So Sánh Đường Đặc Tính Ngoài Mô Men Và Công Suất Cho Bởi Mô Hình Và Thực

(a) (b)

(c)

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 (a), biogas M7C3 (b) và nhiên liệu M7C3- 30G (: Công suất thực nghiệm, : Mô men thực nghiệm)

4.8.2. So sánh phát thải các chất ô nhiễm cho bởi mô phỏng và thực nghiệm

Hình 4.21a, b, c so sánh ảnh hưởng của hàm lượng xăng phối hợp với biogas M7C3 đến phát thải CO, HC và NOx cho bởi mô phỏng và thực nghiệm khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 v/ph. Kết quả mô phỏng đã được giới thiệu ở chương 3. Khi tăng hàm lượng xăng phối hợp với biogas thì phát thải CO giảm. Như đã giải thích ở chương 3, khi tăng hàm lượng xăng trong hỗn hợp nhiên liệu thì lượng khí trơ CO2 giảm, tốc độ cháy được cải thiện giúp cho quá trình cháy diễn ra hoàn toàn hơn.

(a) (b)

(c)

Hình 4.21: So sánh ảnh hưởng của hàm lượng xăng phối hợp với biogas M7C3 đến phát thải CO (a), HC (b) và NOx (c) cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (n=3000 v/ph,

━: Mô phỏng, : Thực nghiệm)

Hình 4.21a cho thấy nồng độ CO cho bởi thực nghiệm cao hơn nồng độ CO cho bởi mô phỏng từ 5-20%. Điều này có thể được giải thích do quá trình cháy trong thực tế không diễn ra một cách lý tưởng như trong tính toán mô phỏng. Thành phần hỗn hợp trong thực tế cũng không đồng nhất hoàn toàn. Do đó quá trình cháy không hoàn toàn có thể diễn ra cục bộ dẫn đến phát thải CO trong thực tế cao hơn giá trị tính toán.

Tương tự như CO, phát thải HC cho bởi thực nghiệm cũng cao hơn giá trị tính toán mô phỏng khoảng 10-20% do quá trình cháy không hoàn toàn cục bộ trong thực

tế (hình 4.21b). Khác với CO và HC, nồng độ NOx cho bởi thực nghiệm thấp hơn giá trị mô phỏng khoảng 10%. Như đã trình bày ở phần mô phỏng, sự hình thành NOx phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ cháy. Do quá trình cháy trong thực tế không diễn ra hoàn hảo như trong tính toán mô phỏng như đã giải thích trên đây nên nhiệt độ quá trình cháy trong thực tế thấp hơn giá trị mô phỏng dẫn đến kết quả đo nồng độ NOx thấp hơn giá trị mô phỏng.

(a) (b)

(c)

Hình 4.22: So sánh ảnh hưởng của tốc độ đến phát thải CO (a), HC (b) và NOx (c) cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (M7C3-30G, =1, s=25oTK, n=3000 v/ph, ━: Mô phỏng, : Thực nghiệm)

Hình 4.22a giới thiệu biến thiên nồng độ CO theo tốc độ động cơ khi chạy bằng nhiên liệu M7C3-30G cho bởi mô hình và thực nghiệm. Chúng ta thấy cùng điều kiện cung cấp nhiên liệu, nồng độ CO tăng khi tăng tốc độ động cơ. Điều này là do khi tăng tốc độ, thời gian cháy bị giảm dẫn đến cháy không hoàn toàn làm tăng phát thải CO. Kết quả trên 4.22a cho thấy nồng độ CO cho bởi thực nghiệm lớn hơn nồng độ CO cho bởi mô phỏng khoảng 10% ở vùng tốc độ thấp và tăng lên khoảng 20% ở vùng tốc độ cao. Điều này là do trong tính toán mô phỏng chúng ta giả định quá trình cháy diễn ra hoàn toàn trong hỗn hợp đồng nhất lý tưởng. Trong thực tế thì luôn luôn có những vùng hỗn hợp không đồng nhất dẫn đến quá trình cháy không hoàn toàn cục bộ. Tốc độ càng cao thì chất lượng quá trình cháy trong thực tế càng giảm. Đó là lý do làm cho chênh lệch giữa thực nghiệm và mô phỏng tăng theo tốc độ.

Đối với phát thải HC, quy luật diễn biến theo tốc độ động cơ cũng tương tự như CO. Hình 4.22b cho thấy giá trị cho bởi mô phỏng phù hợp với giá trị thực nghiệm ở vùng tốc độ thấp nhưng ở vùng tốc độ cao, giá trị thực nghiệm cao hơn giá trị mô phỏng. Ở tốc độ 5000 v/ph, giá trị nồng độ HC cho bởi thực nghiệm gấp 1,5 lần giá trị mô phỏng. Điều này có thể được giải thích tương tự như trường hợp CO.

Hình 4.22c trình bày biến thiên của NOx theo tốc độ động cơ cho bởi mô phỏng và thực nghiệm khi chạy bằng biogas. Chúng ta thấy cả mô phỏng và thực nghiệm đều cho kết quả nồng độ NOx giảm khi tốc độ động cơ tăng.

Điều này đã được giải thích ở phần mô phỏng bởi hai lý do. Thứ nhất, do nhiệt độ cực đại giảm khi tốc độ động cơ tăng làm giảm tốc độ hình thành NOx. Thứ hai, do thời gian hỗn hợp cháy tồn tại ở vùng nhiệt độ cao giảm khi tăng tốc độ động cơ làm giảm hàm lượng NOx sinh ra trong quá trình cháy. Kết quả hình 4.22c cho thấy kết quả mô phỏng phù hợp với thực nghiệm ở vùng tốc độ cao do tác động yếu tố nhiệt độ đến sự hình thành NOx giảm nhẹ. Ở vùng tốc độ thấp, nồng độ NOx cho bởi thực nghiệm nhỏ hơn giá trị cho bởi mô phỏng trung bình khoảng 15%. Điều này là do tác động của nhiệt độ đến sự hình thành NOx đáng kể hơn khi thời gian hỗn hợp tồn tại ở nhiệt độ cao kéo dài.

4.9. Tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng động cơ hybrid

	Hệ số
Wi(J/xl/ct)	259
CO (%)	0,21
HC (%)	0,08
NOx (ppm)	2000
Qlt (J/xl/ct)	797

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 178 trang tài liệu này.

Hình 4.23: Ảnh hưởng của nhiên liệu đến tính năng động cơ nhiên liệu hybrid

Hình 4.23 giới thiệu tổng hợp ảnh hưởng của nhiên liệu đến tính năng kỹ thuật và phát thải ô nhiễm của động cơ sử dụng nhiên liệu hybrid khi chạy bằng xăng, biogas M7C3 và nhiên liệu hybrid M7C3-30G dựa trên kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã phân tích trên đây. Kết quả hình 4.23 thể hiện rất rõ mối tương quan giữa các thông số của quá trình cháy khi sử dụng các nhiên liệu trên. Chúng ta thấy khi động cơ chạy hoàn toàn bằng xăng thì năng lượng nhiên liệu mang vào xi lanh cho mỗi chu trình lớn nhất nên công chỉ thị sinh ra lớn nhất. Một điểm lợi nữa khi động cơ chạy bằng xăng là phát thải CO, HC cũng thấp nhất trong 3 nhiên liệu sử dụng. Điểm yếu của nhiên liệu xăng là phát thải NOx cao nhất.

So với hai loại nhiên liệu còn lại thì khi chạy bằng biogas M7C3, động cơ phát thải NOx thấp nhất nhưng phát thải CO, HC cao nhất. Do năng lượng lý thuyết nhiên liệu mang vào động cơ thấp nên công chỉ thị chu trình ứng với M7C3 thấp nhất trong 3 loại nhiên liệu so sánh.

Khi động cơ chạy bằng nhiên liệu M7C3-30G thì công chỉ thị chu trình Wi và phát thải CO, HC gần với nhiên liệu xăng, phát thải NOx giảm đáng kể so với xăng. So với biogas M7C3 thì nhiên liệu M7C3-30G vượt trội về công chỉ thị chu trình và phát thải CO, HC. Tuy phát thải NOx có cao hơn nhưng đã giảm đi rất nhiều so với xăng. Đây là một trong những ưu điểm của nhiên liệu hybrid.

	Hệ số
Pe-tổng (kW)	34
CO (%)	0,36
HC (%)	0,1
NOx (ppm)	3500

Hình 4.24: Ảnh hưởng của tốc độ vận hành đến tính năng và phát thải ô nhiễm của dộng cơ sử dụng nhiên liệu hybrid

Hình 4.24 giới thiệu tương quan công chỉ thị chu trình và phát thải ô nhiễm khi động cơ sử dụng nhiên liệu hybrid M7C3-30G chạy ở tốc độ 2000 vòng/phút, 3500 vòng/phút và 5000 vòng/phút. Cho thấy khi động cơ chạy ở tốc độ 2000 vòng/phút thì phát thải CO giảm nhiều nhất 80%, phát thải HC giảm nhiều nhất 90% nhưng phát thải NOx tăng nhiều nhất 90% còn công suất động cơ giảm 75% so với khi động cơ chạy ở tốc độ 5000 vòng/phút.

Như đã phân tích ở phần trên, khi động cơ chạy bằng nhiên liệu hybrid thì ở một chế độ tốc độ cho trước, phát thải CO, HC đều thấp hơn khi chạy bằng biogas. Mặt khác, khi động cơ chạy ở tốc độ cao thì phát thải NOx giảm như hình 4.24. Vì vậy khi sử dụng nhiên liệu hybrid, động cơ có thể chạy ở tốc độ cao để tăng công suất và giảm phát thải NOx đồng thời không làm tăng CO, HC so với khi động cơ chạy bằng biogas.

