TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Hiện nay, vấn đề môi trường đang trở thành một thách thức lớn đối với các nhà sản xuất ô tô và phụ tùng ô tô Để giảm thiểu ô nhiễm, bên cạnh việc sử dụng bộ xử lý khí thải, các hãng cần tối ưu hóa quá trình cháy của động cơ Mục tiêu là tạo ra khí thải sạch hơn mà vẫn đảm bảo hiệu suất động cơ.
Mặc dù việc sử dụng động cơ xăng, động cơ xăng kết hợp với động cơ điện, hoặc chỉ động cơ điện giúp giảm thiểu khí thải độc hại, nhưng vẫn không thể thay thế động cơ Diesel do mômen xoắn của các loại động cơ này không đủ mạnh để tải trọng nặng Do đó, động cơ Diesel vẫn cần thiết cho các mục đích chuyên chở nặng Hệ thống nhiên liệu Common Rail ra đời nhằm cải thiện hiệu suất động cơ, với kim phun dầu điện tử có khả năng chịu áp suất phun cao và phun nhiều giai đoạn, từ đó nâng cao quá trình cháy của động cơ.
Nhóm chúng tôi đã quyết định nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu về kim phun trên động cơ Diesel phun dầu điện tử” nhằm hiểu rõ cách thức hoạt động của các loại kim phun và quy trình sửa chữa khi chúng gặp hư hỏng.
Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của kim phun trên động cơ Diesel phun dầu điện tử
- Phương pháp tháo lắp, đo kiểm và sửa chữa các loại kim phun trên
- Vận hành, kiểm tra kim phun trên hai loại băng thử CR - NT 815 và CRDI - 100 để đánh giá kết quả sau sửa chữa.
Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
- Kim phun dầu điện tử các hãng BOSCH, DENSO, DELPHI, SIEMENS
- Băng thử CR - NT 815 và CRDI - 100
Trong bài viết này, chỉ tập trung vào việc nghiên cứu về kim phun dùng trên hệ thống nhiên liệu Common Rail.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.4.1 Trong nước Ở nước ta hiện nay, mảng sửa chữa, phục hồi kim phun dùng trên hệ thống nhiên liệu Common Rail (bên ngoài gọi là phục hồi béc dầu) cũng tương đối phổ biến Tuy nhiên, việc sửa chữa các loại kim phun này chỉ được truyền dạy bởi các cơ sở sửa chữa, phục hồi bơm béc dầu mà chưa được giảng dạy tại các cơ sở giáo dục Vì vậy, đây là một mảng tương đối mới cho việc tiếp cận của sinh viên ngành ô tô
Cần xây dựng tài liệu học tập hướng dẫn sửa chữa kim phun Common Rail cho sinh viên, giúp họ hiểu rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách sửa chữa cơ bản Đây là lĩnh vực riêng biệt với tiềm năng phát triển tốt, là lựa chọn nghề nghiệp hấp dẫn cho sinh viên sau khi tốt nghiệp.
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh được trang bị hai loại băng thử và thiết bị sửa chữa kim phun Common Rail, giúp sinh viên tiếp cận lĩnh vực này Điều này tạo điều kiện cho sinh viên phát triển kỹ năng và xây dựng bộ giáo trình hoàn chỉnh phục vụ cho việc học tập và thực hành cho các thế hệ sinh viên tiếp theo.
Với tiêu chuẩn khí thải EURO 6 ngày càng nghiêm ngặt, các hãng sản xuất phụ tùng và ô tô đang tích cực nghiên cứu và phát triển các thế hệ kim phun Common Rail mới Điều này nhằm đáp ứng yêu cầu về khí thải mà vẫn đảm bảo hiệu suất cho động cơ đốt trong, đặc biệt trong lĩnh vực vận tải nặng, nơi mà sự thay thế hoàn toàn chưa khả thi.
Mảng sửa chữa và phục hồi kim phun Common Rail đang phát triển mạnh mẽ với sự hỗ trợ từ các hãng sản xuất kim phun chính hãng và phụ tùng thay thế, họ đã xây dựng tài liệu sửa chữa chi tiết cho từng loại kim phun Các công ty sản xuất thiết bị đo kiểm cũng tham gia vào việc tạo ra tài liệu hướng dẫn sử dụng và sửa chữa để phục vụ cho việc kinh doanh sản phẩm của mình Nhiều công ty còn phát triển phần mềm tra cứu và hướng dẫn sửa chữa với đầy đủ thông số cần thiết cho quá trình đo kiểm Hầu hết thiết bị sửa chữa và phụ tùng thay thế được cung cấp bởi các quốc gia tiên tiến như Đức, Nhật Bản, Ý và Trung Quốc, cho thấy sự phát triển vượt bậc của họ so với Việt Nam về cơ sở vật chất và trình độ chuyên môn Do đó, cần đẩy mạnh phát triển lĩnh vực này để đáp ứng nhu cầu sử dụng động cơ đốt trong, đặc biệt là động cơ Diesel tại Việt Nam.
Nội dung nghiên cứu
Trong gần 5 tháng nghiên cứu và thực hiện, nhóm đã hoàn thành nhiệm vụ đồ án đã đặt ra Nội dung thể hiện rõ qua năm chương như sau:
Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết về kim phun Common Rail
Chương 3: Quy trình tháo lắp, kiểm tra và sửa chữa một số kim phun Common Rail phổ biến
Chương 4: Vận hành băng thử và đánh giá kết quả sau sửa chữa
Chương 5: Kết luận và kiến nghị.
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ KIM PHUN COMMON RAIL
Sơ lược về lịch sử ra đời và phát triển
2.1.1 Hệ thống nhiên liệu Common Rail
Hệ thống nhiên liệu Common Rail đầu tiên được phát triển cho động cơ ô tô vào cuối những năm 1960 bởi Robert Huber, một chuyên gia người Thụy Sĩ Công nghệ này sau đó đã được Tiến sĩ Marco Ganser tiếp tục phát triển tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ ở Zurich.
Việc ứng dụng thành công hệ thống nhiên liệu Common Rail trên xe sản xuất bắt đầu tại Nhật Bản vào giữa những năm 1990 Tiến sĩ Shohei Itoh và Masahiko Miyaki từ Tập đoàn Denso, một nhà sản xuất phụ tùng ô tô Nhật Bản, đã phát triển hệ thống này cho các phương tiện hạng nặng Hệ thống Common Rail ECD - U2 được lắp đặt trên xe tải Hino Ranger và chính thức được bán ra thị trường vào năm 1995.
Cũng vào năm này, Denso tuyên bố hệ thống Common Rail áp suất cao thương mại đầu tiên
Các hệ thống Common Rail hiện đại hoạt động dựa trên nguyên tắc chung, nhưng được điều khiển bởi bộ điều khiển động cơ, cho phép mở từng kim phun bằng điện thay vì cơ học Công nghệ này đã được thử nghiệm và phát triển rộng rãi từ những năm trước đây.
Vào năm 1990, sự hợp tác giữa Magneti Marelli, Centro Ricerche Fiat và Elasis đã dẫn đến việc nghiên cứu và phát triển một hệ thống nhiên liệu mới Thiết kế này sau đó được công ty Robert Bosch GmbH của Đức mua lại để hoàn thiện và chuẩn bị cho sản xuất hàng loạt Đến năm 1997, hệ thống nhiên liệu Common Rail đã được mở rộng cho xe du lịch, với chiếc xe chở khách đầu tiên sử dụng hệ thống này là Alfa Romeo 156 trang bị động cơ 2,4L JTD Cuối năm 1997, Mercedes-Benz cũng đã giới thiệu hệ thống này trong mẫu W202 của họ.
2.1.2 Kim phun Common Rail của các hãng
BOSCH là công ty hàng đầu trong nghiên cứu và sản xuất kim phun cho động cơ Diesel với hệ thống nhiên liệu Common Rail, khẳng định vị thế vượt trội so với các đối thủ cạnh tranh.
Bắt đầu từ năm 1997, BOSCH đã giới thiệu hệ thống nhiên liệu Common Rail thế hệ đầu tiên, CRS1, với các kim phun CRI1 cho ô tô du lịch và CRIN1 cho ô tô tải, bán tải Đến năm 2001, BOSCH ra mắt CRS2, hệ thống Common Rail thế hệ thứ hai với áp suất phun tối đa được nâng cao, sử dụng kim phun CRI2 và CRIN2 Những cải tiến về thiết kế và mạch điều khiển giúp kim phun thế hệ này có thời gian đáp ứng nhanh hơn, cho phép phun nhiều lần trong một chu kỳ phun.
Hai năm sau, BOSCH giới thiệu hệ thống nhiên liệu Common Rail thế hệ thứ ba, CRS3.0, với kim phun CRI3 mới sử dụng phần tử áp điện và duy trì áp suất phun tương đương với thế hệ trước.
2006, BOSCH cải tiến thế hệ CRS3.0 và cho ra đời thế hệ CRS3.2 với áp suất phun tối đa cao hơn thế hệ trước
Năm 2008, BOSCH giới thiệu hệ thống nhiên liệu Common Rail thế hệ mới CRS3.3 và CRS4, đồng thời cải tiến thế hệ CRS3.2 Hệ thống CRS3.3 vẫn sử dụng kim phun áp điện với áp suất phun tối đa được nâng cao, trong khi CRS4 sử dụng kim phun điện từ (CRIN4) với áp suất phun thậm chí còn cao hơn nhờ vào những cải tiến đáng kể trong cấu trúc và chi tiết của hệ thống.
Hình 2 1 Tiến trình phát triển hệ thống nhiên liệu Common Rail của BOSCH
Công ty DENSO đã tiên phong trong việc nghiên cứu và sản xuất kim phun áp suất cao cho động cơ Diesel sử dụng hệ thống nhiên liệu Common Rail từ năm 1995, khẳng định vị thế hàng đầu trong ngành công nghiệp này.
