phân tích đặc điểm kết cấu và nguyên lý hoạt động của bơm cao áp phân phối ve

Lời nói đầu
Động cơ đốt trong kể từ khi ra đời đã không ngừng phát triển và ngày
càng đợc cải tiến, hoàn thiện về kết cấu, vật liệu sử dụng và công nghệ chế
tạo. Vai trò của nó ngày càng có giá trị trong nền kinh tế quốc dân và an
ninh quốc phòng.
Trên các ô tô cũng nh xe chuyên dùng hiện đại, động cơ Diesel đợc
sử dụng với tỷ lệ cao. Đặc biệt trên các loại xe chuyên dùng và xe du lịch
cỡ nhỏ thì xu hớng Diesel hoá ngày càng rõ rệt, bởi u thế nổi bật của động
cơ Diesel là: tính kinh tế nhiên liệu và công suất cao. Với xu thế đó, ngày
nay động cơ Diesel đang thay thế dần cho động cơ xăng. Để đáp ứng nhu
cầu Diesel hoá, ngời ta không ngừng cải tiến, hiện đại từng phần nhằm thu
gọn kích thớc, giảm khối lợng động cơ mà vẫn duy trì đợc công suất bằng
thay đổi kết cấu, nâng cao công suất riêng, giảm suất tiêu hao nhiên liệu.
Cùng với sự ra đời của các loại vật liệu mới, đồng thời với công nghệ
ngày càng hiện đại đã cho phép sản xuất ra các loại động cơ của thế hệ sau
này có kích thớc nhỏ gọn, tính kinh tế nhiên liệu cao hơn, công suất riêng
lớn hơn.
Xu hớng chung của một số hãng sản xuất động cơ trên thế giới ngày
nay là cờng hoá động cơ bằng phơng pháp tăng áp cho động cơ, kết hợp
tăng tốc độ vòng quay trục khuỷu động cơ lên tối đa trong giới hạn cho
phép.
Ngoài vấn đề cải tiến động cơ, để đảm bảo tính kinh tế nhiên liệu cho
động cơ cao và giảm tối thiểu lợng khí thải độc hại gây ô nhiễm môi tr-
ờng, hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel đã có những thiết kế cải tiến về
nguyên lý và kết cấu khác xa với các hệ thống nhiên liệu Diesel truyền
thống.
3
Trên mạng lới giao thông nớc ta hiện nay sử dụng nhiều ô tô hiện đại,
xe chuyên dùng lắp động cơ Diesel. Trong khi đó số lợng kỹ s, cán bộ kĩ
thuật đợc đào tạo cơ bản để nắm chắc và hiểu sâu về ô tô hiện đại còn hạn
chế. Mặt khác tài liệu nghiên cứu về đặc điểm kết cấu, các qui trình khai

thác, sửa chữa các hệ thống trên xe hiện đại phần lớn bằng tiếng nớc ngoài
gây không ít khó khăn cho các cán bộ kỹ thuật và đặc biệt là các công
nhân kỹ thuật.
Để góp phần giải quyết vấn đề đó, trong nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp đ-
ợc giao đề tài "Phân tích đặc điểm kết cấu và nguyên lí hoạt động của bơm
cao áp phân phối VE"
Nội dung đồ án tốt nghiệp gồm:
+ Lời nói đầu
+ Chơng 1: Cơ sở quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ
Diesel.
+ Chơng 2: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí làm việc của hệ thống cung
cấp nhiên liệu Diesel với bơm cao áp phân phối kiểu VE - BOSCH.
+ Chơng 3: Quy trình tháp lắp kiểm tra bơm cao áp.
+ Kết luận.
Đây là đề tài thuộc lĩnh vực mới đối với ngành ô tô, nên đồ án không
tránh khỏi những khiếm khuyết và hạn chế.
Rất mong đợc sự góp ý và giúp đỡ của các thầy để đồ án đ ợc hoàn
thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn !
Nguyễn Hồng Hà
4
Chơng I: Cơ sở quá trình tạo hỗn hợp và cháy
trong động cơ Diesel
1.1. Quá trình nén, bắt lửa và cháy của khí hỗn hợp.
Quá trình nén trong động cơ đợc bắt đầu từ khi piston đi từ điểm chết
dới (ĐCD) lên điểm chết trên (ĐCT), sau khi đã đóng kín hoàn toàn xupáp
nạp hoặc các cửa nạp (cửa quét của động cơ 2 kỳ) thì không khí sạch trong
xi lanh bắt đầu bị nén. áp xuất nén Pc và nhiệt độ không khí nén tăng lên
theo góc quay trục khuỷu, áp suất nén lớn nhất khi piston lên ĐCT. áp
xuất và nhiệt độ không khí nén phụ thuộc vào tốc độ động cơ và tỷ số nén.

Khi tốc độ động cơ và tỷ số nén tăng lên thì áp suất và nhiệt độ không khí
nén cũng tăng lên vì giảm mất mát không khí nén lọt qua khe hở các vòng
găng, piston và giảm tổn thất nhiệt truyền cho thành xi lanh, piston và nắp
máy.
Quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ Diesel đợc chia thành 4
giai đoạn.
1.1.1. Giai đoạn chuẩn bị cháy (

1
- hình 1.1) (giai đoạn cháy trễ
hoặc chậm bắt cháy)
Giai đoạn này đợc tính từ thời điểm bắt đầu cung cấp nhiên liệu vào
xi lanh đến thời điểm áp suất trong xi lanh bắt đầu tăng rõ rệt so với áp
suất nén thuần tuý.
Giai đoạn này là giai đoạn chuẩn bị các trung tâm bốc cháy hay còn
đợc gọi là giai đoạn cháy trễ. Trong giai đoạn này hàng loạt những quá
trình lý hoá phát sinh chuẩn bị cho số nhiên liệu đã đợc phun vào tự bốc
cháy. Nhng do tốc độ cháy và tốc độ toả nhiệt trong giai đoạn này coi nh
bằng không, nên áp suất trong xi lanh tăng lên không nhiều. Sự tăng áp
suất trong giai đoạn này chủ yếu là do quá trình nén tạo nên. Trong các
5
động cơ Diesel, nhiên liệu đợc cung cấp vào giai đoạn này chiếm khoảng
30 - 40% so với toàn bộ số nhiên liệu cung cấp cho chu trình, khi nhiên
liệu bắt đầu phun vào buồng cháy thì quá trình tạo hỗn hợp bắt đầu. Hỗn
hợp không khí - nhiên liệu hình thành trong buồng cháy động cơ Diesel là
hỗn hợp không đồng nhất, lợng không khí nạp vào xi lanh trong mỗi chu
trình hầu nh không đổi còn lợng nhiên liệu phun vào thay đổi theo chế độ
làm việc của động cơ. Do đó công suất động cơ thay đổi theo lợng nhiên
liệu phun vào buồng cháy. Nhiên liệu phun vào với áp suất và tốc độ cao ở
dạng hạt rất nhỏ, kích thớc khá đều nhau (đờng kính mỗi hạt khoảng 5 -

50àm).
Kích thớc hạt nhiên liệu càng nhỏ, càng đều thì tổng diện tích sấy
nóng và bốc hơi của một đơn vị thể tích nhiên liệu càng lớn, do đó nhiên
liệu bốc hơi càng nhanh. Muốn phun nhiên liệu thành những hạt nhỏ thì áp
suất phun phải lớn. Không kể đến tình trạng của hệ thống cấp nhiên liệu
thì áp suất phun phụ thuộc vào số vòng quay động cơ, kích thớc xi lanh và
dạng buồng cháy. Tốc độ phun thông thờng W
ne
= 150 - 400 (m/s) và thời
gian phun không quá 3% giây. Số vòng quay động cơ càng cao thì tốc độ
phun phải càng lớn.
Nhiên liệu bắt đầu phun vào buồng cháy vào cuối hành trình nén,
thông thờng ở khoảng 20
0
trớc ĐCT. Nhiên liệu phun vào buồng cháy nh-
ng không cháy ngay, mà nó bị xé tơi thành rất nhiều hạt nhỏ.
Quá trình xé tơi tia nhiên liệu phun vào buồng cháy phụ thuộc vào
các lực:
- Lực hấp dẫn giữa các phân tử nhiên liệu.
- Lực căng mặt ngoài của hạt nhiên liệu.
- Lực kích động ban đầu của tia nhiên liệu khi qua lỗ phun.
- Lực cản khí động của không khí nén trong buồng cháy.
6
Tác động tổng hợp của các lực trên làm cho tia nhiên liệu sau khi
phun vào buồng cháy đợc xé thành những hạt nhỏ. Kích thớc của chúng
thể hiện trạng thái cân bằng của tia nhiên liệu dới tác dụng của các lực ấy.
Chất lợng phun nhiên liệu đợc thể hiện bằng độ phun nhỏ và phun đều.
Các hạt nhiên liệu bị xé tơi này lập tức bay hơi theo từng lớp xung
quanh, ở thời điểm này có thể giải thích rằng sự cháy của hyđrôcacbon
nhiên liệu trong không khí nóng là quá trình ô xy hoá thuần tuý. Khi đó

bắt đầu phát sinh các trung tâm ngọn lửa và nhiệt lợng đợc giải phóng ra
do ô xy hoá hơi nhiên liệu ngày càng nhiều.
Khi tỷ lệ hỗn hợp không khí nhiên liệu tính theo khối lợng là 14.7:1
thì xác lập đợc khu vực cháy. Tuy nhiên tỷ lệ này có thể thay đổi từ giầu
(toàn tải) là 20:1, tới nghèo (không tải) là 100:1. Hầu hết các động cơ hoạt
động đều thêm ít nhất 20% không khí náp để quá trình cháy xảy ra hoàn
toàn trớc khi xupáp thải mở. Nếu thiếu ôxy thì cháy không hoàn toàn và
xả ra khói đen.
Khi bắt đầu ôxy hoá, nhiệt lợng giải phóng ra do ôxy hoá nhiên liệu ít
hơn nhiệt lợng sinh ra do đối lu và dẫn nhiệt. Sau đó sẽ đột ngột đạt đợc
nhiệt độ cao khi nhiệt lợng sinh ra do đối lu và dẫn nhiệt. Sau đó sẽ đột
ngột đạt đợc nhiệt độ cao khi nhiệt lợng của các trung tâm nhiệt do ôxy
hoá lớn hơn do sự đối lu và dẫn nhiệt. Kết quả là nhiệt độ tăng lên, tốc độ
quá trình ôxy hoá tăng lên cho tới khi vị trí ngọn lửa đ ợc thiết lập (hình
1.2). Thời điểm này gọi là điểm bắt lửa và nhiệt độ ở điểm bắt lửa gọi là
nhiệt độ tự cháy của nhiên liệu trong buồng cháy.
Nhiệt độ tăng lên làm các hạt nhiên liệu bay hơi nhiều hơn, tạo thêm
các điểm nóng cho quá trình ôxy hoá. Trung tâm hạt nhiên liệu đ ợc bao
bọc nhiều lớp hơi nóng xung quanh và đốt cháy nhanh chóng, nghĩa là sự
ôxy hoá xảy ra theo từng lớp.
7
Trớc ĐCT Sau ĐCT Trớc ĐCT Sau ĐCT
Góc quay trục khuỷu (độ) Góc quay trục khuỷu (độ)
Hình 1.1: ảnh hởng của sự thay đổi lợng nhiên liệu phun đến
áp suất cháy theo góc quay trục khuỷu (đồ thị P-

).

