(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost Hydsim trong mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ xăng Toyota D 4S

(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost Hydsim trong mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ xăng Toyota D4S(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost Hydsim trong mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ xăng Toyota D4S(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost Hydsim trong mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ xăng Toyota D4S(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost Hydsim trong mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ xăng Toyota D4S(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost Hydsim trong mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ xăng Toyota D4S(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost Hydsim trong mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ xăng Toyota D4S(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost Hydsim trong mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ xăng Toyota D4S(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost Hydsim trong mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ xăng Toyota D4S(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost Hydsim trong mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ xăng Toyota D4S(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost Hydsim trong mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ xăng Toyota D4S(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost Hydsim trong mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ xăng Toyota D4S(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost Hydsim trong mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ xăng Toyota D4S(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost Hydsim trong mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ xăng Toyota D4S(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost Hydsim trong mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ xăng Toyota D4S(Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô) Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost Hydsim trong mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ xăng Toyota D4S

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỘNG CƠ XĂNG TOYOTA D-4S

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên nhóm em xin cảm ơn đến ban giám hiệu trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất và môi trường học tập với nhiều trang thiết bị hiện đại và tốt nhất có thể để chúng em học tập và thực hiện nghiên cứu tại trường Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS Nguyễn Văn Long Giang người đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy và nhắc nhở chúng em trong quá trình thực hiện và hoàn thành đề tài

Chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Cơ Khí Động Lực đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ chúng em trong suốt 4 năm học vừa qua, để chúng em có thể tận dụng những kiến thức mà các thầy (cô) đã chỉ dạy để hoàn thành nghiên cứu này cũng như ứng dụng chúng cho công việc sau này

Chúng con cũng xin cảm ơn cha mẹ đã luôn quan tâm ủng hộ vật chất và tinh thần để chúng con có thể hoàn thành việc học cũng như nghiên cứu đề tài

Nhóm em cũng xin cảm ơn các anh chị, bạn bè đã giúp đỡ trong quá trình thực hiện

TÓM TẮT

Trong ngành công nghệ sản xuất ô tô, một trong những vấn đề lớn nhất cần giải quyết

là giảm lượng nhiên liệu tiêu hao và bảo vệ môi trường tức là làm tăng hiệu suất động cơ

và giảm thiểu tối đa lượng khí phát thải ra ngoài môi trường theo các quy định về chuẩn khí thải Để đáp ứng được nhu cầu này thì các nhà sản xuất cũng như các hãng đã lần lượt tiến hành những nghiên cứu về cải tiến động cơ, kết cấu xe, về hệ thống nhiên liệu và hệ thống xử lí khí thải Các thí nghiệm lần lượt được thực hiện và công cụ được sử dụng chính

là các phần mềm mô phỏng Nó là một phần vô cùng quan trọng và cấp thiết trong việc nghiên cứu vì tiết kiệm chi phí, trực quan và rút ngắn thời gian thực hiện so với việc chế tạo ra động cơ thực tế và thực nghiệm nhiều lần Một trong những phần mềm đó là AVL BOOST HYDSIM

BOOST HYDSIM là một phần mềm có phạm vi hoạt động chủ yếu trong mô phỏng nhiên liệu Hoạt động chủ yếu trên lí thuyết về động lực học chất lỏng và chuyển động của các hệ thống đa vật thể Lúc ban đầu, BOOST Hydsim được tạo ra để mô phỏng hệ thống phun nhiên liệu của động cơ GDI Hiện tại, phần mềm này đã được phát triển lên để phù hợp cho việc mô hình hóa xăng, dầu nặng, các nhiên liệu thay thế và một số cơ cấu điều khiển khác Nói chung, chương trình này rất hữu ích trong nhiều lĩnh vực liên quan đến các hệ thống thủy lực, cơ khí và điều khiển

Trong báo cáo này, nhóm em sẽ tập trung vào nghiên cứu phần mềm mô phỏng AVL BOOST Hydsim và từ đó tiến hành xây dựng mô hình kim phun của hệ thống cũng cấp nhiên liệu cho động cơ Toyota D-4S, dựa trên các số liệu giả định phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu các kim phun, để biết rõ hơn về cách vận hành của phần mềm và kim phun để tạo tiền đề trong việc tạo ra các loại kim phun mới hoặc tối ưu hóa các kim phun

để phục vụ cho các mục đích khác nhau

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH BIỂU ĐỒ viii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Các nghiên cứu khoa học về mô phỏng phần mềm AVL BOOST Hydsim trong nước và ngoài nước 3

1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 3

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu: 3

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu: 4

1.5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4

1.5.1 Cách tiếp cận 4

1.5.2 Phương phán nghiên cứu 4

1.5.3 Nội dung nghiên cứu 4

1.6 Các nội dung chính trinh bày trong đề tài 4

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ XĂNG D-4S 5

2.1 Giới thiệu chung về động cơ xăng Toyota D-4S 5

2.1.1 Giới thiệu về động cơ xăng Toyota D-4S 5

2.1.2 Giới thiệu chung về hệ thống nhiên liệu động cơ xăng Toyota D-4S 6

2.2 Cấu tạo tổng quan của hệ thống nhiên liệu Toyota D-4S: 6

2.2.1 Cấu tạo của hệ thống nhiên liệu Toyota D-4S 7

2.2.2 Nhiệm vụ và yêu cầu của hệ thống nhiên liệu 8

2.3 Nguyên lí hoạt động chung của hệ thống: 9

2.4 Bơm cánh gạt PF 165 ( bơm áp thấp) 10

2.5.1 Cấu tạo 10

2.5.2 Nguyên lí làm việc của bơm cánh gạt (loại không cân bằng) 11

2.5.3 Thông số mô phỏng chi tiết 12

2.6 Bơm cao áp HP 13

2.6.1 Cấu tạo 13

2.6.2 Nguyên lí hoạt động 13

2.6.3 Thông số mô phỏng chi tiết 15

2.7 Kim phun PI (phun trên đường ống nạp) 16

2.7.1 Cấu tạo của kim phun PI 16

2.7.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động chi tiết của kim phun PI trên đường ống nạp 16 2.7.3 Thông số kết cấu mô phỏng chi tiết 20

2.8 Kim phun trực tiếp đa điểm GDI (kim phun cao áp) 21

2.8.1 Cấu tạo của kim phun cao áp GDI 21

2.8.2 Nhiệm vụ và yêu cầu với kim phun cao áp: 21

2.8.3 Nguyên lí hoạt động của kim phun trực tiếp GDI trong AVL BOOST Hydsim 22 2.8.4 Thông số kết cấu mô phỏng trực tiếp 26

