Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong kỹ thuật động cơ đốt trong, động cơ diesel sở hữu ưu thế về tính kinh tế nhiên liệu so với động cơ xăng. Tuy nhiên, các dòng động cơ diesel truyền thống tồn tại nhiều nhược điểm trong quá trình vận hành: phát thải lượng khói đen lớn khi tăng tốc, suất tiêu hao nhiên liệu ở một số chế độ còn cao, mức độ rung động và tiếng ồn lớn. Lịch sử phát triển động cơ diesel ghi nhận bằng sáng chế đầu tiên của kỹ sư Rudolf Diesel từ thế kỷ XIX (văn bản ghi mốc năm 1822) và từng bước hoàn thiện vào đầu thập niên 70 của thế kỷ XX. Ban đầu, các hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel chủ yếu sử dụng cơ cấu điều khiển cơ khí và thủy lực, khiến việc tối ưu hóa công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và thành phần khí thải gặp giới hạn, không đáp ứng kịp thời các chế độ vận hành thay đổi nhanh của động cơ.
Sự phát triển của công nghệ điện tử từ nửa sau thế kỷ XX đã thúc đẩy quá trình tự động hóa điều khiển động cơ. Bước chuyển biến lớn xuất hiện khi công nghệ điều khiển điện tử cho động cơ diesel được đưa ra thị trường (năm 1986 bởi Bosch), tiêu biểu là hệ thống nhiên liệu tích áp Common Rail (Common Rail Diesel). Hệ thống này cho phép tách biệt quá trình tạo áp suất với quá trình định lượng phun nhiên liệu, giúp kiểm soát chính xác lượng phun, thời điểm phun và tăng áp suất phun độc lập với tốc độ động cơ.
Đề tài đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel 4 xylanh" của sinh viên thực hiện tại Khoa Công nghệ Ô-tô & Kỹ thuật Hàng không, Trường Đại học Công nghệ Miền Đông, tập trung giải quyết bài toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail ứng dụng trên động cơ Duratorq 2.4L của hãng Ford (được trang bị phổ biến trên các dòng xe thương mại như Transit).
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu trong đồ án bao gồm:
- Nghiên cứu tổng quan về lịch sử, điều kiện làm việc và các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống nhiên liệu động cơ diesel.
- Phân tích phương án bố trí chung hệ thống nhiên liệu Common Rail điện tử trên ô tô.
- Khảo sát chi tiết đặc điểm kết cấu, nguyên lý làm việc của các cụm chi tiết trong hệ thống (thùng nhiên liệu, bơm thấp áp, bơm cao áp, van điều chỉnh áp suất, ống phân phối, kim phun) và mạng lưới các cảm biến điều khiển điện tử.
- Thực hiện tính toán nhiệt chu trình công tác của động cơ Duratorq 2.4L, xây dựng đồ thị công lý thuyết và hiệu chỉnh.
- Xác định các thông số hình học và thủy lực cơ bản của bơm cao áp và vòi phun nhiên liệu.
- Xác lập quy trình công nghệ chế tạo, kiểm tra cụm chi tiết và đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của hệ thống.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel trang bị cho động cơ diesel 4 kỳ, 4 xylanh thẳng hàng Ford Duratorq 2.4L.
- Phạm vi nghiên cứu: Tính toán nhiệt động học chu trình công tác; tính toán kích thước cơ bản cụm vòi phun và bơm cao áp; khảo sát cấu trúc hệ thống cảm biến - chấp hành điều khiển bởi bộ điều khiển điện tử (PCM/ECU); nghiên cứu quy trình chế tạo - kiểm tra chi tiết trong điều kiện kỹ thuật cơ khí ô tô.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên nhiệt động lực học động cơ đốt trong, cụ thể là phương pháp tính toán chu trình công tác thực tế của động cơ diesel bốn thì tăng áp/không tăng áp theo các giáo trình chuyên ngành:
- Giáo trình "Kết cấu và tính toán Động cơ đốt trong" của nhóm tác giả Hồ Tấn Chuẩn, Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tất Hiển (Đại học Bách Khoa).
- Giáo trình "Nguyên lý kết cấu Động cơ đốt trong" của tác giả Võ Văn Nhuận và Nguyễn Văn Trạng.
Khung lý thuyết vận hành hệ thống nhiên liệu dựa trên nguyên lý tích trữ năng lượng thủy lực trong ống phân phối (Rail) hoạt động như một "ắc quy thủy lực". Khác với hệ thống bơm cao áp cơ khí truyền thống (nơi áp suất phun phụ thuộc trực tiếp vào tốc độ trục cam động cơ), hệ thống Common Rail duy trì áp suất nhiên liệu cao liên tục từ 1500 đến 1600 bar (tối đa chịu đựng 2000 bar) trong toàn bộ dải tốc độ. Quy luật phun được phân chia thành ba giai đoạn:
- Phun sơ khởi (Pilot injection): Lượng nhiên liệu nhỏ (1–4 $\text{mm}^3$) được đưa vào trước điểm chết trên (ĐCT) tới $90^\circ$ (tối ưu thường lớn hơn $40^\circ$ trước ĐCT để tránh bám tường xylanh), giúp mồi cháy, tăng nhẹ áp suất cuối nén, giảm thời gian trễ cháy, giảm tiếng ồn và tải trọng va đập.
- Phun chính (Main injection): Cung cấp năng lượng chủ yếu để sinh công suất và mô-men xoắn cho chu trình.
- Phun thứ cấp (Secondary injection): Diễn ra trong quá trình giãn nở hoặc kỳ thải (khoảng $200^\circ$ sau ĐCT) nhằm đưa nhiên liệu chưa cháy vào đường xả để bốc hơi, hỗ trợ bộ xúc tác xử lý khí thải khử $\text{NO}_x$ và cấp nhiệt phục vụ hệ thống tuần hoàn khí xả EGR.
Phương pháp nghiên cứu thực tế được áp dụng trong đồ án:
- Phương pháp giải tích nhiệt kỹ thuật: Tính toán cân bằng nhiệt, xác định các thông số môi chất tại các điểm đặc trưng của chu trình công tác (quá trình nạp, quá trình nén, quá trình cháy, quá trình giãn nở), tính toán các chỉ tiêu chỉ thị và chỉ tiêu có ích.
- Phương pháp đồ thị: Xây dựng đồ thị công $P-V$ trên cơ sở phương trình đa biến đường nén ($P \cdot V^{n_1} = \text{const}$) và đường giãn nở ($P \cdot V^{n_2} = \text{const}$), thực hiện hiệu chỉnh đồ thị công để phản ánh sát thực tế cháy trễ và chuyển tiếp trạng thái.
- Phương pháp tính toán cơ học chất lỏng và kết cấu: Tính toán thể tích cấp nhiên liệu chu trình, xác định vận tốc và đường kính piston bơm cao áp, tính toán tiết diện lưu thông và đường kính lỗ tia vòi phun.
- Nguồn dữ liệu: Thông số kỹ thuật của động cơ Ford Duratorq 2.4L; các hằng số vật lý và công thức nhiệt động từ các tài liệu tham khảo chuyên ngành động cơ đốt trong.
Nội dung chính theo từng chương
I. Tổng quan về hệ thống nhiên liệu diesel
Chương này trình bày lịch sử hình thành động cơ diesel, so sánh đặc tính kinh tế giữa động cơ xăng và diesel, phân tích những tồn tại của hệ thống điều khiển cơ khí. Tác giả nêu rõ các điều kiện làm việc khắt khe của hệ thống nhiên liệu: dự trữ nhiên liệu, lọc sạch nước và tạp chất cơ học, cấp nhiên liệu chính xác về định lượng theo chế độ tải, đúng quy luật, đồng đều giữa các xylanh và phối hợp tia phun tối ưu với hình dạng buồng cháy thống nhất. Đồ án chỉ rõ mốc phát triển năm 1986 của Bosch và phân loại các thế hệ động cơ diesel ứng dụng trên các lĩnh vực: xe địa hình, máy cố định, hàng không (UAV), tàu thủy và động cơ diesel điện tử.
II.1 & II.2. Phân loại động cơ và phương án thiết kế hệ thống Common Rail
Tác giả lựa chọn phương án thiết kế hệ thống Common Rail Diesel bố trí trên ô tô: thùng nhiên liệu đặt phía sau xe, động cơ đặt phía trước, hệ thống ống dẫn nhiên liệu áp suất thấp bố trí dọc dưới gầm xe gồm hai đường (đường cấp và đường hồi). Đồ án phân tích ưu thế của hệ thống tích áp: áp suất phun đạt tới 1500–1600 bar, không phụ thuộc vào vòng tua máy; điều khiển góc phun sớm linh hoạt; phân định rõ ba giai đoạn phun (phun sơ khởi, phun chính, phun thứ cấp) giúp tối ưu hóa hòa khí, giảm phát thải bồ hóng và $\text{NO}_x$.
II.3. Đặc điểm kết cấu và nguyên lý hoạt động của các cụm chi tiết
Chương này mô tả chi tiết hình dáng, cấu tạo và nguyên lý của từng cụm cơ khí - thủy lực trong hệ thống:
- Thùng nhiên liệu: Dung tích 80 lít, chế tạo bằng thép lá dập, có vách ngăn giảm dao động chất lỏng, nắp có lỗ thông hơi, ống hút đặt cách đáy thùng 3 cm, có khoang lắng cặn và bu-lông xả nước.
- Bầu lọc nhiên liệu: Vỏ bằng nhựa, lõi lọc giấy, trang bị cảm biến báo mức nước dưới đáy kết nối với PCM và bu-lông xả cặn.
- Bơm chuyển nhiên liệu (bơm tiếp vận): Dạng bơm bánh răng ăn khớp ngoài tích hợp van an toàn (định mức áp suất 3,0–3,5 bar), trục bơm quay cùng trục bơm cao áp, dẫn động từ động cơ.
- Bơm cao áp: Bơm piston hướng kính gồm 3 piston đặt lệch nhau $120^\circ$, dẫn động từ trục cam hút qua khớp nối với tỷ số truyền tốc độ bằng $1/2$ tốc độ động cơ (tỷ số truyền làm việc 1:2 hoặc 1:3). Chuyển động tịnh tiến của piston được tạo bởi cam lệch tâm, hành trình hồi vị nhờ lò xo, bôi trơn trực tiếp bằng dầu diesel.
- Van điều chỉnh áp suất (SVC): Gá trên bơm cao áp, gồm van bi, lõi thép, lò xo và cuộn dây điện từ. Khi mất điện, van duy trì mở ở ngưỡng áp suất 100 bar nhờ lực lò xo; khi được cấp điện bằng xung PWM tần số 1 kHz từ bộ điều khiển, lực từ trường kết hợp lực lò xo điều chỉnh độ mở để duy trì áp suất ổn định.
- Ống phân phối (Rail): Hoạt động như ắc quy thủy lực, chứa nhiên liệu áp suất cao, triệt tiêu dao động áp suất nhờ tính co giãn của chất lỏng. Ống trang bị cảm biến áp suất FRP và một van an toàn cơ khí. Van an toàn được thiết kế xả dầu về thùng khi áp suất vượt quá 2000 bar; van này chỉ cho phép mở một lần và phải thay mới sau khi kích hoạt (PCM sẽ ghi nhận mã lỗi DTC).
- Ống dẫn cao áp: Chế tạo từ thép ống chịu áp lực cực lớn, kích thước đường kính ngoài 6 mm, đường kính trong 2,4 mm.
- Kim phun (vòi phun solenoid): Sử dụng nguyên lý khuếch đại thủy lực. Khi cuộn dây solenoid chưa có điện, áp lực dầu trong buồng điều khiển cộng với lực lò xo giữ kim phun đóng kín lỗ tia. Khi solenoid kích hoạt dòng điện mở nhanh, lỗ xả mở làm tụt áp suất trên đỉnh piston điều khiển, áp suất khoang chứa đẩy ty kim đi lên để phun nhiên liệu vào buồng đốt. Áp suất bắt đầu mở kim đạt 220–234 $\text{kG/cm}^2$, áp suất mở hoàn toàn đạt 415–433 $\text{kG/cm}^2$. Đầu vòi phun có đường kính $d_v = 3,2\text{ mm}$ với 5 lỗ phun tia.
