Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kim phun CDI đến đặc tính động cơ diesel đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

TỔNG QUAN

Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun nhiên liệu CDI đến đặc tính động cơ Diesel

- Đề xuất phương án tối ưu hóa công suất động cơ Diesel Common Rail.

Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

- Lý thuyết cháy, phun nhiên liệu và hình thành khí xả trong động cơ

- Phần mềm mô phỏng AVL Fire

Bài viết này sẽ phân tích ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun đến hiệu suất của động cơ Diesel Common Rail Các thông số khác trên phần mềm mô phỏng AVL Fire được giữ nguyên, chỉ thay đổi đường kính lỗ tia phun để đánh giá tác động của nó đến công suất động cơ.

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Động cơ Diesel Common Rail đã trải qua nhiều cải tiến và phát triển để nâng cao hiệu suất và năng suất Gần đây, nghiên cứu tối ưu hóa công suất động cơ và giảm khí thải đã trở thành ưu tiên hàng đầu cho các nhà nghiên cứu động lực học Tại Việt Nam, có nhiều nghiên cứu nổi bật trong lĩnh vực này.

Bài báo "Đánh giá ảnh hưởng của các thông số làm việc đến công suất và khí thải NOx của động cơ Diesel Common Rail" của tác giả Phạm Minh Hiếu, Nguyễn Mạnh Dũng, Lê Đức Hiếu trình bày một thuật toán mới nhằm phân tích tác động của tám thông số quan trọng đến hiệu suất và khí thải NOx của động cơ Diesel Các thông số này bao gồm tốc độ, mô men, áp suất chỉ thị trung bình (IMEP), áp suất cực đại trong xilanh, tỷ lệ không khí - nhiên liệu, thời điểm bắt đầu phun, thời gian phun và suất tiêu hao nhiên liệu có ích (BSFC) Kết quả nghiên cứu cho thấy BSFC, mô men và IMEP là những yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến công suất động cơ, trong khi đối với khí thải NOx, BSFC và tốc độ động cơ giữ vai trò quan trọng nhất Nghiên cứu này đóng góp đáng kể vào việc tối ưu hóa hiệu suất và khí thải của động cơ Diesel thông qua việc điều chỉnh các thông số làm việc.

Nghiên cứu của TS Khổng Văn Nguyên và TS Anh Vũ tập trung vào việc xây dựng mô hình cháy cho động cơ Diesel Common Rail khi sử dụng nhiên liệu diesel và biodiesel với một lần phun chính Mục tiêu chính của nghiên cứu là phân tích hiệu suất cháy và sự tương tác giữa hai loại nhiên liệu, từ đó đưa ra những hiểu biết sâu sắc về ảnh hưởng của biodiesel đến quá trình đốt cháy trong động cơ Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong ngành giao thông vận tải.

Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học, đặc biệt là biodiesel, trong động cơ Diesel truyền thống đã thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà khoa học, nhà sản xuất và người tiêu dùng Tuy nhiên, việc khảo sát hiệu suất của biodiesel trên các động cơ Diesel sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử kiểu Common Rail vẫn còn hạn chế Bài viết này tập trung vào việc đánh giá chất lượng quá trình cháy trong động cơ Diesel 2.5 TCI-A lắp trên xe HYUNDAI STAREX khi sử dụng nhiên liệu diesel (B0) và biodiesel B20 Kết quả nghiên cứu cho thấy tốc độ tỏa nhiệt, góc cháy trễ và thời gian cháy khi sử dụng B20 không có sự khác biệt đáng kể so với khi sử dụng B0, dựa trên các phân tích nhiệt động học với dữ liệu áp suất xy lanh thực nghiệm.

Nghiên cứu của tác giả Huỳnh Phước Sơn về phương pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu trên động cơ Common Rail Diesel sử dụng nhiên liệu kép (CNG-Diesel) đã đạt được mục tiêu quan trọng là điều khiển cung cấp nhiên liệu kép trên động cơ Diesel có tỷ số nén cao Nghiên cứu không chỉ bảo toàn công suất động cơ mà còn tiết kiệm nhiên liệu và giảm mức phát thải Kết quả nghiên cứu góp phần làm chủ công nghệ điều khiển cung cấp nhiên liệu kép trong điều kiện thực tế tại Việt Nam, có ý nghĩa lớn trong việc cải tiến hệ thống nhiên liệu trên các động cơ tĩnh tại, từ đó tiết kiệm chi phí nhiên liệu và tăng tính cạnh tranh của sản phẩm.

1.3.2 Ngoài nước Để tuân thủ các quy định về phát thải khí xả nghiêm ngặt, đặc biệt là trên động cơ Diesel áp dụng tiêu chuẩn EURO 4 ở Việt Nam, tiêu chuẩn EURO 6 ở các nước Châu Âu năm 2014 và tiếp theo là tiêu chuẩn EURO 6D thử nghiệm phát thải khi cho xe chạy thực tế (real driving Emissions) áp dụng vào năm 2020 Với động cơ Diesel thông thường rất khó để đáp ứng được các tiêu chuẩn khí thải ngày càng khắt khe hơn Chính vì vậy động cơ Diesel Common Rail được nghiên cứu và phát triển nhằm mục đích khắc phục những nhược điểm mà động cơ diesel đang gặp phải như giảm lượng khí thải, giảm mức tiêu hao nhiên liệu và tiếng ồn… Tuy vậy, động cơ Diesel Common Rail chưa phải là tối ưu nhất, chúng ta vẫn cần phải nghiên cứu và phát triển thêm nữa về vấn cải thiện công suất và giảm khí thải trong tình trạng ô nhiễm không khí ngày càng nghiêm trọng trên thế giới hiện nay Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong và ngoài nước đều đang tích cực nghiên cứu về vấn đề này Một số các nghiên cứu nước ngoài nổi bật như:

