Common rail (Nhiên liệu tích áp)

_ Phun nhiên liệu trực tiếp qua ống góp tích áp là một dạng mới của hệ thống phun trực tiếp dùng cho động cơ Diesel. Hệ thống bao gồm một ống góp nhiên liệu cao áp (1000+ bar – Tương đương 1000 atmospherer – steamaway) cấp nhiên liệu cho các vòi phun điện từ riêng lẻ, tức là các vòi phun này thay vì đóng mở bằng lò xo thì nó được đóng mở bằng một cuộn hút điện từ ở phía trên vòi phun, ngược với các bơm nhiên liệu thấp áp (cho các loại động cơ thông thường ta vẫn gọi các bơm này là bơm cao áp với áp suất tạo ra từ 200 – 300 bar) cấp nhiên liệu cho các vòi phun hoạt động theo cơ chế cơ học (lò xo) thông qua các đường ống cao áp và được dẫn động bằng hệ thống cam trên trục cam. Tới thế hệ thứ ba của động cơ diesel common rail (từ giờ trở đi tôi sử dụng từ common rail) thì các vòi phun hoạt động theo cơ chế “Áp Điện”.
_ Xin nói thêm một chút về hiệu ứng áp điện: Piezoelectric – Được dịch ra tiếng Việt là Áp Điện, là khả năng của một vài loại vật liệu như thạch anh hoặc một số loại gốm, tạo ra được một điện áp khi bị một sức ép cơ học tác động vào. Điện áp này có thể ở dạng phân tách các điện tích trên toàn bộ mạng tinh thể. Nếu như không xảy ra sự đoản mạch trên vật liệu thì việc tích điện sẽ cảm ứng ra một hiệu điện thế trên vật liệu. Từ “Piezo” có nguồn gốc tiếng Hy – lạp “piezein, có nghĩa là bị “ép” lại, bị “nén” lại.
_ Hiệu ứng Áp Điện có tính thuận nghịch ở chỗ vật liệu có khả năng sinh hiệu ứng áp điện trực tiếp (sinh ra điện khi bị ép lại) thì cũng có khả năng tạo hiệu ứng áp điện nghịch (sinh ra lực ép nén hoặc co rút khi đặt lên vật liệu một dòng điện). Ví dụ, khi áp một điện thế lên các tinh thể lead zirconate titanate thì sẽ làm chúng thay đổi hình dáng tối đa tới 0,1% so với kích thước ban đầu.
_ Hiệu ứng nói trên đựợc áp dụng nhiều trong khoa hoc kỹ thuật như các máy phát tần số cao trong ngành viễn thông, kính hiển vi trong y học…
_ Sau khi nhận được lệnh phun nhiên liệu, bộ điều khiển động cơ sẽ ra lệnh cấp tới vòi phun đang có nhu cầu phun một điện áp đủ lớn, điện áp này sẽ tác động trực tiếp lên bộ phận chấp hành bao gồm các tinh thể piezo lắp bên trong vòi phun. Khi được tích điện, các tinh thể này co lại làm nâng kim phun, cuối cùng là nhiên liệu được phun vào động cơ. Vòi phun hoạt động theo nguyên lý áp điện có độ chính xác khá cao, với áp suất phun đạt tới 1800 bar mặc dầu thế hệ mới của hệ thống nhiên liệu tích áp của động cơ diesel Delphi cho phép thỏa mãn các yêu cầu của tiêu chuẩn thải khí Euro 6 và Tiêu chuẩn thải khí của Hoa Kỳ US Tier 2 Bin 5 nhưng vẫn còn có thế hệ mới hơn.
_ Hệ thống nhiên liệu tích áp được ông Robert Huber phát triển từ cuối những năm 1960 tại Thuỵ Sĩ.Vào giữa những năm 1990 tiến sĩ Shohei Itoh và Masahiko Miyaki của Tập đoàn Denso – Một hãng sản xuất phụ tùng ô tô đã phát triển hệ thống phun nhiên liệu tích áp dành cho các phương tiện cơ giới hạng nặng . Lần đầu tiên hệ thống phun nhiên liệu tích áp được áp dụng cho động cơ diesel của loại xe tải ben Hino và bán đại trà vào năm 1995.

