BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG QUANG TUỆ

TỐI ƯU ÁP SUẤT PHUN VÀ THỜI ĐIỂM PHUN
CỦA HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU COMMON RAIL
SỬ DỤNG TRÊN ĐỘNG CƠ AVL-5402

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội - Năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG QUANG TUỆ

TỐI ƯU ÁP SUẤT PHUN VÀ THỜI ĐIỂM PHUN
CỦA HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU COMMON RAIL
SỬ DỤNG TRÊN ĐỘNG CƠ AVL-5402

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. KHỔNG VŨ QUẢNG


Học viên thực hiện

Hoàng Quang Tuệ

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ii
2.2. Cơ sở lý thuyết tối ưu áp suất phun và góc phun sớm..................................................36
Chương 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN.................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................71

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
PC

Máy tính

CB

Cảm biến

ADC

Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số

COM

Cổng nối tiếp để kết nối máy tính và vi xử lý


Băng thử động cơ

CR

Hệ thống nhiên liệu Common rail

iii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Bảng các mốc thời gian phát triển của hệ thống nhiên liệu Common rail....
27
Bảng 2.1. Bả ng giải thích các thông số vào và ra điều khiển quá trình phun nhiên liệu của
động
cơ
AVL-5402
.........................................................................................................................................................
43

Bảng 3.1. Bảng các thông số cơ bản của động cơ AVL-5402.......................................
50
Bảng 4.1. Bảng kết quả thí nghiệm xác định áp suất phun tại chế độ tải 25%.............
59
Bảng 4.2. Bảng kết quả thí nghiệm xác định áp suất phun tại chế độ tải 50%.............
61
Bảng 4.3. Bảng kết quả thí nghiệm xác định áp suất phun tại chế độ tải 75%.............
63
Bảng 4.4. Bảng kết quả thí nghiệm xác định góc phun sớm tại chế độ tải 25%...........
65
Bảng 4.5. Bảng kết quả thí nghiệm xác định góc phun sớm tại chế độ tải 50%...........

kính
........................................................................................................................
12
Hình 1.7. Hoạt động của van TCV bơm VE điều khiển điện tử - máy bơm hướng
kính
........................................................................................................................
12
Hình 1.8. Sơ đồ điều khiển bơm VE điện tử loại dùng van xả áp.................................
13
Hình 1.9. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu EUI.......................................................................
13
Hình 1.10. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu HEUI..................................................................
14
Hình 1.11. Sơ đồ giới thiệu chung hệ thống nhiên liệu Common rail..........................
15
Hình 1.12. So sánh lượng phun giữa phun một giai đoạn và phun hai giai đoạn.........
16
Hình 1.13. So sánh tiếng ồn giữa phun một giai đoạn và phun hai giai đoạn...............
17
Hình 1.14. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu Common rail......................................................
17
Hình 1.15. Bình tích áp (ống rail)..................................................................................
18
Hình 1.16. Bơm thấp áp.................................................................................................
18

vi


Hình 1.17. Bơm cao áp...................................................................................................

Hình 2.3. Sơ đồ điề u khiể n quá trì n h phun.........................................................................................
42

vii


Hình 2.4. Ảnh hưởng của góc phun sớm đến Ne, Gnl, ge và n.......................................
45
Hình 2.5. Ảnh hưởng của áp suất phun đến Ne,Gnl, và ge..............................................
46
Hình 3.1. Mặt cắt ngang động cơ AVL-5402................................................................
49
Hình 3.2. Sơ đồ băng thử động cơ 1 xylanh SCTB.......................................................
51
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý đo của AVL Fuel balance 733s..........................................
52
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý làm việc của AVL 577........................................................
53
Hình 3.5. Thiết bị điều chỉnh tay ga THA100 và hộp tín hiệu của nó..........................
54
Hình 3.6. Thiết bị Dismoke 4000...................................................................................
55
Hình 3.7. Thiết bị đo độ khói Smoke Meter AVL 415..................................................
55
Hình 4.1. Đồ thị xác định áp suất phun tới công suất, suất tiêu hao nhiên liệu tại chế
độ
tải
25%.
.......................................................................................................................
58

