v. Bố cục của luận án
1.4.1. Trên thế giới
1.4.1.1. Các công trình nghiên cứu về đặc tính vòi phun kiểu CommonRail
Trong HTPNL kiểu CR, một số thông số của QLCCNL như thời điểm phun, thời gian phun, lượng phun, tốc độ phun… không điều khiển được trực tiếp mà phải điều khiển gián tiếp thông qua dòng điện điều khiển cấp tới vòi phun và phụ thuộc vào đặc tính của vòi phun (độ trễ mở, độ trễ đóng, lưu lượng của vòi phun - Flow Number
[50]…). Để nghiên cứu ảnh hưởng của các kỹ thuật phun đến sự vận hành của động cơ, việc xác định chính xác các thông số của QLP thông qua việc xác định đặc tính của vòi phun là cần thiết. Hiện nay, nhìn chung các công trình nghiên cứu trên thế giới về đặc tính vòi phun kiểu CR là chưa nhiều và cũng mới được công bố trong những năm gần đây. Các công trình này tập trung làm rõ mối quan hệ giữa các thông số điều khiển vòi phun và thông số phun, cách xác định các thông số của quá trình phun.
Tài liệu của Konrad Reif [29] đã mô tả QLCCNL và các thông số điều khiển vòi phun, bao gồm vòi phun CR (kiểu điện từ; piezo). Tài liệu này đã chỉ ra phương pháp điều khiển vòi phun kiểu điện từ và các thuật ngữ mô tả QLCCNL (thời gian cấp điện -ET, thời gian phun - IT, độ trễ mở của vòi phun - NOD, và độ trễ đóng của
vòi phun - NCD). Tài liệu cũng khẳng định thông số điều khiển vòi phun chính là dòng điện điều khiển vòi phun (ET), độ lớn và diễn biến của ET ở các chế độ vận hành của động cơ đã được xây dựng sẵn trong các bản đồ dữ liệu tích hợp trong ECU. Vì vậy, việc xác định chính xác QLCCNL, mối quan hệ giữa thông số điều khiển và QLCCNL đóng vai trò hết sức quan trọng khi nghiên cứu các kỹ thuật phun mới, nhằm tối ưu hóa quá trình điều khiển vòi phun, chính xác hóa thời điểm bắt đầu phun và lượng cung cấp nhiên liệu, từ đó có biện pháp cải thiện hiệu suất động cơ, tăng công suất, giảm suất tiêu hao nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường.
Melis cùng các cộng sự [51], đã xây dựng các mô hình cho PC2GĐ để ước lượng độ trễ mở và độ trễ đóng của vòi phun điện từ, từ đó xác định được mối liên hệ giữa thời gian cấp điện (ET) và thời gian phun (IT). Dựa trên ước lượng về các độ trễ của vòi phun, nhóm tác giả đã đưa ra cách ước lượng thời gian dừng thủy lực giữa hai lần phun (RDT) thông qua thời gian dừng điện (DT). Với mạch nghiên cứu đó, Melis cùng các cộng sự [52] cũng đã chỉ ra phương pháp điều khiển vòi phun khi thực hiện PCNGĐ (hiệu chỉnh thời gian cấp điện ET của các lần phun và thời gian dừng DT giữa chúng), để đạt được thời gian dừng thủy lực (RDT) mong muốn, đặc biệt là trường hợp hai xung phun rất gần nhau (tức là trường hợp không tồn tại khoảng trống thủy lực giữa hai lần phun RDT = 0).
