Phân tích cơ sở lý thuyết và đặc điểm cấu tạo của hệ thống phun nhiên liệu điện tử trên các động cơ diesel hiện đại.

ĐẶC TÍNH PHUN NHIÊN LIỆU TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL Muốn đảm bảo chất lượng hình thành khí hỗn hợp trong xylanh động cơ diesel, phải phun nhiên liệu thành hạt nhỏ, kích thước đều nhau đường k

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xu thế phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật nói chung và ngành cơ khí chế tạo nói riêng Con người đã và đang từng bước hoàn thiện những công cụ phục vụ

cho cuộc sống của mình Kể từ sau cuộc cách mạng công nghiệp ở Anh vào cuối thế kỹ

XVIII đầu thế kỹ XIX, loài người đã chế tạo thành công những động cơ đốt trong đầu tiên

và nó đã mang lại một hiệu quả khả quan trong việc nâng cao năng suất lao động cũng

như đáp ứng nhu cầu đi lại của con người Và cũng từ đó đến nay, các nhà thiết kế, chế

tạo động cơ đã cải tiến, sáng tạo ra rất nhiều cơ cấu và hệ thống đặc biệt nhằm nâng cao

công suất và hiệu suất của động cơ

Trong giai đoạn hiện nay, trước sự khan hiếm về nguồn tài nguyên thiên nhiên và tình trạng ô nhiễm môi trường một cách nghiêm trọng trên toàn thế giới đã đặt ra những

yêu cầu mới trong việc thiết kế, chế tạo động cơ Để đáp ứng những vấn đề khách quan

này, vào những năm cuối thế kỹ XX hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử đã được

nghiên cứu và ứng dụng cho các động cơ đốt trong Với sự giúp đỡ của máy tính điện tử

được lập trình sẵn, hệ thống này đã khắc phục được các khuyết điểm cố hữu của hệ thống

phun nhiên liệu cổ điển

Được sự phân công và hướng dẫn của khoa cơ khí, bộ môn Động lực và Thầy phụ

trách: Th.S MAI SƠN HẢI, tôi xin được thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Phân tích

cơ sở lý thuyết và đặc điểm cấu tạo của hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp điều khiển điện

tử trên các động cơ diesel hiện đại” Với thời lượng có hạn và thiếu thốn về mặt tài liệu,

kiến thức tôi đã cố gắng trình bày những vấn đề liên quan đến hệ thống nhưng chắc chắn

không thể tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế Vậy kính mong quý thầy hướng dẫn

cũng như các bạn đọc quan tâm góp ý, bổ sung để bản đồ án này được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn các quý thầy trong Ban Giám Hiệu Trường Đại học Thuỷ sản Nha Trang, các quý thầy trong khoa Cơ khí, các quý thầy trong bộ môn Động

lực cùng Thầy hướng dẫn đồ án Th.s MAI SƠN HẢI đã tận tình chỉ dạy và hướng dẫn tôi

hoàn thành đồ án này Bên cạnh đó đồ án này chắc chắn còn tồn tại những vấn đề thiếu

sót và hạn chế, tôi kính mong các quý thầy chỉ dẫn và bổ sung để đồ án hoàn thành tốt

đẹp hơn

Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn

Nha Trang, tháng 11 năm 2005

PHUN NHIÊN LIỆU

I.1 CHỨC NĂNG, NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG PHUN NHIÊN

LIỆU

I.1.1 Chức năng

Hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel có chức năng lọc sạch rồi phun nhiên liệu vào buồng đốt của động cơ theo những yêu cầu phù hợp với đặc điểm cấu tạo và tính

năng của động cơ

I.1.2 Nhiệm vụ

Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel có các nhiệm vụ sau:

1) Dự trữ nhiên liệu đảm bảo cho động cơ có thể làm việc trong một thời gian nhất định, không cần cấp thêm nhiên liệu; lọc sạch nước, tạp chất cơ học lẫn trong nhiên liệu;

giúp nhiên liệu chuyển động thông thoáng trong hệ thống

2) Cung cấp nhiên liệu cho động cơ đảm bảo các yêu cầu sau:

- 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 qui luật mong muốn

- Lưu lượng nhiên liệu vào các xylanh phải đồng đều (đối với động cơ nhiều xylanh)

- Phải phun nhiên liệu vào các xylanh qua lỗ nhỏ với chênh áp lớn phía trước và sau lỗ phun, để nhiên liệu được xé tơi tốt

3) Các tia nhiên liệu phun vào xylanh động cơ phải đảm bảo kết hợp tốt giữa số lượng, phương hướng, hình dạng, kích thước của các tia phun với hình dạng buồng cháy và

với cường đôï và phương hướng chuyển động của môi chất trong buồng cháy để hoà khí

được hình thành nhanh và đều

I.1.3 Yêu cầu của hệ thống phun nhiên liệu

Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel phải thoả mãn các yêu cầu sau:

- Hoạt động lâu bền, có đôï tin cậy cao;

- Dễ dàng và thuận tiện trong sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa;

- Dễ chế tạo, giá thành hạ

I.2 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL

Bơm 12 hút nhiên liệu từ bình chứa 9 qua lọc thô 5 vào bơm rồi được bơm qua bình lọc tinh 6, tới bơm cao áp (BCA) 14 Các bình lọc 5 và 6, lọc sạch các tạp chất lẫn trong

nhiên liệu BCA đẩy nhiên liệu vào đường cao áp 4, tới vòi phun để phun vào buồng cháy

đôïng cơ Nhiên liệu dư thừa trong BCA đi qua van tràn ra đường 13 trở về cửa hút của

khí trong xylanh bị nén Piston càng tới sát điểm chết trên (ĐCT), không khí bên trên

piston bị chèn chui vào phần khoét lõm của 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 trôïn đều với không khí tạo ra hoà khí rồi tự bốc

cháy

1 – Bình lọc không khí

2 – Ống dầu hồi

14 – Bơm cao áp

Hình I.1 Hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ diesel

I.3 ĐẶC TÍNH PHUN NHIÊN LIỆU TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL

Muốn đảm bảo chất lượng hình thành khí hỗn hợp trong xylanh động cơ diesel, phải phun nhiên liệu thành hạt nhỏ, kích thước đều nhau (đường kính mỗi hạt khoảng 5 - 50

mm), để hỗn hợp với không khí nén trong buồng cháy của động cơ Kích thước của hạt

nhiên liệu càng nhỏ, càng đều thì tổng diện tích sấy nóng và bốc hơi của một đơn vị thể

tích nhiên liệu càng lớn, do đó nhiên liệu bốc hơi càng nhanh Muốn nhiên liệu thành

những hạt nhỏ thì áp suất phun lớn Áp suất phun thường dao động trong khoảng từ 10 –

180 MN/m2, tuỳ thuộc vào số vòng quay của động cơ, kích thước xylanh và dạng buồng

P r

f

D 2

khí nén trong buồng cháy Do hình dạng của các tiết diện ngang của lỗ và trạng thái bề

mặt của thanh lỗ phun dọc theo đường tâm của lỗ không giống nhau, mặt khác tốc độ lưu

động của nhiên liệu tại các điểm trên tiết ngang của miệng lỗ phun cũng khác nhau (khu

vực tâm lỗ tốc độ lớn, còn các khu vực càng sát thành lỗ tốc độ càng nhỏ) nên sau khi rời

khỏi lỗ phun, trong tia nhiên liệu xuất hiện thêm các phần tốc độ vuông góc với đường

tâm của tia gây nên lực kích động ban đầu Các lực hấp dẫn giữa các phần tử và lực căng

mặt ngoài của nhiên liệu có khuynh hướng giữ cho tia nhiên liệu ở trạng thái liên tục,

hoàn chỉnh không bị xé nhỏ Ngược lại lực kích động ban đầu và lực cản khí động của

không khí nén trong buồng cháy lại có khuynh hướng xé tia nhiên liệu thành những hạt

nhỏ

Tác dụng tổng hợp của các lực kể trên làm cho tia nhiên liệu sau khi phun vào buồng cháy được xé thành những hạt nhỏ, kích thước của chúng thể hiện trạng thái cân

bằng của tia nhiên liệu dưới tác dụng của các lực ấy

Chất lượng phun nhiên liệu được thể hiện bằng độ phun nhỏ và phun đều của tia nhiên liệu

Độ phun nhỏ được thể hiện qua đường kính trung bình của tất cả các hạt chứa trong tia nhiên liệu Số vòng quay của động cơ càng cao thời gian dành cho quá trình hình thành

khí hỗn hợp và quá trình cháy càng ngắn thì phải phun nhiên liệu càng nhỏ, đặc biệt là

trong loại buồng cháy thống nhất

Muốn cho qúa trình hình thành khí hỗn hợp có chất lượng tốt, cần phải đảm bảo chất lượng của tia nhiên liêu đi qua lỗ phun Wnl = 150 – 400 m/s, Wnl phụ thuộc vào số

vòng quay và loại buồng cháy của động cơ, số vòng quay của động cơ càng cao, Wnl phải

càng lớn, buồng cháy thống nhất có Wnl lớn hơn các loại buồng cháy ngăn cách

Tốc độ của nhiên liệu đi qua lỗ phun có tỷ số l/d = 4 (l và d là chiều dài và đường kính của lỗ phun) được tính theo công thức sau:

Wnl = j

Với j = 0.7 - 0.8 : Hệ số tốc độ của lỗ hình trụ

c

R - R

=

DRf f : Hiệu số giữa áp suất phun và áp suất trong buồng cháy

Độ phun đều của tia nhiên liệu được thể hiện qua mức độ chênh lệch giữa đường kính thực tế của hạt so với đường kính trung bình của các hạt trong tia Thông thường phải

dùng thực nghiệm để xác định chất lượng phun nhiên liệu Phương pháp thường dùng hiện

nay là phun nhiên liệu lên mặt phẳng có một lớp gơlixêrin hoặc nước thuỷ tinh, chụp ảnh

các vết hằn của các hạt nhiên liệu trên mặt phẳng ấy, đếm số hạt và đo đường kính của

từng hạt, trên cơ sở đó xây dựng đường đặc tính phun nhiên liệu Đường đặc tính phun

nhiên liệu không những thể hiện được độ phun nhỏ mà còn thể hiện độ phun đều của tia.

Hình I-2: Các đường đặc tính phun nhiên liệu

Trên hình A đường cong 1 thể hiện chất lượng phun vừa nhỏ và vừa đều, đường 2 phun không nhỏ và không đều Như vậy 2 nhánh đi lên và đi xuống dốc thì độ phun đều

càng tốt và nếu đỉnh của đường cong càng sát với trục tung thì độ phun nhỏ càng tốt

Ngoài ra, trên hình B là một dạng khác của đường đặc tính phun nhiên liệu Trên trục hoành đặt bán kính của hạt, còn trục tung đặt tỷ số i/it (trong đó: i là các số hạt trong

tia có bán kính từ 0 đến trị số tương ứng trên hoành độ; it: là tổng các số hạt trong tia)

Đường cong thể hiện hàm số i/it = f(r)được gọi là đường tổng số tương đối Lấy đạo hàm

Mật độ hạt (:m)

theo đồ thị của hàm số trên: d(i/it)/dr = f2(r) được gọi là đường tần suất tương đối Điểm

cực đại của đường này càng gần trục tung, thì nhiên liệu được phun càng nhỏ và hiệu số

giữa bán kính lớn nhất r2 và bán kính nhỏ nhất r1 của các hạt trong tia càng nhỏ, thì độ

phun đều càng tốt

Có thể xác định bán kính trung bình của các hạt trong tia qua đường đặc tính phun với điều kiện sau: tỷ số giữa tổng thể tích åV và tổng diện tích åF của tất cả các tia

bằng tỷ số giữa thể tích Vtb và diện tích Ftb của hạt nhiên liệu có bán kính trung bình

Chất lượng phun nhiên liệu trong buồng cháy của động cơ phụ thuộc vào những yếu tố sau: áp suất phun, các kích thước của lỗ phun, số vòng quay của BCA, độ nhớt và

lực căng mặt ngoài của nhiên liệu

Thực nghiệm chỉ ra rằng: tăng áp suất phun P2 thì tốc độ lưu động của nhiên liệu qua lỗ phun sẽ tăng, do đó làm giảm kích thước của các hạt trong tia, tức là làm tăng độ

phun nhỏ của tia

Giảm đường kính của lỗ phun sẽ làm tăng độ phun nhỏ và phun đều của tia nhiên liệu

Tăng tốc độ quay của BCA sẽ làm tăng tốc độ vận động của piston BCA, do đó làm tăng áp suất phun và tốc độ vận động của nhiên liệu qua lỗ phun, kết quả làm cho độ

phun nhỏ và đều của tia nhiên liệu đều tăng

Sau khi ra khỏi lỗ phun dòng nhiên liệu được xé nhỏ và tạo thành tia Càng xa lỗ phun tốc độ các hạt trong tia càng giảm nhỏ vì không khí nén trong buồng cháy gây sức

cản khí động đối với tia

Vận động của các hạt nhiên liệu thường kéo theo cả lớp không khí bao quanh hạt, đặc biệt là khu vực lõi tia vì trong khu vực này nhiên liệu tập trung nhiều, kích thước và

mật độ hạt đều lớn Không khí bị cuốn theo tia nhiên liệu một mặt sẽ làm giảm tốc độ

tương đối của các hạt so với tốc độ không khí, do đó làm giảm lực cản khí động của không

khí, mặt khác còn làm không khí trong tia bị dồn ra mặt ngoài của tia Phần nhiên liệu

phun trước thường gặp sức cản khí động rất lớn nên tốc đôï lưu động giảm xuống nhanh

còn các phần tử nhiên liệu phun sau được phun vào môi trường mà tia nhiên liệu đang vận

động nên tốc độ lưu động của phần nhiên liệu này giảm xuống chậm hơn, vì vậy các phần

tử nhiên liệu phun sau thường đuổi kịp và gạt số nhiên liệu phía trước ra ngoài rồi đi vào

khu vực của mũi tia

Chính vì những lý do trên nên tia nhiên liệu được chia thành hai phần có những đặc điểm khác nhau: phần lõi, mật độ và kích thước các hạt nhiên liệu đều lớn và phần vỏ là

phần mà mật độ và kích thước các hạt đều nhỏ Phần lõi gặp ít sức cản khí động nên

nhiên liệu liên kết với nhau thành những hạt lớn chứa nhiều năng lượng (phần lớn là động

năng) nên tốc đôï lưu động ở phần lõi mạnh nhất Từ phần lõi đi ra, kích thước, mật độ và

tốc độ lưu động của các hạt nhiên liệu giảm dần Những hạt nhiên liệu có kích thước nhỏ

nhất thường nằm ở khu vực ngoài cùng của tia

Các kích thước hình học gồm hành trình và góc côn của tia nhiên liệu, thường gây ảnh hưởng lớn tới chất lượng hình thành khí hỗn hợp trong buồng cháy của động cơ Đối

với buồng cháy thống nhất chỉ khi nào hành trình và hình dạng của các tia nhiên liệu trong

kỳ cháy trễ, hoàn toàn phù hợp với hình dạng buồng cháy mới có thể đảm bảo cho quá

trình hình thành khí hỗn hợp có chất lượng tốt

Người ta thường dùng phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu qui luật hình thành và phát triển của tia nhiên liệu Phun nhiên liệu vào trong một buồng khí nén chứa đầy

khí nitơ, thành buồng làm bằng vật liệu trong suốt nhờ đó có thể dùng phương pháp chụp

ảnh cao tần để nghiên cứu quá trình phát triển của tia nhiên liệu

Dựa vào kích thước của các tia nhiên liệu trên phim ảnh và khoảng thời gian giữa hai ảnh kề nhau có thể xác định qui luật biến thiên về kích thước và hình dạng của tia

nhiên liệu theo thời gian hoặc theo góc quay của trục dẫn động BCA

I.4 NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH PHUN NHIÊN LIỆU

I.4.1 Hiệu suất nạp nhiên liệu

Hiệu suất nạp của BCA được định nghĩa như sau:

hvb = g1/gs = g1/(Vsb.DFn) Trong đó:

hvb: Hiệu suất nạp của BCA

g1 : Lượng nhiên liệu thực tế nạp vào BCA

gs : Lượnh nhiên liệu chứa đầy không gian công tác của xylanh BCA ở điều kiện áp suất trong khoang nạp

Vsb: Dung tích công tác của xylanh BCA

DFn: Mật độ của nhiên liệu trong khoang nạp

Trị số hiệu suất nạp có ảnh hưởng đến thời điểm bắt đầu phun và lượng nhiên liệu chu trình thực tế ứng với một vị trí của cơ cấu điều khiển Hiệu suất nạp chịu ảnh hưởng

của rất nhiều yếu tố như: sức cản thuỷ động, thể tích khoang nạp, áp suất và biến động áp

suất trong khoang nạp, … Tác động đồng thời của các yếu tố kể trên làm cho hiệu suất nạp

có thể nhỏ hơn, lớn hơn hoặc bằng 1 Tuy nhiên trị số lớn hay nhỏ của hiệu suất nạp

không có ý nghĩa thực tế mà độ ổn định của nó mới có ảnh hưởng đến chất lượng định

lượng và định thời của hệ thống phun nhiên liệu

Bên cạnh sức cản thuỷ động, sự xuất hiện của xung áp suất trong khoang nạp tại thời điểm kết thúc quá trình phun hình học (thời điểm rãnh chéo trên piston bắt đầu thông

với khoang nạp) là hiện tượng có ảnh hưởng rất lớn đến trị số và sự biến động của áp suất

nạp, đặc biệt là BCA PE có chung một khoang nạp Với sự chênh lệch áp suất rất lớn giữa

khoang bơm và khoang nạp tại thời điểm bắt đầu xả, các xung áp suất được hình thành tại

khu vực gần cửa xả của từng xylanh sẽ ảnh hưởng đến quá trình nạp nhiên liệu vào

xylanh của chính khoang bơm của xylanh đó cũng như các xylanh khác có chung một

khoang nạp Sự biến động một cách kiểm soát được của hiệu suất nạp sẽ làm cho thời

điểm phun và lượng nhiên liệu phun thực tế không hoàn toàn như nhau cho các chu trình

công tác khác nhau ở một xylanh của động cơ và cho các xylanh khác nhau

Trong thực tế, các nhà thiết kế đã áp dụng các biện pháp dưới đây nhằm hạn chế sự biến động của hiệu suất nạp của BCA:

- Tăng dung tích của khoang nạp trong BCA

- Dùng các đường ống thấp áp có đường kính đủ lớn, khoảng 8 – 10 mm

- Sử dụng bơm thấp áp có năng suất bơm lớn hơn nhiều lần mức tiêu thụ thực tế

(thông thường 6 – 10 lần) để tạo ra dòng lưu thông một chiều của nhiên liệu trong hệ

thống cung cấp

- Trang bị bộ giảm xung áp suất nạp

I.4.2 Hiện tượng tiết lưu

Hiện tượng tiết lưu diễn ra tại nhiều vị trí trong hệ thống phun khi nhiên liệu chảy

qua những khe có tiết diện lưu thông nhỏ như: lỗ nạp, lỗ xả, van triệt hồi tại những thời

điểm bắt đầu và kết thúc quá trình phun Hiện tượng tiết lưu có ảnh hưởng lớn nhất đến

chất lượng quá trình phun xảy ra tại lỗ nạp và lỗ xả trên xylanh BCA

Hiện tượng tiết lưu lần thứ nhất diễn ra khi piston ở gần vị trí bắt đầu phun hình học trong hành trình bơm của piston BCA Do tiết lưu, áp suất trong khoang bơm bắt đầu tăng

sớm hơn và quá trình phun cũng bắt đầu sớm hơn thời điểm x Hiện tượng tiết lưu lần thứ

hai diễn ra ngay sau thời điểm kết thúc phun hình học Do tiết lưu mà áp suất trong

khoang bơm được duy trì ở giá trị lớn một thời gian nhất định sau thời điểm mép vát đã

mở cửa xả, kết quả là thời điểm kết thúc phun thực tế chậm hơn so với thời điểm kết thúc

phun hình học

Cả hiện tượng tiết lưu lần thứ nhất và lần thứ hai đều có tác dụng làm tăng lượng cấp liệu chu trình thực tế so với lượng cấp liệu lý thuyết Ảnh hưởng của nó mạnh lên

theo chiều tăng của tốc đôï quay và cũng có tính chất không ổn định như trường hợp hiệu

suất nạp BCA kiểu BOSCH hiện đại thường được trang bị van triệt hồi giảm áp và cơ cấu

hiệu chỉnh để hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng tiết lưu trình bày ở trên

I.4.3 Tính chịu nén của nhiên liệu và tính đàn hồi của vật liệu

Nhiên liệu lõng dùng cho động cơ diesel có khả năng thay đổi thể tích đáng kể khi

bị nén Ví dụ: thể tích của gas-oil giảm đi khoảng 1,25% khi bị nén từ áp suất khí quyển

đến 2000 bar Khi mép vát mở lỗ xả tại những thời điểm cuối quá trình phun, phần nhiên

liệu trong khoang bơm sẽ giãn nở Kết quả là lượng cấp liệu chu trình thực tế sẽ nhỏ hơn

lượng cấp liệu chu trình lý thuyết và thời điểm kết thúc phun thực tế sẽ chậm hơn so với

thời điểm kết thúc phun hình học

Tính đàn hồi của vật liệu chế tạo các bộ phận chứa nhiên liêu cao áp, cũng có ảnh hưởng tương tự Tính đàn hồi của vật liệu càng lớn thì sự sai lệch thời điểm kết thúc phun

hình học và lượng cấp liệu chu trình lý thuyết so với thực tế càng lớn

Giảm thể tích không gian cao áp, sử dụng ống cao áp có thành rất dày và ngắn là những biện pháp hạn chế ảnh hưởng xấu của tính chịu nén của nhiên liệu và tính đàn hồi

của vật liệu

Ảnh hưởng của tất cả các yếu tố kể trên sẽ gia tăng theo chiều tăng của tốc độ quay động cơ Chính vì vậy, hệ thống phun nhiên liệu cổ điển thường chỉ được trang bị cho

những động cơ có tốc độ quay danh nghĩa không vượt quá 3000 v/ph Nhiều giải pháp đã

được áp dụng nhằm thoả mãn yêu cầu đối với quá trình phun nhiên liệu cho động cơ cao

tốc, ví dụ: trang bị van triệt hồi – giảm áp và cơ cấu hiệu chỉnh cho BCA kiểu BOSCH,

loại bỏ ống cao áp trong hệ thống phun với BCA – VP liên hợp, sử dụng một phần tử bơm

cho tất cả các xylanh động cơ trong trường hợp BCA phân phối

I.5 TỶ LỆ KHÔNG KHÍ NHIÊN LIỆU

Hệ thống nhiên liệu phải thay đổi tỷ lệ không khí – nhiên liệu khi tải của động cơ và các điều kiện hoạt động của động cơ thay đổi Tỷ số không khí – nhiên liệu là tỷ số

của không khí đối với nhiên liệu theo trọng lượng Mười lăm pound không khí trên một

pound nhiên liệu là một tỷ số 15/1 Điều này được viết là 15 : 1

Để khởi động một động cơ lạnh, cần phải có một hỗn hợp nhiên liệu giàu “Giàu”

có nghĩa là hỗn hợp có một phần trăm nhiên liệu tương đối cao Sau khi động cơ ấm lên,

nó có thể chạy với hỗn hợp nghèo Điều này có một phần trăm nhiên liệu thấp hơn

Mục đích của việc thay đổi tỷ số không khí – nhiên liệu là để một hỗn hợp dễ cháy luôn luôn đi vào xylanh động cơ Thí dụ, khi khởi động một động cơ lạnh, hỗn hợp phải

rất giàu Điều này là vì chỉ có một phần nhiên liệu bốc hơi tại nhiệt độ thấp Bằng cách

làm giàu hỗn hợp, đủ nhiều nhiên liệu bốc hơi, để tạo ra hỗn hợp không khí – nhiên liệu

có thể đốt cháy được

Hệ thống nhiên liệu phải đo hoặc định lượng một cách chính xác không khí và nhiên liệu đi vào động cơ Một hỗn hợp nhiên liệu quá nghèo (không đủ nhiên liệu trong

nó) sẽ không đốt cháy hoàn toàn Nó tạo ra nhiều khí xả ô nhiễm và có thể gây nên khả

năng điều khiển động cơ kém Một hỗn hợp nhiên liệu quá giàu (quá nhiều nhiên liệu

trong nó) cũng gây nên quá nhiều khí xả ô nhiễm

Hình I-3: Ảnh hưởng của tỷ số không khí nhiên liệu đối với công suất động cơ và lượng tiêu thụ nhiên liệu

I.6 PHA PHỐI KHÍ VÀ GÓC PHUN SỚM NHIÊN LIỆU CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL

I.6.1 Pha phối khí

Trong quá trình làm việc không khí sạch và nhiên liệu được cấp vào xylanh động

cơ ứng với các thời điểm xác định Sau khi cháy nhiên liệu, sản vật cháy sinh công và xả

Công suất

Tiêu thụ nhiên liệu

ra khỏi xylanh Việc nạp không khí và làm sạch xylanh đối với động cơ 4 kỳ thực hiện qua

xupap nạp, xả

Thời điểm mở và đóng các cơ cấu phối khí biểu diễn theo góc độ quay của trục khuỷu (gqtk) gọi là pha phối khí Các pha phối khí được biểu diễn trên đồ thị tròn – gọi là

đồ thị phối khí

Đối với động cơ 4 kỳ, thời gian của thời kỳ trao đổi khí lớn hơn so với động cơ 2 kỳ

Các xupap xả được mở sớm hơn so với điểm chết dưới (ĐCD) và đóng muộn sau ĐCT

Tất cả thời gian trao đổi khí khoảng 400 – 4500 góc quay trục khuỷu

j1 – góc nạp sớm

j2 – góc xả muộn

j3 – góc xả sớm

j4 – góc nạp muộn

Hình I-4: Đồ thị pha phối khí của động cơ diesel 4 kỳ

Trên đồ thị tròn biểu diễn các thời kỳ của chu trình công tác: 1 – nạp; 2 – nén; 3 – sinh công; 4 – xả Từ đồ thị thấy rõ xupap nạp bắt đầu mở khi xupap xả còn chưa đóng

Thời kỳ xupap nạp và xupap xả đồng thời mở được gọi là thời kỳ mở trùng điệp của

xupap Thời kỳ mở sớm đảm bảo làm sạch xylanh hơn, làm tăng lượng khí nạp mới và

làm mát thành buồng cháy tốt hơn Đóng muộn xupap xả, mở sớm xupap nạp làm tăng

tiết diện lưu thông ở cuối kỳ xả, đầu kỳ nạp

I.6.2 Góc phun sớm nhiên liệu

Nhiên liệu ở động cơ diesel phải được phát hoả trước khi piston tới ĐCT để quá trình cháy diễn ra xung quanh ĐCT Góc quay trục khuỷu tính từ thời điểm nhiên liệu bắt

đầu được phun vào buồng cháy đến thời điểm piston tới ĐCT được gọi là góc phun sớm

chậm Kết quả là tại thời điểm phát hoả trong buồng cháy đã tập trung một phần lớn

lượng nhiên liệu chu trình Lượng nhiên liệu này sẽ bốc cháy mãnh liệt trong điều kiện

nồng độ ôxy lớn và thể tích của không gian công tác nhỏ, áp suất cháy cực đại (Pz) và tốc

độ tăng áp suất (wp) sẽ lớn và động cơ làm việc “cứng” (đường 1)

P [Bar]

Nếu góc phun sớm quá nhỏ, động cơ làm việc “mềm” hơn nhưng công suất và hiệu suất của động cơ sẽ giảm do lượng nhiên liệu cháy rớt nhiều hơn

Hình I-6: Quan hệ giữa góc phun sớm tối ưu với công suất (N e ), lượng tiêu thụ nhiên liệu giờ (G e ), suất tiêu thụ nhiên liệu (g e )

và tốc độ quay của động cơ (n)

I.7 HÌNH THÀNH KHÍ HỖN HỢP TRONG BUỒNG CHÁY

Quá trình hình thành khí hỗn hợp trong động cơ diesel bắt đầu từ lúc phun nhiên liệu vào buồng cháy của động cơ Sau khi nhiên liệu được phun vào khối không khí nóng

trong buồng cháy, các hạt nhiên liệu bắt đầu được sấy nóng và bốc hơi Cường độ sấy

nóng và bốc hơi của nhiên liệu trong buồng cháy phụ thuộc vào kích thước của các hạt

nhiên liệu, tốc độ vận động tương đối của các hát so với không khí, nhiệt độ và áp suất

trong xylanh, tính chất vật lý của nhiên liệu Trong suốt quá trình bốc hơi nhiên liệu luôn

tạo hỗn hợp với không khí trong buồng cháy và hình thành hỗn hợp khí cháy

Quá trình hình thành khí hỗn hợp trong động cơ diesel chỉ chiếm một khoảng thời gian rất ngắn (0,04 – 0,001 giây), trong đó một phần tiến hành trong quá trình nén còn

một phần trùng với quá trình cháy của nhiên liệu, trong điều kiện ấy muốn đảm bảo cho

nhiên liệu cháy kiệt, kịp thời với số lượng ôxy rất có hạn trong buồng cháy, cần phải tạo

điều kiện cho các hạt nhiên liệu được phân bố đều trong khối không khí nóng trong buồng

cháy, trên cơ sỡ ấy làm cho nhiên liệu bốc hơi nhanh Muốn đạt được mục đích phân bố

nhiên liệu đều đặn trong không gian buồng cháy của động cơ, người ta sử dụng những

biện pháp sau:

+ Phối hợp chặt chẽ giữa hình dạng, kích thước của buồng cháy với hình dạng, kích thước, số lượng và phương hướng các tia nhiên liệu phun vào buồng cháy

+ Tạo ra dòng không khí có vận động xoáy lốc mạnh trong không gian buồng cháy để hoà trộn đều các hạt nhiên liệu với không khí đồng thời làm cho nhiên liệu bốc hơi

nhanh

Chất lượng hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí trong từng loại buồng cháy chủ yếu phụ thuộc vào cường độ vận động xoáy lốc của môi trường trong buồng cháy, trong

giai đoạn cuối quá trình nén đến đầu quá trình cháy Đặc điểm hình thành khí hỗn hợp và

quá trình cháy trong động cơ diesel chủ yếu phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo của buồng

cháy dùng cho động cơ

Đối với hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp, buồng cháy tối ưu đạt được yêu cầu trên là buồng cháy thống nhất Trong buồng cháy thống nhất, nhiên liệu được phun trực tiếp

vào không gian buồng cháy

Việc hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí trong buồng cháy thống nhất được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, tuỳ thuộc vào loại động cơ, số vòng quay và

công dụng của động cơ

Phương pháp sử dụng sớm nhất và rộng rãi nhất là làm cho hình dạng, kích thước, số lượng và phương hướng của các tia nhiên liệu phun vào động cơ được phối hợp chặt

chẽ với hình dạng và kích thước của buồng cháy, ngoài ra cũng còn sử dụng một phần

động năng của không khí nạp vào động cơ để làm cho không khí và nhiên liệu được hoà

trộn với nhau tốt hơn, tuy nhiên tác dụng về động năng của dòng không khí chỉ là thứ yếu

Tuy nhiên sử dụng phương pháp trên vào động cơ cao tốc có buồng cháy thống nhất rất khó đảm bảo cho quá trình hình thành khí hỗn hợp đạt chất lượng tốt và ổn định, vì vậy

trong các động cơ cao tốc thường sử dụng phương pháp hoà trộn giữa không khí và nhiên

liệu với hiệu quả tốt hơn bằng cách tạo ra vận đôïng xoáy lốc mạnh của không khí trong

buồng cháy Phương pháp này đã giúp cho các hạt nhiên liệu được bốc hơi nhanh hơn và

hoà trộn đều với không khí trong buồng cháy

Vận động xoáy lốc của không khí trong buồng cháy thống nhất thường được thực hiện bằng các phương pháp sau:

+ Khoét lõm đỉnh piston hoặc khoét lõm nắp xylanh làm cho cuối quá trình nén phần không khí, chứa trong khe hở hình vành khăn giữa đỉnh piston và nắp xylanh được

dồn vào không gian khoét lõm và tạo ra vận động xoáy lốc mạnh của không khí trong

buồng cháy này

+ Dùng đường ống nạp tiếp tuyến hoặc dùng xupap nạp có bản chắn để hướng dòng không khí nạp đi vào tiếp tuyến với xylanh của động cơ, qua đó tạo ra vận động

xoáy lốc của dòng không khí nạp

Ngoài ra, chất lượng phun nhiên liệu và phân bố các hạt nhiên liệu trong không gian buồng cháy của động cơ còn phụ thuộc vào số lượng lỗ của vòi phun và áp suất phun

P2 Trong các loại động cơ buồng cháy thống nhất thường sử dụng các loại vòi phun nhiều

lỗ (từ 3 – 10 lỗ) với áp suất phun P2 = (20 – 100) MN/m2 (đối với loại BCA và VP tách rời

nhau) và P2 = (150 – 180) MN/m2 (đối với thiết bị BCA - VP gắn liền nhau)

Dựa vào đặc điểm hình thành khí hỗn hợp có thể chia các loại buồng đốt thống nhất thành hai nhóm: nhóm thứ nhất gồm các loại buồng cháy mà quá trình hoà trộn giữa

không khí và nhiên liệu chủ yếu dựa vào sự phối hợp giữa hình dạng, kích thước, số lượng

và phương hướng của các tia nhiên liệu phun vào động cơ với hình dạng và kích thước của

buồng cháy, còn vận động xoáy lốc của không khí chỉ gây tác dụng thứ yếu (sơ đồ từ 1 –

7); nhóm thứ hai gồm các loại buồng cháy mà vận động xoáy lốc của dòng không khí

trong buồng cháy gây tác dụng quyết định tới chất lượng của quá trình hình thành khí hỗn

hợp (các sơ đồ từ 8 – 12)

Dựa vào đặc điểm đặt phần chủ yếu của thể tích buồng cháy có thể chia buồng cháy thống nhất thành 4 nhóm: buồng cháy đặt trên đỉnh piston (các sơ đồ 1, 2, 3, và 11,

12), buồng cháy đặt trên nắp xylanh (các sơ đồ 4 – 6 và 10), buồng cháy đặt trên đỉnh

piston và nắp xylanh (sơ đồ 7) và buồng cháy đặt giữa 2 đỉnh piston (các sơ đồ 8, 9)

* Sơ đồ các loại buồng đốt thống nhất điển hình:

Hình I-7: Các loại buồng đốt thống nhất điển hình

Phương pháp hình thành khí hỗn hợp trong buồng cháy thống nhất có vận động xoáy lốc mạnh so với trường hợp dòng không khí vận động yếu có những ưu điểm sau:

+ Động cơ có thể làm việc với hệ số dư lượng không khí " tương đối nhỏ (a= 1,5 – 1,7) vì vậy có thể tăng pe (khoảng10 – 12%)

+ Áp suất cháy cực đại không lớn lắm, tốc độ tăng áp suất trong quá trình cháy tương đối nhỏ vì nhiên liệu được sấy nóng mạnh hơn nên giảm được thời gian cháy trễ,

mặt khác từ màng nhiên liệu đọng trên thành xylanh, nhiên liệu được bốc hơi và được

cuốn từ từ vào khu vực bốc cháy của khí hỗn hợp làm cho quá trình cháy được êm hơn

+ Ít nhạy cảm khi thay đổi số vòng quay của động cơ

+ Ít nhạy cảm khi thay tính chất lý hoá của nhiên liệu

Chính nhờ những ưu điểm ấy làm cho động cơ có hiệu suất cao, tính năng khởi động tốt, vì vậy phương pháp hình thành khí hỗn hợp trong buồng cháy thống nhất có vận

động xoáy lốc mạnh đang được sử dụng ngày một rộng rãi trong các loại động cơ vận tải

Trong các loại động cơ cao tốc cỡ nhỏ, còn sử dụng phương pháp hình thành khí hỗn hợp trong buồng cháy thống nhất có lợi dụng vận động xoáy lốc mạnh của dòng

không khí trong buồng cháy, làm cho phương pháp hình thành khí hỗn hợp này có cả

những ưu điểm của buồng cháy thống nhất lẫn buồng cháy ngăn cách

Công dụng chủ yếu của loại buồng cháy này là tạo ra vận động xoáy lốc mạnh của không khí làm cho nhiên liệu và không khí được hoà trộn với nhau thật đều Chính vì vậy

đã làm tăng nhiệt độ không khí trong buồng cháy và làm cho nhiên liệu dễ bốc hơi kể cả

nhiên liệu có thành phần chưng cất nặng; cho nên khi thay đổi phụ tải và số vòng quay

của động cơ trong quá trình làm việc, động cơ vẫn rất ổn định Tăng số vòng quay của

động cơ sẽ làm tăng tốc độ vận động xoáy của không khí nên không khí hoà trộn với

nhiên liệu và quá trình công tác của động cơ ổn định hơn

I.8 QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL

Quá trình cháy trong động cơ diesel là quá trình cháy của hỗn hợp khí không đồng nhất, nó khác với cháy của hỗn hợp khí đồng nhất Quá trình hình thành khí hỗn hợp và

chuẩn bị cho nó bốc cháy ở động cơ diesel bắt đầu từ lúc phun nhiên liệu vào buồng đốt,

tức là ở 10 – 140 (gqtk) trước khi piston đi đến ĐCT Tính theo thời gian thì tổng cộng của

tất cả quá trình chuẩn bị cho hỗn hợp khí bốc cháy rất ngắn, trong động cơ diesel thời gian

này chiếm khoảng 0,04 – 0,001 giây, trong đó trị số lớn ứng với động cơ có tốc độ thấp,

còn trị số nhỏ cho động cơ cao tốc Thời gian cần thiết để hình thành khí hỗn hợp bên

ngoài (hỗn hợp khí đồng nhất) lớn hơn mấy lần so với động cơ diesel

Quá trình riêng biệt của sự hình thành khí hỗn hợp và chuẩn bị cho nó bốc cháy trong động cơ diesel (phun nhiên liệu từ các lỗ của vòi phun và sự phân bố chúng trong

buồng cháy, việc sấy nóng các hạt nhiên liệu, quá trình bốc hơi các hạt nhiên liệu, sự hình

thành những sản vật ôxy hoá trung gian và cuối cùng là sự bốc cháy) diễn ra theo thời

gian cái nọ nối tiếp cái kia và kéo dài kể cả sau khi hỗn hợp đã bốc cháy Chính đặc điểm

đó làm cho việâc nghiên cứu qúa trình cháy trong động cơ diesel rất phức tạp

Sự bốc cháy của hỗn hợp khí không đồng nhất được thực hiện không phải từ một ngọn lửa bên ngoài mà do sự gia tốc của các phần tử ôxy hoá toả nhiệt trước khi đạt tới

bốc cháy

Trong các khí hỗn hợp có thành phần không đồng nhất sự bốc cháy trước tiên có thể nảy sinh trong thể tích có nồng độ nhiên liệu (dạng hạt bốc hơi) tốt nhất (a < 1)

Ngoài ra, phần nhiên liệu này phải chiếm một vị trí có lợi trong buồng cháy trên quan

điểm trường nhiệt độ, để đảm bảo cho các phản ứng trước khi hình thành màng lửa tiến

hành tương đối mãnh liệt và có tốc độ tỏa nhiệt nhất định Tốc độ vận động của các hạt

nhiên liệu trong thể tích không khí nóng cũng có tác dụng hỗ trợ, vì tốc độ vận động của

các hạt nhiên liệu có ảnh hưởng tới việc xác định giới hạn vùng tập trung nhiên liệu và

trường nhiệt độ

Theo quan điểm của D.N.Vưrubốp thì hỗn hợp khí trong không gian giữu các hạt nhiên liệu bên ngoài của tia nhiên liệu không đạt tới nồng độ cháy (ngoài giới hạn thấp

của tính bốc cháy) Trong phần trung tâm của tia, nồng độ hơi nhiên liệu tăng, bởi vì các

hạt vận động một cách dày đặc cái nọ nối tiếp cái kia và vì vậy hỗn hợp khí trong trường

hợp vượt quá giới hạn cháy (quá giới hạn trên của tính bốc cháy), còn nhiệt độ bên trong

tia đồng thời lại giảm do bốc hơi các hạt nhiên liệu, tức là điều kiện không có lợi cho việc

bốc cháy

Khu vực có lợi nhất cho việc bốc cháy có thể là phần ngoài của tia nhiên liệu, trong khu vực này các hạt nhiên liệu có đường kính nhỏ chuyển động cùng với không khí Trong

phần đó của không gian buồng cháy việc kết thúc các phản ứng của quá trình chuẩn bị và

việc hình thành một hay nhiều trung tâm bốâc cháy sẽ phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ vận

động của hạt và những điều kiện về việc trao đổi nhiệt với vách xylanh

Phần ngoài của chùm tia được tiếp xúc với đỉnh piston hoặc các bề mặt bị sấy nóng khác, cho nên có thể làm cho các phản ứng tạo thành màng lửa tiến hành nhanh và đưa

đến bốc cháy

Sự xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên sẽ làm tăng nhiệt độ và áp suất, đẩy mạnh các phản ứng tạo thành màng lửa và đưa đến việc hình thành các trung tâm cháy

khác trong toàn bộ thể tích của hỗn hợp khí

Các quá trình hình thành khí hỗn hợp và chuẩn bị cho nó bốc cháy trong động cơ diesel bao gồm một loạt các quá trình trung gian và chiếm một khoảng thời gian nhất định

mà ta thường gọi là thời gian cháy trễ Trong thực tế thời kỳ cháy trễ được đánh giá bằng

khoảng thời gian (tính theo giây hoặc góc quay trục khuỷu) từ lúc bắt đầu phun nhiên liệu

cho đến lúc đường cháy tách khỏi đường nén trên đồ thị công và ký hiệu bằng ti hoặc qi

Giai đoạn cháy trễ dài hay ngắn có ảnh hưởng rất nhiều tới toàn bộ quá trình cháy và phụ thuộc vào các yếu tố hoá học, vật lý và kết cấu động cơ

Việc chuẩn bị cho hỗn hợp khí không đồng nhất bốc cháy được tốt trong một khoảng thời gian rất ngắn là điều vô cùng khó khăn, cho nên cần phải sử dụng hỗn hợp

khí có trị số a cao (a > 1) để thoã mãn các yều xúc tiến (gia tốc) các quá trình của các

phản ứng trong thời kỳ chuẩn bị cũng như khi cháy Sỡ dĩ như vậy là vì xác suất va chạm

giữa các phần tử nhiên liệu với các phần tử ôxy tăng khi a > 1, và kết quả là làm cho số

lượng các trung tâm hoạt tính và tốc độ cháy cũng tăng

Hình I-8: Đồ thị công triển khai của nhiệt độ T, áp suất P và toả nhiệt x

Hình I-9: Đặc tính cung cấâp nhiên liệu và toả nhiệt của động

Tăng trị số a có thể đảm bảo tốc độ tỏa nhiệt tăng mãnh liệt ở giai đoạn cháy thứ

ba và cũng có ảnh hưởng nhiều tới việc rút ngắn giai đoạn cháy rớt trong giai đoạn cháy

thứ tư

Đặc tính lan tràn màng lửa theo thể tích của buồng cháy trong động cơ diesel tới nay vẫn còn chưa được giải thích một cách hoàn chỉnh như đối với động cơ xăng Do đó

đương nhiên là còn nhiều kiến giải khác nhau về nguyên lý cá biệt có liên quan với những

phát hiện có tính chất vật lý của các hiện tượng xảy ra trong quá trình cháy của hỗn hợp

không khí – nhiên liệu trong động cơ diesel

I.9 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH QUY LUẬT PHUN NHIÊN LIỆU

Thiết bị cung cấp nhiên liệu trong động cơ diesel có nhiệm vụ cung cấp và tạo điều kiện để nhiên liệu hoà trộn đều với không khí trong xylanh động cơ Đối với các thiết bị

cung cấp nhiên liệu cần phải có các yêu cầu chính sau đây:

+ Phải tự điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình, ứng với mỗi chế độ tải và tốc độ động cơ

+ Phải phun nhiên liệu vào buồng cháy động cơ đúng lúc, theo qui luật đã định, đồng thời chất lượng phun phải đảm bảo cho nhiên liệu cháy nhanh

+ Nhiên liệu phải hoà trộn đều với không khí trong buồng cháy Phải tận dụng xoáy lốc của môi chất trong buồng cháy để nhiên liệu và không khí được hoà trộn với

nhau tốt hơn

Theo dòng phát triển của họ động cơ diesel, người ta đã đưa ra những cách điều chỉnh qui luật phun nhiên liệu vào buồng cháy với nhiều cách thức khác nhau Tuy nhiên

có thể phân chia các cách điều chỉnh này thành hai hướng: điều chỉnh qui luật phun nhờ

vào việc điều chỉnh quá trình làm việc của BCA và thay đổi qui luật phun nhờ vào việc

điều chỉnh vòi phun

I.9.1 Phương pháp điều chỉnh qui luật phun bằng cách điều chỉnh

hành trình có ích của BCA

Loại này có 3 dạng: piston vát xéo; cam biên dạng dọc và điều chỉnh bằng con nêm

Nguyên lý chung của phương pháp điều chỉnh này là thay đổi lưu lượng nhiên liệu bơm đi, điều này ít tuỳ thuộc vào vị trí của cạnh xiên trên đầu piston đối với lỗ nạp Hoặc

nếu xoay ti bơm cho cạnh xiên đóng sớm lỗ nạp, nhiên liệu sẽ bơm đi nhiều hơn Nếu

cạnh xiên đóng trễ lỗ nạp, nhiên liệu bơm đi ít hơn

Hình I-10:

Piston BCA có cạnh xiên vát xéo

Tuỳ theo vị trí cạnh vát xéo trên đỉnh piston

ở phía trên hay phía dưới mà điểm chấm dứt phun hay khởi đầu phun thay đổi Ngoài ra ở phương pháp này, khi đặt bơm cho 2

rãnh đứng của nó đối diện với 2 lỗ nạp, lưu lượng bơm đi sẽ là số không, vì vậy động cơ

sẽ tắt máy

Cũng có thể lượng phun nhiên liệu vào xylanh trong mỗi chu trình bằng cách thay đổi hành trình toàn bộ Stb của piston Trong trường hợp này sử dụng cam hình côn Thay

đổi vị trí làm việc của mặt cam theo hướng trục sẽ làm thay đổi hành trình toàn bộ của

piston

Hình I-11: BCA có van tiết lưu

I.9.2 Phương pháp điều chỉnh qui luật phun bằng ống lót (xylanh động)

Một phương pháp điều chỉnh qui luật phun nữa nhờ vào những biến thể của bơm phun nhiên liệu là việc điều chỉnh bằng ống lót Nguyên lý làm việc của BCA loại này

như sau: khi cần gạt tiết lưu ở vị trí không có nhiên liệu, ống lót xylanh sẽ dịch chuyển (do

trục điều khiển) xuống dưới cổng chia Vùng piston vẫn chịu áp suất do sự cân bằng áp

suất ở cổng chia và bơm nhiên liệu Khi piston dịch chuyển lên trên do tác dụng của thuỳ

cam và bộ nâng, cổng nạp piston đóng lại, cổng chia vẫn chứa bị đóng Nhiên liệu trong

ống lót xylanh dịch chuyển do piston và đi ra ngoài cổng chia cho đến khi piston này ở

ĐCT Khi piston bị ép xuống do lò xo của piston, nhiên liệu đi qua cổng chia và chiếm

vùng trống phía sau piston

Khi cần gạt tiết lưu chuyển sang vị trí không tải, vị trí một nữa nhiên liệu, hoặc nhiên liệu toàn phần, trục điều khiển sẽ đẩy ống lót và đóng cổng chia Ởû vị trí không tải,

cạnh trên của ống lót xylanh sẽ che khuất phía trên cổng chia Ống lót này tiếp tục đi lên,

mở rộng cổng chia cho phép tăng lượng nhiên liệu cung cấp

Hình I-13: Sơ đồ ống lót điều khiển các vị trí khác nhau

Ở vị trí nhiên liệu toàn phần, bất kể vị trí của ống lót xylanh, chỉ có cổng nạp được mở Khi piston chuyển dịch lên trên và cổng nạp đóng lại, áp suất nhiên liêïu trong đường

dẫn ở giữa piston và vùng phía trên sẽ tăng nhanh đẩy van kiểm tra đi lên Điều này làm

tăng áp suất trong đường phun cho đến khi lực tác dụng lên đầu phun vượt lớn hơn lực lò

xo Ngay khi phần trên của cổng chia đi qua phần trên của ống lót, nhiên liệu sẽ đi qua

cổng nạp, làm giảm áp suất nhiên liệu, van kiểm tra đóng lại, kết thúc quá trình phun

Piston tiếp tục đi xuống cho đến khi đạt được ĐCT, trong khi đó nhiên liệu thoát ra cổng

chia Khi piston đi xuống, nhiên liệu có thể đi vào cổng chia cho đến khi cổng này được

ống lót đóng lại Có một khoảng cách ngăn trên hành trình piston không có nhiên liệu đi

vào buồng trên piston, đây là khoảng thời gian giữa sự đóng cổng chia và mở cổng nạp

I.9.3 Phương pháp điều chỉnh qui luật phun bằng việc thay đổi

vị trí của van tiết lưu

Đây là một trong những phương pháp điều chỉnh qui luật phun nhiên liệu nhờ vào việc thay đổi về mặt nguyên lý của vòi phun trong động cơ diesel Trong các loại BCA

giới thiệu ở trên, qui luật cung cấp nhiên liệu cho vòi phun chủ yếu phụ thuộc vào hình

dạng cam dẫn động BCA, còn áp suất phun lại phụ thuộc vào sức cản thuỷ động của dòng

nhiên liệu đi qua lỗ phun Nhưng đối với phương pháp này, dòng nhiên liệu phun vào

buồng đốt động cơ được quyết định bởi sự đóng mở của van từ tính điều khiển bởi ECU

điều khiển trung tâm

Nhiên liệu được cung cấp áp suất cao trước khi đi vào cổng bộ phun từ phía đầu xylanh Khi piston 4 của bộ phun bị ép xuống, lò xo 1 bị nén lại, điều này sẽ bơm nhiên

liệu đi qua cụm van từ tính 3 Khi đó module điều khiển điện tử hoạt động, bộ điều khiển

này hoạt động trên cơ sỡ tổng hợp các dữ liệu nhờ vào hàng loạt cảm biến khác nhau trên

động cơ như: cảm biến thời chuẩn và tốc độ động cơ; cảm biến áp suất khí quyển; cảm

biến áp suất dầu; cảm biến nhiệt độ chất làm nguội; … , ECU sẽ tổng hợp các dữ liệu thu

được và xử lý chúng để điều khiển lượng phun và thời điểm phun trong phạm vi hướng

dẫn của module điều khiển, xác định vị trí theo kỳ hoạt động của động cơ Điều này được

xác định bằng số lượng nhiên liệu van từ tính 3 cho phép trở về thùng nhiên liệu, và xác

định số lượng nhiên liệu được phun và thời điểm phun Bộ phun tác động phun khi van từ

tính có điện Khi áp suất đạt đến mức không thấp hơn một giá trị xác định thì van kiểm tra

11 sẽ bắt đầu phun nhiên liệu

Hình I-14: Bộ kim phun liên hợp

Các cải tiến về phần mềm trợ giúp cho động cơ về điều chỉnh mạch nhiên liệu đã nâng cao quá trình định lượng tỷ số nhiên liệu – không khí và thời điểm phun một cách

chính xác, do đó đảm bảo tiêu thụ nhiên liệu tối ưu theo yêu cầu hoạt động của động cơ

I.9.4 Phương pháp điều chỉnh qui luật phun nhiên liệu dựa vào nguyên lý thời áp

Hệ thống này nhận năng lượng để ép nén nhiên liệu từ nguồn dầu động cơ áp suất cao Để hiểu rõ nguyên lý làm việc của vòi phun theo kiểu này ta xem bơm phun nhiên

liệu có thời chuẩn biến thiên, sự nâng thuỳ cam biến thiên và khoảng thời gian phun biến

thiên

Vòi phun nhiên liệu dạng này có 4 bộ phận chính:

- Van từ tính có nam châm điện dịch chuyển van đóng mở

- Van đóng mở là van lò xo để điều khiển sự đóng mở cho phép dầu động cơ áp suất cao đưa vào piston của bộ tăng áp

- Piston tăng áp thay cho cam được dùng như ở các loại động cơ khác, có thể tạo

ra áp suất phun nhiên liệu rất cao

- Bộ phun để phun sương nhiên liệu đưa vào xylanh

Nguyên lý làm việc của bộ phun thời áp biến thiên:

Hình I-15: Các bộ phận của bơm phun HEUI

ECM sẽ đưa ra tín hiệu cho van từ tính bộ phun, dịch chuyển van đóng mở sang vị trí đóng, đóng đường xả dầu động cơ, tạo ra áp suất trên bộ tăng áp và đẩy bộ này đi

xuống Piston cũng đi xuống cùng bộ tăng áp, tạo nên áp suất nhiên liệu Khi áp suất

nhiên liệu đạt đến giới hạn (4500 psi), van đầu phun sẽ đi lên và sự phun bắt đầu

Đôi khi áp suất nhiên liệu có thể đạt đến 21000 psi theo yêu cầu Áp suất này được tạo ra do piston, chỉ khoảnh khắc, nén nhiên liệu nhanh hơn nhiên liệu có thể đi qua các

lỗ phun và vào xylanh Điều này làm tăng mạnh sự tạo sương nhiên liệu Sự phun dừng lại

khi cuộn từ tính bị ngắt điện từ ECM

Sau khi van từ tính bị ngắt điện, van đóng mở trở về vị trí ban đầu do tác dụng của lực lò xo Van đóng mở, ở vị trí đóng sẽ đóng dầu động cơ ở áp suất cao và mở đường hồi

dầu về thùng Khi điều này xảy ra, áp suất nhiên liệu tác dụng lên piston sẽ trở nên lớn

hơn lực ép xuống của bộ tăng áp và sự phun dừng lại

Hình I-16 : Chu kỳ tải bằng số phần trăm thời gian hoạt động trong

một chu kỳ

I.9.5 Phương pháp điều chỉnh qui luật phun bằng điện tử trực tiếp

Đây là phương pháp được xem là mới nhất hiện nay với nhiều chức năng ưu việt, được sự trợ giúp của các máy tính lập trình sẵn, những thế hệ động cơ sử dụng phương

pháp điều chỉnh qui luật phun này đã đáp ứng được hàng loạt các chỉ tiêu kinh tế cũng như

ON

10%

1chu kỳ 90%

50%

OFF OFF

OFF

ON

ON

Chu kỳ tải = 10%

Chu kỳ tải = 50%

Chu kỳ tải = 90%

kỹ thuật của những động cơ thế hệ năm 2000 Để tìm hiểu rõ về nguyên lý hoạt động và

đặc điểm cấu tạo của hệ thống này, ta sẽ đi sâu tìm hiểu hệ thống phun nhiên liệu trực

tiếp điều khiển điện tử (chương sau), đây là hệ thống phun nhiên liệu hoạt động theo

phương pháp điều chỉnh qui luật phun nhiên liệu bằng điện tử

CHƯƠNG II:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU TRỰC

TIẾP ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ

Hệ thống phun nhiên liệu điện tử hay nói chính xác hơn là hệ thống phun nhiên liệu được điều khiển bằng các thiết bị điện tử, cũng có chức năng và yêu cầu hoàn toàn

tương tự chức năng và yêu cầu đối với hệ thống phun nhiên liệu cơ khí Tuy nhiên nó có

điểm khác nhau cơ bản giữa hệ thống phun nhiên liệu điện tử và hệ thống phun nhiên liệu

cơ khí là:

Hệ thống phun nhiên liệu điện tử có bộ phận điều khiển là ECM hay ECU, ECM hay ECU thay thế hoàn toàn cho bộ điều tốc cơ khí, các cảm biến tốc độ động cơ, cảm

biến vị trí tay ga, cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ và các cảm biến khác sẽ chuyển tín

hiệu về ECM hay ECU, rồi tính toán và điều chỉnh lượng nhiên liệu phun vào xylanh

động cơ

II.1 NHỮNG NÉT KHÁI QUÁT VÀ ƯU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG

PHUN NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ

II.1.1 Những nét khái quát

Con đường thứ ba của lịch sử phát triển động cơ đốt trong đã sáng tạo rất nhiều cơ cấu và hệ thống đặc biệt nhằm nâng cao công suất và hiệu suất của động cơ cũng như các

vấn đề về bảo vệ môi trường Các cơ cấu như Valvetronic, hệ thống phun xăng điện tử

EFI, GDI, và hệ thống phun nhiên liệu (diesel) điện tử… lần lượt được ra đời

Động cơ diesel được dùng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực giao thông vận tải, khai thác thuỷ sản,… Trở ngại lớn nhất cho khả năng ứng dụng của nó là tiếng ồn đặc biệt

là loại động cơ sử dụng hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp (buồng cháy thống nhất) Song

với yêu cầu ngày càng cao về giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu và khí xả thì động cơ diesel

phun trực tiếp, tăng áp cao ngày càng được sử dụng rộng rãi

Sự hình thành hỗn hợp cháy đặc biệt ở động cơ diesel phun trực tiếp phụ thuộc hoàn toàn vào sự cung cấp (phun) nhiên liệu Hệ thống nhiên liệu dùng cho động cơ

diesel cho đến nay chủ yếu là kiểu BOSCH bao gồm cặp piston – xylanh, đường ống dẫn

dầu cao áp, vòi phun đã không thoã mãn được các yêu cầu trên Vào những năm 80 của

thế kỹ trước, Fiat đã đi sâu nghiên cứu cải tiến hệ thống nhiên liệu dùng cho động cơ

diesel nhằm thoã mãn các yêu cầu sau:

+ Tiêu hao nhiên liệu thấp

+ Cải thiện đặc tính công suất của động cơ diesel, để có mômen và số vòng quay lớn

+ Giảm tiếng ồn do cháy gây ra, do đó cải thiện tiếng ồn của động cơ

+ Cải thiện đặc tính khởi động lạnh

+ Đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe về khí xả

II.1.2 Những ưu điểm của hệ thống phun nhiên liệu điện tử

Việc sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử trong các động cơ diesel hiện đại thay cho các hệ thống phun nhiên liệu cổ điển bằng BCA điều khiển bằng cơ khí trước

nay đã tạo nên khả năng làm việc tối ưu của động cơ Do việc thiết kế phương án giữa

đường ống nạp tối ưu và việc sử dụng vòi phun trực tiếp đã làm cho hiệu suất động cơ

tăng lên rất nhiều

Đáp ứng yêu cầu về các chất phát thải trong động cơ Với việc sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử, lượng độc tố trong khí thải được giảm đến mức thấp nhất Như ta

đã biết sự hình thành hơi độc trong khí thải động cơ diesel có liên quan trực tiếp đến rất

nhiều yếu tố như: tỷ lệ hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí, kết cấu buồng cháy, chất

lượng phun nhiên liệu, … Vì vậy muốn cho khí thải của động cơ bớt hơi độc thì hệ thống

nhiên liệu phải đáp ứng các khả năng trên

Đáp ứng được các chỉ tiêu kinh tế của động cơ mà cụ thể là việc tiết kiệm nhiên liệu của hệ thống này Các vòi phun được điều khiển bởi một bộ xử lý điều khiển điện tử

trung tâm ECM, nhờ vậy các xylanh được cung cấp một lượng dầu đồng đều, thống nhất ở

bất kỳ chế độ hoạt động nào của động cơ

Một ưu điểm nữa của hệ thống phun nhiên liệu điện tử là động cơ làm việc rất tin cậy, động cơ có khả năng thích ứng với mọi chế độ tải trọng khác nhau, đặc biệt là khả

năng thích ứng và can thiệp cực nhanh khi tải thay đổi Bộ điều khiển và xử lý trung tâm

ECM chỉ huy vòi phun phun dầu vào xylanh trong thời gian cực nhanh tính bằng phần

ngàn của một giây đồng hồ

II.2 NHỮNG NÉT ĐẶC TRƯNG VỀ CÁC ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG HỆ THỐNG PHUN

NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ

So với các động cơ thế hệ trước đã sử dụng buồng đốt phụ Mặc dù đã được điện tử hoá nhằm khắc phục những nhược điểm tồn tại trong quá trình cháy nhưng vẫn chưa thật

sự loại bỏ được những khó khăn đó Các động cơ diesel hiện đại sử dụng hệ thống phun

nhiên liệu điện tử đã tạo ra một bước nhảy vọt về mặt hiệu suất cũng như tiết kiệm nhiên

liệu, đặc biệt hệ thống này đã nâng cao khả năng tăng tốc độ quay đáng kể mà ở các loại

động cơ trước kia khi sử dụng buồng cháy thống nhất mắc phải

Trong hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp, thì nhiên liệu được phun trực tiếp vào trong buồng đốt của động cơ dưới áp suất rất cao khoảng 300 bar Điều khác biệt so với

các động cơ khác trong họ động cơ diesel là hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp điều khiển

điện tử, nhiên liệu được phun trực tiếp vào phía trên đỉnh của piston Có thể nhận thấy

rằng hiệu quả của động cơ được cải thiện đáng kể hơn nhờ những nhân tố sau:

+ Chất lượng hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí tốt hơn

+ Làm giảm sự hao phí nhiệt độ cho các công việc khác

+ Sự đốt cháy hỗn hợp trực tiếp trong buồng cháy chính (không dùng buồng đốt phụ như các động cơ diesel thế hệ củ) đã đơn giản hoá về mặt kết cấu của động cơ

Đặc tính kỹ thuật nỗi bật của của các loại động cơ sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử chính là những cải tiến ở phần đầu các xylanh, cụ thể như:

+ Không sử dụng buồng cháy phụ

+ Buji sấy được định vị ở một vị trí đặc biệt nhằm tạo hiệu quả tối ưu cho việc sấy nóng nhiên liệu khởi động

+ Các vòi phun diesel được bố trí ở những vị trí đặc biệt trong buồng đốt nhằm tạo điều kiện tốt nhất cho quá trình phun nhiên liệu và hoà trộn thành hỗn hợp cháy tối ưu

Bên cạnh đó, hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp điều khiển điện tử còn có những cải tiến vượt bậc từ những cải tiến vốn đã rất hiệu quả của các loại động cơ trước đây:

+ Hạn chế sự hao mòn do rung động gây ra bởi sự va chạm của các van con lăn

+ Sự tối ưu hoá đường ống nạp khí mới và lối thoát khí xả

+ Sự giảm tối thiểu trọng lượng động cơ nhằm nâng cao trọng tải cho tàu hoặc tính linh động cho ôtô

II.3 HỆ THỐNG VÒI PHUN NHIÊN LIỆU

Trong hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp điều khiển điện tử, các vòi phun được bố trí và có những đặc điểm giống như những vòi phun cổ điển từ trước tới nay

+ Nhiên liệu được phun trực tiếp vào phía trên đỉnh của piston, điều này làm giảm triệt để sự mất mát nhiệt trong lòng xylanh, tạo điều kiện hơn cho khả năng làm việc của

động cơ

+ Vòi phun trực tiếp được vận hành bởi sự điều khiển một cách rất chính xác (có

khi đến máy móc) của bộ xử lý trung tâm ECM thông qua hệ thống cảm biến gắn trên đĩa

phân phối khi quay tròn theo tốc độ của trục khuỷu

+ Áp suất phun nhiên liệu tại cửa ra của bơm không thể vượt quá (300 – 400) bar khi động cơ chạy không tải và không vượt quá 900 bar khi động cơ hoạt động ở tốc độ

cao

Tuy nhiên, với những đặc điểm trên cũng chính là những nguyên nhân gây nên một số trở ngại cố hữu của hệ thống, cụ thể là trong việc điều chỉnh lượng thiếu hụt nhiên liệu

trong quá trình phun nhiên liệu và tiếng ồn của động cơ do hiệân tượng cháy trước Vì thế,

hệ thống vòi phun trực tiếp này không được sử dụng rộng rãi trên các loại động cơ diesel

trước đây

II.4 NGUYÊN LÝ CỦA HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU TRỰC TIẾP ĐIỀU

KHIỂN ĐIỆN TỬ

Việc sử dụng vòi phun nhiên liệu trực tiếp đòi hỏi trong hệ thống phải có một áp suất rất cao trong quá trình làm việc, vì thế người ta đã đưa ra một bình tích áp chung cho

tất cả các vòi phun Các vòi phun này được điều khiển bởi một bộ xử lý trung tâm ECM

sau khi tổng hợp các thông số do hàng loạt các cảm biến thu được từ động cơ

Việc sử dụng bình tích áp đã giải quyết được vấn đề vốn đòi hỏi rất cao ở hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp điều khiển điện tử là cần có áp suất nhiên liệu cao Nhờ có nó

mà áp suất của vòi phun có thể đạt đến 1350 bar tại tốc độ động cơ cực đại (các động cơ

mới nhất đã đạt được áp suất là 1600 bar)

Vòi phun nhiên liệu được điều khiển từ ECM sau khi tổng hợp các thông số sau:

+ Tốc độ động cơ

+ Vị trí của trục khuỷu

+ Nhiệt độ nước làm mát

+ Nhiệt độ không khí nạp

+ Nhiệt độ nhiên liệu

+ Áp suất nhiên liệu + Áp suất khí quyển

+ Vị trí tay ga

* Chức năng của bộ ECM điều khiển vòi phun:

- Giúp vòi phun làm việc một cách liên tục trong suốt một thời gian dài dưới điều

kiện áp suất rất cao của nhiên liệu

- Điều khiển việc phun sớm của vòi phun nếu cần thiết nhằm làm giảm tiếng ồn do

hiện tượng cháy trước trong xylanh gây ra

- Để điều khiển lưu lượng phun nhiên liệu được phun vào buồng đốt nhờ vào thời gian đóng mở van điện từ của vòi phun

Việc đưa vào sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử trên các động cơ diesel hiện đại đã tạo ra một cuộc cách mạng trong việc nâng cao hiệu suất, động cơ làm việc

tin cậy và tiết kiệm nhiên liệu

Đặc biệt, lợi ích lớn nhất mà hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp điều khiển điện tử mang lại là việc làm giảm tối thiểu lượng độc hại của các chất phát thải trong khí xả

(CO2, CO, HC và các dạng khác của Cacbon) Đây là kết quả của việc điều khiển quá

trình phun kết hợp với việc sử dụng bình chuyển xúc tác để làm giảm sự độc hại của NO

cũng như các chất phát thải khác

Để làm rõ quá trình hoạt động và đặc điểm cấu tạo cụ thể của hệ thống này, ta sẽ

đi sâu nghiên cứu ở chương tiếp theo

CHƯƠNG III ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT

ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ

III.1 NGUYÊN LÝ CỦA HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ

III.1.1 Sơ đồ nguyên lý:

Tốc độ động

cơ (v/ph) Vị trí trục khuỷu

Lưu lượng không khí Nhiệt độ chất làm nguội

Nhiệt độ không khí nạp Ôxy xả Hệ thống các cảm biến

Bình nhiên liệu

Bộ phun nhiên liệu

Hình III-1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống phun nhiên liệu điện tử

Hình III-1 minh họa cho các bộ phận trong hệ thống phun nhiên liệu điện tử được

đơn giản hoá Hầu hết các bộ phận của hệ thống đều được điều khiển bằng điện tử Bộ

điều khiển là máy tính động cơ – module điều khiển điện tử (ECM) hoặc module điều

khiển truyền động công suất (PCM)

Các bộ phận của động cơ và hệ thống nhiên liệu có các bộ cảm biến gởi tín hiệu điện cho ECM, mỗi bộ cảm biến nhận và tương tác với tín hiệu, chẳng hạn sự thay đổi

nhiệt độ, áp suất, điện áp Một số bộ cảm biến thông báo lượng không khí đi vào Sử dụng

thông tin này, ECM liên tục tính toán lượng nhiên liệu cần phun, mở các bộ phun nhiên

liệu thích hợp với lượng nhiên liệu để đạt được tỷ lệ không khí – nhiên liệu mong muốn

Và cảm biến vị trí piston sẽ cung cấp tín hiệu cho ECM biết vị trí của piston và ECM sẽ

quyết định thời điểm phun nhiên liệu phù hợp

III.1.2 Các cơ sở của hệ thống phun nhiên liệu điện tử

Hệ thống phun nhiên liệu điện tử là kiểu hệ thống điều khiển điện tử, bao gồm các bộ phận cảm biến là các thiết bị nhập thông tin, bộ điều khiển (ECM hay PCM), các bộ

kích hoạt hoặc thiết bị xuất được ECM hay PCM điều khiển

Bộ cảm biến báo thông tin cho ECM bao gồm:

+ Tốc độ động cơ

+ Vị trí trục khuỷu

+ Chân không bộ góp khí nạp và áp suất tuyệt đối bộ góp khí nạp

+ Nhiệt độ chất làm nguội động cơ

+ Số lượng và nhiệt độ không khí nạp

+ Lượng ôxy trong khí xả

+ Áp suất khí quyển

ECM liên tục nhận thông tin này, kiểm tra với thông tin được lưu trong bộ nhớ, sau đó quyết định thời điểm và khoảng thời gian mở bộ phun nhiên liệu

Sự mở và đóng bộ phun tạo thành chu kỳ làm việc của bộ phun Khoảng thời gian ECM yêu cầu bộ phun mở được gọi là chiều rộng xung của bộ phun Giả sử, cần có thêm

nhiên liệu cho van tiết lưu mở để gia tốc và tăng lượng không khí đi vào, ECM sẽ tăng

chiều rộng xung, giữ cho các bộ phun mở lâu hơn

Từ sơ đồ nguyên lý, ta có thể chia hệ thống phun nhiên liệu điện tử thành 3 mạch nhỏ với các chức năng tương ứng như sau: mạch cung cấp nhiên liệu; mạch điều khiển

điện tử và bộ phun nhiên liệu

III.2 MẠCH CUNG CẤP NHIÊN LIỆU

III.2.1 Sơ đồ mạch cung cấp nhiên liệu

Hình III-2: Sơ đồ mạch cung cấp nhiên liệu kiểu tích áp

1) Van định lượng nhiên liệu N290