Nghiên cứu mối liên hệ giữa xung điện, xung phun và thời gian dừng trong kỹ thuật phun chính nhiều giai đoạn

Bài viết xác định mối liên hệ giữa tín hiệu xung điện điều khiển vòi phun và tín hiệu xung phun, đồng thời xác định quy luật phun dựa trên kết quả mô phỏng vòi phun Common-Rail kiểu điện từ trên động cơ diesel Hyundai 2.5 TCI-A bằng phần mềm GT-Suite 7.5.

Journal of Science and Technique - N.208 (6-2020) - Le Quy Don Technical University NGHIÊN CỨU MỐI LIÊN HỆ GIỮA XUNG ĐIỆN, XUNG PHUN VÀ THỜI GIAN DỪNG TRONG KỸ THUẬT PHUN CHÍNH NHIỀU GIAI ĐOẠN Nguyễn Xuân Đạt*, Nguyễn Hoàng Vũ, Phạm Xuân Phương Đại học Kỹ thuật Lê Q Đơn Tóm tắt Hệ thống phun nhiên liệu, có điều khiển điện tử, kiểu Common-Rail sử dụng phổ biến động diesel đại Trong hệ thống này, quy luật phun (hay tốc độ phun) phụ thuộc trực tiếp vào quy luật xung điện điều khiển vòi phun độ trễ (điện thủy lực) vòi phun Hiện nay, việc xác định độ trễ mở độ trễ đóng vịi phun khó khăn cần nhiều trang thiết bị đại, đặc biệt áp dụng kỹ thuật phun nhiều giai đoạn Bài báo xác định mối liên hệ tín hiệu xung điện điều khiển vịi phun tín hiệu xung phun, đồng thời xác định quy luật phun dựa kết mơ vịi phun Common-Rail kiểu điện từ động diesel Hyundai 2.5 TCI-A phần mềm GT-Suite 7.5 Từ khóa: Xung điện; xung phun; thời gian dừng; phun nhiều giai đoạn; vịi phun điện từ Đặt vấn đề Hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL), kiểu Common-Rail (CR) hệ thống sử dụng nhiều HTPNL điều khiển điện tử (ĐKĐT) có áp suất phun cao, hoạt động linh hoạt, cho phép ứng dụng kỹ thuật phun (KTP) tiên tiến [3-6] Để thực KTP tiên tiến cần dựa tác động nhanh (mở nhanh, đóng nhanh) vịi phun, cho phép rút ngắn thời gian nâng hạ kim phun lần phun liên tiếp [7], giúp vịi phun thực nhiều lần phun chu trình cơng tác (CTCT) với thời gian dừng nhỏ Sự tác động nhanh phụ thuộc vào đặc tính điện từ đặc tính thủy lực vịi phun Hiện nay, xu hướng sử dụng kỹ thuật phun nhiều giai đoạn (KTPCNGĐ) hướng nghiên cứu nhận nhiều quan tâm có nhiều ưu điểm khả giảm phát thải [8], giảm tiếng ồn [9], nâng cao hiệu suất làm việc động [9] Tuy nhiên, với KTPCNGĐ, có ảnh hưởng lần phun thứ nên thời điểm phun, diễn biến trình phun lần hai phức tạp [7] Việc xác định xác thời điểm phun diễn biến trình phun thực nghiệm cơng việc khó khăn, địi hỏi trang thiết bị đại (hiện nay, giới số phịng thí nghiệm có khả thực việc này) * Email: xuandatk38@gmail.com 17 Selected Papers of Young Researchers - 2020 Bài báo tập trung làm rõ mối quan hệ xung điện, xung phun thời gian dừng hai lần phun KTPCNGĐ dựa kết mơ vịi phun CR, kiểu điện từ, sử dụng động diesel Hyundai 2.5 TCI-A phần mềm GT-Suite 7.5 [10] Kết nghiên cứu góp phần xác hóa liệu QLP đầu vào tính tốn CTCT hỗ trợ việc phân tích, đánh giá kết đo thực nghiệm thu áp dụng KTPCNGĐ Các thơng số tín hiệu điều khiển vịi phun tín hiệu phun Đối với vòi phun CR kiểu điện từ, động làm việc, ECU gửi tín hiệu đến vịi phun dạng xung điện để điều khiển đóng mở vịi phun Khoảng thời gian từ bắt đầu có lệnh cấp điện đến có lệnh ngắt điện ECU, gọi thời gian cấp điện (ET - Energizing Time) Còn khoảng thời gian từ lúc nhiên liệu bắt đầu phun đến kim phun đóng hồn toàn gọi thời gian phun (IT - Injection Time) [1] Tuy nhiên, vịi phun nhận tín hiệu điện, nhiên liệu chưa phun mà có độ trễ định, độ trễ gọi độ trễ mở vòi phun (Nozzle Opening Delay - NOD), tính từ ECU phát lệnh cấp xung điện cho vòi phun đến