NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢ
2.1. TỔNG QUAN CHẤT LƯỢNG PHUN NHIÊN LIỆU CỦA ĐỘNG
CƠ DIESEL.
2.1.1. Giới thiệu hệ thống phun nhiên liệu thường gặp.
Hệ thống phun nhiên liệu thường gặp là tên gọi mang tính quy ước của hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp cĩ những đặc điểm sau đây: tồn bộ hệ thống phun nhiên liệu đuợc tổ hợp từ các ‘’tiểu hệ thống phun’’ hồn tồn giống nhau. Mỗi hệ thống phun được cấu thành từ một phần tử bơm, 1 ống cao áp và một vịi phun nhiên liệu (Hình. 2- 1). Động cơ cĩ bao nhiêu Cylindre thì cĩ bấy nhiêu hệ thống phun. Các tiểu hệ thống phun hoạt động độc lập với nhau. Thơng thường, động cơ nhiều Cylindre vẫn cĩ thể làm việc nếu một hoặc vài tiểu hệ thống phun bị hỏng.
Hình. 2- 1.Cấu tạo tiểu hệ thống phun của HTPNL với bơm cao áp Boch. 1 – Cam nhiên liệu, 2 – Con đội, 3 – Lị so khứ hồi, 4 – Piston, 5 – Vành răng và thanh điều khiển, 6 – Xylanh, 7 –Van triệt hồi , N - Khoang nạp, B – Khoang bơm, C - Khoang cao áp, F – Khoang phun.
2.1.2.Chất lượng tạo hỗn hợp cháy ởđộng cơ diesel. · Yêu cầu về chất lượng tạo hỗn hợp cháy ở động cơ diesel.
- Nhiên liệu phải hĩa hơi nhanh.
- Nhiên liệu phải hịa trộn đều với khơng khí. - Giảm thời gian cháy trễ.
- Giảm thời gian cháy rớt.
- Tăng lượng nhiên liệu và tốc độ trong thời gian cháy chính.
- Hệ số dư lượng khơng khí a phải phù hợp với các chế độ hoạt động của động cơ.
· Các thơng số ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của quá trình phun nhiên liệu. - Áp suất bơm ( Pb ).
- Áp suất phun (Pf ).
- Áp suất mở vịi phun (Pfo ). - Hành trình kim phun (Hk ). - Cấu trúc tia nhiên liệu. - Quy luật phun.
Lượng nhiên liệu chu trình (gct ) và độ định lượng khơng đồng đều (Dg ). · Gĩc phun sớm (F ) và độ định thời khơng đồng đều (DF ).
· Áp suất bơm (pb ) – áp suất của nhiên liệu đươc đo tại khoang bơm của bơm cao ( khoang bơm là khơng gian trong Cylindre của bơm cao áp được giới hạn bởi Piston, mặt dưới của van triệt hồi và thành Cylindre).
· Áp suất phun (pf ) – áp suất của nhiên liệu tại khoang phun ( khơng gian chứa nhiên liệu trong đầu phun của vịi phun).
· Áp suất mở vịi phun (pfo) – áp suất phun tại thời điểm kim phun bắt đầu được nâng lên khỏi bệ đỡ.
· Hành trình của kim phun ( hk) – chuyển vị của kim phun trong quá trình phun nhiên liệu. Quy ước lấy hk = 0 ứng với vị trí đĩng kim phun, tức là khi kim phun cịn tiếp xúc với bệ đỡ.
Áp suất bơm (pb) và áp suất phun (pf) thay đổi theo gĩc quay trục khuỷu động cơ (Hình.2- 2). Đặc điểm biến thiên và trị số của pb, pf phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố, như : đặc điểm cấu tạo và tình trạng kỹ thuật của hệ thống phun, chế độ làm việc của động cơ, các hiện tượng thủy động diễn ra trong khoang nạp, khoang bơm và khoang cao áp, v.v. Áp suất mở vịi phun (pfo) là một thơng số điều chỉnh quan trọng, nĩ ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tia nhiên liệu và chất lượng quá trình tạo hỗn hợp cháy, bởi vì khi thay đổi áp suất mở vịi phun cũng cĩ nghĩa là ta thay đổi đồng thời áp suất đĩng vịi phun và áp suất phun trung bình trong quá trình phun nhiên liệu.
