Hệ thống điều khiển động cơ diesel bằng điện tử trong một thời gian dài chậm phát triển so với động cơ xăng. Sở dĩ như vậy là vì bản thân động cơ diesel thải ra ít chất độc hơn nên áp lực về vấn đề môi trường lên các nhà sản xuất ô tô không lớn. Hơn nữa, do độ êm dịu không cao nên diesel ít được sử dụng trên xe du lịch. Trong thời gian đầu, các hãng chủ yếu sử dụng hệ thống điều khiển bơm cao áp bằng điện trong các hệ thống EDC (electronic diesel control). Hệ thống EDC vẫn sử dụng bơm cao áp kiểu cũ nhưng có thêm một số cảm biến và cơ cấu chấp hành, chủ yếu để chống ô nhiễm và điều tốc bằng điện tử. Trong những năm gần đây, hệ thống điều khiển mới – hệ thống common rail với việc điều khiển kim phun bằng điện đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi.
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 áp suất cao (high-pressure accumulator) và sẵn sàng để phun. Lượng nhiên liệu phun ra được quyết định bởi tài xế, và thời điểm phun cũng như áp lực phun được tính toán bằng ECU dựa trên các biểu đồ đã lưu trong bộ nhớ của nó. Sau đó, ECU sẽ điều khiển các kim phun tại mỗi xylanh động cơ để phun nhiên liệu. Một hệ thống common rail (CR) bao gồm:
– ECU
– Kim phun (injector)
– Cảm biến tốc độ trục khuỷu (crankshaft speed sensor)
– Cảm biến tốc độ trục cam (camshaft speed sensor)
– Cảm biến bàn đạp ga (accelerator pedal sensor)
– Cảm biến áp suất tăng áp (boost pressure sensor)
Động cơ diesel 4 xylanh với hệ thống nhiên liệu Common Rail được trình bày ở trên với các chức năng sau:
a. Chức năng chính
Chức năng chính là điều khiển việc phun nhiên liệu đúng thời điểm, đúng lượng, đúng áp suất, đảm bảo động cơ diesel không chỉ hoạt động êm dịu mà còn tiết kiệm.
b. Chức năng phụ
Chức năng phụ của hệ thống là điều khiển vòng kín và vòng hở, không những nhằm 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 recirculation), điều khiển turbo tăng áp, điều khiển ga tự động và thiết bị chống trộm.
Đặc tính phun
Đặc tính phun của hệ thống phun dầu kiểu cũ. Với hệ thống phun kiểu cũ dùng bơm phân phối hay bơm thẳng hàng (distributor or in-line injection pumps), việc phun nhiên liệu chỉ có một giai đoạn gọi là giai đoạn phun chính (main injection phase), không có khởi phun và phun kết thúc.
Đặc tính phun dầu thường
Dựa vào ý tưởng của bơm phân phối sử dụng kim phun điện, các cải tiến đã được thực hiện theo hướng đưa vào giai đoạn phun kết thúc. Trong hệ thống cũ, việc tạo ra áp suất và cung cấp lượng nhiên liệu diễn ra song song với nhau bởi cam và piston bơm cao áp. Điều này tạo ra các tác động xấu đến đường đặc tính phun như sau:
– Áp suất phun tăng đồng thời với tốc độ và lượng nhiên liệu được phun.
– Suốt quá trình phun, áp suất phun tăng lên và lại giảm xuống theo áp lực đóng của ty kim ở cuối quá trình phun.
Hậu quả là:
– Khi phun với lượng dầu ít thì áp suất phun cũng nhỏ và ngược lại.
– Áp suất đỉnh cao gấp đôi áp suất phun trung bình.
Để quá trình cháy hiệu quả, đường cong mức độ phun nhiên liệu thực tế có dạng tam giác. Áp suất đỉnh quyết định tải trọng đặt lên các thành phần của bơm và các thiết bị dẫn động. Ở hệ thống nhiên liệu cũ, nó còn ảnh hưởng đến tỉ lệ hỗn hợp A/F trong buồng cháy.
Đặc tính phun của hệ thống common rail:
So với đặc điểm của hệ thống nhiên liệu cũ thì các yêu cầu sau đã được thực hiện dựa vào đường đặc tính phun lý tưởng:
– Lượng nhiên liệu và áp suất nhiên liệu phun độc lập với nhau trong từng điều kiện hoạt động của động cơ (cho phép dễ đạt được tỉ lệ hỗn hợp A/F lý tưởng).
– Lúc bắt đầu phun, lượng nhiên liệu phun ra chỉ cần một lượng nhỏ.
Các yêu cầu trên đã được thoả mãn bởi hệ thống common rail, với đặc điểm phun 2 lần: phun sơ khởi và phun chính.
Đường đặc tính phun của hệ thống Common Rail.
Hệ thống common rail là một hệ thống thiết kế theo module, có các thành phần:
– Kim phun điều khiển bằng van solenoid được gắn vào nắp máy
– Bộ tích trữ nhiên liệu (ống phân phối áp lực cao)
– Bơm cao áp (bơm tạo áp lực cao)
Các thiết bị sau cũng cần cho sự hoạt động điều khiển của hệ thống:
– ECU
– Cảm biến tốc độ trục khuỷu
– Cảm biến tốc độ trục cam
Đối với xe du lịch, bơm có piston hướng tâm (radial-piston pump) được sử dụng như là bơm cao áp để tạo ra áp suất. Áp suất được tạo ra độc lập với quá trình phun. Tốc độ của bơm cao áp phụ thuộc tốc độ động cơ và ta không thể thay đổi tỉ số truyền. So với hệ thống phun cũ, việc phân phối nhiên liệu trên thực tế xảy ra đồng bộ, có nghĩa là không những bơm cao áp trong hệ thống common rail nhỏ hơn mà còn hệ thống truyền động cũng chịu tải trọng ít hơn.
Về cơ bản, kim phun được nối với ống tích áp nhiên liệu (rail) bằng một đường ống ngắn, kết hợp với đầu phun và solenoid được cung cấp điện qua ECU. Khi van solenoid không được cấp điện thì kim ngưng phun. Nhờ áp suất phun không đổi, lượng nhiên liệu phun ra sẽ tỷ lệ với độ dài của xung điều khiển solenoid. Yêu cầu mở nhanh van solenoid được đáp ứng bằng việc sử dụng điện áp cao và dòng lớn. Thời điểm phun được điều khiển bằng hệ thống điều khiển góc phun sớm. Hệ thống này dùng một cảm biến trên trục khuỷu để nhận biết tốc độ động cơ, và cảm biến trên trục cam để nhận biết kỳ hoạt động.
a. Phun sơ khởi (pilot INJECTION)
Phun sơ khởi có thể diễn ra sớm đến 90o trước tử điểm thượng (BTDC). Nếu thời điểm khởi phun xuất hiện nhỏ hơn 40o BTDC, nhiên liệu có thể bám vào bề mặt của piston và thành xylanh và làm loãng dầu bôi trơn.
Trong giai đoạn phun sơ khởi, một lượng nhỏ nhiên liệu (1 – 4 mm3) được phun vào xylanh để “mồi”. Kết quả là quá trình cháy được cải thiện và đạt được một số hiệu quả sau:
Áp suất cuối quá trình nén tăng một ít nhờ vào giai đoạn phun sơ khởi và nhiên liệu cháy một phần. Điều này giúp giảm thời gian trễ cháy, sự tăng đột ngột của áp suất khí cháy và áp suất cực đại (quá trình cháy êm dịu hơn). Kết quả là giảm tiếng ồn của động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và trong nhiều trường hợp giảm được độ độc hại của khí thải. Quá trình phun sơ khởi đóng vai trò gián tiếp trong việc làm tăng công suất của động cơ.
b. Giai đoạn phun chính (main INJECTION)
Công suất đầu ra của động cơ xuất phát từ giai đoạn phun chính tiếp theo giai đoạn phun sơ khởi. Điều này có nghĩa là giai đoạn phun chính giúp tăng lực kéo của động cơ. Với hệ thống common rail, áp suất phun vẫn giữ không đổi trong suốt quá trình phun.
c. Giai đoạn phun thứ cấp (secondary INJECTION)
Theo quan điểm xử lý khí thải, phun thứ cấp có thể được áp dụng để đốt cháy NOx. Nó diễn ra ngay sau giai đoạn phun chính và được định để xảy ra trong quá trình giãn nở hay ở kỳ thải khoảng 200o sau tử điểm thượng (ATDC). Ngược lại với quá trình phun sơ khởi và phun chính, nhiên liệu được phun vào không được đốt cháy mà để bốc hơi nhờ vào sức nóng của khí thải ở ống pô. Trong suốt kỳ thải, hỗn hợp khí thải và nhiên liệu được đẩy ra ngoài hệ thống thoát khí thải thông qua supap thải. Tuy nhiên một phần của nhiên liệu được đưa lại vào buồng đốt thông qua hệ thống luân hồi khí thải EGR và có tác dụng tương tự như chính giai đoạn phun sơ khởi. Khi bộ hoá khử được lắp để làm giảm lượng NOx, chúng tận dụng nhiên liệu trong khí thải như là một nhân tố hoá học để làm giảm nồng độ NOx trong khí thải.
Quá trình phun nhiên liệu trong hệ thống Common Rail không chỉ là một phần quan trọng của động cơ hiện đại mà còn là yếu tố quyết định về hiệu suất và khả năng tiết kiệm nhiên liệu của xe ô tô. Qua bài viết này, chúng ta đã hiểu được sâu rộng về cách hệ thống Common Rail hoạt động để cung cấp nhiên liệu với áp suất cao và chính xác đến từng béc phun.