Ảnh hưởng của dao động và truyền sóng áp suất của lần phun thứ nhất đến thời gian phun và lượng phun của lần phun thứ hai khi PNGĐ cũng được trình bày trong một số nghiên cứu [53-55]. Akiyama và cộng sự [55] đã chỉ ra rằng, có sự thay đổi (dao động) của lượng phun lần hai do tác động của sóng áp suất của lần phun thứ nhất khi nghiên cứu về trường hợp phun ba giai đoạn (phun mồi + phun chính + phun muộn). Do đó, để kiểm soát tổng lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình, nhóm tác giả đã đề xuất một phương pháp để bù đắp sự khác biệt giữa lượng nhiên liệu phun thực tế và lượng phun cần đạt được, dựa trên mô hình phần tử hữu hạn mô phỏng sự làm việc của ống tích áp và vòi phun. Nội dung phương pháp là dựa trên mô hình phần tử hữu hạn (được kiểm chứng bằng thực nghiệm), tính toán biên độ dao động sóng áp suất và thời điểm phun thực, sau đó điều chỉnh thời gian cấp điện sao cho tổng lượng phun là không đổi. Bảng 1.4 cho biết sự khác biệt về giữa lượng phun thực và lượng phun cần đạt được, Bảng 1.5, cho biết kết quả của phương pháp bù nhiên liệu sau khi điều chỉnh ET.
Payri [37] chỉ ra rằng, nhiên liệu diesel sinh học có những tác động nhất định đối với sự vận hành hệ thống phun và đặc tính vòi phun. Trong [37], Payri và cộng sự đã xây dựng mô hình một chiều cho vòi phun kiểu CR, thế hệ 2 CRI2.16, trong phần mềm AMESim. Dựa vào mô hình mô phỏng, các tác giả tiến hành khảo sát
các đặc tính động lực bên trong vòi phun khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học gốc B100 và so sánh nó với trường hợp sử dụng diesel tiêu chuẩn B0. Kết quả cho thấy, do khối lượng riêng và độ nhớt của diesel sinh học thường cao hơn so với diesel truyền thống nên IR lớn nhất với nhiên liệu biodiesel sẽ cao hơn trong điều kiện kim phun đã nâng tối đa [37]. Độ nhớt cao hơn có thể ảnh hưởng đến sự vận hành của vòi phun, làm chậm việc mở và đóng kim phun (thay đổi độ trễ mở và trễ đóng của vòi phun). Đặc biệt khi sử dụng KTPNGĐ (gồm một lần phun chính + một lần phun bổ sung), các tác giả cũng cho biết, độ nhớt cao còn tác động tiêu cực đến sự ổn định của lần phun thứ hai [37], từ đó ảnh hưởng đến thời gian dừng cần thiết giữa hai lần phun nhằm đảm bảo quá trình phun lần hai hoạt động ổn định.
Bảng 1.4. Khác nhau giữa lượng phun thực và lượng phun cần đạt được khi phun nhiều giai đoạn [55]
Lần phun 1 Lần phun 2 Lần phun 3 Lượng phun mục tiêu 3,06 mm3 13,73 mm3 2,01 mm3
Lượng phun thực tế 3,05 mm3 9,19 mm3 0,86 mm3
Chênh lệch 0,3% 33% 57%
Bảng 1.5. Kết quả điều chỉnh lượng phun từ MHMP so với lượng phun cần đạt được [55]
Lần phun 1 Lần phun 2 Lần phun 3 Lượng phun mục tiêu 3,06 mm3 13,73 mm3 2,01 mm3
Lượng phun sau khi bù
từ mô hình mô phỏng 2,86 mm
3 12,08 mm3 1,93 mm3
Chênh lệch 6,4% 12% 4,0%
1.4.1.2. Các công trình nghiên cứu về PCNGĐ
Những nghiên cứu về PCNGĐ trên thế giới, cũng đã được bắt đầu khá sớm (từ những năm 1990) và được mở rộng nghiên cứu trong những năm gần đây. Các công trình tập trung vào việc nghiên cứu: (i) quá trình phun, cơ chế tạo hỗn hợp và quá trình cháy trong các buồng có thể tích không đổi, (ii) các quá trình hóa-lý xảy ra trong xi lanh khi thực hiện PCNGĐ và (iii) ảnh hưởng của PCNGĐ đến các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật và môi trường của động cơ, đặc biệt là tác dụng giảm phát thải soot trong khi vẫn giữ được hiệu suất mong muốn của động cơ.
