Báo cáo hệ thống phun dầu điện tử Common rail

Hệ thống phun xăng điện tử EFI Electronic Fuel Injection, cơ cấu Valvetronic, hệ thống phun xăng trực tiếp vào xilanh động cơ cho động cơ xăng… hệ thống phun nhiên liệu Common Rail cho

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN

Theo quá trình phát triển động cơ đốt trong, rất nhiều cơ cấu và hệ thống đặc biệt nhằm nâng cao công suất và hiệu suất của động cơ đã ra đời Hệ

thống phun xăng điện tử EFI (Electronic Fuel Injection), cơ cấu

Valvetronic, hệ thống phun xăng trực tiếp vào xilanh động cơ cho động cơ xăng… hệ thống phun nhiên liệu Common Rail cho động cơ diesel…

Năm 1993 hệ thống nhiên liệu mới đã thành công trong phòng thí nghiệm và nhờ kết hợp với hãng Robert Bosch vào tháng 6 năm 1997, hệ thống nhiên liệu mới cho động cơ diesel được gọi là Common Rail (hệ thống

nhiên liệu tích áp) được sản xuất hàng loạt và ứng dụng cho xe khách.

Các cụm chi tiết chính của hệ thống nhiên liệu Common Rail gồm: Bơm chuyển nhiên liệu, bơm cao áp, thanh tích áp, các vòi phun, các bộ cảm biến nhận biết chế độ hoạt động của động cơ và ECU điều khiển

Quá trình phát triển của hệ thống common rail do hãng Bosch sản xuất:

* Năm 1997: hệ thống common rail đầu tiên trên thế giới được thiết kế cho xe khách với áp suất phun là 1350 bar Hãng ứng dụng đầu tiên là: Alfa Romeo và Mercedes – Benz.

* Năm 1999: hệ thống common rail được sử dụng cho xe tải áp suất phun tối đa là 1400 bar Hệ thống được hãng Renault ứng dụng thử nghiệm lần đầu tiên.

* Năm 2001: hệ thống common rail thế hệ thứ 2 ra đời được áp dụng cho xe khách mang lại khả năng tiết kiệm nhiên liệu, giúp động cơ hoạt động êm, giảm khí thải và tăng công

suất động cơ, áp suất phun là 1600 bar Hệ thống được áp dụng lần đầu tiên trên các xe

khách của hãng Volvo và BMW.

* Năm 2002: hệ thống common rail thế hệ thứ hai được áp dụng cho xe tải giúp tiết kiệm nhiên liệu, giảm khí thải và tăng công suất động cơ, áp suất phun là 1600bar, hãng ứng dụng đầu tiên là: Man.

Ngoài nhãn hiệu Bosch, hệ thống common rail còn được nhiều nhà sản xuất phụ tùng ôtô nghiên cứu, chế tạo Năm 2002 hãng Denso đã chế tạo thành công hệ thống common rail có áp suất phun là 1800 bar Hệ thống cho phép động cơ diesel có thể đáp ứng được tiêu chuẩn Euro 4 mà không cần dùng bộ lọc khí thải Hệ thống common rail mới của Denso cho phép phun 5 lần trong mỗi kỳ nổ của động cơ Khả năng phun 5 lần với bộ xác định chính xác

lượng nhiên liệu cực nhỏ đã làm giảm một lượng lớn nồng độ khí thải, đồng thời giúp động cơ hoạt động êm như động cơ xăng.

Hình 1- Hệ thống Common Rail trên động cơ

diesel 1-Thanh tích áp; 2-Các vòi phun; 3-Bơm cao áp.

2 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU

COMMON RAIL Hình 2-Sơ đồ toàn bộ hệ thống

nhiên liệu Common Rail trên động cơ 4 xilanh thẳng hàng 1-Bơm chuyển nhiên liệu; 2-lọc nhiên liệu; 3-Bơm cao áp;

4Cảm biến áp suất, 5-Thanh tích áp; 6-Van điều chỉnh áp suất; 7-Các vòi phun; 8-Cảm biến khối lượng không khí; 9- Cảm biến nhiệt độ nước; 10- Cảm biến nhiệt độ không khí nạp;11-Cảm biến áp suất tăng áp; 12-Cảm biến vị trí bàn đạp ga; 13-Cảm biến vị trí trên trục cam; 14-Cảm biến tốc độ quay

Hình 3- Sơ đồ toàn bộ hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ V8

3 CẤU TẠO CÁC CỤM CHI TIẾT CHÍNH CỦA HỆ

THỐNG NHIÊN LIỆU COMMON RAIL

Hình 5-Kết cấu hệ thống nhiên liệu Common Rail;

Loại sử dụng trên động cơ 4 xilanh (a); và động cơ V8 (b)

3.1.1 Bơm con lăn (Roller cell pump)

Bơm con lăn là một loại bơm điện dùng để chuyển nhiên liệu từ thùng nhiên liệu đến bơm bánh răng.

Bơm này chạy khi bộ khởi động động cơ hoạt động, hút nhiên liệu từ thùng chứa (có thể là thùng chứa nhỏ bên trong thùng

nhiên liệu và thùng này được 1 bơm nhỏ cấp nhiên liệu).

Bơm này cấp nhiên liệu cho bơm bánh răng với áp suất khoảng

3 bar mỗi khi động cơ bắt đầu hoạt động Cho phép động cơ có thể khởi động nhanh với bất kỳ nhiệt độ nào của nhiên liệu.

Bơm con lăn tự động tắt sau khi động cơ đã hoạt động (sau khi mồi nhiên liệu cho bơm bánh răng).

3.1 Cụm chi tiết áp suất thấp

Hình 6–Bơm nhiên liệu; a-Bơm con lăn; b-Bơm bánh răng

3.1.2 Bơm bánh răng (Gear type pump)

Bơm bánh răng thông thường được thiết kế gắn liền phía sau và cùng trục dẫn động với bơm cao áp Tuy nhiên có

một số động cơ (động cơ V8) bố trí bơm bánh răng riêng biệt với bơm cao áp và được dẫn động bằng trục cam Bơm bánh răng làm nhiệm vụ tiếp nhiên liệu cho bơm cao áp

Bơm bánh răng hút nhiên liệu từ đường ống nối với bơm

con lăn và thùng chứa, đường ống dầu ra của bơm bánh

răng nối với đường ống dầu vào của bơm cao áp Nó bắt

đầu hoạt động khi động cơ bắt đầu hoạt động.

Lưu lượng bơm bánh răng của hãng Audi AG: 40l/h ở số vòng quay 300 v/ph, 120l/h ở số vòng quay 2500 v/ph.

 Ưu điểm của bơm bánh răng:

• Ít bị ảnh hưởng bởi các cặn có trong nhiên liệu.

• Hoạt động với độ tin cậy cao.

• Tuổi thọ cao.

3.2 Cụm chi tiết áp suất cao

3.2.1.Bơm cao áp

Bơm cao áp thường là loại bơm piston Trên hình 7 mô tả bơm cao áp với van hạn chế ngăn nạp có điều khiển của hãng Audi AG Nó là một loại bơm piston có chuyển động hướng kính (hướng bán kính), có 3 piston bố trí theo vòng tròn lệch nhau góc 120 độ Các piston

dịch chuyển hướng kính do tác động của đĩa cam Để có áp suất

1300 bar thì mômen cần để dẫn động trục bơm là 17N.m Điều này cho thấy rằng áp suất cao hơn gấp 9 lần so với bơm cao áp bình

thường (bơm dãy), do đó thuận lợi cho kỹ thuật phun nhiên liệu vào xilanh động cơ

Bơm cao áp được dẫn động bằng bộ truyền đai răng

Hình 7-Bơm cao áp loại 3 piston

3.2.2 Thanh tích áp

Hình 8 – Thanh tích áp hệ thống nhiên liệu Common Rail 4 vòi phun 1-Thanh chứa nhiên liệu; 2-Ống dẫn nhiên liệu vào từ bơm cao áp; 3-Cảm biến áp suất; 4-Van điều áp; 5-Đường hồi nhiên liệu về thùng chữa; 6&7-

Đầu nối ống nhiên liệu đến vòi phun.

a Cấu tạo của kim phun 3.2.3 Kim phun

Hình 10-Vòi phun của hãng Audi AG a)Trạng thái đóng kim phun; b)Trạng thái nhấc kim phun

 Thông số kỹ thuật

• Dòng điện nâng kim : 20A

b Nguyên lý hoạt động của vòi phun

4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU COMMON RAIL

Hình 11-Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhiên liệu Common Rail.

1-Thùng nhiên liệu; 2-Lọc nhiên liệu; 3- Bơm chuyển nhiên liệu;4-Bơm cao áp; 5-Cảm biến áp suất nhiên liệu; 6-Thanh tích áp; 7-Van điều áp; 8-Các vòi phun; 9-Các cảm biến; 10-Bộ điều khiển trung

tâm ECU.

5 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CỦA HỆ

THỐNG NHIÊN LIỆU COMMON RAIL

5.1 Tổng quan

Hệ thống điều khiển động cơ bao gồm các cảm biến liên tục đo đạc các trạng thái hoạt động của động cơ, một bộ điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit) đánh giá các tín hiệu vào của các cảm biến bằng cách so sánh với các giá trị tối ưu trong bộ nhớ, sau đó tính toán và hình thành các xung điều khiển đưa đến các thiết bị chấp hành (vòi phun, van điều áp…).

Mục đích ứng dụng kỹ thuật điện tử để điều khiển động cơ đốt trong là cung cấp sự chính xác và thích nghi cần thiết để giảm lượng khí thải độc hại và lượng tiêu hao nhiên liệu, cung cấp khả năng vận hành tối ưu cho các chế độ hoạt động khác nhau và cung cấp khả năng tự chuẩn đoán khi các hư

Hình 12-Sơ đồ điều khiển của hệ thống nhiên liệu Common Rail trên động cơ ô tô.

5.2 Các cảm biến

5.2.1 Cảm biến tốc độ động cơ và vị trí trục khuỷu

Cảm biến số vòng quay trục khuỷu được lắp cạnh bánh đà động cơ đối diện vành răng khởi động và hoạt động theo nguyên tắc cảm

ứng điện từ gọi là cảm biến từ tính Khi một răng hoặc một vật

chuẩn chuyển động qua trước lõi từ sẽ làm biến thiên từ trường

trong lõi sắt dẫn đến tạo ra một xung điện cảm ứng trong cuộn dây Chu kì của một xung điện phát ra sẽ tương ứng với góc quay trục

khuỷu giữa hai răng liên tiếp

Để xác định vị trí tương đối của trục khủyu (như so với ĐCT)

người ta tạo ra một chuẩn trên bánh đà, có thể một lỗ hay “khoảng trống” (secment gap) Cảm biến này sẽ cung cấp một xung điện sau

Hình 13-Cảm biến tốc độ động cơ

và vị trí trục khuỷu.

5.2.2 Cảm biến vị trí bàn đạp ga

Cảm biến vị trí bàn đạp ga được lắp với bàn đạp ga, nó chuyển vị trí góc xoay của bàn đạp ga thành tín hiệu điện thế gởi đến ECU

Thông thường người ta sử dụng cảm biến vị trí bàn đạp ga loại biến trở, loại này có cấu tạo gồm 2 con trượt, ở mỗi đầu con trượt được thiết kế các tiếp điểm cho tín hiệu cầm chừng và tín hiệu tăng tốc.

5.2.3 Cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp

Dùng để đo áp suất trên đường ống nạp, khi

tải thay đổi thì áp suất tuyệt đối trong đường

ống nạp cũng thay đổi Cảm biến áp thấp sẽ

nhận biết sự thay đổi này và chuyển thành

tín hiệu điện thế và báo về cho ECU để tính

ra lượng không khí đi vào xy lanh Sau đó,

dựa vào giá trị này, ECU sẽ điều khiển thời

gian mở kim phun Hiện nay có 3 loại: loại

áp kế điện, loại điện dung và loại sai lệch

từ tuyến tính Sau đây sẽ giới thiệu loại sai

lệch từ tuyến tính

Cảm biến này bao gồm một cuộn dây sơ cấp, hai

cuộn dây thứ cấp quấn ngược chiều nhau và một lõi nam châm điện di chuyển, luôn có nguồn điện thế

không đổi đến cuộn sơ cấp Khi lõi ở giữa, chênh lệch giữa 2 vị trí điện áp bằng không Khi áp suất đường

ống nạp thay đổi, buồng khí sẽ hút lõi nam châm điện thay đổi, buồng khí áp sẽ hút lõi nam châm điện di

chuyển phù hợp với tải của động cơ, lúc này từ thông qua hai cuộn thứ cấp sẽ gây nên sự chênh lệch điện thế Tín hiệu thay đổi điện thế này sẽ gởi về ECU

5.2.4 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Nguyên lý: Điện trở nhiệt là một

phần tử cảm nhận sự thay đổi điện trở

theo nhiệt độ Nó làm bằng vật liệu có

hệ số nhiệt điện trở âm (NTC) Khi

nhiệt độ tăng điện trở giảm và ngược

lại Sự thay đổi điện trở làm thay đổi

dòng điện gởi đến ECU

Cấu tạo: Là một hình trụ rỗng có

ren bên ngoài, bên trong có gắn một

điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm

Cảm biến thường được gắn ở thân máy

gần bọng nước làm mát (áo nước)

5.2.5 Cảm biến nhiệt độ không khí nạp

Cảm biến nhiệt độ khí nạp cũng giống như cảm biến

nhiệt độ, nó gồm một điện trở được gắn trong bộ đo gió hoặc trên đường ống nạp.

Thể tích và mật độ không khí thay đổi theo nhiệt độ, nếu nhiệt độ trong không khí cao, thì hàm lượng oxy trong không khí giảm và ngược lại nhiệt độ trong không khí thấp, hàm

lượng oxy trong không khí tăng Tùy nhiệt độ của không khí nạp mà ECU nhận biết và điều khiển lượng nhiên liệu phun

cho phù hợp.

5.2.6 Cảm biến lưu lượng khí nạp

Cảm biến đo lưu lượng khí nạp thông thường là loại cảm biến đo

lưu lượng khí nạp kiểu dây nhiệt (Hot Wire Air Flow Meter- HFM)

Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên sự phụ thuộc của năng lượng nhiệt W thoát ra từ một linh kiện được nung nóng bằng điện là dây nhiệt đặt trong dòng khí Lưu lượng không khí G đi qua tính theo

5.3 Bộ điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit)

5.3.1 Cấu tạo ECU

Bộ phận chính của ECU là máy tính

(Micro computer)

Bộ phận chủ yếu của nó là bộ vi xử lý

(Microprocessor) hay còn gọi là CPU

(Control Processing Unit) CPU lựa chọn

các lệnh và xử lý số liệu Bộ nhớ ROM

và RAM chứa các chương trình và dữ

liệu và ngõ vào ra (I/O) điều khiển

nhanh số liệu từ các cảm biến và

chuyển dữ liệu đã xử lý đến cơ cấu thực

5.3.2 Các bộ phận phụ

Ngoài bộ nhớ, vi xử lý và đồng hồ thì ECU còn trang bị thêm các mạch giao tiếp giữa đầu vào và đầu ra gồm:

 Bộ chuyển đổi AD (bộ chuyển đổi tương tự thành số)

 Bộ đếm.

 Bộ đệm.

 Bộ khuếch đại.

5.3.3 Các chức năng của bộ điều khiển điện tử ECU trên hệ thống nhiên liệu Common Rail.

 Điều khiển lượng nhiên liệu khi động cơ khởi động.

 Điều khiển phun nhiên liệu theo hoạt động của xe.

 Điều khiển tốc độ cầm chừng của động cơ (tốc độ không tải).

 Điều khiển nhiên liệu cho động cơ hoạt động êm dịu.

 Điều khiển lượng nhiên liệu giới hạn.

 Điều khiển lượng nhiên liệu cho xe chạy êm dịu

 Điều khiển hoạt động khẩn cấp.

 Theo dõi và chẩn đoán hư hỏng.

6 ƯU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU

COMMON RAIL

Áp suất phun nhiên liệu có thể lựa chon tuỳ ý không phụ thuộc vào chế độ hoạt động của động cơ

Aùp suất phun nhiên liệu rất cao

Phun nhiên liệu được nhiều lần trong một chu trình công tác

của động cơ

Điều khiển áp suất phun, thời điểm phun và lưu lượng phun một cách chính xác

Với mỗi hệ thống nhiên liệu Common Rail có thể thay thế và sử dụng trên nhiều động cơ có số xilanh khác nhau, chỉ cần làm thí nghiệm và nạp dữ liệu lại cho ECU

 Cải thiện lượng tiêu hao nhiên liệu.

 Cải thiện đặc tính công suất của động cơ diesel để có mô men lớn khi ở số vòng quay thấp.

 Động cơ hoạt động êm dịu hơn nhờ điều chỉnh chế độ phun mồi (thời điểm phun, lượng nhiên liệu phun) hợp lý.

 Cải thiện đặc tính khởi động lạnh.

 Nâng cao hiệu quả hoạt động của động cơ ở các chế độ

hoạt động như: Ngắt ly hợp, vào số, phanh động cơ (động cơ

trên ô tô)… Do đó giảm hàm lượng khí thải độc hải (NOx), đáp ứng những yêu cầu ngày càng khắt khe về khí xả.