Nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu trên đường ống cao áp đến quá trình hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ diesel máy chính tàu cá

Diễn biến áp suất trên đường ống cao áp của hệ thống phun nhiên liệu động cơ diesel phụ thuộc vào bơm cao áp và ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tia phun nhiên liệu, dẫn đến thay đổi quá trình hình thành hỗn hợp cháy và cháy nhiên liệu, làm ảnh hưởng đến công suất và phát thải của động cơ.

92 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT PHUN NHIÊN LIỆU TRÊN ĐƯỜNG ỐNG CAO ÁP ĐẾN QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL MÁY CHÍNH TÀU CÁ A SIMULATION STUDY ON EFFECT OF FUEL INJECTION PRESSURE IN THE HIGH PRESSURE PIPE ON PROCESS OF COMBUSTION MIXTURE FORMATION IN THE MAIN DIESEL ENGINE OF FISHING VESSELS Hồ Đức Tuấn1, Mai Đức Nghĩa2 Trường Đại học Nha Trang, Việt Nam Trường Sĩ quan Khơng qn, Việt Nam Ngày tồ soạn nhận 10/4/2020, ngày phản biện đánh giá 21/4/2020, ngày chấp nhận đăng 04/5/2020 TÓM TẮT Diễn biến áp suất đường ống cao áp hệ thống phun nhiên liệu động diesel phụ thuộc vào bơm cao áp ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tia phun nhiên liệu, dẫn đến thay đổi trình hình thành hỗn hợp cháy cháy nhiên liệu, làm ảnh hưởng đến công suất phát thải động Do vậy, xác định mức giảm áp suất đường ống cao áp để kịp thời sửa chữa, bảo dưỡng hệ thống phun nhiên liệu, đặc biệt bơm cao áp giúp nâng cao hiệu suất làm việc ngăn ngừa cố xảy động diesel máy tàu cá Kết nghiên cứu mơ phần mềm AVL Boost/Hydsim động diesel tàu cá 4CHE –Yanmar cho thấy, áp suất đường ống cao áp giảm 12÷14% cấu trúc tia phun giảm đến 14,6% Từ khóa: Diễn biến áp suất đường ống cao áp; bơm cao áp; trục cam; áp suất phun nhiên liệu; cấu trúc tia phun; hệ thống phun nhiên liệu; động diesel máy tàu cá ABSTRACT Fuel injection pressure performance in the high-pressure pipe depends on the high pressure pump and directly affects to spray structure, leading to changes in the process of combustion mixture formation and burning fuel, affects on power and exhaust emissions of engine Therefore, determining the reduction level of pressure in the high-pressure pipe to timely repair and maintenance of fuel injection systems, especially high-pressure pumps, will help improve working efficiency and prevent incidents for a main diesel engine The simulation results of AVL Boost/Hydsim software for 4CHE-Yanmar main diesel engine of fishing vessels showed that when the pressure on high-pressure pipe decreased by 12÷14% the spray structure decreased by 14,6% Keywords: Pressure performance in the high pressure pipe; high pressure pump; camshaft; fuel injection pressure; spray structure; fuel injection system; diesel engine of the fishing vessel ĐẶT VẤN ĐỀ Trong thực tế, động tàu cá hoạt động biển, việc đo thông số làm việc để chẩn đốn tình trạng kỹ thuật khó khăn, ngoại trừ đo áp suất đường ống cao áp (pinj) phương pháp thay đường ống tương đương có gắn cảm biến (áp suất đường ống cao áp phản ánh áp suất nâng kim phun vịi phun) Thơng số áp suất áp suất xy lanh thời điểm phun nhiên liệu (pc) định đến cấu trúc tia phun, qua ảnh hưởng trực tiếp đến q trình hình thành hỗn hợp cháy cháy nhiên Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh liệu, dẫn đến thay đổi tiêu công tác động diesel [1], [2] Do đó, xác định ảnh hưởng áp suất đường ống cao áp tương tự áp suất phun nhiên liệu vòi phun