Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu hydro đến áp suất cực đại trong buồng đốt và sự hình thành phát thải của động cơ diesel sử dụng phần mềm AVL Boost. Mời các bạn cùng tham khảo!
BÀI BÁO KHOA HỌC ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU HYDRO TỚI QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ HÌNH THÀNH PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL Trịnh Xn Phong1,2, Hồng Đình Long1 , Nguyễn Đức Khánh1 Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu mô đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu hydro đến áp suất cực đại buồng đốt hình thành phát thải động diesel sử dụng phần mềm AVL Boost Đối tượng nghiên cứu động diesel máy nông nghiệp R180 Q trình mơ thực cách thay diesel hydro với tỉ lệ tăng dần từ 5%, 10%, 20% 30% tổng lượng cung cấp Kết cho thấy bổ sung hydro đường ống nạp với tỉ lệ nhỏ 20%, áp suất trình cháy tăng lên, phát thải Soot giảm mạnh phát thải NOx tăng Tuy nhiên, bổ sung hydro lớn 30%, áp suất trình cháy giảm, tốc độ hình thành NOx giảm, phát thải Soot tăng Từ khóa: Động lưỡng nhiên liệu, bổ sung hydro, giảm phát thải, phát thải NOx, phát thải Soot, đặc tính cháy phát thải ĐẶT VẤN ĐỀ * Hiện nay, động diesel loại động thay phương tiện giao thông vận tải đặc chủng, máy phát điện tính tiết kiệm nhiên liệu, độ tin cậy độ bền bỉ, nhiên động diesel lại phát thải nhiều chất độc hại NOx khói bụi (PM) (Agrawal, June 2004) Theo thống kê lượng khí thải độc hại động diesel chiếm tỉ trọng lớn phát thải giới, cụ thể NOx 60%, PM 10% CO 30% (OECD (2016)) Với gia tăng ngày lớn động diesel, đe dọa với mơi trường phát thải độc hại của nguy cạn kiện nguồn nhiên liệu hóa thạch tồn cầu Điều dẫn đến thúc đẩy việc phải tìm nguồn nhiên liệu thay để đảm bảo phát triển bền vững Các nhà khoa học nghiên cứu rộng rãi lĩnh vực như: khí tự nhiên, hydro, nhiên liệu sinh học, điện, thu hồi nhiệt khí thải để hạn chế phát thải Việc ứng dụng hydro cho động diesel nghiên cứu nhiều năm gần Hydro xem nguồn nhiên nhiệu thay Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định 78 đầy tiềm phát thải không ô nhiễm, vô hạn tự nhiên Tuy nhiên việc sử dụng nhiên liệu hydro loại nhiên liệu cịn nhiều bất cập việc sử dụng nhiên liệu hydro loại nhiên liệu bổ sung hỗ trợ cho nhiên liệu cách tiếp cận thực tế nhiều nhà khoa học (Sharma & Dhar, 2018) Đặc tính loại nhiên liệu bổ sung cho khắc phục nhược điểm Hydro phun vào đường ống nạp hịa trộn với khơng khí làm cho hỗn hợp khơng khí đồng nhờ khuếch tán nó, diesel phun vào buồng đốt tự cháy trở thành nguồn lửa để đốt cháy hỗn hợp hịa khí diesel-hydro giúp q trình cháy nhiên liệu diesel triệt để Cung cấp hydro đường ống nạp cho động diesel ảnh hưởng đến công suất động Dễ dàng nhận thấy thể tích khí nạp bị giảm hydro chiếm chỗ khơng khí nạp Sharma (Sharma & Dhar, 2018) Edwin (Edwin Geo, Nagarajan, & Nagalingam, 2008) cho thấy có sụt giảm 6% lượng khơng khí nạp trường hợp 13,4% nhiên liệu hydro thay Nhiều nhà nghiên cứu khác khẳng định giảm khơng khí nạp thay hydro cho diesel (Haragopala KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) Rao, Shrivastava, & Bhakta, 1983; Liew et al., 2012; Masood, Mehdi, & Ram Reddy, 2007) Tỉ lệ phần trăm sụt giảm phụ thuộc vào loại động thông số làm việc