Đối với động cơ diesel tàu thủy việc áp dụng các giải pháp làm giảm mức phát thải NOx có trong khí thải của động cơ nhằm đáp ứng các yêu cầu được quy định trong phụ lục VI Công ước MARPOL 73/78 đang là yêu cầu bức thiết hiện nay. Có nhiều cách để giảm mức phát thải NOx ngay tại nguồn phát sinh như: giảm góc phun sớm, tuần hoàn khí thải, phun nước vào xy lanh,... Bài báo trình bày kết quả đánh giá ảnh hưởng của việc tuần hoàn khí thải đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel tàu thủy 6S185L-ST thông qua mô hình mô phỏng chu trình công tác được xây dựng trong phần mềm chuyên dụng AVL-Boost.
THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Đánh giá ảnh hưởng việc tuần hồn khí thải (EGR) đến tiêu kinh tế, lượng, môi trường động diesel tàu thủy 6S185L-ST Assessment on the impact of exhaust gas recirculation (EGR) on economic, energy and environment criteria of marine diesel engine 6S185L-ST Vũ Ngọc Khiêm Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải, khiemvungoc@gmail.com Tóm tắt Đối với động diesel tàu thủy việc áp dụng giải pháp làm giảm mức phát thải NOx có khí thải động nhằm đáp ứng yêu cầu quy định phụ lục VI Công ước MARPOL 73/78 yêu cầu thiết Có nhiều cách để giảm mức phát thải NOx nguồn phát sinh như: giảm góc phun sớm, tuần hồn khí thải, phun nước vào xy lanh, Bài báo trình bày kết đánh giá ảnh hưởng việc tuần hồn khí thải đến tiêu kinh tế, lượng, môi trường động diesel tàu thủy 6S185L-ST thơng qua mơ hình mơ chu trình cơng tác xây dựng phần mềm chun dụng AVL-Boost Từ khóa: Tuần hồn khí thải, tỷ lệ EGR, chu trình cơng tác, mức phát thải NOx, động diesel 6S185L-ST Abstract For marine diesel engines, applying solutions NOx emission in the exhaust gas of the engine to meet the requirements set forth in Annex VI of MARPOL 73/78 are required There are several methods to reduce NOx emission at source including: reducing early spray angle, recirculating exhaust gas, spraying water into the cylinder This paper presents assessment on the impact of EGR on economic, energy and environment criteria by specialized software AVL-Boost Keywords: Exhaust gas recirculation, EGR rate, NOx Emissions, diesel engine 6S185L-ST Đặt vấn đề Nhằm kiểm sốt tốt khí xả từ tàu hoạt động hàng hải toàn giới mức độ cho phép, tháng 9/1997, Tổ chức Hàng hải Quốc tế IMO bổ sung vào Công ước MARPOL 73/78 Phụ lục VI - Các quy định ngăn ngừa nhiễm khơng khí tàu gây bắt đầu có hiệu lực từ ngày 19/05/2005 Mục đích Phụ lục VI kiểm soát việc phát thải chất làm suy giảm tầng zơn, xít ni tơ (NOx), xít lưu huỳnh (SOx), hợp chất hữu dễ bay việc đốt chất thải tàu biển [5] Hiện Việt Nam, tàu cỡ vừa nhỏ chiếm số lượng lớn [11] Các phương tiện thường lắp động diesel hệ cũ (hệ thống nhiên liệu truyền thống kiểu Bosch, chưa có xử lý khí xả ) có mức độ phát thải chất độc hại khí xả cao, gây ảnh hưởng đến mơi trường tự nhiên người [8] Trước tình hình trên, cần nhóm giải pháp hiệu nhằm xử lý chất độc hại có khí xả động diesel lắp tàu cỡ vừa nhỏ Đối với động diesel có hai nhóm giải pháp xử lý khí thải: xử lý nguồn phát sinh (bên động cơ) đường thải động Một biện pháp hữu hiệu giảm phát thải NOx nguồn phát sinh cho động diesel áp dụng phương pháp tuần hồn khí thải EGR (Exhaust Gas Recirculation) Trên giới có cơng trình nghiên cứu kết hợp việc mơ chu trình cơng tác động phần mềm chuyên dụng với nghiên cứu thực nghiệm bệ thử động Kết đánh giá ảnh hưởng EGR đến tiêu kinh tế, lượng HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 83 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 động việc lựa chọn tỷ lệ EGR hợp lý đáp ứng việc đảm bảo tiêu kinh tế, lượng động đồng thời thỏa mãn tiêu chuẩn môi trường liên quan đến mức phát thải NOx [6, 7, 10] Nhìn chung việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp tuần hồn khí thải nhằm xử lý NOx có khí xả động diesel Việt Nam mẻ (đặc biệt cơng trình nghiên cứu dành cho động diesel lắp tàu thủy gần chưa có) Các động diesel lắp tàu thủy có điều kiện chế độ hoạt động mang đặc thù riêng (nhiên liệu, kết cấu hệ thống, chế độ làm việc,…) Vì vậy, cần thiết phải có nghiên cứu nhằm đánh giá ảnh hưởng EGR đến mức phát thải NOx động diesel lắp tàu thủy Kết trình nghiên cứu tài liệu tham khảo cho việc áp dụng giải pháp tuần hồn khí thải cho động diesel tàu thủy trước nước ta thức tham gia Phụ lục VI Công ước MARPOL 73/78 Đối tượng phần mềm phục vụ nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu Động 6S185L-ST động diesel kỳ, xy lanh bố trí hàng thẳng đứng, không tự đảo chiều, thứ tự làm việc là: 1-5-3-6-2-4, khởi động khí nén, tăng áp tuabin khí thải có làm mát khí tăng áp, hệ thống làm mát cưỡng vòng tuần hồn, bơm nước tuần hồn kiểu li tâm, cấu phối khí xu páp treo, trục cam đặt thân máy biên dạng cam loại cam lồi ba cung Các thông số động 6S185L-ST trình bày bảng Bảng Các thông số động 6S185L-ST STT 10 11 12 13 14 15 16 17 Thông số/ký hiệu Thứ tự công tác Thể tích cơng tác Đường kính xy lanh (D) Hành trình piston (S) Tỷ số nén () Công suất định mức Nemax Vòng quay ứng với Nemax Góc phun sớm nhiên liệu tính theo góc quay trục khuỷu Loại bơm cao áp Số lỗ vòi phun Đường kính lỗ vòi phun Trọng lượng khô động Hệ số dự trữ mơ men Góc mở sớm xu páp nạp Góc đóng muộn xu páp nạp Góc mở sớm xu páp thải Góc đóng muộn xu páp thải Giá trị 1-3-3-6-2-4 37,09 185 230 13.6 442 900 Đơn vị 16÷18 độ Kiểu Bosch 0.3 5000 15 10 46 56 10 lỗ mm kg % độ độ độ độ dm3 mm mm kW v/ph 2.2 Phần mềm mơ Q trình nghiên cứu lý thuyết tiến hành phần mềm AVL-Boost hãng AVL Áo cung cấp AVL-Boost cơng cụ mơ chu trình cơng tác q trình trao đổi khí động Boost cho phép xây dựng mơ hình đầy đủ tồn thể động cách lựa chọn phần tử có hộp công cụ nối chúng lại phần tử ống nối HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 84 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Giữa đường ống, người ta sử dụng phương trình động lực học Đây cơng cụ mơ tin cậy, cho phép giảm thời gian phát triển động công cụ mơ nghiên cứu động xác, tối ưu hóa kết cấu q trình giai đoạn tạo mẫu động mà không cần đến mô hình cứng, Xây dựng mơ hình mơ chu trình cơng tác động 6S185l-ST ngun thủy 3.1 Xây dựng mơ hình mơ Kết mơ động 6S185L-ST phần mềm AVL-Boost trình bày hình Hinh Sơ đồ mơ động 6S185L-ST phần mềm AVL-Boost C1 ÷ C6 - Các phần tử xy lanh; PL1 ÷ PL3 - Các phần tử bầu gom khí nạp, thải; TC1 - Bộ tuabin máy nén; CO1 - Bộ làm mát khí tăng áp; CL1 - Bầu lọc khí nạp 3.2 Hiệu chỉnh đánh giá mơ hình Sau kết thúc q trình xây dựng mơ hình tác giả tiến hành chạy mơ hình mơ nhằm đánh giá xác q trình mơ Độ tin cậy mơ hình thể thơng qua kết so sánh N e, ge mô thực nghiệm chế độ 100% tải thể hình Hình Ne ge chế độ 100% tải mô thực nghiệm HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 85 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Căn vào kết thể hình thấy đường đặc tính cơng suất suất tiêu hao nhiên liệu động 6S185L-ST mô thực nghiệm tương đồng mơ hình