Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CÔNG TÁC VÀ MỨC PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL HUYNDAI 2.5 TCI-A BẰNG THỰC NGHIỆM EXPERIMENTAL DETERMINATINON OF PERFORMANCE PARAMETERS AND EMISSION CONCENTRATIONS FOR 2.5 TCI-A HYUNDAI DIESEL ENGINE ThS Trần Trọng Tuấn1, ThS Phạm Trung Kiên1, KS Phùng Văn Được1, ThS Dương Quang Minh1, ThS Nguyễn Gia Nghĩa1, ThS Vũ Thành Trung1 PGS-TS Nguyễn Hoàng Vũ1, ThS Khổng Văn Nguyên2, TS Trần Anh Trung2 Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội, Việt Nam Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam trongtuanmtt47@gmail.com TÓM TẮT Đối với động diesel hệ mới, thay đổi thông số công tác, mức phát thải theo chế độ tải có khác biệt lớn so sánh với động diesel hệ cũ dùng hệ thống phun nhiên liệu kiểu khí truyền thống Bài báo trình bày kết thực nghiệm xác định thông số công tác mức phát thải động diesel Huyndai D4CB2.5 TCI-A (dùng hệ thống phun nhiên liệu kiểu CommonRail - CR, tăng áp tuabin khí thải kiểu VGT có làm mát khí tăng áp, sử dụng tuần hoàn khí thải EGR có làm mát khí tuần hoàn …) theo chế độ tải khác (100%, 75%, 50% 25%) Quá trình nghiên cứu thực nghiệm tiến hành PTN Động đốt - Viện Cơ khí Động lực - Đại học Bách khoa Hà nội Kết thực nghiệm thu sở để lập chương trình điều khiển ECU dùng cho động chuyển sang sử dụng nhiên liệu diesel sinh học Từ khóa: Chế độ tải, Thông số vận hành, Mức phát thải, Động diesel D4CB 2.5TCI-A ABSTRACT For the new generation of diesel engines, the relation between the engine performance as well as emissions characteristics and engine load conditions is quite different from the traditional couterparts that equippe with mechanical injection systems This work experimentally tested the performance parameters and emission concentrations for a D4CB2.5 TCI-A Hyundai diesel engine (equiped with a coomonrail fuel system, turbocharger with VGT air fresheners booster, and an exhaust gas recirculation system with cooling exhaust circulation) under different load regimes (100%, 75%, 50% and 25% of full load) The experiment was conducted in the combustion engine laboratory - Engineering Dynamics Institute - Ha Noi University of Science and Technology The experimental results will be used in the future to develop an ECU for a compression ignition engine retrofitted for operating with biodiesels Keywords: load mode, Operating parameters, Emissions, diesel engine D4CB 2.5TCI-A ĐẶT VẤN ĐỀ Các thông số công tác, mức phát thải ô nhiễm thông số quan trọng động diesel, chúng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác (đặc điểm công nghệ động cơ, đặc điểm hệ thống phun nhiên liệu điều khiển động cơ, chế độ vận hành…) xác định tính toán lý thuyết thử nghiệm bệ thử [1], [2] Việc tính toán chu trình công tác động (bằng phần mềm mô phỏng) thường phải sử dụng nhiều giả thiết nên kết thu cần kiểm chứng thực nghiệm để đánh giá, hiệu chỉnh mô hình [3] 263 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Các động diesel hệ điều khiển ECU tích hợp nhiều công nghệ đại như: hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử kiểu CR (với áp suất phun cao không phụ thuộc vào tốc độ động cơ; số lần, thời điểm lượng phun thay đổi linh hoạt cho mục đích khác nhau), hệ thống tăng áp tua bin khí thải kiểu VGT có làm mát khí tăng áp (cho phép tăng công suất động cơ, tăng khả đáp ứng động cơ, giảm nhiệt độ khí tăng áp….), hệ thống tuần hoàn khí thải EGR (giảm mức phát thải NOx) có làm mát khí tuần hoàn; hệ thống kiểm soát xử lý ô nhiễm (bộ xử lý khí thải kiểu ô xy hóa, lọc PM, xúc tác SCR…) [2], [3] Sự phức tạp công nghệ trình điều khiển làm cho trình thử nghiệm động gặp khó khăn quy luật thay đổi thông số chế độ vận hành, thông số công tác, mức phát thải chúng có khác biệt so với động diesel dùng hệ thống phun kiểu khí truyền thống [2] Tại Việt Nam có nhiều nghiên cứu xác định thông số công tác, mức phát thải ô nhiễm động diesel thực nghiệm Tuy nhiên, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào động diesel hệ cũ chưa xem xét chi tiết, đồng thông số vận hành với thông số công tác mức phát thải Bài báo trình bày kết thực nghiệm xác định thông số công tác, mức phát thải ô nhiễm động diesel D4CB 2.5 TCI-A lắp Huyndai Starex theo chế độ tải khác (100%, 75%, 50% 25%) bệ thử động Kết nghiên cứu phục vụ trực tiếp cho việc lập chương trình điều khiển ECU dùng cho động chuyển sang sử dụng nhiên liệu diesel sinh học [3] TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM 2.1 Đối tượng thử nghiệm Đối tượng nghiên cứu động diesel D4CB 2.5 TCI-A (4 kỳ, xy lanh bố trí hàng, phun nhiên liệu trực tiếp, tăng áp tua bin khí thải VGT có làm mát khí tăng áp, sử dụng hệ thống tuần hoàn khí thải EGR có làm mát khí thải tuần hoàn) Hệ thống phun diesel kiểu CR động dùng bơm cao áp kiểu CP3 với áp suất phun lớn 1600 bar [9] 2.2 Chế độ thử nghiệm loại nhiên liệu sử dụng Nhằm đánh giá thông số công tác, mức phát thải ô nhiễm động toàn vùng làm việc, chế độ thử nghiệm lựa chọn sau: + chế độ tải: 100% tải (100% hành trình chân ga, theo đặc tính ngoài), 75% tải (75% Me max ), 50% tải (50% Me max ) 25% tải (25% Me max ) Trong đó, giá trị Me max thực tế động thử nghiệm xác định sau có đặc tính (Hình 6) + chế độ tốc độ dải tốc độ quay trục khuỷu từ 1000÷3500 vg/ph với bước nhảy 500 vg/ph Để đảm bảo an toàn cho hệ thống thiết bị phụ trợ bệ thử động thử nên không tiến hành thử tốc độ ứng với công suất định mức + Mức phát thải chất ô nhiễm đo với khí thải “thô” (ngay sau khỏi động cơ, trước vào xử lý khí thải) Nhiệt độ khí thải đo cổ gom khí thải (trước vào tuabin tăng áp) Quá trình thử nghiệm sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống (0,05 %S) lưu thông thị trường với kết phân tích thuộc tính mẫu nhiên liệu trình bày chi tiết [5], [6] 2.3 Trang thiết bị thử nghiệm Quá trình nghiên cứu thực nghiệm tiến hành bệ thử động lực học cao PTN Động đốt (Viện Cơ khí Động lực - Đại học Bách khoa Hà Nội) với sơ đồ bố trí trang thiết bị trình bày Hình 264 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Ngoài trang thiết bị bệ thử, trình thực nghiệm sử dụng thiết bị G-Scan [10], Oscilloscopes [13] để đọc thông số vận hành tức thời ECU; ghi nhận giá trị đo cảm biến; xử lý xóa lỗi ECU trình lắp đặt hệ thống điều khiển vận hành thử động bệ thử PUMA PC AVL 733S Cable Boom Oscilloscopes AVL 753 AVL 553 K57 FEM G-Scan ECU D4CB 2.5 TCI-A CEB II APA 204/E/0934 Throttle pedal PC Hình Sơ đồ trang thiết bị thử nghiệm, [8],[11] APA 204/E/0934 - phanh thử; AVL 553 - hệ thống kiểm soát nhiệt độ nước làm mát; AVL 753 - hệ thống kiểm soát nhiệt độ nhiên liệu; AVL 733S - thiết bị đo lượng nhiên liệu tiêu thụ; PUMA - hệ thống tự động hóa thiết bị đo bệ thử; Cable Boom - hộp nối cáp tín hiệu từ cảm biến; FEM - chuyển đổi tín hiệu; K57 - bảng điều khiển; ECU - điều khiển điện tử động cơ; Throttle pedal - bàn đạp ga; G-Scan - thiết bị chẩn đoán theo chuẩn OBD-II; Oscilloscopes – máy sóng; CEB II - thiết bị phân tích khí thải; PC - máy tính KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN 3.1 Các thông số chế độ vận hành Hình Sự thay đổi vị trí chân ga để đáp ứng yêu cầu chế độ tải Sự thay đổi vị trí bàn đạp chân ga (%) để đáp ứng yêu cầu chế độ tải chế độ tốc độ khác trình bày Hình 2, kết cho thấy: vị trí chân ga thay đổi không tuyến tính với chế độ tải động Chênh lệch vị trí chân ga tốc độ khác động làm việc chế độ nhỏ tải rõ rệt (∆ max =32 % chế độ 25% tải); mức chênh lệch giảm dần tăng tải Tại chế độ 100% tải, mức chân ga 100% ứng với chế độ tốc độ khảo sát 265 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Sự thay đổi áp suất khí tăng áp p k (bar) lượng tiêu thụ khí nạp động G kk (kg/h) theo chế độ tải trình bày Hình Ta thấy: a) b) Hình Sự thay đổi p k G kk theo chế độ tải động - Do sử dụng hệ thống tăng áp tua bin khí thải kiểu VGT điều khiển từ ECU nên áp suất khí tăng áp p k kiểm soát chặt chẽ theo chế độ tải tốc độ (Hình 3a) Tại chế độ tải, p k có giá trị lớn (2,841 bar) tốc độ n=2500 vg/ph (đây vùng vòng quay đạt Me max theo đặc tính ngoài, Hình a) Tại chế độ tốc độ, p k có xu hướng đạt giá trị cao ứng với chế độ 75% tải Việc kiểm soát áp suất khí tăng áp nhằm đảm bảo động đạt Me max vùng 2500 vg/ph tránh xảy tượng phụ tải nhiệt lớn (do áp suất khí tăng áp cao) tăng tải tăng tốc độ động - Lượng tiêu thu khí nạp G kk động (Hình b) phụ thuộc vào thông số áp suất khí tăng áp p k tốc độ động Ta thấy, chế độ tốc độ G kk có gia tăng nhẹ theo tải G kk có gia tăng mạnh tăng tốc độ động G kk đạt giá trị lớn 504,7 kg/h chế độ 100% tải ứng với n= 3500 vg/ph Sự thay đổi nhiệt độ khí nạp (sau két làm mát trung gian - Intercooler) theo chế độ tải trình bày Hình Kết cho thấy: vùng số vòng quay thấp T Air thay đổi thay đổi chế độ tải động Tuy nhiên, chế độ tốc độ cao (trên 2000 vg/ph), nhiệt độ khí nạp tăng rõ rệt tăng tải có xu hướng đạt cực trị chế độ 75% tải sau giảm xuống chế độ 100% tải T Air đạt giá trị lớn 78 0C (đây ngưỡng cao) 2500 vg/ph 75% tải Sự thay đổi T Air phù hợp với diễn biến p k trình bày Hình 3a Hình Sự thay đổi nhiệt độ khí nạp T Air theo chế độ tải 266 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Sự thay đổi áp suất phun p rail (bar) thể tích nhiên liệu cấp cho chu trình V inj (mm ) theo chế độ tải trình bày Hình Ta thấy: - Xu hướng thay đổi p rail theo chế độ tải tốc độ rõ ràng Khi tăng tải tăng tốc độ động áp suất phun tăng, khoảng thay đổi p rail rộng Áp suất phun nhỏ p rail ≈ 400 bar đạt n=1000 vg/ph 25% tải, áp suất phun lớn p rail max=1600 bar n=3500 vg/ph 100% tải Do áp suất phun ECU kiểm soát, điều chỉnh linh hoạt theo chế độ tải tốc độ nên vấn đề cần quan tâm điều khiển trình phun làm việc bơm cao áp hệ thống phun nhiên liệu kiểu CR [3] a) b) Hình Sự thay đổi p rail V inj theo chế độ tải động - Thể tích nhiên liệu cấp cho chu trình V inj tăng gần tuyến tính tăng tải (Hình b) Tại chế độ 25% tải, chênh lệch V inj thay đổi chế độ tốc độ Tuy nhiên, chế độ tải, có thay đổi định V inj thay đổi tốc độ (∆V inj max tương ứng 8,6 mm3 chế độ 50% tải; 9,4 mm3 chế độ 75% tải 11,4 mm3 chế độ 100% tải) Nguyên nhân thay đổi hiệu chỉnh lượng phun ECU theo áp suất khí tăng áp lượng tiêu thụ khí nạp theo tỷ lệ A/F (Hình b) nhiệt độ khí xả (nhằm đảm bảo điều kiện làm việc xử lý khí thải) (Hình a) 3.2 Các thông số công tác a) b) Hình Sự thay đổi mô men, công suất động theo chế độ tải Sự thay đổi mô men xoắn M e , công suất N e động theo chế độ tải tốc độ trình bày Hình Ta thấy: Mô men xoắn lớn đạt chế độ 100% tải M e max = 396 N.m n=2500 (vg/ph) Sự thay đổi M e theo đặc tính phụ hợp với thay đổi áp suất khí nạp p k (Hình a) thể tích nhiên liệu cung cấp cho chu trình V inj (Hình 267 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV b) Từ kết này, chế độ tải phận, phanh thử vị trí chân ga điều chỉnh cho M e động 75% M e max (297 N.m), 50% M e max (198 N.m) 25% M e max (99 N.m) Tại chế độ 75% tải, để đạt M e =297 N.m số vòng quay nhỏ tương ứng động 1400 vg/ph Trong chế độ 50% 25% tải, số vòng quay nhỏ tương ứng 1000 vg/ph Ảnh hưởng chế độ tải, tốc độ đến lượng tiêu thụ nhiên liệu FC suất tiêu hao nhiên liệu g e trình bày Hình Ta thấy: Khi động làm việc vùng tải nhỏ (25 50% tải) g e thay đổi thay đổi chế độ tốc độ Tuy nhiên, vùng tải lớn thay đổi g e rõ rệt (tại 75% tải ∆g e max = 11,9 g/kW.h 100% tải ∆g e max = 20,5 g/kW.h) Suất tiêu hao nhiên liệu có xu hướng đạt giá trị nhỏ chế độ 75% tải Trên toàn vùng làm việc, đạt giá trị nhỏ g emin = 211,5 g/kW.h 75% tải n= 1500 vg/ph; đạt giá trị lớn g emax = 256,74 g/kW.h 25% tải n= 2500 vg/ph a) b) Hình Ảnh hưởng chế độ tải tốc độ đến FC g e Sự thay đổi nhiệt độ khí xả T Exh hệ số dư lượng không khí λ (được xác định dựa theo tín hiệu cảm biến ô xy đường thải) động theo chế độ tải tốc độ trình bày Hình Ta thấy: (8a) a) b) Hình Sự thay đổi T Exh λ theo chế độ tải động - Nhiệt độ khí thải tăng tuyến tính tăng tải động Tại chế độ tải, vùng tốc độ thấp (n ... trung vào động diesel hệ cũ chưa xem xét chi tiết, đồng thông số vận hành với thông số công tác mức phát thải Bài báo trình bày kết thực nghiệm xác định thông số công tác, mức phát thải ô nhiễm động. .. khác biệt so với động diesel dùng hệ thống phun kiểu khí truyền thống [2] Tại Việt Nam có nhiều nghiên cứu xác định thông số công tác, mức phát thải ô nhiễm động diesel thực nghiệm Tuy nhiên,... bệ thử động thử nên không tiến hành thử tốc độ ứng với công suất định mức + Mức phát thải chất ô nhiễm đo với khí thải “thô” (ngay sau khỏi động cơ, trước vào xử lý khí thải) Nhiệt độ khí thải