Tối ưu áp suất phun và thời điểm phun của hệ thống nhiên liệu common rail sử dụng trên động cơ AVL 5402

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG QUANG TUỆ

TỐI ƯU ÁP SUẤT PHUN VÀ THỜI ĐIỂM PHUN
CỦA HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU COMMON RAIL
SỬ DỤNG TRÊN ĐỘNG CƠ AVL-5402

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội - Năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG QUANG TUỆ

TỐI ƯU ÁP SUẤT PHUN VÀ THỜI ĐIỂM PHUN
CỦA HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU COMMON RAIL
SỬ DỤNG TRÊN ĐỘNG CƠ AVL-5402

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS. TS. KHỔNG VŨ QUẢNG
Hà Nội - Năm 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của tôi. Các thông tin, số liệu
trong luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng, cụ thể. Kết quả nghiên
cứu trong luận văn là đúng đắn, trung thực và chưa từng có ai cơng bố trong
bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, ngày 25 tháng 3 năm 2014
Học viên thực hiện

Hoàng Quang Tuệ

i


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Khổng Vũ Quảng, người đã tận tình
hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Em xin bày tỏ lịng biết ơn đến các thầy cơ giáo Bộ mơn động cơ đốt trong,
Phịng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí Động lực, Viện Đào tạo sau đại
học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em
trong thời gian làm luận văn.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô giáo phản biện và trong Hội đồng
chấm luận văn đã đọc, có những ý kiến quý báu để em hồn thành luận văn một
cách tốt nhất và có những định hướng trong tương lai.
Em xin cảm ơn ban giám hiệu Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên,
Trường Cao đẳng nghề LICOGI cùng toàn thể các bạn đồng nghiệp và gia đình đã
tạo điều kiện và giúp đỡ em hoàn thành bản luận văn này.

Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2014.
Học viên thực hiện

Hoàng Quang Tuệ

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................... vi
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ vi
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .......................................4
1.1. Xu hướng phát triển hệ thống điều khiển điện tử trên hệ thống nhiên liệu động
cơ đốt trong ................................................................................................................... 4
1.1.1. Quá trình hình thành và phát triển của hệ thống nhiên liêu điều khiển .....4
1.1.2. Các hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử ...............................................5
1.1.3. Hệ thống nhiên liệu Common rail. ..........................................................17
1.2. Xu hướng sử dụng hệ thống nhiên liệu Common rail ........................................... 26
1.2.1. Trên thế giới.............................................................................................26
1.2.2. Tại Việt Nam ...........................................................................................27
1.3. Các tham số điều khiển trong hệ thống nhiên liệu Common rail ........................ 28
1.3.1. Mức độ ảnh hưởng của các tham số trong hệ thống nhiên liệu diesel.....28
1.3.2. Đặc điểm của hệ thống nhiên liệu Common rail .....................................29
Kết luận chương 1 .....................................................................................................31
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT PHUN VÀ GÓC

PHUN SỚM .............................................................................................................32
2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của động cơ. .................................. 32
2.1.1. Quá trình cháy trong động cơ diesel ........................................................32
2.1.2. Những nhân tố ảnh hưởng .......................................................................34
2.2. Cơ sở lý thuyết tối ưu áp suất phun và góc phun sớm .......................................... 36
2.2.1. Quá trình phun nhiên liệu ........................................................................36
2.2.2. Điều khiển phun nhiên liệu của hệ thống nhiên liệu Common rail .........37

iii


2.2.3. Điều khiển phun trên động cơ AVL-5402. ..............................................41
2.2.4. Cơ sở để xác định bài tốn tối ưu góc phun sớm và áp suất phun...........44
2.2.5. Bài toán xác định tối ưu góc phun sớm và áp suất phun. ........................47
2.3. Cách thức thực hiện. .................................................................................................. 48
Kết luận chương 2 .....................................................................................................48
Chương 3. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT PHUN VÀ GÓC PHUN
SỚM ..........................................................................................................................49
3.1. Mục đích và phạm vi thực nghiệm .......................................................................... 49
3.2. Nội dung thực nghiệm. .............................................................................................. 49
3.3. Đối tượng thực nghiệm. ............................................................................................ 49
3.4. Thiết bị thực nghiệm ................................................................................................. 50
3.4.1. Giới thiệu băng thử nghiệm động cơ .......................................................50
3.4.2. Các hệ thống đo và phụ trợ của băng thử ................................................52
3.5. Các bước thực nghiệm............................................................................................... 56
Kết luận chương 3 ............................................................................................................. 57
Chương 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ..................................58
4.1. Xác định áp suất phun. .............................................................................................. 58
4.1.1. Tại chế độ tải 25 % ..................................................................................58
4.1.2. Tại chế độ tải 50 % ..................................................................................59

4.1.3. Tại chế độ tải 75 % ..................................................................................61
4.2. Xác định góc phun sớm. ........................................................................................... 63
4.2.1. Tại chế độ tải 25 % ..................................................................................63
4.2.2. Tại chế độ tải 50 % ..................................................................................65
4.2.3. Tại chế độ tải 75 % ..................................................................................67
Kết luận chương 4. ....................................................................................................68
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................72

iv


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)

Ne

Cơng suất động cơ (kW)

M

Mơmen (Nm)

P

Áp suất (bar)

PTN ĐCĐT

Phịng thí nghiệm động cơ đốt trong

VCKĐL

Viện Cơ khí động lực

SCTB

Băng thử động cơ

CR

Hệ thống nhiên liệu Common rail

v


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Bảng các mốc thời gian phát triển của hệ thống nhiên liệu Common rail ... 27
Bảng 2.1. Bảng giải thích các thơng số vào và ra điều khiển quá trình phun nhiên
liệu của động cơ AVL-5402 ....................................................................... 43
Bảng 3.1. Bảng các thông số cơ bản của động cơ AVL-5402 ...................................... 50
Bảng 4.1. Bảng kết quả thí nghiệm xác định áp suất phun tại chế độ tải 25%............. 59
Bảng 4.2. Bảng kết quả thí nghiệm xác định áp suất phun tại chế độ tải 50%............. 61
Bảng 4.3. Bảng kết quả thí nghiệm xác định áp suất phun tại chế độ tải 75%............. 63
Bảng 4.4. Bảng kết quả thí nghiệm xác định góc phun sớm tại chế độ tải 25% .......... 65
Bảng 4.5. Bảng kết quả thí nghiệm xác định góc phun sớm tại chế độ tải 50% .......... 66
Bảng 4.6. Bảng kết quả thí nghiệm xác định góc phun sớm tại chế độ tải 75% .......... 68

vi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Bơm dãy PE điều khiển điện tử.................................................................... 8
Hình 1.2. Bơm cao áp VE hướng trục điều khiển điện tử bằng cơ cấu điều ga điện
từ ................................................................................................................... 9
Hình 1.3. Hoạt động của van TCV (làm sớm thời điểm phun) .................................... 10
Hình 1.4. Cấu trúc bơm VE điều khiển điện tử bằng van xả áp - máy bơm piston
hướng trục ..................................................................................................... 11

Hình 1.5. Vị trí van SPV trên bơn VE điền khiển điện tử ........................................... 11
Hình 1.6. Cấu trúc bơm VE điều khiển điện tử bằng van xả áp - máy bơm piston
hướng kính .................................................................................................... 12
Hình 1.7. Hoạt động của van TCV bơm VE điều khiển điện tử - máy bơm hướng
kính ............................................................................................................... 12
Hình 1.8. Sơ đồ điều khiển bơm VE điện tử loại dùng van xả áp ................................ 13
Hình 1.9. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu EUI ..................................................................... 13
Hình 1.10. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu HEUI ................................................................ 14
Hình 1.11. Sơ đồ giới thiệu chung hệ thống nhiên liệu Common rail ......................... 15
Hình 1.12. So sánh lượng phun giữa phun một giai đoạn và phun hai giai đoạn ........ 16
Hình 1.13. So sánh tiếng ồn giữa phun một giai đoạn và phun hai giai đoạn .............. 17
Hình 1.14. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu Common rail ..................................................... 17
Hình 1.15. Bình tích áp (ống rail)................................................................................. 18
Hình 1.16. Bơm thấp áp................................................................................................ 18
Hình 1.17. Bơm cao áp ................................................................................................. 19
Hình 1.18. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bơm cao áp ............................................... 19
Hình 1.19. Chu kỳ hoạt động của bơm cao áp ............................................................. 20
Hình 1.20. Vị trí lắp cảm biến tốc độ ........................................................................... 21
Hình 1.21. Cảm biến áp suất ống rail ........................................................................... 21
Hình 1.22. Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu ...................................................................... 22
Hình 1.23. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát................................................................ 22
Hình 1.24. Van điều khiển áp suất ống rail .................................................................. 23

vii


Hình 1.25. Van điều chỉnh áp suất nhiên liệu .............................................................. 23
Hình 1.26. Cấu tạo vịi phun ......................................................................................... 24
Hình 1.27. Ảnh hưởng của các tham số điều chỉnh tới các tính năng kinh tế kỹ
thuật của động cơ ....................................................................................... 28

Hình 2.1. Quá trình cháy trong động cơ diesel............................................................. 33
Hình 2.2. Đồ thị thể hiện áp suất phun khi có phun mồi .............................................. 36
Hình 2.3. Sơ đồ điều khiển quá trình phun................................................................... 42
Hình 2.4. Ảnh hưởng của góc phun sớm đến Ne, Gnl, ge và n. ..................................... 45
Hình 2.5. Ảnh hưởng của áp suất phun đến Ne,Gnl, và ge ............................................ 46
Hình 3.1. Mặt cắt ngang động cơ AVL-5402 ............................................................... 49
Hình 3.2. Sơ đồ băng thử động cơ 1 xylanh SCTB ...................................................... 51
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý đo của AVL Fuel balance 733s ......................................... 52
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý làm việc của AVL 577 ...................................................... 53
Hình 3.5. Thiết bị điều chỉnh tay ga THA100 và hộp tín hiệu của nó ......................... 54
Hình 3.6. Thiết bị Dismoke 4000 ................................................................................. 55
Hình 3.7. Thiết bị đo độ khói Smoke Meter AVL 415 ................................................ 55
Hình 4.1. Đồ thị xác định áp suất phun tới công suất, suất tiêu hao nhiên liệu tại chế
độ tải 25%. .................................................................................................. 58
Hình 4.2. Đồ thị xác định áp suất phun tới CO, HC, CO2 tại chế độ tải 25%. ............ 58
Hình 4.3. Đồ thị xác định áp suất phun tới NOx, Smoke tại chế độ tải 25%. .............. 59
Hình 4.4. Đồ thị xác định áp suất phun tới công suất, suất tiêu hao nhiên liệu tại chế
độ tải 50%. ................................................................................................... 60
Hình 4.5. Đồ thị xác định áp suất phun tới CO, HC, CO2 tại chế độ tải 50%. ............ 60
Hình 4.6. Đồ thị xác định áp suất phun tới NOx, Smoke tại chế độ tải 50%. .............. 61
Hình 4.7. Đồ thị xác định áp suất phun tới công suất, suất tiêu hao nhiên liệu tại chế
độ tải 75%. ................................................................................................... 62
Hình 4.8. Đồ thị xác định áp suất phun tới CO, HC, CO2 tại chế độ tải 75%. ............ 62
Hình 4.9. Đồ thị xác định áp suất phun tới NOx, Smoke tại chế độ tải 75%. .............. 63

viii


Hình 4.10. Đồ thị xác định góc phun sớm tới công suất, suất tiêu hao nhiên liệu tại
chế độ tải 25%. ............................................................................................ 64

Hình 4.11. Đồ thị xác định góc phun sớm tới nồng độ phát thải động cơ tại chế độ
tải 25%. ...................................................................................................... 64
Hình 4.12. Đồ thị xác định góc phun sớm tới công suất, suất tiêu hao nhiên liệu tại
chế độ tải 50%. ............................................................................................ 65
Hình 4.13. Đồ thị xác định góc phun sớm tới nồng độ phát thải động cơ tại chế độ
tải 50%. ........................................................................................................ 66
Hình 4.14. Đồ thị xác định góc phun sớm tới cơng suất, suất tiêu hao nhiên liệu tại
chế độ tải 75%. ............................................................................................ 67
Hình 4.15. Đồ thị xác định góc phun sớm tới nồng độ phát thải động cơ tại chế độ
tải 75% ........................................................................................................ 67

ix


MỞ ĐẦU
I. Lý do nghiên cứu đề tài
Động cơ đốt trong hiện nay là một trong những nguồn động lực chủ yếu trong
ngành công nghiệp, đặc biệt trong máy xây dựng và trong lĩnh vưc giao thông vận
tải. Một nhược điểm lớn của động cơ đốt trong là trong khí xả có nhiều chất độc hại
đối với sức khỏe con người và gây ô nhiễm môi trường. Để hạn chế nhược điểm
này, các nước trên thế giới đã đưa ra tiêu chuẩn về khí thải, ở Việt Nam áp dụng
tiêu chuẩn về khí thải trong thủ cơng nhận vào năm 2007. Muốn đáp ứng tiêu chuẩn
về khí thải cần có các biện pháp kỹ thuật xử lý ngay trong nội tại ngay trong động
cơ kết hợp các biên pháp xử lý khí thải [9] . Các thơng số kinh tế kỹ thuật của động
cơ diesel phụ thuộc nhiều vào quá trình hình thành hỗn hợp trong xy lanh động cơ,
trong đó quy luật cung cấp nhiên liệu có ảnh hưởng quyết định. Nhằm nâng cao
chất lượng động cơ đặc biệt 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 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 thiết phải tiến hành thử nghiệm động cơ
AVL-5402 trên băng thử để tìm bộ thơng số chuẩn, nạp vào bộ điều khiển, do đó đề
tài nghiên cứu ‘‘Tối ưu áp suất phun và thời điểm phun của hệ thống nhiên liệu
Common rail sử dụng trên động cơ AVL-5402 ’’ đã được lựa chọn.
II. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài
2.1. Mục đích nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu và đưa ra cách xác định hai tham số là áp suất phun và góc
phun sớm hợp lý cho hệ thống nhiên liệu Common rail, tại các chế độ làm việc của
động cơ AVL-5402, để có thể nâng cao tính năng cơng suất, suất tiêu hao nhiên liệu
và giảm phát thải của động cơ.

1


2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Động cơ AVL-5402 được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu. Đây là động cơ
diesel sử dụng hệ thống nhiên liệu Common rail. Nghiên cứu tập trung vào xác định
áp suất phun và thời điểm phun của hệ thống nhiên liệu Common rail. Toàn bộ các
nội dung nghiên cứu, các thử nghiệm của đề tài được thực hiện ở động cơ AVL5402 lắp trên băng thử tại PTN ĐCĐT - Viện CKĐL - Trường ĐHBK Hà Nội.
Do điều kiện thời gian có hạn nên đề tài chỉ tập trung nghiên cứu xác định 2
tham số điều khiển là áp suất phun và góc phun sớm của hệ thống nhiên liệu
Common rail sử dụng trên động cơ AVL-5402.
III. Phương pháp và nội dung nghiên cứu
Đề tài sử dụng phương pháp tổng hợp các kết quả nghiên cứu, thử nghiệm về
tối ưu áp suất phun và thời điểm phun của hệ thống nhiên liệu Common rail trên
động cơ mẫu 1 xylanh tại phịng thí nghiệm.
Thực nghiệm được tiến hành trên băng thử động cơ tại PTN ĐCĐT - Viện
CKĐL - Trường ĐHBKHN.
Quá trình thử nghiệm để đánh giá và xác định các thông số điều khiển tới tính
năng cơng suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ.

IV. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Đề tài đưa ra giải pháp nhằm mục đích tối ưu áp suất phun và thời điểm phun
của hệ thống nhiên liệu Common rail, đảm bảo hệ thống Common rail đạt được các
kết quả như mong muốn về áp suất phun và thời điểm phun cho động cơ AVL5402, giúp cho động cơ có thể hoạt động trong điều kiện tốt nhất và hiệu quả khi lắp
trên xe, phù hợp với điều kiện thực tiễn kinh tế, kỹ thuật của Việt Nam.
- Kết quả nghiên cứu là cơ sở để thực hiện xác định các tham số khác của hệ thống
nhiên liệu và có thể tăng hiệu suất làm việc cũng như giảm phát thải cho động cơ.
- Nghiên cứu thực nghiệm xác định áp suất phun và thời điểm phun của hệ
thống nhiên liệu Common rail sử dụng trên động cơ AVL-5402.

2


V. Các nội dung chính trong luận văn
Với yêu cầu đặt ra là nghiên cứu thực nghiệm xác định áp suất phun và thời
điểm phun của hệ thống nhiên liệu Common rail sử dụng trên động cơ AVL-5402.
Bằng các giải pháp xử lý và hiệu chỉnh, mà không làm ảnh hưởng đến tính năng
kinh tế kỹ thuật của động cơ, đảm bảo có thể tối ưu được áp suất phun và thời điểm
phun cho hệ thống Common rail sử dụng trên động cơ AVL-5402, xác định được
các tham số khác của hệ thống nhiên liệu Common rail và có thể tăng hiệu suất làm
việc, tiết kiệm nhiên liệu cũng như giảm phát thải cho động cơ. Tác giả đã thực hiện
các nghiên cứu được thể hiện cụ thể trong thuyết minh như sau:
- Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
- Chương 2. Cơ sở lý thuyết xác định áp suất phun và góc phun sớm
- Chương 3. Thực nghiệm xác định áp suất phun và góc phun sớm
- Chương 4. Kết quả nghiên cứu và thảo luận
- Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài
- Tài liệu tham khảo

3

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Xu hướng phát triển hệ thống điều khiển điện tử trên hệ thống nhiên liệu
động cơ đốt trong
1.1.1. Quá trình hình thành và phát triển của hệ thống nhiên liêu điều khiển trên
động cơ xăng và diesel
Cùng với sự phát triển khoa học công nghệ, kéo theo việc các công nghệ điều
khiển điện tử đã và đang được ứng dụng rộng rãi cho hệ thống cung cấp nhiên liệu
xăng và diesel.
Đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ xăng thì các hệ thống cung
cấp nhiên liệu điều khiển bằng điện tử phát triển một cách mạnh mẽ, điển hình là
các hệ thống phun xăng điện tử trực tiếp và gián tiếp. Ngồi ra cùng với động cơ
xăng thì các công nghệ hiện đại cũng được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng rất
rộng rãi cho động cơ diesel.
Đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ diesel thì hệ thống cung cấp
nhiên liệu điều khiển điện tử cũng rất phát triển.
Từ những năm thập niên 80-90, Bosch 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 [1]. 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 ống rail cung cấp tới các vịi phun. Do đó khơng tồn tại sóng áp suất
trong ống nhiên liệu. 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 phạm vi rộng và được điều khiển chính xác. Ngày nay hệ thống nhiên
liệu Common rail có thể được coi là hệ thống có ưu điểm vượt trội hơn cả bởi vì có

4


áp suất phun lớn, thay đổi quy luật phun, góc phun sớm, vì vậy có thể tăng cơng
suất, giảm liêu hao nhiên liệu và phát thải, giảm tiếng ồn và rung.
Với các ưu điểm nổi trội này hệ thống nhiên liệu Common rail ngày nay đã
được sử dụng không chỉ cho động cơ xe tải có cơng suất lớn như (tàu hỏa, tàu thủy,
máy xây dựng…) mà còn sử dụng cho động cơ xe tải trung bình và động cơ xe tải
cỡ nhỏ.
1.1.2. Các hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử
1.1.2.1. Hệ thống phun xăng điện tử
a. Khái quát chung về hệ thống phun xăng
* Các nhược điểm khi sử dụng bộ chế hịa khí [2]
- Các mạch xăng đều được điểu khiển bằng cơ khí và thủy lực nên thường tạo
ra tỉ lệ hỗn hợp khơng hồn chỉnh. Nếu hỗn hợp giàu thì sản phẩm cháy tạo ra có rất
nhiều khí độc hại HC, CO. Ngược lại hỗn hợp nghèo thì sản phẩm cháy có khí độc
hại NOx.
- Các xy lanh trên cùng một động cơ nhận được lượng khí hỗn hợp khơng
đồng nhất. Các xy lanh ở gần bộ chế hồ khí có hỗn hợp rất giàu, cịn các xy lanh xa
bộ chế hồ khí lại nghèo.
Để hạn chế các nhược điểm trên, các ôtô thế hệ mới sử dụng hệ thống phun
xăng điện tử. Việc định lượng lượng xăng phun ra do ECU quyết định.
b. Đặc điểm của hệ thống phun xăng
Cung cấp hỗn hợp đồng đều, tỉ lệ hỗn hợp chính xác đến từng xy lanh của
động cơ, đáp ứng kịp thời lượng xăng phun ra khi góc mở của bướm ga thay đổi.
Hiệu chỉnh hỗn hợp phù hợp với từng chế độ tải khác nhau, giảm nhiên liệu khi
giảm tốc, hiệu suất nạp lớn.
* Ưu điểm của hệ thống phun xăng [2]

5


- Giảm tiêu hao nhiên liệu của động cơ: Lượng xăng phun ra luôn được điều
chỉnh sao cho tạo ra hỗn hợp tối ưu nhất. So với việc sử dụng chế hồ khí thì tiết
kiệm khoảng 11 ÷ 16 %.
+ Tăng công suất động cơ
- Ở hệ thống phun xăng sức cản khơng khí trên đường nạp được giảm bớt do
bỏ bộ chế hồ khí. Kết cấu đường nạp có thể tối ưu hoá để nạp đầy tối đa cho động
cơ ở mọi chế độ hoạt động.
- Ở hệ thống phun xăng hiện đại, ECU còn điểu khiển đồng thời cả hệ thống
phun xăng và đánh lửa để tăng hiệu suất cho động cơ.
+ Giảm bớt các khí thải độc hại
- Do xăng được phun ra dưới dạng sương mù nên hỗn hợp được chuẩn bị tốt
hơn, phân phối đều hơn trong xy lanh nên cháy tốt hơn.
- Ở một số hệ thống phun xăng còn sử dụng cảm biến khí xả kết hợp với bộ
xúc tác khí thải cho phép đạt được hỗn hợp chuẩn ở các chế độ làm việc và giảm
đến mức cho phép các khí thải độc hại.
Tuy vậy hệ thống phun xăng cũng có một số các nhược điểm cụ thể như sau:
- Cấu tạo phức tạp, yêu cầu khắt khe về nhiên liệu và khơng khí.
- Sửa chữa bảo dưỡng khó, địi hỏi người thợ phải có trình độ chun mơn cao.
- Giá thành rất cao.
c. Các loại hệ thống phun xăng
* Phân loại theo số điểm phun
- Hệ thống phun xăng đơn điểm: Việc chuẩn bị hỗn hợp nhiên liệu được tiến
hành ở vị trí tương tự như ở bộ chế hồ khí, sử dụng một hoặc hai vòi phun. Xăng
được phun vào đường nạp, trên bướm ga [2].

6

- Ưu điểm: Có cấu tạo đơn giản nên giá thành không quá cao. Được sử dụng
phổ biến ở các xe có cơng suất nhỏ.
- Nhược điểm: Khơng khắc phục nhược điểm cố hữu của bộ chế hồ khí là hỗn
hợp tạo ra không đồng đều giữa các xy lanh.
- Hệ thống phun xăng đa điểm: Mỗi xy lanh động cơ được cung cấp nhiên liệu
bởi một vòi phun riêng biệt. Xăng được phun vào đường ống nạp vị trí gần xupáp
nạp [2].
- Ưu điểm: Hỗn hợp tạo ra đồng đều giữa các xy lanh.
- Nhược điểm: Kết cấu phức tạp, giá thành cao.
* Phân loại theo nguyên tắc làm việc của hệ thống
- Hệ thống phun xăng cơ khí: Ở hệ thống này việc dẫn động, điều khiển, điều
chỉnh hỗn hợp nhiên liệu được thực hiện theo một số nguyên lý cơ bản của động
học, động lực học. Hệ thống phun xăng này bộc lộ rất nhiều các nhược điểm. Đó là
lượng xăng phun ra khơng điều chỉnh chính xác, khơng đáp ứng kịp thời sự thay đổi
của dịng khí nạp, kết cấu của các chi tiết phức tạp [2].
- Hệ thống phun xăng điện tử: Trong hệ thống phun xăng loại này, bộ điều
khiển trung tâm sẽ thu thập các thông số làm viêc của động cơ (thông qua hệ thống
các cảm biến), sau đó xử lý các thơng tin này, so sánh với chương trình chuẩn đã
được lập trình. Từ đó xác định lượng xăng cần cung cấp cho động cơ và điều khiển
sự hoạt động của các vòi phun (thời điểm phun và thời gian phun).
- Ưu điểm: Lượng xăng phun ra được điểu chỉnh kịp thời, chính xác theo sự
thay đổi của lượng khí nạp. Công suất động cơ tăng. Độ tin cậy cao (tức là trong
thời gian sử dụng ít xảy ra sự cố). Đảm bảo nồng độ các chất độc hại dưới quy định
cho phép.
- Nhược điểm: Kết cấu phức tạp. Đòi hỏi cao về chất lượng của hỗn hợp. Giá
thành cao, khi bảo dưỡng, sửa chữa địi hỏi người thợ có trình độ cao.

7

1.1.2.2. Hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển điện tử
Ra đời rất sớm nhưng động cơ diesel không phát triển như động cơ xăng do gây
ra nhiều tiếng ồn, khí thải động cơ diesel cũng là một trong những thủ phạm chính
gây ra ơ nhiễm mơi trường. Mặc dù động cơ diesel với tính hiệu quả kinh tế hơn là
động cơ xăng, nhưng vấn đề về tiếng ồn và khí thải vẫn là những hạn chế trong sử
dụng động cơ diesel. Tuy nhiên cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và
kỹ thuật, hệ thống nhiên liệu diesel không ngừng được cải tiến với các giải pháp kỹ
thuật tối ưu nhằm làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu.
Các nhà sản xuất động cơ diesel đã đề ra nhiều biện pháp khác nhau về kỹ thuật
phun và tổ chức quá trình cháy nhằm hạn chế các chất ô nhiễm thải ra môi trường,
các vấn đề này đã được cải thiện và động cơ diesel ngày càng trở lên phổ biến và
thân thiện hơn. Dưới đây là một số cơng nghệ điển hình liên quan đến hệ thống
cung cấp nhiên liệu diesel điện tử [6].
a. Hệ thống nhiên liệu diesel điện tử loại bơm dãy PE điều khiển bằng cơ cấu điều
ga điện từ
+ Cấu tạo
Những cơ cấu chính của bơm PE thơng thường chỉ khác ở các điểm như thể
hiện cụ thể như trên Hình 1.1.

Hình 1.1: Bơm dãy PE điều khiển điện tử [6]
1. Thanh răng; 2. Cơ cấu điều ga (loại điện từ); 3. Trục cam
4. Cảm biến tốc độ động cơ; 5. ECU

8


Bộ điều tốc ly tâm ở phía cuối trục cam được thay bằng cảm biến tốc độ động
cơ. Cơ cấu điều khiển thanh răng loại cơ khí hoặc loại chân không được thay bằng
cơ cấu điều khiển ga điện từ nhận xung điều khiển tử ECU động cơ.

+ Hoạt động
Hoạt động của Bơm dãy PE điều khiển điện tử theo trình tự cụ thể như sau:
Điều khiển lượng nhiên liệu phun bằng cách di chuyển thanh răng nhờ cơ cấu
điều ga điện từ. Cơ cấu điều khiển ga điện từ tạo ra một từ trường kéo thanh răng.
Lực từ trường Fø = Var (biến thiên). Gnl = ƒ(nđ/c, mức tải, tođ/c, tokk, loại nhiên liệu,
áp suất đường nạp nhiên liệu...).
Điều khiển thời điểm phun bằng cách xoay trục cam và được thực hiện qua hai
cơ cấu:
- Cơ cấu ly tâm.
- Cơ cấu khớp dầu điều khiển qua ECU.
b. Hệ thống nhiên liệu diesel điện tử loại bơm chia VE điều khiển điện tử
Bơm cao áp VE gồm hai loại khác nhau.
- Loại thứ nhất: Bơm cao áp VE điều khiển điện tử bằng cơ cấu điều ga điện từ [6].
+ Cấu tạo
Hình 1.2 thể hiện cấu tạo các bộ phận và cơ cấu chính của bơm VE cụ thể như sau:

Hình 1.2. Bơm cao áp VE hướng trục điều khiển
điện tử bằng cơ cấu điều ga điện từ
1. Cảm biến mức ga; 2. Van điện từ cắt nhiên liệu;

9


3. Bộ điều khiển phun sớm (Van TCV); 4. Xy lanh bơm; 5. Piston
6. Cơ cấu điều ga điện từ; 7. Van triệt hồi; 8. Cam đĩa; 9. Vành con lăn;
10. Bơm sơ cấp;11. Thân bơm;12. Trục bơm;13. Lò xo;14. Trống lớn;
15. Cuộn điều khiển;16. Piston;17. Quả ga;18. Trống nhỏ

Những cơ cấu chính của bơm cao áp VE hướng trục điều khiển điện tử bằng cơ
cấu điều ga điện từ giống như của bơm VE cơ khí. Điểm khác biệt là thay bộ điều

tốc cơ khí loại ly tâm và hệ đòn dẫn ga bằng cơ cấu điều ga điện từ. Cơ cấu này sẽ
thực hiện việc dịch chỉnh quả ga trên piston để thay đổi lượng phun.
+ Hoạt động
Bơm cao áp VE hướng trục điều khiển điện tử bằng cơ cấu điều ga điện từ
hoạt động như sau:
Quá trình tạo ra dầu áp suất cao, phun dầu cơ bản giống như loại bơm thông
thường, điều khiển lượng phun thông qua cơ cấu điều ga điện từ, cơ cấu điều ga
điện từ điều khiển công suất động cơ và kiểm soát tốc độ tối đa của động cơ, để
ngăn động cơ không chạy quá tốc độ và giữ ổn định tốc độ chạy không tải.
Điều khiển thời điểm phun thông qua van TCV như trên Hình 1.3. Van này
được điều khiển bằng tỷ lệ hiệu dụng (tỷ lệ theo chu kỳ làm việc) thời gian tắt và
bật của dòng điện chạy qua cuộn dây, khi điện bật, độ dài thời gian mở van sẽ điều
khiển áp suất nhiên liệu trong piston của bộ định thời.

Hình 1.3. Hoạt động của van TCV (làm sớm thời điểm phun)

- Loại thứ hai: Bơm chia VE điều khiển điện tử bằng van xả áp - máy bơm piston
hướng trục [6]

10


+ Cấu tạo
Bơm VE điện tử kiểu
mới (một piston) hướng trục
do khơng có quả ga nên để
điều khiển lượng nhiên liệu
phun (tức là muốn thay đổi
tốc độ động cơ, công suất
của động cơ) thì bơm sử

dụng một khoang xả áp
thơng với khoang xy lanh
như thể hiện trên Hình 1.4.
Hình 1.4. Cấu trúc bơm VE điều khiển điện tử bằng
van xả áp - máy bơm piston hướng trục

Hình 1.5. Vị trí van SPV trên bơm VE điều khiển điện tử

+ Hoạt động
Bơm chia VE điều khiển điện tử bằng van xả áp - máy bơm piston hướng trục,
hoạt động như sau:
Điều khiển lượng phun thông qua hoạt động của van xả áp SPV, ở hành trình
nạp SPV đóng lại, piston chuyển động sang trái. Khi đó nhiên liệu được hút vào
buồng bơm. Khi phun SPV đóng lại. Piston chuyển động sang phải, áp suất nhiên
liệu tăng lên và nhiên liệu được bơm đi.
Kết thúc phun SPV mở ra, do nhiên liệu giảm, nên áp suất cũng giảm xuống,
như vậy là quá trình phun đã kết thúc. Khi các điều khiển ngắt nhiên liệu được thực

11


hiện, áp suất không tăng lên do SPV vẫn đang trong trạng thái mở. Việc điều khiển
thời điểm phun thông qua van TCV giống bơm cao áp VE hướng trục điều khiển
điện tử bằng cơ cấu điều ga điện từ như thể hiện trên Hình 1.3.
- Loại thứ ba: Bơm chia VE điều khiển bằng van xả áp - máy bơm piston hướng
kính [6]

+ Cấu tạo
Trục bơm được nối với rơto chia
và ở rơto chia bố trí 4 piston hướng

kính, ở giữa là một lỗ khoan dọc tâm,
lỗ khoan này thơng với cửa nạp dầu
và cửa chia dầu. Phía ngồi rơto chia
là một vành có các con lăn và tồn bộ
cụm này được đặt trong một vành
cam, như thể hiện trên Hình 1.6.
Hình 1.6. Cấu trúc bơm VE điều khiển điện tử
bằng van xả áp - máy bơm piston hướng kính

+ Hoạt động
Hình 1.7 biểu diễn hoạt động điều khiển lượng phun thông qua van TCV, thời
điểm phun thông qua van TCV tương tự như máy bơm piston hướng trục ở trên.

Hình 1.7. Hoạt động của van TCV bơm VE điều khiển
điện tử - máy bơm hướng kính

12


Khi độ dài thời gian mở van rút ngắn lại (tỷ lệ của dịng điện đang được sử
dụng thấp), thì lượng nhiên liệu đi tắt giảm xuống. Do đó, piston của bộ điều khiển
chuyển động sang trái làm quay vành con lăn theo chiều làm sớm thời điểm phun.
Khi độ dài thời gian mở van dài (tỷ lệ của dòng điện đang được sử dụng cao),
thì lượng nhiên liệu đi tắt tăng lên. Do đó piston của bộ điều khiển chuyển sang phải
do lực của lò xo làm quay vành con lăn theo chiều làm muộn thời điểm phun.
Toàn bộ quá trình điều khiển các loại bơm VE được thể hiện thơng qua sơ đồ
Hình 1.8.

Hình 1.8. Sơ đồ điều khiển bơm VE điện tử loại dùng van xả áp

c. Hệ thống nhiên liệu diesel điện tử EUI (Electronic Unit Injection)
Hệ thống nhiên liệu EUI có 5 bộ phận chính cấu thành như thể hiện trên hình
Hình 1.9 [6]

Hình 1.9. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu EUI [6]
1. Thùng dầu; 2. Bầu lọc thô; 3. Bơm chuyển nhiên liệu;
4. Bầu lọc tinh; 5. Các vòi phun; 6. ECU; 7. Các cảm biến

13


Các vòi phun (5) tạo ra áp suất phun tới 207000 kPa (30.000 psi) và ở tốc độ
định mức nó phun tới 19 lần/s. Bơm chuyển nhiên liệu (3) cung cấp nhiên liệu cho
các vòi phun bằng cách hút nhiên liệu từ thùng dầu (1) và tạo ra một áp suất từ 60 ÷
125 psi. ECU (6) điều khiển điện tử là một máy vi tính cơng suất lớn điều khiển các
hoạt động chính của động cơ. Các cảm biến (7) là những thiết bị điện tử kiểm sốt
các thơng số của các động cơ như: Nhiệt độ, áp suất, tốc độ...và cung cấp các thông
tin cho ECU bằng một điện thế tín hiệu. Các thiết bị tác động là những thiết bị điện
tử sử dụng các cường độ dòng điện từ ECU để làm việc hoặc thay đổi hoạt động của
động cơ. Ví dụ thiết bị tác động vịi phun là công tắc điện từ. Điều khiển lượng
phun và thời điểm phun bằng một xung từ ECU.
d. Hệ thống nhiên liệu diesel điện tử HEUI (Hydraulically Actuated Electronically
Controlled Unit Injector)
Các bộ phận cấu thành hệ thống nhiên liệu HEUI tương tự như hệ thống nhiên
liệu EUI như quan sát thấy trên Hình 1.10 [6].
Điều khiển lượng phun và thời điểm phun thông qua một xung từ ECU. Áp suất
đầu vịi phun lên đến 21000 psi...

Hình 1.10. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu HEUI [6]
1. Bơm áp cao; 2. Van điều khiển áp suất;

3. Cụm vòi phun; 4. Các cảm biến; 5. ECU

14