Nghiên Cứu Thực Nghiệm Và Đánh Giá Kết Quả Mô Phỏng Động Cơ Sử Dụng

trên độ chân không trung bình tại họng venturi giúp điều chỉnh thành phần hỗn hợp phù hợp với các chế độ công tác của động cơ đồng thời cải thiện độ đồng đều của hỗn hợp, phù hợp động cơ chạy bằng nhiên liệu khí nghèo.

- Động cơ hybrid chạy bằng biogas-xăng với hệ số tương đương trong khoảng 0,9-1,15 thì nhiệt độ cháy chỉ thay đổi nhẹ, nồng độ NOx đạt giá trị cực đại, trong khi đó nồng độ CO, HC tăng rất mạnh khi >1. Công chỉ thị chu trình và công suất của động cơ đạt giá trị cực đại ứng với hệ số tương đương tối ưu khoảng =1,1.

- Động cơ hybrid chạy bằng methane (M100) thì công chỉ thị chu trình giảm nhiều nhất 13% so với khi động cơ chạy bằng xăng. Khi chạy bằng biogas M6C4 thì công chỉ thị chu trình giảm nhiều nhất 27% so với xăng, giảm 17% so với methane và giảm 10,5% so với biogas M8C2.

- Động cơ hybrid chạy bằng methane thì phát thải HC và CO bé nhất, khi động cơ chạy bằng xăng thì phát thải NOx cao nhất còn khi động cơ chạy bằng biogas M6C4 thì phát thải CO cao nhất nhưng phát thải NOx thấp nhất. Việc phối hợp sử dụng xăng/biogas, tức phối hợp xăng/methane/carbonic có thể giúp cho động cơ đạt được sự hài hòa giữa tính năng kỹ thuật và phát thải ô nhiễm.

- Công chỉ thị chu trình và nồng độ NOx tăng rất nhanh trong khi phát thải CO, HC giảm mạnh theo hàm lượng xăng pha vào biogas khi hàm lượng xăng nhỏ hơn 30%. Sau giá trị này, mức độ cải thiện tính năng động cơ không đáng kể. Hàm lượng xăng tối ưu trung bình để pha vào biogas M7C3 là 30%.

- Khi tăng tốc độ từ 2000 vòng/phút lên 5000 vòng/phút thì công chỉ thị chu trình giảm 25%, phát thải CO tăng 3,9 lần, phát thải HC tăng 2,5 lần, phát thải NOx giảm 7 lần đối với nhiên liệu M7C3-30G. Để cải thiện tính năng kỹ thuật và giảm phát thải ô nhiễm, góc đánh lửa sớm của động cơ cần được điều chỉnh khi thay đổi tốc độ động cơ.

- Ứng với một tốc độ động cơ và nhiên liệu cho trước thì công chỉ thị chu trình cực đại ứng với góc đánh lửa sớm tối ưu. Trong trường hợp động cơ chạy bằng biogas-xăng, góc đánh lửa sớm tối ưu nằm trên đường bao của các đường cong Wi- NOx, dao động trong phạm vi 28TK - 35TK khi động cơ chạy ở tốc độ 5000 vòng/phút và được cung cấp nhiên liệu biogas bất kỳ pha 30% xăng. Góc đánh lửa sớm tối ưu này giảm 3TK so với khi động cơ chạy bằng biogas.

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 178 trang tài liệu này.

HYBRID BIOGAS-XĂNG

4.1. Mục đích và giới hạn nghiên cứu thực nghiệm

Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm trong chương này là nhằm đánh giá lại kết quả cho bởi mô phỏng về tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ chạy bằng nhiên liệu hybrid biogas-xăng.

Thực nghiệm được tiến hành trên động cơ DA465QE được cải tạo để có thể sử dụng xăng và biogas. Đường nạp của động cơ được bổ sung thêm họng venturi và van cung cấp nhiên liệu khí. Thực nghiệm trên động cơ DA465QE, sử dụng góc đánh lửa sớm nguyên thủy, không can thiệp góc đánh lửa sớm của động cơ.

Các thông số đo đạc thực nghiệm gồm công suất động cơ trên đường đặc tính ngoài, nồng độ các chất ô nhiễm CO, HC, NOx theo tốc độ động cơ, thành phần biogas và hàm lượng xăng. Thiết bị thí nghiệm gồm băng thử công suất động cơ AVL, máy phân tích khí thải ô tô MGT 5 và các thiết bị phục vụ chuẩn bị nhiên liệu biogas.

