VII. Bố cục luận án
41. Chuyển đổi động cơ diesel một xylanh S1100 thành động cơ khí thiên nhiên
4.6. Kết quả thử nghiệm và thảo luận
4.6.1. Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston và tỷ số nén đến mô men và công suất
Hình 4.22. Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston đến mô men
Hình 4.22 trình bày các kết quả thu được từ quá trình thí nghiệm động cơ sau chuyển đổi với cùng một mục tiêu là đạt được mô men (Me) lớn nhất, phương pháp thực hiện để hướng đến mục tiêu này là lượng nhiên liệu cấp và thời điểm đánh lửa sẽ thay đổi để đạt được giá trị mô-men lớn nhất tại mỗi tốc độ động cơ.
Nhìn chung, mô-men đo được của cả ba kiểu đỉnh piston có xu hướng thay đổi tương tự nhau khi tốc độ động cơ tăng từ 1000 vòng/phút lên 2000 vòng/phút. Lý
do thí nghiệm không thực hiện thêm tại n = 2200 vòng/phút là vì mô men của cả ba piston (PS1, PS2 và PS3) đều có xu hướng giảm khi tốc độ động cơ lớn hơn n = 1400 vòng/phút. Trong phạm vi tốc độ từ n = 1000 vòng/phút đến n = 1400 vòng/phút, mô-men có xu hướng tăng và đạt giá trị cực đại tại tốc độ động cơ n = 1400 vòng/phút. Giá trị của mô men có xu hướng giảm ngay khi động cơ làm việc ở tốc độ cao hơn (n > 1400 vòng/phút). Sự thay đổi mô men (Me) trong giải tốc độ từ n = 1000 vòng/phút đến n = 2000 vòng/phút chủ yếu là do hệ số nạp (v ) của động cơ thay đổi.
Nguyên nhân làm thay đổi hệ số nạp của động cơ là do tổn thất của dòng khí trên đường nạp nhưng nguồn gốc làm tổn thất lưu lượng nạp chính là sự xuất hiện của dòng khí ngược khi xúp-páp thực hiện hành trình đóng và mở cửa nạp. Do vậy, ở khi tốc độ của động cơ làm việc trong vùng n = 1000 ÷ 1400 vòng/phút, lúc này lưu khối của dòng khí nạp ( ma ) tăng dần nhưng phần lưu khối của dòng khí ngược (�� ��) sinh ra do xúp-páp nạp đóng là rất nhỏ nên mô men động cơ tăng. Mô men của động cơ đạt giá trị lớn nhất tại n = 1400 vòng/phút là bởi vì lượng hỗn hợp nạp được vào trong buồng cháy đạt giá trị lớn nhất. Tuy nhiên khi tốc độ động cơ lớn hơn n = 1400 vòng/phút, giá trị của phần lưu khối ngược ( mbp ) tăng do tần số đóng
mở của xúp-páp nạp tăng và chiều chuyển động của mbp ngược so với chiều chuyển động của m
a vì vậy đã làm cản trở lượng hỗn hợp nạp đi vào trong xylanh động cơ ( v giảm ở tốc độ lớn).
Từ phân tích ở trên đã làm rõ hơn tại sao giá trị mô men của cả ba piston (PS1, PS2 và PS3) cùng có xu hướng giảm khi động cơ làm việc ở n > 1400 vòng/phút bất chấp kích thước và hình dáng hình học của mỗi buồng cháy động cơ không đổi.
Ảnh hưởng của lượng hỗn hợp nạp ( mbp ) vào trong xylanh động cơ còn được thấy rõ hơn khi so sánh giữa hai tỷ số nén = 11,5 và = 12,5 ở cùng một tốc độ. Giá trị mô men của = 11,5 luôn lớn hơn so với = 12,5 chủ yếu là do khối lượng
của nhiên liệu nạp được vào trong buồng cháy nhiều hơn vì vậy nhiệt lượng cũng được giải phóng ra lớn hơn khi khối lượng nhiên liệu được đốt cháy nhiều hơn. Một nguyên nhân nữa góp phần làm cho mô men (Me) của = 12,5 nhỏ hơn so với = 11,5 đó là phần công dành cho thực hiện quá trình nén và tổn thất nhiệt do các khí truyền sang thành buồng cháy sẽ lớn hơn. Ảnh hưởng của tổn thất nhiệt còn thể hiện rõ hơn khi so sánh momen (Me) của PS2 và PS3 ở cùng một tỷ số nén = 12,5,
giá trị mô men của PS3 luôn nhỏ hơn sơ với PS2 chủ yếu là do ảnh hưởng của kết cấu hình học của đỉnh piston.
Để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của kết cấu hình học đỉnh piston, cần so sánh mô- men và công suất của ba kết cấu hình học đỉnh piston ở cùng điều kiện như giữ tốc độ động cơ cố định tại n = 1400 vòng/phút và lambda được điều chỉnh tại giá trị
= 1. Mục đích khi giữ cố định tốc độ động cơ tại 1400 vòng/phút nhằm loại bỏ ảnh hưởng của tổn thất lưu khối trên đường nạp. Trong khi đó giá trị lambda được cố định tại = 1 là để đánh giá được ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy đến mô men công suất động cơ.
Hình 4.23. Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston đến công suất
Ở cùng điều kiện thí nghiệm: n = 1400 vòng/phút, = 1 và góc đánh lửa được điều chỉnh để đạt giá trị mô men lớn nhất, các kết quả thu được từ thực nghiệm được trình bày ở hình 4.23 đã chỉ ra cho thấy sự thay đổi của cả mô-men và công suất là giống nhau khi thay đổi hình dạng và kích thước của buồng cháy.
Trường hợp OB = 0 nghĩa là đường tâm của phần thể tích buồng cháy trên đỉnh piston trùng với đường tâm của xylanh. Giá trị mô-men và công suất động cơ của trường hợp PS1 lớn hơn so với PS2 khi tăng tỷ số nén từ = 11,5 đế = 12,5 là do ba nguyên nhân chính: lượng nhiên liệu nạp được nhiều hơn, phần công nén và tổn thất nhiệt nhỏ hơn. Khi tăng tỷ số nén đã làm giảm thể tích buồng cháy, vì vậy khối lượng nhiên liệu nạp vào trong buồng cháy sẽ giảm đồng thời áp lực tác dụng lên đỉnh piston tăng nên phần công dành để thực hiện quá trình nén tăng. Thêm vào đó, khi tăng tỷ số nén sẽ làm tăng vận tốc squish ở gần cuối kỳ nén, do vậy động năng
của dòng khí sẽ tăng và kết quả là các chất khí bên trong buồng cháy sẽ vận chuyển nhiệt đến thành buồng cháy nhanh hơn.
Đối với trường hợp kết cấu hình học của hai đỉnh piston (PS2 và PS3) khác nhau nhưng có cùng tỷ số nén = 12,5, mặc dù tổn thất trên đường nạp và phần công dành cho kỳ nén về lý thuyết là tương đương nhau nhưng giá trị mô men (Me) và công suất (Ne) của PS2 lớn hơn so với PS3. Sự khác biệt về mô men và công suất trong trường hợp này là do ảnh hưởng của kết cấu buồng cháy đến tốc độ giải phóng nhiệt ở bên trong buồng cháy.
Để làm rõ hơn dự đoán này, bước tiếp theo cần phân tích ảnh hưởng của kết cấu đỉnh piston đến khả năng cháy của hỗn hợp thông qua sự thay đổi của áp suất trong buồng cháy theo góc quay trục khuỷu.
4.6.2. Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston và tỷ số nén đến khả năng cháy
Hình 4.24 thể hiện các kết quả thu được từ cảm biến đo áp suất trong xylanh của động cơ theo góc quay trục khuỷu của ba biên dạng đỉnh piston khác nhau. Quan sát trên hình vẽ có thể thấy rằng sự thay đổi áp suất ở bên trong xylanh động cơ của ba dạng đỉnh piston giống nhau. Nhưng giá trị áp suất lớn nhất của PS3 nhỏ hơn so với PS2 mặc dù có cùng tỷ số nén = 12,5 là do kết cấu hình học của buồng cháy khác nhau. Khoảng cách giữa đường tâm xylanh và đường tâm của phần thể tích trên đỉnh piston là OB và khoảng cách này đã tăng lên một đoạn là OB = 4,5 mm. Do vậy vận tốc squish được sinh ra ở cuối kỳ nén sẽ có giá trị khác nhau phụ thuộc vào những vùng xuất hiện squish. Điều này dẫn đến khả năng màng lửa bị dập tắt và tăng lượng nhiệt truyền ra thành buồng cháy, đây cũng chính là nguồn gốc làm cho các thông số đo được (Mômen và giá trị lớn nhất của áp suất trong xylanh) của PS3 nhỏ hơn so với PS2 và cả PS1 ở cùng tốc độ n = 1400 vòng/phút.
Đối với trường hợp PS1 và PS2 đều có OB = 0, giá trị lớn nhất của áp suất đo được ở trong buồng cháy của PS1 nhỏ hơn PS2 nhưng mô men và công suất lại lớn hơn (hình 4.22, hình 4.23). Trước tiên có thể giải thích sự khác biệt này là do sự thay đổi về phần thể tích buồng cháy trên đỉnh piston, khi đường kính phần thể tích trên đỉnh piston tăng từ Db = 61,5 mm đến Db = 66 mm nhưng khoảng cách từ mặt trên của đỉnh piston đến mặt đáy của phần thể tích đỉnh piston được cố định tại Hb = 19 mm. Kích thước của Db tăng làm cho tỷ số nén động cơ bị giảm từ = 12,5 xuống = 11,5, vì vậy áp lực của các chất khí trong buồng cháy lên đỉnh piston cũng giảm. Từ phương trình 2.48 suy ra được rằng khi đường kính của thể tích buồng cháy trên đỉnh piston (Db) tăng sẽ làm cho vận tốc squish (Vsq) giảm vì vậy trường dòng
của các khí bên trong buồng cháy có động năng giảm. Đây là nguyên nhân làm cản trở quá trình vận chuyển nhiệt từ các khí truyền cho thành vách buồng cháy.
Để giải thích rõ hơn nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt về kết quả đo giữa PS1 và PS2, bước tiếp theo sẽ phân tích ảnh hưởng của kích thước hình học đỉnh piston đến khả năng đốt cháy nhiên liệu ở bên trong xylanh động cơ.
Hình 4.24. Sự thay đổi của áp suất trong xylanh theo góc quay trục khuỷu
Hình 4.25. Lượng nhiên liệu đã cháy thay đổi theo góc quay trục khuỷu
Từ phương trình 2.16 và các thông số đo như áp suất trong buồng cháy trục khuỷu và lượng nhiên liệu cấp từ vòi phun, lượng nhiên liệu đã cháy theo góc quay trục khuỷu đã được tính và trình bày như hình 4.25. Ở cùng điều kiện làm việc như: tốc độ động cơ cố định tại n = 1400 vòng/phút, giá trị lambda được kiểm soát và giữ tại = 1, thời điểm đánh lửa sẽ điều chỉnh để được giá trị mô men lớn nhất, xu
hướng thay đổi của lượng nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu của PS1 và PS2 là tương đối giống nhau.
Trong khoảng xb = 0 ÷ 0,2, lượng nhiên liệu đã cháy của SP1 và SP2 là như nhau vì vậy có thể suy ra khả năng dễ bắt cháy của hỗn hợp đối với SP1 và SP2 là như nhau. Với xb = 0,2 ÷ 0,8, lượng nhiên liệu đã cháy của PS1 chậm hơn so với trường hợp PS2, ngược lại lượng nhiên liệu đã cháy của PS1 lại lớn hơn so với PS2 trong khoảng xb = 0,8 ÷ 1. Tuy nhiên sự khác biệt về khối lượng nhiên liệu đã cháy giữa PS1 và PS2 là rất nhỏ và không đáng kể, do vậy có thể suy ra tốc độ cháy của hai trường hợp này là tương đương nhau. Để xác định được chính xác nguyên nhân làm cho giá trị công suất của PS1 lớn hơn PS2, bước tiếp theo cần phân tích tốc độ giải phóng nhiệt thay đổi theo góc quay trục khuỷu.
Hình 4.26 cho thấy tốc độ giải phóng nhiệt của PS1 và PS2 thay đổi theo góc quay trục khuỷu ở cùng điều kiện làm việc. Do PS2 có tỷ số nén = 12,5 và Db = 61,5 mm trong khi đó PS1 có tỷ số nén = 11,5 và Db= 66 mm nên vận tốc squish được sinh ra ở gần cuối kỳ nén của PS2 sẽ lớn hơn. Nhờ tạo được vận tốc squish lớn hơn nên tốc độ giải phóng nhiệt (HRR) của PS2 nhanh hơn so với PS1 khi trục khuỷu quay được góc α = 350 ÷ 360 độ. Tốc độ giải phóng nhiệt của PS2 đạt đến giới hạn cao nhất khi góc quay của trục khuỷu đã vượt quá một chút so với α = 360 độ. Trong khi đó tốc độ giải phóng nhiệt lớn nhất của PS1 lại lùi sau so với điểm chết trên (α = 360 độ) khoảng 10 độ góc quay trục khuỷu.
Từ sự khác biệt này đã đủ cơ sở để kết luận được rằng với kích thước hình học của kiểu PS2 thì chắc chắn sẽ bị tổn thất nhiệt truyền ra thành buồng cháy lớn hơn so với kiểu PS1. Nguyên nhân gây ra tổn thất nhiệt này chủ yếu là do đường kính phần thể tích buồng cháy trên đỉnh piston (Db) của kiểu PS2 nhỏ hơn so với PS1.
