Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015

68 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC

ẢNH HƯỞNG CỦA MÔT SỐ THÔNG SỐ PHUN TỚI MỨC ĐÔ PHÁT THẢI Ô NHIỄM, KHI PHUN TRỰC TIẾP CNG VÀO BUỒNG ĐỐT ĐÔNG 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 TẮTCNG hay còn gọi là khí thiên nhiên có nguồn trữ lượng phong phú và có đầy đủ những yếu tố cần thiết của môt loại

nhiên liệu của đông cơ, đặc biệt nó được hứa hẹn là loại nhiên liệu làm giảm quá trình phát sinh ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên mức đô phát thải ô nhiễm có khác nhau tùy thuôc vào loại đông cơ, cách thức hòa trôn nhiên liệu, chế đô hoạt đông... Trong khuôn khổ bài báo này sẽ đề cập tới quá trình phun CNG trực tiếp vào buồng đốt với môt số ảnh hương của thông số phun tới mức đô phát thải ô nhiễm ra môi trường. Thêm vào đó bài báo cũng tổng hợp kết quả và so sánh nồng đô HC, NOx, suất tiêu hao nhiên liệu của đông 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

ABSTRACTCNG 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

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

I. ĐẶT VẤN ĐỀVới đòi hỏi ngày càng cao về sự giảm chất phát

thải và sự phát triển liên tục của hiêu suất nhiêt cho đông cơ đốt trong, con người đã đưa ra nhiều giải pháp trong đó có giải pháp sử dụng nhiên liêu thay thế. Khí thiên nhiên được xem là môt trong những nhiên liêu thay thế với nhiều thuận lợi và đặc biêt nó được kỳ vọng là loại nhiên liêu thân thiên với môi trường vì không giải phóng nhiều khí đôc như NOx, CO, SO2 khi cháy và hầu như không phát sinh bụi [1]. Các đông cơ sử dụng CNG có thể làm giảm đến 93% lượng CO2, 33% lượng NOx và đến 50% lượng hydrocarbon thải ra khi so sánh với đông cơ xăng.

Giá thành CNG rẻ hơn xăng khoảng 10% đến 30% và có tính ổn định trong thời gian dài so với giá các sản phẩm dầu mỏ [3][4]. Do khí cháy hoàn toàn, không gây đóng cặn trong thiết bị đốt và tại bô chế hòa khí của các phương tiên nên CNG giúp nâng cao hiêu suất, kéo dài được chu kỳ bảo dưỡng và tuổi thọ máy móc thiết bị [2][4]. Hơn nữa, với chỉ số octan cao của khí tự nhiên có thể giúp đông cơ vận hành với tỷ số nén cao và do đó mang lại hiêu suất nhiêt cao hơn.

Đối với đông cơ nhiên liêu phun trực tiếp, thời gian phun ảnh hưởng mạnh mẽ tới chất lượng đốt cháy nhiên liêu. Hiên nay, các công trình nghiên cứu

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 69

đối với quá trình phun trực tiếp khí thiên nhiên đã được được đề cập và đang trong các quá trình thử nghiêm khác nhau. Trong khuôn khổ bài báo này sẽ trình bày ảnh hưởng của môt số thông số phun nhiên liêu khí thiên nhiên đến mức đô phát phát thải ô nhiễm của đông cơ khi phun trực tiếp CNG vào buồng đốt.

II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là nhiên liêu khí thiên

nhiên CNG được sử dụng thay thế cho xăng trên đông cơ, căn cứ vào các thông số phun để đánh giá mức đô phát thải của các chất gây ô nhiễm sinh ra khi vận hành đông cơ ra môi trường.

2. Thiết bị phục vụ nghiên cứuQuá trình nghiên cứu được thực hiên trên đông

cơ xăng EA111.03D từ công ty Skoda Auto. Các thông số cơ bản của đông cơ được miêu tả tại bảng 1. Viêc cải hoán lắp đặt thiết bị thí nghiêm được thực hiên bởi nhóm nghiên cứu tại Bô môn Giao thông - Đại học Liberec - Công hòa Séc. Mô tả chi tiết của đông cơ thử nghiêm được thể hiên trong hình 1. Hê thống nhiên liêu dùng cho nhiên liêu khí

được dựa trên nguyên ly phun áp suất cao bằng kim phun đặc biêt được lắp đặt trên đỉnh xi lanh với môt ống tích trữ và dẫn nhiên liêu. Hê thống nhiên liêu và viêc thiết lập các thông số vận hành của đông cơ được quản ly và điều khiển bằng hê thống ECU đặc biêt, được phát triển bởi công ty ADCIS. Giao tiếp với các thiết bị gắn trên đông cơ thông qua môt phần mềm Monitor 3. Phần mềm này có thể cho phép điều chỉnh các thông số cơ bản của quá trình phun nhiên liêu, cũng như ghi lại dữ liêu thí nghiêm cần thiết.

Bảng 1. Thông số cơ bản của động cơ [4]

Thông số Đơn vị (Giá trị)

Loại ĐC 3 xy lanhThể tích xy lanh công tác 1198 cm3

Đường kính xy lanh 76,5 mm Hành trình piston 86,9 mmTỉ số nén 10Số lượng xu páp 2Tốc đô quay tối đa 6000v/phNhiên liêu CNGKiểu làm mát Bằng nước

Hình 1. Thiết bị thí nghiệm

3. Phương pháp nghiên cứuPhương pháp nghiên cứu bằng thực nghiêm. Tất

cả các chế đô thiết lập trong thí nghiêm đều được thực hiên ở chế đô hoạt đông của đông cơ với tốc đô trung bình là 3000 v/ph, đây cũng chính là tốc đô quay trung bình trong thiết kế của loại đông cơ này và cũng là lí do tác giả lựa chọn trong khuôn khổ bài báo. Cùng với đó trong thiết lập chế đô hoạt đông là sự thay đổi của thời điểm bắt đầu phun, áp suất phun,

thời điểm đánh lửa và hê số dư lượng không khí. Các thông số phun này được nghiên cứu và lựa chọn dựa trên những nghiên cứu trước đó đối với viêc sử dụng CNG làm nhiên liêu thay thế. Chính vì vậy, tác giả đã sử dụng số liêu từ những thí nghiêm trước đây của các đồng nghiêp cùng nhóm nghiên cứu, khi tiến hành thí nghiêm trên cùng loại đông cơ và sử dụng hê thống phun nhiên liêu đa điểm CNG. Các chế đô đo được thiết lập và được thể hiên trong bảng 2.

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015

70 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬNKết quả thí nghiêm đã được xử ly bởi các bước

thực hiên tính toán thông thường (như phân tích thống kê, chọn lấy giá trị trung bình). Các kết quả đã được lựa chọn từ nghiên cứu thực nghiêm trên đông cơ phun CNG trực tiếp với giá trị nồng đô HC

và NOx sinh ra phụ thuôc vào tải và các chế đô áp suất phun 100bar, 50bar; góc phun nhiên liêu 1300, sự khác nhau của góc phun nhiên liêu 1300 và 1100 tại áp suất phun 100 bar (trong hình 3 và hình 4) và sự so sánh kết quả phun trực tiếp và phun đa điểm được thể hiên tại hình 5.

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] [đô] [đô] [-]

Thiết lập ECU1007550

130110 15 1,0

1,2

Tất cả các dữ liêu đo được thực hiên khi đông cơ chạy ở trạng thái ổn định và đã được ghi lại bởi các hê thống thu thập dữ liêu điên tử với tần số 1Hz. Sơ đồ đo và bố trí thiết bị được thể hiên trong hình 2.

Hình 2. Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm phun trực tiếp khí thiên nhiên vào buồng đốt1 - Cảm biến lưu lượng khí nạp, 2 - Bô 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 đô nhiên liệu trong ống; 9 - Cảm biến áp suất nhiên liệu trong ống; 10 - Bình chứa nhiên liệu; 11 - Van; 12 - Bô lọc; 13 – Đo áp suất nhiên liệu; 14, 15, - Cảm biến tốc đô; 16 – Cảm biến trục cam, 17 - Bugi; 18 – Nguồn cấp điện từ; 19 và 20 – Cảm biến oxy, ty lệ pha trôn; 21 - Ống dẫn khí xả vào máy đo; 22 – Bô xúc tác ba chức năng; 23 - Ống giảm thanh; 24 - Cảm biến áp suất trong xy lanh

(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

và hỗn hợp làm giàu tại giá trị (αIGN=150, □=1,0)

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 71

Các giá trị nồng đô HC và NOx trong khí thải trước khi qua bô xúc tác phụ thuôc vào tải đông cơ ở các chế đô khác nhau ứng với áp suất phun nhiên liêu là 100 bar và 50 bar và góc phun nhiên liêu không đổi αINJ = 1300 trên đồ thị 4a, và sự khác nhau của góc phun 130o và 110o tại áp suất phun pINJ=100 bar

trên đồ thị 4b. Góc đánh lửa sớm và hỗn hợp làm giàu được giữ cố định tại môt giá trị (αIGN=150, □=1,0). Sự thay đổi các thông số của phun nhiên liêu đối với khí đôc hại NOx là không thay đổi nhiều, tuy nhiên đối với HC chưa cháy có sự khác biêt rõ rêt, đặc biêt là ở chế đô tải thấp của đông 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

và hỗn hợp làm giàu tại giá trị (αIGN=150, □=1,2)

Các giá trị nồng đô HC và NOx trong khí thải trước khi qua bô xúc tác phụ thuôc vào tải đông cơ ở các chế đô khác nhau của áp suất phun nhiên liêu là 100 bar và 50 bar với góc phun nhiên liêu αINJ = 1300 trên đồ thị 4a và sự khác nhau của góc phun nhiên liêu 130o và 110o tại áp suất phun pINJ=100 bar

trên đồ thị 4b. Góc đánh lửa sớm và hỗn hợp làm giàu được giữ cố định tại môt giá trị (αIGN=150, □=1,2). Sự thay đổi các thông số của phun nhiên liêu đối với NOx và HC thực tế là không đáng kể, nhưng ở chế đô tải thấp nồng đô HC có giá trị tương 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 đô các chất đôc hại thải ra môi trường là những thông số quan trọng phản ánh chất lượng của quá trình cháy trong quá trình phun trực tiếp CNG vào buồng đốt. Để có cách nhìn tổng quát hơn và dựa trên cơ sở dữ liêu trước đó của cùng nhóm nghiên cứu, tác giả đã tổng hợp và so sánh giữa

phun trực tiếp và phun đa điểm CNG với cùng các chế đô vận hành và thông số phun, tuy nhiên có sự khác biêt ở góc đánh lửa sớm khi quá trình phun trực tiếp đang là nghiên cứu bước đầu nên mới chỉ thực hiên tại góc đánh lửa sớm 15O gqtk trước ĐCT, để điều chỉnh thời điểm đánh lửa theo tốc đô, tải...

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015

72 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

cần thêm những nghiên cứu khác nhằm đảm bảo các yếu tố về quá trình cháy, lượng tiêu thụ nhiên liêu hay tính năng đông cơ. Chính vì vậy so sánh này mang tính chất tham khảo và định hướng trong những nghiên cứu tiếp theo.

Hê thống phun đa điểm MPI: Phun nhiên liêu khí CNG trên đường ống nạp cùng với sự biến đổi giá trị góc đánh lửa sớm. Hê thống phun trực tiếp DI: Phun trực tiếp nhiên liêu khí CNG trong xi lanh đông cơ, góc phun nhiên liêu 130° trong hành trình nén, áp lực phun 75 bar và góc đánh lửa sớm 15°góc quay trục khuỷu trước ĐCT. Thí nghiêm được thực hiên trên cùng môt loại đông cơ với hê số dư lượng không khí □=1,0 cho mỗi chế đô vận hành.

Đối với nhiêt lượng thu được trong cả hai trường hợp thí nghiêm có ít sự chênh lêch. Tuy nhiên khi so sánh nồng đô NOx giữa phương pháp MPI và DI là sự khác biêt lớn, điều này xuất phát từ sự thay đổi góc đánh lửa sớm đối với phương pháp MPI. Còn đối với nồng đô HC chưa cháy cũng cho kết quả chênh lêch đáng kể (khoảng 3 lần) điều này có thể được lí giải rõ ràng là do sự không đồng nhất của hỗn hợp với sự hình thành bên trong xy lanh (thời gian hòa trôn nhiên liêu ngắn hơn). Để tránh tình trạng này đòi hỏi cần thiết kế, điều chỉnh để tăng cường đô chuyển đông rối trong xi lanh đông cơ.

IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊChương trình mang tính chất thử nghiêm phun

trực tiếp CNG vào buồng đốt nhưng đã mở ra hy vọng có thể ứng dụng vào thực tế đông cơ. Thực nghiêm cho thấy rằng, tất cả các phạm vi vận hành đông cơ sử dụng DI có nồng đô HC cao hơn nếu so sánh với đông cơ sử dụng MPI. Bởi vì thời gian hình thành hỗn hợp ngắn, sẽ làm chậm quá trình đốt cháy của hỗn hợp, dẫn đến có sự dao đông lớn giữa các chu trình, và làm giảm hiêu suất đông cơ, cùng với đó sẽ làm tăng nồng đô HC không cháy trong khí thải. Tuy nhiên điều này có thể sẽ sớm khắc phục bằng cách tăng khả năng xoáy lốc khi thiết kế, điều chỉnh hình dáng buồng đốt đông cơ. Để tối ưu hóa cơ chế hình thành hỗn hợp bên trong buồng đốt, trong các nghiên cứu tiếp theo sẽ mô phỏng khí đông học trong xy lanh bằng phương pháp sử dụng phần mềm CFD để lựa chọn chế tạo buồng đốt với hình dạng cấu trúc nhằm tối ưu hóa quá trình hình thành hỗn hợp nhiên liêu và quá trình cháy. Ngoài ra cũng cần nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số vận hành tới sự phát thải các chất đôc hại khác như CO, CO2 để đồng bô đưa các giải pháp phù hợp trong tính toán thiết kế buồng đốt và các chế đô sử dụng.

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: http://www.pvgas.com.vn/san-pham-va-dich-vu/san-pham/khi-thien-nhien-nen.