v. Bố cục của luận án
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].