Chuyên đề tốt nghiệp: Hệ thống phun dầu điện tử Common Rail (ĐH SPKT)

Tài liệu chuyên sâu về hệ thống phun dầu điện tử Common Rail. Phân tích chi tiết cấu tạo, nguyên lý, các cảm biến và bộ chấp hành quan trọng.

• Tác giả: Nguyễn Minh Đạt
• Người hướng dẫn: Nguyễn Tấn Ngọc
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Chuyên đề Hệ thống Phun Dầu Điện Tử Common Rail
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái Niệm và Lịch Sử Phát Triển Hệ Thống Phun Dầu Common Rail

Hệ thống phun dầu Common Rail là một công nghệ tiên tiến trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại, đặc biệt quan trọng đối với động cơ Diesel. Hệ thống này được phát triển để giảm thiểu khí thải gây ô nhiễm môi trường và tiết kiệm nhiên liệu đáng kể. Common Rail có nghĩa là "đường ống chung", một đặc điểm cốt lõi của công nghệ này. Lịch sử phát triển hệ thống Common Rail bắt đầu từ những năm 1990, khi các nhà sản xuất như Denso, Bosch và Delphi bắt đầu nghiên cứu. Mục tiêu chính là nâng cao hiệu suất động cơ Diesel, giảm tiếng ồn và cải thiện khí thải. Đến nay, công nghệ phun dầu Common Rail đã trở thành tiêu chuẩn trên hầu hết các xe diesel hiện đại, đem lại những lợi ích vượt trội về hiệu năng và bảo vệ môi trường.

1.1. Định Nghĩa Hệ Thống Phun Dầu Common Rail

Phun dầu Common Rail là hệ thống phun dầu điều khiển bằng điện tử, sử dụng một đường ống chính chứa dầu diesel ở áp suất cao. Điểm khác biệt chính là đường ống chung cung cấp dầu cho tất cả các nozzle (béc phun), thay vì mỗi xy lanh có một máy bơm riêng. Áp suất trong hệ thống Common Rail có thể lên tới 2000 bar, được điều chỉnh bởi một van điều áp lực. Hệ thống này cho phép phun dầu chính xác, nhiều lần trong một chu kì công tác của piston, giúp cải thiện quá trình cháy.

1.2. Lịch Sử và Sự Phát Triển của Công Nghệ

Hệ thống Common Rail được Denso phát triển lần đầu tiên vào năm 1995 cho những chiếc xe Diesel của Toyota. Sau đó, Bosch cũng phát triển công nghệ tương tự và nhanh chóng trở thành nhà cung cấp lớn nhất trên thế giới. Các nhà sản xuất khác như Delphi cũng tham gia vào cuộc cách mạng này. Ngày nay, công nghệ phun dầu Common Rail đã được cải tiến liên tục, với áp suất tăng từ 1600 bar lên 2000 bar và cao hơn, mang lại hiệu suất động cơ tốt hơn.

II. Cấu Trúc và Các Thành Phần Chính của Hệ Thống Common Rail

Hệ thống phun dầu Common Rail bao gồm nhiều thành phần phức tạp hoạt động liên kết với nhau. Cấu trúc cơ bản gồm: bộ bơm dầu cao áp, đường ống chung (common rail), các van ngoài tải, các nozzle phun dầu, và hệ thống điều khiển điện tử. Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng để đảm bảo hoạt động tối ưu của hệ thống Common Rail. Bơm cao áp tạo ra áp suất cần thiết, trong khi đường ống chung lưu trữ và phân phối dầu. Các nozzle phun được điều khiển bằng điện solenoid, cho phép phun dầu chính xác theo lệnh từ ECU. Hệ thống Common Rail hiện đại còn tích hợp các cảm biến tiên tiến để giám sát áp suất, nhiệt độ và các thông số khác.

2.1. Bơm Dầu Cao Áp trong Hệ Thống Common Rail

Bơm dầu cao áp là trái tim của hệ thống Common Rail, chịu trách nhiệm tạo ra áp suất cần thiết để cung cấp dầu diesel. Bơm này được điều khiển bằng động cơ điện hoặc trực tiếp từ động cơ ô tô. Bơm Common Rail có thể tạo ra áp suất lên tới 2000 bar hoặc cao hơn. Thiết kế của bơm bao gồm các pit-tông và xi lanh, hoạt động theo nguyên tắc dương tính. Hiệu suất và độ tin cậy của bơm cao áp ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng của toàn hệ thống phun dầu.