Hệ thống Common Rail do DENSO sản xuất đã trải qua 4 thế hệ phát triển, với mỗi thế hệ mang đến sự cải tiến rõ rệt về chất lượng và hiệu quả phun Sự tiến bộ này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn tối ưu hóa quy trình phun nhiên liệu.
Hình 2 2 Tiến trình phát triển kim phun Common Rail của DENSO
Hai mẫu kim phun thế hệ đầu tiên của DENSO đều là kim phun điện từ, trong đó mẫu X1 được giới thiệu vào năm 1995 Bốn năm sau, DENSO ra mắt mẫu X2 với một số cải tiến dựa trên X1 Tuy nhiên, cả hai mẫu này vẫn gặp phải vấn đề về áp suất phun thấp và thời gian đáp ứng chậm.
Thế hệ thứ hai của DENSO đã đánh dấu sự cải tiến đáng kể với sự ra mắt của hai loại kim phun: kim phun dùng van điện từ (G2S) vào năm 2002 và kim phun dùng phần tử áp điện (G2P) vào năm 2004 Hai loại kim phun này đã cải thiện đáng kể áp suất phun và thời gian đáp ứng, nâng cao hiệu suất hoạt động.
Thế hệ thứ ba của kim phun DENSO, ra mắt vào năm 2007 với hai loại G3S và G3P, đã cải tiến áp suất phun và số lần phun trong một chu kỳ Đến thế hệ thứ tư, DENSO tiếp tục giữ lại những ưu điểm của thế hệ trước và chỉ cải tiến áp suất phun, giới thiệu kim phun DENSO G4S vào năm 2013.
DELPHI đã dần khẳng định vị thế của mình trên thị trường toàn cầu, mặc dù khởi đầu chậm hơn so với các hãng sản xuất kim phun hàng đầu như BOSCH và DENSO Sự phát triển này cho thấy khả năng cạnh tranh mạnh mẽ của DELPHI trong ngành công nghiệp.
Hình 2 3 Tiến trình phát triển kim phun Common Rail của DELPHI
Bắt đầu từ năm 2000, DELPHI đã nghiên cứu và sản xuất kim phun Common Rail thế hệ đầu tiên DFI 1, với tất cả các kim phun thuộc dòng này đều sử dụng công nghệ điện từ Mẫu đầu tiên trong dòng DFI 1 là DFI 1.1 và DFI 1.2.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của kim phun điện từ
2.2.1 Kim phun điện từ của BOSCH
CRI1 là kim phun đầu tiên của BOSCH cho động cơ ô tô du lịch, với áp suất tối đa trên ống phân phối khoảng 1350 bar và thời gian đáp ứng chậm Mã kim phun CRI có dạng 0 445 110 XXX, thường được khắc trên nắp cuộn điện.
Hình 2 4 Cấu tạo bên trong kim phun BOSCH CRI1
- Về phần cấu tạo, kim phun BOSCH CRI1 loại cũ gồm các bộ phận, chi tiết sau:
1 Cuộn điện với giắc kết nối (Solenoid)
2 Vòng đệm điều chỉnh lực lò xo van (Valve Spring Forse Adjusting Washer)
3 Lò xo nén trục van (Valve Compression Spring)
4 Vòng đệm khóa van điện từ và trục van (Armature Locking Washer): Vòng đệm này sẽ kết nối van điện từ và trục van Khi van điện từ dịch chuyển thì trục van cũng dịch chuyển theo
5 Van điện từ hay kỹ thuật viên thường gọi là cây dù (Armature)
6 Lò xo hồi vị van điện từ (Armature Return Spring)
7 Screw (Đai ốc): Cố định các chi tiết bên dưới nó
8 Dẫn hướng trục van (Armature Guide)
9 Vòng đệm điều chỉnh độ nâng van bi (Ball Valve Lift Adjusting Washer)
10 Trục van (Armature Shaft): Là chi tiết trung gian truyền chuyển động cho cụm bệ đỡ và van bi
11 Bệ đỡ van bi (Ball Valve Seat)
12 Van bi (Ball Valve): Có nhiệm vụ đóng mở lỗ dầu xả từ buồng điều khiển
Hình 2 5 Các chi tiết phía dưới cuộn điện của CRI1 khi được lắp vào
13 Đế van điều khiển (Control Valve Seat): Chi tiết gồm 1 lỗ xả nhiên liệu về được đóng mở bởi van bi ở phía trên và 1 lỗ cấp nhiên liệu cho buồng điều khiển ở thân đế van
14 Pít-tông điều khiển (Control Plunger): Điều khiển chuyển động của van kim
15 Phớt giữ áp (Pressure Seal)
16 Vòng đệm đỡ (Support Washer)
17 Vòng đệm điều khoảng cách lực từ tác dụng (Magnetic Gap Adjusting Washer)
18 Thân kim phun (Injector Body)
19 Chốt định vị (Pin): Chốt này liên kết thân kim phun với đót kim và cố định giữa
20 Vòng đệm điều chỉnh áp suất mở kim (Nozzle Opening Pressure Adjusting Shim)
21 Lò xo van kim (Needle Spring)
22 Bộ phận đẩy (Thrust Member): Là bộ phận chấp hành tác dụng lên van kim
23 Van kim (Nozzle Needle): Đóng mở các lỗ tia phun
24 Đót kim (Nozzle Body): Chứa van kim bên trong với các lỗ tia phun
25 Đai ốc chụp đót kim (Nozzle Nut)
26 Vòng đệm chặn (Shield Washer)
27 Đường nhiên liệu hồi về (Fuel Return Line)
28 Ống nối cao áp (High Pressure Fitting)
29 Vòng đệm sắt làm kín (Iron Washer)
30 Đường vào của nhiên liệu áp suất sao (High Pressure Fuel Inlet)
Kim phun BOSCH CRI 1 loại mới có cấu tạo khác biệt so với loại cũ, đặc biệt ở chi tiết số 7 Trong khi loại cũ sử dụng bộ phận đẩy ngắn hơn để tác động lên van kim và pít-tông điều khiển, loại mới đã thay thế chi tiết này bằng đệm điều chỉnh độ nâng van kim (Adjusting Shim) ở chi tiết số 4 và ống dẫn hướng (Guide Sleeve) ở chi tiết số 5 Ngoài ra, pít-tông điều khiển của loại mới cũng được thiết kế dài hơn so với loại cũ.
