Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l TDCi lắp trên
xe Ford Transit
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay trong xu thế hội nhập và mở cửa của nền kinh tế Việt Nam với nền kinh tế của
các nước trên thế giới, ngành công nghiệp sản xuất ôtô cũng đang đứng trước nhiều cơ
hội cũng như những thách thức mới. Đó là những cơ hội cải tiến và phát triển công nghệ
cho ngang tầm với các nước trên thế giới nhưng cũng có nhiều thử thách đặt ra đó là khả
năng nắm bắt và tiếp thu công nghệ mới, cải tiến công nghệ cũ lạc hậu.
Hiện nay công nghệ ôtô phát triển dựa trên những tiêu chí: tăng công suất, tốc độ,
giảm suất tiêu hao nhiên liệu, điện tử hoá quá trình điều khiển và hạn chế mức
thấp nhất thành phần ô nhiễm trong khí xả động cơ nhằm tạo ra 1 nền công
nghiệp ôtô phát triển và thân thiện với môi trường.
Với sự phát triển mạnh mẽ của tin học hóa, tự động hóa trong ngành sản xuất và các
sản phẩm ô tô. Nhờ sự giúp đỡ của máy tính để cải thiện quá trình làm việc của động cơ và
ôtô nhằm đạt hiệu quả cao và chống ô nhiễm môi trường, tối ưu hoá quá trình điều khiển
dẫn đến kết cấu của động cơ và ô tô thay đổi rất phức tạp, làm cho người sử dụng và cán bộ
công nhân kỹ thuật ngành ô tô ở nước ta còn nhiều lúng túng và sai sót, khó khăn trong
việc nắm bắt công nghệ mới này nên cần có những nghiên cứu cụ thể về hệ thống điện tử
trên động cơ ô tô.
Là một sinh viên của ngành động lực sắp ra trường, em chọn đề tài: "Tính toán
thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l" làm đề tài tốt
nghiệp. Em rất mong với đề tài này em sẽ củng cố tốt hơn kiến thức của mình để khi ra
trường em có thể đóng góp 1 phần vào sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô của nước
nhà.
Cuối cùng em xin được gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo hướng dẫn Trần
Văn Nam đã chỉ bảo em tận tình, giúp em vượt qua những khó khăn vướng mắc trong
khi hoàn thành đồ án của mình. Bên cạnh đó em cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa cơ
khí giao thông đã tạo mọi điều kiện để em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này.
Sinh viên thực hiện
1
Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l TDCi lắp trên
xe Ford Transit
MỤC LỤC
Lời nói đầu...........................................................................................................................
Mục lục................................................................................................................................
1. Lịch sử vấn đề và mục đích ý nghĩa đề tài......................................................................1
2. Các phương án thiết kế hệ thống nhiên liệu động cơ Duratorq 2.4l................................2
2.1 Nhiệm vụ, yêu cầu và đặc điểm chung của hệ thống nhiên liệu động cơ diesel...........2
2.1.1 Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel có những nhiệm vụ sau ...........................2
2.1.2 Yêu cầu của hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel......................................................3
2.1.3. Đặc điểm hình hành hoà khí trong động cơ diesel....................................................3
2.1.3.1. Đặc điểm..............................................................................................................3
2.1.3.2. Những đặc trưng của động cơ diesel....................................................................3
2.2. Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel sử dụng bơm cao áp Bosch.................................4
2.2.1. Sơ đồ của hệ thống nhiên liệu động cơ diesel...........................................................4
2.2.2 Cấu tạo của bơm cao áp.............................................................................................5
2.2.2.1. Cấu tạo bơm cao áp thẳng hàng.............................................................................5
2. 2.2.2. Cấu tạo bơm cao áp phân phối............................................................................6
2.2.3.Các dạng cấu tạo vòi phun trong hệ thống nhiên liệu động cơ diesel...............................8
2.2.4. Bơm chuyển nhiên liệu........................................................................................9
2.2.4.1 Loại bơm bánh răng................................................................................................9
2.2.4.2. Loại bơm piston...................................................................................................10
2.2.5. Lọc nhiên liệu.........................................................................................................11
2.2.5.1 Lọc nhiên liệu thô................................................................................................11
2.2.5.2 Lọc nhiên liệu tinh...............................................................................................12
2.2.6 Nhược điểm của hệ thống nhiên liệu Diesel sử dụng bơm Bosch.......................... 13
2.2.6.1 Đặc tính tốc độ của bơm cao áp...........................................................................13
2.2.6.2 Đặc tính phun của hệ thống phun nhiên liệu kiểu cũ ..........................................14
2.3. Hệ thống nhiên liệu CommonRail Diesel...........................................................15
2.3.1.Nguyên lý hoạt động...............................................................................................16
2.3.2 Các chức năng của hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel................................19
3. Các thông số của động cơ Duratorq 2.4l................................................................22
4. Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu động cơ Duratorq 2.4l......................................23
4.1 Tính toán hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l..........................23
2
Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l TDCi lắp trên
xe Ford Transit
4.1.1. Tính toán nhiệt...................................................................................................23
4.1.1.1. Thông số động cơ.................................................................................................23
4.1.1.2. Các thông số chọn ban đầu..................................................................................24
4.1.1.3. Thông số tính toán...............................................................................................24
4.1.1.4. Những thông số chỉ thị........................................................................................29
............................................................................................................................................
