8. NHỮNG HẠN CHẾ CỦA LUẬN ÁN
4.2. Bố trí thiết bị thực nghiệm
4.2.1. Thiết bị thực nghiệm
4.2.1.1. Động cơ thực nghiệm
Động cơ thử nghiệm được phân tích, lựa chọn tại chương 1, các thơng số chủ yếu xem ở bảng 1.8. Động cơ Cummins NTA855 là một dịng máy cao tốc cĩ nguồn gốc từ Mỹ, cĩ lịch sử phát triển lâu đời và được sử dụng rất phổ biến trên các tàu cá, phương tiện giao thơng đường bộ như xe tải, xe container. Ngồi ra loại động cơ này cịn được lắp đặt trên các phương tiện đường thủy khác như xà lan và dùng làm máy phát điện trên tàu và trên bờ. (hình 4.4).
Hình 4.4. Động cơ Cummins NTA855 lắp trên bệ thử
Động cơ Cummins NTA855 là loạt động cơ cĩ hệ thống nhiên liệu điều khiển quá trình phun vào xi lanh bằng CAM, khơng sử dụng cụm vịi phun – bơm cao áp dạng BOSCH truyền thống. Hệ thống nhiên liệu sử dụng cơ cấu BIG CAM điều khiển và tạo áp lực phun trực tiếp tại vịi phun, bơm cao áp được thay thế bằng một bơm bánh răng áp lực thấp và điều khiển lưu lượng dầu đến các vịi phun. Đối với hệ thống nhiên liệu này, chỉ xác định được lượng dầu cấp sử dụng vào động cơ thơng qua lưu lượng kế và mức tiêu hao nhiên liệu thực tế tại két chứa. Một đặc trưng khác của dịng động cơ Cummins là mặt qui lát của động cơ được đúc liền cho từng cặp 2 xi lanh, khơng cĩ van biệt xả và vị trí lắp nhiệt kế để xác định cho từng xi lanh. Đây chính là điểm hạn chế và rất khĩ khăn khi nghiên cứu để xác định được tình trạng làm việc của từng xi lanh.
4.2.1.2. Bộ phối trộn nhiên liệu
Động cơ chỉ tiến hành thực nghiệm với nhiên liệu biodiessel theo chế độ thực nghiệm và tỷ lệ xác định trong chương 3 để đánh giá kết quả khi so sánh với nhiên liệu DO. Trong đĩ, nhiên liệu DO và B100 thoả mãn tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7717. Phương án cấp nhiên liệu biodiesel cho động cơ là hệ thống cấp nhiên liệu được lắp
đặt song song với nhiên liệu DO. Trên cơ sở này, sơ đồ bố trí hệ thống phối trộn nhiên liệu vào động cơ được trình bày như trên hình 4.5.
Hình 4.5. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu DO và biodiesel song song sử dụng van 3 ngả
Từ sơ đồ hình 4.5, yêu cầu của quá trình thực nghiệm khi tiến hành cấp dầu biodiesel cho động cơ được thực hiện như sau:
Các vật tư cần thiết:
- 1 két dầu biodiesel B10 cĩ thể tích bằng két dầu DO cĩ sẵn. - Một van cấp dầu tương tự van cấp dầu DO.
- 2 van ba ngả để chuyển đổi dầu cấp và dầu hồi song song, 2 két dầu DO và B10. - Đường ống nối từ két chứa đến van cấp dầu và từ van ba ngả về két chứa. - Một bình định lượng dầu B100 cĩ thể tích bằng 10% bình chứa dầu B10.
Lắp đặt két dầu B10:
- Két dầu B10 lắp liền kề với két dầu DO và dùng đoạn đường ống nối song song từ 2 két đến van cấp dầu ba ngả vào động cơ.
- Lắp đường ống và van ba ngả từ đường dầu hồi về két chứa dầu B10. - Lắp đặt hồn chỉnh đường ống, van như sơ đồ hính 4.4.
