Việc điều chỉnh và sửa đổi các thông số điều khiển PID có liên quan đến các yếu tố ảnh đối với áp suất đường ống rail trong hệ thống nhiên liệu CR. Chủ yếu có ba yếu tố (n, Qinj, p) ảnh hưởng theo phân tích trong phần ‘‘ Phân tích lý thuyết của hệ thống nhiên liệu CR. ’’ Hơn nữa, việc suy ra mpump_base trong điều khiển liên quan đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng này đối với rung động áp suất ống rail. Do đó, có thể coi mpump_base là một biến độc lập cho thuật toán sửa đổi tham số điều khiển PID.
Hình trên minh họa điều khiển phản hồi của mơ hình này. Trong điều khiển mơ hình này, mpump_base được đặt là đầu vào cho thuật toán sửa đổi.
Điều khiển phản hồi PID được sử dụng để cung cấp hiệu chỉnh động, và việc xác định các thơng số của nó cũng được thực hiện trên băng thử bơm nhiên liệu. Cũng theo mơ hình điều khiển phản hồi PID trên, lấy dao động áp suất tối thiểu làm mục tiêu, các tham số điều khiển PID trong các điều kiện khác nhau có thể được xác định dựa trên thuật toán sửa đổi PID [27].
2.3.3.Thiết lập thử nghiệm
Để nghiên cứu các đặc tính bơm và xác định chiến lược điều khiển, các thí nghiệm dựa trên dàn thử nghiệm hệ thống nhiên liệu CR đã được hồn thành. Sơ đồ bố trí thí nghiệm được trình bày trong hình dưới đây. Trong dàn thí nghiệm, bơm nhiên liệu cao áp được dẫn động bởi một động cơ điện. Hệ thống điều khiển là một nguyên mẫu điều khiển dSPACE
là sự kết hợp của MicroAutoBox và RapidPro. Việc phun nhiên liệu chu trình được đo và kiểm tra bằng Emerson CFM025.
Việc kiểm tra đặc tính bơm của bơm nhiên liệu cao áp được thực hiện trong các điều kiện làm việc khác nhau (áp suất và tốc độ đường ống rail khác nhau). Tốc độ bơm được cố định ở các tốc độ đều, nghĩa là 500, 700, 800, 1000, 1200, 1300 và 1400 vịng / phút. Sau đó, đo áp suất bơm thực tế của bơm nhiên liệu cao áp trong các điều kiện áp suất đường ống rail mục tiêu ở 50, 80, 100, 120, 140 và 160MPa. Để đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu thử nghiệm, mỗi điều kiện được đo ba lần. Mức cung cấp nhiên liệu trung bình cho mỗi chu kỳ được tính tốn bằng tính tốn lý thuyết. Các đặc tính hiệu suất bơm nhiên liệu của bơm nhiên liệu được phân tích sâu hơn theo dữ liệu thử nghiệm [27].
Hình 2. 18. Sơ đồ thiết lập thử nghiệm
Cần kiểm tra xác minh phương pháp kiểm soát áp suất đường ống rail, trong điều kiện máy bơm chạy ở tốc độ 950 vòng / phút và lượng nhiên liệu phun tối đa mỗi chu kỳ được duy trì ở mức 230 mg. Để đạt được điều này, các thử nghiệm ở trạng thái ổn định và động của hai phương pháp điều khiển, phương pháp điều khiển PID truyền thống và phương pháp điều khiển áp suất ống rail được tối ưu hóa (kết hợp nạp liệu và PID) được thực hiện [27].
2.4.Q trình hình thành khí xả
Khí quyển trái đất thường gọi là khơng khí, là một hỗn hợp của nhiều khí, trong đó khí Ni tơ chiếm 78%, Oxy chiếm khoảng 21%, 1% còn lại bao gồm Cacbonic (CO2), hơi nước,…
Trong các khí trên có nhiều chất khơng có lợi cho sức khỏe con người như: CO, HC, NOx, SO2,… Những chất này thường là những chất gây ơ nhiễm khơng khí. Các chất này được thải ra từ nhiều nguồn như nhà máy nhiệt điện, sưởi ấm nhà, lò thiêu và đặc biệt từ khí thải động cơ xe.
Khí thải xe hơi gồm một số hóa chất độc hại, trong đó có nitơ-oxit (khí NOx), carbon monoxide, sulfur dioxide, benzen, formaldehyde và muội than, tất cả đều có thể gây hại tới sức khỏe con người.
Phần lớn ôtô ngày nay cần xăng/dầu để cung cấp sức mạnh cho động cơ, từ đó xảy ra một số phản ứng cơ học và hóa học đồng thời giúp xe hoạt động. Tất cả những điều này xảy ra phía dưới nắp ca-pơ (chủ yếu là việc đốt cháy nhiên liệu), phát thải khí và các hạt - thứ thường được nhắc tới một cách phổ biến là khí xả.
Khí xả chủ yếu là phụ phẩm từ quá trình đốt cháy một số loại nhiên liệu, như dầu, xăng, khí tự nhiên, dầu mazut... Khí xả ơtơ thốt ra từ xe và hịa vào mơi trường.
Dưới đây là một số chất độc hại có trong khí thải xe hơi và sự tác động tới con người cũng như môi trường:
- Carbon monoxide (CO)
Là khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị. Con người hít phải q nhiều khí này sẽ bị giảm khả năng hấp thụ oxy, tổn hại mơ nghiêm trọng và có nguy cơ tử vong. Carbon monoxide là nguyên nhân gây tử vong hàng đầu trong các vụ ngộ độc khí với các triệu chứng như cảm giác bần thần, nhức đầu, buồn nơn, khó thở rồi từ từ đi vào hôn mê.
- Benzen (C6H6)
Là một chất hữu cơ bay hơi, có mặt tự nhiên trong dầu thơ, nên cũng có trong xăng dầu và các khí thải phương tiện xe cộ. Benzen nguy hiểm vì khả năng phá hủy máu. Nó khiến tủy xương không thể sản xuất đủ tế bào hồng cầu, trong khi lại làm tổn thương hệ miễn dịch bằng cách không tạo ra đủ tế bào bạch cầu.
Năm 2013, Cơ quan Y tế Canada từng cảnh báo về sự nguy hiểm của benzen từ khí thải xe hơi, nếu để xe sát hoặc ngay trong nhà. Nó làm tăng nguy cơ ung thư máu và các loại ung thư khác.
Hầu hết các tài xế biết rằng không nên cho xe nổ máy khi vào garage. Tuy nhiên, họ không biết rằng ngay cả khi đã tắt máy, động cơ vẫn tiếp tục giải phóng hơi benzen vào khơng khí, và lắng đọng trong nhà xe. Ngồi ra, sơn và các dung môi thường được gia chủ để vào garage cũng giải phóng benzen khi chúng bốc hơi từ từ.
- Sulfur dioxide (SO2):
Loại khí khơng màu có mùi khó chịu, thâm nhập qua đường hơ hấp gồm mũi, họng, gây ho và khó thở. Trong thời gian dài, loại khí này có thể dẫn tới chứng hen và những trạng thái sức khỏe tương tự khác.
Muội than, hay bồ hóng, là thứ khiến khí xả bay ra từ ơtơ có màu đen. Tác hại của muội than rất nhiều, trong đó gồm bệnh cúm, hen suyễn và thậm chí là ung thư.
Muội than cũng tác động xấu tới môi trường khi thực tế, muội than chiếm hơn 25% ơ nhiễm độc hại trong khơng khí.
Với những chất độc hại kể trên, khí xả, dù bay ra từ một chiếc ơtơ cỡ nhỏ hay một nhà máy sản xuất khổng lồ, đều gây thiệt hại nghiêm trọng tới con người cũng như mơi trường. Đó cũng là lý do thế giới đang dần hạn chế khí thải hết mức có thể.
Từ năm 1992, các quy định của Liên minh châu Âu đã được áp dụng đối với ô tô đời mới, với mục đích nâng cao chất lượng khơng khí. Tiêu chuẩn khí thải Euro 6 hiện nay và trong thời gian sắp tới năm 2025 tiêu chuẩn khí thải Euro 7 dự kiến sẽ được đưa vào áp dụng là tiêu chuẩn khó nhất và có khả năng loại bỏ phần lớn các chất ơ nhiễm thải có ảnh hưởng đến chất lượng khơng khí.
Theo EU, “Khí thải gây ơ nhiễm khơng khí từ vận tải là một yếu tố quan trọng gây ảnh hưởng tới chất lượng khơng khí tại châu Âu”, bên cạnh sản xuất cơng nghiệp và nhà máy điện.
Mục tiêu của tiêu chuẩn khí thải Euro là giảm mức khí thải độc hại, chủ yếu là: - Oxit nitơ (NOx)
- Carbon monoxide (CO) - Hydrocacbon (HC) - Vật chất hạt (PM)
Hình 2. 19. Mức phát thải hợp pháp của NOx và PM cho xe có trọng lượng dưới 2610kg theo QCVN 109:2021/BGTVT [24]
Động cơ đốt trong đốt cháy nhiên liệu tạo ra động năng. Sự đốt cháy nhiên liệu là phản ứng cơ bản của nhiên liệu với ơ xy trong khơng khí. Lượng nhiên liệu có thể được đưa vào để đốt cháy được giới hạn bởi lượng ô xy trong xy lanh.
Khi thiết kế một động cơ, một điều rất quan trọng là biết tỷ số giữa khơng khí và nhiên liệu. Tỷ lệ ơ xy chính xác cần có trong buồng đốt để đốt nhiên liệu cháy hết hoàn toàn. Tỷ số này được gọi là STOICHIOMETRIC (thường được gọi tắt là Stoich) giữa khơng khí và nhiên liệu [2].
𝑨𝑭𝑹𝑺𝒕𝒐𝒊𝒄𝒉 =𝒎𝒌𝒉ơ𝒏𝒈 𝒌𝒉í, 𝑺𝒕𝒐𝒊𝒄𝒉 𝒎𝒏𝒉𝒊ê𝒏 𝒍𝒊ệ𝒖, 𝑺𝒕𝒐𝒊𝒄𝒉
Trong q trình cháy, tỷ số giữa lượng khơng khí - nhiên liệu thực tế được xác định:
𝑨𝑭𝑹𝑺𝒕𝒐𝒊𝒄𝒉 =𝒎̇𝒌𝒉ơ𝒏𝒈 𝒌𝒉í, 𝒂 𝒎̇𝒏𝒉𝒊ê𝒏 𝒍𝒊ệ𝒖, 𝒂
Tỷ số giữa lượng khơng khí - nhiên liệu thực tế trên lượng khơng khí - nhiên liệu lý thuyết (Stoich) được xác định:
𝝀 =
𝒎̇𝒌𝒉ơ𝒏𝒈 𝒌𝒉í, 𝒂 𝒎̇𝒏𝒉𝒊ê𝒏 𝒍𝒊ệ𝒖, 𝒂 𝒎𝒌𝒉ơ𝒏𝒈 𝒌𝒉í, 𝑺𝒕𝒐𝒊𝒄𝒉 𝒎𝒏𝒉𝒊ê𝒏 𝒍𝒊ệ𝒖, 𝑺𝒕𝒐𝒊𝒄𝒉
Tỷ lệ tương đương khơng khí nhiên liệu ( ϕ ) thực tế trên lượng nhiên liệu - khơng khí lý thuyết (Stoich) được xác định:
Ф = 𝟏 𝝀= 𝒎̇𝒏𝒉𝒊ê𝒏 𝒍𝒊ệ𝒖, 𝒂 𝒎̇𝒌𝒉ơ𝒏𝒈 𝒌𝒉í, 𝒂 𝒎𝒏𝒉𝒊ê𝒏 𝒍𝒊ệ𝒖, 𝑺𝒕𝒐𝒊𝒄𝒉 𝒎𝒌𝒉ơ𝒏𝒈 𝒌𝒉í, 𝑺𝒕𝒐𝒊𝒄𝒉 - Hỗn hợp lý tưởng Stoich: Ф = 𝛌 = 1 - Hỗn hợp giàu nhiên liệu: Ф > 1; 𝛌 < 1 - Hỗn hợp nghèo nhiên liệu: Ф < 1; 𝛌 > 1
Hình 2. 20. Vùng hình thành muội và NOx theo nhiệt độ và tỷ lệ tương đương khơng khí nhiên liệu (1/𝛌) [10]
2.4.1.Mơ hình sự hình thành NOx trong buồng đốt động cơ
Trong buồng cháy động cơ, NOx được hình thành từ 2 nguồn: từ các phân tử Nitrogen (N2) có trong khơng khí bên trong buồng cháy và N2 có trong nhiên liệu. Có 4 cơ chế hóa học nhau khác nhau mơ tả sự hình thành hoặc phá hủy NOx trong buồng cháy: cơ chế hình thành NOx tự nhiên liệu và cơ chế phá hủy do cháy thêm. NOx do nhiệt được hình thành từ oxi hóa các phân tử N2 có trong khơng khí nạp vào buồng cháy ở nhiệt độ cao. NOx nhanh (Fenimore NOx) hình thành từ phản ứng giữa phân tử N2 với gốc HC ở các vùng nhiên liệu giàu trong ngọn lửa. NOx hình thành từ nhiên liệu theo cơ cấu nguyên tử N có trong nhiên liệu HCN hoặc NH3 được oxy hóa thành NO. Cơ chế cháy thêm làm giảm lượng phát thải NOx bằng cách cấp thêm nhiên liệu gốc HC để phản ứng với NOx [6].
Ba phản ứng chính (cơ chế Zeldovich mở rộng) tạo ra NO do nhiệt là: O + N2 NO + N
N + O2 NO + O N + OH NO +H
2.4.2.Mơ hình q trình oxy hóa và hình thành muội than
Ở điều kiện nhiệt độ cao và hỗn hợp giàu nhiên liệu, đặc biệt là động cơ Diesel thì nhiên liệu hidrocacbon dễ tạo ra các hạt cacbon - muội than. Thường thì phần lớn muội than được hình thành ở giai đoạn đầu của quá trình cháy bị đốt cháy trong những vùng giàu oxi tại giai đoạn sau khi quá trình cháy. Trong động cơ Diesel số lượng và mức độ Oxy hóa muội than sẽ xác định chính xác đặc tính phát thải chất thải dạng hạt của động cơ.
Sự hình thành chất thải dạng hạt liên quan tới nhiều q trình hình lý hóa khác nhau, như sự hình thành và lớn lên của các hiđrocacbon thơm phân tử lớn, sự chuyển đổi sau đó của chúng thành các hạt, sự kết dính của các hạt ban đầu và sự lớn lên lên lên của các hạt muội than rắn do sự tích tụ của một số chất khí. Q trình hình thành hạt muội than được đặc trưng bởi q trình chuyển đổi từ khí sang rắn, trong đó pha rắn khơng có một tính chất lý hóa đồng nhất [2].
2.5.Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên dụng để nghiên cứu tốt ưu cơng suất cho động cơ Diesel.
Chương 3. MƠ PHỎNG QUÁ TRÌNH PHUN NHIÊN LIỆU TRÊN ĐỘNG CƠ 2KD - FTV
3.1.Thông số kết cấu động cơ 2KD - FTV 3.1.1.Thông số động cơ 2KD - FTV 3.1.1.Thông số động cơ 2KD - FTV
Động cơ Diesel 2KD - FTV là động cơ sử dụng nhiên liệu Diesel, 4 kỳ, 4 piston và sử dụng hệ thống nhiên liệu Common Rail. Động cơ 2KD - FTV được bố trí trên nhiều loại xe như xe du lịch 16 chỗ ngồi, SUV, MPV, xe bán tải, xe tải 1.25 tấn và trên một vài loại xe khác.
Hình 3. 1. Động cơ Diesel 2KD - FTV
Thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ 2KD – FTV [28][29][35].
Động cơ ơ tơ có những đặc điểm kết cấu và những thông số kỹ thuật cơ bản như sau: - Kiểu động cơ: 4 xy lanh thẳng hàng.
- Động cơ Diesel 4 kỳ, buồng đốt hình cầu ở giữa piston. - Thứ tự nổ của động cơ: 1 - 3 - 4 - 2.
- Đường kính piston: D = 92 (mm). - Hành trình piston: S = 93.8 (mm). - Chiều dài thanh truyền: 200 mm.
- Dung tích xy lanh: 2492 cc. - Tỷ số nén: = 18.5.
- Công suất cực đại: Nemax = 75(Kw)/3600(v/p).
- Momen cực đại: Memax = 260(Nm)/1600-2600(v/p). - Piston chế tạo bằng hợp kim nhôm.
- Trục khuỷu có 5 cổ trục và 8 khối cân bằng. - Cơ cấu phân phối khí dùng xupap treo. - Thời gian đóng mở:
Góc mở sớm xupap nạp: α1 =2° Góc đóng muộn xupap nạp: α2 = 31° Góc mở sớm xupap thải: α3 = 30° Góc đóng muộn xupap thải: α4 = 0° Góc phun sớm: α5 = 12°
- Hệ thống nhiên liệu sử dụng bơm cao áp Denso HP-3. - Hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte ướt.
- Động cơ làm mát tuần hồn cưỡng bức, kiểu kín bằng nước thơng qua bơm ly tâm.
3.1.2.Thông số biên dạng piston động cơ 2KD-FTV
Hình 3. 4. Biên dạng thiết kế piston của động cơ 2KD-FTV sau khi thiết lập
3.2.Thiết lập các thông số cơ bản trong phần mềm AVL Fire công cụ ESE Diesel
Đối với mô phỏng trong buồng cháy động cơ Diesel, việc tính tốn hành trình nạp thường không được thực hiện để giảm khối lượng phần tử và thời gian tính tốn. Vậy việc tính tốn bắt đầu khi đã đóng xu-pap nạp (bỏ qua hành trình nạp của piston).
Quy ước góc quay trục khuỷu trong phần mềm AVL Fire khi kết thúc kỳ nén tại điểm chết trên (TDC) là 720°. Thể hiện ở hình dưới:
Một biên dạng hình học đơn giản hơn được sử dụng để giảm bớt số lượng lưới không cần thiết trong mơ hình. Các chi tiết như cổng nạp và thể tích phần lõm xu-pap trên đỉnh piston không được xem xét khi mô phỏng.
Đối với dạng buồng đốt đối xứng tâm, nếu lưu lượng khối nhiên liệu là như nhau đối với tất cả các lỗ của kim phun, chỉ cần sử dụng một phần buồng đốt cho một lần phun để giảm khối lượng tính tốn. Góc của phần được mơ phỏng phụ thuộc vào số lượng lỗ tia phun trong kim phun được thể hiện theo cơng thức (Góc của phần được mơ phỏng = 360 ° / số lỗ của kim phun) [18].
Hình 3. 6. Phần được chia lưới mơ phỏng đối với kim phun có 4 lỗ tia phun [18] Mật độ lưới trong khu vực phun yêu cầu phải lớn hơn khoảng mười lần đường kính của lỗ kim phun.
Quá trình chuẩn bị mơ hình bao gồm nhập các thơng tin về động cơ, định dạng và phân vùng, chia lưới, nhập các thơng số tính tốn cho mơ hình.
3.2.1.Thơng tin chung về động cơ (General Engine Data)
và do đó giúp xác định động cơ trong khảo sát được thực hiện trước đó hoặc đang được thực hiện.
Các tham số được tách thành hai bảng:
- Bảng thông số chung của động cơ chứa các tham số đầu như: tên động cơ, số lượng xy lanh, đường kính xy-lanh và tỷ số nén của động cơ.
- Thông số chuyển động của piston chứa các tham số đầu vào cho bán kính quay trục khuỷu, chiều dài thanh truyền, độ lệch tâm của chốt piston, v.v.
Các thông số nhập của động cơ thể hiện ở bảng dưới:
Hình 3. 7. Các thơng số chung về động cơ Hình 3. 8. Các thơng số về chuyển