HỢP VÀ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU
4.8. Kết quả thực nghiệm và so sánh với kết quả mô phỏng
Hình 4.16 giới thiệu biến thiên năng lượng lý thuyết do nhiên liệu mang vào 1 xi lanh trong mỗi chu trình theo hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M6C4 và M7C3.
Năng lượng lý thuyết do nhiên liệu cung cấp cho mỗi xi lanh trong một chu trình được xác định Qxl.
xl i. LHV i
Q = y Q (4.1)
Trong đó: yi là khối lượng của nhiên liệu y cấp vào xi lanh trong một chu trình và QLHVi là nhiệt trị thấp của nhiên liệu i.
Chúng ta thấy khi hàm lượng xăng nhỏ hơn 30% thì năng lượng lý thuyết do nhiên liệu mang vào động cơ tăng nhanh theo hàm lượng xăng. Khi hàm lượng xăng lớn hơn 30% thì năng lượng lý thuyết tăng chậm. Điều này là do ảnh hưởng của CO2
trong hỗn hợp nhiên liệu giảm dần. Với cùng một hàm lượng xăng pha vào biogas thì năng lượng lý thuyết ứng với nhiên liệu M7C3-xăng lớn hơn năng lượng của nhiên liệu M6C4-xăng khi hàm lượng xăng nhỏ hơn 30%. Khi hàm lượng xăng lớn hơn giá trị này thì sự khác biệt năng lượng lý thuyết của hai nhiên liệu này không đáng kể (bảng 4.1).
Bảng 4.1: Năng lượng lý thuyết do nhiên liệu mang vào 1 xi lanh động cơ trong một chu trình (hệ số nạp trung bình 0,95)
STT %xăng
(mol/mol NL)
Q (J/xl/ct)
M6C4 M7C3
1 0 697 712
2 10 747 752
3 20 766 769
4 30 777 778
110
STT %xăng
(mol/mol NL)
Q (J/xl/ct)
M6C4 M7C3
5 40 783 783
6 50 787 788
7 60 790 790
8 70 792 793
9 80 794 794
10 90 796 796
11 100 797 797
Hình 4.16: Biến thiên năng lượng lý thuyết do nhiên liệu mang vào 1 xi lanh trong mỗi chu trình theo hàm lượng xăng bổ sung vào biogas
Hình 4.17: Ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M7C3 đến đồ thị công cho bởi mô phỏng (n=3000 v/ph)
0 8 16 24 32 40
0 60 120 180 240 300
p (bar)
V (cm3)
G0 G5 G10 G15 G20 G30 G100
111
Hình 4.17 giới thiệu ảnh hưởng của hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M7C3 đến đồ thị công. Chúng ta thấy diện tích đồ thị công tăng theo hàm lượng xăng bổ sung vào biogas.
Bảng 4.2: So sánh mô phỏng và thực nghiệm công chỉ thị chu trình (n=3000 v/ph)
Mô phỏng Thực nghiệm (n=3000 v/ph)
G Wi (J/xl/ct) G Wi(J/xl/ct) G Wi (J/xl/ct)
0 203 0 200,2 0 203,71
5 219 5,23 214,41 5,36 218,09
10 230 9,87 232,22 9,05 223,1
15 236 15,45 230,63 14,23 232,63
20 240 23,38 235,14 19,65 233,8
30 245 27,78 246,34 28,97 241,83
40 248 42,99 252,19 37,63 243,67
60 252 53,45 246,93 54,86 250,77
80 256 69,36 256,04 75,43 251,69
100 259 100 259,38 100 256,21
Hình 4.18: So sánh biến thiên công chỉ thị chu trình theo hàm lượng xăng cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (biogas M7C3, n=3000 v/ph).
112
Hình 4.18 giới thiệu ảnh hưởng của thành phần xăng pha vào biogas M7C3 đến đồ thị công của động cơ. Cùng điều kiện vận hành, khi hàm lượng xăng pha vào biogas càng lớn thì áp suất cực đại càng cao và diện tích đồ thị công (tỉ lệ với công chu trình và công suất động cơ) càng lớn. Kết quả trên cho thấy khi động cơ chạy bằng biogas M7C3 ở tốc độ 3000 vòng/phút thì công chỉ thị chu trình đạt 244J/ct nhưng khi pha 30% xăng vào biogas thì công chỉ thị chu trình tăng lên 294J/ct, nghĩa là tăng khoảng 20%. Tuy nhiên khi tăng hàm lượng xăng từ 30% lên 100% thì công chỉ thị chu trình chỉ tăng từ 294 J/ct lên 315 J/ct (Bảng 4.2).
Kết quả này cho thấy với hàm lượng xăng thấp thì ảnh hưởng của hàm lượng xăng đến công chỉ thị chu trình cao hơn với hàm lượng xăng cao. Điều này phù hợp với năng lượng lý thuyết mà hỗn hợp nhiên liệu mang vào xi lanh đã giới thiệu trên hình 4.18.
Bảng 4.3: So sánh công chỉ thị chu trình cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (M7C3, n=5000 v/ph)
Mô phỏng (M7C3) Thực nghiệm (n=5000 v/ph
G Wi (J/xl/ct) G Wi (J/xl/ct)
0 191 0 194,93
5 206 6,33 206,3
10 216 12,48 210,76
15 222 21,45 220,54
20 226 28,13 225,39
30 231 37,27 228,81
40 234 50,29 233,5
60 238 70,33 236,12
80 242 86,68 239,07
100 245 100 241,77
113
(a) (b)
Hình 4.19: So sánh biến thiên công chỉ thị chu trình theo hàm lượng xăng bổ sung vào biogas M7C3 (a) và M6C4 (b) cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (n=5000 v/ph)
Hình 4.19 cho thấy kết quả cho bởi mô phỏng và thực nghiệm sai lệch không quá 5%. Phần lớn các điểm đo thực nghiệm thấp hơn kết quả mô phỏng. Điều này là do trong thực tế quá trình cháy không diễn ra hoàn hảo như trong tính toán mô phỏng.
Bảng 4.4. So sánh công chỉ thị chu trình cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (M6C4, n=5000 v/ph)
Mô phỏng (M6C4, 5000 v/ph) Thực nghiệm
G Wi (J/xl/ct) G Wi (J/xl/ct)
0 186,98 0 183
5 204,63 6,5 203
10 215,16 11,42 206
15 221,71 20,87 218
20 226 30,12 230
30 230,71 36,24 228,52
40 234 51,29 239
60 237,7 68,42 235,82
80 242 88,67 243
100 245 100 241,77
114
Bảng 4.4 và hình 4.19a cho thấy trong trường hợp n=5000 vòng/phút, biến thiên công chỉ thị chu trình theo hàm lượng xăng bổ sung vào biogas cũng theo quy luật tương tự như trường hợp n=3000 vòng/phút. Tuy nhiên giá trị công chỉ thị chu trình ứng với hàm lượng xăng cho trước nhỏ hơn. Điều này là do hệ số nạp của động cơ giảm khi tăng tốc độ. Hình 4.19 cho thấy giá trị Wi cho bởi thực nghiệm nhỏ hơn giá trị mô phỏng khoảng 5% ở hầu hết các giá trị hàm lượng xăng. Điều này có thể giải thích bởi 3 lý do. Một là do hệ số nạp thực tế nhỏ hơn hệ số nạp lý thuyết. Hai là do góc mở bướm ga sớm thực tế (được thiết kế cho xăng) không phù hợp với hỗn hợp xăng-biogas. Ba là quá trình cháy thực tế bị xấu đi ở vùng tốc độ cao dẫn đến cháy không hoàn toàn.
