THIẾT kế hệ THỐNG CUNG cấp NHIÊN LIỆU ĐỘNG cơ 2KD FTV TRÊN XE TOYOTA HIACE + bản vẽ

Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

MỤC LỤC
d. Xây dựng đồ thị công.............................................................................................29
4.2. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ......................................................................35
4.3. Đặc tính và chức năng của hệ thống..................................................................36
4.5.1. Vùng áp suất thấp.............................................................................................37
4.5.2. Vùng áp suất cao..............................................................................................40

LỜI NÓI ĐẦU
Đi lại, vận chuyển hàng hóa là nhu cầu khổng lồ và ngày càng tăng của con
người trên toàn thế giới. Ô tô gần như là phương tiện chủ lực đáp ứng nhu cầu đó.
Công nghệ ô tô là một ngành khoa học kỹ thuật phát triển rất nhanh trên phạm vi
toàn thế giới, để đáp ứng nhu cầu trên đã làm cho tốc độ gia tăng số lượng ô tô trên
thế giới rất nhanh. Do đó, tình hình giao thông ngày càng phức tạp và nảy sinh ra
các vấn đề cấp bách cần phải giải quyết như tai nạn giao thông, ô nhiễm môi
trường, khủng hoảng nhiên liệu… Để giải quyết các vấn đề đó, đòi hỏi ngành công
nghệ ô tô phải áp dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến trong thiết kế, ứng dụng các
nguyên vật liệu và công nghệ hiện đại để cho ra đời những chiếc xe ngày càng hoàn
hảo với tính năng vận hành và tính an toàn vượt trội.
Một trong những hệ thống rất mới liên quan đến điều khiển động cơ đó là hệ
thống nhiên liệu COMMON RAIL. Hệ thống nhiên liệu common rail là một cải tiến
trong động cơ diesel và là một trong số những hệ thống được khách hàng quan tâm
hiện nay khi mua xe ô tô vì những lợi ích mà nó mang lại khi sử dụng như: tiết kiệm
nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường, công suất lớn, giảm tiếng ồn trong động cơ.
Và trong quá trình học tập, đặc biệt trong hai tháng thực tập tốt nghiệp em đã được
tiếp xúc, tìm hiểu về hệ thống nhiên liệu này và nhận thấy đây là đề tài rất mới liên
quan đến chuyên nghành cơ khí động lực của mình. Chính vì vậy em đã chọn đề tài
tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ 2KD-FTV trên xe Toyota
HIACE.
Do kiến thức của bản thân còn hạn chế, kinh nghiệm chưa nhiều và thời gian

có hạn nên đồ án này của em không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong thầy
giáo hướng dẫn và các thầy cô trong bộ môn tận tình chỉ bảo thêm để đồ án của em
được hoàn thiện hơn.
1


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS:Trần Văn
Nam, cùng các thầy cô giáo trong bộ môn đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này.
Đà nẵng tháng 6 năm 2010
Sinh viên thực hiện.
Hoàng Văn Tuấn

1. Mục đích ý nghĩa đề tài
Hiện nay các phương tiện giao thông vận tải là một phần không thể thiếu
trong cuộc sống con người. Cũng như các sản phẩm của nền công nghiệp hiện nay,
ô tô được tích hợp các hệ thống tự động lên các dòng xe đã và đang sản xuất với
chiều hướng ngày càng tăng. Động cơ diesel là một trong những động cơ được sử
dụng trên ôtô. Nó có những yêu điểm là nhiên liệu diesel rẻ hơn các loại nhiên liệu
khác, sinh ra mômen xoắn lớn hơn, hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao hơn. Tuy nhiên
trước kia nó lại chỉ thường được sử dụng trên xe tải do gây ra tiếng ồn lớn và ôi
nhiễm môi trường. Hệ thống nhiên liệu common rail là một cải tiến trong động cơ
diesel và là một trong số những hệ thống được khách hàng quan tâm hiện nay khi
mua xe ô tô vì những lợi ích mà nó mang lại khi sử dụng như: tiết kiệm nhiên liệu,
giảm ô nhiễm môi trường, công suất lớn, giảm tiếng ồn trong động cơ... Vì vậy
ngày nay động cơ sử dụng nhiện liệu diesel không những được sử dụng trên xe tải
mà còn được sử dụng trên các dòng xe cao cấp của các hãng như Toyota, Mercedes,
BMW và Volkswagen… Việc nghiên cứu hệ thống nhiên liệu Common Rail sẽ giúp
chúng ta nắm bắt những kiến thức cơ bản để nâng cao hiệu quả khi sử dụng, khai

thác, sửa chữa và cải tiến chúng. Ngoài ra nó còn góp phần xây dựng các nguồn tài
liệu tham khảo phục vụ nghiên cứu trong quá trình học tập và công tác.
Các dòng xe ra đời với các bước đột phá về nhiên liệu mới và tiêu chuẩn khí
thải đựợc chấp thuận trong ngành sản xuất ô tô nhằm bảo vệ môi trường thì bên
cạnh đó công nghệ sản xuất không ngừng ngày càng nâng cao. Công nghệ điều
khiển và vi điều khiển ngày càng được ứng dụng rộng rãi thì việc đòi hỏi phải có
kiến thức vững vàng về tự động hóa của cán bộ kỹ thuật trong ngành cũng phải
nâng lên tương ứng mới mong có thể nắm bắt các sản phẩm được sản xuất cũng như
dây chuyền đi kèm, có như vậy mới có thể có một công việc vững vàng sau khi ra
trường.

2


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Khi xem những chiếc xe ô tô của các nước sản xuất em không chỉ ngỡ ngàng
và thán phục nền công nghiệp sản xuất ô tô của thế giới mà em còn tự hỏi: Bao giờ
Việt Nam chúng ta cũng sẽ sản xuất được những chiếc xe như thế? Đây là ước
mong muốn của rất nhiều người đối với ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, là sinh
viên ngành động lực em hi vọng mình cũng sẽ đóng góp một phần nhỏ nào đó để
nền công nghiệp ô tô Việt Nam ngày càng phát triển.
Vì những lý do trên em chọn đề tài "Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu
động cơ 2KD-FTV trên xe Toyota Hiace" để làm đề tài tốt nghiệp.

2. Giới thiệu động cơ 2KD-FTV
2.1 Khái quát chung

3

Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Hình 2-1 Mặt cắt động cơ 2KD-FTV
Động cơ 2KD-FTV của hãng Toyota là loại động cơ Diesel tuabin tăng áp
TOYOTA D-4D, 4 kỳ 4 xylanh được đặt thẳng hàng và làm việc theo thứ tự nổ 1-34-2. Động cơ có công suất lớn 75 KW/3600 v/ph, với hệ thống hồi lưu khí xả, hệ
thống tăng áp tuabin và hệ thống phối khí của các xupáp được dẫn động trực tiếp từ
trục cam thông qua con đội thuỷ lực, việc sử dụng con đội thuỷ lực và cách bố trí 4
xupáp trên một xylanh (2 xupáp nạp, 2 xupáp thải) tạo đươc chất lượng nạp và thải
(nạp đầy, thải sạch), nhằm tăng công suất động cơ, giảm được lượng khí thải độc
hại gây ô nhiễm môi trường…
Bảng 1-1 Bảng thông số kỹ thuật động cơ.
Tên thông số

Kí hiệu

Giá trị Thứ nguyên

4


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Công suất có ích
Ne
75
Dung tích xi lanh
Vh
2494
Tỉ số nén

ε
18,5
Số vòng quay định mức
n
3600
Đường kính xylanh
D
92
Hành trình piston
S
93,8
Số xylanh
i
4
Số kỳ
τ
4
Góc mở sớm xupap nạp
2
ϕ1
Góc đóng muộn xupap nạp
31
ϕ2
Góc mở sớm xupap thải
30
ϕ3
Góc đóng muộn xupap thải
0
ϕ4
Góc phun sớm

12
ϕs
Loại buồng cháy
Thống nhất
Loại động cơ
Tăng áp tuabin khí

KW
Cm3
Vg/ph
mm
mm
Xylanh
Độ
Độ
Độ
Độ
Độ

2.2. Các cơ cấu chính của động cơ
2.2.1. Thân máy

Hình 2-2 Thân máy
-Được chế tạo bằng thép hợp kim thấp
-Bổ sung nhiều gân tăng cứng giúp giảm rung động
2.2.2. Piston
-Buồng cháy được tạo ra trên đỉnh piston để phù hợp với việc phun nhiên
liệu trực tiếp

5

Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Hình 2-3 Piston
2.2.3. Thanh truyền và bạc thanh truyền
-Thanh truyền làm bằng thép có độ bền cao
-Giữa 2 nắp thanh truyền có chốt định vị để tăng tính ổn định khi lắp ráp.
-Bạc thanh truyền làm bằng nhôm và có vấu định vị

Hình 2-4 Thanh truyền và bạc thanh truyền
2.2.4. Trục khuỷu và bạc trục khuỷu

6


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Hình 2-5 Trục khuỷu và bạc trục khuỷu
+Trục khuỷu có 5 cổ trục và 8 khối cân bằng
+Bạc trục khuỷu được doa tinh sẽ đạt được khe hở dầu tối ưu. Do đó cải
thiện trạng thái khởi động lạnh và giảm được rung động của động cơ
+Nửa bạc trên có rãnh dầu dọc theo lòng chu vi
2.2.5. Cơ cấu xu páp

Hình 2-6 Cơ cấu xu páp
-Mỗi xy lanh có 2 xu-páp nạp xả với các cửa nạp/xả rộng hơn sẽ tăng cường
hiệu quả nạp và xả
-Các xu páp được mở/ đóng trực tiếp bằng trục cam
-Đai cam dẫn động trục cam nạp, sau đó trục cam xả được trục cam nạp dẫn

động thông qua bánh răng.
-Trục cam và xu páp
7


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Hình 2-7 Trục cam và xu páp
1- Bánh răng dẫn động cam nạp ; 2- Cam nạp ;
3- Bánh răng dẫn động cam xả ; 4- Cam xả ;
5- Cam ;6- Lò xò xupap ; 7- Xupap
+Con đội xu páp là loại không dùng căn đệm điều chỉnh.
+Cần thay thế con đội xu páp để đạt được khe hở thích hợp.
2.2.6. Hệ thống bôi trơn
-Lỗ phun dầu của piston nằm dưới đáy quả piston.
-Mỗi vòi phun dầu đều có van 1 chiều để ngăn chặn việc bơm dầu khi áp suất
dầu động cơ là thấp.

Hình 2-8 Phun dầu làm mát piston
2.2.7. Hệ thống làm mát động cơ
8


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Động cơ 2KD-FTV có hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng bức, kiểu
kín, nước tuần hoàn trong hệ thống nhờ bơm ly tâm được dẫn động từ trục khuỷu.

Hình 2-9 Cách bố trí hệ thống làm mát
2.2.8. Tua bin tăng áp

Là loại gọn nhẹ, được làm mát bằng áo nước tại ổ bạc giúp cải thiện tính
năng nạp
Van cửa xả sẽ điều khiển áp suất tăng áp của tua bin, vận hành bằng cơ cấu
cơ khí tùy vào áp suất của tua bin

Hình 2-10 Tua bin tăng áp

9


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

2.2.9. Van EGR
Van này được lắp trên đường nạp, do được làm mát nên cho phép lượng khí
xả lớn hơn đi qua.
Một cảm biến vị trí van EGR sẽ đo trực tiếp vị trí mở của van, giá trị đo này
được ECU động cơ theo dõi để hiệu chỉnh chính xác độ mở của van

Hình 2-11 Van EGR
3. Tổng quan về hệ thống nhiên liệu động cơ diesel
Động cơ diesel là phát minh của Rudolf Diesel, người đã tốt nghiệp Đại học
Kỹ thuật ở Munich, Đức, với số điểm cao nhất trong lịch sử của trường. Ông đã
được cấp bằng sáng chế cho động cơ diesel đầu tiên vào năm 1892.Từ đó, công
nghệ động cơ diesel vẫn không ngừng được cải tiến, và bất chấp nhiều quan điểm
hoài nghi từ trong ngành, hãng Mercedes-Benz của Đức đã cho ra mắt chiếc ô tô lắp
động cơ diesel đầu tiên trên thế giới, xe 260D, vào năm 1936. Từ đó đến nay động
cơ 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 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.

