làm giảm tính năng công tác của động cơ, chúng ta có thể phối hợp sử dụng xăng/biogas, tức phối hợp xăng/methane/carbonic.
Hình 3.25: So sánh phát thải ô nhiễm khi động cơ chạy bằng các loại nhiên liệu khác nhau ở tốc độ 3000 v/ph, hệ số tương đương =1, góc đánh lửa sớm s=20oTK, BG=0
3.4.3. Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas
3.4.3.1. Biogas M6C4
Khi tăng hàm lượng xăng trong hỗn hợp nhiên liệu thì năng lượng nhiên liệu mang vào động cơ tăng. Mặt khác do giảm khí trơ CO2 nên quá trình cháy được cải thiện. Nhờ đó tốc độ tỏa nhiệt tăng (hình 3.28) làm tăng áp suất cực đại của quá trình cháy (hình 3.27). Công chỉ thị chu trình của động cơ được cải thiện đáng kể khi bổ sung xăng vào biogas như trong hình 3.26b. Bảng 3.7 cho thấy công chu trình tăng từ 228J/chu kỳ lên 315J/chu kỳ tương ứng với biogas M6C4 và xăng. Điều này có thể được giải thích do sự gia tăng tốc độ cháy và giảm lượng khí trơ CO2 trong hỗn hợp nhiên liệu. Sự gia tăng tốc độ cháy làm dịch chuyển các đỉnh của đường cong nhiệt độ và áp suất về gần ĐCT, do đó nhiệt độ và áp suất cực đại gia tăng khi tăng hàm lượng xăng. Áp suất cực đại của động cơ tăng từ 27 bar lên 35 bar và nhiệt độ cực đại tăng từ 2100K lên 2300K tương ứng với khi động cơ chạy bằng biogas M6C4 và xăng (hình 3.26a và hình 3.26b).
40 G0 32G20 G40 24G60 G80 16G100 8 0 0 60 120 180 240 300 V (cm3) (b) |
Có thể bạn quan tâm!
-
Mô Phỏng Quá Trình Cấp Nhiên Liệu Và Quá Trình Cháy Trong Động Cơ Sử Dụng Nhiên -
Kết Quả Mô Phỏng Quá Trình Cung Cấp Nhiên Liệu Hybrid Biogas-Xăng -
Mô Phỏng Quá Trình Cháy Và Phát Thải Ô Nhiễm Động Cơ Da465Qe Towner Sử Dụng Nhiên Liệu Hybrid Biogas-Xăng -
Ảnh Hưởng Của Tốc Độ Động Cơ Đến Công Suất Và Công Chỉ Thị Chu Trình -
Nghiên Cứu Thực Nghiệm Và Đánh Giá Kết Quả Mô Phỏng Động Cơ Sử Dụng Nhiên Liệu -
Đường Đặc Tính Của Băng Thử Công Suất Động Cơ Apa204/e/0943
Xem toàn bộ 178 trang tài liệu này.
40
32
24
G0 G20 G40 G60 G80
G100
16
8
0
150
180
210 240
(TK)
270
300
p (bar)
p (bar)
Hình 3.26: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M6C4 đến công chỉ thị chu trình (b), nhiệt độ (a) khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, BG=0
Hình 3.27: Ảnh hưởng của thành phần xăng bổ sung vào biogas M6C4 đến biến thiên áp suất tại động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, BG=0.
Với thành phần biogas cho trước, sự thay hàm lượng xăng trong khí biogas cũng ảnh hưởng đến công chỉ thị chu trình. Như mô tả hình 3.27, biogas M6C4 (60% CH4, 40%CO2) áp suất cực đại tăng từ 32 bar lên 40 bar. Điều này giải thích là do năng lượng cung cấp cho động cơ gia tăng khi tăng hàm lượng xăng.
Hình 3.28: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng đến biến thiên tốc độ tỏa nhiệt và áp suất trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu
Bảng 3.7: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas đến công suất và công chu trình của động cơ
G0 | G20 | G40 | G60 | G80 | G100 | |
n(v/ph) | 3000 | 3000 | 3000 | 3000 | 3000 | 3000 |
Wi(J/cyc) | 228,4625 | 292,8376 | 304,0602 | 301,7375 | 312,9776 | 314,6992 |
Pe(kW) | 19,41931 | 24,89119 | 25,84511 | 25,64769 | 26,6031 | 26,74943 |
Hình 3.29: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M6C4 nồng độ NOx khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, BG=0
Sự gia tăng tốc độ tỏa nhiệt và nhiệt độ cháy là nguyên nhân chính của sự gia tăng nồng độ NOx trong khí thải. Hình 3.29 trình bày ảnh hưởng của hàm lượng xăng trong biogas M6C4 đến biến thiên nồng độ NOx trong hỗn hợp cháy. Kết quả cho thấy nồng độ NOx tăng đáng kể khi tăng hàm lượng xăng. Khi hàm lượng xăng dưới 20% (G20), nồng độ NOx tăng mạnh. Tuy nhiên khi hàm lượng xăng cao hơn 20%, nồng độ NOx tăng nhẹ. Điều này tương ứng với sự gia tăng nhiệt độ cháy (hình 3.28a). Cụ thể, nồng độ NOx trong khí thải dưới 1200 ppm khi hàm lượng xăng trong khí biogas thấp hơn 20%, nhưng đạt khoảng 2000ppm khi bổ sung 100% hàm lượng xăng vào biogas.
(a) | (b) |
Hình 3.30: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào nhiên liệu biogas M6C4 đến nồng độ CO (a) và nồng độ HC (b) theo góc quay trục khuỷu (khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, BG=0
Hình 3.30 giới thiệu ảnh hưởng của hàm lượng xăng đến biến thiên nồng độ HC và CO theo góc quay trục khuỷu. Mức độ phát thải HC và CO đều giảm nhẹ khi tăng hàm lượng xăng trong hỗn hợp với nhiên liệu biogas. Khi hệ số tương đương
=1, phát thải HC gần như bằng 0 đối với nhiên liệu biogas pha xăng với các thành phần khác nhau. Tuy nhiên nồng độ CO trong khí thải giảm trung bình từ 0,24% khi chạy bằng biogas xuống 0,13% khi chạy bằng biogas-xăng (Hình 3.30).
3.4.3.2. Biogas M7C3
Theo phân tích ở phần trên, khi tăng hàm lượng CH4 trong biogas thì Wi và NOx có xu hướng tăng còn phát thải CO và HC có xu hướng giảm.
T (K)
p (bar)
Các hình 3.31 và 3.32 cho thấy ảnh hưởng của hàm lượng xăng pha vào biogas M7C3 đến biến thiên áp suất, nhiệt độ và nồng độ các chất ô nhiễm cũng theo quy luật tương tự như trong trường hợp biogas M6C4 đã mô tả trên đây. Tuy nhiên do tăng hàm lượng CH4 trong biogas và giảm hàm lượng khí trơ CO2 nên chất lượng quá trình cháy được cải thiện làm tăng công chỉ thị chu trình và tăng phát thải NOx ứng với một hàm lượng xăng pha vào biogas cho trước. Trong khi đó ảnh hưởng của hàm lượng xăng đến phát thải CO và HC trong trường hợp M7C3 không khác biệt nhiều so với trường hợp M6C4.
40 G0 32 G5 G 24 16 8 0 (b) |
NOx (ppm)
Hình 3.31: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M7C3 đến công chỉ thị chu trình (a), nhiệt độ (b) khi động cơ chạy ở tốc độ n=3000 v/ph, =1, BG=0
(a) |
(b) | (c) |
Hình 3.32: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung bào nhiên liệu biogas M7C3 đến biến thiên nồng độ NOx (a), HC (b) và CO (c) theo góc quay trục khuỷu (khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, BG=0
Hình 3.33 a, b, c giới thiệu biến thiên công chu trình, công suất, nhiệt độ và nồng độ các chất ô nhiễm theo hàm lượng xăng pha vào biogas M7C3. Kết quả cho thấy công chỉ thị chu trình tăng rất nhanh khi hàm lượng xăng nhỏ hơn 30% (hình 3.33b). Vượt quá giá trị này, công chỉ thị chu trình (tương ứng là công suất của động cơ) tăng chậm theo hàm lượng xăng. Điều này có thể giải thích ảnh hưởng của xăng đến việc cải thiện tốc độ cháy đạt mức tối ưu ứng với hàm lượng xăng khoảng 30%. Tương ứng với mức tăng công chỉ thị chu trình là giảm phát thải CO, HC (hình 3.33a). Nồng độ các chất ô nhiễm này giảm nhanh theo hàm lượng xăng khi hàm lượng xăng nhỏ hơn 30%. Sau giá trị này, mức độ giảm CO, HC không đáng kể do tốc độ cháy không còn cải thiện nhiều khi hàm lượng xăng cao. Ngược lại với CO và HC, nồng độ NOx tăng mạnh khi hàm lượng xăng thấp hơn 30%.
Kết quả nghiên cứu này cho thấy có thể đạt được sự hài hòa giữa tăng công chỉ thị chu trình và giảm phát thải ô nhiễm đồng thời tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch khi chọn hàm lượng 30% xăng pha vào biogas M7C3.
2500
2000
1500
1000
NOx
HC
CO
T
500
0
0
20
40
60
80
100
G (%)
320
35
300
31
280
27
260
23
240
19
220
15
0 20 40 60 80 100
G (%)
CO, HC, NOx (ppm), T (K)
Wi (J/xl/ct)
Pe (kW)
Như đã phân tích trên đây, do ảnh hưởng của thành phần biogas đến tính năng và phát thải ô nhiễm không đáng kể nên chúng ta có thể chọn giá trị hàm lượng xăng tối ưu trung bình để pha vào biogas M7C3 là 30%.
(a) (b)
Hình 3.33: Biến thiên công chỉ thị chu trình (b),(a) nhiệt độ và nồng độ các chất ô nhiễm theo hàm lượng xăng trong biogas M7C3, BG=0
3.4.4. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ
Khi cố định góc đánh lửa sớm, thời gian dành cho quá trình cháy giảm khi tốc độ động cơ tăng, nên quá trình cháy sẽ tiếp tục trong hành trình giãn nở. Hình 3.34b cho thấy đỉnh đường cong tốc độ tỏa nhiệt dịch ra xa ĐCT khi tăng tốc độ động cơ. Do đó đỉnh của đường cong áp suất cũng rời xa ĐCT dẫn đến giảm áp suất và nhiệt độ tối đa. Mặt khác, khi tăng tốc độ động cơ thì hệ số nạp giảm dẫn đến giảm công chỉ thị chu trình.
Hình 3.34a cho thấy áp suất tối đa giảm từ 41 bar xuống 21 bar và nồng độ NOx giảm từ 3500ppm xuống 300ppm khi tốc độ động cơ tăng từ 2000 vòng/phút lên 5000 vòng/phút với góc đánh lửa sớm s cố định ở 25oTK. Hình 3.34c biểu diễn ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến đồ thị công khi góc đánh lửa sớm cố định. Khi tốc độ động cơ tăng từ 2000 vòng/phút lên 5000 vòng/phút, Wi giảm từ 315 J/ct xuống 235 J/ct trong trường hợp góc đánh lửa sớm cố định ở 25oTK.
48
40
h)
00
30
32
24
16
8
0
n (v/p
20
48
40
32
n (v/ph)
2000
3000
3500
4000
4500
5000
16
8
0
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
n (v/ph)
2000
5000
24
14
12
10
8
6
4
2
0
-2
150
180 210 240
(TK)
270 300
120 150 180 210 240 270 300 330 360
(TK)
p (bar)
p (bar)
p (bar)
HRR (J/ CA)
(a) (b)
3600
3000
2400
1800
n (v/ph)
2000 3000
3500 4000
4500 5000
1200
600
0
150 180 210 240 270 300
(TK)
330 360
NOx (ppm)
(c)
4
3
2
n (v/ph)
2000
3000
3500
4000
4500
5000
1
0
150 180 210 240 270 300 330 360
(TK)
HC (%)
(d)
(e) (f)
Hình 3.34: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến tính năng kỹ thuật và phát thải ô nhiễm của động cơ (M7C3-30G, =1, s=25oTK, BG=0)