v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
4.3 Thử nghiệm trên động cơ D1146TI
Động cơ D1146TI là động cơ diesel tăng áp nhiều xi lanh trang bị hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống và được sử dụng phổ biến trên xe buýt. Điểm khác nhau cơ bản của động cơ này với động cơ AVL-5402 trang bị hệ thống cung cấp nhiên liệu tích áp đã được nghiên cứu cả về mô phỏng và thực nghiệm ở trên là ở hệ thống cung cấp nhiên liệu. Hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel kiểu tích áp (common rail) có áp suất phun cao trên 800kgf/cm2 nên nhiên liệu được phun rất tơi và phân bố khá đều trong thể tích buồng cháy, trong khi hệ thống nhiên liệu truyền thống của động cơ D1146TI có áp suất phun 175kgf/cm2 nên độ phun tơi và mức độ phân bố đều nhiên liệu kém xa hệ thống nhiên liệu tích áp. Các thông số cơ bản của động cơ D1146TI được trình bày ở phụ lục 1.21.
Hệ thống cung cấp LPG được chọn để trang bị cho động cơ này là hệ thống phun liên tục. Lưu lượng phun LPG phụ thuộc vào tiết diện lỗ phun và chênh lệch áp suất trước và sau vòi phun. Trong hệ thống cung cấp LPG được mua của hãng Chip IT –Australia, đường kính lỗ phun của vòi phun không thay đổi trong quá trình làm việc còn chênh áp qua vòi phun thì được tự động điều chỉnh theo áp suất tăng áp (chênh áp tăng khi áp suất tăng áp tăng). Tuy nhiên sự thay đổi này không nhiều nên có thể nói trong hệ thống này lượng cấp LPG thay đổi không nhiều theo tải. Theo kết quả nghiên cứu lý thuyết và kết quả nghiên cứu của động cơ AVL 5402 thì phương pháp cấp LPG này không tối ưu cho mọi chế độ tải. Tuy nhiên, thiết bị đơn giản và giá thành rẻ là yếu tố khuyến khích khách hàng sử dụng thiết bị này. Để tránh hiện tượng kích nổ, cảm biến kích nổ của hệ thống sẽ giúp ECU cắt đường cấp LPG khi kích nổ bắt đầu xảy ra và tự động mở lại đường cấp LPG khi kích nổ được loại bỏ.
4.3.1 Nội dung thử nghiệm
- Xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ chạy đơn nhiên liệu diesel: Động cơ được vận hành với thanh răng điều khiển nhiên liệu ở vị trí cấp nhiên liệu cực đại và số vòng quay ổn định nhỏ nhất. Sau đó ghi giá trị mô men và tốc độ động cơ. Tiếp đến giảm sức cản trong phanh (dòng kích thích với phanh điện), điều này sẽ làm cho cả tốc độ và có thể mô men thay đổi. Ghi giá trị tốc độ và mô men. Quy trình được lặp lại cho đến khi động cơ đạt được tốc độ thiết kế. Từ các kết quả đó, ta xây dựng được các đường đặc tính
-120-
ngoài của động cơ.
- Thử nghiệm xác định tiết diện giclơ phun LPG đảm bảo lượng LPG phù hợp: Chính vì hệ thống sử dụng vòi phun có tiết diện giclơ không đổi nên cần thử nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của đường kính giclơ đến lượng LPG thay thế và phát thải của động cơ, từ đó xác định tiết diện giclơ phù hợp. Chạy động cơ với các giclơ khác nhau (đường kính lần lượt là 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6mm) cấp LPG và điều chỉnh lượng cấp diesel đảm bảo đường đặc tính công suất động cơ gần giống như khi sử dụng đơn nhiên liệu diesel. Sau đó, đánh giá ảnh hưởng của lượng LPG thay thế ở các chế độ làm việc của động cơ đến tính kinh tế và phát thải của.
- Thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của góc phun sớm diesel: Điều chỉnh thay đổi góc phun sớm diesel ở 100% tải với giclơ đã chọn, đánh giá ảnh hưởng của các góc phun sớm khác nhau đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel từ đó xác định góc phun sớm diesel tối ưu cho động cơ.
4.3.2 Kết quả thử nghiệm và thảo luận
4.3.2.1 Nghiên cứu lựa chọn giclơ
Quá trình cung cấp khí LPG vào động cơ là liên tục sau khi ECU được kích hoạt. Lượng LPG phụ thuộc vào áp suất ban đầu của LPG và kích thước của giclơ khí. Đồng thời lượng LPG được điều chỉnh tự động theo áp suất tăng áp phù hợp với từng chế độ làm việc của động cơ. Lưu lượng này phụ thuộc vào độ chênh áp suất trước và sau vòi phun LPG tức là áp suất đường nạp pnạp và áp suất LPG ra khỏi bộ hóa hơi đến vòi phun pLPG.
