v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
4.2 Thử nghiệm trên động cơ AVL5402
Như đã phân tích ở chương 2, LPG thay thế thường được sử dụng ở chế độ tải lớn (toàn tải và gần toàn tải) để tránh phát thải HC cao. Thêm nữa, tỷ lệ LPG thay thế cao nhất có thể đạt được là ở chế độ toàn tải. Do đó, việc nghiên cứu thử nghiệm được thực hiện ở chế độ toàn tải với các tốc độ khác nhau. Nội dung và quy trình thử nghiệm như sau:
- Xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ chạy đơn nhiên liệu diesel:
Khi chạy với đơn nhiên liệu diesel, lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình của động cơ được điều chỉnh sao cho mô men động cơ phát ra là lớn nhất ở chế độ tốc độ định mức (chưa xuất hiện khói đen). Giữ nguyên lượng cấp nhiên liệu chu trình này và thay đổi mô men cản của phanh ta đo được mô men, công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ ở các tốc độ khác nhau và ta xác định được đường đặc tính ngoài của động cơ chạy đơn nhiên liệu diesel.
- Thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của áp suất phun LPG khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel ở tốc độ 2000v/ph, 100% tải với các tỷ lệ LPG thay thế khác nhau:
Như đã trình bày ở chương 2, nghiên cứu mô phỏng chưa đánh giá được ảnh hưởng của áp suất phun LPG đến các chỉ tiêu làm việc của động cơ, chưa đánh giá được ảnh hưởng của LPG đến sự phát sinh kích nổ và rung động của động cơ nên cần thử nghiệm tìm áp suất phun LPG tối ưu ở chế độ mômen lớn nhất Memax. Mục đích của việc thử nghiệm này là tìm ra được áp suất phun LPG phù hợp với khả năng hình thành hỗn hợp của nhiên liệu LPG và thỏa mãn điều kiện sử dụng kiệt bình chứa LPG trong quá trình vận hành động cơ. Quy trình được thực hiện như sau:
Cho động cơ chạy với nhiên liệu diesel ở toàn tải với tốc độ 2000v/ph. Điều chỉnh áp suất phun LPG bằng 1 bar qua van giảm áp. Qua giao diện INCA trên máy tính, điều chỉnh giảm lượng nhiên liệu diesel cấp cho chu trình một lượng tương ứng với tỷ lệ diesel muốn được thay thế bằng LPG, lúc đó mô men động cơ giảm. Tiếp theo, thông qua giao diện máy tính của bộ điều khiển điện tử ELC, thực hiện điều chỉnh tăng dần lượng LPG cấp vào động cơ cho đến khi mô men đạt được giá trị tương đương mô men khi động cơ chạy với đơn nhiên liệu diesel và tiến hành đo các thông số làm việc của động cơ như mô men, công suất, áp suất trong xilanh, rung động và phát thải của động cơ.
Thí nghiệm được lặp lại với áp suất phun 1,5bar và 2bar. Sau đó, tiến hành đánh giá ảnh hưởng của áp suất phun LPG đến mô men, công suất, áp suất trong xilanh, rung động và phát thải của động cơ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel ở các tỷ lệ LPG thay thế và áp suất khác nhau.
- Thử nghiệm sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel với các tỷ lệ LPG thay thế khác nhau ở đường đặc tính ngoài:
Nội dung thử nghiệm này nhằm đánh giá ảnh hưởng của lượng LPG thay thế cho nhiên liệu diesel ở các chế độ làm việc của động cơ nghiên cứu, đảm bảo mômen của động cơ ở 2 trường hợp sử dụng nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu LPG/diesel là như nhau, đồng thời không gây ra hiện tượng kích nổ cho động cơ. Quy trình được thực hiện như sau:
-104-
Ở mỗi chế độ tốc độ khi động cơ đang chạy với nhiên liệu diesel, qua giao diện INCA trên máy tính, điều chỉnh giảm lượng nhiên liệu diesel cấp cho chu trình một lượng tương ứng với tỷ lệ diesel muốn được thay thế bằng LPG, lúc đó mô men động cơ giảm. Tiếp theo, điều khiển cung cấp LPG cho động cơ, thực hiện điều chỉnh tăng dần lượng LPG cấp vào động cơ cho đến khi mô men đạt được giá trị tương đương mô men động cơ khi chạy đơn nhiên liệu diesel ở tốc độ đó và tiến hành đo các thông số của động cơ như trên.
- Thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của góc phun sớm diesel đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel ở tốc độ 2000vg/ph, 100% tải tỷ lệ LPG 20%.
Hình 4.1 Sơ đồ thiết kế lắp đặt hệ thống cung cấp LPG trên động cơ AVL 5402
Sơ đồ lắp đặt hệ thống trang thiết bị thí nghiệm động cơ AVL 5402 sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel được chỉ ra trên hình 4.1. Nhiên liệu LPG được tích trong bình nhiên liệu thương mại thông thường. Trên bình sử dụng van đóng mở LPG dạng cơ khí với cơ cấu van xoay. Việc điều chỉnh áp suất LPG trong quá trình thí nghiệm của đề tài được thực hiện bằng van giảm áp dạng cơ khí. LPG được hóa hơi hoàn toàn qua bộ chuyển đổi hóa hơi trước khi vào động cơ. Việc điều khiển vòi phun để cung cấp lượng LPG cần thiết cho các thí nghiệm được ELC thực hiện với sự cài đặt các thông số điều khiển qua giao diện máy tính với ELC.
4.2.2 Kết quả thử nghiệm và thảo luận
4.2.2.1 Ảnh hưởng của áp suất phun
Áp suất phun LPG vào đường nạp ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hòa trộn LPG với không khí nên sẽ ảnh hưởng đến phát thải của động cơ. Việc thay đổi áp suất phun LPG được thực hiện bằng cách điều chỉnh van giảm áp dạng cơ khí.
a) Ảnh hưởng của áp suất phun đến mô men động cơ
Kết quả trong phụ lục 3.1 cho thấy, khi động cơ thử nghiệm ở chế độ sử dụng lưỡng nhiên liệu với các áp suất phun LPG khác nhau luôn đảm bảo được sự tương đồng về mômen so với trường hợp chỉ sử dụng nhiên liệu diesel vì đây là mục đích điều chỉnh khi
-105-
điều chỉnh lượng LPG thay thế cấp vào. Kết quả sai lệch về mômen luôn nhỏ hơn 0,5%, và giá trị sai lệch lớn nhất là 0,45% ở tỷ lệ thay thế 10% diesel và áp suất LPG sử dụng là 1bar. Sai lệch này là không thể tránh khỏi do các yếu tố khách quan ảnh hưởng đến thông số vào của động cơ (gọi là nhiễu).
b) Ảnh hưởng của áp suất phun đến thành phần phát thải
Để tìm ra áp suất phun LPG phù hợp cho hệ thống cung cấp LPG trên động cơ nghiên cứu, động cơ được vận hành ở tốc độ 2000vg/ph, 100% tải. Nhiên liệu được sử dụng lần lượt là đơn nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu LPG/diesel với tỷ lệ khác nhau và với các áp suất LPG khác nhau.
Hình 4.2 Phát thải CO ở các tỷ lệ và áp suất LPG khác nhau
Hình 4.3 Phát thải Smoke ở các tỷ lệ và áp suất LPG khác nhau
1650 1800 1950 2100 2250 2400 2550 2700 2850 3000 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 20% 22% 24% 26% 28% 30% T hà nh ph ần CO (pp m)
Tỷ lệ diesel được thay thế
CO(1bar) CO(1.5bar) CO(2bar) 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 20% 22% 24% 26% 28% 30% Thành phần Smoke (FSN)
Tỷ lệ diesel được thay thế
Smoke(1bar)
Smoke(1.5bar)
-106-
Ảnh hưởng của áp suất phun LPG đến phát thải CO, Smoke, HC và NOx ở các tỷ lệ LPG thay thế khác nhau được chỉ ra trên các đồ thị hình 4.2 đến hình 4.5. Đồ thị hình 4.2 cho thấy, động cơ thử nghiệm khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel cho nồng độ phát thải CO thấp hơn so với sử dụng hoàn toàn nhiên liệu diesel (LPG 0%) và càng tăng tỷ lệ LPG thay thế thì CO càng giảm. Theo các nhà nghiên cứu, trong động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel, CO chủ yếu được tạo ra tại các vùng cháy hỗn hợp nhạt của LPG-không khí. Đối với động cơ LPG/diesel phun nhiên liệu diesel kiểu tích áp, do áp suất phun cao (trên 800 kgf/cm2) và vòi phun nhiều lỗ nên nhiên liệu diesel được phun rất tơi và phân bố khá đều trong toàn bộ thể tích hỗn hợp LPG-không khí làm cho quá trình đốt cháy nhiên liệu LPG diễn ra rất nhanh, sinh nhiệt lớn nên cháy kiệt. Hàm lượng LPG càng cao thì LPG cháy càng mạnh và cháy kiệt hơn nên CO giảm. Đồ thị cũng cho thấy với tỷ lệ LPG thay thế trên 26% thì áp suất phun 1,0 bar cho phát thải CO thấp nhất.
Nồng độ phát thải Smoke (hình 4.3) của động cơ khi chạy LPG/diesel cũng luôn thấp hơn so với trường hợp chạy đơn nhiên liệu diesel do sự cháy của LPG làm nhiên liệu diesel cháy kiệt hơn, tuy nhiên mức chênh lệch độ khói trong 3 trường hợp áp suất phun LPG khác nhau không đáng kể.
Đồ thị hình 4.4 cho thấy, động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel luôn cho nồng độ phát thải HC cao hơn so với trường hợp sử dụng đơn nhiên liệu diesel. Kết quả thực nghiệm này hoàn toàn phù hợp với kết quả nghiên cứu lý thuyết ở chương 2. Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy áp suất phun LPG 1,5bar và 2bar cho kết quả phát thải HC thấp hơn so với trường hợp áp suất LPG 1bar. Lý do có thể là ở áp suất phun cao, LPG sẽ hóa hơi và hòa trộn đồng nhất hơn với không khí nên tăng được giới hạn cháy.
Hình 4.4 Phát thải HC ở các tỷ lệ và áp suất LPG khác nhau 250 400 550 700 850 1000 1150 1300 1450 1600 1750 1900 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 20% 22% 24% 26% 28% 30% T hà nh ph ần HC (pp m)
Tỷ lệ diesel được thay thế
-107-
Hình 4.5 Phát thải NOx ở các tỷ lệ và áp suất LPG khác nhau
Kết quả trên hình 4.5 cho thấy, khi sử dụng lưỡng nhiên liệu, nồng độ phát thải NOx
luôn cao hơn trường hợp đơn nhiên liệu diesel do trong động cơ LPG/diesel phun nhiên liệu diesel kiểu tích áp, LPG giúp cháy kiệt sinh nhiệt lớn như đã nói ở trên nên làm tăng phản ứng tạo NOx. Đồ thị cũng cho thấy ở áp suất phun LPG 1,5bar nồng độ phát thải NOx
thấp hơn so với ở áp suất phun LPG 1bar và 2bar.
Như vậy, nếu đánh giá một cách tổng hợp, ảnh hưởng của áp suất phun LPG đến khả năng phát thải của động cơ thì với áp suất là 1,5bar cho kết quả tốt hơn ở các giá trị áp suất 1bar và 2bar.
c) Ảnh hưởng của áp suất phun đến đặc tính cháy
Hình 4.6 Diễn biến áp suất xilanh khi sử dụng đơn nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu với tỷ lệ LPG 16% ở các giá trị áp suất khác nhau
850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 20% 22% 24% 26% 28% 30% Thành phần N O x (p pm)
Tỷ lệ diesel được thay thế
Nox(1bar) NOx(1.5bar) NOx(2bar) 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Pcy l (ba r)
Góc quay trục khuỷu (deg) Diesel
LPG 1bar (16%) LPG 1.5bar (16%) LPG 2bar (16%)
-108-
Hình 4.7 Độ rung động của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu với tỷ lệ LPG 16% ở các giá trị áp suất khác nhau
Ảnh hưởng của áp suất phun LPG đến đặc tính cháy của động cơ chạy LPG/diesel được đánh giá qua việc so sánh diễn biến áp suất cháy trong xi lanh (hình 4.6) và độ rung của động cơ (hình 4.7) ở các áp suất phun LPG khác nhau. Đồ thị hình 4.6 cho thấy, với áp suất phun LPG 1bar, áp suất cháy cực đại khi sử dụng LPG/diesel cao hơn so với khi sử dụng đơn nhiên liệu diesel. Ở áp suất phun này, tần số rung của động cơ là lớn nhất (hình 4.7), với áp suất LPG 2bar độ rung gần với trường hợp đơn nhiên liệu diesel.
Như vậy, qua kết quả đánh giá đặc tính phát thải và đặc tính cháy của động cơ LPG/diesel ở các áp suất phun LPG khác nhau, có thể thấy rằng, để có quá trình cháy hiệu quả nhất, đảm bảo tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ thì giá trị áp suất phun 1,5bar là phù hợp ở 100% tải. Do đó giá trị áp suất phun LPG 1,5bar được lựa chọn cho các thử nghiệm động cơ sau này.
