1.5.1 Ưu điểm
- Tăng công suất động cơ và mô men xoắn, do giảm cản trở khí động đƣờng nạp, dễ dàng thay đổi hình dạng đƣờng nạp để đạt hiệu qủa nạp v cao nhất với mọi chế độ tốc độ và tải của động cơ.
- Tạo điều kiện thuận lợi cho việc cƣờng hoá động cơ theo , n và tăng áp. - Tăng công suất do điều khiển chuẩn xác và góc đánh lửa sớm theo từng chế độ tải (tối ƣu hố q trình phun và đánh lửa để tăng hiệu suất).
- Giảm tiêu tốn nhiên liệu và khống chế chuẩn xác hơn, cho phép tạo đƣợc hỗn hợp đồng nhất, q trình cháy hồn thiện hơn.
Hình 1.33. Vịi phun khởi động lạnh khởi động lạnh 1 - đường xăng vào; 2 - giắc nối điện; 3 - lõi tạo từ nâng kim;
4 - cuộn dây tạo từ; 5 - lỗ phun;
39
- Hạn chế khoang nƣớc sấy nóng ống nạp nên mật độ khí nạp cao hơn làm tăng lƣợng ôxy cấp vào xylanh.
- Động cơ nhạy cảm hơn (phản ứng nhanh hơn) với những thay đổi chế độ làm việc bởi quá trình điều khiển bằng điện, điện tử có qn tính rất nhỏ.
- Tính gia tốc tức thời tốt hơn vì tổng lƣợng xăng phun tăng cƣờng tức thời có thể thay đổi đúng theo yêu cầu gia tốc động cơ.
- Tối ƣu hố q trình khởi động, sấy nóng và nhận tải ở trạng thái chƣa đƣợc sấy nóng đầy đủ.
- Khí thải ít độc hại hơn vì thành phần hồ khí đƣợc đảm bảo chính xác tối ƣu đối với mọi chế độ hoạt động, chất lƣợng cháy tốt hơn kết hợp với bộ xử lý khí xả trên đƣờng thải.
- Hoạt động ổn định trong mọi điều kiện khí hậu, địa hình (nhiệt độ, độ ẩm, độ cao, độ nghiêng của động cơ, nghiêng ngang, lên và xuống dốc.
- Hệ số nạp cao hơn vì khơng có chỗ thắt nhƣ họng khuyếch tán để giảm áp suất nhƣ ở bộ chế hồ khí và khơng phải sấy nóng đƣờng ống nạp.
- Trong hệ thống phun nhiều điểm, hệ số dƣ lƣợng khơng khí giữa các xy lanh đồng đều hơn. Đồng thời, phần lớn lƣợng xăng phun ra bay hơi trong xy lanh có tác dụng giảm nhiệt độ mơi chất do đó khi thiết kế có thể tăng tỷ số nén.
- Không cần hệ thống tăng tốc riêng rẽ do bộ điều khiễn phản ứng tức thời để tăng lƣợng nhiên liệu phun phù hợp với lƣợng khơng khí nạp.
- Động cơ có tính tích ứng cao trong các điều kiện sử dụng khác nhau dù là tĩnh tại nhƣ ở trạm phát điện hay di động nhƣ trên ô tô, xuồng máy, máy bay...
- Hệ số dƣ lƣợng khơng khí đƣợc điều chỉnh chính xác nên có thể giảm đƣợc thành phần độc hại trong khí thải, giảm ơ nhiễm mơi trƣờng.
Vì những ƣu điểm quan trọng này, động cơ phun xăng ngày càng đƣợc dùng phổ biến. Hiện nay, hầu hết xe hơi du lịch của các hãng ô tô nổi tiếng trên thế giới đều lắp động cơ phun xăng.
1.5.2 Nhược điểm
- Kết cấu phức tạp, địi hỏi trình độ cơng nghệ chế tạo cao. - Giá thành cao, yêu cầu kiến thức cơ-điện tử cao hơn.
40
- Yêu cầu cao hơn đối với việc chăm sóc, bảo dƣỡng, sửa chữa cần có trình độ chun mơn cao.
41
Chương 2. Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel 2.1 Khái niệm chung
Tạo hỗn hợp trong động cơ diesel đƣợc thực hiện bên trong xilanh đông cơ. Cuối hành trình nén nhiên liệu đƣợc phun vào bên trong xilanh của động cơ, nhiên liệu bay hơi hòa trộn và tạo thành hỗn hợp với khơng khí. Thời gian tạo hỗn hợp rất ngắn để nhiên liệu cháy kiệt, đúng lúc, nhằm đạt đặc tính hiệu quả và kinh tế cao, đảm bảo động cơ làm việc êm thì phải cung cấp nhiên liệu tốt nhất theo thời gian và không gian buồng cháy.
2.1.1 Nhiệm vụ và yêu cầu của hiên thống nhiên liệu
2.1.1.1 Nhiệm vụ
Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel có các nhiệm vụ nhƣ: Dự trữ nhiên liệu đảm bảo cho động cơ có thể làm việc liên tục trong một thời gian nhất định, không cần cấp thêm nhiên liệu; lọc sạch nƣớc, tạp chất cơ học lẫn trong nhiên liệu; giúp nhiên liệu chuyển động thơng thống trong hệ thống.
2.1.1.2 Yêu cầu
Cung cấp nhiên liệu cho động cơ đảm bảo tốt các yêu cầu sau:
- Lƣợng nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình phải phù hợp với động cơ làm việc của động cơ.
- Phun nhiên liệu vào đúng thời điểm, đúng quy luật mong muốn. - Lƣu lƣợng nhiên liệu vào các xylanh phải đồng đều.
Phải phun nhiên liệu vào xylanh qua lỗ phun nhỏ với chênh áp lớn phía trƣớc va sau lỗ phun, để nhiên liệu đƣợc xé tơi tốt.
- Các tia nhiên liệu phun vào xylanh động cơ phải đảm bảo kết hợp tốt giữa số lƣợng, phƣơng hƣớng, hình dạng, kích thƣớc của các tia phun với hình dạng buồng cháy và với cƣờng độ và phƣơng hƣớng chuyển động của môi chất trong buồng cháy để hồ khí đƣợc hình thành nhanh và đều.
- Hoạt động lâu bền, có độ tin cậy cao.
- Dễ dàng và thuận tiện trong sử dụng, bảo dƣỡng và sửa chữa. - Dễ chế tạo, giá thành hạ.
42
2.1.1.3 Phân loại
- Theo loại bơm cao áp mà hệ thống nhiên liệu diesel sử dụng thì hiện nay có các loại nhƣ: PE; VE; PSB; PDA; HD…
- Theo phƣơng pháp điều khiển quá trình cung cấp nhiên liệu thì có các loại nhƣ: điều khiển bằng cơ khí; điều khiển bằng điện tử.
2.1.2 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu diesel
Điểm khác biệt lớn nhất của động cơ diesel so với động cơ xăng là địa điểm và thời gian hình thành hịa khí. Hệ thống nhiên liệu diesel gồm: hệ thống cung cấp thấp áp, hệ thống bơm cao áp - vòi phun và bộ điều chỉnh tốc độ. Sơ đồ chung hệ thống nhiên liệu diesel đƣợc giới thiệu trên hình 2.1.
Hình 2.1. Hệ thống nhiên liệu diesel
1- Khoá nhiên liệu; 2- Lọc rác; 3-Khoá xả; 4- Ống đổ dầu; 5-Lọc lưới ; 6- Vòi phun; 7-Ống dầu cao áp; 8-Bơm cao áp; 9-Lọc tinh; 10-Lọc thơ; 11- Đường dầu rị rỉ; 12- Bơm cung cấp; 13- Đường dầu hồi; 14-Thùng dầu diesel; 15-Đường dầu hồi.
Hệ thống cung cấp thấp áp có: Thùng nhiên liệu; Bơm cung cấp thấp áp (loại bơm pít tơng, bơm bánh răng hoặc cánh gạt); Lọc nhiên liệu thô và tinh; Các đƣờng ống dẫn.
Nhiệm vụ của hệ thống cung cấp thấp áp là đƣa một lƣợng dầu đã đƣợc lọc sạch tuần hoàn liên tục qua bơm cao áp, nhờ vậy dầu đƣợc làm mát và khử hết bọt khí để bơm cao áp có thể hoạt động thƣờng xuyên, ổn định.
43
Để duy trì áp suất trong khoang bơm cao áp, trên đƣờng dầu hồi (15) có lắp van một chiều có áp suất mở van khoảng 2~3 bar. Ngồi tác dụng duy trì áp suất, van này cịn giữ cho dầu ln chứa đầy trong khoang bơm, do đó động cơ có thể khởi động lại một cách dễ dàng sau thời gian dài không làm việc.
Các bộ lọc gồm: lọc rác, lọc thô, lọc tinh; Nhờ lọc giữ lại các hạt bẩn với kích thƣớc rất nhỏ nên những bộ đơi siêu chính xác (pít tơng – xy lanh bơm cao áp, kim phun và đế kim phun, van triệt áp) khơng bị mài mịn. Do khơng có van an tồn lắp song song với lọc, vì vậy sau từng thời gian làm việc nhất định, các lọc này phải đƣợc thay thế hoặc rửa sạch, nếu không sẽ dẫn đến tình trạng thiếu dầu cung cấp tới bơm do tắc lọc.
Hệ thống cao áp gồm các bộ phận: Bơm cao áp; Vòi phun nhiên liệu; Các đƣờng ống dầu cao áp; Hệ thống này có nhiệm vụ cung cấp một lƣợng nhiên liệu đã đƣợc tính tốn chính xác và phun vào xy lanh dƣới áp suất cao (áp suất phun ban đầu tới hàng trăm KG/cm2) để xé tơi giọt nhiên liệu tạo điều kiện hồ trộn tốt với khơng khí thành hỗn hợp cháy. Thời điểm phun nhiên liệu cũng đƣợc điều khiển chính xác, phù hợp với các chế độ tốc độ và tải trọng của động cơ.
Ngoài ra, để đảm bảo làm việc an toàn và ổn định, trên hệ thống nhiên liệu diesel cịn có bộ phận điều chỉnh tốc độ (bộ điều tốc); Bộ điều tốc sử dụng các thông tin về tốc độ và tải trọng động cơ (trên động cơ hiện đại cịn sử dụng nhiều thơng tin khác) để điều khiển tự động việc cung cấp nhiên liệu nhằm giữ ổn định số vòng quay của động cơ trong mọi chế độ tải trọng, theo nguyên tắc: khi tải trọng tăng, muốn giữ cho tốc độ động cơ không đổi, bộ điều tốc sẽ điều khiển làm tăng lƣợng nhiên liệu cung cấp để động cơ phát ra công suất phù hợp với tải và ngƣợc lại. Có nhiều loại điều tốc nhƣ: điều tốc cơ khí ly tâm, điều tốc chân không, điều tốc thuỷ lực, điều tốc điện...Căn cứ theo khả năng điều chỉnh số vòng quay lại chia ra làm: điều tốc một chế độ, điều tốc hai chế độ và điều tốc nhiều chế độ. Ở động cơ ô tô chủ yếu dùng điều tốc hai chế độ và nhiều chế độ.
2.2 Bơm cao áp
2.2.1 Bơm Bosch
44
Hình 2.2 Bơm Bosch
1- cam; 2- con đội con lăn; 3- vít điều chỉnh; 4- lị xo; 5- ống trượt; 6- piston;
7- vít kẹp chặt vành răng; 8- xylanh; 9- đế van một chiều; 10- thân bơm; 11- van một chiều; 12- đai ốc; 13- lò xo van một chiều; 14- đệm làm kín; 15- khoang chứa nhiên liệu;
16- thanh răng; 17- vành răng; 18- đĩa lị xo.
Phần chính của bơm là cặp bộ đơi siêu chính xác piston-xylanh bơm cao áp, lắp khít nhau. Piston 6 đƣợc cam 1 đẩy lên qua con đội 2 và vít điều chỉnh 3. Hành trình đi xuống của piston là nhờ lò xo 4 và đĩa lị xo 18. Ngạnh chữ thập ở phần đi piston 6 đƣợc ngàm trong rãnh dọc của ống xoay 5. Vành răng 17 bắt chặt trên đầu ống xoay 5 qua vít 7 và ăn khớp với thanh răng 16. Nhƣ vậy dịch chuyển thanh răng 16 sẽ làm xoay piston 6.
Phần đầu piston xẻ một rãnh nghiêng, không gian bên dƣới rãnh nghiêng thơng với khơng gian phía trên đỉnh piston là nhờ rãnh dọc.
2.2.1.2 Nguyên tắc hoạt động
Piston đi xuống (nhờ lực đẩy của lò xo 4), van 11 đóng kín, do đó tạo ra độ chân khơng trong khơng gian phía trên piston, khi mở các lỗ a, b nhiên liệu đƣợc nạp đầy vào không gian này cho tới khi piston nằm ở vị trí thấp nhất.
45
Piston đi lên (nhờ cam 1), lúc đầu nhiên liệu bị đẩy qua các lỗ a, b ra ngồi; khi đỉnh piston che kín 2 lỗ a và b, thì nhiên liệu ở khơng gian phía trên piston 10 bị ép tăng áp suất, đẩy mở van cao áp 11, nhiên liệu đi vào đƣờng cao áp tới vịi phun. Q trình cấp nhiên liệu đƣợc tiếp diễn tới khi rãnh nghiêng trên đầu piston mở lỗ xả b (thời điểm kết thúc cấp nhiên liệu), lúc ấy nhiên liệu từ khơng gian phía trên piston qua rãnh dọc thốt qua lỗ b ra ngồi khiến áp suất trong xylanh giảm đột ngột và van cao áp đƣợc đóng lại (dƣới tác dụng của lị xo 13 và áp suất dƣ của đƣờng cao áp).
Do hiện tƣợng tiết lƣu của các lỗ hút a và lỗ xả b, do tính chịu nén của nhiên liệu và tính đàn hồi của kim loại nên thời điểm bắt đầu và kết thúc cấp nhiên liệu thực tế có sai khác chút ít so với thời điểm đóng mở theo kích thƣớc hình học của các lỗ và của piston.
Thay đổi lƣợng nhiên liệu cấp cho
chu trình đƣợc diễn tả trên đồ thị khai triển (hình 2.3) (triển khai chu vi .d phần đầu piston và mặt trong của xylanh trên mặt phẳng - trong đó d là đƣờng kính xylanh).
Hành trình bơm của piston tƣơng đƣơng với việc chuyển dịch lỗ b chạy một hành trình tồn bộ Stb từ trên xuống khi piston đứng yên. Vị trí mà mép trên của đỉnh piston che kín lỗ b (vịng trịn b tiếp tuyến với đỉnh) thể hiện thời điểm bắt đầu cấp nhiên liệu, cịn vị trí mà mép của rãnh chéo mở lỗ b – thể hiện thời điểm kết thúc cấp nhiên liệu (vòng tròn b tiếp tuyến với rãnh chéo), khoảng cách tâm của hai vòng tròn thể hiện hành trình có ích Se của piston. Ba vị trí A, B, C của lỗ b tƣơng ứng với ba vị trí khác nhau của thanh răng bơm cao áp, vị trí A cho hành trình có ích Se lớn nhất; vị trí B cho Se nhỏ hơn, cịn vị trí C cho Se = 0. Nhƣ vậy cho lỗ b (lỗ thoát nhiên liệu trên xylanh) trên đồ thị khai triển chuyển dần sang phải (tức là cho piston bơm cao áp xoay theo chiều kim đồng hồ nếu nhìn từ trên xuống) sẽ làm tăng hành trình có ích Se.
Mép trên của đầu piston quyết định thời điểm bắt đầu cấp nhiên liệu, cịn mép chéo phía dƣới của đầu piston quyết định thời điểm kết thúc cấp nhiên liệu. Với piston bơm cao áp có đỉnh bằng và rãnh chéo nằm phía dƣới thì thời điểm bắt đầu cấp nhiên liệu luôn luôn không thay đổi, muốn thay đổi lƣợng nhiên liệu của chu trình cần phải thay đổi hành trình có ích Se, tức là thay đổi thời điểm kết thúc cấp nhiên liệu.
Hình 2.3 Đồ thị thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình cung cấp cho chu trình
46
Nếu phần rãnh chéo trên đầu pittông bơm cao áp đƣợc làm ở phía trên (hình 2.4a), thì lƣợng nhiên liệu chu trình đƣợc thay đổi bằng cách thay đổi thời điểm bắt đầu cấp nhiên liệu, cịn nếu rãnh chéo nằm cả phía trên và phía dƣới đầu piston (hình 2.4b), thì khi thay đổi lƣợng nhiên liệu chu trình cả thời gian bắt đầu và thời gian kết thúc cấp nhiên liệu đều thay đổi theo.
2.2.1.3 Đặc tính bơm cao áp
Bơm Bosch là loại bơm cao áp đƣợc dùng rộng rãi nhất trong các loại động cơ diesel cao tốc hiện nay, vì vậy trong phần này chúng ta sẽ khảo sát các đặc tính của loại bơm này.
Đường đặc tính tốc độ là đƣờng
cong biến thiên của mức cung cấp nhiên liệu trong một chu trình (g gam/chu trình hay v mm3
/chu trình) phụ thuộc vào sự biến thiên của số vòng quay của trục bơm. Đƣờng đặc tính đó đƣợc lấy khi cố định thanh răng của bơm và với áp suất lúc bắt đầu cung cấp p khơng đổi.
Đường đặc tính theo mức cung cấp nhiên liệu (hay gọi là đặc tính thanh răng) là đƣờng cong biến thiên của mức cung cấp trong một chu trình phụ thuộc vào vị trí của thanh răng bơm cao áp. Trong đó số vịng quay và áp suất lúc bắt đầu cung cấp đƣợc giữ không đổi. Đƣờng đặc tính tốc độ dùng phối hợp với đƣờng đặc tính tốc độ của động cơ diesel (với đƣờng đặc tính giới hạn khói đen) cho ta khả năng đánh giá chất lƣợng động lực học của động cơ và xác định biện pháp hiệu chỉnh khắc phục.
Hình 2.4 Hình dạng xẻ rãnh piston bơm cao áp rãnh piston bơm cao áp
Hình 2.5 Đặc tính theo mức nhiên liệu cung cấp và đặc tính tốc độ bơm cao áp cung cấp và đặc tính tốc độ bơm cao áp
47
Đƣờng đặc tính thanh răng (đƣờng đặc tính theo mức cung cấp nhiên liệu của bơm) dùng để đặt bộ phận hạn chế mức cung cấp nhiên liệu (mức cung cấp cực đại).
Hình 2.5 là đƣờng đặc tính tốc độ v = f(n) và đƣờng đặc tính thanh răng v = f(h) cho bơm cao áp của động cơ diesel. Trong đó v - là mức cung cấp nhiên liệu cho một chu trình tính bằng mm3; n - là số vòng quay của trục cam vịng/phút; h - là vị trí của đầu bên phải của thanh răng tính đến đầu mặt của bạc tính bằng mm.
Hiệu chỉnh đường đặc tính của bơm: Khi nghiên cứu về đƣờng đặc tính tốc độ
(đƣờng đặc tính tốc độ ngồi) của động cơ ơtơ ta đã nhận xét thấy rằng nhiều động cơ diesel của ôtô và máy kéo có đƣờng cong Me = f(n) biến thiên thoai thoải và hệ số thích ứng K thấp (1,01,15). Sự biến thiên khơng thích ứng của đƣờng cong Me = f(n) gây nên bởi đƣờng đặc tính của bơm cao áp.