4. Cỏc nội dung chớnh của luận văn
3.2 Sơ đồ và thiết bị thử nghiệm
3.2.1 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm
Hỡnh 3.1 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm
Động cơ diesel 1 xylanh đặt trờn phanh điện AMK để xỏc định cụng suất, mụmen và tốc độ. Khớ thải động cơ được lấy mẫu và phõn tớch bằng thiết bị phõn tớch khớ thải CEB II (Combustion Emission Bench II). Thiết bị làm mỏt AVL577 điều khiển nhiệt độ nước làm mỏt và dầu bụi trơn động cơ trong quỏ trỡnh động cơ làm việc. Băng thử được trang bị cỏc cảm biến, hệ thống điều khiển, xử lý số liệu tự động và hiển thị kết quả, mụ hỡnh hoỏ như PUMA, INCA, CONCERTO, giỳp cho quỏ trỡnh điều khiển dễ dàng và bảo đảm kết quả thử nghiệm chớnh xỏc.
3.2.2 Thiết bị thử nghiệm
a. Động cơ thử nghiệm
Thử nghiệm được tiến hành trờn động cơ 1xylanh AVL 5402. sử dụng hệ thống nhiờn liệu commonrail, bộ điều khiển điện tử ECU mở. Cỏc thụng số cơ bản của động cơ thể hiện ở Bảng 3.2 sau:
37
Bảng 3.2 Thụng số của động cơ
Hỡnh 3.2 Động cơ thử nghiệm 1 xy lanh
Động cơ Diesel AVL – 5402 là động cơ 1 xy lanh 4 kỳ khụng tăng ỏp - 2 trục cam trờn đỉnh dẫn động 4 xupỏp
- Cho phộp thay đổi tỷ số nộn
- Cụng suất định mức 12kW tại 4200 vũng/phỳt - Sử dụng nhiờn liệu tớch ỏp CR (Common Rail)
- Sử dụng ECU EDC15-C6-3.50 cựng bộ thu nhận dữ liệu ETK7 của hóng BOSCH Thụng số Giỏ trị Đường kớnh, mm 85 Hành trỡnh, mm 90 Thể tớch cụng tỏc, cm3 510,7 Tỷ số nộn 17,1:1
38
b. Thiết bị đo khối lượng nhiờn liệu AVL733(Hỡnh 3.3)
Hỡnh 3.3 Thiết bị đo khối lượng nhiờn liệu AVL733
Thiết bị đo khối lượng AVL733 là loại thiết bị đo khối lượng nhiờn liệu kiểu kớn, cho phộp sử dụng cho nhiờn liệu pha tới 15% cồn, với sai số 0.1%, tổng khối lượng cho phộp đo liờn tục1800g. Cho phộp kết nối với thiết bị ngoài qua đường dữ liệu nối tiếp RS232 và cú cơ chế tự động bỏo lỗi và chuẩn đoỏn lỗi.
c. Thiết bị điều khiển nhiệt độ nước làm mỏt và dầu bụi trơn AVL577
39
Hệ thống AVL577 được thiết kế riờng cho băng thử động cơ 1 xilanh thực hiện làm mỏt cho động cơ và làm mỏt dầu bụi trơn. Hệ thống bao gồm ba vũng làm mỏt tuần hoàn. Vũng ngoài làm mỏt bộ trao đổi nhiệt của nước và dầu, vũng dầu cho phộp điều khiển lưu lượng, nhiệt độ và ỏp suất dầu bụi trơn và vũng nước cho phộp điều khiển lưu lượng, nhiệt độ và ỏp suất nước làm mỏt động cơ.
d. Tủ phõn tớch khớ CEBII và cỏc bộ phõn tớch
Tủ phõn tớch khớ xả CEBII (Combustion Emission Bench) là hệ thống bao gồm toàn bộ cỏc mụđun thực hiện quỏ trỡnh phõn tớch cỏc thành phần khớ xả (cỏc bộ phõn tớch) và cỏc thiết bị đảm bảo điều kiện làm việc đỳng của hệ thống như: Khối làm núng (HSU), khối chuẩn đoỏn, khối điều khiển…
Kết cấu của tủ CEBII.
