ViCoMech

Cộng đồng nghiên cứu về Cơ học của Việt Nam

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

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.

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.

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.

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.

 

Tải toàn văn báo cáo tại đây:

2 Comments

Add a Comment
  1. 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 ofintake 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.

  2. Tài liệu tham khảo

    [1] Huseyin Serdar Yucesu, Tolga Topgul, Can Cinat, Melih Okur (2006). “Effect of thanolgasoline 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 sparkignition 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 http://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.

Trả lời

Thư điện tử của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

VICOMECH © 2017 Frontier Theme