Biên soạn tài liệu tham khảo môn thực hành động cơ diesel phần 1

Hệ thống nhiên liệu Common Rail là một cải tiến trong động cơdiesel và là một trong số những hệ thống được khách hàng quan tâm hiện nay khi mua xe ô tô vì những lợi ích mà

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Tên đề tài BIÊN SOẠN TÀI LIỆU THAM KHẢO MÔN

THỰC HÀNH ĐỘNG CƠ DIESEL PHẦN 1

SVTH: LƯU ĐIỆP ĐĂNG KHOA MSSV: 13145123

SVTH: TRẦN HỮU TỪ GIANG MSSV: 13145078

GVHD: ThS CHÂU QUANG HẢI

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Tên đề tài BIÊN SOẠN TÀI LIỆU THAM KHẢO MÔN

THỰC HÀNH ĐỘNG CƠ DIESEL PHẦN 1

SVTH: LƯU ĐIỆP ĐĂNG KHOA MSSV: 13145123

SVTH: TRẦN HỮU TỪ GIANG MSSV: 13145078

GVHD: ThS CHÂU QUANG HẢI

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2018

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, chúng em xin cảm ơn nhà trường và quý thầy cô đã xây dựng môi trườnghọc tập tốt, truyền đạt kiến thức cũng như những kinh nghiệm để chúng em có thể gặt háiđược thành quả trong các năm qua

Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Châu Quang Hải Thầy làngười hướng dẫn nhiệt tình, luôn đưa ra những nhận xét đúng đắn để chúng em hoànthành đề tài tốt nghiệp được kịp thời và hoàn thiện nhất có thể

Sau cùng, tuy có nhiều nỗ lực, nhưng do thời gian thực hiện đề tài không nhiều vàkiến thức, kinh nghiệm còn hạn chế nên đồ án tốt nghiệp còn nhiều thiếu sót Do đó,chúng em kính mong quý thầy cô, bạn bè thông cảm và rất mong nhận được ý kiến từmọi người để hoàn thiện đề tài tốt hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2018Nhóm sinh viên thực hiện

Lưu Diệp Đăng Khoa Trần Hữu Từ Giang

Trang 4

TÓM TẮT

1 Lời nói đầu:

Trong xu thế hội nhập hiện nay, nền công nghiệp Việt Nam đang phát triển rất mạnhvà đặc biệt là ngành kỹ thuật ô tô Vấn đề đi lại, vận chuyển ngày càng tăng của conngười trên toàn thế giới Ô tô gần như là phương tiện chủ lực đáp ứng mọi nhu cầu đó.Công nghệ ô tô là một ngành khoa học kỹ thuật phát triển rất nhanh trên phạm vi toàn thếgiới, để đáp ứng nhu cầu trên đã làm cho tốc độ gia tăng số lượng ô tô trên thế giới rấtnhanh Do đó, tình hình giao thông ngày càng phức tạp và nảy sinh ra các vấn đề cấpbách cần phải giải quyết như tai nạn giao thông, ô nhiễm môi trường, khủng hoảng nhiênliệu… Để giải quyết các vấn đề đó, đòi hỏi ngành công nghệ ô tô phải áp dụng khoa học

kỹ thuật tiên tiến trong thiết kế, ứng dụng các nguyên vật liệu và công nghệ hiện đại đểcho ra đời những chiếc xe ngày càng hoàn hảo với tính năng vận hành và tính an toànvượt trội Một trong những hệ thống liên quan đến điều khiển động cơ đó là hệ thốngnhiên liệu Common Rail Hệ thống nhiên liệu Common Rail là một cải tiến trong động cơdiesel và là một trong số những hệ thống được khách hàng quan tâm hiện nay khi mua xe

ô tô vì những lợi ích mà nó mang lại khi sử dụng như: tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễmmôi trường, công suất lớn, giảm tiếng ồn trong động cơ Và trong quá trình học tập,chúng em đã được tiếp xúc, tìm hiểu về hệ thống nhiên liệu này và nhận thấy đây là đề tàiliên quan đến chuyên nghành cơ khí động lực của mình Chính vì vậy chúng chúng em đã

chọn đề tài tốt nghiệp: “Biên soạn tài liệu tham khảo môn thực hành động cơ Diesel phần 1”.

Đề tài “Biên soạn tài liệu tham khảo môn thực hành động cơ Diesel phần 1” cũng

giúp cho chúng em hiểu thêm về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các chi tiết trên

động cơ cũng như hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel

Trang 5

2 Lý do chọn đề tài:

Kể từ khi ra đời vào năm 1890, động cơ diesel đã khẳng định tầm quan trọng củamình trong lĩnh vực ô tô nói riêng và trong các lĩnh vực thương mại, dịch vụ nói chung.Động cơ diesel được ứng dụng nhiều trên các loại xe thương mại chuyên chở hàng hóa,trên xe buýt công cộng, trên các tàu biển công suất lớn và đặt biệt là các máy móc, các xechuyên dụng như xe bồn, xe ben, xe quân sự Những điều này có được nhờ vào đặc tínhkinh tế và công suất của động cơ Tuy nhiên, theo thời gian, người ta nhận ra rằng ở động

cơ diesel có một thiếu sót quan trọng, đó là khí thải Việc hạn chế khí thải ô tô, bảo vệmôi trường đang là ưu tiên hàng đầu của thế giới nói chung và ngành ô tô nói riêng Từđó, người ta bắt đầu nghiên cứu và cho ra đời nhiều hệ thống điều khiển nhằm hạn chếkhí thải của động cơ và tối ưu hóa khả năng hoạt động của nó Và những hệ thống điềukhiển này dần dần được phát triển và thay thế để hình thành nên hệ thống Diesel điềukhiển điện tử như ngày hôm nay Hệ thống Diesel điều khiển điện tử không chỉ mang lạitính năng giảm khí thải tốt mà còn nâng cao được khả năng vận hành của động cơ như độ

êm dịu, tính năng an toàn, tiện nghi và đặt biệt là công suất và tiêu hao nhiên liệu Đểhiểu rõ hơn, cũng như tạo ra cơ sở lý thuyết cho những người nghiên cứu sau này về hệthống Diesel điều khiển điện tử, chúng em đã quyết định chọn và tiến hành thực

3 Mục tiêu nghiên cứu của đồ án:

- Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về động cơ Diesel.

- Các thành phần trong hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel thông thường.

- Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống Common Rail.

- Các thành phần trong hệ thống cung cấp nhiên liệu trong hệ thống Common Rail.

- Tạo cơ sở lý thuyết về hệ thống Diesel điều khiển điện tử, phục vụ cho việc tham

khảo cho các nghiên cứu sâu hơn về quản lý động cơ Diesel

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu là động cơ Diesel bốn kỳ và lý thuyết về hệ thống Diesel điềukhiển điện tử Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về động cơ Diesel.

- Các thành phần trong hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel thông thường.

- Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống Common Rail.

Trang 6

- Các thành phần của hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail

- Ứng dụng của hệ thống Common-Rail trên các dòng xe khách và xe thương mại.

5 Phương pháp nghiên cứu:

Để thực hiện đề tài, nhóm chúng em sử dụng nhiều phương pháp nghiên cứu nhưngchủ yếu là phân tích và tổng hợp lý thuyết Bên cạnh đó, chúng em còn dịch một số tàiliệu chuyên ngành bằng tiếng Anh để phục vụ cho công việc

6 Các nội dung chính của đề tài:

- Tóm tắt.

