Giáo trình lý thuyết động cơ diesel

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT LÝ TỰ TRỌNG
---  ---

GIÁO TRÌNH
LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ DIESEL

Tài liệu lưu hành nội bộ


HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL
ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN TỬ
PHẦN 1: HỆ THỐNG VE – EDC

I. TỔNG QUAN:
1. Sơ đồ hệ thống:

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu VE – EDC
1. Thùng chứa 2. Kim phun 3. Bơm cao áp 4. lọc nhiên liệu 5. Van TCV 6. Van SPV
2. Nguyên lý hoạt động:

Hình 1.2: bơm VE – EDC
2


Nhiên liệu được hút bởi bơm tiếp vận, đi từ thùng chứa qua lọc vào bơm cao áp.
Trong bơm cao áp nhiên liệu bị nén lại và được đưa đến các kim phun bởi piston bơm.
Khi nhiên liệu được nén đến một áp suất nhất định thì nó được phun vào buồng đốt của
động cơ. Áp suất nhiên liệu mà piston bơm tạo ra nằm trong khoảng 1.5 đến 2.0 Mpa.
Q trình trên hồn tồn giống với các động cơ diesel thông thường. Các van SPV (Spill
Control Valve) và TCV (Timing Control Valve) dùng để điều khiển lưu lượng phun (thời

gian phun), thời điểm phun (thời điểm bắt đầu phun). ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến
để xác định điều kiện hoạt động của động cơ. Sau đó ECU gởi tín hiệu để điều khiển van
SPV và TCV ở trong bơm sao cho lưu lượng phun và thời điểm phun tối ưu nhất.
Ngày nay người ta thường dùng bơm VE – EDC vì bơm có kết cấu gọn nhẹ, làm
việc với độ chính xác cao
Bơm VE – EDC có các chức năng và hoạt động tương tự như bơm VE nhưng nó chỉ
khác là thời điểm phun dựa vào 2 tín hiệu của van SPV và TCV.
II.GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT:
Hệ thống bơm cao áp VE- EDC gồm 3 cụm
1. Tín hiệu vào: (Input)
Gồm các cảm biến (sensors) để xác định tình trạng tổng quát của động cơ.
2. ECU:
Bộ điều khiển điện tử ECU với nhiều bộ vi sử lý. Bộ ECU sử dụng thuật toán điều
khiển để xử lý những dữ liệu thông tin ở đầu vào và cung cấp những tín hiệu điện điều
khiển ở đầu ra một cách thích hợp.
3. Tín hiệu ra: (Output)
Bộ tác động biến đổi tín hiệu ra ECU thành chuyển động cơ học điều khiển van điện
từ, điều khiển lượng nhiên liệu bơm cao áp.

3


III.

GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ ĐỘNG CƠ DIESEL VE

1. Sơ đồ giới thiệu hệ thống nhiên liệu cùng với hệ thống kiểm sốt điện tử bơm
VE

Hình 1.3: Sơ đồ giới thiệu hệ thống nhiên liệu cùng với hệ thống kiểm soát điện tử

bơm VE
1. Thùng nhiên liệu

11. Tín hiệu số

2. Lọc nhiên liệu

12. Cảm biến tốc độ xe

3. Bơm cao áp VE

13. Cảm biến vị trí bàn đạp ga

4. Kim phun và cảm biến sự dịch
chuyển ty của kim phun

14. Cảm biến nhiệt độ khí nạp

5. Đường dầu về
6. Bộ điều khiển Bugi xông và Bugi
xông máy
7. Van điều khiển lưu lượng (SPV)
8. Van điện từ
9. ECU

15. Van EGR
16. Cảm biến lưu lượng gió
17. Cảm biến tốc độ động cơ và vị trí
tử điểm thượng
18. Accu

19. Cơng tắc khởi động và xông máy

10. Đèn báo lỗi (chuẩn đoán)

4


2. Điều khiển động cơ diesel bằng các tín hiệu

Hình 1.4: Sơ đồ điều khiển điện tử động cơ diesel
1. ECU

11. Điều khiển phanh

2. Bơm VE

12. Kim phun

3. Cảm biến vị trí van định lượng

13. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

4. Van SPV

14. Cảm biến nhiệt độ gió

5. Van TCV

15. Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu

6. Cảm biến số vịng quay động cơ

16. Bộ đo gió

7. Cảm biến tốc độ xe

17. Van điều khiển EGR và van EGR

8. Điều khiển tự động tốc độ

18. Turbo tăng áp

9. Cảm biến vị trí bàn đạp ga

19. Bộ điều khiển bugi xơng máy

10. Điều khiển ly hợp

20. Bộ chuẩn đoán


SƠ ĐỒ HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU VE-EDC
CÁC CẢM BIẾN

