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

TĨM TẮT
Trong ngành cơng nghệ sản xuất ơ tơ, 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 mơi 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 cơng cụ được sử dụng chính
là các phần mềm mơ 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 mơ 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 mơ 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.

ii


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
iii


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 mơ hình khơng gian hai chiều: ......................................................................... 31
3.2.1 Trình bày mơ 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
iv

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: MƠ 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 mơ hình kim phun PI trong AVL BOOST Hydsim ............................... 68
4.3. Xây dựng mơ hình kim phun GDI trong AVL BOOST Hydsim ............................ 72
4.4. Tạo thơng số mơ phỏng cho mơ 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

v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ECU: Electronic Control Unit
HP: High Pressure
LP: Low Pressure
GDI: Gasoline direct injection
PI: Port Injection

vi


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

vii


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 khơng cân bằng.
Hình 2.4. Hoạt động của bơm cánh gạt loại khơng 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. Ngun 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. Q trình hồn 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 thơ.

b, Bộ lọc tinh

Hình 3.1. Giao diện phần mềm AVL BOOST Hydsim
Hình 3.2. Hộp thoại đơn vị
viii


Hình 3.3. Cây đơn vị
Hình 3.4 Giao diện AVL
Hình 3.5 Khơng gian làm việc của BOOST Hydsim
Hình 3.6 Thanh cơng 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 Khơng 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 tồn 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. Mơ hình kim phun PI trong AVL BOOST Hydsim
Hình 4.5. Mơ hình kim phun GDI và High Pump trong AVL BOOST Hydsim.
Hình 4.6. Nhập thơng số case RPD Pump
Hình 4.7. Nhập thơng số case Snuber Valve (van 1 chiều).
Hình 4.8. Nhập thơng số hộp thoại của lỗ phun PI
Hình 4.9. Nhập thơng số cho hộp thoại Pump Chamber.
Hình 4.10. Nhập thơng số của cam dẫn động pittong trong bơm cao áp.
ix


Hình 4.11. Nhập số liệu mơ phỏng cho Plunger (pittong).
Hình 4.12. Nhập thơng số cho hộp thoại van một chiều.
Hình 4.13. Nhập thơng 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.

x


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu
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 hịa
khí để hịa trộn khí nạp do lượng hịa khí chỉ ổn định mà khơng phân chia theo từng chế độ
tải đẫn đến giảm hiệu suất động cơ, khi ở tải thấp thì thừa nhiên liệu cịn khi tải cao thì
lượng nhiên liệu khơng đủ dẫn đến làm giảm hiệu suất động cơ, tăng ô nhiễm môi trường
do lượng HC thừa thải ra khơng 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 khơng khí và nhiên liệu tốt giúp q 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 mơi 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 cịn 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,
1


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 cơng 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 vng).

-

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-tơng 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 cơng 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 mơi trường, góp phần bảo vệ mơi trường.
Cho đến nay thì hệ thống nhiên liệu D-4S đã được cải tiến và bị rộng rãi trên các dòng
2


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 mơ phỏng phần mềm AVL BOOST Hydsim trong
nước và ngồi 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
cịn rất ít và nó chỉ tập trung vào hệ thống common rail trên động cơ Diesel là chính cịn
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 mơ 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 mơ hình và đánh giá kết quả mơ 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.
3


− Kim phụn cao áp GDI và kim phun đa điểm MPI trong hệ thống cung cấp nhiên liệu
cho động cơ Toyota D-4S.
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu:
Nhóm tập trung vào việc xây dựng mô phỏng hai loại kim phun dựa trên các số liệu
giả định và thực tế mà nhóm đã tìm được để nghiên cứu đề tài.
1.5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Cách tiếp cận
Tiếp cận từ cơ sở lí thuyết về cách sử dụng phần mềm AVL BOOST Hydsim và hai
loại kim phun sử dụng trong 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 mơ phỏng AVL BOOST Hydsim.
Chương 4: Xây dựng mơ hình hóa kim phun cho động cơ xăng Toyota D-4S bằng ứng
dụng AVL BOOST Hydsim.
Chương 5: Kết luận và nhận xét.

