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

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂUKý hiệu Bảng 1.2 Sự thay đổi thuộc tính của hỗn hợp biodiesel theo tỷ lệ pha trộn Bảng 1.3 Sự thay đổi các thông số vật lý của nhiên liệu biodiesel trong một số côn

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

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:

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

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.

Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2 Nghiên cứu sinh

LỜI CẢM ƠNTrước 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

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi

MỞ ĐẦU 1

Mục đích nghiên cứu của luận án 2

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

Phương pháp nghiên cứu của luận án 2

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

Bố cục của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5 1.1 Tổng quan về hệ thống tuần hoàn khí thải trên động cơ 5

1.1.1 Lịch sử nghiên cứu và phát triển hệ thống tuần hoàn khí thải 5

1.1.2 Vai trò của hệ thống tuần hoàn khí thải. 6

1.1.3 Phân loại hệ thống tuần hoàn khí thải 7

1.1.3.1 Theo áp suất của dòng khí tuần hoàn……… 7

1.1.3.2 Theo nhiệt độ dòng khí tuần hoàn …… ……… 10

1.1.3.3 Theo phương pháp điều khiển van tuần hoàn……….

11 1.1.4 Các phương pháp xác định tỷ lệ tuần hoàn khí thải……….

11 1.1.5 Một số lưu ý khi sử dụng hệ thống tuần hoàn khí thải……….

12 1.2 Tổng quan về nhiên liệu sinh học 13

1.2.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu diesel sinh học 13

1.2.2 Sự thay đổi thuộc tính của hỗn hợp biodiesel theo tỷ lệ pha trộn 17

1.2.3 Ảnh hưởng của biodiesel đến chỉ tiêu tiêu kinh tế, năng lượng và môi 18 trường

1.2.4 Ảnh hưởng của thuộc tính nhiên liệu đến thuộc tính dòng khí thải……….

20 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… 21

1.3.1 Trên thế giới 21

1.3.1.1 Trên động cơ dùng hệ thống phun nhiên liệu kiểu cơ khí 21

1.3.1.2 Trên động cơ dùng hệ thống phun nhiên liệu kiểu CR 24

1.3.1.3 Nghiên cứu tối ưu và điều chỉnh tỷ lệ tuần hoàn khí thải 27

1.3.2 Tại Việt Nam 29

1.4 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu và loại nhiên liệu sử dụng 31

1.6 Kết luận Chương 1 35

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG CHU TÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ……… 36

2.1 Các vấn đề chung 36

2.2 Lựa chọn phần mềm tính toán……… 37

2.3 Cơ sở tính toán chu trình công tác của động cơ……… 38

2.3.1 Mô hình vật lý của định luật nhiệt động học thứ nhất áp dụng cho động cơ đốt trong 38

2.3.2 Mô hình cháy 40

2.3.2.1 Mô hình Vibe 40 2.3.2.2 Mô hình Double Vibe41 2.3.2.3 Mô hình Vibe hai vùng 42 2.3.2.3 Mô hình MCC 42 2.3.3 Mô hình truyền nhiệt 45

2.3.3.1 Mô hình truyền nhiệt trong xi lanh 45 2.3.3.2 Truyền nhiệt ở các quá trình trao đổi khí 47 2.3.4 Mô hình tính toán các thành phần khí thải của động cơ 48

2.3.4.1 Mô hình tính toán NOx 48 2.3.4.2 Mô hình tính toán Soot (bồ hóng) 48 2.5 Kết luận Chương 2 49

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ CÓ TUẦN HOÀN KHÍ THẢI VÀ SỬ DỤNG BIODIESEL………… 50

3.1 Xác định thông số đầu vào phục vụ cho quá trình xây dựng mô hình…… 50

3.1.1 Các thông số về kết cấu của động cơ……… 51

3.1.2 Nhóm các thông số về hệ thống nạp, thải của động cơ……… 51

3.1.3 Các thông số vận hành của động cơ……… 53

3.1.4 Các thông số về quy luật cung cấp nhiên liệu……… 53

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 55

3.3 Đánh giá và hiệu chỉnh mô hình 58

3.3.1 Hiệu chỉnh các tham số trong mô hình cháy 59

3.3.1.1 Mô hình Double Vibe60 3.3.1.2 Mô hình Vibe hai vùng 61 3.3.1.3 Mô hình MCC 62 3.3.1.4 Lựa chọn bộ thông số phù hợp cho việc tính toán pcyl 63 3.3.2 Hiệu chỉnh theo chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của động cơ tại đường đặc tính ngoài 64

