Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ với số lượng phương tiện hiện đại lưu hành ngày một tăng. Xu hướng thiết kế động cơ đốt trong hiện nay tập trung vào các mục tiêu nâng cao công suất, gia tăng tốc độ, tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu nồng độ các chất độc hại trong khí xả và điện tử hóa toàn diện quá trình điều khiển. Việc ứng dụng công nghệ điều khiển điện tử kết hợp cơ khí chính xác làm thay đổi đáng kể cấu trúc truyền thống của động cơ diesel, tạo ra nhiều phức tạp trong quá trình vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa đối với đội ngũ kỹ thuật viên trong nước.

Đồ án tốt nghiệp "Khảo sát hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ DW10 ATED" do hai sinh viên Lê Thiên Chiến và Lương Khả Dũng thực hiện tại Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải, dưới sự hướng dẫn của Kỹ sư Nguyễn Công Đoàn, được thực hiện nhằm hệ thống hóa kiến thức chuyên môn và làm rõ kết cấu, nguyên lý vận hành của hệ thống phun nhiên liệu diesel điện tử thế hệ mới.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về đặc tính kỹ thuật và kết cấu các cụm chi tiết chính trên động cơ diesel DW10 ATED.
  2. Khái quát lịch sử phát triển, phân loại các hệ thống nhiên liệu diesel và nguyên lý xử lý tín hiệu trong bộ điều khiển điện tử (ECU).
  3. Khảo sát chi tiết kết cấu và nguyên lý hoạt động của các cụm chức năng thuộc hệ thống nhiên liệu Common Rail trên động cơ DW10 ATED, bao gồm bơm chuyển, bầu lọc, bơm cao áp, ống tích trữ áp suất cao (Rail) và vòi phun điện từ.
  4. Phân tích nguyên lý làm việc và sơ đồ mạch điện của các cảm biến cùng các cơ cấu chấp hành trong hệ thống điều khiển động cơ.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail (CDI do hãng Bosch phát triển) và các cơ cấu cơ khí liên quan trên động cơ diesel DW10 ATED (mã RHZ). Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở các thông số hình học, kết cấu cơ khí, mạch thủy lực (mạch áp suất thấp, mạch áp suất cao, mạch dầu hồi) và hệ thống cảm biến - điều khiển điện tử nguyên bản của động cơ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong diesel 4 kỳ và hệ thống phun dầu điện tử sử dụng bình tích áp (Common Rail Diesel Injection - CDI) của hãng Bosch. Các nguyên lý điều khiển điện tử bao gồm:

  • Mạch cầu Wheatstone biến đổi điện trở áp điện thành tín hiệu điện áp (ứng dụng trên cảm biến áp suất).
  • Nguyên lý cảm ứng điện từ và từ trở thay đổi để nhận biết góc quay và tốc độ (cảm biến trục khuỷu).
  • Nguyên lý hiệu ứng Hall xác định vị trí góc chuẩn (cảm biến trục cam).
  • Biến trở nhiệt âm (NTC) giám sát nhiệt độ khí nạp và nước làm mát.
  • Cơ chế điều biến độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) và mạch công tắc bán dẫn (Transistor) điều khiển cuộn từ của van điều áp, van ngắt và vòi phun.

Phương pháp nghiên cứu được tác giả sử dụng là phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu kỹ thuật chuyên ngành động lực, kết hợp phương pháp mô tả kết cấu cơ học, phân tích sơ đồ mạch thủy lực và sơ đồ mạch điện điều khiển. Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án là các thông số hình học, thông số kỹ thuật chuẩn của động cơ DW10 ATED và các tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất linh kiện phụ trợ (Bosch, Dayco).

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Giới thiệu chung về đặc tính động cơ DW10 ATED. Tổng quan hệ thống phun dầu điện tử

Chương I trình bày các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ DW10 ATED (cải tiến từ dòng DW10TD). Đây là động cơ diesel 4 kỳ, 4 xylanh thẳng hàng, làm việc theo thứ tự 1-3-4-2, sử dụng hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp CDI của Bosch kết hợp hệ thống tuần hoàn khí xả (EGR).

Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị
Số kỳ / Số xylanh 4 kỳ / 4 xylanh thẳng hàng -
Thứ tự làm việc 1 - 3 - 4 - 2 -
Đường kính xylanh ($D$) 85 mm
Hành trình piston ($S$) 88 mm
Tổng dung tích công tác ($V_h$) 1996 $\text{cm}^3$
Tỷ số nén ($\varepsilon$) 18:1 -
Công suất cực đại ($N_{e_{\max}}$) 80 tại 4000 kW tại v/ph
Mô-men xoắn cực đại ($M_{e_{\max}}$) 250 tại 2000 Nm tại v/ph
Góc phun sớm 20 độ trước ĐCT

Về mặt kết cấu cơ khí, động cơ gồm các cụm chi tiết:

  • Thân máy và nắp xylanh: Thân máy đúc bằng gang hợp kim có gân tăng cứng, chiều cao xylanh 133 mm. Gioăng nắp máy làm bằng thép nhiều lớp phủ chất dẻo, có 5 loại chiều dày phân biệt bằng số lỗ đột dấu.
  • Nhóm piston - thanh truyền - trục khuỷu: Piston đúc bằng hợp kim nhẹ, đỉnh lõm hình omega để tạo xoáy lốc cho dòng khí nạp; bố trí 3 rãnh xéc măng (xéc măng khí 1 dày 3 mm, xéc măng khí 2 dày 2 mm, xéc măng dầu dày 3 mm). Đáy piston được làm mát bằng vòi phun dầu bôi trơn. Trục khuỷu nguyên khối gồm 5 cổ trục chính và 4 chốt khuỷu mài bóng phủ thép. Bánh đà dạng đĩa bằng thép carbon thấp, đường kính 275 mm, vành răng gồm 60 răng với 2 răng khuyết để xác định điểm chết trên (ĐCT).
  • Cơ cấu phân phối khí: Trục cam đơn đặt phía trên nắp máy (SOHC) có 5 cổ trục chính. Dẫn động van bằng cò mổ con lăn (vòng bi kim) kết hợp con đội thủy lực tự động duy trì khe hở nhiệt xupap bằng 0. Mỗi xylanh có 2 xupap (xupap nạp đường kính nấm 35,6 mm; xupap thải đường kính 33,8 mm; đường kính thân 5,987 mm; lò xo xupap đường kính 20,9 mm, số vòng 9 vòng).
  • Hệ thống dẫn động đai: Dây đai răng Dayco làm bằng vật liệu HSN, mã động cơ RHZ, bề dày 25,4 mm, số răng 141 răng. Tỷ số truyền: bánh răng trục khuỷu có 21 răng; bánh răng trục cam và bánh răng bơm cao áp đều có 42 răng (trục khuỷu quay 2 vòng thì trục cam và bơm cao áp quay 1 vòng); bánh răng bơm nước làm mát có 20 răng; con lăn căng đai đường kính 60 mm.

Phần tổng quan hệ thống nhiên liệu diesel so sánh 3 thế hệ hệ thống:

  1. Hệ thống dùng bơm cao áp kiểu dãy (bơm PE).
  2. Hệ thống dùng bơm cao áp phân phối (bơm VE).
  3. Hệ thống Common Rail điều khiển điện tử sử dụng bình tích áp.

Tác giả phân tích cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển điện tử: ECU thu nhận 2 thông số cơ bản đại diện cho tải (lưu lượng không khí nạp) và tốc độ động cơ. Quy trình xử lý tín hiệu tại ECU gồm các khâu: nhận tín hiệu vào (tín hiệu số, tín hiệu tương tự, tín hiệu xung), chuẩn hóa và lọc nhiễu trong dải 0–5V, xử lý tính toán trong vi xử lý, và xuất tín hiệu điều khiển ra các mạch công tắc Transistor hoặc bộ biến đổi tín hiệu tương tự (D/A) thông qua kỹ thuật điều biến độ rộng xung (PWM) với các thông số thời gian đóng (On time) và thời gian ngắt (Off time).