Qua bảng 4.3 ta thấy, khi tốc độ càng tăng, mức tăng áp suất càng tăng thì lượng LPG thay thế tăng lên ( lưu lượng LPG đã được đo bằng cảm biến lưu lượng).
Bảng 4.3 Độ chênh áp suất trước và sau vòi phun LPG
TT n Tải pnạp pLPG Chênh Tải pnạp pLPG Chênh
vg/ph % Psi psi áp % Psi psi áp
1 1000 100% 3,4 15 11,6 75% 2,3 14 11,7 2 1400 100% 5,3 18 12,7 75% 3,5 15 11,5 3 1800 100% 7,8 21 13,2 75% 5,3 18 12,7 4 2200 100% 9,6 24 14,4 75% 7 20 13
Có 5 cỡ giclơ được sử dụng trong thử nghiệm được đánh số 1, 2, 3, 3, 5 với đường kính tăng dần tương ứng lần lượt là 0,8, 1,0, 1,2, 1,4, 1,6mm đảm bảo lượng LPG tương ứng cấp cho động cơ tăng dần. Vòi phun được lắp tại cổ góp nạp sau két làm mát khí tăng áp. Vòi phun ở vị trí này đảm bảo được thời gian hòa trộn LPG với không khí nạp đủ lớn để hỗn hợp đều, đồng thời việc khoan lỗ lắp vòi phun ở vị trí này trên ống nạp của động cơ cũng dễ dàng hơn. Tại cổ góp cũng trích một lỗ để lấy tín hiệu áp suất tăng áp cho hệ thống cung cấp LPG.
-121-
Hình 4.22 (bảng số liệu phụ lục 3.7) biểu diễn đường đặc tính công suất động cơ khi sử dụng đơn nhiên liệu diesel.
Hình 4.22 Công suất động cơ ở 100% và 75% tải
Kết quả thử nghiệm hàm lượng phát thải CO, HC, NOx, độ đen và CO2 ở chế độ 100% tải được thể hiện ở các hình 4.23 đến 4.27 và phụ lục 3.8.
Hình 4.23 Phát thải CO tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ
0 40 80 120 160 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 C ông suất (kW) Tốc độ (vòng/phút) 100% tải 75% tải C O ( x 10 4 ppm)
-122-
Hình 4.24 Phát thải HC tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ
-123-
Hình 4.26 Độ đen của khí thải tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ
Hình 4.27 Phát thải CO2 tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ
Kết quả thử nghiệm ở 100% tải cho thấy động cơ D1146TI sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel có hàm lượng phát thải CO tăng nhẹ so với khi sử dụng đơn nhiên liệu diesel.
CO 2 ( x 1 0 4 ppm)
-124-
Với trường hợp sử dụng giclơ 1, hàm lượng CO tăng trung bình trên toàn bộ dải tốc độ là 13,48% còn đối với khi sử dụng giclơ 5 thì CO chỉ tăng 4,02% so với chạy chỉ với nhiên liệu diesel. Khác với động cơ AVL 5402 trang bị hệ thống phun nhiên liệu tích áp có áp suất phun cao (800 kgf/cm2), động cơ D1146TI trang bị hệ thống phun nhiên liệu kiểu truyền thống, áp suất phun bình thường (175kgf/cm2
), nhiên liệu phun không tơi nên tồn tại các vùng hỗn hợp LPG/không khí lớn xen kẽ các hạt nhiên liệu diesel nên sự tạo CO phụ thuộc rất nhiều vào đặc điểm cháy của các vùng hỗn hợp LPG/không khí này. Khi tỷ lệ nhiên liệu khí thay thế nhỏ làm hỗn hợp nhiên liệu khí-không khí nhạt ngoài giới hạn cháy thì quá trình cháy kém giải phóng nhiều CO. Khi đó tăng hàm lượng nhiên liệu khí thì CO tăng. Tuy nhiên khi nồng độ nhiên liệu khí tăng đến mức hỗn hợp có thể cháy tốt thì lúc đó nếu tăng tỷ lệ nhiên liệu khí sẽ làm quá trình cháy tốt hơn nên CO sẽ giảm khi tăng LPG. Tiếp tục tăng nhiên liệu khí ở một mức nhất định thì CO có thể giảm thấp hơn trường hợp chỉ có nhiên liệu diesel. Xu hướng thay đổi CO này cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu thử nghiệm động cơ chạy lưỡng nhiên liệu propan/diesel trên động cơ tăng áp của Abd Alla và các cộng sự [86] và kết quả nghiên cứu trên động cơ lưỡng nhiên liệu methane/diesel của Badr và cộng sự [87].
