Luận văn thạc sĩ về thiết kế và chế tạo băng thử hệ thống Common Rail

Luận văn thạc sĩ phân tích thiết kế chế tạo băng thử hệ thống conmon rail kết hợp các bài giảng thực hành, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực

• Tác giả: Phạm Xuân Đạt
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thanh Thưởng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Băng Thử Hệ Thống Common Rail Cho Đào Tạo Thực Hành
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan
• 1.2. Lịch sử phát triển hệ thống nhiên liệu diesel trên động cơ đốt trong
• 1.2.1. Hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển bằng cơ khí
• 1.2.2. Hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển bằng điện tử
• 1.2.2.1. Hệ thống UI (Unit injector fuel injection system)
• 1.2.2.2. Hệ thống UP (Unit pump fuel injection system)
• 1.3. Các công trình khoa học theo hướng nghiên cứu
• 1.3.1. Các nghiên cứu ngoài nước
• 1.3.2. Các nghiên cứu trong nước
• 1.4. Lý do chọn đề tài
• 1.5. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Giới hạn đề tài
• 1.8. Nội dung nghiên cứu
• 1.9. Kết quả đạt được của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Hệ thống nhiên liệu Common Rail
• 2.1.1. Lịch sử phát triển hệ thống phun dầu điện tử Common Rail
• 2.1.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống Common Rail
• 2.1.3. Sơ đồ khối điều khiển hệ thống nhiên liệu Common Rail
• 2.1.4. Đường nhiên liệu thấp áp
• 2.1.6. Cụm ống phân phối
• 2.1.7. Điều khiển vòi phun
• 2.2. Phương pháp đánh giá tình trạng vòi phun dựa vào lưu lượng dầu
• 2.2.1. Phương pháp đo lượng dầu hồi
• 2.2.2. So sánh lượng dầu hồi ở các bình
• 2.3. Mô tơ điện và biến tần
• 2.3.1. Mô tơ điện không đồng bộ
• 2.4. Giới thiệu phần mềm LabVIEW
• 2.5. Một số vấn đề lý luận về thiết bị dạy học (TBDH)
• 2.5.1. Thiết bị dạy học
• 2.5.2. Vị trí, vai trò của thiết bị dạy học trong đổi mới phương pháp dạy học (PPDH)
• 2.5.3. Các giá trị giáo dục của thiết bị dạy và học
• 2.5.4. Yêu cầu đối với thiết bị dạy và học
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO BĂNG THỬ HỆ THỐNG COMMON RAIL
• 3.1. Cấu tạo chung và sơ đồ nguyên lý của băng thử
• 3.1.1. Cấu tạo của băng thử
• 3.1.2. Sơ đồ nguyên lý của băng thử
• 3.2. Thiết kế hệ thống nhiên liệu áp suất thấp
• 3.3. Thiết kế hệ thống dẫn động bơm cao áp
• 3.3.1. Cơ cấu truyền động
• 3.3.2. Nguồn động lực dẫn động bơm
• 3.4. Thiết kế giá đỡ vòi phun và bầu thủy tinh quan sát
• 3.5. Thiết kế nguyên lý xác định lượng nhiên liệu phun và lượng nhiên liệu hồi
• 3.5.1. Cân bình nhiên liệu
• 3.5.2. Dùng ống đong
• 3.6. Thiết kế hệ thống điện – điện tử điều khiển băng thử
• 3.6.1. Bộ điều khiển trung tâm
• 3.6.3. Module điều khiển áp suất nhiên liệu trong thanh tích áp
• 3.6.4. Module điều khiển vòi phun
• 3.6.5. Mạch giao tiếp
• 3.7. Thiết kế các bài giảng ứng dụng băng thử hệ thống Common Rail
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA BĂNG THỬ HỆ THỐNG COMMON RAIL
• 4.1. Quy trình sử dụng băng thử
• 4.1.1. Kiểm tra trước khi vận hành
• 4.1.2. Lắp đặt vòi phun vào băng thử
• 4.1.3. Kết nối máy tính vào băng thử
• 4.1.4. Vận hành băng thử
• 4.2. Thực nghiệm kiểm tra vòi phun
• 4.2.1. Thực nghiệm đối với vòi phun DENSO 5511/4152 06H05298
• 4.2.2. Thực nghiệm đối với vòi phun DENSO 5511/4152 11L02114
• 4.2.3. Thực nghiệm khả năng ứng dụng của băng thử vào công tác giảng dạy
• 4.2.4. Đánh giá kết quả băng thử
• 4.2.4.1. Mức độ đáp ứng của băng thử khi tiến hành kiểm tra vòi phun
• 4.2.4.2. Khả năng ứng dụng vào công tác giảng dạy
• KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• Hướng phát triển của đề tài. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• TRANG PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế băng thử hệ thống Common Rail

Băng thử hệ thống Common Rail là một thiết bị quan trọng trong việc đào tạo và kiểm tra các hệ thống nhiên liệu diesel hiện đại. Thiết kế băng thử này không chỉ giúp sinh viên nắm vững lý thuyết mà còn thực hành kiểm tra, chẩn đoán các hư hỏng của vòi phun. Việc chế tạo băng thử này nhằm mục đích giảm chi phí và nâng cao chất lượng đào tạo trong lĩnh vực cơ khí động lực.

1.1. Lịch sử phát triển hệ thống Common Rail

Hệ thống Common Rail được phát minh vào cuối những năm 60 và đã trở thành tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp ô tô. Sự phát triển này đã mở ra nhiều cơ hội cho việc cải tiến hiệu suất động cơ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

1.2. Tầm quan trọng của băng thử trong đào tạo

Băng thử hệ thống Common Rail giúp sinh viên thực hành kiểm tra và chẩn đoán các hư hỏng, từ đó nâng cao kỹ năng nghề nghiệp và khả năng làm việc trong ngành công nghiệp ô tô.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế băng thử hệ thống Common Rail

Mặc dù băng thử hệ thống Common Rail mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong quá trình thiết kế và chế tạo. Các vấn đề như chi phí đầu tư cao, thiếu hụt tài liệu hướng dẫn và thiết bị hiện đại là những rào cản lớn trong việc triển khai băng thử này.

2.1. Chi phí đầu tư và thiết bị

Chi phí đầu tư cho các thiết bị kiểm tra hệ thống Common Rail thường rất cao, điều này gây khó khăn cho các cơ sở đào tạo và xưởng sửa chữa ô tô trong nước.

2.2. Thiếu hụt tài liệu và hướng dẫn

Nhiều cơ sở đào tạo gặp khó khăn trong việc tìm kiếm tài liệu hướng dẫn và thông số kỹ thuật cần thiết để giảng dạy về hệ thống Common Rail.

III. Phương pháp thiết kế băng thử hệ thống Common Rail hiệu quả

Để thiết kế băng thử hệ thống Common Rail hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc kết hợp lý thuyết và thực hành sẽ giúp sinh viên nắm vững kiến thức và kỹ năng cần thiết.

3.1. Nghiên cứu và phân tích yêu cầu

Nghiên cứu yêu cầu kỹ thuật và chức năng của băng thử là bước đầu tiên quan trọng trong quá trình thiết kế, giúp đảm bảo thiết bị đáp ứng được nhu cầu thực tế.

3.2. Ứng dụng công nghệ hiện đại

Sử dụng các công nghệ mới trong thiết kế và chế tạo băng thử sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ chính xác của thiết bị, từ đó cải thiện chất lượng đào tạo.

IV. Ứng dụng thực tiễn của băng thử hệ thống Common Rail trong đào tạo

Băng thử hệ thống Common Rail không chỉ là công cụ học tập mà còn là thiết bị hỗ trợ trong việc kiểm tra và chẩn đoán các hư hỏng của vòi phun. Việc ứng dụng băng thử này trong giảng dạy đã giúp sinh viên có cái nhìn thực tế hơn về hệ thống nhiên liệu diesel.

4.1. Kết quả thực nghiệm từ băng thử

Kết quả thực nghiệm cho thấy băng thử chế tạo có độ chính xác cao, sai số giữa băng thử thương mại và băng thử chế tạo là dưới ±5%, cho phép sinh viên thực hành kiểm tra vòi phun một cách hiệu quả.

4.2. Phản hồi từ sinh viên

Sinh viên đã có những phản hồi tích cực về việc sử dụng băng thử trong quá trình học tập, cho thấy thiết bị này đã góp phần nâng cao chất lượng đào tạo.

