4. KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ 2KD-FTV
4.2. Khảo sát hệ thống nhiên liệu
4.2.2. Kết cấu hệ thống nhiên liệu
4.2.2.2. Vùng áp suất cao
Vùng áp suất cao của hệ thống Common Rail động cơ 2KD-FTV có nhiệm vụ tạo ra một áp suất cao không đổi trong đường ống tích luỹ áp suất và phun nhiên liệu vào buồng cháy động cơ, bao gồm :
- Bơm cao áp với van điều khiển áp suất.
- Đường ống nhiên liệu áp suất cao, tức ống phân phối đóng vai trò của bộ tích áp suất cao cùng với cảm biến áp suất nhiên liệu, van giới hạn áp suất, kim phun và đường ống dầu về.
+ Bơm cao áp
Bơm cao áp 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. Nhiên liệu sau khi ra khỏi bơm cao áp được vận chuyển vào bộ phận tích luỹ cao áp.
Bơm cao áp tạo áp lực nhiên liệu đến một áp suất lên đến 180MPa. Bơm cao áp được lắp đặt tốt nhất ngay trên động cơ như ở hệ thống nhiên liệu của bơm phân phối loại cũ. Nó được dẫn động bằng động cơ (tốc độ quay bằng 1/2 tốc độ động cơ, nhưng
11
tối đa là 8000 vòng/phút) thông qua khớp nối bằng bánh răng với động cơ và được bôi trơn bằng chính nhiên liệu nó bơm. Van điều khiển áp suất được lắp trên bơm
Bên trong bơm cao áp nhiên liệu được nén bằng 2 piston bơm được bố trí đối xứng. Do 2 bơm piston hoạt động luân phiên trong một vòng quay tạo được áp suất cao và liên tục nhiên liệu đến ống phân phối và cách đặt bơm như vậy chỉ làm tăng nhẹ lực cản của bơm. Do đó ứng suất trong hệ thống dẫn động vẫn giữ đồng bộ.
Điều này có nghĩa hệ thống Common Rail đặt ít tải trọng lên hệ thống truyền động hơn so với hệ thống cũ. Công suất yêu cầu để dẫn động bơm rất nhỏ và tỉ lệ với áp suất trong đường ống phân phối và tốc độ bơm.
Hình 4 – 4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động bơm cao áp
1- Cam không đồng trục và cam vòng ; 2- Lò xo hồi của piston bơm ; 3- Piston bơm ; 4- Van một chiều ; 5- Van hút ; 6- Van đẩy ; 7- Đường nhiên liệu đến ống phân phối ;
8- Đường nhiên liệu vào ; 9- Bơm nạp ; 10- Van SCV ; 11- Trục bơm.
Bơm nạp đưa nhiên liệu từ bình chứa qua bộ lọc đến đường dầu vào bơm cao áp được lắp trực tiếp trên bơm. Nó đẩy nhiên liệu qua van SCV đến hai piston của bơm cao áp, cùng trục với bơm cao áp. Nhiên liệu được đưa vào hai piston bơm cao áp ít hay nhiều phụ thuộc vào van SCV dưới sự điều khiển của ECU. Nhiên liệu dư của bơm nạp đi qua van và theo đường dầu hồi trở về bình chứa
11
Trục của bơm cao áp có các cam lệch tâm làm di chuyển 2 piston lên xuống tùy theo hình dạng các vấu cam làm cho 2 piston hút nén đối xứng nhau. Van nạp mở ra nhiên liệu tư bơm nạp qua van SCV được hút vào bơm piston của bơm cao áp tại đây nhiên liệu được nén dưới áp suất cao khi piston lên tới điểm chết trên, áp suất nhiên liệu thắng lực lò xo của van nén, nhiên liệu thoát ra ngoài đến ống phân phối.
Piston tiếp tục phân phối cho đến khi nó đi đến điểm chết trên (ĐCT), sau đó do áp suất bị giảm xuống nên van nén đóng lại. Khi áp suất trong buồng bơm của thành phần bơm giảm xuống thì van nạp mở ra và quá trình lặp lại lần nữa.
