Đánh giá đặc tính làm việc và phát thải của động cơ chạy nhiên liệu khí thiên nhiên nén CNG chuyển đổi từ động cơ xăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - HỒNG PHÚC THỌ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ CHẠY NHIÊN LIỆU KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN (CNG) CHUYỂN ĐỔI TỪ ĐỘNG CƠ XĂNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS HỒNG ĐÌNH LONG HÀ NỘI - 2014 Hồng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các kết quả, số liệu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, tháng năm 2014 Tác giả Hoàng Phúc Thọ Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU Lý nghiên cứu đề tài Mục tiêu đề tài Phạm vi đối tượng nghiên cứu 10 Các nội dung luận văn 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU 11 THAY THẾ TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG 11 1.1 Sự cần thiết sử dụng nhiên liệu thay 11 1.1.1 Sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch 11 1.1.2 Phát thải độc hại động sử dụng nhiên liệu hóa thạch 11 1.2 Các loại nhiên liệu thay động xăng 15 1.2.1 Cồn 15 1.2.2 LPG 16 1.2.3 Khí sinh học 17 1.2.4 Hydro 18 1.2.5 Khí thiên nhiên (CNG, LNG) 18 1.3 Nhiên liệu CNG 19 1.3.1 Đặc điểm CNG 19 1.3.2 Tình hình sản xuất sử dụng CNG cho động 23 1.3.3.Tình hình sử dụng khí CNG cho động xăng 28 1.3.4 Sự ô nhiễm môi trường động CNG 29 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT KHẢ NĂNG 31 SỬ DỤNG CNG TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG 31 2.1 Giới thiệu chung 31 2.2 Mô hình hóa chu trình nhiệt động xăng chạy CNG 32 Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL 2.3 Kết tính tốn 42 CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH 46 LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ 46 3.1 Mục đích thử nghiệm 46 3.2 Trang bị hệ thống cung cấp CNG cho động 46 3.3 Trang thiết bị thí nghiệm 48 3.3.1 Băng thử động trang bị kèm 49 3.3.2 Thiết bị phân tích khí thải 56 3.4 Nội dung thử nghiệm 64 3.5 Kết thử nghiệm thảo luận 65 3.5.1 Đánh giá công suất động chạy CNG so với chạy xăng 65 3.5.2 Đánh giá tính kinh tế động so với chạy xăng 66 3.5.3 Đánh giá giảm phát thải động chạy CNG so với chạy xăng 67 KẾT LUẬN 71 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Thành phần loại CNG điển hình 20 Bảng 1.2 Thành phần khí CNG số vùng khai thác khác 20 Bảng 1.3 Top mười quốc gia với hầu hết xe CNG -2011 (đơn vị: triệu) 23 Bảng 1.4 So sánh đặc tính CNG với xăng 28 Bảng 1.5 Mức độ ô nhiễm động CNG 30 Bảng 1.6 So sánh mức độ phát sinh khí gây hiệu ứng nhà kính động dùng xăng, diesel, CNG (gCO /Km), theo chu trình ECE 30 Bảng 3.1 Thông số làm việc băng thử 50 Bảng 3.2 Một số thông số nhiên liệu thử nghiệm 65 Hồng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Tỷ lệ chất độc hại khí thải động xăng 12 Hình 1.2 Saab 9-5 chạy bioethanol 15 Hình 1.3 Xe taxi thành phố Hồ Chí Minh sử dụng nhiên liệu LPG 16 Hình 1.4 Xe chở rác chạy khí sinh học thành phố Toronto 17 Hình 1.5 BMW Hydrogen chạy H 18 Hình 1.6 Xe buýt chạy CNG thành phố Hồ Chí Minh 19 Hình 1.7 Trạm dịch vụ công cộng cung cấp CNG cho động 28 Hình 2.1 Áp suất khí thể động chạy với loại nhiên liệu 43 Hình 2.2 Áp suất thị trung bình động chạy với loại nhiên liệu 43 Hình 2.3 Nhiệt độ trung bình khí thể động chạy với loại nhiên liệu 44 Hình 2.4 Phát thải NOx động chạy với loại nhiên liệu 44 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG cho động 46 Hình 3.2 Sơ đồ bố trí