Để đáp ứng được những yêu cầu đó thì các hệ thống, cơ cấu điều khiển ô tô nói chung và về “Hệ thống cung cấp nhiên liệu XĂNG ” nói riêng phải có sự hoạt động chính xác, độ bền cao và giá
Giới thiệu chung về hệ thống phun xăng trực tiếp GDI
Hệ thống phun xăng
1.2.1 Các yêu cầu của hệ thống phun xăng
- Tỷ lệ không khí và nhiên liệu phải thích hợp với các chế độ làm việc của động cơ
- Hạt nhiên liệu cung cấp phải nhỏ và phần lớn phải ở dạng hơi
- Hỗn hợp phải đồng nhất trong xylanh và như nhau trong mỗi xylanh
- Thời gian hình thàn hỗn hợp phải đáp ứng tốt khi động cơ làm việc ở số vòng quay cao
- Điều khiển cát nhiên liệu khi giảm tốc nhằm tiết kiệm nhiên liệu và giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường
- Hỗn hợp được cung cấp phải phù hợp với sự ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất môi trường và nhiệt độ của động cơ
- Lượng nhiên liệu sử dụng phải có chất lượng tốt
- Do không sử dụng độ chân không để hút nhiên liệu như bộ chế hòa khi
- Lượng khí thải phải được kiểm tra để hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun vào cho chính xác
1.2.2 Phân loại hệ thống phun xăng
1.2.2.1 Phân loại theo điểm phun
Sinh viên thực hiện: Tăng Thanh Vũ Hướng dẫn: ThS Dương Đình Nghĩa 14 động của động cơ ở điều kiện tối ưu
- Phun xăng thủy lực: Được trang bị các bộ phận di động bởi áp lực của gió hay của nhiên liệu Điều khiển thủy lực sử dụng cảm biến cánh bướm gió và bộ phân phối nhiên liệu để điều khiển lượng xăng phun vào động cơ Có một vài loại xe trang bị hệ thống này
- Phun xăng cơ khí: Được điều khiển bằng cần ga, bơm cơ khí và bộ điều tốc để kiểm soát số lượng nhiên liệu phun vào động cơ
1.2.2.3 Phân loại theo thời điểm phun xăng
- Hệ thống phun xăng gián đoạn: Đóng mở kim phun một cách độc lập, không phụ thuộc vào xupáp Loại này phun xăng vào động cơ khi các xupáp mở ra hay đóng lại Hệ thống phun xăng gián đoạn còn có tên là hệ thống phun xăng biến điệu
- Hệ thống phun xăng đồng loạt: Là phun xăng vào động cơ ngay trước khi xupáp nạp mở ra hoặc khi xupáp nạp mở ra Áp dụng cho hệ thống phun dầu
- Hệ thống phun xăng liên tục: Là phun xăng vào ống góp hút mọi lúc Bất kì lúc nào động cơ đang chạy đều có một số xăng được phun ra khỏi kim phun vào động cơ Tỉ lệ hòa khí được điều khiển bằng sự gia giảm áp suất nhiên liệu taị các kim phun Do đó lưu lượng nhiên liệu phun ra cũng được gia giảm theo
1.2.2.4 Phân loại theo mối quan hệ giữa các kim phun
- Phun theo nhóm đơn: Hệ thống này, các kim phun được chia thành 2 nhóm bằng nhau và phun luân phiên Mỗi nhóm phun một lần vào một vòng quay trục khuỷu
- Phun theo nhóm đôi: Hệ thống này, các kim phun cũng được chia thành 2 nhóm bằng nhau và phun luân phiên
Sinh viên thực hiện: Tăng Thanh Vũ Hướng dẫn: ThS Dương Đình Nghĩa 15
- Phun đồng loạt: Hệ thống này, các kim phun đều phun đồng loạt vào mỗi vòng quay trục khuỷu Các kim được nối song song với nhau nên ECU chỉ cần ra một mệnh lệnh là các kim phun đều đóng mở cùng lúc
- Phun theo thứ tự: Hệ thống này, mỗi kim phun một lần, cái này phun xong tới cái kế tiếp.
