5. Phương pháp nghiên cứu:
2.5.Tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ khi sử dụng diesel pha cồn
2.5.1. Suất tiêu hao nhiên liệu
Do cồn có giá trị nhiệt thấp hơn so với diesel nên khi tăng lượng cồn trong hỗn hợp tăng thì giá trị nhiệt độ của hỗn hợp giảm và để duy trì công suất động cơ thì phải tăng tiêu thụnhiên liệu. Người ta dùng 02 thông số để so sánh suất tiêu hao
Diesel ED10 ED30
00 1,20 4,80 10,80 31,20 45,60 5400 69,60
nhiên liệu, đó là:
+ Suất tiêu hao nhiên liệu: BSFC (Brake Specific Fuel Consumption). + Suất tiêu hao năng lượng: BSEC (Brake Specific Energy Consumption).
Hình 2.10. So sánh theo suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC)
Kết quả thửnghiệm theo BSFC trên hình 2.10 cho thấy, nhiên liệu diesel có
Công suất động cơ, kW
BS F C, g (k W .h ) -1 n= 2200 vòng/phút Diesel ED10 ED30 BS F C, g (k W .h ) -1
Công suất động cơ, kW
Diesel ED10 ED30
suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn so với các mẫu nhiên liệu ED. Mẫu nhiên liệu ED 10 và ED30 có suất tiêu hao nhiên liệu tương đương nhau ở cùng chế độ thử nghiệm.
Khi thửnghiệm theo BSEC thì kết quảchênh lệch không rõ như BSFC, nhất là khi tăng công suất động cơ (Hình 2.11).
Hình 2.11. So sánh theo suất tiêu hao năng lượng (BSEC)
Tóm lại, khi pha cồn vào nhiên liệu diesel có thểlàm giảm đáng kể khí thải dạng hạt ở tải trung bình và cao, nhưng ít có tác dụng ở tải thấp. Cồn cũng có thể cải thiện chút ít BSEC, tuy nhiên hàm lượng NOx tăng rõ rệt khi tăng lượng cồn trong hỗn hợp. Vì vậy, cần sử dụng thêm các biện pháp giảm NOx như luân hồi khí
Diesel ED10 ED30 n= 1540 vòng/phút, Diesel ED10 ED30 n= 1540 vòng/phút
Công suất động cơ, kW
BS E C, g (k W .h ) -1
Công suất động cơ, kW
BS E C, g (k W .h ) -1
thải (EGR). Tăng lượng cồn trong nhiên liệu có thểlàm giảm sựhình thành bồhóng trong những vùng giàu nhiên liệu.
2.5.2. Hàm lượng phát thải trong khí thải
So với nhiên liệu diesel, khi sửdụng nhiên liệu ED10 và ED30 độ khói giảm tương ứng tới 33% và 83%. Tuy nhiên, tại tải thấp và tốc độthấp thì mức độ giảm khói thấp. Kết quả trên hình 2.12 cho thấy xu hướng tạo ra muội than trong các vùng giàu nhiên liệu bên trong ngọn lửa khuếch tán giảm đi khi có mặt cồn trong nhiên liệu.
Hình 2.12. Phát thải khói của nhiên liệu diesel pha cồn
Công suất, kW n= 1540 vòng/phút Diesel ED10 ED30 Đ ộ k h ó i, B S U Công suất, kW Đ ộ k h ó i, B S U Diesel ED10 ED30 n= 2200 vòng/phút
- Đối với NOx: Hình 2.13 cho thấy, khi sử dụng nhiên liệu diesel pha cồn có thể làm tăng lượng NOx trong khí thải, lượng khí thải NOx của nhiên liệu ED10 và ED30 tăng nhanh hơn so với của diesel kể cả ở tải vừa và tải cao. Mức tăng tối đa lượng khí thải NOx xảy ra ở80 ~ 90% tải do thời gian cháy trễkéo dài và nồng độ ôxy cao trong nhiên liệu diesel pha cồn.
Hình 2.13. Phát thải NOxcủa nhiên liệu diesel pha cồn
N ồ n g đ ộ No x , p p m Công suất, kW Diesel ED10 ED30 n= 1540 vòng/phút N ồ n g đ ộ No x , p p m Công suất, kW Diesel ED10 ED30 n= 2200 vòng/phút
Chương III - NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH KINH TẾKỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIESEL PHA CỒN
Nhằm đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu diesel pha cồn tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ trong điều kiện Việt Nam, đề tài thực hiện phối trộn nhiên liệu và tiến hành thửnghiệm trên động cơ diesel nghiên cứu 1 xylanh tại Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.1. Thiết bị thửnghiệm
Quá trình thử nghiệm được tiến hành trên băng thử động cơ 1 xylanh AVL 5402. Băng thử được trang bị các cảm biến, hệ thống điều khiển, xử lý số liệu tự động và hiển thị kết quả như: PUMA, INCA, VISIOSCOP giúp cho quá trình điều khiển, ghi dữ liệu được dễ dàng và đảm bảo kết quả thử nghiệm được chính xác. Băng thửcó thểthực hiện thửnghiệm cho các động cơ có công suất tới 220 kW, mô men cực đại 934 Nm và tốc độ cực đại 8.000 vòng/phút. Với hệ thống điều khiển, hiển thị kết quả và xử lý số liệu tự động hiện đại, giao diện gần gũi giúp cho quá trình điều khiển dễ dàng và đảm bảo kết quả thử nghiệm chính xác. Hệthống băng thửnày còn kết nối với tủphân tích khí xảCEB-IIđể đo lượng phát thải củađộng cơlớn theo các tiêu chuẩn hiện hành trên thếgiới.
Các cụm thiết bịcủa băng thửbao gồm:
-Động cơ một xylanh - Dyno AMK
- Hệthống làm mát dầu bôi trơn và nước làm mát AVL 577 - Thiết bị đo tiêuhao nhiên liệu Fuel Balance 733S
- Thiết bị đo độmờ xác định nồng độPM, Opacimeter 439 - Tủphân tích khí xảCEB- II
- Cơ cấu điều khiển tải THA100
- Hệthống điều khiển băng thửvới phần mềm Puma - Hệthống điều khiển ecu động cơ với phần mềm Inca
Hình 3.1.Sơ đồ cụm băng thử động cơ một xylanh AVL 5402
THIẾT BỊ ĐIỀU HÒA NHIỆT ĐỘ NƯỚC LÀM MÁT VÀ DẦU BÔI TRƠN D577
DYNO - AMK XYLANH I N OUT I N OUT CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ OPACIMETER FUEL BALANCE CẢM BIẾN ÁP SUẤT, NHIỆT ĐỘ ECU HỘP KẾT NỐI BỘ ĐIỀU KHIỂN K57 PHẦN MỀM INCA PHẦN MỀM FUMA EMCON 300 FEM ĐỘNG CƠ 1 XYLANH TÍN HIỆU ALPHA TÍN HIỆU MÔ MEN THA 100 ĐK ALPHA TÍN HIỆU TỐC ĐỘ CABIN CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN MOOMEN CỦA DYNO HIỂN THỊ INDICATE
Hình 3.2. Băng thử động cơ một xy lanh AVL 5402
3.1.1.Động cơ thử nghiệm
Thử nghiệm thực hiện trên động cơ nghiên cứu một xy lanh AVL 5402. Động cơ này sửdụng hệthống nhiên liệu Common rail, bộ điều khiển điện tửECU mở.
Bảng 3.1. Các thông số của động cơ AVL 5402
Thông số Giá trị Đường kính xy lanh (mm) 85 Hành trình piston (mm) 90 Thểtích công tác (cm3) 510,7 Tỉsốnén 17,1:1 Công suất định mức 9 kW Tốc độ định mức 3200 (v/ph)
Động cơ diesel 1 xylanh được đặt trên phanh điện AMK để xác định công suất, mô men và tốc độ. Khí thải động cơ được lấy mẫu và phân tích bằng thiết bị phân tích khí thải CEB II. Nhiệt độ nước làm mát và dàu bôi trơn được điều khiển bằng thiết bịlàm mát AVL577.