4.10. Kết luận

Kết quả nghiên cứu của chương này rút ra được những kết luận sau:

- Tổ hợp van chân không gồm một van cấp ga liên tục và một van cấp ga gián đoạn qua họng venturi lắp song song với đường nạp của hệ thống nhiên liệu xăng cho phép điều chỉnh được hệ số tương đương thích nghi với các chế độ công tác khác

nhau của động cơ chạy bằng nhiên liệu hybrid biogas-xăng.

- Kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả thí nghiệm tính năng động cơ trên băng thử công suất AVL và phân tích khí thải chuyên dùng. Những chênh lệch giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm là logic, phù hợp với lý luận và thực tiễn.

- Kết quả thực nghiệm đo nồng độ CO, HC trong khí thải cao hơn kết quả cho bởi mô phỏng; ngược lại nồng độ NOx cho bởi thực nghiệm thấp hơn kết quả mô phỏng là do điều kiện nạp và cháy trong thực tế không diễn ra lý tưởng như trong tính toán mô phỏng, gây ra hiện tượng cháy không hoàn toàn cục bộ, dẫn đến nhiệt độ quá trình cháy thực tế thấp hơn lý thuyết.

- Kết quả thực nghiệm khẳng định lại các kết luận rút ra từ tính toán mô phỏng. Công chỉ thị chu trình của động cơ chạy bằng nhiên liệu hybrid biogas-xăng tăng theo hàm lượng xăng trong hỗn hợp nhiên liệu. Khi hàm lượng xăng nhỏ hơn 30% thì mức độ tăng công chỉ thị chu trình theo hàm lượng xăng cao hơn nhiều so với khi hàm lượng xăng lớn hơn 30%.

- Cùng chế độ vận hành động cơ, phát thải CO và HC giảm trong khi phát thải NOx tăng theo hàm lượng xăng trong hỗn hợp nhiên liệu. Khi hàm lượng xăng lớn hơn 30% thì mức độ phát thải các chất ô nhiễm ít bị ảnh hưởng bởi thành phần nhiên liệu.

- Cùng thành phần nhiên liệu, khi tốc độ động cơ tăng thì công chỉ thị chu trình giảm cùng với giảm phát thải NOx trong khi phát thải CO và HC tăng. Khi động cơ chạy ở tốc độ 2000 vòng/phút thì phát thải CO giảm nhiều nhất 80%, phát thải HC giảm nhiều nhất 90% nhưng phát thải NOx tăng nhiều nhất 90% còn công suất động cơ giảm nhiều nhất 75% so với khi động cơ chạy ở tốc độ 5000 vòng/phút.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Sử dụng phối hợp các loại nhiên liệu khác nhau trên động cơ đốt trong là một trong những hướng nghiên cứu lớn trong lĩnh vực động cơ đốt trong nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải ô nhiễm môi trường. Khi phối hợp sử dụng nhiên liệu thì các nhiên liệu này sẽ bổ sung cho nhau những thế mạnh của chúng để cải thiện chất lượng quá trình cháy, tránh xảy ra các hiện tượng cháy không bình thường. Các loại nhiên liệu tái tạo thường có những khác biệt đáng kể về tính chất lý hóa nên có thể tạo ra được những hỗn hợp nhiên liệu hybrid có tính năng nổi trội mà các loại nhiên liệu truyền thống không thể so sánh được.

Trong khuôn khổ luận án này, nhiên liệu hybrid biogas-xăng được nghiên cứu sử dụng trên động cơ ô tô.

Biogas là nhiên liệu tái tạo dồi dào ở những quốc gia vùng nhiệt đới. Sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong không làm tăng nồng độ CO2 trong bầu khí quyển. Mặt khác, sử dụng biogas làm nhiên liệu còn hạn chế phát thải CH4, chất khí gây hiệu ứng nhà kính gấp 23 lần so với CO2. Trong thành phần biogas có khí trơ CO2 nên nhiệt trị của nhiên liệu thấp, tốc độ cháy bị hạn chế và lượng oxygen nạp vào động cơ bị giảm. Những tính chất này ảnh hưởng đến khả năng lưu trữ biogas và làm giảm công suất của động cơ. Tuy nhiên chỉ số octane của biogas cao nên nó có tính chống kích nổ tốt. Việc sử dụng kết hợp biogas và xăng giúp khắc phục những hạn chế của biogas, phát huy ưu điểm của nó, góp phần phát triển ứng dụng nhiên liệu tái tạo trên động cơ đốt trong nói chung và động cơ đốt trong của phương tiện giao thông nói riêng.

Luận án này thực hiện các nghiên cứu nền tảng ban đầu cho việc ứng dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng trên động cơ ô tô kiểu phun xăng điện tử. Nội dung luận án tập trung xử lí 3 vấn đề chính: (1) mô phỏng quá trình nạp và quá trình cháy động cơ sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng, (2) giải pháp cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng cho động cơ phun xăng điện tử, (3) thử nghiệm tính năng và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ ô tô chạy bằng nhiên liệu hybrid biogas-xăng để đánh giá kết quả mô phỏng.