| Cụm chi tiết |
Kiểu kết cấu / Thông số chính |
Chức năng kỹ thuật chính |
| Thùng nhiên liệu |
Dung tích 80 lít, thép lá dập, vách ngăn chống sánh |
Chứa nhiên liệu dự trữ, lắng đọng nước và cặn |
| Bơm tiếp vận |
Bơm bánh răng ăn khớp ngoài, áp suất 3–3,5 bar |
Hút nhiên liệu qua lọc cấp đến bơm cao áp |
| Bơm cao áp |
3 piston hướng kính lệch $120^\circ$, cam lệch tâm |
Nén nhiên liệu lên áp suất cao (đến 1600 bar) |
| Van điều chỉnh áp suất |
Van bi kết hợp nam châm điện PWM (tần số 1 kHz) |
Ổn định áp suất rail, bù dao động dòng chảy |
| Ống phân phối (Rail) |
Ống thép tích áp, van an toàn mở ở 2000 bar |
Tích lũy áp suất, giảm dao động thủy lực |
| Ống dẫn cao áp |
Thép chịu áp lực, $\varnothing_{\text{ngoài}} = 6\text{ mm}, \varnothing_{\text{trong}} = 2,4\text{ mm}$ |
Dẫn nhiên liệu cao áp từ bơm vào rail và tới kim |
| Kim phun điện từ |
Van điện từ solenoid, đầu kim $d_v = 3,2\text{ mm}$, 5 lỗ tia |
Phun tơi nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt |
II.3.6. Các hệ thống cảm biến và điều khiển hệ thống nhiên liệu Common Rail
Đồ án khảo sát cấu tạo và nguyên lý mạch của các cảm biến tín hiệu đầu vào gửi về PCM/ECU:
- Cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP): Sử dụng màng silicon gắn điện trở áp điện mắc thành mạch cầu Wheatstone, buồng kín duy trì chân không chuẩn, cấp nguồn 5V, xuất tín hiệu điện áp PIM giúp PCM xác định lượng khí nạp cơ bản.
- Cảm biến nhiệt độ khí nạp (IAT): Nhiệt điện trở âm NTC (nhiệt độ tăng thì điện trở giảm), lắp trên ống góp hút hoặc sau dàn làm mát khí nạp, kết nối mạch phân áp nguồn 5V qua chân THA và E2 của PCM.
- Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (ECT): Nhiệt điện trở âm NTC, nhận biết nhiệt độ khối động cơ để hiệu chỉnh độ đậm đặc hỗn hợp khi khởi động lạnh và điều khiển đóng ngắt quạt làm mát.
- Cảm biến vị trí bàn đạp ga: Lựa chọn loại cảm biến hiệu ứng Hall kép (tạo hai đường tín hiệu độc lập VPA và VPA2 để tăng độ tin cậy, tránh xung đột lỗi), ghi nhận độ mở bàn đạp ga theo chuyển động xoay của nam châm quanh IC Hall.
- Cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP): Cảm biến điện từ biến thiên từ trở (cuộn dây lõi từ), quét qua vành răng bánh đà có răng khuyết. Tín hiệu phát ra dạng xoay chiều hình sin có tần số và biên độ tỷ lệ với tốc độ động cơ, sau đó được mạch nắn thành xung vuông 5V báo về PCM. Cảm biến phát 1 xung/vòng quay.
- Cảm biến vị trí trục cam (CMP): Cảm biến hiệu ứng Hall lắp ở nắp máy phía sau kim phun số 4, quét qua đĩa tín hiệu G trên trục cam. Cứ mỗi 2 vòng quay trục khuỷu, cảm biến tạo ra 5 xung, trong đó có 1 xung chuẩn nhận diện thời điểm cuối kỳ nén của xylanh số 1.
- Cảm biến áp suất nhiên liệu (FRP): Lắp ở đầu ống rail, phần tử bán dẫn gắn trên màng kim loại biến dạng (mức biến dạng khoảng 1 mm ở áp suất 1600 bar). Điện áp đầu ra từ 0–70 mV được mạch tích hợp khuếch đại thành 0,5–4,5V đưa về PCM, độ chính xác đo đạt khoảng 2%.
