Mô phỏng tính năng động cơ và phát thải CO và NO của động ...vicomech.com/wp-content/uploads/2016_TuyenTap/397_406_TranVanNam.pdf · 398 Mô phỏng phát thải

Tuyển tập Công trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí toàn quốc lần thứ 19 397

Mô phỏng tính năng động cơ và phát thải CO và NOx của động cơ chạy bằng xăng pha ethanol

Trần Văn Nam, Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức

Trường Đại học Bách khoa-Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt: Các loại nhiên liệu thay thế, trong đó có ethanol đã được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong ở nhiều nơi trên thế giới. Ethanol có thể được dùng trực tiếp hoặc dưới hình thức pha chế với xăng truyền thống. Tỷ lệ phù hợp phối trộn ethanol với xăng có liên quan đến kiểu hệ thống cung cấp nhiên liệu, kiểu hệ thống đánh lửa, đặc điểm tăng áp động cơ và phạm vi số vòng quay động cơ. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu mô phỏng động cơ Daewoo A16DMS làm việc với các hỗn hợp nhiên liệu E5, E15 và E30 (hỗn hợp ethanol với xăng RON92 lần lượt chứa 5%, 15% và 30% thể tích ethanol). Công chỉ thị chu trình, nồng độ CO và NOx trong khí thải khi động cơ vận hành ở các số vòng quay khác nhau, với các mức ethanol thay đổi được nghiên cứu. Mô phỏng cũng được thực hiện với sự thay đổi một số yếu tố như: tỷ số nén động cơ, nhiệt độ khí nạp, góc đánh lửa sớm, thay không khí nạp bằng biogas giàu CH4, nhằm làm rõ khả năng ứng dụng các hỗn hợp ethanol. Kết quả mô phỏng cho thấy ứng dụng các hỗn hợp E5, E15 và E30 là hoàn toàn khả thi. Từ khóa: Cồn ethanol, biogas, ô nhiễm khí thải, tính năng động cơ.

Simulation of Performance, CO and NOx Emission of Engine Fueled with Gasoline Ethanol Blended Fuels

Abstract: Alternative fuels, including ethanol has been used as a fuel for internal combustion engines in many countries. Ethanol can be used directly or in the form of blending with traditional gasoline. The reasonable percentage of ethanol blended with gasoline is related to type of fuel supply system, ignition system type, turbocharged engine characteristics and range of engine revolution. This paper presents simulation results of A16DMS Daewoo engine fueled with E5, E15 and E30 (fuel mixture of ethanol blended with petrol RON92 containing 5%, 15% and 30% ethanol by volume, respectively). The study concentrated on indicated work cycle, emission of CO and NOx in exhaust gas of the engine as operating at different revolutions, percentages of ethanol. Simulations were alse performed with change of some other conditions, such as engine compression ratio, intake air temperature, ignition timing, replacement of intake air with rich CH4 biogas, in order to clarify the applicability of the blended fuels. The simulation results showed that application of these mixtures is workable. Keywords: Ethanol, Biogas, Exhaust Gas Emission, Engine Performance.

1. Giới thiệu

Hội nghị thượng đỉnh COP21 về biến đổi khí hậu do Liên hợp quốc tổ chức tại Paris đã đạt được quyết định lịch sử sau 20 năm đàm phán. 195 quốc gia đã thống nhất cùng hành động giảm mức độ phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính để nhiệt độ trái đất không tăng quá 20C so với nhiệt độ trung bình thời kỳ 1889-1899. Tăng cường sử dụng nhiên liệu tái tạo có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời là một trong những giải pháp căn bản để đạt được mục tiêu COP21.

Nguy Văn Đông,ễn

398 Mô phỏng phát thải CO và NOx của động cơ chạy bằng xăng pha ethanol và biogas

Việt Nam là nước nhiệt đới có gần 80% dân số sống ở vùng nông thôn. Chất thải từ sản xuất nông nghiệp và chăn nuôi là nguồn nguyên liệu rất tốt để sản xuất các loại nhiên liệu sinh học. Ethanol và biogas là nhiên liệu tái tạo có thể được sản xuất từ các chất hữu cơ. Việc sử dụng chúng làm nhiên liệu không làm tăng chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong bầu khí quyển.

Xăng pha ethanol đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới với tỉ lệ pha chế khác nhau. Theo qui định của Chính phủ Việt Nam, xăng pha 5% thể tích ethanol (gọi là xăng E5) được sử dụng rộng rãi trên toàn quốc từ ngày 1-12-2015. Ethanol là hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của cồn etylic, có số octane cao hơn so với xăng. Do đó ethanol có thể được sử dụng để nâng cao trị số octane của nhiên liệu nhằm cải thiện hiệu quả của quá trình cháy trong động cơ đốt trong [1].

Mustafa Koc nghiên cứu ảnh hưởng của xăng pha ethanol E50 và E85 đến tính năng động cơ và mức độ phát ô nhiễm ở tỷ số nén 10 và 11 và tốc độ động cơ biến thiên từ 1500 đến 5000 vòng/phút và kết luận khi pha ethanol vào xăng, momen động cơ và tiêu hao nhiên liệu tăng nhưng mức độ phát thải ô nhiễm giảm [2]. Nghiên cứu này cũng cho thấy xăng pha ethanol cho phép tăng tỷ số nén động cơ mà không xảy ra kích nổ. Do nhiệt ẩn hóa hơi của ethanol và nhiệt độ bốc cháy của ethanol cao hơn xăng nên thời gian cháy trễ của ethanol bị kéo dài. Vì vậy, để tăng hiệu quả động cơ chạy bằng xăng pha ethanol thì cần tăng góc đánh lửa sớm của động cơ theo hàm lượng ethanol. Richie Daniel nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến tính năng động cơ chạy bằng xăng pha ethanol [3] và kết luận rằng ở tốc độ 1500 vòng/phút, góc đánh lửa sớm động cơ chạy bằng xăng khoảng 7-80, trong khi đó góc đánh lửa sớm khi chạy bằng ethanol khoảng 220 [3]. Phuangwongtrakul thử nghiệm xăng pha cồn với thành phần khác nhau và chỉ ra rằng mô men lớn nhất khi động cơ chạy ở 5.000 vòng/phút đạt được với góc đánh lửa sớm là 300, 350 và 400 ứng với xăng E10, E30 và E85 [4].

Để làm rõ khả năng ứng dụng xăng sinh học, chúng tôi nghiên cứu quá trình cháy và tính năng động cơ khi chạy bằng xăng pha ethanol với hàm lượng khác nhau về thể tích. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm và tỷ số nén động cơ cũng được khảo sát, đánh giá. Nghiên cứu được thực hiện kết hợp giữa thực nghiệm và mô phỏng.

Thực nghiệm được tiến hành tại Trung tâm thí nghiệm động cơ-ô tô, trường Đại học Bách khoa-Đại học Đà Nẵng. Hệ thống thí nghiệm đồng bộ của hãng AVL. Mô tả chi tiết hệ thống thí nghiệm động cơ được trình bày trong [5]. Động cơ Daewoo A16DMS được cải tạo để chạy bằng hỗn hợp xăng pha ethanol. Đây là động cơ 4 kỳ, 4 xi lanh, đường kính xi lanh 79 mm, hành trình piston 81,5 mm, tổng thể tích công tác 1.598 cm3, tỉ số nén 9,5. Công suất cực đại của động cơ khi chạy bằng xăng là 78 kW ở 5.800 vòng/phút.

Hỗn hợp nhiên liệu dùng trong thực nghiệm và tính toán mô phỏng là các hỗn hợp ethanol với xăng thương mại RON92; chứa 5%, 15% và 30% ethanol theo thể tích; lần lượt được ký hiệu là E5, E15 và E30.

Bài báo này trình bày các kết quả tính toán mô phỏng quá trình cháy, tính năng động cơ, mức phát thải ô nhiễm của động cơ khi dùng các loại nhiên liệu E5, E15 và E30.

