Đánh giá kết quả thử nghiệm và so sánh kết quả mô phỏng

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1. Mục đích và nội dung nghiên cứu thực nghiệm

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

Hình 4.25: So sánh ảnh hưởng của tốc độ động 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 công 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 nhau. Khi tăng tốc độ động cơ thì CO và HC tăng còn NOx giảm. Giá trị công suất cho bởi thực nghiệm nhỏ hơn giá trị tính toán mô 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 toán 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 quá trình cháy thực tế không diễn ra hoàn hảo như tính toán mô phỏng nên công suất cho bởi thực nghiệm luôn nhỏ hơn công suất cho bởi mô phỏng ở bất kỳ chế độ tốc độ nào.

Cũng do quá trình cháy trong thực tế không diễn ra hoàn toàn lý tưởng nên

121

phát thải CO, HC thực nghiệm ở các chế độ tốc độ khác nhau đều cao hơn giá trị tương ứng cho bởi mô 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 không 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 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

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. Công suất có ích được tính từ công chỉ thị chu trình Wi mô 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 công 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 công suất có ích có xu hướng tăng nhưng sự gia tăng công suất có ích của động cơ cho bởi thực nghiệm thấp hơn cho bởi mô phỏng. Khi hàm lượng ethanol thấp thì công suất thực nghiệm cao hơn nhưng ethanol cao thì công suất thực nghiệm thấp hơn giá trị mô phỏng. Điều này là do quá trình cháy trong thực tế không diễn ra hoàn hảo như tính toán lý thuyết.

4.6.2. So sánh ảnh hưởng hàm lượng ethanol đến tính năng động cơ cho bởi mô phỏng và thực nghiệm

Với tính toán mô phỏng trình bày ở Chương 3 cho thấy sự gia tăng hàm lượng ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu làm giảm phát thải CO. 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 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=20TK)

Hình 4.23a cho thấy nồng độ CO trong khí thải cho bởi mô phỏng và thực nghiệm đều có xu hướng giảm khi tăng hàm lượng ethanol trong nhiên liệu. Tuy nhiên nồng độ CO cho bởi thực nghiệm cao hơn giá trị mô phỏng khoảng 15%.

Điều này có thể giải thích do quá trình cháy trong thực tế diễn ra không hoàn toàn lý tưởng như trong tính toán mô phỏng. Quá trình cháy không hoàn toàn 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 quá trình cháy diễn ra hoàn toàn 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 toán lý thuyết.

Hình 4.23c so sánh sự biến thiên của nồng độ NOx theo hàm lượng ethanol trong nhiên liệu. 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 không hoàn 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 mô 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 toán mô 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 công suất và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ khi chạy bằng LPG (E0L) cho bởi mô phỏng và thực nghiệm

(=1, n=4500 vg/phút, s=28TK)

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 28TK. 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 mô phỏng là do quá trình cháy trong thực tế không diễn ra hoàn toàn lý tưởng như tính toán mô 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 28TK. Chúng ta thấy khi tăng hàm lượng ethanol thì quá trình cháy diễn ra hoàn toàn hơn do ethanol có chứa oxygen làm cho quá 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 ô 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

(=1, n=4500 vg/phút, s=28TK)

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 liệu.

- Hoàn toàn 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 liệu. 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 mô phỏng do quá trình cháy thực tế không diễn ra hoàn toàn như giả định.

- Sự phù hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm cho phép chúng ta sử dụng mô phỏng để dự báo các thông số vận hành của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu hybrid lỏng/khí.

127