MỤC LỤC
Chương, mục Trang
Mở đầu 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail 3
1.2. Động cơ diesel DSC – 80 5
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG CÁC BỘ SỐ LIỆU
2.1. Vấn đề chung và kỹ thuật sử dụng 8
2.2. Xây dựng số liệu đặc tính tốc độ 11
2.3. Xây dựng bộ số liệu về đặc tính điều chỉnh 13
2.4. Xác định g
ct
ở số vòng quay ổn định nhỏ nhất 16
2.5. Đặc tính điều tốc 18
2.6. Hiệu chỉnh các đường cong đặc tính 21
CHƯƠNG 3. BỘ ĐIỀU KHIỂN DIESEL ĐIỆN TỬ
3.1. Giới thiệu 26
3.2. Lựa chọn vòi phun hệ thống nhiên liệu CR 27
3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến lượng cấp nhiên liệu của vòi phun HEUI 31
3.4. Xây dựng mối liên hệ giữa g
ct
với độ rộng xung 33
3.5. Lập trình cho bộ điều khiển diesel điện tử 34
CHƯƠNG 4. MÔ HÌNH HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU CR TRÊN ĐỘNG
CƠ DSC-80
4.1. Mô hình phần tử vòi phun
4
0
4.2. Mô hình hệ thống nhiên liệu CR 42
4.3. Kết quả khảo sát động cơ DSC-80 sử dụng hệ thống nhiên liệu CR 45
chuyền công nghệ của Belarus chuyển giao những năm 60 của thế kỷ trước. Trong
quá trình sản xuất, động cơ DSC-80 không ngừng được nghiên cứu hoàn thiện để
phù hợp với các yêu cầu sử dụng khác nhau. Theo các quy định mới về môi trường,
2
từ tháng 7 năm 2007, các động cơ sản xuất, lắp ráp, nhập khẩu mới đều phải đáp
ứng được các tiêu chuẩn khí thải EURO-II. Bên cạnh các giải pháp như dùng bộ
trung hoà khí xả, việc nghiên cứu ứng dụng điện tử hoá hệ thống nhiên liệu cũng là
hướng được ưu tiên nghiên cứu và phát triển. Xuất phát từ những đặc điểm đó,
nhóm nghiên cứu được giao nhiệm vụ: Nghiªn cøu øng dông hÖ thèng nhiªn liÖu
kiÓu Common-Rail ®iÒu khiÓn ®iÖn tö cho ®éng c¬ diesel DSC-80.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
Tiếp cận và làm chủ hệ thống nhiện liệu hiện đại kiểu CR.
Nghiên cứu khả năng thay thế hệ thống nhiên liệu truyền thống bằng hệ
thống nhiên liệu có điều khiển điện tử kiểu CR, trong đó trọng tâm là nghiên
cứu quy trình xây dựng bộ số liệu mô tả các chế độ làm việc của động cơ
(Engine Maps - EMs) và xây dựng biểu đồ phun nhiên liệu (Injection Maps -
IMs), phục vụ cho việc thiết kế chế tạo bộ điều khiển diesel điện tử EDC
(hay ECU) – đây là khâu quan trọng nhất trong nghiên cứu thay thế hệ thống
nhiên liệu vì không thể có chung bộ EDC cho các loại động cơ khác nhau
như các chi tiết tiêu chuẩn khác (vòi phun, bơm cao áp, ống phân phối hay
bình tích áp )
Lựa chọn một loại vòi phun mẫu, đồng bộ hoá các đặc tính của vòi phun và
biểu đồ phun đã xây dựng.
Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu các tài liệu lý thuyết, xây dựng mô hình mô phỏng động cơ DSC-
80 kết hợp các bộ số liệu thực nghiệm đo được trong phòng thí nghiệm để hiệu
chỉnh mô hình, qua đó xây dựng các đặc tính tốc độ, điều chỉnh, không tải, điều tốc
làm bộ EMs. Sử dụng công cụ tối ưu kết hợp mô hình mô phỏng xác định biểu đồ
phun nhiên liệu IMs.
3
Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu CR điển hình được giới thiệu trên hình 1 [9].