Tuy nhiên hiệu nhiệt, có không đồng kết nghiên cứu Lata cho biết hiệu suất giảm 2,2% với thay hydro 9% tải thấp động diesel 62,5 HP 1500 v/p (Lata & Misra, 2010) Sharma nhận thấy giảm hiệu suất tất cơng trình nghiên cứu (Sharma & Dhar, 2018) Trong khí Edwin cho biết hiệu suất có ích tăng 75% 100% tải (Edwin Geo et al., 2008) sử dụng hydro thay diesel Hiệu suất nhiệt tăng 2% với 10% hydro thay Trong nghiên cứu này, trình bảy ảnh hưởng việc thay phần nhiên liệu diesel nhiên liệu hydro bổ sung đường ống nạp phương pháp mơ hình mơ quan điểm tổng lượng cung cấp không đổi Một số ký hiệu báo có nghĩa sau: HES (hydrogen energy share) tỉ lệ hydro thay diesel; H10 có nghĩa tỉ lệ hydro thay 10% tổng lượng cung cấp, E0H0 động nhiên liệu diesel NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Trình tự nghiên cứu Tiến hành thực nghiệm xây dựng đặc tính động (đặc tính ngồi đặc tính phận 1500 v/p) Xây dựng mơ hình mơ AVL Boost Đánh giá độ tin cậy mơ hình Mơ động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-hydro Đánh giá kết mô tỉ lệ hydro thay lớn hơn, để đánh giá ảnh hưởng tỉ lệ hydro thay đến diễn biến áp suất hình thành phát thải buồng đốt Quá trình nghiên cứu thực nghiệm diễn Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu khí thải, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 2.2 Trang thiết bị thử nghiệm Sơ đồ bố trí nghiên cứu thử nghiệm trình bày hình Thơng số kỹ thuật động sử dụng nghiên cứu trình bày bảng Bảng Thông số kỹ thuật động nghiên cứu Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị Hành trình pít-tơng 80 mm Đường kính xi-lanh 80 mm Dung tích cơng tác 0,402 Lít Cơng suất cực đại 5,17 2600 v/p kW Tỷ số nén 21 Suất tiêu hao nhiên liệu ge 278 Trong thí nghiệm trang thiết bị thí nghiệm bao gồm: phanh điện động DW-16, thiết bị đo áp suất buồng đốt AVL 620 Indiset, thiết bị đo tiêu hao khơng khí Hot-Film-Air-Mass meter (HFM5), thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Balance 733S; thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu hydro GFC mass flow, thiết bị đo lambda, tủ phân tích khí g/kW.h thải CEB-II, thiết bị đo độ khói AVL dismoke 4000 AVL Digas 4000 để đo lượng phát thải CO THC phương pháp hồng ngoại phát thải NOx đạt phương pháp điện hóa Mặt khác, giá trị phát thải CO thu sở % khối lượng giá trị phát thải NOx THC thu được tính theo ppm, KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) 79 Hình Sơ đồ băng thử phục vụ thử nghiệm Động thử nghiệm; Bệ thử công suất; Thiết bị phân tích khí thải; Bộ thu thập liệu Màn hình hiển thị; Cảm biến đo tiêu hao nhiên liệu diesel; Thiết bị đo áp suất buồng đốt; Lọc khí; Cảm biến lưu lượng khí nạp; 10 Vòi phun hydro; 11 Cảm biến đo áp suất buồng đốt; 12 Van EGR; 13 Bộ làm mát khí luân hồi; 14 Cảm biến nhiệt độ khí thải; 15 Cảm biến lambda;16 Cảm biến thời điểm phun hydro; 17 ECU điều khiển vịi phun hydro; 18 Bình hydro; 19 Van khóa khí 20 Bộ giảm áp; 21 Cảm biến lưu lượng hydro; 22 Van chiều; 23.Van chống cháy ngược 2.3 Xây dựng mơ hình mơ Hình Mơ hình mơ động lưỡng nhiên liệu AVL Boost SB1,2 điều kiện biên; CL bầu lọc, I1 vòi phun hydro; C1 xi-lanh; PL1 bình ổn áp; E1 động cơ; R1 phần tử cản ; MP điểm đo 80 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) Động R180 mơ hình