Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu ảnh hưởng của giai đoạn phun mồi đến cháy do nén xăng (GCI) trong động cơ Diezel nhiều xylanh

LỜI MỞ ĐẦU
Trong xu thế hội nhập hiện nay, nền công nghiệp Việt Nam đang đứng
những cơ hội đầy tiềm năng và ngành công nghiệp ô tô Việt Nam cũng
không ngoại lệ. Ở nước ta số lượng ô tô hiện đại đang được lưu hành
ngày một tăng. Các loại ô tô này đều được cải tiến theo hướng 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.
Với sự phát triển mạnh mẽ của tin học trong vai trò dẫn đường, quá
trình tự động hóa đã đi sâu vào các ngành sản xuất và các sản phẩm của
chúng, một trong số đó là ô tô. Nhờ sự giúp đỡ của máy tính để cải thiện
quá trình làm việc nhằm đạt hiệu quả cao và chống ô nhiểm 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 nên cần có những
nghiên cứu cụ thể về hệ thống điện tử trên động cơ ô tô.
Vì vậy là một sinh viên của ngành động lực sắp ra trường, em chọn đề
tài: "Nghiên cứu ảnh hưởng của giai đoạn phun mồi đến cháy do nén
xăng (GCI) trong động cơ Diezel nhiều xi lanh" làm đề tài tốt nghiệp
của mình. 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 vào ngành công nghiệp ô
tô của nước ta, để góp phần vào sự phát triển chung của ngành.
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ
I. CÁC
1.1. Khái

VẤN ĐỀ CHUNG
1

niệm chung về hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử

Hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) có điều khiển điện tử là hệ thống
có thể điều khiển được lượng nhiên liệu phun hoặc điều khiển được cả
lượng nhiên liệu phun, thời điểm phun và thời điểm đánh lửa (động cơ
xăng) phù hợp với các chế độ làm việc và điều kiện môi trường khai thác
cụ thể của động cơ để nâng cao công suất riêng, tính kinh tế nhiên liệu và
giảm thiểu ô nhiễm khí thải. Khái niệm tổng quát trên được hiểu như sau:
+ Với động cơ xăng:
- Đối với động cơ phun xăng vào đường ống nạp hoặc vào họng
xupap nạp thì có HTPNL chỉ điều khiển được lượng xăng phun, có hệ
thống điều khiển được cả lượng xăng phun và thời điểm đánh lửa.
- Đối với động cơ phun xăng trực tiếp vào xi lanh thì HTPNL điều
khiển được cả lượng xăng phun, thời điểm phun và thời điểm đánh
lửa.
Các HTPNL chỉ điều khiển lượng nhiên liệu phun được gọi là
Jetronic, còn các HTPNL điều khiển được cả thời điểm phun, thời điểm
đánh lửa và lượng phun thì gọi là Motronic
+ Với động cơ diesel:
HTPNL diesel điều khiển điện tử điều khiển được cả lượng nhiên liệu
phun và thời điểm phun.
1.2. Ưu,

nhược điểm của HTPNL điều khiển điện tử

1.2.1. Ưu

điểm

a. Tăng công suất lít

Việc sử dụng HTPNL điều khiển điện tử sẽ tạo điều kiện để tăng công
suất lít của động cơ vì các lí do sau:
- Áp suất phun cao hơn do đó chất lượng quá trình phun và cháy tốt
hơn.
- Bộ điều khiển điện2 tử của các HTPNL hiện đại vừa có chức năng
điều khiển lượng phun và điều khiển thời điểm phun hoặc đánh lửa cho


phép tối ưu quá trình phun, đánh lửa nên chất lượng quá trình cháy tốt
hơn.
- Việc dùng HTPNL có điều khiển điện tử sẽ tạo điều kiện thuận lợi
hơn cho việc sử dụng tua bin tăng áp, nhất là đối với các động cơ công
suất nhỏ.
- Đối với các động cơ xăng do bỏ bộ chế hòa khí nên kết cấu đường
nạp có thể dễ dàng tối ưu hóa để thực hiện việc tăng áp động tạo điều
kiện nạp đầy không khí nạp cho các xy lanh động cơ.
b. Giảm tiêu hao nhiên liệu
Khi sử dụng HTPNL điều khiển điện tử sẽ giảm mức tiêu hao nhiên
liệu của động cơ vì các nguyên nhân sau:
- Cho phép định lượng nhiên liệu phun rất chính xác phù hợp với từng
chế độ và điều kiện làm việc của động cơ có xét đến các yếu tố vận hành
như các thông số môi trường.
- Đối với động cơ xăng, xăng được phun vào họng xu páp nạp của
từng xylanh hoặc trực tiếp vào xylanh cho phép phân bố đều xăng cho
các xylanh và tránh được hiện tượng ngưng đọng hơi xăng trên đường
ống nạp và tình trạng hỗn hợp không đồng nhất giữa các xylanh của động
cơ nhiều xy lanh.
c. Động cơ nhạy cảm hơn với điều khiển và làm việc tốt hơn ở các chế
chế độ không ổn định
Khi sử dụng HTPNL điều khiển điện tử, động cơ sẽ có phản ứng tốt

hơn đối với sự điều khiển của người vận hành và làm việc tốt hơn ở các
chế

độ

không

ổn

định,

do

các

nguyên

nhân

- Các quá trình điều khiển bằng điện điện tử có quán tính nhỏ
- Hiệu quả gia tốc tức thời của động cơ và phương tiện tốt hơn
- Rút ngắn và tối ưu 3quá trình khởi động và sấy nóng
- Cải thiện sự làm việc ổn định của động cơ ở chế độ không tải
d. Giảm mức độ độc hại của khí thải

sau:


