Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu giảm phát thải độc hại của động cơ diesel đang lưu hành bằng phương pháp luân hồi khí thải kết hợp bổ sung khí hydro

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Nghiên cứu giảm phát thải độc hại của động cơ diesel đang lưu hành bằng phương pháp luân hồi khí thải kết hợp bổ sung khí hydro" là nghiên cứu tổng quan về các biện pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel từ đó chọn giải pháp nghiên cứu cho động cơ diesel đang lưu hành tại Việt Nam; Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống EHSy cho động cơ diesel R180.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu giảm phát thải độc hại của động cơ diesel đang lưu hành bằng phương pháp luân hồi khí thải kết hợp bổ sung khí hydro

MỞ ĐẦU Động cơ diesel được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quân sự, kinh tế quốc dân…do có các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cao hơn hẳn động cơ xăng. Tuy nhiên, do sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống nên động cơ diesel phát thải nhiều các chất độc hại như CO, HC, NOx và PM. Hiện nay, sự gia tăng nhanh về số lượng các phương tiện vận tải và thiết bị động lực trang bị loại động cơ này đang gây ô nhiễm môi trường trầm trọng, đặc biệt là ô nhiễm do phát thải NOx và PM. Do vậy, việc nghiên cứu giảm phát thải của động cơ là rất cần thiết để bảo vệ môi trường. Có nhiều phương pháp kiểm soát phát thải độc hại đã và đang được nghiên cứu áp dụng như xử lý khí thải, luân hồi khí thải, sử dụng phụ gia nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu thay thế có nguồn gốc sinh học và bổ sung hydro… Công nghệ xử lý khí thải đã và đang được sử dụng khá phổ biến trên các động cơ diesel hiện đại ngày nay. Để xử lý được tất cả các thành phần phát thải độc hại cần trang bị hệ thống xử lý khí thải phức tạp gồm bộ xử lý DOC để xử lý CO và HC, bộ xử lý DPF để lọc bụi, bộ xử lý SCR kết hợp DEF để giảm NOx. Việc trang bị các bộ xử lý khí này giúp giảm đáng kể các thành phần phát thải của động cơ diesel. Tuy nhiên, kết cấu hệ thống xử lý khí thải này khá cồng kềnh, chi phí tốn kém và sử dụng phức tạp nên thường không được trang bị trên các động cơ thế hệ cũ. Phương pháp luân hồi khí thải EGR cũng được xem là một phương pháp hiệu quả để giảm phát thải NOx của động cơ diesel và đã được sử dụng từ lâu. Tuy nhiên, công nghệ này lại làm giảm hiệu suất động cơ và tăng hàm lượng CO, HC và PM trong khí thải nên cần được sử dụng kết hợp với các biện pháp xử lý khác. Các phương pháp sử dụng phụ gia nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu thay thế có nguồn gốc sinh học và sử dụng nhiên liệu hydro cũng có hiệu quả đáng kể không chỉ giảm phát thải mà còn cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ nhưng còn một số bất cập như giá thành hiện tại đắt đỏ và thường làm tăng NOx. Riêng đối với nhiên liệu hydro, nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy nhiên liệu này có đặc điểm cháy nhanh, trị số ốc-tan cao nên dùng được trên động cơ có tỷ số nén cao, góp phần tăng hiệu suất nhiệt và cho phép động cơ có thể làm việc ở tốc độ cao, nhờ đó mà dễ dàng tăng công suất động cơ. Tức là, nhiên liệu hydro không những giúp giảm phát thải CO, HC và PM mà còn giúp tăng hiệu suất và giảm tiêu hao nhiên liệu của động cơ. Tuy nhiên, nhiên liệu hydro có nhược điểm so với nhiên liệu diesel là nhiệt trị mole rất thấp nên nếu không thay đổi kết cấu động cơ khi chuyển từ động cơ diesel sang động cơ chạy hoàn toàn bằng hydro thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều. Thêm nữa, việc sản xuất, vận chuyển và tích trữ bảo quản nhiên liệu hydro đủ để thay thế hoàn toàn diesel khá khó khăn và tốn kém do nhiên liệu có tỷ trọng rất thấp. Do đó, nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng hydro làm nhiên liệu bổ sung vào các nhiên liệu truyền thống. Với phương pháp này, hydro chỉ được cấp một tỷ lệ nhất định vào trong động cơ để hòa trộn với nhiên liệu chính là diesel để cải thiện quá trình cháy của động cơ. Kết quả nghiên cứu cho thấy với việc bổ sung khí hydro, quá trình cháy trong động cơ trở nên triệt để hơn, hiệu suất nhiệt tăng và do đó giảm suất tiêu hao nhiên liệu, đồng thời giảm được thành phần khí thải độc hại CO, HC và PM trong khi không cần thay đổi kết cấu động cơ so với khi dùng diesel. Tại Việt Nam có một số lượng lớn các động cơ diesel sử dụng công nghệ cũ trang bị hệ thống nhiên liệu diesel cơ khí cổ điển và không được trang bị hệ thống kiểm soát khí thải toàn diện, khí thải chỉ qua bình tiêu âm rồi được thải trực tiếp ra môi trường. Có thể kể đến đó là các loại động cơ được lắp đặt trên các xe vận tải với tải trọng trung bình, trên các máy phát điện cỡ nhỏ, máy phục vụ nông nghiệp như họ động cơ D4BB sử dụng bơm cao áp phân phối Bosch của Hyundai, D6CA sử dụng bơm cao áp dãy Bosch của Isuzu, họ động cơ R180 sử dụng bơm cao áp đơn của Trung Quốc…. Phần lớn các động cơ diesel đang lưu hành ở Việt Nam hiện nay thuộc loại này. Các loại động cơ này đang là nguồn ô nhiễm lớn, nếu không được kiểm soát sẽ là mối đe dọa trầm trọng đối với môi trường. Chính vì vậy, để kiểm soát đồng thời tất cả các thành phần phát thải của động cơ diesel hiện hành và đặc biệt là NOx và PM với giá thành thấp có thể sử dụng phương pháp kết hợp luân hồi khí thải với bổ sung khí hydro hoặc khí giàu hydro vào động cơ. Với phương pháp này, NOx sẽ giảm nhờ luân hồi khí thải, còn CO, HC và PM sẽ giảm nhờ sự cải thiện quá trình cháy của nhiên liệu hydro bổ sung. Đây chính là lý do cần thực hiện đề tài “Nghiên cứu giảm phát thải độc hại của động cơ diesel đang lưu hành bằng phương pháp luân hồi khí thải kết hợp bổ sung khí hydro”. 1
