nghiên cứu, khai thác hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển điện tử kiểu commonrail_ hvktqs

Chơng 1
Tổng quan về hệ thống nhiên liệu diesel
của hãng Bosch

Quá trình cháy trong động cơ diesel phụ thuộc chủ yếu vào cách thức
nhiên liệu đợc phun vào trong buồng cháy động cơ, thờng đợc biểu diễn
thông qua quy luật cung cấp nhiên liệu hoặc đặc tính phun (Injection
Characteristic). Các tiêu chí quan trọng nhất của quá trình phun nhiên liệu
diesel bao gồm: Thời điểm và khoảng thời gian phun; Mức độ phun tơi và
sự phân bố nhiên liệu trong không gian buồng cháy; Thời điểm cháy; Tốc
độ phun (lợng nhiên liệu đợc phun vào theo góc quay trục khuỷu/trục cam);
Tổng khối lợng nhiên liệu đợc cung cấp cho 1 chu trình tùy theo chế độ tải
của động cơ.
Để động cơ và hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel hoạt động hiệu
quả thì tất cả các yếu tố thay đổi nói trên phải đợc xem xét một cách kỹ l-
ỡng. Trong thực tế, hệ thống cung cấp nhiên liệu đã đợc thiết kế phù hợp
với động cơ diesel và phạm vi sử dụng của nó. Tuy nhiên, khi có khá nhiều
yếu tố biến đổi (trong đó có những nhiều yếu tố là mâu thuẫn lẫn nhau) cần
đợc xem xét thì bản thiết kế cuối cùng có thể chỉ là sự thỏa hiệp.
Thành phần và trạng thái của hỗn hợp không khí/nhiên liệu (air/fuel)
có ảnh hởng mạnh đến suất tiêu hao nhiên liệu, mô men xoắn (công suất
ra), thành phần khí thải và tiếng ồn cháy của động cơ. Chất lợng và hiệu
quả của quá trình tạo hỗn hợp phụ thuộc chủ yếu vào hệ thống phun nhiên
liệu diesel.
Những thông số thay đổi của quá trình phun có ảnh hởng tới quá trình
tạo hỗn hợp, diễn biến quá trình cháy và do đó có ảnh hởng tới mức độ ô
nhiễm, công suất/hiệu suất của động cơ bao gồm:
+ Thời điểm phun nhiên liệu
3
+ Đặc tính phun (khoảng thời gian phun và diễn biến tốc độ phun)
+ áp suất phun

+ Hớng phun và số tia phun.
Khối lợng nhiên liệu cung cấp vào xi lanh trong 1 chu trình và tốc độ
động cơ là những thông số vận hành sẽ quyết định công suất ra của động
cơ.
!"#$
* Hệ số d lợng không khí

: là tỷ số giữa lợng không khí thực tế
(nạp vào buồng cháy động cơ) và lợng không khí lý thuyết cần để đốt cháy
hoàn toàn một đơn vị nhiên liệu.
- Khi =1: khối lợng khí nạp bằng với khối lợng không khí lý thuyết
cần để đốt cháy hoàn toàn lợng nhiên liệu phun vào xi lanh;
- Khi <1: khối lợng khí nạp nhỏ hơn khối lợng không khí lý thuyết
yêu cầu và hỗn hợp đợc ám chỉ là giầu;
- Khi >1: khối lợng khí nạp lớn hơn khối lợng không khí lý thuyết
yêu cầu và hỗn hợp đợc ám chỉ là nghèo.
* Mức hệ số d lợng không khí

đối với động cơ diesel: Vùng hỗn
hợp giàu nhiên liệu là nguyên nhân chính tạo chất thải dạng hạt (PM) trong
buồng cháy động cơ diesel. Để hạn chế việc hình thành nhiều vùng hỗn hợp
giàu nhiên liệu, động cơ diesel (khác với động cơ xăng) làm việc với hệ số
lợng d không khí tổng thể >1.
Giá trị của động cơ diesel tăng áp kiểu tua bin khí ở chế độ toàn tải
trong khoảng từ 1,15 ữ 2. Khi chạy ở chế độ không tải cầm chừng và chế độ
không tải thì hệ số có thể lớn hơn 10.
Xét về một góc độ nào đó, hệ số d lợng không khí tổng thể thể hiện
tổng khối lợng nhiên liệu và không khí bên trong xy lanh. Tuy nhiên, về cơ
bản, quá trình tự bốc cháy và hình thành các chất ô nhiễm phụ thuộc chủ
yếu vào hệ số d lợng không khí cục bộ.

4
Do đặc điểm của động cơ diesel (tạo hỗn hợp bên trong, hỗn hợp
không đồng nhất, tiếp tục cấp nhiên liệu trong quá trình cháy) nên không
thể đạt đợc sự hoà trộn hoàn toàn của nhiên liệu với không khí nạp trớc và
trong suốt quá trình cháy. Hỗn hợp tự bốc cháy sau một khoảng thời gian
ngắn (thờng tính theo độ góc quay trục khuỷu
0
GQTK) tính từ thời điểm
bắt đầu phun nhiên liệu (hiện tợng cháy trễ).
Trong vùng hỗn hợp không đồng nhất của động cơ diesel, hệ số d lợng
không khí cục bộ có thể thay đổi trong một khoảng khá rộng, từ = 0
(vùng thuần tuý nhiên liệu) tại vùng thể tích chết của vòi phun tới =
(vùng thuần tuý không khí) tại vùng biên ngoài cùng của tia phun. Quan sát
chi tiết một hạt nhiên liệu lỏng cho thấy, ở khu vực ngoài cùng của hạt (đ-
ợc bao bởi hơi nhiên liệu), xuất hiện hệ số cục bộ trong khoảng từ 0,3 đến
1,5 (Hình 1.1).
Hình 1.1. Đờng cong tỷ số A/F đối với một hạt nhiên liệu tĩnh, [7]
Từ đó có thể suy luận rằng, với sự nguyên tử hoá nhiên liệu tốt (quá
trình phun tạo thành một số lợng lớn các hạt có đờng kính rất nhỏ), với mức
hệ số d lợng không khí lớn và chuyển động rối phù hợp của dòng khí cuối
5
% (thuần tuý không khí)
)
1.5
0.3
Nghèo
Giàu
Giới hạn cháy
&'()*
Vùng có thể bốc cháy

= 0 (thuần tuý nhiên liệu)
d
Hạt nhiên liệu
lỏng
+",,
$(-.(
-/)*
quá trình nén, sẽ tạo ra một số lợng lớn các khu vực cục bộ có nồng độ hỗn
hợp nhạt. Theo lý thuyết, điều này sẽ làm giảm hàm lợng NOx và PM hình
thành trong quá trình cháy.
Có thể thu đợc quá trình nguyên tử hóa nhiên liệu tốt hơn bằng cách
phun nhiên liệu với áp suất cao (hiện nay, áp suất phun nhiên liệu lớn nhất
đã vợt quá ngỡng 2000 bar). áp suất phun cao sẽ làm tăng vận tốc tơng đối
giữa tia phun và không khí nén trong xi lanh và điều này có tác dụng xé tơi
tia nhiên liệu.
Nhằm giảm khối lợng động cơ và giá thành, với mục đích là thu đợc
công suất lớn nhất đối với dung tích công tác xác định, động cơ diesel th-
ờng đợc thiết kế để vận hành với hệ số d lợng không khí nhỏ ở chế độ tải
cao. Tuy nhiên, hệ số d lợng không khí nhỏ sẽ làm tăng mức độ ô nhiễm
của động cơ. Do vậy, cần phải giới hạn giá trị của (nghĩa là thể tích nhiên
liệu phun vào phải tỷ lệ chính xác, phù hợp với lợng không khí có thể có
trong xi lanh và tốc độ của động cơ).
Khi động cơ diesel vận hành ở áp suất môi trờng thấp (độ cao lớn)
cũng yêu cầu giảm lợng nhiên liệu phun vì lợng khí nạp có trong xi lanh
cũng ít hơn.
012345234(4'
a. Thời điểm phun nhiên liệu
Thời điểm bắt đầu nhiên liệu phun vào trong buồng cháy có ảnh hởng
quyết định đến thời điểm bắt đầu cháy hỗn hợp không khí/nhiên liệu, và do
vậy sẽ ảnh hởng hởng đến mức độ ô nhiễm, mức tiêu thụ nhiên liệu và mức

độ ồn của qúa trình cháy. Chính vì thế, thời điểm phun có vai trò quan trọng
trong việc tối u hoá sự vận hành của động cơ.
Thời điểm phun nhiên liệu, tính theo
0
GQTK tới điểm chết trên
(ĐCT), là thời điểm mà vòi phun mở và nhiên liệu bắt đầu đợc đa vào trong
buồng cháy. Vị trí của pít tông so với ĐCT (cũng nh hình dạng của đờng
6
nạp) ở thời điểm đó sẽ xác định trạng thái, nhiệt độ và tỷ trọng của dòng khí
nén bên trong buồng cháy. Do đó, mức độ hoà trộn của nhiên liệu và không
khí cũng phụ thuộc vào thời điểm phun nhiên liệu. Vì thế, thời điểm phun
sẽ ảnh hởng đến mức độ ô nhiễm (chất thải dạng hạt-PM, các ô xít nitơ-
NO
x
, hydrocarbon cha cháy- HC, và monoxide carbon-CO).
Hình 1.2. ảnh hởng của thời điểm phun và thời gian phun
đến suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh) và hàm lợng NO
x
(g/kW.h), [7]
Hình 1.3. ảnh hởng của thời điểm phun và thời gian phun
đến hàm lợng HC(g/kWh) và PM (g/kWh), [7]
7
Thời điểm phun (
0
GQTK)
10 15 20 25 30 Thời gian phun (
0
GQTK)
10
5

61
-5
-10
-15
-20
Thời điểm phun (
0
GQTK)
10
5
61
-5
-10
-15
-20
10 15 20 25 30 Thời gian phun (
0
GQTK)
10 15 20 25 30 Thời gian phun (
0
GQTK)
10
5
61
-5
-10
-15
-20
Thời điểm phun (
0

GQTK)
Thời điểm phun (
0
GQTK)
10
5
61
-5
-10
-15
-20
10 15 20 25 30 Thời gian phun (
0
GQTK)
Thời điểm phun nhiên liệu yêu cầu phụ thuộc vào chế độ tải của động
cơ (Hình 1.4). Do vậy, cần phải có sự điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu
theo các chế độ tải của động cơ. Trên các động cơ diesel hiện đại dùng hệ
thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử, các dữ liệu về đặc tính vận hành
của động cơ đợc xác định và lu giữ dạng điện tử trong Bản đồ dữ liệu động
cơ(Engine Data Map). Bản đồ này biểu diễn thời điểm phun nhiên liệu
yêu cầu theo chế độ tải, tốc độ và nhiệt độ của động cơ. Đồng thời, Bản
đồ này cũng xét đến mức tiêu thụ nhiên liệu, yêu cầu về mức phát thải chất
ô nhiễm và mức độ ồn tại mọi giá trị công suất ra xác định.
Dựa trên yêu cầu của điều luật ô nhiễm (Tiêu chuẩn Euro 3), thời
điểm phun đợc xác định nh sau:
+ Đối với động cơ diesel xe con phun nhiên liệu trực tiếp:
- Chế độ không tải: từ -2
0
GQTK đến + 4
0

GQTK
- Tải cục bộ: từ -6
0
GQTK đến + 4
0
GQTK
- Chế độ toàn tải: từ -6
0
GQTK đến -15
0
GQTK
+ Đối với động cơ xe tải phun nhiên liệu trực tiếp (không sử dụng hệ
thống tuần hoàn khí thải):
- Chế độ không tải: từ -4
0
GQTK đến -12
0
GQTK
- Chế độ toàn tải : từ -3 đến - 6
0
GQTK cho đến +2
0
GQTK.
Đối với động cơ diesel xe con và xe tải, khi khởi động nguội, thời
điểm phun đợc sớm lên từ 3 ữ10
0
. ở chế độ toàn tải, khoảng thời gian cháy
từ 40ữ60
0
GQTK.

7894:Nhiệt độ cuối quá trình nén lớn nhất đạt
đợc tại ĐCT. Nếu quá trình cháy đợc bắt đầu quá sớm trớc ĐCT thì áp suất
cháy tăng mạnh và cản trở chuyển động đi lên của pít tông. Tổn thất nhiệt
trong quá trình sẽ làm giảm hiệu suất của động cơ và do vậy sẽ làm tăng
suất tiêu hao nhiên liệu. Sự tăng nhanh của áp suất nén cũng sinh ra tiếng
ồn cháy lớn hơn. Khi tăng góc phun sớm sẽ làm tăng nhiệt độ trong buồng
8
cháy. Kết quả là hàm lợng NO
x
tăng trong khi hàm lợng HC giảm (Hình
1.4).
784;:Khi giảm góc phun sớm (làm chậm
thời điểm phun nhiên liệu) ở chế độ không tải có thể làm cho quá trình cháy
không hoàn toàn, vì thế lợng thải HC tăng lên. Sự mâu thuẫn lẫn nhau giữa
một bên là suất tiêu hao nhiên liệu và hàm lợng HC với một bên là hàm l-
ợng PM và NO
x
dẫn đến cần có một sự phối hợp mang tính thỏa hiệp (với
dung sai rất nhỏ) khi thay đổi thời điểm phun đối với một động cơ cụ thể.

N
Thời điểm phun tối u ở chế độ không tải

V
Thời điểm phun tối u ở chế độ toàn tải.
Hình 1.4. ảnh hởng của thời điểm phun nhiên liệu đến hàm lợng
NO
x
và HC của động cơ diesel xe tải (không tuần hoàn khí thải) , [7]
9

-4 -3 - 2 -1
GiảmTăng
1 2 3 4 1234)
<
=>1&*
260
220
180
140
100
60
?@4A.B4)C*

D

E
+
DF
G
61
+10
0
Khi động cơ nguội, để giảm khói trắng và khói xanh cần tăng góc
phun sớm và/hoặc sử dụng biện pháp phun mồi.
Để giữ cho tiếng ồn cháy và hàm lợng các chất ô nhiễm ở mức chấp
nhận đợc thì sự điều chỉnh về thời điểm phun thờng cần thiết đối với chế độ
tải cục bộ hơn là chế độ toàn tải.
b. Thời điểm cung cấp của bơm cao áp
Ngoài thời điểm bắt đầu phun thì một yếu tố khác thờng đợc quan
tâm là thời điểm bắt đầu cung cấp của BCA (liên quan đến thời điểm bơm

cao áp bắt đầu chuyển nhiên liệu tới vòi phun). Nguyên nhân của việc này
là đối với hệ thống nhiên liệu diesel truyền thống và khi động cơ không vận
hành thì việc xác định thời điểm bắt đầu cung cấp của BCA là dễ dàng hơn
so với thời điểm phun thực tế. Ngoài ra, sự đồng bộ giữa thời điểm bắt đầu
phun với động cơ (nhất là đối với bơm cao áp vạn năng kiểu dãy và bơm
cao áp phân phối) về cơ bản là dựa theo thời điểm bắt đầu cung cấp (do tồn
tại quan hệ xác định giữa thời điểm bắt đầu cung cấp với thời điểm bắt đầu
phun). Thời gian cần thiết để sóng áp suất lan truyền từ bơm cao áp đến vòi
phun phụ thuộc vào chiều dài đờng ống cao áp và tạo nên hiện tợng trễ
phun (injection lag) tính theo GQTK. Hiện tợng trễ phun này tăng tỷ lệ với
tốc độ động cơ. Những nguyên nhân trên dẫn đến yêu cầu là hệ thống phun
phải có khả năng điều chỉnh thời điểm bắt đầu cung cấp/thời điểm bắt đầu
phun .
HI$(('
Khối lợng nhiên liệu cung cấp cho 1 xy lanh trong một chu trình m
e
,
tính theo mg, đợc xác định theo phơng trình sau:
. .33,33
.
e
e
P g
m
n i
=
(1.1)
trong đó:
P- Công suất phát ra của động cơ
10

g
e
- suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ, [g/kw.h]
n- tốc độ quay của trục khuỷu, [vg/ph]
i số xi lanh của động cơ
Lợng nhiên liệu phun thể tích, tính theo mm
3
/hành trình, Q
H
đợc xác
định theo công thức:
. .1000
30. . .
e
H
P g
Q
n i

=
(1.2)
Với là tỷ trọng của nhiên liệu (phụ thuộc vào nhiệt độ), tính theo
mg/mm
3
.
Từ công thức (1.2) cho thấy, công suất ra của động cơ (tại một mức
hiệu suất nhất định) tỷ lệ trực tiếp với lợng nhiên liệu phun vào xi lanh
trong một chu trình.
Khối lợng nhiên liệu do hệ thống nhiên liệu diesel cấp vào xi lanh
trong một chu trình phụ thuộc vào các biến số sau:

+ Tiết diện lu thông hiệu dụng của vòi phun
+ Sự thay đổi theo thời gian của chênh lệch giữa áp suất phun (áp
suất nhiên liệu) và áp suất môi chất (khí nén) trong buồng cháy.
+ Tỷ trọng của nhiên liệu diesel
Tại điều kiện áp suất cao, nhiên liệu diesel đợc coi là môi chất có thể
nén đợc. Điều này sẽ ảnh hởng đến lợng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình
và nó cần đợc quan tâm khi thiết kế hệ thống phun diesel.
Sự thay đổi về lợng nhiên liệu phun sẽ dẫn đến sự thay đổi về mức độ
ô nhiễm và công suất ra của động cơ. Bằng việc sử dụng hệ thống phun có
khả năng định lợng chính xác và điều tốc điện tử, lợng nhiên liệu phun vào
xi lanh có thể đợc kiểm soát với độ chính xác cao.
J6K/
Đặc tính ô nhiễm và mức tiêu thụ nhiên liệu là 2 yếu tố vô cùng quan
trọng của động cơ. Với mục tiêu đảm bảo 2 yếu tố trên, hệ thống phun
nhiên liệu diesel phải đảm bảo các yêu cầu sau:
11
+ Thời điểm phun nhiên liệu phải chính xác. Trên thực tế, chỉ với
những sai lệch nhỏ về thời điểm phun cũng có ảnh hởng đáng kể tới mức
tiêu thụ nhiên liệu, mức độ ô nhiễm khí thải và tiếng ồn cháy.
+ áp suất phun có thể thay đổi với mức độ độc lập cao nhất có thể,
nhằm đáp ứng yêu cầu của tất cả các chế độ vận hành của động cơ.
+ Có khả năng kết thúc nhanh quá trình phun. Hiện tợng phun rớt,
phun trễ sẽ làm gia tăng mức độ ô nhiễm khí thải.
Khái niệm Đặc tính phun nhằm mô tả diễn biến lợng nhiên liệu
phun phun vào trong buồng cháy theo thời gian.
1.1.4.1. Thời gian phun
Một trong những tham số chính của đặc tính phun là thời gian phun
(thời gian kim phun mở và dòng nhiên liệu phun vào buồng cháy), đợc xác
định theo
0

GQTK, độ góc quay trục cam (
0
GQTC) hoặc theo thời gian thực
(thờng tính theo mili giây- ms). Với các động cơ diesel khác nhau thì yêu
cầu về thời gian phun nhiên liệu cũng khác nhau (ví dụ ở chế độ công suất
định mức):
+ Động cơ diesel xe con phun nhiên liệu trực tiếp: từ 32 ữ 38
0
GQTK
+ Động cơ diesel xe con phun nhiên liệu gián tiếp: từ 35 ữ 40
0
GQTK
+ Động cơ diesel xe tải phun nhiên liệu trực tiếp: từ 25 ữ 36
0
GQTK.
Với khoảng thời gian phun là 30
0
GQTK sẽ tơng ứng với 15
0
GQTC và
nếu xét tại tốc độ động cơ là 2000 vg/ph thì sẽ tơng ứng với thời gian phun
là 1,25 ms.
Để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và hàm lợng PM trong khí thải,
khoảng thời gian phun phải đợc xác định dựa trên điều kiện vận hành của
động cơ và thời điểm bắt đầu phun.
1.1.4.2. Các dạng đặc tính phun
Tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng của động cơ, các dạng đặc tính
phun yêu cầu đợc trình bày trên Hình 1.5, trong đó:
12
Chú thích: 1- Giai đoạn phun mồi 2- Giai đoạn phun chính 7- áp suất giảm nhanh

3- áp suất phun tăng mạnh 4- áp suất phun tăng 2 giai đoạn 8- Phun bổ sung
5- áp suất phun tăng chậm 6- áp suất phun giảm chậm 9- Phun muộn
Hình 1.5. Các dạng đặc tính phun của hệ thống nhiên liệu diesel, [7]
13
Xe con: 5ữ15
0
GQTK
Xe tải:6ữ12
0
GQTK
Thời điểm phun chính (xe tải ở tải cao từ -5
0
đến 5
0
GQTK, xe con đến -15
0
GQTK)
90ữ180
0
GQTK
ZV: Không phun mồi: 4ữ10
0
GQTK
Có phun mồi: 1ữ2
0
GQTK

<

H

J L
M
N
O
P
QE


á

61
=R?S-TUV;W
1ữ5
0
(tới 40ữ60
0
GQTK)

2 (tới 36
0
GQTK)
+ Đờng (1): Giai đoạn phun mồi- PI (Pre-injection). Mục đích là
giảm tiếng ồn cháy và hàm lợng NO
x
, nhất là với động cơ diesel phun trực tiếp.
+ Giai đoạn (2): Giai đoạn phun chính-MI (Main injection (Ml). Tùy
theo loại động cơ, dạng đặc tính phun yêu cầu của giai đoạn này rất khác
nhau (đờng 3, 4, 5-6 hoặc 7).
+ Đờng (3): áp suất phun tăng mạnh trong suốt phần đầu của giai
đoạn phun chính. Mục đích để giảm hàm lợng NO

x
của động cơ diesel
không tuần hoàn khí thải.
+ Đờng (4): áp suất phun tăng 2 giai đoạn (4) trong phần đầu của
giai đoạn phun chính để giảm hàm lợng NO
x
và PM của động cơ diesel
không tuần hoàn khí thải.
+ Đờng (3, 7) : áp suất phun cao và không đổi trong suốt giai đoạn
phun chính. Mục đích để giảm hàm lợng PM của động cơ diesel có tuần
hoàn khí thải.
+ Đờng (8): Phun bổ sung (Advanced post-injection) ngay sau giai
đoạn phun chính để giảm hàm lợng PM, hoặc
+ Đờng (9): Phun muộn (Retarded post-injection). Mục đích của quá
trình phun muộn này là tạo chất xúc tác (hơi nhiên liệu) cho bộ xử lý NO
x
trên đờng thải theo công nghệ deNOx [4], và/hoặc để tăng nhiệt độ khí thải
cho mục đích tái sinh đối với bộ lọc PM trên đờng thải.
+ Đờng (5,6): dạng đặc tính phun (hình tam giác) của hệ thống phun
diesel truyền thống.
Với hệ thống phun diesel kiểu truyền thống, áp suất đợc tạo ra liên
tục trong quá trình phun bởi bơm cao áp. Do vậy, tốc độ trục bơm cao áp có
tác động trực tiếp đến áp suất và tốc độ phun nhiên liệu.
Với bơm cao áp kiểu phân phối (không dùng van điều khiển điện tử)
và bơm cao áp cơ khí truyền thống kiểu dãy, quá trình phun chỉ bao gồm 1
14
giai đoạn phun chính (giai đoạn 2) mà không có các giai đoạn phun mồi PI,
phun bổ sung, phun muộn.
Với bơm cao áp phân phối có van điều khiển điện tử, có thể có giai
đoạn phun mồi PI. Hiện nay, với hệ thống phun dùng BCA-VP kết hợp lắp

trên động cơ diesel xe con, giai đoạn phun mồi đợc điều khiển bằng phơng
pháp thủy-cơ.
Trong hệ thống phun nhiên liệu diesel truyền thống, áp suất sinh ra
và lợng nhiên liệu đợc phun vào xi lanh là phụ thuộc lẫn nhau do liên kết
giữa vấu cam và bơm cao áp. Do vậy, đặc tính phun của hệ thống này có
những đặc điểm sau:
+ áp suất phun tăng khi tăng tốc độ động cơ và lợng nhiên liệu đợc
phun.
+ áp suất phun tăng tại thời điểm bắt đầu phun nhng lại giảm trớc
khi kết thúc quá trình phun.
Điều này dẫn đến những hệ quả sau:
+ Một lợng nhỏ nhiên liệu đợc phun vào xi lanh với áp suất thấp.
+ Đặc tính phun có dạng hình tam giác, khá phù hợp với động cơ
diesel không tuần hoàn khí xả (độ dốc đờng áp suất phun không lớn nên
quá trình cháy xảy ra êm dịu).
Nhân tố gây ứng suất đối với các bộ phận của BCA và các chi tiết của
cơ cấu dẫn động là áp suất phun lớn nhất. Ngoài ra, áp suất phun lớn nhất
còn là thớc đo chất lợng quá trình nguyên tử hóa nhiên liệu trong buồng
cháy.
Với động cơ phun gián tiếp (buồng cháy xoáy lốc hoặc buồng cháy
trớc), vòi phun dùng kim phun kiểu chốt đợc sử dụng để tạo ra một tia phun
đơn và cũng xác định dạng của đặc tính phun. Kiểu vòi phun này có diện
tích lu thông hiệu dụng là hàm của độ nâng kim phun. Điều này tạo ra sự
phát triển áp suất tăng dần và giảm tiếng ồn của quá trình cháy.
* Quá trình phun mồi:
15
Đồ thị diễn biến áp suất cháy của một động cơ không có phun mồi
(Hình 1.6 a) cho thấy, tiếp theo quá trình nén đờng cong áp suất có độ dốc
không lớn cho tới ĐCT. Sau đó, đờng cong áp suất có độ dốc tăng nhanh kể
từ thời điểm bắt đầu cháy. Đây chính là nguyên nhân gây nên tiếng ồn cháy

lớn đối với động cơ diesel không có phun mồi
Hình 1.6. ảnh hởng của việc phun mồi đến diễn biến áp suất cháy, [7]
Quá trình phun mồi sẽ cấp một lợng nhỏ nhiên liệu (từ 1 đến 4 mm
3
) vào
buồng cháy nhằm tạo điều kiện thuận lợi trong buồng cháy trớc khi bắt đầu giai
đoạn phun chính. Quá trình phun mồi đạt đợc 2 mục đích: giảm thời gian cháy trễ
và giảm độ dốc của đờng cong áp suất trong giai đoạn cháy chính. Chính vì vậy,
nó sẽ tác động đến tiếng ồn cháy, mức tiêu hao nhiên liệu và hàm lợng NO
x
, HC.
Tuỳ thuộc vào thời điểm bắt đầu giai đoạn phun chính và khoảng cách giữa giai
đoạn phun mồi với giai đoạn phun chính, suất tiêu hao nhiên liệu sẽ thay đổi.
* Quá trình phun bổ sung và phun muộn:
16


á?X
Y


8Z

[Z
(a, b)
ĐCT =R?S-T, [độ]
6;!(-4X
Hệ thống phun kiểu commonrail có thể phun bổ sung một lợng nhiên
liệu ngay sau giai đoạn phun chính (không phụ thuộc vào việc phun muộn
để hỗ trợ bộ xử lý NOx và bộ lọc PM). Trong trờng hợp này, nhiên liệu đợc

phun vào trong khi quá trình cháy vẫn tiếp diễn. Do vậy, các hạt PM (đã
hình thành) sẽ bị đốt tiếp và kết quả là lợng PM có thể giảm từ 20 ữ 70%.
Quá trình phun muộn đợc sử dụng để cung cấp một lợng xác định chất
khử (dạng hơi nhiên liệu) cho bộ xử lý NOx trên đờng thải. Quá trình phun
muộn xảy ra trong quá trình cháy-giãn nở hoặc quá trình thải cho đến
khoảng 200
0
GQTK sau ĐCT. Trái lại với quá trình phun mồi và giai đoạn
phun chính, nhiên liệu đợc phun trong giai đoạn phun muộn sẽ không cháy
mà sẽ bị bay hơi do nhiệt của khí thải trong xi lanh. Hỗn hợp khí thải và hơi
nhiên liệu này sẽ bị đẩy ra đờng thải. Khi đó, hơi nhiên liệu đóng vai trò là
chất khử cho bộ xử lý NOx. Kết quả là khi thải ra môi trờng, hàm lợng NOx
giảm đáng kể. Ngoài ra, quá trình phun muộn còn có thể sử dụng để tăng
nhiệt độ khí thải nhằm hỗ trợ quá trình tái sinh lọc đối với bộ lọc PM kiểu o
xy hóa lắp trên đờng thải. Quá trình phun muộn có thể làm loãng màng dầu
bôi trơn của động cơ diesel. Do vậy, khi sử dụng hệ thống phun có khả năng
này cần có sự trao đổi kỹ lỡng với hãng sản xuất động cơ.
1.1.4.3. Phun rớt và thể tích chết của vòi phun
Quá trình phun bổ sung không đợc kiểm soát (còn gọi là phun rớt) có thể gây
ra hậu quả xấu. Quá trình này xảy ra khi vòi phun mở lần thứ hai ngay sau khi vừa
đóng và kéo theo là một lợng nhiên liệu (với điều kiện phun rất xấu) đợc cấp vào xi
lanh vào giai đoạn cuối của quá trình cháy. Lợng nhiên liệu này không đợc đốt cháy
hoàn toàn và thải ra đờng thải làm tăng lợng thải HC. Hiện tợng phun rớt có thể khắc
phục bằng cách đóng nhanh vòi phun với áp suất đủ lớn và duy trì một áp suất tĩnh
thấp trong đờng ống cao áp.
Lợng nhiên liệu ở đầu khoang miệng vòi phun (về phía xi lanh) cũng
gây ra hậu quả tơng tự nh hiện tợng phun rớt. Lợng nhiên liệu trong thể tích
17
chết này chảy vào buồng cháy sau khi quá trình cháy đã kết thúc cũng sẽ
làm gia tăng lợng thải HC (Hình 1.7). Việc sử dụng vòi phun có thể tích

chết nhỏ sẽ khắc phục đợc vấn đề này.
a- Vòi phun có thể tích chết nhỏ b- Vòi phun thông thờng.
Hình 1.7. ảnh hởng của vòi phun đến hàm lợng HC, [7]
1.1.4.4. Đặc tính thời điểm của các loại hệ thống phun
Trên hình 1.8 biểu diễn lần lợt diễn biến độ nâng và tốc độ chuyển
động của cam, độ nâng của van điện từ, áp suất nhiên liệu trên đờng ống
cao áp (phía bơm cao áp, phía vòi phun), độ nâng kim phun và tốc độ phun
của hệ thống phun diesel dùng bơm cao áp phân phối (kiểu hớng tâm)
VP 44. Ta thấy, áp suất và đặc tính phun có sự thay đổi lớn giữa phía BCA
và phía VP (đợc xác định bởi đặc tính của các bộ phận có liên quan trên đ-
ờng truyền nhiên liệu cao áp nh: biên dạng cam, BCA, van cao áp, đờng
ống cao áp, VP). Chính vì vậy, hệ thống phun nhiên liệu phải thực sự phù
hợp với động cơ diesel sẽ dùng nó.
18
+54,$(+(g/kWh)
2
1
0


[[[


0 1 2 3 13/\ (mm
3
)

Động cơ 1
Động cơ 2
19

4
3
2
1
0
0,4
0
h
D
v
+
h
M
6;!(4, [mm]
1";!(, [m/s]
1600
1200
800
400
0
+5
], [mm]
¸/
4, [bar]
p
I8
1600
1200
800
400

0
¸/
^, [bar]
p
I_
t
I
0,25
0
6;!(-4
, [mm]
h
_
4
2
0
1";U
[mm
3
/®é]
Q
-24 -16 -8 61 8 16
=R?S
4, [®é]
H×nh 1.8. DiÔn biÕn c¸c qu¸ tr×nh trong hÖ thèng phun diesel, [7]
Diễn biến các quá trình trong tất cả các hệ thống phun diesel mà tạo
cao áp bằng bơm kiểu pít tông (BCA kiểu dãy, BCA-VP kết hợp, BCA riêng
biệt) có dạng tơng tự nh trên Hình 1.8. Tuy nhiên, riêng với hệ thống phun
kiểu commonrail thì hoàn toàn khác (Hình 1.9).
1.1.4.5. Thể tích nhiên liệu chịu nén trong hệ thống phun truyền thống

Thể tích nhiên liệu chịu nén (còn đợc gọi là thể tích bất lợi) nhằm
ám chỉ thể tích nhiên liệu trong mạch cao áp của một vòi phun (bao gồm
phần nhiên liệu chứa trong khoang cao áp của bơm cao áp, trong đờng ống
cao áp và trong vòi phun). Với mỗi lần phun, thể tích này sẽ bị nén và giảm
áp. Kết quả là tồn tại tổn thất nén và tạo ra hiện tợng phun trễ. Thể tích
nhiên liệu trong đờng ống cao áp bị nén bởi quá trình động lực do sóng áp
suất tạo ra.
Khi thể tích bất lợi càng lớn, thì hiệu quả quá trình thủy lực của hệ
thống phun càng thấp. Do vậy, khi thiết kế hệ thống phun cần giảm thiểu
thể tích chịu nén của nhiên liệu và đảm bảo thể tích này là giống nhau giữa
các xi lanh. Hệ thống phun dùng BCA-VP kết hợp có thể tích bất lợi là
nhỏ nhất.
1.1.4.6. Đặc tính phun của hệ thống phun kiểu commonrail
Với hệ thống phun kiểu CR, một bơm cao áp sẽ tạo cao áp trong bình
tích áp (fuel-rail) độc lập với quá trình phun. áp suất trong bình tích áp sẽ
duy trì gần nh không đổi trong suốt quá trình phun (Hình 1.9). Do đặc tính
cung cấp gần nh không đổi nên BCA có kích thớc nhỏ hơn đáng kể và có
thể thiết kế với mô men dẫn động nhỏ hơn.
Đoạn đờng ống cao áp nối giữa bình tích áp với vòi phun là ngắn.
Ngoài ra, do vòi phun đợc điều khiển bởi bộ điều khiển nên thời điểm bắt
đầu và kết thúc phun có thể thay đổi rất linh động tùy theo loại và phạm vi
ứng dụng của động cơ. Việc phun mồi và phun bổ sung nhiều lần là có thể
thực hiện đợc.
20
Với một áp suất nhất định trong hệ thống, lợng nhiên liệu phun tỷ lệ
với khoảng thời gian van điện từ của vòi phun mở và hoàn toàn độc lập với
động cơ hoặc tốc độ BCA (hệ thống phun dựa theo thời gian thực).
Do vậy, thời điểm bắt đầu phun, khoảng thời gian phun và áp suất
phun có thể điều chỉnh độc lập để phù hợp với mọi chế độ nhằm tối u hóa
sự vận hành của động cơ. Các thông số này đợc điều khiển (theo vị trí trục

khủyu/theo thời gian) bởi Hệ thống điều khiển diesel điện tử EDC (The
Electronic Diesel Control).
Lá
Quá trình phun sử dụng áp suất trong hệ thống nhiên liệu để tạo ra
dòng nhiên liệu chuyển động qua các lỗ phun. Hệ thống phun có áp suất
cao sẽ dẫn đến tốc độ phun nhiên liệu qua lỗ phun lớn. Sự nguyên tử hoá
nhiên liệu xảy ra do sự va chạm hỗn loạn giữa các tia nhiên liệu với dòng
không khí nén bên trong buồng cháy. Vì vậy, khi tăng vận tốc tơng đối giữa
dòng nhiên liệu và không khí, tăng tỷ trọng của không khí nén trong xi lanh
thì chất lợng phun tơi sẽ tốt hơn. Bằng cách lựa chọn kích thớc của đờng
ống cao áp phù hợp, có thể làm cho áp suất phun tại phía VP cao hơn áp
suất tạo ra ở đầu BCA
21
áX
p
0
p
r
Phun
mồi
Phun
chính
12(X
Hình 1.9. Đặc tính phun của hệ thống nhiên liệu diesel
kiểu Commonrail, [7]
p
r
- áp suất trong bình tích áp
p
0

-áp suất mở vòi phun
1.1.5.1. Với động cơ diesel phun trực tiếp
Trong động cơ diesel phun trực tiếp, tốc độ chuyển động của không
khí bên trong buồng cháy là tơng đối chậm (chỉ chuyển động do quán tính
khối lợng của dòng khí). Hiệu ứng rối này đợc sự trợ giúp bởi chuyển động
đi lên của pít tông và mức độ rối tăng lên khi pít tông đến gần ĐCT.
Trong động cơ phun nhiên liệu trực tiếp, nhiên liệu đợc phun vào
trong buồng cháy với áp suất cao. Với áp suất phun nhiên liệu cao tới 2000
bar, lợng PM và khói sẽ đợc giảm một cách cơ bản. Với các hệ thống phun
nhiên liệu hiện đại, ở chế độ toàn tải, có thể tạo ra áp suất phun cực đại từ
1000 ữ 2050 bar (với động cơ diesel xe con) và từ 1000 ữ 1800 bar (với
động cơ diesel xe tải).
Tuy nhiên, áp suất phun cao chỉ có thể đạt đợc tại dải vòng quay trục
khuỷu cao hơn (ngoại trừ hệ thống phun kiểu CommonRail). Nói chung,
muốn có đợc một đặc tính mô men xoắn tốt cùng với mức ô nhiễm khí thải
thấp sẽ yêu cầu áp suất phun cao khi động cơ làm việc ở chế độ tải lớn tại
tốc độ thấp. Dựa theo những điều kiện này, đối với động cơ diesel xe con và
xe tải, áp suất phun tại chế độ mô men xoắn lớn nhất nằm trong khoảng từ
800 ữ 1400 bar.
1.1.5.2. Với động cơ diesel phun gián tiếp
Trong động cơ diesel phun nhiên liệu gián tiếp, áp suất cháy tăng lên
sẽ đẩy hỗn hợp ra khỏi buồng cháy phụ (buồng cháy xoáy lốc hoặc buồng
cháy trớc) vào buồng cháy chính để tiếp tục cháy. Các loại động cơ này,
dòng khí trong buồng cháy phụ và trong rãnh nối giữa buồng cháy phụ và
buồng cháy chính có tốc độ chuyển động cao. Do vậy, sẽ không hiệu quả
khi tăng áp suất phun lên trên giá trị 450 bar.
M+9(5"$(
1.1.6.1. Với động cơ diesel phun trực tiếp
Trên động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp thờng dùng vòi phun
22

kín nhiều lỗ, với số lỗ phun từ 4 đến 10 (thông thờng là từ 6 đến 8 lỗ phun),
đợc bố trí xung quanh tâm. Số lợng và hớng của tia phun phải rất phù hợp
với hình dạng buồng cháy. Chỉ với độ lệch khoảng 2
0
(so với giá trị góc
phun tối u) cũng có thể dẫn đến sự tăng lên đáng kể của khói đen và mức
tiêu thụ nhiên liệu.
1.1.6.2. Với động cơ diesel phun gián tiếp
Trên động cơ diesel phun nhiên liệu gián tiếp thờng sử dụng vòi phun
kín có kim phun dạng chốt, với duy nhất một tia phun. Vòi phun này sẽ
phun nhiên liệu vào buồng cháy phụ sao cho nến sấy (hỗ trợ khởi động
nguội) nằm trong vùng tia phun. Hớng tia phun cũng phải rất phù hợp với
hình dạng buồng cháy. Hớng phun không chính xác sẽ không tận dụng đợc
ô xy trong khí nén và vì thế sẽ làm tăng khói đen và hàm lợng HC trong khí
thải.
Bảng 1-1. Tác động của những yếu tố chính của quá trình phun
đến sự làm việc của động cơ diesel, [7]
ảnh hởng
Giảm côngsuất động cơ
Suất tiêu hao nhiên liệu cao hơn
Tăng hàm lợng HC và PM
Tăng hàm lợng NO
x
Động cơ có thể h hỏng
Làm việc không ổn định
Động cơ đáp ứng kém
Sự cố
Phun qúa sớm (+) (+) - + + + +
Phun quá muộn + + + - + + +
áp suất phun quá thấp

+ + + - - + +
Vòi phun bẩn (phân tán
kém và thiếu nhiên liệu)
+ + + - - + +
Không có phun mồi - -
+
(HC)
+ - + -
Không có phun muộn - - + - - - -
23
(PM)
Tác động của những yếu tố cơ bản của quá trình phun đến sự làm
việc của động cơ diesel đợc trình bày trong Bảng 1-1
01@("(`(a'
0(
Động cơ diesel với u điểm nổi bật là tính kinh tế nhiên liệu cao, đợc
sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực với thiết kế rất khác nhau (Bảng 1-2),
bao gồm:
Bảng 1-2. Phạm vi ứng dụng của
các hệ thống phun nhiên liệu diesel (Bosch), [7]
[?

