L ỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐỘNG CƠ DIESEL PHUN DẦU ĐIỆN TỬ
Động cơ Diesel, được phát minh bởi Rudolf Diesel vào năm 1892, hoạt động theo nguyên lý tự cháy thông qua việc nén không khí, tạo ra nhiệt độ cao khiến nhiên liệu diesel tự bốc cháy Khác với động cơ xăng, động cơ Diesel không sử dụng bộ đánh lửa mà điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu-không khí để kiểm soát mô-men xoắn Động cơ Diesel có hiệu suất nhiệt cao nhất so với các loại động cơ đốt trong và đốt ngoài, nhờ vào tỷ số nén cao giúp bù đắp cho tổn thất bơm không khí Đặc biệt, động cơ diesel tốc độ thấp có thể đạt hiệu suất lên tới 55%, làm cho nó trở thành lựa chọn hiệu quả cho các ứng dụng như tàu biển.
Các động cơ diesel hiện nay có hiệu suất nhiệt khoảng 42% khi hoạt động ở mức tải tối đa, trong đó 28% năng lượng nhiên liệu bị lãng phí qua khí thải, 28% năng lượng tiêu hao cho hệ thống làm mát, và 2% là thất thoát nhiệt khác Động cơ turbo-diesel hiện đại sử dụng hệ thống phun nhiên liệu common-rail điều khiển điện tử để cải thiện hiệu suất, kết hợp với hệ thống nạp turbo biến đổi hình học giúp tăng mô-men xoắn ở tốc độ động cơ thấp Đặc biệt, động cơ diesel tốc độ thấp như MAN S80ME-C7 đã đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng tổng thể lên đến 54,4%, là mức cao nhất cho bất kỳ động cơ đốt trong nào Các động cơ diesel trong xe tải lớn, xe buýt và ô tô diesel mới cũng có thể đạt hiệu suất tối đa khoảng 45%.
Hệ thống nhiên liệu Diesel đang được cải tiến liên tục với các giải pháp kỹ thuật tối ưu nhằm giảm ô nhiễm và tiêu hao nhiên liệu Nghiên cứu về động cơ Diesel đã đề xuất nhiều biện pháp kỹ thuật phun và tổ chức quá trình cháy để hạn chế phát thải chất ô nhiễm Những biện pháp này chủ yếu tập trung vào việc giải quyết các vấn đề liên quan đến hiệu suất và môi trường.
- Tăng tốc độ phun để giảm nồng độ bồ hóng do tăng tốc hòa trộn nhiên liệu không khí.
- Tăng áp suất phun, đặc biệt là đối với động cơ phun trực tiếp.
- Điều chỉnh dạng quy luật phun theo khuynh hướng kết thúc nhanh quá trình phun để làm giảm HC.
- Biện pháp hồi lưu một bộ phận khí xả.
Hiện nay các nhược điểm đó đã được khắc phục bằng cách cải tiến một số bộ phận của hệ thống nhiên liệu Diesel điện tử như:
- Bơm cao áp điều khiển điện tử.
- Ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao (ống Rail).
Vào năm 1986, Bosch đã giới thiệu hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail Diesel, đánh dấu bước tiến lớn trong công nghệ điều khiển tự động cho hệ thống nhiên liệu Diesel Hệ thống này đã được hoàn thiện và hiện đại hóa, cho phép áp suất phun được điều chỉnh riêng biệt cho từng vòi phun Nhiên liệu áp suất cao được chứa trong một đường ống (Rail) và được phân phối đến các vòi phun theo yêu cầu, giúp giải quyết hiệu quả các vấn đề mà các hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel thông thường gặp phải.
- Giảm tối đa mức độ tiếng ồn.
Nhiên liệu được phun ra với áp suất cao lên đến 184 MPa nhờ vào hệ thống điều khiển điện tử, cho phép thời gian phun cực ngắn chỉ khoảng 1,1 ms và tốc độ phun nhanh chóng.
- Có thể thay đổi áp suất phun và thời điểm phun tùy theo chế độ làm việc của động cơ.
S Ự KHÁC BIỆT GIỮA ĐỘNG CƠ DISEL VÀ ĐỘNG XĂNG
Kỳ Động cơ Diesel Động cơ Xăng
Hút không khí vào xilanh.