Hình 1.2: Chùm nhiên liệu phun khi có và không có sự cháy.
a. Hình dạng chùm phun khi lõi chùm phun không chạm thành buồng cháy.

b. Hình dạng chùm phun khi lõi phun chạm thành buồng cháy.
c. Sự cháy khi phun không chạm thành buồng cháy.
d. Sự cháy khi phun chạm vào thành buồng cháy.
8
Giai đoạn chuẩn bị cháy này (tính từ lúc bắt đầu phun nhiên liệu đến
lúc bắt đầu cháy) tơng ứng với vị trí góc quay trục khuỷu rơ trớc ĐCT.
Thời gian chuẩn bị cháy chịu ảnh hởng bởi các yếu tố sau:
- Mức độ thâm nhập và phân hoá của lợng nhiên liệu đợc phun vào.
- Nhiệt độ và áp suất không khí ở cuối kỳ nén ở trong xi lanh.
- Mức độ nhiễu loạn của không khí trong buồng cháy.
- Khả năng dễ bắt cháy của nhiên liệu, điều này liên quan tới trị số
xêtan của nhiên liệu.
1.1.2. Giai đoạn tăng nhanh áp suất cháy: (

2
hình 1.1)
ở giai đoạn này nhiên liệu tiếp tục phun vào và xâm nhập, lan rộng
trong buồng cháy, quá trình hình thành khí hỗn hợp vẫn tiếp diễn. Các hạt
nhỏ nhiên liệu nóng nhanh chóng tạo thành những lớp hơi nhiên liệu xung
quanh và khi gặp ôxy thì tiếp tục quá trình cháy.
Tốc độ cháy ở giai đoạn 2 này phụ thuộc vào khả năng xoáy lốc
không khí, cung cấp khí sạch cho từng hạt nhiên liệu cháy và phơng pháp
quét trong buồng cháy.
Giai đoạn tăng nhanh áp suất này tính từ khi áp suất tăng cao hơn áp
suất nén thuần tuý tại cùng thời điểm đến khi tốc độ cháy bắt đầu giảm.
Khi tốc độ cháy tăng, tốc độ xoáy lốc trong xi lanh tăng, làm cho tăng tốc
độ động cơ và ở giai đoạn 2 tốc độ tăng nhanh áp suất duy trì ở mức gần
nh không đổi trong toàn bộ vùng tốc độ động cơ.
Giai đoạn tăng nhanh áp suất thứ hai và áp suất cực đại bị ảnh h ởng
từ giai đoạn chuẩn bị cháy. Nói chung thời gian giai đoạn chuẩn bị cháy

kéo dài thì tốc độ tăng áp suất rất cao, còn thời gian giai đoạn chuẩn bị
cháy ngắn thì tốc độ tăng áp suất từ từ.
9
Nếu khoảng thời gian giai đoạn chuẩn bị cháy ngắn thì đã có một l-
ợng nhỏ nhiêu liệu phun vào xi lanh động cơ bắt đầu cháy trớc, vì vậy
năng lợng sinh ra do nhiên liệu bốc cháy ở giai đoạn 2 sẽ chỉ tạo ra tốc độ
tăng áp suất nhỏ. Nếu giai đoạn chuẩn bị cháy dài hơn thì lợng nhiên liệu
phun vào xi lanh sẽ cùng bắt cháy một lúc khá hơn. khi đó làm cho áp suất
tăng nhanh và đột ngột hơn và làm động cơ nổ không êm. (tiếng gõ
Diesel)
Nhiệt độ ở ĐCT duy trì gần giống nhau ở các vùng tốc độ động cơ
khác nhau, thời gian giai đoạn chuẩn bị cháy gần nh không đổi. Tuy nhiên
khi tốc độ hoặc tải động cơ tăng lên thì áp suất và nhiệt độ xilanh tăng lên,
vì vậy làm cho thời gian giai đoạn chuẩn bị cháy giảm (hình 1.3) Sự giảm
thời gian chuẩn bị cháy do tăng nhiệt độ xilanh và tăng tốc độ động cơ
không bù lại hoàn toàn đợc sự giảm khoảng thời gian tuyệt đối của góc
quay trục khuỷu tơng ứng do tăng tốc, trong khi coi nh khoảng thời gian
chuẩn bị cháy cần duy trì là không đổi. Bởi vậy cần thiết phải điều chỉnh
phun sớm nhiên liệu lên khi tăng dần tốc độ quay của động cơ (hình 1.1;
1.2; 1.3).
1.1.3. Giai đoạn cháy điều chỉnh cơ khí (

3
hình 1.1).
Giai đoạn này bắt đầu ở điểm góc quay trục khuỷu, khi mà tốc độ
tăng áp suất đang rất cao chuyển sang tốc độ tăng áp suất thấp hơn và kết
thúc khi áp suất đạt giá trị cực đại.
Giai đoạn này rất khó xác định, khi đó nhiên liệu vẫn tiếp tục phản
ứng với ôxy sạch còn lại và khối lợng khí hỗn hợp cha cháy còn rất ít.
Khoảng thời gian tơng ứng với góc quay trục khuỷu để phun nhiên

liệu là cực ngắn. Nó kéo dài đến đầu giai đoạn 2 (đối với trờng hợp gần
nh không tải) hoặc đến khi kết thúc giai đoạn 2 (đổi với trờng hợp sinh
công suất toàn tải). Vì vậy tới cuối giai đoạn 2, những hạt nhiên liệu phun
10
muộn sẽ nóng nhanh hơn những hạt nhiên liệu phun lúc đầu, do đó hầu
nh chúng bị cháy từ ngay miệng phun. Bất kỳ hạt nhiên liệu nào phun ra
muộn ở vị trí xa hơn sẽ thoát khỏi chỗ nóng nhiều và lại tăng áp suất xi
lanh, nhng với tốc độ giảm vì thiếu ôxy do đó tốc độ cháy giảm xuống.
Giai đoạn thứ 3 này gọi là giai đoạn điều chỉnh cơ khí do đặc tính
cung cấp của bơm cao áp là nó có thể rút ngắn hoặc kéo dài thời gian cung
cấp nhiên liệu. Vì vậy khoảng thời gian của giai đoạn này đợc xác định
trực tiếp bởi lợng nhiên liệu cung cấp thêm vào trên mức cần thiết để chạy
không tải.
1.1.4. Giai đoạn cháy cuối cùng (

4
hình 1.1).
Giai đoạn này bắt đầu từ khi áp suất đã đạt giá trị cực đại rồi giảm
xuống, kéo dài đến khi kết thúc quá trình cháy. Các hạt nhiên liệu cháy
muộn đợc cháy hoàn toàn đến giữa hành trình giãn nở. Do hỗn hợp cháy
không đồng nhất, có một số vùng hỗn hợp giầu, một số vùng hỗn hợp
nghèo trong cùng một thời điểm và do không thể hoà trộn hoàn toàn các
lớp hơi nhiên liệu với ôxy nên tốc độ cháy bị giảm xuống. Kết quả là
không chỉ có sự tiếp tục cháy muộn (cháy rớt) ở cuối chu trình cháy mà
còn do nhiệt độ giảm xuống, tạo ra các sản phẩm cháy không hoàn thiện
nh : cacbon monoxide, aldehyde, CH, C và muội than thải ra theo khí xả.
Nếu giai đoạn phun nhiên liệu kéo quá dài ở giai đoạn cháy thứ 3 thì
khí xả có khói. Khói xả là do sự cháy không hoàn toàn xảy ra ở vùng riêng
biệt quá nghèo do phun không tơi và phun vào buồng cháy có nhiệt độ
thấp tơng tự nh sự xuất hiện khi khởi động động cơ.

Khói xám và đen là do sự cháy không hoàn toàn ở vùng hỗn hợp quá
giầu trong xilanh khi quá tải, do chùm phun quá ngắn hoặc phun muộn
dẫn đến cháy muộn. Hầu hết động cơ Diesel đợc coi nh hoạt động toàn tải
dới điểm nhìn thấy xả khói đen.
11
1.2. Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong
động cơ Diesel.
1.2.1. Tỉ số nén:

(Hình 1.4; 1.5; 1.6; 1.7; 1.8 và 1.9).
Tỷ số nén động cơ tăng lên thì áp suất và nhiệt độ trong buồng cháy
tăng lên; trái lại thời gian chuẩn bị cháy từ lúc bắt đầu phun đến lúc bắt
đầu cháy giảm xuống. áp suất Pc (hình 1.4) và nhiệt độ T (hình 1.5) trong
xilanh cũng phụ thuộc tốc độ động cơ. Tốc độ càng cao thì lợng không khí
lọt qua các khe hở và mất mát nhiệt càng thấp. Quan hệ giữa thời gian
chuẩn bị cháy với sự thay đổi tỉ số nén ở từng tốc độ động cơ chỉ ra ở hình
1.5. Động cơ Diesel phải có tỷ số nén đủ cao để tăng nhiệt độ không khí
nên trên nhiệt độ tự bốc cháy của nhiên liệu phun vào.
Tăng tỷ số nén làm tăng mật độ khí và mức độ hỗn loạn do đó làm
tăng tốc độ cháy và tốc độ áp suất cũng nh độ lớn áp suất cực đại đợc. Đặc
tính tăng áp suất trong xilanh theo hành trình piston hoặc góc quay trục
khuỷu đợc minh hoạ ở hình 1.6 và 1.7.
12

Tốc độ động cơ (V/ph) Tỷ số nén
Hình 1.3: Sự thay đổi áp suất nén,
nhiệt độ và thời gian của giai đoạn
chẩn bị cháy theo tốc độ động cơ ở
động cơ phun trực tiếp.
Hình 1.4: ảnh hởng tỷ số nén tới áp

suất nén trong xi lanh khi tốc độ động
cơ thay đổi.
Tỷ số nén Thể tích quét trong xilanh
Hình 1.5: ảnh hởng của tỷ số nén
đến nhiệt độ khi nén trong xillanh
khi tốc độ động cơ thay đổi
Hình 1.6: Đặc tính áp suất_thể tích
của động cơ Diesel thay đổi
theo tỷ số nén.
13
Góc quay trục khuỷu (độ) Tỷ số nén
Hình 1.7: Đặc tính áp suất_góc
quay trục khuỷu trong động cơ
Diesel khi thay đổi tỷ số nén.
Hình 1.8: ảnh hởng của tỷ số nén
động cơ đến hiệu suất nhiệt và suất
tiêu hao nhiên liệu của động cơ.
Hình 1.9: ảnh hởng của tỷ số nén đến các
tổn thất bơm, ma sát, nén, giãn nở và hiệu
suất cơ khí tổng cộng
14
ảnh hởng tỷ số nén tới hiệu suất nhiệt và suất tiêu hao nhiên liệu chỉ
ra ở hình 1.8. Tuy nhiên có điều bất lợi là tăng tỷ số nén làm tăng tổn thất
bơm (phối khí) và tổn thất ma sát, tổn thất nén và giãn nở (truyền nhiệt
vào thành vách). Nghĩa là khi tăng tỷ số nén thì làm giảm hiệu suất cơ khí
(hình 1.9).
1.2.2. Kích thớc chùm hạt nhiên liệu phun
(Hình 1.10 và 1.2)
Tốc độ cháy thực tế phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ quét của ngọn lửa,
hay tốc độ cháy phụ thuộc vào sự chuyển động của các hạt nhiên liệu đang

cháy với lợng ôxy sạch trong không khí nạp vào ở xung quanh nó.
Thời gian xác lập và đốt cháy hơi nhiên liệu xung quanh hạt nhiên
liệu thực tế không phụ thuộc vào kích thớc hạt nhiên liệu. Tuy nhiên tốc
độ cháy tăng lên tơng ứng với áp suất cháy và phụ thuộc vào diện tích bề
mặt của hạt nhiên liệu bay hơi.
Kích thớc hạt nhiên liệu nhỏ hơn thì số lợng của chúng lớn hơn, do
đó áp suất cháy tăng nhanh hơn. Tuy nhiên, nếu kích thớc hạt nhiên liệu
rất nhỏ thì chúng nhanh chóng mất động năng sau khi phun để hoà trộn
vào không khí; do đó chúng sẽ chỉ đơn thuần bị hoà trộn cùng với không
khí xoáy lốc. Không khí xoáy lốc không cho các hạt nhiên liệu cháy phát
tán vì không có sự chuyển động tơng ứng giữa hạt nhiên liệu cháy và
không khí bao quanh. Kết quả là các hạt nhiên liệu không cháy đợc do bị
"nghẹt" vì thiếu ôxy.
Trái lại nếu có chùm hạt nhiên liệu kích thớc lớn phun vào xi lanh,
chúng có thể kéo dài thời gian tiếp xúc với không khí bao quanh làm cho
ôxy có thể tiếp tục xâm nhập vào các hạt nhiên liệu đang cháy và đốt cháy
các sản vật cháy này trong ngọn lửa quét ngang. Tuy nhiên giảm diện tích
bề mặt và số lợng hạt nhiên liệu thì tốc độ cháy giảm. Do đó kích thớc hạt
15
nhiên liệu phải đủ lớn để đủ động năng đi sâu vào buồng cháy và đảm bảo
diện tích bề mặt bay hơi để đạt tốc độ cháy yêu cầu.
Hình 1.10: Đặc tính chùm phun nhiên liệu
a. Chùm phun rộng, hạt nhiên liệu nhỏ.
b. Chùm phun hẹp, hạt nhiên liệu lớn.
c. Sự phân bố của chùm nhiên liệu phun trong không khí xoáy lốc.
ls = Chiều dài chùm phun
Ws = Chiều rộng chùm phun


s = Góc bao ngoài chùm phun

1. Lớp ngoài gồm các hạt nhiên liệu riêng rẽ.
2. Lớp lõi bên trong dày đặc các hạt nhiên liệu.
3. Lớp bên trong (lõi_trung tâm).
4. Lớp bên ngoài.
5. Phân bố hạt nhiên liệu.
6. Cạnh ngợc dòng khí xoáy.
7. Cạnh xuôi dòng khí xoáy.
8. Không khí xoáy lốc.
9. Miệng phun.
10. Phân bố nhiên liệu.
11. Vận tốc các hạt nhiên liệu.
16
Kích thớc hạt nhiên liệu có thể điều chỉnh bằng độ cứng lò xo đóng
kim phun. Nói chung độ cứng lò xo càng lớn thì kích thớc hạt càng nhỏ và
mịn và ngợc lại.
1.2.3. Thời điểm phun và tốc độ động cơ.
Quan hệ giữa thời gian giai đoạn chuẩn bị cháy với góc quay trục
khuỷu khi tăng tốc độ động cơ cần phải đánh giá theo các yếu tố sau:
1. Thời gian nén ngắn có hiệu lực làm giảm lợng khí lọt qua vòng
găng, cho phép đạt tới áp suất nén cao hơn.
2. Thời gian nén ngắn làm giảm nhiệt truyền cho hệ thống làm mát,
làm tăng nhiệt độ của khí nén.
3. Tốc độ động cơ tăng cao hơn thì tăng áp suất phun và phun với c -
ờng độ mạnh, phân tán lớn
4. Tốc độ động cơ tăng cao hơn thì xoáy lốc dữ dội hơn làm tăng tốc
độ ngọn lửa lan truyền sâu vào buồng cháy.
Nh vậy, khoảng thời gian của giai đoạn chuẩn bị cháy giảm khi tăng
tốc độ động cơ, còn góc quay trục khuỷu trong khoảng thời gian này tăng
lên. Tuy nhiên mức độ tăng áp suất, nhiệt độ, mức độ hỗn loạn và phân tán
hơi trong xilanh không thể bù hoàn toàn cho sự tăng góc quay trục khuỷu

