v. Bố cục của luận án
2.2.2. Nhóm các thông số về hệ thống nạpthải
Các thông số về lưu lượng, áp suất, nhiệt độ khí nạp trước và sau tăng áp, áp suất và nhiệt độ khí thải theo các chế độ tải và tốc độ khác nhau của động cơ được đo thực nghiệm trên bệ thử động cơ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội nhờ các cảm biến. Bảng 2.3, cho biết kết quả xác định thông số vận hành của hệ thống nạp thải khi động cơ làm việc ở đặc tính ngoài [1].
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]
n [vg/ph] Pkk [bar] Gkk [kg/h] Tamb [oC] Tint [oC] Độ mở van VGT [%] Texh [oC] 1000 1,304 93,9 32,8 37 78 538 1500 1,894 180 33,1 54 42 628 2000 2,196 289,5 34,2 53 30 726 2500 2,292 363,9 33,3 68 16 809 3000 2,333 438,2 37,3 58 20 858 3500 2,361 504,7 35,5 59 24 823
Các thông số về diễn biến độ nâng và hệ số lưu lượng qua xu páp nạp, thải và MAP điều khiển tuabin được xác định bằng thực nghiệm trên bệ thử nghiệm tổn thất khí động học tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội được trình bày trên Hình 2.3 và Bảng 2.4 [1].
Hình 2.3. Độ nâng và hệ số lưu lượng qua xu páp [1] Bảng 2.4. Map điều khiển tuabin [1]
X Y 0 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 Z 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 1 1,05 1,05 1,11 1,05 1,11 1,11 1,17 1,24 1,17 1,24 1,27 1,27 1,29 20 1 1,06 1,06 1,16 1,09 1,18 1,16 1,27 1,34 1,27 1,34 1,4 1,41 1,42 30 1 1,08 1,08 1,18 1,14 1,18 1,18 1,37 1,42 1,37 1,42 1,57 1,59 1,60 40 1 1,1 1,1 1,23 1,18 1,24 1,27 1,5 1,57 1,5 1,57 1,68 1,69 1,72 50 1 1,12 1,12 1,32 1,22 1,25 1,38 1,63 1,68 1,63 1,68 1,81 1,82 1,86 60 1 1,12 1,12 1,42 1,26 1,34 1,48 1,75 1,81 1,75 1,81 1,98 2,01 2,08 70 1 1,13 1,13 1,54 1,32 1,42 1,57 1,89 1,98 1,89 1,98 2,1 2,11 2,15 80 1 1,13 1,13 1,63 1,37 1,5 1,68 1,99 2,07 1,99 2,07 2,3 2,33 2,35
X = tốc độ động cơ (vòng/phút); Y = lượng phun (mg); Z = áp suất khí tăng áp (bar)
2.3. Thực nghiệm đo QLCCNL bằng phƣơng pháp Zeuch
2.3.1. Chế độ thực nghiệm
- Thực nghiệm xác định đặc tính của vòi phun CRI2.2 và các thông số của QLCCNL được tiến hành với 2 trường hợp là phun một giai đoạn và PC2GĐ.
- Đối với phun một giai đoạn, chế độ đo được chọn trong phạm vi rộng với áp suất phun (prail) từ 600 bar đến 1600 bar và thời gian cấp điện (ET) từ 0,3 ms đến 1,2ms (tương ứng với dải vận hành trên động cơ [1]).
- Đối với PC2GĐ, chế độ đo được tiến hành ở áp suất phun giống phun một giai đoạn và tỉ lệ phun về thể tích V1/V2 lần lượt là 30/70; 50/50 và 70/30 (sao cho V1 + V2 bằng thể tích V0 khi phun một giai đoạn), thời gian dừng DT từ 0,2 ms đến 1,8 ms, bước nhảy 0,2 ms. 0 2 4 6 8 10 0 15 30 45 60 75 90 105 120 Độ n ân g xu p áp , [m m ] Góc quay trục cam, [độ] xu páp nạp xu páp thải 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 H ệ số lƣu lƣợ ng , [ -] Độ nâng xu páp, [mm] Xu páp nạp Xu páp thải
- Loại nhiên liệu sử dụng trong thử nghiệm là: B0, B40 và B100. Khái quát các chế độ thực nghiệm được tổng hợp trong Bảng 2.5.
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
STT Kỹ thuật phun Loại nhiên liệu prail, [bar] DT, [ms] V1/V2 0 Phun một giai đoạn B0 B40 B100 600 1000 1400 1600 - ET, [ms] 0,3; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2 1 PC2GĐ 70/30 0,2 1,8 9 bước 70/30 a 2 PC2GĐ 50/50 0,2 1,8 9 bước 50/50 a 3 PC2GĐ 30/70 0,2 1,8 9 bước 30/70 a a
Trong đó: tỉ số (V1/V2) là tỉ lệ phun tính toán của PC2GĐ.
V1, V2 được xác định từ thể tích (V0) của phun một giai đoạn sao cho V1 +V2= V0.
Tuy nhiên, trong thực tế, lượng phun của hai lần phun (V1’, V2’) có thể khác so với lượng phun tính toán ban đầu (V1, V2).
2.3.2. Trang thiết bị thực nghiệm
Để xác định các thông số của QLCCNL như thời điểm bắt đầu phun, thời gian phun, diễn biến IR. Hiện nay, có hai phương pháp kinh điển đang được các hãng sản xuất áp dụng đó là phương pháp Bosch và phương pháp Zeuch, mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng [73]. Bằng rất nhiều thử nghiệm, Arcoumanis và Baniasad [73] đã chỉ ra rằng, cả hai phương pháp Bosch [74] và Zeuch [75] đều cho kết quả lượng phun trung bình chính xác như nhau. Phương pháp Zeuch có quá trình tính toán phức tạp hơn nhưng lại cho biên dạng đường diễn biến IR ổn định hơn (tức là chính xác hơn) so với phương pháp Bosch [73]. Dựa trên kết quả so sánh này, một hệ thống thực nghiệm đo QLCCNL theo phương pháp Zeuch là UniPg STS (UniPG Injection Analyzer Shot-to-shot) [30] đã được thiết kế và chế tạo tại Phòng thí nghiệm SprayLab (Khoa Kỹ thuật - Đại học Perugia - Italia).
Để xác định QLCCNL của vòi phun CRI2.2 theo phương pháp Zeuch, các trang thiết bị trên bệ thử UniPg STS được xây dựng tương ứng như HTPNL trên động cơ thực và được trình bày trên Hình 2.4 [30]. Để các điều kiện ban đầu của quá trình thử nghiệm tại Italia đồng nhất với các điều kiện thử nghiệm trên động cơ thực tại Việt Nam, NCS đã chuyển các cụm vòi phun CRI2.2 (sử dụng trên động cơ
Hyundai 2.5 TCI-A tại Việt Nam) cùng nhiên liệu diesel sinh học gốc B100 (có nguồn gốc từ dầu cọ - sản phẩm của Đề tài mã số ĐT06.12/NLSH) tới Phòng thí nghiệm SprayLab của Đại học Perugia, Italia. Do quy chuẩn Việt Nam về nhiên liệu diesel (QCVN 1:2019/BKHCN) có các các chỉ tiêu chất lượng cơ bản tương tự như quy chuẩn Châu Âu về nhiên liệu diesel (Hướng dẫn 98/70/EC của Hội đồng Châu Âu), do đó khi thử nghiệm ngoài nhiên liệu diesel sinh học gốc (B100) được chuyển từ Việt Nam sang, NCS đã sử dụng nhiên liệu diesel thương mại (B0) có bán tại Italia. Hỗn hợp biodiesel (B40) được hình thành bằng cách phối trộn B0 và B100 theo tỉ lệ 40% B100 về thể tích.
CRI2.2 – vòi phun động cơ Hyundai 2.5 TCI-A; UniPg STS – thiết bị phân tích vòi phun theo phương pháp Zeuch; Coriolit mass flow meter – cảm biến lưu lượng chất lỏng; Siement FC – thiết bị chuyển đổi tín hiệu; cDAQ – bộ thu thập và chuyển đổi tín hiệu; Labview – phần mềm điều khiển;RPCV – van điều chỉnh lưu lượng; PCV – van điều chỉnh
áp suất; Amplifier – bộ khuếch đại tín hiệu; 1 – Encoder; 2,3,5- cảm biến áp suất; 4- cảm biến nhiệt độ và áp suất nhiên liệu hồi; 6- cảm biến nhiệt độ; TA189- ampe kìm.
Hình 2.4. Sơ đồ bố trí trang thiết bị thực nghiệm trên bệ thử UniPg STS tại PTN SprayLab, Đại học Perugia, Italia
Trong sơ đồ trên, vòi phun CRI2.2 được đặt vào khoang đo của thiết bị phân tích vòi phun UniPg STS. Tại đây, một cảm biến áp suất độ nhạy cao (Kistler 4075A100) được sử dụng để xác định sự thay đổi áp suất trong buồng đo trong quá trình phun, tín hiệu thu được từ cảm biến được khuếch đại bằng bộ Amplifier (Kistler 4618A2) trước khi đưa tới bộ thu thập và xử lý tín hiệu cDAQ (Ni-cRIO 9074). Lượng nhiên liệu của mỗi lần phun được xả ra ngoài buồng đo nhờ một van xả tác động nhanh, kiểu điện từ. Lưu lượng nhiên liệu thoát ra được xác định bằng cảm biến lưu lượng kiểu Coriolis (FC Mass 500) và được gửi tới bộ xử lý tín hiệu Sitrans Mass 600 rồi đưa tới cDAQ. Áp suất phun trong hệ thống được kiểm soát dựa theo tín hiệu cảm biến áp suất trong ống rail (2) và độ mở của van điều chỉnh áp suất PCV (trên ống rail), van điều chỉnh lưu lượng RPCV (trên bơm cao áp). Tín hiệu xung điện điều khiển vòi phun được kiểm soát bởi Ampe kìm TA-189 (kết nối với cDAQ). Bên cạnh đó, để khảo sát sự dao động áp suất trong đường ống cao áp trước vòi phun (dao động áp suất do một vòi phun gây ra), trên bệ thử UniPg STS có bố trí thêm một cảm biến áp suất độ nhạy cao (AVL SL21D-2000) ngay trên đường ống cao áp trước vòi phun (3). Toàn bộ các tín hiệu điều khiển hệ thống phun và vòi phun cũng như các tín hiệu đo đều được xử lý bằng chương trình điều khiển (lập trình từ phần mềm Labview). Kết quả đo được hiển thị trên máy tính hoặc lưu lại thông qua bảng số liệu để phục vụ việc phân tích các đặc trưng của QLCCNL.
Hệ thống UniPg STS cho phép xác định đồng thời diễn biến IR và lượng phun theo tín hiệu xung điện điều khiển vòi phun, kết hợp với bộ thu thập, xử lý tín hiệu và điều khiển (lập trình từ phần mềm Labview), QLCCNL của các vòi phun kiểu CR có thể được xác định một cách chính xác. Bên cạnh đó, để đánh giá và dự đoán được các hiện tượng thủy động diễn ra bên trong vòi phun, diễn biến áp suất trong ống rail cũng được xác định đồng thời với các thông số của QLCCNL. Các kết quả đo trên UniPg STS được đánh giá đảm bảo độ tin cậy và độ chính xác cao [30, 76-78]. Hệ thống UniPg STS có thể làm việc với các loại nhiên liệu khác nhau như xăng, diesel, diesel sinh học và phù hợp với các kỹ thuật phun tiên tiến.
Một trong các các bộ phận quan trọng nhất trên bệ thử UniPg STS là thiết bị phân tích vòi phun UniPg STS, dùng để đo IR nhiên liệu. Thiết bị này làm việc theo phương pháp Zeuch [75], đo lưu lượng thể tích bằng cách xác định sự gia tăng áp suất gây ra bởi mỗi lần phun trong một thể tích kín. Sự gia tăng áp suất Δp trong buồng đo tỷ lệ thuận với thể tích phun ΔV theo phương trình (2.1). Đạo hàm theo thời gian phương trình lấy từ (2.1) xác định được IR nhiên liệu theo thể tích (2.2):
trong đó: - là độ tăng áp suất trong buồng đo; - độ tăng thể tích trong buồng đo; k- mô đun đàn hồi của nhiên liệu; V0- là thể tích buồng đo.
Để xác định được IR theo công thức (2.2), tỉ số
được xác định nhờ cảm biến áp suất đặt trong khoang đo của thiết bị, còn tỉ số được xác định từ phương trình (2.3):
Để nâng cao độ chính xác của tỉ số , kết quả của mỗi một phép đo được lấy từ kết quả trung bình của 300 lần đo giống nhau.
Mặt khác, lượng phun tính theo khối lượng và lượng phun tính theo thể tích được liên hệ với nhau bởi phương trình:
Đạo hàm phương trình (2.4) theo thời gian được lưu lượng dòng nhiên liệu xác định bởi (2.5):
̇
trong đó: m- lượng phun tính theo khối lượng; V- lượng phun tính theo thể tích; ̇- lưu lượng khối lượng của nhiên liệu; - khối lượng riêng của nhiên liệu;
– được gọi là hằng số của thiết bị UniPg STS.
Sau mỗi lần phun, một van xả nhanh kiểu điện từ sẽ xả lượng nhiên liệu đúng bằng lượng nhiên liệu đã phun vào buồng đo để khôi phục áp suất ban đầu trong buồng đo. Động cơ diesel Hyundai 2.5 TCI-A là động cơ có sử dụng hệ thống tăng áp kiểu tuabin khí xả, áp suất cuối kỳ nén trong xi lanh của động cơ nằm trong khoảng từ 30 bar - 50 bar tùy theo thời điểm xét. Do vậy để quá trình phun của vòi phun CRI2.2 vào khoang đo của thiết bị UniPg STS có sự tương đồng như trên động cơ thực, áp suất ban đầu trong khoang đo được thiết lập là 40 bar trong các phép đo cho vòi phun này (tương ứng với áp suất trung bình cuối kỳ nén trong xi lanh). Như vậy độ chênh giữa áp suất thiết lập trong khoang đo và trong xi lanh của động cơ ở cuối kỳ nén khoảng 10 bar, độ chênh này rất nhỏ so với áp suất phun của vòi phun CRI2.2 (từ 600 bar đến 1600 bar), do vậy quá trình phun nhiên liệu vào khoang đo của thiết bị UniPg STS và phun vào trong xi lanh của động cơ ở cuối kỳ nén là hoàn toàn tương tự nhau. Nhiên liệu của mỗi lần phun được xả ra, chảy qua
một đồng hồ đo lưu lượng khối lượng Coriolis (FC Mass 500 + Siemen Sitrans Mass 600), xác định được lưu lượng phun trung bình để hiệu chỉnh hằng số thiết bị ( ), theo cách sao cho tích phân IR bằng khối lượng phun trung bình. Quy trình tự hiệu chỉnh này, cho phép tránh các lỗi đo lường xuất phát từ sự thay đổi tính chất nhiên liệu (mật độ và mô đun đàn hồi) theo nhiệt độ và áp suất. Tính năng này rất quan trọng quá trình thử nghiệm vì phạm vi thay đổi rộng của nhiệt độ nhiên liệu theo áp suất rail [76].
2.3.3. Trình tự tiến hành thực nghiệm
2.3.3.1. Xác định, hiệu chỉnh đặc tính dòng điện điều khiển
Đối với vòi phun kiểu điện từ, đặc tính dòng điện điều khiển có ảnh hưởng trực tiếp đến sự vận hành của vòi phun thông qua quá trình làm việc của van điện từ [11, 37, 77, 79], do đó ảnh hưởng đến độ trễ của vòi phun, tốc độ nâng kim phun và diễn biến tốc độ phun. Như giới thiệu ở trên, hệ thống phân tích vòi phun UniPg STS không sử dụng bộ điều khiển trung tâm ECU để điều khiển quá trình vận hành của vòi phun, thay vào đó hệ thống đã sử dụng bộ thu thập, phân tích, xử lý tín hiệu và điều khiển cDAQ (Ni-cRIO 9074) kết hợp với phần mềm Labview để điều khiển vòi phun. Do đó để giả lập tín hiệu điều khiển giống như tín hiệu cung cấp bởi ECU, hệ thống UniPg STS cần phải được nạp các thông số thể hiện diễn biến dòng điện điều khiển giống như dòng điện điều khiển cho vòi phun CRI2.2 khi vận hành trên động cơ thực (Hình 2.5) bao gồm: giá trị dòng điện lớn nhất (Ifull), giá dòng điện đạt đỉnh mức 1 (Ipeak1) và mức 2 (Ipeak2) , thời gian để dòng điện đạt giá trị lớn nhất (t1), thời gian chuyển tiếp sang dòng điện đỉnh (t2; t3) và thời gian chuyển tiếp từ dòng điện đỉnh về 0 (t4). Để xác định các thông số này, luận án đã sử dụng kết quả đo từ đề tài ĐT08.14/NLSH [1].
Kết quả xác định các thông số dòng điện điều khiển trong mạch điều khiển vòi phun của ECU nguyên thủy của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A được thể hiện trên Hình 2.5. Hình 2.5 cũng cho biết kết quả hiệu chỉnh dòng điện điều khiển vòi phun trên bệ thử UniPg STS, sau khi nhập các thông số dòng điện đo trong mạch điều khiển của ECU. Hình 2.5 cho thấy rằng dòng điện điều khiển vòi phun CRI2.2 sử dụng cho quá trình thực nghiệm trên bệ thử UniPg STS là tương đồng với dòng điện điều khiển vòi phun trên động cơ thực.
Hình 2.5. Kết quả hiệu chỉnh dòng điện điều khiển vòi phun trên bệ thử UniPg STS
2.3.3.2. Kiểm tra rò rỉ và ổn định nhiệt độ làm việc của nhiên liệu
Bệ thử UniPg STS thường vận hành trong điều kiện nhiên liệu có áp suất cao và lượng phun cho mỗi lần phun thường rất nhỏ tương đồng với QLP của các vòi phun CR (từ 0,8 mm3 đến 100 mm3/1 chu trình), do đó độ chính xác và độ tin cậy của kết quả đo chịu ảnh hưởng nhiều bởi độ kín của hệ thống. Vì vậy, trước khi tiến hành đo, bệ thử cần được kiểm tra, khắc phục các hiện tượng rò rỉ. Quy trình vận hành kiểm tra rò rỉ được thực hiện theo các bước: (i) vận hành hệ thống ở áp suất rail thấp (50 bar); (ii) tăng dần áp suất rail từ 50 bar đến 1650 bar (cho HTPNL có áp suất phun lớn nhất là 1600 bar), bước nhảy 50 bar và duy trì sự làm việc của hệ thống ở áp suất rail 1650 bar khoảng 15 phút; (iii) giảm dần áp suất rail từ 1650 bar xuống 50 bar, bước nhảy 50 bar.
Bên cạnh đó, nhiệt độ làm việc của nhiên liệu có ảnh hưởng đáng kể đến thuộc tính của nhiên liệu (độ nhớt, khối lượng riêng…), do đó nó ảnh hưởng đáng kể đến thời điểm bắt đầu phun, biên dạng đường diễn biến IR và lượng phun [76, 80, 81]. Vì vậy, trước khi tiến hành phép đo, bệ thử cần được vận hành trong một khoảng thời gian nhất định, đảm bảo nhiệt độ làm việc tối thiểu của nhiên liệu đạt ngưỡng 40o
C (phù hợp với nhiệt độ làm việc thực tế của nhiên liệu khi động cơ đã được sấy nóng [76]).
2.3.3.3. Nội dung thực nghiệm
Thực nghiệm tiến hành cho 3 loại nhiên liệu là B0, B40 và B100. Các nội dung thử nghiệm đối với mỗi loại nhiên liệu là như nhau, bao gồm 3 nội dung sau:
(1) – Xác định đồng thời diễn biến tốc độ phun, áp suất phun, lượng phun,