MỞ ĐẦU Hiện nay, thách thức lớn nhất đối với các nhà sản xuất động cơ đốt trong (ĐCĐT) là việc giảm suất tiêu hao nhiên liệu đồng thời giảm phát thải. Với sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) điều khiển điện tử (ĐKĐT), các thách thức đã dần được giải quyết. Trong vài năm qua, việc cải thiện quá trình cháy của động cơ bằng việc tối ưu hóa quy luật cung cấp nhiên liệu (QLCCNL) và áp dụng các kỹ thuật phun tiên tiến đã trở thành các giải pháp kỹ thuật tiềm năng. Để đạt được mục tiêu giảm suất tiêu hao nhiên liệu đồng thời giảm lượng phát thải, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực ĐCĐT đã phát triển nhiều kỹ thuật phun khác nhau, bao gồm kỹ thuật thay đổi áp suất phun, tỷ lệ phun, hình dạng chùm tia phun hoặc thay đổi số lần phun: từ phun một giai đoạn đến phun nhiều giai đoạn (phun mồi, phun chính, phun muộn), hoặc tách giai đoạn phun chính thành nhiều giai đoạn phun, gọi là phun chính nhiều giai đoạn (PCNGĐ).
Mỗi kỹ thuật phun đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, tùy theo từng quan điểm và mục đích nghiên cứu có thể lựa chọn kỹ thuật phun phù hợp nhằm đạt được kết quả mong muốn. Các công trình nghiên cứu công bố trong những năm gần đây đã đóng góp lớn cho nền tảng kiến thức về các kỹ thuật phun, trong đó có PCNGĐ. Tuy nhiên, các kết quả đó vẫn còn chưa đầy đủ, đặc biệt khi sử dụng các loại nhiên liệu thay thế, trong đó có diesel sinh học. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm về PCNGĐ trên động cơ diesel đang gia tăng trong những năm gần đây, tuy nhiên, đa phần các công trình nghiên cứu vẫn đang trong quy mô phòng thí nghiệm, có ít công trình nghiên cứu cho động cơ diesel thế hệ mới, sử dụng các hệ thống phụ trợ phức tạp.
Bên cạnh đó, việc lượng hóa các thông số của cơ cấu chấp hành, các thông số điều khiển vòi phun và mối liên hệ giữa chúng còn chưa được làm rõ, dẫn tới sự khó khăn khi đánh giá ảnh hưởng của các kỹ thuật phun mới. Ngoài ra, các nghiên cứu về ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu diesel sinh học đến diễn biến quá trình phun khi sử dụng PCNGĐ còn nhiều hạn chế.5 TCI-A là động cơ diesel sử dụng HTPNL kiểu CommonRail (CR), tăng áp bằng tua bin khí thải kiểu VGT có làm mát khí tăng áp, dùng hệ thống tuần hoàn khí thải EGR có làm mát khí EGR và đạt chuẩn ô nhiễm EURO 3 [1]. Động cơ đã áp dụng kỹ thuật phun nhiều giai đoạn (KTPNGĐ) như: phun mồi, phun chính, phun bổ sung và phun muộn ở vùng tốc độ thấp và trung bình, đảm bảo động cơ làm việc êm, mức phát thải các chất ô nhiễm khá thấp. Tuy nhiên, khi tốc độ động cơ càng lớn thì thời gian phun thực đối với động cơ càng giảm, do đó khả năng áp dụng KTPNGĐ sẽ càng giảm đi do việc tổ chức (điều khiển) quá trình luan an 2 phun trở lên phức tạp.
