Khảo sát hệ thồng nhiên liệu động cơ cummins lắp trên xe international

Trong quá trình làm việc của động cơ nhiệt truyền cho các chi tiết máy tiếp xúcvới khí cháy vì vậy các chi tiết đó thường bị đốt nóng làm cho các chi tiết giảm sứcbền bôi trơn khó nên tổ

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay ô tô là phương tiện giao thông phổ biến nhất trên thế giới.Ở ViệtNam, những năm gần đây nền kinh tế đã và đang phát triển theo xu hướng hội nhập,

số lượng ô tô hiện đại đang được lưu hành ở nước ta ngày một tăng.Các loại ô tônày đều được cải tiến theo hướng tăng công suất , tốc độ, giảm suất tiêu hao nhiênliệu,điện tử hoá quá trình điều khiển và hạn chế mức thấp nhất thành phần ô nhiểmtrong thành phần khí thải của động cơ

Việc nghiên cứu ứng dụng các thành tựu từ nghành công nghiệp điện tử nhờ sựgiúp đỡ của máy tính để cải thiện quá trình làm việc nhằm đạt hiệu quả cao và giảm ônhiểm môi trường, tối ưu hoá quá trình điều khiển dẫn đến kết cấu của động cơ và ô

tô thay đổi rất phức tạp, làm cho người sử dụng và cán bộ kỹ thuật nghành ô tô nước

ta còn nhiều lúng túng và sai sót nên cần có những nghiên cứu, tìm hiểu, khai thác cụthể về hệ thống điện tử trên động cơ ô tô, nhằm cập nhật hoá kiến thức cho người sửdụng cũng như những ai quan tâm và muốn tìm hiểu về chuyên nghành động cơ ô tô.Vói những lý do trên, em chọn đề tài : Khảo sát hệ thồng nhiên liệu động cơCummins lắp trên xe International, làm đề tài tốt nghiệp của mình

Trong quá trình nghiên cứu thực hiện đồ án, nhờ sự cố gắng nổ lực của bảnthân,nhờ sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Dương Việt Dũng trong suốt thời gianlàm đồ án tôt nghiệp, đến nay em đã hoàn thành các yêu cầu và nhiệm vụ đượcgiao.Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy giáo hướng dẫn đã tận tình giúp đổtng thờigian em hoàn thành đồ án, cùng với lời cảm ơn đến các thầy giáo trong bộ mônĐộng cơ và khoa Cơ Khí Giao Thông đã quan tâm, dìu dắt em trong suôt nhữngnăm học chuyên nghành và đúc kết nhữg kinh nghiệm quý báu cho bản thân

Với khả năng và tài liệu còn giới hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót,kính mong các thầy cô giáo và các bạn chân thành đóng góp ý kiến

Cuối cùng em hy vọng đồ án này sẽ là một tài liệu tốt và phổ biến cho các sinhviên và công nhân kỹ thuật tham khảo

Đà Nẵng, ngày 4 tháng 9 năm 2006

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Tám

1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XE INTERNATIONAL

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Xe inter là loại xe dùng chở hàng containal chủ yếu chạy đường quốc lộ, ngoài

ra còn chở các phương tiện khác

Xe có động cơ cummin có hiệu suất cao công suất cực đại 330HP ở số vòngquay 1600[vg/ph], tiêu hao nhiên liệu nhỏ 30lít/100km ở tốc độ 90[km/h]

Xe được sản xuất tại MỸ có kết cấu cứng vững, độ bền và độ tin cậy cao, đầy

đủ tiện nghi cho người sử dụng đảm bảo an toàn, kết cấu và hình dáng bên ngoài vànội thất có tính mỹ thuật tương đối cao Được nhập và sử dụng phổ biến ở ViệtNam trong những năm gần đây

1.2 CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ CUMMMINS

Bảng 1.1: Bảng thông số kỹ thuật của động cơ

1.3 CƠ CẤU KHUỶU TRỤC -THANH TRUYỀN -PISTON

Từ má khuyủ, chốt khuỷu, và cố trục làm liền với nhau tức là số cổ trục Z nhiềuhơn số khuỷu Z= i+1 đối với trục khuỷu của động cơ Cummins có độ cứng vững

khá lớn Đầu trục khuỷu được dùng để lắp Puly để truyền động tới các Puly bơm

nước, quạt gió, bơm hơi, các bánh răng chủ động trên đầu trục khuỷu để dẫn động

trục Cam, bơm nhiên liệu, bơm dầu nhờn Các phốt chắn dầu cũng được lắp trên

đầu trục khuỷu

Ở trục khuỷu động cơ Cummins người ta làm các lổ dầu để bôi trơn cổ trục

chính và chốt khuỷu và đi dọc theo thanh truyền bôi trơn vào chốt Pistông

Đuôi trục khuỷu động cơ Cummins cũng được lắp với các chi tiết máy của cơ

cấu truyền dẫn, công suất bánh đà, trục thu công suất của cơ cấu truyền dẫn công

suất (Trục sơ cấp hộp số) đồng tâm với trục khuỷu, trục khuỷu và trục thu công suất

được nối với nhau bằng ly hợp ma sát

Đường kính của chốt khuỷu lắp đầu to thanh truyền :93,76 mm

Đường kính của đầu nhỏ thanh truyền :63,58 mm

Hình 1.2: thanh truyền

1.3.3 Piston.

Piston của động cơ cummin được chế tạo bằng hợp kim nhôm, trên piston được

bố trí 2 séc măng khí và một séc măng dầu.Đường kính của piston : 140[mm].Trên piston được khoét rãnh để lắp séc măng :chiều cao rãnh để lắp séc măngkhí 4 mm, chiều cao để lắp séc măng dầu là 5 mm, chiều cao từ đỉnh piston đến tâmchốt piston là 100 mm

Hình 1.3 : Piston

1.4 CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống cơ cấu phân phối khí

1: trục cam , 2:trục con lăn , 3:con đội , 4:đũa đẩy , 5:ê cu hãm , 6:đòn bẩy,

7 :su páp , 8: vít điều chỉnh khe hở xu páp.

Đông cơ đốt trong có cơ cấu phân phối khí dùng supáp chủ yếu là bố trí xupápđặt và bố trí xupáp treo đối với động cơ cummins người ta dùng xu páp treo vì cónhiều ưu điểm dung tích buồng cháy nhỏ tỷ số nén cao, buồng cháy gọn, và làm chođường nạp thải thanh thoát hơn, khiến sức cản động nhỏ, tăng được tiết diện lưuthông dòng khí Cơ cấu phân phối khí của động cơ cummins được bố trí hai xupápcho một xy lanh , một xupáp thải và một xupáp nạp để tăng tiết diện lưu thông lớn,

và để giảm đường kính nấm xupáp nhỏ , khiến cho xupáp không bị quá nóng, vàtăng được sức bền của xupáp Đối với động cơ cummins người ta bố trí nhờ sự ăn

khớp trực tiếp giữa bánh răng trục cơ với trục cam nằm ở thân máy, xupáp được dẩnđộng gián tiếp qua con đội đủa đẩy, đòn bẩy.Trục cam của động cơ cummins cáccam thải và cam nạp được bố trí trên một trục và theo vị trí của xupáp và được lắptheo kiêủ đúc liền qua các cổ trục trên thân máy Trục cam bao gồm cam thải vàcam nạp thành một khối với nhau được chế tạo từ thép cacbon và được tôi cao tầngtrục cam cummins có 7 cổ trục có đường kính 63,42mm được lắp thẳng vào các ổ

đở nằm trên thân máy khi lắp trục cam cần chú ý dấu của trục cam trùng với dấucủa trục khuỷu

1.5 HỆ THỐNG LÀM MÁT.

Trong quá trình làm việc của động cơ nhiệt truyền cho các chi tiết máy tiếp xúcvới khí cháy vì vậy các chi tiết đó thường bị đốt nóng làm cho các chi tiết giảm sứcbền bôi trơn khó nên tổn thất ma sát tăng có thể gây bó kẹt piston trong xy lanh.Cho nên để khắc phục hậu quả trên cần thiết phải có hệ thống làm mát động cơnhiệm vụ thực hiện quá trình truyền nhiệt từ khí cháy qua thành buồng cháy đếnmôi chất làm mát để đảm bảo cho nhiệt độ các chi tiết không quá nóng nhưng cũngkhông quá nguội vì quá nguội có nghĩa là động cơ được làm mát quá nhiều vì thếtổn thất nhiệt nhiều , nhiệt lượng dùng để sinh công ít do đó hiệu suất của động cơnhỏ Đối với động cơ cummins có hệ thống làm mát bằng nước kiểu kín, tuần hoàncưỡng bức bao gồm :áo nước xi lanh, nắp máy, két nước, bơm nước, van hằngnhiệt, quạt gió và các đường ống dẫn nước

