Bài giảng môn học Công nghệ lớp 11 - Chương 4 : Động cơ diesel trên tàu thuỷ và ôtô

Chương 4 : Động cơ diesel trên tàu thuỷ và ôtô 4.1. Động cơ thường dùng trên tàu thuỷ 4.1.1. Động cơ thường dùng trên tàu thuỷ có những đặc điểm sau: - Thường là động cơ điêzen. - Có thể sử dụng một hoặc nhiều động cơ làm nguồn động lực cho một tàu. - Đối với tàu thuỷ cỡ nhỏ, cỡ trung, thường sử dụng động cơ có tốc độ quay trung bình và cao. - Tàu thuỷ cỡ lớn thường sử dụng động cơ điêzen có tốc độ quay thấp. Loại động cơ này có khả năng đảo chiều quay. - Công suất động cơ trên tàu thuỷ có thể đạt 50000 kW. - Số lượng xilanh nhiều, có thể tới 42 xilanh. - Động cơ trên tàu thường được làm mát cưỡng bức bằng nước. 4.1.2. Hệ thống đảo chiều trên tàu thuỷ: a. Nhiệm vụ, các phương pháp đảo chiều quay, yêu cầu đảo chiều quay: Để thay đổi chiều chuyển động của tàu ( tiến hay lùi hoặc ngược lại )có thể thực hiện các biện pháp sau: Đảo chiều quay trục khuỷu bằng hệ thống đảo chiều bố trí ngay trên động cơ. Đảo chiều quay của chân vịt bằng khớp nối li hợp đảo chiều bố trí giữa động cơ và chân vịt. Theo cách này cho phép động cơ làm việc theo một chiều quay nhất định và do đó có thể dung động cơ không tự đảo chiều làm động cơ chân vịt. Dùng chân vịt biến bước: cho phép động cơ tận dụnghết công suất trong điều kiện thuận lợi. Giới hạn những thiết bị đảo chiều trực tiếp cho động cơ: lúc đó đảo chiều động cơ tương ứng với trục khuỷu của động cơ phải quay theo chiều ngược lại với chiều quay của chế độ công tác trước đó. Để làm được điều này, thiết bị phân phối khí phải điều khiển mở van khởi động của xilanh đang ở kì nén, lúc đó khí khởi động sẽ đẩy piston chuyển động theo chiều ngược lại. Tuỳ theo cấu tạo của thiết bị phân phối khí khỏi động mà cơ cấu đảo chiều có nguyên lý làm việc khác nhau. + Đối với thiết bị phân phối khí khởi động kiểu van trượt hướng tâm dung phương pháp dịch trục phân phối để đảo chiều động cơ. + Đối với thiết bị phân phối kiểu tấm trượt dạng đĩa dung phương pháp quay tương đối trục phân phối một góc nhất định so với trục khuỷu. Các thiết bị chính dung hệ thống đảo chiều gồm: thiết bị bảo vệ và động cơ xecvô dùng để dịch trục phân phối (hay xoay trục phân phối) động cơ xecvô là động cơ trợ động. Khi đảo chiều động cơ phải tuân theo thứ tự nghiêm ngặt các thao tác với những quy định sau: Khi kết thúc đảo chiều thi mới khởi động động cơ. Chỉ khởi động động cơ khi trục phân phối khí đã chuyển hoàn toàn sang vị tri tiến hoặc lùi. Sau khi động cơ đảo chiều quay đến vòng quay khởi động dưới tác dụng của không khí nén, bắt đầu cung cấp nhiên liệu, phải đình chỉ ngay việc cung cấp khí. Không được đảo chiều động cơ khi nó đang làm việc, phải tiến hành dừng động cơ sau đó đảo chiều rồi mới khởi động lại. Khi tàu manơ: các động tác đảo chiều, khởi động phải được thực hiện trong thời gian ngắn nhất. Yêu cầu các tay điều khiển phải dịch chuyển dễ dàng, cho phép thao tác thuận lợi, nhẹ nhàng. Cần phải có những thiết bị bảo vệ để hạn chế thấp nhất những thao tác sai. Cơ cấu đảo chiều trực tiếp bằng cách dịch trục cam: Sơ đồ cấu tạo: Hình 4.1: Cơ cấu đảo chiều bằng cách dịch trục cam 1: Đường dẫn khí nén 9: Trục cam 2: Van đảo chiều 10: Cam xả khi lùi 3, 4: Bình dầu 11: Cam xả khi tiến 5: Piston 12: Cam hút khi lùi 6: Xilanh chứa dầu 13: Cam hút khi tiến 7: Phớt kín dầu 14: Con đội xupap hút 8: Khớp nối 15: Con đội xupap xả Trong cơ cấu này, tương ứng với mỗi xupap của động cơ có 2 cam dẫn động ( một cam tiến và một cam lùi ). Giữa 2 cam có mặt vát chuyển tiếp để con đội có thể trượt từ cam này sang cam khác dễ dàng. Khi đẩy trục cam di động dọc trục, các cam khác bị đẩy đi, nên con đội đang tiếp xúc với cam này sẽ chuyển sang tiếp xúc với cam khác. Do đó pha phối khí và thứ tự nổ của động cơ sẽ thay đổi làm động cơ hoạt động theo chiều ngược lại. Nguyên lý hoạt động: Khi tàu chạy tới ( động cơ quay theo chiều thuận ) thì xoay van 2 ở vị trí “tới”. Khí nén qua van 2 vào bình 3 và nén dầu xuống, piston 5 bij dịch chuyển sang phải kéo trục cam di động sang bên phải các con đội tiếp xúc với các cam tới ( lúc này không khí trong bình 4 thoát ra ngoài ) theo van 2 dần trong xilanh phía phải sẽ dâng lên đầy bình. Muốn tàu chạy lùi ( động cơ quay theo chiều ngược lại ) thì trước tiên phải dừng động cơ lại. Tiếp đó mới xoay van 2 về vị trí lùi, khi đó khí nén sẽ vào bình 4 đẩy dầu xuống làm piston bị đẩy sang trái. Trục cam sẽ bị đẩy sang trái làm con đội tiếp xúc với các cam lùi, động cơ sẽ quay theo chiều ngược lại. 4.2. Hệ thống nhiên liệu diesel trên ôtô hiện nay: 4.2.1.Đặt vấn đề: Động cơ diesel phát triển vào năm 1897 nhờ Rudolf Diesel hoạt động theo nguyên lý Tự –cháy. Ở gần cuối quá trình nén, nhiên liệu được phun vào buồng cháy động cơ để hình thành hòa khí rồi tự bốc cháy. Đến năm 1927. Robert Bosch phát triển Bơm cao áp (Bơm phun Bosch lắp cho động cơ diesel ôtô thương mại và ôtô khách vào năm 1936). HTNL Diesel không ngừng được cải tiến, với các giải pháp kỹ thuật tối ưu làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu. Các nhà động cơ Diesel đã đề ra nhiều biện pháp khác nhau về kỹ thuật phun và tổ chức quá trình cháy nhằm giới hạn các chất ô nhiễm. Các biện pháp chủ yếu tập trung vào giải quyết các vấn đề: - Tăng tốc độ phun để giảm lượng bồ hóng do tăng tốc độ hoà 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 ( ERG: Exhaust Gas Recirculation). Hiện nay, các nhược điểm của HTNL Diesel đã được khắc phục bằng cải tiến các bộ phận như: Bơm cao áp, vòi phun, ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao, các ứng dụng điều khiển tự động nhờ sự phát triển của công nghệ. Đó là HTNL Common Rail Diesel. 4.2.2. Giới thiệu hệ thống Common Rail Diesel: Trong động cơ Diesel hiện đại, áp suất phun được thực hiện cho mỗi vòi phun một cách riêng lẽ, nhiên liệu áp suất cao được chứa trong hộp chứa (Rail) hay còn gọi là “Ắcquy thủy lực”và được phân phối đến từng vòi phun theo yêu cầu. Lợi ích của vòi phun Common Rail là làm giảm mức độ tiếng ồn, nhiên liệu được phun ra ở áp suất rất cao nhờ kết hợp điều khiển điện tử, kiểm soát lượng phun, thời điểm phun. Do đó làm hiệu suất động cơ và tính kinh tế nhiên liệu cao hơn. So với hệ thống cũ dẫn động bằng cam, hệ thống Common Rail khá linh hoạt trong việc đáp ứng thích nghi để điều khiển phun nhiên liệu cho động cơ diesel như: - Phạm vi ứng dụng rộng rãi (cho xe du lịch, khách,tải nhẹ, tải nặng, xe lửa và tàu thủy). - Áp suất phun đạt đến 1500 bar. - Thay đổi áp suất phun tùy theo chế độ hoạt động của động cơ. - Có thể thay đổi thời điểm phun. - Phun chia làm ba giai đoạn: Phun sơ khởi, phun chính và phun kết thúc. 4.2.3. Nguyên lý hoạt động: Tương tự như HTNL diesel thông thường, trên hình nhiên liệu được bơm cung cấp đẩy đi từ thùng nhiên liệu trên đường ống thấp áp qua bầu lọc (3) đến Bơm cao áp (2), từ đây nhiên liệu được bơm cao áp nén đẩy vào ống tích trữ nhiên liệu áp suất cao (7) hay còn gọi ắc quy thủy lực- và được đưa đến vòi phun Common Rail (9) sẵn sàng để phun vào xilanh động cơ. Áp suất phun được tạo ra độc lập với tốc độ và lượng nhiên liệu phun ra. Nhiên liệu được trữ với áp suất cao trong ắc quy thủy lực. Lượng phun ra được quyết định bởi điều khiển bàn đạp ga, thời điểm phun cũng như áp suất phun được tính toán bằng ECU dựa trên các biểu đồ dữ liệu đã lưu trên nó. Sau đó ECU và EDU sẽ điều khiển các kim phun của các vòi phun tại mỗi xilanh động cơ để phun nhiên liệu nhờ thông tin từ các cảm biến (10) với áp suất phun có thể đến 1500bar. Nhiên liệu thừa của vòi phun đi qua ắcquy thủy lực trở về bơm cao áp, van điều khiển áp suất tại bơm mở để nó trở về thùng nhiên liệu (1). Trên ắcquy thủy lực có gắn cảm biến áp suất và đầu cuối có bố trí van an toàn (8), nếu áp suất tích trữ trong ắc quy thủy lực (7) lớn quá giới hạn van an toàn sẽ mở để nhiên liệu tháo về thùng chứa. Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lí hệ thống nhiên liệu common rail 1: Thùng nhiên liệu 2: Bơm cao áp common rail 3: Lọc nhiên liệu 4: Đường cấp nhiên liệu cao áp 5: Đường nối cảm biến áp suất đến ECU 6: Cảm biến áp suất 7: Common rail tích trữ và điều áp nhiên liệu 8: Van an toàn (giới hạn áp suất) 9: Vòi phun 10: Các cảm biến nối đến ECU và bộ điều khiển thiết bị (EDU) 11: Đường về nhiên liệu thấp áp ECU: electronic control unit và EDU: electronic driver unit Với phương pháp này áp suất phun lên đến 1500 bar, có thể thực hiện ở mọi thời điểm ngay cả động cơ lúc thấp tốc. Trong hệ thống nhiên liệu Common Rail, quá trình phun được chia thành các cách phun: Phun mồi (hay phun sơ khởi- Pre-injection hoặc pilot- injection), phun chính (main- injection) và phun thứ cấp (post-injection). Một hệ thống Common Rail Diesel thường có 4 thành phần cơ bản: - Bơm áp suất cao với van điều chỉnh áp suất và van đo lường. - Các cảm biến (tốc độ quay trục khuỷu, trục cam, bàn đạp ra, lưu lượng không khí và nước làm mát, cảm biên áp suất Rail,) - Các cơ cấu chấp hành: ( vòi phun điều khiển bằng van solenoid, bộ tăng áp, bộ hồi lưu khí xả, các đồng hồ đo áp suất,) - Bộ điều khiển điện tử (ECU và EDU) kiểm soát kượng phun chính xác, điều chỉnh áp suất và giám sát các điều kiện hoạt động của động cơ. Hình 4.3 : Mạch áp suất thấp Hình 4.4: Mạch áp suất cao Hình 4.5: Mạch hồi dầu Van điều khiển áp suất mở cho phép nhiên liệu về lại thùng chứa (mũi tên chỉ cho thấy khi van mở nhiên liệu qua bơm cao áp về lại thùng chứa) Hình 4.6: Bố trí các cảm biến trên ôtô 4.2.4. Các chức năng của HTNL Common Rail Diesel: Với Common Rail người ta thường phân biệt thành các nhóm chức năng sau: Mạch áp suất cao Mạch áp suất thấp ECU và các cảm biến Chức năng chính : Là điều khiển phun nhiên liệu đúng thời điểm, đúng lượng, đúng áp suất phù hợp từng chế độ làm việc của động cơ. Chức năng phụ: Là điều khiển vòng kín và vòng hở như điều khiển hệ thống hồi lưu khí thải, tăng áp, ga tự động, làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải độc hại. 3. Đánh giá: Qua phân tích trên ta thấy hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel có 5 ưu điểm sau: Tiêu hao nhiên liệu thấp Phát thải nhiên liệu thấp Động cơ làm việc êm dịu, giảm được tiếng ồn Cải thiện tính năng động cơ Thiết kế phù hợp để thay thế cho các động cơ diesel đang sử dụng động cơ diesel thế hệ cũ, trong quá trình làm việc hệ thống cung cấp nhiên liệu tạo ra tiếng ồn khá lớn. Động cơ làm việc êm dịu là nhờ cải tiến Bơm cao áp (hình 6). Với kiểu bơm pittông bố trí hình sao lệch nhau 120 độ. Hoạt động nhẹ nhàng, linh hoạt, năng suất cao, giảm được tải trọng động trên động cơ. Hình 4.7: Kết cấu bơm cao áp Các giai đoạn phun sơ khởi làm giảm thời gian cháy trể và phun thứ cấp tạo cho quá trình cháy hoàn thiện. Ngoài ra, hệ thống còn ứng dụng điều khiển điện tử cho động cơ, lắp thêm bộ hồi lưu khí xả (EGR) và tăng áp góp phần cải thiện tính năng động cơ. Trong đó phải kể đến vòi phun Common Rail, nó thực hiện phun và lưu ở áp suất cao. Vòi phun có van trợ lực điện từ. Nó là một thành phần chính xác cao, được chế tạo chịu được độ kín khít cực cao. Các van, kim phun và cuộn điện từ được định vị trên thân vòi phun. Dòng nhiên liệu từ giắc nối mạch áp suất cao đi qua van tiết lưu đi vào buồng chứa van điều khiển. Có áp suất bên trong vòi phun bằng áp suất trong ắcquy thủy lực, như vậy ta thấy rằng vòi phun được thiết kế làm việc ở áp suất rất cao do đó các chi tiết: lò xo, van bi, kim phun và van điện từ phải làm việc chính xác. Hình 4.8 : Kết cấu vòi phun Common Rail Diesel- Bosch Một ưu điểm nữa của HTNL Common Rail của hãng Bosch là trong quá trình thiết kế nhằm mục đích có thể thay thế được cho HTNL Diesel cũ, tức việc bố trí các thành phần và lắp đặt chúng trên động cơ phù hợp với các động cơ đang tồn tại. Tuy nhiên, HTNL Common Rail còn các tồn tại là: . Thiết kế và chế tạo phức tạp đòi hỏi có ngành công nghệ cao. . Khó xác định và lắp đặt các chi tiết Common Rail trên động cơ cũ. Kết luận: Hệ thống Common Rail Diesel ra đời góp phần cải thiện nhiều cho tính năng động cơ và tính kinh tế nhiên liệu mà lâu nay người sử dụng cũng như các nhà Bảo vệ Môi trường mong đợi. Nó tạo nên hướng nghiên cứu mới cho các ngành Cơ khí Động lực, Giao thông,... trong nước. Hiện nay, bạn đọc có thể tìm hiểu hệ thống này trên các dòng xe như Transit, Sprinter,...