Chơng 1
Tổng quan về hệ thống nhiên liệu diesel
của hãng Bosch
Quá trình cháy trong động cơ diesel phụ thuộc chủ yếu vào cách thức
nhiên liệu đợc phun vào trong buồng cháy động cơ, thờng đợc biểu diễn
thông qua quy luật cung cấp nhiên liệu hoặc đặc tính phun (Injection
Characteristic). Các tiêu chí quan trọng nhất của quá trình phun nhiên liệu
diesel bao gồm: Thời điểm và khoảng thời gian phun; Mức độ phun tơi và
sự phân bố nhiên liệu trong không gian buồng cháy; Thời điểm cháy; Tốc
độ phun (lợng nhiên liệu đợc phun vào theo góc quay trục khuỷu/trục cam);
Tổng khối lợng nhiên liệu đợc cung cấp cho 1 chu trình tùy theo chế độ tải
của động cơ.
Để động cơ và hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel hoạt động hiệu
quả thì tất cả các yếu tố thay đổi nói trên phải đợc xem xét một cách kỹ l-
ỡng. Trong thực tế, hệ thống cung cấp nhiên liệu đã đợc thiết kế phù hợp
với động cơ diesel và phạm vi sử dụng của nó. Tuy nhiên, khi có khá nhiều
yếu tố biến đổi (trong đó có những nhiều yếu tố là mâu thuẫn lẫn nhau) cần
đợc xem xét thì bản thiết kế cuối cùng có thể chỉ là sự thỏa hiệp.
Thành phần và trạng thái của hỗn hợp không khí/nhiên liệu (air/fuel)
có ảnh hởng mạnh đến suất tiêu hao nhiên liệu, mô men xoắn (công suất
ra), thành phần khí thải và tiếng ồn cháy của động cơ. Chất lợng và hiệu
quả của quá trình tạo hỗn hợp phụ thuộc chủ yếu vào hệ thống phun nhiên
liệu diesel.
Những thông số thay đổi của quá trình phun có ảnh hởng tới quá trình
tạo hỗn hợp, diễn biến quá trình cháy và do đó có ảnh hởng tới mức độ ô
nhiễm, công suất/hiệu suất của động cơ bao gồm:
+ Thời điểm phun nhiên liệu
3
+ Đặc tính phun (khoảng thời gian phun và diễn biến tốc độ phun)
+ áp suất phun
4
Do đặc điểm của động cơ diesel (tạo hỗn hợp bên trong, hỗn hợp
không đồng nhất, tiếp tục cấp nhiên liệu trong quá trình cháy) nên không
thể đạt đợc sự hoà trộn hoàn toàn của nhiên liệu với không khí nạp trớc và
trong suốt quá trình cháy. Hỗn hợp tự bốc cháy sau một khoảng thời gian
ngắn (thờng tính theo độ góc quay trục khuỷu
0
GQTK) tính từ thời điểm
bắt đầu phun nhiên liệu (hiện tợng cháy trễ).
Trong vùng hỗn hợp không đồng nhất của động cơ diesel, hệ số d lợng
không khí cục bộ có thể thay đổi trong một khoảng khá rộng, từ = 0
(vùng thuần tuý nhiên liệu) tại vùng thể tích chết của vòi phun tới =
(vùng thuần tuý không khí) tại vùng biên ngoài cùng của tia phun. Quan sát
chi tiết một hạt nhiên liệu lỏng cho thấy, ở khu vực ngoài cùng của hạt (đ-
ợc bao bởi hơi nhiên liệu), xuất hiện hệ số cục bộ trong khoảng từ 0,3 đến
1,5 (Hình 1.1).
Hình 1.1. Đờng cong tỷ số A/F đối với một hạt nhiên liệu tĩnh, [7]
Từ đó có thể suy luận rằng, với sự nguyên tử hoá nhiên liệu tốt (quá
trình phun tạo thành một số lợng lớn các hạt có đờng kính rất nhỏ), với mức
hệ số d lợng không khí lớn và chuyển động rối phù hợp của dòng khí cuối
5
% (thuần tuý không khí)
)
1.5
0.3
Nghèo
Giàu
Giới hạn cháy
&'()*
Vùng có thể bốc cháy
độ ồn của qúa trình cháy. Chính vì thế, thời điểm phun có vai trò quan trọng
trong việc tối u hoá sự vận hành của động cơ.
