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 vòi 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 thông 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: mômen 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 cơng 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 Thông 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 mô phỏng và thực nghiệm bởi mơ 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 công 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 công suất giảm. Mặt khác, do q trình cháy thực tế khơng diễn ra hồn hảo như tính tốn mơ phỏng nên cơng 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 mô phỏng trung bình khoảng 15% trong khi đó nồng độ NOx cho bởi
thực nghiệm nhỏ hơn giá trị mô phỏng trung bình khoảng 12%. Điều này là do quá trình cháy trong thực tế khơng diễn ra hồn tồn 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 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 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 mô 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 q 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 mô 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 q trình đốt cháy hồn 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 hòa 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 chất hóa lý đặc thù của ethanol.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0 10 20 30 40 50 CO (%V) E (%V) 200 300 400 500 600 700 800 0 10 20 30 40 50 HC (ppm) E (% V) (a) (b) ━: Mô phỏng,----: Thực nghiệm 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05
123 600 800 1000 1200 1400 1600 0 10 20 30 40 50 NOx (ppm) E (%V) (c)
Hình 4.27: So sánh sự biến thiên của nồng độ CO (a) và nồng độ NOx (b) và HC (c) theo hàm lượng ethanol thay đổi từ E0L đến E40L cho bởi mô phỏng
và thực nghiệm (=1, n=4000 vg/ph, s=20TK)
Hình 4.23a cho thấy nồng độ CO trong khí thải cho bởi mơ phỏng và thực nghiệm đều có xu hướng giảm khi tăng hàm lượng ethanol trong nhiên liệụ Tuy nhiên nồng độ CO cho bởi thực nghiệm cao hơn giá trị mô phỏng khoảng 15%.
Điều này có thể giải thích do q trình cháy trong thực tế diễn ra khơng hồn tồn lý tưởng như trong tính tốn mơ phỏng. Quá trình cháy khơng hồn tồn cục bộ
diễn ra ở một bộ phận hỗn hợp trong buồng cháy làm tăng nồng độ CO đo được
trong thực tế.
Tương tự với CO, tại hình 4.23b cho thấy nồng độ HC trong khí thải giảm theo hàm lượng ethanol trong nhiên liệu do q trình cháy diễn ra hồn tồn hơn.
Nồng độ HC cho bởi thực nghiệm hơi cao hơn nồng độ cho bởi mô phỏng khoảng 10% do sự khác biệt về tính đồng nhất của hỗn hợp trong thực tế so với tính tốn lý thuyết.
Hình 4.23c so sánh sự biến thiên của nồng độ NOx theo hàm lượng ethanol
trong nhiên liệụ Như đã giải thích ở trên, khi tăng hàm lượng ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu thì nhiệt độ cháy giảm làm giảm tốc độ sản sinh NOx. Nồng độ NOx cho bởi thực nghiệm giảm nhanh hơn nồng độ NOx cho bởi mô phỏng. Điều này là do quá trình cháy thực tế diễn ra khơng hồn toàn như lý thuyết nên nhiệt độ cháy thực
124
tế thấp hơn mô phỏng dẫn đến giảm nồng độ NOx. Khi hàm lượng ethanol tăng thì nồng độ NOx cho bởi thực nghiệm càng thấp hơn giá trị mơ phỏng vì một bộ phận ethanol lỏng không kịp bốc hơi trước khi cháy dẫn đến sự chậm trễ gia tăng tốc độ tỏa nhiệt làm giảm nhiệt độ cháy do đó giảm NOx mạnh hơn so với tính tốn mơ
phỏng.
Đánh giá sự biến thiên của nồng độ CO và nồng độ NOx cho bởi mô phỏng và thực nghiệm khi tăng hàm lượng ethanol lên E40L. Chúng ta thấy qui luật biến
thiên của CO, NOx cũng như sự chênh lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm trong
trường hợp này không khác biệt nhiều so với trường hợp động cơ chạy bằng LPG
pha 10%, 20% và 30% ethanol. Khác biệt có thể nhận thấy ở đây là giá trị nồng độ CO, NOx ở một vị trí tốc độ động cơ cho trước khi động cơ chạy bằng LPG pha
40% ethanol đều nhỏ hơn giá trị của chúng khi động cơ chạy bằng LPG pha 10%
ethanol. E0L Hệ số Pe (kW) 4,2 CO (%) 0,27 HC (ppm) 700 NOx (ppm) 1500
Hình 4.28: So sánh cơng suất và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ khi chạy bằng LPG (E0L) cho bởi mơ phỏng và thực nghiệm
125
Hình 4.24 so sánh công suất và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ khi chạy bằng LPG (E0L) với hệ số tương đương =1, góc đánh lửa sớm 28TK. Như đã giải thích trên đây, phát thải CO, HC cho bởi thực nghiệm cao hơn giá trị mô
phỏng và phát thải NOx cho bởi thực nghiệm thấp hơn mơ phỏng là do q trình cháy trong thực tế khơng diễn ra hồn tồn lý tưởng như tính tốn mơ phỏng.
Hình 4.25 bên dưới so sánh công suất và mức độ phát thải ô nhiễm của động
cơ khi chạy bằng nhiên liệu E40L với hệ số tương đương =1, góc đánh lửa sớm
28TK. Chúng ta thấy khi tăng hàm lượng ethanol thì q trình cháy diễn ra hồn
tồn hơn do ethanol có chứa oxygen làm cho q trình cháy được cải thiện. Điều này dẫn đến phát thải HC cho bởi thực nghiệm gần với giá trị mô phỏng hơn trường hợp E0L. Sự khác biệt giữa thực nghiệm và mô phỏng đối với CO và NOx không
thay đổi so với trường hợp E0L vì các chất ơ nhiễm này có động học phản ứng phụ
thuộc vào nhiệt độ cháy và nồng độ các chất trong phản ứng khí-nước.
E40L Hệ số
Pe (kW) 4,5
CO (%) 0,15
HC (ppm) 410 NOx (ppm) 1200
Hình 4.29: So sánh công suất và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ khi chạy bằng nhiên liệu E40L cho bởi mô phỏng và thực nghiệm
126
4.7. Kết luận chương 4
Nghiên cứu trên đây cho phép chúng ta rút ra được những kết luận sau: - Có thể cải tạo hệ thống phun xăng của xe gắn máy thành hệ thống phun đa nhiên liệu lỏng/khí bằng cách bổ sung thêm vi mạch điều khiển kết nối với ECM của động cơ. Hệ thống này cho phép điều chỉnh được tỷ lệ các loại nhiên liệu cung cấp cho động cơ một cách linh hoạt, phù hợp với động cơ thế hệ mới sử dụng nhiên
lưỡng nhiên liệụ
- Hồn tồn có thể chế tạo bộ tạo tải động cơ xe gắn máy với thiết bị tạo tải
được cải tạo từ máy phát điện, có mức độ tự động hóa cao, tích hợp điều khiển và
ghi nhận dữ liệu tự động thông qua vi điều khiển kết nối với máy tính. Tải phanh có thể được điều chỉnh tinh nhờ thay đổi dòng điện cung cấp cho cuộn dây kích thích máy phát, tuy nhiên cần được hậu kiểm bởi một bên thứ ba để đảm bảo tiêu chuẩn
đo lường.
- Quãng đường xe gắn máy chạy được ứng với 1 kg hỗn hợp nhiên liệu giảm
khi tăng hàm lượng ethanol trong nhiên liệụ 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 quãng đường chạy được
giảm nhanh khi tăng hàm lượng ethanol.
- Biến thiên nồng độ CO, HC trong khí thải động cơ theo hàm lượng ethanol cho bởi thực nghiệm cao hơn giá trị mô phỏng nhưng nồng độ NOx cho bởi thực nghiệm thấp hơn giá trị mơ phỏng do q trình cháy thực tế khơng diễn ra hồn tồn