›
›

Lý thuyết Động cơ đốt trong

pdf 53 trang phuongnguyen 2080
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Lý thuyết Động cơ đốt trong", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfly_thuyet_dong_co_dot_trong.pdf

Nội dung text: Lý thuyết Động cơ đốt trong

  1. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận Lý thuyết động cơ đốt trong ( Tài liệu lưu hành nội bộ -Dùng cho sinh viên ngành Cơ khí - Đại học Thuỷ sản ) Nha trang - 2004 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  2. Chương 1 tổng quan về động cơ đốt trong 1.1. định nghĩa và phân loại động cơ đốt trong Động cơ là một loại máy có chức năng bién đổi một dạng năng lượng nào đó thành cơ năng. Tuỳ thuộc vào dạng năng lượng ở đầu vào là điện năng, nhiệt năng, thuỷ năng,v.v. người ta phân loại động cơ thành động cơ điện, động cơ nhiệt, động cơ thuỷ lực,v.v. Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, tức là loại máy có chức năng bién đổi nhiệt năng thành cơ năng. Các loại động cơ nhiệt phổ biến hiện nay không được cung cấp nhiệt năng từ bên ngoài một cách trực tiếp mà được cung cấp nhiên liệu, sau đó nhiên liệu được đốt cháy để tạo ra nhiệt năng. Căn cứ vào vị trí đốt nhiên liệu, người ta chia các loại động cơ nhiệt thành hai nhóm : động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài. ở động cơ đốt trong, nhiên liệu được đốt cháy trực tiếp trong không gian công tác của động cơ và cũng tại đó diễn ra quá trình chuyển hoá nhiệt năng thành cơ năng. ở động cơ đốt ngoài, nhiên liệu được đốt cháy trong lò đốt riêng biệt để cấp nhiệt cho môi chất công tác (MCCT), sau đó MCCT được dẫn vào không gian công tác của động cơ để thực hiện quá trình chuyển hoá nhiệt năng thành cơ năng. Theo cách phân loại như trên thì các loại động cơ có tên thường gọi như : động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ piston quay, động cơ piston tự do, động cơ phản lực, turbine khí đều có thể được xếp vào nhóm động cơ đốt trong ; còn động cơ hơi nước kiểu piston, turbine hơi nước, động cơ Stirling thuộc nhóm động cơ đốt ngoài. Tuy nhiên, trong các tài liệu chuyên ngành, thuật ngữ "Động cơ đốt trong" (Internal Combustion Engine) thường được dùng để chỉ riêng loại động cơ đốt trong cổ điển có cơ cấu truyền lực kiểu piston-thanh truyền-trục khuỷu, trong đó piston chuyển động tịnh tiến qua lại trong xylanh của động cơ. Các loại động cơ đốt trong khác thường được gọi bằng các tên riêng , ví dụ : động cơ piston quay (Rotary Engine), động cơ piston tự do (Free - Piston Engine), động cơ phản lực (Jet Engine), turbine khí ( Gas Turbine). Trong giáo trình này, thuật ngữ động cơ đốt trong (viết tắt : ĐCĐT) cũng được hiểu theo quy ước nói trên. ĐCĐT có thể được phân loại theo các tiêu chí khác nhau (Bảng 1-1). Căn cứ vào nguyên lý hoạt động, có thể chia ĐCĐT thành các loại : động cơ phát hoả bằng tia lửa , động cơ diesel , động cơ 4 kỳ và động cơ 2 kỳ. ã Động cơ phát hoả bằng tia lửa (Spark Ignition Engine) là loại ĐCĐT hoạt động theo nguyên lý : nhiên liệu được phát hoả bằng tia lửa được sinh ra từ nguồn nhiệt bên ngoài không gian công tác của xylanh. Chúng ta có thể gặp những kiểu động cơ phát hoả bằng tia lửa với những tên gọi khác nhau, như : động cơ Otto , động cơ carburetor, động cơ phun xăng, động cơ đốt cháy cưỡng bức, động cơ hình thành hỗn hợp cháy từ bên ngoài , động cơ xăng, động cơ gas, v.v. Nhiên liệu dùng cho động cơ phát hoả bằng tia lửa thường là loại lỏng dễ bay hơi, như : xăng, alcohol, benzol , khí hoá lỏng ,v.v. hoặc khí đốt. Trong số nhiên liệu kể trên, xăng là loại PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 2 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  3. được sử dụng phổ biến nhất từ thời kỳ đầu lịch sử phát triển loại động cơ này đến nay. Vì vậy, thuật ngữ "động cơ xăng" thường được dùng để gọi chung các kiểu động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng được phát hoả bằng tia lửa, còn động cơ ga - động cơ chạy bằng nhiên liệu khí được phát hoả bằng tia lửa. ã Động cơ diesel (Diesel Engine) là loại ĐCĐT hoạt động theo nguyên lý : nhiên liệu tự phát hoả khi được phun vào buồng đốt chứa không khí bị nén đến áp suất và nhiệt độ đủ cao. Nguyên lý hoạt động như trên do ông Rudolf Diesel - kỹ sư người Đức - đề xuất vào năm 1882. ở nhiều nước, động cơ diesel còn được gọi là động cơ phát hoả bằng cách nén (Compression - Ignition Engine). ã Động cơ 4 kỳ - loại ĐCĐT có chu trình công tác được hoàn thành sau 4 hành trình của piston. ã Động cơ 2 kỳ - loại ĐCĐT có chu trình công tác được hoàn thành sau 2 hành trình của piston. Bảng 1.1. Phân loại tổng quát động cơ đốt trong Tiêu chí phân loại Phân loại - Động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng dễ bay hơi như : Loại nhiên liệu xăng, alcohol, benzol, v.v. - Động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng khó bay hơi, như : gas oil, mazout, v.v. - Động cơ chạy bằng khí đốt . - Động cơ phát hoả bằng tia lửa Phương pháp phát hoả nhiên - Động cơ diesel liệu - Động cơ semidiesel Cách thức thực hiện chu - Động cơ 4 kỳ trình công tác - Động cơ 2 kỳ Phương pháp nạp khí mới - Động cơ không tăng áp vào không gian công tác - Động cơ tăng áp - Động cơ một hàng xylanh ; động cơ hình sao ; hình Đặc điểm kết cấu chữ V, W, H, - Động cơ có xylanh thẳng đứng, ngang, nghiêng - Động cơ thấp tốc, trung tốc và cao tốc Theo tính năng - Động cơ công suất nhỏ, trung bình và lớn - Động cơ xe cơ giới đường bộ - Động cơ thuỷ Theo công dụng - Động cơ máy bay - Động cơ tĩnh tại PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 3 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  4. 1.2. một số thuật ngữ và khái niệm thông dụng 1) Tên gọi một số bộ phận cơ bản 1 6 3 4 2 14 5 7 H.1-1. Sơ đồ cấu tạo 8 động cơ diesel 4 kỳ 1- Lọc không khí 2- ống nạp 9 10 3- Xupap nạp 4- Xupap xả 5- ống xả 6- Bình giảm thanh 7- Nắp xylanh 11 8- Xylanh 9- Piston 13 10- Xecmang 11- Thanh truyền 12- Trục khuỷu 13- Cacte 12 14- Vòi phun nhiên liệu 2) Điểm chết, Điểm chết trên, Điểm chết dưới ã Điểm chết - vị trí của cơ cấu truyền lực, tại đó dù tác dụng lên đỉnh piston một lực lớn bao nhiêu thì cũng không làm cho trục khuỷu quay. ã Điểm chết trên (ĐCT) - vị trí của cơ cấu truyền lực, tại đó piston cách xa trục khuỷu nhất. ã Điểm chết dưới (ĐCD) - vị trí của cơ cấu truyền lực, tại đó piston ở gần trục khuỷu nhất. 3) Hành trình của piston ( S ) - khoảng cách giữa ĐCT và ĐCD. 4) Không gian công tác của xylanh - khoảng không gian bên trong xylanh được giới hạn bởi : đỉnh piston, nắp xylanh và thành xylanh. Thể tích của không gian công tác của xylanh (V) thay đổi khi piston chuyển động. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 4 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  5. 5) Buồng đốt (VC) - phần không gian công tác của xylanh khi piston ở ĐCT. 6) Dung tích công tác của xylanh (VS ) - thể tích phần không gian công tác của xylanh được giới hạn bởi hai mặt phẳng vuông góc với đường tâm của xylanh và đi qua ĐCT , ĐCD : πìD2 V= ìS (1.1) S 4 trong đó : D - đường kính của xylanh S - hành trình của piston. V VV ĐCT S ĐCD ĐCT ĐCD a)b)c) H. 1-2. ĐCT, ĐCD và thể tích không gian công tác của xylanh 7) Tỷ số nén (ε ) - Tỷ số giữa thể tích lớn nhất của không gian công tác của xylanh (Va) và thể tích của buồng đốt (Vc). VaVS+VC ε== (1.2) VCVC 8) Môi chất công tác (MCCT) - Chất có vai trò trung gian trong quá trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng. ở những giai đoạn khác nhau của chu trình công tác, MCCT có thành phần, trạng thái khác nhau và được gọi bằng những tên khác nhau như khí mới, sản phẩm cháy, khí thải, khí sót , hỗn hợp cháy, hỗn hợp khí công tác. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 5 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  6. ã Khí mới - (còn gọi là Khí nạp) - khí được nạp vào không gian công tác của xylanh qua cửa nạp. ở động cơ diesel, khí mới là không khí ; ở động cơ xăng, khí mới là hỗn hợp không khí- xăng. ã Sản phẩm cháy - những chất được tạo thành trong quá trình đốt cháy nhiên liệu trong không gian công tác của xylanh, ví dụ : CO2 , H2O , CO , SO2 , NOx , v.v. ã Khí thải - hỗn hợp các chất được thải ra khỏi không gian công tác của xylanh sau khi đã dãn nở để sinh ra cơ năng. Khí thải của động cơ đốt trong gồm có : sản phẩm cháy, nitơ (N2) và oxy (O2) còn dư. ã Khí sót - phần sản phẩm cháy còn sót lại trong không gian công tác của xylanh sau khi cơ cấu xả đã đóng hoàn toàn. ã Hỗn hợp cháy (HHC) - hỗn hợp của nhiên liệu và không khí. ã Hỗn hợp khí công tác - hỗn hợp nhiên liệu - không khí - khí sót. 9) Quá trình công tác - quá trình thay đổi trạng thái và thành phần của MCCT trong xylanh diễn ra trong một giai đoạn nào đó của chu trình công tác. 10) Chu trình công tác (CTCT) - tổng cộng tất cả các quá trình công tác diễn ra trong khoảng thời gian tương ứng với một lần sinh công ở một xylanh. 11) Đồ thị công - đồ thị biểu diễn sự thay đổi của áp suất của MCCT trong xylanh theo thể tích của không gian công tác hoặc theo góc quay của trục khuỷu . p z c cf r r a b 0 0 0 0 0 0 180 360 540 720 j ĐCT ĐCD ĐCT ĐCD ĐCT p z c H. 1-3. Đồ thị công cf của động cơ 4 kỳ r b a Vs V ĐCTĐCD PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 6 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  7. 1.3. các bộ phận cơ bản của ĐCĐT Tuy có hình dáng bên ngoài, kích thước và số lượng các chi tiết rất khác nhau, nhưng tất cả ĐCĐT đều có các bộ phận và hệ thống cơ bản sau đây : 1) Bộ khung 2) Hệ thống truyền lực 3) Hệ thống nạp - xả 4) Hệ thống nhiên liệu 5) Hệ thống bôi trơn 6) Hệ thống làm mát 7) Hệ thống khởi động Ngoài ra, một số động cơ còn có thêm hệ thống điện, hệ thống tăng áp, hệ thống cảnh báo-bảo vệ ,v.v. 1.3.1. bộ khung của động cơ Bộ khung bao gồm các bộ phận cố định có chức năng che chắn hoặc là nơi lắp đặt các bộ phận khác của động cơ. Các bộ phận cơ bản của bộ khung của ĐCĐT bao gồm : nắp xylanh , khối xylanh , cacte và các nắp đậy, đệm kín, bulông, v.v. 1 2 3 4 H. 1-4. Bộ khung của ĐCĐT 1- Nắp xylanh 2- Khối xylanh 3- Cacte trên 4- Cacte dưới PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 7 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  8. 1.3.1.1. Nắp xylanh Nắp xylanh là chi tiết đậy kín không gian công tác của động cơ từ phía trên và là nơi lắp đặt một số bộ phận khác của động cơ như : xupap, đòn gánh xupap, vòi phun hoặc buji, ống góp khí nạp, ống góp khí thải, van khởi động, v.v. Nắp xylanh thường được chế tạo từ gang hoặc hợp kim nhôm bằng phương pháp đúc. Nắp xylanh bằng gang ít bị biến dạng hơn so với nắp xylanh bằng hợp kim nhôm, nhưng nặng hơn và dẫn nhiệt kém hơn. Động cơ nhiều xylanh có thể có 1 nắp xylanh chung cho tất cả các xylanh hoặc nhiều nắp xylanh riêng cho 1 hoặc một số xylanh. Nắp xylanh riêng có ưu điểm là dễ chế tạo, tháo lắp, sửa chữa và ít bị biến dạng hơn . Nhược điểm của nắp xylanh riêng là khó bố trí các bulông để liên kết nắp xylanh với khối xylanh, khó bố trí ống nạp và ống xả hơn so với nắp xylanh chung. a) b) H. 1-5. Nắp xylanh a) Nắp xylanh chung b) Nắp xylanh riêng 1.3.1.2. khối xylanh Các xylanh của động cơ nhiều xylanh thường được đúc liền thành một khối gọi là khối xylanh. Mặt trên và mặt dưới của khối xylanh được mài phẳng để lắp vào nắp xylanh và cacte . Vách trong của các xylanh được doa nhẵn, thường gọi là mặt gương của xylanh. Vật liệu để đúc khối xylanh thường là gang hoặc hợp kim nhôm. Một số loại động cơ công suất lớn có khối xylanh được hàn từ các tấm thép. Xylanh của động cơ được làm mát bằng không khí có các cánh tản nhiệt để tăng khả năng thoát nhiệt. Động cơ được làm mát bằng nước có các khoang trong khối xylanh để chứa nước làm mát. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 8 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  9. 1.3.1.3. lót xylanh a) b) H. 1-6. Lót xylanh a) Lót xylanh của động cơ 2 kỳ b) Xylanh của động cơ được làm mát không khí Lót xylanh là một bộ phận có chức năng dẫn hướng piston và cùng với mặt dưới của nắp xylanh và đỉnh piston tạo nên không gian công tác của xylanh. Trong quá trình động cơ hoạt động, mặt gương của xylanh bị mài mòn bởi piston và xecmang. Tiết diện tròn của mặt gương xylanh sẽ bị mòn thành tiết diện hình bầu dục và làm cho độ kín của không gian công tác bị giảm sút sau một thời gian làm việc,. Biện pháp khắc phục là doa lại cho tròn. Nếu lót xylanh được đúc liền với khối xylanh ( H. 1-7a) thì phải thay cả khối sau vài lần doa khi đường kính xylanh đã quá lớn và thành xylanh quá mỏng. Vì vậy, lót xylanh thường được chế tạo riêng rồi lắp vào khối xylanh (H. 1-7b, c). Có thể phân biệt 2 loại lót xylanh : lót xylanh khô và lót xylanh ướt. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 9 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  10. a) b) b) d) m c) h D d H. 1-7. Thân động cơ và lót xylanh a) Lót xylanh đúc liền với khối xylanh b) Lót xylanh khô c) Lót xylanh ướt d) Đệm cao su kín nước ã Lót xylanh khô (H. 1-7b) - không tiếp xúc trực tiếp với nước làm mát. Phương án sử dụng lót xylanh khô có ưu điểm là khối xylanh cứng vững hơn, nhưng yêu cầu độ chính xác cao hơn khi gia công bề mặt lắp ráp của lót và khối xylanh. ã Lót xylanh ướt (H. 1-7c) - tiếp xúc trực tiếp với nước làm mát. Phần dưới của lót xylanh có các vòng cao su ngăn không cho nước lọt xuống cacte (H. 1-7d). PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 10 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  11. 1.3.1.4. Cacte Cacte là bộ phận bao bọc và là nơi lắp đặt các bộ phận chuyển động chủ yếu của động cơ. Phần trên của cacte (cacte trên) là nơi lắp đặt khối xylanh, trục khuỷu, trục cam, v.v. Phần dưới của cacte ( cacte dưới hay cacte nhớt ) có chức năng đậy kín không gian trong động cơ từ phía dưới và là nơi chứa dầu bôi trơn. Đa số động cơ cỡ nhỏ và trung bình được làm mát bằng nước, có khối xylanh và cacte trên được đúc liền thành một khối gọi là thân động cơ (H. 1-7 ). ở một số động cơ cỡ lớn , cacte dưới vừa là nơi chứa dầu bôi trơn vừa là nơi đặt trục khuỷu và các bộ phận liên quan. 1.3.2. hệ thống truyền lực Hệ thống truyền lực có chức năng tiếp nhận áp lực của khí trong không gian công tác của xylanh rồi truyền cho hộ tiêu thụ và biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu. Các bộ phận chính của hệ thống truyền lực cũng chính là các bộ phận chuyển động chính của động cơ, bao gồm : piston, thanh truyền, trục khuỷu, bánh đà. Các bộ phận có liên quan trực tiếp với các bộ phận chuyển động chính kể trên cũng có thể được xếp vào hệ thống truyền lực, ví dụ : xecmang, chốt piston, bạc lót cổ chính, bạc lót cổ biên, v.v. 1 H. 1-8. Cơ cấu truyền lực 1- Piston , 2- Thanh truyền , 2 3- Trục khuỷu , 4- Đối trọng 3 4 1.3.2.1. Piston Piston là bộ phận chuyển động trong lòng xylanh. Nó tiếp nhận áp lực của MCCT rồi truyền cho trục khuỷu qua trung gian là thanh truyền. Ngoài ra, piston còn có công dụng trong việc nạp, nén khí mới và đẩy khí thải ra khỏi không gian công tác của xylanh. Piston được đúc bằng gang, hợp kim nhôm, và đôi khi bằng thép. Động cơ cao tốc thường có piston bằng hợp kim nhôm nhằm giảm lực quán tính và tăng cường sự truyền nhiệt từ đỉnh piston ra thành xylanh do nhôm nhẹ và dẫn nhiệt tốt hơn gang. Piston có các phần cơ bản là : đỉnh piston, các rãnh xecmang, "váy" piston (piston skirt ), ổ đỡ chốt piston và các gân chịu lực. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 11 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  12. 1 4 2 3 H. 1-9. Piston 1- Đỉnh piston , 2- Phần rãnh xecmang , 3- Phần váy piston , 4- ổ đỡ chốt piston PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 12 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  13. - Đỉnh piston có hình dáng khá đa dạng, tuỳ thuộc vào đặc điểm tổ chức quá trình cháy và quá trình nạp - xả, ví dụ : đỉnh lõm để tạo chuyển động rối của khí trong buồng đốt ; đỉnh lồi để dẫn hướng dòng khí quét và khí thải ,v.v. - Váy piston có vai trò dẫn hướng trong xylanh và chịu lực ngang. - Rãnh xecmang là nơi đặt các xecmang. Các rãnh xecmang khí được bố trí phía trên chốt piston. Rãnh xecmang dầu có thể bố trí phía trên hoặc phía dưới chốt piston. 