Nghiên cứu cải tiến quy luật cung cấp nhiên liệu cho động cơ diesel khi cường hóa bằng tăng áp

chế độ toàn tải của BCA HK-10 giữa kết quả tính toán mô 3.6 So sánh đặc tính phun của hệ thống nhiên liệu động cơ B6 3.7 Hình dạng và động học con đội của biên dạng cam bơm cao 3.8 So sá

PHẠM HỒNG SƠN

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN QUY LUẬT CUNG CẤP NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ

DIESEL KHI CƯỜNG HÓA BẰNG TĂNG ÁP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2014

PHẠM HỒNG SƠN

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN QUY LUẬT CUNG CẤP NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ

DIESEL KHI CƯỜNG HÓA BẰNG TĂNG ÁP

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 62 52 01 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS, TS Hà Quang Minh

2 TS Lê Đình Vũ

HÀ NỘI - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các

số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Phạm Hồng Sơn

PHẠM HỒNG SƠN

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN QUY LUẬT CUNG CẤP NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ

DIESEL KHI CƯỜNG HÓA BẰNG TĂNG ÁP

DANH MỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ

CỦA TÁC GIẢ

HÀ NỘI - 2014

1.1 Tổng quan về tình hình sử dụng động cơ diesel không tăng áp

hiện nay ở nước ta và nhu cầu cải tiến nâng cao công suất động cơ 6

1.1.1 Tình hình sử dụng trong lĩnh vực dân sự 6

1.1.2 Tình hình sử dụng trong lĩnh vực quân sự 6

1.1.3 Nhu cầu cải tiến để nâng cao công suất bằng biện

1.1.4 Một số vấn đề cần nghiên cứu khi cường hóa động cơ

1.1.5 Kết quả nghiên cứu tăng áp động cơ B6 và những vấn

1.2 Một số biện pháp cải thiện quy luật cung cấp nhiên liệu đối

với động cơ diesel sau khi cường hóa bằng tăng áp tua bin khí

1.3 Quy luật cung cấp nhiên liệu và yêu cầu đối với quy luật cung

cấp nhiên liệu của động cơ diesel sau khi cường hóa bằng tăng áp 13

1.3.2 Các dạng quy luật phun nhiên liệu của động cơ diesel 16 1.3.3 Yêu cầu mong muốn đối với quy luật cung cấp nhiên

liệu của động cơ diesel khi được cường hóa bằng tăng áp 17

1.4.1 Ảnh hưởng của biên dạng cam 18

1.5 Ảnh hưởng của quy luật cung cấp nhiên liệu đến các chỉ tiêu

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN

QUY LUẬT CUNG CẤP NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ

2.2 Cơ sở tính toán biên dạng cam bơm cao áp nhằm cải thiện quy

2.2.1 Tiêu chí và phương án lựa chọn dạng cam cải tiến 28 2.2.2 Cơ sở tính động học pít tông bơm cao áp HK-10 29

2.2.2.1 Động học pít tông bơm cao áp cơ sở HK-10 trên cam

2.3.5.5 Phần tử van (Valve) 40

2.3.5.6 Phần tử dòng chảy tầng (Laminar Flow) 41

2.3.6 Xác định các điều kiện biên tại bơm cao áp và vòi phun 41 2.3.6.1 Các phương trình điều kiện biên tại bơm cao áp 41

2.3.6.2 Các phương trình điều kiện biên tại vòi phun 42

2.3.6.3 Hệ phương trình vi phân điều kiện biên 43

2.3.6.4 Xác định các thông số bổ trợ để giải hệ phương trình điều

2.4 Cơ sở lý thuyết tính toán chu trình và các chỉ tiêu công tác

2.4.1 Mô hình vật lý tính chu trình công tác động cơ diesel

2.4.2 Các phương trình cơ bản tính diễn biến áp suất, nhiệt

2.4.3.2 Mô hình hiện tượng cháy đa vùng áp dụng đối với tia

2.4.4 Truyền nhiệt và phương trình xác định hệ số tỏa nhiệt

Chương 3: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN QUY LUẬT CUNG CẤP

NHIÊN LIỆU, KHẢO SÁT CHU TRÌNH VÀ CHỈ TIÊU CÔNG

TÁC CỦA ĐỘNG CƠ B6 TĂNG ÁP KHI THAY ĐỔI QUY

3.1 Kết quả tính động học pít tông bơm cao áp HK-10 65

3.2 Tính toán thủy động, xác định quy luật cung cấp nhiên liệu khi

dùng cam nguyên thủy và dùng các phương án cam cải tiến 68

3.2.1 Mô hình khảo sát hệ thống nhiên liệu bằng phần mềm

3.2.1.1 Mô hình và thông số đầu vào 69

3.2.2 Kết quả tính toán quy luật cung cấp nhiên liệu với các

3.2.3 Kết luận lựa chọn quy luật cung cấp nhiên liệu (quy

3.2.4 Khảo sát các đặc tính thủy động và quy luật cung cấp

nhiên liệu của hệ thống nhiên liệu sử dụng phương án cam cải tiến

3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng quy luật cung cấp nhiên liệu đến chu

trình và chỉ tiêu công tác của động cơ B6 tăng áp 81

3.3.2 Mô hình mô phỏng chu trình và các chỉ công tác của

3.3.2.1 Trình tự nghiên cứu và xây dựng mô hình 81

3.3.2.2 Thông số đầu vào của mô hình 86

3.3.2.3 Kết quả tính kiểm tra đối với động cơ B6 khi chưa tăng áp

3.3.3 Các kết quả tính chu trình và chỉ tiêu công tác của

động cơ B6TA trước và sau cải tiến biên dạng cam bơm cao áp 92

3.3.3.2 Kết quả tính chu trình công tác của động cơ B6TA 93

4.1.1 Mục đích thực nghiệm 102

4.2 Chế tạo trục cam mới cho bơm cao áp động cơ B6 tăng áp 103

4.2.1 Thiết kế bản vẽ chế tạo trục cam mới cho bơm cao áp 103 4.2.2 Tiến trình công nghệ chế tạo trục cam bơm cao áp mới 104

4.4 Thực nghiệm đo lƣợng nhiên liệu cấp cho chu trình và áp

4.4.3.1 Kết quả đo lượng cung cấp nhiên liệu 118

4.4.3.2 Kết quả đo áp suất đường ống cao áp 118

4.4.4 Đánh giá kết quả thử nghiệm, so sánh kiểm chứng với

4.4.4.1 Xử lý kết quả đo lượng cung cấp nhiên liệu 122

4.4.4.2 So sánh kết quả đo lượng áp suất trong đường ống cao áp 122

4.4.4.3 Nhận xét kết quả thực nghiệm 124

Phụ lục

Kí hiệu Diễn giải Đơn vị

tính

CNC Computer numerical control (máy điều khiển số) -

CFD Computational Fluid Dynamics(Tính toán động lực

FP Diện tích tiết diện ngang của pít tông bơm cao áp mm2

fc Tổng diện tích mặt cắt ngang của các lỗ phun m2

jn Gia tốc chuyển động của pít tông bơm cao áp m/s2

Nu Hệ số Nusselt -

pϕ Áp suất nhiên liệu trong khoang đầu vòi phun Pa, bar

Vcc Quy luật cung cấp nhiên liệu dạng tích phân -

VT Lưu lượng cung cấp thể tích của bơm cao áp m3/s

2 KÝ HIỆU HY LẠP

tính

Δφ cc Thời gian cung cấp nhiên liệu tính theo góc quay của trục

φf Thời điểm bắt đầu phun độ

Các kí hiệu khác được giải thích chi tiết theo từng chương mục

phương trình vi phân điều kiện biên 44 3.1 Thông số lựa chọn cho các phương án tính toán cam cải tiến 67 3.2 So sánh một số thông số động học giữa cam cũ và các

3.3 Lượng cung cấp nhiên liệu cho 1 chu trình ở chế độ tải định

3.4 Kết quả tính toán các thông số đặc tính phun với các phương

3.7 Các thông số đầu vào chung của động cơ B6 (B6TA) 86 3.8 Kết quả tính toán các chỉ tiêu công các động cơ B6 89 3.9 Các thông số đánh giá chu trình công tác động cơ B6 89 3.10 Phân phối năng lượng (cân bằng nhiệt)của động cơ B6

3.12 Bảng so sánh các thông số đặc trưng của chu trình và chỉ tiêu

3.13 Phân phối năng lượng (cân bằng nhiệt) của động cơ B6TA

khi sử dụng trục cam bơm cao áp với biên dạng cam nguyên

4.1 Sai lệch kích thước và phân bố các điểm sai lệch của trục

4.2 Thông số kĩ thuật chính của bệ thử bơm cao áp DB2000IIA 110 4.3 Kết quả đo lượng nhiên liệu thực nghiệm cho 200 chu kì 117 4.4 Kết quả đo lượng nhiên liệu thực nghiệm cho 1 chu kì 121

1.2 Quy luật phun nhiên liệu 15

1.4 độ nâng của pít tông bơm cao áp với các cam có profile khác

1.5 Ảnh hưởng của chế độ tải (vị trí thanh răng BCA) đến lượng

cung cấp NL, khoảng thời gian phun và thời điểm kết thúc

1.6 Ảnh hưởng của thời gian cung cấp nhiên liệu đến sự thay đổi

2.2 Sơ đồ chuyển vị của con đội (piston) BCA động cơ B6 30 2.3 Sơ đồ chuyển vị của con đội con lăn BCA khi sử dụng cam

2.4 Mô hình tính hệ thống phun nhiên liệu động cơ diesel 35 2.5 Sơ đồ xác định diện tích lưu thông có ích của cửa nạp và cửa cắt 48

2.7 Sơ đồ xác định diện tích lưu thông có ích giữa kim phun và đế 50 2.8 Mô hình vật lý và các dòng năng lượng, khối lượng và các

thông số trạng thái của chu trình công tác của động cơ 51 2.9 Các vùng của tia phun và quy luật đánh số các vùng 54

3.2 Đồ thị chuyển vị, vận tốc của piston bơm cao áp HK-10 với

3.3 Đồ thị chuyển vị của piston bơm cao áp HK-10 với các

phương án lựa chọn biên dạng cam cải tiến trên động cơ B6 68 3.4 Mô hình các phần tử hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu bơm 70

chế độ toàn tải của BCA HK-10 giữa kết quả tính toán mô

3.6 So sánh đặc tính phun của hệ thống nhiên liệu động cơ B6

3.7 Hình dạng và động học con đội của biên dạng cam bơm cao

3.8 So sánh đặc tính diễn biến áp suất trong đường ống cao áp

của hệ thống nhiên liệu động cơ B6 với biên dạng cam

nguyên thủy trước và sau khi điều chỉnh lượng nhiên liệu

cung cấp cho chu trình đáp ứng yêu cầu tăng áp cho động cơ

3.9 So sánh đặc tính áp suất phun của hệ thống nhiên liệu động

cơ B6 với biên dạng cam nguyên thủy trước và sau khi điều

chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình và với biên

3.10 So sánh đặc tính tốc độ phun của hệ thống nhiên liệu động cơ

B6 khi sử dụng biên dạng cam nguyên thủy trước và sau khi

điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình và với biên

3.11 Mô hình liên kết các phần tử của động cơ B6 nguyên bản

3.12 Mô hình liên kết các phần tử của động cơ B6TA (động cơ B6

3.13 Giao diện nhập thông số lượng phun nhiên liệu cho trình và

diễn biến áp suất phun trong mô hình GT-power 87 3.14 Đặc tính bộ tua bin, máy nén do nhà sản xuất cung cấp 88 3.15 Đặc tính bộ TB-MN Garett TD08 và đặc tính phối hợp động

3.17 Diễn biến nhiệt độ bên trong xi lanh động cơ B6 (chế độ tải

3.18 Đồ thị công chỉ thị của động cơ B6 trên hệ trục p-V 91 3.19 Kết quả so sánh đặc tính ngoài của động cơ B6 91 3.20 Diễn biến áp suất trong xi lanh động cơ B6 tăng áp,

3.26 So sánh tốc độ tỏa nhiệt và quy luật tỏa nhiệt khi cháy trong

động cơ B6 tăng áp khi sử dụng cam nguyên thủy và cam

3.27 So sánh tốc độ tỏa nhiệt và quy luật tỏa nhiệt khi cháy trong

động cơ B6 tăng áp khi sử dụng cam nguyên thủy và cam

3.28 So sánh tốc độ trao đổi nhiệt với thành vách động cơ B6 tăng

áp khi sử dụng cam nguyên thủy và cam mới, nđc =1200vg/ph 97 3.29 So sánh tốc độ trao đổi nhiệt với thành vách động cơ B6 tăng

áp khi sử dụng cam nguyên thủy và cam mới, nđc =1800vg/ph 97 4.1 Bản vẽ 3D chi tiết trục cam bơm cao áp cải tiến của động cơ B6 104 4.2 Bản vẽ chế tạo chi tiết trục cam BCA cải tiến của động cơ B6 105

4.5 Hình ảnh gia công trên máy phay DMU 50 108 4.6 Quét ảnh trục cam đã gia công trên máy quét scaner 3D 109 4.7 Kết quả kiểm tra kích thước hình dạng trục cam 109 4.8 Hình ảnh cấu tạo chung của bệ thử BCA và lắp đặt bơm cao

4.9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo áp suất và hình ảnh kết nối thực tế 113 4.10 Cấu tạo của cảm biến và cách lắp ráp trên đường ống cao áp 114

4.12 Đồ thị kết quả đo diễn biến áp suất đường ống cao áp bằng thực

nghiệm ứng với trường hợp sử dụng biên dạng BCA nguyên bản 119 4.13 Đồ thị kết quả đo diễn biến áp suất đường ống cao áp bằng thực

nghiệm ứng với trường hợp sử dụng biên dạng BCA nguyên

bản khi đã điều chỉnh tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình 120 4.14 Đồ thị kết quả đo diễn biến áp suất đường ống cao áp bằng

thực nghiệm ứng với trường hợp sử dụng biên dạng BCA cải

tiến có điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình 121 4.15 Đồ thị so sánh kết quả đo áp suất trong đường ống cao áp

bằng thực nghiệm với kết quả tính mô phỏng ứng với tốc độ

4.16 Đồ thị so sánh kết quả đo áp suất trong đường ống cao áp

bằng thực nghiệm với kết quả tính mô phỏng ứng với tốc độ

4.17 Đồ thị so sánh kết quả đo áp suất trong đường ống cao áp

bằng thực nghiệm với kết quả tính mô phỏng ứng với tốc độ

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài:

Cho đến nay, nguồn động lực chính dùng trong các phương tiện giao thông, máy nông nghiệp, lâm nghiệp, các phương tiện cơ giới quân sự vẫn là động cơ đốt trong Trong đó, động cơ diesel chiếm một tỷ trọng lớn và được

sử dụng phổ biến do có những ưu điểm nổi bật, đặc biệt là động cơ diesel phun trực tiếp

Ngành công nghiệp động cơ đốt trong đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển và thu được những thành tựu đáng kể nhằm đáp ứng ngày càng tốt hơn các yêu cầu của thực tiễn Trong những năm qua, do trữ lượng nhiên liệu hóa thạch giảm mạnh, do nhu cầu nâng cao hiệu suất và chất lượng làm việc của động cơ đã luôn đặt ra cho các nhà chuyên môn nhiệm vụ nghiên cứu, phát triển và ứng dụng các công nghệ mới vào động cơ

Ngoài những yêu cầu đối với động cơ như tăng tuổi thọ, làm việc tin cậy, tiêu thụ ít nhiên liệu thì những yêu cầu khác như tăng công suất tổng, công suất lít, giảm hàm lượng các chất độc hại gây ô nhiễm môi trường là những hướng nghiên cứu chính đang được quan tâm giải quyết

Nhờ sự phát triển của các ngành khoa học có liên quan, ngành động cơ đốt trong cũng có những bước phát triển vượt bậc Ngày nay, người ta đã sử dụng nhiều giải pháp có hiệu quả để đáp ứng các yêu cầu trên Trong đó, tăng

áp cho động cơ là một biện pháp hữu hiệu Việc tăng áp bằng tua bin khí thải đáp ứng tốt các yêu cầu trên và đang được áp dụng rộng rãi cho động cơ Chính vì vậy, các hãng chế tạo động cơ nói chung, trong đó có động cơ diesel cao tốc nói riêng đều chế tạo loại động cơ diesel tăng áp bằng tua bin khí thải Riêng đối với nước ta, do nền công nghiệp chế tạo động cơ chưa phát triển, chủng loại phương tiện và động cơ sản xuất từ Liên xô cũ và Nga hiện nay còn đang được sử dụng còn nhiều với động cơ diesel không tăng áp Nhu cầu đặt ra là cần phải nâng cao công suất tổng và công suất lít cho những động cơ này để đáp ứng yêu cầu về khả năng cơ động, chuyên chở hàng hóa

và cải thiện các chỉ tiêu công tác nhằm phát huy tối đa hiệu quả khai thác động cơ và trang bị là rất cần thiết Giải pháp hiệu quả và có tính khả thi cao

là cường hóa những động cơ diesel không tăng áp này bằng tăng áp tua bin khí thải

Sau khi cường hóa bằng tăng áp tua bin khí thải cho động cơ mà trước đây đã thiết kế là không tăng áp thì lượng không khí nạp vào xi lanh động cơ cho một chu trình tăng lên, do đó để thành phần hỗn hợp nằm trong vùng hỗn hợp cháy nhằm mục đích tăng công suất, cần tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình Để bổ sung thêm lượng nhiên liệu cấp cho chu trình người ta thường sử dụng các biện pháp như điều chỉnh lại vị trí pít tông trong xy lanh bơm, tăng đường kính các lỗ phun.v v Khi tăng thêm lượng nhiên liệu cấp cho chu trình

sẽ kéo dài thời gian phun, hiệu quả quá trình cháy sẽ bị ảnh hưởng, cháy rớt tăng làm tăng trạng thái nhiệt các chi tiết, tăng nhiệt độ nước làm mát và giảm hiệu suất Vì vậy, việc nghiên cứu cải thiện quy luật cung cấp nhiên liệu bằng cách lựa chọn biên dạng cam bơm cao áp phù hợp theo hướng tăng tốc độ cung cấp để không kéo dài thời gian phun, đồng thời cải thiện quy luật cung cấp nhiên liệu nhằm tối ưu quá trình cháy của động cơ là rất cần thiết

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu cải tiến quy luật cung cấp nhiên liệu theo hướng thay đổi biên dạng cam của bơm cao áp đang sử dụng trên động

cơ diesel không tăng áp với hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu bơm cao áp - van cao áp - đường ống cao áp - vòi phun (kiểu Bosch) để rút ngắn thời gian cấp nhiên liệu cho chu trình và cải thiện quy luật cung cấp nhiên liệu nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình, đáp ứng yêu cầu cường hóa chính động

cơ đó bằng tăng áp tua bin khí thải

Đối tƣợng nghiên cứu:

Đối tượng được sử dụng để nghiên cứu trong đề tài là động cơ B6 lắp trên xe PT-76 trong đó đối tượng trực tiếp là bơm cao áp HK-10 Động cơ B6

do Liên Xô (cũ) chế tạo và chưa được tăng áp là động cơ diesel 4 kỳ, buồng

cháy thống nhất Động cơ dự kiến được cường hóa bằng tăng áp tua bin khí thải với mức độ tăng áp trung bình (k = 1,5  1,7), không làm mát khí nạp, công suất động cơ tăng lên từ 28 đến 30% Do nhu cầu về nâng cao tính cơ động cho các phương tiện chiến đấu nên Binh chủng Tăng - Thiết giáp đã lựa chọn loại động cơ này để nghiên cứu khả năng cường hóa bằng tăng áp Kết quả đề tài cấp Bộ Quốc phòng “Nghiên cứu cường hoá động cơ B6 bằng phương pháp tăng áp tua bin khí thải” đã tăng công suất của động cơ lên khoảng 29% (có tên gọi là động cơ B6TA)[9] Biện pháp thực hiện trong đề tài này là điều chỉnh xoay pít tông bơm để tăng hành trình có ích cấp nhiên liệu của bơm kết hợp các biện pháp điều chỉnh góc phun sớm nhiên liệu Trong quá trình chạy thử nghiệm còn bộc lộ một số hạn chế như động cơ quá nóng, khói nhiều ở chế độ toàn tải nên Cục Kỹ thuật - Bộ tư lệnh Tăng thiết giáp đang thực hiện tiếp đề tài cấp Bộ Quốc phòng: “Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ cường hóa động cơ B6 trên xe tăng PT-76”, kết quả của luận án cũng là một hướng trong việc hoàn thiện công nghệ này

Phạm vi nghiên cứu:

Phạm vi nghiên cứu của luận án là tính toán thiết kế biên dạng cam bơm cao áp theo hướng nâng cao cường độ phun cho hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu bơm cao áp - van cao áp - đường ống cao áp - vòi phun (kiểu Bosch) thay thế biên dạng cam của bơm cao áp nguyên thủy nhằm đáp ứng yêu cầu là không kéo dài thời gian phun và cải thiện quy luật phun để tiếp tục sử dụng cho chính động cơ đó sau khi được cường hóa bằng tăng áp tua bin khí thải nhằm cải thiện các chỉ tiêu công tác của động cơ

Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng:

Phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm

Về lý thuyết:

- Trình bày phương pháp tính toán thiết kế biên dạng cam bơm cao áp theo hướng nâng cao cường độ phun Động học của cam là thông số đầu vào để tính toán lượng nhiên liệu phun (cấp) cho một chu trình và quy luật cung cấp nhiên

liệu (quy luật phun) và các đặc tính thủy động Trình bày cơ sở tính toán và ứng dụng phần mềm GT-Fuel tính toán thủy động hệ thống nhiên liệu và quy luật phun nhằm chọn ra biên dạng cam hợp lý có tốc độ chuyển động của pít tông bơm cao áp cao hơn, đồng thời ứng suất tiếp xúc giữa cam và con đội nằm trong giới hạn cho phép Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình và quy luật phun (dưới dạng diễn biến áp suất phun) là điều kiện đầu vào để tính toán chu trình và các thông số đánh giá động học diễn biến của chu trình công tác của động cơ

- Trình bày cơ sở tính toán và ứng dụng phần mềm GT-Power tính toán quy luật tỏa nhiệt khi cháy, sự phát triển áp suất, nhiệt độ cháy trong xy lanh và các chỉ tiêu công tác của động cơ sau khi được cường hóa sử dụng bơm cao áp với trục cam bơm cao áp nguyên thủy và trục cam bơm cao áp cải tiến

đo diễn biến áp suất phun - các thông số phản ánh quy luật phun

Ý nghĩa khoa học của luận án:

- Trình bày cơ sở khoa học của việc cải tiến quy luật cung cấp nhiên liệu trên cơ sở ứng dụng biên dạng cam ba cung (một cung lõm, hai cung lồi) để tăng tốc độ phun và mở rộng dải góc phun có áp suất phun cao, tốc độ phun lớn để cải thiện quy luật cung cấp nhiên liệu và không kéo dài thời gian phun khi cải hoán động cơ không tăng áp sang động cơ tăng áp

- Xây dựng được các mô hình phù hợp trong các phần mềm để khảo sát các đặc tính thủy động của hệ thống nhiên liệu kiểu Bosch và các thông số động học của chu trình công tác của động cơ diesel trước và sau khi thay đổi quy luật cung cấp nhiên liệu

