NB_tn EHSy_tn 1300 19,0 18,9 1500 19,0 18,9 1800 19,5 19,2 2000 19,0 18,9 2200 19,2 19,0 2400 19,2 18,9 2600 19,1 19,0 Smoke(%) Tốc độ (v/p)
Hình 4. 24 Phát thải khói tại đặc tính ngoài Bảng 4. 17 Phát thải HC tại đặc tính ngoài NB_tn EHSy_tn 1300 82 77 1500 94 90 1800 92 90 2000 110 105 2200 140 133 2400 121 112 2600 109 100 HC (ppm) Tốc độ (v/p)
Hình 4. 25 Phát thải HC tại đặc tính ngoài
600 650 700 750 800 850 1300 1500 1800 2000 2200 2400 2600 N O x ( p p m) Tốc độ động cơ (vòng/phút) NB_tn EHSy_tn EHSy_mp 18,5 18,6 18,7 18,8 18,9 19,0 19,1 19,2 19,3 19,4 19,5 19,6 1300 1500 1800 2000 2200 2400 2600 S mo k e( %) Tốc độ động cơ (vòng/phút) NB_tn EHSy_tn 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 1300 1500 1800 2000 2200 2400 2600 H C ( p p m) Tốc độ động cơ (vòng/phút) NB_tn EHSy_tn
99 Bảng 4. 18 Phát thải CO tại đặc tính ngoài NB_tn EHSy_tn EHSy_mp 1300 3040 2900 2935 1500 2411 2400 2200 1800 2543 2420 2400 2000 2533 2511 2442 2200 2530 2500 2500 2400 2480 2400 2400 2600 2500 2390 2410 CO(ppm) Tốc độ (v/p)
Hình 4. 26 Phát thải CO tại đặc tính ngoài
Bảng 4.13 và Hình 4.21 trình bày diễn biến hệ số lambda ở toàn tải. Có thể thấy khi áp dụng EHSy hệ số lambda giảm so với động cơ NB nhưng vẫn lớn hơn 1,2
Bảng 4.14 và Hình 4.22 trình bày suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ R180 được trang bị hệ thống EHSy tại đặc tính ngoài. Có thể thấy suất tiêu hao nhiên liệu tại chế độ này lớn hơn so với động cơ NB 3,2%.
Bảng 4.15 và Hình 4.23 trình bày diễn biến phát thải NOx của động cơ R180 được trang bị hệ thống EHSy tại đặc tính ngoài. Có thể thấy phát thải NOx giảm 2,72%.
Bảng 4.16 và Hình 4.24 trình bày diễn biến phát thải khói của động cơ R180 được trang bị hệ thống EHSy tại đặc tính ngoài. Có thể thấy phát thải khói giảm trung bình là 2%.
Bảng 4.17 và Hình 4.25 trình bày diễn biến phát thải HC của động cơ R180 được trang bị hệ thống EHSy tại đặc tính ngoài. Có thể thấy phát thải HC giảm trung bình là 4,7%.
Bảng 4.18 và Hình 4.26 trình bày diễn biến phát thải CO của động cơ R180 được trang bị hệ thống EHSy tại đặc tính ngoài. Có thể thấy phát thải CO giảm trung bình là 2,9%.
4.4.3.2. Diễn biến áp suất trong buồng đốt
Hình 4. 27 Diễn biến áp suất buồng đốt tại toàn tải
Hình 4.27 trình bày diễn biến áp suất buồng đốt của động cơ R180 được trang bị hệ thống EHSy tại đặc tính ngoài. Có thể thấy đồ thị áp suất không có sự gia tăng
2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 1300 1500 1800 2000 2200 2400 2600 C O (p p m) Tốc độ động cơ (vòng/phút) NB_tn EHSy_tn 0 10 20 30 40 50 60 70 Á p su ất bu ồn g đố t ( bar ) Góc quay trục khuỷu (độ) NB_1300 NB_1500 NB_1800 NB_2000 NB_2200 NB_2400 NB_2600 EHSy_1300 EHSy_1500 EHSy_1800 EHSy_2000 EHSy_2200 EHSy_2400 EHSy_2600
100
hoặc sụt giảm đột ngột, điều này chứng tỏ với tỉ lệ luân hồi khí thải và hydro bổ sung đã nghiên cứu không gây ra hiện tượng cháy sớm hoặc kích nổ trong động cơ.
