Sơ đồ và nguyên lý làm việc của hệ thống

1.5. Hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq Tdci 2.5l

1.5.1. Sơ đồ và nguyên lý làm việc của hệ thống

Sơ đồ của hệ thống được thể hiện ở hình 1-19.

Hình 1-19 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ Duratorq 2.5l

A. Đường hồi nhiên liệu từ bơm cao áp; B. Đường nhiên liệu áp suất cao lên ống phân phối nhiên liệu; C. Đường nhiên liệu cao áp tới vòi phun; D. Đường nhiên liệu; E. Nhiên liệu trở lại thùng chứa; F. Đường nhiên liệu từ lọc tới bơm cao áp; 1-

Bơm cao áp; 2- Ống phân phối nhiên liệu; 3- Vòi phun; 4- Van an toàn; 5- Nhánh đưa nhiên liệu về thùng; 6- Thùng nhiên liệu; 7- Bơm dầu và cảm biến lượng nhiên

liệu trong thùng; 8- Lọc nhiên liệu; 9- Bơm chuyển nhiên liệu.

Trong hệ thống nhiên liệu gồm có các bộ phận chính sau:

Thùng chứa 6 có nhiệm vụ chứa nhiên liệu đủ cho động cơ làm việc trong một thời gian;

Bơm chuyển 9 có nhiệm vụ vận chuyển nhiên liệu đến bơm cao áp thông qua bầu lọc 8;

Bơm cao áp 1 có nhiệm vụ tạo ra nhiên liệu có áp suất cao cho quá trình phun.

Bơm này được lắp đặt trên một ngăn của hệ thống. Thường thì giống như vị trí đặt bơm cao áp phân phối trước đây (của các động cơ cổ điển). Nhiên liệu sau khi ra khỏi bơm cao áp được vận chuyển vào bộ phận tích luỹ cao áp.

Ống Rail 2 này là bộ phận tích luỹ cao áp và luôn được cấp nhiên liệu để phục vụ cho việc phun nhiên liệu. Nhiên liệu trong ống luôn có áp suất 2000 bar để phun

vào xylanh vào đúng thời điểm. Một số thành phần của hệ thống Common Rail được đặt trực tiếp trên ống này, như cảm biến áp suất, van điều áp.

Vòi phun 3 có chức năng phun nhiên liệu vào xylanh động cơ. PCM quyết định lượng nhiên liệu được phun.

Khi động cơ làm việc, nhiên liệu được bơm cấp nhiên liệu đặt trong thùng chứa hút lên bầu lọc 8 và tới bơm chuyển nhiên liệu 9 (bơm thấp áp) kiểu bánh răng thông qua đường nhiên liệu F. Bơm chuyển nhiên liệu đưa nhiên liệu tới bơm cao áp. Bơm cao áp 1 thông qua đường nhiên liệu B, đưa nhiên liệu có áp suất tới ống phân phối nhiên liệu 2. Từ ống phân phối 2, nhiên liệu được phân phối tới các vòi phun 3 thông qua các ống cao áp C và phun vào xilanh động cơ, hỗn hợp với không khí nén, tạo thành hoà khí hay hỗn hợp và tự cháy và sinh công.

Nhiên liệu sau khi đi qua bơm cao áp là nhiên liệu cao áp. Từ đầu ra của bơm phân phối đến cung cấp nhiên liệu cho 4 vòi phun của động cơ theo thứ tự nổ là 1-3- 4-2.

Để đảm bảo cho lượng nhiên liệu phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ, trong hệ thống người ta có lắp thêm các cảm biến: áp suất khí nạp, tốc độ động cơ, nhiệt độ nước làm mát, vị trí bàn đạp ga.... Các cảm biến chuyển tín hiệu về bộ

điều khiển PCM. Bộ điều khiển có nhiệm vụ xử lý tín hiệu từ các cảm biến gởi về và sẽ phát ra tín hiệu điều khiển vòi phun. Các tín hiệu này sẽ quyết định lượng nhiên liệu mà bơm sẽ cung cấp cho các vòi phun.

