Nghiên cứu hệ thống nhiên liệu động cơ diesel cỡ nhỏ, một xilanh theo hướng tiết kiệm nhiên liệu giảm ô nhiễm môi trường tăng tính năng động cơ

43 4.1 Tiêu chuẩn chung về điều kiện sử dụng động cơ Diesel 43 4.1.1 Chỉ tiêu nhiên liệu Diesel tại Việt Nam 44 4.1.2 Tiêu chuẩn quy định về mức độ ô nhiễm không khí của động cơ 4.2 Các

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Ôtô-Máy Kéo Mã số: 60.52.53

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Phạm Xuân Mai Ký tên:

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ……… Ký tên:

Cán bộ chấm nhận xét 2 :……… Ký tên:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2004

Tp HCM, ngày 09 tháng 02 năm 2004

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : NGUYỄN ĐÌNH HÙNG Phái : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 14–04–978 Nơi sinh :Khánh Hoà

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Ôtô- Máy Kéo MSHV: OTO-MK13 006 I- TÊN ĐỀ TÀI :

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL CỠ NHỎ, MỘT XILANH THEO HƯỚNG TIẾT KIỆM NHIÊN LIỆU, GIẢM Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG, TĂNG TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

2 Chương II: Khảo sát và đánh giá một số hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel cỡ nhỏ,

một Xilanh hiện nay đang sử dụng trên thế giới và đang sử dụng và chế tạo tại Việt Nam

3 Chương III: Cơ sở lý thuyết hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel

hao nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường, tăng tính năng của Động cơ

5 Chương V : Nghiên cứu tối ưu hoá hệ thống nhiên liệu cho động cơ VIKYNO RV

195

6 Chương VI: Kết luận và hướng phát triển đề tài

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 09-02-2004

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 31-10-2004

V - HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS PHẠM XUÂN MAI

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN

NGÀNH

PGS.TS.PHAM XUÂN MAI PGS.TS.PHẠM XUÂN MAI NGÔ XUÂN NGÁT

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Ngày 09 tháng02 năm 2004

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

LỜI CẢM TẠ

Với sự nỗ lực của bản thân, cùng với sự giúp đỡ động viên khuyến khích của cơ quan, gia đình, các thầy cô và các bạn cùng lớp cao học khoá 13 ngành Ôtô- Máy kéo đã giúp tôi hoàn thành luận án tốt nghiệp này

Đầu tiên, Con xin cảm ơn cha, mẹ đã giúp đỡ, động viên, tạo mọi điều kiện cho con trên con đường học vấn

Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả quý Thầy, Cô trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, khoa Kỹ Thuật Giao Thông, bộ môn Ô tô – Máy Động Lực đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu trong

suốt hai năm học vừa qua Đặc biệt là cảm ơn sự tận tình hướng dẫn PGS.TS

Phạm Xuân Mai đã giúp tôi hoàn thành luận án tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành cảm ơn Công ty máy nông nghiệp Miền Nam

(VIKYNO) đã giúp đỡ, hỗ trợ nhiệt tình cũng như tạo điều kiện thuận lợi nhất

để tôi hoàn tất luận án

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn !

Tp.HCM ngày 14 tháng 11 năm 2004

Học viên thực hiện

KS Nguyễn Đình Hùng

TÓM TẮT

Trong những năm gần đây, do các yêu cầu về công nhận kiểu của các nước trên thế giới ngày càng đòi hỏi rất khắt khe vì thế, đòi hỏi các nhà máy chế tạo động cơ đốt trong phải có các phương pháp cải tiến động cơ do mình chế tạo đáp ứng được các yêu cầu này Một trong những phương pháp đó được áp dụng đối với động cơ Diesel là phương pháp nghiên cứu hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel theo hướng giảm ô nhiễm môi trường, tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao tính năng của động cơ

Mặt khác, từ thực tiễn cho thấy việc ra đời các bộ xử lý có tốc độ mạnh đã làm cho mô phỏng dần dần trở thành một công cụ hỗ trợ đắc lực cho việc thiết kế kỹ thuật, đặc biệt là trong ngành ôtô và động cơ đốt trong Bởi vì, nếu áp dụng phương pháp nghiên cứu này sẽ làm cho thời gian hình thành sản phẩm nhanh hơn, chi tiết hơn, kinh tế hơn Chính vì những lý do nói trên, tôi đã chọn phần mềm Hydsim do hãng AVL cộng hoà Áo sản xuất làm công cụ hỗ trợ cho các phương pháp nghiên cứu của đề tài của mình

Do thời gian thực hiện đề tài có hạn vì thế đề tài chỉ mới tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:

- Nghiên cứu tổng quan về các vấn đề có liên quan tới hệ thống nhiên liệu hiện nay tại Việt nam và trên thế giới Đây là nền tảng, định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo

- Khảo sát và đánh giá các hệ thống nhiên liệu đang được áp dụng cho động cơ Diesel cỡ nhỏ tại Việt Nam và trên thế giới để làm cơ sở lựa chọn và so sánh hệ thống nhiên liệu khi kiểm chứng thực nghiệm hệ thống nhiên liệu thực tế áp dụng cho đề tài

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xây dựng hệ thống nhiên liệu nhằm mục đích giải thích các đặc tính hoạt động của hệ thống

- Nghiên cứu các phương pháp tối ưu hệ thống nhiên liệu theo hướng tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường, tăng hiệu suất động cơ hiện đang được các trường, các viện và các hãng sản xuất áp dụng để tối ưu hệ thống nhiên liệu cho động cơ Diesel

- Nghiên cứu ứng dụng cho hệ thống nhiên liệu động cơ VIKYNO RV

195, nhằm giải thích các ưu nhược điểm của hệ thống nhiên liệu động

cơ này Đồng thời, khắc phục các nhược điểm mà hệ thống nhiên liệu này đang mắc phải nhằm nâng cao chất lượng hoạt động của động cơ

- Kết luận các thông số cần sửa đổi của hệ thống nhiên liệu hiện đang sử dụng đối với động cơ VIKYNO RV 195, đểà nâng cao tính năng hoạt động của động cơ theo hướng tiết kiệm nhiện liệu, giảm ô nhiễm môi trường, nâng cao hiệu suất động cơ, đáp ứng các nhu cầu thực tế đang cần

MỤC LỤC Trang

Lời Cảm tạ

Tóm Tắt

Mục lục

1.1 Tình hình nghiên có liên quan đến đề tài trong và ngoài nước 1

Chương II: Khảo sát và đánh giá một số hệ thống nhiên liệu động cơ

Diesel cỡ nhỏ, một xilanh hiện nay đang sử dụng trên thế giới và đang sử dụng và chế tạo tại Việt Nam 4 2.1 Xu hướng ứng dụng động cơ động cơ Diesel cỡ nhỏ 4 2.1.1 Xu hướng chung của động cơ Diesel cỡ nhỏ 6 2.1.2 Xu hướng nghiên cứu của hệ thống nhiên liệu dùng cho động cơ

2.2 Tình hình phát triển của động cơ Diesel một xilanh cỡ nhỏ 8 2.2.1 Tình hình phát triển của động cơ Diesel một xilanh cỡ nhỏ 8 2.2.2 Tình hình phát triển của hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel một

2.3 Tình hình khai thác và sử dụng động cơ Diesel một xilanh cở nhỏ

2.4 Tình hình nghiên cứu và chế tạo động cơ một xilanh cỡ nhỏ tại

2.4.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo động cơ Diesel 10

Chương III: Cơ sở lý thuyết hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel 11 3.1 Quá trình cung cấp nhiên liệu cho động cơ Diesel 11 3.2 Quá trình cung cấp nhiên liệu của bơm cao áp 13 3.2.1 Điều chỉnh thời gian cấp của bơm cao áp 14 3.2.2 Điều chỉnh thời điểm kết thúc cấp nhiên liệu của bơm cao áp 15

