3. Nội dung và phương phỏp nghiờn cứu
3.2Trang thiết bị thử nghiệm
3.2.1 Động cơ thử nghiệm
Động cơ được sử dụng cho nghiờn cứu này là động cơ chuyờn phục vụ nghiờn cứu trong phũng thớ nghiệm AVL 5402. Đõy là động cơ 1 xylanh 4 kỳ khụng tăng ỏp. Động cơ này cú kết cấu đơn giản và trang bị đầy đủ cỏc thiết bị đo ỏp suất khớ thể trong xi lanh, trang bị ECU mở cú thể thay đổi chớnh xỏc cỏc thụng số điều chỉnh (gúc phun sớm, ỏp suất phun, lượng nhiờn liệu phun...) theo yờu cầu đỏp ứng được cỏc mục đớch thớ nghiệm khỏc nhau. Nắp động cơ cú thể được thay đổi tựy theo mục đớch thớ nghiệm, chẳng hạn như thớ nghiệm đo diễn biến quỏ trỡnh hỡnh thành hỗn hợp và chỏy trong xylanh thỡ người ta cú thể thay nắp mỏy bằng một nắp mỏy khỏc cú gắn đầu nội soi. Ngoài ra, động cơ này cú thể cho phộp thay đổi tỷ số nộn hoặc cho phộp dễ dàng lắp đặt cỏc thiết bị đo cỏc thụng số…Về kết cấu phối khớ, động cơ cú 2 trục cam trờn đỉnh dẫn động 4 xupap. Đối với hệ thống nhiờn liệu thỡ động cơ này sử dụng hệ thống nhiờn liệu tớch ỏp CR.
*Cỏc thụng số kỹ thuật của động cơ :
- Số xylanh : 1
- Đường kớnh xylanh : 85 mm - Hành trỡnh piston : 90 mm - Dung tớch cụng tỏc : 510.7 cm3
- Tỷ số nộn : 17,1:1
- Số van trờn xylanh : 4 (2 nạp, 2 thải) - Cụng suất (khụng tăng ỏp) : 8 kW
- Tốc độ định mức : 3000v/p
- Nhiờn liệu : Diesel
- Hệ thống nhiờn liệu : Phun trực tiếp (1 vũi phun)
- Hệ thống phun : Common Rail CP1 (của hóng BOSCH) - Hệ thống điều khiển động cơ : EDC 15-C6-350+ETK7
- Áp suất trong xilanh : 150 bar - Gúc mở sớm xupap nạp : α1 = 80
- Gúc đúng muộn xupap nạp : α2 = 460
- Gúc mở sớm xupap thải : β1 = 520
- Gúc đúng muộn xupap thải : β2 = 180
350 473
Hỡnh 3.2. Mặt cắt ngang động cơ 1 xylanh
3.2.2 Nhiờn liệu thử nghiệm
Nhiờn liệu thử nghiệm trong nghiờn cứu này là nhiờn liệu diesel thương mại 0,05%S và hỗn hợp biodiesel dầu cọ pha trộn với nhiờn liệu diesel thương mại núi trờn với tỷ lệ biodiesel trong hỗn hợp là 5% và 10%, gọi chung là biodiesel B5 và biodiesel B10. Như vậy là cú 3 mẫu nhiờn liệu phục vụ thử nghiệm là diesel 0,05%S, biodiesel B5 và biodesel B10.
Nguồn cung cấp chớnh của loại biodiesel này hiện nay là Malaysia, Indonesia, Thỏi Lan và tương lai cú thể là Việt Nam…nơi cõy cọ dầu rất thớch hợp với thời tiết và thổ nhưỡng, rẻ tiền, được trồng dễ dàng và năng xuất dầu cao, nhiờn liệu sinh học từ dầu cọ cú tiềm năng lớn. Ở Việt Nam, vựng đất trung du Phỳ Thọ lớn rất thớch hợp trồng cõy cọ dầu và chớnh phủ cũng đang quan tõm đến phỏt triển và sử dụng nhiờn liệu sinh học nờn việc sản xuất và sử dụng nhiờn liệu biodiesel dầu cọ ở đõy sẽ cú vai trũ quan trọng.
Hỡnh 3.3. Cõy cọ dầu ở Phỳ Thọ và cỏc nước Đụng Nam Á
Để đỏnh giỏ khả năng ứng dụng của biodiesel dầu cọ trờn động cơ diesel cỏc thử nghiệm với nhiờn liệu này được thực hiện trờn động cơ diesel trang bị hệ thống cung cấp nhiờn liệu cao ỏp kiểu common rail 5402 núi trờn tại phũng thớ nghiệm động cơ đốt trong, Trường Đại Học Bỏch Khoa Hà Nội.
Bảng 3.1: Tớnh chất của cỏc mẫu nhiờn liệu
Mẫu nhiờn Liệu Thụng số Nhiệt trị (kJ/kg) Độ nhớt tại 40oC (cSt) Khối lượng riờng (g/cm3) Thành phần chưng cất Số xờtan T0 T10 T50 T90 Diesel 45073 3.515 0.8477 164 222 296 350 51.0 B5 44672 3.554 0.8490 170 226 294 350 51.3 B10 44601 3.585 0.8498 166 226 298 346 51.5
Trước khi thử nghiệm trờn động cơ, cỏc mẫu nhiờn liệu này được đưa đi phõn tớch tại Phũng thớ nghiệm húa dầu, Trường Đại Học Bỏch Khoa Hà Nội để xỏc định cỏc thụng số chớnh như trị số cetane, độ nhớt, nhiệt trị… Kết quả phõn tớch được chỉ ra ở bảng 3.1 Cú thể thấy, việc tăng tỷ lệ biodiesel trong hỗn hợp nhiờn liệu (đến 10%) sẽ làm nhiệt trị giảm đi một chỳt, khối lượng riờng, độ nhớt và trị số cetane tăng một chỳt vỡ bản thõn nhiờn liệu biodiesel dầu cọ cú nhiệt trị thấp hơn nhiệt trị
của nhiờn liệu diesel húa thạch, cú tỷ trọng và độ nhớt cao hơn tỷ trọng và độ nhớt của nhiờn liệu diesel húa thạch.
3.2.3 Băng thử AVL và cỏc thiết bị đi kốm
Hệ thống băng thử (hỡnh 3.4) gồm cỏc trang thiột bị cơ bản sau: - Động cơ một xilanh.
- Dyno AMK
- Hệ thống làm mỏt dầu bụi trơn và nước làm mỏt AVL577 - Thiết bị đo tiờu hao nhiờn liệu Fuel Balance 733s (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Thiết bị đo độ mờ xỏc đinh nồng độ PM, Opacimeter 439 - Tủ phõn tớch khớ xả CEB II
- Cơ cấu điều khiển tải THA100
- Hệ thống điều khiển băng thử với phần mềm PUMA (hỡnh 3.5) - Hệ thống điều khiển ECU động cơ với phần mềm INCA
- Hệ thống chụp ảnh trong buồng chỏy động cơ với phần mềm Visioscop
Hỡnh 3.4. Băng thử AMK cựng động cơ và cỏc trang thiết bị thớ nghiệm đi kốm
a) Phanh điện AMK
Cụm phanh điện thực chất là dạng mỏy phỏt điện, trong đú từ trường tương hỗ giữa roto và stato tạo ra momen cản với roto và cõn bằng với mụmen dẫn động từ roto (roto của cụm phanh được nối với trục dẫn động từ động cơ) cường độ từ trường tương hỗ giữa roto và stato được điều chỉnh để tăng hoặc giảm momen cản trờn trục dẫn động từ động cơ. Khả năng thay đổi momen phanh thớch hợp cho việc điều khiển tự động ở cỏc chế độ thử của động cơ.
Cụm phanh cú chức năng là làm việc ở chế độ mỏy phỏt (phanh đối với động cơ) và chế độ động cơ (kộo động cơ quay)
Ngoài ra cụng suất động cơ được hấp thụ và biến đổi thành năng lượng điện trong thiết bị (phanh). Dũng điện này qua bộ biến tần và được đưa ra ngoài.
b) Hệ thống làm mỏt dầu bụi trơn, AVL 554
Cụm làm mỏt dầu bụi trơn (hỡnh 3.6) cú cỏc thụng số như sau: Nước làm mỏt: nhiệt độ 20 ữ 1500C, ỏp suất 2 ữ 9 bar.
Theo tiờu chuẩn về thử nghiệm động cơ cũng như về khớ thải đều cú yờu cầu về nhiệt dầu bụi trơn. Cụm làm mỏt dầu cú chức năng giữ ổn định nhiệt dầu bụi trơn.
Hỡnh 3.5. Phũng điều khiển và tủ phõn tớch khớ CEBII
Gas analyzer
Hỡnh 3.6. Cụm làm mỏt dầu bụi trơn AVL554 và sơ đồ nguyờn lý
Khi dầu bụi trơn đi làm việc tiếp xỳc với cỏc bề mặt ma sỏt và nhận nhiệt làm dầu núng lờn. Khi nhiệt độ dầu bụi trơn tăng cao sẽ làm giảm độ nhớt. Điều này sẽ hạn chế khả năng bụi trơn. Vỡ vậy, cụm làm mỏt dầu cú tỏc dụng làm mỏt để duy trỡ nhiệt độ dầu bụi trơn ổn định ở chế độ làm việc. Khi động cơ bắt đầu làm việc ở mụi trường cú nhiệt độ thấp, lỳc này động cơ cũn nguội. Nhiệt độ dầu bụi trơn thấp dẫn đến khú lưu động trong hệ thống bụi trơn do độ nhớt quỏ cao làm ảnh hưởng đến chất lượng bụi trơn. Vỡ vậy lỳc này cần hõm núng dầu trước khi khởi động.
Cỏc van được điều khiển bằng điện và bằng khớ nộn sẽ đúng mở để cho nước qua nhiều hay ớt, đảm bảo nhiệt độ độ dầu theo yờu cầu.
c) Hệ thống làm mỏt, AVL 577
Thiết bị làm mỏt AVL 577 (hỡnh 3.7) cú nghiệm vụ điều khiển nhiệt độ của nước làm mỏt (ở băng thử động cơ nhiều xilanh nhiệm vụ này được thực hiện bởi hai thiết bị là 553 và 554). Đõy là một thụng số quan trọng giỏm sỏt quỏ trỡnh hoạt động của băng thử. Tựy theo yờu cầu của PUMA mà thiết bị này phải điều chỉnh để cú nhiệt độ nước làm mỏt phự hợp.
d) Hệ thống làm mỏt nhiờn liệu, AVL 753
Hệ thống nhiờn liệu (hỡnh 3.8) cú nhiệm vụ duy trỡ nhiệt độ nhiờn liệu ổn định để đảm bảo lưu lượng khối lượng của nhiờn liệu tiờu hao được đo chớnh xỏc.
Nhiệt độ nhiờn liệu trong hệ thống khụng giống như nhiệt độ nhiờn liệu trờn đường cung cấp do cú đường nhiờn liệu hồi mang nhiệt từ động cơ về. Do đú mật độ nhiờn liệu thay đổi làm sai lệch kết quả đo. AVL753 cú nhiệm vụ điều hoà lại nhiệt độ dầu. Ngoài ra AVL753 cũn đảm bảu lưu lượng nhiờn liệu cung cấp cho động cơ. AVL753 dựng nước vũng ngoài làm mỏt lượng nhiờn liệu đó được định sẵn từ cõn nhiờn liệu. Trờn đường cung cấp cho động cơ bố trớ bơm để đảm bảo lưu lượng nhiờn liệu cấp cho động cơ ổn định.
Hệ thống gồm cỏc bộ phận theo chỳ thớch trờn hỡnh 3.9 như sau: 1,4,8,11. Van
2 . Áp kế đo ỏp suất nước làm mỏt ra (06 bar) 3. Áp suất nước làm mỏt vào (06 bar)
5. Áp kế đo ỏp suất nhiờn liệu hồi (02 bar)
6. Hệ thống giữ ổn định nhiệt độ nhiờn liệu AVL 753 7. Cõn nhiờn liệu 733S 9. Lọc thụ 10. Lọc tinh 12. Thựng nhiờn liệu 13. Lọc nhiờn liệu 14. Động cơ A. Nhiờn liệu đến B. Nhiờn liệu hồi C.Nhiờn liệu hồi D...Nhiờn liệu đến E...Nước làm mỏt vào F...Nước làm mỏt ra G...Nhiờn liệu cung cấp H,J...Nhiờn liệu thừa
a...Nhiờn liệu hồi từ động cơ b...Nhiờn liệu đến động cơ c...Ống thụng hơi
d...Nhiờn liệu đến động cơ e...Nhiờn liệu thừa
g) Hệ thống điều khiển băng thử
PUMA.: Mọi hoạt động của băng thử đều được điều khiển giỏm sỏt bởi hệ thống PUMA với phần mềm cựng tờn, một lại phần mềm viết cho cỏc băng thử. Băng thử động cơ một xilanh được trang bị phiờn bản PUMA 5.6. Bản thõn PUMA cú một hệ thống cỏc cảm biến cực nhạy dựng để đo nhiệt độ, ỏp suất… Cỏc cảm biến này liờn kết với phần mềm PUMA qua cỏc FEM chuyển đổi tớn hiệu số và tớn hiệu tương tự. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Phần mềm INCA: Đõy là chương trỡnh điều khiển ECU của động cơ . Phần mềm này cú thể can thiệp trực tiếp và tức thời đến cỏc thụng số của động cơ nhất là quỏ trỡnh chỏy thụng qua việc điều chỉnh gúc phun sớm . lượng phun mồi, thời diểm phun… Đõy là điểm khỏc biệt cơ bản giữa băng thử một xilanh và băng thử động lực học cao.
3.2.4 Thiết bị đo tiờu hao nhiờn liệu
a) Đặc điểm cấu tạo
Hỡnh 3.9 là thiết bị đo tiờu hao nhiờn liệu 733S của hóng AVL. Về đặc điểm kết cấu, thiết bị đo tiờu hao nhiờn liệu gồm cú cỏc bộ phận như bỡnh chứa nhiờn liệu đo (Measuring vessel), cỏc đường ống cấp nhiờn liệu từ thựng chứa vào bỡnh, đường dẫn nhiờn liệu từ bỡnh tới động cơ, đường nhiờn liệu hồi từ động cơ về bỡnh và ống thụng hơi của bỡnh đo. Bỡnh được treo lờn một đầu của thanh cõn (Measuring beam), đầu cũn lại nối với với cơ cấu giảm chấn thủy lực (Hydraulinh damping device) nhằm giảm chấn trong quỏ trỡnh đo. Để đo tiờu hao nhiờn liệu, người ta sử dụng cảm biến điện dung (Capacitive sensor). Cảm biến này dựa trờn nguyờn lý đo sự thay đổi điện thế giữa 2 tấm bản cực do thay đổi diện tớch chung của 2 tấm bản cực khi cú sự thay đổi lực tỳ của thanh cõn lờn cảm biến.
Hỡnh 3.9. Thiết bị đo tiờu hao nhiờn liệu AVL-733S
Hỡnh 3.10. Sơ đồ nguyờn lý đo tiờu hao nhiờn liệu AVL-733S
b) Nguyờn lý đo
Hỡnh 3.10 là sơ đồ nguyờn lý đo tiờu hao nhiờn liệu. Bắt đầu quỏ trỡnh đo, nhiờn liệu được cấp vào thựng đo. Lỳc này lực tỳ lờn cảm biến điện dung là lớn nhất. Van điện từ (Filling solenoid valve) đúng lại khụng cho dũng nhiờn liệu vào
thựng đo trong khi đường cấp vào động cơ vẫn mở. Đồng thời, với quỏ trỡnh đú, bộ phận đếm thời gian hoạt động. Khi nhiờn liệu trong thựng chảy hết đồng nghĩa với việc lực tỳ lờn cảm biến điện dung bằng 0. Tức là quỏ trỡnh đo đó kết thỳc. Dựa vào kết quả thu thập được sẽ tớnh ra lượng nhiờn liệu tiờu thụ của động cơ
3.2.5 Thiết bị đo ỏp suất khớ thể trong xi lanh
Việc đo ỏp suất khớ thể trong xi lanh nhằm thụng qua diến biến ỏp suất chỏy trong xi lanh để phõn tớch ảnh hưởng của biodiesel đến đặc tớnh chỏy của động cơ và do đú ảnh hưởng đến cỏc chỉ tiờu kinh tế, kỹ thuật và phỏt thải của động cơ để từ đú thay đổi thụng số điều chỉnh như gúc phun sớm cho phự hợp. Đầu đo ỏp suất kiểu piezoelectric (đầu cảm biến ỏp suất thạch anh theo nguyờn lý sinh điện) được thực hiện để đo ỏp suất thay đổi trong xi lanh động cơ.
Nguyờn lý làm việc của cảm biến ỏp suất kiểu sinh điện và sơ đồ cấu tạo của đầu đo ỏp suất loại này được chỉ ra trờn sơ đồ (Hỡnh 3.11) khi tấm tinh thể thạch anh (SiO2) bị ộp bởi một lực (do ỏp suất sinh ra) thỡ chỳng biến dạng và sinh ra giữa 2 cực cỏc điện tớch trỏi dấu tỷ lệ với độ lớn của lực tỏc dụng. Bề mặt tinh thể chớnh diện với lực tỏc dụng thỡ mang điện tớch õm, cũn bề mặt đối diện thỡ mang điện tớch dương. Điện tớch này được biến đổi thành tớn hiệu điện ỏp, được khuyếch đại và đo để xỏc định độ lớn của lực tỏc dụng. Đầu cảm trờn sơ đồ (hỡnh 3.11b) cú đường nước lưu thụng làm mỏt tinh thể thạch anh nờn đầu cảm cú thể được dựng để đo ỏp suất trong mụi trường nhiệt
Đường nước làm mỏt Điện cực Đĩa thạch anh Màng kim loại (b)
Hỡnh 3.11. Sơ đồ nguyờn lý cảm biến ỏp suất (a) và sơ đồ cấu tạo đầu đo ỏp suất (b) của hóng AVL (1. Tinh thể thạch anh; 2. Đĩa ộp)
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - p p 2 1 (a)
độ cao mà vẫn duy trỡ được nhiệt độ của tinh thể thạch anh khụng vượt quỏ nhiệt độ cho phộp do vậy mở rộng được phạm vi nhiệt độ của mụi trường đo.
Trong kết cấu hỡnh 3.11, phần cảm thạch anh được ộp trong một ống kim loại để gõy một tải ban đầu lờn chỳng để đảm bảo nú làm việc ổn định ngay cả khi ỏp suất thấp. Trong ống cú đĩa kim loại dày để bự trừ gión nở nhiệt của ống khi nhiệt độ thay đổi. Khi nhiệt độ tăng, ống kim loại gión ra cú su hướng làm giảm ỏp lực lờn cỏc tinh thể thạch anh nhưng khi đú cỏc đĩa kim loại cũng gión ra và lại cú su hướng tăng lực ộp lờn cỏc tinh thể thạch anh. Cỏc tỏc dụng này được bự trừ lẫn nhau nờn đầu cảm ớt bị ảnh hưởng do gión nở nhiệt của ống bọc khi nhiệt độ thay đổi. Tớn hiệu ra của cỏc đầu cảm được lấy ra từ cực giữa, cũn cực õm hay cực mỏt chớnh là thõn của đầu cảm.
Bảng 3.2: Thụng số kỹ thuật của một số đầu đo ỏp suất kiểu sinh điện của hóng AVL
Mó hiệu đầu đo Số liệu kỹ thuật
Số liệu kỹ thuật tiờu chuẩn Phạm vi đo (FSO) Qua tải Độ nhạy Độ tuyến tớnh Độ nhạy tăng tốc ỏ 2 trường hợp: - khụng làm mỏt - cú làm mỏt Tần số tự nhiờn Điện dung ỏp suất làm mỏt Mụ men lắp Kớch thước lắp đặt Khối lượng Cỏp Đệm kớn Thụng số nhiệt động Sai lệc do thay đổi nhiệt độ
SS do thay đổi tải dp/dt
Đầu cảm thạch anh dựng để đo ỏp suất khớ thể trong xi lanh động cơ thường cú đường kớnh 5 đến 20 mm, đường kớnh lớn thường dựng cho cỏc đầu cảm dựng nước làm mỏt tinh thể thạch anh.
Sơ đồ lắp đặt hệ thống thiết bị đo ỏp suất khớ thể được mụ tả trờn(hỡnh 3.12). Đầu đo ỏp suất được lắp trờn nắp xi lanh thụng vào buồng chỏy trong khi cảm biến vị trớ gúc quay trục khuỷu được lắp trờn hộp bỏnh đà hướng vào đĩa răng lắp trờn trục khuỷu. Mỏy tớnh dựng để điều khiển quỏ trỡnh đo, hiển thị và xử lý kết quả đo.
Tớn hiệu ỏp suất khớ thể trong buồng chỏy (xi lanh) 1 của động cơ được thu nhận bới cảm biến (đầu đo) ỏp suất thạch anh 2, truyền qua bộ biến đổi và khuyếch