Hệ thống làm mát sử dụng nước nguyên chất có pha chất phụ gia chống gỉ.Két nước làm mát lắp trên phía đầu xe ,két nước làm mát có đường nước vào từ vanhằng nhiệt và có đường nước ra đến bơm ,trên két nước có các giàn ống dẫn nướcgắn cánh tản nhiệt

Ở đây nước tuần hoàn nhờ bơm ly tâm (8) phân trực tiếp vào khoang chứa các

xy lanh làm mát từ thân động cơ lên nắp xylanh qua các ống dẫn nước đến van điềunhiệt (10) được chia làm hai dòng một dòng ra két nước (1) làm mát qua bơm lytâm một tuần hoàn trở lại động cơ sự phân chia lưu lượng cho các dòng phụ thuộcvào nhiệt độ nước làm mát và do van điều nhiệt tự động điều chỉnh bơm nước kiểu

ly tâm được dẫn động bằng dây đai từ puly trục khuỷu

34

1.6 HỆ THỐNG BÔI TRƠN

Hệ thống bôi trơn động cơ cummins kiểu cưỡng bức và vung toé dùng để đưadầu đi bôi trơn các bề mặt ma sát và làm mát các chi tiết: Hệ thống bôi trơn gồm cóbơm dầu, lọc dầu, các te dầu và đường ống dẫn dầu

Dầu từ cátte (1) được hút bằng bơm qua lưới lọc dầu (2) thường lọc dầu baogiờ cũng nằm lập lờ ở mặt thoáng của dầu nhờn để hút được dầu sạch và không cóbọt khí dầu được đi qua két làm mát tới bầu lọc thô (5) tại đây dầu được lọc sạchcác chất cặn bẩn và dầu được đưa trực tiếp vào trong thân máy vào trục khuỷu (7)lên trục cam (16) từ trục khuỷu tiếp theo dầu đi vào dọc theo thân thanh truyền bôitrơn chốt piston và đường dầu từ ổ đở trục cam bôi trơn giàn con đội đòn bẩy , đủađẩy và đi về catte

1 2

3 4

5

7 8

17 11

Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống bôi trơn

1:catte, 2:lướilọc dầu , 3:van tràn , 4:bơm dầu bôi trơn , 5:bình lọc dầu , 6: két làm mát dầu, 7: trục khuỷu, 8: thanh truyền , 9: pittông ,10: xy lanh, 11: xupáp ,12: đòn bẩy, 13: bánh răng trục cam ,14: tuốc bô, 15: máy nén khí 16: trục cam, 17: đũa đẩy.

Trên đường dầu chính còn có các đường dầu đi bôi trơn tuốc bô tăng áp , máynén khí , lên đồng hồ báo áp suất và trực tiếp phun vào vách xi lanh để bôi trơnpiston xi lanh rồi trở về catte Khi bầu lọc thô (5) bị tắt van an toàn được dầu nhờnđẩy ra dầu sẻ không qua lọc thô mà thẳng lên đường dầu chính ,van an toàn (3)đảm bảo áp suất của dầu bôi trơn trên toàn bộ hệ thống có trị số không đổi

1.6.1Kết cấu và nguyên lý của bơm dầu bôi trơn

2 3 4

5 6

8

9 10

11 7

1

Hình 1.6: kết cấu bơm dầu bôi trơn

1, 21, 22, 23, 24 : bu lông ; 2, 4, 13: long đền phẳng ; 6: van một chiều ; 7: vỏ bơm 9,11,18: bạc lót; 8: trục bị động;16: trục dẫn động; 3: ống trụ chặn dầu; 5, 7: lò xo; 16 trục dẫn động ; 17,10 :trục dẫn động và trục bị động ; 19 : roan làm kín ; 20: vỏ bơm phía sau ; 25: mặt bích ; 26: nắp đậy, van dầu ; 15: ống trụ chặn dầu

Bơm dầu nhờn là một trong những bộ phận quan trọng của động cơ nó cónhiệm vụ cung cấp dầu liên tục có áp suất cao đến các bề mặt ma sát để bôi trơn,làm mát và tẩy rửa các mặt ma sát do vậy đối với động cơ cumins người ta dùngbơm bánh răng ăn khớp với nhau có số răng là 10 răng được dẫn động theo chiều

nhất định ,bánh răng chủ động dược lắp trên trục chủ động có đường kính 22,21mmbánh răng bị động được lắp trên trục bị động có đường kính 22,21mm Khi trục chủđộng được trục khuỷu dẫn động bánh răng chủ động quay dẫn động bánh răng bịđộng quay theo chiều ngược lại làm cho không gian giữa các răng dần thu hẹplại ,tại cửa ra thể tích nhỏ nhất do đó ở đây dầu bị nén có áp suất cao nhất sẽ theođường ống vào động cơ Khi vòng quay cao áp suất dầu bôi trơn thường cao hơncần thiết ,vì vậy sau bơm dầu thường có van điều chỉnh áp suất.

Áp suất dầu bôi trơn do bơm cung cấp : 4¸6 kg/cm2

2 KHẢO SÁT HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU CỦA ĐỘNG CƠ CUMMINS N14-330E.

2.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU TRONG ĐỘNG

CƠ DIESEL.

27 26

2 1

4 3

23 22 21

6 5 7

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu Diesel

1,5.Van tràn;2,9,12,21.Đường ống;;3.Bơm cao áp; 4.Đồng hồ báo áp suất ;5 Buồng cháy; 6.Nắp xylanh ; 7.Vòi phun ;8,11,13 Nút xả khí ;10.Đường

ống cao áp ;14.Bình lọc tinh ;16,20.van ;17,18.Bơm chuyển nhiên liệu ;19.Bình lọc thô 22.Đường ống của miệng hút ;23 Thùng chứa nhiên liệu ;24.Miệng hút nhiên liệu 25.Nút; 26.Ông chỉ mức nhiên liệu ; 27.Lọc lưới.

Đặc điểm khác biệt của động cơ Diesel so với động cơ xăng là địa điểm và thờigian hình thành hòa khí Trong động cơ xăng, hòa khí bắt đầu hình thành ngay từkhi xăng được hút khỏi vòi phun vào đường nạp (động cơ dùng bộ chế hòakhí).hoặc được phun vào đường ống nạp (động cơ phun xăng) Quá trình trên đượccòn tiếp diễn trong xy lanh, suốt quá trình nạp và quá trình nén cho đến khi đượcđốt cháy cưỡng bức bằng tia lửa điện Ở động cơ Diesel gần cuối quá trình nén,nhiên liệu mới được phun vào buồng cháy động cơ để hình thành hòa khí rồi tự bốccháy Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel là bộ phận quan trọng nhất của động cơthực hiện sự hình thành hòa khí kể trên

Bơm chuyển nhiên liệu (18) hút nhiên liệu từ thùng chứa (23)qua miệng hút(24)và bình lọc thô (19) để cung cấp nhiên liệu qua bình lọc tinh (14)tới bơm cao áp(3) Van tràn (15)dùng để hạn chế áp suất nhiên liệu trên đường ống và để xả nhiênliệu thừa vào ống tràn (21) rồi trở về thùng chứa Đồng hồ báo áp suất (4) dùng đểkiểm tra áp suất trong không gian cấp nhiên liệu vào trong bơm cao áp số tổ bơmcao áp(3)bằng số xylanh của động cơ.Các tổ bơm này cung cấp nhiên liệu qua cácđường ống cao áp (10) tới vòi phun (7).Vòi phun 7dùng để phun nhiên liệu vàobuồng cháy (5)

Nhiên liệu rò qua khe hở trong thân kim phun của vòi phun trong các tổ bơmtheo các đường ống 2,9,12,và 21 trở về thùng chứa

Nhiên liệu đi vào xylanh bơm cao áp không được lẫn không khí vì không khí sẽlàm cho hệ số nạp các tổ bơm không ổn định Nhiên liệu được tuần hoàn liên tục từthùng chứa qua các bình lọc qua không gian cấp nhiên liệu cho xylanh bơm cao ápqua van tràn và đường ống trở về thùng chứa Nhiên liệu tuần hoàn cuốn không khítrong hệ thống đưa về thùng chứa ,ổ đó không khí được tách ra khỏi nhiênliệu Trên bình lọc tinh và trên vòi phun có các nút xả khí (11),(13),và(8) để xảkhông khí trong hệ thống ra ngoài Khi máy ngừng hoạt động lâu ngày nhiên liệutrong đường ống bị rò rỉ ,không kín khít vì vậy trước khi khởi động động cơ phảidùng một bơm tay hoặc bơm điện (17) lắp song song với bơm chuyển nhiên liệu

(18) để bơm nhiên liệu đầy vào hệ thống sau đó khoá van (16)để cắt bơm này khỏi

hệ thống rồi mới khởi động

2.1.1 Đặc điểm hình thành hòa khí trong động cơ Diesel.

