4. Tính toân thiết kế hệ thống nhiín liệu động cơ Duratorq 2.4l
4.3.1. Tốc độ phun nhiín liệu lớn nhất trong một chu trình
Qmax = ( ) dt V d CT = K. P CT v ϕ .6.n (3-48) Qmax = 21 3500 . 6 . 752 , 25 . 4 , 1 = 36052,8[mm3/s] = 36,0528[cm3/s] 4.3.2. Tổng số tiết diện lưu thông của lỗ phun∑µ.f1.
1 1.f µ ∑ = Qmax . ( p z) nl P P − 2 δ (3-49)
Trong đó:
µ1: hệ số lưu lượng;chọn µ1= 0,75. δnl = 0,85.10-3
[kG/dm3 ]
PP: Âp suất nhiín liệu trong thđn vòi phun PP= 200 [MN/m2
]
Pz: Âp suất cực đại của chu trình. Pz= 12,704 [MN/m2 ] ∑µ.f1 = 36,0528. 2(200 12,704) 10 . 85 , 0 6 − − = 1,717.10-3 [cm2 ]= 0,1717 [mm2 ] 4.3.3. Tiết diện lưu thông của một lỗ phun.
∑f1 = 1 1 1 . . µ µ i f ∑ (3-50) i: số lỗ phun Chọn số lỗ phun :i = 5 µ= 0,75 ∑f1 = 00,,171775.5= 0,046 [mm2 ] 4.3.4. Đường kính lổ phun tính toân.
dlt = π1 . 4d (3-51) dlt = 14 , 3 046 , 0 . 4 = 0,24 [mm] Vậy chọn đường kính lỗ phun lă dlt= 0,24 (mm)
Qua quâ trình phđn tích câc ưu nhược điểm của câc hệ thống nhiín liệu vă dựa văo những kết quả tính toân trín. Tôi chọn hệ thống nhiín liệu có kết cấu chung như trình băy ở hình dưới đđy (Hình 5-1)
5.1. Sơ đồ vă nguyín lý lăm việc của hệ thống
Sơ đồ của hệ thống được thể hiện ở hình 2-8
F E 3 C 4 5 D 2 A 1 9 7 8 6
Hình 5-1 Sơ đồ hệ thống nhiín liệu động cơ Duratorq 2.4l.
A. Đường hồi nhiín liệu từ bơm cao âp; B. Đường âp suất cao lín ống phđn phối nhiín liệu; C. Đường cao âp tới kim phun; D. Đường dầu hồi; E. Nhiín liệu trở lại thùng chứa; F. Đường nhiín liệu từ lọc tới bơm cao âp; 1- Bơm cao âp; 2- Ống phđn phối nhiín liệu; 3- Vòi phun; 4- Van an toăn; 5- Nhânh đưa dầu về thùng; 6- Thùng nhiín liệu; 7- Bơm dầu vă cảm biến lượng nhiín liệu trong thùng; 8- Lọc nhiín liệu; 9- Bơm chuyển nhiín liệu.
Trong hệ thống nhiín liệu gồm có câc bộ phận chính sau:
Thùng chứa 6 có nhiệm vụ chứa dầu đủ cho động cơ lăm việc trong một thời gian. Bơm chuyển 9 có nhiệm vụ vận chuyển nhiín liệu đến bơm cao âp thông qua bầu lọc 8.
Bơm cao âp 1 có nhiệm vụ tạo ra nhiín liệu có âp suất cao cho quâ trình phun. Bơm năy được lắp đặt trín một ngăn của hệ thống. Thường thì giống như vị trí đặt bơm phđn phối trước đđy (của câc động cơ cổ điển). Nhiín liệu sau khi ra khỏi bơm cao âp được vận chuyển văo bộ phận tích luỹ cao âp.
Ống Rail 2 năy lă bộ phận tích luỹ cao âp vă luôn được cấp nhiín liệu để phục vụ cho việc phun nhiín liệu. Nhiín liệu trong ống luôn có âp suất 2000 bar để phun văo xylanh văo đúng thời điểm. Một số thănh phần của hệ thống Common Rail được đặt trực tiếp trín ống năy, như cảm biến âp suất, van điều âp.
