Trong cuộc đua không ngừng của ngành công nghiệp ô tô để tối ưu hóa hiệu suất động cơ và giảm tiêu thụ nhiên liệu, một trong những yếu tố quyết định đến sự hiệu quả này chính là hệ thống điều khiển kim phun xăng. Được coi là “bộ não” của động cơ xăng, hệ thống này không chỉ đảm bảo việc phun xăng đúng lượng và đúng thời điểm mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và tiêu thụ nhiên liệu của xe. Bước vào thế giới phức tạp và kỹ thuật của cách điều khiển kim phun xăng ô tô, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về những công nghệ tiên tiến, những thuật toán thông minh và những ưu điểm mà nó mang lại trong việc định hình tương lai của ngành công nghiệp ô tô.
1. Nguyên lý kết cấu kim phun:
Theo hình là cấu tạo của kim phun gồm: Bộ lọc: Bảo đảm nhiên liệu đi vào kim phun phải thật sạch; Giắc cắm: Nối với mạch điện điều khiển; Cuộn dây: Tạo ra từ trường khi có dòng điện; Ti kim: Tác động đến sự đóng mở của van kim; Van kim: Đóng kín lỗ phun, khi có dòng điện sẽ bị nhấc lên cho nhiên liệu phun ra; Lỗ phun: Định góc phun và xé tơi nhiên liệu; Thân kim phun
2. Hoạt động của kim phun:
Trong quá trình hoạt động của động cơ, ECU liên tục nhận được những tín hiệu đầu vào từ các cảm biến. Qua đó, ECU sẽ tính ra thời gian mở kim phun. Quá trình mở và đóng của kim phun diễn ra ngắt quãng. ECU gửi tín hiệu điều khiển kim phun ở dạng xung. Hình vẽ cho thấy độ rộng xung thay đổi tuỳ theo chế độ làm việc của động cơ. Giả sử cánh bướm ga mở lớn khi tăng tốc thì cần nhiều nhiên liệu hơn. Do đó ECU sẽ tăng độ rộng của xung điều khiển. Điều này có nghĩa là ti kim sẽ giữ lâu hơn trong mỗi lần phun để cung cấp thêm một lựơng nhiên liệu.
Xung điều khiển kim phun ứng với từng chế độ làm việc của động cơ
Khi dòng điện đi qua cuộn dây của kim phun sẽ tạo một lực từ đủ mạnh để thắng sức căng lò xo, thắng lực trọng trường của ty kim và thắng áp lực của nhiên liệu đè lên kim, kim sẽ được nhấc khỏi bệ kim khoảng 0.1 mm nên nhiên liệu được phun ra khỏi kim phun.
3. Qúa trình hoạt động:
Trên hình vẽ trình bày đồ thị biểu diễn điện áp, cường độ dòng điện và thời gian mở kim thực tế theo thời gian. Căn cứ vào đồ thị này ta có thể chia quá trình hoạt động của kim phun chia làm 3 giai đoạn cụ thể như sau:
Đặc tính U,I,δ = f(t) trong cuộn dây kim phun
Cường độ dòng điện qua kim phun được xác định theo biểu thức sau:
Trong đó: R-tổng trở cuộn dây; L-độ tự cảm của cuộn dây; U-điện áp đặt vào mạch; t-thời gian.
* Giai đoạn I: Trong thời gian τ(I) (từ lúc ti kim được nâng lên hết cỡ).
– Giai đoạn Ia: Thời gian τ(i), mặc dù có hiệu thế đặt vào nhưng ti kim vẫn chưa nhấc lên được. Khi dòng điện đạt giá trị Im để F lực từ > F cản ti kim bắt đầu di chuyển. Kết thúc giai đoạn Ia.
– Giai đoạn Ib: Thời gian τ(I): độ dịch chuyển kim đạt giá trị cực đại, cường độ dòng qua kim giảm đột ngột do sức điện động tự cảm tăng do độ tự cảm L tăng.
* Giai đoạn II: Độ mở của kim vẫn giữ nguyên, sức điện động tự cảm giảm dòng tăng lên như hình vẽ. Trường hợp kim bị kẹt sẽ không có dịch chuyển, làm µ0 không tăng dẫn tới sức địên động tự cảm không tăng nhưng dòng vẫn tăng như đường nét đứt.
