Giáo trình động cơ đổ trong 2 - Chương 10 pdf

Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel

183











Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel

184
Chương 10
TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL
I. ĐẶC TÍNH CỦA BƠM CAO ÁP
Bơm Bosch là loại bơm cao áp vẫn được dùng rộng rãi trong các loại động cơ Diesel hiện nay,
vì vậy trong phần này chúng ta sẽ khảo sát về các đặc tính của loại bơm này.
Đặc tính cung cấp nhiên liệu của bơm cao áp là đặc tính nói lên mối quan hệ giữa sự biến
thiên lượng nhiên liệu cấp cho chu trình g
ct
(lượng nhiên liệu của một hành trình bơm) theo tốc độ
quay của trục bơm, tại một vò trí cố đònh của thanh răng bơm cao áp.
Trên hình triển khai phần đầu của piston (hình 10.1), thể hiện sự thay đổi lượng nhiên liệu cấp
cho chu trình của bơm cao áp Bosch.
Trên đồ thò , S
e

là hành trình có ích của piston
bơm, được xác đònh theo kích thước hình học và
xylanh bơm. Trên thực tế, khi nhiên liệu qua lỗ thoát
có tổn thất nên thời gian đầu của quá trình cung cấp,
áp suất nhiên liệu bên trong xylanh sẽ tăng lên sớm
hơn so với thời điểm đóng kín lỗ thoát trên xylanh.
Tương tự, thời điểm kết thúc cấp nhiên liệu thực tế
cũng không xảy ra cùng thời điểm mở lỗ thông do
rãnh nghiêng thực hiện mà thường muộn hơn.
-

Vò trí A, tương ứng với hành trình S
e
cực đại.
-

Vò trí B, tương ứng với hành trình S
e
nhỏ hơn.
-

Vò trí C, tương ứng với hành trình S
e
= 0.

Vì vậy hành trình cấp nhiên liệu thực tế thường lớn hơn hành trình có ích lý thuyết làm cho
lượng nhiên liệu thực tế cấp cho chu trình thường lớn hơn giá trò đònh lượng lý thuyết. Hiệu ứng nói
trên sẽ càng lớn nếu tốc độ động cơ càng cao.
Các đặc tính A, B, C của bơm cao áp trên hình 10.2 tương ứng với ba vò trí khác nhau của
thanh răng bơm cao áp. Biến thiên của ba đặc tính này tương tự nhau, càng tăng tốc độ động cơ (giữa
không đổi vò trí của thanh răng bơm cao áp) sẽ càng làm tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình g
ct
.
S
e


d

C

B

A

Hình 10.1. Thay đổi lượng nhiên liệu cấp
cho mộ chu trình.
Tốc độ trục bơm

(vòng/phút)
g
ct

(kg/chu trình)

A

B


Hình 10.2. Đặc tính của bơm BOSCH.
C

250

500

750

1000

0

40

80

120

160

Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel

185
Gọi

b
là hệ số cung cấp nhiên liệu của bơm cao áp:
lt
ct
b
V
V
 , là tỷ số giữa lượng nhiên liệu
thực tế bơm cao áp cung cấp trong một chu trình (tính theo thể tích) trên lượng nhiên liệu lý thuyết
mà bơm cao áp cung cấp trong một chu trình.
nl
ct
ct
g
V


e
2
eplt
S.
4
d.
S.fV



Trong đó: f
p
– diện tích đỉnh piston bơm cao áp.
d – đường kính piston bơm cao áp.
S
e
– hành trình có ích của piston bơm cao áp.
g
ct
– lượng nhiên liệu cung cấp trong một chu trình.


nl
– khối lượng riêng của nhiên liệu.
Trên động cơ ô tô máy kéo, bơm cao áp Bosch có

b
= 0,75 ÷ 0,9
II. ĐẶC TÍNH CỦA VÒI PHUN NHIÊN LIỆU
Đặc tính của vòi phun là những đường cong biểu diễn biến thiên của hàm số áp suất theo lưu
lượng nhiên liệu qua lỗ phun.
II.1. Loại vòi phun hở
Đặc tính vòi phun hở là hàm số thể hiện mối quan hệ giữa chênh áp trước và sau lỗ phun với
lưu lượng nhiên liệu qua lỗ. Ở vòi phun hở, tiết diện lưu thông của lỗ phun luôn luôn là hằng số. Từ
phương trình Bernuollie, đặc tính của vòi phun hở có dạng sau:
 
2
cc
nl
p

2
cy
f 2
.Q
PP



(10-1)
Trong đó: P
y
– áp suất nhiên liệu phía trước lỗ phun (Pa).
P
c
– áp suất môi chất trong buồng cháy (Pa).
Q
p
– lưu lượng nhiên liệu qua lỗ phun.
(m
3
/s).


nl
– khối lượng riêng của nhiên liệu.
(kg/m
3
).
Động cơ ô tô máy kéo hoạt động trong phạm vi tốc
độ rất rộng từ 500


600 vòng/phút ở chế độ không tải,
3.500

4.000 vòng/phút ở chế độ toàn tải. Trong phạm vi
thay đổi này chênh lệch áp suất sẽ thay đổi khoảng 40 đến
70 lần. Như vậy, sẽ xảy ra trường hợp chênh áp thấp (P
y
– P
c


3

6 MPa) khi chạy không tải làm cho nhiên liệu không
thể xé tơi tốt. Ngoài ra vòi phun hở thường xuyên có hiện
tượng nhỏ giọt sau khi kết thúc phun.
Q


P
y

–
P
c


Hình
1

0
.
3
.

Đặc tính của vòi phun hở
.

Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel

186
Hiện tượng trên sẽ làm cho các giọt nhiên liệu bay hơi chậm, khó cháy hết, dễ tạo muội than
gây tắc lỗ phun, làm giảm công suất và hiệu suất động cơ.
Chính vì những nhược điểm trên nên vòi phun hở của động cơ Diesel hiện nay rất ít dùng mà
thay thế vào đó là loại vòi phun kín.
II.2. Loại vòi phun kín có kim
Vòi phun kín có kim là vòi phun có kim tỳ lên đế van, gây ngăn cách giữa không gian phía
trước và phía sau mặt tỳ của kim phun. Hiệu số giữa áp suất P
2
ở sau mặt tỳ của kim phun và áp suất
P
z
trong buồng cháy được xác đònh qua công thức:

 
2
cc
nl
2
z2

f 2
.Q
PP




(10-2)
Biến thiên áp suất P
y
trong không gian phía trước đế tỳ, xác đònh nhờ hai phương trình sau:
II.2.1. Phương trình cân bằng lực tác dụng lên kim phun



4
dd.
p
4
d.
.PBxA
2
1
2
0
y
2
1
2





(12-3)
Trong đó: A – lực ép ban đầu của lò xo lên kim phun (N).
B – độ cứng của lò xo (N/m).
x – hành trình nâng kim (m).
d
1
, d
2
– đường kính trung bình mặt tỳ mũi kim và đường kính phần dẫn hướng
của kim (m).
II.2.2. Phương trình Bernuollie của dòng nhiên liệu đi qua đế tỳ của kim

 
2
11
nl
2
2y
f 2
.Q
PP




(10-4)

Q


I

II

III

IV

x
max

P
c

p’
y

x = f(Q

)

P
y
= f(Q

)

P
2
= f(Q

)


c
.f
c

P
y

P
2

P
y

P
2

P


Hình 1
0
.
4
.
Đặc tính của vòi phun kín.
Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel

187
Trong đó:

1
– hệ số lưu lượng.
f
1
– tiết diện lưu thông qua đế tỳ của kim.

 sin.d xf
11
, với 2

– góc côn của mũi kim.
Hàm P

y
= f(Q

) thể hiện qua đường II (hình 10.4), càng tăng Q
1
thì đường II càng sát với đường
I, nếu độ nâng kim x không bò hạn chế. Tiết diện lưu thông tương đối nhỏ tại đế kim phun f
1
gây tiết
lưu và tăng chuyển động rối của nhiên liệu tại đây, cải thiện chất lượng phun tơi. Ở chế độ không tải,
chạy chậm với vòi phun kín tiêu chuẩn vẫn cho chất lượng phun tốt. Nhờ có kim phun ngăn cách hai
không gian phía trước và sau đế tỳ của kim phun, nên khi kết thúc đã tránh được hiện tượng nhỏ giọt
(đây là một ưu điểm lớn ở vòi phun kín mà vòi phun hở không có được).
Đường III trên (hình 10.4) là hàm p
y

= f(Q

) khi x = x
max
(hành trình nâng kim bò hạn chế).
Đường IV là hàm x = f(Q

). Áp suất nâng kim P

tác dụng lên diện tích hình vành khuyên:


2
k

2
0v
dd.
4
f 



Trong đó: d
k
– đường kính lớn mặt tỳ hình côn của kim.
Khi kim đã mở, áp suất nhiên liệu trong vòi phun tác dụng lên toàn bộ diện tích ngang f
0
phần
dẫn hướng của kim
}
4
d.
f{
2
0
0


. Nếu P’

là áp suất bắt đầu đóng kim, ta có mối quan hệ sau:
v0
fpf'.p






.p
f
f
p'p
0
0
v
với
0
v
f
f


Cuối quá trình phun áp suất trong vòi phun tương đối lớn, muốn cho kim phun được đóng
nhanh cần chọn
75,0


và độ cứng lò xo từ (150

300) N/mm.
II.3. Loại vòi phun kín có chốt
Loại vòi phun có chốt trên kim phun được sử dụng nhiều nhất
trong các loại động cơ cao tốc có buồng cháy ngăn cách, đôi khi cũng
được sử dụng trong các loại động cơ cao tốc có buồng cháy thống nhất.

Người ta dùng vòi phun tiết lưu để thực hiện quy luật cung cấp nhiên liệu
bậc thang và làm êm dòu quá trình cháy, vì vòi phun tiết lưu đã giảm tốc
độ cung cấp nhiên liệu trong giai đoạn đầu của quá trình phun.
Phần trên của chốt là hình trụ, phần chốt đặt trong lỗ phun tạo ra
một khe hở nhỏ. Giai đoạn đầu của hành trình nâng kim, phần trụ của
chốt có tác dụng tiết lưu đối với lỗ phun tạo điều kiện đạt quy luật cung
cấp nhiên liệu cầu thiết.
Các loại vòi phun có chốt trên kim phun thường dùng kim phun có chốt hình chóp cụt. Góc côn
của tia nhiên liệu trong loại vòi phun này có phạm vi rất rộng từ (2

4)
0
đến (60

70)
0
bằng cách
thay đổi góc côn trên chốt của kim phun hoặc thay đổi tiết diện lưu thông hình vành khăn giữa thành
lỗ phun và chốt của kim phun.

Hình 10.5. Loại vòi
phun kín có chốt.
Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel

188
Do tiết diện lưu thông nhỏ nhất của lỗ phun trong các đoạn nâng kim phun thay đổi theo quy
luật khác nhau, nên đặc tính của vòi phun có chốt trên kim phun có dạng như hình 10.6.
Trên hình 10.6 đường 1 là hàm số p
y
= f(Q


), khi không hạn chế hành trình của kim phun;
đường 2 là hàm số p
y
= f(Q

) không tiết lưu và tương tự vòi phun hở; đường 3 là hàm số x = f(Q

) khi
hạn chế hành trình tại x
max
.
Trên đoạn I, sơ đồ vận động của dòng nhiên liệu và đặc tính của vòi phun có dạng giống như
vòi phun có van phẳng.
Trên đoạn II, do tiết diện lưu thông qua các phần côn của chốt tăng nên khi tăng lưu lượng
nhiên liệu thì áp suất p
y
và hành trình nâng kim phun đều tăng tương đối chậm.
Trên đoạn III, do tiết diện lưu thông qua phần côn dưới của chốt giảm đi nên áp suất p
y
giảm
và hành trình nâng kim phun x tăng rất nhanh. Nếu góc của phần côn dưới tương đối lớn, thì mặc dầu
áp suất p
y
và hành trình nâng kim phun x vẫn tăng nhưng lưu lượng nhiên liệu Q

có thể giảm do vòi
phun làm việc không ổn đònh và kim phun dao động mạnh.
Trên đoạn IV, tiết diện lưu thông qua phần côn của chốt không thay đổi vì vậy cả p
y

và x đều
tăng nhanh theo Q

.











III. TÍNH TOÁN CÁC CHI TIẾT CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG
CƠ DIESEL
III.1. Xác đònh những kích thước chính của bơm cao áp
Những kích thước chính của bơm cao áp được xác đònh theo lượng nhiên liệu cấp cho chu trình
để động cơ làm việc ở chế độ thiết kế. Tuy nhiên đối với động cơ tónh tại và động cơ tàu thủy cần
phải chú ý tới khả năng quá tải trong điều kiện cho phép. Đối với động cơ vận tải có lắp bộ phận hiệu
chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình cần phải chú ý tới khả năng dự trữ cần thiết của bơm.
Nếu đã biết công suất thiết kế của động cơ là N
e
(kW), số xylanh i, số vòng quay thiết kế n
(vg/ph) và suất tiêu hao nhiên liệu g
e
(g/kW.h) thì thể tích nhiên liệu cung cấp cho một chu trình ở
chế độ thiết kế là:
nl

ee
ct
.i.n.120
.N.g
V



, (l) (10-5)
p
y
p
y
p
y
P
c
2

1

3

II

I

p
y
x

Q


III

IV

V

x
max

Hình 10.
6
.
Đặc tính của vòi phun có chốt trên kim phun

Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel

189
Trong đó:

– số kỳ của động cơ.


nl
– khối lượng riêng của nhiên liệu (g/dm
3
).

Trong đó công suất động cơ N
e
được xác đònh như sau: (p
e
tính theo MN/m
2
)


30
i.n.V.p
N
he
e
(10-6)
Thế N
e
trong (10-6) vào (10-5), ta được:

nl
hee
ct
.3600
V.p.g
V

 (10-7)
Thể tích nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình cũng có thể được biểu thò dưới dạng hàm số của các
thông số đặc trưng cho chu trình công tác của động cơ. Nếu ta thay g
e

bằng biểu thức sau đây:

ke0
ck
e
T.p.M.
.p
432000g


 (10-8)
Trong đó: p
k
và T
k
– áp suất và nhiệt độ của không khí trước xupap nạp.


c
– hệ số cung cấp.
M
0
– lượng không khí lý thuyết (kmol/kg nhiên liệu).
Ta được:
nl0k
chk
ct
M.T
.V.p
.120V



 (10-9)
Để cho việc tính toán được thuận lợi ta có thể dùng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình tính
theo một đơn vò thể tích công tác xylanh (l):

nl0k
ck
h
ct
ct
M.T
.p
.120
V
V
v


 (10-10)
Nếu lấy p
0
= 0,1 MN/m
2
; T
0
= 297
0
K;


nl
= 0,85 kg/dm
3
và M
0
= 0,5 kmol/kg.
Ta được :



c
ct
.95v
, (mm
3
/l) (10-11)
Một thông số cơ bản nữa của bơm cao áp là khoảng thời gian phun nhiên liệu (tính từ lúc bắt
đầu đến kết thúc) thể hiện bằng góc quay trục khuỷu

p
hoặc bằng giây,
n
6
t
p
p


.
Giá trò


p
được tính từ điều kiện đảm bảo cho động cơ làm việc ở chế độ thiết kế ít tốn nhiên
liệu nhất. Trên thực tế

p
rất ít khi vượt quá (30

50)
0
góc quay trục khuỷu. Khi chọn

p
cần thấy
rằng khoảng cách thời gian phun nhiên liệu thực tế phụ thuộc vào áp suất trong hệ thống nhiên liệu,
số vòng quay của động cơ và thường vượt quá khoảng thời gian phun nhiên liệu hình học

ph
khoảng
1,3

1,7. khi chọn

p
có thể chọn theo đồ thò trên hình 10.7.
Sau khi chọ

p
có thể xác đònh được tốc độ cấp nhiên liệu trung bình hoặc lưu lượng trung bình
của một tổ bơm.

n6
V
Q
t
V
p
ct
tb
p
ct


(10-12)

Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel

190









III.1.1. Đường kính của piston bơm cao áp
Thực tế, tốc độ cấp nhiên liệu trong quá trình phun không phải là hằng số. Tuy nhiên, có thể
lựa chọn quy luật biến thiên cần thiết về tốc độ cấp nhiên liệu trong quá trình phun và có thể dùng hệ

số k = 1,2

1,5 để đánh giá tỷ số giữa tốc độ cung cấp cực đại với tốc độ trung bình. Như vậy dựa
vào phương trình lưu động liên tục ta có thể xác đònh đường kính piston bơm cao áp.

pc
c
p
ct
p
C
n6
.
V
k
4
d


(10-13)
Trong đó:

c
– hệ số cung cấp của bơm cao áp.
C
p
– tốc độ piston bơm cao áp.
Sau khi tính được d
p
cần lựa chọn đường kính piston sát nhất theo tiêu chuẩn kích thước. hệ số

cung cấp

c
được xác đònh theo thí nghiệm của hệ thống tương tự. Có thể lựa chọn gần đúng hệ số

c

ở chế độ công suất thiết kế của động cơ trong giới hạn:
Đối với hệ thống nhiên liệu dùng bơm cao áp kiểu piston có vành giảm áp trên van cao áp.


c
= 0,6

0,95.
Đối với hệ thống nhiên liệu dùng bơm cao áp có van riêng và không có vành giảm áp trên van
cao áp:

c
= 0,75

0,85.

Hình 10.7. Mối quan hệ giữa
ph
p


và áp suất phun
lớn nhất P
nlmax
.
10

30

50

P
nlmax
(MN/m
2
)

1,25

1, 50


p


ph

Hình 10.8. Mối quan hệ giữa hệ số cung cấp và
đường kính piston d
p
của bơm cao áp.
10

20

30

d
p
(mm)

0,6

0,7

0,8

0
,9


c
Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel

191

Trên hình 10.8 giới thiệu đường cong xây dựng theo số liệu kinh nghiệm, thể hiện mối quan
hệ giữa hệ số nạp và đường kính piston của loại bơm cao áp kiểu van piston.
III.1.2. Hành trình có ích của piston bơm cao áp
Hành trình có ích của piston bơm cao áp được xác đònh theo biểu thức sau:

cp
ct
a
f
V
h


(10-14)
Chỉ trong các loại bơm cao áp điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình bằng biện pháp
thay đổi hành trình piston mới thực hiện được điều đó.
Muốn cung cấp nhiên liệu khi động cơ chạy quá tải hoặc khi động cơ dùng bơm cao áp có bộ
hiệu đính quy luật cung cấp nhiên liệu, cũng như muốn duy trì quy luật cung cấp của động cơ khi bơm
cao áp đã bò mòn cần phải tăng hành trình có ích của piston khoảng 30

40 % so với số liệu tính
được. Đối với động cơ máy kéo muốn dễ khởi động trong mùa động cần tăng hành trình có ích thực tế
lên hai lần so với số liệu tính được. Do phải dùng một phần hành trình piston bơm cao áp để thực hiện
quá trình nạp và xả nhiên liệu nên hành trình toàn bộ của piston bơm cao áp phải lớn hơn hành trình
có ích tính được khoảng 3

4 lần.

Có thể xác đònh quỹ đạo tâm con lăn trên con đội biến thiên theo góc quay của trục cam như
sau: Trên toạ độc vuông góc, nếu trục hoành đặt góc quay trục cam

c
(độ), còn trục tung đặt hành
trình h của tâm con lăn tính từ vò trí thấp nhất và tốc độ hình học của con đội C
d
=
c
d
dh

; sau khi biết
khoảng thời gian cung cấp nhiên liệu tính theo góc quay trục cam là

’
p
, ta có thể vẽ đoạn hành trình
có ích tương ứng với khoảng thời gian cung cấp nhiên liệu hình học

ph
ngay trên đồ thò (hình 10.9).
Đối với động cơ bốn kỳ

’
p
=


ph
/2; đối với động cơ hai kỳ

’
p
=

ph
.
Nếu không tính tới hành trình của piston trước lúc đẩy mở van kim thì trước khi bắt đầu hành
trình có ích, con đội đã chạy một đoạn h
1
, lúc ấy áp suất trong hệ thống tăng từ áp suất còn lại trong
đường ống cao áp p
ct
tới áp suất mở kim phun p
p0
. Nếu biết dung tích của hệ thống đường cao áp là V,
theo quy luật ép của nhiên liệu ta có:
C
đ
C
đ
C
đ

Hình 10.9.
Phương pháp xác đònh dạng của bơm cao áp.
O


c

ph

2

h
a

h

h
1


1

C
d

C
d

h

Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel

192

clpo
nl
1p
pp
V
hf


hoặc


p
nlclpo
1
f
Vpp
h



(10-15)
Đến cuối hành trình có ích, con đội đã chạy thêm hành trình có ích h
a
. Như vậy từ lúc bắt đầu
chạy, con đội đã dòch chuyển được h
2
= h
1
+ h

a
.
Có thể xác đònh tốc độ hình học trung bình của piston theo tốc độ cung cấp trung bình:

'
p
a
pc
'
p
cpa
pc
'
p
ct
dtb
h
f
fh
f
V
c







(10-16)

