Mục lục:

• Cấu tạo hệ thống Common-Rail
• Điều chỉnh áp suất ống phân phối (ống rail)
• Bơm cao áp
• Ống phân phối
• Sơ đồ mạch điện

Ở hệ thống phun dầu dùng ống phân phối (Common-Rail), nhiên liệu được chứa trong ống phân phối dưới áp suất cao và được phun vào buồng đốt thông qua các kim phun được ECU điều khiển dựa theo các biểu đồ đặc trưng.

Cấu tạo hệ thống Common-rail

Ở hệ thống phun dầu dùng ống phân phối, nhiên liệu được chứa trong ống phân phối dưới áp suất cao và được phun vào buồng đốt thông qua các kim phun được ECU điều khiển dựa theo các biểu đồ đặc trưng.

Cấu tạo: Hệ thống phun dầu dùng ống phân phối thế hệ thứ nhất gồm:

• Mạch nhiên liệu áp suất thấp: Mạch nhiên liệu này bao gồm phạm vi hút nhiên liệu, phạm vi tiếp vận trước và phạm vi nhiên liệu hồi lưu với thùng chứa nhiên liệu, bộ gia nhiệt nhiên liệu, bộ lọc nhiên liệu, bơm tiếp vận, van khóa nhiên liệu dùng điện và bộ làm mát nhiên liệu.
• Mạch nhiên liệu áp suất cao: Mạch nhiên liệu này bao gồm bơm cao áp, các ống dẫn cao áp, ống phân phối và một kim phun cho từng xy-lanh.
• Hệ thống điều khiển điện tử: Bao gồm bộ điều khiển điện tử (ECU hay EDC), các cảm biến, van điều áp cho ống phân phối, các van điện từ trong kim phun và van khóa nhiên liệu.

Nguyên lý hoạt động: Nhiên liệu được bơm tiếp vận đưa từ thùng chứa qua bộ gia nhiệt, bộ lọc và van khóa nhiên liệu đến bơm cao áp. Dựa trên biểu đồ đặc trưng, áp suất ống phân phối được điều chỉnh tùy theo tải và tốc độ quay động cơ bằng van điều áp. Kim phun phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt. Do thể tích lưu trữ của ống phân phối, áp suất phun được hình thành ra độc lập với quá trình phun. Vì thế quá trình phun không tùy thuộc vào vị trí piston của động cơ.

Bộ điều khiển điện tử (EDC) xác định các đại lượng phun tùy theo tình huống vận hành và môi trường xung quanh:

• Thời điểm bắt đầu phun
• Lượng nhiên liệu phun
• Áp suất ống phân phối
• Quá trình phun theo thời gian, thí dụ như phun mồi, phun chính và phun sau

Hình trên minh họa biểu đồ đặc trưng cho áp suất ống phân phối theo tốc độ quay và tải (lượng nhiên liệu cần phun) của động cơ. Như thế, nếu người lái đạp chân ga lúc xe đang đứng yên (tốc độ không tải) thì theo biểu đồ đặc trưng, chỉ có áp suất ống phân phối tăng, còn thời gian phun hầu như không thay đổi. Khi tải tăng và tốc độ thấp thì lượng nhiên liệu phun và áp suất ống phân phối tăng lên. Áp suất phun tối đa trong biểu đồ dặc trưng này vào khoảng 1.800 bar chỉ được cần đến khi ở tải lớn và tốc độ quay cao để có thể phun tất cả lượng nhiên liệu mong muốn trong một thời gian ngắn với hòa khí tối ưu.

Điều chỉnh áp suất nhiên liệu hệ thống Common-Rail

Các hệ thống phun dầu common-rail sử dụng một trong các loại điều chỉnh áp suất ống phân phối sau:

• Điều áp 1 vị trí (mạch cao áp): Áp suất ống phân phối được điều chỉnh nhờ một phần tử chấp hành được lắp ở mạch cao áp
• Điều áp 1 vị trí (mạch thấp áp): Áp suất ống phân phối được điều chỉnh nhờ một phần tử chấp hành được lắp ở mạch thấp áp (mạch hút/mạch tiếp vận)
• Điều áp 2 vị trí: (mạch cao áp và mạch hút). Áp suất ống phân phối được điều chỉnh đồng thời bởi 2 phần tử chấp hành được lắp ở cả mạch cao áp và mạch thấp áp (mạch hút).

