LI ỜỞ ĐẦU
B ng 3.8 ả Chu kỳ và các dải lượng phun urê
Chu k Tỳ i (ms) 30 45 60
D i tả 0i/Ti(%) 33,3 100 ÷ 60,8 100 ÷ 74,7 100 ÷
Dải lượng phun
(g/ph) 0 22,5 ÷ 22,5 37 ÷ 37 49,5 ÷
T b ng s ừ ả ốliệu trên đây có thể đưa ra các chu kỳ cho b ộ điều khiển độ ộ r ng xung
PWM như Hình 3.30.
Hình 3.30. Các chu kỳ khác nhau cho b ộ điều khiển xung PWM
3.3.2.3. Thiết kế, chế tạo mạch điện bộ điều khiển hệ thống phun urê
Trong nghiên cứ này, NCS sẽ ến hành chế ạu ti t o mạch điều khiển phun urê với
tín hiệu điều khiển là thời gian m kim phun, do gi i h n v thở ớ ạ ề ời gian, nghiên cứu sinh chỉ thi t k mế ế ạch điều khiển cho các điểm thí nghiệm theo đặc tính của động cơ mà không đi xây dựng toàn bộ ữ gi liệu phun urê cho động cơ, sau đây NCS sẽ đi trình bày
chi ti t v ế ề quá trình thiế ế và chế ạt k t o.
Sau khi nghiên cứu lý thuyết v hoề ạt động điều khi n phun ể urê cho h ệ thống SCR, c u tấ ạo và dạng xung các tín hiệu đầu vào nhậ ừ các cản t m biến, NCS cũng đã
88
tiến hành thực nghiệm xác định các dạng xung tín hiệu t ừ các cảm bi n: c m bi n ế ả ế
NOx, c m bi n nhiả ế ệt độ ả, c m bi n ammonia. T ế ừ các kết qu ả thu được, sơ đồ khối h ệ
thống điều khiển lượng phun urê cấp cho b x ộ ử lý xúc tác urê SCR được xây dự- ng
như trên Hình 3.31 .
Hình 3.31. Sơ đồ khố ệ thối h ng điều khiển lượng phun urê
B ộ điều khiển ngoài nhiệm v ụ chính là đưa ra tín hiệu điều khiển để điều khiển
vòi phun urê cho b x ộ ử lý xúc tác SCR thì còn phục v ụ quá trình thử nghi m b ệ ộ điều khiển khi chưa gắn lên băng ử động cơ. Do đó, bộ điềth u khiển đã được xây dựng để có thể phát được áp giả tín hiệu nồng độ NOx, nồng độ NH3 dư và nhiệt độ khí thải T. Sau khi ti p nhế ận các áp tín hiệu gi , b ả ộ điều khi n th c hiể ự ện tính toán và đưa ra tín
hiệu điều khiển, và cho hiển th ị trên LCD. Như thế, vi c kiệ ểm soát và đánh giá quá trình thiế ế ộ điềt k b u khiển có nhiều thu n l i. ậ ợ
Sơ đồ mạch điện điều khiển cho trên Hình 3.32. Các linh kiện dùng để ch t o ế ạ
mạch đều sẵn có trên thị trường nội địa.
