Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ 2KD-FTV trên xe Toyota Hiace
Đồ án có linh down bản vẽ + slide của cuối báo cáo
MỤC LỤC
d. Xây dựng đồ thị công 31
4.2. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ 36
4.3. Đặc tính và chức năng của hệ thống 37
4.5.1. Vùng áp suất thấp 38
4.5.2. Vùng áp suất cao 40
LỜI NÓI ĐẦU
Đi lại, vận chuyển hàng hóa là nhu cầu khổng lồ và ngày càng tăng của con
người trên toàn thế giới. Ô tô gần như là phương tiện chủ lực đáp ứng nhu cầu đó.
Công nghệ ô tô là một ngành khoa học kỹ thuật phát triển rất nhanh trên phạm vi
toàn thế giới, để đáp ứng nhu cầu trên đã làm cho tốc độ gia tăng số lượng ô tô trên
thế giới rất nhanh. Do đó, tình hình giao thông ngày càng phức tạp và nảy sinh ra
các vấn đề cấp bách cần phải giải quyết như tai nạn giao thông, ô nhiễm môi
trường, khủng hoảng nhiên liệu… Để giải quyết các vấn đề đó, đòi hỏi ngành công
nghệ ô tô phải áp dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến trong thiết kế, ứng dụng các
nguyên vật liệu và công nghệ hiện đại để cho ra đời những chiếc xe ngày càng hoàn
hảo với tính năng vận hành và tính an toàn vượt trội.
Một trong những hệ thống rất mới liên quan đến điều khiển động cơ đó là hệ
thống nhiên liệu COMMON RAIL. Hệ thống nhiên liệu common rail là một cải tiến
trong động cơ diesel và là một trong số những hệ thống được khách hàng quan tâm
hiện nay khi mua xe ô tô vì những lợi ích mà nó mang lại khi sử dụng như: tiết kiệm
nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường, công suất lớn, giảm tiếng ồn trong động cơ.
Và trong quá trình học tập, đặc biệt trong hai tháng thực tập tốt nghiệp em đã được
tiếp xúc, tìm hiểu về hệ thống nhiên liệu này và nhận thấy đây là đề tài rất mới liên
quan đến chuyên nghành cơ khí động lực của mình. Chính vì vậy em đã chọn đề tài
tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ 2KD-FTV trên xe Toyota
HIACE.
Do kiến thức của bản thân còn hạn chế, kinh nghiệm chưa nhiều và thời gian
thải đựợc chấp thuận trong ngành sản xuất ô tô nhằm bảo vệ môi trường thì bên
cạnh đó công nghệ sản xuất không ngừng ngày càng nâng cao. Công nghệ điều
khiển và vi điều khiển ngày càng được ứng dụng rộng rãi thì việc đòi hỏi phải có
kiến thức vững vàng về tự động hóa của cán bộ kỹ thuật trong ngành cũng phải
nâng lên tương ứng mới mong có thể nắm bắt các sản phẩm được sản xuất cũng như
2
Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ 2KD-FTV trên xe Toyota Hiace
dây chuyền đi kèm, có như vậy mới có thể có một công việc vững vàng sau khi ra
trường.
Khi xem những chiếc xe ô tô của các nước sản xuất em không chỉ ngỡ ngàng
và thán phục nền công nghiệp sản xuất ô tô của thế giới mà em còn tự hỏi: Bao giờ
Việt Nam chúng ta cũng sẽ sản xuất được những chiếc xe như thế? Đây là ước
mong muốn của rất nhiều người đối với ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, là sinh
viên ngành động lực em hi vọng mình cũng sẽ đóng góp một phần nhỏ nào đó để
nền công nghiệp ô tô Việt Nam ngày càng phát triển.
Vì những lý do trên em chọn đề tài "Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu
động cơ 2KD-FTV trên xe Toyota Hiace" để làm đề tài tốt nghiệp.
2. Giới thiệu động cơ 2KD-FTV
2.1 Khái quát chung
Hình 2-1 Mặt cắt
động cơ 2KD-FTV
Động cơ 2KD-
FTV của hãng
Toyota là loại
động cơ Diesel
tuabin tăng áp
TOYOTA D-4D, 4
kỳ 4 xylanh được
đặt thẳng hàng và
ϕ
1
2 Độ
Góc đóng muộn xupap nạp
ϕ
2
31 Độ
Góc mở sớm xupap thải
ϕ
3
30 Độ
Góc đóng muộn xupap thải
ϕ
4
0 Độ
Góc phun sớm
ϕ
s
12 Độ
Loại buồng cháy Thống nhất
Loại động cơ Tăng áp tuabin khí
2.2. Các cơ cấu chính của động cơ
2.2.1. Thân máy
Hình 2-2 Thân
máy
-Được chế tạo
bằng thép hợp
kim thấp
-Bổ sung
nhiều gân tăng
Hình 2-6 Cơ cấu xu páp
-Mỗi xy lanh có 2 xu-páp nạp xả với các cửa nạp/xả rộng hơn sẽ tăng cường
hiệu quả nạp và xả
-Các xu páp được mở/ đóng trực tiếp bằng trục cam
-Đai cam dẫn động trục cam nạp, sau đó trục cam xả được trục cam nạp dẫn
động thông qua bánh răng.
-Trục cam và xu páp
8
Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ 2KD-FTV trên xe Toyota Hiace
Hình 2-7 Trục cam và xu páp
1- Bánh răng dẫn động cam nạp ; 2- Cam nạp ;
3- Bánh răng dẫn động cam xả ; 4- Cam xả ;
5- Cam ;6- Lò xò xupap ; 7- Xupap
+Con đội xu páp là loại không dùng căn đệm điều chỉnh.
+Cần thay thế con đội xu páp để đạt được khe hở thích hợp.
2.2.6. Hệ thống bôi trơn
-Lỗ phun dầu của piston nằm dưới đáy quả piston.
-Mỗi vòi phun dầu đều có van 1 chiều để ngăn chặn việc bơm dầu khi áp suất
dầu động cơ là thấp.
9
Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ 2KD-FTV trên xe Toyota Hiace
Hình 2-8 Phun dầu làm mát piston
2.2.7. Hệ thống làm mát động cơ
Động cơ 2KD-FTV có hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng bức, kiểu
kín, nước tuần hoàn trong hệ thống nhờ bơm ly tâm được dẫn động từ trục khuỷu.
10
Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ 2KD-FTV trên xe Toyota Hiace
trường. Ông đã được cấp bằng sáng chế cho động cơ diesel đầu tiên vào năm
1892.Từ đó, công nghệ động cơ diesel vẫn không ngừng được cải tiến, và bất chấp
nhiều quan điểm hoài nghi từ trong ngành, hãng Mercedes-Benz của Đức đã cho ra
mắt chiếc ô tô lắp động cơ diesel đầu tiên trên thế giới, xe 260D, vào năm 1936. Từ
đó đến nay động cơ Diesel không ngừng được cải tiến, với các giải pháp kỹ thuật tối
ưu làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu. Các nhà động cơ
Diesel đã đề ra nhiều biện pháp khác nhau về kỹ thuật phun và tổ chức quá trình
cháy nhằm giới hạn các chất ô nhiễm.
3.1. Nhiệm vụ và yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu động cơ diesel
3.1.1. Nhiệm vụ
-Dự trữ nhiên liệu đảm bảo cho động cơ có thể làm việc liên tục trong
một thời gian nhất định mà không cần cấp thêm nhiên liệu; lọc sạch nước,
tạp chất cơ học lẫn trong nhiên liệu ; giúp nhiên liệu chuyển động thông
thoáng trong hệ thống.
- Cung cấp nhiên liệu cho động cơ đảm bảo tốt các yêu cầu sau:
+Lượng nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình phải phù hợp với chế độ làm
việc của động cơ.
+Phun nhiên liệu vào đúng thời điểm, đúng quy luật mong muốn.
+Lưu lượng nhiên liệu vào các xylanh phải đông đều
+Phải phun nhiên liệu vào xylanh qua lỗ phun nhỏ với chênh áp lớn
phía trước và sau lỗ phun, để nhiên liệu được xé tơi tốt.
- Các tia nhiên liệu phun vào xylanh động cơ phải đảm bảo kết hợp tốt
giữa số lượng, phương hướng, hình dạng, kích thước của các tia phunvới
13
Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ 2KD-FTV trên xe Toyota Hiace
hình dạng buồng cháy và với cường độ và phương hướng chuyển động của
môi chất trong buồng cháy để hoà khí được hình thành nhanh và đều.
3.1.2. Yêu cầu đối với hệ thống
Hệ thống nhiên liệu động cơ diezen phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Hoà khí được hình thành bên trong xylanh động cơ với thời gian rất ngắn;
1
2
5
4
6
8
9
7
10
11
12
13
3
14
Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ 2KD-FTV trên xe Toyota Hiace
tính theo góc quay trục khuỷu, chỉ bằng 1/10 đến 1/20 so với trường hợp của máy
xăng; ngoài ra nhiên liệu diesel lại khó bay hơi hơn xăng nên phải được phun thật
tơi và hoà trộn đều trong không gian buồng cháy. Vì vậy phải tạo điều kiện để nhiên
liệu được sấy nóng, bay hơi nhanh và hoà trộn đều với không khí trong buồng cháy
nhằm tạo ra hoà khí, mặt khác phải đảm bảo cho nhiệt độ không khí trong buồng
cháy tại thời gian phun nhiên liệu đủ lớn để hoà khí có thể tự bốc cháy.
- Quá trình hình thành hoà khí và quá trình bốc cháy nhiên liệu của động cơ
diesel chồng chéo lên nhau. Sau khi phun nhiên liệu, trong buồng cháy diễn ra một
loạt thay đổi lý hoá của nhiên liệu, sau đó phần nhiên liệu phun vào trước đã tạo ra
hoà khí, tự bốc cháy, trong khi nhiên liệu vẫn được phun tiếp, cung cấp cho xylanh
của động cơ. Như vậy sau khi đã cháy một phần, hoà khí vẫn tiếp tục được hình
thành, và thành phần hoà khí thay đổi liên tục trong không gian của quá trình.
3.3.2. Những đặc trưng của động cơ diesel
áp; 12- Van cao áp; 13- Xilanh bơm cao áp; 14- Lỗ xả; 15- Piston bơm cao áp; 16-
Vít; 17- Ống xoay; 18- Đĩa trên; 19- Lò xo bơm cao áp; 20- Đĩa dưới; 21- Bulông
điều chỉnh; 22- Con đội; 23- Con lăn; 24- Cam.
Nguyên lý hoạt động: Piston đi xuống nhờ lực đẩy lò xo 19, van cao áp 12
đóng kín, nhờ độ chân không được tạo ra trong không gian phía trên piston, khi
mở các lỗ A, B nhiên liệu được nạp đầy vào không gian này cho tới khi piston nằm
ở vị trí thấp nhất.
Piston đi lên nhờ cam 24, lúc đầu nhiên liệu bị đẩy qua các lỗ A, B ra ngoài; khi
đỉnh piston che kín hai lỗ A, B thì nhiên liệu ở không gian ở phía trên piston 15 tăng
áp suất, đẩy mở van cao áp 12, nhiên liệu đi vào đường cao áp tới vòi phun. Quá
trình cấp nhiên liệu được tiếp diễn tới khi rãnh nghiêng trên đầu piston mở lỗ xả B
thời điểm kết thúc cấp nhiên liệu, từ lúc ấy nhiên liệu từ không gian phía trên piston
16
Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ 2KD-FTV trên xe Toyota Hiace
qua rãnh dọc thoát qua lỗ B ra ngoài khiến áp suất trong xilanh giảm đột ngột, van
cao áp được đóng lại. Hình 3-2 giới thiệu kết cấu của bơm cao áp thẳng hàng.
Loại bơm này được sử dụng rất rộng rãi vì chế tạo đơn giản, sử dụng tin cậy,
việc phân phối và điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình cũng rất đơn
giản.
Tuy nhiên có nhược điểm sau: Kích thước và khối lượng lớn, có nhiều cặp
chi tiết chính xác, khó chế tạo. Trong sử dụng phải thường xuyên kiểm tra độ không
đồng đều về nhiên liệu cung cấp cho chu trình của các tổ bơm.
b. Cấu tạo bơm cao áp phân phối
Nguyên lý hoạt động: Dẫn động xoay piston 20 được trục bơm 6 dẫn động,
còn dẫn động định tiến do vành cam 3 trên trục bơm 6 dẫn động. Trên sườn piston
có các lỗ thoát B, khi piston xoay lỗ thoát này sẽ lần lượt ăn thông với các lỗ khoan
chéo A trên đầu bơm. Trong hành trình công tác nhiên liệu nén và phân phối lần
lượt qua các lỗ khoan chéo A, khi đó áp suất nhiên liệu nén đi qua van cao áp 21 rồi
đi đến vòi phun nhiên liệu của xylanh tương ứng. Trên bơm còn có bơm chuyển
với không gian trong buồng cháy động cơ.
Vòi phun kín được chia làm 4 loại:
+ Vòi phun kín tiêu chuẩn.
18
Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ 2KD-FTV trên xe Toyota Hiace
+ Vòi phun kín loại van.
+ Vòi phun kín có chốt trên kim phun.
+ Vòi phun kín loại van lỗ phun.
Hình 3-
4 Cấu tạo vòi
phun
a)- Vòi
phun hở; b)-
Vòi phun kín
tiêu chuẩn; c)-
Vòi phun kín
loại van lỗ
phun; d)- Có
chốt trên đầu
kim; e)- Phần
đầu của vòi phun có chốt trên kim; 1- Thân; 2, 7- Ê cu tròng; 3- Miệng phun; 4- Lỗ
phun; 5- Đế kim; 6, 22- Kim; 8- Chốt; 9- Đũa đẩy;10- Đĩa lò xo; 11- Lò xo; 12-
Cốc.
Vòi phun hở: Là loại vòi phun không có van ngăn cách không gian trong vòi
phun với không gian trong buồng cháy động cơ do đó có các nhược điểm sau:
- Trong khoảng thời gian giữa các lần phun, một phần nhiên liệu trong vòi
phun bị chèn ép nhỏ giọt vào xy lanh, đồng thời khí thể trong xy lanh cũng đi vào
chiếm đầy không gian bị chèn ép đó.
- Thời gian đầu và thời gian cuối của quá trình phun, chất lượng phun rất
a
của bơm
cao áp được xác định theo kích thước hình học của piston và xylanh bơm.
Trên thực tế nhiên liệu đi qua lỗ thoát, do có tổn thất lưu động nên thời gian
đầu của quá trình cung cấp, áp suất nhiên liệu bên trong xylanh sẽ tăng lên sớm hơn
so với thời điểm đóng kín lỗ thoát theo kích thước hình học. Tương tự như trên thời
điểm kết thúc cấp nhiên liệu thực tế không xảy ra cùng thời điểm mở lỗ thông do gờ
rãnh nghiêng phía dưới thực hiện mà thường muộn hơn.
Hình 3-5 Đặc tính tốc độ bơm Bosch
Vì vậy hành trình cấp nhiên liệu thực tế thường lớn hơn so với hành trình có
ích lý thuyết làm cho lượng nhiên liệu thực tế cấp cho chu trình thường lớn hơn giá
trị định lượng lý thuyết. Hiệu ứng kể trên càng lớn nếu tốc độ động cơ càng cao.
Các đặc tính A, B, C của bơm Bosch (hình 3-5) tương ứng với ba vị trí khác nhau
của thanh răng bơm cao áp, biến thiên của ba đặc tính ấy có xu hướng tương tự, tức
là càng tăng tốc độ n (khi giữ không đổi vị trí thanh răng) càng làm tăng lượng
nhiên liệu chu trình g
ct
.
200
160
120
80
40
0
250
500
750
1000
A
bơm, nhưng cũng không thể khắc phục hết nhược điểm này.
3.5.2. Đặc tính phun của hệ thống phun nhiên liệu kiểu cũ
Với hệ thống phun nhiên liệu kiểu cũ dùng bơm phân phối hay bơm thẳng
hàng (distributor or in-line injection pumps), việc phun nhiên liệu chỉ có một giai
đoạn gọi là giai đoạn phun chính (main injection phase), không có khởi phun và
phun kết thúc.
Dựa vào ý tưởng của bơm phân phối sử dụng kim phun điện, các cải tiến đã
được thực hiện theo hướng đưa vào giai đoạn phun kết thúc. Trong hệ thống cũ,
việc tạo ra áp suất và cung cấp lượng nhiên liệu diễn ra song song với nhau bởi cam
và piston bơm cao áp. Điều này tạo ra các tác động xấu đến đường đặc tính phun
như sau:
- Áp suất phun tăng đồng thời với tốc độ và lượng nhiên liệu được phun.
- Suốt quá trình phun, áp suất phun tăng lên và lại giảm xuống theo áp lực
đóng của ty kim ở cuối quá trình phun.
Hình 3-7 Đặc tính phun
nhiên liệu thường
- Áp suất phun
tăng đồng thời với tốc độ
và lượng nhiên liệu được
phun.