3.1.2. Dyno AMK
Là cụm phanh điện có khả năng làm việc ở 2 chế độ: chế độ động cơ điện (kéo động cơ quay) và chế độ máy phát điện (phanh đối với động cơ).
Hình 3.3. Phanh điện AMK
-Ởchế độ động cơ điện, băng thử sẽ kéo động cơ, thực hiện quá trình chạy rà nguội hoặc khởi động động cơ.
- Ở chế độ máy phát điện, băng thử sẽ tạo tải cân bằng với công suất của động cơ phát ra, từ đó xác định được các thông số cơ bản của động cơ như công suất, mômen xoắn , suất tiêu hao nhiên liệu…với độ chính xác cao. Khi ở chế độ máy phát điện, từ trường tương hỗ giữa Roto và Stato tạo ra mô men cản với Roto và cân bằng với mô men dẫn động từRoto (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 mô men cản trên trục dẫn động từ động cơ. Khả năng thay đổi mô men phanh thích hợp cho việc điều kiển tự động ở các chế độ thửcủa động cơ. Công suất động cơ được hấp thụ và biến đôi thành năng lượng điện trong thiết bị(phanh). Dòngđiện này qua bộbiến tần và được đưa ra ngoài.
+ Chế độ động cơ điện: Công suất cực đại Nđ =200 Kw + Chế độ máy phát điện: Công suất cực đại Nphanh=220 kW + Tốc độquay tối đa n = 7000 (vòng/phút)
3.1.3. Fuel Balance 733S
Fuel balance 733S có chức năng đo lượng nhiên liệu tiêu thụcung cấp cho động cơ bằng cách cân lượng nhiên liệu trong bình chứa (đo theo kiểu khối lượng). Fuel balance 733S dùng cảm biến đo lưu lượngđểxácđịnh lượng tiêu thụnhiên liệu. Yêu cầu cảm biến phảnứng với tốc độ nhanh và độnhạy cao.
Hình 3.4.Sơ đồ nguyên lý thiết bị Fuel balance 733S
3.1.4. Thiết bị phân tích khí thải CEB-II
Hình 3.5. Thiết bị phân tích khí thải CEB- II
Thiết bị phân tích khí thải CEB-II phân tích thành phần các chất CO, CO2, NO, NOx, HC có trong khí thải động cơ. Mỗi bộ phân tích được chia thành nhiều dải đo, tùy vào hàm lượng thực tếcác chất có trong khí thải mà bộ phân tích sẽ tự chọn dải đo cho phù hợp. Để đảm bảo độ chính xác của phép đo, các bộ phân tích
được hiệu chuẩn trước khi đo bởi chất khí hiệu chuẩnứng với từng dải đo. Các khí hiệu chuẩn với các thành phần thể tích (ppm) khác nhau gồm có: Propan C3H8 30.1ppm, 99.6ppm, 502ppm, 2999pm, 19640ppm, CO 52.6ppm, 2530.3ppm, 15130ppm, 96920ppm; CO2 30810ppm, 159460ppm; NOx 32.1ppm, 101ppm, 838ppm, 4930ppm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Bộ phân tích CO (CO2): Thành phần CO, CO2, được xác định bằng phương pháp hấp thụ tia hồng ngoại. Khi chiếu tia hồng ngoại qua hỗn hợp khí, tia sẽ bị CO (CO2) trong hỗn hợp hấp thụ và yếu đi. Thông qua mức độ suy giảm của tia đo được sẽ xác định hàm lượng CO trong hỗn hợp khí mẫu. Bộphân tích CO có các dải đo 60ppm, 2800ppm, 20000ppm, 100000ppm, bộ phân tích CO2 có các dải đo 35000ppm, 180000ppm.
- Bộ phân tích HC: Thành phần HC được xác định bằng phương pháp ion hóa ngọn lửa. Nguyên lý như sau: Khí mẫu được phun vào ngọn lửa hydro, các phân tửHC sẽcháy và bị ion hóa được xác định tỷlệvới thành phần HC trong mẫu khí thử. Bộ phân tích HC có các dải đo 100ppm, 320ppm, 1600ppm, 10000ppm, 60000ppm.
- Bộ phân tích NOX: Thành phần NOx (gồm chủ yếu NO và NO2 còn lại là các oxít nitơ khác) được xác định bằng phương pháp quang hóa. Mẫu thử đi qua bộ xúc tác nhiệt, tại đây NO2 bị phân hủy thành NO và O2, sau đó khí mẫu với NO được đưa vào bộ phân tích quang hóa. Trong bộ phân tích thành phần NO sẽ tác dụng với O3 tạo thành NO2 có mức năng lượng cao, tồn tại trong thời gian ngắn, nhảy về mức năng lượng thấp và phát ra tia bức xạ. Cường độ bức xạ đo được sẽ phản ánh thành phần NOX trong mẫu thử ban đầu. Bộphân tích NOX có các dải đo 50ppm, 110ppm, 1000ppm, 5200ppm.
3.1.5. Hệ thống làm mát 577
Thiết bị có nhiệm vụ điều khiển nhiệt độ dầu bôi trơn và nước làm mát. Đây là một thông sốquan trọng giám sát quá trình hoạt động của băng thử. Tùy theo yêu cầu của Puma mà thiết bịnày phải điều chỉnh để có nhiệt độdầu và nước phù hợp.
Hình 3.6.Sơ đồ hệ thống làm mát 577
3.1.6. Hệ thống Puma
Là hệ thống với phần mềm Puma phiên bản 5.6 có chức năng điều khiển giám sát mọi hoạt động của băng thử. Bản thân Puma có một hệthống các cảm biến cực nhạy dùng để đo nhiệt độ, áp suất… các cảm biến này liên kết với phần mềm Puma qua các Fem chuyển đổi tín hiệu số và tín hiệu tương tự.
Hình 3.7. Hệ thống Puma
3.1.7. Opacimeter
Opacimeter có chức năng đo độmờ đểxác định nồng độcủa pm trong khí xả.
3.1.8. THA 100
Hình 3.9. Thiết bị THA 100
THA100 là cơ cấu điều khiển trực tiếp vị trí thanh răng bơm cao áp của động cơ. nó là một động cơ biến bước thay đổi chiều dài của đoạn dây kéo ga để thay đổi vị trí cung cấp tuỳ theo từng chế độ thử và được điều khiển từ máy tính thông qua hộp tín hiệu.
3.1.9. Các phần mềm
- Phần mềm Inca:là chương trình phần mềmđiều khiển ECU của động cơ. Phần mềm này có thể can thiệp trực tiếp và tức thời đến các thông số của động cơ nhất là quá trình cháy thông qua việc điều chỉnh góc phun sớm, lượng phun mồi, thời điểm phun…đây là điểm khác biệt cơ bản giữa băng thử một xylanh và băng thử động lực học cao.
- Phần mềm Visioscop: là phần mềm kết hợp với thiết bị camera để chụp ảnh buồng cháy, cho phép chúng ta quan sát quá trình cháy trực tiếp dưới nhiều góc độ(tuỳtheo cách bốtrí camera theo các góc khác nhau) trên màn hình hiển thị.
3.2. Nhiên liệu thử nghiệm
Nhiên liệu thửnghiệm là hỗn hợp gồm:
+ Cồn có nồng độ cồn 99,6% do Việt Nam sản xuất. + Nhiên liệu diesel thông dụng có bán tại các cây xăng.
Bảng3.2. Một số thông số cơ bản của nhiên liệu diesel và cồn thử nghiệm
Thông số Diesel Ethanol
Khối lượng riêngở 15°C (kg/m3) 838 787
Độnhớt động họcở400C (mm2/s) 2.5 1.2
Nhiệt trịthấp (MJ/kg) 43 26.8
Hàm lượng ôxy (% khối lượng) 0 34.8
Trên cơ sở 2 loại nhiên liệu trên, tiến hành pha trộn 02 mẫu nhiên liệu diesel pha cồn. Các mẫu thửnghiệm gồm:
- Mẫu 1: Nhiên liệu dieselthông thường. - Mẫu 2: Nhiên liệu diesel pha 5% cồn (ED5). - Mẫu 3: Nhiên liệu diesel pha 10% cồn (ED10).
3.3. Chế độ thử nghiệm
Chạyổn định động cơ trong 01giờ trước khi tiến hành đo với mỗi mẫu nhiên liệu. Chế độ chạyổn định được lựa chọn ở tốc độ vòng quay của động cơ từ 1400 đến 2200 vòng/phút. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đo các thông số công suất, mômen, suất tiêu hao nhiên liệu, nhiệt độ khí thải, thành phần khí thải CO, HC, NOx, Soot theo đường đặc tính tốc độ động cơ. Tại các tốc độ 1400 vòng/phút đo các thông số động cơ khi thay đổi áp suất phun nhiên liệu.
3.4. Kết quả thử nghiệm
Kết quả thử nghiệm chi tiết về tính kinh tế, kỹ thuật của động cơ đối với 3 mẫu nhiên liệuở các chế độthửnghiệm được thểhiện trong phần phụlục.
3.4.1. Đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu diesel pha cồn tới tính năng kinh tếkỹ thuật động cơ kỹ thuật động cơ
a. Quá trình cháyđộng cơ
Hình 3.10; 3.11 và 3.12 cho thấy diễn biến áp suất trong xylanh ở tốc độ động cơ 1400 vòng/phút với áp suất phun lần lượt là 400 bar, 600 bar và 800 bar.
Áp suất trong xylanhở áp suất phun 400 bar và 600 bar là tương đương nhau, áp suất xylanh đạt cực đại ở áp suất phun 800 bar và mẫu nhiên liệu diesel có áp suất lớn nhất trong 3 mẫu nhiên liệu, tuy nhiên sựchênh lệch này là không đáng kể.
Diễn biến tăng, giảm áp suất trong xylanh của 3 mẫu nhiên liệu cũng tương tự nhau khi thay đổi áp suất phun.
Hình 3.10. Kết quả đo áp suất trong xylanh ở áp suất phun 400bar
Hình 3.12. Kếtquả đo áp suất trong xylanh ở áp suất phun 800bar
b) Công suất động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu - Mô men xoắn động cơ
Kết quả đo mô men xoắn của động cơ đối với 3 mẫu nhiên liệu thửnghiệmở áp suất phun là 400 bar được thểhiện qua hình 3.13. Kết quả cho thấy, động cơ sử dụng nhiên liệu diesel có mô-men xoắn lớn nhất ở tất cả các tốc độ động cơ. Khi tăng lượng ethanol trong hỗn hợp thì mô-men xoắn của động cơ giảm rõ rệt, đó là do nhiệt trịcủa ethanol thấp hơn nhiều so với diesel. (Nhiệt trị của ethanol 27MJ/kg trong khi đó của diesel là 43MJ/kg). Điều đó có nghĩa là nhiệt trị của nhiên liệu ED5 giảm khoảng 1,9% và của ED10 3,8%, kết quảlà mô-men xoắn giảm khoảng 1,4% và 3,5 % so với nhiên liệu dieselởtất cảcác dải tốc độ.
Hình 3.13. Kết quả đo mô men xoắn của động cơ ở áp suất phun 400bar
- Suất tiêu hao nhiên liệu
Hình 3.14 thể hiện suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu