v. Bố cục của luận án
3.3. Xây dựng mô hình mô phỏng vòi phun CRI2.2 trong phần mềm GT-Suite
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, là 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,)). 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()- 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() 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 m1 và m2, và kviscous - là thành phần giảm xóc. Vì các lực bên trong hầu hết là lực dọc trục, nên biểu thức
cho kint được 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):
(3.13)
trong đó: k là độ cứng của lò xo và F0 - là tải ban đầu của lò xo.
(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.