Động cơ diesel có khả năng tiết kiệm hơn về kinh tế so với động cơ xăng, tuy nhiên nó vẫn còn quá nhiều mặt hạn chế khi sử dụng như: khi tăng tốc xả ra khá nhiều khói đen, tiếng ồn lớn và tiêu hao nhiều nhiên liệu…

Chúng là 1 trong những nguyên nhân chính dẫn tới sự ô nhiễm của môi trường trong cuộc sống hiện đại thời này. Để khắc phục những vấn đề nêu trên, các nhà sản xuất ô tô đã nghiên cứu và cho ra đời hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel.

1. Quá trình ra đời của hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel

Vào năm 1897, nhà phát minh người Đức – Rudolf Diesel đã cho phát triển động cơ Diesel vận hành theo nguyên lý tự cháy. Ở gần cuối quá trình nén, nhiên liệu được đưa vào buông đốt động cơ để cho ra hòa khí rồi tự bốc cháy. Tới năm 1927 – Roberrt Bosch phát triển và cho ra mắt bơm cao áp (bơm phun Bosch lắp đặt trên động cơ diesel ô tô khách và ô tô thương mại vào năm 1936).

Nhờ các nghiên cứu cách thức giải quyết tối ưu nhằm giảm bớt mức độ tiêu hao nhiên liệu và ô nhiệm môi trường, động cơ Diesel không ngừng phát triển. Các kỹ sử phát triển động cơ Diesel đã cho ra nhiều biện pháp khác nhau về kỹ thuật phun và sắp xếp quá trình cháy để hạn chế các chất ô nhiệm thoát ra môi trường. Các biện pháp chủ yếu hướng tới các các mục đích:

• Giảm lượng lớn lượng cacbon không tinh khiết trong quá trình tăng tốc hòa trộn không khí-nhiên liệu bằng cách tăng tốc độ phun.
• Tăng áp suất phun, nhất là đối với những động cơ phun trực tiếp.
• Tổ chức dạng quy luật phun theo khuynh hướng kết thúc nhanh quá trình phun để giảm HC.
• Giải pháp hồi lưu lại 1 bộ phần khí xả ERG (Exhaust Gas Recirculation).

Ngày nay, những nhược điểm của hệ thống nhiên liệu diesel hầu như đã được khắc phục hoàn toàn bằng các bộ phận như: Vòi phun, bơm cao áp, ống lưu trữ nhiên liệu áp suất lớn, các ứng dụng tự động điều khiển nhờ sự phát triển từ công nghệ (năm 1986 – Bosch cho ra mắt thị trường việc điều khiển điện tử cho động cơ diesel).  Nó được gọi là hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel.

2. Tổng quan hệ thống Common Rail Diesel

Với các động cơ Diesel hiện nay, áp suất phun thực hiện cho từng vòi phun 1 cách riêng biệt, nhiên liệu áp suất cao được giữ trong hộp chứa (Rail), hay còn được gọi là “Ắc quy thủy lực” và được phân chia đến từng vòi phun theo yêu cầu.

Vòi phun Common Rail có tác dụng làm giảm tiếng ồn và nhờ sự kết hợp giữa việc điều khiển điện tử – kiểm soát lượng nhiên liệu phun – thời điểm phun mà nhiên liệu được phin ra ở mức áp suất rất cao. Thế nên, khả năng vận hành của động cơ và khả năng tiết kiệm nhiên liệu được tối ưu hơn.

So với những động cơ cũ được dẫn động bằng cam thì hệ thống Common Rail tỏ ra rất linh hoạt trong khả năng thích nghi để điều khiển kim phin nhiên liệu động cơ diesel như:

• Áp suất phun lên tới 1500 bar.
• Phạm vi áp dụng rộng rãi (cho xe khách, du lịch, tải nặng, tải nhẹ, xe lửa và thậm chí cả tàu thủy).
• Có thể tùy ý thay đổi thời điểm phun.
• Có 3 giai đoạn phun: Phun sơ khởi – phun chính – phun kết thúc.

2.1. Cách thức hoạt động

Cũng giống như hệ thống nguyên liệu diesel thông thường khác, ở số thứ tự (1) trên hình, nhiên liệu được được bơm lên từ thùng nhiên liệu trên đường ống thấp áp (11) nén đẩy qua ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao (7) hay còn gọi là ắc quy thủy lực – sau đó được đưa tới vòi phun Common Rail (9) và sẵn sàng để phun nhiên liệu vào xy lanh của động cơ.

Việc phun nhiên liệu và tạo áp suất là hoàn toàn riêng biệt với nhau trong hệ thống Common Rail. Áp suất được suất phun được hình thành độc lập với tốc độ và mức nhiên liệu phun ra. Nhiên liệu được lưu trữ với áp suất cap trong điều áp nhiên liệu (7).

Bàn đạp ga sẽ là nơi quyết định mức nhiên liệu được phun ra, dựa trên biểu đồ dữ liệu đã lưu, ECU sẽ tính toán thời điểm phun và áp suất phun. Sau đó, nhờ các cảm biến (10) – EDU và ECU sẽ điều khiển các kim phun của mỗi vòi phun tại từng xy-lanh động cơ để phun nhiên liệu với áp suất phun lên tới 1500 bar.

Tiếp đến, lượng nhiên liệu thừa trong vòi phun đi qua ắc quy thủy lực (7) rồi trở về bơm cao áp (2), van điều khiển áp suất tại bơm lúc này sẽ mở để nhiên liệu thừa trở lại bình nhiên liệu (1). Phía trên ắc quy thủy lực được gắn cảm biến áp suất và bố trí van an toàn ở phía cuối (8), nếu nhận thấy áp suất lưu trữ trong ắc quy thủy lực (7) quá lớn, van an toàn sẽ tự động mở để nhiện liệu chảy về thúng chứa.

(1)Thùng nhiên liệu; (2) Bơm cao áp Common rail; (3) Lọc nhiên liệu; (4) Đường cấp nhiên liệu cao áp; ( 5) Đường nối cảm biến áp suất đến ECU ; (6) Cảm biến áp suất; (7) Common Rail tích trữ &điều áp nhiên liệu (hay còn gọi ắcquy thuỷ lực) ; (8) Van an toàn (giới hạn áp suất); (9) Vòi phun; (10) Các cảm biến nối đến ECU và Bộ điều khiển thiết bị (EDU); (11) Đường về nhiên liệu (thấp áp) ; EDU: (Electronic Driver Unit) và ECU : (Electronic Control Unit).

Nhờ cách thức này, nhờ vào lực áp suất phun 1500bar, thì nó vẫn có thể hoạt động ngay cả lúc động cơ đang vận hành ở vận tốc thấp.

2.2. Một hệ thống Common Rail Diesel được chia thành 4 đoạn cơ bản:

• Bơm áp suất cao cùng van đo lường và van điều chỉnh áp suất thấp.
• Các cảm biến (trục cam, tộc độ quay trục khuỷu, lưu lượng không khí, bàn đạp ra và nước làm mát, cam biến áp suất Rail…).
• Các cơ cấu thực hiện (Các đồng hồ đo áp suất, bộ tăng áp, bộ hồi lưu khí xả, vòi phun điều khiển bằng van solenoid…).
• Bộ điều khiển trung tâm (EDU, ECU) kiểm soát chính xác lượng phun, điều chỉnh áp suất và giám sát điều kiện hoạt động của động cơ.

2.3. Các công năng của hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel

Trước tiên, bạn phải nhận biết được giữa 3 nhóm công năng khác nhau của Common Rail:

• Mạch áp suất thấp
• Mạch áp suất cao
• ECU và các cảm biến

* Chức năng chính: căn chỉnh phun nhiên liệu đúng lượng, đúng thời điểm và áp suất phù hợp với các chế độ vận hành của động cơ.

* Chức năng phụ: Điều chỉnh vòng hở và vòng kín như hệ điều khiển hệ thống hồi lưu khí thải, ga tự động, tăng áp,… làm giảm lượng khí thải độc hại và mức độ tiêu hao của nhiên liệu.

3. Những ưu điểm của hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel

Hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel có 5 ưu điểm chính gồm:

• Tiết kiệm nhiên liệu
• Động cơ hoạt động êm dịu, giảm tiếng ồn
• Cản thiện tính năng động cơ
• Khí thải thoát ra môi trường ít
• Thích hợp với nhiều động cơ Diesel

Với những động cơ Diesel đời đầu, tiếng ồn phát ra trong quá trình vận hành khá lớn. Khi muốn tăng tốc thì lượng khí thải thoát ra rất nhiều dẫn tới ô nhiễm môi trường và tiêu hao nhiều nhiên liệu.

Hệ thống nhiên liệu Common Rail với áp suất phun lên tới 1500bar, có thể ở mọi thời điểm, mọi chế độ hoạt động của động cơ, ngay cả thời điểm động đang vận hành ở vận tốc thấp thì áp suất phun vẫn không hạ xuống. Áp suất cao cũng khiến quá trình đốt cháy diễn ra sạch hơn.

Nhờ sự cải tiến của bơm cao áp mà động cơ làm việc êm dịu hơn. Với kiểu bơm piston sắp xếp theo hình sao chêch lệch nhau 120 độ giúp xe hoạt động linh hoạt, nhẹ nhàng và đạt năng suất cao, giảm được tải trong cho động cơ.

Giai đoạn phun sơ khởi làm giảm thời gian phun thứ cấp và thời gian chấy trễ giúp quá trình cháy trở nên hoàn thiện hơn. Bên cạnh đó, động cơ còn được áp dụng điều khiển điện tử, bộ hồi lưu khí xả (EGR) và tăng áp góp phần hoàn thiện các tính năng của động cơ. Trong đó đáng nhắc đến nhất vẫn là vòi phun Common Rail, có có thể tiến hành phun và lưu ở áp suất cao.

Ngoài ra, vòi phun có van trợ lực điện từ được chế tạo có độ khín cực cao. Các kim phun, van và cuộn điện từ trên thân vòi phun. Dòng nhiên liệu giữa mạch áp suất cao đi qua van tiết lưu và tới buồng chứa van điều khiển. Ta có thể thấy được vòi phun có thể làm việc trong môi môi trường có áp suất cao khi có áp suất bên trong vòi phun bằng áp suất trong ắc quy thủy lực, vậy nên các chi tiết bộ phận như van bi, kim phun, lò xo và van điện tử phải làm việc rất chính xác.

Một ưu điểm đáng chú ý nữa của hệ thống nhiên liệu Common Rail của hãng Bosch là chúng có thể thay thế được cho hệ thống nhiên liệu Diesel đời cũ, nghĩa là các vị trí thành phần và lắp đặt chúng trên động cơ thích ứng với các động cơ đang sử dụng.

Thế nhưng, hệ thống nhiên liệu Common Rail vẫn còn những bất cập như:

• Đòi hỏi phải có ngành công nghệ cao bởi thế kế và chế tạo chúng rất phức tạp.
• Khó xác định và lắp đặt các bộ phận chi tiết của hệ thống Common Rail trên động cơ cũ.

Kết luận về hệ thống Common Rail Diesel

Với hệ thống Common Rail Diesel, các tính năng của động cơ và khả năng tiết kiệm nhiên liệu đã được cải thiện rõ rệt. Nó tạo ra 1 hướng nghiên cứu mới cho các ngành như giao thông, cơ khí động học… trong nước. Hiện nay, chúng ta có thể tìm thấy hệ thống này ở các dòng xe như Sprinter, Transit, Hiace…