Thời điểm phun nhiên liệu, tính theo
0
GQTK tới điểm chết trên
(ĐCT), là thời điểm mà vòi phun mở và nhiên liệu bắt đầu đợc đa vào trong
buồng cháy. Vị trí của pít tông so với ĐCT (cũng nh hình dạng của đờng
6
nạp) ở thời điểm đó sẽ xác định trạng thái, nhiệt độ và tỷ trọng của dòng khí
nén bên trong buồng cháy. Do đó, mức độ hoà trộn của nhiên liệu và không
khí cũng phụ thuộc vào thời điểm phun nhiên liệu. Vì thế, thời điểm phun
sẽ ảnh hởng đến mức độ ô nhiễm (chất thải dạng hạt-PM, các ô xít nitơ-
NO
x
, hydrocarbon cha cháy- HC, và monoxide carbon-CO).
Hình 1.2. ảnh hởng của thời điểm phun và thời gian phun
đến suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh) và hàm lợng NO
x
(g/kW.h), [7]
Hình 1.3. ảnh hởng của thời điểm phun và thời gian phun
đến hàm lợng HC(g/kWh) và PM (g/kWh), [7]
7
Thời điểm phun (
0
GQTK)
10 15 20 25 30 Thời gian phun (
0
GQTK)
10
5
GQTK)
Thời điểm phun (
0
GQTK)
10
5
61
-5
-10
-15
-20
10 15 20 25 30 Thời gian phun (
0
GQTK)
Thời điểm phun nhiên liệu yêu cầu phụ thuộc vào chế độ tải của động
cơ (Hình 1.4). Do vậy, cần phải có sự điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu
theo các chế độ tải của động cơ. Trên các động cơ diesel hiện đại dùng hệ
thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử, các dữ liệu về đặc tính vận hành
của động cơ đợc xác định và lu giữ dạng điện tử trong Bản đồ dữ liệu động
cơ(Engine Data Map). Bản đồ này biểu diễn thời điểm phun nhiên liệu
yêu cầu theo chế độ tải, tốc độ và nhiệt độ của động cơ. Đồng thời, Bản
đồ này cũng xét đến mức tiêu thụ nhiên liệu, yêu cầu về mức phát thải chất
ô nhiễm và mức độ ồn tại mọi giá trị công suất ra xác định.
Dựa trên yêu cầu của điều luật ô nhiễm (Tiêu chuẩn Euro 3), thời
điểm phun đợc xác định nh sau:
+ Đối với động cơ diesel xe con phun nhiên liệu trực tiếp:
- Chế độ không tải: từ -2
0
GQTK đến + 4
0
7894:Nhiệt độ cuối quá trình nén lớn nhất đạt
đợc tại ĐCT. Nếu quá trình cháy đợc bắt đầu quá sớm trớc ĐCT thì áp suất
cháy tăng mạnh và cản trở chuyển động đi lên của pít tông. Tổn thất nhiệt
trong quá trình sẽ làm giảm hiệu suất của động cơ và do vậy sẽ làm tăng
suất tiêu hao nhiên liệu. Sự tăng nhanh của áp suất nén cũng sinh ra tiếng
ồn cháy lớn hơn. Khi tăng góc phun sớm sẽ làm tăng nhiệt độ trong buồng
8
cháy. Kết quả là hàm lợng NO
x
tăng trong khi hàm lợng HC giảm (Hình
1.4).
784;:Khi giảm góc phun sớm (làm chậm
thời điểm phun nhiên liệu) ở chế độ không tải có thể làm cho quá trình cháy
không hoàn toàn, vì thế lợng thải HC tăng lên. Sự mâu thuẫn lẫn nhau giữa
một bên là suất tiêu hao nhiên liệu và hàm lợng HC với một bên là hàm l-
ợng PM và NO
x
dẫn đến cần có một sự phối hợp mang tính thỏa hiệp (với
dung sai rất nhỏ) khi thay đổi thời điểm phun đối với một động cơ cụ thể.
