v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
4.1 Mục đích, đối tƣợng và trang thiết bị thử nghiệm
Quá trình thử nghiệm trên hai loại động cơ diesel đặc trưng chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel trên băng thử nhằm đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel với tỷ lệ LPG thay thế lớn nhất. Đặc biệt là đánh giá một số tính năng mà nghiên cứu mô phỏng chưa chỉ ra được như giới hạn kích nổ và sự rung động khi tăng tỷ lệ LPG thay thế.
4.1.2 Đối tƣợng và nhiên liệu thử nghiệm
Đối tượng là động cơ diesel AVL 5402 trang bị hệ thống nhiên liệu tích áp và động cơ diesel thương mại D1146TI trang bị hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống rất phổ biến trên xe buýt tại Hà Nội. Các thông số cơ bản của các động cơ này được trình bày ở phụ lục 1.21.
Nhiên liệu thử nghiệm gồm nhiên liệu diesel thường dùng có hàm lượng lưu huỳnh <500ppm và LPG được chứa trong bình chứa có tỷ lệ về thể tích của propan/butan là 50/50. Phẩm chất LPG và diesel được trình bày trong phụ lục 1.6 và 1.7.
4.1.3 Trang thiết bị thử nghiệm
4.1.3.1 Băng thử
Hệ thống băng thử động cơ nghiên cứu AVL 5402 (phụ lục 1.13) là một cụm các hệ thống riêng biệt kết hợp lại với nhau tạo thành một hệ thống thiết bị thử nghiệm và nghiên cứu động cơ đốt trong gồm Băng thử điện Dyno-AMK, động cơ nghiên cứu 1 xilanh 5402, hệ thống làm mát dầu bôi trơn và nước làm mát AVL577, thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu Fuel Balance 733S, hệ thống điều khiển và giám sát băng thử PUMA, phần mềm điều khiển INCA điều khiển ECU cung cấp nhiên liệu cho động cơ, thiết bị đo diễn biến áp suất trong xilanh INDICATING, thiết bị xác định nồng độ khí thải CEB-II, thiết bị xác định độ mờ khói Opacimeter 439, Smoke Meter và một số thiết bị phụ trợ khác.
Cụm quan trọng nhất của hệ thống băng thử là cụm phanh điện Dyno-AMK có chức năng như máy phát điện, trong đó từ trường tương hỗ giữa rotor và stator tạo ra mô men cản với rotor và cân bằng với mô men dẫn động từ động cơ (trục rotor được nối với trục khuỷu động cơ). Cường độ từ trường tương hỗ giữa rotor và stator được điều chỉnh để thay đổi mô men cản trên trục dẫn động từ động cơ. Khả năng thay đổi mô men phanh thích hợp cho việc điều khiển tự động ở các chế độ thử của động cơ. Cụm phanh có chức năng làm việc ở chế độ máy phát (phanh đối với động cơ) và chế độ động cơ điện (kéo động cơ quay). Khi băng thử làm việc ở chế độ máy phát thì điện năng sinh ra sẽ qua bộ biến tần để hòa vào lưới điện. Băng thử có thể thử nghiệm động cơ có mô men lớn nhất là 105 Nm, công suất lớn nhất là 45 kW và tốc độ của băng thay đổi từ 0 đến 8000 vòng/phút.
-100-
Hệ thống băng thử để thử nghiệm động cơ D1146 TI (phụ lục 1.14)có thiết bị chính là phanh APA100 tạo tải cân bằng với công suất của động cơ phát ra, từ đó xác định được mômen và công suất động cơ của động cơ. Suất tiêu hao nhiên liệu được xác định bằng cân nhiên liệu. Khí thải động cơ được lấy mẫu và phân tích hàm lượng các chất thải độc hại (CO, CO2, NOx, HC, PM) bằng các thiết bị phân tích khí. Điều kiện nhiệt độ của động cơ (nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ dầu bôi trơn, nhiệt độ nhiên liệu) được điều chỉnh chính xác bởi các bộ điều chỉnh nhiệt độ. Các tín hiệu về nhiệt độ (nước, dầu, nhiên liệu, khí nạp, khí xả) và áp suất (dầu bôi trơn, nhiên liệu, môi trường) được thu nhận từ các cảm biến gắn trên các đường ống dẫn và đưa về bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và hiển thị trên màn hình máy tính. Việc cung cấp nhiên liệu diesel được điều khiển bởi bộ kéo ga Throttle Actuator THA100. Lượng tiêu hao nhiên liệu được xác định theo phương pháp khối lượng qua cân nhiên liệu Fuel Balance 733. Các chế độ làm việc của động cơ và các dữ liệu đo đạc được điều khiển, thu nhận và xử lý bởi các phần EMCON và PUMA.