Khi sử dụng HTPNL điều khiển điện tử, sẽ giảm được mức độ ô nhiễm
môi

trường

của

động

cơ,

do

các

nguyên

nhân

sau:

- Nhiên liệu được phun tơi hơn do áp suất phun cao hơn nên hỗn hợp
nhiên liệu - không khí được hòa trộn tốt hơn, phân bố đều hơn trong các
xylanh nên quá trình cháy tốt hơn
- Việc sử dụng cảm biến ô xy cho phép hiệu chỉnh được thành phần hỗn
hợp chuẩn ở các chế độ làm việc của động cơ xăng, kết hợp với luân hồi
khí thải và sử dụng bộ xử lý khí thải ba chức năng, do đó giảm thiểu tối
đa các thành phần độc hại trong khí thải
1.2.2. Nhược

điểm

- Cấu tạo của HTPNL phức tạp vì trong hệ thống phải có đầy đủ các
thành phần như các cảm biến, bộ điều khiển điện tử, các cơ cấu chấp
hành và một số thành phần khác.
- Giá thành của HTPNL đắt, do đó giá thành chung của động cơ và
của phương tiện cũng đắt.
II. PHÂN

LOẠI.

Trong phạm vi đề tài, em chỉ tiến hành phân loại các HTPNL Diesel
điều khiển điện tử.
Nhìn chung, HTPNL Diesel rất đa dạng về thiết kế, nguyên lý hoạt
động cũng như phạm vi áp dụng. Đối với HTPNL diesel nói chung, có thể
phân loại theo các tiêu chí cơ bản sau:
* Theo đặc điểm kết cấu chung: có thể phân thành 4 nhóm lớn là:
+ HTPNL diesel dùng BCA kiểu dãy
+ HTPNL diesel dùng BCA phân phối
+ HTPNL riêng biệt cho từng xi lanh, gồm 2 loại là:
- HTPNL dùng BCA-VP kết hợp, còn gọi là hệ thống UIS ( Unit
Injector System )

4

- HTPNL dùng BCA riêng biệt cho từng xy lanh, còn gọi là hệ
thống UPS (Unit Pump System )


+ HTPNL diesel điều khiển điện tử dùng bình tích áp, còn gọi là
HTPNL diesel kiểu Common Rail - CR
* Theo phương pháp kiểm soát lượng nhiên liệu phun: có thể chia

thành 2 nhóm lớn:
- Dùng rãnh xoắn (Helix - Controlled) hoặc cửa nạp/ xả (Port Controlled) như trong các BCA truyền thống.
- Dùng van điện từ ( Solenoid - Valve - Controlled ) như trong
HTPNL diesel điều khiển điện tử.
* Theo phương pháp điều khiển: có thể chia thành 4 loại:
- Điều khiển cơ khí
- Điều khiển điện - cơ
- Điều khiển thủy lực
- Điều khiển điện tử
Sơ đồ phân loại các HTPNL diesel của hãng Bosch được trình bày
trên hình 1. Đặc tính kỹ thuật các HTPNL diesel của hãng Bosch được
trình bày trong Phụ lục 1.
Những cải tiến không ngừng đối với HTPNL diesel chính là nhân tố
then chốt để nâng cao công suất ra của động cơ, tạo khả năng đáp ứng các
điều luật môi trường ngày càng khắt khe hơn trong khi vẫn duy trì được
ưu điểm về suất tiêu hao nhiên liệu. Hiện nay, khi thiết kế HTPNL diesel
cần phải đảm bảo đồng thời và hài hòa 4 mục tiêu sau:
- Tăng công suất riêng và mô men xoắn riêng của động cơ.
- Giảm mức tiêu hao nhiên liệu.
- Giảm mức ô nhiễm khí thải.
- Đảm bảo đặc tính NVH (Noise, Vibration, Harshness)
NVH là thuật ngữ chuyên môn mới, đề cập đến 3 vấn đề tồn tại của
5
động cơ diesel khi lắp trên
phương tiện cơ giới đường bộ, bao gồm: tiếng

ồn - Noise, rung động - Vibration và mức độ êm dịu - Harshness. NVH là
trở ngại lớn khi sử dụng động cơ diesel trên xe con. Do vậy, mức độ phát

triển của động cơ diesel xe con phụ thuộc mạnh vào đặc tính NVH của
chúng. Để đạt được mục tiêu này, cần giảm tiếng ồn cháy của động cơ
diesel cũng như sự lan truyền tiếng ồn và rung động qua bề mặt động cơ,
gối đỡ động cơ, khung xe và hệ thống truyền lực.
Với HTPNL diesel truyền thống do có nhiều hạn chế ( áp suất phun
thấp và phụ thuộc vào chế độ tải, tốc độ động cơ, thời điểm phun và thời
gian phun khó thay đổi, điều khiển cơ khí truyền thống có độ trễ lớn, độ
chính xác không cao, khó định lượng chính xác lượng nhiên liệu phun,…)
nên khó đáp ứng dược 4 mục tiêu nêu trên. Chính vì vậy, việc điện tử hóa
HTPNL diesel là xu thế tất yếu và đã trở thành tiêu chuẩn tại các nước có
điều luật môi trường khắt khe.
Tùy theo mức độ điện tử hóa, các HTPNL diesel sẽ có những điểm
mạnh/ yếu khác nhau. Trên thực tế, các HTPNL diesel truyền thống dùng
BCA kiểu dãy và BCA phân phối cũng được cải tiến một phần bằng cách
sử dụng van cao áp điều khiển điện tử.