hóa phần mềm AVL Boost dựa thơng số kết cấu động thể hình Mơ hình cho q trình cháy động lưỡng nhiên liệu mơ hình cháy AVL MCC Mơ hình sử dụng cho nhiên liệu diesel đa nhiên liệu diesel loại nhiên liệu khác Mơ hình có khả dự đốn tốc độ giải phóng nhiệt động hình thành hỗn hợp khơng đồng nhất, ảnh hưởng q trình ln hồi dự đốn hình thành NOx, CO soot (Boost, 2011) Hệ số dư lượng khơng khí lambda trường hợp sử dụng lưỡng nhiên liệu xác định sau: (1) mi A A mD ( ) D mH ( ) H F F Trong đó: mi, mD mH lượng khơng khí nạp, lượng nhiên liệu diesel lượng nhiên liệu khí hydro cung cấp; (A/F)D (A/F)H tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu lý thuyết diesel hydro, (A/F)D = 14,5 (kgkk/kgnl) (A/F)H ≈ 34,5 (kgkk/kgnl) Tỉ lệ hydro thay mDtt 100% mDbd (2) Lượng hydro thay mDtt LHVD mDtt 42,8 (3) LHVH 119,7 Trong mDtt lượng diesel bị thay thế, mDbd lượng diesel ban đầu, LHVD LHVH nhiệt trị Hình Đồ thị đánh giá độ tin cậy mô hình diesel tồn tải thấp diesel hydro (MJ/kg) LHVD = 42,8 (MJ/kg) LHVH = 119,7 (MJ/kg); Trong trường hợp sử dụng lưỡng nhiên liệu, tính kinh tế động đánh giá suất tiêu hao lượng có ích BSEC (Brake Specific Energy Consumption) xác định theo công thức m LHV m LHV (4) D H H BSEC D BP Trong BP (Brake Power) cơng suất có ích động KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đánh giá độ tin cậy mơ hình Độ tin cậy mơ hình đánh giá cách so sánh kết thực nghiệm mô số chế độ làm việc điển hình động Hình trình bày diễn biến cơng suất suất tiêu hao nhiên liệu đặc tính ngồi động diesel thực nghiệm mô Hình trình bày suất tiêu hao nhiên liệu động diesel tiêu hao lượng động lưỡng nhiên liệu (thay 5% tổng lượng cung cấp) tốc độ 1500 v/p Kết cho thấy sai số thực nghiệm mô nhỏ 5% Vì vậy, kết mơ từ mơ hình sử dụng làm số liệu tham chiếu nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ hydro thay khác Hình Đồ thị đánh giá độ tin cậy mơ hình HES 5% tốc độ 1500 v/p KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) 81 3.2 Lượng nhiên liệu cung cấp với tỉ lệ thay khác mơ Hình hình trình bày lượng tiêu hao nhiên liệu diesel lượng tiêu hao hydro Hình Đồ thị tiêu hao nhiên liệu diesel mô Hình Đồ thị tiêu hao nhiên liệu hydro mơ Ảnh hưởng hydro đến tính làm việc phát thải động đánh giá qua diễn biến áp suất xi-lanh, hệ số lambda, tốc độ hình thành phát thải Soot NOx 3.3 Ảnh hưởng HES tới hệ số lambda Hình trình bày ảnh hưởng HES tới lambda động diesel Có thể thấy tốc độ 1500 v/p tải trọng tăng lambda giảm Nếu thay hydro diesel, lượng hydro chiếm chỗ khơng khí nạp dẫn tới lamba tiếp tục giảm Lambda giảm mạnh lượng hydro thay nhiều Việc nạp ô-xy vào buồng đốt dẫn tới không đủ khơng khí để đốt diesel hydro, ảnh hưởng tới đặc tính cháy phát thải động diesel Hình Ảnh hưởng HES tới hệ số lambda 82 nhập vào mơ hình AVL Boost tốc độ 1500 v/p với tải trọng khác Các thông số nhập vào đảm bảo không đổi tổng lượng cung cấp 3.4 Ảnh hưởng HES tới áp suất xi-lanh Hình trình bày diễn biến áp suất xi-lanh bổ sung hydro cho động diesel tốc độ 1500 v/p với tải trọng thay đổi Có thể thấy 1kW áp suất buồng đốt gia tăng tỉ lệ với việc gia tăng HES Nhưng tải trọng 2kW 3kW áp suất buồng đốt tăng HES nhỏ 20%, H30 áp suất buồng có xu hướng giảm Tại tải 4kW áp suất buồng đốt tăng với HES nhỏ 