Hoà khí động cơ Diesel (Phần 6: Kim phun Piezo)

Mục lục:

Hệ thống phun dầu dùng kim phun van điện từ
Hệ thống phun dầu dùng kim phun áp điện Piezo
Van giữ áp suất
Chỉ dẫn cơ xưởng

Hệ thống phun dầu điện tử dùng ống phân phối chung Common-Rail có thể sử dụng loại kim phun dạng van điện từ hoặc kim phun dạng phần tử áp điện Piezo.

Hệ thống phun dầu dùng kim phun van điện từ

Cấu tạo

Kim phun gồm có những thành phần sau:

Van điện từ
Piston điều khiển van
Buồng điều khiển van
Vòi phun

Chức năng

Kim phun đóng (trạng thái nghỉ): Lò xo đẩy lõi từ và bi van đóng chặt lỗ xả ở buồng điều khiển. Nhiên liệu từ ống phân phối đi vào buồng điều khiển và đến van tạo lực nâng của ti kim. Do diện tích bề mặt đầu piston van buồng điều khiển lớn hơn diện tích vai tạo lực nâng ti kim, nên lực đẩy xuống lớn hơn lực nâng ti kim. Ti kim đóng chặt lỗ phun, không phụ thuộc vào áp suất ống phân phối.

Kim phun mở (bắt đầu phun): Khi EDC (hay ECU) cấp điện cho van điện từ thì lõi từ được kéo lên và kéo bi van mở lỗ xả buồng điều khiển. Do lượng nhiên liệu thoát qua lỗ xả nhiều hơn lượng chảy vào qua lỗ tiết lưu nạp, áp suất trong buồng điều khiển giảm xuống và làm cho lực đẩy lên đầu piston nhỏ hơn lực đẩy vào vai tạo lực nâng ti kim. Do đó, ti kim được nhấc lên bởi chính áp suất nhiên liệu và nhiên liệu được phun ra.

Kim phun đóng (kết thúc phun): Khi EDC ngắt điện van điện từ, lò xo van điện từ đẩy lõi van và bi van đóng chặt lỗ xả. Áp suất trong buồng điều khiển lại tăng lên đột ngột bằng với áp suất ống phân phối và cùng với lực lò xo ở ti kim tạo ra lực đẩy ti kim đóng chặt lỗ phun.

Như vậy, ti kim được điều khiển đóng mở bằng chính áp suất của ống phân phối. Kỹ thuật điều khiển cưỡng bức bằng thủy lực này là cần thiết để đảm bảo tốc độ đóng mở ti kim nhanh hơn rất nhiều so với sử dụng van điện từ điều khiển đóng mở trực tiếp trong điều kiện áp suất cao.

Điều khiển kim phun

Van điện từ tốc độ cao được sử dụng để có thể chia quá trình phun nhiên liệu ra làm nhiều lần (phun mồi, phun chính và phun sau).

Giai đoạn nhấc ti kim: Để mở van từ, dòng điện phải lăng lên khoảng 20 A với một độ dốc gắt được xác định chính xác để đạt được dung sai nhỏ và độ lặp lại cao cho lượng phun. Dòng điện kích này được tạo ra nhờ một điện áp tăng cường (booster voltage) lên đến 100 V. Điện áp tăng cường được tạo ra do cảm ứng khi ngắt van từ và được trữ ở tụ điện trong EDC (ECU).

Giai đoạn giữ ti kim: Trong giai đoạn này, ắc quy cung cấp điện để tạo dòng điện giữ với cường độ trung bình giảm còn khoảng 13 A để giảm công suất thất thoát trong EDC và trong kim phun.

Giai đoạn đóng ti kim: Khi EDC ngắt điện, từ thông của cuộn điện từ mất đi đột ngột nên sinh ra một điện áp cảm ứng và điện áp này được nạp vào tụ điện trong EDC để tạo ra điện áp tăng cường.

Nạp điện lại cho tụ điện (boosting): Khi năng lượng tích trữ trong tụ điện thấp hơn ngưỡng giới hạn thì EDC điều khiển một chuỗi xung điện từ ắc quy đi vào cuộn dây điện từ của kim phun trong một thời gian ngắn sao cho kim phun không mở. Điện áp cảm ứng được nạp vào tụ điện khi kim phun bị ngắt điện.

Hệ thống phun dầu dùng kim phun áp điện Piezo

Hệ thống phun dầu diesel common rail dùng kim phun Piezo với đường dầu hồi

Hình trên trình bày sơ đồ của một hệ thống phun dầu dùng ống phân phối chung và các kim phun áp điện Piezo cùng 1 van giữ áp suất.

Kim phun Piezo gồm có các nhóm chi tiết sau:

Mô đun phần tử chấp hành áp điện
Bộ ghép thủy lực khuếch đại hành trình
Van trợ lực
Ti kim phun

Mô đun phần tử chấp hành áp điện Piezo

Gồm hàng trăm phiến gốm áp điện ghép nối tiếp với nhau. Độ co giãn của khối tinh thể áp điện này tùy thuộc vào cực tính của điện áp đặt vào hai đầu. Qua đó đạt được một độ nâng tối đa, thí dụ 0,065 mm.

Bộ khuếch đại thuỷ lực

Khuếch đại độ nâng của mô đun Piezo lên đủ lớn để điều khiển đóng mở van trợ lực. Ngoài ra, nó còn bù trừ được sự thay đổi chiều dài do giãn nở nhiệt và độ co rút do các phiến gốm áp điện Piezo bị lão hóa.

Cấu tạo: Bộ khuếch đại hành trình thuỷ lực bao gồm hai piston (1 và 2) với đường kính khác nhau lắp trong cùng một xy-lanh. Lực từ mô đun phần tử chấp hành áp điện tác động lên piston lớn.

Chức năng: Áp suất nhiên liệu trong đường dầu hồi (10 bar) đẩy hai piston ra xa nhau và giữ tất cả thành phần trong kim phun gắn khít với nhau (không có khoảng hở). Nhờ đó, sự mòn cơ học của các kim phun được giữ ở mức thấp nhất. Sự tăng độ nâng để mở van trợ lực xảy ra nhờ tỷ số truyền động thủy lực, dựa trên đường kính khác nhau của các piston.

Cấu tạo của bộ ghép thuỷ lực khuếch đại hành trình

Van trợ lực

Ở trạng thái đóng khi EDC không cấp điện áp điều khiển đến mô đun Piezo.

Khi được cấp điện điều khiển, khối gốm áp điện Piezo giãn ra, đẩy piston lớn và nhờ bộ khuếch đại hành trình, tác động lên piston nhỏ phía dưới, đẩy van trợ lực mở đường dầu hồi. Do nhiên liệu chảy qua lỗ xả nhiều hơn nhiên liệu chảy vào buồng điều khiển van qua lỗ nạp, áp suất trong buồng điều khiển van hạ xuống thấp hơn áp suất nhiên liệu, do đó lực đẩy lên đầu ti kim nhỏ hơn lực đẩy ngược chiều vào vai tạo lực nâng do áp suất nhiên liệu tạo ra. Nhờ đó, ti kim được nâng lên và nhiên liệu được phun ra. Nguyên lý này tương tự như loại kim phun dùng van điện từ nói trên.

Khi van trợ lực đóng đường dầu hồi, áp suất buồng điều khiển ngay lập tức tăng lên bằng với áp suất trong ống phân phối và làm đóng ti kim. Vì áp suất nhiên liệu vừa mở lại vừa đóng ti kim phun nên kỹ thuật này được gọi là điều khiển trợ lực thủy lực.

Kích hoạt mô đun phần tử chấp hành áp điện

1-2 ECU sử dụng một bộ tụ điện tăng cường (boost) với điện áp khoảng 110 V đến 150 V và dòng điện khoảng 13 A để kích hoạt mô đun phần tử chấp hành áp điện.

2-3 Mô đun giãn ra và đóng vai trò như một bộ tụ điện (điện dung khoảng 4 UF) được nạp điện.

3 Khối tinh thể áp điện đã giãn ra và kim phun mở. Khi điện áp giữa hai đầu khối tinh thể đã bằng điện áp tăng cường thì dòng điện nạp bằng không.

3-4 Để ti kim đóng lại nhanh nhất, mô đun phần tử chấp hành áp điện phải thu về kích thước ban đầu trong thời gian ngắn nhất có thể. ECU ngắt điện áp và cho khối tinh thể áp điện phóng điện thật nhanh qua một điện trở.

Sóng điện áp và dòng điện điều khiển một kim phun Piezo

Kim phun Piezo kích hoạt trực tiếp không có đường dầu hồi

Các kim phun này không sử dụng bộ ghép thủy lực khuếch đại hành trình và đường dầu hồi nên cũng không có van giữ áp suất. Các kim phun này sử dụng phần tử áp điện lớn, dài 80 mm cùng với một bộ khuếch đại độ nâng ti kim để điều khiển trực tiếp chuyển động của ti kim.

Chức năng: Áp suất ống phân phối tác động vào vai tạo lực nâng ti kim. Phần tử áp điện được điều khiển rút ngắn chiều dài và qua đó độ nâng ti kim khác nhau tùy theo điện áp điều khiển.

Phun mồi/phun sau: Phần tử áp điện được kích hoạt và co lại một ít. Qua vai tạo lực nâng ở ti kim, áp suất ống phân phối tạo một lực đẩy lên và mở ti kim. Trong trường hợp này, lò xo không bị ép lại.

Phun chính: Độ nâng trực tiếp qua phần tử áp điện đủ để cung cấp một lượng nhiên liệu nhỏ cho quá trình phun mồi và phun sau. Trong quá trình phun chính, phần tử áp điện được điều khiển bằng điện áp có thể lên đến 250 V, tùy thuộc vào áp suất ống phân phối để tạo ra độ nâng tối đa cho ti kim. Áp suất nhiên liệu tác động lên vai tạo lực nâng ở ti kim và bề mặt của piston khuếch đại độ nâng ti kim làm cho lò xo bị ép lại và quá trình phun chính diễn ra.

Kết thúc phun: Để kết thúc phun, khối gốm áp điện được phóng điện. Tùy thuộc vào áp suất ống phân phối mà điện áp có thể lên đến 250 V.

Van giữ áp suất

Áp suất đường dầu hồi ở bộ khuếch đại thủy lực của kim phun áp điện phải được giữ ở 10 bar để đảm bảo chức năng của kim phun. Van giữ áp suất (Hình trên) là van kép, có nhiệm vụ tạo áp suất nhanh chóng ngay sau khi động cơ khởi động.

Cấu tạo: Van giữ áp suất gồm một van cao áp (> 10 bar) và một van áp thấp (< 10 bar).

Chức năng: Trong khi động cơ khởi động, áp suất trong đường dầu hồi của bơm cao áp tác động làm cho đĩa van ép lên lò xo áp thấp. Qua đó đường dầu hồi đến ống phân phối được tăng áp. Khi động cơ hoạt động, áp suất nhiên liệu trong đường dầu hồi của các kim phun tăng dần, khi đến 10 bar thì van bi cao áp mở và nhiên liệu chảy về thùng chứa.

Xem thêm: