Nguyên cứu về hệ thống điều khiển phun dầu điện tử CDI công nghệ tuyệt vời đến từ Mercedec - Benz

nguyên lý hoạt động và ƣu nhƣợt điểm của hệ thống trên, nhằm giúp sinh viên cũng nhƣ nghiên cứu sinh có cái nhìn tổng quát nhất để từng bƣớc cải tiến và ứng dụng vào nền công nghệp ôtô nƣớc nhà. Góp phần thúc đẩy nền công nghiệp ôtô Việt Nam phát triển nâng tầm thế giới. 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DIESEL Hình 1. Động cơ OM 611 4 xy-lanh Động cơ diesel là một trong những động cơ đƣợc sử dụng trên ôtô. Nó có những ƣu điểm là nhiên liệu diesel rẻ hơn các loại nhiên liệu khác, sinh ra mômen xoắn lớn hơn, hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao hơn. Tuy nhiên trƣớc kia nó lại chỉ thƣờng đƣợc sử dụng trên xe tải do gây ra tiếng ồn lớn và ô nhiễm môi trƣờng Không giống động cơ xăng, máy dầu không cần hệ thống đốt cháy. Nhờ đặc tính vốn có của dầu diesel, quá trình đốt cháy sẽ tự động diễn ra dƣới áp suất kết hợp với nhiệt độ nhất định trong suốt kỳ nén của chu kỳ Otto. Thông thƣờng, chu kỳ này đòi hỏi tỷ số nén cao khoảng 22:1 đối với động cơ không tăng áp. Sự vắng mặt của hệ thống đánh lửa cũng nhƣ van tiết lƣu khiến quá trình sửa chữa và bảo dƣỡng trở nên đơn giản hơn rất nhiều. Do công suất của động cơ diesel đƣợc điều khiển bởi lƣợng nhiên liệu bơm vào nên hệ thống bơm luôn đóng vai trò quyết định đối với mức độ tiết kiệm nhiên liệu. Hệ thống nhiên liệu Common Rail là một cải tiến trong động cơ diesel và là một trong số những hệ thống đƣợc khách hàng quan tâm hiện nay khi mua xe ô tô vì những lợi ích mà nó mang lại khi sử dụng nhƣ: tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trƣờng, công suất lớn, giảm tiếng ồn trong động cơ. Nó đã mang lại một cuộc cách mạng trong công nghệ động cơ diesel, nó làm thay đổi cách suy nghĩ của ngƣời sử dụng cho rằng động cơ diesel ồn, bẩn, chậm chạp. 1091 Hình 2. Hệ thống CDI Vì vậy ngày nay động cơ sử dụng nhiện liệu diesel không những đƣợc sử dụng trên xe tải mà còn đƣợc sử dụng trên các dòng xe cao cấp của các hãng nhƣ Toyota, BMW,Volkswagen và Mercedes-Benz cũng không ngoại lệ. Việc nghiên cứu hệ thống điều khiển phun nhiên liệu CDI (Common rail direct injection) trên các dòng xe Sandan, Suv, Sprinter của Mercedes-Benz sẽ giúp chúng ta nắm bắt những kiến thức cơ bản để nâng cao hiệu quả khi sử dụng, khai thác, sửa chữa và cải tiến chúng. Ngoài ra nó còn góp phần xây dựng các nguồn tài liệu tham khảo phục vụ nghiên cứu trong quá trình học tập và công tác. 2. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG CDI (Common rail direct injection) Hình 3. Mặt cắt động cơ CDI Trong động cơ Diesel hiện đại, áp suất phun đƣợc thực hiện cho mỗi vòi phun một cách riêng lẽ, nhiên liệu áp suất cao đƣợc chứa trong hộp chứa (Rail) hay còn gọi là ―Ắc quy thủy lực‖ và đƣợc phân phối đến từng vòi phun theo yêu cầu. Lợi ích của vòi phun Common Rail là làm giảm mức độ tiếng ồn, nhiên liệu đƣợc phun ra ở áp suất rất cao nhờ kết hợp điều khiển điện tử, kiểm soát lƣợng phun, thời điểm phun. Do đó làm hiệu suất động cơ và tính kinh tế nhiên liệu cao hơn so với hệ thống cũ dẫn động bằng cam, hệ thống CDI khá linh hoạt trong việc đáp ứng thích nghi điều khiển phun nhiện liệu cho động cơ diesel nhƣ: Phạm vi ứng dụng rộng rãi (cho xe du lịch, khách, tải nhẹ, tải nặng, xe lửa và tàu thủy). Áp suất phun đạt đến 2000 bar Thay đổi áp suất phun tùy theo chế độ hoạt động của động cơ Có thể thay đổi thời điểm phun. 1092 Phun chia làm ba giai đoạn: Phun sơ khởi, phun chính và phun kết thúc. 3. CẤU TẠO Hình 4. Hệ thống CDI: 1. Thùng nhiên liệu (prefilter) - 2. Bơm cao áp (High pressure pump) - 3. Lọc nhiên liệu (Fuel fitlter) - 4. Đƣờng cấp nhiên liệu cao áp (màu đỏ) - 5. Đƣờng nối cảm biến áp suất đến ECU - 6. Cảm biến áp suất ( Rail pressure sennor) - 7. Ắc quy thủy lực ( Commom rail) - 8. Van an toàn (PCV) - 9. Vòi phun (Injector) - 10. ECU ( Electronic Control Unit) - 11. Đƣờng về nhiên liệu thấp áp (màu vàng) - 12. Các cảm biến gửi tín hiệu về ECU : Accelerator pedal (bàn đạp ga), engine speed (crank) – cảm biến cốt máy, engine speed (cam)- cảm biến cam. Hệ thống Common Rail cấu tạo gồm 2 phần: Hệ thống cung cấp nhiên liệu: Gồm thùng nhiên liệu, lọc nhiên liệu, bơm tiếp vận, bơm cao áp, ống phân phối, kim phun, các đƣờng ống cao áp. Hệ thống cung cấp nhiên liệu có công dụng hút nhiên liệu từ thùng chứa sau đó nén nhiên liệu lên áp suất cao và chờ tín hiệu điều khiển từ hộp động cơ sẽ phun nhiên liệu vào buồng đốt. Hình 5. ECU và 1 số cảm biến: 1.MAP: Cảm biến áp suất dầu phun – 2.Coolant Temperature Sensor (CTS) : cảm biến nhiệt độ nƣớc – 3.Crankshaft Position Sensor: – cảm biến cốt máy – 4.Camshaft Position Sensor: cảm biến cam – 5.Detonation Sensor: cảm biến kích nổ - 6.Battery : ắc quy – 7.Injector : kim phun hay bét phun – 8.Regulator: bộ điều tiết – 9.Throttle Position Sensor: cảm biến vị trí bƣớm ga – 10.Throttle body: họng ga – 11.Idle Air Control valve: bù ga. 1093 Hệ thống điều khiển điện tử: Gồm bộ xử lý trung tâm CDI control module (hộp động cơ), phần điện trong kim phun, các cảm biến đầu vào và bộ phận chấp hành. Hộp động cơ thu thập các tín hiệu từ nhiều cảm biến khác nhau để nhận biết tình trạng hoạt động của động cơ, sau đó tính toán lƣợng phun, thời điểm phun nhiên liệu và gửi tín hiệu điều khiển phun đến phần điện trong kim phun mở kim phun. Ngoài ra hệ thống điều khiển điện tử còn tính toán và điều khiển áp suất nhiên liệu và tuần hoàn khí xả. 4. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Hình 6. Hệ thống CDI Hệ thống CDI là hệ thống phun theo kiểu tích áp. Một bơm cao áp riêng biệt đƣợc đặt trong thân máy tạo áp suất liên tục. Áp suất này đƣợc chuyển đến và tích lại trong ống phân phối. Cung cấp tới vòi phun theo thứ tự làm việc của từng xy-lanh. Hộp động cơ điều khiển lƣợng nhiên liệu phun thời điểm phun một cách chính xác bằng cách sử dụng các van điện tử. Khi khởi động động cơ, bơm tiếp vận sẽ hút nhiên liệu từ thùng chứa đi qua lọc và cung cấp nhiên liệu cho bơm cao áp làm việc, nhiên liệu có áp suất cao đƣợc tạo ra từ bơm cao áp đƣa đến ống phân phối. Từ ống phân phối nhiên liệu đƣợc phân phối trực tiếp đến các kim phun của động cơ. Hộp động cơ nhận tính hiệu từ các cảm biến và phát tính hiệu đến các kim phun. Hộp động cơ tính toán, quyết định lƣợng nhiên liệu cung cấp và thời điểm phun cho động cơ. Lƣợng dầu hồi từ ống phân phối và các kim phun nếu nhiệt độ lớn hơn 30oC thì dầu sẽ về qua bộ phận làm mát và về thùng chứa, nếu nhỏ hơn 30oC thì dầu sẽ qua lọc nhiên liệu và đến bơm tiếp vận. Hình 7. CDI trên động cơ V8 5. ƢU ĐIỂM 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 diesel, nhƣ: Áp suất phun nhiên liệu có thể đƣợc chọn 1 cách ngẫu nhiên và rất rộng ở khoảng giá trị cho phép lấy trong vùng đặc tính. Áp suất luôn không đổi dù cho động cơ hoạt động ở chế độ tải trọng khác nhau, áp suất luôn ổn định (đối với các loại động cơ khác nhau, tùy hãng khác nhau có chỉ số áp suất 1094 khác nhau: 1350, 1400, 1600, 1800, 2000bar). 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 (đối với mỗi hãng xe sẽ có các quá trình phun tùy loại là 2, 3, hoặc 4). Có nhiều khả năng cho sự phát triển cho quá trình đốt của động cơ diesel trong tƣơng lai, tạo ra nhiều sự linh hoạt cho việc phun nhiên liệu. Các quá trình xử lý khí thải có thể đƣợc kết hợp 1 cách tối ƣu. Khả năng bay hơi cao: Nhiên liệu qua những lỗ rất nhỏ của vòi phun làm cho nó trở thành dạng sƣơng mù rất dễ bắt cháy. Hình 8. Mạch dầu trong hệ thống CDI - Phun nhiều lần: Làm nhiên liệu đƣợc cháy sạch, cháy êm, quá trình phun mồi làm động cơ cháy êm hơn. Điều khiển điện tử: Việc sử dụng hộp động cơ cho phép điều chỉnh rất chính xác các thông số phun nhiên liệu nhƣ áp suất, thời điểm phun và lƣợng nhiên liệu phun. Tiêu hao nhiên liệu thấp. Phát thải ô nhiễm thấp. Động cơ làm việc êm dịu, giảm đƣợc tiếng ồn. Cải thiện tính năng động cơ. Thiết kế phù hợp để thay thế cho các động cơ diesel đang sử dụng. Với thời điểm chính xác, hệ thống phun nhiên liệu common-rail có thể thực hiện khâu ―hậu đốt cháy‖ trong đó một lƣợng nhiên liệu không đáng kể đƣợc bơm vào giai đoạn giãn nở để tạo ra hiện tƣợng cháy qui mô nhỏ trƣớc khi bắt đầu quá