L ời cam đoan
4.3.5 Thiết bị đo dòng điện tiêu thụ
Thiết bịđược sử dụng đểxác 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 khảnăng đo hầu hết các thông sốđiện năng.
Hình 4.11 Thiết bịđo 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 bịđo 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 4.12Sơ 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, ởtrường 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 đểĐCĐ 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 từ150 đến 1200 v/ph.
(ii) Đặc tính tải ở tốc độĐCĐT 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 bộđiều khiển lực phanh bằng cách điều chỉnh điện áp cấp vào cuộn dây của phanh.
Các thông sốđo đạc bao gồm: mức tiêu thụ nhiên liệu xăng, dòng điện tiêu thụ ở chếđộ phối hợp hoặc chạy độc lập ĐCĐ, tốc độĐCĐT, tốc độbăng 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 quảđo được trong quá trình thử nghiệm.
4.4.1 Đánh giá tính năng kinh tếnăng lượng
Khi hệ thống hoạt động chếđộ 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 độđộng cơ không đổi. Ở chếđộ này, hệ thống nhận năng lượng đồng thời từĐCĐT và ĐCĐ, ĐCĐT không sạc cho ắc quy. Kết quảđo đạc và đánh giá tính kinh tếnăng lượng của hệ thống tại các tốc độ khác
nhau được thể hiện trên Hình 4.14.
Tính năng kinh tếnăng 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 chếđộ phối hợp, mức tiêu thụnăng 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 độđộng 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 chếđộ 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% ở50% ĐCĐ lên đến 21,53% ở70% ĐCĐ khi
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 4.14So sánhđặc tính tiêu hao năng lượng ở các chếđộ tốc độ khác nhau
130
phối hợp hai nguồn động lực, ĐCĐT sẽ hoạt động ở vùng tải nhỏhơn so với trường hợp sử dụng một nguồn động lực ĐCĐT, nhờđó hỗn hợp thường được duy trì ở vùng có hệ sốdư 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
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 sựthay đổi theo xu hướng khác nhau ở các vùng tốc độ và chếđộ 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 sốlamda có xu hướng được điều chỉnh bằng hoặc nhỏhơn 1. Khi hoạt động ở chếđộ phối hợp công suất, ĐCĐT được vận hành ở vị trí tay ga nhỏhơn, kéo theo hệ sốdư 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 4.15So sánh phát thải COtại các tốc độ làm việc của ĐCĐT
133
Hình 4.16So 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 4.17So 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, chỉđo đạc được % thể tích của từng thành phần khí thải. Do đó, cần phải tính toán quy đổi kết quảđo (% 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 thứi (ppm); EVi,w nồng độ theo thể tích của khí ướt thứi (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. Từđó 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 thểxác định được vận tốc của xe, ta cần xác định tỉ số
truyền của vi sai ra bán trục, từđó 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: Chỉcó 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 chếđộ chỉcó ĐCĐT làm việc (4000 v/ph). Các thông sốđược 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 sẽđược 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 chếđộ chỉcó 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 chếđộ chỉcó 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 4.18So sánh tiêu hao năng lượng giữa mô phỏng và thử nghiệm
138
Hình 4.20So sánh phát thải HC giữa mô phỏng và thử nghiệm
Hình 4.21So sánh phát thải NOx giữa mô phỏng và thử nghiệm
Trường hợp 2: Có cảĐCĐT và ĐCĐ làm việc
Bảng 4.3 và 4.4 thể hiện các thông số khi tiến hành thử nghiệm và mô phỏng ở
139
Bảng 4.3 Các thông số thử nghiệm ở chếđộ có cảĐCĐT 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 chếđộ có cảĐCĐT 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 4.23So sánh phát thải CO giữa mô phỏng và thử nghiệm
Hình 4.24So 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 chếđộ có cảĐCĐT và ĐCĐ làm việc (6000 v/ph). Các thông sốđược
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
141
Hình 4.25So sánh phát thải NOx giữa mô phỏng và thử nghiệm
Tổng hợp cảhai 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 nhỏhơn hoặc tương đương 5%. Do đó, có thể kết luận rằng mô hình được xây dựng