Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

54
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án là làm chủ công nghệ chuyển đổi động cơ xăng đang lưu hành sang sử dụng CNG và đưa ra giải pháp công nghệ sử dụng phụ gia cho CNG để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu này. Đánh giá ảnh hưởng của CNG và các phương pháp cung cấp CNG đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng khi chuyển đổi sang sử dụng hoàn toàn CNG. Đánh giá ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng hiện hành sử dụng CNG.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu

1 MỞ ĐẦU i. Lý do chọn đề tài Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh của kinh tế, xã hội là sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện giao thông vận tải và các thiết bị động lực trang bị động cơ đốt trong (ĐCĐT). Do đó, mức tiêu thụ nhiên liệu ngày càng tăng, đặc biệt là nhiên liệu hóa thạch truyền thống xăng và dầu diesel. Điều này đang gây nguy cơ cạn kiệt nhanh nguồn nhiên liệu truyền thống và gây ô nhiễm môi trường trầm trọng do phát thải độc hại của các động cơ sử dụng nhiên liệu này. Do đó, vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu và sử dụng các loại nhiên liệu thay thế có mức phát thải độc hại thấp và có trữ lượng lớn hoặc tái tạo được để một mặt giảm ô nhiễm môi trường, mặt khác bù đắp một phần sự thiếu hụt nhiên liệu truyền thống về lâu dài. Trong số các nhiên liệu thay thế, khí thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas – CNG) là một nhiên liệu đáp ứng được các yêu cầu nói trên và rất thích hợp với động cơ đánh lửa cưỡng bức nên rất có tiềm năng để sử dụng làm nhiên liệu thay thế trên động cơ xăng. Tuy nhiên, do CNG là nhiên liệu khí có nhiều tính chất khác với nhiên liệu lỏng truyền thống nên cần có những thay đổi về kết cấu động cơ cho phù hợp. Việc chế tạo động cơ mới dùng CNG với sản lượng nhỏ thường có giá thành rất cao nên khó khả thi. Trong khi đó nhập khấu các động cơ này cũng rất đắt so với động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống nên khó đáp ứng được khả năng chi trả của người sử dụng. Việc chuyển đổi động cơ xăng hiện hành sang sử dụng CNG bằng phương pháp cấp CNG vào đường nạp sẽ khắc phục được khó khăn về chi phí và có ý nghĩa thực tiễn cao nhưng công suất động cơ giảm nhiều do CNG là nhiên liệu khí chiếm nhiều chỗ của không khí nạp. Do đó, cần nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến tính năng làm việc của động cơ khi sử dụng CNG và từ đó nghiên cứu giải pháp khắc phục một phần sự suy giảm công suất này. Đây cũng chính là lý do để tác giả thực hiện đề tài “Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu” để góp phần vào đa dạng hóa nguồn nhiên liệu cho động cơ và giảm ô nhiễm môi trường. ii. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài * Mục đích nghiên cứu: - Làm chủ công nghệ chuyển đổi động cơ xăng đang lưu hành sang sử dụng CNG và đưa ra giải pháp công nghệ sử dụng phụ gia cho CNG để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu này. - Đánh giá ảnh hưởng của CNG và các phương pháp cung cấp CNG đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng khi chuyển đổi sang sử dụng hoàn toàn CNG. - Đánh giá ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng hiện hành sử dụng CNG. * Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: - Đối tượng nghiên cứu là động cơ xăng đang lưu hành và thực hiện nghiên cứu trên động cơ 1NZ-FE lắp trên xe Toyota Vios tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. - Việc nghiên cứu được giới hạn ở các chế độ làm việc ổn định của động cơ, chưa đề cập đến chế độ khởi động và chuyển tiếp, và chưa nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu và phụ gia đến độ bền và tuổi thọ của động cơ. iii. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. - Lý thuyết: Sử dụng phần mềm AVL-Boost nghiên cứu mô phỏng động cơ xăng 1NZ-FE sử dụng CNG nhằm đánh giá chỉ các tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ và ảnh hưởng của phương pháp cung cấp CNG và góc đánh lửa sớm đến đặc tính làm việc của động cơ; từ đó đề xuất hướng nghiên cứu thực nghiệm chuyển đổi động cơ sang sử dụng CNG. - Thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo và trang bị các hệ thống cung cấp CNG và cung cấp phụ gia nhiên liệu để phục vụ nghiên cứu thực nghiệm sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng CNG trên động cơ xăng đang lưu hành; nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của CNG và phụ gia đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ.
2 iv. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Xây dựng được mô hình mô phỏng đánh giá các các thông số ảnh hưởng đến tính năng kinh tế kỹ thuật và hình thành phát thải trong động cơ sử dụng CNG. - Hoàn thiện giải pháp chuyển đổi động cơ xăng hiện hành sang sử dụng CNG phù hợp với điều kiện thực tế và lần đầu tiên đưa ra được giải pháp công nghệ hiệu quả sử dụng phụ gia lỏng cho động cơ chạy nhiên liệu khí. - Đánh giá được ảnh hưởng của CNG, phương pháp cung cấp CNG và sử dụng phụ gia đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ. - Góp phần giảm các thành phần phát thải độc hại, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống, cũng như định hướng trong việc nhiên cứu ứng dụng nhiên liệu thay thế trên các phương tiện giao thông sử dụng ĐCĐT. v. Điểm mới của luận án - Luận án đã đánh giá được ảnh hưởng của CNG, các phương pháp cung cấp CNG, góc đánh lửa sớm và việc bổ sung phụ gia Maz-nitro đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng sử dụng CNG, làm cơ sở để chọn và hoàn thiện các giải pháp công nghệ phù hợp để sử dụng CNG một cách hiệu quả. - Đã hoàn thiện các giải pháp công nghệ cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn và phun CNG phù hợp với các loại động cơ xăng hiện hành, đặc biệt là giải pháp công nghệ phun CNG tận dụng hệ thống điều khiển phun xăng của động cơ nguyên thủy đã giúp việc chuyển đổi động cơ phun xăng sang phun CNG trở nên đơn giản với chi phí thấp. - Lần đầu tiên đưa ra và hoàn thiện giải pháp công nghệ sử dụng phụ gia lỏng cho nhiên liệu khí để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu. - Kết quả luận án cho biết, khi sử dụng hệ thống phun CNG thì công suất động cơ tăng, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải giảm so với hệ thống cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn. Nếu bổ sung phụ gia, công suất tăng thêm 6,5%, tiêu hao nhiên liệu giảm tiếp 5,0%, phát thải CO, HC giảm khoảng 30%. Do đó, việc chọn phụ gia Maz-nitro để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu là hợp lý, cải thiện được công suất động cơ và giảm lượng phát thải độc hại. vi. Bố cục của luận án - Mở đầu - Chương 1. Nghiên cứu tổng quan - Chương 2. Nghiên cứu mô phỏng sử dụng CNG trên động cơ xăng hiện hành bằng phần mềm AVL-Boost - Chương 3. Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp CNG và phụ gia cho động cơ 1NZ-FE - Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm - Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài - Tài liệu tham khảo - Phụ lục CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ đốt trong Do sự phát thải gây ô nhiễm môi trường trầm trọng và sự cạn kiệt nhanh nguồn nhiên liệu truyền thống của động cơ đốt trong hiện hành nên việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế là giải pháp tất yếu. Các nhiên liệu thay thế được ưu tiên nghiên cứu sử dụng là các loại nhiên liệu có mức phát thải thấp và có trữ lượng lớn hoặc tái tạo được, đồng thời có thể sử dụng cho các động cơ đang lưu hành mà không cần thay đổi nhiều về kết cấu. Các nhiên liệu đó có thể là hydro, biogas, khí dầu mỏ hóa lỏng LPG, các loại nhiên liệu sinh học và nhiên liệu khí thiên nhiên. Trong đó khí nhiên nhiên có trữ lượng rất lớn, giá thành rẻ và rất thích hợp sử dụng cho động cơ đốt cháy cưỡng bức nên là một nhiên liệu thay thế rất có tiềm năng cho động cơ xăng.
3 1.2 Đặc điểm của khí thiên nhiên Khí thiên nhiên là một loại khí không màu, không mùi, có tỷ trọng nhẹ hơn không khí, được tìm thấy ở các mỏ khí và mỏ dầu. Thành phần của khí thiên nhiên thường khác nhau tùy thuộc vào nơi khai thác chế biến nhưng thành phần chính của nó là khí methane. Thành phần của mẫu khí thiên nhiên sử dụng trong nghiên cứu này được thể hiện trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Thành phần cơ bản của khí thiên nhiên Thành phần Kí hiệu Hàm lượng (%) Methane CH4 93,3 Ethane C2H6 2,16 Propane C3H8 0,19 Ethylene C2H4 0,14 Nitrogen N2 2,21 Carbondioxide CO2 2.0 Khí thiên nhiên khi được nén với áp suất cao để dễ dàng cho việc bảo quản, tích trữ và vận chuyển được gọi là khí thiên nhiên nén. Một số tính chất của khí thiên nhiên nén so với nhiên liệu truyền thống xăng và dầu diesel được chỉ ra trên bảng 1.2. Bảng 1.2. So sánh đặc tính của CNG với nhiên liệu truyền thống Nhiên liệu TT Thông số Xăng CNG 1 Trị số octane 95 ≈ 130 2 Nhiệt trị thấp LHV (kJ/kg) 43690 50009 3 Giới hạn dưới thể tích bốc cháy (%V) 0,60 0,50 4 Nhiệt độ bốc cháy (0C) 650 250 ÷ 275 5 Nồng độ giới hạn tự bốc cháy (%) 5 ÷ 15 0,6 ÷ 7,6 6 Tốc độ cháy ở độ ngọn lửa (m/s) 0,43 0,38 7 Năng lượng đánh lửa tối thiểu (mJ) 0,26 0,33 8 Nhiệt độ màng lửa (K) 2266 2227 9 Tỷ lệ H/C 1/5,7 1/3 10 Tỷ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết 14,7 16,8 1.3. Tình hình nghiên cứu sử dụng CNG trên động cơ đốt cháy cưỡng bức 1.3.1 Sự phát triển của các phương tiện GTVT sử dụng nhiên liệu CNG Số lượng các phương tiện sử dụng CNG trên thế giới ngày càng tăng cao, hiện nay có trên 23 triệu ô tô CNG đang sử dụng, và dự đoán con số sẽ đạt trên 65 triệu chiếc vào năm 2020. Việt Nam có trữ lượng và sản lượng khí thiên nhiên lớn và việc sử dụng CNG cho ô tô cũng đã bắt đầu được quan tâm. 1.3.2. Các phương pháp cung cấp CNG và tạo hỗn hợp trên động cơ 1.3.2.1. Hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn Họng khuếch tán Bướm ga Đường Van công suất Không không khí Bộ giảm áp tải Van điện từ Hỗn hợp Nước nóng CNG Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG dùng bộ hòa trộn có lỗ xung quanh họng
4 Hệ thống cung cấp CNG vào đường nạp (hình 1.1) sử dụng bộ hòa trộn có kết cấu rất đơn giản, dễ chế tạo, dễ lắp đặt và giá thành rất rẻ. Ngày nay hệ thống này vẫn được sử dụng rất rộng rãi, đặc biệt là trên các động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ xăng vì chỉ cần lắp thêm hệ thống này lên động cơ và khóa đường xăng lại là động cơ có thể làm việc với CNG. 1.3.2.2. Hệ thống phun CNG vào cửa nạp 6 5 Hình 1.2 trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ thống phun CNG vào đường nạp ECU 7 4 theo nguyên lý phun đa điểm. Nguyên lý 8 điều khiển phun CNG đa điểm bằng điện tử 2 3 9 10 hoàn toàn tương tự như hệ thống phun xăng đa điểm. Chỉ có một điểm khác là các vòi phun CNG được bố trí trên một cụm và 1 từ mỗi vòi phun này có một đường dẫn CNG nhiên liệu khí tới cửa nạp của mỗi xi lanh động cơ. Áp suất hơi sau bộ giảm áp và trước vòi phun được duy trì là khoảng 1. Bình CNG; 2. Van điện từ; 3. Bộ giảm áp; 4. Ống phân 2,53 bar tùy theo yêu cầu của mỗi hệ phối; 5. ECU điều khiển vòi phun CNG; 6. Tín hiệu từ các thống. cảm biến; 7. Tín hiệu điều khiển vòi phun; 8. Vòi phun c. Hệ thống phun trực tiếp CNG vào xi CNG; 9. Đường cấp CNG vào cửa nạp; 10. Động cơ. lanh Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống phun đa điểm CNG Theo sơ đồ hình 1.3, CNG từ bình 2 3 chứa được dẫn tới bộ điều áp rồi đưa tới 5 vòi phun. Áp suất khí được điều chỉnh ổn định nhờ bộ điều áp CNG thông qua ECU. Hệ thống phun trực tiếp CNG phức tạp nên thường chỉ được áp dụng trên các động cơ 6 CNG chế tạo mới và khó áp dụng được 1 trên các động cơ chuyển đổi. 7 4 Từ các kết nghiên cứu nêu trên, trong khuôn khổ đề tài, tác giả lựa chọn theo hai cách là dùng bộ hòa trộn và phun trên đường nạp (gần phía xupap nạp) để nghiên 1. Bình CNG; 2. Đồng hồ áp suất; 3. Van điện từ; 4. cứu cung cấp CNG trang bị cho động cơ Máy tính điều khiển; 5. Bộ giảm áp; 6. Vòi phun khí xăng có hệ thống phun xăng điện tử đang CNG; 7. Động cơ. lưu hành. Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống phun CNG trực tiếp 1.3.3 Chuyển đổi động cơ hiện hành sang sử dụng CNG Động cơ CNG làm việc theo nguyên lý đốt cháy cưỡng bức nên nếu chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng CNG thì ngoài việc trang bị mới hệ thống cung cấp CNG cần phải thực hiện thay đổi nhiều về kết cấu động cơ hơn so với việc chuyển đổi động cơ xăng. Đặc biệt là phải giảm tỷ số nén và trang bị mới hệ thống đánh lửa là các công việc khá phức tạp và đòi hỏi chi phí lớn. Thêm nữa, động cơ diesel khi đã được chuyển đổi sang động cơ CNG thì động cơ sẽ không thể sẵn sàng quay lại sử dụng nhiên liệu diesel khi cần được nữa. Trong khi đó nếu chuyển đổi động cơ xăng thì chỉ cần trang bị thêm hệ thống cung cấp CNG nên giá thành chuyển đổi rẻ hơn nhiều. Đồng thời động có có thể giữ nguyên hệ thống cung cấp xăng và sẵn sàng có thể quay lại sử dụng xăng bất cứ khi nào muốn. Chính vì vậy đề tài này hướng tới nghiên cứu hoàn thiện công nghệ chuyển đổi động xăng hiện hành sang sử dụng CNG và nghiên cứu công nghệ nâng cao hiệu quả sử dụng CNG của động cơ chuyển đổi. 1.3.4. Các nghiên cứu sử dụng CNG cho ĐCĐT 1.3.4.1 Trên thế giới Nghiên cứu của Tahir và cộng sự, với phương pháp cấp CNG vào đường ống nạp, công suất
5 động cơ sử dụng CNG giảm 18,5% so với sử dụng xăng ở cùng chế độ tải và tốc độ do lượng khí nạp giảm đến 14,5% vì bị nhiên liệu khí chiếm chỗ. Kết quả nghiên cứu của M.U. Aslam và cộng sự so sánh việc sử dụng CNG và xăng trên cùng một động cơ xăng hoán cải cho thấy áp suất có ích trung bình giảm khoảng 16% khi sử dụng CNG so với khi sử dingj xăng. Tuy nhiên, suất tiêu hao năng lượng có ích lại cải thiện trung bình khoảng 1,65 MJ/kWh ở chế độ toàn tải. Hàm lượng các phát thải độc hại CO giảm trung bình 80%, CO2 giảm 20% và HC giảm 50%, trong khi đó NOx lại tăng 33%. R.L. Evans và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của CNG đến tính năng làm việc và phát thải độc hại của động cơ thí nghiệm 1 xylanh Ricardo bằng phương pháp phun CNG vào cửa nạp. Kết quả cho thấy, công suất của động cơ giảm trung bình khoảng 12%, hiệu suất nhiệt của động cơ gần tương tự như sử dụng nhiên liệu xăng và cải thiện một chút ở vùng hỗn hợp nghèo. Tất cả các thành phần phát thải đều giảm trong khoảng từ 5 đến 50% tùy theo từng loại. Kết quả nghiên cứu của Ali M. Pourkhesalian và cộng sự chuyển đổi động cơ xăng 4 xylanh nhãn hiệu Mazda B2000i thành động cơ lưỡng nhiên liệu xăng/CNG theo nguyên lý phun trên đường nạp cho thấy nhiên liệu khí làm giảm khoảng 12% lượng không khí nạp, và do đó, công suất giảm tới 20%. Phát thải CO và HC cũng giảm mạnh tương tự kết quả của các tác giả khác. Theo kết quả nghiên cứu của M.A. Kalam cùng cộng sự, khi chuyển đổi động cơ sử dụng xăng sang phun CNG trực tiếp, hiệu suất động cơ tăng lên khá nhiều, công suất của động cơ tăng 10% so với trường hợp sử dụng nhiên liệu xăng với cùng hệ số dư lượng không khí. 1.3.4.2. Ở Việt Nam Tại Việt Nam đã có một số nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí biogas và LPG, còn việc nghiên cứu sử dụng CNG trên động cơ thì chưa nhiều. Tác giả Lê Văn Tụy nghiên cứu mô phỏng cung cấp CNG cho động cơ có tỷ số nén cao (động cơ KamAZ 740) mới chỉ dừng lại ở kết quả mô phỏng mà chưa đánh giá đầy đủ bằng thực nghiệm; Nguyễn Sĩ Thắng và cộng sự đã nghiên cứu sử dụng CNG trên hai xe Innova và Altis nhưng sử dụng các bộ kít chuyển đổi cung cấp CNG bán trên thị trường nên có vẻ không tối ưu với động cơ thí nghiệm và kết quả thu được không được như mong đợi. 1.3.5. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng CNG trên động cơ chuyển đổi Nói chung các kết quả nghiên cứu đều chỉ ra rằng khi chuyển động cơ xăng sang sử dụng CNG bằng việc cung cấp CNG vào đường ống nạp, phát thải của động cơ cải thiện nhiều nhưng công suất động cơ giảm đến 20% so với khi sử dụng xăng. Do đó, cần nghiên cứu áp dụng một số giải pháp công nghệ để hạn chế sự suy giảm công suất của động cơ chuyển đổi, có thể gồm: 1.3.5.1. Thay đổi kết cấu động cơ Một số biện pháp thay đổi kết cấu có thể áp dụng để cải thiện tính năng công suất của động cơ chuyển đổi gồm tăng tỷ số nén động cơ, thiết kế đường ống nạp tạo xoáy để tăng tốc độ cháy của động cơ, tăng góc đánh lửa sớm để khắc phục thời gian cháy trễ dài của CNG. Tuy nhiên, các biện pháp này cần thay đổi nhiều về kết cấu động cơ, làm tăng chi phí nên khó áp dụng cho việc chuyển đổi động cơ hiện hành sang sử dụng CNG. 1.3.5.2. Bổ sung hydro Nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng bổ sung hydro vào động cơ CNG là một phương pháp hữu hiệu để cải thiện quá trình cháy, từ đó giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải của động cơ. Tuy nhiên vì hydro là khí nhẹ nên công suất động cơ không cải thiện được bao nhiêu, thậm chí bị giảm khi tỷ lệ hydro bổ sung trong nhiên liệu cao. Mặt khác công nghệ này cũng phức tạp nên khó áp dụng thực tế. 1.3.5.3. Sử dụng phụ gia nhiên liệu Việc sử dụng phụ gia đối với nhiên liệu lỏng để cải thiện tính năng của nhiên liệu nhằm nâng cao hiệu quả quá trình cháy giúp cháy nhanh, cháy kiệt để tăng công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải đã được quan tâm từ lâu. Một số loại phụ gia cải thiện đặc tính cháy đã được sử dụng nhiều như ether, các loại hydrocarbon dễ cháy, nitromethane, butyl rubber, Maz- nitro, v.v. Trong các loại phụ gia này, Maz-nitro, một phụ gia hữu cơ dạng lỏng, được chứng
6 minh là có hiệu quả cao về cải thiện công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng. Maz-nitro cũng đã được thử nghiệm với nhiên liệu khí thiên nhiên đốt lò hơi và thể hiện hiệu quả như sử dụng với nhiên liệu lỏng. Thành phần phụ gia này được chỉ ra ở bảng 1.3. Tỷ lệ pha phụ gia trong nhiên liệu được nhà sáng chế khuyến cáo ở tỷ lệ khối lượng 500 ppm đến 1000 ppm và tỷ lệ tối ưu đã được chứng minh bằng thực nghiệm là 800ppm. Bảng 1.3. Công thức chất phụ gia Maz-nitro. Công Thức “MAZ-NITRO” Thành phần Thành phần khối lượng 1-nitropropane 29/55 Nitroethane 10/55 Nitromethane 10/55 Toluen 5/55 Chất bôi trơn (dầu Ete cải tiến) 1/55 Tổng: 55/55 Đề tài luận án này chọn nghiên cứu sử dụng phụ gia Maz-nitro để khắc phục một phần sự suy giảm công suất của động cơ CNG so với động cơ xăng và cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và phát thải của động cơ. 1.4. Kết luận chương 1 Việc sử dụng nhiên liệu thay thế trong ĐCĐT là cần thiết để khắc phục tình trạng thếu nhiên liệu và phát thải độc hại của động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống. Trong số các nhiên liệu thay thế thì khí thiên nhiên có trữ lượng lớn, phát thải độc hại thấp, đồng thời có trị số octane cao nên thích hợp sử dụng làm nhiên liệu thay thế trên các động cơ xăng. Các động cơ CNG chuyển đổi có tính kinh tế nhiên liệu cao và phát thải độc hại thấp hơn nhiều so với động cơ xăng nguyên thủy. Tuy nhiên, vấn đề tồn tại là động cơ chuyển đổi sử dụng hệ thống cung cấp CNG vào đường nạp có công suất giảm nhiều so với động cơ nguyên thủy, giảm tới 20%. Đề tài này sẽ nghiên cứu biện pháp để tối ưu hóa quá trình làm việc của động cơ với CNG để hạn chế sự suy giảm công suất và cải thiện tính năng kinh tế và phát thải của động cơ. Các biện pháp được nghiên cứu sử dụng gồm: 1- Nghiên cứu sử dụng phương pháp cung cấp CNG hợp lý; 2- Nghiên cứu điều chỉnh góc đánh lửa sớm phù hợp trong động cơ chuyển đổi; 3- Nghiên cứu sử dụng phụ gia Maz-nitro cải thiện đặc tính làm việc của động cơ. Các nội dung nghiên cứu gồm: - Nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo và trang bị các hệ thống cung cấp CNG và hệ thống cung cấp phụ gia cho động cơ. - Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của CNG, các phương pháp cung cấp CNG và phụ gia Maz-nitro đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ . Việc nghiên cứu được giới hạn ở các chế độ làm việc ổn định của động cơ, chưa đề cập đến chế độ khởi động và chuyển tiếp, chưa nghiên cứu độ bền và tuổi thọ của động cơ. CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỬ DỤNG CNG TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG HIỆN HÀNH BẰNG PHẦN MỀM AVL BOOST 2.1. Giới thiệu chung Việc nghiên cứu mô phỏng động cơ xăng sử dụng CNG là nhằm đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng khi chuyển sang sử dụng CNG và ảnh hưởng của phương pháp cung cấp CNG và góc đánh lửa sớm đến đặc tính làm việc của động cơ đề xuất hướng nghiên cứu thực nghiệm hiệu quả cho việc chuyển đổi động cơ sang sử dụng nhiên liệu khí này. Việc nghiên cứu được thực hiện trên các phần mềm mô phỏng nên rất tiện lợi và giúp rút ngắn thời gian nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và chạy thử nghiệm. Trong đề tài này, phần mềm AVL-Boost được chọn để thực hiện nhiệm vụ đặt ra.
7 2.2. Mô hình mô phỏng động cơ 1NZ-FE Mô phỏng trên Boost trải qua các bước sau: - Thiết lập mô hình: Gồm việc định nghĩa các phần tử rồi kết nối chúng với nhau; - Lựa chọn thuật toán và nhập các dữ liệu điều kiện biên và điều kiện đầu liên quan vào mô hình; - Chạy mô hình và xuất ra kết quả. Để tính toán mô phỏng các thông số đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ 1NZ-FE khi sử dụng CNG được cung cấp bằng phương pháp phun và bằng bộ hòa trộn kiểu ống venturi so với động cơ khi phun xăng, cần thiết lập mô hình động cơ này trên phần mềm AVL-Boost cho 3 trường hợp cung cấp nhiên liệu đã nói. Hình 2.1 thể hiện các mô hình động cơ 1NZ-FE trên phần mềm AVL-Boost, trong đó mô hình (a) được thiết lập cho động cơ khi sử dụng xăng hoặc CNG phun vào đường nạp, còn mô hình (b) là cho động cơ khi sử dụng CNG được cung cấp bởi bộ hòa trộn kiểu ống venturi. Các thông số động cơ cho 2 trường hợp phun xăng và phun CNG là hoàn toàn như nhau, chỉ khác nhau ở các mô hình cấp nhiên liệu, còn mô hình động cơ sử dụng CNG được cấp bởi bộ hòa trộn kiểu ống venturi thì kết cấu động cơ có thay đổi ở đường ống nạp so với mô hình (a) là có đặt ống venturi. Dựa trên các số liệu của động cơ thực (bảng 2.1) được lấy từ bộ đĩa CD đào tạo kỹ thuật viên của hãng Toyota và những thành phần có sẵn trong AVL Boost. Đường cấp CNG Venturi (a) (b) (a) Mô hình mô phỏng động cơ phun xăng và phun CNG; (b) Mô hình mô phỏng động cơ cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn kiểu ống venturi Hình 2.1. Mô hình động cơ 1NZ-FE trên AVL Boost. Bảng 2.1. Thông số cơ bản của động cơ Toyota Vios 1NZ-FE [99 - phụ lục 2.1] Thông số Ký hiệu Giá trị Hành trình piston (mm) S 84,7 Đường kính xi lanh (mm) D 75 Số xi lanh (-) I 4 Công suất định mức (kW) Ne 80 Mô men cực đại ở n = 4200 v/phh (Nm) Me max 140 Số vòng quay định mức (v/phh) nđm 6000 Suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất (g/kWh) ge 244 Tỉ số nén (-)  10,5: 1 2.3. Đánh giá độ tin cậy của mô hình Đồ thị Hình 2.2 cho thấy sai lệch trung bình 3,26% trên toàn dải tốc độ. Với sai lệch của kết quả mô phỏng so với thực nghiệm nhỏ hơn 5% nên mô hình động cơ xây dựng được coi là đảm bảo độ tin cậy và có thể sử dụng để tính toán mô phỏng các thông số làm việc khi sử dụng xăng.
8 60 400 8000 Ne-thực nghiệm Xăng RON 92 Nồng độ khí thải độc hại (ppm) Ne-mô phỏng 7000 50 ge-thực nghiệm 350 CO-thực nghiệm 6000 40 ge-mô phỏng ge (g/kW.h) CO-mô phỏng 5000 Ne (kW) 30 300 NOx-thực nghiệm 4000 20 NOx-mô phỏng 3000 250 HC-thực nghiệm 10 2000 HC-mô phỏng 0 200 1000 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 n (v/p) n (v/ph) Hình 2.2. So sánh mô phỏng với thực nghiệm Hình 2.3. So sánh mô phỏng với thực nghiệm Đồ thị Hình 2.3 cho thấy sai lệch trung bình giữa kết quả mô phỏng và số liệu đo của HC nhỏ hơn 5%, của CO và NOx không quá 7%, đều nhỏ hơn 10%, nên có thể nói mô hình mô phỏng động cơ được xây dựng đảm bảo độ tin cậy và có thể sử dụng để tính toán mô phỏng các thông số làm việc của động cơ. 2.4. Đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ 2.4.1. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu a. Công suất Hình 2.4 thể hiện công suất của động cơ ở chế độ toàn tải từ tốc độ 1000 vòng/phút đến 4000 vòng/phút với hai loại nhiên liệu là xăng và CNG. Trên toàn dải tốc độ, phương pháp phun CNG cho công suất giảm từ 9 đến 14% khi sử dụng CNG, còn phương pháp sử dụng bộ hòa trộn kiểu ống venturi cho công suất thấp hơn khoảng 19% so với khi sử dụng xăng. 60 350 Xăng RON 92 Xăng RON 92 50 CNG-phun CNG-bộ trộn 40 CNG-trộn 300 CNG-phun Ne (kW) ge (kW) 30 20 250 10 0 200 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 n (v/p) n (v/p) Hình 2.4. So sánh công suất mô phỏng khi sử Hình 2.5. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu mô dụng xăng và CNG ở các tốc độ phỏng khi sử dụng xăng và CNG ở các tốc độ b. Suất tiêu hao nhiên liệu Hình 2.5 so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở chế độ toàn tải từ tốc độ 1000v/ph ÷ 4000v/ph khi sử dụng xăng RON 92, CNG phun vào cửa nạp và CNG dùng bộ hòa trộn. Đồ thị cho thấy, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ được cải thiện rõ rệt khi sử dụng CNG so với xăng. Mức giảm tiêu hao nhiên liệu trung bình khoảng 6% khi sử dụng phun CNG và giảm 3% khi sử dụng bộ hòa trộn so với khi sử dụng xăng. Do CNG có nhiệt trị khối lượng cao hơn xăng nên công suất sinh ra tính trên một đơn vị khối lượng nhiên liệu tiêu thụ cao hơn. 2.4.2. Phát thải của động cơ Kết quả tính toán mô phỏng phát thải các thành phần CO, HC và NOx của động cơ khi sử dụng 2 loại nhiên liệu xăng và CNG được thể hiện trên các đồ thị hình 2.6 đến hình 2.8. Các đồ thị chỉ ra sự cải thiện phát thải một cách rõ rệt của động cơ khi sử dụng CNG so với khi sử dụng xăng. Hình 2.6 cho thấy, phát thải CO của động cơ khi sử dụng CNG giảm trung bình 80% trên toàn dải tốc độ và giảm lớn nhất đến 87% ở tốc độ 4000v/p. Vì CNG (thành phần chính là CH4) có tỷ lệ C/H nhỏ hơn so với xăng (thành phần chính gần với C8H18), hỗn hợp cháy đồng nhất hơn và cháy kiệt hơn nên phát thải CO của động cơ khi sử dụng CNG thấp hơn nhiều so với khi sử dụng xăng. Khi phun CNG phát thải CO thấp hơn không nhiều so với khi sử dụng bộ hòa trộn, mức chênh lệch trung bình < 10%.
9 8000 2000 7000 1800 1600 Nồng độ CO (ppm) 6000 Nồng độ HC (ppm) 1400 5000 Xăng RON 92 Xăng RON 92 1200 CNG-trộn CNG-trộn 4000 1000 CNG-phun 3000 800 CNG-phun 600 2000 400 1000 200 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 n (v/ph) n (v/ph) Hình 2.6. So sánh phát thải CO khi sử Hình 2.7. So sánh phát thải HC khi sử dụng xăng và CNG ở các tốc độ dụng xăng và CNG ở các tốc độ Phát thải HC (hình 2.7) giảm nhiều so với khi sử dụng xăng trên toàn dải tốc độ của động cơ, trung bình 85% trên toàn dải tốc độ, và giảm lớn nhất đến 90% ở tốc độ 3000v/p. Phát thải HC giảm mạnh như vậy là do hỗn hợp CNG-không khí đồng nhất hơn so với hỗn hợp xăng- không khí nên cháy kiệt hơn. Thêm nữa, CNG có tỷ số C/H nhỏ hơn so với xăng trong khi phát thải HC cùng được tính quy về hàm lượng C3H8 nên hàm lượng phát thải HC của động cơ khi sử dụng CNG sẽ thấp hơn nhiều so với khi sử dụng 5000 Xăng RON 92 xăng. Động cơ phun CNG phát thải HC thấp hơn 4000 CNG-trộn Nồng độ NOx (ppm) không nhiều so với động cơ CNG sử dụng bộ hòa CNG-phun trộn, mức chênh lệch lớn nhất khoảng 10%. 3000 Hình 2.8 cho thấy hàm lượng phát thải NOx 2000 giảm đáng kể khi sử dụng CNG so với khi sử dụng 1000 xăng, mức giảm trung bình trên 50%. Điều này được 0 giải thích do nhiệt độ cháy của CNG thấp hơn xăng, 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 do đó làm giảm nhiệt độ quá trình cháy dẫn tới phát n (v/ph) thải NOx giảm. Động cơ phun CNG phát thải NOx Hình 2.8. So sánh phát thải NOx khi sử dụng cao hơn một chút so với động cơ CNG sử dụng bộ xăng và CNG ở các tốc độ hòa trộn, mức chênh lệch trung bình khoảng 15%. 2.4.3. Đánh giá chung Động cơ phun xăng khi chuyển sang sử dụng CNG cấp vào đường nạp và không thay đổi kết cấu cũng như góc đánh lửa sớm của động cơ thì công suất giảm nhiều nhưng hàm lượng phát thải được cải thiện đáng kể so với động cơ nguyên thủy. Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ CNG cũng được cải thiện so với động cơ xăng nguyên thủy. Động cơ phun CNG có hàm lượng phát thải CO và HC thấp hơn so với động cơ CNG sử dụng bộ hòa trộn trong khi phát thải NOx cao hơn. Tuy nhiên mức chênh lệch hàm lượng phát thải giữa hai phương pháp cấp CNG không nhiều, chỉ từ 5% ÷ 15%. 2.5. Góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ CNG 2.5.1. Giới thiệu chung Kết quả tính toán mô phỏng động cơ 1NZ-FE khi sử dụng CNG so với khi sử dụng xăng ở mục 2.4 nói trên được thực hiện trên cùng một động cơ được thiết kế tối ưu cho việc sử dụng xăng. Động cơ không thay đổi gì về kết cấu ngoài trang bị thêm hệ thống cung cấp CNG. Do đó, động cơ này làm việc không tối ưu với CNG. Chính vì vậy, nếu muốn động cơ chuyển đổi làm việc tối ưu với CNG để nâng cao các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ, có thể phải nghiên cứu điều chỉnh thay đổi các kết cấu sau đây của động cơ nguyên thủy cho phù hợp: - Thay đổi kết cấu đường ống nạp để tăng hệ số nạp khí và tạo xoáy giúp hòa trộn hỗn hợp tốt và tăng tốc độ cháy hỗn hợp CNG-không khí giúp tăng công suất động cơ; - Thay đổi hình dạng và kết cấu buồng cháy, tăng tỷ số nén để tăng công suất và hiệu suất của động cơ; CNG có trị số ốc tan 120 cao hơn xăng nên cho phép thực hiện điều này; - Điều chỉnh tăng góc đánh lửa sớm cho phù hợp với CNG ở các chế độ làm việc.
10 Trong các yêu cầu thay đổi trên, việc thay đổi kết cấu đường ống nạp, hình dạng buồng cháy và tăng tỷ số nén là các thay đổi lớn và có chi phí cao nên khó áp dụng trong chuyển đổi động cơ. Mặt khác, nếu thay đổi kết cấu như vậy thì động cơ sau khi chuyển đổi sang sử dụng CNG sẽ khó quay lại sử dụng xăng khi cần được. Việc điều chỉnh thay đổi góc đánh lửa sớm đơn giản hơn nên nếu cần điều chỉnh để động cơ làm việc tốt hơn với CNG thì có thể nghiên cứu thực hiện. Chính vì vậy, phần mô phỏng sẽ nghiên cứu xác định góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ khi sử dụng CNG ở các tốc độ khác nhau. Từ đó xác định sự điều chỉnh cần thiết đối với động cơ xăng nguyên thủy khi chuyển sang sử dụng CNG để cải thiện các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ. Để xác định được góc đánh lửa sớm tối ưu, trước tiên cần nghiên cứu sự ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến các thông số công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ, tiếp theo là xác định giá trị điều chỉnh thay đổi cần thiết của góc đánh lửa so với nguyên thủy sao cho đảm bảo hài hòa được các chỉ tiêu công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ. 2.5.2. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải Kết quả tính toán mô phỏng công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và hàm lượng các thành phần phát thải độc hại của động cơ sử dụng CNG ở chế độ toàn tải, tốc độ 4000v/p khi thay đổi góc đánh lửa sớm φs theo hướng tăng dần so với góc đánh lửa sớm nguyên bản đến giá trị tăng 12 độ có BMEP lớn nhất được chỉ ra trong bảng 2.2. Số liệu trong bảng cho thấy khi tăng góc đánh lửa sớm φs thì công suất và suất tiêu hao nhiên liệu cải thiện được một chút, phát thải CO cải thiện không đáng kể trong khi hàm lượng phát thải HC và NOx tăng mãnh liệt. Bảng 2.2. Sự thay đổi Ne, ge và hàm lượng phát thải của động cơ khi thay đổi góc đánh lửa sớm Sự thay đổi φs (độ) 0 4 8 12 Thông số Trị số (kW) 46,10 47,55 48,75 49,05 Công suất Tỷ lệ thay đổi (%) 0 3,1 5,7 6,4 Trị số (g/kW.h) 241 234 229 225 Suất tiêu hao nhiên liệu Tỷ lệ thay đổi (%) 0 -2,9 -5,0 -6,6 Hàm lượng (ppm) 3420 3375 3553 3693 CO Tỷ lệ thay đổi (%) 0 -1,5 -3,9 -8,2 Hàm lượng (ppm) 5522 8935 11645 15262 HC Tỷ lệ thay đổi (%) 0 61,8 110,9 176,4 Hàm lượng (ppm) 2779 3051 3222 3283 NOx Tỷ lệ thay đổi (%) 0 9,7 15,8 18,0 Cụ thể, khi tăng góc đánh lửa sớm thêm lần lượt 4, 8 và 12 độ góc quay trục khuỷu so với góc đánh lửa sớm nguyên bản của động cơ khi sử dụng xăng thì công suất tăng tương ứng 3,1%, 5,7% và 6,4%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm với tỷ lệ tương tự; trong khi đó hàm lượng phát thải CO giảm tối đa 6,6% còn HC và NOx thì 450 50 tăng mãnh liệt. Phát thải HC tăng lần lượt là Ne_NB 400 Ne_OP 61,8%, 110,9% và 176,4% khi tăng góc đánh 40 ge_NB ge (g/kWh) 350 lửa sớm 4, 8 và 12 độ góc quay trục khủy so Ne (kW) 30 ge_OP với nguyên bản. Phát thải NOx cũng tăng 20 300 mạnh, với tỷ lệ lần lượt là 9,7%, 15,8% và 250 10 18,0% ứng với các mức tăng góc đánh lửa sớm như trên. 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 200 Ở các chế độ tốc độ khác, xu hướng Tốc độ (v/ph) thay đổi Ne, ge và hàm lượng phát thải độc Hình 2.9. So sánh kết quả tính toán mô phỏng Ne và ge hại của động cơ khi tăng góc đánh lửa sớm khi áp dụng góc đánh lửa sớm nguyên bản (NB) và khi cũng diễn ra tương tự như ở tốc độ 4000v/p. áp dụng góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP)
11 Kết quả tính toán mô phỏng công suất Ne, suất tiêu hao nhiên liệu ge, nhiệt độ khí thể lớn nhất trong xi lanh và hàm lượng phát thải CO, HC và NOx của động cơ ở góc đánh lửa sớm nguyên bản (NB) và ở góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP) ở các tốc độ 1000v/p đến 4000v/p ở toàn tải và sự so sánh các thông số này giữa hai trường hợp góc đánh lửa sớm được thể hiện trên các đồ thị hình 2.9 đến hình 2.13. Đồ thị hình 2.9 cho thấy trên toàn dải tốc độ 1000v/p ÷ 4000v/p Ne và ge ở góc đánh lửa sớm có BMEP lớn nhất cải thiện được 5%÷8%, trung bình 6%, so với ở góc đánh lửa sớm nguyên bản. Lý do là quá trình cháy chính dịch về gần điểm chết trên làm nhiệt độ cao nhất của khí thể tăng khoảng 100K (hình 2.10), áp suất tăng và quá trình giản nở sinh công hiệu quả hơn. 2800 18 T_NB CO_NB 2700 T_OP 15 CO_OP CO(g/kWh) T(K) 2600 12 2500 9 2400 6 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Tốc độ (v/ph) Tốc độ (v/ph) Hình 2.10. So sánh kết quả mô phỏng nhiệt độ khí thể cực Hình 2.11. So sánh kết quả tính toán mô phỏng phát đại trong xi lanh khi áp dụng góc đánh lửa sớm nguyên thải CO khi áp dụng góc đánh lửa sớm nguyên bản bản (NB) và góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP) (NB) và góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP) Đồ thị hình 2.11 cho thấy phát thải CO cải thiện trung bình khoảng 20% trên toàn dải tốc độ và khoảng 8% ở tốc độ 4000v/p, trong khi đồ thị hình 2.12 cho thấy phát thải HC tăng mãnh liệt, tăng trung bình khoảng 180%, còn đồ thị hình 2.13 chỉ ra phát thải NOx tăng trung bình khoảng 25% ở góc đánh lửa sớm có BMEP lớn nhất so với ở góc đánh lửa sớm nguyên bản. 12 15 HC_NB NOx_NB HC_OP NOx_OP 9 12 NOx (g/kWh) HC(g/kWh) 6 9 3 6 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Tốc độ (v/ph) Tốc độ (v/ph) Hình 2.12. So sánh kết quả tính toán mô phỏng phát thải Hình 2.13. So sánh kết quả tính toán mô phỏng phát thải HC khi áp dụng góc đánh lửa sớm nguyên bản (NB) và NOx khi áp dụng góc đánh lửa sớm nguyên bản (NB) và góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP) góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP) Phát thải CO giảm và NOx tăng là do nhiệt độ quá trình cháy tăng như đã nói ở trên. Nhiệt độ tăng làm gia tăng phản ứng cháy nhiên liệu nên cơ hội tạo CO giảm, nhiệt độ tăng cũng đồng thời làm tăng phản ứng tạo NOx từ ni tơ và ô xy. Phát thải HC, một phần là sản phẩm của quá trình cháy không hoàn toàn nhưng phần lớn là kết quả của quá trình khuếch tán và thẩm thấu nhiên liệu vào lớp dầu, sự bay hơi của dầu bôi trơn cũng như phần nhiên liệu thành vách khe kẽ thoát tra trong quá trình giãn nở và thải. Nhiệt độ cháy cao và quá trình cháy tập trung gần điểm chết trên khi tăng góc đánh lửa sớm làm cho quá trình cháy và giãn nở hiệu quả hơn và do đó nhiệt độ quá trình giãn nở giảm nên phản ứng ô xi hóa HC thoát ra từ các khe kẽ và màng dầu giảm nên phát thải HC tăng mạnh. 2.5.3. Xác định góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ khi sử dụng CNG Nghiên cứu sự thay đổi của các thông số Ne, ge và hàm lượng các thành phần phát thải độc hại của động cơ sử dụng CNG ở mục 2.5.2 khi tăng góc đánh lửa sớm đến góc đánh lửa sớm có BMEP lớn nhất (tăng 12 độ ở chế độ tốc độ 1000v/p, 3000v/p và 4000v/p và 16 độ ở chế độ tốc độ 2000v/p) cho thấy việc điều chỉnh tăng góc đánh lửa sớm đem lại các kết quả sau: - Kết quả tích cực: Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu được cải thiện trung bình 6%, CO cải thiện đến 20% trên toàn dải tốc độ. - Kết quả tiêu cực: Phát thải HC tăng mãnh liệt, trung bình 180%, NOx tăng trung bình 25%.
12 Do đó, nếu quan tâm đến các chỉ tiêu tổng thể của động cơ thì không nên coi góc đánh lửa sớm có BMEP lớn nhất là góc đánh lửa sớm tối ưu vì không đảm bảo hài hòa các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ. Ở đây, chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật cải thiện được ít trong khi phát thải HC và NOx tăng quá lớn không đáp ứng được mục tiêu chuyển đổi động cơ sang sử dụng CNG để giảm phát thải. Theo kết quả nghiên cứu ở bảng 2.2 thì nếu muốn phát thải HC và NOx không tăng nhiều quá thì có thể chỉ nên tăng góc đánh lửa sớm khoảng 4 độ góc quay trục khuỷu so với góc đánh lửa sớm nguyên bản vì khi đó Ne và ge cải thiện được khoảng 3% trong khi HC tăng gần 62% và NOx tăng gần 10%. Tuy nhiên, ở mức điều chỉnh tăng góc đánh lửa 4 độ, phát thải CO chỉ cải thiện được 1,5% trong khi phát thải HC vẫn cao so với sử dụng góc đánh lửa sớm nguyên bản. Do đó mặc dù Ne và g e cải thiện được xung quanh 3%, góc đánh lửa sớm này cũng chưa phải là tối ưu nếu quan tâm đến vẫn đề giảm phát thải cho động cơ. Nếu với mục tiêu giảm phát thải được coi trọng hơn khi chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG thì có thể không cần điều chỉnh góc đánh lửa sớm. Ngoài lý do làm tăng hàm lượng phát thải HC và NOx, việc điều chỉnh thay đổi góc đánh lửa sớm của động cơ khi chuyển sang sử dụng CNG đối với động cơ phun xăng điều khiển bằng điện tử tích hợp điều khiển đánh lửa khá khó khăn vì khó có thể can thiệp và lập trình lại ECU nguyên bản của nhà chế tạo mà phải trang bị thêm một ECU đánh lửa mới làm tăng kinh phí chuyển đổi động cơ. Chính vì vậy, kết hợp các lý do trên, trong đề tài luận án này tác giả chọn hướng không điều chỉnh thay đổi góc đánh lửa sớm khi chuyển đổi động cơ sang sử dụng CNG. Việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu (tăng công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải) được thực hiện bằng phương pháp sử dụng phụ gia Maz nitro cho CNG. 2.6. Kết luận chương 2 Kết quả nghiên cứu mô phỏng được tóm tắt như sau: - Việc nghiên cứu mô phỏng trên phần mềm AVL-Boost động cơ xăng 1NZ-FE chuyển sang sử dụng CNG đã được thực hiện với 2 phương pháp cung cấp CNG là phun CNG vào đường nạp và sử dụng bộ hòa trộn CNG kiểu ống venturi. - Khi chuyển sang sử dụng CNG, sử dụng phương pháp phun CNG công suất động cơ giảm 9%- 14%, và giảm đến 19% khi sử dụng bộ hòa trộn; suất tiêu hao nhiên liệu cải thiện 3%-6%. - Phát thải các thành phần độc hại CO, HC và NOx của động cơ sử dụng CNG giảm đáng kể so với sử dụng xăng; CO gảm trung bình 80%, HC giảm trung bình 85% và NOx giảm 50%. - Động cơ sử dụng CNG theo phương pháp phun CNG vào đường nạp có chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải cải thiện hơn so với phương pháp cấp CNG bằng bộ hòa trộn kiểu ống venturi. Công suất trung bình khi sử dụng phương pháp phun CNG cao hơn đến 6% và suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn 3% so với sử dụng bộ hòa trộn; phát thải CO, HC, CO2 thấp hơn, NOx cao hơn nhưng không nhiều. - Khi điều chỉnh tăng góc đánh lửa sớm so với nguyên bản, công suất và tiêu hao nhiên liệu của động cơ sử dụng CNG được cải thiện đến 6% nhưng phát thải HC và NOx tăng mãnh liệt; HC tăng 180% và NOx tăng 25%. Từ các kết quả trên có thể rút ra kết luận như sau: - Sử dụng CNG trên động cơ xăng là phương pháp tốt để giảm phát thải độc hại và tiết kiệm nhiên liệu. - Khi chuyển đổi động xăng sang sử dụng CNG có thể không cần thay đổi kết cấu của động cơ cũng như điều chỉnh tăng góc đánh lửa sớm mà có thể áp dụng một phương pháp khác như sử dụng phụ gia nhiên liệu để hạn chế sự giảm công suất động cơ khi chuyển sang sử dụng CNG. - Khi chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG, có thể áp dụng phương pháp phun CNG và phương pháp cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn. Tuy nhiên cần nghiên cứu thực nghiệm trang bị các hệ thống này và khảo nghiệm đánh giá tính năng làm việc của động cơ trong điều kiện thực tế để đề xuất ứng dụng phương pháp cấp CNG hợp lý cho từng loại động cơ, đảm bảo hài hòa giữa sự tiện lợi áp dụng và chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ chuyển đổi.
13 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CUNG CẤP CNG VÀ PHỤ GIA CHO ĐỘNG CƠ 1NZ-FE 3.1. Giới thiệu chung Động cơ 1NZ-FE là động cơ phun xăng vào cửa nạp điều khiển bằng điện tử. Trong đó, hệ thống điều khiển điện tử tích hợp điều khiển cả hệ thống phun xăng và hệ thống đánh lửa. Bộ điều khiển trung tâm ECU tiếp nhận các tín hiệu điện từ các cảm biến phản ánh trạng thái làm việc của động cơ kể cả tác nhân điều khiển từ bên ngoài, sau đó tính toán xuất ra các tín hiệu điều khiển để điều khiển phun nhiên liệu và đánh lửa. Việc điều khiển đánh lửa và điều khiển phun xăng được thực hiện theo trình tự làm việc của các xi lanh động cơ. Để góp phần thực hiện các mục tiêu nghiên cứu của đề tài, chương này sẽ đề cập đến các vấn đề sau: - Tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn; - Tính toán thiết kế hệ thống phun CNG vào cửa nạp; - Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp phụ gia Maz-nitro. 3.2. Tính toán thiết kế chế tạo hệ thống cung cấp CNG dùng bộ hòa trộn 3.2.1. Sơ đồ chung Họng khuếch tán Bướm ga Đường Không Van công suất không tải khí Bộ giảm áp Van điện từ Hỗn hợp Nước nóng CNG Hình 3.1. Sơ đồ bố trí hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn Khi động cơ làm việc, CNG trong bình chứa cao áp (có thể đến 200-250 bar) qua các van cơ khí và van điện từ đến van giảm áp. Tại đây, áp suất CNG giảm xuống bằng áp suất khí trời và đi qua van công suất (điều chỉnh lưu lượng) đến bộ hòa trộn và bị hút vào họng thắt và vào không gian hỗn hợp của bộ hòa trộn, hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp không khí-nhiên liệu đi vào xi lanh động cơ. 3.2.2. Tính toán kích thước bộ hòa trộn Có nhiều phương pháp xác định kích thước bộ hòa trộn, tuy nhiên phương pháp đơn giản, nhanh chóng nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy và đáp ứng yêu cầu làm việc của bộ hòa trộn mà nhiều nhà nghiên cứu sử dụng là phương pháp xác định theo quy trình sau: - Bước 1: Chọn sơ bộ kích thước bộ hòa trộn theo kinh nghiệm và dựa trên lưu lượng khí nạp; - Bước 2: Tính toán lưu lượng nhiên liệu khí vào bộ hòa trộn dựa trên lý thuyết thủy khí động học; - Bước 3: Tính toán hệ số dư lượng không khí  ứng với các tiết diện lỗ phun đã chọn và đã sử dụng để tính toán lượng nhiên liệu ở bước 2; - Bước 4: Chọn tiết diện lỗ phun có lưu lượng nhiên liệu đảm bảo  lân cận 1. Sau đây là tóm tắt điều kiện ban đầu và kết quả tính toán các thông số kích thước ống venturi của bộ hòa trộn (Bảng 3.1 đến bảng 3.3): Bảng 3.1. Các điều kiện ban đầu Thông số Giá trị 3 Thể tích công tác của động cơ (dm ) 1,5 Tốc độ động cơ (v/ph) 6000 Áp suất không khí vào bộ hòa trộn (bar) 1 Nhiệt độ không khí vào bộ hòa trộn (oC) 35 Áp suất nhiên liệu khí vào khoang nhiên liệu bao quanh họng (bar) 1 Lưu lượng không khí nạp ở áp suất và nhiệt độ môi trường (m3/s) 0,0545 Tỷ lệ không khí/nhiên liệu cân bằng lý thuyết lt (kg/kg) 17 Hệ số lưu lượng của lỗ phun nhiên liệu 0,9
14 Bảng 3.2. Tỷ lệ không khí / nhiên liệu với các đường kính họng khác nhau khi Anl=59mm2 Đường kính họng (mm) Tỷ lệ không khí/nhiên liệu  (kg/kg) 22 14,5 24 15.4 26 17.0 28 20,9 Bảng 3.3. Tỷ lệ  khi thay đổi tổng tiết diện lỗ phun nhiên liệu ở đường kính họng 26mm Số lỗ phun đường kính 2,5mm Tỷ lệ không khí/nhiên liệu  (kg/kg) 8 20,8 10 18,9 12 16,9 14 15,1 Từ kết quả tính toán tỷ lệ không khí/nhiên liệu ở các thông số kích thước lân cận thông số tính toán sơ bộ cho thấy đường kính họng d2=26mm và 12 lỗ phun nhiên liệu với đường kính các lỗ 2,5mm cho tỷ lệ không khí/nhiên liệu  gần với tỷ lệ cân bằng lý thuyết (lt = 16,8). Các thông số kích thước này được chọn để chế tạo bộ hòa trộn phục vụ thí nghiệm. 3.2.2. Bản vẽ bộ hòa trộn Từ các kích thước cơ bản xác định ở trên và đặc điểm kích thước cũng như vị trí lắp của ống nạp chung của động cơ, các kích thước khác của bộ hòa trộn được xác định và bản vẽ chế tạo được thể hiện trên hình 3.2. Chiều dòng khí đi vào bộ hòa trộn từ phía miệng đường kính 62mm. A-A R25 Ø56 Ø52 R1 60° 15 Ø26±0,1 R4 A A Ø13 47 55° 12 loã Ø2,5 32 24 Ø44 15 12 3 3 loã M6 6 Ø62±0,1 Ø71 Hình 3.2. Bản vẽ kết cấu bộ hòa trộn 3.3. Tính toán thiết kế hệ thống phun CNG vào cửa nạp 3.3.1. Sơ đồ chung Hệ thống cung cấp CNG với phương pháp phun vào cửa nạp được sơ đồ hóa như hình 3.3. 6 7 8 9 5 1. Bình nhiên liệu CNG; 4 2. Van cơ khí; 3. Van điện từ ; 4. Bộ giảm áp; 10 5. Bộ lọc nhiên liệu; 6. Ống nhiên liệu chung; Nước nóng 1 7. Các vòi phun; ECU-Gas 11 8. Đường nhiên liệu đến cửa nạp của các xi lanh; 3 13 12 9. Ống nạp của động cơ; 10. Xi lanh động cơ; 11. Tín hiệu vào hộp điều khiển; 12. Hộp điều khiển phun; 13. Dây tín hiệu điều khiển vòi phun; 2 1 14. Ống chân không nối ống nạp. Hình 3.3. Sơ đồ hệ thống cung cấp phun CNG
15 Nhiên liệu CNG cho động cơ trong nghiên cứu này được thực hiện theo phương pháp phun đa điểm vào cửa nạp theo thứ tự làm việc của các xi lanh của động cơ. Việc điều khiển thay đổi lượng nhiên liệu phun được thực hiện thông qua điều khiển thay đổi độ dài thời gian mở vòi phun với áp suất phun được giữ cố định ở 3 kG/cm2. k Độ dài thời gian mở vòi phun CNG được xác định theo công thức: t   t xang , trong đó, k p là hệ số điều chỉnh, p là áp suất tuyệt đối đường ống nạp, txang là độ dài thời gian phun xăng. Như vậy, bộ điều khiển ECU-gas cần thông số vào là thông số ra của ECU điều khiển phun xăng và tín hiệu áp suất đường ống nạp. Chính vì vậy ECU-gas chỉ là một bô khuếch đại tín hiệu điều khiển phun xăng với hệ số khuếch đại k có thể điều chỉnh được khi hiệu chỉnh hệ thống để =1. Bộ khuếch đại này được thiết kế và đặt hàng mua của hãng LGC, Hong Kong. 3.4. Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp phụ gia Maz-nitro 3.4.1. Sơ đồ bố trí chung 11 1. Bộ giảm áp; 10 9 8 2. Nước sấy nóng; 12 3. Giắc nối tín hiệu điều khiển phun 14 13 CNG; 4. Vòi phun CNG; 7 5. Bướm ga; 15 Không 6. Bầu lọc khí; khí 7. Đường ống nạp; 6 8. Đường khí nén; Khí thải 5 4 9. Van giảm và ổn áp khí nén; 16 10. Áp kế; 11. Bình chứa phụ gia Maz; 3 12. Vòi phun phụ gia Maz; 2 13. Bình hóa hơi phụ gia Maz; 14. Đường cấp khí thải sấy nóng 1 bình hóa hơi Maz; CNG 15. Đường ống thải; 16. Động cơ. Hình 3.4. Sơ đồ cung cấp CNG và phụ gia Maz trên động cơ Phụ gia Maz-nitro được chứa trong ống 11 và được tạo áp 3 bar nhờ không khí nén từ hệ thống khí nén 8 của phòng thí nghiệm cấp vào qua van điều áp 9. Nếu sử dụng trên xe CNG thì đường khí áp này được thay bằng đường khí CNG sau bộ giảm áp, tức là cùng chung đường CNG cấp cho ống nhiên liệu chung của vòi phun CNG. Phụ gia Maz-nitro dưới áp suất ổn định 3 bar trong ống 11 được thông với vòi phun điện từ 12. Khi vòi phun được điều khiển mở thì phụ gia được phun vào ống hóa hơi 13 và được sấy nóng từ 150oC - 200oC nhờ nhiệt khí thải nên phụ gia hóa hơi và được hút vào ống nạp sau bướm ga và hòa trộn với hỗn hợp không khí – nhiên liệu đi vào động cơ (hình 3.4). 3.4.2. Tính toán thiết kế bộ điều khiển phun phụ gia Lưu lượng phụ gia cấp vào mpg được tính toán đảm bảo tỷ lệ khối lượng với CNG là 800ppm, với hỗn hợp cháy có  =1 thì tỷ lệ khối lượng phụ gia và lưu lượng khí nạp mkk là 48ppm. Do đó, lượng cung cấp phụ gia được điều chỉnh theo lưu lượng khí nạp. Trong đề tài này việc cung cấp phụ gia được thực hiện bằng phương pháp phun gián đoạn, cứ 100 vòng quay của mkk động cơ phun một lần. Độ dài thời gian phun được tính toán là t p  k p , trong đó, n là tốc độ n động cơ kp là hệ số điều chỉnh có thể thay đổi được trên giao diện điều chỉnh ECU điều khiển phun phụ gia để đạt được khối lượng phun phụ gia theo yêu cầu khi hiệu chỉnh hệ thống. Mạch xử lý tín hiệu cảm biến được thiết kế để sử dụng các tín hiệu từ các cảm biến lưu lượng và nhiệt độ của khí nạp và cảm biến tốc độ có sẵn trên động cơ. Tín hiệu tốc độ được lấy từ
16 cảm biến trục cam là loại cảm biến điện từ với 1 xung trên 1 vòng quay trục cam hay 1 xung ứng với 2 vòng quay trục khuỷu. Cảm biến lưu lượng khí nạp là cảm biến dây nóng với tín hiệu ra là tín hiệu điện áp 0-5V, còn cảm biến nhiệt độ khí nạp là cảm biến nhiệt điện trở (hình 3.5). 1. Khối nguồn 5V; 2. Khối xử lý tín hiệu đầu vào từ các cảm biến. 3. Khối điều khiển vòi phun; 4. Khối kết nối với máy tính; 5. Khối xử lý trung tâm. Hình 3.5. ECU điều khiển phun phụ gia 3.4.3. Thiết kế chế tạo bình chứa và tạo áp phụ gia Bình chứa phụ gia có nhiệm vụ chứa phụ gia đảm bảo đủ cung cấp cho động cơ hoạt động trong thời gian ít nhất là một ca làm việc Ø21 Ø42 và đồng thời là nơi tạo áp suất phục vụ việc phun phụ gia, việc tạo áp được thực hiện nhờ khí nén trong hệ thống khí nén 6 ÷ 8 kG/cm2 200 260 của phòng thí nghiệm. Hình 3.6 Ống chứa phụ gia lỏng Trên ô tô chạy CNG thì sử dụng ngay khí CNG của đường khí sau van giảm áp đến vòi phun CNG (áp suất 3 bar) làm khí tạo áp cho bình phụ gia. Động cơ 1NZ-FE vận hành trong một ngày tiêu tốn khoảng 100 cm 3 phụ gia nên có thể chọn bình chứa có dung tích 250 cm3 để chứa 200 cm3 phụ gia và để 50 cm 3 làm không gian chứa khí tạo áp. Ống chứa phụ gia được làm bằng ống thép Inox đường kính trong 40mm, cao 260mm (hình 3.6). 3.4.4. Tính toán thiết kế bộ hóa hơi tận dụng nhiệt khí thải a. Sơ đồ bố trí chung Yêu cầu chung đối với ống hóa hơi là dễ bố trí ống hóa hơi trên động cơ, đồng thời đường dẫn khí thải từ ống thải đến ống hóa hơi phải ngắn để giảm mất nhiệt, thêm nữa đường dẫn hơi phụ gia từ ống hóa hơi đến đường nạp của động cơ cũng không được dài quá để giảm sức cản. Mặt khác, ống hóa hơi được kết hợp làm bình cân bằng để dòng hơi phụ gia chảy ổn định vào ống nạp động cơ nên cần có thể tích tối thiểu nhất định (hình 3.7). 1. Lưới chắn hạt oxit nhôm; 5 2. Hạt oxit nhôm Al2O3 sấy nóng; 6 3. Ống hóa hơi và cân bằng; 4. Không gian khí thải trao đổi nhiệt; 5, 9. Đường khí thải vào, ra sấy nóng 4 7 ống hóa hơi; 6. Vòi phun; 3 7. Lỗ lắp cặp nhiệt ngẫu đo nhiệt độ ống hóa hơi; 2 8. Van điều chỉnh lượng khí thải qua ống 1 9 8 hóa hơi. Hình 3.7. Sơ đồ bình cân bằng và hóa hơi phụ gia. b. Ống hóa hơi Ống hóa hơi được chọn có dạng hình trụ, bên trong chứa các hạt oxit nhôm hình cầu đường kính 2mm. Kích thước được chọn để đảm bảo tỷ lệ diện tích xung quanh/thể tích đủ lớn để trao đổi nhiệt tốt với khí thải bao quanh, đồng thời dung tích đủ lớn để thực hiện vai trò bình cân bằng
17 giảm dao động dòng khí phụ gia đi vào ống nạp của động cơ nhưng khối lượng phải đủ nhỏ để được sấy nóng nhanh. Ống hóa hơi cần đảm bảo Ø21 Ø52 dòng khí phụ gia chảy liên tục vào động cơ mà không cần thể tích quá lớn. Với đặc điểm như vậy, 160 có thể chọn ống hóa hơi phụ gia có đường kính 200 trong 50mm, dài 200mm, dung tích gần 0,4 lít (hình 3.8). Hình 3.8. Ống hóa hơi phụ gia c. Ống trao đổi nhiệt Ống trao đổi nhiệt được chọn để đảm bảo tiết diện lưu thông của khí thải dọc theo chiều dài ống không bị cản lớn nhưng phải có tốc độ thích hợp để tăng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức với ống hóa hơi. Trong trường hợp này chọn đường kính 76mm, với đường kính ngoài của ống hóa hơi 52mm thì tạo ra tiết diện lưu thông của khí thải diện tích là 19 cm2 lớn gấp đôi tiết diện đường ống dẫn khí thải vào và ra. Trên thân ống trao đổi nhiệt có bố trí một lỗ để đặt đầu đo nhiệt độ ống hóa hơi khi cần kiểm tra và điều chỉnh nhiệt độ của nó. Ống trao đổi nhiệt có hình trụ bao mặt xung quanh của ống hóa hơi, dẫn khí thải chảy dọc và bao quanh ống hóa hơi để sấy nóng nó. Lưu lượng khí thải cấp vào ống trao đổi nhiệt chỉ cần bằng khoảng 1,6% tổng lưu lượng khí thải của động cơ là đủ cấp nhiệt cho ống hóa hơi. Để kiểm soát tỷ lệ lưu lượng này, có thể chọn sơ bộ tiết diện ống dẫn khí thải vào ống trao đổi nhiệt bằng khoảng 5% tiết diện ống thải của động cơ và khi lắp đặt sẽ dùng một van để điều chỉnh lưu lượng khí thải sao cho ống hóa hơi đạt được nhiệt độ yêu cầu. Đường kính ống thải của động cơ là 6,5cm, diện tích tiết diện là 33cm 2 nên có thể chọn ống dẫn khí thải đến ống trao đổi nhiệt có d= 2cm, tiết diện là 3,14cm2. 3.5. Kết luận chương 3 Đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành công các hệ thống cung cấp CNG và cung cấp phụ gia Maz để phục vụ chuyển đổi động cơ 1NZ-FE loại phun xăng điện tử đa điểm sang sử dụng CNG với phụ gia Maz. Các hệ thống được thiết kế, chế tạo có kết cấu không phức tạp và rất dễ lắp đặt và điều chỉnh. Hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn đơn giản, giá thành rẻ và có thể áp dụng để chuyển đổi được tất cả các loại động cơ xăng sang CNG mà không cần phải thay đổi kết cấu động cơ nguyên thủy. Hệ thống phun CNG được thiết kế theo nguyên lý sử dụng và khuếch đại tín hiệu điều khiển phun của hệ thống phun xăng nguyên thủy nên đã tận dụng được hầu hết các bộ phận của hệ thống phun xăng nên giá thành thấp và rất dễ lắp đặt và hiệu chỉnh. Hệ thống cung cấp phụ gia Maz-nitro được thiết kế chế tạo theo nguyên lý phun gián đoạn và hóa hơi phụ gia cho phép sử dụng được phụ gia lỏng trên động cơ chạy nhiên liệu khí, giúp có thêm điều kiện để cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật và giảm phát thải của động cơ này. CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Mục đích, phạm vi và chương trình thử nghiệm 4.1.1 Mục đích thử nghiệm - Hiệu chỉnh và đánh giá ưu nhược điểm và tính năng làm việc của các hệ thống cung cấp CNG và hệ thống cung cấp phụ gia Maz đã thiết kế chế tạo. - Đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng khi sử dụng CNG với các phương pháp cấp CNG khác nhau và với phụ gia Maz-nitro so với khi sử dụng xăng. 4.1.2 Phạm vi thử nghiệm Thử nghiệm được tiến hành để đánh giá ảnh hưởng của các phương pháp cấp CNG và phụ gia đến tính năng làm việc của động cơ ở các chế độ tải và tốc độ ổn định của động cơ 1NZ-FE ở quy mô phòng thí nghiệm trên băng thử động lực học cao tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Thử nghiệm chưa đề cập đến các chế độ khởi động, chuyển tiếp và chưa đánh giá độ bền và tuổi thọ của hệ thống cung cấp CNG, phụ gia và động cơ.
18 4.1.3 Chương trình thử nghiệm - Kiểm tra, hiệu chỉnh các thiết bị phân tích khí theo quy trình nhà sản xuất. - Hiệu chỉnh hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn: điều chỉnh van công suất để đạt =1. - Hiệu chỉnh hệ thống phun CNG vào cửa nạp: Vận hành động cơ ở chế độ toàn toàn tải, tốc độ 3000v/ph, qua giao diện điều khiển ECU, điều chỉnh hệ số khuếch đại k và theo dõi hệ số dư lượng không khí  trên thiết bị phân tích khí cho đến khi đạt được =1. - Hiệu chỉnh hệ thống cung cấp phụ gia: Vận hành động cơ ở chế độ toàn tải, tốc độ 3000v/ph, đo kiểm tra nhiệt độ ống hóa hơi và điều chỉnh van lưu lượng khí xả sao cho nhiệt độ ống hóa hơi đạt khoảng 200oC; đo tiêu hao không khí và tiêu hao phụ gia rồi tính và kiểm tra tỷ lệ phụ gia/không khí so với số liệu đã chọn trong thiết kế 48 ppm, sai số trong phạm vi 5% là được, nếu không thì điều chỉnh lại hệ số kp qua giao diện điều khiển ECU trên máy tính. + Kiểm tra ở các chế độ tải khác nếu nhiệt độ ống hóa hơi  130 oC và sai lệch tỷ lệ phụ gia trong khoảng 10% là được. 4.2. Kết quả thử nghiệm và thảo luận 4.2.1. Đánh giá độ tin cậy của thiết bị cung cấp CNG và phụ gia Maz-nitro 120.00 1.1 120.00 1.1 Gkk (kg/h) 1.08 1.08 Gcng(kh/h) Tiêu hao không khí, CNG 100.00 Tiêu hao không khí, CNG 100.00 1.06 1.06 λ 1.04 1.04 80.00 80.00 1.02 Lambda 1.02 Lambda (kg/h) (kg/h) 60.00 1 60.00 1 Gkk (kg/h) 0.98 0.98 40.00 40.00 Gcng(kh/h) 0.96 0.96 λ 0.94 0.94 20.00 20.00 0.92 0.92 0.00 0.9 0.00 0.9 0 5 10 15 20 25 30 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 Công suất (kW) Công N s(kW) uất (kW) e Ne (kW) Hình 4.1. Tiêu hao không khí, CNG và hệ số dư lượng Hình 4.2. Tiêu hao không khí, CNG và hệ số dư lượng không khí  ở các chế độ tải khác nhau ở 3000v/ph của không khí  ở các chế độ tải khác nhau ở 3000v/ph của động cơ CNG sử dụng bộ hòa trộn động cơ phun CNG Hình 4.1 chỉ ra sự thay đổi ge, tiêu hao không khí và sự thay đổi của hệ số dư lượng không khí  của động cơ CNG sử dụng bộ hòa trộn khi tăng tải. Đồ thị cho thấy khi tăng tải, tiêu hao CNG và tiêu hao không khí của động cơ tăng đều đặn đảm bảo hệ số dư lượng không khí lambda  của động cơ thay đổi dao động trong phạm vi nhỏ từ 1 ÷ 1,07. Điều này khẳng định hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn đã thiết kế chế tạo đáp ứng được yêu cầu đặt ra. Do vậy, thiết bị cung cấp CNG này đảm bảo độ tin cậy để nghiên cứu thực nghiệm đánh giá tính năng làm việc của động cơ với CNG. Hình 4.2 thể hiện sự thay đổi ge, tiêu hao không khí và sự thay đổi của hệ số dư lượng 50 RON 92 không khí  của động cơ sử dụng hệ thống phun 40 Phun CNG+PG Công suất (kW) Phun CNG CNG đã thiết kế trang bị. Đồ thị cho thấy  của Bộ trộn CNG 30 động cơ CNG sử dụng hệ thống phun CNG thay đổi dao động từ 0,99 ÷ 1,03 trong toàn bộ phạm vi 20 tải, tức là  chỉ dao động trong phạm vi 4% và giá 10 trị rất gần 1 nên đảm bảo động cơ cho tính năng 0 kinh tế, kỹ thuật và phát thải tốt hơn hệ thống 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn. Kết quả kiểm Tốc độ động cơ (v/p) tra này cũng khẳng định hệ thống phun CNG được trang bị đảm bảo độ tin cậy và đáp ứng được Hình 4.3. Ne ở đặc tính ngoài khi sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun yêu cầu nghiên cứu sử dụng CNG trên động cơ CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro chuyển đổi.
19 4.2.2. Đánh giá chỉ tiêu công suất của động cơ Đối với trường hợp sử dụng CNG với bộ hòa trộn, công suất động cơ giảm khá lớn, trung bình giảm 20,8% trên toàn dải tốc độ khảo nghiệm, trong khi đối với trường hợp sử dụng hệ thống phun CNG, công suất động cơ chỉ giảm trung bình khoảng 15,9% so với khi sử dụng xăng RON 92 (hình 4.3). 4.2.2. Đánh giá tiêu hao nhiên liệu của động cơ 400 450.00 liệu ge (g/kW.h) 375 RON 92 Bộ trộn CNG RON 92 hao nl (g/kW.h) Phun CNG 400.00 Bộ trộn CNG 350 Phun CNG+PG Phun CNG g (g/kW.h) Phun CNG+PG (g/kW.h) 325 350.00 300 ge nhiên 275 300.00 Suất tiêu e Suất tiêu hao 250 250.00 225 200 200.00 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 0 5 10 15 20 25 30 35 Tốc độ động cơ (v/p) Công suất động cơ Ne (kW) n (v/ph) Ne (kW) Hình 4.4. ge ở đặc tính ngoài khi sử dụng xăng RON Hình 4.5. ge ở đặc tính tải ở 3000v/ph khi sử dụng 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Tiêu hao nhiêu liệu ở đặc tính ngoài và đặc tính tải đươc thể hiện trên hình 4.4 và hình 4.5. Ở đặc tính ngoài (hình 4.4), nói chung ge khá cao ở tốc độ nhỏ (trên 350g/kW.h ở 1000v/ph), giảm nhanh khi tốc độ tăng và đạt nhỏ nhất ở vùng tốc độ 2500v/ph ÷ 3500v/ph. Đây là vùng tốc độ làm việc kinh tế và cũng là vùng tốc độ làm việc thường xuyên của động cơ. Khi sử dụng CNG với bộ hòa trộn, ge giảm trung bình khoảng 2,4% so với xăng. Khi phun CNG thì ge thấp hơn 3,1% so với hệ thống cấp CNG bằng bộ hòa trộn và thấp hơn 5,4% so với khi sử dụng xăng RON 92. Trường hợp phun CNG và bổ sung phụ gia thì ge giảm trên toàn dải tốc độ, trung bình 5,0%, so với phun CNG không bổ sung phụ gia. Ở đặc tính tải (hình 4.5), ge của động cơ sử dụng CNG khá cao ở tải nhỏ và còn cao hơn của động cơ sử dụng xăng ở tải này. Trên toàn dải công suất, khi sử dụng CNG thì ge được cải thiện nhiều so với xăng, tỷ lệ cải thiện trung bình tương tự như ở đặc tính ngoài. Đặc biệt, ở trường hợp phun CNG+PG, thì ge của động cơ được cải thiện trên toàn dải công suất, mức cải thiện so với trường hợp phun CNG không bổ sung phụ gia từ 5% ÷ 6%. 4.2.3. Đánh giá phát thải của động cơ a. Phát thải CO Kết quả đo hàm lượng phát thải CO ở đặc tính ngoài của động cơ được thể hiện trên hình 4.6. Mức giảm phát thải CO từ 65 ÷ 95%, trung bình giảm khoảng 80%. Phát thải CO của động cơ phun CNG có cải thiện so với động cơ CNG sử dụng bộ hòa trộn nhưng mức cải thiện không nhiều. Trong khi đó, bổ sung phụ gia Maz trong động cơ phun CNG (CNG+PG) giúp giảm đáng kể với mức giảm trung bình 35%. 9000 1800 8000 1600 Bộ trộn CNG Nồng độ CO (ppm) Nồng độ CO (ppm) 7000 Phun CNG 6000 1400 Phun CNG+PG RON 92 1200 5000 Bộ trộn CNG 4000 Phun CNG 1000 Phun CNG+PG 3000 800 2000 1000 600 0 400 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Tốc độ động cơ (v/p) Tốc độ nđộng cơ (v/p) n (v/ph) (v/ph) Hình 4.6. Phát thải CO ở toàn tải ở tốc độ khác nhau khi động cơ sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro
20 Phát thải CO ở các chế độ tải khác nhau thể hiện trên đồ thị hình 4.7, cho thấy CO giảm nhiều so với khi động cơ sử dụng xăng, cụ thể CO giảm từ 80 ÷ 85%, trung bình giảm 83%. Động cơ CNG có phụ gia thì CO giảm ít ở tải nhỏ và trung bình, nhưng giảm mạnh ở tải lớn, mức giảm từ 10 ÷ 40%, trung bình giảm 25%, so với khi không có phụ gia. 8000 1000 RON 92 Bộ trộn CNG 7000 Bộ trộn CNG 900 Nồng độ CO (ppm) Phun CNG Nồng độ CO (ppm) 6000 Phun CNG Phun CNG+PG 800 Phun CNG+PG 5000 700 4000 600 3000 500 2000 1000 400 0 300 0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 35 Công suất động cơ (kW) Công suất động cơ (kW) Ne (kW) Ne (kW) Hình 4.7. Phát thải CO ở các chế độ tải ở tốc độ 3000v/ph khi động cơ sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro b. Phát thải HC 2000 250 1800 Bộ trộn CNG Nồng độ HC (ppm) 1600 Nồng độ HC (ppm) Phun CNG 200 1400 Phun CNG+PG 1200 RON 92 1000 Bộ trộn CNG 150 800 Phun CNG Phun CNG+PG 600 100 400 200 0 50 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Tốc độ nđộng Tốc độ động cơ (v/p) (v/ph)cơ (v/p) n (v/ph) Hình 4.8. Phát thải HC ở toàn tải ở tốc độ khác nhau khi động cơ sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro Phát thải HC ở đặc tính ngoài của động cơ được thể hiện trên hình 4.8, cho thấy HC giảm từ 82% ÷ 95%, trung bình 85%, so với khi sử dụng xăng trên toàn dải tốc độ. Động cơ CNG khi được bổ sung phụ gia Maz-nitro, có phát thải HC giảm từ 5% ÷ 48% ở các tốc độ khác nhau so với khi không bổ sung phụ gia. Mức giảm HC trung bình trên toàn dải tốc độ là 27%. 2000 450 1800 RON 92 400 Bộ trộn CNG Bộ trộn CNG Nồng độ HC (ppm) Nồng độ HC (ppm) 1600 350 Phun CNG Phun CNG 1400 Phun CNG+PG Phun CNG+PG 1200 300 1000 250 800 200 600 150 400 200 100 0 50 0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 35 Công suất Neđộng (kW)cơ (kW) Công suất động cơ (kW) N e (kW) Hình 4.9. Phát thải HC ở các chế độ tải ở 3000v/ph khi động cơ sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro Ở các chế độ tải khác nhau ở 3000v/ph (hình 4.9), phát thải HC của động cơ sử dụng CNG giảm từ 56% ÷ 79%, trung bình giảm 68% so với khi sử dụng xăng. Còn khi động cơ khi sử dụng CNG có bổ sung phụ gia Maz-nitro thì HC còn giảm thêm nữa, giảm từ 32% ÷ 36%, trung bình giảm 34%, so với khi sử dụng CNG không phụ gia.