nhiên liệu bắt đầu phun từ lỗ vòi phun Tương tự, ngắt dòng điện điều khiển vịi phun, nhiên liệu khơng phải dừng phun mà có độ trễ định, độ trễ gọi độ trễ đóng vịi phun (Nozzle Closing Delay - NCD) [1] Hình Mối quan hệ quy luật điều khiển Những khái niệm quan trọng quy luật phun [1] trình bày hình Với vịi phun điện từ, NOD chịu ảnh hưởng lớn đặc tính điện từ cuộn cảm đặc tính thủy lực vịi phun (áp suất phun, khối lượng kim phun, khối lượng pít tơng điều khiển lực cản lị xo), NCD chủ yếu phụ thuộc vào đặc tính động lực vịi phun (áp suất phun, kích thước lỗ zích-lơ khoang điều khiển, khối lượng kim phun lực nén lò xo kim phun…) [1] Mối liên hệ ET IT theo công thức sau [1]: IT = ET + NCD – NOD (1) đó, NOD NCD tương ứng độ trễ mở độ trễ đóng vịi phun NCD thường lớn NOD vòi phun kiểu điện từ [1, 7], nên IT thường dài ET Trong KTPCNGĐ, QLP đặc trưng thời điểm bắt đầu phun lần (SOI - Start Of Energizing), thời gian phun lần (IT - Injection Time) thời gian 18 Journal of Science and Technique - N.208 (6-2020) - Le Quy Don Technical University dừng lần phun liên tiếp (RDT - Realized Dwell Time) [11] Tuy nhiên, có nhiều định nghĩa khác thời gian dừng hai lần phun Điều dẫn đến nhiều cách hiểu khác nhầm lẫn nói đặc tính phun Hình ví dụ điển hình cho khác biệt cách định nghĩa thời gian dừng Myung Yoon Kim cộng [8], định nghĩa thời gian dừng khoảng thời gian bắt đầu cấp điện lần đến thời điểm bắt đầu cấp điện lần (Hình 2a) Cịn theo Badami [12], Satkoski [13], Gyujin Kim [14], thời gian dừng hai lần phun khoảng thời gian tính từ thời điểm kết thúc phun lần đến bắt đầu phun lần (Hình 2b) Trên hình 2b phân biệt thời gian dừng lần cấp điện thời gian dừng lần phun a) b) Hình Sự khác cách xác định thời gian dừng lần phun KTPCNGĐ [8, 13] Hình Quy luật phun phun giai đoạn [11] SOE - thời điểm bắt đầu cấp điện (Start Of Energizing); ET1, ET2 - thời gian cấp điện (Energizing Time); DT - thời gian dừng hai lần cấp điện (Dwell Time); SOI - thời điểm bắt đầu phun (Start of injection); IT1, IT2 - thời gian phun (Injection Time); RDT - thời gian dừng lần phun (Realized Dwell Time) 19 Selected Papers of Young Researchers - 2020 Bài báo sử dụng thời gian dừng theo định nghĩa Badami, Satkoski, Gyujin Kim với đặc trưng QLP PCNGĐ thể hình [11] Theo hình 3, thời gian dừng hai lần phun (RDT) tính dựa thời gian dừng hai lần cấp điện (DT) theo công thức: RDT = DT + NOD2 – NCD1 (2) đó, NCD1 NOD2 tương ứng độ trễ đóng lần phun độ trễ mở lần phun Như vậy, với KTPCNGĐ, để xác định thời gian phun theo công thức (1) thời gian dừng hai lần phun theo công thức (2) cần phải xác định đồng thời tín hiệu xung điện điều khiển vịi phun, đặc tính vịi phun mối liên hệ chúng Xây dựng mơ hình mơ vịi phun CR kiểu điện từ (CRI2.2) Trong báo này, nhóm tác giả sử dụng phần mềm GT-Suite 7.5 [10], để khảo sát mối liên hệ ET IT, mối liên hệ DT với RDT, sử dụng KTPCNGĐ Đối tượng nghiên cứu vòi phun CRI2.2 (đây vòi phun CR, kiểu điện từ, hệ 2, lắp động diesel Hyundai 2.5 TCI-A, prail lớn 1600 bar [2]) Vịi phun CRI2.2 có lỗ phun, đường kính lỗ 0,144 mm [2, 15] Một số thông số kết cấu đo trực tiếp vòi phun cắt bổ Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng (Bộ Quốc phòng) xác định từ [16] Tín hiệu điều khiển vịi phun xác định thiết bị Osilocope [2] Các cụm chi tiết vịi phun CRI2.2 thể hình Hình Mơ hình vịi phun CRI2.2 [2] A - Nhiên liệu từ đường ống rail; B - Nhiên liệu hồi; Đường tiết