2.2. Đường Ống Chung và Van Điều Áp Lực

Đường ống chung (common rail) là thành phần lưu trữ dầu diesel ở áp suất cao, phân phối cho tất cả các nozzle phun. Đường ống này được thiết kế chịu áp suất cao và bền vững. Van điều áp lực là yếu tố quan trọng trong hệ thống Common Rail, duy trì áp suất ổn định bằng cách xả dầu dư thừa trở lại bình xăng. Sự hoạt động chính xác của van điều áp đảm bảo rằng hệ thống hoạt động ở áp suất tối ưu.

2.3. Nozzle Phun Dầu và Bộ Điều Khiển Điện Tử

Nozzle phun dầu trong hệ thống Common Rail được điều khiển bằng solenoid, cho phép phun dầu được tính toán chính xác. Mỗi nozzle có một van solenoid riêng biệt. Bộ điều khiển điện tử (ECU) là bộ não của hệ thống, xử lý dữ liệu từ các cảm biến và gửi tín hiệu điều khiển đến các van solenoid. Hệ thống này cho phép phun dầu nhiều lần trong một chu kì công tác, tối ưu hóa quá trình cháy.

III. Cảm Biến và Hệ Thống Giám Sát trong Common Rail

Hệ thống Common Rail sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau để giám sát hoạt động của động cơ. Các cảm biến phun dầu bao gồm: cảm biến áp suất rail, cảm biến nhiệt độ dầu, cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến vị trí crank shaft và cam shaft. Cảm biến áp suất là yếu tố quan trọng nhất, giám sát áp suất dầu trong đường ống chung và gửi tín hiệu tới ECU. Hệ thống giám sát này cho phép điều chỉnh thời gian phun dầu, lượng dầu phun, và số lần phun trong một chu kì. Các cảm biến Common Rail hiện đại sử dụng công nghệ piezo hoặc điện tử để đo lường chính xác các thông số. Sự chính xác của các cảm biến hệ thống đảm bảo hoạt động tối ưu và giảm khí thải.

3.1. Cảm Biến Áp Suất Rail và Cảm Biến Nhiệt Độ

Cảm biến áp suất (Rail Pressure Sensor) đo lường áp suất dầu trong đường ống chung liên tục và gửi tín hiệu analogue tới ECU. Cảm biến này sử dụng nguyên tắc piezoelectric để chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện. Cảm biến nhiệt độ giám sát nhiệt độ dầu diesel, giúp điều chỉnh nhớt và độ lưu thông của dầu. Cả hai cảm biến này đều đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Common Rail.

3.2. Cảm Biến Vị Trí Crankshaft và Camshaft

Cảm biến Crankshaft cung cấp thông tin về vị trí và tốc độ quay của crankshaft, giúp ECU xác định thời gian phun dầu chính xác. Cảm biến Camshaft cung cấp thông tin bổ sung về vị trí van, cho phép điều khiển chính xác hơn. Hai cảm biến vị trí này phối hợp với nhau để đảm bảo rằng dầu được phun tại đúng thời điểm trong chu kì công tác, tối ưu hóa quá trình cháy.

IV. Nguyên Tắc Hoạt Động và Ứng Dụng Thực Tiễn của Hệ Thống Common Rail

Nguyên tắc hoạt động hệ thống Common Rail bắt đầu khi bơm cao áp tạo ra áp suất dầu cao. Dầu được chuyển vào đường ống chung và duy trì ở áp suất nhất định bởi van điều áp lực. Khi ECU nhận được tín hiệu từ các cảm biến, nó gửi lệnh đến các van solenoid để mở các nozzle phun. Dầu được phun vào buồng cháy dưới áp suất cao, tạo ra một dòng phun mịn và đồng đều, cải thiện quá trình cháy. Hệ thống Common Rail cho phép phun dầu linh hoạt: phun sơ bộ (pilot injection), phun chính (main injection), và phun sau (post injection). Ứng dụng thực tiễn của công nghệ Common Rail bao gồm giảm khí thải, tiết kiệm nhiên liệu, giảm tiếng ồn, và cải thiện độ bền động cơ. Đây là lý do tại sao hệ thống phun dầu Common Rail đã trở thành tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp ô tô modern.