BỘ CHẤP HÀNH
ECU

CB sự di động của ty
bơm

Điều khiển
lượng nhiên liệu
cung cấp

CB nhiệt độ nước, khí
nạp mới, nhiên liệu

BƠM
CAO
ÁP

Điều khiển cúp
dầu (tắt động cơ)

CB vị trí van điều
khiển lượng nhiên liệu
BỘ
CB lưu lượng gió
CB tốc độ động cơ

VI
XỬ

Thời điểm phun
nhiên liệu

LÝ

Bộ dẫn động
van EGR

CB tốc độ xe
EGR
CB áp suất khí quyển
Bộ điều khiển
xông máy
CƠ CẤU ĐIỀU KHIỂN

Điều khiển
khởi động

CB bàn đạp ga

Lưu đồ xử lý
Vị trí tay số

TÍN HIỆU
CHUẨN
ĐỐN
Màn hình báo
tín hiệu

6


IV.

CẤU TẠO CÁC BỘ PHẬN CỦA BƠM VE – EDC
Bên trong bơm phân phối có piston xoay quanh trục, nhiên liệu được cung cấp bởi
bơm cánh gạt. Áp suất nhiên liệu sinh ra và được phân phối đến từng xi lanh động cơ

nhờ sự di chuyển của piston thông qua đĩa cam. Khi piston bơm xoay quanh trục của nó
được một vịng thì nó đã phân phối dầu cho tất cả các xi lanh của động cơ. Chuyển
động tịnh tiến và xoay của piston bơm được thực hiện nhờ cốt bơm và mấu cam trên đĩa
cam.
Vòng lăn sẽ định điểm phân phối của bơm. Ổ bơm phân phối kiểu piston xoay
quanh trục được điều khiển bằng điện, van SPV sẽ điều khiển lượng nhiên liệu phun với
áp suất cao. Tín hiệu từ ECU sẽ điều khiển sự đóng mở của van SPV. Sự kích hoạt thích
hợp sẽ điều khiển tốc độ động cơ.

Hình 1.5: Hình cắt bơm VE – EDC
1. Bơm tiếp vận

6. Piston phân phối

2. Cảm biến tốc độ

7. Xylanh

3. Rotor

8. Van SPV

4. Đĩa cam

9. Van TCV

5. Vòng lăn

7

1. Van điều áp:
1. Thân van
2. Lò xo
3. Piston van
4. Lỗ thốt
5. Đường áp lực đến
6. Đường thốt
Hình 1.6: Van điều áp
Van điều áp dùng để điều chỉnh áp lực dầu trong bơm cao áp.
Khi áp lực dầu trong bơm cao áp cao hơn áp lực cho phép thì dầu đẩy piston van
thắng lực lị xo theo đường thốt ra ngoài cửa nạp giảm áp lực trong bơm cao áp.
2. Van cao áp:
Van cao áp có nhiệm vụ ngắt nhiên liệu giữa bơm và đường ống. Nó cũng xác định
chính xác thời điểm kim phun đóng vào cuối q trình phun, đồng thời nó cịn làm cho
áp lực ổn định ở các mạch phun bất kể lượng nhiên liệu được phun.
Van cao áp là một dạng piston được điều khiển bằng áp lực dầu. Nó được mở bằng
áp lực nhiên liệu và được đóng bởi lị xo hồn vị. Giữa các hành trình phân phối nó
được đóng, lúc này đường ống và lỗ thoát dầu phân phối bị tách biệt. Trong khoảng thời
gian phân phối, van được nâng lên khỏi vị trí ban đầu của nó bằng áp lực cao. Nhiên
liệu chạy qua rãnh dọc và tới rãnh tròn và đi qua thân van cao áp tới đường ống và tới
kim phun để phun vào buồng đốt.
Khi quá trình phân phối kết thúc, áp lực cao ở đầu piston giảm xuống và van điều áp
được đóng lại bởi lị xo hoàn vị.

8


Hình 1.7: Van

áp lực

A: Đóng

1. Giá giữ van (Đế van )

B: Mở

2. Mặt cơn van
3. Lị xo van
4. Rắc co dầu ra
5. Phần dẫn hướng của van
6. Rãnh dẫn dầu
7. Rãnh vịng

3. Bộ phun sớm tự động
a. Cấu tạo:

Hình 1.8: Sơ đồ cấu tạo bộ phun dầu sớm tự động

9


Cơ cấu phun dầu sớm bằng thủy lực được lắp ở phía dưới của bơm phân phối và
thẳng góc với trục dọc của thân bơm, piston phun sớm di chuyển trong thân bơm. Bên
hông thân bơm được lắp van TCV. Hai bên của vỏ bơm được đậy bởi các nắp đậy. Trên
một mặt của piston có một lỗ nhiên liệu vào và một lỗ nhiên liệu đến van TCV, bên phía
mặt cịn lại của piston là một lị xo và một lỗ nhiên liệu từ van TCV đến. Một chốt trượt
và một chốt dẫn động nối piston với vịng lăn