N
Thời điểm phun tối u ở chế độ không tải
V
Thời điểm phun tối u ở chế độ toàn tải.
Hình 1.4. ảnh hởng của thời điểm phun nhiên liệu đến hàm lợng
NO
x
và HC của động cơ diesel xe tải (không tuần hoàn khí thải) , [7]
9
cao áp bắt đầu chuyển nhiên liệu tới vòi phun). Nguyên nhân của việc này
là đối với hệ thống nhiên liệu diesel truyền thống và khi động cơ không vận
hành thì việc xác định thời điểm bắt đầu cung cấp của BCA là dễ dàng hơn
so với thời điểm phun thực tế. Ngoài ra, sự đồng bộ giữa thời điểm bắt đầu
phun với động cơ (nhất là đối với bơm cao áp vạn năng kiểu dãy và bơm
cao áp phân phối) về cơ bản là dựa theo thời điểm bắt đầu cung cấp (do tồn
tại quan hệ xác định giữa thời điểm bắt đầu cung cấp với thời điểm bắt đầu
phun). Thời gian cần thiết để sóng áp suất lan truyền từ bơm cao áp đến vòi
phun phụ thuộc vào chiều dài đờng ống cao áp và tạo nên hiện tợng trễ
phun (injection lag) tính theo GQTK. Hiện tợng trễ phun này tăng tỷ lệ với
tốc độ động cơ. Những nguyên nhân trên dẫn đến yêu cầu là hệ thống phun
phải có khả năng điều chỉnh thời điểm bắt đầu cung cấp/thời điểm bắt đầu
phun .
HI$(('
Khối lợng nhiên liệu cung cấp cho 1 xy lanh trong một chu trình m
e
,
tính theo mg, đợc xác định theo phơng trình sau:
. .33,33
.
e
e
P g
m
n i
=
(1.1)
trong đó:
P- Công suất phát ra của động cơ
10
+ Tiết diện lu thông hiệu dụng của vòi phun
+ Sự thay đổi theo thời gian của chênh lệch giữa áp suất phun (áp
suất nhiên liệu) và áp suất môi chất (khí nén) trong buồng cháy.
+ Tỷ trọng của nhiên liệu diesel
Tại điều kiện áp suất cao, nhiên liệu diesel đợc coi là môi chất có thể
nén đợc. Điều này sẽ ảnh hởng đến lợng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình
và nó cần đợc quan tâm khi thiết kế hệ thống phun diesel.
Sự thay đổi về lợng nhiên liệu phun sẽ dẫn đến sự thay đổi về mức độ
ô nhiễm và công suất ra của động cơ. Bằng việc sử dụng hệ thống phun có
khả năng định lợng chính xác và điều tốc điện tử, lợng nhiên liệu phun vào
xi lanh có thể đợc kiểm soát với độ chính xác cao.
J6K/
Đặc tính ô nhiễm và mức tiêu thụ nhiên liệu là 2 yếu tố vô cùng quan
trọng của động cơ. Với mục tiêu đảm bảo 2 yếu tố trên, hệ thống phun
nhiên liệu diesel phải đảm bảo các yêu cầu sau:
11
+ Thời điểm phun nhiên liệu phải chính xác. Trên thực tế, chỉ với
những sai lệch nhỏ về thời điểm phun cũng có ảnh hởng đáng kể tới mức
tiêu thụ nhiên liệu, mức độ ô nhiễm khí thải và tiếng ồn cháy.
+ áp suất phun có thể thay đổi với mức độ độc lập cao nhất có thể,
nhằm đáp ứng yêu cầu của tất cả các chế độ vận hành của động cơ.
+ Có khả năng kết thúc nhanh quá trình phun. Hiện tợng phun rớt,
phun trễ sẽ làm gia tăng mức độ ô nhiễm khí thải.