V. Kết luận và hướng phát triển băng thử hệ thống Common Rail

Băng thử hệ thống Common Rail là một công cụ quan trọng trong việc đào tạo và nghiên cứu. Việc thiết kế và chế tạo thành công băng thử này không chỉ giúp giảm chi phí mà còn nâng cao chất lượng đào tạo trong lĩnh vực cơ khí động lực.

5.1. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển băng thử để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp ô tô, đồng thời cải tiến công nghệ và thiết bị.

5.2. Tầm quan trọng của việc nâng cao chất lượng đào tạo

Nâng cao chất lượng đào tạo về hệ thống Common Rail sẽ giúp tạo ra nguồn nhân lực chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu của thị trường lao động trong ngành công nghiệp ô tô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan Những chiếc xe tự vận hành đầu tiên chạy bằng động cơ hơi nước, vào năm 1769 dựa trên nguyên lý đó một người Pháp tên Nicolas Joseph Cugnot đã chế tạo ra chiếc xe ôtô đầu tiên. Một giải pháp đã được tìm thấy do một kỹ sư người Đức – Rudolf Diesel vào năm 1892 là nén thật chặt không khí nạp trong xy lanh để làm cho nhiệt độ dòng khí nạp lên thật cao. Khi đó nhiên liệu được phun vào khu vực không khí cực nóng này trong xy lanh sẽ bị đốt cháy hầu hết ngay lập tức và sự giãn nở của khí cháy sinh công với hiệu suất cao. Cùng với việc các hệ thống tự động hóa ngày càng được áp dụng rộng rãi trên ô tô, hệ thống nhiên liệu diesel cũng đã được phát triển theo xu hướng mới.

Hệ thống Common Rail đầu tiên được phát minh bởi Robert Huber, người Thụy Sĩ vào cuối những năm 60 và được bán rộng rãi ra thị trường vào 1995, sau đó ứng dụng rộng rãi trên các xe du lịch. Trong hệ thống Common Rail, áp suất phun được điều khiển cho mỗi vòi phun một cách riêng lẻ, nhiên liệu áp suất cao được chứa trong hộp chứa (Rail) hay còn gọi là “Ắcquy thủy lực” và được phân phối đến từng vòi phun. Lợi ích của hệ thống Common Rail là làm giảm mức độ tiếng ồn, nhiên liệu được phun ra ở áp suất rất cao nhờ kết hợp điều khiển điện tử làm cho khả năng cháy sạch gần như tuyệt đối, kiểm soát lượng phun, thời điểm phun. Do đó làm hiệu suất động cơ và tính kinh tế nhiên liệu cao hơn.

Với những ưu điểm trên, ngày nay, hầu như tất cả các hãng ô tô 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 với tên COMMON RAILDi, Peugoet với tên HDi… CBHD: TS. Trần Thanh Thưởng HVTH: Phạm Xuân Đạt 3 Đề tài: Thiết kế, chế tạo băng thử hệ thống Common Rail, kết hợp các bài giảng thực hành Tuy nhiên, việc nghiên cứu và sửa chữa hệ thống Common Rail ở nước ta còn khá hạn chế về trang thiết bị, thông số kỹ thuật cũng như tài liệu hướng dẫn, đặc biệt ở các vùng, tỉnh nhỏ. Các trường dạy nghề hiện cũng đang gặp không ít khó khăn và lúng túng trong việc đầu tư trang thiết bị cho việc đào tạo cho hệ thống Common Rail do chi phí đầu tư khá lớn. Dẫn đến việc thiếu hụt nguồn nhân lực có chuyên môn sâu trong lĩnh vực sửa chữa hệ thống Common Rail.2 Lịch sử phát triển hệ thống nhiên liệu diesel trên động cơ đốt trong 1.1 Hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển bằng cơ khí Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ diesel điều khiển cơ khí Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống nhiên liệu là phun một lượng và áp suất nhiên liệu chính xác vào từng xy-lanh động cơ tại mỗi thời điểm đã được ấn định sẵn.

