Dẫn nhập
Trong bối cảnh hội nhập và phát triển, nền công nghiệp ô tô Việt Nam đang đối diện với nhiều cơ hội tiềm năng Sự gia tăng nhanh chóng về số lượng ô tô hiện đại cho thấy nhu cầu ngày càng cao Các mẫu xe được cải tiến với công suất lớn hơn, tốc độ nhanh hơn, tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm khí thải Đồng thời, sự phát triển công nghệ thông tin đã thúc đẩy quá trình tự động hóa trong ngành sản xuất ô tô, nâng cao chất lượng và hiệu quả sản phẩm.
Mặc dù ra đời sớm, động cơ diesel đã không phát triển mạnh mẽ như động cơ xăng do tiếng ồn lớn và nồng độ khí thải cao Tuy nhiên, nhờ vào sự tiến bộ trong công nghệ, những vấn đề này đã được khắc phục, khiến động cơ diesel ngày càng trở nên phổ biến và hữu ích hơn.
Hình 1 Động cơ Jeep CRD Hình 2 Động cơ Mercedes SLK 320
Công nghệ hiện đại đã giúp khắc phục nhiều nhược điểm của động cơ diesel, với sự xuất hiện của các công nghệ như tăng áp và hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp Những cải tiến này đã biến động cơ diesel trở nên mạnh mẽ, không thua kém gì các động cơ xăng hàng đầu, đồng thời vẫn giữ được ưu điểm tiết kiệm nhiên liệu Nhờ vào sự phát triển công nghệ, các bơm cao áp điều khiển cơ khí truyền thống đang dần được thay thế bằng các bơm cao áp điều khiển điện tử ECU, như HTPNL VE – EDC, và bước tiến mới nhất là HTPNL Common Rail.
Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu và phát triển phương pháp chuyển đổi hệ thống HTPNL VE kiểu cơ khí thành VE-EDC điều khiển điện tử nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ, với mục tiêu tăng công suất Ne và mô men xoắn Me đồng thời giảm suất tiêu hao nhiên liệu ge Quy trình bao gồm lựa chọn thiết bị, thiết kế cải tạo, lắp đặt, cân chỉnh và thử nghiệm, đảm bảo giảm thiểu lượng phát thải ô nhiễm như HC, CO, NOx và PM ra môi trường.
Các kết quả nghiên cứu đã công bố
Trong nước
a Hệ thống điều khiển điện tử động cơ diesel (EDC)
Tác giả: Nguyễn Tấn Quốc
Nguồn: Luận văn thạc sĩ tại trường ĐH SPKT Tp.HCM
Tóm tắt: nghiên cứu, trình bày nguyên lý cấu tạo, nguyên lý hoạt động của HTPNL động cơ diesel (EDC)
Kết quả nghiên cứu bao gồm việc xây dựng giáo trình hướng dẫn cho môn học về Hệ thống điều khiển động cơ diesel Đồng thời, chúng tôi cũng đã thiết kế và chế tạo thành công bộ điều tốc điện tử cho động cơ diesel, sử dụng bơm cao áp VE.
Tác giả: Phan Nguyễn Quí Tâm
Nguồn : luận văn thạc sĩ tại trường ĐH SPKT Tp.HCM
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của hệ thống VE - EDC nhằm thiết kế và chế tạo mô hình bộ điều tốc điện tử cho động cơ diesel sử dụng bơm cao áp VE.
Kết quả nghiên cứu cho thấy đã thành công trong việc chuyển đổi và chế tạo mô hình động cơ diesel với bộ điều tốc điện tử trên bơm cao áp VE Đồng thời, hệ thống Common Rail cũng đã được thiết kế và chế tạo cho động cơ 1 xi lanh.
Tác giả: Nguyễn Phụ Thượng Lưu
Nguồn : luận văn thạc sĩ tại trường ĐH SPKT Tp.HCM
Tóm tắt : nghiên cứu cơ lý thuyết của hệ thống Common Rail, thiết kế chế tạo mô hình cho động cơ diesel 1 xy lanh
Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình động cơ diesel Kubota 1 xy lanh đã được chuyển đổi và chế tạo thành công, sử dụng hệ thống phun nhiên liệu Common Rail Đồng thời, nghiên cứu cũng đã phát triển hệ thống cung cấp nhiên liệu kép cho động cơ diesel Ford Ranger.
Tác giả: Đỗ Khắc Phú
Nguồn : luận văn thạc sĩ tại trường ĐH SPKT Tp.HCM
Nghiên cứu này tập trung vào cơ sở lý thuyết về động cơ diesel sử dụng hệ thống Common Rail trên xe Ford Ranger, đồng thời thiết kế và chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu kép cho động cơ này.
Kết quả: chuyển đổi và chế tạo thành công mô hình động cơ diesel sử dụng HTPNL kép diesel-CNG trên xe Ford Ranger
Các nghiên cứu trong nước về HTPNL VE-EDC đã chỉ ra nhiều đề tài liên quan, nhưng chủ yếu dừng lại ở việc chứng minh nguyên lý mà chưa tối ưu hóa các thông số vận hành và đáp ứng đầy đủ các chế độ làm việc của động cơ Tác giả tập trung vào nguyên lý, cấu tạo và hoạt động của HTPNL động cơ diesel, cũng như việc chế tạo bộ điều tốc điện tử cho động cơ diesel sử dụng bơm cao áp VE và cải tiến trong việc sử dụng nhiên liệu kép Tuy nhiên, các nghiên cứu này vẫn chưa phát triển thành sản phẩm hoàn chỉnh.
Quốc tế
a Modeling of diesel Combustion, Soot and NO Emissions Based on a Modified Eddy
Tác giả: Sangjin Hong, Margaret S Wooldridge, Hong G Im, Dennis N Assanis, University of Michigan
Nguồn: Submitted to Combustion Science and Technology, December 6,
Nghiên cứu này tập trung vào quá trình cháy trong động cơ diesel sử dụng bơm cao áp điều khiển điện tử Common Rail Mục tiêu là phân tích các tham số ảnh hưởng của thời gian phun nhiên liệu và quá trình tuần hoàn khí thải (EGR) đối với hiệu suất hoạt động của động cơ.
The study focuses on creating a comprehensive analysis chart of exhaust gas components in diesel engines utilizing a Common Rail fuel injection system It evaluates the impact of the Exhaust Gas Recirculation (EGR) system Additionally, the research delves into a multi-stage closed-loop rail pressure control strategy that is based on injector pressure relief for diesel engines.
Tác giả: WEI Xiong, MAO Xiaojian, ZHU Keqing, Feng Jing, JIANG Zuhua, WANG Junxi
Nguồn:International Journal of Digital Content Technology and its Applications (JDCTA) Volume7, Number14, October 2013
Bài báo này tập trung vào việc kiểm soát quá trình phun nhiên liệu trong động cơ diesel thông qua hệ thống điều khiển điện tử Common Rail Hệ thống này giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ và giảm thiểu khí thải, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu Việc áp dụng công nghệ này không chỉ cải thiện khả năng vận hành mà còn đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của động cơ diesel.
Nghiên cứu và thiết kế bộ kiểm soát quá trình phun nhiên liệu đã được thực hiện thông qua thuật toán IMU (Inlet Mass Unit), nhằm điều khiển vòng lặp dựa trên áp suất phun thực tế trên đường ống rail Bộ kiểm soát hoạt động ổn định và đáp ứng yêu cầu độ chính xác cao trong việc kiểm soát quá trình phun nhiên liệu cho động cơ diesel Bên cạnh đó, việc tính toán tần số dao động áp suất trong bơm điện tử cũng đã được tiến hành để tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Tác giả: Tian Bingqi, Fan Liyun, Qaisar Hayat, Ma Xiuzhen, Song Enzhe, Hao Wang
Nguồn: Journal of Mechanical Science and Technology, April 2014, Volume
Bài báo phân tích tác động của sự thay đổi áp suất phun nhiên liệu đến hiệu suất của động cơ diesel, đặc biệt là động cơ sử dụng bơm cao áp điều khiển điện tử (EUP) Nghiên cứu này chỉ ra rằng áp suất phun nhiên liệu có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất làm việc của động cơ, từ đó cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách tối ưu hóa hoạt động của hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ diesel.
Kết quả nghiên cứu cho thấy việc xây dựng sơ đồ thuật toán giúp kiểm soát quá trình phun nhiên liệu trên động cơ diesel sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu EUP Thông qua các thử nghiệm, chúng tôi đã đánh giá tác động của việc thay đổi các thông số đầu vào đến hiệu suất phun, từ đó rút ra những kết luận quan trọng cho việc tối ưu hóa quy trình vận hành.
