PHẦN 2: NỘI DUNG
Công nghệ hiện đại đang khắc phục được nhiều nhược điểm của động cơ diesel. Sự ra đời của các công nghệ như tăng áp và hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp cách đây vài năm đã khiến động cơ diesel mạnh mẽ không thua kém gì những động cơ xăng tốt nhất, mà vẫn giữ nguyên ưu điểm tiết kiệm nhiên liệu. Bên cạnh đó, giờ đây đã có những công nghệ động cơ diesel gần “sạch” bằng động cơ xăng.
Công nghệ động cơ diesel liên tục có những bước cải tiến lớn. Đến nay, tiếng ồn của động cơ đã giảm, nhờ hệ thống cách âm và kiểm soát quá trình đốt nhiên liệu tốt hơn; khói thải giảm xuống và thời gian khởi động nhanh gần bằng động cơ xăng, nhờ cải tiến buồng đốt.
Để đáp ứng yêu cầu về khí thải ngày càng ngặt nghèo của các tổ chức môi trường, và vấn đề giảm thiểu tiếng ồn, hệ thống nhiên liệu Common Rail đã không ngừng phát triển và từng bước đáp ứng được những yêu cầu ngày càng gắt gao đối với nhiên liệu diesel. Ngày nay trên một số phương tiện giao thông sử dụng hệ thống nhiên liệu diesel thì nhiên liệu diesel sử dụng hệ thống Common Raid đã đáp ứng được yêu cầu về khí thải Euro 5.
Với các động cơ Diesel hiện nay, áp suất phun thực hiện cho từng vòi phun 1 cách riêng biệt, nhiên liệu áp suất cao được giữ trong hộp chứa (Rail), hay còn được gọi là “Ắc quy thủy lực” và được phân chia đến từng vòi phun theo yêu cầu.
Vòi phun Common Rail có tác dụng làm giảm tiếng ồn và nhờ sự kết hợp giữa việc điều khiển điện tử – kiểm soát lượng nhiên liệu phun – thời điểm phun mà nhiên liệu được phin ra ở mức áp suất rất cao. Thế nên, khả năng vận hành của động cơ và khả năng tiết kiệm nhiên liệu được tối ưu hơn.
So với những động cơ cũ được dẫn động bằng cam thì hệ thống Common Rail tỏ ra rất linh hoạt trong khả năng thích nghi để điều khiển kim phun nhiên liệu động cơ diesel như:
Áp suất phun lên tới 1500 bar.
Phạm vi áp dụng rộng rãi (cho xe khách, du lịch, tải nặng, tải nhẹ, xe lửa và thậm chí cả tàu thủy).
Có thể tùy ý thay đổi thời điểm phun.
Có 3 giai đoạn phun: Phun sơ khởi – phun chính – phun kết thúc.
Trên thế giới:
Châu Âu đi tiên phong trong việc sử dụng động cơ diesel chiếm trên 50% thị phần, có hơn 1/3 số xe mới sử dụng nhiên liệu diesel. Tại một vài quốc gia, diesel đã lấn sân hoàn toàn xăng và đó là nguyên nhân mà châu lục này ít phụ thuộc vào giá xăng hơn Mỹ, tại Pháp, Áo, Đức, Thụy Sỹ thì động cơ diesel nhiều hơn động cơ xăng, việc giảm thiểu tiêu thụ nhiên liệu cũng tăng lượng xe động cơ diesel tại Mỹ và các nước châu Á trong thời gian qua.
Áp dụng công nghệ hiện đại như đa van, phun nhiên liệu trực tiếp, kiểm soát cháy nổ, động cơ diesel phát triển mạnh mẽ. đến nay động cơ diesel đã đáp ứng được các tiêu chuẩn Euro 1,2,3,4,5 và hướng đến là Euro 6. Với sự nỗ lực của các nhà công nghiệp dầu mỏ thì hàm lượng lưu huỳnh đã giảm từ 500 ppm (phần triệu) xuống còn 50 ppm vào cuối năm 2004 tại 1 số nước. Nhật với hàm lượng lưu huỳnh dưới 50ppm đã được cung cấp nhiều nơi trên thế giới. Kết hợp thêm bộ xúc tác ô xy hóa cao mà bộ lọc bụi diesel với khả năng phục hồi liên tục đã trở thành hiện thực.
Năm 2007 , nhiên liệu diesel với hàm lượng lưu huỳnh dưới 10ppm đã được cung cấp. có thể áp dụng công nghệ xúc tác để giảm khí NOx như NSR (NOx storage reduction- bộ xử lý NOx) và DPNR (diesel particulates and NOx reduction- bộ giảm lượng NOx và bụi cho động cơ Diesel) điều này giúp động cơ cực kỳ sạch và thân thiện với môi trường, sử dụng động cơ diesel sẽ ngày càng thông dụng. Tạo momen xoắn lớn , xe có sức kéo mạnh hơn, khả năng leo dốc và vươt địa hình phức tạp cao.
Tại Việt Nam:
Theo VAMA (hiệp hôi các nhà sản xuất ô tô Việt Nam), động cơ diesel chiếm 21,75% thị trường ô tô mới (gần 40000 chiếc), tăng đáng kể so với năm 2001 chỉ dưới 10%. Ford là nhà sản xuất tiên phong và tiêu thụ ô tô sử dụng động cơ diesel, năm 2005 xe chạy dầu diesel chiếm 90% lượng xe bán ra của dòng Ford Transit, 75% với dòng Ford Everest. Các máy sử dụng động cơ diesel phát huy tốt khả năng đáp ứng các yêu cầu trong các lĩnh vực Nông –Lâm -Ngư nghiệp, xây dựng và khai khoáng.
1.3 Cấu tạo chung của hệ thống Common Rail
Hệ thống Common Rail cấu tạo gồm 3 phần chính như sau: Phần cấp dầu thấp áp, phần cấp dầu cao áp và phần phần cơ — điện tử
Phần cấp dầu thấp áp: Thùng dầu, bơm tiếp dầu, bộ lọc dầu, ống dẫn dầu và đường dầu hồi.
Phần cấp dầu cao áp: Bơm áp cao, Ông phân phối dầu cao áp đến các kim phun (ống rail, ống chia chung), các tyo cao áp, van an toàn và van xả áp, kim phun.
Phần cơ — điện tử: các cảm biến và tin hiệu, ECU và EDU (nếu có), kim phun, các van điều khiển nạp (còn gọi là van định lượng).
(1)Thùng nhiên liệu; (2) Bơm cao áp Common rail; (3) Lọc nhiên liệu; (4) Đường cấp nhiên liệu cao áp; ( 5) Đường nối cảm biến áp suất đến ECU ; (6) Cảm biến áp suất; (7) Common Rail tích trữ &điều áp nhiên liệu (hay còn gọi ắcquy thuỷ lực) ; (8) Van an toàn (giới hạn áp suất); (9) Vòi phun; (10) Các cảm biến nối đến ECU và Bộ điều khiển thiết bị (EDU); (11) Đường về nhiên liệu (thấp áp) ;
EDU: (Electronic Driver Unit) và ECU : (Electronic Control Unit).
Tăng hiệu suất động cơ: Hệ thống common rail cho phép phun nhiên liệu với áp suất cao, giúp cải thiện sự hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí, từ đó nâng cao hiệu suất cháy và hiệu suất công suất.
Giảm khí thải: Bằng cách điều chỉnh lượng phun và thời điểm phun một cách chính xác, hệ thống này giúp giảm nhiên liệu dư thừa và hạn chế lượng khí thải độc hại như NOx và soot (bồ hóng).
Cải thiện khả năng đáp ứng: Hệ thống common rail có khả năng thực hiện nhiều lần phun trong một chu kỳ nén, cho phép động cơ phản ứng nhanh hơn với yêu cầu tải.
Giảm tiếng ồn: Việc điều chỉnh chính xác quá trình phun nhiên liệu giúp giảm tiếng ồn trong khi động cơ hoạt động, tạo ra trải nghiệm lái xe êm ái hơn.
Tăng cường khả năng tiết kiệm nhiên liệu: Nhờ vào việc tối ưu hóa quá trình cháy, động cơ trang bị hệ thống common rail có thể sử dụng nhiên liệu hiệu quả hơn, từ đó giúp tiết kiệm nhiên liệu.
Dễ dàng điều chỉnh: Hệ thống cho phép các nhà sản xuất điều chỉnh các thông số để tối ưu hóa hoạt động của động cơ theo nhiều điều kiện khác nhau.