2. Tính toán mô phỏng quá trình cháy

Tính toán mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm ANSYS FLUENT. Hình 1 giới thiệu sự chia lưới xi lanh và buồng cháy động cơ Daewoo. Qui trình xây dựng mô hình tính toán và thiết lập lưới động khi piston dịch chuyển trong xi lanh động cơ được trình bày trong [6]. Mô hình chảy rối k-, mô hình cháy hòa trộn trước cục bộ được sử dụng để tính toán. Thành phần nhiên liệu được điều chỉnh và các đặc trưng nhiệt động hóa học của hỗn hợp cháy được thiết lập trong bảng hàm mật độ phân phối xác suất nhiên liệu PDF để truy

Trần Văn Nam, Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Đông, Phan Minh Đức 399

suất nhanh chóng trong quá trình giải hệ phương trình mô tả diễn biến quá trình cháy trong xi lanh. Kết quả thực nghiệm [7] chứng tỏ khi chuyển sang dùng xăng sinh học, cần tăng góc đánh lửa sớm so với dùng xăng truyền thống. Trong các tính toán mô phỏng sau đây, góc đánh lửa sớm là 250 trước điểm chết trên (tăng 50 so với nguyên thủy khi dùng xăng) và hệ số độ đậm tương đối của hỗn hợp được chọn =1,0.

Hình 1. Chia lưới xi lanh và buồng cháy động cơ Daewoo

Hình 2 biểu diễn phát triển khu vực cháy của động cơ trên mặt cắt ngang buồng cháy cách đỉnh 8mm. Trên mặt cắt ngang này ta thấy màng lửa hình tròn với bán kính tăng dần theo góc quay trục khuỷu. Hình 3a biểu diễn biến thiên áp suất và nhiệt độ trong xi lanh động cơ; hình 3b biểu diễn biến thiên áp suất và nồng độ O2, xăng và ethanol theo góc quay trục khuỷu. Khi bắt đầu cháy, nồng độ các chất giảm dần đồng thời nhiệt độ và áp suất trong xi lanh tăng nhanh. Điểm cực đại của nhiệt độ trễ hơn điểm cực đại của áp suất khoảng 200. Hình 4 giới thiệu biến thiên nồng độ nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu khi động cơ chạy ở tốc độ 3.000 vòng/phút bằng xăng E15 và bằng biogas chứa 95% CH4. Kết quả này cho thấy tốc độ tiêu thụ CH4 xấp xỉ tốc độ tiêu thụ xăng. Trong khi đó tốc độ tiêu thụ ethanol theo góc quay trục khuỷu thấp hơn nhiều so với 2 loại nhiên liệu vừa nêu.

Hình 2. Diễn biến quá trình cháy trong buồng cháy động cơ Daewoo tại mặt cắt ngang buồng cháy cách đỉnh 8mm (xăng E15, tỉ số nén =9,5, tốc độ động cơ 2.000 vòng/phút).

Hình 5 thể hiện sự ảnh hưởng tốc độ động cơ đến biến thiên nồng độ trung bình của xăng trong hỗn hợp trong quá trình cháy. Khi tốc độ động cơ tăng thì tốc độ tiêu thụ nhiên liệu giảm.

Mối tương quan giữa nhiệt độ hỗn hợp khí và nồng độ CO, NOx khi động cơ chạy bằng biogas và xăng E15 được trình bày trên các hình 6a và 6b. Nồng độ khối lượng các chất ô nhiễm được tính trung bình trên toàn bộ thể tích buồng cháy. Kết quả cho thấy, sau khi khởi động quá trình cháy, nồng độ các chất ô nhiễm tăng nhanh cùng với sự gia tăng


nhiệt độ và đạt giá trị cực đại trước khi nhiệt độ đạt cực đại. Tốc độ hình thành CO phụ thuộc vào nồng độ nhiên liệu và nhiệt độ. Trong khi đó tốc độ hình thành NOx phụ thuộc vào nồng độ oxy và nhiệt độ. Nồng độ CO cực đại đạt được ở vùng nhiệt độ cao và nồng độ nhiên liệu còn lớn. Ngược lại nồng độ NOx đạt cực đại tại vùng nhiệt độ cao và nồng độ oxy còn lớn.

(a) (b)

Hình 3. Biến thiên áp suất và nhiệt độ (a); biến thiên áp suất, nồng độ oxy và nhiên liệu (b) trong buồng cháy động cơ Daewoo dùng xăng E15, tỉ số nén =9,5, tốc độ 2.000 vòng/phút

Hình 4. Biến thiên nồng độ nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu khi động cơ dùng

biogas, xăng E15 ở tốc độ 3.000 vòng/phút

Hình 5. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên nồng độ xăng theo góc quay trục

khuỷu khi động cơ chạy bằng xăng E15.

