Giáo trình lý thuyết động cơ diesel

Ngày nay người ta thường dùng bơm VE – EDC vì bơm có kết cấu gọn nhẹ, làmviệc với độ chính xác cao Bơm VE – EDC có các chức năng và hoạt động tương tự như bơm VE nhưng nó chỉkhác là thời

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT LÝ TỰ TRỌNG



-GIÁO TRÌNH LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ DIESEL

Tài liệu lưu hành nội bộ

HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL

ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN TỬ

PHẦN 1: HỆ THỐNG VE – EDC

I TỔNG QUAN:

1 Sơ đồ hệ thống:

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu VE – EDC

1 Thùng chứa 2 Kim phun 3 Bơm cao áp 4 lọc nhiên liệu 5 Van TCV 6 Van SPV

2 Nguyên lý hoạt động:

Nhiên liệu được hút bởi bơm tiếp vận, đi từ thùng chứa qua lọc vào bơm cao áp.Trong bơm cao áp nhiên liệu bị nén lại và được đưa đến các kim phun bởi piston bơm.Khi nhiên liệu được nén đến một áp suất nhất định thì nó được phun vào buồng đốt củađộng cơ Áp suất nhiên liệu mà piston bơm tạo ra nằm trong khoảng 1.5 đến 2.0 Mpa.Quá trình trên hoàn toàn giống với các động cơ diesel thông thường Các van SPV (SpillControl Valve) và TCV (Timing Control Valve) dùng để điều khiển lưu lượng phun (thờigian phun), thời điểm phun (thời điểm bắt đầu phun) ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến

để xác định điều kiện hoạt động của động cơ Sau đó ECU gởi tín hiệu để điều khiển vanSPV và TCV ở trong bơm sao cho lưu lượng phun và thời điểm phun tối ưu nhất

Ngày nay người ta thường dùng bơm VE – EDC vì bơm có kết cấu gọn nhẹ, làmviệc với độ chính xác cao

Bơm VE – EDC có các chức năng và hoạt động tương tự như bơm VE nhưng nó chỉkhác là thời điểm phun dựa vào 2 tín hiệu của van SPV và TCV

II.GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT:

Hệ thống bơm cao áp VE- EDC gồm 3 cụm

1 Tín hiệu vào: (Input)

Gồm các cảm biến (sensors) để xác định tình trạng tổng quát của động cơ

2 ECU:

Bộ điều khiển điện tử ECU với nhiều bộ vi sử lý Bộ ECU sử dụng thuật toán điềukhiển để xử lý những dữ liệu thông tin ở đầu vào và cung cấp những tín hiệu điện điềukhiển ở đầu ra một cách thích hợp

3 Tín hiệu ra: (Output)

Bộ tác động biến đổi tín hiệu ra ECU thành chuyển động cơ học điều khiển van điện

từ, điều khiển lượng nhiên liệu bơm cao áp

III GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ ĐỘNG CƠ DIESEL VE

1 Sơ đồ giới thiệu hệ thống nhiên liệu cùng với hệ thống kiểm soát điện tử bơm VE

Hình 1.3: Sơ đồ giới thiệu hệ thống nhiên liệu cùng với hệ thống kiểm soát điện tử

bơm VE

1 Thùng nhiên liệu

2 Lọc nhiên liệu

3 Bơm cao áp VE

4 Kim phun và cảm biến sự dịch

chuyển ty của kim phun

2 Điều khiển động cơ diesel bằng các tín hiệu

Hình 1.4: Sơ đồ điều khiển điện tử động cơ diesel

13 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

14 Cảm biến nhiệt độ gió

15 Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu

SƠ ĐỒ HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU VE-EDC

CÁC CẢM BIẾN

CƠ CẤU ĐIỀU KHIỂN

ECU

BỘ VI

XỬ

LÝ

BỘ CHẤP HÀNH

Điều khiển lượng nhiên liệu cung cấp

Điều khiển cúp dầu (tắt động cơ)

Thời điểm phun nhiên liệu

EGR

Điều khiển khởi động

khiển lượng nhiên liệu

CB lưu lượng gió

Bộ dẫn động van EGR

Bộ điều khiển xông máy

TÍN HIỆU CHUẨN ĐOÁNMàn hình báo tín hiệu

IV CẤU TẠO CÁC BỘ PHẬN CỦA BƠM VE – EDC

Bên trong bơm phân phối có piston xoay quanh trục, nhiên liệu được cung cấp bởibơm cánh gạt Áp suất nhiên liệu sinh ra và được phân phối đến từng xi lanh động cơnhờ sự di chuyển của piston thông qua đĩa cam Khi piston bơm xoay quanh trục của nóđược một vòng thì nó đã phân phối dầu cho tất cả các xi lanh của động cơ Chuyểnđộng tịnh tiến và xoay của piston bơm được thực hiện nhờ cốt bơm và mấu cam trên đĩacam

Vòng lăn sẽ định điểm phân phối của bơm Ổ bơm phân phối kiểu piston xoayquanh trục được điều khiển bằng điện, van SPV sẽ điều khiển lượng nhiên liệu phun với

áp suất cao Tín hiệu từ ECU sẽ điều khiển sự đóng mở của van SPV Sự kích hoạt thíchhợp sẽ điều khiển tốc độ động cơ

Van điều áp dùng để điều chỉnh áp lực dầu trong bơm cao áp.

Khi áp lực dầu trong bơm cao áp cao hơn áp lực cho phép thì dầu đẩy piston van thắng lực lò xo theo đường thoát ra ngoài cửa nạp giảm áp lực trong bơm cao áp

2 Van cao áp:

Van cao áp có nhiệm vụ ngắt nhiên liệu giữa bơm và đường ống Nó cũng xác địnhchính xác thời điểm kim phun đóng vào cuối quá trình phun, đồng thời nó còn làm cho

áp lực ổn định ở các mạch phun bất kể lượng nhiên liệu được phun

Van cao áp là một dạng piston được điều khiển bằng áp lực dầu Nó được mở bằng

áp lực nhiên liệu và được đóng bởi lò xo hoàn vị Giữa các hành trình phân phối nóđược đóng, lúc này đường ống và lỗ thoát dầu phân phối bị tách biệt Trong khoảng thờigian phân phối, van được nâng lên khỏi vị trí ban đầu của nó bằng áp lực cao Nhiênliệu chạy qua rãnh dọc và tới rãnh tròn và đi qua thân van cao áp tới đường ống và tớikim phun để phun vào buồng đốt

Khi quá trình phân phối kết thúc, áp lực cao ở đầu piston giảm xuống và van điều ápđược đóng lại bởi lò xo hoàn vị

Hình 1.7: Van áp lực

A: ĐóngB: Mở

1 Giá giữ van (Đế van )

Cơ cấu phun dầu sớm bằng thủy lực được lắp ở phía dưới của bơm phân phối vàthẳng góc với trục dọc của thân bơm, piston phun sớm di chuyển trong thân bơm Bênhông thân bơm được lắp van TCV Hai bên của vỏ bơm được đậy bởi các nắp đậy Trênmột mặt của piston có một lỗ nhiên liệu vào và một lỗ nhiên liệu đến van TCV, bên phíamặt còn lại của piston là một lò xo và một lỗ nhiên liệu từ van TCV đến Một chốt trượt

và một chốt dẫn động nối piston với vòng lăn

Hình 1.9: Cấu tạo van TCV

b Nguyên lý hoạt động của van TCV:

Piston phun sớm được giữ ở vị trí ban đầu của nó bởi tải trọng ban đầu của lò xo Trong thời gian hoạt động , áp lực nhiên liệu ở khoang bơm được điều khiển tương ứng với tốc độ động cơ bởi van điều áp và ốc giới hạn dầu tràn

Khi tín hiệu ON từ ECU đưa đến van TCV với thời gian dài thì van này mở ra nhiều, dầu từ khoang (A) sẽ qua ống 2 trở về mạch nạp của bơm nhiều

Hình 1.10: Cơ cấu phun dầu sớm đang điều khiển phun trễ

Do lượng dầu về mạch nạp nhiều nên áp lực dầu trong khoang (A) nhỏ hơn lực đẩycủa lò xo 4 nên lò xo này đẩy piston của bộ phun sớm qua phải làm cho phun trễ.

Khi tín hiệu ON từ ECU đưa đến van TCV với thời gian ngắn hơn nên van này mở íthơn, làm cho dầu từ khoang (A) sẽ qua đường ống 2 về mạch nạp của bơm ít hơn, dẫnđến áp lực dầu trong khoang (A) sẽ lớn hơn lực đẩy của lò xo 4 Do đó áp lực dầu trong(A) sẽ đẩy piston của bộ phun sớm qua trái , làm cho phun dầu sớm

Van TCV được điều khiển bởi tỉ số giữa thời gian đóng mở của dòng điện cung cấpđến cuộn dây Nếu chiều dài xung ON càng dài thì bơm sẽ phun muộn hơn

4 Van điều khiển lượng phun SPV

Do đường dầu (B) bị đóng lại Áp lực dầu bên ngoài bằng áp lực dầu bên trong của vanchính (5) không thể thắng được lực của lò xo chính (3) và lực dầu ở bên trong Kết quả

là van chính cũng được đóng lại, ngăn không cho dòng nhiên liệu qua (A)

Hình 1.12: Hoạt động của van SPV lúc đang phun

Khi tín hiệu từ ECU bị ngắt, dòng điện cung cấp đến cuộn dây (1) không còn nữa,lúc này lực từ do cuộn dây (1) sinh ra cũng mất đi Khi đó, lò xo phụ (2) sẽ mở van phụ(4) ra cho dòng nhiên liệu bên trong van chính đi qua (B)

Hình 1.13: hoạt động của van SPV lúc chuẩn bị dứt phun

Do lỗ dầu trên van chính nhỏ nên lượng nhiên liệu thoát qua (B) lớn hơn lượngnhiên liệu được đưa vào van chính (5) qua lỗ trên van chính, làm cho áp lực nhiên liệubên trong van chính giảm Điều này gay ra sự chệch áp lực ở bên trong (bên trên) vanchính và bên ngoài (bên dưới) van chính Cụ thể, áp lực nhiên liệu bên dưới van chínhlớn hơn áp lực bên trên van chính Kết quả, áp lực bên dưới van chính sẽ đẩy van chính

mở ra cho dòng nhiên liệu đi qua (A) làm cho áp lực trong xilanh bơm giảm xuống Đây

là thời điểm kết thúc phun nhiên liệu

Hình 1.14: Hoạt động của van SPV lúc dứt phun

V SỰ PHÂN PHỐI NHIÊN LIỆU CAO ÁP

1 Dẫn động piston phân phối:

Chuyển động quay của trục truyền chính được truyền tới bơm phân phối bằng một

khớp nối hình chữ thập

Bên trong bơm có một vòng lăn và một đĩa cam, số mấu cam đặt ở mặt dưới của đĩacam tương ứng với số xi lanh của động cơ, các mấu cam này đi lên các con lăn của vònglăn, bề mặt của đĩa cam luôn ép sát vào con lăn Do đó chuyển động quay thuần túy củatrục truyền chính được chuyển thành chuyển động vừa xoay vừa tịnh tiến của đĩa cam.Piston được đặt khớp vào đĩa cam nhờ đuôi hình trụ, vị trí của nó và đĩa cam được cốđịnh bằng một cái chốt

Piston được đẩy lên điểm chết trên (ĐCT) nhờ cam, hai lò xo hoàn lực sắp xếp đốixứng đẩy piston xuống điểm chết dưới (ĐCD) khi cam không đội piston Các lò xo nàyngăn không cho đĩa cam bị tách ra khỏi con lăn khi bơm hoạt động ở tốc độ cao Đểpiston không rời khỏi vị trí trung tâm của nó thì các lò xo hoàn lực phải được lắp đặt mộtcách chính xác

2 Định lượng nhiên liệu của bơm VE – EDC

• Quá trình nạp:

Piston di chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, van SPV ở trạng thi đóng, chuyển động vừaquay vừa tịnh tiến của nó làm mở lổ dầu vào Lúc này nhiên liệu với áp lực ở khoangbơm sẽ bị hút vào trong xi lanh bơm

• Thời điểm khởi phun :

Van SPV vẫn ở trạng thái đóng piston di chuyển từ ĐCD lên ĐCT, lúc này lỗ nạpđóng lại bởi piston Piston tiếp tục di chuyển lên ĐCT tạo ra áp lực cao trên đầu piston và

do chuyển động quay của piston nên lỗ thoát trên thân piston trùng với rãnh thoát ở đầuphân phối Áp lực nhiên liệu tạo ra ở buồng cao áp và đi theo rãnh làm mở van áp lực.Nhiên liệu bị đẩy qua đường ống dẫn tới kim phun và phun vào buồng đốt

• Thời điểm kết thúc phun:

Quá trình phun kết thúc ngay khi van SPV mở Sau thời điểm này không có nhiênliệu được phân phối đến kim phun và van áp lực cũng đóng lại Nhiên liệu trên đỉnhpiston trở về khoang bơm qua lỗ mà van SPV vừa mở, piston tiếp tục đi lên ĐCT chấmdứt quá trình phun nhiên liệu và khoảng đi này của piston gọi l khoảng chạy dư

• Quá trình cứ lập lại cho những xi lanh kế tiếp

PHẦN II

HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU COMMON RAIL

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu loại Common – Rail

1 Thùng nhiên liệu 2 Lọc 3 Bơm 4 Ống cao áp 5 Kim phun

Nhiên liệu từ thùng chứa được bơm chuyển vào trong bơm cao áp Tại đây áp suấtnhiên liệu được tạo ra và được bơm liên tục vào trong ống trữ Bơm cao áp chỉ có nhiệm

vụ duy nhất là tạo cho nhiên liệu có một áp suất cao và đưa nó vào trong ống trữ Tại ốngtrữ có các đường ống cao áp nối đến các kim phun Các kim phun này được lắp trên nắp

máy, nó có nhiệm vụ là phun nhiên liệu vào trong buồng đốt động cơ và được điều khiển

bởi ECU

ECU sau khi nhận các tín hiệu từ các cảm biến (cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến

vị trí cốt cam, nhiệt độ nhiên liệu, vị trí bàn đạp ga, nhiệt độ không khí, nhiệt độ khí nạp,cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến lượng khí nạp ) sẽ xử lý các tín hiệu này vàsau đó sẽ đưa ra các xung vuông để điều khiển kim phun

Khi ECU phát ra xung OFF (hiệu điện thế bằng không), lúc này dòng điện khôngcòn chạy trong cuộn dây của kim phun Lực điện từ của cuộn dây không còn nữa, vankim sẽ bị lò xo đóng lại, nhiên liệu không còn phun vào động cơ nữa, quá trình phun

I SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG:

Một hệ thống common rail (CDI) bao gồm:

1 Cảm biến đo gió (air sensor)

2 ECU

3 Bơm cao áp

4 Ống trữ nhiên liệu ở áp suất cao

5 Kim phun (injector)

6 Cảm biến tốc độ trục khuỷu (crankshaft speed sensor)

7 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (coolant sensor)

8 Bộ lọc nhiên liệu

9 Cảm biến bàn đạp ga (accelerator pedal sensor)

Hình 2.2: Cấu tạo hệ thống nhiên liệu Common Rail.

Lúc bắt đầu phun, lượng nhiên liệu phun chỉ cần một lượng nhỏ.

Các yêu cầu trên đã được thoả mãn bởi hệ thống common rail, với đặc điểm phun 2lần: phun sơ khởi và phun chính (Pilot injection and main injection)

Hệ thống common rail là một hệ thống thiết kế theo module, có các thành phần:

- Kim phun điều khiển bằng van solenoid được gắn vào nắp máy

- Bộ tích trữ nhiên liệu (ống phân phối áp lực cao)

- Bơm cao áp (bơm tạo áp lực cao)

Các thiết kế sau cũng cần cho sự hoạt động điều khiển của hệ thống:

- ECU

- Cảm biến tốc độ trục khuỷu

- Cảm biến tốc độ trục cam

Đối với xe du lịch, bơm có piston hướng tâm (radial piston pump) được sử dụng như

là bơm cao áp để tạo ra áp suất Áp suất được tạo ra độc lập với quá trình phun Tốc độcủa bơm cao áp phụ thuộc tốc độ động cơ

Về cơ bản, kim phun được nối với ống tích áp nhiên liệu (rail) bằng một đường ốngngắn, kết hợp với đầu phun và solenoid được cung cấp điện qua ECU Khi van solenoidkhông được cấp điện thì kim phun ngưng phun Nhờ áp suất phun không đổi, lượng nhiênliệu phun ra sẽ tỉ lệ với độ dài của xung điều khiển solenoid Yêu cầu mở nhanh vansolenoid được đáp ứng bằng việc sử dụng điện áp cao và dòng lớn Thời điểm phun đượcđiều khiển bằng hệ thống điều khiển góc phun sớm Hệ thống này dùng một cảm biếntrên trục khuỷu để nhận biết tốc độ động cơ, và cảm biến trên trục cam để nhận biết kỳhoạt động

a Phun sơ khởi (pilot injection).

Phun sơ khởi có thể diễn ra sớm đến 90o trước tử điểm thượng (BTDC) Nếu thờiđiểm phun xuất hiện nhỏ hơn 40o BTDC, nhiên liệu có thể bám vào bề mặt của piston,thành xi lanh và làm loãng dầu bôi trơn

300-400 msec.

