- Kết cấu và hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử nhiều điểm - Hệ thống cung cấp nhiên liệu Common rail Do là lần đầu tiên biên soạn và do trình độ có hạn nên không thể tránh khỏi nh
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP & XÂY DỰNG
BÀI GIẢNG HỌC PHẦN
HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU
Dùng cho hệ CĐ đào tạo theo tín chỉ
(Lưu hành nội bộ)
Người biên soạn: Trương Văn Toản
Uông Bí, năm 2011
Trang 2LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ với ngành công nghệ Thông tin, Điện
tử, vật liệu mới, cùng với sự phát triển của nó là sự phát triển các hệ thống trên ÔTô hiện đại trong đó có hệ thống nhiên liệu Hệ thống nhiên liệu được các hãng phát triển theo các hướng sau đây: Tăng công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường Do đó một loạt hệ thống mới được ra đời như hệ thống EFI (Electronic Fuel Injection ),GDI (Gasoline Direct Injection) trên các động cơ xăng và CDI (Common Direct Injection) trên động
cơ Diesel
Trong bài giảng này các kết cấu và nguyên lý làm việc của các hệ thống này trên các xe hiện đại của FOR, TOYOTA, MITSUBISHI, MERCEDES Bài giảng này dựa theo chương trình khung đào tạo ngành cơ khí Động lực và dựa vào các tài liệu của một số tác giả đặc biệt là các tài liệu hướng dẫn của hãng TOYOTA, MITSUBISHI Trong bài giảng thể hiện những kết cấu đặc biệt mới trên các xe hiện nay Do đó nó là một bài giảng tốt cho sinh viên ngành Cơ Khí Động Lực
Nội dung của bài giảng
- Khái quát chung về động cơ phun xăng
- Khái quát về nguyên lý điều chỉnh thành phần hỗn hợp và phương pháp xây dựng chương trình điều chỉnh cung cấp nhiên liệu cho động cơ phun xăng
- Kết cấu và hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử nhiều điểm
- Hệ thống cung cấp nhiên liệu Common rail
Do là lần đầu tiên biên soạn và do trình độ có hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót mong các đồng nghiệp và độc giả góp ý kiến
Uông Bí, ngày 28 tháng 08 năm 2010 Biên soạn
Trương Văn Toản
Trang 3Chương 1 HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ 1.1 Khái quát về hệ thống phun xăng
1.1.1 Lịch sử phát triển
Giai đoạn phát triện của động cơ phun xăng có thể chia làm 3 giai đoạn như sau:
1.1.1.1 Giai đoạn tính tới trước chiến tranh thế giới thứ hai
Trong giai đoạn này hệ thống phun xăng ( HTPX) cơ khí được phát triển, hoàn thiện và áp dụng, trước hết là cho động cơ máy bay, sau đó mới áp dụng vào lĩnh vực động cơ ôtô
- Năm 1903, máy bay do anh em nhà Wrigh (USA) chế tạo với động cơ pitton phun xăng thực hiện thành công chuyến bay đầu tiên trong lịch sử động
cơ phun xăng
- Năm 1908 hệ thống phun xăng cơ khí của anh em nhà Wrigh được cải tiến, lắp cho động cơ máy bay Antonêtt và trở thành loại máy bay tốt nhất thời bấy giờ Từ đó HTPX cơ khí dùng rộng rãi trong ngành hàng không nhưng chưa thông dụng trong ngành ôtô vì lúc đó BCHK đã được cải tiến nhiều lần và còn đáp ứng được các yêu cầu đối với các chế độ hoạt động của động cơ
- Tới năm 1920, việc phun xăng kiểu cơ khí mới đựơc tâp trung nghiên cứu để lắp trên động cơ ôtô dựa trên các kết quả phun xăng trên máy bay
- Năm 1927 hãng Bosch (Đức) đã đưa vào sản xuất bơm xăng dùng cho động cơ nhiều xylanh cao tốc và tới thời gian này, các nhà chế tạo ô tô mới thực
sự quan tâm tới việc phun xăng cho động cơ
Viện nghiên cứu hàng không của hãng Bosch và hãng BMV, hãng Daimler Benz công tác nghiên cứu và hoàn chỉnh một hệ thống phun xăng
cơ khí có điều khiển