Việc nghiên cứu được thực hiện trên động cơ diesel 1 xi-lanh R180. Đây là loại động cơ công nghệ cũ đang được sử dụng rất phổ biến ở Việt Nam. Trong luận án các từ khóa quan trọng bao gồm: - EGR: Hệ thống luân hồi khí thải; - HES: Hệ thống bổ sung hydro trên đường nạp; - EHSy: Hệ thống kết hợp giữa luân hồi khí thải và bổ sung hydro. i. Mục đích nghiên cứu của đề tài Đánh giá được ảnh hưởng đồng thời của luân hồi khí thải và bổ sung hydro đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ diesel; Đưa ra được giải pháp kết hợp luân hồi khí thải và bổ sung hydro hợp lý để giảm phát thải cho động cơ diesel. ii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel R180 - Phạm vi nghiên cứu: + Nghiên cứu ảnh hưởng của luân hồi khí thải và bổ sung hydro đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ, từ đó xác định được chế độ luân hồi và bổ sung hydro phù hợp để giảm phát thải NOx và PM trong khi không làm giảm các chỉ tiêu khác (suất tiêu hao nhiên liệu, CO, HC) quá 5%. + Việc nghiên cứu được thực hiện ở quy mô trong phòng thí nghiệm tại Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. iii. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về các biện pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel từ đó chọn giải pháp nghiên cứu cho động cơ diesel đang lưu hành tại Việt Nam; - Nghiên cứu mô phỏng động cơ R180 sử dụng hệ thống luân hồi khí thải kết hợp bổ sung hydro (EHSy) để xác định các tỉ lệ luân hồi và bổ sung hydro phù hợp ở các chế độ làm việc của động cơ; - Thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống EHSy cho động cơ diesel R180 để phục vụ nghiên cứu thử nghiệm; - Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để xác định các thông số đầu vào cho các mô hình mô phỏng, hiệu chỉnh, đánh giá độ tin cậy của các mô hình mô phỏng và đánh giá hiệu quả của các giải pháp nghiên cứu đã đề ra. iv. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp lý thuyết mô hình hóa với thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết gồm nghiên cứu cơ sở lý thuyết và mô hình hóa động cơ sử dụng EGR và HES để xác định tỉ lệ EGR và hydro thay thế phù hợp ở các chế độ làm việc của động cơ. Nghiên cứu thực nghiệm: Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm nhằm đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng và hiệu quả của giải pháp đã đưa ra. v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Luận án đã đưa ra được cơ sở khoa học để giảm NOx và PM của động cơ diesel trong khi vẫn đảm bảo các chỉ tiêu kĩ thuật và phát thải của động cơ bằng cách kết hợp EGR và HES trong động cơ. Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án sẽ góp phần vào nghiên cứu giảm ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ diesel thuộc thế hệ cũ đang lưu hành tại Việt Nam. vi. Các điểm đóng góp mới của luận án Đã xây dựng được mô hình mô phỏng động cơ diesel không tăng áp có luân hồi khí thải và bổ sung hydro trên đường nạp trên phần mềm AVL Boost; mô hình cho phép xác định được ảnh hưởng của luân hồi khí thải và bổ sung hydro đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ; Đã thiết kế chế tạo và lắp đặt thành công hệ thống EHSy cho động cơ diesel cho phép thay đổi tỉ lệ khí luân hồi và hydro bổ sung theo ý muốn để phục vụ nghiên cứu thực nghiệm; 2
Đã nghiên cứu thực nghiệm và xác định được bộ thông số tỉ lệ luân hồi và bổ sung hydro phù hợp để giảm phát thải cho động cơ nghiên cứu. vii. Bố cục của luận án Luận án gồm các phần: Mở đầu; Chương 1. Nghiên cứu tổng quan; Chương 2. Nghiên cứu mô phỏng động cơ diesel hiện hành sử dụng luân hồi khí thải và bổ sung hydro; Chương 3. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống EHSy cho động cơ diesel R180 Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm; Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài Chương 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Phát thải của động cơ diesel và phương pháp kiểm soát 1.1.1. Đặc điểm phát thải động cơ diesel 1.1.2. Các công nghệ giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel Luân hồi khí thải trong động cơ diesel 1.2.1. Đặc điểm làm việc của động cơ khi luân hồi khí thải 1.2.1.1. Các nghiên cứu trong nước 1.2.1.2. Các nghiên cứu ngoài nước 1.2.1.3. Tóm tắt đặc điểm làm việc của động cơ diesel khi luân hồi khí thải Qua nghiên cứu tổng quan ở trên có thể thấy phương pháp EGR là một trong những phương pháp hiệu quả để giảm NOx trong động cơ diesel cùng với những ưu điểm là đơn giản trong vận hành, dễ bảo trì, độ tin cậy cao và chi phí thấp; Tuy nhiên sử dụng phương pháp EGR kéo theo sự tăng PM và BSFC do nồng độ O2 giảm khi tỉ lệ EGR tăng. Ngoài ra EGR còn làm tăng lượng khí thải CO, CO2 và HC và gây ra sự mất ổn định khi cháy và tổn thất công suất cao hơn so với động cơ diesel thông thường; Hệ thống EGR lạnh đem lại hiệu quả tốt hơn nhiều so với EGR nóng, đồng thời việc làm mát dòng khí luân hồi cũng giảm hệ số truyền nhiệt từ buồng cháy. Bổ sung hydro trong động cơ đốt trong 1.3.1. Tính chất của hydro 1.3.2. Sản xuất, lưu trữ và vận chuyển hydro 1.3.2.1. Sản xuất 1.3.2.2. Lưu trữ và vận chuyển 1.3.3. Sử dụng hydro làm nhiên liệu trong động cơ đốt trong 1.3.4. Bổ sung hydro trong động cơ diesel 1.3.4.1. Các nghiên cứu trong nước 1.3.4.2. Các nghiên cứu ngoài nước. 1.3.4.3. Tóm tắt đặc điểm động cơ diesel bổ sung hydro Qua tổng quan kết quả các công trình nghiên cứu bổ sung hydro trong động cơ diesel có thể tóm tắt ảnh hưởng của việc bổ sung hydro đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ như sau: - Nhìn chung việc bổ sung hydro cho động cơ diesel sẽ giúp hỗn hợp không khí-hydro-diesel hòa trộn tốt hơn, 3