Hệ thống nhiên liệu cung cấp không khí vào lòng xilanh, hoà khí được hình thành trong lòng
Hút hoà khí vào xilanh. Hoà khí được hình thành từ bên ngoài, nhờ có bộ chế hoà khí.
Khí nạp nén đạt được áp suất
T = (500:600) o C Cuối quá trình nén nhiên liệu được phun
Hoà khí được nén với áp suất
= (200:300) o C Cuối quá trình nén tia lửa phát ra từ bugi đốt
Nổ Nhiên liệu phun vào xilanh hoà trộn với không khí tự bốc cháy nhờ nhiệt độ cao của không khí trong buồng đốt.
Hỗn hợp nhiên liệu cháy - giãn nở
Hoà khí được tin lửa của bugi đốt cháy Hỗn Hợp nhiên liệu cháy - giãn nở và sinh công.
Xả Khí thải được đẩy ra ngoài bằng cửa thải và đường ống thải.
Khí thải được đẩy ra ngoài bằng cửa thải và đường ống thải.
- Công suất động cơ Diesel lớn hơn 1,5 lần so với động cơ xăng.
- Nhiên liệu Diesel rẻ tiền hơn xăng.
- Suất tiêu hao nhiên liệu riêng của động cơ Diesel thấp hơn động cơ xăng.
- Nhiên liệu Diesel không b cháy ở nhiệt độ bình thường, vì vậy ít nguy hiểm.
- Động cơ Diesel ít hư hỏng vặt vì không có bộ đánh lửa và bộ chế hoà khí.
- Cùng một công suất thì động cơ Diesel có khối lượng nặng hơn động cơ xăng.
Hệ thống nhiên liệu của động cơ Diesel, bao gồm bơm cao áp và kim phun, được chế tạo tinh vi với độ chính xác cao, dung sai chỉ 1/1000mm Tỉ số nén cao yêu cầu vật liệu chế tạo các chi tiết như nắp xilanh phải đạt tiêu chuẩn tốt Những yếu tố này khiến động cơ Diesel có chi phí sản xuất cao hơn so với động cơ xăng.
- Sửa chữa hệ thống nhiên liệu cần phải có máy chuyên dùng, dụng cụ đắt tiền và thợ chuyên môn cao.
- Tốc độ động cơ Diesel thấp hơn tốc độ động cơ xăng.
T ÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA NHIÊN LIỆU DIESEL
Khối lượng riêng
Khối lượng riêng của nhiên liệu thường được xác định ở nhiệt độ 20°C, điều này giúp ước lượng khả năng bay hơi của nhiên liệu Đối với nhiên liệu diesel, có đặc điểm là nặng và khó bay hơi, khối lượng riêng dao động trong khoảng 0.80 đến 0.95 g/cm³.
Độ nhớt
Độ nhớt của nhiên liệu thường được đo ở 20 độ C và có hai dạng chính: độ nhớt động học, ký hiệu V (m²/s hoặc cm²/s tức St - stốc), với giá trị cho diesel dao động từ 2.5 đến 8.5 cSt Bên cạnh đó, độ nhớt tương đối, hay còn gọi là Engle (ký hiệu E t), được xác định bằng tỷ số giữa thời gian chảy của 200ml nhiên liệu và 200ml nước cất qua lỗ đo của thiết bị đo độ nhớt Nếu độ nhớt tương đối lớn hơn 5, nó cho thấy tính chất đặc biệt của nhiên liệu.
E t thì phải hâm nóng nhiên liệu trước khi sử dụng.
Tính bốc hơi
Nhiên liệu đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất và thời gian hình thành hỗn hợp Tính bốc hơi của nhiên liệu phụ thuộc vào thành phần của nó, được thể hiện qua đường cong chưng cất.
Nhiệt độ tự cháy
Nhiệt độ tự bốc cháy của hỗn hợp nhiên liệu - không khí với tỷ lệ nhất định là nhiệt độ thấp nhất mà không cần nguồn lửa bên ngoài Nhiệt độ tự cháy thường tỷ lệ nghịch với khối lượng riêng p, trong đó paraphin có nhiệt độ tự cháy thấp nhất, trong khi các-bua-hy-dro thơm lại có nhiệt độ tự cháy cao nhất.