Áp suất cao: Hệ thống cần duy trì áp suất phun cao để đảm bảo nhiên liệu được phun vào buồng đốt với độ chính xác và hiệu quả tối ưu.
Phun chính xác: Cần phải có khả năng kiểm soát thời gian và lượng nhiên liệu phun một cách chính xác trong mỗi chu kỳ làm việc, giúp tối ưu hóa quá trình cháy.
Tính linh hoạt: Hệ thống phải có khả năng điều chỉnh lượng nhiên liệu phun dựa trên điều kiện vận hành khác nhau như tải trọng, tốc độ động cơ và nhiệt độ môi trường.
Giảm khí thải: Hệ thống cần giúp giảm thiểu khí thải độc hại, đặc biệt là NOx và hạt bụi, thông qua việc tối ưu hóa quá trình cháy.
Khởi động dễ dàng: Hệ thống cần đảm bảo khả năng khởi động động cơ dễ dàng, đặc biệt trong điều kiện trời lạnh.
Giảm tiếng ồn: Cần phải có thiết kế giúp giảm tiếng ồn và rung động phát ra từ động cơ, mang lại trải nghiệm lái xe dễ chịu hơn.
Độ bền và độ tin cậy: Hệ thống cần có độ bền cao và khả năng hoạt động ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt, bao gồm nhiệt độ và áp suất cao.
Bảo trì thấp: Hệ thống nên dễ bảo trì và sửa chữa, giúp giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng cho người sử dụng.
Những yêu cầu này giúp hệ thống common rail trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các động cơ diesel hiện đại, tối ưu hóa hiệu suất và giảzm tác động đến môi trường.
So với động cơ xăng, động cơ diesel đốt cháy nhiên liệu khó bay hơi hơn (nhiệt độ sôi cao hơn) nên việc hòa trộn hỗn hợp không khí chỉ diễn ra trong giai đoạn phun và bắt đầu cháy, mà còn trong suốt quá trình cháy, kết quả là hỗn hợp kém đồng nhất, động cơ diesel luôn hoạt động ở chế độ nghèo, mức tiêu hao nhiên liệu, muội than, CO, HC sẽ tăng nếu không đốt cháy ở chế độ nghèo hợp lý.
Tỷ lệ hòa khí được quyết định dựa vào các thông số:
Áp suất phun, thời gian phun, kết cấu lỗ phun, thời điểm phun, vận tốc dòng khí nạp, khối lượng không khí nạp.
Tất cả các đại lượng nêu trên đều ảnh hưởng đến mức độ tiêu hao nhiên liệu và nồng độ khí thải, nhiệt độ quá trình cháy quá cao và lượng oxy nhiều sẽ làm tăng lượng NOx, muội than sinh ra hỗn hợp quá nghèo.
Quá trình tạo áp suất
Quá trình điều khiển áp suất
Quá trình phun nhiên liệu
Quá trình điều khiển của ECU hoặc EDU
Bơm cao áp được dẫn động bởi động cơ nên bơm luôn hoạt động liên tục để tạo áp suất cho nhiên liệu, nhờ vậy mà áp suất trong ống phân phối luôn được duy trì, tuy nhiên áp suất nhiên liệu của ống phân phối không phụ thuộc vào tốc độ động cơ hay lượng nhiên liệu được phun bởi vì trong bơm cao áp có những chi tiết có chức năng điều chỉnh áp suất của ống phân phối sao cho phù hợp với yêu cầu chung của hệ thống Common Rail. Theo như hầu hết những hệ thống Common Rail hiện nay, bơm cao áp được thiết kế ngày càng nhỏ gọn và giá trị mommen cản của bơm vừa đủ để việc dẫn động bơm cao áp của động cơ không bị tiêu hao quá nhiều công suất.
Bơm cao áp thường được sử dụng là loại bơm piston hướng tâm. Trên một số loại xe thương mại, bơm cao áp kiểu piston thẳng hàng cũng thường được sử dụng.
(1) Bơm cao áp, (2) Đường nhiên liệu vào, (3) Đường nhiên liệu hồi, (4) Van điều khiển áp suất, (5) Ống phân phối, (6) Cảm biến áp suất ống phân phối, (7) chỗ nối với kim.
Việc điều khiển phân phối nhiên liệu trên đường cấp nhiên liệu làm giảm lượng nhiên liệu áp suất cao trên hệ thống và làm giảm phần năng lượng mà bơm cao áp cần để tạo áp suất cao cho lượng nhiên liệu thừa đó. Việc này có tác động tích cực đến việc tiêu thụ nhiên liệu. Cùng lúc đó, nhiệt độ của dòng nhiên liệu hồi về thùng chứa nhiên liệu cũng được giảm trái ngược hoàn toàn với phương pháp điều khiển trên đường nhiên liệu cao áp.
(chú thích tương tự hình 1.2), (9) Van giảm áp, (10) Van điều khiển lưu lượng SCV
(chú thích tương tự hình 1.2), (10) Van điều khiển lưu lượng SCV, (11) Van điều khiển áp suất.
Thời gian đóng mở kim phun sẽ quyết định lượng nhiên liệu được phun vào buồng đốt của động cơ. Với một giá trị áp suất cố định lượng nhiên liệu được phun tỷ lệ với thời gian đóng mở của van điện từ. Vì vậy mà việc phun nhiên liệu độc lập với tốc độ động cơ.
Góc quay và tốc độ của truc khuỷu.
Áp suất nhiên liệu ống phân phối.
Áp suất không khí trên đường nạp.
Nhiệu độ nước làm mát, nhiệt độ nhiên liệu, nhiệt độ không khí trên đường nạp.
Khối lượng không khí trên đường nạp.
Tốc độ xe và các giá trị cần thiết khác.
Từ những tín hiệu đó, ECU phân tích và tính toán để kích hoạt các bộ chấp hành như kim phun, van điều khiển áp suất, van giảm áp, kim phun nhiên liệu… và những bộ chấp hành có liên quan khác.
2.1 Cấu tạo chung của hệ thống phun dầu Common Rail Bosch
- Là hệ thống phun điện tử điều khiển lựng nhiên liệu phun và thời điểm phun vào buồng cháy.
- Một hệ thống Common Rail gồm có 4 thành cơ bản:
- Mạch áp suất thấp
- Bơm áp suất cao với van điều chỉnh áp suất và van đo lường
- Các cảm biến ( tốc độ động cơ, bàn đạp ga, lưu lượng không khí và nước làm mát, áp suất).
- Các cơ cấu chấp hành (vòi phun điều khiển van solenoid, bộ tăng áp, bộ hồi lưu khí xả, các đồng hồ áp suất,...)
- Bộ điều khiển điện tử (CU, EDU) kiểm soát lưu lượng phun chính xá, điều chỉnh áp suất và giám sát các điều kiện hoạt động của động cơ.
- Van điều khiển áp suất mở cho phép nhiên liệu về lại thùng chứa ( mũi tên chỉ cho thấy khi van mở nhiên liệu qua bơm cao áp về lại thùng chứa).
1. Vancuum cảu van tiết lưu trên đường ống nạp
2. Van solenoid hệ thống tuần hoàn khí xả ( EGR )
3. Bộ chấp hành điều khiển tua bin VGT
4. Van solenoid hệ thống bướm gió ống góp khí nạp
5. Cảm biến áp suất tuyệt đối ống góp khí nạp ( MAP )
6. Cảm biến tiếng gõ ( Knock sensor)
7. Cảm biến lượng khí nạp kiểu dây nhiệt (MAF)
8. Cảm biến vị trí trục cam (CMP)
9. Cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP)
10. Cảm biến nhiệt độ nắp máy (CHT)
11. Cảm biến áp suất nhiên liệu
12. Cảm biến nhiệt độ khí nạp (IAT)
13. Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu
14. Van điều khiển nhiên liêu nạp (IMV)
15. Bơm áp suất cao
2.2 Cấu tạo chi tiết của hệ thống phun dầu Common Rail Bosch
1.Thùng nhiên liệu; 2. Bộ lọc nhiên liệu; 3 Bơm truyền nhiên liệu; 4. Bơm áp suất cao;
5. Van điều khiển áp suất; 6. Cảm biến áp suất nhiên liệu; 7. Thanh rail; 8. Các vòi phun; 9. Các cảm biến; 10. Bộ điều khiển điện tử (ECU)
2.2.1. Bơm cao áp
Hình 2. 6 Bơm cao áp
Nguyên lý hoạt động của bơm: Bơm cao áp hoạt động dựa trên nguyên lý piston hoặc trục vít. Khi động cơ hoạt động, bơm hút nhiên liệu từ bình chứa qua một bộ lọc và nén nó qua một hoặc nhiều piston. Khi piston di chuyển, nó tạo ra áp suất cao trong buồng bơm, đẩy nhiên liệu qua đường ống dẫn vào rail (đường ống chung) và từ đó phân phối đến các vòi phun. Bơm có thể được điều khiển để điều chỉnh lưu lượng và áp suất phù hợp với yêu cầu của động cơ.
