Nghiên cứu chế tạo hệ thống xác định đặc tính lưu lượng phun của kim phun diesel cao áp 2

II. Kết quả nghiên cứu
2.1. Đặt vấn đề
Động cơ diesel được sử dụng nhiều trên thế giới do hiệu suất nhiệt cao. Tuy nhiên, khí thải
từ động cơ diesel là một vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng tới môi trường và là một trong các
tiêu chí quan trọng nhất trong sản xuất ô tô sử dụng động cơ đốt trong. Quá trình cháy trong
động cơ diesel là nguyên nhân hình thành khí thải và được chủ yếu điều khiển bởi q trình
phun nhiên liệu. Vì vậy, nghiên cứu đặc tính phun nhiên liệu của kim phun để đánh giá tác
động của lượng phun nhiên liệu ban đầu trong quá trình hịa trộn với khơng khí hình thành
nên hỗn hợp hịa khí và ảnh hưởng liên tiếp tới sự bùng cháy trong động cơ, sau đó là nhiệt
độ q trình cháy, khí thải động cơ, và cơng suất động cơ là cấp thiết.
Bên cạnh đó, trong q trình hoạt động ở điều kiện thực tiễn, với các chế độ vận hành thay
đổi liên tục, kim phun diesel trên các động cơ, ô tô có thể xảy ra các hư hỏng như rò rỉ kim
phun, cháy cụm điều khiển điện tử, nghẹt kim phun…. Xem xét thực tế ở các gara ô tơ, phịng
thí nghiệm-xưởng thực hành ơ tơ, đại lý bảo dưỡng-sửa chữa ô tô… hệ thống kiểm tra kim
phun điện tử common rail (Diesel common rail injection pump test bench) được sử dụng phổ
biến trong kiểm tra tính năng hoạt động ổn định của các kim phun trên động cơ (tình trạng kỹ
thuật kim phun, rị rỉ nhiên liệu của kim phun), sử dụng áp suất cao của nhiên liệu được tạo
ra bởi hệ thống nén áp suất cao (400bar2000bar) để xúc rửa kim phun. Tuy nhiên, hệ thống
thiết bị này được nhập khẩu hoàn toàn với giá tiền lớn. Hình 1 là thiết bị test kim phun nhập
khẩu từ Hàn Quốc.

Hình 1: Diesel fuel injection pump tester
7


Do đó, cơng trình này là bước đầu nghiên cứu chế tạo hệ thống xác định đặc tính lưu lượng
phun nhiên liệu diesel áp suất cao trong điều kiện mô phỏng hoạt động của hệ thống phun dầu
diesel common-rail. Hệ thống thiết kế có thể tạo ra nhiên liệu áp suất cao, chủ động điều
khiển các chế độ phun nhiên liệu điện tử, thời gian phun nhiên liệu và đo đặc tính phun
nhiên liệu dựa trên nguyên lý chênh lệch áp suất khi nhiên liệu được phun kết hợp sử dụng
các cảm biến áp suất để xác định độ tăng áp suất trong hệ thống buồng đo kín được nén nhiên

liệu. Nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng cụm hệ thống cung cấp áp suất nhiên liệu cao
(lên tới 1600bar), cụm hệ thống điều khiển chủ động các chế độ của kim phun điện tử (chiến
thuật phun nhiên liệu) và cụm hệ thống buồng đo kín xác định đặc tính phun nhiên liệu (thời
điểm phun nhiên liệu, chiều dài phun nhiên liệu thực tế, tốc độ dòng phun, lượng nhiên liệu
được phun, hiệu suất kim phun nhiên liệu,…).
2.2. Mục tiêu
a. Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu chế tạo hệ thống đo đặc tính lưu lượng tia phun nhiên liệu
áp suất cao tại điều kiện hoạt động tương tự hệ thống nhiên liệu common-rail.
b. Mục tiêu cụ thể:
- Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển cung cấp ổn định áp suất phun cao áp với dãy
áp suất từ 600bar tới 1600bar.
- Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển kim phun có khả năng thay đổi đa dạng các
chiến thuật phun (1 lần, 2 lần, hoặc nhiều lần), thời điểm phun và khoảng thời gian phun
được điều khiển chính xác.
- Thiết kế và chế tạo hệ thống đo lưu lượng phun nhiên liệu áp suất cao.
2.3. Phương pháp nghiên cứu
TT

Các nội dung, công việc
chủ yếu

Phương
pháp nghiên
cứu

Cách tiếp cận

Kết quả đạt
được

4.1

Tổng quan về ứng dụng Phân tích và
nghiên cứu đặc tính tia tổng hợp
phun trong động cơ diesel
phun dầu điện tử và
phương pháp đo lưu
lượng tia phun.

Tìm kiếm và thu thập Báo cáo phân
tài liệu tham khảo
tích tổng quan
về ứng dụng

4.2

Tổng quan về thiết bị Phương pháp
kiểm tra kim phun diesel khảo sát
áp suất cao

Tìm kiếm và thu thập Báo cáo phân
tài liệu tham khảo
tích tổng quan
của thiết bị

4.3

Cơ sở lựa chọn bơm cao Phương pháp
áp, motor điện
tính tốn,

phân tích

Tính tốn thơng số
đặc tính motor

Báo cáo về cơ
sở lựa chọn
thiết bị

8


4.4

Thiết kế mạch điều khiển Phương pháp
bơm cao áp và kim phun thiết kế, phân
điện tử
tích, chế tạo

Tham khảo tài liệu
và thiết kế, chế tạo
mạch.

