4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.6 Phân tích hiệu suất tổng thể của động cơ và phát thả
Trong phần này, hiệu suất tổng thể của động cơ và lượng khí thải ra khỏi động cơ của các phương pháp kiểm sốt q trình đốt cháy động cơ khác nhau đã được phân tích bằng cách tính đến việc tiêu thụ dung dịch urê dạng nước trong hệ thống SCR. Hiệu quả của chu trình Miller vận hành với iEGR và eEGR đã được ước tính và so sánh với trường hợp cơ sở tối ưu. Hình 9 cung cấp một đánh giá tổng thể về tiềm năng của chu trình Miller vận hành với iEGR và eEGR về lượng khí thải, hiệu suất động cơ và tổng lượng chất lỏng tiêu thụ của một động cơ diesel hoạt động ở mức tải động cơ thấp. Kết quả của các phương pháp kiểm soát quá
trình đốt cháy khác nhau được so sánh khi SOI được tối ưu hóa để đạt được NIE tối đa. Trường hợp cơ sở tối ưu được đặc trưng với EGT thấp là 157 °C và NIE là 42,1% cũng như mức độ phát thải NOx và bồ hóng cao, và do đó mức cao nhất trong tổng lượng chất lỏng tiêu thụ là 0,87 kg / h. Có thể thấy rằng mức tiêu thụ urê cần thiết trong hệ thống SCR có mối liên hệ chặt chẽ với mức độ phát thải NOx của động cơ. Việc giảm phát thải NOx từ động cơ bằng cách sử dụng các phương pháp kiểm soát đốt cháy dựa trên chu trình Miller tiên tiến đã giảm thiểu đáng kể yêu cầu về tiêu thụ urê.
So với hoạt động của động cơ cơ bản, chu trình Miller được tối ưu hóa kết hợp với iEGR đã tăng nhẹ NIE và giảm lượng khí thải NOx. Trong khi đó, lượng phát thải bồ hóng đã giảm đáng kể. Tuy nhiên, EGT thấp hơn mức yêu cầu tối thiểu là 200 °C, mặc dù EGT đã tăng lên. Việc đưa ra mức eEGR vừa phải là 26% đã đạt được NIE cao hơn và lượng khí thải NOx thấp hơn, góp phần làm giảm đáng kể tổng lượng chất lỏng tiêu thụ do lượng tiêu thụ nhiên liệu và urê thấp hơn. Tuy nhiên, phương pháp này với SOI được tối ưu hóa tạo ra tác động khơng đáng kể đến EGT, vẫn thấp hơn yêu cầu tối thiểu. Tốt hơn là việc bổ sung eEGR cao hơn 44% đã đạt được EGT cao hơn là 225 °C và NIE là 43,1% trong khi giảm đáng kể lượng phát thải NOx xuống 0,5 g / kWh. Tuy nhiên, những điều này đi kèm với sự gia tăng phát thải muội than, HC chưa cháy và CO. Ngồi ra, chu trình Miller với eEGR là 44% và khơng có iEGR đạt NIE cao nhất là 43,7% và tổng lượng chất lỏng tiêu thụ thấp nhất là 0,83 kg / h trong khi tăng EGT lên 216 °C. Trong khi đó, lượng phát thải bồ hóng đã giảm xuống dưới 0,01g / kWh, nhưng với sự gia tăng lượng khí thải HC và CO chưa cháy. Nồng độ CO và HC chưa cháy cao hơn một chút có thể góp phần làm tăng thêm EGT khi chúng bị oxy hóa trong DOC, hoạt động từ 200 đến 450 °C [8,34].
Hình 9. So sánh hiệu suất tổng thể của động cơ và lượng khí thải ra khỏi động cơ cho các phương pháp khác nhau trong điều kiện đạt được NIE tối đa.
