HỢP VÀ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU
4.7. Nghiên cứu thực nghiệm động cơ chạy nhiên liệu hybrid biogas-xăng
Hình 4.12: Bố trí hệ thống thí nghiệm động cơ chạy bằng nhiên liệu hybrid biogas- xăng
Hình 4.12 giới thiệu sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm động cơ DA465QE chạy bằng nhiên liệu hybrid biogas-xăng. Động cơ thử nghiệm sau khi đã cải tạo đường nạp và hệ thống cung cấp nhiên liệu như đã mô tả ở phần trên được lắp lên băng thử
105
công suất AVL. Việc gá đặt động cơ thử nghiệm được thực hiện đúng quy trình kỹ thuật theo hướng dẫn của phòng thí nghiệm động cơ.
Toàn bộ hệ thống điều khiển băng thử động cơ không thay đổi. Trong thí nghiệm này chúng tôi bổ sung hệ thống cung cấp biogas và cơ cấu điều khiển các bướm ga để đảm bảo tỉ lệ nhiên liệu mong muốn.
Tiêu thụ biogas được đo theo thể tích túi chứa khí. Tiêu thụ xăng được đo theo khối lượng bằng thiết bị đo lưu lượng 733S. Lưu lượng không khí qua đường nạp xăng được đo bằng thiết bị DN-80. Lượng xăng phun vào đường nạp động cơ được ECU điều chỉnh theo lượng không khí cung cấp vào xi lanh thông qua thông tin từ cảm biến vị trí bướm ga và cảm biến áp suất khí nạp. Mặt khác lượng xăng cung cấp cũng được tự động điều chỉnh dựa vào thông tin do cảm biến oxygen cung cấp.
Trong thí nghiệm này chúng tôi chỉ đo mô men đầu ra trục khuỷu và tốc độ động cơ ở các chế độ làm việc khác nhau của động cơ.
4.7.2. Chuẩn bị nhiên liệu
Do phòng thí nghiệm cách xa nơi sản xuất biogas nên biogas được nén vào bình áp lực để vận chuyển. Biogas được lọc H2S bằng bentonite. Thành phần trung bình của biogas sau khi lọc là 60% CH4 và 40% CO2 khi không loại bỏ CO2. Để làm giàu biogas chúng tôi tiến hành lọc CO2 bằng NaOH. Trong trường hợp này, biogas đạt thành phần trung bình 70% CH4 và 30% CO2.
Biogas sau khi lọc kỹ các tạp chất sẽ có tính chất tương đương khí thiên nhiên do đó các giải pháp lưu trữ khí thiên nhiên hiện nay đều có thể áp dụng cho biogas.
Các giải pháp thông thường là nén biogas vào bình chứa áp lực lên đến áp suất 200 bar, hóa lỏng biogas hoặc lưu trữ dưới dạng hydrate. Các giải pháp này đòi hỏi đầu tư cơ sở hạ tầng và các giải pháp an toàn khi sử dụng.
Đối tượng nghiên cứu trong luận án này là ô tô tải nhẹ, hoạt động vùng nông thôn, gần nơi cung cấp biogas. Vả lại, với công nghệ cung cấp nhiên liệu hybrid, ô tô ưu tiên sử dụng biogas, khi hết biogas thì ô tô chạy bằng xăng như trước khi cải tạo.
Điều này sẽ giúp khắc phục được khó khăn về mặt lưu trữ biogas trên ô tô để có thể sử dụng biogas trong điều kiện cơ sở hạ tầng cung cấp nhiên liệu này chưa được phát
106
triển. Vì vậy phương pháp lưu trữ biogas trên ô tô trong trường hợp này là nén ở áp suất thấp, dưới 75 bar, để giảm yêu cầu kỹ thuật về máy nén cũng như bình chứa.
Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng máy nén XF-3 để nén biogas (Hình 4.13). Đây là máy nén khí thiên nhiên áp suất cao nhưng lưu lượng bé. Máy nén có kích thước nhỏ, trọng lượng bé, hiệu suất cao, an toàn, đáng tin cậy trong hoạt động.
Máy nén có 4 cấp. Đầu tiên khí đi qua đường ống nạp của cấp thứ nhất. Sau khi qua cấp nén này, khí nén được làm mát và đi vào cấp nén thứ hai. Tương tự như vậy, khí nén được làm mát và đi vào các cấp tiếp theo. Đến cấp nén thứ 4, áp suất của khí nén được nâng lên 20MPa-25MPa. Cuối cùng khí nén được chuyển vào bình áp lực cao, sau khi qua bình lọc dầu. Máy nén có gắn động cơ khởi động và van an toàn áp suất trên đường thải. Nếu khí được nén đến giá trị giới hạn (điều chỉnh rơ le ngắt nguồn điện cung cấp theo áp suất), máy nén sẽ tự động ngừng quá trình nén. Ngoài ra, có một van an toàn để ngăn hiện tượng quá áp. Đồng hồ áp suất được lắp đặt ở mỗi cấp của máy nén. Nhằm mục đích kiểm tra sự cố trong mỗi cấp máy nén theo từng giá trị hiển thị ở mỗi cấp hoặc không hiển thị giá trị nào trên mỗi cấp của máy nén.
Hình 4.13: Máy nén biogas 4 cấp (a) và bình chứa biogas áp lực cao (b)
Trước khi thí nghiệm, biogas nén được xả vào túi chứa khí bằng ni lông có đường kính 1,2m và chiều dài 4m ở áp suất xấp xỉ áp suất khí trời và được cấp vào đường nạp phụ qua van chân không. Nguyên lý làm việc của van chân không đã được mô tả trên đây. Quy trình chuẩn bị nhiên liệu và cung cấp biogas cho động cơ thí nghiệm được giới thiệu trên hình 4.14.
Bình chứa biogas áp lực cao Máy nén biogas 4 cấp
107
Hình 4.14: Quy trình chuẩn bị biogas và cung cấp nhiên liệu cho động cơ Tại mỗi loạt thí nghiệm, bướm ga đường nạp xăng được cố định. Do áp suất trên đường nạp và độ mở bướm ga không thay đổi nên ECU điều khiển lượng phun xăng gần như cố định. Việc điều chỉnh thành phần hỗn hợp của nhiên liệu hybrid được thực hiện nhờ điều chỉnh bướm ga đường cung cấp biogas. Trong thí nghiệm, các bướm ga này được điều khiển độc lập bằng tay. Sau mỗi thí nghiệm, lượng xăng tiêu hao được xác định nhờ thiết bị đo AVL còn lượng biogas tiêu thụ được xác định qua thể tích của túi chứa biogas trước khi thí nghiệm.
4.7.3. Lắp đặt động cơ thí nghiệm lên băng thử công suất
Hình 4.15: Lắp đặt động cơ DA465QE trên băng thử AVL
Hầm biogas Lọc biogas
Nén biogas
Túi chứa biogas Van chân không
Không khí Không khí
Bướm ga xăng
Bướm ga biogas Hỗn
hợp khí Lưu lượng kế không khí
Van biogas
108
Động cơ DA465QE được tháo rời cụm ly hợp-hộp số trước khi lắp lên băng thử APA 204 đảm bảo độ sai lệch của tâm trục khuỷu động cơ và tâm mặt bích lắp ghép của APA cho phép không quá 1mm. Trong quá trình lắp động cơ lên băng thử cần tiến hành sử dụng các loại đồng hồ so, thiết bị kiểm tra góc nghiêng mặt phẳng để kiểm tra và hiệu chỉnh sai lệch. Trước khi thí nghiệm cần chạy thử hệ thống, theo dõi diễn biến nhiệt độ động cơ khi tăng tốc qua đó đánh giá hiệu suất làm mát của thiết bị AVL 553, kiểm tra cơ cấu điều khiển tay ga, kiểm tra các thông số của động cơ và băng thử hiển thị trên màn hình máy tính điều khiển.
Hình 4.15 giới thiệu động cơ DA456QE lắp trên băng thử công suất động cơ AVL để chuẩn bị tiến hành thử nghiệm nhiên liệu hybrid.
4.7.4. Chế độ thí nghiệm
Khi chạy bằng xăng, động cơ DA465QE phát công suất cực đại 35 kW ở tốc độ 5000 vòng/phút và mô men xoắn cực đại là 72Nm ở tốc độ 3500 vòng/phút. Trước khi thử nghiệm, động cơ chạy bằng xăng và đo đạc tại một số điểm nhất định để kiểm tra tính ổn định của hệ thống. Sau đó, cung cấp nhiên liệu hybrid cho động cơ và tiến hành đo tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm.
Động cơ lắp trên thiết bị vận tải đường bộ phải thường xuyên làm việc trong điều kiện thay đổi lớn cả về tốc độ lẫn mô men. Thông thường giữa số vòng quay và công suất của động cơ loại này không có mối quan hệ đơn trị. Ở bất kỳ tốc độ nào cho trước, công suất động cơ đều có thể thay đổi từ 0 đến công suất cực đại. Trong điều kiện sử dụng thực tế, phần lớn thời gian động cơ ô tô đều hoạt động ở các chế độ không tải, tải nhỏ và tải trung bình, ít khi động cơ hoạt động ở chế độ tải lớn và đặc biệt là chế độ tải lớn tốc độ cao. Chế độ hoạt động thường xuyên của động cơ phun xăng cần đảm bảo ít tiêu hao nhiên liệu và phát thải ô nhiễm thấp. Ở chế độ tải nhỏ ít khi động cơ làm việc ở tốc độ dưới 1500 vòng/phút. Mô men của động cơ thường không vượt quá 70% mô men cực đại.
Như đã trình bày ở đầu chương này, thí nghiệm được thực hiện giới hạn trên đường đặc tính ngoài (đối với biogas). Chế độ thử nghiệm thay đổi theo tốc độ, thành phần biogas và hàm lượng xăng.
109
Hàm lượng xăng phối hợp biogas được xác định theo thành phần mol. Sau mỗi loạt phép đo ổn định, ta xác định được thể tích biogas tiêu thụ và khối lượng xăng tiêu thụ. Trên cơ sở đó chúng ta tính được số mol xăng và số mol biogas, từ đó xác định hàm lượng xăng.