112
4.4.3. Kết quả thử nghiệm
Thử nghiệm được tiến hành 04 lần, quãng đường xe gắn máy chạy được trung bình ứng với 1 kg nhiên liệu/hỗn hợp nhiên liệu như bên dưới:
Bảng 4.2: Kết quả chạy xe trên đường thực
Chếđộ thử dùng Quãng đường thử
100% xăng 80 km
100% LPG 100 km
50% xăng- 50% LPG 65 km
70% LPG- 30% ethanol 77 km
Kết quả chạy thử nghiệm trên đường thực ứng với tỷ lệ nhiên liệu ethanol/xăng, ethanol/LPG khác nhau được trình bày trên hình 4.16.
Hình 4.16: Quãng đường xe gắn máy chạy được ứng với 1 kg nhiên liệu/hỗn hợp nhiên liệu theo tỉ lệ ethanol/xăng, ethanol/LPG
Kết quả hình 4.16 cho thấy quãng đường xe gắn máy chạy được ứng với 1 kg hỗn hợp nhiên liệu giảm khi tăng hàm lượng ethanol trong nhiên liệụ Điều này có thể giải thích là do nhiệt trị của ethanol thấp hơn xăng hay LPG (nhiệt trị của ethanol là 29,7 MJ/kg so với xăng 46,4 MJ/kg và LPG 49,3 MJ/kg). Khi chạy bằng
xăng-ethanol thì quãng đường/kg hỗn hợp nhiên liệu giảm gần như tuyến tính theo hàm lượng ethanol trong hỗn hợp. Tuy nhiên khi xe chạy bằng LPG-ethanol thì
0 10 20 30 40 50 60 Etha/Xăng, Etha/LPG (%m) Q uã ng đ ườ n g ( k m/ k g h ỗ n h ợ p N L ) 110 100 90 80 70 60 50
113
quãng đường chạy được giảm nhanh khi tăng hàm lượng ethanol. Điều này là do khi tăng hàm lượng ethanol thì một mặt nhiệt trị nhiên liệu giảm và mặt khác tính ưu
việt của LPG đối với q trình cháy cũng giảm.
Kết quả thử nghiệm trên đây cho phép ta hiệu quả sử dụng hỗn hợp LPG- ethanol tốt hơn so với hỗn hợp xăng-ethanol. Điều này đã được khẳng định trong tính tốn mơ phỏng. Tuy nhiên đây là kết quả thử nghiệm hiệu quả tổng thể trên
đường thực. Để có thể so sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng chúng ta cần đo thêm
công suất động cơ trên bộ tạo tải động cơ để đảm bảo tính chính xác.
Phần dưới đây sẽ trình bày kết quả thử nghiệm động cơ xe gắn máy chạy bằng LPG-ethanol trên bộ tạo tải động cơ.
4.5. Thử nghiệm xe gắn máy chạy bằng nhiên liệu LPG-ethanol trên bộ
tạo tải động cơ 4.5.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm + + 11 12 13 14 15 16 Hình 4.17: Sơ đồ bố trí thí nghiệm
1. Động cơ Honda RSX xăng/ ethanol- LPG; 2. Phanh điện; 3. Cell load; 4.Encoder; 5. Điện trở; 6. Accu; 7. Mạch điều chỉnh dịng điện kích thích; 8. Vi
114
điều khiển Arduino; 9. Máy tính; 10. ECU động cơ RSX; 11. Vòi phun LPG; 12. Vòi phun xăng/ethanol; 13. Bình chứa ethanol; 14. Bình chứa LPG; 15. Cân điện tử;
16. Cân điện tử
Hình 4.17 giới thiệu sơ đồ bố trí thí nghiệm, hệ thống gồm động cơ LPG- ethanol thử nghiệm được kết nối với phanh điện 2 nhờ khớp nối mềm. Trên trục khớp nối bố trí hệ thống encoder 4 để đo tốc độ. Nhiên liệu ethanol 13 và LPG 14