Hình 2 6 Sự khác biệt giữa CRI1 loại cũ (bên trái) và loại mới (bên phải)
- Về nguyên lý hoạt động của kim phun BOSCH CRI1:
Trong giai đoạn chưa phun, khi cuộn điện chưa được cấp điện, lực từ chưa sinh ra và van điện từ vẫn giữ vị trí ban đầu Lực nén từ lò xo tác động lên trục van, ép bệ đỡ van bi xuống, khiến van bi đóng kín lỗ xả ở đế van điều khiển Nhiên liệu áp suất cao từ ống phân phối tích tụ trong buồng điều khiển, đồng thời áp suất tương tự cũng có ở buồng phân phối phía đót kim Do tiết diện mặt trên của pít-tông điều khiển lớn hơn mặt dưới của van kim, áp suất tác động lên pít-tông điều khiển sẽ lớn hơn, kết hợp với lực lò xo, giữ van kim ở vị trí đóng.
Hình 2 7 Mô phỏng trạng thái khi chưa phun (van bi đóng lỗ xả)
Khi cuộn điện được cấp điện, lực từ mạnh hơn lực lò xo sẽ kéo van điện từ lên, dẫn đến sự chuyển động của trục van và bệ van bi Khi lỗ xả mở ra, nhiên liệu áp suất cao chảy từ buồng điều khiển về bình chứa Do tiết diện lỗ xả lớn hơn lỗ nạp, nhiên liệu xả nhanh hơn, làm giảm áp suất trong buồng điều khiển xuống thấp hơn áp suất ở buồng phân phối Kết quả là, lực tác dụng lên pít-tông điều khiển giảm, cho phép áp suất cao ở buồng phân phối đẩy van kim lên, mở các lỗ tia phun và bắt đầu quá trình phun nhiên liệu.
Hình 2 8 Mô phỏng trạng thái phun (van bi nhấc lên mở lỗ xả)
Trong giai đoạn phun, pít-tông điều khiển đạt đến điểm dừng tối đa, được hỗ trợ bởi một vùng thể tích nhiên liệu Vùng này hình thành từ dòng nhiên liệu cấp vào buồng điều khiển và dòng nhiên liệu xả ra Khi đó, van kim mở hoàn toàn, cho phép nhiên liệu được phun vào buồng đốt với áp suất gần bằng áp suất nhiên liệu trong ống phân phối.
Khi cuộn điện ngừng cấp điện, lực từ sẽ mất đi, khiến lò xo nén trục van đẩy van đi xuống và đóng kín lỗ xả nhiên liệu Tuy nhiên, việc van điện từ đi xuống quá mức có thể gây va đập lên đế van điều khiển, làm giảm tuổi thọ và dẫn đến rò rỉ nhiên liệu Để khắc phục, lò xo hồi vị van điện từ sẽ có tác dụng giảm chấn Khi lỗ xả đóng, nhiên liệu áp suất cao từ lỗ nạp sẽ tích tụ trong buồng điều khiển cho đến khi áp suất cân bằng với buồng phân phối Lực tác dụng lên pít-tông điều khiển sẽ lớn hơn do sự chênh lệch diện tích, kết hợp với lực lò xo, khiến van kim đi xuống và đóng các lỗ tia phun, kết thúc một chu kỳ phun.
- Về ứng dụng: Kim phun BOSCH CRI1 được lắp trên động cơ ENC/ENJ 2.5 CRD trên Chrysler Voyager (2001 - 2004); động cơ D4EA 2.0 CRDI trên Hyundai Santa Fe
(2003 - ); động cơ D4CB 2.5 trên Hyundai Porter II (2004 - ); động cơ OM 612981 2.7 CDI I5 trên Mercedes Benz Sprinter (2000 - 2006); động cơ TD4204D3 2.0 trên Land Rover Freelander (2001 - 2006)…
Hình 2 9 Cấu tạo bên trong kim phun BOSCH CRI2.0/2.2
Kim phun BOSCH thế hệ mới CRI2.0 và CRI2.2 có cấu tạo tương tự như thế hệ trước CRI1, nhưng có sự khác biệt rõ ràng với việc bổ sung nắp chụp (Plug) bao phủ vòng đệm khóa và đầu trục van Ngoài ra, vòng đệm khóa trong các thế hệ mới này còn có chức năng điều chỉnh quá hành trình, điều mà thế hệ CRI1 không có.
Van kim CRI2.0/2.2 được thiết kế ngắn hơn so với CRI1 và có sự cải tiến về mặt thiết kế Đặc biệt, van kim này được mạ lớp vật liệu Ballistic Needle bằng cách đốt cháy kim loại thành dạng lỏng và phun với áp suất cao, tạo ra các hạt nhỏ bám lên bề mặt Điều này giúp van kim chịu mài mòn tốt hơn trong môi trường ẩm ướt và nhiệt độ cao, từ đó giữ dầu hiệu quả, giảm rò rỉ, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khói đen khi hoạt động không tải Hơn nữa, van kim còn cải thiện độ tuyến tính về đặc tính thể tích khi phun.
Hệ thống nhiên liệu Common Rail thế hệ thứ hai của BOSCH đạt áp suất phun tối đa từ 1600-1800 bar nhờ vào cải tiến bơm cao áp và tối ưu hóa mạch điều khiển cùng cuộn Solenoid của kim phun Điều này cho phép kim phun hoạt động với thời gian đáp ứng ngắn hơn, có khả năng phun nhiều lần (4-5 lần) trong một chu kỳ, từ đó cải thiện quá trình cháy, nâng cao công suất động cơ và giảm thiểu phát thải độc hại ra môi trường.
BOSCH CRI2.0 và CRI 2.2 hoạt động tương tự như thế hệ trước, CRI1, do không có nhiều thay đổi về cấu trúc bên trong của kim phun.
The BOSCH CRI2.0/2.2 fuel injectors are utilized in various diesel engines, including the D4AE 2.0 CRDI engine in the KIA Carens/Rondo (2007 - 2010), the ZD30TDDI CRD engine in the Nissan Caravan (2007 - 2012), and the D4HE 2.2 SmartStream engine in the Hyundai Santa Fe 2021.
Kim phun BOSCH CRI2.1 có cấu tạo cải tiến với một số thay đổi quan trọng trong chi tiết bên trong cuộn điện Cụ thể, CRI2.1 đã loại bỏ vòng đệm khóa, lò xo hồi vị van điện từ và trục van, đồng thời thiết kế lại van điện từ với thân van kéo dài thay cho trục van rời Vòng đệm điều chỉnh độ nâng van bi cũng được thiết kế với đường kính nhỏ hơn và vị trí thay đổi so với các mẫu trước Đặc biệt, chi tiết ống lót (Stop Sleeve) được thêm vào để chứa vòng đệm điều chỉnh lực lò xo và lò xo nén van điện từ, giúp hạn chế hành trình đi lên của van điện từ, ngăn ngừa va đập và hư hỏng cuộn điện.
CRI2.1 mang lại lợi ích tiết kiệm chi phí trong sản xuất mà vẫn duy trì hiệu suất vận hành tương đương với các kim phun trước đây.
Hình 2 10 Cấu tạo bên trong kim phun BOSCH CRI2.1
Hình 2 11 Các chi tiết phía dưới cuộn điện của CRI2.1 khi được lắp vào
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của kim phun Piezo
2.3.1 Kim phun Piezo của BOSCH
Kim phun Piezo của BOSCH thuộc họ CRI3 (Mã kim phun: 0 445 115 (116/117/118) XXX) sử dụng bộ truyền động Piezo với hơn 400 lớp gốm áp điện PZT (PbZrTiO3) Khi nhận xung điện, các lớp gốm giãn nở, tạo ra lực tác động lên môđun khuếch đại để điều khiển kim phun Môđun này hoạt động dựa trên nguyên tắc thủy lực và có điện áp lên đến 200 V Kim phun Piezo nổi bật với thời gian đáp ứng nhanh (khoảng 0,1 ms) và áp suất phun cao (từ 1600 bar đến 2000 bar), giúp nâng cao hiệu suất cháy và giảm phát thải độc hại, đáp ứng tiêu chuẩn khí thải EURO 4-5-6 Ngoài ra, thiết kế mỏng gọn của bộ truyền động Piezo giúp tiết kiệm không gian lắp đặt.
- Về cấu tạo, BOSCH CRI3 gồm các chi tiết:
1 Vòng đệm làm kín (O-ring)
2 Kết nối đường nhiên liệu hồi về (Backflow Connector)
3 Giắc kết nối (Connector Overmold)
5 Lọc nhiên liệu vào (Edge Filter)
7 Vòng đệm làm kín (O-ring)
8 Khâu của bộ truyền động (Actuator Shoulder): Bọc đầu trên nơi điện cực đưa ra
9 Phần tử truyền động (Actuator): Gồm các lớp gốm áp điện xếp chống lên nhau
Hình 2 44 Cấu tạo bên trong kim phun BOSCH CRI3
10 Ống lót (Sleeve): Bao phủ bên ngoài các lớp gốm áp điện
11 Đầu truyền động (Actuator Tip)
13 Miếng chêm điều chỉnh (Adjusting Shim)
14 Vòng đệm điều chỉnh (Adjusting Washer)
15 Thân bộ khuếch đại (Amplifier Body): Đóng vai trò như xi lanh thủy lực chứa pít-tông khuếch đại và pít-tông van
16 Pít-tông khuếch đại (Amplifier Piston): Tiết diện lớn để khuếch đại chuyển động
17 Pít-tông van (Valve Piston): Tiết diện nhỏ hơn và tiếp nhận lực khuếch đại
18 Lò xo ống (Tube Spring): Bọc phía ngoài thân bộ khuếch đại
19 Lò xo pít-tông van (Valve Piston Spring)
20 Vòng làm kín (Sealing Ring): Làm kín phần kết nối giữa thân kim phun và đai ốc đót kim
21 Đĩa van (Valve Plate): Được khoan lỗ tạo thành khoang chứa chốt van hình nấm và lò xo van bên trong Đĩa còn được khoan lỗ dầu cấp tới và mặt dưới đĩa van được xẻ các rãnh dầu
22 Chốt van hình nấm (Valve Bolt): Đóng vai trò đóng mở lỗ Bypass
23 Lò xo van (Valve Spring): Giúp hồi vị van để đóng kín lỗ xả
24 Đĩa tiết lưu (Throttle Plate): Được khoan các lỗ dầu cấp tới buồng phân phối, buồng điều khiển, lỗ Bypass và lỗ bù/xả
26 Ống lót giữ lò xo (Spring Plate): Cùng đĩa tiết lưu tạo thành buồng điều khiển
27 Lò xo van kim (Needle Spring)
28 Vòng đệm điều chỉnh (Adjusting Washer)
29 Đai ốc chụp đót kim (Nozzle Nut)
30 Tấm kim loại chặn (Sealing Plate)
- Về nguyên lý hoạt động của kim phun BOSCH CRI3:
Hình 2 45 Mô phỏng hoạt động của kim phun BOSCH CRI3 ở giai đoạn chưa phun
Trong giai đoạn chưa phun, khi không có xung điện, các lớp gốm áp điện không giãn nở, dẫn đến việc không tác động lên bộ khuếch đại Hệ quả là chốt van hình nấm bị lực lò xo nâng lên, đóng đường nhiên liệu hồi về (Valve Seat 1: Close) và mở lỗ Bypass (Valve Seat 2: Open) Nhiên liệu áp suất cao từ ống phân phối sẽ được cấp đến buồng điều khiển qua lỗ dầu tới (Inlet Orifice) và buồng phân phối Tuy nhiên, do áp suất nhiên liệu tác động lên mặt trên của van kim lớn hơn mặt dưới cùng với lực lò xo van kim, van kim sẽ đóng kín các lỗ tia phun, khiến nhiên liệu không được phun vào buồng đốt.
Hình 2 46 Mô phỏng hoạt động của kim phun BOSCH CRI3 ở giai đoạn phun
Khi được cấp xung điện, các lớp sẽ giãn nở, tác động lên pít-tông khuếch đại, nén dầu và tạo ra áp suất thủy lực cho pít-tông van Pít-tông van liên kết với chốt van hình nấm, khiến chốt này đóng lỗ Bypass (Valve Seat 2: Close) và mở đường nhiên liệu hồi về (Valve Seat 1: Open) Nhiên liệu áp suất cao từ buồng điều khiển sẽ hồi về qua lỗ xả, làm giảm áp suất trong buồng điều khiển ECU tiếp tục cấp xung đến khi áp suất trong buồng giảm đủ để van kim nhấc lên, mở các lỗ tia phun và phun nhiên liệu vào buồng đốt.
Khi ngừng cấp xung điện, các lớp Piezo co lại và tạo ra một xung ngược về hộp ECU để phản hồi Áp suất thủy lực bên trong cùng với lò xo sẽ hồi vị pít-tông khuếch đại và pít-tông van về vị trí ban đầu Pít-tông van không còn tác động lên chốt van hình nấm, dẫn đến việc lò xo van đóng đường nhiên liệu hồi về (Valve Seat 1: Close) và mở lỗ Bypass (Valve Seat 2: Open) Nhờ vậy, nhiên liệu áp suất cao được cấp cho buồng điều khiển qua lỗ dầu và đường Bypass, làm áp suất nhiên liệu trong buồng điều khiển tăng nhanh chóng Khi áp suất này cân bằng với áp suất phía dưới van kim, van kim bắt đầu được đẩy xuống, đóng kín các lỗ tia phun và ngắt nhiên liệu phun vào buồng đốt, kết thúc một chu kỳ phun.