Chương II: Khảo sát hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail động cơ DW10 ATED

Chương II khảo sát chi tiết cấu tạo, nguyên lý vận hành của từng cụm chi tiết thủy lực và hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ DW10 ATED. Hệ thống nhiên liệu phân tách thành 3 mạch áp suất:

  • Mạch áp suất thấp: Bơm chuyển nhiên liệu dạng con lăn dẫn động bằng mô tơ điện 12V đặt trong thùng dầu, hút nhiên liệu đẩy qua bộ sấy nóng và bầu lọc để cấp tới bơm cao áp. Bơm chuyển tự ngắt sau khi tắt máy 2–3 giây; tích hợp van an toàn mở khi áp suất vượt quá 7 bar. Bầu lọc nhiên liệu có bộ ổn định nhiệt độ bằng tấm lưỡng kim (nhiệt độ dầu dưới 15°C mở đường vào bộ sấy; từ 15–25°C sấy một phần; trên 25°C đi thẳng vào lõi lọc) và van hồi dầu mở khi áp suất bầu lọc vượt quá 2,5 bar. Bầu lọc cần thay sau mỗi 60.000 km và xả nước đọng định kỳ sau mỗi 20.000 km.
  • Mạch áp suất cao: Bơm cao áp tạo áp suất lên đến 1350 bar đẩy vào ống Common Rail, từ đó dẫn đến các vòi phun điện từ của 4 xylanh.
  • Mạch dầu hồi: Thu hồi nhiên liệu thừa từ bầu lọc, bơm cao áp, ống phân phối và đường hồi của các kim phun dẫn trở lại thùng chứa.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các bộ phận cơ bản trong hệ thống gồm:

  • Bơm cao áp: Gồm 3 piston đặt hướng kính lệch nhau 120° dạng hình sao, chuyển động hút - nén liên tục nhờ trục cam lệch tâm và lò xo hoàn vị. Bơm được bôi trơn trực tiếp bằng dầu diesel, tốc độ quay tối đa 3000 v/ph. Trên bơm bố trí van điều chỉnh áp suất (van bi điều khiển bằng lực từ kết hợp lực ép lò xo) và van ngắt điện từ. Khi cảm biến báo nhiệt độ nhiên liệu vượt quá 106°C, ECU kích hoạt van ngắt đóng kín đường nạp của 1 xylanh bơm, chỉ cho phép 2 piston hoạt động nhằm bảo vệ hệ thống.
  • Ống phân phối (Common Rail): Đóng vai trò là bình tích năng lượng thủy lực, duy trì áp suất ổn định cho cả 4 vòi phun độc lập với tốc độ và lượng phun. Trên ống tích hợp cảm biến áp suất nhiên liệu (FRP), cảm biến nhiệt độ nhiên liệu và van giới hạn áp suất (van an toàn). Van giới hạn áp suất là loại sử dụng một lần: khi áp suất vượt ngưỡng an toàn khoảng 2000 bar, van bi mở xả dầu về thùng và biến dạng lò xo, bắt buộc phải thay mới sau khi kích hoạt.
  • Vòi phun điện tử: Vòi phun kín có van trợ lực điện từ, làm việc qua 4 giai đoạn:
    1. Giai đoạn đóng (trạng thái nghỉ): Van điện từ không có điện, lò xo ép van bi đóng lỗ xả; áp suất dầu tác dụng lên đỉnh piston điều khiển kết hợp lực lò xo thắng áp suất tại đế ty kim, giữ kim phun đóng kín.
    2. Giai đoạn mở (bắt đầu phun): Cuộn từ có điện hút van từ lên, mở lỗ xả buồng điều khiển; áp suất trên đỉnh piston điều khiển giảm đột ngột, áp suất cao tại đế ty kim đẩy ty kim đi lên, nhiên liệu bắt đầu phun vào buồng cháy.
    3. Giai đoạn mở hoàn toàn: Dòng điện duy trì lực từ, ty kim nâng lên vị trí cao nhất, tốc độ phun đạt cực đại.
    4. Giai đoạn kết thúc phun: Ngắt dòng điện qua cuộn từ, lò xo đẩy van bi đóng lỗ xả; nhiên liệu nạp lại buồng điều khiển làm tăng áp lực đỉnh piston, đẩy ty kim đi xuống đóng kín lỗ phun.
  • Bộ điều khiển điện tử ECU: Cấu trúc phần cứng gồm bộ vi xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ ROM, PROM, RAM (sử dụng các vi mạch tổ hợp dung lượng 64 KB hoặc 256 KB), bộ biến đổi A/D và D/A, khối đếm xung (Counter), bộ nhớ đệm (Buffer), bộ khuếch đại tín hiệu và khối ổn áp 5V.
Cảm biến Loại kết cấu / Nguyên lý Vị trí lắp đặt Chức năng điều khiển chính
Áp suất đường nạp (MAP) Cầu Wheatstone màng silicon phủ thạch anh áp điện (nguồn 5V) Đường ống nạp Xác định áp suất khí nạp, gửi tín hiệu qua chân PIM để ECU tính lượng khí nạp
Nhiệt độ khí nạp (IAT) Biến trở nhiệt âm (NTC) tuyến tính Ống góp hút / sau giải nhiệt Xác định tỉ trọng không khí nạp để hiệu chỉnh lượng phun nhiên liệu
Nhiệt độ nước làm mát (ECT) Nhiệt điện trở âm (NTC) Thân động cơ / đường nước Hiệu chỉnh lượng phun đậm khi máy nguội; điều khiển quạt làm mát động cơ
Vị trí trục khuỷu (CKP) Cảm ứng điện từ (từ trở thay đổi), nắn xung vuông 5V Đối diện vành răng bánh đà (60-2 răng) Xác định tốc độ động cơ và góc quay trục khuỷu để tính thời điểm/thời gian phun cơ bản
Vị trí trục cam (CMP) Cảm biến hiệu ứng Hall Phía sau kim phun số 4 (trên nắp máy) Xác định góc chuẩn trục khuỷu và thời điểm đánh lửa/phun dầu xylanh số 1

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã tổng hợp và làm rõ các kết quả kỹ thuật sau:

  • Khảo sát đầy đủ thông số kết cấu của động cơ DW10 ATED với công suất 80 kW (4000 v/ph), mô-men xoắn 250 Nm (2000 v/ph), góc phun sớm 20°/ĐCT và tỷ số nén 18:1.
  • Làm rõ cấu trúc 3 mạch thủy lực của hệ thống Common Rail CDI Bosch, chứng minh tính độc lập giữa quá trình tạo áp suất (do bơm cao áp 3 piston tạo ra áp suất phun lên đến 1350 bar) và quá trình định lượng thời điểm/lượng phun (do ECU điều khiển van điện từ trên từng kim phun).
  • Chi tiết hóa thông số làm việc của các cơ cấu bảo vệ: cơ chế ngắt 1 piston bơm cao áp khi nhiệt độ dầu vượt 106°C; cơ chế xả an toàn của van giới hạn áp suất ống Rail ở ngưỡng quá áp 2000 bar; van xả áp bơm chuyển 7 bar; van hồi dầu bầu lọc 2,5 bar; ngưỡng chuyển đổi nhiệt độ sấy dầu tại 15°C và 25°C.
  • Phân tích nguyên lý làm việc của hệ thống điều khiển điện tử với 5 cảm biến chính (MAP, IAT, ECT, CKP, CMP), các bộ chuyển đổi A/D, D/A, mạch đóng ngắt Transistor và phương pháp điều khiển PWM.

Đóng góp của đồ án theo công bố của tác giả:

  • Củng cố và nâng cao hệ thống kiến thức chuyên ngành kỹ thuật cơ khí động lực và động cơ đốt trong.
  • Cung cấp tài liệu khảo sát kỹ thuật chi tiết về hệ thống phun dầu Common Rail, hỗ trợ giải quyết sự lúng túng và giảm thiểu sai sót kỹ thuật cho cán bộ, sinh viên chuyên ngành ô tô khi tiếp cận và sửa chữa các dòng động cơ diesel hiện đại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Nội dung nghiên cứu dừng lại ở mức độ khảo sát lý thuyết, mô tả kết cấu cơ khí và phân tích sơ đồ nguyên lý dựa trên tài liệu kỹ thuật của hãng; chưa tiến hành mô phỏng động lực học quá trình cháy, tính toán nhiệt động học hoặc thực nghiệm đo kiểm phát thải thực tế trên băng thử động cơ.
  • Chưa đi sâu vào khảo sát các thuật toán điều khiển phun nhiều giai đoạn phức tạp (phun mồi - Pilot injection, phun chính - Main injection, phun thứ cấp - Post injection) cũng như quy trình chẩn đoán mã lỗi (DTC) thông qua cổng giao tiếp OBD.

Hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm đo đạc áp suất và lưu lượng phun thực tế của kim phun Common Rail trên các thiết bị kiểm tra chuyên dụng.
  • Khảo sát các thế hệ hệ thống Common Rail cải tiến tiếp theo sử dụng kim phun áp điện (Piezo injector) có áp suất phun trên 1600–2000 bar và nghiên cứu chuyên sâu các quy trình chẩn đoán, xử lý sự cố mã lỗi điện tử trên xe thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật phù hợp cho sinh viên, giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực và các kỹ thuật viên sửa chữa động cơ đốt trong.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao bao gồm:

  • Sơ đồ nguyên lý và 4 giai đoạn hoạt động của vòi phun điện từ Common Rail.
  • Cấu tạo và nguyên lý điều khiển áp suất, cơ chế ngắt pít-tông bơm cao áp ở 106°C.
  • Bảng thông số kỹ thuật động cơ, thông số hệ thống phối khí (con đội thủy lực) và thông số kỹ thuật bộ truyền đai răng Dayco HSN.
  • Sơ đồ mạch điện và nguyên lý chuyển đổi tín hiệu của các cảm biến MAP, IAT, ECT, CKP, CMP.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ DW10 ATED có các thông số cơ bản về hình học, công suất và áp suất phun cực đại là bao nhiêu?
Động cơ có 4 xylanh thẳng hàng, đường kính xylanh 85 mm, hành trình piston 88 mm, tổng dung tích 1996 $\text{cm}^3$, tỷ số nén 18:1. Động cơ đạt công suất cực đại 80 kW tại 4000 v/ph, mô-men xoắn cực đại 250 Nm tại 2000 v/ph, góc phun sớm 20° trước ĐCT và áp suất phun của hệ thống Common Rail có thể đạt đến 1350 bar.

2. Cơ chế ngắt pít-tông trên bơm cao áp của động cơ DW10 ATED hoạt động khi nào và nhằm mục đích gì?
Khi cảm biến báo nhiệt độ nhiên liệu vượt quá 106°C, ECU gửi tín hiệu điện đến cuộn dây của van ngắt. Lực từ sinh ra đẩy đĩa từ đậy kín đường nạp của một xylanh bơm, ngắt hoạt động của 1 piston và chỉ duy trì 2 piston làm việc nhằm giảm tải và đảm bảo an toàn cho hệ thống nhiên liệu.

3. Van giới hạn áp suất trên ống tích trữ Common Rail có đặc điểm gì khi làm việc?
Van giới hạn áp suất lắp ở đầu ống phân phối, có nhiệm vụ xả bớt nhiên liệu về thùng chứa khi áp suất trong ống tăng cao vượt giới hạn an toàn (khoảng 2000 bar). Van này chỉ cho phép mở một lần; khi đã xả dầu thì lò xo bị giãn và van bắt buộc phải được thay mới.

4. Cơ cấu phân phối khí trên động cơ DW10 ATED sử dụng giải pháp kỹ thuật nào để triệt tiêu khe hở xupap?
Động cơ sử dụng trục cam đơn (SOHC) dẫn động cò mổ loại con lăn (vòng bi kim) kết hợp cơ cấu con đội thủy lực. Khe hở xupap luôn được duy trì bằng 0 trong suốt quá trình vận hành nhờ áp lực dầu bôi trơn và lực ép của lò xo con đội.

5. Cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP) và cảm biến vị trí trục cam (CMP) phối hợp thế nào để xác định góc phun?
Cảm biến CKP là loại cảm ứng từ phát hiện vành răng bánh đà (60-2 răng) để đo tốc độ và vị trí góc quay trục khuỷu nhưng không phân biệt được kỳ nén hay kỳ thải. Cảm biến CMP là loại cảm biến Hall đặt sau kim phun số 4 để nhận biết vị trí trục cam và thời điểm phun của xylanh số 1, từ đó cung cấp tín hiệu góc chuẩn kết hợp với CKP giúp ECU điều khiển chính xác thời điểm phun.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Lê Thiên Chiến và Lương Khả Dũng đã thực hiện khảo sát toàn diện đặc tính kỹ thuật cơ khí và hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail trên động cơ diesel DW10 ATED. Bằng việc phân tích cấu tạo 3 mạch thủy lực, cụm bơm cao áp 3 piston hình sao, ống phân phối, kim phun điện từ và hệ thống cảm biến điều khiển, công trình đã làm rõ ưu điểm vượt trội của công nghệ phun dầu trực tiếp CDI so với các hệ thống truyền thống. Đây là tài liệu tổng hợp có giá trị tham khảo kỹ thuật cao cho công tác học tập, nghiên cứu và thực hành bảo dưỡng động cơ diesel thế hệ mới.