Ứng dụng phần mềm HydSim để mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ Dongfeng S1100A

chi tiết ít hơn, kích thước nhỏ gọn. Đa số động cơ Diesel cỡ nhỏ là động cơ tĩnh tại, và dùng một xi lanh, thường bố trí nằm ngang nhằm giảm chiều cao của động cơ và tận dụng bố trí hệ thống làm mát và thùng nhiên liệu lên trên làm cho động cơ gọn hơn. Trong đó động cơ Dongfeng S1100A cũng thuộc loại này. Động cơ Dongfeng S1100A do hãng DONGFENG Trung Quốc chế tạo. Về kết cấu động cơ có một xilanh đặt nằm ngang, thiết kế nhỏ gọn đơn giản. Hệ thống cung cấp nhiên liệu sử dụng bơm cao áp kiểu Bosch nhỏ gọn, vòi phun kiểu tiết lưu nên lượng nhiên liệu phun nhỏ khi bắt đầu phun và lượng nhiên liệu phun tăng lên dần khi phun nhiên liệu chính, điều này giúp cho động cơ tiết kiệm nhiên liệu khi hoạt động. Động cơ được làm mát bằng nước theo kiểu bốc hơi. Động cơ Dongfeng S1100A được dùng rộng rãi trong đời sống xã hội, đặc biệt là các vùng nông thôn, ở các công trình xây dựng,… Với giá thành nhiên liệu sử dụng thấp hơn xăng và công suất sinh ra lớn hơn động cơ xăng tương ứng nên động cơ Diesel ngày càng tiếp cận gần hơn với đời sống nông thôn và các công trường xây dựng và được dùng làm nguồn động lực phục vụ chính như là: - Phát nguồn động lực cho các máy canh tác nông nghiệp và các phương tiện vận chuyển: máy cày, máy xới, máy bừa, máy bơm nước, máy gặt đập, xe công nông, xuồng máy,… Với yêu cầu ngày càng khắc khe về vấn chống ô nhiễm môi trường và sự cạnh tranh gây gắt giữa các nguồn động lực nên ta phải tìm cách hoàn thiện hơn nữa cho động cơ Diesel, cụ thể là: nâng cao hiệu suất, tăng tính kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường. Để làm được điều này thì việc nghiên cứu cải tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ là vấn đề cốt lõi. Hình 3-1 Mặt cắt ngang động cơ Dongfeng S1100A 1- Cần xả xuppap; 2- Đường dầu bôi trơn cò mổ; 3-Lò xo xupáp; 4-Xupáp thải; 5- Nắp xilanh; 6- Piston; 7- Chốt piston; 8- Van xả nước làm mát; 9- Bánh đà; 10- Trục cam; 11- Puly; 12- Bơm dầu bôi trơn; 13- Trục dẫn động bơm dầu bôi trơn; 14- Bánh răng trục bơm dầu bôi trơn; 15- Cơ cấu khởi động; 16- Bộ bánh răng điều tốc; 17- Bánh răng trục khuỷu; 18- Trục khuỷu; 19- Bơm tay; 20- Bánh răng dẫn động trục cam; 21- Bơm cao áp; 22-Thân động cơ; 23- Xecmăng; 24- Xupáp nạp; 25- Bầu lọc không khí. Hình 3-2 Mặt cắt dọc động cơ Dongfeng S1100A 1- Cò mỗ; 2- Vòi phun; 3- Ống xả; 4- Két nước làm mát; 5- Phao đo mực nước trong két; 6- Lưới lọc nước; 7- Khóa nhiên liệu; 8- Đai móc nâng động cơ; 9- Thùng nhiên liệu;10- Nắp đậy thùng nhiên liệu;11- Que thăm dầu; 12- Bulông xả dầu bôi trơn; 13- Lọc dầu bôi trơn; 14- Cam nhiên liệu; 15- Con đội; 16- Thanh truyền; 17- Đũa đẩy; 18- Lót xilanh; 19-Nắp chụp cò mỗ. Bảng 3-1 Bảng thông số kỹ thuật động cơ Dongfeng S1100A Tên thông số Ký hiệu Thứ nguyên Giá trị Kiểu máy S1100A Kiểu nằm, 1 xilanh, 4 kỳ. Công suất định mức [kW] 11,03 Số vòng quay lớn nhất [v/ph] 2200 Tỷ số nén [-] 20 Đường kính xilanh [mm] 100 Hành trình piston [mm] 115 Áp suất có ích trung bình p [kPa] 665,9 Suất tiêu hao nhiên liệu ge [g/kW.h] ≤250,2 Phương thức bôi trơn Kiểu hỗn hợp: Cưỡng bức và vung té Phương thức làm nguội Bốc hơi nước Phương thức khởi động Tay quay khởi động Áp suất phun dầu [kPa] 12745 ± 490 Kích thước (AxBxH) [mm] 814x551x620 Trọng lượng máy G [kg] 155 Góc mở sớm xupáp nạp Độ 17 Góc đóng muộn xupáp nạp Độ 43 Góc mở sớm xupáp thải Độ 43 Góc đóng muộn xupáp thải Độ 17 Góc phun sớm Độ 20 3.2. Khảo sát cụ thể hệ thống nhiên liệu động cơ Dongfeng S1100A 3.2.1. Đặc điểm chung về hệ thống nhiên liệu động cơ Dongfeng S1100A 3.2.1.1. Nhiệm vụ và yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu động cơ Dongfeng S1100A * Nhiệm vụ: - Chứa nhiên liệu dự trữ, đảm bảo cho động cơ hoạt động liên tục trong một khoảng thời gian nhất định. - Lọc sạch nước và tạp chất cơ học lẫn trong nhiên liệu, giúp nhiên liệu chuyển động thông thoáng trong hệ thống. - Cung cấp nhiên liệu cho động cơ phải đảm bảo tốt các yêu cầu sau: + Lượng nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình phải phù hợp với từng chế độ làm việc của động cơ. + Phun nhiên liệu vào xi lanh động cơ đúng thời điểm, đúng quy luật đã định. + Phun với áp suất cao để nhiên liệu được xé tơi. + Tia phun phải đảm bảo đều, số lượng, kích thước, phương hướng phải phù hợp với hình dạng buồng cháy và với cường độ và phương hướng chuyển động của môi chất trong buồng cháy để hòa khí được hình thành nhanh và đều. * Yêu cầu: - Hoạt động lâu bền, có độ tin cậy cao. - Giảm tiếng ồn và ô nhiễm. - Dễ dàng và thuận tiện trong sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa. - Dễ chế tạo, giá thành hạ. 3.2.1.2. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ Dongfeng S1100A Hình 3-3 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ Dongfeng S1100A 1-Ống Thải, 2-Vòi phun, 3- Ống nhiên liệu thừa, 4-Piston, 5-Xi lanh, 6- Bầu lọc nhiên liệu, 7- Thùng nhiên liệu, 8- Khóa nhiên liệu, 9- Ống dẫn dầu vào bầu lọc, 10- Ống dẫn dầu đến bơm cao áp, 11- Cam, 12- Cần xoay piston, 13- Bơm cao áp, 14- Đường ống cao áp, 15- Đũa đẩy, 16-Xupáp, 17- Lò xo xupáp, 18- Nắp xilanh, 19- Cò mổ. Trên hình 3-3 giới thiệu sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ Dongfeng S1100A. Nhiên liệu tự chảy từ thùng chứa nhiên liệu xuống khoang chứa của bơm cao áp (hệ thống tự chảy không dùng bơm chuyển) và được lọc sạch tạp chất khi đi qua bầu lọc (6). Khi bơm cao áp (13) làm việc (piston đi qua phải) thì nhiên liệu sẽ được hút từ khoang chứa vào buồng nén thông qua cửa hút. Khi piston đi qua trái (nhờ biên dạng con đội), nó sẽ đẩy nhiên liệu tràn về lại khoang chứa ngoài xilanh qua cửa tràn, đến khi piston che mép trên của cửa nạp và cửa tràn lại thì phần nhiên liệu còn lại trong xilanh sẽ được nén lại tạo nên áp suất cao, khi áp suất của nhiên liệu này đủ lớn để mở van cao áp thì nhiên liệu sẽ đi vào đường ống cao áp (14) rồi đến vòi phun (2). Tại khoang nâng kim phun, khi áp suất nhiên liệu đạt đến giá trị đủ để thắng lực lò xo thì kim phun được nâng lên, dầu sẽ được phun tơi vào buồng cháy xoáy lốc ở nắp xilanh (18). Phần nhiên liệu rò rỉ qua kim phun và thân kim phun sẽ được dẫn theo đường dầu hồi (3) về thùng chứa (7), kết thúc một chu trình cấp nhiên liệu cho động cơ. Để thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp phù hợp với chế độ hoạt động của động cơ bằng cách ta thay đổi hành trình có ích của piston bơm cao áp thông qua việc quay cần (12). 3.2.1.2. Phân tích kết cấu hệ thống nhiên liệu động cơ Dongfeng S1100A * Bơm cao áp Hình 3-4 Cấu tạo bơm cao áp 1-Cam, 2- Con lăn, 3- Con đội, 4- Đệm, 5- Cần xoay piston, 6- Đế chặn lò xo, 7- Lò xo bơm cao áp, 8- Piston bơm cao áp, 9- Xilanh bơm cao áp, 10- Thân bơm cao áp, 11- Đế van cao áp, 12- Van cao áp, 13- Lò xo van cao áp, 14- Êcu chặn đế van cao áp, 15- Vít cố định xilanh bơm cao áp, 16- Vít chống xoay con đội, 17- Trục con lăn. Bơm cao áp dùng để cấp một lượng nhiên liệu có áp suất cao đến vòi phun thông qua đường ống cao áp, mục đích cấp nhiên liệu vào trong buồng đốt của xilanh đúng thời điểm với một lưu lượng, áp suất nhất định và theo một quy luật nhất định tương ứng với từng chế độ hoạt động của động cơ. Hình 3-4 ở trên giới thiệu cấu tạo của bơm cao áp của động cơ Dongfeng S1100A, đây là loại bơm cao áp điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình bằng van piston, thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp bằng cách thay đổi hành trình có ích của piston. Chi tiết chính của bơm cao áp là cặp đôi piston (8) và xilanh (9). Đây là bộ đôi siêu chính xác, yêu cầu chế tạo với độ chính xác rất cao, được chọn lắp với nhau và khi thay thì phải thay cả cặp. Xilanh được lắp vào lỗ trong thân bơm, được cố định bằng vít (15). Không gian bên trong xilanh ăn thông với đường nhiên liệu trong thân bơm bằng cửa tràn và cũng thông với đường nhiên liệu cao áp khi van cao áp mở. Bơm cao áp còn có một bộ đôi siêu chính xác nữa, đó là van cao áp (12) và đế van (11). Êcu (14) được vặn chặt vào thân bơm để ép chặt đế van cao áp lên mặt đầu của xilanh (9) nên mặt tiếp xúc giữa đế van (11) và xilanh (9) luôn kín khít. Nhờ lò xo van cao áp (13) nên van cao áp (12) được ép chặt lên mặt hình côn của đế van, ngăn cách không gian phía trên piston của tổ bơm với đường ống cao áp. Cần xoay (5) lắp chặt lên phần đuôi piston và được dùng để điều chỉnh lượng phun nhiên liệu. a. Nguyên lý làm việc của bơm cao áp: * Qúa trình hút nhiên liệu: Khi cam dẫn động bơm cao áp quay thì con lăn sẽ lăn trên profile cam. Khi con lăn con đội đi xuống, van cao áp đóng kín nhờ lò xo van cao áp. Lúc này dưới tác dụng của lò xo bơm cao áp sẽ đẩy piston (1) đi xuống, tạo chân không trong buồng xilanh (5), khi pittông mở cửa tràn (4) thì nhiên liệu từ buồng nhiên liệu (3) sẽ nạp vào buồng xilanh cho tới khi pittông ở vị trí thấp nhất. * Qúa trình đẩy nhiên liệu: Hình 3-5 Hành trình hút và đẩy nhiên liệu của bơm cao áp 1-Piston bơm cao áp, 2-Rãnh trên piston, 3-Khoang chứa nhiên liệu, 4-Cửa tràn, 5-Khoang xilanh, 6-Van cao áp, 7-Rãnh trên van cao áp. Khi piston (1) được đẩy lên do cam quay, ban đầu nhiên liệu bị đẩy ra qua lỗ tràn (4), khi pittông che kín lỗ tràn lại thì bắt đầu quá trình cung cấp nhiên liệu (theo hình học) áp suất trong bơm cao áp tiếp tục tăng lên tác dụng lên van cao áp, đến khi thắng sức căng cuả lò xo van cao áp và áp suất dư (còn lại của chu trình trước) trên đường ống cao áp thì van cao áp mở ra, nhiên liệu đi vào đường cao áp, tới vòi phun. Quá trình cung cấp nhiên liệu tiếp tục cho tới khi gờ xả (2) của pittông mở cửa tràn (4), đó là thời điểm kết thúc cấp nhiên liệu (theo hình học). Khi mở cửa tràn (4), nhiên liệu từ không gian phía trên pittông thoát ra qua cửa tràn đi ra khoang chứa bên ngoài xilanh làm áp suất nhiên liệu phía trên pittông giảm đột ngột, van cao áp đóng chặt lên đế van (dưới tác dụng của lò xo van cao áp và áp suất nhiên liệu trên đường ống cao áp). Kết thúc quá trình bơm nhiên liệu mặc dù piston vẫn tiếp tục đi lên. Kết thúc một chu kỳ cấp nhiên liệu và sau đó lặp lại chu kỳ như trên. Do hiện tượng tiết lưu của cửa tràn (4) và hiện tượng chịu nén của nhiên liệu nên thời điểm bắt đầu cung cấp và thời điểm kết thúc cung cấp thực tế khác với thời điểm bắt đầu và kết thúc cung cấp hình học. * Điều khiển lượng nhiên liệu cung cấp. Khi thanh kéo cần gạt để ở vị trí dừng động cơ thì quá trình cung cấp nhiên liệu sẽ ngừng, piston vẫn tịnh tiến lên xuống nhưng nhiên liệu không được đẩy đi vì cửa tràn (4) luôn thông với rãnh thẳng (2) của pittông (1). Lúc này động cơ tắt. Khi thanh kéo cần gạt kéo cần xoay làm xoay pittông đi theo chiều tăng nhiên liệu cuung cấp thì lượng nhiên liệu sẽ được cung cấp tương ứng với hành trình có ích từ lúc đầu piston đóng cửa tràn (4) đến khi rãnh thẳng (2) bắt đầu mở cửa tràn (4). Khi thanh kéo cần gạt ở vị trí lớn nhất, khi đó hành trình có ích của piston là cực đại nên lượng nhiên liệu được đẩy đi là nhiều nhất. b. Phân tích kết cấu các chi tiết trong bơm cao áp. b.1. Bộ đôi siêu chính xác piston và xi lanh. - Pittông và xilanh bơm cao áp phải có hình dạng hình học chính xác và chống mòn tốt. - Vật liệu chế tạo bộ đôi pittông và xilanh phải là thép hợp kim làm ổ bi hoặc dụng cụ cắt gọt như Cr15... Thép Cr15 có cấu trúc tế vi ổn định có kích thước hình học của chi tiết ổn định hơn. - Phải nhiệt luyện để đạt được các yêu cầu các mặt ma sát của cặp bộ đôi pittông và xilanh có độ cứng không nhỏ hơn HRC58, các mặt đầu không nhỏ hơn 55 HRC. - Các thông số chủ yếu của pittông và xilanh: + Khối lượng của pittông là: mp=24,77 [g]. + Đường kính pittông: dp= 8 [mm]. + Đường kính lỗ hút: dlh= 3 [mm]. + Góc nâng rãnh xoắn: α=42 [độ]. + Chiều rộng rãnh xoắn: b=4,1 [mm]. Hình 3-6 Kích thước của bộ đôi piston- xilanh bơm cao áp b.2. Bộ đôi van cao áp và đế van cao áp. Hình 3-7 Cấu tạo bộ đôi van cao áp và lò xo 1- Van cao áp, 2- Đế van cao áp. * Van cao áp có tác dụng như sau: - Ngăn không cho khí thể từ xilanh động cơ đi vào xilanh bơm cao áp. - Ngăn nhiên liệu trên đường ống cao áp chảy ngược lại xilanh bơm cao áp. - Kết thúc quá trình cung cấp nhiên liệu một cách dứt khoát, tránh hiện tượng phun rớt. Sau khi hoàn thành quá trình đẩy nhiên liệu, van cao áp hạ xuống và mặt đầu của vành giảm áp tiếp xúc với đế van. Van tiếp tục hạ xuống cho tới khi mặt vát được ép chặt với đế van cao áp, lúc này lượng nhiên liệu tương ứng với hành trình này bị hút lại từ bên trong ống cao áp, áp suất