1.2.1. Mục đớch
Xõy dựng và phỏt triển mụ hỡnh toỏn nghiờn cứu cơ chế và đặc điểm quỏ trỡnh hỡnh thành NOx trong xi lanh động cơ.
1.2.2. Phạm vi và đối tượng nghiờn cứu
Nghiờn cứu sự hỡnh thành NOx trong xi lanh động cơ xe mỏy trờn cơ sở nghiờn cứu chu trỡnh nhiệt của động cơ và sự hỡnh thành NOx trong quỏ trỡnh chỏy.
Đối tượng nghiờn cứu là xe mỏy Honda Wave-α.
1.2.3. Nội dung thực hiện trong đề tài
Nội dung cụ thể gồm:
1. Tổng quan về phỏt thải và kiểm soỏt phỏt thải trong động cơ đốt trong 2. Thớ nghiệm đo phỏt thải NOx của xe mỏy Honda Wave-α.
3. Xõy dựng mụ hỡnh tớnh chu trỡnh nhiệt của động cơ theo nguyờn lý đa vựng. 4. Xõy dựng mụ hỡnh tớnh toỏn quỏ trỡnh tạo NOx trong xi lanh động cơ
CHƯƠNG 2. THÍ NGHIỆM ĐO NOX
Thớ nghiệm đo NOx được thực hiện để lấy số liệu đỏnh giỏ độ tin cậy của mụ hỡnh toỏn xỏc định NOx. Thớ nghiệm được thực hiện trờn động cơ xe mỏy Honda Wave-α trờn băng thử xe mỏy AVL tại phũng thớ nghiệm động cơ đốt trong, Viện Cơ khớ động lực, Trường đại học Bỏch Khoa Hà Nội.
2.1. Hệ thống thiết bị thử nghiệm khớ thải xe mỏy
Phũng thớ nghiệm xe mỏy được trang bị băng thử động học, hệ thống lấy mẫu khớ xả CVS, hệ thống đo lượng tiờu thụ nhiờn liệu 733S và tủ phõn tớch khớ xả CEBII..
2.1.1. Băng thử xe mỏy
Băng thử chassis Dynamometer 20’’ (hỡnh 2.1) do hóng AVL cung cấp, cú chức năng thử nghiệm và kiểm tra xe ở cỏc chế độ mụ phỏng. Qua đú giỳp cho quỏ trỡnh nghiờn cứu cải tiến xe mỏy và động cơ được dễ dàng.
Hỡnh 2.1. Phũng thử xe mỏy CD20”
Cỏc chức năng chớnh của băng thử: - Xỏc định tốc độ của xe.
- Xỏc định lực tỏc dụng trờn bề mặt con lăn. - Xỏc định gia tốc và cụng suất của xe.
- Mụ hỡnh húa tải trọng trờn đường thụng qua băng thử.
Kết hợp băng thử với hệ thống lấy mẫu khớ thải CVS, tủ phõn tớch khớ CEBII và thiết bị đo tiờu hao nhiờn liệu 733S trong quỏ trỡnh thử nghiệm theo chu trỡnh chõu Âu (ECE R40) qua đú xỏc định thành phần cỏc chất thải độc hại cú trong khớ xả, lượng tiờu thụ nhiờn liệu.
Băng thử động học gồm một động cơ điện cụng suất 23,9kW dẫn động con lăn thụng qua hộp số làm liền động cơ. Con lăn của băng thử cú đường kớnh 20’’(508mm), bề mặt con lăn được phủ một lớp tạo ma sỏt để dễ dàng dẫn động bỏnh xe mỏy, trờn trục con lăn cú gắn cảm biến đo tốc độ động cơ. Vỡ trục con lăn chớnh là trục động cơ điện nờn từ tốc độ con lăn cú thể xỏc định được tốc độ xe. Bỏnh đà và đĩa phanh (phanh hơi) được gắn trờn trục động cơ và con lăn cú nhiệm vụ tớch lũy năng lượng. Qua đú ổn định quỏ trỡnh chạy của xe, giỳp người lỏi theo chu trỡnh thử được dễ dàng giảm tối thiểu cỏc lỗi vượt ra ngoài miền dung sai cho phộp của đường thử.
Trờn động cơ chớnh cũn cú cơ cấu đo lực dựng nguyờn lý phanh điện xoay chiều. Xe được giữ trờn băng thử bằng cơ cấu kẹp bỏnh xe sử dụng khớ nộn, với ỏp suất nộn 4,5→10bar. Nú cú tỏc dụng giữ chặt xe trong suốt chu trỡnh thử để đảm bảo an toàn cho người vận hành.
Quạt giú được gắn liền với băng thử nờn cú khả năng tạo ra vận tốc giú thay đổi theo vận tốc con lăn trờn băng thử cú tỏc dụng làm mỏt đụng cơ trong quỏ trỡnh thử nghiệm.
Thụng số kỹ thuật của băng thử:
Băng thử chassis dyno 20’’ được thiết kế để mụ phỏng lại khối lượng của xe trong phạm vi 80kg đến 350kg.
Lực kộo lớn nhất của động cơ ở chế độ động cơ là 1512N ở 90km/h. Lực kộo lớn nhất ở chế độ mỏy phỏt là 1680N ở 90km/h.
Lực kộo lớn nhất của động cơ ở chế độ khi sử dụng nhiều là là 945N ở 90 km/h. Ở chế độ mỏy phỏt sử dụng nhiều là 1040N ở 90km/h.
Quỏ trỡnh thử nghiệm được giỏm sỏt trờn giao diện phần mền MMI, cỏc thụng số tốc độ, lực kộo, cụng suất được hiển thị tức thời, ngoài ra người vận hành cú thể theo dừi cỏc thụng số của quỏ trỡnh thử nghiệm trờn thiờt bị điều khiển từ xa.
2.1.2. Thiết bị đo nhiờn liệu 733S
+ Đặc điểm của hệ thống:
Thiết bị đo (hỡnh 2.2) cho phộp đo trực tiếp khối lượng nhiờn liệu tiờu thụ. Do đú sẽ khụng cú ảnh hưởng của nhiệt độ và tỷ trọng nhiờn liệu tới phộp đo.
Sai số của thiết bị là 0,1%. Giải đo từ 0 đến 150kg/h; Cú thể cho phộp tới 400kg/h.
Tổng khối lượng của bỡnh đo 1800g. Với khối lượng này cho phộp đo liờn tục ỏp dụng cho cỏc loại xe từ xe mỏy tới ụtụ khi ỏp dụng cỏc tiờu chuẩn thử nghiệm như FTP75, ECE R40... Với thời gian điền đầy ngắn, cho phộp sớm tiến hành phộp đo tiếp theo. Tất cả cỏc thiết bị của AVL đều cú cơ chế tự động kiểm chuẩn thiết bị cho phộp tự động calib khối lượng đo đồng thời tự động chuẩn đoỏn lỗi và bỏo lỗi. + Nguyờn lý hoạt động: Bắt đầu quỏ trỡnh đo nhiờn liệu được cấp đầy vào thựng đo 6 thụng qua đường cấp nhiờn liệu 1. Khi lượng nhiờn liệu đó đầy lỳc này lực tỡ lờn cảm biến lưu lượng là lớn nhất. Van điện từ 12 đúng lại ngăn khụng cho dũng nhiờn liệu vào thựng đo trong khi đường cấp vào động cơ vẫn mở, lượng nhiờn liệu trờn đường hồi của động cơ (khi sử dụng hệ thống phun xăng điện tử) ỏp suất trong bỡnh được giữ ổn định nhờ ống thụng hơi 4. Đồng thời với quỏ trỡnh đú bộ phận đếm thời gian hoạt động. Lượng nhiờn liệu trong bỡnh chứa được đo liờn tục trong
từng giõy dựa vào lượng nhiờn liệu cũn trong bỡnh ECU sẽ tớnh ra lượng nhiờn liệu tiờu thụ của động cơ.
Hỡnh 2.2. Sơ đồ nguyờn lý hoặt động của hệ thống AVL 733
1. Nhiờn liệu cấp vào thựng đo; 2. Nhiờn liệu tới động cơ; 3. Nhiờn liệu hồi từ động cơ; 4. Ống thụng hơi; 5. Cỏc ống nối mềm; 6. Thựng đo; 7. Thanh cõn; 8. Lũ xo lỏ; 9. Cõn bỡ; 10. Cảm biến lưu lượng; 11. Thiết bị giảm chấn; 12. Van điện từ đường nạp.
2.1.3. Thiết bị lấy mẫu
Hiện nay, phương phỏp lấy mẫu với thể tớch khụng đổi CVS được sử dụng cho cả chương trỡnh thử chõu Âu và FTP-75 của Mỹ. Hệ thống CVS tạo ra lưu lượng thể tớch khụng đổi trong hệ thống đo, qua đú giỳp cho việc tớnh toỏn lượng khớ thải cũng như lượng độc hại được chớnh xỏc.
2.1.4. Tủ phõn tớch khớ CEBII và cỏc bộ phõn tớch
Tủ phõn tớch khớ xả CEBII (Combustion Emission Bench), hỡnh 2.3, là hệ thống bao gồm toàn bộ cỏc mụdun thực hiện quỏ trỡnh phõn tớch cỏc thành phần khớ xả (cỏc bộ phõn tớch) và cỏc thiết bị đảm bảo điều kiện làm việc đỳng của hệ thống như: Khối làm núng (HSU), khối chuẩn đoỏn, khối điều khiển, cỏc thiết bị phõn tớch khớ… Ngoài ra, tủ phõn tớch cũn được lắp đặt một mỏy tớnh cụng nghiệp với phần
mềm điều khiển GEM110. Việc kết nối mỏy tớnh điều khiển với cỏc bộ phõn tớch được thực hiện thụng qua cỏc tớn hiệu số, tựy thuộc vào bộ phõn tớch mà cú thể thực hiện qua mạng CAN, LON hay qua cỏp nối tiếp RS232.
Cỏc bộ phõn tớch được lắp đặt trong tủ được sử dụng để đo cỏc thành phần cú trong khớ xả như: carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), oxygen (O2), nitrogen oxides ( NO và NOx), carbon hydrides (HC).
Việc điều khiển cỏc thành phần cú liờn quan đến hệ thống khớ như: Bơm, cỏc van, bộ điều khiển nhiệt độ, bộ kiểm tra hệ thống cỏc cảm biến thụng qua thiết bị điều khiển cú thể lập trỡnh được PLC (Programable Logic Controller).
Hỡnh 2.3. Tủ CEBII
1. Mỏy tớnh tớch hợp trong tủ. 3. Cỏc bộ phõn tớch. 2. Khối SCU. 4. Bảng đồng hồ khớ. 2a. HCU khối làm núng. 5. Cụng tắc hệ thống. 2b. Khối làm lạnh. 6. Khối chuẩn đoỏn.
2c. Khối điều khiển SCU. 7. Cỏc đường khớ và nguồn điện. 2d. Vựng dành cho ERG.
+ Cỏc mụđun trong tủ phõn tớch:
Ngăn thứ nhất: Thường được dựng để lắp bộ tuyến tớnh húa và đo hiệu suất chuyển đổi NO2 thành NO (Diagnostic Unit). Do hệ thống này khụng cần thường xuyờn sử dụng vỡ thế để tiết kiệm chi phớ, bộ tuyến tớnh húa và đo hiệu suất chuyển đổi NO2 thành NO được lắp trờn một giỏ đỡ di động, do đú ngăn này cú khi là ngăn trống.
Ngăn thứ hai: được đặt một mỏy tớnh tớch hợp là bộ điều khiển trung tõm trong hệ thống đo lường của tủ CEBII. Mỏy tớnh cụng nghiệp này hoạt động trờn nền Windows NT với phần mền được cài đặt sẵn là phần mền GEM 110. Dữ liệu được nhập vào từ cỏc phớm được gắn bờn phải màn hỡnh, cỏc phớm chức năng ở dưới màn hỡnh hoặc cú thể dựng chuột. Việc truy cập tới tất cả cỏc mỏy tớnh kết nối được thực hiện thụng qua màn hỡnh và bàn phớm, nú được cài như một hệ thống riờng và cú thể di chuyển được. Bờn cạnh mỏy tớnh tớch hợp là một hệ thống cỏc đồng hồ đo ỏp suất cỏc chất khớ khi vào bộ phõn tớch, ba đồng hồ phớa trờn đo khớ H2/He, khớ N2 và khớ systh air, cỏc khớ này cú ỏp suất quy định khi vào tủ CEBII là 4 bar. Hai đồng hồ phớa dưới chỉ ỏp suất khớ nộn compr air, và khớ làm sạch blackflush, ỏp suất chỉ định là 6 bar. Phớa dưới cỏc đồng hồ đo ỏp suất là cỏc đầu nối khớ vào được sử dụng trong quỏ trỡnh tuyến tớnh húa bộ phõn tớch.
Ngăn thứ ba: Ở dưới của mỏy tớnh là bộ phõn tớch O2 cú dải đo từ 1% đến 25%. Tựy theo hàm lượng O2 như thế nào mà hệ thống sẽ chọn dải đo phự hợp.
Ngăn thứ tư: Dưới bộ phõn tớch O2 là hai bộ phõn tớch CO và CO2. Bộ phõn tớch CO được chia làm hai loại CO low với khoảng đo là 30ppm tới 2500ppm và CO hight cú khoảng đo là 0,5% đến 10%. Bộ phõn tớch CO2 thỡ cú chung một khoảng đo đú là 0,5% đến 20%. Bờn cạnh bộ phõn tớch CO và CO2 cú hệ thống cỏc van kim để điều chỉnh lưu lượng khớ vào cỏc bộ phõn tớch, lưu lượng này được thể hiện thụng qua cỏc ống chỉ lưu lượng đặt ở phớa dưới cỏc van kim.
Ngăn thứ năm: cú bộ phõn tớch HC cựng cú khả năng đo lượng HC trong khoảng 9ppm đến 30%. Tuy nhiờn để tiết kiệm, cỏc bộ phõn tớch lại được chia ra để đo
lượng HC cao, với điều này cú thể sử dụng chung 2 đến 3 bỡnh khớ nộn cú hàm lượng phự hợp với cả hai bộ phõn tớch. Bờn cạnh bộ phõn tớch này cú cỏc đồng hồ chỉ ỏp suất H2/He, khớ chỏy và đồng hồ chỉ ỏp suất khớ nền. Ngoài ra cũn cú một van kim điều chỉnh lượng O2 vào bộ phõn tớch và cú một ống chỉ lưu lượng khớ.
Ngăn thứ sỏu: được để một bộ phõn tớch NO và NOx, bộ phõn tớch này cú khoảng đo 50ppm đến 10000ppm. Bờn cạnh ngăn thứ sỏu tượng tự như ngăn thứ năm cú cỏc đồng hồ chỉ ỏp suất khớ H2/He, khớ chỏy và đồng hồ chỉ ỏp suất khớ nền. Ngoài ra cũn cú một van kim điều chỉnh lượng O2 vào bộ phõn tớch và cú một ống chỉ lưu lượng khớ nhưng tất cả đều dựng để đo cho bộ phõn tớch HC cũn lại.
Ngăn thứ bẩy: là khối SCU. Bộ sấy núng khớ mẫu SCU (Sample Conditioning Unit) bao gồm tất cả cỏc thành phần thực hiện và điều chỉnh sấy mẫu khớ.
• Với bộ phõn tớch HC và bộ phõn tớch NOx hơi nước khụng làm sai lệch kết quả đo, nhiệt độ đo yờu cầu phải cao để trỏnh sai số khi đo vỡ vậy cần phải sấy núng khớ mẫu. Khối làm núng khớ mẫu (heat sample unit): kết hợp đường làm núng và một bơm khớ làm núng với một bộ lọc sơ cấp và một bộ lọc thứ cấp tại đường vào. Bơm cú thể cú hai đường vào một đường dựng để đo trực tiếp khớ xả khụng pha loóng lấy trực tiếp từ ống xả động cơ qua bộ lọc frefilter vào tủ, một đường lấy khớ xả đó pha loóng lấy từ hệ thống CVS. Cỏc van điều khiển đường đi của khớ qua bộ ion húa ngọn lửa FID và bộ phõn tớch quang húa CLD cũng được tớch hợp vào trong khối này.
• Cũn với cỏc bộ phõn tớch CO, CO2, O2 thỡ ngược lại, để đo chớnh xỏc lại phải làm lạnh mẫu khớ để loại bỏ đi hơi nước bởi vỡ hơi nước trong trường hợp này cú ảnh hưởng lớn tới kết quả đo. Nú là nguyờn nhõn sinh ra sai số trong trường hợp này. Vỡ vậy cần tớnh toỏn nhiệt độ của khớ để loại bỏ nước trong khớ xả mẫu. Yờu cầu này được ỏp dụng cho tất cả cỏc bộ phõn tớch khụng làm núng như CO, CO2, O2.
• Khối điều khiển SCU chứa tất cả cỏc bộ phận để điều khiển đường đi và điều chỉnh dũng khớ như cỏc van hoặc bộ điều chỉnh ỏp suất, nguồn điện và cỏc bộ cảm ứng để giỏm sỏt trạng thỏi của SCU. Việc điều khiển bằng tay được thực hiện bởi
PLC, vỡ vậy SCU điều khiển độc lập và chỉ dẫn dữ liệu tới mỏy tớnh kết nối là được trỡnh bày theo yờu cầu.
Cỏc bộ phõn tớch được đặt ở giữa tủ phõn tớch và cú vỏ bọc bờn ngoài, cỏc vỏ này khụng thường xuyờn mở ra. Ở đú cỏc bộ phận của bộ phõn tớch và tất cả cỏc bộ phận liờn qua tới khớ yờu cầu đều được định vị trờn cỏc rónh trượt.
Nguyờn lý đo cỏc thành phần độc hại
+ Bộ phõn tớch CO (hỡnh 2.4):
Hỡnh 2.4. Sơ đồ cấu tạo của bộ phõn tớch CO
1. Một buồng phỏt tia hồng ngoại; 2. Màn chắn; 3. Đĩa khoột cỏc rónh; 4. Buồng chứa khớ mẫu; 5. Buồng chứa khớ CO được ngăn chắn bằng một màng cao su; 6. Thiết bị đo độ vừng của màn; 7. Buồng chứa khớ CO được ngăn bằng một tấm màng cao su; 8. Buồng chứa khớ mẫu.
CO hấp thụ bức xạ hồng ngoại ở bước súng khoảng 4,7àm. Khớ mẫu cú CO được đưa vào buồng (4). Sau đú cho đốt đốn hồng ngoại (1). Tia hồng ngoại đi qua buồng (4) và buồng (8), do buồng (4) cú CO nờn một phần tia hồng ngoại bị hấp thụ, cũn buồng (8) chỉ cú chứa N2 vỡ vậy tia hồng ngoại đi qua hoàn toàn. Để lượng hồng ngoại đi qua hai buồng là như nhau đĩa (3) được điều khiển quay, trờn đĩa (3) cú xẻ cỏc rónh sao cho thời gian cho tia hồng ngoại qua rónh trong và rónh ngoài là
bằng nhau. Sau khi đi qua hai buồng (4) và (8), tia hồng ngoại tới buồng (5) và buồng (7). Trong hai buồng này cú chứa toàn CO, lỳc này tia hồng ngoại sẽ bị hấp thụ hoàn toàn bởi CO và làm tăng nhiệt độ của khối khớ trong buồng (5) và buồng (7), tương ứng với sự tăng nhiệt độ là sự tăng ỏp suất. Hai buồng (5) và (7) được ngăn cỏch với nhau bằng một màng cao su. Trong hai chựm tia hồng ngoại thỡ chựm tia hồng ngoại đi qua buồng (4) đó bị hấp thụ một phần tại đú vỡ vậy sự hấp thụ tia hồng ngoại tại buồng (5) ớt hơn buồng (7) do đú cú sự chờnh lệch ỏp suất giữa hai buồng. Sự chờnh lệch ỏp suất này làm cho màng cao su bị cong, tiến hành đo độ cong cú thể tớnh được độ chờnh lệch ỏp suất. Qua tớnh toỏn chờnh ỏp suất sẽ biết được lượng CO đó hấp thụ tia hồng ngoại. Lượng CO đú chớnh là lượng CO cú trong khớ xả.
Khi đo CO trong khớ xả bằng phương phỏp hồng ngoại phải tớnh đến cỏc điều kiện gõy sai số, đặc biệt là sự hấp thụ của nước. Vỡ vậy phải cú biện phỏp hiệu chỉnh giỏ trị đo.
+ Bộ phõn tớch NO và NOx (hỡnh 2.5)
Bộ phõn tớch bao gồm cỏc bộ phận: 1. Bộ phận tạo ụzụn trong khụng khớ. 2. Bộ phận chuyển đổi NO2 thành NO.
3. Buồng phản ứng đo NOx cú cỏc đường dẫn khớ ụzụn và khớ mẫu. 4. Buồng phản ứng đo NO cú cỏc đường dẫn khớ ụzụn và khớ mẫu. 5. Bộ phận hủy ụzụn trước khi đưa ra ngoài mụi trường.
6. Bộ phận đo cường độ sỏng.