Nguyên lí hoạt động các kiểu phun
Hệ thống phun xăng K-Jetronic là hệ thống phun xăng cơ bản của các kiểu phun xăng điện tử hiện đại ngày nay
* Đặc điểm phun xăng kiểu K :
- Là hệ thống phun xăng đa điểm
- Được điều khiển hoàn toàn bằng cơ khí- thuỷ lực
- Không cần những dẫn động của động cơ, có nghĩa là động tác điều chỉnh lưu lượng xăng phun ra do chính độ chân không trong ống hút điều khiển
- Xăng phun ra liên tục và được định lượng tuỳ theo khối lượng không khí nạp
Sinh viên thực hiện: Tăng Thanh Vũ Hướng dẫn: ThS Dương Đình Nghĩa 16
Hình 1.1:Hệ thống phun xăng K-Jetronic
* Gồm : Hệ thống cung cấp nhiên liệu
Hệ thống điều khiển cơ khí
- Hệ thống cung cấp nhiên liệu:
Hệ thống nhiên liệu có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu với áp suất cao từ thùng chứa đến các vòi phun để phun vào các xylanh với tỷ lệ thích hợp phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ
Hệ thống nhiên liệu bao gồm thùng chứa nhiên liệu, bơm nhiên liệu, bộ tích năng, lọc nhiên liệu, bộ điều áp, bộ định lượng và phân phối nhiên liệu, các vòi phun xăng và vòi phun khởi động lạnh
Sinh viên thực hiện: Tăng Thanh Vũ Hướng dẫn: ThS Dương Đình Nghĩa 17
Bơm xăng điện bơm xăng từ thùng chứa đến bộ tích năng, xuyên qua bầu lọc xăng đến bộ phân phối Từ bộ này xăng chảy tiếp đến các vòi phun xăng, các vòi phun này phun xăng liên tục vào các cửa nạp của động cơ Xăng phun vào trộn lẫn với không khí thành khí hỗn hợp, đến lúc xupáp hút mở, khí hỗn hợp sẽ được nạp vào xylanh động cơ
Bộ điều áp xăng bố trí bên trong bộ phân phối có tác dụng duy trì áp suất xăng cung cấp ở mức cố định và đưa số xăng thừa trở lại thùng chứa
-Hệ thống nạp khí: hệ thống nạp khí có nhiệm vụ cung cấp lượng không khí sạch cần thiết cho động cơ Không khí qua lọc không khí, tại đây không khí được lọc sạch và đưa đến bộ đo lưu lượng không khí Sau đó qua cổ họng gió và van khí phụ đến khoang nạp khí, qua đường ống nạp vào buồng đốt động cơ
Bộ đo lưu lượng không khí nạp: cấu tạo của bộ đo lưu lượng không khí bao gồm một phễu và một cảm biến di động Có vít điều chỉnh tỷ lệ hoà khí, trục xoay của thiết bị đo, cần bẩy và lò xo lá.Dòng không khí do động cơ hút xuyên qua bộ cảm biến sẽ tác động một lực lên mâm đo (11), lực này tỷ lệ thuận với lượng không khí nạp vào và đẩy mâm đo nâng lên Chuyển động của mâm đo làm cho cần bẩy (12) xoay quanh trục xoay
(13) Cuối cùng cần bẩy điều khiển van trượt (5) của bộ phân phối (7) để định lượng số xăng phun ra
Hình 1.2: Kết cấu bộ đo lưu lượng không khí nạp
1 – Không khí vào; 2 – Áp suất kiểm soát; 3 – Xăng vào bộ phân phối; 4 – Xăng đã được định lượng; 5 – Piston; 6 – Xylanh với các khe định lượng; 7 – Bộ định lượng và phân phối xăng; 8 – Bộ đo lưu lượng không khí nạp; 9 – Lò xo lá; 10 – Đoạn ống khuếch tán;
11 – Mâm đo; 12 – Cần bẩy; 13 – Trục xoay; 14 – Vít chỉnh ralăngti
Sinh viên thực hiện: Tăng Thanh Vũ Hướng dẫn: ThS Dương Đình Nghĩa 18 mở Cuộn điện trở nung nóng khống chế thời gian mở của thiết bị tùy theo từng loại động cơ Trong quá trình sưởi nóng, động cơ được cho nổ ở chế độ cầm chừng, động cơ đang còn nguội lạnh, cánh bướm ga đóng gần kín, mạch không khí trên van khí phụ sẽ được mở lớn tối đa Nhiệt động động cơ càng tăng lên thì tiết diện lưu thông của van khí phụ càng được thu hẹp và sẽ đóng kín sau khi hoàn tất quá trình sưởi nóng động cơ
