TÍNH TOÁN hệ thống nhiên liệu Diesel

Tài liệu tham khảo Kết cấu tính toán động Cơ đốt trong - Bản vẽ Cơ cấu phối khí thuộc Bộ môn Động lực, Khoa Cơ khí, Đại học kỹ thuật

CHƯƠNG 10 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU DIESEL

10.1 Tính toán bơm cao áp:

10.1.1 Lượng nhiên liệu cung cấp cho một xylanh trong một chu trình công tác :

nl

e ex x

nk 60

g N V



Trong đó :

Nex : Công suất 1 xylanh (KW)

ge : Suất tiêu hao nhiêu liệu (g/KW.h)

n : Số vòng quay của trục khuỷu (V/ph)

k : Hệ số kỳ : k = 0,5 (động cơ 4 kỳ); k = 1 (động cơ 2 kỳ)

nl : Khối lượng riêng của nhiên liệu (g/cm3) Công suất đạt cực đại : Ne max tăng 10% Ne hay Ne max = 1,1 Ne

Suất tiêu hao nhiên liệu lúc Ne max tăng lên (1,05  1,1) %

ge, tức là:

10.1.2 Lượng nhiên liệu cung cấp cho một xylanh trong một chu trình công tác ở chế độ N e max :

nl

e ex

x

nk 60

g ) 1 , 1 05 , 1 (

N 1 , 1 ' V





10.1.3 Hành trình có ích lớn nhất của bơm cao áp :

f

V

h

' x e



 - 0,8  0,85 hiệu

suất của bơm cao áp

4

d f

2 p p



 tiết diện

ngang của piston bơm

cao áp

dp - đường kính

piston bơm cao áp H×nh 10-1 S¬ ®ơ tÝnh piston b¬m cao ¸p

10.1.4 Hành trình tổng cộng của bơm cao áp :

p

3 2 1 '

X

f

V V V V

h



















Trong đó :

 V1 : Độ tăng thể tích nhiên liệu do giãn nở trong quá trình từ lúc bắt đầu bơm cho đến lúc bắt đầu phun

 V2 : Độ tăng thể tích do giãn nở đường ống

 V3 : Thể tích nhiên liệu thoát trở về khoang cửa nạp

Đặt : V = Vx’ +  V1 +  V2 + V3 = ’ Vx

Giá trị ’ phụ thuộc vào loại bơm cao áp ’ = 2  3,5 Hành trình tổng cộng của piston bơm cao áp :

p x

V '.

f

V h











10.1.5 Đường kính piston bơm cao áp :

3 p

V 4 d





Trong đó :

p d

h



10.1.6 TÝnh to¸n van cao ¸p:

Van cao ¸p ph¶i cê ®ñ tiÕt diÖn lu

th«ng ®Ó gi¶m trị lùc TiÕt diÖn lu th«ng qua

mƯt c«n (mƯt lµm viÖc) cña van lo¹i nÍm

f v   h d v v  h v sin  sin

2

hv - Hµnh tr×nh n©ng cê Ých cña van,

dv - §íng kÝnh nhâ cña mƯt c«n,

 - Gêc mƯt c«n (mƯt lµm viÖc)

Khi thiÕt kÕ cê thÓ chôn theo mỉi quan

hÖ gi÷a tiÕt diÖn lu th«ng cña van fv vµ tiÕt

diÖn lu th«ng cña ®íng ỉng cao ¸p f®:

fv = (1,5  2,5)f® H×nh 10-2 S¬ ®ơ tÝnh to¸n van cao ¸p

Đờng kính trong của đờng ống cao áp có thể xác định gần đúng:

dđ = dp

4 5 ,  6

dp - Đờng kính piston bơm cao áp

Với van cao áp có vành giảm áp: Thể tích nhiên liệu do vành giảm áp hút của đờng ống cao áp (cm3):

Vh dd h p V

2

Trong đó:

hh - Hành trình của vành giảm áp,

ph - áp suất đờng ống cao áp bị giảm

n - Hệ số chịu nén của nhiên liệu,

V - Thể tích nhiên liệu trong ống cao áp và ống dẫn của vòi phun

Khi thiết kế phải chọn hành trình toàn bộ của van cao áp h nhằm đảm bảo tiết diện lu thông cần thiết

h = hv + hh

Van cao áp không có vành giảm áp: hh = 0 và h = hv

Hành trình toàn bộ của van cao áp đợc giới hạn bằng một chốt tì Nếu h lớn quá so với yêu cầu sẽ làm tăng ứng suất động của lò xo van, làm tăng mài mòn đế van

10.2 Tờnh toaùn voỡi phun:

10.2.1 Tiết diện lu thông f k :

fk = .x dk x.sink x sin  cos

k

2











Trong đó:

dx = d1 Khi không có lỗ trên mặt tỳ

dx = d2 Khi có lỗ phun trên mặt tỳ

Mặt côn với góc k = 600 đợc sử dụng cho

hầu hết các vòi phun hiện nay, vì với góc đó vòi

phun rất kín khít và làm tăng tiết diện lu thông thực

tế của vòi phun

Tỷ số f

f k l

trong khoảng 2,5  3,5: Hình 10-3 Sơ đồ tính toán vòi phun

+ NÕu f

f k l

< 1,5: G©y søc c¶n phô ¶nh hịng xÍu tíi chÍt lîng phun,

+ NÕu f

f k l

> 3,5 : Lµm t¨ng kÝch thíc cña vßi phun

TiÕt diÖn h×nh vµnh kh¨n fv = 4 2 

1 2

dk d

TiÕt diÖn th©n kim phun fk = 

4

2

dk

Tû sỉ :  f

f v k

Trong c¸c vßi phun kÝn hiÖn nay  = 0,32  0,82 NÕu  nhâ

sÏ lµm gi¶m phô t¶i t¸c dông lªn lß xo vßi phun t¨ng tiÕt diÖn lu th«ng, nhng sÏ lµm gi¶m ¸p suÍt khi kim phun b¾t ®Ìu tú lªn ®Õ

§íng kÝnh vµ ®ĩ n©ng kim phun cê quan hÖ mỊt thiÕt, ®ơng thíi quan hÖ tíi tiÕt diÖn lu th«ng cña vßi phun Lîng nhiªn liÖu cung cÍp cho chu tr×nh cµng t¨ng th×

®íng kÝnh cña kim phun ph¶i t¨ng

Hµnh tr×nh n©ng kim phun giíi h¹n trong kho¶ng 0,3  1,1 mm

10.2.2 Tốc độ lý thuyết cực đại của tia nhiên liệu phun ra từ vòi phun:

nl

4 z ' g ( p p ) 10 W







 Trong đó :

p : Áp suất trước lỗ phun lúc tốc độ trung bình của pittông Cm (max)

pZ : Áp suất trong xylanh tại thời điểm phun nhiên liệu Đối với động cơ tốc độ thấp :

P = 32 - 40 2

m

MN

(320  400 KG/cm2) Đối với động cơ tốc độ cao :

P = 45 2

m

MN

(450 KG/cm2)

 = 0,8  0,9 - Hệ số tốc độ Đối với buồng cháy thống nhất :

W ‘ = 250  350 (m/s)

10.2.3 Xác định diện tích tiết diện lỗ phun :

Áp dụng phương trình dòng liên tục của nhiên liệu trong hệ thống:

 F W ‘ = f C(max)

W

C f F





Trong đó :

 = 0,7  0,85 - Hệ số thắt dòng của lỗ phun

F - Tổng diện tích tiết diện các lỗ phun

10.2.4 Đường kính lỗ phun :

i

F 4

do





10.2.5 Kiểm tra các thông số lò xo vòi phun

Diện tích chịu tác dụng của áp suất nhiên liệu để nâng kim phun

) d d ( 4

S  2t  k2

Lò xo chịu phụ tải khi áp suất nhiên liệu p0 = 230kG/cm2

P1 = p0 S = 230 0,186 = 43kG Ứng lực lò xo trên 1mm có độ biến dạng là

3 4 id

1000

p   Trong đó :

d = đường kính lò xo

 = đường kính dây lò xo

i = số vòng lò xo làm việc Độ xiết ban đầu cần thiết của lò xo :