3.3 Quá trình phun nhiên liệu của kim phun 16 3.3.1 Đặc tính phun nhiện liệu của kim phun 18

3.4 Quá trình tạo hỗn hợp thô của nhiên liệu 22

3.4.4 Sự hình thành chùm tia khi ra khỏi lỗ phun 26

3.4.5 Hình dáng chùm tia 26

3.5.1 Quá trình bay hơi của các hạt lơ lửng (hạt hình thành ở pha 2)

hình thành khi phun nhiên liệu vào xilanh 29 3.5.2 Quá trình bay hơi của các hạt nhiên liệu trong thể tích chùm tia 30

3.6.2 Phương pháp tạo hỗn hợp màng-thể tích 32 3.7 Động học lực ngọn lửa và tỏa nhiệt khi cháy của hỗn hợp 33 3.7.1 Diễn biến của của giai đoạn trong quá trình giản nở 35

3.8 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cung cấp nhiên liệu 39 3.8.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến áp suất phun 39 3.8.2 Các yếu tố ảnh hưởng tốc độ lưu động của dòng nhiên liệu qua lỗ

3.8.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy trễ 41

Chương IV: Các phương pháp tối ưu hoá hệ thống nhiên liệu theo hướng

giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường, tăng tính năng của động cơ

43

4.1 Tiêu chuẩn chung về điều kiện sử dụng động cơ Diesel 43 4.1.1 Chỉ tiêu nhiên liệu Diesel tại Việt Nam 44 4.1.2 Tiêu chuẩn quy định về mức độ ô nhiễm không khí của động cơ

4.2 Các thông số ảnh hưởng của hệ thống nhiên liệu tới yêu cầu sử

4.3 Các phương pháp tối ưu hoá hệ thống nhiên liệu trên động cơ

4.3.1 Ổn định tần số quay của cam nhiên liệu 48

4.3.3 Điều khiển phối hợp giữa quá trình nhất kim phun và tăng cao áp

4.4 Đánh giá chung về các phương pháp nghiên cứu hiện nay để ứng

dụng nghiên cứu cho động cơ Diesel một xilanh 53

Chương V: Nghiên cứu tối ưu hoá hệ thống nhiên liệu cho động cơ

5.1 Các yêu cầu chung về hệ thống nhiên liệu động cơ 55

5.1.2 Đặc tính phun và và cấu trúc lỗ tia 55

5.1.4 Tính chất vật lý của môi trường bên trong buồng đốt khi nhiên

5.2 Tính toán kiểm chứng các thông số của hệ thống nhiên liệu động

5.2.1.1 Thông số kỹ thuật của động cơ RV 195 57 5.2.1.2 Thông số kỹ thuật các hệ thống trên động cơ RV 195 58 5.2.2 Tính toán kiểm chứng các thông số của hệ thống nhiên liệu 61

5.2.2.3 Lưu lượng cung cấp lớn nhất của bơm 62 5.2.3 Tính toán kiểm chứng các thông số kết cấu của bơm cao áp và

5.3 Phân tích các thông số của hệ thống nhiên liệu động cơ 71

5.4 Nghiên cứu hệ thống nhiên liệu của động cơ VIKYNO RV 195

5.4.1 Sơ đồ giải thuật của phương pháp mô phỏng 74 5.5 Xây dựng mô hình nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng (sử

5.5.1 Cơ sở lý thuyết các phần tử xây dựng mô hình mô phỏng trong

phần mềm Hydsim để kiểm chứng số liệu 93 5.5.2.1 Phân tích và xây dựng bơm cao áp và cam 93 5.5.2.2 Phân tích và xây dựng mô hình kim phun 94 5.5.2.3 Xây dựng mô hình hệ thống nhiên liệu của động cơ RV 195 trên

5.6 Phân tích kết qủa tính toán hệ thống nhiên liệu của động cơ

5.6.1 Diễn biến áp suất trong hệ thống nhiên liệu tại các tốc độ hoạt

5.6.2 Diễn biến áp suất trong buồng bơm tại các chế độ vận tốc 1025.6.3 Diễn biến áp suất trong buồng nâng chốt kim tại các chế độ vận

5.6.4 Lực tác động lên chốt kim tạo quá trình nâng kim tại các chế độ

5.6.5 Hành trình nâng chốt kim các chế độ tốc đo 105

5.6.10 Lưu lượng nhiên liệu cấp vào xilanh 1115.6.11 Khối lượng nhiên liệu cấp vào xilanh 1195.6.12 Kết luận chung về hệ thống nhiên liệu hiện tại trên động cơ

5.7.3 Diễn biến áp suất trong hệ thống nhiên liệu tại các tốc độ hoạt

5.7.4 Diễn biến áp suất trong buồng bơm tại các chế độ vận tốc 1225.7.5 Diễn biến áp suất trong buồng nâng chốt kim 1235.7.6 Diễn biến lực nâng chốt kim tại các chế độ hoạt động 1235.7.7 Hành trình dịch chuyển của chốt kim tại các tốc đo 124

5.7.10 Diễn biến đường kính hạt trong chùm tia 127

5.8 Kết luận những thông số sau khi tính tóan 1275.9 Kết luận và đưa ra thông số cần sửa đổi để tối ưu động cơ 128

6.1 Kết luận 130

Chương I: TỔNG QUAN

1.1 Tình hình nghiên liên quan đến đề tài trong và ngoài nước

Ngày nay, với sự ra đời của các hệ thống cung cấp nhiên liệu mới

(common_rail system) đã làm cho động cơ Diesel hiện đại có những tính năng ưu

việt gần giống với động cơ xăng như : suất tiêu hao nhiên liệu thấp, giảm ô nhiễm môi trường, giảm tiếng ồn, tốc độ tối đa của động cơ tăng cao, nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ, vv

Từ những tính năng ưu việt này đã làm cho thế giới đang tập trung nghiên cứu áp dụng hệ thống này vào các loại động cơ đốt trong ứng trên các động cơ tĩnh tại và cho ôtô

Do hoàn cảnh lịch sử và các yêu cầu về công nhận kiểu của một động cơ tại Việt Nam không khắt khe Vì thế, khi thiết kế động cơ đốt trong cỡ nhỏ thì các nhà sản xuất chỉ áp dụng các hệ thống nhiên liệu bơm cao áp kiểu cơ khí và có áp thấp, phun vào một lần Nhưng trong những năm gần đầy cùng với tiến độ công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước các nhà chế tạo động cơ cũng từ từ đã khẳng định mình trong việc sản xuất và xuất khẩu động cơ đốt trong, đặc biệt là các động cơ Diesel cơ nhỏ một xilanh, vì lẽ này các nhà mày sản xuất động cơ Việt nam bắt đầu dần dần tập trung nghiên cứu kỹ hơn về để hoàn thiện động cơ của mình sản xuất, nâng cao chất lượng hoạt động của động cơ, đáp ứng đầy đủ các nhu cầu mà xã hội đang cần