- Suốt quá trình
0.8
0.6
0.4
0.2
0
n (vg/ph)
n
-Biện pháp hồi lưu một bộ phận khí xả ( EGR: Exhaust Gas Recirculation).
Hiện nay, các nhược điểm của hệ thống nhiên liệu Diesel đã được khắc phục
bằng cải tiến các bộ phận như: Bơm cao áp, vòi phun, ống tích trữ nhiên liệu áp suất
cao, các ứng dụng điều khiển tự động nhờ sự phát triển của công nghệ. Đó là hệ
thống nhiên liệu Common Rail Diesel.
3.6. Giới thiệu hệ thống Common Rail Diesel
22
Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ 2KD-FTV trên xe Toyota Hiace
Hình 3-8 Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu Common rail
1. Thùng nhiên liệu; 2. Bơm cao áp Common rail; 3. Lọc nhiên liệu; 4.
Đường cấp nhiên liệu cao áp; 5. Đường nối cảm biến áp suất đến ECU ; 6. Cảm
biến áp suất; 7. Common Rail tích trữ &điều áp nhiên liệu (hay còn gọi ắcquy thuỷ
lực) ; 8. Van an toàn (giới hạn áp suất); 9. Vòi phun; 10. Các cảm biến nối đến
ECU và Bộ điều khiển thiết bị (EDU); 11.Đường về nhiên liệu (thấp áp) ; EDU:
(Electronic Driver Unit) và ECU : (Electronic Control Unit).
Trong động cơ Diesel hiện đại, áp suất phun được thực hiện cho mỗi vòi
phun một cách riêng lẽ, nhiên liệu áp suất cao được chứa trong hộp chứa (Rail) hay
còn gọi là “Ắcquy thủy lực”và được phân phối đến từng vòi phun theo yêu cầu. Lợi
ích của vòi phun Common Rail là làm giảm mức độ tiếng ồn, nhiên liệu được phun
ra ở áp suất rất cao nhờ kết hợp điều khiển điện tử, kiểm soát lượng phun, thời điểm
phun. Do đó làm hiệu suất động cơ và tính kinh tế nhiên liệu cao hơn.
So với hệ thống cũ dẫn động bằng cam, hệ thống Common Rail khá linh hoạt
trong việc đáp ứng thích nghi để điều khiển phun nhiên liệu cho động cơ diesel như:
- Phạm vi ứng dụng rộng rãi (cho xe du lịch, khách,tải nhẹ, tải nặng, xe lửa
và tàu thủy).
- Áp suất phun đạt đến 1800 bar.
- Thay đổi áp suất phun tùy theo chế độ hoạt động của động cơ.
- Có thể thay đổi thời điểm phun.
Nhiệt độ khí nạp T
k
298
o
K
Hệ số dư lượng không khí α 1,75
Áp suất cuối quá trình nạp P
a
0,144 MN/m
2
Áp suất khí sót P
r
0,13 MN/m
2
Nhiệt độ khí sót T
r
800
o
K
Độ sấy nóng khí nạp mới
∆T
26
o
K
Chỉ số giản nở đoạn nhiệt m 1,45
Tên thông số Kí hiệu Giá trị Thứ nguyên
Công suất có ích N
e
75 KW
Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ 2KD-FTV trên xe Toyota Hiace
Hệ số lợi dụng nhiệt tại z
ξ
z
0,85
Hệ số lợi dụng nhiệt tại b
ξ
b
0,9
Tỉ số tăng áp
λ
1,4
Hệ số nạp thêm
λ
1
1.03
Hệ số quét buồng cháy
λ
2
0,85
Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt
λ
t
1,1
Hệ số điền đầy đồ thị
ϕ
đ
0.97
c. Tính toán các thông số của chu trình
* Quá trình nạp
a
=
(4-3)
T
a
=
T
a
= 333,82
[
o
K].
- Số mol không
khí để đốt cháy 1 Kg nhiên liệu M
0
.
( )
m
a
r
t
a
r
r
k
p
p
p
p
.
800
26298.85,0
−
+
−
−
+−
45,1
1
144.0
13,0
.85,0.1,103,1.5,18.
15,0
144,0
.
)26298(
298
.
)15,18(
1
r
m
1m
r
a
rrtk
1
p
25
Copyright: Tài liệu đại học ©