v. Bố cục của luận án
1.1.3. Phun chính nhiều giai đoạn
Nhìn chung, KTPNGĐ đang được áp dụng khá phổ biến trên các động cơ diesel hiện đại và được coi là kỹ thuật phun khá hoàn thiện vì nó có hiệu quả tích cực trong việc cải thiện hiệu suất động cơ và giảm mức phát thải. Tuy vậy, không
phải bất kỳ chế độ vận hành nào của động cơ cũng áp dụng kỹ thuật phun nhiều giai đoạn, đặc biệt là ở chế độ tốc độ cao và tải cao. Do ở tốc độ cao, thời gian phun sẽ bị giảm đi nên việc điều khiển các quá trình phun sẽ rất khó khăn.
1.1.3.1. Khái niệm kỹ thuật phun chính nhiều giai đoạn
Kỹ thuật phun chính nhiều giai đoạn được hiểu là phương pháp tách quá trình phun chính một lần duy nhất thành hai hoặc nhiều lần phun với thời gian dừng nhất định giữa các lần phun [10]. PCNGĐ là thuật ngữ được mô tả tương ứng bởi cụm từ Split Injection. Hiện nay, PCNGĐ vẫn chưa có một định nghĩa thống nhất. Theo tác giả Mobasheri [19] và Balashowry [25]: khi tách quá trình phun một lần duy nhất thành 2 lần phun, ta được phun mồi/phun chính hoặc 2 lần phun chính. Phun mồi thường được hiểu là giai đoạn phun có ít hơn hoặc bằng 15% tổng lượng nhiên liệu được phun vào trong lần phun đầu tiên. Như vậy, ta có thể chấp nhận rằng, PCNGĐ là quá trình tách phun chính một lần duy nhất thành nhiều lần phun sao cho tỉ lệ của lần phun đầu tiên phải lớn hơn 15% tổng lượng nhiên liệu cấp vào trong một CTCT.
Hình 1.6 mô tả PCNGĐ với 2 giai đoạn phun. Theo Hình 1.6, đối với PC2GĐ, một QLP được đặc trưng bởi thời điểm bắt đầu phun - SOI (Start Of Injecction), thời gian phun - IT (Injection Time), thời gian dừng giữa 2 lần phun liên tiếp - RDT (Realized Dwell Time) và thời điểm kết thúc phun - EOI (End Of Injection).
Hình 1.6. Đặc trưng của kỹ thuật PC2GĐ
Quy luật phun này phụ thuộc trực tiếp vào quy luật xung điện điều khiển vòi phun do ECU gửi đến vòi phun, tương ứng là thời điểm bắt đầu cấp điện - SOE
(Start Of Energizing); thời gian cấp điện - ET (Energizing Time); thời gian dừng giữa hai lần cấp điện - DT (Dwell Time) và thời điểm kết thúc cấp điện - EOE (End Of Energizing). Chi tiết về các thông số của PC2GĐ được diễn giải trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1. Các thông số đặc trưng của PC2GĐ
Ký
hiệu Giải thích
Ký
hiệu Giải thích
SOE1 Thời điểm bắt đầu cấp điện lần 1 SOI1 Thời điểm bắt đầu phun lần 1 SOE2 Thời điểm bắt đầu cấp điện lần 2 SOI2 Thời điểm bắt đầu phun lần 2 EOE1 Thời điểm kết thúc cấp điện lần 1 EOI1 Thời điểm kết thúc phun lần 1 EOE2 Thời điểm kết thúc cấp điện lần 2 EOI2 Thời điểm kết thúc phun lần 2 ET1 Thời gian cấp điện lần 1 IT1 Thời gian phun lần 1
ET2 Thời gian cấp điện lần 2 IT2 Thời gian phun lần 2
DT Thời gian dừng điện RDT Thời gian dừng giữa 2 lần phun NOD1 Độ trễ mở lần 1 NCD1 Độ trễ đóng lần 1
NOD2 Độ trễ mở lần 2 NCD2 Độ trễ đóng lần 2
1.1.3.2. Những yếu tố ảnh hưởng đến việc áp dụng PCNGĐ
Khi thực hiện PCNGĐ, lượng nhiên liệu được chia thành nhiều lần phun dẫn đến thời gian nhiên liệu được phun vào xi lanh ứng với một lần phun ngắn hơn, chiều dài chùm tia phun ngắn hơn, việc va chạm của chùm tia phun với thành vách cũng được giảm đi [10]. Nhiều kết quả tính toán [10, 19, 25] đều cho thấy, tốc độ tỏa nhiệt và nhiệt độ của PCNGĐ đã được thay đổi so với phun chính 1 lần duy nhất. Khi nhiên liệu được phun lần thứ nhất, quá trình cháy đã bị làm chậm lại do tác động của nhiên liệu ở lần phun thứ hai, nên có một lượng nhiệt lớn được sinh ra trong giai đoạn sau của quá trình cháy, dẫn đến nhiệt độ giai đoạn sau cao hơn (so với phun 1 lần duy nhất), lượng soot bị oxy hóa nhiều hơn, và do đó phát thải soot thấp hơn [6]. Bên cạnh đó, lần phun thứ hai của nhiên liệu vào xi lanh đã góp phần tạo ra lực đẩy, đẩy trung tâm vùng cháy của lần phun thứ nhất ra xa hơn, phân tán rộng hơn trong không gian buồng cháy. Đồng thời, kết quả của lần phun thứ 2 còn tạo ra hai vùng có mật độ hóa học riêng biệt trong buồng cháy giúp thúc đẩy quá trình oxy hóa soot.
Bên cạnh đó, khi phân chia thành nhiều lần phun, lượng nhiên liệu cấp vào được chia thành nhiều lần dẫn đến lượng nhiệt giải phóng một cách đồng đều nên nhiệt độ cháy cao nhất trong xi lanh được giảm xuống, góp phần hạn chế sự hình thành NOx [25]. Một số thử nghiệm và nghiên cứu tính toán đã được thực hiện, để
kiểm tra tác dụng của PCNGĐ đến phát thải của động cơ diesel và đều khẳng định lợi ích của PCNGĐ trong việc giảm soot. Tow [26], chỉ ra rằng, lần phun nhiên liệu thứ hai giúp tăng cường sự hòa trộn nhiên liệu/không khí và do đó cải thiện quá trình oxy hóa soot từ lần phun đầu tiên. Han [27] cho rằng, lượng nhiên liệu được phun ở lần thứ hai thường là không nhiều so với tổng lượng phun (25%) và vùng có nhiệt độ cao của lần phun đầu tiên sẽ được đẩy đi xa hơn trong không gian buồng cháy. Nhiên liệu khi phun vào lần hai sẽ bị cháy nhanh hơn, và do đó nó hạn chế đáng kể việc tạo ra soot.
Hiện nay, bên cạnh những hiệu quả đạt được, việc áp dụng KTPCNGĐ còn tồn tại một số khó khăn như:
(1) - Khả năng công nghệ của HTPNL, đó là khả năng đáp ứng của vòi phun và ECU khi phun nhiều lần trong một thời gian ngắn với thời gian dừng giữa các lần phun phải đảm bảo rất ngắn, điều này đòi hỏi HTPNL có yêu cầu kỹ thuật cao, dẫn đến sự gia tăng chi phí khi ứng dụng phun chính nhiều giai đoạn.
(2) - Sự thay đổi về mặt công nghệ tạo hỗn hợp và cháy của động cơ, sự bố trí thêm nhiều hệ thống phụ trợ (để kiểm soát và xử lý ô nhiễm) trên động cơ hiện đại đã làm thay đổi nhiều đặc tính làm việc của động cơ, từ đó việc xác định quy luật phun tối ưu là rất khó khăn và quy luật phun này cũng không đồng nhất ứng với mỗi loại động cơ và mỗi chế độ vận hành cụ thể.
(3) - Do có thời gian chuyển tiếp giữa các lần phun, do đó để tổng lượng nhiên liệu cấp vào không đổi thì tổng thời gian phun (khi phun chính nhiều giai đoạn) bị kéo dài hơn so với phun một lần duy nhất, điều này sẽ ảnh hưởng nhất định đến sự hình thành NOx và soot.