Bơm bánh răng: Bơm bánh răng sử dụng hai bánh răng quay để tạo ra áp suất. Khi bánh răng quay, nhiên liệu bị kẹp giữa các bánh răng và bị nén, đẩy ra phía đầu ra. Bơm bánh răng thường được sử dụng trong các ứng dụng có yêu cầu lưu lượng thấp hơn nhưng vẫn cần độ bền cao.
So sánh hiệu suất và ứng dụng:
Bơm trục vít: Có hiệu suất cao hơn và ổn định hơn trong việc duy trì áp suất, thích hợp cho động cơ diesel hiện đại với yêu cầu khắt khe về hiệu suất và phát thải. Thường được dùng trong các hệ thống phun dầu Common Rail.
Hình 2. 7 Bơm trục vít
Bơm bánh răng: Dễ dàng lắp đặt và bảo trì, thường được sử dụng trong các ứng dụng có áp suất không quá cao và có thể chấp nhận sự biến động về lưu lượng. Bơm bánh răng có thể thích hợp cho các ứng dụng công nghiệp hoặc động cơ nhỏ
Hình 2. 8 Bơm bánh răng
Hình 2. 9 Rail (đường ống dẫn dầu)
Chức năng phân phối dầu: Rail có nhiệm vụ phân phối nhiên liệu đến từng kim phun theo yêu cầu của động cơ. Nó giúp đảm bảo lượng nhiên liệu được cung cấp đều và ổn định cho từng lần phun, tối ưu hóa quá trình cháy và hiệu suất động cơ.
Tác động của áp lực đến hiệu suất phun: Áp lực dầu cao giúp tạo ra sương mù nhiên liệu mịn hơn, cải thiện khả năng cháy và giảm phát thải. Nếu áp lực quá thấp, quá trình phun sẽ kém hiệu quả, dẫn đến sự không đồng đều trong quá trình cháy.
Hình 2. 10 Injector (kim phun)
Chất liệu và thiết kế: Kim phun thường được chế tạo từ thép không gỉ hoặc vật liệu chịu mài mòn khác, đảm bảo độ bền và khả năng chịu nhiệt cao. Thiết kế của kim phun phải tối ưu hóa việc phun nhiên liệu với các lỗ phun nhỏ, giúp tạo ra sương mù tốt nhất cho quá trình cháy.
Điều kiện mở và đóng kim phun: Kim phun sẽ mở khi áp suất trong rail đạt mức yêu cầu và khi ECU gửi tín hiệu điều khiển. Kim phun sẽ đóng lại khi tín hiệu ngừng, lò xo sẽ đẩy kim về vị trí đóng, ngăn không cho nhiên liệu tiếp tục phun.
Hình 2. 11 Cảm biến áp suất rail
Cách thức hoạt động: Cảm biến áp suất hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi áp suất thành tín hiệu điện. Khi áp suất trong rail thay đổi, cảm biến sẽ gửi tín hiệu này đến ECU, từ đó ECU sẽ điều chỉnh hoạt động của bơm cao áp và kim phun để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Hình 2. 12 ECU (Bộ điều khiển điện tử)
Vai trò của ECU trong hệ thống: ECU là bộ não của hệ thống phun dầu, chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển các bộ phận như bơm cao áp và kim phun. Nó giúp tối ưu hóa quá trình phun và cải thiện hiệu suất động cơ.
Cách ECU xử lý tín hiệu và điều khiển phun: ECU nhận tín hiệu từ cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ và các cảm biến khác để đánh giá tình trạng của động cơ. Dựa vào dữ liệu này, ECU tính toán lượng nhiên liệu cần thiết và thời gian phun, sau đó gửi tín hiệu đến các kim phun để điều khiển chính xác quá trình phun nhiên liệu.
Các loại lọc dầu sử dụng: Có nhiều loại lọc dầu khác nhau, bao gồm:
Bộ lọc cơ học: Loại bỏ các hạt lớn và tạp chất thông qua lưới lọc.
Hình 2. 13 Bộ lọc cơ học
Bộ lọc tinh: Sử dụng vật liệu lọc đặc biệt để loại bỏ các hạt nhỏ hơn và nước trong nhiên liệu.
Hình 2. 14 Bộ Lọc Tinh
Bộ lọc tách nước: Đặc biệt hiệu quả trong việc tách nước ra khỏi nhiên liệu, thường được sử dụng trong hệ thống diesel
Hình 2. 15 bộ lọc tách nước
Hình 2. 16 Hệ thống phun dầu Common Rail
Hút nhiên liệu: Nhiên liệu được hút từ bồn chứa qua bộ lọc để loại bỏ tạp chất và nước.
Chuyển nhiên liệu: Bơm chuyển nhiên liệu (bơm thấp áp) đưa nhiên liệu đã lọc vào bơm cao áp.
Chuyển đến bơm cao áp: Nhiên liệu được truyền đến bơm cao áp, nơi nó sẽ được nén và tạo áp suất cao để sẵn sàng cho quá trình phun.
Hình 2. 17 Quy trình bơm nhiên liệu
Bơm cao áp hoạt động bằng cách sử dụng các piston hoặc trục vít để nén nhiên liệu. Quá trình tạo áp suất diễn ra như sau:
Hút nhiên liệu: Bơm cao áp hút nhiên liệu từ rail và đẩy vào buồng nén.
Nén nhiên liệu: Khi piston di chuyển lên, không gian trong buồng nén giảm, tạo áp suất cao. Bơm cao áp có thể điều chỉnh áp suất dựa trên yêu cầu của ECU.
Đẩy nhiên liệu ra ngoài: Khi áp suất đạt mức cần thiết (thường từ 1.500 đến 2.500 bar), nhiên liệu được đẩy ra khỏi bơm cao áp vào rail, sẵn sàng cho quá trình phun.
Quá trình này giúp đảm bảo rằng nhiên liệu luôn có sẵn ở áp suất cao, tối ưu hóa quá trình phun vào buồng đốt và cải thiện hiệu suất động cơ
Hình 2. 18 Quy trình hoạt động của kim phun
Kim phun trong hệ thống Common Rail hoạt động dựa trên tín hiệu điều khiển từ ECU. Cụ thể:
Tín hiệu điều khiển từ ECU: Khi ECU nhận dữ liệu từ các cảm biến (như cảm biến áp suất rail, cảm biến nhiệt độ, v.v.), nó sẽ tính toán thời điểm và lượng nhiên liệu cần phun. Khi đến thời điểm phun, ECU sẽ gửi tín hiệu điện đến kim phun.
Mở kim phun: Khi nhận được tín hiệu từ ECU, cuộn dây điện từ trong kim phun sẽ tạo ra từ trường, làm kim mở ra. Nhiên liệu sẽ được phun vào buồng đốt thông qua lỗ phun.
Đóng kim phun: Khi tín hiệu ngừng hoặc khi điều kiện phun không còn phù hợp, lò xo sẽ đẩy kim về vị trí đóng, ngăn không cho nhiên liệu tiếp tục phun.
Phương pháp điều chỉnh lượng phun: ECU sử dụng dữ liệu từ các cảm biến để xác định:
Thời điểm phun: Dựa trên vòng quay của động cơ và các điều kiện vận hành (như tải và nhiệt độ), ECU tính toán thời điểm tối ưu để phun nhiên liệu vào buồng đốt.
Lượng phun: ECU điều chỉnh độ dài thời gian mở kim phun để kiểm soát lượng nhiên liệu được phun ra. Việc điều chỉnh này có thể được thực hiện theo từng chu trình, cho phép hệ thống tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Hình 2. 19 Chu trình Hoạt động
a. Sự tương tác giữa các bộ phận trong quá trình phun
Toàn bộ hệ thống phun dầu Common Rail hoạt động theo chu trình khép kín, với sự tương tác chặt chẽ giữa các bộ phận:
Nạp nhiên liệu: Nhiên liệu được hút từ bồn chứa, qua bộ lọc và vào bơm cao áp.
Tạo áp suất: Bơm cao áp nén nhiên liệu đến áp suất cao và đẩy vào rail.
Phun nhiên liệu: ECU điều khiển kim phun mở và đóng dựa trên thông tin từ các cảm biến, xác định thời điểm và lượng phun chính xác.
Cháy trong buồng đốt: Nhiên liệu được phun vào buồng đốt, hòa trộn với không khí và cháy, tạo ra năng lượng để vận hành động cơ.
Diễn giải chu trình làm việc của toàn bộ hệ thống
Toàn bộ chu trình hoạt động của hệ thống phun dầu Common Rail bao gồm:
Hệ thống hút nhiên liệu: Nhiên liệu từ bồn chứa được hút vào hệ thống qua bộ lọc.
Bơm cao áp: Nhiên liệu được nén và tạo áp suất cao.
Rail: Nhiên liệu áp suất cao được phân phối đều đến các kim phun.
ECU: Thực hiện điều khiển chính xác kim phun dựa trên dữ liệu từ các cảm biến, tối ưu hóa thời điểm và lượng phun.
Kim phun: Mở và đóng để phun nhiên liệu vào buồng đốt trong thời điểm thích hợp.
Toàn bộ quá trình diễn ra liên tục và đồng bộ, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho động cơ và giảm thiểu khí thải.
Tiết kiệm nhiên liệu: Nhờ vào khả năng điều chỉnh chính xác lượng nhiên liệu phun, hệ thống này giúp giảm tiêu hao nhiên liệu, mang lại hiệu quả kinh tế cho người sử dụng.
Giảm khí thải: Hệ thống phun mịn tạo ra sương mù tốt hơn, dẫn đến quá trình cháy hiệu quả hơn và giảm phát thải khí độc hại, đáp ứng tiêu chuẩn môi trường ngày càng nghiêm ngặt.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU COMMON RAIL
1.1 Khái quát về hệ thống nhiên liệu common rail
Động cơ diesel ra đời sớm và có nhiều ưu điểm vượt trội như khả năng tiết kiệm nhiên liệu hơn động cơ xăng khoảng 30%. Nhưng đến nay, nhìn chung động cơ diesel vẫn ít phổ biến hơn động cơ xăng chỉ do vấn đề về tiếng ồn và khí thải.Công nghệ hiện đại đang khắc phục được nhiều nhược điểm của động cơ diesel. Sự ra đời của các công nghệ như tăng áp và hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp cách đây vài năm đã khiến động cơ diesel mạnh mẽ không thua kém gì những động cơ xăng tốt nhất, mà vẫn giữ nguyên ưu điểm tiết kiệm nhiên liệu. Bên cạnh đó, giờ đây đã có những công nghệ động cơ diesel gần “sạch” bằng động cơ xăng.
Công nghệ động cơ diesel liên tục có những bước cải tiến lớn. Đến nay, tiếng ồn của động cơ đã giảm, nhờ hệ thống cách âm và kiểm soát quá trình đốt nhiên liệu tốt hơn; khói thải giảm xuống và thời gian khởi động nhanh gần bằng động cơ xăng, nhờ cải tiến buồng đốt.
Để đáp ứng yêu cầu về khí thải ngày càng ngặt nghèo của các tổ chức môi trường, và vấn đề giảm thiểu tiếng ồn, hệ thống nhiên liệu Common Rail đã không ngừng phát triển và từng bước đáp ứng được những yêu cầu ngày càng gắt gao đối với nhiên liệu diesel. Ngày nay trên một số phương tiện giao thông sử dụng hệ thống nhiên liệu diesel thì nhiên liệu diesel sử dụng hệ thống Common Raid đã đáp ứng được yêu cầu về khí thải Euro 5.
Với các động cơ Diesel hiện nay, áp suất phun thực hiện cho từng vòi phun 1 cách riêng biệt, nhiên liệu áp suất cao được giữ trong hộp chứa (Rail), hay còn được gọi là “Ắc quy thủy lực” và được phân chia đến từng vòi phun theo yêu cầu.
Vòi phun Common Rail có tác dụng làm giảm tiếng ồn và nhờ sự kết hợp giữa việc điều khiển điện tử – kiểm soát lượng nhiên liệu phun – thời điểm phun mà nhiên liệu được phin ra ở mức áp suất rất cao. Thế nên, khả năng vận hành của động cơ và khả năng tiết kiệm nhiên liệu được tối ưu hơn.
So với những động cơ cũ được dẫn động bằng cam thì hệ thống Common Rail tỏ ra rất linh hoạt trong khả năng thích nghi để điều khiển kim phun nhiên liệu động cơ diesel như:
Áp suất phun lên tới 1500 bar.
Phạm vi áp dụng rộng rãi (cho xe khách, du lịch, tải nặng, tải nhẹ, xe lửa và thậm chí cả tàu thủy).
Có thể tùy ý thay đổi thời điểm phun.
Có 3 giai đoạn phun: Phun sơ khởi – phun chính – phun kết thúc.
Trên thế giới:
Châu Âu đi tiên phong trong việc sử dụng động cơ diesel chiếm trên 50% thị phần, có hơn 1/3 số xe mới sử dụng nhiên liệu diesel. Tại một vài quốc gia, diesel đã lấn sân hoàn toàn xăng và đó là nguyên nhân mà châu lục này ít phụ thuộc vào giá xăng hơn Mỹ, tại Pháp, Áo, Đức, Thụy Sỹ thì động cơ diesel nhiều hơn động cơ xăng, việc giảm thiểu tiêu thụ nhiên liệu cũng tăng lượng xe động cơ diesel tại Mỹ và các nước châu Á trong thời gian qua.
Áp dụng công nghệ hiện đại như đa van, phun nhiên liệu trực tiếp, kiểm soát cháy nổ, động cơ diesel phát triển mạnh mẽ. đến nay động cơ diesel đã đáp ứng được các tiêu chuẩn Euro 1,2,3,4,5 và hướng đến là Euro 6. Với sự nỗ lực của các nhà công nghiệp dầu mỏ thì hàm lượng lưu huỳnh đã giảm từ 500 ppm (phần triệu) xuống còn 50 ppm vào cuối năm 2004 tại 1 số nước. Nhật với hàm lượng lưu huỳnh dưới 50ppm đã được cung cấp nhiều nơi trên thế giới. Kết hợp thêm bộ xúc tác ô xy hóa cao mà bộ lọc bụi diesel với khả năng phục hồi liên tục đã trở thành hiện thực.
Năm 2007 , nhiên liệu diesel với hàm lượng lưu huỳnh dưới 10ppm đã được cung cấp. có thể áp dụng công nghệ xúc tác để giảm khí NOx như NSR (NOx storage reduction- bộ xử lý NOx) và DPNR (diesel particulates and NOx reduction- bộ giảm lượng NOx và bụi cho động cơ Diesel) điều này giúp động cơ cực kỳ sạch và thân thiện với môi trường, sử dụng động cơ diesel sẽ ngày càng thông dụng. Tạo momen xoắn lớn , xe có sức kéo mạnh hơn, khả năng leo dốc và vươt địa hình phức tạp cao.
Tại Việt Nam:
Theo VAMA (hiệp hôi các nhà sản xuất ô tô Việt Nam), động cơ diesel chiếm 21,75% thị trường ô tô mới (gần 40000 chiếc), tăng đáng kể so với năm 2001 chỉ dưới 10%. Ford là nhà sản xuất tiên phong và tiêu thụ ô tô sử dụng động cơ diesel, năm 2005 xe chạy dầu diesel chiếm 90% lượng xe bán ra của dòng Ford Transit, 75% với dòng Ford Everest. Các máy sử dụng động cơ diesel phát huy tốt khả năng đáp ứng các yêu cầu trong các lĩnh vực Nông –Lâm -Ngư nghiệp, xây dựng và khai khoáng.
1.2 Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống nhiên liệu Common Rail
Động cơ Diesel được phát minh vào năm 1892 nhờ kỹ sư người Đức Rudolf Diesel, hoạt động theo nguyên lý tự cháy. Ở gần cuối quá trình nén, nhiên liệu được phun vào buồng cháy động cơ để hình thành hòa khí rồi tự bốc cháy. Năm 1920 Ông Vickers đã cho ra đời hệ thống van phun nhiên liệu được điều khiển bằng điện thay vì điều khiển bằng trục cam và hệ thống này đã được cấp bằng sáng chế. Năm 1927 ông Robert Bosch đã có sự thay đổi cho hệ thống nhiên liệu về việc thay thế hệ thống bơm nhiên liệu. Không còn là loại bơm đa xylanh như trước, ông đã thiết kế cho ra loại bơm cao áp PE. Ra đời sớm nhưng động cơ Diesel không phát triển như động cơ xăng do gây ra nhiều tiếng ồn, khí thải bẩn. Tuy nhiên cùng với sự phát triển của kỹ thuật công nghệ, các vấn đề được giải quyết và động cơ Diesel ngày càng trở nên phổ biến và hữu dụng hơn. Khí thải động cơ Diesel là một trong những thủ phạm gây ô nhiễm môi trường. Động cơ Diesel có tính hiệu quả và kinh tế hơn động cơ xăng, tuy nhiên vấn đề tiếng ồn và khí thải vẫn là những hạn chế trong sử dụng động cơ Diesel. Khí thải động cơ Diesel là một trong những thủ phạm gây ô nhiễm môi trường. Động cơ Diesel có tính hiệu quả và kinh tế hơn động cơ xăng, tuy nhiên vấn đề tiếng ồn và khí thải vẫn là những hạn chế trong sử dụng động cơ Diesel. Năm 1986 Bosch đã đưa ra thị trường việc điều khiển điện tử cho hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel được gọi là hệ thống nhiên liệu Common Rail. Cho đến nay hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail đã được hoàn thiện. Trong động cơ Diesel hiện đại, áp suất phun được thực hiện cho mỗi vòi phun một cách riêng rẽ, nhiên liệu áp suất cao được chứa trong ống và được phân phối đến từng vòi phun theo yêu cầu.1.3 Cấu tạo chung của hệ thống Common Rail
Hệ thống Common Rail cấu tạo gồm 3 phần chính như sau: Phần cấp dầu thấp áp, phần cấp dầu cao áp và phần phần cơ — điện tử
Phần cấp dầu thấp áp: Thùng dầu, bơm tiếp dầu, bộ lọc dầu, ống dẫn dầu và đường dầu hồi.
Phần cấp dầu cao áp: Bơm áp cao, Ông phân phối dầu cao áp đến các kim phun (ống rail, ống chia chung), các tyo cao áp, van an toàn và van xả áp, kim phun.
Phần cơ — điện tử: các cảm biến và tin hiệu, ECU và EDU (nếu có), kim phun, các van điều khiển nạp (còn gọi là van định lượng).
Hình 1. 1 Cấu tạo chung của hệ thống Common Rail
(1)Thùng nhiên liệu; (2) Bơm cao áp Common rail; (3) Lọc nhiên liệu; (4) Đường cấp nhiên liệu cao áp; ( 5) Đường nối cảm biến áp suất đến ECU ; (6) Cảm biến áp suất; (7) Common Rail tích trữ &điều áp nhiên liệu (hay còn gọi ắcquy thuỷ lực) ; (8) Van an toàn (giới hạn áp suất); (9) Vòi phun; (10) Các cảm biến nối đến ECU và Bộ điều khiển thiết bị (EDU); (11) Đường về nhiên liệu (thấp áp) ;
EDU: (Electronic Driver Unit) và ECU : (Electronic Control Unit).
Công dụng của hệ thống nhiên liệu Common Rail
Hệ thống common rail là một công nghệ phun nhiên liệu được sử dụng phổ biến trong động cơ diesel. Dưới đây là một số công dụng chính của hệ thống này:Tăng hiệu suất động cơ: Hệ thống common rail cho phép phun nhiên liệu với áp suất cao, giúp cải thiện sự hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí, từ đó nâng cao hiệu suất cháy và hiệu suất công suất.
Giảm khí thải: Bằng cách điều chỉnh lượng phun và thời điểm phun một cách chính xác, hệ thống này giúp giảm nhiên liệu dư thừa và hạn chế lượng khí thải độc hại như NOx và soot (bồ hóng).
Cải thiện khả năng đáp ứng: Hệ thống common rail có khả năng thực hiện nhiều lần phun trong một chu kỳ nén, cho phép động cơ phản ứng nhanh hơn với yêu cầu tải.
Giảm tiếng ồn: Việc điều chỉnh chính xác quá trình phun nhiên liệu giúp giảm tiếng ồn trong khi động cơ hoạt động, tạo ra trải nghiệm lái xe êm ái hơn.
Tăng cường khả năng tiết kiệm nhiên liệu: Nhờ vào việc tối ưu hóa quá trình cháy, động cơ trang bị hệ thống common rail có thể sử dụng nhiên liệu hiệu quả hơn, từ đó giúp tiết kiệm nhiên liệu.
Dễ dàng điều chỉnh: Hệ thống cho phép các nhà sản xuất điều chỉnh các thông số để tối ưu hóa hoạt động của động cơ theo nhiều điều kiện khác nhau.
1.5 Yêu cầu của hệ thống
Hệ thống nhiên liệu common rail được thiết kế để đáp ứng nhiều yêu cầu kỹ thuật và hiệu suất khác nhau. Dưới đây là các yêu cầu cơ bản của hệ thống này:Áp suất cao: Hệ thống cần duy trì áp suất phun cao để đảm bảo nhiên liệu được phun vào buồng đốt với độ chính xác và hiệu quả tối ưu.
Phun chính xác: Cần phải có khả năng kiểm soát thời gian và lượng nhiên liệu phun một cách chính xác trong mỗi chu kỳ làm việc, giúp tối ưu hóa quá trình cháy.
Tính linh hoạt: Hệ thống phải có khả năng điều chỉnh lượng nhiên liệu phun dựa trên điều kiện vận hành khác nhau như tải trọng, tốc độ động cơ và nhiệt độ môi trường.
Giảm khí thải: Hệ thống cần giúp giảm thiểu khí thải độc hại, đặc biệt là NOx và hạt bụi, thông qua việc tối ưu hóa quá trình cháy.
Khởi động dễ dàng: Hệ thống cần đảm bảo khả năng khởi động động cơ dễ dàng, đặc biệt trong điều kiện trời lạnh.
Giảm tiếng ồn: Cần phải có thiết kế giúp giảm tiếng ồn và rung động phát ra từ động cơ, mang lại trải nghiệm lái xe dễ chịu hơn.
Độ bền và độ tin cậy: Hệ thống cần có độ bền cao và khả năng hoạt động ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt, bao gồm nhiệt độ và áp suất cao.
Bảo trì thấp: Hệ thống nên dễ bảo trì và sửa chữa, giúp giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng cho người sử dụng.
Những yêu cầu này giúp hệ thống common rail trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các động cơ diesel hiện đại, tối ưu hóa hiệu suất và giảzm tác động đến môi trường.
So với động cơ xăng, động cơ diesel đốt cháy nhiên liệu khó bay hơi hơn (nhiệt độ sôi cao hơn) nên việc hòa trộn hỗn hợp không khí chỉ diễn ra trong giai đoạn phun và bắt đầu cháy, mà còn trong suốt quá trình cháy, kết quả là hỗn hợp kém đồng nhất, động cơ diesel luôn hoạt động ở chế độ nghèo, mức tiêu hao nhiên liệu, muội than, CO, HC sẽ tăng nếu không đốt cháy ở chế độ nghèo hợp lý.
Tỷ lệ hòa khí được quyết định dựa vào các thông số:
Áp suất phun, thời gian phun, kết cấu lỗ phun, thời điểm phun, vận tốc dòng khí nạp, khối lượng không khí nạp.
Tất cả các đại lượng nêu trên đều ảnh hưởng đến mức độ tiêu hao nhiên liệu và nồng độ khí thải, nhiệt độ quá trình cháy quá cao và lượng oxy nhiều sẽ làm tăng lượng NOx, muội than sinh ra hỗn hợp quá nghèo.