Điều áp 1 vị trí (mạch cao áp)

Chức năng: Bơm cao áp bơm một lượng nhiên liệu tối đa vào ống phân phối (không phụ thuộc vào đòi hỏi của động cơ về lượng nhiên liệu). Áp suất ống phân phối được điều chỉnh ổn định ở trị số mong muốn bởi van điều áp ở mạch cao áp (điều chỉnh cao áp). Nhiên liệu thừa không dùng cho quá trình phun đi qua van điều áp vào đường dầu hồi lưu, để trở về thùng nhiên liệu.

Phần lớn van điều áp được gắn ở ống phân phối, một số trường hợp được gắn trực tiếp tại bơm. Phương pháp điều chỉnh áp suất ở mạch cao áp cho phép thay đổi áp suất ống phân phối nhanh chóng và linh hoạt, thí dụ khi tải thay đổi nhanh.

Điều áp 1 vị trí (mạch hút)

Chức năng. Áp suất ống phân phối được điều chỉnh qua van định lượng (van tiết lưu) ở mạch hút (điều chỉnh áp thấp). Van định lượng được gắn ở cửa nạp của bơm cao áp và chỉ cho phép một lượng nhiên liệu cần thiết cho quá trình phun đến bơm cao áp (điều chỉnh theo nhu cầu). Ống phân phối có gắn van giới hạn áp suất để tránh quá áp trong trường hợp van định lượng bị hỏng.

Việc điều chỉnh áp suất mạch hút giúp giảm lượng nhiên liệu cao áp vào ống phân phối. Vì thế, nhiệt độ của nhiên liệu và công suất của bơm cao áp cũng được giảm bớt.

Điều áp 2 vị trí

Phương pháp này sử dụng đồng thời một van định lượng được gắn ở đường nạp của bơm cao áp và một van điều áp gắn ở ống phân phối (Hình dưới). Các van được kích hoạt riêng rẽ hoặc đồng thời tùy theo điều kiện vận hành của động cơ.

Các chế độ vận hành:

• Khởi động: Khi động cơ khởi động, hệ thống chỉ hoạt động với van điều áp ở mạch cao áp giúp áp suất tăng nhanh. Bơm cao áp nén nhiên liệu vào ống phân phối nhiều hơn lượng nhiên liệu cần phun, làm nhiên liệu nóng hơn, do đó có thể không cần bộ gia nhiệt nhiên liệu.
• Chạy không tải và tải một phần. Khi động cơ chạy không tải, thả trôi và khi lượng phun ít (tải nhỏ), áp suất nhiên liệu được điều chỉnh cùng lúc qua cả hai van, nhờ đó đạt được độ chính xác nhất. Tính năng động cơ khi chạy không tải và giai đoạn chuyển tiếp đến lúc thả trôi được cải thiện. Đồng thời, công suất của bơm cao áp cũng được giảm nhẹ.
• Chế độ tải trung bình đến cao. Áp suất nhiên liệu chỉ được điều chỉnh bởi van định lượng khi lượng phun và áp suất ống phân phối lớn. Kỹ thuật điều chỉnh áp suất nhiên liệu theo nhu cầu giúp giảm công suất của bơm cao áp và tránh làm cho nhiên liệu bị quá nóng.

Bơm cao áp

Bơm cung cấp nhiên liệu với một áp suất lên đến 2.500 bar vào ống phân phối và hầu hết là loại bơm piston hướng tâm. Rotor của bơm di chuyển 3 piston bơm lên xuống thông qua các cam lệch tâm. Rotor có thể được dẫn động bằng dây cu-roa đai răng hay bánh răng hoặc trực tiếp bằng trục cam của động cơ.

