MỤC LỤC

Nội dung                                                                                               Trang

LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................. 4

Chương I. Lịch sử phát triển của động cơ đốt trong.............................................. 6

Chương II. Các hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel.......................................10

I. Nhiệm vụ - yêu cầu - phân loại............................................................................. 10

   I.1. Nhiệm vụ.......................................................................................................... 10

   I.2. Yêu cầu............................................................................................................ 10

       I.3. Phân loại........................................................................................................... 10

    II. Các hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel............................................................. 11

        II.1. Hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel sử dụng bơm piston tự do.......... 11 

            II.1.1. Sơ đồ kết cấu và nguyên lý hoạt động của liên hiệp động cơ piston   

            tự do - tua bin khí..................................................................................... 11

       1. Sơ đồ kết cấu.....................................................................................11

       2. Nguyên lý hoạt động của piston tự do..................................................... 12

        II.1.2. Những ưu - nhược điểm và phạm vi ứng dụng của hệ thống cung cấp   

         nhiên liệu điezel sử dụng bơm piston tự do.................................................12

           1. Ưu điểm..................................................................................................... 12

       2. Nhược điểm............................................................................................... 13

       3. Phạm vi sử dụng........................................................................................ 13

    II.2. Hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel sử dụng bơm Vanken....................... 14

    II.2.1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động.................................................. 14

       1. Sơ đồ cấu tạo............................................................................................. 14

       2. Nguyên lý hoạt động................................................................................. 15

    II. 2.2. Những ưu - nhược điểm và phạm vi ứng dụng của hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel sử dụng bơm Vanken..................................................................................................... 15

       1. Ưu điểm..................................................................................................... 15

           2. Nhược điểm............................................................................................... 16

       3. Phạm vi ứng dụng...................................................................................... 16

II.3. Hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel sử dụng bơm cao áp thẳng hàng...... 16

.... II.3.1. Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel sử dụng bơm cao áp thẳng hàng………………………………………………………………17

    II.3.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống....................................................... 17

    II.3.3. Kết cấu và nguyên lý hoạt động một số chi tiết trong hệ thống........ 18

           1. Bơm cao áp thẳng hàng............................................................................. 18

       2. Vòi phun.................................................................................................... 22

    II.3.4. Những ưu - nhược điểm và phạm vi ứng dụng của hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel sử dụng bơm cao áp thẳng hàng.................................................................................... 26

       1. Ưu điểm..................................................................................................... 26

           2. Nhược điểm............................................................................................... 27

           3. Phạm vi ứng dụng...................................................................................... 27

     II.4. Hệ thống nhiên liệu điezel sử dụng bơm cao áp phân phối...................... 27

        II.4.1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống............................ 27

           1. Sơ đồ cấu tạo............................................................................................. 27

       2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống.......................................................... 28

    II.4.2. Kết cấu và nguyên lý hoạt động một số chi tiết chính trong hệ thống29

       1. Sơ đồ cấu tạo............................................................................................. 29

           2. Nguyên lý hoạt động của bơm cao áp phân phối..................................... 30

    II.4.3. Những ưu - nhược điểm và phạm vi ứng dụng của hệ thống cung    

    cấp nhiên liệu điezel sử dụng bơm cao áp phân phối………………..35

       1. Ưu điểm..................................................................................................... 35

                2. Nhược điểm............................................................................................... 35

        3. Phạm vi ứng dụng..................................................................................... 35

   II.5. Hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel sử dụng bơm - vòi phun liền

           khối............................................................................................................35

             II.5.1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống........................... 35

        1. Sơ đồ cấu tạo............................................................................................ 36

        2. Nguyên lý hoạt động ............................................................................... 36

   II.5.2. Kết cấu và nguyên lý hoạt động một số chi tiết chính trong hệ

              thống....................................................................................................36

            1. Bơm vòi - phun liền khối dẫn động bằng cơ khí điều khiển điện tử

               ............................................................................................................36

             2. Bơm chuyển nhiên liệu........................................................................... 39

         II.5.3. Ưu - nhược điểm và phạm vi ứng dụng của hệ thống nhiên liệu

              điezel sử dụng bơm - vòi phun liền khối………………………………39

                 1. Ưu - nhược điểm………………………………………………….40

                 2. Phạm vi ứng dụng…………………………………………………41

         II.6. Hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel Common Rail………………….41

             II.6.1. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu Common Rail……………………….42

             II.6.2. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động …………………………………..42

                   1. Sơ đồ nguyên lý…………………………………………………..42

                  2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống……………………………….43

             II.6.3. Ưu - nhược điểm và phạm vi ứng dụng của hệ thống nhiên liệu

             Common Rail …………………………………………………………..43

                   1. Ưu điểm…………………………………………………………..43

                  2. Nhược điểm………………………………………………………44

                  3. Phạm vi ứng dụng………………………………………………..44

Chương III. Hệ thống nhiên liệu Common Rail................................................... 45

      III.1. Khái quát về hệ thống................................................................................ 45

  III.2. Đặc tính phun............................................................................................. 46

           III.3. Chức năng chống ô nhiễm........................................................................ 49

  III.4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các bộ phận trong hệ thống........... 51

....  III.4.1. Mạch nhiên liệu thấp áp..................................................................... 51

....      1. Bình chứa nhiên liệu.............................................................................. 51

              2. Đường nhiên liệu áp suất thấp............................................................... 51

                  3. Bơm tiếp vận (bơm nhiên liệu thứ cấp)................................................. 51

....      4. Lọc nhiên liệu........................................................................................ 52

....  III.4.2. Mạch nhiên liệu cao áp...................................................................... 52

          1. Bơm cao áp............................................................................................. 52

....        2. Van điều khiển áp suất......................................................................... 55

....        3. Ống tích áp........................................................................................... 56

....        4. Vòi phun............................................................................................... 57

            5. Đường ống dẫn nhiên liệu áp suất cao................................................ 60

            6. Cảm biến áp suất.................................................................................. 60

....        7. Van giới hạn áp suất............................................................................. 61

....        8. Van hạn chế dòng chảy........................................................................ 62

KẾT LUẬN.................................................................................................................... 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 65

Lời nói đầu

Những năm gần đây, với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế cùng với những tiến bộ khoa học kỹ thuật tiên tiến, đã làm cho nền công nghiệp nói chung và đặc biệt là lĩnh vực công nghiệp ô tô nói riêng đã có những bước phát triển nhảy vọt. Cùng với sự phát triển đó thì ô tô trở thành là một trong những phương tiện giao thông không thể thiếu đối với nền kinh tế và đời sống xã hội. Ở Việt Nam với nền kinh tế đang phát triển theo xu hướng mở cửa và hội nhập nên cũng không nằm ngoài xu thế chung đó. Vì thế số lượng ô tô hiện đại đang được lưu hành ở nước ta ngày một tăng với tốc độ chóng mặt. Các loại ô tô này đều được cải tiến theo hướng tăng công suất, tốc độ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu, điện tử hóa quá trình điều khiển và hạn chế mức thấp nhất thành phần trong khí xả động cơ.

            Hiện nay việc ứng dụng công nghệ điện tử và tin học vào lĩnh vực ô tô ngày càng nhiều. Hầu hết các hệ thống trên ô tô hiện nay đều có hệ thống điều khiển điện tử. Hệ thống nhiên liệu của động cơ cũng không nằm ngoài số đó. Kể từ khi ra đời đến nay hệ thống nhiên liệu điezel đã có rất nhiều cải tiến. Từ hệ thống nhiên liệu điezel sử dụng bơm cao áp thẳng hàng ban đầu, ngày nay người ta đã đưa ra nhiều hệ thống nhiên liệu điezel kết hợp điều khiển điện tử như: HEUI, Common Rail…Hệ thống Common Rail đã vượt lên trên những hạn chế của những hệ thống nhiên liệu điezel truyền thống, đảm bảo động cơ hoạt động êm dịu và tiết kiệm nhiên liệu, giảm độ độc hại của khí thải và lượng nhiên liệu tiêu thụ đồng thời tăng tính an toàn sự thoải mái và tiện nghi. Vì vậy tuy chỉ mới ra đời nhưng nó đã được ứng dụng rộng rãi trên các loại phương tiện vận tải.

            Việc nghiên cứu ứng dụng các thành tựu ngành công nghiệp điện tử nhờ sự giúp đỡ của máy tính để cải thiện quá trình làm việc nhằm đạt hiệu quả cao và chống ô nhiễm môi trường, tối ưu hóa 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 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, nhằm cập nhật hóa kiến thức cho người sử dụng cũng như những ai quan tâm và muốn tìm hiểu về chuyên ngành động cơ ô tô.Giúp cho sinh viên năm cuối củng cố kiến thức tổng hợp và chuyên ngành đã được nhà trường trang bị, làm quen với các phương pháp tư duy như khả năng thu thập thông tin, khả năng tổng hợp thông tin, phân tích, đánh giá...…tạo điều kiện cho sinh viên đi sâu tìm hiểu, nghiên cứu những vấn đề mà chuyên môn đặt ra khi còn ngồi trên ghế nhà trường cũng như khi ra tiếp xúc thực tế. Chính vì vậy em đã chọn đề tài: “ Tìm hiểu hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển điện tử Common Rail ” để làm đồ án tốt nghiệp. Sau hơn ba tháng làm việc với sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong khoa, đặc biệt với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo NGUYỄN NGỌC TÚ em đã hoàn thành được đề tài được giao. Trong quá trình thực hiện đề tài với vốn kiến thức và tài liệu còn hạn chế nên những thiếu sót là điều không tránh khỏi. Vì vậy em kính mong nhận được sự quan tâm góp ý của các thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp để đề tài của em được hoàn thiện hơn.

          Em xin chân thành cảm ơn!

    Vinh, ngày 13 tháng 03 năm 2012.

                                                                                              Sinh viên thực hiện:

  Hoàng Văn Huỳnh.

CHƯƠNG I

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ĐỘNG CƠ ĐIEZEL.

Động cơ điezel được phát minh vào năm 1860 nhờ Rudolf  Điezel người đã tốt nghiệp đại học kỹ thuật ở Munich- Đức với số điểm cao nhất trong lịch sử của trường. Động cơ hoạt động theo nguyên lý tự cháy, ở gần cuối quá trình nén nhiên liệu được phun vào buồng cháy động cơ để hình thành hoà khí rồi tự bốc cháy. Đến năm 1982 thì phát minh này được cấp bằng sáng chế.

Kể từ đó đến nay, nhiều mốc phát triển của động cơ điezel đã được đánh dấu:

-         Năm 1927  Robert  Bosch mới phát triển bơm cao áp.

-         Năm 1930 động cơ piston tự do ra đời.

-         Năm 1936 bơm phun Bosch được lắp cho động cơ điezel trên ôtô thương mại và ôtô khách.

-         Năm 1957 động cơ Vanken ra đời.

Động cơ điezel ra đời sớm nhưng về sự phát triển lại kém hơn động cơ xăng do tồn tại một số hạn chế như: do đặc tính tự bốc cháy của nhiên liệu nên động cơ điezel phải có tỷ số nén lớn dẫn đến khó khởi động và khởi động nặng, chạy không êm, các chi tiết phải được chế tạo cứng vững bền hơn động cơ xăng. Bên cạnh đó khí xả của động cơ điezel có hàm lượng độc hại không bằng động cơ xăng nên áp lực đối với việc phát triển động cơ xăng là lớn hơn. Trong xu thế hiện nay thì dòng xe du lịch chiếm đa số việc bố trí động cơ xăng trên dòng xe này là hợp lý hơn vì nó có kết cấu nhỏ gọn hơn so với động cơ điezel cùng loại.

 Hệ thống nhiên liệu điezel không ngừng được cải tiến với các giải pháp kỹ thuật tối ưu nhất nhằm làm giảm mức độ phát sinh gây ô nhiễm môi trường và suất tiêu hao nhiên liệu. Các nhà nghiên cứu động cơ điezel đã đề ra rất nhiều biện pháp khác nhau về kỹ thuật phun và điều khiển quá trình cháy nhằm làm hạn chế các chất gây ô nhiễm. Các biện pháp chủ yếu tập trung vào giải quyết các vấn đề:

-         Tăng áp suất phun để làm giảm nồng độ bồ hóng do tăng tốc độ hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí.

-         Điều chỉnh dạng quy luật phun theo hướng kết thúc nhanh quá trình phun để làm giảm HC.

-         Có thể chia quá trình phun thành nhiều giai đoạn để quá trình cháy triệt để hơn.

-         Biện pháp luân hồi khí xả.

Hiện nay các nhược điểm đó đã được khắc phục bằng cách cải tiến một số bộ phận của hệ thống nhiên liệu điezel điều khiển điện tử như:

-         Bơm cao áp điều khiển điện tử.

-         Vòi phun điện tử.

-         Ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao(ống Rail).

Năm 1986 Bosch đã tung ra thị trường hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ điezel điều khiển bằng điện tử, được gọi tắt là hệ thống nhiên liệu Common Rail. Hệ thống này phát triển cho đến ngày nay được ứng dụng rộng rãi và ngày càng hoàn thiện. Trong động cơ điezel hiện đại áp suất phun được thực hiện cho mỗi vòi phun một cách riêng rẽ, nhiên liệu áp suất cao được chứa trong ống chứa (ống Rail) hay  còn gọi là “Ắc qui thuỷ lực” và được phân phối đến từng vòi phun theo yêu cầu. So với các hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel thông thường thì hệ thống  Common  Rail điezel đã đáp ứng và giải quyết được các vấn đề:

-         Giảm tối đa mức độ tiếng ồn.

-         Nhiên liệu được phun ra với áp suất cao nhờ kết hợp điều khiển điện tử, áp suất phun có thể đạt tới 1600bar, thời gian phun cực ngắn và tốc độ phun cực nhanh.

-         Thời điểm phun tùy theo chế độ làm việc của động cơ.

-         Tiết kiệm nhiên liệu.

-         Giảm mức ô nhiễm môi trường.

Xu hướng phát triển của hệ thống nhiên liệu điezel hiện nay là:

-         Tăng áp suất phun nhiên liệu cực đại vào xi lanh.

-         Tăng số lần phun.

-         Điều khiển thời điểm phun, lưu lượng phun và số lần phun để tối ưu hoá quá trình cháy từ đó bảo đảm tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ cũng như giảm thiểu phát thải.

Các hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel đang được sử dụng phổ biến là:

-         Hệ thống nhiên liệu điezel sử dụng bơm cao áp thẳng hàng.

-         Hệ thống nhiên liệu điezel sử dụng bơm phân phối.

-         Hệ thống nhiên liệu điezel sử dụng bơm-vòi phun liền khối.

-         Hệ thống nhiên liệu điezel common rail.

v     Tình hình sử dụng động cơ điezel trên thế giới.

Từ khi ra đời cho đến nay thì động cơ điezel cũng đã có những bước phát triển vượt bậc. Bên cạnh những nhược điểm thì động cơ điezel có rất nhiều ưu điểm vượt trội như khả năng tiết kiệm nhiên liệu của chúng nhất là khi giá xăng trên thế giới trở nên quá đắt đỏ thì nhu cầu sử dụng xe có động cơ chạy bằng dầu diesel ngày một tăng cao. Đặc biệt có thể chế tạo những loại động cơ điezel có công suất rất lớn phục vụ trong các lĩnh vực công nghiệp - nông nghiệp và ngư nghiệp. Nhu cầu của thị trường rất lớn mà động cơ xăng không thể đáp ứng được. Nhiều hãng sản xuất đã coi đây là thị trường tiềm năng và đang phát triển mạnh các loại xe – máy lắp động cơ điezel để đáp ứng nhu cầu.

Theo số liệu của các nhà sản xuất, thì châu Âu là thị trường thực dụng nhất và đi tiên phong trong lĩnh vực sử dụng động cơ điezel. Tại châu Âu hiện nay lượng xe sử dụng nhiên liệu điezel đang chiếm 50% thị trường. Tại một vài nước như  Pháp, Đức, Áo, Thụy sỹ, động cơ điezel chiếm thị phần cao hơn động cơ xăng. Nhu cầu giảm tiêu thụ nhiên liệu cũng giúp tăng lượng xe động cơ điezel tại Hoa Kỳ và châu Á trong thời gian qua. Ngay Nhật Bản, với tỷ lệ xe chạy dầu điezel hiện mới chiếm khoảng 3% đến 5% số xe lưu hành, cũng đang trở thành thị trường mục tiêu cho những nhà sản xuất xe động cơ điezel.

Những năm gần đây, với việc áp dụng hàng loạt công nghệ hiện đại như “đa van, phun nhiên liệu trực tiếp và kiểm soát cháy nổ ”, động cơ điezel có những bước phát triển mạnh mẽ và trở thành một đối trọng đáng kể với động cơ xăng truyền thống. Đến nay, động cơ điezel cũng đã được áp dụng các tiêu chuẩn như  Euro1, Euro2, Euro3 và Euro4. Bên cạnh đó với kết quả nỗ lực của các nhà công nghiệp dầu mỏ, hàm lượng lưu huỳnh (một hoá chất độc hại gây nguy hại lớn cho môi trường) có trong nhiên liệu điezel đã được giảm từ 500ppm(phần triệu) xuống 50 ppm vào cuối năm 2004 tại một số quốc gia. Hiện nay tại Nhật Bản nhiên liệu điezel có hàm lượng lưu huỳnh dưới 50ppm đã được cung cấp rộng rãi trên toàn quốc. Với lý do đó, việc áp dụng bộ xúc tác ô xy hoá cao và bộ lọc bụi điezel với khả năng phục hồi liên tục đã trở thành hiện thực.

Hơn nữa, vào năm 2007, nhiên liệu điezel với hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn 10ppm đã được cung cấp. Do vậy, có thể áp dụng công nghệ xúc tác “bẫy” NOx như NSR (NOx Storage Reduction - Bộ xử lý NOx) và DPNR (điezel Particulates  and NOx Reduction - Bộ giảm lượng NOx và Bụi cho động cơ điezel). Điều này sẽ làm cho động cơ điezel trở nên cực kỳ sạch và thân thiện với môi trường, giúp việc sử dụng nó ngày càng thông dụng hơn.

Theo tính toán, xe dùng động cơ điezel tiết kiệm nhiên liệu trung bình từ 25% đến 40% so với động cơ xăng. Dầu điezel được trộn với không khí và nén với áp suất lớn khi phun vào buồng đốt, làm tăng hiệu suất của động cơ, tiết kiệm nhiên liệu do tỷ lệ trộn là tối ưu. Động cơ thế hệ mới còn sử dụng hệ thống turbo tăng áp giúp hoàn thiện quá trình phun nhiên liệu, làm tăng 30% công suất động cơ và giảm mức tiêu hao nhiên liệu.

Ngoài ra, động cơ điezel tạo mômen xoắn lớn, giúp xe có sức kéo mạnh hơn, khả năng leo dốc và vượt địa hình phức tạp cao. Độ bền của động cơ điezel được tăng cường nhờ áp dụng công nghệ mới, làm giá trị bán lại của xe thường cao hơn các dòng xe khác. Những lợi thế trên khiến các xe trang bị động cơ điezel càng ngày càng thu hút được sự quan tâm của người sử dụng trên toàn thế giới.

v     Tình hình sử dụng động cơ điezel tại Việt Nam.

            Trong những năm qua xu hướng sử dụng động cơ điezel ở Việt Nam cũng đang gia tăng mạnh kể cả về số lượng lẫn chủng loại. Theo VAMA (Hiệp hội các nhà sản xuất ôtô ở Việt Nam), xe động cơ điezel hiện chiếm 21,75% thị trường ôtô mới tại Việt Nam (khoảng gần 40.000 chiếc), tăng đáng kể so với năm 2001, khi tỷ lệ này là dưới 10%. Hiện Ford là nhà sản xuất đi tiên phong trong sản xuất và tiêu thụ ôtô gắn động cơ điezel tại Viêt Nam. Năm 2005, riêng xe chạy dầu điezel đã chiếm 90% lượng xe bán ra của dòng Ford Transit, 75% với Ford Everest. Hiện nay xe động cơ dầu điezel của các liên doanh ôtô cũng đang bán khá chạy. Đây chính là minh chứng cho xu thế chuyển sang sử dụng xe động cơ điezel tại Việt Nam. Tại Việt Nam xe – máy lắp động cơ chạy bằng dầu điezel cực kỳ phát huy hiệu quả khi được sử dụng trong kinh doanh, nông nghiệp, ngư nghiệp, xây dựng và khai khoáng.

CHƯƠNG II         

CÁC HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐIEZEL.

I . NHIỆM VỤ  – YÊU CẦU – PHÂN LOẠI.

I.1. Nhiệm vụ:

Hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel cho động cơ có các nhiệm vụ sau:

+ Dự trữ nhiên liệu đảm bảo cho động cơ có thể làm việc liên tục trong một thời gian nhất định, không cần cấp thêm nhiên liệu; lọc sạch nước, tạp chất cơ học lẫn trong nhiên liệu; giúp nhiên liệu chuyển động thông thoáng trong hệ thống.

+ Cung cấp nhiên liệu cho động cơ bảo đảm tốt các yêu cầu sau:

- Lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình phải phù hợp với chế độ làm việc của động cơ.

- Phun nhiên liệu vào đúng thời điểm, đúng quy luật mong muốn.

- Lưu lượng phun nhiên liệu vào xylanh phải đồng đều.

- Phải phun nhiên liệu vào xylanh qua lỗ phun nhỏ với chênh áp phía trước và phía sau lỗ phun lớn để nhiên liệu được xé tơi tốt.

+ 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 và với cường độ và phương hướng chuyển động của môi chất trong buồng cháy để hòa khí được hình thành nhanh và đều.

I.2. Yêu cầu:

            Hệ thống nhiên liệu động cơ điezel phải thỏa mãn các yêu cầu:

            + Hoạt động lâu bền, có độ tin cậy cao.

            + Dễ dàng và thuận tiện trong sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa.

            + Dễ chế tạo, giá thành thấp.

I.3. Phân loại:

Dựa theo đặc điểm cung cấp nhiên liệu được chia làm hai loại:

-         Loại tự chảy: nhiên liệu tự chảy từ thùng chứa đến bơm cao áp khi đó thùng chứa đặt cao hơn bơm cao áp.

-         Loại cưỡng bức: nhiên liệu được bơm hút từ thùng chứa đẩy đến bơm cao áp bằng bơm chuyển nhiên liệu, thùng chứa thường được đặt xa và thấp hơn bơm cao áp.

Dựa theo đặc điểm của hai chi tiết chính trong hệ thống đó là bơm cao áp và vòi phun thì hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ điezel được chia ra làm hai loại sau:

-         Hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu phân bơm: ở loại này bơm cao áp và vòi phun là hai chi tiết riêng biệt và được nối với nhau bằng đường ống dẫn nhiên liệu cao áp.

-         Hệ thống nhiên liệu kiểu bơm phun cao áp: ở lại này chức năng của bơm cao áp và vòi phun được thay thế bằng một thiết bị có nhiều tác dụng được gọi là bơm phun cao áp. Nó thực hiện tất cả các nhiệm vụ cung cấp điều chỉnh và phun nhiên liệu cao áp vào buồng đốt.

II. CÁC HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐIEZEL.

II.1. Hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel sử dụng bơm piston tự do.

            Nguyên lý làm việc của động cơ piston tự do hoàn toàn giống như nguyên lý làm việc của động cơ hai kỳ quét thẳng. Tuy nhiên do piston không liên kết với trục truyền công suất nên được gọi là động cơ piston tự do. Để truyền công suất ra ngoài động cơ piston tự do phải liên hợp với tua bin khí hoặc máy nén khí.

II.1.1. Sơ đồ kết cấu và nguyên lý hoạt động của liên hợp động cơ piston tự do – tua bin khí.

1. Sơ đồ kết cấu:

HìnhII.1 Sơ đồ kết cấu liên hợp động cơ piston tự do – tua bin khí.

1.Vòi phun; 2.Xylanh; 3.Piston; 4.Van; 5. Van khí; 6.Máy nén khí; 7.Khoang đệm; 8.Bình khí; 9.Tua bin khí.

Trên hình ta thấy phần xylanh(2) của động cơ kết cấu hoàn toàn giống như xylanh của động cơ 2 kỳ quét thẳng. Piston(3) có hai bậc, bậc có đường kính lớn làm nhiệm vụ piston của máy nén khí(6) và đệm khí(7). Trong xylanh(2) xảy ra hai quá trình cháy giãn nở như động cơ bình thường. Toàn bộ công của quá trình cháy đều được dùng vào việc nén khí ở hai khoang nén khí(6) – thực chất là một bơm tăng áp kiểu piston. Vì vậy động cơ piston tự do thực chất là một máy sinh khí, cung cấp nguồn năng lượng chứa trong khí thải cho một tua bin khí để tua bin khí này dẫn động các máy móc tiêu thụ công.

2. Nguyên lý vận hành động cơ piston tự do:

Trước khi khởi động, hai piston đối đỉnh 3 được cơ cấu khởi động dịch chuyển ra đến điểm chết ngoài (ĐCN). Cơ cấu khởi động sẽ cấp khí nén có áp suất cao hoặc dùng năng lượng tích lũy của lò xo để đẩy hai piston 3 dịch chuyển rất nhanh từ điểm chết ngoài (ĐCN) vào điểm chết trong (ĐCT). Lúc này không khí trong khoang nén(6) bị nén qua van(4) vào khoang chứa rồi qua lỗ nạp trên xylanh để vào xylanh thực hiện quá trình quét khí. Sau khi piston(3) đóng lỗ nạp và lỗ thải, không khí trong xylanh(2) bị nén, áp suất và nhiệt độ tăng lên như quá trình nén của động cơ thông thường. Khi piston(3) dịch chuyển vào đến điểm chết trong, nhiên liệu từ vòi phun(1) phun vào buồng cháy thực hiện quá trình cháy và giãn nở.

Piston(3) bị đẩy đi ra ĐCN lúc này khoang nén(6) thực hiện quá trình nạp khí qua van khí(5). Van(4) đóng chặt và không khí ở khoang đệm(7) bị nén, áp suất tăng dần, thực hiện quá trình tích năng lượng để thực hiện quá trình hồi vị của piston(3) từ ĐCN vào ĐCT. Gần cuối quá trình giãn nở, piston(3) bên phải mở lỗ thải trước, tiếp theo đó là piston(3) bên trái mở lỗ quét thực hiện quá trình quét và nạp khí vào xylanh. Khí thải được thải vào bình(8) sau đó đi vào tua bin khí(9) để sinh công. Sau khi piston đến ĐCN, dưới tác dụng của khí nén trong khoang đệm(7) hai piston lại chuyển động vào ĐCT, thực hiện một chu trình công tác mới.

II.1.2. Những ưu – nhược điểm và phạm vi ứng dụng của hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel sử dụng bơm piston tự do.

1. Ưu điểm:

Động cơ piston tự do có những ưu điểm sau:

+ Liên hiệp động cơ piston tự do có hiệu suất nhiệt khá cao do sử dụng năng lượng khí thải đưa vào tua bin khí làm việc với nhiệt độ thấp hơn tua bin khí thông thường.

+ Kết cấu tương đối đơn giản, gọn nhẹ. Suất trọng lượng mã lực chỉ thua kém tua bin khí đẳng áp, nhưng hiệu suất lại cao hơn hẳn.

+ Do không có thanh truyền nên piston không chịu lực ngang N. Vì vậy hao mòn của xylanh, piston và xéc măng rất nhỏ, tuổi thọ tăng.

+ Tính cân bằng của liên hợp động cơ piston tự do – tua bin khí rất cao đặc biệt theo phương thẳng đứng do hai piston chuyển động đồng bộ và ngược chiều.

+ Tháo lắp và bảo dưỡng đơn giản, tuổi thọ dài.

+ Liên hợp động cơ piston tự do – bin khí là loại động cơ đa nhiên liệu.

+ Do động cơ piston tự do liên kết với tua bin khí bằng đường ống nên dễ dàng thực hiện các tổ hợp động cơ có công suất lớn.

+ Lưu lượng khí thay đổi dễ dàng bằng cách thay đổi lương nhiên liệu phun vào.

+ Giá thành của liên hiệp động cơ piston tự do – tua bin khí rẻ hơn giá thành của động cơ hai kỳ gần 30%.

2. Nhược điểm:

            Bên cạnh những ưu điểm rất lớn đó thì liên hợp động cơ piston tự do – tua bin khí cũng tồn tại khá nhiều nhược điểm cần khắc phục:

            + Động cơ piston tự do vẫn dùng những chi tiết cơ bản của động cơ điezel, tuy không có thanh truyền trục khuỷu nhưng phải dùng cơ cấu đồng bộ cũng phức tạp.

            + Do hành trình piston thay đổi theo nhiên liệu nên chất lượng quá trình quét thải cũng phụ thuộc vào phụ tải.

            + Do không có bánh đà tích trữ năng lượng quán tính nên khởi động rất khó khăn.

            + Thực hiện quá trình phun nhiên liệu khá phức tạp vì với loại bơm cao áp thông thường khi đến điểm chết trong tốc độ của piston giảm dần, tốc độ quay của trục cơ cấu đồng bộ cũng giảm dần nên làm xấu quá trình phun sương nhiên liệu.

            + Việc tổ hợp nhiều động cơ piston tự do bằng đường ống làm cho tổn thất nhiệt trên đường ống dẫn tăng lên khiến hiệu suất nhiệt giảm.

3. Phạm vi ứng dụng:

            Động cơ piston tự do được liên hợp với tua bin khí để sản xuất máy nén khí lắp ráp trên ô tô, trang bị cho các tàu hải quân, chế tạo máy búa và đầm cóc sử dụng trong xây dựng.

II.2. Hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel sử dụng bơm Vanken.

  Động cơ đốt trong loại piston - rôto quay do Vanken (F. Wankel, người Đức) sáng chế năm 1957. Đặc điểm chính: Piston quay tròn (khác với piston chỉ chuyển động tịnh tiến ở động cơ đốt trong thông thường) làm thành rôto. Rôto quay trong xylanh có dạng đường cong đặc biệt (epitrokhoit). Trục rôto nối cứng với bánh răng lồng trên trục và cùng bánh răng quay quanh bánh răng cố định. Rôto quay trong xylanh làm thay đổi thể tích khoảng không gian gọi là buồng giữa rôto (piston) và xi lanh. Như vậy hoàn toàn không còn cơ cấu phối khí mà vẫn thực hiện được bốn kì nhờ rôto quay trong xylanh. Những vấn đề còn lại như đánh lửa, tạo hỗn hợp cháy, bôi trơn, khởi động không khác động cơ đốt trong kiểu piston bình thường. Trọng lượng và kích thước động cơ Vanken bé hơn động cơ thường cùng công suất đến 2 - 3 lần. Động cơ Vanken đã được sản xuất hàng loạt và dùng cho ô tô, thuyền máy.

II.2.1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt đông.

1. Sơ đồ cấu tạo:

Hình II.2: Nguyên lý hoạt động của động cơ Wankel

    Loại động cơ này có xylanh liên kết với thân giữa, mặt làm việc của xylanh có dạng số 8 (mặt êpitoroceit) rôto có dạng tam giác lồi chuyển động hành tinh quanh tâm xylanh. Chuyển động của rôto truyền qua trục, đường tâm trục trùng với đường tâm xylanh. Các đường thải, nạp đều lắp trên thân giữa. Tỷ số truyền của cặp bánh răng lắp trên rôto và bánh răng trung là 3:2. Vì vậy rôto quay chậm hơn trục lệch tâm 3 lần.

2. Nguyên lý hoạt động:

       Khi trục truyền công suất quay, rôto sẽ chuyển động hành tinh, vừa quay theo trục vừa quay quanh bánh răng trung tâm. Ba đỉnh của rôto luôn tiếp xúc với mặt xylanh tạo thành các khoang công tác riêng biệt, tương đương 3 khoang dung tích xylanh của động cơ thông dụng. Quá trình làm việc của động cơ và chu trình trong mỗi khoang được diễn biến như sau:

       Sự thay đổi dung tích của buồng cháy được tạo thành bởi mặt rôto AC và mặt xylanh của thân giữa. Ở vị trí I, buồng cháy có dung tích nhỏ nhất. Quá trình thải kết thúc, quá trình nạp bắt đầu khi rôto quay theo chiều kim đồng hồ và chuyển động hành tinh quanh bánh răng trung tâm. Dung tích mặt AC tăng dần, quá trình nạp tiến hành đến vị trí VI, dung tích 4 đạt cực đại, quá trình nạp về lý thuyết đã kết thúc nhưng thực ra mặt AC còn thông với đường nạp nên quá trình nạp cũng được nạp thêm (tương đương thời gian đóng muộn của xupap nạp trong động cơ thông dụng).

      Trong khi mặt AC bắt đầu nạp thì mặt AB bắt đầu nén, dung tích khoang 5 nhỏ dần rồi đến khoang 6 rồi khoang 7 là dung tích của buồng cháy, áp suất nén đạt trị số nhất định để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và tiến hành quá trình cháy giãn nở. Dung tích mặt AB tăng dần (khoang 8 rồi khoang 9).

      Cũng trong thời gian mặt AC nạp thì mặt BC (khoang 10) bắt đầu thải như các vị trí khoang 10,11 và 12. Khi rôto quay trọn một vòng thì các mặt AC, AB, BC lại trở về vị trí ban đầu như hình I. Điều dáng chú ý là khi rôto quay trọn một vòng thì trục truyền công suất đã quay được 3 vòng. Như thế là sau mỗi vòng quay của rôto, mỗi mặt của rôto ứng với một dung tích công tác đã tiến hành một chu trình công tác: nạp, nén, cháy giãn nở và thải. Vì vậy mỗi vòng quay của rôto đã 3 lần sinh công, nhưng một vòng quay của rôto lại ứng với 3 vòng quay của trục công suất nên mỗi vòng quay của trục động cơ rôto Vanken có một lần sinh công (tương tự như số lần sinh công của động cơ hai kỳ).

II.2.2.Những ưu – nhược điểm và phạm vi ứng dụng của hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel sử dụng bơm Vanken.

1. Ưu điểm:

            + Động cơ rôto có kết cấu rất đơn giản so với các loại động cơ khác cùng công suất. Nó chỉ có hai chi tiết máy chuyển động quay.

            +Kích thước nhỏ gọn do mỗi mặt cạnh của rôto tương đương với một xylanh của động cơ thông dụng nên động cơ rôto Vanken tương đương với một động cơ có 3 xylanh. Suất trọng lượng mã lực của động cơ rôto rất nhỏ, thường chỉ từ 0,35 ÷ 0,5 kg/ml. Một tiêu chuẩn mà động cơ piston thông thường khó mà đạt được.

            + Tính cân bằng của động cơ rôto Vanken rất cao. Các khối lượng mất cân bằng có thể dùng đối trọng để cân bằng hoàn toàn. Động cơ rôto không tồn tại lực quán tính chuyển động tịnh tiến như động cơ piston. Do đó số vòng quay của động cơ rôto rất cao từ 6000 ÷ 10000 v/ph.

            + Tính kinh tế của động cơ rôto cao do vừa tiêu tốn ít nguyên vật liệu, vừa có áp suất có ích bình quân cao nên suất tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn so với động cơ kiểu piston thông thường khoảng 15 ÷ 20%.

2. Nhược điểm:

            Tuy động cơ rô to có rất nhiều ưu điểm nhưng nó cũng có những nhược điểm khó có thể khắc phục.

            + Gia công các chi tiết rôto và xylanh hết sức khó khăn, phải giải quyết bằng các máy chuyên dùng, điều khiển tự động.

            + Rất khó giải quyết các vấn đề bao kín buồng cháy.

            + Giải quyết vấn đề bôi trơn rôto và xylanh rất khó khăn.

            + Làm mặt rôto rất phức tạp do nhiệt độ phân bố rất không đều trên các mặt của rôto.

            + Ô nhiễm môi trường cao do khí thải.

3. Phạm vi ứng dụng:

Động cơ rôto Vanken được sử dụng chủ yếu để lắp trên ô tô, xe đua, máy phát điện công suất nhỏ và trên thuyền máy.

II.3. Hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel sử dụng bơm cao áp thẳng hàng.

Trên hình II.3 trình bày sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu tương đối đặc trưng cho các động cơ điezel sử dụng bơm cao áp thẳng hàng.

II.3.1. Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel sử dụng bơm cao áp thẳng hàng:

Hình II.3 : Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ điezel

1.Thùng chứa nhiên liệu; 2.Bơm chuyển nhiên liệu; 3.Bầu lọc nhiên liệu; 4.Bơm cao áp; 5.Bộ điều chỉnh góc phun sớ; 6.Bộ điều tốc; 7.Vòi phun; 8 Đường dầu di. 9.Đường dầu hồi.

II.3.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

Khi động cơ làm việc bơm chuyển nhiên liệu(2) làm việc, bơm chuyển nhiên liệu(2) sẽ hút nhiên liệu từ thùng chứa(1) đẩy lên bầu lọc(3) ở đây nhiên liệu được lọc sạch, các cặn bẩn được giữ lại ở đây sau đó nhiên liệu được chuyển đến bơm cao áp(4). Khi nhiên liệu bị nén trong bơm đến áp suất cao nhiên liệu sẽ đi theo đường ống đẩy nhiên liệu cao áp đến vòi phun(7). Vào thời điểm piston đã lên gần điểm chết trên (cuối kì nén đầu kì nổ) khi đó không khí trong xylanh đã bị nén với áp suất lớn (30-40) kg/cm2 và nhiệt độ cao vào khoảng (800-1000)0k thì áp suất nhiên liệu cũng đạt đến giá trị cần thiết (125-175)kg/cm2 để nâng kim phun mở lỗ phun và nhiên liệu được phun ra dưới dạng sương mù và được phân bố đều trong toàn bộ thể tích buồng cháy để hình thành hỗn hợp trong thời gian ngắn, quá trình cháy bắt đầu. Quá trình phun kết thúc khi bơm cao áp ngắt hoàn toàn việc cung cấp nhiên liệu cao áp(khi rãnh thoát trên piston trùng với đường xả trên xylanh). Lượng nhiên liệu thừa trong bơm cao áp, bầu lọc, vòi phun được xả trở về thùng chứa theo các đường ống hồi nhiên liệu về thùng chứa. Biện pháp xả nhiên liệu thừa nói trên là cần thiết vì nó hạn chế quá trình xuất hiện bọt trong nhiên liệu và đồng thời làm mát cho bơm cao áp và vòi phun. Thông thường bọt khí bao gồm không khí và hơi các thành phần nhẹ với nhiệt độ sôi thấp có trong nhiên liệu, với độ đàn hồi cao các bọt khí này có thể làm gián đoạn quá trình cung cấp nhiên liệu nếu như nó lọt vào trong bộ đôi piston – xylanhbơm cao áp hoặc đường ống dẫn cao áp. Để ngăn ngừa hiện tượng này trên nắp bơm cao áp và nắp bầu lọc là nơi có khả năng tích tụ bọt khí do đó người ta bố trí trên nắp bầu lọc và bơm cao áp một vít xả khí.

II.3.3. Kết cấu và nguyên lý hoạt động một số chi tiết chính trong hệ thống:

1. Bơm cao áp thẳng hàng:

Bơm cao áp là chi tiết quan trọng nhất trong hệ thống nhiên liệu của động cơ điezel, nó là thiết bị dùng để cung cấp nhiên liệu có áp suất cao cho vòi phun để phun vào xylanh của động cơ, hoà trộn với không khí thành hỗn hợp thực hiện quá trình cháy giãn nở và sinh công có ích.

a.Cấu tạo chung:

1

8

  5

3

2

4

7

6

Hình II.4 :Cấu tạo bơm cao áp thẳng hàng.

1.Bộ điều tốc; 2.Bơm chuyển nhiên liệu; 3. Cơ cấu phun dầu sớm tự động; 4.Trục cam bơm cao áp; 5.Vít xả không khí; 6.Cửa chặn;  7.Các phân bơm; 8.Vỏ bơm.

Bơm cao áp thẳng hàng hay còn gọi là bơm cao áp dãy do hãng BOSCH sản xuất. Nó là loại bơm dài một dãy cung cấp nhiên liệu cho nhiều xylanh của động cơ, động cơ điezel có bao nhiêu xylanh thì bơm thẳng hàng có bấy nhiêu phân bơm. Các phân bơm được lắp chung trong một vỏ và được điều khiển do một trục cam nằm trong thân bơm với một thanh răng điều khiển tất cả các piston của bơm. Hai đầu bơm có bộ điều tốc và cơ cấu phun sớm, ngoài ra hai bên thành bơm là nơi lắp bơm chuyển nhiên liệu.                                         

b.Cấu tạo một phân bơm:

                                         HìnhII.5 : Cấu tạo của một phân bơm.

1 Đầu nối; 2.Buồng cao áp; 3.Van triệt hồi; 4.Piston bơm cao áp. 5.Thanh răng; 6.Vấu chữ thập; 7.Vòng răng; 8.Ống kẹp đuôi piston; 9.Lò xo bơm; 10.Bulông điều chỉnh; 11. Con đội con lăn; 12.Trục cam; 13.Xylanh bơm cao áp;14.Vỏ bơm; 15.Đế van cao áp.

c.Nguyên lý hoạt động của bơm cao áp thẳng hàng:

a

c

b

Hình II.6 : Nguyên lý làm việc của một phân bơm.

          Quá trình này bao gồm các giai đoạn sau:

          - Quá trình nạp (hình a): Khi cam thôi tác dụng lên con đội piston dịch chuyển đi xuống, dưới tác dụng của lò xo hồi vị van cao áp đóng nên độ chân không trong không gian trên piston tăng lên. khi piston mở lỗ nạp nhiên liệu từ trong buồng nhiên liệu sẽ điền đầy vào trong xylanh bơm, quá trình nạp nhiên liệu vào trong xylanh kéo dài cho đến khi piston đi xuống vị trí thấp nhất.

          - Quá trình nén – phun nhiên liệu (hình b): Khi cam lệch tâm bắt đầu tác dụng vào con đội piston sẽ dịch chuyển lên trên và đồng thời lò xo bị nén lại. Trong giai đoạn này trước khi piston đóng kín lỗ nạp một phần nhiên liệu trong xylanh bị đẩy trở lại qua lỗ nạp. Quá trình nén sẽ bắt đầu khi đỉnh piston đóng kín lỗ nạp khi áp suất nhiên liệu trong xylanh đủ lớn thắng được sức căng của lò xo van cao áp. Áp suất dư của nhiên liệu trong đường ống cao áp nâng van lên phía trên mở cho nhiên liệu trong xylanh đi vào đường ống cao áp tới vòi phun và chính áp suất của nhiên liệu thắng được sức căng của lò xo kim phun mở để phun nhiên liệu vào buồng cháy của động cơ.

          - Kết thúc phun (hình c): Piston tiếp tục đi lên khi rãnh vát (gờ xả của rãnh chéo) mở lỗ xả, do chênh lệch về áp suất nên nhiên liệu từ không gian phía trên đỉnh piston sẽ thoát ra cửa xả do rãnh khoan đứng làm cho áp suất ở đường nhiên liệu giảm xuống đột ngột. Lò xo sẽ đóng van cao áp đồng thời kim phun sẽ đóng lại rất nhanh ngừng cung cấp nhiên liệu cho buồng cháy. Dưới tác dụng của lò xo van cao áp và áp suất dư trong đường ống cao áp làm van cao áp sẽ được đóng kín và vòi phun ngừng làm việc. Kết thúc quá trình phun nhiên liệu piston dịch chuyển xuống dưới và quá trình làm việc được lặp lại như cũ bắt đầu nạp nhiên liệu.

d. Cơ cấu điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình:

Hình II.7 : Cơ cấu xoay piston kiểu thanh xả.

1.Lỗ xả.2. Lỗ hút.3. Thanh răng. 4. Vòng răng.5.Xylanh bơm.6. Piston bơm.  

         Trong bơm cao áp thẳng hàng xylanh được định vị vì vậy điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình cần xoay piston đi một góc tương ứng bởi rãnh xả trên piston có dạng xoắn hoặc chéo, cơ cấu xoay piston trong bơm cao áp thẳng hàng thường sử dụng thanh răng vành răng và ống xoay.

          - Khi muốn tăng lượng nhiên liệu cung cấp thông qua cơ cấu điều khiển thanh răng sẽ di chuyển làm xoay piston về phía tăng hành trình có ích.

          - Khi muốn giảm lượng nhiên liệu cung cấp thông qua cơ cấu điều khiển bằng thanh răng sẽ di chuyển làm xoay piston về  phía giảm hành trình có ích. Hành trình cung cấp nhiên liệu thực sự tính từ vị trí piston đóng lỗ nạp và xả (bắt đầu cung cấp) cho đến khi rãnh chéo trên piston mở lỗ xả (kết thúc cung cấp).

          - Tăng hoặc giảm lượng nhiên liệu cung cấp sẽ làm tăng hoặc giảm tốc độ quay của trục khuỷu động cơ.

e. Cấu tạo bộ đôi xylanh – piston:

          Bộ đôi xylanh – piston là cặp chi tiết quan trọng nhất của bơm cao áp vì vậy nó được chế tạo và lắp ghép với độ chính xác cao (còn có tên gọi là bộ đôi siêu chính xác). Khe hở giữa piston và xylanh nằm tong khoảng 0,005 - 0,0015mm đối với piston có đường kính 8 - 9mm. Độ cứng của các bề mặt không nhỏ hơn 55 - 60 HRC, độ bóng các bề mặt ma sát không nhỏ hơn Rn=11.

         + Cấu tạo xylanh:

         Xylanh là chi tiết hình trụ rỗng, mặt ngoài thường làm hai bậc và được cố định chống xoay bằng vít hoặc chốt định vị. Phần trên của xylanh là nơi bố trí các lỗ nạp và lỗ xả nhiên liệu, kích thước, hình dạng, số lượng và cách bố trí lỗ nạp lỗ xả nhiên liệu tuỳ thuộc vào kết cấu cụ thể của từng bơm.

Hình II.8:  Cấu tạo của xylanh lỗ nạp bằng lỗ xả

1. Lỗ nạp.2. Rãnh đứng.3. Xylanh 4. Piston.5. Lỗ xả.6. Rãnh chéo.

         + Cấu tạo của piston:

Piston có kết cấu hình trụ và được chia làm ba phần:

- Phần đầu của piston: là nơi bố trí các gờ vát (rãnh chéo), rãnh đứng và rãnh tròn với mục đích điều chỉnh lượng nhiên liệu cần cung cấp cho một hành trình. Hình dạng và kích thước các rãnh chéo trên phần đầu piston rất đa dạng.

- Phần thân piston: phần này có nhiệm vụ dẫn hướng và đảm bảo cho piston được bôi trơn tốt hơn, bộ đôi piston – xylanh được bôi trơn bằng chính nhiên liệu điezel đang được cung cấp vào xylanh.

- Phần đuôi piston: là nơi nhận trực tiếp chuyển động từ con đội nơi giá lắp đĩa lò xo dưới của lò xo hồi vị và cơ cấu xoay piston.

Hình II.9:  Các loại piston.

1. Rãnh khởi động. 2. Rãnh đứng. 3. Rãnh chéo. 4. Rãnh tròn

2. Vòi phun.

a. Yêu cầu:

             - Quá trình phun nhiên liệu phải đảm bảo phun tơi dưới dạng sương, áp suất phun phải lớn hình dạng tia phun phải phù hợp với buồng cháy. Vì chất lượng phun nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng động cơ.

- Thời điểm phun và lưu lượng phun nhiên liệu phải phù hợp với từng chế độ tải trọng của động cơ.

- Lượng phun nhiên liệu phải đồng đều với các xylanh.

- Do vòi phun làm việc với áp suất lớn, đầu vòi phun tiếp xúc trực tiếp với khí cháy vì vậy yêu cầu vòi phun phải có độ bền cao, phải được gia công chính xác, phải dễ dàng cho việc sửa chữa thay thế và phải có giá thành thấp.

b. Điều kiện làm việc:

             - Trong quá trình làm việc vòi phun phải làm việc với áp suất cao, với vận tốc dòng nhiên liệu lớn.

 - Chịu va đập mạnh giữa kim phun và đế kim phun.

            - Vòi phun tiếp xúc với khí cháy, nhiệt độ cao, kim bị bó kẹt do muội than, bị tắc lỗ phun.

c.  Phân loại :

            Có nhiều cách phân loại vòi phun nhưng phân loại vòi phun căn cứ vào sự khác biệt tương đối rõ nét về kết cấu. Kim phun và đót kim (hay các thông số của vòi phun thì được chia làm hai loại vòi phun hở và vòi phun kín).

d.  Cấu tạo của vòi phun :

             Cấu tạo của vòi phun cơ bản giống nhau, bao gồm các phần:

          *  Thân vòi phun:

            Trên thân vòi phun có đường dầu vào, đường dầu hồi và vít xả không khí được bố trí ngay tại đai ốc bắt đường dầu vào tuỳ thuộc vào hình dạng và kết cấu của vòi phun mà cách bố trí đường dầu vào và đường dầu hồi khác nhau. Trong thân vòi phun còn có lò xo trụ đẩy ép kim phun đóng kín vào đế của nó ở đầu phun. Đối với một số loại vòi phun còn có vít để điều chỉnh sức căng của lò xo .

         * Đầu phun :

                            a. Vòi phun lỗ tia hở.                  b. Vòi phun lỗ tia kín

Hình II.10 :  Cấu tạo các loại vòi phun

 1.Lỗ nhiên  vào; 2.Thân vòi phun; 3.Đường dẫn nhiên liệu; 4.Tấm chung gian; 5.Đai ốc giữ đót kim phun; 6.Đai ốc bắt ống cao áp; 7.Lưới lọc; 8.Đường nhiên liệu hồi;       9. Căn đệm điều chỉnh; 10.Lò xo kim phun; 11.Ty đẩy; 12.Chốt định vị.

Đầu phun có chứa kim phun và ổ đặt, phần dưới đầu phun có một hay nhiều lỗ tia phun, phần thân đầu phun có gia công lỗ dẫn dầu vào thông với đường dầu vào thân vòi phun.

Thân vòi phun được lắp với vòi phun bằng đai ốc trong phần đầu vòi phun cặp bộ đôi kim phun và đót phun là cặp chi tiết được gia công rất chính xác, độ bóng bề mặt kim phun và bề mặt tiếp xúc giữa phần mặt côn dẫn hướng kim phun và ổ đặt kim phun không nhỏ hơn Ra=12, khe hở giữa các mặt trụ phần dẫn hướng kim phun nằm trong khoảng 0,003 - 0,006 mm độ côn và độ ô van phần trụ không vượt quá 0,001- 0,002 mm.

           Cấu tạo vòi phun lỗ tia kín:

          * Cấu tạo:

Hình II.11:  Cấu tạo vòi phun lỗ tia kín.

1.Đót kim ; 2.Thân kim phun; 3.Phần côn trên; 4.Khoang áp suất; 5.Lỗ phun

          - Đặc điểm cơ bản để nhận biết vòi phun là trên đầu van kim (hay kim phun) có một chốt hình dạng khác biệt. Nếu ta quan sát vòi phun chốt đã lắp hoàn chỉnh ta có thể nhìn thấy một chốt nhỏ nhô ra từ lỗ phun khoảng 0,4 - 0,5 mm.

            - Thân vòi phun được làm bằng khối thép đúc định hình. Trên thân vòi phun có đường dầu vào (đường dẫn nhiên liệu 3), đường dầu hồi(8) và đai ốc(6) dùng để xả không khí. Tuỳ thuộc vào hình dạng và kết cấu của vòi phun mà cách bố trí đường dầu vào và đường dầu hồi khác nhau. Trong thân vòi phun có lò xo trụ(10) đẩy để ép ty đẩy và ty đẩy ép kim phun đóng kín vào đế kim phun(13) và ở phía trên có căn đệm điều chỉnh(9) để điều chỉnh sức căng của lò xo (đối với một số loại vòi phun còn dùng vít để điều chỉnh). Đầu phun(13) có chứa kim phun ổ đặt của kim phun phần dưới đầu phun(13) trong phần đầu vòi phun có đót kim phun là cặp chi tiết được gia công chính xác, độ bóng bề mặt kim phun và các bề mặt tiếp xúc giữa phần côn và phần dẫn hướng kim phun và ổ đặt không nhỏ hơn Ra = 12, khi khe hở giữa các mặt trụ phần dẫn hướng kim phun nằm trong khoảng 0,003 - 0,006 mm, độ côn và độ ô van phần trụ không vượt quá 0,001- 0,002 mm. Các lỗ phun có đường kính nhỏ được bố trí trong núm số lượng đường kính cách bố trí và độ nghiêng của lỗ phun so với đường tâm tuỳ thuộc vào phương pháp hình thành hỗn hợp nhiên liệu, hình dạng buồng cháy và cách bố trí buồng cháy.

            Trong động cơ điezel sử dụng buồng cháy thống nhất không tận dụng được xoáy lốc của dòng không khí thì các vòi phun có thể đến tám lỗ phun và có đường kính 0,2mm, loại buồng cháy có tận dụng xoáy lốc các vòi phun thường chỉ có 2 - 8 lỗ phun và đường kính khoảng 0,4 - 0,6 mm.

           *. Nguyên lý làm việc:

Trong hành trình nén của piston bơm cao áp nhiên liệu từ đường ống cao áp đi vào đường ống dẫn nhiên liệu(3) qua lưới lọc(7) vào khoang áp lực của vòi phun áp lực này sẽ tác dụng lên mặt côn của kim phun nâng kim phun áp lực này lớn hơn áp lực của lò xo(10) đẩy kim phun nâng lên kim phun sẽ mở lỗ phun cho nhiên liệu phun vào một xylanh nào đó ở thời điểm cuối nén đầu nổ.

            Độ nâng kim phun bị giới hạn bởi khoảng cách tối đa giữa mặt phẳng trên phần trụ dẫn hướng của kim phun với mặt phẳng dưới của thân vòi phun để giảm mức độ hao mòn do va đập giữa mặt côn và thân kim phun cũng như đảm bảo độ kín khít lâu dài, độ này thường giới hạn trong khoảng 0,3 - 0,5 mm.

            Khi bơm cao áp kết thúc quá trình cung cấp nhiên liệu vào khoang áp suất của vòi phun do đó áp lực nhiên liệu trong khoang giảm đột ngột, lò xo(10) sẽ đẩy kim phun đi xuống đóng mặt côn của kim phun với đế của vòi phun nhiên liệu ngừng cung cấp cho động cơ. Lượng nhiên liệu rò rỉ qua phần dẫn hướng của kim phun cũng như qua mặt phẳng tiếp xúc giữa bộ đôi kim phun và thân kim phun vào khoang chứa lò xo(10) nhiên liệu sẽ được đưa ra đường dầu hồi số(8) để về thùng chứa.

Cấu tạo vòi phun lỗ tia hở:

            *  Cấu tạo:

 Loại vòi phun này có áp suất phun (150 –180) kg/cm2­ và thường được sử dụng ở động cơ có buồng cháy thống nhất, về cấu tạo chung thì giống như vòi phun có chốt nhưng có sự khác biệt với vòi phun chốt ở chỗ phần đầu kim phun có chốt lại tạo nên một núm ở giữa. Các lỗ phun có đường kính nhỏ lại được bố trí trong núm. Số lượng đường kính cách bố trí và độ nghiêng của các lỗ phun so với đường tâm tuỳ thuộc vào phương pháp hình thành hỗn hợp nhiên liệu, hình dạng và cách bố trí buồng cháy.

Trong các động cơ điezel sử dụng buồng cháy thống nhất không tận dụng buồng cháy xoáy lốc của dòng khí thì vòi phun có thể có đến tám lỗ phun và đường kính khoảng 0,2mm. Loại buồng cháy có tận dụng xoáy lốc thì các vòi phun có từ 2 đến 8 và đường kính khoảng 0,4 - 0,6 mm. Loại  buồng cháy Man các vòi phun có từ 1 đến 2 lỗ phun và đường kính khoảng 0,4 - 0,6 mm.

Hình II.12:  Cấu tạo của kim phun vòi phun kín lỗ tia

1. Thân vòi phun,2. Phần côn trên,3. khoang áp suất ,4. Thân kim phun ,5. Lỗ phun ,6. góc tia phun

*Nguyên lý hoạt động:

            Trong hành trình nén của piston bơm cao áp, nhiên liệu được bơm với áp suất cao và được đưa từ đường ống cao áp vào thân vòi phun. Khi áp lực của nhiên liệu tác dụng lên mặt côn để nâng kim phun lớn hơn áp lực của lò xo, kim phun sẽ bị đẩy lên và làm cho phần côn dưới của kim phun mở lỗ phun cho nhiên liệu phun vào buồng đốt. Vào thời điểm xả nhiên liệu trong bộ đôi bơm cao áp, áp suất nhiên liệu trong buồng áp suất giảm đột ngột, áp lực của lò xo qua trụ đẩy sẽ làm kim phun hạ xuống nhanh. Khi mặt côn dưới cùng áp khít với ổ đặt thì khoang áp suất và lỗ phun hoàn toàn bị ngăn cách. Lượng nhiên liệu bị rò rỉ qua phần dẫn hướng của kim phun cũng như qua mặt phẳng tiếp xúc giữa bộ đôi kim phun và thân vòi phun để bôi trơn và làm mát sau đó qua khoang lò xo và theo đường dầu hồi về thùng chứa nhiên liệu.

II.3.4. Những ưu – nhược điểm và phạm vi ứng dụng của hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel sử dụng bơm cao áp thẳng hàng.

1. Ưu điểm:

           + Hoạt động đạt độ tin cậy cao, dễ bảo dưỡng, sửa chữa và điều chỉnh.

           + Bơm cao áp thẳng hàng được dùng khá phổ biến hiện nay trên các loại xe ôtô, có độ bền của các bộ đôi rất cao.

           + Có thể lắp trên các động cơ nhiền xylanh.

           + Sửa chữa phục hồi cũng đơn giản hơn nhiều so với bơm phân phối.

2. Nhược điểm:

           + Bơm cao áp thẳng hàng điều chỉnh lượng nhiên liệu phun là điều chỉnh bơm có ích của piston, phụ thuộc vào quá trình vận hành của động cơ, vào tốc độ động cơ, nên quá trình hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí chưa tốt, quá trình cháy không đảm bảo, tốn nhiên liệu, rung động lớn và ô nhiễm môi trường.

           + Quá trình chế tạo gặp nhiều khó khăn, chi phí sản xuất cao, làm giá thành của hệ thống nhiên liệu này tăng lên.

           + Kết cấu cồng kềnh vì có nhiều tổ bơm, mỗi xylanh động cơ là một tổ bơm.

           + Về độ chính xác cũng như độ đồng đều giữa các tổ bơm là không bằng bơm phân phối.

3. Phạm vi ứng dụng:

Lĩnh vực áp dụng chính của các loại bơm thẳng hàng là trên các xe tải, máy tĩnh tại, xe lửa và tàu thủy.

II.4. Hệ thống nhiên liệu điezel sử dụng bơm cao áp phân phối.

II.4.1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống:

1. Sơ đồ cấu tạo:

Hình II.13.

2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

            Sau khi đi qua bơm chuyển nhiên liệu và bình lọc(4) nhiên liệu đi vào bơm phiến gạt(9) được nâng lên một áp suất ổn định nhờ van điều chỉnh áp suất(8) sau đó đi vào van điều khiển(11). Nhờ tay đòn(10) điều khiển tiết diện lưu thông trong van(11) mà thay đổi định lượng nhiên liệu nạp, cách định lượng này được gọi là định lượng bằng van tiết lưu trên đường nạp. Lượng nhiên liệu nạp tăng thì hành trình hút của piston(16) sẽ tăng, còn lượng nạp nhỏ sẽ ngược lại. Trong hệ thống còn có thiết bị điều chỉnh góc phun sớm, được điều khiển bằng cách thay đổi vị trí tương đối giữa vành cam và rôto nhờ áp suất dầu phía sau van điều khiển(11). Đặc diểm chính của bơm phân phối là dùng một bộ đôi định lượng duy nhất chung cho mọi xylanh động cơ, một cặp piston – xylanh chính xác để tạo nhiên liệu cao áp và một hệ thống lỗ được phối hợp và chế tạo chính xác để phân phối nhiên liệu nhờ đó có thể đảm bảo độ đồng đều và chính xác về số lượng, thời điểm và quy luật cung cấp nhiên liệu vào xylanh của động cơ. Điều quan trọng cần thực hiện khi sử dụng là phải đảm bảo đồng đều về sức cản thủy lực trên đường cao áp tới vòi phun.

II.4.2. Kết cấu và nguyên lý hoạt động một số chi tiết chính trong hệ thống:

1. Cấu tạo:

Hình II.14:  Cấu tạo bơm cao áp chia VE

1.Trục truyền động; 2.Bơm chuyển nhiên liệu; 3.Bánh răng truyền động; 4.Vòng con lăn; 5.Con lăn; 6.Đĩa cam; 7.Bộ điều khiển phun sớm; 8.Lò xo hồi vị piston; 9.Bạc điều chỉnh nhiên liệu; 10.Xylanh chia; 11.Piston chia; 12.Đầu chia; 13 Chốt M2; 14.Cần khởi động; 15.Cần điều khiển; 16.Vít điều chỉnh toàn tải; 17.Cần hiệu chỉnh; 18. Đường dầu hồi; 19.Vít cữ không tải;  20.Lò xo điều tốc; 21. Vít cữ toàn tải; 22.Cần ga; 23. ống trượt bộ điều tốc; 24. Quả văng; 25. Thân bộ điều tốc

            *. Bơm phân phối gồm: Nắp bơm, thân bơm và đầu chia. Trong đó có các bộ phận chính:

           - Bộ phận truyền chuyển động: Trục truyền động(1), bánh răng truyền động(3), đĩa cam(6), khớp nối trung gian. Nhiệm vụ của bộ phận này là nhận chuyển động quay từ trục khuỷu động cơ để truyền cho piston(11). Mặt khác cùng với con lăn(5), lò xo hồi vị piston(8), khi đĩa cam quay tạo nên chuyển động tịnh tiến cho piston.

            - Bộ phận tạo áp suất cao và phân phối: Piston(11), xylanh chia(10), các đầu phân phối(12). Piston chia vừa quay, vừa chuyển động tịnh tiến để nạp, nén và chia nhiên liệu tới các lỗ chia trên xylanh, qua các đầu phân phối và ống dẫn tới vòi phun.

            - Bộ điều tốc: Được điều khiển bằng cần ga(22), mặt khác chuyển đổi tốc độ động cơ thành lực ly tâm  của các quả văng để tác động vào cần điều khiển. Hợp lực tác dụng của hai thành phần lực này sẽ điều khiển lượng nhiên liệu thông qua bạc điều chỉnh, từ đó định lượng nhiên liệu cung cấp cho xylanh động cơ phù hợp với từng chế độ làm việc.

           - Bộ điều khiển phun sớm hoạt động dựa vào áp suất dầu trong buồng bơm, từ đó làm xoay vòng con lăn cùng hoặc ngược chiều quay của trục truyền động, tức giảm là tăng góc phun  sớm nhiên liệu sao cho phù hợp với tốc độ và trạng thái làm việc của động cơ.

            - Ngoài ra trên bơm chia còn trang bị các bộ phận khác như: Van cắt nhiên liệu, cảm biến tốc độ động cơ, bộ tăng khả năng khởi động lạnh, van điều chỉnh áp suất, đường dầu hồi,…

2. Nguyên lý hoạt động bơm cao áp phân phối:

             - Khi bật khóa điện và động cơ làm việc, thông qua bộ truyền đai, trục cơ dẫn động trục bơm quay. Bơm chuyển nhiên liệu làm việc và hút hiên liệu từ thùng chứa(31) qua bầu lọc(28) được đẩy vào buồng bơm. Một van điều chỉnh áp suất(30) được lắp trên cửa ra của bơm chuyển nhiên liệu, khi áp suất nhiên liệu trong buồng bơm vượt quá giá trị cho phép sẽ đẩy mở van, nhiên liệu dư được đẩy trở lại đường nạp. Đường dầu hồi(20) được lắp trên nắp bơm, thông buồng bơm với thùng nhiên liệu(31) để ổn định nhiệt độ và áp suất buồng bơm, đồng thời thường xuyên tự xả e cho bơm chia. Piston chia(12) vừa chuyển động quay, vừa chuyển động tịnh tiến do đĩa cam(5) truyền tới. Đĩa cam  quay nhờ trục truyền(1) qua khớp nối trung gian, đồng thời các vấu cam  trên đĩa cam sẽ trượt trên các con lăn, cùng với sự tác động của lò xo hồi vị piston tạo nên chuyển động tịnh tiến cho đĩa cam. Chuyển động quay của piston(12) để đóng, mở đường dầu vào khoang cao áp(13), còn chuyển động tịnh tiến để nạp và nén nhiên liệu. Trường hợp nạp nhiên liệu, khi piston đi xuống và rãnh vát trên đầu piston mở cửa nạp, nhiên liệu trong khoang bơm  qua đường nạp, qua rãnh vát của piston chia vào khoang cao áp (13). Trường hợp piston đi lên, sự nén nhiên liệu bắt đầu khi đầu piston đóng cửa nạ (14), tới khi lỗ chia trên piston (9) trùng với một lỗ chia trên xylanh(8), thì nhiên liệu có áp suất cao đẩy mở van triệt hồi(11) vào đường ống cao áp và tới vòi phun(32). Quá trình kết thúc cung cấp nhiên liệu khi bạc điều chỉnh(7) mở cửa xả trên piston, khi đó nhiên liệu từ khoang cao áp(13) được xả tự do trở lại khoang bơm. Lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ được điều khiển bởi bạc điều chỉnh(7) thông qua bộ điều tốc ly tâm  và cần ga(25) sao cho phù hợp với các chế độ khác nhau. Khi tốc độ động cơ tăng, góc phun sớm nhiên liệu được điều chỉnh bằng bộ điều phun sớm(4). Khi muốn tắt máy ta ngắt khóa điện, van điện từ(15) đóng đường nạp nhiên liệu vào khoang cao áp(13).

Hình II.15:  Nguyên lý hoạt động của bơm cao áp phân phối VE.

1.Trục truyền động; 2.Bơm chuyển nhiên liệu; 3.Con lăn và vòng con lăn; 4.Bộ điều khiển phun sớm; 5.Đĩa cam; 6.Lò xo hồi vị piston; 7.Bạcđiều chỉnh nhiên liệu; 8.Rãnh chia; 9.Lỗ chia; 10.Đường dẫn nhiên liệu; 11.Van cao áp; 12.Piston; 13.Khoang cao áp;  14 Cửa nạp;  15.Van điện từ; 16.Cần khởi động; 17.Cần điều khiển; 18.Vít điều chỉnh toàn tải; 19 Cần hiệu chỉnh; 20.Đường dầu hồi; 21.Lò xo không tải; 22.Đòn tắt cắt nhiên liệu bằng cơ khí; 23.ống trượt bộ điều tốc;  24.Lò xo điều tốc;  25.Cần ga; 26. Quả văng; 27.Bánh răng bộ điều tốc; 28.Bầu lọc nhiên liệu; 29.Trục bộ điều tốc; 30. Van điều chỉnh áp suất; 31.Thùng nhiên liệu; 32.Vòi phun.

v         Đầu phân phối - piston và xylanh bơm chia.

      +Đầu bơm chia (hay đầu phân phối):

        Đầu bơm(5) có dạng hình khối, cùng với thân bơm, nắp bơm tạo thành buồng bơm. Trên đó lắp các chi tiết, bộ phận khác như van cắt nhiên liệu, đầu cao áp(6), chốt dẫn hướng lò xo hồi vị piston(15), lò xo hồi vị đòn hiệu chỉnh (vị trí lỗ 8).

        - Đầu bơm(5) được bắt chặt vào thân bơm bằng 4 bulông và vòng làm kín.

        - Bên trong đầu bơm có gia công các rãnh dầu (như rãnh nạp nhiên liệu(8) thông buồng bơm với cửa nạp(7), rãnh chia nhiên liệu(20) từ lỗ chia trên xianh tới đầu cao áp) .

1

2

3

4

5

6

7

9

10

11

12

13

15

16

17

18

19

20

14

8

Hình II.16: Cấu tạo đầu phân phối.

1.Van cao áp; 2.Lò xo van cao áp; 3.Bulông trung tâm; 4.Đai ốc ba cạnh; 5.Đầu bơm; 6. Đầu cao áp; 7.Cửa nạp nhiên liệu; 8.Rãnh nạp nhiên liệu; 9.Lỗ lắp lò xo hồi vị đòn hiệu chỉnh; 10.Xylanh chia; 11.Bạc trượt; 12.Đệm giá đỡ lò xo; 13.Piston; 14.Giá đỡ lò xo; 15.Lò xo hồi vị piston; 16.Đệm lò xo; 17.Đệm điều chỉnh; 18.Chốt dẫn hướng; 19. Lỗ chia trên xylanh; 20.Rãnh chia nhiên liệu.

           + Piston và xylanh chia.

           - Piston chia có cấu tạo hình trụ bậc phần đầu gia công có các rãnh dầu vào (bằng số xylanh động cơ), một lỗ dọc(12), một rãnh chia(4) và một rãnh cân bằng(10). Trong đó lỗ dọc thông với rãnh chia và cửa cắt nhiên liệu.

            -Xylanh chia được ép chặt trong đầu bơm chia, trên đó gia công một lỗ thoát nhiên liệu cho rãnh cân bằng, một lỗ nhiên liệu vào và các lỗ chia (bằng số xylanh động cơ) thông với các rãnh chia nhiên liệu và đầu cao áp lắp trên đầu bơm.

Hình II.17 Cấu tạo piston

1. Đuôi piston; 2. Phần trụ lắp bạc trượt; 3. Cửa cắt nhiên liệu; 4. Rãnh chia nhiên liệu; 5. Rãnh nạp; 6. Lỗ dọc; 7. Rãnh định vị; 8.Vị trí lắp đệm đuôi piston; 9. Rãnh thoát dầu;10 Rãnh cân bằng.

           Hoạt động của piston chia:

          *.Hành trình hút nhiên liệu.

            Trong hành trình piston chia hồi về (từ ĐCT xuống ĐCD ), khi cửa dầu vào (3) trên xylanh trùng với rãnh nạp trên piston (1) thì nhiên liệu đó được nén ở buồng bơm sẽ được đẩy vào khoang cao áp (2) và lỗ dọc với một lượng đủ.

HìnhII.18   Hành trình hút nhiên liệu.

1.Rãnh nạp trên piston; 2.Khoang cao áp; 3.Cửa nạp trên xylanh; 4.Rãnh cân bằng; 5.Xylanh chia; 6.Bạc trượt; 7.Piston chia; 8.Rãnh chia trên piston; 9.Lỗ chia trên xylanh; 10.Lỗ thoát dầu; 11.Rãnh thoát nhiên liệu.

          *. Hành trình nén và cung cấp nhiên liệu:                    

Khi piston chia đổi chiều chuyển động (từ ĐCD lên ĐCT ), nó vừa quay vừa chuyển động tịnh tiến nhờ đĩa cam, mặt ngoài đầu piston sẽ đóng cửa nhiên liệu vào trên xylanh và thực hiện quá trình nén nhiên liệu. Như vậy dầu trong khoang cao áp, lỗ dọc bị nén lại. Piston tiếp tục chuyển động quay và tịnh tiến nén nhiên liệu tới khi lỗ chia trên piston(8) trùng với lỗ chia  trên xylanh(9) thì nhiên liệu có áp suất cao được dẫn tới một đầu cao áp thắng sức căng lò xo đẩy mở van triệt hồi qua ống  cao áp tới vòi phun và phun vào xylanh động cơ.

Hình II.19  Hành trình nén và cung cấp

          *. Hành trình cắt nhiên liệu.

          Piston bơm tiếp tục chuyển động đi lên đến khi bạc trượt(6) mở cửa cắt nhiên liệu(11), nhiên liệu trong khoang cao áp(2) có áp suất cao hơn trong buồng bơm  nên được đẩy ra. áp suất trong khoang cao áp giảm đột ngột van triệt hồi đóng lại nhờ lực lò xo chấm dứt việc cung cấp nhiên liệu.

Hình II.20  Hành trình cắt nhiên liệu

          *. Hành trình cân bằng:

           Tiếp theo việc kết thúc phun nhiên liệu, piston chia sẽ chuyển động tới khi lỗ chia trên xylanh (9) trùng với rãnh cân bằng trên piston thì áp suất nhiên liệu trong đường dẫn( giữa lỗ chia trên xylanh và van triệt hồi) giảm bằng áp suất trong buồng bơm. Hành trình này sẽ cân bằng áp suất nhiên liệu ở cửa chia với mọi vòng quay, đảm bảo việc phun ổn định.

II.4.3. Những ưu – nhược điểm và phạm vi ứng dụng của hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel sử dụng bơm cao áp phân phối.

1.Ưu điểm:

- kết cấu nhỏ gọn chỉ cần một hoặc hai piston là có thể cung cấp nhiên liệu cho rất nhiều xylanh của động cơ.

- Ít ồn, trọng lượng nhẹ hơn.

- Định lượng nhiên liệu chính xác tới các xylanh.

2. Nhược điểm:

            Nó vẫn còn tồn tại những nhược điểm cơ bản của các loại bơm cơ khí là điều chỉnh thời điểm phun, lượng nhiên liệu... bằng cơ khí nên độ chính xác chưa cao. Sau một thời gian làm việc phải cân bơm điều chỉnh lại. Yêu cầu kỹ thuật của bộ đôi piston và xylanh rất cao khó chế tạo, độ bền của bộ đôi tương đối thấp.

3. Phạm vi sử dụng:

Hệ thống nhiên liệu điezel dùng bơm phân phối chủ yếu được sử dụng rộng rãi trên các loại xe khách và xe tải loại nhỏ.

II.5. Hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel sử dụng bơm – vòi phun liền khối.

II.5.1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống:

1. Sơ đồ cấu tạo:

Hình II.21:Sơ đồ cấu tạo HTNL diezel sử dụng bơm – vòi phun liền khối.

1.Thùng nhiên liệu; 2.Bầu lọc sơ cấp; 3.Bầu lọc thứ cấp; 4.Bơm tiếp vận; 5.Mạch nhiên liệu nạp; 6. Bộ bơm – kim phun liền khối; 7.Ống hồi nhiên liệu về.

2. Nguyên lý hoạt động:

            Khi hệ thống hoạt động nhiên liệu trong thùng nhiên liệu(1) được bơm tiếp vận 4 hút lên mạch nhiên liệu nạp(5). Trước khi nhiên liệu vào bơm – vòi phun qua ống dẫn nó được lọc sạch tạp chất, nước và bụi bẩn khi đi qua bầu lọc sơ cấp(2) và bầu lọc thứ cấp(3). Tại bộ bơm – vòi phun liền khối(6) nhiên liệu được nén với áp suất rất cao và được phun trực tiếp vào buồng cháy. Bơm – vòi phun liền khối có thể được dẫn động bằng cơ khí nhờ hệ thống trục cam – đũa đẩy – cần mổ…hoặc cũng có thể dẫn động bằng thủy lực. Thời điểm phun nhiên liệu vào buồng đốt có thể điều khiển bằng cơ khí hoặc điện tử, mỗi xylanh của động cơ được trang bị một bộ bơm – vòi phun liền khối. Nhiên liệu sau khi phun vào xylanh còn thừa sẽ theo đường dầu hồi(7) về thùng chứa để tiếp tục thực hiện chu trình cấp nhiên liệu tiếp theo.

II.5.2. Kết cấu và nguyên lý hoạt động một số chi tiết chính trong hệ thống:

1. Bơm – vòi phun liền khối dẫn động cơ khí điều khiển bằng điện tử.

Hình II.22: Bơm – vòi phun liền khối dẫn động bằng cơ khí điều khiển điện tử

1.Kim phun; 2.Đường nhiên liệu cao áp đến kim phun; 3.Khoang chứa nhiên liệu; 4. Van điện từ; 5.Công tắc điện từ; 6.Giắc nối dây điện của công tắc; 7.Êcu công; 8.Cần bẩy; 9.Cam; 10.Trục cần bẩy; 11.Lò xo; 12.Piston bơm; 13.Lỗ xả nhiên liệu.

             Nguyên lý hoạt động:

Nguyên lý hoạt động của bơm hoàn toàn giống như nguyên lý hoạt động của một tổ bơm của bơm cao áp thẳng hàng. Cụm bơm cao áp – vòi phun điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp bằng van điện từ được sử dụng trong các động cơ điezel có bộ điều khiển điện tử trung tâm ECU. Trong cụm bơm – vòi phun này, piston bơm(12) không có rãnh chéo. Việc điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình được thực hiện nhờ van xả cao áp(4) được dẫn động bằng cơ cấu điện từ(5) nâng lên đóng kín đường nhiên liệu tạo ra độ chân không trong xylanh bơm. Khi piston đi qua mở lỗ nạp và thực hiện bơm nhiên liệu. Nhiên liệu theo đường cao áp xuống khoang nhiên liệu ở đầu vòi phun, đẩy kim phun thắng sức căng lò xo đi lên mở lỗ phun và nhiên liệu được phun vào buồng cháy của động cơ. Quá trình phun tiếp diễn cho tới khi cơ cấu điện từ(5) mở van(4). Lúc này nhiên liệu cao áp thông từ xylanh qua các đường nhiên liệu hồi và thoát qua lỗ xả(13) về khoang nhiên liệu thấp áp, làm áp suất trong khoang nhiên liệu và vòi phun giảm đột ngột, kim phun bị lò xo đẩy xuống đóng kín lỗ phun và quá trình phun nhiên liệu kết thúc.

            Tín hiệu điều khiển cơ cấu điện từ được đưa từ ECU đến công tắc điện từ qua giắc nối. Tín hiệu xung điện điều khiển thời gian đóng van(4) theo tải để ổn định tốc độ động cơ. Nguyên lý xử lý và điều khiển của ECU tương tự như đối với động cơ phun xăng điện tử.

   Cam bắt đầu tác dụng điều khiển phun.                      ECU cấp điện cho van điện từ.                     

Cam tác động ở vị trí cao nhất

Hình II.23: Nguyên lý hoạt động của bơm vòi phun liền khối.

2. Bơm chuyển nhiên liệu:

5

6

7

8

1

2

3

4

11

9

10

7

3

4

L

a. Cấu tạo.

Hình II.24: Bơm chuyển nhiên liệu.

1.Cửa nhiên liệu vào; 2.Đường nhiên liệu vào; 3.Rôto; 4 Stato; 5.Đường nhiên liệu ra; 6 Cửa nhiên liệu ra; 7.Phiến gạt; 8.Thân bơm; 9.Vít bắt chặt; 10.Mặt bích bơm; 11.Buồng bơm .

            - Dọc rôto gia công4 rãnh để lắp phiến gạt. Rôto được nối với trục truyền động bằng then bán nguyệt. Mặt trong của stato được thiết kế lõm với rôto.

- Mặt bích chặn được bắt vào thân bơm chia bởi 2 vít (9), trên nó có một lỗ (L) thông cửa ra của bơm chuyển nhiên liệu với buồng bơm.

            - Từ cửa ra của bơm chuyển nhiên liệu được chia làm hai đường nhiên liệu, một đường vào khoang bơm qua lỗ (L), một đường đến van điều chỉnh áp suất và thông với đường nhiên liệu hồi (khi van mở).

b. Nguyên lý làm việc của bơm chuyển nhiên liệu.

            Khi trục truyền động quay, rôto bơm(3) quay theo, lực ly tâm  làm 4 phiến gạt (7) văng ra và tiếp xúc với mặt trong của stato(4), để tạo ra 4 khoang nhiên liệu có thể tích thay đổi. Tại cửa nạp(1) thể tích khoang lớn nhất, tại cửa ra(6) thể tích khoang nhỏ nhất. Do vậy khi rôto quay sẽ tạo ra độ chân không tại cửa nạp, nhiên liệu được hút vào qua đường nạp và bị nén lại tới của xả (với áp suất nhất định) theo đường xả(5) vào khoang bơm.

II.5.3. Ưu – nhược điểm và phạm vi ứng dụng của hệ thống nhiên liệu điezel sử dụng bơm -  vòi phun liền khối.

1. Ưu điểm – nhược điểm:

Ưu điểm chung lớn nhất của hệ thống nhiên liệu sử dụng bơm – vòi phun liền khối là khắc phục được nhược điểm tổn thất áp suất và quá trình chịu ảnh hưởng giãn nở của hệ thống.

Ngoài ra trong hệ thống nhiên liệu điezel sử dụng bơm – vòi phun liền khối thì hệ thống sử dụng bơm – vòi phun dẫn động thủy lực điều khiển bằng điện tử (HEUI) có những ưu điểm tối ưu và vượt trội nhất.

         - HEUI điều khiển điện tử áp suất phun nhiêu liệu: Khả năng duy nhất này có nghĩa là sự điều khiển áp suất phun độc lập hoàn toàn với tốc độ trục khuỷu. Áp suất phun cao nhất có thể đạt được, dưới điều kiện có lực kéo mạnh và khả năng đạt được gia tốc tốt, cung cấp nhiên liệu tiết kiệm hơn, vận động phản ứng lại tốt hơn và giảm khí thải độc hại.

         - HEUI có vòi phun sử dụng năng lượng thủy lực ( trái ngược với năng lượng cơ học truyền từ trục cam ) từ dầu bôi trơn của động cơ được điều áp cho sự phun. Áp suất đường dầu vào là (800  3300 psi) hay (5,516  22,7535 MPa) hay (54,42  224,49 atm), điều khiển tỉ lệ phun, trong khi lượng nhiên liệu phun được xác định bằng bộ ECM.

         - Hệ thống HEUI tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn hệ thống cơ khí là 2,7% nhiên liệu.

         - Từ việc hoạt động của bơm HEUI không phụ thuộc vào tốc độ động cơ, nó có thể giữ được áp suất phun cao qua phạm vi hoạt động rất rộng. Điều khiển áp suất nhờ điện tử, giúp cho hệ thống cải thiện được lượng khí thải và khả năng hoạt động của động cơ ở tốc độ thấp.

         - Có 3 nhân tố quan trọng dẫn đến sự hoạt động tốt của động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu HEUI là:

   + Tốc độ điều khiển: Tốc độ phun có thể bị điều khiển để khớp với điều kiện hoạt động của động cơ, vì HEUI có bộ thủy lực hoạt động tốt hơn bộ cơ khí thông thường, tốc độ phun của nó không phụ thuộc vào tốc độ động cơ.

   + Điều khiển phun nhiên liệu chính xác: Cả sự bắt đầu và kết thúc phun đều được điều khiển bằng điện. Không giới hạn như bộ phun điều khiển điện cơ khí thông thường, Piston (plunger) của HEUI không dịch chuyển cho đến khi lõi solenoid được kích hoạt.

   + Áp suất phun cao hơn: Áp suất phun được điều khiển trong phạm vi 3000 Psi đến 21000 Psi. Áp suất cao này có giá trị suốt phạm vi hoạt động của toàn bộ động cơ, ở không tải cũng như tải cao hay tốc độ cao của động cơ.

         - Việc phun nhiên liệu được điều khiển bởi bộ ECM ( Electronic Control Module ), bộ ECM hoạt động cực kỳ chính xác, nó tiến hành đo nhiên liệu và điều khiển thời điểm phun hợp lý. Kết quả là làm cho động cơ hoạt động tốt và tính kinh tế phù hợp.

2. Phạm vi ứng dụng:

            Hệ thống nhiên liệu sử dụng bơm – vòi phun liền khối được sử dụng chủ yếu trên một số xe du lịch, xe tải các loại, xe máy công trình và một số động cơ chuyên dùng.

II.6. Hệ thống cung cấp nhiên liệu điezel common rail.

         - Hệ thống common rail là một hệ thống phun áp suất kiểu tích áp. Trong hệ thống này, quá trình tạo ra áp suất và sự phun nhiên liệu hoạt động một cách riêng biệt. Một bơm áp suất cao được đặt nằm trong giữa nhanh chữ V xylanh của động cơ tạo ra lưu lượng dầu cao áp một cách liên tục. Áp suất này được tích tụ đến áp suất cao rồi cung cấp cho các vòi phun của các nhánh xylanh dọc theo các ống vòi phun. Bộ điều khiển động cơ sẽ điều chỉnh số lượng nhiên liệu đi vào trong các buồng cháy và thời điểm phun nhờ các van solenoid nằm trên vòi phun.

 - Một đường ống chung nhiên liệu áp suất cao cung cấp nhiên liệu cho nhiều xylanh bằng các đường ống rẽ nhánh.

   Hệ thống nhiên liệu Common Rail là hệ thống phun kiểu tích áp. Trong hệ thống Common Rail thì việc tạo áp suất và phun nhiên liệu là tách biệt nhau, một bơm cao áp riêng biệt được đặt trong thân máy tạo ra áp suất liên tục. Áp suất này chuyển tới và được tích lại trong đường ống chung cung cấp tới các vòi phun theo thứ tự làm việc của các xylanh. ECU điều khiển lượng nhiên liệu phun và thời điểm phun một cách chính xác bằng cách sử dụng các van điện từ (Solenoid).

II.6.1. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu Common rail:

Hình II.25  : Sơ đồ hệ thống nhiên liệu Common Rail.

1.Vòi phun; 2.Bình tích áp; 3.Bơm chuyển nhiên liệu kiểu bánh răng; 4.Thiết bị làm mát nhiên liệu; 5.Bộ điều chỉnh áp suất cao;  6.Bơm cao áp.                                  

II.6.2. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động:

1. Sơ đồ nguyên lý:

Hình II.26:  Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhiên liệu common rail

1.Thùng màng nhiên liệu; 2.Van an toàn; 3.Vòi phun;  4.Bình tích áp; 5.Van điều chỉnh nhiên liệu áp suất cao; 6.Mạch điều khiển rail nhiên liệu với áp suất cao; 7.Cảm biến áp suất nhiên liệu; 8.Bơm cao áp; 9.Van định lượng nhiên liệu; 11.Bơm bánh răng; 12.Lọc nhiên liệu; 13.Bộ làm mát nhiệt độ bằng nước; 14.Cặp van lưỡng kim sấy nóng nhiên liệu bằng Bimetal; 15.Bộ làm mát nhiên liệu bằng không khí dưới gầm xe; 16.Bơm nhiên liệu thấp áp (kiểu con lăn); 17.Van tràn điều khiển điện từ; 18.Bơm nhiên liệu thấp áp.

 2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống:  

          Nhiên liệu từ thùng chứa được bơm chuyển nhiên liệu thấp áp(18) chuyển vào trong thùng màng cung cấp và được bơm nhiên liệu thấp áp kiểu con lăn(16 ) chuyển từ thùng chứa tới bơm bánh răng(11). Mắc song song với bơm nhiên liệu thấp áp(16) là van tràn điều khiển điện từ(17) có chức năng hoạt động tương tự như van an toàn. Nếu áp suất sau bơm nhiên liệu thấp áp(16) vượt quá giá trị cho phép thì nhiên liệu sẽ qua van trở về thùng chứa. Sau khi qua bầu lọc(12) nhiên liệu được bơm bánh răng chuyển tới bơm cao áp và từ đây nhiên liệu cung cấp cho ống Rail với áp suất rất cao. Nếu áp suất trong ống Rail vượt quá áp suất cho phép thì nhiên liệu không cung cấp cho ống Rail nữa mà theo đường dầu hồi trở về trước bơm bánh răng. Nhiên liệu từ ống Rail được cung cấp cho các thân ống Rail chính với áp suất rất cao vào khoảng 1600 bar và được chia cho các vòi phun phun đúng thời điểm.Nhiên liệu áp cao sẽ đi vào các vòi phun và đi vào ống dẫn nhiên liệu tới khoang chứa nhiên liệu nằm ở trong vòi phun. Dưới sự điều khiển điện qua đầu nối tạo ra sự chênh áp suất nhiên liệu giữa khoang chứa nhiên liệu và khoang piston ở trong vòi phun do sự chênh áp này làm kim phun nâng lên và tiến hành phun nhiên liệu. Tất cả đều được tính toán một cách chính xác và đều được điều khiển bằng ECU thông qua các cảm biến để điều chỉnh lượng nhiên liệu cũng như áp suất phù hợp cho từng chế độ làm việc của động cơ. Lượng nhiên liệu thừa ở mỗi vòi phun sẽ theo đường nhiên liệu hồi trở về thùng nhiên liệu. Trên đường hồi về nhiên liệu được làm mát nhờ thiết bị làm mát bằng nước trước khi đến bộ làm mát bằng không khí, sau đó đường nhiên liệu được chia làm hai đường. Nếu nhiệt độ còn cao nhiên liệu tiếp tục được làm mát bởi không khí trước khi về thùng còn nếu nhiệt độ thích hợp nhiên liệu được đưa trở lại đường nhiên liệu trước bơm bánh răng tiếp tục thực hiện chu trình làm việc tiếp theo.

II.6.3. Ưu điểm – nhược điểm và phạm vi ứng dụng của hệ thống nhiên liệu common rail.

1. Ưu điểm:

- Áp suất phun nhiên liệu có thể được chọn một cách ngẫu nhiên và rất rộng ở khoảng giá trị cho phép lấy trong vùng đặc tính.

 - Áp suất phun cao ngay ở số vòng quay thấp. Áp suất nhiên liệu cao áp được tạo ra và cấp đến ống phân phối, áp suất này lên đến 1600 bar và không phụ thuộc vào tốc độ động cơ hay lượng phun nhiên liệu. Có nghĩa là áp suất phun cao ở mọi chế độ tốc độ.

 - Đặc tính cung cấp nhiên liệu của hệ thống common rail có ưu điểm là áp suất phun nhiên liệu luôn cao kể cả ở tốc độ thấp và vùng tải cục bộ, đồng thời có thể lựa chọn áp suất phun bất kỳ trong vùng đặc tính rất rộng của nó.

- Sự khởi đầu linh hoạt của sự phun nhiên liệu với quá trình phun ban đầu, quá trình phun chính và quá trình phun cuối.

- Có nhiều khả năng cho sự phát triển cho quá trình đốt của động cơ điezel trong tương lai, tạo ra nhiều sự linh hoạt cho việc phun nhiên liệu.

 - Các quá trình xử lý khí thải có thể được kết hợp một cách tối ưu.

 - Khả năng bay hơi cao: Nhiên liệu đi qua những lỗ rất nhỏ của vòi phun làm cho nó trở thành dạng sương mù rất dễ bắt cháy.

            - Phun nhiều lần: Việc chia nhỏ quá trình phun thành 3 giai đoạn cho phép nhiên liệu cháy sạch và cháy êm. Ba giai đoạn đó bao gồm giai đoạn phun mồi, giai đoạn phun chính và phun kết thúc. Chính vì có giai đoạn phun mồi mà động cơ cháy êm hơn.

 - Điều khiển điện tử: Việc sử dụng ECU cho phép điều khiển rất chính xác các thông số phun nhiên liệu như áp suất, thời điểm phun và lượng phun nhiên liệu.

  - Sự bắt đầu phun nhiên liệu cùng với chu trình phun trước phun chính và phun trễ.

2. Nhược điểm:

Ở hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail hầu như không có nhược điểm chỉ có giá thành chế tạo hơi cao hơn so với các hệ thống nhiên liệu khác. Nó ngày càng được sử dụng rộng rãi với những ưu điểm đặc biệt của mình và còn rất nhiều tiềm năng chưa khai thác được hết.

3. Phạm vi ứng dụng:

Phạm vi ứng dụng của hệ thống nhiên liệu common rail là rất rộng rãi. Nó được dùng cho xe du lịch và xe tải nhỏ có công suất đạt đến 30kW/ xylanh cũng như xe tải nặng, xe lửa và tàu thủy có công suất đạt đến 200kW/ xylanh.

            Để thấy rõ được những ưu điểm và hiểu sâu hơn hệ thống nhiên liệu Common Rail chúng ta đi sâu nghiên cứu hệ thống một cách chi tiết.

CHƯƠNG III

HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU COMMON RAIL

III.1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG COMMON RAIL.

* Thế hệ bơm cao áp thẳng hàng đầu tiên được giới thiệu vào năm 1927 (hãng Bosh, Đức) đánh dấu sự khởi đầu của hệ thống nhiên liệu động cơ điezel. Lĩnh vực áp dụng chính của các loại bơm thẳng hàng là trên các xe tải, máy tĩnh tại, xe lửa và tàu thủy.

* Qua nhiều năm với các yêu cầu khác nhau, chẳng hạn như việc lắp đặt động cơ phun nhiên liệu trực tiếp trên các xe tải nhỏ và xe du lịch đã dẫn đến sự phát triển các hệ thống nhiên liệu điezel khác nhau để đáp ứng các đòi hỏi ứng dụng đặc biệt. Điều quan trọng nhất của sự phát triển này không chỉ là việc tăng công suất mà còn là nhu cầu giảm tiêu thụ nhiên liệu, giảm tiếng ồn và khí thải. So với hệ thống cũ dẫn động bằng cam, hệ thống Common Rail khá linh hoạt trong việc đáp ứng thích nghi để điều khiển phun nhiên liệu cho động cơ điezel như:

            + Phạm vi ứng dụng rộng rãi: cho xe du lịch và xe tải nhỏ công suất đạt đến 30 kW/xylanh cũng như xe tải nặng, xe lửa và tàu thủy có công suất đạt đến 200 kW/xylanh.

            + Áp suất phun đạt đến khoảng 1600 bar.

            + Thời điểm phun nhiên liệu có thể thay đổi.

            + Có thể phun thành nhiều giai đoạn: phun sơ khởi, phun chính và phun kết thúc.

            + Thay đổi áp suất tùy theo chế độ hoạt động của động cơ.

Hệ thống Common Rail là một hệ thống thiết kế theo modun bao gồm:

            + Bơm cao áp.

            + Ống tích áp (ống phân phối áp lực cao - ống Common Rail).

            + Kim phun điều khiển bằng van solenoid.

Ngoài ra còn có các thiết bị cùng tham gia vào sự hoạt động của hệ thống:

            + ECU.

            + Các cảm biến: cảm biến tốc độ trục khuỷu, cảm biến vị trí trục cam, cảm biến nhiệt độ động cơ…

Việc tạo ra áp suất và việc phun nhiên liệu hoàn toàn tách biệt với nhau trong hệ thống Common Rail (điều không thường thấy ở các hệ thống nhiên liệu kinh điển). Áp suất phun được tạo ra độc lập với tốc độ động cơ và lượng nhiên liệu phun ra. Lượng nhiên liệu phun ra được quyết định bởi bàn đạp chân ga còn thời điểm phun cũng như áp lực phun được tính toán bằng ECU dựa vào các biểu đồ lưu trong bộ nhớ. Sau đó ECU sẽ điều khiển các kim phun tại mỗi xylanh của động cơ để phun nhiên liệu.

Động cơ Common Rail vận hành nhằm đảm bảo các chức năng:

+ Chức năng chính: điều khiển việc phun nhiên liệu đúng thời điểm, đúng lượng, đúng áp suất đảm bảo động cơ hoạt động êm dịu và tiết kiệm nhiên liệu.

+ Chức năng phụ: tính toán nhằm làm giảm độ độc hại của khí thải và lượng nhiên liệu tiêu thụ đồng thời tăng tính an toàn, sự thoải mái và tiện nghi. Ví dụ như: hệ thống luân hồi khí thải (ERG), điều khiển turbo tăng áp,…

III.2. Đặc tính phun:

Để thấy rõ ưu điểm của hệ thống nhiên liệu Common Rail ta sẽ phân tích đặc tính phun nhiên liệu của hệ thống này so với hệ thống cũ:

                 Hình III.1: Đặc tính phun nhiên liệu của hệ thống Common Rail

Trong hệ thống cũ, việc tạo ra áp suất và cung cấp nhiên liệu sẽ diễn ra song song với nhau bởi cam và piston bơm cao áp (áp suất nhiên liệu có quan hệ đồng biến với tốc độ động cơ → hình vẽ). Điều này có tác động xấu đến đường đặc tính phun như sau:

            + Áp suất phun tăng đồng thời với tốc độ và lượng nhiên liệu được phun.

            + Suốt quá trình phun áp suất phun tăng lên và giảm xuống theo áp lực đóng của kim phun ở cuối quá trình phun.

Hậu quả là:

+ Khi phun với lượng dầu ít thì áp suất phun cũng nhỏ và ngược lại.

+ Áp suất phun ở nđm cao gấp đôi áp suất phun trung bình.

            Hệ thống nhiên liệu Common Rail với đặc tính phun lý tưởng đã đáp ứng được các yêu cầu:

            + Lượng nhiên liệu và áp suất nhiên liệu phun độc lập với nhau trong từng điều kiện hoạt động của động cơ (cho phép dễ đạt được tỉ lệ hỗn hợp Air/Fuel lý tưởng).

            + Lúc bắt đầu phun lượng nhiên liệu phun ra chỉ cần một lượng nhỏ.

            + Phun đạt áp suất cao ngay khi tốc độ động cơ còn thấp.

Các yêu cầu trên đã được thỏa mãn với hệ thống Common Rail, với đặc điểm phun 2 lần: phun sơ khởi và phun chính (thậm chí có thời điểm phun 3 lần).

Về cơ bản kim phun được nối với ống tích áp nhiên liệu bằng một đường ống ngắn, kết hợp với đầu phun và solenoid được cung cấp điện qua ECU. Khi van solenoid không được cấp điện thì kim ngừng phun. Nhờ áp suất phun không đổi, lượng nhiên liệu phun ra tỉ lệ với độ dài xung điều khiển solenoid. Yêu cầu mở nhanh van solenoid 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 cảm biến trục cam để nhận biết kỳ hoạt động.

Quá trình phun 3 giai đoạn của hệ thống nhiên liệu Common Rail được mô tả như sau:

v      Phun sơ khởi (pilot injection):

Phun sơ khởi có thể diễn ra sớm đến 900 trước điểm chết trên. Nếu thời điểm khởi phun xuất hiện nhỏ hơn 400 trước điểm chết trên nhiên liệu có thể bám vào bề mặt của piston và thành xylanh làm loãng dầu bôi trơn. Trong giai đoạn phun sơ khởi một lượng nhỏ nhiên liệu (khoảng 1-4 mm3) được phun vào xylanh để “mồi”. Kết quả là quá trình cháy được cải thiện và đạt được một số hiệu quả sau:

+ Áp suất cuối quá trình nén tăng một ít nhờ vào giai đoạn phun sơ khởi và nhiên liệu cháy một phần. Điều này giúp giảm thời gian cháy trễ, sự tăng đột ngột của áp suất khí cháy và áp suất cực đại (quá trình cháy êm dịu hơn).

+ Kết quả là giảm tiếng ồn của động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và trong nhiều trường hợp giảm được độ độc hại của khí thải. Quá trình phun sơ khởi đóng vai trò gián tiếp trong việc làm tăng công suất của động cơ.

                                    Hình III.2:Đồ thị đóng mở kim phun.

Hình III.3: Đồ thị phun sơ khởi và không phun sơ khởi.

v     Giai đoạn phun chính (main injection):

  Công suất đầu ra của động cơ xuất phát từ giai đoạn phun chính tiếp theo giai đoạn phun sơ khởi. Điều này có nghĩa là giai đoạn phun chính giúp tăng lực kéo của động cơ. Với hệ thống Common Rail áp suất phun vẫn giữ không đổi trong suốt quá trình phun.

v     Giai đoạn phun thứ cấp (secondary injection):

Theo quan điểm xử lý khí thải, phun thứ cấp được áp dụng để đốt cháy NOx. Nó diễn ra ngay sau giai đoạn phun chính và được định để xảy ra trong quá trình giãn nở hay ở kỳ thải khoảng 2000 sau điểm chết trên. Ngược lại với quá trình phun sơ khởi và phun chính, nhiên liệu được phun vào không để đốt cháy mà để bốc hơi nhờ vào sức nóng của khí thải ở ống pô. Trong suốt kỳ thải hỗn hợp khí thải và nhiên liệu được đẩy ra ngoài hệ thống thoát khí thải thông qua xupap thải. Tuy nhiên một phần của nhiên liệu được đưa lại vào buồng đốt thông qua hệ thống luân hồi khí thải EGR và có tác dụng tương tự như chính giai đoạn phun sơ khởi. Khi bộ hóa khử được lắp để làm giảm lượng NOx chúng tận dụng nhiên liệu trong khí thải như là một nhân tố hóa học để làm giảm nồng độ NOx trong khí thải.

III.3. Chức năng chống ô nhiễm:

v     Thành phần hỗn hợp và tác động đến quá trình cháy.

So với động cơ xăng, động cơ điezel đốt cháy nhiên liệu khó bay hơi hơn (nhiệt độ sôi cao hơn), nên việc hòa trộn hỗn hợp không khí chỉ diễn ra trong giai đoạn phun và bắt đầu cháy, mà còn trong suốt quá trình cháy. Kết quả là hỗn hợp kém đồng nhất. Động cơ điezel luôn luôn hoạt động ở chế độ nghèo. Mức tiêu hao nhiên liệu, muội than, CO và HC sẽ tăng nếu không đốt cháy ở chế độ nghèo hợp lý.

Tỉ lệ hòa khí được quyết định dựa vào các thông số:

+ Áp suất phun.

+ Thời gian phun.

+ Kết cấu lỗ tia.

+ Thời điểm phun.

+ Vận tốc dòng khí nạp..

+ Khối lượng không khí nạp.

             Tất cả các đại lượng trên đều ảnh hưởng đến mức độ tiêu hao nhiên liệu và nồng độ khí thải. Nhiệt độ quá trình cháy quá cao và lượng ôxy nhiều sẽ làm tăng lượng NOx, muội than sinh ra hỗn hợp quá nghèo.

v     Hệ thống nạp lại khí thải.

  Khi không có EGR khí NOx sinh ra vượt quá mức qui định về khí thải, ngược lại muội than sinh ra nằm trong giới hạn. EGR là một phương pháp để giảm lượng NOx sinh ra mà không làm tăng nhanh lượng khói đen. Điều này có thể thực hiện rất hiệu quả với hệ thống Common Rail với tỉ lệ hòa khí mong muốn đạt được nhờ vào áp suất phun cao. Với EGR một phần của khí thải được đưa vào đường ống nạp ở chế độ tải nhỏ của động cơ. Điều này không chỉ làm giảm lượng ôxy mà còn làm giảm quá trình cháy ở nhiệt độ cực đại, kết quả làm giảm lượng NOx. Nếu có quá nhiều khí thải được nạp lại (quá 40% thể tích khí nạp) thì khói đen, CO và HC sẽ sinh ra nhiều cũng như tiêu hao nhiên liệu sẽ tăng vì thiếu ôxy.

v     Ảnh hưởng của việc phun nhiên liệu.

  Thời điểm phun, đường đặc tính phun, sự tán nhuyễn của nhiên liệu cũng ảnh hưởng đến tiêu hao nhiên liệu và nồng độ khí thải.

            + Thời điểm phun: Nhờ vào nhiệt độ quá trình thấp hơn phun nhiên liệu trễ làm giảm lượng NOx. Nhưng nếu phun trễ quá thì lượng HC sẽ tăng và tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn và khói đen sinh ra cả ở chế độ lớn. Nếu thời điểm phun lệch đi chỉ 10 khỏi giá trị lý tưởng thì lượng NOx có thể tăng lên 5%. Ngược lại thời điểm phun sớm lệch sớm hơn 20 thì có thể làm áp suất đỉnh tăng thêm 10 bar, trễ đi 20 có thể làm tăng nhiệt độ khí thải thêm 200. Với các yếu tố cực kỳ nhạy cảm nêu trên ECU cần phải điều chỉnh thời điểm phun chính xác tối đa.

            + Đường đặc tính phun: Đường đặc tính phun quy định sự thay đổi lượng nhiên liệu được phun vào trong suốt một chu kỳ phun (từ lúc bắt đầu phun đến lúc dứt phun). Đường đặc tính phun quyết định lượng nhiên liệu phun ra trong suốt giai đoạn cháy trễ (giữa thời điểm bắt đầu phun và bắt đầu cháy). Hơn nữa nó cũng ảnh hưởng đến sự phân phối của nhiên liệu trong buồng đốt và có tác dụng tận dụng hiệu quả của dòng khí nạp. Đường đặc tính phun phải có độ dốc từ từ để nhiên liệu phun ra trong quá trình cháy trễ được giữ ở mức thấp nhất. Nhiên liệu điezel bốc cháy tức thì, ngay khi quá trình cháy bắt đầu gây ra tiếng ồn và sự tạo thành NOx. Đường đặc tính phun không được tán nhuyễn – yếu tố dẫn đến lượng HC cao, khói đen và tăng tiêu hao nhiên liệu suốt giai đoạn cháy cuối cùng của quá trình cháy.

            + Sự tán nhuyễn nhiên liệu: Nhiên liệu được tán nhuyễn tốt thúc đẩy hiệu quả hòa trộn giữa không khí và nhiên liệu. Nó đóng góp vào việc làm giảm lượng HC và khói đen trong khí thải. Với áp suất phun cao và hình dạng hình học tối ưu của lỗ tia phun giúp cho sự tán nhuyễn nhiên liệu tốt hơn. Để ngăn ngừa muội than lượng nhiên liệu phun ra phải được tính toán dựa vào lượng khí nạp vào. Điều này đòi hỏi lượng khí phải nhiều hơn ít nhất từ 10 – 40% (λ=1,1 - 1,4).

III.4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động các bộ phận trong hệ thống.

III.4.1. Mạch nhiên liệu thấp áp.

1. Bình chứa nhiên liệu:

            Bình chứa nhiên liệu phải làm từ vật liệu chống ăn mòn và giữ cho không bị rò rỉ ở áp suất gấp đôi áp suất hoạt động bình thường. Nhiên liệu cũng không được rò rỉ ở cổ nối với bình lọc nhiên liệu hay ở thiết bị bù áp suất khi xe bị rung xóc nhỏ, cũng như khi xe vào cua hoặc dừng hay chạy trên đường dốc. Bình nhiên liệu và động cơ phải nằm cách xa nhau để trong trường hợp tai nạn xảy ra sẽ không có nguy cơ bị cháy.

2. Đường nhiên liệu áp suất thấp:

            Đường nhiên liệu mềm được bọc thép thay thế cho đường ống bằng thép và được dùng trong ống áp suất thấp. Tất cả các bộ phận mang nhiên liệu phải được bảo vệ một lần khỏi tác động của nhiệt độ. Đối với xe buýt đường ống nhiên liệu không được đặt trong không gian của hành khách hay trong cabin của xe.

3. Bơm tiếp vận (bơm nhiên liệu thứ cấp):

           Bơm tiếp vận bao gồm một bơm bằng điện với lọc nhiên liệu hay một bơm bánh răng. Bơm hút nhiên liệu từ bình chứa và tiếp tục đưa đủ lượng nhiên liệu đến bơm cao áp.

Hình III.4:  Bơm bánh răng

1.Đường vào từ bình nhiên liệu; 2.Đường dầu đến bơm cao áp; 3.Vỏ bơm; 4.bánh răng.                                            

4. Lọc nhiên liệu: 

            Một bộ lọc nhiên liệu không thích hợp có thể dẫn đến hư hỏng cho các thành phần của bơm, van phân phối và kim phun. Bộ lọc nhiên liệu làm sạch nhiên liệu trước khi đưa đến bơm cao áp và do đó ngăn ngăn ngừa sự mài mòn nhanh của các chi tiết của bơm.

            Nước lọt vào hệ thống nhiên liệu có thể làm hư hỏng hệ thống ở dạng ăn mòn. Tương tự với hệ thống nhiên liệu khác hệ thống nhiên liệu Common Rail cũng cần một bộ lọc nhiên liệu có bình chứa nước, từ đó nước sẽ được xả ra. Một số xe du lịch lắp động cơ điezel thường có thiết bị cảnh báo bằng đèn khi lượng nước trong bình lọc vượt quá mức.

III.4.2. Mạch nhiên liệu cao áp.

1. Bơm cao áp:

            Bơm cao áp tạo áp lực cho nhiên liệu đến áp suất lên đến 1350 bar. Nhiên liệu được tăng áp này sau đó di chuyển đến bộ điều chỉnh áp suất để ổn định áp suất trước khi đưa đến ống tích áp (Common Rail).

Hình III.5: Cấu tạo bơm cao áp trong hệ thống Common Rail.

1.Đường nhiên liệu tới ống Rail; 2.Đường nhiên liệu từ bơm bánh răng tới; 3.Đường hồi nhiên liệu từ ống Rail; 4.Đường hồi nhiên liệu về bơm bánh răng; 5.Khoang bơm cao áp; 6.Cam lệch tâm; 7.Piston bơm; 8.Lò xo áp suất; 9.Trục dẫn động; 10. Khoang nhiên liệu; 11. Van áp suất.

            Các thông số làm việc của bơm cao áp như sau:

Áp suất cung cấp nhiên liệu cực đại

1350 (bar)

Tốc độ quay trục bơm cao áp

75 ÷ 3000 (vòng/phút)

Lưu lượng bơm

0,5 ÷ 0,7 cm3/1 nhánh bơm.

Năng lượng tiêu thụ khi P=1350 bar

3,8 kW

            Bơm cao áp được lắp đặt tốt nhất ngay trên động cơ như ở hệ thống nhiên liệu của bơm phân phối loại cũ. Nó được dẫn động bằng động cơ (tốc độ quay bằng 1/2 ÷ 1/3 tốc độ động cơ nhưng tối đa không quá 3000 vòng/phút) thông qua khớp nối, bánh răng xích hay dây đai có răng và được bôi trơn bằng chính nhiên liệu nó bơm. Bên trong bơm cao áp nhiên liệu có thể được nén bằng 1pisston, 2 piston đối đỉnh hay 3 piston hướng kính.

Đối với xe du lịch bơm cao áp dạng hướng kính. Áp suất tạo ra độc lập với quá trình phun. Tốc độ bơm cao áp phụ thuộc tốc độ động cơ và ta không thể thay đổi tỉ số truyền. So với hệ thống cũ (việc phân phối nhiên liệu trên thực tế xảy ra đồng bộ) không những kích thước và khối lượng bơm cao áp nhỏ hơn mà hệ thống truyền động còn chịu tải trọng ít hơn.

Sau đây là nguyên tắc làm việc của bơm cao áp bố trí 3 piston hướng kính lệch nhau góc 1200: Do 3 piston bơm hoạt động luân phiên nhau trong một vòng quay nên chỉ làm tăng nhẹ lực cản của bơm dẫn đến ứng suất trên hệ thống dẫn động vẫn giữ đồng bộ. Điều này có nghĩa là hệ thống Common Rail đặt ít tải trọng lên hệ thống truyền động hơn so với hệ thống cũ. Công suất yêu cầu để dẫn động bơm rất nhỏ và tỉ lệ với áp suất trong ống phân phối và tốc độ bơm. Đối với động cơ thể tích 2 lít đang quay ở tốc độ cao thì áp suất trong ống phân phối đạt khoảng 1350 bar, bơm cao áp tiêu thụ 3,8 kW.

Bên trong bơm cao áp khi cam lệch tâm quay (dẫn động cơ khí từ trục khuỷu) sẽ làm cho vòng đệm chuyển động song phẳng đẩy piston thắng sức căng lò xo đưa nhiên liệu qua van xả tới đường bộ điều chỉnh áp suất.

Cụ thể quá trình hút và đẩy nhiên liệu bên trong bơm cao áp được thực hiện như sau: Nhiên liệu từ bơm nhiên liệu thứ cấp qua van hút vào khoang hút của bơm trong hành trình đi xuống của piston. Bơm cao áp (do lực đẩy của lò xo khi cam lệch tâm không tác động). Quá trình nạp nhiên liệu vào bơm kết thúc khi piston nằm ở điểm thấp nhất của hành trình đi xuống. Tiếp đến, trong hành trình đi lên của piston (do cam lệch tâm quay đẩy vòng đệm chuyển động song phẳng tì lên đuôi piston thông qua con đội), nhiên liệu được nén đến áp suất cao (1350 bar) đẩy mở van xả (van cấp) đưa nhiên liệu đến bộ điều chỉnh áp suất. Nhiên liệu tiếp tục được cung cấp đến bộ điều chỉnh áp suất cho đến khi piston lên đến điểm cao nhất rồi đi xuống khiến áp suất khoang nhiên liệu bên trong piston giảm xuống một cách đột ngột. Lúc này van nạp bắt đầu mở bắt đầu một chu trình nạp và cấp nhiên liệu tiếp theo.

Hành trình chuyển động của piston (tịnh tiến lên xuống) cũng như cơ cấu dẫn động nó có nhiều điểm tương đồng với bơm cao áp thẳng hàng (bosch) tuy nhiên trong bơm cao áp Common Rail không có khái niệm “hành trình có ích” như trong bơm cao áp thẳng hàng. Toàn bộ hành trình tịnh tiến từ trên xuống dưới của piston bơm đều thực hiện quá trình hút nhiên liệu vào bơm, toàn bộ hành trình tịnh tiến từ dưới lên của piston bơm đều thực hiện quá trình cấp nhiên liệu đến bộ điều chỉnh áp suất.

HìnhIII.6:nguyên lý hoạt động của một phân bơm

Do bơm cao áp được thiết kế để có thể phân phối lượng nhiên liệu lớn nên lượng nhiên liệu có áp suất cao sẽ thừa trong giai đoạn chạy cầm chừng và tải trung bình. Lượng nhiên liệu thừa này được đưa trở về thùng chứa thông qua van điều khiển áp suất. Nhiên liệu bị nén sẽ nằm trong thùng và gây ra tổn thất năng lượng. Hơn nữa lượng nhiệt tăng lên của nhiên liệu cũng làm giảm đi hiệu quả chung. Ở mức độ nào đó thì tổn thất này có thể được bù bằng cách ngắt bớt một hoặc hai xylanh bơm. Khi một trong ba xylanh bị lại ra sẽ dẫn đến việc giảm lượng nhiên liệu bơm đến ống phân phối. Việc ngắt bỏ được thực hiện bằng cách giữ cho van hút ở trạng thái mở liên tục.

Khi van solenoid dùng để ngắt thành phần bơm được kích hoạt, một chốt gắn với phần ứng sẽ giữ van hút mở ra. Kết quả là nhiên liệu hút vào xylanh này của bơm không thể bị nén được nên nó bị đẩy trở lại mạch áp suất thấp. Với một xylanh bơm bị loại bỏ khi không cần công suất cao thì bơm cao áp không còn cung cấp nhiên liệu liên tục mà cung cấp gián đoạn. Bơm cao áp phân phối lượng nhiên liệu tỉ lệ với tốc độ quay của nó. Và do đó nó là một hàm của tốc độ động cơ. Trong suốt quá trình phun tỉ số truyền được tính sao cho một mặt thì lượng nhiên liệu mà nó cung cấp không quá lớn, mặt khác các yêu cầu về nhiên liệu vẫn còn đáp ứng trong suốt chế độ hoạt động. Tùy theo tốc độ trục khuỷu mà tỉ số truyền hợp lý là 1:2 hoặc 1:3.

2. Van điều khiển áp suất (pressure control valve):

Hình III.7: Van điều khiển áp suất

Van điều khiển áp suất giữ cho nhiên liệu trong ống phân phối có áp suất thích hợp tùy theo tải của động cơ và duy trì ở mức này.

            + Nếu áp suất trong ống quá cao thì van điều khiển áp suất sẽ mở ra và một phần nhiên liệu sẽ trở về bình chứa thông qua đường ống dầu về.

            + Nếu áp suất trong ống quá thấp thì van điều khiển áp suất sẽ đóng lại và ngăn khu vực áp suất cao (high pressure stage) với khu vực áp suất thấp (low pressure stage).

Van điều khiển áp suất được gá lên bơm cao áp hay ống phân phối. Để ngăn cách khu vực áp suất cao với khu vực áp suất thấp, một lõi thép đẩy van bi vào vị trí đóng kín. Có hai lực tác dụng lên lõi thép: lực đẩy xuống dưới bởi lò xo và lực điện từ. Nhằm bôi trơn và giải nhiệt, lõi thép được nhiên liệu bao quanh. Van điều khiển áp suất được điều khiển theo hai vòng:

+ Vòng điều khiển đáp ứng chậm bằng điện dùng để điều chỉnh áp suất trung bình trong ống.

            + Vòng điều khiển đáp ứng nhanh bằng cơ dùng để bù cho sự dao động lớn của áp suất.

 Khi van điều khiển áp suất chưa được cung cấp điện, áp suất cao ở ống hay tại đầu ra của bơm cao áp được đặt lên van điều khiển áp suất một áp suất cao. Khi chưa có lực điện từ, lực của nhiên liệu áp suất cao tác dụng lên lò xo làm cho van mở và duy trì mở tùy thuộc vào lượng nhiên liệu phân phối. Lò xo được thiết kế để có thể chịu được áp suất khoảng 100 bar.

Khi van điều chỉnh áp suất được cấp điện: Nếu áp suất trong mạch áp suất cao tăng lên, lực điện từ sẽ được tạo ra để cộng thêm vào lực của lò xo. Khi đó van sẽ đóng lại và giữ ở trạng thái đóng cho đến khi lực áp suất nhiên liệu ở một phía cân bằng với lực lò xo và lực điện từ ở phía còn lại. Sau đó van sẽ ở trạng thái mở và duy trì một áp suất không đổi. Khi bơm thay đổi lượng nhiên liệu phân phối hay nhiên liệu bị mất đi trong mạch áp suất cao thì được bù lại bằng cách điều chỉnh van đến một độ mở khác. Lực điện tỉ lệ với dòng điện cung cấp trung bình được điều khiển bằng cách thay đổi độ rộng xung (pulse-with-modulation pulse). Tần số xung điện khoảng 1KHz sẽ đủ để ngăn chuyển động ngoài ý muốn của lõi thép và sự thay đổi áp suất trong ống.

3. Ống tích áp (ống phân phối – Common Rail):

Ngay cả khi vòi phun lấy nhiên liệu từ ống tích áp để phun thì áp suất nhiên liệu trong ống vẫn phải không đổi. Điều này được thực hiện nhờ vào sự co giãn của nhiên liệu. Áp suất nhiên liệu được đo bởi cảm biến áp suất trên ống phân phối và được duy trì bởi van điều khiển áp suất nhằm giới hạn áp suất tối đa là 1500 bar.

Ống tích áp dùng để chứa nhiên liệu có áp suất cao. Đồng thời sự dao động của áp suất do bơm cao áp tạo ra sẽ được giảm chấn (damped) bởi thể tích của ống. Ống nhiên liệu áp suất cao này dùng chung cho tất cả các xylanh nên có tên gọi là “đường ống chung” (Common Rail). Ngay cả khi một lượng nhiên liệu bị mất đi khi phun thì ống vẫn duy trì áp suất thực tế bên trong không đổi. Điều này đảm bảo cho áp suất phun của kim không đổi ngay từ khi kim mở.

Hình III.8: Ống tích áp

Để thích hợp với các điều kiện lắp đặt khác nhau trên động cơ, ống phải được thiết kế với nhiều kiểu để phù hợp với bộ hạn chế dòng chảy và dự phòng chỗ để gắn các cảm biến, van điều khiển áp suất, van hạn chế áp suất.

             Thể tích bên trong của ống thường xuyên được điền đầy bằng nhiên liệu có áp suất cao. Khả năng nén của nhiên liệu dưới áp suất cao được tận dụng để tạo hiệu quả tích trữ. Khi nhiên liệu rời khỏi ống để phun ra thì áp suất thực tế trong bộ tích trữ nhiên liệu áp suất cao vẫn được duy trì không đổi. Sự thay đổi áp suất là do bơm cao áp thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp để bù vào phần nhiên liệu vừa phun.

4. Vòi phun:

a. Cấu tạo:

Hình III.9: Vòi phun.

1.Lò xo vòi phun; 2.Van định lượng; 3.Tiết lưu hồi dầu về; 4. Lõi của van điện từ; 5.Đường hồi dầu 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.

Kim phun(14) luôn tì lên đế kim phun nhờ tác động của lực lò xo kim phun(1). Đường dầu cao áp từ ống tích áp theo cửa(8) vào thân bơm thông với hai khoang: khoang phía dưới kim phun (áp lực khoang này tác động lên kim có xu hướng nâng kim phun) và khoang phía trên kim (áp lực khoang này tác động lên kim có xu hướng tì kim lên đế). Khoang phía trên kim được ngăn với đường dầu hồi áp suất thấp bởi một lỗ tiết lưu(2) luôn có van bi(9) tì lên dưới tác dụng của hệ thống lò xo van điện từ. Van điện từ (solenoid) được bố trí phía trên ở trạng thái luôn đóng được dẫn động mở nhờ rơle điện từ(7) và đầu nối cấp điện(6).

b. Nguyên lý hoạt động:

Thời điểm phun và lượng nhiên liệu phun được điều chỉnh bằng cách cho dòng điện đi qua các kim phun. Các kim phun này thay đế kim phun cơ khí. Tương tự như kin phun cơ khí trong các động cơ điezel phun nhiên liệu trực tiếp, các bộ kẹp thường được sử dụng để lắp kim phun vào nắp máy.