4.2. Đặc điểm hệ thống nhiên liệu của động cơ DA465QE

Trong trường hợp cung cấp nhiên liệu kiểu phun điều khiển điện tử thì giản đồ phun nhiên liệu không thể thiếu. Tuy nhiên trong luận án này, NCS chọn phương án cung cấp nhiên liệu kiểu hybrid: biogas được cung cấp vào động cơ bằng kiểu hút chân không còn xăng được cung cấp qua hệ thống phun xăng nguyên thủy trên động cơ. Việc điều khiển vòi phun để cấp xăng bổ sung do ECU thực hiện. Van chân không tổ hợp được thiết kế để cung cấp biogas có thành phần cho trước theo lượng không khí nạp vào động cơ phù hợp để hệ số tương đương thay đổi trong phạm vi hẹp. Khi hệ số tương đương dao động nhỏ thì cảm biến lambda trên đường thải sẽ phản hồi lại ECU để điều chỉnh lượng xăng cung cấp bổ sung. Như vậy với công nghệ cung cấp nhiên liệu hybrid này thì chúng ta có thể tận dụng giản đồ phun xăng

đã cài đặt vào ECU của động cơ để điều chỉnh lượng phun xăng còn việc cung cấp biogas do van chân không tổ hợp điều chỉnh theo quy luật khí động học.

Hệ thống phun xăng điện tử của động cơ DA465QE là loại D-EFI (loại điều khiển theo áp suất đường ống nạp), sử dụng cảm biến áp suất khí nạp MAP trên đường ống nạp để phát hiện lượng không khí nạp theo tỉ trọng không khí nạp.

Nhiên liệu được hút từ bình nhiên liệu bằng bơm và đưa qua lọc nhiên liệu đến bộ khử dao động áp suất có tác dụng hấp thụ các dao động nhỏ của áp suất nhiên liệu do quá trình phun nhiên liệu gây ra. Sau đó nhiên liệu được dẫn qua ống phân phối đến các vòi phun. Cuối ống phân phối có bộ ổn định áp suất nhằm giữ áp suất của đường nhiên liệu không thay đổi. Nhiên liệu thừa được đưa trở lại bình xăng qua ống hồi nhiên liệu. Các vòi phun được bố trí trước các xú páp nạp của các xi lanh. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu xăng của động cơ DA465QE được trình bày trên hình 4.1.

Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống nhiên liệu động cơ DA465QE

1- Bình xăng; 2- Bơm xăng điện; 3- Cụm ống của đồng hồ đo xăng và bơm;

4- Lọc Xăng; 5- Bộ lọc than hoạt tính; 6- Lọc không khí; 7- Cảm biến lưu lượng khí nạp; 8- Van điện từ; 9- Đường hơi xăng; 10- Cảm biến vị trí bướm ga; 11-

Đường ống nạp; 12- Bướm ga; 13- Ống góp nạp; 14- Cảm biến vị trí bàn đạp ga; 15- Bộ ổn định áp suất; 16- Cảm biến vị trí trục cam; 17- Bộ giảm chấn áp suất nhiên liệu; 18- Ống phân phối nhiên liệu; 19- Vòi phun; 20- Cảm biến kích nổ; 21- Cảm biến nhiệt độ nước làm mát; 22- Cảm biến vị trí trục khuỷu; 23- Cảm biến oxy.

Hệ thống điều khiển phun xăng điện tử trên động cơ DA465QE về cơ bản được chia thành ba bộ phận chính:

Các cảm biến: Có nhiệm vụ nhận biết các hoạt động khác nhau của động cơ và phát ra các tín hiệu gửi đến ECU hay còn gọi là nhóm tín hiệu vào.

ECU: Có nhiệm vụ xử lý và tính toán các thông số đầu vào từ đó phát ra các tín hiệu điều khiển đầu ra.

Các cơ cấu chấp hành: Trực tiếp điều khiển lượng phun thông qua các tín hiệu điều khiển nhận được từ ECU.

1- Cảm biến áp suất khí nạp 2- Cảm biến nhiệt độ khí nạp 3- Cảm biến vị trí bướm ga

4- Cảm biến oxy

5- Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 6- Cảm biến vị trí trục khuỷu

ECU Các vòi phun

Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống phun xăng điện tử

4.3. Thiết kế hệ thống cung cấp hybrid biogas-xăng

4.3.1. Nguyên lý cấp ga liên tục và gián đoạn

Dựa trên sự biến thiên áp suất dòng khí trong đường nạp chúng ta có thể thiết kế van chân không để cung cấp nhiên liệu khí cho động cơ. Trong công trình này hai phương án cung cấp nhiên liệu khí kiểu hút chân không đã được đề xuất: phương án cấp nhiên liệu gián đoạn (hình 4.3a) và cung cấp nhiên liệu liên tục (hình 4.3b). Nguyên lý hoạt động chung của các van này dựa vào sự cân bằng của lực hút chân không tác động lên màng van và lực căng lò xo. Trong trường hợp cấp ga gián đoạn, đường hút chân không cũng chính là đường cấp ga vào đường nạp. Do đó khi mở van cấp ga, độ chân không tại van giảm và van đóng lại. Sau khi đóng, nếu vẫn còn trong

quá trình nạp, độ chân không tăng trở lại và van lại mở ra. Việc đóng, mở van vì vậy diễn ra theo chu kỳ. Trong trường hợp cấp ga liên tục thì khoan cấp ga được cô lập với khoan hút chân không. Do đó áp suất ga không ảnh hưởng đến độ chân không nên van không đóng, mở theo chu kỳ như trường hợp cấp ga gián đoạn.

Hình 4.3: Sơ đồ van cấp gas gián đoạn (a) và van cấp gas liên tục (b)

(TK)

0 30 60 90 120 150 180

-5000

-10000

-15000

-20000

-25000

-30000

-35000

Với đồ thị biến thiên áp suất trên đường nạp trình bày ở hình 4.4a và 4.4b, việc lựa chọn đường kính màng van và sức căng lò xo cho phép chúng ta điều chỉnh thời điểm bắt đầu và kết thúc quá trình cung cấp nhiên liệu.

p (Pa)

(a) (b)

Hình 4.4: Biến thiên áp suất trung bình tại các mặt cắt ngang khảo sát khi cung cấp biogas liên tục (a) và khi cấp biogas gián đoạn (b)

Hình 4.4a là biến thiên áp suất trong trường hợp cấp biogas theo kiểu hút liên tục, nghĩa là vị trí hút chân không và vị trí cấp biogas khác nhau. Hình 4.4b là biến thiên áp suất trong trường hợp cấp biogas gián đoạn, nghĩa là hút chân không và cấp

biogas cùng một vị trí trên đường nạp. Khi cấp ga liên tục, đường cong áp suất biến thiên đều đặn như khi không cấp ga. Xung áp suất chỉ xuất hiện tại thời điểm mở và đóng van cấp ga. Trong trường hợp cấp ga gián đoạn, áp suất dao động rất mạnh. Giá trị của độ chân không tại các đỉnh xung lớn hơn giá trị độ chân không trung bình tại mặt cắt tương ứng khi cấp ga liên tục.

Với đường kính màng van cho trước, thời điểm đóng, mở van cấp ga, tức thời gian cấp ga, có thể được điều chỉnh thông qua điều chỉnh sức căng lò xo để van hoạt động trong phạm vi độ chân không mong muốn. Với cùng độ chân không cho trước thì khoảng góc quay trục khuỷu mở van (tính theo độ góc quay trục khuỷu, TK) tăng khi tăng tốc độ động cơ. Tuy nhiên lượng khí ga hút vào đường nạp nhiều hay ít phụ thuộc khoảng thời gian mở van (tính theo s). Khi tốc độ động cơ cao thì cùng một khoảng thời gian tính theo giây (s) cho trước, trục khuỷu quay được một góc lớn hơn khi tốc độ động cơ thấp.

Cụm van được thiết kế, chế tạo theo mô-đun với công suất cơ sở. Tùy theo tỉ lệ công suất của động cơ so với công suất cơ sở này, có thể sử dụng 1 hay nhiều cụm van ghép song song để đảm bảo lưu lượng nhiên liệu khí cung cấp cho động cơ.