Hình 2 47 Mô phỏng hoạt động của kim phun BOSCH CRI3 ở giai đoạn dứt phun
The BOSCH CRI3 injector is utilized in several vehicle models, including the Jeep Commander (2006-2010) with the XK 3.0 CRD engine, the Land Rover Discovery (2010-) featuring the 306DT 3.0 engine, and the BMW 3 Series/X3 (2007-2013) equipped with the N47D20A 2.0 engine Additionally, it is found in the Mercedes C Class (2009-2014) with the OM64283x 3.0 engine, the Mercedes S Class (2010-) using the OM64286x engine, and the Audi Q7 (2009-2015) powered by the CCFA/CCFC 4.2 engine It is also used in the GMC Sierra with the LGH 6.6 engine.
(2010 - 2012); động cơ N22B3 2.2 trên Honda CRV (2010 - 2014); động cơ CASA 3.0 trên Volkswagen Touareg (2007 - 2011); động cơ X8Z 3.0 trên Peugeot 407 (2009-2011)…
2.3.2 Kim phun Piezo của DENSO
Kim phun G2P (mã kim phun: 295900-XXXX) của DENSO là loại kim phun Piezo đầu tiên, sở hữu thời gian đáp ứng vượt trội chỉ 0.1 ms, nhanh hơn so với G2S (0.4 ms) và vẫn duy trì áp suất phun cao tối đa 1800 bar G2P không chỉ có tỷ lệ phun chính xác hơn mà còn cho phép phun nhiều lần trong một chu kỳ Đặc biệt, độ bền của G2P tốt hơn do không sử dụng cuộn dây như G2S, giảm nguy cơ chập cháy Với khả năng kiểm soát lượng phun tốt hơn, kim phun G2P giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải, đáp ứng tiêu chuẩn khí xả EURO 4-5-6.
Hình 2 48 Cấu tạo bên trong kim phun DENSO G2P
- Cấu tạo của nó gồm các bộ phận, chi tiết như sau:
1 Bộ truyền động Piezo (Piezo Stack)
2 Vòng đệm thép (Steel Washer)
3 Thân kim phun (Injector Body)
4 Vòng đệm làm kín (O-ring)
7 Vòng đệm thép (Steel Washer)
9 Vòng đệm thép (Steel Washer)
10 Pít-tông khuếch đại (Amplifier Piston): Tạo lực khuếch đại tác dụng lên pít-tông van
11 Ống lót (Sleeve): Đóng vai trò như 1 xi lanh bao bên ngoài pít-tông khuếch đại và pít-tông van
12 Lò xo pít-tông van (Valve Piston Spring)
13 Pít-tông van (Valve Piston): Tiếp nhận lực khuếch đại và truyền chuyển động này xuống van điều khiển
14 Đĩa đệm (Spacer): Có khoan các lỗ chốt định vị, lỗ dầu cấp tới
15 Chốt định vị 2 phần (Dowel Pin)
16 Van điều khiển (Control Valve) và đĩa chứa van điều khiển (Control Valve Plate) Van điều khiển có nhiệm vụ đóng mở đường dầu hồi về từ buồng điều khiển Đĩa van điều khiển có khoan lỗ tạo thành buồng chứa van điều khiển, các lỗ chốt định vị, lỗ dầu cấp tới buồng điều khiển và buồng phân phối, lỗ dầu bù/xả, lỗ Bypass
17 Lò xo van (Valve Spring)
18 Chốt định vị giữa 2 phần (Dowel Pin)
19 Lò xo van kim (Needle Spring)
20, 21 Đót kim (Nozzle Body), van kim (Nozzle Needle)
22 Đai ốc chụp đót kim (Nozzle Nut)
24 Nắp nhựa (Plastic Cap): Chắn bụi và bảo vệ ren đường nhiên liệu vào
25 Bộ lọc nhiên liệu đầu vào (Inlet Filter)
26 Đầu nối (Junction): Kết nối với đường dầu hồi về thùng chứa
27 Vòng đệm làm kín (O-ring)
- Nguyên lý hoạt động của kim phun DENSO G2P:
Trong giai đoạn chưa phun, khi chưa có điện áp tác động, các lớp gốm áp điện chưa giãn nở, do đó không ảnh hưởng đến cụm pít-tông khuếch đại và pít-tông van Hệ quả là van điều khiển sẽ đóng đường nhiên liệu hồi về, trong khi lỗ Bypass mở cho nhiên liệu áp suất cao chảy vào buồng điều khiển qua lỗ bù Nhiên liệu áp suất cao cũng được cung cấp tới buồng điều khiển qua lỗ nạp thường trực và buồng phân phối Tuy nhiên, áp suất nhiên liệu tác động lên mặt trên của van kim lớn hơn mặt dưới, cùng với lực lò xo van kim, khiến van kim đóng kín các lỗ tia phun, ngăn không cho nhiên liệu được phun vào buồng đốt.