lưu ra; Đường tiết lưu vào; Pít tơng; Khoang điều khiển; Van bi; Lò xo van điện từ; Van định vị; Cuộn dây điện từ; Lị xo vịi phun; 10 Kim phun Mơ hình mơ vịi phun CRI2.2 phần mềm GT-Suite gồm ba mơ hình thành phần là: Mơ hình điện từ (gồm mạch điện mạch từ), mơ hình thủy lực (mạch thủy lực) mơ hình khí (mạch khí) Ba mơ hình liên kết với tạo thành mơ hình mơ vịi phun (Hình 5) Mơ hình mơ vịi phun CRI2.2, hiệu chỉnh theo số liệu đo thực nghiệm Phịng thí nghiệm Động trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải Thực 20 Journal of Science and Technique - N.208 (6-2020) - Le Quy Don Technical University nghiệm tiến hành dải áp suất rail từ 600 bar đến 1400 bar, phù hợp với chế độ làm việc thường xuyên động thực (động Hyundai 2.5 TCI-A có prail từ 500 bar đến 1600 bar [2]) Tuy nhiên, khn khổ báo, nhóm tác giả trình bày kết điển hình, đại diện cho chế độ khảo sát Quá trình thực nghiệm xác định thời gian cấp điện ET [µs]; áp suất phun prail [bar]; tốc độ động n [vg/ph], lượng nhiên liệu cấp cho CTCT gct [mg/ct] Kết so sánh mô thực nghiệm lượng nhiên liệu cấp cho CTCT (gct) chế độ prail = 600 bar; 1000 bar 1400 bar, ET khác thể hình Kết hình cho thấy, quy luật thay đổi gct theo ET phù hợp mô thực nghiệm Sai số lớn gct prail = 600 bar 18% (tại ET = 1,2 ms); prail = 1000 bar, sai số lớn 4,2% (tại ET = 1,2 ms) prail = 1400 bar 9,2% (tại ET = 0,8 ms) Kết mơ vịi phun hệ thứ Bianchi cộng [17] cho thấy: Sai số mơ hình mơ ứng với lượng phun lớn Mạch điện Mạch từ Mạch thủy lực Mạch khí Hình Mơ hình vịi phun CRI2.2 phần mềm GT-Suite 7.5 21 Selected Papers of Young Researchers - 2020 (khoảng 12 mg/chu trình) nhỏ 5%, với lượng phun trung bình sai số 25% với lượng phun nhỏ sai số lên tới 40% Trong cơng trình [18], ET lớn, sai số lượng phun nhỏ 5%, ET nhỏ sai số lên tới 20% Như vậy, mơ hình mơ vịi phun CRI2.2 mà nhóm tác giả xây dựng có đủ độ tin cậy để sử dụng cho nghiên cứu Hình Hiệu chỉnh mơ hình mơ vịi phun CRI 2.2 dựa theo lượng nhiên liệu cấp cho CTCT Kết mô thảo luận 4.1 Mối quan hệ ET IT Kết mô prail = 1200 bar, với KTPCNGĐ, chế độ ET = 0,6 ms; ET = 0,8 ms ET = 1,0 ms trình bày hình Theo hình 7, IT prail = 1200 bar ln lớn ET NOD vòi phun ứng với mức ET khác không đổi, điều chứng tỏ NOD đại diện cho độ trễ điện vịi phun Bên cạnh đó, NCD thay đổi theo ET, ET lớn NCD lớn Kết khảo sát phụ thuộc NOD NCD theo prail ET thể hình Với mức prail (400; 600; 800 1200 bar), NCD ln lớn NOD 22 Hình Mối quan hệ ET IT prail = 600 bar Journal of Science and Technique - N.208 (6-2020) - Le Quy Don Technical University IT lớn ET Kết phù hợp với số nghiên cứu công bố [1, 7] Mặt khác, ET tăng dẫn đến NCD tăng, quan hệ trì giới hạn ET định prail tăng giới hạn giảm dần (với prail = 400 bar; 600 bar; 800 bar 1200 bar, giới hạn ET tương ứng 1,5 ms; 1,2 ms; ms 0,9 ms) NOD, NCD vòi phun, [ms] 0.8 0.6 NOD_1200 NOD_800 NOD_600 0.4 NCD_1200 NCD_800 NCD_600 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 Thời gian cấp điện ET, [ms] Hình So sánh NOD NCD dải áp suất phun khác ET thay đổi 4.2 Mối quan hệ DT RDT phun hai giai đoạn Khi áp dụng KTPCNGĐ, ngồi việc chịu ảnh hưởng độ trễ vòi phun, lần phun hai cịn chịu ảnh hưởng q trình phun lần tượng dao động truyền sóng áp suất đường ống cao áp vòi phun, thay đổi tỉ lệ phun thời gian dừng hai lần phun Do đó, NOD phun lần có thay đổi dẫn đến thời gian phun lần có thay đổi Trong KTPCNGĐ, DT (RDT) thông số quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ phun, lượng phun, độ trễ giai đoạn phun lần [7] Hình Ảnh hưởng DT đến NOD, NCD vòi phun prail = 600 bar 23 Selected Papers of Young Researchers - 2020 Kết khảo sát phun giai đoạn cho thấy, prail = 600 bar, tỉ lệ phun 70/30 (theo ET) [11], ứng với tổng ET = 1,1 ms, thay đổi DT, NOD1 NCD1 lần phun không đổi, NOD2 phun lần có thay đổi khơng nhiều (Hình 9), cịn NCD2 phun lần dao động Nguyên nhân tượng dao động áp suất đường ống cao áp sau phun lần tác động đến lần phun Như vậy, DT thay đổi, thời gian phun lần có thay đổi dao động NOD2 NCD2; DT đủ lớn (DT > 1120 µs), dao động áp suất lần phun khơng cịn ảnh hưởng đến lần phun (NOD2 khơng đổi) Hình 10 So sánh DT RDT áp dụng kỹ thuật phun giai đoạn Theo cơng thức (2), ảnh hưởng độ trễ (NCD lớn NOD) nên RDT nhỏ DT Kết mô diễn biến tốc độ phun theo ET KTPCNGĐ prail = 1000 bar; ET1 = 0,55 ms; ET2 = 0,55 ms với DT tăng dần từ 0,2 ms đến 1,0 ms thể hình 10 Hình 10 cho thấy DT RDT khác nhau, DT tăng RDT tăng giá trị RDT ln nhỏ DT Kết luận Độ trễ mở, độ trễ đóng đặc tính quan trọng vịi phun, giúp xác định xác QLP HTPNL động Kết mô cho thấy, NOD vòi phun CRI2.2 (lắp động Hyundai 2.5 TCI-A) xấp xỉ 200 µs khơng phụ thuộc vào prail ET Trong khi, NCD thay đổi prail ET thay đổi Đồng thời, NOD nhỏ NCD trường hợp khảo sát IT dài ET Trong KTPCNGĐ, 24 Journal of Science and Technique - N.208 (6-2020) - Le Quy Don Technical University ảnh hưởng độ trễ (NCD lớn NOD) nên DT lớn RDT Bên cạnh đó, lần phun thứ có ảnh hưởng đến lần phun thứ hai dao động truyền sóng áp suất đường ống cao áp vòi phun, nhiên độ trễ mở lần thay đổi không nhiều (khoảng 3% đến 6%) Trong phạm vi báo, nhóm tác giả xác định đặc tính vòi phun, chưa đánh giá định lượng ảnh hưởng dao động áp suất lần phun đến lần phun thứ ứng dụng KTPCNGĐ Ngoài ra, cần có thêm nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng tổng hợp vòi phun khác làm việc (động Hyundai 2.5 TCI-A có vịi phun) đến vịi phun khảo sát, đặc biệt sử dụng KTPCNGĐ Tài liệu tham khảo Konrad Reif (2014) Diesel Engine Management Systems and Components, Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden Nguyễn Hoàng Vũ (2017) Báo cáo tổng kết 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 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) Wloka J Pflaum S, Wachtmeister G (2010) Emission Reduction Potential of 3,000 bar Common Rail Injection and Development Trends CIMAC Paper No 195 Golubkov L N, Shatrov M G, Duninet A U (2015) Research of the Injection Pressure 2,000 Bar and More on Diesel Engine Parameters International Journal of Applied Research, 10(20), pp 41098-41102 R Payri, F J Salvador, P Martí-Aldaraví, and J Martínez-López (2012) Using onedimensional modeling to analyse the influence of the use of biodiesels on the dynamic behavior of solenoid-operated injectors in common rail systems: Detailed injection system model Energy Conversion and Management, 54(1), pp 90-99 ISSN: 0196-8904 Pötsch C Wloka J, Wachtmeister G (2011) Injection Spray Visualization for 3,000 bar Diesel Injection, in 24th Conference of the Institute for Liquid Atomization and Spray Systems Lucio Postrioti, et al (2014) Zeuch method-based injection rate analysis of a common-rail system operated with advanced injection strategies, 128, pp 188-198 Myung Yoon Kim, Seung Hyun Yoon, and Chang Sik Lee (2008) Impact of Split Injection Strategy on the Exhaust Emissions and Soot Particulates from a Compression Ignition Engine Fueled with Neat Biodiese Energy & Fuels, 22, pp 1260-1265 Mohammad Reza Herfatmanesh and Hua Zhao (2013) Experimental investigation of effects of dwell angle on fuel injection and diesel combustion in a high-speed optical CR diesel engine Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Journal of Automobile Engineering, 227, pp 246-260 10 https://www.gtisoft.com/gt-suite 25 Selected Papers of Young Researchers - 2020 11 Nguyễn Xuân Đạt, Nguyễn Hoàng Vũ, Phạm Xuân Phương (2018) Kỹ thuật phun nhiên liệu dùng cho động diesel điều khiển điện tử Hội nghị Khoa học Công nghệ Giao thông vận tải lần IV ISBN: 978-604-76-1578-0 12 M Badami, et al (2002) Influence of Multiple Injection Strategies on Emissions, Combustion Noise and BSFC of a DI Common Rail Diesel Engine SAE International 13 Chris A Satkoski, et al (2011) Cycle-to-cycle estimation and control of multiple pulse profiles for a piezoelectric fuel injector, in Proceedings of the 2011 American Control Conference, pp 965-972 14 Sunyoung Moon Gyujin Kim, Seungha Lee and Kyoungdoug Min (2017) Numerical Analysis of the Combustion and Emission Characteristics of Diesel Engines with Multiple Injection Strategies Using a Modified 2D Flamelet Model Energies, 10, 1292 15 GDS software, GDS/manual/H1-BUS(TQ)/2009/D2.5TCI-A 16 Vũ Đức Mạnh, Nguyễn Hoàng Vũ (2016) Nghiên cứu xây dựng mơ hình vịi phun Common Rail kiểu điện từ phần mềm GT-Suite Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số đặc biệt 17 Gian Marco Bianchi, et al (2001) Development of a Dynamic Model for Studying the 1st Generation of Common Rail Injectors for HSDI Diesel Engines 18 Julien Bohbot, et al (2008) Coupling of a 1-D Injection Model with a 3-D Combustion Code for Direct Injection Diesel Engine Simulations Diesel Engine, THE CORRELATION BETWEEN ENERGIZING, INJECTION AND DWELL TIME IN SPLIT INJECTION TECHNIQUE Abstract: The fuel injection system equipped with an electronic control unit has been widely adopted in modern diesel engines In this system, the injection profile depends directly on the electrical pulse driving the needle as well as the delays (e.g electrical delay and hydraulic delay) in the hydraulic system However, determination of these delays is currently challenging due to the requirement of expensive equipment and this is particularly true for studying multiinjection stratergy With the aid of GT-Suite 7.5 package, this paper develops a simulation model for a Hyundai 2.5 TCI-A injector to examine energizing, injection, and dwell time and determine their correlation Keywords: Energizing time; injection time; dwell time; split injection; solenoid injector Ngày nhận bài: 20/3/2020; Ngày nhận sửa lần cuối: 24/6/2020; Ngày duyệt đăng: 01/7/2020  26 ... [14], thời gian dừng hai lần phun khoảng thời gian tính từ thời điểm kết thúc phun lần đến bắt đầu phun lần (Hình 2b) Trên hình 2b phân biệt thời gian dừng lần cấp điện thời gian dừng lần phun. .. làm rõ mối quan hệ xung điện, xung phun thời gian dừng hai lần phun KTPCNGĐ dựa kết mơ vịi phun CR, kiểu điện từ, sử dụng động diesel Hyundai 2.5 TCI-A phần mềm GT-Suite 7.5 [10] Kết nghiên cứu. .. định thời gian dừng lần phun KTPCNGĐ [8, 13] Hình Quy luật phun phun giai đoạn [11] SOE - thời điểm bắt đầu cấp điện (Start Of Energizing); ET1, ET2 - thời gian cấp điện (Energizing Time); DT - thời