XÂY DỰNG bản đồ LƯỢNG NHIÊN LIỆU CUNG cấp của vòi PHUN COMMONRAIL KIỂU điện từ KHI sử DỤNG BIODIESEL TRÊN TOÀN VÙNG làm VIỆC BẰNG THỰC NGHIỆM

XÂY DỰNG BẢN ĐỒ LƯỢNG NHIÊN LIỆU CUNG CẤP CỦA VÒI PHUN COMMONRAIL KIỂU ĐIỆN TỪ KHI SỬ DỤNG BIODIESEL TRÊN TOÀN VÙNG LÀM VIỆC BẰNG THỰC NGHIỆM EXPERIMENTAL MAPPING OF BIODIESEL SUPPLIED

XÂY DỰNG BẢN ĐỒ LƯỢNG NHIÊN LIỆU CUNG CẤP CỦA VÒI PHUN

COMMONRAIL KIỂU ĐIỆN TỪ KHI SỬ DỤNG BIODIESEL

TRÊN TOÀN VÙNG LÀM VIỆC BẰNG THỰC NGHIỆM

EXPERIMENTAL MAPPING OF BIODIESEL SUPPLIED FROM A COMMONRAIL

INJECTOR FOR WHOLE ENGINE WORKING CONDITION

KS Vũ Đức Mạnh 1a , ThS Nguyễn Gia Nghĩa 1 , PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ 1b

ThS Khổng Văn Nguyên 2 , TS Trần Anh Trung 2

1 Học viện Kỹ thuật Quân sự

2 Đại học Bách khoa Hà Nội

a ducmanh220987@gmail.com, b vuanh_7076@yahoo.com

TÓM TẮT

Khác với hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) diesel kiểu cơ khí truyền thống, lượng nhiên liệu cung cấp (IQ–Injection Quantity) của vòi phun trên HTPNL diesel kiểu

rộng xung phun (ET-Energizing Time) và thuộc tính của nhiên liệu (khối lượng riêng, độ nhớt) Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm xây dựng bản đồ IQ của vòi

dụng diesel dầu mỏ (B0) và các loại biodiesel khác nhau (B10, B20, B40, B60, B80 và B100) trên bệ thử vòi phun kiểu CR4 Kết quả nghiên cứu phục vụ cho việc khai thác, tính toán chu trình công tác của các loại động cơ diesel sử dụng vòi phun này Ngoài ra, bản đồ lượng phun thu được sẽ phục vụ trực tiếp cho việc lập chương trình điều khiển cho ECU của động cơ diesel Huyndai 2.5 TCI-A khi chuyển sang sử dụng biodiesel

Từ khóa: vòi phun CR kiểu điện từ, lượng nhiên liệu phun, biodiesel, bệ thử vòi phun

kiểu CR4 H2

ABSTRACT

Unlike the traditional diesel-fuel injection system such as mechanical injection, fuel injection quantity (IQ) of a CommonRail (CR) injector mainly depends on the fuel-rail pressure (prail), injector pulse width (ET-Energizing Time) and fuel properties (density and viscosity) This work experimentally tests the amount of fuel injected from a CR electro-injector operating under a wide range of working conditions (prail =400÷1600 bar and ET=300÷2000 µs) using a common rail testing bench CR4 The fuels tested here include petroleum diesel (B0) and various blends of biodiesel (B10, B20, B40, B60, B80 and B100) The results could be useful for biodiesel utilisations as well as for computing the fuel-air cycle

of common rail diesel engines Also, the injection map will be used in the future to develop an ECU for a compression ignition engine, 2.5 TCI-A Hyundai engine, when operating with biodiesel

Keywords: solenoid CR injector, injection quantity, biodiesel, common rail testing

bench CR4

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Lượng nhiên liệu cung cấp (IQ) của vòi phun ứng với các chế độ, điều kiện vận hành

