Ống phân phối tích lũy áp suất cao dùng chung cho tất cả các xylanh động cơ. Do đó, tên hệ thống nhiên liệu này được gọi là hệ thống nhiên liệu “ đường ống
(Common Rail). Ngay cả khi một lượng nhiên liệu bị mất đi khi phun, ống phân phối vẫn duy trì áp suất thực tế bên trong khơng đổi. Để đảm bảo việc áp suất không thay đổi trong mọi điều kiện hoạt động của động cơ là do bơm cao áp đảm nhiệm cung cấp lượng nhiên liệu để bù vào phần nhiên liệu vừa phun.
Trong quá trình hệ thống nhiên liệu Common Rail làm việc, nhiên liệu được đưa tới ống phân phối có độ dao động rất lớn. Điều này xảy ra là do nhiên liệu bị nén và đẩy từ buồng piston bơm lên ống phân phối không phải liên tục, mà chia thành từng đợt như các cơn sóng. Bên cạnh đó, trong q trình phun, trong ống phân phối sẽ xảy ra độ sụt áp nhất định do bơm cao áp không thể ngay lập tức bù được sự sụt áp này nên cũng sẽ sinh ra các đợt dao động. Nếu sự dao động này trong ống phân phối trên khơng được dập tắt thì sẽ ảnh hưởng rất lớn tới q trình phun. Nó sẽ gây ra các hậu quả sau:
●Áp suất phun không ổn định.
●Lượng nhiên liệu phun khơng chính xác.
●Hình dạng chùm tia phun khơng đúng như tính tốn.
Để đáp ứng được những yêu cầu trên, ống phân phối phải được tính tốn và thiết kế hợp lý và chính xác theo các nguyên lý thủy lực. Các yêu cầu cụ thể là:
●Có thể tích đủ lớn để làm giảm thiểu sự dao động của nhiên liệu.
●Có thể tích đủ nhỏ để cho phép áp suất nhiên liệu tăng nhanh trong một khoảng thời gian tối thiểu để đảm bảo cung cấp đủ áp suất cho hệ thống ở tốc độ cao.
●Ở các vị trí nối với ống tới kim phun phải được thiết kế có tiết diện lớn để giảm dao động và kịp thời cung cấp lượng nhiên liệu cần thiết trong các quá trình phun.
Ngoài ra, ở một vài hệ thống nhiên liệu Common Rail khác được trang bị thêm bộ dập dao động nhiên liệu và van giảm áp.
3.2.4.8 Van hạn chế áp suất.
Chức năng chính của van hạn chế áp suất là mở ra cho phép nhiên liệu quay về thùng chứa làm giảm áp suất trong ống phân phối khi có hiện tượng áp suất cao bất thường xảy ra. Khi áp suất nhiên liệu trong ống phân phối đã ổn định trở lại thì van hạn chế áp suất trở về trạng thái nghĩ ban đầu. Mức áp suất của ống phân phối để van hạn chế áp suất hoạt động là từ 180 MPa trở lên, khi mức áp suất trong ống phân phối trở về mức 30-50MPa thì van hạn chế áp suất trở về trạng thái nghĩ.
1. Từ ống phân phối 5. Lò xo
2. Van bi 6. Vỏ van
3. Thân van 7. Tới ống hồi 4. Van đẩy
Hình 3.21: Cấu tạo van hạn chế áp suất.
Lưu ý: Nếu van giới hạn áp suất mở quá lâu làm áp suất trong ống phân phối giảm quá
giới hạn cho phép thì sẽ xuất hiện mã lỗi, lúc này ECU sẽ báo bằng đèn check.
3.2.4.9 Cảm biến áp suất ống phân phối
Cảm biến áp suất ống phân phối được lắp trên ống phân phối, thường ở vị trí cuối của ống phân phối. Nó xác định áp suất nhiên liệu trong ống phân phối và gửi tín hiệu dến ECU động cơ. Cảm biến áp suất ống phân phối là loại cảm biến bán dẫn sử dụng nguyên lí áp điện của phần tử áp điện bên trong cảm biến.
1. Chân cảm biến 2. Màng so
3. Màng phần tử áp điện 4. Ống dẫn áp suất 5. Ren ngoài cảm biến
Hình 3.23: Cấu tạo và sơ đồ chân của cảm biến áp suất ống phân phối.
Bộ phận chính của cảm biến là màng phần tử áp điện có khả năng thay đổi điện trở. Khoảng áp suất mà cảm biến có thể đo được phụ thuộc vào độ dày của màng kim loại ( màng kim loại dày hơn cho áp suất cao hơn và màng mỏng hơn cho áp suất thấp hơn). Khi nhiên liệu đi vào bên trong của cảm biến áp suất chạm vào bề mặt của màng kim loại, làm biến dạng bề mặt kim loại từ đó tạo ra điện trở tương ứng ( xấp xỉ 20 um ở mức áp suất 1500 bar).
Giá trị điện áp đầu ra từ 0 đến 80mV được tạo ra bởi màng phần tử áp điện sẽ được dẫn đến mạch khuếch đại từ 0 đến 5V. Điện áp này được sử dụng để đưa vào ECU
– nơi xảy ra những tính tốn áp suất.
Nếu cảm biến hư hỏng thì van điều khiển áp suất sẽ được điều khiển theo giá trị định sẵn của ECU.
Hình 3.24 . Đặc tính điện áp đầu ra của cảm biến áp suất nhiên liệu ống phân phối
Kiểm tra cảm biến áp suất nhiên liệu
Kiểm tra điện áp
Bảng 3.1: Bảng giá trị liên quan giữa áp suất nhiên liệu và điện áp cảm biến.
• Khởi động động cơ và hâm nóng đến nhiệt độ làm việc bình thường.
• Cho động cơ chạy ở chế độ cầm chừng.
• Dùng vơn kế để đo giá trị điện áp giữa chân 2 và 3 của cảm biến FP + Điện áp hiển thị: ~ 1.25 V
Nếu điện áp hiển thị khác với điện áp chuẩn thì chuyển sang bước kiểm tra mạch cảm biến. Nếu mạch này khơng hư thì phải thay mới cảm biến.
Nếu giống với điện áp chuẩn thì:
Tắt máy động cơ và đợi 3 phút.
Công tắc máy ON (không khởi động động cơ).
Dùng vôn kế để đo giá trị điện áp giữa chân 2 và 3 của cảm biến FP:
+ Điện áp hiển thị: 0.494 – 0.506 V
Nếu điện áp hiển thị khác với điện áp chuẩn thì chuyển sang bước kiểm tra mạch cảm biến.
3.2.4.10 Van giảm lưu
Trong quá trình ống phân phối cấp nhiên liệu áp suất cao cho kim phun trong thời gian ngắn, nhiên liệu đã tạo ra những dao động lớn gây ảnh hưởng tới hiệu suất làm việc của kim phun cũng như của hệ thống. Van giảm lưu có tác dụng dập tắt những dao động này để cung cấp nhiên liệu cho kim phun ở mức áp suất cao ổn định. Ngoài ra, van giảm lưu cịn có tác dụng ngắt đường nhiên liệu đưa vào kim phun thông qua ống cao áp, khi xảy ra hiện tượng rò rỉ nhiên liệu ở đường ống cao áp hay ở kim phun.
Van giảm lưu được cấu tạo từ một piston có lỗ tiết lưu ở bên trong, van bi – được nén ở vị trí cố định bởi lò xo và vỏ van được tạo ren ở cả hai đầu. Van giảm lưu được đặt ở vị trí trung gian nối ống phân phối và ống cao áp.
Hình 3.26: Cấu tạo của van giảm lưu.
Ngun lí hoạt động
Khi xảy ra hiện tượng dao động nhiên liệu trong ống cao áp khi cấp cho kim phun nhiên liệu, thì sự cản trở dịng nhiên liệu được thực hiện bởi lỗ tiết lưu bên trong piston. Lúc này piston và van bi sẽ được di chuyển sang phía bên kim phun nhiên liệu nhờ áp lực dao động lớn của nhiên liệu đến từ ống phân phối. Van giảm lưu sẽ dập tắt những dao động này và đưa áp suất ở hai đầu của van giảm lưu trở lại thế cân bằng. Khi áp suất đã ở thế cân bằng ở hai đầu van giảm lưu, thì van bi và piston sẽ được đẩy về vị trí cũ bởi lị xo.
Hình 3.27: Ngun lí hoạt động của van giảm lưu.
Trong trường hợp nhiên liệu bị rị rỉ ở phía kim phun nhiên liệu hay trên đường ống cao áp cấp nhiên liệu cho kim phun, thì áp suất giữa hai đầu van giảm lưu sẽ không cân bằng - ở phía bên ống phân phối có áp suất lớn hơn nhiều so với phía bên ống cao áp và kim phun nhiên liệu – do đó piston sẽ bị áp lực này đẩy về phía ống cao áp và kim
phun. Đồng thời piston đẩy van bi tới vị trí nghỉ của van bi trong van giảm lưu, nhờ đó mà nhiên liệu bị ngắt. Đây cũng được xem là thiết bị an toàn để đảm bảo khơng có hiện tượng cháy nổ do rò rỉ nhiên liệu.
3.2.4.11 Kim phun nhiên liệu kiểu van điện từ
Ở hệ thống phun nhiên liệu Common Rail, kim phun được nối với ống phân phối bằng những đoạn ống cao áp ngắn. Chỗ nối giữa kim phun với buồng đốt động cơ được làm kín bằng gioăng đồng. Kim phun được gắn trên nắp động cơ bằng lỗ ren 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 chính của kim phun là phun nhiên liệu cao áp từ ống phân phối đến buồng đốt của động cơ. Tuỳ vào trạng thái hoạt động của động cơ mà thời gian phun, lượng nhiên liệu được phun và tỉ lệ phun được điều chỉnh thơng qua tính hiệu điều khiển từ ECU động cơ.
Cơng thức tính tốn hoà trộn hỗn hợp nhiên liệu - có thể điều chỉnh - cần phải có để tuân thủ việc giảm mức ơ nhiễm của khí thải và tiếng ồn của động cơ Diesel theo những tiêu chuẩn của quốc tế nói chung và từng khu vực nói riêng. u cầu trên địi hỏi kim phun phải phun mồi một lượng rất nhỏ nhiên liệu và phun nhiều lần trong cùng một chu kỳ phun nhiên liệu để hạn chế mức thấp nhất việc phát sinh khí thải trong quá trình hoạt động.
Hình 3.28:. Sơ đồ điều khiển kim phun nhiên liệu.
Để tối ưu việc điều khiển thời điểm phun và lượng nhiên liệu phun chính xác, thì hệ thống Common Rail sử dụng các kim phun được điều khiển hoàn toàn bằng điện ( kiểu van điện từ). Kim phun có bộ chấp hành là van điện từ có độ chính xác cao, được chế tạo với độ kín khít cao.
Nhiên liệu từ ống phân phối được đưa vào kim phun thông qua những đoạn ống cao áp vào kim phun và đi qua van tiết lưu đi vào buồng nhiên liệu điều khiển, nhiên liệu sau đó đi vào vịi phun với áp suất rất cao do đó các chi tiết như lị xo, kim vịi phun và van điện từ làm việc phải chính xác.
Trên động cơ D4DD được trang bị kim phun nhiên liệu G2 của Denso, là kim phun van điện từ thế hệ thứ hai của hãng, hoạt động ở mức áp suất là 180MPa và có khả năng phun nhiều lần trong một chu kì phun để hạn chế mức phát sinh khí thải.
Hình 3.29: Cấu tạo của kim phun nhiên liệu G2.
3.2.4.11.1 Nguyên lí hoạt động của kim phun nhiên liệu G2
Kim phun điều khiển việc phun nhiên liệu của chính nó thơng qua nhiên liệu áp suất cao ở trong buồng nhiên liệu điều khiển bên trong kim phun. Với kim phun sử dụng van hai chiều như G2, thì van hai chiều này đảm nhiệm vai trò điều khiển mở đường nhiên liệu hồi ở buồng nhiên liệu điều khiển để điều khiển áp suất nhiên liệu bên trong kim phun.
Kim phun đóng
Khi van điện từ trong kim phun chưa được cấp điện áp để “ nhấc” van hai chiều lên thì đường nhiên liệu hồi về thùng chứa vẫn đóng lại. Việc này giúp cho nhiên liệu trong buồng nhiên liệu điều khiển và nhiên liệu được cấp đến vòi phun có cùng áp suất với áp suất ở ống phân phối. Do sự cân bằng áp suất này – áp lực tác dụng lên bề mặt của piston điều khiển và áp lực kim vòi phun bằng nhau – nên kim vòi phun vẫn ở vị
đóng kim phun. Ở kim phun nhiên liệu G2, lỗ nhiên liệu hồi từ buồng nhiên liệu điều khiển bị đóng lại bởi tác dụng của lị xo của van hai chiều.
Phun nhiên liệu
Khi van điện từ được cấp điện, giúp “nhấc” van hai chiều lên làm mở lỗ nhiên liệu hồi buồng nhiên liệu điều khiển. Khi đó nhiên liệu thơng qua lỗ này trở về thùng chứa nhiên liệu, đồng thời làm giảm áp suất trong buồng nhiên liệu điều khiển. Do đó, sự cân bằng áp suất nhiên liệu lúc đầu giữa buồng nhiên liệu điều khiển và phần nhiên liệu ở vịi phun khơng cịn nữa, lúc này thì áp lực tác dụng lên kim vịi phun lớn hơn lực đẩy xuống của lò xo trong vòi phun. Nhờ vậy mà kim vòi phun được đẩy lên, kim phun mở và phun nhiên liệu vào buồng đốt động cơ. Khi nhiên liệu hồi về thùng chứa, thì bị hạn chế bởi lỗ nhiên liệu hồi, vì vậy mà kim vịi phun mở cũng được mở dần. Lượng nhiên liệu được phun cũng tăng lên khi độ mở của kim vòi phun tăng lên. Khi điện áp cứ được cấp liên tục cho van điện từ, đến một lúc thì kim vịi phun cũng sẽ đạt đến độ mở lớn nhất – lượng nhiên liệu được phun vào buồng đốt động cơ là lớn nhất. Kết thúc phun
Khi van điện từ khơng cịn được cấp điện áp, thì van hai chiều trở về vị trí đóng lỗ nhiên liệu hồi. Khi khơng cịn nhiên liệu thốt ra khỏi buồng nhiên liệu điều khiển nữa, thì áp suất nhiên liệu giữa buồng nhiên liệu điều khiển và ở kim vòi phun cân bằng trở lại và kim vòi phun bị đẩy trở về vị trí đóng kim phun. Lượng nhiên liệu được phun vào buồng đốt động cơ được tính tốn và điều khiển bởi ECU thơng qua thời gian mà ECU cấp điện áp cho van điện từ.
Hình 3.30: Sơ đồ quá trình phun nhiên liệu của kim phun nhiên liệu G2.
3.2.4.11.2 Mã kim phun
Mỗi kim phun sau khi chế tạo sẽ có sai số về kích thước lỗ tia phun nhiên liệu, điện trở cuộn dây, đường kính của các lỗ tiết lưu nạp, lỗ tiết lưu nhiên liệu hồi rất nhỏ nhưng lại ảnh hưởng rất lớn đến lượng nhiên liệu phun của mỗi kim. Do đó, bất cứ sự khác biệt dù là nhỏ nhất của các sai số này cũng sẽ làm lượng nhiên liệu phun của mỗi kim phun là khác nhau. Việc này kéo theo lượng nhiên liệu được cấp cho mỗi buồng đốt của động cơ sẽ khác nhau, gây ảnh hưởng tới quá trình làm việc của động cơ. Vì vậy, các sai số của kim phun sẽ được mã hóa thành một dãy số ( ID) gồm 30 kí tự gồm chữ và số.
Mã QR của hãng DENSO là mã hai thơng số. Nó gồm có dữ liệu thử nghiệm điểm phun nhiên liệu đồng thời cũng chứa mã bộ phận và số hiệu sản phẩm. Tất cả những dữ liệu trên mã QR sẽ được ECU xử lí với tốc độ cực cao.
Khi lắp đặt kim phun vào động cơ cần phải nạp mã kim phun vào ECU bằng thiết bị chẩn đoán, ECU dùng mã này để chọn chế độ điều khiển hợp lý cho kim phun đó nhằm đảm bảo lượng phun ln ln tối ưu.
Hình 3.31: Mã kim phun
Mã kim phun của kim phun hãng DENSO có 30 kí tự và thường được dặt ở phía trên giắc cắm kim phun. Mỗi kim phun có một mã kim phun riêng biệt để ECU dùng nó để điều khiển phun nhiên liệu tối ưu, nên việc thay lắp kim phun mới cần phải nhập lại mã kim phun cho ECU và không được lắp lẫn những kim phun với nhau.
3.2.4.12 Kim phun nhiên liệu kiểu Piezo của Denso.
Xét về cách điều khiển đóng mở van điện thì có thể phân ra làm 2 loại kim (van) phun.
Loại hoạt động bằng van điện từ ( cuộn cảm van điện từ) : sử dụng nam châm điện từ để đóng mở van.
Loại hoạt động bằng áp điện ( Piezo electric) : sử dụng đặc tính co dãn của gốm tổng hợp khi có dịng điện chạy qua để đóng mở van, cho hiệu quả hơn nhưng đắt tiền hơn.
Có thể nói đối với hệ thống nhiên liệu Common Rail thì kim phun như là một phần tử rất quan trọng, và hiện nay trên hệ thống nhiên liệu Common Rail kim phun kiểu áp điện Piezo được sử dụng rất nhiều.
Sơ lược về nguyên lý và hoạt động của kim phun Piezo, và tìm hiểu nguyên nhân chúng lại đươc sử dụng nhiều trên hệ thống nhiên liệu Common Rail.