Quá trình hình thành hòa khí trong động cơ Diesel cũng có những đòi hỏi tương

tự như động cơ đốt cháy cưỡng bức là: đảm bảo nhiên liệu được cháy kiệt, kịp thờilàm cho hóa năng của nhiên liệu được chuyển biến hết thành nhiệt năng, rồi từ nhiệtnăng chuyển biến thành cơ năng một cách có hiệu quả nhất Nhưng nhiên liệu củađộng cơ Diesel lại là những thành phần chưng cất nặng, vì vậy đã sinh ra một loạtvấn đề và tạo nên sự khác biệt rõ rệt giữa quá trình hình thành hòa khí cũng như quátrình cháy của động cơ Diesel và động cơ đốt cháy cưỡng bức So với xăng, nhiênliệu Diesel có độ nhớt lớn, khó bay hơi nên không thể cho nhiên liệu và không khíđược hòa trộn trước bên ngoài xylanh nhờ bộ chế hóa khí giống như động cơ đốtcháy cưỡng bức mà phải dùng biện pháp phun tơi nhiên liệu nhờ chênh áp lớn vàomôi trường áp suất lớn, nhiệt độ cao của môi chất công tác trong buồng cháy động

cơ vào cuối kỳ nén, làm cho hòa khí được hình thành trực tiếp bên trong xylanh.Sau đó hòa khí cũng qua các giai đoạn phản ứng hóa học phức tạp của ngọn lửalạnh, ngọn lửa xanh, ngọn lửa nóng và tự phát hỏa bốc cháy Do cuối kỳ nén mớiphun nhiên liệu vào xylanh động cơ nên quá trình hình thành hòa khí rất ngắn, chỉchiếm khoảng (15¸30) độ góc quay trục khuỷu, nên đã tạo ra tình trạng không đều

về thành phần hòa khí trong các khu vực buồng cháy động cơ Mặt khác không thểđem số nhiên liệu cấp cho chu trình phun cùng một lúc vào xylanh động cơ, do vậytrong suốt thời gian phun nhiên liệu, thành phần hòa khí trong xylanh cũng biếnđộng liên tục Tại khu vực hòa khí đậm, nhiên liệu do thiếu ôxy nên cháy chậm,thậm chí gây cháy không kiệt tạo nên khói đen trong khí xả, còn khu vực hòa khínhạt gây nên tình trạng không tận dụng hết ôxy Vì vậy động cơ Diesel chỉ có thểhoạt động bình thường không thải khói đen, khi giá trị trung bình của hệ số dưlượng không khí a>1, nghĩa là trong tình trạng không sử dụng hết số oxy nạp vàođộng cơ Với trường hợp a>1 vẫn còn hiện tượng cháy không kiệt, đó là một trongnhững vấn đề chính cần giải quyết để nâng cao tính năng động lực và tính năng kinh

tế của động cơ Đối với động cơ Diesel, đặc điểm của quá trình hình thành hỗn hợpnhiên liệu không khí là hình thành bên trong buồng cháy với thời gian xảy ra rất

ngắn, đặc điểm của nhiên liệu lại khó bay hơi nên phải tạo điều kiện cho nhiên liệuđược bay hơi, hòa trộn thật tốt Quá trình hình thành hòa khí và quá trình bốc cháynhiên liệu trong động cơ Diesel chồng chéo lên nhau, xảy ra liên tục Sau khi phunnhiên liệu thì trong buồng cháy diễn ra một loạt thay đổi về tính chất lý hóa củathiên nhiên, sau đó một phần nhiên liệu được phun vào trước đã tạo thành hòa khíthì tự bốc cháy, trong khi nhiên liệu vẫn được tiếp tục phun vào để cung cấp cho xylanh động cơ Chính đặc điểm của quá trình hình thành hòa khí và quá trình cháynhư vậy nên để cho phù hợp thì động cơ Diesel có rất nhiều loại buồng cháy khácnhau tùy theo

Hình 2.2: Một số buồng cháy động cơ Diesel

* a,d: Buồng cháy thống nhất.

* b, e, f: Buồng cháy khoét lõm sâu đĩnh piston.

+ Buồng cháy khoét lõm sâu trên đỉnh piston.

Còn động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu phun gián tiếp thì buồng cháy củađộng cơ cũng được chia thành 3 loại sau đây:

+ Buồng cháy xoáy lốc

+ Buồng cháy dự bị

+ Buồng cháy không khí

Quá trình hình thành hỗn hợp của động cơ Diesel chỉ chiếm một thời gian nhỏ

do đặc điểm kết cấu của động cơ và hình thành hỗn hợp nhiên liệu là hỗn hợpkhông đồng nhất Vì vậy quá trình hình thành là một quá trình rất phức tạp và diễn

ra ở nhiều giai đoạn khác nhau

Quá trình hình thành dầu khí tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nhưng chủyếu là phụ thuộc vào kết cấu buồng cháy trong động cơ Dưới đây là các kiểu hìnhthành hòa khí trong buồng cháy

2.1.2 Hình thành kiểu màng trực tiếp.

- Hình thành hòa khí kiểu màng dựa trên kết quả phối hợp giữa dòng chảy xoáylốc của môi chất với màng nhiên liệu được tráng trên thành buồng cháy Hơi nhiênliệu từ màng bay hơi lên cuốn theo dòng khí xoáy lốc tạo thành hòa khí Chất lượngcủa hòa khí phụ thuộc vào nhiệt độ của thành buồng cháy và diện tích màng nguyênliệu được tráng lên thành Nguyên tắc hình thành hòa khí kiểu màng được kỹ sưMeurer của hãng MAN sáng chế, vì vậy còn được gọi là quá trình M

- Buồng cháy phần lớn có dạng hình cầu, cá biệt có dạng elip tròn xoay, nên cótên là buồng cháy hình cầu Tuy nhiên việc hình thành hòa khí cũng như quá trìnhcháy không giống như các loại buồng cháy khoét sâu trên đỉnh pittông thôngthường

* Đặc điểm quan trọng nhất của quá trình M:

- Là dùng vòi phun có một hoặc hai lỗ phun, nhiên liệu được phun thuận chiềudòng xoáy và tiếp tuyến vơi thành buồng cháy như ở hình vẽ 2.3 Nhờ tác dụng củadòng xoáy mạnh, nhiên liệu được tráng đều trên thành buồng cháy tạp ra màngmỏng Nhiệt độ thành buồng cháy được giữ nhất định, điều khiển tốc độ bay hơi củanhiên liệu.

cơ có thể dùng nhiều loại nhiên liệu Chỉ số xê-tan rất thấp nên phải tăng tỉ số nén

và phải dùng hệ thống phun thích hợp

Dưới tác dụng của dòng khí lướt qua bề mặt màng, tầng tầng lớp lớp nhiên liệuđược cuốn theo dòng khí tạo thành hòa khí Một phần nhiên liệu được phun vàokhông gian, có nhiệt độ cao với thành phần hòa khí thích hợp sẽ tự bốc cháy trướctạo nên nguồn lửa châm cháy số hòa khí được hình thành từ màng nhiên liệu Trongkhi cháy thì nhiệt độ môi chất tăng dần càng làm tăng tốc độ bay hơi của nhiên liệu

và tốc độ hình thành hòa khí Nhờ tác dụng của hiện tượng "hòa khí nóng" phần hòa

khí đã cháy đi vào tâm buồng cháy, còn phần không khí thì từ tâm buồng cháy dầndần đi ra phía thành làm tăng tốc độ hình thành hòa khí.