_ Hệ thống common rail được điều khiển bởi điều khiển động cơ engine control unit (ECU) làm cho các vòi phun hoạt động hoàn toàn bằng điện tử và như vậy các liên kết cơ học đã hoàn toàn bị loại bỏ. Tại châu Âu, vào những năm 1990 các hệ thống này được các hãng Magneti Marelli, Centro Ricerche Fiat và Elasis sản xuất hàng loại. Năm 1997 những xe chở khách đầu tiên lắp các hệ thống này là loại xe model Alfa Romeo 156 1.9 JTD và sau này là xe Mercedes-Benz E 320 CDI. Các động cơ common rail đã được áp dụng trong ngành hàng hải và ngành đường sắt từ trước đó. Ngày nay hệ thống common rail được áp dụng rất phổ biến cả trên bộ lẫn dưới nước.
Nguyên lý hoạt động
_ Van điện từ hoặc van áp điện tạo khả năng điều khiển điện tử thời gian phun nhiên liệu và lượng nhiên liệu phun vào buồng đốt. Hệ thống common rail có áp suất cao tạo ra chất lượng phun rất tốt. Để giảm độ ồn của động cơ bộ điều khiển động cơ ECU có thể khiến vòi phun phun một lượng nhỏ nhiên liệu trước giai đoạn phun chính. Giai đoạn phun như vậy gọi là phun dẫn (pilot injection). Chế độ phun như vậy giảm được sự kích nổ và chấn động do sự tăng áp đột ngột sinh ra trong quá trình cháy. Cũng như tối ưu hóa được thời điểm bắt đầu cũng như kết thúc phun, tối ưu hóa lượng nhiên liệu phun vào thậm chí ngay cả trong chế độ khởi động khi máy nguội (cold start). Một số hệ thống còn có thể điều khiển được 5 lần phun trong một hành trình.
Động cơ common rail không cần phải hâm máy trước khi khởi động và khí xả thải ra ít hơn, độ ồn cũng nhỏ hơn so với động cơ thông thường..Trong các động cơ diesel kiểu cũ các bơm cao áp do trục cam khống chế cấp nhiên liệu một cách đột ngột tới các vòi phun. Còn bản thân các vòi phun chỉ đơn giản làm nhiệm vụ phun nhiên liệu vào trong buồng đốt. Vì nhiên liệu được phun với áp suất thấp và do lượng nhiên liệu không được điều khiển chính xác nên các hạt nhiên liệu phun vào khá lớn và không đảm bảo độ sương cần thiết do đó quá trình cháy không có chất lượng cao và không hiệu quả.Trong hệ thống common rail không có bơm cao áp. Thay vào đó là những bơm tạo áp suất rất cao cấp nhiên liệu vào một bộ lưu chứa áp suất cao – tận tới 2,000 bar, bộ chứa áp suất đó thường là một ống góp. Về mặt cấu tạo chung common rail gồm một đoạn ống thép có các nhánh nối với các vòi phun mà những vòi phun này do máy tính điều khiển. Mỗi một vòi phun được chế tạo chính xác có chứa một piston do một cơ cấu chấp hành, là cuộn hút hoặc các tinh thể áp điện, điều khiển.
Do được điều khiển bằng điện tử nên thời điểm phun của nhiên liệu, lượng nhiên liệu cần thiết phun vào, khoảng thời gian phun là rất chính xác. Chất lượng phun sương rất cao nên nhiên liệu cháy hoàn toàn, kể cá khi động cơ làm việc ở chế độ khởi động và nặng tải. Hệ thông phun kiểu này đòi hỏi hệ số thấp hơn nhiều so với động cơ thông thường. Đó cũng là lý do giảikhông khí thích tại sao lượng khí thải ra ở động cơ sử dụng common rail là khá thấp.