Nguyên lý điều
khiển và mạch
điều khiển kim
phun diesel điện
tử
Nguyên lý điều
khiển và mạch

điều khiển bơm
nhiên liệu nén
áp suất cao

4.5

Xây dựng hệ thống thu Tìm hiểu và
thập tín hiệu và hiển thị thiết kế hệ
thống thu
hoạt động
thập tín hiệu

Tham khảo tài liệu
hướng dẫn và thiết
kế hệ thống thu thập
tín hiệu

Phần mềm điều
khiển và hiển
thị hoạt động.

4.6

Thiết kế 3D và gia công Phương pháp
chế tạo, lắp ráp buồng đo thiết kế, gia
áp suất nhiên liệu
công chế tạo.

Tham khảo tài liệu,
thiết kế 3D chi tiết,

xuất bản vẽ kỹ thuật

Tập bản vẽ tiêu
chuẩn kỹ thuật

Thử nghiệm và phân tích

Lắp ráp các cụm, kết
nối hệ thống và lập
bảng điều kiện thử
nghiệm

Số liệu thử
nghiệm và các
phân tích đánh
giá hoạt động
hệ thống

4.7

Thử nghiệm
và phân tích
số liệu

Buồng đo được
chế tạo

2.4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu
2.4.1. Tổng quan về nghiên cứu đặc tính tia phun trong động cơ diesel phun dầu điện
tử và phương pháp đo lưu lượng tia phun.

a) Tình hình nghiên cứu quốc tế
Ngày nay cùng với sự phát triển công nghiệp, nhu cầu vận chuyển hàng hóa và phương
tiện giao thông ngày càng tăng. Đặc biệt động cơ Diesel được sử dụng rộng rãi hơn động cơ
xăng vì có hiệu suất nhiệt cao. Tuy nhiên khí thải tạo ra từ động cơ diesel (NOx, CO, SOOT,
HC, …) là một trong các vấn đề đang được quan tâm quyết liệt, tác động trực tiếp đến ô nhiễm
môi trường và sức khỏe con người. Vì vậy các tiêu chuẩn khí thải ngày càng cao được đưa ra
và các quốc gia trên thế giới đang áp dụng. Việc quy định áp dụng các tiêu chuẩn khí thải đã
thúc đẩy các nhà khoa học và các công ty sản xuất ô tô cải tiến cơng nghệ phun nhiên liệu
giúp làm giảm lượng khí thải tạo ra. Tác giả D. Wang và ctg. (2017) [1], F. Mallamo và ctg.
(2014) [2], M. Badami và ctg. (2001) [3] đã nghiên cứu về việc thay đổi các chiến lược phun
(phun 1 lần, phun 3 lần, phun 5 lần) đồng thời kết hợp các chiến thuật phun với công nghệ
hồi lưu khí thải EGR (Exhaust Gas Recirculation) trên động cơ diesel đã kết luận rằng viêc
thay đổi chiến thuật phun nhiều lần giúp làm giảm lượng khí thải NOx (0.1g/kWh), PM và
giảm tiếng ồn do động cơ gây ra. Đồng quan điểm với các nghiên cứu trên về sự ảnh hưởng
của chiến thuật phun nhiên liệu nhiều lần đến hàm lượng khí thải trên động cơ diesel, nghiên
cứu về tác dụng của chiến thuật phun nhiều lần của động cơ diesel thế hệ thứ 2 trên xe du lịch
của các tác giả G. M. Bianchi & P. Pelloni (2004) [4] đã cho thấy rằng chiến thuật phun nhiều
lần có hiệu quả trong việc giảm sự hình thành NOx, SOOT. Nghiên cứu tiếp theo trong điều
9


kiện sử dụng 2 chiến thuật phun (phun mồi – phun chính và phun mồi lần 1 – phun mồi lần 2
– phun chính) để đánh giá tác động của chiến thuật phun đến khí thải của tác giả Jinwoo Lee
và ctg. (2009) [5] đã đưa ra nhận định rằng lượng NO và khí thải tạo ra trong chiến thuật phun
mồi 2 lần thấp hơn từ 73% tới 84% so với chiến thuật phun mồi 1 lần và lượng phát thải HC
tạo ra giảm hơn 50%. Một nghiên cứu thử nghiệm bổ sung đã được thực hiện bởi tác giả Yi
Liu và Rolf D. Reitz (2005) [6] để tối ưu hóa q trình đốt cháy và phát thải sử dụng chiến
thuật phun nhiều lần. Kết quả chỉ ra rằng việc tách quá trình phun thành 2 lần là một giải pháp
để tối ưu hóa động cơ, ở lần phun mồi giúp giảm lượng tiêu hao nhiên liệu (BSFC) và cải
thiện hiệu suất, khí thải, khoảng thời gian chờ giữa lần phun mồi và phun chính ảnh hưởng

