nghiệm động cơ Hình 4.2. Sơ đồ bố trí phịng thử động lực cao 4 Đƣờng kính xy lanh D 111 mm 5 Hành trình piston S 139 mm
6 Chiều dài thanh truyền L 230 mm
7 Mô men định mức (1400v/ph) Memax 735 Nm
8 Công suất định mức (2000v/ph) Nemax 151 kW
9 Suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất ge 206 g/kW.h
10 Tỷ số nén ε 16,7 . 11 Góc mở sớm xu páp nạp φ1 16 độ 12 Góc đóng muộn xu páp nạp φ2 36 độ 13 Góc mở sớm xu páp thải φ 3 46 độ 14 Góc đóng muộn xu páp thải φ 4 14 độ 15 Góc phun sớm φs 16 độ 16 Thể tích cơng tác Vc 17 Thứ tự làm việc 1.5.3.6.2.4
4.4. Trang thiết b thử nghiệm
4.4.1. Sơ đồ bố trí thiết b thử nghiệm
Trên cơ sở các thiết bị hiện có của Phịng thí nghiệm ĐCĐT. Viện Cơ khí động lực -Trƣờng ĐHBK Hà Nội. Tác giả lựa chọn băng thử động lực học cao nhƣ thể hiện trên Hình 4.1 và 4.2 để dùng chạy khảo nghiệm động cơ D1146TI phục vụ cho việc nghiên cứu các nội dung của đề tài.
Trên Hình 4.1 và Hình 4.2 là hệ thống thử nghiệm và kết nối giữa các thiết bị với động cơ trên băng thử, các thiết bị thử nghiệm gồm có:
- Phanh điện APA 100.
- Thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554. - Thiết bị làm mát nƣớc làm mát AVL 553. - Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL 733S. - Bộ ổn định nhiệt độ nhiên liệu AVL 753.
4.4.2 Các thiết b chính sử dụng trong thí nghiệm
4.4.2.1. Phanh điện APA 100
Trên Hình 4.3 thể hiện sơ đồ nguyên lý làm việc của phanh điện APA 100 sử dụng trong phịng thử. Phanh điện APA 100 có thể hoạt động đƣợc ở chế độ phanh điện và động cơ điện. Tác dụng tƣơng hỗ giữa lực từ của stato và rotor sẽ tạo ra tải trọng cho động cơ ho c kéo động cơ đốt trong quay. Vỏ stato do đƣợc đ t trên hai gối đỡ nên cũng có xu hƣớng quay theo. Một cảm
biến lực (loadcell) giữ vỏ stato ở vị trí cân b ng và xác định giá trị lực tƣơng hỗ này. Thay đổi giá trị của lực này b ng cách thay đổi cƣờng độ dòng điện vào băng thử. Tốc độ quay của băng thử đƣợc xác định b ng cảm biến tốc độ kiểu đ a quang. Công suất lớn nhất của băng thử ở chế độ động cơ điện là 200kW, ở chế độ phanh điện là 220kW trong dải tốc độ từ 2250 đến 4500 (v/ph), tốc độ cực đại 8000 (v/ph). Băng thử đƣợc trang bị các hệ thống điều khiển,
xử lý số liệu tự động và hiển thị kết quả, Hình 4.3. Sơ đồ nguyên lý làm việc của
mơ hình hố nhƣ PUMA, EMCON 300, Concerto và ISAC 300, giúp cho quá trình điều khiển đƣợc dễ dàng và bảo đảm kết quả thử nghiệm chính xác.
4.4.2.2. Thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554
Sơ đồ bố trí thiết bị làm mát dầu đƣợc thể hiện trên Hình 4.4.
Hình 4.4. Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL554
Theo tiêu chu n thử nghiệm về động cơ cũng nhƣ về khí thải đều yêu cầu về nhiệt độ dầu bôi trơn phải n m trong giới hạn cho phép. Vì vậy cụm làm mát dầu có chức năng giữ ổn định nhiệt độ dầu bôi trơn.
