Nghiên cứu điều chỉnh các tham số trong mô hình cháy của động cơ diesel 2.5 TCI-A bằng phần mềm AVL-Boost theo diễn biến áp suất thực trong xi lanh

Bài viết trình bày kết quả hiệu chỉnh các tham số trong mô hình cháy của động cơ diesel Huyndai D4CB 2.5 TCI-A (dùng hệ thống phun kiểu CR, tăng áp tuabin khí thải kiểu VGT có làm mát khí tăng áp, sử dụng tuần hoàn khí thải EGR có làm mát khí tuần hoàn …) trong phần mềm AVL-Boost dựa theo kết quả thực nghiệm đo diễn biến áp suất trong xi lanh.

32 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHỈNH CÁC THAM SỐ TRONG MƠ HÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 2.5 TCI-A BẰNG PHẦN MỀM AVLBOOST THEO DIỄN BIẾN ÁP SUẤT THỰC TRONG XI LANH RESEARCH ADJUSTMENT OF MODEL PARAMETERS OF DIESEL ENGINE 2.5 TCI-A BY AVL-BOOST SOFTWARE FOOD PRESSURE IN CYLINDER THS TRẦN TRỌNG TUẤN1; TS NGUYỄN CÔNG ĐOÀN2; TS NGUYỄN VĂN TUÂN3; TS VŨ NGỌC KHIÊM4 1,2,3,4 Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải Email: trongtuanmtt47@gmail.com TĨM TẮT: Khi tính tốn chu trình cơng tác (CTCT) động diesel phun nhiên liệu điều khiển điện tử kiểu CommonRail (CR) phần mềm mô chun dụng AVL-Boost việc lựa chọn mơ hình cháy tham số tương ứng có ý nghĩa quan trọng Mơ hình cháy kết hợp với quy luật cung cấp nhiên liệu cho phép xác định chi tiết quy luật cháy tốc độ tỏa nhiệt cháy Bài báo trình bày kết hiệu chỉnh tham số mơ hình cháy động diesel Huyndai D4CB 2.5 TCI-A (dùng hệ thống phun kiểu CR, tăng áp tuabin khí thải kiểu VGT có làm mát khí tăng áp, sử dụng tuần hồn khí thải EGR có làm mát khí tuần hoàn …) phần mềm AVL-Boost dựa theo kết thực nghiệm đo diễn biến áp suất xi lanh Ngồi việc lựa chọn mơ hình thơng số mơ hình phù hợp cho đối tượng nghiên cứu, kết thu giúp đánh giá tác động tham số mơ hình cháy đến diễn biến quy luật nhiệt động xi lanh động diesel TỪ KHĨA: Mơ hình cháy Double Vibe, Mơ hình cháy AVL-MCC, Động diesel D4CB 2.5TCIA; phần mềm AVL-Boost, mơ chu trình cơng tác ABSTRACT: When calculating the working-cycle of the CommonRail diesel engine in the AVLBoost simulation software, the selection of the correct combustion model and their parameters is very important Combustion model combined with the fuel injection characteristic will allow to identify detailed burning rate and heat release rate in cylinder This paper presents results of selection and calibration combustion model (Double Vibe, AVL-MCC) of Hyundai D4CB 2.5 TCIA diesel engine (4-cylinder in-line, CommonRail CP3 fuel injection system, VGT exhaust turbocharger with intercooler, ERG ) in AVL-Boost software based on experimental results of incylinder pressure KEYWORDS: Working cycle, Double Vibe combustion model, AVL-MCC combustion model, D4CB 2.5TCI-A diesel engine, AVL-Boost ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện động diesel hệ điều khiển ECU tích hợp nhiều công nghệ đại như: hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử kiểu CR (với áp suất phun cao không phụ thuộc vào tốc độ động cơ; số lần, thời điểm lượng phun thay đổi linh hoạt cho mục đích khác nhau), hệ thống tăng áp tua bin khí thải kiểu VGT có làm mát khí tăng áp (cho phép tăng công suất động cơ, tăng khả đáp ứng động cơ, giảm nhiệt độ khí tăng áp….), hệ thống tuần hồn khí thải EGR có làm mát khí tuần hồn (giảm mức phát thải NOx) mô CTCT động phần mềm chun dụng cần lựa chọn mơ hình cháy phản ảnh đầy đủ đặc điểm công nghệ nói NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 33 Trong điều kiện nước ta để thực thí nghiệm chuyên sâu liên quan đến trình cháy động đốt khó khăn hạn chế mặt trang thiết bị, kinh phi việc sử dụng phần mềm mơ nhằm tính tốn CTCT, dự đốn trước thay đổi thông số theo yếu tố ảnh hưởng khác có ý khoa học giảm chi phí cho q trình nghiên cứu Bài báo trình bày kết nghiên cứu lý thuyết nhằm xây dựng thông số hiệu chỉnh tham số mơ hình cháy MCC động diesel D4CB 2.5TCI-A phần mềm AVL-Boost Kết nghiên cứu phục vụ trực tiếp cho việc xây dựng hiệu chỉnh mơ hình động phần mềm AVL-Boost CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MƠ HÌNH CHÁY MCC, [9] Trong phần mềm Boost sử dụng mơ hình cháy hịa trộn có kiểm sốt (Mixing Controlled Combustion) (MCC) [6,7] nhằm phục vụ cho việc dự đốn đặc điểm q trình cháy động cháy nén phun nhiên liệu trực tiếp Mơ hình xem xét ảnh hưởng q trình cháy hịa trộn trước (PMC) cháy khuếch tán (MCC) kiểm sốt q trình cháy Phương trình tính tốn cân nhiệt sau: dQtotal dQMCC dQPMC   d d d (2.7) Q trình cháy hịa trộn có kiểm sốt Trong q trình mức độ tỏa nhiệt hàm lượng nhiên liệu phun vào xilanh (f1) lượng động mật độ vận động (f2) dQMCC  CComb f1 (mF , QMCC ) f (k ,V ) (2.8) d với f (m F , QMCC )  (m F  f (k ,V )  C Rate QMCC Ccomb Crate k mF LCV V QMCC ).(wOxygen.available) CEGR (2.9) LCV k V (2.10) Lượng tỏa nhiệt cho q trình đốt cháy hịa trộn có kiểm sốt [kJ] Hệ số trình cháy [kJ/kg/deg] Hệ số hòa trộn [s] Mật độ lượng vận động xoáy lốc [m2/s2] Khối lượng nhiên liệu bay [kg] Nhiệt trị thấp nhiên liệu [kJ/kg] Thể tích xilanh [m3]  Góc quay trục khuỷu [Độ] wOxygen.available Tỷ lệ khối lượng oxy (cả lượng nạp vào lượng EGR) thời điểm bắt đầu phun Phƣơng trình bảo tồn động dòng tia phun NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 34 Lượng động truyền cho xilanh xác định thông qua lượng nhiên liệu phun vào xilanh Tham số tản nhiệt coi tỷ lệ thuận với lượng cấp vào Năng lượng động (TKE) tính tốn sau: dEkin  0.5 mF  F2  C Diss E kin dt k Ekin CTurb CDiss mF (2.11) Cturb E kin mF , I (1   Diff mstoich ) (2.12) Năng lượng động đối [J] Tham số lượng vận động rối xilanh [-] 0.5 Tham số tản nhiệt (cho sửa đổi [J /s]; cho mặc định [1/s]) Khối lượng nhiên liệu phun vào