4.5.2.1. Lưu lượng phun theo số vòng quay của trục khủy
Hình 4.11 và 4.12 mô phỏng lương phun nhiên liệu theo tốc độ quay của động cơ. Dựa trên những số liệu thực nghiệm mà nhóm đã tìm hiểu và tiến hành mô phỏng hoạt động trên mô hình kim phun GDI này.
Hình 4.19. Lưu lượng kim phun theo tốc độ quay của động cơ.
Hình 4.20. Khối lượng nhiên liệu trên mỗi lần phun theo tốc độ quay của động cơ.
Dựa trên biểu đồ ta có thể thấy, ở các tốc độ quay khác nhau thì lượng nhiên liệu phun ra ở mỗi chế độ hoạt động sẽ khác nhau. Do ECU phải tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến sau đó mới gửi tín hiệu điện áp điều khiển lượng phun nên mất một khoảng thời gian để kim phun điều chỉnh lưu lượng phun đúng chế độ hoạt động. Cụ thể, trên sơ đồ theo từng
số vòng quay thì:
− Ở mức 3000 rpm thì khối lượng nhiên liệu phun vào buồng đốt là 0.016 g/lần phun và lưu lượng lúc này là 0.08 m3/h và nó đang ở mức tiêu thụ nhiên liệu thấp nhất do thời gian phun thấp nhất tính theo góc quay tục khuỷu chỉ từ -135 đến -90 độ trong các tốc độ trên.
− Ở mức 4000 rpm thì động cơ chạy ở mức tăng tốc lượng nhiên liệu trên mỗi lần phun tăng vọt lên đến 0.027 g/lần phun, lưu lượng lúc này là 0.08 m3/h. Do thời gian phun kéo dài từ -145 độ đến -75 độ, do đó lượng nhiên liệu phun ra sẽ lớn hơn ở 3000 rpm. Vì tăng tốc tải cao nên lương nhiên liệu cấp ra phải nhiều, tuy nhiên lúc này động cơ sẽ rất nóng nên GDI mới được sử dụng để làm giảm nhiệt độ buồng đốt, tránh xảy ra hiện tượng gõ và quá nhiệt gây mất hiệu suất hoạt động của động cơ.
− Đến mức 5000 rpm, lúc này thì tốc độ tăng, tải tăng nên lượng nhiên liệu phun ra tăng hơn so với 4000 rpm là 0.034 g trên một lần phun và lưu lượng phun là 0.08 m3/h. Lúc này thời gian phun kéo dài nhất từ khoảng -145 độ đến -60 độ theo góc quay trục khuỷu. Nhằm tránh gây hư tổn, gõ (do quá nhiệt), cung cấp đủ công suất cho đông cơ hoạt động và giúp cân bằng phương tiện.
Trong thực tế, lượng nhiên liệu phun ra trong mỗi lần phun luôn luôn đạt độ chính xác rất cao vì mỗi lầm phun ra với lưu lượng nhiên liệu rất nhỏ, nếu xảy ra sai sót dù chỉ một tí có thể khiển phương tiện không đạt chuẩn về khí thải và không được hoạt động vì vậy các chi tiết cơ khí liên kết được thiết kế rất chính xác và chuẩn mực.
4.5.2.2. Độ nhấc kim phun và thời gian phun theo góc quay trục khủy (tốc độ quay của động cơ)
Hình 4.21. Biều đồ nhấc kim theo góc quay trục khuỷu với thời gian cấp xung.
Biểu đồ trên thể hiện sự nhấc kim theo góc quay tục khuỷu trong thời gian cấp xung cho van solenoid, như ta thấy ở các vong quay khác nhau thì độ nhấc kim phun và thời gian nhấc kim cũng khác nhau, cụ thể:
− Ở 3000 rpm thì độ nhấc kim là 0.05 mm ở 0.49 ms, với thời gian ngắn đồng ngĩa với lượng phun nhỏ (do lượng phun phụ thuộc vào thời gian nhấc kim phun), vi ở tốc độ trung bình nên lượng nhiên liệu phun thấp và đây là thời gian nhấc kim ngắn nhất trong mô hình mô phỏng hoạt động này.
3000 rpm do đó lượng nhiên liệu phun ra nhiều ở mức 34.5 mm3/lần phun để cung cấp đủ nhiên liệu cho động cơ hoạt động đúng tải và giúp phương tiện cân bằng. − Ở mức 5000 rpm thì độ nhấc kim phun là 0.051mm, tuy nhiên thời gian nhấc kim
phun lại có khác biệt là 0.77 ms ở 5000 rpm.
Dựa vào biểu đồ trên ta có thể thấy với tốc độ càng cao hay tải càng nặng thì thời gian nhấc kim càng lâu, hay lượng nhiên liệu cấp vào buồng đốt càng nhiều để cung cấp đủ nhiên liệu cho động cơ hoạt động với hiệu suất tối ưu nhất mà không gây thiếu hay thừa nhiên liệu dẫn đến hư hỏng và gây ô nhiễm môi trường. Thời gian phun ngắn giúp cho lượng nhiên liệu phun vào có đủ thời gian để cháy hết giúp giảm lượng khói độc sinh ra.
Nhưng nhìn chung thì độ nhấc kim phun hầu như không có sự khác biệt ở các chế độ hoạt động, từ đó ta có thể suy ra về mặt cấu tạo thì khi cấp điện cho cuộn dây solenoid thì van sẽ luôn mở ở vị trí tối đa là 0.05 mm và tùy thuộc vào thời gian cấp điện thì lượng nhiên liệu phun ra sẽ khác nhau. Cho thấy mặt tối ưu về phương Diện hoạt động của kim phun cao áp loại solenoid.
4.5.2.3. Áp suất trong các buồng của kim phun.
Ở hình 4.22 thể hiện áp suất trong ác buồng điều khiển, buồng chứa kim phun, buồng chứa nhiên liệu trong bơm và buồng van ở số vòng quay là 4000 rpm, áp suất lỗ tia là 17 MPa và thời gian cấp xung cho solenoid là 0.68 ms. Khi quan sát ta thấy:
− Giá trị áp suất các buồng thay đổi rất phức tạp và chúng thay đổi đồng loạt theo hoạt động của động cơ.
− Có sự chênh lệch áp suất lớn giá trị lớn nhất giữa buồng van và buồng nhiên liệu kim phun và buồng điều khiển lỗ tia so với giá trị nhở nhất của chúng khi kim tiến hành quá trình phun nhiên liệu. Chênh lệch lớn nhất là giá trị 17 MPa và 12.2 MPa. Và đây là khoảng thay đổi áp suất của các buồng.
− Áp suất ở buồng điều khiển có sự thay đổi không đáng kể trong quá trình phun nhiên liệu. Điều này hoàn toàn hợp lí do áp suất trong buồng điều khiển luôn được giữ ở giá trị không đổi nhằm đảm bảo cho nhiên liệu phun ra đúng lượng và lượng nhiên liệu cung cấp cho nó luôn luôn được duy trì nên sẽ không có sự chênh lệch áp suất quá nhiều của nó trong quá trình phun.
− Sự thay đổi này giống như nguyên lí của kim phun đã được trinh bày trước đó và đây là biểu đồ thể hiện độ thực tế của kim phun.
− Khi kim phun nghỉ thì áp suất trong các buồng thay đổi liên tục theo một chu trình và không cố định một giá trị (lúc này cùng tăng hoặc cùng giảm) quanh một giá trị cố định theo chu kì (như trong hình 4.22).
Hình 4.22. Áp suất các buồng trong kim phun.
4.5.2.4. Áp suất nhiên liệu ở đầu kim phun
Hình 4.23. Áp suất nhiên liệu ở đầu kim phun theo các tốc độ quay của động cơ.
Sơ đồ trên đã biểu thị rõ về áp suất hoạt động của nhiên liệu trong kim phun ở các tốc độ khác nhau cụ thể là ở 3000rpm, 4000 rpm và 5000 rpm đều có áp suất nhiên liệu tương
đối gần nhau, cụ thể là ở 3000 rpm áp suất nhiên liệu phun ra là thấp nhất ở 12.8 MPa và cao nhất ở mức 15 MPa. Ở 4000 rpm và 5000 rpm thì áp suất nhiên liệu cũng giống như 3000 rpm.
Tuy nhiên thời gian kéo dài mức phun qua góc quay của trục khuỷu thì khác nhau. Cụ thể là ở 3000 rpm thì thời gian phun là thấp nhất, bắt đầu phun là -135 độ đến -90 độ. Ở 4000 rpm thì dài hơn bắt đầu từ -145 độ và kết thúc ở -75 độ. Và ở 5000 rpm thì thời gian phun là lớn nhất là bắt đầu từ -140 độ và kết thúc ở -60 độ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Điều này cho thấy áp suất phun tối đa của các tốc độ có sự chênh lệch tương đối, và lượng nhiên liệu phun ra sẽ phụ thuộc vào thời gian nhấc kim, thời gian cành lớn thì lượng nhiên liệu phun ra càng nhiều và ngược lại.
Do sự chênh lệch về tải (tốc độ động cơ) khi xe ở tốc độ thấp tải trung bình lượng nhiên liệu cấp vào thấp và áp suất nhiên liệu phun ra cũng thấp, với tốc độ càng cao thì áp suất phun cũng càng lớn. tải càng lớn thì áp suất nhiên liệu và lượng nhiên liệu phun ra cũng càng lớn theo nó.
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 5.1. Kết luận
Các mô phỏng được thực hiện của động cơ chỉ làm việc với phun nhiên liệu vào đường ống nạp và phun nhiên liệu kép đã đưa ra các kết luận sau:
− Khi phun nhiên liệu kép có được thành phần hỗn hợp giống nhau, xảy ra với phun gián tiếp, cần một lượng nhiên liệu lớn hơn một chút. Thực tế này chỉ ra rằng cải thiện hiệu suất thể tích cho động cơ làm việc với phun kép trong các điều kiện mô phỏng đó. Hiệu ứng tương tự cũng thu được trong các thử nghiệm thực nghiệm, − Việc phun nhiên liệu vào xi lanh trong hành trình nạp gây ra chuyển động tích điện
mạnh hơn. Biện pháp của quá trình này là tăng tổng mômen động lượng của điện tích trong hành trình nạp. Hiện tượng thuận lợi này có ảnh hưởng tích cực đến sự hình thành hỗn hợp dễ cháy và sự cháy.
− Các nhà nghiên cứu quan sát thấy rằng khi phun kép, toàn bộ khối lượng nhiên liệu bay hơi 100 ° CA trước thời điểm đánh lửa. Do đó, thời gian để tạo ra hỗn hợp đồng nhất nhất có thể trong trường hợp này là tương đối dài. Thực tế này giải thích cho việc tăng nhẹ
− Phát thải HC trong quá trình làm việc với nhiên liệu phun kép trong các thử nghiệm thực nghiệm.
− Đối với nhiên liệu phun kép, áp suất đỉnh của quá trình đốt cháy cao hơn khoảng 6% so với giá trị của áp suất chỉ có được khi phun nhiên liệu vào đường ống nạp. Tốc độ trung bình của sự gia tăng áp suất dpc / dα từ thời điểm đánh lửa đến khi đạt áp suất cao nhất ở lần phun kép nhiên liệu lên tới 0,16 MPa / ° CA cao hơn một chút so với trường hợp phun nhiên liệu tại cổng - 0,15 MPa / ° CA. Bản chất của những khác biệt này khá giống với kết quả thu được trên băng ghế thử nghiệm.
− Chu kỳ của động cơ phun nhiên liệu kép có đặc điểm là cao hơn khoảng 3% giá trị của áp suất hiệu dụng trung bình được chỉ định so với động cơ phun nhiên liệu đa điểm. Tăng IMEP cũng đạt được trong các thí nghiệm.
quả của các thử nghiệm thực nghiệm.
5.2. Nhận xét
Trên cơ sở kết quả của các xem xét đã thực hiện, có thể đưa ra các kết luận sau:
Kết quả của phần tính toán của công việc hội tụ với kết quả nghiên cứu thực nghiệm. Điều này xác nhận thiết kế phù hợp của mô hình và cho thấy khả năng sử dụng thêm.
− Những tiến bộ trong công nghệ nhiên liệu và động cơ đốt trong. − Với hệ thống phun nhiên liệu kép trong hoạt động được phân tích.
− Điều kiện của động cơ tăng một vài phần trăm trong tổng hiệu suất thu được, điều này đang ở trạng thái phát triển hiện nay của động cơ đốt trong là một giá trị quan trọng. Thực tế này rõ ràng cho thấy mong muốn thực hiện nghiên cứu liên quan đến các vấn đề đã được thực hiện.
− Việc phân tích các biểu đồ chỉ thị được sử dụng để làm việc với phun nhiên liệu gián tiếp và phun nhiên liệu kép cho thấy sự gia tăng áp suất hiệu dụng trung bình được chỉ định và cải thiện hiệu suất nhiệt của động cơ với phun nhiên liệu kép.
− Không có thay đổi đáng kể nào về thành phần của khí thải cùng với việc thay đổi phần nhiên liệu phun trực tiếp vào xi lanh. So với các giá trị thu được khi phun nhiên liệu gián tiếp với sự gia tăng phần nhiên liệu phun trực tiếp vào xi lanh xảy ra sự giảm nồng độ oxit nitric (NOx) với sự gia tăng nhẹ nồng độ của cacbon monoxit (CO) và hydrocacbon (HC).
− Theo quan điểm của tổng hiệu suất, giá trị tối ưu của phần nhiên liệu phun trực tiếp vào xi lanh tăng lên khi tăng tải động cơ ở tốc độ quay quy định.
5.3. Tương lai của hệ thống phun kép
Từ kết quả của các thử nghiệm được mô tả ở trên, ta có thể trình bày các chủ đề cho các hoạt động nghiên cứu sâu hơn liên quan đến chủ đề:
− Phân tích việc áp dụng hệ thống nhiên liệu được mô tả để tạo thành hỗn hợp nạc phân tầng.
− Nghiên cứu tác động của việc áp dụng hệ thống phun kép đến các thông số làm việc của động cơ đốt hỗn hợp nạc gần như đồng nhất.
− Đánh giá tác động của việc áp dụng tạo thành hỗn hợp theo mô hình dẫn hướng phun đến các thông số làm việc của động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu phun kép.
Trong tương lai, với công nghệ tiên tiến và quy trình hoạt động kết hợp nhằm tối ưu lượng nhiên liệu tiêu hao và giảm tối thiểu lượng HC và NOx thải ra trong môi trường. Hiện nay động cơ này từ được sử dụng trên các loại xe cao cấp như Lexus, Camry và nó đang dần được đưa vào xe lai (hybrid) của Toyota. Vì vậy, động cơ Toyota D-4S sẽ được sử dụng và phát triển rộng rãi, phổ biến hơn nữa trong tương lai theo hướng tiết kiệm nhiên liệu, tăng tuổi thọ, sức bền và độ êm dịu của động cơ khi hoạt động.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] BOOST Hydsim Primer v.2013
[2] BOOST Hydsim Users Guide
[3] Bronistaw Sendyka and Marcin Noga, Combustion Process in the Spark-Ignition Engine with Dual-Injection System.
[4] /MengyanGu / Mechanical engineering – Master of Science, Benchmarking a 2018 Toyota Camry 2.5-Liter Atkison Cycle Engine with Cooled-EGR Modelling and control of a gasoline Direct injection fuel system. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
[5] Vilmar Aesoy, Modeling and Simulation for Design and Testing of Direct Injection Gaseous Fuel Systems for Medium-Speed Engines.
[6] Bronisław Sendyka and Marcin Noga, Combustion Process in the Spark-Ignition
Engine with Dual-Injection System.