Khi động cơ làm việc một phần nhiệt sẽ truyền cho dầu bôi trơn, làm nhiệt độ dầu bôi trơn tăng lên, do đó ảnh hƣởng đến chất lƣợng bơi trơn (tính năng lý hố của dầu bôi trơn) nên cần làm mát dầu bôi trơn.
Ngƣợc lại, khi động cơ bắt đầu làm việc ở mơi trƣờng có nhiệt độ thấp, lúc này nhiệt độ động cơ thấp (độ nhớt của dầu cao) ảnh hƣởng đến chất lƣợng bơi trơn (tính lý hố của dầu bơi trơn) cũng nhƣ làm tăng thời gian hâm nóng động cơ (có thể động cơ khơng thể làm việc đƣợc) do vậy cần làm nóng dầu bơi trơn.
Các van đƣợc điều khiển b ng điện và khí nén sẽ đóng mở để điều chỉnh lƣợng nƣớc qua nhiều hay ít, đảm bảo nhiệt độ dầu theo yêu cầu.
4.4.2.3. Thiết bị làm mát nước AVL 553
Sơ đồ nguyên lý làm mát của thiết bị AVL 553 đƣợc thể hiện trên Hình 4.5.
Theo các tiêu chu n thử nghiệm về động cơ cũng nhƣ về khí thải đều có yêu cầu về nhiệt độ nƣớc làm mát. Cụm làm mát nƣớc có chức năng giữ ổn định nhiệt độ nƣớc làm mát động cơ.
Hình 4.5. Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát nước AVL 553
Khi động cơ làm việc một phần nhiệt đƣợc truyền cho các chi tiết động cơ, do đó gây ra các ứng suất nhiệt cho các chi tiết nên cần phải làm mát động cơ.Ngƣợc lại, khi động cơ bắt đầu làm việc, nhiệt độ động cơ cịn thấp, do đó rất khó khởi động nên làm nóng nƣớc vịng ngồi để hâm nóng động cơ, khi động cơ đã làm việc nhiệt độ động cơ tăng khi đó cụm AVL 553 sẽ điều chỉnh nhiệt độ nƣớc vịng ngồi phù hợp để làm mát nhiệt độ nƣớc làm mát động cơ.
Các van đƣợc điều khiển b ng điện và khí nén sẽ đóng mở cho nƣớc vịng ngồi qua nhiều hay ít để đảm bảo nhiệt độ nƣớc làm mát theo đúng yêu cầu.
4.4.2.4. Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Balance 733S
Trên Hình 4.6 thể hiện sơ đồ nguyên lý làm việc của cân nhiên liệu (Fuel balance 733S) sử dụng trong hệ thống thiết bị thử nghiệm. Thiết bị này thực hiện theo nguyên lý đo kiểu khối lƣợng, có vai trị quan trọng quyết định đến độ chính xác lƣợng nhiên liệu tiêu thụ của đông cơ.
Cân nhiên liệu 733S dùng cảm
biến đo lƣu lƣợng nhiên liệu tiêu thụ cung cấp cho động cơ b ng cách cân lƣợng
Hình 4.6. Sơ đồ nguyên lý hoạt động
của hệ thống 733S
1. Nhiên liệu cấp vào thùng đo; 2. Nhiên liệu tới động cơ; 3. Nhiên liệu hồi từ động cơ; 4. ng thông hơi; 5. Các ống nối mềm; 6. Thùng đo; 7. Thanh cân; 8. Lị xo lá; 9. Cân bì; 10. Cảm biến lưu lượng; 11. Thiết bị giảm chấn; 12. Van điện từ đường nạp
nhiên liệu trong bình chứa. Cân nhiên liệu 733S dùng cảm biến đo lƣu lƣợng để xác định lƣợng tiêu thụ nhiên liệu. Yêu cầu cảm biến phản ứng với tốc độ nhanh, độ nhạy và độ chính xác cao.
Bắt đầu quá trình đo nhiên liệu đƣợc cấp đầy vào thùng đo (6). Lúc này lực tỳ lên cảm biến lƣu lƣợng lớn nhất. Van điện từ (12) đóng lại ngăn khơng cho dịng nhiên liệu vào thùng đo trong khi đƣờng cấp vào động cơ vẫn mở. Đồng thời với q trình đó bộ phận đếm thời gian hoạt động. Khi nhiên liệu trong thùng chảy hết đồng ngh a với lực tỳ lên cảm biến lƣu lƣợng b ng (0) tức là quá trình đo đã kết thúc.
Dựa vào các kết quả thu thập đƣợc ECU sẽ tính ra lƣợng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ.
4.4.2.5. Bộ ổn định nhiệt độ nhiên liệu AVL 753
Nhiệt độ nhiên liệu trong hệ thống không giống nhƣ nhiệt độ nhiên liệu trên đƣờng cung cấp do có đƣờng nhiên liệu hồi mang nhiệt từ động cơ. Do đó mật độ nhiên liệu thay đổi làm sai lệch kết quả đo. Thiết bị AVL 753 có nhiệm vụ điều hồ nhiệt độ nhiên liệu đồng thời đảm bảo cung cấp ổn định lƣu lƣợng nhiên liệu cho động cơ.
Thiết bị AVL 753 dùng nƣớc vịng ngồi làm mát lƣợng nhiên liệu đã đƣợc định sẵn từ cân nhiên liệu. Lƣu lƣợng nhiên liệu đƣợc đảm bảo b ng một bơm trên đƣờng nhiên liệu cung cấp cho động cơ.
4.4.2.6. Hệ thống phân tích khí thải CEBII
Hệ thống phân tích thành phần khí thải CEBII thể hiện trên Hình 4.7, trong đó
tủ phân tích khí có thể coi là thiết bị quan trọng nhất của hệ thống này. Tất các phép phân tích và đo đều đƣợc điều khiển tự động.
Hệ thống CEBII phân tích thành phần CO, CO2, NO, NOX, HC có trong khí
thải động cơ. Mỗi bộ phân tích đƣợc chia thành 4 dải đo, tuỳ thuộc vào hàm lƣợng thực tế các chất có trong khí thải mà bộ phân tích sẽ tự lựa chọn dải đo phù hợp. Để đảm bảo độ chính xác của phép đo, các bộ phân tích đƣợc hiệu chu n trƣớc khi đo bởi chất khí hiệu chu n ứng với từng dải đo.
Hình 4.7. Tủ phân tích khí thải CEB.II
- Bộ phân tích CO (CO2): có nhiệm vụ xác định thành phần CO (CO2) b ng
phƣơng pháp hấp thụ tia hồng ngoại.
Khi chiếu tia hồng ngoại qua hỗn hợp khí, tia hồng ngoại sẽ bị CO (CO2) trong
hỗn hợp hấp thụ và suy yếu đi. Thông qua mức độ suy giảm của tia đo đƣợc chúng
ta sẽ xác định đƣợc hàm lƣợng CO (CO2) trong hỗn hợp khí mẫu.
- Bộ phân tích HC: xác định thành phần HC b ng phƣơng pháp ion hố ngọn lửa. Khi khí mẫu đƣợc phun vào ngọn lửa hy-đrô, các phân tử HC sẽ cháy và bị i.ơn hố. Cƣờng độ dịng i-ơn đƣợc xác định tỷ lệ với thành phần HC trong mẫu thử.
- Bộ phân tích NOX: xác định thành phần NOX b ng phƣơng pháp quang hoá.
Mẫu thử đi qua bộ xúc tác nhiệt làm cho NO2 bị phân huỷ thành NO và O2, sau đó
khí mẫu với NO đƣợc đƣa vào bộ phân tích quang hố.
Tại đây thành phần NO sẽ tác dụng với O3 tạo thành NO2 có mức năng lƣợng cao, tồn tại trong thời gian ngắn, nh y về mức năng lƣợng thấp và phát ra tia bức
xạ. Cƣờng độ năng lƣợng bức xạ đo đƣợc sẽ phản ánh thành phần NOX trong mẫu
thử ban đầu.
4.4.2.7. Hệ thống đo phát thải dạng hạt (PM) bằng thiết bị SmartSampler
Sơ đồ hệ thống thiết bị đo phát thải dạng hạt PM b ng thiết bị SmartSampler thể hiện trên Hình 4.8. Thiết bị này do hãng AVL nghiên cứu và phát triển dựa trên nguyên lý lấy mẫu một phần lƣu lƣợng .
Hình 4.7. Tủ phân tích khí thải CEB.II 1. Máy tính
2. Khối SCU 2a. Khối làm nóng 2b. Khối làm lạnh 2c. Khối điều khiển SCU 2d. Vùng dành cho EGR 3. Vùng đặt các bộ phân tích 4. Bảng đồng hồ khí
5. Cơng tắc hệ thống 6. Khối chẩn đốn
Thiết bị này dùng để đo chỉ số PM trong khí thải động cơ diesel lắp trên xe tải theo tiêu chu n Euro 2 (chu trình thử ECE R49). Trên thiết bị gồm các thiết bị sau:
- Khối điều khiển chính (Main Control Cabinet) là một tủ đứng có thể di chuyển đƣợc trên các bánh xe gắn ở đáy tủ, chứa đựng hầu nhƣ toàn bộ các thiết bị quan trọng của Smartsampler SPC 427 nhƣ hệ thống phân tích khí, các bơm hút, các cảm biến quan trọng đo áp suất, nhiệt độ, lƣu lƣợng khối lƣợng, tồn bộ hệ thống điện...
Hình 4.8. Hệ thống đo phát thải dạng hạt (PM) bằng thiết bị SmartSampler
- ng làm loãng và bộ lọc (Tunnel and Filter rack) là một thiết bị quan trọng
của tồn bộ hệ thống. Nó là nơi hồ trộn làm lỗng khí thải để đƣa vào lọc phân tích. Filter rack là giá mang bộ lọc có thể di chuyển gần ống thải với khoảng cách không quá 1m.
Nguyên lý kết hợp giữa thiết bị phần cứng và phần mềm điều khiển của hệ thống SPC 427 thể hiện trên Hình 4.9.
Thiết bị này sử dụng giấy lọc để giữ lại các hạt muội có trong khí thải. Độ khói của khí thải đƣợc xác định qua độ đen của giấy lọc sau khi khí thải đi qua và đƣợc biểu thị theo đơn vị FSN (Filter Smoke Number).
4.5. Thực hiện thử nghiệm và đánh giá kết quả
4.5.1.Thực hiện điều khiển van EGR mở theo các tỷ lệ khác nhau
Khi động cơ làm việc, thực hiện luân hồi b ng ống venturi thì cần phải xây dựng đƣờng đ c tính cho ống venturi và van EGR vì van EGR có tác dụng mở cho khí thải quay về đƣờng nạp, cịn ống venturi có tác dụng tạo chênh áp để khí thải có thể ln hồi. Lƣu lƣợng ln hồi khí thải phụ thuộc vào cả hai van này. Với mỗi ống venturi ta cần xây dựng đƣợc % ln hồi theo vị trí mở van EGR.
Cơng việc xây dựng đƣờng đ c tính luân hồi đƣợc tiến hành nhƣ sau:
- Thực hiện xây dựng đƣờng đ c tính ngồi của động cơ khi có van venturi trên đƣờng nạp.
- Tính các mức tải: 25%, 50%, 75% cho các tốc độ 1400(v/ph) và 2000(v/ph). - Thực hiện điểu khiển mở van EGR theo các tỷ lệ: 0%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100% để đo lƣu lƣợng khơng khí nạp vào động cơ trên các đƣờng tốc độ và tải ở trên. Sau đó tính %EGR theo cơng thức:
%EGR = t egr s egr t egr W W W . 100% (4.1)
Đ c tính van EGR sau khi chạy thử nghiệm thể hiện trên Hình 4.10 và 4.11. Ta thấy, tại tốc độ cố định khi tăng tải thì % ln hồi sẽ giảm. Ví dụ tại tốc độ 1400 (v/ph) với 25% tải khi mở hồn tồn van EGR thì có tới 19,98% khí ln hồi trong khi đó tại 75% tải chỉ có 16,12% khí ln hồi.
Tại một giải tải cố định thì khi tăng tốc độ thì % luân hồi sẽ giảm ở chế độ tải thấp cịn ở tải cao thì ngƣợc lại. Ví dụ tại tốc độ 1400 (v/ph) với 25% tải khi mở hồn tồn van EGR thì có tới 19,98% cịn ở tốc độ 2000 (v/ph) với 25% tải khi mở hồn tồn van ln hồi thì có tới 18,88% khí ln hồi và tại tốc độ 1400 (v/ph) tải là 75% khi mở hồn tồn van ln hồi thì có tới 17,08% khí ln hồi trong khi tại tốc độ 2000 (v/ph) với 75% tải khi mở hoàn toàn van EGR thì có 17,28% khí ln hồi.
4.5.2. Mức độ giảm phát thải NOX theo tỷ lệ luân hồi ở các chế độ thử
4.5.2.1. Ở tốc độ 1400 (v/ph)
a. Tại chế độ 25% tải
Kết quả thử nghiệm đƣợc thể hiện trên Hình 4.12 cho thấy: với mức 25% tải
thì các thành phần phát thải NOX đều giảm tƣơng ứng cùng với sự tăng của tỷ lệ khí
ln hồi, trong khi đó độ mờ khói (Smoke) lại tăng lên tƣơng ứng.
Cụ thể, ứng với tỷ lệ luân hồi 19,98% (độ mở van EGR = 100%) độ giảm của
NOX đạt tới 32,51 % so với không luân hồi nhƣ thể hiện trong Bảng 4.3, trong khi
đó độ mờ khói tăng nhanh khi % EGR > 18,79 %. Do vậy để đảm bảo đạt đƣợc tỷ lệ
giảm NOX nhƣng không làm tăng quá lƣợng PM nên chọn %EGR trong khoảng
18% là hợp lý. b. Tại chế độ 50% tải Hình 4.10. Đặc tính van EGR tại tốc độ 1400 (v/ph) Hình 4.11. Đặc tính van EGR tại tốc độ 2000 (v/ph) Bảng 4.2. So sánh NOX với EGR ở 25% tải -1400 (v/ph) Độ mở van EGR (%) % luân hồi NOX (ppm) Thay đổi % (+/-) 0 0,00 1132 0,00 20 8,32 973 -14,05 40 13,42 901 -20,41 60 16,71 848 -25,09 80 18,79 805 -28,89
100 19,98 764 -32,51 Hình 4.12. Lượng NOX và độ mờ khói
70
Kết quả thử nghiệm đƣợc thể hiện trên Hình 4.13 cho thấy: với mức 50% tải
thì các thành phần phát thải NOX giảm khi tỷ lệ luân hồi tăng.
Ứng với tỷ lệ luân hồi 18,68% (độ mở van EGR = 100%) thì NOX giảm tới
52,82% so với khơng ln hồi nhƣ thể hiện trong Bảng 4.4 nhƣng độ mờ khói lạităng khi tăng tỷ lệ luân hồi. Vì vậy để đảm bảo lƣợng phát thải PM không quá cao nên lựa chọn % EGR < 18% là hợp lý
c. Tại chế độ 75% tải
Kết quả thử nghiệm đƣợc thể hiện trên Hình 4.14 cho thấy: với mức 75% tải
thì các thành phần phát thải NOX giảm khi tăng tỷ lệ luân hồi.
Ứng với tỷ lệ luân hồi 17,64% (độ mở van EGR = 100%) thì NOX giảm tới
64,85% so với không luân hồi nhƣ thể hiện trong Bảng 4.5, khi đó độ mờ khói lại tăng khá cao cùng với sự tăng của tỷ lệ luân hồi. Do vậy ở chế độ tải này %EGR nên lựa chọn thấp hơn 17% để đảm bảo lƣợng phát thải PM không quá cao.
Bảng 4.4. So sánh NOX với EGR ở 75% tải-1400 (v/ph) Độ mở EGR % % luân hồi NOX (ppm) Thay đổi % (+/-) 0 0,00 1687 0,00 20 5,32 1148 - 31,95 40 10,24 920 - 45,47 60 13,73 772 - 54,24 80 16,12 676 - 59,93 100 17,64 593 - 64,85