v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
3.5.1 Nhiệt độ khí thải và BXT
a) Nhiệt độ khí thải trong đường ống thải
Hình 3.4 Phân bố nhiệt độ khí thải trên đường thải ở các chế độ làm việc ổn định
Trong quá trình khí thải lưu động trong ống thải, năng lượng khí thải ở nhiệt độ cao truyền cho đường ống thải rồi truyền ra ngoài môi trường xung quanh. Khí thải mất nhiệt làm cho nhiệt độ của nó giảm dần dọc theo chiều dài của ống thải. Khi động cơ ở chế độ làm việc ổn định, nhiệt độ và lưu lượng khí thải ổn định. Nhiệt độ ống thải ở trạng thái cân bằng (ống thải nhận nhiệt từ khí thải và truyền nhiệt cho môi trường xung quanh, lượng nhiệt nhận vào bằng lượng nhiệt mất đi). Lúc này, không còn hơi nước trong đường ống thải. Tính toán quá trình truyền nhiệt
78
trên đường ống cho trường hợp này là truyền nhiệt với bề mặt khô. Hình 3.4 thể hiện trường nhiệt độ của khí thải trên đường ống thải theo các chế độ làm việc ổn định khác nhau. Nhiệt độ khí thải giảm dần dọc theo đường ống thải từ cửa thải của động cơ. Năng lượng khí thải mất mát trên đường thải giảm dần dọc theo chiều dài của nó làm cho tốc độ giảm nhiệt độ giảm dần. Tốc độ giảm nhiệt của khí thải phụ thuộc vào 2 yếu tố là chênh lệch nhiệt độ giữa khí với ống và lưu lượng của khí. Chênh lệch nhiệt độ càng cao thì mất nhiệt càng lớn và ngược lại. Lưu lượng khí thải càng cao thì mất nhiệt riêng càng nhỏ và ngược lại.
Chế độ không tải chuẩn có nhiệt độ khí thải tại cửa thải là nhỏ nhất đồng thời lưu lượng khí thải cũng là nhỏ nhất. tổng hợp lại, ta có mức tốc độ giảm nhiệt độ của khí thải ở trường hợp này là lớn nhất thể hiện bằng đường nhiệt độ của chế độ này có độ dốc lớn nhất. Ở chế độ không tải nhanh 2500 v/p và 10% tải 2500 v/p do chênh lệch về nhiệt độ và lưu lượng khí thải ở 2 chế độ này không nhiều (không tải nhanh có nhiệt độ thấp hơn và lưu lượng cũng thấp hơn) do đó tốc độ giảm nhiệt ở 2 trường hợp này gần như là bằng nhau. Ở chế độ toàn tải 7500v/p tổng hợp của 2 yếu tố là nhiệt độ và lưu lượng khí thải cao trong đó ảnh hưởng của yếu tố thứ 2 là mạnh mẽ hơn làm cho tốc độ giảm nhiệt độ ở chế độ toàn tải nhỏ hơn các trường hợp khác nên đường nhiệt ở chế độ này có độ dốc nhỏ hơn các chế độ khác.
Việc lựa chọn vị trí lắp đặt BXT ảnh hưởng rất lớn tới hiệu quả sấy nóng BXT ở chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy và mức độ quá nhiệt của BXT khi động cơ làm việc ở chế độ toàn tải. Lắp đặt BXT gần với cửa thải có thể tận dụng năng lượng khí thải để sấy nóng BXT trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy, tuy nhiên nhiệt độ và năng lượng nhiệt khí thải quá cao ở chế độ toàn tải có thể gây già hóa nhanh và hư hỏng cho BXT. Lắp BXT xa cửa thải có thể đảm bảo an toàn cho BXT không sợ bị quá tải chế độ toàn tải. Tuy nhiên, nhiệt độ và năng lượng khí thải ở chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy là rất thấp không có khả năng sấy nóng BXT tới nhiệt độ làm việc. Khi lựa chọn vị trí lắp đặt thì mức độ quá nhiệt của BXT khi động cơ làm việc toàn tải thường được ưu tiên lựa chọn. Tuổi thọ của BXT được đảm bảo khi nhiệt độ của khí thải đi vào không quá 923K [69].
Từ hình 3.4 ta có thể thấy, lựa chọn vị trí lắp BXT cách cửa thải 400 mm là hợp lý. Tại vị trí này nhiệt độ khí thải là 501K ở chế độ không tải chuẩn ổn định, 578K ở chế độ không tải nhanh ổn định, 630K ở chế độ 10% tải và 911K ở toàn tải. Như vậy, vị trí này vừa đảm bảo năng lượng khí thải ở chế độ không tải không quá nhỏ, vẫn có thể sấy nóng BXT vừa đảm bảo nhiệt độ khí thải đủ lớn ở tải nhỏ và không vượt quá giới hạn được khuyến cáo ở toàn tải.
Nhiệt độ khí thải trong ống thải ở các chế độ chuyển tiếp sau khởi động lạnh của động cơ (không tải chuẩn, không tải nhanh và 10%) được thể hiện tương ứng trên các hình 3.5, 3.6 và 3.7. Nhiệt độ này phụ thuộc vào nhiệt độ khí thải tại cửa thải và sự trao đổi nhiệt của khí thải trên đường thải. Cả 2 yếu tố này đều thay đổi theo thời gian kể từ khi bắt đầu khởi động lạnh nên nhiệt độ khí thải trong ống thải cũng vừa thay đổi theo thời gian vừa thay đổi dọc theo đường ống thải. Kết quả là nhiệt độ khí thải cuối ống thải trước khi vào BXT thấp hơn nhiều so với nhiệt độ tại cửa thải và tăng dần theo thời gian.
79
Hình 3.5 Nhiệt độ khí thải trên đường thải sau khởi động ở các thời điểm khác nhau với chế độ không tải chuẩn
Hình 3.5 mô tả đường nhiệt độ của khí thải dọc theo đường thải ở các thời điểm khác nhau sau khi khởi động lạnh ở chế độ không tải chuẩn. Tại thời điểm 10 giây sau khởi động lạnh, trên bề mặt đường thải vẫn tồn tại một lớp màng hơi nước mỏng, lớp màng này ngăn cản quá trình trao đổi nhiệt giữa khí thải và thành ống làm cho mất nhiệt từ khí thải cho thành ống giảm. Hiệu ứng này càng về cuối đường ống thải càng mạnh mẽ làm cho mất nhiệt càng giảm. Từ đó làm tốc độ giảm nhiệt của khí thải ở trường hợp này giảm, biểu thị bằng đường nhiệt độ có độ dốc nhỏ.
Từ giây thứ 20 trở đi hơi nước bay hơi hoàn toàn, truyền nhiệt là truyền nhiệt trên bề mặt khô. Càng về sau nhiệt độ đường thải càng tăng lên làm cho mất nhiệt càng giảm do đó tốc độ giảm nhiệt độ giảm xuống thể hiện bằng việc độ dốc của đường nhiệt độ giảm dần theo thời gian.
Hình 3.6 Nhiệt độ khí thải trên đường thải sau khởi động ở các thời điểm khác nhau với chế độ không tải nhanh
80
Hình 3.7 Nhiệt độ khí thải trên đường thải sau khởi động ở các thời điểm khác nhau với chế độ 10% tải 2500v/p
Hình 3.6, 3.7 mô tả đường nhiệt độ của khí thải dọc theo đường thải sau khi khởi động lạnh ở các thời điểm khác nhau với chế độ không tải nhanh và 10% tải. Đồ thị cho thấy rằng, diễn biến nhiệt độ ở 2 chế độ này tương tự như ở không tải chuẩn từ giây thứ 20 trở đi và có trị số cao hơn.
Hình 3.8 Nhiệt độ khí thải tại cửa thải và trước BXT ở các chế độ khác nhau từ khi khởi động lạnh
Hình 3.8 biểu diễn nhiệt độ của khí thải tại cửa thải và trước BXT ở các chế độ khác nhau từ khi khởi động lạnh. Sau khi khởi động lạnh, nhiệt độ khí thải tại cửa thải tăng nhanh ở những giây đầu tiên sau đó tăng dần đến nhiệt độ ổn định. Nhiệt độ khí tại cửa vào BXT tăng lên sau quá trình khởi động động cơ. Tuy nhiên tốc độ tăng nhiệt độ tại cửa vào của BXT chậm hơn so tại cửa thải. Nguyên nhân là do mất nhiệt nhiều khi động cơ mới khởi động lạnh. Tốc độ tăng nhiệt độ nhanh nhất là ở 10% tải 2500v/p và nhỏ nhất là ở chế độ không tải chuẩn.
81
Chênh lệch nhiệt độ khí tại cửa cửa thải và tại cửa vào BXT là khá lớn. Sự chênh lệch nhiệt độ này là do sự mất nhiệt trên đường ống thải. Để nâng cao nhiệt độ khí thải tại cửa vào BXT nhiều nghiên cứu đưa ra các giải pháp, nhằm giảm mất mát nhiệt, bằng cách quản lý nhiệt trên đường thải như: lắp BXT gần cửa thải, sử dụng ống thải 2 lớp, bọc cách nhiệt cho ống thải…
b) Nhiệt độ lõi BXT khi không sấy
a b
c d
Hình 3.9 Nhiệt độ khí thải đầu vào và nhiệt độ BXT trong giai đoạn khởi động lạnh
Hình 3.9 thể hiện nhiệt độ khí thải tại cửa vào BXT và nhiệt độ trung bình của lõi BXT ở các chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy. Qua các đồ thị hình 3.9-a,b,c ta có thể thấy ở giai đoạn đầu của quá trình hoạt động của động cơ, sự chênh lệch nhiệt độ của lõi BXT với nhiệt độ khí thải đầu vào là khá lớn. Sự chênh lệch này là do BXT bằng kim loại nên quán tính nhiệt của nó lớn hơn nhiều chất khí, cần mất một thời gian nhất định để sấy nóng.
Tốc độ tăng nhiệt độ của lõi BXT là không cao mặc dù chênh lệch nhiệt độ giữa khí thải và lõi BXT là khá lớn. Nguyên nhân là do, khí thải mặc dù có nhiệt độ cao, nhưng bởi năng lượng của dòng khí thải quá thấp (do lưu lượng khí thải nhỏ) nên nhiệt lượng truyền cho BXT không nhiều đồng thời ở giai đoạn này các phản ứng xúc tác tỏa nhiệt bên trong lõi BXT còn ít dẫn tới nhiệt độ BXT tăng chậm.
Đồ thị hình 3.9-d so sánh nhiệt độ lõi BXT ở các chế độ khác nhau từ khi khởi động lạnh. Đồ thị cho thấy nếu xét mốc nhiệt độ bắt đầu làm việc hiệu quả của BXT ở 523K (250oC), nhiệt độ mà BXT chuyển đổi được 40-50% HC, thì ở chế độ 10% tải, nhiệt độ BXT đạt đến nhiệt độ làm việc hiệu quả sau 150 giây từ lúc khởi động lạnh. Như vậy với thói quen vận hành xe của người dân hiện nay (khởi hành ngay sau khi khởi động động cơ) thì phải sau 150 giây khởi hành xe BXT mới đạt tới nhiệt độ làm việc hiệu quả. Thời gian làm việc không hiệu quả 150” của BXT là quá
82
dài. Ở các chế độ không tải chuẩn và không tải nhanh, BXT còn không đạt được nhiệt độ này trong thời gian khảo sát 200 giây.
Hình 3.10 Nhiệt độ BXT ở các chế độ ổn định
Hình 3.10 thể hiện nhiệt độ của lõi BXT ở các chế độ làm việc ổn định khác nhau, theo đó nhiệt độ tại chế độ không tải chuẩn là rất thấp chỉ đạt 481K (so với nhiệt độ làm việc hiệu quả của BXT là 523K). Ở chế độ không tải nhanh trở lên, nhiệt độ ổn định của BXT đều lớn hơn nhiệt độ làm việc hiệu quả tối thiểu, đảm bảo BXT làm việc bình thường. Ở chế độ toàn tải, nhiệt độ lõi BXT đạt 905K, với nhiệt độ này BXT đảm bảo làm việc hiệu quả cao và vẫn đủ bền để làm việc lâu dài.
c) Nhiệt độ lõi BXT khi có sấy bổ sung
a
Hình 3.11 Nhiệt độ lõi BXT ở chế độ không tải chuẩn với chiến lược sấy nóng 400W
Hình 3.11 thể hiện nhiệt độ trung bình của lõi BXT ở chế độ không tải chuẩn với chiến lược sấy nóng 400W. Qua hình 3.11 ta có thể thấy, ở chế độ không tải chuẩn do nhiệt độ khí thải rất thấp nên ngay sau khi BXT được sấy nóng, BXT mất nhiệt cho khí thải làm nhiệt độ của lõi BXT giảm xuống. Mặc dù nhiệt độ lõi BXT ở chế độ sấy lớn hơn nhiều so với không được sấy nhưng nhìn chung vẫn chưa đạt tới nhiệt độ làm việc hiệu quả (523K) trong thời gian nghiên cứu.
83
b
Hình 3.12 Nhiệt độ lõi BXT ở chế độ không tải chuẩn với chiến lược sấy nóng 200W
Các đồ thị Hình 3.12 thể hiện nhiệt độ trung bình của lõi BXT ở chế độ không tải chuẩn với chiến lược sấy nóng 200W, thời gian dài hơn trường hợp sấy với công suất 400W. Các đồ thị cho thấy, dù sấy với thời gian dài nhất 50”, khi kết thúc quá trình sấy, nhiệt độ BXT vẫn chưa đạt tới nhiệt độ làm việc hiệu quả 523K. Lúc này nhiệt độ khí thải còn thấp nên nhiệt độ BXT lại giảm xuống rồi sau đó tăng theo độ tăng của nhiệt độ khí thải. Trong suốt thời gian khảo sát, nhiệt độ BXT chưa đạt tới nhiệt độ làm việc.
Hình 3.13 Nhiệt độ lõi BXT ở chế độ không tải nhanh với chiến lược sấy nóng 400W
Hình 3.13 thể hiện nhiệt độ trung bình của lõi BXT ở chế độ không tải nhanh với chiến lược sấy nóng 400W, thời gian 10 giây, 20 giây, 30 giây. Qua hình 3.13 ta có thể thấy, ở các chế độ này nhiệt độ khí thải đã được cải thiện đáng kể so với không tải chuẩn nên ở cuối quá trình sấy, nhiệt độ BXT đã cao hơn. Đặc biệt là ở chế độ sấy 400W, 30 giây, kết thúc quá trình sấy nhiệt độ lõi BXT lớn hơn nhiệt độ khí thải, đạt đến 560K. Nếu so với nhiệt độ làm việc hoàn toàn hiệu quả 573K (300oC) thì chưa đạt, như nếu so với nhiệt độ bắt đầu làm việc hiệu quả 523K (250oC) thì đã vượt. Sau khi kết thúc quá trình sấy, lõi BXT mất nhiệt cho khí thải
84
làm cho nhiệt độ của nó giảm xuống 525K rồi lại tăng theo nhiệt độ khí thải. Như vậy, có thể nói ở trường hợp sấy 400W, 30” ở chế độ không tải nhanh, nhiệt độ lõi BXT đạt được nhiệt độ làm việc hiệu quả sau 30 giây từ lúc khởi động lạnh.
Hình 3.14 Nhiệt độ lõi BXT ở chế độ không tải nhanh với chiến lược sấy nóng 200W
Hình 3.14 thể hiện nhiệt độ trung bình của lõi BXT ở chế độ không tải nhanh với chiến lược sấy nóng 200W, thời gian 30”, 40”, và 50”. Qua hình 3.14 ta có thể thấy, với thời gian sấy 50”, ở cuối quá trình sấy, nhiệt độ BXT cũng đạt đến nhiệt độ bắt đầu làm việc hiệu quả 523K và sau đó tăng theo nhiệt độ khí thải. Tức là, BXT duy trì được nhiệt độ làm việc hiệu quả từ giây thứ 50 trở đi.
Hình 3.15 Nhiệt độ lõi BXT ở chế độ 10% tải với chiến lược sấy nóng 400W
Hình 3.15 thể hiện nhiệt độ trung bình của lõi BXT ở chế độ 10% tải với các chiến lược sấy nóng khác nhau ở công suất sấy 400W. Có thể thấy, ở chế độ 10% tải do nhiệt độ khí thải khá cao nên sau khi BXT được sấy nóng nhanh bằng dòng điện cao tần, lõi BXT tiếp tục được sấy nóng bằng nhiệt độ khí thải. Riêng trường hợp sấy nóng 400W sấy 30 giây, nhiệt độ lõi BXT đạt nhiệt độ bắt đầu làm việc
85
hiệu quả 523K sau 25s và tiếp tục tăng theo thời gian sấy đến 30” rồi sau đó tăng chậm theo nhiệt độ khí thải. Như vậy ở chế độ này BXT đạt nhiệt độ làm việc hiệu quả từ giây thứ 25 trở đi. Với thời gian sấy 20” và 10” thì BXT đạt nhiệt độ làm việc hiệu quả tương ứng sau 40” và 50”.
Hình 3.16 Nhiệt độ lõi BXT ở chế độ 10% tải với chiến lược sấy nóng 200W
Hình 3.16 thể hiện nhiệt độ trung bình của lõi BXT ở chế độ 10% tải với chiến lược sấy nóng 200W thời gian 30”, 40” và 50”. Qua hình 3.16 ta có thể thấy, kết thúc quá trình sấy nóng BXT bằng dòng điện cao tần, lõi BXT tiếp tục được sấy nóng bằng nhiệt khí thải. Với thời gian sấy 50”, nhiệt độ BXT đạt nhiệt độ làm việc tại cuối quá trình sấy và sau đó tăng theo nhiệt độ khí thải, còn với thời gian sấy ngắn hơn, BXT đạt nhiệt độ làm việc hiệu quả sau 50”.
Như vậy, qua phân tích kết quả tính toán mô phỏng nhiệt độ BXT khi áp dụng các chiến lược sấy với công suất sấy 400W và 200W với các độ dài thời gian sấy khác nhau ở các chế độ làm việc khác nhau của động cơ có thể thấy để BXT đạt được nhiệt độ làm việc hiệu quả trong khoảng thời gian dưới 50” từ lúc khởi động lạnh thì nên áp dụng chiến lược sấy công suất sấy 400W trong thời gian 30” cho chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy không tải nhanh và chế độ khởi động lạnh 10% tải.
Ở các chiến lược sấy nóng khác, nhìn chung nhiệt độ lõi BXT đều không đạt tới nhiệt độ làm việc hiệu quả trong khoảng thời gian dưới 50 giây từ khi khởi động lạnh.