+ Kim phun đóng: Đường dầu cao áp ăn thông với hai khoang phía trên và phía dưới kim phun. Thông thường áp suất hai khoang này cân bằng nhau. Ngoài ra nhờ tác động của lò xo kim phun tì lên đế nên nhiên liệu không được giải phóng phun vào buồng cháy. Khoang phía trên kim được ngăn với đường dầu hồi áp suất thấp bởi lỗ tiết lưu nhờ van bi luôn tì lên đế dưới tác dụng của hệ thống lò xo van điện từ. Van điện từ (solenoid) đang ở trạng thái đóng do ECU chưa điều khiển cấp điện đến hút rơ le điện từ.

                                             Hình III.10

+ Kim phun mở (phun nhiên liệu vào buồng cháy): Khi ECU điều khiển cấp điện cho van solenoid theo đúng thời điểm phun nhiên liệu của động cơ, rơ le điện từ hút nhấc ti đẩy của van bi thắng sức căng của lò xo van điện từ, giải phóng áp lực tì van bi lên đế. Lúc này áp suất khoang trên kim phun được giải phóng nên giảm xuống đột ngột. Kết quả xuất hiện độ chênh áp lớn giữa hai khoang phía trên và phía dưới kim phun khiến kim phun bị nhấc lên đột ngột, nhiên liệu được phun với áp suất cao vào trong buồng cháy. Lượng nhiên liệu thừa qua lỗ tiết lưu vào khoang điều khiển van rồi dọc theo thân vòi phun đi lên phía trên hồi về mạch thấp áp.

+ Kết thúc phun: Khi kết thúc phun,không còn điện cấp cho van solenoid dẫn đến lực điện từ bị mất đi và lỗ tiết lưu bị đóng. Trạng thái cân bằng áp suất giữa hai khoang trên và dưới kim phun được thiết lập lại. Kim phun chuyển động xuống tì lên đế kim phun cắt đường nhiên liệu phun vào buồng cháy.

c. Đặc điểm:

+ Van solenoid được cung cấp điện với dòng kích từ lớn để bảo đảm nó mở nhanh. Lực tác dụng bởi van solenoid lớn hơn lực lò xo lỗ xả và làm mở lỗ xả ra. Gần như tức thời dòng điện cao được giảm xuống thành dòng nhỏ hơn chỉ đủ để tạo ra lực điện từ để giữ ti đẩy. Điều này thực hiện được là nhờ khe hở mạch từ bây giờ đã nhỏ hơn. Khi lỗ xả mở ra, nhiên liệu có thể chảy vào buồng điều khiển van vào khoang bên trên nó vào từ đó trở về bình chứa thông qua đường nhiên liệu về. Lỗ xả làm mất cân bằng áp suất nên áp suất trong buồng điều khiển van giảm xuống. Điều này dẫn đến áp suất trong buồng điều khiển van thấp hơn áp suất trong buồng chứa ty kim phun (vẫn còn bằng với áp suất của ống). Áp suất giảm đi trong buồng điều khiển van làm giảm lực tác dụng lên piston điều khiển nên ty kim mở ra và nhiên liệu bắt đầu phun.

+ Tốc độ mở ty kim phun được quyết định bởi sự khác biệt tốc độ dòng chảy giữa lỗ nạp và lỗ xả. Piston điều khiển tiến đến vị trí dừng phía trên nơi mà nó vẫn còn chịu tác dụng của đệm dầu được tạo ra bởi dòng chảy của nhiên liệu giữa lỗ nạp và lỗ xả. Kim phun giờ đây đã mở hoàn toàn, và nhiên liệu được phun vào buồng đốt ở áp suất gần bằng với áp suất trong ống. Lực phân phối trong kim thì tương tự với giai đoạn mở kim.

+ Thiết kế của đầu kim phun được quyết định bởi: việc kiểm soát nhiên liệu phun ra (thời điểm phun và lượng nhiên liệu phun theo góc độ trục cam); việc điều khiển nhiên liệu (số lỗ tia, sự phân phối nhiên liệu trong buồng cháy, mức độ làm kín buồng cháy).

Đầu phun loại P có đường kính 4mm được dùng trong động cơ phun nhiên liệu trực tiếp Common Rail. Những đầu phun này gồm hai loại: Đầu phun lỗ tia hở và đầu phun lỗ tia kín. Lỗ tia phun được định vị dựa vào hình nón phun. Số lượng lỗ tia và đường kính của chúng dựa vào: Lượng nhiên liệu phun ra, hình dạng buồng cháy, sự xoáy lốc. Đối với cả hai loại lỗ tia hở và lỗ tia kín thì phần cạnh của lỗ tia có thể được gia công bằng phương pháp ăn mòn hydro nhằm mục đích ngăn ngừa sự mài mòn và giảm sai lệch dung lượng phun.

Để giảm lượng hydrocacbon thải ra, thể tích nhiên liệu điền đầy ở đầu của ty kim cần thiết phải giữ ở mức nhỏ nhất. Việc này được thực hiện tốt nhất ở loại đầu phun lỗ tia kín. Lỗ tia của loại này được sắp xếp quanh một lỗ bao. Trong trường hợp đỉnh của đầu phun hình tròn, hay tùy thuộc vào thiết kế, lỗ tia được khoan bằng cơ khí hoặc bằng máy phóng điện (EDM – electrical – discharge machine). Lỗ tia với đỉnh của đầu phun hình nón thì luôn được khoan bằng phương pháp EDM. Đầu phun lỗ tia hở có thể dùng với các loại lỗ bao với kích thước khác nhau như lỗ bao hình trụ và hình nón.

+Tín hiệu điều khiển phun nhiên liệu được cung cấp bởi bộ điều khiển  trung tâm ECU  là tín hiệu điện áp dạng xung hình chữ nhật và độ nâng kim phun hoàn toàn phụ thuộc vào dạng xung này, tức là có quy luật tương tự như quy luật của xung điện áp điều khiển.

5. Đường ống dẫn nhiên liệu áp suất cao:

Những đường ống nhiên liệu này mang nhiên liệu áp suất cao. Do đó chúng phải thường xuyên chịu áp suất cực đại của hệ thống và trong suốt quá trình ngưng phun. Vì vậy chúng được chế tạo từ thép ống. Thông thường chúng có đường kính ngoài khoảng 6mm và đường kính trong khoảng 2,4mm. Các đường ống nằm giữa ống phân phối và kim phun phải có chiều dài bằng nhau đảm bảo tổn thất đường ống giữa các nhánh là như nhau. Sự khác biệt chiều dài giữa ống phân phối và các kim phun được bù bằng cách uốn cong ở các đường ống nối. Tuy nhiên đường ống nối này nên được giữ càng ngắn càng tốt.

6. Cảm biến áp suất ống (rail – pressure sensor):

Cảm biến áp suất ống đo áp suất tức thời trong ống phân phối và báo về ECU với đọ chính xác thích hợp và tốc độ đủ nhanh.

Nhiên liệu chảy vào cảm biến áp suất ống thông qua một đầu mở và phần cuối được bịt kín bởi một màng cảm biến. Thành phần chính của cảm biến là một thiết bị bán dẫn được gắn trên màng cảm biến, dùng để chuyển từ áp suất thành tín hiệu điện. Tín hiệu cảm biến tạo ra được đưa vào một mạch khuếch đại tín hiệu và đưa đến ECU.

Cảm biến hoạt động theo nguyên tắc:

+ Khi màng biến dạng thì lớp điện trở đặt trên màng sẽ thay đổi giá trị. Sự biến dạng (khoảng 1mm ở 1500 bar) là do áp suất tăng lên trong hệ thống, sự thay đổi điện trở gây ra sự thay đổi điện thế của mạch cầu điện trở.

+ Điện áp thay đổi trong khoảng 0 – 70mv (tùy thuộc áp suất tác động) và được khuếch đại bởi mạch khuếch đại lên 0,5 – 4,5v.

Việc kiểm soát một cách chính xác áp suất của ống là điều bắt buộc để hệ thống hoạt động đúng. Đây chính là nguyên nhân tại sao cảm biến áp suất ống phải có sai số nhỏ trong quá trình đo. Trong dải hoạt động của động cơ độ chính xác khi đo sai số khoảng 2%. Nếu cảm biến áp suất ống bị hư thì van điều khiển áp suất sẽ được điều khiển theo giá trị định sẵn của ECU.

7. Van giới hạn áp suất (pressure limiter vavel):

            Van giới hạn áp suất có chức năng như một van an toàn. Trong trường hợp áp suất vượt quá cao thì van giới hạn áp suất sẽ hạn chế áp suất trong ống bằng cách mở cửa thoát. Van giới hạn áp suất cho phép áp suất tức thời trong ống tối đa khoảng 1500 bar.

Van giới hạn áp suất là một thiết bị cơ khí bao gồm các thành phần sau:

            + Phần cổ có ren ngoài để lắp vào ống.

            + Một chỗ nối với đường nhiên liệu hồi về.

            + Một piston di chuyển.

            + Một lò xo.

            + Viên bi.

   Hình III.12  :Van giới hạn áp suất

1.Viên bi; 2. P iston; 3. Lò xo.

Tại phần cuối chỗ nối với ống có một buồng đường dẫn dầu có phần đuôi hình côn mà khi piston đi xuống sẽ làm kín bên trong buồng. Ở áp suất hoạt động bình thường (tối đa 1350 bar) lò xo đẩy piston xuống làm kín ống. Khi áp suất của hệ thống vượt quá mức, piston bị đẩy lên trên do áp suất của nhiên liệu trong ống thắng lực căng của lò xo. Nhiên liệu có áp suất cao được thoát ra thông qua van và đi vào đường dầu trở về lại bình chứa. Khi van mở nhiên liệu rời khỏi ống vì vậy áp suất trong ống giảm xuống.

8. Van hạn chế dòng chảy (flow limiter):

            Nhiệm vụ của bộ hạn chế dòng chảy là ngăn kim không phun liên tục, ví dụ trong trường hợp kim không đóng lại được. Để thực hiện điều này khi lượng nhiên liệu rời khỏi đường ống vượt qua mức đã được định sẵn thì van giới hạn dòng chảy sẽ đóng đường nhiên liệu nối với kim lại.

            Van giới hạn dòng chảy bao gồm một buồng đốt kim loại với ren phía trong để bắt với ống (có áp suất cao) và ren ngoài để bắt với đường nhiên liệu đến kim phun. Van có một đường dẫn nhiên liệu tại mỗi đầu để nối với ống và với đường nhiên liệu đến kim phun.

            Có một piston bên trong van hạn chế dòng chảy và được đẩy bằng một lò xo theo hướng bộ tích trữ nhiên liệu. Piston này làm kín với thành của buồng van và đường dầu theo chiều dọc thông qua lỗ dầu ở giữa thân piston dẫn nhiên liệu từ phía bên trong ra phía bên ngoài piston. Lỗ nhiên liệu theo chiều dọc có đường kính giảm dần ở phần cuối và đóng vai trò của một van tiết lưu.

            + Ở chế độ hoạt động bình thường: Ở trạng thái nghỉ, piston nằm ở vị trí gần chỗ nối với ống. Khi nhiên liệu được phun ra áp suất phun giảm xuống tại phần cuối kim phun và làm cho piston dịch chuyển theo hướng của kim phun. Van giới hạn dòng chảy bù lại lượng nhiên liệu bị kim phun lấy từ ống bằng cách thay thế thể tích nhiên liệu này bằng lượng thể tích dịch chuyển của piston và không phải bởi lỗ khoan ngang nếu lượng nhiên liệu này quá nhỏ. Ở cuối hành trình phun, piston nhấc lên một chút mà không đóng đường dầu ra hoàn toàn. Lò xo sẽ đẩy piston lên và nằm ở trạng thái nghỉ và nhiên liệu có thể chảy qua lỗ khoan ngang. Lò xo và lỗ khoan ngang được định kích thước sao cho ngay cả với lượng nhiên liệu phun tối đa (cộng với một lượng dự phòng an toàn) thì piston vẫn có thể di chuyển trở về trạng thái nghỉ cho đến lần phun kế tiếp.

            + Ở chế độ hoạt động bất thường với lượng nhiên liệu bị rò rỉ lớn: Nhờ vào lượng nhiên liệu rời khỏi ống, piston của van giới hạn dòng chảy bị đẩy khỏi vị trí ở trạng thái nghỉ và làm kín đường nhiên liệu ra. Piston giữ ở vị trí này và ngăn không cho nhiên liệu đến kim phun.

            + Ở chế độ hoạt động bất thường với lượng nhiên liệu bị rò rỉ nhỏ: Nhờ vào lượng nhiên liệu bị rò rỉ, piston của van giới hạn dòng chảy không thể trở về vị trí của trạng thái nghỉ. Sau một số lần phun thì piston di chuyển tới vị trí làm kín ngõ đầu ra. Piston giữ ở vị trí này cho đến khi động cơ tắt đi và đóng ngõ nhiên liệu vào của kim phun.

KẾT LUẬN

             Việc ứng dụng các thành tựu ngành công nghiệp điện tử nhờ sự giúp đỡ của máy tính để cải thiện quá trình làm việc nhằm đạt hiệu quả cao và chống ô nhiễm môi trường, tối ưu hóa 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 kỹ thuật ngành ô tô ở nước ta gặp nhiều lúng túng và sai sót, nhất là những sinh viên ngành công nghệ ô tô sắp ra trường như chúng em. Chính vì vậy cần có những nghiên cứu cụ thể về hệ thống điện tử trên động cơ ô tô, nhằm cập nhật hóa kiến thức cho người sử dụng cũng như những ai quan tâm và muốn tìm hiểu về chuyên ngành động cơ ô tô.Tuy chỉ nghiên cứu tìm hiểu hệ thống nhiên liệu điezel điều khiển điện tử Common rail một cách tổng quát trong một thời gian ngắn nhưng em cũng đã nhận ra được những ưu điểm vượt trội của hệ thống này như:Tạo ra một áp suất cao cho nhiên liệu trước khi được phun vào buồng cháy, áp suất phun được tạo ra độc lập với tốc độ động cơ và lượng nhiên liệu phun ra. Điều khiển việc phun nhiên liệu đúng thời điểm, đúng lượng, đúng áp suất được tính toán và điều khiển bởi ECU. Chính vì vậy hệ thống Common Rail đã vượt lên trên những hạn chế của những hệ thống nhiên liệu điezel truyền thống, đảm bảo động cơ hoạt động êm dịu và tiết kiệm nhiên liệu, giảm độ độc hại của khí thải và lượng nhiên liệu tiêu thụ đồng thời tăng tính an toàn sự thoải mái và tiện nghi. Tuy chỉ mới ra đời nhưng nó đã được ứng dụng rộng rãi trên các loại phương tiện vận tải và những tiềm năng của hệ thống này vẫn chưa được khai thác hết.

Qua thời gian nghiên cứu với sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy NGUYỄN KHOA BẰNG và sự giúp đỡ của các thầy cô trong khoa cơ khí động lực, em đã thành công trong việc tìm hiểu về hệ thống nhiên liệu điezel điều khiển điện tử cùng với các hệ thống nhiên liệu điezel khác. Em thấy rằng quá trình làm đồ án thật sự là sự vận lộn với chính mình, để tìm ra cách hiểu và nắm bắt được vấn đề về hệ thống nhiên liệu, đặc biệt với những hệ thống nhiên liệu mới như hệ thống Common rail. Nhưng chính vì vậy mà nó khơi dậy niềm say mê về khoa học kỹ thuật với bản thân em, mang lại cho em những kinh nghiệm quí báu. Nó là hành trang giúp em tự tin nhiều trong công việc tương lai và có bản lĩnh trong cuộc sống sau này.     

         Vì kiến thức còn nhiều hạn chế và thời gian có hạn nên không tránh khỏi thiếu sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn đồng nghiệp để đề tài hoàn thiện hơn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Động cơ đốt trong. PGS.TS. Phạm Minh Tuấn (2005)

2. Kết cấu và tính toán Động cơ đốt trong - Trường ĐHBK Hà nội.

3. Cấu tạo ôtô - Nhà xuất bản giao thông vận tải -1973.

4.  Động cơ diesel– Nguyễn Oanh -  Nhà xuất bản tổng hợp thành phố Hồ Chí Minh.

5. Giáo trình kỹ thuật sửa chữa Ô tô máy kéo, Đỗ Xuân kính, NXB Giáo dục và đào tạo, 2009.

6. Ô tô, Dương Xuân Đức, NXB Xây Dựng.

7. Lý thuyết động cơ Diesel - Lê Viết Lượng -   NXB Giáo dục – 2001.

8. Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong – tập 3, Nguyễn Đức Phú, NXB Đại học và trung học chuyên nghiệp năm 1979.

9. Các nguồn tài liệu trên mạng Internet từ các trang:

http://www.dut.udn.vn

http://www.oto- hui.com.

http://www.autoshop.101.com

 http://www.pdffile.org

http://www.automedia.com