Lưu lượng phun (mm3/kì)

Một cái chớp

mắt thông thường

Thời gian (msec)

2

Y

Thời gian (msec)

X

Phun chính

Phun thí điểm

X

Phun chính

Phun thí điểm

X

Phun chính

Phun thí điểm

2

Y

Thời gian (msec)

X

Phun chính

Phun thí điểm

2

Y

Thời gian (msec)

X

Phun chính

Phun thí điểm

X

Phun chính

Phun thí điểm

Kết quả là giảm tiếng ồn của động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và làm giảm độ độchại của khí thải Quá trình sơ khởi đóng vai trò gián tiếp trong việc làm tăng công suấtcủa động cơ

b Giai đoạn phun chính (main injection).

Công suất đầu ra cuả động cơ xuất phát từ giai đoạn phun chính tiếp theo giai đoạnphun sơ khởi Tức là giai đoạn phun chính giúp tăng lực kéo của động cơ Với hệ thốngcommon rail, áp suất phun vẫn giữ không đổi trong suốt quá trình phun

c Giai đoạn phun thứ cấp (Secondary injection).

Theo qua điểm xử lý khí thải, phun thứ cấp có thể được áp dụng để đốt cháy NOx

Nó diễn ra ngay sau giai đoạn phun chính và được định ra để xảy ra trong quá trình giản

nở hay kỳ thải khoảng 200o sau tử điểm thượng (ATDC) Ngược lại với quá trình phun sơkhởi và phun chính, nhiên liệu được phun vào không được đốt cháy mà để bốc hơi nhờvào sức nóng của khí thải ở ống pô Trong suốt kỳ thải, hỗn hợp khí thải và nhiên liệuđược đẩy ra ngoài hệ thống thoát khí thải thông qua xupáp thải Tuy nhiên một phần củanhiên liệu được đưa lại vào buồng đốt thông qua hệ thống luân hồi khí thải EGR và có tácdụng tương tự như chính giai đoạn phun sơ khởi Khi bộ hoá khử được lắp để làm giảmlượng NOx, chúng tận dụng nhiên liệu trong khí thải như là một nhân tố hoá học để làmgiảm nồng độ NOx trong khí thải

Hình 2.3: Tốc độ phun của hệ thống Common Rail III CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CÁC CHI TIẾT TRÊN HỆ THỐNG COMMON RAIL.

1 Tổng quát về hệ thống nhiên liệu.

Hệ thống nhiên liệu trong một hệ thống common rail (hình) bao gồm 2 vùng: vùng nhiên liệu áp suất thấp và vùng nhiên liệu áp suất cao

Hình 2.4: Hệ thống nhiên liệu Common Rail.

1 Thùng chứa nhiên liệu 7 Ống nhiên liệu áp suất cao

2 Lọc thô 8 Ống trữ nhiên liệu

3 Bơm tiếp vận 9 Kim phun

4 Lọc tinh 10 Đường dầu về

5 Đường nhiên liệu áp suất thấp 11 ECU

6 Bơm cao áp

a Vùng áp suất thấp.

Vùng áp suất bao gồm các bộ phận

• Bình chứa nhiên liệu:

Bình chứa nhiên liệu phải làm từ vật liệu chống ăn mòn và phải giữ không cho bị rò

rĩ ở áp suất gấp đôi hoạt động bình thường Van an toàn phải được lắp để áp suất quá cao

có thể tự thoát ra ngoài Nhiên liệu cũng không được rò rĩ ở cổ nối với bình lọc nhiên liệuhay ở thiết bị bù áp suất khi xe bị rung xóc nhỏ, cũng như khi xe vào cua hoặc dừng haychạy trên đường dốc Bình nhiên liệu và động cơ phải nằm cách xa nhau để trong trườnghợp tai nạn xảy ra sẽ không có nguy cơ bị cháy

• Đường ống nhiên liệu:

Mềm được bọc thép thay thế cho đường ống bằng thép và được dùng trong ống ápsuất thấp Tất cả các bộ phận mang nhiên liệu phải được bảo vệ một lần nữa khỏi tácdụng của nhiệt độ Đối với xe buýt, đường ống nhiên liệu không được đặt trong khônggian của hành khách hay trong cabin xe

do đó ngăn ngừa sự mài mòn nhanh của các chi tiết của bơm

Hình 2.5: Cấu tạo lọc dầu

1 Nắp bầu lọc

2 Đường dầu vào

3 Phần giấy lọc

4 Bọng chứa dầu sau khi lọc

5 Phần chứa nước có lẫn trongdầu

6 Thiết bị báo mực nước trongbầu lọc khi vượt mức cho phép

7 Đường dầu ra