Hình 1.4: Kết cấu van khí phụ
1 – Vách ngăn; 2 – Thanh lưỡng kim; 3 – Cuộn dây nung nóng; 4 – Đường khí tắc qua bướm ga
- Hệ thống điều khiển cơ khí
Hệ thống điều khiển cơ khí có nhiệm vụ điều khiển lượng phun phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ
Bộ định lượng và phân phối nhiên liệu
Bộ định lượng và phân phối nhiên liệu kết hợp với bộ đo lưu lượng không khí nạp định lượng và phân phối xăng đến các kim phun đúng yêu cầu cần thiết
Sinh viên thực hiện: Tăng Thanh Vũ Hướng dẫn: ThS Dương Đình Nghĩa 19
Hình 1.5 : Hoạt động của van trượt trong xylanh định lượng a – Động cơ ngừng; b – Định lượng cho chế độ tải một phần; c – Định lượng cho chế độ toàn tải; 1 – Áp suất kiểm soát; 2 – Van trượt; 3 – Khe định lượng quanh xylanh phân lượng; 4 – Vai định lượng của van trượt; 5 – Xăng vào xylanh phân lượng;
6 – Xylanh với các khe định lượng
Tùy theo vị trí cao hay thấp cảu mâm đo, bộ phân phối sẽ định lượng một số xăng tương ứng với lượng không khí nạp để cung cấp cho các kim phun Dao động của mâm đo được cần bẩy truyền động đến van trượt Xăng nạp vào bộ phân phối qua lỗ nạp sau đó len qua vai của van trượt trong xylanh Số xăng đã định lượng được đưa đến các kim phun.Piston điều khiển nhận lực từ tấm cảm biến và lực từ áp suất nhiên liệu tác dụng lên đỉnh piston (áp suất điều khiển), áp suất trên đỉnh piston làm cho tấm cảm biến và piston dịch chuyển đồng bộ với nhau
Bộ chênh lệch áp suất:
Chức năng của bộ chênh lệch áp suất là để hạn chế sự tổn thất áp suất khi nhiên liệu đi qua các rãnh đứng trong xylanh.Cấu tạo của bộ chênh lệch áp suất bao gồm: Buồng trên, buồng dưới, piston điều khiển, lò xo, rãnh định lượng nhiên liệu, màng và có đường nhiên liệu từ bơm đến, đường nhiên liệu đến các vòi phun
Các bộ chênh lệch áp suất nằm trong bộ phân phối nhiên liệu Động cơ có bao nhiêu xylanh thì có bấy nhiêu bộ chênh lệch áp suất Các bộ chênh lệch áp suất duy trì sự chênh lệch áp suất giữa buồng trên và buồng dưới của màng với một giá trị không đổi là 1kG/cm2
Sinh viên thực hiện: Tăng Thanh Vũ Hướng dẫn: ThS Dương Đình Nghĩa 20
Hình 1.6: Áp suất tác dụng lên đỉnh piston (Áp suất điều khiển)
1 – Xăng đến kim phun; 2 – Buồng trên; 3 – Màng ngăn; 4 – Buồng dưới;
5 – Áp suất ban đầu của xăng; 6 – Ap suất điều khiển; 7 – Piston (van trượt)
Màng của các bộ chênh lệch áp suất là màng phẳng làm bằng thép không rỉ, nó đặt ngăn giữa hai buồng Tất cả buồng dưới được nối thông với nhau và chịu áp suất nhiên liệu cung cấp từ bơm Các buồng trên nối thông với các khe phân lượng trên vách xylanh phân phối và ống nối đến các kim phun, các buồng trên độc lập với nhau, mỗi màng chịu tác dụng của một lò xo Nếu lượng nhiên liệu qua rãnh định lượng vào buồng trên nhiều thì áp lực trong buồng này tăng lên tức thời, làm cho màng bị cong xuống mở lổ van cho đến khi sự chênh lệch áp suất giữa hai buồng được xác định.Nếu lượng nhiên liệu cung cấp vào buồng trên giảm, màng tự đi lên và làm giảm tiết diện mở của van cho đến khi đạt được sự chênh lệch áp suất là 1 kG/cm2
Ưu điểm của hệ thống phun xăng điện tử so với dùng bộ chế hoà khí
Suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ hơn vì đảm bảo chính xác hệ số thừa không khí α, tối ưu đối với mọi chế độ hoạt động của động cơ, đều nhau trong các xi lanh
Công suất lít cao hơn với hệ số nạp lớn hơn: luôn đảm bảo góc đánh lửa và thành phần hòa khí tối ưu Ở các chế độ chuyển tiếp động cơ hoạt động tốt hơn, đảm bảo chạy không tải ổn định hơn
Khí thải ít độc hơn vì thành phần hòa khí được đảm bảo chính xác tối ưu đối với mọi chế độ hoạt động, chất lượng cháy tốt hơn kết hợp với xử lý khí thải trên đường thải
Hoạt động tốt trong mọi mọi điều kiện thời tiết, địa hình hoạt động, không phụ thuộc vào tư thế của xe
Có khả năng sử dụng các hệ thống và thiết bị tự chẩn đoán
Cấu tạo phức tạp, có yêu cầu khắt khe về chất lượng lọc sạch nhiên liệu và không khí Bảo dưỡng sửa chữa cần có trình độ chuyên môn cao
Sinh viên thực hiện: Tăng Thanh Vũ Hướng dẫn: ThS Dương Đình Nghĩa 30 Động cơ có công suất 180 Kw/5500v/p có hệ thống đánh lửa trực tiếp điều khiển bằng điện tử và hệ thống nhiên liệu phun trực tiếp điều khiển bởi ECU
Bảng thông số động cơ:
Cách bố trí In-line
Tỷ số nén ε 10 Đường kính piston D 84 mm
Sinh viên thực hiện: Tăng Thanh Vũ Hướng dẫn: ThS Dương Đình Nghĩa 31
Công suất cực đại- ứng với số vòng quay Ne-n 180-
5500 kW-v/h Momen xoắn cực đại-ứng với số vòng quay Me-n 350-
Hệ thống nhiên liệu Phun xăng trực tiếp GDI
Hệ thống nạp Turbo tăng áp ống kép
Hệ thống phân phối khí 16 valve, DOHC Động cơ BMW N20 có công nghệ tăng áp cuộn đôi (twin scroll Turbo)
Khác với động cơ Turbo thông thường, động cơ TwinPower Turbo N20 có nhiều công nghệ hỗ trợ giúp nâng cao hiệu suất hoạt động N20 là loại Twinscroll Turbo charger với hai cửa nạp giúp cho quá trình nạp khí vào buồng đốt nhanh hơn, loại bỏ hiện tượng trễ nhịp như Turbo thông thường Do đó, chân ga của xe sẽ nhạy hơn khi tăng tốc, đồng thời cải thiện hiệu suất tiêu hao nhiên liệu Động cơ N20 có bộ phun nhiên liệu trực tiếp với công nghệ van biến thiên linh hoạt
Bộ phun nhiên liệu trực tiếp giúp cho quá trình đốt cháy nhiên liệu diễn ra hiệu quả hơn nhờ giảm bớt hao phí do quá trình cháy không hoàn hảo Công nghệ van biến thiên linh hoạt với 2 tính năng chính là VANOS và Valvetronic, cho phép thay đổi hành trình và thời gian đóng mở van xả, van nạp nhằm tối ưu hóa khả năng hoạt động của động cơ
Sinh viên thực hiện: Tăng Thanh Vũ Hướng dẫn: ThS Dương Đình Nghĩa 32
Hình 2.3: Mặt cắt động cơ BMW N20
2.2 Khảo sát hệ thống nhiên liệu GDI
2.2.1 Sơ đồ bố trí hệ thống nhiên liệu trên xe có lắp động cơ BMW N20
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun xăng trực tiếp của động cơ BMW N20 1-Bình xăng; 2- Bơm nhiên liệu điện ;3- Bộ lọc nhiên liệu; 4- Van định lượng nhiên liệu; 5-Bộ điều chỉnh áp suất nhiên liệu; 6- Bơm nhiên liệu cao áp ;7-Dòng nhiên liệu cao áp; 8- Đường ray nhiên liệu; 9- Cảm biến áp suất nhiên liệu; 10- Van điều chỉnh áp suất nhiên liệu; 11- Kim phun cao áp
Sinh viên thực hiện: Tăng Thanh Vũ Hướng dẫn: ThS Dương Đình Nghĩa 33
