trực tiếp
Đây là phương pháp được xem là mới nhất hiện nay với nhiều chức năng ưu việt, được sự trợ giúp của các máy tính lập trình sẵn, những thế hệ động cơ sử dụng phương pháp điều chỉnh qui luật phun này đã đáp ứng được hàng loạt các chỉ tiêu kinh tế cũng như
ON 10% 1chu kỳ 90% 50% OFF OFF OFF ON ON Chu kỳ tải = 10% Chu kỳ tải = 50% Chu kỳ tải = 90%
kỹ thuật của những động cơ thế hệ năm 2000. Để tìm hiểu rõ về nguyên lý hoạt động và đặc điểm cấu tạo của hệ thống này, ta sẽ đi sâu tìm hiểu hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp điều khiển điện tử (chương sau), đây là hệ thống phun nhiên liệu hoạt động theo phương pháp điều chỉnh qui luật phun nhiên liệu bằng điện tử.
CHƯƠNG II:
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU TRỰC TIẾP ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ
Hệ thống phun nhiên liệu điện tử hay nĩi chính xác hơn là hệ thống phun nhiên liệu được điều khiển bằng các thiết bị điện tử, cũng cĩ chức năng và yêu cầu hồn tồn tương tự chức năng và yêu cầu đối với hệ thống phun nhiên liệu cơ khí. Tuy nhiên nĩ cĩ điểm khác nhau cơ bản giữa hệ thống phun nhiên liệu điện tử và hệ thống phun nhiên liệu cơ khí là:
Hệ thống phun nhiên liệu điện tử cĩ bộ phận điều khiển là ECM hay ECU, ECM hay ECU thay thế hồn tồn cho bộ điều tốc cơ khí, các cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến vị trí tay ga, cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ và các cảm biến khác sẽ chuyển tín hiệu về ECM hay ECU, rồi tính tốn và điều chỉnh lượng nhiên liệu phun vào xylanh động cơ.
II.1. NHỮNG NÉT KHÁI QUÁT VAØ ƯU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ.
II.1.1. Những nét khái quát.
Con đường thứ ba của lịch sử phát triển động cơ đốt trong đã sáng tạo rất nhiều cơ cấu và hệ thống đặc biệt nhằm nâng cao cơng suất và hiệu suất của động cơ cũng như các vấn đề về bảo vệ mơi trường. Các cơ cấu như Valvetronic, hệ thống phun xăng điện tử EFI, GDI, và hệ thống phun nhiên liệu (diesel) điện tử… lần lượt được ra đời.
Động cơ diesel được dùng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực giao thơng vận tải, khai thác thuỷ sản,… Trở ngại lớn nhất cho khả năng ứng dụng của nĩ là tiếng ồn đặc biệt là loại động cơ sử dụng hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp (buồng cháy thống nhất). Song với yêu cầu ngày càng cao về giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu và khí xả thì động cơ diesel phun trực tiếp, tăng áp cao ngày càng được sử dụng rộng rãi.
Sự hình thành hỗn hợp cháy đặc biệt ở động cơ diesel phun trực tiếp phụ thuộc hồn tồn vào sự cung cấp (phun) nhiên liệu. Hệ thống nhiên liệu dùng cho động cơ
diesel cho đến nay chủ yếu là kiểu BOSCH bao gồm cặp piston – xylanh, đường ống dẫn dầu cao áp, vịi phun đã khơng thỗ mãn được các yêu cầu trên. Vào những năm 80 của thế kỹ trước, Fiat đã đi sâu nghiên cứu cải tiến hệ thống nhiên liệu dùng cho động cơ diesel nhằm thỗ mãn các yêu cầu sau:
+ Tiêu hao nhiên liệu thấp.
+ Cải thiện đặc tính cơng suất của động cơ diesel, để cĩ mơmen và số vịng quay lớn.
+ Giảm tiếng ồn do cháy gây ra, do đĩ cải thiện tiếng ồn của động cơ. + Cải thiện đặc tính khởi động lạnh.
+ Đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe về khí xả.
II.1.2. Những ưu điểm của hệ thống phun nhiên liệu điện tử.
Việc sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử trong các động cơ diesel hiện đại thay cho các hệ thống phun nhiên liệu cổ điển bằng BCA điều khiển bằng cơ khí trước nay đã tạo nên khả năng làm việc tối ưu của động cơ. Do việc thiết kế phương án giữa đường ống nạp tối ưu và việc sử dụng vịi phun trực tiếp đã làm cho hiệu suất động cơ tăng lên rất nhiều.
Đáp ứng yêu cầu về các chất phát thải trong động cơ. Với việc sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử, lượng độc tố trong khí thải được giảm đến mức thấp nhất. Như ta đã biết sự hình thành hơi độc trong khí thải động cơ diesel cĩ liên quan trực tiếp đến rất nhiều yếu tố như: tỷ lệ hồ trộn giữa nhiên liệu và khơng khí, kết cấu buồng cháy, chất lượng phun nhiên liệu, … Vì vậy muốn cho khí thải của động cơ bớt hơi độc thì hệ thống nhiên liệu phải đáp ứng các khả năng trên.
Đáp ứng được các chỉ tiêu kinh tế của động cơ mà cụ thể là việc tiết kiệm nhiên liệu của hệ thống này. Các vịi phun được điều khiển bởi một bộ xử lý điều khiển điện tử trung tâm ECM, nhờ vậy các xylanh được cung cấp một lượng dầu đồng đều, thống nhất ở bất kỳ chế độ hoạt động nào của động cơ.
Một ưu điểm nữa của hệ thống phun nhiên liệu điện tử là động cơ làm việc rất tin cậy, động cơ cĩ khả năng thích ứng với mọi chế độ tải trọng khác nhau, đặc biệt là khả năng thích ứng và can thiệp cực nhanh khi tải thay đổi. Bộ điều khiển và xử lý trung tâm ECM chỉ huy vịi phun phun dầu vào xylanh trong thời gian cực nhanh tính bằng phần ngàn của một giây đồng hồ.
II.2. NHỮNG NÉT ĐẶC TRƯNG VỀ CÁC ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ.
So với các động cơ thế hệ trước đã sử dụng buồng đốt phụ. Mặc dù đã được điện tử hố nhằm khắc phục những nhược điểm tồn tại trong quá trình cháy nhưng vẫn chưa thật sự loại bỏ được những khĩ khăn đĩ. Các động cơ diesel hiện đại sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử đã tạo ra một bước nhảy vọt về mặt hiệu suất cũng như tiết kiệm nhiên liệu, đặc biệt hệ thống này đã nâng cao khả năng tăng tốc độ quay đáng kể mà ở các loại động cơ trước kia khi sử dụng buồng cháy thống nhất mắc phải.
Trong hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp, thì nhiên liệu được phun trực tiếp vào trong buồng đốt của động cơ dưới áp suất rất cao khoảng 300 bar. Điều khác biệt so với các động cơ khác trong họ động cơ diesel là hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp điều khiển điện tử, nhiên liệu được phun trực tiếp vào phía trên đỉnh của piston. Cĩ thể nhận thấy rằng hiệu quả của động cơ được cải thiện đáng kể hơn nhờ những nhân tố sau:
+ Chất lượng hồ trộn giữa nhiên liệu và khơng khí tốt hơn. + Làm giảm sự hao phí nhiệt độ cho các cơng việc khác.
+ Sự đốt cháy hỗn hợp trực tiếp trong buồng cháy chính (khơng dùng buồng đốt phụ như các động cơ diesel thế hệ củ) đã đơn giản hố về mặt kết cấu của động cơ.
Đặc tính kỹ thuật nỗi bật của của các loại động cơ sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử chính là những cải tiến ở phần đầu các xylanh, cụ thể như:
+ Buji sấy được định vị ở một vị trí đặc biệt nhằm tạo hiệu quả tối ưu cho việc sấy nĩng nhiên liệu khởi động.
+ Các vịi phun diesel được bố trí ở những vị trí đặc biệt trong buồng đốt nhằm tạo điều kiện tốt nhất cho quá trình phun nhiên liệu và hồ trộn thành hỗn hợp cháy tối ưu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bên cạnh đĩ, hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp điều khiển điện tử cịn cĩ những cải tiến vượt bậc từ những cải tiến vốn đã rất hiệu quả của các loại động cơ trước đây:
+ Hạn chế sự hao mịn do rung động gây ra bởi sự va chạm của các van con lăn. + Sự tối ưu hố đường ống nạp khí mới và lối thốt khí xả.
+ Sự giảm tối thiểu trọng lượng động cơ nhằm nâng cao trọng tải cho tàu hoặc tính linh động cho ơtơ.
II.3. HỆ THỐNG VỊI PHUN NHIÊN LIỆU
Trong hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp điều khiển điện tử, các vịi phun được bố trí và cĩ những đặc điểm giống như những vịi phun cổ điển từ trước tới nay.
+ Nhiên liệu được phun trực tiếp vào phía trên đỉnh của piston, điều này làm giảm triệt để sự mất mát nhiệt trong lịng xylanh, tạo điều kiện hơn cho khả năng làm việc của động cơ.