Phanh điện APA100 có thể hoạt động được ở chế độ phanh điện và động cơ điện. Tác dụng tương hỗ giữa lực từ của stator và rotor sẽ tạo ra tải trọng cho động cơ hoặc lực kéo động cơ đốt trong quay. Lực này được đo bởi một cảm biến lực trên băng thử để xác định mô men. Thay đổi giá trị của lực này bằng cách thay đổi cường độ dòng điện vào băng thử. Tốc độ quay của băng thử được xác định bằng cảm biến tốc độ kiểu đĩa quang. Băng thử được trang bị các hệ thống điều khiển, xử lý số liệu tự động và hiển thị kết quả như PUMA, EMCON300, Concerto và ISAC300, giúp cho quá trình điều khiển được dễ dàng và bảo đảm kết quả thử nghiệm chính xác.
4.1.3.2 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu
Cân nhiên liệu AVL733S (phụ lục 1.15) đo lượng diesel tiêu thụ của động cơ bằng cách cân lượng nhiên liệu trong bình chứa. AVL733S có thể đo liên tục lượng nhiên liệu trong một khoảng thời gian từ khi đầy bình đến khi nhiêu liệu trong bình giảm tới mức 0.
Bắt đầu quá trình đo, nhiên liệu được cấp đầy vào thùng đo. Lúc này lực tỳ lên cảm biến lưu lượng là lớn nhất. Van điện từ đóng lại ngăn không cho dòng nhiên liệu vào thùng đo trong khi đường cấp vào động cơ vẫn mở. Đồng thời với quá trình đó thì bộ phận đếm thời gian hoạt động. Khi nhiên liệu trong thùng chảy hết đồng nghĩa với lực tỳ lên cảm biến lưu lượng bằng 0 tức là quá trình đo kết thúc. Dựa vào các kết quả thu thập được sẽ được bộ vi xử lý tính toán lưu lượng nhiên liệu động cơ tiêu thụ theo đơn vị thời gian.
4.1.3.3 Hệ thống thiết bị phân tích khí thải
Tủ phân tích khí xả (phụ lục 1.16) CEB-II là hệ thống phân tích khí thải bao gồm toàn bộ các môđun thực hiện quá trình phân tích các thành phần khí thải (các bộ phân tích) và các thiết bị đảm bảo điều kiện làm việc chính xác của hệ thống như: Khối làm nóng (HSU), khối chuẩn đoán, khối điều khiển… Ngoài ra, tủ phân tích còn được lắp đặt một máy tính công nghiệp với phần mềm điều khiển GEM110. Việc kết nối máy tính điều khiển với các bộ phân tích được thực hiện thông qua các tín hiệu số, tùy thuộc vào bộ phân tích mà có thể kết nối với máy tính qua mạng CAN, LAN hay qua cáp nối tiếp RS232. Các bộ phân tích lắp đặt trong tủ được sử dụng để đo các thành phần có trong khí thải như CO, CO2, O2, NO và NOx, HC đồng thời còn đo được .
-101-
a) Nguyên lý làm việc của bộ phân tích CO
CO hấp thụ tia hồng ngoại ở bước sóng khoảng 4,7µm. Như thể hiện ở phụ lục 1.17, khi cần đo lượng CO có trong khí mẫu, khí mẫu được đưa vào buồng (4). Tia hồng ngoại tạo ra bởi đèn (1) đi qua buồng (4) và buồng (8). Do buồng (4) có CO nên một phần tia hồng ngoại bị hấp thụ, còn buồng (8) chỉ có chứa N2 vì vậy tia hồng ngoại đi qua hoàn toàn. Để lượng hồng ngoại đi qua hai buồng là như nhau đĩa (3) được điều khiển quay, trên đĩa (3) có xẻ các rãnh sao cho thời gian cho tia hồng ngoại qua rãnh trong và rãnh ngoài là bằng nhau. Sau khi đi qua hai buồng (4) và (8), tia hồng ngoại tới buồng (5) và buồng (7). Trong hai buồng này có chứa CO tia hồng ngoại sẽ bị hấp thụ hoàn toàn bởi khí này và làm tăng nhiệt độ của khối khí trong buồng (5) và buồng (7), tương ứng với sự tăng nhiệt độ là sự tăng áp suất. Hai buồng (5) và (7) được ngăn cách với nhau bằng một màng cao su. Trong hai chùm tia hồng ngoại thì chùm tia hồng ngoại đi qua buồng (4) đã bị hấp thụ một phần tại đó vì vậy sự hấp thụ tia hồng ngoại tại buồng (5) ít hơn buồng (7) do đó có sự chênh lệch áp suất giữa hai buồng. Sự chênh lệch áp suất này làm cho màng cao su bị cong, tiến hành đo độ cong có thể tính được độ chênh lệch áp suất. Qua tính toán chênh áp suất sẽ biết được lượng CO đã hấp thụ tia hồng ngoại. Lượng CO đó chính là lượng CO có trong mẫu khí thải.
Khi đo CO trong khí thải bằng phương pháp hồng ngoại phải tính đến các điều kiện gây sai số. Đặc biệt là sự hấp thụ của hơi nước. Vì vậy phải có biện pháp hiệu chỉnh giá trị đo. Thông thường hiệu chỉnh giá trị đo bằng cách lọc hết nước hoặc quy định giá trị ảnh hưởng của nước trong các khoảng đo.
b) Nguyên lý làm việc của bộ phân tích NO và NOx ( phụ lục 1.18)
Thiết bị hoạt động dựa vào hiện tượng quang hóa để xác định hàm lượng NO và - NOx. Thực chất phương pháp này là đo cường độ ánh sáng do các phần tử NO2 hoạt tính sinh ra. NO2 hoạt tính được tạo ra trong buồng phản ứng qua phản ứng sau:
NO + O3 = NO2* + O2
Không khí được đưa vào một đường và được cho qua bộ tạo ôzôn, trong bộ này O2
trong không khí được tạo thành O3 nhờ tia lửa điện và được đưa đến buồng phản ứng. Để đo lượng NO có trong khí thải, khí thải được đưa trực tiếp vào buồng phản ứng có O3. Khi đó, một phần NO có trong mẫu khí thải sẽ phản ứng với O3 và tạo ra NO2 hoạt tính (NO2*), NO2 hoạt tính tồn tại không lâu trong điều kiện bình thường vì vậy nó sẽ tự động chuyển về NO2 không hoạt tính bằng cách phóng đi một phần năng lượng dưới dạng tia sáng. Đo cường độ tia sáng thu được và dựa vào đó để xác định lượng NO phản ứng. Từ lượng NO phản ứng có thể tính ra lượng NO có trong khí thải mẫu.
Để đo lượng NOx có trong mẫu khí thải, mẫu này được đi qua một bộ chuyển đổi từ NO2 thành NO. Quá trình đo được thực hiện như đối với thành phần NO, kết quả đo thu được là lượng NOx có trong khí thải.
c) Nguyên lý làm việc của hệ thống đo HC
Như thể hiện ở phụ lục 1.19, khí mẫu cần đo được đưa vào hệ thống có áp suất 580mbar và lưu lượng 1500l/h. Khí mẫu và khí cháy (hỗn hợp H2/He có áp suất 1050mbar
-102-
và lưu lượng 30l/h) được hòa trộn với nhau và đưa và buồng cháy với áp suất là 680mbar. Trong buồng phản ứng, hỗn hợp khí (20% O2, 80% N2) được bơm vào làm môi trường cháy. Khi khí mẫu và khí cháy được đưa vào, bộ đánh lửa bật tia lửa đốt cháy. Trong điều kiện như vậy khí HC không cháy mà bị bẻ gãy liên kết tạo thành các ion. Các ion sinh ra trong môi trường có từ trường của cặp điện cực sẽ bị hút về hai bản cực và tạo thành dòng điện trong mạch. Tín hiệu này được xử lý, khuyếch đại và đưa đến bộ đo.
Khí cháy được hút ra nhờ độ chân không ở đầu ra. Độ chân không này được tạo ra do luồng khí nén thổi qua tại miệng hút. Dựa vào cường độ dòng điện sinh ra có thể đánh giá được lượng HC có trong khí mẫu.
d) Thiết bị đo độ mờ khói
Khi cho một lượng khí thải nhất định đi qua màng giấy lọc chuẩn, P-M sẽ bị giữ lại làm giấy lọc bị đen đi. Độ đen của giấy lọc xác định được sẽ phản ánh độ khói của khí thải. Thiết bị Smoke Meter AVL 415 có dải đo từ 0 đến 9,99 FSN (Filter Smoke Number) hoặc từ 0 đến 3199 mg/m3
với độ chính xác 0,1%.
4.1.3.4 Thiết bị đo độ rung động động cơ
Thiết bị đo độ rung động cơ có nhiều loại. Có loại theo nguyên lý đo sóng áp suất trong xi lanh động cơ. Thiết bị đo này sử dụng cảm biến thạch anh có độ nhạy cao có khả năng đo xung với tần số lớn tới hàng trăm kHz. Thiết bị được lắp đặt trực tiếp lên thành buồng cháy. Khi động cơ xảy ra cháy kích nổ, trong xi lanh động cơ sẽ xuất hiện sóng áp suất với tần số cao làm giá trị áp suất dao động. Do vậy thông qua quan sát đồ thị có thể đánh giá được hiện tượng kích nổ ở các mức độ khác nhau.
Trong đề tài này, tác giả sử dụng thiết bị đo độ rung động cơ dùng cảm biến gia tốc dựa trên nguyên lý đo biên độ dao động của phần tử cảm ứng của thiết bị khi thiết bị được gắn chặt lên thân máy của động cơ. Diễn biến biên độ rung động của động cơ được hiển thị trên phần mềm indicating.
Mô hình hệ cơ học có một bậc tự do của thiết bị này như trình bày ở phụ lục 1.20. Nguyên lý hoạt động của thiết bị như sau: Cảm biến gồm một phần tử nhạy cảm lò xo nối với một khối lượng rung và được đặt chung trong một vỏ hộp. Sự rung động của động cơ truyền cho phần tử cảm ứng M, chuyển động của M tác động lên lò xo của cảm biến và được chuyển thành tín hiệu ở đầu ra, vì vậy thiết bị đo sẽ đo được biên độ dao động của phần tử này và ghi lại.
Dùng toán tử laplace (p) có thể mô tả hoạt động của cảm biến rung bằng biểu thức dưới đây:
- Mp2 h0 = Mp2z + Fpz + Cz
Trong đó: M là khối lượng rung; h0 là tung độ của điểm a của vỏ hộp; h là tung độ điểm b của khối lượng rung; F là Lực ma sát ướt; Cz là phản lực lò xo.
Khi không có gia tốc tác động lên vỏ hộp, tung độ của a và b bằng nhau.
Dịch chuyển tương đối của khối lượng M so với vỏ hộp xác định bởi biểu thức: z = h – h0
-103-
4.2Thử nghiệm trên động cơ AVL 5402 4.2.1 Nội dung thử nghiệm 4.2.1 Nội dung thử nghiệm
Như đã phân tích ở chương 2, LPG thay thế thường được sử dụng ở chế độ tải lớn (toàn tải và gần toàn tải) để tránh phát thải HC cao. Thêm nữa, tỷ lệ LPG thay thế cao nhất có thể đạt được là ở chế độ toàn tải. Do đó, việc nghiên cứu thử nghiệm được thực hiện ở chế độ toàn tải với các tốc độ khác nhau. Nội dung và quy trình thử nghiệm như sau:
- Xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ chạy đơn nhiên liệu diesel:
Khi chạy với đơn nhiên liệu diesel, lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình của động cơ được điều chỉnh sao cho mô men động cơ phát ra là lớn nhất ở chế độ tốc độ định mức (chưa xuất hiện khói đen). Giữ nguyên lượng cấp nhiên liệu chu trình này và thay đổi mô men cản của phanh ta đo được mô men, công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ ở các tốc độ khác nhau và ta xác định được đường đặc tính ngoài của động cơ chạy đơn nhiên liệu diesel.
- Thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của áp suất phun LPG khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel ở tốc độ 2000v/ph, 100% tải với các tỷ lệ LPG thay thế khác nhau:
Như đã trình bày ở chương 2, nghiên cứu mô phỏng chưa đánh giá được ảnh hưởng của áp suất phun LPG đến các chỉ tiêu làm việc của động cơ, chưa đánh giá được ảnh hưởng của LPG đến sự phát sinh kích nổ và rung động của động cơ nên cần thử nghiệm tìm áp suất phun LPG tối ưu ở chế độ mômen lớn nhất Memax. Mục đích của việc thử nghiệm này là tìm ra được áp suất phun LPG phù hợp với khả năng hình thành hỗn hợp của nhiên liệu LPG và thỏa mãn điều kiện sử dụng kiệt bình chứa LPG trong quá trình vận hành động cơ. Quy trình được thực hiện như sau:
Cho động cơ chạy với nhiên liệu diesel ở toàn tải với tốc độ 2000v/ph. Điều chỉnh áp suất phun LPG bằng 1 bar qua van giảm áp. Qua giao diện INCA trên máy tính, điều chỉnh giảm lượng nhiên liệu diesel cấp cho chu trình một lượng tương ứng với tỷ lệ diesel muốn được thay thế bằng LPG, lúc đó mô men động cơ giảm. Tiếp theo, thông qua giao diện máy tính của bộ điều khiển điện tử ELC, thực hiện điều chỉnh tăng dần lượng LPG cấp vào động cơ cho đến khi mô men đạt được giá trị tương đương mô men khi động cơ chạy với đơn nhiên liệu diesel và tiến hành đo các thông số làm việc của động cơ như mô men, công