Nghiên cứu ảnh hởng của chất lợng bơm cao áp tới độ suy giảm lợng cấp nhiên liệu chu trình trong động cơ Diesel PGS. TS. Nguyễn đức tuấn Bộ môn Cơ khí ôtô NCS. Lê hoài đức Bộ môn Động cơ đốt trong Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT Tóm tắt: Bơm cao áp l một trong những tổng thnh hết sức quan trọng trên động cơ Diesel. Chất lợng của bơm sẽ có ảnh hởng trực tiếp tới chất lợng lm việc của động cơ. Nội dung bi báo giới thiệu phơng pháp xây dựng mối quan hệ của lợng hao mòn cặp piston - xilanh bơm cao áp với độ suy giảm lợng cấp nhiên liệu chu trình g ct . Thông qua chỉ tiêu ny sẽ có tác động tới chất lợng lm việc của hệ thống cung cấp nhiên liệu v tới các chỉ tiêu Kinh tế - kỹ thuật của động cơ. Summary: A high-pressure pump is one the of important components in a diesel engine. Its quality affects directly the quality of the engine operation. The article introduces the method of building the relation between the amount of corrosions in the piston - cyclinder and the decrease of fuel in cycle g ct . This specification will affect the performance of the fuel system and the economic - technical standards of the diesel engine. i. đặt vấn đề Khi nghiên cứu về kết cấu và nguyên lý làm việc của bơm cao áp chúng ta đều biết rằng trong quá trình làm việc, dầu Diesel bên cạnh nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu phục vụ cho quá trình cháy thì còn có chức năng làm kín và bôi trơn cho cặp piston - xilanh bơm. Chính vì vậy trong quá trình làm việc luôn tồn tại một lợng dầu Diesel rò lọt qua khe hở của cặp piston - xilanh bơm theo đờng hồi dầu trở về thùng nhiên liệu g ct . Lợng dầu rò lọt này phụ thuộc vào chất lợng của bơm cao áp hay trực tiếp là phụ thuộc vào khe hở của cặp piston - xilanh bơm và vào độ nhớt của dầu Diesel. Lợng dầu Diesel rò lọt qua khe hở của cặp piston - xilanh bơm g ct làm cho lợng cấp nhiên liệu chu trình thực tế nhỏ hơn so với lợng cấp nhiên liệu lý thuyết, đồng thời nó còn có tác động trực tiếp tới áp suất phun, tới độ không đồng đều của quá trình cấp nhiên liệu và tới quy luật phun. ii. nội dung Tùy thuộc vào các thông số về kết cấu và chất lợng của bơm cao áp, vào loại nhiên liệu và nhiệt độ nhiên liệu sử dụng trong quá trình vận hành, vào chế độ làm việc của động cơ mà lợng dầu Diesel rò lọt qua khe hở của cặp piston - xilanh bơm g ct sẽ có giá trị khác nhau. Tuy nhiên, nếu xét cùng một loại bơm cao áp, lắp trên cùng một động cơ sử dụng cùng một loại nhiên liệu và ở cùng một chế độ vận hành thì giá trị của g ct chỉ còn phụ thuộc vào mức độ hao mòn của cặp piston - xilanh bơm và nhiệt độ của nhiên liệu trong quá trình làm việc. Khi bơm cao áp bị hao mòn nhiều, nhiệt độ nhiên liệu tăng lớn có thể dẫn đến sự hao hụt đáng kể lợng nhiên liệu qua khe hở của cặp piston và xilanh bơm hay chính là làm tăng lợng suy giảm nhiên liệu chu trình g ct . Nếu ta gọi I là khe hở giữa piston và xilanh của bơm cao áp khi đó xét một phần tử chất lỏng đợc đặt trong hệ trục toạ độ xyz nh hình 1. Ta có: + + dx.b.dy. dy dp p dx.b.pdy.b.dx. x dy.b. + +=+ (1) Suy ra: xdy dp = (2) Mặt khác, theo giả thiết Niutơn thì ứng suất tiếp gây ra do sự ma sát bên trong các lớp chất lỏng tỷ lệ với Gradian vận tốc [3]: dx dv .= (3) Với: v - tốc độ dịch chuyển của lớp nhiên liệu theo phơng y. Suy ra: 2 2 x v . x = (4) Thay (4) vào (2) ta đợc: 2 2 x v . dy dp = (5) Nếu coi gia tốc chuyển động của piston trong hành trình nén là không đổi thì ta có: const x v 2 2 = Suy ra: 21 2 Cx.Cx. dy dp . .2 1 v ++ = (6) Khi x = 0 thì v = C P nên ta có C 2 = C P ; (7) Khi x = I thì v = 0 nên ta có I. dy dp . .2 1 I C C P 1 = (8) Thay (7), (8) vào (6) ta đợc: P P 2 Cx.I. dy dp . .2 1 I C x. dy dp . .2 1 v + + = (9) Hay + = I x 1.C)x.Ix.( dy dp . .2 1 v P 2 (10) Lợng nhiên liệu lọt qua khe hở I sẽ đợc xác định bằng công thức: = I 0 ct dx.b.vg (11) Thay d.b = và lấy tích phân ta đợc: dx. I x 1.Cdx).x.Ix.( dy dp . .2 1 .bg I 0 P 2 ct + = (12) 2 I.C I. dy dp . .12 1 .bg P 3 ct + = (13) 2 I.C I. dy dp . .12 1 .d.g P 3 ct + = (14) Gần đúng ta coi áp suất của nhiên liệu thay đổi liên tục dọc theo chiều dài piston bơm và ta sẽ có y pp dy dp 0 = và nh vậy: 2 I.C y pp . .12 I .d.g P0 3 ct + = (15) trong đó: d - đờng kính xilanh bơm cao áp I - khe hở cặp piston - xilanh bơm cao áp p - áp suất trong khoang cao áp của bơm p 0 - áp suất tại cửa nạp của bơm y - chiều dài phần trợt của piston bơm cao áp C p - tốc độ của piston bơm cao áp - độ nhớt động lực của nhiên liệu ứng với nhiệt độ làm việc. Sự phụ thuộc của độ nhớt động lực trung bình vào áp suất và nhiệt độ của nhiên liệu đợc tính theo công thức sau [3]: ( )( ) [ ] 1120 TTpp.exp. = (16) trong đó: 20 - độ nhớt động lực của nhiên liệu ở 20 0 C. - hệ số phụ thuộc vào áp suất. (Với T < 20 0 C thì = 0.003 và T > 20 0 C thì = 0.002) - hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ. (T > 20 0 C thì = 0.03) p - p 1 : độ chênh áp. T - T 1 : độ chênh nhiệt độ. 20 = 0.000349kG.s/m 2 (theo kết quả phân tích của Viện dầu khí đối với mẫu dầu thử trong thí nghiệm). Trong công thức (15) thì áp suất trong khoang cao áp của bơm p và chiều dài phần trợt của piston bơm cao áp y là một hàm các thông số về kết cấu và vận hành của bơm cao áp. Nh vậy để có thể xác định chính xác giá trị của lợng suy giảm nhiên liệu chu trình g ct chúng ta cần sử dụng công thức (15) kết hợp với hệ phơng trình vi phân trong bơm cao áp, trên đờng ống và trong vòi phun trong hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ. Nếu ta gọi %100. g g Y ct ct = là độ suy giảm nhiên liệu chu trình tơng đối trên một đơn vị lợng cấp nhiên liệu chu trình. Khi đó, hàm số Y = f(I) cũng là một hàm bậc 3 theo mức độ hao mòn hay chính là khe hở của cặp piston - xilanh bơm cao áp I: I.BI. A Y 3 + = Trong đó A, B là các hệ số phụ thuộc vào kết cấu của bơm và chế độ vận hành của động cơ. Giá trị cụ thể của Y phụ thuộc vào hàng loạt các thông số về kết cấu và khai thác, vào chất lợng của bơm cao áp, vào loại nhiên liệu và nhiệt độ nhiên liệu sử dụng trong quá trình vận hành. Sử dụng chơng trình tính hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ bằng phần mềm Matlab chúng ta có thể dễ dàng xác định giá trị của Y cho các loại động cơ và ở các chế độ khai thác khác nhau. Hình 2 là kết quả tính độ suy giảm nhiên liệu chu trình tơng đối Y theo độ hao mòn cặp piston - xilanh bơm cao áp và nhiệt độ nhiên liệu sử dụng của động cơ xe IFa W50 ở chế độ toàn tải. Qua kết quả tính chúng ta có thể nhận thấy: - Khi nhiệt độ nhiên liệu sử dụng tăng 10 0 C thì độ suy giảm nhiên liệu chu trình tơng đối Y tăng từ 1 đến 7 %. Đối với bơm cao áp mới thì ảnh hởng của nhiệt độ nhiên liệu là không đáng kể nhng ở các bơm cao áp cũ, nhóm piston - xilanh bơm bị hao mòn nhiều thì khi nhiệt độ nhiên liệu