Hình 1.1: Sơ đồ phân loại các HTPNL diesel của hãng Bosch
6


III. NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH PHUN NHIÊN
LIỆU TRÊN CÁC ĐỘNG CƠ DIESEL HIỆN ĐẠI
Quá trình cháy trong động cơ diesel phụ thuộc chủ yếu vào cách thức
nhiên liệu được phun vào trong buồng cháy, thường được biển diễn thông
qua quy luật cung cấp nhiên liệu hoặc đặc tính phun (Injection
Characteristic). Các tiêu chí quan trọng nhất của quá trình phun nhiên liệu
diesel bao gồm: thời điểm và khoảng thời gian phun, mức độ phun tơi và
sự phân bố nhiên liệu trong không gian buồng cháy, tốc độ phun ( lượng
nhiên liệu được theo góc quay trục khuỷu/ trục cam), tổng lượng nhiên
liệu cung cấp cho 1 chu trình.

Để động cơ và hệ thống phun nhiên liệu diesel họat động hiệu quả thì
tất cả các yếu tố thay đổi nói trên cần phải được xem xét một cách kỹ
lưỡng. Chất lượng và hiệu quả của quá trình tạo hỗn hợp phụ thuộc chủ
yếu vào HTPNL diesel. Những thông số thay đổi của quá trình phun có
ảnh hưởng tới trình tạo hỗn hợp, diễn biến quá trình cháy ( và do đó có
ảnh hưởng tới mức độ ô nhiễm, công suất/hiệu suất của động cơ) bao
gồm: thời điểm phun nhiên liệu, đặc tính phun, áp sất phun, hướng phun
và số tia phun
3.1. Sự phân bố hỗn hợp trong động cơ diesel
*

Hệ

số

dư

lượng

không

khí

λ:

Là tỷ số giữa lượng không khí nạp thực tế và lượng không khí lý
thuyết cần để đốt cháy hoàn toàn một đơn vị nhiên liệu.
Khi λ=1, khối lượng khí nạp bằng với khống lượng không khí lý thuyết
cần để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu phun vào xylanh.
Khi λ<1, hỗn hợp được gọi là “hỗn hợp giàu”.

Khi λ>1, hỗn hợp được gọi là “hỗn hợp nghèo”.
*

Giá

trị

hệ

7

số

λ

đối

với

động

cơ

diesel:

Hỗn hợp giàu nhiên liệu là nguyên nhân chính tạo thành PM trong
buồng cháy diesel. Để hạn chế việc hình thành nhiều vùng hỗn hợp giàu,


động cơ diesel làm việc với hệ số λ tổng thể lớn hơn 1. Giá trị λ của động

cơ diesel tăng áp tua bin khí, ở chế độ toàn tải trong khoảng từ 1.15 - 2. Ở
chế độ không tải cầm chừng và chế độ không tải thì hệ số λ có thể lớn
hơn 10.
Xét về một góc độ nào đó, hệ số λ “tổng thể” thể hiện tổng lượng
nhiên liệu và không khí trong xylanh. Tuy nhiên, về cơ bản, quá trình tự
bốc cháy và hình thành các chất ô nhiễm phụ thuộc chủ yếu vào hệ số λ
“cục bộ”. Do đặc điểm của động cơ diesel nên không thể đạt được sự hòa
trộn hoàn toàn của nhiên liệu với khí nạp, trước và trong suốt quá trình
cháy. Trong vùng hỗn hợp không đồng nhất của động cơ diesel, hệ số λ
“cục bộ” có thể thay đổi trong một khoảng khá rộng, từ λ = 0 ( thuần túy
nhiên liệu) tại vùng thể tích chết của vòi phun, tới λ = ∞ (thuần túy không
khí) tại vùng biên ngoài cùng của tia phun.
Nếu quá trình phân rã nhiên liệu tốt, hệ số λ lớn và chuyển động của
dòng khí cuối quá trình nén có mức độ rối phù hợp, sẽ tạo ra một số
lượng lớn các khu vực cục bộ có nồng độ hỗn hợp nhạt. Điều này sẽ làm
giảm hàm lượng NOx và PM hình thành trong quá trình cháy.
Có thể tạo được quá trình phân rã tốt hơn bằng cách phun nhiêu liệu
diesel với áp suất cao ( hiện nay, áp suất phun lớn nhất đã vượt quá
ngưỡng 2000 bar). Áp suất phun cao sẽ làm tăng vận tốc tương đối giữa
tia phun và không khí nén trong xylanh nên nhiên liệu sẽ được xé tơi hơn.
Với mục đích nâng cao công suất lít, động cơ diesel thường được thiết
kế để vận hành với hệ số λ nhỏ ở chế độ tải cao. Tuy nhiên, λ nhỏ sẽ làm
gia tăng mức độ ô nhiễm của động cơ do nhiên liệu cháy không kiệt. Do
vậy, cần phải giới hạn giá trị của λ ( nghĩa là thể tích nhiên liệu phun vào
phải tỉ lệ chính xác, phù hợp với lượng không khí có thể có trong xylanh
động cơ). Khi động cơ 8diesel làm việc ở suất môi trường thấp (độ cao
lớn) cũng yêu cầu giảm lượng nhiên liệu phun vì khi đó không khí trở nên
loãng hơn.