Bài báo "Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo kim phun đến hiệu suất động cơ Diesel Common Rail" của tác giả Zi Lai Luo, Han Bao Chang và Li Min Shao thực hiện nghiên cứu thực nghiệm về tác động của các thông số kim phun đến đặc tính cháy và phát thải của động cơ Diesel áp suất cao Nghiên cứu đã thử nghiệm 8 bộ kim phun với các thông số khác nhau, kiểm tra ảnh hưởng của số lượng lỗ phun, đường kính lỗ phun, góc phun và tỷ lệ độ mảnh của lỗ phun đến áp suất trong xy lanh, nhiệt độ khí thải, tiếng ồn không khí, phát thải NOx, cường độ khói và lượng nhiên liệu tiêu thụ Kết quả nghiên cứu cung cấp hướng dẫn quan trọng để tối ưu hóa sự tương thích giữa kim phun và buồng đốt.

Nghiên cứu “Effects of Fuel Injection Pressure on CRDI Diesel Engine Performance and Emissions using CCD” của C Syed Aalam và C.G Saravanan đã đánh giá tác động của áp suất và thời gian phun nhiên liệu đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel Common Rail Thí nghiệm được thực hiện trên động cơ Diesel DI bốn thì, xy lanh đơn với hệ thống phun nhiên liệu áp suất cao Kết quả cho thấy hiệu suất nhiệt tiêu hao (BTE) được cải thiện và mức tiêu thụ nhiên liệu giảm nhờ vào quá trình phân rã tốt hơn Đồng thời, lượng phát thải carbon monoxide (CO), hydrocacbon không cháy (HC) và khói giảm, trong khi lượng khí thải NOx tăng khi áp suất phun tăng Sự cải thiện này được giải thích bởi kích thước giọt nhiên liệu nhỏ hơn khi áp suất phun tăng, dẫn đến độ nguyên tử hóa tốt hơn của nhiên liệu.

Nghiên cứu "A Study of Effect of Biodiesel on Common-Rail Injection Nozzle" của Patamaporn Chaikool và các cộng sự tập trung vào ảnh hưởng của biodiesel đối với kim phun Common Rail trong bối cảnh giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch Dầu diesel sinh học có độ nhớt cao hơn so với dầu diesel nguyên chất, và nghiên cứu đã sử dụng máy bơm phun 1.800 bar để thử nghiệm các hỗn hợp B5 (5% FAME và 95% dầu diesel) và B10 (10% FAME và 90% dầu diesel) trong 1.000 giờ Kết quả cho thấy việc sử dụng biodiesel không gây mòn xung quanh các lỗ kim phun so với diesel từ dầu mỏ Tuy nhiên, phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy sự xuất hiện của chất bẩn quanh các lỗ kim phun khi sử dụng B5 và B10 Sử dụng máy phân tích tia X phân tán năng lượng (EDX), nhóm nghiên cứu xác định rằng các chất ô nhiễm có thể là hạt cacbon đen và oxit sắt từ các nhiên liệu đã thử nghiệm.

Nghiên cứu "Giảm phát thải từ động cơ Diesel Common-rail bằng metyl este Mahua và Pongamia" của tác giả C Syed Aalam so sánh hiệu suất, đặc tính phát thải và quá trình cháy của hai loại diesel sinh học được sản xuất từ metyl este Mahua và Pongamia với nhiên liệu diesel thông thường Metyl este được tạo ra thông qua quá trình chuyển vị este có xúc tác và được đánh giá dựa trên các tiêu chuẩn ASTM cho nhiên liệu diesel sinh học và diesel Các thí nghiệm được thực hiện trên hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp loại Common Rail (CRDI) bốn thì, xy lanh đơn, nhằm hỗ trợ động cơ Diesel hoạt động ở tốc độ không đổi.

Trong quá trình thử nghiệm động cơ Diesel CRDI ở 1500 vòng/phút với áp suất phun thay đổi, đã đo lường mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể, hiệu suất nhiệt tiêu hao, quá trình đốt cháy và khí thải Kết quả cho thấy nồng độ HC, CO và khói giảm mạnh khi sử dụng hỗn hợp metyl este Đặc biệt, với hỗn hợp MME20, phát thải NOx đạt mức tối thiểu so với các hỗn hợp khác, đồng thời cũng ghi nhận lượng khí thải độc hại như HC, CO và khói thấp hơn.

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

Sơ lược về sự phát triển của động cơ Diesel sử dụng Common Rail

Động cơ Diesel, được phát minh bởi kỹ sư Rudolf Diesel vào năm 1892, là loại động cơ đốt trong mà sự cháy của nhiên liệu diễn ra do tự cháy dưới tác động của nhiệt độ và áp suất cao So với động cơ xăng, động cơ Diesel có hiệu suất cao hơn và sử dụng nhiên liệu rẻ hơn, nên được ưa chuộng trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là giao thông vận tải Mặc dù động cơ Diesel sản xuất ít carbon dioxide hơn, nhưng lại thải ra nhiều oxit nitơ và ít phổ biến hơn do chi phí sản xuất cao, tiếng ồn và khí thải Để khắc phục vấn đề này, hệ thống Common Rail đã được phát triển vào cuối những năm 1960, giúp cải thiện hiệu suất và giảm tiếng ồn cho động cơ Diesel.

Việc áp dụng thành công hệ thống nhiên liệu Common Rail trên xe sản xuất bắt đầu tại Nhật Bản vào giữa những năm 1990 Tiến sĩ Shohei Itoh và Masahiko Miyaki từ Tập đoàn Denso đã phát triển công nghệ này cho các phương tiện hạng nặng, với ứng dụng thực tế đầu tiên là hệ thống Common Rail ECD-U2 được lắp trên xe tải Hino Ranger, chính thức được bán ra thị trường vào năm 1995.

Cũng vào năm này, Denso tuyên bố hệ thống Common Rail áp suất cao thương mại đầu tiên

Các hệ thống Common Rail hiện đại hoạt động dựa trên nguyên tắc chung nhưng được điều khiển bởi bộ điều khiển động cơ, cho phép mở từng kim phun bằng điện thay vì cơ khí Công nghệ này đã được thử nghiệm và phát triển rộng rãi từ những năm trước.

Năm 1990, sự hợp tác giữa Magneti Marelli, Centro Ricerche Fiat và Elasis đã dẫn đến việc nghiên cứu và phát triển hệ thống nhiên liệu Common Rail bởi tập đoàn Fiat Thiết kế này sau đó được công ty Robert Bosch GmbH của Đức mua lại để hoàn thiện và sản xuất hàng loạt Đến năm 1997, hệ thống này được mở rộng ứng dụng cho xe du lịch, với chiếc xe chở khách đầu tiên là Alfa Romeo 156 trang bị động cơ 2,4L JTD Cùng năm đó, Mercedes-Benz cũng đã giới thiệu hệ thống này trong mẫu W202 của họ.

Lý thuyết phun nhiên liệu và phân tích chùm tia phun

2.2.1 Lý thuyết phun nhiên liệu

2.2.1.1 Đặc tính phun của hệ thống Common Rail

So với đặc điểm của hệ thống nhiên liệu diesel cũ thì các yêu cầu sau đã được thực hiện dựa vào đường đặc tính phun lý tưởng:

Lượng nhiên liệu và áp suất phun nhiên liệu hoạt động độc lập trong từng điều kiện của động cơ, giúp dễ dàng đạt được tỉ lệ hỗn hợp A/F lý tưởng.

Khi bắt đầu quá trình phun, chỉ cần một lượng nhỏ nhiên liệu được phun ra Hệ thống Common Rail đáp ứng các yêu cầu này với đặc điểm phun hai lần, bao gồm phun sơ khởi và phun chính.

Hình 2 1 Đường đặc tính phun của hệ thống Common Rail [23]

Hệ thống Common Rail là một hệ thống thiết kế theo module, có các thành phần:

Các thiết bị sau cũng cần cho sự hoạt động điều khiển của hệ thống:

- Cảm biến tốc độ động cơ

Cảm biến vị trí piston là một thành phần quan trọng trong hệ thống bơm cao áp của xe du lịch Bơm hướng tâm (radial-piston pump) được sử dụng để tạo ra áp suất độc lập với quá trình phun, với tốc độ bơm phụ thuộc vào tốc độ động cơ mà không thể thay đổi tỉ số truyền So với hệ thống phun cũ, việc phân phối nhiên liệu trong hệ thống Common Rail diễn ra đồng bộ, giúp bơm cao áp nhỏ hơn và giảm tải trọng cho hệ thống truyền động.

Kim phun được kết nối với ống tích áp nhiên liệu qua một ống ngắn, với đầu phun và solenoid được cung cấp điện từ ECU Khi solenoid không được cấp điện, kim sẽ ngừng phun Áp suất phun ổn định giúp lượng nhiên liệu phun ra tỷ lệ với độ dài xung điều khiển solenoid Để đáp ứng yêu cầu mở nhanh van solenoid, hệ thống sử dụng điện áp cao và dòng lớn Thời điểm phun được điều chỉnh bởi hệ thống điều khiển góc phun sớm, sử dụng cảm biến trên trục khuỷu để xác định tốc độ động cơ và cảm biến trên trục cam để nhận biết kỳ hoạt động.

Phun sơ khởi có thể xảy ra sớm đến 90̊ trước điểm chết trên (BTDC) và nếu diễn ra trước 40̊ BTDC, nhiên liệu có thể bám vào bề mặt piston và xylanh, làm loãng dầu bôi trơn Trong giai đoạn này, một lượng nhỏ nhiên liệu (1 - 4 mm³) được phun vào xylanh để “mồi”, cải thiện quá trình cháy Kết quả là áp suất cuối quá trình nén tăng nhẹ, giảm thời gian trễ cháy và áp suất cực đại, giúp quá trình cháy trở nên êm dịu hơn Điều này dẫn đến giảm tiếng ồn động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và giảm độ độc hại của khí thải, đồng thời phun sơ khởi còn góp phần gián tiếp tăng công suất của động cơ.

Công suất đầu ra của động cơ được gia tăng nhờ vào giai đoạn phun chính, diễn ra sau giai đoạn phun sơ khởi Giai đoạn phun chính đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường lực kéo của động cơ.

Với hệ thống Common Rail, áp suất phun vẫn giữ không đổi trong suốt quá trình phun

[23] c Giai đoạn phun thứ cấp (secondary INJECTION)

Theo quan điểm xử lý khí thải, phun thứ cấp có thể được áp dụng để đốt cháy NOx

Quá trình phun nhiên liệu diễn ra ngay sau giai đoạn phun chính, trong quá trình giãn nở hoặc ở kỳ thải khoảng 200̊ sau điểm chết trên (ATDC) Khác với phun sơ khởi và phun chính, nhiên liệu được phun vào không được đốt cháy mà chỉ bốc hơi nhờ vào sức nóng của khí thải ở ống pô Trong kỳ thải, hỗn hợp khí thải và nhiên liệu được đẩy ra ngoài qua xupap thải, nhưng một phần nhiên liệu sẽ được đưa lại vào buồng đốt thông qua hệ thống luân hồi khí thải EGR, tương tự như giai đoạn phun sơ khởi Khi bộ hoá khử được lắp đặt để giảm lượng NOx, chúng sử dụng nhiên liệu trong khí thải như một nhân tố hoá học để giảm nồng độ NOx trong khí thải.

2.2.1.2 Lý thuyết quá trình phun nhiên liệu trong động cơ Diesel Common Rail

Quá trình hòa trộn hỗn hợp trong lòng xy lanh diễn ra trong thời gian ngắn từ 1,6 đến 60 𝜇s, tạo ra sự rối loạn giữa không khí áp suất cao và nhiên liệu dạng sương có động năng lớn Chất lượng và thời gian chuẩn bị hỗn hợp nhiên liệu ảnh hưởng lớn đến quá trình cháy và các thông số liên quan.

Chất lượng và thời gian cung cấp nhiên liệu vào buồng đốt là yếu tố quyết định hiệu suất, tính kinh tế và mức độ ô nhiễm của động cơ Diesel Common Rail Để đạt hiệu quả cao trong quá trình cung cấp nhiên liệu, hệ thống nhiên liệu cần đáp ứng các thông số kỹ thuật nhất định.

Để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho động cơ, lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình cần phải đồng nhất ở tất cả các xy lanh, phù hợp với từng chế độ làm việc của động cơ.

Chất lượng và vận tốc đồng đều của các hạt nhiên liệu khi vào buồng đốt là yếu tố quan trọng để đảm bảo quá trình cháy diễn ra nhanh chóng và hiệu quả.

- Thời gian bắt đầu phun và kết thúc luôn phải được đảm bảo theo từng chế độ tải của động cơ

Chất lượng phun nhiên liệu được xác định bởi đặc tính phun và độ mịn của hạt nhiên liệu Việc phun với áp suất cao và đột ngột giúp cải thiện đặc tính phun và độ tơi của hạt, từ đó tăng diện tích tiếp xúc giữa không khí và hạt trong buồng đốt Kết quả là quá trình cháy diễn ra hiệu quả hơn, làm tăng tốc độ và công suất của động cơ.

Hình 2 3 Đặc tính phun nhiên liệu [4]

2.2.1.3 Ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun trong quá trình mô phỏng phun nhiên liệu trong AVL Fire Ảnh hưởng của kim phun nhiên liệu rất quan trọng đối với hiệu suất và khí thải của động cơ diesel Một trong những vấn đề khó khăn nhất gặp phải trong quá trình phát triển động cơ Diesel Common Rail hoạt động ở tốc độ cao là phải nguyên tử hóa nhiên liệu thích hợp trong buồng đốt trong thời gian cực ngắn Một số thông số quan trọng bao gồm kích thước lỗ tia phun, xâm thực, độ côn của chùm tia, vận tốc nhiên liệu, mật độ không khí mà nhiên liệu được bơm vào ảnh hưởng đến việc tăng cường nguyên tử hóa nhiên liệu Nguyên tử hóa chủ yếu xảy ra do xâm thực và nhiễu loạn trong vùng lân cận của kim phun Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng lỗ có đường kính đầu ra nhỏ hơn làm tăng hệ số phun đến phạm vi nhất định gây ra sự gia tăng quá trình nguyên tử hóa nhiên liệu

Quá trình phun nhiên liệu đóng vai trò quan trọng trong công suất động cơ, nhưng hiện tượng xâm thực có thể xảy ra, dẫn đến giảm hiệu suất phun và xói mòn kim phun Để hạn chế xâm thực, cần hiểu rõ mối liên hệ giữa đường kính lỗ kim phun và dòng chảy nhiên liệu bên trong.

Số lượn g hạt, % Đường kớnh hạt, àm Đường kính lỗ phun 0.4 mm Đường kính lỗ phun 0.57 mm Đường kính lỗ phun 0.8 mm

Hình 2 4 Tổng quan về các quá trình xảy ra trong kim phun nhiên liệu [12]

Nếu áp suất trong dòng nhiên liệu giảm xuống dưới áp suất hóa hơi, bọt khí sẽ hình thành, gây ra hiện tượng xâm thực, thường gặp ở các máy bơm thủy khí như máy bơm, cánh quạt và hệ thống phun nhiên liệu Diesel Xâm thực mạnh có thể dẫn đến xói mòn vật liệu xung quanh dòng nhiên liệu, đặc biệt là khi chùm bong bóng tạo bọt gần bề mặt chi tiết, gây ra phản lực làm hỏng bề mặt Sự rỗ bề mặt do xói mòn có thể thúc đẩy sự hình thành bọt khí nhiều hơn, làm gia tăng mức độ xói mòn Nếu hiện tượng này xảy ra trong các lỗ kim phun nhiên liệu Diesel Common Rail, nó sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình phun nhiên liệu Với áp suất cao lên tới 2000 bar, sự xuất hiện của xâm thực là không thể tránh khỏi Tuy nhiên, nếu được kiểm soát, xâm thực không chỉ gây hại mà còn có thể có lợi, như tăng cường quá trình nguyên tử hóa của nhiên liệu và ngăn ngừa cặn bẩn trong kim phun.

Lý thuyết điều khiển áp suất phun

2.3.1 Phân tích lý thuyết về hệ thống nhiên liệu CR

Hệ thống nhiên liệu CR được mô hình hóa Trong mô hình này, hệ thống nhiên liệu CR đơn giản được coi là hệ thống gộp

Hệ thống điều khiển dự đoán và điều khiển phản hồi được nghiên cứu với đối tượng là CR áp suất cao Trong đó, phần nạp lấy nhiên liệu từ bơm nhiên liệu, còn phần xả bao gồm nhiên liệu từ các kim phun (gồm phun và rò rỉ) cùng với rò rỉ tĩnh của van ra Mô hình đơn giản hóa của hệ thống CR được thể hiện trong Hình 2.13.

Hình 2 13 Mô hình đơn giản hóa của hệ thống nhiên liệu CR

Trong hệ thống CR, áp suất nhiên liệu vượt quá 2000 bar, yêu cầu nhiên liệu phải là chất lỏng có khả năng nén Nếu giả định rằng áp suất trong CR được phân bố đồng đều, ta có thể áp dụng định nghĩa về mô-đun đàn hồi của nhiên liệu.

𝑑𝑉 (2.3.1) Trong đó: B là module đàn hồi, V là thể tích điều khiển CR, p là áp suất ống rail

Từ hình 2.13 và phương trình ta suy ra được :

𝑉(𝑄̇ 𝑝𝑢𝑚𝑝 − 𝑄̇ 𝑖𝑛𝑗_𝑛 − 𝑄̇ 𝑠𝑙 ) (2.3.2) Trong đó: 𝑄̇ 𝑝𝑢𝑚𝑝 là lượng bơm thực tế của bơm nhiên liệu áp suất cao

𝑄̇ 𝑖𝑛𝑗_𝑛 là lượng nhiên liệu ra từ kim phun nhiên liệu (bao gồm phun và rò rỉ) 𝑄̇ 𝑠𝑙 là lượng rò rỉ tĩnh của van xả

Áp suất bơm CR chủ yếu được xác định bởi lượng bơm thực tế, lượng nhiên liệu phun ra và lượng rò rỉ tĩnh của van, trong khi tình trạng biến dạng cơ học của CR áp suất cao không được xem xét.

2.3.1.1 Tính toán động lực học đầu vào của CR Đầu vào động của CR là lượng bơm thực tế của bơm cao áp lấy từ lượng bơm của bơm áp suất thấp trong điều kiện rò rỉ của van đầu vào, van đầu ra, buồng piston không được bỏ qua Sau đó, ta có :

𝑄̇ 𝑝𝑢𝑚𝑝 = η𝑄̇ 𝐻 = 𝑄̇ 𝑤𝑝 − 𝑄̇ 𝑖𝑙 − 𝑄̇ 𝑝𝑙 − 𝑄̇ 𝑜𝑙 (2.3.3) Trong đó : η là hiệu suất bơm nhiên liệu

𝑄̇ 𝐻 là lượng bơm lí thuyết của bơm nhiên liệu cao áp

𝑄̇ 𝑤𝑝 là lượng nhiên liệu đi qua van nạp vào buồng piston

𝑄̇ 𝑖𝑙 là độ rò rỉ của van nạp

𝑄̇ 𝑝𝑙 là độ rò rỉ của buồng piston

𝑄̇ 𝑜𝑙 là lượng rò rỉ của van xả η được tính như sau :

𝑡 =𝜋𝑑 2 𝐻/4 1/3𝑛 (2.3.5) Trong đó : 𝑉 𝑝 là thể tích buồng piston (m 3 ) d là đường kính của buồng piston (m)

H là hành trình của piston (m) n là tốc độ bơm nhiên liệu ( vòng/phút)

Khi áp suất của đường nhiên liệu áp suất thấp vượt quá áp suất trong buồng piston, nhiên liệu từ bơm áp suất thấp sẽ chảy vào buồng piston qua van nạp.