- Do phần lớn nhiên liệu được bay hơi từ màng, không có hiện tượng nhiên liệu

bị phân giải ở nhiệt độ cao do thiếu ôxy nên giảm hàm lượng muội than trong khí

xả, mặt khác thì hệ số sử dụng không khí cháy rất lớn, ở chế độ thiết kế có thể dùng

a = 1,05

2.1.3 Hình thành kiểu thể tích.

- Hình thành hòa khí kiểu thể tích là cách phun tơi nhiên liệu vào hầu khắpkhông gian buồng cháy để các hạt nhiên liệu được sấy nóng, bay hơi và hòa trộnđều với không khí tạo ra hòa khí

- Thực ra phân loại buồng cháy theo nguyên tắc hình thành hòa khí không cótính tuyệt đối vì trong quá trình M có khoảng 20 ¸ 30% nhiên liệu được hình thànhhòa khí theo kiểu thể tích và trong các buồng cháy hình thành hòa khí theo kiểu thểtích cũng có được một ít nhiên liệu được hình thành hòa khí theo kiểu màng Vì vậynếu nói chính xác thì phải gọi nặng về hình thành hòa khí kiểu màng và nặng vềhình thành hòa khí kiểu thể tích

Phần lõm trên đỉnh Piston có thành mỏng với tỉ số

d b

D= 0,75 ¸ 0,9 và không sâu.Vòi phun có lỗ phun có đường kính nhỏ d = 0,15 - 0,25 (mm) với số lỗ từ 5-10 lỗ,

áp suất phun lớn 20-60 MN/m2 Tia phun nhiên liệu tới sát thành buồng cháy nhưngkhông chạm vào thành buồng cháy

Hình 2.4: Buồng cháy thống nhất với phương pháp hỗn hợp thể tích

D: đường kính piston; d b : đường kính phần khoét lõm

Khi piston đi lên trong quá trình nén, hiện tượng không khí bị chèn vào khônggian trên đỉnh piston xảy ra không mãnh liệt Nói cách khác, xoáy lốc không mạnhnên ít ảnh hưởng đến quá trình hình thành hỗn hợp (buồng cháy ít tận dụng xoáy lốckhông khí) Nhiên liệu được phun ra rất tơi và tia phun phù hợp với profin buồngcháy, do đó tia nhiên liệu đã thâm nhập đến phần lớn thể tích buồng cháy, tạo quátrình bay hơi hòa trộn nhiên liệu với không khí để hình thành hỗn hợp Vì vậy,người ta gọi đây là phương pháp hình thành thể tích

Vb và thể tích buồng cháy Vc là lớn trong khoảng 0,75 - 0,9 Vòi phun có số lỗ từ(3-5) lỗ, áp suất phun lớn 15-20 MN/m2

Khi Piston đi lên trong quá trình nén thì khối lượng không khí giữa nắp xylanh

và đỉnh Piston bị chèn mãnh liệt vào không gian trên đỉnh Piston tạo ra chuyển độngxoáy lốc hướng kính với cường độ lớn (buồng cháy tận dung xoáy lốc) Đến thờiđiểm nhiên liệu được phun vào, một phần bị xoáy lốc xé nhỏ và hoà trộn với khôngkhí tạo thành hỗn hợp, phần còn lại gần 50% bám lên thành buồng cháy tạo thànhmàng và được dòng khí xoáy lốc cuốn dần tạo thành hỗn hợp Phương pháp hỗn

Như vậy, muốn nâng cao tính năng của động cơ cần phải đảm bảo nạp nhiềunhất không khí mới vào xi lanh, phải nâng cao hết mức hiệu suất sử dụng số khôngkhí này, có nghĩa là phải đảm bảo cho nhiên liệu được cháy kiệt với hệ số dư lượngkhông khí a nhỏ nhất và qúa trình cháy phải được kết thúc ở khu vực gần điểm chếttrên Do đó, kết cấu của buồng cháy phải phù hợp với quá trình hình thành hoà khí

và quá trình cháy nhiên liệu là khâu then chốt quyết định tính năng động lực và tínhnăng kinh tế của động cơ Diesel

2.1.5 Bốn giai đoạn của quá trình cháy trong động cơ Diesel.

Nhiên liệu trong động cơ Diesel được phun vào xylanh động cơ ở cuối kỳ nén,

do lực cản không khí nén trong buồng cháy, nhiên liệu được xé tơi thành những hạtnhỏ không đều về kích thước và phân bố không đều trong không gian buồng cháy.Các hạt nhiên liệu trong môi trường nhiệt độ cao được sấy nóng nhanh, khiến nhiệt

độ tăng cao Nhiên liệu bắt đầu bay hơi từ bề mặt hạt rồi hơi nhiên liệu khuyếch tánnhanh vào khối không khí nóng xung quanh Sau một khoảng thời gian, xung quanhhạt nhiên liệu tạo ra các hỗn hợp của hơi nhiên liệu và không khí được gọi là cáclớp hoà khí Lớp hoà khí nằm sát với bề mặt hạt là hoà khí đậm, có nhiệt độ hơithấp vì hạt nhiên liệu hút nhiệt của lớp này để bay hơi, các lớp cách bề mặt càng xahoà khí càng nhạt với nhiệt độ càng cao

Cũng như hoà khí của động cơ đốt cháy cưỡng bức, thành phần hoà khí trongđộng cơ Diesel cũng có giới hạn trên và giới hạn dưới, trong phạm vi giới hạn ấyhoà khí có thể thực hiện các phản ứng ôxy hoá để tự phát hoả và bốc cháy Còn nếuhoà khí nằm bên ngoài giới hạn sẽ không thể tự phát hoả bốc cháy được

Trong buồng cháy động cơ Diesel có rất nhiều hạt nhiên liệu to nhỏ khác nhau,mặt khác lưu động của dòng khí trong buồng cháy rất phức tạp làm cho sự phân bố

về nhiệt độ và thành phần hoà khí xung quanh các hạt nhiên liệu trở nên vô cùngphức tạp Nhưng có thể cho rằng không ít khu vực trong buồng cháy tồn tại hoà khí

có nhiệt độ và thành phần nằm trong giới hạn phát hoả và bốc cháy Do đó ở động

cơ Diesel có thể hình thành màng lửa trung tâm rồi cháy tại một hoặc một vài nơi.Tóm lại, hình thành hoà khí và cháy của động cơ Diesel là một quá trình phức tạpxảy ra nhanh theo kiểu xen kẽ lẫn nhau Để tiện phân tích và làm rõ quy luật cháy

của động cơ Diesel, người ta dựa vào một vài đặc trưng trong tiến trình của quátrình cháy để chia quá trình cháy thành bốn giai đoạn khác nhau.

2.1.5.1 Giai đoạn cháy trễ I.

Được tính từ lúc phun nhiên liệu vào xylanh động cơ (điểm 1) tới khi phát hoảbốc cháy (điểm 2), ứng với đoạn I trên hình 1.6 Đặc điểm của thời kỳ cháy trễ là:Tốc độ phản ứng hoá học tương đối chậm, sản vật cháy của phản ứng là sản vậttrung gian

Do đó, độ nhả nhiệt dQ/dt rất thấp nên có thể lược bỏ không xét tới sự khác biệtcủa biến thiên áp suất và nhiệt độ môi chất so với đường nén Nhiên liệu phun liêntục vào buồng cháy, cuối thời kỳ cháy trễ khoảng 30 - 40% nhiên liệu được phunvào, một vài động cơ cao tốc cá biệt có thể phun 100% nhiên liệu trong thời kỳ này.Thời kỳ cháy trễ của qúa trình cháy trong động cơ Diesel, trên một chừng mựcnào đó cũng có những nét tương tự như thời kỳ cháy trễ của động cơ xăng, chủ yếu

là để hình thành nguồn lửa đảm bảo cho quá trình cháy được phát triển toàn bộ rabuồng cháy nhưng thời gian cháy trễ của động cơ xăng chủ yếu phụ thuộc vào việcchuẩn bị phản ứng hoá học của hoà khí, còn ở động cơ Diesel ngoài việc phải chuẩn

bị cần thiết cho phản ứng hoá học còn phải phân bố nhiên liệu trong không gianbuồng cháy, sấy nóng các hạt nhiên liệu làm nhiên liệu bay hơi và khuếch tán Vìvậy càng có nhiều yếu tố gây ảnh hưởng tới thời kỳ này

2.1.5.2 Giai đoạn cháy nhanh II.

Được tính từ điểm 2 khi đạp áp suất cực đại trong xylanh (điểm 3 hình 2.6) Ởđộng cơ cao tốc Pz thường xuất hiện ở vị trí 6 ¸ 10 độc góc quay trục khuỷu, phíasau điểm chết trên Đặc điểm của thời kỳ này là:

Ngọn lửa được hình thành, tốc độ cháy tăng nhanh, tốc độ nhả nhiệt dQ/dtthường lớn nhất; ở cuối thời kỳ này số nhiên liệu bốc cháy chiếm khoảng 1/3 nhiênliệu cấp cho chu trình

Áp suất và nhiệt độ tăng nhanh, áp suất cao nhất tới 6 ¸9 (MPa)

Nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng cháy (số lượng nhiêu liệu phun vàothời kỳ này phụ thuộc vào độ dài ngắn của thời gian cháy trễ và thời gian phunnhiên liệu của chu trình) làm tăng nồng độ nhiên liệu trong hòa khí

Trong thời kỳ cháy nhanh, tốc độ tăng áp suất Dp/Dj rất lớn Nếu Dp/Dj vượtquá 4.105 ¸ 6.105 (Pa/độ)sẽ tạo nên các xung áp suất đập vào bề mặt các chi tiếttrong buồng cháy, gây tiếng gõ đanh và sắc, đó là chế độ hoạt động thô bạo các chitiết chịu tải của động cơ dễ bị hỏng, rút ngắn tuổi thọ, vì vậy cần tìm biện pháptránh gây hiện tượng trên Tình hình cháy trong thời kỳ cháy trễ và tình hình tiếntriển của những chuẩn bị về vật lý và hóa học của nhiên liệu trên Nếu thời kỳ cháytrễ kéo dài đầy đủ để cháy thì chỉ cần một nơi nào đó phát hỏa, màng lửa sẽ lannhanh đến mọi nơi trong buồng cháy Tốc độ cháy rất lớn, do đó tăng tốc độ giatăng áp suất, hoạt động của động cơ sẽ trở nên thô bạo rất khó điều khiển trực tiếptốc độ cháy của thời kỳ cháy nhanh nhưng có thể điều khiển một cách gián tiếpthông qua việc giảm bớt nhiên liệu cấp cho xylanh trong thời kỳ cháy trễ.Vì vậy cóthể thấy, điều khiển thời kỳ cháy trễ có ảnh hưởng rất quan trọng tới quá trình cháycủa động cơ Diesel.

2.1.5.3 Giai đoạn cháy chính III.

Được tính từ điểm đến điểm 4 (điểm có nhiệt độ lớn nhất) Điểm có nhiệt độlớn nhất thường xuất hiện phía sau điểm chết trên khoảng 20 ¸ 250 góc quay trụckhuỷu Đặc điểm của thời kỳ này là:

Quá trình cháy tiếp diễn với tốc độ cháy lớn, cuối thời kỳ cháy chính số nhiệtlượng đã nhả ra chiếm khoảng 70 ¸ 80% nhiệt lượng cấp cho chu trình

Trong thời kỳ này, thông thường đã kết thúc phun nhiên liệu, do sản vật cháytăng nhanh làm giảm nồng độ của nhiên liệu và ôxy Nhiệt độ tăng lên tới giá trị lớnnhất (1700 ¸ 20000C), nhưng do piston đã bắt đầu đi xuống nên áp suất hơi giảmxuống Nồng độ sản vật trung gian trong buồng cháy giảm nhanh, còn nồng độ củasản vật cháy cuối cùng tăng nhanh

Trong thời kỳ cháy chính, mới đầu tốc độ cháy rất lớn, sau đó lượng ôxy trong

buồng cháy giảm dần, sản vật cháy tăng lên nhiều, điều kiện cháy trở nên bất lợi, vì vậy cuối thời kỳ này tốc độ cháy càng ngày càng chậm Trong thời kỳ này một ít nhiên liệu được cháy trong điều kiện rất nóng và thiếu ôxy có thể cháy không hết tạo ra muội than cùng theo khí xả thải ra ngoài trời gây ô nhiễm môi trường Vì vậy vấn đề chính của thời kỳ cháy chậm là mâu thuẫn giữa tốc độ cháy và tốc độ hình thành hóa khí Nếu tăng cường cung cấp ôxy cho nhiên liệu để cải thiện chất lượng

hình thành hòa khí sẽ làm tăng tốc độ cháy, rút ngắn thời kỳ cháy chính làm cho nhiên liệu cháy hoàn toàn, nâng cao thêm tính năng động lực học và tính năng kinh

tế của động cơ

P I II III IV T

60 40 20 0 20 40 60 80

Q g

dQ/dt

5 P 4

3 2 1

2

3 4 T

5

Hình 2.6: Đồ thị khai triển quá trình cháy của động cơ Diesel

g : Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình

Q : Nhiệt lượng cấp cho chu trình dQ/dt : Tốc độ nhả nhiệt.

2.1.5.4 Giai đoạn cháy rớt IV.

Bắt đầu từ điểm nhiệt độ cực đại 4 tới khi cháy hết (điểm 5) Rất khó xác địnhđược điểm 5, trên thực tế điểm 5 có thể kéo dài đến lúc mở cửa thải Thông thườngcoi điểm 5, trên thực tế điểm 5 có thể kéo dài đến lúc mở cửa thải Thông thườngcoi điểm 5 là điểm có nhiệt lượng do cháy nhả ra chiếm khoảng 95¸97% nhiệt

lượng cấp cho chu trình Trong những động cơ cao tốc, thời kỳ cháy rớt có thểchiếm khoảng 50% thời gian hình thành hòa khí và cháy của chu trình Đặc điểmcủa thời kỳ là: Tốc độ cháy giảm dần tới lúc kết thúc cháy, do đó tốc độ nhả nhiệtdQ/dt cũng giảm dần tới không Do thể tích môi chất trong xylanh tăng dần nên ápsuất và nhiệt độ đều hạ thấp.

Ở thời kỳ cháy rớt, do áp suất và nhiệt độ môi chất trong xylanh đều hạ thấp,chuyển động của dòng khí yếu dần, sản vật cháy tăng nhiều làm cho điều kiện cháycủa nhiên liệu kém hơn so với thời kỳ cháy chính, khả năng hình thành muội thancàng lớn, mặt khác trong thời kỳ cháy rớt, sự cháy lại diễn ra trong thời kỳ giãn nở,

vì vậy phần nhiệt lượng nhả ra trong thời kỳ này chuyển thành công ít hiệu quả hơncác kỳ trước Ngược lại nó còn làm tăng phụ tải nhiệt các chi tiết của động cơ, tăngnhiệt độ khí thải và tăng tổn thất nhiệt truyền cho nước làm mát làm giảm các tínhnăng động lực và kinh tế của động cơ Do đó luôn luôn mong muốn giảm thời kỳcháy rớt tới mức ngắn nhất Muốn vậy phải tăng cường chuyển động của dòng khítrong buồng cháy động cơ cải thiện chất lượng hình thành hòa khí làm cho nhiênliệu phun vào xylanh động cơ trong thời gian cháy chính, làm cho quá trình cháy về

cơ bản kết thúc ở sát điểm chết trên

2.1.6 Nhiệm vụ và yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu Diesel.

* Nhiệm vụ:

- Dự trữ nhiên liệu: Đảm bảo cho động cơ có thể làm việc liên tục trong mộtthời gian nhất định; lọc sạch nước, tạp chất cơ học lẫn trong nhiên liệu, giúp nhiênliệu chuyển động thông thoáng trong hệ thống

- Cung cấp nhiên liệu cho động cơ đảm bảo tốt các yêu cầu:

- Lượng nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình phải phù hợp với chế độ làm việc củađộng cơ

- Phun nhiên liệu vào đúng thời điểm, đúng quy luật mong muốn

- Lưu lượng nhiên liệu vào các xylanh phải đồng đều.và phun nhiên liệu vàoxylanh qua lỗ phun nhỏ với chênh áp lớn phía trước và lỗ phun, để nhiên liệu được

xé tơi tốt

- Các tia nhiên liệu phun vào xylanh động cơ phải đảm bảo kết hợp tốt giữa sốlượng và phương hướng, hình dạng, kích thước của các tia phun với hình dạng

buồng cháy và với cường độ và phương hướng chuyển động của mỗi chất trongbuồng cháy để hòa khí được hình thành nhanh và đều.

* Yêu cầu:

Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Họat động lâu bền, có độ tin cậy cao

- Dễ dàng và thuận tiện trong sử dụng, bảo dưỡng và sữa chữa

- Dễ chế tạo, giá thành hạ

2.2 KHẢO SÁT HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU TRONG ĐỘNG CƠ CUMMINS

2.2.1 Khảo sát hệ thống điện tử điều khiển quá trình cung cấp.

Đối với động cơ cumin có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy trongđộng cơ, các yếu tố đó có nhiều yếu tố thuộc khâu kết cấu, thiết kế buồng cháy, kếtcấu đường ống nạp và có nhiều yếu tố phụ thuộc vào chế độ hoạt động của động

cơ như: Số vòng quay, thời điểm phun, lượng phun

Khả năng làm việc tối ưu của đông cơ Cummins phụ thuộc chủ yếu vào 2 yếu

tố điều chỉnh cơ bản là: Lượng nhiên liệu phun vào động cơ và thời điểm phun Cảhai thông số điều chỉnh cơ bản này đều được điểu chỉnh bởi bộ điều khiển điện tửtrên cơ sở xử lý các thông tin đầu vào như : Số vòng quay, chế độ tải trọng động cơ,nhiệt độ nước làm mát Nói chung có nhiều bộ xử lý điều khiển nhiều hệ thốngkhác nhau lắp trên ô tô Tuy nhiên bộ xử lý nào cũng hoạt động theo nguyên lý thuthập thông tin vào điều kiện làm việc của hệ thống và trên cơ sở đó điều khiển các

cơ cấu chấp hành theo cách mà người thiết kế mong muốn

Như vậy, hệ thống điều khiển điện tử phun nhiên liệu trên động cơ gồm ba phầnchủ yếu sau:

2.2.1.1 Hệ thống thu thập thông tin về điều kiện làm việc của động cơ.

Bao gồm các cảm biến cung cấp cho bộ xử lý các thông tin về số vòng quay, vịtrí bàn đạp chân ga, nhiệt độ không khí nạp, nhiệt độ làm việc của động cơ cáccảm biến làm việc theo nguyên tắc khác nhau Các thông tin từ các cảm biến đưa về

bộ xử lý dưới dạng các tín hiệu điện như: tín hiệu dạng xung, tín hiệu điện áp biếnđổi, tín hiệu tần số và được biến đổi sơ bộ trước khi đi vào bộ xử lý

2.2.1.2 Hệ thống xử lý.

Căn cứ vào các tín hiệu gởi về từ các cảm biến, hệ thống xử lý so sánh với cácthông tin đã được cài đặt sẵn trong bộ nhớ và xác định các thông số đầu ra để điềukhiển các bộ phận thừa hành, đảm bảo điều kiện làm việc tối ưu cho động cơ.

2.2.1.3 Hệ thống thừa hành.

Bao gồm các cơ cấu chấp hành được điểu khiển bằng các tín hiệu đầu ra của bộ

xử lý Các cơ cấu chấp hành như: vòi phun, hệ thống làm mát được điểu khiển saocho động cơ làm việc phù hợp với các tín hiệu đầu vào

Để hiểu rõ hoạt động của từng hệ thống, ta sẽ đi vào nghiên cứu chúng ở phầnsau, tuy nhiên trước hết cần nhắc lại các nguyên tắc điểu khiển trên động cơ đốttrong

2.2.1.4 Định lượng hỗn hợp nhiên liệu, không khí.

Chúng ta biết rằng không khí chung quanh ta là hỗn hợp các khí khác nhau màtrong đó hai thành phần chủ yếu là Ôxy (chiếm 21% khối lượng) và Nitơ (chiếm78% khối lượng) So với một thể tích nhất định, khối lượng khí phụ thuộc vào cácthông số trạng thái của nó như: áp suất, nhiệt độ Vì vậy với một dung tích xi lanhnhất định, khối lượng không khí vào xi lanh cũng thay đổi làm thay đổi tỉ lệ nhiênliệu/không khí (chính xác hơn tỉ lệ nhiên liệu/Ôxy) và làm cho quá trình cháy diễn

ra ở chế độ không được tối ưu, tăng tiêu hao nhiên liệu

Khi động cơ đang hoạt động, lượng nhiên liệu phun vào xi lanh thay đổi tùytheo điều kiện làm việc Để đảm bảo lượng nhiên liệu phù hợp, bộ điều khiển cầnbiết được thông tin về trạng thái của lượng khí nạp

Để xác định chính xác lượng khí nạp, trên động cơ lắp thêm cảm biến đo ápsuất thể tích khí nạp được xác định thông qua thể tích công tác và hiệu suất thể tíchđộng cơ Thể tích công tác phụ thuộc đường kính xi lanh và hành trình piston, cònhiệu suất thể tích phụ thuộc kết cấu của động cơ và đường ống nạp Vì mỗi loạiđộng cơ có một kích thước và kết cấu khác nhau nên để đảm bảo cho điều kiệnphun nhiên liệu được chính xác, các thống số kết cấu và hiệu suất thể tích được nạpsẵn vào bộ nhớ ROM của bộ điều khiển điển tử

Lượng nhiên liệu phun không chỉ phụ thuộc vào khí nạp, buồng cháy động cơ

mà còn phụ thuộc nhiều yếu tố đặc trưng cho tình trạng làm việc của động cơ, ví dụnhư số vòng quay động cơ Bộ xử lý cũng sử dụng các tín hiệu nhận được từ cáccảm biến đo các yếu tố đặc trưng cho tình trạng làm việc của động cơ để điều chỉnhlượng phun sao cho đạt được tỉ lệ hỗn hợp thích ứng với điều kiện làm việc củađộng cơ

2.2.1.5 Xác định góc phun sớm.

Cũng tương tự như nguyên tắc điều khiển lượng phun, bộ xử lý điều khiểnlượng phun, bộ xử lý điều khiển góc phun sớm trên cơ sở tín hiệu thu được từ cảmbiến đo số vòng quay động cơ và các cảm biến xác định trạng thái động cơ như cảmbiến xác định nhiệt độ nước làm mát, cảm biến vị trí bàn đạp ga, cảm biến áp suấtkhí nạp

Để hiểu rõ hơn bản chất của quá trình lượng phun, góc phun sớm tối ưu ta hãyxem xét ví dụ đơn giản hóa quá trình xác định góc phun sớm tối ưu cho hệ thốngphun Diesel như sau:

Đầu tiên người ta vẽ đồ thị công của động cơ ở mỗi số vòng quay nhất định (ví

dụ 1600 vg/ph) ứng từng góc phun sớm khác nhau Rõ ràng là ở các giá trị góc phunsớm khác nhau ta thu được những giá trị công sinh ra khác nhau Từ các đồ thị này

ta xây dựng được đồ thị biểu diễn quan hệ công suất theo góc phun sớm ở từng sốvòng quay nhất định theo như trong đồ thị hình 2.7

Ở giá trị j = jNe, công suất Ne = Nemax

Hình 2.7: Đồ thị quan hệ công suất - góc phun sớm ở n = 1700 [vg/ph].

Ne

Ne[Kw]

Cũng theo trình tự như trên, người ta xây dựng được các đồ thị biểu diễn quan

hệ của nồng độ phát sinh các khí gây ô nhiễm như: Hydrocarbon và Ôxít Nitơ trênđường ống phải theo góc phun sớm ở từng số vòng quay như trong các đồ thị sauđây Ở giá trị j = jNe, nồng độ ô nhiễm chung đạt giá trị nhỏ nhất

Ở đây phần gạch chéo biểu thị vùng của chất ô nhiễm vì khi ta xây dựng đồ thị

có xét các ảnh hưởng khác như nhiệt độ động cơ, áp suất khí nạp

j

HC

âäü

jÄN 60

100

200

250

Hình 2.8: Đồ thị quan hệ nồng độ HC, NOx - góc phun sớm ở n = 700[vg/ph]

Theo quan điểm khống chế lượng ô nhiễm sinh ra ở mức thấp, trên đồ thị chung của

ba đường cong công suất, ô nhiễm theo góc phun sớm, người ta chọn góc phun sớm

ở giá trị tối ưu: j = jm sao cho công suất sinh ra ở gần giá trị cực đại và nồng độgây ô nhiễm ở gần giá trị cực tiểu

Bảng góc phun sớm trên được gọi là góc phun sớm cơ sở bởi vì khi xác định nóngười ta chưa tính đến ảnh hưởng của các yếu tối khác như: nhiệt độ nước làm mát

của động cơ, nhiệt độ khí nạp - đến chế độ làm việc của động cơ Đường cong biểuthị quan hệ giữa các yếu tố này đến sự tăng, giảm góc phun sớm được gọi là đồ thịhiệu chỉnh

Khi động cơ hoạt động, bộ xử lý nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí trục khuỷu,cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến vị trí bàn đạp ga, áp suất trên đường ống nạp

để xác định số vòng quay và tải trọng động cơ tại thời điểm đó Với hai thông sốnày, bộ xử lý đối chiếu vào bảng góc phun sớm cơ sở để lấy ra giá trị góc phunsớm, sau đó bộ xử lý căn cứ vào giá trị thu được từ các cảm biến khác nhau như:cảm biến nước làm mát, cảm biến nhiệt độ khí nạp để hiệu chỉnh và có giá trị gócphun sớm thích hợp Giá trị được bộ xử lý dùng để điều khiển bộ phận thừa hành ởđầu ra như vành cam

Để hiểu rõ hơn cơ cấu hoạt động của bộ xử lý, ta hãy xem xét chi tiết hơn vềcấu trúc khối và cơ cấu xử lý nó trong phần tiếp theo

Như đã trình bày trên, căn cứ vào tín hiệu gởi về từ các cảm biến, hệ thống xử

lý so sánh với các thông tin đã được lập trình sẵn trong bộ nhớ và xác định cácthông số đầu ra để điều khiển các bộ phận thừa hành, đảm bảo điều kiện làm việctối ưu cho động cơ, sơ đồ điều khiển điện tử như sau:

Mỗi khối trên được tạo thành từ những thành phần nhỏ hơn Để hiểu rõ hơnhoạt động của từng khối trong bộ vi xử lý, trước tiên ta nghiên cứu chúng riêng rẽrồi sau đó xem xét sự phối hợp giữa chúng với nhau trong bộ vi xử lý.

* Bộ ổn áp bên trong.

Vì bộ xử lý và các cảm biến đòi hỏi một điện áp làm việc rất ổn định, nêntrong bộ điều khiển có lắp một bộ ổn áp Bộ ổn áp điện này cung cấp cho bộ xử lýmột điện áp có giá trị xác định và ổn định

* Xử lý tín hiệu vào.

Rất dễ nhận định không chính xác về chức năng của bộ xử lý trên ô tô Nhiều

kỹ thuật viên cho rằng tín hiệu vào được tuần tự đưa vào bộ xử lý và biến thành tínhiệu ra Ta thường nhầm như vậy, bởi vì bộ xử lý làm việc quá nhanh Nhưng thực

ra, bộ xử lý không thể làm việc với các tín hiệu vào dưới dạng chúng được truyềnđến, mà chúng được biến đổi thành các tín hiệu dạng số Tín hiệu là sự kết hợp giữacác mức điện áp có và không, mức điện áp có là 1 số và mức điện áp không là số 0.Tín hiệu phải được biến dạng sang số vì bộ xử lý chỉ có thể làm việc với cáctín hiệu 0 và 1

Vì mỗi loại cảm biến tạo nên một dạng khác nhau nên chúng đòi hỏi các cáchbiến đổi khác nhau sang dạng số Do đó, việc hiểu được cách hoạt động của các bộbiến đổi này là điều rất quan trọng

Trước tiên ta nghiên cứu nguyên lý làm việc của bộ biến đổi tương tự - số.Một trong các bộ biến đổi dùng phổ biến trong bộ điều khiển là bộ biến đổi tương tự

số, viết tắt là ADC Bộ này dùng để biến đổi tín hiệu điện áp một chiều có giá trịthay đổi sang tín hiệu dạng số để bộ xử lý có thể làm việc được

Các cảm biến mạch tương tự, như cảm biến vị trí bàn đạp ga, cảm biến nhiệt

độ, cảm biến áp suất là những ví dụ của cảm biến tạo ra tín hiệu điện áp tương tựthay đổi, chúng phải được biến thành dạng tín hiệu số mới có thể xử lý được

Hình 2.12 trình bày một bộ ADC điển hình, gồm có một đầu tín hiệu vào, mộtmạch tín hiệu thực hiện chức năng biến đổi và một đầu ra 8 dây (với bộ ADC 8 bít)nối liền bộ xử lý với bộ nhớ Mạch điện tử ADC khá phức tạp, vượt ra ngoài phạm

vi nghiên cứu của đề tài này Chúng ta chỉ cần biết là khi tín hiệu điện áp tương tựđược đưa vào bộ ADC, thì tạo nên các tín hiệu dạng số ở đầu ra Nói cách khác, bộ

ADC biến đổi điện âp một chiều sang dạng số nhị phđn 8 bít mă bộ xử lý có thể đọcđược

Bộ ADC biến đổi điện âp một chiều dạng tương tự số nhị phđn rất nhanh, quâtrình biến đổi cũng chỉ mất thời gian nhất định, khoảng chừng văi ngăn giđy

Bộ nhớ (memory): Có 3 kiểu bộ nhớ được xử dụng trong bộ xử lý của hệ thốngđiều khiển trín ô tô lă:

ĐẠ I

TÍN HIỆ U RA

BỘ NHỚ

BÔ Ổ N ÁP (5V)

NGUỒ N

(12V)

Hình 2.11 Sơ đồ khối điều khiển điện tử phun nhiín liệu

Sơ đồ khối ở trín trình băy cấu trúc một bộ điều khiển vi xử lý Trong bộ phận năy có bảy khối riíng biệt thực hiện câc chức năng khâc lă:

Khối xử lý tín hiệu ra

Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên, viết tắt là RAM

Bộ nhớ nuôi, viết tắt là KAM

* Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên

Các dữ liệu được bộ xử lý lưu trữ tạm thời trong bộ nhớ RAM Các dữ liệunày

Hình 2.12 Bộ biến đổi tương tự số

1 Cảm biến nhiệt độ 3 Bộ biến đổi tương tự số

2 Điện trở trong 4 Tín hiệu nhị phân 8 bít

Bao gồm các dữ liệu về tình trạng hiện hành của động cơ, của các hệ thống hoặccác thông tin cần thiết khác mà bộ xử lý cần ghi nhớ tạm thời khi hoạt động Khi cắtnguồn điện cung cấp (tắt chìa khoá điện), các dữ liệu lưu trữ trong bộ nhớ RAMcũng bị mất

* Bộ nhớ chỉ đọc (ROM)

Một số thông tin cần thiết như các chương trình hệ thống, các thông số về kếtcấu như dung tích động cơ, hệ số thể tích và các tham số để kiểm tra các bộ phậntrên xe phải được dự trữ trong bộ nhớ và không được xoá hoặc ghi đè lên Cácthông tin này được ghi trong một bộ nhớ gọi là bộ nhớ chỉ đọc (ROM) Các thôngtin ghi trong bộ nhớ ROM không bị mất đi khi cắt nguồn điện cung cấp cho bộ nhớ

12

5v

3

0 0 1 0 0 1 1 0

0v 0v 5v 0v 0v 5v 5v 0v

4

* Bộ nhớ chỉ nuôi (KAM)

Những hệ thống điều khiển dùng bộ vi xử lý như hệ thống điều khiển độngbằng điện tử yêu cầu một phần bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (KAM) vẫn phải tiếptục hoạt động ngay cả sau khi tắt khoá điện Vì vậy, một phần bộ nhớ được cấp điện

áp độc lập từ nguồn ắc quy Nhờ đó, thông tin trong vùng nhớ này được cập nhậttheo yêu cầu bộ xử lý và thông tin không bị mất đi khi tắt khoá điện Thông tin lưutrữ trong vùng nhớ này được gọi là thông tin điều chỉnh, vì vậy như các thông tin về

hư hỏng mà bộ xử lý phát hiện khi động cơ hoạt động, độ mòn các chi tiết nhưpiston, xi lanh

* Bộ vi xử lý.

Bộ vi xử lý thực hiện một số chức năng khác nhau Chúng nhận và xuất trữ dữliệu, kiểm soát tính tuần tự của các sự kiện nhờ có mạch thời gian bên trong, và raquyết định theo kết quả của các phép tính toán học

Khi ta sử dụng một máy tính điện tử, ta nhập số liệu bằng cách nhấn các phím

Ta nhấn các phím chức năng để máy làm việc Bộ vi xử lý cũng tương tự như mộtmáy tính, nhưng nó có khả năng tự nhấn phím cho mình, không cần con người giúp

đỡ mà tuỳ thuộc vào kết quả đã được cài sẵn bên trong

Tương tự như trên, bộ vi xử lý trên ô tô cũng tính toán và điều khiển các hệthống theo một chương trình đã được cài sẵn Chương trình khi viết đã dự kiến hầuhết các điều kiện vận hành của hệ thống

Một số bộ điều khiển có thể tự động bật đèn báo hay có chuông báo nguy nếuphát hiện mã hư hỏng trong hệ thống Số khác thì cần phải qua một thủ tục đọc mã

hư hỏng đơn giản có sử dụng thiết bị đọc Tuỳ theo từng hệ thống mà chúng ta cócách đọc mã hư hỏng phù hợp

Trong một số hệ thống có khả năng tự kiểm tra, bộ điều khiển được lập trình

để thực hiện liên tục kiểm tra từng tín hiệu và so sánh giá trị của nó với các giá trị

đã ghi sẵn trong bộ nhớ Chú ý rằng chức năng tự kiểm tra chỉ được thực hiện theotừng bước một Thực ra, hạn chế của hệ thống là không thể đồng thời thực hiện cácbước cùng một lúc, tại một thời điểm Bộ điều khiển chỉ có thể kiểm tra và so sánhmột gia trị tín hiệu mà thôi

* Bộ nhớ đầu ra.

Sau khi bộ xử lý thực hiện xong các phép tính, kết quả được lưu trữ trongphần bộ nhớ dành riêng để ghi dữ liệu đầu ra, phần bộ nhớ này được đặt cùng mộtvùng với bộ nhớ đầu vào trong bộ nhớ RAM Cũng như bộ nhớ đầu vào, bộ nhớ đầu

ra lưu trữ các số nhị phân để chuyển cho bộ xử lý tín hiệu đầu ra nhằm tạo nênnhững tín hiệu điều khiển 1

* Các chức năng của đầu ra.

Bộ xử lý không trực tiếp điều khiển các thiết bị đầu ra, nó chỉ thực hiện cácphép tính và ghi giá trị vào bộ nhớ Kết quả này được bộ xử lý tín hiệu đầu ra sửdụng để tạo nên các tín hiệu điều khiển Các dạng tín hiệu điều khiển được tạo ratheo yêu cầu của các thiết bị đầu ra Cũng như bộ xử lý đầu vào, bộ xử lý đầu ragồm có nhiều khối hoạt động riêng rẽ hoặc phối hợp với nhau để tạo tín hiệu đầu ra

* Bộ biến đổi số tương tự:

0 0 1 0 0 1 1 0

0v 0v 5v 0v 0v 5v 5v 0v

1

2

5v

0,75v0v

Hình 2.13 Bộ biến đổi số tương tự

1 Bộ nhớ đầu ra 2 Bộ biến đổi số tương tựHầu hết các thiết bị xử lý tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển là bộ biến đổi sốtương tự (DAC) DAC có chức năng ngược với ADC Nếu ADC biến đổi tín hiệu từdạng tương tự sang dạng số, thì DAC biến đổi tín hiệu từ dạng số sang dạng tương

tự Số càng lớn, tín hiệu tương tự càng lớn và ngược lại Hình 2.13 minh hoạ mốitương quan giữa tín hiệu vào và tín hiệu tương tự ở đầu ra Trong khối xử lý tín hiệuđầu ra, DAC là thiết bị nhận dữ liệu từ bộ nhớ đầu ra

* Mạch đóng ngắt dùng Transistor

Một thiết bị cũng được dùng rất nhiều trong bộ nhớ đầu ra là transistor đóngngắt Transistor đóng ngắt là linh kiện điện tử thay cho loại rơle đóng ngắt bằngcuộn dây thường dùng trước đây Hình 2.14 cho thấy mối tương quan giữa mộtTransistor đóng ngắt và một rơ - le đóng ngắt bằng cuộn dây, cuộn dây của rơleđược nối chung "mát" với tiếp điểm của rơle Cuộn dây được nối với nguồn thôngqua một công tắc nguồn Khi công tắc đóng, cuộn dây được cấp điện làm đóng tiếpđiểm, nhờ vậy mạch được cấp điện Tóm lại, rơ le dòng điện nhỏ để đóng ngắtmạch có dòng lớn

Hình 2.14 Mạch đóng ngắt dùng Transistor

1 Công tắc 3 Công tắc

2 Rơ le 4 Công tắc Transistor

Ưu điểm chính của "rơle" transistor so với rơ le cuộn dây thường dùng là ở tốc

độ Bởi vì cuộn dây trong rơ - le cần thời gian mới tạo ra từ trường đủ mạnh đểđóng tiếp điểm, nên tiếp điểm không đóng ngay lập tức khi công tắc của rơ - leđóng mạch Thực ra, khi công tắc đóng mạch dòng điện chạy qua cuộn dây xuống

"mát" tạo nên từ trường trong cuộn dây rồi từ trường này mới đóng tiếp điểm Mặc

dù quá trình đóng ngắt xảy ra dường như tức thời với mắt người, nhưng so với "rơ le" transistor thì nó diễn ra khá chậm, chậm hơi hàng trăm lần so với "rơ - le"transistor, sự chênh lệch về tốc độ này rất quan trọng đối với những mạch điềukhiển những thiết bị cần tốc độ đóng ngắt nhanh như mạch điều khiển vòi phunnhiên liệu hay bơm cao áp

-* Điều khiển độ rộng xung

Nhiều bộ phận điều khiển điện tử trên ô tô có sử dụng cuộn dây từ Chẳng hạnnhư hệ thống phun nhiên liệu, bơm cao áp Hầu hết các cuộn dây được điều khiểnbằng điện áp dạng sóng vuông mà tỉ lệ thời gian đóng (ON) và ngắt (OFF) có thểthay đổi Cách thay đổi tỉ lệ thời gian đóng ngắt này gọi là điều biện độ rộng xunghay còn gọi là điều áp dạng sóng vuông có độ rộng thay đổi Trong thực tế, có nhiềuloại điện áp dạng sóng vuông có độ rộng thay đổi Phổ biến nhất là loại có tần số cốđịnh như trong hình 2.15 và 2.16 Trong loại sóng vuông này, chỉ có tỉ lệ thời gianđóng/ ngắt thay đổi, còn tần số của tín hiệu thì không thay đổi

Trong một số thiết bị khác, như các vòi phun trong hệ thống phun nhiên liệutuần tự, không những tỉ lệ thời gian đóng/ngắt thay đổi mà ngay cả tần số của tínhiệu điện áp cũng thay đổi bởi vì, khi số vòng quay của động cơ tăng thì tần số củahành trình nạp (số hành trình nạp trong một đơn vị thời gian) cũng tăng theo

On time = 34%

On time = 34%

Off time = 66%

Hình 2.15 Điều biến độ rộng xung

On time: Thời gian đóng Off time: Thời gian ngắt

Hình 2.15 mô tả tín hiệu dạng sóng vuông có tần số thay đổi tại thời điểm tín hiệu thay đổi tần số Chú ý rằng trong trường hợp trên, khi tầng số tăng lên, tỉ lệ thời gian đóng/ ngắt vẫn không thay đổi

4

12v

Hình 2.17 Sơ đồ mạch đóng ngắt dùng transistor

1 Bộ biến đổi số tương tự 3 Công tắc transistror

2 Bộ biến đổi điện áp độ rộng xung 4 Tải

Hình 2.17 mô tả tín hiệu sóng vuông có tần số thay đổi và tỉ lệ thời gian đóngngắt thay đổi, để điều khiển tỉ lệ thời gian đóng ngắt ECM đóng ngắt transisto lấytín hiệu số 8 bít từ bộ nhớ và chuyển đến DAC truyền đến bộ biến đổi điện áp - độrộng xung là bộ biến đổi tín hiệu điện áp một chiều sang tín hiệu dạng sóng vuông

Tỉ lệ thời gian đóng ngắt được xác định theo độ lớn điện áp vào bộ biến đổi Điện

áp đầu vào càng lớn, thời gian đóng càng lâu và thời gian ngắt càng ngắn Khi điện

áp vào bộ biến đổi điện áp độ rộng xung giảm, thời gian ngắt tăng và thời gian đónggiảm Tín hiệu ở đầu ra của bộ biến đổi được sử dụng để điều khiển transistor.Transistor hoạt động như một công tắc Khi có điện áp đặt vào cực gốc, nó đóngmạch giữa cực gốc và cực phát, cho phép dòng điện đi qua thiết bị đầu ra Loạimạch dùng transistor có thể sử dụng khi cường độ dòng điện nằm trong giới hạncho phép của transistor

2.2.2 ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CÁC CẢM BIẾN CHÍNH TRONG HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ CUMMIN.

2.2.2.1.Các cảm biến và van điện từ được sử dụng trong động cơ.

B A B A

A

B A C B C A C C

A

R T C E N O D E H K U

B A

B A B A

B A

18 19 06 04 13 21 22 12 02

05 29 23 14

2

34567

B

Hình : 2.18 Sơ đồ cảm biến

1:cảm biến tôc độ xe,2:cảm biến bàn đạp ga,3,4:công tắc tự động ga tay, 5,6:phanh động cơ ,7:công tắc ga chạy cầm chừng, 8:công tắc chẩn đoán,9:công tắc quat làm mát ,11:chìa khoá điện ,12:cảm biến mức nước,13,14:rơle mở hơi quạt gió,15:cảm biến trục khuỷu ,16:cảm biến nhiệt độ nước,17:cảm biến nhiệt độ khí trời,18:cảm biến nhiệt độ khí nạp,19: cảm biến nhiệt độ dầu bôi trơn ,20:cảm biến áp suất khí nạp ,21:cảm biến áp suất khí trời,22:cảm biến áp suất dầu bôi trơn ,23:van điện từ tắt máy ,24:van điện từ vòi phun nhiên liệu

2 2 2 2 2 2

M L K J H F E C A

B A

1001

20113

02

211203

2213

07 18 10 21 16 08 23 03

06 07

23 27 09 20 24 01 11 03 13 05 15

C

C

B A B A B B B B C A

04

14 23

241505 06

251607

261708 18 27 09

2819

14 15 12 24 25 06 02 13 27

A

A C

23

24 24 24 24 24 24

CA

Hình 2.19 Sơ đồ cảm biến.

Động cơ Cummins là một hệ thống phun nhiên liệu được điều khiển bằng ECMđiều khiển giám sát quá trình phun bằng những giá trị cần thiết được mặc định sẵncho qúa trình phun nhiên liệu ECM hoạt động giống như hệ thống phun điều khiểnEDC khác Ở trên ta đã trình bày tổng quát nguyên lý thu thập và xử lý tín hiệu của

bộ điều khiển điện tử nói chung Trong phần này ta sẽ tìm hiểu cụ thể các loại cảmbiến và bộ phận thừa hành sử dụng trong hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tửtrên động cơ Cummins

Cảm biến nhiệt điện trở để đo nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ nhiên liệu vànhiệt độ khí nạp

Cảm biến kiểu biến dung để đo áp suất tuyệt đối khí nạp

Cảm biến kiểu biến trở để xác định vị trí bàn đạp ga

Cảm biến điện tử để so số vòng quay trục khuỷu

2.2.2.2 Cảm biến nhiệt điện trở.