Kết quả trên cho thấy khi chạy bằng xăng E15 thì CO và NOx đạt cực đại gần như tại cùng vị trí góc quay trục khuỷu khi động cơ chạy ở các tốc độ khác nhau (hình 6a,b). Đối với nhiên liệu biogas, điểm cực đại của CO đạt được trễ hơn điểm cực đại NOx (hình 7). Sau khi đạt giá trị cực đại, CO cũng như NOx bị oxy hóa với lượng oxy còn thừa trong hỗn hợp nên nồng độ của chúng giảm trong quá trình giãn nở.


(a) (b)

Hình 6. Quan hệ giữa biến thiên nhiệt độ và biến thiên nồng độ NOx, CO trong buồng cháy động cơ chạy bằng xăng E15 ở tốc độ 3.000 vòng/phút (a) và 4.000 vòng/phút (b)

Hình 7. Quan hệ giữa biến thiên nhiệt độ và biến thiên nồng độ NOx, CO trong buồng cháy động cơ chạy bằng xăng biogas chứa 95% CH4 ở tốc độ 3.000 vòng/phút

3. Phân tích tính năng động cơ

Hình 8a,b giới thiệu ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến đồ thị công khi động cơ chạy bằng xăng E15 với tỉ số nén 9,5 và 10,3. Trong cùng điều kiện vận hành công chỉ thị động cơ giảm khi tốc độ động cơ tăng. Điều này có thể giải thích do khi tốc độ động cơ tăng thời gian tương ứng với quá trình cháy giãn nở giảm, nên một bộ phận nhiên liệu cháy trong giai đoạn giãn nở, làm giảm khả năng sinh công. Khi tỷ số nén động cơ 9,5 và tốc độ động cơ tăng từ 2.000 vòng/phút lên 5.000 vòng/phút, công chỉ thị chu trình của động cơ giảm từ 574 J/ct xuống 457 J/ct (khoảng 20%). Tương tự như vậy khi tỷ số nén động cơ 10,3, công chỉ thị chu trình giảm từ 588 J/ct xuống 481 J/ct (khoảng 18%) ứng với cùng mức độ tăng tốc độ động cơ (hình 9). Khi tỉ số nén động cơ tăng từ 9,5 lên 10,3 thì công chỉ thị chu trình tăng 2,4% ở 2.000 vòng/phút và tăng 5,3% ở 5.000 vòng/phút.

Hình 10 so sánh đồ thị công khi động cơ chạy bằng xăng, xăng pha ethanol với các hàm lượng khác nhau và khi chạy bằng biogas. Khi chuyển sang chạy bằng xăng pha ethanol, nếu không thay đổi góc đánh lửa sớm thì công chỉ thị chu trình của động cơ khi chạy bằng xăng pha ethanol giảm nhẹ. Cụ thể khi chạy bằng xăng truyền thống, xăng E5, xăng E15, xăng E30 thì công chỉ thị chu trình lần lượt là 511 J/ct, 510 J/ct, 506 J/ct và 493 J/ct. Nghĩa là khi chạy bằng xăng E5 và E15, công suất động cơ hầu như không thay đổi so với khi chạy bằng xăng. Khi chạy bằng xăng E30 công chỉ thị chu trình giảm khoảng 3% so


với khi chạy bằng xăng. Mức độ giảm công chỉ thị này có thể được khắc phục nếu điều chỉnh góc đánh lửa sớm động cơ khi chuyển sang chạy bằng xăng pha ethanol. Kết quả tính toán cũng cho thấy khi chạy bằng biogas chứa 95% CH4 và 100% CH4 thì công chỉ thị chu trình chỉ đạt 425-426 J/ct. Như vậy công chỉ thị chu trình giảm 17% khi chuyển từ xăng sang chạy bằng biogas có hàm lượng CH4 lớn hơn 95%.

(a) (b)

Hình 8: Đồ thị công chỉ thị khi động cơ chạy bằng xăng E15 với tỉ số nén 9,5 (a) và 10,3 (b)

Hình 9. Ảnh hưởng của tỉ số nén đến biến

thiên công chỉ thị chu trình theo tốc độ động cơ (xăng E15)

Hình 10. Đồ thị công của động cơ khi chạy bằng xăng pha ethanol với các tỉ lệ khác

nhau và khi chạy bằng biogas.

4. Phân tích mức độ phát thải ô nhiễm

Hình 11 giới thiệu biến thiên nồng độ NOx trong buồng cháy động cơ theo góc quay trục khuỷu ứng với tỉ số nén 9,5 và 10,3 và tốc độ động cơ biến thiên từ 2.000 vòng/phút đến 5.000 vòng/phút. Chúng ta thấy nồng độ NOx đạt giá trị cực đại ở vùng nhiệt độ cao sau đó giảm dần và giữ ổn định đến cuối quá trình giãn nở. Nồng độ ổn định này được xem là nồng độ của NOx trong khí thải động cơ. Ứng với một tốc độ động cơ cho trước, khi tỉ số nén động cơ tăng từ 9,5 lên 10,3 thì nồng độ NOx tăng 7%. Điều này có thể giải thích do nhiệt độ môi chất tăng làm tăng tốc độ hình thành NOx. Khi tốc độ động cơ tăng thì nồng


độ NOx giảm mạnh (hình 12). Nồng độ NOx trong khí thải giảm đến 78,5% khi tốc độ động cơ tăng từ 2.000 vòng/phút lên 5.000 vòng/phút. Điều này là do khi tăng tốc độ động cơ thì vận động rối tăng làm tăng khả năng đốt cháy các gốc hình thành NOx.

Biến thiên nồng độ CO theo góc quay trục khuỷu động cơ cũng tương tự như biến thiên NOx tuy nhiên đường cong dốc mạnh tại vùng nhiệt độ cao (hình 13). Tăng tỉ số nén động cơ làm tăng nhẹ nồng độ CO trong khí thải. Khi tỉ số nén tăng từ 9,5 lên 10,3 thì nồng độ CO trong khí thải chỉ tăng 1%. Mặc dù có sự chênh lệch đáng kể về nồng độ CO tại vùng cực đại nhưng ở cuối quá trình dãn nở, mức độ chênh lệch nồng độ CO theo tốc độ động cơ không lớn và ảnh hưởng của tỉ số nén đến nồng độ CO trong khí thải không đáng kể. Khi tốc độ động cơ tăng từ 2.000 vòng/phút lên 5.000 vòng/phút nồng độ CO trong khí thải tăng 5% (hình 14).

Hình 11. Ảnh hưởng của tỉ số nén và tốc độ động cơ đến biến thiên NOx theo góc quay

trục khuỷu khi chạy bằng xăng E15

Hình 12. Ảnh hưởng của tỉ số nén đến biến thiên NOx trong khí thải theo tốc độ động

cơ khi chạy bằng xăng E15

Hình 13. Ảnh hưởng của tỉ số nén và tốc độ động cơ đến biến thiên CO theo góc quay

trục khuỷu khi chạy bằng xăng E15

Hình 14. Ảnh hưởng của tỉ số nén đến biến thiên CO trong khí thải theo tốc độ động cơ

khi chạy bằng xăng E15

Ảnh hưởng của nhiên liệu đến biến thiên nồng độ NOx trong buồng cháy động cơ được giới thiệu trên hình 15. Kết quả mô phỏng được tính với động cơ có tỉ số nén 9,5 chạy ở tốc độ 3.000 vòng/phút. Nồng độ NOx trong khí thải tăng theo hàm lượng ethanol pha vào xăng. Khi chạy bằng xăng E5, nồng độ NOx tăng 50 ppm và khi chạy bằng xăng E30, nồng


độ NOx tăng 250 ppm (tương ứng 3% và 15%) so với khi chạy bằng xăng (hình 16). Trong khi đó so với khi chạy bằng xăng thì khi chạy bằng biogas chứa 95% CH4 và 100% CH4, nồng độ NOx giảm tương ứng 43% và 41%.

Khác với NOx, nồng độ CO giảm khi tăng hàm lượng ethanol trong xăng. Hình 17 giới thiệu biến thiên nồng độ CO theo góc quay trục khuỷu của động cơ khi chạy bằng biogas và khi chạy xăng pha ethanol với các thành phần khác nhau. Khi tăng hàm lượng ethanol, nồng độ CO trong khí thải giảm rất nhanh. Mức độ giảm nồng độ CO so với xăng khi chạy bằng xăng E5, E15 và E30 lần lượt là 17%, 51% và 87% (hình 18).

