Ảnh hưởng của một số thông số phun tới mức độ phát thải ô nhiễm, khi phun trực tiếp CNG vào buồng đốt động cơ

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ PHUN TỚI MỨC ĐỘ PHÁT THẢI Ô NHIỄM, KHI PHUN TRỰC TIẾP CNG VÀO BUỒNG ĐỐT ĐỘNG CƠ EFFECTS OF SOME INJECTION PARAMETERS TO EMISSION POLLUTION CONCENTRATION, IN THE DIRECT INJECTION CNG INTO THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE CHAMBER Nguyễn Thanh Tuấn1, Lê Bá Khang2, Huỳnh Trọng Chương3 Ngày nhận bài: 14/12/2014; Ngày phản biện thông qua: 26/01/2015; Ngày duyệt đăng: 15/9/2015 TÓM TẮT CNG hay còn gọi là khí thiên nhiên có nguồn trữ lượng phong phú và có đầy đủ những yếu tố cần thiết của một loại nhiên liệu của động cơ, đặc biệt nó được hứa hẹn là loại nhiên liệu làm giảm quá trình phát sinh ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên mức độ phát thải ô nhiễm có khác nhau tùy thuộc vào loại động cơ, cách thức hòa trộn nhiên liệu, chế độ hoạt động... Trong khuôn khổ bài báo này sẽ đề cập tới quá trình phun CNG trực tiếp vào buồng đốt với một số ảnh hưởng của thông số phun tới mức độ phát thải ô nhiễm ra môi trường. Thêm vào đó bài báo cũng tổng hợp kết quả và so sánh nồng độ HC, NOx, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng phương pháp phun trực tiếp vào buồng đốt (DI) với phun đa điểm trên đường ống nạp (MPI). Từ khóa: CNG, khí thiên nhiên, phát thải ô nhiễm ABSTRACT CNG or natural gas reserves has full richness, it has also properties of an internal combustion engine fuel. Especially, it is particularly promising as fuel reduces the pollution to environment. However, the concentration of pollution emissions can vary depending on the type of engines, mixture formation method, modes of engine operation ... This paper will refer to the CNG injection directly into the engine chamber with affecting of some injection parameters to pollution emissions concentration of environment. Further this paper was synthesis and compare the concentration HC, NOx, fuel consumption of the engine when using direct injection into the engine chamber (DI) with multi-point injection on the intake manifold (MPI). Keywords:CNG, compressed natural gas, pollution emissions I. ĐẶT VẤN ĐỀ Giá thành CNG rẻ hơn xăng khoảng 10% đến 30% Với đòi hỏi ngày càng cao về sự giảm chất phát và có tính ổn định trong thời gian dài so với giá các thải và sự phát triển liên tục của hiệu suất nhiệt cho sản phẩm dầu mỏ [3][4]. Do khí cháy hoàn toàn, động cơ đốt trong, con người đã đưa ra nhiều giải không gây đóng cặn trong thiết bị đốt và tại bộ chế pháp trong đó có giải pháp sử dụng nhiên liệu thay hòa khí của các phương tiện nên CNG giúp nâng thế. Khí thiên nhiên được xem là một trong những cao hiệu suất, kéo dài được chu kỳ bảo dưỡng và nhiên liệu thay thế với nhiều thuận lợi và đặc biệt nó tuổi thọ máy móc thiết bị [2][4]. Hơn nữa, với chỉ số được kỳ vọng là loại nhiên liệu thân thiện với môi octan cao của khí tự nhiên có thể giúp động cơ vận trường vì không giải phóng nhiều khí độc như NOx, hành với tỷ số nén cao và do đó mang lại hiệu suất CO, SO2 khi cháy và hầu như không phát sinh bụi nhiệt cao hơn. [1]. Các động cơ sử dụng CNG có thể làm giảm đến Đối với động cơ nhiên liệu phun trực tiếp, thời 93% lượng CO2, 33% lượng NOx và đến 50% lượng gian phun ảnh hưởng mạnh mẽ tới chất lượng đốt hydrocarbon thải ra khi so sánh với động cơ xăng. cháy nhiên liệu. Hiện nay, các công trình nghiên cứu 1 TS. Nguyễn Thanh Tuấn, 2 TS. Lê Bá Khang, 3 ThS. Huỳnh Trọng Chương: Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học Nha Trang 68 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 đối với quá trình phun trực tiếp khí thiên nhiên đã được dựa trên nguyên lý phun áp suất cao bằng kim được được đề cập và đang trong các quá trình thử phun đặc biệt được lắp đặt trên đỉnh xi lanh với một nghiệm khác nhau. Trong khuôn khổ bài báo này ống tích trữ và dẫn nhiên liệu. Hệ thống nhiên liệu sẽ trình bày ảnh hưởng của một số thông số phun và việc thiết lập các thông số vận hành của động nhiên liệu khí thiên nhiên đến mức độ phát phát thải cơ được quản lý và điều khiển bằng hệ thống ECU ô nhiễm của động cơ khi phun trực tiếp CNG vào đặc biệt, được phát triển bởi công ty ADCIS. Giao buồng đốt. tiếp với các thiết bị gắn trên động cơ thông qua một phần mềm Monitor 3. Phần mềm này có thể cho II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU phép điều chỉnh các thông số cơ bản của quá trình 1. Đối tượng nghiên cứu phun nhiên liệu, cũng như ghi lại dữ liệu thí nghiệm Đối tượng nghiên cứu là nhiên liệu khí thiên cần thiết. nhiên CNG được sử dụng thay thế cho xăng trên Bảng 1. Thông số cơ bản của động cơ [4] động cơ, căn cứ vào các thông số phun để đánh giá Thông số Đơn vị (Giá trị) mức độ phát thải của các chất gây ô nhiễm sinh ra Loại ĐC 3 xy lanh khi vận hành động cơ ra môi trường. Thể tích xy lanh công tác 1198 cm3 2. Thiết bị phục vụ nghiên cứu Đường kính xy lanh 76,5 mm Quá trình nghiên cứu được thực hiện trên động cơ xăng EA111.03D từ công ty Skoda Auto. Các Hành trình piston 86,9 mm thông số cơ bản của động cơ được miêu tả tại bảng Tỉ số nén 10 1. Việc cải hoán lắp đặt thiết bị thí nghiệm được Số lượng xu páp 2 thực hiện bởi nhóm nghiên cứu tại Bộ môn Giao Tốc độ quay tối đa 6000v/ph thông - Đại học Liberec - Cộng hòa Séc. Mô tả chi Nhiên liệu CNG tiết của động cơ thử nghiệm được thể hiện trong hình 1. Hệ thống nhiên liệu dùng cho nhiên liệu khí Kiểu làm mát Bằng nước Hình 1. Thiết bị thí nghiệm 3. Phương pháp nghiên cứu thời điểm đánh lửa và hệ số dư lượng không khí. Các Phương pháp nghiên cứu bằng thực nghiệm. Tất thông số phun này được nghiên cứu và lựa chọn dựa cả các chế độ thiết lập trong thí nghiệm đều được trên những nghiên cứu trước đó đối với việc sử dụng thực hiện ở chế độ hoạt động của động cơ với tốc CNG làm nhiên liệu thay thế. Chính vì vậy, tác giả độ trung bình là 3000 v/ph, đây cũng chính là tốc độ đã sử dụng số liệu từ những thí nghiệm trước đây quay trung bình trong thiết kế của loại động cơ này của các đồng nghiệp cùng nhóm nghiên cứu, khi tiến và cũng là lí do tác giả lựa chọn trong khuôn khổ bài hành thí nghiệm trên cùng loại động cơ và sử dụng hệ báo. Cùng với đó trong thiết lập chế độ hoạt động là thống phun nhiên liệu đa điểm CNG. Các chế độ đo sự thay đổi của thời điểm bắt đầu phun, áp suất phun, được thiết lập và được thể hiện trong bảng 2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 69 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 Bảng 2. Thiết lập chế độ thí nghiệm Thông số Áp suất phun Góc phun nhiên liệu Góc đánh lửa sớm Hệ số □ Đơn vị [bar] [độ] [độ] [-] 100 130 1,0 Thiết lập ECU 75 15 110 1,2 50 Tất cả các dữ liệu đo được thực hiện khi động cơ chạy ở trạng thái ổn định và đã được ghi lại bởi các hệ thống thu thập dữ liệu điện tử với tần số 1Hz. Sơ đồ đo và bố trí thiết bị được thể hiện trong hình 2. Hình 2. Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm phun trực tiếp khí thiên nhiên vào buồng đốt 1 - Cảm biến lưu lượng khí nạp, 2 - Bộ lọc không khí; 3 - Luồng không khí; 4 – Bướm ga; 5 – Vòi phun CNG áp suất cao; 6 - Ống nhiên liệu; 7- Cảm biến áp suất; 8 - Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu trong ống; 9 - Cảm biến áp suất nhiên liệu trong ống; 10 - Bình chứa nhiên liệu; 11 - Van; 12 - Bộ lọc; 13 – Đo áp suất nhiên liệu; 14, 15, - Cảm biến tốc độ; 16 – Cảm biến trục cam, 17 - Bugi; 18 – Nguồn cấp điện từ; 19 và 20 – Cảm biến oxy, tỷ lệ pha trộn; 21 - Ống dẫn khí xả vào máy đo; 22 – Bộ xúc tác ba chức năng; 23 - Ống giảm thanh; 24 - Cảm biến áp suất trong xy lanh III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN và NOx sinh ra phụ thuộc vào tải và các chế độ áp Kết quả thí nghiệm đã được xử lý bởi các bước suất phun 100bar, 50bar; góc phun nhiên liệu 1300, thực hiện tính toán thông thường (như phân tích sự khác nhau của góc phun nhiên liệu 1300 và 1100 thống kê, chọn lấy giá trị trung bình). Các kết quả tại áp suất phun 100 bar (trong hình 3 và hình 4) và đã được lựa chọn từ nghiên cứu thực nghiệm trên sự so sánh kết quả phun trực tiếp và phun đa điểm động cơ phun CNG trực tiếp với giá trị nồng độ HC được thể hiện tại hình 5. (3a) (3b) Hình 3. Nồng độ HC và NOx sinh ra phụ thuộc vào tải và các chế độ áp suất phun với góc đánh lửa sớm 0 và hỗn hợp làm giàu tại giá trị (αIGN=15 , □=1,0) 70 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 Các giá trị nồng độ HC và NOx trong khí thải trên đồ thị 4b. Góc đánh lửa sớm và hỗn hợp làm 0 trước khi qua bộ xúc tác phụ thuộc vào tải động cơ giàu được giữ cố định tại một giá trị (αIGN=15 , ở các chế độ khác nhau ứng với áp suất phun nhiên □=1,0). Sự thay đổi các thông số của phun nhiên liệu là 100 bar và 50 bar và góc phun nhiên liệu không liệu đối với khí độc hại NOx là không thay đổi nhiều, 0 đổi αINJ = 130 trên đồ thị 4a, và sự khác nhau của tuy nhiên đối với HC chưa cháy có sự khác biệt rõ o o góc phun 130 và 110 tại áp suất phun pINJ=100 bar rệt, đặc biệt là ở chế độ tải thấp của động cơ. (4a) (4b) Hình 4. Nồng độ HC và NOx sinh ra phụ thuộc vào tải và các thông số phun với góc đánh lửa sớm 0 và hỗn hợp làm giàu tại giá trị (αIGN=15 , □=1,2) Các giá trị nồng độ HC và NOx trong khí thải trên đồ thị 4b. Góc đánh lửa sớm và hỗn hợp làm 0 trước khi qua bộ xúc tác phụ thuộc vào tải động cơ giàu được giữ cố định tại một giá trị (αIGN=15 , ở các chế độ khác nhau của áp suất phun nhiên liệu □=1,2). Sự thay đổi các thông số của phun nhiên là 100 bar và 50 bar với góc phun nhiên liệu αINJ = liệu đối với NOx và HC thực tế là không đáng kể, 1300 trên đồ thị 4a và sự khác nhau của góc phun nhưng ở chế độ tải thấp nồng độ HC có giá trị tương o o nhiên liệu 130 và 110 tại áp suất phun pINJ=100 bar đối cao. Hình 5. So sánh nồng độ HC, NOx, suất tiêu hao nhiên liệu theo tải động cơ khi tiến hành thí nghiệm với hệ thống phun đa điểm MPI và hệ thống phun trực tiếp DI Nồng độ các chất độc hại thải ra môi trường là phun trực tiếp và phun đa điểm CNG với cùng các những thông số quan trọng phản ánh chất lượng chế độ vận hành và thông số phun, tuy nhiên có sự của quá trình cháy trong quá trình phun trực tiếp khác biệt ở góc đánh lửa sớm khi quá trình phun CNG vào buồng đốt. Để có cách nhìn tổng quát hơn trực tiếp đang là nghiên cứu bước đầu nên mới chỉ và dựa trên cơ sở dữ liệu trước đó của cùng nhóm thực hiện tại góc đánh lửa sớm 15O gqtk trước ĐCT, nghiên cứu, tác giả đã tổng hợp và so sánh giữa để điều chỉnh thời điểm đánh lửa theo tốc độ, tải... TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 71 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 cần thêm những nghiên cứu khác nhằm đảm bảo IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ các yếu tố về quá trình cháy, lượng tiêu thụ nhiên Chương trình mang tính chất thử nghiệm phun liệu hay tính năng động cơ. Chính vì vậy so sánh trực tiếp CNG vào buồng đốt nhưng đã mở ra hy này mang tính chất tham khảo và định hướng trong vọng có thể ứng dụng vào thực tế động cơ. Thực những nghiên cứu tiếp theo. nghiệm cho thấy rằng, tất cả các phạm vi vận hành Hệ thống phun đa điểm MPI: Phun nhiên liệu động cơ sử dụng DI có nồng độ HC cao hơn nếu khí CNG trên đường ống nạp cùng với sự biến đổi so sánh với động cơ sử dụng MPI. Bởi vì thời gian giá trị góc đánh lửa sớm. Hệ thống phun trực tiếp DI: hình thành hỗn hợp ngắn, sẽ làm chậm quá trình đốt Phun trực tiếp nhiên liệu khí CNG trong xi lanh động cháy của hỗn hợp, dẫn đến có sự dao động lớn giữa cơ, góc phun nhiên liệu 130° trong hành trình nén, các chu trình, và làm giảm hiệu suất động cơ, cùng áp lực phun 75 bar và góc đánh lửa sớm 15°góc với đó sẽ làm tăng nồng độ HC không cháy trong khí quay trục khuỷu trước ĐCT. Thí nghiệm được thực thải. Tuy nhiên điều này có thể sẽ sớm khắc phục hiện trên cùng một loại động cơ với hệ số dư lượng bằng cách tăng khả năng xoáy lốc khi thiết kế, điều không khí □=1,0 cho mỗi chế độ vận hành. chỉnh hình dáng buồng đốt động cơ. Để tối ưu hóa Đối với nhiệt lượng thu được trong cả hai trường cơ chế hình thành hỗn hợp bên trong buồng đốt, hợp thí nghiệm có ít sự chênh lệch. Tuy nhiên khi so trong các nghiên cứu tiếp theo sẽ mô phỏng khí sánh nồng độ NOx giữa phương pháp MPI và DI là động học trong xy lanh bằng phương pháp sử dụng sự khác biệt lớn, điều này xuất phát từ sự thay đổi phần mềm CFD để lựa chọn chế tạo buồng đốt với góc đánh lửa sớm đối với phương pháp MPI. Còn hình dạng cấu trúc nhằm tối ưu hóa quá trình hình đối với nồng độ HC chưa cháy cũng cho kết quả thành hỗn hợp nhiên liệu và quá trình cháy. Ngoài ra chênh lệch đáng kể (khoảng 3 lần) điều này có thể cũng cần nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông được lí giải rõ ràng là do sự không đồng nhất của số vận hành tới sự phát thải các chất độc hại khác hỗn hợp với sự hình thành bên trong xy lanh (thời như CO, CO2 để đồng bộ đưa các giải pháp phù gian hòa trộn nhiên liệu ngắn hơn). Để tránh tình hợp trong tính toán thiết kế buồng đốt và các chế trạng này đòi hỏi cần thiết kế, điều chỉnh để tăng độ sử dụng. cường độ chuyển động rối trong xi lanh động cơ. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyen Thanh Tuan., 2010. Compressed natural gas (CNG) as an alternative fuel for internal combustion engine, prob- lems and propose technical solutions for growth CNG vehiles in Vietnam. XLI. International scientific conference of Czech and Slovak university departments and institutions dealing with the research of combustion engines, Czech republic. ISBN 978-80-7372-632-4. 2. Hassan Ibrahim., 2010. Natural gas in South east Asia. Asia research center, ISBN 4-931482-07-4. 3. Semin., R.Bakar., A.R. Ismail., 2009. Green engine development Using compressed natural gas as an alternative fuel. American journal environment sciences 5, 2009, ISSN 1553-345X, 371-381. 4. Website: 72 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG