cao áp tới quá trình làm việc của động cơ
1. Phân tích quá trình hao mịn cặp píttơngplơng-giơ bơm cao áp a. Điều kiện ma sát của cặp píttơngplơng-giơ
Cặp píttơngplơng-giơ được chế tạo với yêu cầu kỹ thuật rất cao, mối ghép của cặp chi tiết này chỉ cho phép khe hở hướng kính giới hạn 2-3 m, phần dẫn hướng là 2,0 m. Trong khi làm việc, cặp píttơngplơng-giơ bị hao mịn, khe hở hướng kính tăng dần, các khe hở cục bộ cũng phát triển, kết quả là lượng cung cấp nhiên liệu cho động cơ khơng đảm bảo, độ kín thủy lực giảm xuống, áp suất nhiên liệu cấp cho kim phun giảm làm cho quá trình tạo hỗn hợp cháy xấu đi, cụ thể là độ hạt nhiên liệu trong hỗn hợp cháy lớn lên, làm khĩ cho việc tự bốc cháy của hỗn hợp, ảnh hưởng khơng tốt tới quá trình làm việc của động cơ và dẫn đến mức tiêu hao nhiên liệu tăng lên.
Các bề mặt cơng tác của chi tiết bị hao mịn do ảnh hưởng của nhiều yếu tố vận dụng tổng hợp khác nhau như: lực tác dụng giữa chúng với nhau, vận tốc tương đối của píttơngvới xylanh, đặc điểm kết cấu cặp píttơng plơng-giơ, mức độ chính xác khi gia cơng các biên dạng làm việc của chi tiết, sự đồng nhất của vật liệu chế tạo, mức độ hoạt tính lý hĩa học của nhiên liệu, độ chính xác của thơng số hình học, ngồi ra cịn phải kể đến độ nhớt của nhiên liệu, độ ẩm của khơng khí lớn làm lượng nước trong nhiên liệu cao, nhiệt độ mơi trường vận dụng lớn sẽ làm thay đổi mức độ hoạt tính lý, hĩa học của nhiên liệu. Các tạp chất lẫn vào nhiên liệu trong quá trình chuyên chở, vận chuyển và sử dụng cũng ảnh hưởng khơng nhỏ tới sự hao mịn cặp píttơngplơng-giơ.
Khi bơm làm việc, píttơngplơng-giơ chịu một lực hướng kính lớn làm mất cân bằng, lực này sinh ra do các nguyên nhân sau:
- Độ chênh áp của chất lỏng; - Tốc độ dịch chuyển của píttơng; - Kết cấu bất đối xứng của píttơng.
- Độ chênh áp của chất lỏng ở hành trình hữu ích của píttơnglà nhân tố gây ảnh hưởng lớn nhất đến sự xuất hiện các lực hướng kính gây nghiêng lệch píttơngtrong xylanh. Khi kết thúc hành trình hữu ích, píttơngđi xuống, độ chênh áp sẽ mất đi.
Do cĩ sự trượt tương đối của cặp píttơngplơng-giơ, trên bề mặt làm việc của chúng xuất hiện một áp lực thủy động của chất lỏng. Áp lực thủy động phân bố khơng điều cũng làm cho píttơngbị nghiêng lệch trong xylanh và dẫn đến sự phân bố lại khe hở hướng kính. Với mỗi tốc độ trượt của píttơngkhác nhau, áp lực thủy động sẽ thay đổi làm píttơngsẽ bị nghiêng lệch khác nhau.
Sự sai lệch hình dáng hình học của mối ghép như độ cơn, ơvan và độ khơng đồng tâm, chất lượng gia cơng, độ bĩng bề mặt của píttơngvới xylanh sẽ làm cho chế độ bơi trơn ma sát ướt bị phá vỡ gây hao mịn nhanh chĩng cặp píttơng plơng-giơ.
