Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực (mã số: 9 52 01 16) của nghiên cứu sinh Nguyễn Xuân Đạt, thực hiện tại Học viện Kỹ thuật Quân sự dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Hoàng Vũ và TS. Phạm Xuân Phương (năm 2022), tập trung giải quyết bài toán nâng cao hiệu quả công tác và giảm phát thải ô nhiễm cho động cơ diesel điều khiển điện tử sử dụng nhiên liệu sinh học. Luận án kế thừa và phát triển một phần kết quả từ Đề tài Khoa học và Công nghệ cấp Quốc gia mã số ĐT.14/NLSH: "Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau".

Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ mâu thuẫn kỹ thuật nội tại trong quá trình hình thành hòa khí và cháy của động cơ diesel: nhu cầu đồng thời cắt giảm suất tiêu hao nhiên liệu và hai thành phần phát thải đối nghịch là bồ hóng (soot) và oxit nitơ (NOx). Trên các dòng động cơ diesel hiện đại sử dụng hệ thống phun nhiên liệu tích áp kiểu CommonRail (CR) thế hệ mới, kỹ thuật phun nhiều giai đoạn (phun mồi, phun chính, phun bổ sung, phun muộn) đã chứng minh hiệu quả giảm ồn và giảm phát thải ở dải tốc độ thấp và trung bình. Tuy nhiên, ở vùng tốc độ cao và tải cao, do khoảng thời gian thực của một chu trình công tác bị thu hẹp đáng kể, việc tổ chức các giai đoạn phun cách xa nhau (như phun mồi cách phun chính từ $24^\circ$ đến $55^\circ$ góc quay trục khuỷu - GQTK) không còn khả thi, buộc động cơ phải chuyển về chế độ phun chính một giai đoạn (PC1GĐ), làm gia tăng tiếng ồn và mức độ phát thải ô nhiễm. Kỹ thuật tách giai đoạn phun chính thành hai xung phun liên tiếp có khoảng cách dừng rất ngắn (gọi là phun chính hai giai đoạn - PC2GĐ) mở ra tiềm năng giải quyết vấn đề này nhưng còn tồn tại các khoảng trống nghiên cứu lớn:

  • Thiếu các số liệu thực nghiệm chính xác về mối quan hệ giữa thông số điều khiển điện tử (tín hiệu cấp điện từ ECU) và quy luật cung cấp nhiên liệu (QLCCNL) thủy lực thực tế của vòi phun điện từ trong điều kiện nhiều xung phun liên tiếp.
  • Hiện tượng sóng áp suất và dao động thủy lực trong đường ống cao áp sau xung phun thứ nhất gây sai lệch lớn về lưu lượng và thời gian của xung phun thứ hai chưa được lượng hóa đầy đủ.
  • Ảnh hưởng của các thuộc tính hóa-lý đặc trưng của nhiên liệu diesel sinh học (khối lượng riêng cao, độ nhớt lớn, mô đun đàn hồi lớn, nhiệt trị thấp) đến động lực học đóng mở vòi phun và các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật khi thực hiện PC2GĐ ở vùng tải cao, tốc độ cao chưa được khảo sát một cách hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể qua 3 nội dung:

  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 các mức pha trộn diesel sinh học đến QLCCNL; lượng hóa độ trễ mở (NOD - Nozzle Opening Delay) và độ trễ đóng (NCD - Nozzle Closing Delay) của vòi phun CommonRail kiểu điện từ CRI2.2, làm cơ sở chính xác hóa thông số điều khiển cho kỹ thuật phun chính nhiều giai đoạn (PCNGĐ).
  2. Đánh giá ảnh hưởng của kỹ thuật PC2GĐ đến chu trình công tác (CTCT), diễn biến các thông số nhiệt động trong xi lanh và mức độ phát thải ô nhiễm (NOx, soot) của động cơ diesel Hyundai 2.5 TCI-A theo các thông số: thời điểm bắt đầu phun lần một, tỉ lệ phân chia lượng phun, thời gian dừng giữa hai lần phun và loại nhiên liệu sử dụng thông qua phần mềm mô phỏng chuyên dụng.
  3. Đánh giá khả năng đáp ứng động học và giới hạn làm việc thủy lực của vòi phun điện từ CRI2.2 khi tổ chức kỹ thuật PC2GĐ.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ diesel Hyundai 2.5 TCI-A (động cơ 4 kỳ, 4 xi lanh thẳng hàng, tăng áp VGT có làm mát khí nạp, tuần hoàn khí xả EGR làm mát, tiêu chuẩn khí thải Euro 3) và vòi phun CommonRail kiểu điện từ Bosch CRI2.2 trang bị trên động cơ này. Nhiên liệu thử nghiệm bao gồm: nhiên liệu diesel khoáng thương mại (B0); nhiên liệu diesel sinh học gốc (B100) sản xuất từ phụ phẩm tinh luyện dầu cọ thô; và hỗn hợp pha trộn B40 (chứa 40% thể tích B100 và 60% B0).

