Thiết bị thí nghiệm

Chương 3 NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM VÀ THỰC NGHIỆM

3.2 Thiết kế và chế tạo mơ hình thí nghiệm đo hiệu suất nạp (khơng cĩ sự cháy)

3.2.2 Thiết bị thí nghiệm

3.2.2.1 Thiết bị sử dụng chung cho thí nghiệm đo hiệu suất nạp (khơng cĩ sự cháy) và quan sát đánh giá định tính của dịng khơng khí nạp.

a. Động cơ RV165-2

Hình 3.9: Động cơ RV165-2 trên băng thử

b. Thiết bị đo số vịng quay trục khuỷu(encoder)

Encoder được tiến hành lắp ghép và sử dụng trên trục khuỷu của động cơ diesel, thiết bị này sẽ gửi tín hiệu trở về máy tính từ đĩ hiển thị được tốc độ quay của động cơ khi ta điều khiển biến tần.

c. Biến tần

Biến tần cĩ thể thay đổi tần số (nhờ cấp điện từ nguồn điện 3 pha) tùy theo bộ điều khiển từ đĩ cĩ thể điều khiển động cơ điện quay theo số vịng quay yêu cầu.

41

Hình 3.10: Biến tần

3.2.2.2 Thiết bị thử dùng riêng cho nghiên cứu đo hiệu suất nạp của động cơ (khơng cĩ sự cháy)

Trong thí nghiệm này ta tiến hành đo tại phịng thí nghiệm động cơ đốt trong với các thiết bị đã được thiết lập. Các thiết bị đo chuyên dụng gồm:

a. Thiết bị đo lưu lượng khơng khí nạp

Để xác định sự thay đởi của lưu lượng khơng khí nạp, thiết bị đo lưu lượng chuyên dùng Flowmeter của hãng AVL và thiết bị hiển thị Sensyflow của AVL. Thiết bị đo lưu lượng khơng khí nạp được gắn trên đường nạp của động cơ. Đơn vị đo được tính là kg/h.

42

Thiết bị hiển thị lưu lượng khí Thiết bị đo lưu lượng khơng khí nạp

Hình 3.11: Thiết bị đo lưu lượng khơng khí nạpb. Thiết bị đo nhiệt độGraphtec b. Thiết bị đo nhiệt độGraphtec

Thiết bị đo nhiệt độ dùng để đo nhiệt độ dịng khơng khí tại họng nạp và khí trời. Để thu được số liệu chính xác thiết bị này gồm một cảm biến đo nhiệt độ với độ chính xác cao được kết nối với màn hiển thị (Graphtec), cảm biến nhiệt độ được gắn trực tiếp vào khơng gian cần đo, sau đĩ tín hiệu sẽ được gửi về Graphtec để người làm thí nghiệm cĩ thể lấy được số liệu cần đo.

43

c. Thiết bị đo áp suất TOYOTA 89420-20300.

Áp suất của dịng khí nạp vào xi-lanh được đo bằng một cảm biến đo áp suất được lắp trực tiếp vào ống nạp của xi-lanh. Thiết bị này bao gồm một cảm biến đo áp suất và một mạch chuyển đổi tín hiệu để hiển thị số liệu đo được trên màn hình máy tính.

Hình 3.13: Cảm biến đo áp suất TOYOTA 89420-20300.

3.2.2.3 Thiết bị thí nghiệm quan sát đánh giá định tính của dịng khí nạp

a. Camera cĩ tốc độ cao và phần mềm tách ảnh Free Video to JPG Converter Một camera cĩ độ phân giải cao là cần thiết để cĩ thể thấy được hết quá trình diễn ra trong xi-lanh trong kỳ nạp của động cơ trong từng phương án thí nghiệm. Mọi diễn biến trong xi-lanh sẽ được camera quay lại sau đĩ qua phần mềm Free video to JPG Converter sẽ được phân tích ra từng hình ảnh để phục vụ cho việc nghiên cứu và đánh giá.

b. Bộ Xi-lanh, Pistonvà Séc –măng đặc biệt

Xi-lanh được làm bằng vật liệu trong suốt (Arylic) giúp cĩ thể quan sát được dịng khơng khí nạp vào bên trong. Bộ Séc – măng bằng nhựa (Teflon) vàPiston cũng được thiết kế khác đi để tránh xước lồng Xi-lanh trong suốt.