pc yêu cầu cần thiết để đánh giá cấu trúc tia phun, từ đánh giá q trình hình thành hỗn hợp cháy, nhằm chẩn đốn tình trạng kỹ thuật động Vì trình hình thành hỗn hợp cháy động phụ thuộc nhiều vào cấu trúc tia phun, tia phun ngắn (độ xuyên sâu s), phun nhỏ giọt độ mù hóa khơng cao (góc nón chùm tia ɵ) làm giảm độ đồng hỗn hợp cháy, khiến hiệu suất nhiệt giảm, dẫn đến giảm công suất động cho hệ thống thủy lực như: hệ thống nhiên liệu, hệ thống bôi trơn, hệ thống truyền động thủy lực Nhưng chủ yếu phần mềm ứng dụng để mô hệ thống phun nhiên liệu [4] Trên sở này, mơ hình mơ hệ thống phun nhiên liệu động diesel 4CHE-Yanmar xây dựng hình FUEL SYSTEM OF YANM AR 4CHE ENGINE AVL BOOST HYDSIM V2013.2 Dynamic Analysis of Hydraulic Syste ms Vol ume 20 Li ne Del i very Val ve Vol ume 10 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Phần mềm mô AVL Boost/Hysim thông số hệ thống phun nhiên liệu động diesel 4CHE-Yanmar - AVL Boost/Hydsim phần mềm phân tích động lực học hệ thống thủy lực thủy cơ, xây dựng sở lý thuyết động lực học dao động chất lỏng hệ thống đa phần tử Trong động đốt trong, HydSim dùng để mô 21 Li ne 11 Li ne 12 Li ne 18 Li ne Li ne Vol ume Fi l l /Spi l l Port 13 Vol ume Leakage 17 Leakage p Pressure T 19 VCO Ori fi ce Thông thường, nguyên nhân chủ yếu khiến giảm áp suất đường ống cao áp mòn cam rò rỉ phần tử phận bơm cao áp Do vậy, trình nghiên cứu thay đổi mức độ sai lệch kích thước cam, gia tăng rò rỉ phần tử để đánh giá ảnh hưởng chi tiết đến pinj cấu trúc tia phun (s, ɵ) Khi pinj giảm đến giá trị định, kéo theo suy giảm s, ɵ làm thay đổi đáng kể tiêu công tác động trình hình thành hỗn hợp cháy hiệu [3] Trên sở đưa cảnh báo sửa chữa, bảo dưỡng hệ thống phun nhiên liệu, đặc biệt bơm cao áp giúp nâng cao hiệu suất làm việc ngăn ngừa cố xảy động diesel Nội dung nghiên cứu mô hệ thống phun nhiên liệu động diesel máy tàu cá (4CHE-Yanmar) với thơng số kết cấu cụ thể giả thiết sai lệch (hư hỏng) thực phần mềm AVL Boost/Hydsim 93 14 15 p T 16 Pl unger Cam Profi l e Boundary Needl e Pressure Hình Mơ hình mơ hệ thống phun nhiên liệu động diesel 4CHE-Yanmar - Động diesel 4CHE Nhật Bản sản xuất, loại động công suất nhỏ, thường dùng làm máy cho tàu cá khu vực Duyên hải Nam trung [5] Thông số động trình bày bảng 1, thơng số đầu vào thông số sai lệch (hư hỏng) thay đổi mô chế độ 1400 v/p, 40% tải (theo tiêu chuẩn thử nghiệm Nhật Bản) với nhiên liệu DO – Petrolimex thể bảng Bảng Thông số động 4CHE-Yanmar Tên thông số Đơn vị Kiểu buồng cháy Số xy lanh x Đường kính xy lanh x hành trình piston Cơng suất Buồng cháy thống dạng w mm x105x125 Hp/rpm H: 70/2300 Tỷ số nén 16.4:1 Bơm cao áp Số lỗ tia phun x đường kính x góc phun Giá trị Kiểu bosch bơm cụm mm, độ x 0,32 x 1400 Góc phun sớm độ 180 Áp suất phun bar 210 94 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Bảng Các thơng số sai lệch (hư hỏng) thay đổi mô TT Ký hiệu Thơng số Độ giảm so với nhóm chi tiết tình trạng ban đầu gây ảnh hưởng (tiêu chuẩn), % Piston - bơm cao áp A Các chi tiết lò xo, vịng đệm, độ kín khít 0; 2; 4; 6; 8; 10; 12;14; 16 B Cam FR f  .u u V 2D 0; 2; 4; 6; 8; 10; 12;14; 16 2.2 Cơ sở mô - Cơ sở q trình tính tốn phần tử hệ thống nhiên liệu thể phương trình bảo tồn động lực học dịng chảy đường ống: Phương trình liên tục:  (.u) dA   .u t x A dx (1) Phương trình bảo tồn động lượng: (.u) (.u  p) A FR (2)   .u  t x A x V Phương trình lượng: E [u.(E p)] dA q   u.