Như chúng ta đã học và biết rằng: Khí thải động cơ Diesel là một trong những thủ phạm gây nên ô nhiễm môi trường. Động cơ diesel hiệu quả kinh tế hơn động cơ xăng, tuy nhiên nó vẫn còn những hạn chế trong quá trình sử dụng như: Thải khói đen khá lớn khi tăng tốc, tiêu hao nhiên liệu còn cao và tiếng ồn lớn… Ngày nay, hầu hết các nước tiên tiến trên thế giới đã sử dụng hệ thống nhiên liệu (HTNL) Common Rail Diesel lắp cho các loại ô tô trong đó có cả hãng xe Toyota mà điển hinh là: Toyota Fortuner, Hiace và Hilux. Hệ thống này đã giải quyết được các nhược điểm nêu trên.
1.Giới thiệu hệ thống Common Rail Diesel:
Trong động cơ Diesel hiện đại, áp suất phun được thực hiện cho mỗi vòi phun một cách riêng lẻ, nhiên liệu áp suất cao được chứa trong hộp chứa (Rail) hay còn gọi là “Ắcquy thủy lực”và được 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 được phun ra ở áp suất rất cao nhờ kết hợp điều khiển điện tử, kiểm soát lượng 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 Common Rail khá linh hoạt trong việc đáp ứng thích nghi để điều khiển phun nhiên liệu cho động cơ diesel như: - Phạm vi ứng dụng rộng rãi (cho xe du lịch, khách,tải nhẹ, tải nặng, xe lửa và tàu thủy). - Áp suất phun đạt đến 1500 bar. - Thay đổi áp suất phun tùy theo chế độ hoạt động của động cơ. - Có thể thay đổi thời điểm phun. - Phun chia làm ba giai đoạn: Phun sơ khởi, phun chính và phun kết thúc.
2.Nguyên lý hoạt động:
Tương tự như HTNL Diesel thông thường, trên hình 1 nhiên liệu được bơm cung cấp đẩy đi từ thùng nhiên liệu trên đường ống thấp áp qua bầu lọc (3) đến Bơm cao áp (2), từ đây nhiên liệu được bơm cao áp nén đẩy vào ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao (7) hay còn gọi ắc quy thủy lực- và được đưa đến vòi phun Common Rail (9) sẵn sàng để phun vào xy lanh động cơ. Việc tạo áp suất và phun nhiên liệu hoàn toàn tách biệt với nhau trong hệ thống Common Rail. Áp suất phun được tạo ra độc lập với tốc độ và lượng nhiên liệu phun ra. Nhiên liệu được trữ với áp suất cao trong ắc quy thủy lực. Lượng phun ra được điều khiển bởi bà đạp ga; thời điểm phun cũng như áp suất phun được tính toán bằng ECU dựa trên các biểu đồ đã lưu trên nó. Sau đó, ECU và Edu sẽ điều khiển các kim phun của các vòi phun tại mỗi xylanh của động cơ để phun nhiên liệu nhờ thông tin từ các cảm biến với áp suất có thể lên đến 1500bar. Nhiên liệu thừa của vòi phun đi qua ắc quy thủy lực trở về bơm cao áp, van điều khiển áp suất tại bơm mở để nó trở về thùng nhiên liệu (1). Trên ắcquy thủy lực có gắn cảm biến áp suất và đầu cuối có bố trí van an toàn (8), nếu áp suất tích trữ trong ắc quy thủy lực (7) lớn quá giới hạn van an toàn sẽ mở để nhiên liệu tháo về thùng chứa (hình 4).
Hình 1 – Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail
Chú thích
1. Thùng nhiên liệu; 2. Bơm cao áp Common rail; 3. Lọc nhiên liệu; 4. Đường cấp nhiên liệu cao áp;
5. Đường nối cảm biến áp suất đến ECU ; 6. Cảm biến áp suất;
7.Common Rail tích trữ &điều áp nhiên liệu (hay còn gọi ắcquy thuỷ lực) ; 8. Van an toàn (giới hạn áp suất);
9. Vòi phun; 10. Các cảm biến nối đến ECU và Bộ điều khiển thiết bị (EDU);
11.Đường về nhiên liệu (thấp áp) ; EDU: (Electronic Driver Unit) và ECU : (Electronic Control Unit). Ở đây EDU có nhiệm vụ nhận các tín hiệu điều khiển từ ECU để điều khiển áp suất các kim phun. Khi các bạn mở nắp capo sẽ thấy rất rõ 2 hộp đen nằm kế nhau và hay nghĩ là sử dụng 2 bộ ECU nhưng thực chất chỉ có 1 bộ ECU và bộ còn là EDU. Ngoài ra, ở động cơ của Toyota các bạn nào có tìm hiểu sẽ thấy trên bơm cao áp có 1 van gọi là Van SCV hay còn gọi là van điều khiển của hút về cấu tạo và nguyên lý hoạt động cũng khá đơn giản. Với phương pháp này áp suất phun lên đến 1500 bar có thể thực hiện ở mọi thời điểm ngay cả động cơ lúc thấp tốc. Trong hệ thống Common Rail quá trình phun được chia thành các cách phun: Phun mồi (hay Phun sơ khởi- Pre-injection hoặc Pilot- injection), Phun chính (Main injection) và phun thứ cấp (Post-injection).