b' b
[?G!?
(
b bc 15T
M
M
MW
M

MW
A/P
MW
P/H
MW
ZWM
CW
ZWM
CW
PF - PF PF PF PF PF
VE VE VE VE VE - VE
VR VR VR VR VR - -
- UIS UIS UIS UIS UIS -
- - - UPS UPS
UPS
PF (R)
UPS
PF (R)
- CR CR CR CR CR CR
Chú thích:
- M, MW, A, P, H, ZWM, CW: Kích thớc tăng dần của bơm cao áp kiểu dãy
- PE: Bơm phun nhiên liệu riêng biệt
- VE: Bơm pít tông hớng trục
- VR: Bơm pít tông hớng tâm
- UIS: Hệ thống BCA- VP kết hợp
- UPS: Hệ thống BCA riêng biệt
+ Máy phát điện: với công suất lên đến khoảng 10 kW/ 1 xy lanh
24
+ Động cơ cao tốc trên xe con và xe tải hạng nhẹ: với công suất lên
đến khoảng 50 kW/ 1 xy lanh

+ Máy xây dựng và máy nông nghiệp: với công suất lên đến khoảng
50 kW/ 1 xy lanh.
+ Động cơ xe tải hạng nặng, xe buýt, xe kéo: với công suất lên đến
khoảng 80 kW/ 1 xy lanh
+ Đầu máy xe lửa và động cơ tàu thuỷ: với công suất lên đến khoảng
1000 kW/ 1 xy lanh
Những quy định chặt chẽ hơn về mức ồn, mức độ ô nhiễm khí thải
cũng nh yêu cầu giảm suất tiêu hao nhiên liệu đã khiến cho hệ thống phun
nhiên liệu diesel có bớc phát triển vợt bậc trong thời gian qua.
Trong xu thế phát triển chung, hệ thống phun nhiên liệu diesel điều
khiển cơ khí sẽ nhanh chóng đợc thay thế bởi hệ thống phun diesel điều khiển
điện tử EDC (Electronic Diesel Control). Hiện nay, hệ thống phun nhiên
liệu trên tất cả các xe con và xe tải thế hệ mới đều đã đợc điện tử hoá.
00+"(d(4'-3`?
Trong hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) diesel dùng BCA kiểu dãy
(Hình 1.10), số phân bơm của BCA bằng số xy lanh động cơ, các phân bơm
có thể bố trí 1 dãy hoặc 2 dãy (hình chữ V). Khi làm việc, pít tông BCA 4
chuyển động tịnh tiến trong xy lanh 1 dới tác dụng của trục cam 7 và lò xo
hồi vị 5. Nhiên liệu (do bơm thấp áp cung cấp) qua cửa nạp 2 vào khoang
áp suất bị nén tới áp suất cao và đợc đa tới vòi phun. Việc định thời điểm và
lợng nhiên liệu cấp cho một chu trình đợc thực hiện thông qua các rãnh 3
bố trí trên thân pít tông.
Bơm cao áp kiểu dãy có tính vạn năng cao, có thể sử dụng cho một
họ động cơ có công suất khác nhau. Tuy nhiên, BCA kiểu dãy khó đảm bảo
chính xác về độ cung cấp đồng đều giữa các xy lanh cũng nh thời điểm bắt
đầu cung cấp nhiên liệu của các phân bơm. Ngoài ra, với HTPNL dùng
25
BCA kiểu dãy, các thông số cơ bản của quy luật phun nhiên liệu phụ thuộc
vào chế độ tốc độ và chế độ tải của BCA.
a- BCA kiểu dãy dạng trụ; b- BCA kiểu dãy dạng ống lồng.

X- hành trình có ích của pít tông BCA 1- Xy lanh BCA; 2- Cửa nạp;
3- Rãnh xoắn; 4- Pít tông BCA;
5- Lò xo; 6- Điều chỉnh lợng nhiên liệu phun;
7- Trục cam BCA; 8- ống điều khiển;
9- Điều chỉnh thời điểm cấp; 10- Nhiên liệu đến vòi phun.
Hình 1.10. Nguyên lý làm việc của BCA kiểu dãy, [7]
0H+"(d(4'!"
Trong HTPNL dùng BCA phân phối, pít tông BCA phải tham gia cả
hai chuyển động tịnh tiến và quay để thực hiện đồng thời hai chức năng:
bơm và phân phối nhiên liệu cho các xy lanh. Tuỳ theo số xy lanh, có thể sử
dụng 1 hoặc 2 BCA phân phối.
Khi bơm làm việc( Hình 1.11), nhiên liệu áp suất cao đợc sinh ra bởi
pít tông hớng trục 4 (trong BCA phân phối, pít tông có thể bố trí hớng trục
hoặc hớng tâm) đợc dẫn động bởi đĩa cam 3 thông qua các con lăn 2. Nhiên
liệu cao áp tạo ra trong khoang 6 đợc phân phối đến các xy lanh thông qua
các rãnh phân phối 8.
26
1
2
X
3
4
5
6
7
10


10
1

2
X
3
8
4
5
6
7
9
Ngoài BCA phân phối điều khiển cơ khí truyền thống (Hình 1.11),
trên thực tế còn sử dụng BCA phân phối đợc điều khiển bởi van cao áp điện
từ (Hình 1.12).
1- Thanh điều chỉnh; 2- Con lăn;
3- Vành cam; 4- Pít tông hớng trục;
5- ống điều chỉnh; 6- Khoang áp suất cao;
7- Nhiên liệu đến vòi phun; 8- Rãnh phân phối nhiên liệu.
Hình 1.11. Nguyên lý hoạt động của BCA phân phối
kiểu pít tông hớng trục, [7]
1- Điều chỉnh thời điểm phun; 2- Vành cam;
3- Pít tông BCA hớng tâm; 4- Con lăn;
5- Van cao áp điều khiển điện từ; 6- Khoang cao áp;
27
1
2
3
4
8 6
7
5
1

2 3 4 5
6
7
8X