Chuyên đề 4: Hệ thống điều khiển động cơ DIESEL potx

Nguyên lý làm việc của hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel được thể hiện trên hình 4.27: bơm chuyển nhiên liệu 10 hút nhiên liệu từ bình chứa 7 qua lọc thô 11 vào bơm, rồi được bơm qua bầ

4.3 H Ệ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DIESEL

4.3.1 T ổng quan về động cơ Diesel

Động cơ diesel là động cơ cháy cưỡng bức, hỗn hợp nhiên liệu và không khí được hình thành bên trong buồng đốt Vòi phun được lắp bên trong nắp quy lát và phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt

Trong chu kỳ nạp, piston đi xuống, xu páp nạp mở và hút không khí vào buồng đốt thông qua đường nạp Trong chu kỳ nén, không khí được nén lên đến

áp suất (32 - 55) bar, nhiệt độ lên đến 8000C Cuối chu kỳ nén, nhiên liệu được phun vào buồng đốt dưới áp suất từ (250 - 1600) bar tùy thuộc vào loại động cơ

và hệ thống nhiên liệu được sử dụng Trong chu kỳ nổ, hỗn hợp nhiên liệu tự bốc cháy do áp suất và nhiệt độ, nhiệt độ và áp suất buồng đốt còn tăng cao hơn nữa Năng lượng cháy tác động vào piston và chuyển dổi thành năng lượng cơ khí truyền cho trục khuỷu Chu kỳ xả, piston đi lên, đẩy khí cháy ra ngoài thông qua các xu páp xả

Nhiên liệu Diesel là một sản phẩm của quá trình trưng cất dầu mỏ được dùng cho động cơ diesel Nhiên liệu diesel nặng hơn khoảng 18% nhiên liệu xăng Nhiên liệu diesel thường chứa một lượng nhỏ lưu huỳnh để bôi trơn Nhiên

Hình 4.26 Nguyên lý làm việc động cơ Diesel

liệu diesel có chứa năng lượng lớn hơn khoảng 18% so với nhiên liệu xăng tính trên một đơn vị thể tích Do vậy động cơ diesel thường kinh tế hơn động cơ xăng

Nguyên lý làm việc của hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel được thể hiện trên hình 4.27: bơm chuyển nhiên liệu 10 hút nhiên liệu từ bình chứa 7 qua lọc thô 11 vào bơm, rồi được bơm qua bầu lọc tinh 9, tới bơm cao áp 2 Các bầu lọc thô và lọc tinh lọc sạch nước và bụi bẩn trong nhiên liệu Bơm cao áp đẩy nhiên liệu đi tiếp vào đường ống cao áp 3, tới vòi phun 4 để phun nhiên liêu vào buồng cháy động cơ Nhiên liệu dư thừa trong vòi phun đi qua đương 1 trở về cửa hút của bơm chuyển nhiên liệu Một phần nhiên liệu thừa trong vòi phun trở về thùng chứa nhiên liệu

Hình 4.27 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel

1 Đường dẫn nhiên liệu hồi;2 Bơm cao áp; 3 Đường ống cao áp; 4.Vòi phun;

5 Xy lanh động cơ; 6 Miệng hút nhiên liệu; 7 Thùng chứa nhiên liệu; 8 Đường

ống thấp áp; 9 Bầu lọc tinh; 10 Bơm chuyển nhiên liệu; 11 Bầu lọc thô

4.3.2 K ết cấu các cụm chi tiết chính trên động cơ Diesel

4.3.2.1 Bơm chuyển nhiên liệu:

Bơm chuyền nhiên liệu có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu đến bơm cao áp nhằm khắc phục sức cản thủy lực của bầu lọc Bơm chuyển nhiên liệu có nhiều kiểu khác nhau: bơm piston, bơm kiểu màng, bơm bánh răng, rôto – cánh gạt, Trong đó, bơm rôto - cánh gạt được dùng phổ biến

