MỤC LỤC

LỜI CAM KẾT.. ................................................................................................................................................................i

TÓM TẮT..........................................................................................................................................................................ii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH.................................................................................................................................................iv

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI............................................................................................................................1

1.1. Tính tất yếu và lý do chọn đề tài................................................................................................................................1

1.2. Mục tiêu của đề tài.....................................................................................................................................................1

1.3. Nội dung của đề tài....................................................................................................................................................1

1.4. Phương pháp thực hiện.............................................................................................................................................1

CHƯƠNG: 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT....................................................................................................................................1

2.1. Giới thiệu tổng quan về hệ thống Common rail.........................................................................................................1

2.1.1. Cấu tạo hệ thống Common rail...............................................................................................................................2

2.1.2. Nguyên tắc hoạt động.............................................................................................................................................3

2.1.3. Đặc tính phun nhiên liệu.........................................................................................................................................4

2.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của các chi tiết trên hệ thống Common rail..........................................................6

2.2.1. Vùng áp suất thấp...................................................................................................................................................6

2.2.2. Vùng áp suất cao..................................................................................................................................................10

2.3. Lý thuyết về mạch điện............................................................................................................................................18

2.3.1. Giới thiệu về vi điều khiển.....................................................................................................................................18

2.3.2. Giới thiệu IC 555...................................................................................................................................................19

2.2.3 Giới thiệu IC 4017..................................................................................................................................................22

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ VẬN HÀNH.. ...................................................................................................24

3.1. Thiết kế mô hình......................................................................................................................................................24

3.1.1. Thiết kế bản vẽ tổng thể các chi tiết trên mô hình............................................................................................... 25

3.1.2. Thiết kế chế tạo mạch điện mô phỏng phương thức điều khiển của bơm cao áp trên hệ thống Common rail...25

3.2. Chế tạo mô hình......................................................................................................................................................27

3.2.1. Chế tạo khung mô hình........................................................................................................................................27

3.2.2. Bố trí các chi tiết lên mô hình...............................................................................................................................28

3.2.3. Chế tạo mạch điện...............................................................................................................................................28

3.3. Thử nghiệm và vận hành........................................................................................................................................30

3.3.1. Kết quả thử nghiệm..............................................................................................................................................30

3.3.2. Cách vận hành.....................................................................................................................................................32

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN...............................................................................................................................................33

LỜI CẢM ƠN.................................................................................................................................................................34

TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................................................................35

TÓM TẮT

Đề tài thiết kế mô hình mô phỏng phương thức điều khiển bơm cao áp trên hệ thống Common rail là một đề tài rất thiết thực, vì mong muốn nắm rõ kiến thức hơn về đề tài nên nhóm đã quyết định chọn đề tài này làm đề tài báo cáo tốt nghiệp. Trong đề tài này, nội dung chính cần thực hiện là thiết kế được mô hình mô phỏng phương thức điều khiển bơm cao áp trên hệ thống Common rail. Để thực hiện đươc nội dung trên nhóm cần nghiên cứu tài liệu về bơm cao áp trên hệ thống common rail, đặc biệt là phương thức điều khiển bơm thông qua van SCV ứng với từng chế độ hoạt động của động cơ, từ đó đưa ra hướng giải quyết vấn đề một cách hợp lí nhất. Hướng đến sự chính xác trong quá trình chế tạo nhóm quyết định tìm hiểu về hệ thống vi điều khiển để mô phỏng phương thức hoạt động của bơm cao áp, tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của kim phun để chế tạo mạch điện mô phỏng hoạt động của kim phun để mô hình thêm sinh động. Nắm được những kĩ năng cơ bản như cắt, dũa, khoan, hàn để chế tạo mô hình.

