Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU DIESEL THỬ NGHIỆM DẠNG TÍCH TRỮ VÀ ĐIỀU ÁP MATHEMATICAL MODEL OF DIESEL SUPPLY SYSTEM EXPERIMENT BASED ON PRESSURE STORAGE AND REGULATION TS Trần Quốc Toản, ThS Nguyễn Văn Lành Bộ môn Máy tàu, Học viện Hải quân, Nha Trang quoctoanhaiquan@yahoo.com, lanhnavy@gmail.com TÓM TẮT Hệ thống Common Rail hệ thống sử dụng phổ biến động xe du lịch động tàu thủy sử dụng nhiên liệu Common Rail Bài báo đưa vấn đề nghiên cứu mô hình toán học hệ thống tích trữ nhiên liệu (ống Rail) hệ thống Common Rail Trên sở mô hình toán hệ thống, tính thông số kết cấu ban đầu từ điều chỉnh cải tiến van điều áp làm thay đổi áp suất ống Rail tạo áp suất phun khác Từ khóa: Common Rail, mô hình toán, tích trữ nhiên liệu, áp suất phun, van điều áp ABSTRACT Common Rail system is widely used in passenger vehicle and marine diesel engines engine using Common Rail fuel This article addresses the issue of research on mathematical modeling of fuel storage system (Rail pipe) in the Common Rail system Based on the mathematical model of the system, the initial structural parameters can be calculated to adjusted and improve pressure regulator valves so that the pressure in the Rail pipe change for different forms of ejaculating pressure Keywords: Common Rail, mathematical model, fuel storage, ejaculating pressure, pressure regulator valves ĐẶT VẤN ĐỀ Cùng với phát triển công nghệ vi điều khiển, để đáp ứng yêu cầu thực tế khai thác đảm bảo yếu tố môi trường, ngày nhà sản xuất hàng đầu động diesel phát triển đưa vào ứng dụng hệ thống phun nhiên liệu hệ với áp suất phun cao lên tới khoảng 130 200 MPa Việc nghiên cứu phát triển khai thác hệ thống đòi hỏi phải nghiên cứu cách có tính logic, khoa học Bài viết đưa mô hình toán học hệ thống phun nhiên liệu Common Rail, cho phép xác định thông số kết cấu ban đầu hệ thống nhằm hướng tới phát triển mô hình toán tối ưu cho việc thiết kế cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail cho động hệ mới, để nâng áp suất phun tăng độ xác thời điểm phun VẤN ĐỀ ĐƯA RA NGHIÊN CỨU Ngày nay, việc chế tạo động diesel việc quan tâm đến tính kinh tế thông số kỹ thuật vấn đề môi trường đặc biệt quan tâm Hàm lượng độc tố khí thải vấn đề cấp bách cần đặt giai đoạn Các nhà nghiên cứu động Diesel đề nhiều biện pháp khác kỹ thuật phun tổ chức trình cháy nhằm giới hạn chất ô nhiễm Các biện pháp chủ yếu tập trung vào giải vấn đề: - Tăng tốc độ phun để làm giảm nồng độ bồ hóng tăng tốc hòa trộn nhiên liệu- không khí 326 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV -Tăng áp suất phun, đặc biệt động phun trực tiếp - Điều chỉnh dạng quy luật phun theo khuynh hướng kết thúc nhanh trình phun - Biện pháp hồi lưu phận khí xả (ERG: Exhaust Gas Recirculation) Các nhược điểm hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel truyền thống khắc phục cách cải tiến phận như: Bơm cao áp - vòi phun, phận tích trữ nhiên liệu áp suất cao, ứng dụng tự động vi điều khiển nhờ phát triển công nghệ Hiện nay, chế tạo động Diesel đại hệ mới, hệ thống cung cấp nhiên liệu thiết kế đạt áp lực phun cao lên tới 200 MPa Việc điều khiển thông số hệ thống qui luật phun đảm bảo độ xác có tính kinh tế cao, hàm lượng độc tố khí thải