L ỜI NÓI ĐẦU
1.3.4. Kết cấu các bộ phận trong hệ thống nhiên liệu Common Rail
1.3.4.1. Bình chứa nhiên liệu
Bình chứa nhiên liệuphải làm bằng vật liệu chống ăn mòn và không rò rỉ ở áp suất gấp đôi áp suất hoạt động bình thường, bên trong có tấm ngăn để nhiên liệudao
động. Cỡ thùng lớn nhỏ tùy theo công suất và đặc tính hoạt động của động cơ. Van an toàn phải được lắp để áp suất quá cao có thể có thể tự thoát ra ngoài, nắp thùng có lỗthông hơi.
1.3.4.2. Bơm thấp áp (bơm tiếp vận)
Bơm thấp áp bao gồm một động cơ điện với lọc nhiên liệu hay một bơm bánh răng. Bơm hút nhiên liệutừ thùng nhiên liệuvà đưa đủlượng nhiên liệuđến BCA.
a) Bơm con lăn
Hình 1.9. Cấu tạo bơm con lăn
Bơm con lăn được dẫn động bằng điện được gắn trong thùng nhiên liệu cung cấp nhiên liệu với một áp suất sấp xỉ 3 bar. Khi bật khóa điện ECU sẽ điều khiển
cho bơm hoạt động đẩy nhiên liệu cho BCA hoạt động để xả e ban đầu trong hệ
thống. Khi động cơ làm việc thì ECU sẽ điều khiển cho bơm thấp áp kiểu con lăn
ngừng hoạt động (sau khi mồi nhiên liệu cho BCA). Nhiên liệu lúc này được bơm bánh răng hút trực tiếp từ thùng nhiên liệu cho BCA hoạt động.
b) Bơm bánh răng
Đây là loại bơm cơ khí được dẫn động trực tiếp từ trục cam được thiết kế gắn liền với BCA. Bơm bánh răng làm nhiệm vụ hút nhiên liệu từ đường ống nối với
bơm con lăn và thùng chứa nhiên liệuqua bầu lọc cung cấp cho BCA hoạt động với áp suất là 2 – 7 bar. Nó bắt đầu hoạt động khi động cơ bắt đầu hoạt động.
Hình 1.10. Cấu tạo bơm bánh răng
1.3.4.3. Lọc nhiên liệu
Bộ lọc nhiên liệulàm sạch nhiên liệu trước khi đưa đến BCA đểngăn ngừa sự
mài mòn nhanh của các chi tiết của bơm. Bộ lọc còn tách nước lọt vào hệ thống nhiên liệu có thểlàm hư hỏng hệ thống ở dạng ăn mòn.
Hình 1.11. Lọc nhiên liệu
1.3.4.4. Bơm Cao Áp
Nhiên liệutừbơm thấp áp được chuyển đến van điều khiển nạp. ECU sẽ điều khiển van đóng mởđể cung cấp lượng nhiên liệu cho BCA làm việc. ECU nhận tín
hiệu từ cảm biến áp suất nhiên liệu trên ống Rail để điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho BCA. Khi áp suất trong ống Rail cao ECU sẽ gửi tín hiệu vào van
điều khiển nạp để đóng bớt lại, khi áp suất nhiên liệu thấp thì ECU sẽ gửi tín hiệu
cho van điều khiển nạp mở rộng của nạp để tăng lương nhiên liệu để cung cấp cho BCA.
Hình 1.12. Hình cắt bổ của bơm cao áp
Quá trình hoạt động của bơmnhư vậy cứ diễn ra liên tục trong suốt quá trình hoạt động của động cơ. Với loại bơm 3 piston hướng kính này trong một vòng quay trục cam dẫn động cả ba piston đều hoạt động nhiên liệu có áp suất cao được bơm
tạo ra chuyển đến ống Rail của hệ thống. Loại bơm này có thể tạo ra áp suất áp suất cực đại là 1350 bar.
BCA 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 ½ tốc độ động cơ nhưng không quá 3000 vòng/phút) thông qua khớp nối, bánh xích hay dây
đai có răng. Được bôi trơn bằng chính nhiên liệu nó bơm.
BCA có 3 piston được bố trí hướng kính và cách nhau 1200 chúng hoạt động
luân phiên trong 1 vòng quay nên chỉ làm tăng nhẹ lực cản của bơm. Do đó, áp suất
trong hệ thống vẫn giữ được đồng bộ. Điều này có nghĩa là hệ thống CR đặt ít tải
trọng lên hệ thống truyền động hơn so với hệ thống cũ. Công suất yêu cầu để dẫn
Hình 1.13. Cấu tạo các bộ phận của bơm cao áp 3 piston hướng kính
BCA phân phối lượng nhiên liệu tỉ lệ với tốc độ quay của nó. Nó là một hàm của tốc độ động cơ. Trong suốt quá trình phun, tỷ 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 chếđộ hoạt động. Tùy theo tốc độ trục khuỷu mà tỉ số truyền hợp lý là 1/2 hoặc là 1/3.
1.3.4.5. Ống phân phối
Ống phân phối có kết cấu đơn giản dạng hình ống hoặc hình cầu có thể tích phù hợp. Ống có thể chứa nhiên liệu với áp suất cao khoảng 2000 bar được tạo ra bởi BCA và phân phối nhiên liệu qua các tuy ô tới các vòi phun của xy lanh. Áp suất của ống phân phối luôn ổn định ngay khi kim phun phun nhiên liệu.
Thể tích bên trong của ống thường xuyên được điền đầy bằng nhiên liệu có áp suất. Khi nhiên liệu rời khỏi ống để phun ra thì áp suất thực tế trong bộ tích trữ
nhiên liệu áp suất cao vẫn duy trì không đổi.
Ưu điểm của ống phân phối là nó đảm bảo áp suất của nhiên liệu khi phân phối đến các kim phun là bằng nhau.
1.3.4.6. Vòi phun
Hình 1.15. Cấu tạo của vòi phun
Chú thích:
- Fuel leak black: đường dầu hồi - Valve needle: van kim
- Electrical connection: kết nối điện - Nozzle spring: lò xo kim phun
- High pressure fuel inlet: dầu cao áp tới - Valve piston: van piston
- Thrust piece: bộ phận đẩy - Injector valve: van bi
Thời điểm và lượng nhiên liệu phun được điều chỉnh bằng cách cho dòng điện qua các kim phun. Tương tự như kim phun cơ khí trong các động cơ diesel phun
nhiên liệu trực tiếp, các bộ phận kẹp thường được sử dụng để lắp kim vào nắp máy. Nhiên liệu từ đường dẫn đến kim phun và theo đường dẫn sẽ đi đến buồng
điều khiển (7) thông qua lỗ nạp (8), buồng điều khiển được nối với đường dầu về thông qua các lỗ xả (5) được mở bởi van solenoid.
Khi lỗ đóng, áp lực của dầu đặt
lên piston (9) cao hơn áp lực dầu tại ty kim (11). Kết quả là kim bị đẩy xuống
dưới và làm kín lỗ phun với buồng đốt. Khi van solenoid có dòng điện, lỗ
xả(5) được mở ra, điều này làm cho áp suất ở buồng điều khiển giảm xuống, kết quả là áp lực tác dụng lên piston cũng giảm theo. Khi áp lực dầu trên piston giảm xuống thấp hơn áp lực tác dụng lên ty kim thì ty kim mở ra và nhiên liệu phun vào buồng đốt qua lỗ
phun, khuỷu điều khiển ty kim gián
tiếp này dùng một hệ thống khếch đại thủy lực vì lực cần thiết để mở kim phun thật nhanh không thểđược trực tiếp tạo ra nhờ van solenoid.
Thời điểm và lượng nhiên liệu phun được điều chỉnh thông qua kim phun. Kim phun có thể chia làm các phần theo chức năng sau:
- Lỗ kim phun - Hệ thống trợ lực dầu - Van điện
Hoạt động của kim phun có thể chia làm bốn giai đoạn chính khi động cơ làm
việc và BCA tạo ra áp suất cao:
- Kim phun mở (bắt đầu phun) - Kim phun mở hoàn toàn
- Kim phun đóng (kết thúc phun)
Các giai đoạn hoạt động là kết quả của sự phân phối của lực tác dụng lên các thành phần của kim phun. Khi động cơ dừng lại và không có áp suất trong ống phân phối, lò xo đóng kim phun.
Khi kim phun đóng (ở trạng thái nghỉ)
Nhiên liệu với áp suất cao từ ống Rail thông qua các tuy mô BCA đến vòi phun. Dầu có áp suất cao luôn luôn được đưa đến sẵn sàng ở vòi phun và chia làm 2
đường.
- Đường thứ nhất: nhiên liệu được đưa đến khoang chứa dầu áp suất cao ở kim
phun và đẩy kim phun lên.
- Đường thứ hai: nhiên liệu được đưa đến khoang áp suất cao phía trên chốt tỳ. Khi van xảáp đóng áp suất ở buồng phía trên của chốt tỳ tạo ra một lực lớn hơn lực
đẩy kim phun ở khoang áp suất phía dưới giữ kim phun ở vịtrí đóng.
Ở trạng thái nghỉ, van solenoid chưa được cấp điện và do đó kim phun đóng.
Khi lỗ xảđóng, lò xo đẩy van bi đóng lại, áp suất cao của ống tăng lên trong buồng
điều khiển và trong buồng thể tích của ty kim cũng có một áp suất tương tự, áp suất của ống đặt vào phần đỉnh piston, cùng với lực của lò xo ngược chiều với lực mở
kim sẽ giữđược ty kim ở vịtrí đóng.
Kim phun mở (bắt đầu phun)
Van solenoid được cung cấp điện với dòng kích lớn đểđảm bảo nó mở nhanh. Lực tác dụng bởi van solenoid lớn hơn lực lò xo và làm mở lỗ xả ra, gần như tức thời, dòng điện cao được giảm nhanh xuống thành dòng nhỏ hơn chỉ đủ để tạo ra lực điện từ để giữty. Điều này thực hiện được nhờ khe mạch bây giờ đã nhỏ hơn.
Khi lỗ xả mở ra, nhiên liệu có thể chảy vào buồng điều khiển van vào khoang bên trên nó từđó trở về bình chứa thông qua đường dầu về.
Lỗ xả làm mất cân bằng áp suất nên áp suất trong buồng điều khiển van giảm xuống. Điều này dẫn đến áp suất trong buồng điều khiển van thấp hơn áp suất trong
buồng chứa của ty kim (vẫn còn bằng với áp suất của ống), áp suất giảm đi trong
buồng điều khiển van làm giảm lực tác dụng lên piston điều khiển nên ty kim mở ra và nhiên liệu bắt đầu phun. Khi ECU gửi tín hiệu đến vòi phun, van xả áp bị hút lên nén lò xo lại, dầu ở khoang chứa áp suất cao phía trên chốt tỳ đi qua van xả áp ra
đường dầu hồi làm cho áp suất giảm xuống lúc này áp suất khoang phía dưới kim
phun được giữ nguyên, thắng sức căng của lò xo 1 đẩy kim phun lên và phun nhiên liệu với áp suất cao vào buồng cháy của động cơ.
Tốc độ mở ty kim được quyết định bởi sự khác biệt tốc độ dòng chảy giữa lỗ
nạp và lỗ xả. Piston điều khiển tiến đến vị trí dừng phía trên nơi nó vẫn còn chịu áp lực của đệm dầu được tạo ra bởi dòng chảy của nhiên liệu giữa lỗ nạp và lỗ xả. Kim phun giờ đây mở hoàn toàn và nhiên liệu được phun vào buồng đốt ở áp suất gần bằng áp suất trong ống. Lực phân phối trong ống kim thì tương tự với giai đoạn mở
kim.
Khi kim phun đóng (kết thúc phun)
Khi dòng qua solenoid bị ngắt, lò xo đẩy van bi xuống và van bi đóng lỗ xả lại. Lỗ xả đóng lại đã làm cho áp suất trong buồng điều khiển van tăng lên thông qua
van nạp, áp suất này tương đương với áp suất trong ống và làm tăng lực áp dụng lên
đỉnh piston điều khiển, lực này cùng với lực lò xo bây giờ cao hơn nhiều lực tác dụng của buồng chứa và ty kim đóng lại. Tốc độ đóng lại của ty kim phụ thuộc vào dòng chảy của nhiên liệu qua lỗ nạp.
Lượng nhiên liệu phun vào xy lanh được xác định bởi: - Thời gian hoạt động của van điện từ.
- Vận tốc đóng mở kim phun. - Độ nâng cao của kim phun. - Áp suất trong Rail.
Do có sự sai lệch về cơ khí trong kim phun nên lưu lượng nhiên liệu được
phun vào buồng đốt ở mỗi kim phun không giống nhau. Do vậy trên kim phun còn
có trang bị thêm một điện trở điều chỉnh. Nhận thông tin từđiện trở điều chỉnh này
ECU sẽ xác định tình trạng phun nhiên liệu của mỗi kim phun. Từ đó ECU phát
hiện sự chênh lệch về lưu lượng phun giữa các kim để điều chỉnh lại lượng phun ở các kim cho đồng đều. Điện trở điều chỉnh kết nối với ECU bằng đường dẫn riêng không kết nối với mạch phun.
1.3.4.7. Các cảm biến
1.3.4.7.1. Cảm biến bàn đạp ga
Chếđộ tải của động cơ được thể hiện qua vịtrí bàn đạp ga. Cảm biến vị trí bàn
đạp ga đang ở vị trí nào ngay sau đó gửi tín hiệu về ECU. Từ những giá trị tín hiệu nhận được từ cảm biến vị trí bàn đạp ga gửi về kết hợp với các tín hiệu khác ECU sẽtính toán đểđiều khiển phun nhiên liệu cho hợp lý.
Hình 1.16. Cảm biến vịtrí bàn đạp ga
1.3.4.7.2. Cảm biến tốc độ động cơ và vị trí khuỷu trục
Hình 1.17. Cảm biến tốc độđộng cơ
Cảm biến vị trí trục khuỷu ghi nhận vị trí góc quay của trục khủyu. Việc ghi nhận vị trí của trục khuỷu cũng chính là xác định vị trí của piston của từng xy lanh.
Thông tin ghi nhận được gửi tới ECU bằng tín hiệu điện áp. ECU dựa vào thông tin
đó và kết hợp với các tín hiệu khác đểđiều khiển thời điểm phun nhiên liệu hợp lý. Cảm biến vị trí trục khuỷu thường được đặt trên bánh đà đầu ra của trục khuỷu. Cảm biến có một nam châm vĩnh cửu tạo từtrường, cuộn dây quấn quanh lõi sắc non, được gắn trên một bánh răng tạo xung.
1.3.4.7.3. Cảm biến vị trí trục cam
Cảm biến vị trí trục cam sẽ nhận biết vị trí trục cam bằng việc phát ra tín hiệu với hai vòng quay của trục khuỷu. Cảm biến vị trí trục cam thường được gắn ở đỉnh xy lanh hoặc ở nắp hộp chứa trục cam.
Hình 1.18. Cảm biến vị trí trục cam
1.3.4.7.4. Cảm biến áp suất tăng áp tuabin
Hình 1.19. Cảm biến áp suất tăng áp tuabin
Cảm biến áp suất tăng áp tuabin được nối với đường ống nạp qua một ống mềm dẫn khí và một VSV, và phát hiện áp suất đường ống nạp. Cảm biến áp suất
tăng áp tuabin hoạt động phù hợp với các tín hiệu từECU và đóng ngắt áp suất tác
động lên bộ chấp hành giữa khí quyển và chân không.
1.3.4.7.5. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát được lắp trên thân máy dùng để phát hiện nhiệt độ nước làm mát động cơ. Cảm biến có cấu tạo đơn giản, bên trong cảm biến có một dây điện trở được làm bằng kim loại có nhiệt điện trởâm. Hai đầu dây điện trở nối với hai đầu ra. Vỏ cảm biến được thiết kế có các ren để dể dàng lắp đặt cố định.
Hình 1.20. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
1.3.4.7.6. Cảm biến nhiệt độ khí nạp
Hình 1.21. Cảm biến nhiệt độ khí nạp
Cảm biến nhiệt độ khí nạp được lắp trên đường khí nạp của động cơ dùng để
ghi nhận nhiệt độ khí nạp động cơ. Những thông tin về nhiệt độ được gữi về ECU bằng tín hiệu điện. ECU dựa trên tín hiệu đó, kết hợp với một số tín hiệu khác tính
toán và điều khiển phun nhiên liệu cho phù hợp với từng chếđộ hoạt động của động
cơ.
1.3.4.7.7. Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu
Hình 1.22. Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu
Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu được lắp trên BCA động cơ để nhận biết nhiệt độ
nhiên liệu động cơ. Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu ghi nhận nhiệt độ của nhiên liệu tại các chế độ hoạt động của động cơ. Thông tin về nhiệt độ của nhiên liệu sẽđược gửi đến ECU bằng tín hiệu điện. ECU sẽ dựa vào giá trị của tín hiệu đó để tính toán
điều khiển phun nhiên liệu cho phù hợp với chếđộđang hoạt động của động cơ.
1.3.4.7.8. Cảm biến lưu lượng khí nạp
Hình 1.23. Cảm biến lưu lượng khí nạp
Cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dây sấy để nhận biết lượng không khí nạp vào. Cảm biến lưu lượng khí nạp được lắp trên đường ống nạp để đo lưu lượng khí nạp đi qua đường ống nạp. Cảm biến dùng một hệ thống dây nhiệt để đo trực tiếp
lượng khí nạp. Ngoài ra còn có một cảm biến nhiệt độ khí nạp gắn kèm để ghi nhận nhiệt độ khí nạp.
1.3.4.8. Bộ điều khiển trung tâm
1.3.4.8.1. ECU (Electronic Control Unit)
ECU là trung tâm điều khiển của hệ thống CR. ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến và các bộ phận khác rồi tổng hợp các giá trị của tính hiệu nhận được đó để tính