được cung cấp vào đường nạp động cơ thử nghiệm thơng qua các vịi phun 12 và
11. Mức độ tiêu hao nhiên liệu và tỷ lệ nhiên liệu thực tế được xác định bằng cân điện tử 15 và 16.
Tín hiệu vịi phun xăng từ ECU 10 được dẫn đến vi điều khiển 8 để tách
thành 2 xung có tỷ lệ độ rộng xung được điều chỉnh nhờ máy tính 9. Dịng điện kích
thích máy phát điện (phanh điện) do accu 6 cung cấp và được điều chỉnh nhờ mạch điện 7 thông qua vi điều khiển 8. Tải cố định 5 được điều chỉnh nhờ điều chỉnh điện áp đầu ra máy phát thơng qua điều chỉnh dịng điện kích thích.
Stator của phanh điện được quay tự do quanh trục của nó, lực cản cân bằng với lực điện từ được xác định nhờ Loadcell 3.
Hệ thống được điều khiển tự động bằng máy tính 9. Ứng với một chế độ tải của động cơ (thể hiện qua vị trí bướm ga) và một giá trị tốc độ động cơ được cài đặt
trước, máy tính sẽ điều chỉnh dịng điện kích thích máy phát để giữ cân bằng. Nhờ
vậy việc thực hiện thí nghiệm đơn giản, đảm bảo độ tin cậy và an toàn.
4.5.2. Lắp đặt động cơ xe gắn máy lên bộ tạo tải động cơ
Hình 4.18: Ống dẫn dầu bôi trơnđộng cơ
Ống dẫn dầu bôi trơn Trục khuỷu Nắp máy cải tạo Ống báo mức dầu
115
Động cơ J52C đã được tháo bỏ phần hộp số để kết nối trực tiếp trục khuỷu động cơ đến bộ tạo tải động cơ. Do động cơ thử nghiệm đã bị tháo bỏ phần nắp máy và được thay thế bằng một nắp máy mới sát thân động cơ làm ảnh hưởng đến đường
dầu nhớt bôi trơn trục khuỷu và thành xy lanh nên động cơ đã được lắp một đường dầu bên ngoài trực tiếp từ bơm nhớt phun vào trục khuỷu động cơ, đảm bảo động cơ
được bôi trơn đầy đủ trong quá trình thử nghiệm (hình 4.18).
Hệ thống làm mát của động cơ có vai trị quan trọng làm giảm bớt lượng nhiệt lượng truyền từ buồng cháy động cơ đến các chi tiết lân cận như piston, xéc
măng, xylanh… Đảm bảo duy trì nhiệt độ động cơ ở một giới hạn nhất định để các
chi tiết hoạt động tốt và lâu dàị Trong quá trình thử nghiệm, động cơ được quạt làm mát của cơ cấu bộ tạo tải làm mát liên tục.
Hình 4.19: Gá đặt động cơ lên bộ tạo tải không cần tháo rời động cơ
116
Động cơ sau khi được cải tạo được lắp đặt lên giá của cơ cấu bộ tạo tải động cơ; để đơn giản việc gá đặt, giá của bộ tạo tải động cơ được bắt chặt vào khung sườn xe gắn máy thử nghiệm (hình 4.19). Động cơ giữ nguyên vị trí trên khung sườn xe (hình 4.19), trục động cơ được kết nối với trục phanh điện thông qua khớp
nối mềm như hình 4.20. Nhiên liệu LPG được cung cấp qua vịi phun nhiên liệu khí, bướm ga được điều khiển bằng servo motor (hình 4.21).
Hình 4.21: Vịi phun nhiên liệu khí LPG và servo motor điều khiển bướm ga
Hình 4.22: Board mạch vi điều khiển Arduino, điều khiển tải động cơ và vòi phun
Hệ thống sử dụng 02 board mạch vi điều khiển Arduino (hình 4.22). Board mạch thứ nhất để điều khiển tải động cơ và board mạch thứ hai để điều khiển các vịi phun. Điện trở tải cố định (hình 4.23) được đấu vào đầu ra của phanh điện.
117
Hình 4.23: Điện trở tải cốđịnh được đấu vào đầu ra của phanh điện
Hình 4.24 giới thiệu tồn bộ hệ thống thí nghiệm sau khi đã lắp đặt đầy đủ các bộ phận.
Hình 4.24: Hệ thống thí nghiệm sau khi đã lắp đặt đầy đủ các bộ phận
4.5.3. Quy trình thử nghiệm xe gắn máy trên bộ tạo tải động cơ
Các bước tiến hành thử nghiệm:
Bước 1: Nhập lệnh xác định tốc độ ban đầu: n=… (vg/ph). Trong thí nghiệm
này tốc độ động cơ được chọn ở các giá trị: 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500 và 5000 vg/ph. Để đảm bảo độ an toàn của hệ thống đo, tốc độ động cơ được giới hạn
ở 5000 vg/ph.
Bước 2: Nhập lệnh điều khiển vị trí bướm ga: BG=… (% bướm ga). Trong thí nghiệm này chúng ta đo các thơng số của động cơ trên đường đặc tính ngồi nên
118 bảo động cơ chạy ở tốc độ cho trước ở bước 1.
Bước 3: Điều chỉnh tỷ lệ phun ethanol và LPG. Quan sát lượng tiêu thụ LPG
và ethanol cho bởi các cân nhiên liệu để điều chỉnh chính xác giá trị ExL. Trong thí nghiệm này chúng ta điều chỉnh giá trị từ ExL=0% đến ExL=40%.
Bước 4: Sau khi tốc độ động cơ và các thông số được ổn định, ghi lại các giá
trị hiển thị trên màn hình bao gồm: mơmen xoắn M [Nm], tốc độ động cơ n [vg/ph], chỉ số tiêu thụ LPG, chỉ số tiêu thụ ethanol.
Bước 5: Phân tích khí thải để xác định nồng độ HC, CO và NOx. Phép đo được lặp lại 4 lần ứng với một giá trị tốc độ động cơ n.
4.5.4. Các biểu thức quan hệ giữa các đại lượng đo khi thực nghiệm
Trong thực nghiệm, do LPG và ethanol ở trạng thái khác nhau trong điều
kiện môi trường nên lượng nhiên liệu tiêu hao được xác định theo khối lượng (bằng cân điện tử như sơ đồ bố trí thí nghiệm hình 4.13). Việc chuyển đổi thành phần mol sang thành phần khối lượng hay ngược lại được thực hiện dễ dàng bằng cách lựa chọn thành phần nhiên liệu trong Fluent.
Cụ thể, mỗi seri thí nghiệm LPG và ethanol được cân trước và sau khi thí nghiệm. Từ đó xác định được lượng LPG và ethanol tiêu thụ. Thành phần ethanol
trong hỗn hợp nhiên liệu được ký hiệu ExL. Tỷ lệ “x” của nhiên liệu ethanol trong tổng nhiên liệu phun vào xilanh động cơ được tính bằng cơng thức sau:
(%) 100 LPG m Ethanol m Ethanol m x (4.1)
Trong đó: mEthanol là khối lượng nhiên liệu ethanol tiêu thụ.
mLPG là khối lượng nhiên liệu LPG tiêu thụ.
Quan hệ giữa lực cho bởi cảm biến loadcell, tốc độ động cơ với mô men,
công suất động cơ được thể hiện trên sơ đồ thí nghiệm. Cơng chỉ thị chu trình được
xác định theo biểu thức:
(4.2)
Cơng có ích được xác định ở đầu ra trục khuỷu động cơ thông qua hiệu suất cơ giới m:
119
We = Wi. m (4.3)
Trong đó: m là hiệu suất cơ giới được đo thông qua công cơ giới khi chuyển
phanh điện thành động cơ điện kéo động cơ không đánh lửa và không cung cấp
nhiên liệụ Do hiệu suất cơ giới thay đổi theo nhiệt độ động cơ, điều kiện bôi trơn, tốc độ vận hành… nên trong nghiên cứu này, nghiên cứu sinh chọn một giá trị trung bình m=0,85 để tính tốn. Giá trị này đã được các cơng trình nghiên cứu khác xác
định trên cơ sở đo trực tiếp áp suất chỉ thị trong xi lanh và công có ích trên trục
khuỷu động cơ trên băng thử AVL.
Bảng 4.3: Bảng thống kê kết quả thực nghiệm trên bộ tạo tải và thiết bị phân tích khí xảđộng cơ xăng MGT5 Lần đo thứ Điểm đo T(vg/ph) ốc độ Thơng số kỹ thuật M (N.m) Nồng độ khí thải CO
[%Vol] [ppm Vol] HC NOx
[ppm Vol] 01 01 2000 x x x x 02 2500 x x x x …. …. x x x x 07 5000 x x x x … … … … … … … 04 01 2000 x x x x 02 2500 x x x x …. …. x x x x 07 5000 x x x x
Các đại lượng thực nghiệm trong luận án này gồm lực (cho bởi loadcell), tốc độ động cơ (cho bởi encoder), khối lượng nhiên liệu tiêu thụ (cho bởi cân điện tử
chính xác) và thành phần khí thải (cho bởi máy phân tích khí thải đã chuẩn hóa bởi Cục Đăng kiểm Việt Nam, đang được sử dụng tại Trung tâm Đăng kiểm). Trước khi thí nghiệm, loadcell được chuẩn bằng các quả cân thực tếđểđảm bảo độ chính xác. Các thiết bị đo khác đã được chuẩn bởi nhà chế tạọ Sai số của các phép đo khối lượng và thành phần khí thải của các dụng cụ trong phạm vi cho phép.
120
4.6. Đánh giá kết quả thử nghiệm và so sánh kết quả mô phỏng
4.6.1. So sánh ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến tính năng động cơ cho bởi mơ phỏng và thực nghiệm bởi mô phỏng và thực nghiệm
Hình 4.25: So sánh ảnh hưởng của tốc độđộng cơ đến công suất và phát thải ô nhiễm của động cơ cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (E30L, =1, s tối ưu)
Hình 4.21 so sánh cơng suất và phát thải ô nhiễm của động cơ cho bởi mô phỏng và thực nghiệm. Động cơ sử dụng nhiên liệu E30L, hệ số tương đương =1,
góc đánh lửa sớm được điều chỉnh theo giá trị tối ưu tương ứng với tốc độ vận hành
của động cơ. Chúng ta thấy qui luật biến thiên của Pe và các chất ô nhiễm cho bởi mô phỏng và thực nghiệm phù hợp với nhaụ Khi tăng tốc độ động cơ thì CO và HC
tăng cịn NOx giảm. Giá trị cơng suất cho bởi thực nghiệm nhỏhơn giá trị tính tốn mơ phỏng khoảng 10% ở tốc độ 2000 vg/ph và nhỏ hơn 6% ở tốc độ 5000 vg/ph. Ở vùng tốc độ thấp chênh lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm lớn hơn ở vùng tốc độ cao có thể giải thích do góc đánh lửa sớm thực tế của động cơ được tính tốn theo nhiên liệu xăng khác biệt so với hỗn hợp nhiên liệu E30L. Ở vùng tốc độ cao, chênh lệch góc đánh lửa sớm giữa xăng và nhiên liệu E30L được thu hẹp nên chênh lệch cơng suất giảm. Mặt khác, do q trình cháy thực tế khơng diễn ra hồn hảo như tính tốn mơ phỏng nên công suất cho bởi thực nghiệm luôn nhỏ hơn công suất cho bởi mô phỏng ở bất kỳ chế độ tốc độ nàọ
121
phát thải CO, HC thực nghiệm ở các chế độ tốc độ khác nhau đều cao hơn giá trị tương ứng cho bởi mơ phỏng. Hình 4.21 cho thấy nồng độ CO thực nghiệm cao hơn
giá trị mô phỏng khoảng 8% ở tốc độ 2000 vg/ph và cao hơn khoảng 5% ở tốc độ
5000 vg/ph. Như giải thích ở trên, góc đánh lửa sớm cài đặt sẵn trong ECU phù hợp với hỗn hợp E30L ở tốc độ cao hơn ở tốc độ thấp. Nồng độ HC theo thực nghiệm cao hơn giá trị mơ phỏng trung bình khoảng 15% trong khi đó nồng độ NOx cho bởi
thực nghiệm nhỏ hơn giá trị mơ phỏng trung bình khoảng 12%. Điều này là do q trình cháy trong thực tế khơng diễn ra hoàn toàn dẫn đến nhiệt độ cháy thực tế nhỏ
hơn giá trị mô phỏng làm giảm nồng độ NOx.
3.6 3.7 3.8 3.9 4 4.1 4.2 0 10 20 30 40 50 Pe (kW ) E (%V) ━: Mô phỏng, ----: Thực nghiệm
Hình 4.26: Biến thiên cơng suất đầu ra Pe theo hàm lượng ethanol thay đổi từ E0L đến E40L cho bởi mô phỏng và thực nghiệm khi chạy bằng LPG-ethanol
Hình 4.22 giới thiệu biến thiên công suất đầu ra Pe theo hàm lượng ethanol
thay đổi từ E0L đến E40L cho bởi mô phỏng và thực nghiệm khi chạy bằng LPG- ethanol ở tốc độ 4000 vg/phút. Cơng suất có ích được tính từ cơng chỉ thị chu trình Wi mơ phỏng Pe=Wi.n/120.; trong đó là hiệu suất cơ giới tổng quát được chọn =0,85. Giá trị này đã được kiểm chứng trong chứng trong các cơng trình của
GS.TS Bùi Văn Ga đối với động cơ xăng [64]. Chúng ta thấy chênh lệch giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng khoảng 10% trong trường hợp động cơ sử dụng với
4,2 4,1 4 3,9 3,8 3,7 3,6
122
hàm lượng E10L và khoảng 5% trong trường hợp sử dụng với hàm lượng E40L.
Chúng ta thấy khi tăng hàm lượng ethanol thì cơng suất có ích có xu hướng
tăng nhưng sự gia tăng cơng suất có ích của động cơ cho bởi thực nghiệm thấp hơn
cho bởi mơ phỏng. Khi hàm lượng ethanol thấp thì cơng suất thực nghiệm cao hơn
nhưng ethanol cao thì cơng suất thực nghiệm thấp hơn giá trị mô phỏng. Điều này là
do quá trình cháy trong thực tế khơng diễn ra hồn hảo như tính tốn lý thuyết.
4.6.2. So sánh ảnh hưởng hàm lượng ethanol đến tính năng động cơ cho bởi mơ phỏng và thực nghiệm bởi mô phỏng và thực nghiệm
Với tính tốn mơ phỏng trình bày ở Chương 3 cho thấy sự gia tăng hàm lượng ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu làm giảm phát thải CỌ Điều này có thể là
do thành phần oxygen trong ethanol có lợi cho việc cải thiện quá trình đốt cháy hoàn toàn. Mặt khác hàm lượng cao của ethanol trong nhiên liệu làm giảm nồng
độ NOx. Trên thực tế, do ethanol nhiệt ẩn hóa hơi cao nên nhiệt độ khí nạp giảm khi hàm lượng ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu tăng lên. Điều này dẫn đến sự
giảm nồng độ NOx.
Nói chung, việc hịa trộn ethanol với LPG có thể làm giảm lượng khí thải CO và NOx so với động cơ vận hành bằng nhiên liệu LPG duy nhất nhờ tính