Trên hình 4.28 là loại bơm rôto - cánh gạt dùng để hút nhiên liệu từ thùng nhiên liệu lên bơm Bơm cánh gạt được dẫn động bằng trục bơm cao áp Khi trục quay, lực li tâm đẩy các cánh gạt đi ra ngoài và tì vào vòng lệch tâm Trong quá trình quay, không gian chứa nhiên liệu giữa các cánh gạt thay đổi nên nó sẽ hút nhiên liệu từ khoang hút bên dưới và đẩy nhiên liệu vào khoang xả bên trên Áp suất nhiên liệu tại khoang xả thay đổi tùy theo tốc độ của động cơ Trên bơm có van điều chỉnh áp suất được lắp vào khoang xả Khi áp suất cao, van này sẽ mở

và nhiên liệu sẽ được xả trở lại đường hút Trên thân bơm cũng có một lỗ tiết lưu hoặc một van dầu tràn để điều chỉnh áp suất trong bơm

Hình 4.28 Bơm chuyển nhiên liệu kiểu rôto – cánh gạt

4.3.2.2 Bầu lọc nhiên liệu:

Các bầu lọc nhiên liệu có nhiệm vụ loại bỏ các tạp chất ra khỏi nhiên liệu như: cặn bẩn, nước,

a Bầu lọc thô: dùng để tách các tạp chất cơ học có kích thước từ 20µm trở lên

và nước ra khỏi nhiên liệu

Nguyên lý hoạt động: nhiên liệu chảy vào bộ lọc, đi qua phần tử lọc Những hạt bụi có kích thước lớn được giữ lại trên bề mặt của phần tử lọc Sau đó, nhiên liệu đi lên phía trên và ra khỏi bầu lọc sau khi đã được lọc sạch Nước chứa trong nhiên liệu sẽ lắng đọng trong đáy bộ lọc Do vậy phải định kỳ xả nước ra khỏi lọc bằng cách mở vít xả nước ở dưới đáy bầu lọc nhiên liệu

b Bộ lọc tinh: được lắp trên đường dẫn nhiên liệu từ bơm chuyển nhiên liệu đến bơm cao áp, dùng để lọc các phần tử mài mòn trong nhiên liệu Các phần tử lọc thường được làm bằng vật liệu: gốm silicat và kim loại, gỗ, cuộn chỉ, bông giấy,

giấy lọc đặc biệt,

a

Vỏ

Ph ần

t ử lọc

Lò xo

Vỏ

Đường

nhiên

li ệu vào

Đường

nhiên

li ệu ra

b

Hình 4.29 Cấu tạo các bộ lọc nhiên liệu

a Bầu lọc thô; b Bầu lọc tinh

4.3.2.3 Vòi phun:

Vòi phun có nhiệm vụ phun tơi và phân bố đều nhiên liệu vào thể tích buồng cháy của động cơ Vòi phun làm việc trong điều kiện khắc nghiệt: va đập

áp suất và ăn mòn hóa học Ngoài ra, khi nhiên liệu phun ra dưới áp suất cao, để tránh hiện tượng khí thải đẩy vào bên trong vòi phun trong chu kỳ nổ, áp suất nhiên liệu trong vòi phun phải luôn cao hơn áp suất trong buồng đốt tại bất cứ thời điểm nào Vì vậy, đòi hỏi phải có sự tính toán kỹ lưỡng và kết hợp hài hòa giữa bơm cao áp, vòi phun và lò xo hồi bên trong vòi phun

Trên động cơ Diesel thường sử dụng hai loại vòi phun phổ biến: vòi phun kiểu lỗ và vòi phụ kiểu chốt tiết lưu

a Vòi phun kiểu lỗ:

Vòi phun kiểu lỗ được sử dụng cho phun nhiên liệu trực tiếp Vòi phun này phải được lắp tại vị trí đã được chỉ định trước Lỗ phun được khoan với nhiều

vị trí khác nhau và được đặt trong một tư thế cố định trong buồng đốt Do vậy, vòi phun kiểu lỗ được cố định trên nắp quy lát bằng kẹp và các bu lông

Đai ốc nối đường nhiên liệu áp cao Lọc

Đầu nối đường hồi

Đệm điều chỉnh áp suất Đường nhiên liệu cao áp

Lò xo áp suất

Chốt áp suất Chốt định vị

Đường vào

Thân giá

đỡ trên

Đai ốc giữ

vòi phun

Đệm trung

gian

Vòi phun

Chốt áp suất

Thân vòi phun Kim phun Đường cấp Khoang áp suất

Lỗ phun

Lỗ phun hình côn Lỗ phun hình trụ Lỗ phun tại mặt tì

Hình 4.30 Cấu tạo vòi phun kiểu lỗ

Cấu tạo vòi phun bao gồm: thân vòi phun và kim phun Kim phun chuyển động tự do trong thân vòi phun Tại đầu vòi phun, kim phun bịt kín được nhiên liệu bằng các đầu kim phun được tì kín vào lỗ vòi phun hình côn bởi lực lò xo Đường kính lỗ dẫn hướng kim phun lớn hơn đường kính vòi phun chút ít Áp suất nhiên liệu tác động vào các mặt cắt ngang khác nhau của kim phun Khi áp suất nhiên liệu tác động lớn hơn lực đẩy của lò xo thì vòi phun mở, nhiên liệu dưới áp suất cao được phun qua các lỗ phun và được xé tơi trong buồng đốt Vòi phun sẽ đóng lại khi áp suất nhiên liệu thấp hơn lực đẩy của lò xo Áp suất nhiên liệu để

mở vòi phun dao động từ 150 bar đến 250 bar tùy thuộc vào từng loại động cơ và

có thể điều chỉnh bằng cách thêm hoặc bớt các đệm điều chỉnh áp suất

b Vòi phun kiểu chốt tiết lưu:

Vòi phun kiểu chốt tiết lưu thường được dùng cho các loại động cơ có buồng đốt phụ (phun nhiên liệu gián tiếp) Chùm nhiên liệu khi phun có hình dạng đồng trục và lỗ vòi phun thường mở

Chốt áp suất

Thân vòi phun

Kim phun Đường nhiên liệu

Khoang áp suất

Lỗ phun Chốt tiết lưu

Đai ốc nối với đường nhiên liệu áp cao

Đầu nối đường hồi

Đệm điều chỉnh

áp suất

Lò xo áp suất

Đường vào

Lọc

Thân giá đỡ trên

Chốt áp suất

Đệm trung gian

Vòi phun

Vòi phun chốt tiết lưu Mặt cạnh Mặt trước

Hình 4.31 Cấu tạo vòi phun kiểu chốt tiết lưu

Ưu điểm nổi bật của kiểu vòi phun này là điểu khiển mặt cắt ngang của lỗ vòi phun trong qua trình nâng kim phun lên Đối với vòi phun kiểu lỗ, ngay khi kim phun nâng lên, mặt cắt ngang lỗ phun tăng rất nhanh Đối với vòi phun kiểu chốt tiết lưu, khi kim phun nâng lên, do đầu kim phun có phần côn kéo dài nên mặt cắt ngang của lỗ phun tăng chậm nên trong giai đoạn đầu chỉ có một lượng nhỏ nhiên liệu được phun Khi kim phun được nâng hẳn lên, lỗ phun rộng nên một lượng lớn nhiên liệu được phun sau đó Chính sự thay đổi mặt cắt này dẫn đến điều chỉnh được tốc độ phun nhiên liệu tại tưng thời điểm phun khác nhau: Tại đầu thời điểm phun lượng nhiên liệu được phun ra ít, tại cuối thời điểm phun lượng nhiên liệu được phun ra nhiều Chính đặc điểm này của vòi phun đã giảm đáng kể tiếng ồn trong buồng đốt

4.3.2.4 Bơm cao áp:

a Công dụng:

Bơm cao áp là bộ phận quan trọng nhất của động cơ Diesel, nó thực hiện nhiệm vụ sau:

- Bơm nhiên liệu đến áp suất đủ cao để cung cấp nhiên liệu tới vòi phun, tạo chênh lệch áp suất lớn trước và sau vòi phun

- Cung cấp nhiên liệu cần thiết cho mỗi chu trình tương ứng với chế độ làm việc của động cơ

- Cung cấp nhiên liệu đồng đều vào các xy lanh theo đúng trình tự làm việc của động cơ

b phân loại:

Hiện nay có rất nhiều chủng loại bơn cao áp khác nhau về kích cỡ, hình dạng, kết cấu, phương pháp điều chỉnh, phương pháp phân phối nhiên liệu,

Theo phương pháp điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình, bơm cao áp gồm 2 loại:

- Bơm cáo áp thay đổi hành trình piston

- Bơm cao áp không thay đổi hành trình piston

Theo phương pháp phân phối nhiên liệu cho các xy lanh, bơm cao áp được chia làm 2 loại:

- Bơm cao áp thẳng hàng

- Bơm cao áp phân phối: được sử dụng phổ biến

Theo phương pháp phân điều khiển, bơm cao áp được chia làm 3 loại:

- Loại điều khiển bằng cơ khí: được dùng trên các động cơ trước đây

- Loại điều khiển bằng điện

- Loại điều khiển phun trực tiếp (Common Rail): được dùng trên các động cơ hiện đại

c Yêu cầu:

Bơm cao áp làm việc trong điều kiện áp lực cao và luôn thay đổi đột ngột Ngoài ra, trong quá trình làm việc lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình làm việc của động cơ thay đổi liên tục Vì vậy, bơm cao áp phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

Hình 4.32 Các loại bơm cao áp

a Bơm điều khiển bằng cơ khí; b Bơm điều khiển bằng điện;

c Bơm điều khiển phun trực tiếp

- Đảm bảo độ chính xác khi làm việc, phun nhiên liệu đúng thời điểm, đúng qui luật

- Vật liệu có độ cứng vững tốt, chiu mài mòn tốt

- Đơn giản dễ chế tạo, rẻ dễ bảo quản sửa chữa

Bơm cao áp điều khiển bằng cơ khí:

a Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Trục dẫn động bơm cao áp dẫn động bơm chuyển nhiên liệu để cấp nhiên liệu vào trong bơm Chuyển động quay của trục dẫn động bơm cao áp biến thành chuyển động tịnh tiến qua lại của piston bơm cao áp thông qua đĩa cam và vòng lăn Piston chuyển động bên trong xi lanh bơm cao áp nằm ở đầu phân phối được gắn vào bơm cao áp bằng bu lông Cơ cấu điều chỉnh định vị vị trí của vòng điều chỉnh trên piston bơm cao áp Cơ cấu điều chỉnh nằm ở phía trên của thân bơm có

lò xo được nối với cần điều khiển bên ngoài Cần điều khiển được nối với chân

ga Cơ cấu định thời điểm phun được lắp bên dưới bơm cao áp và vuông góc với trục của bơm Sự hoạt động của cơ cấu định thời điểm phun được quyết định bởi

áp suất nhiên liệu do bơm chuyển nhiên liệu và van điều chỉnh

Hình 3.33 Kết cấu bơm cao áp loại điều khiển cơ khí

Nhiên liệu dưới áp suất cao được tạo ra từ bơm cao áp Chuyển động quay của trục dẫn động bơm được truyền đến piston của bơm cao áp thông qua một cơ cấu khớp nối đặc biệt Hai vấu lồi trên đĩa cam ăn khớp vào hai rãnh trên khớp nối chữ thập, hai rãnh còn lại trên khớp nối chữ thập nối với hai vấu lồi ở cuối trục dẫn động Đĩa cam được tì sát vào vòng lăn bằng lực đẩy của các lò xo Khi đĩa cam quay, các vấu cam sẽ tì lên vòng lăn làm cho đĩa cam vừa quay vừa chuyển động tịnh tiến Piston được gắn vào đĩa cam bằng chốt và chuyển động tịnh tiến qua lại nhờ lực hồi của lò xo và lực đẩy của đĩa cam Lò xo hồi còn đảm bảo đĩa cam không bị rời ra khỏi vòng lăn khi gia tốc nhanh Hai lò xo hồi phải

có chiều dài bằng nhau để piston không bị đẩy ra khỏi vị trí trung tâm

Đĩa cam và đường cong mũi cam ảnh hưởng đến áp suất nhiên liệu được phun và thời gian phun Vì vậy, mỗi loại động cơ được thiết kế một loại đĩa cam riêng và không thể thay thế hai loại đĩa cam của hai loại động cơ khác nhau cho

nhau

Nhiên liệu được bơm từ bơm cao áp để cấp cho các vòi phun được hoạt động gồm nhiều giai đoạn khác nhau Mỗi chu kỳ hoạt động của piston (chuyển động qua lại một lần) sẽ cung cấp nhiên liệu cho một xi lanh Với động cơ 4 kỳ, 4 xilanh, piston chuyển động từ BDC đến TDC và ngược lại đồng thời quay một góc 900 sẽ kết thúc một chu kỳ cấp nhiên liệu cho 1 xi lanh

Hình 3.34 Kết cấu bơm cao áp

- Tại BDC, chuyển động quay của piston sẽ đóng đường cấp nhiên liệu vào bơm cao áp và mở đường cấp nhiên liệu đến vòi phun tương ứng, chuyển động tịnh tiến của piston sẽ đảo chiều đi vào trong và chu kỳ làm việc bắt đầu

- Áp suất trong bơm cao áp sẽ được nâng cao do piston đi vào, đến khi áp suất thắng được lực ép của lò xo của van phân phối và mở van phân phối, nhiên liệu dưới áp suất cao được bơm qua đường ống đến các vòi phun và phun trực tiếp vào buồng đốt

- Chu kỳ làm việc sẽ chấm dứt ngay khí đường rãnh ngang trên piston đi ra khỏi ống điều khiển, áp suất trong bơm cao áp sẽ ngay lập tức hạ xuống Tại thời điểm này, nhiên liệu không được đưa đến vòi phun nữa, van phân phối đóng lại, piston tiếp tục chuyển động đến BDC, nhiên liệu trong bơm cao áp sẽ theo đường ống nằm trong piston đi ra rãnh ngang và đi vào thân bơm

- Khi piston chuyển động trở lại TDC, rãnh ngang bị vòng điều khiển đóng lại do chuyển động tịnh tiến, cửa đường cấp nhiên liệu tiếp tục mở lại, nhiên liệu lại được hút vào trong bơm để chuẩn bị cho chu kỳ tiếp theo

Hình 3.35 Nguyên lý hoạt động của bơm cao áp

1 Cửa hút; 2 Cửa phân phối; Buồng áp suất; 4 Ống phân phối;

5 Vòng điều khiển; 6 Cửa tràn

a Cơ cấu điều khiển lượng nhiên liệu phun

Hệ thống điều khiển của động cơ diesel được cho là thỏa mãn khi nó phản ứng ngay khi đạp chân ga Trong động cơ diesel, hệ thống điều khiển được thiết

kế để đáp ứng yêu cầu đó Cơ cấu điều khiển bao gồm cụm quả văng và cơ cấu cần điều khiển Cơ cầu này điều chỉnh vị trí của vòng điều khiển tức là điều chỉnh

độ dài của hành trình bơm nhiên liệu nghĩa là lượng nhiên liệu được phun vào mỗi xi lanh Cơ cấu điều khiển được dẫn động bởi trục dẫn động của bơm bao gồm hộp quả văng và quả văng Cụm điều khiển được lắp vào trục cụm điều khiển và có thể quay tự do quanh trục đó Khi cơ cấu điều khiển quay, dưới tác động của lực li tâm, quả văng sẽ bị văng ra ngoài theo hướng hướng kính, hướng chuyển động này qua cơ cấu đòn bẩy sẽ chuyển thành chuyển động của ống trượt theo hướng dọc trục Ống trươt này sẽ tác động vào cụm cần điều khiển Lực tác động của ống trượt, kết hợp với lực của cần điều khiển, lực căng lò xo, vít điều chỉnh sẽ xác định vị trí của ống điều khiển dẫn điến điều chỉnh lượng nhiên liệu được phun

Hình 4.36 Cơ cấu điều khiển lượng nhiên liệu trên động cơ Diesel

- Khi khởi động: quả văng (1) và ống trượt (2) ở vị trí ban đầu Cần khởi

động (4) bị lò xo khởi động (5) đẩy về vị trí khởi động Thông qua điểm tựa (M2), vòng điều khiển (6) trên piston bị đẩy về vị trí khởi động tương ứng lượng nhiên liệu được phun lúc khởi động

- Khi không tải: động cơ vẫn hoạt động và chân ga nhả hoàn toàn, cần điều khiển động cơ được chuyển sang vị trí tựa vào vít điều chỉnh chế độ chạy không tải (9) Tốc độ chạy không tải được chọn sao cho tiết kiệm nhiên liệu nhất mà vẫn đảm bảo động cơ chạy êm và có thể chịu tải nhẹ Chế độ chạy không tải được điều khiển bằng lò xo chạy không tải (14) Lực căng của lò xo (14) cân bằng với lực li tâm của quả văng (1) Lực cân bằng này định vị vị trí của vòng điều khiển (6) so với rãnh cắt (7) Để điều chỉnh tốc độ chạy không tải ta có thể điều chỉnh sức căng của lò xo 14 độc lập với điều chỉnh điểm đặt của chân ga

Hình 4.37 Cơ cấu điều khiển động cơ Diesel khi khởi động và không tải