tơng ứng khi tốc độ động cơ tăng.
Đối với buồng cháy gián tiếp (xoáy lốc và cháy trớc) mức độ ảnh h-
ởng của 4 yếu tố đều làm giảm đáng kể thời gian giai đoạn chuẩn bị cháy
khi tốc độ cao, khi đó góc quay trục khuỷu tơng ứng tăng không đáng kể.
Trái lại với buồng cháy trực tiếp thì áp suất, nhiệt độ, mức độ hỗn loạn và
phun tơi tỏ ra không tăng nhiều. Khi đó thời gian giai đoạn chuẩn bị cháy
không giảm nhiều. Bởi vậy góc quay trục khuỷu ở giai đoạn chuẩn bị cháy
tăng lớn hơn khi tăng tốc độ động cơ.
17
Kết quả: Nếu vùng thay đổi tốc độ động cơ nhỏ từ (500 - 2000)v/ph
thì cả hai loại buồng cháy trực tiếp và gián tiếp không cần phun sớm. ở
vùng thay đổi tốc độ động cơ rộng từ (700 - 5000)v/ph với loại động cơ
phun trực tiếp thì một l lợng lớn nhiêu liệu cần thiết phải phun sớm, mặt
khác áp suất cực đại giảm vì nó xảy ra muộn ở hành trình sinh công; còn
loại phun gián tiếp chỉ cần tự động phun sớm một lợng nhỏ.
1.2.4. Tiếng gõ Diesel
ở động cơ Diesel không hoà trộn trớc nhiên liệu với không khí nh
động cơ xăng. Do đó không có bất kỳ sự cháy trớc nào, thậm chí nếu có
điểm nóng có khả năng tạo ra cháy sớm trong xilanh, đều không sinh kích
nổ.
Tiếng gõ Diesel nghe thấy là do tốc độ tăng áp suất rất nhanh ở thời
kỳ đầu giai đoạn cháy thứ hai.
Nguyên nhân cơ bản là tốc độ tăng áp suất quá cao do kéo dài thời
gian chuẩn bị cháy. Kéo dài thời gian phun nhiên liệu vào xilanh làm kéo
dài thời gian chuẩn bị cháy. Do đó khi sự bắt đầu cháy với số lợng lớn các
trung tâm hoạt tính cùng đợc giải phóng năng lợng thì tạo ra tốc độ tăng
áp suất cao không bình thờng, nó tơng ứng với độ mãnh liệt và tiếng ồn
của quá tình cháy ở điều kiện này.
Nói chung, có thể thấy rằng tốc độ tăng áp suất không lớn hơn
0.3MN/m

2
/1
0
góc quay trục khuỷu thì sẽ nổ êm, còn áp suất không lớn
tăng từ (0.3 - 0.4) MN/m
2
/1
0
thì có xu hớng gõ và trên tốc độ tăng áp suất
này thì tiếng gõ Diesel sẽ rất rõ.
Kéo dài giai đoạn chuẩn bị cháy có thể do các yếu tố sau:
1. Tỷ số nén thấp, chỉ cho phép đạt tới giới hạn nhiệt độ tự cháy cần
thiết.
18
2. áp suất cháy thấp do mòn vòng găng hoặc xupáp hỏng
3. Chất lợng nhiên liệu cháy kém, tức là trị số xêtan thấp
4. Khả năng phun tơi của nhiên liệu kém, khó tạo sự bắt cháy ổn
định; tức là do mòn và kém chất lợng đề kim phun hoặc tắc lỗ phun,
5. Lực nén lò xo không đủ làm cho các hạt nhiên liệu phun ra tơi mịn
6. Nhiên liệu phun quá sớm vào xilanh sẽ ngng đọng (tích tụ) rất
sớm trong hành trình nén trớc khi đạt tới đủ áp suất và nhiệt độ tự bốc
cháy cần thiết.
7. Nhiệt độ không khí đi vào xi lanh rất thấp khi thời tiết lạnh và khi
khởi động lạnh.
1.2.5. Trị số xê tan (CN).
Trị số xê tan của nhiên liệu Diesel đánh giá chất lợng cháy của nó.
Khi nhiên liệu phun vào không khí nóng trong xi lanh, trớc hết nó phải
tăng nhiệt độ đủ cao để tự bắt cháy hỗn hợp không khí nhiên liệu. Yêu
cầu này nằm trong một khoảng thời gian gọi là thời gian chuẩn bị cháy.
Các loại nhiên liệu khác nhau thì thời gian chuẩn bị cháy khác nhau.

Nhiên liệu Diesel dễ dàng bốc cháy trong giai đoạn chuẩn bị cháy đ ợc gọi
là có chất lợng tự cháy cao. Nhiên liệu có thời gian chuẩn bị cháy rút ngắn
thì có chấy lợng tự cháy tốt (cao), ngợc lại nhiên liệu có thời gian chuẩn bị
cháy kéo dài thì chất lợng cháy kém (thấp).
Chất lợng tự cháy đợc xác định bằng cách kiểm tra ở điều kiện tiêu
chuẩn và đo thời gian chuẩn bị cháy theo điều kiện chuẩn một cách cẩn
thận.
Xêtan (C
16
H
34
) là prafin mạch thẳng có chất lợng cháy cao và không
kêu gõ đợc ấn định là chuẩn cao nhất, có trị số xêtan là 100, còn
heptamethynonane (HMN) có chất lợng cháy rất thấp và sẵn sàng kêu gõ.
19
Trị số xêtan của nó là 15, còn trị số xê tan của alphamethylnaphthalane
(C
11
H
10
) là bằng 0. Trị số xêtan của hỗn hợp nhiên liệu bất kỳ là giá trị t-
ơng đơng với nhiên liệu mẫu có số phần trăm xê tan pha với HMN theo thể
tích. Chẳng hạn hỗn hợp nhiên liệu có trị số xê tan là 45 có chất l ợng cháy
tơng ứng với nhiên liệu pha trộn 45% xê tan 55% HMN.
Trị số xêtan cao hơn thì giai đoạn chuẩn bị cháy ngắn hơn (chất lợng
cháy cao hơn) và chống đợc tiếng gõ Diesel tốt hơn. Trái lại trị số xê tan
thấp thì kéo dài giai đoạn chuẩn bị cháy (chất lợng cháy thấp) và làm cho
động cơ sẽ có tiếng gõ Diesel. Tốc độ động cơ càng cao càng đòi hỏi trị số
xê tan càng cao.
Tốc động động cơ: v/ph Trị số xê tan

100_500 25 - 35
300_1500 35 - 45
500_5000 45 - 55
1.2.6. Chỉ số Diesel (DI)
Phơng pháp kiểm tra trị số xêtan rất đắt tiền do đó ngời ta tìm ra ph-
ơng pháp dự đoán chất lợng cháy đơn giản hơn và rẻ hơn. Một trong những
phơng pháp đó là đo chỉ số Diesel. Phơng pháp này dựa trên cơ sở chất l-
ợng cháy nhạy cảm với các thành phần hydrocacbon; tức là parafin có chất
lợng cháy cao và các hợp chất thơm và naphenic có chất lợng cháy thấp.
Chỉ số Diesel chỉ thị chất lợng tự cháy nhờ đặc tính vật lí của nhiên
liệu. Khác với cách xác định thực hiện trong động cơ kiểm tra để xác định
trị số xêtan, chỉ số Diesel xác định đợc từ điểm aniline và trọng lợng API
(Amerian petroleum institute) có mối quan hệ sau:
ĐI = điểm aniline (
0
F)
*
100
)(__ dộAPIợnglTrọng
20
Điểm anilime của nhiên liệu là nhiệt độ mà ở đó cần thiết để hâm
nóng nhiên liệu và aniline tinh khiết cho chúng hoà tan với nhau. Nghĩa là
chỉ ra hợp chất hoá học của nhiên liệu nhiều paraphin thì có nhiệt độ hoà
tan cao hơn. Sự tơng ứng giữa chỉ số Diesel và trị số xêtan không chính
xác và khi nhiên liệu có thành phần phức tạp thì kết quả không đáng tin
cậy, tuy nhiên nó có thể có ích để đánh giá (ớc lợng) chất lợng cháy.
1.2.7. ảnh hởng của kết cấu buồng cháy tới quá trình hoà trộn và
cháy hỗn hợp không khí - nhiên liệu.
Đối với các loại động cơ khác nhau thì hình dạng kích thớc của
buồng cháy đợc phối hợp chặt chẽ với hình dạng, kích thớc, số lợng và ph-

ơng pháp hớng các tia nhiên liệu phun vào buồng cháy và tạo ra dòng
không khí vận động xoáy lốc phù hợp để hoà trộn đều các hạt nhiên liệu
với không khí, đồng thời làm cho nhiên liệu bốc hơi nhanh đủ mức cần
thiết.
1.2.7.1 - Buồng cháy phun trực tiếp
1. Buồng cháy thống nhất xoáy lốc nhẹ (Hình 1.11).
Các động cơ tốc độ trung bình và thấp có đủ thời gian để nhiên liện
phun vào xilanh và phân phối, hoà trộn với không khí, sự cháy rảy ra ở
mọi nơi trong vùng góc quay trục khuỷu ở trớc và sau ĐCT không cần khí
nạp xoáy lốc và tỷ số nén cao.
Mức độ xoáy lốc không khí vào buồng cháy yếu thì tốc độ sấy nóng
khí hỗn hợp không cao, tăng toả nhiệt vào bề mặt xung quanh không gian
buồng cháy. Còn khi có nhiều nhiệt có ích, hỗn hợp không khí và nhiên
liệu hoà trộn tốt do phun mãnh liệt thì khả năng bay hơi và phân bố của
nhiên liệu với không khí xung quanh tốt.
Không khí trong buồng cháy này hầu nh không chuyển động, sự hoà
trộn hỗn hợp gần nh phụ thuộc hoàn toàn vào phân phối tia phun (8 - 12 lỗ
21
phun) và bay hơi của nhiên liệu. Các buồng cháy này có tỷ lệ tối thiểu
giữa đờng kính buồng cháy d và đờng kính piston D là d/D = 0.8. Phần cơ
bản của buồng cháy là không gian khoét lõm trên đỉnh piston. Góc giữa
các chùm phun rất rộng và các phần tử nhiên liệu thờng không chạm tới bề
mặt buồng cháy. Buồng cháy này tổn thất nhiệt ít nhất so với tất cả các
dạng buồng cháy khác, vì vậy hiệu suất nhiệt của nó cao nhất.
Ưu điểm của động cơ có buồng cháy xoáy lốc yếu là:
+ Hiệu suất cao vì:
- Tổn thất truyền nhiệt cho hệ thống làm mát rất ít do tỷ số diện tích
bề mặt và thể tích buồng cháy F
w
/V

c
nhỏ.
- Không có tổn thất khí động.
+ Dễ khởi động vì F
w
/V
c
nhỏ và tiêu thụ nhiên liệu ít nhất.
+ Cấu tạo nắp xilanh tơng đối đơn giản, dễ đặt xupáp.
22
Hình 1.11: Buồng cháy phun trực tiếp 4 xupáp.
Nhợc điểm chính là:
+ Hệ số d lợng không khí ở chế độ thiết kế tơng đối lớn (=1.7ữ2.0)
nên áp suất trung bình Pe của động cơ tơng đối thấp.
+ Rất nhạy cảm khi thay đổi số vòng quay của động cơ.
+ Tốc độ tăng áp suất trong buồng cháy rất lớn có khi tới
1,5MN/m
2
/độ Pz tơng đối cao (Pz = 9 - 12MN/m
2
) do đó xéc măng và các
bạc lót trong cơ cấu trục khuỷu trục thanh truyền của động cơ cao tốc phải
làm việc trong điều kiện rất khó khăn.
23
+ Rất nhạy cảm với chất lợng nhiên liệu.
+ Hệ thống nhiên liệu phải làm việc trong điều kiện rất khó khăn vì
áp suất phun lớn.
2. Buồng cháy thống nhất xoáy lốc mạnh.
Động cơ ô tô thờng sử dụng buồng cháy có nắp xilanh phẳng còn
đỉnh piston khoét dạng hình cầu . Vận động xoáy lốc của không khí nạp

trong buồng cháy này là tổng hợp của hai loại.
- Vận động xoáy lốc theo hớng tiếp tuyến nằm trong mặt phẳng
vuông góc với đờng tâm xi lanh.
- Vận động xoáy lốc theo hớng kính nằm trong mặt phẳng đi qua đ-
ờng tâm xi lanh. Các tia nhiên liệu đợc phân bố đều trên mặt phẳng đi qua
họng buồng cháy, nhờ vận động xoáy lốc mạnh nên nhiên liệu đợc hào
trộn với không khí.
a) Buồng cháy thống nhất phun trực tiếp tiết diện

