Trang chủ / Tài liệu miễn phí / Luận Án Tiến Sĩ

Ảnh Hưởng Của Tốc Độ Động Cơ Đến Công Suất Và Công Chỉ Thị Chu Trình


320

35

300

31

280

27

260

23

240

19

220

15

2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

n (v/ph)

4000

NOx

3000

HC

CO

T

2000

1000

0

2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

n (v/ph)

CO, HC, NOx (ppm), T (K)

Bảng 3.8: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến công suất và công chỉ thị chu trình


n(v/ph)

2000

3000

3500

4000

4500

5000

Wi(J/ct)

315,0586

294,4795

272,5143

262,4732

248,7857

235,2216

Pe(kW)

17,85332

25,03076

27,02434

29,74697

31,72017

33,32307

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 178 trang tài liệu này.

Nghiên cứu quá trình cháy và phát thải ô nhiễm động cơ hybrid biogas-xăng - 13


Wi (J/xl/ct)

Pe (kW)

Hình 3.35: Biến thiên công chỉ thị chu trình (a), nhiệt độ và nồng độ các chất ô nhiễm

(b) theo tốc đô động cơ (M7C3-30G, =1, s=25oTK)

Bảng 3.8 và hình 3.35a cho thấy khi tăng tốc độ từ 2000 vòng/phút lên 5000 vòng/phút thì công chỉ thị chu trình giảm 25%. Phát thải CO, HC, các hình 3.34 e, f cho thấy khi tăng tốc độ động cơ thì nồng độ CO, HC trong khí thải tăng. Điều này là do khi tăng tốc độ động cơ thì thời gian cháy rút ngắn dẫn đến cháy không hoàn toàn. Hình 3.34b cho thấy khi tốc độ động cơ tăng thì phát thải CO và HC đều tăng rất đáng kể.

Như vậy để cải thiện tính năng và giảm phát thải ô nhiễm chúng ta cần đánh lửa sớm hơn khi tăng tốc độ động cơ.

3.4.5. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm

Như đã trình bày trên đây, khi tăng góc đánh lửa sớm thì áp suất và nhiệt độ cực đại tăng nhưng lại làm tăng áp suất quá trình nén và giảm áp suất trên đường giãn nở. Do đó ứng với một chế độ tốc độ động cơ và nhiên liệu cho trước chúng ta có một góc đánh lửa sớm tối ưu mà ở đó công chỉ thị chu trình đạt giá trị cao nhất.


45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

s(TK)

17

23

29

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

s(TK)

17

32

16

14

12

10

8

6

4

2

0

-2

120 150 180 210 240 270 300 330 360

(TK)

2500


2000


1500

1000


500


0

2400


2000


1600


1200


800


400

s(TK)

17 20 23

26 29 32

0

150 180 210 240 270 300 330 360

(TK)

T (K)

p (bar)

p (bar)

NOx (ppm)

HRR (J/TK)

(a) (b)


(c) (d)

(e) (f)

Hình 3.36: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến biến thiên áp suất (a), tốc độ tỏa nhiệt (b), nhiệt độ (c), NOx (d), CO (c) và HC (f) khi động cơ chạy bằng nhiên liệu M8C2-20G ở tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0


Hình 3.36a giới thiệu biến thiên công chỉ thị chu trình và công suất của động cơ theo góc đánh lửa sớm. Chúng ta thấy với nhiên liệu M8C2-20G và tốc độ động cơ 3000 vòng/phút thì góc đánh lửa sớm tối ưu khoảng 26 oTK. Nếu tăng góc đánh lửa sớm quá giá trị này thì công chỉ thị chu trình giảm, phát thải CO, HC cũng giảm nhẹ nhưng phát thải NOx lại tăng.

Do sự hiện diện của CO2 trong biogas nên tốc độ cháy của nhiên liệu giảm khi giảm hàm lượng CH4 trong biogas. Vì thế đối với biogas nghèo, việc bổ sung xăng sẽ giúp cải thiện quá trình cháy. Tuy nhiên khi tốc độ động cơ thay đổi thì góc đánh lửa sớm cũng cần được điều chỉnh để đạt được hiệu quả cháy cao nhất.