3.2. Thời điểm phun và thời điểm cung cáp của bơm cao áp
* Thời điểm phun nhiên liệu:
Thời điểm phun nhiên liệu, tính theo độ góc quay trục khủy tới ĐCT
là thời điểm mà vòi phun mở và nhiên liệu bắt đầu được phun vào buồng
cháy. Thời điểm bắt đầu phun sẽ quyết định thời điểm bắt đầu cháy, và do
vậy sẽ ảnh hưởng đến mức độ ô nhiễm, mức tiêu thụ nhiên liệu và mức
độ ồn của quá trình cháy. Chính vì thế, thời điểm phun có vai trò quan
trọng trong việc tối ưu hóa sự vận hành của động cơ diesel.
Vị trí của piston so với ĐCT (cũng như hình dạng của đường nạp) ở
thời điểm phun sẽ xác định trạng thái, nhiệt độ và tỷ trọng của dòng khí
nén bên trong buồng cháy. Do đó, mức độ hòa trộn của nhiên liệu và
không khí cũng phụ thuộc vào thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu. Vì thế,
thời điểm bắt đầu phun sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến mức ô nhiễm khí thải (
chất thải dạng hạt PM, NOx, HC, CO )

Hình 1.2: Ảnh hưởng của thời điểm phun và thời gian phun đến
suất tiêu hao nhiên liệu (a) (g/kWh) và hàm lượng NOx (b) (g/kWh)
9


Hình 1.3: Ảnh hưởng của thời điểm phun và thời gian phun
đến hàm lượng HC (a) (g/kWh) và PM (b) (g/kWh)
Thời điểm phun nhiên liệu yêu cầu phụ thuộc vào chế độ tải của động
cơ. Do vậy, cần phải có sự điều chỉnh thời điểm phun chế độ tải của động
cơ. Trên động cơ diesel hiện đại dùng HTPNL điều khiển điện tử, các dữ
liệu về đặc tính vận hành của động cơ được xác định và lưu trữ dưới dạng
điện tử trong “Bản đồ dữ liệu động cơ”. “Bản đồ” này biểu diễn thời điểm
phun yêu cầu theo chế độ tải, tốc độ và nhiệt độ của động cơ. Đồng thời
cũng xét đến mức tiêu thụ nhiên liệu, yêu cầu về mức phát thải chất ô
nhiễm và mức độ ồn tại mọi giá trị công suất ra xác định.

Dựa trên yêu cầu của đều luật ô nhiễm Euro3, thời điểm phun hợp lý
của
+

động
Với

cơ

động

diesel
cơ

diesel

được

xác

định

như

sau:

xe

con

phun

trực

tiếp:

- Chế độ không tải: từ -2 °GQTK đến +4 °GQTK
- Tải cục bộ:
- Toàn tải:

từ -6 °GQTK đến +4 °GQTK
từ -6 °GQTK đến -15 °GQTK
10

+Với động cơ diesel xe tải phun trực tiếp (không tuần hoàn khí thải):
- Chế độ không tải: từ -4 °GQTK đến -12 °GQTK


- Toàn tải:

từ -3 đến -6 °GQTK cho đến +2 °GQTK

Đối với động cơ diesle xe con và xe tải, khi khởi động nguội, thời
điểm phun được sớm lên từ 3 - 10° GQTK. Ở chế độ toàn tải, khoảng thời
gian cháy trong các loại động cơ này nằm trong khoảng từ 40-60 °GQTK.
* Phun nhiên liệu quá sớm:
Nhiệt độ cuối quá trình nén lớn nhất đạt được tại ĐCT. Nếu quá trình
cháy được bắt đầu quá sớm trước ĐCT thì áp suất cháy tăng mạnh làm
cản trở chuyển động đi lên của piston. Tổn thất nhiệt trong quá trình nén
sẽ làm giảm hiệu suất của động cơ và do vậy sẽ làm tăng suất tiêu hao

nhiên liệu. Sự tăng nhanh của áp suất nén cũng sinh ra tiếng ồn cháy lớn
hơn. Khi tăng góc phun sớm sẽ làm tăng nhiệt độ trong buồng cháy. Kết
quả là hàm lượng NOx tăng trong khi hàm lượng HC giảm.

Hình 1.4: Ảnh hưởng của thời điểm phun đến hàm lượng NOx và HC của
động cơ diesel xe tải (không EGR)
11

α N - Thời điểm phun tối ưu ở chế độ không ải
t

αV - Thời điểm phun tối ưu ở chế độ toàn tải


* Phun nhiên liệu quá muộn:
Khi giảm góc phun sớm ở chế độ không tải có thể làm cho quá trình
cháy xảy ra không hoàn toàn, vì thế lượng thải HC tăng lên. Sự mâu
thuẫn giữa một bên là suất tiêu hao nhiên liệu và hàm lượng HC, với một
bên là hàm lượng PM và NOx dẫn đến cần có một sự phối hợp mang tính
thỏa hiệp (với dung sai rất nhỏ) khi thay đổi thời điểm phun đối với một
động cơ cụ thể. Khi động cơ nguội, để giảm khói trắng và khói xanh cần
tăng góc phun sớm và/hoặc sử dụng biện pháp phun mồi. Để giữ cho
tiếng ồn cháy và hàm lượng các chất ô nhiễm ở mức chấp nhận được thì
sự điều chỉnh về thời điểm phun đối với chế độ tải cục bộ thường cần
thiết hơn là chế độ toàn tải.
* Thời điểm cung cấp của bơm cao áp:
Ngoài thời điểm bắt đầu phun thì một yếu tố khác thường được quan
tâm là thời điểm bắt đầu cung cấp của bơm cao áp (BCA). Nguyên nhân
của việc này là đối với HTPNL diesel truyền thống và khi động cơ không
vận hành thì việc xác định thời điểm bắt đầu cung cấp của BCA dễ dàng

