Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật Ô tô, máy kéo: Ảnh hưởng thời điểm phun nhiên liệu đến đặc tính động cơ Vikyno RV 125-2

1.2 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn này là đánh giá thực nghiệm hiện trạng đặc tính phát thải ô nhiễm của động cơ diesel một xy-lanh RV125-2 và phân tích ản

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học:TS Huỳnh Thanh Công

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 PGS TS Phạm Xuân Mai

2.TS Đặng Thành Trung 3 TS Nguyễn Lê Duy Khải 4 TS Nguyễn Ngọc Dũng 5 TS Huỳnh Thanh Công

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đãđược sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

PGS TS Phạm Xuân Mai TS Nguyễn Lê Duy Khải

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúcNHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Chiêm Trấn Lâm MSHV:11130428 Ngày, tháng, năm sinh: 01/06/1988 Nơi sinh: Cà Mau Chuyên ngành: Ô-tô máy kéo Mã số : 605235

I TÊN ĐỀ TÀI: Ảnh hưởng thời điểm phun nhiên liệu đến đặc động cơ Vikyno RV125-2

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nghiên cứu tổng quan lý thuyết về hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel 1 xy-lanh và ảnh hưởng của thời điểm phun đến đặc tính động cơ

2 Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá đặc tính khí thải và công suất hiện tại của động cơ Vikyno RV125-2

3 Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi thời điểm phun nhiên liệu đến đặc tính động cơ diesel 1 xy-lanh RV125-2 theo chu trình thử khí thải ISO 8178 C1 và tiêu chuẩn TIER 2.Từ đó, rút kết luận và có ý kiến đề xuất cải tiến động cơ RV125-2

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 7/2013 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS Huỳnh Thanh Công

TS Huỳnh Thanh Công TS Trần Hữu Nhân

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

(Họ tên và chữ ký)

TS Nguyễn Lê Duy Khải

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến ThS Trần Đăng Long và TS Nguyễn Anh Thi đã hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn này

Kết quả thực nghiệm của đề tài này được thực hiện tại Phòng thí nghiệm trọng điểm ĐHQG-HCM Động cơ đốt trong Tôi xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể cán bộ tại phòng thí nghiệm (Thầy Trần Tiến Dũng, Võ Lê Hoài Phương, Phan Thế Anh, Vũ Thị Kim Chi) đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành Luận văn tốt nghiệp này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè, các bạn sinh viên khóa 09, những người đã giúp đỡ, ủng hộ và cổ vũ tôi trong suốt quá trình tôi học cao học tại trường đại học Bách Khoa TP HCM

TÓM TẮT

Đề tài này trình bày thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu, một trong những phương pháp hiệu quả để cải thiện quá trình cháy đối với đặc tính làm việc của động cơ Diesel 12,5 mã lực buồng cháy trực tiếp Thời điểm phun nhiên liệu được thay đổi bởi hệ thống MCVIT (Hệ thống thay đổi thời điểm phun nhiên liệu liên tục bằng cơ khí) được phát triển để thay đổi thời điểm phun nhiên liệu trong dãy rộng từ 0 đến 400CA BTDC Các đặc tính của động cơ bao gồm công suất, mô-men, suất tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất nhiệt, nồng độ NOx, độ mờ khói của động cơ đã được đo tại những thời điểm phun nhiên liệu khác nhau từ 4 đến 240 CA BTDC Kết quả thu được cho thấy các giá trị công suất, mô-men, hiệu suất nhiệt của động cơ đạt giá trị cao nhất tại thời điểm phun nhiên liệu từ 12-160CA BTDC Khi thay đổi thời điểm phun nhiên liệu từ 4 đến 240 CA BTDC thì nồng độ NOx tăng 57% tại tốc độ động cơ 1800v/ph, và tăng khoảng 66% tại tốc độ động cơ 2400v/ph, độ mờ khói trong khí thải giảm khoảng 18% tại tốc độ động cơ 1800v/ph và giảm 2% khi tốc độ động cơ đạt 2400v/ph

ABSTRACT

This thesis presents the experimental investigation the effect of injection timing, one of the efficient methods for improving the combustion process, on the performance characteristics of 12.5HP diesel DI engine Injection timing is adjusted by a Mechanically Continuously Variable Injection Timing (MCVIT) system, which is developed that can continuously adjust the injection timing in a wide range from 0 to 400CA BTDC Engine performance characteristics, including brake torque, brake specific fuel consumption, thermal efficiency, the NOx and opacity emission is measured for different regulated injection timings ranging from 4 to 240CA BTDC The obtained results show that brake power, brake torque and BTE reach maximum value when the injection timing in range 12-160CA BTDC When the injection timing changes from 4 to 240CA BTDC, the NOx increases about 57% at engine speeds of 1800rpm and about 66% at engine speeds of 2400rpm, the opacity decreases about 18% at engine speeds of 1,800rpm and about 2% at engine speeds of 2400rpm

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam kết rằng tất cả kết quả trong luận văn này đều do tôi thực hiện và chưa được công bố bởi các tác giả khác

Tp HCM, Ngày 16 tháng 07 năm 2013

CHIÊM TRẤN LÂM

Mục lục

Chương 1 Tổng quan 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 3

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.4 Nội dung nghiên cứu 4

1.5 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng 5

1.6 Mô hình thực nghiệm 6

1.7 Tính mới của đề tài 6

1.8 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài 6

Chương 2 Nghiên cứu lý thuyết 7

2.1 Đặc điểm động cơ Diesel 7

2.2 Ô nhiễm từ động cơ Diesel 8

2.2.1 Thành phần của khí thải từ động cơ Diesel 8

2.2.2 Cơ chế hình thành muội than 8

2.2.3 Cơ chế hình thành các khí thải khác trong động cơ Diesel 10

2.3 Ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đối với đặc tính động cơ Diesel 13

2.3.1 Ảnh hưởng đến tính năng vận hành của động cơ 15

2.3.2 Ảnh hưởng đến đặc tính phát thải của động cơ 17

Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm 20

3.1 Sơ đồ thực nghiệm 20

3.2 Thiết bị thực nghiệm 20

3.2.1 Cân điện tử dùng để đo mức tiêu hao nhiên liệu: 21

3.2.2 Thiết bị đo lưu lượng không khí nạp 22

3.2.3 Thiết bị đo khí thải động cơ: 22

3.2.4 Hệ thống đo lưu lượng phát thải khí thải 23

3.3 Hệ thống điều khiển thời điểm phun diesel cho động cơ RV125-2 24

3.3.1 Giới thiệu hệ thống 24

3.3.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống điều khiển thời điểm phun diesel cho động cơ RV125-2 24