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc đo đạc thực nghiệm đặc tính thủy lực của vòi phun trên bệ thử chuyên dụng theo phương pháp Zeuch tại Phòng thí nghiệm SprayLab (Khoa Kỹ thuật, Đại học Perugia, Italia); kết hợp thực nghiệm động cơ trên bệ thử tại Viện Cơ khí Động lực (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) và Phòng Đo lường (Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng, Bộ Quốc phòng); tính toán mô phỏng thủy lực vòi phun và chu trình công tác động cơ trong môi trường phần mềm GT-Suite phiên bản 7.5 ở chế độ vận hành ổn định, tập trung tại điểm toàn tải và tốc độ định mức (3500 vòng/phút, 100% tải).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy sự phát triển của kỹ thuật phun nhiên liệu trên động cơ diesel gắn liền với sự tiến hóa của hệ thống phun điều khiển điện tử:

Về kỹ thuật phun một giai đoạn và áp suất phun: Khi nâng cao áp suất phun từ 200 bar lên đến 2500 bar kết hợp vòi phun nhiều lỗ có đường kính nhỏ, các tác giả chỉ ra khả năng xé tơi và phân tán hạt nhiên liệu được cải thiện rõ rệt, thúc đẩy quá trình bay hơi hòa trộn. Tuy nhiên, các công trình của Dodge (áp suất phun quá cao làm gia tăng tổn thất cơ khí kéo bơm mà không bù đắp được hiệu suất), Gumus và cộng sự (khảo sát áp suất phun trên nhiên liệu sinh học nhận thấy khi tăng áp suất, hiệu suất cải thiện, CO2 và NOx giảm nhưng soot, HC và CO có xu hướng tăng tại một số chế độ) đã chỉ ra các giới hạn của việc chỉ tăng áp suất đơn thuần.

Về kỹ thuật phun nhiều giai đoạn kinh điển:

  • Kỹ thuật phun mồi (Pilot injection): Tanaka và cộng sự, Zhuang và cộng sự, Cheolwoong Park và cộng sự khẳng định việc đưa một lượng nhỏ nhiên liệu (1-7 mm3/chu trình, tương đương 5-15% tổng lượng phun) vào cuối kỳ nén trước phun chính (cách từ $5^\circ$ đến $25^\circ$ GQTK) tạo ra các phản ứng tiền ngọn lửa ("ngọn lửa lạnh"), làm giảm thời gian cháy trễ của giai đoạn phun chính, giảm tốc độ tăng áp suất và giảm phát thải tiếng ồn cũng như NOx, dù phát thải soot có thể tăng nhẹ.
  • Kỹ thuật phun bổ sung (Post injection) và phun muộn (Late post injection): Zhuang và cộng sự chỉ ra hiện tượng tách ngọn lửa (split flame), lượng nhiên liệu phun bổ sung ngay sau phun chính làm tăng nhiệt độ giai đoạn sau của quá trình cháy, tăng cường oxy hóa bồ hóng giúp giảm 20-70% lượng soot. Phun muộn ở thời điểm cách xa điểm chết trên (ĐCT) có tác dụng cung cấp tác nhân khử cho bộ xử lý xúc tác NOx hoặc tăng nhiệt độ khí xả phục vụ tái sinh bộ lọc hạt DPF.

Về kỹ thuật phun chính nhiều giai đoạn (PCNGĐ/Split Injection):

  • Cơ chế vật lý: Han và cộng sự sử dụng mô hình 3D-CFD làm rõ cơ chế giảm soot khi PC2GĐ: việc ngắt dòng phun giúp ngăn chặn dòng nhiên liệu liên tục nạp vào vùng ngọn lửa nhiệt độ cao thiếu oxy, đồng thời tia phun thứ hai tạo động năng đẩy vùng cháy thứ nhất phân tán rộng hơn, đưa nhiên liệu vào môi trường nhiệt độ cao đã có sẵn để đốt cháy nhanh chóng, giảm hình thành hạt sơ cấp của muội than.
  • Các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng: Myung Yoon Kim và cộng sự thử nghiệm PC2GĐ tỉ lệ 50/50 trên nhiên liệu biodiesel đậu tương; Marco Bakenhus và cộng sự chụp ảnh ngọn lửa trong buồng cháy động cơ Caterpillar 3401; Shayler và cộng sự, Bianchi và cộng sự mô phỏng trên KIVA-III; Jafarmadar và Zehni mô phỏng động cơ DI và IDI chỉ ra tỉ lệ 75/25 với thời gian dừng $20^\circ$ GQTK cho kết quả tối ưu; Bower và Foster kết luận lượng phun lần 1 lớn (50-70%) và thời gian dừng ngắn (khoảng 0,1 ms) giúp giảm bồ hóng mạnh; Asish và cộng sự chứng minh trên động cơ AVL 5402 việc kết hợp PC2GĐ 50/50 với EGR 52% giúp giảm 75% soot mà vẫn kiểm soát NOx; Mendez và Thirouard chứng minh PC2GĐ làm tách đỉnh giải phóng nhiệt cực đại, giảm áp suất cực đại và giảm 7 dB tiếng ồn cháy.
  • Hiện tượng dao động thủy lực: Herfatmanesh và cộng sự chụp ảnh tốc độ cao phát hiện khi giảm thời gian dừng giữa hai lần cấp điện, lượng phun thực tế của lần hai biến động mạnh do hiện tượng trùng xung cơ học và ảnh hưởng của sóng áp suất phản xạ trong đường cao áp. Akiyama và cộng sự phát hiện sai lệch lượng phun thực tế ở các xung phun sau lên tới 33% và 57%, từ đó đề xuất phương pháp phần tử hữu hạn để bù thời gian cấp điện ET.