Bơm cao áp phân phối lượng nhiên liệu tỷ lệ với tốc độ quay của nó. Và do đó, nó là một hàm của tốc độ động cơ. Trong suốt quá trình phun, tỉ số truyền được tính sao cho một mặt thì lượng nhiên liệu mà nó cung cấp không quá lớn, mặt khác các yêu cầu về nhiên liệu vẫn còn đáp ứng trong suốt chế độ hoạt động. Tùy theo tốc độ trục khuỷu mà tỉ số truyền là : 1: 2 hoặc 1:3. Đó là nguyên lý làm việc chung của bơm cao áp, sau đây ta nguyên cứu vào cấu tạo, nguyên lý làm việc của từng chi tiết trong bơm cao áp gồm : Bơm piston, bơm nạp, van SCV, cảm biến áp suất nhiên liệu.
+ Bơm piston
Bơm piston của bơm cao áp làm nhiệm vụ bơm nhiên liệu áp suất cao đến ống phân phối, lượng nhiên liệu được bơm ít hay nhiều phụ thuộc vào van SCV.
Bơm gồm hai piston A , B đặt đối xứng nhau , hai piston này được đẩy lên nhờ cam vòng 8 và cam không đồng trục 1, hành trình đi xuống của piston nhờ lò xo 2. Khi Piston A đi xuống nhờ lực đẩy của lò xo 2, van 6 đóng lại, van 5 mở ra nhờ độ chân không phía trên piston nhiên liệu được nạp vào không gian này cho đến khi piston nằm ở vị trí thấp nhất. Piston đi lên nhờ cam vòng 8 quay lệch tâm với cam lệch tâm 1(cam không đồng trục) thì nhiên liệu ở khoảng không gian phía trên piston bị nén tăng áp suất, đẩy mở van bơm 6 nhiên liệu áp suất cao đi vào đường ống cao áp đến ống phân phối, đồng thời van 5 đóng lại không cho nhiên liệu trở lại bơm nạp.
Piston B đặt đối xứng với piston A nên khi piston A đi xuống thực hiện quá trình hút thì piston B đi lên thực hiện quá trình nén và bơm nhiên liệu đến ống phân phối, hai bơm làm việc luân phiên hút và nén nhiên liệu, bơm nhiên liệu đến ống phân phối dưới áp cao và ổn định.
Hình 4 – 5 Bơm piston
1- Cam không đồng trục ; 2- Lò xo bơm piston ; 3- Piston ; 4- Van một chiều ; 5- Van hút ; 6- Van Bơm ; 7- Lò xo van một chiều ; 8- Cam vòng
Lượng nhiên liệu , áp suất nhiên liệu tạo ra của bơm dưới sự điều khiển của van SCV quá trình hoạt động của van SCV ảnh hưởng tới bơm như sau:
Hình 4 – 6 Sơ đồ hoạt động hút và bơm của bơm khi SCV mở nhỏ Khi van SCV mở nhỏ lượng nhiên liệu đi vào khoảng trống phía trên piston ít vì vậy khi piston đi lên thực hiện hành trình nén khi đó áp suất nhiên liệu không đủ lớn để mở van bơm và van nạp vẫn còn mở nên hành trình hút kéo dài đến khi piston lên gần đến điểm chết trên nhiên liệu mới được nén và thực hiện quá trình bơm như trên hình khi đó áp suất nhiên liệu trong ống phân phối có phần giảm xuống phù hợp với áp suất phun lý thuyết ECU đã tính.
Hình 4 – 7 Sơ đồ hoạt động hút và bơm của bơm khi SCV mở lớn
Khi van SCV mở lớn lượng nhiên liệu hút vào khoảng trống phía trên piston tăng vì vậy hành trình hút kết thúc khi piston đi lên, thực hiện hành trình nén, bơm nhiên liệu vào đường ống cao áp đến ống phân phối với áp suất cao như sơ đồ hình vẽ.
