Tải bản đầy đủ (.docx) (83 trang)

Đồ án Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41 TDCi lắp trên xe Ford Transit

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.27 MB, 83 trang )

Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay trong xu thế hội nhập và mở cửa của nền kinh tế Việt Nam với nền kinh tế của các
nước trên thế giới, ngành công nghiệp sản xuất ôtô cũng đang đứng trước nhiều cơ hội cũng
như những thách thức mới. Đó là những cơ hội cải tiến và phát triển công nghệ cho ngang
tàm với các nước trên thế giới nhưng cũng có nhiều thử thách đặt ra đó là khả năng nắm bắt
và tiếp thu công nghệ mới, cải tiến công nghệ cũ lạc hậu.
Hiện nay công nghệ ôtô phát triển dựa trên những tiêu chí: tăng công suất, tốc độ,
giảm suất tiêu hao nhiên liệu, điện tử hoá quá trình điều khiển và hạn chế mức thấp nhất
thành phần ô nhiễm trong khí xả động cơ nhằm tạo ra 1 nền công nghiệp ôtô phát triển và
thân thiện với môi trường.
Với sự phát triển mạnh mẽ của tin học hóa, tự động hóa trong ngành sản xuất và các
sản phẩm ô tô. Nhờ sự giúp đỡ của máy tính để cải thiện quá trình làm việc của động cơ và
ôtô nhằm đạt hiệu quả cao và chống ô nhiễm môi trường, tối ưu hoá quá trình điều khiển dẫn
đến kết cấu của động cơ và ô tô thay đổi rất phức tạp, làm cho người sử dụng và cán bộ công
nhân kỹ thuật ngành ô tô ở nước ta còn nhiều lúng túng và sai sót, khó khăn trong việc nắm
bắt công nghệ mới này nên cần có những nghiên cứu cụ thể về hệ thống điện tử trên động cơ
ô tô.
Là một sinh viên của ngành động lực sắp ra trường, em chọn đề tài: "Tính toán thiết kế
hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41" làm đề tài tốt nghiệp. Em rất
mong với đề tài này em sẽ củng cố tốt hơn kiến thức của mình để khi ra trường em có thể
đóng góp 1 phần vào sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô của nước nhà.
Cuối cùng em xin được gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo hướng dẫn Trần

Văn Nam đã chỉ bảo em tận tình, giúp em vượt qua những khó khăn vướng mắc trong khi
hoàn thành đồ án của mình. Bên cạnh đó em cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa cơ khí giao
thông đã tạo mọi điều kiện để em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này.
Sinh viên thực hiện

LÊ QUANG CƯỜNG



MỤC LỤC
Lời nói đầu...................................................................................................................................


Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41

Mục lục.........................................................................................................................................
1.
2.
2........................................................................................................................................................T
ài liệu tham khảo.............................................................................................................................
1. Lịch sử vấn đề và mục đích ý nghĩa đề tài
3.

Khí thải động cơ Diesel là một trong những thủ phạm gây nên ô nhiễm môi trường.

Động cơ diesel hiệu quả kinh tế hơn động cơ xăng, tuy nhiên nó vẫn còn những hạn chế
trong quá trình sử dụng như: Thải khói đen khá lớn khi tăng tốc, tiêu hao nhiên liệu còn cao
và tiếng ồn lớn, vận hành không êm dịu...
4.

Động cơ Diesel phát triển vào năm 1897 nhờ Rudolf Diesel hoạt động theo nguyên

lý tự cháy. Ở gần cuối quá trình nén, nhiên liệu được phun vào buồng cháy động cơ để hình
thành hòa khí rồi tự bốc cháy. Đen năm 1927 Robert Bosch phát triển Bơm cao áp (Bơm
phun Bosch lắp cho động cơ diesel ôtô thương mại và ôtô khách vào năm 1936)
5. Hệ thống nhiên liệu Diesel không ngừng được cải tiến, với các giải pháp kỹ thuật tối
ưu làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu. Các nhà sản xuất 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. Tập trung vào giải quyết các vấn đề:
- Tăng tốc độ phun để làm giảm độ bồ hóng do tăng tốc hòa trộn nhiên liệu-không khí.
- 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 để
làm giảm HC.
- Biện pháp hồi lưu một bộ phận khí xả (ERG: Exhaust Gas Recirculation )
6. Hiện nay, các nhược điểm của hệ thống nhiên liệu Diesel đã được khắc phục bằng
cải tiến các bộ phận như: Bơm cao áp, vòi phun, ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao, các ứng
dụng điều khiển tự động nhờ sự phát triển của công nghệ (năm 1986 Bosch đưa vào thị
trường việc điều khiển điện tử cho động cơ diesel ). Đó là hệ thống nhiên liệu Common Rail
Diesel.
7. Hệ thống Common Rail Diesel ra đời góp phàn cải thiện nhiều cho tính năng động
cơ và tính kinh tế nhiên liệu mà lâu nay người sử dụng cũng như các nhà bảo vệ môi trường
mong đợi. Nó tạo nên hướng nghiên cứu mới cho các ngành cơ khí động lực, giao thông,...


Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41

trong nước. Hiện nay, hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel được trang bị trên các dòng
xe như Transit, Sprinter,...Những dòng xe này đang được sản xuất và sử dụng rất thông dụng
tại Việt Nam và đang mang lại những hiệu quả tích cực cả về tính kinh tế và khả năng bảo vệ
môi trường.
8. Vì những lý do trên em chọn đề tài "Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common
Rail Diesel động cơ Duratorq 2.41" để làm đề tài tốt nghiệp.
2. Các phương án thiết kế hệ thống nhiên liệu động cơ Duratorq 2.41
2.1 Nhiệm vụ, yêu cầu và đặc điểm chung của hệ thống nhiên liệu động cơ
diesel
2.1.1

Nhiệm vụ của hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel


1. Chứa nhiên liệu dự trữ, đảm bảo cho động cơ hoạt động liên tục trong một khoảng thời
gian quy định.
2. Lọc sạch nước và các tạp chất cơ học có lẫn trong nhiên liệu.
3. Cung cấp lượng nhiên liệu cần thiết cho mỗi chu trình ứng với chế độ làm việc quy
định của động cơ.
4. Cung cấp nhiên liệu đồng đều vào các xy lanh theo trình tự làm việc quy định của
động cơ.
5. Cung cấp nhiên liệu vào xy lanh động cơ đứng thời điểm theo một quy luật đã định.
6. Phun tơi và phân bố đều nhiên liệu vào thể tích môi chất trong buồng cháy, bằng cách
phối hợp chặt chẽ hình dạng kích thước và phương hướng của các tia nhiên liệu với hình
dạng buồng cháy và cường độ vận động của môi chất trong buồng cháy.
9. Diễn biến chu trình công tác của động cơ diesel chủ yếu phụ thuộc vào tình hình
hoạt động của thiết bị cung cấp nhiên liệu. Tốc độ toả nhiệt của nhiên liệu và dạng đường
cong của áp suất môi chất công tác trong quá trình cháy biến thiên theo góc quay trục khuỷu
chủ yếu phụ thuộc vào những yếu tố sau:
- Thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu (tức là góc phun sớm).
- Biến thiên của tốc độ phun (tức là quy luật cấp nhiên liệu ).
- Chất lượng phun (thể hiện bằng mức phun nhỏ và đều).
- Sự hoà trộn giữa nhiên liệu với khí nạp trong buồng cháy.


Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41

10. Thời gian cung cấp nhiên liệu kéo dài 20-r45 độ góc quay trục khuỷu (tức là khoảng
0,0033-^0,0075 [s]). Trong khoảng thời gian đó áp suất nhiên liệu từ 0,15-r0,2 [MN/m 2].
Trong đường dẫn nhiên liệu tới vòi phun, trong vòi phun áp suất tăng lên tới mấy chục
[MN/m2]. Áp suất phun nhiên liệu cao như vậy là nhằm đảm bảo yêu cầu phun nhỏ và đều,
đồng thời nhằm đảm bảo cấp nhiên liệu vào xy lanh động cơ với một tốc độ cần thiết.
11. Áp suất phun nhiên liệu nhỏ nhất càn đảm bảo yêu cầu phun nhỏ và đều của nhiên

liệu, nó phụ thuộc vào cấu tạo vòi phun và cường độ vận động xoáy lốc của môi chất trong
buồng cháy khi phun nhiên liệu. Trên thực tế thường không nhỏ hơn 10[MN/m 2] áp suất
phun nhiên liệu lớn nhất thường không vượt quá 40-Ỉ-50 [MN/m 2], vì lớn hơn nữa sẽ gây ra
những khó khăn không cần thiết về mặt công nghệ chế tạo, ảnh hưởng xấu tới tuổi thọ của
bơm cao áp và vòi phun, mặc dầu về mặt chất lượng phun có được cải thiện chút ít.
2.1.2 Yêu cầu cơ bản của hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel
- Ben và có độ tin cậy cao.
- Dễ chế tạo, giá thành chế tạo rẻ.
- Dễ dàng và thuận tiện trong việc bảo dưỡng và sửa chữa.
2.1.3. Đặc điểm hình hành hoà khí trong động cơ diesel
2.1.3.1. Đặc điểm
Có hai đặc điểm sau:
- Hoà khí được hình thành bên trong xylanh động cơ với thời gian rất ngắn; tính theo góc
quay trục khuỷu, chỉ bằng 1/10 đến 1/20 so với trường hợp của máy xăng; ngoài ra nhiên
liệu diesel lại khó bay hơi hơn xăng nên phải được phun thật tơi và hoà trộn đều trong không
gian buồng cháy. Vì vậy phải tạo điều kiện để nhiên liệu được sấy nóng, bay hơi nhanh và
hoà trộn đều với không khí trong buồng cháy nhằm tạo ra hoà khí, mặt khác phải đảm bảo
cho nhiệt độ không khí trong buồng cháy tại thời gian phun nhiên liệu đủ lớn để hoà khí có
thể tự bốc cháy.
- Quá trình hình thành hoà khí và quá trình bốc cháy nhiên liệu của động cơ diesel chồng
chéo lên nhau. Sau khi phun nhiên liệu, trong buồng cháy diễn ra một loạt thay đổi lý hoá
của nhiên liệu, sau đó phàn nhiên liệu phun vào trước đã tạo ra hoà khí, tự bốc cháy, trong
khi nhiên liệu vẫn được phun tiếp, cung cấp cho xylanh của động cơ. Như vậy sau khi đã
cháy một phần, hoà khí vẫn tiếp tục được hình thành, và thành phần hoà khí thay đổi liên tục
trong không gian của quá trình.
2.1.3.2. Những đặc trưng của động cơ diesel


Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41


12. Do thời gian hình thành hoà khí bên trong ngắn, làm cho chất lượng hoà trộn rất khó
đạt tới mức độ đồng đều, vì vậy động cơ có những đặc trưng sau:
- Trong quá trình nén, bên trong xylanh chỉ là không khí, do đó có thể tăng tỷ số nén £ ,
qua đó làm tăng hiệu suất động cơ, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi làm tăng nhiệt độ môi
chất giúp hoà khí dễ tự bốc cháy.
- Đường nạp chỉ có không khí nén nên không càn để ý đến vấn đề sấy nóng, bay hơi của
nhiên liệu trên đường nạp như máy xăng. Có thể dùng đường nạp có kích thước lớn ít gây
cản và không cần sấy nóng với cấu tạo đơn giản.
- Có thể dùng hoà khí rất nhạt trong buồng cháy (do tính hoà trộn không đều của hoà
khí) nên có thể sử dụng cách điều chỉnh chất (tức chỉ điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho
chu trình mà không điều chỉnh lượng không khí) khi càn thay đổi tải của động cơ.
- Động cơ diezen có một mặt bất lợi (do tính chất hoà trộn không đều tạo ra ) là bị hạn
chế khả năng giảm a (tức là không thể sử dụng hết không khí thừa trong buồng cháy để đốt
thêm nhiên liệu ) và khả năng nâng cao tốc độ động cơ ( do tốc độ cháy của hoà khí không
đều chậm hơn ).
13. Những hạn chế trên đã làm cho công suất lít (công suất đơn vị) của động cơ diesel
nhỏ hơn so với động cơ xăng.
2.2. Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel sử dụng bơm cao áp Bosch
2.2.1. Sơ đồ của hệ thống nhiên liệu động cơ diesel.
14.

1. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ diesel.
1.

15.
16.

Hình 2-1 Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel.



Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41

17.

1- Thùng chứa; 2,5,- Ống nhiên liệu thấp áp; 3- Lọc thô; 4- Bơm

chuyển; 6- Lọc tinh; 7,12,13- Ống nhiên liệu hồi; 9- Bơm cao áp; 10- Ống
nhiên liệu cao áp; 11. Vòi phun.
18.

Trên hình 2-1 giới thiệu sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel. Bơm

chuyển nhiên liệu 4 hút nhiên liệu từ thùng chứa 1 qua bình lọc thô 3 để cung cấp nhiên liệu
qua bầu lọc tinh 6 tới bơm cao áp 9. Ở đây, bơm cao áp tiếp tục đưa nhiên liệu lên vòi phun,
với áp suất cao để phun vào buồng cháy hỗn hợp với không khí từ bên ngoài qua bình lọc,
ống nạp, tạo thành hoà khí và tự cháy, do không khí nén có nhiệt độ cao. Hoà khí cháy giãn
nở tác dụng vào piston, qua thanh truyền, làm quay, trục khuỷu sinh công. Khí cháy sau khi
đã làm việc, được đi ra khỏi xy lanh bằng ống xả và ống tiêu âm như hệ thống nhiên liệu của
động cơ xăng. Nhiên liệu rò qua khe hở thân kim phun của vòi phun và các tổ bơm theo ống
nhiên liệu hồi 7, 12, 13 trở về thùng chứa.
2.2.2 Cấu tạo của bơm cao áp.
2.2.2.1. Cấu tạo bơm cao áp thẳng hàng.
2.

19.
20.
21.

Hình 2-2 Bơm cao áp thẳng hàng.


1- Bulông xả khí; 2- Vít hãm; 3- Đầu nối ống nhiên liệu đến vòi phun; 4- Đầu nối
ống


Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41

nhiên liệu vào bơm; 5- vỏ bộ hạn chế nhiên liệu; 6- Khớp nối của trục cam; 7- Đĩa chắn
dầu; 8- Trục bơm; 9- Ổ bi; 10- vỏ bộ điều tốc; 11- Lò xo van cao áp; 12- Van cao áp; 13Xilanh bơm cao áp; 14- Lỗ xả; 15- Piston bơm cao áp; 16- Vít; 17- Ống xoay, 18- Đĩa
trên; 19- Lò xo bơm cao áp; 20- Đĩa dưới; 21- Bulông điều chỉnh; 22- Con đội; 23- Con
22.
23.

lăn; 24: Cam.

Nguyên lý hoạt động: Piston đi xuống nhờ lực đẩy lò xo 19, van cao áp 12

đóng kín, nhờ độ chân không được tạo ra trong không gian phía trên piston, khi mở các lỗ A,
B nhiên liệu được nạp đầy vào không gian này cho tới khi piston nằm ở vị trí thấp nhất.
24.

Piston đi lên nhờ cam 24, lúc đầu nhiên liệu bị đẩy qua các lỗ A, B ra

ngoài; khi đỉnh piston che kín hai lỗ A, B thì nhiên liệu ở không gian ở phía trên piston 15
tăng áp suất, đẩy mở van cao áp 12, nhiên liệu đi vào đường cao áp tới vòi phun. Quá trình
cấp nhiên liệu được tiếp diễn tới khi rãnh nghiêng trên đầu piston mở lỗ xả B thời điểm kết
thúc cấp nhiên liệu, từ lúc ấy nhiên liệu từ không gian phía trên piston qua rãnh dọc thoát
qua lỗ B ra ngoài khiến áp suất trong xilanh giảm đột ngột, van cao áp được đóng lại. Hình
2-2 giới thiệu kết cấu của bơm cao áp thẳng hàng.
2.22.2. Cấu tạo bơm cao áp phân phối.
25.


