CHUONG 4. CHUONG 4. KET QUA VA PHAN TiCH
4.1 Hệ thống thục tế
Hệ thống thực tế đã được phát triển như hình 4.1. Kết quả cho thấy hệ
thống hoạt động 6n định. chịu được sự rung động lớn trong quá trình vận hành, bệ thứ có khả năng di chuyền linh hoạt có thể điều chỉnh, tháo lắp các cụm hệ thống một cách nhanh chóng.
Hình 4. 1: Hệ thống thực tế 4.11 Hệ thống nhiên liệu
Hình 4. 2: Hệ thống nhiên liệu
Hệ thống nhiên liệu được phát triển như hệ thống trên hình 4.2. Hệ thống gồm:
49
2 bom nhién liéu, lọc nhiên liệu, các van khóa và đường ống dẫn. Hệ thống đảm bảo cung cấp nhiên liệu liên tục trong quá trình vận hành. Đa dạng với nhiều mẫu
nhiên liệu đảm bảo các mẫu nhiên liệu không bị lấp lẫn khi thay đổi nhiên liệu.
4.1.2 Hệ thống điều khiển và hiển thị
Hình 4. 3: Tủ điều khiển và hiển thị
Tủ điện điều khiển và hiền thị được xây dựng linh hoạt có thể di chuyền nhanh
gon, liên kết với bệ thử bằng các giác kết nối. Trên tủ được bố trí laptop để điều
khiển và thu thập kết quả vận hành thử nghiệm
Hình 4. 4: Bộ vi xử lý hệ thống điện điều khiển và hiển thị
50
KHOA LUAN TOT NGHIEP GVHD: TS. VO TAN CHAU
4.2. Khảo sát đặc tính công suất và momen của động co
7.00
70% Throttle Opening ^E0
6.80 -E2s
6.60 ®ES0
6.40 WESS
ậ 620 exter
= 6.00
d N
5 5.80 N,
5.60 x.N j
5.40 Ss ì
5.20 =
5.00
2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500
Tốc độ động cơ (vòng/phút)
Hình 4. 5: Đường đặc tính mô-men theo tốc độ động cơ
Hình 4.5 trình bày mối quan hệ giữa mô-men xoắn và tốc độ động cơ (vòng/phút) đối với nhiên liệu (xăng-ethanol) ở các tỷ lệ pha trộn khác nhau. Nhìn chung, xu hướng mô-men xoắn bắt đầu tăng từ tốc độ động cơ thấp đề đạt được mô-men xoăn cực đại và giảm ở tốc độ động cơ cao hơn ở tất cả hỗn hợp. Khi nông độ ethanol trong hỗn hợp tăng lên, mô-men xoắn có xu hướng đạt được giá trị cực đại tại tốc độ động cơ thấp. Cụ thể momen xoắn cực đại của các mẫu nhiên liệu E0, E25, E50 lần lượt là 6.72 Nm, 6.74 Nm, 6.71 Nm tai 6000 vòng/phút.
Trong khi đó, E85 đạt momen xoăn cực đại 6.55 N.m tại tốc độ 5500vòng/phút, E100 đạt momen xoắn cực đại 6.18 N.m tại 5000 vòng.
Ở dải tốc độ động cơ từ 3000 - 6000 vòng/phút, E0 là hỗn hợp nhiên liệu mang
lại hiệu quá cao nhất về mô-men xoắn. Cụ thể ở dải tốc độ dưới 6000 vòng/phút, E0 tạo ra mức tăng mô-men xoắn trung bình lần lượt 0.9%, 6.8%, 5.5%, 6.28 % so với sử dụng E25, E50. E85, E100.