' p

p

0 

Lực lớn nhất tác dụng lên lò xo khi mở kim phun :

P2 = p (h0 + h1 ) Trong đó : h1 - hành trình kim phun lớn nhất

Phụ tải cho phép lớn nhất

Đối với lò xo làm bằng vật liệu thép cácbon

d 86 , 7 P

3





Đối với thép hợp kim sẽ là :

d 8 , 11 P

3





Chiều dài lò xo khi mở kim phun :

l1 = i + ie Trong đó : e = 2mm Khe hở nhỏ nhất giữa các vòng lò xo

Chiều dài lò xo khi đóng kim phun :

l2 = l1 + h1

Chiều dài lò xo ở trạng thái tự do :

l3 = l2 + h0

II ÁP DỤNG ĐỂ TÍNH TOÁN :

Ví dụ : Cho biết các số liệu của một động cơ điêden gồm :

Nc = 400 (ml)

ge = 0,177 (KG/ml h)

1 = 0,875 (g/cm3)

Tính các kích thước cơ bản của bơm cao áp và vòi phun :

1 Lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 xylanh trong một chu trình công tác : 60.6.850.0,5.0,875

177 400 60





 k n i

g Ne

2.Tính toán ở chế độ công suất đạt cực đại

3 612 , 0 875 , 0 5 , 0 850 6 60

177 05 , 1 1 , 1

3 Chọn  d h = 0,8 và ’ = 3,5

4 Đường kính pit tông bơm cao áp :

'

8 , 0 24 , 3

53 , 0 5 , 3 4 V

4







= 1,5 cm

5 Hành trình pittông bơm :

h =  d = 0,8 1,5 = 1,2 cm

6 Tiết diện ngang của pit tông bơm :

f =

4

5 , 1 14 3 4

2 2

0



d



= 1,77 cm2

- Đường kính trong của ống cao áp dt = 0,25 cm và chiều dài ống l = 66 cm

- Áp suất của bơm lớn nhất tại thời điểm bơm

p = 500 KG/cm3

- Áp suất nhiên liệu trong buồng vòi phun, khi nâng kim phun

p = 230 KG/cm2

- Kích thước vòi phun :

theo (H.1)

8 Áp suất nhiên liệu khi đóng kim phun :

p1 =

4 d

) d d ( 4 p

2 1

2 2 2 1







p1 =

2

2 2

6 , 0 4

) 35 , 0 6 , 0 ( 4 p







= 152 KG/cm2

9 Thể tích nhiên liệu trong bơm khi pittông ở vị trí giới hạn

Chọn : Vb = 5 Vx = 5 0,53 = 2,65 cm3

Thể tích Vb phụ thuộc vào: kết cấu; thể tích dư không tận dụng hết không gian; vị trí đặt van Vb = (5  10)

Vx

10 Thể tích nhiên liệu tổng cộng của hệ thống cao áp ở thời điểm bắt đầu hành trình bơm

4

25 , 0 14 3 65 , 2 4

l

l









cm3

Trong đó :

Ve =

4

l

d 2 l



- Thể tích nhiên liệu trong đường ống cao áp

11 Thể tích nhiên liệu trong xylanh bơm cao áp ở thời điểm bơm lúc mà động cơ đạt công suất định mức

V2 = Vb - Vx = 2,65 - 0,53 = 2,12 cm3

Khi pittông dịch chuyển, nhiên liệu tại điểm bắt đầu hành trình bơm ngay sau khi đóng cửa nạp trên xylanh bơm hoặc van nạp, bắt đầu nén nhiên liệu có thể tích Vb đến áp suất p1 = 152 KG/cm2 bằng áp suất dư trong đường ống và trong vòi phun Khi đạt đến áp suất này, van giảm áp được mở ra

Sự thay đổi thể tích khi tăng áp suất trong bơm đến

152 KG/cm2 sẽ là:

 V1’ =  p1 Vb = 7,7 10-5 152 2,65 = 0,0309 cm3

Trong đó :

 = 7,7 10-5 )

KG

cm (

2

- Hệ số nén thể tích

12 Sự chuyển dịch pittông bơm tương ứng với sự thay đổi thể tích  V1’ = 0,0309 cm2

 h’ =

77 , 1

0309 , 0 f

V1'





= 0,0175 cm Khi pit tông tiếp tục chuyển dịch áp suất nhiên liệu sẽ tăng lên và lúc p = 230 KG/cm2 kim phun được nâng lên Sự thay đổi thể tích nhiên liệu do tăng áp suất từ p1 đến

p sẽ là :

 V1’’=  (p-p1)(V1-V1’)= 7,7 .10-5 (230 152) (5,89 -0,0309)= 0,0352cm3

Thể tích thay đổi  V1’’ tương ứng với độ dịch chuyển pit tông :

 h’’ =

77 , 1

0352 , 0 f

V1'





= 0,0199 cm

13 Độ dịch chuyển pittông, từ thời điểm đóng cửa nạp đến lúc nhắc kim phun :

 h =  h’ +  h’’ = 0,0175 + 0,0199 = 0,0374 cm

14 Sự thay đổi thể tích trong xylanh bơm, do tăng áp suất từ thời điểm nâng kim phun đến lúc đạt áp suất pb = 500 KG/cm2

 V1’’’ =  pb V2 = 7,7 10-5 2,12 = 0,0817 cm3

15 Hành trình có ích của pittông bơm cao áp ứng với thể tích tổng cộng của bơm :

h1 =

77 , 1

0817 , 0 53 , 0 f

V







= 0,345 cm

16 Hành trình có ích của bơm cao áp, khi có vành giảm áp trên van giảm áp :

he =

77 , 1

08 , 0 0817 , 0 53 , 0 f

V V









= 0,39 cm Trong đó :

VK = 0,08 cm3 - thể tích của vành giảm áp

17 Hệ số cung cấp của bơm nhiên liệu :

b = 1 -

39 , 0 77 , 1

08 , 0 0817 , 0 1 h

f

V V

e p K '









= 0,766

18 Khi động cơ đạt công suất cực đại thể tích nhiên liệu ở thời điểm cắt cung cấp :

V2’ = Vb - Vx = 2,65 - 0,612 = 2,038 cm3

19 Độ thay đổi thể tích nhiên liệu V2’ khi áp sất pb = 500 KG/cm3

 V11’’’ =  p6 V2’ = 7,7 10-5 500 2,038 = 0,0785 cm3

20 Hành trình có ích khi thể tích thay đổi  V11’’’

h1’ = V f 0,6121,770,0785

' 11 '







= 0,39 cm

21 Hành trình có ích khi có vành giảm áp trên van giảm áp

h’’

77 , 1

08 , 0 0785 , 0 612 , 0 f

V V

11 1

x















22 Hệ số cung cấp của bơm :

b n = 1 -

435 , 0 77 , 1

08 , 0 0785 , 0 1 h

.

V V ' 1 K '









= 0,794

Sau khi cắt, trong bơm nhiên liệu sẽ tiếp tục chảy ra từ vòi phun cho đến lúc khi mà áp suất của nó không giảm được nữa và bằng p = 152 KG/cm2, kim phun được đóng lại, tốc độ lọt nhiên liệu giảm dần Hiện tượng này làm ảnh hưởng xấu đến sự phun nhiên liệu Để giảm lọt nhiên liệu trong giai đoạn này, cần thiết làm sao cho thể tích toàn hệ thống cao áp là nhỏ nhất

23 Lượng nhiên liệu chảy ra từ vòi phun trong hành trình có ích của bơm cao áp (h’

1)

V3 = f (h’

1 - h) -  (pb - p) V4 =

= 1,77 (0,39 - 0,0374) - 7,7.10-5 (500 - 230) 5,578

= 0,509 cm3

Trong đó :

V4 = V1 - 0,5 f (h - h) = 5,89 - 0,5 1,77 (0,39 - 0,0374) = 5,578 cm3

Thể tích trung bình của hệ thống cao áp trong giai đoạn phun nhiên liệu vào xylanh

24 Lượng nhiên liệu phun ra từ vòi phun sau khi đã ngừng cung cấp và đóng kín van cao áp

Vx = Vx - V3 = 0,530 - 0,509 = 0,021 cm3

Hệ số cung cấp nhiên liệu của hệ thống

625 , 0

509 , 0 V

V 5

Trong đó :

V3 = 0,509 cm3 - Lượng nhiên liệu do bơm cao áp cung cấp để phun vào buồng cháy

V5 = f (h - h) = 1,77 (0,39 - 0,0374) = 0,625 (cm3)

Lượng nhiên liệu do pit tông bơm cao áp cung cấp cũng trong một hành trình có ích

26 Tốc độ lý thuyết được phun ra từ lỗ phun :

 0 , 7 0 , 843

25 , 1 77 , 1 F

C

f max

370 (m/s) Trong đó :

Cmax = 1,25 (m/s) - Chọn tốc độ trượt của pit tông bơm cao áp

4

36 , 0 14 , 3 Z 4

d 2



= 0,843 mm2

Tổng diện tích tiết diện các lổ phun

 = 0,7 Hệ số thắt dòng

Z = 8 Số lổ phun

d0 = 0,36mm - đường kính lổ phun

27 Áp suất dư trong vòi phun, ứng với tốc độ lý thuyết của nhiên liệu phun ra :

81 , 9 2

875 10 W g 2

2 4

2

KG/cm2

28 Tốc độ phun thực tế của nhiên liệu từ lỗ vòi phun :

W0’ = 0 , 81401,,777.0.,1843,25

F

C max





29 Áp suất dư của nhiên liệu trong vòi phun ở thời điểm tương ứng với tốc độ phun thực tế

81 , 9 2

875 10

W g

30 Áp suất thực tế của nhiên liệu trong vòi phun ở thời điểm cắt nhiên liệu, nếu như ta chọn áp suất trong xylanh động cơ lúc đó là 64 KG/cm2

p2 = pd’ + pZ = 412 + 64 = 476 KG/cm2

31 Độ giảm áp suất trong đường ống cao áp Aïp dụng công thức của Bladius

pr = 4

e tr

4

R g 2 d 10

Trong đó :

3 tr

e

10 2 , 0

10 5 , 2 7 , 36 j

d W





J: hệ số độ nhớt động học của nhiên liệu , J = 0,2.10-4 m2/s

We = 

tr f

f

Cmax = 0,814 0,10491,77 1,25 = 36,7 m/gi - tốc độ nhiên liệu trong đường ống cao áp

Ftr =

4

25 , 0 14 , 3 4

tr





= 0,0491 cm2

2

4600

81 , 9 2 5 , 2 10

7 , 36 660 875 316 , 0

= 40 KG/cm2

32 Áp suất lớn nhất trong bơm cao áp ở thời điểm ngừng cấp

pmax = p2 + pr = 476 + 40 = 516 KG/cm2

33 Xác định động học của pit tông bơm cao áp

Căn cứ đường cong của tâm con lăn của con con đội s =

f (), H2

Tốc độ của pit tông trên đoạn 1 parabol tăng tuyến tính từ C = 0 đến C = Cmax

Trên đoạn 2 của parabol tốc độ pit tông giảm tuyến tính từ Cmax đến C = 0

Hành trình đoạn 1 : có dạng barabol

S1 = k1 2 Hành trình đoạn 2 có dạng đường cong theo phương trình :

S2 = H - k2 ( - )2 Trong đó :

k1, k2 - tham số

 - góc quay của trục bơm cao áp

 - góc quay của trục cam tương ứng với toàn bộ hành trình H của bơm cao áp

Tốc độ của pit tông ở giai đoạn 1 của barabol





d

ds dt

d d

ds dt

=  2k1 1 = 12 k1 n’ 1

60

n

360 '

= 6n’

n’ - số vòng quay trục cam k1 = 2

1 1

s

1



s

n’ 1

1 =

1

' 1 C

n S 12 Chọn C = Cmax = 125 cm/gi và n’ = 425 v/f

S1 = h’1 + h0 = 0,39 + 0,2 = 0,59 cm Chọn h0 = 0,2 cm - hành trình không tải của pit tông bơm cao áp