Vòi phun 5 có chức năng phun nhiín liệu văo xylanh động cơ. PCM quyết định lượng nhiín liệu được phun.
Khi động cơ lăm việc, nhiín liệu được bơm cấp nhiín liệu đặt trong thùng chứa hút lín bầu lọc 8 vă tới bơm chuyển nhiín liệu (bơm thấp âp) kiểu bânh răng thông qua đường nhiín liệu F. Rồi nhiín liệu được chuyển tới bơm cao âp, thông qua đường nhiín liệu B nhiín liệu được chuyển tới ống phđn phối nhiín liệu 2, từ ống phđn phối 2, nhiín liệu được phđn phối tới câc vòi phun 3 thông qua câc ống cao âp C vă phun văo xilanh động cơ hỗn hợp với không khí nĩn, tạo thănh hoă khí hay hỗn hợp vă tự chây vă sinh công.
Nhiín liệu sau khi đi qua bơm cao âp lă nhiín liệu cao âp. Từ đầu ra của bơm phđn phối đến cung cấp nhiín liệu cho 4 vòi phun của động cơ theo thứ tự nổ lă 1-3-4-2.
Để đảm bảo cho thănh phần nhiín liệu phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ. Trong hệ thống người ta có lắp thím câc cảm biến: âp suất khí nạp, tốc độ động cơ, nhiệt độ nước lăm mât, vị trí băn đạp ga.... Câc cảm biến năy nhận tín hiệu vă chuyển về bộ điều khiển PCM. Bộ điều khiển có nhiệm vụ xử lý tín hiệu từ câc cảm biến gởi về vă sẽ phât ra tín hiệu điều khiển vòi phun. Câc tín hiệu năy sẽ quyết định lượng nhiín liệu mă bơm sẽ cung cấp cho câc vòi phun.
5.1.1. Những đặc tính của hệ thống nhiín liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l + Âp suất nhiín liệu, lượng phun, vă thời điểm phun được điều khiển bằng điện tử + Âp suất nhiín liệu, lượng phun, vă thời điểm phun được điều khiển bằng điện tử vì vậy điều khiển tốc độ động cơ đạt độ chính xâc cao.
+ Âp suất nhiín liệu cao cho nín việc hoă trộn nhiín liệu – hoă khí trong buồng chây tốt hơn.
+ Tích trữ nhiín liệu âp suất cao, nhiín liệu được phun văo âp suất cao ở mỗi dải tốc độ động cơ.
Với những đặc tính như trín thì động cơ Duratorq 2.4l có tính hiệu năng, tính kinh tế nhiín liệu tăng cao, tiếng ồn nhỏ ít rung động vă khí thải sạch.
5.1.2 Nhiệm vụ vă yíu cầu đối với hệ thống nhiín liệu động cơ Duratorq 2.4lHệ thống nhiín liệu động cơ có những nhiệm vụ sau: Hệ thống nhiín liệu động cơ có những nhiệm vụ sau:
- Chứa nhiín liệu dự trữ, đảm bảo cho động cơ hoạt động liín tục trong một khoảng thời gian quy định.
- Lọc sạch nước vă câc tạp chất cơ học có lẫn trong nhiín liệu
- Cung cấp lượng nhiín liệu cần thiết cho mỗi chu trình ứng với chế độ lăm việc quy định của động cơ.
- Cung cấp nhiín liệu đồng đều văo câc xy lanh theo trình tự lăm việc quy định của động cơ.
- Cung cấp nhiín liệu văo xi lanh động cơ đúng lúc theo một quy luật đê định.
- Phun tơi vă phđn bố đều nhiín liệu trong thể tích môi chất trong buồng chây, bằng câch phối hợp chặt chẽ hình dạng kích thước vă phương hướng của câc tia nhiín liệu với hình dạng buồng chây vă cường độ vận động của môi chất trong buồng chây.