động 6S185L-ST xây dựng phần mềm AVL-Boost sử dụng để nghiên cứu mơ vấn đề liên quan đến động 6S185L-ST Xây dựng mơ hình mơ chu trình cơng tác động 6S185L-ST có xét đến ảnh hưởng EGR 4.1 Lựa chọn kiểu EGR xác định sơ kích thước đường ống EGR cho động 6S185L-ST Kiểu EGR cho động 6S185L-ST lựa chọn dựa yếu tố: chế độ tải thường hay sử dụng động diesel tàu thủy (75 ÷ 85% tải), kết cấu đường ống nạp thải động Trong nghiên cứu tác giả lựa chọn kiểu EGR áp suất thấp, có làm mát khí EGR, vị trí trích khí EGR cách miệng xả tuabin 1000 (mm) đo theo chiều dài đường ống thải Việc chọn sơ đường kính ống hệ thống ống tuần hồn khí thải dựa sở tính tốn sơ tỷ lệ khí tuần hồn trở lại Các nghiên cứu nước tăng tỷ lệ khí tuần hồn làm giảm mức phát thải NOx nhiên làm tăng mức phát thải PM giảm tiêu công suất mơ men động cơ, để cân đối yếu tố tỷ lệ khí tuần hồn thường chọn nhỏ 25% Tỷ lệ khí tuần hồn tính theo cơng thức sau: m mEGR QEGR % EGR EGR 25% mt mEGR mKK QEGR QKK Trong đó: mt: Tổng khối lượng khí nạp vào động cơ; mEGR, QEGR: Là khối lượng, lưu lượng khí tuần hồn; mKK, QKK: Là khối lượng, lưu lượng khơng khí Khai triển cơng thức ta có: QEGR F v QKK F v kk kk FEGR v EGR EGR KK KK KK 4 Thơng thường vận tốc dòng khí ống tuần hồn lớn vận tốc dòng khí ống chứa khí nạp đồng thời khối lượng riêng khí EGR khác so với khối lượng riêng khí nạp Trong tính tốn sơ bỏ qua khác đường kính ống tuần hồn khí thải tính theo công thức: d EGR d KK d 150 d EGR KK d EGR 75 2 Như vậy, qua tính tốn đồng thời đường kính ống chọn theo tiêu chuẩn nhóm nghiên cứu lựa chọn ống tuần hồn khí thải có đường kính 60 (mm) % EGR có thay đổi vận tốc khí ống EGR khác với vận tốc ống đường nạp đồng thời khối lượng riêng khí EGR khác khối lượng riêng khí nạp % EGR tính tốn cụ thể mơ hình mơ chế độ độ mở van EGR 4.2 Xây dựng mơ hình mơ chu trình cơng tác động 6S185L-ST có xét đến ảnh hưởng việc tuần hồn khí thải Mơ hình mơ hệ thống EGR cho động 6S185L-ST lập dựa mơ hình động 6S185L-ST ngun thủy lập hiệu chỉnh theo kết thử nghiệm thực tế đường công suất suất tiêu hao nhiên liệu Đường ống EGR lựa chọn theo kích thước tính sơ vào điều kiện thức tế động phòng thí nghiệm Mơ hình mơ động 6S185L-ST có hệ thống EGR trình bày hình HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 86 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Hình Sơ đồ động 6S185L-ST có hệ thống EGR Hệ thống EGR bao gồm: Phần tử rẽ nhánh J13, J14; Hệ thống ống EGR đánh số từ 45 đến 49; Van điều khiển tỷ lệ EGR ký hiệu R1; Két làm mát khí EGR ký hiệu CO2 Đánh giá ảnh hưởng EGR đến tiêu kinh tế, lượng môi trường 5.1 Lựa chọn chế độ mô Trong chế độ làm việc động diesel tàu thủy chế độ làm việc thường xuyên chế độ sử dụng nhiều Ở chế độ làm việc thường xuyên động diesel tàu thủy cơng suất động nằm khoảng (75÷85)% Neđm Tuy nhiên, để đánh giá đầy đủ ảnh hưởng việc tuần hồn khí thải đến tiêu kinh tế - lượng động nghiên cứu xây dựng số liệu tính kinh tế lượng môi trường động làm việc chế độ từ 25 đến 100% tải theo đường đặc tính chân vịt (với bước thay đổi tải 25%) khảo sát thêm chế độ 85% Tại chế độ khảo sát độ mở van EGR từ đến 100% với bước thay đổi 20% Công suất tốc độ động theo chế độ tính tốn trình bày Bảng STT Bảng Chế độ mô động 6S185L-ST theo đặc tính chân vịt %Neđm Giá trị %nđm Giá trị Độ mở van EGR khảo sát [%] [kW] [%] [vg/ph] [%] 100 436 100 900 85 370.6 95 855 75 327 91 819 Van EGR thay đổi từ ÷ 100% 50 218 79 711 25 109 63 567 5.2 Đánh giá ảnh hưởng %EGR đến tiêu kinh tế - lượng động Đồ thị biểu diễn mối liên hệ độ mở van EGR tỷ lệ khí tuần hồn theo chế độ tải khác biểu thị hình Căn vào kết thấy: tất các chế độ khác tăng độ mở van EGR tỷ lệ khí tuần hồn có xu hướng tăng Khi độ mở van nhỏ 40% chế độ khác tỷ lệ khí tuần hồn sai khác khơng nhiều, %EGR có xu hướng giảm nhẹ tăng tải chế độ tải tỷ lệ khí tuần hồn tăng gần tuyến tính theo độ mở van EGR điều giải thích độ mở van nhỏ tổn thất đường truyền vị trí dòng qua van lớn tất các chế độ tải hạn chế lượng khí tuần hồn Tuy nhiên, độ mở van lớn 40% có khác biệt %EGR chế độ tải HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 87 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 tổn thất qua van nhỏ %EGRmin 29% động làm việc chế độ 25% tải, %EGRmax 38% động làm việc chế độ 75% tải Khi độ mở van EGR = 40% tất chế độ tỷ lệ khí tuần hồn 25% Diễn biến công suất động theo chế độ tải độ mở van EGR thể hình Hình Mối liên hệ độ mở van EGR %EGR theo chế độ tải khác động làm việc theo đường đặc tính chân vịt Hình Diễn biến Ne, ge động theo chế độ tải độ mở van EGR Kết diễn biến công suất (Ne), suất tiêu hao nhiên liệu (ge) động trình bày hình vào kết thấy: chế độ 25 ÷ 50% tải tăng độ mở van EGR cơng suất động có xu hướng giảm nhẹ Ở chế độ từ 75 ÷ 100% tải độ mở van EGR nhỏ cơng suất động có suy giảm nhẹ, nhiên tiếp tục tăng độ mở van EGR công suất động suy giảm nhanh lượng khí thải tuần hồn buồng cháy động lớn ảnh hưởng xấu đến trình hình thành hỗn hợp cháy buồng đốt Ở chế độ tải lớn thời điểm xảy suy giảm nhanh công suất động phụ thuộc vào chế độ tải động cơ, chế độ tải cao thời điểm suy giảm Ne tương ứng với độ mở van EGR nhỏ cụ thể: chế độ 100% tải thời điểm tương ứng với độ mở van EGR 20% (khoảng 15%EGR) chế độ 75 85% tải thời điểm tương ứng với độ mở van EGR 40% (khoảng 25 %EGR) Thời điểm xảy suy giảm nhanh công suất động quan trọng cho việc lựa chọn tỷ lệ EGR hợp lý theo chế độ vận hành động Căn vào kết thấy diễn biến thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu động theo chế độ tải độ mở van EGR hoàn toàn phù hợp với diễn biến thay đổi %EGR công suất động trình bày hình Cụ thể, chế độ tải nhỏ suất tiêu hao nhiên liệu động có gia tăng nhẹ tăng độ mở van EGR chế độ tăng độ mở van EGR cơng suất động có giảm nhẹ (hình 5) Ở chế độ tải lớn độ mở van EGR nhỏ suất tiêu hao nhiên liệu có xu HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 88 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 hướng tăng nhẹ nhiên đạt giá trị độ mở định ge tăng nhanh tăng độ mở van EGR, điều hồn tồn phù hợp với diễn biến cơng suất động 5.3 Đánh giá ảnh hưởng %EGR đến tiêu môi trường động Theo Công ước MARPOL 73/78 phần Phụ lục VI quy định chi tiết tiêu chuẩn mức phát thải NOx dành cho động diesel tàu thủy thể bảng Bảng Tiêu chuẩn mức phát thải NOX dành cho động diesel tàu thủy Số vòng quay động Tiêu chuẩn mức phát thải NOx n [vòng/phút] [g/kW.h] n < 130 3,4 130 ≤ n < 2000 9.n-0,2 n ≥ 2000 2,0 Theo tiêu chuẩn mức phát thải NOx cho phép động diesel 6S185LST có vòng quay 900 (vòng/phút) là: [NOx] = 9.n-0.2 = 9.900-0.2 = 2,309 g/kW.h Kết tính tốn diễn biến mức phát thải NOx PM có khí xả động theo chế độ tải độ mở van EGR trình bày hình Hình Diễn biến NOX PM có khí xả theo chế độ tải độ mở van EGR Căn vào kết tính tốn mức phát thải NOx đồng thời so sánh với tiêu chuẩn MARPOL 73/78 thấy số chế độ khơng có EGR mức phát thải NOx lớn so với tiêu chuẩn cho phép Theo kết tính tốn thể hình thấy diễn biến mức phát thải NOx PM có xu hướng đối lập chế hình thành chất khí xả có xu hướng trái ngược Khi tăng độ mở van EGR làm giảm nhanh lượng phát thải NOx, nhiên lượng PM tăng cao cần chọn tỷ lệ EGR hợp lý nhằm đảm bảo giảm mức phát thải NOx đồng thời không làm tăng nhiều mức phát thải PM Lựa chọn tỷ lệ EGR cho động theo chế độ làm việc Qua kết phân tích, đánh giá ảnh hưởng EGR đến tiêu kinh tế, kỹ thuật mơi trường trình bày mục quan trọng cho việc lựa chọn tỷ lệ EGR hợp lý theo chế độ vận hành động Tỷ lệ EGR theo chế độ vận hành động sau: - Ở chế độ 85 ÷ 100% tải lựa chọn độ mở van EGR 20% tương ứng với tỷ lệ EGR khoảng 15%; - Ở chế độ khai thác thường xuyên 75 ÷ 85% tải chế độ nhỏ tải (25 ÷ 50% Ne) lựa chọn độ mở van EGR 40% tương ứng với tỷ lệ EGR khoảng 25%; - Chế độ khởi động tải nhỏ 25% Neđm van EGR đóng hồn tồn HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 89 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Kết luận Bài báo đánh giá ảnh hưởng việc tuần hồn khí thải đến tiêu kinh tế, lượng môi trường động diesel tàu thủy 6S185L-ST làm việc theo đường đặc tính chân vịt qua lựa chọn tỷ lệ EGR phù hợp nhằm đảm bảo tiêu môi trường không làm giảm nhiều tiêu kinh tế động Việc sử dụng EGR làm giảm hàm lượng NOx nhiên làm tăng mức phát thải PM động cần có kết hợp việc tuần hồn khí thải với biện pháp làm giảm mức PM khác Tài liệu tham khảo [1] Bộ Tài nguyên Môi trường Báo cáo môi trường quốc gia 2010 Hà Nội 2010 [2] Nghị số 09-NQ/TW ngày 9/2/2007 Về chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020 [3] Khổng Vũ Quảng Báo cáo khoa học tổng kết đề tài “Nghiên cứu công nghệ giảm phát thải cho động diesel lắp xe buýt Hà Nội” Hà Nội 9/2011 [4] Vũ Ngọc Khiêm Báo cáo khoa học tổng kết đề tài“Nghiên cứu ứng dụng EGR lọc DPF nhằm làm giảm mức phát thải chất độc hại khí xả động diesel lắp tàu cỡ vừa nhỏ” Mã số DT154048 [5] MEPC 58/23/Add Annex VI Regulations for the Prevention of Air Pollution from Ships" to the international conventions MARPOL 73/78 An-nex Revised MEPC.176 (58) October 10, 2008 [6] Pravin P Rahhod Effect of exhaust gas recirculation (EGR) on NOx emission from C.I engine E-ISSN2249-8974 2012 [7] Simon reifarth, EGR systems for diesel engines, SE-100 44 Stockholm 2010 [8] AVL List GmbH Technical Documents & Operating Manual for UTT Project [9] Кульчицкий, А.Р Токсичность поршневых ДВС Экспериментальная оценка экологического уровня двигателей : учеб пособие/ А Р Кульчицкий ; Владим гос ун-т - Владимир : Изд-во Владим гос.ун- та, 2011 - 116 с - ISBN 978-59984-0131 2016 [10] Чуб Т.В Рециркуляция отработавших газов судового дизельn - генератора как средство снижения выбросов оксидов азота.Автореферат дисс на соиск уч степ к.т.н - М.: МГАВТ, 2000 - 23 с A [11] www.vinamarine.gov.vn HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 90 ... ảnh hưởng việc tuần hồn khí thải đến tiêu kinh tế, lượng môi trường động diesel tàu thủy 6S185L-ST làm việc theo đường đặc tính chân vịt qua lựa chọn tỷ lệ EGR phù hợp nhằm đảm bảo tiêu môi trường. .. xuyên động diesel tàu thủy công suất động nằm khoảng (75÷85)% Neđm Tuy nhiên, để đánh giá đầy đủ ảnh hưởng việc tuần hồn khí thải đến tiêu kinh tế - lượng động nghiên cứu xây dựng số liệu tính kinh. .. Đánh giá ảnh hưởng EGR đến tiêu kinh tế, lượng môi trường 5.1 Lựa chọn chế độ mô Trong chế độ làm việc động diesel tàu thủy chế độ làm việc thường xuyên chế độ sử dụng nhiều Ở chế độ làm việc