* Giai đoạn III: Transistor điều khiển đóng nhưng do cuộn dây có sức điện động tự cảm nên khi ngắt điện đột ngột tạo thành mạch dao động. Do đó, trong thời gian τ3 kim vẫn giữ mức mở nào đó do sức điện động tự cảm. Sau đó sức căng lò xo làm đóng ti kim lại.
Kết luận: từ quá trình hoạt động của kim phun chúng ta nhận thấy thời gian τ1 và τ3 là không thể điều chỉnh, thời gian này có tên gọi là thời gian chết (dead time), còn τ2 thì có thể thay đổi. Do đó để đảm bảo độ chính xác về thời điểm và thời gian phun của quá trình phun nhiên liệu, chúng ta phải tìm cách giảm τ1 và τ3 đến mức thấp nhất có nghĩa là phải tăng độ nhạy kim.
4. Các biện pháp tăng độ nhạy của kim phun:
Nếu ta gửi đến cuộn dây kim phun một xung điện trong thời gian ti, ti kim dưới tác động của lực điện từ, thắng sức căng lò xo và áp lực nhiên liệu đến, kim sẽ được nhấc lên và nhiên liệu sẽ được phun ra. Nhờ độ chênh lệch áp suất trong hệ thống được giữ không đổi nên lượng nhiên liệu trong quá trình phun qua tiết diện lỗ phun sẽ phụ thuộc vào thời gian kim mở tj. Trong trường hợp lý tưởng ti = tj .
Trong quá trình thiết kế kim phun đã xuất hiện những khó khăn. Khi chiều dài xung điều khiển khoảng 1-10 ms thì quán tính cơ học và quán tính điện từ bắt đầu ảnh hưởng lên hoạt động của kim phun (phụ thuộc vào độ tự cảm của cuộn dây, khối lượng của ti kim và các yếu tố khác nhau như áp lực nhiên liệu, ma sát). Kết quả là trên thực tế ti kim mở và đóng không đồng thời với sự bắt đầu và kết thúc xung điều khiển. Ngoài ra, trong các kiểu phun gián đoạn có thể xuất hiện dao động áp suất nhiên liệu trong đường ống cũng là nguyên nhân tác động nên lựơng nhiên liệu qua kim phun. Rõ ràng là các hiện tượng trên cũng ảnh hưởng đến lượng xăng phun. Để tăng độ chính xác của kim phun, ngoài các biện pháp như chế tạo ty kim bằng hợp kim nhẹ dẫn từ, mắc điện trở phụ kiểm soát bằng dòng, còn có những biện pháp tăng độ nhạy như sau:
– Dùng vật liệu áp điện
– Dùng nam châm vĩnh cữu.
Nhiên liệu đi vào lỗ dầu đi vào khoang A của kim, áp lực trên màng cân bằng và ti kim chỉ tì vào đáy bằng một lực nhỏ do lực đàn hồi của màng và sự chênh lệch bên trên và bên dưới do sự khác biệt diện tích khi tác động lên cuộn dây một xung thuận (từ trường do cuộn dây sinh ra ngược chiều với nam châm vĩnh cữu) cuộn dây bị hút lên và ti kim mở ra. Khi ngắt xung điều khiển có thể dùng thiết bị đổi chiều tự động để lực tác dụng ngược lại
Biện pháp tăng độ chính xác trong hoạt động của kim phun
5. Phương pháp điều khiển kim phun:
– Phương pháp điều khiển kim phun bằng điện áp cho loại kim phun điện tử cao:
Điện áp ắc qui cung cấp trực tiếp đến kim phun qua khóa điện. Khi transistor T trong ECU mở sẽ có dòng chạy qua kim phun, qua chân N010,N020 đến E01,E02về mát. Trong khi transistorT mở, dòng điện chạy qua kim phun làm nhấc ti kim và nhiên liệu được phun vào trước xúp páp nạp.
Mạch điện điều khiển kim phun bằng điện áp với kiểu phun đồng loạt
– Phương pháp điều khiển kim phun bằng áp cho loại kim phun điện trở thấp:
Mạch điện kim phun có điện trở thấp
– Phương pháp điều khiển bằng dòng:
Trong phương pháp này, một kim phun có điện trở thấp được gắn trực tiếp với nguồn dòng được điều khiển trực tiếp bằng cách điều khiển transistor trong ECU.
Khi có xung điều khiển đưa đến cuộn dây của kim phun, một dòng điện 8A chạy qua cuộn dây của kim phun, gây nên sự tăng dòng đột ngột. Điều này làm cho van kim mở nhanh nhờ đó cải thiện được sự đáp ứng quá trình phun và giảm thời gian phun không điều khiển được.
Trong khi ti kim được giữ, dòng được giảm xuống còn 2A giảm sự tiêu hao công suất do sinh nhiệt.
Phương pháp điều khiển kim phun bằng dòng
Mạch điện điều khiển hoạt động này được miêu tả như hình sau đây:
Mạch điện điều khiển bằng dòng
Khi khóa điện bật ở vị trí ON, rơ le an toàn chính mở nhờ nối mát ở mạch điều khiển kim phun thông qua đầu nối FS của ECU. Điều này làm transistor T1 trong ECU mở cho dòng chạy đến cuộn dây kim phun.
Dòng điện chạy qua cuộn dây của kim phun cho đến khi điện thế tại điểm A tiến đến giá trị nào đó thì transistor T1 sẽ đóng. Sự đóng mởtransistorT1 được lập đi lập lại với tần số khoảng 20KHz trong suốt thời gian phun. Bằng cách này, dòng điện đến cuộn dây củakim phun được kiểm soát (khi điện áp đầu +B là 14V dòng điện trong cuộn dây của kim phun là 8A, khi ti kim bị giữ dòng điện trong cuộn dây khoảng 2A). TransistorT2có công dụng hấp thu sức điện động tự cảm xuất hiện trên kim phun khitransistorT1 đang đóng mở vì vậy ngăn ngừa được sự giảm dòng đột ngột.
6. Giải thích về mắc điện trở phụ:
Đồ thị biểu thị sự ảnh hưởng của độ tự cảm L
Từ đồ thị chúng ta nhận thấy cuộn dây có độ tự cảm L sẽ tạo ra sức điện động tự cảm chống lại dòng điện cho nên khi L cao thì có sự cản dòng nhiều, làm đường cong L(t) thoải hơn dẫn đến thời điểm mở kim trễ hơn, vì vậy thời gian phun ngắn lại, không đủ nhiên liệu cung cấp cho động cơ ở tốc độ cao.
Vì vậy, để khắc phục hiện tượng này, người ta dùng cuộn dây kim phun có số vòng dây ít hơn (vì L = µ.µ0.ω) để giảm độ tự cảmL và đường kính dây lớn hơn để tăng độ nhạy của kim phun.Mà ta biết : R = ρ * (l : S). Do đó R giảm. Vì vậy, để hạn chế dòng qua cuộn dây người ta mắc thêm một điện trở phụ.
Việc tìm hiểu cách điều khiển kim phun xăng trên ô tô đã mở ra trước mắt chúng ta một bức tranh tuyệt vời về sự phức tạp và sáng tạo trong lĩnh vực kỹ thuật ô tô. Qua những nỗ lực không ngừng của các kỹ sư và chuyên gia, chúng ta đã chiêm ngưỡng sự tiến bộ vượt bậc trong việc kiểm soát chính xác lượng nhiên liệu được phun ra động cơ, từ đó tối ưu hóa hiệu suất và tiêu thụ nhiên liệu.
Khám phá cách các hệ thống điều khiển điện tử ngày nay giữ vai trò trung tâm trong quá trình này, từ việc đo lường các thông số quan trọng đến việc điều chỉnh mức phun xăng theo điều kiện vận hành khác nhau, đã giúp tăng cường sự hiệu quả của động cơ và giảm tác động tiêu hao nhiên liệu. Cùng với đó, sự tiếp tục nghiên cứu và áp dụng các công nghệ mới sẽ tiếp tục định hình và nâng cao chất lượng cuộc sống của chúng ta thông qua việc cải thiện hiệu suất và bảo vệ môi trường. Điều này đồng nghĩa với việc, khi điều khiển kim phun xăng trở nên ngày càng thông minh, chúng ta sẽ có những chiếc xe ô tô không chỉ mạnh mẽ mà còn thân thiện với môi trường hơn, chinh phục mọi hành trình với sự hiệu quả và tiện nghi.