Diễn biến chu trình công tâc của động cơ Diesel chủ yếu phụ thuộc văo tình hình hoạt động của thiết bị cung cấp nhiín liệu. Tốc độ toả nhiệt của nhiín liệu vă dạng đường cong của âp suất môi chất công tâc trong quâ trình chây biến thiín theo góc quay trục khuỷu chủ yếu phụ thuộc văo những yếu tố sau:
- Thời điểm bắt đầu phun nhiín liệu (tức lă góc phun sớm ϕ1). - Biến thiín của tốc độ phun (tức lă quy luật cấp nhiín liệu ). - Chất lượng phun (thể hiện bằng mức phun nhỏ vă đều). - Sự hoă trộn giữa nhiín liệu với khí nạp trong buồng chây.
5.1.3. Đặc tính phun của hệ thống nhiín liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l
Việc tạo ra âp suất vă việc phun nhiín liệu hoăn toăn tâch biệt với nhau trong hệ thống Common Rail. Âp suất phun được tạo ra độc lập với tốc độ động cơ vă lượng nhiín liệu phun ra. Nhiín liệu được trữ với âp suất cao trong bộ tích âp suất cao (high-pressure accumulator) vă sẵn săng để phun. Lượng nhiín liệu phun ra được quyết định bởi tăi xế,
vă thời điểm phun cũng như âp lực phun được tính toân bằng PCM vă câc biểu đồ đê lưu trong bộ nhớ của nó. Sau đó PCM sẽ điều khiển câc kim phun phun tại mỗi xy lanh động cơ để phun nhiín liệu.
5.1.4. Ưu điểm của hệ thống nhiín liệu năy
- Độ tin cậy cao
- Giảm thải ô nhiễm do khí xả (âp suất phun của Common Rail rất cao từ 1600 đến
2000 Pa nín lăm cải thiện được quâ trình chây mă thực tế lăm giảm bớt lượng phât thải khói đen. Xa hơn nữa, nó lăm giảm lượng phât thải ô nhiễm lă nhờ giai đoạn phun sơ khởi vă phun hỗn hợp).
- Tính kinh tế nhiín liệu (Common Rail có hệ thống phun được điều khiển bằng điện
tử)
- Công suất tăng (Với Common Rail, âp suất phun có thể cho nhiều bộ phận được
chọn lựa tự do vă độc lập với tình trạng lăm việc của động cơ. Ý nghĩa năy moment động cơ có thể được gia tăng trong vùng tốc độ thấp, một thực tế lă nó thực hiện đóng góp chính lăm gia tăng tính linh hoạt của ô tô dùng động cơ diesel).
- Giảm tiếng ồn động cơ (Hoạt động ở âp suất cao vă quâ trình phun được riíng lẻ của
mỗi vòi phun trong hệ thống Common Rail. Việc cho phĩp phun sơ khởi vă phun hỗn hợp năy mă cả hai lăm giảm đâng kể tiếng ồn động cơ)
- Sự hợp nhất câc khâi niệm động cơ đang còn sử dụng (Common Rail được thiết kế
như thế có thể sử dụng cho câc động cơ diesel đang tồn tại mă không cần thay đổi lớn khi muốn lắp đặt hệ thống Common Rail cho động cơ diesel khâc).
5.1.5. Đặc tính phun của hệ thống Common Rail
- Lượng nhiín liệu vă âp suất nhiín liệu phun độc lập với nhau trong từng điều kiện hoạt động của động cơ (cho phĩp dễ đạt được tỉ lệ hỗn hợp A/F lí tưởng).
- Lúc bắt đầu phun, lượng nhiín liệu phun ra chỉ cần một lượng nhỏ.
Câc yíu cầu trín đê được thỏa mên bởi hệ thống Common Rail. Với đặc điểm phun hai lần: phun sơ khởi vă phun chính.
PR
(Pm)
Giai đoạn phun sơ khởi Giai đoạn phun chính.
Hình 5-2 Đường đặc tính phun của hệ thống Common Rail.