Ý nghĩa thực tiễn của luận án:

- Đưa ra được bộ số liệu kết cấu của biên dạng cam cải tiến dùng để chế tạo trục cam mới cho bơm cao áp HK-10 dùng cho động cơ B6, V2 khi cường hóa bằng tăng áp, đồng thời đưa ra quy trình thiết kế, công nghệ chế tạo trục cam đó bằng công nghệ CNC

- Khẳng định khả năng sử dụng mô hình tính toán kết hợp với chương trình mô phỏng để nghiên cứu và phát triển động cơ ở các cơ sở nghiên cứu

và tại các nhà máy chế tạo

Bố cục của luận án:

Luận án gồm mở đầu, kết luận và 4 chương:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Cở sở lý thuyết nghiên cứu cải tiến quy luật cung cấp nhiên liệu cho động cơ diesel khi cường hóa bằng tăng áp

Chương 3: Tính toán lựa chọn quy luật cung cấp nhiên liệu, khảo sát chu trình

và chỉ tiêu công tác của động cơ B6 tăng áp khi thay đổi quy luật cung cấp nhiên liệu

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Kết luận và kiến nghị

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về tình hình sử dụng động cơ diesel không tăng áp hiện nay ở nước ta và nhu cầu cải tiến nâng cao công suất động cơ

1.1.1 Tình hình sử dụng trong lĩnh vực dân sự

Hiện nay, ở nước ta do nền công nghiệp chưa phát triển, ngành công nghiệp sản suất ôtô và các phương tiện vận tải khác mới chỉ đang thực hiện việc lắp ráp và sản suất các chi tiết và cụm chi tiết phụ mà chưa sản suất được động cơ đốt trong mang thương hiệu Việt nam

Các phương tiện vận tải đường bộ, lĩnh vực nông - lâm nghiệp hay vận tải thủy nội địa đều sử dụng các phương tiện của các hãng sản xuất từ nước ngoài Hiện nay ở Việt Nam còn sử dụng nhiều các phương tiện có thời gian sản suất từ những năm 70, 80 của thế kỷ XX và chủ yếu được sản xuất từ Liên

xô (cũ) với động cơ diesel không tăng áp như động cơ ЯМЗ - 236, ЯМЗ -

238, D12, D6 trên các xe vận tải, máy nông nghiệp và vận tải thủy nội địa

1.1.2 Tình hình sử dụng trong lĩnh vực quân sự

Đối với lĩnh vực quân sự, động cơ diesel không tăng áp còn đang được dùng phổ biến trong các phương tiện cơ động của lực lượng Tăng thiết giáp, trên các xe máy công binh, công trình và cho các động cơ, máy phát trên các tàu thuyền của Hải quân Các trang thiết bị hiện nay vẫn sử dụng là của Liên

xô Đặc biệt nguồn động lực của xe tăng, xe thiết giáp hiện nay với 100% các phương tiện đều sử dụng động cơ diesel không tăng áp như động cơ B2 trên xe T54, T55, động cơ B6 trên xe PT-76, động cơ UTĐ-20 trên xe BMP-1,

1.1.3 Nhu cầu cải tiến để nâng cao công suất bằng biện pháp tăng áp

Ở nước ta, trong các lĩnh vực giao thông vận tải, nông nghiệp và quốc phòng hiện nay còn sử dụng nhiều động cơ diesel không tăng áp cũ được sản xuất từ Liên Xô (trước đây) và Nga Nhu cầu nâng cao công suất động cơ để nâng cao tính cơ động, khả năng chuyên chở hàng hóa đồng thời nhu cầu sử dụng năng lượng có hiệu quả hơn là rất cần thiết Việc nghiên cứu sử dụng

biện pháp tăng áp bằng tua bin khí thải cho các loại động cơ diesel chưa tăng

áp (chưa cường hóa công suất) đã và đang được tiếp tục thực hiện

1.1.4 Một số vấn đề cần nghiên cứu khi cường hóa động cơ bằng tăng áp tua bin khí thải

Khi cường hóa động cơ nguyên thủy không tăng áp thành động cơ tăng

áp cần phải nghiên cứu điều chỉnh lại hàng loạt các cụm và hệ thống của động

cơ như: tính toán bố trí chung của hệ thống nạp, thải; hệ thống làm mát; hệ thống cung cấp nhiên liệu; hệ thống bôi trơn; tính toán kiểm tra bền, động lực học của các cụm chi tiết chuyển động

Trong số những vấn đề cần nghiên cứu nêu trên thì việc nghiên cứu hệ thống nhiên liệu để chuyển đổi từ động cơ chưa tăng áp sang động cơ tăng áp

1.1.5 Kết quả nghiên cứu tăng áp động cơ B6 và những vấn đề cần hoàn thiện tiếp theo

Thực hiện đề tài nghiên cứu cấp Bộ Quốc phòng: “Nghiên cứu cường hóa động cơ B6 bằng tăng áp tua bin khí thải” [9], Tác giả Lê Đình Vũ và các cộng sự đã tiến hành tính toán lý thuyết và thực nghiệm cướng hóa tăng công suất của động cơ B6 lên 29 - 30%

Để đáp ứng yêu cầu cường hóa, trong đề tài nhóm tác giả đã thực hiện điều chỉnh một số thông số: Điều chỉnh xoay pít tông bơm cao áp (tăng hành trình có ích của pít tông bơm cao áp) để tăng lượng cung cấp nhiên liệu; điều chỉnh góc phun sớm nhiên liệu lên 34o góc quay trục khuỷu trước ĐCT, điều

chỉnh áp suất nâng kim phun Δpph = 23 - 24 MPa (so với 20 - 22MPa của động cơ B6 không tăng áp),

Sau khi cường hóa: Công suất động cơ theo tính toán tăng khoảng 30%; song hiệu suất có ích của động cơ tăng không nhiều và suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ giảm không đáng kể [9]

Tuy nhiên sau khi thực hiện cường hóa động cơ B6 còn một số vấn đề tồn tại cần giải quyết: Công suất động cơ tăng song hiệu suất của động cơ tăng không đáng kể, suất liêu hao nhiên liệu cũng không giảm nhiều; nhiệt độ nước làm mát của hệ thống làm mát tăng (thường xuyên từ 90 đến 1050

C) [9]

1.2 Một số biện pháp thay đổi đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ diesel khi cường hóa bằng tăng áp tua bin khí thải và các nghiên cứu có liên quan

Hiện nay, do công nghệ chế tạo các bộ tua bin – máy nén ngày càng được hoàn thiện hơn và những ưu điểm vượt trội của việc tăng áp nên hướng tăng áp cho động cơ được hầu hết các nhà chế tạo lựa chọn, ứng dụng Khi chế tạo động cơ tăng áp thì hệ thống cung cấp nhiên liệu đã được lựa chọn phù hợp ngay từ ban đầu Hình thức cải hoán động cơ không tăng áp sang động cơ tăng

áp không phải là hướng nghiên cứu chính của các nước có nền công nghiệp phát triển Vấn đề này chỉ phù hợp với các nước đang phát triển như ở Việt Nam, vì vậy các biện pháp mà chúng ta quan tâm nghiên cứu trong trường hợp này là nhằm thực hiện việc cải hoán hệ thống nhiên liệu để động cơ được cường hóa đạt hiệu quả cao nhất khi làm việc Các biện pháp đó bao gồm:

1.2.1 Các biện pháp điều chỉnh

Việc điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình (gct) có thể được thực hiện bằng nhiều biện pháp như: Tăng tiết diện của các lỗ vòi phun, điều chỉnh bơm cao áp làm tăng hành trình có ích của pít tông bơm bằng cách xoay pít tông bơm cao áp, điều chỉnh giảm áp suất tối thiểu nâng kim phun (giảm lực căng lò xo kim phun) và điều chỉnh tăng góc phun sớm nhiên liệu

Trong đề tài nghiên cứu của tác giả Lê Đình Vũ và các cộng sự khi tiến hành thực hiện đề tài cường hóa động cơ B6 bằng tăng áp [9] đã thực hiện kết hợp các biện pháp điều chỉnh trên Tuy nhiên phương pháp điều chỉnh này sẽ làm kéo dài thời gian cung cấp nhiên liệu (thời gian phun) cho một chu trình, thời điểm kết thúc phun muộn dẫn đến cháy rớt làm ảnh hưởng đến chất lượng công tác của động cơ hơn nữa các phương pháp điều chỉnh các thông số của hệ thống thường có giới hạn và không tối ưu vì không làm thay đổi quy luật cung cấp nhiên liệu

Trong luận án tiến sĩ “Nghiên cứu ảnh hưởng một số thông số điều chỉnh của quy luật cung cấp nhiên liệu đến các chỉ tiêu kinh tế - năng lượng và mức

độ độc hại khí thải động cơ diesel” của TS Nguyễn Hoàng Vũ[10], tác giả đã

sử dụng phương pháp tích phân trên đường đặc tính để giải quyết bài toán truyền sóng trên đường ống cao áp có xét đến quy luật cung cấp nhiên liệu, lựa chọn mô hình xác định quy luật cháy và tốc độ cháy của Razleytsev và thực hiện tính toán nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số điều chỉnh đến các chỉ tiêu công tác của động cơ Tuy nhiên mô hình này không xét được ảnh hưởng khi thay đổi quy luật cung cấp nhiên liệu và chỉ đề cập đến hệ thống cung cấp nhiên liệu đã có sẵn của động cơ diesel mà chưa xét đến yêu cầu của động cơ sau khi cường hóa bằng tăng áp

1.2.2 Các biện pháp thay đổi kết cấu bơm cao áp và hệ thống nhiên liệu

Để đáp ứng yêu cầu về thay đổi quy luật cung cấp nhiên liệu (quy luật phun) cho động cơ diesel sau khi cường hóa bằng tăng áp, các biện pháp tác động đến kết cấu của hệ thống mang lại hiệu quả cao hơn so với thực hiện việc điều chỉnh Có thể thực hiện một số biện pháp sau:

- Tính toán thay thế toàn bộ hệ thống cung cấp nhiên liệu theo kiểu mới, như sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu Common Rail hiện đại Thực

tế các động cơ tăng áp mới hiện nay hầu hết sử dụng kiểu hệ thống cung cấp nhiên liệu này Biện pháp này nếu thực hiện được sẽ đáp ứng tốt nhất yêu cầu của hệ thống vì các ECUs chủ động điều khiển lượng nhiên liệu phun và quy luật cung cấp nhiên liệu cho động cơ Tuy nhiên đối với các động cơ cải hoán

trên nền động cơ cơ sở sử dụng hệ thống nhiên liệu kiểu cơ khí cũ sẽ không kinh tế cùng với điều kiện sản suất trong nước chưa sản suất được thì biện pháp này không phù hợp

- Thay thế bơm cao áp cũ bằng bơm cao áp có kích thước lớn hơn

Đây là biện pháp thực hiện bằng cách tính toán thiết kế mới bơm cao áp hoặc lựa chọn một bơm cao áp có sẵn với kích thước lớn hơn phù hợp yêu cầu

có lượng nhiên liệu cấp cho chu trình lớn hơn khi tăng áp Bản chất của phương án này là lựa chọn bơm cao áp có lượng nhiên liệu cấp cho 1 chu trình công tác cao hơn ở mọi chế độ tốc độ và chế độ tải nhằm thỏa mãn yêu cầu bổ sung nhiên liệu sau tăng áp Ở nước ta, trong công trình nghiên cứu chế tạo động cơ diesel tăng áp có công suất từ 180  300 mã lực của Tổng công ty máy động lực và máy nông nghiệp (VEAM), nhóm tác giả của đề tài

đã thực hiện việc lựa chọn bơm cao áp ngay từ ban đầu phù hợp với công suất của động cơ tăng áp Tác giả Lê Văn Lai và Nguyễn Văn Vinh trong đề tài độc lập cấp Nhà nước [4] đã cải chế bơm cao áp YTH-5 của máy kéo MTZ để thay thế bơm kiểu BOSCH trên máy kéo Steyr –768 Tuy nhiên, do điều kiện trong nước chưa sản suất được bơm cao áp thay thế mà phải nhập từ nước ngoài nên phương án này không phù hợp về tính kinh tế và điều kiện thực tiễn trong nước khi cải hoán một động cơ không tăng áp thành động cơ tăng áp

Việc thiết kế chế tạo bộ đôi BCA mới có kích thước đường kính lớn hơn gây tốn kém và khả năng gia công chính xác các bộ đôi là khó khăn trong điều kiện sản xuất trong nước mặc dù hiện nay đã có cơ sở chế tạo được chi tiết này, xong để lắp được bộ đôi BCA với kích thước lớn hơn đó, cần phải chế tạo thay đổi lại nhiều chi tiết để phù hợp với kết cấu chung của BCA như thân phân bơm, lò xo, và ảnh hưởng đến việc lắp ráp với các cụm chi tiết khác của động cơ Ngoài ra, thay thế bơm có kích thước lớn hơn không làm thay đổi đáng kể quy luật cung cấp nhiên liệu

Mặt khác, theo kinh nghiệm khi tăng áp với hệ số tăng áp thấp hoặc trung bình với công suất tăng ≤30% thì không cần thiết phải thay bơm cao áp [64]

- Thay thế hoặc thay đổi kết cấu vòi phun

Lý thuyết đã chỉ ra rằng, để tăng lượng cung cấp nhiên liệu cho 1 chu trình có thể thực hiện điều chỉnh bằng cách thay đổi áp suất nâng kim phun

hoặc tăng kích thước lỗ và số lỗ phun của vòi phun Phương án này cũng đã được tác giả Lê Văn Lai và các cộng sự đưa ra trong đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước [4], đề tài đã nghiên cứu về sự phối hợp của chùm tia phun với hình dạng buồng cháy, các tác giả đã nghiên cứu thay đổi các thông số kết cấu của bơm cao áp và vòi phun với mục đích cải hoán bơm cao áp trên động

cơ máy kéo MTZ … Tuy nhiên việc điều chỉnh giảm áp suất nâng kim phun (giảm sức căng lò xo kim phun) sẽ dẫn tới chất lượng phun tơi kém hơn đồng thời làm tăng thời gian phun và do đó ảnh hưởng tới chất lượng quá trình cháy

Việc thay đổi kết cấu vòi phun (tăng lỗ hay tăng đường kính): Có thể tăng lượng cung cấp nhiên liệu tuy nhiên việc tăng kích thước cũng phải có giới hạn do khi tăng đường kính lỗ phun dẫn đến độ chênh áp suất lại giảm, chất lượng phun không bảo đảm, ngoài ra việc lựa chọn số lượng lỗ phun tăng

là không khả thi vì nhà thiết kế đã lựa chọn phù hợp với hình dạng buồng cháy và tốc độ chuyển động xoáy lốc của dòng khí trong buồng cháy Hơn nữa trong điều kiện nước ta việc gia công chế tạo vòi phun cũng chưa được hoàn thiện và khả năng gia công với mục đích làm tăng thêm đường kính lỗ vòi phun cũ không thực hiện được (việc gia công lỗ phun của vòi phun là nguyên công khó thực hiện)

- Điều khiển tốc độ (lưu lượng) cung cấp thể tích của bơm cao áp

Phương án này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các kết cấu điều khiển điện từ để điều khiển tốc độ cung cấp nhiên liệu đối với bơm cao áp một hàng có nhiều phân bơm và đã được thể hiện trong công trình của các tác giả Ankinori Miura và Yuhji Yamaguchi (Nissan Diesel Motor Co.Ltd) (1995)[11] Thông qua việc mô phỏng, các tác giả đã đưa các giải pháp hoàn thiện hệ thống nhiên liệu diesel truyền thống nhắm đáp ứng yêu cầu mới Các tác giả Chuanjin Du (Wuhan Automotive Polytechnic University), Minggao Yang, Juntao Wu (Tsinghua University) (1999)[19] đã nghiên cứu việc kiểm soát tốc độ phun của hệ thống phun nhiên liệu diesel (kiểu bơm cao áp - van cao áp - đường ống - vòi phun) điều khiển điện tử Tuy nhiên các cách làm trên là phức tạp do phải tính toán thay đổi nhiều về kết cấu riêng của các cụm chi tiết cũng như việc tính toán điều khiển là khó khăn Trong công bố của tác

giả Lương Đình Thi, Lê Đình Vũ và Hà Quang Minh tại Hội nghị APAC15 (1999) [53], các tác giả đã đưa ra giải pháp lựa chọn biên dạng cam bơm cao

áp có tốc độ chuyển động của pít tông bơm cao hơn thay thế biên dạng cam

cũ của bơm cao áp cơ sở lắp trên động cơ diesel sau tăng áp

Chúng ta biết rằng, với các bơm cao áp kiểu cũ (như kiểu bơm Bosch) tốc độ chuyển động của pít tông bơm cao áp phụ thuộc rất nhiều vào biên dạng cam của trục cam bơm cao áp Như vậy việc tính toán thay đổi biên dạng cam bơm cao áp hoàn toàn có thể thực hiện được nhằm tăng tốc độ chuyển động của pít tông bơm và do đó tăng được lưu lượng thể tích nhiên liệu cấp của bơm cao áp phù hợp với yêu cầu rút ngắn thời gian cấp nhiên liệu cho một chu trình đồng thời có xu hướng cải thiện quy luật cung cấp nhiên liệu bằng cách rút ngắn thời gian phun

1.2.3 Một số nghiên cứu khác có liên quan

Hiện nay việc nghiên cứu ảnh hưởng của quy luật cung cấp nhiên liệu đến chỉ tiêu công tác của động cơ cũng như ảnh hưởng đến mức độ độc hại khí xả được nhiều tác giả ngoài nước quan tâm như: Công trình nghiên cứu của Stanislav N.Danov (Nagoya University) và Ashwani K.Gupta (University of Maryland) (1999) [50], nghiên cứu ảnh hưởng của đường kính trung bình - SMD (Sauter Mean Diameter) của hạt nhiên liệu phun vào xy lanh Các tác giả đã xây dựng mô hình toán học phát triển quy luật bay hơi của nhiên liệu (có xét đến tốc độ phun nhiên liệu, đường kính trung bình của hạt nhiên liệu, giá trị tức thời của nhiệt độ, áp suất); quá trình chuẩn bị ngọn lửa; quá trình lan truyền màng lửa; quá trình chuyển hóa năng lượng; ảnh hưởng của quá trình chuyển tiếp (thông qua các thông số nhiệt động, nhiệt, thành phần hỗn hợp khí ); ảnh hưởng của chế độ vận hành của động cơ diesel

Tác giả M-S Lyu và B-S Shin (KIA Motor Company, Kyungi-Do, Korea) (2002) [41] đã nghiên cứu bằng thực nghiệm ảnh hưởng của quy luật phun đến diễn biến quá trình cháy trong xy lanh động cơ diesel có buồng cháy nhỏ, các tác giả đã tính đến các ảnh hưởng của xoáy lốc, các thông số hình học của buồng cháy từ đó đưa ra các kết luận về khoảng áp suất phun, kích thước lỗ phun phù hợp đối với loại động cơ này

Tác động của van cao áp đến sự làm việc của hệ thống nhiên liệu dùng trên động cơ diesel ô tô đã được các tác giả A.E Catina, C Dongiovanni, E Spessa (Politecnicco di Torino, Italy) (1999) [18] nghiên cứu chi tiết Việc xây dựng

mô hình trên máy tính mô phỏng hệ thống nhiên liệu diesel đã được thể hiện trong các nghiên cứu đã công bố của Jose M Desantes, Pablo J Rodrigue (Universidad Politecnicca de valencia, Spain) (1999)[24]; C Arcoumanis, M Gavaises (Imperial Conllege of science, Technology & Medical) và C AbdulWahab, V Moser (Ford Motor Company) (1999)[13],

Ở Việt Nam, các nghiên cứu về hoàn thiện hệ thống cung cấp nhiên liệu và ảnh hưởng của quy luật cung cấp nhiên liệu đến các chỉ tiêu công tác của động cơ nói chung đã bắt đầu được các tác giả quan tâm như: Nghiên cứu hoàn thiện hệ thống cung cấp nhiên liệu nhờ mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu trên động cơ diesel của TS Vũ Hoài Ân [1]; trong công bố của TS

Lê Văn Học tại tạp chí Khoa học công nghệ Hàng Hải [3], tác giả đã đưa ra phương pháp mô phỏng động cơ diesel thực tế bằng phần mềm Comlex nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của quy luật cung cấp nhiên liệu đến các chỉ tiêu kinh

tế, năng lượng của động cơ diesel Tác giả thực hiện bằng cách thay đổi giả định quy luật cung cấp nhiên liệu để mô phỏng và so sánh đánh giá trong khi không thay đổi các thông số kỹ thuật khác của hệ thống

Nhận xét chung là: Tất cả các công trình trên đều nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu lắp trên động cơ không tăng áp hoặc động cơ tăng áp đã được thiết kế trước ngay từ đầu mà chưa có công trình nào đề cập về hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ khi được cường hóa từ động cơ sơ sở không tăng áp thành động cơ tăng áp bằng cách thay đổi biên dạng cam bơm cao áp

1.3 Quy luật cung cấp nhiên liệu và yêu cầu và yêu cầu đối với quy luật cung cấp nhiên liệu của động cơ diesel sau khi cường hóa bằng tăng áp

1.3.1 Quy luật cung cấp nhiên liệu

Quy luật cung cấp nhiên liệu là khái niệm để chỉ quy luật cung cấp nhiên liệu của bơm cao áp trên hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel Quy luật cung cấp nhiên liệu thường được biểu diễn qua các đồ thị, gồm:

Quy luật cung cấp nhiên liệu dạng tích phân - là đường cong thể hiện đặc điểm thay đổi của lượng nhiên liệu (thường được tính theo thể tích) do bơm cung cấp thay đổi theo góc quay của trục cam hoặc theo góc quay của trục khuỷu Khi bắt đầu cung cấp, lượng nhiên liệu bằng 0, tại thời điểm kết thúc quá trình cung cấp thì lượng nhiên liệu do bơm cung cấp bằng lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình (Vcc.ct)

Quy luật cung cấp dạng vi phân - là đường cong thể hiện đặc điểm thay đổi của tốc độ cung cấp nhiên liệu của bơm theo góc quay của trục cam hoặc theo góc quay của trục khuỷu (

Hình 1.1 Dạng đồ thị quy luật cung cấp nhiên liệu

V cc - quy luật cung cấp nhiên liệu dạng tích phân; V cc.ct - Lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình;

Diện tích giới hạn của đồ thị quy luật cung cấp nhiên liệu dạng tích phân

và trục hoành là lượng nhiên liệu do bơm cung cấp cho 1 chu trình (Vcc.ct)

Hệ thống nhiên liệu kiểu Bosch trên động cơ diesel gồm bơm cao áp, đường ống cao áp và vòi phun Để đánh giá lượng nhiên liệu và quy luật cung cấp nhiên liệu vào xy lanh động cơ người ta thường dùng khái niệm với tên gọi là quy luật phun

Quy luật cung cấp nhiên liệu và quy luật phun của một hệ thống nhiên liệu hoàn toàn đồng dạng với nhau

Quy luật phun còn được gọi là đặc tính phun cũng bao gồm quy luật (đặc tính) phun dạng tích phân biểu diễn lượng nhiên liệu phun vào xy lanh và quy luật phun dạng vi phân biểu diễn tốc độ phun thay đổi theo thời gian hoặc theo

độ góc quay trục cam bơm cao áp Quy luật phun tích phân được kí hiệu là Vph.ctcòn quy luật phun vi phân là q và được gọi là tốc độ phun (tính theo mm3/độ hoặc mg/độ) [6,59] Hình 1.2 giới thiệu các đồ thị quy luật (đặc tính) phun

Hình 1.2 Quy luật phun nhiên liệu

a) Quy luật phun dạng tích phân; b) Quy luật phun dạng vi phân

φf - Thời điểm bắt đầu phun; φ e - Thời điểm kết thúc phun;

V ph.ct - Lượng nhiên liệu phun cho 1 chu trình; V ph.x - Lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy tính từ thời điểm bắt đầu phun (φ f ) đến thời điểm φ c = φ x ;

Quy luật phun nhiên liệu có ảnh hưởng đến quá trình tạo hỗn hợp và cháy do đó ảnh hưởng đến các chỉ tiêu công tác của động cơ Quy luật phun phụ thuộc vào các thông số kết cấu, thông số điều chỉnh của các thành phần trên hệ thống nhiên liệu, nhưng quan trọng nhất là phụ thuộc vào biên dạng cam của trục cam bơm cao áp Dưới đây dùng thuật ngữ tốc độ phun để mô tả quy luật (đặc tính) phun nhiên liệu

Tốc độ phun hay quy luật phun vi phân được xác định theo công thức [6,59]:

nl

ph c

c

ct

f n d

dV q

μfc - Diện tích hiệu dụng của vòi phun (mm2);

Δpph - Độ chênh áp suất giữa áp suất phun nhiên liệu và áp suất trong xi lanh động cơ tại thời điểm phun (N/m2

);

nc - Tốc độ vòng quay của trục cam bơm cao áp (vg/ph);

ρnl - Khối lượng riêng của nhiên liệu (kg/m3);

Đặc tính phun tích phân được xác định theo công thức:

t

d q

1.3.2 Các dạng quy luật phun nhiên liệu của động cơ diesel

Hình 1.3 biểu diễn các dạng đặc trưng của quy luật phun nhiên liệu của động cơ diesel [60]

Hình 1.3 Sơ đồ các dạng đặc tính phun[60]

Theo đường đặc tính phun trên hình 1.3a, tốc độ phun nhiên liệu tăng liên tục và kết thúc phun một cách đột ngột Áp suất phun có giá trị cao nằm

về phía cuối giai đoạn phun Trong trường hợp đặc tính trên hình 1.3b, lượng nhiên liệu phun tại phần đầu nhỏ hơn đặc tính của hình 1.3a Lượng nhiên liệu phun trong giai đoạn cháy trễ ít, động cơ làm việc êm, nhưng tốc độ phun trong giai đoạn tiếp theo cao Ngoài ra thời gian phun kéo dài hơn

Đặc tính có dạng hình 1.3c, quá trình phun nhiên liệu trong giai đoạn đầu ngay sau khi bắt đầu phun rất lớn và trong giai đoạn tiếp theo tốc độ phun giảm Thể tích nhiên liệu phun vào với tốc độ lớn tương ứng với diện tích 1 còn với tốc độ nhỏ tương ứng với diện tích 2 Quá trình cháy với tốc độ cháy cao tập trung, hiệu suất cháy cao, tuy nhiên động cơ làm việc hơi đanh

Ở đặc tính phun hình 1.3d, thời điểm phun cuối bị kéo dài Trên hình 1.3e, đặc tính phun chia thành 2 pha là: phun chính (đường cong 3) và phun

bổ sung (đường cong 4) Phun bổ sung là không kiểm soát được (phun thêm),

nó có thể xảy ra trong một số chế độ làm việc do hiện tượng sóng trên đường cao áp của hệ thống nhiên liệu Trong trường hợp này lượng nhiệt của nhiên liệu phun thêm sau điểm chết trên sẽ làm quá trình cháy kéo dài trên đường giãn nở và như thế hiệu quả quá trình cháy thấp Đối với động cơ diesel hiện đại có thiết bị trung hòa khí thải ở một số chế độ: Ví dụ khi khởi động, sấy nóng, chế độ không tải và tải nhỏ người ta tổ chức cấp bổ sung nhiên liệu, đặc biệt trên đường giãn nở để tăng nhiệt độ của khí thải với mục đích bảo đảm sấy nóng bộ trung hòa khí thải nhanh hơn và giữ chế độ nhiệt thích hợp

Trên hình 1.3f trước phun chính (đường cong 6) người ta cấp sơ bộ một phần nhiên liệu của chu trình (đường cong 5) gọi là phun mồi, để bảo đảm cháy lượng nhiên liệu chính đều và êm hơn sau đó và có thể sử dụng nhiên liệu chính có trị số xê tan thấp hoặc nhũ tương Đặc tính phun của các động

cơ diesel hiện đại có điều khiển điện tử có cả 3 yếu tố trên (cấp sơ bộ, cấp chính và cấp bổ sung)

1.3.3 Yêu cầu mong muốn đối với quy luật cung cấp nhiên liệu của động cơ diesel khi được cường hóa bằng tăng áp

Khi cường hoá động cơ bằng tăng áp, do lượng không khí nạp vào trong xy lanh động cơ ở một chu trình (gkk/ct) tăng lên, vì vậy cần phải tăng thêm một lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình (∆gnl/ct) trong khuôn khổ vẫn đảm bảo thành phần hỗn hợp α tốt nhất để động cơ làm việc ổn định Điều quan trọng là khi điều chỉnh tăng thêm lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình nhưng không kéo dài thời gian cung cấp (thời gian phun) để không làm xấu đi quá trình cháy Giải pháp tăng tốc độ phun để tăng được lượng nhiên liệu phun và không kéo dài thời gian phun là tối ưu nhất

Do vậy yêu cầu mong muốn đối với quy luật cung cấp nhiên liệu (quy luật phun) trong trường hợp này là quy luật phải có tốc độ phun cao và rút ngắn được thời gian phun

Xuất phát từ công thức xác định áp suất phun nhiên liệu lý thuyết[6]:

22

2

nl i

p t

n lt ph

iF

F C

Fi - Diện tích tiết diện ngang của lỗ phun, mm2;

ρnl - Khối lượng riêng của nhiên liệu, kg/m3;

Ta thấy, trong điều kiện lý thuyết, áp suất phun nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của pít tông bơm cao áp vì các tham số còn lại là hằng số Tốc độ chuyển động của pít tông bơm tăng dẫn đến áp suất phun tăng, tốc độ phun có giá trị cao từ đó cải thiện quy luật cung cấp nhiên liệu và thời gian phun có xu hướng giảm

1.4 Ảnh hưởng của biên dạng cam, chế độ tải đến quy luật cung cấp nhiên liệu

1.4.1 Ảnh hưởng của biên dạng cam

Quy luật cung cấp nhiên liệu (quy luật phun) phụ thuộc chính vào biên dạng cam [7] Người ta dùng hệ số tốc độ Co làm tốc độ đặc trưng cho mỗi dạng cam Co là tốc độ của pít tông bơm cao áp khi trục cam quay ở số vòng quay 1000 vg/phút Tốc độ thực tế của pít tông bơm cao áp CP phụ thuộc vào tốc độ vòng quay thực tế của trục cam nc, được tính theo công thức CP = 0,001Co.nc Hành trình cấp nhiên liệu của pít tông bơm cao áp được đặt tại khu vực có Co lớn nhằm bảo đảm tính dứt khoát của thời điểm bắt đầu và kết thúc cung cấp nhiên liệu, đồng thời duy trì áp suất phun cao Hình 1.4 mô tả

độ nâng của pít tông bơm cao áp với các cam có biên dạng khác nhau [7]

Hình 1.4 Độ nâng của pít tông bơm cao áp với các cam có profile khác

nhau khi tốc độ trục bơm n c = 1000vg/ph

R25

R16

R44 R6

I và II - Cam lồi nhiều cung tròn và cam tiếp tuyến của bơm cao áp kiểu bơm Bosch;

III - Cam dạng cung lõm của bơm phân phối;

IV - Cam có tốc độ nâng ban đầu tương đối nhỏ của loại bơm - vòi phun kết hợp trên động cơ Cummins (Mỹ)

Từ hình 1.4 cho thấy quy luật cung cấp nhiên liệu phụ thuộc vào quy luật chuyển vị và tốc độ chuyển động của pít tông bơm cao áp Nghĩa là cam

có biên dạng 1 cung lõm (các cam dạng III) sẽ cho tốc độ chuyển động của pít tông phát triển nhanh hơn các loại cam khác, quá trình cung cấp (quá trình phun) sẽ ngắn hơn

1.4.2 Ảnh hưởng của chế độ tải

Khi có một biên dạng cam xác định, nghĩa là hệ thống nhiên liệu có quy luật cung cấp nhiên liệu xác định Để thay đổi lượng cung cấp nhiên liệu (lượng nhiên liệu phun) cho một chu trình khi thay đổi tải người ta tiến hành xoay pít tông bơm cao áp quanh trục tâm của nó nhờ thanh răng bơm cao áp Hình 1.5 giới thiệu ảnh hưởng của chế độ tải (vị trí thanh răng bơm cao áp) đến tốc độ phun, lượng nhiên liệu và khoảng thời gian phun nhiên liệu [29]

Hình 1.5 Ảnh hưởng của chế

độ tải (vị trí thanh răng

BCA) đến lượng cung cấp

NL, khoảng thời gian phun

và thời điểm kết thúc quá

trình phun

Trên hình 1.5 ta thấy, với quy luật phun không đổi khi tăng tải, thời điểm trễ và thời điểm bắt đầu phun không đổi, chỉ thay đổi thời điểm kết thúc phun về phía tăng thời gian phun vì lượng nhiên liệu phun cho một chu trình tăng (đặc trưng bằng diện tích gạch chéo trên đồ thị)

Như vậy, đối với một hệ thống nhiên liệu có quy luật cung cấp nhiên liệu cho trước khi cường hóa động cơ bằng tăng áp nếu tiến hành điều chỉnh tăng lượng nhiên liệu cấp ở bơm cao áp bằng cách điều chỉnh thanh răng bơm cao

áp để tăng hành trình làm việc sẽ làm cho quá trình phun kéo dài, chất lượng quá trình cháy sẽ có chiều hướng xấu đi

Ngoài ra các yếu tố khác như: Chiều dài đường ống cao áp càng lớn thì thời gian truyền sóng áp suất từ bơm tới vòi phun và thể tích nhiên liệu bị nén trong đường ống sẽ tăng dẫn đến thời gian phun kéo dài và áp suất phun giảm; Khi tăng diện tích tổng cộng của các lỗ phun thì tốc độ phun khối lượng q sẽ tăng và thời gian phun giảm [6,59]

1.5 Ảnh hưởng của quy luật cung cấp nhiên liệu đến các chỉ tiêu công tác của động cơ

Các chỉ tiêu công tác của động cơ cũng như các chỉ tiêu kinh tế - năng lượng được đánh giá thông qua việc nghiên cứu quá trình cháy Quá trình cháy trong động cơ diesel rất phức tạp và được nghiên cứu thông qua các mô hình lý thuyết và thực nghiệm

Lý thuyết và thực nghiệm đều chỉ ra rằng quy luật cung cấp nhiên liệu ảnh hưởng đến các chỉ tiêu công tác của động cơ thông qua các thông số về tốc độ phun, thời gian phun, áp suất phun và kích thước hạt trung bình của nhiên liệu

+ Chất lượng phun tơi của vòi phun ảnh hưởng đến sự phân bố các hạt nhiên liệu trong không khí và chất lượng tạo hỗn hợp trong buồng cháy của động cơ [7] Tăng áp suất phun sẽ làm tăng độ phun tơi của hạt trong chùm tia dẫn đến việc hòa trộn nhiên liệu với không khí càng tốt và rút ngắn thời gian cháy và quá trình cháy hoàn hảo hơn Khi tăng tốc độ trục cam bơm cao áp sẽ

làm tăng tốc độ chuyển động của pít tông bơm, qua đó làm tăng áp suất phun

và tốc độ dòng chảy qua lỗ phun, kết quả sẽ làm tăng độ phun tơi và độ phun đều của chùm tia nhiên liệu

+ Thời gian cung cấp nhiên liệu tính theo độ góc quay trục khuỷu hoặc góc quay trục cam phụ thuộc vào hình dạng vấu cam của trục cam bơm cao

áp, đường kính pít tông bơm, chiều dài và đường kính trong của đường ống cao áp và cũng phụ thuộc vào kết cấu, điều chỉnh của vòi phun Với cùng một lượng nhiên liệu cấp cho chu trình, khi thay đổi thời gian phun sẽ nhận được

đồ thị công khác nhau Hình 1.6 giới thiệu hai đồ thị công của động cơ khi lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình không đổi nhưng thay đổi thời gian phun [6] Các đường cong đặc tính phun tương đối δ(1) và áp suất cháy trong

xi lanh p(1’) ứng với biên dạng cam có quy luật phun ngắn; còn các đường cong δ(2) và áp suất cháy trong xi lanh p(2’) ứng với biên dạng cam có quy luật phun dài

Hình 1.6 Ảnh hưởng của thời gian cung cấp nhiên liệu

đến sự thay đổi áp suất trong xi lanh động cơ[6]

Đường 1: Đặc tính cung cấp nhiên liệu ứng với thời gian phun ngắn Đường 2: Đặc tính cung cấp nhiên liệu ứng với thời gian phun dài Đường 1’: Áp suất cháy trong xi lanh ứng với thời gian phun ngắn Đường 2’: Áp suất cháy trong xi lanh ứng với thời gian phun dài

Đối với cả 2 trường hợp, thời gian cháy trễ tính theo góc quay trục khuỷu

φi là không đổi vì sử dụng một loại nhiên liệu Nhưng với quy luật phun ngắn, do lượng nhiên liệu được cung cấp vào trong giai đoạn cháy trễ Δg1 lớn hơn so với lượng Δg2 của quy luật phun dài nên lượng nhiên liệu được bốc cháy trong giai đoạn 2 của quá trình cháy sẽ nhiều hơn và tương ứng với nó là nhiệt lượng tỏa ra cũng nhiều hơn Tốc độ tăng trung bình của áp suất và áp suất cực đại của chu trình cũng lớn hơn

Thay đổi dạng cam của bơm cao áp cũng ảnh hưởng lớn tới chiều dài

và tốc độ của tia phun Đường cong tốc độ và chiều dài tia nhiên liệu ứng với các dạng cam khác nhau được mô tả trên hình 1.7 [7]

Từ hình 1.7 cho thấy khi tăng độ dốc của cam (chính là tăng tốc độ chuyển vị con đội) sẽ làm tăng chiều dài và tốc độ tia phun

1.6 Trình tự nội dung nghiên cứu của luận án

Với mục tiêu đã đề ra là nhằm cải tiến quy luật cung cấp nhiên liệu cho động cơ cơ sở có hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu Bosch khi được cường hóa tăng công suất, trong luận án này tác giả nghiên cứu lựa chọn một biên dạng cam BCA mới thay thế biên dạng cam tiếp tuyến cũ nhằm tăng lượng cung cấp nhiên liệu cho một chu trình và cải thiện quy luật cung cấp nhiên liệu

t, 10 -5 s

s m

L, mm

Hình 1.7 Đường cong tốc

độ W và chiều dài L của tia

nhiên liệu ứng với các loại

cam khác nhau [6]

1- Cam dốc nhiều nhất;

4- Cam dốc ít nhất