3.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn khí thải đến diễn biến áp suất và nhiệt độ

bên trong xi lanh……… 66

3.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn đến tốc độ tỏa nhiệt và quy luật cháy……. 72

3.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn đến tốc độ hình thành NO x và Soot……… 78

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……… 84

3.8 Ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn khí thải đến phát thải NO x , PM của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10, B20……… 87

3.9 Kết luận Chương 3………. 90

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 92

4.1 Mục đích, chế độ và đối tượng thử nghiệm 92

4.1.1 Mục đích 92

4.1.2 Chế độ thực nghiệm 93

4.1.2.1 Hiệu chỉnh mô hình lý thuyết 93

4.1.2.2 Xác định quy luật thay đổi %EGR của động cơ nguyên thủy trong toàn vùng làm việc 93

4.1.2.3 Đánh giá ảnh hưởng của %EGR đến chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ 93

4.1.3 Đối tượng thực nghiệm 96

4.2 Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm 96

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……… 102

4.3.1 Kết quả xác định quy luật thay đổi của tỷ lệ tuần hoàn khí thải 102

4.3.2 Giới hạn ảnh hưởng của tỷ lệ EGR đến thông số vận hành và phát thải của động cơ 103

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……… 104

4.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến chỉ tiêu kinh tế, năng lượng………. 109

4.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ EGR và loại nhiên liệu sử dụng phát thải NO x và PM 112 4.7 Cơ sở để lựa chọn tỷ lệ EGR mới cho động cơ khi sử dụng B10, B20 114

4.8 Kết luận Chương 4……….……… 120

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN……… 122

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN……… 124

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 125

PHỤ LỤC……… 133

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Ký hiệu

Bảng 1.2 Sự thay đổi thuộc tính của hỗn hợp biodiesel theo tỷ lệ pha trộn

Bảng 1.3 Sự thay đổi các thông số vật lý của nhiên liệu biodiesel trong một số

công trình trên thế giới

Bảng 1.4 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

Bảng 1.5 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

Bảng 3.3 Kết quả xác định các thông số vận hành của hệ thống nạp thải khi động

cơ làm việc ở đặc tính ngoài

ở đặc tính ngoài

tại n=2000 vg/ph, nhiên liệu B0

trong xi lanh tại n=2000 vg/ph

Bảng 3.8 Kết quả tính toán diễn biến HRR có xét đến ảnh hưởng của mức độ

EGR tại n=2000 vg/ph, nhiên liệu B0

của %EGR tại 2000 vg/ph

các chế độ tải khác nhau ở 2000 vg/ph

Ký hiệu

Kết quả tính toán ảnh hưởng của tỷ lệ EGR và loại nhiên liệu sử dụng

độ tải khác nhau tại n=2000 vg/ph, dung B0, B10 và B20

Bảng 4.2 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

khói của động cơ tại n=2000 vg/ph

Bảng 4.4 Sự thay đổi các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động

cơ khi sử dụng tỷ lệ EGR

Bảng 4.5 Sự thay đổi các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động

cơ khi sử dụng tỷ lệ EGR

Bảng 4.6 Sự thay đổi các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động

cơ khi sử dụng tỷ lệ EGR

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Ký hiệu

Hình 1.1Hình 1.2Hình 1.3Hình 1.4Hình 1.5Hình 1.6Hình 1.7Hình 1.8Hình 1.9Hình 1.10Hình 1.11Hình 1.12Hình 1.13Hình 1.14Hình 1.15

Hình 1.16Hình 1.17Hình 2.1

Hình 3.3Hình 3.4Hình 3.5Hình 3.6

Ký hiệu

Hình 3.7Hình 3.8Hình 3.9Hình 3.10Hình 3.11Hình 3.12Hình 3.13Hình 3.14Hình 3.15Hình 3.16Hình 3.17Hình 3.18Hình 3.19Hình 3.20Hình 3.21

Hình 3.22

Hình 4.1

Hình 4.2

Hình 4.5Hình 4.6Hình 4.7Hình 4.8

Hình 4.9

Ký hiệu

Hình 4.10Hình 4.11Hình 4.12Hình 4.13Hình 4.14Hình 4.15Hình 4.16Hình 4.17Hình 4.18

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.

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.

+ 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]

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.

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 NOx … 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

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

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 5

1

7 8 2

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

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 NOx, 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.

6 5

7

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

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

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

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

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

EGR và có làm mát khí EGR đến mức phát thải của động cơ diesel có HTPNL kiểu

CR Kết quả cho thấy việc sử dụng hệ thống có làm mát EGR cho hiệu quả giảm NOx

tốt hơn so với hệ thống không làm mát khí EGR (mức chênh lệch có thể lên đến 50% giữa hai hệ thống), đặc biệt là tại chế độ tải thấp và tải trung bình Kết quả nghiên cứu cũng đã chỉ ra việc sử dụng hệ thống EGR có làm mát khí EGR có mức phát thải

PM nhỏ hơn từ 10÷75% so với việc sử dụng hệ thống không làm mát khí EGR Tuy nhiên, hệ thống có làm mát khí EGR có cấu tạo phức tạp hơn.

1.1.3.3 Theo phương pháp điều khiển van tuần hoàn khí thải

Hiện nay có hai phương pháp chính để điều khiển độ nâng của van EGR là: dựa trên độ chân không trên đường nạp và điều khiển bằng lực điện từ.

So với van EGR điều khiển bằng lực điện từ thì van EGR điều khiển dựa vào độ chân không có kết cấu đơn giản hơn Để điều khiển được độ chân không trên van EGR có hai phương án chính thường được sử dụng:

- Phương án 1: đường chân không của van được nối với họng nạp của động

cơ Vì vậy, độ chân không của van sẽ tỷ lệ thuận với độ chân không trên họng nạp Phương pháp này thường được sử dụng trên những động cơ có HTPNL kiểu

cơ khí truyền thống.

- Phương án 2: đường chân không của van được nối với bơm chân không trên động cơ và chế độ làm việc của bơm được điều khiển trực tiếp từ ECU theo các chế độ vận hành của động cơ Vì vậy phương án này thường được sử dụng trên những động cơ có HTPNL điều khiển điện tử.

Van EGR kiểu điện từ được điều khiển trực tiếp từ ECU, độ nâng van được ECU điều chỉnh thông qua việc thay đổi điện áp cấp cho van theo từng chế độ làm việc của động cơ So với van điều khiển dựa trên độ chân không thì thời gian đáp ứng của van điện từ với sự thay đổi chế độ làm việc của động cơ

là tương đối tốt Van EGR điều khiển kiểu điện từ thường được áp dụng trên những động cơ dùng HTPNL điều khiển điện tử.

1.1.4 Các phương pháp xác định tỷ lệ tuần hoàn khí thải

Tỷ lệ tuần hoàn khí thải là tỷ lệ giữa lượng khí thải tuần hoàn trong tổng lượng khí được nạp vào bên trong động cơ Tỷ lệ tuần hoàn khí thải được xác định bằng các công thức sau:

- Dựa trên nhiệt độ của khí EGR và không khí tại điểm hòa trộn

[64]

%EGR  [%] (1.1)

trong đó: CpEGR, Cpair: nhiệt dung riêng đẳng áp của khí EGR và của không khí, [J/(kg.K)]; TEGR, Tair, Ti.p: nhiệt độ của khí EGR, nhiệt độ của khí nạp và nhiệt độ tại vùng hòa trộn giữa khí nạp mới và khí EGR, [K].

- Dựa trên phương trình cân bằng nồng độ CO2 [8, 64]

trong đó: m.EGR,m.air Lưu lượng khối lượng của khí EGR và không khí, [kg/h].

Để xác định được tỷ lệ EGR theo công thức (1.1) cần bố trí các cảm biến đo nhiệt độ của khí EGR, nhiệt độ của khí nạp và nhiệt độ tại vùng hòa trộn giữa khí nạp mới và khí EGR gây ra những khó khắn nhất định cho quá trình bố trí và lắp đặt các thiết bị thử nghiệm Đồng thời, nhiệt dung riêng đẳng áp của khí EGR và khí nạp thông thường được tính một cách gián tiếp thông qua nhiệt độ.

Việc xác định tỷ lệ EGR theo công thức (1.2) sẽ cho kết quả có độ chính xác cao Tuy nhiên, hệ thống phân tích các chất thải dạng khí phải có hai đầu lấy mẫu

và phân tích nồng độ của khí CO2 trong khí xả và khí EGR một cách độc lập.

Căn cứ vào các phân tích trên và căn cứ vào điều kiện thử nghiệm thực tế trong nội dung của luận án NCS đã tính tỷ lệ EGR theo công thức (1.3) do có thể đo được trực tiếp lưu lượng của khí EGR và không khí nạp mới khi động cơ vận hành ở chế độ tải và tốc độ khác nhau bằng cách sử dụng các cảm biến trên động cơ và cảm biến của bệ thử (sơ đồ bố trí trang thiết bị đo được trình bày trong Hình 4.4).

1.1.5 Một số lưu ý khi sử dụng hệ thống tuần hoàn khí thải

Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước đều chỉ ra rằng việc sử dụng EGR là lựa chọn tốt nhất cho việc giảm mức phát thải NOx ngay tại nguồn phát sinh Tuy nhiên, khi sử dụng EGR cần lưu ý một số vấn đề sau [58]:

- Không sử dụng hệ thống EGR khi động cơ làm việc ở các chế độ sau: khởi động, toàn tải (khi tốc độ và vị trí ga lớn), không tải (khi vị trí chân ga nhỏ hơn 5%), chế độ chạy nóng máy (khi nhiệt độ nước làm mát nhỏ hơn 25 0C);

- Ở động cơ sử dụng HTPNL điều khiển điện tử và có trang bị hệ thống tăng áp kiểu VGT, hệ thống EGR kiểu áp suất cao có làm mát khí EGR thì cần có

sự kết hợp chặt chẽ giữa van EGR và van VGT nhằm duy trì hiệu suất làm việc của bộ tua bin - máy nén, [58] Đồng thời, nhằm tạo sự chênh lệch về gradien áp suất giữa đường thải và đường nạp hoặc để nâng cao tỷ lệ EGR tại một số chế độ làm việc của động cơ cần có sự phối hợp làm việc giữa van VGT và van EGR.

- Hệ thống EGR có làm mát dòng khí EGR sẽ đem lại hiệu quả tốt hơn nhiều so với việc không làm mát; đồng thời việc làm mát dòng khí EGR cũng giảm hệ số truyền nhiệt từ buồng cháy [58].

- Việc sử dụng hệ thống EGR sẽ giúp giảm mức phát thải NOx để động cơ thỏa mãn các tiêu chuẩn khi thải cao hơn tuy nhiên cũng sẽ làm tăng một số các chất thải khác như HC, CO và đặc biệt là PM Vì vậy, tỷ lệ EGR hợp lý cần được lựa chọn dựa trên việc cân đối giữa các yêu tố nêu trên Mặt khác, hệ thống EGR cũng cần phải kết hợp chặt chẽ với HTPNL kiểu CR nhằm phát huy một cách tối đa ưu điểm của CR trong việc giảm phát thải PM và của EGR trong việc giảm phát thải NOx, [58, 66]

- Cần cân bằng giữa các chỉ tiêu về bảo vệ môi trường và chỉ tiêu kinh tế của động cơ khi sử dụng hệ thống EGR: việc sử dụng hệ thống EGR sẽ làm giảm NOx

nhưng bên cạnh đó sẽ làm tăng mức tiêu thụ nhiên liệu, giảm hiệu suất có ích của động cơ vì vậy tỷ lệ EGR hợp lý được lựa chọn ngoài việc cần đối về mức phát thải

NOx và PM cần có sự cân đối về chỉ tiêu kinh tế của động cơ Tỷ lệ tuần hoàn khí thải lớn nhất đối với động cơ diesel có HTPNL điều khiển điện tử thường thay đổi từ 20÷30 % tùy thuộc vào từng chế độ vận hành và loại động cơ cụ thể, [58, 72].

- Đối với hệ thống EGR áp suất thấp, vị trí trích khí EGR nên sau bộ lọc DPF nhằm lọc các hạt PM có trong khí thải trước khi dẫn khí ngược trở lại đường nạp (tránh ảnh hưởng đến mức độ cân bằng trên rô to của máy nén) 1.2 Tổng quan về nhiên liệu sinh học

1.2.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu diesel sinh học

Trên thế giới: theo báo cáo của tổ chức Hợp tác và phát triển kinh tế và tổ chức Nông lương Liên hợp quốc, mức tiêu thụ nhiên liệu diesel sinh học (biodiesel) trên thế giới

dự kiến sẽ tăng từ 33,2 tỷ lít trong năm 2016 lên 37,9 tỷ lít trong năm 2020

(mức tăng khoảng 14% trong 5 năm), [99] Nguồn nguyên liệu để sản xuất B100 chủ yếu từ các sản phẩm nông nghiệp Các nước có mức tiêu thụ biodiesel đứng đầu thế giới như: Mỹ (60 triệu thùng/ngày), Đức (49 triệu thùng/ngày), Brazil và Pháp (lần lượt là 48 và 43 triệu thùng/ngày) Mức tiêu thụ biodiesel của 4 nước dẫn đầu thế giới có sự cách biệt rất lớn so với các nước đứng sau (tổng mức tiêu thụ của 4 nước đứng đầu thế giới bằng tổng của 15 nước đứng phía sau).

