L ỜI CẢM Ơ N ii
4.4.Công thức tính toán và hiệu chỉnh kết quả thực nghiệm 68
i. Mục đ ích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tà 3
4.4.Công thức tính toán và hiệu chỉnh kết quả thực nghiệm 68
4.4.1. Công thức tính hiệu chỉnh giá trị cảm biến lưu lượng
Cảm biến TF-4000 được chế tạo đểđo lưu lượng LPG, kết quả hiện thị của cảm biến được được tính toán theo chếđộ thiết kế. Tuy nhiên, khi sử dụng cảm biến TF- 4000 để đo lưu lượng LPG phun vào động cơ thì giá trị áp suất và nhiệt độ của LPG không như giá trị thiết kế cảm biến. Chính vì thế, để xác định chính xác lưu lượng LPG phun vào động cơ theo chế độ thử nghiệm thì công ty sản xuất cảm biến TF- 4000 Tokyo Keiso[25] đã đưa ra các công thức để hiệu chỉnh lại lưu lượng của cảm biến theo mật độ, áp suất và nhiệt độ sử dụng.
Hệ số hiệu chỉnh lưu lượng theo mật độ:
(4.1)
Trong đó: Cρ - hệ sốảnh hưởng theo mật độ khí tại chếđộ làm việc
ρd - mật độ khí thiết kế cho cảm biến, ρd = 1,293 kg/m3
- 69 -
Hệ số hiệu chỉnh lưu lượng theo áp suất:
(4.2) Trong đó: Cp - hệ sốảnh hưởng theo áp suất tại chếđộ làm việc
pd - áp suất thiết kế cho cảm biến, pd = 0,5 MPa p - áp suất đo được tại chếđộ làm việc (MPa) Hệ số hiệu chỉnh lưu lượng theo nhiệt độ:
(4.3)
Trong đó: CT - hệ sốảnh hưởng theo nhiệt độ tại chếđộ làm việc Td - nhiệt độ tại chếđộ thiết kế cảm biến Td = 200C T - nhiệt độđo được tại chếđộ làm việc (0C)
Lưu lượng LPG phun vào động cơ thực tếđược tính theo công thức:
BHG_đo = BHG_hiển thị . Cρ . Cp . CT (4.4) Trong đó: BHG_đo - lưu lượng LPG thực tếđi qua vòi phun
BHG_hiển thị - lưu lượng LPG do cảm biến TF-4000 hiển thị.
4.4.2. Công thức tính lưu lượng LPG
Trong quá trình thử nghiệm nhiên liệu LPG, do cảm biến lưu lượng TF-4000
được thuê có thời hạn từĐài Loan nên giá trị lưu lượng xác định từ cảm biến TF- 4000 chỉđể hiệu chỉnh lại công thức tính lưu lượng LPG qua vòi phun.
Lưu lượng nhiên liệu LPG phun vào động cơ được tính dựa trên độ chênh áp trước và sau vòi phun, thời gian mở vòi phun trong một chu kỳ làm việc của động cơ và đặc trưng của vòi phun.
Áp dụng công thức Becnuli cho dòng khí trước và sau vòi phun (bỏ qua ảnh hưởng của tổn thất):
(4.5) Trong đó:
Z1, P1, v1 lần lượt là độ cao, áp suất và vận tốc của dòng khí trước vòi phun Z2, P2, v2 lần lượt là độ cao, áp suất và vận tốc của dòng khí sau vòi phun
- 70 -
Coi vòi phun đặt nằm ngang, khi đó cơ: Z1= Z2
Từ phương trình 4.5 ta có: (4.6) Áp dụng phương trình dòng liên tục: Q1=Q2
Æ v2F2=v1F1 (F1,F2: tiết diện mặt cắt trước và sau vòi phun)
Æ thay vào phương trình 4.6 ta có:
Lưu lượng LPG lưu thông qua vòi phun trong một giây là: Qlt = v2F2 =
(4.7)
⇔ Qlt =
(4.8) Thời gian phun LPG vào động cơ được điều khiển từ bộ điều khiển ELC với tổng thời gian phun LPG trong 1 giờ:
T = (4.9)
Trong đó: n - tốc độđộng cơ (v/ph)
∆t - thời gian phun trong mỗi chu kỳ (µs)
Vậy lượng nhiên liệu LPG tiêu thụ trong 1 giờ theo tính toán lý thuyết sau khi
đã hiệu chỉnh lưu lượng là:
BHG_tính = KG. Cρ.Cp.CT.Qlt.T
⇔ BHG_tính = KG. Cρ.Cp.CT. , (Kg/h) (4.10) Trong đó: ∆P(bar) - là chênh áp giữa trước tiết diện trước và sau vòi phun trong quá
trình thử nghiệm
ρ - khối lượng riêng của LPG: ρ = 1,798 kg/m3
- 71 -
toán so với lưu lượng đo được bằng cảm biến Cρ - hệ sốảnh hưởng theo mật độ khí
Cp - hệ sốảnh hưởng theo áp suất CT - hệ sốảnh hưởng theo nhiệt độ
4.5. Kết quả thử nghiệm
4.5.1. Xác định hệ số hiệu chỉnh lưu lượng nhiên liệu phun KG
Hệ số hiệu chỉnh lưu lượng LPG được thực hiện ở áp suất LPG 1bar. Các thử
nghiệm được tiến hành ở các chế độ làm việc của động cơđể xác định hệ số hiệu chỉnh lưu lượng KG theo tải và tốc độ động cơ nhằm phục vụ cho việc tính toán chính xác lưu lượng LPG theo công thứ (4.10) được trình bày ở trên.
Hình 4.11. Hệ số hiệu chỉnh lưu lượng ở chếđộ thử nghiệm 100% và 75% tải
Các chếđộ thử nghiệm được thiết lập theo tốc độ động cơ thay đổi từ 1000 đến 3000 vòng/phút, ở các đặc tính 75% tải và 100% tải:
- Ở chế độ 100% tải: Ban đầu sử dụng nhiên liệu diesel đểđạt 75% công suất cực đại ở các tốc độđộng cơ như trên, sau đó cung cấp nhiên liệu LPG đểđạt 100% công suất cực đại ở chếđộđó (theo đường đặc tính ngoài).
- Tương tự, ởđường đặc tính 75% tải: Động cơđược vận hành với nhiên liệu diesel đểđạt 50% công suất ở các tốc độ nêu trên, sau đó cung cấp nhiên liệu
- 72 -
LPG đểđạt công suất 75% công suất cực đại ở chếđộđó.
Quá trình thử nghiệm sẽđo được lưu lượng LPG thông qua cảm biến TF-4000. Giá trị này được so sánh với giá trị tính toán theo công (4.10), từ đó xác định được hệ số hiệu chỉnh lưu lượng KG.
Kết quả trong bảng 4.1 và đồ thị 4.11 cho thấy giá trị hiệu chỉnh KGở các chế độ 100% và 75% tải là như nhau. Từ các giá trị hiệu chỉnh KG ở hai chế độ thử
nghiệm xây dựng được phương trình hệ số hiệu chỉnh KG theo tải và tốc độ: y= -0,83.ln(x) + 7,744 (4.11) Trong đó: y tương ứng với hệ số hiệu chỉnh lưu lượng KG.
x là tốc độ của động cơở chếđộ tải tương ứng Hệ số đồng dạng R2 = 0,963 cho thấy phương trình (4.11) thể hiện khá chính xác mối quan hệ giữa hệ số hiệu chỉnh KG với tốc độ quay của động cơ. Bảng 4.1. Hệ số hiệu chỉnh lưu lượng LPG tại các chếđộ tải và tốc độ khác nhau Chếđộ 100% tải Chếđộ 75% tải n BHG-tính BHG-đo BHG-tính BHG-đo (vg/ph) (kg/h) (kg/h) KG (kg/h) (kg/h) KG 1000 0.094 0.182 1.9405 0.055 0.107 1.9441 1200 0.117 0.220 1.8833 0.064 0.121 1.8811 1400 0.152 0.246 1.6188 0.094 0.152 1.6267 1600 0.171 0.266 1.5547 0.112 0.174 1.5533 1800 0.182 0.279 1.5364 0.122 0.187 1.5389 2000 0.202 0.258 1.2736 0.141 0.179 1.2727 2200 0.225 0.306 1.3566 0.150 0.203 1.3576 2400 0.224 0.284 1.2668 0.157 0.199 1.2678 2600 0.246 0.292 1.1864 0.172 0.204 1.1861 2800 0.272 0.285 1.0477 0.186 0.195 1.0477 3000 0.292 0.307 1.0514 0.198 0.208 1.0526
4.5.2. Kết quả thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của áp suất phun LPG
4.5.2.1. Đánh giá ảnh hưởng của áp suất phun LPG đến mômen và lượng tiêu thụ
nhiên liệu ở chếđộ mômen lớn nhất Memax
- 73 -
nghiên cứu, động cơđược vận hành ở tốc độ 2000vg/ph, 100% tải. Nhiên liệu được sử dụng lần lượt là đơn nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu diesel/LPG với các áp suất LPG khác nhau.
Trong các thử nghiệm khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG thì tỷ lệ LPG
được tính thông qua tỷ lệ thay thế nhiên liệu diesel ở chế độ thử nghiệm cùng mômen và được xác định theo công thức:
(4.12) Trong đó:
%LPG - Tỷ lệ LPG ở chếđộ thử nghiệm
BHDi(100%) - Lượng tiêu thụ nhiên liệu diesel khi sử dụng đơn nhiên liệu diesel BHDi(Dual) - Lượng tiêu thụ nhiên liệu diesel khi sử dụng lưỡng nhiên liệu
diesel/LPG
Ví dụ, để thay thế 10% diesel khi sử dụng lưỡng nhiên liệu thì ta sẽ giảm lượng nhiên liệu diesel 10% sau đó cung cấp lượng LPG vào để động cơ có cùng mômen với chếđộđơn nhiên liệu, khi đó ta ký hiệu là LPG 10%.
Bảng 4.2. Mômen động cơ ở tốc độ 2000vg/ph khi động cơ sử dụng diesel và sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG ở các giá trị áp suất và tỷ lệ LPG khác nhau
Diesel LPG - 1bar LPG - 1,5bar LPG - 2bar Tỷ lệ thay thế diesel Me (Nm) Me (Nm) So sánh (%) Me (Nm) So sánh (%) Me (Nm) So sánh (%) LPG 0% 29.70 LPG 10% 29.57 -0.45 29.70 0.00 29.63 -0.22 LPG 16% 29.60 -0.34 29.73 0.11 29.70 0.00 LPG 24% 29.60 -0.34 29.63 -0.22 29.63 -0.22 LPG 30% 29.63 -0.22 29.60 -0.34
Kết quả trong bảng 4.2 cho thấy, khi động cơ thử nghiệm ở chế độ sử dụng lưỡng nhiên liệu với các áp suất phun LPG khác nhau luôn đảm bảo được sự tương
đồng về mômen so với trường hợp chỉ sử dụng nhiên liệu diesel. Kết quả sai lệch về
mômen luôn nhỏ hơn 0,5%, và giá trị sai lệch lớn nhất là 0,45% ở tỷ lệ thay thế
- 74 -
Hình 4.12, thể hiện kết quả lượng tiêu thụ nhiên liệu LPG khi phun ở các giá trị
áp suất khác nhau. Với áp suất phun LPG 1bar cho kết quả lượng tiêu thụ LPG nhỏ
nhất ở các tỷ lệ thay thế diesel khác nhau. Như vậy, đểđạt cùng mômen, cùng tỷ lệ
thay thế nhiên liệu diesel như nhau thì với áp suất phun LPG càng cao thì lượng nhiên liệu LPG tiêu thụ càng tăng lên. Điều này có nghĩa là với áp suất phun LPG “dư thừa” (lớn hơn 1bar), một phần LPG đã không tham gia sinh công hoặc có ảnh hưởng không tốt đến quá trình cháy của nhiên liệu diesel. Vấn đề này sẽ được trao
đổi kỹ hơn ở phần phát thải của động cơ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu.
0.15 0.19 0.23 0.28 0.20 0.27 0.30 0.35 0.27 0.34 0.38 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 10% 16% 24% 30%
Tỷ lệ thay thế nhiên liệu Diesel (%)
L ượ ng t iêu t h ụ nh iê n li ệ u LPG (k g/ h)
BH-LPG-1bar BH-LPG-1.5bar BH-LPG-2bar
Hình 4.12. Lượng tiêu thụ LPG ở các giá trị áp suất và tỷ lệ LPG khác nhau
1.54 0 0 0 0 0.000.00 1.44 0.00 1.66 1.63 1.55 1.54 1.47 1.40 1.36 1.59 1.56 1.49 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 0% 10% 16% 24% 30%
Tỷ lệ thay thế nhiên liệu Diesel (%)
L ượ ng t iêu t h ụ nhiên li ệ u (k g/ h)
- 75 -
Hình 4.13. Tổng lượng tiêu thụ nhiên liệu ở các tỷ lệ thay thế diesel khác nhau
Kết quả trên hình 4.13 cho thấy, khi áp suất LPG là 1bar luôn cho giá trị tổng lượng tiêu thụ nhiên liệu Diesel+LPG ở các tỷ lệ LPG khác nhau nhỏ hơn so với khi sử dụng đơn nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, khi sử dụng áp suất LPG là 1,5bar thì với tỷ lệ LPG từ 20% trở lên, giá trị tổng lượng tiêu thụ nhiên liệu Diesel+LPG trong trường hợp sử dụng lưỡng nhiên liệu cũng thấp hơn so với khi sử dụng đơn nhiên liệu.
Như vậy, khi đánh giá ảnh hưởng của áp suất LPG đến khả năng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ thì nên chọn áp suất LPG nhỏ hơn 1,5bar.
4.5.2.2. Đánh giá ảnh hưởng của áp suất phun và lượng LPG thay thế đến phát thải ở chếđộ mômen lớn nhất Memax 1650 1800 1950 2100 2250 2400 2550 2700 2850 3000 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 20% 22% 24% 26% 28% 30%
Tỷ lệ diesel được thay thế
T hành ph ầ n C O (ppm )
CO(1bar) CO(1.5bar) CO(2bar)
Hình 4.14. Kết quảđo khí thải CO ở các tỷ lệ và áp suất LPG khác nhau
Kết quả trên hình 4.14 thể hiện nồng độ phát thải CO của động cơ khi sử dụng
đơn nhiên liệu diesel và khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG với các tỷ lệ thay thế nhiên liệu diesel tương ứng là 10%, 16%, 24% và 30% ở các giá trị áp suất LPG phun vào động cơ khác nhau. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG luôn cho nồng độ phát thải CO thấy hơn khi sử dụng
- 76 -
thấy, với tỷ lệ thay thế đến 26% thì khi sử dụng LPG ở áp suất 1,5bar luôn cho kết quả CO thấp hơn ở các giá trị áp suất LPG 1bar. Tuy nhiên, với tỷ lệ LPG thay thế
lớn hơn 26% thì với áp suất phun 1,5bar phát thải CO cao hơn so với áp suất phun 1bar do hỗn hợp không khí/nhiên liệu nhạt hơn. Hình 1.14 cũng cho thấy ở tỷ lệ
thay thế dưới 16%, áp suất phun LPG cao (2bar) có lợi hơn về mặt phát thải CO nhưng ở tỷ lệ thay thế lớn hơn 16% thì áp suất phun LPG 1bar và 1,5bar có lợi hơn.
Theo kết quả trên hình 4.15 cho thấy, động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG luôn cho nồng độ phát thải độ khói (Smoke) thấp hơn so với trường hợp
đơn nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, với các tỷ lệ thay thế diesel khác nhau thì độ khói khi sử dụng LPG ở áp suất 1,5bar thường cho giá trị cao hơn ở các giá trị áp suất 1bar và 2bar, mặc dù mức chênh lệch độ khói trong 3 trường hợp áp suất phun LPG khác nhau có chênh lệch không đáng kể.
2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 20% 22% 24% 26% 28% 30%
Tỷ lệ diesel được thay thế
Thành ph ầ n Sm ok e (ppm )
Smoke(1bar) Smoke(1.5bar) Smoke(2bar)
Hình 4.15. Kết quảđo khí thải Smoke ở các tỷ lệ và áp suất LPG khác nhau
Kết quả trên hình 4.16 thể hiện nồng độ phát thải HC của động cơ khi sử dụng
đơn nhiên liệu diesel và khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG với các tỷ lệ thay thế nhiên liệu diesel và ở các giá trị áp suất LPG phun vào động cơ khác nhau. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG luôn cho nồng độ phát thải HC cao hơn so với trường hợp chỉ sử dụng đơn nhiên liệu. Do
- 77 -
hỗn hợp LPG, không khí được hình thành từ bên ngoài động cơ nên nếu góc trùng
điệp của xupap không phù hợp, rất có thể sẽ có một lượng LPG sẽ tham gia vào quá trình quét khí và được quét ra ngoài đường thải, không tham gia vào phản ứng cháy, làm cho phát thải HC tăng. Mặt khác, do hỗn hợp LPG và không khí được hình thành từ bên ngoài, một lượng hỗn hợp này di chuyển vào các khe kẽ, nơi điều kiện bốc cháy hạn chế nên lượng phát thải HC tăng so với khi sử dụng đơn nhiên liệu diesel. Điều này càng được khẳng định khi lượng LPG tăng thì nồng độ HC trong các khe kẽ càng lớn, dẫn tới phát thải HC tăng như thể hiện trên Hình 4.16.
Đồng thời, khi áp suất phun LPG 1,5bar và 2bar cho kết quả phát thải HC thấp hơn ở các giá trị áp suất LPG 1bar. Tương tự nhưđối với kết quảđo CO và độ khói, phát thải HC cũng cho thấy áp suất phun LPG 2bar có lợi về phát thải với tỷ lệ thay thế của LPG không quá 16%. Ở trường hợp này, do quá trình cháy được cải thiện nên rất có thể phát thải NOx sẽ tăng cao.
250 400 550 700 850 1000 1150 1300 1450 1600 1750 1900 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 20% 22% 24% 26% 28% 30%
Tỷ lệ diesel được thay thế
Thàn h ph ầ n HC (ppm )
HC(1bar) HC(1.5bar) HC(2bar)
Hình 4.16. Kết quảđo khí thải HC ở các tỷ lệ và áp suất LPG khác nhau
Hình 4.17 thể hiện kết quả phát thải NOx khi động cơ sử dụng đơn nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu diesel/LPG. Với các tỷ lệ và áp suất LPG khác nhau, khi sử dụng lưỡng nhiên liệu, nồng độ phát thải NOx luôn cao hơn trường hợp đơn nhiên liệu diesel. Đồng thời, với các tỷ lệ thay thế diesel khác nhau đều cho giá trị