Nhiệt độ đông đặc
Để sử dụng nhiên liệu diesel hiệu quả, cần hâm nóng trước khi sử dụng do nhiệt độ đông đặc cao, thường dao động từ -60°C đến +5°C Việc thêm phụ gia giúp giảm nhiệt độ đông đặc, cải thiện khả năng sử dụng trong điều kiện thời tiết lạnh.
T ÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA NHIÊN LIỆU DIESEL
Nhiệt trị
Nhiệt lượng thu được từ việc đốt cháy hoàn toàn một đơn vị nhiên liệu được gọi là nhiệt trị Trong tính toán, có hai loại nhiệt trị cần phân biệt: nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp.
Nhiệt trị cao Qo là tổng nhiệt lượng thu được từ quá trình cháy, trong khi nhiệt trị thấp QH là phần nhiệt lượng này sau khi trừ đi lượng nhiệt tỏa ra khi ngưng tụ hơi nước trong sản phẩm cháy Trong thực tiễn, nhiệt trị thấp QH thường được sử dụng trong tính toán do nhiệt độ khí thải thường cao hơn nhiều so với nhiệt độ ngưng tụ hơi nước ở cùng áp suất Đối với nhiên liệu diesel, giá trị nhiệt trị thấp được tính là QH = 42,5 MJ/kg.
Thành phần lưu huỳnh và tạp chất
Trong quá trình chưng cất dầu, nhiên liệu thường chứa tạp chất, trong đó có lưu huỳnh Khi cháy, lưu huỳnh tạo ra SO2, kết hợp với hơi nước sinh ra trong quá trình cháy để hình thành a-xít yếu H2SO3, gây ra hiện tượng ăn mòn hóa học và mưa axit, ảnh hưởng đến các chi tiết trong động cơ Hiện nay, các nước châu Âu đã quy định giới hạn tạp chất lưu huỳnh trong diesel không vượt quá 0,15%, trong khi Việt Nam vẫn sử dụng nhiên liệu diesel có chứa tới 1% lưu huỳnh.
Độ axit
Nhiên liệu được đo bằng số mg hydroxit kali (KOH) cần thiết để trung hòa axit trong 1g nhiên liệu Độ axit cao có thể gây mòn các bộ phận động cơ và tăng lượng muội than Đối với nhiên liệu diesel, mức độ axit không được vượt quá 10mg KOH.
Đ ÁNH GIÁ TÍNH TỰ CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU
Tỷ số nén của nhiên liệu diesel f th
Tính tự bốc cháy của nhiên liệu diesel là một chỉ tiêu quan trọng trong buồng cháy của động cơ diesel Khi nhiên liệu được phun vào buồng cháy ở cuối kỳ nén, nó không bốc cháy ngay lập tức mà trải qua quá trình chuẩn bị, bao gồm việc làm thay đổi các tính chất vật lý và hóa học Quá trình này giúp xé nhỏ tia nhiên liệu thành các hạt nhỏ, làm nóng, bay hơi và hòa trộn với không khí để tạo thành hòa khí Các phân tử O2 và nhiên liệu trong hòa khí va đập với nhau, tạo ra phản ứng chuẩn bị cho quá trình cháy Thời gian từ khi bắt đầu phun nhiên liệu đến khi hòa khí bốc cháy được gọi là thời kỳ cháy trễ, được đo bằng thời gian (giây) hoặc góc quay trục khuỷu (độ).
Như vậy giá trị □ hoặc Ọ i ngắn hay dài sẽ thể hiện rõ tính tự cháy dễ hay khó của nhiên liệu diesel trong buồng cháy động cơ.
Trên thực tế người ta thường dùng các chỉ tiêu sau để đánh giá tính tự cháy của nhiên liệu diesel:
1 Tỷ số tới hạn ^ th ;
5 Hằng số độ nhớt - khối lượng W
Ba chỉ tiêu đầu tiên được đo trên động cơ thử nghiệm đặc biệt theo điều kiện quy định, trong khi hai chỉ tiêu cuối được xác định trong phòng thí nghiệm hóa chất Các động cơ thử nghiệm nhiên liệu bao gồm mã hiệu ASTM - CFR (Mỹ), BASF (Đức) và HT9 (Nga) Những động cơ này cho phép thay đổi lỷ số nén một cách dễ dàng.