Đối với HTPNL diesel kiểu cơ khí truyền thống, diễn biến áp suất phun phụ thuộc chủ yếu vào biên dạng (cố định) của cam dẫn động bơm cao áp (BCA), chế độ tải, tốc độ của động

cơ [4], [5] và áp suất phun là tham số quyết định thời gian mở vòi phun (VP) để cung cấp nhiên liệu vào xi lanh Với HTPNL kiểu này, khi cố định các thông số vận hành khác (chế độ tải và tốc độ, áp suất bắt đầu nâng kim phun…) thì áp suất phun, đặc tính vật lý của nhiên liệu (khối lượng riêng, độ nhớt) có ảnh hưởng nhất định tới lượng phun của VP Trong đó, áp suất phun ít ảnh hưởng đến lượng phun mà chủ yếu ảnh hưởng tới mức độ phun tơi Khối lượng riêng, độ nhớt của nhiên liệu có ảnh hưởng đến diễn biến áp suất phun nên sẽ ảnh hưởng đến lượng nhiên liệu cung cấp của VP [4], [5], [6]

Hình 1 Quan hệ giữa áp suất phun và tốc độ động cơ, [15]

dạng cam của BCA và tốc độ động cơ, có khả năng thay đổi trong một dải rộng tùy theo chế

độ vận hành Đối với HTPNL kiểu CR dùng VP kiểu điện từ (Solenoid CR Injector) thì IQ sẽ

Bài báo trình bày kết quả thực nghiệm xây dựng bản đồ IQ của vòi phun CR kiểu điện

(B0) và các loại biodiesel khác nhau (B10, B20, B40, B60, B80 và B100) trên bệ thử vòi phun kiểu CR4 Kết quả nghiên cứu phục vụ cho việc khai thác, tính toán chu trình công tác của các loại động cơ diesel sử dụng vòi phun này Ngoài ra, bản đồ lượng phun thu được sẽ phục vụ trực tiếp cho việc lập chương trình điều khiển ECU của động cơ diesel Huyndai 2.5 TCI-A khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu diesel sinh học [1]

2 TIẾN HÀNH THỬ NGHIỆM

2.1 Trang thiết bị

Quá trình thử nghiệm sử dụng Bệ thử vòi phun kiểu CR4 (Italia) (thông số kỹ thuật

chính xác 0,1g) [11] với sơ đồ bố trí như trên Hình 2

0 40 80 120 160

Engine speed, rpm

CommonRail EUI Pump-line-nozzle

1-Thùng nhiên liệu; 2-Bầu lọc; 3-Bơm chuyển; 4-Đồng hồ áp suất; 5-Bầu lọc dầu (nhiên liệu hồi); 6-Giá lắp BCA; 7-Khớp nối; 8-Động cơ điện (3 pha); 9-BCA; 10-Nhiên liệu cao áp; 11-Van điều chỉnh áp suất BCA; 12-Bộ điều chỉnh áp suất bơm chuyển; 13-Cân điện tử; 14-Cốc hứng nhiên liệu; 15-Van xả nhiên liệu; 16-Cốc đo lượng nhiên liệu hồi; 17-Cốc đo đo lượng

nhiên liệu phun; 18-Vòi phun CR; 19-Bộ chia nhiên liệu

Hình 2 Sơ đồ bố trí trang thiết bị thử nghiệm

Bảng 1 Thông số kỹ thuật chính của bệ thử vòi phun CR4, [10]

2.2 Vòi phun thử nghiệm

Quá trình thử nghiệm sử dụng vòi phun CR kiểu điện từ (hãng Bosch) dùng trên động

cơ diesel 2.5 TCI-A (lắp trên xe Huyndai/Starex) Đây là loại VP đang được sử dụng rộng rãi trên các HTPNL kiểu CR Trước khi thử VP này được kiểm tra, hiệu chỉnh tại đại lý ủy quyền của hãng Bosch

2.3 Nhiên liệu thử nghiệm

Nhiên liệu biodiesel tinh khiết (B100) là sản phẩm của đề tài [2], được sản xuất từ bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thô thành dầu ăn Kết quả phân tích [2], [8] cho thấy các thuộc tính của B100 hoàn toàn thỏa mãn TCVN 7717:2007; QCVN 1: 2009/BKHCN và ASTM D 6751 Nhiên liệu diesel dầu mỏ (B0) là sản phẩm diesel thương mại (0,05 %S) lưu thông trên thị trường Kết quả phân tích [2] cho thấy các thuộc tính của B0 hoàn toàn thỏa mãn TCVN 5689:2005 và QCVN 1: 2009/BKHCN Các loại hỗn hợp (theo thể tích) của biodiesel với diesel sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm 0% (B0), 10% (B10), 20% (B20),

9 10

13 14 15

16 17

18

ON/

OFF

ECU

0,01

5 g

19

1 Khối lượng

ASTM

2.4 Chế độ thử nghiệm

Để xây dựng bản đồ lượng phun IQ trên toàn vùng làm việc, chế độ thử nghiệm được lựa chọn như sau:

bar Đây là khoảng áp suất làm việc thực tế của VP trên HTPNL kiểu CR thế hệ 2 [3], [12]

- Độ rộng xung phun ET: thay đổi từ 300 đến 2000 μs với bước thay đổi về độ rộng xung phun là 100μs khi ET<1000μs, là 500μs khi ET>1000μs

3 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN

3.1 Ảnh hưởng của p rail và ET tới IQ

Kết quả xác định lượng phun IQ cho các loại hỗn hợp B0, B40, B80, B100 ứng với các

a) IQ của B0 b) IQ của B40

c) IQ của B80 d) IQ của B100

Hình 3 Ảnh hưởng của p rail , ET tới lượng phun IQ

0.0

40.0

80.0

120.0

160.0

200.0

ET[μs]

1600

0.0 40.0 80.0 120.0 160.0 200.0

ET[μs]

1600

0.0

40.0

80.0

120.0

160.0

200.0

ET[μs]

1600

0.0 40.0 80.0 120.0 160.0 200.0

ET[μs]

1600

a) B0 b) B100

Hình 4 Đồ thị IQ (3D) của vòi phun trên toàn vùng làm việc khi dùng B0 và B100

kết quả đã công bố [3], [9], [12]

hơn (xét theo thời gian mở vòi phun ET)

3.2 Ảnh hưởng của p rail tới IQ

Thời gian mở VP càng dài thì mức độ ảnh hưởng này càng lớn Đây là sự khác biệt của HTPNL kiểu CR khi so sánh với HTPNL kiểu cơ khí truyền thống

Hình 5 Ảnh hưởng của p rail đến IQ

của hỗn hợp B60

Hình 6 Ảnh hưởng của p rail tới IQ của các loại hỗn hợp ứng với ET= 800 μs

gian mở vòi phun ET=800μs được trình bày trên Hình 6 Ta thấy, khi tăng tỷ lệ pha trộn của

nhiên, quy luật thay đổi này không thực sự rõ nét và cần được tiếp tục nghiên cứu

3.3 Ảnh hưởng của ET tới IQ

2 0

1 8

1600

1400

1200

1000 800

600 400

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

400

6 0 0

8 0 0

1 2 00

1 4 00

1 6 00

p rail [bar]

ET[s]

0.000 24.13 48.25 72.38 96.50 120.6 144.8 168.9 193.0

2 0

1 8

1600 1400 1200 1000 800

600 400

0

20 40 60 80

100 120 140 160 180 200

400

6 0 0

8 0 0

1 0 00

1 4 00

1 6 00

p rail [bar]

ET[s]

0.000 24.13 48.25 72.38 96.50 120.6 144.8 168.9 193.0

0.0

40.0

80.0

120.0

160.0

200.0

p rail [bar]

0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0

p rail [bar] Δmax=7,9mg

khảo sát là: IQ max=2,8 mg (với prail=400 bar), IQ max=8,3 mg (với prail=800 bar), IQ

a) Với p rail =400 bar b) Với p rail =800 bar

c) Với p rail =1200 bar d) Với p rail =1600 bar

Hình 7 Sự phụ thuộc của IQ vào ET tại các giá trị p rail khác nhau

3.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn tới IQ

tỷ lệ pha trộn của hỗn hợp nhìn chung ít ảnh hưởng đến IQ

a) Với p rail =400 bar b) Với p rail =1000 bar

Hình 8 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn, ET đến IQ

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

ET [μs]

ΔIQmax=2,8 mg

0.0 40.0 80.0 120.0 160.0

ET[μs]

ΔIQmax=8,3mg

0.0

30.0

60.0

90.0

120.0

150.0

180.0

ET[μs]

ΔIQmax=7,9mg

0.0 30.0 60.0 90.0 120.0 150.0 180.0 210.0

ET[μs]

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

Tỷ lệ Biodiesel (%)

300 400 500 600 700 800 900 1000 1500

20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 160.0

Tỷ lệ Biodiesel (%)

300 400 500 600 700 800 900 1000 1500 2000

ΔIQmax=12,5mg

về IQ có xu hướng tăng khi tăng tỷ lệ pha trộn Tuy nhiên, quy luật thay đổi là chưa rõ ràng

và cần được tiếp tục nghiên cứu Ngoài ra, khi tăng thời gian mở vòi phun ET (Hình 9 b), ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến IQ sẽ giảm

a) Với ET=600μs a) Với ET=1000μs

Hình 9 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn, p rail đến IQ

Tổng hợp mức độ sai lệch về lượng phun IQ (tính theo %) của các loại hỗn hợp khi so

thấy đa phần lượng cấp của vòi phun IQ khi dùng hỗn hợp biodiesel nhỏ hơn so với khi dùng diesel tại cùng chế độ khảo sát

Bảng 3 Mức độ sai lệch về IQ (%) của các loại hỗn hợp so với diesel, tại p rail =1200 bar

Sai lệch về IQ, [%]

ET

(μs)

Tỷ lệ pha trộn, [%]

3.5 Nhận xét chung

hưởng ít đến lượng phun IQ Điều này là phù hợp vì B0 và B100 có sự chênh lệch không lớn

về khối lượng riêng (<5 %) (Bảng 2)

diesel-biodiesel là đáng kể Khi thời gian mở vòi phun càng dài thì ảnh hưởng của khối lượng riêng

và độ nhớt của nhiên liệu tới IQ càng giảm Khi thời gian mở vòi phun ngắn (ET=300÷400μs)

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

Tỷ lệ Biodiesel (%)

400 600 800 1000 1200 1400 1600

20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0

Tỷ lệ Biodiesel (%)

400 600 800 1000 1200 1400 1600

vụ các mục đích sử dụng khác nhau

Sử dụng phương pháp nội suy tuyến tính đồ thị 3 chiều [14] ta có công thức xác định IQ(p,t):

                 

               

1

1





(1)

Sai số về lượng phun IQ khi tính

toán nội suy theo công thức (1) với kết quả

đo thực nghiệm đối với nhiên liệu B0 được

tổng hợp trong Bảng 4 Ta thấy, mức sai số

300÷400 μs) Tuy nhiên, đây không phải là

vùng làm việc thường xuyên của HTPNL

kiểu CR Ngoài vùng làm việc nêu trên,

mức sai số về IQ là khá tốt (<10 %) ngoại

thể sử dụng công thức (1) để xác định IQ

của vòi phun trên toàn vùng làm việc dựa

Bảng 4 Mức độ sai lệch về IQ (%) giữa tính toán (theo công thức 1)

và thực nghiệm đối với nhiên liệu diesel (B0)

Sai số về IQ, [%]

p i+1

ET

p rai l

t k+1

t

t k

IQ(p i , t k+1 ) IQ(pi+1 , t k+1 )

IQ(p i+1 , t k ) IQ(p i , t k )

IQ(p,t)

1200 -6,4 -0,9 6,3 2,1 5,0 -2,0 -5,5 -2,4 2,6 -0,3

5 KẾT LUẬN

Đã xác định được bản đồ lượng phun IQ của vòi phun CR kiểu điện từ trên toàn vùng làm việc ứng với 7 loại nhiên liệu khác nhau (B0, B10, B20, B40, B60, B80 và B100) theo áp

nhiều mục đích khác nhau

Với biodiesel có nguồn gốc dầu cọ trong nghiên cứu này, tác động của tỷ lệ pha trộn

phun ET > 400 μs

LỜI CẢM ƠN

Các tác giả xin chân thành cảm ơn Ban điều hành Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025/Bộ Công thương đã tạo điều kiện để thực hiện nghiên

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Hoàng Vũ, Thuyết minh Đề tài NCKH& PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu, chế

tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau”, mã số ĐT.08.14/NLSH (thuộc Đề án phát triển nhiên liệu

sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025)

[2] Nguyễn Hoàng Vũ, Báo cáo tổng kết Đề tài NCKH& PTCN cấp Quốc gia ”Nghiên cứu

sử dụng nhiên liệu diesel sinh học (B10 và B20) cho phương tiện cơ giới quân sự”; mã số

ĐT.06.12/NLSH (thuộc Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025)

[3] Hà Quang Minh, Nguyễn Hoàng Vũ, Phun nhiên liệu điều khiển điện tử trên động cơ đốt

trong, Giáo trình cao học, NXB Quân đội nhân dân, Hà Nội -2010

[4] Nguyễn Hoàng Vũ, Lại Văn Định, Hà Quang Minh, “Xây dựng mô hình mô phỏng hệ

thống phun nhiên liệu trên động cơ diesel”, Tạp chí Giao thông vận tải, 12/2004

[5] Nguyễn Công Lý, Phan Đắc Yến, Nguyễn Trung Kiên, Nguyễn Hoàng Vũ, “Tính toán

mô phỏng hệ thống phun nhiên liệu của động cơ diesel B2 bằng phần mềm Inject32”, Tạp

chí Khoa học & Kỹ thuật, Học viện KTQS, số 148, 06/2012

[6] Nguyễn Trung Kiên, Nguyễn Hoàng Vũ, Phan Đắc Yến, “Ảnh hưởng của nhiên liệu

diesel sinh học đến quy luật cung cấp nhiên liệu của động cơ diesel”, Tạp chí Khoa học

& Kỹ thuật, Học viện KTQS, số 155, 06/2013

[7] Dương Quang Minh, Nguyễn Gia Nghĩa, Nguyễn Hoàng Vũ, “Xây dựng công thức tính

chỉ số xêtan của hỗn hợp nhiên liệu diesel/biodiesel thông qua một số thuộc tính hóa-lý”,

Tạp chí Giao thông vận tải, 05/2015

[8] V.H Nguyen, H.T.T Vu, H.M DO, J.Y Woo, H.H Jun; “Esterification of waste fatty acid

http://www.intechopen.com/books/fuel-injection/accurate-modelling-of-an-injector-for-common-rail-systems

[10] Spin Company Operation and Maintenance Manual of COMMON RAIL TESTING

BENCH CR4 H2, 2008

[11] Vibra Scales JSC, Operation Manual of electronic balance Shinko Seri

[12] Lin Jin-jih, Common Rail Direct Injection Diesel Engine in Hyundai Tucson, Automobile

Maintenance Advanced Course for the Industrial Technical Instructors, 2011

[13] Tomasz Knefel, Technical assessment of Common Rail injectors on the ground of

overflow bench tests, Eksploatacja I Niezawodnosc – Maintenance and Reliability 2012;

Vol 14, issue1: 42-53

[14] Henry R.Kang, Computational Color Technology, SPIE Press Monographs Vol.159,

Society of Photo Optical, 2006

[15] www.DieselNet.com

THÔNG TIN TÁC GIẢ

1 KS Vũ Đức Mạnh, Học viện Kỹ thuật Quân sự,

ducmanh220987@gmail.com, 0963412178

2 ThS Nguyễn Gia Nghĩa Học viện Kỹ thuật Quân sự,

nghianguyengia.vgi@gmail.com, 0986503199

3 PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ, Học viện Kỹ thuật Quân sự,

vuanh_7076@yahoo.com, 0913226206

4 ThS Khổng Văn Nguyên, Đại học Bách khoa Hà Nội,

kvnguyen251@gmail.com, 0984761582

5 TS Trần Anh Trung, Đại học Bách khoa Hà Nội,

trantrungice@gmail.com, 0969767381