Trong đó : 𝐶 𝑣 là hệ số lưu lượng van nạp

A là diện tích dòng chảy của van nạp (m 2 )

𝑝 𝑙 là áp suất đóng của van nạp (Pa) p 0 là áp suất của đường nhiên liệu áp suất thấp (Pa) ρ là khối lượng riêng của nhiên liệu (kg/m 3 )

Khi van nạp bị đóng, sự rò rỉ của van nạp như sau:

𝑘 1 =𝜋𝑑 𝑖 δ 𝑖 3 12à𝐿 𝑖 Trong đó : p là áp suất đường ống rail (Pa) d i là đường kính của van nạp (m) δ i là khe hở giữa ống và chân van của van nạp (m)

L i là chiều dài cố định giữa ống và chân van của van nạp (m) à là độ nhớt động học của nhiờn liệu ( kg(ms) -1 )

Sự rò rỉ của buồng piston như sau:

𝑘 2 = 𝜋𝑑δ 3 𝑙 12à𝐿 𝑙 Trong đó : 𝛿 𝑙 là khe hở rò rỉ giữa các bộ phận bơm nhiên liệu (m)

𝐿 𝑙 là chiều dài của piston là bề mặt tiếp xúc (m)

Sự rò rỉ của van xả như sau:

12à𝐿 0 Trong đó : d 0 là khoảng cách rò rỉ giữa đường ống và chân van của van nạp

L o là chiều dài giữa ống và chân van của van xả

Kết hợp các phương trình (2.3.5), (2.3.6), (2.3.7), (2.3.8), (2.3.9) vào (2.3.4) suy ra: η 𝐶 𝑣 𝐴√2(𝑝 𝑙 − 𝑝 0 )

Vậy khối lượng nhiên liệu đi vào đường áp cao trong thời gian t như sau:

Theo tính toán, trong điều kiện xác định, hiệu suất bơm nhiên liệu chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ bơm, áp suất đường ống rail và khối lượng nhiên liệu vào ống rail Đầu vào động của áp suất ống rail có thể được đặc trưng bởi tốc độ động cơ và áp suất của ống rail.

2.3.1.2 Tính mô đun đàn hồi nhiên liệu

Theo công thức trên, modun đàn hồi nhiên liệu được đặc trưng bởi áp suất đường ống rail

2.3.1.3 Tính toán động lực học đầu ra của CR Đầu ra động lực của CR là nhiên liệu ra khỏi kim phun nhiên liệu, bao gồm lượng nhiên liệu phun và sự rò rỉ của kim phun Rò rỉ kim phun là do khớp nối của các bộ phận ít chính xác, nhưng đối kim phun được sản xuất đúng cách thì sự rò rỉ là rất nhỏ nếu có và có thể bỏ qua so với tổng lượng nhiên liệu phun

Lượng nhiên liệu phun ra từ kim phun được điều chỉnh linh hoạt dựa trên điều kiện làm việc của động cơ và hệ thống điều khiển, phụ thuộc vào áp suất đường ống rail và thời gian nạp Điều này khiến lượng phun của kim phun trở thành một biến số độc lập, ký hiệu là 𝑄̇ 𝑖𝑛𝑗.

𝑄̇ 𝑖𝑛𝑗_𝑛 ᵙ 𝑄̇ 𝑖𝑛𝑗 (2.3.14) Khi đó, khối lượng nhiên liệu được phun ra trong thời gian t như sau:

Do đó, đầu ra động lực của CR có thể được đặc trưng bởi lượng phun nhiên liệu của kim phun và tốc độ động cơ [27]

2.3.1.4 Tính toán rò rỉ tĩnh của van đầu ra

Khi áp suất trong ống rail ổn định, nếu áp suất quá cao và áp suất trong khoang piston quá thấp, nhiên liệu sẽ chảy vào khoang piston qua van xả, dẫn đến rò rỉ tĩnh điện do chênh lệch áp suất Khe hở giữa các bộ phận là rất nhỏ, và độ nhớt của nhiên liệu ảnh hưởng đến chuyển động của nó Có hai loại chuyển động nhiên liệu trong không gian hẹp: dòng Poiseuille do chênh lệch áp suất và dòng Couette do chuyển động tương đối giữa các khe hở Sự kết hợp của hai dòng này tạo thành dòng Couette – Poiseuille, và các chuyển động rò rỉ từ van xả tạo ra dòng này trong không gian giữa các bề mặt hình trụ của trục và lỗ.

Hình 2 14 Mô hình dòng chảy trong khe hẹp của các bề mặt ăn khớp của trục và lỗ Trong đó: D p là là đường kính của piston điều khiển

D b là đường kính của lỗ

V P là vận tốc thân van của piston điều khiển

V b là vận tốc thành trong piston điều khiển

P in là áp suất phía trước piston điều khiển

P out là áp suất phía sau piston điều khiển

Trong mô hình này, dòng chảy giữa các khe hở được coi là dòng chảy tầng ổn định

Do đó, chuyển động của dòng chảy này có thể được minh họa bằng phương trình dưới đây theo phương trình Navier – Strokes :

𝑑𝑦 2 (2.3.16) Với v là vận tốc và p là áp suất chất lỏng Từ phương trình (2.3.16) suy ra:

𝑣 = 𝑣 𝑏 , 𝑦 = 𝑅 𝑏 Với giá trị v và y, thay vào phương trình (2.3.17) thì các hằng số a và b có thể tìm được:

Đối với áp suất dọc theo bề mặt của van xả, chúng ta giả định rằng sự phân bố áp suất theo chiều dọc là tuyến tính Do đó, áp suất có thể được diễn đạt lại theo cách khác.

𝐿 𝑔𝑎𝑝 (2.3.20) Với L gap là chiều dài bề mặt của piston điều khiển

Tốc độ dòng chảy giữa các khe hở của van xả được xác định như sau:

𝑄̇ 𝑠𝑙 = ∫ 𝑣(𝑦)2𝜋𝑦𝑑 𝑅𝑝 𝑅 𝑏 𝑦 (2.3.21) Kết hợp 4 phương trình (2.3.18) , (2.3.19) , (2.3.20) , (2.3.21) trên, ta được :

Từ phương trình (2.3.22) ta có thể thấy sự rò rỉ dòng chảy chủ yếu là bị ảnh hưởng bởi

Trong điều kiện các thông số kết cấu của van xả được cố định, hai thông số áp suất quan trọng là p in và p out Áp suất p out của van xả tương ứng với áp suất nhiên liệu trong buồng piston ở trạng thái tĩnh, trong khi p in là áp suất tại ống rail Đối với động cơ diesel, p out thường thấp, gần bằng áp suất của đường áp suất thấp Do đó, sự rò rỉ kim phun chủ yếu phụ thuộc vào áp suất p in tại ống rail.

𝑅 𝑏 − 𝑅 𝑝 − 𝑅 𝑝 (𝑅 𝑏 + 𝑅 𝑝 )] + 𝜋𝑣 𝑏 (𝑅 𝑏 2 − 𝑅 𝑝 2 ) Khối lượng của nhiên liệu rò rỉ tĩnh của van xả trong thời gian t như sau:

Theo phương trình (2.3.24), rò rỉ tĩnh của van xả chủ yếu phụ thuộc vào áp suất ống rail và tốc độ động cơ Vì vậy, để đặc trưng hóa sự rò rỉ tĩnh của van xả, cần xem xét cả áp suất ống rail và tốc độ động cơ.

Thế phương trình (2.3.11),( 2.3.13),( 2.3.14) và (2.3.23) vào phương trình (2.3.2) có :

Theo phương trình (2.3.26), sự ổn định của áp suất trong ống rail chủ yếu bị ảnh hưởng bởi áp suất ống rail (p), tốc độ động cơ (n) và lượng phun nhiên liệu của kim phun (𝑄̇ 𝑖𝑛𝑗).

Mục đích kiểm soát áp suất đường ống rail là duy trì áp suất ổn định và giảm thiểu dao động Áp suất nhiên liệu trong CR phụ thuộc vào lượng nhiên liệu cơ bản từ bơm nhiên liệu cao áp Vấn đề trong việc điều khiển là tính toán chính xác lượng nhiên liệu cơ bản mà CR cần, đặc biệt là do sự rò rỉ từ bơm nhiên liệu cao áp và nhiên liệu ra khỏi CR.

Trong đó: 𝑚 𝑝𝑢𝑚𝑝_𝑏𝑎𝑠𝑒 là lượng nhiên liệu cơ bản (kg)

𝑚 𝑝𝑢𝑚𝑝_𝑙 = ρ((C 9 – C 2 p)/3n) là rò rỉ của bơm nhiên liệu áp suất cao

2.3.2.1 Điều khiển nguồn cấp dữ liệu

Theo phân tích lý thuyết về hệ thống nhiên liệu CR, lượng nhiên liệu cơ bản bao gồm hai phần: sự rò rỉ từ CR và bơm cao áp, cùng với khối lượng nhiên liệu ra khỏi các kim phun Sự rò rỉ này được xác định bởi áp suất ống rail và tốc độ động cơ, trong khi khối lượng nhiên liệu ra khỏi kim phun là một biến số riêng biệt Hệ thống điều khiển sử dụng các giá trị đầu vào từ áp suất ống rail, tốc độ động cơ và phun nhiên liệu Sự rò rỉ được tra cứu dựa trên tín hiệu về tốc độ động cơ và áp suất đường ống rail, và cuối cùng, lượng nhiên liệu rò rỉ được cộng với lượng phun nhiên liệu để tính toán lượng nhiên liệu cơ bản Nguồn cấp dữ liệu được xác định bởi đặc tính của bơm và có thể được lấy qua thử nghiệm vòng lặp mở trong trạng thái ổn định trên băng thử bơm nhiên liệu Mô hình phần mềm sử dụng thuật toán để tối ưu hóa dao động áp suất, hoàn thành bản đồ kiểm soát trong quá trình kiểm tra bơm nhiên liệu, từ đó hình thành nguồn cấp dữ liệu.

Hình 2 15 Dữ liệu đầu vào

2.3.2.2 Điều khiển thông tin phản hồi

Quá trình hình thành khí xả

Khí quyển trái đất, hay còn gọi là không khí, là một hỗn hợp đa dạng các khí, trong đó khí Ni tơ chiếm 78% và Oxy chiếm khoảng 21% Phần còn lại, khoảng 1%, bao gồm các khí như Cacbonic (CO2) và hơi nước.

Nhiều chất độc hại như CO, HC, NOx và SO2 có mặt trong khí thải, gây ô nhiễm không khí và ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người Những chất này được phát thải từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm nhà máy nhiệt điện, hệ thống sưởi ấm, lò thiêu và đặc biệt là từ khí thải động cơ xe.

Car emissions contain several harmful chemicals, including nitrogen oxides (NOx), carbon monoxide, sulfur dioxide, benzene, formaldehyde, and soot, all of which can negatively impact human health.

Hầu hết ôtô hiện đại sử dụng xăng hoặc dầu để cung cấp năng lượng cho động cơ, dẫn đến các phản ứng cơ học và hóa học cần thiết cho hoạt động của xe Quá trình này chủ yếu diễn ra dưới nắp ca-pô, đặc biệt là việc đốt cháy nhiên liệu, tạo ra khí thải và các hạt, thường được gọi là khí xả.

Khí xả là sản phẩm phụ từ quá trình đốt cháy các loại nhiên liệu như dầu, xăng, khí tự nhiên và dầu mazut Khi xe ô tô hoạt động, khí xả thoát ra từ ống xả và hòa vào môi trường, gây ảnh hưởng đến chất lượng không khí.

Dưới đây là một số chất độc hại có trong khí thải xe hơi và sự tác động tới con người cũng như môi trường:

Carbon monoxide là khí độc không màu, không mùi và không vị, có thể gây nguy hiểm nghiêm trọng cho sức khỏe con người Khi hít phải quá nhiều khí này, khả năng hấp thụ oxy của cơ thể bị giảm, dẫn đến tổn thương mô và có nguy cơ tử vong Đây là nguyên nhân hàng đầu gây ra các vụ ngộ độc khí, với các triệu chứng như cảm giác bần thần, nhức đầu, buồn nôn, khó thở, và cuối cùng có thể dẫn đến hôn mê.

Benzen là một hợp chất hữu cơ bay hơi, tự nhiên có trong dầu thô và xuất hiện trong xăng dầu cũng như khí thải từ phương tiện giao thông Chất này rất nguy hiểm vì nó có khả năng phá hủy máu, gây cản trở sản xuất tế bào hồng cầu trong tủy xương và làm tổn thương hệ miễn dịch do không tạo ra đủ tế bào bạch cầu.

Năm 2013, Cơ quan Y tế Canada đã cảnh báo về nguy cơ benzen từ khí thải xe hơi, đặc biệt khi đậu xe gần hoặc trong nhà, vì điều này có thể làm tăng nguy cơ mắc ung thư máu và các loại ung thư khác.

Hầu hết tài xế đều biết không nên để xe nổ máy trong garage, nhưng ít người nhận ra rằng ngay cả khi tắt máy, động cơ vẫn phát thải hơi benzen vào không khí, lắng đọng trong không gian gara Thêm vào đó, sơn và các dung môi thường được lưu trữ trong garage cũng giải phóng benzen khi bốc hơi, gây nguy hiểm cho sức khỏe.

Khí không màu với mùi khó chịu có thể xâm nhập qua đường hô hấp như mũi và họng, gây ra ho và khó thở Nếu tiếp xúc trong thời gian dài, loại khí này có thể dẫn đến bệnh hen suyễn và các vấn đề sức khỏe tương tự.

Muội than, còn gọi là bồ hóng, là nguyên nhân làm cho khí xả từ ôtô có màu đen Tác hại của muội than rất nghiêm trọng, bao gồm các bệnh như cúm, hen suyễn và thậm chí là ung thư.

Muội than cũng tác động xấu tới môi trường khi thực tế, muội than chiếm hơn 25% ô nhiễm độc hại trong không khí

Khí xả từ cả ôtô cỡ nhỏ và nhà máy lớn đều chứa chất độc hại, gây tổn hại nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường Do đó, các quốc gia trên thế giới đang nỗ lực giảm thiểu khí thải đến mức tối đa.

Kể từ năm 1992, Liên minh châu Âu đã áp dụng các quy định nhằm cải thiện chất lượng không khí cho ô tô mới Tiêu chuẩn khí thải Euro 6 hiện nay, cùng với dự kiến áp dụng tiêu chuẩn Euro 7 vào năm 2025, sẽ là những tiêu chuẩn khắt khe nhất, có khả năng giảm thiểu đáng kể các chất ô nhiễm ảnh hưởng đến chất lượng không khí.

Theo Liên minh Châu Âu, khí thải từ vận tải đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến chất lượng không khí tại châu Âu, bên cạnh các nguồn ô nhiễm khác như sản xuất công nghiệp và nhà máy điện.

Mục tiêu của tiêu chuẩn khí thải Euro là giảm mức khí thải độc hại, chủ yếu là:

Hình 2 19 Mức phát thải hợp pháp của NOx và PM cho xe có trọng lượng dưới

Theo QCVN 109:2021/BGTVT, động cơ đốt trong với trọng lượng 2610kg hoạt động bằng cách đốt cháy nhiên liệu để tạo ra động năng Quá trình đốt cháy này là phản ứng giữa nhiên liệu và ô xy trong không khí, và lượng nhiên liệu được sử dụng bị giới hạn bởi lượng ô xy có sẵn trong xy lanh.

Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên dụng để nghiên cứu tốt ưu công suất cho động cơ Diesel.

MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH PHUN NHIÊN LIỆU TRÊN ĐỘNG CƠ

ĐÁNH GIÁ CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG