1.Buồng phát tia hồng ngoại; 2.Màn chắn; 3.Đĩa khoét các rãnh; 4.Buồng chứa khí mẫu; 5.Buồng chứa khí CO được ngăn bằng một màng chắn cao su; 6.Thiết bị đo độ võng của màng;
52
Để đo lượng NO có trong khí thải, khí thải được đưa trực tiếp vào buồng phản ứng. Trong buồng phản ứng có O3 vì vậy một phần NO có trong khí thải mẫu sẽ
phản ứng với O3 và tạo ra NO2 hoạt tính (NO2*), NO2 hoạt tính tồn tại không lâu trong điều kiện
bình thường vì vậy nó sẽ tự động chuyển về NO2 khơng hoạt tính bằng cách phóng
đi một phần năng lượng dưới dạng tia sáng. Đo cường độ tia sáng thu được và dựa
vào đó để xác định lượng NO phản ứng. Từ lượng NO phản ứng có thể tính ra
lượng NO có trong khí thải mẫu.
Để đo lượng NOx có trong mẫu khí thải, mẫu này được đi qua một bộ chuyển
đổi từ NO2 thành NO. Quá trình đo được thực hiện như đối với thành phần NO, kết quả thu được là lượng NOx có trong khí thải. Sơ đồ cấu tạo bộ phân tích được thể
hiện trên Hình 3.5.
3.2.2.3. Nguyên lý làm việc của hệ thống đo HC
Khí mẫu cần đo được đưa vào hệ thống có áp suất 580 mbar và lưu lượng 1500 l/h. Khí mẫu và khí cháy (hỗn hợp H2/He có áp suất 1050 mbar và lưu lượng
30 l/h) được hòa trộn với nhau và đưa vào buồng cháy với áp suất là 680 mbar. Trong buồng phản ứng
(Hình 3.6), hỗn hợp khí (20% O2, 80% N2) được bơm vào làm mơi
trường cháy. Khi khí mẫu và khí
cháy được đưa vào, bộ đánh lửa bật tia lửa đốt cháy. Trong điều kiện như vậy khí HC khơng cháy mà bị bẻ gãy liên kết tạo thành các ion.
Hình 3.6. Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo HC Hình 3.5. Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO Hình 3.5. Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO
53
Các ion sinh ra trong mơi trường có từ trường của cặp điện cực, sẽ bị hút về
hai bản cực và tạo thành dòng điện trong mạch. Dòng điện được khuếch đại khi đi
qua bộ khuếch đại và được đưa tới bộđo điện áp.
Sản vật cháy được hút ra nhờ độ chân không ở đầu ra. Độ chân không này
được sinh ra do luồng khí nén thổi qua tại miệng hút. Dựa vào cường độ dòng điện sinh ra có thểđánh giá được lượng HC có trong khí mẫu.
Thiết bị phân tích khí thải được hiệu chuẩn bằng khí mẫu trước khi tiến hành thử nghiêm đo đạc xác định phát thải độc hại của động cơ khi sử dụng nhiên liệu
xăng và CNG. Kết quảđo đạc phát thải bằng tủ CEB-II cho giá trị phần triệu về thể
tích (ppm), vì vậy để có được so sánh tương đối thì cần thực hiện phép tính chuyển
đổi kết quả từ ppm sang g/kWh.
3.3. Động cơ thử nghiệm
Động cơ 1NZ-FE là động cơ xăng
4 xylanh, sử dụng hệ thống nhiên liệu
phun xăng đa điểm. Đây là động cơ đã qua sử dụng và hiện đang được lắp trên
xe ôtô đang lưu hành. Các thông số cơ
bản của động cơ đã được giới thiệu trong Bảng 3.1 và chi tiết trình bày trong Phụ lục 1. Hình ảnh bên ngồi của động cơ được thể hiện trên Hình
3.7 và chi tiết hai mặt cắt động cơ trình bày trong Phụ lục 2.
Bảng 3.1. Những thông số cơ bản của động cơ Toyota Vios 1NZ-FE
TT Thông số Ký hiệu Giá trị
1 Hành trình piston/Đường kính (mm) S/D 84,7/75
2 Số xylanh (-) i 4
3 Công suất định mức (kW) Ne 80
54
4 Mô men cực đại ở n = 4200 v/ph (Nm) Me max 140
5 Sốvòng quay định mức (v/ph) nđm 6000
6 Suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất (g/kWh) ge
7 Tỷ số nén (-) ε 10,5:1
3.4. Điều kiện thử nghiệm
Đối với động cơ phải được bảo dưỡng trước khi thử nghiệm nhằm đảm bảo độ ổn định của động cơ trong suốt q trình thử nghiệm như: thay dầu bơi trơn, kiểm tra hệ thống nhiên liệu, thay các lọc dầu bôi trơn và lọc nhiên liệu…
Đối với băng thử phải tiến hành hiệu chuẩn các thiết bị trước khi thử nghiệm nhằm đảm bảo kết quảđo được chính xác.
