Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của hệ thống luân hồi khí xả tới lượng phát thải trên động cơ ô tô

KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ THỐNG LUÂN HỒI KHÍ XẢ
TỚI LƯỢNG PHÁT THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ Ơ TÔ

Giảng viên hướng dẫn:

ThS. Vũ Văn Định

Sinh viên thực hiện:

Lê Hồng Văn

Lớp: CQ.56.CKOT

Vương Xương Kiên

Lớp: CQ.54.CKOT

Trần Thị Hồng Phi

Lớp: CQ.59.KTOTO.1

Ngơ Tấn Vũ

Lớp: CQ.59.CK

Tóm tắt: Hệ thống ln hồi khí xả (EGR) được phát minh để kiểm sốt mức độ ơ nhiễm môi
trường của xe hơi vào đầu những năm 1970. Ln hồi khí thải của động cơ góp phần làm giảm đáng
kể lượng phát thải NOX, COX, HC, việc tìm tỷ lệ luân hồi tối ưu tại các chế độ tải và tốc độ khác
nhau là vô cùng quan trọng vì với tỷ lệ ln hồi tối ưu này cơng suất của động cơ giảm không đáng

kể, không ảnh hưởng tới tính năng vận hành của động cơ, đồng thời tiêu hao nhiên liệu lại tăng không
đáng kể. Bằng việc sử dụng phần mềm GT-POWER để mô phỏng hệ thống phân phối khí của động cơ,
đề tài đã xác định được tỷ lệ luân hồi tối ưu tại các chế độ tải và tốc độ động cơ khác nhau.
Từ khóa: Hệ thống luân hồi khí xả (ERG); Lượng phát thải của động cơ; Phần mềm GTPOWER; Tỷ lệ luân hồi tối ưu

1.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Xe cơ giới là một nguồn chính gây ơ nhiễm khơng khí tại các thành phố lớn. Các thành
phần độc hại trong khí thải xe cơ giới làm ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, các
thành phần khí như CO2, CH4, N2O là tác nhân gây hiệu ứng nhà kính, làm biến đổi khí hậu
đe dọa đến sự sống trên trái đất.

Hình 1. Phát thải độc hại từ các loại phương tiện khác nhau ở Việt Nam
Hình 1 thể hiện phát thải từ các loại phương tiện khác nhau, trong đó, xe mơ tơ và xe gắn
máy là nguồn phát thải chính các khí CO, HC, VOC, trong khi NOX và SOX chủ yếu do xe tải
P a g e 68 | 82


KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019

sử dụng động cơ diesel gây ra. Ngoài ra, phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel cũng được
biết đến là nguồn gây ra phát thải hạt (PM).
Để giảm lượng phát thải do các phương tiện cơ giới gây ra có nhiều cách:
- Cơng nghệ xử lý khí xả trước khi đốt: Sử dụng công nghệ và nhiên liệu sạch; Điều
chỉnh các thông số của động cơ; Sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu điều khiển điện tử.
- Sử dụng hệ thống ln hồi khí xả.
- Cơng nghệ xử lý khí xả sau khi đốt: Khử xúc tác khơng chọn lọc (SNCR); Khử xúc tác
chọn lọc (SCR); Phân hủy trực tiếp bằng xúc tác.

Trong đó việc sử dụng hệ thống luân hồi khí xả để giảm lượng phát thải là phương pháp
được sử dụng tương đối rộng rãi trên các ô tô hiện nay. Mục tiêu của hệ thống luân hồi khí xả
là giảm nồng độ HC, CO, NOX bằng cách tuần hồn khí thải trở lại hệ thống nạp động cơ
trong điều kiện có tải. Hệ thống này có thể dùng cho động cơ xăng và động cơ diesel. Trên cơ
sở nghiên cứu, xây dựng mơ hình động cơ bằng phần mềm GT-POWER, đề tài đã tiến hành
khảo sát ảnh hưởng của công suất động cơ khi sử dụng hệ thống ln hồi khí xả, đồng thời
cũng tìm ra được tỷ lệ luân hồi tối ưu của khí xả tại các chế độ tải và tốc độ khác nhau.
2.

CÁC NỘI DUNG CHÍNH

2.1. Giới thiệu động cơ khảo sát
Động cơ khảo sát là động cơ K20Z2 lắp trên xe Honda Civic 2.0 i-VTEC của hãng
Honda, đây là loại động cơ xăng thế hệ mới. Mỗi xylanh được trang bị 4 xupap trong đó gồm
2 xupap nạp và 2 xupap thải nên đáp ứng được nhu cầu nạp đầy, thải sạch cho động cơ.
Buồng cháy được thiết kế với góc nghiêng giữa xupap nạp và xupap thải là 55 độ, làm tăng
diện tích xupap nạp từ đó có thể tăng được tiết diện nạp. Bugi được đặt ở tâm buồng cháy,
đỉnh piston được khoét lõm. Có hệ thống đóng, mở van nạp biến thiên thơng minh.
Động cơ có cơng suất 144 kW/6000 v/p có hệ thống đánh lửa trực tiếp, hệ thống nhiên
liệu phun trực tiếp được điều khiển bởi ECU.
Bảng 1. Các thông số kỹ thuật của động cơ K20Z2

Tên động cơ

K20Z2

Loại động cơ

Động cơ xăng 4 thì DOHC i-VTEC, làm mát bằng nước

Bố trí xylanh

4 xylanh thẳng hàng, nằm ngang

Dung tích cơng tác

1998 cm3

Đường kính xylanh, d

86 mm

Hành trình piston, s

86 mm

Tỉ số nén

9,6

Công suất tối đa

144/6000 kW/v/p

Mô men xoắn tối đa

182/4000 N.m/rpm
P a g e 69 | 82

KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019

Truyền động xu páp

Truyền động bằng xích, 4 xupap DOHC i-VTEC mỗi
xylanh

Hệ thống phun nhiên
liệu

Hệ thống phun nhiên liệu đa cổng liên tiếp (pgm-fi)

Tiêu chuẩn khí xả

Euro step 2

Góc đánh lửa sớm

8±2 0BTDC

Mở
Thời Nạp
Đóng
điểm
phối
Mở
Xả
khí
Đóng

520~00 BTDC

Hệ thống bơi trơn

Bình hứng dầu ướt, cưỡng bức

u cầu nhiên liệu

Xăng khơng chì có chỉ số oc-tan 92 hoặc cao hơn

120~640 ABCD
440 BTDC
80 ABCD

Hình 2. Động cơ K20Z2
2.2. Giới thiệu phần mềm khảo sát
GT-POWER là một phần của gói phần mềm GT-SUITE nhằm phục vụ cho việc mơ
phỏng tồn bộ một phương tiện giao thơng. Để thực hiện việc mô phỏng, tiến hành xây dựng
các phần tử của mơ hình mơ phỏng. Khi phần mềm làm việc, sẽ có 4 vùng cần lưu ý: các
vùng 1, 2, 3 là các vùng của các mẫu sử dụng cho việc xây dựng mơ hình mơ phỏng; vùng 4
là vùng bản đồ của hệ thống hay động cơ khi ta xây dựng mơ hình.

P a g e 70 | 82


KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019

Hình 3. Màn hình giao diện của GT-POWER
2.3. Mơ hình hóa động cơ K20Z2 bằng phần mềm GT-POWER
a) Mơ hình động cơ khơng sử dụng bộ ln hồi khí xả

Hình 4. Mơ hình động cơ khơng sử dụng bộ ln hồi khí xả
b) Mơ hình hóa hệ thống ln hồi khí xả (EGR)
Hệ thống luân hồi khí xả trên động cơ Honda Civic 2.0 được mơ hình hóa trong phần
mềm GT-POWER như hình 5.
P a g e 71 | 82


KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019

Hình 5. Mơ hình hóa hệ thống ln hồi khí xả trên động cơ Honda Civic 2.0
Trong mơ hình, ta sử dụng một van EGR điều khiển tỉ lệ khí luân hồi được trích từ
đường xả bằng phần tử egr-fstangle. Khí ln hồi được đưa về đường nạp thơng qua các
đường ống. Để điều khiển EGR-Valve ta sử dụng một bộ điều khiển EGR-Controller. Bộ
điều khiển này dừa vào tín hiệu của lưu lượng khơng khí nạp mới vào động cơ lượng khí luân
hồi qua van để thực hiện việc điều khiển mở van cho lưu lượng khí luân hồi đi qua là phù
hợp.
c) Mơ hình động cơ có sử dụng bộ ln hồi khí xả

Hình 6. Mơ hình động cơ Honda Civic 2.0 trong phần mềm GT-POWER
P a g e 72 | 82


KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019

2.4. Khảo sát và đánh giá
a) Ảnh hưởng của luân hồi tới cơng suất động cơ

Hình 7. Sự thay đổi của Ne theo % EGR
Ta thấy, với các chế độ tải thay đổi từ 30% đến 100%, khi ta tăng tỉ lệ ln hồi thì làm

cho cơng suất động cơ giảm dần. Sự thay đổi của công suất động cơ như sau:
Bảng 2. Độ giảm của công suất (đơn vị %)
Ne

Chỉ tiêu
% Tải

5%

10%

15%

20%

30%

3.5

8.1

13.9

20.3

40%

5.9

13

20.6

28.3

50%

7.4

15.1

24.2

32.3

60%

8.2

15.2

26.1

34

70%

8.6

15.5

27.1

34.4

80%

8.8

17.6

27.5

34.6

90%

8.9

17.9

27.7

34.6

100%

8.9

18.4

27.8

34.6

Dựa vào bảng ta thấy, với các chế độ tải bé từ 40% đến 70%, ta có thể luân hồi được
10% mà công suất động cơ giảm cỡ 15% so với không luân hồi. Đặc biệt, với chế độ tải là
30% thì ta có thế ln hồi được tới 15% mà công suất chỉ suy giảm 13,9% so với không luân
hồi. Ở các chế độ tải lớn hơn là từ 80% đến 100%, ta chỉ nên luân hồi 5%. Tuy nhiên, vì với
chế độ tải này, ta cần phát huy công suất tối đa nên trong các nghiên cứu và trong thực tế,
người ta không tiến hành luân hồi.
P a g e 73 | 82


KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019

b) Ảnh hưởng của luân hồi tới lượng phát thải HC

Hình 8. Sự thay đổi của HC theo % EGR
Từ đồ thị trên thấy rằng, lượng phát thải HC sau khi luân hồi là giảm dần khi tăng tải và
giảm dần tương ứng với lượng luân hồi. Nguyên nhân là vì khi tiến hành ln hồi thì có một
lượng HC ở khí thải được đưa ngược trở lại đốt cháy hết; đồng thời, HC sinh ra là do các
vùng cháy khơng hết ở các góc cạnh, chân ren… trong buồng đốt, sẽ có lượng khí ln hồi
chiếm chỗ vùng này nên lượng phát môi chất cháy không hết sẽ giảm.
Bảng 3. Sự thay đổi của HC theo % EGR
Chỉ
tiêu

HC (g/kW.h)

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0.731665

0.609459

0.582504

0.572074

0.568329

0.567533

0.567155

0.566981

0.566944

15%

0.774434

0.634313

0.604007

0.592375

0.587005

0.584396

0.58313

0.582546

0.582425

10%

0.818846

0.659549

0.625571

0.612649

0.606762

0.603928

0.602566

0.601936

0.601811

5%

0.862789

0.685243

0.647362

0.633021

0.626507

0.623401

0.621916

0.621239

0.621099

0%

1.108918

0.732829

0.710586

0.704464

0.697112

0.693604

0.691935

0.691169

0.691014

%
EGR
20%

Như vậy, luân hồi từ 30% đến 100% đều đáp ứng yêu cầu giảm lượng HC đạt tiêu chuẩn
Euro 3 nhưng với 20% thì khơng đảm bảo. Tuy nhiên, khi ở 100% tải thì lại khơng đạt được
phát huy cơng suất.
c) Ảnh hưởng của luân hồi tới lượng NOX
Bảng 4. Sự thay đổi của NOx theo % EGR
Chỉ tiêu
% EGR
20%
15%
10%
5%
0%

20%
0.1545
0.4396
1.0581
2.1884
4.0497

30%
0.1665
0.470037
1.10071
2.15961
3.66085

40%
0.17285
0.48471

1.12686
2.16283
3.52347

NOx (g/kW.h)
50%
60%
70%
0.17445 0.18754 0.20507
0.48984 0.49178 0.49283
1.14419 1.15818 1.16567
2.16987 2.18059 2.19047
3.44663 3.40386 3.38099

80%
0.21451
0.49362
1.17051
2.19865
3.36972

90%
0.21907
0.49406
1.1735
2.20348
3.36512

100%
0.22004

0.49419
1.17411
2.20452
3.36409

P a g e 74 | 82


KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019

Hình 9. Sự thay đổi của NOx theo % EGR
Lượng NOX giảm dần khi ta tăng tỉ lệ luân hồi từ 0% đến 20%. Lượng phát thải NOX
được thể hiện như trên hình 9.
Dựa vào sơ đồ và bảng giá trị ta thấy, lượng khí thải NOX trước luân hồi không đạt được
tiêu chuẩn Euro 4, sau khi luân hồi thì lượng phát thải đạt tiêu chuẩn Euro 4
d) Ảnh hưởng của luân hồi tới lượng CO

Hình 10. Sự thay đổi của CO theo % EGR
Lượng phát thải CO thay đổi như trên hình 10. Khi tăng tỉ lệ luân hồi làm cho lượng CO
tăng lên. Tuy nhiên, khi tăng tải làm cho lượng CO giảm với cùng một lượng luân hồi.
Khi ta sử dụng luân hồi khí thải từ 40% tải tới 100% tải thì lượng phát thải của động cơ
đều thỏa mãn tiêu chuẩn Euro. Với chế độ tải là 20% đến 30% thì lượng phát thải khơng đảm
bảo.
3. KẾT LUẬN
Ln hồi khí thải của động cơ góp phần làm giảm đáng kể lượng phát thải NOX, COX,
HC, việc tìm tỷ lệ luân hồi tối ưu tại các chế độ tải và tốc độ khác nhau là vô cùng quan
trọng. Vì với tỷ lệ luân hồi tối ưu này công suất của động cơ giảm không đáng kể, không ảnh
P a g e 75 | 82

KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019

hưởng tới tính năng vận hành của động cơ, đồng thời tiêu hao nhiên liệu lại tăng không đáng
kể.
Với các chế độ tải bé từ 40% đến 70%, có thể luân hồi được 10% mà công suất động cơ
giảm cỡ 15% so với không luân hồi. Đặc biệt, với chế độ tải là 30% thì có thế ln hồi được
tới 15% mà công suất chỉ suy giảm 13,9% so với không luân hồi. Ở các chế độ tải lơn hơn là
từ 80% đến 100%, chỉ nên luân hồi 5%. Tuy nhiên, vì với chế độ tải này, cần phát huy công
suất tối đa nên trong nghiên cứu và trong thực tế, người ta không tiến hành luân hồi. Khi tiến
hành luân hồi khí xả làm cho các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ bị suy giảm nhưng lượng phát
thải của động cơ giảm, giảm các thành phần HC, CO, NOx.

Tài liệu tham khảo
[1]. Đỗ Hữu Đức (2009), Phương tiện giao thơng và kiểm sốt phát thải, Kỷ yếu Hội thảo
quốc gia về phương tiện và nhiên liệu sạch, Hải Phòng.
[2]. Nguyễn Duy Tiến (1970), Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB Giáo dục.
[3]. Phạm Minh Tuấn (9/2003), Chuyên đề khí thải động cơ và ơ nhiễm mơi trường, Đại Học
Bách Khoa Hà Nội.
[4]. Nguyễn Hồng Vũ (2004), Ơ nhiễm môi trường do động cơ đốt trong, Học viện Kỹ thuật
Quân sự.
[5]. Alain Maiboom, Xavier Tauzia, Jean-Franc-ois He´tet (2008), Experimental study of
various effects of exhaust gas recirculation (EGR) on combustion and emissions of an
automotive direct injection diesel engine, Energy, 33(2008)22-34.
[6]. Avinash Kumar Agrawal (2004), Effect of EGR on the exhaust gas temperature and
opacity in compression ignition engines. Department of Mechanical Engineering and
Environmental Egineering and Management, Indian Intitude of Technology, paper 275284 vol. 29, part 3, June 2004.

P a g e 76 | 82