Mặt khác, vì một lý do nào đĩ các hạt mài bị lẫn vào trong nhiên liệu, xâm nhập vào bề mặt làm việc của píttơngvà xylanh sẽ gây trầy xước dẫn đến hao mịn rất lớn. Các hạt mài cĩ kích thước nhỏ hơn khe hở ban đầu theo nhiên liệu lọt vào bề
mặt ma sát làm mài mịn chúng, khe hở hướng kính tăng dần cùng với sự nghiêng lệch của píttơng, tạo điều kiện cho các hạt mài cĩ kích thước lớn lọt vào, quá trình mài mịn tiếp tục xảy ra nhanh chĩng hơn.
Sự nghiêng lệch của píttơngsẽ làm cho píttơngtiếp xúc trực tiếp với xylanh (khi cĩ độ nghiêng lớn nhất) lúc này khe hở hướng kính coi như bằng khơng, về lý thuyết chế độ bơi trơn ma sát ướt khơng tồn tại, sự mài mịn xảy ra khốc liệt hơn, phá huỷ nhanh chĩng cặp píttơngplơng-giơ.
Nĩi tĩm lại, cặp píttơngplơng-giơ làm việc trong điều kiện áp lực lớn, tùy thuộc vào hành trình của píttơngmà cĩ những lực gây nghiêng lệch dẫn đến các chi tiết mịn khơng đều. Mặt khác cặp píttơngplơng-giơ cịn chịu sự tác động của yếu tố vận dụng như thành phần lý, hĩa học của nhiên liệu, mơi trường nhiệt độ làm việc, điều kiện vận hành, chế độ sử dụng cụ thể.
b. Các nguyên nhân gây nghiêng lệch của píttơngtrong xylanh
Các nguyên nhân chủ yếu gây nghiêng lệch píttơngtrong xylanh là do chênh áp của chất lỏng và do kết cấu của cặp píttơngplơng-giơ.
Khi cĩ sự sai lệch về hình dạng hình học do chế tạo hay hao mịn khơng đều, thì píttơngbị nghiêng trong xylanh vì áp suất của chất lỏng ở các phía khơng giống nhau.
Khi độ nghiêng lệch càng tăng thì sức chuyển dịch của píttơngcàng tăng. Độ lệch của píttơngxảy ra trong giới hạn khe hở nhỏ nhất, cĩ nghĩa là khe hở giữa xylanh và píttơngvới kích thước lớn nhất của píttơng.
Độ cơn, độ ơ van và các kết cấu bất đối xứng của píttơngplơng-giơ cộng với sự chênh áp và sự thay đổi khe hở hướng kính theo chiều dài mối ghép làm xuất hiện lực hướng kính mất cân bằng. Sự tác động của lực hướng kính chỉ xảy ra ở hành trình hữu ích của píttơng, nên cĩ thể coi rằng dưới tác dụng của lực này píttơngsẽ chuyển dịch theo hướng kính trong mỗi hành trình kép.
Khi bị nghiêng lệch của píttơngtrong xylanh, sức cản của lớp chất lỏng giữa chúng sẽ chống lại sự xích gần nhau của hai bề mặt trên. Mức độ xích lại gần nhau nhiều hay ít cịn phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ chênh áp, độ nhớt, hình dạng hình học của bộ đơi píttơngplơng-giơ.
c. Áp suất thủy động của cặp píttơngplơng-giơ
Sự làm việc của cặp píttơngplơng-giơ theo điều kiện làm việc ở chế độ bơi trơn ma sát ướt.
Áp suất thủy động phụ thuộc vào các thơng số kết cấu của bề mặt ma sát, tốc độ di chuyển của hai bề mặt với nhau, độ nhớt của chất lỏng.
Áp suất thủy động tác dụng lên các bề mặt cịn lại cũng cĩ hướng đối diện với mặt kia. Như vậy, khi ma sát cĩ tính chất đối xứng nhau thì áp suất thủy động sẽ bằng nhau, píttơngchịu một hệ lực cân bằng, khơng bị lệch khi di chuyển trong xylanh.
Trong thực tế, trên bề mặt píttơngcịn cĩ các rãnh đứng, rãnh vát, trên bề mặt xylanh cịn cĩ lỗ nạp và lỗ thải, nên chiều dài mối ghép ở hai phía đối xứng của mặt phẳng đi qua tâm píttơnglà khơng bằng nhau. Ở các phần rãnh vát lỗ nạp và thải áp suất thủy động thường nhỏ hơn ở những nơi khác, đặc biệt khi chiều dài bề mặt ma
sát nhỏ thì ảnh hưởng của các lỗ nạp và thốt tới sự giảm áp suất thủy động càng lớn. Áp suất thủy động cịn thay đổi theo hành trình hữu ích của píttơng.
Khi hành trình hữu ích giảm đi thì độ lệch tâm của píttơngtăng lên.
Sự thay đổi áp suất thủy động cịn ảnh hưởng đến quá trình mài mịn. Nếu các hạt mài lẫn trong nhiên liệu cĩ kích thước nhỏ hơn khe hở hướng kính thì chúng hầu như khơng ảnh hưởng đến mài mịn và bị dịng nhiên liệu đẩy đi. Khi khe hở đạt giá trị nhỏ nhất thì ngay cả các hạt mài cĩ kích thước nhỏ cũng cĩ thể gây mài mịn vì lúc này kích thước của chúng cĩ thể bằng hay lớn hơn khe hở hướng kính. Trong thực tế, ta thường thấy cặp píttơngplơng-giơ thường bị mịn nhiều ở phần rãnh vát, cửa nạp, cửa xả là nơi cĩ khe hở nhỏ vì áp suất thủy động bé, điều đĩ phù hợp với lý luận ở trên.
Như vậy, từ các nguyên nhân gây nghiêng lệch píttơnglàm điều kiện bơi trơn ma sát ướt bị phá vỡ, từ sự phân tích ở phần trên ta cĩ thể rút ra kết luận về cường độ hao mịn của píttơngplơng-giơ phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Đặc điểm của tải trọng;
- Tốc độ chuyển động của píttơngtrong xylanh; - Trị số khe hở bán kính ban đầu;
- Độ nhớt của chất lỏng; - Độ chấn áp của píttơng;
- Mức độ lý-hĩa tính, độ tinh khiết của nhiên liệu;
- Đặc điểm kết cấu của chi tiết, cấu trúc vi mơ và vĩ mơ của bề mặt ma sát. Trong đĩ tải trọng đĩng vai trị quan trọng.
d. Dạng hao mịn chi tiết của píttơng
Hao mịn của píttơngnhiều nhất ở phần đầu, rãnh vát, các mặt đối diện với cửa nạp và cửa xả. Vùng mịn lớn nhất là vùng ứng với lỗ nạp cĩ dạng gần giống với một tứ giác cong cĩ đáy nằm trên đỉnh píttơng, hai cạnh nằm hai phía chạy dọc theo đường sinh, cạnh thứ tư đối diện với cạnh đáy cĩ dạng đường cong phức tạp lồi, lõm
hay thẳng tùy thuộc vào đặc điểm bơm cao áp, đặc điểm tải trọng, điều kiện vận dụng.
Vệt mịn lỗ nạp khơng kéo dài suốt vùng mịn, mà tập hợp vùng này là các rãnh mịn đứt đoạn chạy dọc theo đường sinh. Điểm chấm dứt một vết mịn là điểm gây cản trở thủy lực của dịng nhiên liệu rị rỉ qua rãnh, kích thước của rãnh quyết định kích thước dịng chảy qua nĩ.
Sở dĩ cĩ các vết sước chạy dọc theo đường sinh là do các hạt mài cĩ kích thước xấp xỉ hay lớn hơn khe hở đã bị kẹt vào giữa hai bề mặt trong đầu hành trình của píttơngkhi bắt đầu đĩng lỗ nạp. Khi píttơng đi lên các mép sắc của các hạt mài sẽ cuốn vào thành xylanh và píttơnglàm hạt mài bị vo trịn lại và lao theo chuyển động của píttơng, các cạnh sắc của hạt mài cĩ tác dụng cắt kim loại gây nên mịn cho cả píttơnglẫn xylanh. Vì áp suất dẫn hạt mài vào giữa khe hở của bộ đơi là lớn nhất, ở vùng nạp là nơi cĩ áp suất lớn nên hao mịn ở vùng ứng với lỗ nạp lớn, nếu tải trọng khơng đổi píttơngchỉ cĩ chuyển động tịnh tiến mà khơng cĩ chuyển động xoay thì hao mịn chỉ xảy ra ở vùng hẹp, nhưng ở đây tải trọng thay đổi, píttơng cĩ thể vừa chuyển động quay vừa tịnh tiến nên hao mịn xẩy ra trên suốt bề mặt làm việc của cặp píttơng plơng-giơ.
Khảo sát nhiều chi tiết bị bào mịn cho thấy gĩc nghiêng của các vết liên tiếp cĩ độ sai khác khơng lớn, cịn độ dài vết mịn vùng cạnh vát và cạnh đứng đều biến động một cách ngẫu nhiên với độ sai khác nhau rất lớn.
Nĩi chung chiều dài vết mịn vùng nạp lớn hơn nhiều so với vùng cạnh vát, vì vậy nhiên liệu rị rỉ theo rãnh mịn, vùng lỗ nạp được thơng suốt từ khi bắt đầu đến khi kết thúc hành trình píttơng. Đường rị rỉ theo rãnh mịn lỗ thốt chỉ được nối thơng ở phần cuối hành trình. Tình hình trên làm lượng nhiên liệu rị rỉ ở vùng lỗ nạp lớn hơn ở vùng lỗ thốt, ngay cả khi vết mịn ở hai vùng cĩ độ sâu bằng nhau.
Khe hở đường kính tăng thì độ mịn tăng theo với độ gia tăng lớn, nhất là ở khe hở hướng kính lớn. Việc thay đổi khe hở hướng kính cĩ nhiều nguyên nhân, song sự biến dạng của xylanh ở thời điểm nén ép nhiên liệu cũng làm khe hở tăng lên, độ nghiêng lệch tăng theo, khả năng các hạt mài cĩ kích thước lớn hơn lọt vào, quá trình mài mịn xảy ra nhanh hơn.
Qua phân tích ở trên ta thấy cặp píttơngplơng-giơ hao mịn chủ yếu do hạt mài, các hạt mài lẫn trong nhiên liệu lọt vào giữa hai bề mặt cĩ gradien áp suất cao bị chèn dập trong quá trình lẫn kèm theo trượt khi píttơngchuyển động trong xylanh. Vì vậy để tăng tuổi thọ cho bộ đơi cần phải làm sạch nhiên liệu bằng cách lọc thật sạch trước lúc vào bơm cao áp.
Hao mịn thủy động do dịng chảy cĩ hạt mài chỉ đĩng vai trị thứ yếu trong tỉ lệ mịn, tác động thứ yếu ở vùng cạnh vát và cạnh đứng. Độ cong vết mịn vùng này cho biết tỉ lệ tốc độ dịng chảy cĩ hạt mài so với tốc độ píttơng.
Hao mịn do dính kim loại khơng phải là nguyên nhân chính gây hư hỏng đối với cặp píttơngplơng-giơ sử dụng đúng kỹ thuật.
Những vùng mịn nhiều nhất là phần đầu píttơng, các bề mặt đối diện với hai cửa nạp và cửa thải của xylanh trong đĩ cửa thải mịn ít hơn. Nĩi chung, các vùng mịn đều cĩ những vết xước theo hướng đường sinh, nguyên nhân là do cặn bã cơ giới lẫn trong nhiên liệu.
2. Ảnh hưởng của hao mịn cặp píttơngplơng-giơ bơm cao áp tới quá trình hoạt động của động cơ
Sau một thời gian làm việc cặp píttơngplơng-giơ bị hao mịn, khe hở hướng kính tăng lên làm tiết diện thơng qua tăng lên, độ kín thủy lực giảm xuống, lượng nhiên liệu rị rỉ tăng, lượng cấp thực tế trong một chu trình giảm xuống, bên cạnh đĩ thời điểm nhiên liệu phun vào buồng cháy muộn đi do áp suất tăng chậm, độ khơng đều của lượng nhiên liệu cấp vào mỗi xylanh lớn lên làm ảnh hưởng tới cơng suất và tuổi thọ của động cơ.
a. Ảnh hưởng tới thời điểm phun
Do áp suất nhiên liệu trong khơng gian cặp píttơngplơng-giơ tăng lên chậm làm thời điểm phun nhiên liệu vào buồng cháy muộn đi. Gĩc phun sớm giảm làm tăng thời gian cháy trễ ảnh hưởng xấu tới toàn bộ quá trình hình thành hỗn hợp, quá trình bốc lửa và cháy. Giai đoạn cháy của hỗn hợp bị lùi sau điểm chết trên khá xa do đĩ thể tích buồng cháy tăng, áp suất cuối quá trình cháy giảm, nhiên liệu cháy cả ở thời kỳ giãn nở và cháy khơng hết, tổn thất nhiệt lớn, cơng suất và tuổi thọ giảm.
b. Ảnh hưởng tới thời gian cấp nhiên liệu
Áp suất nhiên liệu tăng chậm làm thời gian cấp nhiên liệu tăng, độ sương mù, độ đồng đều, độ phun xa giảm, chất lượng hỗn hợp cháy kém, kết quả là giảm hệ số sử dụng nhiệt và cơng suất hữu ích của động cơ.
c. Ảnh hưởng tới độ khơng đồng đều của lượng nhiên liệu cấp vào xylanh động cơ
Khi vịng quay động cơ thấp, thời gian thực hiện một chu trình cơng tác của bơm lớn, chiều cao của bề mặt làm kín nhỏ và chiều dài dịng chảy ngắn, lượng rỏ rỉ qua khe hở hướng kính tăng. Mặt khác mỗi cặp píttơngplơng-giơ cĩ một giá trị mịn khác nhau nên lượng rị rỉ cũng khác nhau, đặc biệt khi động cơ ở chế độ phụ tải lượng nhiên liệu cấp ở mỗi bơm chênh lệch nhau rất lớn làm cơng suất phát ra ở mỗi xylanh khơng đều, cơng suất chung giảm, động cơ làm việc bị rung động, dẫn đến tuổi thọ giảm.
d. Ảnh hưởng tới quá trình khởi động động cơ
Khi cặp píttơngplơng-giơ cĩ độ mịn đạt tới một giá trị nào đĩ làm tỉ lệ số hạt nhiên kiệu cĩ đường kính lớn tăng, số hạt nhiên liệu ít khơng đảm bảo tới giá trị tự cháy. Độ mịn lớn làm qui luật cấp nhiên liệu ở chế độ khởi động thay đổi, động cơ khĩ khởi động thậm chí khơng khởi động được.
3. Ảnh hưởng của hao mịn trục cam bơm cao áp tới quá trình hoạt động của động cơ
Sự hao mịn prơphin cam dẫn đến sự thay đổi hình dạng của nĩ và làm cho chiều cao cam thay đổi, dẫn đến chiều cao nâng con đội của píttơngplơng-giơ cũng thay đổi. Khi chiều cao nâng píttơngplơng-giơ giảm đi thì lượng dầu đi qua píttơngplơng-giơ cấp cho buồng cháy giảm xuống, do đĩ điều kiện làm việc của píttơngplơng-giơ trong bơm khơng đảm bảo lưu lượng nhiên liệu cần thiết. Điều đĩ làm giảm cơng suất của bơm cao áp đồng thời làm giảm cơng suất động cơ. Khi prơphin cam thay đổi sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới thời điểm phun nhiên liệu. Đặc biệt khi các prơphin cam hao mịn khơng đều dẫn đến lưu lượng và thời điểm cấp nhiên liệu cho mỗi buồng đốt sẽ khơng đều làm cho cơng suất ở mỗi xylanh của động cơ khơng đồng đều gây ảnh hưởng rất xấu đến các chi tiết khác và cơng suất động cơ giảm hẳn.