1.3.2.1. Theo hướng tính toán lượng phát thải và các nhân tố ảnh hưởng
Ở trong nước nói chung, nghiên cứu nhằm xác định lượng phát thải do hoạt động của các phương tiện giao thông đã được các nhà khoa học và quản lý môi trường rất quan tâm trong những năm gần đây.
Công trình nghiên cứu về ngọn lửa khuếch tán bên ngoài động cơ của Bùi Văn Ga (Đại học Đà Nẵng) đã cho thấy ảnh hưởng của quá trình cháy và sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ diesel. Luận án tiến sĩ kỹ thuật của Trần Văn Nam (Đại học Đà Nẵng) đã đóng góp cho việc mô hình hóa động cơ đánh lửa cưỡng bức và tính toán động học phản ứng quá trình hình thành CO trong buồng cháy [16]. Luận án tiến sỹ kỹ thuật của Phạm Xuân Mai đã góp phần đưa mô hình ngọn lửa khuếch tán bên ngoài động cơ vào bên trong buồng cháy động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp và nghiên cứu quá trình hình thành bồ hóng của nó [14]. Luận án tiến sĩ kỹ thuật của Trần Thanh Hải Tùng đã góp phần nghiên cứu sự hình thành NOX trong quá trình cháy của động cơ diesel buồng cháy phân chia [21].
Đề tài tính toán mô phỏng cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiên phun trực tiếp cho động cơ có tỷ số nén cao của Lê Văn Tụy (Đại học Đà Nẵng) (2009) [25] đã xây dựng được mô hình tính toán hệ thống phun trực tiếp hai giai đoạn nhiên liệu khí thiên nhiên điều khiển bởi rơ le điện từ kép cho động cơ diesel, qua đó cho phép nâng cao hiệu suất nhiệt và công suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu hơn, đồng thời giảm thiểu tốt hơn ô nhiễm môi trường do các phương tiện giao thông gây ra.
17
cứu tính toán thành phần mol của sản vật cháy theo động học cân bằng và xác định hàm lượng các chất độc hại trong khí thải theo các phương trình phản ứng và giải bằng mô hình Zeldovich. Sau khi sử dụng một phần mềm máy tính để tính toán, tác giả đã xác định được hàm lượng NOx trong khí thải động cơ diesel khi thay đổi các biến số đầu vào khác nhau như tốc độ quay trục khuỷu, áp suất bắt đầu nâng kim phun, góc phun sớm.
Mức độ phát thải của các loại động cơ ô tô đã được nhóm nghiên cứu gồm Lê Anh Tuấn, Nguyễn Duy Vinh, Nguyễn Đức Khánh (Trường ĐH Bách khoa Hà Nội) (2009) [20] xác định bằng thực nghiệm tại phòng thí nghiệm động cơ thuộc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Kết quả là đã xác định được hệ số phát thải các chất độc hại của một số động cơ lắp trên các ô tô như Ford Laser, Ford Ranger, Toyota Innova, Toyota Prado.
Đối với động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu, việc tính toán phát thải dựa chủ yếu vào các kết quả thực nghiệm. Phạm Hữu Tuyến, Lê Anh Tuấn, Nguyễn Thế Trực (Trường ĐH Bách khoa Hà Nội) (2011) [2] đã tiến hành nghiên cứu tính toán thực nghiệm đo lượng phát thải của động cơ diesel lắp trên xe buýt. Kết quả thực nghiệm theo chu trình ECE R49 cho thấy, khi lắp thêm bộ hóa hơi giảm áp để phun LPG vào đường ống nạp, mức độ phát thải của một số chất độc hại trong khí thải như PM, NOx giảm đáng kể.
Ảnh hưởng của tốc độ động cơ và mức tải đến lượng phát thải của động cơ diesel - LPG đã được Mai Sơn Hải (Đại học Nha Trang) (2008) [9] nghiên cứu tính toán thực nghiệm trên một động cơ diesel có lắp thêm hệ thống cung cấp LPG. Kết quả nghiên cứu cho thấy đối với động cơ diesel - LPG khi hoạt động ở chế độ tải cao, độ khói giảm đáng kể, tuy nhiên một số thành phần khác như HC, CO tăng nhưng lượng tăng không đáng kể, giá trị vẫn nằm trong giới hạn cho phép.
Kết quả nghiên cứu của Trần Thanh Hải Tùng, Lê Minh Xuân (Đại học Đà Nẵng) (2005) [21] đã cho thấy ảnh hưởng của tỷ lệ hỗn hợp diesel - LPG
đến các thành phần khí thải của động cơ. Các tác giả cũng đã chỉ ra được những vấn đề kỹ thuật cần giải quyết khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG trên động cơ diesel.
Chu Mạnh Hùng (Bộ Giao thông Vận tải) (2006) [11] đã khảo sát thử nghiệm và đưa ra kết luận về khả năng giảm thiểu ô nhiễm môi trường của ô tô sử dụng nhiên liệu LPG, đồng thời khẳng định hiệu quả kinh tế của việc sử dụng khí hóa lỏng cho các loại ô tô ở Việt Nam.
Vũ An (Viện dầu khí Việt Nam) (2009) đã chủ trì cùng với nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giới thiệu một giải pháp cắt giảm phát thải khói đen cho động cơ xe buýt thông qua việc sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG. Nghiên cứu này hiện đang được tiếp tục thực hiện với mục đích đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sử dụng cho phương tiện giao thông [2].
Phạm Minh Tuấn, Lê Anh Tuấn (Trường ĐH Bách khoa Hà Nội) (2010) đã nghiên cứu khả năng giảm ô nhiễm môi trường của động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel làm từ mỡ cá basa và nhiên liệu khí hóa lỏng LPG. Kết quả nghiên cứu cho thấy nhiều ưu việt khi sử dụng các loại nhiên liệu thay thế này trên động cơ diesel.
1.3.2.3. Theo hướng nghiên cứu ứng dụng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel – LPG vào thực tế
Ở Việt Nam, nghiên cứu sử dụng LPG cho xe máy và ô tô con sử dụng xăng đã được thực hiện và công bố rộng rãi, tuy nhiên, các nghiên cứu đề cập đến việc sử dụng LPG trên động cơ diesel còn rất hạn chế.
Hiện đã có một số ứng dụng trong việc sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG trên ô tô nhằm giảm ô nhiễm môi trường không khí. Điển hình là nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - LPG trên ô tô buýt năm 2009 của Viện dầu khí Việt Nam [2]. Nghiên cứu này,
19
LPG thay thế tối ưu khoảng 26,5% nhiên liệu diesel, trong khi động cơ vẫn đạt được mômen và công suất cực đại. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, do sử dụng bộ điều khiển LPG đơn giản nên lưu lượng LPG hầu như không đổi theo các chế độ làm việc khác nhau của động cơ, dẫn đến thừa LPG ở chế độ tải thấp và không phát huy hết tính ưu việt của lưỡng nhiên liệu ở tải cao.
Nguyễn Quang Vinh (Công ty Cơ khí Ngô Gia Tự) (2008) [28] đã nghiên cứu tính năng và phát thải của động cơ diesel lắp trên xe buýt cỡ nhỏ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG. Kết quả thử nghiệm đã cho thấy mức độ giảm phát thải độc hại NOx và PM và khả năng duy trì công suất, mô men của động cơ nghiên cứu. Tuy nhiên, công trình này mới nghiên cứu ở mức tỷ lệ LPG thay thế thấp (dưới 19%) và chưa đánh giá ảnh hưởng của LPG đến các thành phần khí thải của xe.
Một số trường đại học cũng đã có những đề tài nghiên cứu thực nghiệm sử dụng động cơ diesel – LPG. Ví dụ, nghiên cứu ứng dụng khả năng sử dụng lưỡng nhiên liệu trên động cơ diesel cỡ nhỏ (động cơ 1 xy lanh) của nhóm nghiên cứu thuộc Trường ĐH Bách khoa Hà Nội, nghiên cứu quá trình cháy trong xy lanh động cơ diesel – LPG của nhóm tác giả Trường ĐH Đà Nẵng...
* Nhận xét: Ở trong nước đã có một số công trình nghiên cứu về động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG. Các kết quả bước đầu đã cho thấy tác dụng giảm thiểu lượng khí thải độc hại gây ô nhiễm môi trường của ô tô khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG, đặc biệt là khả năng giảm phát thải PM trên một số động cơ. Tuy nhiên, các công trình trong nước mới tập trung chủ yếu vào nghiên cứu trên một số động cơ lắp trên ô tô tải trọng lớn, máy tàu thủy và ô tô khách, chưa có công trình nghiên cứu hoàn thiện nào về tính toán khí thải của động cơ diesel-LPG lắp trên ô tô cỡ nhỏ.
1.4. Kết luận chương I
1. Cùng với sự tăng trưởng kinh tế của đất nước, số lượng phương tiện vận tải đường bộ cũng tăng lên một cách nhanh chóng, điều đó tạo ra sức ép
ngày càng lớn đối với môi trường không khí đặc biệt là ở các đô thị nơi có mật độ dân cư lớn và lưu lượng phương tiện tham gia giao thông cao.
2. Hiện tại môi trường không khí dọc theo các tuyến đường ở Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh đã bị ô nhiễm ở mức báo động, do vậy việc đặt vấn đề nghiên cứu nhằm giảm phát thải các chất độc hại từ các phương tiện vận tải sử dụng động cơ diesel chạy trong các thành phố ở Việt Nam hiện nay là rất cần thiết.
3. Trong các phương án nghiên cứu giảm sự phát thải các chất độc hại của động cơ diesel thì phương án sử dụng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel- LPG là một hướng nghiên cứu đang được các nhà khoa học quan tâm. Nhiều nước tiên tiến trên thế giới đã đầu tư tài chính, công sức cho nghiên cứu này.
4. Ở Việt Nam ứng dụng LPG cho động cơ đốt trong đã và đang được quan tâm nghiên cứu ngày càng nhiều, nhưng chưa chuyên sâu. Các kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng ở mức cho động cơ chạy bằng nhiên liệu LPG chứ chưa quan tâm tới việc tối ưu hóa hệ thống cung cấp nhiên liệu, quá trình cháy, hình thành các chất ô nhiễm.
Trên cơ sở kế thừa kết quả đạt được của các tác giả đi trước, luận án tập trung nghiên cứu, xây dựng phương pháp xác định lượng phát thải của động cơ diesel và động cơ diesel - LPG lắp trên xe ô tô. Đồng thời, đánh giá hiệu quả giảm phát thải độc hại của động cơ diesel khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG.
Sơ đồ chung về quá trình nghiên cứu của luận án được trình bày trên hình 1.9.
21
Hình 1.9. Sơ đồ chung về quá trình nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết Chọn phương pháp và thiết bị hòa trộn LPG vào diesel Xây dựng mô hình xác định các thành phần khí thải động cơ diesel - LPG Xây dựng mô hình xác định các thành phần khí thải động cơdiesel Thực nghiệm xác định các thành phần khí thải động cơ diesel và động cơ diesel - LPG So sánh độ chính xác của mô hình Đánh giá kết quả nghiên cứu.
Kết luận chung Hướng phát triển Khảo sát ảnh hưởng của các thông số đến thành phần khí thải Lựa chọn động cơ, thiết bị thử nghiệm Xác định lượng phát thải của động
cơ diesel và động cơ diesel - LPG
Lắp đặt thiết bị hòa trộn LPG vào động
Chương II
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ ĐỘNG CƠ DIESEL - LPG
2.1. Chọn phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel - LPG
2.1.1. Các phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel - LPG
2.1.1.1. Trộn nhiên liệu diesel với LPG dạng lỏng trước khi phun vào buồng đốt
Hệ thống cung cấp nhiên liệu loại này gồm có bình chứa khí hóa lỏng LPG áp suất cao, hệ thống van kết nối với bình chứa điều khiển lưu lượng khí hóa lỏng LPG, bộ trộn (hình 2.1) [41]. Hệ thống van điều tiết, kiểm soát lưu lượng được điều khiển bằng mô đun điều khiển trung tâm, căn cứ vào các tín hiệu từ các cảm biến của xe, theo nhu cầu nhiên liệu của động cơ.
Nhiên liệu diesel được nén bằng bơm và chứa trong bình áp lực cao trước khi đưa vào buồng trộn. Lượng diesel cung cấp được điều khiển bằng van kiểm soát lưu lượng và được điều khiển bởi bộ điều khiển điện tử.
Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống trộn nhiên liệu diesel - LPG ở dạng lỏng.
Nhiên liệu LPG ở dạng lỏng được đưa từ bình chứa qua các van điều khiển và trộn với diesel tại buồng trộn thành một hỗn hợp nhiên liệu lỏng, hỗn hợp này vẫn được duy trì áp suất và được bơm vào ống góp chung
Thùng chưá diesel
Bộ trộn diesel-LPG Van điều khiển
Bình chứa LPG Mô đun điều khiển
23
(commonrail) rồi qua vòi phun, phun vào buồng đốt.
Ưu điểm:
- LPG có thể trộn với diesel theo tỷ lệ khá cao, góp phần giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu diesel.
- Kết cấu động cơ diesel nguyên bản không bị thay đổi nhiều.
Nhược điểm:
- Khi tăng tốc độ vòng quay, động cơ làm việc không ổn định.
- Với tỷ lệ hòa trộn LPG cao thì tính bôi trơn của nhiên liệu sẽ giảm đi, dẫn đến những vấn đề liên quan đến mài mòn chi tiết, làm tăng chi phí bảo dưỡng sửa chữa động cơ.
2.1.1.2. Phun trực tiếp LPG lỏng vào buồng đốt
Nhiên liệu diesel và LPG được bơm cao áp nén với áp suất cao và phun vào buồng cháy của động cơ (hình 2.2) [57]. Có thể sử dụng vòi phun chung cho cả hai loại nhiên liệu (combi-injector), hoặc sử dụng hai vòi phun riêng biệt.
Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống phun trực tiếp LPG vào buồng đốt
1.Đầu phun kết hợp; 2. Đường dẫn nhiên liệu; 3. Điều khiển dầu; 4. Van xả; 5. Van khí; 6. Cung cấp khí có áp suất cao; 7. Bơm đôi; 8. Trục cam
1 2 3 5 4 6 7 8
Trường hợp sử dụng hai vòi phun riêng biệt cho LPG và diesel thì phải cải tạo động cơ rất phức tạp và tốn kém chi phí. Sử dụng vòi phun chung hai nhiên liệu thì vòi phun dễ bị mài mòn do đặc tính bôi trơn kém của LPG.
Ưu điểm:
- Kiểm soát được nồng độ hỗn hợp cháy. - Đáp ứng kịp thời mọi chế độ tải.
Nhược điểm:
- Dễ đóng băng làm tắc ống dẫn nhiên liệu LPG. - Bơm nhiên liệu LPG dễ bị hóa hơi và ngưng tụ. - Thiết bị điều khiển phức tạp.
2.1.1.3. Phun LPG vào đường ống nạp
Hiện nay phương pháp hòa trộn LPG với không khí trước khi phun hỗn hợp này vào buồng đốt được áp dụng khá phổ biến. Hệ thống cung cấp LPG bao gồm bình chứa LPG, bộ hóa hơi giảm áp và vòi phun LPG (hình 2.3) [67]. LPG từ bình chứa được đưa đến bộ hóa hơi giảm áp để giảm áp suất LPG xuống một giá trị phù hợp, bộ phận này sử dụng nhiệt của nước làm mát động cơ để tăng tốc độ hóa hơi LPG. Sau khi được hóa hơi giảm áp, LPG được dẫn qua các van điều khiển đến vòi phun và phun vào đường ống nạp động cơ. Tại đây LPG hơi hòa trộn với không khí từ máy nén của turbo tăng áp tạo thành hỗn hợp LPG-không khí trước khi đưa qua các họng hút đi vào buồng cháy của động cơ.
Ưu điểm:
- Kết cấu gọn nhẹ, lắp đặt đơn giản.
- Không phải cải tạo động cơ diesel nguyên bản. - Quá trình cháy hoàn toàn, hiệu suất cháy cao.
Nhược điểm:
- Tỷ lệ hòa trộn diesel - LPG không ổn định khi tốc độ và tải trọng động cơ thay đổi.
25
- Động cơ dễ bị cháy kích nổ khi tỷ lệ hòa trộn cao.
Hình 2.3. Sơ đồ hệ thống phun LPG vào đường ống nạp động cơ
1. Bình chứa LPG; 2. Van điện từ; 3. Bộ giảm áp hóa hơi; 4. Van tiết lưu; 5. Cảm biến tín hiệu áp suất nạp; 6. Vòi phun LPG
2.1.2. Chọn phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel - LPG
Căn cứ vào ưu nhược điểm của các phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel - LPG và để phù hợp với mục tiêu nghiên cứu, đề tài chọn phương án phun LPG vào đường ống nạp động cơ để khảo sát tính toán và thực nghiệm. Sơ đồ bố trí hệ thống cung cấp LPG vào động cơ diesel được trình bày trên hình 2.4.
LPG từ bình chứa được đưa đến bộ hóa hơi giảm áp, tại đây LPG bay hơi, áp suất giảm đến giá trị làm việc phù hợp. Vòi phun LPG và sensor thu tín hiệu áp suất được lắp vào đường ống nạp, trong quá trình hóa hơi, LPG sẽ thu nhiệt gây ra hiện tượng đóng băng nên cần phải có một nguồn nhiệt đưa vào để duy trì khả năng làm việc của bộ hóa hơi giảm áp. Để giải quyết vấn đề này, hai ống dẫn nước của thiết bị được lắp vào đường nước vào và ra két nước làm mát của động cơ, do đó sẽ bổ sung nhiệt hâm nóng bộ giảm áp hóa hơi, làm tăng tốc độ hóa hơi LPG và tránh hiện tượng đóng băng trong hệ thống.