3.3.3 Thiết kế bố trí chung hệ thống MCVIT 26

3.3.4 Phương pháp xác định thời điểm phun của động cơ 29

3.4 Phương pháp và trình tự thực nghiệm 32

3.4.1 Đo kiểm tra thực trạng đặc tính của động cơ 32

3.4.2 Xác định ảnh hưởng của từng thời điểm phun nhiên liệu đến đặc tính động cơ (công suất, mô-men, suất tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất nhiệt, nồng độ thành phần khí thải…): 34

3.4.3 Xác định đặc tính khí thải của động cơ theo chu trình ISO 8178 C1 với 8 điểm đo tại thời điểm phun được để xuất tại thử nghiệm 4 34

Chương 4 Kết quả và thảo luận 35

4.1 Xác định thực trạng đặc tính khí thải động cơ theo chu trình ISO 8178 C1 35

4.2 Đánh giá ảnh hưởng của thời điểm phun đến đặc tính động cơ 37

4.3 Thực nghiệm đánh giá đặc tính của động cơ tại thời điểm phun nhiên liệu mới 40

Chương 5 Kết luận và hướng phát triển 43

Danh mục các công trình khoa học 44

Tài liệu tham khảo 45

Phụ lục Thưc nghiệm đánh giá hệ thống MCVIT i

Phụ lục các bài báo đính kèm v

Mục lục hình và bảng biểu

Hình 1.1: Động cơ Vikyno RV125-2 3

Hình 2.1: Chu kì 4 thì của động cơ Diesel [7] 7

Hình 2.2: Thành phần hạt muội than từ động cơ Diesel 9

Hình 2.3: Cơ chế hình thành muội than 10

Hình 2.4: Giản đồ biểu diễn chu kì hoạt trong động cơ Diesel phun trực tiếp [9] 13

Hình 2.5: Áp suất trong xy lanh tại từng giai đoạn[9] 14

Hình 2.6: Nhiệt độ buồng cháy động cơ theo từng giai đoạn.[9] 15

Hình 2.7: Áp suất bên trong xy lanh tại 4 thời điểm phun nhiên liệu khác nhau.[8] 16Hình 2.8: Ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đến thành phân khí xả NOx và muội than trên động cơ thương mại tại tốc độ 1.425 v/ph [8] 18

Hình 2.9: Khí thải NOx, khói đen và lượng tiêu hao nhiên liệu ứng với tường thời điểm phun nhiên liệu và áp suất phun [8] 18

Hình 3.1: Sơ đồ thực nghiệm động cơ có trang bị hệ thống MCVIT 20

Hình 3.2 Cân điện tử dùng đo lượng tiêu hao xăng 21

Hình 3.3 Thiết bị đo lưu lượng không khí nạp 22

Hình 3.5 AVL Dismoke 4000 23

Hình 3.4 Hệ thống đo lưu lượng khí thải dựa trên nguyên tắc chênh lệch áp suất 23

Hình 3.6:Sơ đồ nguyên lý phương pháp thay đổi góc phun sớm khi cặp bánh răng căn đai chuyển động ngược chiều[23] 24

Hình 3.7 : Sơ đồ bố trí phương hệ thống đổi thời điểm phun nhiên liệu trên động cơ Diesel 25

Hình 3.8: hình biểu diễn mối quan hệ giữa sự dịch chuyển tịnh tiến của cặp bánh răng căng đai và góc quay trục cam 26

Hình 3.9: Hình chiếu đứng hệ thống điều khiển phun dầu động cơ RV125-2 27

Hình 3.10: Sơ đồ tổng thể hệ thống điều khiển phun dầu động cơ RV125-2 (3D) 27

Hình 3.11: Mối quan hệ giữ chuyển động tịnh tiến của cặp bánh răng di động và góc xoay trục cam 28

Hình 3.12: Mô hình bệ thử động cơ RV125-2 28

Hình 3.13 Đĩa Incremental Encoder 29

Hình 3.14 Incremental Encoder 29

Hình 3.15 Các xung của Encoder 30

Hình 3.16 Phương pháp xác định góc phun sớm 31

Hình 3.17: Mô hình sự thay đổi góc phun dầu sớm động cơ một xy-lanh 32

Hình 4.1 Đặc tính ngoài của động cơ RV125-2 hiện tại 35

Hình 4.2: Thành phần khí thải của động cơ theo chu trình ISO 8178 C1 35

Hình 4.3 Ảnh hường của thời điểm phun đến đặc tính của động cơ tại tốc độ 1800v/ph ở chế độ toàn tải 37

Hình 4.4 Ảnh hường của thời điểm phun đến đặc tính động cơ tại tốc độ 2400 v/ph 38

Hình 4.5 Công suất động cơ tương ứng với thời điểm phun 14, 200 CA BTDC 40

Hình 4.6 Mô-men động cơ tương ứng với thời điểm phun 14, 200 CA BTDC 40

Hình 4.7 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tương ứng với thời điểm phun 14, 200CA BTDC 41

Hình 4.8 So sánh mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ tại thời điểm phun nhiên liệu khác nhau 42

PL- Hình 1: Độ chính xác của hệ thống ii

PL- Hình 2: Độ ổn định của hệ thống iii

PL- Hình 3: Độ tổn hao cơ khí của hệ thống theo tốc độ iii

Bảng 1.1 : Thông số đặc tính kỹ thuật động cơ RV 125-2 4

Bảng 2.1: Các thông số ảnh hưởng đến khí xả động cơ [8] 17

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của thiết bị cân điện tử 21

Bảng 3.2: Bảng thống kê chu trình thử ISO 8178 33

Bảng 4.1Kết quả tính toán sự phát thải theo hệ số của chu trình ISO 8178 C1 36

Bảng 4.2 Công suất và khí thải tính theo hệ số của chu trình ISO 8178 41

Chương 1 Tổng quan 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Động cơ nhiệt dùng nhiên liệu truyền thống (như xăng, diesel,…) hiện là một trong những nguồn động lực chủ yếu được lắp đặt và sử dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, ô tô chuyên dùng trong các công trình xây dựng; đặc biệt là trong lĩnh vực giao thông vận tải Tuy nhiên, một trong những hạn chế của loại động cơ này là gây ra sự gia tăng đáng kể mức phát thải ô nhiễm môi trường nghiêm trọng

