Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL
DÙNG HỆ THỐNG PHUN KIỂU COMMON RAIL
KHI SỬ DỤNG DIESEL VÀ BIODIESEL B20
RESEARCH ASSESSING COMBUSTION CHATACTERISTICS ENGINE DIESEL
COMMON RAIL USING DIESEL AND BIODIESEL B20
ThS. Khổng Văn Nguyên1a, TS. Trần Anh Trung2b, PGS.TS. Nguyễn Hoàng Vũ3c
1
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
2
Đại học Bách khoa Hà Nội
3
Học viện Kỹ thuật Quân sự
a
; ;
TÓM TẮT
Trong những năm gần đây, việc sử dụng nhiên liệu sinh học trên các động cơ diesel
truyền thống đang được các nhà khoa học, các nhà sản xuất nhiên liệu cũng như người tiêu
dùng hết sức quan tâm. Tuy nhiên, việc nghiên cứu sử dụng loại nhiên liệu này trên động cơ
diesel dùng hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử kiểu Common Rail (CR), có ưu điểm
áp suất phun lớn, điều khiển chính xác lượng, thời điểm và số lần phun thì vẫn đang còn bỏ
ngỏ. Bài viết này nghiên cứu, đánh giá chất lượng quá trình cháy trong xylanh động cơ diesel
2.5 TCI-A lắp trên xe HYUNDAI STAREX khi sử dụng diesel (B0) và biodiesel B20. Các kết
quả bao gồm tốc độ tỏa nhiệt, góc cháy trễ và thời gian cháy được xác định từ phương trình
nhiệt động thứ nhất với đầu vào là áp suất xy lanh đo thực nghiệm trên động cơ khi sử dụng B0
và B20. Kết quả cho thấy khi sử dụng B20 thì tốc độ tỏa nhiệt, góc cháy trễ và thời gian cháy
không thay đổi nhiều so với khi dùng B0.
Từ khóa: hệ thống nhiên liệu Common Rail, diesel sinh học, tốc độ tỏa nhiệt
ABSTRACT
In recent years, the use of biofuels in the traditional diesel-fuel injection system such as

Youngchul Ra và các cộng sự [6] nghiên cứu ảnh hưởng đặc tính vật lý của nhiên liệu
biodiesel đến đặc tính cháy của động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp, với nhiên liệu
biodiesel là hỗn hợp bao gồm Hexadecanoic acid, methyl ester (17%); Octadecanoic acid,
methyl ester (9%); 9-Octadecenoic acid, methyl ester (30%); 9,12-Octadecadienoic acid,
methyl ester (44%). Kết quả cho thấy do đặc tính vật lý khác nhau nên làm tăng thời gian bay
hơi của biodiesel, tăng lượng nhiên liệu đập vào thành pít tông, tăng thời gian cháy trễ và làm
giảm áp suất lớn nhất trong xy lanh. Một số nghiên cứu khác [7] [8] [9] cũng cho thấy khi tăng
tỷ lệ biodiesel, áp suất lớn nhất trong xy lanh tăng, tốc độ tỏa nhiệt giảm.
Ta thấy, tính chất vật lý, hóa học của biodiesel sẽ ảnh hưởng đến chất lượng quá trình
cháy của động cơ diesel. Tuy nhiên, các nghiên cứu nêu trên mới chỉ tập trung vào động cơ
diesel truyền thống có áp suất phun thấp (< 250 bar). Đối với động cơ diesel thế hệ mới sử
dụng hệ thống phun nhiên liệu kiểu CR có áp suất phun cao (từ 400 đến 2000 bar) thì vẫn còn
ít nghiên cứu đánh giá chất lượng quá trình cháy. Bài báo này nghiên cứu đánh giá chất lượng
quá trình cháy trong xy lanh động cơ diesel 2.5 TCI-A dùng hệ thống phun kiểu CR lắp trên xe
HYUNDAI STAREX khi sử dụng B0 và B20, các thông số đánh giá quá trình cháy bao gồm
tốc độ tỏa nhiệt, góc cháy trễ và thời gian cháy được xác định từ các thông số đo thực nghiệm
như: áp suất xy lanh, lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình, số lần phun, thời điểm phun,
áp suất khí nạp, nhiệt độ khí tăng áp.
2. TIẾN HÀNH THỬ NGHIỆM
Nhiên liệu sử dụng trong nghiên cứu này là diesel dầu mỏ (0,05% S) lưu thông trên thị
trường và biodiesel B20 (với B100 được sản xuất từ bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thành
dầu ăn [1]). Các thuộc tính chính của nhiên liệu B0 và B20 được trình bày trong bảng 1.
TT

STT

Bảng 1. Các thuộc tính chính của nhiên liệu thử nghiệm [3, 4]
Loại nhiên liệu
B0
B20


3,38

Bảng 2. Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ Huyndai 2.5 TCI-A
Tên thông số
Giá trị

1

Kiểu động cơ

Diesel, 4 xy lanh, 1 hàng, phun nhiên liệu trực tiếp

2

Đường kính x hành trình, (mm)

91 x 96

3

Tỷ số nén

17,6

4

Hệ thống phun nhiên liệu

Common Rail

755

961

1206

1500

1598

1598

Lượng phun nhiên liệu, (mm )

49

67,5

69,8

73,7

74,1

68,2

Số lần phun

3


-24

-29,5

-43

-

Thời điểm phun chính, (độ GQTK)

0

-1

-6

-7

-11,5

-15

1,318

1,867

2,251

2,251


1,1

Nhiệt độ khí tăng áp, (0C)

33

38

50

56

66

68

3

Áp suất khí nạp, (bar)

Quá trình thử nghiệm được tiến hành trên bệ thử động cơ AVL của PTN Động cơ đốt
trong -Viện Cơ khí động lực – Đại học Bách khoa Hà nội. Động cơ được đặt trên băng thử
động lực học cao APA 204/E/0934, đi kèm là các thiết bị đo bao gồm (Hình 1): thiết bị đo
tiêu hao và điều chỉnh nhiệt độ nhiên liệu kiểu khối lượng AVL 733S và 735S; thiết bị phân
tích khí xả AVL CEBII; cảm biến áp suất xy lanh QC33C với giải đo từ 0 ÷ 200 (bar) được
lấy mẫu với độ phân giải 0,5 độ góc quay trục khuỷu và thiết bị thu nhận dữ liệu Indicating
với phần mềm Indiwin; thiết bị cung cấp và điều chỉnh nhiệt độ nước làm mát AVL 553. Vị
trí lắp đặt cảm biến áp suất xy lanh QC33C trên nắp máy, qua lỗ khoan tại vị trí lắp bugi sấy
của xy lanh thứ nhất được thể hiện như trên hình 2. Chế độ thử nghiệm được lựa chọn là toàn
tải (100% vị trí chân ga) với tốc độ động cơ thay đổi từ 1000 đến 3500 v/ph các thông số điều

trong đó:



(1)

Cp

(2)

Cv
2

 103 
 103 
 103 
C p  1403.06  360.72 

182.24


  10.72 

 T 
 T 
 T 

Cv  R  C p

3

cháy khuếch tán trong xy lanh động cơ. Như vậy, quá trình cháy của động cơ dùng hệ thống
phun nhiên liệu kiểu CR với hai chế độ phun: phun mồi và phun chính, gồm cháy do phun mồi,
cháy do phun chính và cháy khuếch tán. Trên hình 3c là kết quả tính toán diễn biến lượng nhiệt
tỏa ra trong xy lanh, từ lượng nhiệt tỏa này ta có thể xác định được diễn biến lượng nhiên liệu
đã được đốt cháy (theo công thức 5).

Hình 3. Diễn biến áp suất trong xy lanh đo thực nghiệm
(a), kết quả tính tốc độ tỏa nhiệt; (b) và nhiệt lượng tỏa ra trong xy lanh; (c) tại 1500 vg/ph
4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Kết quả đo áp suất trong xy lanh động cơ diesel 2.5 TCI-A khi sử dụng B0 và B20 ở
100% vị trí chân ga, tại tốc độ 1500 vg/ph, 2500 vg/ph và 3500 vg/ph được giới thiệu trên
Hình 4. Kết quả cho thấy, khi tốc độ động cơ là 1500 vg/ph áp suất cháy lớn nhất (pzmax) khi sử
dụng B0 là 123,58 bar, khi sử dụng B20 là 123,54 bar, vị trí (theo GQTK) đạt áp suất cháy lớn
nhất (φpzmax) bằng150. Tại tốc độ 2500 vg/ph, pzmax khi sử dụng B0 là 145,07 bar, khi sử dụng
B20 là 146,88 bar, φpzmax = 150. Tại tốc độ 3500 vg/ph, pzmax khi sử dụng B0 là 147,68 bar, khi
sử dụng B20 là 147,58 bar, φpzmax = 100. Như vậy áp suất trong xy lanh khi sử dụng B0 và B20
ở chế độ 100% tải hầu như không thay đổi.

Hình 4. Kết quả đo diễn biến áp suất trong xy lanh tại tốc độ n=1500 vg/ph (a);
n=2500 vg/ph (b); và n=3500 vg/ph (c)

407


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Hình 5 diễn tả tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh theo góc quay trục khuỷu của động cơ khi sử
dụng B0 và B20, thông qua đồ thị ta có thể xác định được các điểm cực trị tương ứng với mỗi
giai đoạn phun: phun mồi và phun chính. Tốc độ tỏa nhiệt lớn nhất ứng với các tốc độ 1500
vg/ph; 2500 vg/ph; 3500 vg/ph của B0 tương ứng là 51,81 KJ/độ; 49,49 KJ/độ; 43,42 KJ/độ và
của B20 tương ứng là 50,44 KJ/độ; 50,40 KJ/độ; 43,28 KJ/độ. Như vậy khi sử dụng B20, tốc


Hình 7. Kết quả tính diễn biến lượng nhiên liệu đã cháy tại tốc độ
n=1500 vg/ph (a); n=2500 vg/ph (b); và n=3500 vg/ph (c)
Bảng 4. Tổng hợp kết quả tính toán về thời điểm cháy khi sử dụng B0 và B20
Tốc độ động cơ (vg/ph)
Thời điểm cháy do phun
mồi, [độ GQTK]
Thời gian cháy trễ do
phun mồi, [ms]
Thời điểm cháy do phun
chính, [độ GQTK]
Thời gian cháy trễ do
phun chính, [ms]

1000

1500

2000

2500

3000

3500

B0

-3,5


0,0013

0,0016

0,001

-

B20

0,0031

0,0008

0,0013

0,0016

0,001

-

B0

11

11

12


0,0013

0,001

B20

0,0017

0,0013

0,0015

0,0011

0,0013

0,001

KẾT LUẬN
Khi so sánh và đánh giá quá trình cháy của động cơ diesel 2.5 TCI-A sử dụng B0 và
B20 tại đặc tính ngoài khi thay đổi tốc độ từ 1000 vg/ph đến 3500 vg/ph, kết quả có thể tóm
tắt như sau:
- Khi động cơ sử dụng B20 áp suất cháy, tốc độ tỏa nhiệt, nhiệt lượng tỏa ra trong xy
lanh thấp hơn, nhưng chênh lệch không nhiều so với khi động cơ sử dụng B0.
- Thời điểm bắt đầu cháy, thời điểm kết thúc quá trình cháy khi sử dụng B20 sớm hơn
nhưng thay đổi không nhiều khi so sánh với B0.
- Các kết quả chênh lệch nhỏ giữa B0 và B20 ở trên có thể là do thời điểm và lượng
phun chính xác, áp suất phun động cơ CR cao (700 -1600 bar), nhiệt độ nhiên liệu lớn [13]
nên các tính chất vật lý của B20 ít ảnh hưởng tới chất lượng quá trình cháy như động cơ diesel
truyền thống [13].

Use of Jatropha Oil Ethyl Easter and Diesel Blends in Small Capacity Diesel Engine;
DTU; SAE 2013-24-0172.
[9] J. G. Suryawanshi and N. V. Deshpande; Effect of Injection Timing Retard on Emissions
and Performance of a Pongamia Oil Methyl Ester Fuelled CI Engine; SAE Technical
Paper 2005-01-3677, 2005, doi:10.4271/2005-01-3677
[10] Mechanical Engineering,Visvesvaraya National Institute of Technology, Nagpur; SAE
2005-01-3677AVL (1998), Thermodynamic cycle simulation Boost, Boost user’s guide,
version 3.2 1998.
[11] Usman Asad and Ming Zheng; Real-time Heat Release Analysis for Model-based Control
of Diesel Combustion; University of Windsor; SAE 2008-01-1000.
[12] N. Cesario, C. Muscio, M. Farina, P. Amato and M. Lavorgna; Modelling the Rate of
Heat Release in Common Rail Diesel Engines: a Soft Computing Approach; SST
Corporate R&D, STMicroelectronics; SAE 2004-01-2967.
[13] Dexing Qian and Ridong Liao; Theoretical analysis and mathematical modelling of a
high-pressure pump in the common rail injection system for diesel engines; Beijing
institure of Technology; Journal of Power and Energy, 2014.
[14] />[15] RIGOL Technologies, User’s Guide DS1000E, DS1000D Series Digital Oscilloscopes,
Sept-2010
410