4.6.3. Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston và tỷ số nén đến khí thải
Ba loại buồng cháy được tạo ra dựa trên sự khác biệt giữa đường kính phần thể tích buồng cháy trên đỉnh piston (Db) và độ lệc tâm giữa đường tâm của xylanh và đường tâm của phần thể tích buồng cháy trên đỉnh piston (OB). Nếu buồng cháy có kết cấu Db = 66 mm và OB = 0 thì động cơ sau chuyển đổi có tỷ số nén = 11,5 và vận tốc squish sẽ nhỏ hơn so với động cơ có tỷ số nén = 12,5 với các kích thước tương ứng Db = 61,5 mm và OB = 0. Mặc dù khoảng cách lệch giữa hai đường tâm khá nhỏ với OB = 4,5 mm nhưng vận tốc squish được tạo ra trong buồng cháy ở cuối kỳ nén của PS3 sẽ khác so với PS2 mặc dù có cùng tỷ số nén = 12,5. Trong nghiên cứu này có thể thấy sự thay đổi của thể tích buồng cháy trên đỉnh piston
Db = 4,5 mm OB = 4,5 mm đã làm thay đổi vận tốc squish ở gần cuối kỳ nén, vì vậy mà tốc độ giải phóng nhiệt của nhiên liệu trong buồng cháy cũng thay đổi. Sự thay đổi này sẽ làm cho các thành phần khí thải như: CO, HC và NOx thay đổi với mỗi điều kiện làm việc của động cơ.
Kết quả thí nghiệm về sự thay đổi của Hydro-carbone (HC) theo tốc độ động cơ trong điều kiện: Bướm gió mở hoàn toàn; góc đánh lửa điều chỉnh để được mô men lớn nhất (hình 4.27). Lượng HC có xu hướng thay đổi giống nhau đối với cả ba kiểu đỉnh piston, vì trường vận tốc squish được tạo thành trong xylanh khác nhau nên giá trị HC đo được cũng khác nhau tại mỗi tốc độ động cơ.
Với đường kính Db = 66 lớn hơn và tỷ số nén nhỏ nhất ( = 11,5) nên lượng nhiên liệu trong buồng cháy được dồn vào phần thể tích buồng cháy trên đỉnh piston vì vậy giá trị HC được nhỏ hơn so với hai trường hơn PS2 và PS3. Do đường tâm của thể tích buồng cháy trên đỉnh piston lệch so với đường tâm của xylanh nên trường vận tốc squish không còn tương đương nhau mà bị phân bố thành những vùng có giá trị khác nhau dẫn đến giá trị HC đo được của PS3 luôn lớn nhất tại mỗi điểm đo. Tuy nhiên việc tăng tốc độ động cơ sẽ làm tăng khả năng dễ cháy của hỗ hợp hơn vì vậy HC của cả ba dạng đỉnh đều có cùng xu hướng giảm (khi tốc độ động cơ trong khoảng từ n = 1000 vòng/phút đến n = 1800 vòng/phút). Khi tốc độ động cơ lớn hơn n = 1800 vòng/phút, giá trị HC đo được của cả ba kiểu đỉnh piston đều có xu hướng tăng chứng tỏ cả ba kiểu đỉnh piston này chưa sẵn sàng đáp ứng được điều kiện mở rộng vùng tốc độ làm việc của động cơ sau chuyển đổi.
Hình 4.27. Hydro-cacbon thay đổi theo tốc độ động cơ
Carbon monoxide (CO) là sản phẩm của quá trình cháy không hoàn toàn của nhiên liệu Hydro carbone (HC), sự xuất hiện của CO chủ yếu là do thiếu ô xy cục bộ hoặc màng lửa đang lan đến vùng hỗn hợp thì bị tắt. Hình 4.28 thể hiện các kết quả thí nghiệm đo được bằng tủ phân tích khí CEB II về sự thay đổi của CO theo tốc độ động cơ.
Mặc dù thời gian hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí đã bắt đầu từ lúc nhiên liệu đi ra khỏi vòi phun và bắt đầu hoà trộn ở trên đường ống nạp cho đến khi kết thúc quá trình cháy nhưng giá trị của CO đo được là khác nhau. Kích thước Db và OB không những ảnh hưởng đến HC mà còn ảnh hưởng cả CO, kết quả này chính là sản phẩm của quá trình cháy không hoàn thiện. Từ kết quả HC và CO đo được bằng tủ phân tích CEB II kết hợp với phân tích tốc độ giải phóng nhiệt của nhiên liệu bên trong buồng cháy suy ra kiểu đỉnh piston PS1 là phù hợp với nhiên liệu khí thiên nhiên hơn so với hai kiểu còn lại là PS2 và PS3.
Đối với thành phần khí thải NOx của nhiên liệu khí thiên nhiên, sự hình thành của NOx trong trường hợp này phụ thuộc chủ yếu vào ba tác nhân chủ yêu: nồng độ Ô-xi, nhiệt độ để phản ứng xảy ra và thời gian của phản ứng ở trong buồng cháy. Hình 4.29 là những kết quả NOx đo được từ thử nghiệm khi tốc độ động cơ tăng, trong khoảng n