3.1. Nhiệm vụ và yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu động cơ diesel
3.1.1. Nhiệm vụ
-Dự trữ nhiên liệu đảm bảo cho động cơ có thể làm việc liên tục trong
một thời gian nhất định mà không cần cấp thêm nhiên liệu; lọc sạch nước,
tạp chất cơ học lẫn trong nhiên liệu ; giúp nhiên liệu chuyển động thông
thoáng trong hệ thống.
10


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

- Cung cấp nhiên liệu cho động cơ đảm bảo tốt các yêu cầu sau:
+Lượng nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình phải phù hợp với chế độ làm
việc của động cơ.
+Phun nhiên liệu vào đúng thời điểm, đúng quy luật mong muốn.
+Lưu lượng nhiên liệu vào các xylanh phải đông đều
+Phải phun nhiên liệu vào xylanh qua lỗ phun nhỏ với chênh áp lớn
phía trước và sau lỗ phun, để nhiên liệu được xé tơi tốt.
- Các tia nhiên liệu phun vào xylanh động cơ phải đảm bảo kết hợp tốt
giữa số lượng, phương hướng, hình dạng, kích thước của các tia phunvới
hình dạng buồng cháy và với cường độ và phương hướng chuyển động của
môi chất trong buồng cháy để hoà khí được hình thành nhanh và đều.
3.1.2. Yêu cầu đối với hệ thống
Hệ thống nhiên liệu động cơ diezen phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
-Hoạt động lâu bền có độ tin cậy cao;
-Dễ dàng, thuận tiện trong sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa;
-Dễ chế tạo, giá thành hạ;
3.2. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ diesel
13
12

7

10 11
8

6

9
4

5
2
3
1

Hình 3-1 Hệ thống nhiên liệu động cơ diezel
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.
Trên hình 3-1 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

11


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

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.
3.3. Đặc điểm hình hành hoà khí trong động cơ diesel
3.3.1. 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 phần 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.
3.3.2. Những đặc trưng của động cơ diesel
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 ε , 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 cần 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 cần thay đổi
tải của động cơ.
12


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

- Động cơ diezen có một mặt bất lợi (do tính chất hoà trộn không đều tạo ra )
là bị hạn chế khả năng giảm α ( 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 ).
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.
Các hệ thống nhiên liệu diesel thường khác nhau ở cấu tạo của bơm cao áp,
vòi phun. Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu một số dạng cấu tạo của chúng.
3.4. Đặc điểm kết cấu các bộ phận chính của hệ thống nhiên liệu động cơ diesel
3.4.1. Cấu tạo của bơm cao áp
a. Cấu tạo bơm cao áp thẳng hàng

Hình 3-2 Bơm cao áp thẳng hàng
1- Bulông xả khí; 2- Vít hãm; 3- Đầu nối ống nhiên liệu đến vòi phun; 4Đầu nối ống 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; 13- Xilanh bơm cao áp; 14- Lỗ xả; 15- Piston bơm cao áp; 16Vít; 17- Ống xoay; 18- Đĩa trên; 19- Lò xo bơm cao áp; 20- Đĩa dưới; 21- Bulông
điều chỉnh; 22- Con đội; 23- Con 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.
13


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

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 3-2 giới thiệu kết cấu của bơm cao áp thẳng hàng.
Loại bơm này được sử dụng rất rộng rãi vì chế tạo đơn giản, sử dụng tin cậy,
việc phân phối và điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình cũng rất đơn
giản.
Tuy nhiên có nhược điểm sau: Kích thước và khối lượng lớn, có nhiều cặp
chi tiết chính xác, khó chế tạo. Trong sử dụng phải thường xuyên kiểm tra độ không
đồng đều về nhiên liệu cung cấp cho chu trình của các tổ bơm.
b. Cấu tạo bơm cao áp phân phối
Nguyên lý hoạt động: Dẫn 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 lần 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.