Hình 15. Ảnh hưởng của nhiên liệu đến biến thiên NOx theo góc quay trục khuỷu

khi chạy ở tốc độ 3.000 vòng/phút

Hình 16. Biến thiên NOx trong khí thải theo hàm lượng ethanol trong xăng khi động cơ

chạy ở tốc độ 3.000 vòng/phút

Kết quả tính toán cũng cho thấy khi tăng hàm lượng CH4 trong biogas từ 95% lên 100% nồng độ CO trong khí thải thay đổi không đáng kể. Nồng độ CO trong khí thải động cơ khi chạy bằng biogas giảm 39% so với khi chạy bằng xăng, tương đương với khi động cơ chạy bằng xăng E15.

Hình 17. Ảnh hưởng của nhiên liệu đến

biến thiên CO theo góc quay trục khuỷu khi chạy ở tốc độ 3.000 vòng/phút

Hình 18. Biến thiên CO trong khí thải theo hàm lượng ethanol trong xăng khi động cơ

chạy ở tốc độ 3.000 vòng/phút

Tải động cơ ảnh hưởng rõ rệt đến nồng độ NOx trong khí thải. Khi giảm tải động cơ thì lượng phát thải NOx cũng giảm (hình 19). Điều này có thể giải thích do nhiệt độ của hỗn hợp giảm làm giảm tốc độ sản sinh NOx. Trong khi đó sự thay đổi tải hầu như không ảnh hưởng đến mức độ phát thải CO (hình 20).


Nhiệt độ khí nạp ảnh hưởng nhẹ đến mức độ phát thải NOx. Hình 21 giới thiệu biến thiên của NOx theo góc quay trục khuỷu khi động cơ chạy bằng nhiên liệu E15, tỉ số nén 9,5 với nhiệt độ khí nạp giả định là 303K, 352K và 373K. Nhiệt độ khí nạp tăng làm tăng nồng độ NOx trong sản phảm cháy. Điều này có thể giải thích là do nhiệt độ của hỗn hợp cháy tăng theo nhiệt độ khí nạp.

Hình 19. Ảnh hưởng của tải đến biến thiên

NOx theo góc quay trục khuỷu động cơ chạy bằng xăng E15

Hình 20. Ảnh hưởng của tải đến biến thiên CO theo góc quay trục khuỷu động cơ chạy

bằng xăng E15

Hình 21. Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp

đến biến thiên NOx theo góc quay trục khuỷu động cơ chạy bằng xăng E15

Hình 22. Ảnh hưởng của nồng độ CO2 trong không khí đến biến thiên NOx theo góc quay trục khuỷu động cơ chạy bằng

xăng E15

Kết quả ở trên cho thấy nồng độ NOx phụ thuộc vào nhiệt độ của hỗn hợp. Để giảm nồng độ NOx, nhất là khi động cơ chạy ở tải thấp, các động cơ hiện đại được trang bị thêm hệ thống hồi lưu khí thải. Khi pha trộn khí nạp mới với khí thải (chủ yếu là CO2) nhiệt độ của hỗn hợp cháy giảm làm giảm nồng độ NOx trong khí thải. Hình 22 giới thiệu biến thiên NOx theo góc quay trục khuỷu của động cơ chạy bằng E15 khi pha 15% và 20% CO2 vào không khí nạp so với trường hợp không khí sạch. Kết quả tính toán cho thấy khi pha 15% CO2 thì nồng độ NOx trong khí thải giảm đi khoảng 13 lần so với khi nạp bằng không khí sạch. Khi pha 20% CO2, hàm lượng NOx trong khí thải chỉ còn khoảng 1% so với hàm lượng của nó trong trường hợp động cơ nạp bằng không khí sạch.


5. Kết luận

Kết quả nghiên cứu trên đây cho phép chúng ta rút ra được những kết luận sau:

1. Khi động cơ dùng E15 với tỉ số nén tăng từ 9,5 lên 10,3 thì công chỉ thị chu trình tăng 2,4% ở 2.000 vòng/phút và tăng 5,3% ở 5.000 vòng/phút. Ngược lại công chỉ thị chu trình giảm 20% khi tốc độ động cơ tăng từ 2.000 lên 5.000 vòng/phút.

2. Nếu không điều chỉnh góc đánh lửa sớm, khi động cơ chạy xăng có hàm lượng ethanol nhỏ hơn 15%, công chỉ thị chu trình tương đương với khi chạy xăng. Khi hàm lượng ethanol tăng lên 30%, công chỉ thị chu trình giảm khoảng 3% so với khi chạy bằng xăng. Khi chạy bằng biogas chứa trên 95% CH4 công chỉ thị chu trình giảm 17% so với khi chạy bằng xăng.

3. Ứng với một tốc độ động cơ cho trước, khi tỉ số nén động cơ tăng từ 9,5 lên 10,3 thì nồng độ NOx tăng 7% và nồng độ CO tăng 1%. Khi tốc độ động cơ tăng từ 2.000 vòng/phút lên 5.000 vòng/phút nồng độ NOx trong khí thải giảm đến 78,5% trong khi nồng độ CO tăng 5%.

4. Khi chạy bằng xăng E5 và xăng E30, nồng độ NOx trong khí thải tăng tương ứng 3% và 15% và nồng độ CO giảm tương ứng là 17% và 87% so với khi chạy bằng xăng. Trong khi đó khi chạy bằng biogas chứa 95% CH4, nồng độ NOx giảm đến 43% và nồng độ CO giảm 39% so với khi chạy bằng xăng.

5. Khi giảm tải động cơ nồng độ NOx trong khí thải giảm nhưng nồng độ CO hầu như ít thay đổi theo tải. Nồng độ NOx trong khí thải tăng nhẹ theo nhiệt độ khi nạp nhưng giảm rất mạnh theo hàm lượng khí thải hồi lưu vào đường nạp.

Tài liệu tham khảo [1] Huseyin Serdar Yucesu, Tolga Topgul, Can Cinat, Melih Okur (2006). “Effect of ethanol-

gasoline blends on engine performance and exhaust emissions in different compression ratios".

Applied Thermal Engineering, Volume 26, Issues 17-18, Pages 2272-2278.

[2] Mustafa Koc, Yakup Sekmen, Tolga Topgül, Hüseyin Serdar Yücesu (2009). “The effects of

ethanol-unleaded gasoline blends on engine performance and exhaust emissions in a spark-

ignition engine”. Renewable Energy, Volume 34, Issue 10, Pages 2101-2106.

[3] Richie Daniel, Guohong Tian, Hongming Xu, Shijin Shuai (2012). “Ignition tiiming sensivities

of oxygenated biofuels compared to gasoline in direct-injection SI engine". Fuel 99, pp. 72-82.

[4] S. Phuangwongtrakul, K.Wannatong, T. Laungnarutai and W. Wechsatol (2013). “Suitable

Ignition Timing and Fuel Injection Duration for Ethanol-Gasoline Blended Fuels in a Spark

Ignition Internal Combustion Engine”. Proc. of the Intl. Conf. on Future Trends in Structural,

Civil, Environmental and Mechanical Engineering, FTSCEM 2013, ISBN: 978-981-07-7021-1,

pp. 39-42.

[5] Bùi Văn Ga, Nguyễn Việt Hải, Nguyễn Văn Anh, Võ Anh Vũ, Bùi Văn Hùng (2015). “Phân

tích biến thiên áp suất trong động cơ dual fuel biogas-diesel cho bởi mô phỏng và thực nghiệm”.

Tạp chí Khoa học-Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 01(86), 2015, pp.24-29.

[6] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Tran Thanh Hai Tung (2013). “A Simulation of Effects of

Compression Ratios on the Combustion in Engines Fueled With Biogas with Variable CO2

Concentrations”. Journal of Engineering Research and Application www.ijera.com, Vol. 3,

Issue 5, pp.516-523 (Impact Factor 1,69).

[7] Phan Minh Đức, Phạm Thăng Long (2014). “Nghiên cứu ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến

hoạt động của động cơ sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn E10”. Tuyển tập Công trình Hội nghị

khoa học Cơ họcThủy khí toàn quốc năm 2014.

Documents

Mô phỏng tính năng động cơ và phát thải CO và NO của động ...vicomech.com/wp-content/uploads/2016_TuyenTap/397_406_TranVanNam.pdf · 398 Mô phỏng phát thải