II.4. Thiết kế kỹ thuật và tính toán nhiệt
Tác giả tổng hợp các thông số kỹ thuật xuất phát điểm của động cơ Duratorq 2.4L Ford Transit:
| Thông số động cơ |
Giá trị |
Đơn vị |
| Kiểu động cơ |
Động cơ diesel 4 kỳ, 4 xylanh thẳng hàng |
- |
| Thứ tự nổ |
1 - 3 - 4 - 2 |
- |
| Đường kính xylanh ($D$) |
89,9 |
mm |
| Hành trình piston ($S$) |
94,6 |
mm |
| Dung tích công tác tổng ($V_h$) |
2402 |
$\text{cm}^3$ |
| Tỷ số nén ($\varepsilon$) |
17,5 : 1 |
- |
| Công suất định mức ($N_e$) |
74 (tại 3500 vòng/phút) |
kW |
| Mô-men xoắn cực đại ($M_e$) |
375 (tại 2000 vòng/phút) |
Nm |
| Kiểu buồng cháy |
Buồng cháy thống nhất, 4 xupáp/xylanh |
- |
| Góc phun sớm ($\varphi_p$) |
21 |
độ trước ĐCT |
Quy trình tính toán nhiệt và cơ học chất lỏng trong đồ án triển khai qua các bước:
- Tính toán nhiệt chu trình công tác: Xác định các thông số quá trình nạp (áp suất khí nạp $P_k$, nhiệt độ $T_k$, hệ số nạp $\eta_v$, hệ số khí sót $\gamma_r$); tính toán quá trình nén với chỉ số nén đa biến trung bình $n_1 = 1,368$; tính toán cân bằng hóa học quá trình cháy với lượng không khí lý thuyết $M_0$, hệ số dư lượng không khí $\alpha = 1,66$, tìm được nhiệt độ cực đại chu trình $T_z = 2036\text{ K}$ thông qua giải phương trình bậc hai cân bằng nhiệt ($0,003 T_z^2 + 30,285 T_z + C = 0$).
- Xây dựng đồ thị công: Tính toán các điểm trạng thái áp suất - thể tích trên đường nén ($P_{nx} = P_c \cdot X^{n_1}$) và đường giãn nở ($P_{gnx} = P_z \cdot X^{n_2}$), xác định điểm áp suất cực đại $P_z = 12,04\text{ MN/m}^2$, tiến hành làm tròn các góc chuyển tiếp $c-c''$, $y-z'$, $b-b'$ để hoàn thiện đồ thị công kín $P-V$.
- Tính toán thông số bơm cao áp:
- Thể tích nhiên liệu cấp cho một chu trình công tác: $V_{cr} = 95 \cdot \frac{V_h}{\alpha \cdot \eta_c} = 42,92\text{ mm}^3/\text{l}$ (với hệ số cung cấp $\eta_c = 0,75$; $\alpha = 1,66$).
- Xác định vận tốc trung bình của piston bơm: $C_p = 2 \cdot f_{pr} \cdot S_{pr} = 746,67\text{ mm/s}$ (tương ứng $44800\text{ mm/ph}$), dựa trên số vòng quay bơm cao áp $n_c = 1650\text{ vg/ph}$, hệ số lưu lượng cực đại $K = 1,4$ và góc phun sớm $\varphi_p = 21^\circ$.
- Tính toán thông số vòi phun: Xác định lưu lượng phun cực đại, tổng diện tích tiết diện lưu thông của 5 lỗ phun tính theo công thức thủy lực với hệ số lưu lượng $\mu_d = 0,75 \cdot 10^{-3}\text{ kG/dm}^3$, áp suất nhiên liệu trong thân vòi phun $P_p = 200\text{ MN/m}^2$, áp suất buồng cháy cực đại $P_z$, từ đó suy ra đường kính lỗ phun tính toán.
II.5 & II.6. Thiết kế công nghệ và thiết kế kinh tế
- Thiết kế công nghệ: Thiết lập trình tự công nghệ chế tạo chi tiết cơ khí chính xác: nghiên cứu bản vẽ, xác định dạng sản xuất, lựa chọn phôi, thứ tự nguyên công gá đặt gia công cắt gọt, nhiệt luyện, mài và đánh bóng. Quy trình kiểm tra chất lượng được quy định nghiêm ngặt qua từng công đoạn: kiểm tra dung sai kích thước, độ cứng bề mặt, chiều dày chi tiết chịu áp lực cao, kiểm tra rò rỉ thủy lực và vận hành thử nghiệm trước khi xuất xưởng.
- Thiết kế kinh tế: Đánh giá khả năng cắt giảm suất tiêu hao nhiên liệu, giảm lượng phát thải bồ hóng và tiếng ồn, từ đó hạ giá thành vận hành và đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường khắt khe.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật định lượng và giải pháp kết cấu cụ thể:
- Xác lập bộ thông số nhiệt động của động cơ Ford Duratorq 2.4L: xác định chỉ số nén đa biến $n_1 = 1,368$, nhiệt độ cực đại chu trình cháy $T_z = 2036\text{ K}$, áp suất cháy cực đại $P_z = 12,04\text{ MN/m}^2$, hoàn thành việc vẽ và hiệu chỉnh đồ thị công $P-V$.
- Tính toán thành công các kích thước cơ bản của hệ thống nhiên liệu: thể tích cấp nhiên liệu cho một chu trình $V_{cr} = 42,92\text{ mm}^3/\text{l}$; vận tốc piston bơm cao áp $C_p = 746,67\text{ mm/s}$ tại tốc độ trục bơm $1650\text{ vòng/phút}$; xác định kết cấu vòi phun 5 lỗ tia với đường kính đầu kim $d_v = 3,2\text{ mm}$.
- Đề xuất giải pháp tích hợp mạng lưới cảm biến điện tử (cảm biến vị trí bàn đạp ga loại Hall kép, cảm biến CKP điện từ, CMP Hall, MAP và FRP áp điện) kết nối với PCM điều khiển kim phun solenoid 3 giai đoạn phun độc lập, duy trì dải áp suất công tác 1500–1600 bar.
- Đóng góp của tác giả: Hệ thống hóa phương pháp tính toán nhiệt chu trình công tác kết hợp với bài toán thiết kế kích thước hình học hệ thống Common Rail cho dòng động cơ diesel thương mại Duratorq 2.4L; xây dựng quy trình công nghệ chế tạo và kiểm tra từng bước cho các chi tiết làm việc trong môi trường áp suất cao.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Nội dung tính toán nhiệt và thủy lực của đồ án chủ yếu dựa trên các công thức giải tích lý thuyết và bảng tra cứu truyền thống; chưa có dữ liệu đo đạc thực nghiệm trên băng thử công suất (dynamometer) để kiểm chứng suất tiêu hao nhiên liệu thực tế; chưa tiến hành đo nồng độ các thành phần khí xả ($\text{NO}_x$, HC, CO, độ khói) trên xe thực tế.
- Hướng mở: Tiến hành thử nghiệm lắp đặt và chạy tải thực tế hệ thống nhiên liệu trên động cơ Ford Duratorq 2.4L; ứng dụng các phần mềm mô phỏng dòng chảy (CFD) để khảo sát biên dạng hòa trộn tia phun trong buồng cháy; nghiên cứu sâu thuật toán điều khiển PID và lập bản đồ thời gian phun (fuel map) trong bộ nhớ PCM.
Giá trị tham khảo
Đồ án có giá trị tham khảo hữu ích cho:
- Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Hàng không khi làm đồ án môn học Động cơ đốt trong hoặc đồ án tốt nghiệp liên quan đến hệ thống nhiên liệu diesel điện tử.
- Kỹ sư, kỹ thuật viên xưởng dịch vụ ô tô cần tài liệu tra cứu thông số kỹ thuật, cấu tạo chi tiết các cụm bơm cao áp, kim phun, van SCV và sơ đồ mạch chân tín hiệu các cảm biến điều khiển động cơ Ford Transit Duratorq 2.4L.
- Phần đáng tham khảo nhất: Phương pháp tính toán nhiệt từng bước có số liệu chi tiết để lập đồ thị công, cùng phần giải thích nguyên lý hoạt động của kim phun điện từ khuếch đại thủy lực và van điều khiển áp suất rail.
Câu hỏi thường gặp
1. Động cơ Ford Duratorq 2.4L trong đồ án có các thông số kỹ thuật cơ bản nào?
Động cơ có cấu hình 4 kỳ, 4 xylanh thẳng hàng, thứ tự làm việc 1-3-4-2. Đường kính xylanh $D = 89,9\text{ mm}$, hành trình piston $S = 94,6\text{ mm}$, tổng dung tích công tác $2402\text{ cm}^3$, tỷ số nén $\varepsilon = 17,5 : 1$. Công suất cực đại đạt $74\text{ kW}$ tại $3500\text{ vòng/phút}$, mô-men xoắn cực đại đạt $375\text{ Nm}$ tại $2000\text{ vòng/phút}$, góc phun sớm định mức là $21^\circ$ trước ĐCT.
2. Nguyên lý hoạt động của van an toàn trên ống phân phối (Rail) có đặc điểm gì đặc biệt?
Van an toàn cơ khí lắp ở cuối ống rail được thiết kế để mở khi áp suất nhiên liệu trong ống vượt ngưỡng giới hạn $2000\text{ bar}$ nhằm xả dầu về thùng chứa, bảo vệ các cụm chi tiết áp lực. Điểm đặc biệt theo văn bản là van này chỉ được phép mở một lần; khi đã kích hoạt mở xả áp, van bắt buộc phải thay thế mới và hệ thống điều khiển PCM sẽ lưu lại mã lỗi chẩn đoán (DTC) đồng thời bật đèn cảnh báo.
3. Bơm cao áp Common Rail trong đồ án có kết cấu và tỷ số truyền như thế nào?
Bơm cao áp gồm 3 piston bố trí hướng kính lệch nhau $120^\circ$, truyền động qua cam lệch tâm và hồi vị bằng lò xo, giúp giảm thiểu rung động và giữ tải trọng truyền động đồng đều. Bơm được gá bên trái nắp máy, nối trực tiếp với trục cam hút và quay với tốc độ bằng $1/2$ tốc độ trục khuỷu động cơ (tỷ số truyền làm việc 1:2 hoặc 1:3; trong tính toán thiết kế tốc độ quay danh định của bơm là $1650\text{ vòng/phút}$).
4. Hệ thống cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP) và trục cam (CMP) phối hợp thế nào để PCM nhận biết thời điểm phun?
Cảm biến CKP là loại cảm biến biến thiên từ trở (cuộn dây lõi từ) quét qua vành răng bánh đà, phát ra tín hiệu hình sin nắn thành xung vuông 5V (tạo 1 xung/vòng quay) để PCM tính tốc độ và vị trí góc quay trục khuỷu. Cảm biến CMP là loại Hall đặt tại nắp máy quét qua đĩa tín hiệu trên trục cam, tạo ra 5 xung sau mỗi 2 vòng quay động cơ, trong đó có 1 xung điều khiển chuẩn. PCM kết hợp hai tín hiệu này để xác định chính xác thời điểm cuối kỳ nén của xylanh số 1 và góc quay tương ứng của từng xylanh để ra lệnh mở kim phun.
5. Kết quả tính toán nhiệt và kích thước hệ thống nhiên liệu đưa ra những con số nào?
Quá trình tính toán chu trình công tác xác định chỉ số nén đa biến trung bình $n_1 = 1,368$, nhiệt độ cháy cực đại $T_z = 2036\text{ K}$, áp suất cháy cực đại trên đồ thị công $P_z = 12,04\text{ MN/m}^2$. Thể tích cấp nhiên liệu cho một chu trình công tác tính được là $V_{cr} = 42,92\text{ mm}^3/\text{l}$, vận tốc piston bơm cao áp đạt $C_p = 746,67\text{ mm/s}$ và cụm vòi phun sử dụng đầu kim có đường kính $3,2\text{ mm}$ với 5 lỗ tia phun.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp đã giải quyết hoàn chỉnh nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật hệ thống nhiên liệu Common Rail cho động cơ diesel 4 xylanh Ford Duratorq 2.4L. Công trình đã kết hợp đồng bộ giữa lý thuyết tính toán chu trình công tác nhiệt động học để xây dựng đồ thị công với việc xác định các thông số hình học, thủy lực của bơm cao áp và vòi phun. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật rõ ràng về kết cấu các cụm chi tiết áp lực cao, sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến điều khiển điện tử và quy trình công nghệ chế tạo, phục vụ thiết thực cho công tác đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật ô tô.
