Chương 1: Tổng quan về hệ thống phun dầu điện tử- Common Rail Diesel Động cơ diesel hiện đại đã trở lại phổ biến nhờ những tiến bộ trong hệ thống cung cấp nhiên liệu và điều khiển động cơ cho phép động cơ trả lại công suất, hiệu suất và thải ra lượng khí thải tương đương với động cơ xăng, đồng thời tạo ra khả năng tiết kiệm nhiên liệu vượt trội. Đường nhiên liệu áp suất cao và kim phun điện tử được điều khiển bằng máy tính đã tạo nên tất cả sự khác biệt. Trong hệ thống đường nhiên liệu chung, bơm nhiên liệu tăng áp suất nhiên liệu lên đến 25. Nhưng không giống như bơm phun gián tiếp, nó không tham gia vào quá trình xả nhiên liệu.
Dưới sự điều khiển của máy tính trên xe, lượng nhiên liệu và áp suất này tích tụ trong đường nhiên liệu chính độc lập với tốc độ và tải trọng của động cơ. Mỗi kim phun nhiên liệu được lắp ngay phía trên pít-tông bên trong đầu xi-lanh (không có buồng chứa trước) và được kết nối với đường nhiên liệu bằng các đường thép cứng có thể chịu được áp suất cao. Áp suất cao này cho phép tạo 3 Tieu luan ra một lỗ phun rất mịn có thể phun nhiên liệu hoàn toàn và không cần thiết phải có buồng trước. Hoạt động của kim phun được thực hiện thông qua một chồng các tấm tinh thể điện piezo di chuyển kim phản lực theo từng bước nhỏ cho phép phun nhiên liệu.
Các tinh thể Piezo hoạt động bằng cách mở rộng nhanh chóng khi một điện tích được đặt vào chúng. Giống như bơm nhiên liệu , các kim phun cũng được điều khiển bởi máy tính của động cơ và có thể bắn liên tiếp nhiều lần trong chu kỳ phun. Với sự kiểm soát chính xác này đối với các vòng phun của kim phun, có thể định thời gian phân phối nhiên liệu nhỏ hơn, so le (5 hoặc nhiều hơn) trong suốt hành trình công suất để thúc đẩy quá trình đốt cháy hoàn toàn và chính xác. Ngoài việc kiểm soát thời gian, thời gian ngắn, áp suất phun cao cho phép mẫu phun mịn hơn và chính xác hơn, cũng hỗ trợ quá trình phun và đốt tốt hơn và hoàn thiện hơn.
Thông qua những phát triển và cải tiến này, động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp phổ biến hiện đại hoạt động êm ái hơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn, sạch hơn và mạnh mẽ hơn so với động cơ phun cơ khí gián tiếp mà họ đã thay thế. Lịch sử phát triển của hệ thống DIESEL 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 Diesel ngày càng trở nên phổ biến và hữu dụng hơn. 4 Tieu luan Khí thải động cơ Diesel là một trong những thủ phạm gây ô nhiễm môi trường.
Động cơ Diesel với tình hiệu quả kinh tế hơn là động cơ xăng, tuy nhiên vấn đề về tiếng ồn và khí thải vẫn là những hạn chế trong sử dụng động cơ Diesel. Động cơ Diesel được phát minh vào năm 1892 nhờ 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. Đến năm 1927 Robert Bosh mới phát triển bơm cao áp ( bơm phun Bosh lắp cho động cơ Diesel trên ôtô thương mại và ô tô khách vào năm 1936).
Hệ thống nhiên liệu Diesel không ngừng được cải tiến với các giải pháp kỹ thuật tối ưu nhắm làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu. Các nhà động cơ Diesel đã đề ra nhiều biện pháp khác nhau về kỹ thuật phun và tổ chức quá trình cháy 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. - Biện pháp hồi lưu một bộ phận khí xả. - 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. - Vòi phun điện tử.
5 Tieu luan - Ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao ( ống Rail). 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 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 Hiện nay, các nhược điểm của HTNL Diesel đã được khắc phục bằng cải tiến các bộ phận như: Bơm cao áp, vòi phun, ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao, các ứng dụng điều khiển tự động nhờ sự phát triển của công nghệ (năm 1986 6 Tieu luan Bosch đưa vào thị trường việc điều khiển điện tử cho động cơ diesel ). Đó là hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel.
Cấu tạo của hệ thống Hình 1. Cấu tạo hệ thống phun dầu điện tử Commonrail Toyota Hệ thống phun dầu điện tử trên ô tô có vai trò cung cấp nhiên liệu và đảm bảo nhiên liệu có thể phun tơi tối đa có thể để nhiên liệu có thể tiếp xúc và hòa trộn với không khí trong động cơ Diesel và đốt cháy sinh công cho động cơ. Chính vì đặc tính cháy của nhiên liệu Diesel là đốt cháy nhiên liệu theo cơ chế tự cháy (Nhiên liệu áp suất và nhiệt độ cao khi hòa trộn với không khí tạo thành hòa khí và tự cháy sinh công cho động cơ Diesel), chính vì thế mà 7 Tieu luan yêu cầu tối quan trọng của hệ thống phun dầu điện tử trên ô tô là làm sao để phun nhiên liệu với áp suất cao nhất có thể để nhiên liệu được phun tới tăng tối đa hiệu quả hòa trộn. Để thực hiện được công việc đó, thông thường ta sẽ sử dụng cụm chi tiết bơm cao áp.
2 cụm chi tiết bơm cao áp điều khiển bằng cơ khí cổ điển mà chúng ta hay thấy ở các động cơ tĩnh tại hoặc động cơ ô tô tải là bơm cao áp dạng dãy PE và bơm cao áp dạng hướng kính VE. Nhược điểm của các bơm cao áp cơ khí hoặc hệ thống phun dầu điều khiển điện tử EFI thông thường đó chính là áp suất phun giữa các máy trên động cơ thường chênh lệch khá nhiều và điều đó làm động cơ tương đối rung giật và ồn ào hơn so với động cơ xăng rất nhiều. Các nhà sản xuất động cơ Diesel đã nghĩ ra phương án làm sao để giữ áp suất phun ở các máy không đổi để có thể trang bị trên động cơ du lịch cơ nhỏ (do đới với ô tô du lịch cá nhân, tính năng êm dịu và thoải mái mới là yếu tố quan trọng nhất) và các nhà sản xuất động cơ Diesel đã nghĩ ra 1 phương án đó chính là nhiên liệu được bơm cao áp nén sẽ được đưa đến một thanh tích áp và sau đó mới đưa vào vòi phun. Khi đó, áp suất phun ở các vòi phun sẽ được cố định và từ đó hạn chế được hiện tượng run giật và tiếng ồn của động cơ và đó chính là hệ thống phun dầu điện tử Common rail.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống phun dầu điện tử Common Rail Nhiên liệu được bơm cung cấp đẩy đi từ thùng nhiên liệu trên đường ống thấp áp qua bầu lọc (3) đến Bơm cao áp (2). Từ đây nhiên liệu được bơm cao áp nén đẩy vào ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao (7) (ắc quy thủy lực) và được đưa đến vòi phun Common Rail (9) sẵn sàng để phun vào xy lanh động cơ. 8 Tieu luan Việc tạo áp suất và phun nhiên liệu hoàn toàn tách biệt với nhau trong hệ thống Common Rail. Áp suất phun được tạo ra độc lập với tốc độ và lượng nhiên liệu phun ra.
Nhiên liệu được trữ với áp suất cao trong ắc quy thủy lực. Lượng phun ra được quyết định bởi điều khiển bàn đạp ga, thời điểm phun cũng như áp suất phun được tính toán bằng ECU dựa trên các biểu đồ dữ liệu đã lưu trên nó. - Sau đó ECU và EDU sẽ điều khiển các kim phun của các vòi phun tại mỗi xy lanh động cơ để phun nhiên liệu nhờ thông tin từ các cảm biến (10) với áp suất phun có thể đến 1500bar. - Nhiên liệu thừa của vòi phun đi qua ắc quy thủy lực trở về bơm cao áp, van điều khiển áp suất tại bơm mở để nó trở về thùng nhiên liệu (1).
- Trên ắc quy thủy lực có gắn cảm biến áp suất và đầu cuối có bố trí van an toàn (8), nếu áp suất tích trữ trong ắc quy thủy lực (7) lớn quá giới hạn van an toàn sẽ mở để nhiên liệu tháo về thùng chứa. 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 ắc quy thuỷ lực) ; 8.
Van an toàn (giới hạn áp suất); 9. 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). Với phương pháp này áp suất phun lên đến 1500 bar có thể thực hiện ở mọi thời điểm ngay cả động cơ lúc thấp tốc.
Trong hệ thống Common Rail quá trình phun được chia thành các cách phun: • Phun mồi (hay Phun sơ khởi- Pre-injection hoặc Pilot- injection) • Phun chính (Main injection) • Phun thứ cấp (Post-injection). Những thành phần căn bản của hệ thống nhiên liệu common rail diesel Hình 1. Mạch áp suất hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel. 10 Tieu luan • Bơm áp suất cao với van điều chỉnh áp suất và van đo lường.
• Các cảm biến ( tốc độ quay trục khuỷu, trục cam, bàn đạp ra, lưu lượng không khí và nước làm mát, cảm biến áp suất Rail …) • Các cơ cấu chấp hành (Vòi phun điều khiển bằng van solenoid, bộ tăng áp, bộ hồi lưu khí xả, các đồng hồ đo áp suất…) • Bộ điều khiển điện tử (ECU, EDU) kiểm soát lượng phun chính xác, điều chỉnh áp suất và giám sát các điều kiện hoạt động của động cơ. Các cảm biến cung cấp tín hiệu phục vụ quá trình điều khiển kim phun.