5. Phương pháp nghiên cứu
3.2.1. Động cơ thử nghiệm
Động cơ dùng thử nghiệm là động cơ M738M được thể hiện trên hình 3.7. Đây là loại động cơ 4 kỳ 1 xy lanh phun xăng trên đường ống nạp, OHC 3 xu páp, thể tích công tác 150cc, làm mát bằng gió cưỡng bức được lắp trên xe máy Liberty của hãng Piaggio. Các thông số cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 3.1. [38]
51
Bảng 3.1. Những thông số cơ bản của động cơ M738M 3V i.e
Thông số Giá trị Dung tích xy lanh (cc) 154,8 Hành trình piston (mm) 58,6 Đường kính xy lanh (mm) 58 Số xupap (-) 3 (2 nạp, 1 thải) Tỷ số nén (-) 10,5:1
Công suất cực đại (kW) 8.7 kW tại 7500 v/ph Mô men xoắn cực đại (Nm) 12Nm tại 5000 v/ph
Tốc độ không tải (v/ph) 1750 ± 50 v/ph
Thời điểm mở xu páp nạp (o) 35 BTDC Thời điểm đóng xu páp nạp (o) 85 ABDC Thời điểm mở xu páp thải (o) 80 BBDC Thời điểm đóng xu páp thải (o) 45 ATDC
Hình 3.7. Động cơ Piaggio Liberty dùng trong thí nghiệm
3.2.2. Thiết bị đo lƣợng nhiên liệu tiêu thụ
Hệ thống AVL Fuel Balance 733S thể hiện trên hình 3.8 đo lượng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ bằng cách cân lượng nhiên liệu trong bình chứa. AVL
52 Fuel Balance 733S có thể đo liên tục lượng nhiên liệu trong một khoảng thời gian từ khi đầy bình đến khi nhiêu liệu trong bình giảm tới mức 0 (hình 3.8). Sai số của thiết bị là 0,1%. Dải đo từ 0 đến 150kg/h có thể cho phép tới 400kg/h [36].
Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của AVL Fuel Balance 733S 1. Nhiên liệu cấp vào thùng đo 7. Thanh cân.
2. Nhiên liệu tới động cơ. 8. Lò xo lá. 3. Nhiên liệu hồi từ động cơ. 9. Cân bì.
4. ống thông hơi. 10. Cảm biến lưu lượng.
5. Các ống nối mềm. 11. Thiết bị giảm chấn.
6. Thùng đo 12. Van điện từ đường nạp.
Bắt đầu quá trình đo nhiên liệu được cấp đầy vào thùng đo 6 thông qua đường cấp nhiên liệu 1. Khi lượng nhiên liệu đã đầy, lúc này lực tì lên cảm biến lưu lượng là lớn nhất. Van điện từ 12 sẽ khóa đường cấp 1 trong khi đường cấp vào động cơ vẫn mở, nhiên liệu hồi từ động cơ vào bình qua đường 3 (khi sử dụng hệ thống phun xăng điện tử). Áp suất trong bình được giữ ổn định nhờ ống thông hơi 4. Đồng thời với quá trình đó bộ phận đếm thời gian bắt đầu hoạt động. Lượng nhiên liệu trong bình chứa được đo liên tục trong từng giây dựa vào lượng nhiên liệu còn trong bình. ECU sẽ tính ra lượng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ.
53 Hệ thống đo suất tiêu thụ nhiên liệu AVL Fuel Balance 733S thực hiện quá trình đo và ghi lại kết quả trung bình của phép đo trong thời gian của phép đo, do người thử nghiệm đặt trên giao diện từ máy tính (hình 3.9).
Hình 3.9. Giao diện trên máy tính hệ thống cân nhiên liệu AVL 733S
3.2.3. Tủ phân tích khí thải AVL CEB II
3.2.3.1. Kết cấu của tủ CEB II
Tủ phân tích khí xả CEBII thể hiện trên hình 3.10 là hệ thống bao gồm toàn bộ các mô đun thực hiện quá trình phân tích các thành phần khí xả (các bộ phân tích) và các thiết bị đảm bảo điều kiện làm việc đúng của hệ thống như: khối làm nóng (HSU), khối chuẩn đoán, khối điều khiển... [37]. Toàn bộ hoạt động của hệ thống có thể thực hiện thông qua máy tính công nghiệp nằm trong tủ hoặc điều khiển bằng tay thông qua màn hình sử dụng giao diện của máy tính điều khiển (tủ làm việc độc lập). Khi máy tính này được kết nối với máy tính chủ (CESAR) khi chạy động cơ theo chương trình, mọi hoạt động của tủ sẽ được điều khiển tự động từ máy tính chủ.
Tủ phân tích khí xả CEBII với kết cấu là hệ thống đo lường thực hiện bởi các môđun, cho phép đo đối với các thành phần: monoxit cacbon (CO), cacbon
54 dioxide (CO2), oxygen (O2), oxit nitơ (NOX), hyđrocacbon (HC), đồng thời còn đo được hệ số dư lượng không khí có trong khí xả.
1. Máy tính tích hợp trong tủ 2. Khối SCU
2a: Khối làm nóng 2b: Khối làm lạnh 2c: Khối điều khiển 2d: Vùng dành cho ERG 3. Các bộ phân tích
4. Bảng đồng hồ khí 5. Công tắc hệ thống 6. Khối chuẩn đoán Hình 3.10. Sơ đồ của tủ AVL CEB II.
3.2.3.2. Nguyên lý hoạt động của các khối phân tích.
Toàn bộ hệ thống phân tích khí xả được thiết lập theo một hệ thống các quy ước hoàn chỉnh giúp cho sự điều khiển và thử nghiệm là tốt nhất.
* Bộ phân tích CO hình 3.11
Hình 3.11. Sơ đồ cấu tạo của bộ đo CO
1.Một buồng phát tia hồng ngoại; 2. Màn chắn; 3. Đĩa khoét các rãnh; 4. Buồng chứa khí mẫu; 5. Buồng chứa khí CO được ngăn chắn bằng một màng cao su; 6. Thiết bị đo độ võng của màn; 7. Buồng chứa khí CO được ngăn bằng một tấm màng cao su; 8. Buồng chứa khí mẫu.
55
- Nguyên lý hoạt động:
CO hấp thụ bức xạ hồng ngoại ở bước sóng khoảng 4,7 m vì thế sự có mặt và nồng độ của CO có thể xác định bởi sự giãn nở của CO tại buồng đo khi có tia hồng ngoại đi qua từ đó so sánh với nguyên mẫu để đưa thông tin của CO cần đo.
* Bộ phân tích NO và NOX hình 3.12
Thiết bị đo NO và NOX là thiết bị xác định cường độ ánh sáng, nó bao gồm các chi tiết chính:
Hình 3.12. Sơ đồ cấu tạo bộ phân tích NO và NOX
1. Khí ôzôn được sinh ra nhờ một thiết bị tạo ô zôn trong không khí; 2. Bộ phận chuyển đổi NO2 thành NO; 3. Buồng phản ứng đo NOX có các đường dẫn khí ôzôn và khí mẫu; 4. Buồng phản ứng đo NO có các đường dẫn khí ôzôn và khí mẫu; 5. Bộ phận hủy ôzôn trước khi đưa ra ngoài môi trường; 6. Bộ phận đo cường độ sáng.
- Nguyên lý hoạt động
Thiết bị hoạt động dựa vào hiện tượng khí quang hóa để xác định hàm lượng NO và NOX. Thực chất phương pháp này là đo cường độ ánh sáng do các phần tử NO2 hoạt tính sinh ra. NO2 hoạt tính được tạo ra trong buồng phản ứng qua phản ứng sau:
56
NO + O3 = NO2* + O2 (3.1)
Không khí được đưa vào một đường và được cho qua bộ tạo ôzôn, O2 trong không khí được tạo thành O3 nhờ tia lửa điện và được đưa đến buồng phản ứng.
* Hệ thống đo CnHm
Hệ thống đo HC có sơ đồ nguyên lý trên hình 3.13.
Hình 3.13. Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo HC
1. Hệ thống có ba đường dẫn khí vào. Một là đường dẫn khí mẫu vào, hai là đường dẫn khí cháy (hỗn hợp H/He), ba là đường khí tạo môi trường cháy. 2.Buồng phản ứng có gắn cảm biến nhiệt độ. 3. Bộ đánh lửa để sinh tia lửa mồi. 4. Cặp cực điện được nối với một bộ khuyếch đại và một bộ đo điện áp. 5. Bộ cảm biến nhiệt độ T100. 6. Bộ bơm khí nén tạo độ chân không để hút khí cháy ra.
- Nguyên lý hoạt động:
Khí mẫu cần đo được đưa vào hệ thống với áp suất 580mbar và lưu lượng 1500l/h. Nó được hòa trộn với khí cháy (hỗn hợp H/He) được đưa vào ở đường ống thứ hai. Khí cháy có áp suất là 1050mbar, có lưu lượng là 30l/h. Khí mẫu và khí cháy được trộn với nhau và đưa và buồng cháy với áp suất là 680mbar.
57 Trong buồng phản ứng hỗn hợp khí (20% O2, 80% N2) được bơm vào làm môi trường cháy. Khi khí mẫu và khí cháy được đưa vào, bộ đánh lửa bật tia lửa đốt cháy. Trong điều kiện như vậy khí HC không cháy mà bị bẻ gãy thành các ion. Các ion sinh ra trong môi trường có từ trường của cặp điện cực, nó sẽ bị hút về hai bản cực và tạo thành dòng điện trong mạch. Dòng điện được khuếch đại khi đi qua bộ khuếch đại và được đưa tới bộ đo điện áp.
Khí cháy được hút ra nhờ độ chân không ở đầu ra. Độ chân không này được sinh ra do luồng khí nén thổi qua tại miệng hút. Dựa vào cường độ dòng điện sinh ra có thể đánh giá được lượng HC có trong khí mẫu.
3.2.4. Hệ thống đo AVL 620 Indiset
Hệ thống này thể hiện trên hình 3.14 gồm [39]:
58 Hệ thống đo AVL 620 Indiset bao gồm 3 thành phần chính:
+ Bộ mã hóa: Có nhiệm vụ đo góc quay trục khuỷu, thời điểm của của từng kì động cơ
+ Thiết bị Indiset bao gồm 2 phần chính : phần giá (Docking Station) và bo mạch chính. Bo mạch chính bao gồm tất cả các thiết bị lấy mẫu, các bo mạch lấy mẫu và lưu trữ số liệu.
+ Bộ khuếch đại : Có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu từ cảm biến.
Tín hiệu từ các cảm biến sẽ được đưa vào bộ khuếch đại nhằm khuếch đại tín hiệu. Tín hiệu sau khuếch đại sẽ được đưa vào bo mạch chính để lấy mẫu và chuyển đổi sang tín hiệu số. Tín hiệu số này sẽ được gửi về máy tính. Tại đó máy tính sẽ liên tục hiển thị các kết quả thu được từ các cảm biến theo góc quay trục khuỷu tùy theo chế độ lựa chọn.
3.2.4.1 Cảm biến đo áp suất
Như chúng ta đã biết, áp suất trong xy lanh là biến quan trọng nhất trong động cơ để phân tích quá trình cháy. Nó đánh giá hiệu quả quá trình cháy cũng như liên quan tới độ ồn của động cơ, tốc độ thay đổi áp suất và hiệu quả làm việc của động cơ. Cảm biến áp suất được gắn trực tiếp vào nắp máy để đo áp suất trong xy lanh của động cơ. Đây là cảm biến áp suất kiểu thạch anh nhận biết áp suất trong xy lanh thông qua việc các tinh thể thạch anh bị phân cực tạo ra một điện trường trong tinh thể. Cấu tạo cảm biến áp suất như hình 3.15.
Các thông số cơ bản của cảm biến như sau:
Dải đo (0 250) bar
Quá tải 300 bar
Tuổi thọ 108
Độ nhạy 19 pC/bar
Độ tuyến tính 0.3%
59
Hình 3.15. Cấu tạo cảm biến đo áp suất QC33C
Dữ liệu áp suất được lấy trung bình sau 100 chu kỳ theo góc quay trục khuỷu. Do dữ liệu áp suất được lấy trung bình trong 100 chu kỳ nên giá trị của nó rất đáng tin cậy. Các thông số sau được đánh giá từ giá trị áp suất trong xy lanh động cơ:
- Áp suất lớn nhất pmax và vị trí khuỷu trục khí đạt pmax,
- Đường cong biến thiên áp suất trong xy lanh theo góc quay trực khuỷu, - Áp suất chỉ thị trung bình cho mỗi chu kỳ,
- Công sinh ra trong mỗi chu kỳ,
- Tốc độ tỏa nhiệt trong xy lanh theo góc quay trục khuỷu, - Quy luật nhiệt tỏa ra trong xy lanh theo góc quay trục khuỷu.
3.2.4.2 Thiết bị Indicating
Indicating với phần mềm Indiwin có chức năng đo diễn biến áp suất trong xy lanh theo góc quay trục khuỷu, đồng thời đo độ rung động cơ. Thiết bị Indicating cho phép nghiên cứu tỷ lệ nhiên liệu cháy theo góc quay trục khuỷu, nghiên cứu tốc độ tỏa nhiệt của nhiên liệu. Đồng thời có thể nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình phun nhiên liệu, góc phun sớm đến khả năng cháy của nhiên liệu.
3.2.5. Mô đun điều khiển động cơ (MotoHawk Control Solutions)
+ Đặc điểm:
ECU MotoHawk ECM-0565-128-0704 hình 3.15 có thể hoạt động chính xác trong các điều kiện khắc nghiệt, có khả năng điều khiển các tín hiệu phức tạp, tần số cao cho phép ECM thực hiện trong thời gian ngắn hơn. Cổng kết nối CAN
60 2.0B liên kết dữ liệu giữa ECU và máy tính, đảm bảo khả năng tương tác với các hệ thống khác. Các thông số hiện hành được điều khiển online trên máy tính.
+ Thông số kỹ thuật: [40]
- Bộ xử lý : Freescale MPC565, 56 MHz
- Bộ nhớ : 1M Flash, 36K RAM, 8K Serial EEPROM, 64Kx8 Parallel EEPROM, 512K External RAM
- Điện áp hoạt động : 9 – 32V DC
- Nhiệt độ hoạt động : -40oC – 105oC (Đối với động cơ hàng hải). Đầu nối kín : có thể hoạt động dưới độ sâu 3 m (10 fit)
- Nhiệt độ lưu trữ : -40oC đến 125o
C
- Khả năng chống ẩm : 85% tại 85oC cho 1000h làm việc
Hình 3.16. ECU MotoHawk ECM-0565-128-0704
3.2.6. Băng thử động cơ DW-16
Băng thử phù hợp cho động cơ đốt trong cỡ vừa và nhỏ với cấu trúc đơn giản, thuận tiện khi hoạt động và bảo trì. Mô men lớn, độ chính xác cao, ổn định với lực quán tính nhỏ.
Thông số động cơ băng thử DW-16 như sau:
Công suất max: 16 kW Mô men định mức: 70 N.m Tốc độ tối đa: 13000 r/min Quán tính quay: 0.01 kg.m2
61
Cấu tạo bao gồm : phanh, và các hệ thống đo lường (điều khiển tải, tốc độ, mô men xoắn). Hệ thống sử dụng lực kế để đo lực đo mô men xoắn.
3.3. Chế độ thử nghiệm
Các nghiên cứu cho thấy động cơ xăng có hiệu suất nhiệt thấp ở vùng tải nhỏ và trung bình do tổn thất công hút qua bướm ga lớn [14], do đó chế độ thử nghiệm được lựa chọn tại tốc độ 4500 và 5300 vg/ph với áp suất có ích trung bình BMEP lần lượt tại 1,7 bar và 2,5 bar tương ứng với tốc độ của xe tại 30 và 50 km/h. Lượng nhiên liệu phun và độ mở bướm ga được điều khiển để động cơ làm việc tại các giá trị hệ số dư lượng không khí khác nhau từ 0,9 đến 1,7. Hỗn hợp khí giàu hydro được phun với áp suất và lưu lượng cố định là 2 bar và 2 lit/phút. Với đặc điểm như trên thì mô men của động cơ được điều khiển giữ ổn định tại giá trị 2Nm ở 4500 v/ph và 3Nm ở 5300v/ph. Các thông số làm việc được xác định như áp suất xy lanh, nhiệt độ khí xả, lưu lượng khí nạp, lượng nhiên liệu phun và các thành phần phát thải độc hại của động cơ bao gồm NOx, CO và HC. Các thông số tính toán từ áp suất xy lanh là tốc độ tỏa nhiệt, góc 10 và 90% đã cháy
62
CHƢƠNG 4: XỬ LÝ SỐ LIỆU, KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 4.1. Xử lý số liệu áp suất, xác định các thông số quá trình cháy
4.1.1 Xác định các thông số của quá trình cháy
Để đánh giá chất lượng quá trình cháy của động cơ thì tốc độ tỏa nhiệt và tỷ lệ phần trăm hỗn hợp đã cháy theo góc quay trục khuỷu là tham số không thể thiếu để đánh giá sự hòa trộn, khả năng bắt cháy và hiệu quả quá trình cháy hỗn hợp. Tốc độ tỏa nhiệt là lượng nhiệt tỏa ra ở mỗi góc quay trục khuỷu, khi chuẩn hóa giá trị này sẽ được tỷ lệ phần trăm hỗn hợp đã cháy có giá trị nằm trong dải từ 0 đến 1, trong đó 0 tương ứng quá trình cháy chưa bắt đầu và 1 tương ứng kết thúc quá trình cháy. Hình 4.1 a,b,c cho thấy 3 thông số được xác định từ áp suất xylanh (a) đến khi chuẩn hóa (c), trong đó thông số tốc độ tỏa nhiệt (b) được xác định bằng cách đảo mô hình nhiệt động học.
Khi sử dụng biện pháp mô hình nhiệt động học đảo, mô hình cháy được giả sử là mô hình cháy 1 vùng. Với mô hình này, cả buồng cháy được coi là một khối trong đó cả thành phần cháy và chưa cháy được trộn lẫn với nhau có nhiệt độ và áp suất là đồng nhất trong cả vùng. Trong các phần tiếp theo diễn giải mô hình nhiệt động đảo, trong đó trường hợp thứ nhất nhiệt dung riêng của môi chất được giả sử là hằng số, trường hợp thứ hai là biến thiên.
63
Hình 4.1. Các thông số quá trình cháy được xác định từ áp suất xylanh
4.1.2. Trƣờng hợp nhiệt dung riêng không đổi
Trong trường hợp này toàn bộ thể tích buồng cháy được giả thiết là hệ thống kín, không có tổn thất khí qua khe hẹp, hình 4.2 mô phỏng hệ thống này. Với giả thiết như trên, mối quan hệ nhiệt động học sẽ là:
. . ( cyl ) CV CV d m u Q W dt (4.1)
64
Hình 4.2. Hệ thống kín sử dụng trong mô hình nhiệt động học đảo
Trong đó mcyl là tổng khối lượng môi chất trong xy lanh bao gồm không khí, nhiên liệu và khí thải, u là nội năng của hệ thống, Qcv là nhiệt năng và Wcv là