Kết quả trên Hình 4.15 thể hiện diễn biến phát thải CO khi sử dụng ĐCĐT và phối hợp nguồn động lực ĐCĐT và ĐCĐ. Kết quả cho thấy, khi tăng tỷ lệ hỗ trợ của ĐCĐ thì lượng phát thải CO giảm mạnh. Tại tốc độ 7000 v/ph, phát thải CO giảm trung bình 64,07%, 70,51% và 81,04% lần lượt khi ĐCĐ cung cấp 30%, 50% và 70% cho nguồn động lực chung. Tại tốc độ 4000 v/ph, phát thải CO giảm trung bình từ 30,6%, 57,7% và 85,3%. Tại tốc độ 6000 v/ph, phát thải CO giảm lần lượt 55%, 62,1% và 73,8% khi phối hợp hai nguồn động lực. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi
Hình 4.14 So sánh đặc tính tiêu hao năng lượng ở các chế độ tốc độ khác nhau
130
phối hợp hai nguồn động lực, ĐCĐT sẽ hoạt động ở vùng tải nhỏ hơn so với trường hợp sử dụng một nguồn động lực ĐCĐT, nhờ đó hỗn hợp thường được duy trì ở vùng có hệ số dư lượng không khí lamda lớn hơn 1. Điều này góp phần quan trọng trong việc giảm thiểu được phát thải CO, là sản phẩm của quá trình ôxy hóa không hoàn toàn trong điều kiện thiếu ôxy.
131
Kết quả trên Hình 4.16 thể hiện diễn biến phát thải HC trong trường hợp chỉ sử dụng nguồn động lực ĐCĐT so với trường hợp phối hợp các nguồn động lực. Diễn biến HC có sự thay đổi theo xu hướng khác nhau ở các vùng tốc độ và chế độ tải. Tại tốc độ 7000 v/ph, phát thải HC có xu hướng giảm mạnh khi hệ thống hoạt động ở chế độ phối hợp. HC giảm lần lượt 29%, 43,9% và 58,7% khi ĐCĐ đóng góp 30%, 50% và 70% nguồn lực. Trong khi đó, tại vùng tốc độ thấp hơn, 6000 v/ph và 4000 v/ph thì phát thải HC có xu hướng giảm ít hơn. Cụ thể, HC giảm 24,8%, 34,9% và 66,9% ở tốc độ 6000 v/ph và 3%, 21,3% và 46,7% tại tốc độ 4000 v/ph. Điều này có thể được lý giải như sau: tại vùng tốc độ thấp, hỗn hợp nhiên liệu không khí tương đối nhạt do hệ số dư lượng không khí lamda lớn hơn 1. Trong khi đó, tại tốc độ 7000 v/ph, hỗn hợp tương đối đậm khi hệ số lamda có xu hướng được điều chỉnh bằng hoặc nhỏ hơn 1. Khi hoạt động ở chế độ phối hợp công suất, ĐCĐT được vận hành ở vị trí tay ga nhỏ hơn, kéo theo hệ số dư lượng không khí lamda được tự động điều chỉnh bằng hoặc lớn hơn giá trị lý thuyết một chút nên phát thải HC có xu hướng giảm.
Hình 4.15 So sánh phát thải CO tại các tốc độ làm việc của ĐCĐT
133
Hình 4.16 So sánh phát thải HC tại các tốc độ làm việc của ĐCĐT
134
Kết quả trên Hình 4.17 cho thấy lượng phát thải NOx có xu hướng giảm khi hệ
thống hoạt động ở chế độ phối hợp hai nguồn động lực. Khi ĐCĐ đóng góp 30%
Hình 4.17 So sánh phát thải NOx tại các tốc độ làm việc của ĐCĐT
135
công suất cho hệ thống thì phát thải NOx có giảm một chút so với trường hợp sử dụng một nguồn động lực ĐCĐT, lần lượt là 24,6%, 16,1% và 21,2% ở 4000, 6000, 7000 v/ph. Tuy nhiên, khi ĐCĐ đóng góp phần năng lượng lớn hơn vào hệ thống, 50% và
70% thì thành phần NOx có xu hướng giảm mạnh do ĐCĐT làm việc ở vùng tải nhỏ
hơn. Tại tốc độ 7000 v/ph, NOx giảm 34,3%, 63,3% ứng với tỷ lệ phân phối công suất của ĐCĐ là 50% và 70%. Tại tốc độ 6000 v/ph và 4000 v/ph giá trị này là 37,6% và 56,7% và 35,7% và 47,4%.
