v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
4.5 Kết luận chƣơng 4
Qua nghiên cứu thực nghiệm động cơ diesel AVL-5402 trang bị hệ thống nhiên liệu tích áp và động cơ diesel D1146TI trang bị hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel, có thể rút ra một số kết luận sau:
- Quá trình lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG trên hai loại động cơ không phải thay đổi kết cấu của động cơ.
- Thông qua kết quả đánh giá tiêu thụ nhiên liệu, phát thải và đặc tính cháy của hỗn hợp trong xilanh động cơ, có thể thấy rằng, để có quá trình cháy hiệu quả nhất, áp suất phun LPG cần thay đổi theo chế độ làm việc của động cơ và ở chế độ tải 100%, lựa chọn áp suất phun LPG 1,5 bar là hợp lý nhất.
- Đã nghiên cứu và lựa chọn được tỷ lệ cung cấp LPG phù hợp trên động cơ, đối với động cơ AVL 5402 ở 100% tải có thể lựa chọn tối đa 30% LPG thay thế diesel, còn đối với động cơ D1146TI thì tỷ lệ này là 17,81%.
- Đã đánh giá được ảnh hưởng của nhiên liệu LPG khi động cơ làm việc ở chế độ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel đến phát thải của động cơ, cụ thể như sau:
+ Đối với động cơ diesel D1146TI sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống chuyển sang chạy LPG/diesel: Theo chu trình thử Châu Âu ECE R49, hàm lượng phát thải khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel so với sử dụng đơn nhiên liệu diesel thay đổi như sau: phát thải HC và CO tăng tương ứng 10,2% và 11,7%, CO2 giảm 5,8%, NOx giảm 3% và đặc biệt chất thải hạt PM giảm đáng kể tới gần 20%.
+ Đối với động cơ diesel AVL 5402 trang bị hệ thống nhiên liệu tích áp chạy LPG/diesel: Ở tỷ lệ LPG 30%, nồng độ trung bình của HC và NOx tăng tương ứng là 643,14%, và 48,58%, CO2 giảm 5,93%, CO giảm 56,07% và Smoke giảm 52,26% so với khi chạy đơn nhiên liệu diesel.
+ Đã xác định được góc phun sớm tối ưu khi động cơ chuyển sang sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel, đối với động cơ AVL 5402 và động cơ D1146TI ở chế độ 100% tải góc phun sớm tối ưu nên lựa chọn giảm tương ứng là 40
TK và 30TK so với góc phun sớm tối ưu của trường hợp chạy đơn nhiên liệu diesel.
- Quá trình lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG trên ô tô rất thuận lợi và dễ dàng, không làm ảnh hưởng đến kết cấu chung của ô tô.
- Trong tất cả các chế độ làm việc ổn định và chuyển tiếp, xe hoạt động bình thường không có khác biệt so với khi sử dụng đơn nhiên liệu diesel.
-145-
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Kết luận
Đề tài đã rút ra được các kết luận sau đây:
1. Việc sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel trên động cơ diesel hiện hành là rất khả thi. Phương pháp cung cấp LPG bằng cách phun vào đường nạp của động cơ là phù hợp nhất và mang tính thực tiễn cao, không yêu cầu phải thay đổi kết cấu động cơ.
2. Kết quả nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm sử dụng LPG trên động cơ diesel hiện hành đã đánh giá được sự ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế đến tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải độc hại và các thông số điều chỉnh tối ưu của động cơ, từ đó định hướng được việc sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel trên động cơ. Cụ thể là:
Đối với động cơ diesel AVL 5402 trang bị hệ thống nhiên liệu tích áp (động cơ diesel trang bị hệ thống nhiên liệu tích áp) chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel:
- Với tốc độ trên 50% tốc độ định mức, tổng lượng nhiên liệu tiêu thụ và suất tiêu hao năng lượng giảm nhiều khi tăng tỷ lệ LPG thay thế. Ví dụ ở tốc độ thiết kế 3000v/ph, với tỷ lệ LPG thay thế 30% và tổng nhiên liệu tiêu thụ giảm tới 9,41%; với tỷ lệ LPG thay thế 10%, 20%, 30%, suất tiêu hao năng lượng giảm tương ứng là 2,8%; 5,4% và 7,71% so với khi chạy đơn nhiên liệu diesel. Điều này nói lên rằng hiệu suất động cơ tăng khi tăng tỷ lệ LPG thay thế.
- Càng tăng tỷ lệ LPG thay thế thì HC và NOx càng tăng trong khi CO, Smoke và CO2 càng giảm. Ở chế độ toàn tải, với tỷ lệ LPG thay thế 30%, nồng độ trung bình của HC và NOx tăng tương ứng khoảng 500%-643,14% và 48,58%-49,67%; nồng độ CO giảm 46,54%-56,07%; Smoke giảm 34,23-52,26% và CO2 giảm 5,93% so với khi chạy đơn nhiên liệu diesel. Tỷ lệ LPG thay thế diesel có thể đạt tới 30% ở toàn tải, vượt quá tỷ lệ này, tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ có thể sẽ xấu đi, xuất hiện kích nổ và rung.
- Cần giảm góc phun sớm so với khi sử dụng đơn nhiên liệu diesel để đạt các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải tốt hơn. Ví dụ, ở toàn tải góc phun sớm nên giảm 4oTK.
Đối với động cơ diesel D1146TI trang bị hệ thống nhiên liệu truyền thống (động cơ diesel hiện hành trang bị hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu truyền thống):
- Càng tăng tỷ lệ LPG thay thế thì HC và CO càng tăng trong khi NOx, PM vàCO2
càng giảm. Theo chu trình thử Châu Âu ECE R49, lượng HC và CO tăng tương ứng 10,2% và 11,7%, NOx giảm 3%, hàm lượng chất thải hạt PM giảm gần 20% và CO2 giảm 5,8%. Tỷ lệ LPG thay thế ở toàn tải đạt tới 17,81%.
- Ở chế độ toàn tải góc phun sớm nên điều chỉnh giảm 3oTK so với khi chạy đơn nhiên liệu diesel.
3. Đề tài đã nghiên cứu và chế tạo thành công bộ điều khiển điện tử điều khiển phun LPG phù hợp với mục đích của đề tài và có khả năng ứng dụng vào thực tế. Đồng thời đề tài cũng đã chế tạo được một số bộ phận trong hệ thống điều khiển và cung cấp nhiên liệu
-146-
LPG phù hợp với điều kiện hiện tại ở Việt Nam.
4. Đề tài đã đánh giá được ảnh hưởng của áp suất phun LPG tới đặc tính làm việc của động cơ, từ đó đưa ra được áp suất phun LPG phù hợp khi sử dụng nhiên liệu này trên động cơ diesel.
5. Đề tài cũng đã đánh giá sơ bộ được sự hoạt động bình thường của xe lắp động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel ở các chế độ làm việc khác nhau, không có sự khác biệt rõ ràng so với khi sử dụng đơn nhiên liệu diesel.
Hƣớng phát triển
Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của lưỡng nhiên liệu LPG/diesel đến độ bền và tuổi thọ của động cơ.
Triển khai thử nghiệm trên đường một cách sâu rộng trên các phương tiện vận tải thông dụng và đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ khi vận hành với lưỡng nhiên liệu LPG/diesel trong điều kiện thực tế.
-147-
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Kiều Đình Kiểm, Các sản phẩm dầu mỏ và hóa dầu. NXB KHKT, Hà Nội 2005. [2] Murillo, S. et al. LPG: Pollutant emission and performance enhancement for spark-
ignition four strokes outboard engines. Applied Thermal Engineering, vol. 25 (2005) p1882–1893.
[3] Domnina Razusa, et.al. Explosion characteristics of LPG–air mixtures in closed vessels, Journal of Hazardous Materials 165 (2009) 1248–1252.
[4] Kihyung Lee, Jeaduk Ryu, An experimental study of the flame propagation and combustion characteristics of LPG fuel, Fuel 84 (2005) 1116–1127.
[5] Hakan Ozcan, Jehad A.A. Yamin. Performance and emission characteristics of LPG powered four stroke SI engine under variable stroke length and compression ratio. Energy Conversion and Management, Vol. 49, (2008), p1193-1201.
[6] P. Nhi. Khí LPG sẽ đạt mức kỷ lục 260 triệu tấn trong năm 2013. Báo Diễn đàn doanh nghiệp, 8-7-2013.
[7] Baosheng Liang, et. al., LPG characterization and production quantification for oil and gas reservoirs, Journal of Natural Gas Science and Engineering 2 (2010) 244- 252.
[8] Sulaiman, M. Y., Ayob, M. Ra and Meran. Performance of Single Cylinder Spark Ignition Engine Fueled by LPG, Procedia Engineering, vol. 53 ( 2013 ) p579 – 585. [9] Hakan Bayraktar, Orhan Durgun, Investigating the effects of LPG on spark ignition
engine combustion and performance, Energy Conversion and Management, vol.46 (2005) p2317–2333.
[10] M. Ihsan Karamangil, Development of the auto gas and LPG-powered vehicle sector in Turkey: A statistical case study of the sector for Bursa, Energy Policy 35 (2007) 640–649.
[11] Massimo Masi, Experimental analysis on a spark ignition petrol engine fuelled with LPG (liquefied petroleum gas), Energy, vol. 41 (2012), p 252-260.
[12] M.A. Ceviz, F. Yu¨ ksel, Cyclic variations on LPG and gasoline-fuelled lean burn SI engine, Renewable Energy 31 (2006) 1950–1960.
[13] Gyeung Ho Choi, Seok Choum Bae, A study on the characteristics of cumbustion with butan and propan in a retrofitted diesel engine, IMechE, 218, part D, p915. [14] Mohamed Ali Jemni, Gueorgui Kantchev, Mohamed Salah Abid, Influence of intake
manifold design on in-cylinder flow and engine performances in a bus diesel engine converted to LPG gas fuelled, using CFD analyses and experimental investigations, Energy 36 (2011) 2701-2715.
[15] Barıs Erkus, Ali Sürmen, A comparative study of carburation and injection fuel supply methods in an LPG-fuelled SI engine,Fuel 107 (2013) 511–517.
[16] J. W. Lee, H. S. Do, S. I. Kweon, K. K. Park And J. H. Hong, Effect of various LPG supply systems on exhaust particle emission in spark-ignited combustion engine, International Journal of Automotive Technology, Vol. 11, No. 6, pp.793−800 (2010). [17] Emad Elnajjar, Mohammad O. Hamdan, Mohamed Y.E. Selim, Experimental
investigation of dual engine performance using variable LPG composition fuel, Renewable Energy 56 (2013) 110-116.
[18] Cha-Lee Myung, et. al. Comparative study of regulated and unregulated toxic emissions characteristics from a spark ignition direct injection light-duty vehicle
-148-
fueled with gasoline and liquid phase LPG (liquefied petroleum gas), Energy, Vol. 44, (2012), p189-196.
[19] Juwon Kim, Kwanhee Choi, Cha-Lee Myung, Simsoo Park, Experimental evaluation of engine control strategy on the time resolved THC and nano-particle emission characteristics of liquid phase LPG direct injection (LPG-DI) engine during the cold start,Fuel Processing Technology, vol. 106 (2013), p166–173.
[20] Cha-Lee Myung, Juwon Kim, Kwanhee Choi, In Goo Hwang, Simsoo Park, Comparative study of engine control strategies for particulate emissions from direct injection light-duty vehicle fueled with gasoline and liquid phase liquefied petroleum gas (LPG), Fuel 94 (2012) 348–355.
[21] Phạm Quốc Thái, Phan Minh Đức, Nguyễn Văn Minh Trí, Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển phun LPG cho động cơ đốt cháy cưỡng bức; Tạp chí Khoa học – Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, Số 4 (33) 2009.
[22] M. Gumus, Effects of volumetric efficiency on the performance and emissions characteristics of a dual fueled (gasoline and LPG) spark ignition engine, Fuel Processing Technology 92 (2011) 1862–1867.
[23] Philip Price, Shengmin Guo, Martin Hirschmann, Performance of an evaporator for a LPG powered vehicle,Applied Thermal Engineering 24 (2004) 1179–1194.
[24] Heywood, J. B. (1988). Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw Hill, New York.
[25] Xin Wang, Yunshan Ge, Linxiao Yu, Xiangyu Feng. Comparison of combustion characteristics and brake thermal efficiency of a heavy-duty diesel engine fueled with diesel and biodiesel at high altitude. Fuel, Vol. 107, (2013), p852-858.
[26] Burtscher, H., Physical characterization of particulate emissions from diesel engines: a review. Journal of Aerosol Science, Vol. 36, (2005), p896-932.
[27] Niculae Negurescu, Constantin Pana and Alexandru Cernat, Theoretical and Experimental Investigations on the LPG Fuelled Diesel Engine, SAE-China and FISITA, Proceedings of the FISITA 2012 World.
[28] Saleh, H.E., Effect of variation in LPG composition on emissions and performance in a dual fuel diesel engine, Fuel 87 (2008), p3031–3039.
[29] Lata, D.B., Ashok Misra, S. Medhekar. Effect of hydrogen and LPG addition on the efficiency and emissions of a dual fuel diesel engine. International journal of hydrogen energy, vol. 37 (2012), p6084-6096.
[30] Donghui et al, Experimental studies on the combustion characteristics and performance of a direct injection engine fuelled with a LPG/diesel blend,
Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, vol. 219, (2005), part D, p253-261.
[31] Cao et al, Comparative investigation of diesel and mixed liquified petrolium gas/diesel injection engines, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, vol.218, (2004), part D, p557-565.
[32] D.H. Qi, Y.ZH. Bian, ZH.Y. Ma, CH.H. Zhang, SH.Q. Liu, Combustion and exhaust emission characteristics of a compression ignition engine using liquefied petroleum gas–Diesel blended fuel,Energy Conversion and Management 48 (2007) 500–509. [33] B.B. Sahoo, N. Sahoo, U.K. Saha, Effect of engine parameters and type of gaseous
fuel on the performance of dual-fuel gas diesel engines—A critical review,
-149-
[34] Goldsworthy, L, Combustion behaviour of a heavy duty common rail marine Diesel engine fumigated with propan, Experimental Thermal and Fluid Science 42 (2012) 93–106.
[35] Z. Liu and G. A. Karim. Knock characteristics of dual-fuel engines fuelled with hydrogen fuel.International Journal of Hydrogen Enrrgy, 20 (1995) p919-924. [36] D.B. Lata, Ashok Misra, S. Medhekar, Investigations on the combustion parameters
of a dual fuel diesel engine with hydrogen and LPG as secondary fuels,International Journal of Hydrogen Energy 36 (2011) 13808-13819.
[37] D.B. Lata, Ashok Misra, Analysis of ignition delay period of a dual fuel diesel engine,with hydrogen and LPG as secondary fuels, International Journal of Hydrogen Energy 36 (2011) 3746-3756.
[38] Ren, J. et al., Influence of performance chatacteristics of a gaseous fuel supply system on hydrogen emissions of a dual-fuel engine,ImechE 2000, vol. 214, part D, 973-977.
[39] Papagiannakis RG, Hountalas DT. Experimental investigation concerning the effect of natural gas percentage on performance and emissions of a DI dual fuel diesel engine. Applied Thermal Engineering 23 (2003) 353–65.
[40] D. Bradley, Combustion and the design of future engine fuels, Proceedings of the IMechE Part C. Journal of Mechanical Engineering Science 223 (2009).
[41] Abd Alla GH, et. Al. Effect of pilot fuel quantity on the performance of a dual fuel engine.Energy Conversion and Maagement 41 (2000) 559–572.
[42] C.M. Gibson, et. al. Comparison of propan and methane performance and emissions in a turbocharged direct injection dual fuel engine, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power 133 (2011).
[43] Kumaraswamy, Durga Prasad. Performance analysis of dual fuel engine using LPG and diesel with EGR system. Procedia Engineering 38 (2012) p2784 – 2792.
[44] D.B. Lata, Ashok Misra. Theoretical and experimental investigations on the performance of dual fuel diesel engine with hydrogen and LPG as secondary fuels. International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) p11918-11931.
[45] O Badr, G.A Karim, B Liu. An examination of the flame spread limits in a dual fuel engine. Applied Thermal Engineering, 19 (1999) P1071-1080.
[46] Liu, Z. and Karim, G. A. The ignition delay period in dual fuel diesel engine. SAE paper 950466, 1995.
[47] Thyagarajian and Babu. A combustion model for a dual fuel direct injection diesel engine. Proceedings of COMODIA Symposium on Diagnostics and Modeling of combustion in Reciprocating Engines, Tokyo 1985, p607.
[48] Cheikh Mansour, Abdelhamid Bounif, Abdelkader Aris, Françoise Gaillard. Gas– Diesel (dual-fuel) modeling in diesel engine environment. International Journal of Thermal Sciences, 40 (2001) P409-424.
[49] Karim, G. A. and Liu, Z. A prediction model for knock in dual fuel engine. SAE transaction 921550, 1992.
[50] Gao, X., Chen, J., Foster, D. and Borman, G. L. Ignition delay and heat release analysis of an ethanol fumigated turbocharged diesel engine.ASME paper 83-DGP- 1, 1983.
[51] Wang Y, Zhang X, Li C, Wu J. Experimental and modeling study of performance and emissions of SI engine fueled by natural gas-hydrogen mixtures. International Jourrnal of Hydrogen Energy, vol. 35 (2010), p2680-2683
-150-
[52] Ferguson, C. R. (1986). Internal Combustion Engines - Applied thermosciences. John Wiley & Sons.
[53] Z. Liu and G. A. Karim. Simulation of combustion process in gas-fuelled diesel engine. Proceedings of Institution of Mechanical Engineers, 211 (1997), part A, p159-169.
[54] Noboru Miyamoto, et. al. Description and Analysis of Diesel Engine Rate of Combustion and Performance Using Wiebe's Functions.SAE paper 850107 (1985). [55]. M. Baratta, A.E. Catania, E. Spessa, and A. Vassallo. Development of an Improved
Fractal Model for the Simulation of Turbulent Flame Propagation in SI Engines.SAE paper 2005-24-082 (2005).
[56]. Gerhard Regner, et. al. Performance Analysis and Valve Event Optimization for SI Engines Using Fractal Combustion Model.SAE paper 2006-01-3238 (2006).
[57]. David B. Rhodes, James C. Keck. Laminar Burning Speed Measurements of Indoleneair-Diluent Mixtures at High Pressures and Temperatures. SAE paper
850047 (1985).
[58] Rakopoulos, C. D., D. T. Hountalas, E. I. Tzanos & G. N. Taklis. A fast algorithm for calculating the composition of diesel combustion products using 11 species chemical equilibrium scheme. Advances in Engineering Software 19 (1994) p109-119.
[59]. Olikara,C. and Borman, G. (1975). Properties of equilibrium combustion products with some applications on IC engines. SAE paper 750468.
[60] Wochni, G (1967). A Universally Applicable Equation for Instantaneous Heat Transfer Coefficient in the Internal Combustion Engine.SAE paper 670931.
[61]. Yildirim, A., Gul, M., Ozatay, E., and Karamangil, I., Simulation of Hydrocarbon Emissions from an SI Engine, SAE paper 2006-01-1196 (2006).
[62]. Yu, R. C., V. W. Wong and S. M. Shahed. Sources of hydrocarbon emissions from direct injection diesel Engines. SAE paper 800048 (1980).
[63]. Hamrin, Douglas A. and Heywood, John B. Modeling of Engine -out Hydrocarbon Emission for Prototype Production Engines.SAE paper 950984 (1995).
[64] Charles K. Westbrook, Frederick L. Dryer. Chemical kinetic modeling of hydrocarbon combustion. Prog. Energy combust. Sci. 1984, vol. 10, pp.1-57.
[65] Alkidas, A.C. Combustion-chamber crevices: the major source of engine-out hydrocarbon emissions under fully warmed conditions. Progress in Energy and