Mô Phỏng Quá Trình Cháy Và Phát Thải Ô Nhiễm Động Cơ Da465Qe Towner Sử Dụng

Như vậy thời gian mở vòi phun xăng để cung cấp nhiên liệu bổ sung cho động cơ chạy bằng nhiên liệu hybrid biogas-xăng phụ thuộc vào 3 thông số: tốc độ động cơ, góc mở bướm ga và độ chân không trung bình trên mặt cắt số 3. Mối quan hệ giữa thời gian mở vòi phun xăng và 3 thông số trên chính là engine map của động cơ chạy bằng biogas-xăng được cung cấp nhiên liệu theo phương thức hybrid.

Hình 3.14 giới thiệu engine map của động cơ DA465QE chạy bằng biogas- xăng. Động cơ nhận tín hiệu tốc độ và góc mở bướm ga để tính toán (nội suy) thời gian mở vòi phun xăng từ đó điều khiển vòi phun xăng cung cấp lượng nhiên liệu bổ sung theo yêu cầu.

3.4. Mô phỏng quá trình cháy và phát thải ô nhiễm động cơ DA465QE Towner sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng

Mô phỏng là kết quả áp dụng đồng bộ lý thuyết, giả thuyết và mô hình toán học mô tả ở chương 2. Các thông số đầu ra mô hình liên hệ chặt chẽ với nhau thông qua các quy luật khí động học, nhiệt động hóa học ….

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết ở chương 2 về hệ thống phương trình khí động học, mô hình dòng chảy rối k-, mô hình cháy hỗn hợp đồng nhất cục bộ, mô hình tia phun nhiên liệu lỏng và các mô hình hình thành các chất ô nhiễm, phần này sẽ tính toán ảnh hưởng các yếu tố khác nhau đến tính năng công tác của động cơ.

3.4.1. Ảnh hưởng của hệ số tương đương

Hình 3.15 giới thiệu ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên áp suất trong xi lanh và tốc độ tỏa nhiệt theo góc quay trục khuỷu khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút với nhiên liệu M6C4-20G. Góc đánh lửa sớm được giữ cố định ở 20oTK. Chúng ta thấy khi hỗn hợp giàu thì tốc độ tỏa nhiệt tăng sớm hơn và giá trị cực đại cao hơn trong trường hợp hỗn hợp nghèo do nồng độ nhiên liệu trong hỗn hợp cao hơn. Điều này làm cho áp suất tăng sớm hơn và đỉnh đường cong áp suất gần ĐCT hơn. Tuy nhiên khi hệ số tương đương cao hơn giá trị tối ưu thì áp suất cực đại không tăng nữa do hỗn hợp đậm đặc dẫn đến quá trình cháy không hoàn toàn (hình 3.16). Nếu hệ số tương đương tiếp tục tăng thì áp suất cực đại bắt đầu giảm, làm giảm diện tích đồ thị công dẫn đến giảm công chỉ thị chu trình (hình 3.17). Bảng 3.5 cho thấy đối với nhiên liệu M6C4-20G thì hệ số tương đương tối ưu khoảng 1,1.

Hình 3.15: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên áp suất và tốc độ tỏa nhiệt (nhiên liệu M6C4-20G, n=3000 v/ph, BG=0)

Hình 3.16: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên áp suất trong buồng cháy, nhiên liệu biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút.

Bảng 3.5: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến công suất và công chu trình

Hệ số 

0,9	0,95	1,0	1,05	1,1	1,15
n(vg/ph)	3000	3000	3000	3000	3000	3000
Wi(J/cyc)	270,7658	28,8604	292,8376	299,0797	301,1066	300,685
Pe(kW)	23,01509	23,95814	24,89119	25,42178	25,59406	25,55823

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 178 trang tài liệu này.

Hình 3.17: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến đồ thị công; nhiên liệu biogas‌

M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0.

Hình 3.18: Biến thiên nhiệt độ cháy khi thay đổi hệ số tương đương tại Biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0.

Hình 3.18 và hình 3.19 giới thiệu ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên của nhiệt độ và nồng độ NOx khi động cơ chạy bằng nhiên liệu M6C4-20G. Có thể thấy với hàm lượng xăng cho trước, các đường cong T, NOx đạt giá trị cực đại ứng với hệ số tương đương tối ưu =1,1. Khi hệ số tương đương nhỏ hơn hay lớn hơn

giá trị tối ưu thì nhiệt độ cháy đều giảm. Nồng độ NOx phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ cháy do đó cũng giảm khi hỗn hợp giàu hay nghèo. Hình 3.18 cho thấy nhiệt độ cháy bắt đầu giảm khi  lớn hơn 1,2. Tương tự như vậy nồng độ phát thải NOx cũng bắt đầu giảm khi  lớn hơn 1,1.

Hình 3.19: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến nồng độ NOx khi động cơ chạy tại biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0

(a)

(b)

Hình 3.20: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến nồng độ CO (a) và nồng độ HC (b) theo góc quay trục khuỷu tại biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút.

Thành phần CO và HC trong khí thải phụ thuộc mạnh vào hệ số tương đương của hỗn hợp và trạng thái cân bằng động học phản ứng. Khi hỗn hợp nghèo, nhiên liệu cháy hoàn toàn nên thành phần CO, HC gần như bằng 0. Với thành phần hỗn hợp cháy hoàn toàn (=1), về lý thuyết thì hỗn hợp cháy hoàn toàn, không phát sinh CO và HC. Hỗn hợp càng giàu ( lớn) thì phát thải CO, HC càng lớn). Tuy nhiên do phân bố hỗn hợp không hoàn toàn đồng nhất và do các phản ứng cân bằng nhiệt động học, trong sản phẩm cháy vẫn tồn tại một tỉ lệ nhất định CO, HC trong trường hợp hỗn hợp nghèo (hình 3.20a và hình 3.20b).


(a)		(b)

Hình 3.21: Biến thiên nhiệt độ và phát thải ô nhiễm (a), biến thiên công chỉ thị chu trình và công suất động cơ (b) theo hệ số tương đương (nhiên liệu M6C4-20G, n=3000 v/ph, s=20oTK, BG=0)

Hình 3.21a, b biểu diễn biến thiên tính năng công tác và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ theo hệ số tương đương. Chúng ta thấy trong khoảng hệ số tương đương 0,9-1,15 thì nhiệt độ cháy chỉ thay đổi nhẹ, nồng độ NOx đạt giá trị cực đại tương ứng với  khoảng 1,1. 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.

Các kết quả trên cho thấy để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm thì chúng ta cần phối hợp nhiên liệu và tổ chức quá trình cháy sao

cho hệ số tương đương tối ưu càng gần giá trị cháy hoàn toàn lý thuyết càng tốt.

3.4.2. So sánh tính năng động cơ khi chạy bằng biogas/xăng

G100 M100 G5M5 M8C2 M7C3

M6C4

150

180

210

240

270

300

(TK)

G100

p (bar)

Trước khi đánh giá ảnh hưởng thành phần nhiên liệu đối với quá trình cháy chúng ta nghiên cứu tính năng của động cơ khi chạy bằng xăng, methane, hỗn hợp 50% xăng + 50% methane và khi chạy bằng biogas có thành phần CH4 khác nhau. Động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, góc đánh lửa sớm được giữ cố định ở 20oTK.

(a) (b)

Hình 3.22: Biến thiên áp suất trong xi lanh (a) và đồ thị công (b) khi động cơ chạy bằng xăng, methane, hỗn hợp xăng-methane và biogas (n=3000 v/ph, =1,

s=20oTK, BG=0)

Các hình 3.22a, b cho thấy cùng điều kiện tốc độ, góc đánh lửa sớm và hệ số tương đương thì áp suất cực đại và đồ thị công khi chạy bằng xăng lớn nhất. Khi chạy bằng xăng, do bốc hơi nhiên liệu lỏng làm giảm nhiệt độ nên hệ số nạp của động cơ tăng làm tăng công chỉ thị chu trình. Khi động cơ chạy bằng khí methane do nhiên liệu khí choán chỗ, làm giảm hệ số nạp nên công chỉ thị chu trình nhỏ hơn trường hợp chạy bằng xăng. Khi động cơ chạy bằng biogas, do thành phần khí trơ CO2 có mặt trong biogas làm nhiệt trị của nhiên liệu và giảm hệ số nạp của động cơ nên công chỉ thị chu trình giảm khi giảm hàm lượng CH4.

Bảng 3.6: Công suất, công chu trình của động cơ chạy bằng xăng, methane, biogas

Nhiên liệu

G100	M100	G5M5	M8C2	M7C3	M6C4
n(v/ph)	3000	3000	3000	3000	3000	3000
Wi(J/cyc)	314,6992	274,3141	307,7635	255,7069	243,6802	228,4625
Pe(kW)	26,74943	23,3167	26,1599	21,73508	20,71281	19,41931

Hình 3.23: So sánh công chỉ thị chu trình và công suất động cơ khi chạy bằng các loại nhiên liệu khác nhau

Bảng 3.6 và hình 3.23 giới thiệu kết quả tính công chỉ thị chu trình và công suất của động cơ khi chạy bằng xăng, methane và biogas. Chúng ta thấy khi chạy bằng methane (M100) thì công chỉ thị chu trình giảm 13% do giảm hệ số nạp như đã giải thích trên đây. Khi chạy bằng biogas M6C4 thì công chỉ thị chu trình giảm 27% so với xăng, giảm 17% so với methane và giảm 10,5% so với biogas M8C2.

Hình 3.24a, b, c, d giới thiệu biến thiên nhiệt độ, nồng độ NOx, CO và HC theo góc quay trục khuỷu. Chúng ta thấy nhiệt độ cháy cực đại của xăng cao nhất nhưng nhiệt độ khí thải khi chạy bằng các loại nhiên liệu khác nhau không chênh lệch nhau nhiều. Nhiệt độ cháy của M6C4 thấp nhất. Do tốc độ sản sinh NOx phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ nên phát thải NOx cao nhất khi chạy bằng xăng và thấp nhất khi chạy bằng M6C4 (hình 3.24b). Khi động cơ chạy bằng methane thì phát thải CO và HC

2000

1600

G100

1200

M100

G5M5M8C2

M7C3M6C4

800

400

150 180 210 240 270 300 330 360

(TK)

NOx (ppm)

thấp nhất do tốc độ cháy cao, thể hiện qua độ dốc đường cong HC trên hình 3.24d. Khi động cơ chạy bằng biogas thì phát thải CO, HC cao hơn. Biogas càng nghèo thì phát thải CO, HC càng lớn. Điều này là do tốc độ cháy của biogas thấp, dẫn đến quá trình cháy không hoàn toàn.

G100

M100

G5M5

M8C2

M7C3

M6C4

150 180 210 240 270 300 330 360

(TK)

HC (%)

(a) (b)

Hình 3.24: Ảnh hưởng của nhiên liệu đến biến thiên nhiệt độ (a), nồng độ NOx (b), nồng độ CO (c) và nồng độ HC (d) theo góc quay trục khuỷu

Hình 3.25 tổng hợp so sánh phát thải ô nhiễm khi động cơ chạy bằng các loại nhiên liệu khác nhau. Chúng ta thấy khi động cơ 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. Như vậy để có thể hài hòa mức độ phát thải các chất ô nhiễm khác nhau mà không