đến q trình đốt cháy trong động cơ.
Hiệu suất, khí thải, và đặc tính q trình cháy của động cơ khơng chỉ bị ảnh hưởng bởi
chiến thuật phun mà chiều dài thời gian phun cũng tác động rất nhiều đến các yếu tố đó,
nghiên cứu của tác giả Sakthivel Gnanasekaran và ctg. (2016) [7] về ảnh hưởng của thời gian
phun đến hiệu suất khí thải, đặc tính đốt cháy của động cơ DI sử dụng nhiên liệu diesel sinh
học đã chứng minh khi tăng thời gian phun thì hiệu suất nhiệt của động cơ tăng, lượng khí
thải NOx thấp hơn 2% tới 4% so với dầu diesel đồng thời lượng HC, CO giảm khi tăng thời
gian phun. Đặc tính tốc độ phun nhiên liệu không chỉ tác động đến tốc độ tỏa nhiệt trong q
trình cháy của động cơ mà cịn tác động đến độ ồn hoạt động của động cơ và mối tương quan
hình thành khí thải của NOx –Soot được trình bày qua nghiên cứu của tác giả Payri và ctg.
(2016) [8], tác giả Yu và ctg. (2012) [9]. Trong nỗ lực giảm sự hình thành PM và NOx bằng
việc điều khiển chính xác tốc độ lưu lượng phun nhiên liệu theo điều kiện hoạt động của động
cơ (tốc độ, tải, …), tác giả Hwang và ctg. (1999) [10] đã nghiên cứu về ảnh hưởng của lưu
lượng phun nhiên liệu tới khí thải trong động cơ diesel và kết luận rằng có kết quả đặc tính
tối ưu của lưu lượng phun theo điều kiện hoạt động của động cơ.
Hình 2 dưới đây là sơ đồ tổng quan về hệ thống nghiên cứu đặc tính phun nhiên liệu áp
suất cao mà một số nghiên cứu trên thế giới dùng để thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của tính
chất vật lý/hố học của các loại nhiên liệu tới đặc tính tia phun, từ đó xác định sự ảnh hưởng
tới cơng suất, khí thải của động cơ R. Munsin và ctg. (2015) [11], Lucio Postrioti và ctg. (2014)
[12], Prathan Srichai và ctg. (2018) [13].

Hình 2: Sơ đồ hệ thống đo đặc tính lưu lượng phun nhiên liệu [11]
10


Hệ thống phun dầu điện thử common-rail thế hệ thứ 2 được ứng dụng phổ biến dựa trên
yêu cầu đạt tiêu chuẩn khí thải Euro IV và tiêu chuẩn cao hơn mà nhiều quốc gia áp dụng
cũng như các sự phổ biến hệ thống này ở các dịng xe ơ tô tải, ô tô khách và động cơ diesel
(VM MOTORI 2516 Turbocharged 4 Valve D.I. diesel engine cho xe khách, Toyota Corolla
1.4 D-4D,…) [14]. Với mục tiêu đáp ứng tiêu chuẩn khí thải Euro ngày càng cao, việc sử

dụng kết hợp các cơng nghệ xử lý khí thải DE-NOx dùng xúc tác, tối ưu hoá buồng đốt-họng
nạp, kết hợp cùng với hệ thống phun dầu common-rail là cần thiết [4].
Từ các nghiên cứu trên đã cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ phun nhiên liệu điện tử
áp suất cao common rail kết hợp với chiến thuật phun nhiều lần với sự thay đổi đặc tính tốc
độ phun (thời điểm phun, chiều dài thời gian phun, …) đã giúp làm giảm lượng khí thải hình
thành trong q trình đốt cháy của nhiên liệu trong động cơ và tăng hiệu suất động cơ.
b) Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện tại có rất ít nghiên cứu về đặc tính chùm tia phun nhiên liệu diesel và dự đoán ảnh
hưởng của sự phát triển chùm tia phun tới quá trình cháy trong động cơ tại Việt Nam. Tác giả
Tuấn Hoàng và ctg. (2018) [11] cơng bố nghiên cứu về ảnh hưởng đặc tính nhiên liệu sinh
học được sản xuất từ dừa (coconut straight bio-oils) trên khía cạnh nghiên cứu chùm tia phun
(chiều dài chùm tia phun, đường kính tia) với kết luận rằng các kết quả từ đặc tính tia phun
hỗ trợ giải thích cơ chế bẻ gãy của chùm tia phun hồn tồn có thể giải thích từ đặc tính nhiên
liệu (độ nhớt, mật độ phân tử, sức căng bề mặt). Tuy nhiên, nội dung nghiên cứu này là kết
quả từ việc sử dụng các phương trình tốn học mơ phỏng và chưa có thực nghiệm chứng minh
cũng như các kết quả trên là nghiên cứu về đặc tính của chùm tia phun sau khi ra khỏi kim
phun. Nghiên cứu khác của tác giả Tuấn Hoàng và ctg. (2018) [15], [16] về sự hình thành của
soot trên kim phun động cơ diesel sử dụng dầu biodiesel có xét đến yếu tố kết cấu kim phun
(nozzle hole, injector tip) đã nói rằng sự tăng các muội than (soot) bám trên kim phun bị ảnh
hưởng bởi áp suất phun nhiên liệu, vận tốc tia nhiên liệu, lưu lượng nhiên liệu phun với dầu
biodiesel ảnh hưởng đến hiệu suất phun nhiên liệu và vì vậy ảnh hưởng cơng suất và khí thải
của động cơ. Tác giả Phạm Văn Việt (2019) [17] nghiên cứu về vận tốc của tia phun khi ra
khỏi kim phun sử dụng phần mềm mô phỏng Diesel-RK cho nhiên liệu biodiesel sản xuất từ
dầu cọ (Palm biodiesel), kết quả từ thí nghiệm mô phỏng hỗ trợ cung cấp các dữ liệu hữu ích
về sự hình thành NOx và soot khi sử dụng các tỉ lệ hòa trộn khác nhau của biodiesel với diesel.
Khảo sát sơ bộ các nghiên cứu được thực hiện trong nước cho thấy việc đánh giá tác động
của các yếu tố ảnh hưởng tới chùm tia phun còn chưa đầy đủ, các kết quả chủ yếu là từ thí
nghiệm mơ phỏng và chưa có kết quả thực nghiệm thí nghiệm để nghiệm chứng, chưa có
nhiều nghiên cứu về ứng dụng của các loại nhiên liệu sinh học khác về tác động của đặc tính
nhiên liệu tới sự phun, sự hịa trộn và khí thải động cơ. Bên cạnh đó, việc kế thừa kết quả từ

đánh giá ảnh hưởng của đặc tính tia phun (với các thơng số điều khiển gồm áp suất phun nhiên
liệu, thời gian phun, số lần phun, kết cấu kim phun) tới các nghiên cứu thực nghiệm trên cơng
suất, khí thải của động cơ diesel cịn chưa được thực hiện.

11


c) Phương pháp đo lưu lượng tia phun nhiên liệu diesel- Phương pháp Zuech

Hình 3: Sơ đồ minh hoạt nguyên lý đo lưu lượng
Nghiên cứu đo lưu lượng nhiên liệu được phun từ kim phun diesel của hệ thống phun
nhiên liệu điện tử áp suất cao được tham khảo từ phương pháp của Zuech [18]. Hình 3 minh
họa nguyên lý đo lưu lượng tia phun của phương pháp Zuech. Phương pháp này thể hiện rằng
khi buồng kín chứa nhiên liệu diesel được nén ở một áp suất ban đầu (áp suất nền P) thì khi
kim phun diesel phun nhiên liệu áp suất cao vào trong buồng chứa làm tăng áp suất của buồng
chứa lên một giá trị ΔP. Quá trình tăng chênh lệch áp suất này tỉ lệ với lượng nhiên liệu được
phun vào buồng chứa kín và được tính bằng cơng thức dựa trên định luật bảo tồn khối lượng,
trong khi lưu lượng lý thuyết được tính dựa vào phương trình Bernoulli và phương trình liên
tục [19].
K=V
.

ΔP
ΔV

m measured =

(1)

dm

V dP
= f
dt
K dt

(2)

.

m theory =n orifice .A. 2ΔP.ρ f

(3)

Trong đó:
K là hệ số hiệu chỉnh độ nén nhiên liệu bulk modulus (MPa)
V là thể tích buồng chứa nhiên liệu (m3)
ΔV là độ chênh lệch thể tích buồng chứa nhiên liệu (m3)
ΔP là độ chênh lệch áp suất trước và sau khi phun nhiên liệu (MPa)

f là density của nhiên liệu (kg/m3)
dm/dt là lưu lượng nhiên liệu được phun (mg/ms)
dp/dt là tốc độ tăng áp suất trong buồng chứa (MPa/ms)
2.4.2. Tổng quan về thiết bị kiểm tra kim phun diesel áp suất cao

12


Trên thị trường có rất nhiều loại hệ thống kiểm tra kim phun diesel điện tử được nhập
khẩu từ các nước. Một số các hệ thống phổ biến có thể dễ dàng tìm thấy như hệ thống kiểm
tra kim phun của hãng KOENG như trên hình 1 được nhập khẩu từ hàn quốc. Loại này có thể

cung cấp áp suất nén nhiên liệu lên tới 1350bar, có thể kiểm tra đa dạng các kim phun của các
hãng Bosch, Delphi, Denso, Piezo, Siemens [20]. Ngồi ra, hãng sản xuất này cịn cung cấp
nhiều dòng sản phẩm khác như CRDI-100, CRDI-400, CRD-2000, CRD-3000, HPT1000…với các mức nén áp suất nhiên liệu diesel đa dạng từ 0bar lên 2500bar, kiểm tra nhiều
kim phun một lúc như được minh hoạ trên hình 4.

Hình 4: High pressure pump test CRD-3000 (Korea)
Một số cơ sở giáo dục đại học hiện đang sử dụng hệ thống kiểm tra kim phun loại common
rail injector tester CRDI-100 (Koeng-Korea) , loại CR-NT815 (Nantai-China) như trên hình
5, loại CRD 2000 (Koeng-Korea) như trên hình 6, loại TST-C75 (China) trên hình 7.

13


Hình 5: Băng thử Common rail injector tester CRDI-100 (Korea) và CRD 2000 (China) của
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM

Hình 6: Băng thử Common rail injector tester CRD 2000 (Korea) của Trường Đại học Trần
Đại Nghĩa TPHCM
14


Hình 7: Băng thử injector tester TST-C75 (China) của Trường Đại học Công Nghiệp
TPHCM
Các bảng dưới đây giới thiệu tổng quan thông số kỹ thuật các một số hệ thống kiểm tra
kim phun diesel áp suất cao.
Bảng 1: Thông số kỹ thuật của Common rail injector tester CRDI-100 và CR-NT815
Thông số\Hệ thống
Áp suất nén nhiên liệu
Loại kim phun
Số lượng kim phun/1

lần test
Khối lượng
Chế độ kiểm tra
Nguồn điện

CRDI-100 [25]
100bar÷1350bar,
up to 1600bar
Bosch, Denso, Delphi,
Siemens (Piezo type)

CR-NT815

Bosch, Denso, Delphi,
Siemens (Piezo type)

