Trong bối cảnh ngày nay, khi động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô và các ứng dụng máy móc khác, việc nghiên cứu và hiểu rõ về kim phun (injectors) trở nên ngày càng quan trọng. Kim phun đóng vai trò quyết định trong quá trình chế biến nhiên liệu và đốt cháy, trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu suất, tiêu thụ nhiên liệu, và môi trường.
Thời điểm phun và lượng nhiên liệu phun được điều chỉnh bằng cách cho dòng điện qua các kim phun. Các kim phun này thay thế kim phun cơ khí. Tương tự như kim phun cơ khí trong các động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp, các bộ kẹp thường được sử dụng để lắp kim vào nắp máy. Kim phun có thể chia làm các phần theo chức năng như sau: Lỗ kim phun, Hệ thống dẫn dầu phụ, Van điện
Nhiên liệu từ đường dầu đến kim và theo đường ống dẫn sẽ đi đến buồng điều khiển 8 thông qua lỗ nạp 7. Buồng điều khiển được nối với đường dầu về thông qua lỗ xả 6 được mở bởi van solenoid. Khi lỗ đóng, áp lực của dầu đặt lên piston 9 cao hơn áp lực dầu tại thân ty kim 11. Kết quả là kim bị đẩy xuống dưới và làm kín lỗ phun với buồng đốt.
Khi van solenoid có dòng điện, lỗ xả 6 được mở ra. Điều này làm cho áp suất ở buồng điều khiển giảm xuống, kết quả là áp lực tác dụng lên piston cũng giảm theo. Khi áp lực dầu trên piston giảm xuống thấp hơn áp lực tác dụng lên ty kim, thì ty kim mở ra và nhiên liệu được phun vào buồng đốt qua các lỗ phun. Kiểu điều khiển ty kim gián tiếp này dùng một hệ thống khuyếch đại thuỷ lực vì lực cần thiết để mở kim thật nhanh không thể được trực tiếp tạo ra nhờ van solenoid. Thời điểm phun và lượng nhiên liệu phun được điều chỉnh thông qua dòng qua các kim phun.
Tương tự như các kim phun kiểu cũ trong các động cơ phun nhiên liệu trực tiếp, các bộ kẹp được ưu tiên sử dụng để lắp kim vào nắp máy.
Hoạt động của kim phun có thể chia làm 4 giai đoạn chính khi động cơ làm việc và bơm cao áp tạo ra áp suất cao:
– Kim phun đóng (khi có áp lực dầu tác dụng)
– Kim phun mở (bắt đầu phun)
– Kim phun mở hoàn toàn
– Kim phun đóng (kết thúc phun)
Các giai đoạn hoạt động là kết quả của sự phân phối lực tác dụng lên các thành phần của kim phun. Khi động cơ dừng lại và không có áp suất trong ống phân phối, lò xo kim đóng kim phun.
– Kim phun đóng (ở trạng thái nghỉ)
– Ở trạng thái nghỉ, van solenoid chưa được cung cấp điện và do đó kim phun đóng.
Khi lỗ xả đóng, lò xo đẩy van bi đóng lại. Áp suất cao của ống tăng lên trong buồng điều khiển và trong buồng thể tích của ty kim cũng có một áp suất tương tự. Áp suất của ống đặt vào phần đỉnh của piston, cùng với lực của lò xo ngược chiều với lực mở kim sẽ giữ được ty kim ở vị trí đóng.
* Kim phun mở (bắt đầu phun)
Van solenoid được cung cấp điện với dòng kích lớn để bảo đảm nó mở nhanh. Lực tác dụng bởi van solenoid lớn hơn lực lò xo lỗ xả và làm mở lỗ xả ra. Gần như tức thời, dòng điện cao được giảm xuống thành dòng nhỏ hơn chỉ đủ để tạo ra lực điện từ để giữ ty. Điều này thực hiện được là nhờ khe hở mạch từ bây giờ đã nhỏ hơn. Khi lỗ xả mở ra, nhiên liệu có thể chảy vào buồng điều khiển van vào khoang bên trên nó và từ đó trở về bình chứa thông qua đường dầu về. Lỗ xả làm mất cân bằng áp suất nên áp suất trong buồng điều khiển van giảm xuống. Điều này dẫn đến áp suất trong buồng điều khiển van thấp hơn áp suất trong buồng chứa của ty kim (vẫn còn bằng với áp suất của ống). Áp suất giảm đi trong buồng điều khiển van làm giảm lực tác dụng lên piston điều khiển nên ty kim mở ra và nhiên liệu bắt đầu phun.
a. Khi kim đóng
b. Khi kim nhấc
1. Đường dầu về
2. Mạch điện
3. Van điện
4. Đường dầu vào (dầu có áp suất cao) từ ống trữ
5. Van bi
6. Van xả
7. Ống cấp dầu
8. Van điều khiển ở buồng
9. Van điều khiển piston
10. Lỗ cấp dầu cho đầu kim
11. Đầu kim
Cấu tạo của kim phun
Tốc độ mở ty kim được quyết định bởi sự khác biệt tốc độ dòng chảy giữa lỗ nạp và lỗ xả. Piston điều khiển tiến đến vị trí dừng phía trên nơi mà nó vẫn còn chịu tác dụng của đệm dầu được tạo ra bởi dòng chảy của nhiên liệu giữa lỗ nạp và lỗ xả. Kim phun giờ đây đã mở hoàn toàn, và nhiên liệu được phun vào buồng đốt ở áp suất gần bằng với áp suất trong ống. Lực phân phối trong kim thì tương tự với giai đoạn mở kim.
* Kim phun đóng (kết thúc phun)
Khi dòng qua van solenoid bị ngắt, lò xo đẩy van bi xuống và van bi đóng lỗ xả lại. Lỗ xả đóng đã làm cho áp suất trong buồng điều khiển van tăng lên thông qua lỗ nạp. Áp suất này tương đương với áp suất trong ống và làm tăng lực tác dụng lên đỉnh piston điều khiển. Lực này cùng với lực của lò xo bây giờ cao hơn lực tác dụng của buồng chứa và ty kim đóng lại. Tốc độ đóng của ty kim phụ thuộc vào dòng chảy của nhiên liệu qua lỗ nạp.
* Đầu kim phun
Ty kim mở khi van solenoid được kích hoạt để nhiên liệu chảy qua. Chúng phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy.
Lượng nhiên liệu dư cần để mở ty kim sẽ được đưa trở lại bình chứa thông qua đường ống dầu về. Nhiên liệu hồi về từ van điều áp và từ vùng áp suất thấp cũng đựơc dẫn theo đường dầu về cùng với nhiên liệu được dùng như để bôi trơn cho bơm cao áp.
Thiết kế của đầu phun được quyết định bởi:
– Việc kiểm soát nhiên liệu phun ra (thời điểm và lượng nhiên liệu phun theo góc độ trục cam);
– Việc điều khiển nhiên liệu (số lỗ tia, hình dạng nhiên liệu phun ra và sự tán nhuyễn nhiên liệu, sự phân phối nhiên liệu trong buồng cháy, mức độ làm kín buồng cháy).
Đầu phun loại P có đường kính 4 mm được dùng trong động cơ phun nhiên liệu trực tiếp common rail. Những đầu phun này gồm 2 loại: đầu phun lỗ tia hở và đầu phun lỗ tia kín. Lỗ tia phun được định vị dựa vào hình nón phun. Số lượng lỗ tia và đường kính của chúng dựa vào:
– Lượng nhiên liệu phun ra
– Hình dạng buồng cháy
– Sự xoáy lốc trong buồng cháy.
Đối với cả hai loại lỗ tia hở và lỗ tia kín thì phần cạnh của lỗ tia có thể được gia công bằng phương pháp ăn mòn hydro nhằm mục đích ngăn ngừa sự mài mòn sớm của cạnh lỗ tia gây ra bởi các phần tử mài mòn và giảm sai lệch dung lượng phun.
Để làm giảm lượng hydrocacbon thải ra, thể tích nhiên liệu điền đầy ở đầu của ty kim cần thiết phải giữ ở mức nhỏ nhất. Việc này được thực hiện tốt nhất với loại đầu phun lỗ tia kín.
Lỗ tia của loại này được sắp xếp quanh một lỗ bao. Trong trường hợp đỉnh của đầu phun hình tròn, hay tuỳ thuộc vào thiết kế, lỗ tia được khoan bằng cơ khí hoặc bằng máy phóng điện (EDM – electrical-discharge machinin).
Lỗ tia với đỉnh của đầu phun hình nón thì luôn được khoan bằng phương pháp EDM.
Đầu phun lỗ tia hở có thể được dùng với các loại lỗ bao với kích thước khác nhau như lỗ bao hình trụ và lỗ bao hình nón.
* Đầu phun lỗ tia hở với lỗ bao hình trụ và đầu tròn
Với hình dạng lỗ bao này bao gồm một hình ống và một phần hình bán cầu cho phép dễ dàng thiết kế với các điều kiện:
– Số lượng lỗ;
– Chiều dài lỗ tia;
– Góc phun.
Đỉnh của đầu phun là hình bán cầu và kết hợp với hình dạng của lỗ bao giúp các lỗ tia có chiều dài giống nhau.
* Đầu phun lỗ tia hở với lỗ bao hình trụ và đỉnh của đầu phun hình nón
Loại này được dùng riêng biệt với lỗ tia có chiều dài 0.6 mm. Đỉnh của đầu phun có hình nón cho phép tăng độ dày thành của đầu phun. Kết quả là tăng được độ cứng của đỉnh kim phun.
1. Đầu ghim áp suất
2. Bề mặt chịu áp lục
3. Đường dầu vào
4. Mặt côn
5. Tín dụng kim
6. Đầu kim
7. Thân kim
8. Đế kim
9. Buồng áp suất
10. Trục định hướng
11. Vành kim
12. Lỗ định vị
13. Dấu trên bề mặt
14. Bề mặt công tắc áp suất
* Đầu phun lỗ tia hở với lỗ bao hình nón và đỉnh hình nón
Trong loại này, do có hình nón nên có thể tích lỗ bao nhỏ hơn đầu phun có lỗ bao hình trụ. Loại này là trung gian giữa đầu phun lỗ tia kín và đầu phun lỗ tia hở có lỗ bao hình trụ. Để có được bề dày đồng nhất của đỉnh kim thì nó phải có hình nón phù hợp với hình dạng của lỗ bao.
* Đầu phun lỗ tia kín
Để làm giảm thể tích có hại của lỗ bao và do đó để làm giảm lượng HC thải ra, lỗ tia nằm ngay trên phần côn và với lỗ phun kín, thì nó được bao quanh bởi ty kim. Điều này có nghĩa là không có sự kết nối trực tiếp giữa lỗ bao và buồng cháy. Thể tích có hại ở đây nhỏ hơn nhiều so với loại đầu phun lỗ tia hở. So với đầu phun lỗ tia hở, loại này có giới hạn tải trọng thấp hơn nhiều và do đó chỉ sản xuất loại P với lỗ tia dài 1 mm. Để đạt độ cứng cao, đỉnh của kim có hình nón. Lỗ tia luôn được tạo bởi phương pháp gia công bằng máy phóng điện EDM.