4.1. Quy Trình Phun Dầu và Chu Kỳ Công Tác

Quy trình phun dầu trong hệ thống Common Rail bao gồm ba giai đoạn chính: phun sơ bộ chuẩn bị quá trình cháy, phun chính cung cấp năng lượng chính, và phun sau làm mát buồng cháy. Mỗi giai đoạn phun được điều khiển chính xác bởi ECU dựa trên điều kiện động cơ. Chu kỳ công tác của hệ thống Common Rail được tối ưu hóa để đạt hiệu suất tối đa, giảm khí thải NOx và hạt nhỏ.

4.2. Lợi Ích và Ứng Dụng Thực Tiễn

Ứng dụng của Common Rail mang lại nhiều lợi ích vượt trội: giảm khí thải có hại như NOx và PM, tiết kiệm nhiên liệu lên đến 20%, giảm tiếng ồn động cơ, và cải thiện độ bền. Hệ thống Common Rail được sử dụng rộng rãi trên xe hơi, xe tải, máy xúc, và các thiết bị công nghiệp khác. Công nghệ này là giải pháp tối ưu để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng khắt khe.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước hiện nay ngành công nghiệp ô tô đang phát triển nhanh chóng góp phần phục vụ và cải thiện tốt hơn trong đời sống hằng ngày của chúng ta. Với sự đa dạng về chủng loại và sự tiện dụng mà ô tô đã trở nên rất phổ biến trong xã hội hiện nay. Vì vậy yêu cầu đặt ra với động cơ ô tô ngày một cao hơn như lượng tiêu hao nhiên liệu thấp, giảm ô nhiễm môi trường, tăng công suất, giảm tiếng ồn, chạy ổn định, … nhưng quan trọng nhất chính là vấn đề ô nhiễm môi trường.

Động cơ xăng và Diesel hiện nay khá phổ biến, trong đó khí thải động cơ Diesel là một trong những thủ phạm gây nên ô nhiễm môi trường. Động cơ Diesel có khả năng tiết kiệm hơn về kinh tế so với động cơ xăng, tuy nhiên nó vẫn còn những hạn chế trong quá trình sử dụng như: thải khói đen khi tăng tốc, có mùi đặc trưng khi hoạt động và cả tiếng ồn lớn. Do đó để giải quyết các vần đề trên thì hệ thống phun dầu điện tử Common Rail ra đời, và ngày ngay hầu hết các nước tiên tiến trên thế giới đã sử dụng hệ thống này. Đây là hệ thống có mặt tại thị trường Việt Nam đã lâu nhưng tài liệu viết về hệ thống này còn hạn chế, gây một số trở ngại cho việc nắm bắt kịp thời các công nghệ mới của thế giới.

Vì thế đề tài “Chuyên đề hệ thống phun dầu điện tử Common Rail” được thực hiện nhằm phần nào bổ sung thêm nguồn tài liệu tham khảo, giúp sinh viên thấy được bức tranh tổng quát về hệ thống này, đồng thời cũng phần nào giúp các kỹ thuật viên hiểu được cơ bản nguyên lý hoạt động của các bộ phận trong hệ thống này. Tình hình nghiên cứu đề tài 1. Trong nước Ở trong nước có rất ít các bài báo khoa học nghiên cứu về hệ thống phun dầu điện tử Common Rail, trong đó bài báo: "Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ Bio-Diesel lên đặc tính của hệ thống phun nhiên liệu kiểu tích áp Common Rail”, nhóm tác giả: Khổng Văn Nguyên, Trần Anh Trung, Nguyễn Hoàng Vũ được sử dụng nhiều trong việc tham khảo nghiên cứu, viết luận án. Nhận xét Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của độ mở van điều khiển hút (van SCV: Suction Control Valve) và độ mở van điều chỉnh áp 1 suất Rail (van RPCV: Rail Pressure Control Valve) đến áp suất trong ống Rail, khi sử dụng các hỗn hợp Bio-Diesel khác nhau (B0, B10, B20) trên động cơ Diesel 2.

Kết quả cho thấy tỷ lệ Bio-Diesel ít ảnh hưởng đến đặc tính áp suất và động học của hệ thống. Quá trình nghiên cứu được tiến hành trên bệ thử động cơ AVL đặt tại phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong-Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận Tải với sơ đồ bố trí trang thiết bị được trình bày như hình trên. Ngoài ra bài báo còn được ứng dụng trong việc đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu Bio-Diesel B50 đến công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải. 1: Sơ đồ bố trí các trang thiết bị thử nghiệm [6] 1.

Ngoài nước Ở nước ngoài có rất nhiều công trình nghiên cứu hệ thống phun dầu điện tử Common Rail, tập trung nghiên cứu đến các ảnh hưởng sau: hiệu suất động cơ, giảm phát thải ô nhiễm, đặc tính phun nhiên liệu tối ưu. Sau đây là liệt kê một vài công trình nghiên cứu: ● Bài báo: "Modelling of Common Rail fuel injection system and influence of fluid properties on injection process", tác giả X. 2: Mô hình AMESim chi tiết của kim phun kim phun Common Rail [13] ● Bài báo: "Research the fuel injection characteristics of a Common Rail solenoid injector", tác giả Plamen Punov (Nghiên cứu đăc tính của hệ thống phun dầu điện tử Common Rail sử dụng kim phun điện từ). 3: Mô hình kim phun được xây dựng trong mã mô phỏng nâng cao AVL Boost Hydsim bằng cách sử dụng các phần tử có sẵn [12] 3 Nhận xét Cả 2 bài báo nghiên cứu này đều sử dụng phần mềm để mô hình hoá kim phun nhằm nghiên cứu các đặc tính ảnh hưởng đến quá trình phun.

Trong đó bài báo: "Modelling of Common Rail fuel injection system and influence of fluid properties on injection process", tác giả X. Baert được nghiên cứu bằng cách mô hình hoá kim phun Common Rail bằng phần mềm AMESim code như hình 1.2 nhằm nghiên cứu về các mối quan hệ tương tác giữa đặc tính nhiên liệu và các quá trình phun. Còn trong bài báo: "Research thể fuel injection characteristics of a Common Rail solenoid injector", tác giả Plamen Punov, nghiên cứu được thực hiện bằng cách xây dựng mô hình kim phun được mô phỏng nâng cao bằng phần mềm AVL Boost Hydsim bằng cách sử dụng các phần tử có sẵn như hình 1.3, các yếu tố chính được sử dụng là thể tích, lỗ tiết lưu, kim, vòi phun, lò xo, van,.mục đính chính của bài báo này nhằm xây dựng các đặc tính phun tối ưu , so sánh các đặc tính phun ở các giải đoạn phun với áp suất khác nhau. Mục đích đề tài ● Nghiên cứu các cảm biến trên hệ thống phun dầu điện tử Common Rail.

● Nghiên cứu các bộ chấp hành trên hệ thống phun dầu điện tử Common Rail 1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu Hệ thống phun dầu điện tử Common Rail 1. Phạm vi nghiên cứu Tài liệu của Denso 1.

Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết ● Là phương pháp nghiên cứu thu thập thông tin trên cơ sở nghiên cứu các văn bản, tài liệu đã có sẵn và bằng các thao tác tác tư duy logic. ● Mục đích: Để rút ra các kết luận cần thiết. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn Là phương pháp tổng hợp các kết quả nghiên cứu thực tiễn và nghiên cứu tài liệu để đánh giá và đưa ra những kết luận chính xác. Chủ yếu được sử sụng để đánh giá các mối quan hệ thông qua các số liệu thu được.

Ý nghĩa khoa học và tính cấp thiết của đề tài Là một quốc gia có nền kinh tế đang phát triển, nước ta đã và đang có những cải cách mở cửa mới để thúc đẩy nền kinh tế phát triển đưa nước ta từ một nước nông nghiệp có nền kinh tế kém phát triển thành một nước công nghiệp hiện đại. Ngành công nghiệp ô tô là một trong những ngành có tiềm năng và được đầu tư phát triển mạnh mẽ. Do sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa phát triển mạnh mẽ, nhu cầu của con người ngày càng được nâng cao. Để đáp ứng được những yêu cầu đó thì các hệ thống, cơ cấu điều khiển ô tô nói chung và về “Hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel” nói riêng phải có sự hoạt động chính xác, độ bền cao và giá thành rẻ, giảm ô nhiễm môi trường, nâng cao công suất động cơ.

Dựa trên hệ thống cung cấp Diesel điều khiển cơ khí thông thường các hãng xe đã phát triển lên “Hệ thống phun dầu điện tử Diesel Common Rail”. Do vậy, đòi hỏi người kỹ thuật viên phải có trình độ hiểu biết học hỏi, sáng tạo để bắt nhịp với khoa học kỹ thuật tiên tiến để có thể chẩn đoán hư hỏng và đề ra phương pháp sửa chữa tối ưu. Giới hạn đề tài Với yêu cầu về nội dung, các mục tiêu và thời gian có hạn cộng với nguồn tài liệu hiện có, đề tài chỉ giới hạn tập trung khảo sát, phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống phun dầu điện tử Common Rail (trọng tâm tìm hiểu về lý thuyết cảm biến và lý thuyết bộ chấp hành) của DENSO. Kết quả dự kiến đạt được File thuyết minh báo cáo 5 Chương 2 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ COMMON RAIL 2.

Lịch sử hình thành và phát triển 2. Phát triển động cơ Diesel hiện tại Ra đời sớm nhưng động cơ Diesel lại có nhiều khuyết điểm so với 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 Diesel ngày càng trở nên phổ biến và hữu dụng hơn. Động cơ diesel do một kỹ sư người Đức, ông Rudolf Diesel, phát minh ra vào năm 1892.

Động cơ hoạt đông 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. Đến năm 1927 Robert Bosch mới phát triển bơm cao áp (bơm phun Bosch lắp cho động cơ Diesel trên ô tô thương mại và ô tô khách vào năm 1936). Hệ thống nhiên liệu Diesel không ngừng được cải tiến với các kỹ thuật tối ưu nhằm làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu. Đã có nhiều biện pháp khác nhau về kỹ thuật phun và quá trình cháy được đề ra nhằm hạn chế các chất ô nhiễm.

Các biện pháp chủ yếu tập chung vào giải quyết các vấn đề: ● Tăng tốc độ phun để giảm nồng độ bồ hóng do tăng tốc hòa trộn nhiên liệu không khí. ● Tăng áp suất phun, đặc biệt là đối với động cơ phun trực tiếp. ● Điều chỉnh dạng quy luật phun theo khuynh hướng kết thúc nhanh quá trình phun để làm giảm HC. Hiện nay các nhược điểm đó đã được khắc phục bằng cách cải tiến một số bộ phận của hệ thống nhiên liệu Diesel điện tử như: ● Bơm cao áp điều khiển điện tử.

● Kim phun điện tử. Với các ứng dụng mạnh mẽ về điều khiển tự động trong hệ thống nhiên liệu Diesel nhờ sự phát triển về công nghệ. Năm 1986 Robert Bosch đã cho ra mắt thị trường hệ thống phun dầu điện tử Common Rai. Cho đến ngày nay hệ thống phun dầu điện tử Common Rail đã được phát triển hơn tính kinh tế và hiệu suất động cơ cũng cao hơn.

Phát triển của hệ thống phun dầu điện tử Common Rail Động cơ Diesel với khả năng kinh tế cao và mạnh mẽ, đang ngày càng phổ biến. Sự phát triển của hệ thống Common Rail là một dấu mốc quan trọng trong việc nâng cao khả năng của động cơ Diesel. Denso đã đưa ra hệ thống Common Rail đầu tiên trên thế giới từ năm 1995 và từ đó kéo theo sự phát triển của công nghệ động cơ Diesel nhằm đáp ứng yêu cầu của khách hàng cũng như các luật về khí thải trên toàn thế giới [5]. Hệ thống Common Rail của Denso đầu tiên dành cho xe tải đã được giới thiệu vào năm 1995.