- Chương 1: Giới thiệu tổng quan về động cơ Diesel

- Chương 2: Tổng quan về hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel

- Chương 3: Hệ thống Common-Rail và ứng dụng.

- Chương 4: Kết luận.

Trang 7

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC HÌNH, BIỂU ĐỒ x

DANH MỤC BẢNG xiv

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DIESEL 1

1.1.Lịch sử ra đời của động cơ Diesel 1

1.1.1.Ý tưởng cho một động cơ mới 2

1.1.2.Bằng sáng chế của Diesel 2

1.1.3.Thực hiện hóa động cơ 2

1.2.Các lĩnh vực ứng dụng động cơ Diesel 3

1.2.1.Động cơ Diesel sử dụng trên xe thương mại 3

1.2.2.Động cơ diesel sử dụng trên xe khách 5

1.2.3.Những lĩnh vực ứng dụng khác 6

1.3.Nguyên lý hoạt động của động cơ Diesel 7

1.3.1.Động cơ Diesel 4 kỳ 7

1.3.3.Tỷ số nén 9

1.3.4.Mô-men xoắn của động cơ 9

1.3.5.Công suất đầu ra 10

1.3.6.Đồ thị P-V của chu trình thực tế 11

1.3.7.Hiệu suất 12

1.3.8.Các trạng thái hoạt động 12

1.3.9.Điều kiện hoạt động 15

Trang 8

1.4.Hệ thống phun nhiên liệu trên động cơ diesel 17

1.4.1.Buồng đốt 17

1.4.2.Công nghệ của Bosch cho động cơ diesel 21

1.5.Nhiên liệu cho động cơ diesel 22

1.5.1.Dầu diesel 22

1.5.2.Các loại nhiên liệu thay thế trên động cơ diesel 27

1.6.Hệ thống điều khiển khí nạp 30

1.6.1.Bơm tăng áp turbocharger và supercharger 32

1.7.Sự hòa trộn hỗn hợp không khí/nhiên liệu 47

1.7.1.Hệ số dư lượng không khí λ 47

1.7.2.Mức Lambda trong động cơ diesel 48

1.8.Các thông số của quá trình phun nhiên liệu 49

1.8.1.Bắt đầu phun và phân phối nhiên liệu 49

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU DIESEL 62

2.1 Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu 62

2.2 Các thành phần của hệ thống cung cấp nhiên liệu 64

2.2.1 Thùng chứa 64

2.2.2 Lọc nhiên liệu 64

2.2.3.Đường ống dẫn nhiên liệu 66

2.2.4 Bơm tiếp vận 67

2.2.5 Ống phân phối 73

2.2.6 Bộ làm mát ECU 74

2.2.7 Bộ làm mát nhiên liệu 74

2.2.8 Một số van bổ sung cho bơm cao áp thẳng hàng 76

Trang 9

2.2.9 Bơm cao áp cá nhân (PF) 79

2.3.Tổng quan về hệ thống bơm kim liên hợp (UIS) và hệ thống bơm cá nhân (UPS) 80

2.3.1 Hệ thống bơm kim liên hợp (UIS) 90

2.3.2 Hệ thống bơm phun cá nhân (UPS) 102

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG COMMON-RAIL 105

3.1 Tổng quan về hệ thống Common-Rail 105

3.2.Các thành phần của hệ thống Common-Rail 108

3.2.1.Bơm cao áp 108

3.2.2.Ống phân phối nhiên liệu 114

3.2.3.Van giảm áp 115

3.2.4.Van điều áp 117

3.2.6 Kim phun 121

3.2.7 Đót kim phun 147

3.3.Nguyên lý hoạt động của hệ thống Common-Rail 160

3.3.1 Tạo áp lực 161

3.3.2 Điều khiển áp suất 161

3.3.3 Điều khiển phun nhiên liệu 162

3.3.4 Áp suất phun thay đổi linh hoạt theo tải động cơ 163

3.3.5 Quá trình điều khiển và điều chỉnh 163

3.3.6 Thành phần cấu tạo của bộ điều khiển 164

3.4 Ứng dụng 164

3.4.1 Hệ thống Common-Rail cho xe khách 164

3.4.2 Hệ thống Common-Rail sử dụng cho xe thương mại 170

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 174

Trang 11

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Trang 12

CRS Common-Rail System

Trang 13

DANH MỤC CÁC HÌNH, BIỂU ĐỒ

Hình 1.1 Chân dung của Rudolf Diesel và bằng sáng chế động cơ mới của ông 1

Hình 1.2 Động cơ diesel phun trực tiếp đầu tiên của MAN, 1924 3

Hình 1.3 Xe tải MAN chạy bằng động cơ diesel 4

Hình 1.4 Bơm phun nhiên liệu thẳng hàng của Bosch trong động cơ xe Mercedes 260D 5 Hình 1.5 Quá trình hoạt động của động cơ diesel 4 kỳ 7

Hình 1.6 Sơ đồ phân phối khí của động cơ diesel 8

Hình 1.7 Đồ thị đường đặc tính mô-men và công suất của 2 động cơ Diesel 11

Hình 1.8 Đồ thị P-V cho chu trình thực với động cơ không tăng áp và tăng áp 11

Hình 1.9 Sơ đồ biểu thị sự ảnh hưởng của vị trí bàn đạp ga đến tốc độ động cơ 15

Hình 1.10 Lượng nhiên liệu liên quan đến tốc độ động cơ và tải, những điều chỉnh cần thiết để thay đổi nhiệt độ và áp suất không khí 16

Hình 1.12 Động cơ phun trực tiếp 18

Hình 1.13 Hệ thống có buồng đốt trước 19

Hình 1.14 Hệ thống có buồng xoáy lốc 20

Hình 1.15 Bơm cao áp cho động cơ diesel đầu tiên của Bosch 21

Hình 1.15 Nhiên liệu tiêu chuẩn để thử nghiệm trị số cetan 24

Hình 1.16 Quy trình sản xuất dầu diesel sinh học 28

Hình 1.17 Hệ thống điều khiển khí nạp trên động cơ diesel 31

Hình 1.18 Xe thương mại sử dụng bộ tăng áp turbocharger với tuabin dòng đôi 33

Hình 1.19 Bộ tăng áp turbocharger có cổng xả 35

Hình 1.20 Bộ turbo tăng áp có tuabin thay đổi hình dạng cán 36

Hình 1.21 Phương thức hoạt động của turbo tăng áp có tuabin thay đổi dòng khí 37

Hình 1.23 Turbo tăng áp hai giai đoạn 40

Hình 1.24 Bộ tăng áp supercharger piston tịnh tiến với piston cứng 41

Hình 1.25 Bộ tăng áp supercharger piston tịnh tiến với màng ngăn 41

Hình 1.26 Bộ tăng áp supercharger dạng cánh xoắn 42

Hình 1.27 Mặt cắt của bộ tăng áp Roots 43

Hình 1.28 Sự hình thành sự xoáy lốc trong ống nạp 44

Trang 14

Hình 1.29 Lưới lọc trung gian được làm từ sợi tổng hợp 45

Trang 15

Hình 1.30 Bộ lọc khí nạp cho xe ô tô 46

Hình 1.31 Lọc giấy cho xe thương mại 47

Hình 1.32 Đường cong tỉ lệ A/F khi giọt nhiên liệu đứng yên 49

Hình 1.33 Đường cong tỉ lệ A/F khi giọt nhiên liệu chuyển động 49

Hình 1.34 So sánh sự bắt đầu phun thay đổi theo tốc độ động cơ và tải .50

Hình 1.35.a,b Chỉ số lượng tiêu hao nhiên liệu be (bên trái) và lượng NOx (bên phải) tại thời điểm bắt đầu phun và trong quá trình phun 54

Hình 1.35.c,d Chỉ số lượng phát thải HC (bên trái) và muội than (bên phải) tại thời điểm bắt đầu phun và trong quá trình phun 54

Hình 1.36 Đường cong áp suất phun cho hệ thống phun nhiên liệu thông thường 56

Hình 1.37 Đồ thị kiểu phun nhiên liệu của hệ thống Common-rail 56

Hình 1.38 Các giai đoạn phun nhiên liệu trong hệ thống Common-Rail 57

Hình 1.40 Áp lực phun trong động cơ phun nhiên liệu trực tiếp tại số vòng quay 1200 vòng/phút 61

Hình 2.1 Hệ thống cung cấp nhiên liệu trên động cơ Diesel 62

Hình 2.3 Cấu tạo bơm Roller- cell 68

Hình 2.4 Cấu tạo bơm tiếp vận kiểu bánh răng 69

Hình 2.5 Nguyên lý hoạt động của bơm bánh răng 70

Hình 2.6 Cấu tạo bơm cánh quạt 71

Hình 2.7 Cấu tạo bơm tiếp vận kép 72

Hình 2.8 Van điều khiển áp suất cho hệ thống UI/UP 73

Hình 2.9 Chu trình làm mát nhiên liệu 74

Hình 2.11 Van đóng ngắt máy bằng điện (ELAB) 77

Hình 2.12 Quá trình cung cấp nhiên liệu sử dụng thiết bị ngắt điện thủy lực (EHAB 78

Hình 2.13 Bơm PF45 trong hệ thống Common- Rail 80

Hình 2.14 Các vùng hệ thống của hệ thống UI và UP 82

Hình 2.15 Áp suất cao sinh ra trong hệ thống UI và UP 83

Hình 2.16 Sơ đồ hệ thống UI sử dụng cho xe khách 86

Hình 2.17 Sơ đồ hệ thống UI/UP sử dụng cho xe thương mại .89

Hình 2.19 Sự bố trí kim phun ở nắp máy động cơ (dòng xe thương mại) 91

Hình 2.20 Cấu tạo của kim phun UI cho xe khách (dùng cho động cơ có 2 xupap) .92

Trang 16

Hình 2.21 Cấu tạo kim phun UI cho xe thương mại 93

Hình 2.22 Kỳ nạp 94

Hình 2.23 Kỳ nén 95

Hình 2.24 Bắt đầu phun sơ khởi 96

Hình 2.25 Kết thúc phun sơ khởi 97

Hình 2.27 Kỳ dư 99

Hình 2.28 Giai đoạn phun sơ khởi: bộ giảm chấn chưa hoạt động 100

Hình 2.30 Nguyên lý hoạt động của bơm kim liên hợp UI (cho xe thương mại 101

Hình 2.31 Cấu tạo của bơm phun cá nhân UP 102

Hình 2.32 Cấu tạo của bơm UP dành cho xe thương mại 103

Hình 2.33 Trình tự kích hoạt van solenoid cao áp 105

Hình 3.1 Hệ thống Common-Rail trong động cơ điesel 5 xi lanh 106

Hình 3.2 Các môđun hệ thống của ECU động cơ và hệ thống Common-Rail 107

Hình 3.3 Mặt cắt bơm cao áp (kiểu cơ khí) 109

Hình 3.4 Cấu tạo bơm cao áp CP1(có lắp van điều áp) 111

Hình 3.5 Bơm cao áp CP1H có lắp thiết bị đo nhiên liệu 112

Hình 3.6 Bơm cao áp CP3 có lắp thiết bị đo nhiên liệu (ZME) và bơm tiếp vận kiểu bánh răng 113

Hình 3.7 Cấu tạo bơm cao áp CP2 114

Hình 3.8 Ống phân phối có lắp các bộ phận 115

Hình 3.9 Van giảm áp DBV4 116

Hình 3.10 Cấu tạo van điều áp DRV1 118

Hình 3.12 Cấu tạo cảm biến áp suất nhiên liệu 120

Hình 3.13 Đường đặc tính điện áp của cảm biến áp suất cao 121

Hình 3.14 Sơ đồ cấu tạo kim phun solenoid 122

Hình 3.15 Trình tự kích hoạt của kim phun solenoid cap áp trong 1 lần phun 125

Hình 3.16 Cấu tạo kim phun piezo thẳng hàng 127

Hình 3.17 Nguyên lý hoạt động của van điều khiển 128

Hình 3.18 Nguyên lý hoạt động của cây đẩy 130

Hình 3.19 Tần số kích hoạt kim phun piezo thẳng hàng trong một lần phun 131

Trang 17

Hình 3.20 Các thế hệ vòi phun sử dụng trên các hệ thống phun nhiên liệu và động cơ

Diesel 132

Hình 3.21 Cấu tạo kim phun lỗ tia kín 134

Hình 3.22 Cấu tạo kim phun lỗ tia kín loại có tia phun dẹt thẳng đứng 136

Hình 3.23 Sự thay đổi lưu lượng thể tích nhờ thiết kế của chuôi kim (đầu phun) 137

Hình 3.24 Cấu tạo ống cách nhiệt 137

Hình 3.25 Vị trí của kim phun lỗ tia hở trong buồng đốt 138

Hình 3.26 Mặt cắt cấu tạo của đầu phun lỗ tia hở 140

Hình 3.27 Cấu tạo của đầu phun lỗ tia hở có lỗ bao hình trụ và đỉnh hình tròn 141

Hình 3.28 Cấu tạo của các loại đầu phun lỗ tia hở 142

Hình 3.29 Đầu phun lỗ tia kín (VCO) 143

Hình 3.30 Những yếu tố quan trọng của vòi phun 144

Hình 3.31 Sự phát triển một số công cụ dành cho vòi phun 146

Hình 3.32 Sơ đồ cấu tạo đót kim sử dụng trong động cơ phun trực tiếp (DI) 147

Hình 3.34 Cấu tạo đót kim tiêu chuẩn sử dụng trong động cơ phun trực tiếp (DI) 149

Hình 3.35 Cấu tạo bộ giảm chấn van kim 150

Hình 3.37 Đồ thị đường đặc tính của đót kim hai lò xo 152

Hình 3.38 Cấu tạo đót kim có bậc 153

Hình 3.39.Cấu tạo đót kim có cảm biến chuyển động van kim 154

Hình 3.40 Tín hiệu của cảm biến chuyển động van kim 155

Hình 3.41 Bộ phận nối ống cao áp được lắp mặt côn làm kín có đai ốc 156

Hình 3.42 Các kích thước của mặt côn làm kín 157

Hình 3.43 Sơ đồ mặt cắt đầu nối chịu tải trọng lớn 158

Hình 3.44 Sơ đồ cấu tạo khớp nối vuông góc 158

Hình 3.45 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống Common-Rail 161

Hình 3.46 Hệ thống Common-Rail thế hệ thứ hai trên động cơ 4 xi lanh 166

Hình 3.47 Hệ thống Common- Rail thế hệ thứ hai với động cơ V8 sử dụng hệ thống kết hợp 166

Hình 3.48 Hệ thống Common- Rail trên động cơ 4 xilanh sử dụng hệ thống kết hợp 166

Hình 3.49 Sơ đồ hệ thống CR sử dụng cho xe khách 169

Hình 3.50 Hệ thống Common- Rail trên xe thương mại sử dụng bơm cao áp CP3 170

Hình 3.51 Sơ đồ hệ thống Conmon-Rail trên xe thương mại 173

Trang 18

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn nhiên liệu ở Châu Âu 23

Bảng 1.2 Tính chất của nhiên liệu diesel và FAME (Biodiesel sinh học) 29

Bảng 3.1 Hệ thống bơm cao áp của Bosch sử dụng trong hệ thống Common-Rail 107

Bảng 3.2 Các kích thước chính của ống phân phối cao áp (mm) 160

Trang 19

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DIESEL

1.1 Lịch sử ra đời của động cơ Diesel

Ngay từ đầu năm 1863, một người Pháp tên Etienne Lenoir đã vận hành một chiếc xeđược trang bị động cơ sử dụng khí mà ông đã phát triển Tuy nhiên, thiết bị này đượcchứng minh là không phù hợp cho việc lắp đặt trong xe Mãi đến khi động cơ bốn thì củaNikolaus August Otto với hệ thống đánh lửa magneto hoạt động với nhiên liệu lỏng rađời, thì việc lắp đặt động cơ trên xe mới có thể thực hiện

Tuy nhiên, loại động cơ này không mang lại hiệu quả cao Về mặt lý thuyết, động cơcủa Rudolf Diesel đã đạt đuợc hiệu suất cao hơn và ông đã theo đuổi ý tưởng này cho đếnkhi nó được sản suất hàng loạt

Năm 1897, với sự hợp tác của Maschinen-Fabrik Augsburg-Nürnberg (MAN), RudolfDiesel đã chế tạo ra một động cơ đầu tiên sử dụng nhiên liệu nặng rẻ tiền Tuy nhiên,động cơ diesel đầu tiên này rất cồng kềnh, nó cao 3 mét và nặng đến 4,5 tấn Vì lý do đó,động cơ này vẫn chưa được quan tâm để sử dụng trên các phương tiện đường bộ

Với những cải tiến hơn nữa trong việc phun nhiên liệu và sự hình thành hỗn hợp, phátminh Diesel sớm được mọi người ưa chuộng và không còn lựa chọn nào khác cho động

cơ tàu thủy và động cơ tĩnh tại

Hình 1.1 Chân dung của Rudolf Diesel và bằng sáng chế động cơ mới của ông

Rudolf Diesel (1858-1913), sinh ra ở Paris, đã quyết định trở thành kĩ sư từ khi 14

Trang 20

tuổi Ông đã trở thành kĩ sư tốt nghiệp xuất sắc tại Đại học Bách khoa Munich.

1.1.1 Ý tưởng cho một động cơ mới

Ý tưởng của Diesel là thiết kế động cơ với hiệu quả cao hơn đáng kể so với động cơhơi nước – một loại động cơ phổ biến tại thời điểm đó

Một động cơ dựa trên chu trình đẳng nhiệt theo lý thuyết của nhà vật lý người Pháp Sadi Carnot, có thể được vận hành với một hiệu quả cao hơn 90% Ban đầu, Diesel phácthảo động cơ của mình trên giấy dựa trên mô hình của Carnot Mục đích của ông là thiếtkế một động cơ mạnh mẽ nhưng kích thước lại không cồng kềnh Diesel đã hoàn toàn tintưởng bởi các chức năng và sức mạnh của động cơ do ông phát triển

1.1.2 Bằng sáng chế của Diesel

Diesel đã hoàn thành việc nghiên cứu lý thuyết của mình trong năm 1890 và cho đếnngày 27 tháng 2 năm 1892, ông gửi đơn xin cấp bằng phát minh đến Imperial PatentOffice ở Berlin cho động cơ nhiệt mới của ông Ngày 23 tháng 2 năm 1893, ông nhậnđược bằng sáng chế DRP 67207 “Quá trình vận hành và cấu trúc động cơ đốt trong”, cógiá trị từ ngày 28 tháng 2 năm 1892 Động cơ mới này ban đầu chỉ tồn tại trên lý thuyết

Độ chính xác trong tính toán của ông đã được xác minh nhiều lần nhưng nhà sản xuất vẫnhoài nghi về các tính khả thi của động cơ

1.1.3 Thực hiện hóa động cơ

Các công ty có kinh nghiệm trong việc xây dựng động cơ, chẳng hạn nhưGasmotoren-Fabrik Deutz AG cũng e ngại dự án của ông Thời điểm đó, việc tạo ra ápsuất nén 250 bar là khó thực hiện Năm 1893, sau nhiều tháng nỗ lực, Diesel cuối cùng đãthành công trong thỏa thuận làm việc với Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg(MAN) Tuy nhiên, thỏa thuận chứa những nhượng bộ của Diesel trong một vài khíacạnh Áp lực tối đa đã được giảm từ 250 xuống 90 bar, sau đó chỉ còn 30 bar Việc giảm

áp lực thấp như vậy (không thể nâng cao đựợc do những khó khăn trong chế tạo cơ khíthời bấy giờ) đã có một tác động bất lợi lên tính cháy của nhiên liệu Kế hoạch ban đầucủa Diesel là sử dụng bụi than làm nhiên liệu và điều này đã bị bác bỏ Cuối cùng, vàomùa xuân năm 1893, MAN bắt đầu chế tạo thử nghiệm động cơ đầu tiên không được làmmát Ban đầu dầu lửa được chọn làm nhiên liệu, nhưng nhiên liệu được sử dụng lại làxăng, bởi vì những suy nghĩ sai lầm là xăng sẽ tự bắt lửa dễ dàng hơn

Nguyên lý tự cháy – tức là việc phun nhiên liệu vào khí cháy nóng và có áp suất cao

Trang 21

trong khi nén được khẳng định trong động cơ này

Trong động cơ thử nghiệm thứ hai, nhiên liệu không được bơm và hoá sương trực tiếpnhưng có sự trợ giúp của khí nén Động cơ cũng được cung cấp một hệ thống làm mát Cho đến động cơ thử nghiệm thứ ba, một thiết kế mới với một máy bơm không khí đơn lẻcho việc phun khí nén, một bước đột phá mới Vào ngày 17 tháng hai năm 1897, Giáo

sư Moritz Schröder của Đại học Bách khoa Munich đã chấp nhận các thí nghiệm này Kếtquả kiểm tra đã xác nhận rằng hiệu suất động cơ đã đạt được 26,2%

Vào ngày 29 tháng 9 năm 1913, ông được cho là đã rơi xuống biển trên một chuyếntàu đi vào nước Anh

1.2 Các lĩnh vực ứng dụng động cơ Diesel

1.2.1 Động cơ Diesel sử dụng trên xe thương mại

Hình 1.2 Động cơ diesel phun trực tiếp đầu tiên của MAN, 1924

Do áp lực xi lanh cao, động cơ diesel đầu tiên rất lớn và cồng kềnh, do đó nó hoàntoàn không phù hợp khi áp dụng trên các phương tiện di động Cho đến đầu những năm

1920, những động cơ diesel đầu tiên đã được thực hiện Không bị gián đoạn bởi chiếntranh thế giới thứ nhất, Prosper L'Orange - một thành viên trong ban giám đốc điều hànhcủa Benz & Cie – vẫn tiếp tục công việc phát triển động cơ diesel Vào năm 1923, các

Trang 22

trọng 5 tấn với động cơ 4 kỳ có buồng đốt trước, thể tích 8.8L đạt công suất 45 50bhp Xe tải của Benz sử dụng nhiên liệu than nâu được lái thử nghiệm lần đầu tiên vàongày 10 tháng 9 Lượng tiêu hao nhiên liệu thấp hơn 25% so với động cơ sử dụng nhiênliệu là benzen Hơn nữa, các nhiên liệu như than nâu rẻ hơn nhiều so với các nhiên liệulỏng như benzen (do bị đánh thuế cao hơn).

Hình 1.3 Xe tải MAN chạy bằng động cơ diesel

Công ty Daimler đã tham gia vào việc phát triển động cơ diesel trước chiến tranh thếgiới thứ nhất Sau khi chiến tranh kết thúc, công ty này đã áp dụng động cơ diesel cho xethương mại Lần lái thử nghiệm đầu tiên được tiến hành ngày 23 Tháng 8 năm 1923 -Cùng thời điểm với chiếc xe tải của Benz Vào cuối tháng 9 năm 1923, lần lái thử nghiệmtiếp theo được tiến hành từ nhà máy của Daimler ở Berlin đến Stuttgart và quay về lạinhà máy Daimler

Mẫu xe tải trang bị động cơ diesel đầu tiên đã được trưng bày tại buổi triển lãm ô tô ởBerlin vào năm 1924 Ba mẫu xe được giới thiệu với mỗi hệ thống khác nhau theo sựphát triển của động cơ diesel:

- Động cơ diesel của Daimler với công nghệ phun bằng khí nén.

- Động cơ diesel của Benz có buồng đốt trước.

- Động cơ diesel của MAN với công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp.

Theo thời gian, động cơ diesel ngày càng trở nên phổ biến Các loại động cơ diesel

Trang 23

đầu tiên là động cơ bốn xi lanh với công suất đầu ra là 40bhp Năm 1928, động cơ vớicông suất trên 60 mã lực trở nên phổ biến Cuối cùng, động cơ 6 và 8 xi-lanh có côngsuất lớn cũng ra đời và được sử dụng cho xe thương mại có tải trọng lớn Năm 1932,phạm vi công suất được tăng lên đến 140bhp.

Vào năm 1932, với sự đột phá của động cơ diesel, hàng loạt xe tải được sản xuất bởicông ty Daimler-Benz Dòng xe tải Lo2000 có phạm vi tải trọng cho phép từ 2-5 tấn sửdụng động cơ 4 xi lanh OM59, có thể tích 3,8lít và đạt công suất 55bhp Phạm vi tải trọngđược mở rộng lên đến 5 - 10,8 tấn với dòng xe tải L5000 Tất cả những dòng xe trêncũng có thể được trang bị động cơ xăng có công suất đầu ra giống nhau, tuy nhiên động

cơ xăng tiêu thụ nhiên liệu nhiều hơn động cơ diesel

Cho đến ngày nay, động cơ diesel đã duy trì được vị trí ưu thế trong lĩnh vực xethương mại do hiệu quả kinh tế mà nó mang lại Hầu như các loại xe có tải trọng lớn đềusử dụng động cơ diesel Tại Nhật Bản, động cơ này hầu như chỉ sử dụng ở các xe có tảitrọng lớn Tuy nhiên, ở Mỹ và châu Âu, động cơ tăng áp với hệ thống làm mát khí nạp rấtđược ưa chuộng

1.2.2 Động cơ diesel sử dụng trên xe khách

Hình 1.4 Bơm phun nhiên liệu thẳng hàng của Bosch trong động cơ xe Mercedes

260D

Trang 24

Một vài năm trôi qua trước khi động cơ diesel sử dụng trên xe khách được ra mắt.Vào năm 1936, khi xe Mercedes 260D xuất hiện với động cơ diesel bốn kỳ có công suấtđầu ra 45bhp Tại thời điểm này, công suất của động cơ diesel không đủ lớn, nó quá yếu

so với động cơ xăng Hình ảnh của nó chỉ được thay đổi vào những năm 1990 Với hệthống tăng áp khí xả và hệ thống phun nhiên liệu cao áp, động cơ diesel bây giờ đã ở vịtrí ngang hàng với động cơ xăng Không giống như động cơ xăng, động cơ điesel khôngsinh ra tiếng gõ, nó cũng có thể được tăng áp trong phạm vi tốc độ thấp hơn giúp tăngmomen xoắn và hiệu suất dẫn động tốt hơn Một ưu điểm khác của động cơ diesel đó làhiệu suất động cơ cao Vì thế mà động cơ diesel ngày càng trở nên được ưa chuộng tronggiới lái xe ở châu Âu, cứ khoảng 2 xe được đăng kí mới thì có 1 xe là sử dụng động cơdiesel

1.2.3 Những lĩnh vực ứng dụng khác

Khi thời kỳ của máy hơi nước và thuyền buồm vượt qua đại dương dần trở nên lạchậu vào đầu thế kỷ 20, động cơ diesel cũng được xuất hiện và trở thành một phương thứcvận tải mới Con tàu đầu tiên được trang bị động cơ diesel có công suất 25 mã lực đãđược giới thiệu vào năm 1903 Xe lửa đầu tiên được trang bị động cơ diesel và bắt đầuđưa vào phục vụ vào năm 1913 Công suất động cơ của xe lửa này là 1,000bhp Thậm chínhững nhà tiên phong về lĩnh vực hàng không cũng đã có sự quan tâm đến động cơdiesel Động cơ diesel đã được sử dụng để cung cấp sự đẩy trên chiếc khinh khí cầu GrafZeppelin

Trang 25

1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ Diesel

 Kỳ nén (b)

Piston đi từ BDC lên TDC Xupap nạp và xả đều đóng Piston được trục khuỷu dẫnđộng đi lên làm thể tích trong xi lanh giảm, nên áp suất và nhiệt độ của khí nạp trong xilanh tăng Cuối kì nén, kim phun phun một lượng nhiên liệu với áp suất cao vào buồngđốt

 Kỳ nổ (c)

Piston đi từ TDC xuống BDC Xupap nạp và xả đều đóng Nhiên liệu được phun tơi

Trang 26

áp suất và nhiệt độ trong xi lanh cao, hòa khí tự bốc cháy sinh ra áp lực cao đẩy piston đixuống làm trục khuỷu quay và sinh công thông qua thanh truyền.

 Kỳ thải (d)

Piston đi từ BDC lên TDC Xupap nạp đóng, xupap xả mở Piston đi lên đẩy khí thảitrong xi lanh qua cửa thải ra ngoài Khi piston đi đến TDC, xupap xả đóng, xupap nạp

mở, trong xi lanh lại tiếp tục diễn ra kì nạp của chu trình mới

1.3.2 Thời điểm phân phối khí

Phân phối khí là công việc điều khiển hoạt động đóng mở xupap của trục cam sao chođồng bộ với trục khuỷu Các vấu cam ở trên trục cam nạp và thải dùng để điều khiểnxupap nạp và thải tương ứng Ở những động cơ có trục cam đơn sẽ có thêm cơ cấu cò mổ

- đũa đẩy để điều khiển Trục khuỷu dẫn động trục cam bằng dây đai, hoặc xích, hoặcmột cơ cấu bánh răng Trên một động cơ bốn kỳ, một chu trình hoạt động hoàn chỉnh cóhai vòng quay của trục khuỷu Do đó, tốc độ quay của trục cam chỉ bằng một nửa tốc độcủa trục khuỷu Tỷ số truyền giữa trục khuỷu và trục cam là 2: 1 Sự thay đổi từ kì xả đến

kì nạp, xupap nạp và xả cùng mở trong một khoảng thời gian gọi là sự “trùng điệp”, nógiúp thải sạch và làm mát xilanh động cơ

Hình 1.6 Sơ đồ phân phối khí của động cơ diesel

TDC: Điểm chết trên BDC: Điểm chết dưới IO: Xupap nạp mở IC: Xupap nạp đóng EO: Xupap xả đóng EC: Xupap xả mở SOC: Bắt đầu quá trình cháy IP: Điểm khởi phun

Trang 27

- Vh: Thể tích quét (thể tích hành trình) của xy lanh.

- Vc: Thể tích buồng cháy.

Tỷ số nén của động cơ có ảnh hưởng mang tính quyết định đến những điều sau:

- Khả năng khởi động lạnh.

- Mô-men sinh ra.

- Mức tiêu hao nhiên liệu.

- Mức độ tiếng ồn.

- Khí thải ô nhiễm.

Để nhiên liệu có thể tự cháy, trên động cơ diesel đòi hỏi phải có một tỷ số nén caonhằm tăng nhiệt độ và áp suất trong buồng đốt Tỷ số nén cao đồng nghĩa với việc côngsuất đầu ra cũng tăng Tuy nhiên, điều này gặp phải một trở ngại là kích thước động cơ sẽtăng lên tỷ lệ với tỷ số nén tăng lên Tỷ số nén thông thường ở động cơ xăng là khoảng 8

- 12, còn ở động cơ diesel là khoảng 15 - 25

Không khí bên trong động cơ diesel được nén tới áp suất 30 - 50 bar (động cơ hútthông thường) hoặc 70 - 150 bar (động cơ tăng áp bởi bộ siêu nạp hoặc turbo) Điều nàytạo ra nhiệt độ trong khoảng từ 700 đến 900°C Nhiệt độ đánh lửa của các thành phần dễcháy nhất của dầu diesel là khoảng 250°C

1.3.4 Mô-men xoắn của động cơ

Lực ép của khí cháy đẩy piston đi xuống và thanh truyền biến chuyển động tịnh tiếncủa piston thành chuyển động quay, hay mô-men xoắn của trục khuỷu Mô-men xoắn đầu

ra M của động cơ được biểu diễn bằng phương trình:

(1.1)

Trang 28

Áp suất trung bình có thể đạt đến mức 8 - 22 bar trong động cơ diesel tăng áp nhỏ cho

xe ô tô So với các động cơ xăng đạt mức 7 - 11 bar Mô-men xoắn tối đa Mmax của động

cơ được xác định bởi thiết kế của nó (dung tích, phương pháp hút, vv) Mô-men xoắn tạo

ra được điều chỉnh theo trạng thái vận hành xe bằng cách thay đổi khối lượng nhiên liệuvà không khí với tỷ lệ pha trộn hợp lý Mô-men xoắn tăng lên cũng chịu ảnh hưởng bởitốc độ động cơ n

Khi đến một ngưỡng tốc độ nhất định, mô-men sẽ có giá trị cực đại, và khi tốc độđộng cơ tăng vượt quá giới hạn đó, mô-men sẽ bắt đầu giảm trở lại Những nỗ lực thiết kếđộng cơ nhằm tạo ra mô-men xoắn cực đại ở tốc độ dưới 2.000 vòng / phút Bởi vì ở tốc

độ này, mức tiêu thụ nhiên liệu tiết kiệm nhất và đặc tính phản ứng của động cơ được coilà dương (“sức kéo” tốt)

1.3.5 Công suất đầu ra

Công suất P do động cơ tạo ra phụ thuộc vào mô-men xoắn và tốc độ của động cơ n.Công suất động cơ tăng lên cùng với tốc độ động cơ cho đến khi nó đạt đến mức tối đa,hay còn gọi là công suất định mức Pđm ở tốc độ định mức của động cơ, nđm Phương trìnhsau dùng để tính công suất động cơ:

P = M n π /30

Trong đó:

- n: Tốc độ động cơ (vòng/phút).

- M: Mô-men xoắn của động cơ (N.m).

Dựa vào tốc độ động cơ tối đa, động cơ diesel có công suất đầu ra thấp hơn so vớiđộng cơ xăng Động cơ diesel hiện đại cho xe ô tô có tốc độ định mức từ 3.500 và 5.000

(1.3)

Trang 29

Hình 1.7 Đồ thị đường đặc tính mô-men và công suất của 2 động cơ Diesel

a Sơ đồ công suất, b Sơ đồ mô-men xoắn

M max : Mô-men xoắn cực đại, P rated : Công suất định mức, n rated : Tốc độ định mức

1- Động cơ năm 1968 2- Động cơ năm 1998

1.3.6 Đồ thị P-V của chu trình thực tế

Để xác định công việc thực hiện trong quá trình thực, đường cong áp suất và thể tíchtrong xy lanh được đo và trình bày trong đồ thị P-V Khu vực trên đường cong tương ứngvới công việc thực tế của piston trong xy lanh động cơ Đối với các động cơ có tăng áp,khu vực trao đổi khí phải được thêm vào Kể từ đó khí nén sẽ được phân phối bởi bơmtăng áp turbocharger hoặc supercharger

Trang 30

Hình 1.8 Đồ thị P-V cho chu trình thực với động cơ không tăng áp và tăng áp.

1.3.7 Hiệu suất

Hiệu suất của động cơ diesel được tính theo công thức sau:

η e = W e / W B

Trong đó:

- We: Công suất có ích của trục khuỷu.

- WB: Giá trị nhiệt của nhiên liệu cung cấp.

Hiệu suất ±e là kết quả hiệu suất nhiệt của quá trình lý tưởng và các hiệu suất khác từcác ảnh hưởng của quá trình thực tế:

η e = η th · η g · η b · η m = η i · η m

Trong đó:

- ±th: Hiệu suất nhiệt của quá trình Seiliger.

- ±g: hiệu suất của các yếu tố chu kỳ.

- ±b: Hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu.

- ±m: Hiệu suất cơ học.

- ±i: Hiệu suất chỉ th.ị

Công suất có ích ở trục khuỷu, We, là kết quả từ tích số của công suất chỉ thị và hiệusuất cơ học:

Trang 31

1.3.8 Các trạng thái hoạt động

- Khởi động

Động cơ khởi động bao gồm các giai đoạn sau: quay khởi động, đánh lửa và chạy đếnkhi hoạt động tự duy trì Không khí nóng được tạo ra bởi kì nén có thể đốt cháy nhiênliệu phun (bắt đầu kì nổ) Nhiệt độ cháy tối thiểu cần thiết cho nhiên liệu diesel là xấp

 Khi động cơ lạnh, tổn thất nhiệt xảy ra trên diện tích bề mặt buồng đốt trong kìnén Trong động cơ phun gián tiếp (IDI), tổn thất nhiệt này đặc biệt cao do diệntích bề mặt buồng đốt lớn hơn

 Ma sát của động cơ đốt trong ở nhiệt độ thấp cao hơn ở nhiệt độ hoạt động bìnhthường vì độ nhớt cao của dầu

 Tốc độ của mô-tơ khởi động rất thấp khi trời lạnh vì điện áp ắc-quy giảm khi ởnhiệt độ thấp

Các biện pháp sau đây được thực hiện để tăng nhiệt độ trong xi lanh trong giaiđoạn khởi động:

Trang 32

Bugi xông thế hệ mới nhất đòi hỏi phải có thời gian làm nóng sơ bộ chỉ một vài giây,

do đó cho phép động cơ khởi động nhanh chóng Điều này không chỉ làm giảm ô nhiễmkhí thải mà còn giảm tiếng ồn trong giai đoạn khởi động động cơ

+ Phun thích ứng

Hệ thống hỗ trợ khởi động được bổ sung thêm chức năng phun thích ứng, tức là phunmột lượng nhiên liệu thừa giúp cho việc khởi động, đồng thời để bù đắp cho sự thất thoátnhiên liệu do ngưng tụ và rò rỉ khi động cơ lạnh, do đó làm tăng mô-men xoắn khi động

cơ chạy ổn định Việc tăng cường phun trong giai đoạn khởi động giúp giảm sự cháy trễkhi ở nhiệt độ thấp và đảm bảo cháy tốt hơn ở điểm chết trên, tức là ở nhiệt độ cuối kìnén

Khi áp suất trong xi lanh (áp suất trong kì nén) vẫn còn quá thấp, nhiên liệu phun quásớm, hình thành giọt nhiên liệu bám trên thành xi lanh Trong xi lanh, chỉ một tỉ lệ nhỏnhiên liệu bay hơi khi nhiệt độ khí nạp quá thấp Nếu nhiên liệu được phun quá muộn, sựđốt cháy xảy ra trong lúc piston đi xuống (giai đoạn giãn nở) làm piston không đủ gia tốc,hoặc sự cháy không xảy ra, làm giảm công suất động cơ

• Chế độ không tải

Chế độ không tải là lúc động cơ không chịu tải trọng, lúc này động cơ chỉ khắc phụclực ma sát bên trong bản thân nó Động cơ không cung cấp bất kì mô-men xoắn đầu ranào dù bàn đạp ga ở bất kì vị trí nào

• Chế độ cầm chừng

Chế độ cầm chừng là khi động cơ đang chạy ở tốc độ không tải thấp nhất và khôngnhấn bàn đạp ga Động cơ không tạo ra bất kỳ mô-men xoắn nào Nó chỉ khắc phục masát bên trong

• Chế độ đầy tải

Khi đầy tải (hoặc bướm ga mở rộng (WOT)), bàn đạp ga được đạp hết cỡ Giới hạnđầy tải được điều khiển bởi hệ thống điều khiển động cơ và phụ thuộc vào điểm hoạtđộng Lượng nhiên liệu có thể được phun tối đa và động cơ tạo ra mô-men xoắn cực đạitrong điều kiện trạng thái ổn định Dưới điều kiện trạng thái không ổn định (giới hạn bởimáy tăng áp), động cơ tăng cường khả năng tạo mô-men xoắn cực đại với lượng khôngkhí nạp có sẵn

• Chế độ tải một phần

Trang 33

Tải một phần là khoảng phạm vi giữa không tải và đầy tải Đây là phạm vi hoạt độngmà lượng tiêu thụ nhiên liệu động cơ diesel rất tiết kiệm so với động cơ xăng.

Khi khởi động, nhiệt độ cuối kì nén thấp khi tốc độ động cơ thấp và ở tải thấp So vớichế độ đầy tải, buồng đốt tương đối lạnh (ngay cả khi động cơ đang chạy ở nhiệt độ hoạtđộng), do đó nó có nhiệt độ thấp hơn Sau khi khởi động lạnh, buồng đốt nóng lên rấtchậm trong phạm vi tải một phần Điều này đặc biệt đúng đối với động cơ có buồng đốttrước hoặc buồng xoáy lốc vì diện tích bề mặt lớn hơn, nghĩa là sự mất nhiệt rất cao.Tại tải thấp và có sự phun sơ khởi, chỉ có một vài mm3 nhiên liệu được cung cấp trongmỗi chu kì phun Trong trường hợp này, thời điểm bắt đầu phun và lượng phun nhiên liệucần phải được điều khiển chính xác Trong giai đoạn phun sơ khởi, nhiệt độ cháy cũngđạt được ở tốc độ cầm chừng chỉ trong một phạm vi nhỏ khi piston đi gần tới TDC Sựkhởi phun được điều khiển rất chính xác trùng với thời điểm đó

Trong khoảng thời gian cháy trễ, chỉ có một lượng nhỏ nhiên liệu được phun Tại thờiđiểm đốt cháy, lượng nhiên liệu trong buồng đốt xác định sự gia tăng đột ngột áp lựctrong xi lanh

Càng gia tăng áp lực, tiếng ồn trong buồng đốt càng to Phun sơ khởi khoảng 1 mm3nhiên liệu giúp triệt tiêu được sự cháy trễ tại thời điểm đốt cháy và làm giảm đáng kể tiếng ồn trong buồng đốt

Hình 1.9 Sơ đồ biểu thị sự ảnh hưởng của vị trí bàn đạp ga đến tốc độ động cơ

Trang 34

- Động cơ quá tốc độ

Động cơ được cho là quá tốc độ khi nó được điều khiển bởi một ngoại lực tác độngthông qua hệ thống truyền lực Lúc này, nhiên liệu không được phun nữa

1.3.9 Điều kiện hoạt động

Trong động cơ diesel, nhiên liệu được phun trực tiếp vào khí nóng được nén ở áp suấtcao để nó tự bốc cháy Do đó, hỗn hợp hòa khí là không đồng nhất Hệ thống phun nhiênliệu phải đảm nhận chức năng điều chỉnh và phân phối đồng đều toàn bộ lượng nhiên liệunạp vào Nó phải thực hiện điều này trong mọi điều kiện tốc độ động cơ và tải trọng, phụthuộc vào áp suất và nhiệt độ của không khí nạp

Như vậy, đối với bất kỳ sự kết hợp của các thông số vận hành động cơ, hệ thống phunnhiên liệu phải cung cấp:

 Lượng nhiên liệu chính xác

 Thời điểm phun chính xác

 Áp suất chính xác

Ngoài ra, việc tối ưu hỗn hợp A/F cũng được cân nhắc, việc điều chỉnh lượng nhiênliệu cũng đòi hỏi phải tính đến giới hạn hoạt động như:

 Hạn chế khí thải độc hại

 Giới hạn áp suất cực đại

 Giới hạn nhiệt độ khí xả

 Tốc độ động cơ và giới hạn đầy tải

 Giới hạn tải động cơ và xe cụ thể

 Độ cao hoạt động và giới hạn áp suất của bơm tăng áp

• Giới hạn khí thải

Quá trình phát sinh khí thải chỉ diễn ra trong quá trình cháy, khi hiện tượng nhiên liệucục bộ quá giàu xảy ra, trong một số trường hợp, điều này dẫn đến sự gia tăng lượngmuội than, thậm chí ở mức độ vừa phải của khí sót cũng xảy ra tình trạng này

• Giới hạn áp suất cực đại trong buồng đốt

Trang 35

Hình 1.10 Lượng nhiên liệu liên quan đến tốc độ động cơ và tải, những điều chỉnh

cần thiết để thay đổi nhiệt độ và áp suất không khí

Trong quá trình đốt cháy, nhiên liệu bay hơi một phần hòa trộn với không khí nóng tại

áp suất nén cao với tốc độ nhanh Đây được gọi là quá trình cháy vững Áp suất đạt cựcđại trong quá trình này, dẫn đến việc gây áp lực lên các thành phần động cơ Kích thước,

độ bền của động cơ và hệ thống truyền lực hạn chế áp suất cháy cho phép và lượng phunnhiên liệu Sự gia tăng đột ngột áp suất cháy chủ yếu bị ngăn chặn bởi sự phun sơ khởi

độ tới hạn thì nó có thể vượt qua tốc độ cho phép Do đó, việc giới hạn tốc độ động cơ làhoàn toàn cần thiết trên một động cơ diesel

1.4 Hệ thống phun nhiên liệu trên động cơ diesel

Trang 36

1.4.1 Buồng đốt

Hình dạng của buồng đốt là một trong những yếu tố quyết định trong việc xác địnhchất lượng của sự cháy, các đặc tính hiệu suất và khí xả của động cơ diesel Các thiết kếhình học phù hợp của buồng đốt kết hợp với hoạt động của piston có thể tạo ra sự xoáylốc để cải thiện sự cháy của hỗn hợp A/F bên trong buồng đốt

Các công nghệ được sử dụng như:

- Buống đốt thống nhất (Động cơ phun trực tiếp DI ).

- Buồng đốt ngăn cách (Động cơ phun gián tiếp IDI).

Tỉ lệ động cơ phun trực tiếp đang gia tăng do nó tiêu thụ nhiên liệu kinh tế hơn (tiếtkiệm đến 20%) Tiếng gõ động cơ (đặc biệt là dưới tác động gia tốc) có thể được giảmxuống ngay cả khi sử dụng động cơ phun gián tiếp bằng cách phun sơ khởi Động cơphun gián tiếp hiện nay hầu như không còn được sử dụng

Hình 1.12 Động cơ phun trực tiếp

- Buồng đốt thống nhất (Vđộng cơ phun trực tiếp)

Động cơ phun trực tiếp (Hình 1.12) có hiệu quả cao hơn và kinh tế hơn so với động cơphun gián tiếp Do đó, chúng được sử dụng trong tất cả các loại xe thương mại và xe ô tôcó động cơ diesel hiện đại

Quá trình phun trực tiếp là phương pháp phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt, trongđó một phần được hình thành bởi hình dạng của đỉnh piston Sự phun tơi nhiên liệu, sấy

1- Kim phun nhiều lỗ 2- Đỉnh piston dạng ω 3- Bugi xông.

Trang 37

nóng, bay hơi và hòa trộn với không khí phải diễn ra một cách liên tục và nhanhchóng Điều này phụ thuộc rất nhiều vào sự phân phối nhiên liệu và không khínạp Trong kì nạp và kì nén, hình dạng đặc biệt của cửa nạp trên nắp xi lanh tạo ra mộtdòng khí xoáy lốc bên trong xi lanh Hình dạng buồng đốt cũng góp phần hình thànhdòng khí xoáy lốc vào cuối kì nén Các thiết kế của đỉnh piston được sử dụng xuyên suốttrong lịch sử động cơ diesel, trong đó loại phổ biến nhất là đỉnh piston dạng ω.

Ngoài việc tạo ra hiệu quả sự xoáy lốc, công nghệ này cũng đảm bảo được việc phânphối nhiên liệu phải đều để sự hòa trộn được nhanh chóng Vòi phun nhiều lỗ được sửdụng trong động cơ phun trực tiếp và được tối ưu hóa Phun nhiên liệu trực tiếp yêu cầu

áp lực phun rất cao (lên đến 2.200 bar)

Trang 38

Trong thực tế, có hai loại hê thống phun nhiên liệu trực tiếp:

 Hệ thống mà sự hình thành hỗn hợp được hỗ trợ bởi việc tạo các hiệu ứng đặc biệt cho dòng không khí

 Hệ thống kiểm soát hầu hết sự hình thành hỗn hợp bằng cách phun nhiên liệu và kiểm soát các hiệu ứng hình thành dòng khí

Trong các trường hợp sau này, không có sự tạo hiệu ứng xoáy lốc, do đó việc tốn nhiên liệu và ảnh hưởng nhiều đến việc nạp khí là hiển nhiên Cùng lúc đó, nhiều yêu cầu được đặt ra cho hệ thống phun nhiên liệu liên quan đến vị trí vòi phun, số lượng tia phun, mức

độ phun tơi (phụ thuộc vào đường kính lỗ phun) và cường độ áp suất phun để có được thời gian phun ngắn yêu cầu và đạt chất lượng của hỗn hợp không khí/nhiên liệu

- Buồng đốt ngăn cách (VPhun gián tiếp)

Trong một thời gian dài, động cơ diesel dạng buồng đốt ngăn cách (động cơ phungián tiếp) lợi thế hơn động cơ phun trực tiếp về việc xả khí thải và tiếng ồn Đó là lý dotại sao nó được sử dụng trong ô tô và xe thương mại nhỏ Hiện nay động cơ DI kinh tếhơn so với động cơ IDI, với lượng khí thải và tiếng ồn được giảm thiểu đáng kể nhờ sựphun áp lực cao, động cơ điều khiển bằng điện tử và có sự phun sơ khởi Kết quả là, cácđộng cơ phun gián tiếp không còn được sử dụng trong các xe mới

+ Hệ thống buồng đốt trước

Hình 1.13 Hệ thống có buồng đốt trước

1- Vòi phun 2- Buồng đốt trước 3- Van hình bán nguyệt 4- Lỗ thông

5- Bugi xông

Trang 39

Nhiên liệu được phun vào một buồng đốt trước được làm nóng trên nắp xi lanh (hình1.13, 2) Nhiên liệu được phun qua một vòi phun (1) chứa van kim ở áp suất tương đốithấp (450 bar) Đặc biệt là có van đổi hướng hình bán nguyệt (3) ở trung tâm buồng cháynhằm khuếch tán tia nhiên liệu và dễ hòa trộn với không khí.

1- Kim phun 2- Lỗ thông 3- Bugi xông

Trang 40

1.4.2 Công nghệ của Bosch cho động cơ diesel

- Sự phát triển bơm cao áp

Sau những thành công của động cơ diesel, tập đoàn Bosch đã để mắt đến động cơ nàyvà tiến hành nghiên cứu các thiết bị phụ trợ để làm cho động cơ tốt hơn nữa (bơm cao áp,

bộ điều tốc và kim phun nhiên liệu) Bosch đã cho ra đời một mẫu bơm cao áp có thểhoạt động trên gần như tất cả các loại động cơ diesel lúc bấy giờ Mẫu bơm này củaBosch cũng đã được phát triển và sử dụng cho đến ngày nay khi nó được thay thể bởinhững hệ thống tiên tiến hơn

Hình 1.15 Bơm cao áp cho động cơ diesel đầu tiên của Bosch

- Bộ điều tốc cho động cơ diesel

Động cơ diesel không thể tự điều chỉnh như động cơ xăng, nhưng vẫn cần một cụmđiều chỉnh để duy trì một tốc độ cụ thể và bảo vệ động cơ khỏi trường hợp vượt tốc.Các hãng sản xuất động cơ ban đầu đã tự phát triển bộ điều tốc riêng cho mình Tuynhiên họ sớm phát hiện ra rằng cần có một cụm điều tốc được tích hợp cùng bơm cao

áp để tiến trình dễ dàng hơn Lúc bấy giờ gần như không có một sản phẩm nào thích hợpcho đến năm 1931, Bosch đã cho ra đời bộ điều tốc tích hợp trên bơm cao áp

1 Trục cam bơm; 2 Con đội; 3 Vòng răng điều khiển; 4 Thanh răng điều khiển; 5 Đường dầu vào; 6 Xy lanh bơm; 7 Ống điều khiển; 8 Đường dầu ra; 9 Van 1 chiều; 10 Que thăm nhớt; 11 Piston bơm.

Định dạng
Số trang	205
Dung lượng	6,48 MB