Nghiên cứu xây dựng tài liệu đào tạo hệ thống phun dầu điện tử CRS trên mô hình HIDS
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.64 MB, 100 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------
TRỊNH VĂN QUYẾT
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG TÀI LIỆU ĐÀO TẠO HỆ THỐNG PHUN DẦU
ĐIỆN TỬ CRS TRÊN MƠ HÌNH HI-DS
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Hà Nội – 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------
TRỊNH VĂN QUYẾT
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG TÀI LIỆU ĐÀO TẠO HỆ THỐNG PHUN DẦU
ĐIỆN TỬ CRS TRÊN MƠ HÌNH HI-DS
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:
TS. HỒNG THĂNG BÌNH
Hà Nội - 2018
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo sau
đại học, Viện Cơ khí động lực, Bộ mơn ơ tơ và xe chuyên dụng, đã cho phép tôi thực
hiện luận văn tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành nhất tới TS. Hồng Thăng Bình, đã hướng
dẫn tơi hết sức tận tình, chu đáo để tơi có thể thực hiện và hồn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo đã đọc và đóng góp ý kiến quý giá cho luận
văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô Bộ mơn Ơ tơ và xe chun dụng, Viện
Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, luôn giúp đỡ và dành cho tôi
những điều kiện hết sức thuận lợi để tơi có thể hồn thành luận văn này.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng
chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến q báu để tơi có thể hồn
chỉnh luận văn này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Tôi xin chân thành cảm ơn Công ty Tân Phát đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ
tơi hồn thành khảo sát mơ hình Hi-DS.
Sau cùng tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người
đã động viên, khuyến khích tơi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu, học tập
và thực hiện luận văn này.
1
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong các cơng
trình nào khác!
Hà Nội. Ngày 20 tháng 9 năm 2018
Tác giả
Trịnh Văn Quyết
2
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................ 1
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................. 2
MỤC LỤC ............................................................................................. 3
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................... 8
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................... 8
MỞ ĐẦU ............................................................................................... 9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .......................................... 11
1.1
Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................. 11
1.2
Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu. .......................................... 11
1.2.1 Mục tiêu ........................................................................................................... 11
1.2.2 Đối tương nghiên cứu ...................................................................................... 11
1.2.3 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 11
1.3
Ý nghĩa khoa học của đề tài. ........................................................................... 11
1.4
Nội dung đề tài ................................................................................................ 12
CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHUN DẦU
ĐIỆN TỬ CRS ..................................................................................... 13
2.1
Nhiệm vụ của hệ thống nhiên liệu Diesel - Common rail ............................... 13
2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của hệ thống nhiên liệu Diesel Common rail .............................................................................................................. 13
2.2.1 Cấu tạo chung .................................................................................................. 13
2.2.2 Nguyên lý hoạt động ....................................................................................... 15
2.3
Các thành phần cơ bản của hệ thống CRS ...................................................... 17
2.3.1 Bơm cao áp ...................................................................................................... 17
2.3.2 Ống chia........................................................................................................... 21
2.3.3 Vòi phun .......................................................................................................... 24
2.3.4 ECU và EDU ................................................................................................... 32
3
2.3.5 Cảm biến .......................................................................................................... 33
2.4
Điều khiển phun nhiên liệu ............................................................................. 34
2.4.1 Điều khiển áp suất phun .................................................................................. 35
2.4.2 Điều khiển phun mồi ....................................................................................... 35
2.4.3 Điều khiển tốc độ không tải ............................................................................ 36
2.4.4 Các loại bù ....................................................................................................... 36
2.4.5 Cắt nhiên liệu ................................................................................................... 36
CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT MƠ HÌNH Hi-DS VÀ XÂY DỰNG TÀI
LIỆU ĐÀO TẠO CHẨN ĐOÁN LỖI HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN
TỬ CRS. .............................................................................................. 37
3.1
Các thành phần chính của mơ hình Hi-DS sử dụng động cơ Diesel ............... 37
3.2
Đặc điểm của mơ hình Hi-DS ......................................................................... 40
3.3
Chức năng của mơ hình Hi-DS ....................................................................... 41
3.3.1 Bảng điều khiển mơ hình Hi-DS ..................................................................... 41
3.3.2 Chức năng chẩn đoán ...................................................................................... 43
3.3.3 Kiểm tra / Chế độ kiểm tra .............................................................................. 47
3.3.4 Thông tin sửa chữa .......................................................................................... 49
3.4 Xây dựng nội dung đào tạo chẩn đoán lỗi của hệ thống phun dầu điện tử CRS
trên mô hình Hi-DS ................................................................................................... 52
3.4.1 Tổng quan về chẩn đốn .................................................................................. 52
3.4.2 Quy trình chẩn đốn cơ bản............................................................................. 52
3.4.3 Chẩn đốn hệ thống nhiên liệu ........................................................................ 54
CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG THỰC TẾ TRÊN MƠ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ
KẾT QUẢ ............................................................................................ 80
4.1
Khảo sát một số lỗi của hệ thống CRS. ........................................................... 80
4.1.1 Mã lỗi P0089: Dòng điện đầu ra của van FRRV quá cao. .............................. 80
4.1.2 Mã lỗi P0193: Điện áp đầu ra của cảm biến FRP cao. .................................... 82
4.1.3 Mã lỗi P0182: Dòng điện đầu vào cảm biến thấp ........................................... 84
4.1.4 Vịi phun (P0201) ............................................................................................ 86
4.2 Khảo sát cân bằng cơng suất của xy lanh. ................................... 88
4
4.3 Khảo sát sự thay đổi áp suất Ống chia theo tốc độ vịng tua và tín hiệu điều
khiển của cảm biến áp suất Ống chia-FRPS. ............................................................ 91
4.4
Khảo sát tín hiệu van điều chỉnh áp suất Ống chia. ........................................ 93
4.5
Khảo sát tín hiệu cấp cho vịi phun. ................................................................ 94
4.6
Đánh giá kết quả. ............................................................................................. 95
KẾT LUẬN CHUNG .......................................................................... 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 97
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Cấu tạo hệ thống nhiên liệu Diesel – Common rail ........... 13
Hình 2.2: Hệ thống Diesel - Common rail trên động cơ ZD30 .......... 14
Hình 2.3: Vị trí bố trí các chi tiết cấu thành trên ơ tơ ......................... 15
Hình 2.4: Lịch sử phát triển bơm cao áp của Denso ........................... 18
Hình 2.5: Bơm cao áp loại HP0 .......................................................... 18
Hình 2.6: Bơm cao áp HP2 .................................................................. 19
Hình 2.7: Cấu tạo bơm HP3 ................................................................ 20
Hình 2.8: Sơ đồ hoạt động của bơm HP3 ........................................... 20
Hình 2.9: Cấu tạo của bơm HP3.......................................................... 21
Hình 2.10: Ống chia ............................................................................ 22
Hình 2.11: Van giới hạn áp suất .......................................................... 22
Hình 2.12: Van điều tiết ...................................................................... 23
Hình 2.13: Van xả áp ........................................................................... 23
Hình 2.14: Vịi phun ............................................................................ 24
Hình 2.15: Hoạt động của vịi phun khi chưa phun ............................ 25
Hình 2.16: Hoạt động của vịi phun khi phun ..................................... 26
Hình 2.17: Vịi phun Piezo .................................................................. 27
Hình 2.19: Điều khiển phun của vịi phun Piezo và Solenoid ............ 28
Hình 2.20: Đặc tính lưu lượng của vịi phun Piezo và Solenoid ........ 28
Hình 2.21: Kích thước tia nhiên liệu và đường kính phun ................. 29
5
Hình 2.22: Khả năng thâm nhập của các tia ....................................... 30
Hình 2.23: Mật độ Hydrocacbon với tỉ số nén .................................... 30
Hình 2.24: Mơ men động cơ và áp suất nhiên liệu ............................. 30
Hình 2.25: Biểu đồ so sánh cơng suất và mô men của hai động cơ 2ADFTV và 2AD-FHV ............................................................................... 31
Hình 2.26: Nồng độ NOx và PM......................................................... 32
Hình 2.27: ECU ................................................................................... 32
Hình 2.28: EDU ................................................................................... 33
Hình 2.29: Cảm biến bàn đạp ga ......................................................... 33
Hình 2.30: Cảm biến tốc độ trục khuỷu và cảm biến phân biệt xy
lanh..………………………………………………………………...34
Hình 3.1: Mơ hình Hi-DS .................................................................... 37
Hình 3.2: Cấu trúc hệ thống Hi-DS cho việc đào tạo kỹ thuật ơ tơ .... 40
Hình 3.3: Màn hình chương trình chính của mơ hình Hi-DS ............. 41
Hình 3.4: Bảng điều khiển chức năng chẩn đốn và đo lường chồng
nhau của mơ hình Hi-DS ..................................................................... 42
Hình 3.5: Thơng tin chung của DTC ................................................... 43
Hình 3.6: Thơng tin chẩn đốn của DTC ............................................ 43
Hình 3.7: Màn hình hiển thị dữ liệu dạng text và đồ họa ................... 44
Hình 3.8: Chức năng dao động và hiển thị dạng sóng ........................ 44
Hình 3.9: Chức năng đo vạn năng ....................................................... 45
Hình 3.10: Dữ liệu chẩn đốn hiển thị chế độ kép.............................. 45
Hình 3.11: Phân tích triệu chứng ........................................................ 46
Hình 3.12: Kiểm tra cân bằng cơng suất ............................................. 47
Hình 3.13: Kiểm tra liên hệ khơng phù hợp........................................ 47
Hình 3.14: Kiểm tra tắt vịi phun ......................................................... 48
Hình 3.15: Kiểm tra tín hiệu CKP/CMP ............................................. 48
Hình 3.16: Kiểm tra áp suất nén .......................................................... 49
Hình 3.17: Kiểm tra tính thích ứng của nhiên liệu ............................. 49
Hình 3.18: Thơng tin lắp đặt ............................................................... 50
6
Hình 3.19: Thơng tin chi tiết ............................................................... 50
Hình 3.20: Sơ đồ mạch tổng thể .......................................................... 51
Hình 3.21: Sơ đồ mạch chi tiết ............................................................ 51
Hình 3.22: Sơ đồ mạch RPRV ............................................................ 58
Hình 3.23: Chẩn đốn RPRV .............................................................. 60
Hình 3.24: Sơ đồ mạch cảm biến FRP ................................................ 61
Hình 3.25: Chẩn đốn FRP.................................................................. 62
Hình 3.26: Sơ đồ mạch cảm biến FTS ................................................ 71
Hình 3.28: Mạch điện vịi phun ........................................................... 73
Hình 3.29: Chẩn đốn vịi phun .......................................................... 75
Hình 4.1: Tín hiệu CKP và dữ liệu đầu ra ECU ................................. 88
Hình 4.2: Màn hình kiểm tra cân bằng cơng suất xy lanh - Bình
thường................................................................................................89
Hình 4.3: Màn hình kiểm tra cân bằng cơng suất xy lanh – Khơng bình
thường .................................................................................................. 90
Hình 4.4: Màn hình kiểm tra cân bằng công suất xy lanh – Hai xy lanh
không bình thường ............................................................................... 90
Hình 4.5: Màn hình kiểm tra cân bằng cơng suất xy lanh – Tất cả bình
thường .................................................................................................. 90
Hình 4.6: Sự thay đổi áp suất Ống chia theo tốc độ động cơ ............. 91
Hình 4.7: Đồ thị sóng tín hiệu điều khiển cảm biến ống tính áp ........ 92
Hình 4.8: Đồ thị sóng tín hiệu điều khiển áp suất ống tính áp ở chế độ
khơng tải .............................................................................................. 93
Hình 4.9: Đồ thị sóng tín hiệu điều khiển áp suất ống tính áp ở chế độ
vịng tua cao ......................................................................................... 93
Hình 4.10: Đồ thị sóng tín hiệu điều khiển vịi phun .......................... 94
Hình 4.11: Thời điểm phun nhiên liệu ................................................ 95
7
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: So sánh hai động cơ 2AD-FTV và 2AD-FHV ................... 31
Bảng 3.1: Các thành phần chính của mơ hình Hi-DS ......................... 37
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
HTNL
Hệ thống nhiên liệu
CRS
Hệ thống phun dầu điện tử Common Rail
ECU
Bộ xử lý trung tâm
EDU
Cơ cấu chấp hành
PM
Hạt muội
ĐCT
Điểm chết trên
SCV
Van điều khiển hút
DPNR
Hệ thống giảm tốc NOx
CKP
Cảm biến vị trí Trục khuỷu
CMP
Cảm biến vị trí Trục cam
DTC
Mã lỗi chẩn đốn
FRRV
Van điều khiển áp suất ống tích áp
FRP
Cảm biến áp suất ống tích áp
Yes
Có xẩy ra vấn đề
No
Khơng xẩy ra vấn đề
OK
Đạt tiêu chuẩn.
NG
Không đạt yêu cầu
8
MỞ ĐẦU
Động cơ diesel được sử dụng khá phổ biến cung cấp nguồn động lực cho các
phương tiện giao thông vận tải, máy nông nghiệp, máy xây dựng,… Do giá thành nhiên
liệu rẻ, dễ bảo trì và có cơng suất lớn nên số lượng động cơ diesel được sử dụng ngày
càng tăng nhanh. Lượng phát thải của động cơ nói chung và động cơ diesel nói riêng
chiếm một tỷ trọng đáng kể trong tồn bộ lượng phát thải ra mơi trường. Động cơ diesel
hiệu quả kinh tế hơn động cơ xăng và phù hợp với việc phục vụ cho nhu cầu nguồn
động lực có cơng suất lớn.
Động cơ Diesel được phát minh vào năm 1892 nhờ kỹ sư người Đức Rudolf Diesel.
Ra đời sớm nhưng động cơ Diesel không phát triển như động cơ xăng do gây ra nhiều
tiếng ồn, khí thải bẩn.
Động cơ diesel khác với động cơ xăng ở chỗ khơng sinh ra hiện tượng kích nổ nên
có thể nâng được tỷ số nén lên cao. Mặt khác, loại động cơ này không điều tiết đường
nạp nên quá trình cháy ở hầu hết các chế độ đều là quá trình cháy nghèo nhiên liệu. Vì
cháy nghèo nhiên liệu với lượng dư khơng khí nên nhiệt độ khí thải thấp mang lại tuổi
thọ bền lâu cho động cơ, đồng thời lượng HC (các bua hydrô) và CO (ôxit các bon)
cũng cực kỳ thấp. Do cịn nhiều ơ xy dư trong khí thải nên bộ xúc tác ba thành phần
sử dụng cho động cơ xăng không sử dụng được trên động cơ diesel vì hiệu quả của xúc
tác giảm khi có nhiều ơ xy. Chính vì vậy, việc giảm NOx cho động cơ diesel gặp phải
khó khăn. Ngồi ra, động cơ diesel sử dụng nguyên lý tự bốc cháy của nhiên liệu khi
phun vào buồng đốt nên quá trình cháy sau thời điểm phun dễ ở trạng thái thiếu khơng
khí cục bộ, làm phát sinh các hạt muội PM (Particulate Matter).
Như vậy, điều quan trọng nhất đối với động cơ diesel là phải giảm thiểu lượng PM
và NOx là các chất có trong khí thải và gây độc hại tới mơi trường. PM có thể giải
quyết được bằng các giải pháp đốt hồn tồn, tuy nhiên điều đó làm tăng nhiệt độ động
cơ và làm cho NOx tăng lên. Với quan hệ ngược như vậy, việc giảm đồng thời NOx
và PM là khó khăn.
Hệ thống nhiên liệu Diesel khơng ngừng được cải tiến và chủ yếu tập trung vào giải
quyết các vấn đề:
9
- Tăng tốc độ phun để giảm nồng độ bồ hóng do tăng tốc độ hịa trộn nhiên liệu và
khơng khí.
- Tăng áp suất phun, đặc biệt là đối với động cơ phun trực tiếp.
- Điều chỉnh quy luật phun theo hướng kết thúc nhanh quá trình phun.
- Biện pháp hồi lưu một bộ phận khí xả.
Hiện nay, các nhược điểm đó đã được khắc phục bằng cách cải tiến một số bộ phận
của hệ thống nhiên liệu Diesel điều khiển điện tử như: Bơm cao áp điều khiển điện tử,
Vịi phun điện tử, Ống tích trữ nhiên nhiệu áp suất cao (ống Rail).
Năm 1986 Bosch đã đưa ra thị trường việc điều khiển điện tử cho hệ thống cung
cấp nhiên liệu Diesel được gọi là hệ thống nhiên liệu Common Rail.
Hệ thống Common Rail Diesel ra đời góp phần cải thiện nhiều cho tính năng động
cơ và tính kinh tế nhiên liệu mà lâu nay người sử dụng cũng như các nhà bảo vệ mơi
trường mong đợi. Nó tạo nên hướng nghiên cứu mới cho các ngành cơ khí động lực,
giao thông,… trong nước. Hiện nay, hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel được
trang bị trên các dòng xe như Transit, Sprinter,…đặc biệt là các dòng xe tải. Những
dòng xe này đang được sản xuất và sử dụng rất thông dụng tại Việt Nam và đang mang
lại những hiệu quả tích cực cả về tính kinh tế và khả năng bảo vệ môi trường.
10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, động cơ Diesel trang bị hệ thống CRS đang phát triển rất mạnh. Đặc biệt,
đối với Nhà máy Ơ tơ VEAM thì đây là một hệ thống mới (các động cơ Euro 2 trước
đây không trang bị hệ thống này). Tuy nhiên, tài liệu đào tạo về hệ thống này đang còn
rời rạc. Để đảm bảo tốt công tác sản xuất và dịch vụ sau bán hàng thì việc trang bị kiến
thức cho Cơng nhân viên trong nhà máy cũng như các trạm dịch vụ của nhà máy là rất
quan trọng. Do đó, việc xây dựng bộ tài liệu đào tạo về hệ thống phun dầu điện tử là
rất cần thiết. Mặt khác, việc đào tạo chưa gắn liền với thực tế nên hiệu quả chưa cao.
Với mơ hình Hi-DS gồm mơ-đun chẩn đốn tích hợp trong mơ hình Hi-DS, cho phép
đào tạo Hệ thống kiểm sốt động cơ sử dụng các chức năng phân tích lỗi, dữ liệu và
triệu chứng của nó. Mơ-đun đo lường là phần cốt lõi của hệ thống giúp người hướng
dẫn và người học chọn các phần, đo các mẫu tín hiệu, đọc đồng hồ và mô phỏng các
cảm biến trực tiếp và thời gian thực. Vì vậy, việc xây dựng tài liệu đào tạo hệ thống
phun dầu điện tử trên mơ hình Hi-DS nhằm phục vụ cơng tác đào tạo là phù hợp và
hiệu quả.
1.2 Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu.
1.2.1 Mục tiêu
Xây dựng tài liệu đào tạo hệ thống phun dầu điện tử CRS trên cơ sở lý thuyết và sử
dụng mơ hình Hi-DS.
1.2.2 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống nhiên liệu Common rail trên cơ sở mơ
hình Hi-DS.
1.2.3 Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết kết hợp với việc khảo sát mơ hình Hi-DS để
xây dựng tài liệu đào tạo về hệ thống phun dầu điện tử CRS.
1.3 Ý nghĩa khoa học của đề tài.
Tài liệu đào tạo được xây dựng trên mơ hình Hi-DS và áp dụng mơ hình này vào
việc đào tạo sẽ mang lại hiệu quả cao và có ý nghĩa lớn:
-
Hệ thống lại kiến thức tổng quát về hệ thống CRS.
11
-
Việc học tập trở nên thuận lợi và trực quan do đó sẽ nâng cao hiệu quả đào tạo.
-
Với chức năng tạo lỗi và quan sát các phản ứng của hệ thống sẽ giúp học viên có
thể quan sát và phân tích sâu hơn về mối quan hệ của các chi tiết, các yếu tố ảnh hưởng
đến hệ thống từ đó nắm rõ được bản chất của vấn đề.
Với việc trang bị tốt kiến thức về hệ thống CRS, Nhà máy ô tô VEAM cũng như
các trạm dịch vụ của nhà máy có thể đáp ứng tốt cơng tác sản xuất và dịch vụ sau bán
hàng. Do đó, sẽ nâng cao chất lượng dịch vụ góp phần vào sự phát triển chung của Nhà
máy ô tô VEAM.
1.4 Nội dung đề tài
Đề tài có các nội dung chính sau:
Chương 1: Tổng quan về đề tài.
Chương 2: Tìm hiểu tổng quan về hệ thống phun dầu điện tử CRS.
Chương 3: Khảo sát mơ hình Hi-DS và xây dựng nội dung đào tạo chẩn đoán lỗi
hệ thống phun dầu điện tử CRS.
Chương 4: Áp dụng thực tế trên mơ hình và đánh giá kết quả.
12
CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHUN
DẦU ĐIỆN TỬ CRS
2.1 Nhiệm vụ của hệ thống nhiên liệu Diesel - Common rail
Nhiệm vụ chính: Là điều khiển phun nhiên liệu đúng thời điểm, đúng lượng, đúng
áp suất phù hợp từng chế độ làm việc của động cơ.
Nhiệm vụ phụ: Là điều khiển vịng kín và vịng hở như điều khiển hệ thống hồi lưu
khí thải, tăng áp, ga tự động,… làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải độc hại.
2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của hệ thống nhiên liệu Diesel Common rail
2.2.1 Cấu tạo chung
Hệ thống CRS được cấu tạo từ các thành phần chính như Bơm cao áp, Ống chia,
Vịi phun, ECU và các thành phần khác như hình 2.1.
Hình 2.1: Cấu tạo hệ thống nhiên liệu Diesel – Common rail
1- Thùng nhiên liệu; 2- Lọc thô nhiên liệu; 3- Tuy ô nhiên liệu thấp áp; 4-Lọc
tinh nhiên liệu; 5- Bơm cao áp; 6- Tuy ô nhiên liệu cao áp; 7- Ống chia (Common
rail); 8- Vòi phun; 9- Cụm điều khiển (ECU); 10- Cảm biến trục cam; 11- Cảm
biến trục khuỷu; 12- Cảm biến vị trí bàn đạp ga; 13- Bộ ổn định lưu lượng dầu;
14- Cảm biến áp suất Ống chia; 15- Các cảm biến khác; 16- Các cơ cấu khác.
Hệ thống Diesel - Common rail trên động cơZD30
13
Hình 2.2: Hệ thống Diesel - Common rail trên động cơ ZD30
1- Kim phun; 2- Cảm biến áp suất Ống chia; 3- Ống chia (Common rail); 4Ống dầu tràn; 5- Ống dầu hồi; 6- Ống dầu vào bơm; 7, 8, 9, 10- Ống dầu cao áp
tới vòi phun;11- Ống dầu cao áp tới Ống chia; 12- Đầu nối; 13-Van kiểm tra; 14Bơm cao áp; 15- Bộ ổn định lưu lượng dầu.
14
Van một chiều
Vịi phun
Bình dầu
Lọc nhiên liệu
Bộ giới hạn áp
suất
Bơm cao áp
CB áp suất ống tích áp
Ống tích áp
Hình 2.3: Vị trí bố trí các chi tiết cấu thành trên ô tô
2.2.2 Nguyên lý hoạt động
Tương tự như HTNL diesel thơng thường, trên hình 2.1 nhiên liệu được Bơm cấp
liệu hút từ thùng nhiên liệu và đẩy qua Bầu lọc (4) đến Bơm cao áp (5), từ đây nhiên
liệu được Bơm cao áp nén đẩy vào Ống chia (7), nhiên liệu sẽ được tích trữ ở Ống chia
với áp suất cao và được đưa đến vòi phun (8) sẵn sàng để phun vào xy lanh động cơ.
Việc tạo áp suất và phun nhiên liệu hoàn toàn tách biệt với nhau trong hệ thống
Common Rail. Áp suất phun được tạo ra độc lập với tốc độ và lượng nhiên liệu phun
ra. Nhiên liệu được trữ với áp suất cao trong Ống chia. Lượng phun ra được quyết định
bởi điều khiển bàn đạp ga. Thời điểm phun cũng như thời gian phun được tính tốn
bằng ECU dựa trên các biểu đồ dữ liệu đã lưu trên nó. Sau đó bộ điều khiển (ECU và
EDU) sẽ điều khiển các kim phun của các vòi phun tại mỗi xy lanh động cơ để phun
nhiên liệu nhờ thông tin từ các cảm biến với áp suất phun có thể đến 180 MPa. Nhiên
liệu thừa của vòi phun đi qua ống dầu hồi sẽ trở về thùng nhiên liệu. Trên Bơm cao áp
và Ống chia có bố trí van an tồn, nếu áp suất lớn q giới hạn van an toàn sẽ mở để
nhiên liệu tháo về thùng chứa (1).
15
Bằng việc phun nhiên liệu với áp suất cao, nhiên liệu bị xé nhỏ thành các vi hạt,
tăng diện tích tiếp xúc với khơng khí và nhiệt xung quanh, q trình cháy diễn ra tốt
hơn và giảm được việc phát sinh PM. Đồng thời do nhiên liệu chuyển thành vô số vi
hạt nên quá trình tự bốc cháy diễn ra dễ dàng hơn, có thể giảm góc phun sớm. Việc
làm trễ thời điểm phun và giảm thời gian cháy chính là giải pháp giảm NOx.
Một số đặc trưng cơ bản:
- Ở loại bơm cao áp phân phối hay dùng từ trước tới nay, áp suất phun cực đại của
vòi phun chịu ảnh hưởng của tốc độ động cơ phụ tải nên để có được áp suất phun đảm
bảo ở cả dải số vịng quay động cơ là khó khăn. Với hệ thống phun dầu điện tử áp lực
cao, dầu có áp lực ln được tích sẵn trong ống chia nên luôn đảm bảo một áp suất
phun ổn định và nhờ đó nâng cao được tính năng của động cơ.
- Với việc sử dụng vòi phun cao áp điều khiển điện tử, dầu có áp suất cao ln
thường trực bên trong vòi phun nên việc điều khiển lượng phun và thời điểm phun đạt
độ chính xác cao hơn so với loại bơm cao áp phân phối điều khiển điện tử.
- Bằng việc điều khiển phun chia làm hai giai đoạn, trước thời điểm phun chính có
giai đoạn phun mồi đóng vai trị hỗ trợ và dẫn đường nên q trình cháy chính sau này
diễn ra ổn định hơn, giảm được rung động cũng như tiếng gõ máy. Ngoài ra, bằng việc
điều khiển tối ưu thời điểm phun cũng cho phép tăng cường sự khuyếch tán của nhiên
liệu và giảm được nhiệt độ cháy, nhờ đó giảm được muội than và NOx trong khí thải.
Mặt khác, hệ thống phun nhiên liệu này có thể đẩy nhanh tốc độ cháy nên có thể đảm
bảo được một quá trình cháy tốt.
+ Phun mồi (- pilot injection -). Phun mồi diễn ra sớm đến 90° trước điểm chết
trên (ĐCT). Nếu thời điểm phun mồi xuất hiện nhỏ, nhiên liệu có thể bám vào bề mặt
của piston và thành xy lanh và làm lỗng dầu bơi trơn. Trong giai đoạn phun mồi, một
lượng nhỏ nhiên liệu (1- 4 mm3) được phun vào xy lanh để ‘‘mồi’’. Kết quả là quá
trình cháy được cải thiện và đạt được một số hiệu quả sau: Áp suất cuối quá trình nén
tăng một ít nhờ vào giai đoạn phun mồi và nhiên liệu cháy một phần. Điều này giúp
giảm thời gian trễ cháy, sự tăng đột ngột của áp suất khí cháy và áp suất cực đại (q
trình cháy êm dịu hơn). Kết quả là giảm tiếng ồn của động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu
16
và trong nhiều trường hợp giảm được độ độc hại của khí thải. Q trình phun mồi góp
phần gián tiếp vào việc tăng công suất động cơ.
+ Giai đoạn phun chính (- main injection -). Cơng suất đầu ra của động cơ phụ
thuộc vào giai đoạn phun chính tiếp theo giai đoạn phun mồi. Điều này có nghĩa là giai
đoạn phun chính giúp tăng lực kéo của động cơ. Với hệ thống Common Rail, áp suất
phun vẫn giữ không đổi trong suốt quá trình phun.
+ Giai đoạn phun thứ cấp (- secondary injection -). Theo quan điểm xử lý khí
thải, phun thứ cấp có thể được áp dụng để đốt cháy NOx. Nó diễn ra sau ngay giai đoạn
phun chính và được xác định để xảy ra trong quá trình giãn nở hay kỳ thải. Ngược lại
so với quá trình phun mồi và phun chính, nhiên liệu phun vào khơng được đốt cháy mà
để bốc hơi nhờ vào sức nóng của khí thải ở ống thải. Trong suốt kỳ thải, hỗn hợp khí
thải và nhiên liệu được đẩy ra ngồi hệ thống thốt khí thải thơng qua xupap thải. Tuy
nhiên, một phần của nhiên liệu được đưa lại buồng đốt thơng qua hệ thống ln hồi khí
thải EGR và có tác dụng tương tự như chính giai đoạn phun mồi. Khi bộ hóa khử
(Catalyst) được lắp để làm giảm NOx, chúng tận dụng nhiên liệu trong khí thải như là
một nhân tố hóa học để làm giảm nồng độ NOx trong khí thải.
2.3 Các thành phần cơ bản của hệ thống CRS
2.3.1 Bơm cao áp
Hệ thống nhiên liệu Common Rail phổ biến đầu tiên trên thế giới cho xe tải được
giới thiệu vào năm 1995. Năm 1999, hệ thống nhiên liệu Common Rail cho xe chở
khách (bơm cấp HP2) được giới thiệu, và sau đó vào năm 2001 một hệ thống nhiên
liệu Common Rail sử dụng bơm HP3 (nhẹ hơn và nhỏ gọn hơn) đã được giới thiệu.
Năm 2004, HP4 ba xi-lanh dựa trên HP3 đã được giới thiệu.
17
Hệ thống
CRS
Hệ thống CRS thế hệ thứ nhất
Hệ thống CRS thế hệ thứ hai
Xe tải
lớn
Xe tải
vừa
Xe tải
nhỏ
Xe
khách
-
Điều chỉnh lượng hút
Hình 2.4: Lịch sử phát triển bơm cao áp của Denso
Bơm cao áp HP0
PVC
Van phân phối
Pít tơng
Van tràn
Cảm biến nhận dạng xy lanh
Bơm cấp liệu
Vấu tạo sung của TDC(G)
Cam x 2
Hình 2.5: Bơm cao áp loại HP0
18
Con đội
-
Bơm cao áp HP2
Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu
Đường hồi
Van phân phối
Đầu vào (từ thùng dầu)
Van SCV
Van điều tiết
Bơm tiếp liệu
Van kiểm tra
Trục lăn
Pít tơng
Cam trong
Hình 2.6: Bơm cao áp HP2
-
Bơm cao áp HP3
-
Cấu trúc và đặc điểm
Máy bơm cung cấp chủ yếu bao gồm cơ cấu bơm (cam lệch tâm, cam vịng, hai pít
tơng), SCV (van điều khiển hút), cảm biến nhiệt độ nhiên liệu và bơm cấp liệu (loại
bánh răng).
Hai pít tơng đơn vị bơm nhỏ gọn được bố trí đối xứng ở trên và dưới bên ngồi của
vòng cam.
Số lượng xả nhiên liệu được điều khiển bởi SCV, giống như đối với HP2, để giảm
tải hoạt động và ngăn chặn sự gia tăng nhiệt độ nhiên liệu. Ngồi ra, có hai loại HP3
SCV: loại mở thơng thường (van hút mở ra khi không được cấp điện) và loại đóng
thơng thường (van hút được đóng khi khơng bị rung).
Với hệ thống DPNR (Hệ thống giảm tốc NOx Diesel Particulate), cũng có một van
điều tiết dịng chảy. Mục đích của van điều tiết dòng chảy này là tự động tắt nhiên liệu
nếu rò rỉ xảy ra trong van bổ sung nhiên liệu trong DPNR.
19
Van hút
Bơm cấp
liệu
Pít tơng
Vịng
cam
SCV
Cảm biến
nhiệt độ
nước
Van phân phối
Hình 2.7: Cấu tạo bơm HP3
-
Ngun lý hoạt động
Van hút
Van phân phối
Pít tơng A
Trục cam
Vịng cam
SCV
1
2
4
3
Pít tơng B
1:
A: Kết thúc nén
B: Kết thúc hút
2:
A: Bắt đầu hút
B: Bắt đầu nén
3:
A: Kết thúc hút
B: Kết thúc nén
4:
A: Bắt đầu nén
B: Bắt đầu
Hình 2.8: Sơ đồ hoạt động của bơm HP3
Nhiên liệu được hút bởi bơm cấp liệu từ bình nhiên liệu và được gửi tới SCV. Tại
thời điểm này, van điều chỉnh điều chỉnh áp suất nhiên liệu xuống dưới một mức nhất
định. Nhiên liệu được gửi từ bơm cấp liệu có số lượng xả yêu cầu được SCV chỉ định,
20
và đi vào cơ cấu bơm cao áp thông qua van hút. Nhiên liệu được bơm bởi đơn vị bơm
được bơm qua van phân phối tới Ống chia.
-
Bơm cao áp HP4
Về cấu tạo và nguyên lý hoạt động tương tự loại HP3, tuy nhiên sự khác nhau ở
đây là HP4 có 3 pít tơng đặt lệnh nhau 120o nên lượng xả nhiên liệu cũng tăng gấp 1.5
lần bơm HP3.
SCV
Bơm cấp liệu
Cảm biến nhiệt
độ
Van phân phối
Pít tơng
Van
Trục cam
Hình 2.9: Cấu tạo của bơm HP3
2.3.2 Ống chia
Ống chia có hình dạng như hình 2.10 và là nơi chứa dầu có áp suất cao để chia
ra các vòi phun và nhờ vậy mà có thể điều khiển điện tử được. Ống được làm từ thép
hợp kim Crơm – Mơlipđen và có chức năng giảm sóng xung động do áp lực bên trong
hệ thống cao áp. Trên ống có gắn cảm biến áp suất ống chia để lấy tín hiệu áp suất gửi
về ECU, ECU sẽ điều khiển van xả áp để đạt được áp suất cần thiết, nhờ thế mà Ống
chia luôn duy trì được áp suất phù hợp với tình trạng động cơ từ 20180MPa. Van an
tồn có vai trị xả áp để đảm bảo an toàn trong trường hợp áp suất tăng khơng bình
thường.
Cấu tạo và kết cấu của cụm Ống chia phụ thuộc vào mơ hình động cơ và các bộ
phận cấu thành.
21
Van áp suất giới hạn
Ống tích áp
Van điều tiết
Cảm biến áp suất
Van xả áp
Ống tích áp
Cảm biến áp suất
Van áp suất giới hạn
Hình 2.10: Ống chia
-
Van giới hạn áp suất
Hồi về thùng dầu
Áp suất cao bất thường
Van mở
Van đóng
Hồi
Hình 2.11: Van giới hạn áp suất
22
-
Van điều tiết
Bộ giảm lưu lượng làm giảm các xung áp suất của nhiên liệu trong ống áp lực và
cung cấp nhiên liệu cho các kim phun ở áp suất ổn định. Van điều tiết dòng chảy cũng
thể hiện sự xả nhiên liệu bất thường bằng cách tắt tiết nhiên liệu trong trường hợp xả
nhiên liệu thừa, ví dụ do nhiên liệu bị rò rỉ từ ống tiêm hoặc vòi phun. Một số bộ giảm
chấn dòng chảy kết hợp một pít tơng và bi, và một số chỉ có một pít tơng.
Pít tơng
Đế van
Pít tơng
Bi
Lị xo
Đế van
Lị xo
Van chỉ có pít tơng
Van gồm pít tơng và bi
Hình 2.12: Van điều tiết
-
Van xả áp
Van xả áp suất điều khiển áp suất nhiên liệu trong Ống chia. Khi áp suất nhiên liệu
vượt quá áp suất phun mục tiêu, hoặc khi ECU động cơ đánh giá rằng áp suất nhiên
liệu vượt quá giá trị đích, thì cuộn dây solenoid valve xả áp được cấp nguồn. Điều này
sẽ mở van xả áp suất, cho phép nhiên liệu hồi trở lại bình nhiên liệu và giảm áp suất
nhiên liệu trong Ống chia xuống áp suất mục tiêu.
Cuộn Solenoid
Về thùng
Van xả áp
ON
ECU
Ống tích áp
Hình 2.13: Van xả áp
23