hơn nhiều so với việc xác định thời điểm phun thực tế. Ngoài ra, sự đồng
bộ giữa thời đểm bắt đầu phun (nhất là với BCA vạn năng kiểu dãy và
BCA phân phối) với động cơ về cơ bản là dựa theo thời điểm bắt đầu
cung cấp ( do tồn tại quan hệ xác định giữa thời điểm bắt đầu cung cấp
với thời điểm bắt đầu phun). Thời gian cần thiết để sóng áp suất lan
truyền từ BCA đến vòi phun phụ thuộc vào chiều dài đường ống cao áp
và tạo nên hiện tượng trễ phun (Injection Lag). Hiện tượng trễ phun này
tăng tỷ lệ với tốc độ động cơ. Chính vì vây, HTPNL phải có khả năng
điều chỉnh thời điểm bắt đầu cung cấp/ bắt đầu phun.
3.3. Lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình
12
Lượng nhiên liệu cấp
vào xi lanh trong một chu trình phụ thuộc vào

các yếu tố sau:
- Tiết diện lưu thông hiệu dụng của vòi phun


- Độ chênh lệch giữa áp suất phun và áp suất môi chất trong buồng
cháy theo thời gian
- Khối lượng riêng của nhiên liệu diesel
Khi áp suất cao, nhiêu liệu diesel được coi là chất lỏng có thể nén
được. Điều này sẽ ảnh hưởng đến lượng nhiên liệu cấp cho 1 chu trình và
nó cần được quan tâm khi thiết kế HTPNL diesel. Sự thay đổi về lượng
nhiên liệu phun sẽ dẫn đến sự thay đổi về mức độ ô nhiễm và công suất ra
của động cơ. Bằng việc sử dụng HTPNL có khả năng định lượng chính
xác và bộ điều tốc điện tử, lượng nhiên liệu phun vào xylanh có thể được
kiểm soát với độ chính xác cao.
3.4. Đặc tính phun
Đặc tính ô nhiễm và mức tiêu thụ nhiên liệu là 2 yếu tố vô cùng quan

trọng của động cơ. Với mục tiêu đảm bảo 2 yếu tố trên, HTPNL diesel
phải

đảm

bảo

các

yêu

cầu

sau:

- Thời điểm phun phải chính xác. Chỉ với những sai lệch nhỏ về thời
điểm phun cũng có ảnh hưởng đang kể tới mức tiêu thu nhiên liệu, mức
độ ô nhiễm khí thải và tiếng ồn cháy.
- Áp suất phun có thể thay đổi với mức độ độc lập cao nhất có thể,
nhằm đáp ứng yêu cầu của tất cả các chế độ vận hành của động cơ.
- Có khả năng kết thức quá trình phun một cách dứt khoát (hiện tượng
phun rớt, phun trễ sẽ làm gia tăng mức độ ô nhiễm khí thải).
Khái niệm “đặc tính phun” nhằm mô tả diễn biến lượng nhiên liệu
phun vào trong buồng cháy theo thời gian hoặc theo góc quay trục khuỷu.

13


Hình 1.5: Các dạng đặc tính phun của HTPNL diesel hiện đại
1

-

2

-

Phun
Phun

mồi,

6 - Áp suất phun giảm chậm,

chính,

7 - Áp suất phun giảm nhanh,

3 - Áp suất phun tăng mạnh,

8

-

Phun

4 - Áp suất phun tăng 2 giai đoạn,

9 - Phun muộn

bổ

sung,

5 - Áp suất phun tăng chậm,
* Thời gian phun:
Một trong nhưng tham số chính của đặc tính phun là thời gian phun
( thời gian kim phun mở và dòng nhiên liệu phun vào buồng cháy dược
xác định theo °GQTK, độ góc quay trục cam (°GQTC) hoặc theo thời
gian thực ( thường tính theo mili giây - ms). Với các động cơ diesel khác
nhau thì yêu cầu về thời gian phun cũng khác nhau. Ở chế độ công suất
định mức, thời gian phun như sau:
- Động cơ diesel xe con, phun trực tiếp: 32 - 38 °GQTK
- Động cơ diesel xe con, phun gián tiếp: 35 - 40 °GQTK
Với HTPNL diesel truyền thống, áp suất được tạo ra liên tục trong
quá trình phun bởi BCA. Do vậy, tốc độ trục BCA có tác động trực tiếp
14

đến áp suất và tốc độ phun nhiên liệu.