Năm 1937 hệ thống này được áp dụng cho động cơ máy bay, đặc biệt là loại Messerchmitt đã phá kỷ lục về tốc độ bay thời đó và được Đức quốc xã dùng làm chủ lực của không quân trong chiến tranh thế giới thứ hai
1.1.1.2 Giai đoạn từ sau chiến tranh thế giới thứ hai tới cuối những năm 1960
Đây là giai đoạn tăng công suất cho động cơ ô tô du lịch, hai hướng hoàn thiện là BCHK cải tiến và phun xăng đều đựơc thực hiện
Năm 1954 phương án phun xăng trực tiếp và bên trong xi lanh được thực hiện cho xe Mercedes Benz 300 SL Để giảm tính phức tạp về kết cấu và giá thành, hãng Mercedes Benz đưa ra kết luận và phun vào đường ống nạp sẽ có nhiều ưu điểm hơn và thế hướng phun xăng này được tập trung phát triển và đầu những năm 1960 HTPX này đã đựơc dùng phổ biến cho se du lịch Ngoài hãng Bosch còn có những hãng khác
Hãng Luscas (Anh) dùng hệ thông phun xăng với van trượt phân phối có điều chỉnh chân không lắp trên xe Maserati, Triumph
1.1.1.3 Giai đoạn từ đầu những năm 1970 đến nay
Nét nổi bật là việc ứng dụng kỹ thuật điện tử và vi mạch và hiệu chỉnh và điều chỉnh quá trình phun xăng đồng thời chú trọng việc tuân thủ các giới hạn độc hại trong khí thải Ta biết rằng ở các chế độ đặc biệt như cầm chừng không tải, Nmax, tăng tốc …… hỗn hợp quá đậm, quá trình cháy không phải là hoàn toàn nên các thành phần độc hại như COx,NOx,CHx quá lớn làm ô nhiễm môi trường Xu hướng và trở thành nguyên tắc chung của các hệ thống phun xăng
Trang 4giai đoạn này và sử dụng rất nhiều tín hiệu kiểm soát mà chúng được đưa về bộ
xử lý trung tâm kiểu điện tử để tạo thành xung điều khiển ở đầu ra nhằm quyết định thời điểm phun, lưu lượng phun và tổng thời gian phun xăng tối ưu nhất Các hệ thống phun xăng này có tên gọi chung là HTPX điều khiển bằng điện tử , gọi tắt là HTPX điện tử
Hệ thống phun xăng điện tử đầu tiên được hãng Bendix ( USA) chế tạo lắp trên ô tô năm 1957 nhưng sau đó bị gián đoạn, không đựơc chế tạo tiếp nữa
Tới năm 1967 hãng Vollkswagen( Đức) mới sử dụng đại trà các hệ thống phun xăng điện tử Với sự phát triển của nghành công nghiệp vi mạch, các bộ
xử lý trung tâm (ECU), và các bộ cảm biến ngày được càng hoàn thiện nên chất lượng hoạt động và độ tin cậy, tuổi thọ của HTPXĐT ngày càng tăng trong khi giá thành ngày càng giảm để đáp ứng các yêu cầu của con người là công suất cao, giảm tiêu hao nhiên liệu đồng thời giảm tối thiểu mức độ độc hại cũng chính vì những lý do đó HTPX cơ khí không thể cạnh tranh nổi và tự chấm dứt
sự tồn tại của mình nhưng chúng ta cũng thời nhận rằng, các HTPX cơ khí có nghĩa là phần thu thập và xử lý đồng thời nhiều tín hiệu kiểm soát được thực hiện bằng hệ thống xử lý điện tử với kỹ thuật vi mạch tiên tiến để tạo một tín hiệu đầu ra cho khâu chấp hành bằng cơ khí hay điện tử
1.1.2 Phân loại hệ thống phun xăng - Ưu, nhược điểm
1.1.2.1 Phân loại theo số điểm phun
1 Hệ thống phun xăng một điểm Việc chuẩn bị hỗn hợp nhiên liệu được tiến hành ở vị trí tương tự như ở bộ chế hoà khí, sử dụng một hoặc hai vòi phun Xăng được phun vào đường nạp, trên bướm ga
* Ưu điểm: Có cấu tạo đơn giản nên giá thành không quá cao Được sử
dụng phổ biến ở các xe có công suất nhỏ
* Nhược điểm: Không khắc phục nhược điểm cố hữu của bộ chế hoà khí là
hỗn hợp tạo ra không đồng đều giữa các xilanh
2 Hệ thống phun xăng nhiều điểm Mỗi xilanh động cơ được cung cấp nhiên liệu bởi một vòi phun riêng biệt Xăng được phun vào đường ống nạp ví trí gần xupap nạp
* Ưu điểm: Hỗn hợp tạo ra đồng đều giữa các xilanh.
