Lọc biogas
Nén
biogas
Không khí
Hầm biogas
Lưu lượng kế không khí
Bướm ga xăng
Van chân không
Van biogas
Túi chứa biogas
Hỗn hợp khí
Bướm ga
biogas
Không khí
Hình 4.14: Quy trình chuẩn bị biogas và cung cấp nhiên liệu cho động cơ
Tại mỗi loạt thí nghiệm, bướm ga đường nạp xăng được cố định. Do áp suất trên đường nạp và độ mở bướm ga không thay đổi nên ECU điều khiển lượng phun xăng gần như cố định. Việc điều chỉnh thành phần hỗn hợp của nhiên liệu hybrid được thực hiện nhờ điều chỉnh bướm ga đường cung cấp biogas. Trong thí nghiệm, các bướm ga này được điều khiển độc lập bằng tay. Sau mỗi thí nghiệm, lượng xăng tiêu hao được xác định nhờ thiết bị đo AVL còn lượng biogas tiêu thụ được xác định qua thể tích của túi chứa biogas trước khi thí nghiệm.
4.7.3. Lắp đặt động cơ thí nghiệm lên băng thử công suất
Hình 4.15: Lắp đặt động cơ DA465QE trên băng thử AVL
Động cơ DA465QE được tháo rời cụm ly hợp-hộp số trước khi lắp lên băng thử APA 204 đảm bảo độ sai lệch của tâm trục khuỷu động cơ và tâm mặt bích lắp ghép của APA cho phép không quá 1mm. Trong quá trình lắp động cơ lên băng thử cần tiến hành sử dụng các loại đồng hồ so, thiết bị kiểm tra góc nghiêng mặt phẳng để kiểm tra và hiệu chỉnh sai lệch. Trước khi thí nghiệm cần chạy thử hệ thống, theo dõi diễn biến nhiệt độ động cơ khi tăng tốc qua đó đánh giá hiệu suất làm mát của thiết bị AVL 553, kiểm tra cơ cấu điều khiển tay ga, kiểm tra các thông số của động cơ và băng thử hiển thị trên màn hình máy tính điều khiển.
Hình 4.15 giới thiệu động cơ DA456QE lắp trên băng thử công suất động cơ AVL để chuẩn bị tiến hành thử nghiệm nhiên liệu hybrid.
4.7.4. Chế độ thí nghiệm
Khi chạy bằng xăng, động cơ DA465QE phát công suất cực đại 35 kW ở tốc độ 5000 vòng/phút và mô men xoắn cực đại là 72Nm ở tốc độ 3500 vòng/phút. Trước khi thử nghiệm, động cơ chạy bằng xăng và đo đạc tại một số điểm nhất định để kiểm tra tính ổn định của hệ thống. Sau đó, cung cấp nhiên liệu hybrid cho động cơ và tiến hành đo tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm.
Động cơ lắp trên thiết bị vận tải đường bộ phải thường xuyên làm việc trong điều kiện thay đổi lớn cả về tốc độ lẫn mô men. Thông thường giữa số vòng quay và công suất của động cơ loại này không có mối quan hệ đơn trị. Ở bất kỳ tốc độ nào cho trước, công suất động cơ đều có thể thay đổi từ 0 đến công suất cực đại. Trong điều kiện sử dụng thực tế, phần lớn thời gian động cơ ô tô đều hoạt động ở các chế độ không tải, tải nhỏ và tải trung bình, ít khi động cơ hoạt động ở chế độ tải lớn và đặc biệt là chế độ tải lớn tốc độ cao. Chế độ hoạt động thường xuyên của động cơ phun xăng cần đảm bảo ít tiêu hao nhiên liệu và phát thải ô nhiễm thấp. Ở chế độ tải nhỏ ít khi động cơ làm việc ở tốc độ dưới 1500 vòng/phút. Mô men của động cơ thường không vượt quá 70% mô men cực đại.