4.1.1.5. Các chỉ tiêu có ích...............................................................................................30
4.1.1.6. Kiểm nghiệm kích thước xy lanh.........................................................................31
4.1.2 . Vẽ đồ thị công.......................................................................................................31
4.1.2.1. Xác định các điểm trên đường nén với chỉ số đa biến n1..................................32
4.1.2.2. Xây đựng đường cong áp suất trên đường giãn nở..................................................32
4.2. Xác định các thông số cơ bản của bơm cao áp........................................................34
4.2.1. Thể tích nhiên liệu cung cấp cho một chu trình......................................................34
4.2.2. Đường kính piston bơm cao áp...............................................................................35
4.3. Xác định các thông số cơ bản của vòi phun...............................................................36
4.3.1. Tốc độ phun nhiên liệu lớn nhất trong một chu trình..........................................36
4.3.2. Tổng số tiết diện lưu thông của lỗ phun...................................................................36
4.3.3. Tiết diện lưu thông của một lỗ phun........................................................................37
4.3.4. Đường kính lổ phun tính toán.................................................................................37
5. Thiết kế hệ thống nhiên liệu động cơ Duratorq 2.4l.....................................................38
5.1. Sơ đồ và nguyên lý làm việc của hệ thống................................................................38
5.1.1. Những đặc tính của hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l .....39
5.1.2 Nhiệm vụ và yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu động cơ Duratorq 2.4l................40
5.1.3. Đặc tính của hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l................40
5.1.4. Ưu điểm của hệ thống nhiên liệu này.....................................................................41
5.1.5. Đặc tính phun của hệ thống Common Rail.............................................................41
5.2. Đặc điểm kết cấu và nguyên lý hoạt động của các cụm chi tiết.................................43
5.2.1. Thùng nhiên liệu.....................................................................................................43
5.2.2. Lọc nhiên liệu.........................................................................................................43
5.2.3. Bơm chuyển nhiên liệu...........................................................................................44
5.2.4. Bơm cao áp.............................................................................................................45
5.2.4.1. Bơm piston.........................................................................................................47
5.2.4.2. Van điều chỉnh áp suất........................................................................................47
5.2.5. Ống phân phối.....................................................................................................48
3
Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l TDCi lắp trên
xe Ford Transit
5.2.6. Kim phun................................................................................................................50
5.2.7. Đường ống dẫn nhiên liệu áp suất cao....................................................................52
5.2.8. Van giới hạn áp suất...............................................................................................53
5.3. Thiết kế các hệ thống cảm biến và điều khiển hệ thống nhiên liệu
Common Rail Diesel động cơ Duratorq 2.4l....................................................................53
5.3.1. Cảm biến áp suất đường ống nạp (MAP)...............................................................53
5.3.2. Cảm biến nhiệt độ khí nạp (IAT)...........................................................................55
5.3.3. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (ECT)...................................................................56
5.3.4. Cảm biến vị trí bàn đạp ga......................................................................................57
5.3.5. Cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP)...........................................................................59
5.3.6. Cảm biến vị trí trục cam (CMP).............................................................................61
5.3.7. Cảm biến áp suất nhiên liệu....................................................................................62
5.4. Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử.........................................................................63
5.4.1. Thiết kế hệ thống xử lý thông tin điều khiển hệ thống nhiên liệu của động cơ.......63
5.4.1.1. Giới thiệu sơ đồ tổng quan chức năng điều khiển điện tử ..........................63
5.4.1.2. Hệ thống xử lý.....................................................................................................65
5.4.1.3. Hệ thống chấp hành.............................................................................................65
5.4.1.4. Bộ xử lí điều khiển góc phun sớm.......................................................................65
5.4.1.5. Bộ xử lý............................................................................................................... 66
5.4.1.6. Bộ xử lý tín hiệu vào......................................................................................66
5.4.1.7. Bộ vi xử lý.......................................................................................................67
5.4.1.8. Bộ kiểm tra hệ thống.......................................................................................68
5.4.1.9. Bộ nhớ đầu ra...................................................................................................68
5.4.1.10. Các chức năng của đầu ra...........................................................................69
6. Chuẩn đoán hư hỏng và sửa chữa hệ thống nhiên liệu..................................................69
6.1. Khói đen....................................................................................................................69
6.2. Khói trắng.................................................................................................................71
6.3. Bơm cao áp bị hỏng...................................................................................................71
6.4. Bộ lọc bị tắc, hoặc có nước trong nhiên liệu............................................................72
6.5. Nhiên liệu rò ra lỗ vòi phun......................................................................................72
6.6. Bảo dưỡng kỹ thuật hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ diesel.............................72
6.6.1. Bảo dưỡng kỹ thuật cấp một...................................................................................72
6.6.2. Bảo dưỡng kỹ thuật cấp hai....................................................................................72
6.6.3. Bảo dưỡng kỹ thuật theo mùa.................................................................................73
6.6.4. Các hư hỏng đối với hệ thống điện tử.....................................................................73
7. Kết luận........................................................................................................................ 74
4
Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l TDCi lắp trên
xe Ford Transit
Tài liệu tham khảo................................................................................................................
1. Lịch sử vấn đề và mục đích ý nghĩa đề tài
Khí thải động cơ Diesel là một trong những thủ phạm gây nên ô nhiễm môi trường.
Động cơ diesel hiệu quả kinh tế hơn động cơ xăng, tuy nhiên nó vẫn còn những hạn chế
trong quá trình sử dụng như: Thải khói đen khá lớn khi tăng tốc, tiêu hao nhiên liệu còn
cao và tiếng ồn lớn, vận hành không êm dịu…
Động cơ Diesel phát triển vào năm 1897 nhờ Rudolf Diesel hoạt động theo nguyên lý
tự cháy. Ở gần cuối quá trình nén, nhiên liệu được phun vào buồng cháy động cơ để hình
thành hòa khí rồi tự bốc cháy. Đến năm 1927 Robert Bosch phát triển Bơm cao áp (Bơm
phun Bosch lắp cho động cơ diesel ôtô thương mại và ôtô khách vào năm 1936)
Hệ thống nhiên liệu 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 sản xuất 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. Tập trung vào giải quyết các vấn đề:
- Tăng tốc độ phun để làm giảm độ bồ hóng do tăng tốc hòa trộn nhiên liệu-không khí.
- Tăng áp suất phun, đặc biệt là đối với động cơ phun trực tiếp.
- Điều chỉnh dạng quy luật phun theo khuynh hướng kết thúc nhanh quá trình phun để
làm giảm HC.
- Biện pháp hồi lưu một bộ phận khí xả (ERG: 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 (năm 1986 Bosch đưa vào
thị trường việc điều khiển điện tử cho động cơ diesel ). Đó là hệ thống nhiên liệu
Common Rail Diesel.
Hệ thống Common Rail Diesel ra đời góp phần cải thiện nhiều cho tính năng động
cơ và tính kinh tế nhiên liệu mà lâu nay người sử dụng cũng như các nhà bảo vệ môi
trường mong đợi. Nó tạo nên hướng nghiên cứu mới cho các ngành cơ khí động lực, giao
thông,… trong nước. Hiện nay, hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel được trang bị
trên các dòng xe như Transit, Sprinter,…Những dòng xe này đang được sản xuất và sử
dụng rất thông dụng tại Việt Nam và đang mang lại những hiệu quả tích cực cả về tính
5
Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l TDCi lắp trên
xe Ford Transit
kinh tế và khả năng bảo vệ môi trường.
Vì những lý do trên em chọn đề tài "Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu
Common Rail Diesel động cơ Duratorq 2.4l " để làm đề tài tốt nghiệp.
2. Các phương án thiết kế hệ thống nhiên liệu động cơ Duratorq 2.4l
2.1 Nhiệm vụ, yêu cầu và đặc điểm chung của hệ thống nhiên liệu động cơ diesel
2.1.1 Nhiệm vụ của hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel
1. Chứa nhiên liệu dự trữ, đảm bảo cho động cơ hoạt động liên tục trong một khoảng
thời gian quy định.
2. Lọc sạch nước và các tạp chất cơ học có lẫn trong nhiên liệu.
3. Cung cấp lượng nhiên liệu cần thiết cho mỗi chu trình ứng với chế độ làm việc quy
định của động cơ.
4. Cung cấp nhiên liệu đồng đều vào các xy lanh theo trình tự làm việc quy định của
động cơ.
5. Cung cấp nhiên liệu vào xy lanh động cơ đúng thời điểm theo một quy luật đã định.
6. Phun tơi và phân bố đều nhiên liệu vào thể tích môi chất trong buồng cháy, bằng
cách phối hợp chặt chẽ hình dạng kích thước và phương hướng của các tia nhiên liệu với
hình dạng buồng cháy và cường độ vận động của môi chất trong buồng cháy.
Diễn biến chu trình công tác của động cơ diesel chủ yếu phụ thuộc vào tình hình hoạt
động của thiết bị cung cấp nhiên liệu. Tốc độ toả nhiệt của nhiên liệu và dạng đường
cong của áp suất môi chất công tác trong quá trình cháy biến thiên theo góc quay trục
khuỷu chủ yếu phụ thuộc vào những yếu tố sau:
- Thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu (tức là góc phun sớm).
- Biến thiên của tốc độ phun (tức là quy luật cấp nhiên liệu ).
- Chất lượng phun (thể hiện bằng mức phun nhỏ và đều).
- Sự hoà trộn giữa nhiên liệu với khí nạp trong buồng cháy.
Thời gian cung cấp nhiên liệu kéo dài 2045 độ góc quay trục khuỷu (tức là khoảng
0,00330,0075 [s]). Trong khoảng thời gian đó áp suất nhiên liệu từ 0,150,2 [MN/m2].
Trong đường dẫn nhiên liệu tới vòi phun, trong vòi phun áp suất tăng lên tới mấy chục
[MN/m2]. Áp suất phun nhiên liệu cao như vậy là nhằm đảm bảo yêu cầu phun nhỏ và
6
Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l TDCi lắp trên
xe Ford Transit
đều, đồng thời nhằm đảm bảo cấp nhiên liệu vào xy lanh động cơ với một tốc độ cần
thiết.
Áp suất phun nhiên liệu nhỏ nhất cần đảm bảo yêu cầu phun nhỏ và đều của nhiên
liệu, nó phụ thuộc vào cấu tạo vòi phun và cường độ vận động xoáy lốc của môi chất
trong buồng cháy khi phun nhiên liệu. Trên thực tế thường không nhỏ hơn 10[MN/m2] áp
suất phun nhiên liệu lớn nhất thường không vượt quá 4050 [MN/m2], vì lớn hơn nữa sẽ
gây ra những khó khăn không cần thiết về mặt công nghệ chế tạo, ảnh hưởng xấu tới tuổi
thọ của bơm cao áp và vòi phun, mặc dầu về mặt chất lượng phun có được cải thiện chút
ít.
2.1.2 Yêu cầu cơ bản của hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel
- Bền và có độ tin cậy cao.
- Dễ chế tạo, giá thành chế tạo rẻ.
- Dễ dàng và thuận tiện trong việc bảo dưỡng và sửa chữa.
2.1.3. Đặc điểm hình hành hoà khí trong động cơ diesel
2.1.3.1. Đặc điểm
Có hai đặc điểm sau:
- Hoà khí được hình thành bên trong xylanh động cơ với thời gian rất ngắn; 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.
2.1.3.2. Những đặc trưng của động cơ diesel
Do thời gian hình thành hoà khí bên trong ngắn, làm cho chất lượng hoà trộn rất khó
đạt tới mức độ đồng đều, vì vậy động cơ có những đặc trưng sau:
7
Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l TDCi lắp trên
xe Ford Transit
- Trong quá trình nén, bên trong xylanh chỉ là không khí, do đó có thể tăng tỷ số nén
ε , qua đó làm tăng hiệu suất động cơ, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi làm tăng nhiệt độ
môi chất giúp hoà khí dễ tự bốc cháy.
- Đường nạp chỉ có không khí nén nên không cần để ý đến vấn đề sấy nóng, bay hơi
của nhiên liệu trên đường nạp như máy xăng. Có thể dùng đường nạp có kích thước lớn ít
gây cản và không cần sấy nóng với cấu tạo đơn giản.
- Có thể dùng hoà khí rất nhạt trong buồng cháy (do tính hoà trộn không đều của hoà
khí) nên có thể sử dụng cách điều chỉnh chất (tức chỉ điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho
chu trình mà không điều chỉnh lượng không khí) khi cần thay đổi tải của động cơ.
- Động cơ diezen có một mặt bất lợi (do tính chất hoà trộn không đều tạo ra ) là bị hạn
chế khả năng giảm α ( tức là không thể sử dụng hết không khí thừa trong buồng cháy để
đốt thêm nhiên liệu ) và khả năng nâng cao tốc độ động cơ ( do tốc độ cháy của hoà khí
không đều chậm hơn ).
Những hạn chế trên đã làm cho công suất lít (công suất đơn vị) của động cơ diesel nhỏ
hơn so với động cơ xăng.
2.2. Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel sử dụng bơm cao áp Bosch
2.2.1. Sơ đồ của hệ thống nhiên liệu động cơ diesel.
1. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ diesel.
13
12
7
10 11
8
9
4
6
5
2
3
1
Hình 2-1 Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel.
1- Thùng chứa; 2,5,- Ống nhiên liệu thấp áp; 3- Lọc thô; 4- Bơm chuyển; 6Lọc tinh; 7,12,13- Ống nhiên liệu hồi; 9- Bơm cao áp; 10- Ống nhiên liệu cao
áp; 11. Vòi phun.
8
Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l TDCi lắp trên
xe Ford Transit
Trên hình 2-1 giới thiệu sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel. Bơm chuyển
nhiên liệu 4 hút nhiên liệu từ thùng chứa 1 qua bình lọc thô 3 để cung cấp nhiên liệu qua
bầu lọc tinh 6 tới bơm cao áp 9. Ở đây, bơm cao áp tiếp tục đưa nhiên liệu lên vòi phun,
với áp suất cao để phun vào buồng cháy hỗn hợp với không khí từ bên ngoài qua bình
lọc, ống nạp, tạo thành hoà khí và tự cháy, do không khí nén có nhiệt độ cao. Hoà khí
cháy giãn nở tác dụng vào piston, qua thanh truyền, làm quay. trục khuỷu sinh công. Khí
cháy sau khi đã làm việc, được đi ra khỏi xy lanh bằng ống xả và ống tiêu âm như hệ
thống nhiên liệu của động cơ xăng. Nhiên liệu rò qua khe hở thân kim phun của vòi phun
và các tổ bơm theo ống nhiên liệu hồi 7, 12, 13 trở về thùng chứa.
2.2.2 Cấu tạo của bơm cao áp.
2.2.2.1. Cấu tạo bơm cao áp thẳng hàng.
Hình 2-2 Bơm cao áp thẳng hàng.
1- Bulông xả khí; 2- Vít hãm; 3- Đầu nối ống nhiên liệu đến vòi phun; 4- Đầu nối ống
nhiên liệu vào bơm; 5- Vỏ bộ hạn chế nhiên liệu; 6- Khớp nối của trục cam; 7- Đĩa chắn
dầu; 8- Trục bơm; 9- Ổ bi; 10- Vỏ bộ điều tốc; 11- Lò xo van cao áp; 12- Van cao áp; 13Xilanh 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.
9
Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l TDCi lắp trên
xe Ford Transit
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 qua rãnh dọc thoát qua lỗ B
ra ngoài khiến áp suất trong xilanh giảm đột ngột, van cao áp được đóng lại. Hình 2-2
giới thiệu kết cấu của bơm cao áp thẳng hàng.
2.2.2.2. Cấu tạo bơm cao áp phân phối.
Hình 2-3 giới thiệu kết cấu bơm cao áp phân phối
Hình 2-3 Bơm cao áp phân phối
1- Bạc xả; 2- Thiết bị điều chỉnh thời gian phun; 3- Vành cam; 4- Con lăn; 5- Đĩa
truyền động; 6- Trục vào; 7- Bánh răng bơm chuyển; 8- Trục bộ điều tốc; 9- Bánh răng
bộ điều tốc; 10- Quả văn ; 11- Đòn điều chỉnh; 12- Lò xo điều tốc; 13- Màng chân không;
14- Ống nối đường nạp; 15- Lò xo màng điều chỉnh chân không; 16- Đường ống hồi dầu;
17- Vít điều chỉnh; 18- Đòn áp lực; 19- Van điện từ ; 20- Piston; 21- Van cao áp; 22Đầu nối với vòi phun
10
Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l TDCi lắp trên
xe Ford Transit
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 nhiên liệu kiểu phiến gạt
được nâng lên một áp suất ổn định, quả văng 10 thông qua quan hệ tay đòn, quả văng tác
động vào bạc xả 1 qua đó làm thay đổi thời điểm mở lỗ xả và thực hiện việc điều chỉnh
lượng nhiên liệu cung cấp theo chế độ làm việc của động cơ.
Loại bơm này có kết cấu đơn giản hơn so với bơm cao áp thẳng hàng cho nên được
sử dụng rộng rải hơn, nhưng loại bơm cao áp sử dụng trong hệ thống nhiên liệu Common
Rail kết cấu đơn giản hơn ta khảo sát sau.
2.2.3.Các dạng cấu tạo vòi phun trong hệ thống nhiên liệu động cơ diesel
Hình 2-4 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.
11
Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l TDCi lắp trên
xe Ford Transit
Vòi phun thường được lắp trên nắp hoặc trên sườn (trường hợp động cơ piston đối đỉnh)
xi lanh động cơ. Công dụng chính của vòi phun là phun tơi và phân bố đều nhiên liệu vào thể
tích buồng cháy của động cơ.
Trên động cơ Diesel sử dụng hai loại vòi phun là: Vòi phun hở và vòi phun kín. Vòi
phun kín tức là loại vòi phun có van ngăn cách không gian trong vòi phun với không gian
trong buồng cháy động cơ.
Vòi phun kín được chia làm 4 loại:
+ Vòi phun kín tiêu chuẩn.
+ Vòi phun kín loại van.
+ Vòi phun kín có chốt trên kim phun.
+ Vòi phun kín loại van lỗ phun.
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 kém vì lúc
ấy áp suất nhiên liệu trong vòi phun rất thấp.
- Sau mỗi lần phun vẫn còn nhiên liệu tiếp tục nhỏ giọt qua lỗ phun gây kết cốc đầu
vòi phun.
- Do không có van ngăn khí thể từ xy lanh vào đường nhiên liệu cao áp nên nhiều khi
phần khí thể ấy sẽ gây trở ngại cho quá trình cấp nhiên liệu vào xy lanh động cơ.
Khắc phục được nhược điểm trên, nên vòi phun kín làm cho chất lượng phun nhiên
liệu tốt, tăng chỉ tiêu công suất và hiệu suất của động cơ đồng thời làm giảm hiện tượng
kết muội than trên vòi phun và xy lanh động cơ.
Nguyên lý hoạt động vòi phun kín: Nhiên liệu cao áp được bơm cao áp đưa qua lưới
lọc 17, qua các đường 19 trong thân kim phun tới không gian bên trên mặt côn tựa của
van kim. Lực do áp suất nhiên liệu cao áp tạo ra tác dụng lên diện tích hình vành khăn
của van kim chống lại lực ép của lò xo. Khi lực của áp suất nhiên liệu lớn hơn lực ép của
12
Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l TDCi lắp trên
xe Ford Transit
lò xo thì van kim bị đẩy bật lên mở đường thông cho nhiên liệu tới lỗ phun. Áp suất
nhiên liệu làm cho van kim bắt đầu mở được gọi là áp suất bắt đầu phun nhiên liệu.
2.2.4. Bơm chuyển nhiên liệu.
Bơm chuyển nhiên liệu được đặt giữa thùng chứa nhiên liệu và bơm cao áp. Nhiệm
vụ chính của bơm chuyển nhiên liệu là cung cấp nhiên liệu với một áp suất suất dư nhất
định, để khắc phục sức cản của các bình lọc và để tạo điều kiê ̣n nạp như nhau cho các tổ
bơm.
Bơm chuyển nhiên liệu đặt ở gần bơm cao áp, do trục cam của bơm cao áp dẫn động
và thường dùng ba loại: bơm piston, bơm bánh răng và bơm cánh gạt.
2.2.4.1 Loại bơm bánh răng.
Hình 2-5 Kết cấu bơm bánh răng
1-Bánh răng bị động
2- Bánh răng chủ động
3- .Đường dầu áp suất thấp
4- Van an toàn
5- Vít điều chỉnh
6- Vỏ bơm
7- Đường dầu áp suất thấp
Nguyên lý làm việc và kết cấu của bơm bánh răng rất đơn giản nó gồm có hai bánh
răng (số răng thường ít hơn 17) được dẩn động theo chiều nhất định. Bánh răng chủ động 2
lắp trên trục vào của bơm phân phối ăn khớp với bánh răng bị động 1. Khi bánh răng 2
quay thì kéo theo bánh răng 1 quay theo chiều ngược lại, dầu từ đường dầu áp suất thấp 7
13
Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l TDCi lắp trên
xe Ford Transit
được hai bánh răng guồng sang đường dầu áp suất cao 3 theo chiều mũi tên. Van an toàn 4
dùng để xã dầu khi có hiện tượng tắc nghẽn đường ống thì áp suất dầu vượt quá giới hạn
cho phép, dầu đẩy van mở ra để chảy về đường dầu áp suất thấp. Điều chỉnh áp suất của
dầu bằng vít điều chỉnh 5.
2.2.4.2. Loại bơm piston
Khi trục bơm quay bánh cam đẩy con đội lên, làm cho pittông dịch chuyển về phía
buồng hút, tạo ra độ chân không ở buồng đẩy. Các lò xo bị nén lại, nhiên liệu chảy từ
buồng hút ra, qua van đẩy và theo rãnh chảy vào buồng đẩy.
Hình 2-6 Sơ đồ nguyên lý làm việc của bơm thấp áp kiểu piston
a, Hành trình hút; b, Hành trình đẩy.
1-Cam; 2- Con lăn; 3-Thân con đội; 4,7,9,11-Lò xo; 5-Cần kéo; 6-Van nạp; 8Rãnh thoát; 10-Piston; 12-Van đẩy; 13-Bơm tay; A-Từ lọc thô đến; B-Đến
bầu lọc tinh.
- Hành trình làm việc:
Piston 10 được dẫn đô ̣ng từ trục cam của bơm cao áp thông qua con đô ̣i 3 và cần kéo
5; vâ ̣n đô ̣ng ngược lại của piston là do lò xo 9 điều khiển. Khi piston dich chuyển theo
lực tác dụng của lò xo (hình 2-6). Nhiên liê ̣u đi di qua van nạp 6 đi vào không gian chứa
lò xo của bơm, lúc ấy trong không gian phía dưới piston 10, nhiên liê ̣u được bơm vào
đường ống dẫn đến bình lọc. Khi piston dich chuyển theo lực đẩy trên con đô ̣i thông qua
cần kéo 5 thì nhiên liê ̣u từ không gian chứa lò xo chỉ có mô ̣t phần đi qua phía không gian
14
Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l TDCi lắp trên
xe Ford Transit
dưới piston 10. Vì không gian phía dưới piston 10 có cần 5 nên không chứa hết nhiên liê ̣u
của không gian chứa lò xo đẩy ra, nhiên liê ̣u dôi ra sẽ di tới bình lọc.
2.2.5 Lọc nhiên liệu
Bình lọc nhiên liệu dùng trong động cơ diesel là sản phẩm đã được tiêu chuẩn hóa.
Khi thiết kế hệ thống nhiên liệu phải chọn khả năng thông qua của bình lọc bằng khoảng
hai lần nhiên liệu đi qua bình lọc. Bình lọc thô và tinh được lắp nối tiếp (bình lọc thô bơm chuyển nhiên liệu - bình lọc tinh - bơm cao áp). Lõi lọc là sợi vải, giấy, da hoặc vật
liệu hấp thụ. Phải thường xuyên rửa hoặc thay lõi lọc.
Áp suất chênh lệch trước và sau bình lọc không được vượt qua giới hạn quy định,
giới hạn đó phụ thuộc vào cấu tạo bình lọc và lượng nhiên liệu đi qua đảm bảo cho nhiên
liệu được lọc sạch, tối thiểu được lọc ba lần, lưới lọc ở miệng hút, lọc thô và lọc tinh; đặc
biệt nhiên liệu quay trở về được lọc lại nhiều lần, đôi khi ngay trước khi nhiên liệu vào
vòi phun còn có thêm một lưới lọc cao áp.
2.2.5.1 Lọc nhiên liệu thô
1
6
7
8
2
9
3
2
4
3
5
10
Hình 2-7 Kết cấu bầu lọc thô
1- Đường nhiên liệu vào,2-Tấm lọc hình tròn, 3-Tấm lọc hình sao, 4-Vỏ bầu lọc,
5-Đĩa đỡ, 6-Đệm làm kín, 7-Bulông, 8-Đường nhiên liệu ra, 9-Trục bầu lọc, 10Ốc xả cặn.
15
Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l TDCi lắp trên
xe Ford Transit
Lõi lọc thô là một chồng phiến kim loại mỏng, phiến tròn và phiến hình sao xếp xen
kẽ nhau (phiến tròn dày 0,15 mm, xung quanh có 6 lỗ ô van; phiến hình sao dày 0,07
mm) tạo ra các khe hở 0,07 mm, nhiên liệu lọc đi qua các khe hở này, chiều cao lõi
lọc phụ thuộc lượng nhiên liệu đi qua.
2.2.5.2 Lọc nhiên liệu tinh.
Hình 2-8 Kết cấu bầu lọc tinh
1- Vỏ bầu lọc, 2- Ống dẫn, 3- Lưới lọc, 4- Bulông, 5- Đai ốc, 6- Nắp lọc, 7- Đầu nối,
8,9- Phiến lọc, 10- Cốc lọc, 11- Lò xo tỳ, 12- Ốc xả cặn
Lõi lọc gồm có lưới kim loại, bao lụa và, phiến lọc làm bằng sợi bông. Tám phiến lọc
làm bằng sợi bông mịn hơn. Các phiến lọc (mỏng và dày) đặt xen kẽ nhau và đều lồng ra
ngoài lưới kim loại và bao lụa. Trên nắp có lắp đường ống nhiên liệu vào bầu lọc và ra
khỏi bầu lọc, lắp vít xả khí, phía dưới nắp có ống để chứa nhiên liệu đã được lọc sạch,
mặt khác ống còn ngăn không cho không khí dưới đáy lọc lọt vào không gian dẫn nhiên
liệu ra.
2.2.6 Nhược điểm của hệ thống nhiên liệu Diesel sử dụng bơm Bosch:
Nhược điểm của hệ thống nhiên liệu động cơ diesel cổ điển đó là các bộ phận, cụm
chi tiết của hệ thống được dẫn động bằng cơ khí nên có độ trễ nhất định vì vậy làm việc
không thích hợp với sự thay đổi tải của động cơ. Làm thải khói đen khá lớn khi tăng tốc,
tiêu hao nhiên liệu còn cao và tiếng ồn lớn…
16
Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l TDCi lắp trên
xe Ford Transit
2.2.6.1 Đặc tính tốc độ của bơm cao áp
Tại một vị trí của thanh răng bơm cao áp, biến thiên lượng nhiên liệu cấp cho chu
trình gct (lượng nhiên liệu của một hành trình bơm) theo tốc độ trục khuỷu n của bơm
Bosch được gọi là đặc tính cung cấp của bơm. Hành trình có ích h 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.
gct
200
160
120
80
A
B
C
40
0
250 500 750 1000 n (vg/ph)
Hình 2-9 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 gct.
Đặc tính cung cấp của bơm cao áp (bơm Bosch) trái ngược với đặc tính về thay
đổi hệ số nạp v của động cơ khi tăng tốc độ n (càng tăng n hệ số nạp v càng giảm).
Tốc độ gây ảnh hưởng lớn nhất tới v. Khi tăng n sẽ làm tăng tốc độ môi chất đi qua
xupap nạp cũng như xupap xả, làm giảm p a và làm tăng pr, mặt khác cũng làm giảm T
(do giảm thời gian tiếp xúc), kết quả làm giảm v.
17
Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l TDCi lắp trên
xe Ford Transit
Vì vậy nếu điều chỉnh sao cho thành phần hoà khí thích hợp ở tốc độ cao thì khi
giảm tốc độ n, do nhiên liệu chu trình g ct giảm và không khí nạp lại tăng khiến hoà khí bị
nhạt đi làm giảm mô men của động cơ. Ngược lại nếu điều chỉnh thích hợp ở số vòng
quay thấp thì khi tăng tốc độ sẽ làm cho hoà khí quá đậm gây cháy không hết ( xuất hiện
nhiều muội than do thiếu ôxy). Chính vì vậy trong hệ thống nhiên liệu lắp bơm Bosch
thường có thêm cơ cấu hiệu chỉnh đặc tính cung cấp của bơm, nhưng cũng không thể
khắc phục hết nhược điểm này.
v
Chế độ ít tải
0.8
0.6
Chế độ đầy tải
0.4
0.2
0
nmin
n (vg/ph)
Hình 2-10 Ảnh hưởng của tốc độ động cơ tới hệ số nạp v
2.2.6.2 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.
- 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 ti kim phun ở cuối quá trình phun.
Hậu quả là:
18
Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l TDCi lắp trên
xe Ford Transit
- Khi phun với lượng nhiên liệu ít thì áp suất phun cũng nhỏ và ngược lại.
- Áp suất đỉnh cao gấp đôi áp suất phun trung bình.
Để quá trình cháy hiệu quả, đường cong mức độ phun nhiên liệu thực tế có dạng
tam giác.
Áp suất đỉnh quyết định tải trọng đặt lên các thành phần của bơm và các thiết bị
dẫn động. Ở hệ thống nhiên liệu cũ, nó còn ảnh hưởng đến tỉ lệ hỗn hợp khí và nhiên liệu
trong buồng cháy.
Hình2-11 Đặc tính phun nhiên liệu thường
2.3. Hệ thống nhiên liệu CommonRail Diesel
Trong động cơ Diesel hiện đại, áp suất phun được thực hiện cho mỗi vòi phun một cách
riêng rẽ, 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 tùy thuộc vào trạng thái làm
việc của động cơ. 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, xe khách, tải nhẹ, tải nặng, xe lửa, tàu
thủy… ).
-
Áp suất phun đạt đến từ 1600 bar đến 2000 bar.
-
Thay đổi áp suất phun tùy theo từng chế độ hoạt động của động cơ.
19
Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.4l TDCi lắp trên
xe Ford Transit
-
Có thể thay đổi thời điểm phun.
Phun chia làm ba giai đoạn: Phun sơ khởi, phun chính và phun kết thúc.
2.3.1.Nguyên lý hoạt động
Hình 2-12 Sơ đồ nguyên lí hoạt động hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail Diesel
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(PCM) và Bộ điều khiển thiết bị
(EDU); 11.Đường về nhiên liệu (thấp áp) ; EDU: (Electronic Driver Unit) và ECU :
(Electronic Control Unit).
Tương tự như hệ thống nhiên liệu diesel thông thường, trên hình 1 nhiên liệu được
bơm cung cấp đẩy đi từ thùng nhiên liệu trên đường ống thấp áp qua bầu lọc (3) đến Bơm
cao áp (2), từ đây nhiên liệu được bơm cao áp nén đẩy vào ống tích trữ nhiên liệu áp suất
cao (7) hay còn gọi ắc quy thủy lực- và được đưa đến vòi phun Common Rail (9) sẵn
sàng để phun vào xy lanh động cơ. Việc tạo áp suất và phun nhiên liệu hoàn toàn tách
biệt với nhau trong hệ thống Common Rail. Áp suất phun được tạo ra độc lập với tốc độ
và lượng nhiên liệu phun ra. Nhiên liệu được trữ với áp suất cao trong ắc quy thủy lực.
Lượng phun ra được quyết định bởi điều khiển bàn đạp ga, thời điểm phun cũng như áp
suất phun được tính toán bằng ECU dựa trên các biểu đồ dữ liệu đã lưu trên nó. Sau đó
20
- Xem thêm -
.DOC 
82 
286 
70 