trình đốt thông thƣờng. Mục đích của khâu này là loại bỏ các hạt không cháy, tăng nhiệt độ dòng khí xả và giảm thời gian đun nóng sơ bộ của bộ chuyển hóa xúc tác. Nói một cách ngắn gọn, ―hậu đốt cháy‖cắt giảm lƣợng chất gây ô nhiễm. Hình 9. Bản vẽ 2D hệ thống CDI 6. NHƢỢC ĐIỂM Bên cạnh những ƣu điểm nêu trên, nhƣng hệ thống nhiên liệu Common Rail vẫn còn tồn tại một số nhƣợc điểm: - Thiết kế và chế tạo phức tạp đòi hỏi có ngành công nghệ cao. - Khó xác định và lắp đặt các chi tiết Common Rail trên động cơ cũ. 1095 - Giá thành cao, độ tin cậy phụ thuộc vào công nghệ thích ứng với môi trƣờng của các nhà sản xuất. 6. ỨNG DỤNG Ngoài CDI của Mercedec, hệ thống điều khiển phun dầu điện tử Common rail còn đƣợc các hãng xe lớn trên thế giới cải tiến với nhiều tên gọi nhƣ: CCR( Cummin), CRD( Chrysler) JRD( Fiat), TDCI( Ford), i-CTD( Honda), CRDi( Hyundai, Kia ), D-4D( Toyota), TDI( Wolkswagen) Hình 10. Động cơ OM 611 4 xy-lanh Hình 11. Mercedes Benz E250 Hình 12. Audi Q5 TDI 1096 Hình 13. BMW X3 xDrive28d Hình 14. Chevrolet Cruze Hình 15. Volkswagen Beetle TDI Hình 16. Porsche Cayenne Diesel 1097 7. KẾT LUẬN Bài nghiên cứu giúp chúng ta biết đƣợc cấu tạo, hoạt động tổng quát cũng nhƣ tên gọi và chức năng của các chi tết trên hệ thống điều khiển phun dầu điện tử CDI (Common rail direct injection) , hiểu rõ hơn về ƣu nhƣợc điểm của nó và thấy đƣợc các ứng dụng thực tiễn đến từ các hãng xe nổi tiếng. Đóng góp thêm một nguồn tài liệu hữu ích cho công tác giảng dạy của các trƣờng cao đẳng, đại học cũng nhƣ quá trình tìm tòi học hỏi của các bạn sinh viên, nghiên cứu sinh. Là mấu chốt quan trọng cho việc nghiên cứu, phát triển nghành công nghiệp ô tô Việt Nam từng bƣớc tối ƣu và hoàn thiện. LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn nhiệt tình của TS. Nguyễn Văn Nhanh. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Nhanh, giáo trình Lý Thuyết Ô Tô, đại học công nghệ Tp.HCM HUTECH [2] Nguyễn Phụ Thƣợng Lƣu, giáo trình Kiểm Định Và Chuẩn Đoán Trên Ô Tô, đại học công nghệ Tp.HCM HUTECH [3] Nguyễn Văn Bản, giáo trình Máy Thủy Lực Và Khí Nén,đại học công nghệ Tp.HCM HUTECH [4] Nguyễn Văn Bản, giáo trình Động Cơ Đốt Trong, đại học công nghệ Tp.HCM HUTECH [5] Lê Hữu Sơn, giáo trình Kĩ Thuật Nhiệt Lạnh, đại học công nghệ Tp.HCM HUTECH [6] https://xemtailieu.com/tai-lieu/khao-sat-he-thong-phun-nhien-lieu-common-rail-tren-dong-xe- sprinter-cua-mercedes-benz [7] https://autodaily.vn/2014/09/10-mau-xe-dong-co-diesel-rat-dang-quan-tam [8] d&Itemid=191&lang=vi [9] [10] https://vnexpress.net/oto-xe-may/mercedes-cai-tien-dong-co-cdi-cua-xe-c-class-1976526.html [11] https://www.danhgiaxe.com/danh-gia-mercedes-benz-gl350-cdi-4matic-lua-chon-hop-ly-trong-phan- khuc-9028 1098