Tỷ số tới hạn £ th được xác định trên các động cơ thử nghiệm Điều kiện thử nghiệm như sau:
- Tốc độ động cơ: n = 900 ±1 vòng / phút
- Góc phun sớm: Ọ ps = 13 0 góc quay trục khuỷu, trước ĐCT
- Nhiệt độ nước làm mát: t n = 100 ± 2 0 C
- Nhiệt độ không khí trên đường nạp: t k = 65 ± 1 0 C
- Nhiệt độ dầu trong các te: t d = 50 :65"C
- Áp suất nâng kim phun: p ph = 10.5 ± 0.4 MPa;
- Lưu lượng nhiên liệu: Q ni = 10ml/ phút
- Khe hở xupap lúc lạnh: ỗ nạp = 0.20mm; ỗ xả = 0.25mm;
Để thử nghiệm động cơ hoạt động bằng nhiên liệu, cần điều chỉnh tỷ số nén sao cho thời gian cháy trễ tại góc quay trục khuỷu đạt 130 độ, đánh dấu thời điểm bắt đầu cháy tại ĐCT.
Tỷ số nén thu được trong điều kiện đó chính là £ th (đánh giá tính tự cháy của nhiên liệu trong động cơ).
Nhiên liệu nào có £ th càng thấp, tính tự cháy của nó càng tốt (dễ tự cháy).
Chỉ số xêtan
Chỉ số xêtan của nhiên liệu được xác định dựa trên hỗn hợp hai hydrocacbon: chất xêtan chính (C16H34) và a-metylnaptalin (aC10H7CH3), với tính tự cháy khác nhau Trong đó, tính tự cháy của xêtan được quy định là 100 đơn vị, còn a-metylnaptalin là 0 đơn vị Khi pha trộn hai chất này theo tỷ lệ thể tích khác nhau, tính tự cháy của nhiên liệu mẫu sẽ thay đổi từ 0 đến 100 đơn vị Số xêtan của nhiên liệu diesel được tính là tỷ lệ phần trăm thể tích của chất xêtan chính (C16H34) trong hỗn hợp, phản ánh tính tự cháy của nhiên liệu trong điều kiện thử nghiệm quy định.
2.5.3 Chỉ số diesel (D): là đại lượng quy ước, được dùng để đánh giá tính tự cháy của nhiên liệu diesel Chỉ số diesel D được xác định theo biểu thức:
- Khối lượng riêng của nhiên liệu ở 15 0 C; A ( 0 C)
- Điểm anilin, tức là nhiệt độ kết tủa của nhiên liệu cần thí nghiệm pha trong aniline theo tỷ lệ thể tích 1:1
Hằng số nhớt - khối lượng W
Là một chỉ tiêu đánh giá tính tự cháy của nhiên liệu diesel bằng phương pháp gián tiếp (xác định trong phòng thí nghiệm hóa chất).
Hiện nay thường dùng số xêtan để đánh giá tính tự cháy của nhiên liệu diesel.
G IẢN ĐỒ CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL
Đặc điểm hình thành hòa khí trong độngcơ diesel
Quá trình cháy trong động cơ diesel yêu cầu nhiên liệu phải được cháy kiệt, chuyển hóa hoàn toàn hóa năng thành nhiệt năng và sau đó thành cơ năng hiệu quả Do nhiên liệu diesel có độ nhớt cao và khó bay hơi, nên không thể hòa trộn nhiên liệu và không khí bên ngoài như động cơ xăng, mà phải phun nhiên liệu vào buồng cháy ở áp suất và nhiệt độ cao vào cuối kỳ nén Quá trình này tạo ra hòa khí bên trong xilanh, nhưng thời gian hình thành hòa khí rất ngắn, chỉ khoảng 15-35 độ quay trục khuỷu, dẫn đến sự không đồng nhất trong thành phần hòa khí Hơn nữa, trong quá trình phun, thành phần hòa khí trong xilanh liên tục biến động, gây ra cháy không kiệt ở khu vực hòa khí đậm và không tận dụng hết oxy ở khu vực hòa khí nhạt Để động cơ diesel hoạt động bình thường mà không thải khói đen, hệ số dư lượng không khí a phải lớn hơn 1, cho thấy oxy không được sử dụng hết Tuy nhiên, ngay cả khi a >1, vẫn có hiện tượng cháy không kiệt, đây là vấn đề cần giải quyết để cải thiện hiệu suất động lực và tính kinh tế của động cơ.
Để nâng cao hiệu suất động cơ, cần tối ưu hóa lượng không khí mới nạp vào xilanh và cải thiện hiệu suất sử dụng không khí này Điều này đồng nghĩa với việc đảm bảo nhiên liệu được cháy hoàn toàn với hệ số dư lượng không khí a ở mức tối thiểu, đồng thời quá trình cháy cần kết thúc gần điểm chết trên.
Hòa khí và quá trình bốc cháy của nhiên liệu là những yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất động lực và tính kinh tế của động cơ diesel.
Đặc điểm quá trình cháy của độngcơ diesel
Hình 3-1 Biểu đồ quá trình cháy của động cơ.
Thời kì cháy trễ: được tính từ lúc bắt đầu phun nhiên liệu vào xilanh động cơ
(điểm 1) tới khi phát hỏa bốc cháy (điểm 2 hình 2.1) Đặc điểm của thời kì cháy trễ là:
+ Tốc độ phản ứng hóa học tương đối chậm, sản vật của phản ứng là sản vật trung gian (như quá trình của ngọn lửa lạnh).
Nhiên liệu được phun liên tục vào buồng cháy, với khoảng 30-40% lượng nhiên liệu được phun vào trong giai đoạn cháy trễ Một số động cơ cao tốc đặc biệt có khả năng phun tới 100% nhiên liệu trong thời gian này.
Thời kỳ cháy trễ trong động cơ diesel có những điểm tương đồng với động cơ xăng, chủ yếu để hình thành nguồn lửa cho quá trình cháy Tuy nhiên, thời gian cháy trễ ở động cơ xăng phụ thuộc vào việc chuẩn bị phản ứng hóa học của hòa khí, trong khi ở động cơ diesel, ngoài việc chuẩn bị phản ứng hóa học, còn cần phân bố nhiên liệu trong buồng cháy, sấy nóng các hạt nhiên liệu để làm chúng bay hơi và khuếch tán Do đó, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến thời kỳ cháy trễ trong động cơ diesel.
Giai đoạn cháy trễ có các thông số đặc trưng như thời gian cháy trễ T i (s) và góc cháy trễ ^ i (o TK), những thông số này chủ yếu phụ thuộc vào thành phần và tính chất của nhiên liệu, bao gồm số xêtan, xêten và độ nhớt Bên cạnh đó, thời kỳ cháy trễ còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và áp suất trong xilanh tại thời điểm phun, độ phun tơi và mức độ chuyển động rối của môi chất.
Thời kỳ cháy nhanh trong động cơ cao tốc được xác định từ điểm 2 cho đến khi đạt áp suất cực đại trong xilanh, thường xảy ra ở vị trí 6 + 10 độ góc quay trục khuỷu, nằm phía sau động cơ Đặc điểm nổi bật của thời kỳ này là sự gia tăng nhanh chóng của áp suất và nhiệt độ trong xilanh.
Nguồn lửa hình thành với tốc độ cháy nhanh và tỏa nhiệt lớn nhất Vào cuối giai đoạn này, nhiên liệu bốc cháy chiếm khoảng 1/3 tổng lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình.
+ Áp suất và nhiệt độ tăng nhanh, áp suất cao nhất lên tới 6 + 9 (Mpa).
Nhiên liệu được phun vào buồng cháy, với lượng nhiên liệu phụ thuộc vào thời gian cháy trễ và thời gian phun trong chu trình, dẫn đến việc tăng nồng độ nhiên liệu trong hòa khí.
+ Trong thời kì cháy nhanh, tốc độ tăng áp suất A — vượt quá 4 + 6 (x10 5 Pa/ độ) sẽ
A^ tạo ra các xung áp suất mạnh mẽ trong buồng cháy của động cơ diesel, dẫn đến tiếng gõ đanh và hoạt động thô bạo Điều này không chỉ làm hỏng các chi tiết chịu tải và rút ngắn tuổi thọ động cơ, mà còn gây khó khăn trong việc điều khiển xe Tình trạng cháy nhanh phụ thuộc vào lượng nhiên liệu cung cấp cho xilanh trong thời gian cháy trễ; nếu thời gian này kéo dài và lượng nhiên liệu đầy đủ, nguy cơ cháy lan nhanh là rất cao Tốc độ cháy gia tăng sẽ làm áp suất tăng, khiến động cơ hoạt động thô bạo và khó kiểm soát Tuy nhiên, có thể điều chỉnh tình hình này bằng cách giảm lượng nhiên liệu trong thời gian cháy trễ Do đó, việc kiểm soát thời gian cháy trễ là rất quan trọng trong quá trình cháy của động cơ diesel, mặc dù hiệu suất động lực và kinh tế của động cơ trong tình trạng hoạt động thô bạo không phải lúc nào cũng kém.
Trong thực tế, ^— của động cơ diesel nằm trong khoảng 0,3 ^ 0,6MN / m 2 °TK lớn
Động cơ diesel có hiệu suất cao hơn động cơ xăng khoảng 3 lần nhờ vào tỷ số nén lớn hơn Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến việc động cơ diesel hoạt động không êm ái như động cơ xăng.
Thời kỳ cháy chính diễn ra từ điểm 3 đến điểm 4, là giai đoạn có nhiệt độ cao nhất, thường xuất hiện sau ĐCT khoảng 20 đến 25 độ khi trục khuỷu quay Đặc điểm nổi bật của thời kỳ này là
+ Quá trình cháy tiếp diễn với tốc độ cháy lớn, cuối thời kì cháy chậm đã nhả ra chiếm khoảng 70 +• 80% nhiệt lượng cấp cho chu trình.
+ Trong thời kì này, thông thường đã kết thúc phun nhiên liệu, do sản vật cháy tăng nhanh làm giảm nồng độ của nhiên liệu và oxy.
+ Nhiệt độ tăng lên tới giá trị lớn nhất (1700 + 2000 o C), nhưng do piston đã bắt đầu đi xuống nên áp suất hơi giảm xuống.
+ Nồng độ sản vật trung gian trong buồng cháy giảm nhanh, còn nồng độ của sản vật cháy cuối cùng tăng nhanh.
Trong thời kỳ cháy chậm, tốc độ cháy ban đầu rất lớn nhưng sau đó giảm dần do lượng oxy trong buồng cháy giảm và sản phẩm cháy tăng lên, dẫn đến điều kiện cháy không thuận lợi Một phần nhiên liệu cháy trong điều kiện nóng và thiếu oxy có thể không cháy hết, tạo ra muội than và khí thải gây ô nhiễm môi trường Vấn đề chính trong giai đoạn này là mâu thuẫn giữa tốc độ cháy và tốc độ hình thành hòa khí Để cải thiện chất lượng hòa khí và tăng tốc độ cháy, cần tăng cường cung cấp oxy cho nhiên liệu, từ đó rút ngắn thời kỳ cháy chậm, giúp nhiên liệu cháy hoàn toàn và nâng cao hiệu suất động cơ.
Thời kỳ cháy rớt bắt đầu từ điểm nhiệt độ cực đại 4 cho đến khi cháy hết 5, và việc xác định điểm 5 rất khó khăn vì nó có thể kéo dài đến khi mở cửa thải Thông thường, điểm 5 được coi là giai đoạn mà nhiệt lượng từ quá trình cháy chiếm từ 95% đến 97% tổng nhiệt lượng cung cấp cho chu trình Trong các động cơ cao tốc, thời kỳ này có thể chiếm một tỷ lệ đáng kể.
50% thời gian hình thành hòa khí và cháy của chu trình Đặc điểm của thời kì này là:
+ Tốc độ cháy giảm dần tới khi kết thúc cháy, do đó tốc độ nhả nhiệt cũng giảm dần tới 0.
Do thể tích môi chất trong xilanh tăng dần, áp suất và nhiệt độ đều giảm, dẫn đến việc chuyển động của dòng khí yếu dần Trong thời kỳ cháy rớt, áp suất và nhiệt độ môi chất giảm, làm cho điều kiện cháy của nhiên liệu kém hơn, gia tăng khả năng hình thành muội than Sự cháy lại diễn ra trong quá trình giãn nở, khiến nhiệt lượng nhả ra ít hiệu quả hơn, đồng thời tăng phụ tải nhiệt cho động cơ, làm tăng nhiệt độ khí thải và tổn thất truyền nhiệt cho nước làm mát, từ đó giảm hiệu suất động lực và kinh tế của động cơ Do đó, cần giảm thời kỳ cháy rớt đến mức tối thiểu bằng cách tăng cường chuyển động của dòng khí trong buồng cháy, cải thiện chất lượng hòa khí và giảm lượng nhiên liệu phun vào xilanh trong thời gian cháy chậm, để quá trình cháy kết thúc gần sát ĐCT.
Để động cơ diesel hoạt động tin cậy, đặc biệt khi khởi động lạnh, cần đảm bảo nhiên liệu có điều kiện tốt để phát hỏa Để động cơ chạy êm, ít ồn và có tuổi thọ cao, tốc độ tăng áp suất và áp suất cực đại trong thời kỳ cháy không được vượt quá giới hạn cho phép Cần rút ngắn thời kỳ cháy trễ và giảm số hòa khí hình thành trong giai đoạn này Để nâng cao tính năng động lực và kinh tế của động cơ, đồng thời giảm khói đen, cần cải thiện và tăng cường sự hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí trong thời kỳ cháy rớt.
4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ
H Ệ THỐNG NHIÊN LIỆU C OMMON RAIL
Động cơ Y250 trang bị hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel, cho phép nhiên liệu được nén dưới áp suất cao nhằm tối ưu hóa hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu Hệ thống này không chỉ cung cấp công suất mạnh mẽ cho động cơ mà còn giảm thiểu rung động và tiếng ồn, mang lại trải nghiệm vận hành êm ái và hiệu quả.
Hệ thống Common Rail tích trữ nhiên liệu nén và cung cấp qua bơm cao áp, cho phép cung cấp nhiên liệu ổn định và độc lập với tốc độ động cơ ECU điều khiển thời điểm và lượng phun bằng cách gửi tín hiệu đến van điện từ trong vòi phun, đồng thời giám sát áp suất trong ống phân phối qua cảm biến áp suất nhiên liệu Lượng phun được điều chỉnh theo tốc độ động cơ và nhu cầu lưu lượng, đảm bảo hiệu suất tối ưu.
ECU động cơ dựa vào tín hiệu từ các cảm biến để xác định nhu cầu của người lái, như vị trí của bàn đạp ga, và từ đó điều chỉnh hiệu suất hoạt động của động cơ và xe một cách tối ưu tại thời điểm đó.
ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến qua đường dữ liệu để điều khiển tỷ lệ nhiên liệu - không khí của động cơ một cách hiệu quả Tốc độ động cơ được đo bởi cảm biến trục khuỷu và trục cam, trong khi vị trí bàn đạp ga được phát hiện thông qua cảm biến bàn đạp Cảm biến lưu lượng khí gửi tín hiệu về lượng khí nạp, giúp ECU điều chỉnh tỷ lệ không khí - nhiên liệu và giảm khí thải thông qua việc điều khiển van EGR Ngoài ra, ECU còn sử dụng tín hiệu từ các cảm biến nhiệt độ, áp suất tăng áp và áp suất khí quyển để điều chỉnh quá trình phun nhiên liệu Áp suất phun tối đa của động cơ Y20 được giới hạn ở 1600 bar nhờ van giới hạn áp suất, mở ra khi áp suất vượt quá 1800 bar để bảo vệ hệ thống Các ống cao áp trong hệ thống Common Rail được thiết kế chịu áp suất lên đến 1600 bar, với kích thước 377,7*25,3mm và chất liệu bằng thép.
Hình 4-1 Quá trình hình thành nhiên nhiên liệu
C ÁC CHI TIẾT TRONG HỆ THỐNG
Thùng chứa nhiên liệu
Thùng chứa nhiên liệu cần được chế tạo từ vật liệu chống ăn mòn và phải đảm bảo không bị rò rỉ ở áp suất gấp đôi so với áp suất hoạt động bình thường (trên 0,3 bar) Van an toàn phải được lắp đặt để cho phép áp suất cao tự thoát ra ngoài Ngoài ra, nhiên liệu không được rò rỉ ở cổ nối với bình lọc nhiên liệu hay thiết bị bù áp suất khi xe bị rung lắc, vào cua, dừng lại hoặc chạy trên đường dốc Bình nhiên liệu động cơ cần được đặt ở vị trí xa để giảm thiểu nguy cơ cháy nổ trong trường hợp xảy ra tai nạn.
Bơm tay
Khi nhiên liệu cạn kiệt trong quá trình lái xe hoặc không khí xâm nhập vào đường dẫn nhiên liệu sau khi thay bộ lọc, động cơ có thể gặp khó khăn trong việc khởi động hoặc hỏng hóc Để khắc phục tình trạng này, bơm tay được lắp đặt nhằm hút khí ra khỏi hệ thống Trong các trường hợp như vậy, hãy nhấn bơm mồi cho đến khi cảm thấy cứng lại trước khi khởi động động cơ.
