1.Đầu nạp nhiên liệu có bộ lọc 2.Giắc cấp điện
3. Lò xo 4.Cuộn dây 5.Vỏ kim phun
6.Vòi phun nhiên liệu có cuộn dây điện từ
7.Kệ đỡ kim phun
8.Đầu phun nhiên liệu của kim phun
Hình 2.14. Cấu tạo của kim phun trực tiếp 2.8.2. Nhiệm vụ và yêu cầu với kim phun cao áp:
2.8.2.1. Nhiệm vụ
Kim phun có nhiệm vụ đo lường lượng nhiên liệu phun và nguyên tử hóa nhiên liệu (thông qua việc phun tơi nhiên liệu vào buồng đốt) để điều khiển lượng hòa khí theo từng khu vực đặc biệt của buồng đốt. Phụ thuộc vào các chế độ hoạt động, lượng nhiên liệu tập trung xung quanh bugi (ở chế độ phân tầng) hoặc phân bố khắp trong buồng đốt (ở chế độ đồng nhất).
2.8.2.2. Yêu cầu với kim phun cao áp
Thời gian phun nhiên liệu vào buồng đốt ngắn hơn rất nhiều so với phun ngoài đường ống nạp.
ra phải tơi và bốc hơi nhanh ngay sau khi phun ra nhằm đảm bảo sự hoạt động tối ưu tuyệt đối của kim phun.
Hình 2.15. Sự so sánh giữa thời gian phun trên đường ống nạp và phun trực tiếp
Dựa vào hình trên, ta có thể thấy cùng một lượng nhiên liệu phun ra nhưng thời gian phun của kim phun trực tiếp nhắn hơn rất nhiều cụ thể ở vòng quay 6000 vòng/phút:
− Kim phun trực tiếp: từ 0.4 đến 5 ms để đạt lượng nhiên liệu.
− Kim phun trên đường ống nạp: từ 3.5 đến 20 ms để đạt lượng nhiên liệu phun. Ở phun xăng trực tiếp, nhu cầu nhiên liệu ở mức đầy tải sẽ thấp hơn so với phun xăng trên đường ống nạp nên khi tải cao thường hay sử dụng phun xăng trực tiếp để tiết kiệm nhiên liệu.
2.8.3 Nguyên lí hoạt động của kim phun trực tiếp GDI trong AVL BOOST Hydsim Kim phun trực tiếp trực tiếp GDI có các chức năng: Kim phun trực tiếp trực tiếp GDI có các chức năng:
− Phun nhiên liệu trực tiếp với áp suất cao
− Phun nhiên liệu theo nhiều cách để đạt được sự kiểm soát nhiên liệu theo khu vực cụ thể của buồng đốt.
− Phun theo chế độ vận hành, nhiên liệu sẽ tập trung ở vùng lân cận của bugi (phân tầng) hoặc phân bố đều khắp buồng đốt (đồng nhất).
2.8.3.1. Nguyên lí hoạt động
− Khi dòng điện chạy qua cuộn dây → một từ trường được tạo ra → nâng kim van ra khỏi chân van chống lại lực của lò xo → mở các đường ra của kim phun (8). Áp suất hệ thống bây giờ ép vào một lượng nhiên liệu, lượng nhiên liệu này sẽ tùy thuộc vào thời gian của kim phun và áp suất nhiên liệu, nhấc càng lâu, áp suất càng cao thì nhiên liệu phun ra càng nhiều và ngược lại.
− Khi ngắt dòng điện, van kim bị lực lò xo ép ngược xuống bệ đỡ của nó và làm gián đoạn dòng chảy của nhiên liệu.
− Khả năng phun nhiên liệu tuyệt vời đạt được nhờ vào hình dạng vòi phun phù hợp ở đầu kim phun.
2.8.3.2. Hoạt động của kim phun GDI trong xi lanh
Hình 2.16. Hoạt động của kim phun GDI trong xi lanh
Kim phun phải được kích hoạt với đặc tính dòng điện cao để tuân thủ các yêu cầu đối với quá trình phun nhiên liệu tái tạo, xác định (hình 4.9).
− Bộ vi điều khiển trong ECU động cơ chỉ phát tín hiệu kích hoạt kỹ thuật số (a). Một mô-đun đầu ra (ASIC) sử dụng tín hiệu này để tạo ra tín hiệu kích hoạt (b) cho kim phun.
− Một bộ chuyển đổi D/C trong ECU động cơ tạo ra điện áp tăng cường 65V. Điện áp này là cần thiết để đưa dòng điện lên càng nhanh càng tốt trong pha tăng cường đến giá trị dòng điện cao. Điều này là cần thiết để tăng tốc kim phun càng nhanh càng tốt. Trong giai đoạn lấy hàng (t bật), kim giá trị sau đó đạt được độ nâng mở tối đa (c). Khi kim phun mở, một dòng điện kích hoạt nhỏ (dòng điện giữ) là đủ để giữ cho kim phun mở.
Hình 2.17. Sự hoạt động của kim phun cao áp GDI
− Với độ nâng kim phun không đổi, lượng nhiên liệu phun vào (d) tỷ lệ với thời gian phun.
2.8.3.3. Hình thành phun
Nhiên liệu sau khi được đưa đến đầu kim phun, với áp suất cao và cấu tạo vòi phun 6 lỗ phun, nhiên liệu được phun sương ra theo 6 lỗ phun này.
Hình 2.18. Đầu kim phun áp cao GDI
Hướng nhiên liệu phun ra được mô tả trong hình 4.11
Hình 2.19. Hướng nhiên liệu phun ra trong buồng đốt
2.8.3.4. Các chế độ hoạt động
Kim phun trực tiếp hoạt động theo hai chế độ là chế độ nạp đồng nhất và chế độ nạp phân tầng.
- Chế độ nạp đồng nhất:
Động cơ hoạt động trên hỗn hợp A/F đồng nhất (lamda = 1), nghĩa là có một hỗn hợp gần như hoàn hảo giữa nhiên liệu và không khí trong xi lanh. Nhiên liệu được bơm vào ngay khi bắt đầu hành tình nạp để tạo cho nhiên liệu vào có thời gian hòa trộn với không khí nhiều nhất, để tạo thành hỗn hợp A/F đồng nhất. Chế độ này cho phép sử dụng bộ TWC để xử lí khí thải.
- Chế độ nạp phân tầng:
Tạo ra một vùng hỗn hợp A/F xung quanh bugi, vùng này được bao quang bởi vùng không khí trong phần còn lại của xi lanh, Điều này dẫn đến lượng nhiên liệu được phun vào xi lanh ít hơn, dẫn đến tỉ lệ A/F tổng thế rất cao lamda > 8, với tỉ lệ không khí trung bình lamda = 3..5 khi tải trung bình và lamda = 1 khi đầy tải. Chế độ nạp phân tầng cũng giữ cho ngọn lửa cách xa thành xi lanh, giúp giảm tổn thất nhiệt. Nhiên liệu sẽ được phun trong giai đoạn sau của kì nén, kết hợp với khoang xoáy ở trên cùng của piston tạo ra hỗn hợp nhiên liệu phân tầng xoáy siêu nghèo mà các hệ thống nhiên liệu cho động cơ xăng khác không làm được. Được sử dụng ở mức tải thấp, nhằm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu
và lượng khí thải.
2.8.3.5. Điều khiển nhiên liệu
ECU tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến áp suất nhiên liệu trong xi lanh, cảm biến bàn đạp ga… xử lí và gửi tín hiệu điện đến kim phun đển điều khiển dòng điện cấp cho kim phun, lượng điện cung cấp càng lâu thì lượng nhiên liệu phun ra sẽ càng nhiều và áp suất phun từ 2.75MPa đến 20MPa.
2.8.4. Thông số kết cấu mô phỏng trực tiếp
Hình 2.20. Bản vẽ chi tiết kim phun GDI
2.8.4.1. Thông số cơ khí:
− Khối lượng kim phun: 68g
− Đường kính thân kim phun: 20,7 mm − Chiều dài kim phun: 87 mm
− Tốc độ phun: 1.640g/phút − Số lượng 8 lỗ
− Góc phun: 110o
− Tia đươn góc phun: 8 đén 20o − Rò rỉ: =< 2,5 mm3/ phút pử 23o
2.8.4.2. Thông số điện tử của cuộn dây điện từ:
− Dòng cấp tăng áp: 65V − Dòng tăng áp: 13,4V − Thời gian tăng áp: 480 µs − Nguồn cấp: 12V
− Thời gian nhấc kim: 704 µs Dòng duy trì: 3.7A - Độ trễ 0.8A
2.9. Đường ống dẫn nhiên liệu
2.9.1. Đường ống dẫn nhiên liệu áp suất thấp (LP)
Được làm từ thép dập, và thành của nó đóng vai trò là van điều tiết xung áp suất nhiên liệu.
Cảm biến áp suất được lắp trong thanh ray.
Hình 2.21. Đường ống nhiên liệu áp thấp 2.9.2. Đường ống dẫn nhiên liệu áp suất cao (HP)
Được làm từ tháp dập, có một cảm biến áp suất cung cấp tín hiệu phản hồi cho ECU. Các kim phun được giữ bằng giá đỡ lò xo giúp giảm rung động và không cho chúng di chuyển trong quá trình khởi động (khi áp suất trong xi lanh cao hơn áp suất nhiên liệu trong đường ống).
Hình 2.22. Đường dẫn nhiên liệu áp suất cao
2.10. Hệ thống chứa và lọc nhiên liệu
2.10.1. Bình xăng
Hình 2.23. Bình xăng
Có nhiệm vụ lưu trữ nhiên liệu, đảm bảo cho động cơ hoạt động liên tục trong một khoảng thời gian nhất định.
Đây là nơi chứa bơm xăng áp thấp EV 165, bộ lọc nhiên liệu tinh và lọc thô (bộ lọ chút nhiên liệu).
2.10.2. Bộ lọc nhiên liệu
− Bầu lọc thô có nhiệm vụ tách nước ra khỏi nhiên liệu và lọc các hạt thô có kích thước 0.04-0.1mm.
− Bầu lọc tinh có nhiệm vụ lọc sạch cặn bẩn có kích thước rất nhỏ trong nhiên liệu để đảm bảo chất lượng làm việc cũng như độ bền của bơm cao áp và vòi phun.
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHẦN MỀM MÔ PHỎNG AVL BOOST HYDSIM
3.1. Giới thiệu tổng quan về phần mềm AVL BOOST Hydsim
BOOST Hydsim là một chương trình phân tích động các hệ thống thủy lực và cơ khí thủy lực. Nó dựa trên lý thuyết về động lực học chất lỏng và chuyển động của các hệ thống đa vật thể. Phạm vi ứng dụng chính của BOOST Hydsim là mô phỏng phun nhiên liệu. Ban đầu, phần mềm được phát triển để mô phỏng các hệ thống phun nhiên liệu GDI.
Ngày nay, BOOST Hydsim rất phù hợp cho việc mô hình hóa xăng, dầu nặng, phun nhiên liệu thay thế... Ngoài ra, các ứng dụng mới như truyền thủy lực, van điện từ (solenoid) và bộ truyền động đã được cập nhập. BOOST Hydsim có thể được sử dụng cho mô phỏng nhiều hệ thống phun nhiên liệu và các hệ thống khác bao gồm các bộ điều khiển. Nói chung, chương trình này rất hữu ích trong nhiều lĩnh vực liên quan đến phân tích động các hệ thống thủy lực, cơ khí và điều khiển. Ví dụ, bằng cách sử dụng giao Diện MATLAB, BOOST Hydsim có thể mô phỏng động lực học của các thiết bị điều khiển cơ khí, chẳng hạn như đầu vào động cơ và điều khiển nâng van xả và độ rung của ổ đĩa. BOOST Hydsim là một công cụ tích hợp của không gian làm việc AVL với tiền xử lý và xử lý đồ họa thân thiện với người dùng. Biểu diễn hai chiều (2D) của mô hình BOOST Hydsim cung cấp hình ảnh chung về hệ thống theo định nghĩa của người dùng.
Về cơ bản, mỗi thành phần cụ thể của hệ thống (vật lý) được biểu thị bằng một biểu tượng trên màn hình GUI. Các biểu tượng có thể được kết nối cơ học, thủy lực hoặc logic. GUI kiểm soát quá trình xây dựng mô hình và không cho phép các kết nối không tương thích hoặc các thông số kỹ thuật đầu vào không hợp lệ khác.
3.2. Tạo mô hình không gian hai chiều:
3.2.1 Trình bày mô hình BOOST Hydsim
Hình 3.1. Giao Diện phần mềm AVL BOOST Hydsim
Mục đích của việc trình bày mô hình BOOST Hydsim hai chiều là cung cấp một cái nhìn chung của hệ thống được định nghĩa bởi người sử dụng. Một cách cơ bản, mỗi phần tử riêng biệt của hệ thống được trình bày bằng một biểu tượng trên màn hình GUI. Những biểu tượng này được liên kết màu đỏ hoặc xanh (tùy theo loại liên kết). Trong đó, màu đỏ thể hiện cơ khí (lò xo hoặc bộ giảm chấn) và màu xanh da trời thể hiện liên kết thủy lực (hướng dòng chảy). Một số phần tử khác có thể được kết nối bằng đường màu xanh lá cây (liên kết đặc biệt).
3.2.2. Nhập thông số ban đầu:
Để nhập thông số đầu vào, phải kích đôi vào một biểu tượng được chọn hoặc có thể được mở ra bằng các kích sáng biểu tượng với chuột trái. Sau đó kích chuột phải để mở menu rồi chọn tab “Propeties” (những tính chất), lúc này hộp thoại đầu vào sẽ hiện ra. Ngoài ra, bằng cách mở những hộp thoại khác nhau từ thanh menu, người sử dụng có thể ghi rõ những điều kiện ban đầu, những thông số đầu vào, những thông số đầu ra theo yêu cầu và định nghĩa một trong những thông số khác liên quan đến phần tử. Những tính chất
của liên kết cơ khí cũng được ghi giống như vậy. Liên kết thủy lực và liên kết đặc biệt không có những tính chất được định nghĩa bởi người sử dụng.
Dữ liệu đầu vào phụ thuộc vào cấu hình hệ thống và tác vụ được chỉ định như
standard run, restart, run với tối ưu hóa hoặc tính toán chuỗi. Một tập hợp các tham số
đầu vào cố định được liên kết với từng phần tử. Một số thông số là tùy chọn (được cung cấp dưới dạng tích để chọn). Mỗi yếu tố được đặc trưng bởi một số ID và tên do người dùng xác định. Tính chất lỏng và kết nối cơ học đòi hỏi đầu vào riêng biệt. Hơn nữa, dữ liệu chung cho điều khiển tính toán phải được chỉ định.
3.2.3. Kết quả
Mỗi phần tử có một tập hợp kết quả được xác định trước (nếu được người dùng chọn), được lưu trữ trên các tệp ASCII khác nhau. Theo mặc định, dữ liệu và thông tin điều khiển được lưu trữ trên tệp Didas. Nội dung của nó có thể được mở trực tiếp với Case Explorer, được tích hợp trong bộ xử lý biểu đồ. Để tối ưu hóa việc chạy chương trình, một tệp lịch sử tương tự cũng được tạo ra (tệp GAD). Đầu ra của kết quả là miền thời gian (mặc định) và miền của góc quay trục (nếu được chọn).
Kết quả mô phỏng điển hình cho các yếu tố thủy lực là: áp suất, nhiệt độ, tốc độ dòng chảy (tốc độ thể tích hoặc tốc độ khối lượng), tỷ lệ tích lũy (thể tích hoặc khối lượng), khu vực dòng chảy hình học và hiệu suất, dòng chảy / xả, khoang hơi.
Đối với các yếu tố cơ học, kết quả mô phỏng điển hình là: tỉ lệ vận tốc và/hoặc gia tốc, lực động và mô-men xoắn, thông số động học.
Việc xử lý của dữ liệu kết quả đầu ra (các trục đồ thị) được thực hiện bởi IMPRESSTM Chart (Biểu đồ hiển thị) của không gian làm việc AVL. Biểu đồ hiển thị cho phép tạo các trục tự động linh hoạt bằng cách sử dụng các mẫu được xác định trước (được cung cấp với BOOST Hydsim hoặc được thiết kế bởi người dùng), cũng như tạo tương tác của biểu đồ, sơ đồ...
3.2.4. Bộ tiền xử lý (GUI)
Bộ tiền xử lý (GUI) cho phép người dùng:
− Xây dựng mô hình 2D của mô hình BOOST Hydsim. − Xác định các thuộc tính và thông số kỹ thuật khác.
− Tạo dữ liệu biên tác động vào hệ thống (các tác động bên ngoài vào mô hình). − Thực hiện tính toán (một hoặc nhiều lần chạy).
− Truy cập biểu đồ kết quả để đánh giá kết quả. − Truy cập PP3 cho ảnh động kim phun /vòi phun.
3.2.4.1. Mô hình 2D (code)
Mục đích của biểu diễn 2D của mô hình BOOST Hydsim là cung cấp hình ảnh chung của hệ thống theo định nghĩa của người dùng. Về cơ bản, một biểu tượng trên màn hình GUI đại diện cho một yếu tố cụ thể của hệ thống vật lý. Các biểu tượng chứa các số liệu sơ đồ của các yếu tố vật lý. Các biểu tượng được kết nối bằng các đường mũi tên màu đỏ hoặc màu xanh. Đường màu đỏ ngụ ý kết nối cơ học (lò xo và/hoặc giảm chấn) và đường màu xanh là kết nối thủy lực (hướng dòng chảy). Một số yếu tố có thể được kết nối bằng các đường màu xanh lá cây (kết nối đặc biệt) và bằng các đường màu cam (kết nối dây).
3.2.4.2. Xác định các thuộc tính và thông số kỹ thuật
Khi mô hình 2D của hệ thống được xác định, các thuộc tính của các phần tử và kết nối cơ học cần được chỉ định. Đối với điều này, chọn biểu tượng bằng nút chuột trái và nhấp vào nút phải để mở hộp thoại nhập của phần tử. Ngoài ra, bằng cách mở các hộp thoại khác nhau từ thanh Menu, người dùng có thể chỉ định các điều kiện ban đầu, các tham số đầu ra mong muốn và xác định các thuộc tính khác liên quan đến phần tử. Tính chất của các kết nối cơ học (đường màu đỏ) cũng được chỉ định theo cách tương tự. Kết nối thủy lực (màu xanh), đặc biệt (màu xanh lá cây) và dây (màu cam) không có thuộc tính do người dùng xác định.
3.2.4.3. Tạo dữ liệu tác động từ bên ngoài
Tất cả các tác động từ bên ngoài tác động vào hệ thống, trong BOOST Hydsim được chỉ định thông qua các yếu tố Boundary. Về cơ bản, cả kích thích cơ học và thủy lực có thể được chỉ định dưới dạng chuyển vị, vận tốc, áp suất và dòng chảy là một hàm của thời gian hoặc góc quay trục.
3.2.4.4. Thực hiện tính toán (chạy chương trình)
Chạy chương trình BOOST Hydsim trực tiếp từ GUI bằng cách nhấp vào Simulation|
Nếu màn hình chính hoặc hệ điều hành GUI không đưa ra bất kỳ thông báo lỗi nào thì BOOST Hydsim đã bắt đầu thực hiện mô hình. Trong quá trình tính toán số lượng thông tin khác nhau, các thông báo cảnh báo và lỗi có thể được tạo ra bởi các tính toán nội bộ.
Chúng được lưu trữ trên tệp văn bản Simulation.out và có thể được xem bằng cách