tăng, giá trị của Y sẽ tăng rất nhanh. - Khi độ hao mòn cặp piston - xilanh bơm cao áp I tăng từ 1 - 4 m thì độ suy giảm nhiên liệu chu trình tơng đối Y tăng ở mức độ vừa phải (khoảng từ 6 đến 9%). Khi độ hao mòn cặp piston-xilanh bơm cao áp I vợt quá 4 - 5 m, độ suy giảm nhiên liệu chu trình tơng đối Y sẽ tăng vọt đặc biệt là khi nhiệt độ của nhiên liệu sử dụng cao (ở nhiệt độ 50 0 C trung bình là 8.5%/m ) Tóm lại: khi sử dụng bơm cao áp cũ có lợng hao mòn lớn trong điều kiện khí hậu nhiệt đới có nhiệt độ tơng đối cao nh ở Việt Nam thì độ suy giảm nhiên liệu chu trình tơng đối Y tăng một cách đáng kể so với khi sử dụng ở các vùng có nhiệt độ thấp nh ở các nớc ôn đới. Điều này sẽ ảnh hởng trực tiếp tới lợng nhiên liệu phun vào xilanh và chất lợng tạo hỗn hợp trong động cơ, thông qua đó ảnh hởng tới các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của động cơ. III. Kết luận 1. Chỉ tiêu độ suy giảm nhiên liệu chu trình tơng đối Y có liên hệ trực tiếp với chất lợng bơm cao áp thông qua lợng nhiên liệu rò lọt chu trình g ct , nó có thể đánh giá chất lợng bơm cao áp một cách tơng đối toàn diện. Vì vậy, chúng ta có thể sử dụng chỉ tiêu này để đánh giá chất lợng bơm cao áp thay cho chỉ tiêu về thời gian tụt áp hiện đang đợc áp dụng. 2. Việc khai thác bơm cao áp cần căn cứ vào điều kiện cụ thể của từng vùng khí hậu, cần lựa chọn và sử dụng loại nhiên liệu có độ nhớt và chỉ số độ nhớt phù hợp với nhiệt độ môi trờng. 3. Có thể thay đổi biên dạng cam theo hớng tăng vận tốc trung bình của piston C P , và điều này sẽ giúp cho việc giảm g ct và giảm Y nh vậy có thể kéo dài thời gian sử dụng của bơm cao áp. b=.d dy dx p + (dp/dy)dy dy p dx + (/x)dx Wp dz dx dy X z 0 h o Y Xilanh Piston Hình 1. Mô hình một phần tử chất lỏng Hàm Y=f[t,I] 0 20 40 60 0246810 I [ mm] Y [ % ] 20 25 30 35 40 45 50 Hình 2. Mối quan hệ độ suy giảm nhiên liệu chu trình tơng đối Y theo nhiệt độ môi trờng v chất lợng bơm cao áp t [ 0 C] Tài liệu tham khảo [1]. Lê Hoi Đức. ảnh hởng của điều kiện khí hậu nhiệt đới tới quá trình tạo hỗn hợp và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật trong động cơ. Chuyên đề Sau đại học. Hà nội, 2002. [2]. Nguyễn Duy Tiến, Lê Hoi Đức. Xác định ảnh hởng của điều kiện khí hậu tới chất lợng làm việc của động cơ Diesel. Tạp chí Giao thông vận tải 3 năm 2003. [3]. Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Văn Thêm. Kỹ thuật ma sát và biện pháp nâng cao tuổi thọ thiết bị. Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, 1990. [4]. Nguyễn Đức Tuấn, Lê Hoi Đức. Xác định tuổi bền bơm cao áp theo chỉ tiêu hiệu quả kinh tế. Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải 11 năm 2003. [5]. . , . . , 1969. [6]. . , . . . . , 1972. [7]. Automotive mechanics. New York, 1994. [8]. Modern automotive mechanics. New York, 1985 . Nghiên cứu ảnh hởng của chất lợng bơm cao áp tới độ suy giảm lợng cấp nhiên liệu chu trình trong động cơ Diesel PGS. TS. Nguyễn đức tuấn Bộ môn Cơ khí ôtô NCS. Lê hoài đức Bộ môn Động cơ. C p - tốc độ của piston bơm cao áp - độ nhớt động lực của nhiên liệu ứng với nhiệt độ làm việc. Sự phụ thuộc của độ nhớt động lực trung bình vào áp suất và nhiệt độ của nhiên liệu đợc tính. xilanh bơm cao áp I - khe hở cặp piston - xilanh bơm cao áp p - áp suất trong khoang cao áp của bơm p 0 - áp suất tại cửa nạp của bơm y - chiều dài phần trợt của piston bơm cao áp C p