Nghiên cứu điều khiển hệ thống phun nhiên liệu diesel kiểu CommonRail (CR) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dieselbiodiesel (Luận án tiến sĩ)

Nghiên cứu điều khiển hệ thống phun nhiên liệu diesel kiểu CommonRail (CR) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dieselbiodiesel Nghiên cứu điều khiển hệ thống phun nhiên liệu diesel kiểu CommonRail (CR) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dieselbiodiesel Nghiên cứu điều khiển hệ thống phun nhiên liệu diesel kiểu CommonRail (CR) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dieselbiodiesel Nghiên cứu điều khiển hệ thống phun nhiên liệu diesel kiểu CommonRail (CR) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dieselbiodiesel Nghiên cứu điều khiển hệ thống phun nhiên liệu diesel kiểu CommonRail (CR) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dieselbiodiesel Nghiên cứu điều khiển hệ thống phun nhiên liệu diesel kiểu CommonRail (CR) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dieselbiodiesel Nghiên cứu điều khiển hệ thống phun nhiên liệu diesel kiểu CommonRail (CR) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dieselbiodiesel Nghiên cứu điều khiển hệ thống phun nhiên liệu diesel kiểu CommonRail (CR) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dieselbiodiesel Nghiên cứu điều khiển hệ thống phun nhiên liệu diesel kiểu CommonRail (CR) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dieselbiodiesel Nghiên cứu điều khiển hệ thống phun nhiên liệu diesel kiểu CommonRail (CR) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dieselbiodiesel

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện Luận án có sử dụng một

phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong Đề tài cấp Quốc gia “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”, mã số ĐT.08.14/NLSH do Đại tá, PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ là

Chủ nhiệm đề tài và cơ quan chủ trì là Học viện Kỹ thuật Quân Sự, thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025, do Bộ Công Thương quản lý Tôi đã được Chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của Đề tài cấp Quốc gia vào việc viết luận án

Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Trần Anh Trung và PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này

Tôi xin chân thành biết ơn Bộ môn ô tô và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện tốt nhất để thực hiện quá trình nghiên cứu thực nghiệm

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài ĐT.08.14/NLSH đã đồng ý cho tôi sử dụng một số kết quả nghiên cứu của đề tài để làm luận án

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí Động lực và các thầy trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận

án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện công trình này

Nghiên cứu sinh

Khổng Văn Nguyên

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viiviiviii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiixiixiii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xiv

MỞ ĐẦU 1

i Lý do chọn đề tài 1

ii Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án 2

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

iv Phương pháp nghiên cứu 3

v Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

vi Điểm mới của luận án 4

vii Bố cục luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel 5

1.1.1 Khái quát chung 5

1.1.2 Khái niệm về biodiesel 5

1.1.3 So sánh tính chất của biodiesel và diesel khoáng 5

1.1.4 Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel 6

1.1.5 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel 7

1.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng biodiesel cho động cơ diesel 8

1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới 8

1.2.2 Các nghiên cứu trong nước 13

1.2.3 Đánh giá chung 15

1.3 Tổng quan về thiết kế điều khiển động cơ diesel 16

1.3.1 Tổng quan về mô hình mô phỏng động cơ diesel 18

1.3.2 Tổng quan về mô hình điều khiển động cơ diesel 20

1.4 Hướng tiếp cận của luận án 25

1.5 Nội dung nghiên cứu 26

1.6 Kết luậnChương 1 27

CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG HỆ THỐNG PHUN KIỂU COMMONRAIL (CR) LÀM VIỆC THEO THỜI GIAN THỰC 28

2.1 Đặt vấn đề 28

2.2 Mô hình động học hệ thống phun nhiên liệu kiểu CR 30

2.2.1 Bơm cao áp 32

2.2.2 Van điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp vào BCA (van SCV) 32

2.2.3 Đường ống rail 33

2.2.4 Vòi phun 33

2.3 Mô hình cháy 33

2.3.1 Cơ sở lựa chọn mô hình cháy 33

2.3.2 Mô hình cháy 35

2.4 Mô hình động học tuabin tăng áp và đường nạp, thải 38

2.4.1 Tốc độ của rô to cụm TB-MN 39

2.4.2 Tuabin 39

2.4.3 Máy nén 40

2.4.4 Lưu lượng khí nạp 40

2.4.5 Lưu lượng khí thải 40

2.5 Mô hình tổn thất cơ khí trên động cơ 41

2.5.1 Mô men ma sát 41

2.5.2 Mô men tổn thất dẫn động cơ cấu phân phối khí 42

2.5.3 Mô men tổn thất dẫn động các cơ cấu phụ 42

2.6 Mô hình truyền nhiệt 43

2.7 Xác định áp suất xylanh 44

2.8 Mô hình động học, động lực học của động cơ 45

2.8.1 Mô hình động học 45

2.8.2 Mô hình động lực học 45

2.9 Kết luận Chương 2 46

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ HYUNDAI D4CB 2.5 TCI-A SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL-BIODIESEL LÀM VIỆC THEO THỜI GIAN THỰC 48

3.1 Đặt vấn đề 48

3.2 Chế độ thực nghiệm xác định các tham số đầu vào cho mô hình 48

3.2.1 Đối tượng nghiên cứu 48

3.2.2 Trang thiết bị và chế độ thực nghiệm 49

3.2.2.1 Trang thiết bị thử nghiệm 49

3.2.2.2 Chế độ thử nghiệm 50

3.3 Kết quả thực nghiệm 50

3.3.1 Xác định các tham số đầu vào của mô hình HTPNL kiểu CR 51

3.3.2 Xác định các tham số của mô hình tuabin – máy nén 53

3.3.3 Áp suất xylanh 58

3.3.4 Xác định hệ số của mô hình mô men ma sát 60

3.3.5 Quy luật phối khí 61

3.3.6 Lưu lượng khí qua xupap nạp và thải 62

3.4 Xử lý số liệu 63

3.4.1 Xác định tốc độ tỏa nhiệt 63

3.4.2 Xác định thời điểm cháy, khoảng thời gian cháy và phần nhiên liệu đã cháy 65

3.4.3 Xác định hệ số lưu lượng qua xupap nạp và thải 68

3.5 Xây dựng và đánh giá mô hình 68

3.5.1 Xây dựng mô hình động cơ 68

3.5.2 Đánh giá độ tin cậy của mô hình động cơ 69

3.5.2.1 Về tốc độ tỏa nhiệt 69

3.5.2.3 Về mô men và công suất động cơ 72

3.6 Kết luận Chương 3 74

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ HYUNDAI D4CB 2.5 TCI-A SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL 75

4.1 Đặt vấn đề 75

4.2 Thiết kế các bộ điều khiển vòng hở 76

4.2.1 Tính toán lượng phun nhiên liệu 78

4.2.1.1 Tính toán lượng nhiên liệu phun khi khởi động 78

4.2.1.2 Tính toán lượng nhiên liệu không tải yêu cầu 79

4.2.1.3 Tính toán lượng nhiên liệu yêu cầu 81

4.2.2 Tính toán quy luật phun 83

4.2.2.1 Phun mồi 84

4.2.2.2 Phun chính 87

4.3 Thiết kế các bộ điều khiển vòng kín 90

4.3.1 Bộ điều khiển PID 90

4.3.2 Bộ điều khiển áp suất rail 91

4.3.3 Bộ điều khiển tốc độ không tải 94

4.4 Kết luận Chương 4 96

CHƯƠNG 5 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 97

5.1 Mục đích thử nghiệm 97

5.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu thực nghiệm 97

5.2.1 Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm 97

5.2.2 Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm 97

5.2.3 Điều kiện nghiên cứu thực nghiệm 97

5.3 Quy trình và trang thiết bị thực nghiệm 97

5.3.1 Trang thiết bị thực nghiệm 97

5.3.2 Quy trình thử nghiệm 100

5.4 Kết quả thử nghiệm 101

5.4.1 Đánh giá bộ điều khiển áp suất rail 101

5.4.2 Tại chế độ không tải 105

5.4.3 Tại chế độ toàn tải 107

5.4.3.1 Đánh giá mức độ cải thiện về momen và tiêu thụ nhiên liệu của ECU-New 107 5.4.3.2 Đánh giá mức độ cải thiện khí thải của ECU-New 109

5.4.4 Tại chế độ tải bộ phận 110

5.4.5 Tại chế độ tăng tốc 114

5.5 Kết luận Chương 5 116

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 117

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 124

PHỤ LỤC 125

PL1 Một số hình ảnh mô hình động cơ xây dựng trong Simulink 125

PL2 Phòng thử động lực học cao động cơ (High Dynamic Engine Testbed) - Viện Cơ khí Động lực- Đại học Bách khoa Hà Nội 129

PL3 Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm tại trường Đại học Công nghệ GTVT 136

PL4 Hệ thống thiết bị và phần mềm dùng để lập trình cho ECU 142

PL5 Một số kết quả đo thực nghiệm 149

PL6 Một số Hình ảnh thực nghiệm 154

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 Ký hiệu bằng chữ cái La tinh

p2 Áp suất khí tăng áp sau làm mát bar

p1 Áp suất khí tăng áp trước làm mát bar

p4 Áp suất khí thải sau tuabin bar

p3 Áp suất khí thải trước tuabin bar

pcyl Áp suất môi chất trong xylanh bar

pp Áp suất nhiên liệu tại bơm cao áp bar

pi,k Áp suất phun tại mỗi vòi phun -

Ne Công suất có ích của động cơ W

F Diện tích trao đổi nhiệt tức thời của thành buồng công

tác xylanh

m2

USCV Độ mở van điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp vào bơm %

hintake Độ nâng của xu páp nạp theo góc quay trục khuỷu m

hexhaust Độ nâng của xu páp thải theo góc quay trục khuỷu m

μ Độ nhớt động học của dầu bôi trơn động cơ (cSt)

ET,k Độ rộng xung điều khiển vòi phun ms

D Đường kính xylanh m

hin Entanpi của khí nạp mới đi vào xylanh J/kg

Cf,in Hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xupap nạp -

Cf,ex Hệ số lưu lượng của dòng khí thải đi qua xupap thải -

Cpr Hệ số tổn thất lưu lượng từ BCA tới ống Rail -

Cdi Hệ số tổn thất lưu lượng từ ống Rail tới vòi phun -

Cdreg Hệ số tổn thất lưu lượng từ van RPCV tới ống Rail -

Cpv Hệ số tổn thất lưu lượng từ van SCV tới BCA -

Cpv Hệ số tổn thất lưu lượng từ van SCV tới BCA -

Cvr Hệ số tổn thất lưu lượng từ van SCV tới ống Rail -

Apv Là tiết diện ngang của đường nhiên liệu vào van SCV m2

min Lượng khí nạp vào xylanh mg/ct

mex Lượng khí thải ra khỏi xylanh mg/ct

qpr Lượng nhiên liệu từ bơm cao áp tới ống Rail g

qu Lượng nhiên liệu vào bơm cao áp g

Qw Lượng nhiệt trao đổi với môi trường xung quanh J

qout Lưu lượng chất lỏng ra khỏi bình chứa l/s

qin Lưu lượng chất lỏng vào bình chứa l/s

mT Lưu lượng khí thải qua tuabin m

qpvc Lưu lượng nhiên liệu từ ống Rail tới van RPCV l/s

qri Lưu lượng nhiên liệu từ ống Rail tới vòi phun l/s

Ieng Mô men quán tính của các chi tiết chuyển động quay

quy dẫn về đường tâm trục khuỷu

kg.m2

JT Mô men quán tính của roto cụm TB-MN kg.m2

T Nhiệt độ K

T1 Nhiệt độ khí nạp sau máy nén K

T2 Nhiệt độ khí tăng áp sau làm mát K

T4 Nhiệt độ khí thải sau tuabin K

T3 Nhiệt độ khí thải trước tuabin K

Tcyl Nhiệt độ môi chất trong xylanh K

cpa Nhiệt dung riêng đẳng tích của khí nạp l/s

cpe Nhiệt dung riêng đẳng tích của khí thải m2

QH Nhiệt trị thấp của nhiên liệu kJ/kg

xbi Phần nhiên liệu tham gia cháy của từng giai đoạn %

xfi Phần nhiên liệu tham gia phản ứng cháy %

Vpmax Thể tích lớn nhất của 1 tổ bơm cao áp m3

Adi Tiết diện các lỗ phun trên vòi phun m2

Ai,k Tiết diện các lỗ phun trên vòi phun m2

Avgtmax Tiết diện hình học lớn nhất của tuabin m2

Apt Tiết diện ngang của đường nạp vào BCA m2

Avr Tiết diện ngang của đường nhiên liệu ra van SCV m2

Apr Tiết diện ngang của đường ra nhiên liệu từ BCA tới

ống Rail

m2

Amax Tiết diện ngang khi van RPCV mở lớn nhất m2

n Tốc độ vòng quay trục khuỷu động cơ vg/ph

minj Tổng lượng nhiên liệu phun vào xy lanh mg/ct

2 Ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp

γa Hệ số đoạn nhiệt của khí nạp -

γe Hệ số đoạn nhiệt của khí thải -

Δφi Khoảng thời gian cháy của mỗi giai đoạn cháy độ

ρ Khối lượng riêng của chất lỏng kg/m3

ωt Tốc độ góc của tuabin – máy nén rad/s

ωe Tốc độ góc trục khuỷu động cơ rad/s

3 Các chữ viết tắt

BMEP Áp suất có ích trung bình (Brake Mean Effective Pressure)