320

25

2000

310

24

1600

300

23

1200

290

22

NOx

CO HC T

280

21

800

270

20

17 20 23 26 29

32

400

20 22 24

26 28

s (TK)

30 32

s (TK)

Wi (J/xl/ct)

Pe (kW)

CO, HC, NOx (ppm), T (K)

Hình 3.37a,b,c,d giới thiệu biến thiên áp suất, tốc độ tỏa nhiệt và phát thải CO, HC khi động cơ chạy ở tốc độ 5000 vòng/phút, với nhiên liệu M7C3-30G, =1. So với trường hợp động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút bằng nhiên liệu M8C2-20G trên đây thì quy luật ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm không thay đổi. Tuy nhiên khi cùng góc đánh lửa sớm thì đỉnh đường cong tốc độ tỏa nhiệt dịch xa ĐCT hơn do tốc độ động cơ tăng và tốc độ cháy của hỗn hợp giảm. Mặt khác, phát thải CO, HC trong trường hợp nhiên liệu M7C3-30G, tốc độ 5000 vòng/phút cao hơn trường hợp M8C2- 20G, tốc độ 3000 vòng/phút do gia tăng hiện tượng cháy không hoàn toàn.


(a) (b)

Hình 3.37: Biến thiên công chỉ thị chu trình và công suất động cơ (a), biến thiên nồng độ các chất ô nhiễm theo góc đánh lửa sớm (nhiên liệu M8C2-20G, =1, n=3000 vòng/phút, BG=0)


30

30

25

25

20

20

s (TK)

20

35

15

15

10

s (20

10

5

5

0

0

14

12

10

8

6

4

2

0

-2

120 150 180 210 240 270 300 330 360

(TK)

p (bar)

p (bar)

HRR (J/TK)

Như đã trình bày trên đây, khi tăng góc đánh lửa sớm thì áp suất và nhiệt độ cực đại tăng nhưng lại làm tăng áp suất quá trình nén và giảm áp suất trên đường giãn nở. Do đó ứng với một chế độ tốc độ động cơ và nhiên liệu cho trước chúng ta có một góc đánh lửa sớm tối ưu mà ở đó công chỉ thị chu trình đạt giá trị cao nhất. Hình 3.37a giới thiệu biến thiên công chỉ thị chu trình và công suất của động cơ theo góc đánh lửa sớm. Chúng ta thấy với nhiên liệu M8C2-20G và tốc độ động cơ 3000 vòng/phút thì góc đánh lửa sớm tối ưu khoảng 26 oTK. Nếu tăng góc đánh lửa sớm quá giá trị này thì công chỉ thị chu trình giảm, phát thải CO, HC cũng giảm nhẹ nhưng phát thải NOx lại tăng.


(a) (b)


(c) (d)

Hình 3.38: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu M7C3-30G theo góc quay trục khuỷu tại tốc độ động cơ 5000 vòng/phút, =1 BG=0


Do sự hiện diện của CO2 trong biogas nên tốc độ cháy của nhiên liệu giảm khi giảm hàm lượng CH4 trong biogas. Vì thế đối với biogas nghèo, việc bổ sung xăng sẽ giúp cải thiện quá trình cháy. Tuy nhiên khi tốc độ động cơ thay đổi thì góc đánh lửa sớm cũng cần được điều chỉnh để đạt được hiệu quả cháy cao nhất. Hình 3.38a,b,c,d giới thiệu biến thiên áp suất, tốc độ tỏa nhiệt và phát thải CO, HC khi động cơ chạy ở tốc độ 5000 vòng/phút, với nhiên liệu M7C3-30G, =1. So với trường hợp động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút bằng nhiên liệu M8C2-20G trên đây thì quy luật ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm không thay đổi. Tuy nhiên khi cùng góc đánh lửa sớm thì đỉnh đường cong tốc độ tỏa nhiệt dịch xa ĐCT hơn do tốc độ động cơ tăng và tốc độ cháy của hỗn hợp giảm. Mặt khác, phát thải CO, HC trong trường hợp nhiên liệu M7C3-30G, tốc độ 5000 vòng/phút cao hơn trường hợp M8C2-20G, tốc độ 3000 vòng/phút do gia tăng hiện tượng cháy không hoàn toàn.

