Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của phun chính nhiều giai đoạn đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ diesel kiểu commonrail khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:178

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu ảnh hưởng của phun chính nhiều giai đoạn đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ diesel kiểu commonrail khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học" trình bày các nội dung chính sau: Phân tích, đánh giá các kỹ thuật phun nhiên liệu trên động cơ diesel Xây dựng mô hình mô phỏng vòi phun kiểu CommonRail CRI2.2; Khảo sát ảnh hƣởng của phun chính hai giai đoạn đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A khi sử dụng nhiên liệu sinh học.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của phun chính nhiều giai đoạn đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ diesel kiểu commonrail khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN XUÂN ĐẠT NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA PHUN CHÍNH NHIỀU GIAI ĐOẠN ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ, KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL KIỂU COMMONRAIL KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIESEL SINH HỌC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - NĂM 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN XUÂN ĐẠT NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA PHUN CHÍNH NHIỀU GIAI ĐOẠN ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ, KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL KIỂU COMMONRAIL KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIESEL SINH HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9 52 01 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ 2. TS Phạm Xuân Phƣơng HÀ NỘI - NĂM 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện. Luận án có sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của Đề tài NCKH & PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau”, mã số ĐT.08.14/NLSH do Đại tá, PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ là Chủ nhiệm đề tài và cơ quan chủ trì là Học viện Kỹ thuật Quân sự, thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025, do Bộ Công Thương quản lý. Tôi đã được Chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của Đề tài mã số ĐT.08.14/NLSH vào việc viết và bảo vệ luận án. Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Nghiên cứu sinh Nguyễn Xuân Đạt
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Học viện Kỹ thuật Quân sự, Khoa Động lực, Bộ môn Động cơ đã cho phép, đồng thời hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ và TS Phạm Xuân Phương đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án; xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Đề tài ĐT.08.14/NLSH đã đồng ý cho tôi sử dụng một số kết quả nghiên cứu của Đề tài để thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS Lucio Postrioti, TS Andrea Cavicchi cùng các thành viên trong nhóm nghiên cứu đã giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành quá trình nghiên cứu thực nghiệm tại PTN SprayLab, Khoa Kỹ thuật, Đại học Perugia, Italia. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Sĩ quan Lục quân 1, Ban chủ nhiệm Khoa Binh chủng và các thầy trong Bộ môn Xe máy đã ủng hộ, động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các chuyên gia, các nhà khoa học thuộc lĩnh vực Cơ khí - Động lực ở trong và ngoài Học viện KTQS đã ủng hộ, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh Nguyễn Xuân Đạt
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................................ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .....................................................................................viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ....................................................................... x MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 i. Mục đích nghiên cứu của luận án ........................................................................2 ii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ...................................................3 iii. Phương pháp nghiên cứu của luận án ................................................................3 iv. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...........................................................................3 v. Bố cục của luận án ..............................................................................................4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.............................................. 6 1.1. Kỹ thuật phun nhiên liệu trên động cơ diesel ĐKĐT ......................................6 1.1.1. Phun một giai đoạn ...................................................................................7 1.1.2. Phun nhiều giai đoạn ................................................................................8 1.1.3. Phun chính nhiều giai đoạn ....................................................................12 1.2. Mối quan hệ giữa thông số điều khiển và QLCCNL của vòi phun điện từ ...15 1.3. Sử dụng nhiên liệu diesel sinh học cho động cơ diesel .................................18 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ....................................................22 1.4.1. Trên thế giới ...........................................................................................22 1.4.2. Ở trong nước ...........................................................................................30 1.5. Lựa chọn đối tượng nghiên cứu và loại nhiên liệu sử dụng ..........................32 1.6. Trình tự và hướng nghiên cứu của Luận án ...................................................33 1.7. Kết luận Chương 1 .........................................................................................35 CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ............................................................. 37 2.1. Mục đích và đối tượng thực nghiệm ..............................................................37 2.1.1. Mục đích .................................................................................................37
iv 2.1.2. Đối tượng thực nghiệm ...........................................................................37 2.2. Thực nghiệm xác định các thông số vận hành của động cơ ..........................38 2.2.1. Nhóm các thông số về QLCCNL ...........................................................39 2.2.2. Nhóm các thông số về hệ thống nạp thải................................................40 2.3. Thực nghiệm đo QLCCNL bằng phương pháp Zeuch ..................................41 2.3.1. Chế độ thực nghiệm................................................................................41 2.3.2. Trang thiết bị thực nghiệm .....................................................................42 2.3.3. Trình tự tiến hành thực nghiệm ..............................................................46 2.3.4. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của phun một giai đoạn đến QLCCNL ....51 2.3.5. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của PC2GĐ đến QLCCNL .......................61 2.4. Kết luận Chương 2 .........................................................................................72 CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÒI PHUN KIỂU COMMONRAIL CRI2.2................................................................................................... 74 3.1. Các vấn đề chung ...........................................................................................74 3.2. Đánh giá và lựa chọn phần mềm ...................................................................74 3.3. Xây dựng mô hình mô phỏng vòi phun CRI2.2 trong phần mềm GT-Suite .75 3.3.1. Cơ sở lý thuyết........................................................................................75 3.3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng vòi phun CRI2.2 trong phần mềm GT- Suite ..................................................................................................................80 3.3.3. Đánh giá và hiệu chỉnh mô hình vòi phun CRI2.2 .................................85 3.4. Kết quả mô phỏng vòi phun CRI2.2 ..............................................................89 3.5. Kết luận Chương 3 .........................................................................................93 CHƢƠNG 4: KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA PHUN CHÍNH HAI GIAI ĐOẠN ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ, KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ HUYNDAI 2.5 TCI- A KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIESEL SINH HỌC ................................................. 95 4.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................95 4.2. Xây dựng mô hình mô phỏng CTCT động cơ diesel Hyundai 2.5 TCI-A ....95 4.2.1. Cơ sở lý thuyết........................................................................................95 4.2.2. Xây dựng mô hình mô phỏng CTCT ....................................................102
v 4.2.3. Kết quả hiệu chỉnh mô hình theo đặc tính ngoài ..................................106 4.3. Ảnh hưởng của PC2GĐ đến diễn biến các thông số nhiệt động và phát thải của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A.........................................................................109 4.3.1. Ảnh hưởng của PC2GĐ đến các thông số nhiệt động trong xi lanh ....109 4.3.2. Ảnh hưởng của PC2GĐ đến diễn biến các chất phát thải ....................112 4.3.3. Ảnh hưởng của diesel sinh học đến diễn biến các thông số nhiệt động trong xi lanh khi PC2GĐ ................................................................................114 4.4. Ảnh hưởng của PC2GĐ đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ Huyndai 2.5 TCI-A .............................................................................................116 4.4.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ phun và RDT khi PC2GĐ đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ .......................................................................................117 4.4.2. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun lần 1 khi PC2GĐ đến các thông số công tác của động cơ ..................................................................................120 4.4.3. Ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học đến các thông số công tác của động cơ khi PC2GĐ .......................................................................................123 4.5. Kết luận Chương 4 .......................................................................................129 KẾT LUẬN CHUNG, HƢỚNG PHÁT TRIỂN............................................................ 131 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ .......................... 133 LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ........................................................................................ 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 134 DANH MỤC PHỤ LỤC .................................................................................................. 143
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Giải thích Đơn vị CR CommonRail - CTCT Chu trình công tác - DT Thời gian dừng giữa hai lần cấp điện (Dwell Time) ms ĐCĐT Động cơ đốt trong - o ĐCT Điểm chết trên GQTK ĐKĐT Điều khiển điện tử - ET Thời gian cấp điện (Energizing Time) ms EGR Hệ thống tuần hoàn khí xả (Exhaust gas - Recirculation) GQTK Góc quay trục khuỷu độ HTP Hệ thống phun - HTPNL Hệ thống phun nhiên liệu - IT Thời gian phun (Injection Time) ms IR Tốc độ phun (Injection Rate) mm3/ms KTPNGĐ Kỹ thuật phun nhiều giai đoạn - NOD Độ trễ mở của vòi phun (Nozzle Opening Delay) ms NCD Độ trễ đóng của vòi phun (Nozzle Closing Delay) ms MHMP Mô hình mô phỏng - PCNGĐ Phun chính nhiều giai đoạn - PC1GĐ Phun chính một giai đoạn - PC2GĐ Phun chính hai giai đoạn - PTN Phòng thí nghiệm - RDT Thời gian dừng giữa hai lần phun (Realized Dwell ms Time) o SOI Thời điểm bắt đầu phun (Start Of Injection) GQTK
vii o SOE Thời điểm bắt đầu cấp điện (Start Of Energizing) GQTK QLCCNL Quy luật cung cấp nhiên liệu - QLP Quy luật phun - Qinj Lưu lượng phun theo thể tích mm3/ms V Thể tích nhiên liệu phun trong một CTCT mm3 VGT Van điều khiển turbo (Variable Geometry Turbo) -
viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các thông số đặc trưng của PC2GĐ .........................................................14 Bảng 1.2. Sự thay đổi thuộc tính hóa-lý của biodiesel theo tỷ lệ pha trộn [4]..........18 Bảng 1.3. Tỷ lệ C:H:O, khối lượng phân tử trung bình, mô đun đàn hồi và công thức hóa học đại diện của các hỗn hợp diesel/biodiesel [4]....................................................................19 Bảng 1.4. Khác nhau giữa lượng phun thực và lượng phun cần đạt được khi phun nhiều giai đoạn [55] ..................................................................................................24 Bảng 1.5. Kết quả điều chỉnh lượng phun từ MHMP so với lượng phun cần đạt được [55]...24 Bảng 1.6. Thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ diesel Hyundai 2.5 TCI-A ..........33 Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật cơ bản của vòi phun CRI2.2 [1, 3]…………….. 37 Bảng 2.2. Kết quả xác định các thông số về QLCCNL của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A khi làm việc ở đặc tính ngoài ........................................................................39 Bảng 2.3. Kết quả xác định các thông số vận hành của hệ thống nạp thải khi động cơ làm việc ở đặc tính ngoài [1] ...............................................................................40 Bảng 2.4. Map điều khiển tuabin [1] .......................................................................41 Bảng 2.5. Chế độ thực nghiệm xác định đặc tính vòi phun CRI2.2 và QLCCNL ứng với các loại nhiên liệu khác nhau và các kỹ thuật phun khác nhau ..........................42 Bảng 2.6. Chế độ thực nghiệm khi PC1GĐ ..............................................................48 Bảng 2.7. Tính toán ET1/ET2 khi PC2GĐ với nhiên liệu B0 ....................................48 Bảng 2.8. Tính toán ET1/ET2 khi PC2GĐ với nhiên liệu B40 ..................................49 Bảng 2.9. Xác định ET1/ET2 khi PC2GĐ với nhiên liệu B100.................................50 Bảng 2.10. Chế độ thực nghiệm đo QLP khi PC2GĐ của B0, B40 và B100 ...........51 Bảng 2.11. NOD và NCD của vòi phun theo ET và prail khi PC1GĐ (với B0) ........54 Bảng 2.12. Mối quan hệ giữa IT và ET theo ET và prail ...........................................54 Bảng 2.13. Chênh lệch về lượng phun của nhiên liệu B40 và B100 so với B0 ........60 Bảng 2.14. Độ trễ của vòi phun CRI2.2 ở prail =1400 bar với nhiên liệu B0 ............64 Bảng 2.15. Ảnh hưởng của nhiên liệu đến tổng lượng phun khi PC2GĐ ở chế độ prail = 1000 bar, tỉ lệ phun 30/70, 50/50 và 70/30......................................................71 Bảng 3.1. Thông số hình học của van điện từ……………………………………. 82
ix Bảng 3.2. So sánh lượng phun xác định bằng MHMP và thực nghiệm khi PC1GĐ ..87 Bảng 3.3. Đặc điểm MAP vòi phun CRI2.2 dùng cho MHMP CTCT của động cơ diesel Hyundai 2.5 TCI-A .........................................................................................93 Bảng 4.1. Chế độ mô phỏng nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ phun và RDT……. 117 Bảng 4.2. So sánh độ giảm hàm lượng phát thải soot và độ tăng hàm lượng phát thải NOx giữa PC1GĐ và PC2GĐ .................................................................................123 Bảng 4.3. Lượng nhiên liệu cần bổ sung khi sử dụng hỗn hợp diesel/biodiesel ....124 Bảng 4.4. Lượng nhiên liệu cấp cho một CTCT ứng với các mức pha trộn khác nhau của biodiesel (sau khi bù suy giảm nhiệt trị) ..........................................................124 Bảng 4.5. Sự thay đổi SOI khi PC1GĐ với B40 và B100 so với B0 ......................125 Bảng 4.6. Chế độ khảo sát sự ảnh hưởng của diesel sinh học đến các thông số công tác của động cơ khi PC2GĐ so với PC1GĐ ...........................................................125 Bảng 4.7. So sánh độ giảm hàm lượng phát thải soot và độ tăng hàm lượng phát thải NOx giữa PC1GĐ và PC2GĐ khi sử dụng B40 ......................................................129 Bảng 4.8. So sánh độ giảm hàm lượng phát thải soot và độ tăng hàm lượng phát thải NOx giữa PC1GĐ và PC2GĐ khi sử dụng B100 ....................................................129
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Tên gọi quy ước của các giai đoạn phun [18] .............................................9 Hình 1.2. Tác dụng của các giai đoạn phun khi phun nhiều giai đoạn [18] ...............9 Hình 1.3. Ảnh hưởng của phun mồi đến thời gian cháy trễ và tốc độ tăng áp suất của động cơ [4] ................................................................................................................11 Hình 1.4. Ảnh hưởng của phun mồi đến phát thải NOx và Soot [4] ........................11 Hình 1.5. Ảnh hưởng của phun bổ sung đến áp suất chỉ thị trung bình và mức phát thải [8] .......................................................................................................................12 Hình 1.6. Đặc trưng của kỹ thuật PC2GĐ ................................................................13 Hình 1.7. Mối quan hệ giữa xung điện và xung phun [29] .......................................16 Hình 1.8. Định nghĩa thời gian dừng giữa 2 lần phun khi PCNGĐ [6, 34] ..............17 Hình 1.9. Cơ chế giảm soot khi PCNGĐ so với PC1GĐ [27] ..................................25 Hình 1.10. Đặc tính của KTPNGĐ với thời gian dừng khác nhau [64]....................28 Hình 1.11. So sánh tốc độ giải phóng nhiệt giữa PC1GĐ và PC2GĐ [65] ..............29 Hình 1.12. Quy luật thay đổi số lần phun theo tải và tốc độ của động cơ diesel Hyundai 2.5 TCI-A [24] ............................................................................................30 Hình 1.13. Sơ đồ các bước nghiên cứu của luận án ..................................................34 Hình 2.1. Đặc điểm kết cấu vòi phun CR CRI2.2 [1] ...............................................38 Hình 2.2. Kết quả xác định tín hiệu xung điện điều khiển vòi phun ........................39 Hình 2.3. Độ nâng và hệ số lưu lượng qua xu páp [1] .............................................41 Hình 2.4. Sơ đồ bố trí trang thiết bị thực nghiệm trên bệ thử UniPg STS tại PTN SprayLab, Đại học Perugia, Italia .............................................................................43 Hình 2.5. Kết quả hiệu chỉnh dòng điện điều khiển vòi phun trên bệ thử UniPg STS ...................................................................................................................................47 Hình 2.6. Sự thay đổi của IT theo ET ở các prail = 600 bar, 1000 bar và 1400 bar khi PC1GĐ ......................................................................................................................53 Hình 2.7. Sự phụ thuộc của lượng phun theo ET và prail khi PC1GĐ với nhiên liệu B0 .......................................................................................................55 Hình 2.8. Ảnh hưởng của áp suất phun đến diễn biến IR của vòi phun CRI2.2 ở các
xi mức ET khác nhau.....................................................................................................57 Hình 2.9. Ảnh hưởng của loại nhiên liệu (B0, B40 và B100) đến diễn biến IR theo prail và ET ...................................................................................................................59 Hình 2.10. So sánh lượng phun theo ET và prail của nhiên liệu B0, B40 và B100 ...60 Hình 2.11. Sự thay đổi IR lần 2 theo DT ở prail = 600 bar; 1000 bar và 1400 bar; tỉ lệ phun 50/50 .................................................................................................................62 Hình 2.12. Sự suy giảm áp suất trong đường ống cao áp trước vòi phun của lần phun 2 trong PC2GĐ ở chế độ prail = 1400 bar .........................................................63 Hình 2.13. Sự phụ thuộc của RDT theo DT ở các tỉ lệ phun khác nhau, tại prail = 1400 bar, nhiên liệu B0 .............................................................................................65 Hình 2.14. Diễn biến lượng phun theo DT ở các tỉ lệ phun tính toán khác nhau với prail = 1400 bar, nhiên liệu B0 ..................................................................................66 Hình 2.15. Sự thay đổi tổng lượng phun theo DT ở các dải áp suất phun khác nhau và tỉ lệ phun khác nhau..............................................................................................68 Hình 2.16. Sự thay đổi tỉ lệ phun thực tế theo DT so với tỉ lệ phun tính toán ..........69 Hình 2.17. Ảnh hưởng của loại nhiên liệu sử dụng (B0, B40 và B100) đến diễn biến IR ở prail = 1000 bar, với DT khác nhau ....................................................................71 Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý HTPNL kiểu CR [1, 86] .................................................75 Hình 3.2. Mô hình thân vòi phun ..............................................................................77 Hình 3.3. Mô hình các khoang của vòi phun ............................................................79 Hình 3.4. Mô hình động lực học chất lỏng ...............................................................79 Hình 3.5. Mô hình vòi phun CRI2.2 của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A trong phần mềm GT-Suite 7.5 ...................................................................................81 Hình 3.6. Mô hình van điện từ của vòi phun CRI2.2 ................................................82 Hình 3.7. Mô hình khoang điều khiển vòi phun CRI2.2 ...........................................83 Hình 3.8. Mô hình pít tông điều khiển và kim phun .................................................84 Hình 3.9. Mô hình kim phun và đế kim phun ...........................................................84 Hình 3.10. So sánh diễn biến IR giữa mô phỏng và thực nghiệm theo ET ở prail = 1000 bar và 1400 bar khi phun một giai đoạn...........................................................86 Hình 3.11. Kết quả so sánh lượng phun giữa mô phỏng và thực nghiệm khi PC1GĐ..87
xii Hình 3.12. So sánh diễn biến IR giữa mô phỏng và thực nghiệm ở prail = 1000 bar khi PC2GĐ với tỉ lệ 30/70 và 50/50 ..........................................................................89 Hình 3.13. Kết quả mô phỏng vòi phun CRI2.2 khi PC1GĐ ở prail = 1400 bar và ET = 1,1 ms .....................................................................................................................90 Hình 3.14. Kết quả mô phỏng vòi phun CRI2.2 khi PC2GĐ ở prail = 1400 bar và ET1 = ET2 = 0,55 ms ........................................................................................................91 Hình 4.1. Sự phân chia các vùng của tia phun [98] ..................................................97 Hình 4.2. Mô hình đa xung trong GT-Power [97] ....................................................99 Hình 4.3. Trình tự tính toán CTCT trong phần mềm GT-Suite ..............................103 Hình 4.4. Mô hình mô phỏng động cơ 2.5TCI-A trong phần mềm GT-Power ......104 Hình 4.5. Kết quả hiệu chỉnh diễn biến áp suất trong xi lanh ở chế độ 3500 vg/ph, 100% tải...................................................................................................................107 Hình 4.6. Kết quả so sánh Me, ge và Gkk giữa mô phỏng và thực nghiệm ..............108 Hình 4.7. Sơ đồ phun khi PC1GĐ và PC2GĐ ở chế độ 3500 vg/ph, 100% tải, nhiên liệu B0 .....................................................................................................................109 Hình 4.8. Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong xi lanh khi PC2GĐ và PC1GĐ ...........110 Hình 4.9. Diễn biến nhiệt độ trong xi lanh khi PC2GĐ và PC1GĐ .......................111 Hình 4.10. Hàm lượng NOx trong xi lanh khi PC2GĐ và PC1GĐ .........................112 Hình 4.11. Hàm lượng soot trong xi lanh khi PC2GĐ và PC1GĐ .........................113 Hình 4.12. Ảnh hưởng của diesel sinh học đến tốc độ tỏa nhiệt khi PC1GĐ ............114 Hình 4.13. Ảnh hưởng của diesel sinh học đến nhiệt độ trong xi lanh khi PC1GĐ .................................................................................................................................115 Hình 4.14. Ảnh hưởng của diesel sinh học đến tốc độ tỏa nhiệt khi PC2GĐ .........115 Hình 4.15. Ảnh hưởng của diesel sinh học đến nhiệt độ trong xi lanh khi PC2GĐ .................................................................................................................................116 Hình 4.16. Ảnh hưởng của thời gian dừng (RDT) đến mô men và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A theo tỉ lệ phun ....................................118 Hình 4.17. Ảnh hưởng của thời gian dừng (RDT) đến các chỉ tiêu phát thải của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A theo tỉ lệ phun ...........................................................119
xiii Hình 4.18. Ảnh hưởng của SOI1 đến các thông số công tác của động cơ ở chế độ 100% tải, nđc = 3500 vg/ph ở tỉ lệ phun 70/30 ........................................................122 Hình 4.19. Ảnh hưởng của SOI1 đến các thông số công tác của động cơ ở chế độ 100% tải, nđc = 3500vg/ph tỉ lệ phun 70/30, nhiên liệu B40 ...................................127 Hình 4.20. Ảnh hưởng của SOI1 đến các thông số công tác của động cơ ở chế độ 100% tải, nđc = 3500 vg/ph tỉ lệ phun 70/30, nhiên liệu B100 ................................128
1 MỞ ĐẦU Hiện nay, thách thức lớn nhất đối với các nhà sản xuất động cơ đốt trong (ĐCĐT) là việc giảm suất tiêu hao nhiên liệu đồng thời giảm phát thải. Với sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) điều khiển điện tử (ĐKĐT), các thách thức đã dần được giải quyết. Trong vài năm qua, việc cải thiện quá trình cháy của động cơ bằng việc tối ưu hóa quy luật cung cấp nhiên liệu (QLCCNL) và áp dụng các kỹ thuật phun tiên tiến đã trở thành các giải pháp kỹ thuật tiềm năng. Để đạt được mục tiêu giảm suất tiêu hao nhiên liệu đồng thời giảm lượng phát thải, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực ĐCĐT đã phát triển nhiều kỹ thuật phun khác nhau, bao gồm kỹ thuật thay đổi áp suất phun, tỷ lệ phun, hình dạng chùm tia phun hoặc thay đổi số lần phun: từ phun một giai đoạn đến phun nhiều giai đoạn (phun mồi, phun chính, phun muộn), hoặc tách giai đoạn phun chính thành nhiều giai đoạn phun, gọi là phun chính nhiều giai đoạn (PCNGĐ). Mỗi kỹ thuật phun đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, tùy theo từng quan điểm và mục đích nghiên cứu có thể lựa chọn kỹ thuật phun phù hợp nhằm đạt được kết quả mong muốn. Các công trình nghiên cứu công bố trong những năm gần đây đã đóng góp lớn cho nền tảng kiến thức về các kỹ thuật phun, trong đó có PCNGĐ. Tuy nhiên, các kết quả đó vẫn còn chưa đầy đủ, đặc biệt khi sử dụng các loại nhiên liệu thay thế, trong đó có diesel sinh học. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm về PCNGĐ trên động cơ diesel đang gia tăng trong những năm gần đây, tuy nhiên, đa phần các công trình nghiên cứu vẫn đang trong quy mô phòng thí nghiệm, có ít công trình nghiên cứu cho động cơ diesel thế hệ mới, sử dụng các hệ thống phụ trợ phức tạp. Bên cạnh đó, việc lượng hóa các thông số của cơ cấu chấp hành, các thông số điều khiển vòi phun và mối liên hệ giữa chúng còn chưa được làm rõ, dẫn tới sự khó khăn khi đánh giá ảnh hưởng của các kỹ thuật phun mới. Ngoài ra, các nghiên cứu về ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu diesel sinh học đến diễn biến quá trình phun khi sử dụng PCNGĐ còn nhiều hạn chế. Động cơ Hyundai 2.5 TCI-A là động cơ diesel sử dụng HTPNL kiểu CommonRail (CR), tăng áp bằng tua bin khí thải kiểu VGT có làm mát khí tăng áp, dùng hệ thống tuần hoàn khí thải EGR có làm mát khí EGR và đạt chuẩn ô nhiễm EURO 3 [1]. Động cơ đã áp dụng kỹ thuật phun nhiều giai đoạn (KTPNGĐ) như: phun mồi, phun chính, phun bổ sung và phun muộn ở vùng tốc độ thấp và trung bình, đảm bảo động cơ làm việc êm, mức phát thải các chất ô nhiễm khá thấp. Tuy nhiên, khi tốc độ động cơ càng lớn thì thời gian phun thực đối với động cơ càng giảm, do đó khả năng áp dụng KTPNGĐ sẽ càng giảm đi do việc tổ chức (điều khiển) quá trình
2 phun trở lên phức tạp. Vì vậy, ở vùng tốc độ cao, tải cao động cơ chỉ sử dụng kỹ thuật phun một giai đoạn, điều này làm cho mức phát thải của động cơ ở vùng tốc độ cao, tải cao tăng và tiếng ồn lớn [2]. Những kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy kỹ thuật PCNGĐ mang lại hiệu quả trong việc cải thiện hiệu suất, công suất và giảm phát thải cho động cơ (tùy theo chế độ khảo sát). PCNGĐ có hiệu quả cao khi hai lần phun (ứng với phun chính hai giai đoạn) tương đối gần nhau, tức là giãn cách giữa hai lần phun không quá lớn (trong khi đối với KTPNGĐ, ví dụ như phun mồi - phun chính: khuyến cáo rằng, thời điểm phun mồi cần phải khá sớm và không quá gần so với thời điểm phun chính để đảm bảo hiệu quả của phun mồi; thực tế thời điểm phun mồi trên động cơ Hyundai 2.5 TCI-A thường cách thời điểm phun chính từ 24o GQTK đến 55o GQTK). Vì vậy, việc tổ chức phun chính hai giai đoạn ở chế độ tốc độ cao và tải cao đối với động cơ là khả thi. Động cơ Hyundai 2.5 TCI-A sử dụng vòi phun CommonRail kiểu điện từ (CRI2.2) có thể phun tối đa 5 lần trong một chu trình công tác, do đó nó có khả năng đáp ứng yêu cầu phun chính hai giai đoạn trong vùng tốc độ cao của động cơ. Dựa trên một số kết quả nghiên cứu ban đầu về PCNGĐ và nền tảng công nghệ của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của phun chính nhiều giai đoạn đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ diesel kiểu CommonRail khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học”. Với đề tài này, nghiên cứu sinh mong muốn đóng góp thêm những kiến thức mới về PCNGĐ, đánh giá hiệu quả của PCNGĐ khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học; làm rõ hơn nữa các thuật ngữ mô tả QLCCNL khi phun một giai đoạn và khi PCNGĐ; lượng hóa chính xác hơn mối quan hệ giữa các thông số điều khiển với các thông số của QLCCNL. i. Mục đích nghiên cứu của luận án (1)- Xác định chính xác QLCCNL (diễn biến tốc độ phun, thời gian phun, thời điểm bắt đầu phun, lượng phun, áp suất phun…) và ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học đến QLCCNL, xác định độ trễ mở - NOD (Nozzle Opening Delay) và độ trễ đóng - NCD (Nozzle Closing Delay) của vòi phun. Làm cơ sở chính xác hóa (thời điểm bắt đầu phun, thời gian phun, lượng phun…) khi nghiên cứu các kỹ thuật phun tiên tiến, tập trung vào PCNGĐ. (2)- Đánh giá ảnh hưởng của PCNGĐ đến chu trình công tác (CTCT) và mức phát thải của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A theo thời điểm bắt đầu phun, tỉ lệ phun, thời gian dừng giữa các lần phun và loại nhiên liệu sử dụng thông qua mô phỏng bằng các phần mềm chuyên dụng. (3)- Đánh giá khả năng của vòi phun CRI2.2 khi tiến hành PCNGĐ.
3 ii. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu của đề tài là động cơ diesel Hyundai 2.5 TCI-A [3] và vòi phun CRI2.2 sử dụng trên động cơ Hyundai 2.5 TCI-A và các động cơ cùng thế hệ. Nhiên liệu sử dụng gồm: nhiên liệu diesel khoáng (B0) - là nhiên liệu diesel thương mại, có bán sẵn trên thị trường; diesel sinh học gốc (B100) - được sản xuất từ bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thô thành dầu ăn [4]); hỗn hợp diesel/biodiesel (B40) - là hỗn hợp nhiên liệu diesel sinh học giữa B0 và B100. Phạm vi nghiên cứu: xác định chính xác QLCCNL bằng thực nghiệm trên bệ thử chuyên dụng. Đánh giá ảnh hưởng PCNGĐ (giới hạn ở PC2GĐ) đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ diesel Hyundai 2.5 TCI-A bằng phần mềm mô phỏng chuyên dụng (GT-Suite 7.5) ở chế độ vận hành ổn định của động cơ. iii. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm: - Nghiên cứu lý thuyết: tính toán mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng (GT- Suite), có độ tin cậy và độ chính xác cao để xác định đặc tính của vòi phun CR, kiểu điện từ CRI2.2; dự báo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ khi sử dụng PC2GĐ. - Nghiên cứu thực nghiệm: quá trình thực nghiệm được thực hiện với các trang thiết bị hiện đại, có độ chính xác cao như Bệ thử UniPg STS của Phòng thí nghiệm SprayLab, Khoa Kỹ thuật, Đại học Perugia, Italia; Bệ thử Động cơ của Phòng thí nghiệm Động cơ, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; Phòng Đo lường, Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng, Bộ Quốc phòng, nhằm các mục đích sau: + Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu đầu vào phục vụ cho quá trình mô phỏng vòi phun kiểu CR CRI2.2, mô phỏng động cơ Hyundai 2.5 TCI-A. + Xác định đặc tính của vòi phun CRI2.2 và khả năng đáp ứng của vòi phun khi thực hiện PCNGĐ. + Đánh giá, hiệu chỉnh MHMP vòi phun và MHMP động cơ. iv. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn * Ý nghĩa khoa học: - Xác định được chính xác đặc tính của vòi phun CR kiểu điện từ, đặc biệt trong trường hợp sử dụng PC2GĐ, giúp hiểu rõ hơn các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình phun, hiện tượng trễ của vòi phun; đồng thời làm rõ các thuật ngữ dùng để mô tả QLCCNL như thời gian cấp điện (ET), thời gian phun (IT), thời điểm
4 cấp điện (SOE), thời điểm bắt đầu phun (SOI); thời gian dừng điện (DT), thời gian dừng phun (RDT). - Bổ sung thêm các kiến thức và dữ liệu về ảnh hưởng của PC2GĐ đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel hiện đại; hiệu quả của PC2GĐ khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học. Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể dùng làm tài liệu tham khảo trong đào tạo sau đại học về chuyên ngành kỹ thuật Động cơ nhiệt; nghiên cứu phát triển các kỹ thuật phun tiên tiến trên động cơ diesel. * Ý nghĩa thực tiễn: - Góp phần hoàn thiện mô hình vòi phun kiểu CR và MHMP CTCT của động cơ diesel dùng HTPNL kiểu CR, khi sử dụng PC2GĐ, trong phần mềm mô phỏng GT-Suite 7.5. Làm cơ sở để nghiên cứu hoàn thiện CTCT của động cơ diesel khi ứng dụng các công nghệ tạo hỗn hợp tiên tiến (kỹ thuật phun tiên tiến, tăng áp kiểu VGT, có EGR, có hệ thống xử lý khí thải); - Dự báo việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học khi sử dụng PC2GĐ. v. Bố cục của luận án Luận án được trình bày trong 133 trang với 4 chương và các phụ lục, bao gồm các nội dung chính sau: - Chƣơng 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: tập trung phân tích, đánh giá các kỹ thuật phun nhiên liệu trên động cơ diesel ĐKĐT; đánh giá khả năng áp dụng PCNGĐ trên động cơ diesel hiện đại; làm rõ mối quan hệ giữa các thông số điều khiển vòi phun với các thông số của QLCCNL; tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của PCNGĐ đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ diesel có xét đến nhiên liệu diesel sinh học. Các vấn đề nêu trên là cơ sở cần thiết giúp nghiên cứu sinh xác định rõ mục đích, phương pháp, phạm vi nghiên cứu, nội dung và đối tượng nghiên cứu. - Chƣơng 2. Nghiên cứu thực nghiệm: trình bày các nội dung liên quan đến việc xác định các thông số vận hành (bao gồm nhóm thông số về QLCCNL và các thông số về hệ thống nạp thải) dùng cho mô hình mô phỏng (MHMP) CTCT của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A. Xác định đặc tính của vòi phun CRI2.2 và các thông số QLCCNL của vòi phun theo áp suất phun (prail) và thời gian cấp điện (ET); đánh giá sự thay đổi diễn biến tốc độ phun (IR) cũng như lượng phun trong cả hai trường hợp phun chính một giai đoạn (PC1GĐ) và PC2GĐ; xác định ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học đến diễn biến IR cũng như các thông số của QLCCNL. - Chƣơng 3. Xây dựng mô hình mô phỏng vòi phun kiểu CommonRail CRI2.2: trình bày các nội dung về cơ sở lựa chọn phần mềm; xây dựng MHMP vòi phun CRI2.2 và hiệu chỉnh mô hình dựa theo dữ liệu thực nghiệm. Dựa trên MHMP
5 vòi phun CRI2.2 tiến hành xây dựng bản đồ dữ liệu về quy luật phun của vòi phun (MAP vòi phun) ở các chế độ khác nhau nhằm xác định dữ liệu đầu vào về QLCCNL dùng cho MHMP CTCT của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A. - Chƣơng 4. Khảo sát ảnh hƣởng của phun chính hai giai đoạn đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A khi sử dụng nhiên liệu sinh học: trình bày các nội dung về xây dựng MHMP CTCT của động cơ diesel Hyundai 2.5 TCI-A trong phần mềm GT-Suite và hiệu chỉnh mô hình bằng dữ liệu thực nghiệm. Trình bày các kết quả tính toán mô phỏng xác định ảnh hưởng của PC2GĐ và loại nhiên liệu sử dụng đến diễn biến các thông số nhiệt động trong xi lanh và các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ diesel Hyundai 2.5 TCI-A bằng phần mềm GT-Suite.