Áp suất mở vịi phun cao hay thấp phụ thuộc vào đặc điểm kỹ thuật của động cơ, trong đĩ cấu tạo buồng đốt và tốc độ quay là hai yếu tố quyết định. Thơng thường, pfo
=100 – 200 bar; trị số nhỏ dùng cho động cơ cĩ buồng đốt ngăn cách với vịi phun kiểu chốt, trị số lớn – buồng đốt thống nhất với vịi phun kiểu lỗ. Đối với một kiểu động cơ cụ thể, áp suất mở vịi phun được điều chỉnh theo trị số do nhà chế tạo quy định.
Thời điểm bắt đầu hành trình bơm của piston của bơm cao áp được ký hiệu bằng điểm A trên đồ thị. Thời điểm bắt đầu bơm hình học (thời điểm piston đĩng hồn tồn lỗ xả) được ký hiệu bằng điểm 1. nhiên liệu bắt đầu được bơm vào khoang cao áp khi áp suất trong khoang bơm cân bằng với áp suất dư trong ống cao áp và thắng sức căng của của lị xo van triệt hồi (điểm 2). Khi áp suất của nhiên liệu trong khoang phun đạt tới trị số pfo ( điểm 3), kim phun được nâng lên khỏi vị trí tiếp xúc với bệ đỡ. Đĩ chính là thời điểm thực tế bắt đầu phun nhiên liệu.
Giai đoạn tính từ điểm 2 đến điểm 3 được gọi là giai đoạn chậm phun (j23). Thơng thường j23 = 2 –150 gqtk.
Gĩc quay trục khuỷu tính từ thời điểm thực tế bắt đầu bơm (điểm 2) và thực tế bắt đầu phun ( điểm 3) đến thời điểm Piston của động cơ tới ĐCT gọi là gĩc bơm sớm (jbs)
và gĩc phun sớm (q). Việc xác định thời điểm thực tế bắt đầu phun nhiên liệu địi hỏi những trang thiết bị phức tạp, bởi vậy thay vì phải kiểm chỉnh gĩc phun sớm, chúng ta thường kiểm chỉnh gĩc bơm sớm. Rõ ràng là, với cùng một trị số gĩc bơm sớm, giai đoạn chậm phun càng lớn thì gĩc phun càng nhỏ.
Thời điểm kết thúc phun hình học ( thời điểm rãnh chéo trên Piston thơng với khoang nạp ) được ký hiệu bằng điểm 5 trên đồ thị. Trong một thời gian rất ngắn sau thời điểm 5, nhiên liệu từ khoang bơm thốt ra khoang nạp với vận tốc rất lớn làm cho áp suất trong khoang bơm và khoang cao áp giảm xuống đột ngột. Kim phun bắt đầu hành trình đĩng tại thời điểm áp suất trong khoang phun đạt tới trị số nhỏ hơn pfo một ít ( điểm 6). Thời điểm kết thúc chu trình cơng tác của hệ thơng phun ( thời điểm Piston BCA trở lại điểm cận trên ) được ký hiệu bằng điểm 7 và điểm B.
Giai đoạn kéo dài từ thời điểm bắt đầu phun thực tế ( điểm 3) đến thời điểm kết thúc phun hình học ( điểm 5) được gọi là giai đoạn phun chính (jII ). Giai đoạn phun chính dài hay ngắn phù thuộc vào tải của động cơ và được thể hiện bằng hành trình cĩ ích của Piston của bơm cao áp. Giai đoạn từ điểm 5 đến điểm 7 được gọi là giai đoạn phun rớt (jIII). Giai đoạn phun rớt diễn ra trong điều kiện áp suất phun đã giảm nhiều nên cấu trúc tia nhiên liệu khơng đảm bảo yêu cầu đối với quá trình tạo hỗn hợp cháy. Rất nhiều bơm cao áp hiện nay được trang bị van triệt hồi giảm tải để rút ngắn giai đoạn phun rớt. Thời gian phun thực tế (j1 ) được tính từ thời điểm bắt đầu phun thực tế ( điểm 3) đến thời điểm kết thúc phun thực tế ( điểm 7).
Hình. 2-2. Đồ thị biểu diễn quá trình phun nhiên liệu.
2.1.3. Phun nhiên liệu trong động cơ diesel.
Hình thành hồ khí trong động cơ diesel dùng buồng cháy thống nhất cĩ địi hỏi cao với chất lượng phun, tức là nhiên liệu phải được phun rất nhỏ, đều và được phân bố khắp khơng gian buồng cháy, mới đảm bảo cho nhiên liệu được sấy nĩng, bay hơi nhanh và hồ trộn đều với khơng khí trong đĩ để tạo hỗn hợp cháy tốt.
Phun và xé tơi được thực hiện khi tia nhiên liệu đi qua các lỗ phun nhỏ (đường kính khoảng 0,3 –0,35 mm ) với tốc độ lớn.
Do quá trình diễn biến rất phức tạp, nên việc nghiên cứu lý thuyết để xác định các thơng số của tia phun gặp rất nhiều khĩ khăn trở ngại, vì vậy người ta dùng phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu các hệ thống phun thực tế.
Nghiên cứu thực nghiệm được làm trong buồng kín với áp suất khác nhau của mơi trường phun, dùng thiết bị chụp ảnh nhanh, nghiên cứu phát triển của tia nhiên liệu. Cho tia nhiên liệu phun lên mặt kính, đặt vuơng gĩc với tia phun và cách lỗ phun với những khoảng khác nhau, trên mặt kính phủ một lớp Gơlixêrin hoặc nước thuỷ tinh mỏng chụp ảnh các vết hằn của các hạt nhiên liệu trên mặt phẳng ấy, đếm số hạt, đo đường kính từng hạt và xây dựng đặc tính phun nhiên liệu cho từng trường hợp.
Đặc tính phun nhiên liệu (Hình.2- 3 ) thể hiện cả hai mặt chất lượng phun: nhỏ và đều. Đường 1 – thể hiện vừa nhỏ vừa đều; Đường 2 – khơng nhỏ và khơng đều; Đường 3 – khơng nhỏ nhưng đều. Như vậy hai nhánh lên và xuống của đặc tính càng dốc thì độ phun đều càng tốt, cịn đỉnh đường đặc tính càng sát trục tung thì độ phun nhỏ càng tốt.
0 10 20 30 40 10 20 30 40 50 đường kính của hạt ,mm số hạt % 1 2 3
Chất lượng phun nhỏ và đều của nhiên liệu phụ thuộc vào các yếu tố sau: kích thước lỗ phun, tốc độ trục cam, độ nhớt và lực căng mặt ngồi của nhiên liệu. Tăng áp
suất phun sẽ làm tăng độ phun nhỏ.
Giảm đường kính lỗ phun sẽ làm tăng độ phun nhỏ và phun đều.
Tăng tốc độ trục cam bơm cao áp sẽ làm tăng tốc độ Piston của bơm, qua đĩ làm tăng áp suất phun, kết quả sẽ làm tăng độ phun nhỏ và phun đều của tia nhiên liệu.
Sơ đồ cấu tạo của một tia nhiên liệu thể hiện ( Hình.2- 4).
Hình. 2- 4. Sơđồ cấu tạo của tia nhiên liệu.
1- Phần lõi tia; 2 – Phần vỏ tia; 3 – Mật độ hạt; 4 – Phân bố tốc độ.
Sau khi ra khỏi lỗ phun, dịng nhiên liệu được xé nhỏ và tạo thành tia. Vì gặp cản của mơi trường phun, nên càng xa lỗ phun tốc độ các hạt nhiên liệu trong tia càng thấp dần.
Chuyển động của các hạt nhiên liệu thường tạo lực hút đối với lớp khơng khí bao quanh hạt đặc biệt là phần lõi tia, vì tại đây tốc độ kích thước, mật độ hạt đều lớn.
Khơng khí cuốn theo tia nhiên liệu, một mặt làm giảm tốc độ tương đối của hạt so với khơng khí nhờ đĩ giảm lực cản của khơng khí đối với tia, mặt khác làm cho khơng khí trong tia bị dồn ra mặt ngồi.
Phần nhiên liệu phun vào thường gặp sức cản của mơi trường phun nên tốc độ bị giảm nhanh, số nhiên liệu phun sau đi vào mơi trường cùng chiều chuyển động của tia ít gặp cản, nên sẽ đuổi kịp và gạt nhiên liệu phun trước ra rìa ngồi để trở thành mũi tia. như vậy tia nhiên liệu chia thành hai phần với những đặc điểm khác nhau: phần lõi 1 ( Hình.2- 4 ) mật độ kích và thước hạt lớn và phần vỏ 2 mật độ và kích thước hạt rất nhỏ. Phần lõi gặp cản của mơi trường ít, tập trung các hạt cĩ kích thước lớn và tốc độ cao nên động năng khá lớn. Từ lõi đi ra, kích thước mật độ và tốc độ hạt giảm dần ( Hình.2- 4 ) nhưng hạt nhiên liệu nhỏ nhất thường nằm ngồi cùng của tia.
· Cấu trúc tia nhiên liệu.
Cấu trúc của tia nhiên liệu là thuật ngữ được sử dụng để biểu đạt khái niệm bao hàm đặc điểm của các tia nhiên liệu được hình thành trong buồng đốt trong quá trình phun. Cấu trúc tia nhiên liệu bao gồm cấu trúc vĩ mơ và cấu trúc vi mơ.
· Cấu trúc vĩ mơ:
Được đặc trưng bằng số lượng, vị trí tương đối và kích thước của các tia. Vịi phun nhiên liệu thường cĩ từ 1 đến 8 lỗ phun và tạo ra số tia nhiên liệu tương ứng. Kích thước mỗi tia nhiên liệu được đặc trưng bằng chiều dài ( Lf ) và gĩc nĩn ( af ). Các tia nhiên liệu cĩ thể được phân bố đối xứng hoặc khơng đối xứng qua đường tâm của vịi phun (Hình. 2- 4 )
· Cấu trúc vi mơ:
Được đặc trưng bằng độ phun nhỏ và độ phun đều. Cấu trúc tia nhiên liệu cĩ ảnh hưởng trực tiếp đến độ đồng nhất của hỗn hợp cháy và quy luật hình thành hỗn hợp cháy. Chiều dài của tia nhiên liệu quá lớn sẽ làm cho một phần nhiên liệu động trên vách buơng
đốt, điều đĩ khơng những làm nhiên liệu cháy rớt nhiều mà cịn gia tăng cường độ hao mịn chi tiết do màng dầu bơi trơn trên mặt gương Cylindre bị tổn hại. Các tia nhiên liệu quá ngắn và phân bố khơng hợp lý, kích thước các hạt nhiên liệu khơng đủ độ nhỏ đều ảnh hưởng xấu đến độ đồng nhất của hỗn hợp cháy.
Trong một số trường hợp, người thiết kế chú ý phân bố các tia nhiên liệu khơng đối xứng hoặc để nhiên liệu được phun sao cho hình thành các màng nhiên liệu lỏng trên vách buồng đốt nhằm tạo ra quy luật hình thành hỗn hợp cháy cĩ lợi nhất.
Hình 2. 5. Cấu trúc tia nhiên liệu. Lf - Chiều dài tia nhiên liệu.
af - Gĩc nĩn tia nhiên liệu.