Hình 2-3 giới thiệu kết cấu bơm cao áp phân phối
3.

26.
27.

Hình 2-3 Bơm cao áp phân phối


Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41

28.

1- Bạc xả; 2- Thiết bị điều chỉnh thời gian phun; 3- Vành cam; 4- Con lăn;

5- Đĩa truyền động; 6- Trục vào; 7- Bánh răng bơm chuyển; 8- Trục bộ điều tốc; 9- Bánh
răng bộ điều tốc; 10- Quả văn ; 11- Đòn điều chỉnh; 12- Lò xo điều tốc; 13- Màng chân
không; 14- Ống nối đường nạp; 15- Lò xo màng điều chỉnh chân không; 16- Đường ống hồi
dầu; 17- Vít điều chỉnh; 18- Đòn áp lực; 19- Van điện từ ; 20- Piston; 21- Van cao áp; 22Đầu nối với vòi phun
29.

Nguyên lý hoạt động: Dẩn động xoay piston 20 được trục bơm 6 dẫn động,

còn dẫn động định tiến do vành cam 3 trên trục bơm 6 dẫn động. Trên sườn piston có các lỗ
thoát B, khi piston xoay lỗ thoát này sẽ làn lượt ăn thông với các lỗ khoan chéo A trên đầu
bơm. Trong hành trình công tác nhiên liệu nén và phân phối lần lượt qua các lỗ khoan chéo
A, khi đó áp suất nhiên liệu nén đi qua van cao áp 21 rồi đi đến vòi phun nhiên liệu của
xylanh tương ứng. Trên bơm còn có bơm chuyển nhiên liệu kiểu phiến gạt được nâng lên
một áp suất ổn định, quả văng 10 thông qua quan hệ tay đòn, quả văng tác động vào bạc xả 1

qua đó làm thay đổi thời điểm mở lỗ xả và thực hiện việc điều chỉnh lượng nhiên liệu cung
cấp theo chế độ làm việc của động cơ.
30.

Loại bơm này có kết cấu đơn giản hơn so với bơm cao áp thẳng hàng cho

nên được sử dụng rộng rải hơn, nhưng loại bơm cao áp sử dụng trong hệ thống nhiên liệu
Common Rail kết cấu đơn giản hơn ta khảo sát sau.
2.2.3.

Các dạng cấu tạo vòi phun trong hệ thống nhiên liệu động cơ diesel


Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41

4.

31.
32.
33.

Hình 2-4 Cấu tạo vòi phun.

a) Vòi phun hở; b) Vòi phun kín tiêu chuẩn; c) Vòi phun kín loại van lỗ

phun; d) Có chốt trên đầu kim; e) Phàn đầu của vòi phun có chốt trên kim; 1- Thân;
2, 7- Ê cu tròng; 3- Miệng phun; 4- Lỗ phun; 5- Đế kim; 6, 22- Kim; 8- Chốt; 9- Đũa
đẩy, 10- Đĩa lò xo; 11- Lò xo; 12- Cốc.
34. Vòi phun thường được lắp trên nắp hoặc ừên sườn (trường hợp động cơ piston đối
đỉnh) xi lanh động cơ. Công dụng chính của vòi phun là phun tơi và phân bố đều nhiên liệu

vào thể tích buồng cháy của động cơ.
35. Trên động cơ Diesel sử dụng hai loại vòi phun là: Vòi phun hở và vòi phun kín. Vòi
phun kín tức là loại vòi phun có van ngăn cách không gian trong vòi phun với không gian
trong buồng cháy động cơ.
36. Vòi phun kín được chia làm 4 loại:
37.

+ Vòi phun kín tiêu chuẩn.

38.

+ Vòi phun kín loại van.

39.

+ Vòi phun kín có chốt trên kim phun.

40.

+ Vòi phun kín loại van lỗ phun.


Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41

41. Vòi phun hở: Là loại vòi phun không có van ngăn cách không gian trong vòi phun
với không gian trong buồng cháy động cơ do đó có các nhược điểm sau:
42.

- Trong khoảng thời gian giữa các lần phun, một phần nhiên liệu trong vòi


phun bị chèn ép nhỏ giọt vào xy lanh, đồng thời khí thể trong xy lanh cũng đi vào chiếm đầy
không gian bị chèn ép đó.
- Thời gian đầu và thời gian cuối của quá trình phun, chất lượng phun rất kém vì lúc ấy
áp suất nhiên liệu trong vòi phun rất thấp.
- Sau mỗi lần phun vẫn còn nhiên liệu tiếp tục nhỏ giọt qua lỗ phun gây kết cốc đầu vòi
phun.
- Do không có van ngăn khí thể từ xy lanh vào đường nhiên liệu cao áp nên nhiều khi
phần khí thể ấy sẽ gây trở ngại cho quá trình cấp nhiên liệu vào xy lanh động cơ.
43. Khắc phục được nhược điểm trên, nên vòi phun kín làm cho chất lượng phun nhiên
liệu tốt, tăng chỉ tiêu công suất và hiệu suất của động cơ đồng thời làm giảm hiện tượng kết
muội than trên vòi phun và xy lanh động cơ.


Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41

44.