Các nghiên cứu quốc tế chủ yếu tập trung vào việc đánh giá ưu điểm của hệ thống Common Rail và yêu cầu giảm thiểu ô nhiễm Điều này đã dẫn đến sự phát triển của động cơ sử dụng HTPNL Common Rail, thay vì cải tạo thành VE-EDC.
Qua phân tích các nghiên cứu và đề tài khoa học trong và ngoài nước, hiện tại chưa có công trình nào đề cập đến vấn đề chuyển đổi hệ thống cung cấp nhiên liệu.
Hệ thống VE-EDC, chuyển đổi từ kiểu cơ khí sang điều khiển điện tử, mang lại hiệu quả đáng kể trong việc cải tiến động cơ diesel Nghiên cứu này có tính mới mẻ và ứng dụng cao nhờ vào việc sử dụng các thiết bị hiện có, đảm bảo độ bền và độ tin cậy Hệ thống này không chỉ rút ngắn thời gian và chi phí nghiên cứu mà còn giảm thiểu công lao động cần thiết.
Mục đích và nội dung công việc thực hiện
Để thực hiện được những đề xuất trên, luận văn tập trung vào các nội dung công việc như sau:
Nghiên cứu đặc trưng quá trình cháy, hiệu suất và phát thải ô nhiễm của động cơ diesel là rất quan trọng để xác định các yêu cầu cho một hệ thống cung cấp nhiên liệu lý tưởng Mục tiêu của nghiên cứu này là làm rõ các nội dung liên quan, từ đó cung cấp cơ sở cho việc lựa chọn thiết bị phù hợp để chuyển đổi.
Hệ thống điều khiển bằng máy tính nổi bật với khả năng đáp ứng linh hoạt các yêu cầu trong điều kiện làm việc và vận hành động cơ, đảm bảo hiệu suất tối ưu và tính chính xác cao trong quá trình điều khiển.
+ Làm rõ các đặc trưng trong quá trình điều khiển cung cấp nhiên liệu (lượng phun nhiên liệu 𝑚 𝑝ℎ , áp suất phun 𝑝 𝑝ℎ , thời điểm phun 𝑡 𝑝ℎ ) cho động cơ diesel
- Phân tích sự khác biệt giữa HTPNL VE kiểu cơ khí và VE-EDC để xác định những công việc cần làm khi chuyển đổi;
Khi chuyển đổi từ hệ thống VE kiểu cơ khí sang VE-EDC kiểu điều khiển điện tử cho động cơ diesel phun dầu trực tiếp, việc xây dựng phương pháp lựa chọn thiết bị là rất quan trọng Phương pháp này cần xác định các tiêu chí kỹ thuật và hiệu suất của thiết bị điện tử, đảm bảo tính tương thích với động cơ và tối ưu hóa quá trình phun dầu Đồng thời, việc lựa chọn thiết bị cũng phải xem xét đến khả năng điều chỉnh và giám sát, nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động và giảm thiểu khí thải.
- Nghiên cứu chuyển đổi và chế tạo mô hình mẫu với động cơ Huyndai H100
Qui trình chuyển đổi từ động cơ diesel thế hệ cũ sang sử dụng BCA VE-cơ khí thành VE-EDC bao gồm các bước thiết kế, gia công, lắp đặt và cân chỉnh Việc áp dụng quy trình này giúp nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho các hệ thống động cơ.
Thực hiện các thí nghiệm và đo kiểm các thông số như Ne, Me, ge, và lượng phát thải khí xả ở chế độ toàn tải nhằm so sánh và đánh giá hiệu quả của quá trình chuyển đổi.
Đánh giá tính kinh tế và mức độ phức tạp của công nghệ chuyển đổi là yếu tố quan trọng, giúp định hướng phát triển đề tài Việc này sẽ tạo cơ sở cho việc đề xuất chuyển đổi rộng rãi và đa dạng các loại xe, nhằm nâng cao hiệu quả và khả năng áp dụng công nghệ mới trong ngành giao thông.
Xác định các vấn đề cần điều chỉnh là bước quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả chuyển đổi Đây là một phần thiết yếu trong việc định hướng phát triển của đề tài, giúp nâng cao hiệu suất và đạt được mục tiêu mong muốn.
Giá trị đề tài
Việc cải tiến hệ thống nhiên liệu động cơ diesel VE – EDC trên động cơ HyunDai 1T25 sẽ nghiên cứu thực tiễn về tiết kiệm nhiên liệu, cải thiện công suất và giảm khí thải Mô hình trực quan sinh động giúp sinh viên nắm vững lý thuyết và nâng cao khả năng thực hành với hệ thống nhiên liệu diesel VE – EDC Ứng dụng này còn có giá trị thực tiễn cho các động cơ diesel đời cũ, cần chuyển đổi để nâng cao hiệu suất sử dụng.
8 Giới hạn của đề tài
Do điều kiện và thời gian hạn chế, luận văn tốt nghiệp chỉ tập trung vào việc nghiên cứu và chế tạo mô hình động cơ Hyundai 1T25 H100, sử dụng hệ thống phun nhiên liệu động cơ diesel VE – EDC.
Quá trình thử nghiệm diễn ra nhanh chóng, chưa đủ thời gian để đánh giá độ bền của động cơ sau khi chuyển đổi và chưa xem xét toàn diện các chế độ vận hành của động cơ sau khi chuyển đổi.
Trong quá trình thử nghiệm, do hạn chế về thiết bị đo, một số thông số và kết quả như góc phun dầu sớm 𝜃 𝑝ℎ và nồng độ NOx chưa được thể hiện đầy đủ.
PM (Particulate Matter), thời điểm phun nhiên liệu 𝑡 𝑝ℎ ;
9.1 Phương pháp nghiên cứu lý luận
Mục đích: tìm hiểu cơ sở lý thuyết về HTPNL động cơ diesel VE - EDC
Cách tiến hành: tham khảo, phân tích tài liệu chuyên ngành, các công trình nghiên cứu đã được công nhận
9.2 Phương pháp chuyên gia, phỏng vấn
Mục đích của nghiên cứu này là bổ sung kết quả về động cơ diesel VE - EDC Để thực hiện, chúng tôi đã tiếp xúc trực tiếp với các chuyên gia có kiến thức sâu rộng trong lĩnh vực liên quan, nhằm trao đổi, tìm hiểu và xử lý tài liệu một cách hiệu quả.
9.3 Phương pháp nghiên cứu thực tiễn
Mục đích: sử dụng hệ thống băng thử công suất và phần mềm MatLab để tiến hành kiểm thử và so sánh đánh giá
Cách tiến hành: tiến hành thử nghiệm động cơ trên băng thử công suất
Bảng 3 Kế hoạch thực hiện luận văn thạc sĩ
1 Đăng ký tên chuyên đề 2 X
2 Xác định đề tài nghiên cứu, xác định hướng nghiên cứu X
3 Tìm hiểu, thu thập tài liệu về vấn đề nghiên cứu X X
4 Chuẩn bị vật tư, linh kiện cho mô hình X X
5 Viết cơ sở lý luận, chương trình điều khiển X X
6 Bảo vệ đề cương nghiên cứu X
7 Hoàn chỉnh phần cơ sở lý luận, chương trình điều khiển X X
8 Thi công cơ khí cho mô hình X X X
Thực nghiệm thu thập kết quả X
Xử lý và đánh giá kết quả thực nghiệm Viết phần kết luận, kiến nghị
Hoàn chỉnh thủ tục, bảo vệ luận văn Kết thúc nghiên cứu X
1.1 Bơm cao áp VE – EDC điều khiển bằng điện tử
Hệ thống điều khiển điện tử động cơ diesel VE-EDC cho phép điều chỉnh chính xác các thông số phun nhiên liệu theo từng chế độ vận hành Nhiên liệu cao áp được bơm và đưa đến các kim phun qua ống cao áp, trong khi ECU quyết định thời điểm và lưu lượng phun thông qua việc điều khiển hai van điện từ TCV và SPV Đây là một cải tiến quan trọng trong công nghệ động cơ diesel hiện đại.
Hình 1.1 Cấu tạo bơm cao áp VE – EDC 1.1.2 Yêu cầu đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu
Trong những năm gần đây, động cơ diesel phun điện tử với áp suất cao ngày càng trở nên phổ biến, giúp giảm suất tiêu hao nhiên liệu từ 10% đến 20% so với động cơ phun gián tiếp Sự phát triển của động cơ diesel cũng được thúc đẩy bởi nhu cầu tăng cường tính tiện nghi và khả năng điều khiển của các dòng xe hiện đại Do đó, HTPNL động cơ diesel cần đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao.