Sau hơn 20 tuần thực hiện, nhóm đã hoàn thành việc Thiết kế chế tạo mô hình mô phỏng phương thức điều khiển bơm cao áp trên hệ thống Common rail, tiến hành thử nghiệm ở các chế độ khác nhau, kết quả đạt được là mô hình mô phỏng hoạt động của bơm cao áp thể hiện tương đối rõ về nguyên lý hoạt động của bơm cao áp so với thực tế. Mô hình sau khi hoàn thiện có thể ứng dụng vào việc phục vụ giảng dạy tại trường giúp các sinh viên nắm rõ kiến thức hơn khi có sự hỗ trợ của mô hình.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1. Tính tất yếu và lý do chọn đề tài                                                              

Khí thải động cơ Diesel là một trong những thủ phạm gây nên ô nhiễm môi trường. Động cơ diesel có hiệu quả kinh tế hơn động cơ xăng, tuy nhiên nó vẫn còn những hạn chế trong quá trình sử dụng như: Thải khói đen khá lớn khi tăng tốc, tiêu hao nhiên liệu còn cao và tiếng ồn lớn… Ngày nay, hầu hết các nước tiên tiến trên thế giới đã sử dụng hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel lắp cho các loại ô tô. Hệ thống này đã giải quyết được các nhược điểm nêu trên.

1.2. Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu sau cùng của đề tài là thiết kế được mô hình mô phỏng phương thức điều khiển bơm cao áp trên hệ thống Common rail và có thể dùng để phục vụ cho việc học tập và giảng dạy tại trường.

1.3. Nội dung của đề tài

Nghiên cứu tài liệu về cách thức hoạt động và điều khiển của bơm cao áp trên hệ thống Common rail

Nghiên cứu về vi điều khiển và hoạt động của kim phun.

Thiết kế chế tạo sa bàn

Thiết kế chế tạo mạch điện mô phỏng hoạt động của van SCV và mạch điện điều khiển kim phun

Thử nghiệm mô hình ở các chế độ khác nhau để đánh giá tính thực tế của mô hình

1.4. Phương pháp thực hiện

Nghiên cứu, đọc các tài liệu có liên quan về hệ thống nhiên liệu common rail, vi điều khiển và kim phun. Thiết kế chế tạo mô hình trên xưởng

CHƯƠNG: 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Giới thiệu tổng quan về hệ thống Common rail

2.1.1. Cấu tạo hệ thống Common rail

Sơ đồ hệ thống Common rail như hình 2.1.

2.1.2. Nguyên tắc hoạt động

Nhiên liệu từ thùng chứa được bơm tiếp vận hút vào trong bơm cao áp. Tại đây áp suất cao của nhiên liệu được tạo ra và được bơm liên tục vào ống trữ. Bơm cao áp chỉ có nhiệm vụ duy nhất là tạo cho nhiên liệu có một áp suất cao và đưa nó vào ống trữ (ống phân phối chung). Tại ống trữ có các đường ống cao áp nối đến các kim phun. Các kim phun này được lắp trên nắp máy, nó có nhiệm vụ là phun nhiên liệu có áp suất cao vào buồng đốt động cơ và được điều khiển bởi ECU.

2.1.3. Đặc tính phun nhiên liệu

2.1.3.1. Đặc tính phun của hệ thống phun dầu cơ khí

Với hệ thống phun dầu cơ khí dung bơm phân phối hay bơm thẳng hàng, việc phun nhiên liệu chỉ có một giai đoạn gọi là giai đoạn phun chính không có khởi phun và phun kết thúc. Quá trình tạo ra áp suất và cung cấp nhiên liệu diễn ra đồng thời nên đường đặc tính phun của các hệ thống cơ khí xấu đi.

Áp suất phun tăng đồng thời với tốc độ và lượng nhiên liệu được phun. Suốt quá trình phun áp suât phun tăng lên và lại giảm xuống theo áp lực đóng ty kim ở cuối quá trình phun.

2.1.3.2. Đặc tính phun của hệ thống phun dầu cải tiến

Dựa vào ý tưởng của bơm phân phối sử dụng kim phun điện (VE-EDC) các cải tiến sau này đã được thực hiện theo hướng đưa vào giai đoạn phun kết thúc và cũng có vài hệ thống đưa vào giai đoạn phun sơ khởi.

Việc phun nhiên liệu được điều khiển bởi ECU nên chúng có ưu điểm vượt trội so với hệ thống phun bằng cơ khí:

- Áp suất phun tăng khi tốc độ tăng nhưng có tính độc lập tương đối với lượng nhiên liệu phun.

- Áp suất phun cũng có thể tăng rất cao ( xấp xỉ 1800 bar )

2.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của các chi tiết trên hệ thống Common rail

Hệ thống Common rail bao gồm:

- Hệ thống nhiên liệu.

- Thiết bị điều khiển: ECU, EDU và các cảm biến.

Hệ thống nhiên liệu trong động cơ Common rail bao gồm 2 vùng: Vùng nhiên liệu áp thấp và vùng nhiên liệu áp cao.

2.2.1. Vùng áp suất thấp

Vùng áp suất thấp bao gồm các bộ phận: Thùng chứa nhiên liệu, đường ống nhiên liệu, bộ lọc nhiên liệu, bơm tiếp vận và van điều áp.

2.3.1.1. Thùng chứa nhiên liệu

Thùng chứa nhiên liệu phải được làm từ vật liệu chống ăn mòn và phải giữ cho không bị rò rỉ ở áp suất gấp đôi áp suất hoạt động bình thường. Van an toàn phải được lắp để áp suất cao có thể tự thoát ra ngoài. Nhiên liệu cũng không được rò rỉ ở ống nối với bình lọc nhiên liệu hay ở thiết bị bù áp suất khi xe bị rung xóc nhỏ cũng như khi xe vào quay vòng hoặc dừng hay chạy trên đường dốc. 

2.3.1.3. Lọc nhiên liệu

Lọc nhiên liệu được lắp giữa thùng nhiên liệu và bơm cao áp có công dụng tách nước và cặn bẫn lẫn trong nhiên liệu trước khi đưa đến bơm cao áp.

Lọc nhiên liệu có lõi lọc bằng giấy, vỏ ngoài bằng nhựa và được lắp thêm:

- Bơm tay để bơm mồi nhiên liệu từ thùng chứa lên bơm cao áp khi tháo lắp hệ thống.

- Công tắc cảnh báo mực nước lắng đọng trong lọc và tình trạng nghẹt lọc để hiển thị đèn cảnh báo tình trạng lọc nhiên liệu. Khi mực nước trong cốc lọc cao đèn báo trên đồng hồ táp lô sẽ nháy liên tục. Khi lọc nghẹt, đèn báo sẽ sáng luôn.

2.3.1.4 Bơm tiếp vận

Bơm tiếp vận có nhiều loại: Bơm điện, cánh gat, bánh răng …

Bơm tiếp vận loại này gồm có rô to trong và rô to ngoài được đặt lệch tâm nhau và được dẫn động bởi cốt bơm

Ngoài ra bơm tiếp vận còn có hai buồng riêng biệt là buồng hút và buồng cao áp cùng với lỗ hút và lỗ thoát tương ứng.

2.2.2. Vùng áp suất cao

Vùng nhiên liệu áp suất cao bao gồm các bộ phận: Bơm cao áp (với van điều khiển hút), ống phân phối chung (với cảm biến áp suất nhiên liệu, van xả áp, van điều áp), ống dầu cao áp và kim phun nhiên liệu.

2.2.2.1 Bơm cao áp

Bơm cao áp có nhiệm vụ nén nhiên liệu lên áp suất cao (có thể lên đến 2000 bar). Nhiên liệu được tăng áp này sau đó sẽ được chuyển đến đường ống áp suất cao và được đưa đến bộ tích trữ nhiên liệu áp suất cao (ống phân phối) và phân phối cho kim phun.

Nguyên tắc hoạt động của bơm cao áp sử dụng ba piston cũng tương tự như bơm cao áp hướng kính sử dụng hai piston, ba piston được đặt lệch nhau  loại này trong một vòng quay cốt bơm thì bơm cao áp sẽ nén nhiên liệu và cung cấp ba lần đến ống phân phối.

Việc sử dụng vấu cam để vận hành các piston cũng rất đa dạng, ngoài việc sử dụng cam có vấu cam ngoài còn có loại sử dụng cam có vấu cam trong.

2.2.2.2. Van điều khiển hút (SCV)

Áp suất nhiên liệu trong ống phân phối sẽ được ECU nhận biết thông qua cảm biến áp suất nhiên liệu. Từ đó ECU sẽ tính toán và gửi tín hiệu điều khiển đến van SCV để điều tiết lượng nhiên liệu đi vào bơm cao áp, đồng thời đảm bảo được áp suất nhiên liệu cần thiết ở ống phân phối.

Lượng nhiên liệu nạp vào bơm cao áp phụ thuộc vào khoảng thời gian mở của van SCV việc này tùy thuộc vào độ rộng của xung ON từ ECU gửi đến. Hành trình bơm của bơm cao áp chỉ bắt đầu khi áp lực nhiên liệu trong bơm cao hơn áp lực trong ống phân phối.

2.2.2.4. Đường ống dẫn nhiên liệu áp suất cao

Đường ống dẫn nhiên liệu này có nhiệm vụ dẫn nhiên liệu từ ống phân phối đến từng kim phun. Ống dẫn nhiên liệu thường xuyên chịu áp lực cao nên được chế tạo bằng thép, thường có đường kính ngoài khoảng 6mm và đường kính trong khoảng 2,4mm. Các đường ống nằm giữa ống phân phối và các kim phun phải có chiều dài bằng nhau nhưng do sự khác biệt về khoảng cách giữa ống phân phối và các kim phun nên các ống dẫn thường được uốn cong. Tuy nhiên đường ống nối này nên được giữ càng ngắn càng tốt.

2.3. Lý thuyết về mạch điện

2.3.1. Giới thiệu về vi điều khiển

Vi điều khiển là một hệ thống nhúng khép kín với các thiết bị ngoại vi, bộ xử lý và bộ nhớ. Ngày nay, phần lớn hệ thống nhúng của vi điều khiển được lập trình để ứng dụng trong các thiết bị điện tử tiêu dùng, bao gồm cả máy móc, điện thoại, thiết bị ngoại vi, xe hơi, đồ dùng điện lạnh trong gia đình… Do đó, vi điều khiển còn có tên gọi khác là “Bộ điều khiển nhúng”.

2.3.2. Giới thiệu IC 555

IC 555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo được xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản,điều chế được độ rộng xung. Nó được ứng dụng hầu hết vào các mạch tạo xung đóng cắt hay là những mạch dao động khác. Đây là linh kiện của hãng CMOS sản xuất .

Các thông số cơ bản của IC 555 có trên thị trường:

+ Điện áp đầu vào: 2 - 18V (Tùy từng loại của 555: LM555, NE555, NE7555.)

+ Dòng điện cung cấp: 6mA - 15mA

+ Điện áp logic ở mức cao: 0.5 - 15V

+ Điện áp logic ở mức thấp: 0.03 - 0.06V

+ Công suất lớn nhất là: 600mW

2.2.3 Giới thiệu IC 4017

IC 4017 là IC có dòng CMOS dùng đếm xung thập phân. Nó có thể đếm xung sườn dương và sườn âm kết thúc một chu kì đếm tự động reset và được ứng dụng nhiều trong các ứng dụng như: Điều khiển tự động làm các dụng cụ âm nhạc, điện tử y sinh, hệ thống cảnh báo điện tử công nghiệp và thiết bị đo từ xa..

2.3.3.1. Sơ đồ kiểu chân và tác dụng của từng chân IC 4017.

Từ hình vẽ ta thấy:

- Từ chân 1,2,3,4,5,6,7,9,10,11 Tương ứng với 10 xung đầu ra của IC 4017 các chân này được xuất ra ở mức 1 khi số xung được đếm tương ứng với thứ tự các chân đầu ra.

- Chân 15 là chân reset. Khi chân này tác động ở mức 1 thì đếm sẽ bị reset về đầu

- Chân 14 là chân xung đầu vào và đếm ở sườn dương

- Chân 13 là chân xung đầu vào và đếm ở sườn âm

2.4.3.3. Xung clock và nguyên lí làm việc của IC 4017

IC 4017 có 10 ngõ ra ở mức cao liên tục nhau như hình trên, chỉ có một ngõ ra được kích ở mức cao tại một thời điểm, có thể thấy được ngõ ra 10 output sẽ mức cao cho lượt đếm 0 – 4 và ở mức thấp khi đếm 5-9

Chú ý: IC 4017 có thể đếm được ở hai mức đếm sườn âm và đếm sườn dương. Nếu đếm sườn dương Clock vào chân 14 và chân 13 được nối đất, nếu đếm sườn âm Clock vào chân 13 và chân 14 nối với Vcc

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ VẬN HÀNH

3.1. Thiết kế mô hình

3.1.1. Thiết kế bản vẽ tổng thể các chi tiết trên mô hình

Sơ đồ bố trí chung như hình 3.1.

3.1.2. Thiết kế chế tạo mạch điện mô phỏng phương thức điều khiển của bơm cao áp trên hệ thống Common rail

3.1.2.1. Ý Tưởng

 Với mục đích thể hiện được phương thức điều khiển của bơm cao áp trên hệ thống Common rail chúng em đã tìm hiểu nguyên lý hoạt động của bơm và đưa ra ý tưởng là là thiết kế mạch điện sử dụng vi điều khiển để thể hiện hoạt động của van SCV và dùng IC 555 kết hợp với IC 4017 để tạo xung cho kim phun hoạt động để mô hình thêm sinh động

3.1.2.2 Thiết kế mạch điện mô phỏng phương thức điều khiển van SCV

Sơ đồ mạch điện điều khiển van SCV như hình 3.2.

3.1.2.3. Nguyên lý hoạt động của mạch điện mô phỏng phương thức điều khiển của van SCV

Khi biến trở thay đổi, tốc độ xung của mạch sẽ thay đổi, xung này chạy qua led làm độ sáng của led thay đổi, đồng thời khi xung thay đổi sẽ làm giá trị trên led 7 đoạn thay đổi từ giá trị 1.4 đến 4.5 giá trị này thay đổi theo sự lập trình sẵn trong mạch, ứng với một vị trí biến trở sẽ có một giá trị nhất định.

3.1.2.5. Nguyên lý hoạt động của mạch điện mô phỏng phương thức hoạt động của kim phun

Khi thay đổi giá trị biến trở RV1 thì ngõ ra của IC 555 sẽ thay đổi tốc độ xung (nhanh dần hoặc chậm dần), tốc độ xung này kích vào ngõ vào của IC 4017 làm thay đổi tốc độ xung của các ngõ ra (nhanh dần hoặc chậm dần). 4 ngõ ra liên tiếp của IC 4017 là xung kích cho kim phun hoạt động.

3.2. Chế tạo mô hình

3.2.1. Chế tạo khung mô hình

Khung mô hình được làm bằng sắt, có thể thay đổi được chiều cao, kích thước sao cho tiết kiệm diện tích nhất, sau khi hoàn thiện mô hình cần được sơn lại để tránh rỉ sét.

3.2.2. Bố trí các chi tiết lên mô hình

Bố trí các chi tiết lên mô hình như hình 3.5.

3.2.3. Chế tạo mạch điện

Mạch điện mô phỏng phương thức điều khiển van SCV và điều khiển kim phun

3.3. Thử nghiệm và vận hành

Sau quá trình hoàn thành mô hình, sản phẩm phải được đem đi thử nghiệm để kiểm tra tính thực tế của sản phẩm có đáp ứng được yêu cầu của đề tài cũng như mô phỏng phương thức điều khiển bơm cao áp tương tự như thực tế hay không để tìm ra hướng giải quyết hợp lí nhất.

