Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: nghiên cứu thiết kế chuyển đổi hệ thống nhiên

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế chuyển đổi hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển điện tử ve edc trên xe huyndai 1t2 phục vụ n

• Tác giả: Trần Anh Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Lý Vĩnh Đạt
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế, Chuyển Đổi Hệ Thống Nhiên Liệu Diesel Điều Khiển Điện Tử VE-EDC Trên Xe Hyundai 1T25 H100
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Cơ Sở Lý Thuyết Thiết Kế Chuyển Đổi Hệ Thống Nhiên Liệu

Thiết kế chuyển đổi hệ thống nhiên liệu diesel từ công nghệ cơ học sang điều khiển điện tử VE-EDC đại diện cho bước tiến quan trọng trong ngành kỹ thuật cơ khí động lực. Hệ thống bơm cao áp VE-EDC được điều khiển bằng điện tử, thay thế hoàn toàn cho bơm cơ học truyền thống. Công nghệ này cho phép kiểm soát chính xác lượng nhiên liệu phun vào xilanh, tối ưu hóa quá trình cháy và giảm khí thải. Luận văn ThS này tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế và thực hiện chuyển đổi hệ thống trên xe Hyundai H100 1T25, đánh giá hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của quá trình cải tiến này.

1.1. Bơm Cao Áp VE EDC và Nguyên Lý Hoạt Động

Bơm cao áp VE-EDC là trung tâm của hệ thống cung cấp nhiên liệu điều khiển điện tử. Bơm được trang bị đĩa cam, con lăn và bộ chấp hành để điều tiết lượng nhiên liệu phun chính xác. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc sử dụng ECU (Electronic Control Unit) để xử lý tín hiệu từ các cảm biến, từ đó điều khiển thời điểm và lượng nhiên liệu phun tối ưu nhất cho từng điều kiện vận hành của động cơ.

1.2. Hệ Thống Cảm Biến Điều Khiển Điện Tử

Hệ thống cảm biến vòi phun bao gồm: cảm biến tốc độ động cơ (Ne), cảm biến vị trí trục khuỷu (TDC), cảm biến áp suất (MAP), cảm biến nhiệt độ nước làm mát (THW), cảm biến bàn đạp ga (TPS). Các cảm biến này liên tục gửi dữ liệu để ECU xử lý, đảm bảo chuyển đổi hệ thống nhiên liệu hoạt động hiệu quả, an toàn và bền vững.

II. Kiểm Soát Quá Trình Phun Nhiên Liệu và Khí Xả

Kiểm soát quá trình phun nhiên liệu trên hệ thống VE-EDC được thực hiện thông qua các chế độ vận hành khác nhau. Hệ thống tự động điều chỉnh lượng nhiên liệu phun, thời điểm phun và áp suất phun tùy theo tốc độ động cơ, tải trọng và nhiệt độ hoạt động. Việc kiểm soát này giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu, tăng công suất, giảm khí xả độc hại như NOx, CO, HC và bồ hóng (PM), đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường hiện đại.

2.1. Chế Độ Vận Hành và Kiểm Soát Tốc Độ

Kiểm soát tốc độ không tải duy trì động cơ ổn định khi không có tải. Kiểm soát tốc độ trung bình tối ưu lượng phun cho công suất vừa phải. Giới hạn tốc độ lớn nhất bảo vệ động cơ khỏi quá tác động. Ngoài ra, phanh động cơ giúp giảm tốc độ phương tiện bằng cách cắt cung cấp nhiên liệu.

2.2. Thành Phần Khí Xả và Cơ Chế Hình Thành

Cơ chế hình thành NOx xảy ra ở nhiệt độ cháy cao, được kiểm soát bằng tối ưu hóa thời điểm phun. CO hình thành do cháy không hoàn toàn, giảm bằng kiểm soát lượng phun và đặc tính phun. HC và bồ hóng cũng được giảm thiểu qua quá trình cải tiến thiết kế chuyển đổi hệ thống nhiên liệu.

III. Quá Trình Cải Tiến Hệ Thống Nhiên Liệu Trên Xe Hyundai H100

Chuyển đổi hệ thống nhiên liệu diesel từ VE cơ học sang VE-EDC điều khiển điện tử trên xe Hyundai H100 1T25 đòi hỏi nghiên cứu kỹ lưỡng về tính tương thích. Động cơ D4BB được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu chính. Quá trình cải tiến bao gồm: đánh giá khả năng tương thích giữa bơm cũ và bơm mới, gia công cơ khí để lắp đặt các cảm biến, điều chỉnh khoảng cách và vị trí lắp đặt sao cho phù hợp với hệ thống điều khiển điện tử hiện đại.

3.1. Lựa Chọn Thiết Bị và Phương Pháp Luận

Cơ sở lựa chọn thiết bị dựa trên khảo sát các dòng xe cùng tính tương thích. Phương pháp luận xây dựng tiêu chí để lựa chọn bơm cao áp VE-EDC phù hợp nhất. Đánh giá sự tương đồng giữa bơm cũ và bơm mới, xác định các điểm khác biệt cần phải xử lý qua gia công cơ khí để đảm bảo thiết kế chuyển đổi thành công.

3.2. Gia Công Cơ Khí và Lắp Đặt Cảm Biến

Gia công cơ khí nhằm chỉnh sửa các chi tiết không tương thích giữa bơm cũ và bơm mới. Việc lắp đặt cảm biến yêu cầu xác định vị trí chính xác trên động cơ D4BB. Quá trình này phải đảm bảo vòi phun hoạt động chính xác, các cảm biến nhận tín hiệu ổn định, và toàn bộ hệ thống vận hành hiệu quả.

IV. Thử Nghiệm và Đánh Giá Hiệu Quả Chuyển Đổi

Thử nghiệm hiệu quả chuyển đổi hệ thống nhiên liệu được thực hiện trên băng thử công suất động cơ loại phanh thủy lực. Quá trình đánh giá so sánh kết quả giữa hệ thống cũ (VE cơ học) và hệ thống mới (VE-EDC điều khiển điện tử). Các chỉ tiêu đánh giá bao gồm: công suất đầu ra, mô men xoắn, tiêu thụ nhiên liệu, nồng độ khí xả, độ ổn định vận hành. Những kết quả thử nghiệm này cung cấp dữ liệu khoa học để xác nhận hiệu quả của thiết kế chuyển đổi đề xuất.

4.1. Băng Thử Công Suất và Phương Pháp Đo Đạc

Băng thử công suất động cơ loại phanh thủy lực cho phép đo chính xác công suất, mô men xoắn tại các dải tốc độ khác nhau. Phương pháp đo đạc khoa học đảm bảo tính chính xác dữ liệu. Kiểm soát quá trình phun nhiên liệu được giám sát trong suốt quá trình thử nghiệm để xác nhận hệ thống hoạt động ổn định.

4.2. So Sánh Kết Quả và Kết Luận

Kết quả so sánh cho thấy chuyển đổi hệ thống nhiên liệu VE-EDC mang lại hiệu quả tích cực về công suất, tiêu thụ, khí xả. Lợi ích bao gồm tăng công suất 8-12%, giảm tiêu thụ nhiên liệu 5-10%, giảm khí thải độc hại. Tuy nhiên, chi phí thiết kế chuyển đổi cần được cân nhắc so với những lợi ích kỹ thuật đạt được.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Bơm cao áp VE – EDC điều khiển bằng điện tử 1.1 Giới thiệu Hệ thống điều khiển điện tử động cơ diesel VE-EDC cho phép điều chỉnh chính xác các thông số của quá trình phun theo các chế độ vận hành khác nhau. Nhiên liệu cao áp được tạo ra từ bơm và được đưa đến từng kim phun nhờ ống cao áp nhưng việc điều khiển thời điểm và lưu lượng phun được ECU quyết định thông qua việc điều khiển hai van điện từ là TCV và SPV. Đây là cải tiến quan trọng trên các động cơ diesel hiện đại.1 Cấu tạo bơm cao áp VE – EDC 1. Yêu cầu đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu Trong những năm gần đây, động cơ diesel điều khiển phun bằng điện tử (với áp suất phun cao hơn nhiều) ngày càng được sử dụng phổ biến.

Do tăng được hiệu quả của quá trình tạo hỗn hợp nên suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ diesel phun trực tiếp giảm từ 10% đến 20% so với động cơ phun gián tiếp. Ngoài ra, sự phát 16 triển của động cơ diesel còn bị chi phối bởi tăng tính tiện nghi và điều khiển của các dòng xe hiện đại. Chính vì vậy, HTPNL động cơ diesel phải thoả mãn các yêu cầu sau: - Cần đạt được áp suất phun cao; - Lượng nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình phải phù hợp với chế độ làm việc của động cơ; - Có khả năng điều khiển đặc tính tốc độ phun; - Phun nhiên liệu vào đúng thời điểm, đúng quy luật mong muốn; - Lưu lượng nhiên liệu phun vào các xi lanh phải đồng đều. Đảm bảo chênh lệch áp suất cao phía trước và sau lỗ phun, để nhiên liệu được phun qua các lỗ tia nhỏ nhằm đảm bảo nhiên liệu được xé tơi tốt; - Điều khiển tốc độ không tải độc lập với chế độ tải của động cơ; - Kiểm soát tuần hoàn khí thải (động cơ diesel xe du lịch); - Có khả năng thay đổi lượng nhiên liệu phun, áp suất khí tăng áp, và thời điểm bắt đầu phun phù hợp với các chế độ vận hành; - Sai số về thời gian phun và lượng nhiên liệu phun nhỏ, duy trì được độ chính xác cao trong suốt thời gian làm việc của hệ thống; - Hoạt động lâu bền, có độ tin cậy cao; - Dễ dàng và thuận tiện trong sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa; - Dễ chế tạo, giá thành hạ.

- Nhiên liệu phun vào xi lanh 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. Việc điều khiển tốc độ động cơ bằng cơ khí truyền thống bị hạn chế do vòng lặp điều khiển đơn giản, một loạt các tham số có ảnh hưởng quan trọng không được đưa vào quá trình điều khiển. VE-EDC là một hệ thống điều khiển điện tử phức tạp, có khả năng xử lý một lượng lớn dữ liệu theo thời gian thực.Nó là một phần của hệ thống điều khiển điện tử của toàn bộ phương tiện.3 Nhiệm vụ bơm cao áp [2] - Bơm cao áp phân phối VE điều khiển điện tử có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu cho kim phun với áp suất cao đảm bảo cho nhiên liệu phun vào buồng cháy dưới dạng sương mù. - Cung cấp nhiên liệu đúng thời điểm quy định cho các xy lanh của động cơ.

- Lượng nhiên liệu cung cấp cho các xy lanh phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ. - Đảm bảo thời điểm bắt đầu phun và kết thúc phun phải chính xác, tránh hiện tượng phun nhỏ giọt.4 Đặc điểm cấu tạo của bơm cao áp VE – EDC 1.1 Bơm tiếp vận - Bơm này thuộc loại bơm cánh gạt có bốn cánh và một roto. Khi trục dẫn động quay làm roto quay, các cánh gạt dưới tác dụng của lực ly tâm ép sát vào vách buồng áp suất và ép nhiên liệu tới thân bơm - Khi bơm quay sẽ hút nhiên liệu từ thùng chứa, qua bộ lọc nhiên liệu đi vào trong thân bơm với một áp suất được giới hạn bởi van điều khiển.2 Cấu tạo bơm tiếp vận 1.2 Đĩa cam và con lăn - Đĩa cam được nối với pít tông bơm và được dẫn động bởi trục bơm. Khi roto quay các vấu cam trên đĩa cam tỳ lên con lăn làm cho pít tông bơm chuyển động vừa quay vừa tịnh tiến tạo áp suất cao cho nhiên liệu, số vấu cam bằng với số xy lanh động cơ.3 Đĩa cam và con lăn 1.3 Pít tông bơm * Cấu tạo: Hình 1.4 Cấu tạo pít tông bơm - Pít tông bơm có bốn rãnh hút, một cửa phân phối và được bắt chặt với đĩa cam.

Pít tông và đĩa cam tỳ chặt lên mặt con lăn nhờ lò xo pít tông bơm. Số rãnh hút bằng với số xy lanh động cơ (động cơ có bốn xy lanh nên có bốn rãnh hút ). Khi đĩa cam quay một vòng thì pít tông cũng quay một vòng và tịnh tiến 4 lần, mỗi lần tịnh tiến ứng với một lần phun của một kim phun. * Nguyên tắc hoạt động: - Giai đoạn nạp: dưới tác dụng của lò xo van SPV mở.

Pít tông bơm dịch chuyển về phía trái, cửa nạp mở, nhiên liệu từ trong thân bơm được hút vào xy lanh bơm. 19 - Giai đoạn phun: pít tông bơm bắt đầu dịch chuyển sang phải, ECU sẽ gửi tín hiệu đến cuộn dây van SPV, hút van SPV đóng lại, nhiên liệu bắt đầu bị nén và được đưa đến các kim phun qua lỗ phân phối. - Giai đoạn kết thúc phun: ECU ngắt tín hiệu gửi tới van SPV, lò xo đẩy van SPV mở cho dầu trong xylanh bơm trả về thùng chứa, áp suất dầu trong xi lanh bơm giảm xuống, quá trình phun kết thúc.4 Bộ chấp hành a. Van điều khiển lượng phun (SPV) Van SPV có cấu tạo gồm hai van: van chính và van điều khiển.5 Cấu tạo van SPV thông thường a.

Thời kỳ nạp; b. Thời kỳ phun; c. Thời kỳ chuẩn bị dứt phun; d. Dứt phun Hình 1.6 Quá trình làm việc của van SPV thông thường * Thời kỳ nạp: trong thời kỳ nạp, pít tông di chuyển về bên trái hút nhiên liệu vào buồng bơm.

Lúc này ECU chưa gửi tín hiệu đến van SPV, Lò xo đẩy van điều khiển mở và van chính đóng. 20 * Thời kỳ phun: pít tông bắt đầu đi lên nén nhiên liệu, ECU sẽ gửi tín hiệu đến van SPV  van SPV và van chính ở trạng thái đóng, nhiên liệu được đưa đến kim phun. * Chuẩn bị dứt phun: khi ECU ngắt tín hiệu đến van SPV  van SPV mở, nên van chính cũng mở ra. * Dứt phun: khi van chính mở, nhiên liệu trong xi1anh bơm hồi về trong thân bơm làm cho áp suất nhiên liệu trong xilanh bơm giảm xuống  quá trình phun chấm dứt.

Sau đó van chính sẽ bị đóng lại do tác dụng của lò xo van. Van điều khiển thời điểm phun (TCV) * Cấu tạo van TCV Hình 1.7 Cấu tạo van TCV Hình 1.8 Cấu tạo bộ định thời - Cấu tạo chính của van TCV gồm: Lõi stator, lò xo và lõi chuyển động. Van được lắp trên bơm cao áp, gần bộ định thời của bơm. Van có vị trí lắp như hình bên dưới.

- Trong van có hai đường thông với hai buồng của pít tông định thời. * Nguyên lý hoạt động van TCV: - Khi ECU cấp điện cho cuộn dây, dưới tác dụng của lực từ, lõi bị hút về bên phải mở đường dầu thông giữa hai buồng áp lực của bộ định thời. Khi ECU ngừng cung cấp điện, dưới tác dụng của lực lò xo lõi dịch chuyển về bên trái đóng đường dầu thông giữa hai buồng áp lực.9 Sơ đồ nguyên lý hoạt động - Khi tín hiệu ON ngắn, van TCV mở ít hơn nên áp lực dầu trong buồng bên phải lớn hơn. Bộ phun dầu sớm sẽ làm vòng chứa con lăn xoay ngược chiều quay pít tông bơm làm pít tông bị đội lên sớm hơn.

Điểm phun được điều khiển sớm hơn.10 Điều khiển phun sớm hơn Hình 1.11 Điều khiển phun muộn hơn Khi tín hiệu ON dài, van TCV mở nhiều hơn nên áp lực dầu trong buồng bên phải nhỏ hơn. Bộ phun dầu sớm sẽ làm vòng chứa con lăn xoay cùng chiều quay pít tông bơm làm pít tông bị đội lên muộn hơn. Điểm phun được điều khiển muộn hơn.5 Nguyên lý hoạt động của hệ thống VE-EDC Hiện nay, hệ thống VE-EDC có khả năng đáp ứng những yêu cầu trên do khả của vi xử lý đã tăng lên đáng kể trong những năm gần đây. Khác với các động cơ diesel điều khiển cơ khí thông thường, lưu lượng phun và thời điểm phun trên động cơ diesel VE-EDC điều khiển điện tử được xác định thực tế thông qua một loạt các tham số khác nhau, bao gồm: vị trí bàn đạp chân ga, trạng thái hoạt động của động 22 cơ, nhiệt độ động cơ, sự can thiệp của các hệ thống khác trên động cơ và xe, tác động của hàm lượng các chất ô nhiễm trong khí thải.

Bộ điều khiển trung tâm ECU sẽ tính toán lượng phun dựa trên tất cả thông số ảnh hưởng nói trên. Ngoài ra, thời điểm phun cũng có thể thay đổi. Để thực hiện được những điều này cần có cơ chế giám sát thông minh và toàn diện, chính vì vậy, EDC được tích hợp rất nhiều vòng điều khiển lặp và cho phép trao đổi dữ liệu với các hệ thống điều khiển điện tử khác trên xe, như: hệ thống kiểm soát lực kéo/khả năng bám-TCS (Traction Control System), kiểm soát hệ thống truyền lực bằng điện tử-ETC (Electronic Transmission Control), chương trình ổn định điện tử-ESP (Electronic Stability Program). Ngoài ra, EDC còn đáp ứng yêu cầu của hệ thống tự chẩn đoán OBD (On-Board Diagnosis) của Mỹ [4].

Các khối hệ thống: EDC được chia thành 3 khối hệ thống: Hình 1.12 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển điện tử VE-EDC - Cảm biến và bộ tạo giá trị cài đặt: xác định trạng thái hoạt động (ví dụ như tốc độ động cơ) và các giá trị cài đặt (ví dụ như vị trí công tắc máy). Nhằm biến đổi các thôn số vật lý thành tín hiệu điện. - Bộ điều khiển điện tử ECU: xử lý các tín hiệu từ cảm biến và các bộ tạo giá trị cài đặt bắng các thuật toán điều khiển đặc trưng. ECU điều khiển các cơ cấu chấp hành bằng các tín hiệu điện tử và giao tiếp với các hệ thống khác.

23 - Cơ cấu chấp hành: biến đổi những tín hiệu điều khiển điện tử từ ECU thành các đại lượng cơ học (dịch chuyển, độ mở.2 Cảm biến dùng trên hệ thống phun dầu điện tử VE-EDC, [1] 1.