44

Hình 3.14: Xi-lanh

được thiết kế trong suốt

Hình 3.15:Bộ Séc – măng

(bằng Teflon)

Hình 3.16: Piston thiết kế mới 3.2.3 Phương pháp đo và xử lý số liệu 3.2.3 Phương pháp đo và xử lý số liệu

3.2.3.1 Phương pháp đo và xử lý số liệu của hệ thống đo hệ suất nạp khơng cĩ sự

tham gia của quá trình cháy

a. Phương pháp đo

45

- Thí nghiệm được tiến hành sau khi đã thiết lập được thơng số ổn định như tốc độ của động cơ.

- Khởi động động cơ điện

- Quan sát màn hình máy tính hiển thị số vịng quay của động cơ, đồng thời điều chỉnh biến tần để động cơ RV165-2 quay đúng vận tốc ở từng điểm đo: 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200và 2400 vịng/phút

- Ở từng điểm đo (điểm vận tốc). Ta tiến hành lấy số liệu:

• Khối lượng thực tế dịng khí nạp vào qua dụng cụ đo lưu lượng Flowmeter.

• Nhiệt độ: khí nạp (Ta), nhiệt độ khí trời (To) bằng các cảm biến nhiệt độ và được hiển thị trên Graphtec.

• Áp suất dịng khơng khí nạp (Pa), và áp suất khí quyển (Po) bằng cảm biến đo áp suất TOYOTA 89420-20300.

- Mỗi điểm đo được thực hiện 03 lần để lấy giá trị trung bình. b. Xử lý số liệu thí nghiệm

Các thơng số nhiệt độ, áp suất của dịng khí nạp và khối lượng của dịng khơng khí nạp được đo nhằm mục đích tính tốn hiệu suất nạp của từng phương ántheo cơng thức: 𝜂𝑣 = V̇att V̇alt = mȧ ρa V̇alt (3.1) Với 𝜂𝑣: là hiệu suất nạp (%)

ma: khối lượng khơng khí nạp thực tế (Kg/h)

ρa: là khối lượng riêng của khơng khítrên đường nạp (kg/𝑚3)

46

Đồng thời khi ta phân tích𝜌𝑎, ta được phương trình như sau:

ρa = ρ0.Pa

P0.T0

Ta (3.2)

Trong đĩ:

ρ0:là khối lượng riêng của khơng khí ở điều kiện bình thường (kG/cm3)

Pa, P0:lần lượt là áp suất của khơng khí ở ống nạp và của khí trời (bar)

Ta , T0:lần lượt là nhiệt độ của khơng khí ttrên đường nạp và của điều kiện bình thường (K).

Thể tích khơng khí nạp lý thuyết theo thời gian, khi phân tích ta được;

V̇alt = Va t = Vh+Vc t = Vh30τ+Vc n = (Vh+Vc).n 120 (3.3) Trong đĩ:

Vh, Vc :lần lượt là thể tích cơng tác và thể tích buồng cháy của động của RV165-2 (m3)

𝜏 là số kỳ của động cơ (𝜏 = 4 do sử dụng động cơ diesel 4 kỳ)

nlà số vịng quay của động cơ (vịng/phút)

Để khai triển phương trình (1), thay đồng thời cả 2 phương trình (3.2) và (3.3) vào (3.1), ta được: ηv = 120.ṁa (ρ0.Pa P0. T0 Ta).[(Vh+Vc).n] (3.4) Với:Vh + Vc = 888,8 (cm3) = 888,8. 10−6(m3)

47

ρ0: là hằng số, ρ0= 1,29 (Kg/m3).

Pa và P0:được đo thơng qua thí nghiệm nhờ thiết bị đo áp suất (bar).

ṁa:được đo thơng qua thiết bị đo khối lượng khơng khí nạp (Kg/h). Ta , T0:được đo thơng qua các cảm biến nhiệt độ (K).

3.2.3.2 Phương pháp đo và xử lý số liệu củahệ thống quan sát đánh giá đặc tính

của dịng khí nạp

- Thơng qua động cơ điện và biến tần điều khiển động cơ RV165-2 hoạt động ở số vịng quay 1200 v/ph.

- Cho khĩi màu cĩ nồng độ giống nhau và ổn định cho từng trường hợp đo vào họng nạp của động cơ.

- Sử dụng camera tốc độ cao đặt phía trên Xi-lanh trong suốt quay trong 15 giây để quay quá trình nạp và xốy của dịng khí trong xi-lanh. Các hình ảnh sẽ được cắt ra từ hai video thơng qua phần mềm Free video to JPG converter, lựa chọn những hình ảnh ứng với từng thời điểm mở của xupap của 02 phương án để so sánh và đánh giá.

3.3 Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá hiệu suất nạp (cĩ sự cháy), các thơng số kỹ thuật và phát thải ơ nhiễm trên băng thử tải động cơ số kỹ thuật và phát thải ơ nhiễm trên băng thử tải động cơ

3.3.1 Sơ đồ thực nghiệm và nguyên lý vận hành

Động cơ được bố trí và lắp đặt trên băng thử tải thưc tế tại cơng ty SVEAM. Các cảm biến và thiết bị đo nhiệt độ, áp suất, và khối lượng khơng khí nạp được bố trí tương tự như trong thí nghiệm đo áp suất nạp (khơng cĩ sự cháy). Ngồi ra, hệ thống thực nghiệm cịn được trang bị các thiết bị đo khí thải (HESHBON HG-520) và độ mờ khĩi (Dismoke 4000 AVL) để đánh giá sự phát thải ơ nhiễm ra mơi trường. Các phương án họng nạp lần lượt được thay thế vào động cơ để chạy thực nghiệm và đánh giá các thơng số kỹ thuật (cơng suất, mơ-men, suất tiêu hao nhiên liệu) cũng như sự phát thải ơ nhiễm ở 02 chế độ đo là: đặc tính ngồi và ở cơng

48 suất định mức.

Hình 3.17: Sơ đồ thực tế thực nghiệm đánh giá hiệu suất nạp (cĩ quá trình cháy)

49

3.3.2 Các thiết bị thí nghiệm

3.3.2.1 Động cơ RV165-2

Hình 3.19: Động cơ RV165-2 của cơng ty SVEAM

3.3.2.2 Các thiết bị đo nhiệt độ, áp suất và khối lượng dịng khơng khí nạp

Cũng tương tự như lần thí nghiệm đo hiệu suất nạp của động cơ (khơng cĩ sự cháy) một số thiệt bị đo tương tự của phịng thí nghiệm động cơ đốt trong được sử dụng ở quá trình này như thiết bị đo lưu lượng khí nạp Flowmeter của hãng AVL,thiết bị đo,thiết bị đo nhiệt độ Graphtec (đã được đề cập ở phần trên), thiết bị đo áp suất nạp (Cảm biến đo áp suất TOYOTA 89420-20300)

3.3.2.3 Thiết bị đo độ mờ khĩi

Thiết bị đo độ mờ khĩi của động cơ AVL Dismoke. Dùng để kiểm tra và đo phần trăm độ mờ khĩi trong khí xả từ động cơ. Thiết bị gồm 1 buồng đo dùng để cắm trực tiếp vào đường xả của động cơ thiết bị này cĩ nhiệm vụ phân tích và truyền tín hiệu về màn hình hiển thị.

50

Hình 3.20: Máy đo độ mờ khĩi AVL Dismoke 4000

3.3.2.4 Thiết bị đo phân tích khí thải

Thiết bị đo phân tích khí thải HG-520 dùng để đo thành phần phần trăm của CO2, CO và phần triệu của HC và NOx trong khí thải của động cơ. Thiết bị này gồm 1 ống đo để gắn trực tiếp vào đường xả của động cơ, dịng khí xã sẽ đi vào buồng đo sau đĩ hiển thị trên màn hình

51

3.3.2.5 Các thiết bị đo tại nhà máy cơng ty SVEAM

Bao gồm: Thiết bị đo cơng suất của động cơ diesel bằng thủy lực, cảm biến quang đo số vịng quay của động cơ và hệ thống đo suất tiêu hao nhiên liệu.