+ Vịi phun trực tiếp được vận hành bởi sự điều khiển một cách rất chính xác (cĩ khi đến máy mĩc) của bộ xử lý trung tâm ECM thơng qua hệ thống cảm biến gắn trên đĩa phân phối khi quay trịn theo tốc độ của trục khuỷu.
+ Áp suất phun nhiên liệu tại cửa ra của bơm khơng thể vượt quá (300 – 400) bar khi động cơ chạy khơng tải và khơng vượt quá 900 bar khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao.
Tuy nhiên, với những đặc điểm trên cũng chính là những nguyên nhân gây nên một số trở ngại cố hữu của hệ thống, cụ thể là trong việc điều chỉnh lượng thiếu hụt nhiên liệu trong quá trình phun nhiên liệu và tiếng ồn của động cơ do hiệân tượng cháy trước. Vì thế, hệ thống vịi phun trực tiếp này khơng được sử dụng rộng rãi trên các loại động cơ diesel trước đây.
II.4. NGUYÊN LÝ CỦA HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU TRỰC TIẾP ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ
Việc sử dụng vịi phun nhiên liệu trực tiếp địi hỏi trong hệ thống phải cĩ một áp suất rất cao trong quá trình làm việc, vì thế người ta đã đưa ra một bình tích áp chung cho tất cả các vịi phun. Các vịi phun này được điều khiển bởi một bộ xử lý trung tâm ECM sau khi tổng hợp các thơng số do hàng loạt các cảm biến thu được từ động cơ.
Việc sử dụng bình tích áp đã giải quyết được vấn đề vốn địi hỏi rất cao ở hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp điều khiển điện tử là cần cĩ áp suất nhiên liệu cao. Nhờ cĩ nĩ mà áp suất của vịi phun cĩ thể đạt đến 1350 bar tại tốc độ động cơ cực đại (các động cơ mới nhất đã đạt được áp suất là 1600 bar).
Vịi phun nhiên liệu được điều khiển từ ECM sau khi tổng hợp các thơng số sau: + Tốc độ động cơ.
+ Vị trí của trục khuỷu. + Nhiệt độ nước làm mát. + Nhiệt độ khơng khí nạp. + Nhiệt độ nhiên liệu. + Áp suất nhiên liệu + Áp suất khí quyển. + Vị trí tay ga.
* Chức năng của bộ ECM điều khiển vịi phun:
- Giúp vịi phun làm việc một cách liên tục trong suốt một thời gian dài dưới điều
kiện áp suất rất cao của nhiên liệu.
- Điều khiển việc phun sớm của vịi phun nếu cần thiết nhằm làm giảm tiếng ồn do hiện tượng cháy trước trong xylanh gây ra.
- Để điều khiển lưu lượng phun nhiên liệu được phun vào buồng đốt nhờ vào thời gian đĩng mở van điện từ của vịi phun.
Việc đưa vào sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử trên các động cơ diesel hiện đại đã tạo ra một cuộc cách mạng trong việc nâng cao hiệu suất, động cơ làm việc tin cậy và tiết kiệm nhiên liệu.
Đặc biệt, lợi ích lớn nhất mà hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp điều khiển điện tử mang lại là việc làm giảm tối thiểu lượng độc hại của các chất phát thải trong khí xả (CO2, CO, HC và các dạng khác của Cacbon). Đây là kết quả của việc điều khiển quá trình phun kết hợp với việc sử dụng bình chuyển xúc tác để làm giảm sự độc hại của NO cũng như các chất phát thải khác.
Để làm rõ quá trình hoạt động và đặc điểm cấu tạo cụ thể của hệ thống này, ta sẽ đi sâu nghiên cứu ở chương tiếp theo.
CHƯƠNG III
ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VAØ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PHUN
NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ
III.1. NGUYÊN LÝ CỦA HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ III.1.1. Sơ đồ nguyên lý:
Ắc quy
ECM
Đến các bộ phận khác Đường nhiên liệu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bơm nhiên liệu
Tốc độ động
cơ (v/ph) Vị trí trục khuỷu
Lưu lượng
khơng khí Nhiệt độ chất làm nguội
Nhiệt độ khơng khí nạp Ơxy xả Hệ thống các cảm biến. Bình nhiên liệu Bộ phun nhiên liệu
Hình III-1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống phun nhiên liệu điện tử
Hình III-1 minh họa cho các bộ phận trong hệ thống phun nhiên liệu điện tử được đơn giản hố. Hầu hết các bộ phận của hệ thống đều được điều khiển bằng điện tử. Bộ điều khiển là máy tính động cơ – module điều khiển điện tử (ECM) hoặc module điều khiển truyền động cơng suất (PCM).
Các bộ phận của động cơ và hệ thống nhiên liệu cĩ các bộ cảm biến gởi tín hiệu điện cho ECM, mỗi bộ cảm biến nhận và tương tác với tín hiệu, chẳng hạn sự thay đổi nhiệt độ, áp suất, điện áp. Một số bộ cảm biến thơng báo lượng khơng khí đi vào. Sử dụng thơng tin này, ECM liên tục tính tốn lượng nhiên liệu cần phun, mở các bộ phun nhiên liệu thích hợp với lượng nhiên liệu để đạt được tỷ lệ khơng khí – nhiên liệu mong muốn. Và cảm biến vị trí piston sẽ cung cấp tín hiệu cho ECM biết vị trí của piston và ECM sẽ quyết định thời điểm phun nhiên liệu phù hợp.
III.1.2. Các cơ sở của hệ thống phun nhiên liệu điện tử
Hệ thống phun nhiên liệu điện tử là kiểu hệ thống điều khiển điện tử, bao gồm các bộ phận cảm biến là các thiết bị nhập thơng tin, bộ điều khiển (ECM hay PCM), các bộ kích hoạt hoặc thiết bị xuất được ECM hay PCM điều khiển.
Bộ cảm biến báo thơng tin cho ECM bao gồm: + Tốc độ động cơ.
+ Vị trí trục khuỷu.
+ Chân khơng bộ gĩp khí nạp và áp suất tuyệt đối bộ gĩp khí nạp. + Nhiệt độ chất làm nguội động cơ.
+ Số lượng và nhiệt độ khơng khí nạp. + Lượng ơxy trong khí xả.
ECM liên tục nhận thơng tin này, kiểm tra với thơng tin được lưu trong bộ nhớ, sau đĩ quyết định thời điểm và khoảng thời gian mở bộ phun nhiên liệu.
Sự mở và đĩng bộ phun tạo thành chu kỳ làm việc của bộ phun. Khoảng thời gian ECM yêu cầu bộ phun mở được gọi là chiều rộng xung của bộ phun. Giả sử, cần cĩ thêm nhiên liệu cho van tiết lưu mở để gia tốc và tăng lượng khơng khí đi vào, ECM sẽ tăng chiều rộng xung, giữ cho các bộ phun mở lâu hơn.
Từ sơ đồ nguyên lý, ta cĩ thể chia hệ thống phun nhiên liệu điện tử thành 3 mạch nhỏ với các chức năng tương ứng như sau: mạch cung cấp nhiên liệu; mạch điều khiển điện tử và bộ phun nhiên liệu.
III.2. MẠCH CUNG CẤP NHIÊN LIỆU. III.2.1. Sơ đồ mạch cung cấp nhiên liệu
Hình III-2: Sơ đồ mạch cung cấp nhiên liệu kiểu tích áp.
1) Van định lượng nhiên liệu N290
11 2 3 4 1 8 10 5 15 13 7 6 12 9 14 11 16
2) Bơm cao áp
3) Cảm biến áp suất nhiên liệu
4) Bình tích áp nhiên liệu với mạch điều khiển cao áp 5) Van điều chỉnh áp suất nhiên liệu N276
6) Vịi phun
7) Bộ làm mát nhiên liệu 8) Van điều khiển ổn nhiệt 9) Bộ làm mát nhiên liệu 10) Van một chiều kiểu cơ khí 11) Thùng cĩ màng ngăn
12, 14) Bơm nhiên liệu kiểu con lăn 13) Van điện tử
15) Bộ lọc nhiên liệu 16) Bơm bánh răng
Chức năng của mạch cung cấp nhiên liệu là cung cấp cho từng xylanh động cơ một lượng nhiên liệu chính xác đáp ứng nhu cầu của từng chế độ tải trọng của động cơ. Một loạt các cảm biến ghi nhận các dữ liệu về chế độ làm việc của động cơ và chuyển đổi các dữ liệu này thành tín hiệu điện. Sau đĩ các tín hiệu này được nhập vào bộ xử lý và điều khiển trung tâm ECM. ECM sẽ xử lý, phân tích các thơng số ghi nhận được và tính tốn chính xác lượng nhiên liệu cần phun vào các xylanh. Lưu lượng nhiên liệu phun ra được ấn định do khoảng thời gian mở van ở mỗi vịi phun. Việc điều khiển này được ECM điều (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});