PID Bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân – vi phân (Proportional Integral

Derivative) ECU-New Bộ điều khiển (Electronic Control Unit) động cơ mới

(MotoHawk) ECU-NT Bộ điều khiển (Electronic Control Unit) động cơ nguyên thủy EDU Bộ điều khiểu động cơ (Electric Drive Unit)

BCA Bơm cao áp

ECU-New_B20 Động cơ lắp ECU mới sử dụng nhiên liệu B20

ECU-NT_B0 Động cơ lắp ECU nguyên thủy sử dụng nhiên liệu B0

ECU-NT_B20 Động cơ lắp ECU nguyên thủy sử dụng nhiên liệu B20

GTVT Giao thông vận tải

GQTK Góc quay trục khuỷu

HTNL Hệ thống nhiên liệu

CR Hệ thống nhiên liệu Common Rail

HTPNL Hệ thống phun nhiên liệu

BTE Hiệu suất nhiệt (Brake Thermal Efficiency)

MHC Mô hình cháy

NLSH Nhiên liệu sinh học

PTCGQS Phương tiện cơ giới quân sự

PTGTCGĐB Phương tiện giao thông cơ giới đường bộ

BSEC Suất tiêu hao năng lượng (Brake Specific Eenergy Consumption) VGT Tăng áp điều khiển cánh hướng dòng (Variable Ggeometry

turbocharger) TSKT Tiến sĩ kỹ thuật

EGR Tuần hoàn khí thải (Exhaust Gas Recirculation)

RPCV Van điều khiển áp suất rail (Rail Pressure Control Valve)

SCV Van điều khiển lượng cấp nhiên liệu (Structure Control Valve) MAP Dạng bảng tra

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh các thuộc tính của biodiesel theo tỷ lệ pha trộn (với cùng loại diesel sinh

học gốc B100 dùng trong nghiên cứu của luận án), [7, 8] 6

Bảng 1.2 Lượng tiêu thụ biodiesel của Liên minh Châu Âu (giai đoạn 2011-2016 dự báo cho năm 2017, 2018), [11] 7

Bảng 2.1 Quan hệ giữa tham số ai và hiệu suất cháy, [64] 37

Bảng 2.2 Tham số mô hình mi 37

Bảng 2.3 Các hệ số thực nghiệm của mô hình ma sát, [72] 43

Bảng 2.4 Hệ số xác định theo mô hình Woschni C1 và C2, [61] 44

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ D4CB 2.5 TCI-A, [77] 48

Bảng 3.2 Các thông số kỹ thuật cơ bản của cảm biến áp suất, [78] 50

Bảng 3.3 Thông số đầu vào của MHMP 51

Bảng 3.4 Quy luật cung cấp nhiên liệu theo các chế độ tải và tốc độ của động cơ 52

Bảng 3.5 Áp suất khí tăng áp theo tốc độ và tải của động cơ 54

Bảng 3.6 Áp suất khí thải theo tốc độ và tải của động cơ 55

Bảng 3.7 Lưu lượng khí nạp theo tốc độ và tải của động cơ 56

Bảng 3.8 Độ mở van VGT theo tải và tốc độ của động cơ 57

Bảng 3.9 Tốc độ tuabin – máy nén theo tải và tốc độ động cơ 58

Bảng 3.10 Tổng hợp kết quả giá trị áp suất đỉnh và vị trí đạt áp suất đỉnh trong xylanh tại các chếđộ thử nghiệm 60

Bảng 3.11 Thông số đầu vào của mô hình mô men ma sát 61

Bảng 3.12 Các thông số của xupap nạp/thải 61

Bảng 3.13 Quy luật phối khí 62

Bảng 3.14 Tổng hợp kết quả giá trị tốc độ tỏa nhiệt lớn nhất và vị trí đạt tốc độ tỏa nhiệt lớn nhất tại các chế độ thử nghiệm 64

Bảng 3.15 Bảng xác định thời điểm cháy, khoảng thời gian cháy và phần nhiên liệu đã cháy 66

Bảng 3.16 So sánh công suất và mô men giữa mô hình và thực nghiệm 73

Bảng 4.1 Lượng nhiên liệu khởi động theo tốc độ và nhiệt độ nước làm mát động cơ 78

Bảng 4.2 Quan hệ giữa lượng nhiên liệu phun với vị trí chân ga, tốc độ và tải của động cơkhi sử dụng B20 82

Bảng 4.3 Lượng nhiên liệu phun theo tốc độ và vị trí chân ga 83

Bảng 4.4 Lượng nhiên liệu phun mồi theo tốc độ và lượng nhiên liệu yêu cầu 85

Bảng 4.5 Thời điểm phun mồi lần 1 theo tốc độ và lượng nhiên liệu yêu cầu 86

Bảng 4.6 Thời điểm phun mồi lần 2 theo tốc độ và lượng nhiên liệu yêu cầu 86

Bảng 4.7 Thời gian phun mồi theo lượng phun mồi và áp suất phun 87

Bảng 4.8 Thời điểm phun chính theo tốc độ và lượng nhiên liệu yêu cầu 88

Bảng 4.9 Thời gian phun chính theo lượng phun yêu cầu và áp suất phun 89

Bảng 4.10 Giá trị các thông số hiệu chỉnh số vòng quay không tải 96

Bảng 5.1 Các thông số kỹ thuật cơ bản của băng thử NT 3000 98

Bảng 5.2 Bảng xác định prail ở các tốc độ trục BCA 500, 1000 và 1500 vg/ph khi thay đổi độ rộngxung điều khiển van SCV, độ rộng xung điều khiển van RPCV 103

Bảng 5.3 Bảng xác định prail theo tốc độ BCA và độ mở van RPCV 103

Bảng 5.4 Giá trị các thông số hiệu chỉnh số vòng quay không tải 107

Bảng 5.5 So sánh phát thải khi sử dụng ECU-NT và ECU-New tại chế độ không tải 107

Bảng 5.6 So sánh mô men và suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng NT và ECU-Newvới nhiên liệu B20 tại chế độ toàn tải 108

Bảng 5.7 So sánh phát thải CO, HC khi sử dụng ECU-NT và ECU-New tại chế độ toàn tải

109

Bảng 5.8 So sánh phát thải NOx (ppm) và Smoke (-) khi sử dụng ECU-NT và ECU-New tại chế độtoàn tải với nhiên liệu B20 110

Bảng 5.9 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng ECU-NT và ECU-New 111

Bảng 5.10 So sánh phát thải CO và HC khi sử dụng ECU-NT và ECU-New 112

Bảng 5 11 So sánh phát thải NOx và Smoke khi sử dụng ECU-NT và ECU-New 112

Bảng 5.12 Kết quả thử nghiệm đặc tính tăng tốc của xe Hyundai Starex 115

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Lượng sản xuất, xuất khẩu và tiêu thụ biodiesel của Mỹ từ năm 2001 đến năm

2016,[10] 7

Hình 1.2 So sánh áp suất cháy lớn nhất và tốc độ tỏa nhiệt của B0; B20, B40, B60, B80, B100 (B100 sản xuất từ dầu Jatropha),[17] 9

Hình 1.3 So sánh hiệu suất nhiệt, suất tiêu hao năng lượng, phát thải HC và NOx của M5, M10, M15, M20 (B100 sản xuất từ dầu Manhua),[18] 10

Hình 1.4 So sánh áp suất cháy và tốc độ tỏa nhiệt của diesel và biodiesel (với B100 làm từ cây Jatropha),[19] 10

Hình 1.5 Quy luật phun nhiều giai đoạn, [25] 11

Hình 1.6 Ảnh hưởng của các giai đoạn phun, [25] 12

Hình 1.7 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu và mô men với các tỷ lệ pha trộn khác nhau ở chế độ toàn tải,[27] 12

Hình 1.8 So sánh áp suất cháy và tốc độ tỏa nhiệt của diesel và biodiesel làm từ dầu dừa [29] 13

Hình 1.9 Các bước nghiên cứu phát triển ECU,[41] 17

Hình 1.10 Cơ sở thiết kế chương trình điều khiển trên MHMP động cơ (SIL), [40] 17

Hình 1.11 Mô hình động cơ trung bình không xét đến quá trình động lực học của động cơ 18

Hình 1.12 Mô hình động cơ trung bình có xét tới động lực học của động cơ 19

Hình 1.13 Sơ đồ khối mô hình động cơ theo góc quay trục khuỷu 20

Hình 1.14 HTNL sử dụng bơm dãy điều khiển điện tử, [49] 21

Hình 1.15 Sơ đồ thuật toán điều khiển của động cơ sử dụng bơm dãy điện tử, [50] 21

Hình 1.16 HTNL sử dụng bơm phân phối điều khiển điện tử, [49] 21

Hình 1.17 Sơ đồ thuật toán điều khiển của động cơ sử dụng bơm phân phối điện tử, [50] 22 Hình 1.18 So sánh áp suất cháy và tốc độ tỏa nhiệt khi thay đổi tỷ lệ pha trộn biodiesel, [51] 23

Hình 1.19 Thời điểm phun mồi và phun chính khi sử dụng diesel và biodiesel, [52] 23

Hình 1.20 Thời gian phun chính khi sử dụng diesel và biodiesel, [52] 23

Hình 1.21 Sơ đồ khối điều khiển động cơ sử dụng HTPNL kiểu CR 26

Hình 1.22 Trình tự thiết kế ECU dùng phương pháp xây dựng MHMP động cơ theo thời gian thực 27

Hình 2.1 Mô hình tính toán của phương trình cân bằng năng lượng, [39, 58] 28

Hình 2.2 Mô hình động cơ diesel dùng HTPNL kiểu CR, tăng áp kiểu VGT, [41] 29

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý HTPNL kiểu CR dùng BCA kiểu CP1-H, [9, 41] 31

Hình 2.4 Sơ đồ bình chứa với chất lỏng nén được, [63] 31

Hình 2.5 Sơ đồ phân loại MHC 34

Hình 2.6 Mô hình cháy không chiều 1 vùng (a) và 2 vùng (b), [64] 34

Hình 2.7 Phương pháp xây dựng MHC không chiều một vùng và hai vùng, [64] 35

Hình 2.8 Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt theo số phương trình Wiebe, [68] 36

Hình 2.9 So sánh tốc độ tỏa nhiệt và tốc độ cháy khi thay đổi tham số m 37

Hình 2.10 Mô hình tuabin – máy nén 38

Hình 3.1Bố trí chung phòng thử động lực học cao, ĐH Bách khoa Hà Nội, [78] 49

Hình 3.2 Vị trí lắp cảm biến áp suất AVL QC33C trên nắp máy 50

Hình 3.3 Quy luật thay đổi số lần phun theo tốc độ động cơ 52

Hình 3.4 Ví dụ về diễn biến xung phun xác định bằng thiết bị Oscilloscopes 53

Hình 3.5 Vị trí lắp cảm biến để xác định đặc tính của TB - MN 53

Hình 3.6 Đường đẳng mức áp suất khí tăng áp theo tốc độ và mômen của động cơ 54

Hình 3.7 Đường đẳng mức áp suất khí thải theo tốc độ và mômen của động cơ 55

Hình 3.8 Đường đẳng mức lưu lượng khí nạp theo tốc độ và mômen của động cơ 56

Hình 3.9 Đường đẳng mức độ mở van VGT theo tốc độ và mômen của động cơ 57

Hình 3.10 Đường đẳng mức tốc độ tuabin – máy nén theo tốc độ và mômen của động cơ 58 Hình 3.11 Diễn biến áp suất tại tốc độ 1000 vg/ph ở chế độ 100% tải 59

Hình 3.12 Diễn biến áp suất tại tốc độ 2000 vg/ph ở chế độ 100% tải 59

Hình 3.13 Diễn biến áp suất tại tốc độ 3000 vg/ph ở chế độ 100% tải 59

Hình 3.14 Diễn biến độ nâng xupap nạp/thải 61

Hình 3.15Sơ đồ nguyên lý đo lưu lượng khí qua xupap, [42] 62

Hình 3.16 Mối quan hệ giữa lưu lượng khí và độ nâng xupap 63

Hình 3.17 Kết quả tính toán diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong xylanhtại tốc độ 1000 vg/ph ở chế độ 100% tải 64

Hình 3.18 Kết quả tính toán diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh tại tốc độ 2000 vg/ph ở chế độ 100% tải 65

Hình 3.19 Kết quả tính toán diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh tại tốc độ 3000 vg/ph ở chế độ 100% tải 65

Hình 3.20 Sơ đồ thuật toán tối ưu xác định các tham số φSOCi, Δφi và xfi 66

Hình 3.21Mối quan hệ giữa hệ số lưu lượng và độ nâng xupap 68

Hình 3.22 Mô hình động cơ sử dụng diesel và biodiesel làm việc theo thời gian thực 69

Hình 3.23 Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm tại chế độ tốc độ 1000 (vg/ph) và 100% tải 70

Hình 3.24 Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm tại chế độtốc độ 2000 (vg/ph) và 100% tải 70

Hình 3.25 Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm tại chế độ tốc độ 3000 (vg/ph) và 100% tải 70

Hình 3.26So sánh áp suất xylanh giữa mô phỏng và thực nghiệm tại chế độ tốc độ 1000 (vg/ph) và tải 100% tải 71

Hình 3.27So sánh áp suất xylanh giữa mô phỏng và thực nghiệm tại chế độ tốc độ 2000 (vg/ph) và tải 100% tải 71

Hình 3.28So sánh áp suất xylanh giữa mô phỏng và thực nghiệm tại chế độ tốc độ 3000 (vg/ph) và tải 100% tải 72

Hình 3.29 So sánh công suất và mô men giữa mô hình và thực nghiệm khi sử dụng dieseltại chế độ toàn tải 72

Hình 3.30 So sánh công suất và mô men giữa mô hình và thực nghiệm khi sử dụng biodiesel B20tại chế độ toàn tải 73

Hình 4.1 Sơ đồ điều khiển quá trình phun nhiên liệu, [57] 76

Hình 4.2 Phép nội suy tuyến tính 1D, [83] 77

Hình 4.3 Phép nội suy tuyến tính 2D,[83] 77

Hình 4.4 MAP lượng nhiên liệu phun khi khởi động của động cơ 2.5TCI-Akhi sử dụng ECU_NT với nhiên liệu diesel 79

Hình 4.5 Sơ đồ hiệu chỉnh lượng nhiên liệu khởi động khi dùng biodiesel B20, [57] 79

Hình 4.6 Sơ đồ tính toán lượng phun không tải 80

Hình 4.7 Diễn biến tốc độ không tải yêu cầu theo nhiệt độ của động cơ 2.5TCI-A 81

Hình 4.8 Sơ đồ nội suy lượng phun theo tốc độ và vị trí chân ga, [83] 82

Hình 4.9 MAP lượng phun theo tốc độ và vị trí ga khi sử dụng B20 83

Hình 4.10 Mô hình điều khiển quá trình phun của động cơ 2.5 TCI-A khi sử dụng biodiesel 84

Hình 4.11 Sơ đồ điều khiển phun mồi 84

Hình 4.12 MAP thời điểm phun mồi lần 1 của động cơ 2.5TCI-A khi sử dụng B0 85

Hình 4.13 MAP thời điểm phun mồi lần 2 của động cơ 2.5TCI-A khi sử dụng B0 86

Hình 4.14 Map thời gian phun mồi của động cơ 2.5TCI-A 87

Hình 4.15 Sơ đồ điều khiển phun chính 88

Hình 4.16 MAP thời điểm phun chính của động cơ 2.5TCI-A khi sử dụng B0 88

Hình 4.17 MAP thời gian phun chính động cơ 2.5TCI-A khi sử dụng B0 89

Hình 4.18Điều khiển với bộ điều khiển PID 90

Hình 4.19Mô hình tính toán áp suất rail của HTPNL CR (CP1-H) 91

Hình 4.20 MAP áp suất rail yêu cầu 92

Hình 4.21 MAP điều khiển áp suất rail thông qua van SCV 92

Hình 4.22 MAP điều khiển áp suất rail thông qua van RPCV 93

Hình 4.23 Mô hình điều khiển van RPCV 93

Hình 4.24 Mô hình điều khiển van SCV 93

Hình 4.25 Sơ đồ điều khiển vòng kín đối với áp suất rail 94

Hình 4.26 Thời gian đáp ứng của bộ điều khiển khi áp suất rail thay đổi từ 600 ÷1000 bar, 94

Hình 4.27 Thời gian đáp ứng của bộ điều khiển khi áp suất rail thay đổi từ 600 ÷1000 bar, 94

Hình 4.28 Sơ đồ điều khiển vòng kín số vòng quay không tải của động cơ 95

Hình 4.29 Số vòng quay không tải thực ứng với số vòng quay không tải yêu cầu 800 (vg/ph) 95

Hình 4.30 Số vòng quay không tải thực ứng với số vòng quay không tải yêu cầu 900 (vg/ph) 95

Hình 5.1 Băng thử bơm cao áp NT 3000 và vị trí gá đặt bơm cao áp, vòi phun 98

Hình 5.2 Bố trí chung bệ thử Động cơ, Đại học Công nghệ GTVT 99

Hình 5.3 Sơ đồ lắp đặt trang thiết bị và xe Hyundai Starex trên bệ thử con lăn (khi dùng ECU-NT và ECU-New) 99

Hình 5.4 Tín hiệu điều khiển của người lái khi thử nghiệm đặc tính tăng tốc 101

Hình 5.5 Ảnh hưởng của độ mở van SCV và van RPCV đến prail tại tốc độ 500 vg/ph 101

Hình 5.6 Ảnh hưởng của độ mở van SCV và van RPCV đến prail tại tốc độ 1000 vg/ph 102 Hình 5.7 Ảnh hưởng của độ mở van SCV và van RPCV đến prail tại tốc độ 1500 vg/ph 102 Hình 5.8 Ảnh hưởng của độ mở van RPCV và tốc độ tới prail 102

Hình 5.9 Độ trễ prail_thực so với prail-yêu cầu khi thay đổi prail-yêu cầu từ 35 (MPa) lên 40 (MPa) 103

Hình 5.10 Độ trễ prail_thực so với prail-yêu cầu khi thay đổi prail-yêu cầu từ 40 (MPa) lên 50 (MPa) 104

Hình 5.11 Độ trễ prail_thực so với prail-yêu cầu khi thay đổi prail-yêu cầu từ 50 (MPa) lên 60 (MPa) 104

Hình 5.12 Độ trễ prail_thực so với prail-yêu cầu khi thay đổi prail-yêu cầu từ 60 (MPa) lên 70 (MPa) 104

Hình 5.13 Màn hình hiển thị, hiệu chỉnh các thông số điều khiển số vòng quay không tải 105

Hình 5.14 Số vòng quay không tải thực chưa hiệu chỉnh (tốc độ không tải yêu cầu là 800 vg/ph) 105

Hình 5.15 Số vòng quay không tải thực đã hiệu chỉnh (tốc độ không tải yêu cầu là 800 vg/ph) 106

Hình 5.16 Số vòng quay không tải thực chưa hiệu chỉnh (tốc độ không tải yêu cầu là 1000 vg/ph) 106

Hình 5.17 Số vòng quay không tải thực đã hiệu chỉnh (tốc độ không tải yêu cầu là 1000 vg/ph) 107

Hình 5.18 Đặc tính ngoài của động cơ khi sử dụng ECU-NT và ECU-New 108

Hình 5.19 Kết quả đo phát thải khi sử dụng ECU-NT và ECU-New 109

Hình 5.20 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng ECU-NT và ECU-New 111

Hình 5.21 So sánh phát thải CO khi sử dụng ECU-NT và ECU-New 112

Hình 5.22 So sánh phát thải HC khi sử dụng ECU-NT và ECU-New 113

Hình 5.23 So sánh phát thải NOx khi sử dụng ECU-NT và ECU-New 113

Hình 5.24 So sánh phát thải Smoke khi sử dụng ECU-NT và ECU-New 113

Hình 5.25 Quan hệ giữa tốc độ động cơ và vị trí chân ga khi tăng tốc 114

Hình 5.26 Quan hệ giữa lượng phun nhiên liệu và vị trí chân ga khi tăng tốc 114

Hình 5.27 Quan hệ giữa áp suất rail và vị trí chân ga khi tăng tốc 115

Hình 5.28 Đặc tính tăng tốc của xe khi dùng biodiesel B20 115

MỞ ĐẦU

i Lý do chọn đề tài

Biodiesel là một loại nhiên liệu thay thế, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo

vệ môi trường Biodiesel được tạo ra từ dầu thực vật (dầu thực phẩm, dầu phi thực phẩm, dầu ăn thải), mỡ động vật (mỡ cá tra, ba sa…) là hướng phát triển tiềm năng ở Việt Nam, [1] Chính phủ Việt Nam đã quyết tâm phát triển nền công nghiệp nhiên liệu sinh học thông qua việc triển khai Đề án phát triển Nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2020 Ngày 22/11/2012, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg

về việc ban hành “Lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống”,[2]

Nhìn chung, khi sử dụng biodiesel cho động cơ diesel sẽ làm giảm mức phát thải CO,

HC, PM nhưng có sự gia tăng về mức phát thải NOx, [3] Hơn nữa, do có sự thay đổi thuộc tính lý-hóa giữa biodiesel và diesel nên cần thiết phải có điều chỉnh đối với hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) của động cơ để việc ứng dụng biodiesel trên động cơ đạt hiệu quả cao nhất.Với động cơ diesel truyền thống (sử dụng HTPNL kiểu cơ khí) thì việc điều chỉnh thời điểm phun, áp suất phun phù hợp với từng loại biodiesel khá dễ dàng,tuy nhiên với động cơ diesel sử dụng HTPNL điện tử kiểu tích áp Common Rail (CR) thì việc điều chỉnh này trở nên phức tạp Trong hệ thống này, bộ điều khiển ECU CR có nhiệm vụ nhận thông tin từ các cảm biến, tính toán các thông số điều khiển (như: áp suất phun, lượng phun, số lần và thời điểm phun) và điều khiển HTPNL cho phù hợp với chế độ vận hành của động

cơ Bộ điều khiển ECU CR được chia làm hai phần là phần mạch điện tử (phần cứng) và phần chương trình điều khiển (phần mềm) Phần cứng đã được nhiều hãng chế tạo ở dạng tiêu chuẩn (hoạt động ổn định, có độ tin cậy cao) gọi là “ECU trắng” với nhiều cấu hình khác nhau tùy theo mục đích sử dụng Phần mềm là các chương trình và thuật toán điều khiển do các hãng sản xuất động cơ thực hiện, phần mềm phải phù hợp với từng động cơ

và từng loại nhiên liệu Do đó khi sử dụng nhiên liệu biodiesel thì cần phải thiết kế lại phần mềm điều khiển để động cơ CR có thể làm việc với hiệu suất cao nhất

Nhằm mục đích nghiên cứu làm chủ công nghệ điều khiển động cơ diesel CR, góp phần nâng cao năng lực làm chủ và phát triển công nghệ thiết kế, lập chương trình điều khiển ECU dùng cho động cơ diesel kiểu CR và góp phần thúc đẩy việc sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học, giảm phụ thuộc nhiên liệu khoáng, giảm ô nhiễm môi trường, NCS lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu điều khiển hệ thống phun nhiên liệu CommonRail (CR) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel ”

Luận án này tập trung nghiên cứu xây dựng chương trình điều khiển HTPNL kiểu CR trên cơ sở phần cứng ECU trắng của hãng Woodward MotoHawk khi sử dụng nhiên liệu biodieselnhằm xác định quy luật phun và các tham số điều khiển HTPNL phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ

Qua nghiên cứu tình hình sử dụng biodiesel trên thế giới và Việt Nam cho thấy: hiện nay tại châu Âu - tiêu chuẩn DIN EN-16709 giới hạn tỷ lệ pha trộn biodiesel là B30 và chưa có tiêu chuẩn mới hơn; tại Mỹ - tiêu chuẩn ATSM D7467-09 quy định đặc tính kỹ thuật của hỗn hợp từ B6-B20 mà chưa xét tới mức hỗn hợp có mức pha trộn cao hơn; Thái Lan đang sử dụng B7 cho động cơ diesel ô tô; Việt Nam chính phủ ban hành QĐ 53/2012/QĐ-TTg về lộ trình phối trộn nhiên liệu sinh học, khuyến khích phối trộn và sử dụng B5 và B10, [2]; bên cạnh đó luận án được thực hiện trong khuôn khổ đề tài cấp Quốc gia mã số ĐT.08.14/NLSH đã nghiệm thu 12/2017 – nghiên cứu sinh là thành viên trong

đề tài ĐT.08.14/NLSH, đề tài giới hạn tỷ lệ pha trộn là B20 Từ những lý do trên nên luận

án giới hạn nghiên cứu ở tỷ lệ pha trộn là B20

ii Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

Luận án có mục tiêu tổng thể là nghiên cứu làm chủ công nghệ điều khiển động cơ diesel CR và thiết kế chương trình điều khiển HTPNL kiểu CR khi sử dụng biodiesel có tỷ

lệ pha trộn là 20% (B20) đảm bảo giữ nguyên mô men và công suất động cơ so với khi dùng ECU nguyên thủy (ký hiệu là ECU-NT) sử dụng diesel, cải thiện về đặc tính kỹ thuật

và phát thải so với khi dùng ECU-NT sử dụng biodiesel B20

Với mục tiêu đã đặt ra ở trên, NCS sẽ thực hiện nội dung theo các bước phát triển như sau:

1 Nghiên cứu khảo sát động cơ diesel sử dụng HTPNL kiểu CR sẽ được dùng làm đối tượng nghiên cứu và tiến hành thí nghiệm động cơ trên bệ thử nhằm xác định các thông số ban đầu, các thông số cần thiết cho việc xây dựng mô hình động cơ diesel kiểu CR;

2 Xây dựng mô hình mô phỏng (MHMP)động cơ sử dụng biodiesel B20 và diesel làm việc theo thời gian thực dựa trên cơ sở các thông số đã thu thập được khi thí nghiệm động

cơ trên băng thử Chạy MHMP động cơ, thu thập các thông số đặc trưng và so sánh với kết quả thực nghiệm nhằm đánh giá độ tin cậy của MHMP động cơ đã xây dựng;

3 Xây dựng thuật toán điều khiển HTPNL phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ dựa trên MHMP động cơ đã xây dựng;

4 Thiết kế bộ điều khiển vòng kín điều khiển áp suất rail, điều khiển tốc độ không tải trên mô hình động cơ đã xây dựng;

5 Thử nghiệm trên băng thử bơm cao áp để đánh giá bộ điều khiển áp suất rail; thử nghiệm trên băng thử động cơ để đánh giá bộ điều khiển không tải, đánh giá mức độ cải thiện về đặc tính kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng ECU-New so với động cơ

sử dụng ECU-NT; thử nghiệm trên bệ thử con lăn để đánh giá bộ điều khiển ở chế độ tăng tốc

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Động cơ nghiên cứu của luận án là động cơ diesel D4CB 2.5TCI-A, 4 xylanh, 4 kỳ, sử dụng HTPNL kiểu CR, lắp trên xe Hyundai Starex Nhiên liệu sử dụng trong luận án 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)

Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong phòng thí nghiệm với các chế độ ổn định của động cơ từ 1000 đến 3500 vòng/phút, chế độ khởi động, chế độ không tải, chế độ tăng tốc và nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển vòng kín điều khiển áp suất rail, điều khiển tốc độ không tải Phần cứng điều khiển sử dụng bộ ECU trắng của hãng Woodward Motohawk có trang bị thêm bộ điều khiển vòi phun CR (Sản phẩm của đề tài ĐT.08.14/NLSH)

Về trang thiết bị, luận án sử dụng các băng thử động cơ do hãng AVL Cộng hòa Áo sản xuất đặt tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải; bệ thử con lăn (Chassis dynanometer 48 inch) của Trung tâm thử nghiệm khí thải PTGTCGĐB (NETC)/cục đăng kiểm Việt Nam và băng thử bơm cao áp NT3000 tại Học viện kỹ thuật Quân sự

iv Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu mô phỏng với nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng và đánh giá:

- Nghiên cứu tổng quan tình hình sử dụng biodiesel trên động cơ diesel trong và ngoài nước nhằm làm cơ sở cho việc đưa ra định hướng và nội dung của nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan vấn đề điều khiển động cơ diesel sử dụng HTPNL kiểu CR

- Nghiên cứu lý thuyết xây dựng mô hình động cơ diesel và HTNL kiểu CR ứng dụng trong điều khiển

- Nghiên cứu thiết kế chương trình điều khiển HTPNL sử dụng biodiesel trên mô hình động cơ

- Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định các thông số của quá trình cháy và làm việc của động cơ nhằm phục vụ việc xây dựng mô hình động cơ Ngoài ra, nghiên cứu thực nghiệm nhằm kiểm chứng các hệ số điều khiển và đánh giá tính năng của động cơ khi sử dụng ECU-New với nhiên liệu B20

v Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

*) Ý nghĩa khoa học

Luận án đã đưa ra được phương pháp thiết kế chương trình điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu common rail sử dụng nhiên liệu biodiesel B20 phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ

*) Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả của luận án góp phần nâng cao năng lực làm chủ và phát triển công nghệ thiết

kế, lập chương trình điều khiển ECU nói chung, dùng cho động cơ diesel kiểu CR nói riêng

Kết quả luận án góp phần thúc đẩy việc sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học, giảm phụ thuộc nhiên liệu khoáng, giảm ô nhiễm môi trường Qua đó góp phần thực hiện Đề án

phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 đã được Chính phủ phê duyệt

vi Điểm mới của luận án

Luận án đã đưa ra phương pháp và cơ sở khoa học trong thiết kế chương trình điều khiển ECU động cơ diesel sử dụng HTPNL kiểu CR khi sử dụng nhiên liệu biodiesel B20 nhằm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu sinh học và làm chủ công nghệ thiết kế, lập chương trình điều khiển ECU ở Việt Nam Những kết quả mới đã đạt được và đóng góp mới của luận án:

+ Xây dựng được mô hình mô phỏng động cơ diesel trang bị hệ thống nhiên liệu common rail làm việc theo thời gian thực sử dụng hai loại nhiên liệu diesel và biodiesel B20 Mô hình đã được xác nhận tính đúng đắn qua bộ thông số xác định từ thực nghiệm + Thiết kế thành công chương trình điều khiển cho động cơ diesel Hyundai D4CB 2.5TCI-A trang bị hệ thống nhiên liệu common rail sử dụng nhiên liệu biodiesel B20 nhằm giữ nguyên mô men và công suất động cơ so với khi động cơ sử dụng nhiên liệu diesel Kết quả thử nghiệm cho thấy động cơ làm việc bình thường ở tất cả các chế độ: ổn định, khởi động, không tải và tăng tốc

Chương 5 Nghiên cứu thực nghiệm

Kết luận chung và hướng phát triển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Hiện nay, nhằm giảm thiểu mức ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ đốt trong gây ra cũng như giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, các quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam đã và đang tập trung nghiên cứu sản xuất, sử dụng nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong, đặc biệt là cho động cơ diesel là loại động cơ chiếm tỷ trọng lớn trong các thiết bị vận tải đường bộ và đường thủy cũng như các trạm phát điện cỡ nhỏ và cỡ lớn

1.1 Nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel

1.1.1 Khái quát chung

Trong số các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ đang sử dụng hiện nay nhiên liệu sinh học (NLSH) đang là xu thế phát triển tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp và nhập khẩu nhiên liệu, do các lợi ích như: công nghệ sản xuất không quá phức tạp, tận dụng nguồn nguyên liệu tại chỗ, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp… NLSH được định nghĩa là nhiên liệu nhận được từ sinh khối, được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc từ động, thực vật, [4] NLSH bao gồm cả nhiên liệu dạng khí và dạng lỏng NLSH dạng lỏng bao gồm ethanol sinh học (bioethanol), methanol sinh học (biomethanol), diesel sinh học (biodiesel); dạng khí gồm hydro sinh học (biohydro) và methane sinh học (biomethane) Đối với động cơ diesel, nhiên liệu thay thế được sử dụng phổ biến hiện nay là khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) và biodiesel

1.1.2 Khái niệm về biodiesel

Biodiesel được định nghĩa là một dạng nhiên liệu dùng để thay thế diesel, có nguồn gốc từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật Biodiesel là hỗn hợp diesel sinh học tinh khiết (còn gọi là B100 hoặc diesel sinh học gốc) được pha với nhiên liệu diesel truyền thống (có nguồn gốc hóa thạch) theo một tỷ lệ nhất định về thể tích, [5] Biodiesel thường được ký hiệu là Bxx, trong đó xx là 2 chữ số chỉ tỷ lệ thể tích của biodiesel trong hỗn hợp (ví dụ: B20 có nghĩa là hỗn hợp nhiên liệu chứa 20% biodiesel và 80% diesel truyền thống;

và do đó B0 sẽ tương ứng với ký hiệu của nhiên liệu diesel truyền thống, chứa 0% biodiesel), [6]

Biodiesel là nguồn năng lượng tái tạo, không độc và dễ phân hủy Biodiesel rất linh động có thể trộn với diesel truyền thống theo bất kì tỉ lệ nào Việc sử dụng biodiesel sẽ giúp đa dạng hóa nguồn nhiên liệu, [6]