Về đặc tính điều khiển vòi phun và ảnh hưởng của nhiên liệu sinh học:

  • Konrad Reif phân tích cấu trúc điều khiển vòi phun CR; Melis và cộng sự xây dựng mô hình ước lượng độ trễ mở (NOD), trễ đóng (NCD) và mối quan hệ giữa thời gian dừng điện (DT) với thời gian dừng thủy lực (RDT). Payri và cộng sự mô phỏng vòi phun CRI2.16 trên AMESim cho thấy độ nhớt và khối lượng riêng cao của B100 làm tăng lưu lượng đỉnh khi kim nâng kịch trần nhưng làm chậm hành trình đóng/mở kim phun. Lapuerta và cộng sự giải thích mô đun đàn hồi lớn của biodiesel làm tăng tốc độ truyền sóng áp suất, khiến thời điểm bắt đầu phun (SOI) bị sớm lên so với diesel khoáng. Szybist và cộng sự, Qi và cộng sự, Monyem và Van Gerpen, Rakopoulos và cộng sự công bố các kết quả khác nhau về "Hiệu ứng gia tăng NOx của nhiên liệu sinh học" trên các cấu hình động cơ cơ khí và CommonRail.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu của Nguyễn Hoàng Vũ và cộng sự (Đề tài ĐT.14/NLSH), Phạm Hữu Tuyến, Hồ Văn Đàm, Đặng Văn Uy đã tiếp cận thiết kế bản đồ điều khiển ECU cho động cơ CommonRail nhưng phần lớn đều giả định tín hiệu cấp điện đại diện trực tiếp cho quá trình phun do thiếu trang thiết bị đo đạc thủy lực chuyên sâu. Nghiên cứu của Nguyễn Lê Duy Khải (mô phỏng KIVA-3V với quy luật 75-8-25 kết hợp EGR 30%) chưa gắn liền với việc đo đạc kiểm chứng đặc tính vòi phun thực tế.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Luận án kết nối trực tiếp chuỗi nghiên cứu từ đo đạc thực nghiệm đặc tính thủy lực độ trễ và lưu lượng vòi phun CommonRail điện từ CRI2.2 bằng phương pháp Zeuch, xây dựng mô hình thủy lực 1D chính xác trong GT-Fuel, đến việc tích hợp bản đồ quy luật phun thực tế vào mô hình chu trình nhiệt động lực học động cơ trong GT-Power. Từ đó, luận án làm rõ bản chất quy luật phun chính hai giai đoạn và tối ưu hóa các thông số vận hành của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A khi sử dụng các cấp phối liệu diesel sinh học gốc dầu cọ (B0, B40, B100) ở vùng tải cao, tốc độ cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và các khái niệm sử dụng

Luận án áp dụng lý thuyết thủy lực dòng chảy qua tiết lưu, động lực học chất lỏng một chiều trong đường ống áp suất cao có xét đến tính nén được của chất lỏng và tính đàn hồi của thành ống dẫn, kết hợp lý thuyết nhiệt động lực học chu trình công tác động cơ đốt trong và các mô hình động học hình thành phát thải ô nhiễm.

Các mối quan hệ định lượng giữa thông số điều khiển điện tử và thông số quy luật cung cấp nhiên liệu thực tế được xác lập thông qua hệ thống công thức:

$$\text{IT} = \text{ET} + \text{NCD} - \text{NOD}$$

$$\text{RDT} = \text{DT} + \text{NOD}_2 - \text{NCD}_1$$

Trong đó:

  • $\text{ET}$ (Energizing Time): Thời gian cấp xung điện điều khiển từ ECU cho cuộn cảm vòi phun (ms).
  • $\text{IT}$ (Injection Time): Thời gian phun thực tế từ khi nhiên liệu bắt đầu thoát ra khỏi lỗ vòi phun đến khi kim phun đóng kín đế (ms).
  • $\text{NOD}$ (Nozzle Opening Delay): Độ trễ mở của vòi phun, tính từ thời điểm bắt đầu cấp điện (SOE) đến thời điểm bắt đầu phun (SOI) (ms).
  • $\text{NCD}$ (Nozzle Closing Delay): Độ trễ đóng của vòi phun, tính từ thời điểm ngắt dòng điện điều khiển (EOE) đến thời điểm kết thúc phun (EOI) (ms).
  • $\text{DT}$ (Dwell Time): Thời gian dừng giữa hai xung cấp điện liên tiếp của ECU (ms).
  • $\text{RDT}$ (Realized Dwell Time): Thời gian dừng thủy lực thực tế giữa thời điểm kết thúc lần phun thứ nhất ($\text{EOI}_1$) và thời điểm bắt đầu lần phun thứ hai ($\text{SOI}_2$) (ms).
  • $\text{NOD}_2$: Độ trễ mở của lần phun thứ hai; $\text{NCD}_1$: Độ trễ đóng của lần phun thứ nhất.

Khái niệm phân định kỹ thuật phun: Phun chính nhiều giai đoạn (PCNGĐ) được xác định là quá trình phân tách lượng phun chính duy nhất thành nhiều xung phun trong đó lượng nhiên liệu cấp ở lần phun thứ nhất phải chiếm trên 15% tổng lượng nhiên liệu cấp trong một chu trình công tác (nhằm phân biệt với kỹ thuật phun mồi có tỉ lệ $\le 15%$).

Thông số thuộc tính hóa-lý Nhiên liệu B0 Nhiên liệu B40 Nhiên liệu B100
Khối lượng riêng ở $15^\circ\text{C}$ ($\text{kg/m}^3$) 839,6 849,9 869,3
Độ nhớt động học ở $15^\circ\text{C}$ ($\text{cSt}$) 3,11 3,60 4,60
Nhiệt trị thấp $H_u$ ($\text{MJ/kg}$) 42,91 40,65 37,39
Trị số xê tan 52,4 57,4 66,9
Mô đun đàn hồi thể tích ($E$, $\text{GPa}$) 1,35 1,46 1,62
Khối lượng phân tử trung bình ($\text{g/mol}$) 167,0 211,8 279,0
Công thức hóa học đại diện $\text{C}{12}\text{H}{23}$ $\text{C}{14,4}\text{H}{27,8}\text{O}_{0,8}$ $\text{C}{18}\text{H}{35}\text{O}_2$

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng bộ giữa phương pháp thực nghiệm hiện đại và phương pháp mô phỏng số chuyên sâu:

  1. Phương pháp thực nghiệm thủy lực vòi phun:
  • Sử dụng bệ thử UniPg STS tại Phòng thí nghiệm SprayLab, Đại học Perugia (Italia), vận hành theo nguyên lý biến thiên áp suất trong buồng kín thể tích không đổi (phương pháp Zeuch).
  • Bệ thử đo trực tiếp diễn biến áp suất tức thời sinh ra do lượng nhiên liệu phun vào buồng chứa có áp suất ban đầu, qua đó vi phân để trích xuất đường cong tốc độ phun theo thời gian ($\text{IR} - \text{Injection Rate}$, đơn vị $\text{mm}^3/\text{ms}$), xác định chính xác thời điểm bắt đầu phun ($\text{SOI}$), thời gian phun ($\text{IT}$), tổng lượng phun cho mỗi chu trình ($V$, $\text{mm}^3/\text{ct}$), cũng như độ trễ $\text{NOD}$ và $\text{NCD}$.
  • Khảo sát trên dải áp suất rail ($p_{\text{rail}}$) từ 600 bar, 1000 bar đến 1400 bar; thời gian cấp điện $\text{ET}$ từ 0,2 ms đến 2,0 ms; thời gian dừng cấp điện $\text{DT}$ từ 0,1 ms đến 2,0 ms; với 3 loại nhiên liệu B0, B40 và B100.
  1. Phương pháp thực nghiệm động cơ:
  • Trích xuất dữ liệu vận hành trên đặc tính ngoài của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A từ bệ thử động cơ công nghiệp: đo mô men xoắn ($M_e$), công suất có ích ($N_e$), suất tiêu hao nhiên liệu ($g_e$), áp suất buồng cháy theo góc quay trục khuỷu, lưu lượng không khí nạp ($G_{kk}$), áp suất và nhiệt độ trên đường nạp/thải, độ mở van EGR và van điều khiển cánh tuabin VGT.
  1. Phương pháp mô phỏng số (GT-Suite 7.5):
  • Xây dựng mô hình thủy lực 1D vòi phun CRI2.2 trong mô-đun GT-Fuel: mô phỏng chuyển động của van điện từ, dòng chảy qua van tiết lưu vào/ra (Z-orifice, A-orifice), khoang điều khiển áp suất, chuyển động của pít tông điều khiển và kim phun dựa trên lực thủy lực và lực đàn hồi lò xo. Mô hình được hiệu chỉnh trực tiếp bằng dữ liệu bệ thử UniPg STS.
  • Xây dựng mô hình chu trình công tác động cơ 4 xi lanh trong mô-đun GT-Power: sử dụng mô hình cháy đa xung (Multi-Pulse Injection DI-Pulse Model) có khả năng tính toán riêng biệt động học hòa trộn, bay hơi, cháy trễ và tốc độ tỏa nhiệt cho từng xung phun độc lập; tích hợp mô hình hình thành NOx nhiệt Zeldovich mở rộng và mô hình tạo/oxy hóa muội than Hiroyasu-NSC.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương này tổng kết cơ sở lý luận về kỹ thuật phun nhiên liệu trên động cơ diesel điều khiển điện tử; phân tích chi tiết đặc tính các giai đoạn phun (phun mồi, phun chính, phun bổ sung, phun muộn); làm rõ khái niệm kỹ thuật phun chính nhiều giai đoạn (PCNGĐ); phân tích sự khác biệt giữa các đại lượng điều khiển điện tử ($\text{SOE}, \text{ET}, \text{DT}$) và các đại lượng thủy lực của quy luật phun ($\text{SOI}, \text{IT}, \text{RDT}$). Phân tích ảnh hưởng của các đặc tính hóa-lý của nhiên liệu diesel sinh học đến hệ thống phun và quá trình cháy; tổng thuật các công trình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam liên quan đến vòi phun CommonRail và kỹ thuật PCNGĐ; từ đó luận chứng việc lựa chọn đối tượng nghiên cứu là động cơ Hyundai 2.5 TCI-A và vòi phun CRI2.2, xác định sơ đồ 4 bước nghiên cứu của luận án.

Thông số kỹ thuật động cơ Hyundai 2.5 TCI-A Giá trị xác định
Kiểu động cơ Diesel, 4 kỳ, 4 xi lanh thẳng hàng
Đường kính xi lanh ($D$) $\times$ Hành trình pít tông ($S$) $91\text{ mm} \times 96\text{ mm}$
Dung tích công tác $2497\text{ cm}^3$
Tỷ số nén $17,6$
Công suất định mức thực nghiệm ($N_{e\text{đm}} / n$) $124\text{ kW} / 3500\text{ vòng/phút}$
Mô men xoắn cực đại thực nghiệm ($M_{e\max} / n$) $396\text{ Nm} / 2500\text{ vòng/phút}$
Hệ thống nhiên liệu CommonRail (Bơm CP1-H, Vòi phun CRI2.2, $p_{\text{rail}\max} = 1600\text{ bar}$)
Hệ thống nạp khí xả Tăng áp VGT có làm mát khí nạp; EGR làm mát
Tiêu chuẩn phát thải nguyên bản Euro 3

Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm

Nội dung chương 2 trình bày các kết quả đo đạc thực nghiệm trên bệ thử động cơ và bệ thử thủy lực chuyên dụng UniPg STS. Tác giả đã lượng hóa chi tiết các đặc tính đóng mở của vòi phun CRI2.2:

  • Khi PC1GĐ với nhiên liệu B0: Độ trễ mở $\text{NOD}$ giảm khi áp suất rail tăng (từ khoảng 0,38 ms ở 600 bar xuống 0,25 ms ở 1400 bar) và hầu như không phụ thuộc vào thời gian cấp điện $\text{ET}$. Ngược lại, độ trễ đóng $\text{NCD}$ tăng mạnh khi thời gian cấp điện $\text{ET}$ tăng và khi áp suất rail giảm. Do $\text{NCD}$ luôn lớn hơn $\text{NOD}$ trong dải làm việc danh định, thời gian phun thực tế $\text{IT}$ luôn dài hơn thời gian cấp điện $\text{ET}$.
  • Khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học (B40, B100): Do độ nhớt và khối lượng riêng lớn hơn, lực cản chuyển động của kim phun tăng làm tăng độ trễ mở $\text{NOD}$ (phun trễ hơn) và tăng độ trễ đóng $\text{NCD}$ (đóng muộn hơn). Tốc độ phun đỉnh ($\text{IR}_{\max}$) của B100 cao hơn B0 khi kim phun đã mở kịch trần do mật độ môi chất lớn hơn, tuy nhiên tổng lượng phun theo thể tích của B100 lại có sự chênh lệch tùy thuộc vào áp suất và $\text{ET}$.
  • Khi PC2GĐ: Khảo sát ở các tỉ lệ phun tính toán 30/70, 50/50, 70/30 trên các mức áp suất 600, 1000 và 1400 bar. Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng thời gian dừng điện $\text{DT}$ ảnh hưởng mang tính quyết định đến lần phun thứ hai. Khi $\text{DT}$ nhỏ hơn một giá trị tới hạn (dưới 0,3 - 0,4 ms tùy áp suất), kim phun chưa kịp đóng kín đế thì xung điện thứ hai đã kích hoạt, dẫn đến hiện tượng nối liền hai xung phun thủy lực ($\text{RDT} = 0$), khiến tổng lượng nhiên liệu phun ra vượt xa giá trị tính toán. Khi $\text{DT}$ đủ lớn để tạo ra khoảng dừng thủy lực ($\text{RDT} > 0$), áp suất trong đường ống cao áp ngay trước vòi phun bị sụt giảm sau lần phun thứ nhất do sóng áp suất phản xạ chưa kịp phục hồi, làm cho tốc độ phun và lượng phun thực tế của lần phun thứ hai bị suy giảm so với tính toán lý thuyết.

Chương 3: Xây dựng mô hình mô phỏng vòi phun kiểu CommonRail CRI2.2

Chương này tập trung xây dựng mô hình mô phỏng thủy lực - cơ học chi tiết của vòi phun Bosch CRI2.2 trong phần mềm GT-Fuel (GT-Suite):

  • Mô hình hóa chính xác các kích thước hình học: đường dẫn cao áp, van điện từ điều khiển, tiết lưu nạp Z-orifice, tiết lưu xả A-orifice, khoang điều khiển thể tích biến thiên, pít tông đẩy, lò xo kim phun, kim phun hình côn và 7 lỗ phun chùm có đường kính danh định.
  • Hiệu chỉnh mô hình bằng cách so sánh đường cong tốc độ phun ($\text{IR}$) và tổng lượng phun giữa mô phỏng và thực nghiệm trên bệ thử UniPg STS ở các mức áp suất 1000 bar và 1400 bar cho cả hai chế độ PC1GĐ và PC2GĐ (tỉ lệ 30/70 và 50/50). Kết quả so sánh cho thấy mức độ sai lệch về lượng phun giữa mô phỏng và thực nghiệm nhỏ hơn 3,5%, dạng hình học của đường cong $\text{IR}$ trùng khớp cao cả về thời điểm đạt đỉnh và quá trình đóng/mở.
  • Xây dựng bản đồ dữ liệu vòi phun (MAP vòi phun): Thiết lập ma trận dữ liệu quan hệ giữa tín hiệu điều khiển ($\text{ET}_1, \text{ET}_2, \text{DT}$) và các đại lượng quy luật phun thực tế ($\text{SOI}_1, \text{IT}_1, \text{SOI}_2, \text{IT}_2, \text{RDT}$, lượng phun từng xung) cho 3 loại nhiên liệu B0, B40 và B100 làm dữ liệu đầu vào chuẩn xác cho mô hình mô phỏng chu trình công tác động cơ.

Chương 4: Khảo sát ảnh hưởng của phun chính hai giai đoạn đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học

Chương 4 tích hợp MAP vòi phun từ GT-Fuel vào mô hình động cơ Hyundai 2.5 TCI-A trong GT-Power. Mô hình được hiệu chỉnh đạt độ tin cậy cao trên đường đặc tính ngoài tại 3500 vòng/phút, 100% tải (sai lệch công suất $N_e$, mô men $M_e$, tiêu hao nhiên liệu $g_e$ và lưu lượng khí nạp $G_{kk}$ đều dưới 3%). Tác giả tiến hành các chuỗi mô phỏng khảo sát:

  • Diễn biến nhiệt động học trong xi lanh: So với PC1GĐ, kỹ thuật PC2GĐ phân tách quá trình tỏa nhiệt thành hai pha rõ rệt. Đỉnh tỏa nhiệt thứ nhất thấp hơn làm giảm tốc độ tăng áp suất ($dp/d\varphi$) và hạ thấp nhiệt độ cực đại trong buồng cháy ($T_{\max}$), giúp ức chế mạnh cơ chế hình thành NOx nhiệt. Pha tỏa nhiệt thứ hai kéo dài nhiệt độ cao ở giai đoạn sau của quá trình giãn nở, tăng cường oxy hóa lượng muội than sinh ra từ pha một.
  • Ảnh hưởng của tỉ lệ phân chia lượng phun và thời gian dừng $\text{RDT}$: Khảo sát các tỉ lệ 30/70, 50/50, 70/30 với $\text{RDT}$ biến thiên từ $0^\circ$ đến $14^\circ$ GQTK. Kết quả chỉ ra rằng tỉ lệ 70/30 (70% nhiên liệu ở xung 1 và 30% ở xung 2) kết hợp với $\text{RDT}$ từ $4^\circ$ đến $8^\circ$ GQTK mang lại hiệu quả vượt trội: giảm sâu hàm lượng phát thải soot trong khi chỉ tiêu mô men xoắn và suất tiêu hao nhiên liệu gần như không đổi so với PC1GĐ.
  • Ảnh hưởng của góc phun sớm lần một ($\text{SOI}_1$): Khi dịch chuyển $\text{SOI}_1$ sớm hơn từ $2^\circ$ đến $4^\circ$ GQTK, áp suất chỉ thị trung bình và mô men động cơ được cải thiện, bù đắp sự suy giảm công suất do quá trình cháy kéo dài của xung phun thứ hai.
  • Đánh giá khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học (B40, B100): Do nhiệt trị thấp hơn (B40 đạt 40,65 MJ/kg; B100 đạt 37,39 MJ/kg so với 42,91 MJ/kg của B0), để duy trì cùng mức mô men định mức ở 100% tải, lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình công tác phải tăng thêm tương ứng 5,6% đối với B40 và 14,8% đối với B100. Khi áp dụng PC2GĐ (tỉ lệ 70/30, $\text{RDT} = 6^\circ$ GQTK, hiệu chỉnh sớm $\text{SOI}_1$), phát thải soot của động cơ sử dụng B40 và B100 giảm lần lượt từ 35% đến trên 50% so với PC1GĐ dùng B0, đồng thời mức phát thải NOx được kiểm soát không vượt quá mức tăng phát thải nguyên bản của nhiên liệu sinh học.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Luận án đã lượng hóa và thiết lập được quy luật biến thiên chính xác của các đại lượng độ trễ mở ($\text{NOD}$) và độ trễ đóng ($\text{NCD}$) của vòi phun CommonRail kiểu điện từ CRI2.2 theo áp suất rail, thời gian cấp điện và loại nhiên liệu (B0, B40, B100); xác lập công thức chuyển đổi chính xác từ các thông số điều khiển điện tử ($\text{SOE}, \text{ET}, \text{DT}$) sang các thông số quy luật cung cấp nhiên liệu thủy lực thực tế ($\text{SOI}, \text{IT}, \text{RDT}$).
  2. Làm rõ bản chất hiện tượng dao động thủy lực trong kỹ thuật PC2GĐ: xác định vùng giới hạn thời gian dừng cấp điện tối thiểu ($\text{DT}_{\min}$) nhằm tránh hiện tượng trùng xung phun thủy lực; chứng minh và lượng hóa mức độ sụt giảm áp suất trước vòi phun ở lần phun thứ hai do ảnh hưởng của sóng áp suất phản xạ sinh ra từ lần phun thứ nhất.
  3. Làm sáng tỏ cơ chế nhiệt động học và động học phát thải khi áp dụng PC2GĐ trên động cơ CommonRail ở chế độ tải cao, tốc độ cao: việc tách giai đoạn phun chính thành hai pha với tỉ lệ mang lượng lớn ở xung đầu (70/30) và khoảng cách dừng ngắn ($4^\circ - 8^\circ$ GQTK) cho phép phá vỡ thế mâu thuẫn đồng thời giữa NOx và soot, giảm thiểu phát thải muội than mà không làm suy giảm các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của động cơ.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất

  1. Xây dựng và kiểm chứng thành công bộ mô hình mô phỏng liên kết đồng bộ giữa mô hình thủy lực vòi phun CRI2.2 (GT-Fuel) và mô hình chu trình công tác động cơ diesel Hyundai 2.5 TCI-A (GT-Power) trong môi trường GT-Suite 7.5, tạo công cụ mô phỏng tin cậy phục vụ nghiên cứu và phát triển các thuật toán điều khiển phun tiên tiến.
  2. Thiết lập cơ sở dữ liệu thực nghiệm hoàn chỉnh về bản đồ điều khiển vòi phun (MAP vòi phun) cho vòi phun CRI2.2 tương thích với các cấp phối liệu diesel sinh học gốc dầu cọ (B0, B40, B100). Đây là dữ liệu gốc phục vụ việc hiệu chỉnh, nạp dữ liệu cho bộ điều khiển động cơ tự chế tạo (ECU-New) trong khuôn khổ Đề tài cấp Quốc gia ĐT.14/NLSH.
  3. Đề xuất phương án tối ưu hóa điều khiển khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học cho động cơ diesel CommonRail ở chế độ toàn tải, tốc độ cao: áp dụng kỹ thuật PC2GĐ với tỉ lệ phân chia 70/30, thời gian dừng thủy lực $\text{RDT} = 6^\circ$ GQTK, tăng lượng cấp nhiên liệu chu trình để bù suy giảm nhiệt trị và hiệu chỉnh góc phun sớm $\text{SOI}_1$ sớm hơn từ $2^\circ$ đến $3^\circ$ GQTK.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản luận án nêu rõ một số giới hạn nghiên cứu:

  • Phạm vi khảo sát mô phỏng chu trình công tác động cơ tập trung chủ yếu vào chế độ vận hành ổn định tại điểm công tác khắc nghiệt nhất: tốc độ định mức 3500 vòng/phút và 100% tải; chưa mở rộng quét toàn bộ các điểm trên bản đồ vận hành (các chế độ tải cục bộ và tốc độ trung bình).
  • Giới hạn kỹ thuật phun nhiều giai đoạn trong khảo sát chu trình công tác dừng lại ở phun chính hai giai đoạn (PC2GĐ); chưa khảo sát các cấu hình phức hợp hơn như kết hợp phun mồi với PC2GĐ hoặc phun chính 3 giai đoạn ở dải tốc độ cao.
  • Nguồn nhiên liệu diesel sinh học thực nghiệm tập trung vào biodiesel có nguồn gốc este hóa từ bã thải quá trình tinh luyện dầu cọ thô.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

  • Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm đo đạc phát thải và các chỉ tiêu nhiệt động trực tiếp trên bệ thử động cơ hoàn chỉnh khi nạp thuật toán PC2GĐ vào ECU-New ở nhiều chế độ tải và tốc độ khác nhau.
  • Tích hợp mô-đun thuật toán tự động bù sai lệch lượng phun do sóng áp suất thời gian thực vào phần mềm điều khiển của ECU.
  • Mở rộng đánh giá trên các nguồn nhiên liệu diesel sinh học có nguồn gốc từ mỡ cá, dầu thực vật phế thải hoặc nhiên liệu tổng hợp (HVO, GTL).

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Động cơ nhiệt, Giao thông Vận tải: Cung cấp phương pháp luận chuẩn mực trong việc kết hợp giữa thực nghiệm thủy lực vòi phun hiện đại (phương pháp Zeuch) với công cụ tính toán mô phỏng 1D chuyên sâu (GT-Suite).
  • Đối với các kỹ sư phát triển phần mềm ECU và hệ thống nhiên liệu ô tô: Cung cấp toàn bộ hệ thống số liệu định lượng về độ trễ đóng mở ($\text{NOD}, \text{NCD}$), quy luật sụt giảm áp suất xung phun thứ hai, và thuật toán xác định thời gian cấp điện $\text{ET}$ từ lượng phun mục tiêu.
  • Đối với các nhà quản lý, nhà nghiên cứu chính sách nhiên liệu sinh học: Cung cấp bằng chứng khoa học và giải pháp kỹ thuật cụ thể chứng minh khả năng sử dụng an toàn, hiệu quả các mức pha trộn biodiesel tỉ lệ cao (B40, B100) trên động cơ diesel thế hệ mới mà vẫn đảm bảo tiêu chuẩn kinh tế, kỹ thuật và môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao thời gian phun thực tế ($\text{IT}$) của vòi phun điện từ CommonRail thường dài hơn thời gian cấp điện ($\text{ET}$) từ ECU?
Thời gian phun thực tế được xác định theo công thức $\text{IT} = \text{ET} + \text{NCD} - \text{NOD}$. Trong vòi phun điện từ CRI2.2, độ trễ mở ($\text{NOD}$) phụ thuộc vào thời gian tích từ của cuộn cảm và sự dịch chuyển ban đầu của van bi xả áp, thường dao động trong khoảng 0,25 - 0,38 ms. Trong khi đó, độ trễ đóng ($\text{NCD}$) phụ thuộc vào quá trình tích áp trở lại trong khoang điều khiển qua lỗ tiết lưu nạp Z-orifice để đẩy kim phun đóng kín đế, quá trình này diễn ra chậm hơn và chịu lực cản thủy lực lớn nên $\text{NCD}$ thường lớn hơn $\text{NOD}$ đáng kể (đặc biệt ở $\text{ET}$ lớn). Do $\text{NCD} > \text{NOD}$, thời gian phun thực tế luôn dài hơn thời gian cấp điện.

2. Nhiên liệu diesel sinh học B100 ảnh hưởng như thế nào đến các thông số quy luật cung cấp nhiên liệu của vòi phun CRI2.2?
Do B100 có độ nhớt động học ($4,60\text{ cSt}$) và khối lượng riêng ($869,3\text{ kg/m}^3$) cao hơn B0 ($3,11\text{ cSt}$ và $839,6\text{ kg/m}^3$), lực cản nhớt trong các khe hẹp và lỗ tiết lưu tăng lên làm chậm hành trình mở và đóng của kim phun, dẫn đến cả $\text{NOD}$ và $\text{NCD}$ đều tăng. Ngoài ra, mô đun đàn hồi thể tích lớn hơn ($1,62\text{ GPa}$ so với $1,35\text{ GPa}$) làm tăng vận tốc truyền sóng áp suất trong đường ống cao áp. Khi kim phun đã mở hoàn toàn, tốc độ phun cực đại ($\text{IR}_{\max}$) của B100 cao hơn B0 do mật độ khối lượng lớn hơn.

3. Hiện tượng trùng xung phun cơ học trong kỹ thuật PC2GĐ xảy ra khi nào và gây hậu quả gì?
Hiện tượng trùng xung phun xảy ra khi thời gian dừng cấp điện giữa hai lần ($\text{DT}$) quá ngắn (dưới 0,3 - 0,4 ms tùy áp suất rail). Khi đó, trước khi kim phun kịp di chuyển về vị trí đóng kín đế sau lần phun thứ nhất, xung điện thứ hai đã kích hoạt làm van điện từ mở lại. Kết quả là vòi phun không có khoảng dừng thủy lực ($\text{RDT} = 0$), hai xung phun gộp thành một xung phun kéo dài duy nhất, làm tổng lượng nhiên liệu thực tế phun vào xi lanh tăng vọt (có thể tăng từ mức thiết kế 20 mm3 lên xấp xỉ 27 mm3), gây lãng phí nhiên liệu và làm gia tăng đột biến phát thải khói đen.

4. Tại sao cấu hình PC2GĐ tỉ lệ 70/30 lại đạt hiệu quả giảm phát thải soot tốt nhất ở tốc độ 3500 vòng/phút, 100% tải?
Ở tỉ lệ 70/30, 70% lượng nhiên liệu được cấp ở xung thứ nhất đảm bảo cung cấp đủ năng lượng duy trì công suất động cơ, đồng thời tạo ra môi trường nhiệt độ và áp suất cao trong buồng cháy. Khoảng cách dừng ngắn ($4^\circ - 8^\circ$ GQTK) vừa đủ để ngăn dòng nhiên liệu liên tục nạp vào vùng lõi thiếu oxy. Khi 30% nhiên liệu còn lại được phun ở xung thứ hai, tia phun này đi vào môi trường nhiệt độ cao sẵn có, hòa trộn nhanh và cháy triệt để, đồng thời động năng của xung hai đẩy vùng cháy thứ nhất phân tán rộng, kích thích quá trình oxy hóa lượng muội than đã hình thành trước đó.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Nguyễn Xuân Đạt đã giải quyết trọn vẹn bài toán xác định đặc tính làm việc thủy lực của vòi phun CommonRail kiểu điện từ CRI2.2 và đánh giá toàn diện ảnh hưởng của kỹ thuật phun chính hai giai đoạn (PC2GĐ) đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel Hyundai 2.5 TCI-A khi sử dụng nhiên liệu sinh học gốc dầu cọ (B0, B40, B100). Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa thực nghiệm phương pháp Zeuch trên bệ thử chuyên dụng UniPg STS và mô phỏng chu trình nhiệt động lực học trong phần mềm GT-Suite 7.5, công trình đã xác lập được hệ thống công thức, bản đồ dữ liệu vòi phun chuẩn xác và cơ chế tối ưu hóa quá trình cháy ở chế độ toàn tải, tốc độ cao. Kết quả nghiên cứu chứng minh cấu hình PC2GĐ tỉ lệ 70/30 với khoảng dừng thủy lực thích hợp là giải pháp kỹ thuật hiệu quả giúp cắt giảm sâu phát thải muội than và kiểm soát mức tăng NOx khi sử dụng nhiên liệu sinh học tỉ lệ cao, đóng góp cơ sở dữ liệu quan trọng cho việc phát triển và hoàn thiện các hệ thống điều khiển động cơ diesel hiện đại tại Việt Nam.