Các hệ thống nhiên liệu này đều được điều khiển hoàn toàn bằng cơ khí.2 Hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển bằng điện tử a. Hệ thống UI (Unit injector fuel injection system) CBHD: TS. Trần Thanh Thưởng HVTH: Phạm Xuân Đạt 4 Đề tài: Thiết kế, chế tạo băng thử hệ thống Common Rail, kết hợp các bài giảng thực hành Hệ thống UI sử dụng dạng kim bơm liên hợp, các UI được đặt trên nắp máy, nhiên liệu áp suất cao được tạo ra trong từng UI nhờ cò mổ được dẫn động bằng trục cam, đầu vòi phun được đưa vào buồng đốt.2 Sơ đồ hệ thống UI b. Hệ thống UP (Unit pump fuel injection system) Hệ thống UP sử dụng bơm cao áp và vòi phun riêng biệt, mỗi bơm được nối với một kim thông qua ống cao áp, bơm được đặt trực tiếp vào thân động cơ, nhiên liệu áp suất cao được tạo ra do pít tông bơm nén nhiên liệu và được dẫn động bởi trục cam.3 Sơ đồ hệ thống UP c.

Hệ thống VE – EDC Đây là được coi giai đoạn chuyển tiếp từ hệ thống nhiên liệu điều khiển hoàn toàn bằng cơ khí sang điều khiển bằng điện tử. Nhiên liệu được hút ra khỏi thùng nhiên liệu và được vận chuyển đến bơm phân phối nhờ bơm cánh gạt. Trong bơm phân phối VE, pít tông bơm vừa chuyển động tịnh tiến vừa xoay quanh trục giống như loại VE điều khiền bằng cơ khí. Chuyển động tịnh tiến và xoay của pít tông bơm là nhờ cốt bơm và mấu cam trên đĩa cam.

Chuyển động tịnh tiến của bơm có nhiệm vụ hút nhiên liệu và nén nhiên liệu làm cho nhiên liệu có áp suất thấp thành nhiên liệu có áp suất cao. Chuyển động xoay của pít tông bơm có nhiệm vụ phân phối nhiên liệu có áp suất cao đến từng CBHD: TS. Trần Thanh Thưởng HVTH: Phạm Xuân Đạt 5 Đề tài: Thiết kế, chế tạo băng thử hệ thống Common Rail, kết hợp các bài giảng thực hành vòi phun. Trong hệ thống VE – EDC, ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến và tiến hành tính toán một cách kỹ lưỡng thời điểm phun và lưu lượng phun tốt nhất sau đó gởi các tín hiệu điều khiển đến van SPV và TCV.

CB áp suất khí nạp 2. Cảm biến tốc độ động cơ 4. CB nhiệt độ nhiên liệu 5. Lọc nhiên liệu 6.

Thùng nhiên liệu 7. CB nhiệt độ khí nạp 9. CB vị trí trục khuỷu 10. CB nhiệt độ nước 11.

Van EGR Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống VE- EDC 12. CB vị trí bàn đạp ga. Hệ thống Common Rail Hiện nay hệ thống điều khiển Common Rail (CDI hay CRDI) đã được phát triển và ứng dụng trên nhiều dòng xe lưu hành ở nước ta: Hyundai Starex, Santa Fe, Toyota Hilux, Hiace, Isuzu D-max, Mercedes Sprinter… Khi vận hành, động cơ được điều khiển bởi bộ vi xử lý để tối ưu hóa về lượng, thời điểm và áp suất phun nhiên liệu. So với động cơ diesel cũ, động cơ Common Rail có công suất lớn hơn, giảm lượng tiêu hao nhiên liệu, ít ô nhiễm và hoạt động êm dịu hơn.

Phun nhiên liệu trực tiếp qua ống góp tích áp là một dạng mới của hệ thống phun trực tiếp dùng cho động cơ diesel. Hệ thống bao gồm một ống góp nhiên liệu cao áp (trên 1000 bar) cấp nhiên liệu cho các vòi phun điện từ riêng lẻ, tức là các vòi phun này thay vì đóng mở bằng lò xo thì nó được đóng mở bằng một cuộn hút điện từ ở phía trên vòi CBHD: TS. Trần Thanh Thưởng HVTH: Phạm Xuân Đạt 6 Đề tài: Thiết kế, chế tạo băng thử hệ thống Common Rail, kết hợp các bài giảng thực hành phun, ngược với các bơm nhiên liệu thấp áp (cho các loại động cơ thông thường ta vẫn gọi các bơm này là bơm cao áp với áp suất tạo ra từ 200 – 300 bar) cấp nhiên liệu cho các vòi phun hoạt động theo cơ chế cơ học (lò xo) thông qua các đường ống cao áp và được dẫn động bằng hệ thống cam trên trục cam.5 Sơ đồ hệ thống Common Rail 1.3 Các công trình khoa học theo hướng nghiên cứu 1.1 Các nghiên cứu ngoài nước Các bài báo trên thế giới liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu về hư hỏng của vòi phun hệ thống Common Rail.  2Technical assessment of Common Rail injectors on the ground of overflow bench tests; Tomasz KNEFEL; 2012; Maintenance and Reliability Maintenance and Reliability 2012; 14 (1): 42–53.

 COMMON RAIL INJECTOR LEAK TESTING; CELESTÝN SCHOLZ, PETR STARÝ; 2013; Technical University of Liberec. Trên thế giới, việc nghiên cứu, phát triển các băng thử đã và đang được phát triển rất mạnh mẽ, đã có nhiều sản phẩm được thương mại hóa. Ở nước ta, hiện đang có nhiều loại băng thử được nhập khẩu từ các quốc gia như: Đức, Ý, Hàn Quốc. Trần Thanh Thưởng HVTH: Phạm Xuân Đạt 7 Đề tài: Thiết kế, chế tạo băng thử hệ thống Common Rail, kết hợp các bài giảng thực hành a.

Thiết bị cân chỉnh bơm cao áp và vòi phun Common Rail TEC100  Tính năng - Kiểm tra hoạt động của bơm thấp áp và bơm cao áp. - Kiểm tra lượng hồi và rò rỉ của vòi phun nhiên liệu ở trạng thái tĩnh và động. - Kiểm tra hoạt động của van điều chỉnh áp suất và cảm biến áp suất ống phân phối.6 Thiết bị TEC100 b. Thiết bị mở rộng tính năng cân chỉnh vòi phun đơn Common Rail Minitec  Tính năng - Thiết bị này có chế độ kiểm tra và hiệu chỉnh từng vòi phun tự động (BOSCH, DELPHI, SIEMENS, DENSO, PIEZO).

- Kiểm tra chính xác kết quả đo được của đường dầu hồi, áp suất phun sớm, dòng dầu thấp áp, giá trị áp suất lớn nhất, nhỏ nhất.7 Thiết bị Minitec c. Thiết bị kiểm tra vòi phun CRDi Injector Tester (DNT 200)  Tính năng - Kiểm tra vòi phun đơn Common Rail. - Điều khiển phun ở các chế độ khác nhau (400 bar, 800 bar, 1350 bar). - Điều khiển được bề rộng xung phun.

- Kiểm tra các loại vòi phun của các hãng như: Bosch, Delphi, Denso và Piezo.8 Thiết bị DNT 200 CBHD: TS. Trần Thanh Thưởng HVTH: Phạm Xuân Đạt 8 Đề tài: Thiết kế, chế tạo băng thử hệ thống Common Rail, kết hợp các bài giảng thực hành d. Thiết bị làm sạch và kiểm tra vòi phun động cơ Diesel Common Rail  Tính năng - Làm sạch vòi phun nhiên liệu. - Hiển thị kết quả đo: 60 giây.

- Áp suất làm việc: 100/1800 bar. - Làm sạch vòi phun. - Kiểm tra và làm sạch vòi phun. - Kiểm tra và làm sạch vòi phun hiển thị trực tiếp.9 Thiết bị làm sạch vòi phun Các thiết bị nước ngoài được thiết kế tiện dụng và hiện đại.

Tuy nhiên giá thành các thiết bị này rất đắt, vượt khả năng của một số xưởng sửa chữa cũng như các trường dạy nghề.2 Các nghiên cứu trong nước Xuất phát từ nhu cầu thực tế về việc kiểm tra vòi phun hệ thống Common Rail, các nghiên cứu trong nước cũng đã được thực hiện: - Thiết kế chế tạo băng thử hệ thống phun dầu điện tử Common Rail - Hồ Trọng Nghĩa – tháng 6/2009 – Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh.  Tính năng - Điều chỉnh và hiển thị tốc độ bơm cao áp. - Điều chỉnh và hiển thị số lần phun. - Điều chỉnh và hiển thị thời gian phun.

- Xác định lưu lượng dầu hồi vủa vòi phun.10 Băng thử hệ thống phun dầu điện tử Common Rail - Common Rail Tester – Lê Quang Vũ – 2009 – Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh.