Nghiên cứu quá trình thay đổi áp suất nhiên liệu và thông số tia phun trong hệ thống phun xăng trực tiếp vào buồng đốt

độ hệ thống cung cấp nhiện liệu, độ nhớt, kết cấu kim phun, phương pháp điều khiển kim phun, áp suất hệ thống cung cấp nhiên liệuTrong đo, áp suất từ bơm cao áp là một trong các yếu tố quan trong quyết định thông số kích thước vùng phun, đường kính của hạt nhiệu liệu, khả năng hòa trộn nhiên liệu và không khí. Bài báo tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của áp suất đến thông số tia phun. Từ khóa: Phun xăng trực tiếp, phun xăng cao áp, hệ thống GDI, phun xăng điện tử 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống phun xăng trực tiếp sử dụng hệ thống bơm cao áp, kim phun cao áp phun trực tiếp nhiên liệu vào xy lanh động cơ. Việc phun xăng trực tiếp giúp kiểm soát được lượng nhiên liệu cấp vào buồng đốt một cách chính xác, giúp kiểm soát quá trình cháy một cách hiệu quả, chống ô nhiễm cũng như giảm tiêu hao nhiên liệu đồng thời đảm bảo quá trình tăng tốc. Hệ thống phun xăng trực gồm bơm tiếp vận, bơm cao áp, ống phân phối, kim phun cao áp, hệ thống điều khiển tự động bao gồm các cảm biến và hộp điều khiển. Sơ đồ hệ thống phun xăng trực tiếp được minh họa như hình 1. 1 3 4 2 Hình 1. Mô hình 3D của hệ thống GDI cho động cơ V6. 1-Trục cam, 2 – Kim phun cao áp, 3- Bơm cao áp, 4- Bơm tiếp vận -649- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH KIỀU KHIỂN PHUN XĂNG Hoạt động điều khiển phun xăng trên hệ thống phun xăng trực tiếp có thể chia thành hai quá trình: Quá trình nén nhiên liệu lên ống phân phối, quá trình phun vào buồng đốt. Quá trình nén nhiên liệu lên ống phân phối sử dụng 02 bơm xăng khác nhau gồm bơm tiếp vận và bơm cao áp. Bơm tiếp vận có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu từ bình xăng tới bơm cao áp thể hiện qua đường nhiên liệu màu xanh dương, bơm cao áp có nhiệm vụ nén nhiên liệu tạo áp suất cao (100 bar) thể hiện qua đường nhiên liệu màu xanh lá, nhiên liệu không sử dụng hết sẽ hồi về đường thấp áp qua đường nhiên nhiệu màu đỏ hình 2. Hình 2. Kết quả mô phỏng hệ thống. Quá trình phun vào buồng đốt được thực hiện bởi chương trình điều khiển kim phun cao áp. Kim phun cao áp được bố trí phun trực tiếp vào buồng đốt cấu tạo với độ chính xác cao và tuổi bền lớn. Kết cấu kim phun được chia thành tám phần như hình 3. Hình 3. Cấu tạo vòi phun. 1 – Lọc nhiên liệu; 2 – Giắc kết nối dây điện; 3 – Lò xo hồi vị kim; 4 – Cuộn dây cảm ứng; 5 – Vỏ vòi phun; 6 – Kim phun; 7 – Đầu vòi phun; 8 – Lỗ phun nhiên liệu -650- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Lượng nhiên liệu phun qua kim phun phụ thuộc vào áp suất nén và thời gian nhấc kim. Khoảng thay đối của áp suất nhiên liệu được thể hiện trên phương trình sau: V =P V Với P là áp suất và V là thể tích, Plà phần áp suất thay đổi, V là phần thể tích thay đổi Lưu lượng vào và ra của nhiên liệu có thể được thể hiện bằng phương trình Bernoulli sau: 2P QA=  Trong đó µ là độ nhớt và A là tiết diện,  khối lượng riêng nhiên liệu. Thay đổi áp suất trong thể tích: dP dx E =QQQQA.in + leakin − out − leakout + dt dt V Trong đó: Qin ; Qout : tốc độ dòng chảy nhiên liệu vào và ra Qleakin ; Qleakout : lưu lượng dòng chảy nhiên liệu vào và ra Quá trình điều khiển kim phun được chia thành 03 giai đoạn: + Giai đoạn 1: Cuộn dây điện từ của vòi phun được cung cấp hiệu điện thế 65V và dòng điện 13.4A, điều này giúp cho việc nhấc kim được diễn ra một cách nhanh chóng. + Giai đoạn 2: Khi áp suất nhiên liệu rơi vào khoảng 100Bar, thì cuộn dây điện từ được cung cấp hiệu điện thế 12V và 9.4A để giữ kim ở trạng thái cũ và tiếp tục phun nhiên liệu vào buồng đốt. + Giai đoạn 3: Cuộn dây vẫn được duy trì hiệu điện thế 12V nhưng dòng điện giảm xuống còn 3.7A, việc này giúp kim vẫn ở trạng thái mở, tuy nhiên nó sẵn sàng để tiến vào trạng thái đóng. Động lực học của các bộ phận chuyển động của kim được biểu diễn qua phương trình động lực học sau: d2 x dx m+  + kx = F + F + F dt2 dt m  h  e Trong đó: Fm là lực cơ học; Fh là lực thủy lực; Fe là lực điện từ; m,  , x lần lượt là khối lượng, hệ số dập tắt dao động, và chuyển vị của phần tử chuyển động. -651- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Phương trình mô hình hóa kim phun được viết lại:  di (L+ L) + (R + R + R)iV + = V  s adt s a L c o  dV iC= c  dt  d2 x 1 1 1 1 dx  2 =Fmag − k(x + x o ) − F h −   dt m m m m dt 2  oa(Ni) S Fmag = 2  2(− x)  dx Fh= f (x, ,P con ,P bpa )  dt Trong đó: Ls; La là độ tự cảm đầu vào và độ tự cảm của hệ truyền động; i là dòng điện của cơ cấu chấp hành; Rs; Ra là độ tự cảm đầu vào và điện trở của cơ cấu chấp hành; RL là điện trở giới hạn dòng điện cực đại; Vo là điện áp cung cấp cho cơ cấu chấp hành; Vc và Cp là điện áp nạp và điện dung; Fmag là lực từ; o là tính thấm từ trong chân không; N là số vòng dây; Sa là từ thông qua tiết diện mặt cắt ngang;  là khoảng cách ban đầu; Pcon là áp suất hệ điều khiển; Pbpa là áp suất trả về của bộ truyền động. Trong đó: dI VIRL=+SC SC SC SC SC dt Vsc : là hiệu điện thế 2 đầu cuộn dây Rsc : là điện trở của cuộn dây Lsc : là độ tự cảm của cuộn dây RtSC t VV− − SCLSC SC  ISC ( t) = (1 − e ) = (1 − e ) RRSC SC  : là hằng số thời gian của hệ thống điện Biểu thức độ tự cảm của cuộn dây: 22 N1 d h L = 4 SC d w + h 2 X 1 là tính thấm của không khí (H/m); N là số vòng dây; h là chiều cao của kim (mm); d là đường kính kim, X là độ dịch chuyển của kim. -652- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 3. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH THAY ĐỔI ÁP SUẤT KHI PHUN Đế tiến hành mô phỏng quá trình phun nhiên liệu qua thông qua ứng dụng Flow Simulation của phần mềm Solidworks cần xây dựng mô hình 3D cho kim phun với các thông số kích thước và cài đặt như hình 4, áp suất, nhiệt độ và các thông số hoạt động như Bảng 1. 6. Hình 4. Thông số vòi phun. Các thông số của vòi phun là tương đối đa dạng, dưới đây là bảng trình bày về các thông số đặc trưng của vòi phun. Để một vòi phun có thể hoạt động chính xác thì các thông số cơ bản của vòi phun cần được xác định chính xác như: điện áp hoạt động, áp suất nhiên liệu, cường độ dòng điện,... Bảng 1. Thông số kim phun. STT Đại lượng Giá trị 1 Lưu lượng tại 100 Bar 308 – 1640 g/phút 2 Nhiên liệu Xăng 3 Áp lực làm việc ≤ 500 Bar 4 Nhiệt độ làm việc - 31 đến 130°C 5 Nhiệt độ bảo quản - 40 đến 70°C 6 Rung động tối đa 600 m/s2 7 Điện áp tăng cường 65V 8 Dòng điện tăng cường 13.4ª 9 Thời gian tăng cường 480µs 10 Điện áp khởi động 12V 11 Dòng điện bình thường 9.4ª 12 Thời gian bình thường 704µs -653- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 13 Điện áp giữ kim 12V 14 Dòng điện giữ kim 3.7ª 15 Điện trở cuộn dây 1500mΩ Mô hình kim phun xây dựng trong Mặt cắt ¼ mô hình kim phun môi trường 3D Mặt cắt kim phun Hình 5. Mô phỏng kim phun. Các khối 3D cần phải tạo thành một khối hoàn chỉnh về không gian mô phỏng bằng lệnh “Computational Domain”. Không gian này nhằm giúp cho máy tính hiểu đươc đâu là phần cần mô phỏng để tối ưu hóa quá trình mô phỏng cũng như giới hạn lại điều kiện không gian. Tiếp đó ta tiến hành chia lưới các phần tử bằng cách sử dụng lệnh “Global Mesh”. Một trong những bước rất quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả quá trình mô phỏng đó là bước đặt các giá trị điều kiện biên như nhiệt độ, áp suất, vận tốc, lưu lượng, ... của các chất tham gia trong quá trình mô phỏng bằng lệnh -654- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải “Boundary Conditions”. Sau khi kiểm tra lại các thông số chính xác ta tiến hành cho chạy trình mô phỏng bằng lệnh “Run”. Cuối cùng, ta xem kết quả tại phần “Results”. 3.1. Vận tốc của các hạt nhiên liệu Vận tốc các hạt nhiên liệu tại các vị trí khác nhau được thể hiện theo hình bên dưới, với các giá trị được xác định dựa theo bảng màu sắc. Vận tốc của nhiên liệu được thể hiện bằng đợn vị m/s. Dựa trên hình ta có thể thấy khi nhiên liệu chạy qua các tiết diện hẹp thì có xu hướng tăng nhanh vận tốc, đặc biệt khi qua các lỗ của vòi phun thi vận tốc của nhiên liệu rất cao, có thể lên đến 44 m/s – điều này giúp cho sự hòa trộn của nhiên liệu và không khí được tối ưu, nhiên liệu được tơi ngay khi phun ra khỏi vòi. Các giá trị vận tốc khác nhau được thể hiện theo một mặt cắt đi ngang qua trục của vòi phun được thể hiện như ở hình sau (hình 6): Hình 6. Vận tốc nhiên liệu giai đoạn khởi phun. Hình 7. Vận tốc nhiên liệu giai đoạn phun chính. 3.2. Nhiệt độ của nhiên liệu qua vòi phun Nhiệt độ của nhiên liệu qua vòi phun được thể hiện tại thời điểm ban đầu khi động cơ vừa khởi động, lấy giá trị nhiệt độ đầu vào của nhiên liệu gần tương đương với nhiệt độ môi trường 293K. Kết quả được thể hiện theo hình sau (hình 8, hình 9): -655- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Hình 8. Nhiệt độ nhiên liệu giai đoạn khởi phun. Hình 9. Nhiệt độ nhiên liệu giai đoạn phun chính. 3.3. Áp suất của nhiên liệu qua vòi phun Áp suất đầu vào của nhiên liệu được lấy là hằng số và có giá trị bằng 100 Bar, đây là áp suất bình quân mà một hệ thống GDI cần đạt được. Nhìn tổng quan thì các giá trị áp suất thay đổi giảm dần từ phải qua trái với áp suất nhỏ nhất sau khi phun ra khỏi các lỗ là 0.57 Bar điều này làm đẩy nhanh tốc độ nhiên liệu – tạo độ tơi và xoáy lốc cho các hạt nhiên liệu. Các giá trị áp suất được thể hiện như hình sau (hình 10): Hình 10. Áp suất nhiên liệu. -656- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Với áp suất như trên, quá trình phun chính mật độ nhiên liệu phân bố như hình 11. Hình 11. Mật độ nhiên liệu. Trong đó nhiên liệu và không khí được chia từ 0 – 1 với 0 tương đương là 0% nhiên liệu và 100% không khí và 1 tương đương 100% nhiên liệu và 0% không khí. 4. KẾT LUẬN Qua quá trình mô phỏng trên, có thể thấy được vận tốc và áp suất trong vòi phun có thể đạt cao, vòi phun cần phải đảm bảo vòi phun làm bằng những vật liệu có tính bền cao. Khi nhiên liệu phun qua các khe hẹp như lỗ kim phun thì áp suất giảm nhanh, đồng thời vận tốc tăng cao và nhiệt độ tăng cao làm cho các hạt nhiên liệu được tơi, dễ dàng hòa trộn với không khí làm cho quá trình cháy diễn ra tối ưu nhất. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. W. Strunk Jr., E.B. White, The Elements of Style, fourth ed., Longman, New York, 2000. [2] Tsai, W.C., Wu, Z.H. Use of Taguchi method to optimize the operating parameters of a high-pressure injector driving circuit. Appl. Mech. Mater. 2011, 130, 2795–2799. [CrossRef] [3]. Tsai, W.C., Yu, P.C. Design of the electrical drive for the high-pressure GDI injector in a 500cc motorbike engine. Int. J. Eng. Ind. 2011, 2, 70–83. [4]. Cheng, Q., Zhang, Z., Xie, N. Power losses and dynamic response analysis of ultra-high speed solenoid injector within different driven strategies. Appl. Therm. Eng. 2015, 91, 611–621. [CrossRef] -657- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải [5]. Bai, Y., Fan, L.Y., Ma, X.Z., Peng, H.L., Song, E.Z. Effect of injector parameters on the injection quantity of common rail injection system for diesel engines. Int. J. Automot. Technol. 2016, 17, 567–579. [CrossRef] [6]. Chen, C., Li, Y.Q., Wang, D.F. The Design of Driving Circuit of GDI Injector and Experimental Verification based on L9707 Chip. Intern. Combust. Engine Powerpl. 2010, 1, 1–6. [7]. Hu, Y.Z., Teng, Q.; Liu, J.S. Development of a driver circuit for GDI high pressure injector. Electron. Des. Eng.2011, 19, 141–144. [8]. LM1949 Injector Drive Controller Datasheet, Texas Instruments: Dallas, TX, USA. 2013. Available online: (accessed on 28 September 2018). [9]. Bosch EV1 high-pressure fuel injector, Professional Fuel Injector Cleaning and Flow Testing ServiceGlenville NY, USA. 2018. Available online: (accessed on 28 September 2018). -658-