Hệ thống Common Rail lă hệ thống thiết kế theo module, có câc thănh phần
- Kim phun điều khiển bằng van điện từ (cuộn dđy solenoid) được gắn văo nắp mây.
- Ống tích trữ nhiín liệu (ống phđn phối âp lực cao ống Rail hay còn gọi lă ắc quy thủy lực ).
- Bơm cao âp (bơm tạo âp lực cao)
Câc thiết bị sau được sự hoạt động điều khiển của hệ thống: - PCM
- Cảm biến tốc độ trục khuỷu. - Cảm biến tốc độ trục cam. - Câc loại cảm biến khâc.
Về cơ bản, kim phun được nối với ống tích nhiín liệu âp suất cao (Rail) bằng một đường ống ngắn. Kết hợp với đầu phun vă van điện từ (solenoid) được cung cấp điện qua PCM. Khi van solenoid không được cấp điện thì kim ngừng phun. Nhờ âp suất phun không đổi, lượng nhiín liệu phun ra sẽ tỉ lệ với độ dăi của xung điều khiển solenoid. Yíu cầu mở nhanh solenoid được đâp ứng bằng việc sử dụng điện âp cao vă dòng lớn. Thời điểm phun được điều khiển bằng hệ thống điều khiển góc phun sớm. Hệ thống năy dùng một cảm biến trín trục khuỷu để nhận biết tốc độ động cơ, vă một cảm biến trín trục cam để nhận biết kỳ hoạt động.
Phun sơ khởi diễn ra sớm đến 90o trước điểm chết trín (ĐCT). Nếu thời điểm phun sơ khởi xuất hiện nhỏ hơn 400, nhiín liệu có thể bâm văo bề mặt của piston vă thănh xi lanh vă lăm loêng dầu bôi trơn.
Trong giai đoan phun sơ khởi, một lượng nhỏ nhiín liệu (1-4 mm3) được phun văo xy lanh để “mồi’’. Kết quả lă quâ trình chây được cải thiện vă đạt được một số hiệu quả sau:
Âp suất cuối quâ trình nĩn tăng một ít nhờ văo giai đoạn phun sơ khởi vă nhiín liệu chây một phần. Điều năy giúp giảm thời gian trễ chây, sự tăng đột ngột của âp suất khí chây vă âp suất cực đại (quâ trình chây ím dịu hơn). Kết quả lă giảm tiếng ồn của động cơ, giảm tiíu hao nhiín liệu vă trong nhiều trường hợp giảm được độ độc hại của khí thải. Quâ trình phun sơ khởi góp phần giân tiếp văo việc tăng công suất động cơ.
* Giai đoạn phun chính ( main injection ).
Công suất đầu ra của động cơ phụ thuộc văo giai đoạn phun chính tiếp theo giai đoạn phun sơ khởi. Điều năy có nghĩa lă giai đoạn phun chính giúp tăng lực kĩo của động cơ. Với hệ thống Common Rail, âp suất phun vẫn giữ không đổi trong suốt quâ trình phun.
* Giai đoạn phun thứ cấp ( secondary injection ).
Theo quan điểm xử lý khí thải, phun thứ cấp có thể được âp dụng để đốt chây NOx. Nó diễn ra sau ngay giai đoạn phun chính vă được xâc định để xảy ra trong quâ trình giên nở hay kỳ thải khoảng 200o sau ĐCT. Ngược lại so với quâ trình phun sơ khởi vă phun chính, nhiín liệu phun văo không được đốt chây mă để bốc hơi nhờ văo sức nóng của khí thải ở ống thải. Trong suốt kỳ thải hỗn hợp khí thải vă nhiín liệu được đẩy ra ngoăi hệ thống thoât khí thải thông qua xupap thải. Tuy nhiín một phần của nhiín liệu được đưa lại buồng đốt thông qua hệ thống luđn hồi khí thải EGR vă có tâc dụng tương tự như chính giai đoạn phun sơ khởi. Khi bộ hóa khử được lắp để lăm giảm NOx, chúng tận dụng nhiín liệu trong khí thải như lă một nhđn tố hóa học để lăm giảm nồng độ NOx trong khí thải.
5.2. Đặc điểm kết cấu vă nguyín lý hoạt động của câc cụm chi tiết
Thùng chứa nhiín liệu dùng để chứa dầu đủ cho động cơ lăm việc trong một thời gian, dung tích 80l.
Thùng dập bằng thĩp lâ bín trong có câc tấm ngăn để nhiín liệu bớt dao động. Nắp thùng có lỗ thông hơi. Ống hút nhiín liệu bố trí cao hơn đây thùng khoảng 3[cm]. Phần lõm lắng cặn vă nước nơi, đây thùng có nút xả.
5.2.2. Lọc nhiín liệu
* Nhiệm vụ của bầu lọc tinh:
Bầu lọc có nhiệm vụ lọc tạp chất cơ học, nước ra khỏi nhiín liệu nín bầu lọc đảm bảo cho hệ thống lăm việc tốt. Kết cấu được thể hiện ở hình 2-11.
2 4 1 5 6 7 8 3 Hình 5-3 Kết cấu bầu lọc.
1- Nhiín liệu từ thùng chứa tới lọc; 2- Nhiín liệu tới ống phđn phối; 3- nắp bầu lọc; 4- Lõi lọc; 5- Thđn bầu lọc; 6- Lượng nuớc có trong bầu lọc; 7- Cảm biến lượng nước có trong bầu lọc; 8- Bu lông xê nước.
Bình lọc nhiín liệu của động cơ Duratorq 2.4l vỏ được lăm bằng nhựa vă lõi lọc lăm bằng giấy lọc, mỗi khi lọc bị tắc lă phải thay thế bình lọc, trong bầu lọc được lắp cảm biến bâo mức nước có trong lọc nhiín liệu vă dưới đây lọc có bu lông để xả nước vă cặn. Khi lượng nước vượt quâ mức cho phĩp ở trong bầu lọc nhiín liệu, cảm biến gửi thông
tin về bộ điều khiển điện tử PCM. Vă đỉn cảnh bâo tình trạng lọc được hiển thị trín bảng tâp lô.
5.2.3. Bơm chuyển nhiín liệu
17 16 15 7 8 9 14 13 12 10 11 2 3 4 5 6 1
Hình 5-4 Kết cấu bơm chuyển nhiín liệu.
1- Trục chủ động; 2- Phốt lăm kín; 3- Van an toăn; 4- Lò xo giữ van an toăn; 5- Ốc giữ lò xo van an toăn; 6- Nắp; 7- Đương nhiín liệu văo; 8- Bọng hút; 9- Bânh răng chủ động; 10- Mặt bích; 11- Then; 12- Bọng đẩy; 13- Bânh răng chủ động; 14- Trục bị động; 15- Đường nhiín liệu ra; 16- thđn bơm; 17- Lỗ lắp bulông.
Bơm chuyển nhiín liệu (hay bơm thấp âp) được thiết kế lă loại bơm bânh răng có van an toăn (3,5 bar). Nhiín liệu được vận chuyển giữa câc răng của hai bânh răng quay. Bânh răng quay được quay bằng động cơ nghĩa lă lượng phđn phối một câch trực tiếp tỷ lệ tốc độ động cơ.
Bơm chuyển nhiín liệu cung cấp nhiín liệu từ bình chứa đến đường dầu văo của bơm cao âp, được lắp trực tiếp trín bơm cao âp, trục cùng trục với bơm cao âp. Bơm chuyển nhiín liệu cung cấp nhiín liệu có âp suất 3-3,5 bar.
Cấu tạo gồm:
Cặp bânh răng ăn khớp ngoăi (bânh răng chủ động 11 vă bânh răng bị động 14) đặt trong vỏ bơm. Bânh răng chủ động được dẫn động từ trục chủ động 11. Ở trín bọng đẩy 12 có lắp van an toăn.
Khi bânh răng chủ động quay ở bọng hút 8 câc cặp bânh răng ra khớp giải phóng thể