Chương 10. TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL I. Đặc tính của bơm cao áp
II. Đặc tính của vòi phun nhiên liệu
Đặc tính của vòi phun là những đường cong biểu diễn biến thiên của hàm số áp suất theo lưu lượng nhiên liệu qua lỗ phun.
II.1. Loại vòi phun hở
Đặc tính vòi phun hở là hàm số thể hiện mối quan hệ giữa chênh áp trước và sau lỗ phun với lưu lượng nhiên liệu qua lỗ. Ở vòi phun hở, tiết diện lưu thông của lỗ phun luôn luôn là hằng số. Từ phương trình Bernuollie, đặc tính của vòi phun hở có dạng sau:
cp cnl2
2 c
y 2. .f
. P Q
P
(10-1)
Trong đó: Py – áp suất nhiên liệu phía trước lỗ phun (Pa).
Pc – áp suất môi chất trong buồng cháy (Pa).
Qp – lưu lượng nhiên liệu qua lỗ phun.
(m3/s).
nl – khối lượng riêng của nhiên liệu.
(kg/m3).
Động cơ ô tô máy kéo hoạt động trong phạm vi tốc độ rất rộng từ 500 600 vòng/phút ở chế độ không tải, 3.500 4.000 vòng/phút ở chế độ toàn tải. Trong phạm vi thay đổi này chênh lệch áp suất sẽ thay đổi khoảng 40 đến 70 lần. Như vậy, sẽ xảy ra trường hợp chênh áp thấp (Py – Pc
3 6 MPa) khi chạy không tải làm cho nhiên liệu không thể xé tơi tốt. Ngoài ra vòi phun hở thường xuyên có hiện tượng nhỏ giọt sau khi kết thúc phun.
Q Py – Pc
Hình 10.3. Đặc tính của vòi phun hở.
Hiện tượng trên sẽ làm cho các giọt nhiên liệu bay hơi chậm, khó cháy hết, dễ tạo muội than gây tắc lỗ phun, làm giảm công suất và hiệu suất động cơ.
Chính vì những nhược điểm trên nên vòi phun hở của động cơ Diesel hiện nay rất ít dùng mà thay thế vào đó là loại vòi phun kín.
II.2. Loại vòi phun kín có kim
Vòi phun kín có kim là vòi phun có kim tỳ lên đế van, gây ngăn cách giữa không gian phía trước và phía sau mặt tỳ của kim phun. Hiệu số giữa áp suất P2 ở sau mặt tỳ của kim phun và áp suất Pz trong buồng cháy được xác định qua công thức:
c cnl2
2 z
2 2. .f
. P Q
P
(10-2)
Biến thiên áp suất Py trong không gian phía trước đế tỳ, xác định nhờ hai phương trình sau:
II.2.1. Phương trình cân bằng lực tác dụng lên kim phun
4 d d p . 4 d . . P Bx A
2 1 2 0 y 2 1 2
(12-3)
Trong đó: A – lực ép ban đầu của lò xo lên kim phun (N).
B – độ cứng của lò xo (N/m).
x – hành trình nâng kim (m).
d1, d2 – đường kính trung bình mặt tỳ mũi kim và đường kính phần dẫn hướng cuûa kim (m).
II.2.2. Phương trình Bernuollie của dòng nhiên liệu đi qua đế tỳ của kim
1 1nl2
2 2
y 2. .f
. P Q
P
(10-4)
Q I
II
III
IV
xmax Pc
p’y x = f(Q)
Py = f(Q)
P2 = f(Q)
c.fc
Py
P2
Py
P2
P
Hình 10.4. Đặc tính của vòi phun kín.
Trong đó: 1 – hệ số lưu lượng.
f1 – tiết diện lưu thông qua đế tỳ của kim.
x. .d .sin
f1 1 , với 2 – góc côn của mũi kim.
Hàm Py = f(Q) thể hiện qua đường II (hình 10.4), càng tăng Q1 thì đường II càng sát với đường I, nếu độ nâng kim x không bị hạn chế. Tiết diện lưu thông tương đối nhỏ tại đế kim phun f1 gây tiết lưu và tăng chuyển động rối của nhiên liệu tại đây, cải thiện chất lượng phun tơi. Ở chế độ không tải, chạy chậm với vòi phun kín tiêu chuẩn vẫn cho chất lượng phun tốt. Nhờ có kim phun ngăn cách hai không gian phía trước và sau đế tỳ của kim phun, nên khi kết thúc đã tránh được hiện tượng nhỏ giọt (đây là một ưu điểm lớn ở vòi phun kín mà vòi phun hở không có được).