tạo tiền để cho quá trình cháy hoàn hảo; ngoài ra với đặc tính cháy nhanh, hydro sẽ góp phần làm giảm thời gian cháy trễ, giúp đốt cháy nhiên liệu diesel kiệt hơn; - Việc bổ sung hydro với tỉ lệ và điều kiện làm việc hợp lý sẽ góp phần cải thiện đặc tính làm việc của động cơ diesel như tăng hiệu suất nhiệt, giảm suất tiêu hao nhiên liệu và giảm các phát thải độc hại của động cơ như CO, CO2, HC và đặc biệt là PM; tuy nhiên phát thải NOx lại có xu hướng gia tăng; - Tỉ lệ hydro thay thế để đạt hiệu quả giảm phát thải và cải thiện đặc tính làm việc của động cơ phụ thuộc rất lớn vào tải, kiểu loại và kết cấu của động cơ; tỉ lệ bổ sung hydro hợp lý có thể thay đổi từ 6%-40%, một số trường hợp có thể còn cao hơn; - Hiệu quả của việc bổ sung hydro trên động cơ tăng áp lớn hơn so với trên động cơ hút khí tự nhiên; - Việc cung cấp hydro theo phương pháp phun trên đường ống nạp hiệu quả hơn so với cung cấp hydro theo phương pháp chế hòa khí; - Việc bổ sung hydro với tỉ lệ quá lớn có thể làm giảm hiệu quả trong việc cải thiện tính năng làm việc và phát thải của động cơ do một lượng hydro không đốt hết sẽ bị thải ra ngoài môi trường, ngoài ra còn tạo ra tiếng gõ trong động cơ làm cho động cơ làm việc không ổn định, Kết hợp bổ sung hydro và luân hồi khí thải trong động cơ Qua phân tích tổng quan các kết quả các công trình nghiên cứu về EGR và bổ sung hydro trong động cơ diesel có thể thấy rằng EGR giúp giảm NOx nhưng lại làm tăng phát thải soot, CO, HC và tăng tiêu hao nhiên liệu trong khi bổ sung hydro sẽ giúp cải thiện quá trình cháy ở hầu hết các chế độ làm việc có tải và giảm phát thải CO, HC và soot, Tuy nhiên việc bổ sung hydro vào đường nạp quá nhiều sẽ dẫn tới giảm lượng không khí nạp làm giảm công suất động cơ, ở tải lớn còn có nguy cơ gây ra tiếng gõ [69, 77, 80, 87-94], Chính vì vậy, phối hợp EGR và bổ sung hydro ở các tỉ lệ hợp lý có thể là giải pháp tốt để giảm phát thải, đặc biệt là NOx, trong khi vẫn đảm bảo tính năng kinh tế, kĩ thuật của động cơ, Ở Việt Nam vẫn chưa có công trình nghiên cứu nào đề cập đến vấn đề này, Tóm lại, có thể nói việc kết hợp đồng thời bổ sung hydro và EGR trong động cơ diesel ở các điều kiện nhất định sẽ giúp giảm phát thải NOx và duy trì sự làm việc ổn định của động cơ, đồng thời hạn chế được ảnh hưởng xấu của EGR đến phát thải CO, HC và soot, Nếu tăng EGR thì phát thải NOx giảm, khả năng kích nổ giảm nhưng lại làm tăng phát thải CO, HC, soot và tăng tiêu hao nhiên liệu trong khi tăng hydro bổ sung thì cải thiện được phát thải CO, HC và soot nhưng lại ảnh hưởng xấu đến phát thải NOx, Thêm nữa, ảnh hưởng của EGR và tỉ lệ hydro bổ sung đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ phụ thuộc rất nhiều vào chế độ tải và tốc độ động cơ, Do đó, việc nghiên cứu phối hợp tối ưu EGR và bổ sung hydro để giảm phát thải và cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ ở các chế độ làm việc vẫn là vấn đề cần được quan tâm, Cho đến nay, vẫn chưa có công trình nghiên cứu đầy đủ nào đưa ra được giải pháp phối hợp tối ưu EGR và bổ sung hydro cho động cơ trong toàn bộ dải các chế độ làm việc. Nội dung nghiên cứu của luận án Qua phân tích kết quả các nghiên cứu về kết hợp EGR và bổ sung hydro của các tác giả có thể thấy đây là giải pháp tốt để giảm phát thải cho động cơ diesel. Tuy nhiên, số lượng các công trình nghiên cứu chưa nhiều và với các mục tiêu khác nhau nên các công trình nghiên cứu chưa có kết luận thống nhất về ảnh hưởng của phương pháp EHSy trên các mẫu động cơ diesel nghiên cứu. Mặt khác, chưa có công trình nghiên cứu đầy đủ nào đặt mục tiêu nghiên cứu phối hợp tối ưu EGR và bổ sung hydro cho động cơ để giảm phát thải trong toàn bộ dải các chế độ làm việc của động cơ. Chính vì vậy, luận án sẽ đi sâu nghiên cứu ảnh hưởng của việc kết hợp đồng thời luân hồi khí thải và bổ sung hydro trên đường ống nạp trên động cơ diesel đang lưu hành sử dụng bơm cao áp cơ khí để đưa ra giải pháp kết hợp EGR và bổ sung hydro tối ưu để giảm phát thải cho động cơ. Để có thể giải quyết vấn đề nghiên cứu đặt ra, tác giả chọn động cơ nghiên cứu, trang bị hệ thống EHSy và thực hiện nội dung nghiên cứu như sau: * Chọn động cơ nghiên cứu: Động cơ nghiên cứu là động cơ diesel R180 kiểu hút khí tự nhiên, sử dụng hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển cơ khí và không trang bị bộ xử lý khí thải. Đây là động cơ thuộc nhóm sử 4
dụng công nghệ cũ như đã nói ở trên và đang được sử dụng rất rộng rãi trong nông nghiệp tại Việt Nam và nhóm các nước đang phát triển trên thế giới. * Tính toán mô phỏng: - Nghiên cứu chọn lựa phần mềm mô phỏng phù hợp để phục vụ mục đích nghiên cứu của mình; - Nghiên cứu thực nghiệm động cơ diesel nguyên bản (NB) để xác định các thông số làm việc của động cơ phục vụ nghiên cứu mô phỏng; - Xây dựng mô hình mô phỏng, hiệu chỉnh mô hình chuẩn để làm tham chiếu cho các nội dung mô phỏng khác; - Thực hiện tính toán mô phỏng các thông số làm việc và phát thải của động cơ trên mô hình đã thiết lập làm việc với các tỉ lệ EGR và bổ sung hydro khác nhau và xác định tỉ lệ EGR và hydro bổ sung tối ưu ở các chế độ làm việc; * Trang bị hệ thống luân hồi khí thải kết hợp bổ sung hydro EHSy: Trên cơ sở lưu lượng khí thải luân hồi tối đa và lưu lượng hydro bổ sung tối đa đã xác định trong tính toán mô phỏng tiến hành thiết kế trang bị hệ thống EHSy cho động cơ. * Nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm động cơ với luân hồi khí thải và bổ sung hydro để đánh giá hiệu quả của giải pháp vừa đề xuất. Các chương sau đây sẽ diễn dải chi tiết các nội dung của luận án. Kết luận chương 1 Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan các công trình nghiên cứu của các tác giả liên quan trực tiếp đến việc kiểm soát phát thải của động cơ diesel ở Chương 1 này, có thể rút ra được một số kết luận sau: - Các động cơ diesel hiện hành trang bị hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển cơ khí và không được trang bị hệ thống kiểm soát khí thải toàn diện đang là nguồn ô nhiễm lớn, đặc biệt là ô nhiễm do phát thải NOx và PM, các chất thải này rất cần được kiểm soát để bảo vệ môi trường; - Việc kiểm soát phát thải NOx và PM bằng các bộ xử lý khí thải hiện đại có hiệu quả giảm phát tải cao nhưng chi phí cũng khá cao và sử dụng phức tạp nên không thích hợp để trang bị trên các động cơ thế hệ cũ. Thực tế là các động cơ thế hệ cũ có thể lắp thêm bộ lọc muội than nhưng khó có thể trang bị được hệ thống điều khiển tái sinh lọc muội than dẫn tới việc phải thay thế liên tục bộ lọc làm tăng chi phí và làm giảm tính kinh tế của động cơ; - Phương pháp luân hồi khí thải EGR là một phương pháp hiệu quả để giảm phát thải NOx của động cơ diesel nhưng lại làm tăng tiêu hao nhiên liệu và phát thải CO, HC và PM. - Việc bổ sung khí hydro trong động cơ diesel giúp cải thiện quá trình cháy và tiêu thụ nhiên liệu, đồng thời giảm được thành phần khí thải độc hại CO, HC và PM trong khi không cần thay đổi nhiều về kết cấu động cơ nhưng lại có xu hướng làm tăng NOx; - Việc kết hợp đồng thời luân hồi khí thải với bổ sung khí hydro vào động cơ có thể là giải pháp tốt để giảm NOx và PM trong khi vẫn đảm bảo các tính năng làm việc của động cơ. Đây là phương án được lựa chọn để nghiên cứu giảm NOx và PM trong luận án này. Chương 2 . NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ DIESEL HIỆN HÀNH SỬ DỤNG LUÂN HỒI KHÍ THẢI VÀ BỔ SUNG HYDRO Giới thiệu chung 2.1.1. Mục đích nghiên cứu mô phỏng Đánh giá được ảnh hưởng của luân hồi khí thải EGR và bổ sung hydro đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ, từ đó đề xuất tỉ lệ EGR và hydro bổ sung hợp lý ở các chế độ làm việc của động cơ để giảm phát thải và đảm bảo tính năng làm việc của động cơ. 2.1.2. Lựa chọn phần mềm mô phỏng 5
Cơ sở lý thuyết của phần mềm AVL Boost Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ R180 có EHSy 2.3.1. Thiết lập mô hình 2.3.1.1. Các thông số cơ bản của động cơ R180 2.3.1.2. Các phần tử trong mô hình 2.3.2. Nhập dữ liệu cho mô hình 2.3.2.1. Khai báo các thông số cơ bản cho mô hình 2.3.2.2. Xây dựng mô hình lưỡng nhiên liệu 2.3.2.3. Vòi phun hydro 2.3.2.4. Van EGR 2.3.2.5. Bộ làm mát khí luân hồi 2.3.2.6. Thiết lập phần tử động cơ và xi-lanh (Cylinder) 2.3.3. Khai báo biến và thực hiện mô phỏng 2.3.3.1. Khai báo biến 2.3.3.2. Các nội dung mô phỏng Hình 2. 1 Sơ đồ động cơ R180 trang bị EHSy trong thực tế Hình 2. 2 Mô hình động cơ R180 có trang bị EHSy trên AVL Boost Hiệu chỉnh mô hình và đánh giá độ tin cậy 5,5 700 850 NOx_tn 5,0 600 800 Ne_tn NOx_mp 4,5 Ne_mp 500 Ne (kW) NOx(ppm) 750 ge(g/kWh) ge_tn 4,0 ge_mp 400 700 3,5 300 3,0 200 650 2,5 100 600 1300 1500 1800 2000 2200 2400 2600 1300 1500 1800 2000 2200 2400 2600 Tốc độ động cơ (v/p) Tốc độ động cơ (v/p) Hình 2. 3 So sánh công suất và tiêu hao nhiên liệu Hình 2. 4 So sánh phát thải NOx ở đặc tính ngoài ở đặc tính ngoài 6
3200 1,6 Gnl_1500_tn CO_tn 1,4 3000 Gnl_2600_tn CO_mp 1,2 Gnl_1500_mp 2800 Gnl_2600_mp CO(ppm) Gnl (kg/h) 1 2600 0,8 2400 0,6 2200 0,4 0,2 2000 1300 1500 1800 2000 2200 2400 2600 1 2 3 4 5 Tốc độ động cơ (v/p) Tải trọng động cơ (KW) Hình 2. 5 So sánh phát thải CO ở đặc tính ngoài Hình 2. 6 Đồ thị so sánh Gnl tại đặc tính tải ở 1500 (v/p) và 2600 (v/p) 900 2500 CO_1500_mp 800 CO_2600_tn 2000 CO_1500_tn 700 CO_2600_mp NOx (ppm) CO (ppm) 1500 600 500 1000 NOx_1500_tn 400 NOx_2600_mp 500 300 NOx_1500_mp NOx_2600_tn 200 0 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2. 7 Đồ thị so sánh phát thải NOx tại đặc tính Hình 2. 8 Đồ thị so sánh phát thải CO tại đặc tính tải ở 1500 (v/p) và 2600 (v/p) tải ở 1500 (v/p) và 2600 (v/p) 900 3000 800 H5E5 H5E5 2500 700 CO_1500_mp 600 2000 CO_2600_mp NOx (ppm) CO (ppm) CO_1500_tn 500 1500 CO_2600_tn 400 300 NOx_1500_mp 1000 NOx_2600_mp 200 NOx_1500_tn 500 100 NOx_2600_tn 0 0 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Tải trọng động cơ (KW) Tải trọng động cơ (KW) Hình 2. 9 Đồ thị so sánh NOx ở 1500 (v/p) và 2600 Hình 2. 10 Đồ thị so sánh CO ở 1500 (v/p) và (v/p) khi thực hiện H5E5 2600 (v/p) khi thực hiện H5E5 Kết quả tính toán mô phỏng và thảo luận Trong phần này, tác giả dựa trên các kết quả mô phỏng thu được, tác giả xây dựng hai hàm (2.1 ) và (2.2) y(1)=f(E,H) (2. 1) y(2) =f(E,H) (2. 2) Trong hàm (2.1), y(1) là suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải NOx, phát thải soot và phát thải CO. Các giá trị này được lấy theo giá trị tối ưu nhất trong mô phỏng với các tỉ lệ EGR và tỉ lệ HES khác nhau để đánh giá xu hướng và khả năng giảm phát thải lớn nhất của phương pháp EHSy trang bị cho động cơ diesel R180 7
Trong hàm (2.2), y(2) là lượng phát thải NOx nhỏ nhất tại mỗi chế độ tải trọng sao cho suất tiêu hao nhiên liệu và các phát thải còn lại chênh lệch không quá 5% so với động cơ NB. Các tỉ lệ này sẽ dùng để nghiên cứu thực nghiệm đánh giá hiệu quả của phương pháp EHSy trên động cơ R180. 2.5.1.1. Đặc tính tải ở 1500 v/p 2.5.1.2. Hệ số Lambda 4,0 4,0 1500 (v/p) NB H5 1500 (v/p) NB 3,5 3,5 H10 H5E5 H5E10 H10E5 3,0 H5E20 3,0 H10E10 Hệ số Lambda Hệ số Lambda H5E30 H10E20 2,5 H5E40 2,5 H10E30 H5E50 H10E40 2,0 2,0 1,5 1,5 1,0 1,0 1 2 3 4 1 2 3 4 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2.11 Ảnh hưởng của EGR tới lambda Hình 2.12 Ảnh hưởng của EGR tới lambda trên trên R180 với H5 tại 1500 (v/p) mô phỏng R180 với H10 tại 1500 (v/p) mô phỏng 4,0 4,0 1500 (v/p) NB 1500 (v/p) NB 3,5 H20 3,5 H30 H20E5 H30E5 3,0 H20E10 3,0 H30E10 Hệ số Lambda Hệ số Lambda H20E20 H30E20 2,5 2,5 H30E30 H20E30 2,0 2,0 1,5 1,5 1,0 1,0 1 2 3 4 1 2 3 4 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2.13 Ảnh hưởng của EGR tới lambda Hình 2.14 Ảnh hưởng của EGR tới lambda trên trên R180 với H20 tại 1500 (v/p) mô phỏng R180 với H30 tại 1500 (v/p) mô phỏng 2.5.1.3. Suất tiêu hao nhiên liệu 400 NB 400 380 H5 380 NB 360 H5E5 H10 360 H5E10 H10E5 340 H5E20 340 H10E10 ge (g/kWh) ge (g/kWh) 320 H5E30 320 H5E40 H10E20 300 H5E50 300 H10E30 280 280 H10E40 260 260 240 240 220 220 1500 (v/p) 1500 (v/p) 200 200 1 2 3 4 1 2 3 4 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2. 15 Ảnh hưởng của EGR tới ge trên R180 Hình 2. 16 Ảnh hưởng của EGR tới ge trên R180 với H5 tại 1500 (v/p) mô phỏng với H10 tại 1500 (v/p) mô phỏng 8
400 400 1500 (v/p) NB 1500 (v/p) NB 380 380 H20 H30 360 H20E5 360 H20E10 H30E10 340 340 H20E20 H30E20 ge (g/kWh) ge (g/kWh) 320 320 H20E30 H30E30 300 300 280 280 260 260 240 240 220 220 200 200 1 2 3 4 1 2 3 4 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2. 17 Ảnh hưởng của EGR tới ge trên R180 Hình 2. 18 Ảnh hưởng của EGR tới ge trên R180 với H20 tại 1500 (v/p) mô phỏng với H30 tại 1500 (v/p) mô phỏng 2.5.1.4. Phát thải NOx 900 900 1500 (v/p) 1500 (v/p) 800 800 700 700 600 600 NOx(ppm) NOx(ppm) 500 NB NB 500 400 H5 H10 400 H5E5 H10E5 300 H5E10 300 H10E10 200 H5E20 H5E30 200 H10E20 100 H5E40 H10E30 100 H5E50 H10E40 0 0 1 2 3 4 1 2 3 4 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2. 19 Ảnh hưởng của EGR tới NOx trên Hình 2. 20 Ảnh hưởng của EGR tới NOx trên R180 với H5 tại 1500 (v/p) mô phỏng R180 với H10 tại 1500 (v/p) mô phỏng 900 900 1500 (v/p) 1500 (v/p) 800 800 700 700 600 600 NOx(ppm) NOx(ppm) 500 NB 500 NB 400 H20 400 H30 300 H20E5 300 H30E5 H20E10 H30E10 200 200 H20E20 H30E20 100 100 H20E30 H30E30 0 0 1 2 3 4 1 2 3 4 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2. 21 Ảnh hưởng của EGR tới NOx trên Hình 2. 22 Ảnh hưởng của EGR tới NOx trên R180 với H20 tại 1500 (v/p) mô phỏng R180 với H30 tại 1500 (v/p) mô phỏng 9
2.5.1.5. Phát thải soot 4,5 4,5 NB NB 4,0 H5 4,0 H10 3,5 H5E5 3,5 H10E5 H5E10 H10E10 3,0 3,0 H5E20 H10E20 soot(g/kWh) soot(g/kWh) 2,5 H5E30 2,5 H10E30 2,0 H5E40 2,0 H10E40 H5E50 1,5 1,5 1,0 1,0 0,5 0,5 1500 (v/p) 1500 (v/p) 0,0 0,0 1 2 3 4 1 2 3 4 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2. 23 Ảnh hưởng của EGR tới soot trên Hình 2. 24 Ảnh hưởng của EGR tới soot trên R180 với H5 tại 1500 (v/p) mô phỏng R180 với H10 tại 1500 (v/p) mô phỏng 4,5 4,5 4,0 NB 4,0 NB H20 H30 3,5 3,5 H30E5 H20E5 3,0 H20E10 3,0 H30E10 soot(g/kWh) soot(g/kWh) H20E20 H30E20 2,5 2,5 H30E30 H20E30 2,0 2,0 1,5 1,5 1,0 1,0 0,5 0,5 1500 (v/p) 1500 (v/p) 0,0 0,0 1 2 3 4 1 2 3 4 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2. 25 Ảnh hưởng của EGR tới soot trên Hình 2. 26 Ảnh hưởng của EGR tới soot trên R180 với H20 tại 1500 (v/p) mô phỏng R180 với H30 tại 1500 (v/p) mô phỏng 2.5.1.6. Phát thải CO 2500 2500 NB NB H5 H10 2000 2000 H5E5 H10E5 H5E10 H10E10 CO(ppm) CO(ppm) 1500 H5E20 1500 H10E20 H5E30 H10E30 1000 H5E40 1000 H10E40 H5E50 500 500 1500 (v/p) 1500 (v/p) 0 0 1 2 3 4 1 2 3 4 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2. 27 Ảnh hưởng của EGR tới CO trên Hình 2. 28 Ảnh hưởng của EGR tới CO trên R180 với H5 tại 1500 (v/p) mô phỏng R180 với H10 tại 1500 (v/p) mô phỏng 10
2500 2500 NB NB H20 H30 2000 2000 H20E5 H30E5 H20E10 H30E10 CO(ppm) CO(ppm) 1500 H20E20 1500 H30E20 H20E30 H30E30 1000 1000 500 500 1500 (v/p) 1500 (v/p) 0 0 1 2 3 4 1 2 3 4 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2. 29 Ảnh hưởng của EGR tới CO trên Hình 2. 30 Ảnh hưởng của EGR tới CO trên R180 với H20 tại 1500 (v/p) mô phỏng R180 với H30 tại 1500 (v/p) mô phỏng 2.5.1.7. Tỉ lệ hydro bổ sung và EGR hợp lý 45 Tỉ lệ HES và EGR hợp lý (%) 40 1500 (v/p) 35 30 E_1500 25 20 H_1500 15 10 5 0 1 2 3 4 Tải trọng động cơ (kW) Hình 2. 31 Tỉ lệ hydro thay thế và EGR hợp lý ở tốc độ 1500 (v/p) 2.5.2. Đặc tính tải ở 2600 v/p 2.5.2.1. Hệ số lambda 4,5 4,5 2600 (v/p) NB 2600 (v/p) NB 4,0 H5 4,0 H10 H5E5 3,5 H5E10 3,5 H10E10 Hệ số Lambda H5E20 H10E20 Hệ số Lambda 3,0 H5E30 3,0 H10E30 H5E40 2,5 2,5 H10E40 H5E50 2,0 2,0 1,5 1,5 1,0 1,0 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2.32 Ảnh hưởng của EGR tới lambda trên Hình 2.33 Ảnh hưởng của EGR tới lambda trên R180 với H5 tại 2600 (v/p) mô phỏng R180 với H10 tại 2600 (v/p) mô phỏng 11
4,5 4,5 2600 (v/p) NB 2600 (v/p) NB 4,0 H20 4,0 H20E5 H30 3,5 H20E10 3,5 H30E5 H20E20 Hệ số Lambda Hệ số Lambda 3,0 H20E30 3,0 H30E10 H20E40 H30E20 2,5 2,5 H30E30 2,0 2,0 1,5 1,5 1,0 1,0 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2.34 Ảnh hưởng của EGR tới lambda trên Hình 2.35 Ảnh hưởng của EGR tới lambda trên R180 với H20 tại 2600 (v/p) mô phỏng R180 với H30 tại 2600 (v/p) mô phỏng 2.5.2.2. Suất tiêu hao nhiên liệu 450 450 2600 (v/p) NB 2600 (v/p) NB H5 H10 400 H5E5 400 H10E5 H5E10 H10E10 H5E20 H5E30 H10E20 ge(g/kWh) ge(g/kWh) 350 350 H10E30 H5E40 H5E50 H10E40 300 300 250 250 200 200 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2. 36 Ảnh hưởng của EGR tới ge trên R180 Hình 2. 37 Ảnh hưởng của EGR tới ge trên R180 với H5 tại 2600 (v/p) mô phỏng với H10 tại 2600 (v/p) mô phỏng 450 450 2600 (v/p) NB 2600 (v/p) NB H30 400 H20 400 H30E5 H20E10 ge(g/kWh) ge(g/kWh) 350 H20E20 350 H20E30 300 H20E40 300 250 250 200 200 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2. 38 Ảnh hưởng của EGR tới ge trên R180 Hình 2. 39 Ảnh hưởng của EGR tới ge trên R180 với H20 tại 2600 (v/p) mô phỏng với H30 tại 2600 (v/p) mô phỏng 12
2.5.2.3. Phát thải NOx 800 800 NB 2600 (v/p) NB H10 2600 (v/p) 700 H5 700 H5E5 H10E5 600 H5E10 600 H10E10 H5E20 H10E20 H10E30 NOx(ppm) NOx(ppm) 500 H5E30 500 H10E40 H5E40 400 H5E50 400 300 300 200 200 100 100 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2. 40 Ảnh hưởng của EGR tới NOx trên Hình 2. 41 Ảnh hưởng của EGR tới NOx trên R180 với H5 tại 2600 (v/p) mô phỏng R180 với H10 tại 2600 (v/p) mô phỏng 800 800 2600 (v/p) 2600 (v/p) 700 700 600 600 NOx(ppm) NOx(ppm) 500 500 NB NB 400 400 H30 H20 H20E5 H30E5 300 300 H20E10 H30E10 H20E20 H30E20 200 200 H20E30 H20E40 H30E30 100 100 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2. 42 Ảnh hưởng của EGR tới NOx trên Hình 2. 43 Ảnh hưởng của EGR tới NOx trên R180 với H20 tại 2600 (v/p) mô phỏng R180 với H30 tại 2600 (v/p) mô phỏng 2.5.2.4. Phát thải soot 7 7 NB NB 6 H5 6 H10 H5E5 H10E5 5 H5E10 5 H10E10 H5E20 soot(g/kWh) soot(g/kWh) 4 4 H10E20 H5E30 H5E40 H10E30 3 3 H5E50 H10E40 2 2 1 1 2600 (v/p) 2600 (v/p) 0 0 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2. 44 Ảnh hưởng của EGR tới soot trên Hình 2. 45 Ảnh hưởng của EGR tới soot trên R180 với H5 tại 2600 (v/p) mô phỏng R180 với H10 tại 2600 (v/p) mô phỏng 13
7 NB 7 NB 6 H20 6 H30 H20E5 5 H30E10 H20E10 5 H30E20 H20E20 soot(g/kWh) soot(g/kWh) 4 4 H30E30 H20E30 H30E40 H20E40 3 3 2 2 1 1 2600 (v/p) 2600 (v/p) 0 0 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2. 46 Ảnh hưởng của EGR tới soot trên Hình 2. 47 Ảnh hưởng của EGR tới soot trên R180 với H20 tại 2600 (v/p) mô phỏng R180 với H30 tại 2600 (v/p) mô phỏng 2.5.2.5. Phát thải CO 3000 3000 NB 2600 (v/p) NB 2600 (v/p) 2500 H5 2500 H10 H5E10 H5E5 2000 H5E20 2000 H5E30 H10E10 CO(ppm) CO(ppm) 1500 H5E40 1500 H10E20 H5E50 H10E30 1000 1000 H10E40 500 500 0 0 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2. 48 Ảnh hưởng của EGR tới CO trên R180 Hình 2. 49 Ảnh hưởng của EGR tới CO trên R180 với H5 tại 2600 (v/p) mô phỏng với H10 tại 2600 (v/p) mô phỏng 3000 3000 NB 2600 (v/p) NB 2600 (v/p) 2500 H20 H30 2500 H20E5 H30E5 2000 H20E10 H30E10 2000 H20E20 H30E20 CO(ppm) CO(ppm) 1500 H20E30 1500 H30E30 H20E40 1000 1000 500 500 0 0 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 2. 50 Ảnh hưởng của EGR tới CO trên R180 Hình 2. 51 Ảnh hưởng của EGR tới CO trên R180 với H20 tại 2600 (v/p) mô phỏng với H30 tại 2600 (v/p) mô phỏng 2.5.2.6. Tỉ lệ hydro bổ sung và EGR hợp lý 14
45 40 2600 (v/p) Tỉ lệ HES và tỉ lệ EGR (%) 35 30 25 H_2600 20 E_2600 15 10 5 0 1 2 3 4 5 Tải trọng động cơ (kW) Hình 2. 52 Tỉ lệ hydro và EGR thay thế hợp lý ở tốc độ 2600 (v/p) 2.5.3. Đặc tính ngoài 2.5.3.1. Các thông số làm việc và phát thải 1,4 63,5 Toàn tải_mp Toàn tải_mp 1,3 63,0 62,5 Hệ số lambda Pc max(bar) 1,2 62,0 1,1 61,5 1,0 61,0 NB NB 0,9 H5E5 60,5 H5E5 H5E10 0,8 60,0 1300 1500 1800 2000 2200 2400 2600 1300 1500 1800 2000 2200 2400 2600 Tốc độ (v/p) Tốc độ động cơ (v/p) Hình 2. 53 Ảnh hưởng của EHSy tới lambda trên Hình 2. 54 Ảnh hưởng của EHSy tới pcmax trên R180 ở toàn tải mô phỏng R180 ở toàn tải mô phỏng 300 850 Toàn tải_mp Toàn tải_mp 280 800 NB NOx(ppm) H5E5 260 750 ge(g/kWh) 240 700 NB H5E5 220 650 200 600 1300 1500 1800 2000 2200 2400 2600 1300 1500 1800 2000 2200 2400 2600 Tốc độ động cơ (v/p) Tốc độ động cơ (v/p) Hình 2. 55 Ảnh hưởng của EHSy tới ge trên R180 Hình 2. 56 Ảnh hưởng của EHSy tới NOx trên ở toàn tải mô phỏng R180 ở toàn tải mô phỏng 15
6,5 3200 Toàn tải_mp 3000 Toàn tải_mp 6,0 NB 2800 5,5 soot(g/kWh) CO(ppm) H5E5 2600 5,0 2400 4,5 2200 NB H5E5 4,0 2000 1300 1500 1800 2000 2200 2400 2600 1300 1500 1800 2000 2200 2400 2600 Tốc độ động cơ (v/p) Tốc độ động cơ (v/p) Hình 2. 57 Ảnh hưởng của EHSy tới soot trên Hình 2. 58 Ảnh hưởng của EHSy tới CO trên R180 ở toàn tải mô phỏng R180 ở toàn tải mô phỏng 2.5.3.2. Tỉ lệ hydro bổ sung và EGR hợp lý Như vậy ở đặc tính ngoài của động cơ R180, chỉ nên thực hiện phương pháp EHSy với tỉ lệ H5E5. Với tỉ lệ này tiêu hao nhiên liệu tăng 2,37 % trong khi đó các phát thải NOx giảm 2,4%; soot giảm 2,72%; CO giảm 3,1% so với động cơ nguyên bản. Có thể thấy phát thải giảm nhưng tiêu hao nhiên liệu tăng điều này có thể giải thích là do việc thiếu không khí cho quá trình đốt cháy nhiên liệu diesel và hydro 2.5.4. Thảo luận Các kết quả nghiên cứu mô phỏng đã chỉ ra xu hướng thay đổi các thông số làm việc và phát thải của động cơ tùy thuộc vào tải trọng, tỉ lệ EGR và tỉ lệ hydro bổ sung như đã mô tả ở trên có thể được giải thích như sau: Việc tăng tải trong động cơ diesel được thực hiện bằng cách tăng lượng nhiên liệu cấp chu trình trong khi lượng khí nạp hầu như không đổi. Còn đối với trường hợp thực hiện EGR và bổ sung hydro vào đường ống nạp thì lượng khí nạp sẽ bị giảm nhiều do khí EGR và hydro chiếm một phần thể tích của khí nạp. Vì vậy, khi tăng tải thì hệ số dư lượng không khí lambda giảm, nếu thực hiện EGR và bổ sung hydro thì lambda còn giảm thêm nữa. Tuy nhiên, tải, EGR, hydro bổ sung chỉ được tăng đến mức sao cho lambda không thấp hơn 1,2 để đảm bảo đủ không khí cho quá trình cháy trong động cơ. Ở mỗi chế độ tải, tỉ lệ EGR và tỉ lệ hydro bổ sung sẽ có ảnh hưởng khác nhau đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ. * Ở chế độ tải thấp: Khi động cơ làm việc ở chế độ tải thấp, lượng nhiên liệu diesel cung cấp cho một chu trình nhỏ trong khi lượng không khí nạp lớn làm cho nhiệt độ cháy trong xi-lanh không cao. Do đó lượng phát thải NOx cũng không cao và phát thải soot cũng có xu hướng tương tự vì sự hình thành soot phụ thuộc vào nồng độ các-bon trong thể tích hỗn hợp nhiên liệu-không khí và nhiệt độ khí thể trong xi-lanh. Về phát thải CO, do nhiệt độ khí thải thấp nên sự ô xi hóa CO thấp dẫn đến hàm lượng CO cao hơn so với ở chế độ tải trung bình. Ở chế độ tải thấp, lambda lớn nên việc luân hồi khí thải sẽ không ảnh hưởng đến sự thiếu không khí cho quá trình cháy nên có điều kiện để tăng EGR để giảm NOx. Việc thay thế một phần nhiên liệu diesel bằng hydro ở chế độ tải thấp không cải thiện được nhiều về đặc tính làm việc và phát thải của động cơ vì chỉ có một phần nhỏ hydro tham gia quá trình cháy. Thực vậy, hỗn hợp hydro-không khí ở chế độ tải nhỏ có thành phần hydro rất nhạt vì lượng hydro cấp vào ít mặc dù tỉ lệ thay thế có thể cao nên không cháy lan tràn màng lửa được. Trong khi đó, lượng cấp diesel nhỏ, tia phun chỉ phân bố được ở một phần nhỏ thể tích xi lanh nên chỉ có phần hydro ở khu vực có nhiên liệu diesel mới tham gia quá trình cháy cùng nhiên liệu diesel được, phần hydro ở xa do hỗn hợp đồng nhất quá nhạt nên màng lửa bị dập tắt không truyền tới được. Chính vì vậy, ở chế độ tải nhỏ không nên bổ sung hydro với tỉ lệ thay thế cao. * Chế độ tải trung bình và cao: Ở chế độ tải này tổng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình và cháy tăng đáng kể dẫn tới nhiệt độ quá trình cháy lớn làm gia tăng hàm lượng phát thải NOx khi tải tăng, đồng thời do hàm lượng các bon tăng nên PM cũng tăng. Nhiệt độ khí cháy cao nên sự ô xi hóa CO cũng tăng làm cho CO có xu hướng giảm một chút khi 16
tăng tải. Việc tăng tỷ lệ EGR tác động xấu đến quá trình cháy và giảm nhiệt độ khí thể khiến sự hình thành NOx giảm, phát thải PM và CO tăng. Ở chế độ tải này, lambda đã giảm so với ở tải nhỏ nên để tránh sự thiếu khí cho quá trình cháy thì nên giảm EGR so với ở tải nhỏ. Khi bổ sung hydro ở chế độ tải này, lượng hydro tham gia quá trình cháy sẽ nhiều hơn, tức là hiệu quả sử dụng hydro cao hơn so với ở tải nhỏ. Tăng tỉ lệ hydro thay thế sẽ làm tăng nhiệt độ ngọn lửa dẫn tới tăng phát thải NOx. Hydro cũng giúp cải thiện tốc độ hình thành hòa khí và làm tăng tốc độ cháy, giúp cháy kiệt hơn dẫn tới phát thải HC và CO giảm. Khi tăng tỷ lệ hydro thay thế, thành phần các-bon trong nhiên liệu giảm, nhiệt độ cháy cao thúc đẩy quá trình ô-xy hóa soot thành sản phẩm như CO, CO2... Quá trình nhiệt phân nhiên liệu thành soot giảm đồng thời quá trình ô-xy hóa soot tăng lên nên phát soot giảm. Như vậy, ở chế độ tải trung bình đến cao nên giảm EGR nhưng có thể tăng tỉ lệ hydro thay thế để khắc phục ảnh hưởng xấu của EGR để vừa giảm được NOx lại cải thiện được phát thải PM và CO. * Ở chế độ toàn tải: Ở chế độ này, lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình lớn làm cho hệ số lambda giảm xuống khá thấp (trung bình là 1,26). Lượng ô-xy không nhiều dẫn tới các quá trình cháy diễn ra không hoàn toàn là nguyên nhân làm cho nhiên liệu diesel không cháy hết tạo phát thải soot, CO tăng lên khá cao. Việc sử dụng EGR để giảm NOx ở tải lớn sẽ làm lambda giảm xuống rất thấp, nhiên liệu không cháy hết làm công suất động cơ giảm nên không thể thực hiện EGR với tỉ lệ lớn được. Với tỉ lệ EGR thấp nếu tăng tỉ lệ hydro bổ sung ở tải cao sẽ làm NOx tăng mạnh. Mặt khác do lượng không khí lý thuyết để đốt cháy hết 1kg hydro lớn hơn nhiều so với lượng không khí để đốt hết 1kg diesel (34kg so với 14,8kg) nên việc tăng tỉ lệ hydro bổ sung ở chế độ tải này sẽ làm lambda giảm nhiều, làm cho nhiên liệu cháy không hết dẫn tới công suất động cơ giảm và suất tiêu hao nhiên liệu tăng. Chính vì vậy, ở toàn tải chỉ nên sử dụng EGR và bổ sung hydro ở tỉ lệ thấp. Kết luận chương 2 Sau khi thực hiện Chương 2 có thể rút ra được một số kết luận sau: - Đã xây dựng được mô hình mô phỏng động cơ diesel R180 trên phần mềm AVL Boost khi có luân hồi khí thải và bổ sung hydro. Mô hình đã được kiểm chứng, có độ tin cậy cao cho phép nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của EGR và bổ sung hydro đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ. - Đã thực hiện tính toán mô phỏng động cơ khi chạy đơn nhiên liệu diesel và khi chạy lưỡng nhiên liệu diesel-hydro kết hợp luân hồi khí thải tại ba đường đặc tính là đặc tính tải ở 1500 v/p (chế độ cho mô men lớn nhất), đặc tính tải ở 2600 v/p (chế độ có công suất lớn nhất) và đặc tính ngoài. Kết quả cho thấy: + EGR có vai trò tích cực trong việc giảm NOx nhưng lại làm tăng phát thải soot, CO và nhiên liệu; + Hydro bổ sung có vai trò tích cực trong việc giảm phát thải trên động cơ diesel ngoại trừ phát thải NOx; + Kết hợp EGR và bổ sung hydro ở các tỉ lệ hợp lý sẽ kiểm soát được toàn diện phát thải của động cơ, đặc biệt là giảm đáng kể NOx và PM trong khi có cải thiện hoặc phát thải CO và không làm tăng tiêu hao nhiên liệu. - Đã xác định được tỉ lệ luân hồi khí thải và bổ sung hydro hợp lý để sao cho có thể giảm phát thải NOx lớn nhất trong khi các chỉ tiêu khác sai lệch không quá 5%. Cụ thể: + Tại đặc tính tải ở 1500 (v/p) các tỉ lệ EGR và HES hợp lý theo các tải trọng 1 kW đến 4 kW là: H5E40; H10E40; H10E30 và H5E5; + Tại đặc tính tải ở 2600 (v/p) các tỉ lệ HES và EGR hợp lý theo các tải trọng 1 kW đến 5kW là: H5E40; H5E30; H5E30; H10E20 và E5H5; + Tại đặc tính ngoài, tỉ lệ HES và EGR hợp lý là E5H5; Tuy nhiên kết quả mô phỏng còn cần phải được kiểm chứng bằng thực nghiệm để đánh giá hiệu quả toàn diện của giải pháp kiểm soát phát thải đã đề ra, và đồng thời kiểm tra khả năng xảy ra sự cháy kích nổ do bổ sung hydro mà tính toán mô phỏng không thực hiện được. 17
Chương 3 . NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG EHSy CHO ĐỘNG CƠ DIESEL R180 Giới thiệu chung Để phục vụ nghiên cứu thực nghiệm đánh giá hiệu quả giảm phát thải của phương pháp kết hợp EGR và bổ sung hydro trên động cơ diesel hiện hành. Động cơ diesel R180 được tính toán cải tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu, trang bị hệ thống EGR và bổ sung hydro vào đường ống nạp. Nội dung thiết kế, cải tạo gồm: Quá trình tính toán, chọn lựa các chi tiết, bộ phận để thiết kế hệ thống EHSy phục vụ thực nghiệm được chọn lựa từ các sản phẩm đã được thương mại hóa có độ chính xác cao và được tính toán sơ bộ dựa trên dung tích buồng đốt động cơ R180 và kết quả tính toán mô phỏng trong AVL Boost. Hình 3. 1 Sơ đồ khối hệ thống EHSy trang bị cho động cơ diesel R180 1.Bình nhiên liệu hydro; 2.Đồng hồ đo áp suất; 3.Van khóa và van an toàn; 4.Van giảm áp; 5.Van chống cháy ngược; 6.Vòi phun hydro; 7.Van EGR; 8. Bộ làm mát khí luân hồi; 9.Bình nhiên liệu diesel; 10.Bơm cao áp; 11.Vòi phun diesel; 12. Bình tiêu âm; 13. Động cơ R180; 14. ECU điều khiển hệ thống EHSy; 15. Két làm mát động R180; 16. Bơm điện tuần hoàn nước làm mát; 17. Động cơ servo dẫn động bơm cao áp. 18. Lọc khí Nghiên cứu thiết kế hệ thống cung cấp hydro cho động cơ R180 3.2.1. Cơ sở tính toán và thiết kế 3.2.1.1. Bình nhiên liệu hydro 3.2.1.2. Van chống cháy ngược 3.2.1.3. Bộ giảm áp 3.2.1.4. Vòi phun hydro 3.2.2. Thiết kế lắp đặt hệ thống cung cấp hydro Nghiên cứu thiết kế hệ thống EGR cho động cơ R180 3.3.1. Cơ sở tính toán và thiết kế 3.3.1.1. Đường ống thải 3.3.1.2. Van EGR 3.3.1.3. Bộ làm mát khí luân hồi 3.3.1.4. Bơm nước làm mát khí luân hồi 3.3.2. Lắp đặt hệ thống EGR 18
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển EHSy 3.4.1. Sơ đồ tổng quát Hình 3. 2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống EHSyCác cảm biến và công tắc 3.4.1.1. Cảm biến tốc độ động cơ và thời điểm phun hydro 3.4.1.2. Cảm biến vị trí tay điều khiển 3.4.1.3. Công tắc chọn chế độ làm việc 3.4.1.4. Tín hiệu điều khiển của người thí nghiệm 3.4.2. Các cơ cấu chấp hành 3.4.2.1. Động cơ servo 3.4.2.2. Vòi phun hydro 3.4.2.3. Van EGR 3.4.3. Thiết kế ECU điều khiển 3.4.3.1. Phần cứng 3.4.3.2. Phần mềm 3.4.4. Thuật toán và code chương trình 3.4.4.1. Thuật toán xác định tốc độ thực, tốc độ đặt và vị trí van EGR của động cơ 3.4.4.2. Thuật toán điều khiển góc quay servo, thời gian mở vòi phun, van EGR 3.4.4.3. Code chương trình Labview Kết luận chương 3 Chương 3 đã giải quyết được các vấn đề sau: - Đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo và lắp đặt thành công hệ thống EGR có trang bị hệ thống làm mát khí luân hồi. Hệ thống có thể thay đổi được tỉ lệ khí luân hồi theo ý muốn trong phạm vi nghiên cứu và điều khiển được nhiệt độ khí luân hồi; - Đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công hệ thống phun hydro trên đường ống nạp. Hệ thống này có thể thay đổi được thời điểm phun, lưu lượng phun và áp suất phun. Hệ thống nhiên liệu trên động cơ có thể hoạt động ở chế độ đơn nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu diesel-hydro; - Đã nghiên cứu thiết và chế tạo thành công hệ thống điều khiển van luân hồi khí thải, điều khiển thời điểm và độ dài thời gian phun hydro, đồng thời điều khiển thay đổi lượng cấp nhiên liệu diesel cho một chu trình. Hệ thống có giao diện đơn giản cho phép người sử dụng dễ dàng điều chỉnh tỉ lệ EGR, lượng phun hydro và diesel theo ý muốn. 19
Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Mục đích thử nghiệm Xác định các thông số đầu vào phục vụ cho tính toán mô phỏng, hiệu chỉnh và đánh giá độ tin cậy của các mô hình mô phỏng và đánh giá hiệu quả của các giải pháp kết hợp EGR và bổ sung hydro đề xuất ở Chương 2. Đối tượng và phạm vi thử nghiệm Sơ đồ bố trí trang thiết bị và quy trình thử nghiệm Việc đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ R180 khi thực hiện đồng thời luân hồi khí thải và bổ sung hydro vào đường nạp nhờ hệ thống EHSy được thực hiện bằng phương pháp đối chứng với động cơ nguyên bản (NB). Cụ thể là so sánh các chỉ tiêu công tác và phát thải của động cơ có EHSy với tỉ lệ EGR và hydro bổ sung hợp lý theo tính toán mô phỏng ở Chương 2 và động cơ nguyên bản ở cùng các chế độ tải và tốc độ ổn định. Tại mỗi chế độ ổn định, tiến hành đo các thông số sau: mô men, công suất, áp suất buồng đốt, tiêu hao nhiên liệu diesel, tiêu hao nhiên liệu hydro và hàm lượng phát thải như khói, CO, HC và NOx của động cơ. Kết quả thí nghiệm và thảo luận 4.4.1. Đặc tính tải ở 1500 vòng/phút 4.4.1.1. Hệ số lambda 4.4.1.2. Suất tiêu hao nhiên liệu 4,0 380 NB_1500_tn 3,5 NB_1500_tn 360 EHSy_1500_mp 340 3,0 EHSy_1500_mp EHSy_1500_tn 320 ge (g/kWh) Hệ số lambda 2,5 EHSy_1500_tn 300 2,0 280 1,5 260 1,0 240 220 0,5 200 0,0 1 2 3 4 1 2 3 4 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 4.1 Hệ số lambda tại 1500 (v/p) Hình 4.2 ge tại 1500 (v/p) 4.4.1.3. Phát thải thải NOx 4.4.1.4. Phát thải khói 900 20 800 NB_1500_tn 700 EHSy_1500_tn 15 600 NOx (ppm) Smoke (%) 500 400 10 300 200 NB_1500_tn 5 EHSy_1500_mp 100 EHSy_1500_tn 0 0 1 2 3 4 1 2 3 4 Tải trọng động cơ (kW) Tải trọng động cơ (kW) Hình 4. 3 Phát thải NOx tại 1500 (v/p) Hình 4. 4 Phát thải khói tại 1500 (v/p) 20