Khi van SCV đóng lại hoàn toàn nhiên liệu không được hút vào, piston chỉ nén dưới dạng bọt khí, khi piston đi lên gần đến điểm chết trên van (6) mở ra nhiên liệu ống cao áp chảy ngược lại khoảng trống phía trên piston khi ấy làm cho áp suất ống phân phối giảm xuống đáng kể, phù hợp chế độ làm việc của động cơ mà ECU tính toán.
+ Bơm nạp
Bơm nạp làm nhiệm vụ hút nhiên liệu từ bình chứa đến bơm piston của bơm cao áp, được lắp trực tiếp trên bơm cao áp, trục cùng trục với bơm cao áp
Hình 4 – 8 Sơ đồ nguyên lý làm việc của bơm nạp
1- Rôto bị động ; 2- Rôto chủ động ; 3- Trục bơm ; 4- Khoang xả ; 5- Lỗ hút ; 6- Lỗ xả ; 7- Khoang hút
Bơm được cấu tạo bỡi 2 rôto bánh răng, rôto bánh răng trong chủ động 2 , rôto ngoài bị động 1, rôto trong có 2 khoang hút 7 và khoang xả 6.
Khi trục điều khiển 3 quay làm rôto bánh răng ngoài bị động 1 quay cùng với rôto chủ động 2 quay theo trục, nhưng vì rôto bị động đặt lệch tâm cho nên khoảng trống giữa hai rôto thay đổi khi rôto quay làm tiết diện khoang hút tăng nhiên liệu hút từ bình chứa nhiên liệu qua bộ lọc qua lỗ hút 5 vào khoang hút rồi đẩy qua khoang xả, tiết diện khoang xả giảm nhiên liệu xả ra qua lỗ xả 4 với một áp suất cố định, nhiên liệu áp suất cố định cấp đến bơm piston của bơm cao áp.
+ Van SCV
Van SCV làm nhiệm vụ định lượng, lượng nhiên liệu đưa vào bơm piston của bơm cao áp từ bơm nạp dưới sự điều khiển của ECU đồng thời còn làm nhiệm vụ điều khiển áp suất trong ống phân phối, dưới hình là sơ đồ điều khiển của ECU đối với van SCV. ECU nhận tín hiệu từ cảm biến áp suất nhiên liệu từ ống phân phối, cảm biến trục khuỷu và cảm biến vị trí bàn đạp ga, ECU tính toán áp suất phun lý tưởng rồi gửi tín hiệu đến van SCV để điều khiển độ mở của van. Lượng nhiên liệu tăng hay giảm đi vào bơm piston phụ thuộc vào áp suất phun lý tưởng của động cơ.
Hình 4 – 9 Sơ đồ điểu khiển ECU với SCV
A B
5 3 4
2 1
Hình 4 – 10 Van SCV
1- Van kim ; 2- Lò xo mở ; 3- Van trượt ; 4- Lõi sắt ; 5- Nam châm điện ; A- Khoang chứa nhiên liệu vào; B. Khoang nhiên liệu ra.
Van SCV gồm một van kim 1 đóng mở cho nhiên liệu đi qua vào van trượt 3, lò xo mở 2, lõi sắt từ 4 và nam châm điện 5
Khi van SCV chưa hoạt động áp suất nhiên liệu của bơm nạp không đủ thắng lực lò xo 2 để mở van kim 1 cho nhiên liệu đi vào. Khi ECU tính toán áp suất phun lý tưởng sẽ kích hoạt cho một dòng điện đến nam châm điện 5 của van SCV sinh ra từ tường hút lõi sắt từ 4 làm giảm lực bổ sung cho lò xo 2 khi ấy áp suất nhiên liệu thắng lực lò xo 2 mở van 1 khi đó nhiên liệu từ khoang A sẽ đến khoang B đi ra đến cung cấp cho bơm piston của bơm cao áp. Lượng nhiên liệu hút vào tăng hay giảm tuỳ thuộc vào cường độ dòng điện đi qua van, nếu dòng đến SCV trong một thời gian dài thì cường độ trung bình của dòng điện chạy đến cuộn dây tăng khi đó van 1 được mở rộng hơn lượng nhiên liệu hút tăng, còn nếu dòng đến SCV trong một thời gian ngắn, cường độ trung bình của dòng điện chạy đến cuộn dây giảm khi đó lực lò xo đẩy van 1 đóng lại mở hẹp đi. Do đó lượng nhiên liệu hút giảm.
+ Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu
Cảm biến này nhận biết nhiệt độ nhiên liệu bằng nhiệt điện trở bên trong, lắp trực tiếp trên bơm cao áp.
Nhiên liệu sẽ bay hơi kém khi nhiệt độ nhiên liệu thấp, vì vậy cần hỗn hợp đậm. Vì thế khi nhiệt độ nhiên liệu thấp, điện trở của nhiệt điện trở tăng lên và tín hiệu điện áp THF cao được đưa đến ECU. Dựa trên tín hiệu này ECU sẽ tăng lượng nhiên liệu phun vào làm cải thiện khả năng tải trong quá trình hoạt động của động cơ.
Hình 4 – 11 Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu.
1- Nhiệt điện trở ; 2- Thân cảm biến ; 3- Giắc cắm
Ngược lại khi nhiệt độ nhiên liệu cao, một tín hiệu điện áp thấp THF gửi đến ECU làm giảm lượng nhiên liệu phun.
Hình 4 – 12 Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nhiên liệu
Do điện trở R trong ECU và nhiệt điện trở trong cảm biến nhiệt độ nhiên liệu được nối tiếp nên điện áp THF thay đổi khi điện trở của nhiệt điện trở thay đổi.
+ Ống trữ nhiên liệu áp suất cao (ống phân phối)
Ngay cả khi kim phun lấy nhiên liệu từ ống phân phối để phun thì áp suất nhiên liệu trong ống vẫn không đổi. Điều này thực hiện nhờ sự co giãn của nhiên liệu. Áp suất nhiên liệu được đo bằng cảm biến áp suất trên ống phân phối và được duy trì bởi van điều khiển áp suất nhằm giới hạn áp suất tối đa là 180 MPa.
5
4
6 3
2 1
Hình 4 – 13 Cấu tạo ống tích trữ nhiên liệu cao áp
1- Ống Rail ; 2- Cảm biến áp suất ; 3- Đầu nối với nhiên liệu cao áp từ bơm cao áp ; 4- Đầu nối cao áp với vòi phun ;
5- Van ổn định áp suất ; 6- Đường hồi nhiên liệu
Ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao dùng để chứa nhiên liệu áp suất cao.
Đồng thời, sự dao động của áp suất cao do bơm cao áp tạo ra sẽ được giảm chấn bởi thể tích của ống.
Ống tích trữ áp suất cao này dùng chung cho tất cả các xi lanh. Do đó tên nó là “ đường ống chung ” (Common Rail). Ngay cả khi một lượng nhiên liệu mất đi khi phun, ống vẫn duy trì áp suất thực tế bên trong không đổi. Điều này đảm bảo cho áp suất phun của kim không đổi từ khi kim mở.
Để thích hợp với các điều kiện lắp đặt khác nhau trên động cơ, ống phải được thiết kế với nhiều kiểu để phù hợp với bộ hạn chế dòng chảy và dự phòng chổ để gắn các cảm biến, van điều khiển áp suất, van hạn chế áp suất.
Thể tích bên trong của ống thường xuyên được điền đầy bằng nhiên liệu có áp suất. Khả năng nén của nhiên liệu được tận dụng để tạo hiệu quả tích trữ. Khi nhiên liệu rời khỏi ống để phun ra thì áp suất thực tế trong bộ tích trữ nhiên liệu áp suất cao vẫn được duy trì không đổi. Sự thay đổi áp suất là do bơm cao áp thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp để bù vào phần nhiên liệu vừa phun.
Trên ống Rail có lắp cảm biến áp suất theo dõi áp suất nhiên liệu trong ống đồng thời làm tín hiệu gửi về ECU tính toán và một van giới hạn áp suất nhiên liệu trong ống, khi áp suất nhiên liệu vượt qua giới hạn cho phép trong ống van 180 MPa sẽ mở cho nhiên liệu chảy về bình chứa theo đường dầu hồi.
+ Van giới hạn áp suất
4 8 7
3 2 1 6 5
Hình 4 – 14 Van giới hạn áp suất
1- Đế van ; 2- Thân van ; 3- Lò xo van ; 4- Piston 5- Lỗ dầu ; 6- Van ; 7- Đường dầu vào cao áp ; 8- Đường dầu hồi
Van giới hạn áp suất là một thiết bị cơ khí gồm các thiết bị sau : - Phần có ren ngoài để lắp vào ống.
- Một piston di chuyển.
- Một lò xo.
Tại phần cuối chỗ nối với ống có một buồng với một đường dẫn dầu có phần đui hình côn mà piston đi xuống sẽ làm kín bên trong buồng. Ở áp suất hoạt động bình thường (tối đa là 180MPa), lò xo đẩy piston xuống làm kín ống. Khi áp suất của hệ thống vượt quá mức, piston bị đẩy lên trên do áp suất của dầu trong ống thắng lực căng của lò xo. Nhiên liệu có áp suất cao được thoát ra thông qua van và đi vào đường dầu trở lại bình chứa. Khi van mở, nhiên liệu rời khỏi ống vì vậy áp suất trong ống giảm xuống, van sẽ đóng lại khi áp suất trở lại mức xấp xỉ 30 MPa .
+ Cảm biến áp suất nhiên liệu
Cảm biến áp suất ống đo áp suất tức thời trong ống phân phối và báo về ECU với độ chính xác thích hợp và tốc độ đủ nhanh.
Nhiên liệu chảy vào cảm biến áp suất đường ống thông qua một đầu mở và phần cuối được bịt kín bởi màng cảm biến. Thành phần chính của cảm biến là một thiết bị bán dẫn gắn trên màng cảm biến, dùng để chuyển áp suất thành tín hiệu điện. Tín hiệu do cảm biến tạo ra được đưa vào mạch khuếch đại tín hiệu và đưa đến ECU.
Cảm biến hoạt động theo nguyên tắc :
- Khi màng biến dạng thì lớp điện trở đặt trên màng sẽ thay đổi giá trị. Sự biến dạng (khoảng 1 mm ở áp suất 180 MPa ) là do áp suất tăng lên trong hệ thống, sự thay đổi điện trở dẫn đến sự thay đổi điện thế ở mạch cầu điện trở.
- Điện áp thay đổi trong khoảng 0-70 mV (tùy thuộc áp suất tác động) và được khuếch đại bởi mạch khuếch đại đến 0,5 V- 4.5V.
2 3
4 5 1
Hình 4 – 15 Cảm biến áp suất trên ống phân phối
1- Mạch điện ; 2- Màng so ; 3- Màng của phần tử cảm biến. 4- Ống dẫn áp suất ; 5- Ren lắp ghép.
Việc kiểm soát một cách chính xác áp suất của ống là điều bắt buộc để hệ thống hoạt động đúng. Đây cũng là nguyên nhân tại sao cảm biến áp suất ống Rail phải có sai số nhỏ trong quá trình đo. Trong dải hoạt động của động cơ, độ chính xác khi đo đạt khoảng 2%. Nếu cảm biến áp suất ống bị hỏng thì van điều khiển áp suất sẽ được điều khiển theo giá trị định sẵn trong ECU.
+ Vòi phun
Vòi phun của động cơ 2KD-FTV sử dụng vòi phun kín, thời điểm phun và lượng phun được điều khiển bằng van điện từ dưới sự điều khiển của ECU.
Hoạt động của vòi phun có thể chia làm 4 giai đọan chính khi động cơ làm việc và bơm cao áp tạo ra áp suất cao :
- Kim phun đóng (khi có áp lực dầu tác dụng).
- Kim phun mở (bắt đầu phun).