Bơm cao áp CP3

Thì hút: Khi áp suất mạch cung cấp lớn hơn xuống cho phép nhiên liệu chảy vào buồng nén. áp suất mở của van nạp, van nạp mở ra, piston bơm đi

Thì đẩy: Khi qua khỏi ĐCD của piston thì van nạp đóng lại và giữ nhiên liệu trong buồng nén. Piston đi lên và nén nhiên liệu cho đến khi áp suất nhiên liệu vượt qua áp suất trong ống phân phối, làm van xả mở ra và nhiên liệu nén vào ống phân phối.

Bơm cao áp CP4 kiểu một hoặc hai piston

Bơm cao áp thế hệ CP4 kiểu một piston hoặc hai piston giảm thiểu tối đa sự dao động áp suất nhiên liệu trong ống phân phối; nhờ đó, đảm bảo lượng nhiên liệu phun giữa các xy-lanh đồng đều hơn, cho phép giảm nhiều hơn nữa phát thải ô nhiễm của động cơ. Để đạt được điều này, piston bơm chuyển động đồng bộ với piston động cơ, nghĩa là cả hai piston cùng đi lên hoặc cùng đi xuống.

Bơm cao áp CP4 có khung vỏ bằng nhôm nên giảm trọng lượng đáng kể. Chỉ có các bộ phận bơm với các đầu xy-lanh chịu cao áp là được chế tạo bằng thép. Cam tác động đến piston bơm qua con lăn nên tạo ít ma sát, từ đó giúp giảm đáng kể tổn thất công suất và góp phần giảm tiêu thụ nhiên liệu.

Van định lượng

Van điều áp

Chức năng: Ti van điện từ được lò xo ép chặt vào đế làm kín mạch cao áp (ống phân phối) với mạch áp thấp (đường dầu hồi). Lò xo được chế tạo sao cho áp suất tự mở van vào khoảng 100 bar khi van không có tín hiệu điều khiển. Để tăng áp suất trong ống phân phối, phải dùng lực từ do cuộn dây điện từ sinh ra phụ thêm với lực lò xo. EDC dùng tín hiệu PWM để điều chỉnh áp suất ống phân phối ổn định ở 400 bar khi chạy không tải cho đến khoảng 2.000 bar khi chạy tải toàn phần.

Do thể tích chứa của ống phân phối lớn hơn nhiều so với lượng nhiên liệu phun hay lưu lượng của bơm cao áp, nên áp suất ống phân phối được giữ hầu như cố định. Tần số tín hiệu PWM 1 kHz đủ nhanh để có thể giữ cho ti van không bị rung nên không gây ra dao động áp suất. Khi van điều áp bị hỏng thì động cơ không thể vận hành vì không tạo ra áp suất đủ lớn cho quá trình phun.

Cảm biến áp suất ống phân phối

Cảm biến này được đặt ở ống phân phối và được tích hợp mạch điện tử xử lý tín hiệu để gửi thông tin áp suất ống phân phối về EDC ở dạng điện áp. Điện áp cung cấp cho cảm biến là 5 V. Điện áp tín hiệu của ống phân phối khi áp suất cao khoảng 4,5 V, khi áp suất thấp khoảng 0,5 V. Khi EDC không nhận được tín hiệu từ cảm biến thì van điều áp được điều khiển với một trị số cố định và động cơ làm việc ở chế độ vận hành khẩn cấp (tốc độ quay không tải tăng lên).

Van giới hạn áp suất

Các hệ thống phun dầu dùng ống phân phối với chức năng điều chỉnh áp suất 1 vị trí sử dụng van định lượng ở bơm cao áp (Hình trên, bơm cao áp CP4) được lắp thêm van giới hạn áp suất (Hình dưới) ở ống phân phối. Khi van định lượng bị hỏng, van giới hạn áp suất được mở ra và đưa nhiên liệu trong ống phân phối về đường hồi để giới hạn áp suất trong ống phân phối không vượt quá 2.500 bar. Người ta thường sử dụng van giới hạn áp suất loại 1 cấp và 2 cấp.

• Van giới hạn áp suất 1 cấp: Giúp bảo vệ các chi tiết trong mạch cao áp, khi được kích hoạt sẽ tắt động cơ.
• Van giới hạn áp suất 2 cấp: Khi van hoạt động, áp suất ống phân phối được giữ ở một mức nào đó, thí dụ như 400 bar, cho phép động cơ vẫn làm việc được trong một giới hạn cho phép với tốc độ quay không tải tăng lên.