- Cần đạt được áp suất phun cao;
- Lượng nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình phải phù hợp với chế độ làm việc của động cơ;
- Có khả năng điều khiển đặc tính tốc độ phun;
- Phun nhiên liệu vào đúng thời điểm, đúng quy luật mong muốn;
Lưu lượng nhiên liệu phun vào các xi lanh cần phải đồng đều để đảm bảo hiệu suất động cơ tối ưu Việc duy trì chênh lệch áp suất cao giữa phía trước và sau lỗ phun là rất quan trọng, giúp nhiên liệu được phun qua các lỗ tia nhỏ một cách hiệu quả, từ đó đảm bảo nhiên liệu được xé tơi tốt hơn.
- Điều khiển tốc độ không tải độc lập với chế độ tải của động cơ;
- Kiểm soát tuần hoàn khí thải (động cơ diesel xe du lịch);
- Có khả năng thay đổi lượng nhiên liệu phun, áp suất khí tăng áp, và thời điểm bắt đầu phun phù hợp với các chế độ vận hành;
- Sai số về thời gian phun và lượng nhiên liệu phun nhỏ, duy trì được độ chính xác cao trong suốt thời gian làm việc của hệ thống;
- Hoạt động lâu bền, có độ tin cậy cao;
- Dễ dàng và thuận tiện trong sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa;
- Dễ chế tạo, giá thành hạ
Nhiên liệu phun vào xi lanh động cơ cần phải kết hợp hợp lý giữa số lượng, phương hướng, hình dạng và kích thước của các tia phun với cấu trúc buồng cháy Điều này giúp đảm bảo rằng hòa khí được hình thành nhanh chóng và đồng đều, đồng thời tương thích với cường độ và phương hướng chuyển động của môi chất trong buồng cháy.
Việc kiểm soát tốc độ động cơ bằng phương pháp cơ khí truyền thống gặp nhiều hạn chế do vòng lặp điều khiển đơn giản và không đưa vào nhiều tham số quan trọng Hệ thống VE-EDC là một giải pháp điều khiển điện tử tiên tiến, có khả năng xử lý khối lượng lớn dữ liệu theo thời gian thực, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển điện tử tổng thể của phương tiện.
1.1.3 Nhiệm vụ bơm cao áp [2]
Bơm cao áp phân phối VE điều khiển điện tử đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nhiên liệu cho kim phun với áp suất cao, đảm bảo nhiên liệu được phun vào buồng cháy dưới dạng sương mù.
- Cung cấp nhiên liệu đúng thời điểm quy định cho các xy lanh của động cơ
- Lượng nhiên liệu cung cấp cho các xy lanh phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ
- Đảm bảo thời điểm bắt đầu phun và kết thúc phun phải chính xác, tránh hiện tượng phun nhỏ giọt
1.1.4 Đặc điểm cấu tạo của bơm cao áp VE – EDC
Bơm này là loại bơm cánh gạt với bốn cánh và một roto Khi trục dẫn động quay, roto sẽ quay theo, khiến các cánh gạt dưới tác động của lực ly tâm ép sát vào vách buồng áp suất, từ đó đẩy nhiên liệu tới thân bơm.
Khi bơm quay hoạt động, nó sẽ hút nhiên liệu từ thùng chứa qua bộ lọc nhiên liệu vào thân bơm Quá trình này diễn ra với áp suất được kiểm soát bởi van điều khiển, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống.
Hình 1.2 Cấu tạo bơm tiếp vận
1.1.4.2 Đĩa cam và con lăn
Đĩa cam kết nối với pít tông bơm và được điều khiển bởi trục bơm Khi roto quay, các vấu cam trên đĩa cam tác động lên con lăn, khiến pít tông bơm di chuyển theo cả hai chiều quay và tịnh tiến, tạo ra áp suất cao cho nhiên liệu Số lượng vấu cam tương ứng với số xy lanh của động cơ.
Hình 1.3 Đĩa cam và con lăn
Hình 1.4 Cấu tạo pít tông bơm
Pít tông bơm được thiết kế với bốn rãnh hút và một cửa phân phối, gắn chặt với đĩa cam Lò xo pít tông bơm giữ pít tông và đĩa cam tiếp xúc với mặt con lăn Số rãnh hút tương ứng với số xy lanh của động cơ; ví dụ, động cơ bốn xy lanh sẽ có bốn rãnh hút Khi đĩa cam quay một vòng, pít tông cũng quay và thực hiện bốn lần tịnh tiến, tương ứng với bốn lần phun của kim phun.
