2. Câc hệ thống nhiín liệu Diesel điều khiển điện tử
2.2.3. Đặc tính phun của hệ thống Common Rail
So với đặc điểm của hệ thống nhiín liệu cũ thì câc yíu cầu sau đê được thực hiện dựa văo đường đặc tính phun lý tưởng :
- Lượng nhiín liệu vă âp suất nhiín liệu phun độc lập với nhau trong từng điều kiện hoạt động của động cơ (cho phĩp dễ đạt được tỉ lệ hỗn hợp A/F lí tưởng).
- Lúc bắt đầu phun, lượng nhiín liệu phun ra chỉ cần một lượng nhỏ.
Câc yíu cầu trín đê được thỏa mên bởi hệ thống Common Rail. Với đặc điểm phun hai lần : phun mồi vă phun chính.
PR
(Pm)
Giai đoạn phun sơ khởi Giai đoạn phun chính.
Hình 2.20: Đường đặc tính phun của hệ thống Common Rail.
Hệ thống Common Rail lă hệ thống thiết kế theo module, có câc thănh phần - Kim phun điều khiển bằng van điện từ (solenoid) được gắn văo nắp mây. - Ống tích trữ nhiín liệu (ống phđn phối âp lực cao).
- Bơm cao âp (bơm tạo âp lực cao)
Câc thiết bị sau được sự hoạt động điều khiển của hệ thống : - ECU
- Cảm biến tốc độ trục khuỷu. - Cảm biến tốc độ trục cam. - Câc loại cảm biến khâc.
Về cơ bản, kim phun được nối với ống tích nhiín liệu âp suất cao (rail) bằng một đường ống ngắn. Kết hợp với đầu phun vă van điện từ (solenoid) được cung cấp điện qua ECU. Khi van solenoid không được cấp điện thì kim ngừng phun. Nhờ âp suất phun không đổi, lượng nhiín liệu phun ra sẽ tỉ lệ với độ dăi của xung điều khiển solenoid. Yíu cầu mở nhanh solenoid được đâp ứng bằng việc sử dụng điện âp cao vă dòng lớn. Thời điểm phun được điều khiển bằng hệ thống điều khiển góc phun sớm. Hệ thống năy dùng một cảm biến trín trục khuỷu để nhận biết tốc độ động cơ, vă một cảm biến trín trục cam để nhận biết kỳ hoạt động.
Phun mồi ( pilot injection ).
Phun mồi diễn ra sớm đến 90o trước điểm chết trín (ĐCT). Nếu thời điểm phun mồi xuất hiện nhỏ hơn 400, nhiín liệu có thể bâm văo bề mặt của piston vă thănh xi lanh vă lăm loêng dầu bôi trơn.
Trong giai đoan phun mồi, một lượng nhỏ nhiín liệu (1- 4 mm3) được phun văo xy lanh để ‘’mồi’’. Kết quả lă quâ trình chây được cải thiện vă đạt được một số hiệu quả sau :
Âp suất cuối quâ trình nĩn tăng một ít nhờ văo giai đoạn phun mồi vă nhiín liệu chây một phần. Điều năy giúp giảm thời gian trễ chây, sự tăng đột ngột của âp suất khí chây vă âp suất cực đại (quâ trình chây ím dịu hơn). Kết quả lă giảm tiếng ồn của động cơ, giảm tiíu hao nhiín liệu vă trong nhiều trường hợp giảm được độ độc hại của khí thải. Quâ trình phun mồi góp phần giân tiếp văo việc tăng công suất động cơ.
Giai đoạn phun chính ( main injection ).
Công suất đầu ra của động cơ phụ thuộc văo giai đoạn phun chính tiếp theo giai đoạn phun mồi. Điều năy có nghĩa lă giai đoạn phun chính giúp tăng lực kĩo của động cơ. Với hệ thống Common Rail, âp suất phun vẫn giữ không đổi trong suốt quâ trình phun.
Giai đoạn phun thứ cấp ( secondary injection ).
Theo quan điểm xử lý khí thải, phun thứ cấp có thể được âp dụng để đốt chây NOx. Nó diễn ra sau ngay giai đoạn phun chính vă được xâc định để xảy ra trong quâ trình giên nở hay kỳ thải khoảng 200o sau ĐCT. Ngược lại so với quâ trình phun mồi vă phun chính, nhiín liệu phun văo không được đốt chây mă để bốc hơi nhờ văo sức nóng của khí thải ở ống thải. Trong suốt kỳ thải hỗn hợp khí thải vă nhiín liệu được đẩy ra ngoăi hệ thống thoât khí thải thông qua xupap thải. Tuy nhiín một phần của nhiín liệu được đưa lại buồng đốt thông qua hệ thống luđn hồi khí thải EGR vă có tâc dụng tương tự như chính giai đoạn phun mồi. Khi bộ hóa khử được lắp để lăm giảm NOx, chúng tận dụng nhiín liệu trong khí thải như lă một nhđn tố hóa học để lăm giảm nồng độ NOx trong khí thải.
2.3. HỆ THỐNG NHIÍN LIỆU DIESEL ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ DÙNG BƠM – VÒI PHUN KẾT HỢP HEUI (Hydraulically Actuated Electronically Controlled Unit Injector).
2.3.1. Khâi quât về hệ thống nhiín liệu Diesel HEUI:
Hệ thống nhiín liệu HEUI (Hydraulically Actuated Electronically Controlled Unit Injector – Tâc động thủy lực, điều khiển điện tử ) lă một trong những cải tiến lớn của động cơ Diesel. Nó cũng lă một bộ phận trong công nghệ ACERT của hêng Carterpillar. Sự ra của đời của HEUI đê thiết lập những tiíu chuẩn mới đối với động cơ về tiíu hao nhiín liệu, độ bền cũng như câc tiíu chuẩn về khí thải.
Công nghệ nhiín liệu HEUI đang thay đổi câch nghĩ của nhă kỹ thuật lẫn người vận hănh về hiệu suất động cơ Diesel. Vượt trội hơn hẳn công nghệ phun nhiín liệu truyền thống trước đđy, HEUI cho phĩp điều chỉnh chính xâc nhiín liệu phun văo buồng chây cả về thời gian, âp suất vă lượng nhiín liệu phun, mang lại hiệu suất cao cho động cơ.
Công nghệ phun nhiín liệu truyền thống trước đđy phụ thuộc văo tốc độ động cơ, khi tốc độ động cơ tăng thì âp suất phun cũng tăng lín, gđy ảnh hưởng đến độ bền của động cơ vă lăm tăng suất tiíu hao nhiín liệu. Âp suất phun đối với hệ thống nhiín liệu HEUI không phụ thuộc văo tốc độ động cơ mă phụ được điều khiển bằng điện. Vì vậy, động cơ trang bị hệ thống HEUI sẽ tiết kiệm nhiín liệu hơn vă khí xả sạch hơn.
Hệ thống nhiên liệu thông thường HEUI Tốc độ động cơ Áp su ất ph un
Hình 2.21: Đặc tính phun của hệ thống nhiín liệu HEUI 2.3.2. Sơ đồ hệ thống nhiín liệu Diessel HEUI:
Các cảm biến Các công tắc 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Hình 2.22: Sơ đồ hệ thống nhiín liệu HEUI
Bơm cao âp 1 lă bơm piston hướng trục thay đổi lưu lượng. Dầu từ thùng dầu được hút qua câc thiết bị lọc văo bơm, hoạt động của bơm sẽ lăm cho âp suất dầu tăng lín đến âp suất yíu cău vă bơm đến vòi phun HEUI. Bơm cao âp ở hệ thống HEUI còn có nhiệm vụ tạo ra âp suất cao cho dầu thủy lực (chính lă dầu bôi trơn) tâc động phun để đấy xylanh ĩp. ECM sẽ điều khiển dòng dầu cao âp năy văo khoang ĩp của xylanh ĩp trong vòi phun để tâc động phun.
1- Bơm cao âp; 2- Lọc dầu bôi trơn; 3- Van điều khiển âp suất tâc động phun; 4- Bơm dầu bôi trơn; 5- Đường dầu cao âp; 6- Vòi phun; 7- Thùng nhiín liệu; 8- Bộ điều chỉnh âp suất nhiín liệu; 9- ECM; 10- Thiết bị tâch nước; 11- Lọc thô; 12- Lọc tinh
Mô- đun điều khiển điện tử ECM 9 ( Electronic Control Module ) hoạt động như một mây tính điều khiển toăn bộ động cơ. ECM nhận tín hiệu điều khiển từ câc cảm biến vă công tắc khâc nhau, phđn tích xử lý nhờ phầm mềm đê căi đặt trong bộ nhớ vă đưa tín hiệu điều khiển đến van điện từ của vòi phun để điều khiển thời điểm vă lượng nhiín liệu phun. Đồng thời ECM cũng gửi tín hiệu đến van điều khiển âp suất tâc động phun để điều khiển âp suất dầu chuyển đến vòi phun. Do đó âp suất năy tỷ lệ với âp suất phun, nín qua đó ECM sẽ điều khiển được âp suất phun. Như vậy ECM sẽ điều khiển được toăn bộ quâ trình phun nhiín liệu phù hợp với câc tín hiệu do câc cảm biến gởi về.
Van điều khiển âp suất tâc động phun 3: Thông thường, âp suất do bơm cao âp tạo ra sẽ cao hơn âp suất phun, van điều khiển âp suất tâc động phun sẽ xả một phần dầu trở về thùng để ổn định âp suất dầu bằng âp suất yíu cầu do tín hiệu ECM quy định.
Hình 2.23: Cấu tạo vòi phun HEUI
1- Van hình nấm; 2- Cụm piston tăng cường âp suất; 3- Đót kim; 4- Kim phun; 5- Ti bơm; 6- Van điện từ
Vòi phun HEUI lă một thiết bị độc lập được điều khiển trực tiếp bởi ECM. Dầu Diesel có âp suất từ 800 đến 3000 psi được bơm cấp chuyển đến vòi phun. Bộ phận piston trong vòi phun hoạt động tương tự như xylanh thủy lực có tâc dụng nđng âp suất dầu văo phun lín đến âp suất phun ( từ 3000 đến 21000 psi). Van điện từ ở phía trín vòi phun nhận tín hiệu điều khiển từ ECM, qua đó điều khiển dầu bôi trơn tâc đông văo piston để điều khiển thời điểm vă lượng nhiín liệu phun.
2 1 6 5 3 4
Nguyín lý lăm việc:
Bơm cao âp của hệ thống cấp một lượng dầu thủy lực tới van điện từ của vòi phun HEUI. Tại đđy van điện từ sẽ được điều khiển mở cho dầu có âp suất cao năy văo trong khoang phía dưới van hình nấm để tâc động phun.
Một bơm cấp nhiín liệu ( bơm dầu Diesel ) nằm trong bơm cao âp đồng thời cấp một lượng dầu nhất định văo đường biín của cụm kim phun. Tại đđy nhiín liệu có âp suất nhất định sẽ chờ sẵn ở khoang của cụm kim phun nằm phía dưới ti bơm. Một phần nhiín liệu cũng được đưa xuống cụm piston tăng cường âp suất.
Khi van điện từ mở, dầu cao âp sẽ được đưa văo trong khoang của van hình nấm, tạo nín một âp suất đẩy ti bơm đi xuống. Ti bơm đi xuống sẽ đồng thời tạo ra một âp suất thắng được sức căng của lò xo trong cụm piston tăng cường âp suất, đẩy nhiín liệu chờ sẵn dưới khoang của cần đẩy ra ngoăi buồng đốt của động cơ. Khi van điện từ đóng lại, dầu cao âp ngừng cấp văo khoang van hình nấm, âp suất trín khoang van bị mất, đồng thời âp suất khoang bín dưới cần đẩy cũng giảm đột ngột, âp suất khoang phía dưới ti bơm không đủ để thắng sức căng lò xo cụm piston tăng âp nữa, ngắt quâ trình phun nhiín liệu.Ở vòi phun HEUI thì quâ trình phun có cả phun mồi.(Pilot Injection).
Như vậy, ứng dụng hệ thống nhiín liệu HEUI văo động cơ cho phĩp nđng cao hiệu suất lăm việc, tiết kiệm nhiín liệu vă giảm thiểu câc tổn thất cũng như tiếng ồn của động cơ.
Tuy nhiín, câc thiết bị trong hệ thống HEUI có độ chính xâc rất cao, nhiín liệu bẩn có thể gđy mòn, thậm chí phâ hỏng câc chi tiết trong hệ thống. Hạt bẩn có đường kính chỉ bằng 1/5 đường kính sợi tóc đê có thể gđy nguy hiểm cho hệ thống. Chính vì vậy bộ lọc giữ vai trò rất quan trọng trong việc nđng cao độ bền của hệ thống.
2.4. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VĂ VỊ TRÍ CÂC CẢM BIẾN TRONG HỆTHỐNG NHIÍN LIỆU DIESEL ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ. THỐNG NHIÍN LIỆU DIESEL ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ.
2.4.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển trong hệ thống nhiín liệu Diesel điều khiển điện tử:
Trín (hình 35) vă (hình 36) lă sơ đồ hệ thống điều khiển điện tử EFI – Diesel. ECU sẽ nhận câc tín hiệu đầu văo từ câc cảm biến vă câc công tắc, sau đó câc tín hiệu sẽ được xử lý vă ECU đưa tín hiệu đầu ra đến EDU tới bộ chấp hănh. Đồng thời cũng đưa ra câc tín hiệu chẩn đoân độ an toăn hoạt động của câc cảm biến vă câc công tắc.
Các cảm biến Cảm biến tốc độ động cơ Cảm biến nhiệt độ nước làm mát Cảm biến vị trí bàn đạp ga Cảm biến nhiệt độ khí nạp Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu Cảm biến áp suất nhiên liệu Cảm biến áp suất đường ống nạp
v.v... Các công tắc
Chẩn đoán an toàn
Bộ chấp hành Điều khiển lượng phun nhiên liệu
Điều khiển thời điểm phun nhiên liệu SPV EDU ECU Công tắc A/C Khóa điện Công tắc bàn đạp ga Công tắc quạt gió v.v...
TCV Các điều khiển khác EGR Điều khiển bugi sấy
v.v...
Hình 2.24:Sơ đồ hệ thống điều khiển điện tử EFI – Diesel dùng bơm cao âp
Các cảm biến Cảm biến tốc độ động cơ Cảm biến nhiệt độ nước làm mát Cảm biến vị trí bàn đạp ga Cảm biến nhiệt độ khí nạp Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu Cảm biến áp suất nhiên liệu Cảm biến áp suất đường ống nạp
v.v... C ác công tắc
Chẩn đoán an toàn
Bộ chấp hành
Điều khiển lượng phun nhiên liệu
Điều khiển thời điểm phun nhiên liệu Vòi phun EDU ECU Công tắc A/C Khóa điện Công tắc bàn đạp ga Công tắc quạt gió v.v...
Các điều khiển khác EGR Điều khiển bugi sấy
v.v... Điều khiển thời điểm phun nhiên liệu
SCV Điều khiển phát điện
Hình 2.25: Sơ đồ hệ thống điều khiển điện tử EFI – Diesel dùng ống phđn phối
Qua hai sơ đồ, ta thấy câc tín hiệu đầu văo, chức năng của bộ điều khiển trung tđm lă như nhau. Tuy nhiín có sự khâc nhau ở bộ phận chấp hănh: Ở hệ thống dùng bơm cao âp, EDU sẽ điều khiển van SPV nhằm điều chỉnh lượng nhiín liệu phun văo buồng chây động cơ vă thời điểm phun nhiín liệu được điều khiển bởi van điều khiển thời điểm phun TCV. Còn ở hệ thống Common Rail, EDU sẽ điều khiển vòi phun điện tử, qua đó sẽ điều khiển lượng phun nhiín liệu vă thời điểm
phun, âp suất nhiín liệu sẽ được điều khiển bởi van SCV. Như vậy, ở hai hệ thống trín, chức năng của SPV – vòi phun, chức năng của câc van TCV – SCV lă như nhau.
Từ sự khâc nhau trín sẽ dẫn đến vị trí của một cảm biến, công tắc vă công tâc chẩn đoân, kiểm tra hư hỏng của hai hệ thống sẽ khâc nhau.
2.4.2. Sơ đồ bố trí câc cảm biến:
EDU ECU SPV TCV 1 2 3 8 4 5 7 6 9
Hình 2.26: Vị trí câc cảm biến trong hệ thống nhiín liệu EFI–Diesel bơm caoâp
9 5 3 ECU EDU 1 11 2 4 6 8 7 10 12
Hình 2.27:Vị trí câc cảm biến trong hệ thống nhiín liệu EFI–Diesel ống phđnphối
1- Cảm biến tốc độ; 2- Cảm biến nhiệt độ nhiín liệu; 3- Cảm biến vị trí băn đạp ga; 4- Cảm biến nhiệt độ khí nạp; 5- Cảm biến nhiệt độ nước lăm mât; 6- Cảm biến âp suất đường ống nạp; 7- Cảm biến vị trí trục khuỷu; 8-Vòi phun; 9- Bơm cao âp.
1- Cảm biến nhiệt độ nhiín liệu; 2- Cảm biến âp suất nhiín liệu; 3- Cảm biến lưu lượng không khí nạp; 4- Cảm biến vị trí băn đạp ga; 5- Cảm biến nhiệt độ khí nạp; 6- Cảm biến vị trí trục cam; 7- Cảm biến nhiệt độ nước lăm mât; 8- Cảm biến âp suất đường ống nạp; 9- Cảm biến vị trí
Vị trí câc cảm biến ở hai hệ thống cơ bản lă giống nhau. Hệ thống EFI – Diesel dùng ống phđn phối có thím cảm biến âp suất nhiín liệu gắn ở ống phđn phối để đo âp suất dầu. Ngoăi ra, ở hệ thống EFI- Diesel van SPV vă TCV được gắn trực tiếp trín bơm cao âp để thực hiện việc điều chỉnh lượng phun, còn ở hệ thống dùng ống phđn phối, EDU điều khiển trực tiếp vòi phun để phun nhiín liệu. Ở cả hai hệ thống năy, bơm cao âp chỉ có nhiệm vụ duy nhất lă tạo ra âp suất nhiín liệu cao vă được điều khiển bởi ECU.
2.4.3. Hệ điều khiển trong hệ thống nhiín liệu Diesel điều khiển điện tử. a. Bộ xử lý trung tđm ECU (Electric Control Unit). a. Bộ xử lý trung tđm ECU (Electric Control Unit).
Hình 2.28: ECU
Về mặt điều khiển điện tử, vai trò của ECU lă xâc định lượng phun nhiín liệu, định thời điểm phun nhiín liệu dựa trín câc tín hiệu nhận được từ câc cảm biến vă câc công tắc khâc nhau. Ngoăi ra, ECU chuyển câc tín hiệu để vận hănh câc bộ chấp hănh.
Câc loại điều khiển phun nhiín liệu như sau :
+ Điều khiển lượng phun nhiín liệu : Hiệu chỉnh tín hiệu tốc độ động cơ (NE) vă vị trí băn đạp ga (VPA).
+ Điều khiển thời gian phun nhiín liệu : Hiệu chỉnh tín hiệu tốc độ động cơ (NE) vă vị trí băn đạp ga (VPA).
+ Điều khiển tỉ lệ phun nhiín liệu : Hiệu chỉnh tỉ lệ phun nhiín liệu từ cảm biến van đường nạp (VLU) trong một thời gian năo đó.
+ Điều khiển âp suất phun : Sử dụng cảm biến âp suất ống phđn phối đo âp suất nhiín liệu, rồi truyền dữ liệu năy đến ECU động cơ để điều khiển lượng nhiín liệu bơm.
+ Điều khiển thời điểm phun : Hiệu chỉnh từ tín hiệu vị trí cam G, NE vă VPA