3.3.1. Kết quả thử nghiệm

a. Chế độ cầm chừng:

Ghi nhận:

- Tốc độ động cơ thấp

-  Nhiên liệu phun chậm

-  Led thể hiện độ mở van SCV sáng mờ và có thể cảm nhận thấy led nháy

- Giá trị áp suất nhiên liệu trên ống phân phối thấp 1.4 -1.5v

c. Chế độ toàn tải

Ghi nhận:

- Tốc độ động cơ cực đại

- Nhiên liệu phun rất nhanh

- Led thể hiện độ mở van SCV sáng tỏ

- Giá trị áp suất nhiên liệu trên ống phân phối đạt giá trị lớn nhất 4.5v

3.3.2. Cách vận hành

Để khởi động cần cấp nguồn 12v cho hệ thống sau đó bật công tắc khởi động, đạp bàn đạp ga để thay đổi tốc độ động cơ. Led 7 đoạn trên mô hình thể hiện giá trị điện áp từ cảm biến áp suất trên ống rail, đèn led xanh thể hiện độ mở của van SCV đèn sáng càng mờ thì van mở càng ít, 4 led dưới kim phun thể hiện xung của kim phun, khi có xung thì kim phun hoạt động.

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN

Sau hơn 20 tuần nghiên cứu thực tế và tham khảo tài liệu cùng với sự hướng dẫn giúp đỡ tận tình của giáo viên: Th.S ……………, nhóm chúng em đã hoàn thành việc thiết kế mạch điện, thiết kế mô hình, chế tạo mạch điện, chế tạo mô hình. Mô hình đã vận hành, bước đầu thử nghiệm còn gặp nhiều khó khăn vì về sai lệch cách thức hoạt động và cách bố trí chưa thật sự bắt mắt nhưng với sự góp ý, giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn nhóm đã chỉnh sửa mô hình hoàn thiện và phù hợp hơn.

Mô hình thể hiện được phương thức điều khiển bơm cao áp trên hệ thống Common rail, tuy nhiên do vấn đề về kinh phí và thời gian mô hình chỉ mang tính chất tương đối và chỉ giúp hiểu rõ hơn về phương thức điều khiển của bơm chứ chưa thật sự mang tính chính xác và hiệu quả. Và một phần nào đó, chúng em đã đạt được mục tiêu thiết kế được một mô hình giúp cho các bạn sinh viên khóa sau có thể quan sát rõ và hiểu được cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của bơm cao áp nói riêng và của toàn hệ thống nhiên liệu Common Rail nói chung.

 Với thời gian 20 tuần không phải là thời gian đủ để nghiên cứu tường tận mọi vấn đề về toàn bộ hệ thống của đề tài này và cũng do kiến thức chuyên ngành còn nhiều thiếu sót, nên chắc chắn sẽ không tránh khỏi những sai sót. Vì vậy rất mong nhận sự góp ý và chỉ bảo của quý thầy cô và các bạn để nhóm chúng em có thể hoàn thiện đề tài này tốt hơn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Tài liệu tham khảo động cơ diesel, Khoa Công Nghệ Động Lực, Trường Đại Học Công TP. Hồ Chí Minh.

[2]. Tài liệu động cơ phun dầu điện tử common rail lấy từ www.oto-hui.com/threads/he-thong-nhien-lieu-common-rail-diesel.

[3]. Giáo trình thí nghiệm kĩ thuật số, Trương Năng Toàn- Bùi Thư Cao- Nguyễn Thanh Hải.

[4]. Nhập môn lập trình vi điều khiển, Khoa điện điện tử, Trường Đại Học Duy Tân.

[5]. AKTraining  Common rail diesel fuel system

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"