Phân tích cơ sở lý thuyết và kết cấu hệ thống phun nhiên liệu điện tử của động cơ diesel

Cao Xu©n Qu©n CK43-DLTT Ph©n tÝch c¬ së lý thut vµ kÕt cÊu hƯ thèng phun nhiªn liƯu ®iƯn tư cđa ®éng c¬ diesel §å ¸n tèt nghiƯp §¹I HäC Chuyªn ngµnh : C¬ khÝ §éng lùc Tµu Thun H-íng dÉn khoa häc : PGS. TS. Ngun V¨n NhËn NHA TRANG - 06 / 2006 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY SẢN NHA TRANG KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN ĐỘNG LỰC PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Maóu CTTN - 02 CK43-DLTT Cơ khí Động lực tàu thuyền 87 trang 3 11 tài liệu CD-ROM chứa toàn bộ nội dung đồ án cán bộ h ớng dẫn PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Maóu CTTN - 03 CK43-DLTT Cơ khí Động lực Tàu Thuyền 87trang 3 11 tài liệu CD-ROM chứa toàn bộ nội dung luận án. cán bộ phản biện chủ tịch hội đồng Điểm chung PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU CỦA ĐỘNG C Ơ DIESEL 3 1.1. Chức năng và yêu cầu của hệ thống nhi ên li ệu 3 1.1.1. Chức năng 3 1.1.2. Yêu cầu 3 1.2. Phân loại các hệ thống nhi ên liệu động cơ diesel 4 1.2.1. Sơ đồ và nguyên tắc làm việc của động cơ 4 1.2.2. Phân loại các hệ thống nhiên liệu động cơ diesel 5 3.1. Các bộ phậnc ủa hệ thống nhiên liệu 13 1.3.1. Nhiên liệu 13 1.3.2. Thùng chứa nhiên liệu 13 1.3.3. Lọc nhiên liệu 13 1.3.4. Bơm tiếp vận 16 1.3.5. Bơm cao áp 18 1.3.6. Vòi phun 23 1.3.7. Bộ điều tốc 27 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH NHỮNG YÊU CẦU ĐỐI VỚI QUÁ TRÌNH PHUN NHIÊN LIỆU 28 2.1. Phân tích những yêu cầu đồi với nhiệm vụ hệ thống nhiên liệu 28 2.1.1. Ấn định lượng nhiên liệu 28 2.1.2. Thời điểm phun nhiên liệu 31 2.1.3. Phun nhiên liệu và tạo hổn hợp cháy 36 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phun nhiên liệu 41 2.2.1. Ảnh hưởng đến các thông số phun 41 2.2.2. Ảnh hưởng của kết cấu lỗ phun 42 2.2.3. Ảnh hưởng của tính chất lý hóa của nhiên liệu 42 2.2.4. Ảnh hưởng của khí nén trong xilanh 42 CHƯƠNG 3: ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ NHUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ. 44 3.1. Hệ thống phun nhiên liệu cổ điển 44 3.1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống phun nhiên liệu cổ điển 44 3.1.2. Bơm cao áp 45 3.1.3. Vòi phun nhiên liệu 50 3.1.4. Ưu nhược điểm của hệ thống phun nhiên liệuBosch cổ điển 50 3.2. Hệ thống phun nhiên liệu điện tử 51 3.2.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống phun nhiên liệu điện tử 52 3.2.2. Các bộ phận điều khiển và cảm biến 52 3.2.3. Bộ phận chấp hành 59 3.2.4. Các hệ thống phun nhiên liệu điện tử điển hình 63 K ết lu ận 86 T ài li ệu tham kh ảo 87 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 1.1. CHỨC NĂNG VÀ YÊU CẦU ĐỐI VỚI HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU Ta biết động cơ đốt trong là loại động cơ nhiệt. Trong đó nhiên liệu được đốt cháy trực tiếp trong không gian công tác của động cơ. Nhiệt năng sinh ra do đốt cháy nhiên liệu được chuyển hoàn toàn thành công có ích (cơ năng). Nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong là các loại nhiên liệu thể khí và thể lỏng, chúng có khả năng hòa trộn tốt với không khí, phát hỏa và sinh ra một lượng nhiệt lớn. Động cơ diesel là động cơ đốt trong có quá trình hình thành hổn hợp cháy diễn ra ở bên trong buồng đốt động cơ và nhiên liệu sử dụng chủ yếu là dầu cặn (gasoil), do đó đòi hỏi hệ thống phun nhiên liệu động cơ phải bảo đảm tốt việc cung cấp nhiên liệu vào không gian công tác và có khả năng điều chỉnh tốc độ, tải của động cơ. Do vậy mà hệ thống nhiên liệu cần phải đáp ứng tốt các yêu cầu và chức năng sau. 1.1.1. CHỨC NĂNG Hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) động cơ diesel có chức năng dự trữ và cung cấp nhiên liệu cho động cơ làm việc trong một thời gian nhất định mà không cần phải cung cấp thêm nhiên liệu. đồng thời nó lọc sạch nhiên liệu không cho lẫn nước và tạp chất vào trong quá trình làm việc của động cơ. Giúp cho nhiên liệu có thể chuyển động thông thoáng trong hệ thống. 1.1.2.YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL Về mặt cấu tạo - Thùng chứa nhiên liệu dự trữ, đảm bảo cho động cơ hoạt động trong thời gian qui định mà không cần phải cung cấp thêm nhiên liệu. - Tách nước và lọc cho sạch các tạp chất cơ học lẫn lộn trong nhiên liệu. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com - Hoạt động lâu bền và độ chính xác cao. - Dễ chế tạo, giá thành rẽ. - Thuận tiện cho việc sửa chữa và bảo dưỡng. Về mặt chất lượng quá trình phun nhiên liệu - Lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình phải phu hợp với chế độ làm việc của động cơ và phân phối đều cho các xylanh (đối với động cơ nhiều xylanh). - Nhiên liệu phun vào động cơ phải đúng thời điểm và đúng quy luật mong muốn. - Nhiên liệu phun vào động cơ phải có áp suất lớn và cấu trúc tia phun nhỏ, có khả năng xuyên sâu tốt. 1.2 HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ CÁC BỘ PHẬN 1.2.1. SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ 1.2.1.1. SƠ ĐỒ 1.2.1.2. NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC H. 1-1. Hệ thống phun nhiên liệu động cơ diesel 1- Bình lọc không khí, 2- Ống dẫn nhiên liệu rò, 3- Vòi phun, 4- Đường cao áp, 5- Bình lọc thô, 6- Bình l ọc tinh, 7- Cảm biến mức nhiên li ệu, 8- Đai giữ, 9- thùng nhiên liệu, 10- Van, 11- Nút xả, 12- Bơm chuyển nhiên liệu, 13- Đư ờng dẫn, 14 - Bơm cao áp. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bơm chuyển vận (12) hút nhiên liệu từ bình chứa (9) đi qua bình lọc thô (5) vào bơm chuyển vận nhiên liệu rồi được bơm qua bình lọc tinh (6) ở đây nhiên liệu được lọc sạch hoàn toàn rồi được chuyển vào bơm cao áp (14). Bơm cao áp có nhiệm vụ tạo nên áp suất lớn cho dòng nhiên liệu rồi sau đó nó sẽ tống lượng nhiên liệu cao áp này đi vào đường cao áp (4) đưa tới vòi phun (3) ở đây nhiên liệu được tăng áp một lần nữa để nó nâng áp suất lên cao có thể thắng lực lò xo của kim phun, đưa nhiên liệu vào buồng cháy động cơ. Nhiên liệu dư thừa trong bơm cao áp đi qua van tràn theo đường dẫn (13) đi vào cửa hút của bơm chuyển vận. Một phần nhiên liệu rò rỉ trong vòi phun (khoảng 0.02% nhiên liệu phun vào xylanh) đi theo đường (2) trở về thùng chứa. Không khí từ ngoài qua bình lọc khí (1) vào ống nạp, rồi qua xupap nạp đi vào động cơ. Trong quá trình nén các xupap hút và xupap xả đều đóng kín, khi piston đi lên không khí trong xylanh bị nén. Piston càng tới xát 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 qua trình nén, nhiên liệu được phun vào dòng xoáy lốc này, được xé nhỏ, xấy nóng, bay hơi và hòa trộn đều với không khí tạo thành hổn hợp hòa khí trong buồng đốt rồi tự bốc cháy. 1.2.2. PHÂN LOẠI CÁC HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL Trên hệ thống nhiên liệu thì bơm cao áp (BCA) là bộ phận quan trọng nhất, nó đựợc coi như là trái tim của động cơ diesel. Vì vậy khi phân loại người ta thường căn cứ vào đặc điểm BCA, vòi phun (VP), cách thức bố trí và hình thức phun nhiên liệu Bảng 1-1. Phân loại tổng quát hệ thống phun nhiên liệu của động cơ diesel Tiêu chí phân loại Phân loại Phương phá phun nhiên liệu vào xylanh động cơ 1. Hệ thống phun nhiên liệu bằng không khí nén 2. Hệ thống phun nhiên liệu bằng thủy lực Phương pháp tạo và duy trì áp lực phun 1. Hệ thống phun trực tiếp 2. Hệ thống phun gián tiếp PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Phương pháp định lượng nhiên liệu 1. Điều chỉnh bằng cam dọc 2. Điều chỉnh bằng khâu phân lượng 3. Điều chỉnh bằng cách tiếc lưu 4. Điều chỉnh bằng rảnh chéo trên piston Cách thức tổ hợp các thành tố của hệ thống phun 1. Hệ thống phun cổ điển 2. Hệ thống phun với BAC-VP liên hợp 3. Hệ thống phun với BAC phân phối 4. Hệ thống phun điên tử Loại vòi phun 1. Vòi phun hở 2. Vòi phun kín một lỗ, nhiều lỗ 1.2.2.1. PHÂN LOẠI THEO PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIÊN LIỆU VÀO XYLANH ĐỘNG CƠ 1) Hệ thống phun nhiên liệu bằng không khí nén Ở thời kỳ đầu của động cơ diesel người ta đã dùng không khí nén để tạo hổn hợp cháy, nó được sử dụng trong các động cơ máy nén dưới áp suất (50¸70) kg/cm 3 đưa nhiên liệu đến vòi phun vào xylanh động cơ, áp suất nén nhiên liệu phải lớn hơn áp suất trong buồng đốt động cơ khoảng (5¸10) kg/cm 3 . Khi vào xylanh máy nén sẽ dẫn ra và gây nên sự xáo trộn giữa không khí và nhiên liệu, quá trình này ảnh hưởng lớn đến quá trình cháy và sinh công. Sự chênh lệch giữa áp lực khí nén và áp lực trong xylanh tùy thuộc vào công suất của động cơ mà có thể lên tới 35kg. Sự chênh lệch ấy có ảnh hưởng lớn đến sự phân tán nhiên liệu và phương pháp này không yêu cầu phải có các chi tiết siêu chính xác mà vẫn cho chất lượng phun nhiên liệu khá tốt. Tuy nhiên động cơ phải lai máy nén nhiều cấp, vừa cồng kềnh. Vừa tiêu thụ một phần đáng kể công suất của động cơ (công suất do máy nén tiêu thu bằng khoảng 6-8% công suất động cơ). Ngoài ra việc điều chỉnh PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com lượng nhiên liệu cho chu trình cũng phức tạp và khó chính xác nên loại hệ thông phun nhiên liệu bằng khí nén ở động cơ diesel đã được thay thế hoàn toàn bởi hệ thống phun nhiên liệu bằng thủy lực. 2) Hệ thống phun nhiên liệu bằng thủy lực Với hệ thống phun nhiên liệu bằng thủy lực, nhiên liệu được phun vào buồng đốt do sự chênh lệch áp suất rất lớn giữa áp suất của nhiên liệu và áp suất không khí trong xylanh. Nhiên liệu được đưa vào xylanh với áp suất rất lớn do bơm cao áp tạo nên và đi qua các lỗ vòi phun có đường kính rất bé. Áp suất phun có thể đạt đến (100¸1500 bar) và có thể lớn hơn nữa. Các lỗ phun được bố tri và lắp đặt sao cho nhiên liệu phun ra có dạng hình nón để tạo thành hổn hợp cháy dễ dàng với không khí. 1.2.2.2. PHÂN LOẠI THEO PHƯƠNG PHÁP TẠO VÀ DUY TRÌ ÁP LỰC PHUN 1) Hệ thống phun trực tiếp Hệ thống phun trực tiếp là hệ thống mà nhiên liệu sau khi ra khỏi bơm cao áp được dẫn trực tiếp đến vòi phun bằng ống dẫn cao áp có dung tích nhỏ. Ưu điểm của hệ thống phun kiểu này là: Kết cấu tương đối đơn giản, có khả năng thay đổi các thông số công tác phù hợp với chế độ làm việc của động cơ. Nhược điểm cơ bản của hệ thống này là: áp suất phun giảm theo chiều giảm của tốc độ quay. 2) Hệ thống phun gián tiếp Hệ thống phun gián tiếp (hay còn gọi là hệ thống tích phun áp lực) trong hệ thống này nhiên liệu từ BCA không đưa trực tiếp vào vòi phun mà nó được dẫn vào hệ thống ống cao áp chung, nên áp suất phun hầu như không thay đổi trong suốt quá trình phun. Điều đó đảm bảo cho chất lượng phun tốt trong một phạm vi rộng của tốc độ quay và tải. Do đó hệ thống tích phun có kết cấu phức tạp hơn các kêt câu khác. Vì vậy nó chỉ được sử dụng cho các động cơ diesel cao tốc và những động cơ có yêu cầu cao về chất lượng tia nhiên liệu ở chế độ tải nhỏ. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com [...]... các động cơ diesel 1.2.2.4 PHÂN LOẠI THEO CÁCH THỨC TỔ HỢP CÁC THÀNH TỐ CỦA HỆ THỐNG 1) Hệ thống phun nhiên liệu cổ điển Hệ thống phun nhiên liệu cổ điển là loại hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp có nhưng đặc điểm cơ bản sau: toàn bộ hệ thống phun nhiên liệu được tổ hợp từ các đơn vị phun hoàn toàn giống nhau Mỗi đơn vị phun được cấu thành từ một phần tử bơm, một ống cao áp và một vòi phun nhiên liệu. .. khiển nhờ bơm chuyển nhiên liệu và các bộ điều chỉnh 1.3.6 VÒI PHUN (VP) Vòi phun thường được lắp trên nắp xilanh, dùng để phun tơi nhiên liệu vào buồng đốt động cơ Vòi phun trong động cơ diesel được chia làm hai loại chính: vòi phun hở và vòi phun kín 1.3.6.1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA VÒI PHUN NHIÊN LIỆU 1) CẤU TẠO H 1–18 Vòi phun nhiên liệu 1- Vít xả gió, 2- Vít chỉnh và ốc hãm, 3- Ốc xiết... một hệ thống rất quan trọng trong động cơ diesel nói riêng và động cơ nói chung Hệ thống này có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu cho toàn bộ quá trình làm việc của động cơ, bảo đảm lượng nhiên liệu phun vào là đủ, đúng thời điểm và tạo áp suất cao Những đặc điểm này được thể hiện cụ thể qua các yêu cầu sau: - Ấn định lượng nhiên liệu - Thời điểm phun nhiên liệu - Quy luật phun nhiên liệu và cấu trúc tia nhiên. .. điều khiển bằng điện tử Hệ thống này về nguyên tắc hoạt động thì gần giống với các loại khác, chúng chỉ khác ở chỗ là hệ thống này được điều khiển bằng điện tử, nên lượng nhiên liệu đi vào buồng cháy chính xác với áp suất phun cao, ổn định ở mọi tốc độ của động cơ 1.3 CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU 1.3.1 NHIÊN LIỆU Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel là loại dầu cặn (gas-oil, dầu diesel, dầu mazut... trình làm việc của động cơ Với đặc tính này hệ thống phun với BCA-VP liên hợp đảm nhận các nhiệm vụ sau: - Ấn định lựong nhiên liệu để phun vào xylanh - Tạo áp lực phun nhiên liệu lớn - Phân tán nhiên liệu vào buồng đốt thật tơi sương - Đảm bảo nhiên liệu lưu thông làm mát vòi phun H 1-4 Hệ thống nhiên liệu BCA-VP liên hợp 1- Thùng nhiên liệu, 2- Bầu lọc sơ cấp, 3- Bơm chuyển nhiên liệu, 4- Bầu lọc... độ động cơ trong quá trình làm việc không ổn định và chạy không tải a) b) H 1-20 Các bộ điều tốc a) Bộ điều tốc trực tiếp b) Bộ điều tốc gián PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH NHỮNG YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH PHUN NHIÊN LIỆU 2.1 PHÂN TÍCH NHỮNG YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU Ta biết hệ thống nhiên liệu. .. suất phun cho nhiên liệu, mặt khác nhiên liệu có độ nhớt cao sẽ góp phần bôi trơn cho cặp piston, xylanh của bơm cao áp và kim phun, voi phun 1.3.2 THÙNG CHỨA NHIÊN LIỆU Thùng chứa nhiên liệu được dùng chứa nhiên liệu cho động cơ làm viêc, đảm bảo được một lượng nhiên liệu nhất định để động cơ hoạt động trong một thời gian nhất định Cỡ thùng lớn nhỏ tùy thuộc vào yêu cầu, đặc tính làm việc của động cơ. .. giữ cho động cơ làm việc ở tốc độ không đổi hoặc ít thay đổi Với các yêu cầu cấp thiếc trên của động cơ nên ta phải lắp bộ điều tốc vào hệ thống nhiên liệu Bộ điều tốc (H 1- 20) có khả năng giữ và duy trùy động cơ làm việc ở một chế độ tải nhất định Quá trình làm việc của bộ điều tốc động cơ chính là điều chỉnh việc cấp nhiên liệu vào buồng đốt động cơ cho phù hợp với chế độ tải của động cơ và duy trùy... áp lực riêng để đẩy nhiên liệu đi, còn rôto chỉ làm nhiệm vụ phân phối nhiên liệu cho động cơ H 1–5 Hệ thống nhiên liệu BCA phân phối 1- Bơm cao áp phân phối, 2- Lọc thứ cấp, 3- Thùng nhiên liệu, 4- bơm tiếp vận, 5- Vòi phun PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 4) Hệ thống phun nhiên liệu điện tử Các HTPNL nói ở trên toàn bộ là HTPNL điều khiển bằng cơ khí Ngoài ra còn có... quay của động cơ i: số xilanh của động cơ rnl: khối lượng riêng của nhiên liệu hv a) hi b) hm hm a a hi H 2–1 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của gct đến tốc độ và tải của động cơ a) Ảnh hưởng đến tải, b) Ảnh hưởng đến tốc độ Qua công thức (2.1) và đồ thị H 2-1 ta thấy lượng nhiên liệu cần phun vào xilanh động cơ trong một chu trình công tác (gct) luôn luôn thay đổi theo chế độ làm việc của động cơ (Ne, . các động cơ diesel 1.2.2.4. PHÂN LOẠI THEO CÁCH THỨC TỔ HỢP CÁC THÀNH TỐ CỦA HỆ THỐNG 1) Hệ thống phun nhiên liệu cổ điển Hệ thống phun nhiên liệu cổ điển là loại hệ thống phun nhiên liệu. tố của hệ thống phun 1. Hệ thống phun cổ điển 2. Hệ thống phun với BAC-VP liên hợp 3. Hệ thống phun với BAC phân phối 4. Hệ thống phun điên tử Loại vòi phun 1. Vòi phun hở 2. Vòi phun. phá phun nhiên liệu vào xylanh động cơ 1. Hệ thống phun nhiên liệu bằng không khí nén 2. Hệ thống phun nhiên liệu bằng thủy lực Phương pháp tạo và duy trì áp lực phun 1. Hệ thống phun