Tủ phõn tớch khớ xả CEBII với kết cấu là hệ thống đo lường thực hiện bởi cỏc mụđun, cho phộp đo đối với cỏc thành phần NO, NOx, CO, CO2, O2, HC cú trong khớ xả.
+ Mụ hỡnh tủ CEBII.
40
1: Mỏy tớnh tớch hợp trong tủ 2: Khối SCU 2a: HCU khối làm núng
2b: Khối làm lạnh 2c: Khối điều khiển SCU. 2d: Vựng dành cho ERG
3: Cỏc bộ phõn tớch 4: Bảng đồng hồ khớ 5: Cụng tắc hệ thống 6: Khối chuẩn đoỏn 7: Cỏc đường khớ và nguồn điện
e. Thiết bị đo độ khúi AVL 439
Cho phộp đo khớ xả trong cả hai trạng thỏi tĩnh và động Sai số 0.1%
Sử dụng biện phỏp đo liờn tục
Cho phộp kết nối với thiết bị ngoài (PUMA) qua đường dữ liệu nối tiếp RS232 Cơ chế tự động bỏo lỗi và chuẩn đoỏn lỗi
Hỡnh 3.6. Thiết bị đo độ khúi
* Nguyờn lý hoạt động của cỏc bộ phõn tớch
Toàn bộ hệ thống phõn tớch khớ xả được thiết lập theo một hệ thống cỏc quy ước hoàn chỉnh giỳp cho sự điều khiển và thử nghiệm là tốt nhất. Để làm được điều này cỏc nhà khoa học đó nghiờn cứu vị trớ lắp đặt cỏc ổ đo sao cho vị trớ đo cú ảnh hưởng tốt nhất tới kết quả. Thụng thường đầu đo lắp đặt để đo CO, NOx, O3, HC.
+ Nguyờn lý làm việc của bộ phõn tớch CO * Cấu tạo của hệ thống đo CO
41
Hỡnh 3.7 Sơ đồ cấu tạo của bộ phõn tớch CO
Dụng cụ để phõn tớch là một thiết bị đo bằng tia hồng ngoại, nú bao gồm: 1. Một buồng phỏt tia hồng ngoại.
2. Màn chắn.
3. Đĩa khoột cỏc rónh. 4. Buồng chứa khớ mẫu.
5. Buồng chứa khớ CO được ngăn chắn bằng một màng cao su. 6. Thiết bị đo độ vừng của màn.
7. Buồng chứa khớ CO được ngăn bằng một tấm màng cao su. 8. Buồng chứa khớ mẫu.
* Nguyờn lý hoạt động
CO hấp thụ bức xạ hồng ngoại ở bước súng khoảng 4,7àm vỡ thế sự cú mặt và nồng độ của CO cú thể xỏc định bởi sự gión nở của CO tại buồng đo khi cú tia hồng ngoại đi qua.
Khi cần đo lượng CO cú trong khớ mẫu, khớ mẫu được đưa vào buồng (4). Sau đú cho đốt đốn hồng ngoại (1). Tia hồng ngoại đi qua buồng (4) và buồng (8), do buồng (4) cú CO nờn một phần tia hồng ngoại bị hấp thụ, cũn buồng (8) chỉ cú chứa N2 vỡ vậy tia hồng ngoại đi qua hoàn toàn. Để lượng hồng ngoại đi qua hai buồng là như nhau đĩa (3) được điều khiển quay, trờn đĩa (3) cú xẻ cỏc rónh sao cho thời gian cho tia hồng ngoại qua rónh trong và rónh ngoài là bằng nhau. Sau khi đi qua hai buồng (4) và (8), tia hồng ngoại tới buồng (5) và buồng (7). Trong hai
42
buồng này cú chứa toàn CO, lỳc này tia hồng ngoại sẽ bị hấp thụ hoàn toàn bởi CO và làm tăng nhiệt độ của khối khớ trong buồng (5) và buồng (7), tương ứng với sự tăng nhiệt độ là sự tăng ỏp suất. Hai buồng (5) và (7) được ngăn cỏch với nhau bằng một màng cao su. Trong hai chựm tia hồng ngoại thỡ chựm tia hồng ngoại đi qua buồng (4) đó bị hấp thụ một phần tại đú vỡ vậy sự hấp thụ tia hồng ngoại tại buồng (5) ớt hơn buồng (7) do đú cú sự chờnh lệch ỏp suất giữa hai buồng. Sự chờnh lệch ỏp suất này làm cho màng cao su bị cong, tiến hành đo độ cong cú thể tớnh được độ chờnh lệch ỏp suất. Qua tớnh toỏn chờnh ỏp suất sẽ biết được lượng CO đó hấp thụ tia hồng ngoại. Lượng CO đú chớnh là lượng CO cú trong khớ xả.
+ Nguyờn lý làm việc của bộ phõn tớch NO và NOx. * Cấu tạo của hệ thống đo NO và NOx.
Dụng cụ đo là thiết bị xỏc định cường độ ỏnh sỏng, nú bao gồm cỏc chi tiết chớnh:
1: Khớ ụzụn được sinh ra nhờ một thiết bị tạo ụzụn trong khụng khớ. 2: Bộ phận chuyển đổi NO2 thành NO.
3: Buồng phản ứng đo NOx cú cỏc đường dẫn khớ ụzụn và khớ mẫu. 4: Buồng phản ứng đo NO cú cỏc đường dẫn khớ ụzụn và khớ mẫu. 5: Bộ phận hủy ụzụn trước khi đưa ra ngoài mụi trường.
6: Bộ phận đo cường độ sỏng.
43
* Nguyờn tắc hoạt động
Thiết bị hoạt động dựa vào hiện tượng khớ quang húa để xỏc định hàm lượng NO và NOx. Thực chất phương phỏp này là đo cường độ ỏnh sỏng do cỏc phần tử NO2 hoạt tớnh sinh ra. NO2 hoạt tớnh được tạo ra trong buồng phản ứng qua phản ứng sau:
NO + O3 = NO2* + O2
Khụng khớ được đưa vào một đường và được cho qua bộ tạo ụzụn, O2 trong khụng khớ được tạo thành O3 nhờ tia lửa điện và được đưa đến buồng phản ứng.
Để đo lượng NO cú trong khớ xả, khớ xả được đưa trực tiếp vào buồng phản ứng. Trong buồng phản ứng cú O3 vỡ vậy một phần NO cú trong khớ xả mẫu sẽ phản ứng với O3 và tạo ra NO2, NO2 hoạt tớnh tồn tại khụng lõu trong điều kiện bỡnh thường vỡ vậy nú sẽ tự động chuyển về NO2 khụng hoạt tớnh bằng cỏch phúng đi một phần năng lượng dưới dạng tia sỏng. Đo cường độ tia sỏng thu được và dựa vào đú để xỏc định lượng NO phản ứng. Từ lượng NO phản ứng cú thể tớnh ra lượng NO cú trong khớ xả mẫu.
Để đo lượng NOx cú trong khớ xả mẫu, cho tất cả khớ xả mẫu đi qua một bộ chuyển đổi từ NO2 thành NO. Phần lớn NO2 chuyển đổi thành NO, sau đú tất cả khớ xả đó qua chuyển đổi được đưa tới buồng phản ứng. Tương tự như với NO, trong buồng phản ứng một lượng NO cú trong khớ xả sẽ phản ứng với O3 và tạo thành NO2 hoạt tớnh. NO2 hoạt tớnh cú năng lượng cao sẽ chuyển về mức năng lượng thấp và phỏt ra ỏnh sỏng, căn cứ vào cường độ ỏnh sỏng thu được ta tớnh ra được lượng NOx cú trong khớ xả.
Trong tất cả cỏc phản ứng của bộ phõn tớch NO và NOx đều xảy ra với hiệu suất nhất định. Do đú để biết được chớnh xỏc lượng chất NO và NOx cú trong khớ xả ta phải xỏc định được hiệu suất của phản ứng. Muốn vậy ta phải biết được lượng chất tham gia phản ứng. Chớnh vỡ vậy trong hệ thống CEBII cú một bộ phận đo hiệu suất phản ứng tạo O3 và hiệu suất phản ứng tạo NO.
44
* Cấu tạo của hệ thống đo O2.
Hỡnh 3.9 Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo O2
Dụng cụ đo O2 là một hệ thống bao gồm cỏc chi tiết: 1: Một bộ nam chõm vĩnh cửu
2: Một con lắc cú thể quay trong mặt phẳng nằm ngang được đặt trong từ trường của nam chõm. Giữa con lắc cú gắn một tấm gương phản chiếu tia sỏng.
3: Một màn hứng tia sỏng từ màn. 4: Một đốn photodiot.
5: Một bộ nhõn lệnh từ bộ xử lý và điều khiển gương. 6: Một bộ xử lý tớn hiệu.
7: Một bộ chuyển đổi tớn hiệu điện thành tớn hiệu số. 8: Một bộ đỏnh giỏ so sỏnh sự sai lệch của hai màn chắn.
* Nguyờn lý hoạt động
Bộ phận đo O2 dựa trờn nguyờn tắc: khi cho một luồng khớ O2 đi vào trong từ trường của một nam chõm thỡ cỏc phần tử O2 và cỏc hạt bụi sắt sẽ bị hỳt vào trong cũn cỏc phõn tử nước sẽ bị đẩy ra ngoài.
Ban đầu cho một luồng khớ cú chứa O2 đi vào dọc theo chiều của nam chõm. Cỏc phõn tử O2 sẽ bị hỳt vào giữa từ trường, sự di chuyển đú tạo ra một dũng khớ. Tại giữa của từ trường cú một con lắc, dưới tắc dụng của dũng O2, con lắc chịu một lực tỏc dụng làm cho lệch đi một gúc nào đú.
45
Khi cú dũng khớ đi vào từ trường, thỡ đốn photodiot cũng được hoạt động, nú tạo ra một tia sỏng chiếu đến tấm gương gắn trờn con lắc, tia sỏng sẽ bị phản chiếu lại thành hai tia và bị chắn bởi màn chắn. Màn chắn cũng là một photodiot, nú cho dũng điện đi qua nhiều hay ớt tựy thuộc vào cường độ ỏnh sỏng chiếu đến. Do tấm gương bị lệch vỡ thế hai tia sỏng tới màn chắn là khỏc nhau, từ đú dũng điện đi qua cũng khỏc nhau.
Dũng điện đi qua hai màn chắn được đưa đến bộ so sỏnh. Bộ so sỏnh đỏnh giỏ hai dũng điện và đưa ra một giỏ trị điện gửi tới bộ chuyển đổi. Tại bộ chuyển đổi này giỏ trị điện sẽ chuyển thành tớn hiệu số và đưa tới bộ phõn tớch.
Bộ phõn tớch nhận tớn hiệu và phõn tớch đỏnh giỏ, đưa ra cỏc chỉ thị gửi tới bộ phận chấp hành tỏc dụng một lực điều khiển tấm gương.
Tấm gương được điều khiển cho tới khi hai tia sỏng cú cường độ như nhau, thỡ khi đú cỏc bộ phận mới thụi khụng điều chỉnh, bộ phận chấp hành giữ nguyờn lực tỏc dụng. Đo lực tỏc dụng, qua đú cú thể phõn tớch đỏnh giỏ ra giỏ trị của lượng O2 cú trong luồng khớ thổi vào.
+ Nguyờn lý làm việc của hệ thống đo CnHm
Hệ thống đo HC dựa vào hiện tượng khớ hydrocacbon (CnHm) chỏy trong mụi trường đặc biệt sẽ tạo ra cỏc ion. Đo lượng ion qua đú cú thể xỏc định được lượng HC.
* Cấu tạo của hệ thống đo CnHm
Hệ thống đo HC cú sơ đồ nguyờn lý như hỡnh dưới. Nú bao gồm cỏc thành phần sau:
1. Hệ thống cú ba đường dẫn khớ vào. Một là đường dẫn khớ mẫu vào, hai là đường dẫn khớ chỏy (hỗn hợp H/He), ba là đường khớ tạo mụi trường chỏy.
2. Một buồng phản ứng cú gắn cảm biến nhiệt độ. 3. Một bộ đỏnh lửa để sinh tia lửa mồi.
4. Một cặp cực điện được nối với một bộ khuyếch đại và một bộ đo điện ỏp. 5. Một bộ cảm biến nhiệt độ PT100.
46
Cảm biến nhiệt độ T100 Luồng khí nén
190độ C
áp suất chính xác 580mbar
Đo điện áp
Bộ khuyếch đại
áp suất vào 680mbar
Hỗn hợp H/He (1050mbar) Khí tạo môi trƯờng cháy
(Symthetic Air)
Khí mẫu chứa HC
Hỡnh 3.10 Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo CnHm
* Nguyờn lý hoạt động
Khớ mẫu cần đo được đưa vào hệ thống với ỏp suất 580mbar và lưu lượng 1500 l/h. Nú được hũa trộn với khớ chỏy (hỗn hợp H2/He) được đưa vào ở đường ống thứ hai. Khớ chỏy cú ỏp suất là 1050mbar, cú lưu lượng là 30 l/h. Khớ mẫu và khớ chỏy được trộn với nhau và đưa vào buồng chỏy với ỏp suất là 680mbar.
Trong buồng phản ứng hỗn hợp khớ (20% O2, 80% N2) được bơm vào làm mụi trường chỏy. Khi khớ mẫu và khớ chỏy được đưa vào, bộ đỏnh lửa bật tia lửa đốt chỏy. Trong điều kiện như vậy khớ HC khụng chỏy mà bị bẻ góy thành cỏc ion.
Cỏc ion sinh ra trong mụi trường cú từ trường của cặp điện cực, nú sẽ bị hỳt về hai bản cực và tạo thành dũng điện trong mạch. Dũng điện được khuyếch đại khi đi qua bộ khuyếch đại và được đưa tới bộ đo điện ỏp.
Khớ chỏy được hỳt ra nhờ độ chõn khụng ở đầu ra. Độ chõn khụng này được sinh ra do luồng khớ nộn thổi qua tại miệng hỳt.
Dựa vào cường độ dũng điện sinh ra cú thể đỏnh giỏ được lượng HC cú trong khớ mẫu.
Khi đo lượng HC cú trong khớ xả động cơ, cỏc điều kiện đo rất được chỳ ý. Áp suất đầu vào phải đảm bảo chớnh xỏc, lưu lượng phải vừa đủ. Cú như vậy thỡ quỏ trỡnh đo mới đỳng. Hệ thống sẽ đỏnh lửa 10 lần, trong 10 lần đú mà cỏc điều kiện
47
khụng đảm bảo thỡ hệ thống sẽ khụng đo được. Sau 10 lần đỏnh lửa mà khụng đo được thỡ hệ thống sẽ dừng lại và yờu cầu cú sự kiểm tra sửa chữa.
3.3 Phương phỏp thử nghiệm
Thử nghiệm được tiến hành trờn động cơ với 3 loại nhiờn liệu khỏc nhau: - Nhiờn liệu diesel thụng thường
- Nhiờn liệu hỗn hợp cú thành phần thể tớch là 90% diesel thường và 10% dầu dừa - Nhiờn liệu hỗn hợp cú thành phần thể tớch là 80% diesel thường và 20% dầu dừa Chế độ làm việc của động cơ:
- Giữ cố định thụng số của quỏ trỡnh cung cấp nhiờn liệu: * gct =30mm3
* pphun =800MPa * phun = 12o.
- Tốc độ thay đổi từ 1400 vũng/phỳt – 2100 vũng/phỳt.
So sỏnh đối chứng cỏc thụng số kinh tế kỹ thuật của động cơ và chất lượng khớ thải đo được để rỳt ra kết luận về ảnh hưởng của nhiờn liệu diesel pha với dầu dừa.
3.4 Quy trỡnh thử nghiệm
Nhiờn liệu diesel sinh học cú nguồn gốc khỏc nhau và tớnh chất khỏc nhau do đú mức độ ảnh hưởng tới tớnh năng kinh tế, kỹ thuật, phỏt thải và độ bền của động cơ diesel cũng khỏc nhau. Thử nghiệm được tiến hành trờn động cơ với 3 loại nhiờn liệu khỏc nhau.
- Nhiờn liệu diesel thụng thường (ký hiệu là DO).
- Nhiờn liệu hỗn hợp cú thành phần thể tớch là 90% diesel thường và 10% dầu dừa (ký hiệu là B10).
- Nhiờn liệu hỗn hợp cú thành phần thể tớch là 80% diesel thường và 20%