v. Bố cục của luận án
3.3.1. Cơ sở lý thuyết
HTPNL kiểu CR dùng trên động cơ diesel Hyundai 2.5 TCI-A gồm các khối: Khối cấp nhiên liệu thấp áp (gồm thùng dầu, bơm cấp nhiên liệu, lọc dầu, ống dẫn dầu và đường dầu hồi); Khối nhiên liệu cao áp (gồm bơm cao áp, ống rail, các đường ống cao áp, van an toàn và vòi phun); Khối điều khiển (gồm các cảm biến, van SCV, van RPCV, ECU). Sơ đồ nguyên lý của hệ thống được trình bày trên Hình 3.1.
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý HTPNL kiểu CR [1, 86]
Trong HTPNL kiểu CR, vòi phun là phần tử tiên tiến nhất, cho phép thực hiện các kỹ thuật phun phức tạp như phun nhiều giai đoạn và PCNGĐ. Vì vậy, để xác định chính xác QLCCNL cần mô phỏng chính xác động lực học của các phần tử trong vòi phun và điều kiện làm việc của vòi phun. Vòi phun CRI2.2 sử dụng trên động cơ diesel Hyundai 2.5 TCI-A là vòi phun CR kiểu điện từ, bao gồm 3 khối chính: khối điện từ, khối cơ khí và khối thủy lực.
3.3.1.1. Mô hình điện từ
các tác giả [87]. Dựa trên công trình này, hoạt động của mạch điều khiển (mạch điện và mạch từ) có thể được mô hình hóa bởi phương trình (3.1) [87]:
(3.1) trong đó: v điện áp, r là điện trở mạch, φlà tổng từ thông, i là cường độ dòng điện điều khiển vòi phun (i).
i là một hàm không tuyến tính theo vị trí van phần ứng x và lưu lượng từ thông (nghĩa là i = f (x,φ)). Theo đề xuất của Filicori và cộng sự [88], cường độ dòng điện i có thể được biểu thị dưới dạng tổng của hai số hạng theo phương trình (3.2): một số hạng trong đó phụ thuộc vào từ trở, một số hạng khác đại diện cho một nhóm các thông số phi tuyến tính:
(3.2) trong đó: J(x)- đại diện cho một nhóm các thông số phụ thuộc vào vị trí của van phần ứng và khe hở không khí giữa van phần ứng và nam châm; W(φ)- là hàm của các thông số phi tuyến ảnh hưởng đến độ bão hòa của từ thông trong phần lõi từ.
Nhóm thông số phi tuyến W(φ) có thể được biểu thị bằng phương trình (3.3) [88] như sau:
(3.3) trong đó: γn - là các hệ số và thứ tự khai triển tương ứng của chúng.
Từ các công thức (3.1), (3.2), (3.3), một biểu thức mới của cường độ dòng điện i được xác định theo phương trình (3.4) [88] là:
(3.4) trong đó: nhóm thông số đầu tiên G(x) được khai triển dưới dạng đa thức bậc nhất [88] sau:
(3.5) Cuối cùng, theo Filicori và cộng sự [88], lực từ F có thể được xác định theo biểu thức (3.6) như sau:
(3.6)
3.3.1.2. Mô hình cơ khí
Để đánh giá các đặc tính cơ học của kim phun thực, các thành phần của vòi phun được mô hình hóa như một khối lắp ghép giữa lò xo và bộ giảm xóc lò xo
tương tự như một bộ dao động điều hòa cưỡng bức đơn giản (Hình 3.2). Mỗi một phần tử của vòi phun được coi là một chi tiết có một hoặc nhiều khối lượng, tùy thuộc vào kích thước của nó. Phương trình cơ bản của bộ giảm xóc lò xo đơn là:
(3.7) Trong đó: m - là khối lượng của các thành phần chuyển động, c- hệ số giảm xóc nhớt và k – hệ số đàn hồi của lò xo, F0- là tổng tải ban đầu của lò xo và F - là tổng lực tác dụng dọc theo trục lên khối lượng kim phun.
Hình 3.2. Mô hình thân vòi phun
Như được thể hiện trong Hình 3.2, để mô hình hóa các hoạt động ở bên trong vòi phun: trục và van phần ứng được giả định bao gồm hai khối; kim phun được mô hình hóa thông qua bốn khối. Trong mỗi trường hợp, giữa hai khối có một lò xo và một giảm chấn. Các mô hình cơ khí có thể mô phỏng bất kỳ khối chi tiết chịu nén bằng phương pháp mô hình hóa này. Các mô hình con này dùng để giải thích cho sự tác dụng của lực trong các hoạt động của vòi phun (các lực đàn hồi bên trong và độ nhớt vận động; các lực va chạm;, các lực điện và từ; các lực đàn hồi bên ngoài; các lực thủy lực).
Các lực đàn hồi và độ nhớt bên trong là lực được tạo ra giữa các khối lượng trong mỗi phần tử của kim phun đã được chia nhỏ và tuân theo phương trình cơ bản (3.8) và (3.9):
(3.8) (3.9) trong đó: kint- là độ cứng của phần tử giữa hai khối lượng m1và m2, và kviscous
cho kintđược xác định bởi phương trình (3.10):
(3.10) trong đó: E- mô đun đàn hồi, A- diện tích mặt cắt ngang và L - là chiều dài của phần tử.
Để tính độ nhớt động học, biểu thức phổ biến nhất cho kviscouslà:
(3.11) trong đó: ξ - là hệ số giảm xóc (0,001 ÷ 0,01) và M - là đại lượng có giá trị thay đổi trong mô hình (khi xác định độ nhớt giữa 2 phần tử chuyển động thì M là khối lượng trung bình của 2 phần tử đó, còn khi xác định độ nhớt giữa phần tử chuyển động và phần tử cố định thì M chỉ là khối lượng của phần tử chuyển động).
Các lực va chạm được xác định dựa theo phương trình (3.12):
(3.12) trong đó: k - là hệ số đàn hồi của lò xo.
Biểu thức cho lực từ F giống như (3.7) và giá trị trung bình của biểu thức được xác định trong [87].
Lực đàn hồi bên ngoài được tạo ra bởi lò xo của kim phun, vì vậy biểu thức của chúng được biểu diễn bởi phương trình (3.13):
trong đó: k là độ cứng của lò xo và F0- là tải ban đầu của lò xo.
(3.13)
(3.14) trong đó: x0- là độ nén ban đầu của lò xo ở trạng thái không tải. Để xác định k, sử dụng phương trình (3.15):
(3.15) trong đó: G- là mô đun đàn hồi theo phương tiếp tuyến, d - là đường kính cuộn dây của lò xo, If- là số vòng xoắn và D - là đường kính trung bình của lò xo.
3.3.1.3. Mô hình thủy động
Để đánh giá các lực thủy động, được tạo ra bởi áp suất cao của nhiên liệu, mô hình động lực học chất lỏng đã được sử dụng. Muốn xây dựng mô hình này, vòi phun được giả định chia thành nhiều khoang và kết nối giữa các khoang này là dòng chảy nhiên liệu (Hình 3.3 và Hình 3.4).
Hình 3.3. Mô hình các khoang của vòi phun
Hình 3.4. Mô hình động lực học chất lỏng
Phương trình cơ bản của mô hình thủy lực là phương trình bảo toàn khối lượng:
trong đó: V - là thể tích ban đầu của mỗi khoang, B - là mô đun đàn hồi của nhiên liệu, Qi - là lưu lượng dòng nhiên liệu tính theo thể tích ở đầu vào hoặc đầu ra, dV/dt đánh giá hiệu quả bơm. Tùy thuộc vào chế độ dòng chảy, có ba biểu thức khác nhau cho lưu lượng nhiên liệu tính theo thể tích.