Han và cộng sự [27] đã xây dựng một mô hình 3D-CFD nhằm tìm hiểu cơ chế giảm phát thải soot và NOx trong động cơ diesel hạng nặng sử dụng PCNGĐ. Cơ chế này được mô tả trong Hình 1.9. Theo Hình 1.9, khi phun một giai đoạn,
dòng nhiên liệu có động năng cao được phun vào liên tục trong quá trình cháy và việc thẩm thấu ôxy vào vùng lõi của tia phun là rất hạn chế. Điều này dẫn đến chất lượng hòa trộn hỗn hợp trong vùng này là rất kém. Mặt khác gradient nhiệt độ của dòng nhiên liệu (tiếp tục phun sau khi quá trình cháy đã bắt đầu) và vùng hỗn hợp nhiên liệu đang cháy, làm gia tăng sự hình thành bồ hóng.
Trong khi đó với PC2GĐ, nhiên liệu ở lần phun thứ hai được tách ra so với lần phun thứ nhất một khoảng thời gian nhất định, lượng nhiên liệu này đi vào vùng nhiệt độ tương đối cao, chứa phần nhiên liệu còn sót lại từ quá trình cháy của lần phun thứ nhất. Do đó, sự hình thành soot đã giảm đáng kể vì nhiên liệu được phun vào lần thứ hai đã được đốt cháy nhanh chóng trước khi tới khu vực dễ hình thành bồ hóng. PNGĐ cũng cho phép giảm chiều dài tia phun và do đó giảm được việc va chạm của tia phun vào thành vách. Mô hình cũng chỉ ra rằng thời gian dừng giữa hai lần phun cần phải được tối ưu hóa, đủ lâu để vùng nhiệt độ có khả năng hình thành soot cao của lần phun đầu tiên không được bổ sung nhiên liệu mới (của lần phun 2), nhưng cũng phải đủ ngắn để duy trì nhiệt độ trong xi lanh để nhanh chóng đốt cháy nhiên liệu trong quá trình phun lần 2, giảm sự hình thành bồ hóng.
Hình 1.9. Cơ chế giảm soot khi PCNGĐ so với PC1GĐ [27]
Myung Yoon Kim và cộng sự [6], đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của PCNGĐ đến sự hình thành soot và hiệu suất động cơ diesel phun trực tiếp ĐKĐT với nhiên liệu diesel sinh học có nguồn gốc từ đậu tương. Thử nghiệm được tiến hành với PCNGĐ tỉ lệ 50/50 (6mg/1 lần phun); thời gian dừng giữa hai lần phun được chọn là 1,1 ms (đảm bảo loại bỏ sự tác động của lần phun 1 đến lần phun 2); thay đổi thời điểm phun lần 1. Kết quả chỉ ra rằng so với phun chính một giai đoạn, phát thải NOxgiảm rõ rệt, trong khi phát thải soot gần như không thay đổi. Nhóm tác giả cũng khẳng định, với phun một giai đoạn khi thời điểm phun gần tới điểm chết trên thì phát thải soot có xu hướng tăng, trong khi với PCNGĐ xu hướng này là ngược lại.
MarcoBakenhus và cộng sự [56] đã nghiên cứu ảnh hưởng của PCNGĐ bằng phương pháp chụp ảnh tia phun trong buồng cháy, trong một động cơ diesel hiện đại phun trực tiếp (động cơ Caterpillar 3401), sử dụng HTP kiểu CR, áp suất phun lớn nhất 1000 bar. Ảnh hưởng của các thông số QLCCNL đến lượng phát thải NOxvà
soot được thể hiện qua hình ảnh nhiệt độ ngọn lửa và hình ảnh bồ hóng. 7 trường hợp đã được khảo sát trong công trình này bao gồm 3 trường hợp PC1GĐ với thời điểm phun khác nhau; 2 trường hợp PC2GĐ tỉ lệ 50/50 với thời điểm phun lần 1 khác nhau; 2 trường hợp còn lại là phun chính 3 giai đoạn tỉ lệ 48/36/16 với thời điểm phun khác nhau. Kết quả cho thấy, PCNGĐ đã thể hiện là biện pháp hữu hiệu để giảm phát thải soot trong khi vẫn duy trì NOx ở mức thấp và công suất động cơ vẫn đảm bảo so với PC1GĐ.
Shayler và cộng sự [57] đã sử dụng chương trình KIVA-III để nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phun và thời gian dừng giữa hai lần phun đến sự hình thành NOx và soot. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi giãn cách giữa các lần phun nhỏ, lượng soot giảm xuống nhưng NOx lại tăng lên. Còn khi giãn cách giữa các lần phun lớn, việc phun lần thứ hai có rất ít ảnh hưởng đến sự hình thành soot và quá trình oxy hóa liên quan đến lần phun đầu tiên. Cũng trên nền KIVA-III, Bianchi và cộng sự [58] đã chỉ ra rằng PCNGĐ cũng giúp giảm phát thải NOx và soot rõ rệt trên động cơ diesel cao tốc, phun trực tiếp (HSDI), tuy nhiên cần lựa chọn hợp lý giữa tiêu chí giảm phát thải soot hoặc giảm phát thải NOx.
Jafarmadar và Zehni [59] đã nghiên cứu ảnh hưởng của PCNGĐ đến quá trình cháy và ô nhiễm của động cơ diesel phun trực tiếp bằng mô phỏng CFD. Kết quả cho thấy tổng lượng soot và NOxtừ động cơ giảm đáng kể với 25% lượng nhiên liệu phun vào lần thứ hai. Ngoài ra, thời gian dừng tối ưu giữa các xung phun là 25ºGQTK. Showry và Rajo [60] nghiên cứu hiệu quả của phun chính ba giai đoạn đến quá trình cháy và ô nhiễm của động cơ diesel phun trực tiếp bằng phần mềm FLUENT CFD và kết luận rằng 10° GQTK là thời gian dừng tối ưu giữa các xung phun. Kết quả cho thấy rằng việc phun chính ba giai đoạn có thể giúp giảm lượng phát thải soot mà không làm tăng NOx. Tow và các cộng sự [26] đã tiến hành thực nghiệm kỹ thuật phun chính 2 giai đoạn và phun chính 3 giai đoạn. Họ chỉ ra rằng thời gian dừng giữa các lần phun rất quan trọng để kiểm soát sự phát thải soot và mỗi động cơ sẽ có một trường hợp tối ưu ở một chế độ hoạt động nhất định. Thời gian dừng đủ nhỏ ở chế độ 25% tải cho khả năng giảm soot, giảm NOx tốt hơn so với 75% tải. Phun 3 giai đoạn cũng cho thấy hiệu quả rõ rệt nếu thời điểm phun lần 3 cách xa đáng kể lần phun thứ 2 (DT lần 2 lớn), kết quả nghiên cứu cho thấy, ở mức 25% tải phun 3 giai đoạn giảm 50% phát thải dạng hạt và 30% phát thải NOx.
Cũng bằng mô phỏng CFD, Jafarmadar [10] đã nghiên cứu ảnh hưởng của PCNGĐ đến quá trình cháy và ô nhiễm của động cơ diesel buồng cháy phụ IDI và động cơ diesel phun trực tiếp, ở chế độ toàn tải. Tác giả nhận xét rằng, động cơ IDI thường có phát thải soot cao hơn so với động cơ DI và ở chế độ toàn tải lượng phát
thải soot cao nhất, do vậy sẽ có hiệu quả tốt khi sử dụng PCNGĐ. Trong công trình này, các chế độ PCNGĐ khác nhau đã được xem xét, gồm 10, 20 và 25% tổng nhiên liệu phun được sử dụng cho xung phun thứ hai. Thời gian dừng giữa các lần phun trong mỗi trường hợp thay đổi từ 5oGQTK đến 30oGQTK, giãn cách 5oGQTK. Kết quả khảo sát chỉ ra rằng với tỉ lệ phun 75/25 và thời gian dừng 20oGQTK sẽ cho kết quả tối ưu (công suất gần như không giảm, phát thải NOxở mức trung bình, phát thải soot ở mức thấp nhất).
Bower và Foster [61] đã nghiên cứu ảnh hưởng của phun chính 2 giai đoạn với tỉ lệ 50% và 70% lượng nhiên liệu cấp vào trong lần phun đầu tiên và thay đổi thời gian dừng giữa 2 lần phun. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, phát thải NOx giảm đáng kể, trong khi phát thải hạt soot có xu hướng giảm nếu dùng lượng phun lớn hơn trong xung phun đầu tiên và thời gian dừng khoảng 0,1ms là tốt nhất để giảm phát thải bồ hóng.
Abdullah và cộng sự [62] đã phát triển một nghiên cứu thực nghiệm để tối ưu hóa các tham số của PCNGĐ đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel phun trực tiếp. Kết quả cho thấy, sự kết hợp áp suất cao của PCNGĐ với hệ thống EGR sẽ tạo ra kết quả tổng thể tốt hơn so với sự kết hợp của áp suất phun thấp với phun nhiều giai đoạn mà không có EGR.
Asish và cộng sự [63], đã nghiên cứu tiềm năng của PCNGĐ với tỉ lệ phun (50/50) nhằm mục đích giảm phát thải soot và giảm tổng lượng HC, CO ở mức khí thải tuần hoàn EGR thấp so với yêu cầu cần thiết để đạt nhiệt độ cháy thấp tại chế độ tải trung bình (tương ứng với tổng áp suất chỉ thị trung bình 500 kPa), tốc độ trung bình (1500 vg/ph). Thí nghiệm được thực hiện trên động cơ diesel cao tốc AVL 5402, 0,5 lít, l xilanh, phun nhiên liệu trực tiếp. Kết quả chỉ ra, với phun chính một giai đoạn, để đạt được phát thải NOx gần như bằng không thì tỉ lệ khí thải tuần hoàn phải rất cao (EGR = 62%), tuy vậy trong trường hợp này phát thải soot rất lớn. Khi áp dụng PCNGĐ tỉ lệ phun 50/50, đồng thời tỉ lệ tuần hoàn giảm xuống còn 52% thì phát thải NOx vẫn gần như bằng 0, trong khi phát thải soot giảm 75%, HC và CO thấp hơn rất nhiều so với phun một giai đoạn.
Herfatmanesh và các cộng sự [64], đã tiến hành thực nghiệm trên động cơ một xi lanh phun trực tiếp, sử dụng vòi phun điện từ nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian dừng giữa 2 lần phun, bằng kỹ thuật chụp ảnh tốc độ cao. Nhóm tác giả đã phân tích tương tác giữa 2 lần phun đến quá trình hòa trộn, tạo màng lửa, cháy và hình thành phát thải trong động cơ với các thời gian dừng khác nhau, so sánh chúng với phun một giai đoạn. Trong nghiên cứu này, các tác giả áp dụng PCNGĐ với tỉ lệ phun 70/30, với thời gian dừng thay đổi theo điều kiện tải trọng khác nhau, ở tốc độ 1500 vg/ph.
Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, DT có ảnh hưởng đáng kể đến lượng phun (lần 2) và quá trình cháy trong động cơ. Cụ thể, khi thời gian dừng thay đổi, lượng phun lần 1 luôn không đổi, còn lượng phun lần 2 có sự dao động đáng kể (Hình 1.10), đặc biệt là chế độ F4 (khi 2 giai đoạn phun có phần trùng nhau - tức là