1.5.2. Đặc tính của hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq Tdci 2.5l + Áp suất nhiên liệu, lượng phun, và thời điểm phun được điều khiển bằng điện tử vì vậy điều khiển tốc độ và công suất động cơ đạt độ chính xác cao.

+ Áp suất nhiên liệu cao cho nên việc hoà trộn nhiên liệu – Không khí trong buồng cháy tốt hơn.

+ Tích trữ nhiên liệu áp suất cao, nhiên liệu được phun vào có áp suất cao ở mọi dãi tốc độ động cơ.

Với những đặc tính như trên thì động cơ Duratorq Tdci 2.5l có tính hiệu năng, tính kinh tế nhiên liệu tăng cao, tiếng ồn nhỏ, ít rung động và khí thải sạch.

1.5.3 Nhiệm vụ và yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu động cơ Duratorq Tdci 2.5l

Hệ thống nhiên liệu động cơ có những nhiệm vụ sau:

- Chứa nhiên liệu dự trữ, đảm bảo cho động cơ hoạt động liên tục trong một khoảng thời gian quy định;

- Lọc sạch nước và các tạp chất cơ học có lẫn trong nhiên liệu;

- Cung cấp lượng nhiên liệu cần thiết cho mỗi chu trình ứng với chế độ làm việc quy định của động cơ;

- Cung cấp nhiên liệu đồng đều vào các xy lanh theo trình tự làm việc quy định của động cơ;

- Cung cấp nhiên liệu vào xi lanh động cơ đúng lúc theo một quy luật đã định;

- Phun tơi và phân bố đều nhiên liệu trong thể tích môi chất trong buồng cháy, bằng cách phối hợp chặt chẽ hình dạng kích thước và phương hướng của các tia nhiên liệu với hình dạng buồng cháy và cường độ vận động của môi chất trong buồng cháy.

Diễn biến chu trình công tác của động cơ Diesel chủ yếu phụ thuộc vào tình hình hoạt động của thiết bị cung cấp nhiên liệu. Tốc độ toả nhiệt của nhiên liệu và dạng đường cong của áp suất môi chất công tác trong quá trình cháy biến thiên theo góc quay trục khuỷu chủ yếu phụ thuộc vào những yếu tố sau:

- Thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu (tức là góc phun sớm 1);

- Biến thiên của tốc độ phun (tức là quy luật cấp nhiên liệu );

- Chất lượng phun (thể hiện bằng mức phun nhỏ và đều);

- Sự hoà trộn giữa nhiên liệu với khí nạp trong buồng cháy.

1.5.4. Common rail là một hệ thống phun tích luỹ

Việc tạo ra áp suất và việc phun nhiên liệu hoàn toàn tách biệt với nhau trong hệ thống Common Rail. Áp suất phun được tạo ra độc lập với tốc độ động cơ và lượng nhiên liệu phun ra. Nhiên liệu được trữ với áp suất cao trong bộ tích áp suất cao (high-pressure accumulator) và sẵn sàng để phun. Lượng nhiên liệu phun ra được quyết định bởi tài xế, và thời điểm phun cũng như lượng nhiên liệu phun được tính toán bằng PCM và các biểu đồ đã lưu trong bộ nhớ của nó. Sau đó PCM sẽ điều khiển các kim phun phun tại mỗi xy lanh động cơ để phun nhiên liệu.

1.5.5. Ưu điểm của hệ thống nhiên liệu này - Độ tin cậy cao ;

- Giảm thải ô nhiễm do khí xả (áp suất phun của Common Rail rất cao nên làm cải thiện được quá trình cháy mà thực tế làm giảm bớt lượng phát thải khói đen. Xa hơn nữa, nó làm giảm lượng phát thải ô nhiễm là nhờ giai đoạn phun sơ khởi và phun hỗn hợp);

- Tính kinh tế nhiên liệu cao (Common Rail có hệ thống phun được điều khiển bằng điện tử);

- Công suất tăng (Với hệ thống phun dầu điện tử, áp suất phun có thể cho nhiều bộ phận được chọn lựa tự do và độc lập với tình trạng làm việc của động cơ. Ý nghĩa này mômen động cơ có thể được gia tăng trong vùng tốc độ thấp, một thực tế

là nó thực hiện đóng góp chính làm gia tăng tính linh hoạt của ô tô dùng động cơ diesel).

- Giảm tiếng ồn động cơ (Hoạt động ở áp suất cao và quá trình phun được riêng lẻ của mỗi vòi phun trong hệ thống Common Rail. Việc cho phép phun sơ khởi và phun hỗn hợp này mà cả hai làm giảm đáng kể tiếng ồn động cơ)

- Sự hợp nhất các khái niệm động cơ đang còn sử dụng (hệ thống phun dầu điện tử được thiết kế như thế có thể sử dụng cho các động cơ diesel đang tồn tại mà không cần thay đổi lớn khi muốn lắp đặt hệ thống phun dầu điện tử cho động cơ diesel khác).

1.5.6. Đặc tính phun của hệ thống Common Rail

- Lượng nhiên liệu và áp suất nhiên liệu phun độc lập với nhau trong từng điều kiện hoạt động của động cơ (cho phép dễ đạt được tỉ lệ hỗn hợp A/F lí tưởng).

- Lúc bắt đầu phun, lượng nhiên liệu phun ra chỉ cần một lượng nhỏ.

Các yêu cầu trên đã được thỏa mãn bởi hệ thống Common Rail. Với đặc điểm phun hai lần: phun sơ khởi và phun chính.

PR (Pm)

Giai đoạn phun sơ khởi Giai âoản phun chênh.

Hình 1-20 Đường đặc tính phun của hệ thống Common Rail.

Hệ thống Common Rail là hệ thống thiết kế theo module, có các thành phần - Vòi phun được điều khiển bằng van điện từ (solenoid) được gắn vào nắp

máy;

- Ống tích trữ nhiên liệu (ống phân phối áp lực cao);

- Bơm cao áp (bơm tạo áp lực cao).

Các thiết bị sau được sự hoạt động điều khiển của hệ thống:

- PCM;

- Cảm biến tốc độ trục khuỷu;

- Cảm biến tốc độ trục cam;

- Các loại cảm biến khác.

Về cơ bản, vòi phun được nối với ống tích nhiên liệu áp suất cao (rail) bằng một đường ống ngắn. Kết hợp với đầu phun và van điện từ (solenord), được cung cấp điện qua PCM. Khi van solenoid không được cấp điện thì vòi ngừng phun. Nhờ áp suất phun không đổi, lượng nhiên liệu phun ra sẽ tỉ lệ với độ dài của xung điều khiển solenoid. Yêu cầu mở nhanh solenoid được đáp ứng bằng việc sử dụng điện áp cao và dòng lớn. Thời điểm phun được điều khiển bằng hệ thống điều khiển góc phun sớm. Hệ thống này dùng một cảm biến trên trục khuỷu để nhận biết tốc độ

động cơ, và một cảm biến trên trục cam để nhận biết kỳ hoạt động.

* Phun sơ khởi ( pilot injection )

Phun sơ khởi diễn ra sớm đến 90o trước điểm chết trên (ĐCT). Nếu thời điểm phun sơ khởi xuất hiện nhỏ hơn 400, nhiên liệu có thể bám vào bề mặt của piston và thành xi lanh và làm loãng dầu bôi trơn.

Trong giai đoạn phun sơ khởi, một lượng nhỏ nhiên liệu (1-4 mm3) được phun vào xy lanh để ‘’mồi’’. Kết quả là quá trình cháy được cải thiện và đạt được một số hiệu quả sau:

Áp suất cuối quá 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, giảm sự tăng đột ngột của áp suất khí cháy và áp suất cực đại (quá trình cháy êm dịu hơn). Kết quả là giảm tiếng ồn của động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và trong nhiều trường hợp giảm được độ

độc hại của khí thải. Quá trình phun sơ khởi góp phần gián tiếp vào việc tăng công suất động cơ.

* Giai đoạn phun chính ( main injection )

Công suất đầu ra của động cơ phụ thuộc vào giai đoạn phun chính, tiếp theo giai đoạn phun sơ khởi. Điều này có nghĩa là giai đoạn phun chính giúp tăng lực kéo của động cơ. Với hệ thống Common Rail, áp suất phun vẫn giữ không đổi trong suốt quá trình phun.

* Giai đoạn phun thứ cấp ( secondary injection )

Theo quan điểm xử lý khí thải, phun thứ cấp có thể được áp dụng để đốt cháy NOx. Nó diễn ra ngay sau giai đoạn phun chính và được xác định để xảy ra trong quá trình giãn nở hay kỳ thải, khoảng 200o sau ĐCT. Ngược lại so với quá trình phun sơ khởi và phun chính, nhiên liệu phun vào không được đốt cháy mà để bốc hơi nhờ vào sức nóng của khí thải ở ống thải. Trong suốt kỳ thải hỗn hợp khí thải và nhiên liệu được đẩy ra ngoài hệ thống thoát khí thải thông qua xupap thải. Tuy nhiên một phần của nhiên liệu được đưa lại buồng đốt thông qua hệ thống luân hồi khí thải EGR và có tác dụng tương tự như chính giai đoạn phun sơ khởi. Khi bộ hóa

khử được lắp để làm giảm NOx, chúng tận dụng nhiên liệu trong khí thải như là một nhân tố hóa học để làm giảm nồng độ NOx trong khí thải.

1.5.7. Đặc điểm kết cấu và nguyên lý hoạt động của các cụm chi tiết 1.5.7.1. Thùng nhiên liệu

Thùng chứa nhiên liệu dùng để chứa nhiên liệu đủ cho động cơ làm việc trong một thời gian, dung tích 80l.

Thùng được dập bằng thép lá, bên trong có các tấm ngăn để nhiên liệu bớt dao động. Nắp thùng có lỗ thông hơi. Ống hút nhiên liệu bố trí cao hơn đáy thùng khoảng 3[cm]. Phần lõm lắng cặn và nước ở đáy thùng có nút xả.

1.5.7.2. Lọc nhiên liệu

* Nhiệm vụ của bầu lọc tinh:

Bầu lọc có nhiệm vụ lọc tạp chất cơ học, nước ra khỏi nhiên liệu,để hệ thống nhiên liệu làm việc tốt. Kết cấu được thể hiện ở hình 1-21.

2

4

1

5

6

7 8 3

Hình 1-21 Kết cấu bầu lọc

1- Nhiên liệu từ thùng chứa tới lọc; 2- Nhiên liệu tới ống phân phối; 3- nắp bầu lọc; 4- Lõi lọc; 5- Thân bầu lọc; 6- Lượng nuớc có trong bầu lọc; 7- Cảm biến

lượng nước có trong bầu lọc; 8- Bu lông xả nước.

Bình lọc nhiên liệu của động cơ Duratorq 2.4l có vỏ được làm bằng nhựa và lõi lọc làm bằng giấy lọc. Mỗi khi lọc bị tắc thì phải thay thế bình lọc. Trong bầu lọc được lắp cảm biến, báo mức nước có trong lọc nhiên liệu và dưới đáy lọc có bu lông để xả nước và cặn. Khi lượng nước vượt quá mức cho phép ở trong bầu lọc nhiên liệu, cảm biến gửi thông tin về bộ điều khiển điện tử PCM, đèn cảnh báo tình trạng lọc được hiển thị trên bảng táp lô.

1.5.7.3. Bơm chuyển nhiên liệu

Bơm chuyển nhiên liệu (hay bơm thấp áp) là loại bơm bánh răng có van an toàn (3,5 bar). Nhiên liệu được vận chuyển giữa các răng của hai bánh răng quay.

Bánh răng được quay bằng động cơ, nghĩa là lưu lượng tỷ lệ với tốc độ động cơ.

Bơm chuyển nhiên liệu cung cấp nhiên liệu từ bình chứa đến đường dầu vào của bơm cao áp, được lắp trực tiếp trên bơm cao áp, trục cùng trục với bơm cao áp.

Bơm chuyển nhiên liệu cung cấp nhiên liệu có áp suất 3-3,5 bar. Kết cấu được thể hiện ở hình 1-22.

Cấu tạo gồm:

Cặp bánh răng ăn khớp ngoài (bánh răng chủ động 9 và bánh răng bị động 13) đặt trong vỏ bơm. Bánh răng chủ động được dẫn động từ trục chủ động 1. Ở trên bọng đẩy 12 có lắp van an toàn.

Hình 1-22 Kết cấu bơm chuyển nhiên liệu

1- Trục chủ động; 2- Phốt làm kín; 3- Van an toàn; 4- Lò xo giữ van an toàn; 5- Ốc giữ lò xo van an toàn; 6- Nắp; 7- Đường nhiên liệu vào; 8- Bọng hút; 9- Bánh răng chủ động; 10- Mặt bích; 11- Then; 12- Bọng đẩy; 13- Bánh răng bi

động; 14- Trục bi động; 15- Đường nhiên liệu ra; 16- thân bơm; 17- Lỗ lắp bulông.

- Nguyên lý làm việc:

Khi bánh răng chủ động quay, ở bọng hút 8 các cặp bánh răng ra khớp giải phóng thể tích rãnh răng làm cho áp suất giảm, làm cho bơm hút chất lỏng qua đường nhiên liệu vào 7. Khi bánh răng chủ động quay, ở bọng hút 12 các cặp bánh răng ăn khớp làm giảm thể tích làm việc nên áp suất tăng lên, làm cho chất lỏng được đẩy đi qua đường nhiên liệu ra 15. Áp suất tăng lên có thể gây ra vỡ bơm, vì thế có lắp van an toàn 3 để bảo vệ hệ thống.

1.5.7.4. Bơm cao áp

16 17 15 8 7

9

1 44 1 33 12

10

11

2 3 5 4

6

1

Bơm cao áp tạo áp suất cho nhiên liệu đến 1600 bar. Nhiên liệu được tăng áp này sau đó di chuyển đến đường áp suất cao và được đưa vào ống phân phối.

Bơm cao áp được lắp ở phía bên trái nắp máy, thông qua một khớp nối, nối với khớp nối của trục cam hút và được dẫn động bởi trục cam hút, tốc độ quay bằng 1/2 tốc độ động cơ, được bôi trơn bằng chính nhiên liệu đi qua bơm. Bơm cao áp phân phối lượng nhiên liệu tỷ lệ thuận với vân tốc quay của nó là một hàm của tốc độ

động cơ. Trong quá trình phun, tỷ số truyền phụ thuộc vào góc tốc độ trục khuỷu, lượng nhiên liệu mà bơm cung cấp sao cho đáp ứng được chế độ hoạt động. Thường tỷ số truyền hợp lý là 1:2 hoặc 1:3. Kết cấu bơm cao áp được thể hiện ở hình 2-13.

Hình 1-23 Kết cấu bơm cao áp

1- Đường nhiên liệu từ bơm tiếp vận; 2- Trục dẫn động; 3- Van hút; 4- Nhiên liệu áp suất cao đến ống phân phối; 5- Piston; 6- Cam lệch tâm; 7- Buồng chứa của bơm piston; 8- Van điều khiển áp suất; 9- Đường nhiên liệu hồi; 10- Lò xo; 11- Van

bơm.

Bên trong bơm cao áp (hình 2-11), nhiên liệu được nén bằng 3 piston bơm được bố trí hướng kính và các piston cách nhau 120 độ. Do 3 piston bơm hoạt động luân phiên trong một vòng quay nên chỉ làm tăng nhẹ lực cản của bơm. Do dó, ứng suất trên hệ thống dẫn động vẫn giữ đồng bộ. Điều này có nghĩa là hệ thống common rail đặt ít tải trọng lên hệ thống truyền động hơn so với hệ thống cũ. Công suất yêu cầu dẫn động để dẫn động bơm rất nhỏ và tỉ lệ với áp suất trong ống phân phối và tốc độ

bơm.

Nguyên lý làm việc:

Bơm nạp đưa nhiên liệu từ bình chứa qua bộ lọc đến bơm cao áp bằng đường nhiên liệu 1.