- Sau khi hết nhiên liệu
- Sau khi xả hết nước từ bộ lọc nhiên liệu
- Sau khi thay bộ lọc nhiên liệu
Lọc nhiên liệu
Hệ thống yêu cầu nhiên liệu tinh khiết hơn động cơ diesel thông thường, vì vật liệu lạ có thể gây hỏng hóc cho các bộ phận như bơm, van phân phối và vòi phun Bộ lọc nhiên liệu đóng vai trò quan trọng trong việc lọc sạch nhiên liệu trước khi đến bơm cao áp, giúp bơm hoạt động hiệu quả Hơn nữa, bộ lọc còn tách nước khỏi nhiên liệu, ngăn ngừa nước xâm nhập vào đường ống áp suất cao.
Bơm cao áp
Máy bơm pít tông cao áp được dẫn động bằng trục khuỷu và bộ truyền xích, có khả năng tạo ra áp suất lên đến khoảng 1.600 bar Nhiên liệu nén từ bơm sẽ được chuyển đến bộ tích áp cao (đường ray chung) thông qua hệ thống ống với đường áp suất cao.
4.2.5 Ông trữ nhiên liệu áp suất cao
Bình chứa nhiên liệu không chỉ lưu trữ nhiên liệu chuyển từ bơm cao áp mà còn duy trì áp suất cao thực tế của nhiên liệu Khi các kim phun phun nhiên liệu từ thanh ray, áp suất trong thanh ray được điều chỉnh chính xác đến một giá trị nhất định Điều này là nhờ vào tác dụng tích lũy được gia tăng bởi tính đàn hồi độc đáo của nhiên liệu Áp suất nhiên liệu được đo lường thông qua cảm biến áp suất đường ray, trong khi van định lượng đầu vào (IMV) trong vỏ máy bơm cao áp đảm bảo áp suất luôn ổn định ở mức mong muốn.
Kim phun được thiết kế để chịu đựng sự thay đổi áp suất tần số cao không liên tục dưới áp suất hệ thống tối đa, giúp ngăn ngừa hiện tượng ngừng phun Các đường phun giữa thanh ray và kim phun có chiều dài đồng nhất, đảm bảo rằng chiều dài giữa thanh ray và mỗi kim phun là như nhau, với sự khác biệt về chiều dài được cộng lại qua mỗi lần uốn.
Thiết bị phun xăng bao gồm van điện từ, kim và vòi phun, được điều khiển bởi ECU động cơ Khi van điện từ được kích hoạt, các vòi phun mở ra, cho phép nhiên liệu được bơm vào buồng đốt của động cơ Sau khi phun, lượng nhiên liệu còn lại sẽ trở về bình nhiên liệu qua đường hồi lưu.
Hình 4-4 Quá trình phun nhiên liệu
Vòi phun ở trạng thái đóng
Van đóng trong buồng điều khiển chịu áp lực của đường ray, tạo ra lực ép từ nhiên liệu tác dụng lên kim với công thức Ff = S * P Khi kim bị đóng, lưu thông chất lỏng qua lỗ NPO ngừng lại, và trong trạng thái tĩnh, vòi phun không làm giảm áp suất Đầu kim phải chịu áp lực từ đường ray, với lực tác động từ nhiên liệu lên kim là rất quan trọng.
Vì Ff> Fo, kim được giữ ở vị trí đóng Không có phun.\ Điều khiển van điện từ
Khi van điện từ được cấp điện, nó sẽ mở ra và cho phép nhiên liệu trong buồng điều khiển thoát ra qua các lỗ xả gọi là Oriíice Tràn (SPO) Khi áp suất Ff lớn hơn Fo, kim sẽ được giữ cố định.
Ngay khi Ff Fo, kim được giữ ở vị trí đóng Không có phun.\ Điều khiển van điện từ
Khi van điện từ nhận được nguồn điện, nó sẽ mở ra, cho phép nhiên liệu trong buồng điều khiển được xả qua các lỗ gọi là Oriíice Tràn (SPO) Khi áp suất Ff lớn hơn Fo, kim vẫn được giữ cố định.
Ngay khi Ff