Nghiên cứu ảnh hưởng của chất lượng bơm cao áp tới độ suy giảm lượng cấp nhiên liệu chu trình trong động cơ Diesel PGS.. Nội dung bμi báo giới thiệu phương pháp xây dựng mối quan hệ của
Trang 1Nghiên cứu ảnh hưởng của chất lượng bơm cao áp tới độ suy giảm lượng cấp nhiên liệu chu trình trong động cơ Diesel
PGS TS Nguyễn đức tuấn
Bộ môn Cơ khí ôtô
NCS Lê hoài đức
Bộ môn Động cơ đốt trong Khoa Cơ khí - Trường Đại học GTVT
Tóm tắt: Bơm cao áp lμ một trong những tổng thμnh hết sức quan trọng trên động cơ
Diesel Chất lượng của bơm sẽ có ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lμm việc của động cơ Nội dung bμi báo giới thiệu phương pháp xây dựng mối quan hệ của lượng hao mòn cặp piston - xilanh bơm cao áp với độ suy giảm lượng cấp nhiên liệu chu trình Δg ct Thông qua chỉ tiêu nμy
sẽ có tác động tới chất lượng lμm việc của hệ thống cung cấp nhiên liệu vμ tới các chỉ tiêu Kinh
tế - kỹ thuật của động cơ
Summary: A high-pressure pump is one the of important components in a diesel engine
Its quality affects directly the quality of the engine operation The article introduces the method
of building the relation between the amount of corrosions in the piston - cyclinder and the decrease of fuel in cycle Δg ct This specification will affect the performance of the fuel system and the economic - technical standards of the diesel engine
i đặt vấn đề
Khi nghiên cứu về kết cấu và nguyên lý
làm việc của bơm cao áp chúng ta đều biết
rằng trong quá trình làm việc, dầu Diesel bên
cạnh nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu phục vụ
cho quá trình cháy thì còn có chức năng làm
kín và bôi trơn cho cặp piston - xilanh bơm
Chính vì vậy trong quá trình làm việc luôn tồn
tại một lượng dầu Diesel rò lọt qua khe hở của
cặp piston - xilanh bơm theo đường hồi dầu
trở về thùng nhiên liệu Δgct Lượng dầu rò lọt
này phụ thuộc vào chất lượng của bơm cao áp
hay trực tiếp là phụ thuộc vào khe hở của cặp
piston - xilanh bơm và vào độ nhớt của dầu
Diesel Lượng dầu Diesel rò lọt qua khe hở
của cặp piston - xilanh bơm Δgct làm cho
lượng cấp nhiên liệu chu trình thực tế nhỏ hơn
so với lượng cấp nhiên liệu lý thuyết, đồng thời
nó còn có tác động trực tiếp tới áp suất phun, tới độ không đồng đều của quá trình cấp nhiên liệu và tới quy luật phun
ii nội dung
Tùy thuộc vào các thông số về kết cấu và chất lượng của bơm cao áp, vào loại nhiên liệu và nhiệt độ nhiên liệu sử dụng trong quá trình vận hành, vào chế độ làm việc của động cơ mà lượng dầu Diesel rò lọt qua khe hở của cặp piston - xilanh bơm Δgct sẽ có giá trị khác nhau Tuy nhiên, nếu xét cùng một loại bơm cao áp, lắp trên cùng một động cơ sử dụng cùng một loại nhiên liệu và ở cùng một chế độ vận hành thì giá trị của Δgct chỉ còn phụ thuộc vào mức độ hao mòn của cặp piston - xilanh bơm và nhiệt độ của nhiên liệu trong quá trình
Trang 2làm việc
Khi bơm cao áp bị hao mòn nhiều, nhiệt
độ nhiên liệu tăng lớn có thể dẫn đến sự hao
hụt đáng kể lượng nhiên liệu qua khe hở của
cặp piston và xilanh bơm hay chính là làm
tăng lượng suy giảm nhiên liệu chu trình Δgct
Nếu ta gọi I là khe hở giữa piston và
xilanh của bơm cao áp khi đó xét một phần tử
chất lỏng được đặt trong hệ trục toạ độ xyz
như hình 1 Ta có:
+
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+ dy b.dx
dy
dp
p
dx b p dy b dx x dy
b
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
τ + τ
=
τ
Suy ra:
x dy
dp
∂
τ
= (2)
Mặt khác, theo giả thiết Niutơn thì ứng
suất tiếp gây ra do sự ma sát bên trong các
lớp chất lỏng tỷ lệ với Gradian vận tốc [3]:
dx
dv η
=
Với: v - tốc độ dịch chuyển của lớp nhiên
liệu theo phương y
Suy ra:
2 2
x
v
∂ η
=
∂
τ
Thay (4) vào (2) ta được:
2 2
x
v dy
dp
∂
∂ η
Nếu coi gia tốc chuyển động của piston
trong hành trình nén là không đổi thì ta có:
const x
v
2
2
=
∂
∂
Suy ra: x2 C1.x C2
dy
dp 2
1
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ η
Khi x = 0 thì v = CP nên ta có C2 = CP; (7)
Khi x = I thì v = 0 nên ta có
I
dy
dp 2
1 I
C
η
ư
ư
Thay (7), (8) vào (6) ta được:
P P
dy
dp 2
1 I
C x
dy
dp 2
1
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
η
ư
ư +
⎟⎟
⎞
⎜⎜
⎛ η
=
(9)
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ ư +
ư
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ η
=
I
x 1 C ) x I x (
dy
dp 2
1
Lượng nhiên liệu lọt qua khe hở I sẽ được xác định bằng công thức:
∫
= Δ
I
0
ct v.b.dx
g (11)
Thay b=π.d và lấy tích phân ta được:
dx I
x 1 C dx )
x I x (
dy
dp 2
1 b g
I
0
P 2
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ ư +
ư
⎟⎟
⎞
⎜⎜
⎛ η
= Δ
(12)
2
I
C I
dy
dp 12
1 b
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ η
ư
=
2
I
C I
dy
dp 12
1 d
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ η
ư π
=
Gần đúng ta coi áp suất của nhiên liệu thay đổi liên tục dọc theo chiều dài piston bơm
và ta sẽ có
y
p p dy
dp= ư 0
và như vậy:
2
I
C y
p p 12
I d
3
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
η
ư π
=
trong đó:
d - đường kính xilanh bơm cao áp
I - khe hở cặp piston - xilanh bơm cao áp
p - áp suất trong khoang cao áp của bơm
Trang 3p0 - áp suất tại cửa nạp của bơm
y - chiều dài phần trượt của piston bơm
cao áp
Cp - tốc độ của piston bơm cao áp
η - độ nhớt động lực của nhiên liệu ứng
với nhiệt độ làm việc
Sự phụ thuộc của độ nhớt động lực trung
bình vào áp suất và nhiệt độ của nhiên liệu
được tính theo công thức sau [3]:
20.expα.pưp ưλTưT
η
=
trong đó:
η20 - độ nhớt động lực của nhiên liệu ở
200C
α - hệ số phụ thuộc vào áp suất
(Với T < 200C thì α = 0.003 và T > 200C
thì α = 0.002)
λ - hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ (T > 200C
thì λ = 0.03)
p - p1: độ chênh áp
T - T1: độ chênh nhiệt độ
η20 = 0.000349kG.s/m2 (theo kết quả
phân tích của Viện dầu khí đối với mẫu dầu
thử trong thí nghiệm)
Trong công thức (15) thì áp suất trong
khoang cao áp của bơm “p” và chiều dài phần
trượt của piston bơm cao áp “y” là một hàm
các thông số về kết cấu và vận hành của bơm
cao áp Như vậy để có thể xác định chính xác
giá trị của lượng suy giảm nhiên liệu chu trình
Δgct chúng ta cần sử dụng công thức (15) kết
hợp với hệ phương trình vi phân trong bơm
cao áp, trên đường ống và trong vòi phun
trong hệ thống cung cấp nhiên liệu của động
cơ
Nếu ta gọi 100%
g
g Y
ct ct
Δ
giảm nhiên liệu chu trình tương đối trên một
đơn vị lượng cấp nhiên liệu chu trình Khi đó,
hàm số Y = f(I) cũng là một hàm bậc 3 theo
mức độ hao mòn hay chính là khe hở của cặp piston - xilanh bơm cao áp “I”:
I
B I
A
Y=ư 3+ Trong đó A, B là các hệ số phụ thuộc vào kết cấu của bơm và chế độ vận hành của
động cơ
Giá trị cụ thể của Y phụ thuộc vào hàng loạt các thông số về kết cấu và khai thác, vào chất lượng của bơm cao áp, vào loại nhiên liệu và nhiệt độ nhiên liệu sử dụng trong quá trình vận hành Sử dụng chương trình tính hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ bằng phần mềm Matlab chúng ta có thể dễ dàng xác định giá trị của “Y” cho các loại động cơ
và ở các chế độ khai thác khác nhau Hình 2
là kết quả tính độ suy giảm nhiên liệu chu trình tương đối “Y” theo độ hao mòn cặp piston - xilanh bơm cao áp và nhiệt độ nhiên liệu sử dụng của động cơ xe IFa W50 ở chế
độ toàn tải
Qua kết quả tính chúng ta có thể nhận thấy:
- Khi nhiệt độ nhiên liệu sử dụng tăng 100C thì độ suy giảm nhiên liệu chu trình tương đối
“Y” tăng từ 1 đến 7 % Đối với bơm cao áp mới thì ảnh hưởng của nhiệt độ nhiên liệu là không
đáng kể nhưng ở các bơm cao áp cũ, nhóm piston - xilanh bơm bị hao mòn nhiều thì khi nhiệt độ nhiên liệu tăng, giá trị của “Y” sẽ tăng rất nhanh
- Khi độ hao mòn cặp piston - xilanh bơm cao áp “I” tăng từ 1 - 4 μm thì độ suy giảm nhiên liệu chu trình tương đối “Y” tăng ở mức
độ vừa phải (khoảng từ 6 đến 9%) Khi độ hao mòn cặp piston-xilanh bơm cao áp “I” vượt quá 4 - 5 μm, độ suy giảm nhiên liệu chu trình tương đối “Y” sẽ tăng vọt đặc biệt là khi nhiệt
độ của nhiên liệu sử dụng cao (ở nhiệt độ 500C trung bình là 8.5%/μm )
Tóm lại: khi sử dụng bơm cao áp cũ có lượng hao mòn lớn trong điều kiện khí hậu nhiệt đới có nhiệt độ tương đối cao như ở Việt Nam thì độ suy giảm nhiên liệu chu trình
Trang 4tương đối “Y” tăng một cách đáng kể so với
khi sử dụng ở các vùng có nhiệt độ thấp như ở
các nước ôn đới Điều này sẽ ảnh hưởng trực
tiếp tới lượng nhiên liệu phun vào xilanh và
chất lượng tạo hỗn hợp trong động cơ, thông
qua đó ảnh hưởng tới các chỉ tiêu kinh tế - kỹ
thuật của động cơ
III Kết luận
1 Chỉ tiêu “độ suy giảm nhiên liệu chu
trình tương đối Y” có liên hệ trực tiếp với
chất lượng bơm cao áp thông qua lượng nhiên
liệu rò lọt chu trình Δgct, nó có thể đánh giá
chất lượng bơm cao áp một cách tương đối
toàn diện Vì vậy, chúng ta có thể sử
dụng chỉ tiêu này để đánh giá chất
lượng bơm cao áp thay cho chỉ tiêu về
“thời gian tụt áp” hiện đang được áp
dụng
2 Việc khai thác bơm cao áp cần
căn cứ vào điều kiện cụ thể của từng
vùng khí hậu, cần lựa chọn và sử dụng
loại nhiên liệu có độ nhớt và chỉ số độ
nhớt phù hợp với nhiệt độ môi trường
3 Có thể thay đổi biên dạng cam
theo hướng tăng vận tốc trung bình của
piston “CP”, và điều này sẽ giúp cho
việc giảm Δgct và giảm “Y” như vậy có
thể kéo dài thời gian sử dụng của bơm cao áp
b= π d
dy dx
p + (dp/dy)dy
dy
τ
p dx
τ + (∂τ/∂x)dx
Wp
dz
dx dy
X
z 0
ho
Y Xilanh Piston
Hình 1 Mô hình một phần tử chất lỏng
Hàm Y=f[t,I]
0 20 40 60
I[mm]
20 25 30 35 40 45 50
Hình 2 Mối quan hệ độ suy giảm nhiên liệu chu trình tương đối
Y theo nhiệt độ môi trường vμ chất lượng bơm cao áp
t [0C]
Tài liệu tham khảo
[1] Lê Hoμi Đức ảnh hưởng của điều kiện khí hậu
nhiệt đới tới quá trình tạo hỗn hợp và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật trong động cơ Chuyên đề Sau đại học Hà nội, 2002
[2] Nguyễn Duy Tiến, Lê Hoμi Đức Xác định ảnh
hưởng của điều kiện khí hậu tới chất lượng làm việc của động cơ Diesel Tạp chí Giao thông vận tải 3 năm 2003
[3] Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Văn Thêm Kỹ
thuật ma sát và biện pháp nâng cao tuổi thọ thiết
bị Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, 1990
[4] Nguyễn Đức Tuấn, Lê Hoμi Đức Xác định tuổi
Trang 5bÒn b¬m cao ¸p theo chØ tiªu hiÖu qu¶ kinh tÕ T¹p chÝ Khoa häc Giao th«ng vËn t¶i 11 n¨m 2003
[5] Фомин Ю Я, Журавлев Ю.А Расчет процесса
впрыска топлива в дизелях с разветвленными нагнетательными трубопроводами на ЭЦВМ Машиностроение Москва, 1969
[6] Фомин Ю Я, Ивановский И Г Методика
гидродинамического расчета топливной системы судового дизеля с форсункой имеющей невозвратный клапан Двигатели внутреннего сгорания Москва, 1972
[7] Automotive mechanics New York, 1994 [8] Modern automotive mechanics New York,
1985♦
