Nghiên cứu ảnh hưởng của tuần hoàn khí thải đến các chỉ tiêu kỹ thuật và môi trường của động cơ diesel phun nhiên liệu điện tử khi sử dụng diesel sinh học b10 và b20
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (8.15 MB, 197 trang )
BỘ QUỐC PHÒNG
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
TRẦN TRỌNG TUẤN
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TUẦN HOÀN KHÍ THẢI ĐẾN CÁC
CHỈ TIÊU KỸ THUẬT VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL
PHUN NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ KHI SỬ DỤNG
DIESEL SINH HỌC B10 VÀ B20
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI – NĂM 2019
BỘ QUỐC PHÒNG
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
TRẦN TRỌNG TUẤN
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TUẦN HOÀN KHÍ THẢI ĐẾN CÁC
CHỈ TIÊU KỸ THUẬT VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL
PHUN NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ KHI SỬ DỤNG
DIESEL SINH HỌC B10 VÀ B20
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số:
9 52 01 16
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Nguyễn Hoàng Vũ
2. PGS.TS. Vũ Ngọc Khiêm
HÀ NỘI – NĂM 2019
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện. Luận án có sử dụng
một phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong Đề tài cấp Quốc gia
“Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu sinh học
biodiesel với các mức pha trộn khác nhau”, mã số ĐT.08.14/NLSH do Đại tá,
PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ là Chủ nhiệm đề tài và cơ quan chủ trì là Học viện Kỹ
thuật Quân Sự, thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn
đến năm 2025. Tôi đã được Chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả
nghiên cứu của Đề tài cấp Quốc gia vào việc viết và bảo vệ luận án.
Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong các công trình khác.
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN
Hà Nội, tháng 10 năm 2019
Người hướng dẫn 1
Người hướng dẫn 2
Nghiên cứu sinh
PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ
PGS.TS Vũ Ngọc Khiêm
Trần Trọng Tuấn
ii
LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Phòng Sau đại
học, Khoa Động lực, Bộ môn Động cơ - Học viện Kỹ thuật Quân sự đã cho phép tôi
thực hiện luận án tại Học viện Kỹ thuật Quân sự. Xin cảm ơn Phòng Sau đại học và
Khoa Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải,
Khoa Cơ khí và các thầy trong Khoa đã tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá
trình nghiên cứu học tập.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ và PGS.TS Vũ Ngọc
Khiêm đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo để tôi có thể thực hiện và hoàn
thành luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy thuộc Bộ môn Động cơ, Khoa Động
lực, Học viện KTQS và các chuyên gia thuộc lĩnh vực Cơ khí – Động lực trong và
ngoài Học viện đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho NCS trong quá trình thực hiện
và hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm Động cơ, Viện Cơ khí Động
lực/Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng thí nghiệm động cơ, Trung tâm Công nghệ Cơ
khí/Đại học Công nghệ Giao thông vận tải luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều
kiện tốt nhất để thực hiện quá trình nghiên cứu thực nghiệm.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài ĐT.08.14/NLSH đã đồng ý
cho tôi sử dụng một số kết quả nghiên cứu của đề tài để viết và bảo vệ luận án.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những
người đã động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện
công trình này.
Nghiên cứu sinh
Trần Trọng Tuấn
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN......................................................................................................
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................
MỤC LỤC..................................................................................................................
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.............................................
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU..............................................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ..................................................................
MỞ ĐẦU....................................................................................................................
Mục đích nghiên cứu của luận án...........................................................................
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................................
Phương pháp nghiên cứu của luận án...................................................................
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn..................................................................................
Bố cục của luận án.....................................................................................................
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về hệ thống tuần hoàn khí thải trên động cơ................................
1.1.1. Lịch sử nghiên cứu và phát triển hệ thống tuần hoàn khí thải.....................
1.1.2. Vai trò của hệ thống tuần hoàn khí thải.......................................................
1.1.3. Phân loại hệ thống tuần hoàn khí thải..........................................................
1.1.3.1. Theo áp suất của dòng khí tuần hoàn…………………………..
1.1.3.2. Theo nhiệt độ dòng khí tuần hoàn ……...……………………..
1.1.3.3. Theo phương pháp điều khiển van tuần hoàn………………….
1.1.4. Các phương pháp xác định tỷ lệ tuần hoàn khí thải……………………….
1.1.5. Một số lưu ý khi sử dụng hệ thống tuần hoàn khí thải…………………….
1.2. Tổng quan về nhiên liệu sinh học......................................................................
1.2.1. Tình hình sử dụng nhiên liệu diesel sinh học...............................................
1.2.2. Sự thay đổi thuộc tính của hỗn hợp biodiesel theo tỷ lệ pha trộn................
1.2.3. Ảnh hưởng của biodiesel đến chỉ tiêu tiêu kinh tế, năng lượng và môi
trường.....................................................................................................................
1.2.4. Ảnh hưởng của thuộc tính nhiên liệu đến thuộc tính dòng khí thải……….
1.3. Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn khí thải và nhiên
liệu sử dụng đến chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ…...
1.3.1. Trên thế giới.................................................................................................
1.3.1.1. Trên động cơ dùng hệ thống phun nhiên liệu kiểu cơ khí........
1.3.1.2. Trên động cơ dùng hệ thống phun nhiên liệu kiểu CR.............
1.3.1.3. Nghiên cứu tối ưu và điều chỉnh tỷ lệ tuần hoàn khí thải.........
1.3.2. Tại Việt Nam................................................................................................
1.4. Lựa chọn đối tượng nghiên cứu và loại nhiên liệu sử dụng............................
1.5. Trình tự và hướng nghiên cứu của đề tài.........................................................
Trang
i
ii
iii
vi
ix
xi
1
2
2
2
3
4
5
5
5
6
7
7
10
11
11
12
13
13
17
18
20
21
21
21
24
27
29
31
32
iv
1.6. Kết luận Chương 1.............................................................................................
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG CHU TÌNH
CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ……………………………………………………..
2.1. Các vấn đề chung................................................................................................
2.2. Lựa chọn phần mềm tính toán……………………..........................................
2.3. Cơ sở tính toán chu trình công tác của động cơ……………………………..
2.3.1. Mô hình vật lý của định luật nhiệt động học thứ nhất áp dụng cho động
cơ đốt trong.........................................................................................................
2.3.2. Mô hình cháy.............................................................................................
2.3.2.1. Mô hình Vibe..............................................................................
2.3.2.2. Mô hình Double Vibe.................................................................
2.3.2.3. Mô hình Vibe hai vùng...............................................................
2.3.2.3. Mô hình MCC.............................................................................
2.3.3. Mô hình truyền nhiệt..................................................................................
2.3.3.1. Mô hình truyền nhiệt trong xi lanh.............................................
2.3.3.2. Truyền nhiệt ở các quá trình trao đổi khí....................................
2.3.4. Mô hình tính toán các thành phần khí thải của động cơ............................
2.3.4.1. Mô hình tính toán NOx...............................................................
2.3.4.2. Mô hình tính toán Soot (bồ hóng)...............................................
2.5. Kết luận Chương 2.............................................................................................
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ CÓ TUẦN HOÀN KHÍ
THẢI VÀ SỬ DỤNG BIODIESEL…………..........................................................
3.1. Xác định thông số đầu vào phục vụ cho quá trình xây dựng mô hình……..
3.1.1. Các thông số về kết cấu của động cơ…………………………………….
3.1.2. Nhóm các thông số về hệ thống nạp, thải của động cơ…………………..
3.1.3. Các thông số vận hành của động cơ……………………………………...
3.1.4. Các thông số về quy luật cung cấp nhiên liệu……………………………
3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng CTCT của động cơ có xét đến ảnh hưởng
của tuần hoàn khí thải và loại nhiên liệu sử dụng..................................................
3.3. Đánh giá và hiệu chỉnh mô hình.......................................................................
3.3.1. Hiệu chỉnh các tham số trong mô hình cháy..............................................
3.3.1.1. Mô hình Double Vibe.................................................................
3.3.1.2. Mô hình Vibe hai vùng...............................................................
3.3.1.3. Mô hình MCC.............................................................................
3.3.1.4. Lựa chọn bộ thông số phù hợp cho việc tính toán pcyl................
3.3.2. Hiệu chỉnh theo chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của động cơ tại đường đặc
tính ngoài..............................................................................................................
35
36
36
37
38
38
40
40
41
42
42
45
45
47
48
48
48
49
50
50
51
51
53
53
55
58
59
60
61
62
63
64
v
3.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn khí thải đến diễn biến áp suất và nhiệt độ
bên trong xi lanh…………………………………………………………………....
3.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn đến tốc độ tỏa nhiệt và quy luật cháy…….
3.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn đến tốc độ hình thành NOx và Soot……….
3.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn khí thải đến chỉ tiêu kinh tế, năng lượng
của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10, B20…………………………………….
3.8. Ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn khí thải đến phát thải NOx, PM của động
cơ khi sử dụng nhiên liệu B10, B20………………………………………………..
3.9. Kết luận Chương 3…………………………………………………………….
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM....................................................
4.1. Mục đích, chế độ và đối tượng thử nghiệm......................................................
4.1.1. Mục đích....................................................................................................
4.1.2. Chế độ thực nghiệm..................................................................................
4.1.2.1. Hiệu chỉnh mô hình lý thuyết.........................................................
4.1.2.2. Xác định quy luật thay đổi %EGR của động cơ nguyên thủy
trong toàn vùng làm việc..........................................................................
4.1.2.3. Đánh giá ảnh hưởng của %EGR đến chỉ tiêu kinh tế, năng
lượng và môi trường của động cơ...........................................................
4.1.3. Đối tượng thực nghiệm.............................................................................
4.2. Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm.............................................
4.3. Kết quả xác định quy luật thay đổi của tỷ lệ EGR khi động cơ sử dụng
ECU nguyên thủy trong toàn vùng làm việc……………………….......................
4.3.1. Kết quả xác định quy luật thay đổi của tỷ lệ tuần hoàn khí thải................
4.3.2. Giới hạn ảnh hưởng của tỷ lệ EGR đến thông số vận hành và phát thải
của động cơ..........................................................................................................
4.4. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến
một số thuộc tính của dòng khí thải……………………………………………….
4.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến chỉ tiêu kinh tế,
năng lượng……………………………………..........................................................
4.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ EGR và loại nhiên liệu sử dụng phát thải NOx và PM
4.7. Cơ sở để lựa chọn tỷ lệ EGR mới cho động cơ khi sử dụng B10, B20...........
4.8. Kết luận Chương 4……….……………………………………………………
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN………………………………………...
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN
QUAN ĐẾN LUẬN ÁN…………………………………………………………….
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………....
PHỤ LỤC…………………………………………………………………………...
66
72
78
84
87
90
92
92
92
93
93
93
93
96
96
102
102
103
104
109
112
114
120
122
124
125
133
vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
ASTM
B0 (DO)
Diễn giải
Hiệp hội Vật liệu và Thử nghiệm Hoa Kỳ (American
Society for Testing and Materials)
Nhiên liệu diesel dầu mỏ
Đơn vị
BCA
Nhiên liệu diesel sinh học
Nhiên liệu diesel nguồn gốc hóa thạch được hòa trộn với
nhiên liệu diesel sinh học gốc, trong đó, B thể hiện là hỗn
hợp diesel/biodiesel, x thể hiện tỷ lệ % theo thể tích của
diesel sinh học trong hỗn hợp.
Bơm cao áp
BXLKT
Bộ xử lý khí thải
CO
CTCT
Monoxit các bon
Hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử kiểu Common
Rail
Chu trình công tác
ĐCD
Điểm chết dưới
ĐCĐT
Động cơ đốt trong
ĐCT
Điểm chết trên
ECE R49
Chu trình thử công nhận kiểu danh cho xe hạng nặng
ECE R83
Chu trình thử công nhận kiểu danh cho xe hạng nhẹ
EGR
Tuần hoàn khí thải (Exhaust Gas Recirculation)
%EGR
%
%EGR_NT
Tỷ lệ tuần hoàn khí thải
Tỷ lệ tuần hoàn khí thải tại đó có sự thay đổi đột biến về
chỉ tiêu kinh tế, năng lượng hoặc môi trường của động cơ
Tỷ lệ tuần hoàn khí thải tại đó có sự suy giảm về mô men
của động cơ
Tỷ lệ tuần hoàn khí thải tại đó có sự tăng về suất tiêu thụ
nhiên liệu của động cơ
Tỷ lệ tuần hoàn khí thải tại đó có sự tăng về độ khói của
khí xả động cơ
Tỷ lệ tuần hoàn khí thải của động cơ nguyên thủy
%EGR_New
Tỷ lệ tuần hoàn khí thải mới do nghiên cứu sinh lựa chọn
%
gct
Lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình
g
ge
Suất tiêu hao nhiên liệu có ích
GPS
Góc phun sớm
Biodiesel
Bxx
CR
%EGRgh
%EGRghMe
%EGRghge
%EGRghPM
%
%
%
%
%
g/kW.h
độ
vii
Ký hiệu
GQTK
Góc quay trục khuỷu
GQTC
Góc quay trục cam
Gkk
Lưu lượng của không khí nạp mới
HC
Hydrocacbon
HRR
Tốc độ tỏa nhiệt (Heat Release Rate)
HTPNL
Hệ thống phun nhiên liệu
KH&CN
Khoa học và công nghệ
LATS
Luận án Tiến sĩ
Me
Mô men xoắn có ích
N.m
Ne
Công suất có ích
kW
n
Tốc độ vòng quay của trục khuỷu
vg/ph
nc
Tốc độ vòng quay của trục cam bơm cao áp
vg/ph
NCKH
Nghiên cứu khoa học
NCS
Nghiên cứu sinh
NOx
PM
Các Ô xít Ni tơ
Tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế (Organization for
Economic Co-operation and Development)
Chất thải dạng hạt (Particulates Matter)
PTCG
Phương tiện cơ giới
QCVN
Quy chuẩn Việt Nam
QLCCNL
Quy luật cung cấp nhiên liệu
Hệ số dư lượng không khí
Góc quay trục khuỷu
id (ID)
Thời gian cháy trễ
Độ GQTK
z
Khoảng thời gian cháy
Độ GQTK
dx/d
Tốc độ cháy
1/độ GQTK
xb
Quy luật cháy
Tburn
Nhiệt độ vùng cháy
dQc/d
Tốc độ tỏa nhiệt
pcyl
Áp suất trong xi lanh
PTCGĐB
Phương tiện cơ giới đường bộ
pz
Áp suất lớn nhất trong xi lanh
Tcyl
Nhiệt độ trong xi lanh
TEGR
Nhiệt độ của khí thải tuần hoàn
OECD
Diễn giải
Đơn vị
độ
độ
kg/h
J/độ
độ
K
J/độ GQTK
bar
bar
K
O
C
viii
Ký hiệu
TNạp
Diễn giải
Nhiệt độ của khí nạp vào xi lanh
TThải
Nhiệt độ của khí thải
Tz
Nhiệt độ lớn nhất trong xi lanh
dp/d
Tốc độ tăng áp suất trong xi lanh
pi
Áp suất chỉ thị trung bình
K
Bar/độ
GQTK
bar
pe
Áp suất có ích trung bình
bar
m
Hiệu suất cơ khí của động cơ
%
i
Hiệu suất chỉ thị của động cơ
%
e
Hiệu suất có ích của động cơ
%
ECU_NT
ECU do hãng Hyundai chế tạo cho động cơ 2.5TCI-A
ECU trắng (mã hiệu ECM 556-128) và chương trình điều
khiển kèm theo, là sản phẩm của Đề tài cấp Quốc gia
“Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc
sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel với các mức pha trộn
khác nhau”, mã số ĐT.08.14/NLSH
Tua bin tăng áp có điều khiển cánh hướng dòng (Variable
Geometry Turbo)
ECU_New
VGT
Đơn vị
O
C
O
C
ix
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Ký hiệu
Tên bảng
Trang
Bảng 1.1
Lượng tiêu thụ biodiesel của các nước thuộc liên minh Châu Âu
16
Bảng 1.2
17
Bảng 1.6
Sự thay đổi thuộc tính của hỗn hợp biodiesel theo tỷ lệ pha trộn
Sự thay đổi các thông số vật lý của nhiên liệu biodiesel trong một số
công trình trên thế giới
Tỷ lệ nghiên cứu đã công bố về sự thay đổi chỉ tiêu kinh tế, năng lượng
của động cơ khi sử dụng biodiesel so với diesel
Tỷ lệ nghiên cứu đã công bố về sự thay đổi chỉ tiêu môi trường của
động cơ khi sử dụng biodiesel so với diesel
Thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ 2.5TCI-A
Bảng 2.1
Các tham số điều chỉnh trong mô hình Double Vibe
41
Bảng 2.2
Khoảng điều chỉnh của các tham số trong mô hình MCC
44
Bảng 2.3
Các phản ứng hình thành NOx trong khí xả
48
Bảng 3.1
Một số thông số kết cấu cơ bản của động cơ
51
Bảng 3.2
Các thông số kết cấu cơ bản của hệ thống nạp, thải
Kết quả xác định các thông số vận hành của hệ thống nạp thải khi động
cơ làm việc ở đặc tính ngoài
Kết quả xác định các thông số về QLCCNL của động cơ khi làm việc
ở đặc tính ngoài, dùng B0
51
Bộ thông số hiệu chỉnh mô hình cháy
63
Bảng 1.3
Bảng 1.4
Bảng 1.5
Bảng 3.3
Bảng 3.4
Bảng 3.5
Bảng 3.6
Bảng 3.7
Bảng 3.8
Bảng 3.9
Bảng 3.10
Bảng 3.11
Bảng 3.12
Kết quả tính toán diễn biến pcyl có xét đến ảnh hưởng của mức độ EGR
tại n=2000 vg/ph, nhiên liệu B0
Kết quả tính toán ảnh hưởng của %EGR đến diễn biến nhiệt độ bên
trong xi lanh tại n=2000 vg/ph
Kết quả tính toán diễn biến HRR có xét đến ảnh hưởng của mức độ
EGR tại n=2000 vg/ph, nhiên liệu B0
Kết quả tính toán mức độ thay đổi của HRRmax khi xét đến ảnh hưởng
của %EGR tại 2000 vg/ph
Kết quả tổng hợp đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ EGR đến tốc độ hình
thành NOx tại n=2000 vg/ph, dùng B0
Kết quả tính toán ảnh hưởng của tỷ lệ EGR đến tốc độ hình thành PM
tại n=2000 vg/ph, dùng B0
Kết quả tổng hợp đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ EGR và loại nhiên liệu
sử dụng đến chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của động cơ khi làm việc tại
các chế độ tải khác nhau ở 2000 vg/ph
18
18
19
32
53
54
67
71
73
76
81
83
86
x
Ký hiệu
Tên bảng
Trang
Bảng 3.13
Kết quả tính toán ảnh hưởng của tỷ lệ EGR và loại nhiên liệu sử dụng
đến mức phát thải NOx và độ khói của động cơ khi làm việc tại các chế
độ tải khác nhau tại n=2000 vg/ph, dung B0, B10 và B20
88
Kết quả xác định %EGR của động cơ nguyên thủy theo tải và tốc độ
103
Bảng 4.1
Bảng 4.2
Bảng 4.3
Bảng 4.4
Bảng 4.5
Bảng 4.6
Bảng 4.7
Bảng 4.8
Bảng 4.9
Sai số lớn nhất giữa mô phỏng và thực nghiệm các chỉ tiêu kinh tế,
năng lượng và môi trường của động cơ tại n=2000 vg/ph
Sai số lớn nhất giữa mô phỏng và thực nghiệm phát thải NO x và độ
khói của động cơ tại n=2000 vg/ph
Sự thay đổi các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động
cơ khi sử dụng tỷ lệ EGRNew với nhiên liệu B0
Sự thay đổi các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động
cơ khi sử dụng tỷ lệ EGRNew với nhiên liệu B10
Sự thay đổi các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động
cơ khi sử dụng tỷ lệ EGRNew với nhiên liệu B20
Kết quả xác định %EGRNew cho động cơ trên toàn vùng làm việc khi
sử dụng nhiên liệu B0
Kết quả xác định %EGRNew cho động cơ trên toàn vùng làm việc khi
sử dụng nhiên liệu B10
Kết quả xác định %EGRNew cho động cơ trên toàn vùng làm việc khi
sử dụng nhiên liệu B20
112
114
116
117
117
118
119
119
xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Ký hiệu
Tên hình vẽ, đồ thị
Trang
Hình 1.1
Vai trò của EGR trong việc đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải
6
Hình 1.2
Sơ đồ hệ thống EGR kiểu áp suất cao (a) và kiểu áp suất thấp (b)
7
Hình 1.3
Hệ thống EGR kết hợp giữa áp suất cao và áp suất thấp
8
Hình 1.4
Sơ đồ so sánh hệ thống không làm mát khí EGR (a) và có làm mát
khí EGR (b)
10
Hình 1.5
Mức tiêu thụ biodiesel của các nước thuộc OECD và Mỹ
14
Hình 1.6
Sự thay đổi về ge (a) và phát thải NOx (b) theo tỷ lệ pha trộn
19
Hình 1.7
Mối liên hệ giữa thuộc tính nhiên liệu, thuộc tính dòng khí thải và
khí tuần hoàn
20
Hình 1.8
Hiệu quả của việc làm mát (a) và oxi hóa (b) khí EGR
21
Hình 1.9
Ảnh hưởng của %EGR đến hiệu suất nhiệt có ích và phát thải NOx
22
Hình 1.10
Ảnh hưởng của %EGR đến suất tiêu thụ nhiên liệu
23
Hình 1.11
Ảnh hưởng của %EGR đến HRR và NOx
24
Hình 1.12
Ảnh hưởng của EGR đến phát thải NOx và PM của động cơ
25
Hình 1.13
Ảnh hưởng của EGR áp suất thấp/cao đến suất tiêu hao nhiên liệu
và phát thải NOx của động cơ
26
Hình 1.14
Ảnh hưởng của EGR đến pcyl, HRR của động cơ
27
Hình 1.15
Hình 1.16
Vai trò của EGR trên động cơ có HTPNL kiểu CR (a-%EGR và
áp suất phun theo mode thử, b- Phát thải NOx, PM tính cho cả chu
trình thử )
Kết quả so sánh NOx, độ khói và suất tiêu thụ nhiên liệu của động
cơ tại %EGR khác nhau
27
28
Hình 1.17
Sơ đồ các bước nghiên cứu của Luận án
34
Hình 2.1
Cân bằng năng lượng trong xi lanh
39
Hình 3.1
Kết quả diễn biến độ nâng xu páp và hệ số tổn thất trên đường nạp
thải của động cơ
52
53
Hình 3.4
Quy luật thay đổi số lần phun theo tốc độ và tải của động cơ
Diễn biến xung phun tại n=1500, 3000 và 3500 vg/ph khi động cơ
làm việc tại đặc tính ngoài
Trình tự tính toán CTCT trong phần mềm AVL-Boost
Hình 3.5
Mô hình mô phỏng CTCT của động cơ 2.5TCI-A
57
Hình 3.6
Sơ đồ khối chủ động kiểm soát %EGR trên mô hình mô phỏng
58
Hình 3.2
Hình 3.3
54
56
xii
Ký hiệu
Tên hình vẽ, đồ thị
Trang
Hình 3.7
Ảnh hưởng của các tham số trong mô hinh Double Vibe đến pcyl
61
Hình 3.8
Ảnh hưởng của các tham số trong mô hình Vibe 2 vùng đến pcyl
61
Hình 3.9
Ảnh hưởng của các tham số trong mô hình MCC đến pcyl
62
Hình 3.10
So sánh pcyl khi sử dụng mô hình Vibe 2 vùng, MCC (sau khi đã
hiệu chỉnh với kết quả pcyl đo thực nghiệm)
63
Hình 3.11
Kết quả so sánh Ne, ge, Gkk giữa mô phỏng và thực nghiệm
64
Hình 3.12
Ảnh hưởng của %EGR đến diễn biến pcyl tại 2000 vg/ph, dùng B0
68
Hình 3.13
Ảnh hưởng của %EGR đến Tcyl tại 2000 vg/ph, dùng B0
69
Hình 3.14
74
Hình 3.17
Kết quả tính toán HRR của động cơ tại 2000 vg/ph
Kết quả so sánh HRR với các phương án phun mồi khác nhau tại
n=2500 vg/ph, 50% tải, %EGR=20,03%, nhiêu liệu B0
Ảnh hưởng của %EGR đến quy luật cháy tại n=2000 vg/ph
Ảnh hưởng của %EGR đến dNOx/dt tại n=2000 vg/ph, dùng B0
Hình 3.18
Ảnh hưởng của %EGR đến dSoot/dt tại n=2000 vg/ph, dùng B0
82
Hình 3.19
Ảnh hưởng của %EGR đến Me tại n=2000 vg/ph, B0, B10 và B20
84
Hình 3.20
Ảnh hưởng của %EGR đến ge tại n=2000 vg/ph, B0, B10 và B20
85
Hình 3.15
Hình 3.16
Hình 3.21
Hình 3.22
Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3
Ảnh hưởng của %EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến mức phát
thải NOx, PM khi sử dụng B0, B10 và B20
Mức độ cải thiện phát thải NOx của động cơ khi xét đến ảnh hưởng
của tuần hoàn khí thải và loại nhiên liệu sử dụng tại n=2000 vg/ph
Kết quả xác định vùng làm việc của động cơ khi xe vận hành theo
chu trình thử ECE R83
Kết quả xác định đường đặc tính ngoài của động cơ khi sử dụng
các loại nhiên liệu khác nhau
Sơ đồ bố trí chung phòng thử động lực học cao động cơ tại Đại
học Bách khoa Hà Nội
77
78
80
87
90
93
95
96
Hình 4.4
Sơ đồ bố trí chung phòng thử Đại học Công nghệ GTVT
97
Hình 4.5
Sơ đồ bố trí thiết bị đo thuộc tính dòng khí nạp, thải và dòng khí
EGR của động cơ
99
Hình 4.6
Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thiết bị đo tổn thất khí động
100
Hình 4.7
Sơ đồ bố trí thiết bị đo diễn biến độ mở của van EGR
101
Hình 4.8
Hình 4.9
Tỷ lệ EGR theo chế độ tải và tốc độ động cơ khi sử dụng ECU
nguyên thủy
Giới hạn thay đổi các thông số Me, Tthải , TEGR, Tnạp tại nđc = 2000
vg/ph khi đóng/mở van EGR
103
104
xiii
Ký hiệu
Tên hình vẽ, đồ thị
Trang
Hình 4.10
Ảnh hưởng của %EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến Texh
105
Hình 4.11
Ảnh hưởng của %EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến pexh
107
Hình 4.12
Ảnh hưởng của %EGR đến và nồng độ ô xy trong khí nạp
108
Hình 4.13
Ảnh hưởng của %EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến Me
110
Hình 4.14
Ảnh hưởng của %EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến ge
111
Hình 4.15
Ảnh hưởng của %EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến phát thải
NOx, độ khói
113
Hình 4.16
Kết quả lựa chọn %EGRNew tại 2000 vg/ph 44% tải
115
Hình 4.17
Kết quả xác định %EGRNew khi động cơ sử dụng nhiên liệu B10
119
Hình 4.18
Kết quả xác định %EGRNew khi động cơ sử dụng nhiên liệu B20
120
1
MỞ ĐẦU
Tuần hoàn khí thải (EGR) là giải pháp hữu hiệu được sử dụng nhằm làm giảm
phát thải NOx từ động cơ đốt trong [20]. Bản chất của EGR là đưa một phần khí thải
quay trở lại đường nạp của động cơ nhằm làm giảm nồng độ ô xy trong hỗn hợp cháy.
Trong phần lớn các tính toán lý thuyết, dòng khí EGR thường được coi là khí trơ với
thành phần chủ yếu là CO2, [8, 15]. Tuy nhiên, trên thực tế khí EGR còn chứa các
chất khác (H2O, HC, NOx, O2, …) và với các loại nhiên liệu khác nhau thì hàm lượng
các chất trên có trong khí EGR cũng sẽ khác nhau. Các chất này sẽ có ảnh hưởng nhất
định đến chất lượng quá trình cháy tiếp theo, mức phát thải ô nhiễm của động cơ.
Mức phát thải NOx của động cơ phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ cực đại của
quá trình cháy (Tz), hàm lượng ô xy (%O2) trong hỗn hợp cháy, thời gian duy trì phản
ứng tạo NOx. Các nghiên cứu đã công bố cho thấy việc giảm nồng độ ôxy và nhiệt
độ cực đại của quá cháy sẽ giảm được mức phát thải NOx, [20, 41, 58]. Các công trình
[41, 58] chỉ ra rằng việc sử dụng tỷ lệ tuần hoàn khí thải (%EGR hoặc tỷ lệ EGR) ở
mức 15÷20% (mức sử dụng khá phổ biến hiện nay trên các động cơ diesel hiện đại)
có thể đem lại hiệu quả làm giảm NOx từ 40÷60% so với khi không sử dụng EGR.
Bên cạnh đó, mức phát thải PM và HC cũng có xu hướng tăng khi tăng tỷ lệ tuần
hoàn khí thải, mức độ tăng các chất phát thải nêu trên sẽ rõ ràng hơn khi tỷ lệ EGR
vượt quá mức 30% ở chế độ tải nhỏ, trung bình và khoảng 20÷25% ở chế độ tải lớn,
[41]. Như vậy, ảnh hưởng của tỷ lệ EGR đến mức phát thải của động cơ là khác nhau
khi xét đến từng chất thải độc hại có trong khí thải của động cơ.
Sử dụng nhiên liệu biodiesel có xu hướng làm tăng mức phát thải NOx của
động cơ [24, 47]. Công trình [47] dựa trên việc nghiên cứu tổng quan các công trình
nghiên cứu đánh giá về ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến chỉ tiêu kinh tế, môi
trường của động cơ đã chỉ ra rằng việc sử dụng nhiên liệu biodiesel B100 có thể làm
tăng phát thải NOx của động cơ so với khi sử dụng nhiên liệu B0 vì vậy cần có những
biện pháp nhằm kiểm soát mức phát thải NOx khi động cơ chuyển sang sử dụng nhiên
liệu biodiesel trong đó có việc sử dụng tuần hoàn khí thải.
Ngày nay, động cơ được tích hợp các công nghệ hiện đại như: hệ thống phun
nhiên liệu điều khiển điện tử, tăng áp có điều khiển VGT, tuần hoàn khí thải… và
được điều khiển bằng ECU đang dần được thay thế cho các động cơ sử dụng hệ thống
nhiên liệu kiểu cơ khí truyền thống vì vậy việc nghiên cứu nhằm chủ động làm chủ
các công nghệ trên là rất cần thiết.
2
Có sự liên hệ mật thiết giữa thuộc tính của dòng khí thải và dòng khí EGR
(bao gồm các thuộc tính vật lý và hàm lượng các chất ô nhiễm) với tỷ lệ tuần hoàn
khí thải và loại nhiên liệu sử dụng. Điều này có thể được giải thích do dòng khí EGR
được quay trở lại buồng cháy, kết hợp với không khí và nhiên liệu tham gia vào quá
trình cháy vì vậy khi thuộc tính của nhiên liệu thay đổi sẽ làm cho thuộc tính của
dòng EGR thay đổi theo. Vì những lý do trên nên việc “Nghiên cứu ảnh hưởng của
việc tuần hoàn khí thải đến các chỉ tiêu kỹ thuật và môi trường của động cơ diesel
phun nhiên liệu điện tử khi sử dụng diesel sinh học B10 và B20” là rất cần thiết nhằm
chủ động kiểm soát tỷ lệ EGR khi động cơ chuyển sang sử dụng nhiên liệu biodiesel.
Mục đích nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ tuần hoàn khí thải đến các chỉ tiêu kinh tế,
năng lượng, môi trường của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B0, B10 và B20 bằng
phần mềm mô phỏng chuyên dụng kết hợp với thực nghiệm trên bệ thử động cơ, làm
cơ sở cho việc xây dựng bộ dữ liệu nhằm chủ động kiểm soát tỷ lệ EGR phù hợp cho
động cơ diesel có hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử kiểu CR khi chuyển
sang sử dụng biodiesel B10, B20.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel D4CB 2.5 TCI-A là động cơ 4 kỳ, 4
xi lanh bố trí 1 hàng, phun nhiên liệu trực tiếp, hệ thống phun nhiên liệu diesel kiểu
CR dùng bơm cao áp kiểu CP1H với áp suất phun lớn nhất là 1600 bar, tăng áp bằng
tua bin khí thải kiểu VGT có làm mát khí tăng áp, sử dụng hệ thống EGR kiểu áp suất
cao có làm mát khí thải tuần hoàn, [20].
Nhiên liệu sử dụng là diesel khoáng (B0). Hỗn hợp nhiên liệu diesel/biodiesel
có tỷ lệ pha trộn 10% (B10) và 20% (B20) theo thể tích (với diesel sinh học gốc B100
được sản xuất từ bã thải của quá trình tinh lọc dầu Cọ thô thành dầu ăn), [20].
Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, ưu tiên cho các
nghiên cứu thực nghiệm chuyên sâu trên các trang thiết bị chuyên dụng.
- Nghiên cứu lý thuyết: tính toán mô phỏng CTCT của động cơ bằng phần
mềm chuyên dụng AVL-Boost có độ tin cậy và chính xác cao nhằm mục đích:
+ Xây dựng và hoàn thiện khối EGR trong mô hình.
+ Dự báo các thông số không đo đạc trực tiếp được bằng thực nghiệm như:
diễn biến nhiệt độ, áp suất, tốc độ tỏa nhiệt … khi động cơ sử dụng nhiên liệu B0 có
xét đến ảnh hưởng của EGR.
3
+ Tính toán chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ khi thay
đổi tỷ lệ tuần hoàn khí thải và loại nhiên liệu sử dụng
- Nghiên cứu thực nghiệm: được thực hiện với các trang thiết bị hiện đại có độ
chính xác và mức độ tự động hoá cao thuộc: Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong Viện Cơ khí Động lực - Đại học Bách khoa Hà Nội; Phòng thí nghiệm động cơ đốt
trong - Khoa Cơ khí - Đại học Công nghệ GTVT. Nghiên cứu thực nghiệm nhằm mục
đích chính sau:
+ Xây dựng bộ dữ liệu đầu vào phục vụ cho quá trình mô phỏng, hiệu chỉnh
các mô hình mô phỏng;
+ Kiểm chứng đánh giá mô hình lý thuyết;
+ Hiệu chuẩn các mô hình lý thuyết;
+ Xây dựng bộ dữ liệu kết quả thực nghiệm nhằm chủ động kiểm soát tỷ lệ
EGR của động cơ khi sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau;
+ Kiểm chứng ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn khí thải mới đến hiệu suất nhiệt
và mức phát thải ô nhiễm của động cơ
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án
* Ý nghĩa khoa học
- Luận án đã xác định được bộ dữ liệu chi tiết, đảm bảo độ chính xác về ảnh
hưởng của EGR đến các thông số nhiệt động bên trong xi lanh, chỉ tiêu kinh tế, năng
lượng và môi trường của động cơ trên phần mềm AVL-Boost.
- Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn khí
thải đến chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường là cơ sở khoa học cho việc xác
định %EGR phù hợp khi động cơ chuyển sang sử dụng nhiên liệu biodiesel nhằm
giảm phát thải NOx, nâng cao khả năng ứng dụng của nhiên liệu biodiesel.
* Ý nghĩa thực tiễn
- Luận án có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho quá trình lập trình ECU cho
động cơ diesel có HTPNL kiểu CR, đặc biệt là khi quan tâm chi tiết đến quá trình
kiểm soát tỷ lệ tuần hoàn khí thải.
- Bộ dữ liệu %EGR phù hợp nhằm chủ động kiểm soát tỷ lệ tuần hoàn khí thải
đã đóng góp trực tiếp cho việc thực hiện Đề tài NCKH & PTCN cấp Nhà nước
“Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel
sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau”, mã số ĐT.08.14/NLSH (Thuộc
Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025), [20].
4
Bố cục của Luận án
Luận án được thực hiện với 123 trang thuyết minh và 7 Phụ lục, bao gồm
những nội dung chính sau:
- Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: tập trung phân tích, đánh giá
tổng quan về tình hình sử dụng nhiên liệu diesel sinh học; sự thay đổi các thuộc tính
của biodiesel so với nhiên liệu diesel truyền thống; tổng quan về hệ thống EGR trên
động cơ diesel; tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn khí thải và loại
biodiesel sử dụng đến chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel
bằng lý thuyết và thực nghiệm. Đây là nội dung rất cần thiết nhằm xác định rõ mục
đích, phương pháp, phạm vi nghiên cứu, nội dung và đối tượng nghiên cứu.
- Chương 2. Cơ sở lý thuyết tính toán chu trình công tác của động cơ diesel
phun nhiên liệu kiểu CR có xét đến ảnh hưởng của EGR và đặc tính của nhiên
liệu. Nội dung của chương 2 tập trung vào việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán
CTCT; lựa chọn phần mềm tính toán CTCT và các chỉ tiêu công tác của động cơ;
thực nghiệm xác định thông số đầu vào phục vụ cho việc xây dựng mô hình mô phỏng
CTCT của động cơ diesel Hyundai 2.5TCI-A có xét đến QLCCNL, %EGR và loại
nhiên liệu sử dụng.
- Chương 3. Khảo sát ảnh hưởng của %EGR đến chỉ tiêu kinh tế, năng
lượng và môi trường của động cơ khi sử dụng nhiên liệu biodiesel: trình bày việc
xây dựng và hiệu chỉnh mô hình mô phỏng CTCT của động cơ; kết quả tính toán,
đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn khí thải và loại nhiên liệu sử dụng đến diễn
biến các quy luật nhiệt động trong xi lanh; đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi
trường của động cơ 2.5TCI-A tại các chế độ vận hành khác nhau.
- Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm: trình bày các nội dung liên quan đến
nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định quy luật điều khiển hệ thống EGR ở động cơ
nguyên thủy; đánh giá ảnh hưởng của EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến chỉ tiêu
kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ khi sử dụng: B0, B10 và B20 ở các
chế độ vận hành khác nhau; xác định được tỷ lệ tuần hoàn khí thải phù hợp cho động
cơ khi sử dụng B10, B20; xây dựng bộ dữ liệu phục vụ việc chủ động kiểm soát
%EGR mới; đánh giá hiệu quả sử dụng %EGRNew.
Phần Kết luận và hướng phát triển của luận án trình bày những đóng góp mới
của luận án trong lĩnh vực chuyên ngành và hướng nghiên cứu tiếp theo.
5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về hệ thống tuần hoàn khí thải trên động cơ
1.1.1. Lịch sử nghiên cứu và phát triển hệ thống tuần hoàn khí thải
Tuần hoàn khí thải (EGR) là phương pháp đưa một phần khí thải quay trở lại
đường nạp nhằm làm giảm nồng độ ô xy trong hỗn hợp môi chất công tác bên trong
xi lanh, giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy, giảm phát thải NO x … Tuần hoàn
khí thải được áp dụng rất rộng rãi trên động cơ động cơ đốt trong kiểu pít tông.
Tuần hoàn khí thải không phải là giải pháp công nghệ mới. Tác dụng làm giảm
NOx của EGR được công bố từ rất sớm (Berger 1940). Tuy nhiên, việc tạo ra một hệ
thống EGR trên động cơ trên thực tế mãi đến cuối những năm 1950 mới được thực
hiện (Kopa 1960). Ban đầu hệ thống EGR chỉ đơn giản là dạng ống phụt jecter nối
trực tiếp từ đường thải sang đường nạp. Hệ thống sẽ đưa khí EGR trở lại đường nạp
ở tất cả các chế độ làm việc của động cơ. Với thiết kế này làm cho động cơ khó khởi
động, làm việc không ổn định ở chế độ không tải. Các thí nghiệm đầu tiên về hệ thống
EGR được thực hiện vào những năm 1960.
Sự phát triển của hệ thống EGR được đánh dấu từ năm 1973 khi Chrysle cho
ra đời hệ thống EGR có làm mát khí tuần hoàn và van EGR được điều khiển theo độ
chân không trên đường nạp. Tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát được sử dụng
nhằm kích hoạt hệ thống điều khiển của van EGR khi nhiệt độ động cơ ở trạng thái
làm việc ổn định.
Từ những năm 1972 đến cuối những năm 1980 EGR thường được sử dụng
trong việc kiểm soát phát thải NOx trong động cơ sử dụng nhiên liệu xăng trên xe tải
hạng nhẹ và xe khách tại Mỹ. Cuối những năm 1990, hệ thống EGR sử dụng phổ biến
trên động cơ xăng. Việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống EGR cho động cơ diesel mãi
đến đầu những năm 1990 mới được ứng dụng và phát triển (Hawley 1999). Đến đầu
những năm 2000 do yêu cầu cần đáp ứng những tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt dành
cho xe tải nên Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) đã phát triển các chương trình
nghiên cứu giúp cải thiện phát thải của phương tiện (trong đó có việc phát triển hệ
thống EGR có làm mát khí EGR). Từ 2000÷2010 hệ thống EGR có làm mát khí EGR
được sử dụng phổ biến trên các động cơ diesel tại Mỹ.
Đến sau những năm 2010 hệ thống EGR ứng dụng trên động cơ không chỉ
giúp kiểm soát phát thải NOx mà còn thực hiện các nhiệm vụ khác như: đối với động
cơ xăng việc sử dụng EGR trên những động cơ phun nhiên liệu trực tiếp còn giúp
giảm công bơm (tăng hiệu suất nhiệt), tăng khả năng chống kích nổ và giúp động cơ
6
cháy với hỗn hợp nghèo, giảm suất tiêu thụ nhiên liệu; đối với động cơ diesel việc
điều khiển hệ thống EGR nhằm làm tăng nhiệt độ khí thải với mục đích tái sinh lọc.
1.1.2. Vai trò của hệ thống tuần hoàn khí thải
Đối với động cơ diesel các ô nhiễm chính gồm: NOx, HC, CO và hạt bụi (PM).
Trong đó, NOx và PM là hai chất cần có các biện pháp xử lý thích hợp nhằm đảm bảo
việc thỏa mãn các tiêu chuẩn về khí thải [66]. So với PM thì NOx là chất khó xử lý
hơn đặc biệt là với động cơ diesel có tỷ lệ A/F lớn đồng thời nếu giảm NOx bằng các
bộ xử lý khi thải (BXLKT) thì phát thải PM có thể ảnh hưởng đến chất lượng làm
việc cũng như tuổi thọ của BXLKT [66]. Để làm giảm NOx có thể sử dụng các biện
pháp sau: tối ưu hóa quá trình cháy, phun nước vào xi lanh, tuần hoàn khí thải (EGR),
sử dụng các BXLKT…
Bên cạnh việc đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải thì việc duy trì thời gian đáp
ứng là tiêu chí quan trọng đánh giá hiệu quả của hệ thống xử lý khí thải. Xử lý khí
thải tại nguồn phát sinh (trong buồng cháy động cơ) sẽ có thời gian duy trì khả năng
đáp ứng tiêu chuẩn lâu hơn [72]. Tuần hoàn khí thải (EGR) là giải pháp được lựa
chọn nhằm làm giảm mức phát thải NOx ngay tại nguồn phát sinh [44].
Vai trò của EGR trong việc đáp ứng các tiêu chuẩn Euro được trình bày trên
Hình 1.1 [66]. Có thể thấy để động cơ diesel có thể đạt được tiêu chuẩn Euro III trở
lên thì không thể thiếu hệ thống EGR.
Hình 1.1. Vai trò của EGR trong việc đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải [66]
Việc kết hợp giữa EGR và hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) điều khiển điện
tử cho phép phun nhiều giai đoạn với áp suất cao (HTPNL kiểu Common Rail - CR)
sẽ cho phép tận dụng tối đa các lợi ích của hệ thống CR đồng thời cho phép động cơ
7
vận hành một cách linh hoạt, hiệu quả với mức phát thải NOx thấp và đảm bảo mức
phát thải PM của động cơ không quá cao (do áp suất phun cao quá trình phun chia
làm nhiều giai đoạn sẽ có xu hướng làm giảm mức phát thải PM).
Hiện nay, phương pháp điều khiển hệ thống EGR phù hợp theo từng chế độ
vận hành của động cơ hiện vẫn là bí quyết công nghệ của các hãng sản xuất động cơ.
Thuộc tính của dòng khí EGR (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, thành phần chính tham
gia vào quá trình cháy tiếp theo…) cũng có sự phụ thuộc rất lớn vào tính chất lý hóa
của nhiên liệu sử dụng. Vì vậy, để chủ động kiểm soát %EGR khi động cơ chuyển
sang sử dụng biodiesel B10, B20 cần có các nghiên cứu chi tiết.
1.1.3. Phân loại hệ thống tuần hoàn khí thải
Hệ thống EGR trên động cơ hiện nay được phân loại theo nhiều tiêu chí khác
nhau: (1) áp suất khí EGR (EGR ở áp suất cao và EGR ở áp suất thấp), (2) phương
pháp làm mát dòng khí EGR (có làm mát, không làm mát), (3) phương pháp điều
khiển van EGR (dựa vào độ chân không trên đường nạp, van điện từ, bơm khí EGR)
1.1.3.1. Theo áp suất của dòng khí tuần hoàn
4
1
7
2
5
8
1
7
2
6
8
6
3
3
b)
a)
4
5
Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống EGR kiểu áp suất cao (a) và áp suất thấp (b) [40]
1 - Bộ lọc khí nạp; 2 - Cảm biến lưu lượng khí nạp; 3 - Két làm mát khí sau tăng
áp; 4 - Bướm gió; 5 - Van EGR; 6 - Két làm mát khí EGR; 7 - bộ tua bin - máy nén;
8 - Bộ xử lý khí thải
Sơ đồ nguyên lý hệ thống EGR kiểu áp suất cao và EGR ở áp suất thấp được
trình bày trên Hình 1.2. Hệ thống EGR áp suất cao thường trích một phần khí thải
trên cổ góp khí thải phía trước tua bin để đưa đến vị trị cổ góp khí nạp phía sau của
máy nén. Hệ thống EGR ở áp suất thấp sử dụng một phần khí thải được trích ra phía
sau tua bin (hoặc sau BXLKT) để đưa trở lại đường nạp tại vị trí phía trước máy nén.
So với hệ thống EGR áp suất thấp thì hệ thống EGR áp suất cao có một số ưu
điểm nhất định như: kết cấu đơn giản, muội than trong khí EGR không làm ảnh hưởng
8
đến động năng và sự cân bằng của máy nén… Tuy nhiên, nó cũng tồn tại một số
nhược điểm như: khó kiểm soát tỷ lệ và nhiệt độ của khí EGR so với hệ thống EGR
ở áp suất thấp đồng thời dòng khí EGR chứa nhiều PM hơn do chưa qua bộ lọc.
Mặc dù hiện nay hệ thống EGR áp suất cao thường được sử dụng phố biến
trên các động cơ diesel lắp trên xe hạng nhẹ nhằm làm giảm NO x, tuy nhiên sự phát
triển mạnh mẽ của các bộ lọc khí thải (bắt buộc phải có để có thể đạt tiêu chuẩn khí
thải Euro V và cao hơn nữa) đã tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của hệ thống
EGR áp suất thấp vì dòng khí EGR được lọc sạch sẽ giảm ảnh hưởng đến cân bằng
của rôto máy nén và nhiệt độ dòng khí EGR, tỷ lệ EGR được kiểm soát tốt hơn, [58].
Tuy nhiên, một nhược điểm khó có thể khắc phục ở hệ thống EGR áp suất thấp là
việc đáp ứng với sự thay đổi chế độ làm việc của động cơ chậm, cần thể tích của hệ
thống EGR lớn và điều đặc biệt là cần có một hệ thống kiểm soát vòng kín cho hệ
thống EGR.
Hệ thống EGR áp suất cao và EGR áp suất thấp cũng có thể được kết hợp với
nhau để tạo thành một hệ thống EGR dạng lai “hybrid” [58]. Việc kết hợp giữa EGR
áp suất cao và EGR áp suất thấp có thể cải thiện khả năng đáp ứng của EGR đến sự
thay đổi chế độ làm việc của động cơ. Tuy nhiên, hệ thống trở nên phức tạp đồng thời
làm tăng các vấn đề liên quan đến việc kiểm soát hệ thống. Sơ đồ nguyên lý của hệ
thống EGR “hybrid” được trình bày trên Hình 1.3.
1
2
3
4
8
5
6
7
6
9
1 - Bộ lọc khí nạp;
2 - Cảm biến lưu lượng khí nạp;
3 - Bướm gió;
4 - Van EGR áp suất thấp;
5 - Két làm mát khi sau tăng áp;
6 - Két làm mát khí EGR;
7 - Van EGR áp suất cao;
8 - Bộ tua bin - máy nén;
9 - Bộ xử lý khí thải
Hình 1.3. Hệ thống EGR kết hợp giữa áp suất vao và áp suất thấp [40]
Trong hệ thống EGR “hybrid”, tỷ lệ EGR được điều chỉnh nhờ hai van EGR
một dành cho “vòng trong” và một dành cho “vòng ngoài”. ECU điều khiển kết hợp
làm việc giữa hai van EGR trên nhằm phát huy tối đa hiệu quả của từng hệ thống (quá
9
trình điều khiển trở nên phức tạp hơn và kết cấu của hệ thống cồng kềnh, đây là những
lý do chính mà hệ thống này thường ít được sử dụng).
Đối với hệ thống EGR áp suất cao, do vị trí khí EGR hòa trộn với không khí
gần bầu gom khí nạp hơn so với hệ thống EGR ở áp suất thấp nên hệ thống EGR ở
áp suất cao còn được gọi là hệ thống EGR với đoạn đường đi ngắn (Short Route SR) do khí EGR chỉ cần đi qua két làm mát, van điều khiển là có thể đến đường nạp.
Hệ thống EGR áp suất thấp còn được gọi là hệ thống EGR với đoạn đường đi dài
(Long Route - LR) do khí EGR cần đi qua két làm mát, van điều khiển, tua bin tăng
áp, két làm mát khí nạp sau tăng áp rồi mới đến được bầu gom khí nạp.
Trong công trình nghiên cứu của F.Millo và các công sự, [58] đã nghiên cứu
thực nghiệm và so sánh, đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng hệ thống EGR áp suất
cao và áp suất thấp đến hiệu quả giảm NOx và chỉ tiêu kinh tế của động cơ diesel
phun nhiên liệu điều khiển điện tử, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của hai kiểu EGR
trên đến thuộc tính của dòng khí EGR, thuộc tính dòng khí nạp. Nghiên cứu này đã
đưa ra một số kết luận quan trọng như sau:
- Việc sử dụng hệ thống EGR kiểu áp suất thấp có xu hướng làm giảm mức
phát thải NOx tốt hơn so với hệ thống áp suất cao tại cùng tỷ lệ EGR. Khi %EGR=30%
thì hệ thống EGR kiểu áp suất thấp giảm NOx tốt hơn 30% so với hệ thống SR;
- Nhiệt độ khí nạp vào xi lanh ở hệ thống kiểu áp suất cao có xu hướng cao
hơn so với hệ thống kiểu áp suất thấp, kết quả nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng tại
%EGR=30 thì chênh lệch nhiệt độ khí nạp giữa hai hệ thống trên khoảng 20 0C, nhưng
khi tăng lên %EGR=50 thì mức độ chênh lệch về nhiệt độ khí nạp giữa hai hệ thống
tăng lên đến 40 0C;
- Nồng độ ô xy có trong khí nạp khi sử dụng hệ thống EGR kiểu áp suất cao
và kiểu áp suất thấp có xu hướng bằng nhau khi ở tỷ lệ EGR thấp (nhỏ hơn 30%).
Tuy nhiên, khi tăng %EGR thì nồng độ ô xy có trong khí nạp vào xi lanh khi sử dụng
hệ thống EGR kiểu áp suất thấp có xu hướng cao hơn so với khi sử dụng hệ thống
EGR kiểu áp suất cao.
- Việc sử dụng hệ thống EGR áp suất cao có xu hướng tăng nhẹ về suất tiêu
thụ nhiên liệu của động cơ so với khi sử dụng hệ thống EGR kiểu áp suất thấp (mức
độ tăng suất tiêu thụ nhiên liệu lớn nhất khoảng 2% tại %EGR=25%)
- Ở hệ thống EGR kiểu áp suất thấp sẽ có sự thay đổi đột ngột về công bơm và
hiệu suất nhiệt có ích của động cơ khi tỷ lệ EGR lớn hơn 25% (công bơm tăng và
hiệu suất nhiệt của động cơ có xu hướng giảm đột ngột khí %EGR lớn hơn 25%) điều
10
này có thể được giải thích là do khi tăng tỷ lệ EGR lớn hơn 25% ở hệ thống áp suất
thấp cần có sự giảm đáng kể về độ mở của bướm gió điều này làm tăng gradien áp
suất cục bộ của dòng khí nạp, tăng công bơm và làm giảm hiệu suất nhiệt có ích.
- Hiệu suất truyền nhiệt của động cơ khi sử dụng hệ thống EGR kiểu áp suất
thấp có xu hướng thay đổi không nhiều khi tăng tỷ lệ EGR, trong khi đó ở hệ thống
EGR kiểu áp suất cao hiệu suất truyền nhiệt này có xu hướng tăng khí tăng tỷ lệ EGR
điều này có thể được giải thích do hệ thống SR có nhiệt độ buồng cháy cao hơn so
với hệ thống LR.
1.1.3.2. Theo nhiệt độ dòng khí tuần hoàn
Theo phương pháp làm mát dòng khí EGR trước khi hòa trộn với không khí
P2,T2
Q4
P4,T4
P6
Inter-cooler
Comp
Comp
P3,T3
Turb
P6
Inter-cooler
Turb
P3,T3
Q1,T1
Q1,T1
có thể chia hệ thống EGR thành hai loại: không làm mát khí EGR (hot EGR) và có
làm mát khí EGR (cool EGR). Trên Hình 1.4 so sánh sơ đồ nguyên lý của hệ thống
EGR không làm mát khí EGR và có làm mát khí EGR.
P2,T2
EGR
Valve
Q4
P4,T4
EGR
Valve
EGR
cooler
Exh
Int
Int
Exh
a)
P5,T5
P5,T5
b)
Hình 1.4. Sơ đồ so sánh hệ thống không làm mát khí EGR (a) và có làm
mát khí EGR (b) [43]
So với hệ thống không làm mát khí EGR thì hệ thống có làm mát khí EGR có
một số ưu điểm như: nhiệt độ khí nạp trước khi vào xi lanh thấp hơn và hiệu quả làm
giảm NOx cao hơn. Trong công trình [44], Fuyunan Yang và Minggao đã nghiên cức
thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng hệ thống EGR không làm mát khí
![[Luận văn]nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cung cấp nhiên liệu trên động cơ diesel đến chi phí nhiên liệu riêng của liên hợp máy cày](https://media.store123doc.com/images/document/13/ce/bw/medium_bwz1386214993.jpg)