xilanh [kg] mF  F  A  Vận tốc phun   A Tiết diện lưu thơng có ích lỗ vịi phun [m2] F n mstoich Độ nhớt nhiên liệu [kg/m3] Tốc độ động [rpm] Khối lượng cân hóa học khí nạp Diff t Tỷ lệ dư lượng khơng khí để đốt cháy khuếch tán Thời gian [s] [m/s] [kg/kg] [-] THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH DIỄN BIẾN ÁP SUẤT BÊN TRONG XILANH ĐỘNG CƠ HUYNDAI D4CB 2.5 TCI-A Quá trình thử nghiệm thực Phòng thử động nhiều xi lanh, Viện Cơ khí Động lực, Đại học Bách Khoa Hà Nội Sơ đồ bố trí hình ảnh thực tế trang thiết bị phục vụ trình thử nghiệm thể Hình 2, Đường nước làm mát CB AVL QC33C Vịi phun Dây dẫn tín hiệu Hình Sơ đồ lắp đặt cảm biến đo áp suất thực xi lanh (AVL QC33C) Để xác định diễn biến pcyl, sử dụng cảm biến áp suất (kiểu áp điện) AVL QC33C (được làm mát nước), có dải đo từ đến 200 bar [4] Cảm biến áp suất lắp vào lỗ NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 35 khoan vị trí lắp buji sấy xi lanh thứ (sơ đồ lắp đặt trình bày Hình 1) Trong trình làm việc, cảm biến QC33C kết hợp với Encoder 364C (bước 0,5 độ góc quay trục khuỷu - GQTK) để xác định giá trị pcyl thời điểm tương ứng Tín hiệu pcyl tín hiệu GQTK ghi nhận thiết bị AVL Indiset 620 Hình Sơ đồ bố trí trang thiết bị thử nghiệm [4,5] APA 204/E/0934 - phanh thử; AVL 553 - hệ thống kiểm soát nhiệt độ nước làm mát; AVL 753 - hệ thống kiểm soát nhiệt độ nhiên liệu; AVL 733S - thiết bị đo lượng nhiên liệu tiêu thụ; PUMA - hệ thống tự động hóa thiết bị đo bệ thử; Cable Boom - hộp nối cáp tín hiệu từ cảm biến; FEM - chuyển đổi tín hiệu; K57 - bảng điều khiển; Oscilloscopes - máy sóng; ECU - điều khiển điện tử động D4CB; Throttle pedal - bàn đạp chân ga động cơ; G-Scan - thiết bị chẩn đoán theo chuẩn OBD-II; AVL Indiset 620 hệ thống chuyên dụng ghi nhận liệu xi lanh; PC - máy tính Hình Hình ảnh thực tế trang thiết bị thử nghiệm Các kết chi tiết diễn biến áp suất bên xilanh thử nghiệm trình bày cơng trình [4,5], diễn biến áp suất chế độ 3500 giá trị tải khác trình bày Hình NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ pcyl [bar]; Uinj 36 160 140 120 100 80 60 40 20 -60 pcyl;Uinj - 3500 -100% pcyl;Uinj - 3500 -75% pcyl;Uinj - 3500 -50% pcyl;Uinj - 3500 -25% -40 -20  [do GQTK] 20 40 60 Hình Diễn biến Pcyl nđc=3500 (vg/ph) Hình 5.Mơ hình động 2.5TCI-A XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ 2.5TCI-A Động diesel 2.5TCI-A động kỳ, xy lanh bố trí hàng, phun nhiên liệu trực tiếp, tăng áp tua bin khí thải VGT có làm mát khí tăng áp, sử dụng hệ thống tuần hồn khí thải EGR có làm mát khí thải tuần hoàn Hệ thống phun diesel kiểu CR động dùng bơm cao áp kiểu CP1H với áp suất phun lớn 1600 bar, [4,5] Mô hình động lập phần mềm AVL-Boost trình bày Hình Các phần tử mơ hình gồm: 04 phần tử xilanh ký hiệu từ C1 đến C4; tuabin-máy nén TC1; làm mát khí nạp làm mát khí EGR ký hiệu