5. KẾT LUẬN
Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của chu trình Miller vận hành với iEGR và eEGR đến quá trình đốt cháy động cơ, hiệu suất và lượng khí thải đã được khảo sát. Các thí nghiệm được thực hiện trên động cơ diesel HD hoạt động ở tải động cơ nhẹ điển hình là 2,2 bar IMEP với nhiệt độ khí thải thấp dưới 200 °C. Mục đích của nghiên cứu là khám phá các phương pháp kiểm sốt q trình đốt cháy thay thế như là phương tiện để vượt qua những thách thức mà các động cơ diesel HD hiện tại đang hoạt động ở tải động cơ thấp, chẳng hạn như EGT cao khơng đủ để chuyển đổi khí thải hiệu quả, hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu thấp và động cơ thải ra cao khí thải. Cả chu trình Miller và hoạt động iEGR đều được thực hiện nhờ hệ thống VVA. Phương pháp phun nhiên liệu diesel và EGR bên ngoài được làm mát đã đạt được
tương ứng thơng qua EGR vịng áp suất cao và hệ thống phun nhiên liệu đường ray chung. Các phát hiện chính có thể được tóm tắt như sau:
1. Các phương pháp như SOI bị trễ, điều tiết lượng khí nạp và iEGR có thể tăng EGT để đạt yêu cầu tối thiểu 200 °C, nhưng các phương pháp này làm giảm hiệu suất chỉ định rịng (NIE) do q trình đốt cháy muộn đáng kể và tổn thất bơm cao hơn tương ứng. 2. Quá trình vận hành theo chu trình Miller cho phép EGT cao hơn mà ít ảnh hưởng đến
NIE, nhưng nhiệt độ khí đốt trong xi lanh thấp hơn dẫn đến lượng khí thải HC và CO chưa cháy cao hơn. Chu trình Miller với iEGR có thể cải thiện q trình đốt cháy và do đó giảm lượng khí thải HC và CO, nhưng khả năng giảm thiểu phát thải NOx của nó rất hạn chế, đặc biệt là khi SOI được tối ưu hóa để đạt được NIE tối đa.
3. Việc áp dụng mức eEGR vừa phải là 26% trên chu trình Miller với vận hành iEGR tạo ra tác động không đáng kể đến quá trình đốt cháy động cơ, hiệu suất và lượng khí thải (ngoại trừ lượng khí thải NOx). Tuy nhiên, khi tăng eEGR lên 44%, EGT đã tăng lên đáng kể với NIE cao hơn và lượng khí thải NOx thấp hơn đáng kể. Những điều này đạt được khi lượng muội than, HC chưa cháy và CO phát thải tăng lên.
4. Khi so sánh ở SOI được tối ưu hóa của các phương pháp kiểm sốt q trình đốt cháy khác nhau, chu trình Miller vận hành với iEGR và eEGR đã đạt được NIE cao hơn và lượng khí thải NOx ra động cơ thấp hơn, góp phần giảm tổng mức tiêu thụ chất lỏng (nhiên liệu và urê). Trong khi đó, EGT đã tăng lên đáng kể và lượng muội than giảm đáng kể khi so sánh với hoạt động của động cơ cơ bản.
5. Trong số các phương pháp này được nghiên cứu, chu trình Miller vận hành với eEGR là 44% và iEGR đạt EGT cao nhất là 225 °C và phát thải NOx thấp nhất là 0,5 g / kWh. Ngồi ra, chu trình Miller vận hành với eEGR là 44% và khơng có iEGR đã đạt được NIE cao nhất là 43,7% và tổng mức tiêu thụ chất lỏng thấp nhất là 0,83 kg / h đồng thời tăng EGT lên 216 °C và giảm lượng phát thải muội than xuống dưới 0,01 g / kWh. Tuy nhiên, các phương pháp này tạo ra mức khí thải HC và CO chưa được đốt cháy cao hơn so với các chế độ vận hành động cơ khác.
6. Nhìn chung, các chiến lược như vận hành theo chu trình Miller với eEGR và iEGR được xác định là các phương tiện hiệu quả để quản lý EGT và kiểm sốt khí thải cũng như cải thiện hiệu quả khi vận hành tải thấp, giảm thiểu đáng kể tổng mức tiêu thụ chất lỏng và có khả năng tuân thủ hiệu quả nhiên liệu trong tương lai và quy định phát thải NOx siêu thấp.
Các tác giả xin cảm ơn Công ty Máy móc Yuchai Quảng Tây đã hỗ trợ và tài trợ cho dự án này được thực hiện tại Đại học Brunel London.