Bảng 2.1: áp suất nhiên liệu trong đường ống Áp suất sau bơm chuyển nhiên liệu 3 – 5.8 bar Áp suất sau bơm cao áp 50 – 100 bar
Nhiên liệu được hút từ bình nhiên liệu bằng bơm và đưa qua lọc nhiên liệu đến bộ giảm rung có tác dụng hấp thụ các dao động nhỏ của áp suất nhiên liệu do sự phun nhiên liệu gây ra, sau đó qua ống phân phối rồi đến các vòi phun, cuối ống phân phối có bộ ổn định áp suất nhằm điều khiển áp suất của đường nhiên liệu (phía có áp suất cao) Nhiên liệu thừa được đưa trở lại bình xăng qua ống hồi … Các vòi phun sẽ phun nhiên liệu vào đường ống nạp tùy theo các tín hiệu phun được ECU tính toán
Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ BMW N20
1-Van điều khiển; 2- Bơm cao áp; 3- Đường nhiên liệu áp suất thấp; 4- Đường nhiên liệu dẫn tới vòi phun; 5- Đường nhien liệu áp suất cao; 6- Ống phân phối;
2.2.2 Đặc điểm các chi tiết, cụm chi tiết trong hệ thống nhiên liệu GDI
2.2.2.1 Bơm chuyển tiếp nhiên liệu
Sinh viên thực hiện: Tăng Thanh Vũ Hướng dẫn: ThS Dương Đình Nghĩa 34
Hình 2.6: Bơm xăng điện trên động cơ BMW N20
Kết cấu và nguyên lý hoạt động:
Bơm nhiên liệu là loại bơm cánh gạt được đặt trong thùng xăng, do đó loại bơm này ít sinh ra tiếng ồn và rung động hơn so với loại trên đường ống Các chi tiết chính của bơm bao gồm: Mô tơ, hệ thống bơm nhiên liệu, van một chiều, van an toàn và bộ lọc được gắn liền thành một khối
Hình 2.7: Kết cấu của bơm xăng điện
1:Van một chiều; 2:Van an toàn; 3:Chổi than; 4:Rôto; 5:Stato; 6,8:Vỏ bơm;
7,9:Cánh bơm; 10:Cửa xăng ra; 11:Cửa xăng vào
Rôto (4) quay, dẫn động cánh bơm (7) quay theo, lúc đó cánh bơm sẽ gạt nhiên liệu từ cửa vào (11) đến cửa ra (10) của bơm, do đó tạo được độ chân không tại cửa vào nên hút được nhiên liệu vào và tạo áp suất tại cửa ra để đẩy nhiên liệu đi
Van an toàn (2) mở khi áp suất vượt quá áp suất giới hạn cho phép (khoảng 6 kG/cm2)
Sinh viên thực hiện: Tăng Thanh Vũ Hướng dẫn: ThS Dương Đình Nghĩa 35
Van một chiều (1) có tác dụng khi động cơ ngừng hoạt động Van một chiều kết hợp với bộ ổn định áp suất duy trì áp suất dư trong đường ống nhiên liệu khi động cơ ngừng chạy, do vậy có thể dễ dàng khởi động lại Nếu không có áp suất dư thì nhiên liệu có thể dễ dàng bị hoá hơi tại nhiệt độ cao gây khó khăn khi khởi động lại động cơ
Hình 2.8: Bơm cao áp trên động cơ BMW N20
Thường dùng là một bơm thể tích, dẫn động bằng cơ khí, kết nối với hai mạch điện điều khiển chính của hệ thống Nó được dùng để tăng áp suất của xăng từ khoảng 6 bar đến khoảng 50-200 bar phụ thuộc vào tải trọng và tốc độ của động cơ
Hình 2.9: Kết cấu bơm cao áp
Piston của bơm kết nối cơ khí vào trục cam của động cơ, piston vận hành bằng một cam lắp chung trên trục cam tác động lên đòn bẩy Ở một số kiểu GDI, hệ thống điều
Sinh viên thực hiện: Tăng Thanh Vũ Hướng dẫn: ThS Dương Đình Nghĩa 36
Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý điều khiển bơm cao áp trong GDI
Khi van điều khiển mở, xăng từ phía đầu ra của bơm (áp cao) hồi về phía áp thấp Van có hai trạng thái mở hoặc đóng, được điều khiển từ ECU (Electronic Control Unit) Van một chiều ngăn không cho xăng đi ngược về phía áp thấp
Chu trình hoạt động của bơm gồm hai hành trình của piston: