Bài viết Ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu diesel/nước/hydro đến tính năng kỹ thuật và NOx của động cơ diesel nghiên cứu về việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel/nước/hydro nhằm mục đích làm giảm lượng phát thải NOx để đáp ứng được các yêu cầu về khí thải theo tiêu chuẩn Euro V trong khi vẫn duy trì được tính năng kỹ thuật của động cơ.
BÀI BÁO KHOA HỌC ẢNH HƯỞNG CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL/NƯỚC/HYDRO ĐẾN TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ NOx CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL Lương Đình Thi1, Nguyễn Văn Quốc2, Phạm Văn Thuần3, Hà Văn Đức3 Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel/nước/hydro nhằm mục đích làm giảm lượng phát thải NOx để đáp ứng yêu cầu khí thải theo tiêu chuẩn Euro V trì tính kỹ thuật động Kết nghiên cứu cho thấy, tăng hàm lượng nước hỗn hợp nhiên liệu cơng suất hàm lượng NOx giảm; bổ sung thêm khí hydro công suất động tăng lên hàm lượng phát thải NOx có tăng lên đáp ứng theo tiêu chuẩn Euro V Từ khóa: Diesel, cơng suất, nước, hydro, NOx GIỚI THIỆU * Động diesel sử dụng rộng rãi toàn giới với nhiều ưu điểm chi phí vận hành thấp, tiết kiệm lượng, độ bền độ tin cậy cao Chúng sử dụng xe tải, xe buýt, máy kéo, tàu thủy, máy xây dựng phương tiện công nghiệp khác lai máy đào thiết bị khai thác Tuy nhiên, việc phủ nước ban hành luật tiêu chuẩn phát thải ngày khắt khe dẫn đến phụ thuộc vào việc sử dụng dầu diesel làm nhiên liệu cho động diesel Có số giải pháp đưa để đáp ứng yêu cầu mới: phát triển ngày khắt khe động đốt nay; sử dụng nhiên liệu thay giúp giảm lượng khí thải so với nhiên liệu hóa thạch, hỗn hợp diesel xăng với phụ gia, sử dụng xe điện Từ phương pháp nhiên liệu thay hydro coi giải pháp khả thi trộn lẫn với nhiên liệu diesel thỏa mãn đặc tính động diesel Bộ môn Động cơ, Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân Lớp khóa 533B, Hệ QLHV SĐH, Học viện Kỹ thuật Quân Phòng Kỹ thuật, Vùng Cảnh sát biển 1, Cảnh sát biển Việt Nam 26 Trong (Bùi Văn Ga, 2006; Phạm Minh Tuấn, 2009 Nguyễn Hoàng Vũ, 2010), tác giả rõ hình thành loại khí thải độc hại trình hoạt động động đốt trong, đồng thời phân tích ảnh hưởng khí thải từ động đốt đến nhiễm mơi trường, hiệu ứng nhà kính sức khỏe người, đặc biệt việc phát thải NOx Trên giới nghiên cứu nhiều phương pháp khác để giảm lượng khí thải động cách kiểm sốt từ nguồn và xử lý khí thải phát ra, (Phạm Xuân Dương, nnk., 2021) nhóm tác giả có rõ phương pháp giảm hàm lượng phát thải NOx từ nguồn vào cách trộn nước - nhiên liệu (nhũ tương hóa) để làm giảm nhiệt độ cháy buồng đốt nhằm giảm thiểu khí NOx Nghiên cứu (J.Serrano, et al., 2019) phân tích ảnh hưởng tỷ lệ hỗn hợp hydro/diesel khác đến hiệu suất lượng khí thải động diesel sử dụng cho động diesel có phun nước, lượng khí thải NOx tăng lên tỷ lệ hydro/diesel tăng lên, lượng nước phun vào làm giảm phát thải NOx khoảng 50% Mục tiêu đặt nghiên cứu tìm giải pháp sử dụng hỗn hợp nhiên liệu/ nước/ hydro nhằm giảm lượng phát thải NOx, để KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 81 (12/2022) đáp ứng quy định Chính phủ (theo tiêu chuẩn Euro IV Euro V, Quyết định số 49/2011/QĐ-TTg), trì cơng suất động tương đương với động nguyên XÂY DỰNG MƠ HÌNH Đối tượng nghiên cứu động Caterpillar C9 Acert, động diesel kỳ, xy lanh bố trí thẳng hàng, hệ thống nhiên liệu kiểu HEUI (Hydraulically Actuated Electronically Controlled Unit Injector), hệ thống làm mát chất lỏng Động có tăng áp tuabin khí thải, khơng có làm mát khí nạp Thơng số kỹ thuật động Caterpillar C9 Acert (Caterpillar Inc., 2012) thể bảng Bảng Tính kỹ thuật động Caterpillar C9 Acert Thông số Đơn vị kW v/p mm mm bar g/kWh độ độ độ độ Công suất định mức Tốc độ định mức Số xy lanh Tỉ số nén Đường kính xy lanh Hành trình piston Áp suất khí nạp sau tua bin tăng áp Suất tiêu hao nhiên liệu Góc mở sớm xu páp nạp Góc đóng muộn xu páp nạp Góc mở sớm xu páp thải Góc đóng muộn xu páp thải Công cụ lựa chọn để tiến hành mơ phỏng, tính tốn thơng số tính kỹ thuật hàm lượng phát thải động phần mềm Diesel-RK Nhiên liệu sử dụng cho động hỗn hợp diesel sử dụng thị trường (có chứa 0,05% S) với nước hydro Trong nghiên cứu này, lượng cấp nhiên liệu diesel không thay đổi, hàm lượng nước bổ sung thêm vào buồng đốt 10%, 30%, 46%, 56%, 62%, 70%, 80% theo tỷ lệ thể tích so với diesel; ký hiệu Dnx, có nghĩa x % thể tích nước bổ sung so với Giá trị 205 2200 16,1 112 149 2,2 226,9 25 35 55 20 thể tích diesel Hàm lượng hydro bổ sung vào hỗn hợp diesel/nước là: 12% 18% tỷ lệ nhiệt lượng hydro với nhiệt lượng hỗn hợp Dnx; hỗn hợp nhiên liệu diesel/ nước/ hydro ký hiệu DnxH y, có nghĩa bổ sung y% hydro vào hỗn hợp Dnx theo nhiệt lượng Hỗn hợp DnxH y xác định tỷ lệ lượng cấp cho xy lanh chu trình cơng tác động Các tính chất lýhóa nhiên liệu diesel, nước hydro (Thi Luong Dinh, et al., 2014 R.D Mc Carty, et al., 1981) thể bảng Bảng Tính chất lý - hóa nhiên liệu Đại lượng Tỷ trọng (200C, 1atm) Nhiệt trị thấp Carbon Đơn vị kg/m3 MJ/kg % Diesel 839 42,5 87 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 81 (12/2022) Nước 1000 - Hydro 0,08375 120 27 Đại lượng Đơn vị % % % Hydro Oxy Luu huỳnh Diesel 12,6 0,4 0,05 Để đảm bảo cung cấp theo yêu cầu hỗn hợp nhiên liệu diesel, hỗn hợp Dnx hỗn Nước 11,111111 88,888889 - Hydro 100 - hợp DnxHy tỷ lệ liều lượng tính tốn bảng 3: Bảng Tỷ lệ liều lượng hỗn hợp cấp vào xy lanh Đại Đơn lượng vị Carbon Diesel Dn10 Dn30 Dn46 Dn56 Dn62 Dn62H12 Dn70 Dn80 Dn80H18 % 87 77,735 64,085 56,192 52,175 50,030 48,820 47,429 44,535 43,587 Hydro % 12,6 12,441 12,208 12,073 12,004 11,967 14,096 11,923 11,873 13,750 Oxy % 0,4 9,824 23,707 31,735 35,821 38,003 37,084 40,648 43,592 42,663 Lưu huỳnh % 0,05 0,0447 0,0368 0,0323 0,0300 0,0288 0,0281 0,0272 0,0256 0,0250 MJ/kg 42,5 37,9739 31,3060 27,4500 25,4878 24,4397 27,3724 23,1693 21,7556 25,6717 mg/ct 117,461 131,461 159,461 181,861 195,861 204,261 204,261 215,462 229,462 229,462 Nhiệt trị thấp gct Sử dụng liệu bảng 1, bảng bảng để làm số liệu đầu vào cho phần mềm Diesel-RK Tiến hành t ính tốn mơ cho động chế độ định mức với nhiên liệu diesel, so sánh kết mô với số liệu bảng Sau hiệu chỉnh mơ hình, kết thu bảng Bảng Tính kỹ thuật động Caterpillar C9 Acert Thông số Đơn vị Giá trị Nhà sản xuất Tính tốn Sai số (%) Công suất định mức kW 205,00 208,49 1,7 Tốc độ vòng quay v/p 2200 2200 - 16,1 16,1 - bar 2,2 2,2 - g/kWh 226,9 223,1 1,67 Tỉ số nén Áp suất khí nạp sau tua bin tăng áp Suất tiêu hao nhiên liệu Qua kết tính tốn mơ bảng cho thấy, mơ hình mơ cho kết phù hợp với số liệu công bố nhà sản xuất, mô hình đảm bảo độ xác KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Khi tiến hành tính tốn mơ tính kỹ thuật động với hỗn hợp nhiên liệu khác Trước hết, sử dụng hỗn hợp nhiên 28 liệu diesel, sau bổ sung lượng nước vào động để đánh giá mức độ thay đổi tính kỹ thuật phát thải NOx động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu (diesel, Dn10, Dn30, Dn56, Dn62, Dn70, Dn80) Nhiệt độ môi chất công tác bên xy lanh giảm dần tăng tỷ lệ nước bổ sung vào hỗn hợp nhiên liệu, điều KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 81 (12/2022) thể rõ hình Việc bổ sung thêm nước làm giảm nhiệt độ cháy bên động dẫn đến làm giảm lượng phát thải NOx trình cháy tạo ra, đồng thời làm giảm hiệu sinh cơng có ích dẫn đến cơng suất có ích động giảm tỷ lệ thuận với lượng nước bổ sung vào hỗn hợp Kết tính tốn diễn biến nhiệt độ xy lanh theo góc quay trục khuỷu phần mềm Diesel-RK hình cho thấy, nhiệt độ lớn tạo nằm giai đoạn cháy (từ 380-410 độ góc quay trục khủy); giá trị nhiệt độ lớn xy lanh giảm xuống rõ rệt tăng hàm lượng nước bổ sung vào nhiên liệu diesel, đồng thời thời gian cháy trễ động tăng theo Hình Diễn biến nhiệt độ xy lanh hỗn hợp nhiên liệu Dnx Tính kỹ thuật phát thải NOx động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu khác thể bảng Bảng Tính kỹ thuật phát thải NOx động Caterpillar C9 Acert sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Dnx Thông số Đơn vị Diesel Dn10 Công suất định mức kW 208,49 204,07 195,54 187,76 182,25 179,03 174,53 168,16 Suất tiêu hao hỗn hợp nhiên liệu g/kWh 223,10 255,10 322,93 383,55 425,56 451,80 488,88 540,36 NOx ppm NOx g/kWh Dn30 Dn46 Dn56 Dn62 1043,30 1229,10 971,72 508,97 270,35 174,68 6,39 7,61 6,35 Từ kết bảng cho thấy, nhiên liệu diesel bổ sung nước theo tỷ lệ tăng dần cơng suất động giảm dần theo lượng nước bổ sung vào hỗn hợp nhiên liệu, đồng thời suất tiêu hao nhiên liệu tăng dần Từ kết bảng so sánh với bảng tiêu chuẩn khí thải Euro cho động diesel hạng nặng (2005/55/EC, 2005) bảng 6, cho thấy bổ sung thêm 46% nước (Dn46) vào nhiên liệu diesel động có lượng phát thải NO x 3,49 g/kWh đáp ứng tiêu chuẩn khí thải Euro IV (NO x = 3,5 g/kWh), bổ sung thêm 56% nước (Dn56) vào 3,49 1,92 1,26 Dn70 Dn80 96,31 41,04 0,72 0,32 nhiên liệu diesel động có lượng phát thải NO x 1,92 g/kWh đáp ứng tiêu chuẩn khí thải Euro V (NO x = 2,0 g/kWh), bên cạnh suất tiêu hao nhiên liệu động tăng theo bổ sung nước vào nhiên liệu diesel 71,92% 90,75% ứng với Dn46 DN56 Tuy nhiên, công suất động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu có bổ sung nước Dn46 187,76 kW Dn56 182,25kW đồng nghĩa với việc công suất động giảm 9,04% 12,59% so với công suất động nguyên sử dụng nhiên liệu diesel KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 81 (12/2022) 29 Bảng Tiêu chuẩn khí thải Euro cho động diesel hạng nặng Tiêu chuẩn EURO I EURO II EURO III EURO IV EURO V Ngày có hiệu lực 1992, ≤ 85 kW 1992, > 85 kW 10/1996 10/1998 10/1999 10/2000 10/2005 10/2008 CO Chu trình thử 4,5 4,5 4,0 4,0 1,5 2,1 1,5 1,5 ECE R49 ESC&ELR Qua nhiều lần tiến hành tính tốn mơ phỏng, kết nghiên cứu cho thấy để đáp ứng tiêu chuẩn khí thải theo tiêu chuẩn Euro IV Euro V trì cơng suất có ích tương đương với động nguyên bản, cần bổ sung vào động lượng khí hydro vừa đủ động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Dnx Kết tính tốn mơ cho thấy, bổ sung thêm hydro vào hỗn hợp diesel/nước, cơng suất có ích phát thải NOx động tăng lên Do đó, giữ nguyên tỷ lệ HC NOx g/kWh 1,1 8,0 1,1 8,0 1,1 7,0 1,1 7,0 0,25 2,0 0,66 5,0 0,46 3,5 0,46 2,0 PM 0,612 0,36 0,25 0,15 0,02 0,10 0,02 0,02 Khói 1/m 0,15 0,8 0,5 0,5 lượng nước bổ sung 46% 56% phát thải NOx có hydro khơng đáp ứng tiêu chuẩn Euro IV Euro V tương ứng Vì vậy, bổ sung hydro cần tăng thêm lượng nước vào hỗn hợp nhiên liệu Các hỗn hợp nhiên liệu diesel/nước/hydro đáp ứng mục tiêu nghiên cứu Dn62 H12 (Euro IV), Dn80 H18 (Euro V) Tính kỹ thuật phát thải NOx sau sử dụng hỗn hợp nhiên liệu thể bảng Bảng Tính kỹ thuật phát thải NOx động Caterpillar C9 Acert sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DnxHy Thông số Đơn vị Diesel Dn46 Dn56 Dn62 Dn62H12 Dn80 Dn80H18 kW 208,49 187,76 182,25 179,03 206,48 168,16 206,81 g/kWh 223,10 383,55 425,56 451,80 391,74 540,36 439,38 NOx ppm 1043,30 508,97 270,35 174,68 539,41 41,04 309,49 NOx g/kWh 6,39 3,49 1,92 1,26 3,40 0,32 1,97 Công suất định mức Suất tiêu hao hỗn hợp nhiên liệu Từ kết bảng cho thấy, để đáp ứng yêu cầu lượng phát thải NO x động theo tiêu chuẩn khí thải Euro IV trì tính kỹ thuật động tương đương với động nguyên cần sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Dn62 H 12 (hàm lượng NOx 3,4 g/kWh); cần sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Dn80 H18 (hàm 30 lượng NOx 1,97 g/kWh) để đáp ứng yêu cầu lượng phát thải NO x động theo tiêu chuẩn Euro V Hình hình thể nhiệt độ môi chất công tác bên xy lanh sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Dnx, DnxHy có lượng phát thải NOx đáp ứng theo tiêu chuẩn Euro IV Euro V KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 81 (12/2022) Hình Diễn biến nhiệt độ xy lanh hỗn hợp nhiên liệu Dn46 Dn62H12 Hình Diễn biến nhiệt độ xy lanh hỗn hợp nhiên liệu Dn56 Dn80H18 Từ đồ thị hình kết bảng ta thấy, động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Dn46 (hàm lượng NOx 3,49 g/kWh) Dn62H12 (hàm lượng NOx 3,4 g/kWh) đáp ứng lượng phát thải NOx theo tiêu chuẩn Euro IV diễn biến nhiệt độ xy lanh hỗn hợp nhiên liệu không thay đổi nhiều, giá trị nhiệt độ lớn xấp xỉ (chủ yếu nhiệt độ kỳ thải hỗn hợp Dn62H12 cao hơn), nhiên công suất động lại có khác biệt lớn (tương ứng 187,76 kW 206,48 kW) Diễn biến tương tự nhìn thấy hình so sánh kết sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Dn56 (hàm lượng NOx 1,92 g/kWh) Dn80H18 (hàm lượng NOx 1,97 g/kWh) có lượng phát thải NOx đáp ứng tiêu chuẩn Euro V có nhiệt độ lớn xy lanh không thay đổi nhiều công suất động có thay đổi lớn (tương ứng 182,25 kW 206,81 kW) Điều hydro có tốc độ cháy nhanh, tốc độ tỏa nhiệt lớn nên hầu hết nhiệt lượng tỏa gần điểm chết trên, làm tăng hiệu sinh công có ích Kết hình hình có xu hướng chung, bổ sung nước vào nhiên liệu nước khơng hàm chứa nhiệt lượng (nhiệt trị) để chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái cần cung cấp lượng nhiệt nhiệt ẩn hóa nên có tác dụng làm giảm mạnh nhiệt độ môi chất xy lanh, dẫn đến giảm NOx Khi bổ sung hydro, hydro có nhiệt trị cao nên làm cho nhiệt độ mơi chất xy lanh tăng, dẫn đến làm tăng NOx Như vậy, để đạt mục tiêu đề ra, phải phối hợp việc bổ sung nước hydro vào nhiên liệu theo tỷ lệ phù hợp, kết bảng KẾT LUẬN Các kết nghiên cứu cho thấy rằng, phun thêm nước vào buồng đốt, nhiệt độ môi chất công tác giảm tạo giảm NOx, đồng thời làm giảm phần công suất động Tỉ lệ phun nước vào buồng đốt tỉ lệ thuận với giảm NOx tỉ lệ nghịch với công suất phát Tuy nhiên phun thêm hydro vào buồng đốt, hydro có nhiệt trị lớn tốc độ cháy nhanh nên công suất động tăng nhanh, làm tăng chậm phần lượng phát thải NOx Do đó, điều chỉnh đồng thời tỷ lệ phun nước hydro cách phù hợp vào động làm giảm phát thải NOx mức cho phép trì cơng suất động tương đương với động nguyên Kết nghiên cứu động Caterpillar C9 Acert cho thấy, bổ sung lượng nước theo tỷ lệ 46% (Dn46) 56% (Dn56) lượng phát thải NOx đáp ứng tiêu chuẩn Euro IV Euro V, cơng suất có ích động giảm tương ứng 9,04% 12,59% Khi bổ sung lượng nước hydro theo tỷ lệ hỗn hợp Dn62H12 Dn80H18 lượng phát thải NOx đáp ứng tiêu chuẩn Euro IV Euro V, KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 81 (12/2022) 31 cơng suất có ích động trì tương đương với nguyên Đây giải pháp có tính thực tiễn cao nhằm làm giảm phát thải NOx khai thác động diesel TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Xuân Dương, nnk., (2021), Kỹ thuật xử lý khí thải gây nhiễm từ động diesel tàu thủy đáp ứng phụ lục VI, Công ước Marpol 73/78, Nxb Khoa học Kỹ thuật Bùi Văn Ga, (2006), Ơ tơ nhiễm mơi trường, Đại học Đà Nẵng Phạm Minh Tuấn, (2009), Khí thải động ô nhiễm môi trường, Nxb Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Hồng Vũ, (2010), Ơ nhiễm môi trường Động đốt trong, Nxb QĐND Thủ tướng Chính phủ, (2011), “Quyết định việc quy định lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải xe ô tô, xe mô tô hai bánh sản xuất, lắp ráp nhập mới”, Số 49/2011/QĐ-TTg ngày 01 tháng năm 2011 Caterpillar Inc., (2012), “C9 ACERT™ Industrial Engine”, https://www.cat.com/ Chung k Law, (2006), Combustion physics, Cambridge University Press J.Serrano, et al., (2019), “Analysis of the effect of different hydrogen/diesel ratios on the performance and emissions of a modified compression ignition engine under dual-fuel mode with water injection Hydrogen-diesel dual-fuel mode”, Energy Volume 172, April 2019, Pages 702-711 R.D Mc Carty, et al., (1981), “Selected propitier of hydrogen”, National Bureau of standard monograph The European Union (2005) “DIRECTIVE 2005/55/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 28 September 2005”, Official Journal of the European Union Thi Luong Dinh, et al., (2014), “Determination of C/H/O fractions and lower heating values for diesel-biodiesel blends derived from Viet Nam”, International Journal of Renewable Energy and Environmental Engineering ISSN 2348-0157, Vol 02, No.03 Abstract: EFFECT OF DIESEL/WATER/HYDROGEN ON PERFORMANCES AND NOx OF DIESEL ENGINE This paper studies the use of diesel/water/hydrogen fuel mixture for the purpose of reducing NOx emissions to meet Euro V emission requirements while maintaining performance engine engineering Research results show that, when increasing the water content in the fuel mixture, the engine power and NOx content both decrease; when adding hydrogen gas, engine power increases while NOx emissions increase but still meets Euro V standards Keywords: Diesel, power, water, hydrogen, NOx Ngày nhận bài: 08/10/2022 Ngày chấp nhận đăng: 03/12/2022 32 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 81 (12/2022) ... với hỗn hợp nhiên liệu khác Trước hết, sử dụng hỗn hợp nhiên 28 liệu diesel, sau bổ sung lượng nước vào động để đánh giá mức độ thay đổi tính kỹ thuật phát thải NOx động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu. .. cháy trễ động tăng theo Hình Diễn biến nhiệt độ xy lanh hỗn hợp nhiên liệu Dnx Tính kỹ thuật phát thải NOx động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu khác thể bảng Bảng Tính kỹ thuật phát thải NOx động Caterpillar... (Euro V) Tính kỹ thuật phát thải NOx sau sử dụng hỗn hợp nhiên liệu thể bảng Bảng Tính kỹ thuật phát thải NOx động Caterpillar C9 Acert sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DnxHy Thông số Đơn vị Diesel Dn46