Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.3.4. Bổ sung hydro trong động cơ diesel
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, 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;
25
- 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 [71, 79, 82, 89-96]. 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.
Ở nước ngoài đã có một số công trình nghiên cứu kết hợp luân hồi khí thải và bổ sung hydro trong động cơ diesel. Các nghiên cứu thường chú trọng nghiên cứu ảnh hưởng EGR tới hiệu quả giảm phát thải NOx và hạn chế tiếng gõ cho động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-hydro (DHE). Các nghiên cứu được liệt kê và phân tích dưới đây:
Verhelst và cộng sự [97] công bố EGR có xu hướng làm giảm hiệu suất động cơ; tuy nhiên đây vẫn được coi là một giải pháp hiệu quả để giảm phát thải NOx trên động cơ DHE trong khi BTE vẫn chấp nhận được.
Nicol [98] công bố với động cơ DHE khi thực hiện luân hồi với tỉ lệ EGR từ 15% đến 30% thì động cơ làm việc ổn định, hiệu suất được duy trì trong khi các thành phần độc hại đều giảm.
LM Das [99] công bố EGR có thể coi là một phương pháp tối ưu trong việc ngăn chặn sự hình thành NOx hiệu quả trên động cơ lưỡng nhiên liệu DHE.
Mac Willlam và Nag [76, 78] công bố rằng khi thực hiện EGR cho động cơ DHE thì HC tăng lên theo tỉ lệ khí luân hồi. Việc bổ sung một lượng nhỏ hydro vào nhiên liệu diesel (lên đến 14%) làm tăng hàm lượng HC trong khí thải (48%). Bổ sung trên 14% hydro thì phát thải HC giảm nhưng vẫn ở mức cao hơn 15% so với động cơ nguyên bản. Trong trường hợp bổ sung 30% hydro, do quá trình đốt cháy bị suy giảm, lượng khí thải HC lại tăng lên, phát thải CO và CO2 đều giảm khi bổ sung hydro còn khi thực hiện EGR cho động cơ DHE thì phát thải CO và CO2 tăng.
26
Các kết quả nghiên cứu [65, 100-104] chỉ ra rằng với tỉ lệ EGR đến 25% cho động cơ DHE mang lại hiệu quả khá tốt trong việc giảm phát thải và duy trì sự làm việc ổn định của động cơ.
EGR ngoài việc hạn chế sự phát thải NOx còn hạn chế hiện tượng kích nổ trong động cơ DHE. Swain và cộng sự [105] nghiên cứu trên động cơ một xi-lanh đã kết luận EGR là một phương pháp hiệu quả để giảm tiếng gõ và giảm NOx trên động cơ DHE trong khi hiệu suất chỉ giảm nhẹ với tỉ lệ EGR trên 20%. Hiện tượng kích nổ giảm đáng kể, lượng khí thải NOx giảm 85% khi tỉ lệ EGR tăng từ 1% đến 35%.
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 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;
27
- 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 thải 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.
28
Chương 2 . NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ DIESEL HIỆN HÀNH SỬ DỤNG LUÂN HỒI KHÍ THẢI
VÀ BỔ SUNG HYDRO Giới thiệu chung