5 10 15 20 25 30 1000 1500 2000 2500 3000 3500 B SE C ( M J /kW h) n (v/ph) 100% tay ga BSEC-A92 BSEC-CNG
Hình 3.12. So sánh BSEC chạy xăng và CNG ở đặc tính ngồi CNG ở đặc tính ngồi 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 B SE C ( M J /kW h)
Cơng suất động cơ (kW)
3000 v/ph
BSEC-A92 BSEC-CNG
Hình 3.13. So sánh BSEC chạy xăng và CNG ở các chế độ tải CNG ở các chế độ tải
61
3.6.2. So sánh thành phần phát thải độc hại
Kết quảtrên Hình 3.14 đến 3.21 thể hiện so sánh hàm lượng phát thải các chất
độc hại khi động cơ sử dụng nhiên liệu xăng và CNG.
0 50 100 150 200 250 300 1000 1500 2000 2500 3000 3500 C O ( g /kW h) n (v/ph) 100% tay ga CO-A92 CO-CNG Hình 3.14. So sánh phát thải CO khi chạy xăng và CNG ở đặc tính ngồi
0 50 100 150 200 250 0 10 20 30 40 C O ( g /kW h)
Công suất động cơ (kW)
3000 v/ph CO-A92
CO-CNG
Hình 3.15. So sánh phát thải CO khi chạy xăng và CNG ở các tải chạy xăng và CNG ở các tải
0 2 4 6 8 10 1000 1500 2000 2500 3000 3500 H C ( g /kW h) n (v/ph) 100% tay ga HC-A92 HC-CNG Hình 3.16. So sánh phát thải HC khi chạy xăng và CNG ở đặc tính ngồi
0 2 4 6 8 0 10 20 30 40 H C ( g /kW h)
Cơng suất động cơ (kW)
3000 v/ph HC-A92
HC-CNG
Hình 3.17. So sánh phát thải HC khi chạy xăng và CNG ở các chế độ tải chạy xăng và CNG ở các chế độ tải
62 0 2 4 6 8 10 12 1000 1500 2000 2500 3000 3500 N O x ( g /kW h) n (v/ph) 100% tay ga NOx-A92 NOx-CNG
Hình 3.18. So sánh phát thải NOx khi chạy xăng và CNG ở đặc tính ngồi chạy xăng và CNG ở đặc tính ngồi
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 10 20 30 40 N O x ( g /kW h)
Công suất động cơ (kW)
3000 v/ph NOx-A92
NOx-CNG
Hình 3.19. So sánh phát thải NOx khi chạy xăng và CNG ở các chế độ tải chạy xăng và CNG ở các chế độ tải
400 500 600 700 800 900 1000 1000 1500 2000 2500 3000 3500 C O 2 ( g /kW h) n (v/ph) 100% tay ga CO2-A92 CO2-CNG
Hình 3.20. So sánh phát thải CO2 khi chạy xăng và CNG ở đặc tính ngồi chạy xăng và CNG ở đặc tính ngồi
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 10 20 30 40 C O 2 ( g /kW h)
Công suất động cơ (kW)
3000 v/ph CO2-A92
CO2-CNG
Hình 3.21. So sánh phát thải CO2 khi chạy xăng và CNG ở các chế độ tải chạy xăng và CNG ở các chế độ tải
Phát thải độc hại CO, HC, NOX và CO2 đều giảm khi sử dụng CNG ở đường
đặc tính tốc độ cũng như đường đặc tính tải. Phát thải CO và CO2 giảm do nguyên nhân chính là sự khác biệt về cấu trúc nhiên liệu CNG và xăng. Thành phần chủ yếu của CNG là CH4 có tỷ lệ C/H nhỏ, trong khi nhiên liệu xăng có thành phần chính là Octane (C8H18) có tỷ lệ C/H lớn nên phát thải độc hại CO và CO2 giảm đáng kể, CO giảm tới 90% còn CO2 giảm từ 20 đến 50%. Kết quả này khá tương đồng với kết quả nghiên cứu của các tác giả khác trên thế giới [7,31,39,48].
Phát thải HC giảm mạnh từ 12 đến 96% tùy theo chế độ tải. Nguyên nhân chính là do hỗn hợp CNG và khơng khí được hịa trộn tốt hơn dẫn tới quá trình cháy
63
triệt để hơn, điều này cũng góp phần làm giảm phát thải CO. Một yếu tố nữa dẫn tới giảm phát thải HC cũng phải kểđến đó là nhiên liệu CNG cung cấp ở dạng khí nên sẽ giảm thiểu được phát thải HC sinh ra do cơ chế hấp thụ và giải phóng HC trên bề
mặt gương xylanh. Điều này cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu của Kato T [31]. Phát thải NOx được hình thành trong điều kiện nhiệt độ cao và thừa ơxy có xu
hướng giảm đáng kể, khoảng 68% ở đường đặc tính ngồi và giảm trung bình tới
90% trên đường đặc tính tải. Điều này cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu của Yujun Way [70]. Có thể giải thích ngun nhân giảm phát thải NOx là do tốc độ lan tràn màng lửa của CNG thấp hơn xăng nên quá trình cháy diễn ra chậm hơn làm tăng tổn thất nhiệt qua thành vách xylanh. Ngồi ra, CNG có nhiệt độ màng lửa nhỏ hơn của nhiên liệu xăng và có chỉ số Ocatane cao hơn xăng nên quá trình cháy trễ kéo dài hơn cũng làm giảm nhiệt độ quá trình cháy. Những yếu tốtrên đều dẫn tới kết quả là nhiệt độ q trình cháy giảm, từđó giảm phát thải NOX tương tựnhư kết quả nghiên cứu của Ting DSK [63].
3.7. Kết luận Chương 3
Nội dung thực hiện trong Chương 3 có thểđược tóm tắt như sau:
- Bộ điều khiển làm việc ổn định, cho phép người dùng tùy chỉnh được thời gian phun theo yêu cầu ở mỗi chếđộ thử nghiệm.
- Sử dụng bộ điều khiển cung cấp nhiên liệu CNG cho động cơ để tiến hành chạy thử nghiệm nhiên liệu CNG, kết quả cho thấy:
+ Cơng suất của động cơ có xu hướng giảm khoảng 19% khi sử dụng CNG.
+ Tính năng kinh tế khi sử dụng CNG giảm, suất tiêu hao năng lượng có ích
tăng trung bình 14% và 30% ởđường đặc tính ngồi và ở chếđộ tải bộ phận. + Tất cả các thành phần phát thải đều có xu hướng giảm; phát thải CO giảm tới 90%; phát thải HC giảm từ12 ÷ 96% tùy theo điều kiện làm việc; phát thải NOx giảm trung bình 68% ở chếđộ tồn tải, giảm tới 90% ởđường đặc tính tải 3000 v/ph; phát thải CO2 giảm từ20 đến 50%.
64
- Nhìn chung, ở các chếđộ thử nghiệm, động cơ vận hành bình thường, khơng có dấu hiệu rung giật. Tuy nhiên, do chưa điều chỉnh góc đánh lửa sớm nên ở
chếđộ tốc độ lớn quá trình cháy diễn ra muộn làm giảm tính năng kinh tế, kỹ
thuật của động cơ và nhiệt độ khí thải rất cao.
- Trên cơ sở phân tích đánh giá cho thấy, kết quả nghiên cứu của luận văn cũng khá tương đồng với các kết quả nghiên cứu của các tác giả khác trên thế
giới. Các thành phần phát thải độc hại có xu hướng giảm đáng kể; tính năng
kỹ thuật của động cơ có xu hướng giảm (mức độ giảm nhiều hơn so với các nghiên cứu của các tác giả khác); tính năng kinh tế giảm (do chưa điều chỉnh các thông số làm việc phù hợp với nhiên liệu).
65
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Kết luận chung:
Nội dung cơ bản của luận văn đã thực hiện bao gồm:
+ Phân tích, đánh giá các phương pháp cung cấp CNG cho động cơ xăng đang lưu hành, từ đó lựa chọn được phương pháp cung cấp nhiên liệu CNG theo nguyên
lý phun đa điểm vào đường nạp.
+ Lựa chọn mua được bộ phụ kiện cung cấp CNG cho động cơ gồm: vòi phun, bộ giảm áp, van điện từ của hãng LGC (Hồng Kông).
+ Thiết kế, chế tạo bộđiều khiển cung cấp CNG đảm bảo được các chếđộ làm việc của động cơ ở phạm vi trong phịng thí nghiệm.
+ Thử nghiệm cung cấp CNG bằng bộ điều khiển để đánh giá tính năng làm
việc và phát thải độc hại của động cơ, kết quả cho thấy:
- Cơng suất của động cơ có xu hướng giảm khoảng 19% khi sử dụng CNG. - Tính năng kinh tế khi sử dụng CNG giảm, suất tiêu hao năng lượng có ích
tăng trung bình 14% và 30% ởđường đặc tính ngồi và ở chếđộ tải bộ phận - Tất cả các thành phần phát thải đều có xu hướng giảm: phát thải CO giảm tới 90%; phát thải HC giảm từ 12 ÷ 96% tùy theo điều kiện làm việc; phát thải NOx giảm trung bình 68% ở chếđộ tồn tải, giảm tới 90% ởđường đặc tính tải 3000 v/ph; phát thải CO2 giảm từ20 đến 50%.
+ Từ những kết quả nghiên cứu nêu trên, có thể thấy việc chuyển đổi các động
cơ xăng đang lưu hành sang sử dụng nhiên liệu CNG làm giảm đáng kể các thành phần phát thải độc hại, góp phần giảm thiểu mức độ ô nhiễm môi trường. Việc chuyển đổi động cơ xăng đang lưu hành sang sử dụng nhiên liệu CNG là khả thi và
66
Hướng phát triển của đề tài:
Phương pháp cung cấp CNG vào đường nạp theo nguyên lý đa điểm rất phù hợp trên động cơ xăng đang lưu hành. Cần tiếp tục nghiên cứu để có thể áp dụng mơ hình này khơng chỉ trong phạm vi phịng thí nghiệm mà ứng dụng trên thực tế.
Bộđiều khiển cung cấp CNG là thiết bị hiệu quảđể xác định lượng nhiên liệu phun (thông qua thời gian mở kim phun) ở các chếđộ làm việc của động cơ. Trên cơ sởđó xác định được bộ dữ liệu thời gian phun hoàn thiện cho ECU điều khiển tự động cung cấp CNG dựa trên các tín hiệu cảm biến tốc độ, vị trí bướm ga, lưu lượng khí nạp…
Ngồi việc nghiên cứu, phát triển hệ thống điều khiển cung cấp CNG theo chế độ làm việc của động cơ, cần thực hiện các nghiên cứu liên quan tới hệ thống đánh
lửa hay hệ thống nạp thải để nâng cao chất lượng quá trình nạp, hình thành hỗn hợp và quá trình cháy của động cơ, từ đó nâng cao được tính năng kinh tế, kỹ thuật của
67
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Bùi Văn Ga, Trần Diễn (2006), So sánh đặc tính của động cơ 100cc khi chạy bằng xăng và bằng LPG với bộ phụ kiện DATECHCO-GA5, Tạp chí GTVT, số 7.
[2] Bùi Văn Ga, Trần Thanh Hải Tùng, Lê Văn Tụy, Hồ Tấn Quyền (2004), Sử
dụng nhiên liệu LPG trên xe gắn máy và xe bus cỡ nhỏ, Hội nghị Khoa học và công nghệ Đăng kiểm Việt Nam.
[3] Đinh Thị Ngọ, Nguyễn Khánh Diệu Hồng (2008), Nhiên liệu sạch và các quá trình xử lý trong hóa dầu, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[4] Mai Sơn Hải (2008), Bước đầu nghiên cứu khí hóa lỏng LPG trên động cơ
diesel cỡ nhỏ, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thủy Sản, số 4.
Tiếng Anh
[5] Roger Westerholm, Jacob Almén, Hang Li, Ulf Rannug, Åke Rosén (1992), 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,
pp. 79-90.
[6] A Das and H C Watson (1996), Development of a natural gas spark ignition engine for optimum performance, Proc.Instn. Mech Engrs, Vol. 211, Part D, D00496 IMech.
[7] Ali M. Pourkhesalian, et.al, (2010), Alternative fuel and gasoline in an SI engine: A comparative study of performance and emissions characteristics,
Fuel 89, pp. 1056–1063.
[8] Bade Shrestha SO, Narayanan G. (2008), Landfill gas with hydrogen addition-A fuel for SI engines, Fuel 87(17-18), pp. 3616-3626.
[9] Beck NJ, Barkhimer RL, Johnson WP, Wong HC, Gebert K. (1997), Evolution of heavy-duty natural gas engines-stoichiometric, carbureted and spark-ignited to lean-burn, fuel-injected and micro-pilot, SAE Paper 972665.
[10] Bing Liu, et.al, (2008), Experimental Study on Emissions of a Spark-Ignition
Engine Fueled with Natural Gas-Hydrogen Blends, Energy & Fuels, 22, pp. 273–277.
68
[11] Chen SK, Beck N J. (2001), Gas engine combustion principles and
applications, SAE 2001-01-2489.
[12] Cho HM, He B. (2007), Spark ignition natural gas engines - A review,
Energy Conversion and Management, 48 (2), pp. 608-618.
[13] Crookes RJ. (2006), Comparative bio-fuels performance in internal
combustion engines, Biomass & Bioenergy, 30, pp. 461-468.
[14] De C., D.B. Remo, V. Ramón, M.R. Vander, F. De Magalhaes and E.
Francisco (2003), Performance and emission analysis of the turbocharged spark ignition engine converted to natural gas, SAE Technical Paper 2003- 01-3726.
[15] Dondero L, Goldemberg J. (2005), Environmental implications of converting
light gas vehicles: The Brazilian experience, Energy Policy, 33(13), pp.1703- 1708.
[16] Durell, E., J. Allen, D. Law and J. Heath (2000), Installation and
development of a direct injection system for a bi-fuel gasoline and compressed natural gas engine, Proceeding of the ANGVA Conference, Yokohama, Japan.
[17] E. Porpatham, A. Ramesh, B. Nagalingam (2007), Effect of hydrogen
addition on the performance of a biogas fuelled spark ignition engine,
International Journal of Hydrogen Energy, Volume 32, Issue 12, pp. 2057-
2065.
[18] Einewall P, Tunesta P, Johansson B. (2005), Lean burn natural gas operation
vs. stoichiometric operation with EGR and a three way catalyst, SAE Paper 2005-01-0250.
[19] Evans RL, Blaszczyk J. (1997), A comparative study of the performance and
exhaust emissions of a spark ignition engine fuelled by natural gas and gasoline. Proc Inst Mech Eng Part D J Automob Eng, 211(1), pp. 39–47
[20] Ghazi A. Karim (2003), Hydrogen as a spark ignition engine fuel.
International Journal of Hydrogen Energy, 28, pp. 569 – 577.
[21] Haeng Muk Cho, Bang-Quan He (2007), Spark ignition natural gas engines-
A review, Energy Conversion and Management 48, pp.608–618, Science Direct.
[22] Hakan Bayraktar, Orhan Durgun (2005), Investigating the effects of LPG on
spark ignition engine combustion and performance, Energy Conversion and
Management, Volume 46, Issues 13-14, pp. 2317-2333.
69
characteristics of LPG powered four stroke SI engine under variable stroke length and compression ratio, Energy Conversion and Management, Volume 49, Issue 5, pp. 1193-1201
[24] Hassaneen AE, Varde KS, Bawady AH, Morgan AA. (1998), A study of the
flame development and rapid burn durations in a lean-burn fuel injected natural gas S.I. engine, SAE Paper 981384.
[25] Henham A, Makkar MK (1998), Combustion of simulated biogas in a dual-
fuel diesel engine, Energy Conversion and Management, 39 (16-18), pp. 2001-2009.
[26] Heywood JB (1988), Internal combustion engine fundamentals, McGraw-
Hill.
[27] Huang J, Crookes RJ (1998), Assessment of simulated biogas as a fuel for
the spark ignition engine, Fuel 77(15), pp. 1793-1801.
[28] J.A. Paravantis, D.A. Georgakellos (2007), Trends in energy consumption
and carbon dioxide emissions of passenger cars and buses, Technological
Forecasting and Social Change, Volume 74, Issue 5, pp. 682-707.
[29] Jayaratne ER, et.al, (2009), Particle and gaseous emissions from compressed
natural gas and ultralow sulphur diesel-fuelled buses at four steady engine loads, Science of The Total Environment 407(8), pp. 2845-952.
[30] Jinhua Wang, et.al, (2007), Combustion behaviors of a direct-injection
engine operating on various fractions of natural gas–hydrogen blends,
International Journal of Hydrogen Energy 32, pp. 3555 – 3564, Science
Direct.
[31] Kato K, Igarashi K, Masuda M, Otsubo K, Yasuda A, Takeda K, et.al,
(1999), Development of engine for natural gas vehicle, SAE Paper 1999-01- 0574.
[32] Kato T, Saeki K, Nishide H, Yamada T (2001), Development of CNG fueled
engine with lean burn for small size commercial van, JSAE Rev 2001, 22, pp. 365–368.
[33] King SR (1992), The impact of natural gas composition on fuel metering and
engine operational characteristics, SAE Paper 920593.
[34] Korakianitis T, et.al, (2004), One-disk nutating-engine performance for
unmanned aerial vehicles. Transactions of the ASME, Journal of
Engineering for Gas Turbines and Power 126(3), pp. 475-481.
[35] Le Anh Tuan, et.al, (2009), Experimental Findings of Biodiesel Fuels on
70
Automotive Conference APAC15.
[36] 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.
[37] M. Pourkhesalian, Amir H. Shamekhi, Farhad Salimi (2010), Alternative fuel
and gasoline in an SI engine - A comparative study of performance and emissions characteristics, Fuel 89, Issue 5, pp. 1056-1063.
[38] M.A. Kalam, H.H. Masjuki (2011), An experimental investigation of high
performance natural gas engine with direct injection. Energy, Volume 36, Issue 5, pp. 3563-3571.
[39] M.U. Aslam, et.al (2006), An experimental investigation of CNG as an
alternative fuel for a retrofitted gasoline vehicle, Fuel 85, pp. 717–724, Science Direct.
[40] Maher A. R. Sadiq Al-Baghdadi (2004), Effect of compression ratio,
equivalence ratio and engine speed on the performance and emission characteristics of a spark ignition engine using hydrogen as a fuel,
Renewable Energy, Volume 29, Issue 15, pp. 2245-2260.
[41] Mello P, et.al, (2006), Evaluation of the maximum horsepower of vehicles
converted for use with natural gas fuel. Fuel 85(14-15), pp. 2180-2186.
[42] Michael S.Graboski, et.al, (1997), Effect of fuel composition and altitude on
regulated emissions from lean-burn, closed-loop-1controlled natural gas engine, SAE paper 971707.
[43] Mtui PL, Hill PG (1996), Ignition delay and combustion duration with
natural gas fueling of diesel engines, SAE Paper 961933.
[44] Pham Huu Tuyen, et.al, (2011), The influences of waste cooking oil derived
biodiesel on diesel engine characteristics, The 5th SEATUC, Vietnam.
[45] Pischinger, S., M. Umierski and B. Hüchtebrock (2003), New CNG concepts
for passenger cars: High torque engines with superior fuel consumption, SAE
Technical Paper 2003-01-2264.
[46] Porpatham E, et.al, (2008), Investigation on the effect of concentration of
methane in biogas when used as a fuel for a spark ignition engine, Fuel 87(8- 9), pp. 1651-1659.
[47] Poulton, M.L. (1994), Alternative Fuels for Road Vehicles, Comp.
Mechanics Publications, UK.
71
and exhaust emissions of a spark ignition engine fuelled by natural gas and gasoline, Proc.Instn. Mech Engrs, Vol. 211, Part D, D00295, IMech.
[49] Research and Library Service Division (1997), A study on LPG as a fuel for
vehicles, Report RP05/96-97 requested by the Legislative Council Panel on Transport, HongKong.
[50] Reynolds CCO, Evans RL, Andreassi L, Cordiner S, Mulone V. (2005), The
effect of varying the injected charge stoichiometry in a partially stratified charge natural gas engine. SAE Paper 2005-01-0247.
[51] Richard L. Bechtold (1997), Alternative Fuels Guidebook - Properties,
Storage, Dispensing, and Vehicle Facility Modifications, SAE International.
[52] S. Lee, et.al, (2007), Handbook of alternative fuel technologies, Taylor &