Phát thải HC khi động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel thay đổi không nhiều ở các tỷ lệ cung cấp khác nhau ứng với 5 giclơ khác nhau: với giclơ 1 phát thải HC tăng trung bình 1,14%, với giclơ 5 phát thải HC tăng trung bình 8,90%. Nguyên nhân làm HC tăng cũng được giải thích như ở phần nghiên cứu lý thuyết và kết quả thử nghiệm trên động cơ AVL5402. Tuy nhiên, ở động cơ D1146TI tăng áp, nhiệt độ khí cháy cao hơn nhiều so với động cơ không tăng áp AVL5402 nên sự ô xi hóa HC trong quá trình giãn nhở và thải mạnh hơn nhiều so với ở động cơ AVL5402. Do đó, sự tăng HC khi tăng LPG trong động cơ này ít hơn nhiều so với ở động cơ AVL5402.
Hai thành phần quan trọng nhất trong khí thải động cơ diesel là NOx và độ đen của khí thải (Smoke) đều có xu hướng giảm khi tăng kích thước các giclơ, mức độ giảm nhiều nhất trong trường hợp sử dụng giclơ 5, khi đó NOx giảm 3,61% và độ đen của khí thải giảm tới 19,08%. Sự giảm NOx trong động cơ này có thể được giải thích là động cơ D1146TI trang bị hệ thống cấp nhiên liệu truyền thống với áp suất phun thấp hơn nhiều so với động cơ phun nhiên liệu tích áp nên phun không tơi làm tồn tại nhiều vùng hỗn hợp nhạt LPG/không khí cháy kém làm giảm nhiệt độ cháy. Khi đó, nếu tỷ lệ LPG thay thế nhỏ thì hỗn hợp LPG-không khí nhạt chưa đạt được tốc độ cháy tốt để tăng nhiệt lớn hơn so với nhiên liệu diesel để đủ bù vào phần nhiệt LPG hấp thụ của hỗn hợp khí trong xilanh để bay hơi. Kết quả là nhiệt độ khí cháy giảm làm giảm NOx.
Hàm lượng CO2 có xu hướng giảm ít với giá trị lớn nhất 6,46% với giclơ 5. Mức độ thay đổi hàm lượng các thành phần phát thải với các giclơ khác nhau được thể hiện trên hình 4.28.
-125-
Hình 4.28 Mức độ thay đổi các thành phần phát thải ở 100% tải
Kết quả thử nghiệm hàm lượng phát thải CO, HC, NOx, độ đen và CO2 ở chế độ 75% tải được thể hiện ở các hình 4.29 đến 4.33 và phụ lục 3.9.
Hình 4.29 Phát thải CO tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ
M ức độ t ha y đổ i ( %) CO ( x 1 0 4 ppm)
-126-
Hình 4.30 Phát thải HC tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ
-127-
Hình 4.32 Độ đen tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ
Hình 4.33 Phát thải CO2 tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ
Kết quả thử nghiệm ở chế độ 75% tải có xu hướng tương tự như ở chế độ 100% tải. Khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel có hàm lượng phát thải CO thay đổi nhẹ, với giclơ 1 hàm lượng CO tăng trung bình trên toàn bộ dải tốc độ là 13,95% còn với giclơ 5 thì
CO 2 ( x 1 0 4 ppm)
-128-
CO chỉ tăng 2,35%. Phát thải HC tăng dần với các giclơ từ 1 đến 5 với mức tăng không đáng kể, nhiều nhất là 9,80% với giclơ 5. Phát thải NOx và độ đen của khí thải giảm nhiều nhất khi sử dụng giclơ 5 với mức giảm tương ứng là 6,39% và 21,06%. Phát thải CO2 giảm lớn nhất 8,4% với giclơ 5. Mức độ thay đổi hàm lượng phát thải với các giclơ khác nhau thể hiện trên hình 4.34.
Hình 4.34 Mức độ thay đổi các thành phần phát thải ở 75% tải
Như vậy, đánh giá phát thải của động cơ theo đường đặc tính tốc độ ở 100% tải và 75% tải cho thấy sử dụng giclơ 5 cho kết quả hợp lý nhất về phát thải, trong đó các thành phần phát thải NOx, CO2, độ đen đều giảm và hàm lượng HC và CO tăng ít. Tương ứng với giclơ 5, tỷ lệ LPG cung cấp cũng là nhiều nhất, ở chế độ 100% tải trung bình chiếm 17,81% và ở chế độ 75% tải trung bình chiếm khoảng 22,85% lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ. Tỷ lệ cung cấp LPG đối với các giclơ được thể hiện trên hình 4.35. Vì vậy, giclơ 5 được lựa chọn để tiếp tục cho các nghiên cứu tiếp theo.
Hình 4.35 Tỷ lệ thay thế LPG với 5 loại giclơ
M ức độ t ha y đổ i ( %)
-129-
4.3.2.2 Đánh giá phát thải động cơ theo chu trình thử ECE R49 (tiêu chuẩn Euro II) với giclơ 5 đã chọn
Các thành phần phát thải CO, HC, CO2, NOx, và PM của động cơ khi sử dụng đơn nhiên liệu diesel và khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel với tỷ lệ cung cấp tương ứng với giclơ 5 được xác định theo chu trình thử 13 mode ECE R49 (tiêu chuẩn Euro II). Các chế độ đo, trọng số của từng chế độ trong chu trình và lượng LPG thay thế thực tế được chỉ ra trong bảng 4.4. Kết quả đo được thể hiện trong bảng 4.5 và đồ thị hình 4.36.
Bảng 4.4 Chế độ đo trong chu trình thử ECE R49 và tỷ lệ LPG thay thế thực tế
Chế độ Tốc độ Tải trọng, % Trọng số % LPG thay thế diesel 1 Không tải 0 0,25/3 0,00 2 Tốc độ tương ứng với mômen lớn nhất 10 0,08 0,00 3 25 0,08 0,00 4 50 0,08 26,46 5 75 0,08 22,66 6 100 0,25 15,66 7 Không tải 0 0,25/3 0,00 8 Tốc độ tương ứng với công suất định mức 100 0,10 11,21 9 75 0,02 14,46 10 50 0,02 17,03 11 25 0,02 19,25 12 10 0,02 22,63 13 Không tải 0 0,25/3 0,00 TB 11,49
Bảng 4.5 Kết quả đo phát thải theo chu trình Châu Âu ECE R49
Thành phần Đơn vị Diesel Diesel+LPG Thay đổi (%)
HC g/kW.h 1,637 1,804 10,2%
CO g/kW.h 3,384 3,779 11,7%
NOx g/kW.h 5,877 5,703 -3,0%
PM g/kW.h 0,1754 0,1416 -19,3%
-130-
Hình 4.36 Hàm lượng phát thải theo chu trình thử ECE R49
Hàm lượng phát thải theo chu trình thử ECE R49 khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel so với sử dụng đơn nhiên liệu diesel, thay đổi như sau: lượng HC và CO tăng tương ứng 10,2% và 11,7%, lượng CO2 giảm 5,8%, NOx giảm 3% và đặc biệt hàm lượng chất thải hạt PM giảm đáng kể tới gần 20%.
Kết quả trên cho thấy, khi sử dụng LPG, thành phần phát thải thay đổi theo hướng NOx giảm và CO tăng. Sự thay đổi có vẻ có xu hướng ngược với kết quả thực nghiệm trên động cơ AVL5402, ở đó CO giảm và NOx tăng. Điều này được giải thích là, sự tạo thành CO trong động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel chủ yếu xảy ra tại khu vực cháy của nhiên liệu LPG vì trong động cơ này tỷ lệ LPG-không khí luôn nhạt hơn nhiều so với tỷ lệ lý tưởng, do đó nếu thể tích các vùng chứa chỉ có hỗn hợp LPG-không khí càng lớn thì phát thải CO càng lớn. Trong khi đó, phát thải NOx lại xảy ra tại các vùng cháy mãnh liệt của cả hai thành phần nhiên liệu do đó nếu tốc độ cháy càng lớn thì NOx càng tăng.
Xét về hai động cơ thử nghiệm thì hai động cơ này có áp suất phun nhiên liệu diesel khác nhau nên đặc điểm tạo hốn hợp cũng khác nhau, vì vậy đặc điểm quá trình cháy sẽ khác nhau và sẽ ảnh hưởng đến đặc điểm phát thải NOx và CO. Động cơ AVL-5402 là động cơ trang bị hệ thống nhiên liệu tích áp (common rail) với áp suất phun nhiên liệu diesel là 800 kgf/cm2, vòi phun nhiều lỗ nên có thể nói nhiên liệu diesel được phun rất tơi vào buồng cháy và bao trùm gần hết thể tích buồng cháy ở chế độ toàn tải nên các hạt nhiên liệu diesel gần như phân bố đều trong hỗn hợp với hơi LPG và không khí nên thể