Tính toán sức bền của Động cơ diesel,đề tài môn tính toán đoọng cơ đốt trong ,báo cáo mon tính toán động cơ đốt trong
quá trình phát triển động cơ diesel
Từ ban đầu khi động cơ này ra đời, hầu như tất cả các hệ thống đều được điều khiển bằng cơ khí nên công suất động cơ, tiêu hao nhiên liệu, các chế độ hoạt động của động cơ chưa được hoàn thiện trong quá trình sử dụng và gây rất nhiều khó khăn cho người sử dụng Do đó với cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật ra đời vào những năm 50, 60 của thế kỷ XX đã có tác dụng tích cực làm thay đổi khả năng tự động điều khiển của động cơ, với sự trợ giúp chủ yếu của các cảm biến, các bộ xử lý và các bộ thừa hành làm cho quá trình điều khiển động cơ thích ứng với điều kiện làm việc nhanh hơn và chính xác hơn rất nhiều so với các hệ thống điều khiển cơ khí, thuỷ lực thường dùng trước đây.
Trước sự phát triển đó hệ thống nhiên liệu, loại trừ các cơ cấu điều khiển cơ khí mà thay vào đó hệ thống điều khiển điện tử thuộc thế hệ mới góp phần cải tiến, điện tử hoá các cơ cấu, nâng cao tính kinh tế, giảm ô nhiễm môi trường và đơn giản hoá trong quá trình điều khiển.
Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel
Nhiệm vụ và yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu động cơ diesel
- Dự trữ nhiên liệu: Đảm bảo cho động cơ có thể làm việc liên tục trong một thời gian nhất định, giúp nhiên liệu chuyển động thông thoáng trong hệ thống.
- Cung cấp nhiên liệu cho động cơ : đảm bảo tốt các yêu cầu :
+ Lượng nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình phải phù hợp với chế độ làm việc của động cơ
+ Phun nhiên liệu vào đúng thời điểm, đúng quy luật mong muốn.
+ Lưu lượng nhiên liêu vào các xylanh phải đồng đều Phải phun nhiên liệu vào xylanh qua lỗ phun nhỏ với chênh áp lớn phía trước và lỗ phun, để nhiên liệu được xé tơi tốt.
- Các tia nhiên liệu phun vào xylanh động cơ phải đảm bảo kết hợp tốt giữa số lượng và phương hướng, hình dạng, kích thước của các tia phun với hình dạng buồng cháy và với cường độ và phương hướng chuyển động của mỗi chất trong buồng cháy để hoà khí được hình thành nhanh và đều
Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel phải thoả mãn các yêu cầu sau :
- Hoạt động lâu bền, có độ tin cậy cao.
- Dễ dàng và thuận tiện trong sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa
- Dễ chế tạo, giá thành hạ.
- Nhiên liệu diesel phải rất sạch không chứa tạp chất và nước.
- Nhiên liệu phải có trị số Cetanne cao (40 – 55) đốt cháy ngay khi nó được phun vào buống đốt, không tồn đọng nhiên liệu và kết quả là động cơ chạy êm.
Đặc điểm của hệ thống nhiên liệu động cơ diesel
Đặc điểm khác biệt của động cơ diesel so với động cơ xăng là địa điểm và thời gian hình thành hỗn hợp nổ Trong động cơ xăng, hoà khí bắt đầu hình thành ngay từ khi xăng được hút khỏi vòi phun vào đường nạp (động cơ dùng bộ chế hoà khí) hoặc được phun vào đường ống nạp (động cơ phun xăng) Quá trình trên được còn tiếp diễn trong xy lanh, suốt quá trình nạp và quá trình nén cho đến khi được đốt cháy cưỡng bức bằng tia lửa điện Ở động cơ diesel gần cuối quá trình nén, nhiên liệu mới được phun vào buồng cháy động cơ để hình thành hỗn hợp rồi tự bốc cháy Dầu diesel có tính năng đặc biệt về độ bốc hơi, độ nhớt và chi số cetane.
* Hoạt động của hệ thống nhiên liệu:
Bơm chuyển nhiên liệu 9 hút nhiên liệu từ thùng chứa 12, sau đó đẩy tới bầu lọc tinh 2.Tại bầu lọc tinh nhiên liệu được lọc sạch tạp chất, sau đó nhiên liệu theo đường ống 3 tới bơm cao áp 8 Bơm cao áp tạo cho nhiên liệu một áp suất đủ lớn theo đường ống cao áp
6 đến vòi phun 4 cung cấp cho xylanh động cơ.
Nhiên liệu rò qua khe hở trong thân kim phun của vòi phun và trong các tổ bơm cao áp được theo đường ống dẫn 5 và 11 trở về thùng chứa.
Nhiên liệu đi vào trong xylanh bơm cao áp không được lẫn không khí vì không khí sẽ làm cho hệ số nạp của các tổ bơm không ổn định, thậm chí có thể làm gián đoạn quá trình cấp nhiên liệu Không khí lẫn trong hệ thống nhiên liệu có thể là do không khí hòa tan trong nhiên liệu tách ra khi áp suất thay đổi đột ngột, cũng có thể do khí trời lọt vào do đường ống không kín, đặc biệt là ở những khu vực mà áp suất nhiên liệu thấp hơn áp suất khí trời Để xả không khí ra khỏi hệ thống nhiên liệu trên bầu lọc, trên vòi phun và trên bơm cao áp có bulông xả khí
Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu diesel
1- Bulông xả khí ; 2- Bầu lọc nhiên liệu ; 3, 5, 6, 10, 11- Ống dẫn nhiên liệu ; 4-
Vòi phu ; 7- Van tràn ; 8- Bơm cao áp ; 9- Bơm chuyển ; 12- Thùng chưa nhiên liệu ; 13- Bulông xả nước.
