MÔ HÌNH TOÁN học của hệ THỐNG CUNG cấp NHIÊN LIỆU DIESEL THỬ NGHIỆM DẠNG TÍCH TRỮ và điều áp

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU DIESEL
THỬ NGHIỆM DẠNG TÍCH TRỮ VÀ ĐIỀU ÁP
MATHEMATICAL MODEL OF DIESEL SUPPLY SYSTEM EXPERIMENT BASED
ON PRESSURE STORAGE AND REGULATION
TS. Trần Quốc Toản, ThS. Nguyễn Văn Lành
Bộ môn Máy tàu, Học viện Hải quân, Nha Trang
,
TÓM TẮT
Hệ thống Common Rail là hệ thống sử dụng phổ biến hiện nay trên các động cơ xe du
lịch cũng như động cơ tàu thủy sử dụng nhiên liệu Common Rail. Bài báo này đưa ra vấn đề
nghiên cứu về mô hình toán học của hệ thống tích trữ nhiên liệu (ống Rail) trong hệ thống
Common Rail. Trên cơ sở mô hình toán của hệ thống, tính các thông số kết cấu ban đầu từ đó
có thể điều chỉnh cải tiến van điều áp làm thay đổi áp suất trong ống Rail tạo ra áp suất phun
khác nhau.
Từ khóa: Common Rail, mô hình toán, tích trữ nhiên liệu, áp suất phun, van điều áp

ABSTRACT
Common Rail system is widely used in passenger vehicle and marine diesel engines
engine using Common Rail fuel. This article addresses the issue of research on mathematical
modeling of fuel storage system (Rail pipe) in the Common Rail system. Based on the
mathematical model of the system, the initial structural parameters can be calculated to
adjusted and improve pressure regulator valves so that the pressure in the Rail pipe change for
different forms of ejaculating pressure.
Keywords: Common Rail, mathematical model, fuel storage, ejaculating pressure,
pressure regulator valves
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Cùng với sự phát triển của công nghệ vi điều khiển, để đáp ứng yêu cầu thực tế về khai
thác và đảm bảo các yếu tố về môi trường, ngày nay các nhà sản xuất hàng đầu về động cơ
diesel đã phát triển và đưa vào ứng dụng một hệ thống phun nhiên liệu thế hệ mới với áp suất

phun cao lên tới khoảng 130 ... 200 MPa. Việc nghiên cứu và phát triển cũng như khai thác hệ
thống mới này đòi hỏi chúng ta phải nghiên cứu một cách cơ bản có tính logic, khoa học. Bài
viết này đưa ra mô hình toán học của hệ thống phun nhiên liệu Common Rail, cho phép xác
định các thông số kết cấu ban đầu của hệ thống nhằm hướng tới phát triển một mô hình toán
tối ưu cho việc thiết kế và cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail cho các động
cơ thế hệ mới, để nâng áp suất phun và tăng độ chính xác của thời điểm phun.
2. VẤN ĐỀ ĐƯA RA NGHIÊN CỨU
Ngày nay, việc chế tạo động cơ diesel ngoài việc quan tâm đến tính kinh tế và các thông
số kỹ thuật thì vấn đề môi trường cũng được đặc biệt quan tâm. Hàm lượng độc tố trong khí
thải là một vấn đề cấp bách cần đặt ra trong giai đoạn hiện nay. Các nhà nghiên cứu về động
cơ Diesel đã đề ra nhiều biện pháp khác nhau về kỹ thuật phun và tổ chức quá trình cháy
nhằm giới hạn các chất ô nhiễm. Các biện pháp chủ yếu tập trung vào giải quyết các vấn đề:
- Tăng tốc độ phun để làm giảm nồng độ bồ hóng do tăng tốc hòa trộn nhiên liệu- không khí.
326


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
-Tăng áp suất phun, đặc biệt là đối với động cơ phun trực tiếp.
- Điều chỉnh dạng quy luật phun theo khuynh hướng kết thúc nhanh quá trình phun.
- Biện pháp hồi lưu một bộ phận khí xả (ERG: Exhaust Gas Recirculation).
Các nhược điểm của hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel truyền thống đã được khắc
phục bằng cách cải tiến các bộ phận như: Bơm cao áp - vòi phun, bộ phận tích trữ nhiên liệu
áp suất cao, các ứng dụng tự động vi điều khiển nhờ sự phát triển của công nghệ.
Hiện nay, khi chế tạo các động cơ Diesel hiện đại thế hệ mới, hệ thống cung cấp nhiên
liệu đã được thiết kế đạt áp lực phun cao lên tới 200 MPa. Việc điều khiển các thông số của
hệ thống cũng như qui luật phun đảm bảo được độ chính xác và có tính kinh tế cao, hàm
lượng độc tố trong khí thải giảm. Nhiều động cơ diesel đặc biệt là động cơ sử dụng trong lĩnh
vực giao thông vận tải đã được nghiên cứu và phát triển với các hệ thống phun nhiên liệu cao
áp. Các nghiên cứu đều phát triển theo hướng phải bắt đầu với những nghiên cứu tính toán lý
thuyết. Trong những năm gần đây, một số đề tài đã đưa ra nghiên cứu về hệ thống nhiên liệu

Common Rail. Vào năm 2003, khoa “Động cơ và kỹ thuật nhiệt” của trường Đại học giao
thông vận tải ở Ucraina đã bắt đầu nghiên cứu về hệ thống ống tích áp dưới sự hướng dẫn của
giáo sư Donganova. Bước đầu tiên họ đã phát triển hệ thống tích áp dạng piston, áp suất nhiên
liệu trong ống tích áp lên đến 40-50MPa. Các nghiên cứu chỉ mới hướng tới các biện pháp
nâng cao áp suất trong ống tích áp mà chưa đưa ra được mô hình toán học của hệ thống. Hiện
nay trong nước ta, dù hệ thống phun nhiên liệu Common rail được sử dụng rộng rãi trên các
phương tiện giao thông đường bộ và gần đây xuất hiện trên các động cơ tàu thủy, tuy nhiên
chưa có nghiên cứu nào nghiên cứu về mô hình toán của hệ thống này. Vì vậy việc nghiên
cứu và xây dựng một mô hình toán tối ưu là một khâu then chốt trong thiết kế, chế tạo cũng
như cải tiến hệ thống.
Để có áp lực phun cao 130 ... 200
Mpa, có thể tạo ra bằng cách cấp nhiên
liệu theo dạng sau đây: Bơm cao áp-vòi
phun; cấp nhiên liệu theo giai đoạn riêng
biệt bằng các ống dẫn nhiên liệu ngắn
khoảng 300mm có áp lực cao nối với các
vòi phun; hệ thống tích trữ nhiên liệu
kiểu Common Rail (CR) [1, 2]. Các nhà
nghiên cứu động cơ cho rằng, hệ thống
tích trữ nhiên liệu kiểu CR sẽ là một
hướng phát triển có triển vọng nhất. So
với hệ thống dẫn động bằng cam cũ, hệ
thống CR khá linh hoạt trong việc đáp
ứng thích nghi để điều khiển phun nhiên
liệu cho động cơ diesel như [3, 4]:
- Phạm vi ứng dụng rộng rãi (cho
xe du lịch, khách,tải nhẹ, tải nặng, xe lửa
và tàu thủy).
- Áp suất phun đạt đến 150 Mpa.
- Thay đổi áp suất phun tùy theo

chế độ hoạt động của động cơ.

Hình 1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống tích
trữ và điều áp nhiên liệu

- Có thể thay đổi thời điểm phun.
- Phun chia làm ba giai đoạn: Phun sơ khởi, phun chính và phun kết thúc.
Chúng ta xem xét sơ đồ nguyên lý của hệ thống tích trữ nhiên liệu thử nghiệm được
phát triển cho các động cơ diesel CMD-23.07.
327


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Như chúng ta đã biết áp suất trong hệ thống tích trữ nhiên liệu càng lớn thì hiệu quả làm
việc của hệ thống CR càng tốt. Tuy nhiên, khi tạo ra một áp lực rất cao trong bộ tích trữ nhiên
liệu thì năng lượng tiêu thụ cho hệ thống càng nhiều, tức là tăng tổn thất cơ khí.
Sơ đồ nghiên cứu của các hệ thống tích trữ nhiên liệu thử nghiệm cho động cơ diesel
CMD-23.07 được mô tả trong hình 1. Trong đó kí hiệu: vòi phun 1 ... 4; bộ tích trữ nhiên liệu
5; cảm biến nhiệt độ nhiên liệu 6; cảm biến áp suất nhiên liệu trong bộ tích trữ nhiên liệu 7;
van một chiều 8; bơm cao áp 9; van giảm áp của bơm cao áp 10; bơm nhiên liệu phụ 11; lọc
thô 12; két chứa nhiên liệu 13; lọc tinh 14; van chuyển vòng trong bộ lọc15; van điều áp của
bộ tích trữ nhiên liệu 16; bộ điều khiển điện tử (ECU) để cung cấp nhiên liệu 17; khối nguồn
18; ắc qui 19. Các tín hiệu: n - tốc độ quay trục khuỷu động cơ; ϕ - góc xác định vị trí cơ cấu
điều khiển cung cấp nhiên liệu; ϕ0 - góc xác định vị trí điểm chết trên của xilanh đầu tiên.
3. MÔ HÌNH TOÁN HỌC
Trên cơ sở sơ đồ nguyên lý ở hình 1, đưa ra sơ đồ tính toán như trong hình 2, chúng ta
tiến hành nghiên cứu tính toán hệ thống tích trữ nhiên liệu thử nghiệm. Trong đó ký hiệu: 1 –
bơm nhiên liệu cao áp; 2 – bộ tích trữ nhiên liệu hay còn gọi là “ắc qui thủy lực”; 3 - vòi
phun; 4 - van giảm áp; d pb - đường kính piston của bơm nhiên liệu cao áp; S pb - hành trình
của piston bơm nhiên liệu cao áp; QH - lưu lượng của bơm nhiên liệu cao áp; pak - áp suất

trong bộ tích trữ nhiên liệu; dϕ - Đường kính lỗ phun của vòi phun; Qϕ - lưu lượng nhiên liệu
qua vòi phun trong một giờ; pc - áp suất trong buồng đốt của động cơ diesel; d vg - đường
kính của van giảm áp; x - độ dịch chuyển của van; C - độ cứng lò xo van; Qv - lưu lượng
nhiên liệu qua van trong một giờ; b - chiều rộng của van xả; p0 - áp suất môi trường.
Trên cơ sở sơ đồ tính toán đã nghiên cứu, phát triển mô hình toán học để xác định các
thông số hợp lý của hệ thống tích trữ ở giai đoạn thiết kế. Các phương trình cân bằng thủy lực
của lưu lượng giữa các “nút” của hệ thống như bơm cao áp 1, vòi phun 3 và van giảm áp 4 là
những cơ sở của mô hình toán. Phương trình có dạng:
Q=
Qϕ + Qv
H

(1)

Hình 2. Sơ đồ tính toán của hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu tích trữ và điều áp
Các giả định sau đây được áp dụng: Coi như mỗi vòng quay của trục cam sẽ ăn nhịp với
tất cả các pitston của bơm nhiên liệu cao áp; thanh răng bơm nhiên liệu cao áp không dịch
328


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
chuyển và nằm ở vị trí cung cấp nhiên liệu lớn nhất; tia nhiên liệu qua vòi phun không bị ngắt
quãng; van giảm áp có dạng hình trụ; đường kính van trùng với đường kính lỗ trong bộ tích
trữ nhiên liệu; lỗ van giảm áp có dạng hình chữ nhật; chiều dài van lớn hơn chiều dài của lỗ
van xả.
Chúng ta lập phương trình cho các thiết bị (“nút”) trong hệ thống:
3.1. Bơm nhiên liệu cao áp 1
QH =

trong đó:

2
i pb ⋅ π ⋅ ρτ ⋅ d pb
⋅ nb ⋅ S pb

4

(2)

i pb - số piston của bơm nhiên liệu cao áp;

ρτ - mật độ của nhiên liệu diesel;
nb - tốc độ quay của trục cam bơm.
3.2. Vòi phun 3
Qϕ =
µϕ ⋅ Fϕ 2 ρτ ( pak − pc )
trong đó:

(3)

µϕ - hệ số tổn thất qua lỗ của vòi phun;
Fϕ - tổng diện tích thiết diện của lỗ vòi phun.

3.3. Van giảm áp 4

µvg ⋅ Fvg 2 ρτ ( pak − p0 )
Qvg =
trong đó:

(4)

µvg - hệ số tổn thất nhiên liệu qua lỗ xả của van giảm áp;
Fvg - diện tích thiết diện của lỗ xả.

Diện tích mặt cắt lỗ xả được xác định từ phương trình:
Fvg = b ⋅ x

(5)

Nhờ sự dịch chuyển x của piston-van việc điều chỉnh áp suất trong bộ tích trữ nhiên liệu
được thực hiện. Vị trí x xác định từ phương trình cân bằng lực tác động từ hai phía của van
giảm áp.

Pan = Plx
trong đó:

(6)

Pan - lực mà áp suất nhiên liệu tạo ra;
Plx - lực do lò xo của van giảm áp tạo ra.

Sau khi thay thế các thành phần vào phương trình (6), chúng ta rút ra công thức để xác
định độ dịch chuyển x:



π d vg2
p
⋅
− C ⋅ x0 

 ak

4

x=
C
trong đó:

(7)

x0 - tọa độ ban đầu của piston-van

Phương trình (1)…(7) là cơ sở của mô hình toán học để tính toán sơ bộ các thông số của
=
x0 0;=
S0 0 .
hệ thống tích trữ nhiên liệu. Điều kiện ban đầu
329


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
KẾT QUẢ TÍNH TOÁN
Ở giai đoạn thiết kế, giả định rằng áp suất nhiên liệu trong bộ tích trữ nhiên liệu là ở
trạng thái khi bơm cao áp cung cấp đầy đủ lượng nhiên liệu và lượng nhiên liệu tối đa chảy
qua một vòi phun phải đạt được áp suất pak = 50 MPa . Ở các chế độ tốc độ khác nhau của
động cơ, giá trị của áp suất pak sẽ thay đổi. Đến một tốc độ xác định của trục khuỷu động cơ,
bơm thường không thể cung cấp các áp lực cần thiết. Việc tăng thêm tốc độ quay của động cơ
từ thời điểm này sẽ dẫn đến sự gia tăng áp suất trong bộ tích trữ và điều áp nhiên liệu. Khi
lượng nhiên liệu qua vòi phun lớn nhất sẽ tiến tới thời điểm bắt đầu hoạt động của van điều áp
trong bộ tích trữ và điều áp nhiên liệu. Khi đó việc tính toán sơ bộ các thông số của hệ thống

tích trữ và điều áp nhiên liệu thử nghiệm được thực hiện. Việc tính toán được thực hiện bởi
chương trình tính và phát triển trên cơ sở của một mô hình toán học đã được đưa ra ở trên.
Bảng 1. Kết quả tính toán các tham số ban đầu của hệ thống
STT

nb (v/ph)

pak (MPa)

QH (kg/h)

Qϕ (kg/h)

Qv (kg/h)

x (mm)

1

0

0

0

0

0

0

2

150

8,972

28,825

25,225

0

0

3

300

12,456

57,65

54,05

0

0

4

450

18,498

86,475

82,875

0

0

5

600

27,071

115,3

111,701

0

0

6

750

38,184

144,126

140,526

0

0

7

900

50,012

172,951

165,79

3,559

0,0002424

8

1050

50,019

201,776

165,982

32,194

0,002191

9

1200

50,026

230,601

166,173

60,826

0,004135

10

1350

50,303

259,436

166,364

89,461

0,006076

11

1500

50,4

288,252

166,555

118,094

0,008013

12

1750

50,594

345,9

166,93

175,36

0,119

400
350
300
250
Qh

200
150
100
50
0

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

n

Hình 3. Sự phụ thuộc của lưu lượng nhiên liệu qua bơm vào tốc độ quay của ĐC

330


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
60
50
40
Pak

30
20
10
0

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

n

Hình 4. Sự phụ thuộc của áp suất nhiên liệu trong bộ tích trữ
vào tốc độ quay của trục ĐC
Kết quả tính toán được trình bày trong bảng 1. Hình 3 và 4 cho thấy sự phụ thuộc của
lưu lượng nhiên liệu qua bơm và áp suất nhiên liệu trong bộ tích trữ vào tốc độ quay của trục
cam bơm nhiên liệu cao áp. Với kết quả tính này ta có thể thay đổi thời điểm bắt đầu làm việc
của van điều áp, từ đó sẽ điều chỉnh được áp suất phun khác nhau. Điều này hướng tới biện
pháp cải tiến hệ thống để nâng cao áp suất phun.
KẾT LUẬN
Bài viết đưa ra kết quả tính toán sơ bộ các tham số cơ bản của hệ thống cung cấp nhiên
liệu dạng tích trữ và điều áp thử nghiệm trên động cơ CMD-23.07, kết quả tính toán dựa trên
mô hình toán tĩnh đã đặt ra ở trên. Các thông số thu được khi điều chỉnh động cơ ở chế độ tốc
độ từ 150v/ph đến 1750v/ph. Áp suất định trước trong bộ tích trữ nhiên liệu đạt tới 50MPa
khi động cơ hoạt động ở chế độ tốc độ là 1750 v/ph. Trên cơ sở các thông số tính toán sơ bộ
này chúng ta có thể điều chỉnh thông số của van giảm áp nhằm đảm bảo cho hệ thống thu
được áp suất tốt nhất vì chế độ làm việc định mức của động cơ diesel CMD-23.07 lưu lượng
nhiên liệu qua các vòi phun vượt năm lần giá trị thực tế của nguồn cung cấp.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Пинский Ф.И., Давтян Р.И., Черняк Б.Я. Микропроцессорные системы управления
автомобильными двигателями внутреннего сгорания. – М.: «Легион-Конструкция
ДВС», 2012.
[2]. Грехов Л.В. Топливная аппаратура дизелей с электронным управлением. Учебнорактическое пособие. – М.: «Легион-Автодата», 2013.
[3]. По страницам отечественных и зарубежных изданий, Двигателестроение, 2013.
№3, С.43-45.
[4]. По страницам отечественных и зарубежных изданий, Двигателестроение, 2014.
№2, С.39-42.
[5]. Быков В.И., Долганов К.Е., Лисовал А.А. Дизели СМД для автобусов, Двигатели
внутреннего сгорания, 2014. №3, С.13-17.
[6]. Egger K., Warga J., Klugl W. Neues Common-Rail-Einspritzsystem mit Piezo-Aktorik
fur Pkw-Dieselmotoren, MTZ: Motortechnische Zeitschrift, 2012, № 9, p. 696-704.
[7]. Generation Pkw-Common-Rail von Bosch mit Piezo-Inline-Injektoren,MTZ:
Motortechnische Zeitschrift, 2004, № 3, p. 180-189.
THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ
1. Trần Quốc Toản, Học viện Hải Quân, , 0989 211 259.
2. Nguyễn Văn Lành, Học viện Hải quân, , 0974 711 766.
331