Động cơ đốt trong - Chương 2: Hệ thống nhiên liệu trong động cơ diesel

Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL 2.1. Khái quát 2.1.1. Đặc điểm tạo hỗn hợp trong động cơ diesel - Hỗn hợp được hình thành bên trong xy lanh động cơ với thời gian rất ngắn, tính theo góc quay trục khuỷu chỉ bằng 1/101/20. - Ngoài ra do nhiên liệu diesel lại khó bay hơi nên yêu cầu phải phun thật tơi và hòa trộn đều trong không gian buồng cháy. - Vì vậy nhiên liệu phải được sấy nóng, bay hơi nhanh và hòa trộn đều với không khí trong buồng cháy nhằn tạo ra hỗn hợp. Mặt khác phải đảm bảo cho nhiệt độ không khí trong buồng cháy tại thời gian phun nhiên liệu phải đủ lớn để hỗn hợp có thể tự bốc cháy. Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. - Sau khi phun nhiên liệu, trong buồng cháy diễn ra một loạt thay đổi về hóa lý của nhiên liệu, sau đó phần nhiên liệu phun vào trước đã tạo ra hỗn hợp, tự bốc cháy, trong khi nhiên liệu vẫn tiếp tục được phun vào. - Như vậy sau khi đã cháy một phần, hỗn hợp vẫn tiếp tục được hình thành và thành phần hỗn hợp khí thay đổi liên tục trong không gian và suốt thời gian của quá trình. - [p/] nhỏ để động cơ làm việc êm. - Quá trình hình thành hỗn hợp và quá trình bốc cháy nhiên liệu của động cơ diesel chồng chéo nhau. Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 2.1.2. Nhiên vụ và yêu cầu với HTNL 1) Nhiệm vụ - Đảm bảo cung cấp nhiên liệu cho hệ thống (dự trữ và lọc sạch). - Đảm bảo cung cấp nhiên liệu cho động cơ: +) Áp suất cao (nhiên liệu phải được xé nhỏ, phân bố đều trong thể tích xy lanh, tia nhiên liệu phải phù hợp với buồng cháy) +) Đúng thời điểm và theo đúng quy luật thiết kế. +) Lượng nhiên liệu cung cấp cho phù hợp với từng chế độ làm việc của động cơ. +) Đồng đều giữa các xy lanh (động cơ nhiều xy lanh) - Phun nhiên liệu vào buồng cháy để đảm bảo tạo hỗn hợp tốt nhất ở các buồng cháy khác nhau (phù hợp với kết cấu buồng cháy) Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 2) Yêu cầu - Hoạt động lâu bền, có độ tin cậy cao. - Dễ dàng và thuận tiện trong sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa. - Dễ chế tạo, giá thành hạ *) Các vấn đề khác +) Chú ý đảm bảo áp suất thấp (trước khi vào xylanh bơm cao áp) ổn định. +) Phải có đường nhiên liệu từ vòi phun về thùng chứa (do kim phun và đế kim phun tạo ra). +) Xả khí (khí có trong nhiên liệu khi áp suất thay đổi, hở trên đường ống và p < p0), hay thường gọi là xả e. Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. HTNL diesel th«ng th­êng 3) Sơ đồ HTNL động cơ diesel Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 1 2 3 8 4 5 6 7 9 1: thïng nhiªn liÖu, 2: läc, 3: b¬m chuyÓn nhiªn liÖu, 4: b¬m cao ¸p, 5: ®­êng èng cao ¸p, 6: vßi phun, 7: ®­êng dÇu håi, 8: van håi dÇu, 9: vÝt x¶ khÝ kh«ng khÝ. Bao gồm BCA kiểu Bosch và bơm phân phối Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. HTNL tÝch ¸p (Common Rail). Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 2.2. Bơm cao áp Nhiệm vụ: Cung cấp nhiên liệu cho động cơ -Có áp suất cao -Lượng nhiên liệu cho chu trình phải phù hợp với chế độ làm việc của động cơ -Đồng đều giữa các xylanh -Đúng thời điểm và theo quy luật đã định 2.2.1. Phân loại bơm cao áp: a) Theo phương pháp điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình: *) Bơm cao áp không thay đổi hành trình toàn bộ của pittông: -Bơm cao áp có van xả -Bơm cao áp (Bosch) -Bơm cao áp có van tiết lưu lỗ nạp Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. *) Bơm cao áp thay đổi hành trình toàn bộ của pittông: Thay đổi lượng nhiên liệu bằng cách thay đổi hành trình pittông -Dịch chuyển cam có prôphin thay đổi theo chiều trục (Cam côn) -Thay đổi khe hở giữa pittông bơm cao áp với con đội -Thay đổi tỷ số truyền của cơ cấu truyền động từ cam nhiên liệu tới con đội bơm cao áp. b) Theo phương pháp phân phối nhiên liệu cho các xylanh của động cơ: -Bơm nhánh -Bơm phân phối c) Theo phương pháp dẫn động pittông bơm cao áp -Bơm cao áp dẫn động pittông bằng trục cam -Bơm cao áp dẫn động pittông lò xo. Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. d) Theo phương pháp lắp ghép bơm cao áp và vòi phun -Bơm cao áp và vòi phun rời nhau -Bơm cao áp và vòi phun lắp liền Hiện nay hầu hết sử dụng bơm cao áp không thay đổi toàn bộ hành trình dịch chuyển của pittông 2.2.2. BCA thay đổi lượng nhiên liệu chu trình bằng van pittông Cấu tạo của một tổ bơm (hình 2 – trang 129) Quá trình cung cấp nhiên liệu Thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình Điều chỉnh bơm cao áp Kết cấu bộ đôi pittông BCA Kết cấu và kích thước của pittông Bộ đôi bơm cao áp và đế van cao áp Cam nhiên liệu Tính toán và thiết kế BCA BCA vạn năng Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 1,Cấu tạo của một tổ bơm cao áp Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 6 12 13 14 15 16 17 18 a) B¬m cao ¸p ®¬n kiÓu Bosch b) c) d) e) h h g) h) 19 20 21 - Nguyªn lý lµm viÖc cña b¬m - §iÒu chØnh l­îng nhiªn liÖu cung cÊp - §iÒu chØnh thêi ®iÓm cung cÊp - §iÒu chØnh sù ®ång ®Òu cña b¬m - Bé ®«i siªu chÝnh x¸c (khe hë 0,002 0,008 mm), ®é «van 0,0005 mm Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 1 2 3 4 5 7 8 9 1 0 1 1 6 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 a ) Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 2,Quá trình cung cấp nhiên liệu Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 3,Thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 4,Điều chỉnh BCA -Thời điểm bắt đầu cung cấp nhiên liệu -Lượng nhiên liệu cung cấp đủ và đều giữa các xylanh 100minmax tb ctct V VV   Hệ số không đồng đều  2 minmax ctct tb VV V   Với Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 5,Kết cấu bộ đôi pittông và xylanh BCA Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. Các điều kiện kỹ thuật của bộ đôi • Độ bóng mặt ma sát, độ bóng mặt đầu • Các mép gờ • Sai lệch về hình dáng hình học • Độ côn pittông và xylanh không quá 0,0006 mm trên chiều dài 20mm mặt làm việc • Độ ô van không quá 0,0005 mm • Không có vết xước, hằn trong bề mặt ma sát • Khe hở hướng kính của bộ đôi pittông và xylanh rất nhỏ • Khi thay thế phải thay cả bộ đôi pittông và xylanh Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 6, Kết cấu và kích thước của pittông Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. Kích thước của pittông pd h tg .   :Góc nghiêm của gờ xoắn h:Bước xoắn dp:Đường kính pittông cos a b  a:Chiều rộng mài mòn trên mặt xoắn b:Hành trình tổn thất ứng với chiều rộng vết mòn a Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 7, Bộ đôi van cao áp và đế van cao áp: Là bộ đôi chính xác thứ 2 của BCA +) Nhiệm vụ: +) Kết cấu Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. Bản vẽ bộ đôi và chi tiết của van cao áp Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. Các thông số của van cao áp Tiết diện lưu thông qua mặt côn (mặt làm viêc) của van 2 sin).sin..(.   vvvv hdhf  hv: hành trình nâng có ích của van dv: Đường kính nhỏ của mặt côn : Góc mặt côn (mặt làm việc) Có thể lựa chọn: dv ff )5,25,1(  dd: Đường kính pittông BCA 65,4   pd d d fd: tiết diện lưu thông của đường ống cao áp Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. Các thông số của van cao áp Van cao áp có vành giảm áp, thể tích nhiên liệu do vành giảm áp hút của đường ống cao áp:  Vph d V nhh d h ...4 . 2   Hh:Hành trình của vành giảm áp ph: Áp suất đường ống cao áp bị giảm n: Hệ số chịu nén của nhiên liệu V: Thể tích nhiên liệu tròn đường ống cao áp và trong ống dẫn của vòi phun hv hhh  Hành trình toàn bộ của van cao áp Van cao áp không có vành giảm áp: hh = 0 và h = hv Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 8, Cam nhiên liệu: Dạng cạm lồi Để đặc trưng các dạng cam, người ta đưa ra hệ số tốc độ C0, đó chính là tốc độ chuyển động của pittông khi nc = 1000 v/ph, do vậy tốc độ chuyển động của pittông được tính: Cp = 0,001 C0.nc Đối với động cơ không cường hóa Cp = 0,72 m/s, động cơ cường hóa Cp = 33,2 m/s Quyết định quy luật cung cấp nhiên liệu; cam nhiên liệu thường được dùng loại cam mở rộng cung đỉnh, loại ấy thường là cam lồi, hoặc tiếp tuyến và thường đối xứng vì thế có thể đổi ngược chiều quay. Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 8, Cam nhiên liệu: Cam tiếp tuyến mở rộng cung đỉnh Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 8, Cam nhiên liệu: Dạng cam có quy luật phun bậc thang, nghĩa là ban đầu cung cấp ít nhiên liệu và sau đó tăng dần, loại này thường được dùng cho cácc loại động cơ đặc biệt Tuy nhiên do hv = f(c) và C0 = f(c) rất phức tạp nên ít dùng Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 9, Tính và thiết kế BCA: Cần xác định: - Xác định dp - Hành trình pittông bơm cao áp ở chế độ định mức Biết các thông số của động cơ ở chế độ định mức: - Công suất có ích – Ne (kW) - Số vòng quay n (v/ph) - Suất tiêu hao nhiên liệu ge (g/kW.h) - Số xylanh i a, Lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình Vct nlcteenl i n VNghgG   ..60. 2 .)(  Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. nl ee ct in Ng V   ...120 ..  .30 ... niVp N hee  Do đó: Thay Ta được nl hee ct Vpg V .3000 ..  Có thể tính Vct theo các thông số đặc trưng cho chu trình công tác của động cơ, nếu thay ge bằng công thức: ke vk e TpM p g ... . .10.432 0 3    (g/kW.h) Trong đó: -pk, Tk – Áp suất, nhiệt độ khí nạp trước xupáp nạp -v – Hệ số nạp -M0 – Lượng không khí lý thuyết cần thiết đốt cháy 1 kg nhiên liệu Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. nlk vhk ct TM Vp V   ... .. .120 0  (Lít) Lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình Vct b, Tính đường kính pittông dp tbQ Q K max Qmax – Tốc độ cung cấp lớn nhất Qtb - Tốc độ cung cấp trung bình K = 1,2  1,5 Qmax = K.Qtb Ta có: p ct tb t V Q  tp- thời gian cung cấp nhiên liệu Tính dp n/xet: Trong quá trình phun nhiên liệu thì tốc độ phun luôn luôn thay đổi nhưng chúng ta vẫn có thể lựa chọn được một quy luật nhất định qua hệ số K = 1,21,5 Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. c p pt    c c c n n .6 60 360. Với c p p n t 6   Do vậy: c p ct tb n V Q 6   p = Góc phun thực tế tính theo góc quay trục cam ph = Góc phun hình học tính theo góc quay trục cam - Khi thiết kế cam phải tính theo góc phun hình học - Góc phun p từ điều kiện đảm bảo cho động cơ tốn ít nhiên liệu nhất khi làm việc ở chế độ định mức. Thường p = 30400 góc quay trục khuỷu Tính: Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. Khi chọn p cần biết thời gian phun nhiên liệu thực tế phụ thuộc vào áp suất nhiên liệu và số vòng quay của động cơ và thường lớn hơn thời gian phun hình học 1,31,7 lần (do hiện tượng tiết lưu) 7,13,1  ph p   - Tốc độ cung cấp nhiên liệu lớn nhất cpp CfQ ..max  Trong đó: 4 . 2p p d f   Diện tích đỉnh pittông cp nCC ..001,0 0 Tốc độ c/đg lớn nhất của pittông bca 0C Hệ số tốc độ đặc trưng phụ thuộc vào cam v Hệ số cung câp bca Bơm Bosch: v = 0,750,85 khi van cao áp không có vành giảm áp v = 0,60,95 khi có vành giảm áp Phụ thuộc vào áp suất phun lớn nhất Xem Hinh II-11 SGK144 Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. tbQKQ .max  Từ Xác định được dp pc c p ct p C nV Kd    64 Chú ý: dp: mm Vct: mm3 Cp: mm/s nc: v/ph Sau khi tính dp cần phải chọn dp quy chuẩn theo bảng (II-1). Kiểm tra hệ số cung cấp c, dựa vào đồ thị quan hệ v và dp – Hình II-2 SGK144 – được xây dựng bằng thực nghiệm. c, Tính hành trình có ích của pittông ha Thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình bằng cách thay đổi hành trình có ích capct hfV .. cp ct a f V h .  (mm3) (mm) ha – Hành trình có ích của pittông ở chế độ định mức. Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. - Phải tăng hành trình có ích lên (3040)% ha để cung cấp nhiên liệu cho động cơ làm việc quá tải hoặc dự phòng do bơm bị mòn. - Tăng hành trình có ích lên 2ha – khi động cơ máy kéo khởi động trong mùa đông. - Tăng một phần hành trình để thực hiện quá trình nạp, xả nhiên liệu; đường kính lỗ nạp, xả (nếu trùng nhau) bằng (2530)%dp - h1 – kể từ khi pittông ở vị trí thấp nhất đến pittông che kín lỗ nạp. - h2 – kể từ khi pittông che kín nỗ xả cho đến khi pittông lên tới vị trí cao nhất. Hành trình toàn bộ của pittông bơm cao áp: hp = (34)ha, Từ hành trình pitông bca, qua vành răng hoặc chốt dẫn động ta tính được hành trình của thành răng bca. Chú ý: Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 10, Bơm cao áp vạn năng: - Tính vạn năng của BCA đwocj thể hiện ở khả năng sử dụng cùng 1 loại bca vào những động cơ khác nhau (Qnl, ) và sự bố trí bơm cao áp trên động cơ về thứ tự làm việc. -Bơm cao áp thỏa mãn yêu cầu sau: Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 2.2.3. Bơm cao áp phân phối Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. B¬m ph©n phèi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Theo A 5 12 5 1: trôc dÉn ®éng b¬m, 2: con l¨n, 3: ®Üa cam, 4: lß xo, 5: piston, 6: qu¶ ga, 7: cöa tho¸t, 8: nh¸nh ph©n phèi, 9: van mét chiÒu, 10: ®­êng cao ¸p ®Õn c¸c vßi phun, 11: ®­êng nhiªn liÖu håi, 12: cöa n¹p, 13: xy lanh, 14: cÇn ®iÒu khiÓn, 15: lç tho¸t kÕt thóc phun, 16: ®­êng nhiªn liÖu tõ b¬m chuyÓn vµo b¬m cao ¸ p. Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. B¬m ph©n phèi Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. Vßi phun 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 a) b) 1 2 15 1: ®Õ kim phun, 2: kim phun, 3: ®ai èc, 4: thanh ®Èy, 5: th©n vßi phun, 6: lß xo, 7: èng lång, 8: chèt ®ì lß xo, 9: vÝt ®iÒu chØnh, 10: n¾p che, 11: ®Öm, 12: èng håi dÇu lät, 13: ®Çu l¾p víi èng cao ¸p, 14: khoang nhiªn liÖu, 15: lç phun, 16: chèt kim phun. Vßi phun chèt c) 1 2 16 Vßi phun kim Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. B¬m cao ¸p - vßi phun 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a) b) 1: ®Õ kim phun, 2: èng kÑp, 3: th©n vßi phun (xy lanh), 4: kim phun (piston), 5: lç tiÕt l­u, 6: khoang nhiªn liÖu, 7: lç phun, 8 vµ 9: ®­êng dÇu lµm m¸t kim phun, a): qu¸ tr×nh n¹p nhiªn liÖu vµo khoang 6, b): qu¸ tr×nh phun. Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 5.2.3 HÖ thèng nhiªn liÖu tÝch ¸p 5.2.3.1 S¬ ®å vµ nguyªn lý lµm viÖc Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 5.2.3.2 B¬m cao ¸p Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 5.2.3.3 Vßi phun a. Vßi phun ®iÖn tõ 12 11 10 9 8 7 6 5 1 2 3 4 Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. b. Vßi phun th¹ch anh Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực – ĐHBK Hà Nội. 5.3 C¸c ph­¬ng ph¸p h×nh thµnh khÝ hçn hîp trong ®éng c¬ diesel