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Hiện nay quy mô của các nhà sản xuất động cơ ở nước ta còn rất hạn chế, mặt khác nhu cầu xã hội cần chủ yếu là nguồn động lực có công suất nhỏ để phục vụ trong quá trrình công nghiệp hoá nông nghiệp Dựa vào các điều kiện trên, các nhà máy sản xuất động cơ tại Việt Nam hiện nay chỉ sản xuất mạnh các loại động cơ Diesel cỡ nhỏ một xilanh phục vụ chủ yếu cho nhu cầu đang cần và

làm nền tảng cho công nghiệp động cơ của nước nhà điển hình tại nước ta hiện nay có rất nhiều nhà máy sản xuất động cơ sản xuất loại động cơ Diesel công suất nhỏ như: Nhà máy Diesel Sông công, Nhà máy Diesel Cổ loa, Công ty VINAPPRO, Công ty VIKYNO vv… Với mong muốn ngày càng nâng cao chất lượng sản phẩm, cải tiến mẫu mã đáp ứng nhu cầu thực tế đang cần công ty VIKYNO đã sản xuất ra rất nhiều thế hệ động cơ Diesel một xilanh như RV70, RV125,RV165, vv Mới đây, Công ty đã chế tạo thành công dự án nghiên cứu chế tạo động cơ thế hệ động cơ RV 195 từ động cơ RV 165 Do động cơ này là động cơ mới, được thiết kế theo phương pháp cải tiến Vì thế, động cơ chưa được nghiên cứu hoàn thiện một cách triệt để Đó chính là lý do tôi chọn động cơ VIKYNO RV 195 làm đối tượng nghiên cứu của đề tài

Do động cơ đang trong quá trình nghiên cứu hoàn thiện vì thế, đề tài chỉ tập trung các hệ thống nhiên liệu cho động cơ VIKYNO RV 195 với mục đích tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường, nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ để nâng cao hiệu quả làm việc của động cơ

1.3 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Tập trung nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng nhằm giải quyết được các tồn động về hệ thống nhiên liệu của động cơ VIKYNO RV 195 do Việt Nam sản xuất, đồng thời đáp ứng được các nhu cầu thực tế nhà máy VIKYNO đang cần hoàn thiện và nâng cấp loại động cơ RV 195 để đáp ứng các nhu cầu xuất khẩu sản phẩm

1.4 Phương pháp tiếp cận và nghiên cứu

Để giải quyết và làm sáng tỏ các ưu nhược điểm của hệ thống nhiên liệu hiện đang sử dụng của động cơ VIKYNO RV 195 và đáp ứng phần nào yêu cầu của thực tế Trong quá trình thực hiện đề tài thì phương pháp giải quyết chính là tiếp cận thực tế để để phân tích các ưu nhược điểm của hệ thống nhiên liệu Từ

đó, phân tích các ưu nhược điểm bằng lý thuyết và phân tích lại trên mô hình nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng để đánh giá đúng các giá trị thực và nghiên cứu ra một hệ thống thay thế mới

Phương pháp nghiên cứu của đề tài:

• Tiếp cận với thực tế thiết kế, chế tạo hệ thống nhiên liệu động cơ VIKYNO RV-195 hiện có tại Công Ty Máy Nông Nghiệp Miền Nam Đây là cơ sở dữ liệu đầu vào của hệ thống và cũng là các giá trị để so sánh với kết quả đầu ra của mô hình nghiên cứu

• Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Hydsim với mục đích đánh giá lại toàn bộ các chức năng hoạt động của hệ thống Từ đó, chỉ ra các nhược điểm còn tồn tại trong hệ thống và vạch ra phương hướng nghiên cứu hoàn thiện hệ thống nhiên liệu cho động cơ VIKYNO RV 195 do Việt Nam sản xuất

• Dùng phần mềm để xây dựng một mô hình hệ thống nhiên liệu mới khắc phục các nhược điểm mà hệ thống nhiên liệu hiện tại của động cơ VIKYNO RV 195 đang mắc phải theo mục tiêu tiết kiệm nhiên liệu, giảm

ô nhiễm môi trường, nâng cao tính năng của động cơ

Chương II: KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ HỆ THỐNG

NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL CỠ NHỎ, MỘT XILANH HIỆN NAY ĐANG SỬ DỤNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ ĐANG SỬ DỤNG VÀ CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM

2.1 Xu hướng ứng dụng động cơ Diesel cỡ nhỏ

Hiện nay, động cơ Diesel cỡ nhỏ được sử dụng rất rải trong đời sống xã hội của các nước trên thế giới, đặc biệt là đời sống ở các vùng nông thôn Với giá thành nhiên liệu sử dụng thấp hơn xăng Công suất của động cơ Diesel lớn hơn động cơ xăng Chính do những yếu tố này, nên động cơ Diesel ngày càng tiếp cận gần hơn với đời sống nông thôn và được đối tượng này chọn làm nguồn động lực phục vụ cho chính họ như:

- Phát nguồn động lực cho các máy canh tác nông nghiệp: máy cày, máy xới, máy bừa, máy bơm nước, máy phun thuốc trừ sâu, máy gieo hạt, máy giặt đập có công suất nhỏ…vv

- Phát nguồn động lực cho các máy chế biến nông sản thô sau thu hoạch: máy xay sát, máy sàn…vv

- Phát nguồn động lực cho các máy phục vụ sinh hoạt nông thôn: máy phát điện, máy bơm nước, máy hàn điện …vv, có công suất nhỏ

- Nguồn phát động lực cho các phương tiện vận chuyển nông thôn: xe công nông, xuồng máy, ghe máy…vv

Với các động cơ Diesel được thiết kế với công nghệ mới có tốc độ vòng quay lớn 4500 (v/p) chỉ tiêu khối lượng trên mã lực nhỏ thì động cơ Diesel còn dùng

trong các máy sửa chữa công trình như: đầm dùi, máy dập, xe lu công suất nhỏ, xe

thông hố ga, xe cuốc có công suất nhỏ…vv

Tại Việt Nam hiện nay, động cơ Diesel có công suất nhỏ được sử dụng rất

rộng rải tại các vùng nông thôn Đây chính là nguồn động lực được chọn rất rộng

rải trong công cuộc cơ giới hóa nông thôn ở nước ta

- Tại hai đồng bằng lớn của nước ta là Bắc Bộ và Nam Bộ loại động cơ này

được sử dụng rất rộng rải, nó được dùng làm nguồn động lực để thay thế

sức người như: “máy cày, máy xới, máy bừa máy gieo hạt, máy giặt đập,

máy bơm nước…vv ” phục vụ trong công tác đồng án Mặt khác, nó còn

được chọn làm nguồn động lực phục vụ trong sinh hoạt, chế biến biến

nông sản và làm phương tiện vận chuyển

- Tại các vùng cao nguyên loại động cơ này loại động cơ Diesel này thừơng

được chọn làm nguồn động lực để làm các máy phục vụ nông nghiệp như:

“máy bơm nước, máy phun thuốc trừ sâu, máy phát điện máy xay sát…vv”

Mặt khác, nó còn được chọn là nguồn động lực cho các phương tiện vận

chuyển nông thôn như “ các loại xe độ chế, xe công nông” để phục vụ cho

công tác vận chuyển sản phẩm tạo các trang trại, rẫy nương, nông trường

cà phê, cao su …vv

Theo nghiên cứu dự báo của thị trường động cơ một xilanh tại Việt nam của

tổng công ty máy động lực Việt Nam (VEAM) như sau:

Các sản phẩm động lực do Việt Nam sản xuất từ năm 2001…2004

(Đơn vị cái)

Nhu cầu thị trường sử dụng động cơ có dãy công suất nhỏ hơn 40 ML từ

2.1.1 Xu hướng chung của động cơ Diesel cỡ nhỏ

Động cơ Diesel công suất nhỏ đang sử dụng trên thị trường ngày càng được cải tiến nhằm tốt hơn các yêu cầu người sử dụng mong muốn và tương ứng với công nghệ chế tạo động cơ mà thế giới hiện nay đang có Nhìn chung, các phương pháp cải tiến này đều đi theo hai hướng chính

- Tối ưu hoá lại kết cấu, ứng dụng các thành tựu của công nghệ chế tạo nhằm hạ thấp chỉ tiêu khối lượng trên mã lực Đây là hướng cạnh tranh công nghệ của các hãng sản xuất động cơ Chính chỉ tiêu này sẽ nói chất lượng và trình độ chế tạo của từng loại động cơ có tương ứng với giá thành sản xuất