bên trong ống giảm đi, do đó việc ngắt cung cấp được dứt khoát và tránh nhiên liệu rò rỉ nhỏ giọt. Cặp van cao áp là bộ đôi chính xác nên có những yêu cầu cao như như bộ đôi pittông và xilanh bơm cao áp. - Vật liệu: thép hợp kim Cr15. - Độ cứng sau nhiệt liệu: độ cứng của van phải đạt HRC 56 ¸ 62, của đế van HRC 60 ¸ 64. - Van và đế van phải mài rà với nhau. - Kiểm tra độ kín khít của van cao áp, thường dùng không khí nén với áp suất dư 0,4 ¸ 0,5 MN/m2, nhúng van vào thùng dầu hoả, không được sủi bọt khí. - Khi hỏng phải thay cả cặp. Các thông số chủ yếu: + Khối lượng van cao áp: mvan= 2,655 [g]. + Đường kính đế van: d=5 [mm]. + Đường kính dây lò xo : dlx = 1 [mm]. + Đường kính trung bình lò xo: dtb = 7 [mm]. + Khối lượng lò xo: mlx = 2,1 [g]. * Các thông số của các chi tiết còn lại: + Bán kính vòng tròn cơ sở của cam: R=15 [mm]. + Bán kính con lăn: rroll=8,6 [mm]. + Bề rộng hiệu dụng con lăn: broll=9 [mm]. + Đường kính dây lò xo bơm cao áp: dlx = 2 [mm]. + Đường kính trung bình lò xo: dtb = 20 [mm]. + Khối lượng lò xo: mlx = 22,03 [g]. + Khối lượng con đội và đệm: m = 22,03 [g]. * Cấu tạo vòi phun. + Nhiệm vụ: Phun nhiên liệu vào buồng cháy động cơ sao cho phù hợp với kết cấu buồng cháy để tạo hỗn hợp tốt nhất. Đây là vòi phun kiểu tiết lưu, nên lượng nhiên liệu phun nhỏ khi bắt đầu phun và lượng nhiên liệu tăng lên dần dần khi phun nhiên liệu chính. Hình 3-8 Cấu tạo vòi phun Êcu nối đường dầu hồi, 2- Vít điều chỉnh lò xo, 3- Lò xo kim phun, 4- Thân vòi phun, 5- Đũa đẩy, 6- Êcu nối kim phun với thân, 7- Kim phun, 8- Thân kim phun. + Cấu tạo và nguyên lý: Kết cấu của vòi phun có nhiều chi tiết: một bộ đôi chính xác là kim phun (7) và thân kim phun (8) được bắt chặt lên thân nhờ êcu (6). Phía trên thân vòi phun có êcu (1) để lắp đường ống dầu hồi, vít (2) (điều chỉnh lực căng lò xo (3)). Lực lò xo truyền qua đũa đẩy (5) ép kim phun (7) tỳ lên đế (đế kim phun nằm trên thân kim phun (8)). Nhiên liệu có áp suất cao từ bơm cao áp qua đường ống cao áp vào vòi phun qua đầu nối vào buồng áp suất trên kim phun, tác dụng vào mặt côn của kim phun. Khi lực đẩy do áp suất nhiên liệu tạo ra lớn hơn lực ép của lò xo (3) thì kim phun đi lên mở thông cho nhiên liệu qua lỗ phun vào buồng cháy động cơ. + Bộ đôi kim phun và thân kim phun: Hình 3-9 Kết cấu bộ đôi kim phun và thân kim phun Đây là bộ đôi siêu chính xác yêu cầu chống mòn, chống rỉ tốt. Vật liệu chế tạo là thép hợp kim như : Cr15, P18. Sau khi nhiệt luyện phải đạt độ cứng HRC 58 ¸ 60. Đặc điểm kết cấu phần dưới của kim phun là có chốt hình trụ, tiếp đó là hai hình côn (nón cụt). Trên thân kim phun có một lỗ phun đúng tâm có đường kính 1,2 [mm], mặt tựa của kim phun (bề mặt làm việc) che kín tiết diện trên của lỗ phun .Khi lắp kim phun và thân kim phun thì kim phun nhô ra khỏi lỗ phun là 0,4 [mm]. Khi kim phun nâng lên, phần chốt của kim phun chuyển động trong lỗ phun và tạo ra đường thông nhiên liệu hình vành khăn có nhiều tiết diện tiết lưu, vì thế nhiên liệu phun ra tạo tia nhiên liệu có hình côn rỗng, góc phun của tia phụ thuộc vào hình dạng của chốt trên kim phun và hành trình của kim phun (góc côn biến động trong khoảng từ 00 đến 50 ¸ 600). - Các thông số chủ yếu: + Khối lượng kim phun: mkim= 5,25 [g]. + Đường kính phần dẫn hướng kim phun: D=6 [mm]. + Đường kính đế kim phun: d=3 [mm]. + Số lỗ phun: 1. + Đường kính 1 lỗ phun: [mm]. + Chiều dài lỗ phun: [mm]. + Đường kính khoang vòi phun tại lỗ: [mm]. + Góc đế kim phun: . + Đường kính dây lò xo kim phun: dlx = 1,5 [mm]. + Đường kính trung bình lò xo kim phun: dtb = 7 [mm]. + Khối lượng lò xo kim phun: mlx = 6,065 [g]. + Khối lượng đũa đẩy: mđ = 4,935 [g]. 4. Sử dụng phần mềm HydSim mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ Dongfeng S1100A 4.1. Sơ đồ giải thuật của phương pháp mô phỏng Khi thực hiện quá trình mô phỏng một vấn đề, chúng ta phải hiểu rõ cấu trúc giải thuật của quá trình mô phỏng để vạch ra phương hướng tính toán đúng các vấn đề mà mình mong muốn. VẬT THỂ CẦN MÔ PHỎNG PHÂN TÍCH KẾT CẤU XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG NHẬP DỮ LIỆU ĐẦU VÀO CHẠY CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ DỮ LIỆU Đúng Sai XUẤT KẾT QUẢ 4.2. Xây dựng sơ đồ hệ thống nhiên liệu và liệt kê các phần tử cần thiết để mô phỏng. Bước đầu tiên phân tích đặc điểm kết cấu của đối tượng mô phỏng Hình 4-1 Kết cấu của đối tượng cần mô phỏng 1-Cam, 2-Con đội con lăn, 3-Piston Plunger, 4-Sự rò rỉ giữa pittông và xianh bơm cao áp, 5-Cửa nạp, 6-Van cao áp, 7- Buồng sau van cao áp, 8- Buồng trước van cao áp, 9-Đường ống cao áp, 10-Đường ống dẫn dầu trong thân vòi phun, 11-Khoang chuyển tiếp, 12-Đường ống dẫn dầu trong thân kim phun, 13- Buồng nâng kim phun, 14-Lỗ phun, 15-Kim phun, 16-Sự rò rỉ giữa kim phun và thân, 17-Lò xo kim phun và áp suất của khoang dầu hồi. Đối với bơm cao áp, kết cấu của nó bao gồm: Cam lồi (1) quay nhờ trục dẫn động làm cho piston (3) chuyển động tịnh tiến lên xuống. Khoảng không gian phía trên đỉnh piston và xilanh là buồng áp suất (8). Nhiên liệu từ khoang ngoài xilanh (biên áp suất) đi vào buồng (8) khi piston đi xuống và khi piston đi lên sẽ nén nhiên liệu đạt áp suất cao làm mở van cao áp (6) đi vào buồng phía sau van cao áp (7), từ đây nhiên liệu đi vào đường ống cao áp (9) rồi đi đến vòi phun. Một phần nhiên liệu rò rỉ qua khe hở giữa piston và xilanh bơm cao áp (4) đi ra ngoài. Vòi phun bao gồm: Dầu có áp suất cao sẽ được đưa vào vòi phun từ đường dầu cao áp (9), dầu sẽ theo đường ống dọc thân vòi phun (10) đến khoang chuyển tiếp (11) ròi đến buồng nâng kim phun (13). Dầu sẽ được gia áp và đến khi áp suất ở buồng này thắng lực của lò xo kim phun và áp lực dầu từ khoang dầu hồi (17) thì kim phun sẽ được nhấc lên và dầu sẽ được phun qua lỗ phun (14). Đồng thời lúc này một phần nhỏ dầu sẽ rò rỉ qua khe hở hình vành khăn giữa kim phun và thân vòi phun (16), đi ngược lên khoang chứa dầu hồi và dầu này sẽ theo ống hồi về bầu lọc. Lúc này, áp suất trong buồng kim phun sẽ giảm và đến khi áp lực trong khoang này nhỏ hơn lực của lò xo kim phun và áp lực dầu từ khoang dầu hồi thì kim phun sẽ đóng lỗ phun lại. Chấm dứt một lần phun. 4.3. Xây dựng mô hình hệ thống nhiên liệu động cơ Dongfeng S1100A Sau khi đã phân tích kết cấu của các thiết bị cần mô phỏng thì ta chọn các phần tử tương ứng để đưa vào màn hình làm việc, dùng các liên kết để kết nối chúng lại và đó là mô hình của hệ thống nhiên liệu cần mô phỏng. Các phần tử được chọn như sau: à Với bơm cao áp. Phần tử trong kết cấu thực: Phần tử chọn tương ứng: Cam lồi. Cam/ Cam profile. Piston plunger. Bơm/ Bơm piston plunger. Rò rỉ của bộ đôi piston và xilanh bơm cao áp. Rò rỉ/ Sự rò rỉ số 1. Áp suất của nhiên liệu vào tại cửa nạp. Biên/ Biên áp suất. Cửa tràn nhiên liệu. Cửa/ Cửa nạp-tràn thẳng hàng. Buồng trước van cao áp. Thể tích/ Thể tích tiêu chuẩn. Van cao áp có vành giảm áp. Van/ Van cao áp có vành giảm áp. Buồng sau van cao áp. Thể tích/ Thể tích tiêu chuẩn. à Với đường ống cao áp. Đường ống cao áp. Đường ống/ Đường ống Laplace. à Với vòi phun. Phần tử trong kết cấu thực: Phần tử chọn tương ứng: Đường ống dọc theo thân vòi phun. Đường ống/ Đường ống Laplace. Khoang chuyển tiếp. Thể tích/ Thể tích tiêu chuẩn. Đường ống xiên dẫn dầu đến Buồng nâng kim phun số 1. Đường ống/ Đường ống Laplace. Đường ống xiên dẫn dầu đến Buồng nâng kim phun số 2. Đường ống/ Đường ống Laplace. Đường ống xiên dẫn dầu đến Buồng nâng kim phun số 3. Đường ống/ Đường ống Laplace. Buồng nâng kim phun. Thể tích/ Thể tích tiêu chuẩn. Kim phun. Kim phun/ Kim phun tiêu chuẩn loại mô hình cổ điển. Vòi phun. Vòi phun/ Vòi phun VCO cơ bản. Rò rỉ giữa kim phun và thân vòi phun. Rò rỉ/ Sự rò rỉ số 2. Áp suất dầu hồi+ lò xo kim phun. Biên/ Biên thủy cơ. Áp suất buồng cháy. Biên/ Biên áp suất. Khi đã xác định được các phần tử tương ứng, ta tiến hành tạo mô hình khối của các thiết bị trong hệ thống nhiên liệu. 4.3.1. Tạo mô hình khối bơm cao áp Đầu tiên ta nhấp đôi vào phần tử “Cam” ở trong tab “Elements” và nhấp đôi chuột vào phần tử “Cam lồi”. Lúc này, ở góc trái phía trên trong cửa sổ “không gian làm việc- Workspace window” sẽ xuất hiện biểu tượng của phần tử “Cam lồi”, nhấp và giữ chuột trái để di chuyển biểu tượng đến nơi cần thiết, sau đó đổi tên cho phần tử này (từ “Cam profile” thành “Cam lồi”). Tương tự như trên, ta tạo biểu tượng cho các phần tử tiếp theo. - Tạo phần tử “Piston plunger” từ nhóm “Pump/ Piston plunger”. - Tạo phần tử “Cửa nạp- Cửa tràn” từ nhóm “Port/ In-line fill- Spill port”. - Tạo phần tử “Rò rỉ số 1” từ nhóm “Leakage/ Annular gap”. - Tạo phần tử “Buồng áp suất” trước van cao áp, sau van cao áp từ nhóm “Volume/ Standard”. - Tạo phần tử “Van cao áp có vành giảm áp” từ nhóm “Valve/ Constant volume”. - Tạo phần tử “Áp suất đầu vào của nhiên liệu” từ nhóm “Boundary/ Pressure”. + Tiếp theo, ta dùng các liên kết để kết nối các phần tử lại. - Dùng “Liên kết cơ khí” để nối “Cam lồi” với “Piston plunger”. - Dùng “Liên kết thủy lực” để nối các cặp phần tử theo thứ tự sau : Piston plunger à Buồng trước van cao áp à Sự rò rỉ số 1 à Áp suất của nhiên liệu ở đầu vào à Cửa nạp- Cửa tràn à Buồng trước van cao áp à Van cao áp có vành giảm áp à Buồng sau van cao áp. 4.3.2. Tạo mô hình khối đường ống cao áp - Tạo phần tử “Đường ống cao áp” từ nhóm “Line/ Laplace”. 4.3.3. Tạo mô hình khối vòi phun - Tạo phần tử “Đường ống dọc thân vòi phun” từ nhóm “Line/ Laplace”. - Tạo phần tử “Khoang chuyển tiếp” từ nhóm “Volume/ Standard”. - Tạo phần tử ba “Đường ống dẫn dầu đến buồng nâng kim phun” từ nhóm “Line/ Laplace”. - Tạo phần tử “Buồng nâng kim phun” từ nhóm “Volume/Standard”. - Tạo phần tử “Kim phun” từ nhóm “Needle/ Standard (obsolete model)”. - Tạo phần tử “Vòi phun” từ nhóm “Nozzle/ VCO (Basic model)”. - Tạo phần tử “Sự rò rỉ số 2” từ nhóm “Leakage/ Annular gap”. - Tạo phần tử “Áp suất dầu hồi+ lò xo kim phun” từ nhóm “Biên thủy cơ”(Boundary/ Hydromechanical). + Tiếp theo ta dùng các liên kết để kết nối các phần tử lại. - Dùng “Liên kết thủy lực” để nối các phần tử theo thứ tự sau: Đường ống dọc thân vòi phun à Khoang chuyển tiếp à Ba đường ống dẫn dầu đến khoang nâng kim phun à Buồng nâng kim phun à 3 phần tử sau (Vòi phun VCO cơ bản, Sự rò rỉ số 2, Kim phun). - Dùng “Liên kết thủy lực” để nối “Sự rò rỉ số 2” với “Biên thủy cơ”. - Dùng “Liên kết cơ khí” để nối “Biên thủy cơ” với “Kim phun”. - Dùng “Liên kết đặc biệt” để nối “Vòi phun VCO cơ bản” với “Kim phun”, “Kim phun” với “Sự rò rỉ số 2”. 4.3.4. Tạo mô hình khối buồng cháy Tạo phần tử “Biên áp suất” của buồng cháy từ nhóm “Boundary/ Pressure”. 4.3.5. Kết nối các khối mô hình thành mô hình mô phỏng hệ thống nhiên liệu - Dùng liên kết thủy lực để kết nối các khối mô hình theo thứ tự sau: Bơm cao áp à Đường ống cao áp à Vòi phun à Buồng cháy. * Sau khi kết nối các khối mô hình lại thì ta được mô hình 2D mô phỏng hệ thống nhiên liệu của động cơ Dongfeng S1100A như hình 4-2 dưới đây: Hình 4-2 Mô hình mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ Dongfeng S1100A 4.4. Khai báo dữ liệu đầu vào cho các phần tử Sau khi xây dựng được mô hình hoàn chỉnh thể hiện đặc điểm kết cấu của hệ thống nhiên liệu, tiếp theo ta khai báo dữ liệu đầu vào cho các phần tử tương ứng. Các dữ liệu đầu vào này giúp định nghĩa phần tử về mặt kết cấu và điều kiện làm việc. Để khai báo dữ liệu đầu vào, ta có thể thực hiện theo 3 cách sau: + Kích đôi vào phần tử (hoặc tên phần tử ). + Kích sáng phần tử trên menu Pulldown chọn Element/ Properties. + Kích chuột phải vào phần tử làm xuất hiện thanh menu Pulldown, từ menu này chọn Properties. 4.4.1. Khai báo dữ liệu đầu vào cho phần tử cam lồi Hình 4-3 Hộp thoại dữ liệu đầu vào của phần tử cam lồi Đối với phần tử Cam lồi, các dữ liệu đầu vào cần khai báo bao gồm: + Bán kính vòng tròn cơ sở : [mm]. + Bán kính con lăn : [mm]. + Bề rộng hiệu dụng của con lăn: [mm]. + Môdun đàn hồi của vật liệu cam: Lấy theo mặc định 2,1e+011 [N/m2]. + Độ dịch chuyển lên xuống của con đội theo hướng trực giao (dùng để xác định biên dạng cam): dùng phương pháp xoay biên dạng cam theo từng góc nhất định để xác định chiều cao tại các điểm trên mặt cam theo các góc quay cam tương ứng, qua đó ta xác định được độ dịch chuyển lên xuống của con đội con lăn theo hướng trực giao. Dưới đây là kết quả độ nâng cam thu được sau khi quay biên dạng cam theo từng góc nhất định với giá trị bước là . Bảng 4-1 Dữ liệu độ nâng của biên dạng cam. Góc quay cam. [độ] Độ nâng cam. Góc quay cam. [độ] Độ nâng cam. 0 0 85 6,1095 5 0,0875 90 6,3645 10 0,341 95 6,525 15 0,5015 100 6,5725 20 0,8545 105 6,4385 25 1,2895 110 5,7115 30 1,6105 115 4,478 35 2,0775 120 3,3335 40 2,425 125 2,429 45 2,8465 130 1,5845 50 3,205 135 0,9475 55 3,6535 140 0,5305 60 4,152 145 0,234 65 4,6245 150 0,055 70 5.005 155 0 75 5,4725 160 0 80 5,774 4.4.2. Khai báo dữ liệu đầu vào cho phần tử piston plunger Đối với phần tử Piston plunger, các dữ liệu đầu vào cần khai báo bao gồm: + Khối lượng chuyển động: + Đường kính piston plunger: [mm]. + Áp suất trong buồng áp suất: p=130000 [Pa]. + Lực ma sát culông: 5 [N]. + Lò xo piston plunger: * Lực ép ban đầu: [N] * Độ cứng lò xo: [N/m] * Độ giảm chấn lò xo: [N.s/m] Hình 4- 4 Hộp thoại khai báo dữ liệu đầu vào cho phần tử piston plunger 4.4.3. Khai báo dữ liệu đầu vào cho phần tử cửa nạp/ tràn thẳng hàng + Đường kính lỗ: [mm]. + Số lượng cửa: 1 (cửa). + Hành trình trước của pittông: [mm]. + Hành trình có ích của pittông: [mm]. + Góc nâng rãnh xoắn: . + Độ rộng rãnh: [mm]. + Tiết diện ngang của lỗ xuyên tâm piston: . Hình 4-5 Hộp thoại dữ liệu đầu vào cho phần tử cửa nạp/ tràn thẳng hàng 4.4.4. Khai báo dữ liệu đầu vào cho phần tử rò rỉ số 1 Đối với phần tử này, các dữ liệu đầu vào cần phải khai báo bao gồm: + Đường kính piston plunger: [mm]. + Số lượng piston plunger: 1 + Chiều dài khe hở: [mm]. + Khe hở hướng kính: [mm]. Hình 4- 6 Hộp thoại dữ liệu đầu vào cho phần tử rò rỉ số 1. 4.4.5. Khai báo dữ liệu đầu vào phần tử áp suất ban đầu của nhiên liệu Đối với phần tử này, dữ liệu cần khai báo bao gồm: + Góc quay hoặc thời gian liên quan đến việc bắt đầu tính toán: 0 [s]. + Hệ số tỷ lệ cho cột thứ nhất: 1 + Áp suất nhiên liệu: p=130000 [Pa]. Hình 4- 7 Hộp thoại dữ liệu đầu vào cho phần tử áp suất ban đầu của nhiên liệu 4.4.6. Khai báo dữ liệu đầu vào cho phần tử buồng áp suất trước van cao áp Hình 4-8 Hộp thoại dữ liệu đầu vào cho phần tử buồng áp suất trước van cao áp Đối với phần tử này, các dữ liệu cần khai báo bao gồm: + Thể tích ban đầu: . + Áp suất hơi: 100 [Pa]. 4.4.7. Khai báo dữ liệu đầu vào cho phần tử van cao áp có vành giảm áp Hình 4-9 Hộp thoại dữ liệu đầu vào cho phần tử van cao áp có vành giảm áp Đối với phần tử này, các dữ liệu đầu vào cần khai báo bao gồm: + Khối lượng dịch chuyển: [g]. + Đường kính đế van: [mm]. + Thể tích vành giảm áp: [mm3]. + Lực ma sát Culông: [N]. + Hệ số lưu lượng tại đế van: . + Áp suất mở van: [bar] + Lò xo van: Độ cứng: [N/m] Độ giảm chấn: [N.s/m] + Đế van: Độ cứng: [N/m] Độ giảm chấn: [N.s/m] 4.4.8. Khai báo dữ liệu đầu vào cho phần tử buồng áp suất sau van cao áp Đối với phần tử này, các dữ liệu đầu vào cần khai báo bao gồm: + Thể tích ban đầu: [mm3] + Áp suất hơi: 100 [Pa] Hình 4-10 Hộp thoại dữ liệu đầu vào cho phần tử khoang sau van cao áp 4.4.9. Khai báo dữ liệu đầu vào cho phần tử đường ống cao áp Hình 4-11 Hộp thoại dữ liệu đầu vào cho phần tử đường ống cao áp Đối với phần tử này, các dữ liệu đầu vào cần khai báo bao gồm: + Chiều dài đường ống: [mm]. + Đường kính thuỷ lực: [mm]. + Bề dày thành ống: [mm]. + Môdun I-âng của vật liệu thành ống lấy bằng mặc định 210000 [N/ mm2]. 4.4.10. Khai báo dữ liệu đầu vào cho phần tử đường ống dọc thân vòi phun Hình 4-12 Hộp thoại dữ liệu đầu vào cho phần tử đường ống dọc thân vòi phun Đối với phần tử này, các dữ liệu đầu vào cần khai báo bao gồm: + Chiều dài đường ống: [mm]. + Đường kính thuỷ lực: [mm]. 4.4.11. Khai báo dữ liệu đầu vào cho phần tử khoang chuyển tiếp Hình 4-13 Hộp thoại dữ liệu đầu vào cho phần tử khoang chuyển tiếp Đối với phần tử này, các dữ liệu đầu vào cần khai báo bao gồm: + Thể tích ban đầu: [mm3]. + Áp suất hơi: 100 [Pa]. 4.4.12. Khai báo dữ liệu đầu vào cho phần tử đường ống xiên dẫn đến khoang nâng kim phun(3 đường) Hình 4-14 Hộp thoại dữ liệu đầu vào cho phần tử khoang chuyển tiếp Đối với phần tử này, các dữ liệu đầu vào cần khai báo bao gồm: + Chiều dài đường ống: [mm]. + Đường kính thuỷ lực: [mm]. 4.4.13. Khai báo dữ liệu đầu vào cho phần tử buồng nâng kim phun Hình 4-15 Hộp thoại dữ liệu đầu vào cho phần tử buồng nâng kim phun Đối với phần tử này, các dữ liệu đầu vào cần khai báo bao gồm: + Thể tích ban đầu: [mm3] + Áp suất hơi: 100 [Pa] 4.4.14. Khai báo dữ liệu đầu vào cho phần tử kim phun Hình 4-16 Hộp thoại dữ liệu đầu vào cho phần tử kim phun Đối với phần tử này, các dữ liệu đầu vào cần khai báo bao gồm: + Khối lượng dịch chuyển: [g] + Lực ma sát culông: 3 [N] + Độ nâng lớn nhất của kim phun: 0,3 [mm] + Đường kính phần dẫn hướng của kim phun: [mm] + Đường kính phần đế kim phun: [mm] + Đế kim phun: Độ cứng [N/m] Độ giảm chấn [N.s/m] + Điểm dừng kim phun: Độ cứng [N/m] Độ giảm chấn [N.s/m] 4.4.15. Khai báo dữ liệu đầu vào cho phần tử vòi phun Đối với phần tử này, các dữ liệu đầu vào cần khai báo bao gồm: + Số lỗ phun: 1 lỗ. + Đường kính 1 lỗ phun: [mm] + Chiều dài lỗ phun: [mm] + Đường kính khoang vòi phun tại lỗ: [mm] + Góc đế kim phun: . Hình 4-17 Hộp thoại dữ liệu đầu vào cho phần tử vòi phun * Tính toán tia phun (Spray calculation). Để tính toán đường kính trung bình hạt nhiên liệu, góc côn, độ xuyên thấu của tia phun, ta phải chọn phương pháp tính nó. Hình 4-18 Hộp thoại tính toán tia phun - Tính toán đường kính trung bình hạt nhiên liệu. + Ta tính theo công thức Knight: Tài liệu [3] (4.1) Trong đó: - Hệ số nhớt động học của nhiên liệu. - Lưu lượng khối lượng. - Tỷ số diện tích . - Tính toán góc côn tia phun. + Ta tính theo công thức Sitkei: Tài liệu [3] (4.2) Trong đó: - Khối lượng riêng của nhiên liệu. - Khối lượng riêng của khí. - Độ chênh lệch áp suất. - Đường kính lỗ phun. - Chiều dài lỗ phun. Hình 4-19 Góc côn tia phun và độ xuyên thấu của tia phun s - Tính toán độ xuyên thấu của tia phun. + Ta tính theo công thức Arai, Tabata, Hyroyasu: Tài liệu [3] (4.3) Với : Thời gian tính từ khi bắt đầu phun nhiên liệu. - Hệ số xoáy trong không gian lõm của đỉnh piston. + Động cơ sử dụng piston đỉnh lõm với chiều sâu nhỏ nên ta bỏ qua hệ số xoáy trong không gian lõm của đỉnh piston. 4.4.16. Khai báo dữ liệu đầu vào cho phần tử rò rỉ số 2 Đối với phần tử này, các dữ liệu đầu vào cần khai báo bao gồm: + Đường kính kim phun: [mm] + Số lượng kim phun: 1. + Chiều dài khe hở ban đầu: [mm] + Khe hở hướng kính: [mm] Hình 4-20 Hộp thoại dữ liệu đầu vào cho phần tử rò rỉ số 2 4.4.17. Khai báo dữ liệu đầu vào cho phần tử biên áp suất (dầu hồi) Đối với phần tử này, ta chọn các biến số: toạ độ, áp suất, lưu lượng theo hướng x. Chọn giá trị áp suất đường dầu hồi: 100000 [Pa]. Hình 4-21 Hộp thoại dữ liệu đầu vào cho phần tử biên áp suất (dầu hồi) 4.4.18. Khai báo dữ liệu đầu vào cho phần tử lò xo kim phun + Tải trọng đặt trước: F=200 [N]. + Độ cứng của lò xo: k = 200000 [N/m]. + Độ giảm chấn: [N.s/m] Hình 4-22 Hộp thoại dữ liệu đầu vào cho phần tử lò xo kim phun 4.4.19. Khai báo dữ liệu đầu vào cho phần tử liên kết piston plunger với con đội + Tải trọng đặt trước: F=0 [N]. + Độ cứng lò xo: k = 1,5e+008 [N/m]. + Độ giảm chấn: [N.s/m] Hình 4-23 Hộp thoại dữ liệu đầu vào cho phần tử lò xo bơm cao áp 4.4.20. Khai báo dữ liệu đầu vào cho phần tử buồng cháy Hình 4-24 Hộp thoại dữ liệu đầu vào cho phần tử buồng cháy Giả thiết áp suất buồng cháy trong quá trình phun nhiên liệu không đổi, dựa vào đồ thị động học ta xác định được áp suất của buồng cháy tại thời điểm nhiên liệu được phun vào bằng 2430000 [Pa]. 4.5. Khai báo dữ liệu ban đầu cho các phần tử 4.5.1. Khai báo điều kiện ban đầu cho phần tử cam lồi Hình 4-25 Hộp thoại dữ liệu ban đầu cho phần tử cam lồi Chọn vận tốc góc của cam lồi là 1000 [vòng/ phút]. 4.5.2. Khai báo điều kiện ban đầu cho phần tử piston plunger Hình 4-26 Hộp thoại dữ liệu ban đầu cho phần tử piston plunger Đối với phần tử piston plunger, điều kiện ban đầu của nó bao gồm chuyển vị, vận tốc đầu vào, đầu ra trong hướng x. Ở đây các giá trị này bằng 0. 4.5.3. Khai báo điều kiện ban đầu cho phần tử buồng trước van cao áp Hình 4-27 Hộp thoại dữ liệu ban đầu cho phần tử buồng trước van cao áp Đối với các phần tử thủy lực như buồng áp suất, điều kiện ban đầu của nó là áp suất và giá trị áp suất này phải bằng giá trị áp suất của biên áp suất tức áp suất của nhiên liệu đầu vào. Vì vậy, giá trị áp suất ban đầu của phần tử buồng trước van cao áp chọn bằng 130000 [Pa]. 4.5.4. Khai báo điều kiện ban đầu cho phần tử buồng sau van cao áp Các phần tử buồng sau van cao áp, khoang chuyển tiếp và buồng nâng kim phun có điều kiện ban đầu giống nhau và bằng 2000000 [Pa]. Hình 4-28 Hộp thoại dữ liệu ban đầu cho phần tử buồng sau van cao áp 4.5.5. Khai báo điều kiện ban đầu phần tử đường ống cao áp, lỗ dọc thân vòi phun, lỗ dọc thân kim phun. Hình 4-29 Hộp thoại dữ liệu ban đầu cho phần tử đường ống cao áp, lỗ dọc thân vòi phun, lỗ dọc thân kim phun Các phần tử kể trên cùng thuộc nhóm phần tử đường ống nên có kiểu điều kiện ban đầu giống nhau: lưu lượng tại đầu vào, đầu ra. Tại thời điểm ban đầu, các giá trị này bằng 0. 4.5.6. Khai báo điều kiện ban đầu phần tử kim phun Hình 4-30 Hộp thoại dữ liệu ban đầu cho phần tử kim phun Những điều kiện ban đầu của phần tử kim phun bao gồm: chuyển vị và vận tốc tại đầu vào, đầu ra trong hướng x. Tại thời điểm bắt đầu tính toán các giá trị này bằng 0. 4.6. Khai báo tính chất nhiên liệu Động cơ sử dụng nhiên liệu Diesel nên ta chọn chất lỏng trong mô hình mô phỏng là nhiên liệu Diesel tiêu chuẩn, những tính chất của nó được mặc định theo tiêu chuẩn. Hình 4-31- Hộp thoại khai báo tính chất của nhiên liệu 4.7. Khai báo tính chất khí nạp trong buồng cháy Trong mô hình có xét đến việc tính toán đường kính trung bình của hạt nhiên liệu, góc côn tia phun, chiều dài tia phun nên chương trình yêu cầu phải khai báo tính chất khí nạp trong buồng cháy. Hình 4-32 Hộp thoại tính chất khí nạp buồng cháy 4.8. Lựa chọn những thông số đầu ra. Bước tiếp theo sau khi khai báo các điều kiện ban đầu là chọn các thông số đầu ra của các phần tử. Để chọn các thông số đầu ra, ta thực hiện như sau: + Kích sáng phần tử, trên menu Pulldown chọn Element/ Store Result. + Kích phải chuột vào phần tử làm xuất hiện thanh menu Pulldown, từ đây chọn Store Result. 4.8.1. Lựa chọn thông số đầu ra của phần tử cam lồi Đối với phần tử cam lồi, ta chọn các thông số đầu ra như sau: + Độ nâng của biên dạng cam trong hướng x. + Vận tốc của cam trong hướng x. + Ứng suất Hertz tại điểm tiếp xúc giữa con lăn – cam lồi. Hình 4-33 Hộp thoại những thông số đầu ra của phần tử cam lồi 4.8.2. Lựa chọn thông số đầu ra của phần tử piston plunger Đối với phần tử piston plunger, ta chọn các thông số đầu ra như sau: + Độ nhấc của piston plunger trong hướng x. + Vận tốc của piston plunger trong hướng x. Hình 4-34 Hộp thoại đầu ra của phần tử piston plunger 4.8.3. Lựa chọn thông số đầu ra của phần tử buồng trước van cao áp. Đối với phần tử buồng trước van cao áp, ta chọn thông số đầu ra như sau: + Áp suất nhiên liệu trong buồng. Hình 4-35 Hộp thoại đầu ra của phần tử buồng trước van cao áp 4.8.4. Lựa chọn thông số đầu ra của phần tử van cao áp có vành giảm áp. Đối với phần tử van cao áp có vành giảm áp, ta chọn các thông số đầu ra như sau: + Độ nhấc của van. + Vận tốc của van trong hướng x. + Lượng chất lỏng qua van. Hình 4-36 Hộp thoại đầu ra của phần tử van cao áp 4.8.5. Lựa chọn thông số đầu ra của phần tử khoang nâng kim phun Đối với phần tử khoang nâng kim phun, ta chọn thông số đầu ra như sau: + Áp suất trong khoang nâng kim phun. Hình 4-37 Hộp thoại đầu ra của phần tử khoang nâng kim phun 4.8.6. Lựa chọn thông số đầu ra của phần tử kim phun Đối với phần tử kim phun, ta chọn thông số đầu ra như sau: + Độ nhấc kim phun trong hướng x. Hình 4-38 Hộp thoại đầu ra của phần tử kim phun 4.8.7. Lựa chọn thông số đầu ra của phần tử vòi phun Hình 4-39 Hộp thaọi đầu ra của phần tử vòi phun Đối với phần tử vòi phun, ta chọn các thông số đầu ra như sau: + Lưu lượng qua vòi phun. + Lượng nhiên liệu qua vòi phun. + Đường kính trung bình của hạt nhiên liệu. + Góc côn tia phun. + Độ xuyên thấu của tia phun. 4.9. Chạy chương trình tính toán 4.9.1. Khai báo hộp thoại "Điều khiển tính toán" Trước hết, ta thực hiện việc định nghĩa tiêu chuẩn điều khiển để phục vụ chạy tính toán. Bằng cách kích chọn Simulation/ Control trên thanh menu Pulldown hoặc nhấn nút ,hộp thoại đầu vào của những dữ liệu điều khiển sẽ được mở ra. Đầu tiên, ta chọn lĩnh vực mô phỏng, vì trong mô hình tồn tại phần tử chuyển động quay nên ta chọn lĩnh vực mô phỏng là "Reference angle- Góc cam". Tiếp theo chọn tốc độ trục cam: 1000 [vòng/ phút]. Chọn tốc độ động cơ: chọn loại động cơ 4 kỳ nên tốc độ động cơ tương ứng là 2000 [vòng/ phút]. Chọn bước tính bằng hằng số, với các tham số như sau: + Bước góc cam: 0,002 [độ] + Khoảng góc cam mô phỏng: 160 [độ] + Số giá trị được lưu: 200 Chọn loại hình xuất ra tệp tin thể hiện tiến trình bài giải: chọn loại GIDas. Hình 4-40 Hộp thoại điều khiển tính toán 4.9.2. Chạy chương trình tính toán Sau khi tất cả những dữ liệu đầu vào, ban đầu, đầu ra, điều khiển tính toán đã được khai báo, việc tính toán có thể được bắt đầu. Để thực hiện việc này, chọn Simulation/ Run trên menu Pulldown hoặc nhấn nút . Nếu không có thông báo lỗi xuất hiện trên màn hình thì tức là những dữ liệu nhập vào được chấp nhận, khi đó việc tính toán sẽ bắt đầu. Ngược lại nếu GUI phát hiện bất cứ lỗi nào trong suốt quá trình kiểm tra tính tương thích, thì ngay lập tức một thông báo lỗi sẽ xuất hiên trên màn hình. Hình minh hoạ sau đây thể hiện thông báo lỗi khi GUI kiểm tra dữ liệu đầu vào: Hình 4-41 Cửa sổ thông báo lỗi những dữ liệu đầu vào khi thực hiện tính toán Trong tab “Simulation” trên menu “Pulldown”, bằng cách chọn “View Logfile”, ta có thể xem cửa sổ thể hiện những thông tin về trạng thái chạy chương trình tính toán bao gồm các khuyến cáo và các thông báo lỗi. Chính vì vậy, ta nên sử dụng tuỳ chọn này vì đây là cách dễ nhất để có được những thông tin về các lỗi tính toán cũng như lỗi dữ liệu đầu vào. Hơn thế nữa, bảng báo cáo còn cung cấp cho người sử dụng những lời nhắn có giá trị về các tệp tin được tạo ra, đơn vị hệ thống, tiến trình tính toán. Nếu không có thông báo lỗi nào và dòng chữ "State: completed" xuất hiện trong cửa sổ "Trạng thái- Status" tức là phép tính đã được thực hiện thành công. Hình 4-42 Cửa sổ thông báo trạng thái phép tính được thực hiện thành công. 4.10. Xuất kết quả mô phỏng và nhận xét 4.10.1. Cách xuất kết quả Để xem kết quả, chọn “Programs/ PP2” từ menu “Pulldown” hoặc chọn “Show results” từ menu Pulldown “Simulation” để mở PP2. 4.10.2. Nhận xét kết quả 4.10.2.1. Thông số đầu ra của cam lồi Hình 4-43 Độ nâng của biên dạng cam theo phương x Hình 4-44 Vận tốc nâng của biên dạng cam lồi Trên đồ thị cho ta thấy độ chuyển vị của biên dạng cam theo hướng x, ở hành trình nâng biên dạng cam được nâng lên với tốc độ nhỏ hơn hành trình đi xuống. Điều này giúp cho áp suất nhiên liệu được tăng lên nhanh dần và phun vào buồng cháy với áp suất cao, sau đó nhờ hành trình đi xuống với tốc độ cao làm cho piston bơm cao áp đi xuống nhanh nên kết thúc quá trình phun một cách nhanh chóng. Độ nâng biên dạng cam lớn nhất bằng 6,5725 [mm]. Hình 4-45 Đồ thị biến thiên của ứng suất Hertz Đồ thị trên hình 4.45 cho biết giá trị cũng như sự biến thiên ứng suất tiếp xúc giũa con lăn với cam lồi trong quá trình làm việc. Ứng suất lớn nhất tại vị trí piston plunger đi lên nén nhiên liệu với áp suất cao nhất. Sau đó ứng suất giảm dần khi piston plunger đi xuống. Tại vị trí của piston plunger khi cửa xả mở, do áp suất trên buồng nén giảm đột ngột cùng với sự đàn hồi của lò xo bơm cao áp làm cho ứng suất dao động mạnh, rồi giảm dần khi chỉ còn lực đàn hồi của lò xo gây nên. 4.10.2.2. Thông số đầu ra của piston plunger Hình 4-46 Đồ thị độ nâng piston plunger Ta thấy quy luật nâng của phần tử piston plunger giống với phần tử cam lồi, bởi vì liên kết giữa chúng là liên kết cơ khí. 4.10.2.3. Thông số áp suất nhiên liệu trong hệ thống Hình 4-47 Đồ thị biến thiên áp suất nhiên liệu trong hệ thống Trên đồ thị là diễn biến áp suất trong toàn hệ thống nhiên liệu. Ta thấy áp suất trong buồng bơm cao áp lớn hơn áp suất các buồng sau van cao áp, điều này được lý giải như sau: do có sự tổn thất khi nhiên liệu đi qua đường ống cao áp cùng với sự giãn nỡ của đường ống (đường ống ta chọn không cứng tuyệt đối) và sự rò rỉ nhiên liệu qua khe hở giữa kim phun và thân. Tại buồng nâng kim phun áp suất phun nhiên liệu bắt đầu tăng tại 600 góc quay trục cam (GQTC) và đạt cực đại bằng 22 [Mpa] sau đó giảm nhanh vì piston plunger đã mở cửa nạp/ xả làm cho quá trình phun nhiên liệu được kết thúc một cách dứt khoát tránh hiện tượng phun rớt. Cuối quá trình phun nhiên liệu trong các buồng sau van cao áp có một áp suất dư khoảng 2 [Mpa], áp suất dư này sẽ giúp cho quá trình phun kế tiếp diễn ra tức thời hơn. 4.10.2.4. Thông số đầu ra của van cao áp a. Độ nâng của van cao áp Hình 4-48 Độ nâng của van cao áp Khi áp suất trong buồng bơm cao áp tăng đến giá trị thắng được lực ép lò xo van cao áp và áp lực dầu có áp suất dư thì van cao áp được mở ra. Trên đồ thị hình 4-48, ta thấy van cao áp bắt đầu được nâng lên tại vị trí khoảng 580 GQTC, ứng với vị trí này áp suất trong buồng bơm cao áp khoảng 8 [MPa], chuyển vị của van cao áp tăng nhanh và đạt cực đại khoảng 2,5 [mm]. Khi piston plunger mở cửa nạp/ xả ra thì chuyển vị của van cao áp giảm dần nhờ lực đàn hồi của lò xo van cao áp và áp suất đường dầu cao áp, hệ thống dùng van cao áp có vành giảm áp nên áp suất dư sau quá trình phun được giảm đáng kể, tránh được hiện tượng phun rớt. Sau 850 GQTC van cao áp đóng hoàn toàn kết thúc quá trình cấp nhiên liệu. b. Vận tốc nâng van cao áp Hình 4-49 Đồ thị biến thiên vận tốc của van cao áp Trên hình thể hiện quá trình biến thiên vận tốc van cao áp, tại 580 GQTC vận tốc bắt đầu tăng lên do van cao áp được mở ra, sau đó vận tốc giảm và bằng không khi van cao áp đang ở vị trí cao nhất và duy trì ở đó một thời gian để nhiên liệu đi qua. Sau đó van cao áp đi xuống có nên vận tốc mang dấu âm. Sau khoảng 850 GQTC vận tốc trở về bằng 0 (do chuyển vị bằng 0). 4.10.2.5. Thông số đầu ra của kim phun a. Độ nâng kim phun Hình 4-50 Đồ thị độ nâng kim phun Kim phun bắt đầu được nâng lên tại 620 GQTC tương ứng áp suất trong buồng nâng kim phun là 10 [MPa], độ nâng tăng dần và đạt cực đại bằng 0,3 [mm] ( bằng giá trị nhập vào). Kết thúc nâng kim tại khoảng 850 GQTC cùng lúc với van cap áp. b. Lưu lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy Hình 4-51 Đồ thị thể hiện lưu lượng phun Lưu lượng phun tăng dần theo độ nâng kim phun, đạt cực đại bằng 3,3 [mm3/độ]. Sau đó giảm dần theo độ hạ của kim phun và bằng 0 khi kim phun đóng kín. c. Lượng nhiên liệu phun Hình 4-52 Đồ thị lượng nhiên liệu phun Lúc kim phun nâng lên thì nhiên liệu bắt đầu được phun vào buồng cháy và tăng dần theo GQTC. Kết thúc một lần phun, nhiên liệu được cung cấp vào buồng cháy một lượng bằng khoảng 58 [mm3]. d. Tiết diện lưu thông Hình 4-53 Đồ thị tiết diện lưu thông nhiên liệu e. Thông số đường kính trung bình của hạt nhiên liệu Hình 4-54 Đồ thị giá trị đường kính trung bình của hạt nhiên liệu Ta thấy đường kính hạt nhiên liệu lớn nhất khoảng 30 [] nhìn chung tia phun có đường kính hạt nhỏ, tơi và tương đối đều trong suốt quá trình phun. Cuối quá trình phun đường kính hạt nhiên liệu lớn hơn làm cho quá trình đốt cháy diễn ra không kiệt, thất thoát nhiên liệu dư thừa ra ngoài . Quá trình phun nhiên liệu diễn ra khoảng 200 GQTC. f. Thông số góc côn của chùm tia phun Hình 4-55 Đồ thị giá trị góc côn của tia phun g. Thông số chiều dài của tia phun Hình 4-56 Đồ thị giá trị độ xuyên thấu của tia phun Góc côn của tia phun khoảng 320 và chiều dài tia phun L khoảng 38 [mm]. Với buồng cháy dự bị thì góc côn và chiều dài của chùm tia nhiên liệu như trên là thích hợp. 4.10.2.6. Thông số đầu ra của sự rò rỉ qua khe hở kim phun và thân Hình 4-57 Đồ thị lượng nhiên liệu rò rỉ Khe hở hướng kính giữa kim phun và thân là 4 [] nên trong quá trình phun dưới áp suất rất cao làm đẩy nhiên liệu đi qua khe hở này khoảng 0,0085 [mm3]. Sau một thời gian làm việc của kim phun thì khe hở này tăng lên, lượng rò rỉ tăng làm cho áp suất phun giảm, ảnh hưởng đến chất lượng phun nhiên liệu. 4.10.3. Đánh giá chung về chất lượng phun nhiên liệu từ kết quả mô phỏng Qua quá trình mô phỏng ta đã thu được kết quả về các thông số cần thiết trong hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ Dongfeng S1100A. Ta thấy áp suất phun nhiên liệu khoảng 20 [MPa], với động cơ đang khảo sát dùng buồng cháy ngăn cách nên áp suất phun như vậy là chấp nhận được. Trong bảng thông số về đông cơ Dongfeng S1100A (bảng 3-1), áp suất phun nhiên liệu là: 12,7450,49 [MPa]. Áp suất mà ta mô phỏng có được đã lớn hơn nhiều, điều này có thể lý giải là do một vài thông số nhập vào cho quá trình mô phỏng chưa được chính xác với kết cấu thực, do chưa có thiết bị đo đạc chính xác, điều này cũng ảnh hưởng lớn đến kết quả thu được. Tia nhiên liệu được phun vào động cơ nhìn chung là đạt chất lượng. Chùm tia có độ côn, chiều dài lớn tuy đường kính trung bình của hạt nhiên liệu chưa đồng đều lắm, điều này ảnh hưởng đến diễn biến quá trình cháy trong buồng cháy. Hạt nhiên liệu cuối quá trình phun lớn sẽ làm cho sự đốt cháy không kiệt, tăng nồng độ khí thải ra môi trường. Ta thấy lượng cung cấp nhiên liệu trên một chu trình khoảng bằng 58 [mm3]. Theo công thức [g/kW.h] Tài liệu [1],ta tính được suất tiêu hao nhiên liệu bằng 268,46 [g/kW.h]. So với suất tiêu hao nhiên liệu cho trong [bảng 3-1] 250,2 [g/kW.h], ta thấy suất tiêu hao nhiên liệu đã tăng lên. Do động cơ đã được sử dụng lâu năm nên các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu đã bị mài mòn đi chất lượng phun giảm xuống, nhiên liệu cháy không kiệt. 5. Đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng phun nhiên liệu Chất lượng phun nhiên liệu (đường kính tia, góc côn chùm tia, chiều dài tia phun) phụ thuộc vào nhiều thông số sau: kích thướt lỗ phun, tốc độ trục cam, độ nhớt và lực căng mặt ngoài của nhiên liệu, áp suất phun. Để xem xét chúng ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng tia phun ta thay đổi một vài thông số sau: 5.1. Thay đổi tốc độ trục cam Cho cam hoạt động lần lượt ở tốc độ bằng 1000 [vòng/ phút]( đã mô phỏng ở trên) và tốc độ 700 [vòng/ phút], ta cho chạy mô phỏng thu được kết quả sau: Hình 5-1 Đồ thị đường kính hạt với tốc độ trục cam khác nhau Hình 5-2 Đồ thị góc côn chùm tia ứng với tốc độ trục cam khác nhau Từ đồ thị trên ta thấy: khi giảm số vòng quay trục cam từ xuống thì đường kính trung bình của hạt nhiên liệu tăng lên, góc côn giảm xuống. + Đối với giá trị ® [độ] + Đối với giá trị ® [độ] Lý do: khi giảm số vòng quay trục cam sẽ làm giảm tốc độ tịnh tiến đi lên của piston plunger nên lượng nhiên liệu tiết lưu qua khe hở đỉnh piston plunger tăng, qua đó làm giảm áp suất phun và giảm tốc độ dòng chảy qua lỗ vòi phun, kết quả sẽ làm tăng đường kính trung bình hạt nhiên liệu và làm giảm góc côn của chùm tia phun. 5.2. Thay đổi áp suất buồng cháy Ta thay đổi áp suất buồng cháy bằng 35 [Bar] và cho chạy mô phỏng để xem xét độ ảnh hưởng đến chiều dài tia phun so với khi áp suất buồng cháy là 24,3 [Bar] ( đã mô phỏng trên). Hình 5-3 Đồ thị chiều dài tia ứng với áp suất buồng cháy khác nhau Từ đồ thị trên ta thấy: khi tăng áp suất buồng cháy từ 24,3 [Bar] lên 35 [Bar] thì chiều dài tia phun giảm xuống. + Đối với giá trị ® + Đối với giá trị ® Lý do: khi tăng áp suất buồng cháy tức làm tăng sức cản của môi trường phun nhiên liệu, nên làm giảm động năng của các hạt nhiên liệu khi nhiên liệu được phun ra; vì vậy chiều dài (hay độ xuyên thấu) của tia nhiên liệu bị ngắn lại. 6. Kết luận Qua quá trình tìm hiểu và vận dụng phần mềm HydSim để mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ Dongfeng S1100A, ta thấy HydSim là một phần mềm dùng để mô phỏng, tính toán hệ thống nhiên liệu khá mạnh. Với việc đo đạc các thông số kết cấu của các chi tiết trong hệ thống chưa được chính xác lắm một phần do kiến thức còn yếu một phần chưa có thiết bị để đo hiện đại, nên kết quả nhận được từ việc mô phỏng chưa đủ để kết luận về tình trạng hiện tại của hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ Dongfeng S1100A. Tuy nhiên nhờ phần mềm này mà em cũng nhận biết thêm được sự ảnh hưởng của các thông số kết cấu, điều kiện vận hành, áp suất buồng cháy đến chất lượng phun nhiên liệu cho động cơ. Hơn nữa ta có thể thay đổi các thông số nhập vào và điều kiện biên của các phần tử để tìm ra kết quả về chất lượng phun tốt nhất, tối ưu nhất cho động cơ. Từ việc mô phỏng hệ thống nhiên liệu Diesel cho động cơ Dongfeng S1100A, ta có thể mở rộng để nghiên cứu cho hệ thống cung cấp xăng, cồn, gas,…cho các loại động cơ khác. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Hồ Tấn Chuẩn, Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tất Tiến. “Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong _Tập 3”. Hà nội: NXB đại học và trung học chuyên nghiệp; 1977. [2]. Nguyễn Tất Tiến. “Nguyên lý động cơ đốt trong”. Hà nội: Nhà xuất bản giáo dục; 2000. [3]. “Hydsim Reference Manual V4.2”. AVL LIST GmbH.