Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số điều khiển trong hệ thống nhiên liệu common rail đến tính năng công suấttiêu thụ nhiên liệu và phát thải của động cơ diesel

Khổng Văn Nguyên

Bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội

***

..

Khổng Văn Nguyên

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông

Kỹ thuật động cơ nhiệt

số điều khiển trong hệ thống nhiên liệu
Common Rail đến tính năng công suất,
tiêu thụ nhiên liệu và phát thải của
động cơ diesel

luận văn thạc sĩ khoa học
Kỹ thuật động cơ nhiệt

khóa: 2009

Hà nội Năm 2011


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các
số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa

từng được ai cơng bố trong các cơng trình nào khác!
Hà Nội, tháng 12 năm 2011
Tác giả

Khổng Văn Nguyên

- ii -


LỜI CẢM ƠN
Với tư cách là tác giả của bản luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến
TS. Khổng Vũ Quảng, người đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt
chun mơn để tơi hồn thành bản luận văn này.
Đồng thời tơi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô và các bạn đồng nghiệp
trong Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí Động lực, Viện Đào tạo Sau đại học
đã giúp đỡ tạo điều kiện về cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi học tập và làm
luận văn.
Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy và các bạn đồng nghiệp trong Bộ
môn Động cơ đốt trong và Phịng thí nghiệm Động cơ đốt trong đã tạo điều kiện cả
về thời gian, vật chất lẫn tinh thần để tơi có thể hồn thành bản luận văn này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những
người đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong suốt thời gian tôi tham gia học
tập và làm luận văn.
Tác giả

Khổng Văn Nguyên

- iii -

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................... ii
T
2
3

32T

LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................iii
T
2
3

32T

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................... vii
T
2
3

T
2
3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .......................................................... viii
T
2
3

T

2
3

MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
T
2
3

32T

i.
T
2
3

Lý do chọn đề tài ............................................................................................ 1

T
2
3

T
2
3

32T

ii. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ...................................................... 1
T
2

3

T
2
3

T
2
3

T
2
3

iii. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............. 2
T
2
3

T
2
3

T
2
3

T
2
3

iv. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn............................................................. 3
T
2
3

T
2
3

T
2
3

T
2
3

v. Các nội dung chính trong luận văn .................................................................. 3
T
2
3

T
2
3

T
2
3

T
2
3

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU COMMON RAIL ............. 4
T
2
3

T
2
3

1.1 Lịch sử hình thành ........................................................................................... 4
T
2
3

32T

1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống nhiên liệu Common rail ........... 5
T
2
3

T
2
3

1.2.1. Nguyên lý hoạt động.................................................................................. 5
T
2
3

32T

1.2.2. Cấu tạo ...................................................................................................... 6
T
2
3

32T

1.3. Tình hình ứng dụng hệ thống nhiên liệu nay tại Việt Nam và Trên thế giới .. 17
T
2
3

T
2
3

1.3.1 Trên thế gới .............................................................................................. 17
T
2
3

32T

1.3.2. Tại Việt Nam ........................................................................................... 18
T
2
3

32T

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH PHUN VÀ ĐIỀU KHIỂN
T
2
3

PHUN NHIÊN LIỆU COMMONRAIL ................................................................. 20
T
2
3

2.1. Lý thuyết quá trình cháy trong động cơ diesel .............................................. 20
T
2
3

T
2
3

2.1.1. Quá trình cháy trong động cơ diesel......................................................... 20
T
2
3

T
2
3

2.1.2. Những nhân tố ảnh hưởng ....................................................................... 22
T
2
3

T
2
3

2.2 Quá trình phun và điều khiển phun nhiên liệu của hệ thống nhiên liệu Common
T
2
3

rail ...................................................................................................................... 24
T
2
3

2.2.1. Quá trình phun nhiên liệu ........................................................................ 24
T
2
3

T

2
3

- iv -


2.2.2. Quá trình điều khiển phun nhiên liệu của hệ thống nhiên liệu Common rail.
T
2
3

T
2
3

............................................................................................................... 25
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .................................................... 29
T
2
3

T
2
3

3.1. Giới thiệu băng thử nghiệm động cơ ............................................................. 29
T
2
3

T
2
3

3.1.1. Cấu tạo băng thử ..................................................................................... 29
T
2
3

32T

32T

32T

3.1.2. Động cơ thử nghiệm - Động cơ 1 xy lanh 5402....................................... 30
T
2
3

32T

32T

T
2
3

3.1.3. Các hệ thống đo và phụ trợ của băng thử ................................................ 32
T

2
3

32T

32T

T
2
3

3.2 Thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của các thơng số điều khiển tới tính năng
T
2
3

cơng suất, tiêu thụ nhiên liệu và phát thải của động cơ........................................... 40
T
2
3

3.2.1 Một số yếu tố ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu ..................................... 41
T
2
3

T
2
3

3.2.2 Đối tượng nghiên cứu ............................................................................... 41
T
2
3

T
2
3

3.2.3 Phương pháp thực hiện ............................................................................. 42
T
2
3

T
2
3

3.2.4 Chạy thí nghiệm. ...................................................................................... 44
T
2
3

32T

3.2.5 Ghi và hiển thị kết quả thí nghiệm. ........................................................... 44
T
2
3

T
2
3

3.2.6. Tiêu chí thử nghiệm................................................................................. 45
T
2
3

32T

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ................................ 47
T
2
3

T
2
3

4.1. Kết quả thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng các thơng số điều khiển tới tính năng
T
2
3

cơng suất, tiêu thụ nhiên liệu và phát thải của động cơ........................................... 47
T
2
3

4.1.1. Ảnh hưởng áp suất phun tới tính năng công suất, tiêu thụ nhiên liệu và phát
T
2
3

thải của động cơ. ............................................................................................... 47
32T

4.1.3. Ảnh hưởng góc phun sớm φ s tới tính năng cơng suất, tiêu thụ nhiên liệu và
T
2
3

R

R

phát thải của động cơ......................................................................................... 53
32T

4.1.4. Ảnh hưởng phun mồi tới tính năng cơng suất, tiêu thụ nhiên liệu và phát
T
2
3

thải của động cơ. ............................................................................................... 59
32T

4.2. Kết luận ........................................................................................................ 63
T

2
3

T
2
3

T
2
3

32T

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................. 64
T
2
3

T
2
3

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 65
T
2
3

32T

PHỤ LỤC.............................................................................................................. 66

T
2
3

32T

-v-


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

PC

Máy tính

CB

Cảm biến

ADC

Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số

COM

Cổng nối tiếp để kết nối máy tính và vi xử lý

λ

Hệ số dư lượng khơng khí

ge

Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kW.h)

N

Công suất động cơ (kW)

M

Moomen (Nm)

p

Áp suất (bar)

R

- vi -


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Số hiệu

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1

Các mốc thời gian phát triển của hệ thống nhiên liệu
Common rail

18

Bảng 4.1

Bảng kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của áp suất phun tại
chế độ tải 25%

47

Bảng 4.2

Bảng kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của áp suất phun tại
chế độ tải 50%

49

Bảng 4.3

Bảng kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của áp suất phun tại
chế độ tải 75%

51

Bảng 4.4

Bảng kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của góc phun sớm tại
chế độ tải 25%

53

Bảng 4.5

Bảng kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của góc phun sớm tại
chế độ tải 50%

55

Bảng 4.6

Bảng kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của góc phun sớm tại
chế độ tải 25%

56

Bảng 4.7

Bảng 4.7. Bảng kết quả thí nghiệm khi có phun mồi

59

- vii -


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Số hiệu

Tên hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1

Sơ đồ hệ thống nhiên liệu Common rail

5

Hình 1.2

Bình tích áp

7

Hình 1.3

Bơm thấp áp

7

Hình 1.4

Bơm cao áp đời CP1

8

Hình 1.5

Chu kỳ hoạt động của bơm cao áp

9

Hình 1.6

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bơm cao áp

9

Hình 1.7

Vị trí lắp cảm biến tốc độ

11

Hình 1.8

Cảm biến áp suất Rail

12

Hình 1.9

Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu

13

Trang

Hình 1.10 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

13

Hình 1.11 Van điều khiển áp suất Rail

14

Hình 1.12 Van điều chỉnh áp suất nhiên liệu

14

Hình 1.13 Cấu tạo vịi phun

15

Hình 1.14 Các thơng số của kim phun

16

Hình 2.1

Quá trình cháy trong động cơ diesel

21

Hình 2.2

Đồ thị thể hiện áp suất phun khi có phun mồi

24

Hình 3.1

Sơ đồ băng thử động cơ 1 xylanh SCTB

29

Hình 3.2

Mặt cắt ngang động cơ

31

Hình 3.3

Sơ đồ nguyên lý đo của AVL Fuel balance 733s

32

Hình 3.4

Sơ đồ nguyên lý làm việc của AVL 577

33

Hình 3.5

Thiết bị điều chỉnh tay ga THA100 và hộp tín hiệu của nó

34

Hình 3.6

Mơ hình tủ CEBII

35

Hình 3.7

Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích CO

36

Hình 3.8

Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO và NO x

37

Hình 3.9

Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo C n H m

38

R

R

R

R

- viii -


Hình 3.10 Thiết bị Dismoke 4000

39

Hình 3.11 Thiết bị đo độ khói Smoke Meter AVL 415

39

Hình 3.12 Hệ thống ghi dữ liệu dựa trên máy vi tính

45

Hình 4.1

Đồ thị ảnh hưởng áp suất phun tới công suất, suất tiêu hao
nhiên liệu tại chế độ tải 25%.

47

Hình 4.2

Đồ thị ảnh hưởng áp suất phun tới CO, HC, CO 2 tại chế độ
tải 25%.

48

Hình 4.3

Đồ thị ảnh hưởng áp suất phun tới N0 x , Smoke tại chế độ
tải 25%.

48

Hình 4.4

Đồ thị ảnh hưởng áp suất phun tới công suất, suất tiêu hao
nhiên liệu tại chế độ tải 50%.

49

Hình 4.5

Đồ thị ảnh hưởng áp suất phun tới CO, HC, CO 2 tại chế độ
tải 50%.

50

Hình 4.6

Đồ thị ảnh hưởng áp suất phun tới N0 x , Smoke tại chế độ
tải 50%.

50

Hình 4.7

Đồ thị ảnh hưởng áp suất phun tới công suất, suất tiêu hao
nhiên liệu tại chế độ tải 75%.

51

Hình 4.8

Đồ thị ảnh hưởng áp suất phun tới CO, HC, CO 2 tại chế độ
tải 75%.

52

Hình 4.9

Đồ thị ảnh hưởng áp suất phun tới N0 x , Smoke tại chế độ
tải 75%.

52

Hình 4.10 Đồ thị ảnh hưởng góc phun sớm tới cơng suất, suất tiêu hao
nhiên liệu tại chế độ tải 25%.

53

Hình 4.11 Đồ thị ảnh hưởng góc phun sớm tới nồng độ phát thải động
cơ.

54

Hình 4.12 Đồ thị ảnh hưởng góc phun sớm tới công suất, suất tiêu hao
nhiên liệu tại chế độ tải 50%.

55

Hình 4.13 Đồ thị ảnh hưởng góc phun sớm tới nồng độ phát thải động
cơ tại chế độ tải 50%.

56

Hình 4.14 Đồ thị ảnh hưởng góc phun sớm tới công suất, suất tiêu hao
nhiên liệu tại chế độ tải 75%.

57

Hình 4.15 Đồ thị ảnh hưởng góc phun sớm tới nồng độ phát thải động
cơ tại chế độ tải 75%.

57

R

R

R

R

R

- ix -

R

R

R

R

R

R

R


Hình 4.16 Đồ thị so sánh lượng CO2

59

Hình 4.17 Đồ thị so sánh lượng NOx

60

Hình 4.18 Đồ thị so sánh lượng HC

60

Hình 4.19 Đồ thị so sánh FSN

61

Hình 4.20 Đồ thị so sánh ge

61

Hình 4.21 Đồ thị về áp suất cháy khi có và khơng phun mồi

62

Hình 4.22 Đồ thị về độ ồn khi có và khơng có phun mồi

62

-x-


MỞ ĐẦU
i.

Lý do chọn đề tài
Động cơ đốt trong hiện nay là một trong những nguồn động lực chủ yếu trong

các ngành công nghiệp đặc biệt là trong lĩnh vực giao thông vận tải. Một nhược
điểm lớn của động cơ đốt trong là trong khí xả có chứa nhiều chất độc hại đối với
sức khoẻ của con người và gây ô nhiễm môi trường. Để hạn chế nhược điểm này,
các nước trên thế giới đã đưa ra các tiêu chuẩn về khí thải, ở Việt Nam áp dụng tiêu
chuẩn về khí thải trong thử cơng nhận kiểu vào năm 2007. Muốn đáp ứng được các

tiêu chuẩn về khí thải cần có các biện pháp kỹ thuật xử lý ngay trong các quá trình
nội tại trong động cơ kết hợp với các biện pháp xử lý khí thải. Các thơng số kinh tế
kỹ thuật của động cơ diesel phụ thuộc nhiều vào chất lượng quá trình hình thành
hỗn hợp trong xylanh động cơ trong đó quy luật cung cấp nhiên liệu có ảnh hưởng
quyết định. Nhằm nâng cao chất lượng động cơ đặc biệt là chất lượng khí xả, hệ
thống nhiên liệu kiểu bình tích áp Common rail điều khiển điện tử hiện nay đã được
sử dụng khá rộng rãi. Hệ thống nhiên liệu Common rail cung cấp lượng nhiên liệu
chính xác, điều chỉnh áp suất phun, thời điểm phun hợp lý nhất từng chế độ làm
việc của động cơ. Tuy nhiên để làm được việc này cần tiến hành thử nghiệm động
cơ trên băng thử để tìm bộ thơng số chuẩn nạp vào bộ điều khiển.
Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số điều khiển trong hệ thống nhiên
liệu Common rail tới các thông số kinh tế kỹ thuật và nồng độ các chất độc hại
trong khí thải của động cơ diesel là rất cần thiết. Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng
của các thông số điều khiển trong hệ thống nhiên liệu Common rail đến tính
năng cơng suất, tiêu thụ nhiên liệu và phát thải của động cơ” nhằm thực hiện mục
đích trên. Các kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng trong việc thiết lập các thông
số chuẩn cho bộ điều khiển điện tử ECU của động cơ.
ii. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
Trên thế giới động cơ Diesel sử dụng hệ thống nhiên liệu Common rail là một
loại động cơ hiệu quả, và ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Với yêu cầu ngày
càng gắt gao về vấn đề môi trường, lượng nhiên liệu ngày càng thiếu, hệ thống

-1-


nhiên liệu Common rail đáp ứng tốt vấn đề này chính vì vậy các nước trên thế giới
khơng thể khơng lưu tâm tới loại động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu này.
Cùng với sự phát triển của thế giới, ở Việt Nam hệ thống nhiên liệu Common
rail cũng đã bắt đầu du nhập vào Việt Nam, được sử dụng nhiều trên xe du lịch, xe
khách, tàu thủy, xe tải… Đã có khá nhiều nghiên cứu về hệ thống Common rail đã

được cơng bố.
Một số cơng trình nghiên cứu liên quan đến đề tài:
+) Trong nước:
- Đề tài luận văn thạc sỹ của tác giả Lê Danh Quang (2004), tác giả đã nghiên
cứu ảnh hưởng của góc phun sớm tới công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, nhưng
chưa nghiên cứu tới nồng độ phát thải của động cơ [7].
- Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường (T2005-29), tác giả đã nghiên cứu quy
luật phun nhiên liệu trên động cơ diesel có sử dụng hệ thống nhiên liệu Common
rail, nhưng tác giả mới tập trung nghiên cứu tại một chế độ tải của động cơ.
+) Ngồi nước
Nghiên cứu q trình cháy ở động cơ diesel phun trực tiếp với áp suất phun
150MPa [6], vvv..
iii. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
*) Mục đích nghiên cứu
Đánh giá ảnh hưởng của các thông số điều khiển trong hệ thống Common rail
đến tính năng cơng suất, tiêu thụ nhiên liệu và phát thải của động cơ diesel.
Xác định được các tham số điều khiển của hệ thống Common rail sử dụng trên
động cơ AVL 5402 để:
- Cải thiện đặc tính của động cơ
- Giảm lượng phát thải độc hại
*) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài sử dụng phương pháp tổng hợp các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của
các thông số điều khiển trên động cơ mẫu 1 xylanh sử dụng hệ thống nhiên liệu
Common rail tại phịng thí nghiệm.
Thực nghiệm được tiến hành trên băng thử động cơ tại Phịng thí nghiệm Động
-2-


cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực - Trường Đại học Bách khoa Hà nội. Quá trình
thực nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng của các thông số điều khiển tới tính năng

cơng suất, tiêu thụ nhiên liệu và phát thải của động cơ. Ngồi ra, cũng thơng qua
thực nghiệm, có thể tìm ra được bộ thơng số tối ưu để nhập vào ECU điều khiển.
iv. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
Nghiên cứu các thông số điều khiển trên động cơ Diesel sẽ góp phần cải thiện
tính năng kinh tế, kỹ thuật và giảm phát thải độc hại của động cơ Diesel.
Cũng thông qua thực nghiệm, có thể tìm ra được bộ thơng số tối ưu để nhập vào
ECU điều khiển
v.

Các nội dung chính trong luận văn
Thuyết minh của đề tài được trình bày theo các phần như sau:
 Mở đầu
 Chương 1. Giới thiệu hệ thống nhiên liệu Common rail
 Chương 2. Cơ sở lý thuyết về quá trình phun và điều khiển phun nhiên liệu
Common rail
 Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm
 Chương 4. Kết quả và thảo luận
 Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài

-3-


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU COMMON RAIL
1.1 Lịch sử hình thành
Năm 1897, chiếc Diesel đầu tiên do Rudelf Diesel phát minh ra đời. Từ đó,
động cơ Diesel đã trải qua rất nhiều thay đổi mang tính quyết định. Đặc biệt, trong
vòng chục năm gần đây, động cơ Diesel ngày càng có nhiều ưu thế do tính tiết kiệm
nhiên liệu nhờ vào tính cải thiện trong hệ thống nhiên liệu.
Những động cơ tĩnh tại đầu tiên do Rudelf Diesel chế tạo sử dụng máy nén khí
để tạo áp suất cao phun nhiên liệu. Tuy nhiên, máy nén khí vừa nặng, vừa cồng

kềnh lại rất tốn kém. Vì vậy, lúc trước, động cơ Diesel chưa được lưu hành rộng rãi.
Vào đầu thế kỷ 20, Robert Bosch đã phát minh ra bơm cao áp đến năm 1927, bơm
cao áp cho động cơ Diesel được sản xuất hàng loạt. Năm 1936 bơm cao áp cho xe
du lịch được sản xuất. Nhưng hệ thống bơm cao áp không đáp ứng được yêu cầu về
độ rung động, tiếng ồn và giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ cũng như khí thải độc hại.
Lý do: các hệ thống nhiên liệu này sử dụng hai thông số đó là tốc độ động cơ và tải
trọng để quyết định áp suất phun. Điều này cũng đồng nghĩa với việc, khi ở trạng
thái số vịng quay thấp thì áp suất phun giảm xuống nhanh chóng, kết quả là nhiên
liệu bị phun rớt, làm xuất hiện giọt nhiên liệu trong buồng cháy động cơ, sinh ra
muội than.
Từ những năm thập niên 80-90, Bocsh đã đi sâu vào nghiên cứu cải tiến về hệ
thống nhiên liệu. Cùng với sự phát triển của ngành điện tử - điều khiển, hãng Bosch
đã cho ra đời hệ thống nhiên liệu Common rail vào năm 1997 và đã ứng dụng trên
xe khách, hệ thống này có áp suất lớn nhất 1350bar. Hệ thống này ra đời và đã cải
thiện được những nhược điểm của hệ thống nhiên liệu cũ. Lý do: Trong hệ thống
này việc tạo áp suất và phun nhiên liệu là tách biệt nhau, một bơm cao áp riêng
được đặt trong thân máy để tạo ra áp suất liên tục, áp suất này chuyển tới và được
tích lại trong Rail cung cấp tới các vòi phun và theo thứ tự làm việc của các xylanh.
Do đó khơng tồn tại sóng áp suất trong ống nhiên liệu chung rail. Vì vậy mà dù ở
tốc độ thấp thì áp suất phun ln ổn định nên tránh được hiện tượng phun rớt. Do áp
suất phun không phụ thuộc vào tốc độ cũng như tải trọng nên thời điểm phun, áp
suất phun và thời gian phun có thể lựa chọn trong một pham vi rộng và được điều
khiển chính xác.
Với các yêu điểm nổi trội này hệ thống nhiên liệu Common rail ngày nay đã
được sử dụng khơng chỉ cho xe du lịch mà cịn dùng cho động cơ xe tải, động cơ cỡ
lớn (tàu hỏa, tàu thủy…).
-4-


1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống nhiên liệu Common rail

1.2.1. Nguyên lý hoạt động

Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu Common Rail
1. Thùng nhiên liệu; 2. Van an tồn; 3. Vịi phun; 4. Bình tích áp; 5. Van điều chỉnh
nhiên liệu áp suất cao; 6. Mạch điều khiển nhiên liệu áp suất cao; 7. Cảm biến áp suất
nhiên liệu; 8. Bơm cao áp; 9. Van định lượng nhiên liệu; 10. Bơm bánh răng; 11. Lọc
nhiên liệu; 12. Bộ phận làm mát bằng nước; 13. Cặp van lưỡng kim sấy nóng nhiên
liệu bằng Bimetal; 14. Bộ làm mát nhiên liệu bằng khơng khí; 15. Bơm nhiên liệu
kiểu con lăn; 16. Van tràn điều khiển điện từ; 17. Bơm nhiên liệu thấp áp.
Nguyên lý hoạt động:
Nhiên liệu từ thùng chứa được bơm chuyển nhiên liệu thấp áp 17 chuyển vào
trong màng cung cấp và được bơm nhiên liệu kiểu con lăn 15 chuyển từ thùng chứa
tới bơm bánh răng. Mắc song song với bơm nhiên liệu 15 là van điện từ 16 có chức
năng hoạt động tương tự như van an toàn. Nếu áp suất bơm sau bơm 15 vượt quá
giá trị cho phép thì nhiên liệu sẽ qua van trở về thùng chứa. Sau khi qua bầu lọc,
-5-


nhiên liệu được bơm bánh răng chuyển tới bơm cao áp và từ đây nhiên liệu được
cung cấp cho bình tích áp với áp suất cao. Nếu áp suất trong bình tích áp vượt q
áp suất cho phép thì nhiên liệu sẽ theo đường dầu hồi trở về trước bơm bánh răng.
Nhiên liệu từ bình tích áp được cung cấp cho vịi phun đúng thời điểm, tất cả đều
được tính tốn một cách chính xác và được điều khiển bằng ECU thông qua các
cảm biến để điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cũng như áp suất phù hợp cho
từng chế độ làm việc của động cơ. Lượng nhiên liệu thừa ở vòi phun sẽ theo đường
dầu hồi trở về thùng nhiên liệu. Trên đường dầu hồi về thùng được làm mát bằng
thiết bị làm mát bằng nước. Sau đó, đường dầu được chia thành hai đường. Nếu
nhiệt độ dầu cịn cao dầu tiếp tục được làm mát bởi khơng khí trước khi trở về
thùng, cịn nếu nhiệt độ thích hợp dầu được đưa trở lại đường dầu trước bơm bánh

răng.
Quy luật phun được xác định bởi thời điểm phun và thời gian phun, các thông
số này được điều khiển điện tử.
Ưu điểm của hệ thống nhiên liệu Common rail:
- Áp suất phun không phụ thuộc vào tốc độ cũng như tải trọng nên việc thời
điểm phun, áp suất phun và thời gian phun có thể lựa chọn trong một phạm vi rộng.
- Lượng phát thải các chất độc hại như NO x , CO, P-M ... thấp, đáp ứng được
R

R

các tiêu chuẩn toàn cầu về lượng phát thải.
1.2.2. Cấu tạo
1.2.2.1. Bình tích áp
Bình tích áp có kết cấu đơn giản, dạng hình ống hoặc hình cầu và có thể tích
phù hợp. Bình có thể chịu áp suất cao đến 2000 bar. Bình có nhiệm vụ tích trữ
nhiên liệu với áp suất cao để sãn sàng cung cấp cho vòi phun.

-6-


Hình 1.2. Bình tích áp
1.2.2.2. Bơm thấp áp

Hình 1.3. Bơm thấp áp
Bơm thấp áp có nhiệm vụ bơm chuyển nhiên liệu từ thùng chứa, chuyển qua bộ
lọc và cung cấp nhiên liệu thấp áp cho bơm cao áp.

-7-

1.2.2.3. Bơm cao áp.

Hình 1.4. Bơm cao áp đời CP1
Bơm cao áp được dẫn động từ trục cam bằng dây đai răng, bơm cao áp làm
nhiệm vụ cung cấp và nén nhiên liệu vào trong thân rail. Áp suất cực đại có thể đạt
350 bar, số vịng quay từ 75 ÷ 3000 v/ph
Bơm cao áp gồm 3 bơm piston có chuyển động hướng kính và đươc bố trí cách
nhau 120 độ. Bơm đươc dẫn động bởi cam lệch tâm có 3 đỉnh. Ưu việt của bơm là
trong một vòng quay cả 3 bơm piston đều hoạt động và mỗi bơm piston đều thực
hiện 3 lần cấp nhiên liệu. Như vậy lượng nhiên liệu cung cấp là lớn và nó sẽ làm
giảm tiêu hao công cho dẫn động bơm.
Phát minh ra bơm cao áp là một trong những phát minh quan trọng, bởi hệ
thống nhiên liệu Common rail không thể làm việc được nếu thiếu bơm cao áp, kết
hợp với điện, điện tử cho ta một hệ thống cung cấp nhiên liệu có điều khiển rất hiệu
quả và như mong muốn.
Dưới đây giới thiệu một chu trình hoạt động của bơm cao áp ứng với 1 vòng
quay của cam lệch tâm.

-8-


Hình 1.5. Chu kỳ hoạt động của bơm cao áp

Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bơm cao áp
-9-


Nguyên lý hoạt động:
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bơm cao áp được biểu diễn trên hình 1-6. Cam

lệch tâm dẫn động piston lên xuống dạng sóng hình sin. Bơm bánh răng chuyển
nhiên liệu vào miệng khoang của bơm cao áp đồng thời đưa dầu đi bôi trơn và làm
mát vịng tuần hồn của bơm cao áp thơng qua lỗ tiết lưu nhờ van điện từ. Nếu áp
suất do bơm bánh răng cung cấp vượt quá áp suất mở của van nạp từ 0,5 ÷1,5 bar
thì van này sẽ mở, bơm bánh răng sẽ đẩy nhiên liệu đi qua van nạp và làm cho
piston đi xuống cho đến khi vượt q điểm chết dưới thì van nạp sẽ đóng làm cho
áp suất không tăng nữa, nhiên liệu trong thân bơm bị nén lại do piston chuyển động
lên điểm chết trên và vượt xa áp xuất của bơm bánh răng. Áp suất giờ đây tăng lên
làm cho van cấp mở và làm cho áp suất hiện có trong Rail tăng, bơm cung cấp
nhiên liệu cho đến khi đến điểm chết trên.
Khi nhiên liệu vào trong ống qua van tiết lưu một phần sẽ qua van định lượng
N290 còn một phần sẽ qua bộ phận hạn chế hành trình của piston để điều chỉnh độ
mở của van cung cấp cho bơm. Van định lượng nhiên liệu N290 có nhiệm vụ điều
chỉnh nhiên liệu cung cấp cho bơm cao áp ngoài ra để giảm bớt khả năng tiêu thụ
công của bơm cao áp và tránh việc làm nóng nhiên liệu một cánh khơng cần thiết
nhiên liệu được hồi trở lại qua vịng làm mát tuần hoàn bởi van điện từ N290.

1.2.2.4. Cảm biến tốc độ động cơ
Hình 1-7 giới thiệu vị trí lắp cảm biến tốc độ động cơ, đây là loại cảm biến hoạt
động theo kiểu cảm ứng điện nó cho biết tốc độ động cơ hiện tại. Tín hiệu tốc độ
động cơ được gửi về ECU. Đây là một thông số quan trọng để thực hiên hiệu chỉnh,
điều khiển quá trình cấp nhiên liệu phù hợp, ngồi ra cịn nhiều thông số khác cũng
cần hiệu chỉnh theo tốc độ động cơ. Đối với quá trình phun nhiên liệu của hệ thống
Common rail, phun mồi chỉ được thực hiện ở một khoảng tốc độ nhất định. Chính
vì vậy đây là một tín hiệu khơng thể thiếu khi điều khiển hoạt động của động cơ.

- 10 -


Hình 1.7. Vị trí lắp cảm biến tốc độ

- 11 -


1.2.2.5. Cảm biến áp suất rail

Hình 1.8. Cảm biến áp suất rail
1. Dây nối điện; 2. Vòng áp điện; 3. Màng ngăn;
4. Đường dầu cao áp; 5. Ren vặn để nối với rail
Nguyên lý hoạt động của cảm biến như sau:
Đây là loại cảm biến hoạt động theo kiểu áp điện. Khi áp suất từ đường cao áp
số 4 vào thay đổi làm độ lún của màng số 3 thay đổi dẫn đến áp lực tác động lên
tấm số 2 thay đổi, làm điện áp lấy ra thay đổi. Thông qua sự thay đổi điện áp này ta
đánh giá được áp suất nhiên liệu trên rail.
Việc kiểm soát được áp suất nhiên liệu trên rail là một điều rất quan trọng, nó
cho ta biết áp suất trên rail trong quá trình làm việc của động cơ để từ đó có biện
pháp khắc phục kịp thời khi có sự thay đổi đột ngột như: Áp suất rail quá thấp hoặc
quá cao, làm ảnh hưởng xấu đến quá trình phun nhiên liệu, dẫn đến những hậu quả
xấu.

- 12 -


1.2.2.6. Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu

Hình 1.9. Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu
Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu được đặt ở đường nhiên liệu hồi về từ các vòi
phun. Nhiệt độ nhiên liệu ảnh hưởng đến lượng nhiên liệu phun vì khi nhiệt độ
nhiên liệu tăng thì cùng một áp suất phun, cùng thời gian phun lượng nhiên liệu
phun vào xylanh sẽ giảm, ảnh hưởng xấu đến quá trình cháy.

1.2.2.7. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Hình 1.10. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát cho ta biết về nhiệt độ nước làm mát động cơ
khi làm việc. Đây là một thông số quan trọng về hoạt động của động cơ, nó cịn là
thông số để ta tiến hành các hiệu chỉnh khi làm thí nghiệm chạy động cơ.

- 13 -


1.2.2.8. Van điều khiển áp suất nhiên liệu Rail

Hình 1.11. Van điều khiển áp suất Rail
Đây là sơ đồ điều chỉnh áp suất nhiên liệu:

Hình 1.12. Van điều chỉnh áp suất nhiên liệu
Van điều chỉnh áp suất nhiên liệu được đặt ở cuối ống rail và là van điện từ. Nó
được điều khiển từ tín hiệu xung từ ECU. Tần số của tín hiệu ln nằm trong
khoảng 1000Hz. Độ mở van thay đổi phụ thuộc độ rộng xung và tùy thuộc vào áp
suất đường ống tại mỗi điểm làm việc. ECU nhận tín hiệu áp suất từ cảm biến lắp
trên đường ống rail và tính tốn ra độ rộng xung. Khi động cơ chưa làm việc, nhiên
liệu từ bơm cao áp được cấp vào ống rail và được nén lại. Lực lị xo đóng van kim,
áp suất nhiên liệu khơng đủ thắng lực lò xo và tiếp tục tăng lên (gần 10 bar). Khi
động cơ làm việc, áp suất nhiên liệu tăng lên đến giới hạn, cuộn dây điện từ sinh ra
từ trường hút van kim, van kim mở lúc này nhiên liệu hoặc hồi về bơm cao áp hoặc
- 14 -


hồi về thùng dầu. Như vậy, áp suất nhiên liệu được giới hạn trước tùy theo áp suất
rail thiết lập. Mặt khác, do van kim đóng mở tiết lưu lượng dầu nên lưu lượng giảm

kéo theo áp suất nhiên liệu trong rail được dập tắt.
1.2.2.9. Vịi phun
Cấu tạo vịi phun:

Hình 1.13. Cấu tạo vòi phun
1. Lò xo vòi phun; 2. Van định lượng; 3. Tiết lưu dầu hồi về; 4. Lõi của van điện từ;
5. Đường dầu hồi về; 6. Đầu nối điện của van điện từ; 7.Van điện từ; 8. Nhiên liệu
áp suất cao được cung cấp từ rail; 9. Van bi; 10. Tiết lưu cung cấp; 11. Van piston;
12. Đường dẫn nhiên liệu; 13. Buồng chứa; 14. Kim phun
- 15 -