2.9 Đường ống dẫn nhiên liệu 27

2.9.1 Đường ống dẫn nhiên liệu áp suất thấp (LP) 27

2.9.2 Đường ống dẫn nhiên liệu áp suất cao (HP) 27

2.10 Hệ thống chứa và lọc nhiên liệu 28

2.10.1 Bình xăng 28

2.10.2 Bộ lọc nhiên liệu 28

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHẦN MỀM 30

3.1 Giới thiệu tổng quan về phần mềm AVL BOOST Hydsim 30

3.2 Tạo mô hình không gian hai chiều: 31

3.2.1 Trình bày mô hình BOOST Hydsim 31

3.2.2 Nhập thông số ban đầu: 31

3.2.3 Kết quả 32

3.2.4 Bộ tiền xử lý (GUI) 32

3.4 Trợ giúp trực tuyến 34

3.3 Hệ thống đơn vị 35

3.5 Bắt đầu chương trình 36

3.5.1 Truy cập vào AVL BOOST Hydsim 36

3.5.2 Bắt đầu làm việc với BOOST Hydsim 37

3.5.3 Chạy chương trình 56

3.5.4 Hiển thị kết quả 59

3.6 Case Explorer 60

3.6.1 Định dạng một biến thành biến toàn cục (global) 60

3.6.2 Tạo Case mới 62

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ D4-S VỚI AVL BOOST HYDSIM 64

4.1 Phân tích cơ sở lí thuyết của hai kim phun và hệ thống dẫn nhiên liệu của D-4S 64

4.2 Xây dựng mô hình kim phun PI trong AVL BOOST Hydsim 68

4.3 Xây dựng mô hình kim phun GDI trong AVL BOOST Hydsim 72

4.4 Tạo thông số mô phỏng cho mô hình hệ thống nhiên liệu D-4S 76

4.4.1 Nhập thông số mô phỏng cho bơm LP và kim phun áp thấp PI 77

4.4.2 Nhập thông số cho bơm cao áp HP và kim phun GDI 79

4.5 Phân tích kết quả mô phỏng: 82

4.5.1 Mô phỏng kim phun áp thấp PI 82

4.5.2 Phân tích kết quả của kim phun áp cao GDI 88

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 94

5.1 Kết luận 94

5.2 Nhận xét 95

5.3 Tương lai của hệ thống phun kép 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ECU: Electronic Control Unit

HP: High Pressure

LP: Low Pressure

GDI: Gasoline direct injection

PI: Port Injection

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Bảng số liệu về động cơ Toyota D-4S

Bảng 3.1 Các công cụ trong BOOST Hydsim

Bảng 3.2 Các element trong BOOST Hydsim

Bảng 4.1 Thời gian và tỉ lệ phân phối nhiên liệu của kim phun trục tiếp

Bảng 4.2 Các thông số kim phun áp thấp PI

Bảng 4.3 Các thông số kim phun cao áp GDI

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH BIỂU ĐỒ

Hình 2.1 Cấu tạo chung của hệ thống Toyota D-4S

Hình 2.2 Cấu tạo của khối bơm xăng áp thấp

Hình 2.3 Bơm xăng cánh gạt loại không cân bằng

Hình 2.4 Hoạt động của bơm cánh gạt loại không cân bằng (bơm áp thấp PF 165)

Hình 2.5 Cấu tạo bơm cao áp

Hình 2.6 Trạng thái hoạt động của bơm cao áp

Hình 2.7 Nguyên lí hoạt động của bơm cao áp

Hình 2.8 Kim phun PI

Hình 2.9 Cấu tạo kim phun PI

Hình 2.10 Tổng nhiên liệu phun vào trong một xung phun

Hình 2.11 Quá trình hoàn chỉnh phun nhiên liệu theo điện áp

Hình 2.12 Hình dạng kim phun và góc phun

Hình 2.13 Bản vẽ kim phun PI tiêu chuẩn

Hình 2.14 Cấu tạo của kim phun trực tiếp

Hình 2.14 Cấu tạo của kim phun trực tiếp

Hình 2.16 Hoạt động của kim phun GDI trong xi lanh

Hình 2.17 Sự hoạt động của kim phun cao áp GDI

Hình 2.18 Đầu kim phun áp cao GDI

Hình 2.19 Hướng nhiên liệu phun ra trong buồng đốt

Hình 2.20 Bản vẽ chi tiết kim phun GDI

Hình 2.21 Đường ống nhiên liệu áp thấp

Hình 2.22 Đường dẫn nhiên liệu áp suất cao

Hình 2.23 Bình xăng

Hình 2.24 a, Bộ lọc thô b, Bộ lọc tinh

Hình 3.1 Giao diện phần mềm AVL BOOST Hydsim

Hình 3.2 Hộp thoại đơn vị

Hình 3.3 Cây đơn vị

Hình 3.4 Giao diện AVL

Hình 3.5 Không gian làm việc của BOOST Hydsim

Hình 3.6 Thanh công cụ phụ trong BOOST Hydsim Bao

Hình 3.7 Các Element chính trong BOOST Hydsim

Hình 3.8 Hộp thoại Simulation Control

Hình 3.9 Hộp thoại Fluid Properties

Hình 3.10 Hộp thoại Run Simulation

Hình 3.11 Hộp thoại Simulation status

Hình 3.12 Hộp thoại Task information

Hình 3.13 Không gian hiển thị kết quả

Hình 3.14 Hiển thị kết quả của model

Hình 3.15 Hộp thoại Case Explorer

Hình 3.16 Hộp thoại tạo biến toàn cục

Hình 3.17 Hộp thoại Parameter

Hình 3.18 Hộp thoại Model Parameters

Hình 3.19 Tạo các case mới

Hình 3.20 Thêm biến vào các case

Hình 4.1 Hệ thống nhiên liệu trên động cơ Toyota D-4S

Hình 4.2 Sơ đồ tải hoạt động của kim phun

Hình 4.3 Các chế độ hoạt động của hệ thống nhiên liệu D-4S

Hình 4.4 Mô hình kim phun PI trong AVL BOOST Hydsim

Hình 4.5 Mô hình kim phun GDI và High Pump trong AVL BOOST Hydsim

Hình 4.6 Nhập thông số case RPD Pump

Hình 4.7 Nhập thông số case Snuber Valve (van 1 chiều)

Hình 4.8 Nhập thông số hộp thoại của lỗ phun PI

Hình 4.9 Nhập thông số cho hộp thoại Pump Chamber

Hình 4.10 Nhập thông số của cam dẫn động pittong trong bơm cao áp

Hình 4.11 Nhập số liệu mô phỏng cho Plunger (pittong)

Hình 4.12 Nhập thông số cho hộp thoại van một chiều

Hình 4.13 Nhập thông số lỗ phun của kim phun GDI

Hình 4.14 Lưu lượng phun theo tốc độ quay của động cơ

Hình 4.15 Khối lượng nhiên liệu phun ra trong một lần theo tốc độ quay của động cơ Hình 4.16 Biều đồ nhấc kim theo góc quay trục khuỷu với thời gian cấp xung

