Nghiên cứu, khai thác hệ thống phun diesel điện tử kiểu bơm cao áp vòi phun kết hợp (uis) và bơm cao áp riêng biệt (ups) của hãng bosch

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU DIESEL CỦA HÃNG BOSCH 1.1.Quá trình cháy của động cơ diesel 1.1.1. Đặc điểm quá trình cháy của động cơ diesel Quá trình cháy của động cơ diesel có 3 đặc điểm đó là : a, Cháy hỗn hợp không đồng nhất Hỗn hợp cháy của động cơ diesel được coi là hỗn hợp không đồng nhất vì quá trình tạo hỗn hợp trong động cơ diesel chỉ được thực hiện trong một thời gian ngắn. Do vậy mà trong buồng cháy của động cơ sẽ có những vùng nhiều nhiên liệu ít không khí (hỗn hợp giàu) và ngược lại cũng có những vùng ít nhiên liệu nhiều không khí (hỗn hợp nghèo). b, Quá trình cháy trong động cơ diesel là quá trình tự bốc cháy Sự bốc cháy của hỗn hợp nhiên liệu diesel trong buồng cháy được thực hiện không phải từ nguồn tia lửa điện như động cơ xăng mà do sự gia tốc của các phản ứng oxy hoá toả nhiệt dưới tác dụng của áp suất và nhiệt độ cao cuối quá trình nén. Sự bốc cháy trước tiên có thể xảy ra ở một hoặc nhiều trung tâm cháy mà ở đó nồng độ nhiên liệu và không khí là phù hợp nhất. Sự xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên này sẽ làm tăng nhiệt độ và áp xuất đẩy mạnh các phản ứng tạo thành màng lửa và đốt cháy toàn bộ hỗn hợp nhiên liệu trong buồng cháy. c, Hỗn hợp cháy trong động cơ diesel có hệ số dư lượng không khí cao Hệ số dư lượng không khí là tỷ số giưa lượng không khí lý thuyết và lượng không khí thực tế cần thiết để đốt cháy hoàn toàn một đơn vị nhiên liệu được kí hiệu α + α < 1 hỗn hợp "đậm" + α > 1 hỗn hợp "nhạt" + α = 1 lượng không khí lý thuyết và thực tế bằng nhau, hỗn hợp trung hoà hỗn hợp cháy trong động cơ diesel có hệ số dư lượng không khí cao nghĩa là lượng không khí thực tế trong buồng cháy nhiều hơn so với lý thuyết.Việc chuẩn bị cho hỗn hợp không đồng nhất bốc cháy trong một khoảng thời gian ngắn là điều rất khó khăn, do đó cần phải sử dụng hỗn hợp có hệ số dư lượng không khí lớn để thoả mãn các yêu cầu gia tốc các giai đoạn phản ứng ôxy hoá, khi hỗn hợp có hệ số dư lượng không khí cao thì xác xuất va chạm giữa các phân tử nhiên liệu với phân tử ôxy càng cao và kết quả là làm cho số lượng các trung tâm hoạt tính và tốc độ cháy tăng, quá trình cháy diễn ra dễ dàng, đảm bảo tốc độ toả nhiệt, giảm sự cháy rớt không có lợi cho động cơ. 1.1.2 Diễn biến quá trình cháy Quá trình cháy của động cơ diesel có thể chia làm 4 giai đoạn như trên Hình 1.1 : ap Hình 1.1: Diễn biến quá trình cháy của động cơ diesel 4 kỳ a, Giai đoạn 1: cháy trễ (A- B) Giai đoạn này được tính từ thời điểm bắt đầu cung cấp nhiên liệu vào xi lanh cho đến thời điểm áp suất trong xi lanh tăng rõ rệt so với áp suất nén thuần tuý. Đây là giai đoạn chuẩn bị cho sự cháy, trong giai đoạn này các hạt nhiên liệu nhỏ được phun vào và bay hơi rồi hoà trộn với không khí trong xi lanh để tạo thành hỗn hợp dễ bốc cháy. Sự tăng áp suất trong giai đoạn 1 chủ yếu là do quá trình nén tạo nên, lượng nhiên liệu cung cấp vào giai đoạn này chiếm 30% ÷40% so với toàn bộ số nhiên liệu cung cấp cho một chu trình. b, Giai đoạn 2: ngọn lửa lan truyền (B- C ) Giai đoạn này được tính từ thời điểm áp suất trong xi lanh tăng rõ rệt đến khi đạt cực đại Pmax . Đây là giai đoạn phát triển của những trung tâm cháy và lan tràn màng lửa, ở giai đoạn 2 áp suất trong xi lanh tăng mạnh, nhiên liệu vẫn tiếp tục phun vào buồng cháy. Ở cuối giai đoạn này tốc độ cháy và tốc độ toả nhiệt khi cháy đều đạt cực đại, sở dĩ có sự toả nhiệt như vậy là do có sự chuẩn bị trước phần nhiên liệu đã phun ở giai đoạn 1 và bốc cháy, số lượng nhiệt toả ra trong giai đoạn này chiếm khoảng 30% toàn bộ số nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp trong toàn bộ chu trình. c, Giai đoạn 3 : cháy chính (C –D ) Đây là giai đoạn cháy chính và được tính từ thời điểm áp suất cháy đạt giá tri max đến khi nhiệt độ cháy đạt giá trị Tmax .Trong giai đoạn này nhiên liệu vẫn được phun vào và bắt cháy trực tiếp do có ngọn lửa trong xi lanh lượng nhiệt sinh ra trong giai đoạn này chiếm 40% ÷ 50%. Tuy nhiên ở cuối giai đoạn 3 mặc dù nhiệt độ cháy đạt giá trị cực đại nhưng áp suất khí trong xy lanh lại giảm nhanh là do thể tích công tác của xi lanh đã tăng lên. d, Giai đoạn 4 : cháy rớt (D – E ) Giai đoạn này được tính từ thời điểm nhiệt độ không khí trong xi lanh đạt Tmax đến khí kết thúc toàn bộ quá trình cháy, sự phun nhiên liệu kết thúc tại điểm D, nhiên liệu chưa ở trạng thái cháy sẽ tiếp tục cháy .Nếu giai đoạn 4 kéo dài sẽ làm tăng nhiệt độ khí thải dẫn đến tổn thất nhiệt cho nước làm mát, ứng suất nhiệt cho các chi tiết tăng, công suất động cơ giảm, tổn hao nhiên liệu hàm lượng khí thải độc hại tăng. Điều này không có lợi vì vậy cần phải hạn chế giai đoạn cháy rơt bằng cách điều chỉnh thời điểm và thời gian cung cấp nhiên liệu. 1.2. Những vấn đề cơ bản của quá trình phun hệ nhiên liệu diesel 1.2.1. Yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu diesel Quá trình cháy của động cơ diesel về bản chất là sự tự bốc cháy của hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong buồng cháy. Một trong những yếu tố quan trọng liên quan tới sự cháy của nhiên liệu trong buồng cháy như là : Khoảng thời gian phun, mức độ nguyên tử hoá của nhiên liệu trong buồng cháy, thời điểm bốc cháy, lượng nhiên liệu phun theo góc quay trục khuỷu và tổng lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình. Hệ thống nhiên liệu phải đảm bảo những chức năng cân bằng giữa các yếu tố đó. Những yếu tố của một hệ thống nhiên liệu có thể ảnh hưởng tới quá trình cháy, mức độ độc hại khí xả, công suất ra của động cơ là: + Điểm bắt đầu của quá trình phun + Quy luật cung cấp nhiên liệu + Áp suất phun + Hướng tia phun và số lượng tia phun Hệ thống nhiên liệu diesel phải đảm bảo những yêu cầu sau : + Cung cấp nhiên liệu đúng liều lượng phù hợp với các chế độ tốc độ và phụ tải của động cơ + Đảm bảo phun nhiên liệu tơi và phân bố đều khắp không gian buồng cháy + Có quy luật cung cấp nhiên liệu tốt nhât ở mọi chế độ làm việc của động cơ + Lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình ở các xi lanh phải đều nhau + Đảm bảo làm việc lâu dài không cần điều chỉnh, tuổi thọ các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu không được thấp hơn tuổi thọ của động cơ. 1.2.2. Sự phân bố hỗn hợp Hệ số dư lượng không khí là tỷ số giữa lượng không khí thực tế L(M) và lượng không khí cần thiết lý thuyết L0(M0) để đốt cháy hoàn toàn một đơn vị nhiên liệu và được ký hiệu là α α = = hoặc α = trong đó GKK,Gnl : lượng tiêu thụ không khí và nhiên liệu cho động cơ trong một giờ, kg/h Hệ số dư lượng không khí là một thông số đánh giá chất lượng tạo hỗn hợp. Hệ số dư lượng không khí có thể nhỏ hơn, bằng hoặc lớn hơn 1 + α < 1 ta có hỗn hợp đậm ( thí dụ trong một số chế độ làm việc như khởi động, không tải hoặc toàn tải ) + α > 1 ta có hỗn hợp nhạt Mức chỉ số α cho động cơ diesel tăng áp ở chế độ toàn tải nằm vào khoảng 1,15 ÷ 2,0 và khi không tải mức chỉ số α có thể lớn hơn 10. Đối với các động cơ diesel mức chỉ số α thích hợp nhất cho quá trình cháy mà ở đó hàm lượng NOx và muội than trong khí xả nhỏ nhất nằm trong khoảng 0,3 ÷ 1,5, [3] Ở những chế độ hoạt động khác nhau của động cơ thì mức chỉ số α cũng phải được điều chỉnh cho thích hợp. Khi động cơ làm việc ở nơi độ cao lơn, áp suất thấp hay ở chế độ vòng quay lớn thì động cơ cần phải được chạy với hệ số dư lượng không khí nhỏ để đảm bảo công suất ra cho động cơ. 1.2.3. Thời gian phun Thời gian phun được tính từ thời điểm bắt đầu phun cho đến thời điểm phun kết thúc hoàn toàn, thời gian phun diễn ra trong thời gian rất ngắn tính bằng mini giây (ms) hoặc độ góc quay của trục khuỷu (0GQTK). Đối với hệ thống nhiên liệu diesel của hãng Bosch thời gian phun với các loại động cơ phổ biến nằm trong phạm vi sau: + Đối với động diesel xe con sử dụng hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp : 32 ÷ 38 (0GQTK) + Đối với động cơ diesel xe con sử dụng hệ thống phun nhiên liệu gián tiếp : 35 ÷ 40 (0GQTK) + Đối với động cơ diesel xe tải sử dụng hệ thống phun trực tiếp là: 25 ÷ 36 (0GQTK) Thời gian phun là một thông số quan trọng ảnh hưởng lớn đến đặc tính phun, chất lượng cháy của hỗn hợp nhiên liệu, việc điều chỉnh hợp lý thời gian cung cấp nhiên liệu được đặc trưng bởi hai yếu tố là: thời điểm bắt đầu phun và thời điểm kết thúc phun là yêu cầu hàng đầu của nhà thiết kế nhằm tăng công suất động cơ, giảm độ độc hại của khí thải. Ta xét ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun và khoảng thời gian phun đến suất tiêu hao nhiên liệu và nồng độ khí xả đối với động cơ diesel 6 xi lanh lắp hệ thống nhiên liệu Common Rail của hãng Bosch, động cơ hoạt động ở chế độ 50% tải và số vòng quay là 1400 vg/ được mô tả dưới các đồ thị sau đây: Hình 1.2 : Ảnh hưởng của thời điểm phun và thời gian phun đến suất tiêu hao nhiên liệu ge Hình 1.3 : Ảnh hưởng của thời điểm phun và thời gian phun đến hàm lượng NOx trong khí thải Hình 1.4 : Ảnh hưởng của thời điểm phun và thời gian phun đến hàm lượng HC trong khí xả Hình 1.5 : Ảnh hưởng của thời điểm phun và thời gian phun đến hàm lượng PM trong khí thải Những động cơ diesel hiện đại có khả năng điều chỉnh linh hoạt hai yếu tố này nhờ bản đồ dữ liệu điện tử trong ECU, đây cũng là xu hướng phát triển của động cơ diesel thế hệ mới. 1.2.4. Thời điểm phun và kêt thúc phun Như đã phân tích ở trên đối với động cơ diesel thời điểm bắt đầu phun cần phải được điều chỉnh hợp lý, chính xác vì nó ảnh hưỏng tới rất nhiều yếu tố đó là : + Sự pha trộn nhiên liệu và không khí (chất lượng hỗn hợp nhiên liêu ) + Quá trình cháy + Công suất của động cơ + Tính kinh tế nhiên liệu + mức độ ô nhiễm khí thải,tiếng ồn Nếu phun sớm quá ,quá trình cháy kéo dài áp suất quá trình cháy tăng quá cao dẫn đến giảm công suất động cơ ,xuất hiện tiếng gõ máy lớn. Nếu thời điểm phun muôn quá chất lượng tạo hỗn hợp không tốt ,thời gian cháy tăng và đặc biệt gây ra hiện tượng cháy rớt không có lợi cho động cơ nó sẽ làm hàm lượng NOx, CO, HC tăng trong khí thải và khi đó khói xả ra sẽ có màu đen sậm. Đối với hệ thống phun nhiên liệu điện tử sự thay đổi thời điểm phun do tín hiệu điện tử từ ECU quyết định, ECU thực chất là một máy vi tính được nạp sẵn các thông số chuẩn gọi là bản đồ dữ liệu điện tử. Các thông số này sẽ được so sánh với các giá trị thực tế đo được nhờ các thiết bị cảm biến đo đạc, chúng sẽ được chuyển tới ECU để phân tích căn cứ vào đó ECU sẽ đưa ra tín hiệu đến cơ cấu chấp hành để điều chỉnh thời điểm phun và thời điểm kết thúc phun. Các động cơ diesel đáp ứng theo tiêu chuẩn khí thải của châu âu EURO III đều có thời điểm phun vào khoảng 0 ÷ 8 độ trước ĐCT. Thời điểm bắt đầu phun và kết thúc phun đối với một số hệ thống nhiên liệu diesel của hãng Bosch [3]như sau : - Động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp sử dụng trên xe con : + Chế độ không tải : từ -20 đến +40 so với ĐCT + Chế độ tải cục bộ : từ -60 đến +40 so với ĐCT + Chế độ toàn tải : từ -60 đến +150 so với ĐCT - Động cơ diesel phun trực tiếp sử dụng trên các xe tải : + Chế độ không tải : từ -40 đến +120 so với ĐCT + Chế độ toàn tải : từ -30 hoặc -60 đến +20 so với ĐCT Khi khởi động ở thời tiết lạnh, phun sớm 3 ÷ 10 độ GQTK so với bình thường. 1.2.5. Lượng nhiên liệu phun Lượng nhiên liệu cấp cho một xi lanh trong một chu trình công tác tính theo (mg) được xác định theo công thức sau : = [ mg/ chu trình ] trong đó : : lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình, [mg] P : công suất của động cơ, [kw] n : tốc độ của động cơ, [vg/ph] z : số xi lanh của động cơ ge : suất tiêu hao nhiên liệu, [g/kw.h] Lượng nhiên liệu cấp cho một xi lanh trong một chu trình, tính bằng thể tích được xác định theo công thức sau đây : = [ mm3/chu trình ] trong đó : QH : lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình, [mm3] P : công suất của động cơ, [kw] n : tốc độ của động cơ, [vg/ph] z : số xi lanh của động cơ ρ : khối lượng riêng của nhiên liệu, [mg/mm3] - Lượng nhiên liệu phun phụ thuộc vào các yếu tố của hệ thống phun như là: + Tiết diện của vòi phun + Khoảng thời gian phun + Độ chênh áp giữa áp suất vòi phun và áp suất không khí trong buồng cháy + Số lượng tia phun 1.2.6. Áp suất phun Quá trình phun nhiên liệu sử dụng áp suất của hệ thống để hình thành nên các tia phun, dưới sức ép của áp suất, nhiên liệu được phun vào buồng cháy dưới dạng các tia rất nhỏ. Sự nguyên tử hoá được gây ra bởi sự va chạm hỗn loạn của nhiên liệu và không khí chuyển động trong buồng cháy. Áp suất phun càng cao thì quá trình nguyên tử hoá diễn ra càng tốt, hỗn hợp cháy càng hoàn hảo. Bằng sự thay đổi tiết diện của đường ống cao áp có thể dẫn đến áp suất nhiên liệu tại vòi phun lớn hơn áp suất nhiên liệu tại bơm cao áp. a, Động cơ phun trực tiếp Ở những động cơ diesel phun trực tiếp, tốc độ chuyển động của dòng không khí trong buồng cháy là tương đối thấp. Mức độ xoáy lốc của dòng khí đạt cao nhất khi pít tông gần đến ĐCT. Nhiên liệu phải được phun vào buồng cháy ở thời điểm áp suất trong buồng cháy là lớn nhất. Ở áp suất phun nhiên liệu cao vào khoảng 2000 bar mức độ khói đen và nồng độ độc hại khí thải là thấp nhất. Những động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp thế hệ mới bây giờ sử dụng áp suất phun ở chế độ toàn tải vào khoảng 1000 ÷ 2050 bar đối với các loại động cơ diesel xe con và 1000 ÷ 1800 bar đối với các loại động cơ diesel xe tải. Tuy nhiên áp suất cao này chỉ có thể đạt được ở những động cơ có tốc độ cao (trừ hệ thống nhiên liệu kiểu common rail), để đảm bảo đặc tính kéo tốt và mức độ khí xả thấp khi động cơ hoạt động ở chế độ tải thấp yêu cầu hệ thống nhiên liệu phải được phun với áp cao, để đạt được mô men kéo tốt thì áp suất nằm khoảng 800 ÷ 1400 bar đối với cả các loại xe du con và xe tải. b, Động cơ phun gián tiếp Đối với những động cơ phun nhiên liệu gián tiếp, nhiên liệu sẽ được phun vào buồng cháy phụ để tận dụng sự xoáy lốc lớn của dòng khí, tại đây hỗn hợp nhiên liệu sẽ cháy sớm dẫn đến sự tăng áp suất, sự tăng áp suất này làm cho toàn bộ hỗn hợp cháy bị đẩy ra ngoài qua rãnh nối để vào buồng cháy chính, ở đây quá trình cháy chính của động cơ mới bắt đầu. Những loại động cơ phun gián tiếp này việc tăng áp suất lên trên 450 bar không đạt được hiệu quả có lợi. 1.2.7. Hướng phun và số tia phun 1. Động cơ phun trực tiếp Động cơ phun trực tiếp sử dụng vòi phun kín kiểu lỗ, số lượng lỗ phun từ 4 ÷ 10 lỗ, (thông thường sử dụng 6 ÷8 lỗ phun). Hướng của tia phun được đặt phù hợp với kết cấu của buồng cháy để tận dụng mức độ xoáy lốc của dòng khí trong buồng cháy. 2. Động cơ phun gián tiếp Động cơ phun gián tiếp chỉ sử dụng vòi phun kín kiểu chốt vì vậy mà chỉ có một tia phun đơn, tia nhiên liệu sẽ được phun vào buồng cháy phụ theo hướng của dòng khí đi lên để nhiên liệu có thể xé tơi tốt, nếu trong buồng cháy phụ có lắp buji sấy thì hướng tia phun sẽ hướng vào đầu buji sấy. Những sự sai lệch về hướng tia phun sẽ làm cho quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu không tận dụng hết được lượng không khí có trong buồng cháy, kết quả là dẫn đến hiện tượng khói đen, lượng HC ở trong khí thải lớn. 1.3. Quy luật cung cấp nhiên liệu 1.3.1. Quá trình phun nhiên liệu Quá trình cháy của động cơ diesel thực chất là sự tự bốc cháy của nhiên liệu hoà trộn với không khí dưới tác dụng của áp suất và nhiệt độ cao. Để đạt được nhiệt độ và áp suất cao như vậy ngay cả khi tốc độ động cơ thấp cần một lượng lớn không khí hút vào trong xi lanh nên động cơ diesel không dùng bướm ga vì cản trở dòng khí nạp. Muốn đảm bảo chất lượng tạo hỗn hợp trong động cơ diesel thì nhiên liệu phải được phun tơi thành các hạt nhỏ kích thước đều nhau để đảm bảo quá trình cháy nhanh và cháy hoàn toàn, kích thước hạt nhiên liệu phải nằm trong khoảng 5 ÷ 50 μm, nếu kích thước các hạt nhiên liệu lớn hơn sẽ làm tăng quá trình cháy rớt và tạo ra muội than thải ra ngoài ở dạng khói đen. Ngược lại nếu kích thước các hạt nhiên liệu quá nhỏ chúng sẽ bay hơi ngay ở gần đầu vòi phun, hạn chế khả năng xuyên sâu của chùm tia phun và do đó sử dụng hết oxy của không khí trong buồng cháy. Sau khí phun nhiên liệu phải được xé tơi và phân bố đều khắp không gian buồng cháy.Quá trình xé tơi tia nhiên liệu sau khi phun vào buồng cháy được xảy ra dưới tác dụng của các yếu tố bên trong và bên ngoài. Những yếu tố bên trong bao gồm: sức căng bề mặt của nhiên liệu, tính chất rối loạn của nhiên liệu trong lỗ phun, các tính chất vật lý của nhiên liệu như độ nhớt, tính chịu nén. Những yếu tố bên ngoài gồm: ma sát giữa dòng nhiên liệu với thành lỗ phun, lực cản khí động của môi trường không khí trong buồng cháy, độ nhám của thành lỗ, kết cấu mép vào và mép ra của lỗ phun. Sức cản khí động phụ thuộc vào tốc độ tương đối của dòng nhiên liệu so với tốc độ vận động của khí nén trong buồng cháy và phụ thuộc vào áp suất của không khí với quá trình nén. Trong quá trình lưu động của dòng nhiên liệu thì sức căng bề mặt, độ nhớt của nhiên liệu có xu hướng duy trì sự liên kết các lớp bề mặt và chống lại sự xé tơi của nhiên liệu thành những hạt nhỏ, còn dưới tác dụng của ngoại lực thì nhiên liệu bị xé thành các tia nhỏ và các hạt nhiên liệu riêng biệt. Các tia và các hạt nhiên liệu chuyển động trong môi trường khí nén trong buồng cháy tiếp tục phân tách thành các hạt nhiên liệu nhỏ hơn dưới tác dụng của lực cản khí động. Khi lực cản khí động nhỏ hơn sức căng bề mặt của nhiên liệu thì quá trình xé tơi dừng lại. Hiện tượng đó xuất hiện khi áp suất phun nhiên liệu quá nhỏ hoặc kim phun đóng không kín lỗ phun. Trong những trường hợp này nhiên liệu sẽ phun ra ở dạng các hạt lớn bám lên thành buồng cháy hoặc kết cốc ở ngay miệng lỗ phun làm tắc lỗ. 1.3.2. Quy luật cung cấp nhiên liệu của hệ thống nhiên liệu diesel của hãng bosch Quy luật cung cấp nhiên liệu là một tổ hợp những thông số đặc trưng của một hệ thống nhiên liệu mà qua đó ta có thể xác định được những thông số chính của quá trình cấp nhiên liệu đó là: thời điểm phun, thời điểm kết thúc phun, thời gian phun,áp suất phun… Qua đó ta có thể xác định được lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình. Các dạng quy luật cung cấp nhiên liệu của hệ thống nhiên liệu diesel của hãng Bosch những sự điều chỉnh được ưu tiên để giảm tới mức thấp nhất hàm lượng NOx trong khí thải và được xây dựng ở điều kiện 100% tải có đường đặc tính dưới đây : Hình 1.6 : Các dạng quy luật cung cấp nhiên liệu của hệ thống nhiên liệu diesel của hãng Bosch[3] + Đường 1: phun mồi, lượng nhiên liệu phun mồi rất ít (từ 1÷4 mm3), quá trình phun mồi giúp giảm ngắn thời gian cháy trễ,động cơ chạy êm đặc biệt làm giảm đáng kể hàm lượng HC và NOx trong khí thải. + giai đoạn 2: pha phun chính, thời điểm bắt đầu pha phun chính từ 50 trước ĐCT đến 150 sau ĐCT đối với xe ôtô và từ 50 trước ĐCT đến 50 sau ĐCT đối với các phương tiện vận tải cơ giới khác. + Đường 3: bắt đầu pha phun chính, áp suất phun tăng nhanh và đạt cực đại trong thời gian ngắn(hệ thống nhiên liệu kiểu common rail) + Đường 4: đường đặc tính phun theo kiểu phun 2 giai đoạn của hệ thống nhiên liệu common rail sử dụng van kim phun điện tử, áp suất phun tăng theo 2 giai đoạn. Với đặc tính như đường 4 quá trình diễn ra êm,tốc độ cháy đều. + Đường 5 và 6: đường đặc tính trong pha phun chính của hệ thống nhiên liệu diesel kiểu truyền thống, áp suất phun tăng chậm và áp suất quá trình kết thúc phun chính giảm chậm dẫn đến quá trình đóng mở vòi phun không dứt khoát, chất lượng phun không tốt + Đường 7: kết thúc pha phun chính, áp suất phun giảm nhanh đột ngột (hệ thống UIS, UPS và hệ thống Common Rail ) + Đường 8: phun trễ, nhiên liệu phun bổ xung vào khi sự cháy vẫn còn xảy ra tạo điều kiện cho nhiên liệu chưa cháy hết cháy triệt để, hàm lượng muội than giảm 20 ÷70% nhờ có sự phun trễ, thời điểm phun trễ diễn ra sau pha phun chính 50 + Đường 9: phun bổ xung lần 2, sau pha phun chính khoảng 2000 sau kết thúc pha phun chính 1.3.3. Ảnh hưởng của quy luật cung cấp nhiên liệu tới chế độ vận hành của động cơ Những ảnh hưởng của quy luật cung cấp nhiên liệu tới chế độ vận hành của động cơ được thể hiện qua Bảng 1 dưới đây: Ảnh hưởng của hệ thống nhiên liệu Ảnh hưởng tới động cơ Công suất giảm Tiêu thụ nhiên liệu lớn Tăng hàm lượng HC và PM Tăng hàm lượng NOx Động cơ chạy không êm Đặc tính kéo kém Tính đáp ứng kém Phun quá sớm + + - + + + + Phun quá muộn + + + - + + + Áp suất phun thấp + + + - + + - Vòi phun tắc + + + - + + - Không có phun mồi - - HC↑ + + - - Không có phun trễ - - PM↑ - - - - Bảng 1: Những tác động của quy luật cung cấp nhiên liệu tới chế độ vận hành của động cơ 1.4. Phân loại hệ thống nhiên liệu diesel của hãng BOSCh Theo đặc điểm kết cấu hệ thống nhiên liệu diesel của hãng BOSCh được chia thành 4 nhóm lớn sau : Hình 1.7 : Các loại hệ thống nhiên liệu của hãng Bosch 1.4.1. Phân loại a, Hệ thống nhiên liệu sử dụng bơm cao áp kiểu dãy Theo đặc điểm kết cấu hệ thống nhiên liệu sử dụng bơm cao áp kiểu dãy của hãng Bosch chia thành 2 loại : kiểu PE và loại sử dụng van trượt để điều chỉnh thời điểm bắt đầu cấp nhiên liệu cao áp . a - Kiểu PE b - Kiểu van trượt 1 - Thân bơm cao áp 2 - Cửa nạp 3 - Rãnh xoắn 4 - Pít tông bơm 5 - Lò xo 6 - Cơ cấu quay kiểu thanh răng 7 - Cam 8 - Cụm van phân phối 9 - Van trượt điều chỉnh thời điểm bắt đầu cấp nhiên liệu 10- Đường cấp nhiên liệu Hình 1.8 : Nguyên lý cấp nhiên liệu của bơm cao áp kiểu dãy [3] Nguyên lý hoạt động : + Nạp nhiên liệu : ở kỳ nạp nhiên liệu trục bơm cao áp xoay đến vị trí rãnh xoắn 3 trùng với của cấp 2, nhiên liệu được nạp vào khoang bơm + Cấp nhiên liệu : trục cam quay đẩy pít tông bơm cao áp đi lên, đồng thời thanh răng xoay trục pít tông làm cho rãnh xoắn 3 và cửa cấp 2 lệch nhau nhiên liệu ngừng cấp vào qua cửa 2, pít tông 4 tiếp tục đi lên để nén nhiên liệu, nhiên liệu cao áp qua cửa 10 để đi đến các đường ống cao áp. + Điều chỉnh lượng nhiên liệu : ở kiểu bơm cao áp PE lượng nhiên liệu được thay đổi bằng cách thay đổi thởi điểm kết thúc phun nhiên liệu. Ở kiểu bơm cao áp sử dụng van trượt việc thay đổi lượng nhiên liệu bằng cách thay đổi thời điểm bắt đầu cấp nhiên liệu nhờ cụm van phân phối 8 . b, Hệ thống nhiên liệu sử dụng bơm cao áp kiểu phân phối Hệ thống nhiên liệu sử dụng loại bơm cao áp kiểu phân phối, chỉ sử dụng duy nhất một bơm cao áp từ đó nhiên liệu được phân phối cho các xy lanh. trong đó : 1 - Cơ cấu điều chỉnh vòng cam 2 - Con lăn 3 - Vòng cam 4 - Pít tông 5 - Bộ van áp suất 6 - Khoang áp suất cao 7- Đường nhiên liệu ra 8- Rãnh xoắn Hình 1.9 : Bơm cao áp kiểu phân phối sử dụng van áp suất để định lượng nhiên liệu [3] Nguyên lý hoạt động : + Nạp nhiên liệu : rô to quay, con lăn 2 không tỳ vào vành cam 3, pít tông 4 di chuyển ra xa tâm đồng thời trục bơm quay để rãnh xoắn 8 trùng với cửa nạp, nhiên liệu qua cửa nạp theo rãnh xoắn vào khoang bơm + Cấp nhiên liệu : con lăn 2 tỳ vào vấu của vành cam 3 qua đó ép pít tông 4 vào trong, lúc này trục bơm xoay đi một góc làm cho rãnh xoắn 8 và của cấp nhiên liệu không còn thông nhau. Nhiên liệu áp suất cao được bơm đi để phân tới các vòi phun . c, Hệ thống nhiên liệu sử dụng bơm cao áp riêng biệt Trong hệ thống nhiên liệu sử dụng bơm cao áp riêng biệt, mỗi một bơm cao áp sẽ cung cấp nhiên liệu cho một xi lanh, có nghĩa là số xi lanh của động cơ tương ứng với số bơm cao áp. Hiện nay hệ thống nhiên liệu sử dụng bơm cao áp riêng biệt của hãng Bosch trên thị trường có 3 loại là : + Bơm cao áp kiểu PF + Bơm cao áp vòi phun kết hợp UIS + Bơm cao áp riêng biệt UPS hệ thống nhiên liệu sử dụng loại bơm cao áp riêng biệt có ưu điểm nổi bật là + Đường ống cao áp ngắn gọn, kiểu UIS không có đường ống cao áo + Dễ thay thế và sửa chữa một bơm trong khi các bơm khác vẫn hoạt động  a b trong đó : a - Hệ thống nhiên liệu bơm cao áp vòi phun kết hợp 1 - Cam 2 - Trục bơm cao áp 3 - Van phân phối 4 - Vòi phun b - Hệ thống nhiên liệu bơm cao áp riêng biệt UPS 1 - Kim phun 2 - Vòi phun 3 - Ống cao áp 4 - Van phân phối 5 - Trục bơm cao áp 6 - Cam Hình 1.10 : Sơ đồ cấu tạo hệ thống nhiên liệu UIS và UPS [3] d, Hệ thống nhiên liệu common rail Hệ thống nhiên liệu common rail các vòi phun nhận nhiên liệu từ đường ống tích áp chung. Ưu điểm của hệ thống nhiên liệu loại này có thể tóm tắt như sau : + Tăng công suất động cơ + Giảm bớt tiếng ồn + Tiết kiệm nhiên liệu + Giảm được khí thải độc hại + Có thể ứng dụng được cho tất cả các loại ôtô du lịch và xe tải + Áp suât phun nhiên liệu cao đạt tới 1350 bar + Kết cấu của bơm cao áp hệ thống common rail nhỏ gọn và hoạt động nhẹ hơn các loại bơm khác 1- Bơm cao áp 2 - Dàn phân phối nhiên liệu 3 - Van phân phối 4 - Vòi phun 5 - Kim phun Hình 1.11 : Hệ thống nhiên liệu common rail [3] Bơm cao áp có 3 pít tông bố trí cách đều 1200, trục cam bơm có các mấu cam lệch tâm, vận tốc quay bằng ½ vận tốc trục khuỷu động cơ. Mỗi lần bơm, cam chỉ tác động một pít tông nên tải trọng tác động lên hệ thống dẫn động bơm cao áp nhẹ hơn so với các bơm cao áp kiểu cũ. 1.4.2. Các loại bơm cao áp và pham vi sử dụng Phạm vi áp dụng của các loại bơm cao áp của hãng Bosch thể hiện trong Bảng 2 dưới đây: Máy phát điện Xe con Xe khách Máy xây dựng và nông nghiệp Xe tải Xe bus Tàu thủy M M MW M MW A/P MW P/H MW ZWMCW ZWMCW PF PF PF PF PF PF PF VE VE VE VE VE VE VR VR VR VR VR UIS UIS UIS UIS UIS UPS UPS UPSPF ( R ) UPSPF ( R ) CR CR CR CR CR CR Bảng 2: Phạm vi áp dụng các loại bơm cao áp của hãng Bosch Bảng 3: Các dạng bơm cao áp của hãng Bosch và thông số của chúng Kiểu hệ thống nhiên liệu Phạm vi sử dụng Thông số phun Điều khiển Dữ liệu động cơ P O S N Lượng nhiên liệu cấp cho 1 chu trình (mm3) Áp suất phun cực đại (bar) PI PO h m em Mv DI IDI Số xi lanh Tốc độ cực đại (Vg/ph) Công suất riêng (kw) Bơm cao áp kiểu dãy M P, O 60 550 - m,em IDI 4..6 5000 20 A O 120 750 - m DI IDI 2..12 2800 27 MW P,N,O 150 1100 - m DI 4..8 2600 36 P3000 N,O 250 950 - m,em DI 4..12 2600 45 P7100 N,O 250 1200 - m,em DI 4..12 2500 55 P8000 N,O 250 1300 - m,em DI 6..12 2500 55 P8500 N,O 250 1300 - m,em DI 4..12 2500 55 H1 N 240 1300 - em DI 6..8 2400 55 H1000 N 250 1350 - em DI 5..8 2200 70 P10 S,O 800 1200 - m, em, h DI IDI 6..12 2400 140 ZW(M) S,O 900 950 - m,emh DI IDI 4..12 2400 160 P9 S,O 1200 1200 - m,emh DI IDI 6..12 2000 180 CW S,O 1500 1000 - m,emh DI IDI 6..10 1800 200 Bơm cao áp hướng trục VE-F P 70 350 - m IDI 3..6 4800 25 VE-F P 70 1250 - m DI 4..6 4400 25 VE-F N,O 125 800 - m DI 4..6 3800 30 VP37 P 70 1250 - em DI 3..6 4400 25 VP37 O 125 800 - em DI 4..6 3800 30 VP30 P 70 1400 PI Mv DI 4..6 4500 25 VP30 O 125 800 PI Mv DI 4..6 2600 30 Bơm cao áp hướng kính VP44 P 85 1900 PI Mv DI 4..6 4500 25 VP44 N 175 1500 - Mv DI 4..6 3300 45 Bơm cao riêng biệt PF(R) O 13…120 450…1150 - m,em DI IDI bất kỳ 4000 4…30 PF(R) P,N,O,S 150…18000 800…1500 - m,em DI IDI bất kỳ 300…2000 75…1000 UIS-P1 P 60 2050 PI Mv DI 52) 4800 25 UIS-30 N 160 1600 - Mv DI 82) 4000 35 UIS-31 N 300 1600 - Mv DI 82) 2400 75 UIS-32 N 400 1800 - Mv DI 82) 2400 80 UPS-12 N 180 1600 - Mv DI 82) 2400 35 UPS-20 N 250 1800 - Mv DI 82) 3000 80 UPS(PF-MV) S 3000 1600 - Mv DI 6..20 1000 450 Hệ thống nhiên liệu commom rail CR-1 P 100 1350 PI PO Mv DI 3…8 4800 30 CR-2 P 100 1600 PI PO Mv DI 3…8 5000 30 Chú thích: P - xe con O - tàu hỏa và tàu thủy N - xe tải và xe bus PI - phun mồi PO - phun trễ DI - phun trực tiếp IDI - phun gián tiếp h - thuỷ lực m - cơ khí em - cơ điện Mv - van điện từ 1.5. Sự cần thiết phải điện tử hoá hệ thống nhiên liệu Diesel Động cơ diesel cần phải điện tử hoá để đạt được các mục tiêu sau: a, Công suất và mô men lớn Ưu điểm lớn của hệ thống nhiên liệu điện tử là khả năng tự động thay đổi thông số quá trình phun nhiên liệu theo điều kiện chế độ hoạt động của động cơ nhờ bản đồ dữ liệu điện tử được nạp sẵn trong ECU.Việc điều chỉnh linh hoạt thời điểm cấp nhiên liệu ,thời gian phun và một chế độ áp suất phun lý tưởng đã giúp cho chất lượng phun trở nên hoàn hảo hơn.Nhiên liệu được phun tơi và phân bố đều khắp không gian buồng cháy do đó quá trình cháy được cải thiện rõ rệt thời gian cháy trễ giảm, tốc độ cháy và toả nhiệt đều, thời gian cháy rớt giảm. Công suất của động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu điện tử khá lớn + động cơ 2.0 L sử dụng bơm cao áp điều khiển điện tử VP44 lắp trên xe BMW đạt công suất riêng 51 kw/lít + động cơ diesel phun trực tiếp 2.2 L kiểu common rail có thể đạt mô men xoắn riêng 139 Nm/lít tại n =1800vg/ph đối với một số động cơ diesel hiện đại lắp hệ thống phun nhiên liệu điện tử và hệ thống tăng áp có đường cong mô men xoắn tương đối bằng phẳng ít có sự biến động về độ lớn trong một giải tốc độ khá rộng + động cơ 2.5 L ,V6 tăng áp phun nhiên liệu điện tử kiểu phun trực tiếp lắp trên xe AUDI có cùng một giá trị mô men xoắn là 310 Nm ,mô men xoắn riêng là 124Nm/lít trong suất dải tốc độ từ 1500 – 3500 vg/ph b, Giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu Việc điều chỉnh hợp lý và chính xác thời điểm bắt đầu phun,thời điểm kết thúc phun với áp suất phun hợp lý đã giúp giảm lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình mà vẫn đảm bảo công suất ra của động cơ, ngoài ra chất lượng phun ,thời điểm phun hợp lý đã cải thiện được chất lượng hỗn hợp nhiên liệu tốt hơn rất nhiều so với hệ thống phun nhiên liệu kiểu cơ khí chính điều đó đã giúp cho khả năng cháy của hỗn hợp nhiên liệu cháy kiệt hơn vì vậy mà lượng tiêu thụ nhiên liệu cũng ít hơn Động cơ sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử nếu điều chỉnh hợp lý có thể đạt suất tiêu hao nhiên liệu thấp nhất là 195g/kw.h tại điểm đạt mô men xoắn lớn nhất như sơ đồ dưới đây : Hình 1.12 : biểu đồ suất tiêu hao nhiên liệu đ/c diesel tăng áp Opel Ecotec 4 xu páp cho một xi lanh, làm mát trung gian c, Giảm ô nhiễm và tiếng ồn Như đã phân tích ở những mục trên một nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự ô nhiễm trong khí xả của động cơ diesel đó là chất lượng hỗn hợp nhiên liệu và quá trình cháy .Động cơ diesel điện tử cho chất lượng cháy khá tốt vì vậy mà nồng độ các chất độc hại trong khí xả giảm đáng kể. Kết quả thí nghiệm đối với động cơ diesel tăng áp của hãng Mercedes có lắp bộ sử lý khí thải XLKX ,sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử common rail theo chu trình thử của châu âu cho kết quả hư sau : + Giảm 80% lượng CO + Giảm 9% lượng Nox + Giảm 29% lượng hydrocacbon chưa cháy hết trong khí xả + Giảm 32% lượng thải PM d, Đảm bảo đặc tính NVH hợp lý NVH là thuật ngữ chuyên môn mới, đề cập đến 3 vấn đề tồn tại của động cơ bao gồm: tiếng ồn (Noise), rung động (Vibration) và mức độ êm dịu làm việc (Harshness). NVH là chở ngại lớn khi sử dụng động cơ diesel lắp trên xe con. Do vậy, mức độ phát triển của động cơ diesel trên xe con phụ thuộc nhiều vào đặc tính NVH. Để phát triển cần giảm tiếng ồn cháy của động cơ diesel cũng như giảm sự lan truyền tiêng ồn và rung động qua bề mặt động cơ, gối đỡ động cơ, khung xe và hệ thống truyền lực. Ở tốc độ thấp, khi tiếng ồn cháy đóng vai trò lớn, động cơ diesel có mức ồn cao hơn động cơ xăng. Tại chế độ tốc độ cao hơn, khi tiếng ồn cơ khí trở lên vượt trội thì sự khác biệt về mức độ ồn của động cơ xăng và động cơ diesel được thu hẹp. Các biện pháp giảm tiếng ồn động cơ diesel cần tập trung vào dải tốc độ thấp. Việc sử dụng hệ thống nhiên liệu diesel có khả năng phun mồi là một giải pháp cho vấn đề này. Việc kiểm soát tốt lượng nhiên liệu và thời điểm phun mồi sẽ làm giảm thời điểm cháy chễ mà không gây tác động xấu đến thành phần khí thải và suất tiêu hao nhiên liệu. Chọn hệ thống khai thác Qua phân tích đặc điểm của từng hệ thống nhiên liệu và phạm vi sử dụng của chúng.Tôi chọn hệ thống để khai thác là hệ thống nhiên liệu bơm cao áp vòi phun kết hợp (UIS) và bơm cao áp riêng biệt (UPS) bởi đây là hai hệ thống tiên tiến nhất đang được áp dụng trên rất nhiều loại phương tiện vận tải phổ biến trên thị trường hiện nay.