Vì vậy, ở vùng tốc độ cao, tải cao động cơ chỉ sử dụng kỹ thuật phun một giai đoạn, điều này làm cho mức phát thải của động cơ ở vùng tốc độ cao, tải cao tăng và tiếng ồn lớn [2]. Những kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy kỹ thuật PCNGĐ mang lại hiệu quả trong việc cải thiện hiệu suất, công suất và giảm phát thải cho động cơ (tùy theo chế độ khảo sát). PCNGĐ có hiệu quả cao khi hai lần phun (ứng với phun chính hai giai đoạn) tương đối gần nhau, tức là giãn cách giữa hai lần phun không quá lớn (trong khi đối với KTPNGĐ, ví dụ như phun mồi - phun chính: khuyến cáo rằng, thời điểm phun mồi cần phải khá sớm và không quá gần so với thời điểm phun chính để đảm bảo hiệu quả của phun mồi; thực tế thời điểm phun mồi trên động cơ Hyundai 2.5 TCI-A thường cách thời điểm phun chính từ 24o GQTK đến 55o GQTK). Vì vậy, việc tổ chức phun chính hai giai đoạn ở chế độ tốc độ cao và tải cao đối với động cơ là khả thi.5 TCI-A sử dụng vòi phun CommonRail kiểu điện từ (CRI2.2) có thể phun tối đa 5 lần trong một chu trình công tác, do đó nó có khả năng đáp ứng yêu cầu phun chính hai giai đoạn trong vùng tốc độ cao của động cơ.
Dựa trên một số kết quả nghiên cứu ban đầu về PCNGĐ và nền tảng công nghệ của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của phun chính nhiều giai đoạn đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ diesel kiểu CommonRail khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học”. Với đề tài này, nghiên cứu sinh mong muốn đóng góp thêm những kiến thức mới về PCNGĐ, đánh giá hiệu quả của PCNGĐ khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học; làm rõ hơn nữa các thuật ngữ mô tả QLCCNL khi phun một giai đoạn và khi PCNGĐ; lượng hóa chính xác hơn mối quan hệ giữa các thông số điều khiển với các thông số của QLCCNL. Mục đích nghiên cứu của luận án (1)- Xác định chính xác QLCCNL (diễn biến tốc độ phun, thời gian phun, thời điểm bắt đầu phun, lượng phun, áp suất phun…) và ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học đến QLCCNL, xác định độ trễ mở - NOD (Nozzle Opening Delay) và độ trễ đóng - NCD (Nozzle Closing Delay) của vòi phun. Làm cơ sở chính xác hóa (thời điểm bắt đầu phun, thời gian phun, lượng phun…) khi nghiên cứu các kỹ thuật phun tiên tiến, tập trung vào PCNGĐ.
(2)- Đánh giá ảnh hưởng của PCNGĐ đến chu trình công tác (CTCT) và mức phát thải của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A theo thời điểm bắt đầu phun, tỉ lệ phun, thời gian dừng giữa các lần phun và loại nhiên liệu sử dụng thông qua mô phỏng bằng các phần mềm chuyên dụng. (3)- Đánh giá khả năng của vòi phun CRI2.2 khi tiến hành PCNGĐ. luan an 3 ii. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu của đề tài là động cơ diesel Hyundai 2.5 TCI-A [3] và vòi phun CRI2.2 sử dụng trên động cơ Hyundai 2.5 TCI-A và các động cơ cùng thế hệ.
Nhiên liệu sử dụng gồm: nhiên liệu diesel khoáng (B0) - là nhiên liệu diesel thương mại, có bán sẵn trên thị trường; diesel sinh học gốc (B100) - được sản xuất từ bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thô thành dầu ăn [4]); hỗn hợp diesel/biodiesel (B40) - là hỗn hợp nhiên liệu diesel sinh học giữa B0 và B100. Phạm vi nghiên cứu: xác định chính xác QLCCNL bằng thực nghiệm trên bệ thử chuyên dụng. Đánh giá ảnh hưởng PCNGĐ (giới hạn ở PC2GĐ) đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ diesel Hyundai 2.5 TCI-A bằng phần mềm mô phỏng chuyên dụng (GT-Suite 7.5) ở chế độ vận hành ổn định của động cơ. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm: - Nghiên cứu lý thuyết: tính toán mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng (GT- Suite), có độ tin cậy và độ chính xác cao để xác định đặc tính của vòi phun CR, kiểu điện từ CRI2.2; dự báo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ khi sử dụng PC2GĐ.
- Nghiên cứu thực nghiệm: quá trình thực nghiệm được thực hiện với các trang thiết bị hiện đại, có độ chính xác cao như Bệ thử UniPg STS của Phòng thí nghiệm SprayLab, Khoa Kỹ thuật, Đại học Perugia, Italia; Bệ thử Động cơ của Phòng thí nghiệm Động cơ, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; Phòng Đo lường, Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng, Bộ Quốc phòng, nhằm các mục đích sau: + Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu đầu vào phục vụ cho quá trình mô phỏng vòi phun kiểu CR CRI2.2, mô phỏng động cơ Hyundai 2. + Xác định đặc tính của vòi phun CRI2.2 và khả năng đáp ứng của vòi phun khi thực hiện PCNGĐ. + Đánh giá, hiệu chỉnh MHMP vòi phun và MHMP động cơ. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn * Ý nghĩa khoa học: - Xác định được chính xác đặc tính của vòi phun CR kiểu điện từ, đặc biệt trong trường hợp sử dụng PC2GĐ, giúp hiểu rõ hơn các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình phun, hiện tượng trễ của vòi phun; đồng thời làm rõ các thuật ngữ dùng để mô tả QLCCNL như thời gian cấp điện (ET), thời gian phun (IT), thời điểm luan an 4 cấp điện (SOE), thời điểm bắt đầu phun (SOI); thời gian dừng điện (DT), thời gian dừng phun (RDT).
- Bổ sung thêm các kiến thức và dữ liệu về ảnh hưởng của PC2GĐ đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel hiện đại; hiệu quả của PC2GĐ khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học. Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể dùng làm tài liệu tham khảo trong đào tạo sau đại học về chuyên ngành kỹ thuật Động cơ nhiệt; nghiên cứu phát triển các kỹ thuật phun tiên tiến trên động cơ diesel. * Ý nghĩa thực tiễn: - Góp phần hoàn thiện mô hình vòi phun kiểu CR và MHMP CTCT của động cơ diesel dùng HTPNL kiểu CR, khi sử dụng PC2GĐ, trong phần mềm mô phỏng GT-Suite 7. Làm cơ sở để nghiên cứu hoàn thiện CTCT của động cơ diesel khi ứng dụng các công nghệ tạo hỗn hợp tiên tiến (kỹ thuật phun tiên tiến, tăng áp kiểu VGT, có EGR, có hệ thống xử lý khí thải); - Dự báo việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học khi sử dụng PC2GĐ.
Bố cục của luận án Luận án được trình bày trong 133 trang với 4 chương và các phụ lục, bao gồm các nội dung chính sau: - Chƣơng 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: tập trung phân tích, đánh giá các kỹ thuật phun nhiên liệu trên động cơ diesel ĐKĐT; đánh giá khả năng áp dụng PCNGĐ trên động cơ diesel hiện đại; làm rõ mối quan hệ giữa các thông số điều khiển vòi phun với các thông số của QLCCNL; tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của PCNGĐ đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ diesel có xét đến nhiên liệu diesel sinh học. Các vấn đề nêu trên là cơ sở cần thiết giúp nghiên cứu sinh xác định rõ mục đích, phương pháp, phạm vi nghiên cứu, nội dung và đối tượng nghiên cứu. Nghiên cứu thực nghiệm: trình bày các nội dung liên quan đến việc xác định các thông số vận hành (bao gồm nhóm thông số về QLCCNL và các thông số về hệ thống nạp thải) dùng cho mô hình mô phỏng (MHMP) CTCT của động cơ Hyundai 2.
Xác định đặc tính của vòi phun CRI2.