VII Bố cục luận án
441 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
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 = 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 vàcông 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 (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 ma 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