4.2.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ LPG đến phát thải
Quá trình thử nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế của động cơ chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel được tiến hành trên đường đặc tính ngoài (100% tải) của động cơ. Tốc độ động cơ thay đổi từ 1000vg/ph đến 3000vg/ph. Đồng thời, ở các chế độ thử nghiệm luôn đảm bảo mômen động cơ ở các tỷ lệ LPG khác nhau tương tự như trường hợp sử dụng đơn nhiên liệu diesel.
Trong các thử nghiệm khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel thì tỷ lệ LPG được tính theo tỷ lệ nhiên liệu diesel được thay thế (được giảm) khi mô men bằng mô men của trường hợp sử dụng đơn nhiên liệu diesel và được xác định theo công thức:
Trong đó: %LPG - Tỷ lệ LPG ở chế độ thử nghiệm; BHDi(100%) - Lượng tiêu thụ nhiên liệu diesel khi sử dụng đơn nhiên liệu diesel; BHDi(Dual) - Lượng tiêu thụ nhiên liệu diesel khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel.
-400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 KAcc (g) Diesel LPG 1bar (16%) LPG 1.5bar (16%) LPG 2bar (16%)
-109-
Ví dụ, để thay thế 10% diesel khi sử dụng lưỡng nhiên liệu thì ta sẽ giảm lượng nhiên liệu diesel 10% sau đó cung cấp lượng LPG vào để động cơ có cùng mômen với chế độ đơn nhiên liệu, khi đó ta ký hiệu là LPG 10%.
Phát thải NOx (hình 4.8): Khi tăng tỷ lệ LPG thì nồng độ phát thải NOx tăng so với trường hợp đơn nhiên liệu, với tỷ lệ LPG 10% và 30% thì nồng độ NOx trung bình tăng tương ứng 15,08% và 48,58%. Tuy nhiên, với tỷ lệ LPG tăng lên 40% và 54% thì nồng độ NOx trung bình lúc này tăng lên nhanh và đạt giá trị tương ứng là 82,44% và 149,72%. Phát thải NOx tăng là do trong động cơ LPG/diesel phun nhiên liệu diesel kiểu tích áp có áp suất phun cao (trên 800kg/cm2) nên nhiên liệu diesel được phun tơi và khá đều trong toàn bộ thể tích hỗn hợp LPG-không khí làm cho quá trình cháy tốt và kiệt hơn. Khi tăng tỷ lệ LPG ở chế độ toàn tải làm cho tốc độ quá trình cháy cao, sinh nhiệt mạnh làm nhiệt độ khí cháy cao dẫn tới khả năng hình thành NOx tăng lên rõ rệt so với trường hợp sử dụng tỷ lệ LPG thấp và trường hợp sử dụng đơn nhiên liệu diesel.
Hình 4.8 Phát thải NOx khi thử nghiệm ở các tỷ lệ LPG khác nhau
Phát thải CO (hình 4.9): Khi tăng tỷ lệ LPG ở chế độ toàn tải thì nồng độ phát thải CO giảm so với trường hợp đơn nhiên liệu ở mọi chế độ tốc độ. Xét trung bình trên toàn dải tốc độ, với tỷ lệ LPG thay thế 10% thì nồng độ CO trung bình giảm 28,83%; tỷ lệ LPG 30% thì nồng độ trung bình của CO giảm 56,07%; và với tỷ lệ LPG tăng lên 54% thì nồng độ CO trung bình lúc này giảm tới 66,89%.
Thực vậy theo Heywood [24], CO trong động cơ LPG/diesel được hình thành trong vùng cháy hỗn hợp nhạt của LPG-không khí. Do đó, với động cơ LPG/diesel phun nhiên liệu diesel tích áp ở chế độ toàn tải như nói ở trên, quá trình cháy tốt, trạng thái nhiệt của động cơ cao nên khi tăng LPG càng làm quá trình cháy tốt hơn. Đây là lý do dẫn tới phát thải CO trong sản phẩm cháy giảm xuống.
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 T hà nh ph ần NOx (pp m) Tốc độ động cơ (vòng/phút)
NOx (0%) NOx (10%) NOx (20%) NOx (30%) NOx (40%) NOx (54%)
-110-
Hình 4.9 Phát thải CO khi thử nghiệm ở các tỷ lệ LPG khác nhau
Phát thải độ khói (hình 4.10) : Khi tăng tỷ lệ LPG thì phát thải độ khói giảm so với