a) Thông số xe
Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật xe
TT Tên Xe truyền thống Xe hybrid Đơn
vị
1 Thể tích bình xăng 0,05 0,05 m3
2 Chiều dài xe từ móc đến trục trước 3000 3000 mm
3 Chiều dài cơ sở 2340 2340 mm
4 Khoảng cách đến trọng tâm không
tải/nửa tải/toàn tải 1020/1020/1020 1020/1020/1020 mm
5 Chiều cao đến trọng tâm không
tải/nửa tải/toàn tải 569/569/569 569/569/569 mm
6 Chiều cao của móc không tải/nửa
tải/toàn tải 400/400/400 400/400/400 mm
7 Áp suất lốp trước 2 2 bar
8 Áp suất lốp sau 2,2 2,2 bar
101
10 Trọng lượng toàn tải 800 860 kg
11 Diện tích mặt trước 1,746 1,746 m2
12 Hệ số kéo 0,3 0,3
b) Nguồn động lực ĐCĐT
Bảng 3.8 Thông số ĐCĐT nhập vào mô hình mô phỏng
TT Tên Xe truyền thống Xe hybrid Đơn
vị
1 Thể tích ĐCĐT 154,8 154,8 cm3
2 Số lượng xi lanh 1 1
3 Số kỳ 4 4
4 Vận tốc không tải/tối đa 1750/7500 1750/7500 v/ph
5 Mô men quán tính 0,1 0,1 kg*m2
6 Thời gian phản hồi 0,1 0,1 s
7 Nhiệt trị thấp của xăng 43500 43500 kJ/kg
8 Khối lượng riêng của nhiên liệu 0,749 0,749 kg/l
c) Nguồn động lực ĐCĐ
Bảng 3.9 Thông số ĐCĐ nhập vào mô hình mô phỏng
TT Tên Giá trị Đơn vị
1 Loại máy PSM -
2 Đường đặc tính Motor -
3 Định mức điện áp 48 V
4 Mô men quán tính 0,0226 kg*m2
5 Dòng điện tối đa Motor 100 A
6 Khối lượng máy 14,5 kg
7 Nhiệt độ ban đầu 70 oC
8 Độ dẫn nhiệt 2250 W/m.K
9 Nhiệt độ bố trí 70 oC
10 Tốc độ tối đa 5000 v/ph
102
12 Dòng điện tối đa máy phát 50 A
13 Thời gian nhiệt độ không đổi ở công suất tối đa 1 s
14 Nhiệt độ tối đa 95 oC
15 Nhiệt dung riêng 430 J/KgK
16 Hệ số nhiệt độ của cảm ứng từ -0,002 1/K
d) Ắc quy
Bảng 3.10 Thông số ắc quy dùng cho xe hybrid
TT Tên Giá trị Đơn vị
1 Sạc tối đa 6,5 Ah
2 Hiệu điện thế danh nghĩa 7,2 V
3 Hiệu điện thế tối đa 9 V
4 Sạc ban đầu 50 %
5 Hiệu điện thế tối thiếu 6 V
6 Số lượng cell trong 1 hàng 40 -
7 Số lượng hàng 1 -
8 Nhiệt độ làm việc 25 oC
9 Khối lượng 1 cell 0,998 kg
10 Độ dẫn nhiệt 0,7 W/m.K
11 Nhiệt dung riêng 800 J/kgK
12 Điện trở trong 0,027 Ohm
Các thông số của các phần tử còn lại của mô hình sẽ được đưa ra trong PL 3.10 đến PL 3.12.
Mô hình điều khiển trong MatLab/Simulink trong AVL- Cruise được thể hiện trong PL3.13
123
phối hợp cùng ĐCĐ. Các thông số đo đạc chính bao gồm CO2 (%), CO (%), HC và
NOx (ppm) và hệ số dư lượng không khí lamda (Hình 4.6).
Hình 4.6 Thiết bị phân tích khí thải Horiba Mexa 584L
Mỗi bộ phân tích được chia thành 4 dải đo, tuỳ thuộc vào hàm lượng thực tế các chất có trong khí thải mà bộ phân tích sẽ tự lựa chọn dải đo phù hợp. Để đảm bảo độ chính xác của phép đo, các bộ phân tích được hiệu chuẩn trước khi đo bởi chất khí hiệu chuẩn ứng với từng dải đo.
- Bộ phân tích CO, CO2 và HC hoạt động theo phương pháp hấp thụ tia hồng
ngoại không khuếch tán (NDIR).
- Bộ phân tích NOx làm việc theo phương pháp điện hóa.
Ngoài ra, thiết bị cho phép xác định được tỷ lệ A/F hoặc hệ số dư lượng không khí lamda.
Sơ đồ lắp đặt thiết bị phân tích khí thải và hình ảnh thực tế lắp đặt thiết bị được thể hiện trên Hình 4.7 và 4.8.
124
4.3.4 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu
Thiết bị AVL Fuel Balance 733S xác định lượng tiêu hao nhiên liệu liên tục theo phương pháp khối lượng. Lượng nhiên liệu tiêu hao được xác định qua cảm biến điện dung như thể hiện trên Hình 4.9.
Hình 4.9 Thiết bị AVL Fuel Balance 733S
Lượng nhiên liệu tiêu thụ được xác định liên tục qua thiết bị cân nhiên liệu 733S. Để thực hiện được điều này, hệ thống cung cấp nhiên liệu của ĐCĐT được điều chỉnh như thể hiện trên sơ đồ Hình 4.10.
125
Hình 4.10 Sơ đồ cung cấp nhiên liệu cho ĐCĐT khi thử nghiệm
Theo như sơ đồ thể hiện trên Hình 4.10, nhiên liệu được tạo áp nhờ bơm điện số (2) đi đến vòi phun của động cơ (3). Áp suất nhiên liệu cấp vào vòi phun được hiệu chỉnh phù hợp nhờ đường by-pass (4) với thông số kỹ thuật của hệ thống nhiên liệu nguyên bản của động cơ. Bằng cách này, áp suất nhiên liệu được duy trì ổn định và được theo dõi qua đồng hồ áp suất (5). Lượng nhiên liệu tiêu thụ tức thời được xác định qua cân nhiên liệu (1) và máy tính điều khiển (6).
4.3.5 Thiết bị đo dòng điện tiêu thụ
Thiết bị được sử dụng để xác định dòng điện tiêu thụ của ĐCĐ là ampe kìm như thể hiện trên Hình 4.11. Đây là loại thiết bị đo cầm tay hiện đại, ứng dụng kỹ thuật số, có khả năng đo hầu hết các thông số điện năng.
Hình 4.11 Thiết bị đo dòng điện tiêu thụ
4.3.6 Nhiên liệu thử nghiệm
Nhiên liệu xăng sử dụng trong thử nghiệm được mua tại đại lý xăng dầu, đạt tiêu chuẩn của Petrolimex.
1 2 3 5 4 6
126
4.3.7 Sơ đồ bố trí hệ thống thử nghiệm
Sơ đồ toàn bộ hệ thống thử nghiệm bao gồm ĐCĐT, ĐCĐ và hệ thống truyền động, các thiết bị đo được thể hiện trên Hình 4.12 và hình ảnh thực tế sau khi lắp đặt hệ thống thử nghiệm được thể hiện trên Hình 4.13.
Hình 4.12 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm
127
Hệ thống thử nghiệm được lắp đặt trên băng thử phanh kiểu dòng điện xoáy tại Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải - Viện Cơ khí động lực - Trường ĐHBK Hà Nội.
4.3.8 Chế độ thử nghiệm
Nghiên cứu thử nghiệm được thực hiện theo phương pháp đối chứng giữa 3 trường hợp: chạy độc lập ĐCĐT, độc lập ĐCĐ và phối hợp ĐCĐT với ĐCĐ. Trong đó, ở trường hợp chạy phối hợp, ĐCĐ lần lượt cung cấp năng lượng để thay thế một phần công suất của ĐCĐT. NCS đưa ra mục tiêu trong thử nghiệm ĐCĐ thay thế tối thiểu 30% công suất của ĐCĐT. Do đó, hệ thống được điều chỉnh trong quá trình thử nghiệm để ĐCĐ thay thế công suất của ĐCĐT tăng dần từ mức 30% với mỗi bước là 20% (tương ứng với các mức điều chỉnh 30%, 50%, 70%).
Quá trình thử nghiệm được thực hiện trên hai đường đặc tính:
(i) Đặc tính tốc độ: tốc độ ĐCĐT thay đổi trong khoảng làm việc từ 1000 v/ph đến 7000 v/ph, tương ứng tốc độ của phanh thay đổi trong khoảng từ 150 đến 1200 v/ph.
(ii) Đặc tính tải ở tốc độ ĐCĐT lần lượt là 7000, 6000 và 4000 v/ph và mô men phanh được điều chỉnh ở các mức từ 1, 3, 7, 9 và 12 Nm.
Mỗi điểm đo được thực hiện 3 lần, kết quả là trung bình cộng của 3 lần đo. Phụ tải ngoài được thay đổi thông qua bộ điều khiển lực phanh bằng cách điều chỉnh điện áp cấp vào cuộn dây của phanh.
Các thông số đo đạc bao gồm: mức tiêu thụ nhiên liệu xăng, dòng điện tiêu thụ ở chế độ phối hợp hoặc chạy độc lập ĐCĐ, tốc độ ĐCĐT, tốc độ băng thử, mô men phanh và các thành phần phát thải CO, CO2, HC và NOx.
4.4. Kết quả thử nghiệm và thảo luận
Kết quả thử nghiệm được trình bày chi tiết trong các bảng phụ lục 4.1. Dưới đây là các đánh giá, phân tích các kết quả đo được trong quá trình thử nghiệm.
4.4.1 Đánh giá tính năng kinh tế năng lượng
Khi hệ thống hoạt động chế độ phối hợp công suất, vị trí tay ga của ĐCĐT được điều chỉnh sao cho mô men giảm tương ứng 30%, 50% và 70% trong khi tốc độ không đổi (bằng cách giảm tải của phanh điện song song quá trình giảm tay ga ĐCĐT). Sau đó, ĐCĐ được điều chỉnh đóng góp một phần công suất cho hệ thống, đồng thời dòng điện cung cấp phanh điện tăng lên để duy trì tốc độ động cơ không đổi. Ở chế độ này, hệ thống nhận năng lượng đồng thời từ ĐCĐT và ĐCĐ, ĐCĐT không sạc cho ắc quy. Kết quả đo đạc và đánh giá tính kinh tế năng lượng của hệ thống tại các tốc độ khác nhau được thể hiện trên Hình 4.14.
Tính năng kinh tế năng lượng được xác định theo công thức (4.1) sau đây:
. .3, 6
xang xang ÐCÐ
E =m LHV +P (4.1) Trong đó:
128
- mxang là lượng nhiên liệu xăng tiêu thụ (kg/h)
- LHVxang là nhiệt trị thấp của nhiên liệu xăng (MJ/kg) - PÐCÐ là công suất động cơ điện (kW).
Kết quả thể hiện trên Hình 4.14 cho thấy, khi hệ thống hoạt động ở chế độ phối hợp, mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống giảm đáng kể. Hệ thống hoạt động có hiệu suất chuyển đổi năng lượng tốt hơn ở vùng tốc độ cao và giảm dần ở các vùng tốc độ thấp. Tương tự, vùng tải cao thì việc phối hợp hai nguồn năng lượng có lợi ích hơn so với vùng tải thấp, tại cùng một giá trị tốc độ. Tại tốc độ động cơ ổn định 7000 v/ph và thay đổi lực phanh, khi cắt giảm mô men của ĐCĐT đi lần lượt 30%, 50% và 70% đồng thời bổ sung năng lượng qua ĐCĐ thì tiêu thụ năng lượng có xu hướng giảm 3,34%, 13,18% và 21,53%. Tương tự, tại các tốc độ làm việc khác, mức tiêu hao năng lượng khi hoạt động ở chế độ phối hợp đều có xu hướng giảm. Cụ thể, tại 6000 v/ph, tiêu hao năng lượng giảm 5,51%, 13,6% và 38,59%; tại 4000 v/ph, giá trị này giảm lần lượt là 10,06%, 20,76% và 31,33%. Kết quả này cho thấy, khi càng tăng tỷ lệ phối hợp nguồn lực bằng cách tăng năng lượng cung cấp bởi ĐCĐ thì tính năng kinh tế của hệ thống được cải thiện, từ 13,18% ở 50% ĐCĐ lên đến 21,53% ở 70% ĐCĐ khi các nguồn động lực hoạt động ở chế độ 7000 v/ph.
129
4.4.2 Đánh giá về thành phần khí thải của động cơ
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 = =