thử nghiệm 48 Hình 3.4 Mặt cắt ngang phanh 51 Hình 3.5 Bộ điều chỉnh nhiệt độ dầu bôi trơn 51 Hình 3.6 Cụm điều chỉnh nhiệt độ nước 52 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống 733S 53 Hình 3.8 Sơ đồ phân tích khí CO 57 Hình 3.9 Sơ đồ phân tích HC 59 Hình 3.10 Sơ đồ phân tích khí NOx 60 Hình 3.11 Sơ đồ phân tích O2 61 Hình 3.12 Sơ đồ phân tích HC 63 Hình 3.13 So sánh cơng suất động chạy xăng CNG tốc độ 65 Hình 3.14 So sánh tiêu hao nhiên liệu chạy xăng CNG tốc độ 66 Hình 3.15 So sánh tiêu hao nhiên liệu chạy xăng CNG chế độ tải 67 Hình 3.16 So sánh phát thải CO chạy xăng CNG tốc độ 67 Hình 3.17 So sánh phát thải CO chạy xăng CNG chế độ tải 68 Hình 3.18 So sánh phát thải HC chạy xăng CNG tốc độ 68 Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL Hình 3.19 So sánh phát thải HC chạy xăng CNG chế độ tải 68 Hình 3.20 So sánh phát thải NOx chạy xăng CNG tốc độ 69 Hình 3.21 So sánh phát thải NOx chạy xăng CNG chế độ tải 69 Hình 3.22 So sánh phát thải CO2 chạy xăng CNG tốc độ 70 Hình 3.23 So sánh phát thải CO2 chạy xăng CNG chế độ tải 70 Hồng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL LỜI NĨI ĐẦU Hiện nay, gia tăng nhanh chóng số lượng phương tiện vận tải thiết bị động lực sử dụng động đốt chạy nhiên liệu xăng diesel gây ô nhiêm môi trường trầm trọng đặc biệt thành phố lớn gây nguy cạn kiệt nguồn nhiên liệu Chính vậy, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay động để giảm ô nhiễm môi trường bù đắp phần nhiên liệu thiếu hụt cần thiết có ý nghĩa thực tiễn cao Các nhiên liệu thay ưu tiên nghiên cứu sử dụng loại nhiên liệu có trữ lượng lớn, tái tạo sử dụng cho động tồn mà không cần thay đổi nhiều kết cấu, đồng thời có mức độ nhiễm khí thải thấp xăng diesel để giảm ô nhiễm môi trường Để đáp ứng yêu cầu sử dụng loại nhiên liệu thay nhiên liệu sinh học cồn ethanol, biogas biodiesel, nhiên liệu hydro, khí dầu mỏ hóa lỏng LPG nhiên liệu khí thiên nhiên Trong đó, khí thiên nhiên NG nhiên liệu thay có tiềm Khí thiên nhiên có thành phần methane (70-90%) cộng thêm số hydrocacbon tạp chất khác Do đó, sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu tốt cho động đốt đốt cháy cưỡng tia lửa điện nhiên liệu xăng Khí thiên nhiên có tỷ lệ C/H nhỏ so với xăng diesel nên phát thải CO CO2 thấp Mặt khác, khí thiên nhiên có giới hạn thành phần hỗn hợp cháy rộng loại carbuahydro khác nên động cháy tốt làm việc với hỗn hợp nghèo Nhiệt độ màng lửa hỗn hợp thấp nên nồng độ NOx sản phẩm cháy thấp Nhiên liệu lưu giữ dạng khí thiên nhiên nén (CNG) để cung cấp cho động phương tiện vận tải Vì việc chọn đề tài “Đánh giá đặc tính làm việc phát thải động chạy nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) chuyển đổi từ động xăng” cần thiết có ý nghĩa thực tiễn cao Em xin chân thành cảm ơn thày hướng dẫn PGS.TS Hồng Đình Long tận tình giúp đỡ với giúp đỡ thày cô mơn “Động đốt trong” “Phịng thí nghiệm động đốt trong” giúp đỡ em hoàn thành luận văn Hà Nội, ngày 25 tháng năm 2014 Học viên thực Hoàng Phúc Thọ Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL MỞ ĐẦU Lý nghiên cứu đề tài Hiện nay, gia tăng nhanh chóng số lượng phương tiện vận tải thiết bị động lực sử dụng động đốt (ĐCĐT) chạy nhiên liệu xăng diesel gây ô nhiêm môi trường trầm trọng đặc biệt thành phố lớn gây nguy cạn kiệt nguồn nhiên liệu Chính vậy, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay động để giảm nhiễm mơi trưịng bù đắp phần nhiên liệu thiếu hụt cần thiết có ý nghĩa thực tiễn cao Các nhiên liệu thay ưu tiên nghiên cứu sử dụng loại nhiên liệu có trữ lượng lớn, loại nhiên liệu tái tạo sử dụng cho động tồn mà không cần thay đổi nhiều kết cấu, đồng thời có mức độ nhiễm khí thải thấp xăng diesel để giảm ô nhiễm môi trường Để đáp ứng yêu cầu sử dụng loại nhiên liệu thay nhiên liệu sinh học cồn ethanol, biogas biodiesel, nhiên liệu hydro, khí dầu mỏ hóa lỏng LPG nhiên liệu khí thiên nhiên CNG Các loại nhiên liệu sinh học đáp ứng yêu cầu sử dụng cho động có mức độ phát thải độc hại thấp, thay nhiên liệu xăng diesel với tỷ lệ tùy chọn tùy thuộc vào thay đổi kết cấu động Tuy nhiên, giá thành nhiên liệu sinh học cao việc sản xuất nhiên liệu cần nhiều đất đai canh tác để nuôi trồng nên ảnh hưởng đến tình hình an ninh lương thực quốc gia, đặc biệt nước phát triển có kinh tế chủ yếu phụ thuộc vào nơng nghiệp Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG có suất tỏa nhiệt cao nhiễm khí thải thấp, sử dụng tốt cho ĐCĐT đặc biệt động xăng Tuy nhiên, nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ nên cạn kiệt theo nguồn nhiên liệu dầu mỏ Nhiên liệu hydro nhiên liệu sạch, sản phẩm cháy có nước, hồn tồn khơng gây nhiễm mơi trường, nguồn cung hydro có tiềm vơ tận hydro tách từ nước Tuy nhiên, giá thành sản xuất hydro từ nước cơng nghệ cịn cao, hydro có tỷ trọng thấp, nhiệt trị Hồng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL mol thấp, nên sử dụng cho ĐCĐT truyền thống sẵn có tính hiệu động (cơng suất dung tích động cơ) thấp Khí thiên nhiên nhiên liệu thay có tiềm Khí thiên nhiên có thành phần methane (65%-95% tuỳ thuộc nơi khai thác) cộng thêm số hydrocacbon khác, ngồi cịn hàm lượng nhỏ khí tạp chất như, Nitơ, CO , H S, nước Ví dụ, thành phần khí thiên nhiên số vùng khai thác khác bảng 1.2 Khí thiên nhiên có trữ lượng lớn giới, ước tính 190 nghìn tỷ m3, Việt Nam có 680 tỷ m3 Tổng sản lượng khai thác sử dụng khí thiên nhiên nước giới năm 2010 đạt 3000 tỷ m3 Ở Việt Nam, sản lượng khí thiên nhiên khai thác sử dụng tăng nhanh Với lí đề tài: “Đánh giá đặc tính làm việc phát thải động chạy nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) chuyển đổi từ động xăng” luận văn có ý nghĩa to lớn cấp thiết đời sống Mục tiêu đề tài Nhu cầu sử dụng nhiên liệu cho động đốt Việt nam nước giới ngày gia tăng, nguồn nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt Vậy mục đích người cần tìm nguồn lượng thay nhiên liệu hóa thạch Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn cấp bách đó, nhà khoa học, cơng ty, tập đồn, phủ nước đẩy mạnh nghiên cứu đưa vào sử dụng loại nhiên liệu thay cho động đốt nhằm giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, giảm nhiễm mơi trường, giảm phụ thuộc nước với việc cung cấp nhiên liệu hóa thạch phục vụ sinh hoạt sản xuất Tuy nhiên nhiên liệu sinh học làm ảnh hưởng tới tính làm việc đặc tính phát thải động Chính mà mục đích đề tài đánh giá khả sử dụng CNG làm nhiên liệu thay động xăng qua nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm đánh giá tính làm việc phát thải động xăng sử dụng nhiên liệu CNG Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL - Nguyên tắc hoạt động Bộ phận đo O dựa nguyên tắc: cho luồng khí O vào từ trường nam châm phân tử O hạt bụi sắt bị hút vào phân tử nước bị đẩy ngồi Ban đầu người ta cho luồng khí có chứa O vào dọc theo chiều nam châm Các phân tử O bị hút vào từ trường, di chuyển tạo dịng khí Tại từ trường có lắc, tác dụng dòng O , lắc chịu lực tác dụng làm cho lệch góc Khi có dịng khí qua từ trường, đèn phơtodiot hoạt động, tạo tia sáng chiếu đến gương gắn lắc, tia sáng bị phản chiếu lại thành hai tia chắn chắn Màn chắn phơtodiot, cho dịng điện qua nhiều hay tuỳ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu đến Do gương bị lệch hai tia sáng tới chắn khác nhau, từ dịng điện qua khác Dịng điện qua hai chắn đưa đến so sánh Bộ so sánh đánh giá hai dòng điện đưa giá trị điện gửi tới chuyển đổi Tại chuyển đổi giá trị điện chuyển thành tín hiệu số đưa tới phân tích Bộ phân tích nhận tín hiệu phân tích đánh giá, đưa thị gửi tới phận chấp hành tác dụng lực điều khiển gương Tấm gương điều khiển hai tia sáng có cường độ nhau, lúc phân không điều chỉnh, phận chấp hành giữ nguyên lực tác dụng Và người ta đo lực tác dụng đó, qua người ta phân tích đánh giá giá trị lượng O có luồng khí thổi vào 3.3.2.5 Ngun lý làm việc hệ thống đo C n H m Hệ thống đo HC dựa vào tượng khí C n H m cháy môi trường đặc biệt tạo Ion Đo lượng Ion người ta xác định lượng HC - Cấu tạo hệ thống đo C n H m Hệ thống đo HC có sơ đồ ngun lý hình 3.12, bao gồm thành phần sau: 62 Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL + Hệ thống có ba đường dẫn khí vào Một đường dẫn khí mẫu vào Hai đường dẫn khí cháy (hỗn hợp H/He) Ba đường khí tạo mơi trường cháy Cảm biến nhiệt độ T100 Luồng khí nén 190 độ C Áp suất xác 580 mbar Đo điện áp Bộ (Symthetic Air) khuyếch đại Áp suất vào 680 mbar Hỗn hợp H/He (1050 mbar) Khí mẫu chứa HC Hình 3.12 Sơ đồ phân tích HC + Một buồng phản ứng có gắn cảm biến nhiệt độ + Một đánh lửa để sinh tia lửa mồi + Một cặp cực điện nối với khuyếch đại đo điện áp + Một cảm biến nhiệt độ PT100 + Một bơm khí nén tạo độ chân khơng để hút khí cháy - Nguyên tắc hoạt động Khí mẫu cần đo đưa vào hệ thống với áp suất 580mbar lưu lượng 1500 l/h Nó hồ trộn với khí cháy (hỗn hợp H/He) đưa vào đường ống thứ hai Khí cháy có áp suất 1050 mbar, có lưu lượng 30 l/h Khí mẫu khí cháy trộn với đưa vào buồng cháy với áp suất 680 mbar Trong buồng phản ứng người ta bơm hỗn hợp khí (20% O , 80%N ) vào làm môi trường cháy Khi khí mẫu khí cháy đưa vào, đánh lửa bật tia lửa đốt cháy Trong điều kiện khí HC khơng cháy mà bị bẻ gãy thành Ion 63 Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL Các Ion sinh mơi trường có từ trường cặp điện cực, bị hút hai cực tạo thành dòng điện mạch Dòng điện khuyếch đại qua khuyếch đại đưa tới đo điện áp Khí cháy hút nhờ độ chân không đầu Độ chân không sinh luồng khí nén thổi qua miệng hút Dựa vào cường độ dòng điện người ta đánh giá lượng HC có khí mẫu Khi đo lượng HC có khí xả động cơ, điều kiện đo ý áp suất đầu vào phải đảm bảo xác Lưu lượng phải đầy đủ Có trình đo với Hệ thống đánh lửa 10 lần, 10 lần mà điều kiện khơng đảm bảo hệ thống khơng đo Sau 10 lần đánh lửa mà không đo hệ thống dừng lại u cầu có kiểm tra sửa chữa 3.4 Nội dung thử nghiệm Động Toyota Vios 1NZ-FE hoàn thiện lắp đặt song song hai hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống nhiên liệu nguyên thuỷ hệ thống phun xăng điều khiển điện tử hệ thống cung cấp tạo hồ khí nhiên liệu CNG dùng hịa trộn Việc thực nghiệm đánh giá đặc tính làm việc phát thải động chạy CNG so với chạy xăng nguyên thuỷ thực hệ thống băng thử AVL Phịng thí nghiệm động đốt thuộc Viện Cơ khí động lực - Trường đại học Bách khoa Hà Nội Các thông số công suất, tiêu hao nhiên liệu phát thải đo chế độ làm việc đường đặc tính ngồi (đặc tính tốc độ ứng với bướm ga mở hồn tồn hay 100% tải) đường đặc tính tải tốc độ 3000v/p Việc thử nghiệm động đặc tính tốc độ với dải tốc độ đến 4000v/p đặc tính tải 3000v/p vùng tốc độ làm việc thường xuyên động xe Đường đặc tính tải cho phép so sánh thay đổi công suất chế độ cấp nhiên liệu ứng với nhiên liệu thí nghiệm Đường đặc tính tải cho phép so sánh mức tiêu thụ nhiên liệu công suất ứng với nhiên liệu thí nghiệm 64 Hồng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL Bảng 3.2 Một số thông số nhiên liệu thử nghiệm Nhiên liệu Xăng CNG Hệ số khơng khí lý thuyết (kg/kg) 14.5 16.4 ÷ 17 Chỉ số Octan (RON) 96 ≈120 Nhiệt trị thấp (MJ/kg) 42.5 45 ÷ 50 Mật độ 25oC (kg/m3) 749 - Khối lượng mol (kg/mol) ≈ 106.2 ≈ 17.74 Tốc độ lửa (ms-1) 0.43 0.38 Tỷ lệ khối lượng C/H 85.5/14.5 78/22 ÷ 75/25 Thể Lỏng Khí 3.5 Kết thử nghiệm thảo luận 3.5.1 Đánh giá công suất động chạy CNG so với chạy xăng Công suất (kW) 50 40 A92 CNG 30 20 10 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Tốc độ động (v/p) Hình 3.13 So sánh cơng suất động chạy xăng CNG tốc độ Hình 3.13 giới thiệu cơng suất động chế độ toàn tải (bướm ga mở hoàn toàn) chạy nhiên liệu CNG chạy nhiên liệu xăng tốc độ khác từ 1000-4000v/p So sánh đường công suất cho thấy chuyển sang chạy nhiên liệu CNG kết cấu động (tỷ số nén) khơng đổi cơng suất động bị giảm nhiều so với chạy xăng Ở tốc độ thấp tỷ lệ giảm công suất đáng kể so với tốc độ cao tương ứng từ 50% 1000v/p đến 27% tốc độ 4000v/p Sự giảm công suất chạy CNG việc tạo hỗn hợp bên ngồi nhiên liệu khí làm giảm lượng khí nạp vào động phần thể tích xi lanh bị khí thiên 65 Hồng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL nhiên chiếm chỗ (khoảng 10%) Thêm nữa, khí thiên nhiên cịn lẫn số tạp chất khơng cháy gồm CO2, N2 nước chiếm khoảng 3-10% tuỳ mỏ khí nên nhiệt trị khối lượng nhiên liệu mặt lý thuyết cơng suất động CNG giảm 20% so với chạy xăng Như chuyển động xăng sang chạy CNG, tính hiệu động giảm 3.5.2 Đánh giá tính kinh tế động so với chạy xăng Tính kinh tế động CNG đánh giá qua so sánh suất tiêu hao nhiên liệu động chạy với mẫu nhiên liệu chế độ tải tốc độ khác Kết trình bày đồ thị hình 3.14 3.15 Hình 3.14 so sánh suất tiêu hao nhiên liệu động chạy nhiên liệu CNG nhiên liệu xăng A92 100% tải với tốc độ khác Có thể thấy toàn dải tốc độ thử nghiệm, suất tiêu hao nhiên liệu chạy CNG thấp suất tiêu hao nhiên liệu động chạy với xăng Ở vùng tốc độ kinh tế (2500-3500 v/p), tiêu thụ nhiên liệu động chạy CNG thấp động chạy xăng đến 37% Còn động chạy tốc độ 3000v/p với chế độ tải khác từ trung bình trở lên, mức tiết kiệm nhiên liệu động chạy CNG so với chạy xăng đạt tới 50% thể hình 3.15 Suất tiêu hao nl (g/kW.h) 500 A92 CNG 450 400 350 300 250 200 150 100 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Tốc độ động (v/p) Hình 3.14 So sánh tiêu hao nhiên liệu chạy xăng CNG tốc độ 66 Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL Suất tiêu hao nl (g/kW.h) 500 A92 CNG 450 400 350 300 250 200 150 100 10 15 20 25 Cơng suất động (kW) 30 35 Hình 3.15 So sánh tiêu hao nhiên liệu chạy xăng CNG chế độ tải 3.5.3 Đánh giá giảm phát thải động chạy CNG so với chạy xăng 3.5.3.1 Phát thải CO Đồ thị hình 3.16 so sánh lưu lượng phát thải CO động chạy CNG so với lưu lượng phát thải thành phần độc hại chạy xăng chế độ toàn tải với tốc độ khác Kết cho thấy lưu lượng phát thải CO chạy CNG giảm khoảng 98% so với chạy xăng truyền thống A92 Còn chế độ tải nhỏ 3000v/p, lưu lượng phát thải CO chạy CNG khoảng 10% so với chạy xăng (hình 3.17), tức giảm khoảng 90% Sự giảm CO nhiên liệu CNG tỷ lệ bon Hình 3.16 So sánh phát thải CO chạy xăng CNG tốc độ 67 Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL Ơ Hình 3.17 So sánh phát thải CO chạy xăng CNG chế độ tải 3.5.3.2 Phát thải HC Hình 3.18 So sánh phát thải HC chạy xăng CNG tốc độ Hình 3.19 So sánh phát thải HC chạy xăng CNG chế độ tải Đồ thị hình 3.18 so sánh lưu lượng phát thải HC động chạy CNG 68 Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL chạy xăng A92 toàn tải với tốc độ khác nhau, cịn hình 3.16 so sánh lưu lượng phát thải thành phần độc hại 3000v/p với chế độ tải khác Kết biểu diễn hình 3.19 cho thấy lưu lượng phát thải HC động chạy với nhiên liệu CNG thấp từ 50% đến 85% so với lưu lượng phát thải HC động chạy với nhiên liệu xăng A92 tồn tải Cịn 3000v/p với chế độ tải khác nhau, mức giảm HC động CNG so với động xăng đạt 85 đến 95% Có thể nói tất chế độ tải tốc độ, phát thải HC động CNG cải thiện cách đáng kể so với động chạy xăng 3.5.3.3 Phát thải NOx Hình 3.20 So sánh phát thải NOx chạy xăng CNG tốc độ Hình 3.21 So sánh phát thải NOx chạy xăng CNG chế độ tải 69 Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL Hình 3.20 hình 3.21 biễu diễn lưu lượng phát thải NOx động chạy với nhiên liệu CNG với nhiên liệu xăng chế độ tải tốc độ khác So sánh đồ thị thấy tồn tải (hình 3.21) phát thải NOx động chạy CNG cao động chạy xăng hầu hết dải tốc độ Cịn tải nhỏ phát thải NOx động chạy CNG thấp động chạy xăng nhiệt độ khí cháy thấp 3.5.3.4 Phát thải CO Hình 3.22 So sánh phát thải CO2 chạy xăng CNG tốc độ Hình 3.23 So sánh phát thải CO2 chạy xăng CNG chế độ tải Hình 3.22 3.23 so sánh lưu lượng phát thải CO ứng với đơn vị công suất động chạy nhiên liệu CNG chạy xăng Có thể thấy hầu hết chế độ tải tốc độ thử nghiệm, phát thải CO động chạy CNG thấp động chạy với xăng A92 nhiên liệu CNG có tỷ lệ C/H thấp C/H xăng 70 Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL KẾT LUẬN Đề tài thực hoàn thành mục tiêu nội dung nghiên cứu đề sau: - Nghiên cứu đánh giá kỹ thuật tình hình sử dụng CNG cho động đốt định hướng phù hợp cho hướng nội dung nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu lựa chọn phương án cung cấp CNG tạo hồ khí phù hợp để chuyển đổi động Toyota Vios sang chạy CNG với chất lượng làm việc tốt chi phí phù hợp với điều kiện Việt Nam, cung cấp tạo hỗn hợp CNG bên ngồi dùng hịa trộn - Thử nghiệm đánh giá đặc tính làm việc phát thải động chuyển đổi Dựa kết thử nghiệm với động chuyển đổi, đưa kết luận sau: + Động chuyển đổi sang chạy CNG dùng hịa trộn tạo hồ khí khơng thay đổi dung tích tỷ số nén cơng suất động giảm khoảng 20% ÷ 30% + Suất tiêu thụ nhiên liêu động chạy CNG thấp động 30%÷ 50% + Phát thải CO HC giảm 80% ÷ 90% + Phát thải CO2 giảm + NOx tăng, đặc biệt tải lớn tốc độ cao 71 Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI - Nghiên cứu nâng cao hiệu sử dụng nhiên liệu (hiệu suât động cơ) phương pháp tạo xốy q trình tạo hỗn hợp nghiên cứu sử dụng phụ gia nhiên liệu - Nghiên cứu phun CNG vào cửa nạp động để tăng tính hiệu động - Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu CNG động xăng khác đánh giá đặc tính làm việc phát thải với động 72 Hồng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Roger Westerholm, Jacob Almén, Hang Li, Ulf Rannug, Åke Rosén Exhaust emissions from gasoline-fuelled light duty vehicles operated in different driving conditions: A chemical and biological characterization Atmospheric Environment Part B Urban Atmosphere, Volume 26, Issue 1, March 1992, Pages 79-90 [2] J.A Paravantis, D.A Georgakellos Trends in energy consumption and carbon dioxide emissions of passenger cars and buses Technological Forecasting and Social Change, Volume 74, Issue 5, June 2007, Pages 682-707 [3] Shahriar Shafiee, Erkan Topal When will fossil fuel reserves be diminished? Energy Policy, Volume 37, Issue 1, January 2009, Pages 181-189 [4] M Pourkhesalian, Amir H Shamekhi, Farhad Salimi Alternative fuel and gasoline in an SI engine A comparative study of performance and emissions characteristics Fuel, Volume 89, Issue 5, May 2010, Pages 1056-1063Ali [5] Le Anh Tuan, et.al 2009: Impacts of using gasohol E5 and E10 on performance and exhaust emissions of in-used motorcycle and car in Vietnam World Alternative Energy Sciences Expo 2009 (WAESE 2009), Bangkok, Mar 2009 [6] E Porpatham, A Ramesh, B Nagalingam Effect of hydrogen addition on the performance of a biogas fuelled spark ignition engine International Journal of Hydrogen Energy, Volume 32, Issue 12, August 2007, Pages 2057-2065 [7] Le Anh Tuan, et.al 2009: Experimental Findings of Biodiesel Fuels on Engines and on Transport Vehicles: A Case Study in Vietnam, Asia Pacific Automotive Conference APAC15 [8] Ghazi A Karim; Hydrogen as a spark ignition engine fuel International Journal of Hydrogen Energy 28 (2003) 569 – 577 [9] Hakan Ozcan, Jehad A.A Yamin Performance and emission characteristics of LPG powered four stroke SI engine under variable stroke length and compression ratio Energy Conversion and Management, Volume 49, Issue 5, May 2008, Pages 1193-1201 73 Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL [10] Heywood, J B (1988) Internal Combustion Engine Fundamentals McGraw Hill, New York [11] Phạm Minh Tuấn (2009) Khí thải động nhiễm mơi trường Nhà xuất khoa học kỹ thuật [12] William, L H (2005) Automotive Emission Control Reston Publishing Company, Inc New York [13] Yildiray Yildiz, Anuradha M Annaswamy, Diana Yanakiev, Ilya Kolmanovsky (2010) Spark ignition engine fuel-to-air ratio control An adaptive control approach Control Engineering Practice, Vol 18 [14] Deepak Agarwal, Shrawan Kumar Singh, Avinash Kumar Agarwal (2011) Effect of Exhaust Gas Recirculation (EGR) on performance, emisions, deposits and durability of a constant speed compression ignition engine Applied Energy, Vol 88 [15] Ta-Jen Huang, Chung-Ying Wu, Sheng-Hsiang Hsu, Chi-Chang Wu (2011) Electrochemical-catalytic conversion for simultaneous NO x and hydrocarbons emissions control of lean-burn gasoline engine Applied Catalysis B: Environmental, Vol 110 [16] Ferguson, C R (1986) Internal Combustion Engines - Applied thermosciences John Wiley & Sons [17] Bùi Văn Ga (2008) Mơ hình hóa q trình cháy động đốt Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2008 [18] Hoang, D L (2002) Mathematical modeling of multi-zone thermodynamics in pelrol engine during cold-start and warm-up Journal of Science & Technology, No 36, Hanoi 2002 [19] Raine, R., Stone, C R., and Gould, J (1995) Modelling of Nitric Oxide Formation in Spark Ignition Engines with a Multizone Burned Gas Combustion and Flame, vol 102, pp241-255 74 Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL [20] Woschni, G (1967) A Universally Applicable Equation for Instantaneous Heat Transfer Coefficient in the Internal Combustion Engine SAE 670931 [21] Caton, J A and Heywood J B (1981) An Experimental and Analytical Study of Heat Transfer in an Engine Exhaust Port Int J Heat Mass Transfer, Vol 24, No 4, 1981 [22] Kaplan, J A and Heywood, J B (1991) Modelling the Spark Ignition Engine Warm-up Process to Predict Component Temperatures and Hydrocarbon Emissions SAE Transaction 910302 [23] Hoang, D L (2002) 051 Modelling of exhaust nitric oxide emissions from a cold – start gasoline engine International Conference on Automovite Technology (ICAT), Hanoi 2002 [24] Janaf Thermochemical tables, 2nd ed National Bureau of standards publications NSRDS-N35 37, Washington D.C 1971 [25] Olikara, C and Borman, G: A computer program for calculating properties of equilibrium combustion products with some applications on IC engines; SAE 910302, 1991 [26] M.A Kalam, H.H Masjuki An experimental investigation of high performance natural gas engine with direct injection Energy, Volume 36, Issue 5, May 2011, Pages 3563-3571 [27] Ayhan Demirbas Political, economic and environmental impacts of biofuel: A review Applied Energy, Volume 86, Supplement 1, November 2009, Pages S108-S117 [28] Hakan Bayraktar, Orhan Durgun Investigating the effects of LPG on spark ignition engine combustion and performance Energy Conversion and Management, Volume 46, Issues 13-14, August 2005, Pages 2317-2333 [29] Saravanan, G Nagarajan, S Narayanasam An experimental investigation on DI diesel engine with hydrogen fuel Renewable Energy 33 (2008) 415–421 [30] Maher A R Sadiq Al-Baghdadi Effect of compression ratio, equivalence ratio and engine speed on the performance and emission characteristics of a 75 Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL spark ignition engine using hydrogen as a fuel Renewable Energy, Volume 29, Issue 15, December 2004, Pages 2245-2260 [31] Carl Calantone Forecasting long-term natural gas supply capability Utilities Policy, Volume 4, Issue 1, January 1994, Pages 77-82 [32] BP report Rank Order - Natural gas - proved reserves March 2011 [33] World factbook Enerdata Statistical Yearbook Publication April 2010 [34] Báo cáo tình hình sản xuất CNG CNG Việt Nam Hà Nội 2008) [35] H Knapp Knowledge of thermodynamic properties for natural gas processing Gas Separation & Purification, Volume 4, Issue 3, September 1990, Pages 123-136 [36] Mahmood Farzaneh-Gord, Mahdi Deymi-Dashtebayaz, Hamid Reza Rahbari Studying effects of storage types on performance of CNG filling stations Journal of Natural Gas Science and Engineering, Volume 3, Issue 1, March 2011, Pages 334-340 [37] M.I Jahirul, H.H Masjuki, R Saidur, M.A Kalam, M.H Jayed, M.A Wazed Comparative engine performance and emission analysis of CNG and gasoline in a retrofitted car engine Applied Thermal Engineering, Vol 30, October 2010, P2219-2226 76 ... TÍNH LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ 3.1 Mục đích thử nghiệm Sau hệ thống cung cấp hoà trộn CNG lắp đặt lên động 1NZFE, động chạy với nhiên liệu Để đánh giá đặc tính làm việc phát thải động cơ, ... cấp cho động phương tiện vận tải Vì việc chọn đề tài ? ?Đánh giá đặc tính làm việc phát thải động chạy nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) chuyển đổi từ động xăng? ?? cần thiết có ý nghĩa thực tiễn... nghĩa tính hiệu động giảm chuyển từ động xăng sang chạy CNG Nhiệt độ khí thể động chạy CNG thấp so với chạy xăng thấy hình 2.3 Đó lý làm giảm phát thải NOx động CNG hình 2.4 Như vậy, chuyển đổi động