Tại các nước có nền kinh tế phát triển: Lượng tiêu thụ biodiesel của các nước trong tổ chức Hợp tác và phát triển kinh tế (OECD) trong giai đoạn 2015÷2020 và dự kiến đến năm 2025 được trình bày trên Hình 1.5-a Có thể thấy, mức tiêu thụ biodiesel của các nước trong OECD tăng từ 20610 (triệu lít) năm 2015 lên 22739 (triệu lít) năm 2020 (tăng 10,4 % trong 5 năm).

Hình 1.5 Mức tiêu thụ biodiesel của các nước thuộc OECD và Mỹ [100] a - Các

nước trong tổ chức OECD, b - Mỹ

Tại Mỹ: trong những năm gần đây Mỹ luôn là quốc gia đứng đầu thế giới về lượng tiêu thụ biodiesel Việc nghiên cứu sử dụng biodiesel cho PTCGĐB tại Mỹ được phát triển từ rất sớm Tuy nhiên trước, năm 2010 mức tiêu thu biodiesel tại Mỹ

ở mức thấp (260÷354 triệu gallon/năm) Sau năm 2010 do những chính sách ưu tiên phát triên nhiên liệu sinh học trong đó có biodiesel làm cho lượng tiêu thụ biodiesel có

sự gia tăng đột biến với lượng tiêu thụ năm 2017 gấp 7,5 lần so với năm 2010 (từ 260 triệu gallon năm 2010 lên 1955 triệu gallon trong năm 2017) (Hình 1.5-b) Tất cả các động cơ diesel tại Mỹ đều có thể sử dụng biodiesel với mức pha trộn nhỏ hơn 5% (theo thể tích) Với mức pha trộn 20% thường được sử dụng cho các phương tiện

ngân sách vào các dự án nghiên cứu phát triển và sử dụng B10, B20 cho các PTCGĐB [81] Ngoài ra, ở Mỹ cũng đã hình thành mạng lưới các trạm cung cấp biodiesel tại hầu hết các tiểu bang.

Tại Châu Âu: mức tiêu thụ biodiesel của các nước trong liên minh Châu Âu được trình bày trong Bảng 1.1 Ta thấy, mức tiêu thụ biodiesel tại các nước này liên tục tăng trong các năm gần đây với mức tăng trung bình khoảng 8,1%/năm ở giai đoạn từ 2010÷2018 Đức và Pháp là hai nước có mức tiêu thụ nhiên liệu biodiesel lớn nhất trong khu vực (mỗi nước chiếm từ 15,8÷20,26% lượng tiêu thụ của toàn khối) Trong những năm gần đây Anh cũng có sự tăng trưởng mạnh về sản lượng tiêu thụ biodiesel (từ mức chiếm 8,06% sản lượng của Châu âu năm 2010 lên mức 12,59% trong năm 2018).

Khu vực Châu Á: Thái lan và Indonesia là hai quốc gia có mức tiêu thụ biodiesel lớn nhất trong khu vực đồng thời lần lượt xếp ở vị trí thứ 8 và 11 trong

số các nước có lượng tiêu thụ nhiên liệu biodiesel lớn nhất thế giới, nổi bật là:

- Thái Lan: theo báo cáo của Bộ Nông nghiệp Thái Lan (tháng 6/2017) sản lượng tiêu thụ biodiesel phục vụ cho các hoạt động giao thông vận tải đã tăng từ 389 triệu lít (năm 2010) lên mức 842 triệu lít (năm 2017) Tỷ lệ pha trộn của biodiesel tại Thái lan cũng tăng từ mức 3,5% (năm 2010) lên mức 6% (năm 2017) [82].

- Indonesia: theo báo cáo của Bộ Nông nghiệp Indonesia (tháng 3/2018) lượng tiêu thụ nhiên liệu biodiesel phục vụ cho các hoạt động giao thông vận tải đã tăng từ mức 178 triệu lít (năm 2010) lên mức 665 triệu lít (năm 2015) và có sự gia tăng mạnh lên mức 2272 triệu lít (năm 2017) Sự gia tăng đột biến về mức tiêu thụ biodiesel tại Indonesia có thể được giải thích do sự tăng tỷ lệ pha trộn (trước năm

2015 tỷ lệ pha trộn nhỏ hơn 2,6%; sau năm 2015 mức pha trộn tăng lên 10,8% và

dự kiến trong năm 2018 tỷ lệ pha trộn sẽ đạt 11,3%) [83]

Bảng 1.1 Lượng tiêu thụ biodiesel của các nước thuộc Liên minh Châu Âu [100]