5%, thay lớn 5% áp suất giảm mạnh Điều giải thích nhiệt trị tốc độ cháy hydro lớn nhiều so với diesel nên lượng cung cấp lớn hơn, việc có hydro làm cho hịa khí nhiên liệu đồng dẫn tới trình cháy triệt để Nhưng bổ sung hydro nhiều lượng diesel giảm đi, lượng ơ-xy nạp vào buồng đốt giảm hydro chiếm chỗ Điều dẫn tới cháy khơng hồn hảo khơng tạo mồi lửa để đốt cháy nhiên liệu Nếu diesel cháy cháy sai thời điểm, cháy không hoàn toàn ảnh hưởng tới áp suất buồng đốt động KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) đẩy nhanh trình ơ-xy hóa soot Tất yếu tố cải thiện trình cháy động cơ, nhờ phát thải soot giảm đáng kể Hình Ảnh hưởng HES tới áp suất cực đại xi-lanh 3.5 Ảnh hưởng HES tới tốc độ hình thành phát thải Soot Nox Hình Ảnh hưởng HES tới tốc độ hình thành soot Hình trình bày ảnh hưởng HES tới hình thành soot tốc độ 1500 v/p tải trọng 3kW Nhiệt độ cao thiếu hụt ô-xy hai yếu tố dẫn đến hình thành Soot động diesel bổ sung hydro soot lại giảm Điều giải thích lý sau Thứ nhất, phát thải Soot chủ yếu đến từ đốt cháy khơng hồn tồn nhiên liệu diesel, việc thay nhiên liệu diesel hydro dẫn làm giảm hàm lượng các-bon tổng khối lượng nhiên liệu tham gia vào trình cháy Thứ hai, việc bổ sung hydro cải thiện trình đốt cháy khuếch tán nhiên liệu diesel Khi hydro thêm vào xi-lanh, làm thời điểm bốc cháy muộn tạo thành hỗn hợp khơng khí diesel đồng mức độ định Vì vậy, trình cháy bắt đầu, hydro lan truyền nhanh chóng thúc đẩy q trình đốt cháy khuếch tán động diesel để giảm phát thải soot Thứ ba, lan truyền nhanh chóng lửa hydro Hình 10 Ảnh hưởng HES tới tốc độ hình thành Nox Hydro có tác dụng giảm soot mạnh tham gia vào trình cháy động diesel lại làm tăng hàm lượng NOx Hình 10 cho thấy thay đổi NOx theo tỉ lệ hydro bổ sung Tốc độ hình thành NOx tăng lên với gia tăng HES đạt giá trị lớn với HES 20% Với HES30, tốc độ hình thành phát thải NOx giảm mạnh Những thay đổi NOx có HES giải thích từ điều kiện hình thành NOx Khi hàm lượng HES hợp lý nhờ đặc tính cháy nhanh hydro làm thời gian cháy ngắn lại, áp suất nhiệt độ tăng cao dẫn tới gia tăng hình thành NOx Nhưng với HES lớn (30%), lượng diesel cung cấp vào xi-lanh giảm đáng kể ảnh hưởng tới qua trình cháy: thời điểm cháy muộn đi, nhiệt độ giảm xuống, áp suất giảm xuống Mặc dù nồng độ ơ-xy tăng, khí thải NOx giảm Ở tỉ lệ áp suất buồng đốt giảm phát thải Soot tăng nhiên liệu diesel không cháy hết KẾT LUẬN Ảnh hưởng việc thay nhiên liệu diesel hydro tới đặc tính cháy phát thải động diesel nghiên cứu Các thông số nghiên cứu tỉ lệ hydro bổ sung, áp suất cực đại buồng cháy, tốc độ hình thành phát thải NOx Soot tốc độ 1500 v/p, tải trọng 3kW Việc bổ sung hydro vào động diesel có ảnh hưởng đến hình thành hỗn hợp, đặc tính cháy phát thải động diesel Áp suất buồng đốt KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) 83 tăng tốc độ hình thành Soot giảm mạnh tốc độ hình thành NOx tăng bổ sung hydro với tỉ lệ nhỏ 20% Soot loại phát thải độc hại vơ khó xử lý tốn Vì việc bổ sung hydro đường ống nạp cho động diesel xu hướng đầy tiềm việc giảm phát thải loại chất thải độc hại cho động đốt Việc phát thải NOx gia tăng bổ sung hydro dùng biện pháp luân hồi khí thải để xử lý TÀI LIỆU THAM KHẢO Agrawal, A K (June 2004) Effect of EGR on the exhaust gas temperature and opacity in compression ignition engines Indian Institute of Technology, 29, 275-284, part 273 Boost, A (2011) AVL Boost Combustion Model Austria Edwin Geo, V., Nagarajan, G., & Nagalingam, B (2008) Studies on dual fuel operation of rubber seed oil and its bio-diesel with hydrogen as the inducted fuel International Journal of Hydrogen Energy, 33(21), 6357-6367 doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.06.021 Haragopala Rao, B., Shrivastava, K N., & Bhakta, H N (1983) Hydrogen for dual fuel engine operation International Journal of Hydrogen Energy, 8(5), 381-384 doi: https://doi.org/10.1016/0360-3199(83)90054-X Lata, D., & Misra, A (2010) Theoretical and experimental investigations on the performance of dual fuel diesel engine with hydrogen and LPG as secondary fuels International Journal of Hydrogen Energy, 35(21), 11918-11931 Liew, C., Li, H., Gatts, T., Liu, S., Xu, S., Rapp, B., Huang, Y (2012) An experimental investigation of exhaust emissions of a 1999 Cummins ISM370 diesel engine supplemented with H2 International Journal of Engine Research, 13(2), 116-129 doi: 10.1177/1468087411435049 Masood, M., Mehdi, S., & Ram Reddy, P (2007) Experimental investigations on a hydrogen-diesel dual fuel engine at different compression ratios OECD, I (2016) Energy and Air Pollution: World Energy Outlook Special Report 2016 Sharma, P., & Dhar, A (2018) Effect of hydrogen supplementation on engine performance and emissions International Journal of Hydrogen Energy, 43(15), 7570-7580 doi: 10.1016/j.ijhydene.2018.02.181 Abstract: INFLUENCE OF HYDROGEN ON COMBUSTION AND EMISSION FORMATION CHARACTERISTIC OF DIESEL ENGINE This paper presents the simulation results on the effects of hydrogen on combustion characteristics and emission formation of a diesel engine using AVL Boost software The research was conducted on an agriculture diesel engine R180 Hydrogen was supplied into the intake manifold of the engine by the percentage of 5%, 10%, 20% and 30% The results show that when adding hydrogen into the intake manifold at a reasonable rate, the combustion process improved as in cylinder pressure increased TheSoot emissions reduced sharply but NOx emissions increased However, if hydrogen was supplied too much, the in cylinder pressure decreased, and as a result, NOx formation rate decreased when Soot emissions increased due to imperfect combustion process Keywords: Dual fuel engine, hydrogen addition, reduce emissions, NOx emission, Soot emission, combustion and emission characteristic Ngày nhận bài: 03/2/2021 Ngày chấp nhận đăng: 31/3/2021 84 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) ... áp suất cực đại xi-lanh 3.5 Ảnh hưởng HES tới tốc độ hình thành phát thải Soot Nox Hình Ảnh hưởng HES tới tốc độ hình thành soot Hình trình bày ảnh hưởng HES tới hình thành soot tốc độ 1500 v/p... lượng hydro thay nhiều Việc nạp ơ-xy vào buồng đốt dẫn tới khơng đủ khơng khí để đốt diesel hydro, ảnh hưởng tới đặc tính cháy phát thải động diesel Hình Ảnh hưởng HES tới hệ số lambda 82 nhập vào... cho nhiên liệu diesel đa nhiên liệu diesel loại nhiên liệu khác Mơ hình có khả dự đốn tốc độ giải phóng nhiệt động hình thành hỗn hợp khơng đồng nhất, ảnh hưởng q trình ln hồi dự đốn hình thành