Không khí từ ngoài trời qua lọc khí vào ống nạp rồi qua xupáp nạp đi vào động cơ.Trong quá trình nén các xupáp hút và xả đều đóng kín, khi piston đi lên không khí trong xylanh bị nén Piston càng tới sát điểm chết trên, không khí bên trên piston bị chèn chui vào phần khoét lõm ở đỉnh piston, tạo ra ở đây dòng xoáy lốc hướng kính ngày càng mạnh Cuối quá trình nén, nhiên liệu được phun vào dòng xoáy lốc này, được xé nhỏ, sấy nóng, bay hơi và hoà trộn đều với không khí tạo ra hoà khí rồi tự bốc cháy.
Các dạng cấu tạo bơm cao áp trong hệ thống nhiên liệu động cơ diesel
1- Bulông xả khí ; 2- Vít hãm ; 3- Đầu nối ống nhiên liệu đến vòi phun ; 4- Đầu nối ống nhiên liệu vào bơm ; 5- Vỏ bộ hạn chế nhiên liệu ; 6- Khớp nối của trục cam ; 7- Đĩa chắn dầu ; 8- Trục bơm ; 9- Ổ bi ; 10- Vỏ bộ điều tốc ; 11- Lò xo van cao áp ;12- Van cao áp; 13- Xilanh bơm cao áp ; 14- Lỗ xả ; 15- Piston bơm cao áp ; 16-Vít ; 17- Ống xoay ; 18- Đĩa trên ; 19- Lò xo bơm cao áp ; 20- Đĩa dưới ; 21- Bulông điều chỉnh ; 22- Con đội ; 23- Con lăn ; 24- Cam
Nguyên lý hoạt động : Piston đi xuống nhờ lực đẩy lò xo 19, van cao áp 12 đóng kín, nhờ độ chân không được tạo ra trong không gian phía trên piston, khi mở các lỗ A, B nhiên liệu được nạp đầy vào không gian này cho tới khi piston nằm ở vị trí thấp nhất.
Piston đi lên nhờ cam 24, lúc đầu nhiên liệu bị đẩy qua các lỗ A, B ra ngoài ; khi đỉnh piston che kín hai lỗ A, B thì nhiên liệu ở không gian ở phía trên piston 15 tăng áp suất, đẩy mở van cao áp 12, nhiên liệu đi vào đường cao áp tới vòi phun Quá trình cấp nhiên liệu được tiếp diễn tới khi rãnh nghiêng trên đầu piston mở lỗ xả B thời điểm kết thúc cấp nhiên liệu, từ lúc ấy nhiên liệu từ không gian phía trên piston qua rãnh dọc thoát qua lỗ B ra ngoài khiến áp suất trong xilanh giảm đột ngột, van cao áp được đóng lại.
1- Bạc xả ; 2- Thiết bị điều chỉnh thời gian phun ; 3- Vành cam ; 4- Con lăn ; 5- Đĩa truyền động ; 6- Trục vào ; 7- Bánh răng bơm chuyển ; 8- Trục bộ điều tốc ; 9- Bánh răng bộ điều tốc ; 10- Quả văn ; 11- Đòn điều chỉnh ; 12- Lò xo điều tốc
; 13- Màng chân không ; 14- Ống nối đường nạp ; 15- Lò xo màng điều chỉnh chân không ; 16- Đường ống hồi dầu ; 17- Vít điều chỉnh ; 18- Đòn áp lực ; 19-Van điện từ ; 20- Piston ; 21- Van cao áp ; 22- Đầu nối với vòi phun
Nguyên lý hoạt động: Dẫn động xoay piston 20 được trục bơm 6 dẫn động, còn dẫn động định tiến do vành cam 3 trên trục bơm 6 dẫn động Trên sườn piston có các lỗ thoát B, khi piston xoay lỗ thoát này sẽ lần lượt ăn thông với các lỗ khoan chéo A trên đầu bơm. Trong hành trình công tác nhiên liệu nén và phân phối lần lượt qua các lỗ khoan chéo A, khi đó áp suất nhiên liệu nén đi qua van cao áp 21 rồi đi đến vòi phun nhiên liệu của xylanh tương ứng Trên bơm còn có bơm chuyển nhiên liệu kiểu phiến gạt được nâng lên một áp suất ổn định, quả văng 10 thông qua quan hệ tay đòn, quả văng tác động vào bạc xả 1 qua đó làm thay đổi thời điểm mở lỗ xả và thực hiện việc điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp theo chế độ làm việc của động cơ.
Đặc điểm hình thành hỗn hợp trong động cơ diesel
Nhiên liệu được phun vào buồng đốt từ 15 0 - 30 0 trước ĐCT/ kỳ nén, khi dấu phun nhiên liệu “ INJ” ở bánh đà đúng ngay chi thị mà lăng vạch ở ống dẫn hướng ngay dấu chỉ thị ở cử sổ là thời điểm khơi phun Hỗn hợp được hình thành bên trong xilanh động cơ với thời gian rất ngắn tính theo góc quay của trục khuỷu, chỉ bằng 1/10 đến 1/20 so với trường hợp của máy xăng, ngoài ra nhiên liệu diesel lại khó bay hơi hơn xăng nên phải được phun thật tơi và hoà trộn đều trong không gian buồng cháy
Quá trình hình thành hỗn hợp và quá trình bốc cháy nhiên liệu trong động cơ diesel chồng chéo lên nhau, xảy ra liên tục Sau khi phun nhiên liệu thì trong buồng cháy diễn ra một loạt thay đổi về tính chất lý hoá của nhiên liệu, sau đó một phần nhiên liệu được phun vào trước đã tạo thành hỗn hợp thì tự bốc cháy trong khi nhiên liệu vẫn được tiếp tục phun vào để cung cấp cho xy lanh động cơ Chính đặc điểm của quá trình hình thành hỗn hợp và quá trình cháy như vậy nên để cho phù hợp thì động cơ diesel có rất nhiều loại buồng cháy khác nhau tuỳ theo cấu tạo của động cơ và mục đích sử dụng động cơ.
HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN PHUN NHIÊN LIỆU
Hệ thống thu thập thông tin về điều kiện làm việc của động cơ
Các cảm biến cung cấp cho bộ xử lý về số vòng quay, vị trí bàn đạp chân ga, nhiệt độ không khí nạp, nhiệt độ nước làm mát của động cơ các cảm biến làm việc theo nguyên tắc khác nhau Các thông tin từ các cảm biến đưa về bộ xử lý dưới dạng các tín hiệu điện như : tín hiệu dạng xung, tín hiệu điện áp biến đổi, tín hiệu tần số và được biến đổi, xử lý sơ bộ trước khi đi vào hệ thống xử lý.
Hệ thống xử lý
Căn cứ vào các tín hiệu gởi về từ các cảm biến, hệ thống xử lý so sánh với các thông tin đã được cài đặt sẵn trong bộ nhớ và xác định các thông số đầu ra để điều khiển các bộ phận thừa hành, đảm bảo điều kiện làm việc tối ưu cho động cơ.
Hệ thống thừa hành
Các cơ cấu chấp hành được điều khiển bằng các tín hiệu đầu ra của bộ xử lý Các cơ cấu chấp hành như : vòi phun, bơm cao áp được hệ thống thừa hành điều khiển sao cho động cơ làm việc phù hợp với các tín hiệu đầu vào.
Định lượng hỗn hợp nhiên liệu, không khí
Lượng O2, dùng để đốt cháy nhiên liệu trong buồng cháy động cơ, là lượng O2 trong không khí Như ta biết không khí gồm hai thành phần là : O2 và N2 Tính theo thành phần thể tích (thành phần mol) O2 chiếm 21% còn N2 chiếm 79% Do với một thể tích nhất định, khối lượng khí phụ thuộc vào các thông số trạng thái của nó như : áp suất, nhiệt độ Vì vậy với một dung tích xilanh nhất định, khối lượng không khí nạp vào là khác nhau nếu ở điều kiện áp suất và nhiệt độ khác nhau.
Khi động cơ đang hoạt động, lượng nhiên liệu phun vào xi lanh thay đổi tùy theo điều kiện làm việc Để đảm bảo lượng nhiên liệu phù hợp, bộ điều khiển cần biết được thông tin về trạng thái của lượng khí nạp.
Lượng nhiên liệu phun không chỉ phụ thuộc vào lượng khí nạp, buồng cháy động cơ mà còn phụ thuộc nhiều yếu tố đặc trưng cho tình trạng làm việc của động cơ, ví dụ như số vòng quay động cơ, nhiệt độ nước làm mát Bộ xử lý cũng sử dụng các tín hiệu nhận được từ các cảm biến đo các yếu tố đặc trưng cho tình trạng làm việc của động cơ để điều chỉnh lượng phun sao cho đạt được tỉ lệ hỗn hợp thích ứng với điều kiện làm việc của động cơ.
Xác định góc phun sớm
Cũng tương tự như nguyên tắc điều khiển lượng phun, bộ xử lý điều khiển góc phun sớm trên cơ sở tín hiệu thu được từ cảm biến đo số vòng quay động cơ và các cảm biến xác định trạng thái động cơ. Để lựa chọn góc phun sớm tốt nhất được xác định nhờ thực nghiệm bằng cách xây dựng đặc tính điều chỉnh góc phun sớm của động cơ Đặc tính điều chỉnh góc phun sớm được thực hiện ở điều kiện không thay đổi tốc độ n và lượng nhiên liệu cấp cho chu trình.
Bộ xử lý
Hình 1.4 Sơ đồ khối điều khiển điện tử phun nhiên liệu.
Như đã trình bày trên, căn cứ vào tín hiệu gởi về từ các cảm biến, hệ thống xử lý so sánh với các thông tin đã được lập trình sẵn trong bộ nhớ và xác định các thông số đầu ra để điều khiển các bộ phận thừa hành, đảm bảo điều kiện làm việc tối ưu cho động cơ.
1.3.6.1 Bộ ổn áp bên trong
Vì bộ xử lý và các cảm biến đòi hỏi một điện áp làm việc rất ổn định, nên trong bộ điều khiển có lắp một bộ ổn áp Bộ ổn áp điện này cung cấp cho bộ xử lý một điện áp có giá trị xác định và ổn định
1.3.6.2 Xử lý tín hiệu vào
Bộ xử lý tín hiệu đầu vào thu nhập những tín hiệu từ các cảm biến, dưới dạng tín hiệu xung, tín hiệu điện áp biến đổi, tín hiệu tần số… Để đưa vào xử lý, biến đổi chúng thành các tín hiệu số Tín hiệu là sự kết hợp giữa các mức điện áp có và không, mức điện áp có là số 1 và mức điện áp không là số 0 Tín hiệu phải được biến sang dạng số vì bộ xử lý chỉ có thể làm việc với các tín hiệu 0 và 1.
Một trong các bộ biến đổi dùng phổ biến trong bộ điều khiển là bộ biến đổi tương tự số, viết tắt là A/D(Analog to digital converters) Bộ này dùng để biến đổi tín hiệu điện áp một chiều có giá trị thay đổi sang tín hiệu dạng số để bộ xử lý có thể làm việc được.
Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel
Common Rail là một hệ thống phun tích luỹ
Việc tạo ra áp suất và việc phun nhiên liệu hoàn toàn tách biệt với nhau trong hệ thống Common Rail Áp suất phun được tạo ra độc lập với tốc độ động cơ và lượng nhiên liệu phun ra Nhiên liệu được trữ với áp suất cao trong bộ tích áp suất cao (high- pressure accumulator) và sẵn sàng để phun Lượng nhiên liệu phun ra được quyết định bởi tài xế, và thời điểm phun cũng như áp lực phun được tính toán bằng ECU và các biểu đồ đã lưu trong bộ nhớ của nó Sau đó ECU sẽ điều khiển các kim phun phun tại mỗi xy lanh động cơ để phun nhiên liệu.
Chức năng chính là việc điều khiển việc phun nhiên liệu đúng thời điểm, đúng lưu lượng, đúng áp suất, đảm bảo cho động cơ diesel không chỉ hoạt động êm diu mà còn tiết kiệm nhiên liệu.
Chức năng phụ của hệ thống là điều khiển vòng kín và vòng hở, không những giảm độ độc hại của khí thải và lượng nhiên liệu tiêu thụ mà còn làm tăng tính an toàn, sự thoải mái và tiện nghi Ví dụ như hệ thống luân hồi khí thải (EGR- exhaust gas recircalation), điều khiển turbo tăng áp, điều khiển ga tự động và thiết bị chống trộm.
Hệ thống Common Rail thực hiện những chức năng sau :
+ Cung cấp nhiên liệu cho động cơ diesel.
+ Tạo ra áp suất sự cần thiết cho quá trình phun nhiên liệu và phân phối nhiên liệu đến những xylanh riêng lẻ.
+ Phun một lượng nhiên liệu chính xác tại một thời điểm thích hợp khác với các hệ thống phun khác Common Rail là một hệ thống phun tích luỹ.
Thành phần hỗn hợp và tác động đến quá trình cháy
So với động cơ xăng, động cơ diesel đốt nhiên liệu khó bay hơi hơn (nhiệt độ sôi cao), nên việc tạo hỗn hợp khí không chỉ diễn ra trong giai đoạn phun và bắt đầu cháy, mà còn trong suốt quá trình cháy Kết quả là hỗn hợp không đồng nhất Động cơ diesel luôn hoạt động ở chế độ nghèo, mức tiêu hao nhiên liệu, muội than, CO, HC sẽ tăng lên nếu không đốt cháy ở chế độ nghèo hợp lý.
Tỉ lệ hỗn hợp được quyết định bởi các thông số :
- Vận tốc dòng khí nạp.
- Khối lượng không khí nạp.
Tất cả các đại lượng trên đều ảnh hưởng đến mức tiêu hao nhiên liệu và nồng độ khí thải Nhiệt độ quá trình cháy quá cao và lượng ôxy nhiều sẽ làm tăng lượng NOx Muội than sinh ra khi hỗn hợp quá nghèo.
2.2.1 Hệ thống nạp lại khí thải ( EGR )
Khi không có EGR, khí NOx sinh ra vượt mức quy định về khí thái, ngược lại muội than sinh ra sẽ nằm trong giới hạn EGR là một phương pháp để giảm lượng NOx sinh ra mà không làm tăng nhanh lượng khói đen Điều này có thể thực hiên rất hiệu quả với hệ thống common rail với tỉ lệ hòa khí mong muốn đạt được nhờ vào áp suất phun cao Với EGR, một phần của khí thải được đưa vào ống nạp ở chế độ tải nhỏ của động cơ Điều này không chỉ làm giảm lượng Oxy mà còn làm giảm hiệu quả của quá trình cháy và nhiệt độ cực đại Kết quả là làm giảm lượng NOx Nếu có quá nhiều khí thải được nạp lại (quá 40% thể tích khí nạp), thì khói đen, CO và HC sẽ sinh ra nhiều cũng như tiêu hao nhiên liệu sẽ tăng vì thiếu Oxy.
2.2.2 Ảnh hưởng của việc phun nhiên liệu
Thời điểm phun, đường đặc tính phun, sự phun sương tơi của nhiên liệu cũng ảnh hưởng đến tiêu hao nhiên liệu và nồng độ khí thải.