Chuyển đổi vị trí làm việc của hệ thống:
- Khi làm việc với dầu DO, đặt tay điều khiển của van ba ngả của dầu cấp và dầu hồi về vị trí cấp dầu DO hoặc ngược lại khi làm việc với dầu B10 đặt vị trí đồng thời của van cấp và van hồi về vị trí cấp dầu B10.
- Dầu B100 được nhận và bảo quản trong két chứa, để pha chế hịa trộn thành dầu B10, luận án sẽ sử dụng phương pháp hịa trộn thủ cơng bằng cách: Cấp dầu DO vào két B10 với khoảng 90% thể tích và sau đĩ dùng két định lượng rĩt dầu B100 vào két B10 ứng với 10% thể tích.
- Sau khi rĩt dầu B100 vào bình B10, sử dụng que thăm khuấy đều dầu B100 khoảng 5 – 10 phút tùy thuộc vào thể tích két chứa, khi dầu B100 đảm bảo hịa tan hồn tồn trong dầu DO mới tiến hành sử dụng.
Với các yêu cầu trên, lựa chọn thiết bị lắp đặt hệ thống hịa trộn cho động cơ đặc trưng Cummins NTA855. Các van điều chỉnh lưu lượng và phin lọc được bố trí trên đường ống nhiên liệu cấp vào bơm. Bộ hịa trộn nhiên liệu bằng bơm bánh răng sử dụng cho phương án hịa trộn trong đường ống (In- Line) được luận án nghiên cứu chế tạo như trên hình 4.6.
Hình 4.6. Bộ hịa trộn nhiên liệu bằng bơm bánh răng
Các két chứa dầu của hệ thống hịa trộn và cấp nhiên liệu cho động cơ Cummins NTA855 như trên hình 4.7.
Hình 4.7. Hệ thống hịa trộn và cấp dầu cho động cơ Cummins NTA855 4.2.1.3. Bộ tiêu cơng suất (Dynometter) 4.2.1.3. Bộ tiêu cơng suất (Dynometter)
Để tiến hành thực nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu biodiesel như đã phân tích và lựa chọn ở phần trên. Căn cứ vào cấu tạo thực tế của động cơ, NCS tiến hành lựa chọn thiết bị đo phù hợp với đặc điểm cụ thể của từng động cơ. Trên cơ sở đĩ, tận dụng khả năng làm việc của các thiết bị đo phục vụ thực nghiệm động cơ Cummins NTA855 cũng sẽ dùng cho các loại động cơ khác được trình bày trong phụ lục 2 và phụ lục 3 để giảm thiểu chi phí.
Để đánh giá được khả năng làm việc và tình trạng kỹ thuật của động cơ diesel máy thủy, thơng thường sử dụng thiết bị tạo mơ men cản cho động cơ thay thế phụ tải đĩ là bộ tiêu cơng suất Dynometter. Ở các thiết bị này cho phép thay đổi phụ tải liên tục tác động lên động cơ tùy theo giá trị mong muốn và được xác định bằng mơ men hay cơng suất. Mơ men cản được tạo ra trong các bộ tiêu cơng suất tùy thuộc vào thiết kế. Bộ tiêu cơng suất hiện nay trên thị trường chủ yếu được chế tạo theo 3 nguyên tắc chính sau:
Bộ tiêu cơng suất bằng ma sát cơ khí;
Bộ tiêu cơng suất bằng thủy lực, sử dụng nước làm mơi chất;
Bộ tiêu cơng suất bằng điện.
Trên thế giới hiện nay cĩ rất nhiều hãng chế tạo bộ tiêu cơng suất sử dụng cho thực nghiệm để đánh giá tình trạng kỹ thuật của động cơ diesel. Một số hãng chế tạo
bộ tiêu cơng suất nổi tiếng như: Dyno Mite Land & Sea, Taylor Dynometter, KAHN của Mỹ, DB của Anh Quốc và một số thương hiệu khác của Trung Quốc.
Để lựa chọn bộ tiêu cơng suất thử nghiệm cho từng loại động cơ đặc trưng, luận án đưa ra các tiêu chí lựa chọn như sau:
Cơng suất cản của bộ tiêu cơng suất phải đảm bảo làm việc được trong giới hạn cơng suất phát ra của động cơ;
Vịng quay làm việc và mơ men cản phải tương thích với động cơ thực nghiệm;
Dễ sử dụng, làm việc ổn định và tin cậy;
Giá thành thấp;
Thiết bị hiện cĩ sẵn tại thị trường Việt Nam.
Dựa theo các tiêu chí trên, luận án lựa chọn bộ tiêu cơng suất cho quá trình thực nghiệm là Dyno Mite Land & Sea của Mỹ như trên hình 4.8. Các thơng số cơ bản như sau:
Bộ tiêu cơng suất: 800 Marine Engine Dyno, mã số: #050-800-1K;
Cơng suất cản từ 2 ÷ 800Hp;
Mơ men cản từ 1 ÷ 1.359 Nm;
Vịng quay từ 1000 ÷12.000 v/p;
Sai số cho phép: 1%.
Hình 4.8. Phanh thủy lực Dynomide
1: Phanh Dynomite; 2: Trục chính; 3: Ống nước ra; 4: Ống nước vào; 5: Bệ máy
Giao diện chương trình đo cơng suất, mơ men và vịng quay của phanh Dyno như trên hình 4.9.
Hình 4.9. Giao diện đo dữ liệu của bộ đo Dyno max 2010
Nguyên lý hoạt động:
Thiết bị Dynomite dual rotor hoạt động trên nguyên lý làm việc chung của phanh thuỷ lực: Cơng suất từ động cơ tiêu hao một phần để vận chuyển chất lỏng chứa trong phanh, một phần để thắng lực ma sát giữa rotor với chất lỏng. Chất lỏng làm việc trong phanh thường là nước, vì nĩ cĩ nhiệt dung lớn, độ nhớt ít phụ thuộc vào nhiệt độ và rẻ tiền. Khi đo với cơng suất lớn người ta cĩ thể dùng dầu với độ nhớt lớn. Năng lượng nhận được từ phanh thủy lực chuyển thành nhiệt và làm nĩng chất lỏng .
Mơ men trong phanh thủy lực được xác định:
f n v r
M G *C*(T T ) (4.1) Mơ men cần đo sẽ bằng tổng mơ men tính tốn trên lực kế và mơ men trong
phanh thuỷ lực:
dc f
M M p.l (4.2)
Trong đĩ:
Gn - lượng nước cần cho phanh làm việc; C - tỷ nhiệt của nước;
Tv, Tr - nhiệt độ tại cửa vào và cửa ra khỏi phanh; p - lực kế;
Khi làm việc, phanh thủy lực được nối cứng vào bích ra của động cơ, nước được cung cấp vào phanh qua cụm van điều khiển tải nhờ một bơm được thiết kế tuần hồn khép kín. Động cơ sẽ làm quay bánh cơng tác, tác động lên mơi trường nước truyền động qua stato xoay tồn bộ cụm thiết bị của bộ hút thu. Nhờ cánh tay địn lực được gắn cố định trên stato của phanh ngăn cản chuyển động xoay này. Máy tính sẽ đo lực căng qua bộ cảm biến gắn trên bề mặt cánh tay địn lực, tự động truyền đến bộ xử lý nhờ phần mềm đã cài đặt (Dynomax 2010), chuyển thành dữ liệu số. Máy tính lưu trữ tồn bộ dữ liệu, tiến hành tính tốn và trình bày dưới những trạng thái khác nhau.
4.2.2. Sơ đồ bố trí thiết bị thực nghiệm
Nối mặt bích cơng suất của động cơ với mặt bích của bộ tạo tải (thơng qua bộ truyền bánh răng) các cảm biến tốc độ, nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí xả được lắp đặt như hình 4.10.
Hình 4.10. Sơ đồ bố trí thực nghiệm
1. Động cơ, 2. Van ba ngả, 3. Thiết bị phối trộn, 4. Cảm biến to khí xả và đo khí xả, 5. Nguồn điện, 6. Máy vi tính, 7. Thiết bị kết nối cảm biến, 8. Cảm biến to nước làm mát, 9. Két nước làm mát, 10. Bộ điều chỉnh mức tải (mơ men) động cơ, 11. Bơm, 12.
4.3. Xây dựng chế độ và qui trình thực nghiệm 4.3.1. Chế độ thực nghiệm 4.3.1. Chế độ thực nghiệm
- Chọn tốc độ thử nghiệm:
Khi động cơ thử nghiệm được nối với phanh thủy lực thì chế độ làm việc gần với chế độ kéo lai dắt khi tàu hoạt động. Ở chế độ này thường sử dụng tốc độ kéo nk = (50÷60) %nđm (tốc độ định mức). Động cơ cĩ vịng quay định mức là 2.100 v/p (lý lịch máy) như vậy tốc độ 1.200 v/ph là tốc độ hợp lý (khoảng 60% nđm).
- Chọn mơ men phanh:
Ở chế độ kéo, thơng thường cơng suất kéo của động cơ được tính tốn là Nek = (25÷36) % Neđm. Cơng suất động cơ thực tế làm việc được xác định phụ thuộc vào hiệu suất do tác động của mơi trường và hiệu suất truyền động giữa động cơ và bộ phận tải.
ektt ek mt td
N N / . (4.3)
Ở đây: Hiệu suất do tác động của mơi trường và hiệu suất truyền động giữa động cơ và bộ phận tải trong điều kiện bình thường đạt khoảng (80÷85)%.
Động cơ cơ cơng suất định mức Nedm 260kW. Để đảm bảo động cơ khơng bị quá tải trong qúa trình thực nghiệm, sẽ chọn:
Nek = 30% Neđm (4.4) Theo 4.3 và 4.4, cơng suất thử nghiệm cĩ thể đạt khoảng 110kW tương ứng khoảng (145÷146)Hp, mơ men động cơ được xác định:
ektt dc N .9550 M n (Nm) (4.5) Ở chế độ 1.200 v/p, mơ men động cơ tính theo 4.5 đạt khoảng 870Nm. Đối
chiếu với lý lịch máy, đây là chế độ thử nghiệm vừa tải (khoảng 50% tải).
Như vậy, mơ men phanh sẽ điều chỉnh (lượng nước vào phanh) để đảm bảo mơ men động cơ đạt khoảng 870Nm. Trên cơ sở này, cài đặt lại chương trình máy tính Dynomite (giới hạn mơ men phanh) để đo cơng suất động cơ.
- Điều chỉnh tốc độ động cơ ở tốc độ 1.200(v/ph). Khi động cơ chạy ổn định mở van tải cấp nước vào phanh. Dưới tác dụng của phanh tốc độ động cơ sẽ giảm xuống, tăng ga để tốc độ của động cơ là n = 1.200 (v/ph). Trong khi tiến hành thực nghiệm, phanh bị nĩng phải được làm mát kịp thời.
- Tiến hành đo chi phí nhiên liệu của động cơ đối với từng mẫu nhiên liệu. Lượng tiêu hao nhiên liệu đo được là Gh(lít/h) đổi thành Ge(kg/h) bằng cơng thức:
e h
G G . (kg/ h) (4.6) Trong đĩ: ρ là khối lượng riêng của nhiên liệu (DO, ρ=0,830 kg/cm3; B10, ρ=0,830 kg/cm3)
Suất tiêu hao nhiên liệu ge được tính bởi cơng thức sau:
e e ektt G kg g ( ) N kW.h (4.7) - Mỗi lần đo xong một mẫu phải kiểm tra làm mát của phanh, xả hết nhiên liệu cũ rồi thực hiện với mẫu tiếp theo.
4.3.2. Quy trình thực nghiệm
Kiểm tra tình trạng kỹ thuật vịi phun, bơm cao áp, tình trạng kỹ thuật chung của xi lanh, piston và xéc măng. Kết nối các két dầu DO, B10 qua các van để nối với đường dầu vào của động cơ. Kết nối bộ tiêu cơng suất trên trục dẫn của bánh đà động cơ, chạy bơm nước kết nối vào bộ tiêu cơng suất, điều chỉnh áp lực nước vào ra của bộ tiêu cơng suất, mở các màn hình hiển thị… Chuẩn bị các thiết bị đo: Đồng hồ vịng quay, đồng hồ đo nhiệt độ, gắn kết thiết bị đo bộ tiêu cơng suất tới màn hình hiển thị…sổ nhật ký ghi nhận các thơng số thử nghiệm.
Qui trình thực nghiệm chạy dầu biodiesel đối với động cơ Cummins NTA855 được thực hiện như sau:
Bước 1:
- Nổ máy chạy ở vịng quay thấp sử dụng nhiên liệu DO (nhiên liệu DO là loại
nhiên liệu được sử dụng theo hướng dẫn của nhà sản xuất, các thơng số đã được trình bày trong chương 3).
- Cho máy chạy ở vịng quay thấp khoảng 30-45 phút để hâm nĩng máy cho các thơng số ổn định (vịng quay khơng tải 600 vịng/phút).
- Tăng vịng quay của động cơ lên vịng quay cần thử nghiệm, khoảng 1200 v/p. Để máy chạy ổn định khoảng 30 – 45 phút (nhiệt độ nước làm mát đạt khoảng 800C), ghi nhật ký các thơng số động cơ chạy khơng tải sử dụng nhiên liệu dầu DO bao gồm: Vị trí thanh răng đặt tốc độ, vịng quay động cơ (vịng/phút), nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nước làm mát động cơ.
- Mở van nước điều chỉnh lưu lượng nước cấp vào phanh để đo cơng suất của động cơ, việc điều chỉnh tải này phải được tăng từ từ để tránh hiện tượng quá tải động cơ. Quan sát màn hình hiển thị cơng suất động cơ, đo nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nước làm mát, vịng quay của động cơ. Tăng tải nhưng khơng cho phép nhiệt độ khí xả vượt quá giá trị giới hạn của nhà sản xuất để tránh hiện tượng hư hỏng buồng đốt và mặt qui lát.
- Để máy chạy tải ổn định và chọn chế độ tải 50% (khoảng 145 Hp ở vịng quay 1200 v/p) để thử nghiệm chuyển đối nhiên liệu và đo đạc thơng số cơng suất, vịng quay, nhiệt độ khí xả, ghi nhận sự thay đổi các thơng số động cơ.
Bước 2:
Mở van dầu B10, đĩng van dầu DO, đồng thời chuyển đường dầu hồi từ két dầu DO sang két dầu B10. Để máy chạy ổn định, tiến hành đo đạc các thơng số (vị trí thanh răng đặt tốc độ khơng đổi, tải khơng thay đổi): Cơng suất động cơ, vịng quay, nhiệt độ khí xả.
Bước 3:
Mở van dầu DO, đĩng van dầu B10, đồng thời chuyển đường dầu hồi từ két Biodiesel B10 qua két DO. Để máy chạy ổn định với dầu DO, đo đạc các thơng số trên và ghi vào nhật ký.
4.4. Kết quả thực nghiệm trên động cơ Cummins NTA855 và đánh giá 4.4.1. Kết quả thực nghiệm 4.4.1. Kết quả thực nghiệm
Các bước của qui trình thử nghiệm đã được trình bày ở phần trên, đo đạc các thơng số cơng tác của động cơ khi thay đổi nhiên liệu từ DO sang B10 thơng qua các thiết bị của hệ thống phanh thủy lực và chương trình ghi nhận dữ liệu Dyno max 2010