Biên soạn tài liệu tham khảo môn thực hành động cơ diesel phần 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Tên đề tài

BIÊN SOẠN TÀI LIỆU THAM KHẢO MÔN
THỰC HÀNH ĐỘNG CƠ DIESEL PHẦN 1

SVTH: LƯU ĐIỆP ĐĂNG KHOA
MSSV: 13145123
SVTH: TRẦN HỮU TỪ GIANG
MSSV: 13145078
GVHD: ThS. CHÂU QUANG HẢI

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2018
i


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Tên đề tài

BIÊN SOẠN TÀI LIỆU THAM KHẢO MÔN
THỰC HÀNH ĐỘNG CƠ DIESEL PHẦN 1

SVTH: LƯU ĐIỆP ĐĂNG KHOA
MSSV: 13145123
SVTH: TRẦN HỮU TỪ GIANG
MSSV: 13145078
GVHD: ThS. CHÂU QUANG HẢI

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2018

i


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, chúng em xin cảm ơn nhà trường và quý thầy cô đã xây dựng môi trường
học tập tốt, truyền đạt kiến thức cũng như những kinh nghiệm để chúng em có thể gặt hái
được thành quả trong các năm qua.
Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS. Châu Quang Hải. Thầy là
người hướng dẫn nhiệt tình, ln đưa ra những nhận xét đúng đắn để chúng em hoàn
thành đề tài tốt nghiệp được kịp thời và hoàn thiện nhất có thể.
Sau cùng, tuy có nhiều nỗ lực, nhưng do thời gian thực hiện đề tài không nhiều và
kiến thức, kinh nghiệm còn hạn chế nên đồ án tốt nghiệp còn nhiều thiếu sót. Do đó,
chúng em kính mong quý thầy cô, bạn bè thông cảm và rất mong nhận được ý kiến từ
mọi người để hoàn thiện đề tài tốt hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Tp.Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2018
Nhóm sinh viên thực hiện
Lưu Diệp Đăng Khoa
Trần Hữu Từ Giang

i


TĨM TẮT
1. Lời nói đầu:
Trong xu thế hội nhập hiện nay, nền công nghiệp Việt Nam đang phát triển rất mạnh
và đặc biệt là ngành kỹ thuật ô tô. Vấn đề đi lại, vận chuyển ngày càng tăng của con
người trên toàn thế giới. Ơ tơ gần như là phương tiện chủ lực đáp ứng mọi 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 thơng 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, địi hỏi ngành cơng nghệ ơ tơ 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 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,
chúng em đã được tiếp xúc, tìm hiểu về hệ thống nhiên liệu này và nhận thấy đây là đề tài
liên quan đến chuyên nghành cơ khí động lực của mình. Chính vì vậy chúng chúng em đã
chọn đề tài tốt nghiệp: “Biên soạn tài liệu tham khảo môn thực hành động cơ Diesel
phần 1”.
Đề tài “Biên soạn tài liệu tham khảo môn thực hành động cơ Diesel phần 1” cũng
giúp cho chúng em hiểu thêm về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các chi tiết trên
động cơ cũng như hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel.

ii

2. Lý do chọn đề tài:
Kể từ khi ra đời vào năm 1890, động cơ diesel đã khẳng định tầm quan trọng của
mình trong lĩnh vực ơ tơ nói riêng và trong các lĩnh vực thương mại, dịch vụ nói chung.
Động cơ diesel được ứng dụng nhiều trên các loại xe thương mại chuyên chở hàng hóa,
trên xe buýt công cộng, trên các tàu biển công suất lớn và đặt biệt là các máy móc, các xe
chuyên dụng như xe bồn, xe ben, xe quân sự. Những điều này có được nhờ vào đặc tính
kinh tế và công suất của động cơ. Tuy nhiên, theo thời gian, người ta nhận ra rằng ở động
cơ diesel có một thiếu sót quan trọng, đó là khí thải. Việc hạn chế khí thải ô tô, bảo vệ
môi trường đang là ưu tiên hàng đầu của thế giới nói chung và ngành ô tô nói riêng. Từ
đó, người ta bắt đầu nghiên cứu và cho ra đời nhiều hệ thống điều khiển nhằm hạn chế
khí thải của động cơ và tối ưu hóa khả năng hoạt động của nó. Và những hệ thống điều
khiển này dần dần được phát triển và thay thế để hình thành nên hệ thống Diesel điều
khiển điện tử như ngày hôm nay. Hệ thống Diesel điều khiển điện tử không chỉ mang lại
tính năng giảm khí thải tốt mà còn nâng cao được khả năng vận hành của động cơ như độ
êm dịu, tính năng an toàn, tiện nghi và đặt biệt là công suất và tiêu hao nhiên liệu. Để
hiểu rõ hơn, cũng như tạo ra cơ sở lý thuyết cho những người nghiên cứu sau này về hệ
thống Diesel điều khiển điện tử, chúng em đã quyết định chọn và tiến hành thực.
3.
-

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án:
Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về động cơ Diesel.
Các thành phần trong hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel thông thường.
Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống Common Rail.
Các thành phần trong hệ thống cung cấp nhiên liệu trong hệ thống Common Rail.
Tạo cơ sở lý thuyết về hệ thống Diesel điều khiển điện tử, phục vụ cho việc tham

khảo cho các nghiên cứu sâu hơn về quản lý động cơ Diesel.

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu là động cơ Diesel bốn kỳ và lý thuyết về hệ thống Diesel điều
khiển điện tử. Phạm vi nghiên cứu:
-

Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về động cơ Diesel.
Các thành phần trong hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel thông thường.
Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống Common Rail.

iii


- Các thành phần của hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail.
- Ứng dụng của hệ thống Common-Rail trên các dòng xe khách và xe thương mại.
5. Phương pháp nghiên cứu:
Để thực hiện đề tài, nhóm chúng em sử dụng nhiều phương pháp nghiên cứu nhưng
chủ yếu là phân tích và tổng hợp lý thuyết. Bên cạnh đó, chúng em còn dịch một số tài
liệu chuyên ngành bằng tiếng Anh để phục vụ cho cơng việc.
6.
-

Các nội dung chính của đề tài:
Tóm tắt.
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về động cơ Diesel.
Chương 2: Tổng quan về hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel.
Chương 3: Hệ thống Common-Rail và ứng dụng.
Chương 4: Kết luận.

iv

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN.....................................................................................................................i
TÓM TẮT.......................................................................................................................... ii
MỤC LỤC.........................................................................................................................v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................................viii
DANH MỤC CÁC HÌNH, BIỂU ĐỒ................................................................................x
DANH MỤC BẢNG.......................................................................................................xiv
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DIESEL................................1
1.1.Lịch sử ra đời của động cơ Diesel................................................................................1
1.1.1.Ý tưởng cho một động cơ mới..............................................................................2
1.1.2.Bằng sáng chế của Diesel......................................................................................2
1.1.3.Thực hiện hóa động cơ..........................................................................................2
1.2.Các lĩnh vực ứng dụng động cơ Diesel.........................................................................3
1.2.1.Động cơ Diesel sử dụng trên xe thương mại.........................................................3
1.2.2.Động cơ diesel sử dụng trên xe khách...................................................................5
1.2.3.Những lĩnh vực ứng dụng khác.............................................................................6
1.3.Nguyên lý hoạt động của động cơ Diesel.....................................................................7
1.3.1.Động cơ Diesel 4 kỳ..............................................................................................7
1.3.3.Tỷ số nén............................................................................................................... 9
1.3.4.Mô-men xoắn của động cơ....................................................................................9
1.3.5.Công suất đầu ra..................................................................................................10
1.3.6.Đồ thị P-V của chu trình thực tế..........................................................................11
1.3.7.Hiệu suất.............................................................................................................12
1.3.8.Các trạng thái hoạt động.....................................................................................12
1.3.9.Điều kiện hoạt động............................................................................................15

v

1.4.Hệ thống phun nhiên liệu trên động cơ diesel............................................................17
1.4.1.Buồng đốt............................................................................................................17
1.4.2.Công nghệ của Bosch cho động cơ diesel...........................................................21
1.5.Nhiên liệu cho động cơ diesel....................................................................................22
1.5.1.Dầu diesel...........................................................................................................22
1.5.2.Các loại nhiên liệu thay thế trên động cơ diesel..................................................27
1.6.Hệ thống điều khiển khí nạp.......................................................................................30
1.6.1.Bơm tăng áp turbocharger và supercharger.........................................................32
1.7.Sự hịa trộn hỗn hợp khơng khí/nhiên liệu..................................................................47
1.7.1.Hệ số dư lượng không khí λ................................................................................47
1.7.2.Mức Lambda trong động cơ diesel......................................................................48
1.8.Các thơng số của q trình phun nhiên liệu................................................................49
1.8.1.Bắt đầu phun và phân phối nhiên liệu.................................................................49
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU DIESEL......62
2.1. Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu...........................................................................62
2.2. Các thành phần của hệ thống cung cấp nhiên liệu.....................................................64
2.2.1. Thùng chứa........................................................................................................64
2.2.2. Lọc nhiên liệu....................................................................................................64
2.2.3.Đường ống dẫn nhiên liệu...................................................................................66
2.2.4. Bơm tiếp vận......................................................................................................67
2.2.5. Ống phân phối....................................................................................................73
2.2.6. Bộ làm mát ECU................................................................................................74
2.2.7. Bộ làm mát nhiên liệu........................................................................................74
2.2.8. Một số van bổ sung cho bơm cao áp thẳng hàng................................................76

vi


2.2.9. Bơm cao áp cá nhân (PF)...................................................................................79
2.3.Tổng quan về hệ thống bơm kim liên hợp (UIS) và hệ thống bơm cá nhân (UPS).....80

2.3.1. Hệ thống bơm kim liên hợp (UIS)......................................................................90
2.3.2. Hệ thống bơm phun cá nhân (UPS)..................................................................102
CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG COMMON-RAIL............................................................... 105
3.1. Tổng quan về hệ thống Common-Rail.....................................................................105
3.2.Các thành phần của hệ thống Common-Rail............................................................108
3.2.1.Bơm cao áp.......................................................................................................108
3.2.2.Ống phân phối nhiên liệu..................................................................................114
3.2.3.Van giảm áp.......................................................................................................115
3.2.4.Van điều áp........................................................................................................117
3.2.6. Kim phun.........................................................................................................121
3.2.7. Đót kim phun...................................................................................................147
3.3.Nguyên lý hoạt động của hệ thống Common-Rail....................................................160
3.3.1. Tạo áp lực........................................................................................................161
3.3.2. Điều khiển áp suất............................................................................................161
3.3.3. Điều khiển phun nhiên liệu..............................................................................162
3.3.4. Áp suất phun thay đổi linh hoạt theo tải động cơ.............................................163
3.3.5. Quá trình điều khiển và điều chỉnh...................................................................163
3.3.6. Thành phần cấu tạo của bộ điều khiển.............................................................164
3.4. Ứng dụng................................................................................................................. 164
3.4.1. Hệ thống Common-Rail cho xe khách.............................................................164
3.4.2. Hệ thống Common-Rail sử dụng cho xe thương mại.......................................170
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN..............................................................................................174
TÀI LIỆU THAM KHẢO

175

vii


vii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

Chữ đầy đủ

MAN

Maschinen -Fabrik Augsburg-Nürnberg

TDC

Top Dead Center

BDC

Bottom Dead Center

IO

Inlet open

IC

Inlet close

EO

Exhaust open

EC

Exhaust close

SOC

Start of Combustion

IP

Injection point

DI

Direct Injection

IDI

Indirect Injection

WOT

Wide-Open Throttle

CFR

Cooperative Fuel Research

CN

Cetane Number

CFPP

Cold Filter Plugging Point

CtL

Coal-to-Liquid

GtL

Gas-to- Liquid

UIS

Unit Injector System

viii


CRS

Common-Rail System

EDC

Electronic Diesel Control

UPS

Unit Pump System

EDC

Electronic Diesel Control

CCRS

Current-Controlled-Rate-Shaping

VCO

Valve Closed Orifice

VTG

Variable-Turbine-Geometry

VST

Variable-Sleeve-Turbine

ix


DANH MỤC CÁC HÌNH, BIỂU ĐỒ

Hình 1.1. Chân dung của Rudolf Diesel và bằng sáng chế động cơ mới của ông.............. 1
Hình 1.2. Động cơ diesel phun trực tiếp đầu tiên của MAN, 1924.................................... 3
Hình 1.3. Xe tải MAN chạy bằng động cơ diesel ...............................................................4
Hình 1.4. Bơm phun nhiên liệu thẳng hàng của Bosch trong động cơ xe Mercedes 260D 5
Hình 1.5. Quá trình hoạt động của động cơ diesel 4 kỳ......................................................7
Hình 1.6. Sơ đồ phân phối khí của động cơ diesel............................................................. 8
Hình 1.7. Đồ thị đường đặc tính mơ-men và cơng suất của 2 động cơ Diesel.................. 11
Hình 1.8. Đồ thị P-V cho chu trình thực với động cơ khơng tăng áp và tăng áp.............. 11
Hình 1.9. Sơ đồ biểu thị sự ảnh hưởng của vị trí bàn đạp ga đến tốc độ động cơ .............15
Hình 1.10. Lượng nhiên liệu liên quan đến tốc độ động cơ và tải, những điều chỉnh cần
thiết để thay đổi nhiệt độ và áp suất khơng khí................................................................ 16
Hình 1.12. Động cơ phun trực tiếp................................................................................... 18
Hình 1.13. Hệ thống có buồng đốt trước.......................................................................... 19
Hình 1.14. Hệ thống có buồng xốy lốc........................................................................... 20
Hình 1.15. Bơm cao áp cho động cơ diesel đầu tiên của Bosch....................................... 21
Hình 1.15. Nhiên liệu tiêu chuẩn để thử nghiệm trị số cetan........................................... 24
Hình 1.16. Quy trình sản xuất dầu diesel sinh học........................................................... 28
Hình 1.17. Hệ thống điều khiển khí nạp trên động cơ diesel........................................... 31
Hình 1.18. Xe thương mại sử dụng bộ tăng áp turbocharger với tuabin dịng đơi............ 33
Hình 1.19. Bộ tăng áp turbocharger có cổng xả ...............................................................35
Hình 1.20. Bộ turbo tăng áp có tuabin thay đổi hình dạng cán........................................ 36
Hình 1.21. Phương thức hoạt động của turbo tăng áp có tuabin thay đổi dịng khí.......... 37
Hình 1.23. Turbo tăng áp hai giai đoạn............................................................................ 40
Hình 1.24. Bộ tăng áp supercharger piston tịnh tiến với piston cứng ...............................41
Hình 1.25. Bộ tăng áp supercharger piston tịnh tiến với màng ngăn ................................41
Hình 1.26. Bộ tăng áp supercharger dạng cánh xoắn .......................................................42
Hình 1.27. Mặt cắt của bộ tăng áp Roots .........................................................................43
Hình 1.28. Sự hình thành sự xốy lốc trong ống nạp .......................................................44

x

Hình 1.29. Lưới lọc trung gian được làm từ sợi tổng hợp ................................................45

x


Hình 1.30. Bộ lọc khí nạp cho xe ơ tơ ..............................................................................46
Hình 1.31. Lọc giấy cho xe thương mại ...........................................................................47
Hình 1.32. Đường cong tỉ lệ A/F khi giọt nhiên liệu đứng yên ........................................49
Hình 1.33. Đường cong tỉ lệ A/F khi giọt nhiên liệu chuyển động ..................................49
Hình 1.34. So sánh sự bắt đầu phun thay đổi theo tốc độ động cơ và tải. ........................50
Hình 1.35.a,b. Chỉ số lượng tiêu hao nhiên liệu b e (bên trái) và lượng NOx (bên phải) tại
thời điểm bắt đầu phun và trong quá trình phun ...............................................................54
Hình 1.35.c,d. Chỉ số lượng phát thải HC (bên trái) và muội than (bên phải) tại thời điểm
bắt đầu phun và trong quá trình phun ...............................................................................54
Hình 1.36. Đường cong áp suất phun cho hệ thống phun nhiên liệu thơng thường.......... 56
Hình 1.37. Đồ thị kiểu phun nhiên liệu của hệ thống Common-rail................................. 56
Hình 1.38. Các giai đoạn phun nhiên liệu trong hệ thống Common-Rail .........................57
Hình 1.40. Áp lực phun trong động cơ phun nhiên liệu trực tiếp tại số vòng quay 1200
vịng/phút ......................................................................................................................... 61
Hình 2.1. Hệ thống cung cấp nhiên liệu trên động cơ Diesel ...........................................62
Hình 2.3. Cấu tạo bơm Roller- cell ..................................................................................68
Hình 2.4. Cấu tạo bơm tiếp vận kiểu bánh răng ...............................................................69
Hình 2.5. Nguyên lý hoạt động của bơm bánh răng .........................................................70
Hình 2.6. Cấu tạo bơm cánh quạt .....................................................................................71
Hình 2.7. Cấu tạo bơm tiếp vận kép .................................................................................72
Hình 2.8. Van điều khiển áp suất cho hệ thống UI/UP .....................................................73
Hình 2.9. Chu trình làm mát nhiên liệu ............................................................................74
Hình 2.11. Van đóng ngắt máy bằng điện (ELAB) ...........................................................77

Hình 2.12. Quá trình cung cấp nhiên liệu sử dụng thiết bị ngắt điện thủy lực (EHAB ....78
Hình 2.13. Bơm PF45 trong hệ thống Common- Rail ......................................................80
Hình 2.14. Các vùng hệ thống của hệ thống UI và UP .....................................................82
Hình 2.15. Áp suất cao sinh ra trong hệ thống UI và UP .................................................83
Hình 2.16. Sơ đồ hệ thống UI sử dụng cho xe khách .......................................................86
Hình 2.17. Sơ đồ hệ thống UI/UP sử dụng cho xe thương mại. .......................................89
Hình 2.19. Sự bố trí kim phun ở nắp máy động cơ (dịng xe thương mại) .......................91
Hình 2.20. Cấu tạo của kim phun UI cho xe khách (dùng cho động cơ có 2 xupap). .......92

xi


Hình 2.21. Cấu tạo kim phun UI cho xe thương mại .......................................................93
Hình 2.22. Kỳ nạp ............................................................................................................94
Hình 2.23. Kỳ nén ............................................................................................................95
Hình 2.24. Bắt đầu phun sơ khởi .....................................................................................96
Hình 2.25. Kết thúc phun sơ khởi ....................................................................................97
Hình 2.27. Kỳ dư .............................................................................................................99
Hình 2.28. Giai đoạn phun sơ khởi: bộ giảm chấn chưa hoạt động ................................100
Hình 2.30. Nguyên lý hoạt động của bơm kim liên hợp UI (cho xe thương mại ............101
Hình 2.31. Cấu tạo của bơm phun cá nhân UP ...............................................................102
Hình 2.32. Cấu tạo của bơm UP dành cho xe thương mại ..............................................103
Hình 2.33. Trình tự kích hoạt van solenoid cao áp .........................................................105
Hình 3.1. Hệ thống Common-Rail trong động cơ điesel 5 xi lanh .................................106
Hình 3.2. Các mơđun hệ thống của ECU động cơ và hệ thống Common-Rail ...............107
Hình 3.3. Mặt cắt bơm cao áp (kiểu cơ khí) ...................................................................109
Hình 3.4. Cấu tạo bơm cao áp CP1(có lắp van điều áp) .................................................111
Hình 3.5. Bơm cao áp CP1H có lắp thiết bị đo nhiên liệu ..............................................112
Hình 3.6. Bơm cao áp CP3 có lắp thiết bị đo nhiên liệu (ZME) và bơm tiếp vận kiểu bánh
răng ................................................................................................................................ 113

Hình 3.7. Cấu tạo bơm cao áp CP2 ................................................................................114
Hình 3.8. Ống phân phối có lắp các bộ phận ..................................................................115
Hình 3.9. Van giảm áp DBV4 ........................................................................................116
Hình 3.10. Cấu tạo van điều áp DRV1 ...........................................................................118
Hình 3.12. Cấu tạo cảm biến áp suất nhiên liệu .............................................................120
Hình 3.13. Đường đặc tính điện áp của cảm biến áp suất cao ........................................121
Hình 3.14. Sơ đồ cấu tạo kim phun solenoid .................................................................122
Hình 3.15. Trình tự kích hoạt của kim phun solenoid cap áp trong 1 lần phun ..............125
Hình 3.16. Cấu tạo kim phun piezo thẳng hàng .............................................................127
Hình 3.17. Nguyên lý hoạt động của van điều khiển .....................................................128
Hình 3.18. Nguyên lý hoạt động của cây đẩy ................................................................130
Hình 3.19. Tần số kích hoạt kim phun piezo thẳng hàng trong một lần phun ................131

xii


Hình 3.20. Các thế hệ vịi phun sử dụng trên các hệ thống phun nhiên liệu và động cơ
Diesel ............................................................................................................................. 132
Hình 3.21. Cấu tạo kim phun lỗ tia kín ..........................................................................134
Hình 3.22. Cấu tạo kim phun lỗ tia kín loại có tia phun dẹt thẳng đứng ........................136
Hình 3.23. Sự thay đổi lưu lượng thể tích nhờ thiết kế của chuôi kim (đầu phun) .........137
Hình 3.24. Cấu tạo ống cách nhiệt .................................................................................137
Hình 3.25. Vị trí của kim phun lỗ tia hở trong buồng đốt ..............................................138
Hình 3.26. Mặt cắt cấu tạo của đầu phun lỗ tia hở .........................................................140
Hình 3.27. Cấu tạo của đầu phun lỗ tia hở có lỗ bao hình trụ và đỉnh hình trịn............ 141
Hình 3.28. Cấu tạo của các loại đầu phun lỗ tia hở ........................................................142
Hình 3.29. Đầu phun lỗ tia kín (VCO) ...........................................................................143
Hình 3.30. Những yếu tố quan trọng của vịi phun ........................................................144
Hình 3.31. Sự phát triển một số cơng cụ dành cho vịi phun ..........................................146
Hình 3.32. Sơ đồ cấu tạo đót kim sử dụng trong động cơ phun trực tiếp (DI) ...............147

Hình 3.34. Cấu tạo đót kim tiêu chuẩn sử dụng trong động cơ phun trực tiếp (DI) .......149
Hình 3.35. Cấu tạo bộ giảm chấn van kim .....................................................................150
Hình 3.37. Đồ thị đường đặc tính của đót kim hai lị xo ................................................152
Hình 3.38. Cấu tạo đót kim có bậc .................................................................................153
Hình 3.39.Cấu tạo đót kim có cảm biến chuyển động van kim ......................................154
Hình 3.40. Tín hiệu của cảm biến chuyển động van kim ...............................................155
Hình 3.41. Bộ phận nối ống cao áp được lắp mặt côn làm kín có đai ốc ........................156
Hình 3.42. Các kích thước của mặt cơn làm kín ............................................................157
Hình 3.43. Sơ đồ mặt cắt đầu nối chịu tải trọng lớn .......................................................158
Hình 3.44. Sơ đồ cấu tạo khớp nối vng góc ...............................................................158
Hình 3.45. Sơ đồ ngun lý hoạt động của hệ thống Common-Rail ..............................161
Hình 3.46. Hệ thống Common-Rail thế hệ thứ hai trên động cơ 4 xi lanh ....................166
Hình 3.47. Hệ thống Common- Rail thế hệ thứ hai với động cơ V8 sử dụng hệ thống kết
hợp ................................................................................................................................. 166
Hình 3.48. Hệ thống Common- Rail trên động cơ 4 xilanh sử dụng hệ thống kết hợp....166
Hình 3.49. Sơ đồ hệ thống CR sử dụng cho xe khách ....................................................169
Hình 3.50. Hệ thống Common- Rail trên xe thương mại sử dụng bơm cao áp CP3 .......170
Hình 3.51. Sơ đồ hệ thống Conmon-Rail trên xe thương mại ........................................173

xiii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Tiêu chuẩn nhiên liệu ở Châu Âu..................................................................... 23
Bảng 1.2. Tính chất của nhiên liệu diesel và FAME (Biodiesel sinh học)....................... 29
Bảng 3.1. Hệ thống bơm cao áp của Bosch sử dụng trong hệ thống Common-Rail........107
Bảng 3.2. Các kích thước chính của ống phân phối cao áp (mm).................................. 160

xiv

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DIESEL
1.1.

Lịch sử ra đời của động cơ Diesel

Ngay từ đầu năm 1863, một người Pháp tên Etienne Lenoir đã vận hành một chiếc xe
được trang bị động cơ sử dụng khí mà ông đã phát triển. Tuy nhiên, thiết bị này được
chứng minh là không phù hợp cho việc lắp đặt trong xe. Mãi đến khi động cơ bốn thì của
Nikolaus August Otto với hệ thống đánh lửa magneto hoạt động với nhiên liệu lỏng ra
đời, thì việc lắp đặt động cơ trên xe mới có thể thực hiện.
Tuy nhiên, loại động cơ này không mang lại hiệu quả cao. Về mặt lý thuyết, động cơ
của Rudolf Diesel đã đạt đuợc hiệu suất cao hơn và ông đã theo đuổi ý tưởng này cho đến
khi nó được sản suất hàng loạt.
Năm 1897, với sự hợp tác của Maschinen-Fabrik Augsburg-Nürnberg (MAN), Rudolf
Diesel đã chế tạo ra một động cơ đầu tiên sử dụng nhiên liệu nặng rẻ tiền. Tuy nhiên,
động cơ diesel đầu tiên này rất cồng kềnh, nó cao 3 mét và nặng đến 4,5 tấn. Vì lý do đó,
động cơ này vẫn chưa được quan tâm để sử dụng trên các phương tiện đường bộ.
Với những cải tiến hơn nữa trong việc phun nhiên liệu và sự hình thành hỗn hợp, phát
minh Diesel sớm được mọi người ưa chuộng và khơng cịn lựa chọn nào khác cho động
cơ tàu thủy và động cơ tĩnh tại.

Hình 1.1. Chân dung của Rudolf Diesel và bằng sáng chế động cơ mới của ông
Rudolf Diesel (1858-1913), sinh ra ở Paris, đã quyết định trở thành kĩ sư từ khi 14
tuổi. Ông đã trở thành kĩ sư tốt nghiệp xuất sắc tại Đại học Bách khoa Munich.
1


1.1.1. Ý tưởng cho một động cơ mới
Ý tưởng của Diesel là thiết kế động cơ với hiệu quả cao hơn đáng kể so với động cơ

hơi nước – một loại động cơ phổ biến tại thời điểm đó.
Một động cơ dựa trên chu trình đẳng nhiệt theo lý thuyết của nhà vật lý người Pháp
Sadi Carnot, có thể được vận hành với một hiệu quả cao hơn 90%. Ban đầu, Diesel phác
thảo động cơ của mình trên giấy dựa trên mơ hình của Carnot. Mục đích của ơng là thiết
kế một động cơ mạnh mẽ nhưng kích thước lại không cồng kềnh. Diesel đã hoàn toàn tin
tưởng bởi các chức năng và sức mạnh của động cơ do ông phát triển.
1.1.2. Bằng sáng chế của Diesel
Diesel đã hoàn thành việc nghiên cứu lý thuyết của mình trong năm 1890 và cho đến
ngày 27 tháng 2 năm 1892, ông gửi đơn xin cấp bằng phát minh đến Imperial Patent
Office ở Berlin cho động cơ nhiệt mới của ông. Ngày 23 tháng 2 năm 1893, ông nhận
được bằng sáng chế DRP 67207 “Quá trình vận hành và cấu trúc động cơ đốt trong”, có
giá trị từ ngày 28 tháng 2 năm 1892. Động cơ mới này ban đầu chỉ tồn tại trên lý thút.
Độ chính xác trong tính tốn của ơng đã được xác minh nhiều lần nhưng nhà sản xuất vẫn
hoài nghi về các tính khả thi của động cơ.
1.1.3. Thực hiện hóa động cơ
Các cơng ty có kinh nghiệm trong việc xây dựng động cơ, chẳng hạn như
Gasmotoren-Fabrik Deutz AG cũng e ngại dự án của ông. Thời điểm đó, việc tạo ra áp
suất nén 250 bar là khó thực hiện. Năm 1893, sau nhiều tháng nỗ lực, Diesel cuối cùng đã
thành công trong thỏa thuận làm việc với Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg
(MAN). Tuy nhiên, thỏa thuận chứa những nhượng bộ của Diesel trong một vài khía
cạnh. Áp lực tối đa đã được giảm từ 250 xuống 90 bar, sau đó chỉ còn 30 bar. Việc giảm
áp lực thấp như vậy (không thể nâng cao đựợc do những khó khăn trong chế tạo cơ khí
thời bấy giờ) đã có một tác động bất lợi lên tính cháy của nhiên liệu. Kế hoạch ban đầu
của Diesel là sử dụng bụi than làm nhiên liệu và điều này đã bị bác bỏ. Cuối cùng, vào
mùa xuân năm 1893, MAN bắt đầu chế tạo thử nghiệm động cơ đầu tiên không được làm
mát. Ban đầu dầu lửa được chọn làm nhiên liệu, nhưng nhiên liệu được sử dụng lại là
xăng, bởi vì những suy nghĩ sai lầm là xăng sẽ tự bắt lửa dễ dàng hơn.
Nguyên lý tự cháy – tức là việc phun nhiên liệu vào khí cháy nóng và có áp suất cao
trong khi nén được khẳng định trong động cơ này.
2

Trong động cơ thử nghiệm thứ hai, nhiên liệu không được bơm và hoá sương trực tiếp
nhưng có sự trợ giúp của khí nén. Động cơ cũng được cung cấp một hệ thống làm mát.
Cho đến động cơ thử nghiệm thứ ba, một thiết kế mới với một máy bơm không khí đơn lẻ
cho việc phun khí nén, một bước đột phá mới. Vào ngày 17 tháng hai năm 1897, Giáo
sư Moritz Schröder của Đại học Bách khoa Munich đã chấp nhận các thí nghiệm này. Kết
quả kiểm tra đã xác nhận rằng hiệu suất động cơ đã đạt được 26,2%.
Vào ngày 29 tháng 9 năm 1913, ông được cho là đã rơi xuống biển trên một chuyến
tàu đi vào nước Anh.
1.2.

Các lĩnh vực ứng dụng động cơ Diesel
1.2.1. Động cơ Diesel sử dụng trên xe thương mại

Hình 1.2. Động cơ diesel phun trực tiếp đầu tiên của MAN, 1924
Do áp lực xi lanh cao, động cơ diesel đầu tiên rất lớn và cồng kềnh, do đó nó hoàn
toàn không phù hợp khi áp dụng trên các phương tiện di động. Cho đến đầu những năm
1920, những động cơ diesel đầu tiên đã được thực hiện. Không bị gián đoạn bởi chiến
tranh thế giới thứ nhất, Prosper L'Orange - một thành viên trong ban giám đốc điều hành
của Benz & Cie – vẫn tiếp tục công việc phát triển động cơ diesel. Vào năm 1923, các
động cơ diesel đầu tiên sử dụng cho phương tiện đường bộ đã được lắp trên xe tải có tải
trọng 5 tấn với động cơ 4 kỳ có buồng đốt trước, thể tích 8.8L đạt công suất 45 50bhp. Xe tải của Benz sử dụng nhiên liệu than nâu được lái thử nghiệm lần đầu tiên vào
3


ngày 10 tháng 9. Lượng tiêu hao nhiên liệu thấp hơn 25% so với động cơ sử dụng nhiên
liệu là benzen. Hơn nữa, các nhiên liệu như than nâu rẻ hơn nhiều so với các nhiên liệu
lỏng như benzen (do bị đánh thuế cao hơn).

Hình 1.3. Xe tải MAN chạy bằng động cơ diesel
Công ty Daimler đã tham gia vào việc phát triển động cơ diesel trước chiến tranh thế
giới thứ nhất. Sau khi chiến tranh kết thúc, công ty này đã áp dụng động cơ diesel cho xe
thương mại. Lần lái thử nghiệm đầu tiên được tiến hành ngày 23 Tháng 8 năm 1923 Cùng thời điểm với chiếc xe tải của Benz. Vào cuối tháng 9 năm 1923, lần lái thử nghiệm
tiếp theo được tiến hành từ nhà máy của Daimler ở Berlin đến Stuttgart và quay về lại
nhà máy Daimler.
Mẫu xe tải trang bị động cơ diesel đầu tiên đã được trưng bày tại buổi triển lãm ô tô ở
Berlin vào năm 1924. Ba mẫu xe được giới thiệu với mỗi hệ thống khác nhau theo sự
phát triển của động cơ diesel:
-

Động cơ diesel của Daimler với công nghệ phun bằng khí nén.
Động cơ diesel của Benz có buồng đốt trước.
Động cơ diesel của MAN với công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp.

Theo thời gian, động cơ diesel ngày càng trở nên phổ biến. Các loại động cơ diesel
đầu tiên là động cơ bốn xi lanh với công suất đầu ra là 40bhp. Năm 1928, động cơ với
công suất trên 60 mã lực trở nên phổ biến. Cuối cùng, động cơ 6 và 8 xi-lanh có công
suất lớn cũng ra đời và được sử dụng cho xe thương mại có tải trọng lớn. Năm 1932,
4


phạm vi công suất được tăng lên đến 140bhp.
Vào năm 1932, với sự đột phá của động cơ diesel, hàng loạt xe tải được sản xuất bởi
cơng ty Daimler-Benz. Dịng xe tải Lo2000 có phạm vi tải trọng cho phép từ 2-5 tấn sử
dụng động cơ 4 xi lanh OM59, có thể tích 3,8lít và đạt công suất 55bhp. Phạm vi tải trọng
được mở rộng lên đến 5 - 10,8 tấn với dòng xe tải L5000. Tất cả những dòng xe trên
cũng có thể được trang bị động cơ xăng có công suất đầu ra giống nhau, tuy nhiên động
cơ xăng tiêu thụ nhiên liệu nhiều hơn động cơ diesel.
Cho đến ngày nay, động cơ diesel đã duy trì được vị trí ưu thế trong lĩnh vực xe

thương mại do hiệu quả kinh tế mà nó mang lại. Hầu như các loại xe có tải trọng lớn đều
sử dụng động cơ diesel. Tại Nhật Bản, động cơ này hầu như chỉ sử dụng ở các xe có tải
trọng lớn. Tuy nhiên, ở Mỹ và châu Âu, động cơ tăng áp với hệ thống làm mát khí nạp rất
được ưa chuộng.
1.2.2. Động cơ diesel sử dụng trên xe khách

Hình 1.4. Bơm phun nhiên liệu thẳng hàng của Bosch trong động cơ xe Mercedes
260D

Một vài năm trôi qua trước khi động cơ diesel sử dụng trên xe khách được ra mắt.
Vào năm 1936, khi xe Mercedes 260D xuất hiện với động cơ diesel bốn kỳ có công suất
đầu ra 45bhp. Tại thời điểm này, công suất của động cơ diesel không đủ lớn, nó quá yếu
5


so với động cơ xăng. Hình ảnh của nó chỉ được thay đổi vào những năm 1990. Với hệ
thống tăng áp khí xả và hệ thống phun nhiên liệu cao áp, động cơ diesel bây giờ đã ở vị
trí ngang hàng với động cơ xăng. Không giống như động cơ xăng, động cơ điesel không
sinh ra tiếng gõ, nó cũng có thể được tăng áp trong phạm vi tốc độ thấp hơn giúp tăng
momen xoắn và hiệu suất dẫn động tốt hơn. Một ưu điểm khác của động cơ diesel đó là
hiệu suất động cơ cao. Vì thế mà động cơ diesel ngày càng trở nên được ưa chuộng trong
giới lái xe ở châu Âu, cứ khoảng 2 xe được đăng kí mới thì có 1 xe là sử dụng động cơ
diesel.
1.2.3. Những lĩnh vực ứng dụng khác
Khi thời kỳ của máy hơi nước và thuyền buồm vượt qua đại dương dần trở nên lạc
hậu vào đầu thế kỷ 20, động cơ diesel cũng được xuất hiện và trở thành một phương thức
vận tải mới. Con tàu đầu tiên được trang bị động cơ diesel có công suất 25 mã lực đã
được giới thiệu vào năm 1903. Xe lửa đầu tiên được trang bị động cơ diesel và bắt đầu
đưa vào phục vụ vào năm 1913. Công suất động cơ của xe lửa này là 1,000bhp. Thậm chí
những nhà tiên phong về lĩnh vực hàng không cũng đã có sự quan tâm đến động cơ

diesel. Động cơ diesel đã được sử dụng để cung cấp sự đẩy trên chiếc khinh khí cầu Graf
Zeppelin.

1.3.

Nguyên lý hoạt động của động cơ Diesel

6


Hình 1.5. Quá trình hoạt động của động cơ diesel 4 kỳ
Kì nạp, b- Kì nén, c- Kì nổ, d- Kì xả
1- Trục cam nạp, 2- Kim phun nhiên liệu, 3- Xupap nạp, 4- Xupap xả, 5- Buồng đốt,
6- Piston, 7- Thành xi lanh, 8- Thanh truyền, 9- Trục khuỷu, 10- Trục cam xả
1.3.1. Động cơ Diesel 4 kỳ
Trên một động cơ diesel bốn thì, xupap nạp và xupap xả kiểm sốt lượng khơng khí
vào và thải khí đốt sau kì cháy. Mỗi cổng đầu vào và xả có thể có một hoặc hai xupap.

 Kỳ nạp (a)
Piston đi từ điểm chết trên (TDC) xuống điểm chết dưới (BDC). Xupap nạp mở,
xupap thải đóng. Piston được trục khuỷu dẫn động đi xuống, áp suất trong xi lanh giảm,
không khí trong đường ống nạp đi vào xi lanh qua cửa nạp nhờ sự chênh lệch áp suất.

 Kỳ nén (b)
Piston đi từ BDC lên TDC. Xupap nạp và xả đều đóng. Piston được trục khuỷu dẫn
động đi lên làm thể tích trong xi lanh giảm, nên áp suất và nhiệt độ của khí nạp trong xi
lanh tăng. Cuối kì nén, kim phun phun một lượng nhiên liệu với áp suất cao vào buồng
đốt.

 Kỳ nổ (c)

Piston đi từ TDC xuống BDC. Xupap nạp và xả đều đóng. Nhiên liệu được phun tơi
vào buồng đốt (từ cuối kì nén) hịa trộn với khí nóng tạo thành hòa khí. Trong điều kiện
áp suất và nhiệt độ trong xi lanh cao, hòa khí tự bốc cháy sinh ra áp lực cao đẩy piston đi
xuống làm trục khuỷu quay và sinh công thông qua thanh truyền.
7