Hệ thống đo khí thải CEB-II được hiệu chuẩn bị trước khi thử nghiệm nhằm
đảm bảo kết quảđo khí thải được chính xác.
Thử nghiệm được tiến hành theo phương pháp đối chứng với điều kiện nhiệt
độ phòng thử và trạng thái động cơ như nhau.
Nhiên liệu xăng A92 dùng thử nghiệm được mua tại cùng một cây xăng. Các
bình nhiên liệu CNG sử dụng trong các thử nghiệm được mua tại cùng một nhà cung cấp đểđảm bảo sử thống nhất trong kết quảđo.
Ngồi ra, các bình nhiên liệu CNG được lấy mẫu phân tích sắc khí đểđảm bảo chất lượng nhiên liệu.
3.5. Bốtrí, phương pháp và chương trình thử nghiệm
3.5.1. Bố trí lắp đặt và hiệu chỉnh động cơ trên băng thử
Sau khi lắp đặt động cơ lên băng thử ETB, các hệ thống chính của động cơ cần
được điều chỉnh cho phù hợp. Hệ thống làm mát không sử dụng bơm nước nguyên bản mà dùng đường nước tuần hoàn của băng thử để đảm bảo động cơ làm việc
trong điều kiện nhiệt độ nằm trong phạm vi cho phép của nhà sản xuất. Hệ thống nhiên liệu phun xăng nguyên bản của động cơ vẫn được giữnguyên để động cơ có
55
đạc đặc tính với nhiên liệu xăng). Hệ thống vịi phun khí CNG được gá đặt trên nắp
máy, đầu vòi phun nối với đường nạp bằng ống mềm (ống có khả năng chịu
được áp suất thiết kế 15-20 bar) như
thể hiện trên Hình 3.8. Bình chứa khí
CNG được nối tới bộđiều áp trước khi cấp vào bộ vòi phun bằng đường ống dẫn khí nén cao áp (ống thép).
Các bugi đánh lửa được vệ sinh hoặc thay mới để đảm bảo khả năng
đánh lửa tốt và đồng đều giữa các xylanh. Khe hở nhiệt được hiệu chỉnh và kiểm tra lại đểđảm bảo động cơ làm việc bình thường.
Sau khi hồn thành các cơng việc lắp đặt và hiệu chỉnh, động cơ được chạy nóng máy ở chếđộ khơng tải bằng nhiên liệu xăng. Sau khi động cơ đạt được nhiệt
độ làm việc, thực hiện đo đặc tính tốc độ và mức phát thải của động cơ với hai loại nhiên liệu xăng và CNG.
3.5.2. Phương pháp và chương trình thử nghiệm
- Chạy so sánh đối chiếu đường đặc tính ngồi về cơng suất, mơ men mức tiêu hao nhiên liệu và phát thải độc hại ứng với hai loại nhiên liệu xăng và CNG.
+ Bướm ga mở hoàn toàn.
+ Tốc độ động cơ được điều chỉnh trong khoảng 1000 đến 3500 v/ph (*) với mỗi bước là 500 v/ph nhờthay đổi sức cản của băng thử.
(* Trong quá trình thử nghiệm, tốc độ thử nghiệm giới hạn max là 3500 v/ph,
để đảm bảo giới hạn an toàn cho hệ thống băng thử. Ngoài ra, trên thực tế khi lắp trên xe, động cơ chỉ làm việc trong dải tốc độ này, mặc dù tốc độ thiết kế
của động cơ tới 6000 v/ph)
+ Các thơng số: cơng suất có ích, mơ men có ích, lượng nhiên liệu xăng và
CNG tiêu thụ, các thành phần phát thải độc hại CO, CO2, HC và NOx được
xác định.
Hình 3.8. Sơ đồ lắp đặt hệ thống vịi phun khí CNG
56
- Chạy so sánh đối chiếu ởđường đặc tính tải về công suất, mô men và phát thải độc hại ứng với hai loại nhiên liệu xăng và CNG.
+ Tốc độđộng cơ được giữổn định ở số vòng quay 3000 v/ph
+ Độ mở bướm ga được điều chỉnh thay đổi để công suất động cơ đạt 75, 50 và 25% so với trường hợp bướm ga mở hồn tồn.
+ Các thơng số: cơng suất có ích, mơ men có ích, lượng nhiên liệu xăng tiêu
thụ, các thành phần phát thải độc hại CO, CO2, HC và NOx được xác định. Về mặt nguyên tắc, để có sự so sánh đối chứng, lượng nhiên liệu CNG phải cung cấp sao cho đảm bảo tỷ lệ nhiên liệu – khơng khí gần với giá trị lý thuyết, tức
là đảm bảo hệ sốdư lượng khơng khí λ = 1. Vì vậy, trong quá trình chạy thử nghiệm với nhiên liệu CNG, tại mỗi chế độ thử nghiệm (xác định bởi tốc độ và tải) lượng
CNG phun vào đường nạp được điều chỉnh trực tiếp nhờ bộđiều khiển ECC thông qua thời gian mở kim phun. Thời gian mở kim phun đối với mỗi chếđộ thử nghiệm
được xác định khi kết quảđo từ tủ phân tích khí CEB II cho giá trị λ ≈ 1.
Đểđánh giá tính năng kinh tế của động cơ khi sử dụng nhiên liệu CNG, không thể sử dụng giá trị suất tiêu hao nhiên liệu có ích BSFC (Brake Specific Fuel Consumption) vì hai nhiên liệu có thơng số kỹ thuật khác nhau. Nhiên liệu xăng thử
nghiệm có nhiệt trị khoảng 44 MJ/kg, trong khi đó CNG có nhiệt trị khoảng 50
MJ/kg. Do đó, đểđánh giá tính năng kinh tế khi sử dụng CNG, phải dựa vào giá trị
suất tiêu hao năng lượng có ích BSEC (Brake Specific Energy Consumption), được
xác định theo cơng thức: BP f LHV f m BSEC= Trong đó:
- mf là lượng nhiên liệu xăng và lượng nhiên liệu CNG tiêu thụ (kg/h);
- LHVf là nhiệt trị thấp của xăng và CNG, LHVx = 44,0 và LHVCNG = 50,0
MJ/kg;
- BP là cơng suất có ích của động cơ khi sử dụng xăng hoặc CNG đo được trên
57
Như đã phân tích ở Chương 2, khi cung cấp CNG vào đường nạp thì lượng khơng khí nạp sẽ bị suy giảm do ảnh hưởng chiếm chỗ của nhiên liệu. Sau đây tác
giả xin trình bày ngắn gọn một số tính tốn xác định mức độ thay đổi lượng khơng khí nạp cũng như công suất của động cơ khi sử dụng nhiên liệu khí, dựa vào đó có cơ sở lý giải các kết quả thử nghiệm.
Về mặt lý thuyết, gọi Vkk là thể tích khơng khí nạp trong trường hợp động cơ
sử dụng nhiên liệu xăng, với giả thiết tỷ lệ hịa trộn khơng khí/nhiên liệu đạt giá trị
lý thuyết λ =1 hay: 7 , 14 7 , 14 ⇔ = = Gx V x F A kkρkk (1)
Khi động cơ làm việc với nhiên liệu CNG, lượng khơng khí nạp chiếm thể tích là VkkCNG và lượng nhiên liệu CNG chiếm thể tích là VCNG, khi đó ta có:
2 , 17 2 , 17 ⇔ = = CNG CNG kk kkCNG V V CNG F A ρ ρ CNG kkCNG kk V V V = + (2) (3)
Trong đó: ρkk và ρCNG là khối lượng riêng của khơng khí và CNG được tính
theo điều kiện áp suất và nhiệt độ đường nạp. Với giả thiết pnạp = 0,9 at = 9x104 Pa (hay pnạp = 0,9x760 = 684 mmHg) và nhiệt độđường nạp tnạp =20oC (293K)
Khối lượng riêng của khơng khí ở điều kiện áp suất nhiệt độ trên đường nạp
được xác định theo công thức:
3 0 / 026 , 1 ) 0036 , 0 1 ( . 239 , 1 m kg p t p nap nap kk = + = ρ (4) Xác định một cách gần đúng ρCNG theo công thức: 3 4 / 56 , 0 kg m M M kk CH kk CNG = ρ = ρ (5)
Trong đó: Mkk =29, là khối lượng mol của khơng khí và MCH4 =16 là khối
lượng mol của CH4 (ở đây coi MCNG = MCH4)
Kết hợp các công thức từ1 đến 5 thu được ≈0,9
kk kkCNG
V V
58
Điều này cho thấy, về mặt lý thuyết khi sử dụng CNG thì lượng khơng khí nạp giảm khoảng 10% so với trường hợp sử dụng nhiên liệu xăng.
Để đánh giá mức độ thay đổi công suất của động cơ khi sử dụng nhiên liệu CNG, dựa vào tổng năng lượng cung cấp cho động cơ.
Năng lượng cung cấp cho động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng:
x kk x x x m LHV G LHV E 7 , 14 . = = (6)
Năng lượng cung cấp cho động cơ khi sử dụng nhiên liệu CNG:
CNG kk CNG CNG CNG m LHV G LHV E 2 , 17 . 9 , 0 . = = (7)
Từ hai công thức 6 và 7 thu được: ≈0,87
x CNG
E E
(LVHx = 44.000 kJ/kg, LVHCNG = 50.000 kJ/kg)
Như vậy, tổng năng lượng cung cấp vào động cơ khi sử dụng nhiên liệu CNG giảm khoảng 13% so với trường hợp sử dụng nhiên liệu xăng.
3.6. Kết quả thử nghiệm và đánh giá
3.6.1. Đánh giá tính năng làm việc của động cơ
Thực nghiệm được tiến hành xác định và so sánh công suất, mức tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ khi chạy nhiên liệu xăng A92 với các thông số
này khi chạy nhiên liệu CNG ở các chế độ tốc độ khác nhau với bướm ga mở hoàn toàn và ở các chếđộ tải khác nhau ở 3000 v/ph. Kết quả thử nghiệm được biểu diễn
trên các đồ thị Hình 3.9 đến Hình 3.21 và chi tiết được trình bày trong Phụ lục 4. Kết quả nghiên cứu trên Hình 3.9 cho thấy, ở đường đặc tính tốc độ cũng như đường đặc tính tải, cơng suất động cơ giảm trung bình khoảng 19% khi sử dụng CNG. Nguyên nhân là do CNG tồn tại ở dạng khí nên sẽ chiếm chỗ khơng khí khi
được cung cấp vào đường nạp của động cơ, từđó làm giảm hệ số nạp cũng như tổng
năng lượng cung cấp vào động cơ giảm (khoảng 13%). Điều này được thấy rõ trên
đồ thịso sánh lưu lượng khơng khí nạp khi sử dụng xăng và CNG trên Hình 3.10 và 3.11.
59 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 1000 1500 2000 2500 3000 3500 M e (N m ) N e ( k W ) n (v/ph) 100% tay ga Ne-A92 Ne-CNG Me-A92 Me-CNG
Hình 3.9. So sánh cơng suất, mô men khi chạy xăng và CNG ở đặc tính ngồi
Kết quả trên Hình 3.10 cho thấy, tại chếđộ tồn tải lượng khơng khí nạp Gkk giảm trung bình khoảng 7,3% trên đường đặc tính tốc độ (Hình 3.10) khi động cơ
sử dụng nhiên liệu CNG. Kết quả này nhỏ hơn so với giá trị tính tốn lý thuyết (10%). Ngun nhân có thể do nhiên liệu CNG cung cấp vào đường nạp có áp suất chênh lệch trước sau vịi phun khoảng 3 bar nên giảm thể tích VCNG với cùng một
lượng nhiên liệu cung cấp đảm bảo λ = 1.
Về mặt lý thuyết, tổng năng lượng cung cấp vào động cơ giảm 13% khi sử
dụng CNG, tuy nhiên thì kết quả thử nghiệm cho thấy cơng suất giảm tới 19%. Kết quả có thểđược giải thích do trong q trình thử nghiệm chưa có sự điều chỉnh góc
đánh lửa sớm của động cơ, điều này làm giảm tính năng kỹ thuật của động cơ. Kết quả nghiên cứu này cũng khá tương đồng với kết quả nghiên cứu của Ali M. Pourkhesalian [7].
Do sự khác biệt về thông số kỹ thuật của hai loại nhiên liệu xăng và CNG như đã trình bày trong Bảng 1.1. Nhiên liệu CNG có chỉ số Octane cao hơn xăng nên
60
đánh lửa sớm. Tuy nhiên do giới hạn của luận văn, các thông số làm việc như góc đánh lửa hay năng lượng đánh lửa của bugi của động cơ nguyên bản khơng có sự điều chỉnh khi thử nghiệm với CNG, do đó ảnh hưởng tới tính năng kinh tếđặc biệt là ở chếđộ tải bộ phận, khi bướm ga mở nhỏ. Cụ thể là suất tiêu hao năng lượng có ích của động cơ khi sử dụng CNG tăng trung bình khoảng 14% trên đường đặc tính ngồi và 30% trên đường đặc tính tải ở tốc độ 3000 v/ph như thể hiện trên Hình 3.12 và 3.13. 0 10 20 30 40 50 60 1000 1500 2000 2500 3000 3500 G kk ( m g /s ) n (v/ph) 100% tay ga Gkk-A92 Gkk-CNG Hình 3.10. So sánh Gkk chạy xăng và CNG ở đặc tính ngồi 10 15 20 25 30 35 40 0 10 20 30 40 G kk ( m