Khi tốc độ động cơ tăng trên 6000 vòng/phút, E25 là hén hợp hòa trộn đem
lại hiệu quả cao nhất về momen xoắn. Cu thé 6 dải tốc độ trên 6000-8000 vòng/
phút, E25 tạo ra mức tăng mô-men xoắn trung bình lần lượt 0.279, 3.9 %,9.95%,
12.42% so với sử dụng E0, E50, E85, E100. Kết quả cho thấy không có sự thay
5
KHOA LUAN TOT NGHIEP GVHD: TS. VO TAN CHAU
đổi đáng kề về mo-men xoắn giữa E0 và E25. Tuy nhiên, E50. E85 và E100 tạo ra mô-men xoăn với mức giảm đáng kê so với E0.
5.00 70% Throttle Opening
AEO
- s
6
t (kW) w 3
'ông suai “ s c ˆ
2.00
1.50 +
2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 Tốc độ động cơ (vòng/phút)
Hình 4. 6: Đường đặc tính công suất theo tốc độ động cơ
Kết quả hình 4.6 trình bày mối quan hệ giữa công suất (KW) và tốc độ động cơ (vòng/phút) đối với nhiên liệu (xăng-ethanol) ở các tỷ lệ pha trộn khác nhau.
Nhìn chung, khi tốc độ động cơ tăng lên, công suất đầu ra cũng tăng lên ở tất cả hỗn hợp thử nghiệm. khi nồng độ ethanol tăng lên trong hỗn hợp, xu hướng thay đổi công suất không có quy tắc cụ thể.
Ở dải tốc độ động cơ từ 3000-6000 vòng/phút, E0 là hỗn hợp mang lại lợi ích công suất cao nhất khi tăng trung bình 0,53%, 8.2%, 6.38%, 7.389 công suất so
với các hỗn hợp E25. E50. E85, E100. So với E0. E25 mang lại lợi ích công suất gần như tương tự, trong khi các hỗn hợp E50, E85, E100 cho thấy hiệu quả công suất giảm nhẹ so với E0.
Ở dải tốc độ động cơ từ 6000 - 8000 vòng/phút, E25 đem lại hiệu quả công suất tốt nhất khi tăng trung bình 0.12%, 2.929, 8. 19%, 10.48% tương ứng với các
hỗn hợp E0. E50, E85, E100. Mức tăng công suất của E25 được xem là không đáng kế so với E0. Tuy nhiên E85, E100 vẫn cho đầu ra công suất thấp rất đáng kế so với E0 và E25. Kết quả này cho thấy không có sự thay đổi đáng kề về công
52
KHOA LUAN TOT NGHIEP GVHD: TS. VO TAN CHAU
suất giữa E0 và E25. Nhìn chung thể hiện khả năng hoạt động rat ồn định trong điều kiện thử nghiệm.
4.3 Khảo sát suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ
700.00 650.00 600.00 550.00 500.00 450.00 400.00 350.00 300.00 250.00 200.00 +
2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 Tốc độ động cơ (vòng/phút)
AE0 =E2S ®E50 E85 ¢E100 70% Throttle Opening
Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh)
Hình 4. 7: Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu theo tốc độ động cơ Kết quả hình 4.7 cho thấy sự thay đối của suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC) đối với tất cả nhiên liệu liên quan đến tốc độ động cơ. So với E0. mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể của các hỗn hợp pha trộn đều cao hơn đáng kể ở tất cả dải tốc độ.
Ethanol hòa trộn gây ra mức tăng BSFC trung bình lần luot 26.4%, 43.45%, 71.14%, 104.27% tương ứng với E25, E50. E85, E100 so với E0.
Các giá trị BSFC cao hơn này chủ yếu liên quan đến giá trị gia nhiệt thấp hơn.
Hơn nữa, nhiên liệu ethanol làm tăng hiệu suất thể tích do tác dụng làm mát của nó và lượng nhiên liệu cần thiết trong xi lanh lớn hơn. Tỷ lệ nhiên liệu không khí cân bằng hóa học đối với các hỗn hợp hòa E25, E50, E85, E100 trộn đều thấp hơn so với E0. Do đó, với tốc độ dòng không khí cảm ứng bằng nhau, cần nhiều ethanol hơn dé đáp ứng tỷ lệ cân bằng hóa học so với xăng. Xu hướng tăng suất tiêu hao nhiên liệu này đã được Seung Huyn Yoon giải thích trong nghiên cứu của mình
[8].
53
4.4. Khảo sát đặc tính khí thải của động cơ 4.4.1 Khí thải CO
11.00
10.00 a 70% Throttle Opening
9.00 `
8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00
0.00 +
2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500
Tốc độ động cơ (vòng/phút)
aE0 @ESO E25 ME8S
CO (%)
Hình 4. 8: Đồ thị biểu diễn khí thải CO theo tốc độ động cơ
Phát thải CO được tạo ra khi không đủ oxy dé đốt cháy hoàn toàn tất cả carbon trong nhiên liệu thành CO; hoặc không đủ thời gian trong chu kỳ để hoàn thành
quá trình đốt cháy. Kết quả hình 4.8 cho thấy mức phát thải CO có xu hướng giảm
rất đáng kể khi tăng nồng độ ethanol trong các hỗn hợp hòa trộn (xăng-ethanol).
So với lượng phát thái CO trung bình tạo ra bởi hỗn hợp E0 ở toàn bộ các điểm tốc độ động cơ trong thí nghiệm. lượng phát thải của E25. E50. E85, E100 đã giảm
di 11.8%, 29.8%, 39%, 49.3%. .Xu hướng giảm CO bắt đầu từ thuộc tính nhiên
liệu khác biệt giữa xăng và ethanol, tỷ lệ carbon có trong hỗn hợp hòa trộn giảm đáng kể khi tỷ lệ hòa trộn tăng cao. Do đó phản ứng cháy với đầu vào ít carbon sẽ cho ra sản phẩm cháy với lượng carbon thấp, từ đó giảm lượng CO và CO2. Sự giảm mức phát thải CO cũng thể hiện sự cháy của hỗn hợp xăng-ethanol đạt hiệu quả cao. Tý lệ không khí nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến khía cạnh này. Tý lệ không khí nhiên liệu cân bằng hóa học cho các hỗn hợp từ E0 - E100 có xu hướng giảm dan, nên lượng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp sẽ giảm dần khi tý lệ ethanol tăng cao. Trên thực tế, E25 tạo ra lượng khí thải CO giảm
trung bình ở tất cả tốc độ 11.59% so với E0 mặc dù AFR đối với E0 chỉ cao hơn
8% so với hỗn hợp E25. Điều này có thể được giải thích bởi thực tế là hàm lượng
54
KHOA LUAN TOT NGHIEP GVHD: TS. VO TAN CHAU
oxy phân tử trong nhiên liệu pha trộn được tăng cao khi tỷ lệ hòa trộn ethanol tăng.
lên làm tăng tỷ lệ oxy-nhiên liệu ở những vùng giàu nhiên liệu, do đó quá trình đốt cháy trở nên hoàn toàn. Xu hướng này được chứng minh cụ thể bởi Seung Hyun Yoon và các cộng sự [8].
Về khía cạnh thời gian đốt cháy hỗn hợp. tốc độ ngọn lửa đã được chứng minh là tăng khi tăng dần nồng độ ethanol trong hỗn hợp. Nghiên cứu của Beeckmann [23] ở nhiệt độ cao tốc độ lan truyền ngọn lửa cho các giá trị tương ứng là 24 cm/s và 27 cm⁄s đối với xăng và ethanol. Hyder H. Balla cùng cộng sự [19] đã khẳng định rằng bắt nguồn từ đặc tính làm mát của ethanol, tỷ lệ nhiên liệu pha trộn phân tầng nghiêng hơn về thành xi-lanh và gần với bugi đánh lửa, điều này làm cho ngọn lửa lan truyền gần hơn và tăng tốc độ ngọn lửa cho phép đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp trong thời gian ngắn.
Nong độ khí thải CO phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện hoạt động của động cơ
từ hình 4.8 cho thay một lượng lớn CO phát thải ở tốc độ cao và giảm dần khi tốc
độ cao. Cụ thể, lượng CO phát thải trung bình của tất cả hỗn hợp tại 8000 vòng/phút giảm lần lượt 94%, 90%, 889%, 849%, 71% so với lượng phát thải tương ứng tại 3000 vòng/phút, 4000 vòng/phút, 5000vòng/phút, 6000 vòng/phút, 7000 vòng/phút. Xu hướng này được giải thích rằng: khi tốc độ động cơ tăng cao, tình trạng tải động cơ trở nên nhẹ nhàng hơn, lượng nhiên liệu được phun thực tế giảm.
Tăng tốc độ động cơ. hiệu suất thể tích tăng, tăng cường sự nhiễu loạn hỗn hợp trong buồng đốt làm tăng tốc độ và hiệu quả đốt cháy so với ở tốc độ động cơ thấp.
Điều này cũng được khẳng dinh boi Hyder H. Balla [19].
5
8.00
n= 6500 rpm 7.00
AF0 E25
on ®ESU MESS
5.00 E100
8# o 4.00 Đ©
3.00
2.00
1.00 0.00 +
0.0 05 1.0 15 2.0 25 3.0 35 40
Tai (kW)
Hình 4. 9: Dé thi biểu diễn khí thải CO theo tải
Trong điều kiện vận hành thay đổi tải từ 0.5KW - 3.5KW cố định tốc độ động cơ ở 6500 vòng/phút, kết quả hình 4.9 cho thấy mức phát thải CO có xu hướng giảm khi tăng nồng độ ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu (xăng-ethanol). Cụ thể so
với lượng phát thai CO trung bình tạo ra bởi hỗn hợp E0 ở toàn bộ các điểm tải
động cơ trong thí nghiệm, lượng phát thải tương ứng của E25, E50, E85, E100 đã giảm đi 20,6%, 33%, 41.5% và 55.28%. Mức phát thải CO cũng giảm mạnh khi tải tăng từ 0.5KW - 3.5 kW. Cụ thê, so với lượng phát thải CO trung bình của tất cả hỗn hop tai 3.5KW ở 6500vòng/phút giảm lần luot 95%, 94,5%, 92.5%, 87.7%, 58.4%, 32.4% tương ứng với mức phát thai tại các điểm tải 0.5 kW, IkW, 1.5kW, 2kW, 2.5kW và 3kW. Khi tăng tải động cơ cần lượng phun nhiên liệu lớn, nhiệt sinh ra từ quá trình cháy cao, nồng độ oxy có trong hỗn hợp cao dẫn đến việc tạo ra CO nhiều. Các xu hướng này đã được tìm thấy trong nghiên cứu của MustafA Canakci va ctg [20] khẳng định trong nghiên cứu cia minh.
56
KHOA LUAN TOT NGHIEP GVHD: TS. VO TAN CHAU
4.4.2. Khí thải CO;
11.00
70% Throttle Opening
10.00 aEO =E25
@ESO mE85
9.00 E100
8.00
CO2 (%)
7.00 6.00 5.00 4.00
2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500
Tóc độ động cơ (vòng/phút)
Hình 4. 10: Đề thị biêu điền khí thải CÓ theo tốc độ động cơ
Kết quả hình 4.10 cho thấy mức phát thải CO› có xu hướng giảm khi tăng nồng độ ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu (xăng-ethanol). So với mức phát thải CO2¿ trung bình tạo ra bởi hỗn hợp E0 trong tất cả các điểm tốc độ động cơ của thử nghiệm. mire phat thai cua E25, E50, E85, E100 giảm đi lần lượt 13%, 16.04%,
18.2% và 25.2%. Kết quả này trùng khớp với nghiên cứu của Hyder H. Balla cùng
cộng sự [22]. Ahmed Abdelrazik Elshenawy [2l]. Nguyên nhân chính của xu hướng này là do sản phẩm cháy đầu vào carbon của hỗn hợp hòa trộn ít hơn xăng, nông độ ethanol càng tăng, carbon càng giảm.
Ở độ mở bướm ga 70% tốc độ động cơ từ 3000 - 8000 vòng/phút, xu hướng
phát thải CO› là trái ngược với xu hướng phát thải CO. Mức phát thải CO2 tương đối thấp tốc độ thấp, khi tốc độ tăng cao CO: tăng mạnh khi lượng CO giảm. Khi tốc độ động cơ càng tăng, hiệu quả đốt cháy nhiên liệu càng tăng cao do đó lượng
CO: tăng đáng kế và CO giảm. Cụ thê, tại tốc độ 8000 vòng/phút, 7000 vòng/phút,
6000 vòng/phút lượng CO; trung bình của tất cả hỗn hợp tăng lần lượt 47.96%, 38.8%, 30.55% so với lượng phát thải tại 3000 vòng/phút. Xu hướng này cũng được khăng định trong nghiên cứu của của Hyder H. Balla cùng cộng sự [22].
57
16.00
n= 6500 rpm
14.00
AEO E25 12.08 ®ESU MESS
10.00 E100
CO2 (%) ” s
4.00 2.00
0.00 +
0.0 05 1.0 15 2.0 25 3.0 3.5 4.0
Tai (kW)
Hinh 4. 11: Dé thi biéu dién khi thai CO> theo tai
Kết quá hình 4.11 cho thấy mức phat thai CO2 giam khi ting nồng độ ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu hòa trộn (xăng-ethanol). Cụ thể, So với mức phát thải CO; trung bình tạo ra bởi hỗn hợp E0 trong toàn điểm tải động cơ của thử nghiệm, mức phát thải của E25, E50, E85 và E100 đã giảm đi 16.7%, 21.5%, 25.3% và
34.4%.
Hình 4.11 cho thấy nồng độ CO2 phát thải tăng rất đáng kề khi tăng tải. Điều
này có thể giải thích khi động cơ chịu tải lớn cần nhiều lượng nhiên liệu phun vào, nhiệt độ quá trình cháy tăng cao làm cho sản phẩm cháy sạch, sản phẩm cháy sinh ra chú yếu là CO¿ và Nox, giảm HC và CO. Cụ thề, so với lượng phát thải CO;
trung bình của tất cả hỗn hợp tại lần lượt 0.5 kW, 1kW, 1.5kW, 2kW, 2.5kW va
3kW. lượng phát thai CO trung bình tại 3.5kW ở 6500 vòng/phút tăng lần lượt 115%, 70.3%, 39.4%, 17.7%, 7.6% va 3.5%.
58
KHOA LUAN TOT NGHIEP GVHD: TS. VO TAN CHAU
4.4.3. Khí thải Nox
5000
4500 70% Throttle Opening
4000
> 3500 oe
E 3000 oho ++
©2500 _ 344
§ 2000 i i =t
Z 1500 Ee ——
1000 fe ứng _
500 `" ewe ta
oe _
2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500
Tác độ động cơ (vòng/phút)
Hình 4. 12: Đồ thị biểu diễn khí thải NOx theo tốc độ động cơ
Về cơ bản, quá trình tạo NOx là một quá trình thu nhiệt và do đó nông độ của
chúng tăng theo nhiệt độ trong quá trình đốt cháy, NOx thường được tạo ra từ phản ứng nhiệt độ cao của oxy và nitơ. Xu hướng này được khăng định trong nghiên cứu của Ahmed A. Al-Harbi [28]. B.M. Masum [27]. Do đó. việc giảm nhiệt độ ngọn có thể làm giảm 90% sự hình thành NOx nhiệt . Điều này cũng được chứng minh béi Changming Gong cùng cộng cự [26] điều tra một số hỗn hợp xăng- ethanol lên đến 15% và quan sát thấy sự giảm nhiệt độ đốt cháy cân bằng hóa học