4.4.4. Thảo luận
So sánh các kết quả tính toán mô phỏng tại các tỉ lệ EGR và hydro bổ sung được đề xuất là hợp lý ở chương 2 với các kết quả nghiên cứu thực nghiệm tại các chế độ tương ứng cho thấy sai lệch giữa hai kết quả không quá 5%. Chính vì vậy có thể kết luận kết quả tính toán mô phỏng hoàn toàn đủ độ tin cậy.
Các kết quả thực nghiệm động cơ R180 trang bị hệ thống EHSy ở các tỉ lệ EGR và tỉ lệ bổ sung hydro đã đề xuất cho thấy phát thải NOx và PM của động cơ giảm ở tất cả các chế độ thử nghiệm. Phát thải NOx và PM giảm trung bình 46,4% và 18,3% ở tốc độ 1500 v/p và giảm trung bình 27,7% và 21,3% ở 2600 v/p. Các thành phần phát thải CO và HC cũng giảm đôi chút ở hầu hết các chế độ thử nghiệm, trung bình 2%-6% trong khi suất tiêu hao nhiên liệu không tăng. Như vậy, có thể khẳng định giải pháp phối hợp EGR và bổ sung hydro ở các tỉ lệ đã đề xuất cho các chế độ tải và tốc độ của động cơ là hợp lý để giảm phát thải cho động cơ.
Lý do đạt được hiệu quả này cũng đúng như đã được thảo luận ở chương 2, EGR làm giảm NOx, còn hydro bổ sung thay thế một phần diesel sẽ làm giảm hàm lượng các-bon trong hỗn hợp nhiên liệu dẫn đến giảm phát thải CO và HC. Thêm nữa hydro có khả năng khuyếch tán tốt, tốc độ cháy nhanh sẽ làm cho hòa khí diesel-hydro đồng đều hơn, dẫn tới quá trình cháy triệt để hơn. Các lý do trên sẽ làm cho phát thải khói, HC, CO giảm; điều này còn tạo điều kiện để tăng EGR để giảm NOx.
Kết luận chương 4
Sau khi thực hiện Chương 4 có thể rút ra các kết luận sau:
- Hệ thống EHSy được nghiên cứu trang bị cho động cơ R180 hoàn toàn đảm bảo độ tin cậy, đáp ứng được yêu cầu thay đổi chính xác về tải, tỉ lệ EGR và tỉ lệ hydro bổ sung theo ý muốn để nghiên cứu thực nghiệm.
- Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cũng khẳng định:
+ Động cơ R180 có thể thực hiện luân hồi khí thải và bổ sung hydro (EHSy) trên toàn bộ phạm vi tải trọng (1kW-5kW) để giảm phát thải. Hệ số lambda luôn được duy trì ở mức lớn hơn 1,2 trên toàn bộ tải trọng.
+ Tại hai đặc tính tải được nghiên cứu, ngoại trừ tải trọng 1 kW cho suất tiêu hao nhiên liệu tăng hơn so với NB là 1,14% (ở 1500 v/p) và 2,75% (ở 2600 v/p) thì ở tất cả các tải trọng còn lại ge đều giảm so với NB trong khi các phát thải khác đều giảm. Điều này chứng tỏ phương pháp EHSy rất hiệu quả;
+ Với tiêu chí giảm NOx và PM tốt nhất trong khi các chỉ tiêu khác còn lại không xấu đi quá 5% so với động cơ NB như đã đặt ra thì có thể thấy phát thải NOx giảm mạnh, trung bình lên tới 46,4 % (ở 1500 v/p) và 27,7 % (ở 2600 v/p) trong khi hiệu quả giảm phát thải khói cũng đạt tỉ lệ cao, giảm trung bình 18,3 % (ở 1500 v/p) và 21,3 % (ở 2600 v/p). Các thành phần phát thải khác cũng được cải thiện, tuy không nhiều như CO giảm 6,47% (ở 1500 v/p) và 2,37 % (ở 2600 v/p), HC giảm 6,47 % (ở 1500 v/p) và 2,37 % (ở 2600 v/p). Điều này chứng tỏ với tỉ lệ EGR và HES đã lựa chọn là hợp lý; động cơ R180 đã giảm phát thải một cách toàn diện và có hiệu quả cao với hai loại phát thải khó xử lý là NOx và khói.
101
+ Tại đặc tính ngoài, hiệu quả giảm phát thải của phương pháp EHSy là không cao trong khi lại tiêu tốn nhiên liệu. Tiêu hao nhiên liệu trung bình gia tăng 3,2% so với động cơ NB; một số thành phần phát thải có xu hướng giảm nhưng tỉ lệ không cao, cụ thể NOx giảm 2,72%, khói giảm 2%, HC giảm 4,7% CO giảm 2,9% . Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy việc kết hợp phương pháp EGR và HES có tác dụng giảm phát thải đồng thời NOx và khói ngay cả khi lambda thấp nhưng hiệu quả không cao. + Trong suốt quá trình nghiên cứu thử nghiệm ở các tỉ lệ EGR và bổ sung hydro đã chọn, hiện tượng kích nổ trên động cơ không xảy ra.
- Các khuyến cáo khi sử dụng EHSy cho động cơ:
+ Ở các chế độ tải thấp và trung bình: các tỷ lệ luân hồi và hydro thay thế nên thực hiện mức cao;
+ Chế độ tải cao, nên sử dụng bổ sung hydro và luân hồi khí thải với tỷ lệ thấp để đảm bảo đủ không khí cho các phản ứng cháy;
102
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Kết luận chung
Luận án đã phân tích, đánh giá được tình hình nghiên cứu giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel và đưa ra hướng nghiên cứu nghiên cứu kiểm soát phát thải cho động cơ diesel đang lưu hành là sử dụng luân hồi khí thải kết hợp bổ sung hydro;
Đã nghiên cứu mô phỏng tính toán các thông số, đánh giá chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel sử dụng phương pháp EHSy trên phần mềm AVL Boost. Mô hình mô phỏng đã được kiểm nghiệm với kết quả thực nghiệm đảm bảo độ tin cậy và đã đề xuất được tỉ lệ EGR và hydro bổ sung phù hợp để giảm phát thải của động cơ;
Đã nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo được các thiết bị cung cấp hydro và luân hồi khí thải đảm bảo dễ dàng lắp đặt và điều chỉnh đáp ứng được yêu cầu làm việc và đảm bảo độ tin cậy để sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm của đề tài;
Đã nghiên cứu thử nghiệm đánh giá hiệu quả của phương pháp EHSy để giảm phát thải cho động cơ diesel. Các tỉ lệ hydro bổ sung và tỉ lệ EGR hợp lý cho động cơ R180 bao gồm:
- Tại đặc tính tải ở 1500 (v/p) các tỉ lệ EGR và HES hợp lý theo các tải trọng 1 kW đến 4 kW lần lượt là: H5E40; H10E40; H10E30 và H5E5. Với các tỉ lệ này, suất tiêu hao nhiên liệu giảm trung bình 0,67% trong khi phát thải NOx, khói, HC, CO giảm trung bình lần lượt là 46,4%, 18,3%, 3,0% và 6,47%;
- Tại đặc tính tải ở 2600 (v/p) các tỉ lệ HES và EGR hợp lý theo các tải trọng 1 kW đến 5kW là: H5E40; H5E30; H5E30; H10E20 và E5H5. Với các tỉ lệ này suất tiêu hao nhiên liệu giảm trung bình 0,5% trong khi phát thải NOx, khói, HC, CO, giảm trung bình lần lượt là 27,7%, 21,3%, 1,2% và 2,37%;
- Tại đặc tính ngoài, tỉ lệ HES và EGR hợp lý là E5H5. Với tỉ lệ này suất tiêu hao nhiên liệu trung bình gia tăng so với động cơ NB, mặc dù một số thành phần phát thải có giảm nhưng tỉ lệ không cao, cụ thể suất tiêu hao nhiên liệu tăng 3,2% , NOx
giảm 2,72%, khói giảm 2%; HC giảm 4,7% CO giảm 2,9%;
- Ở tất cả các tỉ lệ luân hồi và bổ sung hydro hợp lý đều không xảy ra hiện tượng cháy sớm hoặc kích nổ khi nghiên cứu thực nghiệm;
Việc sử dụng EHSy cho động cơ diesel đang lưu hành là giải pháp khả thi và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao để giảm phát thải cho động cơ; phương pháp này góp phần giảm tiêu hao nhiên liệu trong khi hầu hết các phát thải độc hại của động cơ diesel có xu hướng giảm.
Hướng phát triển của đề tài:
- Thiết kế chế tạo hệ thống điện điều khiển tự động hệ thống EHSy để động cơ có thể làm việc một cách độc lập ổn định với mức phát thải thấp.
- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của thời điểm phun diesel, vị trí lắp đặt vòi phun hydro với các tỉ lệ EGR và bổ sung hydro khác nhau đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ sau chuyển đổi.
- Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của EHSy đến tính năng mài mòn, độ bền, tuổi thọ các chi tiết động cơ.
103
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Reşitoğlu, İbrahim Aslan, Altinişik, Kemal, and Keskin, Ali (2014), "The
pollutant emissions from diesel-engine vehicles and exhaust aftertreatment systems", Clean Technologies and Environmental Policy. 17(1), pp. 15-27.
2. Johnson, Timothy V (2006), "Diesel emission control in review", SAE Transactions, pp. 1-16.
3. W. Addy Majewski, Hannu Jääskeläinen (2019), Engine Emission Control,
dieselnet.com, accessed.
4. Schubiger, Raffael, Bertola, Andrea, and Boulouchos, Konstantinos (2001), "Influence of EGR on Combustion and Exhaust Emissions of Heavy Duty DI-
Diesel Engines Equipped with Common-Rail Injection Systems".
5. Mehta, PS, Pundir, BP, and Sharma, GK (2011), "NOx control technologies
for automotive vehicles, Technology Information Forecasting and Assessment Council Report", Collaborative Automotive R&D, Department of Science and
Technology, Government of India.
6. Banerjee, Rahul, Roy, Sumit, and Bose, Probir Kumar (2015), "Hydrogen-
EGR synergy as a promising pathway to meet the PM–NOx–BSFC trade-off contingencies of the diesel engine: A comprehensive review", International
Journal of Hydrogen Energy. 40(37), pp. 12824-12847.
7. Yang, Fuyuan and Ouyang, Minggao (2003), Experimental Research on EGR
in a Diesel Engine Equipped with Common Rail Injection System.
8. Magdi K. Khair, Hannu Jääskeläinen (2014), "Engine Design for Low
Emissions Exhaust Gas Recirculation", Exhaust Gas Recirculation DieselNet
Technology Guide.
9. REIFARTH, SIMON (2010), " EGR system for Diesel engines", Licentiate thesis.
10. Thangaraja, J. and Kannan, C. (2016), "Effect of exhaust gas recirculation on
advanced diesel combustion and alternate fuels - A review", Applied Energy.
180, pp. 169-184.
11. Nguyễn Lê Duy Khải, Nguyễn Minh Trí (2015), "Ảnh hưởng của hồi lưu khí
thải đến công suất và khí thải động cơ Diesel Vikyno -RV125-2 ", Science
and technology Development. 18 No.K7.
12. Uy, Đặng Văn (2017-2019), Xây dựng giải pháp xử lý khí độc hại trong khí
thải động cơ diesel thủy đáp ứng yêu cầu của công ước quốc tế MARPOL 73/78, Đề tài nghiên cứu khoa học học cấp bộ, Đại học Hàng Hải.
13. Hà, Khương Thị (2017), "Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén hỗn hợp
đồng nhất (HCCI) trong động cơ diesel", Luận án tiến sĩ(Đại học Bách khoa
104
14. Khair, Magdi K and Majewski, W Addy (2006), Diesel emissions and their control, SAE Technical Paper 978-0768006742.
15. Sher, Eran (1998), Handbook of air pollution from internal combustion engines: pollutant formation and control, Academic Press.
16. Asad, Usman and Zheng, Ming (2014), "Exhaust gas recirculation for
advanced diesel combustion cycles", Applied Energy. 123, pp. 242-252.
17. Selim, Mohamed YE (2003), "Effect of exhaust gas recirculation on some
combustion characteristics of dual fuel engine", Energy conversion and
management. 44(5), pp. 707-721.
18. Dishy, Ashier, et al. (1995), Controlling combustion and exhaust emissions in
a direct-injection diesel engine dual-fueled with natural gas, SAE Technical
Paper.
19. Maiboom, Alain, Tauzia, Xavier, and Hétet, Jean-François (2008), "Experimental study of various effects of exhaust gas recirculation (EGR) on
combustion and emissions of an automotive direct injection diesel engine",
Energy. 33(1), pp. 22-34.
20. Ladommatos, N, et al. (1996), The dilution, chemical, and thermal effects of
exhaust gas recirculation on diesel engine emissions-part 1: effect of reducing inlet charge oxygen, SAE Technical Paper.
21. Ladommatos, N, et al. (1997), The dilution, chemical, and thermal effects of
exhaust gas recirculation on diesel engine emissions-Part 3: effects of water vapour, SAE Technical Paper.
22. Ladommatos, N., et al. (1997), "The Dilution, Chemical, and Thermal Effects
of Exhaust Gas Recirculation on Diesel Engine Emissions - Part 4: Effects of Carbon Dioxide and Water Vapour", SAE Transactions. 106, pp. 1844-1862.
23. Ladommatos, N, et al. (1998), "The effects of carbon dioxide in exhaust gas
recirculation on diesel engine emissions", Proceedings of the Institution of
Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering. 212(1), pp. 25-42.
24. Ladommatos, Nicos, et al. (1998), The effects on diesel combustion and emissions of reducing inlet charge mass due to thermal throttling with hot EGR, SAE Technical Paper 980185.
25. Zheng, Ming, Irick, David K, and Hodgson, Jeffrey (2002), "Stabilizing
excessive EGR with an oxidation catalyst on a modern diesel engine", Internal
Combustion Engine Division Spring Technical Conference. 16885, pp. 119- 125.
26. Ishida, Akio, et al. (2001), "The development of the ECOS-DDF natural gas
engine for medium-duty trucks: exhaust emission reduction against base diesel engine", JSAE review. 22(2), pp. 237-243.
105
27. Zheng, Ming, Reader, Graham T., and Hawley, J. Gary (2004), "Diesel engine
exhaust gas recirculation––a review on advanced and novel concepts",
Energy Conversion and Management. 45(6), pp. 883-900.
28. Ladommatos, N, Abdelhalim, S, and Zhao, H (2000), "The effects of exhaust
gas recirculation on diesel combustion and emissions", International Journal
of Engine Research. 1(1), pp. 107-126.
29. Kanda, Tomohiro, et al. (2005), "PCCI operation with early injection of
conventional diesel fuel", SAE transactions, pp. 584-593.
30. Boyarski, Nicholas J and Reitz, Rolf D (2006), "Premixed compression
ignition (PCI) combustion with modeling-generated piston bowl geometry in a diesel engine", SAE Transactions, pp. 133-143.
31. Iwabuchi, Yoshinori, et al. (1999), "Trial of new concept diesel combustion
system-premixed compression-ignited combustion".
32. Xu, Min, Gui, Yong, and Deng, Kang-yao (2015), "Fuel injection and EGR
control strategy on smooth switching of CI/HCCI mode in a diesel engine",
Journal of the Energy Institute. 88(2), pp. 157-168.
33. Karim, G. (2003), "Hydrogen as a spark ignition engine fuel", International