ không đổi, nếu tăng độ mở cánh bướm ga thì lượng nhiên liệu phun sẽ tăng và ngược lai. Khi độ mở bướm ga khơng đổi, nếu tăng tốc độ động cơ thì lượng nhiên liệu phun sẽ giảm.
Hình 3.52: Đồ thị xác định lượng nhiên liệu phun cơ bản.
Điều khiển lượng phun tối đa
Lượng phun nhiên liệu tối đa được xác định bằng cách cộng và lấy trung bình các lượng hiệu chỉnh từ lượng phun tối đa cơ bản do tốc độ động cơ quyết định. Các lượng điều chỉnh đó là: Điều chỉnh áp suất khơng khí vào, điều chỉnh nhiệt độ khơng khí vào, điều chỉnh áp suất khơng khí, và điều chỉnh lượng phun nhiên liệu tối đa khi động cơ nguội.
Hình 3.53: Đồ thị xác định lượng nhiên liệu phun tối đa.
Sự hiêu chỉnh của áp suất khơng khí nạp vào: Lượng phun được điều chỉnh phù hợp với áp suất khơng khí nạp vào (lưu lượng). Khi áp suất khí nạp thấp thì lượng nhiên liệu phun sẽ bị giới hạn để giảm lượng khói đen sản sinh ra.
Hình 3.54: Đồ thị hiệu chỉnh áp suất khơng khí nạp
Sự hiệu chỉnh của nhiệt độ khơng khí nạp vào: Tỉ trọng của khơng khí nạp vào (lượng khơng khí) thay đổi phù hợp với nhiệt độ khơng khí nạp vào (Nhiệt độ khơng khí nạp vào thấp → điều chỉnh tăng lượng phun)
Sự hiệu chỉnh của nhiệt độ nhiên liệu: Nhiệt độ nhiên liệu cao → điều chỉnh tăng lượng phun
Sự hiệu chỉnh của lượng nhiên liệu phun khi động cơ nguội: Nhiệt độ nước làm mát thấp khi động cơ khởi động hoặc trong chế độ hoạt động bình thường thì → điều chỉnh tăng lượng phun.
Hình 3.55: Sự hiệu chỉnh của lượng nhiên liệu khi động cơ nguội
Hiệu chỉnh của áp suất nhiên liệu: Những sự thay đổi áp suất nhiên liệu trong ống phân phối được phát hiện dựa vào các tín hiệu từ cảm biến áp suất nhiên liệu. Nếu áp suất nhiên liệu thấp hơn áp suất mong muốn thì thời gian mở vịi phun sẽ được kéo dài.
So sánh lượng phun cơ bản và lượng phun tối đa: ECU sẽ so sánh 2 lượng nhiên liệu trên và sẽ sử dụng lượng nhiên liệu nhỏ hơn làm lượng nhiên liệu phun cuối cùng
Điều khiển lượng phun khi khởi động
Khi động cơ khởi động (sau khi cơng tắc bật sang vị trí “Start” rồi trở lại về vị trí On) việc tối ưu hóa lượng nhiên liệu phun được điều khiển dựa trên các thông tin từ tốc độ động cơ và nhiệt độ nước làm mát động cơ, trường hợp nhiệt độ động cơ thấp ECM điều khiển tăng lượng nhiên liệu phun, khi động cơ hoạt động chế độ điều khiển tăng lượng nhiên liệu lúc động cơ khởi động được hủy bỏ và chế độ hoạt động bình thường trở lại thì được khơi phục
3.2.7.3 Điều khiển tỉ lệ phun nhiên liệu
Để động cơ đạt được hiệu suất tối đa và giảm lương khí thải thì q trình cháy nhiên liệu phải được cháy sạch nhưng nếu động cơ đang ở số vòng quay th thấp nhiệt độ động cơ thấp thì nhiên liệu sẽ khơng được cháy sạch, vì vậy mà để đảm bảo nhiên liệu được cháy sạch thì ECU có thêm chức năng điều khiển phun mồi (pilot injection).
Phun mồi diễn ra sớm trước khi piston đến điểm chết trên khoảng 5-7 độ ( tuỳ vào mỗi nhà sản xuất) trước khi phun chính diễn ra. Kết quả là q trình cháy được cải thiện và đạt được một số hiệu quả sau
Áp suất cuối q trình nén tăng một ít nhờ vào giai đoạn phun sơ khởi và nhiên liệu cháy một phần. Điều này giúp giảm thời gian cháy trễ, sự tăng đột ngột áp suất khí cháy và áp suất cực đại (quá trình cháy êm dịu hơn).
Giảm tiếng ồn của động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và trong nhiều trường hợp giảm được độ độc hại của khí thải. Q trình phun sơ khởi đóng vai trị gián tiếp trong việc làm tăng cơng suất động cơ.
Hình 3.56: So sánh giữa 2 chế độ phun thường, và phun có giai đoạn phun mồi.
Hiện nay khơng chỉ có phun mồi, mà phun nhiều giai đoạn “ multiple-injection” đã được phát triển và mở rộng rất nhiều trên các hệ thống nhiên liệu Common Rail. Đối với hãng Denso việc điều chỉnh tỉ lệ phun nhiên liệu được chia thành năm giai đoạn, 2 giai đoạn trước phun chính, phun chính và hai giai đoạn sau phun chính.
Phun mồi: Diễn ra sớm nhiều trước thời điểm chính nhiên liệu, để khơng khí và nhiên liệu có thời gian được hoà trộn.
Trước phun chính: Giai đoạn phun này giúp làm ngắn lại quá trình cháy trễ trước khi phun chính diễn ra, và kết quả là buồng đốt đạt đươc nhiệt độ cao và giúp cho quá trình chính được đốt sạch nhiên liệu, giảm lượng NOx và giảm tiếng ồn cho động cơ.
Phun chính: Đây là giai đoạn cung cấp nhiên liệu cho buồng đốt và sinh công cho động cơ.
Phun sau chính: Giai đoạn phun này chỉ diễn ra ngay sau khi phun chính mục đích để đốt cháy lại sản phẩm cháy có chứa muội than để giảm khí thải cho động cơ.
Phun mồi: Giai đoạn phun này giúp đảm bảo nhiệt độ của khí thải, giúp cho việc xử lý khí thải hiệu quả hơn.
3.2.7.4 Điều khiển thời gian phun.
Thời gian phun được điều khiển theo thời gian dòng tác dụng lên vòi phun. Điều khiển thời gian phun chính thức và thời gian phun thử nghiệm.
Thời gian phun chính thức : Là Thời gian phun cơ bản được tính từ tốc độ động cơ và lượng phun cuối cùng (đã điều chỉnh) để quyết định thời gian phun chính tối ưu.
Thời gian phun thử nghiêm : Thời gian phun thử nghiệm được tính bằng cách cộng quãng thử nghiệm vào thời gian phun chính thức. Quãng thử nghiệm được tính từ lượng phun cuối cùng, tốc độ động cơ, nhiệt độ chất nước mát, nhiệt độ khơng khí và áp suất khơng khí nạp. Khi động cơ khởi động, quãng thử nghiệm được tính từ nhiệt độ chất làm mát và tốc độ động cơ.
3.2.7.5 Điều khiển áp suất phun.
ECU tính tốn áp suất phun nhiên liệu do lượng phun cuối cùng và tốc độ động cơ quyết định. Áp suất phun khi khởi động được tính từ nhiệt độ chất làm mát và tốc độ động cơ.
Hình 3.59 Đồ thị quan hệ giữa áp suất ống, tốc độ động cơ và lượng phun nhiên liệu.
Đồ thị quan hệ giữa áp suất ống phân phối (1), tốc độ động cơ (2), lượng phun cuối cùng (3). Như trên đồ thị ta thấy khi tốc độ động cơ tăng lượng phun tăng theo làm áp suất phun tăng. Áp suất trong ống phân phối điều khiển bỡi van SCV phụ thuộc vào tốc độ động cơ.
3.2.8 Các cơ cấu chấp hành liên quan đến xử lý khí thải của động cơ.
3.2.8.1 Van tuần hồn khí xả điện tử E-EGR.
Hệ thống tuần hoàn khí thải EGR (Exhaust Gas Recirculation) có nhiệm vụ tuần hoàn một phần khí thải quay trở lại đường ống nạp động cơ nhằm mục đích giảm lượng nitơ oxit (NOx) trong khí thải gây ơ nhiễm mơi trường.
Trên thực tế, nhiệt độ càng cao, lượng NOx sinh ra càng nhiều (nitơ có trong khơng khí). Hệ thống EGR làm giảm lượng khí NOX sinh ra trong q trình cháy trong buồng đốt bằng cách cho một lượng khí xả nhất định đi qua van tuần hoàn khí thải ( van EGR) quay trở lại đường ống nạp để vào xylanh. Lượng khí thải này chỉ chiếm khoảng 6-10% tổng số khí nạp vào buồng đốt, nhưng cũng đủ làm giảm nhiệt độ khí cháy (<1500oC) để ngăn chặn phản ứng tạo thành khí NOX giữa nitơ và oxy. Nếu có q nhiều khí thải được nạp lại (q 40% thể tích khí nạp) thì khói đen, CO và HC sẽ sinh ra nhiều
cũng như tiêu hao nhiên liệu sẽ tăng vì thiếu ơxy. Điều này làm giảm công suất động cơ nên chỉ hoạt động trong một số trường hợp.
Điều kiện hoạt động của hệ thống EGR là trong tất cả các giải hoạt động của động cơ, trừ 2 chế độ, làm nóng và khỏi động động cơ. Và EGR làm việc trong chế độ tải trung bình.
Nguyên lý hoạt động của van EGR
Hệ thống EGR đưa một phần khí xả đến đường khí nạp để làm giảm nhiệt độ buồng đốt và giảm lượng chất thải NOx. Tuy nhiên, việc sử dụng hệ thống EGR trên xe lại làm giảm công suất phát ra của động cơ và ảnh hưởng đến khả năng vận hành của xe. Hệ thống E-EGR cơ bản vẫn là hệ thống EGR nhưng được điều khiển bằng điện tử, việc này giúp cho hệ thống đạt được giá trị tối ưu nhất.
Nguyên lý hoạt động
Sau khi máy bơm chân không tạo chân không bên trong E-VRV ( van điện tạo chân không), chân không làm cho màng chắn buồng chân khơng ở đường nạp đẩy lị xo hồi ở đây đi qua bên trái, làm mở van EGR, chân khơng được tạo ra có tác dụng trong việc điều khiển việc đóng mở van EGR và độ mở của van.
Bộ làm mát EGR được gắn tren đường ống tuần hoàn khí xả từ động cơ đến đường ống nạp để làm mát lượng khí xả được đưa ngược lại đường nạp để tăng thể tích.
Để điều khiển hệ thống EGR cần có van xả chân khơng trong buồng chân khơng của hệ thống EGR, van ngắt VSV được điều khiển bởi ECU.
Tín hiệu dùng điều khiển được gửi từ ECU có dạng răng cưa với tần số khơng đổi. giá trị của tín hiệu điều khiển là giá trị trung bình của tín hiệu được gửi tới bộ chấp hành.
Hình 3.61. Sơ đồ cấu tạo của hệ thống EGR.
Điều khiển mở van EGR
Hoat động của van E-VRV được điều khiển bởi ECU,việc tăng cường độ tín hiệu gửi tới cuộn dây, làm sinh ra lực FM tác dụng lên phần ứng của van E-VRV. Khi lực FM > FV ( lực được tạo ra bởi chân không), phần ứng của van bị kéo đi xuống. Hệ quả của việc này là độ chân không mà van E-VRV tăng lên, giúp mở van EGR. Mặt khác, việc tăng chân không đầu ra của van đồng nghĩa với việc tăng FV, việc này làm cho phần ứng của van đi lên ứng với việc tăng về độ lớn của FV. Việc di chuyển này của phần ứng tiếp tục diễn ra cho đến khi FM và FV bằng nhau, thì phần ứng đóng đường chân khơng từ bơm chân khơng đến. Vì chân khơng ở hệ thống EGR được đặt trong vịng lặp kín nên sau khi đóng đường chân khơng lại thì chân khơng trong hệ thống vẫn được giữ ổn định.
Điều khiển đóng van EGR
Việc giảm giá trị cường độ dịng điện của tín hiệu điều khiển làm cho FV > FM, dẫn đến việc phần ứng của van đi lên. Khi phần ứng đi lên thì van đường chân khơng bị đóng lại và được giữ cố định ở đây. Phần ứng tiếp tục đi lên, thông hai khoang của van
E-VRV. Lúc này, chân khơng trong hệ thống bị thế chỗ bởi khơng khí, nhờ vậy mà van EGR bị đóng lại. việc giảm chân khơng đầu ra của van đồng nghĩa với việc giảm FV, phần ứng bị lò xo đẩy xuống. đến khi FM = FV, thì phần ứng đóng đường khơng khí vào khoang chân khơng của van.
Hệ thống tuần hoàn khí thải hoạt động chỉ khi ECU xác định được điều kiện hình thành NOx (do nhiệt độ động cơ cao). Trong hệ thống tuần hoàn khí thải, ECU
khơng điều khiển trực tiếp van EGR mà phải dùng chân không để mở van. ECU điều khiển van điều khiển chân không VRV (Vacuum Regulator Valve) dựa trên các tín hiệu nhận được từ các cảm biến để vận hành (đóng/mở) van EGR.
Khi hệ thống tuần hoàn khí thải hoạt động. ECU sẽ gửi tín hiệu điều khiển đến van điều khiển chân không VRV để điều chỉnh chân không ( do bơm chân không tạo ra) và dẫn nó vào buồng màng của van EGR. Khi có chân khơng vào, màng sẽ đẩy lị xo lên làm mở van EGR và điều khiển lượng khí thải vào đường ống nạp.
3.2.8.2 Turbo Tăng áp
Động cơ Diesel đã được cải tiến theo nhiều phương pháp khác nhau như là việc hoà trộn khơng khí và nhiên liệu khơng cịn xảy ra ở đường khí nạp như động cơ xăng hay việc sử dụng hệ thống turbo tăng áp cũng giúp cho công suất động cơ tăng lên.
Việc sử dụng hệ thống turbo tăng áp ngày càng rộng rãi. Thường được sử dụng trên động cơ của những xe con và xe khách là chủ yếu, ngoài ra còn sử dụng trên động cơ tàu thuỷ công suất lơn và động cơ tàu hoả.
Khác với những hệ thống nạp khơng khí vào động cơ của những thế hệ khác, khí nạp ở động cơ có trang bị hệ thống turbo tăng áp được đẩy vào trong buồng đốt động cơ. Việc này giúp khí nạp được đưa vào động cơ với khối lượng lớn hơn, kết hợp với lượng nhiên liệu được phun chính xác, giúp cho động cơ tạo ra cơng suất lớn hơn khi so với động cơ có cùng dung tích. Tiêu thụ nhiên liệu sẽ thấp hơn khi sử dụng động cơ có trang bị hệ thống turbo tăng áp có dung tích nhỏ hơn. Đồng thời, hệ thống này có khả năng cải thiện mức ô nhiễm khí thải.
Hiệu suất nạp
Hiệu suất nạp là tỉ lệ giữa lượng khơng khí thực được đưa vào buồng đốt động cơ và lượng khơng khí lí thuyết được đưa vào động cơ ở điều kiện chuẩn ( áp suất 1.013bar, nhiệt độ là 2730K) khi không sử dụng hệ thống turbo tăng áp. ở những động cơ được trang bị hệ thống turbo tăng áp, thì hiệu suất nạp của động cơ nằm trong khoảng từ 0.85 tới 3.0.
Bộ phận làm mát khí nạp
Trong q trình khơng khí được nén bằng hệ thống turbo tăng áp trước khi được đưa vào trong buồng đốt động cơ, nhiệt độ khơng khí có thể lên đến 1800C. khi nhiệt