4.5. So sánh kết quả mô phỏng và thử nghiệm
Để khẳng định tính đúng đắn của mô hình mô phỏng đã thực hiện trong Chương 3, nội dung này sẽ trình bày kết quả so sánh một số thông số làm việc của hệ thống phối hợp nguồn động lực giữa tính toán mô phỏng và thử nghiệm. Trong nội dung này, NCS trình bày kết quả so sánh thông số công suất, lượng nhiên liệu tiêu thụ và các thành phần phát thải độc hại giữa tính toán mô phỏng và thử nghiệm.
4.5.1 Các công thức tính toán khi thử nghiệm
Trong quá trình thực hiện các thử nghiệm, chỉ đo đạc được % thể tích của từng thành phần khí thải. Do đó, cần phải tính toán quy đổi kết quả đo (% hoặc ppm) sang lượng phát thải (g/kWh) để so sánh với kết quả mô phỏng và so sánh với các tiêu chuẩn khí thải hiện hành.
Khối lượng từng thành phần khí thải được xác định theo công thức (4.2) [65,66]:
, ,w
, ,w
exh, ,w
. i . exh d . i . exh
i i d i
d eff exh eff
m m M M EP EV EV M p M p = = (4.2)
Trong đó, EPi là khối lượng của khí thải thứ i có thứ nguyên (g/kWh); EVi,d
nồng độ theo thể tích của khí khô thứ i (ppm); EVi,w nồng độ theo thể tích của khí ướt thứ i (ppm); Mi khối lượng mole thành phần khí thải thứ i (g/mol); Mexh,d khối lượng phân tử của khí khô (g/mol); Mexh,wkhối lượng phân tử của khí ướt (g/mol); i tương ứng với các thành phần phát thải NOx, CO, CO2 và HC; peff là công suất đầu ra (kW);
mexh là lưu lượng khối lượng khí thải (kg/h).
Các hằng số thực nghiệm được đưa ra bởi T.J. Pilusa, M.M. Mollagee, E. Muzenda (2012) [66] như sau: ,d ,w 3873(g/ kWh) 4160(g/ kWh) exh d eff exh w eff m k p m k p = = = = (4.3)
Lưu ý rằng CO được đo trên cơ sở khí khô, các thành phần còn lại là khí ướt. Từ đó theo công thức (4.2) ta có được:
, , 6 (ppm) . .3873 1.10 30, 21 i d i i d EV M EP = (4.4)
136 ,w ,w(ppm)6 . .4160 1.10 28,84 i i i EV M EP = (4.5)
Dựa vào (4.4) và (4.5) ta có các công thức chuyển đổi từ g/kWh sang ppm như sau:
%CO = mCO / mkhí xả (4.6) NOx (g/kWh) = 6,636.10-3.NOx (ppm) (4.7) HC (g/kWh) = 2,002.10-3.HC (ppm) (4.8) Áp dụng các công thức trên và các số liệu thử nghiệm để xác định khối lượng của từng thành phần phát thải.
Trong quá trình thực hiện các thử nghiệm, chỉ đo được vận tốc của ĐCĐT và vận tốc của băng tải. Để có thể xác định được vận tốc của xe, ta cần xác định tỉ số truyền của vi sai ra bán trục, từ đó sẽ tính được vận tốc của xe. Qua thử nghiệm và đo đạc, xác định được tỉ số truyền của vi sai là 1,55 và bán kính lốp là 285 mm. Từ đó ta có công thức tính vận tốc xe khi tiến hành thực nghiệm (4.9) như sau:
Vxe (km/h) = Bán kính lốp (mm).2Π.1,55.nbăng.60/106 (4.9)
4.5.2 So sánh kết quả thử nghiệm và mô phỏng
Để có thể đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng, NCS tiến hành so sánh các thông số kinh tế kỹ thuật và phát thải của xe hybrid giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng ở hai trường hợp chỉ có ĐCĐT làm việc (4000 v/ph) và có cả ĐCĐT và ĐCĐ làm việc (6000 v/ph) với tỉ lệ % công suất ĐCĐ là 30%.
Trường hợp 1: Chỉ có ĐCĐT làm việc
Các hình từ Hình 4.18 đến Hình 4.21 thể hiện đồ thị so sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng ở chế độ chỉ có ĐCĐT làm việc (4000 v/ph). Các thông số được so sánh
là tiêu hao năng lượng của động cơ, phát thải CO, HC và NOx. Các kết quả cho ta
thấy sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm tối đa chỉ 5,3%, xảy ra ở hạng mục phát thải HC. Số liệu cụ thể sẽ được thể hiện ở Bảng 4.1 và 4.2, số liệu Bảng 4.2 được quy đổi theo công thức từ số liệu của Bảng 3.13.