(E p)  w t x A dx V (3) Trong phương trình trên: ρ-khối lượng riêng, kg.m-3; u-tốc độ dòng lưu chất, m·s- 1; x-tọa độ, m; A-diện tích mặt cắt ngang đường ống, m2; t-thời gian, s; p-áp suất tĩnh, Pa; FR-lực ma sát, N; E- thành phần 2 lượng lưu chất ( E   cv T  FR .u ), Kj/Kg; cv-nhiệt dung riêng đẳng tích, Kj/Kg K; T-nhiệt độ, K; qw-nhiệt lượng truyền cho vách, w/m2 (4) Sử dụng phương trình Reynold, dịng nhiệt truyền cho thành ống tích từ lực ma sát chênh lệch nhiệt độ thành dòng lưu chất là: q w f   u cp (TW  T) V 2D Độ sai lệch cửa vào - ống Lực ma sát với vách xác định từ hệ số ma sát với vách λf đường ống có đường kính D: (5) Lưu lượng dịng lưu chất cửa vào tính tốn từ phương trình dịng chảy qua khe hẹp đẳng Entropi có tính đến hệ số lưu lượng, xác định trạng thái dịng ổn định Lưu lượng khối lượng nhận từ phương trình lượng dòng ổn định qua khe hẹp [6] dm  A eff pin  dt R o Tin (6) dm - lưu lượng dòng lưu chất, g/s; dt Aeff - diện tích tiết diện lưu thơng, m2; pin - áp suất trước cửa vào, Pa; Tin-Nhiệt độ trước cửa vào, K; Ro - số chất khí,-;  - hàm áp suất phụ thuộc vào tính chất lưu chất tỷ số áp suất; cp - nhiệt dung riêng đẳng áp, Kj/Kg ; TW - nhiệt độ thành ống, K; Tnhiệt độ dịng lưu chất, K Trong đó: - Tốc độ phun nhiên liệu Tốc độ phun nhiên liệu bị chi phối nhiều yếu tố hệ thống vịi phun, khơng xét đến yếu tố kết cấu, tính chất nhiên liệu áp suất phun có tính chất định đến mức độ lớn nhỏ lượng nhiên liệu khỏi vòi phun Ngồi ra, thơng số có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phun nhiên liệu phân thành hai nhóm [7]: + Thơng số dịng chảy bên ngồi (khối lượng riêng, số Weber) kiểm soát tương tác tia phun nhiên liệu lỏng môi trường (áp suất xy lanh): Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Số Weber pha lỏng: w el  vl2d hole  (7) + Các thông số dòng chảy bên (số Reynolds, tỷ số lhole/dhole, hệ số Cd) kiểm soát tương tác tia phun nhiên liệu lỏng với vòi phun: Số Reynolds pha lỏng: R el  vl d hole  (8) p  (9) vl  n(pin  pout ) 1  2 Cd nsh A nsh Cd hole A 2hole minj  A hole vl ρ 3.1 Ảnh hưởng sai lệch (hư hỏng) đến thông số phun nhiên liệu Với giả thiết thay đổi mô bảng 2, ảnh hưởng sai lệch (hư hỏng, mòn) đến thông số phun (áp suất đường ống cao áp, hành trình nâng kim phun) trình bày hình Trong đó, ảnh hưởng mịn cam (trường hợp B) làm giảm áp suất ống cao áp lớn so với sai lệch trường hợp A Áp suất ống cao áp giảm đến khoảng 10% A giảm đến 16%, trường hợp B giảm đến 16% diễn biến áp suất ống cao áp giảm khoảng 18% (10) Trong đó: p  pin  pout , độ chênh áp, Pa; vl - tốc độ phun, m3·s- 1; Cdhole - hệ số lưu lượng dòng chảy lỗ phun -; Ansh - diện tích khu vực dịng chảy hẹp trước lỗ phun, m2; Cdnsh - hệ số xả dòng chảy khu vực trước lỗ phun,-; Ahole – diện tích mặt cắt ngang lỗ phun, m2; pin, pout - áp suất đầu vào đầu ra, Pa; n – tốc độ động cơ, vòng/phút; m - lưu lượng phun nhiên liệu, g/h; lhole-chiều dài lỗ phun, m; dhole-đường kính lỗ phun, m;  -độ nhớt nhiên liệu, mm2/s a) - Tính tốn góc nón tia phun:   0, 03824 d hole G0,1.p0,35 0,45 l0,3  0,7 hole  (11) b) - Tính tốn độ xun sâu tia phun: S  0,39.t D p (12) Trong đó: t - thời gian tính từ bắt đầu phun nhiên liệu,s; S - độ xuyên sâu tía phun, m;  D - khối lượng riêng hạt nhiên liệu, kg.m-3; α - góc nón tia phun, độ;  G - khối lượng riêng khí, kg.m-3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 95 c) 96 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh d) Hình Ảnh hưởng hư hỏng đến áp suất ống cao áp Tương tự trên, hành trình nâng kim phun phụ thuộc vào áp suất ống cao áp bị hạn chế trường hợp cam mòn (trường hợp B) Hành trình nâng kim phun giảm 5% trường hợp A giảm đến 16% giảm khoảng 9% trường hợp B giảm đến 16% trình bày hình Các yếu tố trực tiếp làm giảm cấu trúc tia phun nhiên liệu vào xy lanh Hai thông số quan trọng cấu trúc tia phun độ xuyên sâu s góc nón tia phun ɵ, thơng số phụ thuộc vào áp suất đường ống cao áp Khi áp suất đường ống cao áp giảm (các sai lệch, hư hỏng bơm cao áp gia tăng) làm hạn chế hành trình nâng kim phun, khiến suy giảm thông số cấu trúc tia phun, dẫn đến giảm độ đồng hỗn hợp khơng khí – nhiên liệu Hình thể ảnh hưởng hư hỏng hao mòn trường hợp đến cấu trúc tia phun Khi A giảm đến 16%, s ɵ tia phun giảm khoảng 7% Khi B giảm từ 12÷14% độ xun sâu tia phun giảm khoảng 12,7%, góc nón giảm đến 14,6% a) a) b) b) Hình Ảnh hưởng hư hỏng đến hành trình nâng kim phun 3.2 Ảnh hưởng sai lệch (hư hỏng) đến cấu trúc tia phun c) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 97 piston bơm cao áp (A) mòn cam (B) khiến áp suất ống cao áp giảm d) Hình Ảnh hưởng hư hỏng đến cấu trúc tia phun KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Từ kết mô cho thấy, mức độ ảnh hưởng rò rỉ, lò xo , hao mòn Khi áp suất ống cao áp giảm 12÷14% cấu trúc tia phun suy giảm đáng kể đến 14,6%, làm cho trình hình thành hỗn hợp cháy hiệu Do vậy, đo áp suất đường ống cao áp động làm việc đối chiếu với tiêu chuẩn nhà sản xuất đối chiếu với giá trị ban đầu hệ thống nhiên liệu động bảo dưỡng (sửa chữa) trước thời điểm đưa xuống tàu, để chẩn đốn tình trạng kỹ thuật hệ thống phun cần thiết, động máy tàu cá đa phần sau chuyến làm việc dài ngày biển phải kiểm tra, bảo dưỡng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] Carsten Baumgarten, Mixture Formation in Internal Combustion Engines, pp 57-71, Springer - Verlag Berlin Heidelberg, 2006 Kazimierz Lejda and Pawel Woschi, Internal Combustion Engines, pp 32-45, Intech chapters published, 2012 Kazimierz Lejda, Fuel Injection in Automotive Engineering, pp 126-131, Intech chapters published, 2012 Lukasz Grabowski, AVL Simulation Tools Practical Applications, pp 78-86, Politechnika Lubelska Graz – Lublin, 2012 Hồ Đức Tuấn, Trần Thanh Hải Tùng, Mai Đức Nghĩa, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 7, trang 14-19, 2019 Stasys Slavinskas G.L and Irena Kanapkiene, Numerical model of common rail electromagnetic fuel injector, pp 63-68, Engineering for Rural Development, 2016 K.Mollenhauer and H.Tschoeke, Handbook of Diesel Engines, pp 216-260, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2010 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Hồ Đức Tuấn Trường Đại học Nha Trang Email: tuanhd@ntu.edu.vn Mai Đức Nghĩa Trường Sĩ quan Không quân Email: nghiamaiduc@gmail.com ... dưỡng hệ thống phun nhiên liệu, đặc biệt bơm cao áp giúp nâng cao hiệu suất làm việc ngăn ngừa cố xảy động diesel Nội dung nghiên cứu mô hệ thống phun nhiên liệu động diesel máy tàu cá (4CHE-Yanmar)... kim phun) trình bày hình Trong đó, ảnh hưởng mòn cam (trường hợp B) làm giảm áp suất ống cao áp lớn so với sai lệch trường hợp A Áp suất ống cao áp giảm đến khoảng 10% A giảm đến 16%, trường hợp. .. Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh liệu, dẫn đến thay đổi tiêu cơng tác động diesel [1], [2] Do đó, xác định ảnh hưởng áp suất đường ống cao áp tương tự áp suất phun nhiên liệu vòi phun pc yêu cầu cần thiết