Chức năng của hệ thống Common Rail
Việc tạo ra áp suất và việc phun nhiên liệu hoàn toàn tách biệt với nhau trong hệ thống Common Rail. Áp suất phun được tạo ra độc lập với tốc độ động cơ và lượng nhiên liệu phun ra.
Nhiên liệu được trữ với áp suất cao trong bộ tích áp suất cao (high-pressure accumulator) và sẵn sàng để phun. Lượng nhiên liệu phun ra được quyết định bởi người lái xe, và thời điểm phun cũng như áp lực phun được tính toán bằng ECU và các biểu đồ đã lưu trong bộ nhớ của nó. Sau đó ECU sẽ điều khiển các kim phun phun tại mỗi xy lanh động cơ để phun nhiên liệu.
Hệ thống nhiên liệu Common Rail có các chức năng sau:
a. Chức năng chính :
Chức năng chính là việc điều khiển việc phun nhiên liệu đúng thời điểm, đúng lưu lượng, đúng áp suất, đảm bảo cho động cơ diesel không chỉ hoạt động êm diu mà còn tiết kiệm nhiên liệu.
b. Chức năng phụ.
Chức năng phụ của hệ thống là điều khiển vòng kín và vòng hở, không những giảm độ độc hại của khí thải và lượng nhiên liệu tiêu thụ mà còn làm tăng tính an toàn, sự thoải mái và tiện nghi. Ví dụ như hệ thống luân hồi khí thải (EGR- exhaust gas recircalation), điều khiển turbo tăng áp, điều khiển ga tự động và thiết bị chống trộm.
c. Chức năng hạn chế ô nhiễm.
+Thành phần hỗn hợp và tác động đến quá trình cháy:
So với động cơ xăng, động cơ diesel đốt nhiên liệu khó bay hơi hơn (nhiệt độ sôi cao), nên việc tạo hỗn hợp hòa khí không chỉ diễn ra trong giai đoạn phun và bắt đầu cháy, mà còn trong suốt quá trình cháy. Kết quả là hỗn hợp không đồng nhất. Động cơ diesel luôn hoạt động ở chế độ nghèo, mức tiêu hao nhiên liệu, muội than, CO, HC sẽ tăng lên nếu không đốt cháy ở chế độ nghèo hợp lý.
Tỉ lệ hòa khí được quyết định bởi 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 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 khi hỗn hợp quá nghèo.
+Hệ thống hồi lưu khí thải ( EGR ).
Khi không có EGR, khí NOx sinh ra vượt mức quy định về khí thái, ngược lại muội than sinh ra sẽ 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 hiên 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 ống nạp ở chế độ tải nhỏ của động cơ. Điều này không chỉ làm giảm lượng Oxy mà còn làm giảm hiệu quả của quá trình cháy và nhiệt độ cực đại. kết quả là 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 Oxy.
+Ảnh hưởng của việc phun nhiên liệu.
Thời điểm phun, đường đặc tính phun, sự phun sương tơi 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 quá trễ thì lượng HC sẽ tăng và tiêu hao nhiên liệu sẽ nhiều hơn, và khói đen sinh ra ở chế độ tải lớn. Nếu thời điểm phun chỉ lệch đi 1o khỏi giá trị lí tưởng thì lượng NOx có thể tăng lên 5%. Ngược lại thời điểm phun sai lệch hơn 2o thì có thể làm cho áp suất đỉnh tăng lên 10 bar, trễ đi 2o có thể làm tăng nhiệt độ khí thải thêm 20oC. Với các yếu tố cực kì 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 cho đến lúc kết thúc 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 thấp nhất, nhiên liệu diesel bốc cháy tức thì, ngay khi quá trình cháy bắt đầu gây ra tiếng ồn và sự tạo thành NOx. Đường đặc tính phun phải có đỉnh không quá nhọn để đề phòng hiện tượng nhiên liệu không được phun sương tơi - yếu tố dẫn đến lượng HC cao, khói đen và tăng tiêu hao nhiên liệu suốt giai đoạn cuối cùng của quá trình cháy.
+Sự phun sương tơi nhiên liệu.
Nhiên liệu được phun sương tơi tốt thúc đẩy hiệu quả hòa trộn giữa không khí và nhiên liệu. Nó đóng góp vào việc giảm HC và khói đen trong khí thải. Với áp suất phun cao và hình dạng hình học tối ưu của lỗ tia kim phun giúp cho sự phun sương tơi nhiên liệu tốt hơn. Để ngăn ngừa muội than, lượng nhiên liệu phun ra phải được tính dựa vào lượng khí nạp. Điều này đòi hỏi lượng khí nạp phải nhiều hơn từ 10 - 40 %
Bosch Car Service Hà Nội trung tâm ủy quyền sửa chữa xe ô tô của Bosch (CHLB Đức) tại Hà nội:
Với thiết bị do Bosch cung cấp rất cải tiến và hiện đại: Các hệ thống chẩn đoán được hỗ trợ bởi máy tính giúp xác định lỗi/sự cố nhanh hơn và ốn định hơn. Thiết kế dạng module ứng dụng các công nghệ định hướng tương lai đảm bảo khả năng kết nối rộng rãi, sử dụng hiệu quả các thông tin từ phần mềm ESI[tronic]. Tính cơ động cùng tính năng hỗ trợ xưởng sửa chữa ôtô thực hiện công việc chẩn đoán xử lý sự cố kể cả xe có động cơ diezen một cách tin cậy và tiết kiệm thời gian