1.6 Nguyên lý hoạt động của hệ thống Common Rail
Ở hệ thống phun nhiên liệu Common Rail, việc tạo áp suất và việc phun nhiên liệu là tách biệt. Áp suất nhiên liệu được tạo ra độc lập với tốc độ của động cơ và lượng nhiên liệu được phun vào buồng đốt. Bộ điều khiển động cơ điện tử (EDU) điều khiển những bộ phận này.Vì vậy để nghiên cứu về nguyên lý hoạt động của hệ thống, ta nghiên cứu về 4 vấn đề chính sau:Quá trình tạo áp suất
Quá trình điều khiển áp suất
Quá trình phun nhiên liệu
Quá trình điều khiển của ECU hoặc EDU
1.6.1 Quá trình tạo áp suất nhiên liệu cung cấp đến đường ống phân phối.
Việc tạo áp suất cho nhiên liệu và việc phun nhiên liệu được tách biệt. Việc tạo áp suất cho nhiên liệu được đảm nhiệm bởi bơm cao áp còn việc phun nhiên liệu được thực hiện bởi kim phun nhiên liệu. Nhiên liệu áp suất cao luôn được cấp cho ống phân phối và luôn sẵn sàng cho viêc phun nhiên liệu.Bơm cao áp được dẫn động bởi động cơ nên bơm luôn hoạt động liên tục để tạo áp suất cho nhiên liệu, nhờ vậy mà áp suất trong ống phân phối luôn được duy trì, tuy nhiên áp suất nhiên liệu của ống phân phối không phụ thuộc vào tốc độ động cơ hay lượng nhiên liệu được phun bởi vì trong bơm cao áp có những chi tiết có chức năng điều chỉnh áp suất của ống phân phối sao cho phù hợp với yêu cầu chung của hệ thống Common Rail. Theo như hầu hết những hệ thống Common Rail hiện nay, bơm cao áp được thiết kế ngày càng nhỏ gọn và giá trị mommen cản của bơm vừa đủ để việc dẫn động bơm cao áp của động cơ không bị tiêu hao quá nhiều công suất.
Bơm cao áp thường được sử dụng là loại bơm piston hướng tâm. Trên một số loại xe thương mại, bơm cao áp kiểu piston thẳng hàng cũng thường được sử dụng.
1.6.2 Quá trình điều khiển áp suất trong đường ống phân phối.
Để đảm bảo quá trình phun nhiên liệu diễn ra ổn định thì áp suất nhiên liệu trong đường ống phân phối phải được đảm bảo ổn định và chính xác. Vì vậy trên hệ thống luôn có các van điều khiển áp suất để ổn định áp suất nhiên liệu trong ống phân phối. Có 3 cách điều khiển áp suất ống phân phối, một là điều khiển áp suất trên đường nhiên liệu áp suất cao, điều khiển áp suất ở đường cấp nhiên liệu áp suất thấp và kiểu thứ ba là điều khiển áp suất cả hai phía đường nhiên liệu áp suất cao và thấp.1.6.2.1 Điều khiển áp suất trên đường nhiên liệu áp suất cao:
Đối với hệ thống nhiên liệu Common Rail của xe khách, áp suất nhiên liệu trong ống phân phối yêu cầu được điều khiển trên đường ống nhiên liệu áp suất cao bằng van điều khiển áp suất ( số 4 - hình 1.2). Lượng nhiên liệu thừa trong quá trình phun nhiên liệu sẽ được đưa về thùng chứa nhiên liệu thông qua van điều khiển áp suất. Phương pháp điều khiển loại vòng lặp này cho phép áp suất trong ống phân phối thay đổi một cách nhanh chóng cùng với sự thay đổi của trạng thái làm việc của động cơ, tức là trong những trường hợp tải thay đổi. Việc điều khiển áp suất ở đường nhiên liệu áp suất cao đã được ứng dụng trên hệ thống Common Rail đầu tiên của hãng Bosch. Thông thường van điều khiển áp suất được bố trí trên đường ống phân phối.Hình 1. 2 Dạng điều khiển áp suất trên đường nhiên liệu áp suất cao
(1) Bơm cao áp, (2) Đường nhiên liệu vào, (3) Đường nhiên liệu hồi, (4) Van điều khiển áp suất, (5) Ống phân phối, (6) Cảm biến áp suất ống phân phối, (7) chỗ nối với kim.
1.6.2.2 Điều khiển áp suất trên đường nhiên liệu áp suất thấp:
Van điều khiển áp suất được gắn trực tiếp lên bơm cao áp ( số 10 hình 1.3) để đảm bảo rằng bơm cao áp phân phối chính xác lượng nhiên liệu đến ống phân phối để đảm bảo duy trì áp suất nhiên liệu phun được yêu cầu bởi hệ thống. Trong trường hợp phát sinh trục trặc thì van giảm áp ( số 9 – hình 1.3) ngăn không cho áp suất trong ống phân phối vượt quá giá trị cho phép của hệ thống.Việc điều khiển phân phối nhiên liệu trên đường cấp nhiên liệu làm giảm lượng nhiên liệu áp suất cao trên hệ thống và làm giảm phần năng lượng mà bơm cao áp cần để tạo áp suất cao cho lượng nhiên liệu thừa đó. Việc này có tác động tích cực đến việc tiêu thụ nhiên liệu. Cùng lúc đó, nhiệt độ của dòng nhiên liệu hồi về thùng chứa nhiên liệu cũng được giảm trái ngược hoàn toàn với phương pháp điều khiển trên đường nhiên liệu cao áp.
Hình 1. 3 Dạng điều khiển áp suất trên đường nhiên liệu áp suất cao
(chú thích tương tự hình 1.2), (9) Van giảm áp, (10) Van điều khiển lưu lượng SCV
1.6.2.3 Điều khiển áp suất trên cả hai đường nhiên liệu áp suất thấp và cao:
Đây là kiểu điều khiển cả hai phía đường áp suất nhiên liệu, tức là ECU sẽ điều khiển cả 2 cơ cấp chấp hành một là van điều khiển áp suất ( số 11 - hình 1.4), hai là van điều khiển lưu lượng SCV ( số 10 - hình 1.4).Hình 1. 4 Dạng điều khiển áp suất trên cả hai đường nhiên liệu áp suất thấp và cao
(chú thích tương tự hình 1.2), (10) Van điều khiển lưu lượng SCV, (11) Van điều khiển áp suất.
1.6.3 Quá trình phun nhiên liệu
Các kim phun phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt của động cơ. Các kim phun này được cấp nhiên liệu thông qua đường ống cao áp trung gian được gắn trực tiếp với ống phân phối. Bộ điều khiển động cơ sẽ điều khiển kích hoạt van điện từ trong kim phun để thực hiện việc đóng mở vòi phun nhiên liệu.Thời gian đóng mở kim phun sẽ quyết định lượng nhiên liệu được phun vào buồng đốt của động cơ. Với một giá trị áp suất cố định lượng nhiên liệu được phun tỷ lệ với thời gian đóng mở của van điện từ. Vì vậy mà việc phun nhiên liệu độc lập với tốc độ động cơ.
1.6.4 Quá trình điều khiển hệ thống nhiên liệu Common Rail
EDU sẽ xác định trạng thái hoạt động của động cơ và vị trí bàn đạp ga thông qua các cảm biến từ đó thu thập các dữ liệu của.Góc quay và tốc độ của truc khuỷu.
Áp suất nhiên liệu ống phân phối.
Áp suất không khí trên đường nạp.
Nhiệu độ nước làm mát, nhiệt độ nhiên liệu, nhiệt độ không khí trên đường nạp.
Khối lượng không khí trên đường nạp.
Tốc độ xe và các giá trị cần thiết khác.
Từ những tín hiệu đó, ECU phân tích và tính toán để kích hoạt các bộ chấp hành như kim phun, van điều khiển áp suất, van giảm áp, kim phun nhiên liệu… và những bộ chấp hành có liên quan khác.
CHƯƠNG 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG PHUN DẦU COMMON RAIL
2.1 Cấu tạo chung của hệ thống phun dầu Common Rail Bosch
- Là hệ thống phun điện tử điều khiển lựng nhiên liệu phun và thời điểm phun vào buồng cháy.
- Một hệ thống Common Rail gồm có 4 thành cơ bản:
Hình 2. 1 Hệ thống Common Rail |
- Bơm áp suất cao với van điều chỉnh áp suất và van đo lường
- Các cảm biến ( tốc độ động cơ, bàn đạp ga, lưu lượng không khí và nước làm mát, áp suất).
- Các cơ cấu chấp hành (vòi phun điều khiển van solenoid, bộ tăng áp, bộ hồi lưu khí xả, các đồng hồ áp suất,...)
Hình 2. 3 Mạch dầu hồi |
Hình 2. 2 Mạch áp suất cao |
- Bộ điều khiển điện tử (CU, EDU) kiểm soát lưu lượng phun chính xá, điều chỉnh áp suất và giám sát các điều kiện hoạt động của động cơ.
- Van điều khiển áp suất mở cho phép nhiên liệu về lại thùng chứa ( mũi tên chỉ cho thấy khi van mở nhiên liệu qua bơm cao áp về lại thùng chứa).
Hình 2. 4 Vị trí của các bộ phận trên động cơ Ford Focus 1.8 |
2. Van solenoid hệ thống tuần hoàn khí xả ( EGR )
3. Bộ chấp hành điều khiển tua bin VGT
4. Van solenoid hệ thống bướm gió ống góp khí nạp
5. Cảm biến áp suất tuyệt đối ống góp khí nạp ( MAP )
6. Cảm biến tiếng gõ ( Knock sensor)
7. Cảm biến lượng khí nạp kiểu dây nhiệt (MAF)
8. Cảm biến vị trí trục cam (CMP)
9. Cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP)
10. Cảm biến nhiệt độ nắp máy (CHT)
11. Cảm biến áp suất nhiên liệu
12. Cảm biến nhiệt độ khí nạp (IAT)
13. Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu
14. Van điều khiển nhiên liêu nạp (IMV)
15. Bơm áp suất cao
2.2 Cấu tạo chi tiết của hệ thống phun dầu Common Rail Bosch
Hình 2. 5 Cấu tạo chi tiết hệ thống phun dầu Common Rail Bosch |
1.Thùng nhiên liệu; 2. Bộ lọc nhiên liệu; 3 Bơm truyền nhiên liệu; 4. Bơm áp suất cao;
5. Van điều khiển áp suất; 6. Cảm biến áp suất nhiên liệu; 7. Thanh rail; 8. Các vòi phun; 9. Các cảm biến; 10. Bộ điều khiển điện tử (ECU)
2.2.1. Bơm cao áp
Hình 2. 6 Bơm cao áp
2.2.1.1. Chức năng và nguyên lý hoạt động
Giới thiệu về chức năng nén nhiên liệu: Bơm cao áp trong hệ thống phun dầu Common Rail có vai trò chính là nén nhiên liệu từ bình chứa và đưa vào đường ống phun với áp suất cao, thường đạt từ 1.500 đến 2.500 bar. Chức năng này rất quan trọng, bởi vì áp suất cao giúp nhiên liệu phun vào buồng đốt một cách đồng đều và tạo ra sương mù mịn, tối ưu hóa quá trình cháy, từ đó nâng cao hiệu suất động cơ và giảm phát thải khí độc hại.Nguyên lý hoạt động của bơm: Bơm cao áp hoạt động dựa trên nguyên lý piston hoặc trục vít. Khi động cơ hoạt động, bơm hút nhiên liệu từ bình chứa qua một bộ lọc và nén nó qua một hoặc nhiều piston. Khi piston di chuyển, nó tạo ra áp suất cao trong buồng bơm, đẩy nhiên liệu qua đường ống dẫn vào rail (đường ống chung) và từ đó phân phối đến các vòi phun. Bơm có thể được điều khiển để điều chỉnh lưu lượng và áp suất phù hợp với yêu cầu của động cơ.
2.2.1.2. Các loại bơm sử dụng
Bơm trục vít: Bơm trục vít hoạt động nhờ sự xoay tròn của các trục vít. Nhờ cơ chế này, bơm có khả năng tạo ra áp suất cao và lưu lượng đều đặn. Bơm trục vít thường được sử dụng trong các hệ thống yêu cầu áp suất cao và ổn định.Bơm bánh răng: Bơm bánh răng sử dụng hai bánh răng quay để tạo ra áp suất. Khi bánh răng quay, nhiên liệu bị kẹp giữa các bánh răng và bị nén, đẩy ra phía đầu ra. Bơm bánh răng thường được sử dụng trong các ứng dụng có yêu cầu lưu lượng thấp hơn nhưng vẫn cần độ bền cao.
So sánh hiệu suất và ứng dụng:
Bơm trục vít: Có hiệu suất cao hơn và ổn định hơn trong việc duy trì áp suất, thích hợp cho động cơ diesel hiện đại với yêu cầu khắt khe về hiệu suất và phát thải. Thường được dùng trong các hệ thống phun dầu Common Rail.
Hình 2. 7 Bơm trục vít
Bơm bánh răng: Dễ dàng lắp đặt và bảo trì, thường được sử dụng trong các ứng dụng có áp suất không quá cao và có thể chấp nhận sự biến động về lưu lượng. Bơm bánh răng có thể thích hợp cho các ứng dụng công nghiệp hoặc động cơ nhỏ
Hình 2. 8 Bơm bánh răng
2.2.2. Rail (đường dẫn dầu)
Hình 2. 9 Rail (đường ống dẫn dầu)
2.2.2.1. Cấu tạo và chức năng
Cấu tạo của rail: Rail là một ống kim loại chịu áp lực, có thể chứa nhiên liệu ở áp suất cao. Nó thường được chế tạo từ vật liệu bền như thép không gỉ, với các đầu kết nối để nối với các kim phun và bơm cao áp.Chức năng phân phối dầu: Rail có nhiệm vụ phân phối nhiên liệu đến từng kim phun theo yêu cầu của động cơ. Nó giúp đảm bảo lượng nhiên liệu được cung cấp đều và ổn định cho từng lần phun, tối ưu hóa quá trình cháy và hiệu suất động cơ.
2.2.2.2. Áp lực dầu trong rail
Các mức áp lực thường gặp: Áp lực trong rail thường dao động từ 1.500 đến 2.500 bar, tùy thuộc vào loại động cơ và thiết kế hệ thống.Tác động của áp lực đến hiệu suất phun: Áp lực dầu cao giúp tạo ra sương mù nhiên liệu mịn hơn, cải thiện khả năng cháy và giảm phát thải. Nếu áp lực quá thấp, quá trình phun sẽ kém hiệu quả, dẫn đến sự không đồng đều trong quá trình cháy.
2.2.3. Injector (kim phun)
Hình 2. 10 Injector (kim phun)
2.2.3.1. Cấu tạo của kim phun
Các bộ phận chính của kim phun: Kim phun thường gồm các bộ phận chính như thân kim, lò xo, và đầu phun. Thân kim chứa cơ chế đóng mở, trong khi lò xo giúp giữ kim ở trạng thái đóng cho đến khi có tín hiệu phun.Chất liệu và thiết kế: Kim phun thường được chế tạo từ thép không gỉ hoặc vật liệu chịu mài mòn khác, đảm bảo độ bền và khả năng chịu nhiệt cao. Thiết kế của kim phun phải tối ưu hóa việc phun nhiên liệu với các lỗ phun nhỏ, giúp tạo ra sương mù tốt nhất cho quá trình cháy.
2.2.3.2. Nguyên lý phun và điều khiển
Cách thức hoạt động của kim phun: Kim phun hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ hoặc áp suất. Khi ECU (Bộ điều khiển điện tử) gửi tín hiệu điện đến kim phun, cuộn dây điện từ trong kim sẽ tạo ra từ trường, khiến kim mở ra. Nhiên liệu sẽ được phun vào buồng đốt qua lỗ phun, tạo thành sương mù mịn.Điều kiện mở và đóng kim phun: Kim phun sẽ mở khi áp suất trong rail đạt mức yêu cầu và khi ECU gửi tín hiệu điều khiển. Kim phun sẽ đóng lại khi tín hiệu ngừng, lò xo sẽ đẩy kim về vị trí đóng, ngăn không cho nhiên liệu tiếp tục phun.
2.2.4. Cảm biến và điều khiển
Hình 2. 11 Cảm biến áp suất rail
2.2.4.1. Cảm biến áp suất rail
Chức năng và vị trí của cảm biến: Cảm biến áp suất rail được lắp đặt trên đường ống rail để theo dõi áp suất nhiên liệu. Nó đảm bảo rằng áp suất trong rail luôn ở mức tối ưu cho quá trình phun, giúp điều chỉnh lượng nhiên liệu cần thiết cho động cơ.Cách thức hoạt động: Cảm biến áp suất hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi áp suất thành tín hiệu điện. Khi áp suất trong rail thay đổi, cảm biến sẽ gửi tín hiệu này đến ECU, từ đó ECU sẽ điều chỉnh hoạt động của bơm cao áp và kim phun để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
2.2.4.2. ECU (Bộ điều khiển điện tử)
Hình 2. 12 ECU (Bộ điều khiển điện tử)
Vai trò của ECU trong hệ thống: ECU là bộ não của hệ thống phun dầu, chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển các bộ phận như bơm cao áp và kim phun. Nó giúp tối ưu hóa quá trình phun và cải thiện hiệu suất động cơ.
Cách ECU xử lý tín hiệu và điều khiển phun: ECU nhận tín hiệu từ cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ và các cảm biến khác để đánh giá tình trạng của động cơ. Dựa vào dữ liệu này, ECU tính toán lượng nhiên liệu cần thiết và thời gian phun, sau đó gửi tín hiệu đến các kim phun để điều khiển chính xác quá trình phun nhiên liệu.
2.2.5. Lọc dầu
2.2.5.1. Chức năng và vị trí trong hệ thống
Vai trò của bộ lọc: Bộ lọc dầu có chức năng loại bỏ tạp chất, bụi bẩn và nước trong nhiên liệu trước khi vào bơm cao áp và kim phun. Điều này giúp bảo vệ các bộ phận trong hệ thống phun, tăng tuổi thọ và hiệu suất hoạt động.Các loại lọc dầu sử dụng: Có nhiều loại lọc dầu khác nhau, bao gồm:
Bộ lọc cơ học: Loại bỏ các hạt lớn và tạp chất thông qua lưới lọc.
Hình 2. 13 Bộ lọc cơ học
Bộ lọc tinh: Sử dụng vật liệu lọc đặc biệt để loại bỏ các hạt nhỏ hơn và nước trong nhiên liệu.
Hình 2. 14 Bộ Lọc Tinh
Bộ lọc tách nước: Đặc biệt hiệu quả trong việc tách nước ra khỏi nhiên liệu, thường được sử dụng trong hệ thống diesel
Hình 2. 15 bộ lọc tách nước
2.3. Nguyên lý làm việc của hệ thống phun dầu Common Rail
Hình 2. 16 Hệ thống phun dầu Common Rail
2.3.1. Nạp nhiên liệu
2.3.1.1. Quá trình nạp và chuẩn bị nhiên liệu
Quá trình nạp nhiên liệu trong hệ thống Common Rail diễn ra qua các bước sau:Hút nhiên liệu: Nhiên liệu được hút từ bồn chứa qua bộ lọc để loại bỏ tạp chất và nước.
Chuyển nhiên liệu: Bơm chuyển nhiên liệu (bơm thấp áp) đưa nhiên liệu đã lọc vào bơm cao áp.
Chuyển đến bơm cao áp: Nhiên liệu được truyền đến bơm cao áp, nơi nó sẽ được nén và tạo áp suất cao để sẵn sàng cho quá trình phun.
2.3.2. Tạo áp suất cao
2.3.2.1. Cách bơm cao áp làm tăng áp suất nhiên liệu
Hình 2. 17 Quy trình bơm nhiên liệu
Bơm cao áp hoạt động bằng cách sử dụng các piston hoặc trục vít để nén nhiên liệu. Quá trình tạo áp suất diễn ra như sau:
Hút nhiên liệu: Bơm cao áp hút nhiên liệu từ rail và đẩy vào buồng nén.
Nén nhiên liệu: Khi piston di chuyển lên, không gian trong buồng nén giảm, tạo áp suất cao. Bơm cao áp có thể điều chỉnh áp suất dựa trên yêu cầu của ECU.
Đẩy nhiên liệu ra ngoài: Khi áp suất đạt mức cần thiết (thường từ 1.500 đến 2.500 bar), nhiên liệu được đẩy ra khỏi bơm cao áp vào rail, sẵn sàng cho quá trình phun.
Quá trình này giúp đảm bảo rằng nhiên liệu luôn có sẵn ở áp suất cao, tối ưu hóa quá trình phun vào buồng đốt và cải thiện hiệu suất động cơ
2.3.3. Phun nhiên liệu
2.3.3.1. Cơ chế mở và đóng của kim phun
Hình 2. 18 Quy trình hoạt động của kim phun
Kim phun trong hệ thống Common Rail hoạt động dựa trên tín hiệu điều khiển từ ECU. Cụ thể:
Tín hiệu điều khiển từ ECU: Khi ECU nhận dữ liệu từ các cảm biến (như cảm biến áp suất rail, cảm biến nhiệt độ, v.v.), nó sẽ tính toán thời điểm và lượng nhiên liệu cần phun. Khi đến thời điểm phun, ECU sẽ gửi tín hiệu điện đến kim phun.
Mở kim phun: Khi nhận được tín hiệu từ ECU, cuộn dây điện từ trong kim phun sẽ tạo ra từ trường, làm kim mở ra. Nhiên liệu sẽ được phun vào buồng đốt thông qua lỗ phun.
Đóng kim phun: Khi tín hiệu ngừng hoặc khi điều kiện phun không còn phù hợp, lò xo sẽ đẩy kim về vị trí đóng, ngăn không cho nhiên liệu tiếp tục phun.
2.3.3.2. Thời điểm và lượng phun được điều khiển
Thời điểm và lượng phun được điều chỉnh dựa trên các thông số động cơ, với các phương pháp như:Phương pháp điều chỉnh lượng phun: ECU sử dụng dữ liệu từ các cảm biến để xác định:
Thời điểm phun: Dựa trên vòng quay của động cơ và các điều kiện vận hành (như tải và nhiệt độ), ECU tính toán thời điểm tối ưu để phun nhiên liệu vào buồng đốt.
Lượng phun: ECU điều chỉnh độ dài thời gian mở kim phun để kiểm soát lượng nhiên liệu được phun ra. Việc điều chỉnh này có thể được thực hiện theo từng chu trình, cho phép hệ thống tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
2.3.3.4. Chu trình hoạt động
Hình 2. 19 Chu trình Hoạt động
a. Sự tương tác giữa các bộ phận trong quá trình phun
Toàn bộ hệ thống phun dầu Common Rail hoạt động theo chu trình khép kín, với sự tương tác chặt chẽ giữa các bộ phận:
Nạp nhiên liệu: Nhiên liệu được hút từ bồn chứa, qua bộ lọc và vào bơm cao áp.
Tạo áp suất: Bơm cao áp nén nhiên liệu đến áp suất cao và đẩy vào rail.
Phun nhiên liệu: ECU điều khiển kim phun mở và đóng dựa trên thông tin từ các cảm biến, xác định thời điểm và lượng phun chính xác.
Cháy trong buồng đốt: Nhiên liệu được phun vào buồng đốt, hòa trộn với không khí và cháy, tạo ra năng lượng để vận hành động cơ.
Diễn giải chu trình làm việc của toàn bộ hệ thống
Toàn bộ chu trình hoạt động của hệ thống phun dầu Common Rail bao gồm:
Hệ thống hút nhiên liệu: Nhiên liệu từ bồn chứa được hút vào hệ thống qua bộ lọc.
Bơm cao áp: Nhiên liệu được nén và tạo áp suất cao.
Rail: Nhiên liệu áp suất cao được phân phối đều đến các kim phun.
ECU: Thực hiện điều khiển chính xác kim phun dựa trên dữ liệu từ các cảm biến, tối ưu hóa thời điểm và lượng phun.
Kim phun: Mở và đóng để phun nhiên liệu vào buồng đốt trong thời điểm thích hợp.
Toàn bộ quá trình diễn ra liên tục và đồng bộ, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho động cơ và giảm thiểu khí thải.
2.4 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống phun dầu Common Rail
2.4.1. Ưu điểm
Hiệu suất cao: Hệ thống phun dầu Common Rail cho phép thực hiện nhiều lần phun trong một chu trình, giúp tối ưu hóa quá trình cháy và nâng cao công suất động cơ.Tiết kiệm nhiên liệu: Nhờ vào khả năng điều chỉnh chính xác lượng nhiên liệu phun, hệ thống này giúp giảm tiêu hao nhiên liệu, mang lại hiệu quả kinh tế cho người sử dụng.
Giảm khí thải: Hệ thống phun mịn tạo ra sương mù tốt hơn, dẫn đến quá trình cháy hiệu quả hơn và giảm phát thải khí độc hại, đáp ứng tiêu chuẩn môi trường ngày càng nghiêm ngặt.
2.4.2. Nhược điểm
Chi phí bảo trì: Hệ thống phun dầu Comm...Xem thêm