Vòi phun điện từ cho phép điều khiển dễ dàng thời điểm và lượng nhiên liệu phun
vào xi lanh. Áp suất phun rất cao sẽ xé nhỏ các hạt nhiên liệu (nguyên tử hoá các
4
hạt phun) tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bay hơi và hoà trộn nhiên liệu với
không khí, làm tăng chất lượng tạo hỗn hợp và cháy. Để làm giảm tiếng ồn (một
nhược điểm của động cơ diesel), bộ điều khiển trung tâm (ECU) điều khiển phun
mồi một lượng nhỏ nhiên liệu diesel trước khi điều khiển phun chính, do vậy làm
giảm tốc độ tăng áp suất bên trong xylanh và mức độ rung động của động cơ, đồng
thời cũng tạo điều kiện rất tốt để động cơ dễ dàng khởi động nguội. Một vài hệ
thống nhiên liệu CR hiện đại đã sử dụng phương pháp phun năm giai đoạn cho một
chu trình [9], công nghệ này cho phép cải thiện rất đáng kể các tính năng của động
cơ cũng như giảm thiểu các chất độc hại trong khí thải.
Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu Common Rail [9]
5
Hệ thống nhiên liệu CR không chi phí thời gian nhiều cho việc sấy nóng động
cơ, thân thiện với môi trường hơn so với các thế hệ động cơ cũ. Áp suất phun không
phụ thuộc vào chế độ tốc độ và chế độ tải trọng của động cơ, các chất thải như
NOx, PM được giảm thiểu đáp ứng tốt các yêu cầu về ô nhiễm khí thải, đồng thời
tối ưu hoá được các đường đặc tính động cơ. Do bình tích áp đặt giữa bơm nhiên
liệu cao áp và các vòi phun nên có thể giảm đáng kể ảnh hưởng của các dao động áp
suất do bơm gây ra, đồng thời ảnh hưởng nhiễu từ các vòi phun với nhau cũng bị
hạn chế. Một ưu điểm nổi bật nữa của hệ thống CR là khi lắp lên động cơ, nó không
làm thay đổi về mặt kích thước, bố trí chung của động cơ, thậm chí còn thuận tiện
hơn so với việc sử dụng hệ thống nhiên liệu cũ [9].
Nguyên lý làm viêc: Nhiên liệu từ thùng nhiên liệu được bơm nhiên liệu cấp
vào bơm cao áp bơm vào bình tích áp (rail hay accumulator) với áp suất rất lớn từ
136 đến trên 200 MPa và được duy trì ổn định nhờ van điều áp, van hạn chế áp suất
và bộ dập tắt dao động. Áp suất ổn định đó được đưa tới các vòi phun (injector)
theo thứ tự công tác của các xylanh và được điều khiển bởi ECU (EDC). Áp suất
3 Đường kính xi lanh 110 mm
4 Chiều dài thanh truyền 230 mm
5 Số vòng quay định mức 2200 vg/ph
6 Góc mở sớm xupap nạp 10 độ GQTK
7 Góc đóng muộn xupap nạp 46 độ GQTK
8 Góc mở sớm supáp thải 46 -
9 Góc đóng muộn supáp thải 10 -
10 Góc phun sớm 24 -
11 Thứ tự công tác 1-3-4-2
12 Tỷ số nén 16,5
13 Suất tiêu hao nhiên liệu 180 g/mãlực.h
Nhiều tác giả đã sử dụng phương pháp thay thế hệ thống nhiên liệu CR lên các
động cơ hiện có để nghiên cứu hệ thống CR [12]. Việc thay thế hệ thống cung cấp
nhiên liệu truyền thống trên động cơ DSC-80 bằng hệ thông nhiên liệu kiểu
Common Rail là có thể thực hiện được. Các bước cần tiến hành khi nghiên cứu thay
thế hệ thống cung cấp nhiên liệu bao gồm:
- Xây dựng bộ số liệu mẫu cho bộ điều khiển diesel EDC (Engine Maps: EMs,
Injection Maps: IMs);
- Hiệu chỉnh đặc tính động cơ theo yêu cầu của máy công tác;
- Lựa chọn sơ đồ hệ thống Common Rail và kiểu vòi phun áp dụng;
- Đồng bộ hoá đặc tính vòi phun và IMs.
7
- Thiết kế và lập trình cho bộ điều khiển diesel điện tử EDC (ECU);
- Khảo sát động cơ DSC-80 sử dụng hệ thống nhiên liệu kiểu CR.
- Nghiên cứu thực nghiệm động cơ mẫu, hiệu chỉnh các thông số của bộ EMs, IMs
cho phù hợp với hệ thống CR mới.
Trong khuôn khổ đề tài, nhóm nghiên cứu tiến hành thực hiện các bước từ 1-
6, việc nghiên cứu thực nghiệm động cơ mẫu sử dụng hệ thống nhiên liệu CR
không được thực hiện.
8
13 1100 15.00 56.8
Tổn hao cơ giới được xác định là một hàm số phụ thuộc các yếu tố như: áp
suất lớn nhất trong xylanh động cơ, tốc độ trung bình của piston và được xác định
theo công thức:
FMEP = C
1
+ C
2
* p
xlmax
+ C
3
* C
m
+ C
4
* C
2
m
) (2.1)
trong đó: FMEP - áp suất tổn hao cơ giới trung bình (bar);
C
1
- hệ số liên quan đến tổn hao cơ giới trung bình, chọn: C
1
= 0,3 - 0,5 bar;
C
2
- hệ số kể đến ảnh hưởng của áp suất lớn nhất trong xylanh, C
2
1 1000 -5.71 -54.5
2 1100 -7.06 -61.2
3 1200 -8.09 -64.4
4 1300 -8.78 -64.5
5 1400 -9.6 -65.5
6 1500 -10.49 -66.8
7 1600 -11.54 -68.9
8 1700 -12.64 -71
9 1800 -13.89 -73.7
10 1900 -15.1 -75.9
11 2000 -16.77 -80.1
12 2100 -18.16 -82.6
13 2200 -20.09 -87.2
Din bin ỏp sut bờn trong xylanh ng c o trong phũng thớ nghim AVL -
H BK HN vi cỏc s vũng quay khỏc nhau t 1000 n 2200 vg/ph c trỡnh by
trờn hỡnh 2.1 v c s dng hiu chnh mụ hỡnh mụ phng ng c DSC-80 t
s vũng quay 1000-2200 vg/ph ng vi ng c tớnh ngoi ca ng c.
10
Hình 2.1. a- Diễn biến áp suất trong xylanh ứng với n=1000vg/ph; AP = 100% (đo
thực nghiệm trên băng thử tại phòng thí nghiệm AVL- ĐHBK Hà nội)
Hình 2.1. b- Diễn biến áp suất trong xylanh ứng với n=2200vg/ph; AP = 100% (đo
thực nghiệm trên băng thử tại phòng thí nghiệm AVL- ĐHBK Hà nội)
11
Ngoài ra bộ số liệu thực nghiệm ở các chế độ tốc độ khác nhau cũng đã được
đo cụ thể. Các bộ số liệu thực nghiệm về tổn hao cơ giới, diễn biến áp suất trong
xylanh động cơ và lượng cung cấp nhiên liệu của bơm cao áp được sử dụng để làm
số liệu đầu vào và hiệu chỉnh mô hình mô phỏng động cơ DSC-80 bằng phần mềm
GT-Power, cho phép nâng cao độ chính xác khi mô phỏng kết hợp số liệu thực
nghiệm. Mô hình mô phỏng động cơ DSC-80 được xây dựng bằng phần mềm GT-
Power và được trình bày trên hình 2.2
6 1500 44,80 285,20 250,0 11,20
7 1600 47,10 281,10 251,4 11,84
8 1700 49,40 277,49 253,1 12,50
9 1800 50,56 268,23 255,1 12,90
10 1900 51,60 259,34 258,0 13,31
11 2000 52,60 251,14 261,7 13,77
12 2100 53,50 243,28 266,6 14,26
13 2200 54,80 237,86 273,7 15,00
(a) (b)
Hình 2.3.ặc tính ngoài của động cơ DSC-80.
(a) Đặc tính N
e
, M
e
. ( b) Đặc tính G
nl
, g
e
.
13
Thay đổi vị trí thanh răng bơm cap áp (AP) từ 10-80% để xác định tiếp các
đường đặc tính bộ phận của động cơ DSC-80 bằng mô phỏng.
2.3. Xây dựng bộ số liệu về đặc tính điều chỉnh
Việc xây dưng đặc tính điều chỉnh theo góc phun sớm nhiên liệu nhằm xác
định góc phun sớm tối ưu theo các chỉ tiêu công tác của động cơ như Ne, ge, qua đó
xác định được thời điểm phun hợp lý cho bộ điều khiển ECU khi chế độ tốc độ và
tải không thay đổi.
Mô hình xác định đặc tính điều chỉnh theo góc phun sớm nhiên liệu được xây
dựng trên cơ sở mô hình động cơ DSC-80 được trình bày ở trên, trong đó ở từng
chế độ tốc độ của động cơ khảo sát các chỉ tiêu công tác theo góc phun sớm nhiên
để khắc phục các tổn hao cơ giới. Việc xác định g
ctmin
được thực hiện bằng cách tối
ưu hoá các tham số cần thiết, ở đây tham số được tối ưu là công suất có ích của
động cơ bằng không (Ne=0). Việc xác định g
ctmin
được thực hiện bằng công cụ
"Optimizer" - tối ưu hoá của phần mềm GT-Power. Màn hình thiết lập các tham số
để tối ưu hoá được trình bày trên hình 2.5.
Hình 2.5: Thông số để xác định g
ctmin
tại tốc độ 600vg/ph
Trong đó dạng tối ưu được chọn là hàm mục tiêu, biến cần tối ưu là công suất
có ích (RLT Variable be Optimized), và được đặt mục tiêu là bằng 0. Kết quả tối
ưu hoá được trình bày trên hình 2.6, trong đó xác định được g
ct
nhỏ nhất để động cơ
chạy ổn định ở chế độ không tải.
Hình 2.6 : Kết quả tối ưu hoá để xác định g
ctmin
ở
tốc độ 600vg/ph
17
Từ kết quả tính toán xác định được g
ctmin
= 7,18 mg/ct, như vậy để động cơ
làm việc ổn định ở số vòng quay không tải nhỏ nhất thì yêu cầu g
ct
không được nhỏ
4 1200 45
9.60087
5 1400 60
10.4826
6 1600 70
11.5049
7 1800 80
12.6567
8 2000 90
13.8044
9 2200 100
7.58343
2.5. Đặc tính điều tốc
Động cơ nói chung thường xuyên phải làm việc trong điều kiện tải thay đổi
một cách đột ngột, chế độ làm việc ổn định luôn trong trạng thái bị phá vỡ. Để đảm
bảo cho động cơ làm việc ổn định khi tải thay đổi đột ngột, người ta thường sử dụng
các bộ điều tốc (một, hai hay nhiều chế độ) với các nguyên tắc điều khiển khác
nhau tuỳ thuộc vào cấu tạo và nguyên lý làm việc của bộ điều tốc [1]. Đối với hệ
thống cung cấp nhiên liệu có điều khiển điện tử thì việc xây dựng đặc tính điều tốc
không phụ thuộc vào các đặc tính thuỷ cơ như bộ điều tốc thường gặp trên hệ thống
nhiên liệu diesel thông thường. Giả sử động cơ đang hoạt động ổn định tại một số
vòng quay nào đó ứng với vị trí nhất định của bàn đạp ga (AP), phụ tải thay đổi
(tăng hoặc giảm) thì tốc độ động cơ cũng thay đổi theo (giảm hoặc tăng tương ứng),
trạng thái làm việc như vậy là không ổn định. Để động cơ hoạt động ổn định ở số
vòng quay nhất định ứng với điều kiện AP = const thì hệ thống điều khiển phải điều
khiển để tăng hoặc giảm g
ct
tương ứng với phụ tải. Vấn đề đặt ra làm phải xác định
được sự thay đổi g
ct
e
(kW); (2.1)
τα
ηη
.4
1
1
1
oo
veoHh
e
TL
pQniV
N =
(kW); (2.2)
trong đó: Q
H
- nhiệt trị thấp của nhiên liệu (kJ/kg); G
nl
- lượng tiêu thụ nhiên liệu
trong một giờ (kg/h)
; i - số xylanh; n -số vòng quay động cơ (vg/ph); p
o
- áp suất khí
nạp (MPa); T
o
- nhiệt độ khí nạp (K); α- hệ số dư lượng không khí; η
.4
2
2
2
oo
veoHh
e
TL
pQniV
N =
; (2.4)
Sự thay đổi công suất tải được xác định:
∆N
c
= ∆Ne = Q
H
.η
e.
(G
nl1
- G
nl2
) = Q
H
.η
e .
∆G
nl
(2.5)
=∆
g
nl
ct
60
1000.2
=
(g/ct) (2.7)
Từ (2.5), (2.6), (2.7) xác định quan hệ ∆g
ct
= f(n).
Vì khi xây dựng quan hệ này, một số giả thiết đã được đặt ra nên cần thêm
một bước nữa là bước hiệu chỉnh lượng phun cho một chu trình (∆g
hc
). Hình 2.8 mô
tả sơ đồ xác định và hiệu chỉnh lượng cung cấp nhiên liệu cho một chu trình để bảo
đảm động cơ hoạt động theo chế độ điều tốc đa chế độ.
20
Hình 2.8: Sơ đồ tự động điều chỉnh số vòng quay động cơ DSC-80
Tín hiệu từ các cảm biến:
- Cảm biến AP
- Cảm biến n
Xác định sự thay đổi ∆n, ∆Nc
Xác định ∆g
ct
=f(∆N
c
)
Kiểm tra ∆n <>10%
Kết thúc
= 2200vg/ph. Bảng 2.6 trình bày kết
quả tính toán khi tốc độ động cơ giảm từ 2200 vg/ph xuống 1800vg/ph, vị trí bàn
đạp ga AP=80%.
Bảng2.6 :
∆
g
ct
ứng với tải tăng, AP= 80%, n ổn định = 2200 vg/ph.
n
(vg/ph)
G
kk
(kg/h)
G
nl
(kg/h)
Tỉ số
L
o
/M
o
N_cản
(kW)
∆ Nc
∆G
nl
(kg/h)
∆g
ct
(mg/ct)
ngoài động cơ theo quy luật cung cấp nhiên liệu của bơm cáp truyền thống và hình
2.9b là đặc tính ngoài mong muốn, tức là đường đặc tính mô men có dạng tương đối
phẳng sau khi đạt cực đại, động cơ làm việc ổn định với mô men lớn ở dải thay đổi
tốc độ khá rộng, đặc tính này rất phù hợp với các loại động cơ phải làm việc nặng
nhọc trong điều kiện tải lớn và thay đổi độ ngột như các loại xe tăng, thiết giáp, máy
xây dựng Hình 2.9 trình bày đặc tính động cơ theo lượng cung cấp nhiện liệu của
bơm cao áp (a) và hiệu chỉnh theo mục tiêu cho trước sử dụng CR (b). Bảng số về
các đường đặc tính này cũng được liệt kê trong bảng số liệu 1.7.
(a) (b)
Hình 2.9. Đặc tính ngoài động cơ DSC-80
a- Theo đặc tính cung cấp nhiên liệu của bơm cao áp
b- Sử dụng trên hệ thống CR theo mục tiêu định trước
Bảng 2.7: Số liệu đặc tính ngoài theo bơm cao áp cũ (BCA) và CR
23
n (vg/ph) Ne BCA(kW) Me BCA (Nm) Ne CR (kW) Me CR (Nm)
1000
26.31 251.24 26.3 251.2
1100
30.45 264.34 30.4 264.3
1200
34.22 272.31 34.1 271.1
1300
38.43 282.29 37.7 277.3
1400
41.85 285.45 41.3 281.8
1500
44.8 285.2 44.8 285.0
1600
47.1 281.1 47.7 285.0
Hình 2.11. Kết quả xác định g
ct
theo đặc tính đã hiệu chỉnh trong đó các bước xác
định g
ct
ở
2200vg/ph được miêu tả minh hoạ phía dưới bên trái hình.
Đặc tính ngoài động cơ theo đặc tính hiệu chỉnh được biểu diễn trên hình 2.12.
25
Copyright: Tài liệu đại học ©