CHƯƠNG II : ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL
2.3 Hiệu suất động cơ, hệ sinh thái và tính kinh te Đặc trưng
Trong số tất cả các hiệu suất của động cơ, công suất động cơ và mô-men xoắn động cơ là quan trọng nhất. Các đặc điểm sinh thái quan trọng nhất liên quan đến tất cả các khí thải độc hại, chẳng hạn như NOx, CO, hydrocacbon chưa cháy (HC), hạt vật liệu (PM), khói và tiếng ồn. Trong số các đặc điểm nền kinh tế cụ thể tiêu thụ nhiên liệu và các thông số phân tích khác nhau liên quan đến mài mòn, cặn bẩn và hiện tượng bôi trơn sẽ được xem xét
29Hình 2.26: Kiểm tra ECE + EUDC
2.3.1 Kỹ thuật thực nghiệm
Ngày nay, các kỹ thuật thí nghiệm liên quan đến công suất và mô-men xoắn của động cơ là được thiết lập rất tốt và có thể được coi là tương đối đơn giản. Vì vậy, trong chương này sẽ nhấn mạnh vào các kỹ thuật thử nghiệm liên quan đến sinh thái và kinh tế.
Để xác định các đặc điểm sinh thái của động cơ, động cơ thường được chạy trong một số điều kiện hoạt động quy định, được gọi là chu kỳ động cơ. Trong thực tế, các chu kỳ động cơ trạng thái ổn định và tạm thời khác nhau được sử dụng. Ví dụ, một thoáng qua chu kỳ kiểm tra FTP-75 cho ô tô và xe tải hạng nhẹ được sử dụng để chứng nhận khí thải thử nghiệm ô tô và xe tải hạng nhẹ ở Hoa Kỳ. Ở Nhật Bản, chu kỳ lái xe trong đô thị JC08 được sử dụng để đo khí thải và mức tiết kiệm nhiên liệu của xe hạng nhẹ.
Hơn nữa, một bài kiểm tra lực kế khung gầm kết hợp ECE + EUDC (Hình 2.26) là được sử dụng để chứng nhận khí thải cho các phương tiện vận tải hạng nhẹ (ô tô chở khách và hạng nhẹxe thương mại) ở Châu Âu.
Trong thử nghiệm thoáng qua (Hình 2.27), hệ thống lấy mẫu thể tích không đổi thường là được sử dụng để thu được khối lượng phát ra của các thành phần khí thải. Một khối lượng không đổi
Hệ thống lấy mẫu pha loãng toàn bộ khí thải với không khí sạch để tạo ra dòng chảy ổn định. Một tỷ lệ cố định của toàn bộ khí thải loãng được thu vào túi mẫu để thu được khí thải loãng đại diện cho giá trị trung bình nồng độ trong khi động cơ chạy. Khí thải pha loãng cũng có thể được đo liên tục để có được nồng độ trung bình trong quá trình chạy. Phát thải hàng loạt của các thành phần khí thải thu được từ toàn bộ dòng khí thải đã pha loãng và nồng độ trung bình của chất ô nhiễm trong khí pha loãng.
Chu trình ESC thử nghiệm trạng thái ổn định cho động cơ xe tải và xe buýt được sử dụng để phát thải chứng nhận động cơ diesel hạng nặng ở Châu Âu. Trong bài kiểm tra trạng thái ổn định ESC chu kỳ, tầm quan trọng của một chế độ hoạt động riêng lẻ được xác định bởi hệ số trọng số tương ứng. Hệ số trọng số cho tất cả các chế độ tính bằng phần tram được đưa ra trong Hình 2.28.
Trong thử nghiệm ở trạng thái ổn định (Hình 2.29), khí thải từ động cơ trực tiếp được thu thập mà không cần pha loãng. Sự phát thải khối lượng của các chất ô nhiễm thu được trong quá trình phép thử từ lượng dòng khí thải, thu được từ khí nạp
31Hình 2.28 Kiểm tra ESC, chu kỳ 13 chế độ, hệ số trọng số
lưu lượng và lưu lượng nhiên liệu, và nồng độ trung bình của các thành phần khí thải. Vì phương pháp đo trực tiếp này không làm loãng khí thải nên phương pháp này tốt hơn so với các phép đo độ pha loãng để đo các thành phần khí thải nồng độ thấp
Sơ đồ của buồng thử động cơ được trình bày trong Hình 2.30 (Kegl 2008).