1 kim

6 kim

0bar÷1800bar

150kg
1000kg
Áp suất phun thấp, trung Theo Bosch common rail
bình, cao và chế độ phun system (CP3)
mồi.
1 pha, 220V/50~60Hz, 1kW
3 pha, 380V/50~60Hz
15

Bảng 2: Thông số kỹ thuật của Common rail injector tester CRD-2000 và TST-C45
Thông số\Hệ thống
Áp suất nén nhiên liệu
Loại kim phun
Số lượng kim phun/1 lần
test
Khối lượng
Chế độ kiểm tra
Nguồn điện

CRD-2000
TST-C45 [26]
0bar ÷ 2000bar
0bar ÷ 60bar
Bosch, Denso, Delphi, Bosch, Denso, Delphi,
Siemens (Piezo type)
Siemens
4 kim

12 kim

150kg
950kg
Xúc rửa kim phun với áp Xúc rửa kim phun với áp
suất phun thấp, trung suất phun thấp, trung bình
bình, cao
380V/220V/50~60Hz,
220V/50~60Hz, 10HP

Cùng chức năng với các dòng thiết bị trên nhưng khác nhau về các bộ phận tạo áp suất
nhiên liệu (bơm cao áp dạng nén nhiên liệu lỏng, bơm cao áp dạng bơm khí tác động lên
piston nén nhiên liệu lỏng…), cơ chế hiển thị các chế độ vận hành, số lượng kim phun và
hãng sản xuất kim phun có thể kiểm tra, một số hãng sản xuất hệ thống này có thể khảo sát
như Cardiv-Korea [21], Hience (CR318)-China [22], Dieselland (Cruis)-Estonia [23],
Dieselevante (Unitec)-Italy [24],…

Hình 8: High pressure pump test CR318 (Hience-China)
16


2.4.3. Cơ sở lựa chọn bơm cao áp, motor điện, truyền động đai-pulley, kim phun điện
tử solenoid
Tiêu chí lựa chọn bơm nhiên liệu cao áp và motor điện dựa trên mục tiêu thiết kế và điều
khiển dãy áp suất nhiên liệu trong thanh tích áp từ 600bar tới 1600bar tương tự dãy áp suất
nén của hệ thống nhiên liệu phun dầu điện tử common rail thế hệ hai [27], [28]. Bơm cao áp
loại piston Denso HP3 được sử dụng trong hệ thống này. Bảng 3 trình bày thơng số kỹ thuật
của bơm HP3.
Bảng 3: Thông số kỹ thuật của bơm cao áp Denso HP3 [27]
Thơng số

Giá trị

Đường kính piston bơm x số lượng piston

8.5mm x 2

Hành trình piston

5.6 mm

Loại van SCV

Thường mở

Áp suất nén

0 bar ÷ 1800 bar

Hình 9 mơ tả sơ đồ hệ thống tạo nhiên liệu áp suất cao. Từ sơ đồ cho thấy, bơm
cao áp HP3 được dẫn động bởi motor điện 3 pha thông qua cơ cấu truyền động. Motor 3 pha
được điều khiển bởi biến tần (Hitachi L100-005LFR) để thay đổi tần số, từ đó điều khiển tốc
độ motor. Bơm cao áp HP3 hút nhiên liệu từ thùng chứa thông qua 1 bơm thấp áp loại có tích
hợp lọc nhiên liệu, nhiên liệu được nén lên thanh tích áp có áp suất thay đổi từ 600bar tới
1600bar đưa tới kim phun nhiên liệu điện tử (Solenoid G2). Sự thay đổi tốc độ motor 3 pha
được tính tốn để điều khiển áp suất nhiên liệu cao áp theo mong muốn (trong dãy hoạt động
của bơm cao áp). Hệ thống được thiết kế có đường dầu hồi về từ kim phun, bơm cao áp, thanh
tích áp qua hệ thống làm mát để đưa về thùng nhiên liệu, khi nhiệt độ lớn hơn 40oC hệ thống
sẽ tự động kích hoạt quạt làm mát. Mạch điều khiển hệ thống được lập trình trên nền tảng
Arduino và hiển thị trên matlab để điều khiển các cơ cấu chấp hành nhằm thay đổi áp suất
nén của nhiên liệu và các chế độ vận hành của hệ thống.

Hình 9: Sơ đồ kết nối hệ thống cung cấp nhiên liệu phun áp suất cao
17


Yêu cầu kỹ thuật của motor 3 pha được tính toán và lựa chọn. Áp suất đầu ra mong muốn
là 1600bar. Đối với hệ thống diesel common rail, công suất đầu vào của bơm cao áp được
tính tốn dựa trên cơng thức (4) [29].

𝑃(𝑘𝑊) =

𝑚3
)∗P(kPa)
h
3.6∗106

q(

(4)

Theo đó, với bơm HP3, số vòng quay và tỉ số truyền được lựa chọn, giá trị cơng suất được
tính tốn là 1.8kW. Cơng suất motor điện được tính tốn dựa trên giá trị đầu vào như hiệu
điện thế định mức, công suất định mức, hiệu suất máy phát. Kết quả tính tốn cung cấp giá
trị công suất tham khảo để lựa chọn motor. Trong nghiên cứu này, motor 3 pha, công suất
2.2kW được lựa chọn. Hình 10 trình bày biểu đồ so sánh đặc tính cơng suất motor và bơm
cao áp sau q trình tính tốn để làm cơ sở lựa chọn cho hệ thống.

Hình 10: Biểu đồ công suất motor và bơm cao áp HP3
Thiết kế bộ truyền đai cần xác định loại đai, kích thước đai, bánh đai và khoảng cách trục
A, chiều dài lực L và lực tác dụng lên trục. Do công suất là 2.2 kW và yêu cầu làm việc êm
nên có thể chọn đai hình thang (loại đai làm bằng vải cao su vì chất liệu vải cao su có thể làm
việc trong mơi trường ẩm lại có sức bền và độ đàn hồi cao). Dựa vào công suất và số vòng
quay, tra theo bảng 5-1 [30], chọn đai thang loại A (có các thơng số như ao=11mm, a=13mm,
h=8mm, ho=2,8mm, F=81mm2). Đường kính bánh đai nhỏ d1 từ 100mm đến 200mm.Chiều
dài giới hạn l từ 500mm đến 4000mm.
Các thông số như đường kính pulley dẫn D1 và D2, khoảng cách trục, kiểm nghiệm thỏa
điều kiện góc ơm đai, số đai… được tính tốn, lựa chọn theo tiêu chuẩn [30]
Bảng 4: Thông số kỹ thuật bộ truyến đai, puly
Thông số kỹ thuật

Dây đai (2 dây đai)
Thông số kỹ thuật

Puly

Loại đai
Chiều dài
a
a0
H

Đai thang
1250 mm
13 mm
11mm
8mm

Đường kính trong
Chiều rộng
Đường kính ngồi cùng
-

140mm
36 mm
147mm
-

Ho

2,8mm

-

18


2.4.4. Thiết kế mạch điều khiển bơm cao áp và mạch điều khiển kim phun diesel điện tử
Sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống tạo nhiên liệu áp suất cao trong dãy áp suất 600bar
tới 1600bar được trình bày trên hình 11. Từ sơ đồ cho thấy khi nhập áp suất (P) theo áp suất
điều khiển mong muốn, van hút nhiên liệu (SCV) sẽ mở trước 5% để hút nhiên liệu, mở quá
lớn dẫn đến áp suất trên thanh tích áp dao động mạnh. Van điều tiết nhiên liệu (DRV) trên
thanh tích áp đóng dần làm tăng áp suất nhiên liệu và duy trì áp suất pressure. Bên cạnh đó,
biến tần sẽ tăng dần tần số để tăng tốc độ motor (N) dẫn động bơm cao áp.

Hình 11: Sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống tạo nhiên liệu áp suất cao

19


Sơ đồ thuật toán điều khiển kim phun diesel điện tử được trình bày trên hình 12. Quá trình
điều khiển bắt đầu bằng trình tự khởi động và khởi tạo các thông số, cài đặt các biến, gán các
giá trị và tín hiệu điều khiển, tín hiệu được điều khiển từ máy tính đến bộ phận trung tâm giả
lập tín hiệu ECU để xử lý tín hiệu và gửi đến bộ phận điều khiển nhấc kim phun (Electronic
Driver Unit-EDU), EDU là thiết bị dùng điện thế cao (80V-120V) nhờ bộ chuyển đổi DC/DC

Hình 12: Sơ đồ thuật tốn điều khiển kim phun diesel điện tử
để mở các van từ solenoid với tốc độ cao. Nếu tín hiệu điều khiển đúng thì kim phun nhấc,
nếu tín hiệu điều khiển sai thì sẽ khởi tạo lại thơng số.
Hình 13 mơ tả sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển kim phun diesel điện tử, phần mềm điều
khiển được xây dựng bằng matlab trên máy tính được liên kết trực tiếp với bộ điều khiển

trung tâm Arduino. Tại đây các chiến thuật phun và thời gian phun được lập trình từ máy tính
và được nạp vào Arduino. Arduino đưa ra các tín hiệu nhấc kim (5V) đã được lập trình từ
trước tới EDU. EDU xử lý tín hiệu điều khiển (5V) từ Arduino, cung cấp điện áp nhấc kim
phun (100V) thông qua mạch tăng áp (hình 14) và giữ kim ở điện áp (12V) tới kim phun
Solenoid injector.
20


Hình 13: Sơ đồ hệ thống kết nối điều khiển kim phun diesel điện tử
Mạch tăng áp EDU phải đáp ứng được yêu cầu về việc nhấc kim phun thật nhanh và chính
xác với tín hiệu thời gian phun được gửi từ bộ điều khiển trung tâm. Hình 14 trình bày sơ đồ
nguyên lý hoạt động của EDU. Trong đó, mạch điều khiển control circuit nhận tín hiệu điều
khiển phun của ECU để khởi động và giữ kim phun ở điện áp 12V. Mạch tăng áp high-voltage
generating làm nhiệm vụ khuếch đại điện áp từ 12V của accu lên điện áp 80V-120V để kích
hoạt nhanh kim phun. Các tín hiệu điều khiển IJt#1 đến IJt#4 là tín hiệu đầu vào để khởi động
kim phun từ ECU (mạch điều khiển trung tâm). Các tín hiệu IJf là tín hiệu đầu ra truyền lại

Hình 14: Sơ đồ điều khiển EDU
ECU để kiểm tra hoạt động chấp hành của kim phun. Các tín hiệu INJ#1 tới INJ#4 là tín hiệu
truyền tới để kim phun nhấc kim.
21


Hình 15: Sơ đồ thiết kế mạch tích hợp điều khiển kim phun diesel điện tử solenoid và
mạch điều khiển tạo nhiên liệu áp suất cao
Mạch điều khiển hệ thống tạo áp suất nhiên liệu cao và mạch điều khiển kim phun diesel
điện tử được tích hợp thiết kế thu gọn trên cùng bản mạch như hình 15 và mạch in trên hình
16.

Hình 16: Sơ đồ mạch in (gia cơng) tích hợp điều khiển kim phun diesel điện tử solenoid và

mạch điều khiển tạo nhiên liệu áp suất cao
22


Để đáp ứng tiêu chí xây dựng hệ thống có thể điều khiển chủ động các chế độ, chiến thuật
phun dựa trên hệ thống Common-Rail thế hệ thứ 2 với áp suất nhiên liệu tối đa là 1600bar,
kim phun điện tử solenoid G2 [31], sử dụng trên động cơ ISUZU 4JJ1 được lựa chọn với
những ưu điểm như kim phun có thể chịu đựng được áp suất tối đa 1800 bar mà không bị phá
hủy cũng như chọn loại kim phun phải phổ biến, dễ dàng sửa chửa thay thế, nguyên lý hoạt
động tương tự các dòng kim phun common rail của các hãng sản xuất như Denso, Delphi,
Bosch…. Hình 17 minh hoạ kim phun Denso solenoid G2 được sử dụng trong hệ thống này.

Hình 17: kim phun diesel điện tử solenoid
2.4.5. Xây dựng hệ thống thu thập tín hiệu và hiển thị hoạt động
Hình 18 trình bày sơ đồ kết nối tổng quan hệ thống đo lưu lượng kim phun nhiên liệu áp
suất cao common-rail. Toàn bộ hệ thống gồm hệ thống cung cấp áp suất cao của nhiên liệu,
hệ thống điều khiển kim phun diesel điện tử, hệ thống đo lưu lượng kim phun nhiên liệu. Các
tín hiệu áp suất nhiên liệu trên thanh tích áp, nhiệt độ dầu diesel trong hệ thống, số vòng quay
của motor, áp suất buồng đo nhiên liệu, tín hiệu kích hoạt kim phun và các chiến thuật phun
được thu thập và hiển thị trên giao diện được thiết kế bằng Matlab như trên hình 19. Trên hệ
23


HỆ THỐNG CUNG CẤP ÁP
SUẤT CAO ÁP

HỆ
THỐNG
ĐIỀU
KHIỂN

KIM
PHUN

HỆ
THỐNG
ĐO
LƯU
LƯỢNG
KIM
PHUN

Hình 18: Sơ đồ tổng quan hệ thống đo lưu lượng kim phun nhiên liệu cao áp common rail
thống hiển thị, người điều khiển sẽ chủ động nhập giá trị áp suất điều khiển mong muốn, số
lần phun nhiên liệu, thời gian phun nhiên liệu, hệ thống được kích hoạt sẽ tăng dần áp suất
trên thanh tích áp. Q trình tăng áp suất cũng như hoạt động của các thiết bị sẽ được quan
sát trên giao diện. Bên cạnh đó, phần mềm giao diện được thiết kế tích hợp hiển thị các đồ thị
áp suất tăng lên của thanh tích áp theo thời gian nhằm mục đích theo dõi độ ổn định của các
giá trị áp suất điều khiển.

Hình 19: Giao diện hiển thị và điều khiển hoạt động của hệ thống đo lưu lượng
24


Để điều khiển thời điểm phun nhiên liệu và lấy tín hiệu q trình tăng áp suất trong buồng
chứa nhiên liệu sau khi phun, hệ thống mạch điều khiển nút nhấn và lấy tín hiệu được thiết
kế và chế tạo. Hình 20 mơ tả sơ đồ mạch nút nhấn và lấy tín hiệu q trình phun nhiên liệu.
Hình 21 minh hoạ mạch thực tế chế tạo.
Từ hình vẽ cho thấy, khi quan sát trên giao diện máy tính giá trị áp suất trên thanh tích áp
ổn định, người điều khiển nhấn nút kích hoạt kim phun. Khi tín hiệu kích hoạt được truyền
tới bộ xử lý trung tâm ECU, ECU sẽ gửi tín hiệu xung đến mạch EDU tăng điện áp lên 100V

và truyền tín hiệu tới kim phun để thực hiện quá trình mở kim. Khi nhiên liệu được phun, áp
suất trong buồng chứa nhiên liệu tăng lên đột ngột, độ tăng áp suất này được đo bởi cảm biến
AVL GU12P và được khuếch đại bằng thiết bị Kistler charge amplifier 5010B. Các tín hiệu
nút nhấn, áp suất buồng chứa khi phun nhiên liệu, thời gian kích hoạt phun nhiên liệu được
tích hợp và hiển thị đồng bộ thời gian thực trên thiêt bị dao động ký oscilloscope Tektronix
TBS 2000 (100MHz -1GS/s) và oscilloscope Tektronix TBS 1052-EDU (50Hz-1Gs/s). Áp
suất nhiên liệu nền bên trong buồng chứa trước khi kim phun được kích hoạt sẽ được đo bằng
cảm biến Daho EDS 305 và hiển thị trên đồng hồ điện tử PIC152 như trên hình 22.

Hình 20: Mạch điều khiển nút nhấn kích hoạt kim phun

25


Hình 21: Mạch điều khiển nút nhấn kích hoạt kim phun sau khi gia cơng

Hình 22: Cảm biến và bộ hiển thị áp suất nền buồng nhiên liệu
26


Bảng 5: Thông số kỹ thuật cảm biến áp suất tĩnh Daho EDS 305 và bộ hiển thị
Thông số kỹ thuật/Đơn vị Cảm biến EDS 305 [32]
Bộ PIC 152 [33]
Dãy đo/bar

0-400

-

Điện áp ra/V

0-10

-

Dòng điện ra/mA

4-20

-

Điện áp cung cấp/VDC

12-28

85-270VAC, 50HZ

Sai số

0.5%

0.25%

5.0

-

Hàn quốc

-

Thời gian đáp ứng/ms
Xuất xứ

Bảng 6: Thông số kỹ thuật cảm biến áp suất AVL GU12P
Thông số kỹ thuật/Đơn vị
Áp suất đo/bar

Cảm biến AVL GU12P
250

Nhiệt độ/0C

0-400

Linearity

0.3%

Sensitivity/pC/bar

15

Các hình 23, hình 24, hình 25 và các bảng 6, bảng 7 lần lượt minh hoạ cho thiết bị cảm biến
AVL GU12P, Kistler charge amplifier, Oscilloscope.

Hình 23: Cảm biến áp suất động AVL GU12P [34]
27

Hình 24: Thiết bị khuếch đại charge amplifier Kistler 5010B

Hình 25: Thiết bị đo dao động tín hiệu Tektronix Oscilloscope [36]
28


Bảng 7: Thông số kỹ thuật mạch khuếch đại Kistler charge amplifier 5010B [35]
Thông số kỹ thuật/Đơn vị
Dãy đo/pC
Sensor sensivitity/pC/bar

Cảm biến AVL GU12P
±10….999000
0.01…9990

Input power/VAC

115

Output/V/A

±10
5

Time constant/ 
Noise

Long: >1014
1pC/Vmax = 500µVrms

2.4.6. Thiết kế 3D và gia công chế tạo hệ thống, lắp ráp buồng đo áp suất nhiên liệu
 Thiết kế cụm buồng đo áp suất nhiên liệu
Để xác định lưu lượng nhiên liệu được phun từ kim phun điện tử áp suất nhiên liệu cao
trong thời gian ở đơn vị mili giây (ms) mô phỏng thời gian phun trên hệ thống phun dầu điện
tử common rail. Trong nghiên cứu về ảnh hưởng của các chiến thuật phun lên đặc tính tia
phun sử dụng hệ thống phun dầu điện tử của Lucio và ctg. (2014) [12], một buồng chứa nhiên
liệu sử dụng phương pháp đo lưu lượng của Zuech được nén lên áp suất 50bar (thường trong
khoảng 30-50bar) và kim phun solenoid phun nhiên liệu ở áp suất 400bar, 800bar, 1200bar,
và 1600bar. Một nghiên cứu khác của Pranthan và ctg. (2017) [13] sử dụng phương pháp
Zuech có thể tích buồng chứa được thiết kế ở 45cm3 có thể đo độ tăng áp suất buồng chứa khi
kim phun được kích phun từ hệ thống common-rail. Nghiên cứu khác của Glenn và ctg. (1991)
[37] đề cập đến thể tích buồng chứa nhiên liệu khoảng 54.36ml khi sử dụng hệ thống phun
dầu điện tử và phương pháp đo lưu lượng của Zuech. Hầu hết trong các nghiên cứu có sử
dụng hệ thống đo lưu lượng bằng phương pháp đo của Zuech, hệ thống sẽ bao gồm một buồng
đo áp suất chứa sẵn nhiên liệu được nén thuỷ lực và được kết nối với các cảm biến áp suất,
van xả khí, van cung cấp nhiên liệu và kim phun điện tử [38].

29


Hình 26: Thiết kế 3D cụm buồng đo áp suất nhiên liệu

Hình 27: Mặt cắt cụm buồng đo áp suất nhiên liệu
30


Trong nghiên cứu này, một hệ thống buồng chứa để đo lưu lượng nhiên liệu được thiết
kế và tính tốn bền hệ thống. Thể tích được lựa chọn để thiết kết là 45cm3 với các chi tiết
được thiết kế để liên kết với thiết bị lắp đặt, thiết bị thu thập tín hiệu như trên hình 26. Hình
27 minh hoạ tiết diện mặt cắt của buồng chứa. Các kích thước thiết kế cho các chi tiết trong

cụm hệ thống được trình bày trong phụ lục.
Tiêu chí thiết kế hệ thống buồng chứa nhiên liệu phải đảm bảo các yêu cầu sau:
-

Mô phỏng được áp suất cuối kỳ nén trong động cơ diesel.

-

Đảm bảo khả năng giữ ổn định áp suất nhiên liệu trước khi nhiên liệu được phun.

-

Phải đảm bảo độ bền của buồng chứa.

Từ các cơ sở đó và tham khảo các nghiên cứu có liên quan. Q trình thiết kế cần thực
hiện mơ phỏng tính bền và tiến hành thực nghiệm sau chế tạo.
Bảng 8: Bảng điều kiện tính tốn bền buồng chứa
Thơng số tính tốn

Giá trị

Vật liệu chế tạo

Thép không rỉ AISI 304

Elastic Modulus

197GPa

Độ bền kéo vật liệu

517MPa

Áp suất nhiên liệu nén vào buồng chứa
Độ bền chảy
Khối lượng riêng vật liệu

10MPa 25MPa
206.8MPa
8g/cm3

31