4


CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ XĂNG D-4S
2.1 Giới thiệu chung về động cơ xăng Toyota 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 trị 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 khơng 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 hịa 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 mơi 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 (khơng 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 ơ nhiễm mơi 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:
5


− 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
Tên thơng số
Kiểu máy

Kí hiệu
A25A-FKS

Thứ nguyên

Giá trị

Hộp số tự động 8 cấp, hình L , 6 xi lanh, 4 kỳ

Công suất tối đa

Ne

[ kW ]

151 kW ở 6600 vg/ph

Momem xoắn lớn nhất

T

[ v/ph ]

249 Nm ở 4800 vg/ph

Tỉ số nén

[-]

13/1 – 14/1

Đường kính xi lanh

[mm]

87.5

Hành trình piston

[mm]

103.4

Phương thức bơi trơn

Kiểu hỗn hợp: Cướng bức và tung té

Áp suất phun xăng

[MPa]

Trọng lượng máy

Kg

135

Góc mở sớm xupap nạp

Độ

50 trước TDC

Góc đóng muộn xupap nạp

Độ

30o sau TDC

Góc mở sớm xupap thải

Độ

60o trước BDC

Góc đóng muộn xupap thải

Độ

55o sau BDC

Góc phun sớm

Độ

281o trước BDC

3.5 – 20

10o -14o trước điểm chết
trên
5o BTDC khi động cơ
Góc đánh lửa

Độ

đang khởi động

6


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
7


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
2.2.2.1. Nhiệm vụ
Chứa nhiên liệu dự trữ, đảm bảo cho động cơ hoạt động liên tục trong một khoảng thời
gian nhất định.
Lọc sạch nước và tạp chất cơ học lẫn trong nhiên liệu giúp nhiên liệu chuyển động
thơng thống trong hệ thống.
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 hịa khi được hình thành nhanh và đều.
2.2.2.2 u 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.

8


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, thơng 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 tốn 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.

9


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)
2.5.1.1 Vỏ
Là lớp bọc bên ngoài của bơm cánh gạt. Tất cả các thành phần khác của máy bơm
cánh gạt đều có trong cỏ này.
Có hai cổng trong vỏ:
− Cổng vào: Chất lỏng đi vào máy bơm qua cổng này.
10


− 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.

2.5.1.3. Roto
Roto của máy bơm cánh gạt có các rãnh nằm ở khoảng cách bằng nhau xung quang
roto.
Roto này có nhiều rãnh xuyên tâm khác nhau trong đó.
2.5.1.4. Van trượt
Các cánh trượt có trong các rãnh của roto, các cánh trượt chuyển động tự do bên trong
các khe của roto. Các cánh trượt có dạng hình chữ nhật và được gắn với roto bằng lò xo.
Chất lỏng màu xanh: nhiên liệu áp thấp chất lỏng màu đỏ: nhiên liệu áp cao
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 khơng 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
11


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 cịn 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 ngồi → lị 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
vịng cam và cánh gạt. Thể tích của buồng này giảm khi cánh gạt đến vị trí mà khoảng
cách giữa trục rơto và vỏ nhỏ hơn.

−

Tương tự, khi cánh gạt đến vị trí mà khoảng cách giữa trục rơto và vỏ nhiều hơn, lị 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 mơ phỏng chi tiết
2.5.3.1. Thơng số cơ khí
− Đường kính: 60 mm
− Chiều dài: 168 mm
− Trọng lượng: 980g
2.5.3.2. Thông số điện tử
− Điện áp hoạt động: 13.8 V
12

− Điện áp cung cấp: 6-16.5V
− Dòng tải ở 5 bar: 11 ± 2A
2.5.3.3. Thông số thủy lực
− Áp suất nhiên liệu: 5 bar
− Tốc độ phân phối: 205 l/h
− Van giới hạn áp suất: 7 -12.5 bar
− Nhiệt độ hoạt động: -20-90oC
2.6. Bơm cao áp HP
2.6.1. Cấu tạo

Hình 2.5. Cấu tạo bơm cao áp
2.6.2. Ngun lí hoạt động

Hình 2.6. Trạng thái hoạt động của bơm cao áp
13


(1)

(3)

(2)

(4)

Hình 2.7. Ngun lí hoạt động của bơm cao áp
Nhiên liệu đi vào buồng bơm trong quá trình chuyển động đi xuống của pít tơng thơng
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 khơng được cấp tín hiệu từ ECM trong suốt hành trình đi lên của
cam và pít tơng, van sẽ mở do lực lị xo, ngăn khơng cho bơm tạo áp suất. Do đó, bơm
nhiên liệu GDI khơng cung cấp nhiên liệu vào đường ray nhiên liệu.
Nếu bộ điện từ FCV được cung cấp tín hiệu từ ECM trong q 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.
14


Lượng nhiên liệu được cung cấp bởi bơm nhiên liệu GDI có thể được điều chỉnh bằng
cách kiểm sốt thời điểm chính xác trong hành trình pít tơng 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 ngồi mạch.
2.6.3. Thơng số mơ 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

15


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).
10. Van bi
11. Bệ van
12. Tấm lỗ phun

Hình 2.9. Cấu tạo kim phun PI
2.7.1. Cấu tạo của kim phun PI
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
16