Kết quả trên hình 4.17 thể hiện đặc tính ngoài của động cơ FAWDE- 4DX23 thử nghiệm trên băng thử động lực học cao ETC01 ở phòng thử nghiệm khí thải động cơ thuộc Trung tâm thử nghiệm khí thải phương tiện
111
giao thông cơ giới đường bộ (NETC) - Cục Đăng kiểm Việt Nam. Dựa trên kết quả thí nghiệm cho thấy động cơ đạt được mô men cực đại là 308,9 Nm tại tốc độ 2000 vg/ph và công suất cực đại là 82,03 kW tại tốc độ 2800 vg/ph. Như vậy, khi cho LPG thay thế nhiên liệu diesel, công suất động cơ tăng, ngược lại mô men giảm. Giá trị công suất và mô men nhận được từ thí nghiệm so với thông số kỹ thuật của nhà sản xuất được trình bày trong bảng 4.2.
Bảng 4.2. Kết quả đo công suất và mô men của động cơ diesel nguyên thủy
Thông số Đơn vị Kết quả TN Thông số KT của nhà SX
Sai lệch (%)
Công suất max KW 82,03 81 1,3
Mô men max Nm 308,9 320 - 3,5
Kết quả đo công suất, mô men và độ khói của động cơ được thể hiện trên hình 4.17 và 4.18.
Hình 4.17. Kết quả thí nghiệm đặc tính tốc độ ngoài của động cơ FAWDE- 4DX23
Hình 4.18. Quan hệ giữa lượng bồ hóng và tốc độ vòng quay của động cơ
Kết quả trong bảng 4.3 thể hiện các thành phần phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel nguyên thủy, trong đó các thành phần HC, NOX, CO nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn EURO 2, riêng lượng phát thải hạt PM vượt quá giới hạn tiêu chuẩn cho phép.
Bảng 4.3. Kết quả đo các thành phần phát thải của động cơ diesel
Thành
phần Đơn vị Giá trị Tiêu chuẩn
EURO 2 Kết luận
CO g/kW.h 1,502 4 Đạt
HC g/kW.h 0,179 1,1 Đạt
NOX g/kW.h 5,853 7 Đạt
PM g/kW.h 0,340 0,15 Không đạt
4.5.3. Đánh giá chất lượng phát thải của động cơ diesel khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG
4.5.3.1. Phát thải CO
Hình 4.19 thể hiện kết quả phát thải CO khi sử dụng diesel nguyên thủy và khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG. Kết quả cho thấy khi cho LPG
113
phun vào đường nạp động cơ thì phát thải CO tăng lên ở tất cả các chế độ thử nghiệm. Giá trị CO trung bình tại các chế độ có tỷ lệ LPG thay thế 20% diesel tăng gấp trên 2 lần so với giá trị CO khi sử dụng diesel nguyên thủy.
4.5.3.2. Phát thải HC
Hình 4.19. Phát thải CO ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49
Hình 4.20. Phát thải HC ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49
Diesel LPG_10 LPG_20 Diesel LPG_10 LPG_20
Kết quả trên hình 4.20 thể hiện phát thải HC của động cơ thử nghiệm khi sử dụng diesel nguyên thủy và khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel- LPG.Kết quả trên đồ thị cho thấy, khi phun LPG vào đường ống nạp động cơ diesel thì phát thải HC tăng, lượng tăng cao nhất ở chế độ LPG thay thế 20% lên tới 335%. HC và CO tăng là do hỗn hợp đồng nhất nhiên liệu và không khí quá nghèo, dưới giới hạn cháy nên không cháy hết hoặc màng lửa không lan đến kịp trong không gian buồng cháy.
4.5.3.3. Phát thải NOX
Kết quả trên hình 4.21 cho thấy, khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG thì hàm lượng NOX giảm. Ở chế độ LPG thay thế 10%, phát thải trung bình của NOX khi thử nghiệm theo chế độ ECE R49 giảm 2,8 %. Ở chế độ LPG thay thế 20%, phát thải trung bình của NOX giảm 4,2 %.
NOX giảm là do LPG khi hòa trộn với diesel sẽ làm giảm nhiệt độ ngọn lửa khi cháy, thời gian duy trì môi chất đã cháy ở nhiệt độ cao khi tiếp xúc với ngọn lửa được rút ngắn làm giảm quá trình hình thành NOX ở chế độ nhiệt độ cao.
Hình 4.21. Phát thải NOX ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49
Diesel LPG_10 LPG_20
115
4.5.3.4. Độ khói
Kết quả đo độ khói khi thí nghiệm ở chế độ LPG thay thế 10% và chế độ LPG thay thế 20% được trình bày trong bảng 4.4. Các kết quả cho thấy độ khói giảm ở tất cả các tốc độ của động cơ khi cho LPG phun vào đường ống nạp động cơ. Ở tốc độ cực đại của động cơ, độ khói giảm 33,6% khi LPG thay thế 20%. Mức giảm trung bình là 9,1% ở chế độ LPG thay thế 10% và 16,6% ở chế độ LPG thay thế 20% diesel.
Bảng 4.4. Kết quả đo độ khói của động cơ diesel - LPG
Độ khói ở 100% tải (1/m) Tốc độ động cơ (v/ph) Diesel Chế độ LPG_10 So sánh (%) Chế độ LPG_20 So sánh (%) 1000 0,394 0,379 -3,8 0,370 -6,1 1200 0,207 0,197 -4,8 0,187 -9,7 1400 0,142 0,134 -5,6 0,125 -12,0 1600 0,086 0,080 -6,9 0,077 -10,0 1800 0,068 0,062 -8,8 0,058 -14,7 2000 0,081 0,074 -8,4 0,068 -16,0 2200 0,120 0,110 -8,2 0,101 -15,9 2400 0,182 0,160 -12,0 0,142 -22,0 2600 0,252 0,217 -13,9 0,186 -26,2 2800 0,342 0,280 -18,1 0,227 -33,6 Trung bình -9,1 -16,6
Độ khói giảm là do khi phun LPG vào, tỷ lệ cacbon so với hyđro của LPG nhỏ hơn so với diesel, tức là khối lượng C trong nhiên liệu LPG thấp hơn so với diesel nên giảm khả năng hình thành bồ hóng, dẫn đến độ khói của động cơ diesel-LPG giảm so với động cơ diesel nguyên thủy.
diesel-LPG khác nhau được trình bày trên hình 4.22.
4.5.3.5. Phát thải trung bình
Phát thải trung bình theo chu trình thử ECE R49 của động cơ thí nghiệm thể hiện trên bảng 4.5.
Bảng 4.5. Phát thải trung bình của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-LPG
Thành phần Đơn vị 100% Diesel Chế độ LPG_10 Chế độ LPG_20 CO g/kW.h 1,502 2,701 3,85 HC g/kW.h 0,179 0,45 0,78 NOX g/kW.h 5,853 5,685 5,61 PM g/kW.h 0,341 0,291 0,268
Như vậy, khi tăng lượng LPG thay thế, hàm lượng phát thải NOX và PM giảm còn hàm lượng HC và CO tăng. Hiện tượng này là do LPG chiếm chỗ làm giảm không khí trong đường ống nạp gây nên hiện tượng cháy thiếu
Hình 4.22. Quan hệ giữa độ khói và số vòng quay của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-LPG
Diesel LPG_10 LPG_20 Diesel LPG_10 LPG_20
117
ôxy, tuy nhiên do có LPG nên tốc độ cháy của môi chất tăng, thời gian cháy nhanh với diesel được rút ngắn làm giảm NOX và muội than.
4.5.3.6. Công suất động cơ
Khi thử nghiệm, đề tài chỉ tiến hành điều chỉnh tỷ lệ diesel- LPG cung cấp cho động cơ để giữ nguyên công suất ở một chế độ, trong quá trình chạy theo chu trình với các chế độ thử khác nhau, công suất động cơ ở các mode có thể sai khác so với khi chạy diesel nguyên thủy. Bảng 4.6 trình bày kết quả đo công suất động cơ thử nghiệm, kết quả cho thấy khi phun LPG vào đường ống nạp động cơ diesel, công suất động cơ không thay đổi nhiều, Giá trị sai lệch trung bình là 3,2% ở chế độ LPG _10 còn ở chế độ LPG_20, mức độ sai lệch là 5,2%. Giá trị sai lệch này càng lớn sẽ phản ánh thực nghiệm có mức độ chính xác càng kém.
Bảng 4.6. Kết quả đo công suất của động cơ diesel - LPG
Công suất động cơ (KW) Mode Diesel LPG_10Chế độ So sánh (%) Chế độ LPG_20 So sánh (%) 1 0,252 0,246 -2,4 0,248 -1,6 2 5,300 5,130 -3,2 4,860 -8,3 3 13,00 11,50 -11,5 11,10 -14,6 4 25,90 25,20 -2,7 24,14 -6,8 5 38,80 37,20 -4,1 36,50 -5,9 6 55,20 55,17 -0,0 55,08 -0,2 7 0,252 0,246 -2,4 0,248 -1,6 8 82,10 81,60 -0,6 80,70 -1,7 9 61,80 60,20 -2,6 59,30 -4,0 10 41,40 41,40 0,0 39,40 -4,8 11 20,90 19,20 -8,1 18,40 -11,9 12 8,600 8,500 -1,2 8,200 -4,6 13 0,252 0,246 -2,4 0,248 -1,6 Trung bình -3,2 -5,2
4.5.4. Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm
4.5.1.1. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm đối với động cơ nguyên bản theo chu trình ECE R49
Hình 4.23 thể hiện công suất động cơ khi mô phỏng và thực nghiệm. Kết quả cho thấy công suất động cơ giữa thực nghiệm và mô phỏng sai lệch không nhiều. Giá trị công suất trung bình theo chu trình ECE R49 sai lệch là 1,4 %.
Hình 4.23. Kết quả so sánh công suất giữa mô phỏng và thực nghiệm của động cơ nguyên bản theo chu trình ECE R49
Bảng 4.7. Kết quả so sánh phát thải giữa mô phỏng và thực nghiệm của động cơ nguyên bản theo chu trình ECE R49
Thành phần Đơn vị Mô phỏng Thực nghiệm Sai lệch (%) CO g/kW.h 1,469 1,502 -2,2 NOX g/kW.h 5,654 5,853 -3,4 Bồ hóng/PM g/kW.h 0,299 0,341 -12,3
119
Bảng 4.7 thể hiện kết quả phát thải của động cơ FAWDE- 4DX23-110 tính theo chu trình ECE R49 khi mô phỏng và thực nghiệm. Kết quả cho thấy giá trị sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm đối với phát thải NOx và CO là không lớn, trong khi đó giá trị phát thải bồ hóng/PM sai lệch lên tới 12,3%. Sai lệch trên là do trong mô phỏng chỉ xác định được lượng PM thông qua các phản ứng hình thành bồ hóng của nhiên liệu cháy và phần trăm tỷ lệ dầu bôi trơn bị phân hủy. Tuy nhiên trong mô phỏng lại không đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố khác như: nhiên liệu, hiện tượng bơm dầu buồng cháy... Trong khi đó thực nghiệm xác định tất cả các thành phần tạo thành phát thải dạng hạt thông qua phương pháp cân lọc PM.
4.5.4.2. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm đối với động cơ diesel - LPG theo chu trình ECE R49
Kết quả so sánh phát thải trung bình giữa mô phỏng và thực nghiệm ở các chế độ với tỷ lệ hòa trộn diesel-LPG khác nhau được trình bày trong bảng 4.8. Các giá trị trong các bảng cho thấy, phát thải CO và NOX tính theo chu trình ECE R49 giữa mô phỏng và thực nghiệm sai lệch không nhiều. Giá trị sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm đối với phát thải CO ở các chế độ LPG thay thế 10% diesel là 3,5% và LPG thay thế 20% diesel là 3,9%.
Bảng 4.8. Kết quả so sánh phát thải giữa mô phỏng và thực nghiệm của động cơ diesel - LPG theo chu trình ECE R49
Thành phần Đơn vị Chế độ LPG_10 Chế độ LPG_20 Mô phỏng Thực nghiệm Sai lệch (%) Mô phỏng Thực nghiệm Sai lệch (%) CO g/kW.h 2,606 2,701 -3,5 3,699 3,850 -3,9 NOX g/kW.h 5,460 5,685 -3,9 5,305 5,610 -5,4 Bồ hóng/PM g/kW.h 0,249 0,291 -14,4 0,223 0,268 -16,7
Với NOx sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm ở chế độ LPG thay thế 10% diesel là 3,9% và ở chế độ LPG thay thế 20% diesel là 5,4%.
Giá trị phát thải bồ hóng/PM giữa mô phỏng và thực nghiệm ở chế độ LPG thay thế 10% diesel sai lệch là 14,4%, ở chế độ LPG thay thế 20% diesel sai lệch lên tới 16,7%.
Bảng 4.9. Kết quả so sánh công suất giữa mô phỏng và thực nghiệm của động cơ diesel - LPG theo chu trình ECE R49
Mode Chế độ LPG_10 Chế độ LPG_20 Mô phỏng Thực nghiệm Sai lệch (%) Mô phỏng Thực nghiệm Sai lệch (%) 1 0,251 0,246 -1,9 0,251 0,248 -1,2 2 5,40 5,13 -5,0 5,40 4,86 -10 3 13,17 11,50 -12,7 13,17 12,80 -2,8 4 26,02 25,20 -3,2 26,02 24,14 -7,2 5 39,08 37,20 -4,8 39,08 36,50 -6,6 6 56,80 54,80 -3,5 56,80 54,20 -4,6 7 0,25 0,25 -1,9 0,25 0,25 -1,2 8 85,06 81,60 -4,1 85,06 80,70 -5,1 9 62,59 60,20 -3,8 62,59 59,30 -5,3 10 42,12 41,40 -1,7 42,12 39,40 -6,5 11 21,12 19,20 -9,1 21,12 19,50 -7,6 12 8,57 8,50 -0,8 8,57 8,20 -4,3 13 0,25 0,25 -1,9 0,25 0,25 -1,2
Kết quả so sánh trên bảng 4.9 cho thấy, giá trị công suất động cơ FAWDE-4DX23-110 khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG giữa mô phỏng và thực nghiệm sai lệch không nhiều. Giá trị sai lệch lớn nhất về công
121
suất của động cơ theo chu trình ECE R 49 ở chế độ LPG thay thế 10% diesel là 12,7%, còn ở chế độ LPG thay thế 20% diesel là 10%.
Kết quả sai lệch về công suất và các thành phần khí thải của động cơ giữa mô phỏng và thực nghiệm là có thể chấp nhận được, như vậy mô hình khảo sát lý thuyết là hoàn toàn có thể tin cậy được.
4.6. Kết luận chƣơng IV
1. Luận án đã lựa chọn hệ thống cung cấp LPG phù hợp và lắp đặt hệ thống này vào động cơ diesel FAWDE 4DX23-110.
2. Luận án đã tiến hành thí nghiệm xác định các thành phần khí thải của động cơ khi sử dụng diesel và lưỡng nhiên liệu diesel-LPG trên hệ thống trang thiết bị thí nghiệm hiện đại.
3. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm động cơ diesel FAWDE 4DX23-110 có lắp thêm hệ thống cung cấp LPG trên băng thử khí thải hiện đại với độ chính xác cao ETC01 thuộc phòng thử nghiệm khí thải động cơ hạng nặng, Trung tâm thử nghiệm khí thải phương tiện giao thông cơ giới đường bộ (NETC) - Cục Đăng kiểm Việt Nam cho thấy:
Khi phun LPG vào đường ống nạp động cơ diesel thí nghiệm thì: - Độ khói giảm ở tất cả các tốc độ làm việc của động cơ.
- CO và HC tăng nhưng vẫn đạt tiêu chuẩn EURO II. - Lượng giảm NOx là 4,2 % khi LPG thay thế 20% diesel. - Lượng giảm PM là 21,4 % khi LPG thay thế 20% diesel.
4. Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm sai khác nhau không nhiều, điều này cho thấy việc sử dụng phần mềm AVL-BOOST để tính toán các thành phần phát thải của động cơ diesel thí nghiệm và động cơ diesel - LPG là chấp nhận được.
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ I. Kết luận chung
1. Động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG là một trong những 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. 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. Đề tài này đã nghiên cứu một cách tổng quan về quá trình cháy của động cơ diesel-LPG và xác định thành phần khí thải phát tán vào môi trường.
2. Đề tài đã xây dựng được mô hình tính toán phát thải của động cơ diesel tăng áp FAWDE 4DX23-110 khi sử dụng nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu diesel – LPG trên phần mềm AVL BOOST. Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm sai khác nhau không nhiều, điều này cho thấy việc sử dụng phần mềm AVL-BOOST để tính toán các thành phần phát thải của động cơ diesel - LPG là một giải pháp đúng đắn.
3. Đề tài đã lựa chọn và lắp đặt hoàn chỉnh bộ cung cấp LPG lên động cơ diesel tăng áp FAWDE 4DX23-110 để chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG. Việc lắp đặt thêm hệ thống cung cấp LPG không làm thay đổi kết cấu của động cơ nguyên bản.
4. Kết quả thực nghiệm trên băng thử đồng bộ về khí thải hiện đại của hãng AVL (Áo) tại Trung tâm thử nghiệm khí thải quốc gia cho thấy: Khi LPG thay thế 20% diesel, Độ khói giảm ở tất cả các tốc độ làm việc của động cơ, CO và HC tăng nhưng vẫn đạt tiêu chuẩn EURO II, lượng giảm NOx là 4,2 %, lượng giảm PM là 21,4 %.
123
II. Kiến nghị
Trên cơ sở các kết quả đã nghiên cứu, luận án có một số kiến nghị sau: