Đồ án hệ thống cung cấp nhiên liệu common rail skyactiv d trên xe mazda

LỜI CẢM ƠN
Để có được thành quả như ngày hơm nay, chúng em đã nhận được rất nhiều
sự giúp đỡ từ q thầy cơ. Những gì q thầy cơ truyền đạt cho chúng em khơng chỉ
là kiến thức mà cịn là cả tấm lòng của một người thầy. Chúng em xin chân thành
cảm ơn đến:
- Tồn thể q thầy cơ trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã tận
tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu trong bốn
năm học đại học vừa qua. Không những kiến thức về chuyên ngành ô tô, mà cịn có
những kiến thực thực tiễn ngồi xã hội.
- Nhóm em xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô ở khoa Cơ Khí Động Lực
đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em sớm hoàn thành đồ án “Hệ thống cung
cấp nhiên liệu Common Rail SKYACTIV – D trên xe MAZDA”.
- Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn đến thầy Th.S Châu Quang Hải đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp.
Chúng em xin kính chúc trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí
Minh ngày càng lớn mạnh, chúc quý thầy cô luôn dồi dào sức khỏe để tiếp tục cống
hiến cho sự nghiệp giáo dục nước nhà.
Cuối cùng là lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã động viên
khích lệ và tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành nhiệm vụ được giao.
Sinh viên thực hiện
Ngô Xuân Hùng - Nguyễn Duy Cường

1


MỤC LỤC

2


DANH SÁCH CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

-

A/F sensor (Air Fuel Ratio Sensor): Cảm biến tỷ số khơng khí và nhiên liệu

-

ACL (Air Cleaner): Lọc gió

-

AP (Accelerator Pedal) : Bàn đạp ga

-

APP (Accelerator Pedal Position): Vị trí bàn đạp ga

-

B+ (Battery Positive Voltage ): điện áp cực dương accu

-

CKPS (Crankshaft Position Sensor): Cảm biến vị trí trục khuỷu

-

CMP (Camshaft Position Sensor): Cảm biến vị trí trục cam

-

CPP (Clutch Pedal Position): Vị trí bàn đạp ly hợp

-

DLC (Data Link Connector): Đường kết nối dữ liệu

-

DPF (Diesel Particulate Filter) : Bộ lọc muội than Diesel

-

DTC (Diagnostic Trouble Code): Mã báo lỗi chẩn đoán

-

DTM (Diagnostic Test Mode): Phương thức kiểm tra mã lỗi

-

ECT (Engine Coolant Temperature): Nhiệt độ làm mát động cơ

-

EGR (Exhaust Gas Recirculation): Hệ thống tuần hồn khí xả

-

GND (Ground) : Cực nối đất

-

HO2S (Heated Oxygen Sensor) : Cảm biến nhiệt oxy

-

IAT (Intake Air Temperature) : Nhiệt độ khí nạp

-

MAF (Mass Air Flow): Khối lượng khí nạp

-

MAP (Manifold Absolute Pressure): Áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp

-

O2S (Oxygen Sensor): Cảm biến oxy

-

OBD (On‐Board Diagnostic) : Hệ thống chẩn đoán lỗi động cơ

-

OC (Oxydation Catalytic Converter) : Bộ xúc tác oxy

-

PCM (Powertrain Control Module): Hộp điều khiển

-

TB (Throttle Body): Thân bướm ga

-

TC (Turbocharger): turbo tăng áp

-

TDC (Top Dead Center ): Điểm chết trên

-

TP (Throttle Position): Vị trí bướm ga

-

TPS (Throttle Position Sensor): Cảm biến vị trí bướm ga

-

TWC (Three Way Catalytic Converter): Bộ xúc tác 3 thành phần

3


DANH MỤC CÁC HÌNH

4


DANH MỤC CÁC BẢNG

5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Lý do chọn đề tài:
Trong xu thế hội nhập hiện nay, nền công nghiệp Việt Nam đang đứng trước
những cơ hội đầy tiềm năng và ngành công nghiệp ô tô Việt Nam cũng không ngoại
lệ. Ở nước ta số lượng ô tô hiện đại đang được lưu hành ngày một tăng. Các loại ô
tô này đều được cải tiến theo hướng tăng công suất, tốc độ, giảm suất tiêu hao nhiên
liệu, điện tử hố q trình điều khiển và hạn chế mức thấp nhất thành phần ô nhiễm
trong khí xả động cơ.
Với sự phát triển mạnh mẽ của tin học trong vai trò dẫn đường, quá trình tự
động hóa đã đi sâu vào các ngành sản xuất và các sản phẩm của chúng, một trong số
đó là ơ tơ. Nhờ sự giúp đỡ của máy tính để cải thiện quá trình làm việc nhằm đạt hiệu
quả cao và chống ơ nhiễm mơi trường, tối ưu hố quá trình điều khiển dẫn đến kết
cấu của động cơ và ô tô thay đổi rất phức tạp, làm cho người sử dụng và cán bộ công
nhân kỹ thuật ngành ô tô ở nước ta còn nhiều lúng túng và sai sót nên cần có những
nghiên cứu cụ thể về hệ thống điện tử trên động cơ ô tô.
Sau 5 năm có mặt tại Việt Nam, MAZDA trở thành thương hiệu ô tô hàng
đầu được khách hàng tin tưởng lựa chọn. Đáng chú ý năm 2016 vừa qua, MAZDA
bùng nổ với doanh số hơn 32.000 xe, tăng 60% so với năm 2015, tăng trưởng gấp
đơi mức tăng chung của tồn thị trường và lập kỷ lục mới trong suốt 5 năm
MAZDA trở lại Việt Nam. Trong đó, hai kiểu xe MAZDA dẫn đầu về doanh số bán
MAZDA3 và CX-5. Tháng 12/2016, MAZDA3 đạt hơn 1.500 xe, mức doanh số cao