độ
tải
25%.
.......................................................................................................................
64
Hình 4.11. Đồ thị xác định góc phun sớm tới nồng độ phát thải động cơ tại chế độ
tải 25%.........................................................................................................
64
Hình 4.12. Đồ thị xác định góc phun sớm tới công suất, suất tiêu hao nhiên liệu tại
chế
độ
tải
50%.
.......................................................................................................................
65
Hình 4.13. Đồ thị xác định góc phun sớm tới nồng độ phát thải động cơ tại chế độ
tải
50%.
.......................................................................................................................
66
Hình 4.14. Đồ thị xác định góc phun sớm tới công suất, suất tiêu hao nhiên liệu tại
chế
độ
tải
75%.
.......................................................................................................................
67

ix


II. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài
2.1. Mục đích nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu và đưa ra cách xác định hai tham số là áp suất phun và góc
phun sớm hợp lý cho hệ thống nhiên liệu Common rail, tại các chế độ làm việc của
động cơ AVL-5402, để có thể nâng cao tính năng công suất, suất tiêu hao nhiên liệu
và giảm phát thải của động cơ.

1


2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Động cơ AVL-5402 được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu. Đây là động cơ
diesel sử dụng hệ thống nhiên liệu Common rail. Nghiên cứu tập trung vào xác định
áp suất phun và thời điểm phun của hệ thống nhiên liệu Common rail. Toàn bộ các
nội dung nghiên cứu, các thử nghiệm của đề tài được thực hiện ở động cơ AVL5402 lắp trên băng thử tại PTN ĐCĐT - Viện CKĐL - Trường ĐHBK Hà Nội.
Do điều kiện thời gian có hạn nên đề tài chỉ tập trung nghiên cứu xác định 2
tham số điều khiển là áp suất phun và góc phun sớm của hệ thống nhiên liệu
Common rail sử dụng trên động cơ AVL-5402.
III. Phương pháp và nội dung nghiên cứu
Đề tài sử dụng phương pháp tổng hợp các kết quả nghiên cứu, thử nghiệm về
tối ưu áp suất phun và thời điểm phun của hệ thống nhiên liệu Common rail trên
động cơ mẫu 1 xylanh tại phòng thí nghiệm.
Thực nghiệm được tiến hành trên băng thử động cơ tại PTN ĐCĐT - Viện
CKĐL - Trường ĐHBKHN.
Quá trình thử nghiệm để đánh giá và xác định các thông số điều khiển tới tính
năng công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ.
IV. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Đề tài đưa ra giải pháp nhằm mục đích tối ưu áp suất phun và thời điểm phun
của hệ thống nhiên liệu Common rail, đảm bảo hệ thống Common rail đạt được các
kết quả như mong muốn về áp suất phun và thời điểm phun cho động cơ AVL5402, giúp cho động cơ có thể hoạt động trong điều kiện tốt nhất và hiệu quả khi lắp

động cơ đốt trong
1.1.1. Quá trình hình thành và phát triển của hệ thống nhiên liêu điều khiển trên
động cơ xăng và diesel
Cùng với sự phát triển khoa học công nghệ, kéo theo việc các công nghệ điều
khiển điện tử đã và đang được ứng dụng rộng rãi cho hệ thống cung cấp nhiên liệu
xăng và diesel.
Đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ xăng thì các hệ thống cung
cấp nhiên liệu điều khiển bằng điện tử phát triển một cách mạnh mẽ, điển hình là
các hệ thống phun xăng điện tử trực tiếp và gián tiếp. Ngoài ra cùng với động cơ
xăng thì các công nghệ hiện đại cũng được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng rất
rộng rãi cho động cơ diesel.
Đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ diesel thì hệ thống cung cấp
nhiên liệu điều khiển điện tử cũng rất phát triển.
Từ những năm thập niên 80-90, Bosch đã đi sâu vào nghiên cứu cải tiến về hệ
thống nhiên liệu. Cùng với sự phát triển của ngành điện tử - điều khiển, hãng Bosch
đã cho ra đời hệ thống nhiên liệu Common rail vào năm 1997 và đã ứng dụng trên
xe khách, hệ thống này có áp suất lớn nhất 1350bar [1]. Hệ thống này ra đời và đã
cải thiện được những nhược điểm của hệ thống nhiên liệu cũ. Lý do trong hệ thống
này việc tạo áp suất và phun nhiên liệu là tách biệt nhau, một bơm cao áp riêng
được đặt trong thân máy để tạo ra áp suất liên tục, áp suất này chuyển tới và được
tích lại trong ống rail cung cấp tới các vòi phun. Do đó không tồn tại sóng áp suất
trong ống nhiên liệu. Vì vậy mà dù ở tốc độ thấp thì áp suất phun luôn ổn định nên
tránh được hiện tượng phun rớt. Do áp suất phun không phụ thuộc vào tốc độ cũng
như tải trọng nên thời điểm phun, áp suất phun và thời gian phun có thể lựa chọn
trong một phạm vi rộng và được điều khiển chính xác. Ngày nay hệ thống nhiên
liệu Common rail có thể được coi là hệ thống có ưu điểm vượt trội hơn cả bởi vì có

4



chỉnh sao cho tạo ra hỗn hợp tối ưu nhất. So với việc sử dụng chế hoà khí thì tiết
kiệm khoảng 11 ÷ 16 %.
+ Tăng công suất động cơ
- Ở hệ thống phun xăng sức cản không khí trên đường nạp được giảm bớt do
bỏ bộ chế hoà khí. Kết cấu đường nạp có thể tối ưu hoá để nạp đầy tối đa cho động
cơ ở mọi chế độ hoạt động.
- Ở hệ thống phun xăng hiện đại, ECU còn điểu khiển đồng thời cả hệ thống
phun xăng và đánh lửa để tăng hiệu suất cho động cơ.
+ Giảm bớt các khí thải độc hại
- Do xăng được phun ra dưới dạng sương mù nên hỗn hợp được chuẩn bị tốt
hơn, phân phối đều hơn trong xy lanh nên cháy tốt hơn.
- Ở một số hệ thống phun xăng còn sử dụng cảm biến khí xả kết hợp với bộ
xúc tác khí thải cho phép đạt được hỗn hợp chuẩn ở các chế độ làm việc và giảm
đến mức cho phép các khí thải độc hại.
Tuy vậy hệ thống phun xăng cũng có một số các nhược điểm cụ thể như sau:
- Cấu tạo phức tạp, yêu cầu khắt khe về nhiên liệu và không khí.
- Sửa chữa bảo dưỡng khó, đòi hỏi người thợ phải có trình độ chuyên môn cao.
- Giá thành rất cao.
c. Các loại hệ thống phun xăng
* Phân loại theo số điểm phun
- Hệ thống phun xăng đơn điểm: Việc chuẩn bị hỗn hợp nhiên liệu được tiến
hành ở vị trí tương tự như ở bộ chế hoà khí, sử dụng một hoặc hai vòi phun. Xăng
được phun vào đường nạp, trên bướm ga [2].

6


- Ưu điểm: Có cấu tạo đơn giản nên giá thành không quá cao. Được sử dụng
phổ biến ở các xe có công suất nhỏ.
- Nhược điểm: Không khắc phục nhược điểm cố hữu của bộ chế hoà khí là hỗn

gây ra ô nhiễm môi trường. Mặc dù động cơ diesel với tính hiệu quả kinh tế hơn là
động cơ xăng, nhưng vấn đề về tiếng ồn và khí thải vẫn là những hạn chế trong sử
dụng động cơ diesel. Tuy nhiên cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và
kỹ thuật, hệ thống nhiên liệu diesel không ngừng được cải tiến với các giải pháp kỹ
thuật tối ưu nhằm làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu.
Các nhà sản xuất động cơ diesel đã đề ra nhiều biện pháp khác nhau về kỹ thuật
phun và tổ chức quá trình cháy nhằm hạn chế các chất ô nhiễm thải ra môi trường,
các vấn đề này đã được cải thiện và động cơ diesel ngày càng trở lên phổ biến và
thân thiện hơn. Dưới đây là một số công nghệ điển hình liên quan đến hệ thống
cung cấp nhiên liệu diesel điện tử [6].
a. Hệ thống nhiên liệu diesel điện tử loại bơm dãy PE điều khiển bằng cơ cấu điều
ga điện từ
+ Cấu tạo
Những cơ cấu chính của bơm PE thông thường chỉ khác ở các điểm như thể
hiện cụ thể như trên Hình 1.1.

Hình 1.1: Bơm dãy PE điều khiển điện tử [6]
1. Thanh răng; 2. Cơ cấu điều ga (loại điện từ); 3. Trục cam
4. Cảm biến tốc độ động cơ; 5. ECU

8


Bộ điều tốc ly tâm ở phía cuối trục cam được thay bằng cảm biến tốc độ động
cơ. Cơ cấu điều khiển thanh răng loại cơ khí hoặc loại chân không được thay bằng
cơ cấu điều khiển ga điện từ nhận xung điều khiển tử ECU động cơ.
+ Hoạt động
Hoạt động của Bơm dãy PE điều khiển điện tử theo trình tự cụ thể như sau:
Điều khiển lượng nhiên liệu phun bằng cách di chuyển thanh răng nhờ cơ cấu
điều ga điện từ. Cơ cấu điều khiển ga điện từ tạo ra một từ trường kéo thanh răng.

hoạt động như sau:
Quá trình tạo ra dầu áp suất cao, phun dầu cơ bản giống như loại bơm thông
thường, điều khiển lượng phun thông qua cơ cấu điều ga điện từ, cơ cấu điều ga
điện từ điều khiển công suất động cơ và kiểm soát tốc độ tối đa của động cơ, để
ngăn động cơ không chạy quá tốc độ và giữ ổn định tốc độ chạy không tải.
Điều khiển thời điểm phun thông qua van TCV như trên Hình 1.3. Van này
được điều khiển bằng tỷ lệ hiệu dụng (tỷ lệ theo chu kỳ làm việc) thời gian tắt và
bật của dòng điện chạy qua cuộn dây, khi điện bật, độ dài thời gian mở van sẽ điều
khiển áp suất nhiên liệu trong piston của bộ định thời.

Hình 1.3. Hoạt động của van TCV (làm sớm thời điểm phun)

- Loại thứ hai: Bơm chia VE điều khiển điện tử bằng van xả áp - máy bơm piston
hướng trục [6]

10


+ Cấu tạo
Bơm VE điện tử kiểu
mới (một piston) hướng trục
do không có quả ga nên để
điều khiển lượng nhiên liệu
phun (tức là muốn thay đổi
tốc độ động cơ, công suất
của động cơ) thì bơm sử
dụng một khoang xả áp
thông với khoang xy lanh
như thể hiện trên Hình 1.4.
Hình 1.4. Cấu trúc bơm VE điều khiển điện tử bằng

cụm này được đặt trong một vành
cam, như thể hiện trên Hình 1.6.
Hình 1.6. Cấu trúc bơm VE điều khiển điện tử
bằng van xả áp - máy bơm piston hướng kính

+ Hoạt động
Hình 1.7 biểu diễn hoạt động điều khiển lượng phun thông qua van TCV, thời
điểm phun thông qua van TCV tương tự như máy bơm piston hướng trục ở trên.

Hình 1.7. Hoạt động của van TCV bơm VE điều khiển
điện tử - máy bơm hướng kính

12


Khi độ dài thời gian mở van rút ngắn lại (tỷ lệ của dòng điện đang được sử
dụng thấp), thì lượng nhiên liệu đi tắt giảm xuống. Do đó, piston của bộ điều khiển
chuyển động sang trái làm quay vành con lăn theo chiều làm sớm thời điểm phun.
Khi độ dài thời gian mở van dài (tỷ lệ của dòng điện đang được sử dụng cao),
thì lượng nhiên liệu đi tắt tăng lên. Do đó piston của bộ điều khiển chuyển sang
phải do lực của lò xo làm quay vành con lăn theo chiều làm muộn thời điểm phun .
Toàn bộ quá trình điều khiển các loại bơm VE được thể hiện thông qua sơ đồ
Hình 1.8.

Hình 1.8. Sơ đồ điều khiển bơm VE điện tử loại dùng van xả áp

c. Hệ thống nhiên liệu diesel điện tử EUI (Electronic Unit Injection)
Hệ thống nhiên liệu EUI có 5 bộ phận chính cấu thành như thể hiện trên hình
Hình 1.9 [6]