Trong giai đoạn phun, khi được cấp xung điện áp, các lớp gốm áp điện giãn nở, tác động lên pít-tông khuếch đại để nén dầu, tạo ra áp suất thủy lực cho pít-tông van Pít-tông van liên kết với van điều khiển, khiến van điều khiển đi xuống, đóng lỗ Bypass và mở đường nhiên liệu hồi về, đồng thời nén lò xo van Nhiên liệu áp suất cao từ buồng điều khiển bắt đầu hồi về qua lỗ xả, làm giảm áp suất trong buồng điều khiển ECU tiếp tục cấp xung cho đến khi áp suất trong buồng điều khiển giảm đủ để áp suất nhiên liệu tác dụng lên van kim, khiến van kim nhấc lên, mở các lỗ tia phun và phun nhiên liệu vào buồng đốt.
Hình 2 49 Mô phỏng hoạt động của kim phun DENSO G2P ở 3 giai đoạn : Chưa phun, phun và dứt phun
Khi ngừng cấp xung điện, các lớp Piezo co lại và tạo ra một xung ngược về hộp ECU để phản hồi Áp suất thủy lực bên trong cùng với lò xo sẽ hồi vị pít-tông khuếch đại và pít-tông van về vị trí ban đầu Khi pít-tông van không còn tác động lên van điều khiển, van này sẽ đóng đường nhiên liệu hồi về và mở lỗ Bypass Nhờ đó, nhiên liệu áp suất cao được cấp cho buồng điều khiển, làm cho áp suất nhiên liệu trong buồng điều khiển nhanh chóng tăng trở lại Khi áp suất này cân bằng với áp suất phía dưới van kim, van kim bắt đầu được đẩy xuống, đóng kín các lỗ tia phun và ngắt nhiên liệu phun vào buồng đốt, kết thúc một chu kỳ phun.
- Về ứng dụng, kim phun DENSO G2P được lắp trên động cơ 2AD-FHV 2.2 trên Toyota Auris/Corolla/RAV 4/Avensis (2008 - ), Lexus IS220 EURO 4 (2006 - )…
DENSO G3P (mã kim phun: 295900-XXXX) có cấu tạo tương tự như kim phun Piezo của BOSCH CRI3, nhưng đã được DENSO cải tiến thiết kế ở một số chi tiết quan trọng Những cải tiến này bao gồm bộ khuếch đại, van điều khiển, ống lót giữ lò xo, các buồng áp suất, cũng như việc bố trí các đường dầu bên trong đĩa van và đĩa tiết lưu.
DENSO G3P có một đặc điểm nổi bật so với CRI3, đó là chốt hiệu chỉnh (Calibration Dowel) Chi tiết này đóng vai trò trung gian trong việc truyền chuyển động từ pít-tông van xuống van điều khiển, giúp đóng mở các đường dầu Chốt hiệu chỉnh được chế tạo với khả năng chịu mài mòn thấp hơn so với pít-tông van và van điều khiển, do đó, khi hoạt động lâu dài, chốt sẽ mòn trước, giúp giảm thiểu hư hỏng cho hai chi tiết quan trọng này.
Với những cải tiến mới, G3P đã giảm thiểu rò rỉ cả về tĩnh lẫn động, nâng áp suất phun từ 1800 bar lên 2000 bar DENSO cũng đã cải tiến mạch điều khiển, cho phép kim phun G3P thực hiện từ 7-9 lần phun trong một chu kỳ nhờ vào thời gian đáp ứng nhanh của phần tử áp điện Đặc biệt, công nghệ i-ART được trang bị trên G3P giúp tối ưu hóa lượng nhiên liệu và thời điểm phun, từ đó tăng hiệu quả quá trình cháy, giảm phát thải độc hại và tiết kiệm nhiên liệu.
Hình 2 50 Cấu tạo bên trong kim phun DENSO G3P
Hình 2 51 Cảm biến áp suất trên kim phun DENSO dùng công nghệ i-ART
Hình 2 52 Mô phỏng hoạt động của kim phun DENSO G3P ở các giai đoạn: Chưa phun, phun và dứt phun
Kim phun DENSO G3P hoạt động dựa trên nguyên lý giãn nở của phần tử áp điện, tương tự như kim phun Piezo của BOSCH là CRI3 Cấu tạo và chức năng của hai loại kim phun này gần như tương đồng, với số lượng chi tiết tương đương.
- Về ứng dụng, kim phun DENSO G3P được lắp trên động cơ 2AD-FHV/2AD-FTV 2.2 trên Toyota Auris/Corolla/RAV 4/Avensis/Verso (2009 - ), Lexus IS220 EURO 5
(2010 - ), động cơ 1VD-FTV 4.5 trên Toyota Land Cruiser (2015 - )…
2.3.3 Kim phun Piezo của DELPHI