Nguyên lý hoạt động vòi phun kín: Nhiên liệu cao áp được bơm cao áp đưa

qua lưới lọc 17, qua các đường 19 trong thân kim phun tới không gian bên trên mặt côn tựa
của van kim. Lực do áp suất nhiên liệu cao áp tạo ra tác dụng lên diện tích hình vành khăn
của van kim chống lại lực ép của lò xo. Khi lực của áp suất nhiên liệu lớn hơn lực ép củalò
xo thì van kim bị đẩy bật lên mở đường thông cho nhiên liệu tới lỗ phun. Áp suất nhiên liệu
làm cho van kim bắt đầu mở được gọi là áp suất bắt đầu phun nhiên liệu.
2.2.4.

Bơm chuyển nhiên liệu.

45. Bơm chuyển nhiên liệu được đặt giữa thùng chứa nhiên liệu và bơm cao áp. Nhiệm
vụ chính của bơm chuyển nhiên liệu là cung cấp nhiên liệu với một áp suất suất dư nhất

định, để khắc phục sức cản của các bình lọc và để tạo điều kiện nạp như nhau cho các tổ
bơm.
46. Bơm chuyển nhiên liệu đặt ở gần bơm cao áp, do trục cam của bơm cao áp dẫn
động và thường dùng ba loại: bơm piston, bơm bánh răng và bơm cánh gạt.
2.2.4.1 Loại bơm bánh răng.
47. s

Hình 2-5 Kết cấu bơm

bánh răng 1 -Bánh răng bị động

2- Bánh răng chủ động

48.

3-.Đường dầu áp suất thấp

49.

5-Vít điều chỉnh

50.

7- Đường dầu áp suất thấp

4-Van an toàn

6-vỏ bơm



Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41

51. Nguyên lý làm việc và kết cấu của bơm bánh răng rất đơn giản nó gồm có hai bánh
răng (số răng thường ít hơn 17) được dẩn động theo chiều nhất định. Bánh răng chủ động 2
lắp trên trục vào của bơm phân phối ăn khớp với bánh răng bị động 1. Khi bánh răng 2 quay
thì kéo theo bánh răng 1 quay theo chiều ngược lại, dầu từ đường dầu áp suất thấp 7 được
hai bánh răng guồng sang đường dầu áp suất cao 3 theo chiều mũi tên. Van an toàn 4dùng để
xã dầu khi có hiện tượng tắc nghẽn đường ống thì áp suất dầu vượt quá giới hạn cho phép,
dầu đẩy van mở ra để chảy về đường dầu áp suất thấp. Điều chỉnh áp suất của dầu bằng vít
điều chỉnh 5.
2.2.4.2. Loại bơm piston
52. Khi trục bơm quay bánh cam đẩy con đội lên, làm cho pittông dịch chuyển về phía
buồng hút, tạo ra độ chân không ở buồng đẩy. Các lò xo bị nén lại, nhiên liệu chảy từ buồng
hút ra, qua van đẩy và theo rãnh chảy vào buồng đẩy.
5.

53.

a

54.
55.

{

W

Hình 2-6 Sơ đồ nguyên lý làm việc của bơm thấp áp kiểu piston
a, Hành trình hút; b, Hành trình đẩy.


56.

1-Cam; 2- Con lăn; 3-Thân con đội; 4,7,9,11-LÒ xo; 5-Cần kéo; 6-Van nạp; 8Rãnh thoát; 10-Piston; 12-Van đẩy, 13-Bơm tay; A-Từ lọc thô đến; B-Đến
57.

58. - Hành trình làm việc:

bầu lọc tinh.


Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41

59. Piston 10 được dẫn động từ trục cam của bơm cao áp thông qua con đội 3 và càn
kéo 5; vận động ngược lại của piston là do lò xo 9 điều khiển. Khi piston di ch chuyển theo
lực tác dụng của lò xo (hình 2-6). Nhiên liệu đi di qua van nạp 6 đi vào không gian chứa lò
xo của bơm, lúc ấy trong không gian phía dưới piston 10, nhiên liệu được bơm vào đường
ống dẫn đến bình lọc. Khi piston dich chuyển theo lực đẩy trên con đội thông qua càn kéo 5
thì nhiên liệu từ không gian chứa lò xo chỉ có một phần đi qua phía không gian dưới piston
10. Vì không gian phía dưới piston 10 có cần 5 nên không chứa hết nhiên liệu của không
gian chứa lò xo đẩy ra, nhiên liệu dôi ra sẽ di tới bình lọc.
60.

2.2.5 Lọc nhiên liệu
61. Bình lọc nhiên liệu dùng trong động cơ diesel là sản phẩm đã được tiêu chuẩn hóa.

Khi thiết kế hệ thống nhiên liệu phải chọn khả năng thông qua của bình lọc bằng khoảng hai
lần nhiên liệu đi qua bình lọc. Bình lọc thô và tinh được lắp nối tiếp (bình lọc thô - bơm
chuyển nhiên liệu - bình lọc tinh - bơm cao áp). Lõi lọc là sợi vải, giấy, da hoặc vật liệu hấp
thụ. Phải thường xuyên rửa hoặc thay lõi lọc.
62.


Áp suất chênh lệch trước và sau bình lọc không được vượt qua giới hạn quy

định, giới hạn đó phụ thuộc vào cấu tạo bình lọc và lượng nhiên liệu đi qua đảm bảo cho
nhiên liệu được lọc sạch, tối thiểu được lọc ba lần, lưới lọc ở miệng hút, lọc thô và lọc tinh;
đặc biệt nhiên liệu quay trở về được lọc lại nhiều lần, đôi khi ngay trước khi nhiên liệu vào
vòi phun còn có thêm một lưới lọc cao áp.
2.2.5.1 Lọc nhiên liệu thô


Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41

6.

63.
64.
65.

Hình 2-7 Kết cấu bầu lọc thô

1- Đường nhiên liệu vào,2-Tấm lọc hình tròn, 3-Tấm lọc hình sao, 4-VỎ

bầu lọc, 5-Đĩa đỡ, 6-Đệm làm kín, 7-Bulông, 8-Đường nhiên liệu ra, 9-Trục bầu lọc,
1066.
67.

Ốc xả cặn.

Lõi lọc thô là một chồng phiến kim loại mỏng, phiến tròn và phiến hình sao xếp


xen kẽ nhau (phiến tròn dày 0,15 mm, xung quanh có 6 lỗ ô van; phiến hình sao dày
0,07 mm) tạo ra các khe hở 0,07 mm, nhiên liệu lọc đi qua các khe hở này, chiều cao lõi
lọc phụ thuộc lượng nhiên liệu đi qua.
2.2.5.2 Lọc nhiên liệu tinh.


Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41
7.

5

8.

68.
69. 1- Vỏ bầu lọc, 2- Ống dẫn, 3- Lưới lọc, 4- Bulông, 5- Đai ốc, 6- Nắp lọc, 7- Đầu
nối, 8,9- Phiến lọc, 10- Cốc lọc, 11- Lò xo tỳ, 12- Ốc xả cặn Lõi lọc gồm có lưới kim loại,
bao lụa và, phiến lọc làm bằng sợi bông. Tám phiến lọc làm bằng sợi bông mịn hơn. Các
phiến lọc (mỏng và dày) đặt xen kẽ nhau và đều lồng ra ngoài lưới kim loại và bao lụa. Trên
nắp có lắp đường ống nhiên liệu vào bầu lọc và ra khỏi bầu lọc, lắp vít xả khí, phía dưới nắp
có ống để chứa nhiên liệu đã được lọc sạch, mặt khác ống còn ngăn không cho không khí
dưới đáy lọc lọt vào không gian dẫn nhiên liệu ra.
70.

2.2.6 Nhược điểm của hệ thống nhiên liệu Diesel sử dụng bơm Bosch:
71. Nhược điểm của hệ thống nhiên liệu động cơ diesel cổ điển đó là các bộ phận, cụm

chi tiết của hệ thống được dẫn động bằng cơ khí nên có độ trễ nhất định vì vậy làm việc
không thích hợp với sự thay đổi tải của động cơ. Làm thải khói đen khá lớn khi tăng tốc, tiêu
hao nhiên liệu còn cao và tiếng ồn lớn...



Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41

72.

2.2.6.1 Đặc tính tốc độ của bơm cao áp
73.

Tại một vị trí của thanh răng bơm cao áp, biến thiên lượng nhiên liệu cấp

cho chu trình get (lượng nhiên liệu của một hành trình bơm) theo tốc độ trục khuỷu n của
bơm Bosch được gọi là đặc tính cung cấp của bơm. Hành trình có ích h a của bơm cao áp
được xác định theo kích thước hình học của piston và xylanh bơm.
74.

Trên thực tế nhiên liệu đi qua lỗ thoát, do có tổn thất lưu động 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 theo kích thước hình học. Tương tự như trên thời điểm kết thúc
cấp nhiên liệu thực tế không xảy ra cùng thời điểm mở lỗ thông do gờ rãnh nghiêng phía
dưới thực hiện mà thường muộn hơn.
75.

get A

76. 200
77.

160


78.

120

79.
80.

80
40

81.
0
250 500 750 1000 n(vg/ph)
82. Hình 2-9 Đặc tính tốc độ bơm Bosch
83.

Vì vậy hành trình cấp nhiên liệu thực tế thường lớn hơn so với hành trình

có ích lý thuyết làm cho lượng nhiên liệu thực tế cấp cho chu trình thường lớn hơn giá trị
định lượng lý thuyết. Hiệu ứng kể trên càng lớn nếu tốc độ động cơ càng cao. Các đặc tính
A, B, c của bơm Bosch (hình 3-5) tương ứng với ba vị trí khác nhau của thanh răng bơm cao
áp, biến thiên của ba đặc tính ấy có xu hướng tương tự, tức là càng tăng tốc độ n (khi giữ
không đổi vị trí thanh răng) càng làm tăng lượng nhiên liệu chu trình get.
84.

Đặc tính cung cấp của bơm cao áp (bơm Bosch) trái ngược với đặc tính về thay đổi
hệ số nạp ĨỊV của động cơ khi tăng tốc độ n (càng tăng n hệ số nạp Ĩ]V càng giảm). Tốc

85.


độ gây ảnh hưởng lớn nhất tới ĩiv Khi tăng n sẽ làm tăng tốc độ môi chất đi qua

xupap nạp cũng như xupap xả, làm giảm Pa và làm tăng p r, mặt khác cũng làm giảm A T (do
giảm thời gian tiếp xúc), kết quả làm giảm qv.


Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41

86.

Vì vậy nếu điều chỉnh sao cho thành phàn hoà khí thích hợp ở tốc độ cao

thì khi giảm tốc độ n, do nhiên liệu chu trình g ct giảm và không khí nạp lại tăng khiến hoà
khí bị nhạt đi làm giảm mô men của động cơ. Ngược lại nếu điều chỉnh thích hợp ở số vòng
quay thấp thì khi tăng tốc độ sẽ làm cho hoà khí quá đậm gây cháy không hết ( xuất hiện
nhiều muội than do thiếu ôxy). Chính vì vậy trong hệ thống nhiên liệu lắp bơm Bosch
thường có thêm cơ cấu hiệu chỉnh đặc tính cung cấp của bơm, nhưng cũng không thể khắc
phục hết nhược điểm này.
88.

87.

/\

ĩlv Chế độ ít tải
9.

89.
90.


0.4

91.

0.2

92.---------0 ------,---------,--------,------,
>
93.
ttmin n (vg/ph)
94. Hình 2-10 Ảnh hưởng của tốc độ động cơ tới hệ số nạp qv
2.2.6.2

Đặc tính phun của hệ thống phun nhiên liệu kiểu cũ
95.

Với hệ thống phun nhiên liệu kiểu cũ dùng bơm phân phối hay bơm thẳng

hàng (distributor or in-line injection pumps), việc phun nhiên liệu chỉ có một giai đoạn gọi là
giai đoạn phun chính (main injection phase), không có khởi phun và phun kết thúc.
96.

Dựa vào ý tưởng của bơm phân phối sử dụng kim phun điện, các cải tiến đã

được thực hiện theo hướng đưa vào giai đoạn phun kết thúc. Trong hệ thống cũ, việc tạo ra
áp suất và cung cấp lượng nhiên liệu diễn ra song song với nhau bởi cam và piston bơm cao
áp. Điều này tạo ra các tác động xấu đến đường đặc tính phun như sau:
- Áp suất phun tăng đồng thời với tốc độ và lượng nhiên liệu được phun.
- Suốt quá trình phun, áp suất phun tăng lên và lại giảm xuống theo áp lực đóng của
ty kim ở cuối quá trình phun.

- Áp suất phun tăng đồng thời với tốc độ và lượng nhiên liệu được phun.
- Suốt quá trình phun, áp suất phun tăng lên và lại giảm xuống theo áp lực đóng của
ti kim phun ở cuối quá trình phun.


Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41

97. Hậu quả là:


- Khi phun vối lượng nhiên liệu ít thì ảp suất phun cũng nhỏ và ngược lại.
- Áp suất đỉnh cao gấp đôi ảp suất phun trung bình.
98.
dạng tam gỉác.
99.

Để quá trình cháy hiệu quả, đường cong mức độ phun nhiên liệu thực tế cố

Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41
lắp trên
Áp suất TDCỈ
đỉnh quyết
định tải trọng đặt lên các thành phần của bơm và các

thiết bị dẫn động. Ở hệ thống nhiên liệu cũ, nó còn ảnh hưởng đến tỉ lệ hỗn hợp khỉ và nhiên
liệu trong buồng cháy.
10.

100.
101.


Hình2-ll Đặc tính phun nhiên liệu thường

2.3, Hệ thống nhiên liệu CommonRail Diesel
102. Trong động cơ Diesel hiện đại, áp suất phun được thực hiện cho mỗi vòi phun một
cách riêng rẽ, nhiên liệu áp suất cao được chứa trong hộp chứa (Rail) hay còn gọi là “Ắcquy
thủy lực”và được phân phối đến từng vòi phun theo yêu cầu tùy thuộc vào trạng thái làm
việc của động cơ. Lợi ích của vòi phun Common Rail là làm giảm mức độ tiếng ồn, nhiên
liệu được phun ra ở áp suất rất cao nhờ kết hợp điều khiển điện tử, kiểm soát lượng phun,
thời điểm phun. Do đố làm hiệu suất động cơ và tính kinh tế nhiên liệu cao hơn. So với hệ
thống cũ dẫn động bằng cam, hệ thống Common Rail khá linh hoạt trong việc đáp ứng thích
nghỉ để điều khiển phun nhiên liệu cho động cơ Diesel như:
-

Phạm vi ứng dụng rộng rãi (cho xe du lịch, xe khách, tải nhẹ, tải nặng, xe lửa, tàu

thủy... ).
Áp suất phun đạt đến từ 1600 bar đến 2000 bar.


-

Thay đổi áp suất phun tùy theo từng chế độ hoạt động của động cơ.
103. - Có thể thay đổi thời điểm phun.
104. Phun chia làm ba giai đoạn: Phun sơ khởi, phun chính và phun kết thúc.

Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41
TDCỈ
lắp trên
105. 2.3.1.Nguyên lý hoạt

động
11.

106.

107.

Hình 2-12 Sơ đồ nguyên lí hoạt động hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail

Diesel 1. Thùng nhiên liệu; 2. Bơm cao áp Common Rail; 3. Lọc nhiên liệu; 4. Đường cấp
nhiên liệu cao áp; 5. Đường nối cảm biến áp suất đến ECU ; 6. Cảm biến áp suất; 7.
Common Rail tích trữ &điều áp nhiên liệu (hay còn gọi ắcquy thuỷ lực) ; 8. Van an toàn
(giới hạn áp suất); 9. Vòi phun; 10. Các cảm biến nối đến ECU(PCM) và Bộ điều khiển thiết
bị (EDU); 11.Đường về nhiên liệu (thấp áp) ; EDU: (Electronic Driver Unit) và ECU :
(Electronic Control Unit).

Tương tự như hệ thống nhiên liệu diesel thông thường, trên
hình 1 nhiên liệu được bơm cung cấp đẩy đi từ thùng nhiên liệu
trên đường ống thấp áp qua bầu lọc (3) đến Bơm cao áp (2), từ
đây nhiên liệu được bơm cao áp nén đẩy vào ống tích trữ nhiên
liệu áp suất cao (7) hay còn gọi ắc quy thủy lực- và được đưa đến
vòi phun Common Rail (9) sẵn sàng để phun vào xy lanh động cơ.
Việc tạo áp suất và phun nhiên liệu hoàn toàn tách biệt với nhau

108.


trong hệ thống Common Rail. Áp suất phun được tạo ra độc lập
với tốc độ và lượng nhiên liệu phun ra. Nhiên liệu được trữ với áp
suất cao trong ắc quy thủy lực.

Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41
TDCỈ lắp trên


109.

Lượng phun ra được quyết định bởi điều khiển bàn đạp ga, thời điểm phun cũng

như áp suất phun được tính toán bằng ECU dựa trên các biểu đồ dữ liệu đã lưu trên nó. Sau
đó ECU và EDU sẽ điều khiển các kim phun của các vòi phun tại mỗi xy lanh động cơ để

Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41

phun nhiên liệu nhờ thông tin từ các cảm biến (10) với áp suất phun có thể đến 1500 bar.
Nhiên liệu thừa của vòi phun đi qua ắcquy thủy lực trở về bơm cao áp, van điều khiển áp
suất tại bơm mở để nó trở về thùng nhiên liệu (1). Trên ắcquy thủy lực có gắn cảm biến áp
suất và đầu cuối có bố trí van an toàn (8), nếu áp suất tích trữ trong ắc quy thủy lực (7) lớn
quá giới hạn van an toàn sẽ mở để nhiên liệu tháo về thùng chứa
110. Với phương pháp này áp suất phun từ 1600 bar đến 2000 bar có thể thực hiện ở mọi
thời điểm ngay cả động cơ lúc thấp tốc. Trong hệ thống Common Rail quá trình phun được
chia thành các cách phun:

111.

-

PHUN MỒI (HAY PHUN SƠ KHỞI- Pre-injection hoặc Pilot- injection).

-


PHUN CHÍNH {Main injection).

-

PHUN THỨ CẤP (Post-injection).
Một hệ thống Common Rail Diesel gồm có 4 thành phần căn bản :

- Bơm áp suất cao với van điều chỉnh áp suất và van đo lường.
- Các cảm biến (tốc độ quay trục khuỷu, trục cam, bàn đạp ra, lưu lượng không khí và nước
làm mát, cảm biến áp suất Rail, ...).
112. - Các cơ cấu chấp hành (Vòi phun điều khiển bang van solenoid, bộ tăng áp, bộ hồi
lưu khí xả, các đồng hồ đo áp suất,...)
113.
Bộ điều khiển điện tử (ECU (PCM), EDU) kiểm soát lượng

phun chính xác, điều chỉnh áp suất và giám sát các điều kiện hoạt
động của động cơ.


114.
115.
116.
117.
118.Mạch áp suất
119.
120.
121.
122.
123.


Etom

124.

B.

125.
126.
127.

128.
129.
Hình 2-13 Mạch áp suất thấp
130.

Mạch áp suất
131.
132.
Cam liieii íi|)

133.

Atqụythủy lục .ĨỊ)

134.
135.
136.
137.
138.


Vôi
Bom á

139.
140.
141.
142.
143.
Hình 2-14 Mạch áp suất cao


144.
145.
146.
147.
Mạch dầu hồi:
12.

148.

149.

Hình2~15. Mạch hồi dầu
150.

(mũi tên chỉ cho thấỵ khi van mở nhiên liệu qua bơm cao áp về lại thừng chứa)

13.

151.

152.

2.3.2 Các chức năng của hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel.


153.

Với hệ thống nhiên liệu Common Rail, người ta phải phân biệt giữa ba nhóm chức

năng khác nhau:
154.

toán thiết kế hệ thống nhiên liệu Common Rail động cơ Duratorq 2.41
Mạch ápTính
suất thấp.

-

Mạch áp suất cao.

-

ECU (PCM) và hệ thống các cảm biến.

155.

Chức năng chính: Là điều khiển phun nhiên liệu đúng thời điểm, đúng lượng phun,

đúng áp suất phù hợp từng chế độ làm việc của động cơ.
156.


Chức năng phụ: Là điều khiển vòng kín và vòng hở như điều khiển hệ thống hồi lưu

khí thải, tăng áp, ga tự động,... làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải độc hại. Động cơ
Diesel thế hệ “cũ”, trong quá trình làm việc hệ thống cung cấp nhiên liệu tạo ra tiếng ồn khá
lớn. Khi khởi động và tăng tốc đột ngột lượng khói đen thải lớn.Vì vậy làm tiêu hao nhiên
liệu và ô nhiễm cao. Ở hệ thống nhiên liệu Common Rail áp suất phun từ 1600 Bar đến 2000
Bar, có thể phun ở mọi thời điểm, mọi chế độ làm việc và ngay cả động cơ lúc thấp tốc mà
áp suất phun vẫn không thay đổi.
157.

Với áp suất cao, nhiên liệu được phun càng tơi nên quá trình cháy càng sạch hơn.

158.Động cơ làm việc êm dịu là nhờ cải tiến bơm cao áp (hình 6). Với kiểu bơm pittông
bố trí hình sao lệch nhau 120 độ. Hoạt động nhẹ nhàng, linh hoạt và năng suất cao, giảm
được tải trọng động trên động cơ .


×