Ống phân phối (Common-rail hoặc Common-ball)

Sơ đồ mạch điện của một hệ thống phun dầu Common-Rail

Cảm biến vị trí bàn đạp ga B12: Vị trí của bàn đạp ga là đại lượng điều khiển chính thứ nhất để tính lượng nhiên liệu cơ bản cần phun. Cảm biến vị trí bàn đạp ga sử dụng hai cảm biến Hall độc lập. EDC cung cấp nguồn điện dương cho cảm biến qua chân C9, mass qua các chân C5 và C23, và đo áp suất tín hiệu ở các chân C8 và C10. Khi cảm biến này bị hỏng thì EDC điều khiển động cơ hoạt động ở chế độ an toàn với tốc độ không tải cao, đồng thời bật đèn cảnh báo sự cố và lưu giữ sự cố trong bộ nhớ.

Cảm biến pha B2: Cảm biến pha kiểu Hall báo cho EDC vị trí của xy-lanh trong kỳ nén, cũng như tốc độ quay động cơ (đại lượng điều khiển chính thứ hai). EDC sử dụng thông tin này để điều khiển phun đúng thời điểm và đúng xy-lanh. Khi mất tín hiệu pha, EDC vẫn điều khiển động cơ tiếp tục hoạt động tùy theo tình huống, nhưng không thể khởi động lại được. EDC cung cấp cho cảm biến điện áp dương qua chân D12, mass qua chân D2, và đo tín hiệu ở chân D3.

Cảm biến áp suất ống phân phối B23: Cảm biến báo cho EDC về áp suất nhiên liệu hiện thời trong ống phân phối. Khi áp suất ống phân phối quá lớn hay quá nhỏ, EDC xác nhận có sự cố trong hệ thống và tắt động cơ (tắt khẩn cấp). EDC đo điện áp tín hiệu từ cảm biến ở chân D14, cung cấp điện áp dương ở chân D13 và mass ở chân D4.

Van điều chỉnh áp suất ống phân phối Y16: EDC điều khiển van điều áp theo biểu đồ đặc trưng để áp suất ống phân phối đạt trị số mong muốn. Tín hiệu PWM được EDC kích hoạt qua các chân D31 và D21.

Các kim phun Y15.1 đến Y15.4: có nhiệm vụ phun đúng lượng nhiên liệu và đúng thời điểm vào buồng đốt. EDC cấp điện điều khiển các kim phun ở chân E2 và các chân E3, E6, E7 và E8.

Bộ đo khối lượng không khí bằng màng nhiệt B3: có nhiệm vụ đo khối lượng không khí nạp. EDC ưu tiên sử dụng khối lượng không khí nạp để xác định tỷ lệ khí thải hồi lưu (%) theo biểu đồ đặc trưng. EDC cấp điện áp đến các chân D34, D1 và D11, đo tín hiệu ở chân D24.

Van khóa nhiên liệu Y14: EDC điều khiển van qua các chân D26 và D36 để cắt nhiên liệu cung cấp cho động cơ khi hệ thống xảy ra sự cố nghiêm trọng (tắt khẩn cấp).

Van điện từ điều chỉnh áp suất khí nạp Y12: EDC dùng tín hiệu PWM để điều chỉnh vô cấp áp suất khí nạp của bộ tăng áp có hình dạng tua bin thay đổi được. EDC điều khiển qua các chân C36 và C48.

Xem thêm:

• Hoà khí động cơ Diesel (Phần 1: Tổng quan)
• Hoà khí động cơ Diesel (Phần 2: Bugi xông)
• Hoà khí động cơ Diesel (Phần 3: Tiếp vận nhiên liệu)
• Hoà khí động cơ Diesel (Phần 4: Phun dầu điện tử)
• Hoà khí động cơ Diesel (Phần 5: Common-Rail)
• Hoà khí động cơ Diesel (Phần 6: Kim phun Piezo)
• Chỉ dẫn cơ xưởng: Kim phun Piezo