Trường hợp 1: trong điều kiện có dòng chảy tầng (ví dụ: dòng nhiên liệu rò rỉ hoặc nhiên liệu hồi về), lưu lượng nhiên liệu được xác định bởi phương trình (3.17):
(3.17) trong đó: b là chu vi dòng nhiên liệu rò rỉ, h là chiều cao của dòng nhiên liệu, l là chiều dài khoang chứa dòng nhiên liệu đó và μ là độ nhớt động học của nhiên liệu.
Trường hợp 2: trong điều kiện có dòng chảy rối, lưu lượng nhiên liệu được xác định bởi phương trình (3.18):
(3.18) trong đó: Cd- là hệ số lưu lượng (xác định từ thư viện các mô hình thủy động trong phần mềm AMEsim và được sử dụng trong phần mềm GT-Suite). Với vòi phun kiểu CR, giá trị của Cd thường nằm trong khoảng 0,56 đến 0,62; A - là diện tích mặt cắt ngang của dòng chảy và ρ - là khối lượng riêng của nhiên liệu.
Tùy thuộc vào mức độ rò rỉ, biểu thức đối với tốc độ dòng nhiên liệu theo thể tích có thể là (3.17) hoặc (3.18). Với mô hình thủy lực, trong quá trình từ khi vòi phun mở đến khi đóng vòi phun, mô hình chuyển từ (3.17) sang (3.18) và trong giai đoạn từ khi đóng vòi phun đến khi vòi phun mở mô hình chuyển từ (3.18) sang (3.17).
Cuối cùng, lượng phun của quá trình phun nhiên liệu được xác định bởi biểu thức: (3.19) trong đó: A - diện tích mặt cắt ngang của dòng nhiên liệu; v - vận tốc của nó.
3.3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng vòi phun CRI2.2 trong phần mềm GT-Suite
Như đã trình bày ở trên, mô hình vòi phun CRI2.2 trong phần mềm GT-Suite 7.5 bao gồm ba mô hình: mô hình điện từ (gồm mạch điện và mạch từ), mô hình thủy lực (gồm các mạch thủy lực) và mô hình cơ khí (gồm các mạch cơ khí). Ba mô hình được liên kết với nhau tạo thành mô hình hoàn chỉnh cho vòi phun (Hình 3.5). Các khối chính của mô hình vòi phun là: van điện từ, khoang điều khiển, pít tông điều khiển, kim phun, lỗ kim phun và mạch thủy lực. Để xây dựng mô hình vòi phun CRI2.2, cần phải tiến hành xác định và khai báo các thông số đầu vào cho các khối của mô hình.
Mạch cơ khí Mạch thủy lực Mạch từ Mạch điện
Hình 3.5. Mô hình vòi phun CRI2.2 của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A trong phần mềm GT-Suite 7.5
3.3.2.1. Van điện từ
Van điện từ của vòi phun CRI2.2 được xây dựng dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, bao gồm: mạch cấp điện điều khiển, cuộn cảm, lõi từ và van từ (Hình 3.6). Kích thước hình học của van điện từ được đo trực tiếp trên chi tiết cắt bổ tại Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng (Bộ Quốc Phòng) và được trình bày trong Bảng 3.1.
a) Mặt cắt van điện từ b) MHMP van điện từ
1- Lõi từ trên; 2- Lõi từ trong; 3- Cuộn dây; 4- Lõi từ ngoài; 5- Phần ứng; 6- Lò xo van điện từ; 7- Tổng khối lượng phần ứng
Hình 3.6. Mô hình van điện từ của vòi phun CRI2.2 Bảng 3.1. Thông số hình học của van điện từ
Phần tử Thông số Giá trị Đơn vị
Lõi từ trong (Stator Inner) Chiều dài 12 mm Diện tích mặt cắt ngang 59,3 mm2 Lõi từ ngoài (Stator Outer) Chiều dài 12 mm Diện tích mặt cắt ngang 147,6 mm2 Lõi từ trên (Stator Top) Chiều dài 6,2 mm Đường kính trong 11 mm Đường kính ngoài 16,5 mm
Cuộn dây (Coil) Số vòng dây 36 -
Phần ứng (Armature) Chiều dài 2,45 mm Đường kính trong 8 mm Đường kính ngoài 18 mm Khối lượng tổng 10,65 g
3.3.2.2. Khoang điều khiển
Việc xác định chính xác các thông số hình học bên trong vòi phun và khối lượng các phần tử chuyển động là một yêu cầu quan trọng để xây dựng bộ thông số nền tảng cho mô hình vòi phun. Trong đó, đường kính lỗ zích-lơ vào (lỗ Z) và ra (lỗ A) của khoang điều khiển là những thông số quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động phun
nhiên liệu của vòi phun [89], do có liên quan đến hiện tượng tạo bọt khí cục bộ ở miệng lỗ (cavitation). Những thông số này được xác định bằng cách chụp ảnh phần tử của khoang điều khiển trên một kính hiển vi điện tử, sau đó xử lý bằng phần mềm CAD. Các công việc này đã được nghiên cứu sinh tiến hành tại Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng (Bộ Quốc phòng) với các trang thiết bị có độ chính xác và độ tin cậy cao. Trong đó, đường kính lỗ A, lỗ Z của khoang điều khiển được xác định bằng kính hiển vi điện tử Heidenhain Quadra-Chek [90], với độ phóng đại 1200 lần. Kết quả xác định đường kính lỗ zích-lơ A (dA = 0,2383 mm), lỗ zích-lơ Z (dZ = 0,192 mm) và MHMP tương ứng được trình bày trên Hình 3.7.
a) Khoang điều khiển b) Mô hình khoang điều khiển
1- Van điều khiển; 2- Lỗ zích-lơ ra (lỗ A); 3- Đỉnh pít tông điều khiển; 4- Bề mặt của pít tông điều khiển; 5- Thể tích khoang điều khiển; 6- Lỗ Zích-lơ vào (lỗ Z)
Hình 3.7. Mô hình khoang điều khiển vòi phun CRI2.2
3.3.2.3. Pít-tông điều khiển và kim phun
Hành trình của kim phun phụ thuộc trực tiếp vào các lực tác dụng từ phía trên và phía dưới của pít tông điều khiển, cũng như các lực đẩy tác dụng lên kim phun và lực đẩy về của lò xo kim phun. Các lực này được xác định theo áp suất nhiên liệu tác dụng lên các bề mặt chịu lực của pít tông điều khiển và kim phun. Do áp suất cao của nhiên liệu, pít tông và kim phun có thể bị nén lại và biến dạng theo phương
dọc trục, do vậy MHMP cho pít tông điều khiển cũng như kim phun sẽ được tách thành 2 phần đều nhau [91], giữa hai phần được liên kết thông qua một lò xo và một van giảm chấn (Hình 3.8). Các thông số hình học và khối lượng của chúng được xác định bằng cách đo trực tiếp (thể hiện trên Hình 3.8 và Hình 3.9) tại Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng (Bộ Quốc Phòng).
a) Đầu pít tông
điều khiển b) Pít tông điều khiểnvà kim phun c) Mô hình các phần tửtương ứng
Hình 3.8. Mô hình pít tông điều khiển và kim phun
a) Đầu mũi kim
phun b) Kim phun vàđế kim phun c) Mô hình các phần tửkim phun
1- Pít tông 1 của kim phun; 2- Pít tông 2 của kim phun; 3- Mũi kim phun; 4- Lỗ vòi phun; 5- Đường dẫn nhiên liệu; 6- Xi lanh động cơ