nhất từ trước tới nay, giúp MAZDA3 liên tục giữ vững vị trí Top 10 xe bán chạy
nhất tại Việt Nam.
Kế đến CX-5 cũng dẫn đầu về sản lượng tiêu thụ ở phân khúc CUV 5 chỗ
với doanh số bán đạt 1.059 xe, tăng 39% so với cùng kỳ 2015. Tính chung cả năm
2016, đã có hơn 8.000 xe đến tay khách hàng, duy trì vị trí xe CUV 5 chỗ bán chạy
nhất trên thị trường. Với việc giới thiệu các phiên bản mới, tăng tiện nghi, CX-5 đã
khẳng định được sức hút và trở thành lựa chọn hàng đầu trong phân khúc. Ngoài ra,

6


các kiểu xe còn lại của MAZDA như MAZDA2, MAZDA6 và BT-50 đều tăng
trưởng ổn định, góp phần chung cho sự phát triển vượt bậc của thương hiệu
MAZDA thời gian qua.
Ngoài lợi thế về mặt giá bán và trang bị tiện nghi, thiết kế KODO cùng công
nghệ SKYACTIV tiết kiệm nhiên liệu là chìa khóa mang lại thành cơng cho các
dịng sản phẩm mới của MAZDA. Ngơn ngữ thiết kế mới mang triết lý KODO LINH HỒN CỦA SỰ CHUYỂN ĐỘNG, mang đến sự cuốn hút, nổi bật cho các
dòng xe MAZDA. Với hàng loạt ưu điểm về thiết kế, trang bị, đa dạng về lựa chọn
động cơ, đặc biệt công nghệ SKYACTIV hiệu quả, những kiểu xe của MAZDA
ngày càng hút khách và tiếp tục trở thành lựa chọn hàng đầu trong từng phân khúc.
Vì vậy là một sinh viên của ngành công nghệ kỹ thuật ô tô sắp ra trường,
nhóm em chọn đề tài: "Khảo sát hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ
Mazda SKYACTIV-D Engine " làm đề tài tốt nghiệp của mình. Nhóm em rất
mong với đề tài này sẽ củng cố tốt hơn kiến thức của mình để khi ra trường có thể
đóng góp vào ngành cơng nghiệp ơ tơ của nước ta, góp phần vào sự phát triển chung
của ngành.
1.2 Phạm vi của đề tài:
-

Đề tài của nhóm chủ yếu nghiên cứu các dịng xe sử dụng hệ thống Common Rail

SKYACTIV – D của MAZDA đang phổ biến và hiện hành trên thị trường xe hơi

-

Việt Nam hiện nay.
Phạm vi của đề tài chủ yếu tập trung vào hệ thống động cơ Common Rail và sự cải
tiến với công nghệ SKYACTIV - D của MAZDA sử dụng trên các dòng xe từ
Mazda 6, CX_5 .
1.3 Phương pháp nghiên cứu.

-

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với tham khảo tài liệu traning của MAZDA về hệ

-

thống cung cấp nhiên liệu COMMON RAIL trên các dòng xe MAZDA
Tham khảo tài liệu tiếng anh của một số tài liệu hãng khác như Toyota, Honda, Kia
để so sánh với động cơ xe MAZDA.

7


1.4 Ý nghĩa của đề tài.
-

Đem đến cho người đọc cái nhìn mới hơn về cơng nghệ mới của MAZDA trên thị

-

trường
Cung cấp thêm thông tin tham khảo cho sinh viên trong và ngoài trường nghiên cứu
các hệ thống mới về điều khiển động cơ trên các dòng xe.
1.5 Nội dung nghiên cứu:
 Chương 1: Ý nghĩa của đề tài
• Nêu lý do chọn đề tài, phương pháp nghiên cứu và ý nghĩa của đề tài
 Chương 2: Tổng quan về hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel
• Q trình phát triển của động cơ Diesel
• Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel
- Nhiệm vụ
- Yêu cầu
- Phân loại
- Sự hình thành hỗn hợp khơng khí và nhiên liệu trong buồng cháy của

động cơ Diezel.
 Chương 3: Hệ thống cung cấp nhiên liệu SKYACTIV - D
• Giới thiệu về động cơ SKYACTIV-D
- Giới thiệu về động cơ
- Các thơng số kỹ thuật
• Hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail trên động cơ SKYACTIV-D
- Cấu tạo hệ thống Common Rail
- Nguyên lý hoạt động của hệ thống
- Hệ thống điều khiển điện tử
- Các tín hiệu đầu vào
- Bộ phận điều khiển
- Các cơ cấu chấp hành
• Kết cấu hệ thống cung cấp nhiên liệu trên động cơ SKYACTIV-D
- Vùng nhiên liệu áp suất thấp
- Vùng nhiên liệu áp suất cao
 Chương 4: Sơ đồ mạch điện của hệ thống

• Sơ đồ mạch điện của hệ thống Common Rail
• Sơ đồ mạch điện của động cơ
 Chương 5:Mã lỗi, Chẩn đoán và sửa chữa
- Nguyên nhân
- Biểu hiện
- Cách sửa chữa

8


9


CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP
NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL
2.1 Nhiệm vụ :
- Dự trữ nhiên liệu:
Đảm bảo cho động cơ có thể làm việc liên tục trong một thời gian nhất định
mà không cần cấp thêm nhiên liệu vào, lọc sạch nước, tạp chất cơ học lẫn trong
nhiên liệu, giúp nhiên liệu luân chuyển dễ dàng trong hệ thống.
- Cung cấp nhiên liệu cho động cơ : Đảm bảo tốt các yêu cầu sau.
+ Lượng nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình phải phù hợp với chế độ làm việc
của động cơ.
+ Cung cấp nhiên liệu vào xylanh động cơ đúng thời điểm theo một quy luật
đã định.
+ Đối với động cơ nhiều xylanh thì lượng nhiên liêu phun vào các xylanh
phải đồng đều trong một chu trình cơng tác.
+ Diễn biến chu trình cơng tác của động cơ Diesel chủ yếu phụ thuộc vào
tình hình hoạt động của thiết bị cung cấp nhiên liệu. Tốc độ tỏa nhiệt của nhiên liệu
và dạng đường cong của áp suất mơi chất cơng tác trong q trình cháy biến thiên

theo góc quay trục khuỷu chủ yếu phụ thuộc vào những yếu tố sau:
•
•
•
•

Thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu (tức là góc phun sớm)
Biến thiên của tốc độ phun (tức là quy luật cấp nhiên liệu)
Chất lượng phun (thể hiện bằng mức phun nhỏ và đều)
Sự hòa trộn giữa nhiên liệu với khí nạp trong buồng cháy.
- Các tia nhiên liệu phun vào xylanh động cơ phải đảm bảo kết hợp tốt giữa
số lượng, phương hướng, hình dạng, kích thước của các tia phun với hình dạng
buồng cháy, cường độ và phương hướng chuyển động của mỗi chất trong buồng
cháy để hồ khí được hình thành nhanh và đều.
2.2 Yêu cầu :
Hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel phải thoả mãn các yêu cầu sau .
- Hoạt động ổn định, có độ tin cậy và tuổi thọ cao.
- Dễ dàng và thuận tiện trong sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa.
10


- Dễ chế tạo, giá thành hạ.
2.3 Phân loại:
Dựa vào các loại bơm cao áp của hệ thống nhiên liệu ta có thể phân loại sơ
bộ hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel thành 3 loại sau.
a. Hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel sử dụng bơm cao áp loại bơm
dãy.
Bơm cao áp là 1 loại bơm gồm nhiều tổ bơm ghép thành 1 khối có vấu cam
điều khiển nằm trong thân bơm và điều khiển chung bằng 1 thanh răng.
5

7

6

8

1

4

3

2

Hình 2.1: Hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel sử dụng bơm cao áp loại bơm dãy.
1. Thùng chứa nhiên liệu

5. Bầu lọc tinh

2 . Bầu lọc thô

6. Ống dầu cao áp

3 . Bơm tay

7. Kim phun

4 . Bơm cao áp

8. Buồng cháy

* Nguyên lý hoạt động:

11


Khi khởi động động cơ, trục cam dẫn động bơm chuyển vận (3) hút nhiên
liệu từ thùng chứa (1) đẩy qua bầu lọc (5) để cấp nhiên liệu cho bơm cao áp (4). Số
tổ bơm cao áp bằng số xylanh của động cơ, các tổ bơm cung cấp nhiên liệu qua
đường ống cao áp (6) tới kim phun (7) để phun nhiên liệu vào buồng cháy (8).
Nhiên liệu rò qua khe hở trong thân kim phun của kim phun và trong các tổ bơm
được theo các đường ống thấp áp trở về thùng chứa.
Để hệ số nạp của các tổ bơm ổn định, và khơng gián đoạn q trình cấp
nhiên liệu thì nhiên liệu đi vào xylanh bơm cao áp khơng được lẫn khơng khí.
+ Khơng khí lẫn trong hệ thống nhiên liệu do những nguyên nhân như sau:
− Không khí hịa tan trong nhiên liệu tách ra khi áp suất thay đổi đột ngột.
− Khơng khí trời lọt qua những đoạn ống khơng kín, đặc biệt ở những khu
vực mà áp suất nhiên liệu thấp hơn áp suất khí trời.
+ Một số biện pháp để tách khơng khí ra khỏi nhiên liệu trong hệ thống:
− Nhiên liệu được tuần hoàn liên tục từ thùng chứa, qua bầu lọc, qua bơm
cao áp, qua van tràn và đường ống tràn về thùng chứa. Sự tuần hồn cuốn khơng khí
trong hệ thống đưa về thùng chứa, do đó khơng khí được tách khỏi nhiên liệu.
− Trước khi khởi động máy, dùng bơm tay bơm dầu thật căng và giữ nguyên
bơm tay sau đó nới lỏng ốc xả gió trên bầu lọc cho khơng khí tràn ra ngồi, rồi siết
chặt ốc xả gió lại, tiếp tục bơm và lại xả đến khi nào hết khơng khí thì thơi. Làm
tương tự như vậy để xả khơng khí trong bơm cao áp bằng ốc xả gió trên thân bơm.
Bơm tay lắp song song với bơm chuyển vận 3 được sử dụng để bơm nhiên
liệu vào hệ thống khi máy ngừng hoạt động lâu ngày, nhiên liệu trong hệ thống
đường ống bị rò qua những chỗ khơng kín khít. Sau đó phải khóa bơm tay lại rồi

mới khởi động động cơ.

12


b : Hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel sử dụng bơm cao áp loại bơm phân phối.
3

4

5

6

2
7

1

9
10
B

8

11
12

A

C

Hình 2.2 :Hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel sử dụng bơm cao áp
loại bơm phân phối.
1 . Thùng chứa nhiên liệu

7 . Buồng cháy

2 . Bơm tay

8 . Bơm cao áp

3 . Bầu lọc tinh

9 . Van cao áp

4 . Bơm tiếp vận

10 . Piston

5 . Van điều áp

11 . Lỗ đưa nhiên liệu đến kim phun

6 . Kim phun

12 . Vành điều lượng

Bơm phân phối khác với bơm dãy ở chỗ là chỉ cần một bộ đôi piston-xylanh
nhưng vẫn đảm bảo cung cấp nhiên liệu cho các xylanh. Piston vừa tịnh tiến, vừa

xoay. Với động cơ có i xylanh thì piston sẽ chuyển động tịnh tiến i lần và trong một
chu kỳ của động cơ, piston sẽ xoay đủ một vòng.
− Lỗ nạp nhiên liệu: đưa nhiên liệu từ bơm tiếp vận vào xylanh của bơm cao áp.
− Thân xylanh có rãnh dẫn nhiên liệu cao áp vào lỗ B.
− Piston gồm:
+ Phần hình trụ trên để tạo áp suất cao.
+ Phần hình trụ dưới có xẻ rãnh dọc, khi rãnh này áp vào lỗ đến kim phun thì
nhiên liệu cao áp được đưa đến kim phun.
* Nguyên lý hoạt động:
Khi piston chuyển động xuống dưới, nhiên liệu từ bơm tiếp vận qua lỗ A
được nạp vào xylanh.

13


Khi piston đi lên trên, một phần nhiên liệu thoát qua lỗ A, cho đến khi đỉnh
piston bắt đầu đóng lỗ A, áp suất nhiên liệu bắt đầu tăng, áp suất tăng cao và mở
van cao áp (9), nhiên liệu theo đường cao áp vào lỗ B, vào xylanh chứa trong phần
hình trụ dưới.
Chuyển động xoay trịn của piston xảy ra đồng thời với chuyển động tịnh
tiến, khi rãnh dọc áp vào lỗ đến kim phun nào thì lỗ đó được nhận nhiên liệu cao áp.
Để điều chỉnh lượng nhiên liệu chu kỳ, người ta thay đổi vị trí của vành điều
lượng (12), nếu mặt trong của vành điều lượng (12) che kín lỗ C thì khơng có nhiên
liệu cao áp thốt ra ngồi.
Khi piston chuyển động đi lên, đến một lúc nào đó, mép dưới làm hở lỗ C,
lúc đó nhiên liệu cao áp từ đỉnh piston theo lỗ dọc, xuống lỗ C thốt ra ngồi. Khi
đó áp suất trong xylanh giảm đột ngột, quá trình phun nhiên liệu chấm dứt.
c : Hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail.

Hình 2.3 : Hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail Skyactiv-D

1. Jet Pump (Thùng chứa)

5. Pressure Relief Valve (van giảm áp)

2. Fuel Filter (lọc nhiên liệu)

6. Injectors (kim phun)

3. Supply Pump (bơm cung cấp)

7. PCM (hộp điều khiển)

4. Rail pressure sensor (cảm biến áp suất dầu)

8. Injector return back pressure system

(hệ thống áp suất dầu hồi về từ kim phun)
14


Nguyên lý:
Nhiên liệu có áp suất cao được bơm vào ống phân phối để từ đó cung cấp cho
các kim phun. Nhiên liệu từ thùng chứa (1) được bơm hút lên và đi vào bộ lọc (2)
qua bơm cao áp (3) vào ống dự trữ để chờ tín hiệu PCM (7) cấp nhiên liệu cho kim
phun (6) sau đó qua van điều chỉnh áp suất (5) và về thùng chứa (1). Tại đường ống
phân phối sẽ có các đường ống cao áp nối tới kim phun để phun nhiên liệu vào
buồng đốt động cơ và quá trình phun nhiên liệu được điều khiển bởi PCM.
PCM nhận các tín hiệu từ các cảm biến (cảm biến tốc độ, cảm biến vị trí trục
cam, cảm biến nhiệt độ nhiên liệu, cảm biến vị trí bàn đạp ga, cảm biến nhiệt độ
nước làm mát, cảm biến áp suất…) sau khi xử lý các tín hiệu đầu vào này PCM sẽ

đưa ra tín hiệu điều khiển kim phun.
Hệ thống nhiên liệu của động cơ Diesel không ngừng được cải tiến với các giải
pháp kỹ thuật tối ưu nhằm làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm môi trường và suất
tiêu hao nhiên liệu. Các nhà khoa học đã nghiên cứu và đã đề ra nhiều biện pháp
khác nhau về kỹ thuật phun và tổ chức tốt q trình cháy nhằm giới hạn chất ơ
nhiễm. Các biện pháp được đưa ra nhằm giải quyết các vấn đề sau:
-

Tăng áp suất và chia nhiều giai đoạn phun nhiên liệu vào động cơ để làm giảm nồng độ

-

bồ hóng, tiếng ồn động cơ do làm tăng sự hịa trộn nhiên liệu- khơng khí.
Điều chỉnh dạng quy luật phun theo khuynh hướng phun nhiều lần để làm giảm HC.
Biện pháp lưu hồi khí xả (ERG: Exhaust Gas Recirculation) mục đích cho khí xả
quay lại đường ống nạp giảm bớt oxy và nhiệt độ cháy nhằm giảm ô nhiễm.
Hiện nay, các nhược điểm của hệ thống nhiên liệu Diesel đã được khắc phục
dần bằng cách cải tiến các bộ phận của hệ thống nhiên liệu như: Bơm cao áp, kim
phun, ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao, các ứng dụng điều khiển tự động nhờ sự
phát triển của công nghệ. Trong động cơ Diesel hiện đại, áp suất phun được lưu trữ
ở ống phân phối do PCM điều chỉnh và đưa đến kim phun với áp suất cao. Hệ thống
Common Rail về cơ bản bao gồm các thành phần sau:
− Kim phun điều khiển bằng van điện từ (piezo stack) được gắn vào nắp máy.
− Ống tích trữ nhiên liệu (ống phân phối áp lực cao).
− Bơm cao áp (bơm tạo áp suất cao)

15


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

− PCM :
− Cảm biến tốc độ trục khuỷu :
− Cảm biến tốc độ trục cam.
− Cảm biến bàn đạp ga.
Kim phun được nối với ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao (Common Rail)
bằng một đường ống ngắn. Khi các tinh thể xếp chồng lên nhau trong kim phun
(piezo stack) không được cấp điện thì kim ngừng phun. Nhờ áp suất phun
khơng đổi, lượng nhiên liệu phun ra sẽ tỷ lệ với độ dài của xung điều khiển.
Yêu cầu mở nhanh kim phun được đáp ứng bằng việc sử dụng điện áp cao và
dòng lớn. Thời điểm phun được điều khiển bằng hệ thống điều khiển góc phun
sớm. Hệ thống này dùng một cảm biến trên trục khuỷu để nhận biết tốc độ động
cơ, và một cảm biến trên trục cam để nhận biết kỳ hoạt động. Lợi ích của kim
phun Common Rail là làm giảm mức độ tiếng ồn, nhiên liệu được phun ra với áp
suất rất cao đồng thời kết hợp hệ thống điều khiển điện tử để kiểm soát lượng phun,
thời điểm phun một cách chính xác. Do đó làm hiệu suất động cơ và tính kinh tế
nhiên liệu cao hơn
So với hệ thống cũ dẫn động bằng trục cam thì hệ thống nhiên liệu Common
Rail khá linh hoạt trong việc đáp ứng thích nghi để điều khiển phun nhiên liệu cho
động cơ Diesel như:
- Phạm vi ứng dụng rộng rãi (cho xe du lịch, khách, tải nhẹ, tải nặng, xe lửa và
tàu thủy).
- Thay đổi áp suất phun tùy theo chế độ hoạt động của động cơ.
- Có thể thay đổi thời điểm phun.
Phun nhiên liệu chia làm ba giai đoạn: Phun sơ khởi, phun chính và phun kết
thúc. Các giai đoạn phun sơ khởi làm giảm thời gian cháy trễ và phun thứ cấp tạo
cho q trình cháy hồn thiện. Qua đây ta thấy hệ thống nhiên liệu Common Rail có
những ưu điểm sau
•

Tiêu hao nhiên liệu thấp.

16


•
•
•

Phát thải ô nhiễm thấp.
Động cơ làm việc êm dịu, giảm được tiếng ồn.
Cải thiện tính năng động cơ.
Động cơ Diesel thế hệ “cũ” trong quá trình làm việc hệ thống cung cấp nhiên
liệu thì tạo ra tiếng ồn khá lớn. Khi khởi động và tăng tốc đột ngột lượng khói đen
thải ra lớn. Vì vậy làm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm cao. Ở hệ thống nhiên liệu
Common Rail áp suất phun lên đến 1350 bar, có thể phun ở mọi thời điểm, mọi chế
độ làm việc và ngay cả động cơ lúc tốc độ thấp mà áp suất phun vẫn không thay đổi.
Với áp suất cao, nhiên liệu được phun càng tơi nên quá trình cháy càng sạch hơn.
Ngoài những ưu điểm nổi trội như đã nêu trên thì hệ thống nhiên liệu Common
Rail cịn tồn tại một số nhược điểm sau:

•
•
•

Thiết kế và chế tạo phức tạp địi hỏi có ngành cơng nghệ cao.
Chi phí giá thành và bảo dưỡng hệ thống cao.
Khó xác định và lắp đặt các chi tiết Common Rail trên động cơ cũ.
2.4. Sự hình thành hỗn hợp khơng khí và nhiên liệu trong buồng cháy của
động cơ Diezel.
Tính kinh tế của động cơ Diesel, tiếng ồn và ứng suất của cơ cấu trục khuỷu

thanh truyền phụ thuộc nhiều vào tốc độ biến thiên hóa năng của nhiên liệu thành
nhiệt năng. Thời gian cấp nhiên liệu, tính chất của nhiên liệu có ý nghĩa quyết định
tới tốc độ phản ứng hóa học, q trình tạo hỗn hợp giữa nhiên liệu và khơng khí. Vì
vậy để q trình cháy diễn ra 1 cách hiệu quả nhất thì ta cần điều chỉnh thật tốt
chùm tia nhiên liệu trong buồng cháy. Thời gian tạo hỗn hợp được điều khiển bởi
kết cấu buồng cháy bằng cách phân chia nhiên liệu thành hạt nhỏ mịn kết hợp với
xốy lốc của khơng khí để tạo được sự tối ưu trong quá trình cháy của nhiên liệu
trong buồng cháy của động cơ.
Ở động cơ Diesel hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí được hình thành bên trong
xylanh động cơ trong 1 khoảng thời gian rất ngắn. Tính theo góc quay của trục
khuỷu, chỉ bằng 1/10 đến 1/20 so với trường hợp của động cơ xăng . Ngoài ra nhiên
liệu của động cơ Diesel lại khó bay hơi hơn động cơ xăng nên nhiên liệu phải được
phun thật tơi và hồ trộn thật đều trong khơng gian buồng cháy thì quá trình cháy

17


mới thật hiệu quả. Vì vậy phải tạo điều kiện để nhiên liệu được sấy nóng, bay hơi
nhanh và hồ trộn đều với khơng khí trong buồng cháy nhằm tạo ra hỗn hợp tốt
nhất. Mặt khác phải đảm bảo cho nhiệt độ khơng khí trong buồng cháy tại thời gian
phun nhiên liệu phải đủ lớn để hỗn hợp khơng khí và nhiên liệu tự bốc cháy. Quy
luật cháy và tỏa nhiệt trong động cơ có ý nghĩa quyết định tới các thông số như áp
suất cháy, hiệu suất nhiệt, công suất và thành phần chất độc trong khí thải của động
cơ. Trong đó quy luật phun nhiên liệu có ý nghĩa quyết định tới chất lượng phun
sương mù và khả năng bốc hơi của nhiên liệu trong buồng cháy.
Quá trình hình thành hỗn hợp và quá trình bốc cháy nhiên liệu trong động cơ
Diesel chồng chéo lên nhau, xảy ra liên tục. Sau khi phun nhiên liệu thì trong buồng
cháy diễn ra một loạt thay đổi về tính chất lý hố của nhiên liệu, sau đó một phần
nhiên liệu được phun vào trước đã tạo thành hồ khí thì tự bốc cháy trong khi nhiên
liệu vẫn được tiếp tục phun vào để cung cấp cho xylanh động cơ. Thời gian tạo hỗn

hợp được điều khiển bởi bản thân kết cấu buồng cháy bằng cách phân chia nhiên
liệu thành nhiều hạt nhỏ, mịn kết hợp với xốy lốc của khơng khí. Chính đặc điểm
của q trình hình thành hồ khí và quá trình cháy như vậy nên để cho phù hợp thì
động cơ Diesel có rất nhiều loại buồng cháy khác nhau tuỳ theo cấu tạo của động cơ
và mục đích sử dụng động cơ. Hình dáng của buồng cháy phải đáp ứng các yêu cầu
kỹ thuật sau:
− Thích ứng với lượng và hình dáng chùm tia nhiên liệu phun vào.
− Tạo được sự xốy lốc mạnh trộn lẫn khơng khí với nhiên liệu.
Hiện nay buồng cháy của động cơ Diesel được phân loại theo hai cách.
- Dựa vào vị trí bay hơi của nhiên liệu thì được chia thành :
+ Hình thành kiểu màng trực tiếp .
+ Hình thành kiểu thể tích.
+ Hình thành kiểu thể tích - màng.
- Dựa vào nhân tố điều khiển và sự hình hành hồ khí thì chia thành :
+ Phun trực tiếp.
+ Phun gián tiếp.

18


Đối với động cơ phun trực tiếp thì buồng cháy trong động cơ được chia thành :
- Buồng cháy thống nhất.
- Buồng cháy khoét lõm sâu trên đỉnh piston.
Còn động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu phun gián tiếp thì buồng cháy của
động cơ cũng được chia thành ba loại sau đây:
+ Buồng cháy xoáy lốc.
+ Buồng cháy dự bị.
+ Buồng cháy khơng khí.

d

D

a

d
D

b

c

d

e

Hình 2.4: Các kiểu buồng đốt của động cơ Diesel.
a . Buồng cháy xoáy lốc. b . Buồng cháy thống nhất.
d . Buồng cháy kiểu man.

c . Buồng cháy dự bị.

e. Buồng cháy có đỉnh khoét sâu.

Quá trình hình thành hỗn hợp của động cơ Diesel chỉ chiếm một thời gian
nhỏ do đặc điểm kết cấu của động cơ và hình thành hỗn hợp nhiên liệu là hỗn hợp
khơng đồng nhất. Vì vậy q trình hình thành hỗn hợp là một quá trình rất phức tạp
và diễn ra ở nhiều giai đoạn khác nhau.
Hơn nữa quá trình bay hơi của các hạt nhiên liệu rất phức tạp, điều kiện cho
việc bay hơi của các hạt nhiên liệu ở mỗi vị trí của chùm tia là khác nhau do đó việc
tính tốn là rất phức tạp và chỉ mang tính gần đúng. Nhiên liệu phun vào buồng

cháy có đường kính khác nhau mà sự sấy nóng và bay hơi của các hạt nhiên liệu lại
phụ thuộc rất nhiều vào đường kính, nhiệt độ, áp suất của các hạt nhiên liệu phun
vào. Ngồi ra cịn phụ thuộc vào tính chất vật lý của nhiên liệu. Thời gian để bay
hơi hoàn toàn các hạt nhiên liệu trong xylanh động cơ phụ thuộc vào áp suất, nhiệt
độ ở thời điểm phun. Khi tăng áp suất khơng khí nạp sẽ ảnh hưởng mạnh tới sự bay

19


hơi bởi vì áp suất và nhiệt độ của khơng khí cuối q trình nén sẽ tăng. Sự xốy lốc
mạnh của khơng khí nạp trong buồng cháy cũng có tác dụng nâng cao cường độ và
tốc độ bay hơi của nhiên liệu.
Q trình hình thành hồ khí tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nhưng
chủ yếu là phụ thuộc vào kết cấu của buồng cháy trong động cơ.
Đối với động cơ Diesel có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy
trong động cơ, trong các yếu tố đó có nhiều yếu tố thuộc khâu kết cấu, thiết kế
buồng cháy, kết cấu đường ống nạp... và có nhiều yếu tố phụ thuộc vào chế độ hoạt
động của động cơ như : Số vòng quay, thời điểm phun, lượng phun....
Khả năng làm việc tối ưu của động cơ Diesel phụ thuộc chủ yếu vào 2 yếu tố
điều chỉnh cơ bản là : Lượng nhiên liệu phun vào động cơ và thời điểm phun. Cả hai
thông số điều chỉnh cơ bản này đều được điều chỉnh bởi bộ điều khiển điện tử trên
cơ sở xử lý các thông tin đầu vào như : Số vòng quay, chế độ tải trọng động cơ,
nhiệt độ nước làm mát... Nói chung có nhiều bộ xử lý điều khiển nhiều hệ thống
khác nhau lắp trên ô tô. Tuy nhiên bộ xử lý nào cũng hoạt động theo nguyên lý thu
thập thông tin dựa vào điều kiện làm việc của hệ thống và trên cơ sở đó điều khiển
các cơ cấu chấp hành theo cách mà người thiết kế mong muốn. Khuynh hướng hiện
nay vẫn tập trung vào việc nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp cháy trong động cơ
Diesel nhằm mục đích nâng cao công suất, tiết kiệm nhiên liệu, giảm chất độc hại
trong khí thải.

20


CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU TRÊN
ĐỘNG CƠ SKYACTIV-D
3.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ SKYACTIV-D.
3.1.1 Giới thiệu về động cơ.
Cơng nghệ "SKYACTIV" của Mazda có nhiệm vụ phát huy tối đa tiềm năng
của động cơ đốt trong trước khi phải tận dụng công nghệ động cơ điện. Cũng vì lý
do này, trong khi những nhà sản xuất ơ tô khác phát triển xe EV và Hybrid, Mazda
tập trung vào việc phát triển những công nghệ độc đáo nhằm phát huy tiềm năng
của động cơ đốt trong.

Hình 3.1: Động cơ Mazda Skyactiv.
Theo Mazda, mặc dù đã liên tục được cải tiến hàng trăm năm qua, nhưng
động cơ đốt trong hiện nay chỉ mới tận dụng được từ 20% đến 30% năng lượng hàm
chứa trong nhiên liệu để biến thành động năng vận hành các bánh xe. Phần còn lại
hoặc không được đốt trọn vẹn hoặc bị mất đi một cách vơ ích dưới dạng nhiệt
năng.Cơng nghệ "SKYACTIV" của Mazda có nhiệm vụ phát huy tối đa tiềm năng
của động cơ đốt trong trước khi phải tận dụng công nghệ động cơ điện. Cũng vì lý
do này, trong khi những nhà sản xuất ô tô khác phát triển xe EV và Hybrid, Mazda
tập trung vào việc phát triển những công nghệ độc đáo nhằm phát huy tiềm năng
của động cơ đốt trong.

21


Các công nghệ then chốt tạo nên sự khác biệt của động cơ SKYACTIV-D so
với các động cớ Diesel thông thường khác.
Các tính năng của động cơ SKYACTIV-D:

 Hiệu suất nhiên liệu 20% tốt hơn nhờ tỉ lệ nén thấp 14.0: 1.

Một bộ tăng áp hai giai đoạn mới thực hiện êm dịu và điều khiển ở tốc độ
động cơ thấp tới cao, làm tăng mô men xoắn động cơ (lên đến 5.200 Rpm). Phù hợp
với các quy định về phát thải khí thải tồn cầu (Euro 6 ở châu Âu và Quy định mới
về dài hạn ở Nhật Bản), mà không cần xử lý NOx đắt tiền.
 Nguyên nhân sinh ra NOx và bồ hóng

Do thực tế rằng động cơ Diesel thường có tỷ số nén cao, nhiệt độ nén và áp
suất ở điểm chết trên của piston (TDC) rất cao.Nếu nhiên liệu được bơm vào dưới
những điều kiện này, sự cháy sẽ diễn ra trước khi một hỗn hợp khơng khí-nhiên liệu
được hình thành, gây ra sự cháy cục bộ không đồng nhất trong buồng đốt. Kết quả
là việc hình thành NOx, và do sự cháy với oxy khơng đủ, hình thành nên bồ hóng
trong buồng đốt .

22


Hình 3.2 : Q trình hình thành bồ hóng và NOx.
Do các quy định nghiêm ngặt về giảm thiểu khí thải gần đây (EURO 6) đã
gây ra khó khăn cho q trình đốt cháy nhiên liệu (do nhiên liệu hịa trộn chưa đều
và sinh ra nhiều khí thải độc hại). Khơng cịn lựa chọn nào khác ngồi việc trì hỗn
q trình đốt cháy cho đến khi piston bắt đầu đi xuống và làm thấp áp suất và nhiệt
độ trong xi-lanh, mặc dù đây là nguyên nhân làm xấu đi tính kinh tế nhiên liệu.
 Tối ưu hóa thời gian đốt cháy bằng cách giảm tỷ lệ nén

Khi tỷ số nén được hạ xuống, nhiệt độ nén và áp suất nén tại điểm chết trên
giảm, làm ảnh hưởng đến quá trình đốt cháy nhiên liệu ngay cả khi nhiên liệu được
phun gần TDC. Do tỷ số nén thấp nên quá trình cháy nhiên liệu sẽ diễn ra dài hơn
và nhiên liệu sẽ được hòa trộn tốt hơn (tối ưu hơn) so với động cơ có tỷ số nén

cao. Điều này làm giảm bớt sự hình thành NOx và bồ hóng vì q trình đốt cháy trở
nên đồng nhất hơn mà khơng xuất hiện nơi có nhiệt độ cao cục bộ và thiếu oxy. Hơn
nữa, việc phun và đốt gần TDC tạo ra một động cơ Diesel hiệu suất cao, trong đó
chu trình cơng tác diễn ra dài hơn (hoặc một tỷ lệ giãn nở cao hơn) so với động cơ
Diesel có tỷ số nén cao và đồng thời không gây ra kích nổ cho động cơ.

23


Hình 3.3 : So sánh quá trình phun nhiên liệu giữa Skyactiv-D.
 Giảm trọng lượng và ma sát cơ học do giảm tỷ lệ nén

Do tỷ lệ nén thấp, áp suất trong xi lanh của SKYACTIV-D thấp hơn động cơ
Diesel thông thường, giảm trọng lượng đáng kể thông qua việc tối ưu hóa cấu trúc.
Ví dụ, có thể thay đổi vật liệu của khối xi lanh bằng nhôm, giảm được khối
lượng so với động cơ Diesel thông thường. Đầu xi lanh trở nên nhẹ hơn với bề dày
động cơ mỏng, gọn hơn và một ống xả tích hợp. Đối với các bộ phận lồi, trọng
lượng của piston đã giảm khá nhiều.
Trục khuỷu đã có đường kính cổ trục chính giảm. Kết quả là, ma sát cơ học
đã giảm đáng kể đến mức bằng với động cơ xăng trung bình.

24


Hình 3.4 : Đồ thị so sánh tỉ số nén của động cơ SKYACTIV-D
và động cơ Diesel thường.
Có hai vấn đề chính đã ngăn sự phát triển của động cơ Diesel tỉ số nén thấp bất
kể những thành tích này. Thứ nhất là khi áp suất nén giảm, nhiệt độ nén trong quá trình
khởi động lạnh là quá thấp để gây ra sự cháy, làm động cơ khó khởi động. Thứ hai
động cơ bị tắt trong quá trình khởi động do thiếu nhiệt độ và áp suất nén.

Và công nghệ SKYACTIV-D ra đời đảm bảo khả năng khởi động lạnh và
ngăn ngừa sự tắt trong suốt q trình làm nóng
 Sự hình thành hỗn hợp cháy với kim phun lớp tinh thể (piezo).

Các kim phun mới cho phép kim phun hoạt động nhiều kiểu phun hơn vào
động cơ theo từng chế độ tải của xe (tối đa là 8 lần phun trong 1 chu kỳ động cơ).
Độ chính xác của liều lượng phun và thời gian phun làm tăng tính chính xác của
việc kiểm sốt nồng độ hỗn hợp, đảm bảo khả năng khởi động lạnh. Các kim phun
này có khả năng phun nhiều lần vào buồng đốt trong 1 chu kỳ cháy. Cùng với ba lần
phun cơ bản: phun trước, phun chính, và phun sau, các kiểu phun khác nhau sẽ
được đặt theo điều kiện xe chạy ở mỗi chế độ khác nhau. Động cơ có thể bắt đầu
khởi động ngay cả với tỷ lệ nén thấp là do việc điều khiển phun chính xác cũng như
việc chấp nhận các pugi xông.

25