* Nhược điểm : Kết cấu phức tạp, giá thành cao.
1.1.2 2.Phân loại theo nguyên tắc làm việc của hệ thống
1 Hệ thống phun xăng cơ khí
ở hệ thống này việc dẫn động, điều khiển, điều chỉnh hỗn hợp nhiên liệu được thực hiện theo một số nguyên lý cơ bản của động học, động lực học
Hệ thống phun xăng này bộc lộ rất nhiều các nhược điểm Đó là lượng xăng phun ra không điều chỉnh chính xác, không đáp ứng kịp thời sự thay đổi của dòng khí nạp, kết cấu của các chi tiết phức tạp,…
2 Hệ thống phun xăng điện tử Trong hệ thống phun xăng loại này, bộ điều khiển trung tâm sẽ thu thập các thông số làm viêc của động cơ ( thông qua hệ thống các cảm biến), sau đó
xử lý các thông tin này, so sánh với chương trình chuẩn đã được lập trình Từ đó xác định lượng xăng cần cung cấp cho động cơ và chỉ huy sự hoạt động của các
Trang 5vũi phun ( thời điểm phun và thời gian phun).
* Ưu điểm
- Lượng xăng phun ra được điểu chỉnh kịp thời, chớnh xỏc theo sự thay đổi của lượng khớ nạp
- Cụng suất động cơ tăng
- Độ tin cậy cao( tức là trong thời gian sử dụng ớt xảy ra sự cố)
- đảm bảo nồng độ cỏc chất động hại dưới quy định cho phộp
* Nhược điểm :
- Kết cấu phức tạp
- Đũi hỏi cao về chất lượng của xăng và khụng khớ
- Giỏ thành cao
- Khi bảo dưỡng, sửa chữa đũi hỏi người thợ cú trỡnh độ cao
1.2 Sơ đồ cấu tạo và nguyờn lý làm việc của một số hệ thống phun xăng
1.2.1 Hệ thống phun xăng cơ khớ nhiều điểm K – Jetronic
Hình 1.1 Hệ thống phun xăng cơ khí nhiều điểm
1 Bình chứa xăng; 2 Bơm xăng điện; 3 Bộ tích tụ xăng; 4 Bộ lọc xăng; 5 Thiết
bị hiệu chỉnh chạy ấm máy; 6 Vòi phun chính; 7 Đường ống nạp; 8 Vòi phun khởi
động lạnh; 9 Thiết bị điều chỉnh độ chênh áp; 9a Thiết bị điều chỉnh áp suất nhiên liệu; 9b Thiết bị định lượng- phân phối; 10 Lưu lượng kế không khí; 10a Mân đo của lưu lượng kế không khí; 11 Van điện; 12 Cảm biến Lambda; 13 Công tắc nhiệt thời gian; 14 Bộ đánh lửa; 15 Van khí phụ; 16 Cảm biến vị trí bướm ga; 17 Rơ le điều khiển bơm xăng;18 ECU; 19 Khoá điện; 20 ắc quy
Nguyờn lý làm việc Bơm xăng điện loại bi gạt (2) hỳt xăng từ thựng chứa (1 )đưa đến bầu tớch luỹ xăng (3) dưới ỏp suất 5 Kg/cm2, xuyờn qua bầu lọc (4) đến cụm chi tiết 9, 9a, 9b Tại đõy xăng được định lượng và đưa đến cỏc vũi phun (6) Cỏc vũi phun này sẽ phun liờn tục vào cỏc cửa nạp của động cơ ( ỏp suất mở vũi phun khoảng 3,5 Kg/cm2) Xăng phun vào được trộn với khụng khớ tạo thành hỗn hợp, đến lỳc xupap nạp mở thỡ hỗn hợp sẽ được nạp vào xy lanh động cơ
Do kết cấu đặc biệt của bộ phõn phối xăng và lưu lượng kế khụng khớ mà lượng xăng phun ra phụ thuộc vào khối lượng khụng khớ hỳt vào động cơ Giỳp
Trang 6cho động cơ làm việc ổn định ở mọi chế độ thì hệ thống phun xăng K – Jetronic trang bị thêm một số chi tiết sau: vòi phun khởi động lạnh, công tác nhiệt thời gian, thiết bị bổ xung khí nạp, bộ tiết chế sưởi nóng động…
Hệ thống phun xăng K – Jetronic bộc lộ rất nhiều các nhược điểm như lượng xăng phun ra không đáp ứng kịp thời sự thay đỏi của dòng khí nạp, có sai
số do độ mòn của các chi tiết dẫn đến lượng xăng phun ra không chính xác, nhiều chi tiết, tốn công chăm sóc, bảo dưỡng,…
1.2.2 Hệ thống phun xăng cơ điện tử nhiều điểm KE – Jetronic
Hình1.2 Hệ thống phun xăng cơ điện tử KE – Jetronic 1.Bình chứa xăng; 2.Bơm xăng; 3.Bộ tích tụ xăng; 4 Bầu lọc xăng;5 Bộ điều chỉnh áp suất xăng; 6 Vòi phun chính; 7 Đường ống nạp; 8 Vòi phun khởi động lạnh;
9 Bộ phân phối - định lượng; 10 Lưu lượng kế không khí; 11 Thiết bị chấp hành thuỷ điện;12 Cảm biến Lambda; 13 Công tắc nhiệt; 14 Cảm biến nhiệt độ nước;15 Bộ đánh lửa; 16 Van khí phụ; 17 Cảm biến vị trí bướm ga; 18 ECU; 19 Khoá điện; 20.
ắc quy
Nguyên lý làm việc của KE – Jetronic cơ bản giống như loại K – Jetronic song hoạt động của nó còn được thực hiện nhờ một số thiết bị điều khiển và hiệu chỉnh điện tử So với hệ thống phun xăng loại K thì KE có một số đặc điểm nổi trội hơn, đó là:
- Hoàn thiện hơn trong việc làm đậm hỗn hợp khi khởi động, khi chạy ấm máy, khi gia tốc hay ở chế độ toàn tải thông qua bộ điều khiển điện tử trung tâm
- Cắt phun xăng khi giảm tốc độ đột ngột
- Giới hạn số vòng quay cực đại
- Hiệu chỉnh ảnh hưởng của độ cao đến sự làm việc của động cơ
- Điều chỉnh Lambda kết hợp với bộ xúc tác khí xả
Các thông tin từ các cảm biến đưa về bộ điều khiển trung tâm sẽ được xử
Trang 7lý, sau đó bộ này phát ra xung điện chỉ huy sự làm việc của hệ thống thông qua
bộ điều chỉnh áp suất kiểu thuỷ - điện Qua thiết bị này sẽ hiệu chỉnh lượng xăng phun ra Đây là điểm khác nhau về bản chất của qua trình hiệu chỉnh ở hệ thống
KE so với hệ thống K – Jetronic
1.2.3 Hệ thống phun xăng điện tử một điểm Mono – Jetronic
Hình 1.3.Hệ thống phun xăng điện tử một điểm Mono – Jetronic 1.Bình chứa xăng; 2.Bơm xăng; 3.Bộ lọc xăng; 4 Bộ điều chỉnh áp suất xăng;
5 Vòi phun chính; 6 Cảm biến nhiệt độ không khí; 7 ECU;8 Động cơ điện điều khiển bướm ga; 9 Cảm biến vị trí bướm ga;10 Van điện11.Bộ tích tụ hơi xăng; 12 Cảm biến Lamdda; 13 Cảm biến nhiệt độ nước; 14 Bộ chia điện;
15.ắc quy; 16 Khoá điện; 17 Rơ le;
Khi động cơ đã hoạt động, xăng được bơm hút từ thùng chứa xuyên qua bầu lọc tới bộ điều chỉnh áp suất rồi được đưa tới vòi phun với áp suất khoảng 1 Kg/cm2 Đồng thời các cảm biến ghi nhận thông tin về điều kiện làm việc của động cơ và gửi về bộ điều khiển trung tâm (ECU) Với các thông tin này ECU
so sánh với thông số chuẩn và điều đưa tín hiệu điều khiển vòi phun Nhận được tín hiệu này vòi phun mở và xăng đựơc phun ra hoà trộn với không khí hút vào động cơ ở hệ thống này xăng được phun ra tại một điểm duy nhất trên đường nạp, ngay phía trên bướm ga ( do vậy hệ thống phun xăng này còn được gọi là
hệ thống phun xăng trung tâm) Lượng xăng phun ra phụ thuộc vào độ dài tín hiệu điều khiển từ ECU
Trên hệ thống này, ở các chế độ khác nhau hỗn hợp đều được ECU điều chỉnh tự động để tạo ra được hỗn hợp phù hợp với từng chế độ đồng thời đảm bảo sao cho mức độ độc hại là nhỏ nhất
Hệ thống phun xăng điện tử một điểm Mono – Jetronic không khác phục được nhược điểm cố hữu của bộ chế hoà khí là cung cấp xăng không đồng đều giữa các xi lanh của động cơ
Trang 81.2.4 Hệ thống phun xăng điện tử nhiều điểm L- Jetronic
Hình 1.4 Hệ thống phun xăng điện tử L – Jetronic.
1 Thùng xăng; 2.Bơm xăng; 3 Bầu lọc; 4.ECU;5 Vòi phun chính;
6 Bộ điều áp xăng; 7 ống góp hút; 8 Vòi phun khởi động lạnh;
9 Cảm biến vị trí bướm ga; 10 Cảm biến lưu lượngkhí nạp;
11 Cảm biến Lambda;12 Công tắc nhịêt thời gian; 13 Cảm biến nhiệt độ động cơ;14 Bộ chia điện;15 Van khí phụ; 16 ắc quy;17 Khoá điện;
18 Cảm biến nhiệt độ khí nạp; 19 Rơ le
1.2.5 Hệ thống phun xăng nhiều điểm LH – Jetronic
LH – Jetronic là một cải tiến của hệ thống L - Jetronic, điểm khác nhau cơ bản giữa hai hệ thống là ở chỗ LH sử dụng cảm biến lưu lượng gió kiểu dây đốt nóng
L – Jetronic còn có một số cải tiến khác như LE – Jetronic, LU – Jetronic Hai hệ thống này đều có những cải tiến nhất định để phù hợp với cấu trúc đường nạp của một số loại xe
Hệ thống phun xăng điện tử
nhiều điểm LH – Jetronic
1 Thùng xăng; 2.Bơm xăng;
3 Bầu lọc; 4 ECU;5 Vòi phun
chính;6 Dàn phân phối; 7.Bộ
điều áp xăng; 8 ống góp hút; 9.
Cảm biến vị trí bướm ga; 10.
Thiết bị đo gió kiểu dây nung
nóng;11 Cảm biến ôxy trong khí
xả;12 Cảm biến nhiệt độ động
cơ; 13 Bộ chia điện;14 van khí
phụ;15 ắc quy; 16 Khoá điện.
Hình1.5 Hệ thống phun xăng điện tử nhiều điểm
LH – Jetronic
Trang 91.2.6 Hệ thống phun xăng điện tử nhiều điểm Motronic
Hình 1.6 Hệ thống phun xăng điện tử nhiều điểm Motronic 1.Bình chứa xăng; 2.Bơm xăng; 3.Bộ lọc xăng; 4 Dàn phân phối;
5 Bộ điều áp xăng;6.Bôbin; 7 Bộ chia điện; 8 Vòi phun chính; 9 Cảm biến vị trí bướm ga; 10 Van khí phụ;11 Lưu lượng kế không khí; 12 Cảm biến Lambda; 13.Cảm biến nhiệt độ động cơ;14 Cảm biến tốc độ động cơ; 15.ECU Nguyên lý hoạt động của hệ thống này cơ bản giống hệ thống phun xăng L – Jetronic Điểm khác biệt là hệ thống phun xăng Motronic có bộ điều khiển trung tâm điều khiển tích hợp hai qua trình phun xăng và đánh lửa Trên hệ thống này
sử dụng cảm biến vị trí trục khuỷu do vậy ECU sẽ điều khiển chính xác được thời điểm phun và thời điểm đánh lửa
1.3 Các loại cảm biến và tín hiệu vào
Muốn điều khiển đúng thời điểm phun, lượng xăng phun ra thì ECU phải nắm rõ các thông số của động cơ như: vận tốc trục khuỷu, lượng gió nạp, nhiệt
độ động cơ, …Giải quyết vấn đề này thì hệ thống phun xăng trang bị một loạt các cảm biến Các cảm biến này thường xuyên gửi thông tin về ECU ECU xử lý thông tin và đưa tín hiệu tới bộ chấp hành
1.3.1 Cảm áp suất biến áp suất đường ống nạp
Cảm biến áp suất nhiên liệu sử dụng trong hệ thống phun xăng kiểu ống phân phối phát hiện áp suất của nhiên liệu trong ống phân phối
Trên cơ sở các tín hiệu từ cảm biến áp suất nhiên liệu, ECU sẽ điều khiển SCV (van điều khiển hút) để tạo ra áp suất quy định phù hợp với các điều kiện lái xe
Trang 10Hình 1.7 Cảm biến áp suất nhiên liệu
1.3.2 Cảm biến đo lưu lượng khí nạp
Một thông số cơ bản giúp ECU điều khiển vòi phun phun ra lượng xăng chính xác chính là khối lượng không khí được hút vào trong động cơ Trên HTPX được bố trí cảm biến lưu lượng khí nạp, cảm biến này có chức năng đo lượng khí nạp vào trong động cơ và gửi các tín hiệu đo đươc tới ECU dưới dạng các tín hiệu điện
Tuỳ theo đời và hiệu xe mà HTPX có thể được trang bị một trong các loại cảm biến lưu lương khí nạp sau:
- Cảm biến lưu lượng khí nạp loại cánh quay
- Cảm biến lưu lượng khí nạp loại dây nung nóng
- Cảm biến lưu lượng khí nạp loại phim nung nóng
- Cảm biến lưu lượng khí nạp loại dòng xoáy lốc Karman
- Cảm biến lưu lượng khí nạp loại đo áp suất tuyệt đối trong ống góp hút MAP
1.3.2.1 Cảm biến lưu lượng khí nạp loại cánh quay
Cảm biến lưu lượng khí nạp loại cánh quay thuộc loại lưu lượngkế thể tích Hình 1.8 giới thiệu vị trí lắp đặt của thiết bị này trên hệ thống phun xăng điện tử
Hình 1.8 Vị trí lắp đặt của cảm biến lưu lượng khí nạp loại cánh quay.
1.Cảm biến lưu lượng khí nạp; 2 Vít chỉnh hỗn hợp không tải
3 Van khí phụ; 4 Vít chỉnh vận tốc không tải; 5 ống góp hút