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 P a g e 68 | 82 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ THỐNG LUÂN HỒI KHÍ XẢ TỚI LƯỢNG PHÁT THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ Ô TÔ Giảng viên hướng dẫn: ThS. Vũ Văn Định Sinh viên thực hiện: Lê Hoàng Văn Lớp: CQ.56.CKOT Vương Xương Kiên Lớp: CQ.54.CKOT Trần Thị Hoàng Phi Lớp: CQ.59.KTOTO.1 Ngô Tấn Vũ Lớp: CQ.59.CK Tóm tắt: Hệ thống luân hồi khí xả (EGR) được phát minh để kiểm soát mức độ ô nhiễm môi trường của xe hơi vào đầu những năm 1970. Luân 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 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 GT- POWER; Tỷ lệ luân hồi tối ưu 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Xe cơ giới là một nguồn chính gây ô nhiễm không 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 mô tô và xe gắn máy là nguồn phát thải chính các khí CO, HC, VOC, trong khi NOX và SOX chủ yếu do xe tải KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019 P a g e 69 | 82 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: - Công 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 luân hồi khí xả. - Công nghệ xử lý khí xả sau khi đốt: Khử xúc tác không 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 hoàn 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 mô 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 luân 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 thông minh. Động cơ có công 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 công 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 KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019 P a g e 70 | 82 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 Thời điểm phối khí Nạp Mở 520~00 BTDC Đóng 120~640 ABCD Xả Mở 440 BTDC Đóng 80 ABCD Hệ thống bôi trơn Bình hứng dầu ướt, cưỡng bức Yêu cầu nhiên liệu Xăng không chì có chỉ số oc-tan 92 hoặc cao hơn 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 mô phỏng toàn bộ một phương tiện giao thông. Để thực hiện việc mô phỏng, tiến hành xây dựng các phần tử của mô hình mô 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 mô hình mô phỏng; vùng 4 là vùng bản đồ của hệ thống hay động cơ khi ta xây dựng mô hình. KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019 P a g e 71 | 82 Hình 3. Màn hình giao diện của GT-POWER 2.3. Mô hình hóa động cơ K20Z2 bằng phần mềm GT-POWER a) Mô hình động cơ không sử dụng bộ luân hồi khí xả Hình 4. Mô hình động cơ không sử dụng bộ luân hồi khí xả b) Mô hình hóa hệ thống luân hồi khí xả (EGR) Hệ thống luân hồi khí xả trên động cơ Honda Civic 2.0 được mô hình hóa trong phần mềm GT-POWER như hình 5. KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019 P a g e 72 | 82 Hình 5. Mô hình hóa hệ thống luân hồi khí xả trên động cơ Honda Civic 2.0 Trong mô 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 luân hồi được đưa về đường nạp thông 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 không 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) Mô hình động cơ có sử dụng bộ luân hồi khí xả Hình 6. Mô hình động cơ Honda Civic 2.0 trong phần mềm GT-POWER KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019 P a g e 73 | 82 2.4. Khảo sát và đánh giá a) Ảnh hưởng của luân hồi tới công 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 luân hồi thì làm cho công suất động cơ giảm dần. Sự thay đổi của công suất động cơ như sau: Bảng 2. Độ giảm của công suất (đơn vị %) Chỉ tiêu % Tải Ne 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 luân 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. KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019 P a g e 74 | 82 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 luân 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 không hết ở các góc cạnh, chân ren trong buồng đốt, sẽ có lượng khí luân 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 % EGR HC (g/kW.h) 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 20% 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 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 không đảm bảo. Tuy nhiên, khi ở 100% tải thì lại không đạt được phát huy công suất. c) Ảnh hưởng của luân hồi tới lượng NOX Bảng 4. Sự thay đổi của NOx theo % EGR Chỉ tiêu % EGR NOx (g/kW.h) 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 20% 0.1545 0.1665 0.17285 0.17445 0.18754 0.20507 0.21451 0.21907 0.22004 15% 0.4396 0.470037 0.48471 0.48984 0.49178 0.49283 0.49362 0.49406 0.49419 10% 1.0581 1.10071 1.12686 1.14419 1.15818 1.16567 1.17051 1.1735 1.17411 5% 2.1884 2.15961 2.16283 2.16987 2.18059 2.19047 2.19865 2.20348 2.20452 0% 4.0497 3.66085 3.52347 3.44663 3.40386 3.38099 3.36972 3.36512 3.36409 KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019 P a g e 75 | 82 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 không đảm bảo. 3. KẾT LUẬN Luân 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 KỶ YẾU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2018-2019 P a g e 76 | 82 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 luân 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 thông và kiểm soát 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 ô nhiễm môi trường, Đại Học Bách Khoa Hà Nội. [4]. Nguyễn Hoàng Vũ (2004), Ô 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 275- 284 vol. 29, part 3, June 2004.