Đồ án thiết kế hệ thống nhiên liệu cho động cơ diesel 4 xylanh

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Công Nghệ Ô Tô
• Đề tài: Hệ Thống Nhiên Liệu Common Rail Trong Động Cơ Diesel
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về hệ thống nhiên liệu diesel
• 1.2. Điều kiện làm việc của hệ thống nhiên liệu diesel
• 1.3. Yêu cầu của hệ thống nhiên liệu diesel
• 2. CHƯƠNG 2: PHẦN THIẾT KẾ
• 2.1. Phân loại động cơ
• 2.2. Phương án thiết kế động cơ diesel điện tử với ống phân phối (Common Rail system)
• 2.2.1. Sơ lược về hệ thống Common Rail system
• 2.2.2. Phương án thiết kế
• 2.3. Thiết kế bố trí chung
• 2.3.1. Khái quát hệ thống nhiên liệu Diesel điện tử với ống phân phối
• 2.4. Nguyên lý hoạt động
• 2.5. Những đặc tính của hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l
• 2.6. Nhiệm vụ và yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu động cơ Duratorq 2.4l
• 2.7. Đặc tính phun của hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l
• 2.7.1. Ưu điểm của hệ thống nhiên liệu này
• 2.7.2. Đặc tính phun của hệ thống Common Rail
• 2.8. Thiết kế kỹ thuật
• TƯ LIỆU THAM KHẢO

I. Nguyên tắc cốt lõi khi thiết kế hệ thống nhiên liệu diesel

Việc thiết kế hệ thống nhiên liệu cho động cơ diesel 4 xylanh là một bài toán kỹ thuật phức tạp, đòi hỏi sự cân bằng giữa hiệu suất, tính kinh tế và các tiêu chuẩn về môi trường. Một hệ thống được thiết kế tối ưu phải đảm bảo cung cấp nhiên liệu chính xác về cả lưu lượng và thời điểm cho từng chu trình làm việc của động cơ. Mục tiêu chính là tạo ra quá trình cháy hoàn hảo, khai thác tối đa năng lượng từ nhiên liệu, đồng thời giảm thiểu tiếng ồn và khí thải độc hại. Lịch sử phát triển của động cơ diesel đã chứng kiến nhiều cải tiến, từ các hệ thống điều khiển cơ khí đơn thuần đến các hệ thống phun dầu điện tử hiện đại. Trong đó, hệ thống common rail đã trở thành một cuộc cách mạng, giải quyết được nhiều nhược điểm cố hữu của các thế hệ trước. Nó cho phép điều khiển độc lập áp suất phun và lượng phun, mang lại sự linh hoạt và độ chính xác vượt trội. Để bắt đầu quá trình thiết kế, việc nắm vững các yêu cầu cơ bản và phân loại được các hệ thống hiện có là bước đi nền tảng. Điều này giúp xác định phương án phù hợp nhất với mục tiêu công suất, momen xoắn và tiêu chuẩn khí thải Euro 4/5 mà động cơ cần đáp ứng, đặc biệt là với các dòng động cơ phổ biến như động cơ D4CB hay động cơ 4D56.

1.1. Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu

Một hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel phải thỏa mãn nhiều yêu cầu nghiêm ngặt. Đầu tiên là độ tin cậy và độ bền, đảm bảo hoạt động ổn định trong thời gian dài. Thứ hai, hệ thống phải cung cấp nhiên liệu với lưu lượng phù hợp cho từng chế độ làm việc, phun đúng thời điểm và đồng đều vào các xylanh. Thứ ba, quá trình phun phải tạo ra các tia nhiên liệu tơi, phân bố đều trong buồng cháy để hòa khí hình thành nhanh chóng và tối ưu. Điều này phụ thuộc rất nhiều vào áp suất phun nhiên liệu và thiết kế của vòi phun. Cuối cùng, hệ thống cần dễ dàng trong sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa, với chi phí hợp lý. Những yêu cầu này là kim chỉ nam cho toàn bộ quá trình thiết kế hệ thống nhiên liệu cho động cơ diesel 4 xylanh.

1.2. Phân loại các hệ thống phun dầu diesel phổ biến hiện nay

Hiện nay, có nhiều loại hệ thống nhiên liệu diesel, nhưng phổ biến nhất là hệ thống sử dụng bơm-vòi phun kết hợp (PLD) và hệ thống tích áp (Common Rail). Các hệ thống cơ khí cũ, dù đơn giản, nhưng khó đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng khắt khe. Hệ thống Common Rail Diesel nổi lên như một giải pháp vượt trội. Nó tách biệt quá trình tạo áp suất và quá trình phun, cho phép duy trì áp suất phun nhiên liệu cực cao và ổn định (lên đến 2000 bar) trong một ống tích áp chung (rail). Từ đó, ECU điều khiển động cơ có thể quyết định chính xác thời điểm và thời gian mở kim phun, tạo ra các lần phun mồi (pilot injection) và phun chính, giúp động cơ vận hành êm ái, mạnh mẽ và tiết kiệm hơn.

II. Thách thức khi thiết kế hệ thống nhiên liệu diesel hiện đại

Việc thiết kế một hệ thống nhiên liệu diesel hiện đại không chỉ dừng lại ở việc cung cấp dầu cho động cơ. Các kỹ sư phải đối mặt với nhiều thách thức lớn, đặc biệt là việc tuân thủ các tiêu chuẩn khí thải Euro 4/5 ngày càng nghiêm ngặt. Khí thải động cơ diesel, đặc biệt là NOx và hạt muội (khói đen), là những tác nhân gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Để giải quyết vấn đề này, hệ thống nhiên liệu cần được cải tiến để tối ưu hóa quá trình cháy. Điều này đòi hỏi áp suất phun nhiên liệu rất cao, điều khiển phun đa điểm và kết hợp với các công nghệ xử lý khí thải như van EGR (Tuần hoàn khí xả). Hơn nữa, người dùng luôn yêu cầu động cơ phải có hiệu suất cao, tiết kiệm nhiên liệu nhưng vẫn phải vận hành êm ái. Sự mâu thuẫn giữa việc tăng công suất và giảm ô nhiễm là một bài toán khó, đòi hỏi các giải pháp thiết kế tinh vi và sự trợ giúp của hệ thống điều khiển điện tử thông minh. Các hệ thống điều khiển bằng cơ khí truyền thống gần như không thể đáp ứng được những yêu cầu phức tạp này.

2.1. Hạn chế cố hữu của các hệ thống điều khiển bằng cơ khí

Các hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển bằng cơ khí, dù bền bỉ, nhưng bộc lộ nhiều hạn chế. Áp suất phun phụ thuộc trực tiếp vào tốc độ động cơ, dẫn đến việc phun kém hiệu quả ở vòng tua thấp. Thời điểm phun và lượng phun được điều khiển một cách cơ học, thiếu linh hoạt và độ chính xác không cao. Điều này gây ra tiếng ồn lớn, tiêu hao nhiên liệu cao và đặc biệt là lượng khói đen thải ra nhiều khi tăng tốc. Việc cải tiến để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải mới gần như là bất khả thi nếu không có sự can thiệp của điện tử. Đây là lý do chính thúc đẩy sự ra đời và phổ biến của các hệ thống phun dầu điện tử.

2.2. Áp lực từ tiêu chuẩn khí thải và hiệu suất nhiệt động cơ

Các tiêu chuẩn khí thải Euro 4/5 đặt ra yêu cầu rất cao về việc giảm thiểu NOx và các hạt vật chất (PM). Để đạt được điều này, quá trình cháy phải được kiểm soát chặt chẽ. Việc tăng áp suất phun nhiên liệu giúp nhiên liệu được xé tơi hơn, hòa trộn tốt hơn với không khí và cháy sạch hơn. Tuy nhiên, nhiệt độ buồng cháy cao lại làm tăng phát sinh NOx. Để cân bằng, các hệ thống hiện đại thường sử dụng van EGR để đưa một phần khí xả ngược lại buồng đốt, làm giảm nhiệt độ cháy. Toàn bộ quá trình này phải được tính toán để không làm ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất nhiệt động cơ diesel, đảm bảo động cơ vẫn mạnh mẽ và tiết kiệm.

III. Hướng dẫn thiết kế hệ thống Common Rail diesel 4 xylanh

Phương án thiết kế tối ưu cho động cơ diesel 4 xylanh hiện đại là sử dụng hệ thống Common Rail. Hệ thống này cung cấp một giải pháp toàn diện cho các thách thức về hiệu suất và khí thải. Quá trình thiết kế bắt đầu bằng việc xây dựng một sơ đồ hệ thống nhiên liệu diesel hoàn chỉnh, bao gồm ba khối chính: khối cấp dầu thấp áp, khối cấp dầu cao áp và khối điều khiển điện tử. Khối thấp áp có nhiệm vụ hút nhiên liệu từ thùng chứa, qua bộ lọc nhiên liệu diesel, và đưa đến bơm cao áp. Khối cao áp, trái tim của hệ thống, bao gồm bơm cao áp CP1/CP2/CP3, ống phân phối (rail) và các kim phun điện tử diesel. Khối điều khiển gồm ECU điều khiển động cơ và một mạng lưới các cảm biến. Nguyên lý cơ bản là bơm cao áp sẽ liên tục nén và duy trì một áp suất cực lớn trong ống rail. ECU sẽ dựa vào tín hiệu từ các cảm biến để điều khiển van điện từ trên kim phun, quyết định thời điểm và lượng nhiên liệu phun vào buồng đốt. Thiết kế này đảm bảo nguyên lý phun nhiên liệu trực tiếp được thực hiện với độ chính xác cao nhất.

3.1. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của hệ thống Common Rail

Nguyên lý hoạt động bắt đầu khi nhiên liệu được bơm từ thùng chứa, qua lọc và được đưa tới bơm cao áp. Bơm cao áp nén nhiên liệu lên áp suất rất cao (có thể lên tới 2000 bar) và đẩy vào ống phân phối chung (Common Rail). Ống này hoạt động như một bình tích áp, luôn duy trì một áp suất ổn định, sẵn sàng cung cấp cho các kim phun. Mỗi kim phun điện tử diesel được kết nối với ống rail và được điều khiển bởi ECU. Dựa trên dữ liệu từ các cảm biến, ECU sẽ gửi tín hiệu điện để mở kim phun, cho phép nhiên liệu áp suất cao phun vào xylanh. Lượng nhiên liệu dư sẽ được hồi về thùng chứa. Cảm biến áp suất ống rail liên tục theo dõi và gửi tín hiệu về ECU để điều chỉnh hoạt động của bơm cao áp, đảm bảo áp suất trong rail luôn ổn định.

3.2. Cấu tạo chi tiết các thành phần chính trong hệ thống

Các thành phần chính bao gồm: 1) Bơm cao áp: Thường là loại bơm piston hướng kính (radial-piston pump) như dòng bơm cao áp CP1/CP2/CP3, có nhiệm vụ tạo ra áp suất nhiên liệu cực lớn. 2) Ống phân phối (Rail): Một ống thép dày, chịu được áp suất cao, có vai trò tích trữ và điều hòa áp suất nhiên liệu. 3) Kim phun điện tử diesel: Là cơ cấu chấp hành cuối cùng, điều khiển bằng van điện từ (solenoid) hoặc áp điện (piezo), quyết định lượng và thời điểm phun. 4) ECU và các cảm biến: Bộ não của hệ thống, xử lý thông tin và ra lệnh cho các cơ cấu chấp hành. Các thành phần này phối hợp nhịp nhàng để tạo ra một hệ thống phun nhiên liệu hiệu quả và chính xác.

IV. Phương pháp tính toán kỹ thuật hệ thống nhiên liệu diesel

Sau khi lựa chọn phương án thiết kế, bước tiếp theo là tiến hành tính toán kỹ thuật chi tiết. Đây là giai đoạn quan trọng, quyết định các thông số vận hành của hệ thống. Nhiệm vụ của tính toán nhiệt là xác định các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ dựa trên các thông số ban đầu như công suất, vòng tua, tỷ số nén. Kết quả của quá trình này là xây dựng được đồ thị công, một tài liệu cơ bản cho việc tính toán động học và động lực học. Dựa trên đồ thị công và suất tiêu hao nhiên liệu, các kỹ sư sẽ tiến hành tính toán lưu lượng nhiên liệu cần cung cấp cho mỗi chu trình ở các chế độ tải khác nhau. Từ đó, lựa chọn và tính toán các thông số cơ bản cho các bộ phận quan trọng nhất là bơm cao áp và vòi phun. Việc mô phỏng hệ thống nhiên liệu trên phần mềm chuyên dụng cũng là một bước cần thiết để kiểm nghiệm và tối ưu hóa các thông số trước khi chế tạo. Toàn bộ quá trình tính toán này thường được trình bày chi tiết trong các đồ án động cơ diesel chuyên ngành.

4.1. Các bước tính toán nhiệt và xây dựng đồ thị công Work Diagram

Tính toán nhiệt bắt đầu bằng việc xác định các thông số ở các điểm cuối của các quá trình nạp, nén, cháy, và giãn nở. Các phương trình nhiệt động lực học được áp dụng để tính toán áp suất, nhiệt độ và thể tích trong xylanh tại mỗi giai đoạn. Như trong tài liệu gốc, phương pháp tính toán của Hồ Tấn Chuẩn và các cộng sự (tài liệu [1]) thường được sử dụng làm cơ sở. Kết quả cuối cùng là các chỉ tiêu như áp suất chỉ thị trung bình (pi) và hiệu suất chỉ thị (ηi). Từ các giá trị này, đồ thị công được xây dựng, mô tả mối quan hệ giữa áp suất và thể tích trong xylanh trong suốt một chu trình làm việc, cung cấp cái nhìn trực quan về công do động cơ sinh ra.

4.2. Công thức xác định thông số bơm cao áp và kim phun

Dựa trên lượng nhiên liệu cần cung cấp cho một chu trình (Vcr), các thông số của bơm cao áp được xác định. Đường kính piston bơm (dpr) được tính toán dựa trên thể tích nhiên liệu và hành trình bơm, đảm bảo bơm có thể cung cấp đủ lưu lượng ở vòng tua định mức. Đối với vòi phun, thông số quan trọng nhất là tổng tiết diện lưu thông của các lỗ phun (Σf). Thông số này quyết định tốc độ phun và chất lượng tia phun, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hòa trộn và hiệu quả cháy. Đường kính mỗi lỗ phun được tính toán để đảm bảo nhiên liệu được phun tơi và phân bố đều trong buồng cháy, phù hợp với áp suất phun nhiên liệu đã được thiết kế.

V. Vai trò của ECU và các cảm biến trong hệ thống nhiên liệu

Nếu hệ thống Common Rail là trái tim thì khối điều khiển điện tử (ECU) và mạng lưới cảm biến chính là bộ não và hệ thần kinh. ECU điều khiển động cơ đóng vai trò trung tâm, tiếp nhận và xử lý hàng loạt tín hiệu từ các cảm biến đặt khắp động cơ trong thời gian thực. Các tín hiệu này bao gồm tốc độ động cơ, vị trí trục khuỷu và trục cam, tải động cơ (thông qua vị trí bàn đạp ga), áp suất và nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ nước làm mát và quan trọng nhất là áp suất thực tế trong ống rail. Dựa trên một bản đồ điều khiển (map) được lập trình sẵn, ECU sẽ tính toán ra thời điểm phun tối ưu, thời gian mở kim phun (quyết định lượng phun) và điều khiển bơm cao áp để duy trì áp suất mong muốn. Việc bảo dưỡng hệ thống phun dầu điện tử đòi hỏi các thiết bị chẩn đoán chuyên dụng để có thể giao tiếp với ECU và đọc mã lỗi, giúp xác định chính xác nguyên nhân hư hỏng. Sự chính xác của hệ thống điều khiển điện tử là yếu tố quyết định đến hiệu quả cuối cùng của việc thiết kế hệ thống nhiên liệu cho động cơ diesel 4 xylanh.

5.1. Phân tích tín hiệu từ các cảm biến chính CKP CMP MAP

Các cảm biến cốt lõi bao gồm: Cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP) cung cấp thông tin về tốc độ động cơ và vị trí piston, là tín hiệu cơ bản nhất cho việc tính toán thời điểm phun. Cảm biến vị trí trục cam (CMP) giúp ECU xác định chính xác xylanh nào đang ở cuối kỳ nén để phun nhiên liệu đúng thứ tự. Cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP) đo tải của động cơ, giúp ECU điều chỉnh lượng phun cho phù hợp. Sự kết hợp chính xác của các tín hiệu này cho phép ECU điều khiển động cơ một cách thông minh và linh hoạt.

5.2. Nguyên lý ECU điều khiển kim phun và bơm cao áp

Sau khi nhận và xử lý tín hiệu, ECU sẽ gửi một xung điện đến kim phun của xylanh cần phun. Độ rộng của xung điện này (pulse width) sẽ quyết định thời gian van điện từ trên kim mở, từ đó điều chỉnh chính xác lượng nhiên liệu được phun vào. Đồng thời, ECU cũng điều khiển một van điều áp (thường nằm trên bơm cao áp hoặc trên ống rail) để điều chỉnh lượng nhiên liệu vào bơm hoặc xả bớt áp suất thừa, nhằm duy trì áp suất trong ống rail đúng bằng giá trị mà ECU đã tính toán. Quá trình này diễn ra liên tục và cực kỳ nhanh chóng, đảm bảo động cơ phản ứng tức thời với mọi thay đổi về điều kiện vận hành.

VI. Đánh giá hiệu quả và tương lai của thiết kế Common Rail

Việc áp dụng phương án thiết kế hệ thống nhiên liệu cho động cơ diesel 4 xylanh sử dụng công nghệ Common Rail đã mang lại những kết quả vượt trội. Tài liệu nghiên cứu cho thấy, so với hệ thống cơ khí, động cơ sử dụng Common Rail có công suất tăng, momen xoắn ở dải tốc độ thấp được cải thiện đáng kể, giúp xe tăng tốc tốt hơn. Quan trọng hơn, suất tiêu hao nhiên liệu giảm rõ rệt, mang lại hiệu quả kinh tế cao cho người sử dụng. Tiếng ồn động cơ cũng giảm đáng kể do có giai đoạn phun mồi, làm quá trình cháy diễn ra êm dịu hơn. Về mặt môi trường, khả năng kiểm soát chính xác quá trình phun giúp giảm thiểu lượng khói đen và các chất độc hại, đáp ứng được các tiêu chuẩn khí thải Euro 4/5. Tương lai của công nghệ này sẽ tiếp tục phát triển theo hướng tăng áp suất phun cao hơn nữa, sử dụng kim phun áp điện (piezo) với tốc độ đáp ứng nhanh hơn và tích hợp sâu hơn với các hệ thống hỗ trợ khác như turbo tăng áp và van EGR để tạo ra những động cơ diesel ngày càng mạnh mẽ, sạch sẽ và hiệu quả.

6.1. So sánh hiệu quả về công suất kinh tế và khí thải

Các nghiên cứu và ứng dụng thực tế trên các động cơ như Ford Duratorq 2.4L đã chứng minh tính ưu việt của hệ thống Common Rail. Hiệu suất nhiệt động cơ diesel được cải thiện nhờ quá trình cháy tối ưu. Lượng phun được kiểm soát chính xác giúp giảm tiêu hao nhiên liệu từ 10-15% so với hệ thống cũ. Áp suất phun cao và khả năng phun đa điểm giúp giảm mạnh lượng hạt muội (khói đen) và NOx, góp phần bảo vệ môi trường. Những ưu điểm này làm cho công nghệ Common Rail trở thành tiêu chuẩn vàng cho động cơ diesel hiện đại.

6.2. Xu hướng phát triển và cải tiến hệ thống nhiên liệu diesel

Công nghệ nhiên liệu diesel không ngừng phát triển. Các hệ thống Common Rail thế hệ mới đang hướng tới áp suất phun trên 2500 bar. Kim phun áp điện (piezo) thay thế cho kim phun điện từ (solenoid) cho phép thực hiện nhiều lần phun hơn trong một chu trình với tốc độ cực nhanh, giúp tối ưu hóa quá trình cháy hơn nữa. Việc kết hợp điều khiển hệ thống nhiên liệu với hệ thống điều khiển turbo tăng áp biến thiên (VGT) và van EGR làm mát sẽ tạo ra một hệ thống quản lý động cơ toàn diện, đáp ứng những tiêu chuẩn khí thải khắt khe nhất trong tương lai như Euro 6 và xa hơn.