1.3.2.2. XECMANG Xecmang (còn được gọi là bạc piston hoặc vòng găng) của ĐCĐT là các vòng đàn hồi bằng vật liệu chịu nhiệt và chịu mài mòn được lắp vào các rãnh trên piston. Trên một piston có 2 loại xecmang : xecmang khí và xecmang dầu. H. 1-10. Tác dụng làm kín buồng đốt của xecmang khí 0 10 20 30 p [bar] a) b) c) H. 1-11. Hiện tượng xecmang bơm dầu lên buồng đốt (a, b) và tác dụng gạt dầu của xecmang (c) ã Xecmang khí - có chức năng làm kín buồng đốt và dẫn nhiệt từ đỉnh piston ra thành xylanh. Trên mỗi piston có từ 2 đến 4 xecmang khí . Xecmang khí trên cùng được gọi là xecmang lửa, mặt ngoài của xecmang này thường được mạ crôm để tăng độ bền. ã Xecmang dầu - có chức năng san đều dầu bôi trơn trên mặt gương của xylanh và gạt dầu bôi trơn từ mặt gương xylanh về cacte. Trên mỗi piston có từ 1 đến 2 xecmang dầu bối trí phía dưới xecmang khí. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 13 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  14. 1.3.2.3. Chốt piston Chốt piston là chi tiết liên kết piston với thanh truyền. Chốt piston thường được khoan rỗng để giảm khối lượng. Có 3 phương án liên kết chốt piston với piston và thanh truyền như sau : - Chốt piston được cố định với thanh truyền và chuyển động tương đối với piston (H. 1-12a). - Chốt piston được cố định với piston và chuyển động tương đối vơi thanh truyền (H. 1-12b). - Chốt piston chuyển động tương đối với cả thanh truyền và piston (H. 1-12c). a) b) c) H.1-12. Chốt piston và các phương pháp định vị chốt piston PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 14 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  15. 1.3.2.4. Thanh truyền Thanh truyền là bộ phận trung gian liên kết piston với trục khuỷu và cho phép biến chuyển động tịnh tiến qua lại của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu. Đa số thanh truyền được chế tạo từ thép bằng phương pháp rèn hoặc dập. Thanh truyền được cấu thành từ 3 phần : đầu nhỏ, thân và đầu to. Thanh truyền của động cơ công suất trung bình thường có đầu nhỏ, thân và nửa trên của đầu to được rèn liền thành 1 chi tiết, nửa dưới của đầu to ( còn gọi là nắp thanh truyền) được liên kết với nửa trên bằng 2 á 4 bulông. Một số động cơ 1 xylanh loại nhỏ có thanh truyền được dập hoặc đúc liền . Thanh truyền của động cơ lớn thường có các phần được chế tạo riêng biệt rồi lắp với nhau bằng bulông. Để có thể rút nhóm piston-thanh truyền qua lòng xylanh trong quá trình sửa chữa , đôi khi phải chế tạo đầu to thanh truyền theo " kiểu lệch" để giảm chiều ngang của thanh truyền (H. 1-14). H. 1-13. Các chi tiết của nhóm thanh truyền 1- Đầu nhỏ , 2- Thân , 3- Đầu to , 4- Nắp , 5- Bạc cổ biên 6- Bulông thanh truyền , 7- Bạc chốt piston H. 1-14. Thanh truyền với đầu to kiểu lệch PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 15 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  16. 1.3.2.5. Trục khuỷu Trục khuỷu là bộ phận có chức năng tiếp nhận toàn bộ áp lực của khí trong xylanh rồi truyền cho các hộ tiêu thụ của bản thân động cơ (ví dụ : trục cam, bơm dầu, bơm nước,v.v.) và hộ tiêu thụ bên ngoài (chân vịt, máy phát điện, v.v.). Phần lớn trục khuỷu được chế tạo từ thép bằng phương pháp rèn, sau đó tiến hành gia công cơ khí (khoan các lỗ dầu, phay các má khuỷu, tiện và mài bóng các cổ khuỷu). Giá thành chế tạo trục khuỷu chiếm một tỷ lệ lớn trong giá thành cả động cơ. Để giảm giá thành, người ta đang áp dụng ngày càng rộng rãi phương pháp đúc trục khuỷu bằng gang hợp kim. Trục khuỷu của động cơ nhiều xylanh được cấu thành từ các khuỷu trục bố trí lệch nhau. Mỗi khuỷu trục có các bộ phận sau đây : - cổ chính lắp trong ổ đỡ chính của động cơ, - cổ biên lắp trong đầu to của thanh truyền, - má khuỷu liên kết cổ chính với cổ biên, - các đối trọng để cân bằng lực quán tính (đối trọng có thể được đúc liền với trục khuỷu hoặc được chế tạo riêng rồi lắp vào một đầu của má khuỷu). a) b) c) H. 1-15. Trục khuỷu a) Trục khuỷu b) Bánh đà c) Khuỷu trục 1- Cổ chính , 2- Má khuỷu , 3- Lỗ dẫn dầu , 4- Cổ biên. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 16 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  17. 1.3.3. Hệ thống nạp - xả Hệ thống nạp -xả (còn gọi là hệ thống thay đổi khí hoặc hệ thống trao đổi khí) có chức năng lọc sạch không khí rồi nạp vào không gian công tác của xylanh và xả khí thải ra khỏi động cơ. Các bộ phận cơ bản của hệ thống nạp-xả bao gồm : lọc không khí, ống nạp, ống xả, bình giảm thanh và cơ cấu phân phối khí. 1.3.3.1. Cơ cấu phân phối khí a) b) 4 Cửa xả Cửa nạp 3 Cửa quét 5 2 1 H. 1-16. Cơ cấu phân phối khí của động cơ 2 kỳ quét vòng (a) và của động cơ 4 kỳ (b) 1- Trục cam ; 2- Con đội ; 3- Đũa đẩy ; 4- Đòn gánh ; 5- Xupap. a)b)c) H. 1-17. Các kiểu bố trí và dẫn động xupap PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 17 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  18. Cơ cấu phân phối khí có chức năng điều khiển quá trình nạp khí mới vào không gian công tác của xylanh và xả khí thải ra khỏi động cơ. Hầu hết động cơ 4 kỳ hiện nay có cơ cấu phân phối khí kiểu xupap . Động cơ 2 kỳ không nhất thiết phải có xupap ; trong trường hợp không có xupap, chức năng điều khiển quá trình nạp- xả do piston, cửa quét và cửa xả thực hiện. ở động cơ 2 kỳ quét thẳng qua xupap xả, khí mới được nạp vào xylanh qua cửa quét trên thành xylanh, còn khí thải được xả ra ngoài qua xupap xả giống như ở động cơ 4 kỳ . 1.3.3.2. xupap Xupap là một loại van đặc trưng ở ĐCĐT, có chức năng đóng, mở đường ống nạp và xả. Mỗi xylanh của động cơ 4 kỳ thấp tốc và trung tốc thường có 2 xupap : một xupap nạp có chức năng đóng và mở đường ống nạp, một xupap xả có chức năng đóng và mở đường ống xả. Động cơ cao tốc có thể có 3 hoặc 4 xupap cho mỗi xylanh để tăng tiết diện lưu thông của khí ra, vào xylanh và giảm phụ tải nhiệt cho xupap, qua đó giảm khả năng biến dạng làm xupap không đóng kín. Xupap có thể bố trí theo kiểu treo trong nắp xylanh (H. 1-17a, b) hoặc kiểu đặt trong thân động cơ (H. 1-17c). Trục cam cũng có thể được đặt trong thân động cơ hoặc trên nắp xylanh. Trong quá trình động cơ hoạt động, xupap xả chịu tác dụng thường xuyên của khí thải có nhiệt độ cao, nhiệt độ của nấm xupap xả có thể tới 600 - 700 0 C, cho nên nó được chế tạo từ thép hợp kim chất lượng cao. Đôi khi ổ đặt và phần côn của nấm xupap xả được ép thêm vật liệu chịu nhiệt đặc biệt (H. 1-18). Xupap nạp thường xuyên được làm mát bằng dòng khí mới nên nhiệt độ của nó khoảng 400 - 500 0C. Thông thường, xupap được làm mát bằng cách truyền nhiệt ra vách của nắp xylanh thông qua ống dẫn hướng. Đối với động cơ cường hoá cao, xupap xả được làm mát bằng cách cho chất Sodium (Na) vào khoang rỗng trong thân và nấm xupap. Chất Na nóng chảy chuyển động lên xuống khi động cơ hoạt động có tác dụng tải nhiệt từ H. 1-18. Xupap có gắn thêm nấm lên thân để truyền ra phần dẫn vật liệu chịu nhiệt và làm mát hướng. bằng sodium nóng chảy PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 18 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  19. 1.3.4. hệ thống bôi trơn ĐCĐT có rất nhiều chi tiết chuyển động tương đối với nhau. Để giảm lực ma sát và hao mòn, ngoài việc chọn vật liệu, hình dáng và kích thước thích hợp, nhất thiết phải bôi trơn các bề mặt ma sát của chi tiết. Hệ thống bôi trơn của động cơ có chức năng lọc sạch rồi đưa chất bôi trơn đến các các bề mặt cần bôi trơn. Có thể phân biệt 3 phương pháp bôi trơn cơ bản - Bôi trơn bằng hơi dầu, - Bôi trơn bằng cách vung toé dầu, - Bôi trơn dưới áp suất. Phương pháp bôi trơn bằng hơi dầu được sử dụng cho động cơ xăng 2 kỳ dùng cacte làm bơm quét khí . Trong trường hợp này không thể đổ nhớt vào cacte rồi bơm đi bôi trơn các bộ phận được, mà nhớt được hoà trộn vào xăng với tỷ lệ 3 - 5 % để có thể đến được các bề mặt cần bôi trơn. Chốt piston của các loại động cơ khác cũng có thể được bôi trơn bằng hơi dầu. Bôi trơn bằng vung toé là dùng một số chi tiết chuyển động của động cơ để vung dầu lên các bề mặt cần bôi trơn. Phương pháp này đơn giản, nhưng có nhược điểm cơ bản là dầu bị lão hoá nhanh, thời gian sử dụng dầu ngắn. Ngoài ra, phương pháp này có hiệu quả thấp trong một số trường hợp, ví dụ : xe lên hoặc xuống dốc, tàu bị nghiêng, lắc, v.v. Đa số động cơ hiện nay được trang bị hệ thống bôi trơn dưới áp suất. ở hệ thống này, nhớt từ đáy cacte hay bình chứa (H. 1-20) được bơm nhớt nén tới áp suất 1,5 - 8,0 bar rồi đẩy vào mạch dầu chính. Từ mạch dầu chính, nhớt theo các lỗ khoan trong các chi tiết của động cơ hoặc theo các ống dầu đến bôi trơn các cổ chính, cổ biên của trục khuỷu, ổ đỡ trục cam, trục đòn gánh, v.v. Mặt gương xylanh, piston, xecmang, và đôi khi cả trục cam và các bánh răng được bôi trơn bằng nhớt phun ra từ các khe hở hoặc các lỗ đặc biệt ở ổ đỡ chính và ổ đỡ biên. Chốt piston có thể được bôi H. 1-19. Bôi trơn bằng cách vung toé trơn bằng nhớt đi lên từ ổ đỡ biên qua các lỗ hoặc ống dọc thân thanh truyền hoặc được bôi trơn bằng hơi dầu. Một số chi tiết của động cơ có thể được bôi trơn bằng cách khác, ngoài các phương pháp giới thiệu ở trên. Ví dụ : trục đòn gánh có thể được bôi trơn bằng các bấc thấm dầu theo định kỳ ; mặt gương xylanh của một số động cơ kích thước lớn được bôi trơn bằng nhớt dưới áp suất lớn (tới 50 bar) do các bơm kiểu piston cung cấp qua các lỗ bố trí tại các vị trí thích hợp trên xylanh. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 19 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  20. a) 7 8 6 9 5 12 3 4 b) 7 9 10 8 6 4 5 1 2 3 11 H. 1-20. Hệ thống bôi trơn tuần hoàn cacte ướt (a) và cacte khô (b) 1- Cacte dầu ; 2- Lọc thô ; 3, 11- Bơm dầu bôi trơn ; 4- Lọc tinh ; 5- Bình làm mát dầu ; 6- Mạch dầu chính ; 7- áp kế dầu ; 8- Van điều áp ; 9- Van an toàn ; 11- Bình chứa dầu. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 20 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  21. 1.3.5. hệ thống làm mát Hệ thống làm mát có chức năng giải nhiệt từ các chi tiết nóng (piston, xylanh, nắp xylanh, xupap, v.v.) để chúng không bị quá tải nhiệt. Ngoài ra, làm mát động cơ còn có tác dụng duy trì nhiệt độ dầu bôi trơn trong một phạm vi nhất định để duy trì các chỉ tiêu kỹ thuật của chất bôi trơn. Chất có vai trò trung gian trong quá trình truyền nhiệt từ các chi tiết nóng của động cơ ra ngoài được gọi là môi chất làm mát. Môi chất làm mát có thể là nước, không khí, dầu, hoặc một số loại dung dịch đặc biệt. Không khí được dùng làm môi chất làm mát chủ yếu cho động cơ công suất nhỏ. Đa số ĐCĐT hiện nay, đặc biệt là động cơ thuỷ, được làm mát bằng nước vì nó có hiệu quả làm mát cao (khoảng 2,5 lần cao hơn hiệu quả làm mát của dầu). Có thể phân loại hệ thống làm mát của ĐCĐT theo các tiêu chí sau đây : ã Theo môi chất làm mát - làm mát bằng nước, làm mát bằng không khí, làm mát bằng dầu và làm mát bằng các dung dịch đặc biệt. ã Theo phương pháp làm mát - làm mát bằng nước bay hơi, làm mát bằng đối lưu tự nhiên, làm mát cưỡng bức. ã Theo đặc điểm cấu tạo của hệ thống làm mát - hệ thống làm mát trực tiếp (hệ thống làm mát hở ) và hệ thống làm mát gián tiếp (hệ thống làm mát kín). Hệ thống làm mát trực tiếp bằng nước thường được áp dụng cho động cơ thuỷ hoặc động cơ đặt cố định tại khu vực gần sông, hồ. ở hệ thống làm mát trực tiếp (H. 1-21), nước từ ngoài mạn tàu được bơm vào làm mát trực tiếp động cơ rồi được xả ra ngoài tàu. Hệ thống làm mát gián tiếp bằng nước được áp dụng rộng rãi nhất cho ĐCĐT sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. ở động cơ thuỷ, nước ngọt sau khi làm mát động cơ sẽ được dẫn đến bình làm mát nước-nước. Sau khi được làm mát bằng nước biển, nước ngọt được bơm trở lại tiếp tục làm mát động cơ (H.1-22). ở động cơ ôtô - nước ngọt làm mát trực tiếp động cơ, còn không khí làm mát nước ngọt trong bình làm mát nước - không khí (H. 1-23). Hệ thống làm mát trực tiếp có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, giá thành thấp, hoạt động tin cậy. Tuy nhiên, so với hệ thống làm mát kín, hệ thống hở có những nhược điểm sau đây : - Các khoang làm mát của động cơ bị đóng cặn và bị ăn mòn nhanh do nước biển chứa nhiều loại muối hoà tan. Để hạn chế ăn mòn, người ta gắn các cục kẽm trong khoang làm mát ; còn để hạn chế đóng cặn, phải duy trì nhiệt độ nước ra khỏi động cơ không cao hơn 55 0C . - Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ được làm mát trực tiếp bằng nước biển cao hơn do phần nhiệt truyền từ khí trong xylanh ra nước làm mát nhiều hơn. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 21 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  22. 4 a) 3 2 1 5 b) 4 3 2 6 1 H. 1-21. Hệ thống làm mát trực tiếp 1- Lọc, 2- Bơm làm mát động cơ, 3- Bình làm mát dầu bôi trơn, 4- ống nước làm mát ra khỏi động cơ, 5- Két nước cân bằng, 6- Bơm nước từ ngoài mạn tàu. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 22 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  23. 5 4 7 3 2 6 1 H. 1-22. Hệ thống làm mát gián tiếp của động cơ thuỷ 1- Lọc, 2- Bơm làm mát động cơ, 3- Bình làm mát dầu bôi trơn, 4- ống nước làm mát ra khỏi động cơ, 5- Két nước cân bằng, 6- Bơm nước từ ngoài mạn tàu, 7- Bình làm mát nước-nước H. 1-23. Hệ thống làm mát gián tiếp bằng nước của động cơ ôtô PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 23 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  24. 1.3.6. hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel 1.3.6.1. chức năng và các bộ phận cơ bản Hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel có chức năng lọc sạch rồi phun nhiên liệu vào buồng đốt theo những yêu cầu phù hợp với đặc điểm cấu tạo và tính năng của động cơ. Dù có cấu tạo và nguyên lý hoạt động khá đa dạng, nhưng tuyệt đại đa số hệ thống nhiên liệu thông dụng của động cơ diesel đều được cấu thành từ các bộ phận cơ bản sau đây (H. 1-24) : ã Thùng nhiên liệu - bao gồm thùng nhiên liệu hàng ngày và thùng nhiên liệu dự trữ. Thùng nhiên liệu hàng ngày cần có dung tích đảm bảo chứa đủ số nhiên liệu cho động cơ hoạt động liên tục trong một khoảng thời gian định trước. ã Bơm thấp áp - bơm có chức năng hút nhiên liệu từ thùng chứa hàng ngày rồi đẩy đến bơm cao áp. Hệ thống nhiên liệu có thể không có bơm thấp áp nếu thùng chứa nhiên liệu hàng ngày được đặt ở vị trí cao hơn động cơ để nhiên liệu tự chảy đến bơm cao áp (H. 1-24b). ã Lọc nhiên liệu - Trong hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel có các bộ phận được chế tạo và lắp ráp với độ chính xác rất cao, như : đầu phun, cặp piston-xylanh của bơm cao áp, van triệt hồi. Các bộ phận này rất dễ bị hư hại nếu trong nhiên liệu có tạp chất cơ học. Bởi vậy nhiên liệu phải được lọc sạch trước khi đến bơm cao áp. ã ống dẫn nhiên liệu - gồm có ống cao áp và ống thấp áp. ống cao áp dẫn nhiên liệu có áp suất cao từ bơm cao áp đến vòi phun. ống thấp áp dẫn nhiên liệu từ thùng chứa đến bơm cao áp và dẫn nhiên liệu hồi về thùng chứa. ã Bơm cao áp (BCA) - có các chức năng sau đây : - Nén nhiên liệu đến áp suất rất cao ( khoảng 100 - 1500 bar) rồi đẩy đến vòi phun (chức năng nén). - Điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp vào buồng đốt phù hợp với chế độ làm việc của động cơ (chức năng định lượng). - Định thời điểm bắt đầu và kết thúc quá trình phun nhiên liệu (chức năng định thời). ã Vòi phun nhiên liệu - Đại đa số vòi phun nhiên liệu ở động cơ diesel chỉ có chức năng phun nhiên liệu cao áp vào buồng đốt với cấu trúc tia nhiên liệu phù hợp với phương pháp tổ chức quá trình cháy . ở một số hệ thống nhiên liệu đặc biệt, vòi phun còn có thêm chức năng định lượng và định thời. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 24 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  25. 6 3 5 9 10 4 2 7 8 1 1 10 3 6 9 5 4 H. 1-24. Sơ đồ cấu tạo hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel 1- Thùng nhiên liệu ; 2- Bơm thấp áp ; 3- Lọc nhiên liệu ; 4- Bơm cao áp ; 5- ống cao áp ; 6- Vòi phun ; 7- Bộ điều tốc ; 8- Bộ điều chỉnh góc phun sớm ; 9- ống thấp áp ; 10- ống dầu hồi. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 25 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  26. Khe hở giữa các chi tiết của cặp siêu chính xác 6 - 10 mm 3,5 - 6,5 mm 1,5 - 2,5 mm Kích thước tạp chất [mm] 40 - 60 20 - 30 8 - 10 4 -5 ~ 2 Khả năng lọc Phần tử lọc bằng nỉ Phần tử lọc bằng giấy Bộ lọc kép hiện đại H. 1-25. Khe hở giữa các cặp siêu chính xác và khả năng lọc PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 26 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  27. Toàn bộ hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel có thể chia thành hai phần được qui ước gọi là : phần cấp nhiên liệu và hệ thống phun nhiên liệu . ã Phần cấp nhiên liệu - còn gọi là Phần thấp áp , bao gồm thùng chứa nhiên liệu, bơm thấp áp, lọc nhiên liệu và ống thấp áp. Chức năng của phần cấp liệu là lọc sạch nhiên liệu rồi cung cấp cho hệ thống phun dưới áp suất xác định . ã Hệ thống phun nhiên liệu ( HTPNL ) - còn gọi là Phần cao áp , bao gồm bơm cao áp, vòi phun , ống cao áp và các bộ phận điều chỉnh-hiệu chỉnh. HTPNL thực hiện hầu như tất cả các yêu cầu đặt ra đối với quá trình phun nhiên liệu và có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng quá trình tạo hỗn hợp cháy ở động cơ diesel. 1.3.6.2. phân loại hệ thống phun nhiên liệu Bảng 1-2. Phân loại tổng quát hệ thống phun nhiên liệu của động cơ diesel Tiêu chí phân loại Phân loại 1) Hệ thông phun nhiên liệu bằng không khí nén Phương pháp phun nhiên liệu 2) Hệ thống phun nhiên liệu bằng thuỷ lực Phương pháp tạo và duy trì 1) Hệ thống phun trực tiếp áp suất phun 2) Hệ thống phun gián tiếp Phương pháp điều chỉnh quá trình 1) Hệ thống được điều chỉnh kiểu cơ khí 2) Hệ thống được điều chỉnh kiểu điện tử phun 1) Hệ thống phun cổ điển Cách thức tổ hợp các thành tố của 2) Hệ thống phun với BCA-VP liên hợp hệ thống phun 3) Hệ thống phun với BCA phân phối 4) Hệ thống phun đặc biệt. 1) Hệ thống phun với vòi phun hở Loại vòi phun 2) Hệ thống phun với vòi phun kín 1) Hệ thống phun nhiên liệu bằng không khí nén ở thời kỳ đầu phát triển động cơ diesel, người ta đã dùng không khí nén dưới áp suất 50- 60 bar để phun nhiên liệu vào xylanh động cơ. Phương pháp này không yêu cầu phải có các chi tiết siêu chính xác mà vẫn đảm bảo chất lượng hoà trộn nhiên liệu với không khí khá tốt. Tuy nhiên, động cơ phải lai máy nén khí nhiều cấp, vừa cồng kềnh vừa tiêu thụ một phần đáng kể công suất của động cơ ( công suất do máy nén khí tiêu thụ bằng khoảng 6 - 8 % công suất của động cơ, trong khi hệ thống phun nhiên liệu bằng thuỷ lực tiêu thụ khoảng 1,5 - 3,5 % ) ; ngoài ra, việc điều chỉnh lượng nhiên liệu chu trình cũng phức tạp và khó chính xác, nên kiểu hệ thống phun nhiên liệu bằng khí nén ở động cơ diesel đã được thay thế hoàn toàn bởi hệ thống phun nhiên liệu bằng thuỷ lực. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 27 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  28. a) b) 3 2 3 2 1 1 c) d) 2 4 2 3 1 + 2 + 3 1 H. 1-26. Phân loại hệ thống phun nhiên liệu theo cách thức tổ hợp các thành tố cơ bản 1- Bơm cao áp , 2- ống cao áp , 3- vòi phun , 4- bộ phân phối a) HTPNL cổ điển với BCA đơn b) HTPNL cổ điển với BCA cụm c) HTPNL với bơm cao áp phân phối d) HTPNL với BCA-VP liên hợp 2) Hệ thống phun nhiên liệu bằng thuỷ lực PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 28 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  29. ở hệ thống phun nhiên liệu bằng thuỷ lực, nhiên liệu được phun vào buồng đốt do sự chênh lệch áp suất rất lớn giữa áp suất của nhiên liệu trong vòi phun và áp suất của khí trong xylanh. Dưới tác dụng của lực kích động ban đầu trong tia nhiên liệu và lực cản khí động của khí trong buồng đốt , các tia nhiên liệu sẽ bị xé thành những hạt có đường kính rất nhỏ để hoá hơi nhanh và hoà trộn với không khí. 3) Hệ thống phun trực tiếp HTPNL trực tiếp là một loại HTPNL bằng thuỷ lực, ở đó nhiên liệu sau khi ra khỏi BCA được dẫn trực tiếp đến vòi phun bằng ống dẫn cao áp có dung tích nhỏ. ưu điểm của HTPNL kiểu này là : kết cấu tương đối đơn giản, có khả năng nhanh chóng thay đổi các thông số công tác phù hợp với chế độ làm việc của động cơ. Nhược điểm cơ bản của HTPNL trực tiếp là : áp suất phun giảm khi giảm của tốc độ quay của động cơ , điều đó hạn chế khả năng làm việc ổn định của động cơ ở tốc độ quay thấp. Mặc dù chưa đáp ứng hoàn toàn các yêu cầu đặt ra, nhưng HTPNL trực tiếp vẫn được sử dụng phổ biến nhất hiện nay cho tất cả các kiểu động cơ diesel. 4) Hệ thống phun nhiên liệu gián tiếp ở hệ thống phun gián tiếp ( còn gọi là hệ thống tích phun), nhiên liệu từ BCA không được đưa trực tiếp đến vòi phun mà được bơm đến ống cao áp chung. Thông thường, ống cao áp chung có dung tích lớn hơn nhiều lần so với thể tích nhiên liệu được phun vào buồng đốt trong một chu trình, nên áp suất phun hầu như không thay đổi trong suốt quá trình phun . Điều đó đảm bảo chất lượng phun tốt trong một phạm vi rộng của tốc độ quay và tải . Để đảm bảo yêu cầu định lượng và định thời, hệ thống tích phun có kết cấu khá phức tạp. Vì vậy nó thường chỉ được sử dụng cho những động cơ diesel có yêu cầu cao về chất lượng phun nhiên liệu ở những chế độ tải nhỏ. 5) Hệ thống phun nhiên liệu với Bơm cao áp - Vòi phun liên hợp HTPNL với Bơm cao áp-Vòi phun (BCA- VP) liên hợp là một hình thái biến tướng của HTPNL cổ điển . ở loại HTPNL kiểu này, BCA và vòi phun được tổ hợp thành một cụm chi tiết gọi là BCA-VP liên hợp, thực hiện chức năng của cả 3 bộ phận : BCA, vòi phun và ống cao áp. Trong BCA- VP liên hợp , nhiên liệu sau khi được nén đến áp suất rất cao và được định lượng sẽ được đưa trực tiếp vào vòi phun mà không cần có ống dẫn nhiên liệu cao áp. BCA-VP liên hợp do hãng General Motors thiết kế giới thiệu trên H. 1-27 là kiểu điển hình và được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. H. 1-27 BCA-VP liên hợp của hãng GM PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 29 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  30. 1.3.6.3. hệ thống phun nhiên liệu cổ điển Hệ thống phun nhiên liệu cổ điển là là tên gọi qui ước của loại HTPNL trực tiếp có những đặc điểm cơ bản sau đây : Toàn bộ HTPNL được tổ hợp từ các " tiểu hệ thống phun " hoàn toàn giống nhau . Mỗi tiểu hệ thống phun được cấu thành từ một phần tử bơm, 1 ống cao áp và 1 vòi phun nhiên liệu (H. 1-28). Động cơ có bao nhiêu xylanh thì có bấy nhiêu tiểu hệ thống phun. Các tiểu hệ thống phun hoạt động độc lập với nhau . p ự a o a c u ọ g e i ỏ n l o n õ e i h n n C u h p i ứ o V 7 B N F 6 m ụ b ỷ ử t à n 5 a h P 4 3 2 1 H. 1-28. Cấu tạo tiểu hệ thống phun của HTPNL với BCA Bosch cổ điển 1- Cam nhiên liệu, 2- Con đội , 3- Lò so khứ hồi, 4- Piston, 5- Vành răng và thanh răng điều khiển, 6- Xylanh, 7- Van triệt hồi , N- Khoang nạp, B- Khoang bơm, C- Khoang cao áp, F- Khoang phun 1 ) Bơm cao áp PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 30 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  31. Bơm cao áp (BCA) là cụm chi tiết quan trọng nhất của HTPNL cổ điển nói riêng và của HTPNL cơ khí nói chung và người ta thường phân loại HTPNL căn cứ vào đặc điểm của BCA. BCA có thể được phân loại theo những tiêu chí khác nhau. Nếu căn cứ vào phương pháp định lượng, tức là phương pháp điều chỉnh lượng nhiên liệu chu trình (gct) , có thể phân biệt 3 loại BCA cổ điển : BCA điều chỉnh bằng cách thay đổi hành trình có ích của piston, BCA điều chỉnh bằng cách thay đổi hành trình toàn bộ của piston và BCA điều chỉnh bằng van tiết lưu. a) BCA định lượng bằng cách thay đổi hành trình có ích của piston BCA định lượng bằng cách thay đổi hành trình có ích của piston do hãng Bosch thiết kế và chế tạo lần đầu tiên, nó hoạt động theo nguyên lý thay đổi hành trình có ích của piston để thay đổi lượng nhiên liệu thực tế được bơm đến vòi phun . Trong nhiều tài liệu chuyên môn, BCA loại này thường có các tên gọi khác nhau, như : BCA Bosch cổ điển (để phân biệt với các loại BCA khác của Bosch), BCA điều chỉnh bằng rãnh chéo trên piston, BCA Bosch kiểu piston-ngăn kéo, v.v. ã Cặp piston-xylanh của BCA kiểu Bosch cổ điển Cặp piston-xylanh của BCA gồm 2 chi tiết : xylanh và piston (H. 1-29). Trên thành xylanh có lỗ nạp, lỗ xả và lỗ định vị. Lỗ nạp để nhiên liệu từ khoang nạp (không gian chứa nhiên liệu thấp áp trong BCA) đi vào khoang bơm (không gian công tác của xylanh được giới hạn bởi đỉnh piston, van triệt hồi và thành xylanh của BCA). Lỗ xả để nhiên liệu thoát từ khoang bơm ra khoang nạp . Lỗ định vị để cố định xylanh với vỏ BCA. Một lỗ trên xylanh có thể chỉ thực hiện một chức năng (nạp, xả, định vị) hoặc thực hiện đồng thời 2 hay cả 3 chức năng. Trên phần đầu của piston có rãnh dọc, rãnh chéo và rãnh ngang. Rãnh dọc để cho nhiên liệu từ khoang bơm thoát về khoang nạp sau khi rãnh chéo thông với lỗ xả. Mép vát có tác dụng làm thay đổi hành trình có ích của piston , qua đó điều chỉnh lượng nhiên liệu chu trình khi piston được xoay trong lòng xylanh. Để tạo ra được áp suất rất cao của nhiên liệu trước khi phun vào buồng đốt, khe hở hướng kính giữa piston và cylindre phải rất nhỏ (khoảng 0,015 - 0,025 mm) . Cặp piston-xylanh là bộ phận quan trọng nhất của BCA và là một trong các cặp lắp ghép siêu chính xác trong hệ thống phun nhiên liệu của động cơ diesel. Trên thị trường hiện nay có khá nhiều kiểu cặp piston-xylanh của BCA điều chỉnh bằng cách thay đổi hành trình có ích của piston. Thực chất chúng đều là những biến tướng của cặp piston - xylanh kiểu Bosch do các hãng khác nhau chế tạo (H. 1-29b, c, d) . Mỗi cặp piston-xylanh của BCA có thể được đặt trong một vỏ riêng để tạo thành BCA đơn (H. 1-30a) hoặc nhiều cặp piston-xylanh được đặt trong một vỏ chung để tạo thành BCA cụm (H. 1-30b). PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 31 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  32. a) Lỗ xả + Lỗ nạp Rãnh dọc Định vị Mép vát Rãnh chéo X ylanh Rãnh ngang Piston b)c)d) H. 1-29. Cặp piston-xylanh của BCA cổ điển a) kiểu Bosch , b) F& M , c) CAV , d) SIMMS PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 32 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  33. ã Nguyên lý hoạt động BCA Bosch cổ điển hoạt động theo kiểu chu kỳ. Mỗi chu trình công tác của nó được hoàn thành sau 1 vòng quay của trục cam nhiên liệu, tương ứng với 2 hành trình của piston BCA , được gọi là hành trình nạp và hành trình bơm. Hành trình nạp của piston BCA ( piston BCA đi từ điểm cận trên đến điểm cận dưới ) được thực hiện nhờ tác dụng của lò xo khứ hồi ; còn hành trình bơm ( piston BCA đi từ điểm cận dưới đến điểm cận trên) do cam nhiên liệu đẩy. ở động cơ 4 kỳ, một vòng quay của trục cam nhiên liệu tương ứng với 2 vòng quay của trục khuỷu và 4 hành trình của piston động cơ ; còn ở động cơ 2 kỳ - tương ứng với 1 vòng quay của trục khuỷu và 2 hành trình của piston động cơ. a) b) c) d) e)g) H. 1-31. Chu trình công tác của BCA Bosch cổ điển a) Piston ở điểm cận trên , b) Nạp nhiên liệu vào khoang bơm , c) Piston ở điểm cận dưới , d) Bắt đầu bơm hình học , e) Kết thúc bơm hình học , g) Kết thúc chu trình công tác (piston của BCA trở lại điểm cận trên) ở giai đoạn đầu của hành trình nạp, nhiên liệu trong khoang bơm vừa dãn nở vừa thoát ra khoang nạp qua rãnh dọc. Khi piston mở lỗ nạp, nhiên liệu từ khoang nạp tràn vào khoang bơm (H. 1-31b). Sau khi được lò xo khứ hồi kéo về điểm cận dưới, piston của của BCA sẽ không chuyển động trong một khoảng thời gian tuỳ thuộc vào cấu tạo của cam nhiên liệu và tốc độ của động cơ. Hành trình bơm được thực hiện nhờ tác dụng đẩy của cam nhiên liệu (H. 1-31c, d, e). ở giai đoạn đầu của hành trình bơm, khoang nạp và khoang bơm vẫn được thông với nhau. Quá trình nén nhiên liệu trong khoang bơm được bắt đầu từ thời điểm piston đóng hoàn toàn lỗ nạp và lỗ xả trên cylindre của BCA. Nhiên liệu bắt đầu được bơm vào khoang cao áp (không gian chứa nhiên liệu trong rắcco cao áp, ống cao áp và vòi phun nhiên liệu) khi lực tác dụng lên kim van triệt hồi từ phía dưới (FB) được tạo ra bởi áp suất trong khoang bơm đạt tới trị số bằng lực tác dụng từ phía trên (FC) được tạo ra bởi lực căng ban đầu của lò so van triệt hồi và áp suất dư trong ống cao áp. Quá trình phun nhiên liệu vào buồng đốt bắt đầu khi lực tác dụng lên mặt côn nâng của kim phun (Ff) được tạo ra bởi áp suất của nhiên liệu trong khoang phun (không gian chứa nhiên liệu trong đầu phun của vòi phun) thắng được lực căng ban đầu của lò xo vòi phun (F0). Qúa trình phun nhiên liệu vào buồng đốt kéo dài cho đến khi rãnh chéo trên piston được thông với khoang nạp (H. 1-31g), khi đó nhiên liệu dưới áp suất cao từ khoang bơm và khoang cao áp sẽ thoát ra khoang nạp qua rãnh dọc. Quá trình phun nhiên liệu kết thúc tại thời điểm áp suất PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 33 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  34. trong khoang cao áp giảm xuống đến trị số, tại đó Ff = F0 . Sau thời điểm kết thúc phun, piston tiếp tục đi lên để kết thúc hành trình bơm tại điểm cận trên để kết thúc chu trình công tác của hệ thống phun nhiên liệu . Tất cả các kiểu BCA điều chỉnh bằng rãnh chéo trên piston đều hoạt động theo một nguyên lý chung là : - Đẩy piston để nén nhiên liệu bằng cam. - Khứ hồi piston bằng lò xo. - Hành trình toàn bộ của piston không đổi ( h0 = const ) - Điều chỉnh lượng nhiên liệu chu trình ( gct ) bằng cách xoay piston để thay đổi hành trình có ích ( he = var ). a) b) H. 1-32. Nguyên lý c) điều chỉnh gct a) Vị trí stop (không cấp nhiên liệu) b) Cấp liệu trung bình c) Cấp liệu cực đại PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 34 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  35. b) BCA điều chỉnh bằng cách thay đổi hành trình toàn bộ của piston 4 3 5 H. 1-33. Bơm cao áp điều chỉnh bằn g cách thay đổi hành trình 2 6 toàn bộ của piston 1 1- Piston, 2- Xylanh, 3- Đầu nối 7 ống cao áp, 4- ống cao áp, 5- Van triệt hồi, 6- Van nạp, 7- Lò xo khứ hồi, 8- Con đội, 9- Cam nhiên liệu, 10 8 10- T hân bơm 9 c) BCA điều chỉnh bằng van tiết lưu 4 3 H. 1-34. Bơm cao áp điều chỉnh bằng van tiết lưu 1- Piston, 2- Xylanh, 3- Đầu nối 2 ống cao áp, 4- ống cao áp, 5- 5 Van tiết lưu, 6- Lỗ nạp, 7- Chêm 1 điều chỉnh góc phun sớm, 8- Lò so khứ hồi, 9- Thân BCA, 10- 6 Con đội, 11- Cam nhiên liệu, 12- Cần bơm tay. 12 7 8 9 10 11 PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 35 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  36. 2) Vòi phun nhiên liệu Bảng 1-3. Phân loại tổng quát vòi phun nhiên liệu Tiêu chí phân loại Phân loại Đặc điểm cách ly khoang phun với buồng 1. Vòi phun hở đốt 2. Vòi phun kín 1. Vòi phun kiểu chốt Đặc điểm cấu tạo đầu phun 2. Vòi phun kiểu lỗ 3. Vòi phun kiểu van Phương pháp tạo lực ép ban đầu lên kim 1. ép kim phun bằng lò xo phun 2. ép kim phun bằng thuỷ lực Theo phương pháp điều khiển 1. Vòi phun điều khiển cơ khí 2. Vòi phun điều khiển điện tử Vòi phun hở là loại không có bộ phận ngăn cách không gian chứa nhiên liệu trong vòi phun với không gian trong buồng đốt của động cơ. Đầu phun có thể chỉ có những lỗ phun bình thường (H. 1-35a) hoặc có cấu tạo đặc biệt để tạo ra cấu trúc tia nhiên liệu thích hợp, ví dụ : có các rãnh chéo để chùm tia nhiên liệu có hình quạt phẳng (H. 1-35b). a)b) H. 1-35. Vòi phun hở Vòi phun hở có cấu tạo rất đơn giản và hoạt động tin cậy. Nhược điểm cơ bản nhất của vòi phun hở là không có khả năng loại trừ hiện tượng phun rớt vào những thời điểm cuối của quá trình phun. Vào những thời điểm đó, khi áp suất phun đã giảm đáng kể, các hạt nhiên liệu được phun ra có kích thước lớn và vận tốc nhỏ, khó cháy hoàn toàn và rất dễ bị coke hoá. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 36 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  37. Vòi phun hở đã từng được sử dụng cho một số kiểu động cơ diesel cao tốc với áp suất phun rất lớn. Hiện nay nó đã được thay thế gần như hoàn toàn bằng các kiểu vòi phun kín. 8 7 6 5 9 4 3 10 2 1 H. 1-36. Vòi phun kín PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 37 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  38. 1.3.6.4. các thông số công tác đặc trưng của hTPNL cổ điển Các thông số công tác của HTPNL ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng quá trình phun nhiên liệu bao gồm : áp suất bơm (pb), áp suất phun (pf), áp suất mở vòi phun (pfo), Hành trình kim phun (hk), Cấu trúc tia nhiên liệu , Quy luật phun ,Lượng nhiên liệu chu trình (gct) và Độ định lượng không đồng đều (Dg), Góc phun sớm (q ) và Độ định thời không đồng đều (Dq). 1) áp suất bơm (pb) - áp suất của nhiên liệu được đo tại khoang bơm của BCA ( khoang bơm là không gian trong cylindre của BCA được giới hạn bởi piston, mặt dưới của van triệt hồi và thành cylindre ). 2) áp suất phun (pf) - áp suất của nhiên liệu tại khoang phun ( không gian chứa nhiên liệu trong đầu phun của vòi phun). 3) áp suất mở vòi phun (pfo) - áp suất phun tại thời điểm kim phun bắt đầu được nâng lên khỏi bệ đỡ. 4) Hành trình của kim phun (hk) - chuyển vị của kim phun trong quá trình phun nhiên liệu. Quy ước lấy hk = 0 ứng với vị trí đóng của kim phun , tức là khi kim phun còn tiếp xúc với bệ đỡ. áp suất bơm (pb) và áp suất phun (pf) thay đổi theo góc quay của trục khuỷu động cơ (H. 1-37). Đặc điểm biến thiên và trị số của pb , pf phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố, như : đặc điểm cấu tạo và tình trạng kỹ thuật của hệ thống phun, chế độ làm việc của động cơ, các hiện tượng thuỷ động diễn ra trong khoang nạp, khoang bơm và khoang cao áp, v.v. áp suất mở vòi phun (pfo) là một thông số điều chỉnh quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tia nhiên liệu và chất lượng quá trình tạo HHC. Bởi vì khi ta thay đổi áp suất mở vòi phun cũng có nghĩa là ta đã thay đổi đồng thời áp suất đóng vòi phun và áp suất phun trung bình trong quá trình phun nhiên liệu. áp suất mở vòi phun cao hay thấp phụ thuộc vào đặc điểm kỹ thuật của động cơ, trong đó cấu tạo buồng đốt và tốc độ quay là hai yếu tố có vai trò quyết định. Thông thường, pfo = 100 á 220 bar ; trị số nhỏ dùng cho động cơ có buồng đốt ngăn cách với vòi phun kiểu chốt, trị số lớn - buồng đốt thống nhất với vòi phun kiểu lỗ. Đối với một kiểu động cơ cụ thể, áp suất mở vòi phun được điều chỉnh theo trị số do nhà chế tạo quy định. Thời điểm bắt đầu hành trình bơm của piston BCA được ký hiệu bằng điểm A trên đồ thị. Thời điểm bắt đầu bơm hình học (thời điểm piston đóng hoàn toàn lỗ xả) được ký hiệu bằng điểm 1. Nhiên liệu bắt đầu được bơm vào khoang cao áp khi áp suất trong khoang bơm cân bằng với áp suất dư trong ống cao áp và thắng sức căng của lò xo van triệt hồi (điểm 2). Khi áp suất của nhiên liệu trong khoang phun đạt tới trị số pfo (điểm 3), kim phun được nâng lên khỏi vị trí tiếp xúc với bệ đỡ. Đó chính là thời điểm thực tế bắt đầu phun nhiên liệu. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 38 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  39. a) pb 4 5 3 6 2 pd A 1 B j 4 pf b) 5 3 6 B pd A 1 2 j c) hk 6 3 0 7 j j d) dgct/d 0 3 7 j gct.x 7 e) t c g 0 3 ĐCT j H. 1-37. Đồ thị biểu diễn quá trình phun nhiên liệu PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 39 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  40. Giai đoạn tính từ thời điểm 2 đến điểm 3 được gọi là giai đoạn chậm phun (j23). Tông 0 thường j23 = 2 - 15 gqtk . Góc quay trục khuỷu tính từ thời điểm thực tế bắt đầu bơm (điểm 2) và thực tế bắt đầu phun (điểm 3) đến thời điểm piston của động cơ tới ĐCT được gọi tương ứng là góc bơm sớm (jbs) và góc phun sớm ( q ). Việc xác định thời điểm thực tế bắt đầu phun nhiên liệu đòi hỏi những trang thiết bị khá phức tạp, bởi vậy thay vì phải kiểm chỉnh góc phun sớm , chúng ta thường kiểm chỉnh góc bơm sớm . Rõ ràng là, với cùng một trị số góc bơm sớm , giai đoạn chậm phun càng lớn thì góc phun sớm càng nhỏ. Thời điểm kết thúc phun hình học (thời điểm rãnh chéo trên piston bắt đầu thông với khoang nạp) được ký hiệu bằng điểm 5 trên đồ thị. Trong một thời gian rất ngắn sau thời điểm 5, nhiên liệu từ khoang bơm thoát ra khoang nạp với vận tốc rất lớn làm cho áp suất trong khoang bơm và khoang cao áp giảm xuống đột ngột. Kim phun bắt đầu hành trình đóng tại thời điểm áp suất trong khoang phun đạt tới trị số nhỏ hơn pfo một ít (điểm 6). Thời điểm kết thúc quá trình phun thực tế (thời điểm kim phun tiếp xúc trở lại với bệ đỡ) và thời điểm kết thúc chu trình công tác của hệ thống phun (thời điểm piston BCA trở lại điểm cận trên) được ký hiệu tương ứng bằng điểm 7 và điểm B. Giai đoạn kéo dài từ thời điểm bắt đầu phun thực tế (điểm 3) đến thời điểm kết thúc phun hình học (điểm 5) được gọi là giai đoạn phun chính (jII). Giai đoan phun chính dài hay ngắn phụ thuộc vào tải của động cơ và được thể hiện bằng hành trình có ích của piston BCA. Giai đoạn từ điểm 5 đến điểm 7 được gọi là giai đoạn phun rớt (jIII). Giai đoạn phun rớt diễn ra trong điều kiện áp suất phun đã giảm nhiều nên cấu trúc các tia nhiên liệu không đảm bảo yêu cầu đối với quá trình tạo HHC. Rất nhiều BCA hiện nay được trang bị van triệt hồi-giảm tải để rút ngắn giai đoạn phun rớt. Thời gian phun thực tế (jf) được tính từ thời điểm bắt đầu phun thực tế (điểm 3) đến thời điểm kết thúc phun thực tế (điểm 7). 5) Cấu trúc tia nhiên liệu Cấu trúc tia nhiên liệu là thuật ngữ được sử dụng để biểu đạt khái niệm bao hàm đặc điểm của các tia nhiên liệu được hình thành trong buồng đốt trong quá trình phun. Cấu trúc tia nhiên liệu bao gồm cấu trúc vĩ mô và cấu trúc vi mô. ã Cấu trúc vĩ mô được đặc trưng bằng số lượng, vị trí tương đối và kích thước của các tia. Vòi phun nhiên liệu thường có từ 1 đến 8 lỗ phun và tạo ra số tia nhiên liệu tương ứng. Kích thước mỗi tia nhiên liệu được đặc trưng bằng chiều dài (Lf) và góc nón (af). Các tia nhiên liệu có thể được phân bố đối xứng hoặc không đối xứng qua đường tâm của vòi phun (H. 1-38). ã Cấu trúc vi mô được đặc trưng bằng độ phun nhỏ và độ phun đều. Cấu trúc tia nhiên liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến độ đồng nhất của HHC và quy luật hình thành HHC. Chiều dài tia nhiên liệu quá lớn sẽ làm cho một phần nhiên liệu đọng trên vách buồng đốt, điều đó không những làm nhiên liệu cháy rớt nhiều mà còn gia tăng cường độ hao mòn chi tiết do màng dầu bôi trơn trên mặt gương xylanh bị tổn hại. Các tia nhiên liệu quá ngắn và phân bố không hợp lý, kích thước các hạt nhiên liệu không đủ nhỏ đều ảnh hưởng xấu đến độ đồng nhất của HHC. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 40 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  41. b 2 f /2 b f/ af f L b f g 2 g1 H. 1-38. Cấu trúc tia nhiên liệu Lf - chiều dài tia , α f - góc nón tia ; β f , γ - các góc xác định vị trí các tia trong trường hợp đầu phun nhiều lỗ. Cần lưu ý rằng, trong một số trường hợp, người thiết kế chủ ý phân bố các tia nhiên liệu không đối xứng hoặc để nhiên liệu được phun sao cho hình thành các màng nhiên liệu lỏng trên vách buồng đốt nhằm tạo ra quy luật hình thành HHC có lợi nhất . PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 41 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  42. 6) Quy luật phun nhiên liệu Quy luật phun nhiên liệu là khái niệm bao hàm thời gian phun và đặc điểm phân bố tốc độ phun. Có thể biểu diễn quy luật phun dưới dạng vi phân hoặc dưới dạng tích phân. a) dg /dj ct H. 1-39. Quy luật phun nhiên liệu ϕ - góc quay trục khuỷu , cf - thời điểm bắt đầu phun 0 , cfe - thời điểm kết thúc cf cfe j b) phun , dgct/dϕ - tốc độ phun gct.x nhiên liệu , gct.x - lượng nhiên liệu đã được phun t c vào buồng đốt tính từ thời gct.x g điểm bắt đầu phun đến thời điểm cx . 0 cf cx cfe j ã Quy luật phun dưới dạng vi phân - là hàm số thể hiện đặc điểm thay đổi tốc độ phun tức thời theo góc quay trục khuỷu trong quá trình phun (H. 1-39a). ã Quy luật phun dưới dạng tích phân - là hàm số thể hiện đặc điểm thay đổi theo góc quay trục khuỷu đổi của lượng nhiên liệu được phun vào buồng đốt tính từ thời điểm bắt đầu phun (H. 1-39b). Quy luật phun nhiên liệu có ảnh hưởng quyết định đến quy luật hình thành HHC, đặc biệt là đối với phương pháp tạo HHC kiểu thể tích, qua đó ảnh hưởng đến hàng loạt chỉ tiêu chất lượng của động cơ diesel. Việc lựa chọn quy luật phun nhiên liệu như thế nào là tuỳ thuộc vào tính năng của động cơ và cách thức tổ chức quá trình cháy . PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 42 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  43. 1.4. nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong 1.4.1. Nguyên lý hoạt động của động cơ diesel 4 kỳ H. 1-40. Chu trình công tác của động cơ diesel 4 kỳ a) Nạp , b) Nén , c) Nổ , d) Xả PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 43 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  44. a) p z b) ĐCT cf C S i h r n á d1 1 h y c v ô à N n c g ạ p cf n ả é X N r b a a1 ĐCD Vs V b1 ĐCT ĐCD c) p z c cf b r r a 00 1800 3600 5400 7200 j ĐCT ĐCD ĐCT ĐCD ĐCT H. 1-41. Các đồ thị biểu diễn chu trình công tác của động cơ 4 kỳ a) Đồ thị công b) Đồ thị góc c) Đồ thị công khai triển cf - thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu (ở động cơ diesel) hoặc thời điểm buji đánh lửa (ở động cơ xăng), z- thời điểm áp suất cháy đạt giá trị cực đại, b1 - thời điểm xupap xả bắt đầu mở, r1 - thời điểm xupap xả đóng hoàn toàn, d1 - thời điểm xupap nạp bắt đầu mở, a1 - thời điểm xupap nạp đóng hoàn toàn. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 44 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  45. Động cơ 4 kỳ là loại ĐCĐT mà mỗi chu trình công tác của nó được hoàn thành sau 4 hành trình của piston. 1) Hành trình nạp Trong hành trình nạp, piston được trục khuỷu kéo từ ĐCT đến ĐCD. Xupap nạp mở, xupap xả đóng. Không khí được hút vào xylanh qua xupap nạp. 2) Hành trình nén Trong hành trình nén, piston được trục khuỷu đẩy từ ĐCD đến ĐCT. Cả 2 loại xupap (nạp và xả) đều đóng. Do bị piston nén, áp suất và nhiệt độ của khí trong xylanh tăng dần. Khi piston tới gần ĐCT (điểm cf), nhiên liệu bắt đầu được phun vào buồng đốt và tự bốc cháy làm cho áp suất và nhiệt độ trong xylanh tăng lên đột ngột. 3) Hành trình sinh công Trong hành trình sinh công, piston được khí trong xylanh có áp suất cao đẩy từ ĐCT đến ĐCD và làm trục khuỷu quay. Cả 2 loại xupap vẫn đóng. Quá trình cháy nhiên liệu vẫn tiếp tục diễn ra ở giai đoạn đầu của hành trình sinh công. 4) Hành trình xả Trong hành trình xả, piston bị trục khuỷu đẩy từ ĐCD đến ĐCT. Xupap nạp đóng, xupap xả mở. Khí thải trong xylanh bị piston đẩy ra ngoài qua xupap xả. Bảng 1-4. Tóm tắt chu trình công tác của diesel 4 kỳ Hành trình Nạp Nén Sinh xả công Chuyển vị của piston ĐCT à ĐCD à ĐCT ĐCT à ĐCD ĐCD à ĐCT ĐCD Xupap nạp Mở Đóng Đóng Đóng Xupap xả Đóng Đóng Đóng Mở Khí mới đi vào xylanh Không khí - - - Vòi phun nhiên liệu Đóng Mở tại cf Đóng tại ckf Đóng Môi chất công tác KK + Khí KK + Khí Hỗn hợp Khí thải sót sót Góc quay trục khuỷu 180 à 360 à 540 à 0 à 0 0 0 0 180 360 540 720 PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 45 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  46. 1.4.2. Nguyên lý hoạt động của diesel 2 kỳ a) b) Khôn g khí Khí thải c) d) e) H. 1-42. Nguyên lý hoạt động của động cơ diesel 2 kỳ a) Dãn nở sinh công b) Xả c) Quét d) Lọt khí e) Nén PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 46 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  47. a) c) ĐCT p z C S i h n á h y c v ô à n g c n é cf N b1x d1x b VS V b1n Xả ĐCT ĐCD b d 1x 1n Quét d1x ĐCD p b) z c cf b 1x d b d1n 1x b 00 1800 3600 j ĐCD ĐCT ĐCD H. 1-43. Các đồ thị biểu diễn chu trình công tác của động cơ 2 kỳ a) Đồ thị công chỉ thị , b) Đồ thị công khai triển, c) Đồ thị góc PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 47 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  48. Động cơ 2 kỳ là loại động cơ đốt trong mà mỗi chu trình công tác của nó được hoàn thành sau 2 hành trình của piston. 1) Hành trình sinh công Trong hành trình sinh công, piston được khí có áp suất và nhiệt độ cao (do nhiên liệu cháy từ chu trình trước) đẩy từ ĐCT đến ĐCD và làm trục khuỷu quay. ở giai đoạn đầu của hành trình sinh công, các quá trình diễn ra trong xylanh cũng tương tự như ở động cơ 4 kỳ. Bắt đầu từ thời điểm piston tới mép trên của cửa xả (điểm b1x), không gian công tác của xylanh được thông với ống xả và khí thải tự thoát ra ngoài qua cửa xả do có áp suất cao hơn áp suất khí trời. Bắt đầu từ thời điểm piston tới mép trên của cửa quét (điểm d1X), không gian công tác của xylanh được thông với khoang chứa không khí quét có áp suất cao hơn áp suất khí trời ; khí quét được thổi vào xylanh qua cửa quét để đẩy phần khí thải còn lại ra ngoài, đồng thời nạp đầy không gian công tác của xylanh. Quá trình, trong đó khí thải được xả ra khỏi xylanh và khí quét đi vào xylanh diễn ra đồng thời được gọi là quá trình quét. Trong hành trình sinh công ở động cơ 2 kỳ diễn ra các quá trình sau đây : Cháy, Dãn nở - Sinh công , Xả , Quét . 2) Hành trình nén Trong hành trình nén, piston được trục khuỷu đẩy từ ĐCD đến ĐCT. ở giai đoạn đầu của hành trình nén, quá trình quét vẫn tiếp tục cho đến thời điểm piston đóng hoàn toàn cửa quét (d1n). Bắt đầu từ thời điểm piston đóng hoàn toàn cửa xả (b1n), không gian công tác của xylanh được đóng kín và không khí trong xylanh bị nén làm cho áp suất và nhiệt độ của nó tăng dần. Khi piston tới gần ĐCT (điểm cf), nhiên liệu bắt đầu được phun vào buồng đốt và tự bốc cháy làm cho áp suất và nhiệt độ trong xylanh tăng lên đột ngột. Trong hành trình nén ở động cơ 2 kỳ diễn ra các quá trình sau đây : Quét , Lọt khí (giai đoạn d1n đ b1), Nén , Cháy. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 48 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  49. So sánh động cơ 4 kỳ và 2 kỳ : 1) Về nguyên lý hoạt động, động cơ 4 kỳ và 2 kỳ khác nhau cơ bản ở quá trình nạp và xả. Quá trình nạp-xả ở động cơ 4 kỳ kéo dài hơn 360 0 góc quay trục khuỷu (hơn 2 hành trình của piston) và được điều khiển bằng cơ cấu phân phối khí kiểu xupap. Quá trình nạp-xả ở động cơ 2 kỳ chỉ diễn ra khi piston ở gần ĐCD, trong khoảng thời gian < 180 0 góc quay trục khuỷu. 2) Nếu có cùng dung tích công tác (i. VS) và cùng tốc độ quay (n) thì động cơ 2 kỳ có công suất lớn hơn khoảng 1,7 lần công suất của động cơ 4 kỳ. 3) Thông thường, động cơ xăng 2 kỳ có suất tiêu thụ nhiên liệu cao hơn so với động cơ xăng 4 kỳ ; động cơ diesel 2 kỳ và diesel 4 kỳ có suất tiêu thụ nhiên liệu gần như nhau. 4) Động cơ 2 kỳ có cấu tạo đơn giản hơn so với động cơ 4 kỳ. 5) Động cơ 4 kỳ có tuổi bền cao hơn so với động cơ 2 kỳ, nếu các điều kiện khác như nhau. Bảng 1-5. Các thông số đặc trưng của chu trình công tác TT Các thông số Động cơ diesel Động cơ xăng 1 Tỷ số nén (e) 12 - 20 (30) 6 - 12 2 áp suất cuối hành trình nén (pc) , [bar] 30 - 50 7- 20 0 3 Nhiệt độ cuối hành trình nén (Tc) , [ C] 700 - 900 400 - 600 4 áp suất cháy cực đại (pz) , [bar] 50 - 100 (150) 40 - 60 0 5 Nhiệt độ cháy cực đại (Tmax ) , [ C] 1600 - 2000 2100 - 2600 0 6 áp suất cuối quá trình dãn nở (pb) , [ C] 2,0 - 4,0 3,5 - 5,5 0 7 Nhiệt độ cuối quá trình dãn nở (Tb) , [ C] 800 - 1200 1300 - 1500 8 Suất tiêu hao nhiên liệu ( ge ), [g/kW.h] 220 - 245 (70 %) 300 - 380 (100 %) PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 49 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  50. 1.4.5. động cơ piston quay Một số thông số của động cơ LCCR Động cơ 1 Rotor Động cơ 2 Rotor LCCR 400S LCCR 800T Nen / nn [kW/rpm] 26/6000 52/6000 3 Vs [cm ] 407 826 Trọng lượng khô [kg] 26 36 Kích thước L-H-W 400-268-303 500-268-303 ã Hệ thống làm mát : MC lỏng ã Hệ thống nhiên liệu : Carburetor hoặc phun xăng. So sánh RC26U5 V8 Nen / nn [HP/rpm] 185/5000 197/4800 3 Vs [cm ] 1966 4638 Trọng lượng khô [kg] 107 275 Kích thước L-H-W [mm] 475-569-546 750-710-800 Dung tích bao bì [dm3 ] 145 425 Suất dung tích [dm3 / HP] 0.77 2.15 Suất trọng lượng [kg /HP] 0.57 1.4 ưu, nhược điểm so với động cơ cổ điển ưu điểm 1) Chỉ có 2 chi tiết chuyển động quay nên kết cấu đơn giản. Có thể coi mỗi xylanh của Wankel tương đương động cơ cổ điển 3 xylanh. Số lượng chi tiết ít hơn 30 - 40 % , trọng lượng nhỏ hơn 15 - 30 %, giá thành chế tạo thấp hơn 15 - 20 %. 2) Có tính cân bằng cao do không có các chi tiết chuyển động tịnh tiến. 3) Suất tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn. Nhược điểm 1) Phải sử dụng máy chuyên dùng để gia công xylanh và piston. 2) Chưa có phương án làm kín hoàn hảo. 3) Bôi trơn và làm mát xylanh rất khó khăn. 4) Nồng độ các chất độc hại trong khí thải khá lớn. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 50 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  51. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 51 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  52. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 52 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
  53. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - Lý thuyết ĐCĐT - 53 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com