Hình 1.9: Cấu tạo van TCV
.
b. Nguyên lý hoạt động của van TCV:
Piston phun sớm được giữ ở vị trí ban đầu của nó bởi tải trọng ban đầu của lị xo.
Trong thời gian hoạt động , áp lực nhiên liệu ở khoang bơm được điều khiển tương ứng
với tốc độ động cơ bởi van điều áp và ốc giới hạn dầu tràn.
Khi tín hiệu ON từ ECU đưa đến van TCV với thời gian dài thì van này mở ra
nhiều, dầu từ khoang (A) sẽ qua ống 2 trở về mạch nạp của bơm nhiều.

Hình 1.10: Cơ cấu phun dầu sớm đang điều khiển phun trễ

10


Do lượng dầu về mạch nạp nhiều nên áp lực dầu trong khoang (A) nhỏ hơn lực đẩy
của lò xo 4 nên lò xo này đẩy piston của bộ phun sớm qua phải làm cho phun trễ.
Khi tín hiệu ON từ ECU đưa đến van TCV với thời gian ngắn hơn nên van này mở ít
hơn, làm cho dầu từ khoang (A) sẽ qua đường ống 2 về mạch nạp của bơm ít hơn, dẫn
đến áp lực dầu trong khoang (A) sẽ lớn hơn lực đẩy của lò xo 4. Do đó áp lực dầu trong
(A) sẽ đẩy piston của bộ phun sớm qua trái , làm cho phun dầu sớm.
Van TCV được điều khiển bởi tỉ số giữa thời gian đóng mở của dịng điện cung cấp
đến cuộn dây. Nếu chiều dài xung ON càng dài thì bơm sẽ phun muộn hơn.
4. Van điều khiển lượng phun SPV
a. Cấu tạo:

Hình 1.11: Cấu tạo van SPV
b. Nguyên lý hoạt động:
Khi dòng điện được đưa đến cuộn dây (1) của van SPV (dịng điện này có được nhờ
ECU điều khiển đưa đến) làm phát sinh lực từ bên trong cuộn dây. Lực từ này thắng lực
cản của lò xo điều khiển (2) và hút van điều khiển (4) xuống đóng kín đường dầu (B).

Do đường dầu (B) bị đóng lại. Áp lực dầu bên ngoài bằng áp lực dầu bên trong của van
chính (5) khơng thể thắng được lực của lị xo chính (3) và lực dầu ở bên trong. Kết quả
là van chính cũng được đóng lại, ngăn khơng cho dòng nhiên liệu qua (A).

11


Hình 1.12: Hoạt động của van SPV lúc đang phun
Khi tín hiệu từ ECU bị ngắt, dịng điện cung cấp đến cuộn dây (1) khơng cịn nữa,
lúc này lực từ do cuộn dây (1) sinh ra cũng mất đi. Khi đó, lị xo phụ (2) sẽ mở van phụ
(4) ra cho dịng nhiên liệu bên trong van chính đi qua (B).

Hình 1.13: hoạt động của van SPV lúc chuẩn bị dứt phun
Do lỗ dầu trên van chính nhỏ nên lượng nhiên liệu thoát qua (B) lớn hơn lượng
nhiên liệu được đưa vào van chính (5) qua lỗ trên van chính, làm cho áp lực nhiên liệu
bên trong van chính giảm. Điều này gay ra sự chệch áp lực ở bên trong (bên trên) van
chính và bên ngồi (bên dưới) van chính. Cụ thể, áp lực nhiên liệu bên dưới van chính
lớn hơn áp lực bên trên van chính. Kết quả, áp lực bên dưới van chính sẽ đẩy van chính
mở ra cho dòng nhiên liệu đi qua (A). làm cho áp lực trong xilanh bơm giảm xuống. Đây
là thời điểm kết thúc phun nhiên liệu.

12


Hình 1.14: Hoạt động của van SPV lúc dứt phun
V. SỰ PHÂN PHỐI NHIÊN LIỆU CAO ÁP
1. Dẫn động piston phân phối:
Chuyển động quay của trục truyền chính được truyền tới bơm phân phối bằng một
khớp nối hình chữ thập.
Bên trong bơm có một vịng lăn và một đĩa cam, số mấu cam đặt ở mặt dưới của đĩa

cam tương ứng với số xi lanh của động cơ, các mấu cam này đi lên các con lăn của vòng
lăn, bề mặt của đĩa cam luôn ép sát vào con lăn. Do đó chuyển động quay thuần túy của
trục truyền chính được chuyển thành chuyển động vừa xoay vừa tịnh tiến của đĩa cam.
Piston được đặt khớp vào đĩa cam nhờ đi hình trụ, vị trí của nó và đĩa cam được cố
định bằng một cái chốt.
Piston được đẩy lên điểm chết trên (ĐCT) nhờ cam, hai lị xo hồn lực sắp xếp đối
xứng đẩy piston xuống điểm chết dưới (ĐCD) khi cam khơng đội piston. Các lị xo này
ngăn khơng cho đĩa cam bị tách ra khỏi con lăn khi bơm hoạt động ở tốc độ cao. Để
piston không rời khỏi vị trí trung tâm của nó thì các lị xo hồn lực phải được lắp đặt một
cách chính xác.
2. Định lượng nhiên liệu của bơm VE – EDC

13


Hình 1.15: Cơ cấu định lượng nhiên liệu:
Hoạt động:
Áp lực cần thiết cho quá trình phun vào xi lanh động cơ được sinh ra bởi piston
bơm. Với động cơ 4 xylanh piston quay ¼ vịng và di chuyển lên xuống một lần, với
động cơ 6 xi lanh piston quay 1/6 vịng khi đi lên xuống một lần.
• Q trình nạp:
Piston di chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, van SPV ở trạng thi đóng, chuyển động vừa
quay vừa tịnh tiến của nó làm mở lổ dầu vào. Lúc này nhiên liệu với áp lực ở khoang
bơm sẽ bị hút vào trong xi lanh bơm.
• Thời điểm khởi phun :
Van SPV vẫn ở trạng thái đóng piston di chuyển từ ĐCD lên ĐCT, lúc này lỗ nạp
đóng lại bởi piston. Piston tiếp tục di chuyển lên ĐCT tạo ra áp lực cao trên đầu piston và
do chuyển động quay của piston nên lỗ thoát trên thân piston trùng với rãnh thoát ở đầu
phân phối. Áp lực nhiên liệu tạo ra ở buồng cao áp và đi theo rãnh làm mở van áp lực.
Nhiên liệu bị đẩy qua đường ống dẫn tới kim phun và phun vào buồng đốt.

• Thời điểm kết thúc phun:
Quá trình phun kết thúc ngay khi van SPV mở. Sau thời điểm này khơng có nhiên
liệu được phân phối đến kim phun và van áp lực cũng đóng lại. Nhiên liệu trên đỉnh
piston trở về khoang bơm qua lỗ mà van SPV vừa mở, piston tiếp tục đi lên ĐCT chấm
dứt quá trình phun nhiên liệu và khoảng đi này của piston gọi l khoảng chạy dư.
• Q trình cứ lập lại cho những xi lanh kế tiếp.

14


PHẦN II
HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU COMMON RAIL

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu loại Common – Rail
1. Thùng nhiên liệu 2. Lọc 3. Bơm 4. Ống cao áp 5. Kim phun
Nhiên liệu từ thùng chứa được bơm chuyển vào trong bơm cao áp. Tại đây áp suất
nhiên liệu được tạo ra và được bơm liên tục vào trong ống trữ. Bơm cao áp chỉ có nhiệm
vụ duy nhất là tạo cho nhiên liệu có một áp suất cao và đưa nó vào trong ống trữ. Tại ống
trữ có các đường ống cao áp nối đến các kim phun. Các kim phun này được lắp trên nắp
máy, nó có nhiệm vụ là phun nhiên liệu vào trong buồng đốt động cơ và được điều khiển
bởi ECU.
ECU sau khi nhận các tín hiệu từ các cảm biến (cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến
vị trí cốt cam, nhiệt độ nhiên liệu, vị trí bàn đạp ga, nhiệt độ khơng khí, nhiệt độ khí nạp,
cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến lượng khí nạp . . .) sẽ xử lý các tín hiệu này và
sau đó sẽ đưa ra các xung vuông để điều khiển kim phun.
Khi ECU phát ra xung OFF (hiệu điện thế bằng không), lúc này dịng điện khơng
cịn chạy trong cuộn dây của kim phun. Lực điện từ của cuộn dây khơng cịn nữa, van
kim sẽ bị lị xo đóng lại, nhiên liệu khơng cịn phun vào động cơ nữa, quá trình phun
chấm dứt. Nếu chiều dài của xung ON càng dài thì van kim mở càng lâu, do đó lượng
nhiên liệu phun vào trong buồng đốt càng nhiều. Nếu xung ON từ ECU gởi đến kim phun

càng sớm thì kim sẽ phun càng sớm.
15


I. SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG:
Một hệ thống common rail (CDI) bao gồm:
1. Cảm biến đo gió (air sensor)
2. ECU
3. Bơm cao áp
4. Ống trữ nhiên liệu ở áp suất cao
5. Kim phun (injector)
6. Cảm biến tốc độ trục khuỷu (crankshaft speed sensor).
7. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (coolant sensor).
8. Bộ lọc nhiên liệu
9. Cảm biến bàn đạp ga (accelerator pedal sensor).

Hình 2.2: Cấu tạo hệ thống nhiên liệu Common Rail.

16


II. ĐẶC TÍNH PHUN
So với đặc điểm của hệ thống nhiên liệu cũ thì các yêu cầu đã được thực hiện dựa
vào đường đặc tính phun lý tưởng:
Lượng nhiên liệu và áp suất phun nhiên liệu độc lập với nhau trong từng điều kiện
hoạt động của động cơ (cho phép để đạt được tỉ lệ hỗn hợp A/F lý tưởng).
Lúc bắt đầu phun, lượng nhiên liệu phun chỉ cần một lượng nhỏ.
Các yêu cầu trên đã được thoả mãn bởi hệ thống common rail, với đặc điểm phun 2
lần: phun sơ khởi và phun chính (Pilot injection and main injection).
Hệ thống common rail là một hệ thống thiết kế theo module, có các thành phần:

-

Kim phun điều khiển bằng van solenoid được gắn vào nắp máy.

-

Bộ tích trữ nhiên liệu (ống phân phối áp lực cao).

-

Bơm cao áp (bơm tạo áp lực cao).

Các thiết kế sau cũng cần cho sự hoạt động điều khiển của hệ thống:
-

ECU.

-

Cảm biến tốc độ trục khuỷu.

-

Cảm biến tốc độ trục cam.

Đối với xe du lịch, bơm có piston hướng tâm (radial piston pump) được sử dụng như
là bơm cao áp để tạo ra áp suất. Áp suất được tạo ra độc lập với quá trình phun. Tốc độ
của bơm cao áp phụ thuộc tốc độ động cơ.
Về cơ bản, kim phun được nối với ống tích áp nhiên liệu (rail) bằng một đường ống
ngắn, kết hợp với đầu phun và solenoid được cung cấp điện qua ECU. Khi van solenoid

khơng được cấp điện thì kim phun ngưng phun. Nhờ áp suất phun không đổi, lượng nhiên
liệu phun ra sẽ tỉ lệ với độ dài của xung điều khiển solenoid. Yêu cầu mở nhanh van
solenoid được đáp ứng bằng việc sử dụng điện áp cao và dòng lớn. Thời điểm phun được
điều khiển bằng hệ thống điều khiển góc phun sớm. Hệ thống này dùng một cảm biến
trên trục khuỷu để nhận biết tốc độ động cơ, và cảm biến trên trục cam để nhận biết kỳ
hoạt động.
a. Phun sơ khởi (pilot injection).
Phun sơ khởi có thể diễn ra sớm đến 90 o trước tử điểm thượng (BTDC). Nếu thời
điểm phun xuất hiện nhỏ hơn 40o BTDC, nhiên liệu có thể bám vào bề mặt của piston,
thành xi lanh và làm lỗng dầu bơi trơn.
Trong giai đoạn phun sơ khởi, một lượng nhiên liệu (1 – 4 mm 3) được phun vào xi
lanh để “mồi”. Kết quả là quá trình cháy được cải thiện và đạt được một số hiệu quả sau:
17


Áp suất cuối q trình nén tăng một ít nhờ vào giai đoạn phun sơ khởi và nhiên liệu
cháy một phần. Điều này giúp giảm thời gian trể cháy, giảm sự tăng đột ngột của áp suất
khí cháy và áp suất cực đại (quá trình cháy êm dịu hơn).
Kết quả là giảm tiếng ồn của động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và làm giảm độ độc
hại của khí thải. Q trình sơ khởi đóng vai trị gián tiếp trong việc làm tăng công suất
của động cơ.
b. Giai đoạn phun chính (main injection).
Cơng suất đầu ra cuả động cơ xuất phát từ giai đoạn phun chính tiếp theo giai đoạn
phun sơ khởi. Tức là giai đoạn phun chính giúp tăng lực kéo của động cơ. Với hệ thống
common rail, áp suất phun vẫn giữ khơng đổi trong suốt q trình phun.
c. Giai đoạn phun thứ cấp (Secondary injection).
Theo qua điểm xử lý khí thải, phun thứ cấp có thể được áp dụng để đốt cháy NOx.
Nó diễn ra ngay sau giai đoạn phun chính và được định ra để xảy ra trong quá trình giản
nở hay kỳ thải khoảng 200o sau tử điểm thượng (ATDC). Ngược lại với quá trình phun sơ
khởi và phun chính, nhiên liệu được phun vào không được đốt cháy mà để bốc hơi nhờ

vào sức nóng của khí thải ở ống pơ. Trong suốt kỳ thải, hỗn hợp khí thải và nhiên liệu
được đẩy ra ngồi hệ thống thốt khí thải thơng qua xupáp thải. Tuy nhiên một phần của
nhiên liệu được đưa lại vào buồng đốt thơng qua hệ thống ln hồi khí thải EGR và có tác
dụng tương tự như chính giai đoạn phun sơ khởi. Khi bộ hoá khử được lắp để làm giảm
lượng NOx, chúng tận dụng nhiên liệu trong khí thải như là một nhân tố hoá học để làm
giảm nồng độ NOx trong khí thải.

Một cái chớp
mắt thơng
thường

Y
Lưu
lượng
phun
(mm3/kì)

74 mm3
Phun chính
2
Phun
mm3thí
điểm

X

300-400 msec.

≅ 1.1 msec.

Thời
gian
(msec)

Hình 2.3: Tốc độ phun của hệ thống Common Rail
III. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CÁC CHI TIẾT TRÊN HỆ
THỐNG COMMON RAIL.

18


1. Tổng quát về hệ thống nhiên liệu.
Hệ thống nhiên liệu trong một hệ thống common rail (hình) bao gồm 2 vùng: vùng
nhiên liệu áp suất thấp và vùng nhiên liệu áp suất cao.

Hình 2.4: Hệ thống nhiên liệu Common Rail.
1. Thùng chứa nhiên liệu

7. Ống nhiên liệu áp suất cao

2. Lọc thô

8. Ống trữ nhiên liệu

3. Bơm tiếp vận

9. Kim phun

4. Lọc tinh

10. Đường dầu về

5. Đường nhiên liệu áp suất thấp

11. ECU

6. Bơm cao áp

19


a. Vùng áp suất thấp.
Vùng áp suất bao gồm các bộ phận
• Bình chứa nhiên liệu:
Bình chứa nhiên liệu phải làm từ vật liệu chống ăn mòn và phải giữ khơng cho bị rị
rĩ ở áp suất gấp đơi hoạt động bình thường. Van an tồn phải được lắp để áp suất q cao
có thể tự thốt ra ngồi. Nhiên liệu cũng khơng được rị rĩ ở cổ nối với bình lọc nhiên liệu
hay ở thiết bị bù áp suất khi xe bị rung xóc nhỏ, cũng như khi xe vào cua hoặc dừng hay
chạy trên đường dốc. Bình nhiên liệu và động cơ phải nằm cách xa nhau để trong trường
hợp tai nạn xảy ra sẽ khơng có nguy cơ bị cháy.
• Đường ống nhiên liệu:
Mềm được bọc thép thay thế cho đường ống bằng thép và được dùng trong ống áp
suất thấp. Tất cả các bộ phận mang nhiên liệu phải được bảo vệ một lần nữa khỏi tác
dụng của nhiệt độ. Đối với xe buýt, đường ống nhiên liệu không được đặt trong không
gian của hành khách hay trong cabin xe.
• Bơm tiếp vận:
Bao gồm một bơm bằng điện với lọc nhiên liệu, hay một bơm bánh răng. Bơm hút
nhiên liệu từ bình chứa và tiếp tục đưa đủ lượng nhiên liệu đến bơm cao áp.
• Bộ lọc nhiên liệu:
Khơng thích hợp có thể dẫn đến hư hỏng cho các thành phần của bơm, van phân

phối và kim phun. Bộ lọc nhiên liệu làm sạch nhiên liệu trước khi đưa đến van cao áp, và
do đó ngăn ngừa sự mài mòn nhanh của các chi tiết của bơm.

1.
2.
3.
4.
5.

Nắp bầu lọc
Đường dầu vào
Phần giấy lọc
Bọng chứa dầu sau khi lọc
Phần chứa nước có lẫn trong
dầu
6. Thiết bị báo mực nước trong
bầu lọc khi vượt mức cho phép
7. Đường dầu ra
Hình 2.5: Cấu tạo lọc dầu

20


b. Vùng áp suất cao.
Vùng áp suất cao của hệ thống common rail bao gồm:
Bơm cao áp với van điều khiển áp suất.
Đường ống nhiên liệu áp suất cao, tức ống phân phối đóng vai trị của bộ tích áp
suất cao cùng với cảm biến áp suất nhiên liệu, van giới hạn áp suất, bộ giới hạn dòng
chảy, kim phun và ống dầu về.

Hình 2.6: Vùng áp suất cao
1. Bơm cao áp

6. Cảm biến áp suất trên ống

2. Van cắt nhiên liệu

7. Van giới hạn áp suất

3. Van điều khiển áp suất

8. Lỗ tiết lưu

4. Đường nhiên liệu áp suất cao

9. Kim phun

5. Ống trữ nhiên liệu ở áp suất cao

10. ECU

2. Bơm cao áp.
Bơm cao áp tạo áp lực cho nhiên liệu đến một áp suất đến 1350 bar. Nhiên liệu được
tăng áp này sau đó di chuyển đến đường áp suất cao và được đưa vào bộ tích nhiên liệu
cao có hình ống.
Bơm cao áp được lắp đặt ngay trên động cơ như ở hệ thống nhiên liệu của bơm phân
phối loại cũ. Nó được dẫn động bằng động cơ thơng qua bánh răng, xích hay dây đai có
răng và được bơi trơn bằng chính nhiên liệu nó bơm.
Tuỳ thuộc vào khơng gian sẵn có, van điều khiển áp suất được lắp trực tiếp trên bơm
hay lắp lắp xa bơm.

Bên trong bơm (hình 2.8), nhiên liệu được nén bằng 3 piston bơm được bố trí hướng
kính và các piston cách nhau 120o. Do 3 piston hoạt động luân phiên trong một vòng
quay nên chỉ làm tăng nhẹ lực cản của bơm. Điều này có nghĩa là hệ thống common rail

21


đặt ít tải trọng lên hệ thống truyền động hơn so với hệ thống cũ. Công yêu cầu dẫn động
bơm rất nhỏ và tỉ lệ với áp suất trong ống phân phối đạt khoảng 1350 bar, bơm cao áp
tiêu thụ 3,8 kw.

Hình 2.7: Cấu tạo bơm cao áp
1. Van định lượng 2. Bơm tiếp vận 3. Van SCV 4. Van 1 chiều 5. Piston 6. Trục
7. Van phân phối
Thông qua một bộ lọc có cơ cấu tách nước, bơm tiếp vận cung cấp nhiên liệu từ
bình chứa đến đường dầu vào của bơm cao áp và van an tồn. Nó đẩy nhiên liệu qua lỗ
khoan của van an toàn vào mạch dầu bôi trơn và làm mát bơm cao áp. Trục của bơm cao
áp có các van lệch tâm làm di chuyển 3 piston bơm lên xuống tuỳ theo hình dạng các mấu
cam.
Ngay khi áp suất phân phối vượt quá mức thì van an tồn sẽ xả bớt áp suất , bơm
tiếp vận đẩy nhiên liệu đến bơm cao áp thông qua van hút vào buồng bơm, nơi mà piston
chuyển động hướng xuống. Van nạp đóng lại khi piston bơm đi qua tử điểm hạ và từ đó
nó cho phép nhiên liệu trong buồng bơm thốt ra ngồi với áp suất phân phối. Áp suất
tăng lên cao sẽ mở van thoát khi áp suất trên ống đủ lớn. Nhiên liệu được nén đi vào
mạch dầu áp suất cao.
Piston bơm tiếp tục phân phối nhiên liệu cho đến khi nó đến tử điểm thượng, sau đó
do áp suất bị giảm xuống nên van thốt đóng lại. Nhiên liệu cịn lại nằm trong buồng bơm
và chờ đến khi piston di xuống một lần nữa.
Khi áp suất trong buồng bơm của thành phần bơm giảm xuống thì van nạp mở ra và
quá trình lặp lại lần nữa.

Do bơm cao áp được thiết kế để có thể phân phối nhiên liệu lớn nên lượng nhiên
liệu có áp suất cao sẽ thừa trong giai đoạn chạy cầm chừng và tải trung bình. Lượng
nhiên liệu thừa này được đưa trở về thùng chứa thông qua van điều áp suất. Nhiên liệu bị
nén sẽ nằm trong thùng chứa và gây ra tổn thất năng lượng. Hơn nữa lượng nhiệt tăng lên
22


của nhiên liệu cũng làm giảm đi hiệu quả chung. Ở mức độ nào đó thì tổn thất này có thể
được bù bằng cách ngắt bớt hoặc một hoặc vài xi lanh bơm.
Khi một trong 3 xi lanh bơm bị loại ra sẽ dẫn đến việc giảm lượng nhiên liệu bơm
đến ống phân phối. Việc ngắt bỏ được thực hiện bằng cách giữ cho van hút mở ở trạng
thái liên tục.
Khi van solenoid dùng để ngắt thành phần bơm được kích hoạt, một chốt gắn với
phần ứng sẽ giữ van hút mở ra. Kết quả là nhiên liệu hút vào xi lanh của bơm khơng thể
bị nén được nên nó bị đẩy trở lại mạch áp suất thấp. Với một xi lanh bơm bị loại bỏ khi
không cần công suất cao thì bơm cao áp khơng cịn cung cấp nhiên liệu liên tục mà nó
cung cấp gián đoạn.
Bơm cao áp cung cấp lượng nhiên liệu tỉ lệ với tốc độ quay của nó. Và do đó, nó là
một hàm của tốc độ động cơ. Trong suốt quá trình phun, tỉ số truyền được tính sao cho
một mặt thì lượng nhiên liệu mà nó cung cấp khơng q lớn, mặt khác các yêu cầu về
nhiên liệu vẫn còn đáp ứng trong suốt chế độ hoạt động. Tùy theo tốc độ trục khuỷu mà tỉ
số truyền hợp lý là 1:2 hoặc 1:3.

Hình 2.8: Bơm cao áp
1. Van nạp

6. Khoang áp nhiên liệu

2. Xi lanh bơm

7. Đường nhiên liệu cao áp ra

3. Piston bơm

8. Van an toàn

4. Trục dẫn động

9. Van điều khiển áp suất.

5. Trục cam

23


3. Van điều khiển áp suất:

Hình 2.9: Cấu tạo van điều áp
1. Van bi

2. Lõi

3. Nam châm điện 4. Lò xo

5. Đầu nối

• Van điều khiển áp suất giữ cho nhiên liệu trong ống phân phối có áp suất thích hợp
tuỳ theo tải của động cơ, và duy trì ở mức này.
Nếu áp suất trong ống quá cao thì van điều khiển áp suất sẽ mở ra và một phần nhiên
liệu sẽ trở về bình chứa thơng qua đường ống dầu về.

Nếu áp suất trong quá trình thấp thì van điều khiển áp suất sẽ đóng lại và ngăn khu
vực áp suất cao (high pressure stage) với khu vực áp suất thấp (low pressure stage).
Van điều khiển áp suất được gắn lên bơm cao áp hay ống phân phối. Để ngăn khu vực
áp suất cao với khu vực áp suất thấp, một lõi thép đẩy viên bi vào vị trí đóng kín. Có hai
lực tác dụng lên lõi thép: Lực đẩy xuống bởi lò xo và lực điện từ. Nhằm bôi trơn và giải
nhiệt, lõi thép được nhiên liệu bao quanh.
• Van điều khiển áp suất được điều khiển theo hai vòng:
Vòng điều khiển đáp ứng chậm bằng điện dùng để điều chỉnh áp suất trung bình trong
ống.
Vịng điều khiển áp suất nhanh bằng cơ dùng để bù cho sự lao động lớn của áp suất.
Khi van điều khiển chưa được cung cấp điện, áp suất cao tại ống hay tại đầu ra của
bơm cao áp được đặt lên van điều khiển áp suất một áp suất cao. Khi chưa có lực điện từ,
lực của nhiên liệu áp suất cao tác dụng lên lò xo làm cho van mở và duy trì độ mở tuỳ
thuộc vào lượng nhiên liệu phân phối. Lị xo được thiết kế để có thể chịu được áp suất
khoảng 100 bar.
Khi van điều khiển áp suất được cấp điện: Nếu áp suất trong mạch áp suất cao tăng
lên, lực điện từ sẽ được tạo ra để cơng thêm vào lực của lị xo. Khi đó van sẽ đóng lại và
được giữ ở trạng thái đóng cho đến khi lực do áp suất dầu ở một phía cân bằng với lực lò

24


xo và lực điện từ ở phía cịn lại. Sau đó, van sẽ ở trạng thái mở và duy trì một áp suất
không đổi. Khi bơm thay đổi lượng nhiên liệu phân phối hay nhiên liệu bị mất trong mạch
áp suất cao thì được bù lại bằng cách điều chỉnh van đến một độ mở khác. Lực điện từ tỉ lệ
với dịng điện cung cấp trung bình được điều chỉnh bằng cách thay đổi độ rộng xung. Tần
số xung điện khoảng 1 KHz sẽ đủ để ngăn chuyển động ngoài ý muốn của lõi thép và sự
thay đổi áp suất trong ống.
4. Ống trữ nhiên liệu áp suất cao (ống phân phối)

Hình 2.10: Cấu tạo ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao
1. Ống trữ (Ống phân phối)

4. Van giới hạn áp suất

2. Đường dầu vào từ bơm cao áp

5. Đường dầu về

3. Cảm biến áp suất trên ống trữ

6. Lỗ tiết lưu

7. Đường dầu đến kim

Ngay cả khi kim phun lấy nhiên liệu từ ống phân phối để phun thì áp suất nhiên liệu
trong ống vẫn phải khơng đổi. Điều này thực hiện được nhờ vào sự co giãn của nhiên
liệu. Áp suất nhiên liệu được đo bởi cảm biến áp suất trên ống phân phối và được duy trì
bởi van điều khiển áp suất nhằm giới hạn áp suất tối đa là 1500 bar.
Ống tích luỹ nhiên liệu áp suất cao (ống phân phối) dùng để chứa nhiên liệu áp suất
cao. Đồng thời, sự dao động của áp suất do bơm cao áp tạo ra sẽ được giảm chấn
(damped) bởi thể tích của ống.
Ống tích luỹ áp suất cao này dùng chung cho tất cả các xi lanh. Do đó, tên nó là
“đường ống chung” (common rail). Ngay cả khi một lượng nhiên liệu bị mất đi khi phun,
ống vẫn duy trì áp suất thực tế bên trong không đổi. Điều này bảo đảm cho áp suất phun
không đổi ngay từ khi kim mở.

25