Hình 4.17 Áp suất các buồng trong kim phun

Hình 4.18 Áp suất nhiên liệu ở đầu kim phun trong các tốc độ khác nhau

Hình 4.19 Lưu lượng kim phun theo tốc độ quay của động cơ

Hình 4.20 Khối lượng nhiên liệu trên mỗi lần phun theo tốc độ quay của động cơ

Hình 4.21 Biều đồ nhấc kim theo góc quay trục khuỷu với thời gian cấp xung

Hình 4.22 Áp suất các buồng trong kim phun

Hình 4.23 Áp suất nhiên liệu ở đầu kim phun theo các tốc độ quay của động cơ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Qua từng thời kì phát triển và cải tiến động cơ xăng với mục đích phát triển và tối ưu lượng nhiên liệu trong động cơ thì lần lượt những hệ thống nhiên liệu sử dụng bộ chế hòa khí để hòa trộn khí nạp do lượng hòa khí chỉ ổn định mà không phân chia theo từng chế độ tải đẫn đến giảm hiệu suất động cơ, khi ở tải thấp thì thừa nhiên liệu còn khi tải cao thì lượng nhiên liệu không đủ dẫn đến làm giảm hiệu suất động cơ, tăng ô nhiễm môi trường

do lượng HC thừa thải ra không khí

Nên nó lần lượt bị thay thế bằng hệ thống PI (Port Injection), kim phun trên đường ống nạp nhằm tối ưu hóa lượng nhiên liệu bơm vào xilanh, tăng độ hòa trộn của hòa khí và cải thiện hiệu suất Sau đó hệ thống GDI (Gas Direct injection) làan đầu tiên được áp dụng trên chiếc xe Galant Legnum của hãng xe Mitsubishi vào năm 1996, đã đưa tỉ số nén của động cơ lên cao, hỗn hợp không khí và nhiên liệu tốt giúp quá trình cháy được diễn ra một cách triệt để hơn, giúp công suất của động cơ tăng lên, tiết kiệm nhiên liệu, đồng thời giảm thiểu tối đa khí thải vào môi trường

Và nhiều năm sau đó, vào tháng 8 năm 2005, hệ thống phun nhiên liệu cải tiến đã được Toyota đưa vào động cơ 2GR-FSE hút khí tự nhiên được sử dụng trong xe sedan thể thao mang tên Lexus IS350 Động cơ này có hiệu suất tốt cùng với mức tiêu thụ nhiên liệu vừa phải và lượng khí thải rất thấp Tại thị trường Hoa Kỳ, Lexus IS350 đạt tiêu chuẩn là

xe phát thải siêu thấp Tính năng cụ thể nhất của động cơ 2GR-FSE là sử dụng hai kim phun cho mỗi xi-lanh Một trong số chúng cung cấp nhiên liệu vào xi lanh và cái thứ hai đưa nó vào đường nạp thích hợp Vị trí của kim phun trong động cơ được trình bày trong

đó là động cơ D-4S hay còn gọi là Dynamic Force Stroke Engine, D4-S kết hợp hai phương pháp phun xăng đa điểm (Multi-port Injection - MPI) và phun xăng trực tiếp (Gasonline direct Injection - GDI) Nhờ đó, động cơ của Lexus có những cải thiện đáng kể trong tính năng cũng như mức tiêu hao nhiên liệu

Cùng sử dụng cảm biến phun xăng điện tử điều khiển bằng máy tính nhưng MPI và GDI có vị trí đặt kim phun và chức năng khác nhau Phun xăng đa điểm được sử dụng từ

15 đến 20 năm trước trên hầu hết các động cơ xăng Không giống như phun xăng đơn điểm,

cấu trúc của hệ thống phun xăng đa điểm gồm một đầu phun cho mỗi xi-lanh Các đầu phun được gắn gần cổng nạp và vận hành theo hai hình thức Thứ nhất, tất cả các đầu phun hoạt động đồng thời và hình thức này được gọi là phun xăng đa điểm đồng nhất Thứ hai là phun xăng đa điểm tuần tự, tức các đầu phun hoạt động tùy thuộc vào từng xi-lanh Tuy cùng phun nhiên liệu vào cổ hút khi van nạp mở nhưng hệ thống tuần tự có ưu điểm là sinh

ra ít khí thải và phổ biến hơn Do đó, Lexus đã ứng dụng công nghệ này trên D4-S nhằm giảm nhiệt độ khí nạp và tăng cường hiệu suất thể tích của động cơ

Những cải tiến mới trên động cơ:

- Mở rộng góc kẹp van Góc giữa đường tâm van nạp và van xả là 41 độ - thiết kế trước đây là 31 độ

- Điều khiển van biến thiên thủy lực trên cả trục cam nạp và xả

- Độ nén rất cao được điều chỉnh theo chu trình Atkinson (van nạp được giữ mở khi piston đang tăng lên trên hành trình nén, đặc biệt ngăn động cơ "gõ" khi vận hành

ở tốc độ thấp)

- Tỷ lệ lỗ khoan và hành trình dài hơn (thiết kế dưới hình vuông)

- Thay đổi hình dạng cuối cổng và mở rộng đường kính bên trong của ghế

- Ứng dụng hệ thống D-4S (kim phun nhiều lỗ) cập nhật để đạt được "tốc độ đốt cháy cao", mang lại hiệu suất nhiệt trên 40%

- Đường tâm xylanh lệch khỏi đường tâm trục khuỷu, có nghĩa là tâm điểm chết trên đỉnh pít-tông luôn tương đương với vài độ quay của trục khuỷu

Do đó, các chuyên gia và biên tập viên của tạp chí Canadandriver đã chọn D4-S của Lexus vào danh sách đề cử giải thưởng công nghệ của năm D4-S là công nghệ phun nhiên liệu hiện đại nhất trang bị trên hai mẫu Lexus IS 250 và IS 350 đời 2006 Và đó là bước ngoặc để công nghệ mới với sự kết hợp của hai kim phun được điều khiển lượng nhiên liệu phun theo từng hình thức tải và tối ưu hóa nhiên liệu và cung cấp lượng momen xoắn cần thiết cho từng chế độ vận hành, nên nó đã bù lấp những yếu điểm của các loại kim phun PI

và GDI riêng biệt và giúp tiết kiệm nhiên liệu, tăng hiệu suất và giảm lượng khí phát thải

ra môi trường, góp phần bảo vệ môi trường

Cho đến nay thì hệ thống nhiên liệu D-4S đã được cải tiến và bị rộng rãi trên các dòng

xe sang của Toyota như Lexus ES 200, Camry, Harrier và gần đây nhất vào năm 2021 thì

đã áp dụng trên chiếc Corolla Cross

1.2 Các nghiên cứu khoa học về mô phỏng phần mềm AVL BOOST Hydsim trong nước và ngoài nước

Hiện tại, phần mềm này còn khá mới mẻ trong giới mô phỏng về hoạt động của động

cơ, hầu như trong nước đều chưa có nghiên cứu cụ thể và rõ ràng nào về phần mềm này cũng như ứng dụng phần mềm này để mô phỏng hoạt động của hệ thống nhiên liệu trên động cơ xăng hay động cơ Diesel Chủ yếu là các nghiên cứu từ nước ngoài, nhưng vẫn còn rất ít và nó chỉ tập trung vào hệ thống common rail trên động cơ Diesel là chính còn trên động cơ xăng thì chưa có nghiên cứu cụ thể nào và hầu như rất ít Chủ yếu là cho các loại động cơ có kim phun trên đường ống nạp PI (Port Injection) hay phun xăng trực tiếp GDI (Direct Injection), nhưng vẫn còn khá rời rạc, chưa tập trung nhiều và chỉ mang tính chất chung chung đối với hệ thống nhiên liệu Ngày nay, họ vẫn chủ yếu sử dụng các phần

mô phỏng hoạt động của động cơ phổ biến như: labView, Mathlab, …cho nên việc nghiên cứu và phát triển việc mô phỏng bằng phần mềm này là mới mẻ và có nhiều thử thách, đặc biệt đối với động cơ D-4S của Toyota với sự kết hợp 2 kim phun PI và GDI mà nhóm em đang nghiên cứu mô phỏng trên phần mềm này

1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài

− Tìm hiểu về cơ sở lí thuyết của phần mềm AVL BOOST Hydsim

− Nghiên cứu tổng quan về hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ Toyota D-4S

− Nghiên cứu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của kim phun van solenoid ứng dụng trong kim phun trực tiếp và kim phun đa điểm (MPI) trên đường ống nạp

− Xây dựng mô hình và đánh giá kết quả mô phỏng kim phun cao áp và kim phun đa điểm (MPI) bằng AVL BOOST Hydsim

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu:

Trong đề tài này, nhóm chúng em tập trung vào 3 đối tượng sau:

− Phần mềm AVL BOOST Hydsim

− Kim phụn cao áp GDI và kim phun đa điểm MPI trong hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ Toyota D-4S

1.5.2 Phương phán nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu hướng dẫn sử dụng của hãng và các nguồn tài liệu, bài báo khoa học có liên quan

1.5.3 Nội dung nghiên cứu

− Cơ sở lý thuyết phần mềm BOOST Hydsim

− Nghiên cứu về hệ thống phân phối nhiên liệu của đông cơ Toyota D-4S

− Mô hình hóa và phân tích đánh giá khả năng hoạt động của các kim phun

− Thiết kế kim phun ở các chế độ làm việc của một động cơ Toyota D-4S

1.6 Các nội dung chính trinh bày trong đề tài

Gồm 5 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Hệ thống điều khiển nhiên liệu động cơ xăng Toyota D-4S

Chương 3: Cơ sở lí thuyết của phần mềm mô phỏng AVL BOOST Hydsim

Chương 4: Xây dựng mô hình hóa kim phun cho động cơ xăng Toyota D-4S bằng ứng dụng AVL BOOST Hydsim

Chương 5: Kết luận và nhận xét

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ XĂNG D-4S

2.1.1 Giới thiệu về động cơ xăng Toyota D-4S

Kể từ khi động cơ xăng ra đời và phát triển thì nó đã đóng một vai trò to lớn trong nền kinh tế, cũng với động cơ Diesel Nó là nguồn động lực chính cho các phương tiện vận tải như ô tô, máy kéo, xe máy Tính phổ biến của nó không chỉ ở một quốc gia hay một

châu lục mà trên phạm vi toàn thế giới

Về kết cấu động cơ xăng thường cỡ nhỏ và vừa được sử dụng trên các dòng xe ô tô và xe máy là chính (các phương tiện giao thông nhỏ thông dụng), số lượng chi tiết nhiều

và hơi phức tạp do có sử dụng bugi đánh lửa

Qua các thời kì, động cơ xăng đã phát triển từ động cơ sử dụng bộ chế hòa khí, kim phun gián tiếp, kim phun trực tiếp trong xi lanh nhằm tiết kiện nhiên liệu, nâng cao hiệu suất động cơ và giảm thiểu khí phát thải ra môi trường Do đó, động cơ sử dụng kết hợp

hai kim phun cả trực tiếp trên xi lanh và kim phun trên đường ống nạp là tất yếu

Và động cơ Toyota D-4S đã được Toyota phát triển và áp dụng trên dòng xe Lexus năm 2005, với sự kết hợp của kim phun PI (Port injection) và kim phun đa điểm trực tiếp phun vào xi lanh GDI (Direct injection) Với sự kết hợp hoàn hảo trong quá trình vận hành của hai kim phun tương ứng với tốc độ động cơ khác nhau, mang lại cảm giác lái chân thực, êm dịu khi tăng tốc (không kích nổ), hai kim phun đã bù trừ khuyết điểm cho nhau, mang lại một động cơ hoàn hảo đến từ Toyota Công nghệ này đang ngày càng cải tiến và

áp dụng trên các dòng xe lai của Toyota, và ứng dụng phổ biến trên các dòng xe sang từ

Lexus, camry hay các dòng bán tải Highlander hay các dòng xe lai Toyota Yaris Hybrid

Với yêu cầu ngày càng khắt khe về vấn đề chống ô nhiễm môi trường và sự cạnh tranh gây gắt giữa các nguồn động lực nên ta phải tìm cách hoàn thiện hơn nữa cho động

cơ xăng, cụ thể là: Nâng cao hiệu suất, tăng tính kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường Để làm được điều này thì việc nghiên cứu cải tạo hệ thống chung cấp nhiên liệu cho động cơ

là cốt lõi

Với ưu điểm của hệ thống nhiên liệu Toyota D-4S:

− Giảm phát thải ô nhiễm môi trường

− Giảm tiêu hao nhiên liệu

− Nâng cao hiệu suất động cơ lên đến 41%

− Động cơ làm việc êm dịu hơn với cơ chế phun trực tiếp

2.1.2 Giới thiệu chung về hệ thống nhiên liệu động cơ xăng Toyota D-4S

Bảng1.1 Bảng số liệu về động cơ Toyota D-4S

Kiểu máy A25A-FKS Hộp số tự động 8 cấp, hình L , 6 xi lanh, 4 kỳ

Phương thức bôi trơn Kiểu hỗn hợp: Cướng bức và tung té

2.2 Cấu tạo tổng quan của hệ thống nhiên liệu Toyota D-4S:

2.2.1 Cấu tạo của hệ thống nhiên liệu Toyota D-4S

Hình 2.1 Cấu tạo chung của hệ thống nhiên liệu động cơ Toyota D-4S

Hệ thống nhiên liệu Toyota D-4S cấu tạo gồm hai phần:

− Hệ thống cung cấp nhiên liệu: Bình chứa nhiên liệu, bộ lọc, bơm áp thấp LP, bơm cao áp HP, ống dẫn nhiên liệu, kim phun trực tiếp cao áp, kim phun thấp áp trên đường ống nạp

− Hệ thống điều khiển điện tử: các cảm biến áp suất đường ống nạp ( kim phun trực tiếp và kim phun đường ống nạp), ECU và các bộ chấp hành

2.2.2 Nhiệm vụ và yêu cầu của hệ thống nhiên liệu

Cung cấp nhiên liệu cho động cơ phải đảm bảo tốt các yêu cầu sau:

− Lượng nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình phải phù hợp với từng chế độ làm việc của động cơ

− Phun nhiên liệu vào xi lanh động cơ đúng thời điểm, đúng quy luật đã định

− Phun với áp suất phù hợp với từng điều kiện làm việc (tốc độ động cơ và tải) khác nhau

− Tia phun phải đảm bảo đều, số lượng, kích thước, phương hướng phải phù hợp với tình trạng buồng cháy và với cường độ và phương hướng chuyển động của môi chất trong buồng cháy để hòa khi được hình thành nhanh và đều

2.2.2.2 Yêu cầu

− Hoạt động lâu bền, có độ tin cậy cao

− Giảm tiếng ồn, ô nhiễm và tăng độ êm dịu, hiệu suất hoạt động

− Dễ dàng thuận tiện trong sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa

− Dễ chế tạo, giá thành hạ

2.3 Nguyên lí hoạt động chung của hệ thống:

Nhiên liệu được đi qua bộ lọc hút nhiên liệu (13) → bơm nhiên liệu áp suất thấp →

bộ lọc nhiên liệu (11) → đường ống chính dẫn nhiên liệu Đường ống chính này sẽ bị chia làm 2 đường đi, một đường ống áp suất thấp dẫn nhiên liệu đến đường ống phân phối nhiên liệu áp suất thấp (5) dùng cho các kim phun trên đường ống nạp (6) Đường số hai, nhiên liệu được dẫn đến khối bơm cao áp (14) → bộ lọc treo nhiên liệu (15) → van điều tiết xung

áp suất nhiên liệu (16) để áp suất và xung nhiên liệu được ổn định, thông qua trục cam xả, giúp dẫn động máy bơm, tạo áp suất và điều khiển đóng mở theo chu kì cam để cấp nhiên liệu đi đến van một chiều (18) → đường phân phối nhiên liệu áp suất cao (3) → kim phun cao áp phun trực tiếp nhiên liệu vào xi lanh

Nếu áp suất nhiên liệu quá cao thì nhiên liệu sẽ hồi qua van xả nhiên liệu (19) để điều chỉnh áp suất phù hợp, thông qua các tín hiệu từ các cảm biến áp suất nhiên liệu trên đường ống nạp và cảm biến áp suất nhiên liệu trong kim phun trực tiếp, ECM (Engine Control Module) sẽ tiếp nhận tín hiệu và điều khiển các bơm cao áp thông qua việc điều khiển độ

mở (độ nhấc) của van chống tràn (17) để điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho kim phun trực tiếp Và điều khiển bơm nhiên liệu (12) thông qua việc điều khiển bơm nhiên liệu ECU (Electronic Control Unit) (7) điều chỉnh áp suất và lượng nhiên liệu phun vào đường ống nạp

Việc tạo áp suất và lượng nhiên liệu phun ra hoàn toàn tách biệt với nhau trong hệ thống toyota D-4S Áp suất sẽ được tạo ra độc lập với lượng nhiên liệu phun ra

Lượng nhiên liệu phun ra được quyết định bởi việc điều khiển bàn đạp ga và chế độ vận hành của động cơ theo tải ECU điều khiển độ nhấc và thời gian nhấc kim phun, ECU tính toán và dựa trên dữ liệu đã có sẵn nó sẽ so sánh và gửi tín hiệu điều khiển lượng phun

và thời gian phun ở các chế độ một cách phù hợp

2.4 Bơm cánh gạt PF 165 ( bơm áp thấp)

2.5.1 Cấu tạo

1- Kết nối điện 2- Đường nhiên liệu ra ( cao áp) 3- Van 1 chiều

4- Chổi than 5- Cực roto có nam châm vĩnh cửu 6- Bơm cánh gạt ( loại không cân bằng)

7- Đường nhiên liệu vào ( áp thấp)

Hình 2.2 Cấu tạo của khối bơm xăng áp thấp

Hình 2.3 Bơm xăng cánh gạt loại không cân bằng ( PF 165 Pump)

− Cổng ra: chất lỏng áp suất cao rời khỏi máy bơm qua cổng ra

2.5.1.2 Trục

Có một trục bên trong máy bơm cánh gạt được kết nối với động cơ chính

Một roto được gắn trên trục và nó quay bằng cách sử dụng sức mạnh của động cơ chính

2.5.1.5 Vòng cam

Vòng cam nằm ở thành bên trong của vỏ

2.5.2 Nguyên lí làm việc của bơm cánh gạt (loại không cân bằng)

Hình 2.4 Hoạt động của bơm cánh gạt loại không cân bằng (bơm áp thấp PF 165)

Bơm nhiên liệu áp suất thấp LP (Low Pressure) dùng để cấp một lượng nhiên liệu có

áp suất phù hợp từ 300-530 Kpa đến bơm phun và kim phim LP trên đường ống nạp và đến bơm cao áp của kim phun trực tiếp trên xi lanh Mục đích cấp nhiên liệu vào buồng đốt của

xi lanh vào đúng thời điểm với một lưu lượng, áp suất nhất định và theo một quy luật nhất định tương ứng với từng chế độ của động cơ Bơm này còn có chức năng bổ sung là tắt khi

túi khí ngừng hoạt động

Nguyên lí làm việc:

− Khi cấp nguồn điện, trục bắt đầu quay và roto được gắn trên trục cũng bắt đầu quay

→ các cánh trượt chịu một lực ly tâm hướng ra ngoài làm cho cánh gạt GDI chuyển

ra ngoài → lò xo nối roto và cánh gạt được kéo dài ra → các lò xo mở rộng và các cánh trượt tiếp xúc với vòng cam (cho đến khi roto dừng hoạt động) Lò xo của cánh gạt nén lại, sẽ duy trì sự tiếp xúc với vành cam

− Khoảng cách giữa các cánh gạt và vòng cam tạo ra một “buồng chứa kín” bao bọc bởi vòng cam và cánh gạt Thể tích của buồng này giảm khi cánh gạt đến vị trí mà khoảng cách giữa trục rôto và vỏ nhỏ hơn

− Tương tự, khi cánh gạt đến vị trí mà khoảng cách giữa trục rôto và vỏ nhiều hơn, lò xo của cánh sẽ mở rộng để duy trì tiếp xúc với vành cam Tại vị trí này, Diện tích giữa hai cánh gạt liền kề và vỏ cũng nhiều hơn→ Diện tích buồng chứa giảm

− Gần đầu vào của bơm cánh gạt, thể tích buồng chứa tăng (do khoảng cách giữa trục và

vỏ tăng), lúc này một chân không được tạo ra gần đầu vào của bơm cánh gạt tạo lực hút → nhiên liệu được hút vào trong máy bơm → các buồng chứa tạo bởi các van Và trong khi bơm chuyển từ cổng nạp đến cổng ra, nhiên liệu chịu một lực li tâm → tăng

áp suất nhiên liệu ở cổng ra Roto tiếp tục quay, nhiên liệu nạp vào bị nén do thể tích các buồng chứa giảm khi tâm trục gần với vỏ → nhiên liệu bị nén với áp suất cao → cổng ra đến ống cao áp

2.5.3 Thông số mô phỏng chi tiết

Hình 2.7 Nguyên lí hoạt động của bơm cao áp

Nhiên liệu đi vào buồng bơm trong quá trình chuyển động đi xuống của pít tông thông

qua van Solenoid mở Solenoid mở trong thời gian này do van được giữ mở bởi lò xo và

lực hút của piston Điều này dẫn đến áp suất trong buồng bơm thấp hơn so với đầu vào

nhiên liệu và nhiên liệu chảy vào buồng

Nếu van điện từ vẫn không được cấp tín hiệu từ ECM trong suốt hành trình đi lên của

cam và pít tông, van sẽ mở do lực lò xo, ngăn không cho bơm tạo áp suất Do đó, bơm

nhiên liệu GDI không cung cấp nhiên liệu vào đường ray nhiên liệu

Nếu bộ điện từ FCV được cung cấp tín hiệu từ ECM trong quá trình đi lên, van điện

từ sẽ đóng lại và đầu vào áp suất thấp bị chặn khỏi buồng bơm Điều này cho phép tạo ra

áp suất cao trong buồng Khi đã tạo đủ áp suất, van một chiều đầu ra sẽ mở ra và nhiên liệu

được điều áp sẽ được đưa đến đường ray nhiên liệu

Lượng nhiên liệu được cung cấp bởi bơm nhiên liệu GDI có thể được điều chỉnh bằng cách kiểm soát thời điểm chính xác trong hành trình pít tông hướng lên mà van điện từ được cung cấp năng lượng Van đóng càng sớm, lượng nhiên liệu được cung cấp đến đường ray nhiên liệu càng cao

ECM truyền tín hiệu yêu cầu vận hành bơm nhiên liệu đến cụm ECU điều khiển bơm nhiên liệu tương ứng với điều kiện hoạt động của động cơ Dựa trên tín hiệu nhận được từ ECM, cụm ECU điều khiển bơm nhiên liệu sẽ điều khiển năng lượng cung cấp cho bơm nhiên liệu ở 3 mức (thấp, trung bình và cao) Điện áp ắc quy được cung cấp trực tiếp cho bơm nhiên liệu cho mức cao Tuy nhiên, ở mức trung bình và thấp, điều khiển chế độ rộng xung (PWM) được sử dụng để điều khiển công suất được cung cấp Điều này góp phần tiết kiệm nhiên liệu bằng cách giảm mức tiêu thụ hiện tại so với điều khiển thông thường, hoạt động bằng cách chuyển đổi một điện trở trong và ngoài mạch

2.6.3 Thông số mô phỏng chi tiết

- Khối lượng kim phun: 780 g

- Áp suất tiêu chuẩn: 200 bar

- Áp suất cung cấp: 4 – 7 bar

- Tốc độ phun tối đa: 300 m/s2

- Nhiệt độ nhiên liệu: 80oC – 130oC

- Kiểu kết nối điện: dây nối tiếp + đầu nối nhỏ

- Lượng phun tối đa 1.1 cm3/ 1 vòng quay cam

- Đường kính bơm: 66 mm

- Định hướng kết nối thủy lực: LP 240o hoặc HP 180o

- Van điều khiển lưu lượng tích hợp

- Van giảm áp bên trong

2.7 Kim phun PI (phun trên đường ống nạp)

Hình 2.8 Kim phun PI

1 Đường nạp nhiên liệu

2 Gioăng cao su

3 Vỏ kim phun Giắc cấp điện (đầu nối)

4 Bộ lọc

5 Điện cực bên trong

6 Lò plastic clip with injection pin (kẹp nhựa cố định chốt kim phun)

7 Lò xo nâng

8 Cuộn dây điện từ

9 Van kim phun với phần ứng (solenoid)

2.7.1.1 Các liên kết trong kim phun:

Khi kim phun được sử dụng, nhiên liệu cung cấp đến kim phun theo hướng trục, từ đáy kim phun (đầu cổng cấp nhiên liệu)

Đường dẫn nhiên liệu được giữ chặt ở đường nhiên liệu bởi một cái giá cố định Kẹp

cố định đảm bảo sự căn chỉnh và giữ chặt một cách tin cậy Gioăng cao su ở đường nạp nhiên liệu làm kín kim phun với đường ống nhiên liệu

Kim phun được kết nối với ECU của động cơ

2.7.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động chi tiết của kim phun PI trên đường ống nạp

Kim phun trên đường ống nạp này có thể:

− Phun nhiều lần và với một lượng nhiên liệu nhỏ

− Nhiên liệu phun ra có kích thước nhỏ

2.7.2.1 Kết nối

Trên các kim phun PI hiện đang được sử dụng, nhiên liệu cung cấp cho kim phun theo hướng trục của kim phun từ trên xuống dưới ("nguồn cấp từ trên") Đường nhiên liệu được cố định vào đường nạp nhiên liệu bằng kẹp Kẹp giúp giữ, đảm bảo sự cố định và gắn chặt một cách tin cậy Vòng đệm (vòng chữ o) (2) khiến cổng nạp nhiên liệu (1) bị nhấc ra khỏi kim phun ở đường ống nạp nhiên liệu Kim phun được kết nối bằng điện với ECU động cơ

2.7.2.2 Hoạt động của vòi phun

Khi cuộn dây điện từ (9) bị ngắt năng lượng → kim van (10) và van bi (11) → lò xo (8) ép vào chân van (13) và lực đó tạo bởi áp suất nhiên liệu → hệ thống cung cấp nhiên liệu được đóng kín khỏi ống góp vào

Khi cuộn dây điện từ (9) được cấp điện, điều này tạo ra từ trường hút phần ứng điện

từ của phần ứng van kim→ Van bi nâng ra khỏi bệ van → nhiên liệu được phun vào Khi ngắt dòng điện kích thích, kim van sẽ đóng lại do lực lò xo

2.7.2.3 Đầu ra nhiên liệu

Nhiên liệu được phun ra nhờ một tấm lỗ phun (13) trong đó có một số lỗ Các lỗ này (lỗ phun) được đẩy ra khỏi đĩa và đảm bảo rằng lượng nhiên liệu phun vào luôn không đổi Tấm lỗ phun không nhạy cảm với cặn nhiên liệu Hình dạng của nhiên liệu rời khỏi kim phun được tạo ra bởi số lượng lỗ phun và cấu hình của lỗ phun

Kim phun được làm kín hiệu quả bởi chân van bằng nguyên tắc làm kín hình nón / bi

ở đầu kim phun Kim phun được lắp vào lỗ có sẵn cho nó trong ống nạp Vòng đệm thấp hơn sẽ cho phép có vòng đệm giữa ống phun và ống góp

Về cơ bản, lượng nhiên liệu phun vào tính theo thời gian phun và sẽ được xác định bằng hệ thống áp suất trong hệ thống cung cấp nhiên liệu, áp suất ngược trong đường ống nạp và hình dạng của khu vực phun nhiên liệu

Nhờ các bề mặt chống mài mòn, PI cũng làm tăng độ ổn định với độ bền cao và tuổi thọ lâu dài Nhờ khả năng làm kín hiệu quả cao, kim phun này đáp ứng tất cả các yêu cầu liên quan đến "không bay hơi", không có hơi nhiên liệu thoát ra khỏi chúng

2.7.2.4 Kích hoạt điện

Một mô-đun đầu ra trong Motronic ECU kích hoạt kim phun bằng tín hiệu chuyển mạch Dòng điện trong cuộn dây điện từ tăng lên (b) và làm cho kim van (c) nâng lên Độ nâng van tối đa đạt được sau khi thời gian (thời gian nạp) trôi qua Nhiên liệu được phun ngay khi quả cầu van nhấc ra khỏi bệ đỡ của nó Tổng lượng nhiên liệu được bơm vào trong một xung phun được thể hiện trong Hình.2.10 d

Hình 2.10 Tổng nhiên liệu phun vào trong một xung phun

Hình 2.11 Quá trình hoàn chỉnh phun nhiên liệu theo điện áp

− Dòng hiện tại ngừng khi tắt kích hoạt Khối lượng quán tính làm cho van đóng, nhưng chỉ từ từ Van được đóng lại hoàn toàn sau khi hết thời gian phun

− Khi van mở hoàn toàn, lượng nhiên liệu phun vào sẽ tỷ lệ thuận với thời gian Sự không tuyến tính trong giai đoạn lấy và xả van phải được bù trừ cho việc tiết lưu mà không có khoảng thời gian mà kim phun được kích hoạt (thời gian phun)

− Tốc độ mà kim van nâng ra khỏi bệ đỡ của nó cũng phụ thuộc vào điện áp của pin

− Theo thời gian, các kim phun đã liên tục được phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về kỹ thuật, chất lượng, độ tin cậy và trọng lượng

2.7.2.5 Hình thành phun

Hình dạng hình học của đường ống nạp trong thực tế và đầu xi lanh làm cho nó cần phải có các kiểu phun khác nhau Hình 4.5 mô tả các hình dạng nhiên liệu được phun ra

Hình 2.12 Hình dạng kim phun và góc phun

Khi cuộn dây điện từ không được cấp năng lượng thì van kim và van bi bị lò xo ép vào bệ van hình nón với lực tác động bởi nó, nhiên liệu bị bịt kín khỏi ống nạp Khi cuộn dây điện từ được cấp điện, nó tạo ra từ trường hút phần vỏ van kim nhờ phần ứng điện từ Van bi nâng ra khỏi bệ van và nhiên liệu được phun vào

Khi ngắt dòng điện kích từ, kim van đóng lại do lực lò xo Lúc này, nhiên liệu được nguyên tử hóa (phun tơi sương) bằng đầu phun dạng tấm có nhiều lỗ phun Những lỗ phun

này đóng chặt trên tấm đầu kim phun và đảm bảo nhiên liệu phun ra với số lượng và áp suất cao Và không có nhiên liệu đọng lại trên đầu kim phun, số lượng tia phun sẽ theo số lượng lỗ phun

Thông qua các chế độ hoạt động của động cơ, thì ECU tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến và gửi tín hiệu điện đến kim phun để điều khiển kim phun, điều khiển lượng nhiên liệu phun ra thông qua thời gian nhấc kim phun

2.7.3 Thông số kết cấu mô phỏng chi tiết

Hình 2.13 Bản vẽ kim phun PI tiêu chuẩn

2.7.3.1 Thông số cơ học

− Áp suất hệ thống: 5 bar

− Câng nặng: 30 g

− Chiều dài : 33.6, 48.65, hoặc 60.65 mm

− Nhiên liệu đầu vào: Đầu kim phun

− Nhiệt độ hoạt động: -40 – 110oC

− Nhiệt độ nhiên liệu cho phép: ≤ 70°C

2.8 Kim phun trực tiếp đa điểm GDI (kim phun cao áp)

2.8.1 Cấu tạo của kim phun cao áp GDI

1.Đầu nạp nhiên liệu có bộ lọc 2.Giắc cấp điện

3 Lò xo 4.Cuộn dây 5.Vỏ kim phun 6.Vòi phun nhiên liệu có cuộn dây điện từ

7.Kệ đỡ kim phun 8.Đầu phun nhiên liệu của kim phun

Hình 2.14 Cấu tạo của kim phun trực tiếp 2.8.2 Nhiệm vụ và yêu cầu với kim phun cao áp:

2.8.2.1 Nhiệm vụ

Kim phun có nhiệm vụ đo lường lượng nhiên liệu phun và nguyên tử hóa nhiên liệu (thông qua việc phun tơi nhiên liệu vào buồng đốt) để điều khiển lượng hòa khí theo từng khu vực đặc biệt của buồng đốt Phụ thuộc vào các chế độ hoạt động, lượng nhiên liệu tập trung xung quanh bugi (ở chế độ phân tầng) hoặc phân bố khắp trong buồng đốt (ở chế độ đồng nhất)

2.8.2.2 Yêu cầu với kim phun cao áp

Thời gian phun nhiên liệu vào buồng đốt ngắn hơn rất nhiều so với phun ngoài đường ống nạp

Vì vậy kim phun cap áp cần phải bền bỉ, kín hoạt động êm dịu, lượng nhiên liệu phun

ra phải tơi và bốc hơi nhanh ngay sau khi phun ra nhằm đảm bảo sự hoạt động tối ưu tuyệt

đối của kim phun

Hình 2.15 Sự so sánh giữa thời gian phun trên đường ống nạp và phun trực tiếp

Dựa vào hình trên, ta có thể thấy cùng một lượng nhiên liệu phun ra nhưng thời gian phun của kim phun trực tiếp nhắn hơn rất nhiều cụ thể ở vòng quay 6000 vòng/phút:

− Kim phun trực tiếp: từ 0.4 đến 5 ms để đạt lượng nhiên liệu

− Kim phun trên đường ống nạp: từ 3.5 đến 20 ms để đạt lượng nhiên liệu phun

Ở phun xăng trực tiếp, nhu cầu nhiên liệu ở mức đầy tải sẽ thấp hơn so với phun xăng trên đường ống nạp nên khi tải cao thường hay sử dụng phun xăng trực tiếp để tiết kiệm nhiên liệu

2.8.3 Nguyên lí hoạt động của kim phun trực tiếp GDI trong AVL BOOST Hydsim Kim phun trực tiếp trực tiếp GDI có các chức năng:

− Phun nhiên liệu trực tiếp với áp suất cao

− Phun nhiên liệu theo nhiều cách để đạt được sự kiểm soát nhiên liệu theo khu vực cụ thể của buồng đốt

− Phun theo chế độ vận hành, nhiên liệu sẽ tập trung ở vùng lân cận của bugi (phân tầng) hoặc phân bố đều khắp buồng đốt (đồng nhất)

2.8.3.1 Nguyên lí hoạt động

− Khi dòng điện chạy qua cuộn dây → một từ trường được tạo ra → nâng kim van ra khỏi chân van chống lại lực của lò xo → mở các đường ra của kim phun (8) Áp suất hệ thống bây giờ ép vào một lượng nhiên liệu, lượng nhiên liệu này sẽ tùy thuộc vào thời gian của kim phun và áp suất nhiên liệu, nhấc càng lâu, áp suất càng cao thì nhiên liệu phun ra càng nhiều và ngược lại

− Khi ngắt dòng điện, van kim bị lực lò xo ép ngược xuống bệ đỡ của nó và làm gián đoạn dòng chảy của nhiên liệu

− Khả năng phun nhiên liệu tuyệt vời đạt được nhờ vào hình dạng vòi phun phù hợp ở đầu kim phun

2.8.3.2 Hoạt động của kim phun GDI trong xi lanh

Hình 2.16 Hoạt động của kim phun GDI trong xi lanh

Kim phun phải được kích hoạt với đặc tính dòng điện cao để tuân thủ các yêu cầu đối với quá trình phun nhiên liệu tái tạo, xác định (hình 4.9)

− Bộ vi điều khiển trong ECU động cơ chỉ phát tín hiệu kích hoạt kỹ thuật số (a) Một mô-đun đầu ra (ASIC) sử dụng tín hiệu này để tạo ra tín hiệu kích hoạt (b) cho kim phun

− Một bộ chuyển đổi D/C trong ECU động cơ tạo ra điện áp tăng cường 65V Điện

áp này là cần thiết để đưa dòng điện lên càng nhanh càng tốt trong pha tăng cường đến giá trị dòng điện cao Điều này là cần thiết để tăng tốc kim phun càng nhanh càng tốt Trong giai đoạn lấy hàng (t bật), kim giá trị sau đó đạt được độ nâng mở tối đa (c) Khi kim phun mở, một dòng điện kích hoạt nhỏ (dòng điện giữ) là đủ để giữ cho kim phun mở

Hình 2.17 Sự hoạt động của kim phun cao áp GDI

− Với độ nâng kim phun không đổi, lượng nhiên liệu phun vào (d) tỷ lệ với thời gian phun

2.8.3.3 Hình thành phun

Nhiên liệu sau khi được đưa đến đầu kim phun, với áp suất cao và cấu tạo vòi phun 6

lỗ phun, nhiên liệu được phun sương ra theo 6 lỗ phun này

Hình 2.18 Đầu kim phun áp cao GDI

Hướng nhiên liệu phun ra được mô tả trong hình 4.11

Hình 2.19 Hướng nhiên liệu phun ra trong buồng đốt

- Chế độ nạp phân tầng:

Tạo ra một vùng hỗn hợp A/F xung quanh bugi, vùng này được bao quang bởi vùng không khí trong phần còn lại của xi lanh, Điều này dẫn đến lượng nhiên liệu được phun vào xi lanh ít hơn, dẫn đến tỉ lệ A/F tổng thế rất cao lamda > 8, với tỉ lệ không khí trung bình lamda = 3 5 khi tải trung bình và lamda = 1 khi đầy tải Chế độ nạp phân tầng cũng giữ cho ngọn lửa cách xa thành xi lanh, giúp giảm tổn thất nhiệt Nhiên liệu sẽ được phun trong giai đoạn sau của kì nén, kết hợp với khoang xoáy ở trên cùng của piston tạo ra hỗn hợp nhiên liệu phân tầng xoáy siêu nghèo mà các hệ thống nhiên liệu cho động cơ xăng khác không làm được Được sử dụng ở mức tải thấp, nhằm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu

và lượng khí thải

2.8.3.5 Điều khiển nhiên liệu

ECU tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến áp suất nhiên liệu trong xi lanh, cảm biến bàn đạp ga… xử lí và gửi tín hiệu điện đến kim phun đển điều khiển dòng điện cấp cho kim phun, lượng điện cung cấp càng lâu thì lượng nhiên liệu phun ra sẽ càng nhiều và áp suất phun từ 2.75MPa đến 20MPa

2.8.4 Thông số kết cấu mô phỏng trực tiếp

Hình 2.20 Bản vẽ chi tiết kim phun GDI

2.8.4.1 Thông số cơ khí:

− Khối lượng kim phun: 68g

− Đường kính thân kim phun: 20,7 mm

− Chiều dài kim phun: 87 mm

2.8.4.2 Thông số điện tử của cuộn dây điện từ:

− Dòng cấp tăng áp: 65V

− Dòng tăng áp: 13,4V

− Thời gian tăng áp: 480 µs

− Nguồn cấp: 12V

− Thời gian nhấc kim: 704 µs

Dòng duy trì: 3.7A - Độ trễ 0.8A

2.9 Đường ống dẫn nhiên liệu

2.9.1 Đường ống dẫn nhiên liệu áp suất thấp (LP)

Được làm từ thép dập, và thành của nó đóng vai trò là van điều tiết xung áp suất nhiên liệu

Cảm biến áp suất được lắp trong thanh ray

Hình 2.21 Đường ống nhiên liệu áp thấp 2.9.2 Đường ống dẫn nhiên liệu áp suất cao (HP)

Được làm từ tháp dập, có một cảm biến áp suất cung cấp tín hiệu phản hồi cho ECU Các kim phun được giữ bằng giá đỡ lò xo giúp giảm rung động và không cho chúng di chuyển trong quá trình khởi động (khi áp suất trong xi lanh cao hơn áp suất nhiên liệu trong đường ống)

Hình 2.22 Đường dẫn nhiên liệu áp suất cao

2.10 Hệ thống chứa và lọc nhiên liệu

− Bầu lọc thô có nhiệm vụ tách nước ra khỏi nhiên liệu và lọc các hạt thô có kích thước 0.04-0.1mm

− Bầu lọc tinh có nhiệm vụ lọc sạch cặn bẩn có kích thước rất nhỏ trong nhiên liệu

để đảm bảo chất lượng làm việc cũng như độ bền của bơm cao áp và vòi phun