Đặt vấn đề Động cơ diesel được sử dụng nhiều trên thế giới do hiệu suất nhiệt cao. Tuy nhiên, khí thải từ động cơ diesel là một vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng tới môi trường và là một trong các tiêu chí quan trọng nhất trong sản xuất ô tô sử dụng động cơ đốt trong. Quá trình cháy trong động cơ diesel là nguyên nhân hình thành khí thải và được chủ yếu điều khiển bởi quá trình phun nhiên liệu. Vì vậy, nghiên cứu đặc tính phun nhiên liệu của kim phun để đánh giá tác động của lượng phun nhiên liệu ban đầu trong quá trình hòa trộn với không khí hình thành nên hỗn hợp hòa khí và ảnh hưởng liên tiếp tới sự bùng cháy trong động cơ, sau đó là nhiệt độ quá trình cháy, khí thải động cơ, và công suất động cơ là cấp thiết.
Bên cạnh đó, trong quá trình hoạt động ở điều kiện thực tiễn, với các chế độ vận hành thay đổi liên tục, kim phun diesel trên các động cơ, ô tô có thể xảy ra các hư hỏng như rò rỉ kim phun, cháy cụm điều khiển điện tử, nghẹt kim phun…. Xem xét thực tế ở các gara ô tô, phòng thí nghiệm-xưởng thực hành ô tô, đại lý bảo dưỡng-sửa chữa ô tô… hệ thống kiểm tra kim phun điện tử common rail (Diesel common rail injection pump test bench) được sử dụng phổ biến trong kiểm tra tính năng hoạt động ổn định của các kim phun trên động cơ (tình trạng kỹ thuật kim phun, rò rỉ nhiên liệu của kim phun), sử dụng áp suất cao của nhiên liệu được tạo ra bởi hệ thống nén áp suất cao (400bar2000bar) để xúc rửa kim phun. Tuy nhiên, hệ thống thiết bị này được nhập khẩu hoàn toàn với giá tiền lớn. Hình 1 là thiết bị test kim phun nhập khẩu từ Hàn Quốc.
Hình 1: Diesel fuel injection pump tester 7 Do đó, công trình này là bước đầu nghiên cứu chế tạo hệ thống xác định đặc tính lưu lượng phun nhiên liệu diesel áp suất cao trong điều kiện mô phỏng hoạt động của hệ thống phun dầu diesel common-rail. Hệ thống thiết kế có thể tạo ra nhiên liệu áp suất cao, chủ động điều khiển các chế độ phun nhiên liệu điện tử, thời gian phun nhiên liệu và đo đặc tính phun nhiên liệu dựa trên nguyên lý chênh lệch áp suất khi nhiên liệu được phun kết hợp sử dụng các cảm biến áp suất để xác định độ tăng áp suất trong hệ thống buồng đo kín được nén nhiên liệu. Nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng cụm hệ thống cung cấp áp suất nhiên liệu cao (lên tới 1600bar), cụm hệ thống điều khiển chủ động các chế độ của kim phun điện tử (chiến thuật phun nhiên liệu) và cụm hệ thống buồng đo kín xác định đặc tính phun nhiên liệu (thời điểm phun nhiên liệu, chiều dài phun nhiên liệu thực tế, tốc độ dòng phun, lượng nhiên liệu được phun, hiệu suất kim phun nhiên liệu,…). Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu chế tạo hệ thống đo đặc tính lưu lượng tia phun nhiên liệu áp suất cao tại điều kiện hoạt động tương tự hệ thống nhiên liệu common-rail.
Mục tiêu cụ thể: - Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển cung cấp ổn định áp suất phun cao áp với dãy áp suất từ 600bar tới 1600bar. - Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển kim phun có khả năng thay đổi đa dạng các chiến thuật phun (1 lần, 2 lần, hoặc nhiều lần), thời điểm phun và khoảng thời gian phun được điều khiển chính xác. - Thiết kế và chế tạo hệ thống đo lưu lượng phun nhiên liệu áp suất cao. Phương pháp nghiên cứu Phương Các nội dung, công việc Kết quả đạt TT pháp nghiên Cách tiếp cận chủ yếu được cứu 4.1 Tổng quan về ứng dụng Phân tích và Tìm kiếm và thu thập Báo cáo phân nghiên cứu đặc tính tia tổng hợp tài liệu tham khảo tích tổng quan phun trong động cơ diesel về ứng dụng phun dầu điện tử và phương pháp đo lưu lượng tia phun.2 Tổng quan về thiết bị Phương pháp Tìm kiếm và thu thập Báo cáo phân kiểm tra kim phun diesel khảo sát tài liệu tham khảo tích tổng quan áp suất cao của thiết bị 4.3 Cơ sở lựa chọn bơm cao Phương pháp Tính toán thông số Báo cáo về cơ áp, motor điện tính toán, đặc tính motor sở lựa chọn phân tích thiết bị 8 4.4 Thiết kế mạch điều khiển Phương pháp Tham khảo tài liệu Nguyên lý điều bơm cao áp và kim phun thiết kế, phân và thiết kế, chế tạo khiển và mạch điện tử tích, chế tạo mạch.
điều khiển kim phun diesel điện tử Nguyên lý điều khiển và mạch điều khiển bơm nhiên liệu nén áp suất cao 4.5 Xây dựng hệ thống thu Tìm hiểu và Tham khảo tài liệu Phần mềm điều thập tín hiệu và hiển thị thiết kế hệ hướng dẫn và thiết khiển và hiển hoạt động thống thu kế hệ thống thu thập thị hoạt động. thập tín hiệu tín hiệu 4.6 Thiết kế 3D và gia công Phương pháp Tham khảo tài liệu, Tập bản vẽ tiêu chế tạo, lắp ráp buồng đo thiết kế, gia thiết kế 3D chi tiết, chuẩn kỹ thuật áp suất nhiên liệu công chế tạo. xuất bản vẽ kỹ thuật Buồng đo được chế tạo 4.7 Thử nghiệm và phân tích Thử nghiệm Lắp ráp các cụm, kết Số liệu thử và phân tích nối hệ thống và lập nghiệm và các số liệu bảng điều kiện thử phân tích đánh nghiệm giá hoạt động hệ thống 2. Tổng kết về kết quả nghiên cứu 2.
Tổng quan về nghiên cứu đặc tính tia phun trong động cơ diesel phun dầu điện tử và phương pháp đo lưu lượng tia phun. a) Tình hình nghiên cứu quốc tế Ngày nay cùng với sự phát triển công nghiệp, nhu cầu vận chuyển hàng hóa và phương tiện giao thông ngày càng tăng. Đặc biệt động cơ Diesel được sử dụng rộng rãi hơn động cơ xăng vì có hiệu suất nhiệt cao. Tuy nhiên khí thải tạo ra từ động cơ diesel (NOx, CO, SOOT, HC, …) là một trong các vấn đề đang được quan tâm quyết liệt, tác động trực tiếp đến ô nhiễm môi trường và sức khỏe con người.
Vì vậy các tiêu chuẩn khí thải ngày càng cao được đưa ra và các quốc gia trên thế giới đang áp dụng. Việc quy định áp dụng các tiêu chuẩn khí thải đã thúc đẩy các nhà khoa học và các công ty sản xuất ô tô cải tiến công nghệ phun nhiên liệu giúp làm giảm lượng khí thải tạo ra. Wang và ctg. Mallamo và ctg.
Badami và ctg. (2001) [3] đã nghiên cứu về việc thay đổi các chiến lược phun (phun 1 lần, phun 3 lần, phun 5 lần) đồng thời kết hợp các chiến thuật phun với công nghệ hồi lưu khí thải EGR (Exhaust Gas Recirculation) trên động cơ diesel đã kết luận rằng viêc thay đổi chiến thuật phun nhiều lần giúp làm giảm lượng khí thải NOx (0.1g/kWh), PM và giảm tiếng ồn do động cơ gây ra. Đồng quan điểm với các nghiên cứu trên về sự ảnh hưởng của chiến thuật phun nhiên liệu nhiều lần đến hàm lượng khí thải trên động cơ diesel, nghiên cứu về tác dụng của chiến thuật phun nhiều lần của động cơ diesel thế hệ thứ 2 trên xe du lịch của các tác giả G. Pelloni (2004) [4] đã cho thấy rằng chiến thuật phun nhiều lần có hiệu quả trong việc giảm sự hình thành NOx, SOOT.
Nghiên cứu tiếp theo trong điều 9 kiện sử dụng 2 chiến thuật phun (phun mồi – phun chính và phun mồi lần 1 – phun mồi lần 2 – phun chính) để đánh giá tác động của chiến thuật phun đến khí thải của tác giả Jinwoo Lee và ctg. (2009) [5] đã đưa ra nhận định rằng lượng NO và khí thải tạo ra trong chiến thuật phun mồi 2 lần thấp hơn từ 73% tới 84% so với chiến thuật phun mồi 1 lần và lượng phát thải HC tạo ra giảm hơn 50%. Một nghiên cứu thử nghiệm bổ sung đã được thực hiện bởi tác giả Yi Liu và Rolf D. Reitz (2005) [6] để tối ưu hóa quá trình đốt cháy và phát thải sử dụng chiến thuật phun nhiều lần.
Kết quả chỉ ra rằng việc tách quá trình phun thành 2 lần là một giải pháp để tối ưu hóa động cơ, ở lần phun mồi giúp giảm lượng tiêu hao nhiên liệu (BSFC) và cải thiện hiệu suất, khí thải, khoảng thời gian chờ giữa lần phun mồi và phun chính ảnh hưởng đến quá trình đốt cháy trong động cơ. Hiệu suất, khí thải, và đặc tính quá trình cháy của động cơ không chỉ bị ảnh hưởng bởi chiến thuật phun mà chiều dài thời gian phun cũng tác động rất nhiều đến các yếu tố đó, nghiên cứu của tác giả Sakthivel Gnanasekaran và ctg. (2016) [7] về ảnh hưởng của thời gian phun đến hiệu suất khí thải, đặc tính đốt cháy của động cơ DI sử dụng nhiên liệu diesel sinh học đã chứng minh khi tăng thời gian phun thì hiệu suất nhiệt của động cơ tăng, lượng khí thải NOx thấp hơn 2% tới 4% so với dầu diesel đồng thời lượng HC, CO giảm khi tăng thời gian phun. Đặc tính tốc độ phun nhiên liệu không chỉ tác động đến tốc độ tỏa nhiệt trong quá trình cháy của động cơ mà còn tác động đến độ ồn hoạt động của động cơ và mối tương quan hình thành khí thải của NOx –Soot được trình bày qua nghiên cứu của tác giả Payri và ctg.
(2016) [8], tác giả Yu và ctg. Trong nỗ lực giảm sự hình thành PM và NOx bằng việc điều khiển chính xác tốc độ lưu lượng phun nhiên liệu theo điều kiện hoạt động của động cơ (tốc độ, tải, …), tác giả Hwang và ctg. (1999) [10] đã nghiên cứu về ảnh hưởng của lưu lượng phun nhiên liệu tới khí thải trong động cơ diesel và kết luận rằng có kết quả đặc tính tối ưu của lưu lượng phun theo điều kiện hoạt động của động cơ. Hình 2 dưới đây là sơ đồ tổng quan về hệ thống nghiên cứu đặc tính phun nhiên liệu áp suất cao mà một số nghiên cứu trên thế giới dùng để thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của tính chất vật lý/hoá học của các loại nhiên liệu tới đặc tính tia phun, từ đó xác định sự ảnh hưởng tới công suất, khí thải của động cơ R.
Munsin và ctg. (2015) [11], Lucio Postrioti và ctg. (2014) [12], Prathan Srichai và ctg. Hình 2: Sơ đồ hệ thống đo đặc tính lưu lượng phun nhiên liệu [11] 10 Hệ thống phun dầu điện thử common-rail thế hệ thứ 2 được ứng dụng phổ biến dựa trên yêu cầu đạt tiêu chuẩn khí thải Euro IV và tiêu chuẩn cao hơn mà nhiều quốc gia áp dụng cũng như các sự phổ biến hệ thống này ở các dòng xe ô tô tải, ô tô khách và động cơ diesel (VM MOTORI 2516 Turbocharged 4 Valve D.