(hình 1.12)
Quá trình hoà trộn hỗn hợp và cháy xảy ra nh sau:
Vào cuối hành trình nén không gian giữa đỉnh piston và nắp xi lanh
giảm xuống nhanh chóng làm cho không khí xoáy lốc đi vào chốt khoét
lõm buồng cháy. Vì vậy không khí đi vào giữa buồng cháy và chuyển h -
ớng đi xuống đáy hõm khoét, ở dới cùng không khí phân tán thành các lớp
tia đi ra xung quanh và đi lên gờ trên thành buồng cháy (hìng 1.12). ở
thời điểm này dòng không khí chuyển động nên sẽ gặp dòng khồn khí nén
đi vào và bị đẩy vào giữa và đi xuống (cuốn tròn).
Sự chuyển vận của không khí từ trên vào chốt khoét tạo ra chuyển
động xoay tròn gần đờng tâm trục xilanh theo đờng xoáy ốc. Năng lợng
của dòng khí chuyển động không bị mất vì nó chuyển động từ vòng tròn
24
lớn sang vòng tròn nhỏ hơn, không khí chuyển động xung quanh thành
buồng cháy tăng lên đáng kể.
Góc quay trục khuỷu (độ)
Hình 1.12: Các giai đoạn cháy của buồng cháy phun trực tiếp.
a. Phun .
b. Bắt lửa.
c. Cháy của dòng xoáy ngợc trong xi lanh.
d. Kết thúc phun.

e. Sản phẩm cháy hoàn toàn.
25
Trong dòng không khí xoáy lốc ở cuối hành trình nén nhiên liệu bắt
đầu đợc phun từ 4 lỗ vào xilanh, khi góc quay trục khuỷu từ 15
0
đến 20

tr-
ớc ĐCT.
Nhiên liệu đợc phun ra xa và chạm vào thành buồng cháy. Một lợng
nhiên liệu bật ra khỏi thành, một số bám dính và lan tộng thành một lớp
mỏng bao phủ thành buồng cháy. Sự xâm nhập của nhiên liệu và va chạm
của nó vào thành buồng cháy làm ngăn cản nhiên liệu hoà trộn với không
khí chuyển động xoáy tròn. Không khí chuyển động ngang qua chùm
nhiên liệu phun vào, tiếp xúc, làm bay hơi và hoà trộn với nhiên liệu. Một
số nhiên liệu không và chạm vào thành buồng cháy gặp không khí quét
xung quanh làm cho các hạt nhiên liệu không va chạm vào thành buồng
cháy gặp không khí quét xung quanh làm cho các hạt nhiên liệu bị trôi lơ
lửng theo đờng xoáy không khí và không thực sự hoà trộn tốt với không
khí.
Vì vậy, sự thâm nhập của nhiên liệu và phân bố lại do sự tác động của
thành buồng cháy là yếu tố cần thiết để hoà trộn tốn nhất và kiểm soát quá
trình cháy.
Tâm chùm phun chuyển động ra miệng phun, các lớp ngoài của nó
bay hơi và chuyển thành các đám mây hơi nhiên liệu. Không khí nén sẽ
đạt tới nhiệt độ tự cháy của nhiên liệu, ôxy trong không khí nén sẽ đạt tới
nhiệt độ tự cháy của nhiên liệu, ôxy trong không khí tiếp cận hơi nhiên
liệu và sự cháy xuất hiện. Các ngọn lửa đợc hình thành xung quanh các
đám mây nhiên liệu và nhanh chóng lan truyền về phía số lợng lớn hỗn
hợp gần thành buồng cháy, các ngọn lửa phân tán và mở rộng xuyên vào

chỗ khoét lóm do không khí chuyển động trong buồng cháy.
Do kéo dài hành trình piston đi xuống, cho phép hỗn hợp không khí
và nhiên liệu tiếp tục cháy. hỗn hợp gần thành buồng cháy giầu nên khi
26
piston xa ĐCT thì nó tiếp xúc giữa ôxy và nhiên liệu. Sau ĐCT 25
0
chỉ có
95% nhiên liệu đợc cháy hoàn toàn trong quá trình cháy.
Khả năng hoà trộn hỗn hợp và cháy phụ thuộc nhiều vào tỷ số hình
sáng buống cháy, đó là tỷ số giữa đờng kính D và chiều sâu d chỗ khoét.
Với buồng cháy nông là 5:1 và buồng cháy sâu 2:1. Thông thờng hình
dạng buồng cháy ở vùng tốc độ rộng có tỷ số D/d là từ 2.5/1 đến 3/1.
Buồng cháy sâu hơn thì mức độ xoáy lốc không khí trong buồng cháy cao
hơn áp suất lớn nhất trong xilanh thấp hơn. điều này cần đặc biệt lu tâm
trong thiết kế. Buồng cháy sâu có khả năng sinh công suất cao hơn một
chút so với buồng cháy nông ở động cơ cao tốc. Xoáy lốc phía trên làm
cho nhiên liệu ít chạm vào thành vách buồng cháy tăng hiệu quả hoà trộng
hỗn hợp và tăng tổn thất nhiệt. Sự hoà trộn do nhiên liệu phun ngợc dòng
với không khí xoáy làm ngăn cản sự cháy. Trái lại, xoáy lốc phía d ới hạn
chế tốc độ nhiên liệu phun vào hoà trộn với dòng khí. Tuy nhiên xoáy lốc
trên làm giảm áp suất có ích trung bình và tăng tiêu hao nhiên liệu, song
sự xoáy lốc trên tốt hơn so với xoáy lốc dới.
27