Sau khi đã có hai điểm trên đường cong chuyển dòch của con đội (tức đoạn hành trình có ích
của piston) ta có thể hiệu chỉnh lại đường cong đó bằng cách sử dụng quan hệ
'
ph
d
dh

.C
p
đối với những
điểm đã biết tốc độ.
Nếu tỷ lệ xích của hoành độ 1mm = a
0
góc quay trục cam và tung độ 1 (m) = b (mm), hệ số
góc của đường tiếp tuyến với đường hành trình con đội tại điểm khảo sát là:

1h1
c
b
a
tg

và
2h2
c
b
a
tg


Tìm được

1
,

2
rồi từ hai điểm đã biết, ta có thể vẽ đường cong tiếp xúc với hai đường tiếp
tuyến có hệ số góc tương ứng là

1
,

2
tại hai điểm ấy. Bên ngoài giới hạn của hành trình có ích ta có
thể vẽ đường vận động bất kỳ của piston nhằm làm cho gia tốc của piston bơm cao áp không lớn quá
hoặc không xảy ra gián đoạn trên đường cong tốc độ hình học. Sau đó từ đường cong di động của con
đội cần vẽ ra dạng cam theo những quy tắc chung về thiết kế dạng cam (giống như cam phối khí).
Thông thường cam dẫn động bơm cao áp đều là dạng cam lồi gồm nhiều cung tròn.
III.2. Xác đònh những thông số cơ bản của vòi phun
Những thông số cơ bản của vòi phun phải đảm bảo tốc độ
cấp nhiên liệu thích hợp và đạt áp suất phun cần thiết. Nếu đã biết
đặc tính của vòi phun trong điều kiện lưu động ổn đònh thì có thể
chọn vòi phun theo điều kiện sau: Tốc độ phun nhiên liệu lớn nhất
trong một chu trình:
n6
hf
k
dt
dV
Q

p
cap
max
ct
max










(10-17)
Tốc độ này phải phù hợp với độ chênh lệch áp suất nhiên
liệu lớn nhất trên đường đặc tính; đồng thời giả thiết rằng số lượng,
hình dạng phân bố các lỗ vòi phun phải phù hợp với buồng cháy lắp
vòi phun đó.
Có thể chọn vòi phun hở và vòi phun kín tiêu chuẩn cả trong
trường hợp không có đường đặc tính.
Đối với vòi phun hở, nếu biết lưu lượng nhiên liệu cực đại
Q
max
và chênh lệch áp suất (p
p
– p
z
), ta có thể xác đònh tổng tiết

diện có ích của các lỗ vòi phun.
A+CX
k
P
Po(pcl)
P
o
(p
e
)



ee
f

d
1

d
k

Hình 10.10. Sơ đồ vòi
phun tiêu chuẩn.
Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel

193
 





zp
nl
max11
pp2
Qf
(10-18)
Trong đó :

nl
– khối lượng riêng của nhiên liệu.
p
p
– áp suất nhiên liệu trong thân vòi phun.
Đối với vòi phun kín tiêu chuẩn (hình 10.9) ta có thể dùng phương pháp tính gần đúng. Lưu
lượng nhiên liệu cực đại trong một giây lớn hơn lưu lượng giới hạn của vòi phun. Trong khi đó sức
cản chính đối với lưu động chính của nhiên liệu là các lỗ vòi phun.
III.2.1. Lực ép ban đầu của lò xo vòi phun
Trong trường hợp này, phương trình (10-18) được dùng để xác đònh gần đúng tổng diện tích lưu
thông có ích của các lỗ phun khi đã biết lưu lượng nhiên liệu cực đại và chênh lệch áp suất khi phun.
Đường kính phần tựa và phần dẫn hướng của van kim có thể được xác đònh từ áp suất dư trên đường
ống cao áp sau khi kết thúc quá trình phun. Áp suất bắt đầu đẩy mở van kim p
po
được xác đònh và
điều chỉnh khi phun nhiên liệu vào áp suất khí trời p
o
, vì vậy điều kiện cân bằng của van kim tại thời
điểm van kim bắt đầu tách khỏi đế van được viết dưới dạng sau:
4

d
p
4
dd
pA
2
b
o
2
b
2
k
po




(10-19)
Trong đó: A – lực ép ban đầu của lò xo vòi phun.
d
k
– đường kính phần dẫn hướng của van kim.
d
b
– đường kính phần bao kín trên mặt tựa của van kim.
Sau khi kết thúc phun, van kim tỳ lên đế van. Điều kiện để van kim tỳ kín lên đế van có thể
viết như sau:

4
d

p
4
dd
pA
2
b
z
2
b
2
k
cl




(10-20)
Nếu lựa chọn giá trò p
z
và p
cl
với một hệ số dự trữ nào đó thì bất đẳng thức trên có thể viết
thành một đẳng thức.
Qua hai biểu thức trên giúp ta xác đònh tỷ số đường kính của van kim:

1
pp
pp
d
d

clpo
oz
b
k




(10-21)
Có thể dựa vào tiêu chuẩn cấu tạo để chọn một trong hai đường kính ấy rồi đường kính còn lại
sẽ được xác đònh theo biểu thức (10-21). Nếu đã có trước điều kiện làm việc và kích thước của vòi
phun, ta có thể tìm áp suất nhỏ nhất đẩy mở van kim qua đó tìm biện pháp giữ cho van kim được đóng
kín khít sau khi đã kết thúc quá trình phun.

cl
2
b
2
k
oz
po
p
1
d
d
p
p
p 




(10-22)
Lực ép ban đầu A của vòi phun được xác đònh theo phương trình (10-19). Mặt tựa hạn chế
hành trình nâng cực đại của van kim x
max
phải chọn sao cho khi van kim tỳ lên mặt hạn chế thì lưu
lượng cực đại của nhiên liệu lớn hơn lưu lượng giới hạn một chút. Người ta xác đònh x
max
theo đặc tính
Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel

194
vòi phun. Có thể xác đònh gần đúng hành trình nâng cực đại của van kim x
max
theo cách suy luận sau:
Muốn cho tác dụng tiết lưu của van kim không làm giảm nhiều áp suất ở trước lỗ phun thì diện tích
tương đương của tiết diện lưu thông của vòi phun không được sai lệch nhiều so với tổng diện tích tiết
diện lưu thông của các lỗ vòi phun, tức là:

1
f
f
11
tdtd




Trong trường hợp đang xét diện tích tương đương được tính như sau:

   
   
2
kk
2
11
2
kk
2
11
tdtd
"ff
"ff
f




Do đó:
2
11
kk
2
11
kk
2
11
tdtd
f
"f

1
f
"f
f
f


































Nếu lấy các hệ số lưu lượng giống nhau (

k
=

1
=

td
).
Ta được:
2
1
"
k
2
1
"
k
2
1
td

f
f
1
f
f
f
f



























(10-23)










Vế phải của phương trình sẽ tiến tới 1 nếu ta tăng dần tỷ số
1
"
k
f
f
'k 
. Trên hình 10.11 giới
thiệu quan hệ giữa
1
td
f
f
và k’. Qua đồ thò ta thấy rằng khi tỷ số
1
"

k
f
f
'k 
> 3, nếu tiếp tục tăng k’ sẽ
gây ảnh hưởng ít tới mức độ tiết lưu và
td
f
sát với
1
f
. Các vòi phun kín hiện nay
1
"
k
f
f
bằng 1,7

4,5
tức giá trò k’ trung bình rất sát với 3.
Hình 10.11. Mối quan hệ giữa
1
td
f
f
và
1
"
k

f
f
'k
.

0

2

4

6

8

10

k’

0,6

0,8

1,0

f
td

f
c

Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel

195
III.2.2. Độ cứng của lò xo vòi phun
Chọn tỷ số
1
"
k
f
f
, sẽ tìm được
k
f
. Sau đó thay giá trò của d
x
,
"
k
f
và các giá trò hàm lượng giác của
góc côn tựa

k
vào phương trình:












2
cos
2
sinx
2
sindrf
kk
k
k
xk
"
k
(10-24)
Ta sẽ được một phương trình bậc 2 đối với x
k
, giải phương trình này ta tìm được x
kmax
.
Khi xác đònh độ cứng c của lò xo ta giả thiết rằng dưới tác dụng của áp suất mở van p
po
, van
kim phải bật mở và tựa lên mặt hạn chế. Như vậy từ điều kiện cân bằng của van tỳ lên mặt hạn chế,
ta có:

4
d
pcxA
2
k
pomaxk


(10-25)
Từ đó ta xác đònh được độ cứng của lò xo vòi phun theo phương trình sau:











 A
4
d
p
x
1
c
2
k

po
maxk
(10-26)
Thí dụ: Tính tính vòi phun kín tiêu chuẩn cho động cơ bốn kỳ biết lượng nhiên liệu cấp cho
chu trình khi động cơ chạy ở công suất thiết kế và số vòng quay thiết kế n = 14000 (vg/ph) là V
ct
=
63,8 (mm
3
).
Nếu chọn khoảng thời gian cấp nhiên liệu

p
= 20
0
góc quay trục khuỷu và hệ số tốc độ cung
cấp lớn nhất k = 1,4. Tốc độ cung cấp sẽ là:

)s/cm(5,37
20
1400.6.10.8,63.4,1
n6
kV
dt
dV
Q
3
3
p
ct

max
ct
max












Nếu áp suất trong vòi phun p
p
= 35 (MN/m
2
), khối lưởng riêng của nhiên liệu phun vào xylanh

nl
= 0,85.10
-3
(kg/cm
3
), áp suất cháy p
z
= 4 (MN/m
2

) thì tổng tiết diện lưu thông của các lỗ phun theo
công thức (10-18).

 
)m(14,0)cm(10.14
4352
10.10.85,0
5,37f
224
43
11






.
Nếu vòi phun có ba lỗ phun và hệ số lưu lượng

1
= 0,65 đường kính lỗ phun sẽ là 0,303 (mm).
Nếu chọn d
k
= 5,0 (mm), chọn áp suất p
z
trong xylanh sau khi phun nhiên liệu là 9,1 (MN/m
2
) và phải
giữ cho vòi phun kín khít ngay cả áp suất còn lại trên đường ống cao áp sau khi phun p

cl
= 11MN/m
2
,
ngoài ra giả thiết vòi phun được điều chỉnh tới p
po
= 15 (MN/m
2
) theo công thức (10-21) ta có:

8,11
1115
1,01,9
d
d
b
k





Do đó: d
b
=
)mm(78,2
8,1
5
8,1
d

k

; lấy d
b
= 2,8 (mm);
Diện tích tiết diện lưu thông của các lỗ vòi phun:
Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel

196







2
1
11
1
mm215,0
65,0
14,0
f
f

Nếu chọn
5,3
f
f

'k
1
"
k

ta được
"f
k
= 3,5.0,215 = 0,735mm
2
.
Chọn đường kính d
x
= 1,5 mm, góc côn tựa bằng 60
0
, ta được:

68,0
f
d
68,0.2
57,1
d
68,0.2
57,1
x
"
k
2
xxmaxk










Ta được hai nghiệm: x
kmax
= 1,73 + 1,375 = 3,105 mm;
x
kmax
= 1,73 – 1,375 = 0,355 mm.
Nghiệm x
kmax
trong phương trình trên còn phải thỏa điều kiện: r =
0
2
cos
2
sinx
2
d
kk
k
x




.
Trong hai nghiệm x
kmax1
và x
kmax2
tìm được chỉ có x
kmax2
là thỏa mãn điều kiện trên.
Lực ép ban đầu của lò xo được tính như sau:

.209
4
8,2
1,0
4
8,25
15A
222




Độ cứng của lò xo vòi phun tính theo phương trình.

)mm/N(240209
4
25.14,3
15
355,0

1
c 








Các thông số tính được đối với bơm cao áp và vòi phun sau khi chế tạo cần được kiểm tra lại
bằng thực nghiệm, trong quá trình thực nghiệm có thể các thông số ấy có khác ít nhiều so với kết quả
tính toán.


Tài liệu tham khảo

197


TÀI LIỆU THAM KHẢO


[1] Nguyễn Tất Tiến, Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB Giáo dục – 1999.
[2] Hồ Tấn Chuẩn; Nguyễn Đức Phú; Trần Văn Tế; Nguyễn Tất Tiến, Kết cấu và tính toán
động cơ đốt trong (tập I, II, III), NXB Giáo dục – 1996.
[3] Nguyễn Tố Quyên, Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong, Trường đại học Sư phạm kỹ
thuật thành phố Hồ Chí Minh, 1994.
[4] A. Kochin; V.Demidow, Design of Automotive Engines, English translation, Mir Publisher,
1984.

[5] The Internal Combustion Engine in Theory and Practice, The M.I.T press (Massachusetts
Institute of Technology) – 1998.
[6] Advanced Engine Technology, London Roal Institute of Technology – 1999.
[7] Tài liệu kỹ thuật Toyota, Mercedes.

pdfMachine by Broadgun Software - a great PDF writer! - a great PDF creator! -