CO1 CO2; điều kiện biên đầu vào ra: SB1 SB2; lọc khí nạp CL1; đoạn ống đánh số từ đến 43; phần tử điểm đo ký hiệu từ MP1 đến M18 Thông số đầu vào mơ hình gồm: thơng số kết cấu (được xác định cách đo trực tiếp từ động cơ), thơng số lượng khí nạp, áp suất khí tăng áp, áp suất phun, lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình xác định băng thử động trình bày cơng trình [4] Mơ hình sau lập hiệu chỉnh theo đường đặc tính ngồi đồng thời pcyl chế độ 100% vòng quay 3500 (vg/ph) mô so sánh hiệu chỉnh với diễn biến áp suất thực xi lanh đo thực nghiệm băng thử động trình bày cơng trình [5] Hình ảnh chạy mơ hình phần mềm AVL Boost trình bày Hình Hình Mơ hình động 2.5TCI-A chạy phần mềm AVL-Boost NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 37 HIỆU CHỈNH CÁC THAM SỐ TRONG MƠ HÌNH CHÁY MCC DỰA TRÊN DIỄN BIẾN ÁP SUẤT THỰC TRONG XI LANH Kết đánh giá ảnh hưởng tham số mơ hình MCC đến diễn biến áp suất xilanh trình bày Hình b) a) c) Hình Ảnh hưởng tham số mơ hình MCC đến pcyl Căn vào kết thấy hệ số trình cháy (Ccomb) ảnh hưởng đến độ lớn thời điểm đạt Pz Khi tăng hệ số Ccomb tăng PZ thời điểm đạt Pz có xu hướng xa ĐCT điều giải thích tăng Ccomb làm tăng tốc độ tỏa nhiệt giai đoạn cháy khuếch tán điều làm tăng nhiệt độ áp suất cực đại xilanh Thơng qua kết mơ chọn Ccomb=0.6 đường diễn biến áp suất xilanh mơ bám sát với thực nghiệm nhất, (Hình 6-a) Hệ số Cturb đặc trưng cho mức độ vận động rối hỗn hợp môi chất công tác bên xilanh thời điểm phun nhiên liệu vào xilanh qua ảnh hưởng đến động mức độ phân rã chùm tia phun Hệ số Cturb ảnh hưởng đến độ lớn thời điểm đạt Pz Khi tăng hệ số Cturb tăng Pz thời điểm đạt Pz có xu hướng xa ĐCT tăng Cturb làm tăng mức độ vận động xoáy lốc xilanh thơng qua làm tăng khả phân rã chùm tia phun, tăng độ đồng chất lượng hỗn hợp cháy cải thiện trình cháy dẫn đến tăng Pz Việc lựa chọn giá trị Cturb phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: đặc điểm hệ thống cung cấp nhiên liệu, quy luật cung cấp nhiên liệu, hình dạng buồng cháy, nhiệt độ áp suất khí tăng áp Qua kết mơ chọn hệ số Cturb=1, (Hình 6-b) Hệ số CPMC đặc trưng cho trình cháy giai đoạn hịa trộn trước CPMC kết hợp với lượng nhiên liệu phun vào giai đoạn cháy hòa trộn trước định đến tổng lượng nhiệt cấp vào cho trình cháy giai đoạn Khi tăng CPMC đồng nghĩa với việc lượng nhiệt cấp vào cho giai đoạn cháy hòa trộn trước tăng mà lượng phun thời NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 38 KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ gian diễn q trình cháy khơng đổi làm cho q trình cháy giai đoạn diễn với tốc độ nhanh tạo điều kiện tốt cho trình cháy khuếch tán diễn làm tăng giá trị Pz nhiên thời điểm đạt PZ có xu hướng gần ĐCT Căn vào kết tính tốn chọn hệ số CPMC=0.8, (Hình 6-c) Kết luận – hƣớng phát triển - Phần mềm AVL-Boost có khả mơ chu trình cơng tác động diesel hệ có đặc điểm công nghệ đại như: phun nhiên liệu điều khiển điện tử, có hệ thống EGR làm mát khí EGR, tuabin kiểu VGT - Mơ hình động 2.5TCI-A lập hiệu chỉnh theo diễn biến áp suất thực xi lanh có độ xác cao sử dụng mơ hình phục vụ cho nghiên cứu liên quan đến động 2.5TCI-A - Trong khuôn khổ báo trình bày thơng số nhằm hiệu chỉnh mơ hình cháy động 2.5TCI-A hoạt động chế độ Nhằm hoàn thiện mơ hình mơ động diesel Hyundai D4CB 2.5TCI-A nói chung mơ hình cháy nói riêng thời gian tới tác giả cần xây dựng thông số hiệu chỉnh mơ hình cháy Tài liệu tham khảo [1] Hà Quang Minh, Lý thuyết động cơ, Hà Nội, NXB Quân đội nhân dân, 2002 [2] Hà Quang Minh, Nguyễn Hoàng Vũ, Phun nhiên liệu điều khiển điện tử động đốt trong, NXB Quân đội nhân dân, Hà Nội-2010 [3] Nguyễn Hoàng Vũ, Thuyết minh đề tài NCKH & PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học với mức pha trộn khác nhau”, mã số ĐT.08.14/NLSH, thuộc Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 [4] Trần Trọng Tuấn, Phạm Trung Kiên, Phùng Văn Được, Nguyễn Hồng Vũ…, Xác định thơng số cơng tác mức phát thải ô nhiễm động diesel Hyundai 2.5TCI-A thực nghiệm, Tạp chí Cơ khí tồn quốc 11/2015 [5] Phùng Văn Được, Trần Trọng Tuấn, Phạm Trung Kiên, Nguyễn Hoàng Vũ…,Khảo sát ảnh hưởng chế độ tải, tốc độ đến diễn biến trình phun nhiên liệu áp suất xilanh động diesel Hyundai 2.5TCI-A thực nghiệm, Tạp chí khí tồn quốc 11/2015 [6] Chmela, F and Orthaber, G.,Rate of Heat Release Prediction for Direct Injection Diesel Engines Based on Purely Mixing Controlled Combustion, SAE paper 1999 01 0186 [7] Poetsch, C., Crank-Angle Resolved Modeling of Fuel Injection and Mixing Controlled Combustion for Real- Time Application In Steady-State and Transient Operation, SAE Technical Paper 2014-01-1095, doi:10.4271/2014- 01-1095 [8] Andree, A.and Pachernegg, “Ignition Conditions in Diesel Engines, SAE 690253 [9] AVL List GmbH (2013), Theory and Guide Document [10] Sitkei, G, Kraftstoffausbreitung und Verbrennung bei Dieselmotoren, Springer Verlag, 1964 Ngƣời phản biện: TS Nguyễn Quang Anh - Trƣờng Đại học Công nghệ GTVT NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 ... hiệu chỉnh với diễn biến áp suất thực xi lanh đo thực nghiệm băng thử động trình bày cơng trình [5] Hình ảnh chạy mơ hình phần mềm AVL Boost trình bày Hình Hình Mơ hình động 2. 5TCI-A chạy phần mềm. .. Mơ hình động 2. 5TCI-A lập hiệu chỉnh theo diễn biến áp suất thực xi lanh có độ xác cao sử dụng mơ hình phục vụ cho nghiên cứu liên quan đến động 2. 5TCI-A - Trong khn khổ báo trình bày thơng số. .. diesel D4CB 2. 5TCI-A phần mềm AVL-Boost Kết nghiên cứu phục vụ trực tiếp cho việc xây dựng hiệu chỉnh mơ hình động phần mềm AVL-Boost CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MƠ HÌNH CHÁY MCC, [9] Trong phần mềm Boost