- Tôí ưu lại hệ thống nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ Diesel nhằm mục đích tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường, nâng cao hiệu

suất của động cơ Đây là hướng mà các nhà sản xuất cần phải nghiên cứu một cách triệt để, vì nó là yêu cầu của xã hội Nếu một động cơ sản xuất

ra không thoả mãn yêu cầu nói trên thì tự nó sẽ đào thải nó vì không được xã hội chấp nhận Nhưng nếu sản xuất ra không đáp ứng các Công nhận kiểu của tất cả các nước thì loại động cơ chế tạo đó sẽ bị thu hẹp thị trường Đây là hướng nghiên cứu ngày càng được cải thiện và nghiên cứu liên tục không dừng

2.1.2 Xu hướng nghiên cứu của hệ thống nhiên liệu dùng cho động cơ Diesel

Hệ thống nhiên liệu của động cơ Diesel ngày càng đước cải tiến một cách nhanh chóng và rất hiệu quả, đáp ứng các nhu cầu mà xã hội đang cần Tính từ lúc

ra đời của hệ thống này từ năm 1927 do hãng Bosch chế tạo cho đến nay hệ thống này đã có lịch sử phát triển gần 77 năm Đi từ một hệ thống đơn giản cho đến nay hệ thống này cũng cực kỳ phức tạp không kém gì với các hệ thống điều khiển nhiên liệu động cơ xăng, thậm chí nó còn phức tạp hơn động cơ xăng Bỡi lẻ, các phương pháp điều khiển của nó là điều khiển một dòng nhiên liệu có áp suất phun rất cao

Hình 2.1: Áp suất phun của hệ thống nhiên liệu

Tuy nhiên, các bước phát triển này cũng hoàn toàn dựa trên các yêu cầu xã hội cần để có một động cơ Diesel có các chỉ tiêu kinh tế tốt, ít ô nhiễm môi trường, hiệu suất động cơ cao nhất Khi nghiên cứu tổ chức quá trình cháy của loại động cơ này có tính khả thi cao, vì quá trình phun nhiên liệu phải được tổ chức tốt sẽ có một hỗn hợp tốt và biện pháp hiệu quả nhất là nâng cao áp suất phun kết hợp với quá trình điều khiển độ nhấc kim là hợp lý và hiệu quả Vì thế, phương pháp nói trên mà hệ thống nhiên liệu được ngày càng được cải tiến từ một hệ thống phun cơ khí bình thường thành một hệ thống cơ điện tử ngày càng được hoàn thiện, ứng dụng triệt để các thành tựu khoa học về công nghệ liệu, công nghệ chế phụ tùng và công nghệ thông tin

2.2 Tình hình phát triển của động cơ Diesel một xilanh cỡ nhỏ

2.2.1 Tình hình phát triển của động cơ Diesel một xilanh cỡ nhỏ

Những năm gần đây, động cơ Diesel phát triển một cách vượt bậc, hầu như nó đã ứng dụng một cách triệt để thành tựu của ngành công nghệ điện tử và công nghệ thông tin và công nghệ vật liệu mới nhằm thoả mãn tất cả các chỉ tiêu thiết kế và các chỉ tiêu ô nhiễm môi trường

Chính vì các thành tựu nêu trên, làm cho động cơ Diesel ngày càng một cải tiến một cách đáng kể, tốc độ được nâng cao tới 4000 (v/p), chỉ tiêu về khối lượng trên mã lực được hạ thấp, tuổi thọ được nâng cao, tiết kiệm nhiên liệu, ít ô nhiễm môi trường Nhờ các thế mạnh này mà động cơ Diesel một xilanh có điều kiện phát triển và được áp dụng triệt để vào thực tiễn và đáp ứng nhu cầu xã hội đang

cần

2.2.2 Tình hình phát triển của hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel một xilanh

Hệ thống thống phun nhiên liệu Diesel được dùng phổ biến cho đến nay là thùng chứa, lọc nhiên liệu, bơm cao áp điều khiển bằng cơ khí, kim phun Hệ thống này sử dụng đạt hiệu quả cao nhưng quá trình tăng áp suất phun lên cao gặp rất nhiều khó khăn, điều khiển quá trình nhấc kim phun nhiều giai đoạn trong một lần phun cực kỳ phức tạp

Hình 2.2: Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel phun kiểu cơ khí

1.nắp đậy thùng nhiên liệu, 2.ống báo nhiên liệu trong thùng chứa, 3.thùng chứa nhiên liệu, 4.đai ốc xả nhiên liệu, 5.lọc thô, 6.van đóng ngắt, 7.ống nối, 8 lọc tinh,

9 bơm cao áp, 10 kim phun, 11.van an toàn

2.3 Tình hình khai thác và sử dụng động cơ Diesel một xilanh cở nhỏ tại Việt Nam

Nhu cầu thị trường

0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000

Tình hình sử dụng động cơ Diesel công suất nhỏ (5…40 HP) tại Việt nam ngày càng lớn vì chúng được sử dụng làm nguồn động lực cho các loại máy canh tác phục vụ cho nên nông nghiệp nước ta Bên cạnh đó, chúng còn được sử dụng làm nguồn động lực cho một số phương tiện giao thông phục vụ cho nông thôn và các vùng sông nước

2.4 Tình hình nghiên cứu và chế tạo động cơ một xilanh cỡ nhỏ tại Việt nam 2.4.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo động cơ Diesel

Động cơ Diesel công suất nhỏ

hiện nay hầu như được các nhà máy sản

xuất động cơ tại Việt Nam sản xuất

Trong những năm gần đây với xu hướng

yêu cầu của xã hội ngày càng cao về

chất lượng và giá thành Vì thế, các nhà

máy chế tạo động cơ tại Việt nam cũng

đã cải tiến và nâng chất lượng sản phẩm

của mình lên Các nhà sản xuất đã tập

trung nghiên cứu đưa ra các sản phẩm

mới bằng cách cải tiến sản phẩm động cơ đã sản xuất từ trước đến nay

Sản phẩm cung cấp cho thị trường

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

Hình 2.4: Sản lượng cung cấp cho thị

trường từ 2001 đến nay (Theo VEAM)

2.4.2 Tình hình nghiên cứu chế tạo hệ thống nhiên liệu của động cơ Diesel tại

Việt nam

Tại Việt nam hiện nay, hầu như chưa có các nhà máy chế tạo động cơ tập trung nghiên cứu và chế tạo hệ thống nhiên liệu Trong hệ thống này họ chỉ mới dừng lại tính toán sơ bộ về lưu lượng và áp suất phun sau đó đặt hàng cho các hãng sản xuất kim phun và bơm cao áp ở các nước Trung quốc, Đài loan, Hàn quốc, Ấn độ…vv, sau đó về lắp đặt lên trên động cơ Vì thế, mức độ hoàn thiện

động cơ chưa cao, chưa giải quyết một cách triệt để các nhược điểm mà động cơ họ cải tiến

Chương III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG NHIÊN

LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL

3.1 Quá trình cung cấp nhiên liệu cho động cơ Diesel

Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel, thực hiện chu trình cung cấp nhiên

liệu vào buồng cháy vào cuối thời kỳ nén (piston đến gần điểm chết trên),

nhưng do đặc tính nhiên liệu liệu Diesel là loại nhiên liệu khó bay hơi và diễn biến tạo hỗn hợp diễn ra trong thời gian rất ngắn Vì thế, nhiên liệu đưa vào buồng cháy phải đưa phun thật tơi chùm tia phải có động năng lớn để có thể hoà trộn hết không gian buồng cháy Việc phun nhiên liệu vào buồng cháy sảy

ra từ lỗ tia phun của kim phun dưới tác dụng của áp suất phun của dòng tia nhiên liệu và độ chênh lệch giữa áp suất phun và áp suất của buồng cháy cuối hành trình nén

Diễn biến của quá trình làm thay đổi áp suất, tốc độ và lưu lượng của dòng nhiên liệu chuyển động trong hệ thống nhiên liệu theo thời gian, chế độ làm việc của động cơ Điều này đãø làm cho đặc tính của dòng nhiên liệu thay đổi liên tục theo góc quay trục khuỷu, chế độ làm việc của động cơ và tính chất của nhiên liệu

Tính toán trị số cung cấp nhiên liệu của động cơ trong mỗi đơn vị thể tích [1]

αρ

ηρ

nl

v k nlc

kkc nlc

l V

V V

- Vkk: thể tích không khí trong buồng cháy

- Vnl; thể tích nhiên liệu mà bơm cấp

- ρk: khối lượng riêng của không khí

- ρk: khối lượng riêng của nhiên liệu

- l0: hành trình của piston

- α: hệ số dư lượng không khí

Quá trình hoà trộn giữa không khí cuối hành trình nén và nhiên liệu có áp suất cao bên trong buồng cháy của động cơ Diesel là một quá trình diễn biến nhiễu loạn giữa một dòng khí có áp chuyển động tần và một dòng nhiên liệu có động năng lớn ở dạng sương trong thời gian rất ngắn từ 1,6…60 µs, thế nên chất lượng của quá trình cháy và các thông số công tác của động cơ phụ thuộc nhiều vào quá trình chuẩn bị hỗn hợp và thời gian chuẩn bị Quá trình này diễn ra tốt đạt được độ đồng nhất và giữa được tỷ lệ pha trộn hỗn hợp thì sẽ bảo đảm được quá trình làm việc tin cậy và kinh tế cho động cơ Chất lượng và thời gian của quá trình cung cấp nhiên liệu vào buồng cháy sẽ quyết định trạng thái hoạt động, hiệu suất làm việc, khả năng kinh tế và mức độ ô nhiễm môi trường của động cơ Diesel Để tiến hành hiệu quả quá trình cung cấp nhiên liệu thì các thông số làm việc của hệ thống cần phải thoả mãn các yêu cầu sau:

+ Quá trình bắt đầu phun nhiên liệu (đặc trưng bởi thông số là góc phun

sớm) và kết thúc phun nhiên liệu (đặc trưng bởi thông góc kết thúc giai đoạn phun) phải bảo đảm sử dụng nhiệt của nhiên liệu nhiều

nhất Trong trường hợp này thường đặt quá trình bắt đầu phun ở góc có lợi nhất hay góc tối ưu ở chế độ thường sử dụng nhất

+ Chất lượng hạt nhiên liệu và phân bố hạt nhiên liệu trong buồng cháy, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho nhiên liệu khi vào buồng cháy thực hiện nhanh các quá trình vật lý và hoá học như hâm nóng, bốc hơi, tạo hỗn hợp, ôxy hoá vv

+ Tốc độ cung cấp nhiên liệu phải có sự thay đổi như mong muốn theo thời gian, sự thay đổi này có quan hệ với với sự thay đổi của áp suất xilanh trong các quá trình tiếp theo

+ Lượng cung cấp nhiên liệu trong các chu trình cần phải thay đổi tương ứng, bảo đảm tính đồng nhất trong xilanh ứng với từng chế độ tải trọng và tốc độ động cơ

3.2 Quá trình cung cấp nhiên liệu của Bơm cao áp

Bơm cao áp trong trong hệ thống nhiên liệu của động cơ Diesel dùng để cung cấp lượng nhiên liệu cao áp chính xác tại một khoảng thời gian nhất định tới kim phun theo từng chế độ tải trọng, tốc độ làm việc của động cơ Khi nhiên liệu được điền đầy vào khỏang không gian phía trên của Piston, hành trình nén bắt đầu tương tác khi cam đội tương tác vào con lăn và bắt đầu tác động vào Piston dịch chuyển tịnh tuyến trong hành trình công tác của nó (thời điểm bắt đầu nâng Piston), nhưng quá trình tăng áp và cung cấp nhiên liệu sảy ra khi van cấp nhiên liệu đóng lại Lúc này, nhiên liệu cung cấp bị nén bên trong khoang nhiên liệu hành trình có ích bắt đầu diễn ra, do tính chất của nhiên liệu Diesel không chịu nén, vì vậy dẫn đến quá trình tăng áp diễn ra một cách mạnh mẽ cho đến khi thắng được lực cản lò xo của van triệt áp và nhiên liệu được tống ra khỏi khoang công tác của bơm cao áp Kết thúc hành trình có ích lỗ thoát nhiên liệu trùng với lỗ cấp do áp suất bên trên khoang của van triệt áp lớn hơn áp suất bên dưới của khoang triệt áp làm cho van triệt áp đóng lại một cách đột ngột làm cho quá trình cấp của bơm nhiên liệu kết thúc Nhờ vậy, khoang trên của van triệt áp giữa các chu kỳ tồn tại một áp suất dư cao áp, làm tăng độ đồng đều lượng cung cấp nhiên liệu cho chu trình làm việc tiếp theo, bảo đảm độ đồng đều lượng cấp nhiên liệu cho các chu trình tại một chế độ tải

Hình 3.1: Quá trình cung cấp nhiên liệu của bơm cao áp

I:hành trình nạp, II:hành trình tăng áp, III: hành trình tối đa, IV: hành trình xả dầu, V:

hành trình nạp, a: điểm điều chỉnh sớm, b: điểm điều chỉnh muộn, d: điểm điều chỉnh

trung bình, ha: hành trình nâng, c: vận tốc chuyển động piston bơm, ϕ: góc quay cam

nhiên liệu, ηmax: hành trình nâng tối đa, A: quá trình cung cấp của bơm cao áp, B: đồ

thị diễn biến quá trình cung cấp nhiên liệu của bơm cao áp.

- hct: hành trình có ích của piston

- η : hệ số nạp nhiên liệu vào khoang công tác

- ρ : khối lượng riêng của loại nhiên liệu sử dụng

Tính toán diện tích lưu thông của nhiên liệu cao áp đi tới kim của bơm cao áp [4]:

2sinh)

- Alt: diện tích lưu thông của nhiên liệu đi qua van triệt áp

- hnv: hành trình nâng của van triệt áp

- dk: đường kính nhỏ nhất của mặt côn tỳ

- ψ : góc côn mặt tỳ

3.2.1 Điều chỉnh thời gian cấp của bơm cao áp [2]

Khi thời điểm bắt đầu cấp nhiên liệu của bơm thay đổi thì hành trình có ích và phần nhiên liệu cấp cho chu trình thay đổi, điều này tác động đến góc quan hệ giữa hành trình cấp nhiên liệu và góc phun sớm Khi tăng góc bắt đầu cấp của bơm trong phạm vi cho phép thì áp suất cháy cực đại (Pz) của chu trình tăng lên còn suất tiêu hao nhiên liệu có ích giảm Đối với chế độ định mức thì góc bắt đầu cấp nhiên liệu được đặt sao cho nhiên liệu bắt đầu cháy tại thời điểm mà khi cháy áp suất của chu trình đạt giá trị tối ưu

Tuy nhiên, việc điều chỉnh giá trị góc bắt đầu cấp nhiên nhiên liệu áp dụng cho các loại động cơ làm việc ở chế độ ổn định tốc độ thì sẽ phát sinh nhược điểm Khi động cơ đang hoạt động ở tốc độ cao để giảm tốc độ lúc này nếu giảm thời điểm cấp nhiên liệu, tương ứng lúc này chúng ta thay đổi hành trình có ích và phần nhiên liệu cấp cho chu trình Điều này sẽ làm cho áp suất phun giảm, chất lượng phun trong giai đoạn này sẽ xấu đi, dẫn đến quá trình cháy sẽ muộn hơn và suất tiêu hao nhiên liệu có ích sẽ tăng lên

Hình 3.2: Hành trình điều chỉnh thời gian cấp nhiên liệu

c

3.2.2 Điều chỉnh thời điểm kết thúc cấp nhiên liệu của bơm cao áp [4]

Khi điều chỉnh thời điểm kết thúc cấp nhiên liệu, nếu chúng ta bảo đảm góc bắt đầu cấp nhiên liệu của bơm không thay đổi đối với mọi chế độ làm việc của động cơ việc kéo dài hay rút ngắn thời điểm kết thúc cấp sẽ làm cho chất lượng phun của bơm được cải thiện và ổn định hơn khi động cơ hoạt động

ở chế độ ổn định tốc độ, động cơ sẽ hoạt động tốt hơn ở chế động tốc độ tối ưu Nhưng trong các trường hợp khác thì tính kinh tế của nó thấp hơn

Hình 3.3: Hành trình điều chỉnh thời gian kết thúc phun

1 Van chống hồi ngược.

2 Van ngắt

5 Tay đòn

6 Cam lệch tâm

7 Cam truyền động

8 Con lăn

9 Con đội

3.2.3 Điều chỉnh hỗn hợp [13]

Điều chỉnh hỗn hợp là hệ thống điều chỉnh phối hợp giữa điều chỉnh thời điểm cấp, để bảo đảm tải hoạt động cho động cơ và điều chỉnh thời điểm kết thúc để điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho động cơ ở mỗi chu trình Với phương pháp phối hợp điều chỉnh như thế sẽ bảo đảm cho động cơ hoạt động với suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất, hoạt động được trong dãy tải rộng Bằng phương pháp này chúng ta có thể tối ưu hoá được quá trình cấp nhiên liệu cho động cơ Mặt khác, việc điều chỉnh hỗn hợp còn cho thấy ưu điểm nổi trội hơn cả trong thực tế, nếu dùng các loại nhiên liệu có khả năng tự bốc cháy cao thì thời điểm bắt đầu cấp sẽ được tăng lên và ngược lại

ĐCT: Điểm chết trên H: Hành trình

ϕ :Góc công tác

Hình 3.4: Đặc tính điều chỉnh hỗn hơp theo tải của bơm cao áp

3.3 Quá trình phun nhiên liệu của kim phun

Kim phun dùng trong động cơ Diesel có hai loại vòi phun: vòi phun hở, vòi phun kín

Phương trình diễn tả đặc tính vòi phun hở [2]:

2 2

)(

nl nl c

y

f

G p

- Py: áp suất nhiên liệu trước lỗ phun

- Pc: áp suất môi chất công tác trong buồng cháy

- Gnl: lưu lượng nhiên liệu cấp của vòi phun

- ρnl: khối lượng riêng của nhiên liệu

- µc: hệ số lưu lượng lưu thông qua lỗ phun

- fc: diện tích lưu thông qua đế tuỳ của mặt côn

Q: Lưu lượng nhiên liệu

Pz: Áp suất của môi chất

công tác

Py: Áp suất trước mặt côn

Hình 3.5: Đặc tính phun của vòi phun nhiên liệu của vòi phun kín

Phương trình diễn tả đặc tính của vòi phun kín [2]

2 2 2

)(

nl nl c

f

G p

- P2: áp suất nhiên liệu trước lỗ phun (phía trước mặt côn)

- Pc: áp suất môi chất công tác trong buồng cháy

- Gnl: lưu lượng nhiên liệu cấp của vòi phun

- ρnl: khối lượng riêng của nhiên liệu

- µc: hệ số lưu lượng lưu thông qua lỗ phun

- fc: diện tích lưu thông qua lỗ phun

Mặt khác, trong vòi phun này chúng ta cần xét độ chênh lệch áp suất trước và sau mặt côn trứơc khi đi qua lổ phun [1]

1 1

2 2

)(

G p

- Py: áp suất trước mặt côn

- µ1: hệ số lưu lượng lưu thông qua mặt côn

- f1 : diện tích lưu thông qua mặt côn

Với f1 = xπdtbsinα

- x: hành trình nâng mặt côn

- dtb: đường kính trung bình của mặt côn

- α : góc côn

P Y : Áp suất trước mặt côn

P 2 : Áp suất nhiên liệu trước lỗ phun Q: Lưu lượng nhiên liệu đia qua lỗ

P c : Áp suất môi chất công tác trong buồng cháy

Hình 3.6: Đặc tính chênh lệch áp suất phun

3.3.1 Đặc tính phun nhiện liệu của kim phun [12]

Quá trình hình thành hỗn hợp của động cơ Diesel diễn ra trong buồng cháy Vì thế, để bảo đảm chất lượng hỗn hợp tạo thành, cần phải có một chất lượng phun tốt Tức là chất lượng các hạt trong tia phun phải nhỏ đều, phân bố rộng khắp trong không gian buồng cháy Do diễn biến của quá trình phun rất phức tạp, thời gian diễn biến quá ngắn đã dẫn đến việc xác định việc xác định chất lượng phân bố và đường kính hạt của tia phun rất khó khăn

Để xác định đường kính hạt trong tia phun, hiện nay chủ yếu người ta dùng phương pháp xác định đường kính hạt trung bình Bằng phương pháp dựa vào tỷ lệ giữa tổng thể tích và tổng diện tích trong một chùm tia Tuy nhiên, phương pháp này chỉ mới phản ánh được chất lượng phun còn chưa nói rõ sự phân bố nhiên liệu các hạt trong buồng cháy, phân bố vùng tập trung nhiên liệu và mức độ tập trung của các hạt tại các vùng, phân bố hạt của một vùng vì kích thước hạt phụ thuộc vào tốc độ sấy nóng của nhiên liệu, tốc độ hoá hơi của

nhiên liệu trong buồng cháy Từ đây, cho thấy chúng ta chưa thể kiểm soát triệt để được quá trình phun của kim phun

Nếu gọi n là số hạt trong một chùm tia có đường kính từ r đến r + dr [14]

2

2 1

3

2 1

2

2 1

3

2

2

1 3

)('

)(')

('4

)('3

434

4

333

r r

r r r

r t

r r t r

r tb

dr r r f

dr r r f dr

r r f t

dr r r f i n

r

n r F

V r

π

ππ

π

(3.7)

Hình 3.7: Đặc tính phân bố đường kính hạt trong chùm tia

1 đường kính hạt nhỏ đều, 2.đường kính hạt nhỏ, không đều, 3.đường hạt nhỏ nhưng đều; r: đường kinh hạt, i/it:tỷ số tương đối

Sau khi ra khỏi lỗ phun, dòng nhiên liệu bị xé tơi ra tạo thành chùm tia, nhưng lúc này gặp dòng tia bị cản mạnh do dòng khí chuyển động tần của dòng khí cuối hành trình nén trong xilanh làm cho tốc độ chuyển của các hạt trong dòng tia càng xa lỗ phun càng giảm mạnh Mức độ chuyển động của các hạt nhiên liệu thường tạo lực hút đối với lớp không khí bao quanh chùm tia, điều này làm cho mật độ, kích thước và tốc độ chuyển động của các hạt trong tia đều hơn Lớp không khí bao quanh chùm tia làm giảm tốc độ dịch chuyển tương đối của các hạt nhưng chính nhờ nó làm cho lớp không khí tồn tại bên trong dòng tia bị tống ra mặt ngoài xé tan dần phần lõi tia Từ đây, chúng ta có thể thấy rõ ràng hơn chất lượng phân bố hạt và đường kính hạt nhiên liệu trong tia phun

phụ thuộc vào kích thước, tốc độ cấp của bơm cao áp, độ nhớt và lực căng mặt ngoài của nhiên liệu Ngoài hai thông số nói trên là chiều dài và tốc độ chuyển động của hạt thì góc côn và bề rộng của tia phun cũng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và quá trình hình thành hỗn hợp của tia phun bên trong buồng cháy Ngày nay, để làm giảm đường kính hạt và tăng khả năng đồng điều của các hạt để tia phun đều hơn và phân bố được rộng khắp buồng cháy, người ta dùng phương pháp tăng áp suất của tia để phun tơi hơn và làm nhỏ đường kính lỗ tia và bố trí nhiều lỗ tia hơn để hạt đều hơn [1]

III

I

II

Hình 3.8: Phân bố hạt trong chùm tia

L: chiều dài tia phun, B: bề rộng tia phun, θ: góc côn chùm tia, I: Diễn biến chùm tia,II:Đồ thị Quan hệ giữa chiều dài và áp suất phun,III: Các tham số chùm tia, 2: phân bố tốc độ của tia phun, 3: võ tia phun, 4: lõi tia phun

3.3.2 Đặc tính phun vi phân [13]

Để xác định lượng nhiên liệu ra khỏi lỗ phun người ta sử dụng phương pháp tính lưu lượng nhiên liệu ra khỏi lỗ tia theo góc quay của trục bơm nhiên liệu Từ đây, chúng ta phân tích chu trình làm việc của động cơ Diesel để tìm đặc tính vi phân của kim phun theo quan hệ thể tích và góc quay trục khuỷu của

động cơ Các phân tích này, chúng ta sẽ dựng đồ thị với trục hoành là góc quay trục khuỷu, trục tung là lượng cung cấp trên 10 góc quay trục khuỷu (dV/dϕ)

Hình 3.9: Đặc Tính phun vi phân

θ: Góc nâng tối đa ϕ: Góc công tác trục cam V: Thể tích công tác

3.3.3 Đặc tính phun tích phân [13]

Để xác định lượng nhiên liệu từ thời điểm ra khỏi lỗ phun tới một điểm bất kỳ ta có công thức tính thể tích nhiên liệu cấp:

Phân tích mục 3.3.2 và 3.3.3 cho thấy, nếu chúng ta biết trước các thông

số đặc tính cung cấp nhiên nhiên liệu của bơm cao áp theo tốc độ và chế độ tải trong cho kim, các thông số về lỗ tia phun theo đặc tính phun Chúng ta có thể xác định được vận tốc tia phun, độ chênh lệch áp suất phun, thể tích phân bố của tia phun, động năng của tia phun và các giai đoạn phun nhiên liệu theo tính chất hoạt động của của động cơ theo các công thức tính toán thuỷ lực

3.4 Quá trình tạo hỗn hợp thô của nhiên liệu

Khi ra khỏi lỗ phun dòng nhiên liệu bị xé nhỏ và tạo thành chùm tia, đi càng xa lỗ tia vận tốc của chùm tia có vận tốc càng giảm dần do tác động của lực khí động của dòng khí bên trong buồng cháy cuối hành trình nén Vận động của chùm hạt nhiên liệu lôi kéo theo lớp không khí bao quanh, đặc biệt là khu vực lõi của chùm tia Khu vực tập trung nhiên liệu là nơi có kích thước hạt và mật độ phân bố lớn Không khí cuốn theo chùm tia một mặt làm giảm tốc tương đối của các hạt so với tốc độ dòng khí do đó giảm lực khí động của không khí, mặt khác làm cho không khí bên trong chùm tia bị dồn ra vùng bên ngoài Phần nhiên liệu phun ra trước gặp sức cản của không khí lớn nên tốc độ bị giảm mạnh, phần nhiện liệu phun ra sau được phun vào môi trường đang vận động nên tốc độ giảm chậm hơn Vì thế, tốc độ giảm chậm hơn vì thế động năng của dòng nhiên liệu này có lớn sẽ đuổi kịp và gạt phần nhiện liệu phun ra trước ra các vùng kế để đi vào lõi chùm tia Quá trình trên đã tạo thành chùm tia rối loạn hai pha (không khí-nhiên liệu)

- Pha 1 phần lõi tia có tốc độ lớn và mật độ phân bố nhiên liệu cao, kích thước hạt lớn

- Pha 2 phần võ bên ngoài có tốc thấp và mật độ phân bố nhiên liệu thấp, kích thước hạt nhỏ

Do vùng võ của chùm tia hạt có đường kính nhỏ, được hình thành khi phun nên tốc độ thay đổi nhanh Vì thế, sự phát triển của chùm tia có mật độ

khác nhau không đồng nhất, không ổn định Quá trình này xem như quá trình hỗn hợp sự phát triển của tia có mật độ khác nhau Quá trình hình thành hỗn hợp thô chỉ xem xét ở pha 1 tập trung các hạt có tốc lớn, do bị tác động bỡi dòng khí cuối hành trình nén nên nó bị hãm lại do động năng của chùm tia lớn nên dòng tia cứ tiếp tục dịch chuyển tới đỉnh của chùm tia Vì thế, khi xuất hiện dòng hướng tâm mạnh, dòng hỗn hợp này đẩy các hạt ra pha 2 sự chuyển động này gây ra sự hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí [2]

Hình 3.11: Phân bố pha trong chùm tia

1 Lõi chùm tia;2.Vỏ chùm tia;3.Đỉnh chùm tia;γCT: Góc tán xạ chùm tia.

Sf : Nồng độ nhiên liệu;RCT: Bán kính chùm tia

Sự trao đổi diễn ra giữa lõi và không khí môi trường xung quanh chủ yếu

do chuyển động rối gây ra để tạo quá trình hình thành hỗn hợp ở pha 2 đủ điều kiện bốc cháy lý tưởng, nhưng càng đi vào phần lõi của chùm tia hỗn hợp càng có độ đậm đặc lớn hơn 1 Khi hỗn hợp bốc cháy đã tạo điều kiện thuận lợi nhiệt phân nhiên liệu dẫn đến sự hình thành tách mạch cacbon tự do để hình thành

muội than (Soot) và hydrocacbua (HC) dư

3.4.1 Độ đồng nhất của nhiên liệu [10]

Độ đồng nhất được đạt trưng bởi sai số bình phương đường kính đường kính hạt Vì vậy, khi phun đồng nhất thì các hạt phải có đường kính được tính bằng công thức:

tb

r

Khi phun đồng nhất là yếu tố tạo nên hỗn hợp đồng nhất Nhưng môi trường pha 2 thì hỗn hợp chủ yếu là không đồng nhất Chất lượng hỗn hợp không khí và nhiên liệu quyết định tính đồng nhất của hỗn hợp Vì thế, hỗn hợp càng đồng nhất là hỗn hợp phải có chỉ số đậm đặc lớn hơn 1, chủ yếu diễn ra ở

pha 1

Hình 3.12: Mức độ phân bố nồng độ trong tia phun

3.4.2 Chất lượng phun [1]

Chất lượng phun là một thông số được đặc trưng bởi hai chỉ số : đặc tính phun của nhiên liệu và đường kính hạt Khi phun càng đột ngột với áp suất càng cao thì sẽ nâng cao được đặc tính phun của nhiên liệu đồng thời cho đường kính hạt nhỏ Do đó sẽ làm tăng được diện tích tiếp xúc của nhiên liệu và không khí Nhờ vậy, sẽ làm tăng tốc khả năng trao quá trình công tác trong xilanh sẽ tốt hơn Vì thế, có thể làm tăng tốc độ động cơ và tăng công suất của động cơ Chất lượng phun phụ thuộc vào áp suất phun, kích thứơc lỗ phun, chất lượng bơm cao áp, độ nhớt, lực căng mặt ngoài, khối lượng riêng của nhiên liệu Chính vì thế, để cải thiện chất lượng phun chúng ta phải cân nhắc và cải thiện các yếu tố trên

1.Đường đặc tính phun ứng với đường kính lỗ 0,4 mm.

2 Đường đặc tính phun ứng với đường kính lỗ 0,57 mm

3 Đường đặc tính phun ứng với đường kính lỗ 0,8 mm

Hình 3.13: Chất lượng phun nhiên liệu của tia kim phun

3.4.3 Lưu động nhiên liệu qua lỗ tia [13]

Khi phun nhiên liệu vào buồng cháy dưới áp suất cao thì nhiên liệu được tách thành nhiều hạt nguyên nhân tán xạ này do nhiễu loạn của tia phun phát sinh khi dòng nhiên liệu đi qua lỗ bị cơ chế rối loạn tác động làm phá vỡ chùm tia gây nên

Cơ chế tạo sương do hình dáng tiết diện ngang của lỗ, chất lượng bề mặt dọc thành lỗ theo đường tâm không giống nhau, dưới áp lực phun lớn, tốc độ lưu động của dòng nhiên liệu tại các điểm trên mặt cắt ngang không giống nhau Tốc độ tại vùng tâm lớn, tại các vùng tiếp xúc với biên nhỏ do ma sát và xoáy thành ống gây nên Do vậy, khi thoát ra khỏi lỗ phun trong tia xuất hiện thành phần lực vuông góc với đường tâm tia, lực này là lực kích động ban đầu Lực liên kết giữa các phần tử và lực căng mặt ngoài của nhiên liệu có xu hướng giữ cho tia chuyển động liên tục Nhưng lực kích động ban đầu và lực khí động tồn tại bên trong buồng cháy lại có xu hướng xé toạt tia phun thành những hạt nhỏ lúc này tạo ra cơ chế rối loạn chùm tia cơ chế này càng diễn ra mạnh khi lực kích động ban đầu càng tăng Vì thế, với các hệ thống phun cao áp (Commom_rail) người ta tăng áp suất phun để tăng tốc độ lưu động của tia phun qua lỗ tia Mặt khác, việc cường hoá công suất động cơ nâng cao tỷ số nén đã làm cho lực khí động của động cơ cuối hành trình nén tăng cao Chính vì thế, làm tăng lực kích động ban độ làm cho dòng nhiên liệu khí thoát ra khỏi lỗ phun bị xé tơi hơn

Hình 3.14: Sự lưu động nhiên liệu qua lỗ tia

3.4.4 Sự hình thành chùm tia khi ra khỏi lỗ phun [10]

Tia nhiên liệu được phun thành các hạt nhỏ, dưới các tác động bỡi các yếu tố bên trong và bên ngoài tia phun cộng thêm cơ chế rối loạn ở lỗ tia đã làm cho dòng nhiên liệu bị xé tan thành các hạt Sự tách tia đầu tiên khi tia rời khỏi lỗ phun do ảnh của nhiễu ngang, dọc trong tia chảy rối và nhiên liệu bị nén Mặt khác, do các yếu tố tác động bên ngoài tác động lên tia ngăn cản không cho tia chuyển động vào buồng cháy Nhưng do dòng nhiên liệu cứ tiếp tục chuyển động với tốc độ cao làm cho các hạt bị biến dạng dưới các yếu tố tác động Khi đó, các hạt có kích thước lớn sẽ bị chia nhỏ, sự biến dạng và phân rã hạt đã tạo nên sức căng mặt ngoài của hạt nhiên liệu Sức căng càng tăng khi đường kính hạt càng nhỏ Hạt giữ được trạng thái ổn định khi nó cân bằng với các yếu tố tương tác Như vậy, sự hình thành chùm tia diễn ra khi bị các yếu tố tương tác lực khí động, nhiễu loạn và nhiệt độ có xu hướng làm xé tan chùm tia, nhưng do sức căng mặt ngoài và lực liên kết các phân tử có xu hướng giữa nguyên chùm tia vì thế, tạo nên sự hình thành chùm tia

Thời gian phun (t)

Hình 3.15: Quá trình hình thành tia phun

3.4.5 Hình dáng chùm tia [11]

Hình dáng hình học của chùm tia được được đặc trưng bỡi bốn thông số:

Chiều dài tia phun, bề rộng tia phun, góc côn của tia phun, vận tốc tia phun Nếu xét ở mặt phẳng thì ta có thể thấy giữa chiều dài và góc côn của tia phun có mối liên hệ lẫn Nếu phun càng tơi thì tia càng mảnh, ngắn và rộng Nếu phun càng thô thì tia càng chặt và khó tác động

Theo G.Xitki để tính chiều dài tia phun chúng ta có thể sử dụng công thức sau:

35 0 3

0 48

0

tb nl tb

tb l tp

d d

d A L

ρ

ρµ

ωρ

trong đó:

-AL: thông số kết cầu vòi phun

- ω : vận tốc tia phun

- µ : độ nhớt của nhiên liệu

Hình 3.16: Hình dáng chùm tia phun

ω

3.5 Quá trình bay hơi của nhiên liệu

Do áp suất môi chất công tác cuối hành trình nén cao hơn áp suất tới hạn của các nguyên tử hydrocacbua có trong nhiên liệu Vì thế, khi phun vào buồng cháy các nguyên tử hydrocacbua ở dạng hạt thô thì không thể hoà trộn đựơc mặt dù nhiệt độ lúc này trong buồng cháy khá cao Việc hoà trộn nhiên liệu để thực hiện cơ chế chuyển đổi pha chỉ bằng phương pháp bay hơi Khi các hạt

nhiên liệu có tốc độ chuyển động khá lớn, thắng được sức căng mặt ngoài đã làm cho các phân tử hydrocacbua tác khỏi hạt nhiên liệu, nếu nhiệt độ của hạt càng cao thì năng lượng thì số phân tử hydrocacbua có đủ năng lượng tách khỏi chùm tia càng lớn Thế nhưng điều này, sẽ làm cho nhiệt độ các phân tử hydrocacbua hạ thấp xuống Để bảo toàn năng lượng và nâng cao cường độ bay hơi thì phải cấp nhiệt cho hạt để bổ sung năng lượng hình thành cho các phân tử hydrocacbua khi nó hình thành Hiện tượng bay hơi sẽ quay ngược lại hạt nếu số phần tử hydrocacbua nếu các phân tử này va chạm với bề mặt của các hạt nhiên liệu hiện tượng này diễn ra càng mạnh sẽ làm cho các phân tử quay ngược trở lại càng nhiều làm cho tốc độ bay hơi diễn ra càng chậm Vì thế, cần phải thiết lập trạng thái cân bằng giữa số phân tử tách và phân tử quay ngược trở lại hạt để tạo ra trạng thái bão hoà cho hỗn hợp Như vậy, để tăng tốc độ bay hơi của hạt cần phải tạo ra trạng thái tăng cường cho các phần tử hydrocacbua tách hạt hàng loạt, điều này chỉ thực hiện bằng phương pháp khuếch tán phân tử

Tóm lại, quá trình bay hơi của hạt diễn ra ba giai đoạn rõ rệt [1]:

- Giai đoạn I: Hạt bị sấy nóng và bị tăng tốc độ làm tăng sức căng mặt ngoài

- Giai đoạn II: Là giai đoạn hạt nhiên liệu bị các phân tử hydrocacbua tách

khỏi bề mặt làm cho kích thức hạt càng ngày càng nhỏ dần rồi biến mất

- Giai đoạn III: Là giai đoạn hạt đạt trạng thái bão hoà giữa trạng thái các phần

tử hydrocacbua tách và các phần tử hydrocacbua quay ngược trở lại hạt nhiên liệu, giai đoạn này là phụ thuộc tuyến tính vào cơ chế tác động từ bên ngoài Nếu không cơ chế bay hơi sẽ giảm dần