giảm Nhiều động diesel đặc biệt động sử dụng lĩnh vực giao thông vận tải nghiên cứu phát triển với hệ thống phun nhiên liệu cao áp Các nghiên cứu phát triển theo hướng phải bắt đầu với nghiên cứu tính toán lý thuyết Trong năm gần đây, số đề tài đưa nghiên cứu hệ thống nhiên liệu Common Rail Vào năm 2003, khoa “Động kỹ thuật nhiệt” trường Đại học giao thông vận tải Ucraina bắt đầu nghiên cứu hệ thống ống tích áp hướng dẫn giáo sư Donganova Bước họ phát triển hệ thống tích áp dạng piston, áp suất nhiên liệu ống tích áp lên đến 40-50MPa Các nghiên cứu hướng tới biện pháp nâng cao áp suất ống tích áp mà chưa đưa mô hình toán học hệ thống Hiện nước ta, dù hệ thống phun nhiên liệu Common rail sử dụng rộng rãi phương tiện giao thông đường gần xuất động tàu thủy, nhiên chưa có nghiên cứu nghiên cứu mô hình toán hệ thống Vì việc nghiên cứu xây dựng mô hình toán tối ưu khâu then chốt thiết kế, chế tạo cải tiến hệ thống Để có áp lực phun cao 130 200 Mpa, tạo cách cấp nhiên liệu theo dạng sau đây: Bơm cao áp-vòi phun; cấp nhiên liệu theo giai đoạn riêng biệt ống dẫn nhiên liệu ngắn khoảng 300mm có áp lực cao nối với vòi phun; hệ thống tích trữ nhiên liệu kiểu Common Rail (CR) [1, 2] Các nhà nghiên cứu động cho rằng, hệ thống tích trữ nhiên liệu kiểu CR hướng phát triển có triển vọng So với hệ thống dẫn động cam cũ, hệ thống CR linh hoạt việc đáp ứng thích nghi để điều khiển phun nhiên liệu cho động diesel [3, 4]: - Phạm vi ứng dụng rộng rãi (cho xe du lịch, khách,tải nhẹ, tải nặng, xe lửa tàu thủy) - Áp suất phun đạt đến 150 Mpa - Thay đổi áp suất phun tùy theo chế độ hoạt động động Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ điều áp nhiên liệu - Có thể thay đổi thời điểm phun - Phun chia làm ba giai đoạn: Phun sơ khởi, phun phun kết thúc Chúng ta xem xét sơ đồ nguyên lý hệ thống tích trữ nhiên liệu thử nghiệm phát triển cho động diesel CMD-23.07 327 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Như biết áp suất hệ thống tích trữ nhiên liệu lớn hiệu làm việc hệ thống CR tốt Tuy nhiên, tạo áp lực cao tích trữ nhiên liệu lượng tiêu thụ cho hệ thống nhiều, tức tăng tổn thất khí Sơ đồ nghiên cứu hệ thống tích trữ nhiên liệu thử nghiệm cho động diesel CMD-23.07 mô tả hình Trong kí hiệu: vòi phun 4; tích trữ nhiên liệu 5; cảm biến nhiệt độ nhiên liệu 6; cảm biến áp suất nhiên liệu tích trữ nhiên liệu 7; van chiều 8; bơm cao áp 9; van giảm áp bơm cao áp 10; bơm nhiên liệu phụ 11; lọc thô 12; két chứa nhiên liệu 13; lọc tinh 14; van chuyển vòng lọc15; van điều áp tích trữ nhiên liệu 16; điều khiển điện tử (ECU) để cung cấp nhiên liệu 17; khối nguồn 18; ắc qui 19 Các tín hiệu: n - tốc độ quay trục khuỷu động cơ; ϕ - góc xác định vị trí cấu điều khiển cung cấp nhiên liệu; ϕ0 - góc xác định vị trí điểm chết xilanh MÔ HÌNH TOÁN HỌC Trên sở sơ đồ nguyên lý hình 1, đưa sơ đồ tính toán hình 2, tiến hành nghiên cứu tính toán hệ thống tích trữ nhiên liệu thử nghiệm Trong ký hiệu: – bơm nhiên liệu cao áp; – tích trữ nhiên liệu hay gọi “ắc qui thủy lực”; - vòi phun; - van giảm áp; d pb - đường kính piston bơm nhiên liệu cao áp; S pb - hành trình piston bơm nhiên liệu cao áp; QH - lưu lượng bơm nhiên liệu cao áp; pak - áp suất tích trữ nhiên liệu; dϕ - Đường kính lỗ phun vòi phun; Qϕ - lưu lượng nhiên liệu qua vòi phun giờ; pc - áp suất buồng đốt động diesel; d vg - đường kính van giảm áp; x - độ dịch chuyển van; C - độ cứng lò xo van; Qv - lưu lượng nhiên liệu qua van giờ; b - chiều rộng van xả; p0 - áp suất môi trường Trên sở sơ đồ tính toán nghiên cứu, phát triển mô hình toán học để xác định thông số hợp lý hệ thống tích trữ giai đoạn thiết kế Các phương trình cân thủy lực lưu lượng “nút” hệ thống bơm cao áp 1, vòi phun van giảm áp sở mô hình toán Phương trình có dạng: Q= Qϕ + Qv H (1) Hình Sơ đồ tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu tích trữ điều áp Các giả định sau áp dụng: Coi vòng quay trục cam ăn nhịp với tất pitston bơm nhiên liệu cao áp; bơm nhiên liệu cao áp không dịch 328 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV chuyển nằm vị trí cung cấp nhiên liệu lớn nhất; tia nhiên liệu qua vòi phun không bị ngắt quãng; van giảm áp có dạng hình trụ; đường kính van trùng với đường kính lỗ tích trữ nhiên liệu; lỗ van giảm áp có dạng hình chữ nhật; chiều dài van lớn chiều dài lỗ van xả Chúng ta lập phương trình cho thiết bị (“nút”) hệ thống: 3.1 Bơm nhiên liệu cao áp QH = đó: i pb ⋅ π ⋅ ρτ ⋅ d pb ⋅ nb ⋅ S pb (2) i pb - số piston bơm nhiên liệu cao áp; ρτ - mật độ nhiên liệu diesel; nb - tốc độ quay trục cam bơm 3.2 Vòi phun Qϕ = µϕ ⋅ Fϕ ρτ ( pak − pc ) đó: (3) µϕ - hệ số tổn thất qua lỗ vòi phun; Fϕ - tổng diện tích thiết diện lỗ vòi phun 3.3 Van giảm áp µvg ⋅ Fvg ρτ ( pak − p0 ) Qvg = đó: (4) µvg - hệ số tổn thất nhiên liệu qua lỗ xả van giảm áp; Fvg - diện tích thiết diện lỗ xả Diện tích mặt cắt lỗ xả xác định từ phương trình: Fvg = b ⋅ x (5) Nhờ dịch chuyển x piston-van việc điều chỉnh áp suất tích trữ nhiên liệu thực Vị trí x xác định từ phương trình cân lực tác động từ hai phía van giảm áp Pan = Plx đó: (6) Pan - lực mà áp suất nhiên liệu tạo ra; Plx - lực lò xo van giảm áp tạo Sau thay thành phần vào phương trình (6), rút công thức để xác định độ dịch chuyển x: π d vg2 p ⋅ − C ⋅ x0 ak x= C đó: (7) x0 - tọa độ ban đầu piston-van Phương trình (1)…(7) sở mô hình toán học để tính toán sơ thông số = x0 0;= S0 hệ thống tích trữ nhiên liệu Điều kiện ban đầu 329 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KẾT QUẢ TÍNH TOÁN Ở giai đoạn thiết kế, giả định áp suất nhiên liệu tích trữ nhiên liệu trạng thái bơm cao áp cung cấp đầy đủ lượng nhiên liệu lượng nhiên liệu tối đa chảy qua vòi phun phải đạt áp suất pak = 50 MPa Ở chế độ tốc độ khác động cơ, giá trị áp suất pak thay đổi Đến tốc độ xác định trục khuỷu động cơ, bơm thường cung cấp áp lực cần thiết Việc tăng thêm tốc độ quay động từ thời điểm dẫn đến gia tăng áp suất tích trữ điều áp nhiên liệu Khi lượng nhiên liệu qua vòi phun lớn tiến tới thời điểm bắt đầu hoạt động van điều áp tích trữ điều áp nhiên liệu Khi việc tính toán sơ thông số hệ thống tích trữ điều áp nhiên liệu thử nghiệm thực Việc tính toán thực chương trình tính phát triển sở mô hình toán học đưa Bảng Kết tính toán tham số ban đầu hệ thống STT nb (v/ph) pak (MPa) QH (kg/h) Qϕ (kg/h) Qv (kg/h) x (mm) 0 0 0 150 8,972 28,825 25,225 0 300 12,456 57,65 54,05 0 450 18,498 86,475 82,875 0 600 27,071 115,3 111,701 0 750 38,184 144,126 140,526 0 900 50,012 172,951 165,79 3,559 0,0002424 1050 50,019 201,776 165,982 32,194 0,002191 1200 50,026 230,601 166,173 60,826 0,004135 10 1350 50,303 259,436 166,364 89,461 0,006076 11 1500 50,4 288,252 166,555 118,094 0,008013 12 1750 50,594 345,9 166,93 175,36 0,119 400 350 300 250 Qh 200 150 100 50 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 n Hình Sự phụ thuộc lưu lượng nhiên liệu qua bơm vào tốc độ quay ĐC 330 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 60 50 40 Pak 30 20 10 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 n Hình Sự phụ thuộc áp suất nhiên liệu tích trữ vào tốc độ quay trục ĐC Kết tính toán trình bày bảng Hình cho thấy phụ thuộc lưu lượng nhiên liệu qua bơm áp suất nhiên liệu tích trữ vào tốc độ quay trục cam bơm nhiên liệu cao áp Với kết tính ta thay đổi thời điểm bắt đầu làm việc van điều áp, từ điều chỉnh áp suất phun khác Điều hướng tới biện pháp cải tiến hệ thống để nâng cao áp suất phun KẾT LUẬN Bài viết đưa kết tính toán sơ tham số hệ thống cung cấp nhiên liệu dạng tích trữ điều áp thử nghiệm động CMD-23.07, kết tính toán dựa mô hình toán tĩnh đặt Các thông số thu điều chỉnh động chế độ tốc độ từ 150v/ph đến 1750v/ph Áp suất định trước tích trữ nhiên liệu đạt tới 50MPa động hoạt động chế độ tốc độ 1750 v/ph Trên sở thông số tính toán sơ điều chỉnh thông số van giảm áp nhằm đảm bảo cho hệ thống thu áp suất tốt chế độ làm việc định mức động diesel CMD-23.07 lưu lượng nhiên liệu qua vòi phun vượt năm lần giá trị thực tế nguồn cung cấp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Пинский Ф.И., Давтян Р.И., Черняк Б.Я Микропроцессорные системы управления автомобильными двигателями внутреннего сгорания – М.: «Легион-Конструкция ДВС», 2012 [2] Грехов Л.В Топливная аппаратура дизелей с электронным управлением Учебнорактическое пособие – М.: «Легион-Автодата», 2013 [3] По страницам отечественных и зарубежных изданий, Двигателестроение, 2013 №3, С.43-45 [4] По страницам отечественных и зарубежных изданий, Двигателестроение, 2014 №2, С.39-42 [5] Быков В.И., Долганов К.Е., Лисовал А.А Дизели СМД для автобусов, Двигатели внутреннего сгорания, 2014 №3, С.13-17 [6] Egger K., Warga J., Klugl W Neues Common-Rail-Einspritzsystem mit Piezo-Aktorik fur Pkw-Dieselmotoren, MTZ: Motortechnische Zeitschrift, 2012, № 9, p 696-704 [7] Generation Pkw-Common-Rail von Bosch mit Piezo-Inline-Injektoren,MTZ: Motortechnische Zeitschrift, 2004, № 3, p 180-189 THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ Trần Quốc Toản, Học viện Hải Quân, quoctoanhaiquan@yahoo.com, 0989 211 259 Nguyễn Văn Lành, Học viện Hải quân, lanhnavy@gmail.com, 0974 711 766 331 ... nhiên liệu Khi lượng nhiên liệu qua vòi phun lớn tiến tới thời điểm bắt đầu hoạt động van điều áp tích trữ điều áp nhiên liệu Khi việc tính toán sơ thông số hệ thống tích trữ điều áp nhiên liệu thử. .. phát triển hệ thống tích áp dạng piston, áp suất nhiên liệu ống tích áp lên đến 40-50MPa Các nghiên cứu hướng tới biện pháp nâng cao áp suất ống tích áp mà chưa đưa mô hình toán học hệ thống Hiện... việc hệ thống CR tốt Tuy nhiên, tạo áp lực cao tích trữ nhiên liệu lượng tiêu thụ cho hệ thống nhiều, tức tăng tổn thất khí Sơ đồ nghiên cứu hệ thống tích trữ nhiên liệu thử nghiệm cho động diesel