Hình 3.32. Sơ đồ ạch điề m u khi n ể
B ộ điều khi n s d ng nguể ử ụ ồn điện 12V DC do c quy cắ ấp, đồng thời các mạch x ử lý và mạch hi n th ể ịphả ử ụng điện áp chuẩn là 5V, do đó cần có mại s d ch ổn áp. Để
89
l a chự ọn các chế độ làm việ c c a b ủ ộ điều khiển, thay đổi áp của ti t ch c n b ế ế ầ ố trí các phím chứ năng trong mạch. Các linh kiệc n trong m ch c p nguạ ấ ồn và điều khi n gể ồm
có: LM 7805 - vi m ch ạ ổn áp, cung cấp nguồn cho toàn mạch; R1, C1 - mạch t ng ự độ reset cho vi điều khi n khi m i b t ngu n; PIC16F887 - vi m ch x ể ớ ậ ồ ạ ử lý chính (nhận
xung vào, quét phím, lưu d liữ ệu và được LCD hi n thể ị); 5 đường port 1 để ập 4 phím l
SW1, SW2, SW3, SW4 là bàn phím dạng ma trận; diode D7 để ả b o v m ch trong ệ ạ trường hợp đấu sai c c c p ngu n t c quy. ự ấ ồ ừ ắ
M ch hi n th ạ ể ị có nhiệm v hi n th ụ ể ị các chế độ đặ ủ t c a nồng độ NOx, nhiệt độ khí
x T ả và ếk t qu ả lượng phun urê vào bộ xúc tác SCR. Hình ảnh th c c a b ự ủ ộ điều khi n ể
phun ur sau khi ch tê ế ạo cho trên Hình 3.33.
Hình 3.33. Hình ảnh b ộ điều khi n phun ể urê
3.3.2.4 L a ch n b. ự ọ ơm cấ và vòi phun dung dịp ch muối urê a, Bơm cấp dung d ch ur ị ê
T nhừ ững tính toán ở trên, NCS đã đi tính toán và lựa chọn bơm con lăn sẵn có trên thịtrường, Hình 3.34 ch ỉ ra sơ đồ nguyên lý làm việc c a loủ ại bơm con lăn này.
90
1) Đường urê vào; 2) Van giớ ạn áp suấi h t; 3) Bi gạt; 4) Rôto bơm; 5) Van chặn; 6) Đường urê ra; 7) Stato bơm
K t c u bao g m: rế ấ ồ ôto (4) đượ ắ ệch tâm vớ ỏ bơm (7). Quanh chu vi có xẻc l p l i v
rãnh để chứa con lăn. Trên rôto được quấn các cuộn dây. Stato (7) được gắn các nam châm vĩnh cửu.
Khi được cấp điện rôto quay sẽ kéo theo các viên bi quay, do có trọng lượng các viên bi văng ra nhờ ực li tâm ép sát vào lòng bơm tạo thành các khoang riêng biệ l t. Tại khoang hút theo chiều quay th ể tích tăng dần, áp suất giảm nên dung dịch được hút vào. Dung d ch nh ị ờ các viên bi được g t v ạ ề phía cửa thoát. Tại đây áp suất tăng thể tích giảm, dung d ch s ị ẽ được đẩy ra khỏi khoang đẩy để đưa tới vòi phun.
Trên bơm có bố trí 2 van:
-Van gi i hớ ạn áp suất (2): Có tác dụng gi ữ áp suấ ủa bơm ởt c mức quy định. Khi áp suấ ủa bơm tạt c o ra lớn hơn quy định thì van (2) sẽ ở m cho dung d ch t ị ừ đường ra quay v ề đường hút.
-Van ch n (5) : Th c chặ ự ất đây là van một chiều được b ố trí tạ ửi c a ra của bơm.
Van s ẽ đóng lại khi bơm ngừng hoạt động.
Hình 3.35 chỉ ra hình ảnh th c cự ủa bơm urê mà NCS đã sử ụng cho nghiên d cứu, bơm sử ụng điện áp DC V, lưu lượ d 24 ng 1.8 lít/phút, áp suấ ớt l n nh 125 psi. ất
Hình 3.35. Bơm dung dịch urê
91
Hình 3.36. K t cế ấu vòi phun urê của h ệ thống SCR
Vòi phun được s dử ụng là vòi phun điện t , kừ hi chưa có dòng điện ch y qua ạ dây kích từ lúc này lò xo ép van kim phun xuống để không cho dung dich urê phun ra,
vòi phun ở ạng thái đóng kín (hình 3.3 tr 6). Khi ECU gửi dòng điện đến cuộn dây kích
t , cuừ ộn dây này đượ ừ hóa hút piston và van kim phun lên khoảng 0,1mm, lúc này c t dung d ch s phun ra kh i l ị ẽ ỏ ỗ phun. Lượng nhiên liệu phun nhiều hay ít tùy thuộc vào
thời gian m van kim phun nhanh hay ch m. Th i gian mở ậ ờ ở và đóng của vòi phun xảy ra trong kho ng t 1-ả ừ 5 ms. Hình dạng vòi phun urê được th hiể ện như Hình 3.37.
92
Hình 3.38. L p h ắ ệ thống DOC-DPF-SCR lên động cơ D4BB
Hình 3.38 ch ỉ ra hình ảnh c a b ủ ộ xúc tác DOC, DPF, SCR, hệ th ng cung c p ố ấ
urê cho bộ xúc tác SCR đã được ch tế ạo và lắp lên động cơ đặt trên băng thử. 3.4 K t luế ận chương 3
Trong Chương 3 NCS đã tiến hành nghiên cứu mô phỏng tính toán kích , thước sơ
b cộ ủa b ộ xúc tác trên động cơ xe tải nh D4BB. K t qu ẹ ế ả tính toán mô phỏng đã lựa
chọn ra được kích thước cơ bản c a 3 b ủ ộ xúc tác DOC, DPF và SCR gi ng nhau, ố đường kính 150mm, chiều dài 240mm, mật độ ỗ l 400 cell/inch2.
Quá trình mô phỏng cho thấy, lượng kim loại quý Pt, Pd được s d ng trong b ử ụ ộ DOC là 2,1 gam, lượng Zeolite (Fex/n.Al2O3.xSiO2.yH2O, n-hoá trị ủ c a kim loại) và V
c a b ủ ộ xúc tác SCR là 280 gam, bộ ọc DPF có khả năng lọc tái sinh vớ l i v t li u s ậ ệ ử
dụng như bộ DOC.
K t qu ế ả mô phỏng cho th y, pấ hát thải NOx giảm 81,5% và 84,4% ở chế độ đị nh mức và mô men lớn nhất. Trong khi đó, thành phần CO và soot đã được x ử lý hiệu qu ả
nh b ờ ộ xúc tác DOC và PDF. Phát thải CO giảm tương ứng là 83,64 và 82,31%; soot giảm 86,54 v 1,29 à 9 %.
B lộ ọc phát thả ại d ng hạt có ảnh hưởng tới tính năng kỹ thu t cậ ủa động cơ, công
suất có xu hướng gi m kho ng 4ả ả ,5% và 3,6% ởchế độ công suất và mô men lớ n nh t ấ
93
Chương 3 cũng đã thi t k ế ế và chế ạ thành công vỏ ộ xúc tác, ắp đặt thành t o b l
công các bộ xúc tác DOC, DPF và SCR trên động cơ tính toán đượ, c lượng urê cung
cấp cho động cơ phụ thuộc lưu lượng và nồng độ NOx có trong khí thải, thi t kế ế và
chế ạo thành công t mạch điều khiển ECU điều khiển lượng urê phun vào bộ xúc tác phù hợp với các chế độ làm việ c của động cơ.
94
CHƯƠNG 4. GHIÊN CỨN U TH NGHI M B Ử Ệ Ộ XÚC TÁC DOC, DPF VÀ
SCR DÙNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL XE T I NH Ả ẸD4BB
Trong Chương 3, NCS đã sử ụ d ng ph n m m AVL-ầ ề Boost để tính toán và lựa chọn các thông số ủ c a b ộ xúc tác như chiều dài, đường kính lõi lọc, s ph n t l c ố ầ ử ọ (cell), cũng như lượng kim loại xúc tác. Từ ế k t qu ả mô phỏng, NCS đã lựa chọn lõi lọc
tương ứng trên thị trường và tiến hành thi t kế ế, ch t o v ế ạ ỏ cho các bộ DOC, DPF.
Riêng đối v i b ớ ộ SCR, ngoài việc ch t o vế ạ ỏ, NCS còn thiết k mế ạch điều khiển vòi phun urê để điều chỉnh lượng urê theo chế độ làm việ c của động cơ. Do điều kiện cũng như giới h n phạ ạm vi nghiên cứu, quá trình t ựh c nghiệm được NCS tiến hành trong
phạm vi Phòng thí nghiệm v i b x ớ ộ ử lý khí thải DOC, DPF và SCR đượ ắp trên độc l ng
cơ xe tải h ng nh . K t qu th c nghi m nhạ ẹ ế ả ự ệ m đánh giá hiệu qu cả ủa các bộ xúc tác này trên động cơ khi thay đổ ải và tốc độ ủa động cơ, so sánh hiệi t c u qu kinh t , k ả ế ỹ
thuật và hiệu qu giả ảm phát thải CO, HC, NOx, hàm lượng mu i cộ ủa động cơ trước và
sau khi l p b ắ ộ xúc tác.
4.1. Mục đích thử nghi m ệ
Quá trình thử nghiệm động cơD4BB nh m các mục đích sau:
- Xây dựng được đặc tính vòi phun urê theo áp suất và thời gian m ở vòi phun.
- Xác định lượng urê tối ưu với các chế độ làm việ c của động cơ khi thử nghi m ệ trên băng thử.
- Đánh giá tính kinh tế ỹ, k thuật và phát thả ủa động cơ nguyên bản và động cơ i c khi lắp thêm bộ ử lý khí thả x i DOC, DPF, SCR.
- Đánh giá khả năng làm việ ổn địc nh c a h th ng cung củ ệ ố ấp urê, đánh giá hiệu qu cả ủa các bộ ọ l c b i DPF, b ụ ộ xúc tác ôxy hóa DOC và bộ ử lý xúc tác SCR. x
4.2. Thi t b ế ị thử nghi m ệ
Thử nghiệm được tiến hành trên băng thử độ ng l c h c tự ọ ại Phòng thí nghiệm
Động cơ, Trường Đại học Công nghệ Giao thông vậ ải. Đây là băng thử đượn t c cung c p bấ ởi hãng AVL của Áo. Băng thử có thể ự th c hi n th nghiệ ử ệm cho các động cơ có công suấ ới 160 kW, mômen cực đại 400 N.m và tốc độ ực đại 10000 vòng/phút. t t c V i h ớ ệthống điều khi n, hi n th k t qu ể ể ị ế ả và xử lý số u t ng hiliệ ự độ ện đại đảm b o kả ết qu ảthử nghiệm có độ chính xác cao, giao diện điều khi n d ể ễ thao tác vận hành. Thiết b ị phân tích khí thải FTIR ngoài việc phân tích các chất th i truy n thả ề ống có trong khí
x cả ủa động cơ như: NOx, CO, CO2, HC còn có thể phân tích được 22 ch t th i phi ấ ả
95
thiết b s dị ử ụng trong quá trình thử nghi m gệ ồm: Phanh điện Alpha 160, H ệ thống kiểm soát nhiệt độ nước làm mát AVL-553S-200, Thi t b ế ị đo lượng tiêu thụ nhiên liệu AVL PLU 160, B ộ kéo ga tự độ ng THA-100, Thi t b ế ị phân tích khí thải FTIR, Thiết b ị đo độ khói AVL 415S.
Hình 4.1. Sơ đồ ố trí trang thiế ị thí nghiệ b t b m
1) Phòng điều khiển; 2) Phòng thử nghi m; ệ 3) Phanh điện; 4) B l y mộ ấ ẫu và lọc khí thải; 5) B ộ điều khiển và kéo ga; 6) Thiế ị đo PM; 7) Bộ thu tín hiệt b u; 8) Thi t b ế ị phân tích khí thải
(FTIR)
4.2.1. Băng thử độ ng l c h c ự ọ 4.2.1.1. Phanh điện Alpha 160
Phanh điện Alpha 160 là loại phanh điệ xoáy (Eddy Current Dyno) làm viện c dựa trên nguyên lý cảm ứng điệ ừ, có cấn t u t o g m hai phạ ồ ần chính là stator và rotor có trục n i vố ới động cơ. Một dòng điện được c p tr c tiấ ự ếp vào stator của phanh nh m t o ra m t t ạ ộ ừ trường có thể thay đổi được độ ớn thôn l g qua việc thay đổi cường độ
dòng điện. Khi rotor quay trong t ừ trường s xu t hiẽ ấ ện dòng điện c m ả ứng có xu hướng phanh đĩa quay lại. Mô men phanh t l thu n vệ ậ ới dòng điện cấp vào stator vì
vậy có thể điều chỉnh được liên tụ ảc t i trọng tác dụng lên đĩa. Dòng điện c m ả ứng trên
rotor s ẽ làm các đĩa trên rotor nóng lên do đó để làm mát các đĩa này trên stator có xẻ các rãnh nh m dẫn nướ ừ bên ngoài vào làm mát cho các đĩa gắn trên rotor.c t
96
Giá trị mô men được đo thông qua cảm biến đo lực gắn trên vỏ ủ c a phanh điện,
vòng quay của động cơ được đo thông qua cảm biến đo tốc độ ủa rotor. Công suấ c t của động cơ được tính thông qua mô men cản và tốc độ ủa rotor, đây chính là phầ c n
năng lượng đã được chuyển hóa thành dạng nhiệt và được mang đi bởi nước làm mát
c p ấ vào các rãnh trên stator. Ưu điểm của phanh điện xoáy là có mô men lớ ạn t i nh ng ữ vòng quay thấp tuy nhiên phanh có nhược điểm là cần làm mát liên tục và không làm
việc được chở ế độ động cơ. Công suấ ớ t l n nh t cấ ủa băng thử là 160 kW tại vòng quay
3750-10000 (vòng/ph), mô men lớn nh t cấ ủa băng 400 Nm tại vòng quay 1500-3750
(vòng/ph), tốc độ ớ l n nh t cấ ủa băng đạt 10000 (vòng/ph). Mômen được truy n t ng ề ừ độ cơ đến phanh điện thông qua thiế ị ốt b n i trục BW4288, mômen lớn nhất có thể truy n ề được là 680 Nm tại 6600 (vòng/ph). Các kích thước và thông số ỹ k thuật cơ bản c a ủ băng được trình bày trên Hình 4.2 và Bảng PL.2.1 c a Ph l c 2. ủ ụ ụ
Hình 4.2. Phanh điện Alpha 160
4.2.1.2. H ệ thống kiểm soát nhiệt độ nước làm mát AVL-553S-200
Trạng thái nhiệt và tình trạng k thu t cỹ ậ ủa động cơ bị ảnh hưởng r t l n b i nhi t ấ ớ ở ệ độ nước làm mát. Hệ th ng AVL-553S-ố 200 làm nhiệm vụ gi ữ ổn định nhiệt độ nước
làm mát động cơ và thay thế ệ ố h th ng t n nhi t lả ệ ắp trên xe. Hệ ống làm mát động cơ th gồm hai vòng tuần hoàn trong đó nước vòng trong s tr c tiẽ ự ếp làm mát cho động cơ và được tuần hoàn bởi bơm nước làm mát đặt trên động cơ, nước làm mát vòng ngoài đượ ấc l y t ừ tháp giải nhiệt làm mát cho băng thử. H thệ ống làm mát được kết nối và điều khi n tr c ti p t h thể ự ế ừ ệ ống điều khiển trung tâm (Puma, Bobcat…).
Để gi ữ đượ ổn địc nh nhiệt độ vòng trong một b ộ điều khiển PID và cảm bi n ế
97
độ m c a van cở ủ ấp nước vòng ngoài nh m duy trì nhiệt độ nước vòng ngoài ở m t ộ ngưỡng đặt trước thông qua đó sẽ ểm soát được nước vòng trong của động cơ. ki