Trường hợp M6C4 (bảng 4.4 và hình 4.19b) cho thấy kết quả Wi cho bởi mô phỏng phù hợp với kết quả thực nghiệm. So với trường hợp M7C3 (hình 4.19a), khi hàm lượng xăng nhỏ hơn 30% Wi trong trường hợp M6C4 nhỏ hơn. Nhưng khi hàm lượng xăng lớn hơn 30% thì Wi cho bởi hai trường hợp tương đương nhau. Điều này phù hợp với năng lượng lý thuyết nhiên liệu mang vào hỗn hợp đã mô tả ở hình 4.16.
Hình 4.20 so sánh đường đặc tính ngoài mô men và công suất cho bởi mô hình và thực nghiệm khi động cơ chạy bằng xăng, bằng biogas M7C3 và nhiên liệu biogas M7C3 phối hợp với 30% xăng. Do không đo áp suất trong buồng cháy nên mô men và công suất có ích của động cơ được tính từ công chỉ thị chu trình thông qua hiệu suất cơ giới Pe=m.Wi.n/120. Kết quả hình 4.20 cho thấy mô men đạt cực đại tại vị trí tốc độ động cơ khoảng 3500 vòng/phút. Điều này phù hợp với số liệu do nhà chế tạo công bố. Kết quả thí nghiệm tại hầu hết các điểm đo đều nhỏ hơn kết quả mô phỏng trung bình khoảng 10%. Điều này là do quá trình cháy trong thực tế không diễn ra một cách lý tưởng như điều kiện giả định khi mô phỏng. Góc đánh sửa sớm trong thực tế do nhà chế tạo cài đặt sẵn vào ECU đối với nhiên liệu xăng, không hoàn toàn phù hợp với biogas và biogas phối hợp với xăng. Mặt khác diễn biến áp suất trên đường ống nạp phức tạp cũng không được đưa vào điều kiện mô phỏng một cách chính xác nên dẫn đến sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm.
115
(a) (b)
(c)
Hình 4.20: So sánh đường đặc tính ngoài mô men và công suất cho bởi mô hình và thực nghiệm khi động cơ chạy bằng xăng (a), biogas M7C3 (b) và nhiên liệu M7C3-
30G (: Công suất thực nghiệm, •: Mô men thực nghiệm)
4.8.2. So sánh phát thải các chất ô nhiễm cho bởi mô phỏng và thực nghiệm Hình 4.21a, b, c so sánh ảnh hưởng của hàm lượng xăng phối hợp với biogas M7C3 đến phát thải CO, HC và NOx cho bởi mô phỏng và thực nghiệm khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 v/ph. Kết quả mô phỏng đã được giới thiệu ở chương 3. Khi tăng hàm lượng xăng phối hợp với biogas thì phát thải CO giảm. Như đã giải thích ở chương 3, khi tăng hàm lượng xăng trong hỗn hợp nhiên liệu thì lượng khí trơ CO2
giảm, tốc độ cháy được cải thiện giúp cho quá trình cháy diễn ra hoàn toàn hơn.
116
(a) (b)
(c)
Hình 4.21: So sánh ảnh hưởng của hàm lượng xăng phối hợp với biogas M7C3 đến phát thải CO (a), HC (b) và NOx (c) cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (n=3000 v/ph,
━: Mô phỏng, •: Thực nghiệm)
Hình 4.21a cho thấy nồng độ CO cho bởi thực nghiệm cao hơn nồng độ CO cho bởi mô phỏng từ 5-20%. Điều này có thể được giải thích do quá trình cháy trong thực tế không diễn ra một cách lý tưởng như trong tính toán mô phỏng. Thành phần hỗn hợp trong thực tế cũng không đồng nhất hoàn toàn. Do đó quá trình cháy không hoàn toàn có thể diễn ra cục bộ dẫn đến phát thải CO trong thực tế cao hơn giá trị tính toán.
Tương tự như CO, phát thải HC cho bởi thực nghiệm cũng cao hơn giá trị tính toán mô phỏng khoảng 10-20% do quá trình cháy không hoàn toàn cục bộ trong thực
117
tế (hình 4.21b). Khác với CO và HC, nồng độ NOx cho bởi thực nghiệm thấp hơn giá trị mô phỏng khoảng 10%. Như đã trình bày ở phần mô phỏng, sự hình thành NOx
phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ cháy. Do quá trình cháy trong thực tế không diễn ra hoàn hảo như trong tính toán mô phỏng như đã giải thích trên đây nên nhiệt độ quá trình cháy trong thực tế thấp hơn giá trị mô phỏng dẫn đến kết quả đo nồng độ NOx
thấp hơn giá trị mô phỏng.
(a) (b)
(c)
Hình 4.22: So sánh ảnh hưởng của tốc độ đến phát thải CO (a), HC (b) và NOx (c) cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (M7C3-30G, =1, s=25oTK, n=3000 v/ph, ━:
Mô phỏng, •: Thực nghiệm)
118
Hình 4.22a giới thiệu biến thiên nồng độ CO theo tốc độ động cơ khi chạy bằng nhiên liệu M7C3-30G cho bởi mô hình và thực nghiệm. Chúng ta thấy cùng điều kiện cung cấp nhiên liệu, nồng độ CO tăng khi tăng tốc độ động cơ. Điều này là do khi tăng tốc độ, thời gian cháy bị giảm dẫn đến cháy không hoàn toàn làm tăng phát thải CO. Kết quả trên 4.22a cho thấy nồng độ CO cho bởi thực nghiệm lớn hơn nồng độ CO cho bởi mô phỏng khoảng 10% ở vùng tốc độ thấp và tăng lên khoảng 20% ở vùng tốc độ cao. Điều này là do trong tính toán mô phỏng chúng ta giả định quá trình cháy diễn ra hoàn toàn trong hỗn hợp đồng nhất lý tưởng. Trong thực tế thì luôn luôn có những vùng hỗn hợp không đồng nhất dẫn đến quá trình cháy không hoàn toàn cục bộ. Tốc độ càng cao thì chất lượng quá trình cháy trong thực tế càng giảm. Đó là lý do làm cho chênh lệch giữa thực nghiệm và mô phỏng tăng theo tốc độ.
Đối với phát thải HC, quy luật diễn biến theo tốc độ động cơ cũng tương tự như CO. Hình 4.22b cho thấy giá trị cho bởi mô phỏng phù hợp với giá trị thực nghiệm ở vùng tốc độ thấp nhưng ở vùng tốc độ cao, giá trị thực nghiệm cao hơn giá trị mô phỏng. Ở tốc độ 5000 v/ph, giá trị nồng độ HC cho bởi thực nghiệm gấp 1,5 lần giá trị mô phỏng. Điều này có thể được giải thích tương tự như trường hợp CO.
Hình 4.22c trình bày biến thiên của NOx theo tốc độ động cơ cho bởi mô phỏng và thực nghiệm khi chạy bằng biogas. Chúng ta thấy cả mô phỏng và thực nghiệm đều cho kết quả nồng độ NOx giảm khi tốc độ động cơ tăng.
Điều này đã được giải thích ở phần mô phỏng bởi hai lý do. Thứ nhất, do nhiệt độ cực đại giảm khi tốc độ động cơ tăng làm giảm tốc độ hình thành NOx. Thứ hai, do thời gian hỗn hợp cháy tồn tại ở vùng nhiệt độ cao giảm khi tăng tốc độ động cơ làm giảm hàm lượng NOx sinh ra trong quá trình cháy. Kết quả hình 4.22c cho thấy kết quả mô phỏng phù hợp với thực nghiệm ở vùng tốc độ cao do tác động yếu tố nhiệt độ đến sự hình thành NOx giảm nhẹ. Ở vùng tốc độ thấp, nồng độ NOx cho bởi thực nghiệm nhỏ hơn giá trị cho bởi mô phỏng trung bình khoảng 15%. Điều này là do tác động của nhiệt độ đến sự hình thành NOx đáng kể hơn khi thời gian hỗn hợp tồn tại ở nhiệt độ cao kéo dài.
119