Báo cáo hệ thống phun dầu điện tử Common rail

HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
Báo cáo: --------------- ---------------

HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL
GVHD: PGS.TS ĐỖ VĂN
DŨNG
HVTH : KS ĐINH VŨ THẮNG
Tp. HCM tháng 1


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

1. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN
Theo quá trình phát triển động cơ đốt trong, rất nhiều cơ cấu và
hệ thống đặc biệt nhằm nâng cao công suất và hiệu suất
của động cơ đã ra đời. Hệ thống phun xăng điện tử EFI
(Electronic Fuel Injection), cơ cấu Valvetronic, hệ thống phun xăng
trực tiếp vào xilanh động cơ cho động cơ xăng… hệ thống phun
nhiên liệu Common Rail cho động cơ diesel…
Năm 1993 hệ thống nhiên liệu mới đã thành công trong phòng
thí nghiệm và nhờ kết hợp với hãng Robert Bosch vào tháng 6
năm 1997, hệ thống nhiên liệu mới cho động cơ diesel được gọi
là Common Rail (hệ thống nhiên liệu tích áp) được sản xuất
hàng loạt và ứng dụng cho xe khách.

Các cụm chi tiết chính của hệ thống nhiên liệu Common Rail
gồm: Bơm chuyển nhiên liệu, bơm cao áp, thanh tích áp, các vòi
phun, các bộ cảm biến nhận biết chế độ hoạt động của động
cơ và ECU điều khiển.
Tp. HCM thaùng 1


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL
Quá trình phát triển của hệ thống common rail do hãng Bosch sản xuất:
* Năm 1997: hệ thống common rail đầu tiên trên thế giới được thiết kế
cho xe khách với áp suất phun là 1350 bar. Hãng ứng dụng đầu tiên là: Alfa
Romeo và Mercedes – Benz.
* Năm 1999: hệ thống common rail được sử dụng cho xe tải áp suất phun
tối đa là 1400 bar. Hệ thống được hãng Renault ứng dụng thử nghiệm lần
đầu tiên.
* Năm 2001: hệ thống common rail thế hệ thứ 2 ra đời được áp dụng cho
xe khách mang lại khả năng tiết kiệm nhiên liệu, giúp động cơ hoạt động
êm, giảm khí thải và tăng công suất động cơ, áp suất phun là 1600 bar.
Hệ thống được áp dụng lần đầu tiên trên các xe khách của hãng Volvo
và BMW.
* Năm 2002: hệ thống common rail thế hệ thứ hai được áp dụng cho xe tải
giúp tiết kiệm nhiên liệu, giảm khí thải và tăng công suất động cơ, áp
suất phun là 1600bar, hãng ứng dụng đầu tiên là: Man.
Ngoài nhãn hiệu Bosch, hệ thống common rail còn được nhiều nhà sản
xuất phụ tùng ôtô nghiên cứu, chế tạo. Năm 2002 hãng Denso đã chế tạo
thành công hệ thống common rail có áp suất phun là 1800 bar. Hệ thống
cho phép động cơ diesel có thể đáp ứng được tiêu chuẩn Euro 4 mà không
cần dùng bộ lọc khí thải. Hệ thống common rail mới của Denso cho phép
phun 5 lần trong mỗi kỳ nổ của động cơ. Khả năng phun 5 lần với bộ xác

định chính xác lượng nhiên liệu cực nhỏ đã làm giảm một lượng lớn nồng
độ khí thải, đồng thời giúp động cơ hoạt động êm như động cơ xăng.
Tp. HCM tháng 1


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

Hình 1- Hệ thống Common Rail trên động cơ
diesel
1-Thanh tích áp; 2-Các vòi phun; 3-Bơm cao áp.
Tp. HCM tháng 1


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

2. SƠ ĐỒ

Tp. HCM tháng 1

Hình 2-Sơ đồ toàn bộ
HỆ THỐNG NHIÊN
LIỆU
hệ thống
nhiên liệu
Common Rail trên động
COMMON RAIL cơ 4 xilanh thẳng hàng.
1-Bơm chuyển nhiên
liệu; 2-lọc nhiên liệu;

3-Bơm cao áp; 4Cảm
biến áp suất, 5-Thanh
tích áp; 6-Van điều
chỉnh áp suất; 7-Các
vòi phun; 8-Cảm biến
khối lượng không khí;
9-Cảm biến nhiệt độ
nước; 10-Cảm biến
nhiệt độ không khí
nạp;11-Cảm biến áp
suất tăng áp; 12Cảm biến vị trí bàn
đạp ga; 13-Cảm biến
vị trí trên trục cam; 14Cảm biến tốc độ


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

Hình 3- Sơ đồ toàn bộ hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ V8
Tp. HCM thaùng 1


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

3. CẤU TẠO CÁC CỤM CHI TIẾT CHÍNH
CỦA HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU COMMON
RAIL

Hình 5-Kết cấu hệ thống nhiên liệu Common Rail;

Loại sử dụng trên động cơ 4 xilanh (a); và động cơ V8 (b)

Tp. HCM thaùng 1


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

1 Cụm chi tiết áp suất thấp
3.1.1 Bơm con lăn (Roller cell pump)
Bơm con lăn là một loại bơm điện dùng để chuyển
nhiên liệu từ thùng nhiên liệu đến bơm bánh răng.
Bơm này chạy khi bộ khởi động động cơ hoạt động,
hút nhiên liệu từ thùng chứa (có thể là thùng
chứa nhỏ bên trong thùng nhiên liệu và thùng này
được 1 bơm nhỏ cấp nhiên liệu).
Bơm này cấp nhiên liệu cho bơm bánh răng với áp
suất khoảng 3 bar mỗi khi động cơ bắt đầu hoạt
động. Cho phép động cơ có thể khởi động nhanh
với bất kỳ nhiệt độ nào của nhiên liệu.
Bơm con lăn tự động tắt sau khi động cơ đã hoạt
động (sau khi mồi nhiên liệu cho bơm bánh răng).

Tp. HCM thaùng 1


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

Hình 6–Bơm nhiên liệu; a-Bơm con lăn; b-Bơm bánh răng

Tp. HCM tháng 1


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

3.1.2 Bơm bánh răng (Gear type pump)
Bơm bánh răng thông thường được thiết kế
gắn liền phía sau và cùng trục dẫn động với
bơm cao áp. Tuy nhiên có một số động cơ (động
cơ V8) bố trí bơm bánh răng riêng biệt với bơm
cao áp và được dẫn động bằng trục cam. Bơm
bánh răng làm nhiệm vụ tiếp nhiên liệu cho bơm
cao áp. Bơm bánh răng hút nhiên liệu từ đường
ống nối với bơm con lăn và thùng chứa, đường
ống dầu ra của bơm bánh răng nối với đường
ống dầu vào của bơm cao áp. Nó bắt đầu hoạt
động khi động cơ bắt đầu hoạt động.
Lưu lượng bơm bánh răng của hãng Audi AG: 40l/h
ở số vòng quay 300 v/ph, 120l/h ở số vòng quay
2500 v/ph.

Tp. HCM thaùng 1


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL



Ưu điểm của bơm bánh răng:

•

Ít bị ảnh hưởng bởi các cặn có trong nhiên liệu.

•

Hoạt động với độ tin cậy cao.

•

Tuổi thọ cao.

Tp. HCM thaùng 1


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

3.2 Cụm chi tiết áp suất cao
3.2.1.Bơm cao áp
Bơm cao áp thường là loại bơm piston. Trên hình 7 mô
tả bơm cao áp với van hạn chế ngăn nạp có điều khiển
của hãng Audi AG. Nó là một loại bơm piston có chuyển
động hướng kính (hướng bán kính), có 3 piston bố trí theo
vòng tròn lệch nhau góc 120 độ. Các piston dịch chuyển
hướng kính do tác động của đóa cam. Để có áp suất
1300 bar thì mômen cần để dẫn động trục bơm là 17N.m.

Điều này cho thấy rằng áp suất cao hơn gấp 9 lần so
với bơm cao áp bình thường (bơm dãy), do đó thuận lợi
cho kỹ thuật phun nhiên liệu vào xilanh động cơ.
Bơm cao áp được dẫn động bằng bộ truyền đai răng.
Tp. HCM tháng 1


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

Hình 7-Bơm cao áp loại 3 piston
Tp. HCM tháng 1


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

3.2.2 Thanh tích áp

Hình 8 – Thanh tích áp hệ thống nhiên liệu Common Rail
4 vòi phun.
1-Thanh chứa nhiên liệu; 2-Ống dẫn nhiên liệu vào
từ bơm cao áp; 3-Cảm biến áp suất; 4-Van điều áp; 5Đường hồi nhiên liệu về thùng chữa; 6&7-Đầu nối
ống nhiên liệu đến vòi phun.
Tp. HCM tháng 1


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

3.2.3 Kim phun

a. Cấu tạo của kim phun

Tp. HCM tháng 1

Hình 9 –Kết cấu
của vòi phun
của hãng


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

 Thông số kỹ
thuật
• Doứng ủieọn naõng
kim : 20A max.300às.
ã Daừi aựp suaỏt hoaùt
ủoọng: 20 … 1350bar.
• Đường kính lỗ phun
0,15mm (6 lỗ).

Tp. HCM tháng 1

Hình 10-Vòi phun của hãng
Audi AG.
a)Trạng thái đóng kim
phun; b)Trạng thái nhấc kim
phun

HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

b.
Nguyên
lý
hoạt
động của vòi phun

Tp. HCM thaùng 1


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

4. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Hình 11-Sơ đồ
CỦA HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU
nguyên lý hệ
COMMON RAIL
thống nhiên

Tp. HCM tháng 1

liệu Common
Rail.
1-Thùng nhiên
liệu; 2-Lọc

nhiên liệu; 3Bơm chuyển
nhiên liệu;4Bơm cao áp; 5Cảm biến áp
suất nhiên
liệu; 6-Thanh tích
áp; 7-Van điều
áp; 8-Các vòi
phun; 9-Các
cảm biến;
10-Bộ điều


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

5. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN
TỬ CỦA HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU
5.1thống
Tổng
Hệ
điều khiển động cơ bao gồm các cảm biến
RAILđộng của động cơ,
liên
tục đo đạc các COMMON
trạng thái hoạt
quan

một bộ điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit)
đánh giá các tín hiệu vào của các cảm biến bằng
cách so sánh với các giá trị tối ưu trong bộ nhớ, sau
đó tính toán và hình thành các xung điều khiển đưa

đến các thiết bị chấp hành (vòi phun, van điều áp…).
Mục đích ứng dụng kỹ thuật điện tử để điều khiển
động cơ đốt trong là cung cấp sự chính xác và thích
nghi cần thiết để giảm lượng khí thải độc hại và
lượng tiêu hao nhiên liệu, cung cấp khả năng vận
hành tối ưu cho các chế độ hoạt động khác nhau và
cung
cấp khả năng tự chuẩn đoán khi các hư hỏng
Tp. HCM tháng 1


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

Hình 12-Sơ đồ điều khiển của hệ thống nhiên liệu
Common Rail trên động cơ oâ toâ.
Tp. HCM thaùng 1


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
Cảm
biến
COMMON
RAIL tốc độ động cơ

5.2.1
và vị
trí trục
khuỷu
5.2 Các

cảm
Cảm biến số vòng quay trục khuỷu được lắp
biến
cạnh bánh đà động cơ đối diện vành răng khởi
động và hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng
điện từ gọi là cảm biến từ tính . Khi một răng
hoặc một vật chuẩn chuyển động qua trước lõi
từ sẽ làm biến thiên từ trường trong lõi sắt
dẫn đến tạo ra một xung điện cảm ứng trong
cuộn dây. Chu kì của một xung điện phát ra sẽ
tương ứng với góc quay trục khuỷu giữa hai răng
liên tiếp.
Để xác định vị trí tương đối của trục khủyu
(như so với ĐCT) người ta tạo ra một chuẩn trên
bánh đà, có thể một lỗ hay “khoảng trống”
(secment
Tp.
HCM tháng 1 gap). Cảm biến này sẽ cung cấp một


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

Hình 13-Cảm biến tốc
độ động cơ và vị trí
trục khuỷu.
Tp. HCM tháng 1


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ

COMMON RAIL

Cảm biến vị trí bàn đạp ga

Cảm biến vị trí bàn đạp ga được lắp với
bàn đạp ga, nó chuyển vị trí góc xoay của
bàn đạp ga thành tín hiệu điện thế gởi đến
ECU.
Thông thường người ta sử dụng cảm biến
vị trí bàn đạp ga loại biến trở, loại này có
cấu tạo gồm 2 con trượt, ở mỗi đầu con
trượt được thiết kế các tiếp điểm cho tín
hiệu cầm chừng và tín hiệu tăng tốc.

Tp. HCM tháng 1


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

Dùng để đo áp suất trên
đường
ống
nạp,tuyệt
khi tải đối
thay đổi
biến
áp
suất
trên đường ống n

thì áp suất tuyệt đối trong
đường ống nạp cũng thay đổi.
Cảm biến áp thấp sẽ nhận
biết sự thay đổi này và
chuyển thành
tín hiệu điện
thế và báo về cho ECU để tính
ra lượng không khí đi vào xy lanh.
Sau đó, dựa vào giá trị này,
ECU sẽ điều khiển thời gian
mở kim phun. Hiện nay có 3
loại: loại áp kế điện, loại điện
dung và loại sai lệch từ tuyến
tính.
Sau1 đây sẽ giới thiệu loại
Tp.
HCM tháng


HỆ THỐNG PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
COMMON RAIL

Cảm biến này bao gồm một cuộn dây sơ cấp, hai cuộn dây thứ cấp quấn ngược chiều nhau và một lõi nam châm điện di chuyển, luôn có nguồn
điện thế không đổi đến cuộn sơ cấp. Khi lõi ở giữa, chênh lệch giữa 2 vị trí điện áp bằng không. Khi áp suất đường ống nạp thay đổi, buồng khí sẽ
hút lõi nam châm điện thay đổi, buồng khí áp sẽ hút lõi nam châm điện di chuyển phù hợp với tải của động cơ, lúc này từ thông qua hai cuộn thứ
cấp sẽ gây nên sự chênh lệch điện thế. Tín hiệu thay đổi điện thế này sẽ gởi về ECU nhận biết áp suất hiện tại trên đường ống nạp.

Tp. HCM thaùng 1