Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU DIESEL
THỬ NGHIỆM DẠNG TÍCH TRỮ VÀ ĐIỀU ÁP
MATHEMATICAL MODEL OF DIESEL SUPPLY SYSTEM EXPERIMENT BASED
ON PRESSURE STORAGE AND REGULATION
TS. Trần Quốc Toản, ThS. Nguyễn Văn Lành
Bộ môn Máy tàu, Học viện Hải quân, Nha Trang
[email protected], [email protected]
TÓM TẮT
Hệ thống Common Rail là hệ thống sử dụng phổ biến hiện nay trên các động cơ xe du
lịch cũng như động cơ tàu thủy sử dụng nhiên liệu Common Rail. Bài báo này đưa ra vấn đề
nghiên cứu về mô hình toán học của hệ thống tích trữ nhiên liệu (ống Rail) trong hệ thống
Common Rail. Trên cơ sở mô hình toán của hệ thống, tính các thông số kết cấu ban đầu từ đó
có thể điều chỉnh cải tiến van điều áp làm thay đổi áp suất trong ống Rail tạo ra áp suất phun
khác nhau.
Từ khóa: Common Rail, mô hình toán, tích trữ nhiên liệu, áp suất phun, van điều áp

ABSTRACT
Common Rail system is widely used in passenger vehicle and marine diesel engines
engine using Common Rail fuel. This article addresses the issue of research on mathematical
modeling of fuel storage system (Rail pipe) in the Common Rail system. Based on the
mathematical model of the system, the initial structural parameters can be calculated to
adjusted and improve pressure regulator valves so that the pressure in the Rail pipe change for
different forms of ejaculating pressure.
Keywords: Common Rail, mathematical model, fuel storage, ejaculating pressure,
pressure regulator valves
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Cùng với sự phát triển của công nghệ vi điều khiển, để đáp ứng yêu cầu thực tế về khai
thác và đảm bảo các yếu tố về môi trường, ngày nay các nhà sản xuất hàng đầu về động cơ
diesel đã phát triển và đưa vào ứng dụng một hệ thống phun nhiên liệu thế hệ mới với áp suất

Common Rail. Vào năm 2003, khoa “Động cơ và kỹ thuật nhiệt” của trường Đại học giao
thông vận tải ở Ucraina đã bắt đầu nghiên cứu về hệ thống ống tích áp dưới sự hướng dẫn của
giáo sư Donganova. Bước đầu tiên họ đã phát triển hệ thống tích áp dạng piston, áp suất nhiên
liệu trong ống tích áp lên đến 40-50MPa. Các nghiên cứu chỉ mới hướng tới các biện pháp
nâng cao áp suất trong ống tích áp mà chưa đưa ra được mô hình toán học của hệ thống. Hiện
nay trong nước ta, dù hệ thống phun nhiên liệu Common rail được sử dụng rộng rãi trên các
phương tiện giao thông đường bộ và gần đây xuất hiện trên các động cơ tàu thủy, tuy nhiên
chưa có nghiên cứu nào nghiên cứu về mô hình toán của hệ thống này. Vì vậy việc nghiên
cứu và xây dựng một mô hình toán tối ưu là một khâu then chốt trong thiết kế, chế tạo cũng
như cải tiến hệ thống.
Để có áp lực phun cao 130 ... 200
Mpa, có thể tạo ra bằng cách cấp nhiên
liệu theo dạng sau đây: Bơm cao áp-vòi
phun; cấp nhiên liệu theo giai đoạn riêng
biệt bằng các ống dẫn nhiên liệu ngắn
khoảng 300mm có áp lực cao nối với các
vòi phun; hệ thống tích trữ nhiên liệu
kiểu Common Rail (CR) [1, 2]. Các nhà
nghiên cứu động cơ cho rằng, hệ thống
tích trữ nhiên liệu kiểu CR sẽ là một
hướng phát triển có triển vọng nhất. So
với hệ thống dẫn động bằng cam cũ, hệ
thống CR khá linh hoạt trong việc đáp
ứng thích nghi để điều khiển phun nhiên
liệu cho động cơ diesel như [3, 4]:
- 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 150 Mpa.
- Thay đổi áp suất phun tùy theo

trong bộ tích trữ nhiên liệu; dϕ - Đường kính lỗ phun của vòi phun; Qϕ - lưu lượng nhiên liệu
qua vòi phun trong một giờ; pc - áp suất trong buồng đốt của động cơ diesel; d vg - đường
kính của van giảm áp; x - độ dịch chuyển của van; C - độ cứng lò xo van; Qv - lưu lượng
nhiên liệu qua van trong một giờ; b - chiều rộng của van xả; p0 - áp suất môi trường.
Trên cơ sở sơ đồ tính toán đã nghiên cứu, phát triển mô hình toán học để xác định các
thông số hợp lý của hệ thống tích trữ ở giai đoạn thiết kế. Các phương trình cân bằng thủy lực
của lưu lượng giữa các “nút” của hệ thống như bơm cao áp 1, vòi phun 3 và van giảm áp 4 là
những cơ sở của mô hình toán. Phương trình có dạng:
Q=
Qϕ + Qv
H

(1)

Hình 2. Sơ đồ tính toán của hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu tích trữ và điều áp
Các giả định sau đây được áp dụng: Coi như mỗi vòng quay của trục cam sẽ ăn nhịp với
tất cả các pitston của bơm nhiên liệu cao áp; thanh răng bơm nhiên liệu cao áp không dịch
328


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
chuyển và nằm ở vị trí cung cấp nhiên liệu lớn nhất; tia nhiên liệu qua vòi phun không bị ngắt
quãng; van giảm áp có dạng hình trụ; đường kính van trùng với đường kính lỗ trong bộ tích
trữ nhiên liệu; lỗ van giảm áp có dạng hình chữ nhật; chiều dài van lớn hơn chiều dài của lỗ
van xả.
Chúng ta lập phương trình cho các thiết bị (“nút”) trong hệ thống:
3.1. Bơm nhiên liệu cao áp 1
QH =

trong đó:


µvg - hệ số tổn thất nhiên liệu qua lỗ xả của van giảm áp;
Fvg - diện tích thiết diện của lỗ xả.

Diện tích mặt cắt lỗ xả được xác định từ phương trình:
Fvg = b ⋅ x

(5)

Nhờ sự dịch chuyển x của piston-van việc điều chỉnh áp suất trong bộ tích trữ nhiên liệu
được thực hiện. Vị trí x xác định từ phương trình cân bằng lực tác động từ hai phía của van
giảm áp.

Pan = Plx
trong đó:

(6)

Pan - lực mà áp suất nhiên liệu tạo ra;
Plx - lực do lò xo của van giảm áp tạo ra.

Sau khi thay thế các thành phần vào phương trình (6), chúng ta rút ra công thức để xác
định độ dịch chuyển x:



π d vg2
p
⋅
− C ⋅ x0 

tích trữ và điều áp nhiên liệu thử nghiệm được thực hiện. Việc tính toán được thực hiện bởi
chương trình tính và phát triển trên cơ sở của một mô hình toán học đã được đưa ra ở trên.
Bảng 1. Kết quả tính toán các tham số ban đầu của hệ thống
STT

nb (v/ph)

pak (MPa)

QH (kg/h)

Qϕ (kg/h)

Qv (kg/h)

x (mm)

1

0

0

0

0

0

0


450

18,498

86,475

82,875

0

0

5

600

27,071

115,3

111,701

0

0

6

750


201,776

165,982

32,194

0,002191

9

1200

50,026

230,601

166,173

60,826

0,004135

10

1350

50,303

259,436


175,36

0,119

400
350
300
250
Qh

200
150
100
50
0

0

250

500

750

1000

1250

1500


1000

1250

1500

1750

2000

n

Hình 4. Sự phụ thuộc của áp suất nhiên liệu trong bộ tích trữ
vào tốc độ quay của trục ĐC
Kết quả tính toán được trình bày trong bảng 1. Hình 3 và 4 cho thấy sự phụ thuộc của
lưu lượng nhiên liệu qua bơm và áp suất nhiên liệu trong bộ tích trữ vào tốc độ quay của trục
cam bơm nhiên liệu cao áp. Với kết quả tính này ta có thể thay đổi thời điểm bắt đầu làm việc
của van điều áp, từ đó sẽ điều chỉnh được áp suất phun khác nhau. Điều này hướng tới biện
pháp cải tiến hệ thống để nâng cao áp suất phun.
KẾT LUẬN
Bài viết đưa ra kết quả tính toán sơ bộ các tham số cơ bản của hệ thống cung cấp nhiên
liệu dạng tích trữ và điều áp thử nghiệm trên động cơ CMD-23.07, kết quả tính toán dựa trên
mô hình toán tĩnh đã đặt ra ở trên. Các thông số thu được khi điều chỉnh động cơ ở chế độ tốc
độ từ 150v/ph đến 1750v/ph. Áp suất định trước trong bộ tích trữ nhiên liệu đạt tới 50MPa
khi động cơ hoạt động ở chế độ tốc độ là 1750 v/ph. Trên cơ sở các thông số tính toán sơ bộ
này chúng ta có thể điều chỉnh thông số của van giảm áp nhằm đảm bảo cho hệ thống thu
được áp suất tốt nhất vì chế độ làm việc định mức của động cơ diesel CMD-23.07 lưu lượng
nhiên liệu qua các vòi phun vượt năm lần giá trị thực tế của nguồn cung cấp.
TÀI LIỆU THAM KHẢO