Với BCA kiểu phân phối (không dùng van cao áp điều khiển điện tử)
và BCA truyền thống kiểu dãy, quá trình phun chỉ bao gồm 1 giai đoạn
phun chính (giai đoạn 2) mà không có các giai đoạn phun mồi PI, phun
bổ sung và phun muộn. Với BCA phân phối dùng van cao áp điều khiển
điện tử, có thể có giai đoạn phun mồi PI. Hiện nay, với HTPNL dùng
BCA vòi phun kết hợp lắp trên động cơ diesel xe con, giai đoạn phun mồi
được điều khiển bằng phương pháp thủy - cơ.
Trong HTPNL diesel truyền thống, do liên kết giữa vấu cam và BCA,
áp suất sinh ra và lượng nhiên liệu được phun vào xylanh là phụ thuộc lẫn

nhau. Do vậy, đặc tính phun của hệ thống này có những đặc điểm sau:
- Áp suất phun tăng khi tăng tốc độ và lượng nhiên liệu được phun.
- Áp suất phun tăng tại thời điểm bắt đầu phun nhưng lại giảm trước
khi kết thúc quá trình phun.
Điều này dẫn đến những hệ quả sau:
- Một lượng nhỏ nhiên liệu được phun vào xylanh với áp suất thấp
- Đặc tính phun có dạng hình tam giác, khá phù hợp với động cơ
diesel, không tuần hoàn khí thải ( độ dốc áp suất phun không lớn nên quá
trình cháy êm).
* Quá trình phun mồi:
Đồ thị diễn biến áp suất cháy của một động cơ diesel không có phun
mồi cho thấy, tiếp theo quá trình nén đường cong áp suất có độ dốc không
lớn cho tới ĐCT, sau đó, đường cong áp suất có độ dốc tăng nhanh kể từ
thời điểm bắt đầu cháy (nguyên nhân làm mức ồn cháy lớn)
3

Quá trình phun mồi sẽ cấp một lượng nhỏ nhiên liệu (từ 1 - 4 mm )
vào buồng cháy nhằm tạo điều kiện thuận lợi trong buồng cháy trước khi
bắt đầu giai đoạn phun chính. Quá trình phun mồi đạt được 2 mục đích:
15

- Giảm thời gian cháy trễ


- Giảm độ dốc của đường cong áp suất trong giai đoạn cháy chính.
Chính vì vậy, nó sẽ tác động đến tiếng ồn cháy, mức tiêu hao nhiên
liệu và hàm lượng NOx, HC.
Tùy thuộc vào thời điểm bắt đầu giai đoạn phun chính và khoảng cách
giữa giai đoạn phun mồi với giai đoạn phun chính, suất tiêu hao nhiên
liệu của động cơ sẽ thay đổi.

Hình 1.6: Ảnh hưởng của việc phun mồi đến diễn biến áp suất cháy
a- Không

phun mồi, b- Có phun mồi

* Quá trình phun bổ sung và phun muộn:
HTPNL kiểu Common Rail (CR) có thể phun bổ sung một lượng
nhiên liệu ngay sau giai đoạn phun chính ( không phụ thuộc vào việc
phun muộn để hỗ trợ bộ xử lý NOx và bộ lọc PM ). Trong trường hợp
này, nhiên liệu được phun vào trong khí quá tình cháy vẫn tiếp diễn. Do
vậy các hạt PM ( đã hình thành) sẽ bị đốt tiếp và kết quả là lượng PM có
thể giảm từ 20 - 70 %. 16
Quá trình phun muộn được sử dụng để cung cấp
một lượng xác định hơi nhiên liệu (dùng làm chất khử) cho bộ xử lý NOx
trên đường thải. Quá trình phun muộn xảy ra trong quá trình cháy giãn nở


hoặc quá trình thải cho đến khoảng sau ĐCT. Trái lại với quán trình phun
mồi và giai đoạn phun chính, nhiên liệu được phun trong giai đoạn phun
muộn sẽ không cháy mà sẽ bị bay hơi do nhiệt của khí thải trong xy lanh.
Hỗn hợp khí thải và hơi nhiên liệu vày sẽ bị đẩy ra đường thải ( khi
đó, hơi nhiên liệu đóng vai trò là chất khử cho bộ xử lý NOx). Kết quả là
khi thải ra môi trường, hàm lượng NOx giảm đáng kể. Ngoài ra, quá trình
phun muộn còn có thể sử dụng để tăng nhiệt độ khí thải nhằm hỗ trợ quá
tình tái sinh lọc đối với bộ lọc PM kiểu oxy hóa. Tuy vậy, khi sử dụng
HTPNL diesel có khả năng phun muộn cần có sự trao đổi kỹ lượng với
hãng sản xuất động cơ.
* Phun rớt và thể tích chết của vòi phun:
Quá trình phun bổ sung không được kiểm soát ( còn gọi là phun rớt)

có thể gây ra hậu quả xấu. Quá trình này xảy ra khi vòi phun mở lần thứ
hai ngay sau khi vừa đóng vào khéo theo là một lượng nhiên liệu (với
điều kiện phun rất xấu) được cấp vào xylanh vào giai đoạn cuối của quá
trình cháy. Lượng nhiên liệu này không được đốt cháy hoàn toàn và thải
ra đượng thải làm tăng lượng thải HC. Hiện tượng phun rớt có thể khắc
phục bằng các đóng nhanh vòi phun với áp suất đủ lớn và duy trì một áp
suất tĩnh thấp trong đường ống cao áp. Lượng nhiên liệu ở đầu khoang
miệng vòi phun (về phía xylanh) cũng gây ra hậu quả tương tự như hiện
tượng phun rớt. Lượng nhiên liệu trong thể tích chết này chảy vào buồng
cháy sau khi qúa trình cháy đã kết thúc cũng sẽ làm gia tăng lượng thải
HC. Việc sử dụng vòi phun có thể tích chết nhỏ sẽ khắc phục được vấn đề
này.

17


Hình 1.7: Ảnh hưởng kết cấu khoan miệng vòi phun đến hàm lượng HC
a- Vòi

phun có thể tích chết nhỏ, b- Vòi phun thông thường

18



* Đặc tính thời điểm của hệ thống phun:
Trên hình lần lượt là diễn biến độ nâng và tốc độ chuyển động của
cam, độ nâng của van điện từ, áp suất nhiên liệu trên đường ống cao áp
(phía BCA, phía vòi phun), độ nâng kim phun và tốc độ phun của
HTPNL diesel điều khiển điện tử dùng BCA phân phối (kiểu VP44 của

Bosch). Ta thấy, áp suất có sự thay đổi lớn giữa phía BCA và phía vòi
phun (xác định bởi đặc tính của các bộ phận liên quan như : biên dạng
cam, BCA, van cao áp, đường ống cao áp, vòi phun). Chính vì vậy,
HTPNL phải thực sự phù hợp với động cơ diesel sẽ dùng nó. Diễn biến
các quá trình trong các HTPNL tạo cao áp bằng bơm kiểu piston (BCA
kiểu dãy, BCA vòi phun kết hợp, BCA riêng biệt) đều có dạng tương tự
hình. Tuy nhiên, với HTPNL kiểu CR thì hoàn toàn khác.

Hình 1.9: Đặc tính phun của HTPNL kiểu CR
pr - Áp suất trong bình tích áp
po - Áp suất mở vòi phun


* Thể tích nhiên liệu chịu nén trong HTPNL:
Thể tích nhiên liệu chịu nén (còn được gọi là thể tích “bất lợi”) nhằm
ám chỉ thể tích nhiên liệu trong mạng cao áp của một vòi phun ( bao gồm
phần nhiêu liệu chứa trong khoang cao áp của BCA, trong đường ống cao
áp và trong vòi phun). Với mỗi lần phun, thể tích này sẽ bị nén và giảm
áp. Kết quả là tồn tại tổn thất nén và tạo ra hiện tượng phun trễ. Thể tích
nhiên liệu trong đường ống cao áp bị nén bởi quá trình động lực do sóng
áp suất tạo ra. Khi thể tích “bất lợi” càng lớn, thì hiệu quả quá trình thủy
lực của hệ thống phun càng thấp. Do vậy, khi thiết kế HTPNL cần giảm
thiểu thể tích chịu nén của nhiên liệu và đảm bảo thể tích này là giống
nhau giữa các xy lanh. Hệ thống phun dùng BCA - vòi phun kết hợp có
thể tích “bất lợi” là nhỏ nhất.
* Đặc tính phun của HTPNL kiểu CR:
Với hệ thống này, BCA sẽ tạo ra cao áp trong bình tích áp (Fuel Rail), độc lập với quá trình phun. Áp suất trong bình tích áp sẽ duy trì gần
như không đổi trong suốt quá trình phun. Do đặc tính cung cấp gần như
không đổi nên BCA có kích thước nhỏ hơn đáng kể và có thể thiết kế với
mô men dẫn động nhỏ hơn. Đoạn đường ống cao áp nối giữa bình tích áp

với vòi phun là ngắn. Ngoài ra, do vòi phun được điều khiển bởi bộ điều
khiển nên thời điểm bắt đầu và kết thúc phun có thể thay đổi rất linh động
tùy theo loại và phạm vi ứng dụng của động cơ. Việc phun mồi và phun
bổ sung nhiều lần là có thể thực hiện được. Với một áp suất nhất định
trong hệ thống, lượng nhiên liệu phun tỷ lệ với khoảng thời gian van điện
từ của vòi phun mở và hoàn toàn độc lập với động cơ hoặc tốc độ BCA
(hệ thống phun dựa theo thời gian thực). Do vậy, thời điểm bắt đầu phun,
khoảng thời gian phun và áp suất phun có thể điều chỉnh độc lập để phù
hợp với mọi chế độ, nhằm tối ưu hóa sự vận hành của động cơ.
3.5. Áp suất phun


HTPNL có áp suất cao sẽ dẫn đến tốc độ phun nhiên liệu qua lỗ phun
của vòi phun lớn. Vì vậy, khi tăng vận tốc tương đối giữa dòng nhiên liệu
và không khí, tăng tỷ trọng của không khí nén trong xy lanh thì chất
lượng phun tơi sẽ tốt hơn. Bằng cách lựa chọn kích thước của đường ống
cao áp phù hợp, có thể làm cho áp suất phun tại phía vòi phun cao hơn áp
suất tạo ra ở đầu BCA.
* Với động cơ diesel phun trực tiếp:
Trong loại động cơ này, tốc độ chuyển động của không khí bên trong
buồng cháy là tương đối chậm ( chỉ chuyển động do quán tính khối lựơng
của dòng khí). Hiệu ứng rối này cũng được trợ giúp bởi chuyển động đi
lên của piston và mức độ rối tăng lên khi piston đến gần ĐCT. Với các
HTPNL hiện đại, ở chế độ toàn tải, có thể tạo ra áp suất phun cực đại
trong khoảng từ 1000 - 2050 bar (với động cơ diesel xe con) và từ 1000 1800 bar (với động cơ diesel xe tải). Với áp suất phun nhiên liệu tới 2000
bar, lượng PM và khói sẽ được giảm một cách cơ bản. Tuy nhiên, áp suất
phun cao chỉ có thể đạt được tại dải tốc độ vòng quay của trục khuỷu cao
hơn ( ngoại trừ HTPNL kiểu CR ). Nói chung, muốn có được một đặc
tính mô men xoắn tốt cùng với mức ô nhiễm khí thải thấp sẽ yêu cầu áp
suất phun cao khi động cơ làm việc ở chế độ tải lớn tại tốc độ vòng quay

thấp. Dựa theo những điều kiện này, đối với động cơ diesel xe con và xe
tải, áp suất phun tại chế độ mô men xoắn lớn nhất nằm trong khoảng 800
- 1400 bar.
* Với động cơ diesel phun gián tiếp:
Trong động cơ diesel phun nhiên liệu gián tiếp, áp suất cháy tăng lên
sẽ đẩy hỗn hợp ra khỏi buồng cháy phụ ( buồng cháy xoáy lốc hoặc
buồng cháy trước ) vào buồng cháy chính để tiếp tục cháy. Các loại động
cơ này, dòng khí trong buồng cháy phụ và trong rãnh nối giữa buồng cháy
phụ và buồng cháy chính có tốc độ chuyển động cao. Do vậy sẽ không
hiệu quả khi tăng áp suất phun lên giá trị 450 bar.


3.6. Hướng phun và số lượng tia phun
*Với động cơ diesel phun trực tiếp:
Trên động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp thường dùng vòi phun
kín nhiều lỗ, với số lỗ phun từ 4 đến 10 (thông thường là từ 6 đến 8 lỗ
phun), được bố trí xung quanh tâm. Số lượng và hướng của tia phun phải
rất phù hợp với hình dạng buồng cháy. Chỉ với độ lệch khoảng 2° (so với
giá trị góc phun tối ưu) cũng có thể dẫn đến sự tăng lên đáng kể của khói
đen và mức tiêu thụ nhiên liệu.
*Với động cơ diesel phun gián tiếp:
Trên động cơ diesel phun nhiên liệu gián tiếp thường sử dụng vòi
phun kín có kim phun dạng chốt, với duy nhất một tia phun. Vòi phun
này sẽ phun nhiêu liệu vào buồng cháy phụ sao cho bugi sấy (hỗ trợ khởi
động nguội) nằm trong vùng tia phun. Hướng tia phun cũng phải rất phù
hợp với hình dạng buồng cháy. Hướng tia phun không chính xác sẽ không
tận dụng được oxy trong khí nén và vì thế sẽ làm tăng khói đen và hàm
lượng HC trong khí thải. Tác động của những yếu tố cơ bản của quá trình
phun đến sự làm vệc của động cơ diesel được trình bày trong bảng 1

Bảng 1: Tác động của những yếu tố chính của quá trình phun
đến sự làm việc của động diesel


KẾT LUẬN
Giai đoạn phun mồi tác động trực tiếp đến tiếng ồn cháy, mức tiêu
hao nhiêu liệu, hàm lượng NOx, HC. Với những tính chất quan trọng của
giai đoạn này, đồ án nghiên cứu của em sẽ trực tiếp tìm hiểu ảnh hưởng
của giai đoạn phun mồi đến quá trình cháy do nén xăng trong động cơ
diesel nhiều xy lanh.

CHƯƠNG II: ĐỘNG CƠ CHÁY DO NÉN XĂNG


- GASONLINE COMPRESSION IGNITION - GCI
I. ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG TRUYÊN THỐNG
Động cơ đốt trong truyền thống phổ biến nhất bao gồm động cơ cháy
do nén ( động cơ CI - tiêu biểu là động cơ diesel) và động cơ đốt cháy
cưỡng bức (động cơ SI - tiêu biểu là động cơ xăng).
1. Động

cơ xăng bốn kỳ

Động cơ 4 kì sử dụng nhiên liệu xăng. Việc đốt cháy nhiên liệu được
diễn ra trong buồng đốt bởi một hệ thống đánh lửa được tắt mở theo chu
kỳ. Nơi đánh lửa là bugi có điện áp cao.
Hiệu suất có ích

ηe = 0,18 ÷ 0,30

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích gi = 150 ÷ 240 hay gi = 210 ÷ 280
Hệ số nạp ηv = 0, 7 ÷ 0, 75 hay ηv = 0, 7 ÷ 0,85
Tỷ số nén 6 ÷ 12
Quá trình cháy trong động cơ xăng có thể chia thành 3 giai đoạn:
- Giai đoạn cháy trễ
- Giai đoạn cháy chính
- Giai đoạn cháy rớt
Ở động cơ xăng thường xảy ra các hiện tượng cháy bất thường khác
nhau như: cháy kích nổ, cháy sớm, nổ trong đường ống thải,…Các hiện
tượng cháy bất thường này, gây nên ảnh hưởng xấu đến các chi tiết thuộc
cơ cấu truyền lực, giảm công suất hiệu suất do tổn thất nhiệt, hiện tượng
phân giải sản phẩm cháy và quá trình hình thành muội than diễn ra mạnh
hơn.
2. Động

cơ diesel bốn kỳ

Động cơ diesel được phát minh bởi Rudolf Diesel, một kỹ sư người
Đức. Trong động cơ diesel, sự cháy của nhiên liệu được hình thành nhờ
áp suất, vào cuối quá trình nén ở cuối ĐCT.