Nhờ vào nhiệt độ quá trình thấp hơn, phun nhiên liệu trễ làm giảm lượng NOx. Nhưng nếu phun quá trễ thì lượng HC sẽ tăng và tiêu hao nhiên liệu sẽ nhiều hơn, và khói đen sinh ra ở chế độ tải lớn Nếu thời điểm phun chỉ lệch đi 1 o khỏi giá trị lí tưởng thì lượng NOx có thể tăng lên 5% Ngược lại thời điểm phun sai lệch hơn 2 o thì có thể làm cho áp suất đỉnh tăng lên 10 bar, trễ đi 2 o có thể làm tăng nhiệt độ khí thải thêm
20 o C Với các yếu tố cực kì nhạy cảm nêu trên, ECU cần phải điều chỉnh thời điểm phun chính xác tối đa.
* Đường đặc tính phun. Đường đặc tính phun quy định sự thay đổi lượng nhiên liệu được phun vào trong suốt một chu kỳ phun (từ lúc bắt đầu phun cho đến lúc kết thúc phun ) Đường đặc tính phun quyết định lượng nhiên liệu phun ra trong suốt giai đoạn cháy trễ (giữa thời điểm bắt đầu phun và bắt đầu cháy) Hơn nữa nó cũng ảnh hưởng đến sự phân phối của nhiên liệu trong buồng đốt và có tác dụng tận dụng hiệu quả của dòng khí nạp Đường đặc tính phun phải có độ dốc từ từ để nhiên liệu phun ra trong quá trình cháy trễ được giữ thấp nhất, nhiên liệu diesel bốc cháy tức thì, ngay khi quá trình cháy bắt đầu gây ra tiếng ồn và sự tạo thành NOx
* Sự phun sương tơi nhiên liệu.
Nhiên liệu được phun sương tơi tốt thúc đẩy hiệu quả hòa trộn giữa không khí và nhiên liệu Nó đóng góp vào việc giảm HC và khói đen trong khí thải Với áp suất phun cao và hình dạng hình học tối ưu của lỗ tia kim phun giúp cho sự phun sương tơi nhiên liệu tốt hơn Để ngăn ngừa muội than, lượng nhiên liệu phun ra phải được tính dựa vào lượng khí nạp Điều này đòi hỏi lượng khí nạp phải nhiều hơn từ 10 - 40 %
2.2.3 Đặc tính phun của hệ thống Common Rail
So với đặc điểm của hệ thống nhiên liệu cũ thì các yêu cầu sau đã được thực hiện dựa vào đường đặc tính phun lý tưởng :
- Lượng nhiên liệu và áp suất nhiên liệu phun độc lập với nhau trong từng điều kiện hoạt động của động cơ (cho phép dễ đạt được tỉ lệ hỗn hợp A/F lí tưởng).
- Lúc bắt đầu phun, lượng nhiên liệu phun ra chỉ cần một lượng nhỏ.
Các yêu cầu trên đã được thỏa mãn bởi hệ thống Common Rail Với đặc điểm phun hai lần : phun sơ khởi và phun chính.
Giai đoạ n phun sơ khởi
Hình 2.1 Đường đặc tính phun của hệ thống Common Rail.
Hệ thống Common Rail là hệ thống thiết kế theo module, có các thành phần
- Kim phun điều khiển bằng van điện từ (solenoid) được gắn vào nắp máy.
- Ống tích trữ nhiên liệu (ống phân phối áp lực cao).
- Bơm cao áp (bơm tạo áp lực cao)
Các thiết bị sau được sự hoạt động điều khiển của hệ thống :
- Cảm biến tốc độ trục khuỷu.
- Cảm biến tốc độ trục cam.
- Các loại cảm biến khác.
Về cơ bản, kim phun được nối với ống tích nhiên liệu áp suất cao (rail) bằng một đường ống ngắn Kết hợp với đầu phun và van điện từ (solenoid) được cung cấp điện qua ECU Khi van solenoid không được cấp điện thì kim ngừng phun Nhờ áp suất phun không đổi, lượng nhiên liệu phun ra sẽ tỉ lệ với độ dài của xung điều khiển solenoid
* Phun sơ khởi ( pilot injection ).
Phun sơ khởi diễn ra sớm đến 90 o trước điểm chết trên (ĐCT) Nếu thời điểm phun sơ khởi xuất hiện nhỏ hơn 40 0 , nhiên liệu có thể bám vào bề mặt của piston và thành xi lanh và làm loãng dầu bôi trơn.
Trong giai đoan phun sơ khởi, một lượng nhỏ nhiên liệu (1-4 mm 3 ) được phun vào xy lanh để ‘’mồi’’ Kết quả là quá trình cháy được cải thiện và đạt được một số hiệu quả sau : Áp suất cuối quá trình nén tăng một ít nhờ vào giai đoạn phun sơ khởi và nhiên liệu cháy một phần Điều này giúp giảm thời gian trễ cháy, sự tăng đột ngột của áp suất khí cháy và áp suất cực đại (quá trình cháy êm dịu hơn) Kết quả là giảm tiếng ồn của động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và trong nhiều trường hợp giảm được độ độc hại của khí thải Quá trình phun sơ khởi góp phần gián tiếp vào việc tăng công suất động cơ
* Giai đoạn phun chính ( main injection ).
Công suất đầu ra của động cơ phụ thuộc vào giai đoạn phun chính tiếp theo giai đoạn phun sơ khởi Điều này có nghĩa là giai đoạn phun chính giúp tăng lực kéo của động cơ. Với hệ thống Common Rail, áp suất phun vẫn giữ không đổi trong suốt quá trình phun.
* Giai đoạn phun thứ cấp ( secondary injection ).
Theo quan điểm xử lý khí thải, phun thứ cấp có thể được áp dụng để đốt cháy NOx.
Nó diễn ra sau ngay giai đoạn phun chính và được xác định để xảy ra trong quá trình giãn nở Ngược lại so với quá trình phun sơ khởi và phun chính, nhiên liệu phun vào không được đốt cháy mà để bốc hơi nhờ vào sức nóng của khí thải ở ống thải Trong suốt kỳ thải hỗn hợp khí thải và nhiên liệu được đẩy ra ngoài hệ thống thoát khí thải thông qua xupap thải
kết cấu hệ thống nhiên liệu động cơ diesel
Kết cấu hệ thống nhiên liệu Common Rail của động cơ 2KD-FTV chia thành hai vùng : Vùng áp suất thấp và vùng áp suất cao.
Vùng áp suất thấp có nhiệm vụ đưa nhiên liệu lên vòng cao áp, bao gồm các bộ phận :
+ Các đường ống nhiên liệu áp suất thấp
Bình chứa nhiên liệu phải làm từ vật liệu chống ăn mòn và giữ cho không bị rò rỉ ở áp suất gấp đôi áp suất hoạt động bình thường Van an toàn trong bình phải được lắp để khi áp suất quá cao có thể tự thoát ra ngoài Nhiên liệu cũng không được rò rỉ ở cổ nối với bình lọc nhiên liệu hay ở thiết bị bù áp suất khi xe rung xóc nhỏ, cũng như khi xe vào đường vòng hoặc dừng hay chạy trên đường dốc Bình nhiên liệu và động cơ phải đặt xa nhau để khi tai nạn xảy ra không có nguy cơ cháy nổ
2.3.3 Đường nhiên liệu áp suất thấp
Sự làm việc lâu dài làm cho hiệu quả của bơm cung cấp nhiên liệu cũng như vòi phun và bơm phân phối phụ thuộc vào chất lượng lọc của lọc nhiên liệu.
* Nhiệm vụ của bầu lọc tinh :
Bầu lọc tinh lọc tạp chất cơ học có kích thước 0,0020,003 mm ra khỏi nhiên liệu(trong khi đó khe hở xy lanh và piston bơm 0,0025mm) nên bầu lọc đảm bảo cho hệ thống làm việc tốt.
Hình 2.2 Bình lọc nhiên liệu.
Nhiên liệu từ bình chứa vào bình lọc từ ống 1 đến đường ống 10 nằm phía dưới nắp đậy được nối thông với khoang A nhiên liệu từ khoang A đi qua lõi lọc 6 tại đây tạp chất bẩn tách khỏi nhiên liệu và lắng đọng xuống dưới đáy khoang A nhiên liệu lọc sạch đi vào khoang B và đi ra đến bơm cao áp từ đầu nối 4 , nhiên liệu bẩn được xả ra từ vít 9 ra khỏi bình lọc.
1- Đường ống vào ; 2- Bơm tay ; 3- Công tắc cảnh báo bình lọc ; 4- Đường ra ; 5-
Vành đai ốc ; 6- Lõi lọc nhiên liệu ; 7- Vỏ ; 8- Công tắc cảnh báo mức nước lắng đọng ; 9- Vít xả khí
Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện công tắc cảnh báo lọc NL
Trong bình lọc nhiên liệu của của hệ thống Common Rail lõi lọc làm sợi bông Một bộ lọc nhiên liệu không thích hợp có thể dẫn đến hư hỏng cho các thành phần của bơm, van phân phối và kim phun Bộ lọc nhiên liệu làm sạch nhiên liệu trước khi đưa đến bơm cao áp, và do đó ngăn ngừa sự mài mòn nhanh của các chi tiết bơm.
Vùng áp suất cao của hệ thống Common Rail động cơ 2KD-FTV có nhiệm vụ tạo ra một áp suất cao không đổi trong đường ống tích luỹ áp suất và phun nhiên liệu vào buồng cháy động cơ, bao gồm :
- Bơm cao áp với van điều khiển áp suất.
- Đường ống nhiên liệu áp suất cao, tức ống phân phối đóng vai trò của bộ tích áp suất cao cùng với cảm biến áp suất nhiên liệu, van giới hạn áp suất, kim phun và đường ống dầu về.
Bơm cao áp có nhiệm vụ tạo ra nhiên liệu có áp suất cao cho quá trình phun Bơm này được lắp đặt trên một ngăn của hệ thống Nhiên liệu sau khi ra khỏi bơm cao áp được vận chuyển vào bộ phận tích luỹ cao áp.
Bơm cao áp tạo áp lực nhiên liệu đến một áp suất lên đến 180MPa Bơm cao áp được lắp đặt tốt nhất ngay trên động cơ như ở hệ thống nhiên liệu của bơm phân phối loại cũ Nó được dẫn động bằng động cơ (tốc độ quay bằng 1/2 tốc độ động cơ, nhưng tối đa là 8000 vòng/phút) thông qua khớp nối bằng bánh răng với động cơ và được bôi trơn bằng chính nhiên liệu nó bơm Van điều khiển áp suất được lắp trên bơm
Bên trong bơm cao áp nhiên liệu được nén bằng 2 piston bơm được bố trí đối xứng.
Do 2 bơm piston hoạt động luân phiên trong một vòng quay tạo được áp suất cao và liên tục nhiên liệu đến ống phân phối và cách đặt bơm như vậy chỉ làm tăng nhẹ lực cản của bơm Do đó ứng suất trong hệ thống dẫn động vẫn giữ đồng bộ Điều này có nghĩa hệ thống Common Rail đặt ít tải trọng lên hệ thống truyền động hơn so với hệ thống cũ. Công suất yêu cầu để dẫn động bơm rất nhỏ và tỉ lệ với áp suất trong đường ống phân phối và tốc độ bơm.
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động bơm cao áp.
Bơm nạp đưa nhiên liệu từ bình chứa qua bộ lọc đến đường dầu vào bơm cao áp được lắp trực tiếp trên bơm Nó đẩy nhiên liệu qua van SCV đến hai piston của bơm cao áp, cùng trục với bơm cao áp Nhiên liệu được đưa vào hai piston bơm cao áp ít hay nhiều phụ thuộc vào van SCV dưới sự điều khiển của ECU Nhiên liệu dư của bơm nạp đi qua van và theo đường dầu hồi trở về bình chứa
Trục của bơm cao áp có các cam lệch tâm làm di chuyển 2 piston lên xuống tùy theo hình dạng các vấu cam làm cho 2 piston hút nén đối xứng nhau Van nạp mở ra nhiên liệu từ bơm nạp qua van SCV được hút vào bơm piston của bơm cao áp tại đây nhiên liệu được nén dưới áp suất cao khi piston lên tới điểm chết trên, áp suất nhiên liệu thắng lực lò xo của van nén, nhiên liệu thoát ra ngoài đến ống phân phối
Piston tiếp tục phân phối cho đến khi nó đi đến điểm chết trên (ĐCT), sau đó do áp suất bị giảm xuống nên van nén đóng lại Khi áp suất trong buồng bơm của thành phần bơm giảm xuống thì van nạp mở ra và quá trình lặp lại lần nữa
Bơm cao áp phân phối lượng nhiên liệu tỷ lệ với tốc độ quay của nó Và do đó, nó là một hàm của tốc độ động cơ Trong suốt quá trình phun, tỉ số truyền được tính sao cho một mặt thì lượng nhiên liệu mà nó cung cấp không quá lớn, mặt khác các yêu cầu về nhiên liệu vẫn còn đáp ứng trong suốt chế độ hoạt động.
Bơm piston của bơm cao áp làm nhiệm vụ bơm nhiên liệu áp suất cao đến ống phân phối, lượng nhiên liệu được bơm ít hay nhiều phụ thuộc vào van SCV
1- Cam không đồng trục và cam vòng ; 2- Lò xo hồi của piston bơm ; 3- Piston bơm ; 4- Van một chiều ; 5- Van hút ; 6- Van đẩy ; 7- Đường nhiên liệu đến ống phân phối ;
8- Đường nhiên liệu vào ; 9- Bơm nạp ; 10- Van SCV ; 11- Trục bơm.
Tính toán sức bền của hệ thống nhiên liệu diesel
Trình tự tính toán
1- Công suất của động cơ N e N e (mã lực) =8,83(Kw)
2- Số vòng quay của trục khuỷu n n "00 (vg/ph)
3- Đường kính xi lanh D D (mm)
5- Dung tích công tác Vh
8- Thứ tự làm việc của xi lanh (1-2-4-3)
9- Suất tiêu hao nhiên liệu ge g e 0 (g/ml.h)
10- Góc mở sớm và đóng muộn của xupáp nạp α 1 ; α 2 α 1 (độ) α 2 ) (độ)
11- Góc mở sớm và đóng muộn của xupáp thải 1 , 2 1 2 (độ) 2 =7 (độ) 12- Chiều dài thanh truyền l tt l tt 5 (mm)
13- Khối lượng nhóm pitton m pt m pt =1,15 (kg)
14- Khối lượng nhóm thanh truyền m tt m tt =2,262 (kg)
3.1.2 Các thông số cần chọn :
1 )Áp suất môi trường :p k Áp suất môi trường p k là áp suất khí quyển trước khi nạp vào đông cơ (với đông cơ không tăng áp ta có áp suất khí quyển bằng áp suất trước khi nạp nên ta chọn p k =p o Ở nước ta nên chọn p k =p o = 0,1 (MPa)
Nhiệt độ môi trường được chọn lựa theo nhiệt độ bình quân của cả năm
Vì đây là động cơ không tăng áp nên ta có nhiệt độ môi trường bằng nhiệt độ trước xupáp nạp nên :
3 )Áp suất cuối quá trình nạp :p a Áp suất P a phụ thuộc vào rất nhiều thông số như chủng loại đông cơ ,tính năng tốc độ n ,hệ số cản trên đường nạp ,tiết diện lưu thông… Vì vậy cần xem xét đông cơ đang tính thuộc nhóm nào để lựa chọn P a Áp suất cuối quá trình nạp p a có thể chọn trong phạm vi: p a =(0,8-0,9).p k =0,9.0,1 = 0,08-0,09 (MPa)
Căn cứ vào động cơ D12_3 dang tính ta chọn: p a =0,088 (Mpa)
4 )Áp suất khí thải P : Áp suất khí thải cũng phụ thuộc giống như p Áp suất khí thải có thể chọn trong phạm vi : p= (1,05-1,05).0,1 =0,105-0,105 (MPa) chọn P =0,11 (MPa)
5 )Mức độ sấy nóng của môi chất ∆T
Mức độ sấy nóng của môi chất ∆T chủ yếu phụ thuộc vào quá trình hình thành hh khí ở bên ngoài hay bên trong xy lanh
Với động cơ ddieeezeel : ∆T ºC -40ºC
Vì đây là đ/c D12-3 nên chọn ∆T),5ºC
6 )Nhiệt độ khí sót (khí thải) T
Nhiệt độ khí sót T phụ thuộc vào chủng loại đông cơ.Nếu quá trình giản nở càng triệt để ,Nhiệt độ T càng thấp
Thông thường ta có thể chọn : Tp0 ºK -1000 ºK
Thông thường ta có thể chọn : T p0 ºK
7 )Hệ số hiệu định tỉ nhiêt λ :
Hệ số hiệu định tỷ nhiệt λ được chọn theo hệ số dư lượng không khí α để hiệu định.Thông thường có thể chọn λ theo bảng sau : α 0,8 1,0 1,2 1,4 λ 1,13 1,17 1,14 1,11 Đối với động cơ đang tính là động cơ diesel có α > 1,4 có thể chọn λ=1,10
8 )Hệ số quét buồng cháy λ :
Vì đây là động cơ không tăng áp nên ta chọn λ =1
Hệ số nạp thêm λ phụ thuộc chủ yếu vào pha phối khí Thông thường ta có thể chọn λ =1,02÷1,07 ; ta chọn λ =1,0316
10 )Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z ξ :
Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z ξ phụ thuộc vào chu trình công tác của động cơ Với các loại đ/c điezen ta thường chọn : ξ=0,70-0,85
11 )Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ξ :
Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ξ tùy thuộc vào loại động cơ xăng hay là động cơ điezel ξ bao giờ cũng lớn hơn ξ
Với các loại đ/c điezen ta thường chọn : ξ =0,80-0,90 ta chọn ξ=0,85
12 )Hệ số hiệu chỉnh đồ thị công φ :
Thể hiện sự sai lệch khi tính toán lý thuyết chu trình công tác của động cơ với chu trình công tác thực tế Sự sai lệch giửa chu trình thực tế với chu trình tính toán của động cơ xăng ít hơn của động cơ điezel vì vậy hệ số φ của đ/c xăng thường chọn hệ số lớn.
Có thể chọn φ trong phạm vi: φ =0,92-0,97
Nhưng đây là đ/c điezel nên ta chọn φ =0,97
Tính toán quá trình nạp
Hệ số khí sót γ được tính theo công thức : γ= \f(λ,T \f(P,P \f(p,p\f(1,m\a\ac\vs2(\f(1,
Trong đó m là chỉ số giãn nở đa biến trung bình của khí sót m =1,45÷1,5
2 )Nhiệt độ cuối quá trình nạp T
Nhiệt độ cuối quá trình nạp T đươc tính theo công thức:
3 )Hệ số nạp η : η = \f(1,ε-1 \f(T,T+∆T \f(P,P \f(P,P\f(1,m\a\ac\vs2( η1
Lượng khí nạp mới M được xác định theo công thức sau :
Trong đó p là áp suất có ích trung bình được xác định thao công thức sau: p = \f(30.N.τ,V.n.i
5 )Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M :
Lượng kk lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M được tính theo công thức :
Vì đây là đ/c điezel nên ta chọn C=0,87 ; H=0,126 ;O=0,004
6 )Hệ số dư lượng không khí
Vì đây là động cơ điezel nên : α = \f(M,M
Tính toán quá trình nén
1 )Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của không khí :
2 )Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phạm cháy :
Khi hệ số lưu lượng không khí α >1 tính theo công thức sau :
3 )Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp :
Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hh trong quá trình nén tính theo công thức sau :
4 ) Chỉ số nén đa biến trung bình n:
Chỉ số nén đa biến trung bình phụ thuộc vào thong số kết cấu và thong số vận hành như kích thước xy lanh ,loại buồng cháy,số vòng quay ,phụ tải,trạng thái nhiệt độ của động cơ…Tuy nhiên n tăng hay giảm theo quy luật sau :
Tất cả những nhân tố làm cho môi chất mất nhiệt sẽ khiến cho n tăng.Chỉ số nén đa biến trung bình n được xác bằng cách giải phương trình sau : n-1 = \f(b',2\a\ac\vs2(n-1\f(,a'+.T.
Chú ý :thông thường để xác định được n ta chọn n trong khoảng 1,340÷1,390
Rất hiếm trường hợp đạt n trong khoảng 1,400 ÷ 1,410
Vì vậy ta chọn n theo điều kiện bài toán cho đến khi nao thõa mãn điều kiện bài toán :thay n vào VT và VP của phương trình trên và so sánh,nếu sai số giữa 2 vế của phương trình thõa mãn