1 =

125

425 59 , 0 12 C

n S 12 1

' 1

Góc quay trục cam từ lúc bắt đầu tiếp xúc con lăn trên đỉnh cam đến thời điểm ngừng cung cấp ở phụ tải bình thường

24

9 , 5 S

2 2

1

1







34 Hành trình của pit tông bơm cao áp, có xét đến sự nén nhiên liệu ở áp suất p = 230 KG/cm2 và có xét đến hành trình không tải :

h’’’ = h + h0 = 0,374 + 2,0 = 2,374 cm

35 Góc quay của trục cam từ thời điểm bắt đầu hành trình bơm đến lúc mở kim phun

’0 =

0103 , 0

374 , 2 k

h 1

'





= 15,20

36 Góc phun nhiên liệu trong giai đoạn hành trình bơm

 = 1 - ’0 F 24 - 15,2 = 8,80

37 Góc quay trục cam tương ứng với hành trình không tải

1

0

9 , 13 0103 , 0

2 k

h





38 Góc quay trục cam tương ứng với thời gian mở chậm kim phun :

2 = ’0 - 0 = 15,2 - 3,9 = 1,30

39 Góc quay trục cam từ lúc đóng cửa nạp đến lúc ngừng cấp

3 =  - 2 = 8,8 + 1,3 = 10,10

40 Áp suất trong hệ thống cao áp khi đóng van giảm áp (loại có vành giảm áp) sẽ giảm từ áp suất p = 516 KG/cm3 xuống giá trị p3, được xác định theo biểu thức :

VK =  V (p6 p3) = 0,08 = 7,7 105 3,24 (516 -px)

41 Trong giai đoạn phun rớt, một lượng nhiên liệu chảy qua vòi phun :

V6 =  (p3 - p1) V = 7,7.10-5 (194 - 152) 3,24 = 0,0105 cm3

42 Lượng nhiên liệu tổng cộng, phu ra từ vòi phun :

V7 = V3 + V6 = 0,509 + 0,0105 = 0,5195 cm3

43 Tốc độ nhiên liệu phun ra từ vòi phun : ở thời điểm ban đầu

Z

875

1 81 , 9 2 7 , 0 10 ) p p ( 1 g

(m/s)

Và ở thời điểm kết thúc (lúc p1 = 152 KG/cm2) kim phun đóng kín :

Z

875

1 81 , 9 2 7 , 0 10 ) p p ( 1 g

(m/s)

44 Tốc độ trung bình tia nhiên liệu phun ra

W0 tb = 0,5 (120 + 98) = 109 (m/s)

45 Thời gian phun rớt :

t = WV F 1090,0105.0,843

0 tb 0

6

Nếu tính theo góc quay trục cam :

4 = 6n’ t = 6.425 0,000114 = 0,290

46 Góc quay trục cam ứng với thời gian cung cấp nhiên liệu vào xylanh :

5 =  + 4 = 8,8  0,29 = 9,10

47 Góc quay trục cam, ứng với thời điểm ngừng cấp nhiên liêu khi công suất động cơ cực đại :

35 , 6

2

1



k

k

= 24,8 Trong đó :

h2 = h’ + h0 = 4,35 + 2 = 6,35mm

48 Tốc độ pit tông bơm cao áp ở thời điểm ngừng cấp nhiên liệu :

c’max = 12k1  max n’ = 12 0,0103 24,8 425 = 1.300mm/s

49 Xét giai đoạn 2 :

Toạ độ điểm K (H 2) sẽ thỏa mãn hai phương trình

- Phương trình quãng đường và

- Phương trình tốc độ của pit tông bơm cao áp của giai đoạn 1 và giai đoạn 2

Hệ phương trình :

h' = k1 2max = H - k2 ( - max)2 C’max = 12 k1’ max n’ = 12 k2 ( - max)2 n’

Giải hệ phương trình, xác định góc quay trục cam tương ứng với hành trình tổng cộng của pit tông bơm H và

max 1

47 8 , 24 0103 , 0

12











k H

8 , 24 0103 , 0

max

max





 





k