3.3.3 Phương pháp đo và xử lý số liệu

3.3.3.1 Phương pháp đo

Đối với từng phương án thiết kế họng nạp. Ta thực hiện phép đo tuần tự như sau:

- Chạy rà khơng tải động cơ 15 phút. - Chạy đánh giá đường đặc tính ngồi:

• Kéo cần ga max để động cơ đạt số vịng quay cực đai 2550 v/ph • Bắt đầu đặt tải vào động cơ (mơ – men) để số vịng quay của

động cơ giảm dần tới các điểm đo là: 2400, 2200, 2000, 1800, 1600 v/ph

• Ở mỗi điểm đo ta ghi nhận lại các thơng số: nhiệt độ và áp suất dịng khơng khí nạp, nhiệt độ và áp suất khí quyển, khối lượng dịng khơng khí nạp, mơ – men, suất tiêu hao hiêu liệu, và các thơng số đặc tính khí thải: Soot, CO, NOx, HC.

- Chạy đánh giá điểm cơng suất định mức (cơng suất = 14 Hp (10,29 KW) tại số vịng quay = 2200 v/ph). Điểm cơng suất nhà cung cấp khuyến cáo người tiêu dùng sử dụng).

• Cài đặt động cơ hoạt động ở số vịng quay 2200 v/ph và mơ-men kéo của động cơ là 44.6 N.m tương ứng với cơng suất là 14Hp (10,29 KW).

• Ở điểm đo này ta cũng thu thập những số liệu nhiệt độ và áp suất dịng khơng khí nạp, nhiệt độ và áp suất khí quyển, khối lượng

52

dịng khơng khí nạp, suất tiêu hao hiêu liệu, và các thơng số đặc tính khí thải: Soot, CO, NOx, HC.

- Mỗi điểm đo được thực hiện 03 lần để lấy giá trị trung bình.

3.3.3.2 Xử lý số liệu

Tương tự như ở thí nghiệm đo hiệu suất nạp khơng cĩ sự tham gia của quá trình cháy.

53

Chương 4

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1 Xác định đặc tính làm việc và khí thải của động cơ RV165-2 hiện hữu

54

Hình 4.2:Thành phần CO trong khí thải Hình 4.3:Thành phần PM trong khí thải

Hình 4.4: Thành phần HC trong khí thải Hình 4.5:Thành phần NOx trong khí thải

Hình 4.1 trình bày đặc tính ngồi của động cơ RV165-2 với họng nạp hiện hữu. Kết quả cho thấy cơng suất cực đại khoảng 16,39 HP (12,05 kW) ứng với tốc độ động cơ tại 2400 v/ph và mơ-men cực đại của động cơ vào khoảng 5,05 kG.m (49,5 N.m) ứ ng với tốc độ 1800 v/ph.

Hình 4.2 và Hình 4.3 trình bày kết quả đánh giá khí thải tiêu biểu của động cơ. Kết quả trên hình cho thấy nồng độ CO và thành phần PM rất cao, kết quả thu được tử HC+NOx là thấp nhất. Tuy nhiên khi so với tiêu chuẩn khí thải EPA TIER 2 (áp dụng cho các loại động cơ diesel tĩnh tại cơng suất nhỏ – Non-road diesel engines) thì vẫn vượt ngưỡng cho phép rất nhiều. Nguyên nhân có thể do động cơ được thiết kế chế tạo từ cơng nghệ cũ và chưa có cải tiến nào đáng kể để nâng cao đặc tính của động cơ cũng như làm giảm khí thải từ động cơ.

55

4.2 So sánh và đánh giá các phương án so với động cơ hiện hữu 4.2.1 Trên hệ thống thí nghiệm đo hiệu suất nạp (khơng cĩ sự cháy) 4.2.1 Trên hệ thống thí nghiệm đo hiệu suất nạp (khơng cĩ sự cháy)

Hình 4.6: Hiệu suất nạp đo trên hệ thống thử nghiệm (khơng cĩ sự cháy)

Phương án cải tiến số 02 cho hiệu suất nạp tăng trên hầu hết các điểm vận tốc được chọn thí nghiệm, và cĩ xu hướng tăng cao hơn ở các dãy tốc độ cao. Ở tốc độ 2400 v/ph thì hiệu suất nạp tăng 10,14% so với họng nạp hiện hữu theo động cơ. Điều này cho thấy việc tăng đường kính họng nạp giúp khối lượng khơng khí nạp thực tế vào nhiều hơn các phương án cịn lại, làm tăng hệ số lưu lượng và gĩp phần tăng hiệu suất nạp.

56

4.2.2 Trên băng thử thực tế (cĩ sự cháy)

4.2.2.1 Hiệu suất nạp (Cĩ sự cháy)

Hình 4.7: Đồ thị so sánh Hiệu suất nạp thực tế (cĩ sự cháy)

Trên băng thử thực tếphương án cải tiến đường họng nạp số 02 cũng cho kết quả với xu hướng hồn tồn tương đồng trên hệ thống thí nghiệm. Phương án cải tiến số 02 cho hiệu suất nạp cao hơn hẳn các phương án cịn lại, hiệu suất nạp tăng trung bình 5,42% trên tất cả các điểm đo.

57 4.2.2.2 Đặc tính làm việc a. Cơng suất Hình 4.8: Đồ thị so sánh Cơng suất b. Moment Hình 4.9: Đồ thị so sánh Moment

58 c. Suất tiêu hao nhiên liệu

Hình 4.10: Đồ thị so sánh Suất tiêu hao nhiên liệu

Với việc hiệu suất nạp được nâng cao đáng kể ở tất cả các điểm đo, thì phương án họng nạp cải tiến 02 giúp động cơ nạp nhiều khơng khí hơn, q trình hịa trộn giữa nhiên liệu và khơng khí được cải thiện, đĩng vai trị quan trọng trong việc cải thiện tính năng làm việc của động cơ RV165-2:cơng suất lớn nhất tăng 3,27%, mơ – men lớn nhất sinh ra tăng 2,32% và suất tiêu hao nhiên liệu ở cơng suất định mức giảm 5,48% so với động cơ RV165-2 hiện hữu.

59

4.2.2.3 Đăc tính khí thải

Hình 4.11:Thành phần CO trong khí thải Hình 4.12: Thành phần PM trong khí thải

Hình 4.13:Thành phần HC trong khí thải Hình 4.14:Thành phần NOx trong khí thải

Nồng độ PM và thành phần các chất trong khí thải của các phương án họng nạp là khá tương đồng nhau. Tuy phương án cải tiến họng nạp số 02 cho kết quả thành phần phần trăm CO và NOx giảm tương đối so với phương án hiện hữu.

60

4.2.2.4 Tại điểm cơng suất định mức (n= 2200 v/ph và M= 44,6N.m)

Hình 4.15: Hiệu suất nạp Hình 4.16: Suất tiêu hao nhiên liệu

61

Hình 4.20: Thành phần HC trong khí thải

Tại điểm đo suất định mức (Điểm cơng suất và tốc độ động cơ nhà cung cấp khuyến khích khách hàng sử dụng). Phương án cải tiến họng nạp số 02 cũng cho kết quả hiệu suất nạp cao hơn các phương án khác, và cao hơn 5,46% so với phương hiện hữu. Điều này giúp giảm suất tiêu hao nhiên liệu xuống 5,48% (từ 206,78 g/Hp.h xuống cịn 195,44 g/Hp.h). Cĩ nghĩa là: nếu để động cơ hoạt động ở cơng suất định mức mỗi ngày 08 giờ trong 01 năm thì lượng nhiêu liệu ít tiêu tốn là 551,88 lít ( chi phí vận hành giảm gần 8,3 triệu đồng nếu giá dầu Diesel là 15,000 nghìn đồng 01 lít).

4.2.3 So sánh định tính dịng khơng khí nạp giữa phương án cải tiến 02 (phương án tốt nhất) và phương án hiện hữu tại vận tốc n= 1200 v/ph

Thời điểm Phương án hiện hữu Phương án cải tiến 02

Đầu kì nạp

62 Giữa kì nạp

Giữa kì nạp

Cuối kì nạp

Các hình ảnh chứng minh khả năng nạp khơng khí của phương án cải tiến họng nạp số 02 cao hơn đáng kể so với phương án hiện hữu. Ở từng thời điểm khác