b) Hệ thống dẫn động phun
2.1.4.1. Quá trình phun nhiên liệu
Hình 2.19. Đồ thị thể hiện áp suất phun khi có phun mồi
Quá trình phun nhiên liệu của hệ thống nhiên liệu Comon Rail được điều khiển phun bằng điện tử nên có thể tổ chức phun thành ba giai đoạn, bao gồm: Phun mồi, phun chính và phun sau.
Phun mồi tạo ra những phần tử hoạt tính là các trung tâm cháy sau này.Sau đó, quá trình hình thành và tích tụ các phần tử hoạt tính tiếp tục xảy ra một cách tự nhiên thông qua các phản ứng dây chuyền phân nhánh. Phun mồi trước khi phun chính làm giảm tốc độ tăng áp suất khi cháy do hạn chế lượng nhiên liệu tham gia chuẩn bị trong giai đoạn cháy trễ nên động cơ làm việc êm hơn, tiếng gõ đặc thù của động cơ diesel giảm.
Phun chính có lượng phun nhiều hơn, quá trình cháy của động cơ chỉ thực sự diễn ra sau khi quá trình phun chính được thự hiện. Công suất đầu ra của đông cơ xuất phát từ giai đoạn phun chính tiếp theo giai đoạn phun sơ khởi. Điều này có nghĩa là giai đoạn phun chính giúp tăng lực kéo của động cơ. Áp suất phun vẫn giữ không đổi trong suốt quá trình phun.
Phun sau có tác dụng gia nhiệt trong quá trình giãn nở để tăng cường phản ứng oxy hóa các chất độc hại trong khí thải như CO, CmHn và muội than. Phun sau không có tác dụng sinh công lớn mà chủ yếu để tận dụng nhiệt trên đường dãn nở để oxy hóa tiếp các thành phần độc hại.
2.1.4.2.Quá trình điều khiển phun nhiên liệu của hệ thống nhiên liệu Common Rail
Qua hình 2.30 ta nhận thấy rằng để điều khiển được quá trình phun nhiên liệu thì có các tín hiệu điều khiển (các thông số đầu vào) cần phải được thu thập hoặc là đặt mặc định đối với từng loại động cơ. Các thông số điều khiển vòi phun bao gồm các thời điểm phun và thời gian phun cũng như số lần phun mồi.Các lần phun đều có mối quan hệ và phụ thuộc lẫn nhau.
Chúng ta thấy rằng tổ chức phun được chia làm ba lần: phun mồi, phun chính và phun sau. Phun mồi là phun một ít nhiên liệu trước khi phun chính. Phun chính là lần phun nhiên liệu chính để có thể tạo ra công suất cho động cơ, hầu hết nhiên liệu được phun ở lần phun này. Phun sau là phun thêm nhiên liệu để đốt cháy hết nhiên liệu chưa cháy.Vai trò của từng lần phun có ý nghĩa khác nhau.Phun mồi giúp cho động cơ Diesel tạo ra được hỗn hợp đồng nhất dẫn đến giảm được thời gian cháy trễ vì vậy động cơ sẽ cháy tốt hơn, giảm ∆p/∆φ nên động cơ hoạt động êm dịu hơn. Chính yếu tố này mà ngày nay động cơ Diesel được ứng dụng rất rộng rãi cho rất nhiều loại động cơ khác nhau kể cả xe con. Phun chính có tác dụng cung cấp đúng, đủ lượng nhiên liệu để tạo ra được công suất lớn nhất cho động cơ.Phun sau có tác dụng cháy tiếp và phân hủy các thành phần độc hại trước khi được thải ra môi trường ở đây là chủ yếu là khử thành phần CmHn chưa cháy hết.
Hình 2.20. Sơ đồ các tham số điều khiển
+Cơ sở để xác định bài toán tối ưu góc phun sớm
Cũng như chương trình tính toán lượng nhiên liệu phun vào động cơ thì việc tính toán để xác định thời điểm phun nhiên liệu tối ưu vào động cơ chính là xác định góc
phun sớm tối ưu của động cơ (góc phun chính là góc quay của trục khuỷu).Sau khi tìm được góc phun tối ưu thì sẽ được nạp vào ROM của ECU để điều khiển động cơ. Xác định góc phun sớm tối ưu phải dựa trên các yếu tố: tốc độ quay, tải trọng, lưu lượng khí nạp Qkhoặc độ chênh lệch áp suất trên đường nạp và các thông số làm việc khác như: nhiệt độ động cơ, nhiệt độ khí nạp…. Góc phun sớm tối ưu sẽ phải thay đổi cho phù hợp với quá trình hoạt động của động cơ, ở các chế độ làm việc chuyển tiếp động cơ phải làm việc êm dịu, đạt công suất yêu cầu và phải hạn chế thành phần khí xả độc hại.
Hình 2.21thể hiện góc phun sớm tối ưu của động cơ khi chúng ta chỉ quan tâm đến yếu tố kinh tế, tức là tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất và công suất lớn nhất.
Hình2.21.Quan hệ giữa góc phun sớm tối ưu(θopt) với công suất(Ne),lượng tiêu thụ
nhiên liệu(Ge),suất tiêu thụ nhiên liệu (ge) và tốc độ quay của động cơ (n).
Trong thực tế thì ngoài yếu tố về tính kinh tế của động cơ còn có yếu tố về môi trường cũng cần phải được quan tâm bởi động cơ đốt trong là một trong những nguồn gây ra ô nhiễm môi trường nhất là trong các thành phố lớn.Vì vậy để có góc phun sớm tối ưu thì cần phải kết hợp để tối ưu cả về tính kinh tế và yếu tố môi trường.Trong động cơ Diesel có hai thành phần độc hại luôn được quan tâm đó là thành phần khói (Smoke) và NOx.Tuy nhiên hai thành phần này luôn có xu hướng phát triển trái ngược nhau, nếu khóităng thì NOx giảm và ngược lại. Do đó góc phun sớm tối ưu có thể được ước lượng theo các chế độ tải như sau:
- Ở chế độ không tải hoặc tải nhỏ thì thời điểm phun sớm tối ưu phải được ưu tiên cho các yêu cầu giảm mức độ độc hại trong thành phần khí xả của động cơ (phát thải NOx, CO) và tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất.
- Ở chế độ tải trung bình thì thời điểm phun sớm tối ưu phải được ưu tiên giảm mức độ phát thải thành phần khí độc hại (phát thải NOx, CO) và kết hợp với yếu tố về công suất.
- Ở chế độ toàn tải hoặc tải lớn thì góc phun sớm tối ưu lúc này ưu tiên cho quá trình tạo công suất lớn nhất kết hợp với phát thải Smoke.
Góc phun sớm cơ bản được xác định trên băng thử động cơ dựa theo hai thông số chính mức tải và số vòng quay của động cơ. Nhưng trên thực tế thì góc phun sớm lại phải được hiệu chỉnh để phù hợp từng chế độ hoạt động thực tế của động cơ. Góc phun sớm thực tế được hiệu chỉnh theo nhiệt độ động cơ, nhiệt độ khí nạp và áp xuất khí nạp. Trong quá trình động cơ hoạt động, góc phun sớm luôn được tính toán và tự động điều chỉnh sao cho phù hợp tức thời với các chế độ làm việc của động cơ, không để hiện tượng phun quá sớm làm giảm công suất của động cơ, gây ra tiếng gõ máy và động cơ làm việc không ổn định. Cũng không nên điều chỉnh phun sớm quá trễ vì quá trình cháy sẽ lui về sau điểm chết trên, nhiên liệu có thể không cháy hết mà cháy rớt trên đường xả dẫn đến động cơ nóng, làm cho nhiệt độ truyền qua nước làm mát tăng lên và giảm công suất của động cơ.
Thời điểm phun sớm hay gọi là góc phun sớm được tính theo góc quay của trục khuỷu của động cơ kể từ khi có tia nhiên liệu được phun ra từ vòi phun cho tới khi piston lên đến điểm chết trên. Thời điểm phun sớm có ảnh hưởng trực tiếp đến công suất và lượng tiêu thụ cũng như phát thải của động cơ.Theo phân tích (hình 2.4) thì ta thấy công suất cực đại và mức tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất chỉ có thể nhận được ở một góc phun sớm hợp lý nhất (đối với từng loại động cơ). Nó được xác định theo thời gian hỗn hợp cháy hết và tốc độ cháy hỗn hợp, thời gian cháy hỗn hợp phụ thuộc vào số vòng quay trục khuỷu, còn tốc độ cháy được xác định nhờ vào thành phần hỗn hợp và tỷ số nén của từng loại động cơ. Khi giảm góc phun sớm ϕs, quá trình cháy lùi về
sau, nhiệt độ cực đại của quá trình cháy giảm nhưng lượng nhiệt lại tăng. Ngoài ra do nhiệt độ của khí thải cao nên thời gian hâm nóng máy giảm. Tuy nhiên, do cháy quá muộn nên hiệu quả sinh công thấp làm giảm tính kinh tế của động cơ, tức là làm tăng g
e.Người ta thường sử dụng biện pháp giảm ϕs để giảm độc hại và làm nóng máy
nhanh ở tải trọng nhỏ.
2.1.4.3. Phun mồi
Việc tính toán phun mồi được thực hiện thành 4 phần sử lý sau:
• Kiểm tra phun mồi
• Tính toán lượng nhiên liệu cần thiết để phun mồi
• Tính toán cho thời điểm phun mồi
Hình 2.22.Sơ đồ phun mồi a. Kiểm tra phun mồi
Việc kiểm tra phun mồi là cần thiết để đưa ra các chế độ điều khiển của động cơ. Phun mồi được thực hiện hay không phụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ. ECU điều khiển phun mồi dựa trên các biến điều khiển, trạng thái phun mồi chỉ được thực hiện sau khi các thông tin kiểm tra hoàn toàn tất mà không tồn tại lỗi nào thì quá trình phun mới được thực hiện. Nếu tốc độ trung bình của động cơ không nằm trong khoảng tốc độ cho phép (ngưỡng tốc độ) thì ECU sẽ đưa ra lệnh điều khiển ngắt không cho phun mồi.Nếu lượng nhiên liệu phun quá nhỏ, thì cũng không thực hiện kiểm tra lại nếu lượng nhiên liệu phun chính là đầy đủ.Trong trường hợp lỗi áp xuất nhiên liệu hoặc động cơ chết máy quá trình phun mồi cũng không thực hiện được. Trường hợp lỗ thông hơi của Rail chủ động bị mở(Trạng thái của Rail), phun mồi sẽ khóa.
b. Tính toán lượng nhiên liệu phun mồi
Tính toán lượng nhiên liệu cho quá trình phun mồi được thực hiện dựa trên điểm làm việc của động cơ gồm: Tốc độ trung bình động cơ, mô men động cơ và sử dụng biểu đồ có sẵn của động cơ. Những giá trị cơ sở này được hiệu chỉnh chính xác dựa trên nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ không khí, áp xuất khí quyển. Ta có lượng nhiên liệu phun mồi hiệu chỉnh. Sau đó ta xác định lượng nhiên liệu phun mồi giới hạn bởi điểm làm việc, giá trị này lấy từ biểu đồ có sẵn giới hạn phun mồi lớn nhất.Chọn giá trị nhỏ nhất trong hai giá trị trên (lượng phun mồi hiệu chỉnh và lượng phun mồi giới hạn). Ta chọn lượng phun mồi sau tính toán. Qua đồ thị với đầu vào là áp xuất Rail ta xác định được lượng phun mồi nhỏ nhất. Chọn giá trị lớn nhất trong hai giá trị phun mồi sau tính toán (theo lượng) và lượng phun mồi nhỏ nhất (theo áp xuất Rail) ta được lượng phun mồi yêu cầu.
Thời gian phun của quá trình phun mồi được tính toán dựa trên giá trị áp xuất Rail, nhiên liệu hiện thời và sự hiệu chỉnh bổ sung của nhiệt độ nhiên liệu.
Quá trình phun mồi chỉ được thực hiện nếu thời gian phun lớn hơn ngưỡng thời gian mở vòi phun.
d. Điều chỉnh phun mồi
Lượng phun mồi bao gồm lượng phun mồi cơ sở và lượng nhiên liệu phun mồi. Lệnh Bắt đầu dịch chuyển phun mồi cho phép can thiệp vào giá trị hiệu chỉnh lượng phun mồi. Sử dụng lệnh này để thay đổi lượng phun mồi.