CO, HC, NOx (ppm), T (K)

Hình 3.39a giới thiệu biến thiên công chỉ thị chu trình và công suất động cơ theo góc đánh lửa sớm khi động cơ chạy bằng nhiên liệu M7C3-30G ở tốc độ 5000 vòng/phút. So sánh với hình 3.37a, chúng ta thấy đường cong Wi(s) cũng đạt đỉnh cực đại nhưng tương ứng với giá trị góc đánh lửa sớm 30 oTK. Điều này là do tốc độ cháy của nhiên liệu giảm và tốc độ động cơ tăng trong trường hợp nhiên liệu M7C3- 30G ở tốc độ 5000 vòng/phút. Hình 3.39b cho thấy khi tăng góc đánh lửa sớm trong trường hợp này thì chỉ có CO giảm rõ nét còn HC, NOx thay đổi không đáng kể.


5000


NOx CO HC T

4000


3000


2000


1000


0

20 23 26 29 32 35

s (TK)

(a)

(b)

Hình 3.39: Biến thiên công chỉ thị chu trình và công suất động cơ (a); biến thiên phát thải ô nhiễm (b) theo góc đánh lửa sớm (M7C3-30G,=1, n=5000 vòng/phút, BG=0)


3.5. Hài hòa giữa Wi và NOx

s1=20CA

s2=40CA

295

285

M8C2 M7C3 M6C4

s optimal

275

265

255

s1

s2

1

s

2

s

s1

s2

245

NOx (ppm)

0

1000

2000

3000

4000

Wi (J/cycle)

Sự hiện diện của CO2 trong biogas làm giảm tốc độ cháy của hỗn hợp. Do đó, việc tăng góc đánh lửa sớm là rất quan trọng để cải thiện hiệu quả quá trình cháy của động cơ biogas. Tuy nhiên khi tăng góc đánh lửa thì phát thải NOx cũng tăng. Vì thế cần tổ chức quá trình cháy sao cho góc đánh lửa sớm tối ưu càng bé càng tốt. Như đã đề cập ở trên, tốc độ cháy được cải thiện khi thêm xăng vào biogas, do đó góc đánh lửa sớm có thể giảm so với khi động cơ chạy bằng biogas.


Hình 3.40: Ảnh hưởng của thành phần biogas đến quan hệ giữa Wi và nồng độ NOx khi góc đánh lửa sớm thay đổi từ 20TK đến 40TK (nhiên liệu biogas-30% xăng, n=5000 vòng/phút, =1, BG=0)

Các kết quả nghiên cứu trên đây cho thấy biến thiên của Wi và NOx theo s là khác nhau. Do đó, chúng ta có thể xác định một giá trị tối ưu của s khi có sự hài hòa giữa Wi và NOx. Hình 3.40 tổng hợp mối tương quan giữa công chỉ thị chu trình và nồng độ NOx khi động cơ chạy ở tốc độ 5000 vòng/phút với biogas khác nhau được làm giàu 30% xăng. Góc đánh lửa sớm thay đổi từ 20TK đến 40TK. Trong mọi trường hợp, khi góc đánh lửa sớm nhỏ hơn giá trị tối ưu, tốc độ tăng Wi sẽ cao hơn tốc độ tăng nồng độ NOx. Nhưng sau giá trị này, tốc độ tăng nồng độ NOx cao hơn so với tốc độ tăng Wi. Do đó, để đạt được các giá trị hài hòa của nồng độ Wi và NOx, nên chọn góc đánh lửa sớm trên đường bao của các đường cong Wi-NOx. Cụ thể, góc


290

12000

280

10000

270


260

n(rpm)

: 2000

: 3000

: 4000

: 5000

8000

----: NOx

: Wi

6000

250

4000

240

2000

230

s(CA)

0

10

20

30

40

50

280

800

260

240

220

----: NOx

: Wi

200


180

Wi (J/cycle)

NOx (ppm)

Wi (J/cycle)

(ppm)

đánh lửa sớm trong phạm vi 28TK -35TK phù hợp với động cơ hoạt động ở tốc độ 5000 vòng/phút và được cung cấp biogas nào được làm giàu bằng 30% xăng.


(a) (b)

Hình 3.41: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên của Wi và NOx theo s khi động cơ chạy bằng nhiên liệu M7C3-30G (a) và khi chạy bằng biogas M7C3 (b) (= 1, đầy tải)

Hình 3.41a biểu diễn biến thiên của Wi và NOx theo s khi động cơ hoạt động ở các tốc độ khác nhau. Thấy rằng mỗi đường cong Wi(s) có đỉnh cực đại ở 20, 25, 29 và 33TK tương ứng với tốc độ động cơ 2000; 3000; 4000 và 5000 vòng/phút. Các giá trị này được coi là góc đánh lửa sớm tối ưu cho tốc độ động cơ tương ứng. Công chỉ thị chu trình là 291; 289; 285 và 283 J/chu kỳ tương ứng với tốc độ động cơ 2000; 3000; 4000 và 5000 vòng/phút. Công chỉ thị chu trình giảm 2,5% khi tốc độ động cơ tăng từ 2000 vòng/phút lên 5000 vòng/phút. Khi động cơ hoạt động với góc đánh lửa sớm tối ưu ở tốc độ 2000; 3000; 4000 và 5000 vòng/phút thì nồng độ NOx trong khí thải sẽ lần lượt là 3100; 2600; 2100 và 2000 ppm. Do đó, lượng khí thải NOx giảm 30% khi tốc độ động cơ tăng từ 2000 vòng/phút lên 5000 vòng/phút.

Khi không pha xăng vào biogas thì góc đánh lửa sớm tối ưu lớn hơn như hình 3.41b. Có thể thấy rằng giá trị tối ưu của s là 24; 30; 36 và 42TK tương ứng với tốc độ động cơ 2000; 3000; 4000 và 5000 vòng/phút. Wi tối đa tương ứng với các tốc độ này là 278; 269; 258 và 249 J/ct. Nồng độ NOx, tương ứng là 1590; 950; 800 và 700ppm. Công chỉ thị chu trình giảm 10% và NOx giảm 56% khi tốc độ động cơ tăng


4000

176

3000

s=25CA

172

s variable

2000

168

1000

----: Wi

: NOx

164

0

2500

n (rpm)

3000 3500 4000 4500

160

5000

NOx (ppm)

Wi (J/cycle)

từ 2000 vòng/phút lên 5000 vòng/phút. So với trường hợp động cơ cung cấp biogas, góc đánh lửa sớm tối ưu làm giảm 3TK và Wi, nồng độ NOx ít dao động hơn theo sự thay đổi của tốc độ động cơ khi thêm 30% xăng vào biogas M7C3 (Hình 3.42).


Hình 3.42: Biến thiên của p và NOx theo tốc độ động cơ khi s cố định và khi s tối ưu (M7C3-30G, = 1, 60% tải)

3.6. Kết luận

Kết quả nghiên cứu trên đây rút ra được những kết luận sau:

- Độ chân không cực đại đạt được ở khu vực gần họng venturi và về phía sau bướm ga. Độ chân không tại họng venturi tăng mạnh theo tốc độ động cơ. Khi đóng nhỏ bướm ga, sự phân bố áp suất chân không trên đường nạp không thay đổi nhiều so với khi bướm ga mở hoàn toàn nhưng giá trị tuyệt đối áp suất chân không tại họng venturi giảm 20% khi bướm ga đóng 30 độ so với khi động cơ chạy toàn tải.

- Hệ số tương đương của hỗn hợp giảm mạnh khi tăng tốc độ động cơ hoặc/và khi mở rộng bướm ga. Giải pháp cấp ga bằng một van chân không phổ biến hiện nay không phù hợp với việc cung cấp biogas nghèo cho động cơ. Với giải pháp này, nếu điều chỉnh hỗn hợp hợp lý ở tốc độ thấp thì ở tốc độ cao hỗn hợp quá loãng; nếu điều chỉnh hỗn hợp hợp lý ở tốc độ cao thì ở tốc độ thấp hỗn hợp quá đậm.

- Hệ thống cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng gồm van chân không cung cấp biogas và hệ thống phun xăng bổ sung hoạt động theo engine map được xác lập dựa

Xem tất cả 178 trang.

Ngày đăng: 17/10/2022
Trang chủ Tài liệu miễn phí