Bảng 4.1 Các thông số thử nghiệm ở chế độ chỉ có ĐCĐT làm việc
Mô men (Nm) Năng lượng (MJ/h) CO (%) HC (ppm) NOx (ppm) Vxe (km/h) nbăng (v/ph) 1,45 26,4 0,021 1879 831 40 240 4,02 37,4 0,023 2021 974 40 240 6,55 48,4 0,026 2137 1020 40 240 9,03 52,8 0,027 2027 1146 40 240 10,8 54,12 0,03 2234 1257 40 240
137
Bảng 4.2 Các thông số mô phỏng ở chế độ chỉ có ĐCĐT làm việc
Mô men (Nm) Năng lượng (MJ/h) CO (%) HC (ppm) NOx (ppm) Vxe (km/h) nbăng (v/ph) 1,45 27,4 0,022 1967 864 40 240 4,02 39,0 0,024 2128 1005 40 240 6,55 49,5 0,026 2182 1004 40 240 9,03 55,2 0,026 1958 1161 40 240 10,8 53,4 0,029 2174 1305 40 240
Hình 4.18 So sánh tiêu hao năng lượng giữa mô phỏng và thử nghiệm
138
Hình 4.20 So sánh phát thải HC giữa mô phỏng và thử nghiệm
Hình 4.21 So sánh phát thải NOx giữa mô phỏng và thử nghiệm
Trường hợp 2: Có cả ĐCĐT và ĐCĐ làm việc
Bảng 4.3 và 4.4 thể hiện các thông số khi tiến hành thử nghiệm và mô phỏng ở 6000 v/ph, số liệu Bảng 4.4 được quy đổi theo công thức từ số liệu của Bảng 3.14.
139
Bảng 4.3 Các thông số thử nghiệm ở chế độ có cả ĐCĐT và ĐCĐ làm việc
Mô men (Nm) Năng lượng (MJ/h) CO (%) HC (ppm) NOx (ppm) Vxe (km/h) nbăng (v/ph) 1,6 47,5 0,02 1655 721 60 360 3,9 53,2 0,022 1521 735 60 360 6,4 61,5 0,024 1487 788 60 360 8,9 76,7 0,026 1600 830 60 360 11 81,1 0,025 1584 850 60 360
Bảng 4.4 Các thông số mô phỏng ở chế độ có cả ĐCĐT và ĐCĐ làm việc
Mô men (Nm) Năng lượng (MJ/h) CO (%) HC (ppm) NOx (ppm) Vxe (km/h) nbăng (v/ph) 1,6 49,1 0,020 1700 758 60 360 3,9 54,4 0,023 1545 752 60 360 6,4 64,2 0,024 1530 755 60 360 8,9 75,1 0,027 1542 822 60 360 11,03 82,2 0,025 1601 872 60 360
140
Hình 4.23 So sánh phát thải CO giữa mô phỏng và thử nghiệm
Hình 4.24 So sánh phát thải HC giữa mô phỏng và thử nghiệm
Các hình từ Hình 4.22 đến Hình 4.25 thể hiện đồ thị so sánh giữa thử nghiệm và mô phỏng ở chế độ có cả ĐCĐT và ĐCĐ làm việc (6000 v/ph). Các thông số được đưa ra để so sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng giống với trường hợp 1. Kết quả thu được sai số không quá 5,1% giữa mô phỏng và thực nghiệm. Sai số lớn nhất rơi vào hạng mục thông số phát thải NOx.
141
Hình 4.25 So sánh phát thải NOx giữa mô phỏng và thử nghiệm
Tổng hợp cả hai trường hợp lại ta thấy sai lệch giữa kết quả mô phỏng trên AVL - Cruise và kết quả thực nghiệm không quá lớn và nằm ở mức chấp nhận được tức nhỏ hơn hoặc tương đương 5%. Do đó, có thể kết luận rằng mô hình được xây dựng có độ tin cậy cao.
4.6. Kết luận
Từ nội dung đã thực hiện tại Chương 4 có thể rút ra một số kết luận sau:
-Đã lắp đặt được mô hình trên băng thử và đấu nối với các thiết bị đo kiểm và thực hiện đo kiểm.
-Thử nghiệm đã chứng minh tính đúng đắn của mô hình mô phỏng bằng phần
mềm AVL-Cruise ở Chương 3.
-Hệ thống động lực được thiết kế và chế tạo ổn định khi hoạt động kết hợp cả
hai nguồn động lực cũng như hoạt động riêng lẻ của mỗi nguồn động lực.
-Khi hoạt động ở tốc độ thấp nguồn năng lượng điện được sử dụng do vậy việc
phát thải ô nhiễm là không có, khi sử dụng ĐCĐT thì mức phát thải giảm đi đáng kể so với khi chạy nguồn năng lượng ĐCĐT cho xe truyền thống.
-Kết quả thử nghiệm cho thấy ở các chế độ đo kiểm thì ĐCĐT trên xe truyền
thống và ĐCĐT trên xe hybrid tương đối khác nhau về mức độ tiêu thụ nhiên liệu, phát thải và công suất.
-Từ các kết quả thử nghiệm, ta thấy được lượng phát thải của xe hybrid đã giảm đáng kể khi ĐCĐ hỗ trợ nguồn động lực chính là ĐCĐT với NOx giảm từ 16,1% đến 63,3%, HC giảm từ 3% đến 66,9%, CO giảm từ 30,6% đến tối đa 85,3% ở các chế độ phối hợp khác nhau của ĐCĐT và ĐCĐ so với xe truyền thống.
-Lượng tiêu hao năng lượng của xe hybrid cũng giảm so với xe truyền thống từ
142
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
KẾT LUẬN
Qua những nội dung đã được trình bày, phân tích và đánh giá xuyên suốt toàn bộ nội dung của luận án đồng thời qua quá trình nghiên cứu đánh giá giữa mô phỏng, lý thuyết và thử nghiệm ta có thể đi đến những kết luận sau:
(1) Nghiên cứu phát triển dòng xe hybrid theo hướng tối ưu về quãng đường và phát thải là một hướng đi đúng đắn và có nhiều triển vọng trong thời gian tới.
(2) Có nhiều phương pháp kết hợp nguồn động lực để tạo ra hiệu suất cao và giảm phát thải gây ô nhiễm ra môi trường, trong đó NCS đã sử dụng phương pháp phối hợp hỗn hợp để phối hợp nguồn động lực ĐCĐT - ĐCĐ - Máy phát - Ắc quy, đây là một phương pháp hiệu quả, có nhiều ưu điểm nổi trội và đã được chứng minh trong thực tế.
(3) Việc chế tạo bằng công nghệ trong nước xe hybrid 2 chỗ ngồi tốc độ tối đa 80 km/h là hoàn toàn khả thi bằng cách phối hợp ĐCĐ một chiều công suất 3 kW và một ĐCĐT công suất 5,7 kW. Cơ sở tính toán phối hợp các nguồn động lực được trình bày trong Chương 2 làm tiền đề cho các nghiên cứu về xe hybrid sau này.
(4) Sử dụng thành công phần mềm AVL-Cruise trong tính toán mô phỏng động học, động lực học và tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của xe hybrid theo chu trình thử. Những kết quả nghiên cứu sau có thể được xem là đóng góp về thực tiễn của luận án:
Luận án đã xác định được vùng làm việc thường xuyên tối ưu của động cơ xăng trên xe hybrid mà có tiêu hao nhiên liệu và phát thải thấp.
Luận án đã xây dựng được lưu đồ thực hiện luận án cũng như lưu đồ chiến lược điều khiển nguồn động lực, nạp điện ắc quy cho xe hybrid, các lưu đồ điều khiển xe hybrid theo độ biến thiên tốc độ và độ biến thiên mô men góp phần nâng cao hiệu quả khai thác sử dụng nguồn động lực xe hybrid.
Luận án đã tiến hành tính toán các nguồn năng lượng cho ĐCĐT và ĐCĐ để xe làm việc một cách hiệu quả nhất.
Luận án đã chế tạo thành công bộ phối hợp các nguồn động lực cho xe hybrid cỡ nhỏ và tiến hành chạy thực nghiệm.
Luận án đã xây dựng mô đun mô phỏng thực nghiệm tối ưu hóa độ lớn các nguồn năng lượng bằng phần mềm AVL-Cruise.
(5) Xe hybrid khi lắp đặt hệ động lực thiết kế có những ưu điểm vượt trội về mặt phát thải, kinh tế và nhiên liệu: Từ các kết quả thử nghiệm, ta thấy được lượng phát thải của xe hybrid đã giảm đáng kể khi ĐCĐ hỗ trợ nguồn động lực chính là
ĐCĐT với NOx giảm từ 16,1% đến 63,3%, HC giảm từ 3% đến 66,9%, CO giảm từ
30,6% đến tối đa 85,3% ở các chế độ phối hợp khác nhau của ĐCĐT và ĐCĐ so với xe truyền thống. Lượng tiêu hao năng lượng của xe hybrid cũng giảm so với xe truyền thống từ 3,3% đến 38,6%.
143
(6) Hệ thống động lực sử dụng bộ CVT kết hợp với khớp một chiều cho phép kết hợp hai nguồn động lực, phân chia công suất hợp lí giữa nguồn động lực ĐCĐ và ĐCĐT.
Xe hybrid phối hợp theo kiểu hỗn hợp được thiết kế và chế tạo trong luận án hoàn toàn có thể được nghiên cứu phát triển thêm để có thể đưa vào ứng dụng sản xuất ô tô hybrid cỡ nhỏ tại Việt Nam.
Tuy vậy, kết quả nghiên cứu vẫn chưa thực sự được như mong muốn của NCS, còn nhiều điểm hạn chế, lớn nhất là việc mới chỉ dừng ở mức chạy thử nghiệm trong