CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU COMMON RAIL. Sơ lược lịch sử hệ thống nhiên liệu Common Rail. Động cơ diesel phát triển vào năm 1897 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 Bosch phát triển Bơm cao áp (Bơm phun Bosch lắp cho động cơ diesel ôtô thương mại và ôtô khách vào năm 1936).1 Sơ lược về hệ thống Common rail Hệ thống nhiên liệu Diesel không ngừng được cải tiến, với các giải pháp kỹ thuật tối ưu làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu. Các nhà phát triển động cơ Diesel đã đề ra nhiều biện pháp khác nhau về kỹ thuật phun và tổ chức quá trình cháy nhằm giới hạn các chất ô nhiễm. Các biện pháp chủ yếu tập trung vào giải quyết các vấn đề: - Tăng tốc độ phun để làm 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 lượng Hidrocacbon (HC). - Biện pháp hồi lưu một bộ phận khí xả (EGR: Exhaust Gas Recirculation). Trang 1 Luận văn tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Điệp 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. Đó là hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel.
Hệ thống này được phát minh đầu tiên bởi Robert Huber, người Thụy Sỹ vào cuối những năm 60. Công trình này sau đó được tiến sĩ Marco Ganser của viện nghiên cứu kỹ thuật Thụy Sỹ tại Zurich tiếp tục nghiên cứu và phát triển. Đến giữa những năm 90, tiến sĩ Shohei Itoh và Masahiko Miyaki, của tập đoàn Denso – một nhà sản xuất phụ tùng ôtô lớn của Nhật Bản đã phát triển tiếp và ứng dụng trên các xe tải nặng hiệu Hino. Hiện nay, hầu hết tất cả các hãng ôtô đã sử dụng phổ biến hệ thống này trên xe của họ, cũng như sử dụng trên các động cơ xe cơ giới, tàu thủy…với nhiều tên gọi khác nhau như: Toyota với tên D-4D, Mercedes với tên CDI, Huyndai-Kia với tên CRDi, Honda với tên i-CTDi, Mazda với tên CiTD,… 1.
Nhiệm vụ, yêu cầu và chức năng của hệ thống nhiên liệu Common Rail. Hệ thống cung cấp nhiên liệu vào trong động cơ phải đảm bảo kết hợp tốt giữa số lượng, phương hướng, hình dạng, kích thước của các tia phun với hình dạng buồng cháy và với cường độ và phương hướng chuyển động của môi chất trong buồng cháy để hòa khí được hình thành nhanh và đều. Lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình phải phù hợp với chế độ làm việc của động cơ. Lưu lượng nhiên liệu vào các xy-lanh phải đúng thời điểm, đồng đều, đúng quy luật mong muốn.
Phải phun nhiên liệu vào xy-lanh qua lỗ phun nhỏ với chênh áp lớn phía trước và sau lỗ phun, để nhiên liệu được xé tơi tốt. Trang 2 Luận văn tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Điệp Hình 1.2 Hệ thống Common rail trên động cơ ô tô Dự trữ nhiên liệu đảm bảo cho động cơ có thể làm việc liên tục trong một thời gian nhất định, không cần cấp thêm nhiên liệu, lọc sạch nước, tạp chất cơ học lẫn trong nhiên liệu, giúp nhiên liệu chuyển động thông thoáng trong hệ thống. Việc tạo ra áp suất và việc 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 động cơ và lượng nhiên liệu phun ra.
Nhiên liệu được trữ với áp suất cao trong bộ tích áp suất cao (high-pressure accumulator) và sẵn sàng để phun. Lượng nhiên liệu phun ra được quyết định bởi người lái xe, và thời điểm phun cũng như áp lực phun được tính toán bằng hộp động cơ và các biểu đồ đã được lưu trong bộ nhớ của nó. Sau đó hộp động cơ sẽ điều khiển các kim phun phun tại mỗi xy-lanh động cơ để phun nhiên liệu.2 Yêu cầu của hệ thống nhiên liệu Common Rail. Tăng tốc độ phun để làm giảm nồng độ bồ hóng do tăng tốc hòa trộn nhiên liệu với 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 hành trình. Tiêu hao nhiên liệu thấp. Khí thải ra môi trường sạch hơn.
Động cơ làm việc êm dịu, giảm được tiếng ồn. Cải thiện được tính năng của đông cơ. Thiết kế phù hợp để thay thế cho các động cơ diesel cũ đang sử dụng. Hoạt động lâu bền, có độ tin cậy cao.
Dễ dàng và thuận tiện trong sử dụng và sửa chữa bảo dưỡng. Trang 3 Luận văn tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Điệp Hình 1.3 Ứng dụng của hệ thống Common rail So với động cơ xăng, động cơ diesel đốt cháy nhiên liệu khó bay hơi hơn ( nhiệt độ sôi cao hơn) nên việc hòa trộn hỗn hợp không khí không chỉ diễn ra trong giai đoạn phun và bắt đầu cháy, mà còn trong suốt quá trình cháy, kết quả là hỗn hợp kém đồng nhất, động cơ diesel luôn hoạt động ở chế độ nghèo, mức tiêu hao nhiên liệu, muội than, CO, HC sẽ tăng nếu không đốt cháy ở chế độ nghèo hợp lý. Tỷ lệ hòa khí được quyết định dựa vào các thông số: Áp suất phun, thời gian phun, kết cấu lỗ phun, thời điểm phun, vận tốc dòng khí nạp, khối lượng không khí nạp. Tất cả các đại lượng nói trên đều ảnh hưởng tới mức độ tiêu hao nhiên liệu và nồng độ khí thải, nhiệt độ quá trình cháy quá cao và lượng oxy nhiều sẽ làm tăng lượng NOx, muội than sinh ra hỗn hợp quá nghèo.
Chức năng chính: Điều khiển việc phun nhiên liệu đúng thời điểm, đúng lưu lượng, đúng áp suất, đảm bảo cho động cơ diesel không chỉ hoạt động êm dịu mà còn tiết kiệm nhiên liệu. Chức năng phụ: Điều khiển vòng kín và vòng hở, không những giảm độ độc hại của khí thải và lượng nhiên liệu tiêu thụ mà còn làm tăng tính an toàn, sự thoải mái và tiện nghi. Trang 4 Luận văn tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Điệp 1.3 Khái quát về hệ thống Common Rail.1 Ưu, nhược điểm. So với hệ thống cũ dẫn động bằng cam, hệ thống Common Rail khá linh hoạt trong việc đáp ứng thích nghi để điều khiển phun nhiên liệu cho động cơ diesel, như: Áp suất phun nhiên liệu có thể được chọn 1 cách ngẫu nhiên và rất rộng ở khoảng giá trị cho phép lấy trong vùng đặc tính.
Áp suất luôn không đổi dù cho động cơ hoạt động ở chế độ tải trọng khác nhau, áp suất luôn ổn định (đối với các loại động cơ khác nhau, tùy hãng khác nhau có chỉ số áp suất khác nhau: 1350, 1400, 1600, 1800, 2000bar). Sự khởi đầu linh hoạt của sự phun nhiên liệu với quá trình phun ban đầu, quá trình phun chính và quá trình phun cuối (đối với mỗi hãng xe sẽ có các quá trình phun tùy loại là 2, 3, hoặc 4). Có nhiều khả năng cho sự phát triển cho quá trình đốt của động cơ diesel trong tương lai, tạo ra nhiều sự linh hoạt cho việc phun nhiên liệu. Các quá trình xử lý khí thải có thể được kết hợp 1 cách tối ưu.
Khả năng bay hơi cao: nhiên liệu qua những lỗ rất nhỏ của vòi phun làm cho nó trở thành dạng sương mù rất dễ bắt cháy. Phun nhiều lần: làm nhiên liệu được cháy sạch, cháy êm, quá trình phun mồi làm động cơ cháy êm hơn. Điều khiển điện tử: Việc sử dụng hộp động cơ cho phép điều chỉnh rất chính xác các thông số phun nhiên liệu như áp suất, thời điểm phun và lượng nhiên liệu phun. Tiêu hao nhiên liệu thấp.
Phát thải ô nhiễm thấp. Động cơ làm việc êm dịu, giảm được tiếng ồn. Cải thiện tính năng động cơ. Thiết kế phù hợp để thay thế cho các động cơ diesel đang sử dụng.
Với thời điểm chính xác, hệ thống phun nhiên liệu common-rail có thể thực hiện khâu “hậu đốt cháy” trong đó một lượng nhiên liệu không đáng kể được bơm vào giai đoạn giãn nở để tạo ra hiện tượng cháy qui mô nhỏ trước khi bắt đầu quá trình đốt thông thường. Mục đích của khâu này là loại bỏ các hạt không cháy, tăng nhiệt độ dòng khí xả và giảm thời gian đun nóng sơ bộ của bộ chuyển hóa xúc tác. Nói một cách ngắn gọn, “hậu đốt cháy” cắt giảm lượng chất gây ô nhiễm. Trang 5 Luận văn tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Điệp 1.2 Nhược điểm.
Bên cạnh những ưu điểm nêu trên, nhưng hệ thống nhiên liệu Common Rail vẫn còn tồn tại một số nhược điểm: Thiết kế và chế tạo phức tạp đòi hỏi có ngành công nghệ cao. Khó xác định và lắp đặt các chi tiết Common Rail trên động cơ cũ. Giá thành cao, độ tin cậy phụ thuộc vào công nghệ thích ứng với môi trường của các nhà sản xuất.2 Cấu tạo hệ thống CDI (Common Rail Direct Injection). Hệ thống Common Rail cấu tạo gồm 2 phần: Hệ thống cung cấp nhiên liệu: Gồm thùng nhiên liệu, lọc nhiên liệu, bơm tiếp vận, bơm cao áp, ống phân phối, kim phun, các đường ống cao áp.
Hệ thống cung cấp nhiên liệu có công dụng hút nhiên liệu từ thùng chứa sau đó nén nhiên liệu lên áp suất cao và chờ tín hiệu điều khiển từ hộp động cơ sẽ phun nhiên liệu vào buồng đốt. Hệ thống điều khiển điện tử: Gồm bộ xử lý trung tâm CDI control module (hộp động cơ), phần điện trong kim phun, các cảm biến đầu vào và bộ phận chấp hành. Hộp động cơ thu thập các tín hiệu từ nhiều cảm biến khác nhau để nhận biết tình trạng hoạt động của động cơ, sau đó tính toán lượng phun, thời điểm phun nhiên liệu và gửi tín hiệu điều khiển phun đến phần điện trong kim phun mở kim phun. Ngoài ra hệ thống điều khiển điện tử còn tính toán và điều khiển áp suất nhiên liệu và tuần hoàn khí xả.
Trang 6 Luận văn tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Điệp Hình 1.