Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel

183 Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel

184
Chương 10
TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL
I. ĐẶC TÍNH CỦA BƠM CAO ÁP
Bơm Bosch là loại bơm cao áp vẫn được dùng rộng rãi trong các loại động cơ Diesel hiện nay,
vì vậy trong phần này chúng ta sẽ khảo sát về các đặc tính của loại bơm này.
Đặc tính cung cấp nhiên liệu của bơm cao áp là đặc tính nói lên mối quan hệ giữa sự biến
thiên lượng nhiên liệu cấp cho chu trình g
ct
(lượng nhiên liệu của một hành trình bơm) theo tốc độ
quay của trục bơm, tại một vò trí cố đònh của thanh răng bơm cao áp.
Trên hình triển khai phần đầu của piston (hình 10.1), thể hiện sự thay đổi lượng nhiên liệu cấp
cho chu trình của bơm cao áp Bosch.
Trên đồ thò , S
e

Vì vậy hành trình cấp nhiên liệu thực tế thường lớn hơn hành trình có ích lý thuyết làm cho
lượng nhiên liệu thực tế cấp cho chu trình thường lớn hơn giá trò đònh lượng lý thuyết. Hiệu ứng nói
trên sẽ càng lớn nếu tốc độ động cơ càng cao.
Các đặc tính A, B, C của bơm cao áp trên hình 10.2 tương ứng với ba vò trí khác nhau của
thanh răng bơm cao áp. Biến thiên của ba đặc tính này tương tự nhau, càng tăng tốc độ động cơ (giữa
không đổi vò trí của thanh răng bơm cao áp) sẽ càng làm tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình g
ct
.
S
e


d

C

B

A

Hình 10.1. Thay đổi lượng nhiên liệu cấp
cho mộ chu trình.
Tốc độ trục bơm

(vòng/phút)
g
ct

185
Gọi

b
là hệ số cung cấp nhiên liệu của bơm cao áp:
lt
ct
b
V
V
 , là tỷ số giữa lượng nhiên liệu
thực tế bơm cao áp cung cấp trong một chu trình (tính theo thể tích) trên lượng nhiên liệu lý thuyết
mà bơm cao áp cung cấp trong một chu trình.
nl
ct
ct
g
V


e
2
eplt
S.
4
d.
S.fV




2
cy
f 2
.Q
PP



(10-1)
Trong đó: P
y
– áp suất nhiên liệu phía trước lỗ phun (Pa).
P
c
– áp suất môi chất trong buồng cháy (Pa).
Q
p
– lưu lượng nhiên liệu qua lỗ phun.
(m
3
/s).


nl
– khối lượng riêng của nhiên liệu.
(kg/m
3
).
Động cơ ô tô máy kéo hoạt động trong phạm vi tốc
độ rất rộng từ 500

0
.
3
.

Đặc tính của vòi phun hở
.

Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel

186
Hiện tượng trên sẽ làm cho các giọt nhiên liệu bay hơi chậm, khó cháy hết, dễ tạo muội than
gây tắc lỗ phun, làm giảm công suất và hiệu suất động cơ.
Chính vì những nhược điểm trên nên vòi phun hở của động cơ Diesel hiện nay rất ít dùng mà
thay thế vào đó là loại vòi phun kín.
II.2. Loại vòi phun kín có kim
Vòi phun kín có kim là vòi phun có kim tỳ lên đế van, gây ngăn cách giữa không gian phía
trước và phía sau mặt tỳ của kim phun. Hiệu số giữa áp suất P
2
ở sau mặt tỳ của kim phun và áp suất
P
z
trong buồng cháy được xác đònh qua công thức:

 
2
cc
nl
2
z2




(12-3)
Trong đó: A – lực ép ban đầu của lò xo lên kim phun (N).
B – độ cứng của lò xo (N/m).
x – hành trình nâng kim (m).
d
1
, d
2
– đường kính trung bình mặt tỳ mũi kim và đường kính phần dẫn hướng
của kim (m).
II.2.2. Phương trình Bernuollie của dòng nhiên liệu đi qua đế tỳ của kim

 
2
11
nl
2
2y
f 2
.Q
PP




(10-4)



x = f(Q

)

P
y
= f(Q

)

P
2
= f(Q

)


c
.f
c

P
y

P
2

P
y

y
= f(Q

) thể hiện qua đường II (hình 10.4), càng tăng Q
1
thì đường II càng sát với đường
I, nếu độ nâng kim x không bò hạn chế. Tiết diện lưu thông tương đối nhỏ tại đế kim phun f
1
gây tiết
lưu và tăng chuyển động rối của nhiên liệu tại đây, cải thiện chất lượng phun tơi. Ở chế độ không tải,
chạy chậm với vòi phun kín tiêu chuẩn vẫn cho chất lượng phun tốt. Nhờ có kim phun ngăn cách hai
không gian phía trước và sau đế tỳ của kim phun, nên khi kết thúc đã tránh được hiện tượng nhỏ giọt
(đây là một ưu điểm lớn ở vòi phun kín mà vòi phun hở không có được).
Đường III trên (hình 10.4) là hàm p
y

= f(Q

) khi x = x
max
(hành trình nâng kim bò hạn chế).
Đường IV là hàm x = f(Q

). Áp suất nâng kim P

tác dụng lên diện tích hình vành khuyên:


2
k





.p
f
f
p'p
0
0
v
với
0
v
f
f


Cuối quá trình phun áp suất trong vòi phun tương đối lớn, muốn cho kim phun được đóng
nhanh cần chọn
75,0


và độ cứng lò xo từ (150

300) N/mm.
II.3. Loại vòi phun kín có chốt
Loại vòi phun có chốt trên kim phun được sử dụng nhiều nhất
trong các loại động cơ cao tốc có buồng cháy ngăn cách, đôi khi cũng
được sử dụng trong các loại động cơ cao tốc có buồng cháy thống nhất.


), khi không hạn chế hành trình của kim phun;
đường 2 là hàm số p
y
= f(Q

) không tiết lưu và tương tự vòi phun hở; đường 3 là hàm số x = f(Q

) khi
hạn chế hành trình tại x
max
.
Trên đoạn I, sơ đồ vận động của dòng nhiên liệu và đặc tính của vòi phun có dạng giống như
vòi phun có van phẳng.
Trên đoạn II, do tiết diện lưu thông qua các phần côn của chốt tăng nên khi tăng lưu lượng
nhiên liệu thì áp suất p
y
và hành trình nâng kim phun đều tăng tương đối chậm.
Trên đoạn III, do tiết diện lưu thông qua phần côn dưới của chốt giảm đi nên áp suất p
y
giảm
và hành trình nâng kim phun x tăng rất nhanh. Nếu góc của phần côn dưới tương đối lớn, thì mặc dầu
áp suất p
y
và hành trình nâng kim phun x vẫn tăng nhưng lưu lượng nhiên liệu Q

có thể giảm do vòi
phun làm việc không ổn đònh và kim phun dao động mạnh.
Trên đoạn IV, tiết diện lưu thông qua phần côn của chốt không thay đổi vì vậy cả p
y

ee
ct
.i.n.120
.N.g
V



, (l) (10-5)
p
y
p
y
p
y
P
c
2

1

3

II

I

p
y
x

Trong đó công suất động cơ N
e
được xác đònh như sau: (p
e
tính theo MN/m
2
)


30
i.n.V.p
N
he
e
(10-6)
Thế N
e
trong (10-6) vào (10-5), ta được:

nl
hee
ct
.3600
V.p.g
V

 (10-7)
Thể tích nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình cũng có thể được biểu thò dưới dạng hàm số của các
thông số đặc trưng cho chu trình công tác của động cơ. Nếu ta thay g
e



 (10-9)
Để cho việc tính toán được thuận lợi ta có thể dùng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình tính
theo một đơn vò thể tích công tác xylanh (l):

nl0k
ck
h
ct
ct
M.T
.p
.120
V
V
v


 (10-10)
Nếu lấy p
0
= 0,1 MN/m
2
; T
0
= 297
0
K;



p
được tính từ điều kiện đảm bảo cho động cơ làm việc ở chế độ thiết kế ít tốn nhiên
liệu nhất. Trên thực tế

p
rất ít khi vượt quá (30

50)
0
góc quay trục khuỷu. Khi chọn

p
cần thấy
rằng khoảng cách thời gian phun nhiên liệu thực tế phụ thuộc vào áp suất trong hệ thống nhiên liệu,
số vòng quay của động cơ và thường vượt quá khoảng thời gian phun nhiên liệu hình học

ph
khoảng
1,3

1,7. khi chọn

p
có thể chọn theo đồ thò trên hình 10.7.
Sau khi chọ

p
có thể xác đònh được tốc độ cấp nhiên liệu trung bình hoặc lưu lượng trung bình
của một tổ bơm.

số k = 1,2

1,5 để đánh giá tỷ số giữa tốc độ cung cấp cực đại với tốc độ trung bình. Như vậy dựa
vào phương trình lưu động liên tục ta có thể xác đònh đường kính piston bơm cao áp.

pc
c
p
ct
p
C
n6
.
V
k
4
d


(10-13)
Trong đó:

c
– hệ số cung cấp của bơm cao áp.
C
p
– tốc độ piston bơm cao áp.
Sau khi tính được d
p
cần lựa chọn đường kính piston sát nhất theo tiêu chuẩn kích thước. hệ số
Hình 10.7. Mối quan hệ giữa
ph
p


và áp suất phun
lớn nhất P
nlmax
.
10

30

50

P
nlmax
(MN/m
2
)

1,25

1, 50


p


Trên hình 10.8 giới thiệu đường cong xây dựng theo số liệu kinh nghiệm, thể hiện mối quan
hệ giữa hệ số nạp và đường kính piston của loại bơm cao áp kiểu van piston.
III.1.2. Hành trình có ích của piston bơm cao áp
Hành trình có ích của piston bơm cao áp được xác đònh theo biểu thức sau:

cp
ct
a
f
V
h


(10-14)
Chỉ trong các loại bơm cao áp điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình bằng biện pháp
thay đổi hành trình piston mới thực hiện được điều đó.
Muốn cung cấp nhiên liệu khi động cơ chạy quá tải hoặc khi động cơ dùng bơm cao áp có bộ
hiệu đính quy luật cung cấp nhiên liệu, cũng như muốn duy trì quy luật cung cấp của động cơ khi bơm
cao áp đã bò mòn cần phải tăng hành trình có ích của piston khoảng 30

40 % so với số liệu tính
được. Đối với động cơ máy kéo muốn dễ khởi động trong mùa động cần tăng hành trình có ích thực tế
lên hai lần so với số liệu tính được. Do phải dùng một phần hành trình piston bơm cao áp để thực hiện
quá trình nạp và xả nhiên liệu nên hành trình toàn bộ của piston bơm cao áp phải lớn hơn hành trình
có ích tính được khoảng 3

4 lần.


ph
/2; đối với động cơ hai kỳ

’
p
=

ph
.
Nếu không tính tới hành trình của piston trước lúc đẩy mở van kim thì trước khi bắt đầu hành
trình có ích, con đội đã chạy một đoạn h
1
, lúc ấy áp suất trong hệ thống tăng từ áp suất còn lại trong
đường ống cao áp p
ct
tới áp suất mở kim phun p
p0
. Nếu biết dung tích của hệ thống đường cao áp là V,
theo quy luật ép của nhiên liệu ta có:
C
đ
C
đ
C
đ

Hình 10.9.
Phương pháp xác đònh dạng của bơm cao áp.
O


clpo
nl
1p
pp
V
hf


hoặc


p
nlclpo
1
f
Vpp
h



(10-15)
Đến cuối hành trình có ích, con đội đã chạy thêm hành trình có ích h
a
. Như vậy từ lúc bắt đầu
chạy, con đội đã dòch chuyển được h
2
= h
1
+ h

Sau khi đã có hai điểm trên đường cong chuyển dòch của con đội (tức đoạn hành trình có ích
của piston) ta có thể hiệu chỉnh lại đường cong đó bằng cách sử dụng quan hệ
'
ph
d
dh

.C
p
đối với những
điểm đã biết tốc độ.
Nếu tỷ lệ xích của hoành độ 1mm = a
0
góc quay trục cam và tung độ 1 (m) = b (mm), hệ số
góc của đường tiếp tuyến với đường hành trình con đội tại điểm khảo sát là:

1h1
c
b
a
tg

và
2h2
c
b
a
tg



p
cap
max
ct
max










(10-17)
Tốc độ này phải phù hợp với độ chênh lệch áp suất nhiên
liệu lớn nhất trên đường đặc tính; đồng thời giả thiết rằng số lượng,
hình dạng phân bố các lỗ vòi phun phải phù hợp với buồng cháy lắp
vòi phun đó.
Có thể chọn vòi phun hở và vòi phun kín tiêu chuẩn cả trong
trường hợp không có đường đặc tính.
Đối với vòi phun hở, nếu biết lưu lượng nhiên liệu cực đại
Q
max
và chênh lệch áp suất (p
p
– p
z
), ta có thể xác đònh tổng tiết



zp
nl
max11
pp2
Qf
(10-18)
Trong đó :

nl
– khối lượng riêng của nhiên liệu.
p
p
– áp suất nhiên liệu trong thân vòi phun.
Đối với vòi phun kín tiêu chuẩn (hình 10.9) ta có thể dùng phương pháp tính gần đúng. Lưu
lượng nhiên liệu cực đại trong một giây lớn hơn lưu lượng giới hạn của vòi phun. Trong khi đó sức
cản chính đối với lưu động chính của nhiên liệu là các lỗ vòi phun.
III.2.1. Lực ép ban đầu của lò xo vòi phun
Trong trường hợp này, phương trình (10-18) được dùng để xác đònh gần đúng tổng diện tích lưu
thông có ích của các lỗ phun khi đã biết lưu lượng nhiên liệu cực đại và chênh lệch áp suất khi phun.
Đường kính phần tựa và phần dẫn hướng của van kim có thể được xác đònh từ áp suất dư trên đường
ống cao áp sau khi kết thúc quá trình phun. Áp suất bắt đầu đẩy mở van kim p
po
được xác đònh và
điều chỉnh khi phun nhiên liệu vào áp suất khí trời p
o
, vì vậy điều kiện cân bằng của van kim tại thời
điểm van kim bắt đầu tách khỏi đế van được viết dưới dạng sau:
4

p
4
dd
pA
2
b
z
2
b
2
k
cl




(10-20)
Nếu lựa chọn giá trò p
z
và p
cl
với một hệ số dự trữ nào đó thì bất đẳng thức trên có thể viết
thành một đẳng thức.
Qua hai biểu thức trên giúp ta xác đònh tỷ số đường kính của van kim:

1
pp
pp
d
d


(10-22)
Lực ép ban đầu A của vòi phun được xác đònh theo phương trình (10-19). Mặt tựa hạn chế
hành trình nâng cực đại của van kim x
max
phải chọn sao cho khi van kim tỳ lên mặt hạn chế thì lưu
lượng cực đại của nhiên liệu lớn hơn lưu lượng giới hạn một chút. Người ta xác đònh x
max
theo đặc tính
Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel

194
vòi phun. Có thể xác đònh gần đúng hành trình nâng cực đại của van kim x
max
theo cách suy luận sau:
Muốn cho tác dụng tiết lưu của van kim không làm giảm nhiều áp suất ở trước lỗ phun thì diện tích
tương đương của tiết diện lưu thông của vòi phun không được sai lệch nhiều so với tổng diện tích tiết
diện lưu thông của các lỗ vòi phun, tức là:

1
f
f
11
tdtd




Trong trường hợp đang xét diện tích tương đương được tính như sau:


1
f
"f
f
f


























f
f
1
f
f
f
f
























k
f
f
'k 
> 3, nếu tiếp tục tăng k’ sẽ
gây ảnh hưởng ít tới mức độ tiết lưu và
td
f
sát với
1
f
. Các vòi phun kín hiện nay
1
"
k
f
f
bằng 1,7

4,5
tức giá trò k’ trung bình rất sát với 3.
Hình 10.11. Mối quan hệ giữa
1
td
f
f
và
1
"
k


Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel

195
III.2.2. Độ cứng của lò xo vòi phun
Chọn tỷ số
1
"
k
f
f
, sẽ tìm được
k
f
. Sau đó thay giá trò của d
x
,
"
k
f
và các giá trò hàm lượng giác của
góc côn tựa

k
vào phương trình:






4
d
pcxA
2
k
pomaxk


(10-25)
Từ đó ta xác đònh được độ cứng của lò xo vòi phun theo phương trình sau:











 A
4
d
p
x
1
c
2
k

max
ct
max












Nếu áp suất trong vòi phun p
p
= 35 (MN/m
2
), khối lưởng riêng của nhiên liệu phun vào xylanh

nl
= 0,85.10
-3
(kg/cm
3
), áp suất cháy p
z
= 4 (MN/m
2

cl
= 11MN/m
2
,
ngoài ra giả thiết vòi phun được điều chỉnh tới p
po
= 15 (MN/m
2
) theo công thức (10-21) ta có:

8,11
1115
1,01,9
d
d
b
k





Do đó: d
b
=
)mm(78,2
8,1
5
8,1
d

'k
1
"
k

ta được
"f
k
= 3,5.0,215 = 0,735mm
2
.
Chọn đường kính d
x
= 1,5 mm, góc côn tựa bằng 60
0
, ta được:

68,0
f
d
68,0.2
57,1
d
68,0.2
57,1
x
"
k
2
xxmaxk


.
Trong hai nghiệm x
kmax1
và x
kmax2
tìm được chỉ có x
kmax2
là thỏa mãn điều kiện trên.
Lực ép ban đầu của lò xo được tính như sau:

.209
4
8,2
1,0
4
8,25
15A
222




Độ cứng của lò xo vòi phun tính theo phương trình.

)mm/N(240209
4
25.14,3
15
355,0

[5] The Internal Combustion Engine in Theory and Practice, The M.I.T press (Massachusetts
Institute of Technology) – 1998.
[6] Advanced Engine Technology, London Roal Institute of Technology – 1999.
[7] Tài liệu kỹ thuật Toyota, Mercedes.

pdfMachine by Broadgun Software - a great PDF writer! - a great PDF creator! -