4.3.2. Hệ thống cung cấp biogas cho động cơ DA465QE

Không khí

Biogas

Hình 4.5: Sơ đồ hệ thống cung cấp biogas kiểu 2 van chân không

1. Van cấp biogas liên tục;2. Van cấp biogas gián đoạn; 3. Van cơ khí; 4. Đường cấp biogas; 5. Van tổng biogas; 6. Cửa nạp biogas; 7. Van không tải; 8. Đầu ra van

không tải; 9. Đầu cấp biogas; 10. Đầu hút chân không; 11. Họng Venturi;12. Bướm ga; 13. Vòi phun không tải;14. Vòi phun xăng

Hình 4.5 giới thiệu sơ đồ hệ thống cung cấp biogas cho động cơ DA465QE trong trường hợp động cơ chỉ chạy bằng biogas. Trong trường hợp này hệ thống phun xăng được cắt hoàn toàn. ECU chỉ làm nhiệm vụ điều khiển hệ thống đánh lửa. Để đảm bảo cho hệ thống điều khiển động cơ hoạt động bình thường, các vòi phun được thay thế bằng các điện trở tương đương. Cơ cấu điều khiển bướm ga được giữ nguyên. Đường nạp được bổ sung thêm họng venturi và các vòi phun biogas chính, vòi phun biogas không tải.

Khi chạy bằng biogas, van tổng biogas 5 mở. Động cơ chạy cầm chừng nhờ biogas cung cấp qua vòi phun không tải 13. Lượng biogas không tải được điều chỉnh nhờ vít không tải 7.

Khi tăng tải, bướm ga 12 mở rộng, độ chân không tại họng venturi 11 tăng, hút các màng cao su của các van 1 và 2. Khi độ chân không còn bé, chỉ có van 2 tác động, mở van cơ khí 3 để cung cấp biogas vào họng venturi theo phương thức gián đoạn. Khi độ chân không tăng mạnh hay khi gia tốc, van 1 tác động, đẩy van cơ khí thông qua van 2 để cấp biogas liên tục vào họng venturi. Nhờ sự phối hợp của các van 1 và 2, biogas được cung cấp vào động cơ phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ.

Như đã phân tích ở chương mô phỏng quá trình nạp, nếu chỉ có 1 van chân không thì động cơ có thể làm việc ở một chế độ tải nhất định. Khi thay đổi chế độ tải thì hỗn hợp hoặc nghèo hoặc giàu làm giảm tính kinh tế và tăng phát thải ô nhiễm. Động cơ DA465QE lắp trên ô tô nên chế độ tải thay đổi liên tục, hệ thống 1 van chân không để cung cấp biogas không phù hợp. Do đó việc kết hợp hai van chân không, một van cung cấp biogas gián đoạn và một van cấp biogas liên tục là giải pháp tối ưu để xử lý những bất cập của hệ thống 1 van chân không.

4.4. Hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng cho động cơ DA465QE

Hình 4.6: Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng

1. Van cấp biogas liên tục; 2. Van cấp biogas gián đoạn; 3. Van cơ khí; 4. Van tổng biogas; 5. Cửa nạp biogas; 6. Cửa hút chân không; 7. Họng venturi; 8. Bướm ga

biogas; 9. Bướm ga xăng; 10. Cảm biến vị trí bướm ga; 11. Vòi phun xăng.

Hình 4.6 giới thiệu sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng cho động cơ DA465QE. Đường nạp và hệ thống phun xăng nguyên thủy của động cơ được giữ nguyên. Đường nạp biogas được bố trí phía sau bướm ga xăng. Nguyên lý cung cấp biogas cho động cơ như phương án trên. Do phối hợp hai nhiên liệu nên hệ thống điều khiển bướm ga được kết nối theo nguyên lý bướm ga biogas mở góc lớn hơn bướm ga xăng khi đạp ga. Tỉ lệ góc mở các bướm ga này phụ thuộc vào tỉ lệ xăng/biogas cần cung cấp cho động cơ.

Khi động cơ hoạt động, không khí nạp qua đường nhiên liệu biogas và đường nhiên liệu xăng. Do góc mở bướm ga xăng nhỏ nên ECU điều khiển phun xăng ở chế độ tải cục bộ đã được cài đặt. Công suất động cơ chủ yếu do biogas cung cấp. Vòi phun xăng sẽ cung cấp thêm nhiên liệu khi hỗn hợp nghèo.

Khi động cơ chạy ở chế độ toàn tải, bướm ga biogas đã mở hoàn toàn mà hỗn hợp vẫn chưa đạt được hệ số tương đương cháy hoàn toàn lý thuyết thì cảm biến oxygen sẽ tác động để ECU điều khiển vòi phun xăng cung cấp thêm nhiên liệu. Nhờ