Bơm phân phối khắc phục được nhược điểm của bơm cao áp thẳng hàng, nó
chỉ có một cặp pittông và xilanh đảm bảo cung cấp cho tất cả các xilanh của động
cơ.
Bơm phân phối so với bơm dãy cấu tạo đơn giản, số chi tiết, khối lượng và
kích thước bơm nhỏ hơn (khoảng 1/2 bơm cụm), phân phối nhiên liệu cho các
xilanh đồng đều, thời điểm bắt đầu cung cấp vào các xilanh chính xác hơn, mức độ
mài mòn của bộ đôi pittông và xilanh ít gây ảnh hưởng tới độ đồng đều về lượng
nhiên liệu cấp vào các xilanh của động cơ. Tuy nhiên cặp bộ đôi pittông và xilanh
của bơm cao áp làm việc nhiều hơn, mòn nhanh nên yêu cầu rất cao về vật liệu và
công nghệ chế tạo, cũng như nhiệt luyện.

14


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Hình 3-3 Bơm cao áp phân phối
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; 22- Đầu nối với vòi phun
3.4.2. Các dạng cấu tạo vòi phun trong hệ thống nhiên liệu động cơ diesel
Vòi phun thường được lắp trên nắp hoặc trên 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.
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.

Vòi phun kín được chia làm 4 loại:
+ Vòi phun kín tiêu chuẩn.
+ Vòi phun kín loại van.
+ Vòi phun kín có chốt trên kim phun.
+ Vòi phun kín loại van lỗ phun.

15


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Hình 3-4 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)- Phần đầu của vòi phun có chốt trên kim; 1Thân; 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.
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:
- 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.
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.

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
16


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

hình vành khăn của van kim chống lại lực ép của lò xo. Khi lực của áp suất nhiên
liệu lớn hơn lực ép của lò 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.
3.5. Nhược điểm của hệ thống nhiên liệu diesel cổ điển
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…
3.5.1. Đặc tính tốc độ của bơm cao áp
Tại một vị trí của thanh răng bơm cao áp, biến thiên lượng nhiên liệu cấp cho
chu trình gct (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.
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.

gct
200

160
120
80

A
B
C

40
0

250 500

750 1000 n (vg/ph)

Hình 3-5 Đặc tính tốc độ bơm Bosch
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

17


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

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 gct.
ηv

Chế độ ít tải

0.8
0.6

Chế độ đầy tải

0.4
0.2
0

nmin

n (vg/ph)

Hình 3-6 Ảnh hưởng của tốc độ động cơ tới hệ số nạp ηv
Đặc tính cung cấp của bơm cao áp (bơm Bosch) trái ngược với đặc tính về
thay đổi hệ số nạp η v của động cơ khi tăng tốc độ n (càng tăng n hệ số nạp η v càng
giảm). Tốc độ gây ảnh hưởng lớn nhất tới ηv. Khi tăng n sẽ làm tăng tốc độ môi
chất đi qua xupap nạp cũng như xupap xả, làm giảm p a và làm tăng pr, mặt khác
cũng làm giảm ∆ T (do giảm thời gian tiếp xúc), kết quả làm giảm ηv.
Vì vậy nếu điều chỉnh sao cho thành phần 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.
3.5.2. Đặc tính phun của hệ thống phun nhiên liệu kiểu cũ

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.
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
18


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

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.

Hình 3-7 Đặc tính phun nhiên liệu thường
- 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.
Hậu quả là:
- Khi phun với lượng nhiên liệu ít thì áp suất phun cũng nhỏ và ngược lại.
- Áp suất đỉnh cao gấp đôi áp suất phun trung bình.
Để quá trình cháy hiệu quả, đường cong mức độ phun nhiên liệu thực tế có
dạng tam giác.
Áp suất 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 khí và
nhiên liệu trong buồng cháy.

Để giải quyết các nhược điểm nêu trên các nhà 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.
-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 ( EGR: Exhaust Gas Recirculation).
19


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

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. Đó là hệ
thống nhiên liệu Common Rail Diesel.
3.6. Giới thiệu hệ thống Common Rail Diesel

Hình 3-8 Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu Common rail
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 và Bộ điều khiển thiết bị (EDU); 11.Đường về nhiên liệu (thấp áp) ; EDU:
(Electronic Driver Unit) và ECU : (Electronic Control Unit).
Trong động cơ Diesel hiện đại, áp suất phun được thực hiện cho mỗi vòi
phun một cách riêng lẽ, 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. 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 đó làm hiệu suất động cơ và tính kinh tế nhiên liệu cao hơn.

20


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

So với hệ thống cũ dẫn động bằng cam, hệ thống Common Rail khá linh hoạt
trong việc đáp ứng thích nghi để điều khiển phun nhiên liệu cho động cơ diesel như:
- 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 1800 bar.
- Thay đổi áp suất phun tùy theo chế độ hoạt động của động cơ.
- Có thể thay đổi thời điểm phun.
4. Thiết kế hệ thống nhiên liệu động cơ 2KD-FTV
Với những phân tích nêu trên ta thấy rằng ngày nay để sản xuất những động cơ
lắp trên những xe ô tô hiện đại thì động cơ diesel kiểu cũ không đáp ứng được yêu cầu
do những nhược điểm sau : thải khói đen nhiều khi khởi động và tăng tải, gây tiếng ồn
lớn, tiêu hao nhiên liệu lớn. Làm giảm tính kinh tế khi sử dụng, gây ảnh hưởng đến sức
khỏe của con người và môi trường. Động cơ 2KD-FTV được lắp trên xe Toyota Hiace,
là loại xe 16 chỗ dùng cho cơ quan và vận tải hành khách…Vì vậy yêu cầu phải êm
dịu, tiêu hao nhiên liệu ít, và giảm được lượng khí thải đáng kể, do đó ta chọn hệ thống
nhiên liệu common rail cho động cơ 2KD-FTV. So với động cơ xăng cùng công suất
thì động cơ loại này có ưu điểm hơn là tính kinh tế lớn hơn, cấu tạo lại đơn giản hơn.
4.1. Tính toán nhiệt và các thông số kết cấu cơ bản của bơm cao ap và vòi phun
4.1.1. Tính toán nhiệt
a. Các thông số cho trước
Bảng 4-1 Thông số ban đầu để tính toán nhiệt

21


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Tên thông số
Công suất có ích
Tỉ số nén
Số vòng quay định mức
Đường kính xylanh
Hành trình piston
Số xylanh
Số kỳ
Góc mở sớm xupap nạp

Kí hiệu Giá trị Thứ nguyên
N
7
KW
5
e
1
ε
8,5
3
n
Vg/ph
600
9

D
mm
2
9
S
mm
3,8
i
4
Xylanh
τ
4
ϕ
2
Độ
1

ϕ

Góc đóng muộn xupap nạp

1

2

ϕ

Góc mở sớm xupap thải

ϕ

Góc đóng muộn xupap

3
0

3

thải
Góc phun sớm

3

0

Độ
Độ
Độ

4

ϕ
s

Loại buồng cháy
Loại động cơ

1

Độ

2
Thống nhất
Tăng áp tuabin khí

b. Các thông số chọn của động cơ
Bảng 4-2 Các thông số chọn của động cơ.
Tên thông số
Áp suất khí nạp
Nhiệt độ khí nạp
Hệ số dư lượng không khí
Áp suất cuối quá trình nạp
Áp suất khí sót
Nhiệt độ khí sót
Độ sấy nóng khí nạp mới

Kí hiệu
Pk
Tk
α
Pa
Pr
Tr
∆T

Giá trị
0,15
298
1,75
0,144
0,13

800
26

Thứ nguyên
MN/m2
o
K
MN/m2
MN/m2
o
K
o
K
22


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

Chỉ số giản nở đoạn nhiệt
Hệ số lợi dụng nhiệt tại z
Hệ số lợi dụng nhiệt tại b
Tỉ số tăng áp
Hệ số nạp thêm
Hệ số quét buồng cháy
Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt
Hệ số điền đầy đồ thị

m
ξz
ξb

λ
λ1
λ2
λt
ϕđ

1,45
0,85
0,9
1,4
1.03
0,85
1,1
0.97

c. Tính toán các thông số của chu trình
* Quá trình nạp
- Hệ số khí sót γr .
λ2 ( Tk + ∆T ) pr
. .
Tr
pa
γr =

1
1

(4-1)

 p m

ελ1 − λt λ2 . r 
 pa 

0,85.( 298 + 26 ) 0,13
.
.
800
0
,
144
γr =

1
1

 0,13  1, 45
18,5.1,03 − 1,1.0,85.

 0,144 

γr = 0,017
- Hệ số nạp ηv.

p
pa 
Tk
1
.
. .ελ1 − λ t .λ2 . r
ηv =

ε − 1 Tk + ∆T p k
 pa


1

m 

 
 


(4-2)

1


1
298
0,144 
 0,13  1, 45 
.
.
. 18,5.1,03 − 1,1.0,85.

ηv=
(18,5 − 1) (298 + 26) 0,15 
 0.144  



ηv = 0,917.
- Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta.

 pa

T
+
∆
T
+
λ
.
γ
.
T
.
t r r 
Ta = k
 pr
1+ γ r






m −1
m

(4-3)

23


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

 0,144 
298 + 26 + 1,1.0,017.800.

Ta =
 0,13 
1 + 0,017

1, 45−1
1, 45

Ta = 333,82 [oK].
- Số mol không khí để đốt cháy 1 Kg nhiên liệu M0.
M0 =

1 C H O
 + − 
0,21  12 4 32 

(4-4)

Trong đó:
C, H, O : Thành phần trong 1Kg nhiên liệu.
M0 =

1  0,87 0,126 0,004 
+
−

 = 0,495 [kmol/KK/kgnl].
0,21  12
4
32 

- Số mol khí nạp mới M1.
M1 = α.M0 = 1,75.0,495 = 0,866 [kmol/KK/kgnl].

(4-5)

* Quá trình nén
- Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của không khí mC vkk [kJ/kmol.0K].
mC vkk = a v +

bv
0,00419
.Ta = 19,806 +
.Ta
2
2

mC vkk = 19,806 +

(4-6)

0,00419
.333,82 = 20,505 [kJ/kmol.0K].
2

- Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy mC "v [kJ/kmol.0K].
mC"v = a"v +

b"v
.Ta
2

a”v = 19,867 +

(4-7)

1,634
1,634
= 19,867 +
= 20,801
1,75
α

184,36  −5 
184,36  −5

.10 = 0,005
b”v =  427,38 +
.10 =  427,38 +
1,75 
α 



mC"v = 19,867 +

1,634 1 
184,36  −5
+  427,38 +
.10 .Ta
α
2
α 

mC"v = 20,801 +

0,005
.333,82 = 21,69 [kJ/kmol.0K].
2

- Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp cháy mC' v [kJ/kmol.0K].
mC ' v =

mC vkk + γ r .mC"v
b'
= a ' v + v .Ta
1+ γ r
2

(4-8)

24

Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

a'v =

a v + γ r .a"v 19,806 + 0,017.20,081
=
= 19,823
1+ γ r
1 + 0,017

b' v =

bv + γ r .b"v 0,00419 + 0,015.0,005
=
= 0,004
1+ γ r
1 + 0,015

mC ' v = 19,823 +

0,004
.333,82 = 20,525 [kJ/kmol.0K].
2

- Chỉ số nén đa biến trung bình n1.
Tính gần đúng từ phương trình nén đa biến:
n1 = 1 +

8,314

a 'v +

b' v
.Ta . ε n −1 + 1
2

(

1

)

(4-9)

Chọn : n1 = 1,368 thay vào vế phải của phương trình trên. Ta có:
n1 = 1 +

8,314
19,820 +

(

)

0,004
= 1,368
.335,439. 18,51,368−1 + 1
2

Vậy chọn : n1 = 1,368
- Nhiệt độ cuối quá trình nén Tc [0K].
Tc = Ta .ε n −1
1

(4-10)

Tc = 333,82.18,51,368−1 = 976,585 [0K].

- Áp suất cuối quá trình nén pc [MN/m2].
p c = p a .ε n

1

(4-11)

p c = 0,144.18,51,368 = 7,796 [MN/m2].

* Quá trình cháy.
- Tính ∆M.
∆M =

H O
+
4 32

∆M =

0,126 0,004

+
= 0,032.
4
32

(4-12)

- Số mol sản phẩm cháy M2.
M2 = M1 + ∆M

(4-13)

M2 = 0,866 + 0,032 =0,897 [Kmol/Kg.nl].
- Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết.

25