Giường kiểm tra động cơ bao gồm một động cơ và lực kế, đồng hồ đo tốc độ dòng khí, hệ thống đo động lực tiêu thụ nhiên liệu, máy phân tích HC, NOx, O2 và CO, và máy đo khói. Bằng cách sử dụng hệ thống thu thập dữ liệu, áp suất tức thời trong ống áp suất cao nhiên liệu, áp suất tức thời trong xi lanh, và nhiệt độ của nhiên liệu, không khí xung quanh, khí nạp, nước làm mát ở dòng vào và dòng ra động cơ, dầu và khí thải cũng được đo (Hình 2.30).
Phần mềm thích hợp phải được sử dụng để xây dựng các ứng dụng máy tính cho thu thập dữ liệu, phân tích dữ liệu và các thuật toán điều khiển. Các ứng dụng này là được sử dụng để kiểm soát hoạt động của việc thu thập dữ liệu và để ghi dữ liệu và xử lý hậu kỳ.
Các kỹ thuật phân tích khí thải thông thường được trình bày trong Bảng 2.1 (Plint và Liệt sĩ 1995).
Các đặc tính của động cơ có thể được khảo sát bằng cách kiểm tra máy bơm bề mặt pít tông, cặn cacbon trên kim phun và trong buồng đốt, và vòi phun hệ số phóng điện (Pehan và cộng sự
32Hình 2.29 Cấu hình hệ thống kiểm tra trạng thái ổn định của động cơ
2009). Khả năng bôi trơn nhiên liệu có thể được điều tra bằng cách kiểm tra các thay đổi trong bề mặt pít tông bơm bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử và bằng cách kiểm tra các thông số về độ nhám. Các-bon Có thể kiểm tra cặn bẩn trong buồng đốt bằng phương pháp nội soi.
Có thể ước tính cặn bẩn trong lỗ vòi phun của kim phun một cách gián tiếp thông qua quá trình xả các phép đo hệ số.
33Hình 2.29 Cấu hình hệ thống kiểm tra trạng thái ổn định của động cơ
Bảng 2.1 Các kỹ thuật phân tích khí thả
Các thành phần quan trọng để đánh giá sinh vật học được trình bày dưới dạng giản đồ trong Hình 2.31.
Để xác định các thay đổi trên bề mặt pít tông bơm do sử dụng các nhiên liệu, kính hiển vi điện tử có thể được sử dụng. Các bề mặt phải được kiểm tra trước khi và sau khi sử dụng nhiên liệu. Để xác định ảnh hưởng của việc sử dụng nhiên liệu đến độ nhám của bề mặt hoạt động của pít tông bơm, các thông số độ nhám liên quan phải đã kiểm tra. Độ nhám trung bình số học Ra, độ nhám trung bình bậc hai
Rq, đỉnh cao nhất đến độ cao thung lũng Ry và độ cao trung bình từ đỉnh đến thung lũng Rz có thể được tính toán trên cơ sở quét cơ học của pít tông bơm bề mặt váy và đầu của nó bằng một thiết bị thích hợp, ví dụ, bằng đầu quay thiết bị PURV 3–100. Cần lưu ý rằng một bề mặt trượt mong muốn (Hình 2.32) thể hiện một bình nguyên gần như phẳng được ngăn cách bởi các rãnh hẹp cách nhau ngẫu nhiên. Có thể kiểm tra cặn carbon trên kim phun và trong buồng đốt bằng nội soi kiểm tra. Vì mục đích này, một hệ thống kính video thích hợp như như OLYMPUS của loại IPLEX SA với bộ chuyển đổi quang IV76- AT120D / NF có thể được dùng
34Hình 2.31 Sơ đồ động cơ diesel với các thành phần quan trọng để đánh giá chất thải
Thiết bị đo hệ số lưu lượng nhiên liệu nhằm đo lưu lượng nhiên liệu hệ số ở điều kiện trạng thái ổn định. Thủ tục thường được sử dụng được gọi là quy trình của Bosch để đo hệ số lưu lượng. Sơ đồ thủy lực của thiết bị thử nghiệm được trình bày trong Hình 2.33. Thiết bị kiểm tra bao gồm thùng nhiên liệu hiệu chuẩn (CF), bộ lọc, áp suất thấp máy bơm và máy bơm cao áp (mỗi máy bơm được điều khiển bởi động cơ điện riêng của nó), buồng áp suất (để làm ẩm sóng áp suất), bộ hạn chế, điều chỉnh áp suất van, van dẫn hướng (để hướng dòng nhiên liệu vào thùng đo mong muốn), và giá đỡ vòi phun để định vị thích hợp vòi phun thử nghiệm. Vị trí kim trong vòi phun được hiệu chuẩn bằng cách sử dụng một micromet. Hai đầu dò áp suất cho đo áp suất trước và sau khi sử dụng bơm cao áp. Suốt trong phép đo, nhiệt độ của CF được điều chỉnh bởi một bộ trao đổi nhiệt được gắn vào thùng nhiên liệu. Để tính toán mật độ nhiên liệu, nhiệt độ nhiên liệu trong thùng đo thu được bằng một nhiệt lượng.
36Hình 2.33 Sơ đồ thủy lực của thiết bị kiểm tra hệ số phóng điện
CF chảy từ bể CF qua van chính và bộ lọc xuống mức thấp bơm áp suất và tiếp tục vào bơm cao áp, thông qua áp suất cao ống và một bộ lọc vi mô vào buồng áp suất. Buồng này hoạt động giống như một van điều tiết cho dao động áp suất. Buồng áp suất được kết nối với kim phun đã thử nghiệm vòi phun bằng ống, được trang bị bởi bộ hạn chế và một van điều chỉnh. Người hạn chế được thiết kế để điều chỉnh dòng chảy của chất lỏng. Van điều chỉnh được thiết kế để giữ áp suất chất lỏng ở giá trị không đổi là 100 bar. Sự tràn của kim phun đi qua ống rò rỉ vòi phun. Bên dưới kim phun đã thử nghiệm, van điều
hướng là đã đặt. Van này hướng chất lỏng vào thùng đo. Nam châm điện của van trực tiếp được sạc bằng công tắc thời gian, có thể được điều chỉnh chính xác trong khoảng thời gian đo cần thiết. Từ lượng nhiên liệu đo được, hệ số phóng điện có thể được tính toán. Khi bắt đầu quy trình đo, độ nâng kim cần thiết được thiết lập bởi sử dụng micromet (Pehan và cộng sự 2009). Chất lỏng chảy vào thùng đo trong một số khoảng thời gian cụ thể (ví dụ: 30 s, 60 s, ...) và ở một số áp suất xác định sự khác biệt (ví dụ: 99 bar). Bằng cách sử dụng bộ hạn chế và van điều chỉnh, chênh lệch áp suất Δp được đặt ở giá trị yêu cầu. Bằng cách sử dụng công tắc thời gian, bộ đếm thời gian được bắt đầu và van điều hướng được kích hoạt, hướng chất lỏng vào thùng đo lường. Sau khoảng thời gian quy định, chất lỏng chảy qua kim phun trở lại bể CF. Trên cơ sở lượng chất lỏng trong phép đo thùng chứa và thời gian đo, thể tích thực tế và thể tích lý thuyết dòng chảy được tính toán. Hệ số lưu lượng đầu phun μ được xác định là tỷ số giữa lưu lượng thể tích đo được (thực tế) V_m và lưu lượng thể tích lý thuyếtV_ t, được tiêm qua vòi, tức là, μ ¼ V_ m V_ t. Theo phương trình Bernoulli, vận tốc dòng chảy lý thuyết qua một lỗ vòi phun có thể được suy ra từ đường kính lỗ vòi phun dnh, chênh lệch áp suất Δp, và mật độ nhiên liệu ρf như : Nói chung, hệ số lưu lượng vòi phun có một quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính phun nhiên liệu và đặc tính phun (Kegl 2006)
2.3.2 Mô hình hóa và mô phỏng toán học
Mô hình động lực học chất lỏng tính toán (CFD) đang trở nên hấp dẫn giải pháp thay thế cho phân tích động cơ thay cho nghiên cứu thử nghiệm thử nghiệm đầy đủ ở những năm gần đây. Nó được các nhà nghiên cứu động cơ sử dụng rộng rãi để khám phá dòng chảy trong xi lanh trường, truyền nhiệt, đặc điểm đốt cháy và quá trình hình thành khí thải (Ismail và cộng sự 2011; Gunabalan và cộng sự 2010). Mô hình đốt trong động cơ đại diện cho một trong những vấn đề cơ học chất lỏng thách thức nhất do đến bản chất có thể nén của dòng chảy với sự thay đổi mật độ lớn, Mach thấp số và dòng chảy hỗn loạn, không ổn định, theo chu kỳ, không ổn định và không đồng nhất (Ismail et al. 2011). Để mô phỏng dòng chảy hỗn loạn trong xi lanh, phương pháp tiếp cận Navier – Stokes trung bình của Reynolds được sử dụng rộng rãi với mô hình nhiễu loạn RNG k – ε được sử dụng vì nó chiếm dòng xoáy cao (ví dụ: phần mềm AVL FIRE và KIVA).
Trong động cơ diesel, quá trình đốt cháy có thể được phân loại thành hai các giai đoạn, cụ thể là quá trình đốt trộn trước và đốt có kiểm soát hỗn hợp. Đốt hỗn hợp là một quá trình đốt cháy nhanh chóng phụ thuộc nhiều vào về tốc độ nguyên tử hóa, phân hủy, hóa hơi và trộn lẫn của các giọt nhiên liệu cũng như các phản ứng hóa học. Mặt khác, quá trình đốt có kiểm soát hỗn hợp phụ thuộc vào tốc độ trộn lẫn hỗn loạn của nhiên liệu và không khí để tạo thành chất cháy hỗn hợp. Một mô hình không trộn sẵn với phương pháp tiếp cận hàm mật độ xác suất là được sử dụng để mô hình hóa quá trình đốt cháy động cơ diesel
cho ngọn lửa khuếch tán hỗn loạn với tốc độ nhanh hóa học (Ismail và cộng sự 2011; Gunabalan và cộng sự 2010).
Phân tích số chính xác và hiệu quả là yếu tố then chốt để xác định thành công các đặc tính đốt cháy và các cải tiến của chúng. Đối với trạng thái ổn định dự đoán hiệu suất của động cơ diesel, có một số gói thương mại (ví dụ: AVL BOOST) được chấp nhận rộng rãi, được kiểm tra nghiêm ngặt và được xác minh trong ứng dụng thực tế.
Các mô hình toán học cơ bản dựa trên định luật đầu tiên của tên gọi nhiệt động học. Về cơ bản, đối với chu kỳ áp suất cao, luật này nói rằng sự thay đổi của nội năng trong hình trụ bằng tổng công của piston , sự chuyển đổi năng lượng hóa học thành nhiệt năng , và dòng entanpi do thổi . Cho một động cơ piston đốt trong, nó có thể được viết là (Kegl 2011)
trong đó ký hiệu α biểu thị góc quay của trục khuỷu, mc là khối lượng của hỗn hợp trong hình trụ, u là nội năng riêng, pc là phần trong hình trụ áp suất, V là thể tích xi lanh, Qf là năng lượng nhiên liệu, Qw truyền nhiệt xuyên qua lớp lót, và hBB và mBB là entanpi và khối lượng của hỗn hợp lần lượt thoát ra ngoài qua khe hở giữa piston và ống lót.
Với pc áp suất khí trong xi lanh và VD dịch chuyển làm việc của một piston, áp suất hiệu dụng trung bình được chỉ định có thể được xác định qua thời lượng toàn bộ chu kỳ như sau:
p Cùng với phương trình khí:
trong đó Tc là nhiệt độ khí trong xi lanh, phương trình (2.55) có thể được giải bằng cách sử dụng, ví dụ, phương pháp Runge – Kutta. Khi nhiệt độ khí trong xi lanh là biết, áp suất khí trong xilanh có thể nhận được từ phương trình khí.
trong đó x là phần nhỏ của khối lượng nhiên liệu đã được đốt cháy kể từ khi bắt đầu đốt cháy, y ¼ (α αo) / Δαc, a là tham số Vibe (a thường bằng 6,9 để đốt cháy hoàn toàn), m là thông số hình dạng (m thường bằng 0,85), α là góc quay trục khuỷu, αo là góc bắt đầu cháy, và Δαc là góc của thời gian cháy.
Sự tỏa nhiệt thực tế có thể được xác định là
trong đó Tần là tổng nhiệt đầu vào. Hơn nữa, để mô hình hóa sự truyền nhiệt trong xi lanh, nhiệt
Hệ số truyền αw có thể được xác định bằng cách sử dụng mô hình truyền nhiệt Woschni, được cho bởi
trong đó D là lỗ khoan xylanh, cm là vận tốc trung bình của pít tông, pc, o là áp suất của nén thuần túy, pc, 1 và Tc, 1 là áp suất và nhiệt độ trong xi lanh (tại thời điểm khi van nạp đóng), và C1 và C2 là các hằng số Hệ số αp của sự truyền nhiệt qua khí nạp, αp, i, và khí thải, αp, e, các cổng có thể được mô tả bằng công thức Zapf cho phía nạp và xả, tương ứng, như
trong đó C4, C5, C6, C7, C8 và C9 là các hằng số cho trước, m_ là lưu lượng khối, tương ứng là nhiệt độ ở phía đầu vào cổng và dvi và hv là đường kính chân van và van nâng, tương ứng.