L ỜI NÓI ĐẦU
2.3.1.1 Giải pháp kỹ thuật để hệ thống nhiên liệu diesel có khả năng phun
2.3.1.1.1 Cơ sở lý thuyết.
Để tận dụng tối đa các bộ phận của hệ thống nhiên liệu diesel đang sử dụng trên xe buýt, đồng thời hạn chế tối thiểu việc phải lắp đặt thêm nhiều cơ cấu, bộ phận khác làm thay đổi quá lớn kết cấu và tăng chi phí cho việc cải tạo. Ta sử dụng đánh lửa bằng cách phun nhiên liệu mồi
Đánh lửa bằng cách phun nhiên liệu mồi là đánh lửa được thực hiện bằng sự tự cháy của một lượng nhỏ nhiên liệu diesel phun trước khi piston đến điểm chết trên.
Nguyên tắc này giống như ở động cơ diesel, chỉ có khác là việc điều chỉnh công suất được thực hiện bằng cách điều chỉnh thể tích khí ga nạp vào xylanh còn lượng nhiên liệu diesel phun mồi vẫn giữ cố định. Người ta gọi loại động cơ này là diesel-gas hay lưỡng nhiên liệu.
Các hạt nhiên liệu diesel phun vào buồng cháy sẽ tự bốc cháy và tạo ra chừng ấy điểm đánh lửa trong hỗn hợp nhiên liệu-không khí.
So với hệ thống đánh lửa cổ điển dùng tia lửa điện, người ta thấy hệ thống đánh lửa kiểu này hiệu quả hơn nhiều vì năng lượng do nó toả ra cao gấp nghìn lần so với hệ thống đánh lửa tia lửa điện truyền thống và nó hầu như không phụ thuộc
vào sự phân bố hỗn hợp trong buồng cháy. Trong trường hợp đó, sự ra tăng áp suất diễn ra nhanh chóng hơn và hiệu suất động cơ được cải thiện đáng kể.
Ở chế độ làm việc ổn định, sự gia tăng áp suất của loại động cơ này tương tự động cơ Diesel.
Lượng nhiên liệu phun mồi rất nhỏ, nhỏ hơn cả lượng nhiên liệu cần thiết để duy trì chế độ không tải của động cơ Diesel.
Ưu điểm của đánh lửa bằng cách phun nhiên liệu mồi
- Độ tin cậy khi đánh lửa cao, hiệu quả đánh lửa kéo dài và có thể đánh lửa với bất kỳ độ đậm đặc nào của hỗn hợp với điều kiện là mức độ rối của hỗn hợp ga- không khí đủ lớn.
- Dễ dàng chuyển đổi sang lại động cơ Diesel khi có sự cố hệ thống gas.
- Hiệu suất nhiệt động học cao.
Nhược điểm của đánh lửa bằng cách phun nhiên liệu mồi.
Tỷ số nén cao làm hạn chế công suất cực đại theo tính chất nhiên liệu khí. Mặc dù khả năng chống kích nổ của LPG cao nhưng nếu tỷ số nén cao hơn mức cho phép sẽ gây hiện tượng kích nổ làm công suất động cơ giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng và gây hư hỏng động cơ . Trong khi đó, việc đánh lửa bằng tia lửa điện cho phép lựa chọn tỷ số nén tối ưu cho từng loại ga sử dụng. Tuy nhiên việc giảm tỷ số nén sẽ dẫn đến việc giảm hiệu suất nhiệt của động cơ.
2.3.1.1.2 Giải pháp lắp đặt thiết bị điều khiển lưu lượng dầu diesel trên đường
cao áp.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị điều khiển lưu lượng dầu diesel.
H. 2-7. Cấu tạo thiết bị điều khiển lưu lượng dầu diesel 1 - Cuộn dây 5 - Dầu đến vòi phun 2 – Lõi thép 6 - Dầu hồi
3 – Ty van 7 – Van một chiều 4 - Dầu từ bơm cao áp đến
Thiết bị điều khiển lưu lượng dầu gồm ba bộ phận chính:
-Ống hình trụ, hai đầu có ren để nối với ống cao áp từ bơm cao áp tới và ống cao áp dẫn tới vòi phun.
-Van điện từ có nhiệm vụ đóng mở van để làm thay đổi lưu lượng qua ống.
-Ống hồi dầu có nhiệm vụ hồi dầu dư về bơm vận chuyển.
Nguyên lý hoạt động: khi không cấp điện, van điện từ đóng, ty van 3 làm cho tiết diện ống tại vị trí đó nhỏ lại, lưu lượng dầu diesel theo đường 5 tới vòi phun ít đi, thực hiện chức năng phun nhiên liệu mồi, do chất lỏng không chịu nén nên áp suất dầu phía 4 tăng nên, khi áp suất vượt quá giới hạn cho phép, van một chiều 7 sẽ mở ra, hồi dầu theo đường 6 về bơm vận chuyển. Khi cấp điện, cuộn dây 1 tạo ra từ trường hút lõi thép 2 đi lên đồng thời kéo ty van 3 nên, lưu lượng dầu qua ống đến vòi phun trở lại bình thường để thực hiện chức năng của hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel thông thường.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống nhiên liệu có lắp đặt thiết bị điều khiển lưu lượng dầu trên đường cao áp.
H. 2-8. Cấu tạo của hệ thống nhiên liệu có lắp đặt thiết bị điều khiển lưu lượng dầu trên đường cao áp.
1- Bình lọc khí ; 2- Hồi dầu ở vòi phun; 3- Vòi phun; 4- Ống cao áp; 5- Bình lọc thô; 6- Bình lọc tinh; 7- két nhiên liệu; 8- Van khoá; 9- nút xả dầu; 10- bơm thấp áp; 11- Ống hồi dầu; 12- Bơm cao áp; 13- Thiết bị thay đổi lưu lượng dầu; 14- Ống dẫn ga.
Nguyên lý hoạt động: Bơm 10 hút nhiên liệu diesel từ bình chứa 7 qua lọc thô 5 vào bơm rồi được bơm qua bình lọc tinh 6, tới bơm cao áp 12. Các bình lọc 5 và 6, lọc sạch cặn bẩn lẫn trong nhiên liệu. Bơm cao áp đẩy nhiên liệu đi tiếp đến thiết bị điều khiển lưu lượng 13. Tại đây nếu van điện từ đóng thì chỉ một phần nhỏ nhiên liệu đi tiếp vào đường cao áp 4, tới vòi phun để phun vào buồng cháy động cơ, nhiên liệu dư thừa ở thiết bị điều khiển lưu lượng qua đường hồi dầu 11 trở về cửa hút của bơm chuyển nhiên liệu 10. Nếu van điện từ mở thì toàn bộ dầu từ bơm cao áp vào đường cao áp 4 tới vòi phun để phun vào buồng đốt, đường hồi dầu 11 chỉ nhận được dầu dư thừa từ bơm cao áp. Một phần nhiên liệu rò rỉ trong vòi phun đi theo đường 2 trở về thùng chứa.
Không khí từ ngoài trời qua bình lọc khí 1 vào ống nạp. Tại đây nếu động cơ đang chạy ở chế độ chỉ dùng diesel thì không khí sẽ qua xupap nạp vào buồng đốt, nếu động cơ chạy bằng LPG thì không khí sẽ được hoà trộn cùng vơi LPG từ ống 14, sau đó hỗn hợp khí-gas mới qua xupap nạp vào buồng đốt.
Nhược điểm cơ bản của giải pháp này đó là việc lắp đặt thiết bị điều khiển lưu lượng trên đường cao áp đòi hỏi phải kín sát, các bộ phận của thiết bị phải chịu được áp suất cao. Mỗi đường cao áp dẫn đến vòi phun đòi hỏi phải lắp đặt một thiết bị điều khiển lưu lượng vì vậy dẫn đến chi phí tốn kém, điều khiển và sửa chữa thiết bị khó khăn, phức tạp.
2.3.1.1.3 Giải pháp lắp đặt thiết bị điều khiển lưu lượng dầu diesel trên đường
thấp áp.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị điều khiển lưu lượng dầu diesel trên đường thấp áp.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị điều khiển lưu lượng dầu diesel trên đường thấp áp cũng giống như thiết bị điều khiển lưu lượng dầu diesel trên đường cao áp. Chúng chỉ khác nhau về vật liệu chế tạo và độ kín sát của các chi tiết cấu thành.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống nhiên liệu có lắp đặt thiết bị điều khiển lưu lượng dầu trên đường thấp áp.
H. 2-9. Cấu tạo của hệ thống nhiên liệu có lắp đặt thiết bị điều khiển lưu lượng dầu trên đường thấp áp.
1- Bình lọc khí ; 2- Hồi dầu ở vòi phun; 3- Vòi phun; 4- Ống cao áp; 5- Bình lọc thô; 6- Bình lọc tinh; 7- Két nhiên liệu; 8- Van khoá; 9- Nút xả dầu; 10- Bơm thấp áp; 11- Ống hồi dầu; 12- Bơm cao áp; 13- Thiết bị thay đổi lưu lượng dầu; 14- Ống dẫn ga.
Nguyên lý hoạt động: Bơm 10 hút nhiên liệu diesel từ bình chứa 7 qua lọc thô 5 vào bơm rồi được bơm qua bình lọc tinh 6, các bình lọc 5 và 6, lọc sạch cặn bẩn lẫn trong nhiên liệu. Nhiên liệu từ bình lọc tinh đi tiếp đến thiết bị điều khiển lưu lượng 13. Tại đây nếu van điện từ đóng thì chỉ một phần nhỏ nhiên liệu đi tiếp đến bơm cao áp 12, lượng nhiên liệu này được bơm cao áp đẩy qua đường cao áp 4 tới vòi phun để vào buồng cháy động cơ, nhiên liệu dư thừa ở thiết bị điều khiển lưu lượng qua đường hồi dầu 11 trở về cửa hút của bơm chuyển nhiên liệu 10. Nếu van điện từ mở thì bơm cao áp sẽ đẩy lượng dầu như mong muốn từ bình lọc tinh 6 vào đường cao áp 4 tới vòi phun để phun vào buồng đốt, đường hồi dầu 11 chỉ nhận được dầu dư thừa từ bơm cao áp. Một phần nhiên liệu rò rỉ trong vòi phun đi theo đường 2 trở về thùng chứa.
Ưu điểm của giải pháp này đó là ta chỉ cần lắp đặt duy nhất một thiết bị điều khiển lưu lượng dầu trên đường thấp áp đã có thể làm thay đổi lượng dầu phun vào buồng đốt của tất cả 6 vòi phun trên động cơ .
2.3.1.1.4 Giải pháp lắp đặt thiết bị điều khiển thanh răng nhiên liệu.
Điều chỉnh thanh răng nhiên liệu đồng nghĩa với việc điều chỉnh hành trình có ích của piston bơm cao áp, từ đó dẫn đến việc nhiên liệu vào ống cao áp, tới vòi phun nhiều hay ít.
H. 2-10. Sơ đồ nguyên lý bộ điều tốc sử dụng thiết bị điều khiển thanh răng nhiên liệu
1 – Bàn đạp ga: 2 – Thanh răng nhiên liệu; 3 – Tay đòn; 4 – Quả văng ; 5 - Khớp trượt; 6 – Lò xo; 7 - Khớp nối; 8 - Khớp nối; 9 - Khớp nối; 10 - Cần điều khiển
Nguyên lý hoạt động: khi động cơ chạy nhiên liệu LPG, lượng dầu diesel phun vào chỉ cần một lượng nhỏ. Ta tác động vào cơ cấu điều khiển 10 kéo tay đòn 7 ăn khớp với khớp 9 đồng thời cắt hẳn bộ điều tốc của động cơ, thanh răng nhiên liệu 2 dịch chuyển qua trái làm cho hành trình có ích của piston bơm cao áp ngắn lại, dầu diesel tới vòi phun ít hơn. Khi động cơ chạy diesel, nhả cơ cấu điều khiển 10, tay đòn 7 ăn khớp với khớp 8, kéo thanh răng nhiên liệu trở về vị trí bình thường, bộ điều tốc nhiều chế độ của động cơ hoạt động bình thường theo chức năng của nó.
Nhược điểm của phương pháp: với không gian có hạn của động cơ việc lắp đặt thêm một cơ cấu điều điều chỉnh thanh răng nhiên liệu trở nên khó khăn. Độ chính xác, tin cậy kém, có thể làm hỏng bộ điều tốc nếu cơ cấu điều khiển không ngắt bộ điều tốc dứt khoát. Các chi tiết trong cơ cấu đòi hỏi phải nhỏ gọn , chính xác.
2.3.1.1.5 Giải pháp sử dụng hệ thống nhiên liệu kiểu tích phun.
H. 2-11. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu kiểu tích phun
1- Bơm ngăn kéo 6- Cần đẩy 2- Trục lệch tâm 7- Trục điều chỉnh
3- Bình tích tụ 8- Cam 4- Lò xo xupap 9- Hộp xupap 5- Xupap phân phối 10- Vòi phun
Nhiên liệu được nén trong bơm cao áp rồi được cung cấp cho các bình tích phun. Thời điểm bắt đầu cung cấp nhiên liệu ở vòi phun được xác định vào lúc “triệt tiêu” khe hở giữa đầu mút trên của cần đẩy và đuôi xupap. Lượng cung cấp nhiên liệu chu trình được điều chỉnh bằng trục điều chỉnh 7, khi muốn hệ thống nhiên liệu làm nhiệm vụ phun mồi hay làm nhiệm vụ phun diesel bình thường, chỉ cần tác dụng vào trục này. Trên trục có cơ cấu lệch tâm dùng để điều chỉnh lượng cung cấp nhiên liệu chung cho tất cả các xylanh. Khi ta quay trục 7 đi một góc xác định nào đó thì khe hở giữa con đội và đuôi xupap sẽ thay đổi, do vậy thời gian nhiên liệu từ bình tích tụ cung cấp cho vòi phun cung thay đổi theo. Thời điểm bắt đầu cung cấp nhiên liệu được thay đổi cùng với thời điểm kết thúc cung cấp (với trị số thay đổi như nhau) nhờ một cam đối xứng có độ nâng lớn nhất trùng với vị trí piston ở điểm chết trên.
Để kiểm tra áp suất nhiên liệu trong hệ thống, người ta lắp vào hộp xupap một đồng hồ đo áp suất. Trong hộp có nhiều loại xupap khác nhau: xupap xả, xupap bảo hiểm, xupap đóng, mở hệ thống.
Ưu điểm: có thể điều chỉnh lượng nhiên liệu diesel phun mồi vào buồng đốt nhiều hay ít như mong muốn.
Nhược điểm:
- Mỗi vòi phun cần lắp đặt một xupap phân phối
- Phải lắp đặt thêm một trục cam để mở xupap phân phối và một hệ thống truyền động đến cam, nhằm xác định thời điểm mở xupap này.
Kết luận: giải pháp này chỉ nên áp dụng để chế tạo động cơ hoàn toàn mới, có công suất lớn. nếu áp dụng để cải tiến trên xe buýt ít mang tính khả thi do phải lắp đặt thêm nhiều cơ cấu làm cho động cơ trở nên cồng kềnh, phức tạp, chi phí chuyển đổi cao
2.3.1.1.6 Giải pháp lắp đặt hệ thống phun nhiên liệu mồi song song với hệ
thống phun nhiên liệu diesel có sẵn.
H. 2-12. Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu mồi song song với hệ thống nhiên liệu diesel
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: hệ thống cung cấp dầu diesel trên động cơ được chia làm hai hệ thống riêng rẽ, một cho hoạt động của động cơ chỉ sử dụng diesel và một cho hoạt động của động cơ sử dụng LPG và diesel làm nhiên liệu phun mồi.
Nhiên liệu diesel phun mồi đầu tiên được cung cấp đến bộ phận bơm, bao gồm bình lọc, điều hoà áp suất và một bơm phun nhiên liệu mồi loại piston dẫn động bằng điện. Bơm phun nhiên liệu mồi làm áp suất nhiên liệu mồi tăng nên xấp xỉ 1000 bar. Nhiên liệu sau khi phân bố qua hệ thống ống cung cấp chung có áp suất cao đến vòi phun trên nắp xylanh. Thời điểm và khoảng thời gian phun nhiên liệu mồi được điều khiển bằng điện.
Hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel thông thường, bơm cao áp được dẫn động bằng cam. Từ bơm cao áp, nhiên liệu có áp suất cao đi đến lò xo tải của vòi
Ưu nhược điểm của giải pháp:
Hệ thống làm việc với độ tin cậy cao, mang tính hiện đại. Giải pháp này chỉ nên áp dụng để chế tạo động cơ hoàn toàn mới, nếu áp dụng để cải tiến trên xe buýt ít mang tính khả thi do phải thay đổi và lắp đặt thêm nhiều bộ phận và hệ thống điện điều khiển bơm phun nhiên liệu mồi đắt tiền vì vậy giá thành để chuyển đổi sẽ cao.
2.3.1.1.7 Lựa chọn giải pháp phun mồi
Qua phân tích 5 giải pháp kỹ thuật cải hoán hệ thống nhiên liệu diesel để hệ thống có khả năng thực hiện chức năng phun mồi nhiên liệu được được trình bày ở trên, tôi lựa chọn giải pháp kỹ thuật lắp đặt thiết bị điều khiển lưu lượng dầu trên đường thấp áp giữa bơm cao áp và bình lọc tinh, để lắp đặt trên động cơ D6BR sử dụng trên xe buýt thành phố Nha Trang. Giải pháp này phù hợp với cấu tạo của loại động cơ D6BR, mang tính hiện đại và độ tin cậy cao, đồng thời chi phí để lắp đặt so với các giải pháp khác thấp, ít phải thay đổi kết cấu ban đầu của hệ thống nhiên liệu vì vậy khách hàng sẽ cảm thấy hài lòng hơn.