VII. Bố cục luận án
4.1.5. Lựa chọn kết cấu hình học và thay đổi tỷ số nén động cơ
4.1.5.1. Thay đổi tỷ số nén đối với động cơ sau chuyển đổi
Giả sử coi nắp máy của động cơ sau chuyển đổi là một mặt phẳng, phần thể tích giữa khe hở giữa nắp máy với các chi tiết như: đế xúp-páp nạp và thải, bugi và cảm biến đo áp suất xylanh động cơ được gọi là thể tích còn lại (Vcl). Giá trị của Vcl là rất nhỏ so với thể tích buồng cháy và không thay đổi khi thay đổi piston. Do vậy tỷ số nén của động cơ sau chuyển đổi sẽ phụ thuộc vào phần thể tích trên đỉnh piston và kích thước của gioăng nắp máy. Các thông số hình học của buồng cháy động cơ sau chuyển đổi được cho như hình 4.15, trong đó: B là đường kính của xylanh; Cc: Chiều dầy của gioăng nắp máy; C: Khoảng cách từ đỉnh piston ở điểm chết trên đến mặt dưới của gioăng nắp máy; Z: Khoảng cách từ đỉnh piston ở điểm chết trên đến mặt trên của gioăng nắp máy hoặ mặt trong của nắp máy. DB: Đường kính phần thể tích trên đỉnh piston; HB: Chiều cao tính tử đỉnh của piston đến mặt đáy của phần thể buồng cháy nằm trên đỉnh piston.
Áp dụng công thức tính tỷ số nén lý thuyết vào động cơ thực sau chuyển đổi ta có công thức sau:
=Vmax
Vc
Trong đó Vc là thể tích buồng cháy; Vmax là thể tích toàn phần;
Gọi Vph là phần thể tích trên đỉnh piston ta có Vc = Vph+Vcl. Sau khi biến đổi sẽ mối quan hệ giữa tỷ số nén và các thông số buồng cháy ở động cơ khí thiên nhiên sau chuyển đổi được xác định theo:
B2(C +CC)+DB2HB = ε A−1
Từ kết quả thu nghiên cứu mô phỏng cho thấy khi tăng tỷ số nén từ ε = 10 đến ε = 14, thì công suất, mô men đều tăng và đạt giá trị lớn nhất tại tỷ số nén ε = 12 (với bước nhảy của tỷ số nén là 1) sau đó giá trị của công suất và mô men giảm. Mặt khác để động cơ làm việc được ổn định trong vùng tốc độ từ 1000 vòng/phút
đến 2000 vòng/phút thìε ≤12 . Kết hợp từ kết quả nghiên cứu mô phỏng và sự tiếp cận của các công trình khoa học đã được công bố, tỷ số nén của động cơ thử nghiệm sẽ được lựa chọn tại hai giá trị lần lượt là ε = 11,5 và ε = 12,5.
Hình 4.15. Thông số hình học tính tỷ số nén động cơ
4.1.5.2. Lựa chọn kết cấu hình học đỉnh piston
Hình dạng kết cấu đỉnh piston trong nghiên cứu này sẽ được lựa chọn dựa trên quan điểm xác định được tỷ số nén giới hạn thực tế và mức độ ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston đến tính kinh tế và phát thải của động cơ sau chuyển đổi. Do vậy trong nghiên cứu này, tỷ số nén được chọn lần lượt là
xác định tỷ số nén giới hạn lớn nhất so với tỷ số nén nghiên cứu mô phỏng. Đối với trường hợp cả hai piston PS2 và PS3 có cùng
này là để đánh giá ảnh hưởng của diện tích squish đến khả năng làm tăng tốc độ cháy của nhiên liệu khí thiên nhiên. Thông số hình học của ba đỉnh piston sẽ sử dụng trong nghiên cứu này được trình bày trong bảng 4.1 và hình dạng của đỉnh piston được thể hiện trên hình 4.16.
Hình 4.16. Hình dạng đỉnh piston phục vụ thử nghiệm
Bảng 4.2. Thông số hình học của ba kiểu đỉnh piston Tên gọi PS 1 PS 2 PS 3 4.2. Mục đích thử nghiệm
Thử nghiệm trên băng thử chuyên dùng nhằm xác định các thông số cơ bản như: Tốc độ động cơ (n, vòng/phút), Mô men có ích đo được tại trục khuỷu động cơ (Me, Nm), Lượng nhiên liệu nạp vào động cơ (Gnl, lít/phút), diễn biến áp suất trong xylanh (Pcyl, bar), các chất phát thải (HC, CO, NOx) của động cơ thử nghiệm. Từ các thông số thu được qua thử nghiệm xây dựng được các đường đặc tính biểu thị mối quan hệ giữa các thông số kết cấu, thông số vận hành của động cơ thử nghiệm cho từng trường hợp. Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của một số thông số kết cấu, đến đặc tính làm việc và phát thải của động diesel một xylanh S1100 sau khi chuyển đổi sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên.
4.3. Sơ đồ hệ thống thử nghiệm
Động cơ thử nghiệm được bố trí lắp đặt trên băng thử như hình 4.17, hình 4.18 gồm các hệ thống riêng biệt kết hợp lại với nhau tạo thành một hệ thống thử nghiệm và nghiên cứu về động cơ đốt trong bao gồm: phanh điện APA 100, động cơ sử dụng CNG đánh lửa cưỡng bức được chuyển đổi từ động diesel 1 xylanh S1100, thiết bị đo công suất, mô men và tốc độ động cơ, thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu khí CNG, thiết bị đo diễn biến áp suất động cơ, thiết bị đo, phân tích khí thải, thiết bị đo dư lượng oxy trong thành phần khí xả và một số thiết bị phụ trợ khác.
Hình 4.17. Kết nối động cơ với băng thử động lực học cao ETB
Hình 4.18. Sơ đồ hệ thống thử nghiệm động cơ
4.4. Trang thiết bị thử nghiệm
Băng thử động lực học cao ETB được trang bị tại Trung tâm thử nghiệm động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội là băng thử được cung cấp bởi hãng AVL của Áo (hình 4.19). Phanh điện APA100
hoạt động ở hai chế độ là động cơ điện và máy phát điện. Với chế độ động cơ điện thì phanh điện APA100 có khả năng làm việc với công suất định mức là 200kW trong dải tốc độ từ 2250 đến 4500vg/ph và mômen định mức là 849Nm trong dải tốc độ từ 0 đến 2250vg/ph. Khi phanh điện APA 100 hoạt động ở chế độ máy phát điện thì công suất định mức là 220kW trong dải tốc độ 2250 đến 4500vg/ph và mômen định mức 934Nm trong dải tốc độ từ 0 đến 2250vg/ph. Tốc độ vòng quay định mức của băng thử là 8000vg/ph.
Hình 4.19. Phòng thử nghiệm động cơ
Băng thử được điều khiển thông qua phần mềm PUMA được kết nối với máy tính PC. Phần mềm PUMA có chức năng ghi nhận các tín hiệu từ cảm biến lắp trên băng thử và lắp trên động cơ thông qua hộp chuyển đổi Cable boom. Các tín hiệu cảm biến được chuyển đổi để đưa về màn hình máy tính giúp người điều khiển có thể kiểm soát được quá trình làm việc của động cơ. Quá trình thay đổi tốc độ, mômen, vị trí tay ga của động cơ được tiến hành thông qua bảng điều khiển K57
4.4.1. Phanh điện APA100
Phanh điện APA100 (hình 4.20) có thể hoạt động được ở chế độ phanh điện và động cơ điện. Tác dụng tương hỗ giữa lực từ của stato và rotor sẽ tạo ra tải trọng cho động cơ hoặc kéo động cơ đốt trong quay. Vỏ stato được đặt trên hai gối đỡ nên cũng có xu hướng quay theo. Một cảm biến lực (loadcell) giữ vỏ stato ở vị trí cân bằng và xác định giá trị lực tương hỗ này. 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.
Từ trường tương hỗ giữa rotor và stator tạo ra mômen cản với rotor và cân bằng với mômen dẫn động từ rotor (rotor là cụm phanh được nối với trục dẫn động từ động cơ). Cường độ từ trường tương hỗ giữa rotor và stator được điều chỉnh để tăng hoặc giảm mômen cản trên trục dẫn động từ động cơ. Khả năng thay đổi mômen 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 (kéo động cơ quay) nên có thể dùng để chạy rà nguội và thí nghiệm động cơ trên cùng một băng thử. Ngoài ra công suất động cơ được hấp thụ và biến đổi thành năng lượng điện trong thiết bị (phanh). Dòng điện này qua bộ biến tần và được đưa ra ngoài. Đặc biệt phanh APA 100 còn có chức năng mô tả các sức cản lên động cơ như động cơ đang lắp trên ôtô chạy trên đường bằng phần mềm ISAC.
Hình 4.20. Sơ đồ phanh điện APA100
1.Mặt trên, 2.Stator, 3.Rotor, 4.Nắp, 5.Quạt thông gió, 6.Giảm chấn, 7.Mặt bích để lắp thiết bị calib, 8.Đế
4.4.2. Thiết bị đo lượng nhiên liệu
Thiết bị New-Flow (hình 4.21) được sử dụng để đo lượng nhiên liệu khí CNG tiêu thụ của của động cơ. Thiết bị New-Flow gồm các bộ phận chính: ống dẫn khí, các cảm biến, bộ xử lý dữ liệu và màn hình hiển thị. Thiết bị sử dụng nguồn 24VDC và có thể đo được lưu lượng từ 0 đến 250 lít /phút với độ chính xác 1%. Thiết bị đo
lưu lượng New-Flow được nghiên cứu và chế tạo bởi hãng New-Flow dựa trên nguyên lý hấp thụ nhiệt.
Hình 4.21. Thiết bị đo lưu lượng nhiên liệu khí CNG
4.4.3. Tủ phân tích khí CEB-II
Tủ phân tích khí xả CEB-II (Combustion Emission Bench) là hệ thống 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, LON 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: mônôxit cácbon (CO), cácbon điôxit (CO2), ôxygen (O2), ôxit nitơ (NO và NOx), hyđrô cácbon (HC), đồng thời còn đo được hệ số dư lượng không khí λ.
4.4.4. Cảm biến đo áp suất
Cảm biến áp suất xy lanh QC33C, dải đo từ 0 đến 200 bar, lấy mẫu với độ phân giải 0,5 độ qóc quay trục khuỷu, thiết bị thu nhận dữ liệu của cảm biến áp suấtvới phần mềm Indiwin.
4.5. Quy trình và phạm vi thử nghiệm
4.5.1. Quy trình thử nghiệm
Xác định thông số vận hành của động cơ nghiên cứu khi làm việc với khí thiên nhiên cũng được thực hiện tương tự, nhưng lúc này APA 100 đóng vai trò là phanh điện để tiêu thụ công suất do động cơ nghiên cứu phát ra. Nhiên liệu được cung cấp thông qua một vòi phun liên tục đặt trên đường ống nạp và có áp suất nhiên liệu
trước khi đi ra khỏi lỗ phun là 1bar. Thời điểm đánh lửa sẽ được điều chỉnh để đạt được mô men lớn nhất trong suốt quá trình thử nghiệm.
4.5.2. Phạm vi thử nghiệm
Các nội dung thí nghiệm của luận án được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải Động cơ đốt trong, Nhà C15, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Với điều kiện vận chuyển và tồn chứa nhiên liệu khó khăn, nên nhiên liệu sử dụng trong thử nghiệm sẽ là trường hợp đặc biệt của khí thiên nhiên thành phần khí Mê-tan (CH4) có thể đạt trên 90%. Do vậy các tính toán về nhiệt có thể sử dụng tương đương nhiên liệu khí CH4.
Tốc độ động cơ chỉ giới hạn trong vùng tốc độ của động cơ diesel ban đầu. Nhiên liệu cung cấp sẽ được hạ xuống đến 1 bar để cấp vào đường chờ của vòi phun, ở trước van an toàn theo đường nhiên liệu cấp.
Trong quá trình thử nghiệm lambda tại mỗi điểm đo luôn được duy trì tại giá trị λ = 1, để tránh hư hỏng động cơ với mỗi điểm đo khi có các cảm nhận kiểu động cơ bị kích nổ thì điểm đo đó sẽ dừng lại.
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 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 (
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 (
mở của xúp-páp nạp tăng và chiều chuyển động của
động của am vì vậy đã làm cản trở lượng hỗn hợp nạp đi vào trong xylanh động cơ (
η
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 (
thấy rõ hơn khi so sánh giữa hai tỷ số nén ε = 11,5 và ε = 12,5 ở cùng một tốc độ. Giá trị mô men của ε = 11,5 luôn lớn hơn so với ε = 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 ε = 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
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 λ = 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, λ = 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