Đường III trên (hình 10.4) là hàm py= f(Q) khi x = xmax (hành trình nâng kim bị hạn chế).
Đường IV là hàm x = f(Q). Áp suất nâng kim P tác dụng lên diện tích hình vành khuyên:
02 k2
v .d d
f 4
Trong đó: dk – đường kính lớn mặt tỳ hình côn của kim.
Khi kim đã mở, áp suất nhiên liệu trong vòi phun tác dụng lên toàn bộ diện tích ngang f0 phần
dẫn hướng của kim }
4 d f . {
2 0 0
. Nếu P’ là áp suất bắt đầu đóng kim, ta có mối quan hệ sau:
v
0 p f
f '.
p
p .
f p f '
p 0
0
v với
0 v
f
f
Cuối quá trình phun áp suất trong vòi phun tương đối lớn, muốn cho kim phun được đóng nhanh cần chọn 0,75 và độ cứng lò xo từ (150 300) N/mm.
II.3. Loại vòi phun kín có chốt
Loại vòi phun có chốt trên kim phun được sử dụng nhiều nhất trong các loại động cơ cao tốc có buồng cháy ngăn cách, đôi khi cũng được sử dụng trong các loại động cơ cao tốc có buồng cháy thống nhất.
Người ta dùng vòi phun tiết lưu để thực hiện quy luật cung cấp nhiên liệu bậc thang và làm êm dịu quá trình cháy, vì vòi phun tiết lưu đã giảm tốc độ cung cấp nhiên liệu trong giai đoạn đầu của quá trình phun.
Phần trên của chốt là hình trụ, phần chốt đặt trong lỗ phun tạo ra một khe hở nhỏ. Giai đoạn đầu của hành trình nâng kim, phần trụ của chốt có tác dụng tiết lưu đối với lỗ phun tạo điều kiện đạt quy luật cung caỏp nhieõn lieọu caàu thieỏt.
Các loại vòi phun có chốt trên kim phun thường dùng kim phun có chốt hình chóp cụt. Góc côn của tia nhiên liệu trong loại vòi phun này có phạm vi rất rộng từ (2 4)0 đến (60 70)0 bằng cách thay đổi góc côn trên chốt của kim phun hoặc thay đổi tiết diện lưu thông hình vành khăn giữa thành lỗ phun và chốt của kim phun.
Hình 10.5. Loại vòi phun kín có chốt.
Do tiết diện lưu thông nhỏ nhất của lỗ phun trong các đoạn nâng kim phun thay đổi theo quy luật khác nhau, nên đặc tính của vòi phun có chốt trên kim phun có dạng như hình 10.6.
Trên hình 10.6 đường 1 là hàm số py = f(Q), khi không hạn chế hành trình của kim phun;
đường 2 là hàm số py = f(Q) không tiết lưu và tương tự vòi phun hở; đường 3 là hàm số x = f(Q) khi hạn chế hành trình tại xmax.
Trên đoạn I, sơ đồ vận động của dòng nhiên liệu và đặc tính của vòi phun có dạng giống như vòi phun có van phẳng.
Trên đoạn II, do tiết diện lưu thông qua các phần côn của chốt tăng nên khi tăng lưu lượng nhiên liệu thì áp suất py và hành trình nâng kim phun đều tăng tương đối chậm.
Trên đoạn III, do tiết diện lưu thông qua phần côn dưới của chốt giảm đi nên áp suất py giảm và hành trình nâng kim phun x tăng rất nhanh. Nếu góc của phần côn dưới tương đối lớn, thì mặc dầu áp suất py và hành trình nâng kim phun x vẫn tăng nhưng lưu lượng nhiên liệu Q có thể giảm do vòi phun làm việc không ổn định và kim phun dao động mạnh.
Trên đoạn IV, tiết diện lưu thông qua phần côn của chốt không thay đổi vì vậy cả py và x đều taêng nhanh theo Q.