Khái niệm Đặc tính phun nhằm mô tả diễn biến lợng nhiên liệu
phun phun vào trong buồng cháy theo thời gian.
1.1.4.1. Thời gian phun
Một trong những tham số chính của đặc tính phun là thời gian phun
(thời gian kim phun mở và dòng nhiên liệu phun vào buồng cháy), đợc xác
định theo
0
3- áp suất phun tăng mạnh 4- áp suất phun tăng 2 giai đoạn 8- Phun bổ sung
5- áp suất phun tăng chậm 6- áp suất phun giảm chậm 9- Phun muộn
Hình 1.5. Các dạng đặc tính phun của hệ thống nhiên liệu diesel, [7]
13
Xe con: 5ữ15
0
GQTK
Xe tải:6ữ12
0
GQTK
Thời điểm phun chính (xe tải ở tải cao từ -5
0
đến 5
0
GQTK, xe con đến -15
0
GQTK)
90ữ180
0
GQTK
ZV: Không phun mồi: 4ữ10
0
GQTK
Có phun mồi: 1ữ2
0
GQTK
<
H
x
của động cơ diesel
không tuần hoàn khí thải.
+ Đờng (4): áp suất phun tăng 2 giai đoạn (4) trong phần đầu của
giai đoạn phun chính để giảm hàm lợng NO
x
và PM của động cơ diesel
không tuần hoàn khí thải.
+ Đờng (3, 7) : áp suất phun cao và không đổi trong suốt giai đoạn
phun chính. Mục đích để giảm hàm lợng PM của động cơ diesel có tuần
hoàn khí thải.
+ Đờng (8): Phun bổ sung (Advanced post-injection) ngay sau giai
đoạn phun chính để giảm hàm lợng PM, hoặc
+ Đờng (9): Phun muộn (Retarded post-injection). Mục đích của quá
trình phun muộn này là tạo chất xúc tác (hơi nhiên liệu) cho bộ xử lý NO
x
trên đờng thải theo công nghệ deNOx [4], và/hoặc để tăng nhiệt độ khí thải
cho mục đích tái sinh đối với bộ lọc PM trên đờng thải.
+ Đờng (5,6): dạng đặc tính phun (hình tam giác) của hệ thống phun
diesel truyền thống.
Với hệ thống phun diesel kiểu truyền thống, áp suất đợc tạo ra liên
tục trong quá trình phun bởi bơm cao áp. Do vậy, tốc độ trục bơm cao áp có
tác động trực tiếp đến áp suất và tốc độ phun nhiên liệu.
Với bơm cao áp kiểu phân phối (không dùng van điều khiển điện tử)
và bơm cao áp cơ khí truyền thống kiểu dãy, quá trình phun chỉ bao gồm 1
14
giai đoạn phun chính (giai đoạn 2) mà không có các giai đoạn phun mồi PI,
phun bổ sung, phun muộn.
Với bơm cao áp phân phối có van điều khiển điện tử, có thể có giai
đoạn phun mồi PI. Hiện nay, với hệ thống phun dùng BCA-VP kết hợp lắp
lớn đối với động cơ diesel không có phun mồi
Hình 1.6. ảnh hởng của việc phun mồi đến diễn biến áp suất cháy, [7]
Quá trình phun mồi sẽ cấp một lợng nhỏ nhiên liệu (từ 1 đến 4 mm
3
) vào
buồng cháy nhằm tạo điều kiện thuận lợi trong buồng cháy trớc khi bắt đầu giai
đoạn phun chính. Quá trình phun mồi đạt đợc 2 mục đích: giảm thời gian cháy trễ
và giảm độ dốc của đờng cong áp suất trong giai đoạn cháy chính. Chính vì vậy,
nó sẽ tác động đến tiếng ồn cháy, mức tiêu hao nhiên liệu và hàm lợng NO
x
, HC.
Tuỳ thuộc vào thời điểm bắt đầu giai đoạn phun chính và khoảng cách giữa giai
đoạn phun mồi với giai đoạn phun chính, suất tiêu hao nhiên liệu sẽ thay đổi.
* Quá trình phun bổ sung và phun muộn:
16
á?X
Y
8Z
[Z
(a, b)
ĐCT =R?S-T, [độ]
6;!(-4X
Hệ thống phun kiểu commonrail có thể phun bổ sung một lợng nhiên
liệu ngay sau giai đoạn phun chính (không phụ thuộc vào việc phun muộn
để hỗ trợ bộ xử lý NOx và bộ lọc PM). Trong trờng hợp này, nhiên liệu đợc
chết nhỏ sẽ khắc phục đợc vấn đề này.
a- Vòi phun có thể tích chết nhỏ b- Vòi phun thông thờng.
Hình 1.7. ảnh hởng của vòi phun đến hàm lợng HC, [7]
1.1.4.4. Đặc tính thời điểm của các loại hệ thống phun
Trên hình 1.8 biểu diễn lần lợt diễn biến độ nâng và tốc độ chuyển
động của cam, độ nâng của van điện từ, áp suất nhiên liệu trên đờng ống
cao áp (phía bơm cao áp, phía vòi phun), độ nâng kim phun và tốc độ phun
của hệ thống phun diesel dùng bơm cao áp phân phối (kiểu hớng tâm)
VP 44. Ta thấy, áp suất và đặc tính phun có sự thay đổi lớn giữa phía BCA
và phía VP (đợc xác định bởi đặc tính của các bộ phận có liên quan trên đ-
ờng truyền nhiên liệu cao áp nh: biên dạng cam, BCA, van cao áp, đờng
ống cao áp, VP). Chính vì vậy, hệ thống phun nhiên liệu phải thực sự phù
hợp với động cơ diesel sẽ dùng nó.
18
+54,$(+(g/kWh)
2
1
0
[[[
0 1 2 3 13/\ (mm
3
)
Động cơ 1
Động cơ 2
19
0
¸/
^, [bar]
p
I_
t
I
0,25
0
6;!(-4
, [mm]
h
_
4
2
0
1";U
[mm
3
/®é]
Q
-24 -16 -8 61 8 16
=R?S
4, [®é]
H×nh 1.8. DiÔn biÕn c¸c qu¸ tr×nh trong hÖ thèng phun diesel, [7]
Diễn biến các quá trình trong tất cả các hệ thống phun diesel mà tạo
cao áp bằng bơm kiểu pít tông (BCA kiểu dãy, BCA-VP kết hợp, BCA riêng
biệt) có dạng tơng tự nh trên Hình 1.8. Tuy nhiên, riêng với hệ thống phun
kiểu commonrail thì hoàn toàn khác (Hình 1.9).
1.1.4.5. Thể tích nhiên liệu chịu nén trong hệ thống phun truyền thống
khủyu/theo thời gian) bởi Hệ thống điều khiển diesel điện tử EDC (The
Electronic Diesel Control).
Lá
Quá trình phun sử dụng áp suất trong hệ thống nhiên liệu để tạo ra
dòng nhiên liệu chuyển động qua các lỗ phun. Hệ thống phun có áp suất
cao sẽ dẫn đến tốc độ phun nhiên liệu qua lỗ phun lớn. Sự nguyên tử hoá
nhiên liệu xảy ra do sự va chạm hỗn loạn giữa các tia nhiên liệu với dòng
không khí nén bên trong buồng cháy. Vì vậy, khi tăng vận tốc tơng đối giữa
dòng nhiên liệu và không khí, tăng tỷ trọng của không khí nén trong xi lanh
thì chất lợng phun tơi sẽ tốt hơn. Bằng cách lựa chọn kích thớc của đờng
ống cao áp phù hợp, có thể làm cho áp suất phun tại phía VP cao hơn áp
suất tạo ra ở đầu BCA
21
áX
p
0
p
r
Phun
mồi
Phun
chính
12(X
Hình 1.9. Đặc tính phun của hệ thống nhiên liệu diesel
kiểu Commonrail, [7]
p
r
- áp suất trong bình tích áp
p
0
kín nhiều lỗ, với số lỗ phun từ 4 đến 10 (thông thờng là từ 6 đến 8 lỗ phun),
đợc bố trí xung quanh tâm. Số lợng và hớng của tia phun phải rất phù hợp
với hình dạng buồng cháy. Chỉ với độ lệch khoảng 2
0
(so với giá trị góc
phun tối u) cũng có thể dẫn đến sự tăng lên đáng kể của khói đen và mức
tiêu thụ nhiên liệu.
1.1.6.2. Với động cơ diesel phun gián tiếp
Trên động cơ diesel phun nhiên liệu gián tiếp thờng sử dụng vòi phun
kín có kim phun dạng chốt, với duy nhất một tia phun. Vòi phun này sẽ
phun nhiên liệu vào buồng cháy phụ sao cho nến sấy (hỗ trợ khởi động
nguội) nằm trong vùng tia phun. Hớng tia phun cũng phải rất phù hợp với
hình dạng buồng cháy. Hớng phun không chính xác sẽ không tận dụng đợc
ô xy trong khí nén và vì thế sẽ làm tăng khói đen và hàm lợng HC trong khí
thải.
Bảng 1-1. Tác động của những yếu tố chính của quá trình phun
đến sự làm việc của động cơ diesel, [7]
ảnh hởng
Giảm côngsuất động cơ
Suất tiêu hao nhiên liệu cao hơn
Tăng hàm lợng HC và PM
Tăng hàm lợng NO
x
Động cơ có thể h hỏng
Làm việc không ổn định
Động cơ đáp ứng kém
Sự cố
Phun qúa sớm (+) (+) - + + + +
Phun quá muộn + + + - + + +
áp suất phun quá thấp
MW
A/P
MW
P/H
MW
ZWM
CW
ZWM
CW
PF - PF PF PF PF PF
VE VE VE VE VE - VE
VR VR VR VR VR - -
- UIS UIS UIS UIS UIS -
- - - UPS UPS
UPS
PF (R)
UPS
PF (R)
- CR CR CR CR CR CR
Chú thích:
- M, MW, A, P, H, ZWM, CW: Kích thớc tăng dần của bơm cao áp kiểu dãy
- PE: Bơm phun nhiên liệu riêng biệt
- VE: Bơm pít tông hớng trục
- VR: Bơm pít tông hớng tâm
- UIS: Hệ thống BCA- VP kết hợp
- UPS: Hệ thống BCA riêng biệt
+ Máy phát điện: với công suất lên đến khoảng 10 kW/ 1 xy lanh
24
+ Động cơ cao tốc trên xe con và xe tải hạng nhẹ: với công suất lên
đến khoảng 50 kW/ 1 xy lanh
X- hành trình có ích của pít tông BCA 1- Xy lanh BCA; 2- Cửa nạp;
3- Rãnh xoắn; 4- Pít tông BCA;
5- Lò xo; 6- Điều chỉnh lợng nhiên liệu phun;
7- Trục cam BCA; 8- ống điều khiển;
9- Điều chỉnh thời điểm cấp; 10- Nhiên liệu đến vòi phun.
Hình 1.10. Nguyên lý làm việc của BCA kiểu dãy, [7]
0H+"(d(4'!"
Trong HTPNL dùng BCA phân phối, pít tông BCA phải tham gia cả
hai chuyển động tịnh tiến và quay để thực hiện đồng thời hai chức năng:
bơm và phân phối nhiên liệu cho các xy lanh. Tuỳ theo số xy lanh, có thể sử
dụng 1 hoặc 2 BCA phân phối.
Khi bơm làm việc( Hình 1.11), nhiên liệu áp suất cao đợc sinh ra bởi
pít tông hớng trục 4 (trong BCA phân phối, pít tông có thể bố trí hớng trục
hoặc hớng tâm) đợc dẫn động bởi đĩa cam 3 thông qua các con lăn 2. Nhiên
liệu cao áp tạo ra trong khoang 6 đợc phân phối đến các xy lanh thông qua
các rãnh phân phối 8.
26
1
2
X
3
4
5
6
7
10
10
1
2 3 4 5
6
7
8X
Copyright: Tài liệu đại học ©