Động cơ mang nhãn hiệu Vikyno/ Vinapro của Công ty TNHH Một Thành Viên Động Cơ và Máy Nông Nghiệp Miền Nam (SVEAM) hiện đang là những sản phẩm động cơ chính của Việt Nam trên thị trường và là sản phẩm chủ lực của Bộ Công Thương về động cơ đốt trong Theo số liệu thống kê của công ty SVEAM, hiện nay hàng năm công ty cung cấp tổng cộng hơn 45.000 động cơ trên tổng số khoảng 48.000 động cơ sản xuất tại Việt Nam ra thị trường mỗi năm Trong các dòng sản phẩm của SVEAM, động cơ RV125-2 là sản phẩm chủ lực với hơn 40% tổng số động cơ của SVEAM bán trên thị trường, tức khoảng trên dưới 15.000 động cơ mỗi năm

Hiện tại, Công ty SVEAM đang sản xuất chuỗi động cơ mang nhãn hiệu RV125-2 theo bản quyền của hãng Kubota cách đây hơn 20 năm Hiện trạng về đặc tính phát thải của loại động cơ này là chưa được công bố Những nghiên cứu tiêu biểu trên dòng sản phẩm này gồm những nghiên cứu về ứng dụng nguồn nhiên liệu đối với động cơ và những nghiên cứu về cải tạo động cơ để sử dụng các nguồn nhiên liệu mới như: biodiesel, LPG, biogas [1-6]

Tuy nhiên, các nghiên cứu trên tập trung cải thiện tính năng làm việc và điều khiển động cơ, chưa cho thấy hiện trạng đặc tính phát thải của động cơ Vikyno RV125-2 hiện tại Ngoài ra, những phương án cải thiện mức phát thải của dòng sản phẩm này phục vụ cho nhu cầu xuất khẩu và thương mại trong nước chưa được đề cập

Qua các phân tích trên, chúng ta thấy là việc nghiên cứu chế tạo động cơ ở nước ta còn nhiều hạn chế Việc nghiên cứu cải tiến động cơ RV 125-2 nhằm nâng cao công suất động cơ và cải thiện đặc tính phát thải của động cơ hiện đang là nhu cầu rất cấp thiết giúp sản phẩm của doanh nghiệp này có thể cạnh tranh trên thị trường trong nước và quốc tế

Đối với động cơ diesel thì việc cải thiện đặc tính về khí thải động cơ thường đi theo hướng: (1) Giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn bằng cách sử

dụng nhiên liệu sạch hoặc nhiên liệu mới; (2) Xử lý khí thải tại đầu ra của động cơ, trên đường ống thải thông qua việc nghiên cứu ứng dụng các công nghệ xử lý khí thải tiên tiến; (3) Hoàn thiện quá trình hình thành hỗn hợp và quá trình cháy bằng cách cải thiện hệ thống cung cấp nhiên liệu và tối ưu kết cấu buồng cháy động cơ Trong các phương pháp trên, việc ứng dụng các dạng nhiên liệu mới như biodiesel, biogas, pha trộn biodiesel và diesel, trên động cơ nông nghiệp vẫn đang được các nhà khoa học nghiên cứu ở mức độ phòng thí nghiệm Phương pháp này đòi hỏi nguồn nhiên liệu mới phải dồi dào và bền vững một khi các nghiên cứu này thành công Phương pháp thứ hai đề cập đến việc ứng dụng công nghệ hiện đại xử lý khí thải thông qua các bộ xử lý xúc xác trên đường thải Các việc ứng dụng này cần được nghiên cứu tính toán hợp lý vị trí của các bộ xử lý cho phù hợp với đặc điểm sử dụng Tuy nhiên, giá thành của các bộ xử lý này khá cao và người nông dân sẽ phải trả thêm một khoản tiền lớn khi mua động cơ có gắn các hệ thống này Ngoài ra, động cơ diesel một xy-lanh RV125-2 được sản xuất dựa trên bản quyền của Kubota từ rất lâu nên các thông số hoạt động của động cơ không giúp tối ưu đặc tính động cơ, đặc biệt là đặc tính về hình thành hỗn hợp nhiên liệu và khí thải Do vậy, việc nghiên cứu cải thiện quá trình cháy đối với động cơ Diesel, các giải pháp kỹ thuật tối ưu làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay tại buồng cháy là khả thi và có tính quan trọng cao, cần phải được cân nhắc trong việc giảm nồng độ của các chất HC, NOx và muội than trong khí xả

Về phía hệ thống cung cấp nhiên liệu, có nhiều phương án nghiên cứu đã được đề ra và ứng dụng để tối ưu quá trình cháy của động cơ nhằm nâng cao công suất cũng như giảm phát thải ô nhiễm từ động cơ, cụ thể là : 1- Tăng tốc độ phun để làm giảm nồng độ muội than do tăng tốc độ hòa trộn nhiên liệu – không khí 2- Tăng áp suất phun, đặc biệt là đối với động cơ phun trực tiếp 3-Điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu hợp lý để cải thiện quá trình cháy 4- Cải tiến dạng hình học của buồng cháy để tạo sự hòa trộn hỗn hợp tốt hơn 5- Sử dụng hệ thống nhiên liệu tiên tiến commonrail 6- Các kỹ thuật khác như hồi lưu khí xả… đều góp phần đáng kể vào việc làm giảm mức độ phát ô nhiễm ngay từ trong quá trình cháy

Trong các phương án nêu trên thì phương án thứ 3 (điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu hợp lý) có tính khả thi và khả năng ứng dụng vào thực tiễn cao Thời điểm phun nhiên liệu tối ưu sẽ không chỉ giúp tăng tính đồng nhất của hỗn hợp nhiên liệu và không khí, vì vậy quá trình cháy diễn ra thuận lợi và giúp giảm thành

phần khí độc hại từ động cơ Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng việc thay đổi góc phun sớm có ảnh hưởng trái ngược nhau đến nồng độ PM và NOx nên các nhà chế tạo động cơ Diesel đã đề ra nhiều biện pháp khác nhau về kỹ thuật phun và tổ

chức quá trình cháy nhằm giới hạn nồng độ hai chất ô nhiễm này Do đó, đề tài

được thực hiện nhằm mục đích khảo sát sự ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc và đặc tính phát thải của động cơ qua đó tạo bộ dữ liệu cơ sở cho việc cảo tạo đặc tính phát thải của động cơ RV125-2

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn này là đánh giá thực nghiệm hiện trạng đặc tính phát thải ô nhiễm của động cơ diesel một xy-lanh RV125-2 và phân tích ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đến đặc tính khí thải của động cơ tại chế độ làm việc toàn tải nhằm tìm ra thời điểm phun phù hợp nhằm giảm sự phát thải trong khi vẫn đảm bảo về mặt công suất động cơ

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là động cơ Diesel RV125-2 phun trực tiếp, buồng cháy thống nhất dùng trong nông nghiệp Đề tài này nghiên cứu ảnh hưởng của thời phun nhiên liệu diesel đến đặc tính công suất và đặc tính phát thải động cơ, làm cơ sở so sánh với tiêu chuẩn khí thải EPA TIER 2 đối với động cơ diesel tĩnh tại 1 xy-lanh

Động cơ Vikyno RV125-2 là động cơ một xy-lanh cỡ nhỏ, được sản xuất bởi Công ty TNHH MTV Động cơ và Máy Nông Nghiệp miền Nam (SVEAM) và sử dụng phổ biến trong nông nghiệp Đây là sản phẩm có doanh số bán tốt nhất của công ty Thông số đặc tính kỹ thuật của động cơ được trình bày trong Bảng 1.Xét về kết cấu thì đây là động cơ 1 xy-lanh với pít-tông nằm ngang, sử dụng bơm cao áp kiểu Bosch và bộ điều tốc cơ khí, bộ điều tốc này có tác dụng giữ cho tốc độ động cơ không thay đổi và đồng thời điều chỉnh công suất ra

Hình 1.1: Động cơ Vikyno RV125-2

Bảng 1.1 : Thông số đặc tính kỹ thuật động cơ RV 125-2

10,5/2200 12,5/2400 Mô moment tối đa kgf.m/ vòng/phút 4,04/1800

1.4 Nội dung nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu: “Ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đến đặc tính động cơ Vikyno RV125-2” dự kiến chia làm 4 nội dung chính như sau:

Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan về động cơ RV125-2 hiện nay Đề xuất các giải pháp, phân tích và lựa chọn giải pháp phù hợp để cải tiến động cơ

Nội dung 2: Nghiên cứu các lý thuyết cơ sở của hệ thống cung cấp nhiên liệu (như thời điểm phun nhiên liệu) và ảnh hưởng của chúng đến quá trình hình thành hỗn hợp và quá trình cháy, cũng như đặc tính công suất và khí thải động cơ diesel nông nghiệp

Nội dung 3: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống thay đổi thời điểm phun nhiên liệu liên tục, điều khiển điện tử Hiệu chỉnh và cân chuẩn hệ thống

Nội dung 4: Tiến hành thử nghiệm đánh giá đặc tính khí thải và đặc tính công suất động cơ RV125-2 hiện hữu Phân tích đánh giá ảnh hưởng của thời điểm

phun nhiên liệu đến đặc tính công suất và khí thải động cơ RV125-2 trước và sau khi thay đổi thời điểm phun

1.5 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng

 Cách tiếp cận:

 Tiếp cận bằng lý thuyết: Cơ bản dựa trên lý thuyết vận hành động cơ đốt trong, lý thuyết về nhiệt động lực học và quá trình cháy Kết quả từ các nghiên cứu chuyên sâu trên động cơ Diesel tĩnh tại trên thế giới cũng sẽ được tham khảo trong quá trình phát triển

 Tiếp cận bằng thực nghiệm: Các thực nghiệm xác định đặc tính phát thải và đặc tính công suất của động cơ RV125-2 hiện hữu cũng sẽ được thực hiện trên băng thử động cơ 1 xy-lanh (thuộc phòng thí nghiệm trọng điểm ĐHQG-HCM Động cơ đốt trọng) làm cơ sở đánh giá và so sánh với một vài động cơ diesel tĩnh tại cùng loại của Thái Lan, Indonesia, Nhật,…

 Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng:

 Phương pháp nghiên cứu: Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp bao gồm:

- Nghiên cứu lý thuyết: vận sử dụng các lý thuyết động cơ hiện đại, lý

thuyết thủy khí và nhiệt động lực học vào trong đề tài nghiên cứu

- Nghiên cứu thực nghiệm: nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông

số đặc tính phát thải và đặc tính công suất động cơ hiện hữu làm căn cứ đề xuất giải pháp cải tiến

 Kỹ thuật sử dụng: Đề tài có sử dụng các kỹ thuật đo đạc, thử nghiệm, và mô phỏng hiện đại với các thiết bị và công cụ hỗ trợ như:

- Băng thử động cơ do phòng thí nghiệm trọng điểm ĐHQG-HCM Động cơ đốt trong thiết kế và chế tạo

- Hệ thống MCVIT thay đổi thời điểm phun nhiên liệu cho động cơ, được thiết kế và chế tạo trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu B2011-20-02TĐ - Hệ thống phân tích khí thải động cơ chuyên sâu AVL SESAM 60iFT - Hệ thống đovà theo dõi nhiệt độ động cơ

- Thiết bị đo và giám sát lưu lượng không khí nạp ABB - Thiết bị đo lưu lượng nhiên liệu

1.6 Mô hình thực nghiệm

Hình 1.2: Sơ đồ thử nghiệm động cơ Vikyno RV125-2 trên băng thử công suất

1.7 Tính mới của đề tài

Lần đầu xác định một cách hệ thống hiện trạng mức phát thải ô nhiễm của động cơ diesel Vikyno RV125-2 dùng các thiết bị phân tích hiện đại tại Phòng thí nghiệm trọng điểm động cơ đốt trong với độ tin cậy cao

Ngoài ra, thông qua đề tài, một hệ thống điều khiển thời điểm phun nhiên liệu liên tục, điều khiển điện tử được phát triển, cho phép điều khiển sự thay đổi thời điểm phun trong một dãy rộng, trước điểm chết trên

1.8 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Góp phần phân tích ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc của động cơ Vikyno RV125 dùng trong nông nghiệp, sản xuất tại Việt Nam

Kết quả nghiên cứu này sẽ làm cơ sở cho việc cải thiện đặc tính phát thải của động cơ diesel Vikyno RV125-2 nhằm đáp ứng lộ trình áp dụng khí thải của Việt Nam trong tương lai góp phần giảm thiểu ô nhiểm môi trường, và phục vụ cho nhu cầu xuất khẩu của công ty SVEAM

Chương 2 Nghiên cứu lý thuyết 2.1 Đặc điểm động cơ Diesel

Động cơ diesel được Rudolf Diesel, kĩ sư người Đức, nghiên cứu và đăng kí bằng phát minh vào năm 1892 ở Berlin Đến năm 1927 Robert Bosch mới phát triển bơm cao áp (bơm phun Bosch lắp cho động cơ Diesel trên ôtô thương mại và ôtô khách vào năm 1936) Động cơ Diesel hoạt động theo nguyên lý tự cháy Ở gần cuối quá trình nén, nhiên liệu được phun vào buồng cháy động cơ để hình thành hòa khí rồi tự bốc cháy Do những vượt trội về tính hiệu quả và kinh tế, nên động cơ Diesel được sử dụng ngày càng rộng rãi và phổ biến trong các ngành công nghiệp, đặc biệt trong ngành giao thông vận tải thủy và vận tải đường bộ

Hình 2.1: Chu kì 4 thì của động cơ Diesel [7]

1 Nạp khí; 2 Nén; 3 Nổ và giãn nở; 4 Xả Động cơ Diesel hoạt động theo chu trình Diesel hay còn gọi là chu trình cấp nhiệt đẳng áp, trong đó chu kì của động cơ Diesel gồm 4 giai đoạn: nạp/ nén/ nổ, giãn nở sinh công/ xả Ở kì nạp động cơ Diesel chỉ có không khí được nạp vào xi-lanh động cơ Sau đó ở kì nén, không khí bị nén ở áp suất cao làm nhiệt độ khí tăng theo, nhiệt độ khí thu được sẽ cao hơn nhiệt độ tự cháy của nhiên liệu sử dụng Đến cuối chu kì nén, nhiên liệu diesel được phun vào xi-lanh ở dạng những hạt sương nhỏ; nhiên liệu hoặc sẽ được phun trực tiếp vào buồng cháy, hoặc được phun vào một buồng hòa trộn trước nhằm cải thiện quá trình cháy của nhiên liệu khi tiếp xúc với không khí nóng Không khí nóng sẽ hòa trộn với nhiên liệu phun vào, gia nhiệt và hóa hơi nhiên liệu Quá trình cháy sau đó diễn ra rất nhanh, áp suất tăng nhanh và có thể đến cực đại (60 bar đến 100 bar) Không khí ở thời điểm này rất nóng

(2000 đến 3000°C) Áp suất và nhiệt độ cùng tăng Động cơ Diesel vận hành trong điều kiện nghèo nhiêu liệu, tức là dư oxy Nhiệt độ khí thải của động cơ Diesel ở khoảng 150 đến 500°C

Đối với động cơ Diesel, khi nhiên liệu được phun vào ở dạng sương, quá trình cháy bắt đầu bằng sự tự bốc cháy của hỗn hợp nhiên liệu Do đó, quá trình cháy trong động cơ Diesel là quá trình cháy không đồng nhất Cơ chế chảy rối giữa nhiên liệu và không khí làm cho nồng độ của các cấu tử hóa học và nhiệt độ trong buồng cháy không đồng nhất Sự không đồng nhất này là nguồn gốc của sự hình thành NOx trong các vùng có nhiệt độ rất cao, và hình thành muội than (soot hay Particulate matter – PM) trong các vùng thiếu oxygen

2.2 Ô nhiễm từ động cơ Diesel 2.2.1 Thành phần của khí thải từ động cơ Diesel

Động cơ Diesel chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng cơ học Nhiên liệu diesel là hỗn hợp của các hydrocarbone (HC) mà trong quá trình cháy lý tưởng, nó chỉ sinh ra CO2 và H2O Nhưng thực tế, quá trình cháy diễn ra không hoàn toàn và trong khí xả động cơ Diesel còn có một nhiều sản phẩm khí và hạt rắn khác Điều này liên quan một phần đến sự có mặt của các tạp chất chứa trong nhiên liệu (như các hợp chất chứa lưu huỳnh), và mặt khác liên quan đến sự phức tạp của các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình cháy dẫn đến sự cháy không hết của nhiên liệu và từ đó phát sinh các chất khí khác như HC, CO, NOx, SOx, hạt muội than) và các hợp chất khác.[8]

2.2.2 Cơ chế hình thành muội than

Để khởi động động cơ diesel, nhiên liệu được phun vào buồng cháy động cơ Diesel ở dạng sương Quá trình cháy được khơi mào bằng sự tự bốc cháy của nhiên liệu như đã nói ở trên Điều này đã tạo ra quá trình cháy không đồng nhất và nó là nguồn gốc của sự hình thành các hạt muội than trong các vùng thiếu oxygen Thành phần hạt muội than như hình 2.2.[8]

Hình 2.2: Thành phần hạt muội than từ động cơ Diesel

Thuật ngữ muội than (soot, PM) chỉ một loại vật liệu hóa than hình thành từ quá trình cháy của nhiên liệu trong điều kiện giàu nhiên liệu (thiếu oxygen) Các hạt muội than này sẽ tự kết hợp với nhau trong ống xả để hình thành các tổ hợp Cuối cùng khi khí thải được làm mát, các hydrocarbon và sulphate sẽ hấp thụ lên các tổ hợp muội than Như vậy, muội than Diesel sẽ gồm một lớp vật liệu rắn hóa than sinh ra từ quá trình cháy, và trên đấy là các hợp chất hữu cơ khác nhau hấp thụ lên (SOF: Solube Organic Fraction)

Hiện nay cơ chế hình thành muội than từ quá trình cháy trong động cơ Diesel vẫn còn gây nhiều tranh cãi, vì nó liên quan đến các hiện tượng ít có tính tái lập, lại xảy ra ở nhiệt độ cao, áp suất lớn, và với một loại nhiên liệu có thành phần phức tạp, trong một hỗn hợp chảy rối Nhưng nhìn chung, quá trình hình thành muội than cũng đã được đề cập trong các tài liệu với 05 cơ chế điển hình sau:

 Polyme hóa qua acetylene và polyacetylence

 Khởi tạo các hydrocacbon thơm đa nhân (HAP)

 Ngưng tụ và graphit hóa các cấu trúc HAP

 Tạo hạt qua các tác nhân ion hóa và hợp thành các phân tử nặng

 Tạo hạt qua các tác nhân trung tính và phát triển bề mặt hợp thành các thành phần nặng

Các giai đoạn hình thành muội than trong động cơ Diesel được mô tả trong hình 2.5 như sau:

Hình 2.3: Cơ chế hình thành muội than

1 Hình thành các hợp chất trung gian; 2 Phát triển nhân; 3 Sự đông tụ các hạt rắn;

4 Kết tụ muội than sơ cấp thành tổ hợp

2.2.3 Cơ chế hình thành các khí thải khác trong động cơ Diesel

2.2.3.1 Khí NOx

Quá trình cháy trong động cơ diesel gồm hai giai đoạn: giai đoạn cháy đồng nhất diễn ra ngay sau kì cháy trễ và giai đoạn cháy khuếch tán Sự phân bố nhiệt độ và thành phần khí cháy trong không gian buồng cháy là không đồng nhất Trong buồng cháy động cơ diesel luôn tồn tại những khu vực hay các “túi” không khí có nhiệt độ thấp Nhờ bộ phận không khí này mà NOx hình thành trong buồng cháy động cơ diesel và được làm mát

Mặt khác, nhiệt độ cực đại là yếu tố ảnh hưởng lớn đến sự hình thành NOx trong quá trình cháy của động cơ diesel Trong mọi loại động cơ, sản phẩm cháy của bộ phận nhiên liệu cháy trước tiên trong chu trình đóng vai trò quan trọng nhất đối với sự hình thành NOx Vì sau khi hình thành, bộ phận sản phẩm cháy đó bị nén làm nhiệt độ gia tăng, do đó làm tăng nồng độ NOx Ngoài ra ở các động cơ diesel tăng áp, sự gia tăng áp suất dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ khi cháy cũng là nguyên nhân làm tăng nồng độ NOx

- Quá trình hình thành monoxyde nitơ (NO)

NO là hợp chất chiếm tỉ lệ cao nhất trong họ NOx Sự hình thành NO do quá trình oxy hóa nitơ trong không khí có thể được mô tả bởi cơ chế Zeldovich Trong điều kiện hệ số dư lượng không khí 1, những phản ứng chính tạo thành và phân hủy NO là:

Còn NO hình thành trong màng lửa có khả năng tạo ra những hợp chất còn lại của họ NOx Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì tốc độ tạo NO càng lớn Nồng độ NO cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ oxy Do đó, trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ oxy lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy sẽ lớn

Quá trình hình thành dioxyde nitơ (NO2)

Dioxyde nitơ (NO2) được hình thành từ monoxyde nitơ (NO) và các chất trung gian của sản vật cháy theo phản ứng sau:

thấp Dioxyde nitơ cũng hình thành trên đường xả khi tốc độ tải thấp và có sự hiện diện của oxy

- Quá trình hình thành protoxyde nitơ (N2O)

Protoxyde nitơ (N2O) chủ yếu hình thành từ các chất trung gian NH và NCO khi chúng tác dụng với NO theo phản ứng:

Quá trình cháy trong động cơ Diesel diễn ra đồng thời sự bay hơi nhiên liệu và hòa trộn nhiên liệu với không khí và sản phẩm cháy Khi độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp quá lớn hay quá bé đều làm giảm khả năng tự cháy và lan truyền màng lửa Trong trường hợp đó nhiên liệu sẽ được tiêu thụ từng phần trong những phản ứng oxy hóa diễn ra chậm ở giai đoạn giãn nỡ sau khi hòa trộn thêm không khí

Có thể chia ra hai khu vực đối với bộ phận nhiên liệu được phun vào buồng cháy trong giai đoạn cháy trễ : khu vực hỗn hợp quá nghèo do pha trộn với không khí quá nhanh và khu vực hỗn hợn quá giàu do pha trộn với không khí quá chậm Trong trường hợp đó, chủ yếu là khu vực hỗn hợp quá nghèo diễn ra sự cháy không hoàn toàn còn khu vực hỗn hợp quá giàu sẽ tiếp tục cháy khi hòa trộn thêm không khí

Đối với bộ phận nhiên liệu phun sau giai đoạn cháy trễ, sự oxy hóa nhiên liệu hay các sản phẩm phân hủy nhiệt diễn ra nhanh chóng khi chúng dịch chuyển

trong khối khí ở nhiệt độ cao Tuy nhiên sự hòa trộn không đồng đều có thể làm cho hỗn hợp quá giàu cục bộ dẫn đến sự làm mát đột ngột làm tắt màng lửa, sinh ra các sản phẩm cháy không hoàn toàn trong khí xả

Mức độ phát sinh trong động cơ Diesel phụ thuộc nhiều vào điều kiện vận hành; ở chế độ không tải hay tải thấp, nồng độ HC cao hơn ở chế độ đầy tải Thêm vào đó, khi thay đổi tải đột ngột có thể gây ra sự thay đổi mạnh các điều kiện cháy dẫn đến sự gia tăng HC do những chu trình bỏ lửa

Cuối cùng, khác với động cơ đánh lửa cưỡng bức, không gian chết trong động cơ Diesel không gây ảnh hưởng quan trọng đến nồng độ HC trong khí xả vì trong quá trình nén và giai đoạn đầu của quá trình cháy, các không gian chết chỉ chứa không khí và khí sót Ảnh hưởng của lớp dầu bôi trơn trên mặt gương xi-lanh, ảnh hưởng của lớp muội than trên thành buồng cháy cũng như ảnh hưởng của sự tôi màng lửa đối với sự hình thành HC trong động cơ Diesel cũng không đáng kể so với trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức

2.3 Ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đối với đặc tính động cơ Diesel

Quá trình cháy trong động cơ diesel là được tính từ thời điểm nhiên liệu thực tế được phun vào buồng cháy Để có thời gian cần thiết cho quá trình hình thành hỗn hợp nhiên liệu- không khí và chuẩn bị cho hỗn hợp bốc cháy, nhiên liệu được phun vào buồng cháy trước khi piston tới điểm chết trên (ĐCT) Góc quay của trục khuỷu tính từ thời điểm phun nhiên liệu đến ĐCT được gọi là góc phun sớm (S) Trị số của góc phun sớm Sthường xê dịch trong khoảng 10 ÷ 40o và phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo và tốc độ quay của động cơ Toàn bộ quá trình phun nhiên liệu kéo dài khoảng 25÷ 30o góc quay trục khuỷu [7]

Hình 2.4: Giản đồ biểu diễn chu kì hoạt trong động cơ Diesel phun trực tiếp [9]

Hình 2.4 trình bày quá trình từ thời điểm nạp không khí vào buồng cháy đến khi quá trình cháy diễn ra hoàn toàn Trong đó thời điểm từ lúc phun nhiên liệu đến khi pit-tông lên đến ĐCT được gọi là thời điểm phun sớm, thời điểm tính từ lúc phun nhiên liệu đến khi hỗn hợp nhiên liệu- không khí bùng cháy được gọi là thời gian cháy trễ của nhiên liệu Hình 2.5 biểu diễn áp suất trong buồng cháy theo từng giai đoạn của chu kì làm việc trong buồng cháy động cơ cháy trực tiếp

Hình 2.5: Áp suất trong xy lanh tại từng giai đoạn[9]

1: Giai đoạn nạp không khí; 2: giai đoạn nén không khí nạp; 3: giai đoạn phun

nhiên liệu vào buồng cháy; 4: giai đoạn cháy giản nở

Hình 2.6: Nhiệt độ buồng cháy động cơ theo từng giai đoạn.[9]

1: Giai đoạn nạp không khí; 2: giai đoạn nén không khí nạp; 3: giai đoạn phun

nhiên liệu vào buồng cháy; 4: giai đoạn cháy giản nở

2.3.1 Ảnh hưởng đến tính năng vận hành của động cơ

Quá trình cháy của động cơ (ở đây là động cơ diesel) trong buồng đốt sẽ mãnh liệt nhất sau thời điểm phun nhiên liệu một chút (đó chính là góc phun sớm

S

 so với điểm chết trên của động cơ), do vậy nếu nhiên liệu phun sớm đúng lúc sẽ tạo lực mạnh để đẩy pit-tông đi xuống, thực hiện hành trình sinh công với áp lực khí cháy tối đa Khi đó áp suất trong buồng cháy động cơ sẽ tăng lên, trong Hình 2.8 trình bày ảnh hưởng của thời điểm phun trên động cơ thương mại Với các đường chỉ thị áp suất buồng cháy tại bốn thời điểm phun khác nhau [10, 11]

Hình 2.7: Áp suất bên trong xy lanh tại 4 thời điểm phun nhiên liệu khác nhau.[8]

Thời điểm phun nhiên liệu vào buồng cháy ảnh hưởng đến thời gian cháy trễ của quá trình cháy trong động cơ đốt trong Khi nhiên liệu được phun vào quá sớm thì sẽ làm cho thời gian cháy trễ của hỗn hợp nhiên liệu kéo dài hơn Do khi nhiên liệu được phun vào sớm, trước khi pit-tông lên đến điểm chết trên thì nhiệt độ và áp suất bên trong buồng cháy thấp, chưa đủ điền kiện để làm cháy nhiên liệu Diesel phun vào, nên sẽ làm tăng thời gian cháy trễ của quá trình cháy trong động cơ Bên cạnh đó, khi phun nhiên liệu vào sớm hơn, tức là trước thời điểm pit-tông lên đến điểm chết trên, nhiên liệu được phun vào khi pit-tông đang lên điểm chết trên thì sẽ tạo xoáy lốc tốt hơn, nhiên liệu hoà trộn và được nén cùng lúc với không khí, thời gian ủ nhiệt tăng, và khi nhiên liệu bùng cháy sẽ tạo ra áp suất lớn hơn Do đó sẽ làm tăng công suất và mô-men của động cơ.[11]

Khi nhiên liệu phun vào buồng cháy càng trễ, thời gian hình thành hoà khí càng ngắn, vì khi đó không khí được nén lên đến một áp suất và nhiệt độ cao, nên nhiên liệu phun vào sẽ dễ cháy hơn, thời gian cháy trễ được rút ngắn lại, nên hỗn hợp cháy sẽ khuếch tán ra chậm hơn, làm áp suất trong buồng cháy khi đó sẽ thấp hơn so với trường hợp phun nhiên liệu vào sớm hơn Thêm vào đó, khi nhiên liệu phun vào càng trễ, thì thời gian cháy kéo dài, hỗn hợp khí cháy chưa cháy hết thì chu kì làm việc đã sang kì thải, hỗn hợp khí cháy chưa kịp giãn nỡ đã bị thải ra ngoài, sẽ làm giảm đáng kể áp suất cháy trong buồng cháy động cơ Đây cũng là nguyên nhân làm cho công suất động cơ giảm.[11]

Tuy nhiên, ở trường hợp phun nhiên liệu vào quá sớm thì sẽ dễ gây hiện tượng cháy kích nổ trong động cơ, vì nhiên liệu phun vào quá sớm, hoà khí được

hình thành và cháy trước khi pit-tông lên đến điểm chết trên sẽ tạo lực tác dụng ngược lại gây tiếng gỏ hay còn gọi là hiện tượng kích nổ trong động cơ Diesel, sẽ làm cho động cơ vận hành không ổn định và làm giảm tuổi thọ của động cơ

2.3.2 Ảnh hưởng đến đặc tính phát thải của động cơ

Tăng góc phun sớm làm tăng thời gian cháy trễ của quá trình cháy dẫn tới làm tăng áp suất cực đại và nhiệt độ quá trình cháy, khi nhiệt độ quá trình cháy tăng thì theo lý thuyết hình thành khí thải đã được đề cập ở mục trên, nồng độ NOx sẽ tăng, do đó việc giảm góc phun sớm có tác dụng giảm nồng độ NOx trong khí xả Nhưng, việc giảm góc phun sớm phải nằm trong khoảng hợp lý để tránh sự gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu và khả năng công tác của động cơ Hơn nữa, khi tăng góc phun sớm, do quá trình cháy trễ kéo dài, lượng nhiên liệu hoà trộn trước với hệ số dư lượng không khí α gia tăng Hỗn hợp trở nên khó cháy, khi cháy sẽ cháy không hoàn toàn đồng thời sinh nhiều CO Trong khi đó, theo lý thuyết việc tăng góc phun sớm có thể làm giảm HC nhưng trong thực tế do việc tăng góc phun sớm làm thời gian cháy trễ kéo dài, nhiên liệu phun ra bám vào trên thành buồng cháy, hình thành nên nguồn sinh ra HC Bảng 2 thể hiện rỏ sự ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu trễ đến việc tăng hay giảm thành phần khí thải trong động cơ Với dấu “-”là giảm, còn “+” mang ý nghĩ gia tăng Ngoài ra trong bảng 2 còn trình bày một số ảnh hưởng từ việc thay đổi các thành phần khác (áp suất phun, số tia phun, hồi lưu khí thải, …) đến thành phần khí thải của động cơ Diesel.[9-20]

Bảng 2.1: Các thông số ảnh hưởng đến khí xả động cơ [8]

Hình 2.8: Ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đến thành phân khí xả NOx và

muội than trên động cơ thương mại tại tốc độ 1.425 v/ph [8]

Hình 2.8 trình bày nồng độ của thành phần NOx và muội than theo từng thời điểm phun nhiên liệu đối với một động cơ thương mai tại tốc độ 1425 vòng/phút Kết quả thu được đúng với lý thuyết về sự thay đổi thành phần hai loại khí xả trên theo thời điểm phun nhiên liệu Theo lý thuyết, thời điểm phun nhiên liệu càng sớm thì lượng NOx trong khí xả càng nhiều, còn đối với, muội than thì hoàn toàn ngược lại Khi thời điểm phun nhiên liệu trễ thì lượng muội than trong khí thải càng tăng

Hình 2.9: Khí thải NOx, khói đen và lượng tiêu hao nhiên liệu ứng với tường thời

điểm phun nhiên liệu và áp suất phun [8]

Đối với động cơ phun trực tiếp, sự giảm góc phun sớm làm tăng độ khói và làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu nhưng lại làm giảm nồng độ NOx.Các quan sát thực nghiệm cho thấy hầu hết NOx được hình thành trong khoảng 200 góc quay trục khuỷu sau ĐCT kể từ lúc cháy Do đó, khi giảm góc phun sớm, điểm bắt đầu cháy lùi gần ĐCT, điều kiện hình thành NOx cũng trễ hơn và nồng độ của nó cũng giảm do nhiệt độ buồng cháy thấp hơn Thực tế, đối với động cơ Diesel cỡ lớn, việc giảm góc phun sớm có thể làm giảm đến 50% nồng độ NOx trong phạm vi suất tiêu hao nhiên liệu tăng không nhiều, có thể chấp nhận được Sự thay đổi góc phun sớm phù hợp theo tốc độ và tải cho phép chọn được vị trí điều chỉnh tối ưu hài hoà giữa nồng độ các chất gây ô nhiễm và hiệu suất của động cơ

Do vậy mỗi động cơ khác nhau, với mỗi loại nhiên liệu khác nhau, sẽ tương ứng với các góc phun sớm S khác nhau Điều này được các nhà sản xuất ghi rõ trong các tài liệu của hãng

Với mỗi một máy cố định người ta đã thiết lập lên một góc phun sớm tối ưu mà tại đó nhiên liệu phun vào cháy hoàn toàn Sự thiết lập đó là chỉ dành cho chế độ tải gần định mức, tương đương với tốc độ tối đa Ở chế độ vòng tua thấp hơn với vẫn góc phun sớm như vậy nhưng nhiên liệu lại bị phun vào buồng đốt sớm hơn bởi vì tại có tốc độ quay khác nhau của máy, thời gian ứng với góc phun sớm sẽ là không giống nhau Điều này có nghĩa thời gian cháy trễ cũng khác nhau trong khi thời gian cháy trễ lại là yếu tố tuyệt đối ảnh hưởng tới chất lượng cháy

Do đó, để tiến hành thực hiên nghiên cứu ảnh hưởng của thời điểm phun diesel thì cần phải tiến hành nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống thay đổi thời điểm phun nhiên liệu cho động cơ RV125-2

Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm 3.1 Sơ đồ thực nghiệm

Hình 3.1: Sơ đồ thực nghiệm động cơ có trang bị hệ thống MCVIT

3.2 Thiết bị thực nghiệm

Mô hình thiết lập hệ thống thực nghiệm được trình bày trong Hình 3.1, bao gồm: động cơ diesel Vikyno RV125-2 với buồng cháy trực tiếp; băng thử động cơ được chuyển đổi từ máy điện xoay chiều 3 pha; mạch vi xử lý điện tử để điều khiển và thu nhập dữ liệu, bao gồm thời điểm phun nhiên liệu, tốc độ, mô-men thu được từ động cơ; cân SARTORIUS TE6101 dùng để đo mức độ tiêu thụ nhiên liệu của động cơ; thiết bị đo khí thảiAVL SESAM 60iFT; thiết bị AVL Dismoke 4000 dùng để đo độ mờ khói của động cơ; cảm biến FERRET INSTRUMENTS V765-01 dùng để xác định thời điểm phun nhiên liệu của động cơ; cảm biến quang học AUTONICS FD-620-10 xác định điểm chết trên và tốc độ động cơ; cảm biến góc quay AUTONICS E50S8-360-3-T-24 dùng để tính toán thời điểm phun nhiên liệu; máy tính cho việc giám xác, thu nhập dữ liệu, và điều khiển theo thời gian thực; bộ tạo tải điện và bệ thử bằng máy phát điện để đo mô-men động cơ thông qua cánh tay đòn và cảm biến đo lực đã được hiệu chỉnh trước khi tiến hành thực nghiệm

3.2.1 Cân điện tử dùng để đo mức tiêu hao nhiên liệu:

Cân điện tử (Hình 3.2) hiển thị cho ta biết khối lượng tức thời của nhiên liệu

có trong bình Như vậy nếu kết hợp với một chiếc đồng hồ bấm thời gian ta hoàn toàn có thể đo được lượng nhiên liệu tiêu thụ trong khoảng thời gian đó Từ đó ta có thể tính được lượng tiêu hao nhiên liệu tính theo giờ Ge(g/s hoặc kg/h) Giá trị của Ge sẽ được dùng để tính suất tiêu hao nhiên liệu riêng ge (g/kW.h) khi đo được giá trị công suất đầu ra của động cơ

Hình 3.2 Cân điện tử dùng đo lượng tiêu hao xăng Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của thiết bị cân điện tử