1.1.3 So sánh tính chất của biodiesel và diesel khoáng

Biodiesel có các tính chất về vật lý và hóa học tương đối giống so với diesel Tuy nhiên khi thay đổi tỷ lệ pha trộn, các thuộc tính (tỷ lệ C:H:O, sức căng mặt ngoài, độ nhớt,

tỷ trọng ) và đặc tính (nhiệt trị thấp, trị số xê tan ) của biodiesel cũng thay đổi theo (Bảng 1.1) nhưng với chiều hướng rất khác nhau Ngoài việc phụ thuộc vào tỷ lệ pha trộn, các thuộc tính/đặc tính của biodiesel còn phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu đầu (Feedstock)

để sản xuất diesel sinh học gốc (B100), [6]

Bảng 1.1 so sánh các chỉ tiêu về vật lý và hóa học của biodiesel và diesel, các chỉ tiêu bao gồm: tỷ trọng, độ nhớt, trị số xêtan, nhiệt trị, trị số xêtan, tỷ số A/F (với B100 được sản xuất từ bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thành dầu ăn)

Bảng 1.1 So sánh các thuộc tính của biodiesel theo tỷ lệ pha trộn (với cùng loại diesel sinh học gốc

B100 dùng trong nghiên cứu của luận án), [7, 8]

sử dụng biodiesel sẽ tăng lượng tiêu thụ nhiên liệu nếu muốn duy trì công suất Ngoài ra, những khó khăn trong việc bảo quản/lưu trữ, vận chuyển và phân phối; những vấn đề cần quan tâm hơn khi chăm sóc, bảo dưỡng động cơ… cũng là những mặt còn hạn chế của biodiesel, [9]

1.1.4 Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel

Có khá nhiều nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel, và thường được chia thành 3 nguồn chính, trong đó nguồn nguyên liệu thế hệ thứ nhất bao gồm dầu thực vật ăn được (dầu hướng dương, dầu lạc, dầu dừa, dầu thầu dầu, dầu cọ, dầu đậu nành, dầu hạt bông…),

mỡ động vật (mỡ cá, mỡ bò, mỡ lợn…) Tuy nhiên, các nguyên liệu này cạnh tranh với nguồn lương thực của con người nên việc sản xuất biodiesel từ các nguồn nguyên liệu trên

bị Tổ chức Nông Lương thế giới phản đối Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ 2 là các dạng phế thải như mỡ động vật và axit béo phế thải Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ 3 bao gồm các loại tảo và dầu jatropha Các nguồn nguyên liệu thế hệ thứ 2 và 3 là các nguồn nguyên liệu không cạnh tranh với các nguồn lương thực của con người nên đang được quan tâm đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất biodiesel, [4]

1.1.5 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel

- Mỹ là nước sản xuất và tiêu thụ biodiesel lớn nhất thế giới, trong 8 năm trở lại đây lượng tiêu thụ biodiesel đã tăng từ 260 triệu gallon (1 gallon=3,785 lít) vào năm 2010 lên gần 886 triệu gallon vào năm 2011 và đạt khoảng 899 triệu gallon vào năm 2012 Xu hướng này tiếp tục duy trì trong các năm 2013, 2014, 2015, 2016 với tổng lượng tiêu thụ lần lượt là 1429, 1417, 1494, 2060 triệu gallon, [10] Hiện nay, Mỹ cũng đang đầu tư rất nhiều ngân sách vào các dự án nghiên cứu phát triển và sử dụng B10, B20 cho các phương tiện cơ giới đường bộ (PTCGĐB), [9] Ngoài ra, Mỹ cũng đã hình thành mạng lưới các trạm cung cấp biodiesel tại hầu hết các tiểu bang

Hình 1.1 Lượng sản xuất, xuất khẩu và tiêu thụ biodiesel của Mỹ từ năm 2001 đến năm 2016,[10]

- Liên minh Châu Âu: đây là khu vực có sự phát triển mạnh của biodiesel Theo Báo cáo về Nhiên liệu sinh học hàng năm (năm 2017) của Liên minh Châu Âu, lượng tiêu thụ biodiesel khu vực này giảm dần từ 11.066 triệu lít vào năm 2011 xuống còn 10.973 triệu lít vào năm 2013 do giá dầu thô giảm Tuy nhiên do các nước trong Liên minh Châu Âu thay đổi chính sách đối với nhiên liệu sinh học nên lượng tiêu thụ biodiesel tại khu vực này đang tăng dần (ước tính năm 2018 tăng lên 12.650 triệu lít),[11]

Bảng 1.2 Lượng tiêu thụ biodiesel của Liên minh Châu Âu (giai đoạn 2011-2016 dự báo cho năm

2017, 2018), [11]

Lượng tiêu thụ biodiesel, (triệu lít) Quốc gia 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018

Đức 3408 3106 3307 3808 3505 3522 3520 3520 Pháp 2090 2516 2476 2681 2556 2522 2410 2400 Tây Ban Nha 787 538 659 1017 1103 1122 1420 1480

- Khu vực Châu Á có lượng sản xuất và tiêu thụ ít hơn:

+ Tại Indonesia: Theo báo cáo (2017) của Bộ Tài nguyên và Môi trường Indonesia, lượng tiêu thụ biodiesel của nước này đã tăng từ 860 triệu lít (năm 2015) lên 3,008 tỷ lít (năm 2016) và dự kiến giảm nhẹ vào năm 2017 còn 2,8 tỷ lít Ngoài ra, mức pha trộn cũng

đã tăng từ 10% lên 20% vào tháng 6 năm 2017,[12]

+ Tại Thái Lan: Theo báo cáo (tháng 6/2017) của Bộ Tài nguyên và Môi trường Thái Lan, tổng lượng tiêu thụ biodiesel trong năm 2014, 2015 và 2017 lần lượt là 1,18; 1,23 và 1,3 tỷ lít; ước tính trong năm 2017 và 2018 lượng tiêu thụ biodiesel sẽ đạt khoảng 1,42 và 1,48 tỷ lít Nhu cầu sử dụng diesel sinh học được dự báo sẽ duy trì tăng trưởng hàng năm

từ 2,5 ÷ 2,7% từ năm 2018 ÷ 2022, và sau đó dự báo sẽ giảm xuống còn 1,5 ÷ 2,0% sau năm 2022 Mặc dù, chính phủ Thái Lan đã sớm thông qua chính sách nhằm khuyến khích việc chuyển các động cơ diesel thông thường sang dùng biodiesel vào tháng 6/2007 nhưng sau rất nhiều lần thay đổi chính sách thì tỷ lệ pha trộn mới chỉ dừng lại ở mức B7 (do biến đổi khí hậu nên nguồn nguyên liệu dầu cọ không cung cấp đủ để sản xuất biodiesel); Chính phủ Thái Lan cũng đang lên kế hoạch tăng tỷ lệ pha trộn lên 10% (B10) vào năm 2018, [13]

+ Tại Việt Nam: Việt Nam có nhiều tiềm năng về sản xuất nhiên liệu sinh học, điều kiện đất đai và khí hậu Việt Nam cho phép hình thành những vùng nguyên liệu tập trung

Mỡ cá, dầu ăn phế thải được sử dụng để sản xuất biodiesel có thể giúp giải quyết được các vấn đề về môi trường và tăng hiệu quả kinh tế của quá trình chế biến thủy sản Ước tính, Việt Nam có thể sản xuất khoảng 500 triệu lít biodiesel mỗi năm nếu như tổ chức quy hoạch và thực hiện vùng nguyên liệu theo hướng sử dụng đất triệt để, tạo ra nhiều loại giống có sản lượng cao và sở hữu các công nghệ tách dầu từ nguyên liệu, [6]

Chính phủ Việt Nam đã quyết tâm phát triển nền công nghiệp nhiên liệu sinh học thông qua việc triển khai Đề án phát triển Nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2020,[14] Ngày 22/11/2012, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg về việc ban hành “Lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống”, [2]

1.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng biodiesel cho động cơ diesel

1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới

a) Ứng dụng cho diesel truyền thống

Đã có rất nhiều nghiên cứu trên thế giới sử dụng nhiên liệu biodiesel cho động cơ diesel Jinlin Xue cùng các cộng sự [15] đã nghiên cứu tổng quan sử dụng biodiesel cho động cơ diesel Kết quả chỉ ra rằng khi sử dụng biodiesel công suất giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng, phát thải PM, HC và CO giảm trong khi NOx tăng so với khi sử dụng nhiên liệu diesel khoáng Kết quả này là do sự suy giảm của nhiệt trị và gia tăng về tỷ trọng, độ nhớt, sức căng bề mặt ngoài khi tăng tỷ lệ pha trộn của biodiesel

Nghiên cứu của H.C.Ong và T.M.I.Mahlia [16] về ảnh hưởng của 3 loại biodiesel làm

từ 3 nguồn nguyên liệu khác nhau (dầu cọ (palm oil), dầu cây cọc rào (Jatropha curcas) và

dầu Calophyllum) đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ cho thấy khi sử dụng biodiesel công suất giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng, phát thải PM, HC, CO giảm,

NOx tăng Tuy nhiên, sự tăng giảm về công suất, tiêu thụ nhiên liệu và phát thải của động

cơ khác nhau khi sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc khác nhau

Manieniyan cùng các cộng sự [17] đã nghiên cứu ảnh hưởng của biodiesel sản xuất từ cây cọc rào (Jatropha oil) trên động cơ diesel 1 xylanh, tại tốc độ 1500 (vg/ph), nhiên liệu thử nghiệm là B0; B20, B40, B60, B80, B100 Kết quả trên Hình 1.2 cho thấy áp suất cháy lớn nhất tăng khi tăng tỷ lệ pha trộn, tuy nhiên biodiesel cháy chậm hơn so với diesel truyền thống nên tốc độ tỏa nhiệt của nhiên liệu B0 và B20 lớn nhất và giảm dần khi tăng

tỷ lệ pha trộn, lượng tiêu thụ nhiên liệu tăng khi tăng tỷ lệ pha trộn do nhiệt trị thấp của nhiên liệu bio thấp hơn diesel Kết quả hiệu suất nhiệt cho thấy B0 và B20 lớn nhất, khi tăng tỷ lệ pha trộn lên thì hiệu suất nhiệt giảm dần, tác giả giải thích là do độ nhớt cao dẫn đến quá trình hình thành hỗn hợp kém Độ khói của B20 và B0 là tương tự nhau và thấp nhất so với nhiên liệu B40, B60, B80 Tác giả cũng cho thấy với mỗi tỷ lệ pha trộn khác nhau thì thời điểm phun tối ưu cũng khác nhau

Hình 1.2 So sánh áp suất cháy lớn nhất và tốc độ tỏa nhiệt của B0; B20, B40, B60, B80, B100

(B100 sản xuất từ dầu Jatropha),[17]

Vipul Vibhanshu và các cộng sự [18] nghiên cứu ảnh hưởng của biodiesel có nguồn gốc từ cây Manhua trên động cơ diesel 1 xylanh, tại tốc độ 1500 (vg/ph), nhiên liệu thử nghiệm là M0, M5, M10, M15, M20 Kết quả trên Hình 1.3 cho thấy hiệu suất nhiệt của biodiesel cao hơn so với diesel khoáng, cụ thể ở chế độ toàn tải hiệu suất nhiệt (BTE) của M5, M10, M15, M20 tăng tương ứng là 3,9 %, 13,3%, 17,4% và 23 % so với M0, điều này

là do biodiesel có hàm lượng oxi và chỉ số Xê tan cao hơn so với diesel khoáng do đó làm quá trình cháy tốt hơn dẫn tới hiệu suất nhiệt tăng Suất tiêu hao năng lượng (BSEC) của biodiesel thấp hơn so với diesel khoáng ở tất cả các chế độ tải Các thành phần khí thải HC,

CO, Smoke đều giảm khi tăng tỷ lệ pha trộn, riêng thành phần NOx lại tăng khi tăng tỷ lệ pha trộn

Hình 1.3 So sánh hiệu suất nhiệt, suất tiêu hao năng lượng, phát thải HC và NO x của M5, M10,

M15, M20 (B100 sản xuất từ dầu Manhua),[18]

Raghvendra Gautam và các cộng sự [19] tiến hành thử nghiệm trên động cơ diesel cỡ nhỏ có công suất lớn nhất là 5,9 (kW) tại 1500 (vg/ph) cho nhiên liệu diesel và biodiesel làm từ cây Jatropha Kết quả trên Hình 1.4 cho thấy khi sử dụng biodiesel áp suất cháy lớn nhất thấp hơn 4,59% và thời điểm bắt đầu cháy sớm hơn 2 độ góc quay trục khuỷu (GQTK) Bên cạnh đó, tác giả cũng chỉ ra rằng khi tăng tỷ lệ pha trộn của biodiesel thì suất tiêu hao nhiên liệu sẽ tăng, công suất giảm, phát thải PM, HC và CO giảm còn phát thải

NOx tăng Nhiều công trình nghiên cứu [20-22] trên các loại biodiesel có nguồn gốc từ cây đậu dầu (cây Pongamia), cây cọc rào, cây Polonga cũng cho kết quả với xu hướng tương

lượt là 154,7; 151; 148,8; 147,5 và 147 (bar) Thời điểm bắt đầu cháy khi sử dụng B0, B5, B20, B70 và B100 lần lượt là 8,5; 7,75; 7,25; 6,5 và 5,75 Đồng thời tác giả cũng chỉ ra rằng khi tăng tỷ lệ pha trộn của biodiesel thì áp suất cháy lớn nhất, tốc độ tỏa nhiệt lớn nhất

và thời điểm bắt đầu cháy đều giảm

Các nghiên cứu trên đã chỉ ra khi động cơ sử dụng biodiesel, muốn giữ nguyên được công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm phát thải PM, HC và CO so với động cơ sử dụng diesel thì phải giảm góc phun sớm, tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình bằng cách tăng

áp suất phun Với động cơ diesel sử dụng HTPNL kiểu cơ khí thì việc điều chỉnh thời điểm phun, áp suất phun phù hợp với từng loại biodiesel khá dễ dàng Tuy nhiên với động cơ diesel điều khiển điện tử sử dụng HTPNL kiểu CR thì vấn đề phức tạp hơn rất nhiều

b Ứng dụng cho động cơ diesel điều khiển điện tử CR

HTPNL kiểu CR là hệ thống phun nhiên liệu áp suất cao (lên đến 2500 bar), áp suất phun cho phép điều chỉnh độc lập với tốc độ động cơ, cho phép phun nhiều giai đoạn, ngoài ra còn cho phép điều khiển các thông số khác như EGR, tăng áp hoặc bộ xử lý khí thải Nhờ đặc điểm trên nên HTPNL kiểu CR có mức độ linh hoạt cao trong việc chuẩn bị

và tổ chức quá trình phun, có thể điều chỉnh phun một giai đoạn, phun nhiều giai đoạn (phun mồi, phun chính, phun sau), phun chính nhiều giai đoạn, điều chỉnh áp suất phun,[24] Hình 1.5 diễn tả số lần phun và các giai đoạn phun khi điều khiển phun nhiều giai đoạn với HTPNL kiểu CR Theo tác giả Balaji Mohan [25] phun mồi lần 1 và phun mồi lần 2 giảm mạnh tiếng ồn cháy của động cơ, giảm sự hình thành của NOx Phun bổ sung kết hợp với nửa sau của giai đoạn phun chính có tác dụng tăng cường sự oxi hoá PM, làm giảm phát thải PM Một lần phun muộn giúp tăng nhiệt độ khí thải, hỗ trợ quá trình tái sinh lọc cho bộ lọc PM Ảnh hưởng của các giai đoạn phun tới quá trình cháy của động cơ được trình bày trên Hình 1.6

Hình 1.5 Quy luật phun nhiều giai đoạn, [25]

Trong đó: Pilot I là phun mồi lần 1; Pilot II là phun mồi lần 2; Main là phun chính; Post I là phun

bổ xung 1, Post II là phun muộn; ET là khoảng thời gian phun, (ms); DT (Dwell Time) là khoảng

thời gian giữa kết thúc phun của lần trước và bắt đầu phun của lần sau

Hình 1.6 Ảnh hưởng của các giai đoạn phun, [25]

Đã có rất nhiều nghiên cứu trên thế giới sử dụng nhiên liệu biodiesel cho động cơ diesel sử dụng HTPNL kiểu CR H.G How cùng các cộng sự [26] đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ dầu dừa (B20, B40) và nhiên liệu diesel trên động cơ kiểu CR 4 xylanh, tại 50% tải, tốc độ 2000(vg/ph), với góc phun thay đổi từ -

40 đến 80 Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng: Công suất của động cơ khi sử dụng B20, B40 thấp hơn so với diesel ở tất cả các thời điểm phun So với nhiên liệu diesel, suất tiêu hao nhiên liệu của B20, B40 nhìn chung cao hơn ở tất cả các thời điểm phun khác nhau Với tất

cả các loại nhiên liệu, khi giảm góc phun sớm công suất động cơ, hiệu suất nhiệt đều giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng Về khí thải, khi sử dụng biodiesel độ khói giảm so với diesel, hàm lượng NOX của B20 cao hơn so với diesel, của B40 thấp hơn so với diesel Khi giảm góc phun sớm, hàm lượng NOX thấp hơn với tất cả các loại nhiên liệu

H An và các cộng sự [27] đã đánh giá ảnh hưởng của biodiesel có nguồn gốc từ bã thải của quá trình tinh luyện dầu ăn (B10, B20, B50) và diesel khoáng trên động cơ CR 4 xylanh, có tăng áp, tại các chế độ tải 0%, 25%, 50%, 75%, 100% với tốc độ thay đổi từ

1200 ÷ 3600 (vg/ph) Kết quả trên Hình 1.7 cho thấy khi tăng tỷ lệ pha trộn biodiesel thì

mô men giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng Tác giả cũng chỉ ra rằng phát thải CO, CO2,

HC của biodiesel thấp hơn trong khí đó NOx lại cao hơn với nhiên liệu diesel khoáng Điều này được giải thích do trong nhiên liệu biodiesel có thành phần oxy, tỷ lệ A/F cao hơn giúp cho quá trình cháy diễn ra tối ưu hơn

Hình 1.7 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu và mô men với các tỷ lệ pha trộn khác nhau ở chế độ

toàn tải,[27]

Donghui Qi và các cộng sự [28] đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn khí thải (EGR) và thời điểm phun tới đặc tính cháy và phát thải của động cơ diesel CR (động cơ Ford Lion 6 xylanh) khi sử dụng biodiesel Kết quả cho thấy khi tăng tỷ lệ EGR suất tiêu hao nhiên liệu và PM tăng nhẹ, nhưng phát thải NOx giảm rõ rệt Khi giảm thời điểm phun chính thì lượng tiêu thụ nhiên liệu tăng, NOx giảm, PM ít thay đổi

H.G How, H.H Masjuki cùng các cộng sự [29] tiến hành thí nghiệm trên động cơ diesel tăng áp, 4 xylanh cho nhiên liệu diesel khoáng và biodiesel làm từ dầu dừa với các

tỷ lệ pha trộn lần lượt là B10, B20, B30, B50 Kết quả chỉ ra rằng khi tăng tỷ lệ pha trộn thì công suất giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng Qua phân tích đánh giá quá trình cháy (Hình 1.8) tác giả chỉ ra rằng khi tăng tỷ lệ pha trộn do sự gia tăng về hàm lượng ô xy trong nhiên liệu, sự gia tăng về trị số xê tan nên quá trình cháy trễ được rút ngắn, do đó góc phun sớm giảm Bên cạnh đó khi áp suất phun tăng lên thì công suất động cơ ban đầu tăng lên sau đó giảm Áp suất phun tăng làm cho nhiên liệu phun tơi dẫn tới phát thải CO, HC, PM giảm,

NOx tăng

Hình 1.8 So sánh áp suất cháy và tốc độ tỏa nhiệt của diesel và biodiesel làm từ dầu dừa [29]

Daisuke Kawano, Hajime Ishii và Yuichi Goto [30] đã nghiên cứu ảnh hưởng của biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cải tới các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, phát thải của động

cơ Tác giả cũng chỉ ra rằng khi tăng tỷ lệ pha trộn thì công suất giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng, phát thải CO, HC, PM giảm, NOx tăng

Qua việc phân tích các công trình nghiên cứu nước ngoài về ứng dụng biodiesel cho động cơ diesel cho thấy khi tăng tỷ lệ pha trộn biodiesel công suất giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng, phát thải PM, HC và CO giảm trong khi phát thải NOx tăng Các tác giả [30-32, 29, 33] đã chỉ ra để tối ưu các thông số vận hành và mức phát thải của động cơ cần phải thay đổi quy luật phun (làm muộn thời điểm phun, tăng thời gian phun, tăng áp suất phun) Để giải quyết vấn đề này các công trình nghiên cứu ở trên mới nghiên cứu thay đổi quy luật phun trên ECU của động cơ thí nghiệm

1.2.2 Các nghiên cứu trong nước

Năm 2009, Đề tài cấp nhà nước: “Đánh giá hiện trạng Công nghệ sản xuất và thử nghiệm hiện trường nhiên liệu sinh học (dieselsinh học) từ mỡ cá nhằm góp phần xây dựng tiêu chuẩn Việt Nam về Diesel sinh học ở Việt Nam“[34], tác giả Vũ Thị Hà và các cộng

sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của biodiesel (B5) trên động cơ diesel D243 tới các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải Đề tài chỉ ra rằng ở chế độ toàn tải thì công suất tăng trung bình 1,33%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm trung bình là 1,39% Các chất độc hại như CO,

HC, PM khi thử nghiệm đối chứng theo quy trình thử của tiêu chuẩn ECE R49 lần lượt giảm 5,63%, 6,32%, 5,01% còn NOxtăng 3,29%

Trong khuôn khổ đề tài NCKH & PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu sử dụng biodiesel

(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 của Chính phủ) [6], tác giả Nguyễn Hoàng Vũ và cộng sự đã nghiên cứu khá toàn diện khả năng sử dụng biodiesel B10, B20 cho PTCGQS Đề tài này đã đánh giá chi tiết, bài bản bằng thực nghiệm về ảnh hưởng của B10, B20 đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, phát thải, mức độ tương thích vật liệu của B10 và B20; mức độ ổn định của B10, B20 khi lưu trữ dài hạn trên phương tiện; tác động của B10, B20 đến đặc tính của dầu bôi trơn động cơ; tác động của B10, B20 đến mức độ mài mòn các chi tiết chính của HTPNL và động cơ diesel

Luận án TSKT của Phan Đắc Yến [35] đã xây dựng được MHMP đủ độ tin cậy, cho phép đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp biodiesel với các mức pha trộn khác nhau đến đặc tính phun, diễn biến các quá trình nhiệt động trong xylanh, các thông số công tác, mức phát thải NOx, độ khói của động cơ trên cơ sở ứng dụng các phần mềm Inject32 và Diesel-RK Luận án này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp biodiesel có tỷ lệ pha trộn 10% (B10) và 20% (B20) đến các chỉ tiêu kinh tế (ge); năng lượng (Me) và môi trường (NOx;

độ khói) của động cơ diesel B2 Tác giả chỉ ra rằng Me của động cơ giảm 3,3% khi dùng B10 và 8,7% khi dùng B20 Suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge tăng 2,5% khi dùng B10 và 10,8% khi dùng B20 Mức phát thải NOx tăng 32,5% khi sử dụng B10 và 71,7% khi sử dụng B20 Độ khói giảm 11,8% khi dùng B10 và 28,7% khi dùng B20

Năm 2015, tác giả Nguyễn Mạnh Cường và cộng sự [36] đã nghiên cứu ảnh hưởng của biodiesel tới quá trình cháy của động cơ Mazda WL Tác giả chỉ ra rằng khi sử dụng biodiesel áp suất cháy giảm, công suất giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng so với động cơ khi sử dụng diesel

Luận án TSKT của Trần Thế Nam [37] (2017) đã xây dựng MHMP chu trình công tác của động cơ HANSHIN 6LU32 trong phần mềm GT-Power Qua kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm tác giả cũng chỉ ra rằng động cơ khi sử dụng biodiesel áp suất và nhiệt độ cực đại của quá trình cháy, công suất động cơ đều giảm so với khi sử dụng diesel Trong khi đó, suất tiêu hao nhiên liệu tăng lên

Luận án TSKT của Nguyễn Tuấn Nghĩa [5] đã xây dựng được MHMP chu trình công tác của động cơ nghiên cứu 1 xylanh AVL-5402 trong phần mềm AVL-Boost và khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn và 2 loại biodiesel (với B100 có nguồn gốc khác nhau), một

số thông số điều chỉnh của HTPNL (góc phun sớm, áp suất phun) đến các chỉ tiêu công tác, mức phát thải ô nhiễm ứng với một số chế độ vận hành của động cơ AVL-5402 là động cơ nghiên cứu 1 xylanh, dùng HTPNL kiểu CR với ECU mở (cho phép thay đổi các thông số

của quá trình phun) Kết quả cho thấy ở các chế độ làm việc của động cơ khi sử dụng biodiesel thì công suất giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng Khi tăng tỷ lệ pha trộn biodiesel quá trình cháy trễ được rút ngắn, do đó góc phun sớm giảm Góc phun sớm của nhiên liệu B10, B20, B30 giảm lần lượt 1(0GQTK); 2(0 GQTK); 3,5(0 GQTK) Động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 và B20 không có thay đổi lớn về tính năng kỹ thuật so với nhiên liệu B0 khi thay đổi áp suất phun, tuy nhiên với nhiên liệu B30 thì cần giảm áp suất phun để đảm bảo tối ưu về mặt kinh tế và kỹ thuật

Năm 2013, tác giả Nguyễn Cao Văn và cộng sự [38] đã chỉ ra rằng khi khi sử dụng nhiên liệu biodiesel thì thời điểm cháy do phun mồi và phun chính đều diễn ra sớm hơn đồng thời thời gian cháy trễ cũng được rút ngắn, điều này sẽ ảnh hưởng đến quá trình cháy của động cơ và tính năng phát thải của động cơ Để động cơ cháy đúng quy luật và phát huy hiệu suất cháy lớn nhất thì việc điều chỉnh quy luật cung cấp nhiên liệu hay thời điểm phun là hết sức cần thiết Thời điểm phun sẽ được làm muộn đi (phun gần điểm chết trên hơn so với sử dụng diesel) Khi tăng thời gian phun mồi (cố định thời gian phun chính) thì

áp suất xylanh tăng nhưng không đáng kể, phun mồi chỉ có tác dụng hình thành tâm cháy

và giúp động cơ làm việc êm dịu Khi tăng thời gian phun chính (cố định thời gian phun mồi) thì giá trị áp suất cực đại tăng dần lên nhưng thời điểm áp suất đạt giá trị cực đại lại không đổi

- Đối với động cơ diesel điều khiển điện tử sử dụng HTPNL CR, các tác giả chỉ ra khi tăng tỷ lệ pha trộn biodiesel công suất giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng, phát thải

PM, HC và CO giảm trong khi phát thải NOx tăng Để tối ưu các thông số vận hành và mức phát thải của động cơ diesel dùng HTPNL kiểu CR khi chuyển sang sử dụng biodiesel cần phải thay đổi thời điểm phun, thời gian phun, áp suất phun phù hợp với tỷ lệ biodiesel yêu cầu Để giải quyết vấn đề này các công trình nghiên cứu ở trên mới dừng lại ở việc chỉ

ra các xu hướng thay đổi các giá trị điều khiển mà chưa đưa ra được bộ thông số điều khiển hoàn chỉnh cho một động cơ cụ thể sử dụng nhiên liệu biodiesel Thông thường để thực hiện việc này là rất khó khi sử dụng ECU nguyên bản của hãng sản xuất, do công cụ để thực hiện việc truy cập vào ECU của từng hãng nhằm thay đổi các thông số điều khiển điều chỉnh rất đắt, đồng thời chỉ có thể thay đổi điều chỉnh số liệu trong các bảng của ECU

mà không thể thay đổi được nội dung chương trình điều khiển

Các nghiên cứu trên cũng chỉ ra rằng khi thiết kế một động cơ chuyển sang dùng biodiesel, thì việc đầu tiên là cần xác định được sự thay đổi các thuộc tính, đặc tính cháy của nhiên liệu để điều chỉnh và kiểm soát sự thay đổi các thông số liên quan đến quá trình hình thành hỗn hợp và cháy cho phù hợp Khi tăng tỷ lệ pha trộn của biodiesel, cần phải quan tâm chi tiết đến các vấn đề sau [39]: Do sự gia tăng về tỷ trọng, độ nhớt, sức căng bề mặt ngoài (Bảng 1.1) nên sẽ tác động đến quá trình phun tơi, bay hơi của nhiên liệu từ đó ảnh hưởng tới quá trình hình thành hỗn hợp và cháy; Do sự suy giảm về nhiệt trị (Bảng 1.1) nên nếu muốn duy trì công suất (mô men xoắn) của động cơ thì cần tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình; Do sự gia tăng về hàm lượng ô xy trong nhiên liệu, sự gia tăng về trị số xê tan nên cần giảm góc phun sớm nhiên liệu

Từ những nhận định nêu trên kết hợp với việc phần cứng ECU đã được nhiều hãng chế tạo ở dạng tiêu chuẩn gọi là ECU trắng (độ ổn định và độ bền cao) cũng như cung cấp các công cụ lập trình tiện dụng khoa học, do đó, với các động cơ diesel dùng HTPNL kiểu

CR khi chuyển sang sử dụng biodiesel là hoàn toàn khả thi Vấn đề còn lại cần giải quyết

là thiết kế chương trình điều khiển HTPNL kiểu CR khi sử dụng nhiên liệu biodiesel Đây chính là nhiệm vụ của NCS phải hoàn thành khi tham gia thực hiện đề tài cấp Quốc gia của

đề tài ĐT.08.14/NLSH “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng biodiesel với các mức pha trộn khác nhau”, thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025, với nội dung chính cần thực hiện đồng thời cũng là của luận án NCS: thiết kế chương trình điều khiển HTPNL CR khi sử dụng nhiên liệu biodiesel B20 Khi thực hiện nội dung này ngoài việc đạt được mục tiêu thiết kế chương trình điều khiển cho động cơ sử dụng nhiên liệu B20 thì mục tiêu quan trọng hơn là giải mã thành công công nghệ điều khiển của động cơ diesel điều khiển điện tử sử dụng HTPNL CR

1.3 Tổng quan về thiết kế điều khiển động cơ diesel

Theo Olivier Grondin [40] việc thiết kế chương trình điều khiển ECU của động cơ thường sử dụng 2 phương pháp: (1) chạy tối ưu xác định các thông số điều khiển vòng hở

và vòng kín theo các tiêu chí đặt trước với động cơ đặt trên bệ thử; (2) xây dựng MHMP của động cơ nghiên cứu làm việc theo thời gian thực, từ đó xây dựng chương trình điều khiển trên mô hình này và tiến hành thử nghiệm nhằm hiệu chỉnh lại các tham số điều khiển của mô hình

Hình 1.9 trình bày quy trình thiết kế, chế tạo ECU của các hãng ô tô trên thế giới áp dụng theo phương pháp 1, [41] Quy trình này bao gồm các bước chính như sau: (1) nghiên cứu phát triển động cơ tại phòng kỹ thuật và các phân xưởng; (2) chạy động cơ trên băng thử để xây dựng cân chỉnh các thông số chuẩn của ECU (các MAP điều khiển); (3) chạy tối ưu xác định các thông số điều khiển vòng hở và vòng kín theo các tiêu chí đặt trước với động cơ đặt trên bệ thử, thiết kế chương trình chẩn đoán động cơ; (4) hiệu chỉnh các chức năng điều khiển khi động cơ lắp trên xe và chạy trên đường Với quy trình thiết kế này để thiết kế hoàn thiện ECU cho động cơ đảm bảo yêu cầu thì trong quá trình thực nghiệm phải

thực hiện rất nhiều lần để xác định được các bộ thông số điều khiển Ta thấy nếu dùng phương pháp này sẽ mất rất nhiều thời gian, công sức và đặc biệt là chi phí cho thực nghiệm thường rất tốn kém

Hình 1.9 Các bước nghiên cứu phát triển ECU,[41]

Hình 1.10 trình bày cơ sở thiết kế chương trình điều khiển trên MHMP động cơ (Software in the Loop – SiL) bao gồm các bước, [42, 43]: (1) Xây dựng mô hình động học

và động lực học của động cơ theo thời gian thực; (2) thiết kế chương trình điều khiển trực tiếp trên MHMP động cơ, chương trình điều khiển ECU sau khi mô phỏng được nạp vào ECU trắng tiêu chuẩn để điều khiển động cơ thực (sử dụng hệ thống thiết bị và phần mềm chuyên dụng để lập trình ECU); (3) hiệu chỉnh lại các các bộ tham số của hệ thống điều khiển đối với động cơ thật trên băng thử Phương pháp này có ưu điểm là không cần thiết

kế phần cứng mà sử dụng phần cứng sẵn có, thời gian chạy động cơ trên bệ thử ngắn, giảm chi phí thiết kế và thử nghiệm Độ chính xác của các thông số điều khiển, các MAP điều khiển phụ thuộc vào độ chính xác của MHMP động cơ, mô hình điều khiển Nếu xây dựng

mô hình động cơ, mô hình điều khiển càng chính xác thì càng rút ngắn thời gian hiệu chỉnh lại tham số điều khiển

Hình 1.10 Cơ sở thiết kế chương trình điều khiển trên MHMP động cơ (SIL), [40]

Qua phân tích ở trên cho thấy, phương pháp thiết kế chương trình điều khiển dựa trên MHMP động cơ làm việc theo thời gian thực sẽ giảm chi phí và thời gian thực hiện luận

án Bên cạnh đó, đề tài ĐT.08.14/NLSH được trang bị ECU trắng tiêu chuẩn và trình biên dịch của hãng Woodward Motohawk, trình biên dịch này cho phép lập trình điều khiển ECU bằng ngôn ngữ Matlab/Simulink Việc xây dựng mô hình mô phỏng động cơ cũng như xây dựng chương trình điều khiển động cơ cùng trong Matlab/Simulink giúp cho dễ dàng tối ưu các thông số điều khiển động cơ trong chương trình điều khiển Đồng thời nhờ quá trình mô phỏng theo thời gian thực giúp cho chương trình điều khiển khi làm việc với động cơ mô phỏng cũng như khi nạp vào ECU điều khiển động cơ thực không cần phải

thay đổi gì Do vậy trong luận án này, NCS lựa chọn phương pháp thiết kế chương trình điều khiển trên mô hình mô phỏng động cơ bằng ngôn ngữ Matlab/simulink để thiết kế

chương trình điều khiển HTPNL kiểu CR khi sử dụng biodiesel B20 nhằm giảm chi phí, rút ngắn thời gian thực hiện luận án

1.3.1 Tổng quan về mô hình mô phỏng động cơ diesel

Mục đích của việc mô phỏng động cơ là để dự đoán tính năng kỹ thuật động cơ và các thông số khó đo đạc, đồng thời thông qua MHMP có thể xây dựng các bảng thông số điều khiển (MAP), giúp rút ngắn quá trình thiết kế chương trình điều khiển giảm chi phí thực nghiệm

Đã có nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới về xây dựng MHMP động cơ diesel, trong đó thường chia ra hai phương pháp, thứ nhất là mô hình trung bình và thứ hai là mô hình theo góc quay trục khuỷu Hazell và Flower [44, 45] đã xây dựng mô hình động cơ không xét đến quá trình nhiệt động học của động cơ (non-thermodynamic models) thể hiện trên Hình 1.11 (phương pháp 1) Đây là mô hình nghiên cứu đơn giản nhất, trong đó coi động cơ là một chuỗi các bộ phận ghép nối với nhau, trong đó đặc tính của mỗi bộ phận được xác định bằng thực nghiệm Khi xây dựng mô hình này tác giả đưa vào hàm truyền

để đơn giản quá trình tính Ưu điểm của phương pháp này là xây dựng mô hình động cơ đơn giản, tốc độ tính toán nhanh, cấu hình máy tính thấp Nhưng để xây dựng hàm truyền cần phải tiến hành nhiều thực nghiệm, mô hình không mô tả được chính xác quá trình động lực học thực của động cơ Cũng đã có một số nghiên cứu ứng dụng mô hình này khi thiết

kế bộ điều khiển động cơ diesel CR

Hình 1.11 Mô hình động cơ trung bình không xét đến quá trình động lực học của động cơ

J Wahlström và L.Eriksson [46] đã xây dựng mô hình trung bình động cơ diesel CR có trang bị tăng áp VGT và tuần hoàn khí thải EGR (Hình 1.12) Mô hình động cơ gồm: mô hình động học đường nạp thải, mô hình xylanh, mô hình mô men, mô hình EGR, mô hình

TB - MN (TB – MN) Với mô hình này có thể dự đoán được mô men trung bình của động

cơ ở chế độ ổn định có xét đến ảnh hưởng của vị trí bàn đạp ga, lượng phun nhiên liệu, tỷ

lệ luân hồi khí thải EGR, độ mở van VGT Tác giả không xây dựng mô hình cháy của động

cơ theo thời gian thực, mô hình trung bình không thể sử dụng để dự đoán mô men tức thời của động cơ đảm bảo chính xác như động cơ thực

Hình 1.12 Mô hình động cơ trung bình có xét tới động lực học của động cơ

Theo phương pháp thứ hai, thì có nhiều công cụ, phần mềm để xây dựng mô hình động cơ và đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng xây dựng mô hình mô phỏng cho động cơ diesel CR sử dụng nhiên liệu biodiesel nhằm đánh giá và dự đoán trước các quá trình nhiệt động học trong động cơ khi sử dụng nhiên liệu này

McCrady và các cộng sự [47], ứng dụng phầm mềm GT-Power phát triển mô hình cháy nhiều khu vực để phân tích hiệu suất và sự phát thải giữa nhiên liệu diesel truyền thống và biodiesel Mô hình được điều chỉnh mặc định theo tỷ lệ đốt cháy và sau đó được

sử dụng để dự đoán diễn biến áp suất trong xylanh, tốc độ tỏa nhiệt, phát thải cho dầu sinh học có nguồn gốc đậu tương, hạt cải và diesel khoáng Kết quả mô phỏng cho thấy, diễn biến áp xuất của ba loại nhiên liệu trên là tương đương nhau, trong khi đó tốc độ tỏa nhiệt của dầu cải và đậu tương cao hơn so với dầu diesel truyền thống Tại hai điều kiện tải trọng, thì NOx của nhiên liệu diesel khoáng cao hơn so với hai loại nhiên liệu còn lại Nhược điểm của mô hình là các tham số không được hiệu chỉnh theo điều kiện vận hành của động cơ

Wayne [48], phát triển mô hình KIVA từ các số liệu thực nghiệm khi cho diesel và biodiesel Mô hình này được sử dụng để đự đoán tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh và phát thải

trên động cơ Sau khi hoàn thành mô hình KIVA, Wayne đã sử dụng để thiết lập công cụ kiểm soát sự hình thành NOx cho hỗn hợp B20 Kết quả cho thấy, ở chế độ tốc độ và tải trọng cao, sự thay đổi trong việc thiết lập điều khiển động cơ khi nhiệt trị của các tỷ lệ pha trộn thấp đi dẫn đến sự gia tăng NOx

Các nghiên cứu trên sử dụng các phần mềm chuyên dụng nghiên cứu sâu vào quá trình cháy khi sử dụng biodiesel, tuy nhiên vấn đề đặt ra ở đây là cần thiết kế mô hình mô phỏng theo góc quay trục khuỷu làm việc theo thời gian thực trên Matlab Simulink nhằm thiết kế chương trình điều khiển cũng trên mô hình động cơ này, nên các phần mềm trên không phù hợp cho mục đích này

Hình 1.13 Sơ đồ khối mô hình động cơ theo góc quay trục khuỷu

Theo Rolf Isermann [41]sử dụng Matlab Simulink để xây dựng MHMP động cơ diesel kiểu CR làm việc theo thời gian thực, nghiên cứu chỉ ra cần phải xây dựng các mô hình thành phần: mô hình động học đường nạp – thải, mô hình TB – MN, mô hình HTPNL kiểu

CR, mô hình cháy, mô hình động lực học của động cơ, mô hình ma sát Sơ đồ khối mô hình động cơ theo góc quay trục khuỷu được thể hiện trên hình 1.13 Theo phương pháp này mô hình cháy mô phỏng theo góc quay trục khuỷu cho phép xét tới ảnh hưởng của quy luật phun nhiên liệu đồng thời đánh giá được dao động mô men của từng xylanh ảnh hưởng lên tốc độ động cơ do đó MHMPgiống với động cơ thực và có độ chính xác cao hơn

so với mô hình động cơ trung bình

1.3.2 Tổng quan về mô hình điều khiển động cơ diesel

Điều khiển động cơ dieseltrên thế giới đã có một số tiếp cận khác nhau tùy theo động

cơ sử dụng HTPNL kiểu cơ khí hoặc điện tử Nhìn chung có thể chia làm các loại chính sau:

Với động cơ dùng HTPNL sử dụng bơm dãy điện tử (Hình 1.14) ECU điều khiển lượng nhiên liệu phun vào động cơ thông qua điều khiển vị trí thanh răng, [49] Đặc tính cấp nhiên liệu của bơm được lập trình trong ECU dưới dạng bảng, dựa vào bảng và tốc độ của động cơ sẽ xác định được vị trí cấp nhiên liệu Để đảm bảo quá trình điều khiển vị trí thanh răng chính xác sử dụng tín hiệu từ cảm biến vị trí thanh răng để tạo thành điều khiển vòng kín Với động cơ có trang bị thêm hệ thống tăng áp và hệ thống tuần hoàn khí thải, sơ

đồ thuật toán điều khiển trong ECU được thể hiện như trên Hình 1.15, [50]

Hình 1.14 HTNL sử dụng bơm dãy điều khiển điện tử, [49]

Hình 1.15 Sơ đồ thuật toán điều khiển của động cơ sử dụng bơm dãy điện tử, [50]

Hình 1.16 HTNL sử dụng bơm phân phối điều khiển điện tử, [49]

Hình 1.17 Sơ đồ thuật toán điều khiển của động cơ sử dụng bơm phân phối điện tử, [50]

Với động cơ dùng HTPNL sử dụng bơm cao áp (BCA) phân phối piston hướng kính (Hình 1.16), ECU điều khiển lượng phun và thời điểm phun, [49] ECU điều khiển lượng phun qua thời gian mở van điện từ và ECU điều khiển thời điểm phun qua van điều khiển thời điểm phun nhiên liệu Tín hiệu độ nâng kim phun sẽ tạo thành vòng điều khiển kín đảm bảo điều khiển chính xác thời điểm phun Sơ đồ thuật toán điều khiển trong ECU được trình bày trên Hình 1.17, [50]

Trong HTPNL kiểu CR áp suất phun được điều khiển bởi BCA, van SCV (van điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp vào BCA) và van RPCV (van điều khiển áp suất rail), thời điểm phun và lượng phun quyết định bởi thời gian của xung cấp cho cuộn dây vòi phun Điều này cho thấy áp suất phun, thời điểm phun và lượng phun hoàn toàn độc lập nhau và không phụ thuộc chế độ làm việc của động cơ, [49] Nhờ đó cho phép phun mồi, phun chính và phun sau mà không làm thay đổi áp suất và lượng phun định trước, giúp cho động cơ nổ

êm hơn và giảm nồng độ khí thải Lượng nhiên liệu phun được quyết định bởi thời gian phun và áp suất phun Do đó chương trình điều khiển HTPNL rất phức tạp Hình 1.13 trình bày sơ đồ khối điều khiển của động cơ sử dụng HTPNL kiểu CR Các hàm điều khiển vòng kín bao gồm lưu lượng và áp suất khí nạp, áp suất rail, tuần hoàn khí thải, tốc độ không tải Các hàm điều khiển vòng hở được xác định dựa trên các bản đồ đặc tính (engine map) 3 chiều hoặc 2 chiều, lý do là động cơ đốt trong là loại động cơ có đặc tính phi tuyến,

do đó để đảm báo chính xác thì sử dụng các giá trị cố định trực tiếp, một vài hàm xây dựng trên cơ sở mô hình vật lý với các hệ số điều chỉnh.Các giá trị trong bảng map và thuật toán điều khiển được xác định trên băng thử động cơ và ô tô (chế độ ổn định)

Nghiên cứu thực nghiệm của Jaewoong Kim [51] trên động cơ diesel sử dụng HTPNL kiểu CR cho nhiên liệu diesel khoáng và biodiesel làm từ dầu hạt cải và dầu đậu nành Kết quả trên Hình 1.18 chỉ ra rằng khi tăng tỷ lệ pha trộn thì thời điểm phun mồi, thời điểm phun chínhdiễn ra muộn hơn vì khi tăng tỷ lệ pha trộn do có sự gia tăng về hàm lượng ô xy trong nhiên liệu, gia tăng về trị số xê tan nên quá trình cháy trễ được rút ngắn

Hình 1.18 So sánh áp suất cháy và tốc độ tỏa nhiệt khi thay đổi tỷ lệ pha trộn biodiesel, [51]

Joshua A Bittle cùng các cộng sự [52] đã nghiên cứu ảnh hưởng của thời điểm phun, thời gian phun khi sử dụng 2 loại nhiên liệu diesel và biodiesel trên động cơ diesel có trang

bị HTPNL kiểu CR, tăng áp VGT và luân hồi khí thải EGR Hình 1.19 cho thấy động cơ khi sử dụng biodiesel thời điểm phun mồi không thay đổi nhiều, thời điểm phun chính muộn hơn 1÷2 (độ TK) so với khi động cơ sử dụng diesel Các tác giả cũng chỉ ra rằng khi động cơ sử dụng nhiên liệu biodiesel, tại chế độ tải thấp thời gian phun chính không thay đổi, khi tăng tốc độ động cơ thời gian phun chính không thay đổi nhiều, khi tăng tải thì phải tăng thời gian phun chính so với động cơ sử dụng nhiên liệu diesel

Hình 1.19 Thời điểm phun mồi và phun chính khi sử dụng diesel và biodiesel, [52]

Hình 1.20 Thời gian phun chính khi sử dụng diesel và biodiesel, [52]