1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu
2.2. Quá trình cung cấp nhiên liệu trên động cơ diesel
Bơm cao áp định l−ợng nhiên liệu t−ơng ứng với chế độ làm việc của động cơ, đ−a nhiên liệu cao áp tới vòi phun đảm bảo cùng với các phần tử khác của hệ thống, có đ−ợc đặc tính phun theo yêu cầu.
ở động cơ ô tô máy kéo sử dụng hai ph−ơng pháp định l−ợng chính: ph−ơng pháp ngắt và ph−ơng pháp tiết l−u đ−ờng nạp.
Trên hình 2.6 là sơ đồ làm việc của nhánh bơm kiểu con tr−ợt ngắt Khi piston 3 chuyển động trong xi lanh 2 xảy ra:
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….37
Hình a: chảy nhiên liệu từ thể tích buồng bơm ở xi lanh qua cửa nạp 1 đến r1nh dẫn trong thân bơm.
Hình b: Cung cấp nhiên liệu nhờ piston khi đi qua lỗ 1 sau đó mở van áp suất 5 ở thể tích ống nối 4 của bơm. Khi đó áp suất PH và P'H tăng đột ngột
Hình 2.6. Sơ đồ làm việc của nhánh bơm kiểu con tr−ợt ngắt
Hình c: ngắt cung cấp nhiên liệu đi qua r1nh 6, 7 khi đó áp suất PH và P'H giảm xuống, và van triệt áp d−ới tác dụng của lò xo và độ chênh áp PH và P'H sẽ đóng lại.
Hình d: Việc nạp nhiên liệu vào xi lanh bơm đ−ợc thực hiện khi piston chuyển động xuống d−ới, bắt đầu qua lỗ 7 và sau đó qua lỗ 1, bằng cách đó piston cung cấp nhiên liệu và thực hiện việc đóng mở cửa nạp. cửa xả nh− một van tr−ợt.
Sự bắt đầu và kết thúc hình học của việc cung cấp t−ơng ứng với thời điểm đóng hoàn toàn lỗ nạp 1 và bắt đầu mở lỗ 7 cho r1nh ngắt 8. Khi đó piston thực hiện hành trình tích cực Sa và l−ợng cung cấp hình học của bơm là:
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….38
fP1:Diện tích đáy piston sa : Hành trình piston bơm
Biểu thức trên cho ta thấy có thể thay đổi VhP bằng cách tăng giảm hành trình tích cực hoặc diện tích đáy piston. ở cặp piston xi lanh bơm để thay đổi sa, r1nh ngắt đ−ợc chế tạo đ−ờng xoắn vít. Khi xoay piston sẽ làm thay đổi hành trình tích cực, l−ợng cung cấp hình học và thực tế của chu trình. Đồng thời khi giảm Vct là làm thay đổi pha cung cấp: Thời điểm bắt đầu cung cấp không thay đổi, thời điểm kết thúc sớm hơn, thời gian cung cấp ngắn lại. Có thể chế tạo r1nh ngắt theo dạng vít xác định thời điểm đóng cửa mà giữ thời điểm bắt đầu ngắt không đổi. Khi tăng l−ợng cung cấp chu trình việc phun sẽ muộn hơn. Cũng có thể thiết kế r1nh xoắn để khi giảm Vct điểm bắt đầu phun chậm hơn và muộn hơn, tr−ờng hợp này
làm tăng tính phức tạp của cấu trúc. Do tính công nghệ của chế tạo ng−ời ta th−ờng sử dụng bơm nhiên liệu kiểu con tr−ợt, trên hình 2.6 bắt đầu cung cấp thay đổi, kết thúc cung cấp thay đổi.
ở bơm phân phối thí dụ kiểu bơm HD-21, piston bơm trong quá trình cung cấp nhiên liệu thực hiện chuyển động quay và tịnh tiến. Thay đổi l−ợng cung cấp nhờ dịch chuyển ống tr−ợt 1 dịch theo piston 2, do đó thay đổi thời điểm bắt đầu mở lỗ thông 3 trên piston nhờ mép trên của ống tr−ợt. Bơm nh− vậy có thời điểm hình học không đổi và kết thúc cung cấp thay đổi.
ở một số hệ thống cung cấp nhiên liệu việc điều chỉnh l−ợng cung cấp nhiên liệu đ−ợc thực hiện nhờ thay đổi sự nạp nhiên liệu theo thể tích VH vào xi lanh.
Hình 2.7.Ph−ơng pháp thay đổi l−ợng cung cấp ở bơm phân phối
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….39
ở r1nh dẫn nhiên liệu đến xi lanh bơm ng−ời ta đặt cơ cấu tiết l−u đặc biệt. Sơ đồ hoạt động của bơm nhiên liệu tiết l−u cửa nạp đ−ợc biểu diễn trên Hình 2.8 khi piston 1 chuyển động xuống d−ới trong thể tích VH của xi lanh 2 xảy ra sự bốc hơi một phần nhiên liệu. Thể tích chứa đầy hơi có áp suất Pp (Hình 2.8.a) khi piston mở lỗ nạp ở xi lanh nhiên liệu bắt đầu đi vào thể tích VH qua tiết diện fdP của van tiết l−u 3 và qua cửa fok (Hình 2.8.b). Tốc độ chảy vào đ−ợc xác đinh bởi độ lệch áp suất PbP - PP. Lúc bắt đầu hành trình bơm xảy ra sự ng−ng tụ hơi nhiên liệu, áp suất và thể tích Vh khi đó không tăng (Hình 2.8.c). Sự cung cấp bắt đầu khi tất cả không gian bên trong chứa đầy nhiên liệu. Theo mức độ mở van tiết l−u và sự giảm áp suất PbP, trị số của chúng có thể thay đổi khi xả còn nhiên liệu từ khoang nạp về thùng, làm giảm l−ợng cung cấp nhiên liệu đến thể tích VH và t−ơng ứng l−ợng cung cấp chu trình. Khi đó giảm Vct sẽ bắt đầu phun muộn hơn và sự kết thúc phun thay đổi không đáng kể.
Hình 2.8. Sơ đồ làm việc của bơm nhiên liệu tiết l−u cửa nạp
Khi thay đổi l−ợng cung cấp nhờ tiết l−u cửa nạp, piston không có r1nh xoắn ngắt nhanh điều đó đảm bảo các thông số điều chỉnh của bơm. Hệ thống cung cấp nh− vậy đảm bảo dạng đặc tính tốc độ của bơm tốt hơn so với bơm có r1nh ngắt. ở bơm nhiều nhánh sự ứng dụng tiết l−u đ−ờng nạp khó khăn do
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….40
tính phức tạp của việc đảm bảo tính giống nhau về sức cản của các cơ cấu tiết l−u.
Tăng l−ợng cung cấp, có thể nhờ sử dụng piston đ−ờng kính lớn và giữ nguyên hành trình tích cực cực đại. Khi đó tuy nhiên không cho phép tăng quá hệ thống để không làm ảnh h−ởng của tính chịu nén đến quá trình phun, gây ra sự kéo dài quá trình phun.
Hình dạng đặc tính phun đ−ợc tạo ra nhờ bơm nhiên liệu, Piston bơm khi dịch chuyển vô cùng nhỏ đ1 đẩy đ−ợc 1 thể tích nhiên liệu:
dVpl = fpl.dSpl.Cpl.dτ
ở đây SPl và Cpl là dịch chuyển và tốc độ piston. Khi đó l−ợng cung cấp trongmột giây sẽ là:
QPl = dVPl / dτ= fpl. Cpl
Để dịch chuyển piston bơm ng−ời ta sử dụng truyền động cam với các dạng profin khác nhau ảnh h−ởng đến trị số và đặc tính tay đổi tốc độ của piston trên đoạn hành trình tích cực. Sử dụng phổ biến nhất là cam lồi do chế tạo đơn giản.
Trên hình 2.9 biểu diễn đ−ờng cong SPl và CPl theo góc quay ϕk của cam có Profin tiếp tuyến, ở đó cũng giới thiệu hành trình so của piston từ lúc bắt đầu chuyển động đến khi đóng cửa nạp và hành trình tích cực sa. Trên trục hoành đánh dấu góc cung cấp hình học θHp .Đ−ờng cong thay đổi tốc độ CPl ở khoảng ϕhn đến ϕnk ở một tỷ lệ nhất định là đặc tính phun hình học.
Pha tác động và dạng sóng áp suất của bơm phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố trong đó có sự tiết l−u của nhiên liệu qua các lỗ ở xilanh bơm và tính chịu nén của nhiên liệu ở xilanh và các ống nối.
Sự tiết l−u sinh ra khi nhiên liệu chảy qua các lỗ nạp và các lỗ nạp và lỗ ngắt từ xilanh đến các r1nh của bơm nhiên liệu. Theo mức độ chuyển động của piston bơm, tiết diện l−u thông của cửa nạp giảm và tốc độ cung cấp thể
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….41
tích QPl tăng. Do Ph và thời điểm bắt đầu cung cấp hình học có thể bắt đầu nâng van áp suất làm tăng P'H ở ống nối. Do tạo thành sóng áp suất dọc, có thể dẫn đến bắt đầu sự cung cấp sớm hơn. Từ thời điểm mở cửa ngắt, diện tích của nó tăng từ t−ơng ứng với áp suất PH và không giảm ngay lập tức, nh− vậy sự kết thúc cung cấp không xảy ra đột ngột mà chậm hơn so với sự kết thúc hình học.
Tính chịu nén của nhiên liệu ở thể tích VH và V'H tính chịu nén của nhiên liệu dẫn đến sự tích tụ nhiên liệu ở đoạn tăng áp suất PHvà P'H . Kết quả là tốc độ cung cấp thể tích thực tế ở đoạn đó nhỏ hơn tốc độ cung cấp hình học. Khi áp suất PHvà P'H giảm nhiên liệu đ−ờng gi1n ra làm tăng l−ợng cung cấp so với l−ợng cung cấp hình học. Điều đó làm kéo dài sự cung cấp khi ngắt. ảnh h−ởng của tính chịu nén càng lớn khi tăng tốc độ và mức áp suất cũng nh− thể tích nhiên liệu trong hệ thống.
Hình 2.9. Sự thay đổi SPl và CPl và pha cung cấp hình học khi Nk = 1000 vòng/phút ở cam tiếp tuyến
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….42
Để giảm lọt khí và tránh ảnh h−ởng của tính đồng đều l−ợng cung cấp theo xilanh, khi các cặp piston xilanh bơm đ−ợc chế tạo rất chính xác. Khe hở giữa piston và xilanh bơm đạt đến 0,5-2 àm.
Giữa cặp piston, xilanh bơm và đ−ờng ống cao áp ng−ời ta đặt van áp suất (còn gọi là van triệt hồi), nó đảm bảo điều kiện giống nhau ở các thể tích ống nối V'H, ống dẫn PT và ở vòi phun Vφ, tr−ớc khi bắt đầu mỗi lần phun và có ảnh h−ởng đáng kể đến trị số áp suất còn lại ở thể tích này.Nó cách ly các thể tích V', VT và Vφ với thể tích VH, khi ngăn trở sự chảy ng−ợc của nhiên liệu ở hành trình trả về của piston và sự lọt khí vào ống nối, ống dẫn và vòi phun. Nhờ van áp suất cũng có thể hiệu chỉnh đặc tính tốc độ cung cấp nhiên liệu. ở thiết bị cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel sử dụng các van áp suất có cấu trúc khác nhau (hình 2.10). Van áp suất dạng hình nấm (hình 2.10.a), có hình nấm 4 và r1nh thoát 3 ở trên, phía d−ới có đuôi 3 và 4 r1nh nhiên liệu.
Khi bắt đầu dịch chuyển từ ổ van chiếm chỗ 1 phần thể tích ống nối, áp suất trong ống nối tăng và nhiên liệu chảy vào ống dẫn cao áp. Nhiên liệu từ thể tích VH bắt đầu đi vào thể tích V'H, qua vành 3 và ổ đặt 1. Khi ngắt áp suất PH giảm và trị số P'H trở nên lớn hơn PH do đó nhiên liệu chảy ng−ợc lại xilanh và van chuyển động về ổ đặt.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….43
Theo mức độ tụt xuống của van áp suất tự thời điểm khi mà mép d−ới của hình trụ 3 đi vào ổ đặt đến khi tựa vào ổ dặt, thể tích tự do ống nối của bơm đ−ợc gọi là thể tích thoát tải:
Vth = fkl. Hkl Trong đó:
Fkl là diện tích tiết diện vành thoát tải Hkl là hành trình thoát tải
Khi đó áp suất P'H ở ống nối đột ngột giảm và sự cung cấp của bơm nhiên liệu ngừng lại. Tăng Vth dẫn đến giảm mạnh P'H và dẫn đến áp suất còn lại Pt,0 trong ống nối, ống dẫn và vòi phun. ở một vài tr−ờng hợp khi trị số Vth lớn, áp suất còn lại giảm đến áp suất đàn hội của hơi nhiên liệu dẫn đến làm mất tính nhiên liệu của đ−ờng cao áp. Khi đó tạo thành các thể tích tự do chứa hơi không khí tách ra từ nhiên liệu.
Trên hình 2.10.b van áp suất hình nấm có các lỗ ở tâm và h−ớng kính để l−u thông nhiên liệu không cần vành thoát tải. Van nh− vậy gọi là van hiệu chỉnh. Ngoài ra ng−ời ta còn sử dụng van áp suất kép (hình 2.10.c). Trong quá trình cung cấp d−ới tác dụng của áp suất PHvan 10 đóng vào ổ 9 nhờ lò xo 11. Giữa các mặt mút của van và ổ đặt tạo thành khe hở, qua đó nhiên liệu đi từ thể tích VHvà V'H. Van phụ 8 đ−ợc đặt vào mặt mút của van 10 nhờ lò xo 7. Sau khi ngắt và van 10 tựa vào ổ đặt 9, van 8 mở d−ới áp suất P'H áp suất này giảm so chảy ng−ợc nhiên liệu. Hiệu ứng này cũng có thể xảy ra khi có sóng áp suất lan truyền ng−ợc từ vòi phun. Van áp suất kép th−ờng sử dụng ở bơm phân phối.
Sự chảy nhiên liệu qua van áp suất ảnh h−ởng đến l−ợng cung cấp chu trình và trị số áp suất còn lại. L−ợng cung cấp chu trình đ−ợc xác định bằng tổng đa số l−ợng nhiên liệu đi từ thể tích VHvà thể tích V'H và l−ợng chảy ng−ợc qua van áp suất.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….44
Qua quá trình phân tích ở trên ta thấy bơm cao áp là một bộ phận rất quan trọng và có ảnh h−ởng lớn trong hệ thống cung cấp nhiên liệu trên động cơ Diesel. Nó có tính chất quyết định tới quá trình làm việc của động cơ. Nếu bơm cao áp bị mòn, hỏng sẽ dẫn tới động cơ không thể làm việc đ−ợc hoặc làm việc đ−ợc nh−ng động cơ không phát huy đ−ợc hết công suất, tiêu tốn nhiều nhiên liệu. Không những vậy nó còn gây tổn thất về kinh tế và làm ô nhiễm môi tr−ờng.