Như đã trình bày ở đầu chương này, thí nghiệm được thực hiện giới hạn trên đường đặc tính ngoài (đối với biogas). Chế độ thử nghiệm thay đổi theo tốc độ, thành phần biogas và hàm lượng xăng.
Hàm lượng xăng phối hợp biogas được xác định theo thành phần mol. Sau mỗi loạt phép đo ổn định, ta xác định được thể tích biogas tiêu thụ và khối lượng xăng tiêu thụ. Trên cơ sở đó chúng ta tính được số mol xăng và số mol biogas, từ đó xác định hàm lượng xăng.
4.8. Kết quả thực nghiệm và so sánh với kết quả mô phỏng
4.8.1. So sánh tính năng động cơ
Qxl yi.QLHV i | (4.1) |
Có thể bạn quan tâm!
-
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 -
So Sánh Đường Đặc Tính Ngoài Mô Men Và Công Suất Cho Bởi Mô Hình Và Thực Nghiệm Khi Động Cơ Chạy Bằng Xăng (A), Biogas M7C3 (B) Và Nhiên Liệu M7C3- -
Nghiên cứu quá trình cháy và phát thải ô nhiễm động cơ hybrid biogas-xăng - 18 -
Mô Phỏng Quá Trình Cấp Nhiên Liệu Và Quá Trình Cháy Trong Động Cơ Sử Dụng Nhiên Liệu Hybrid Biogas-Xăng
Xem toàn bộ 178 trang tài liệu này.
Hình 4.16 giới thiệu biến thiên năng lượng lý thuyết do nhiên liệu mang vào 1 xi lanh trong mỗi chu trình theo hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M6C4 và M7C3. Năng lượng lý thuyết do nhiên liệu cung cấp cho mỗi xi lanh trong một chu trình được xác định Qxl.
Trong đó: yi là khối lượng của nhiên liệu y cấp vào xi lanh trong một chu trình và QLHVi là nhiệt trị thấp của nhiên liệu i.
Chúng ta thấy khi hàm lượng xăng nhỏ hơn 30% thì năng lượng lý thuyết do nhiên liệu mang vào động cơ tăng nhanh theo hàm lượng xăng. Khi hàm lượng xăng lớn hơn 30% thì năng lượng lý thuyết tăng chậm. Điều này là do ảnh hưởng của CO2 trong hỗn hợp nhiên liệu giảm dần. Với cùng một hàm lượng xăng pha vào biogas thì năng lượng lý thuyết ứng với nhiên liệu M7C3-xăng lớn hơn năng lượng của nhiên liệu M6C4-xăng khi hàm lượng xăng nhỏ hơn 30%. Khi hàm lượng xăng lớn hơn giá trị này thì sự khác biệt năng lượng lý thuyết của hai nhiên liệu này không đáng kể (bảng 4.1).
Bảng 4.1: Năng lượng lý thuyết do nhiên liệu mang vào 1 xi lanh động cơ trong một chu trình (hệ số nạp trung bình 0,95)
%xăng (mol/mol NL) | Q (J/xl/ct) | ||
M6C4 | M7C3 | ||
1 | 0 | 697 | 712 |
2 | 10 | 747 | 752 |
3 | 20 | 766 | 769 |
4 | 30 | 777 | 778 |
%xăng (mol/mol NL) | Q (J/xl/ct) | ||
M6C4 | M7C3 | ||
5 | 40 | 783 | 783 |
6 | 50 | 787 | 788 |
7 | 60 | 790 | 790 |
8 | 70 | 792 | 793 |
9 | 80 | 794 | 794 |
10 | 90 | 796 | 796 |
11 | 100 | 797 | 797 |
40
32
24
16
G0
G5
G10
G15
G20
G30
G100
8
0
0
60
120
180
240
300
V (cm3)
p (bar)
Hình 4.16: Biến thiên năng lượng lý thuyết do nhiên liệu mang vào 1 xi lanh trong mỗi chu trình theo hàm lượng xăng bổ sung vào biogas
Hình 4.17: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M7C3 đến đồ thị công cho bởi mô phỏng (n=3000 v/ph)
Hình 4.17 giới thiệu ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M7C3 đến đồ thị công. Chúng ta thấy diện tích đồ thị công tăng theo hàm lượng xăng bổ sung vào biogas.
Bảng 4.2: So sánh mô phỏng và thực nghiệm công chỉ thị chu trình (n=3000 v/ph)
Thực nghiệm (n=3000 v/ph) | |||||
G | Wi (J/xl/ct) | G | Wi(J/xl/ct) | G | Wi (J/xl/ct) |
0 | 203 | 0 | 200,2 | 0 | 203,71 |
5 | 219 | 5,23 | 214,41 | 5,36 | 218,09 |
10 | 230 | 9,87 | 232,22 | 9,05 | 223,1 |
15 | 236 | 15,45 | 230,63 | 14,23 | 232,63 |
20 | 240 | 23,38 | 235,14 | 19,65 | 233,8 |
30 | 245 | 27,78 | 246,34 | 28,97 | 241,83 |
40 | 248 | 42,99 | 252,19 | 37,63 | 243,67 |
60 | 252 | 53,45 | 246,93 | 54,86 | 250,77 |
80 | 256 | 69,36 | 256,04 | 75,43 | 251,69 |
100 | 259 | 100 | 259,38 | 100 | 256,21 |
Hình 4.18: So sánh biến thiên công chỉ thị chu trình theo hàm lượng xăng cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (biogas M7C3, n=3000 v/ph).
Hình 4.18 giới thiệu ảnh hưởng của thành phần xăng pha vào biogas M7C3 đến đồ thị công của động cơ. Cùng điều kiện vận hành, khi hàm lượng xăng pha vào biogas càng lớn thì áp suất cực đại càng cao và diện tích đồ thị công (tỉ lệ với công chu trình và công suất động cơ) càng lớn. Kết quả trên cho thấy khi động cơ chạy bằng biogas M7C3 ở tốc độ 3000 vòng/phút thì công chỉ thị chu trình đạt 244J/ct nhưng khi pha 30% xăng vào biogas thì công chỉ thị chu trình tăng lên 294J/ct, nghĩa là tăng khoảng 20%. Tuy nhiên khi tăng hàm lượng xăng từ 30% lên 100% thì công chỉ thị chu trình chỉ tăng từ 294 J/ct lên 315 J/ct (Bảng 4.2).
Kết quả này cho thấy với hàm lượng xăng thấp thì ảnh hưởng của hàm lượng xăng đến công chỉ thị chu trình cao hơn với hàm lượng xăng cao. Điều này phù hợp với năng lượng lý thuyết mà hỗn hợp nhiên liệu mang vào xi lanh đã giới thiệu trên hình 4.18.
Bảng 4.3: So sánh công chỉ thị chu trình cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (M7C3, n=5000 v/ph)
Thực nghiệm (n=5000 v/ph | |||
G | Wi (J/xl/ct) | G | Wi (J/xl/ct) |
0 | 191 | 0 | 194,93 |
5 | 206 | 6,33 | 206,3 |
10 | 216 | 12,48 | 210,76 |
15 | 222 | 21,45 | 220,54 |
20 | 226 | 28,13 | 225,39 |
30 | 231 | 37,27 | 228,81 |
40 | 234 | 50,29 | 233,5 |
60 | 238 | 70,33 | 236,12 |
80 | 242 | 86,68 | 239,07 |
100 | 245 | 100 | 241,77 |
(a) | (b) |
Hình 4.19: So sánh biến thiên công chỉ thị chu trình theo hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M7C3 (a) và M6C4 (b) cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (n=5000 v/ph)
Hình 4.19 cho thấy kết quả cho bởi mô phỏng và thực nghiệm sai lệch không quá 5%. Phần lớn các điểm đo thực nghiệm thấp hơn kết quả mô phỏng. Điều này là do trong thực tế quá trình cháy không diễn ra hoàn hảo như trong tính toán mô phỏng.
Bảng 4.4. So sánh công chỉ thị chu trình cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (M6C4, n=5000 v/ph)
Thực nghiệm | |||
G | Wi (J/xl/ct) | G | Wi (J/xl/ct) |
0 | 186,98 | 0 | 183 |
5 | 204,63 | 6,5 | 203 |
10 | 215,16 | 11,42 | 206 |
15 | 221,71 | 20,87 | 218 |
20 | 226 | 30,12 | 230 |
30 | 230,71 | 36,24 | 228,52 |
40 | 234 | 51,29 | 239 |
60 | 237,7 | 68,42 | 235,82 |
80 | 242 | 88,67 | 243 |
100 | 245 | 100 | 241,77 |
Bảng 4.4 và hình 4.19a cho thấy trong trường hợp n=5000 vòng/phút, biến thiên công chỉ thị chu trình theo hàm lượng xăng bổ sung vào biogas cũng theo quy luật tương tự như trường hợp n=3000 vòng/phút. Tuy nhiên giá trị công chỉ thị chu trình ứng với hàm lượng xăng cho trước nhỏ hơn. Điều này là do hệ số nạp của động cơ giảm khi tăng tốc độ. Hình 4.19 cho thấy giá trị Wi cho bởi thực nghiệm nhỏ hơn giá trị mô phỏng khoảng 5% ở hầu hết các giá trị hàm lượng xăng. Điều này có thể giải thích bởi 3 lý do. Một là do hệ số nạp thực tế nhỏ hơn hệ số nạp lý thuyết. Hai là do góc mở bướm ga sớm thực tế (được thiết kế cho xăng) không phù hợp với hỗn hợp xăng-biogas. Ba là quá trình cháy thực tế bị xấu đi ở vùng tốc độ cao dẫn đến cháy không hoàn toàn.
Trường hợp M6C4 (bảng 4.4 và hình 4.19b) cho thấy kết quả Wi cho bởi mô phỏng phù hợp với kết quả thực nghiệm. So với trường hợp M7C3 (hình 4.19a), khi hàm lượng xăng nhỏ hơn 30% Wi trong trường hợp M6C4 nhỏ hơn. Nhưng khi hàm lượng xăng lớn hơn 30% thì Wi cho bởi hai trường hợp tương đương nhau. Điều này phù hợp với năng lượng lý thuyết nhiên liệu mang vào hỗn hợp đã mô tả ở hình 4.16.
Hình 4.20 so sánh đường đặc tính ngoài mô men và công suất cho bởi mô hình và thực nghiệm khi động cơ chạy bằng xăng, bằng biogas M7C3 và nhiên liệu biogas M7C3 phối hợp với 30% xăng. Do không đo áp suất trong buồng cháy nên mô men và công suất có ích của động cơ được tính từ công chỉ thị chu trình thông qua hiệu suất cơ giới Pe=m.Wi.n/120. Kết quả hình 4.20 cho thấy mô men đạt cực đại tại vị trí tốc độ động cơ khoảng 3500 vòng/phút. Điều này phù hợp với số liệu do nhà chế tạo công bố. Kết quả thí nghiệm tại hầu hết các điểm đo đều nhỏ hơn kết quả mô phỏng trung bình khoảng 10%. Điều này là do quá trình cháy trong thực tế không diễn ra một cách lý tưởng như điều kiện giả định khi mô phỏng. Góc đánh sửa sớm trong thực tế do nhà chế tạo cài đặt sẵn vào ECU đối với nhiên liệu xăng, không hoàn toàn phù hợp với biogas và biogas phối hợp với xăng. Mặt khác diễn biến áp suất trên đường ống nạp phức tạp cũng không được đưa vào điều kiện mô phỏng một cách chính xác nên dẫn đến sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm.