Xác định thành phần khí thải phát tán vào môi trường của động cơ ô tô sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

VƢƠNG VĂN SƠN

XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN KHÍ THẢI PHÁT TÁN

VÀO MÔI TRƢỜNG CỦA ĐỘNG CƠ Ô TÔ

SỬ DỤNG LƢỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-LPG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

VƢƠNG VĂN SƠN

XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN KHÍ THẢI PHÁT TÁN

VÀO MÔI TRƢỜNG CỦA ĐỘNG CƠ Ô TÔ

SỬ DỤNG LƢỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-LPG

Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô máy kéo

Mã số: 62.52.35.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS. TS Cao Trọng Hiền

2. PGS. TS Đào Mạnh Hùng

HÀ NỘI - 2014

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Giao

thông Vận tải, Phòng Sau đại học, Khoa Cơ khí, Bộ môn Cơ khí ô tô đã

tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận án.

Tôi xin chân thành biết ơn PGS.TS Cao Trọng Hiền và PGS.TS

Đào Mạnh Hùng đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình, chu đáo về mặt chuyên

môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Phòng thí nghiệm động cơ đốt

trong, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội về

những ý kiến đóng góp quý báu và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành

nghiên cứu mô phỏng trên phần mềm AVL Boost.

Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm thử nghiệm khí xả - Cục Đăng

kiểm Việt Nam, Công ty Cơ khí ô tô Ngô Gia Tự, Công ty TNHH Tân An

Bình đã tạo điều kiện giúp đỡ để tôi hoàn thành được các thí nghiệm quan

trọng cho luận án và định hướng nghiên cứu trong tương lai.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo Học viện Quân sự, Đại

học Nông nghiệp, Đại học Lâm nghiệp, các Nhà khoa học trong ngành Cơ

khí Động lực đã nhiệt tình giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho

luận án.

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp,

những người thân trong gia đình đã động viên, khích lệ tôi rất nhiều trong

suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và hoàn thành luận án.

Nghiên cứu sinh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng

tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, tháng 4 năm 2014

Tác giả luận án

Vƣơng Văn Sơn

i

MỤC LỤC

Mục lục........................................................................................................

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt....................................................

Danh mục các bảng trong luận án.........................................................

Danh mục các hình vẽ và ảnh trong luận án...........................................

MỞ ĐẦU.....................................................................................................

Chương I. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.................................

1.1 Tổng quan về ô nhiễm môi trường do phát thải của ô tô .....................

1.1.1. Sự phát triển phương tiện giao thông ở Việt Nam............................

1.1.2. Tình hình ô nhiễm môi trường do phát thải của ô tô.........................

1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng LPG...............................................

1.2.1. Tình hình sản xuất LPG.................................................................

1.2.2. Tình hình sử dụng LPG.................................................................

1.3. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về khí thải của động cơ diesel và

động cơ diesel-LPG................................................................................

1.3.1. Các kết quả nghiên cứu trên thế giới.................................................

1.3.2. Các kết quả nghiên cứu trong nước...................................................

1.4 Kết luận chương I………………………………………………….....

Chương II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THÀNH PHẦN KHÍ THẢ I

CỦA ĐỘ NG CƠ DIESELVÀ ĐỘNG CƠ DIESEL – LPG.................................

2.1. Chọn phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel- LPG.....................

2.1.1. Các phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel-LPG....................

2.1.2. Chọn phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel- LPG..............

2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy trong độ ng cơ diesvà động cơ diesel el -LPG

2.2.1. Quá trình cháy trong động cơ diesel..................................................

2.2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy trong động cơ diesel-LPG ..........

2.2.3. Cơ sở mô hình hóa quá trình hình thành hỗn nợp và cháy trong

động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-LPG ..........................................................

i

iv

ix

xi

1

5

5

5

7

10

10

11

11

11

16

19

22

22

22

25

26

26

31

37

ii

2.3. Các thành phần khí thải …………………….........................................

2.3.1. Mônôxit cácbon...........................................................................

2.3.2. Hyđrô cácbon..............................................................................

2.3.3. Ôxit nitơ.....................................................................................

2.3.4. Phát thải hạt................................................................................

2.4. Cơ sở tính toán các thành phần phát thải trong độ ng cơ diesel và động

cơ diesel - LPG .....................................................................................

2.4.1. Tính toán phát thải NOx....................................................................

2.4.2. Tính toán phát thải CO......................................................................

2.4.3. Tính toán phát thải HC........................................................................

2.4.4. Tính toán phát thải bồ hóng (Soot)...................................................

2.5. Kết luận chương II………………………………………………...............

Chương III. XÂY DỰNG MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN KHÍ

THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ ĐỘNG CƠ DIESEL-LPG

3.1. Phần mềm AVL BOOST................................................................

3.1.1. Các phần mềm mô phỏng động cơ....................................................

3.1.2. Phần mềm AVL BOOST..................................................................

3.2. Ứng dụng phần mềm AVL BOOST tính toán các thành phần khí thải

của động cơ FAWDE - 4DX23.................................................................

3.2.1. Các thông số cơ bản của động cơ FAWDE- 4DX23.........................

3.2.2. Nhiên liệu diesel và LPG..............................................................

3.2.3. Xây dựng mô hình động cơ diesel trên AVL Boost..........................

3.2.4. Kiểm chứng độ chính xác củ a mô hình.............................................

3.2.5. Xây dựng mô hình động cơ diesel - LPG trên AVL Boost...............

3.2.6. Kết quả tính toán mô phỏng..............................................................

3.3. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số kết cấu và điều chỉnh đến

lượng phát thải của động cơ diesel-LPG bằng phương pháp mô phỏng ......

3.3.1. Ảnh hưởng của góc phun sớm đến lượng phát thải của động cơ

diesel - LPG.........................................................................................

47

48

49

52

54

59

59

60

60

61

63

65

65

65

66

68

68

69

72

73

74

77

80

80

iii

3.3.2. Ảnh hưởng của pha phân phối khí đến lượng phát thải của động cơ

diesel - LPG..........................................................................................

3.4. Kết luận chương III..............................................................................

Chương IV. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ......................................

4.1. Mục tiêu và nội dung thử nghiệm........................................................

4.1.1. Mục tiêu thử nghiệm.........................................................................

4.1.2. Nội dung thử nghiệm.........................................................................

4.2. Thiết bị thí nghiệm...............................................................................

4.2.1. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm...................................................................

4.2.2. Các bộ phận cơ bản của thiết bị thử nghiệm.....................................

4.3. Lựa chọn và lắp đặt hệ thống cung cấp LPG vào động cơ diesel thí

nghiệm........................................................................................................

4.4. Quy trình thí nghiệm...................................................................................

4.4.1. Điều kiện thí nghiệm.........................................................................

4.4.2. Thí nghiệm đo khí xả động cơ diesel nguyên thủy...........................

4.4.3. Thí nghiệm đo khí xả động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-LPG............

4.5. Kết quả thử nghiệm và đánh giá..........................................................

4.5.1. Tiêu chuẩn EURO về phát thải của động cơ diesel...........................

4.5.2. Kết quả đánh giá động cơ thử nghiệm..............................................

4.5.3. Đánh giá chất lượng phát thải của động cơ diesel khi chạy lưỡng

nhiên liệu diesel-LPG.................................................................................

4.5.4. Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm.....................................

4.6. Kết luận chương IV..............................................................................

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ..................................................

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ............

TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................

PHỤ LỤC....................................................................................................

83

85

87

87

87

87

87

88

90

99

103

103

104

107

110

110

110

112

118

121

122

124

125

133

iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Tên gọi Đơn vị

AVL-BOOST Phần mềm mô phỏng một chiều của hãng AVL -

AVL-MCC Mô hình cháy của hãng AVL -

CA Góc quay trục khuỷu -

CO Mônôxit cácbon -

CNG Khí thiên nhiên -

CRT Bộ lọc tái sinh liên tục -

DOC Bộ xúc tác ôxi hóa -

DPF Bộ lọc phát thải hạt, dạng khép kín -

ECE R49 Chu trình thử châu Âu 13 mode đối với động cơ xe tải

hạng nặng

-

EGR Hệ thống luân hồi khí thải -

HAP Hyđrô các bon thơm mạch vòng -

HC Hyđrô các bon -

LHC Luân hồi áp suất cao -

LHT Luân hồi áp suất thấp -

LNT Bộ xúc tác hấp thụ NOx -

LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng -

CNG Khí thiên nhiên -

MN Máy nén -

MP Mô phỏng -

NETC Trung tâm thử nghiệm khí thải các phương tiện cơ giới

đường bộ, Cục Đăng Kiểm Việt Nam

-

NOX Ôxít nitơ -

PM Phát thải hạt -

PM- cat Bộ lọc phát thải hạt (dạng lọc hở) -

PM10 Phát thải hạt có kích thước nhỏ hơn 10µm -

ROHR

SCR

Đồ thị tốc độ tỏa nhiệt

Bộ xúc tác khử NOx

-

-

SCRT Hệ thống xử lý khí thải tổng hợp CRT và SCR -

SMF Bộ lọc phát thải hạt có trang bị sợi đốt -

v

Smoke Độ khói -

SOOT Bồ hóng -

SOX Ôxít lưu huỳnh -

TB Tua bin -

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam -

TN Thực nghiệm -

TSP Tổng lượng bụi lơ lửng trong không khí -

VOCs Hàm lượng các chất hữu cơ độc hại bay lên trên không

khí

-



Góc quay trục khuỷu hiện thời Độ

Q 



Nhiệt tỏa ra tính đến góc quay của trục khuỷu J

Q Tổng nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình cháy J

aw

Hằng số phụ thuộc vào tỷ lệ nhiên liệu LPG cung cấp

vào xy lanh

-



o,



Thời điểm và thời gian diễn ra quá trình cháy Độ

k



Sai số %

CCR Tỷ lệ phần trăm năng lượng do LPG sinh ra trong tổng

năng lượng của lưỡng nhiên liệu diesel-LPG

%

mLPG

Khối lượng LPG tiêu thụ kg

HuLPG

Nhiệt trị thấp của LPG MJ/kg

mdiesel

Khối lượng diesel tiêu thụ kg

Hudiesel

Nhiệt trị thấp của diesel MJ/kg

mc

Khối lượng môi chất bên trong xy lanh kg

u Nội năng -

c p

Áp suất bên trong xy lanh Pa

V Thể tích xy lanh m

3

QF

Nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp kJ

QW

Tổn thất nhiệt qua vách kJ

α Góc quay trục khuỷu độ

BB h

Trị số entanpy -

i dm

Lượng khí đi vào xy lanh kg

vi

e dm

Lượng khí đi ra khỏi xy lanh kg

i h

Entanpy của môi chất khí đi vào xy lanh -

e h

Entanpy của môi chất khí đi ra khỏi xy lanh -

ev q

Nhiệt hóa hơi của nhiên liệu kJ

f Phần nhiệt hóa hơi của môi chất trong xy lanh kJ

mew Khối lượng nhiên liệu bay hơi kg

Aeff

Diện tích thông qua m

2

Pol

Áp suất môi chất trước họng tiết lưu Pa

P2

Áp suất môi chất sau họng tiết lưu Pa

Tol

Nhiệt độ môi chất trước họng tiết lưu K

Ro

Hằng số chất khí -

ψ Hệ số phụ thuộc tỷ lệ áp suất môi chất -

k Tỷ số nhiệt dung riêng của môi chất -

μσ

Hệ số cản dòng của đường ống -

vi d

Đường kính xu páp m

S Vị trí của piston tính từ điểm chết trên -

r Bán kính quay m

l Chiều dài thanh truyền m

φ

Góc giữa đường nối tâm quay với piston ở điểm chết

trên với trục thẳng đứng (trường hợp xy lanh lệch tâm) độ

e Khoảng lệch tâm m

Qwi

Nhiệt truyền đến các chi tiết (nắp máy, đỉnh piston,

thành xy lanh) K

Awi

Diện tích bề mặt các chi tiết (nắp máy, đỉnh piston,

thành xy lanh) m

2

αw

Hệ số truyền nhiệt

Tc

Nhiệt độ môi chất trên bề mặt thành xy lanh K

Twi :

Nhiệt độ bề mặt chi tiết (nắp máy, đỉnh piston, thành xy

lanh)

K

D Đường kính xy lanh m

Cm Tốc độ trung bình của piston m/s

Cu Tốc độ tiếp tuyến của môi chất m/s

vii

VD Thể tích công tác của 1 xy lanh m

3

Pc Áp suất môi chất trong xy lanh Pa

pc,0 Áp suất khí trời Pa

Pc,1

Áp suất môi chất trong xy lanh tại thời điểm đóng xu

páp nạp Pa

Tc,1

Nhiệt độ môi chất trong xy lanh tại thời điểm đóng xu

páp nạp K

VTDC Thể tích xy lanh khi piston ở điểm chết trên m

3

IMEP Áp suất chỉ thị trung bình pa

V Thể tích xy lanh m

3

D Đường kính xy lanh m

P Áp suất Pa

T Nhiệt độ K

din Đường kính ống nối với đường nạp m

vin Tốc độ dòng khí trên đường nạp m/s

Aeff Diện tích thông qua m

2

δ Khe hở piston - xylanh m

Q Tổng nhiệt lượng cấp vào kJ

Δ0 Thời điểm bắt đầu cháy độ

Δαc Thời gian cháy giây

m Thông số hình dạng -

a Thông số Vibe -

QMCC Lượng nhiệt tỏa ra trong giai đoạn cháy chính kJ

QComb Hằng số cháy -

CRate Hằng số hòa trộn hỗn hợp -

K Thế năng của dòng chuyển động rối J

mF Lượng nhiên liệu được hóa hơi kg

LCV Nhiệt trị thấp của nhiên liệu kJ/kg

V Thể tích xy lanh m

3

wOxygen,available

Tỷ lệ khối lượng ôxy có trong hỗn hợp khi bắt đầu phun

nhiên liệu -

CEGR Hằng số xét đến ảnh hưởng của khí thải luân hồi -

Ekin Thế năng củ a tia nhiên liệu J

Cturb Hằng số năng lượ ng chuyển độ ng rối -

viii

CDiss Hằng số suy giảm -

mF,I Lượ ng nhiên liệu phun vào kg

v Tốc độ nhiên liệu m/s

mstoich

Khối lượ ng không khí lý tưởng để đốt cháy hết nhiên

liệu

kg

λDiff Hệ số dư lượ ng không khítrong quá trình cháy chính -

QPMC

Tổng nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp trong giai đoạn

cháy nhanh kJ

CNOe NO ở trạng thái cân bằng

mfi Lượng nhiên liệu cấp vào kg

mfb Lượng nhiên liệu đã cháy kg

msoot Khối lượng soot kg

mCO Khối lượng CO kg

LHVf

, LHVC,

LHVCO

Nhiệt trị thấp của nhiên liệu, carbon (soot) và CO kJ/kg

ms Khối lượng soot kg

mf,v Khối lượng nhiên liệu bốc hơi kg

PO2 Áp suất của các phân tử O2 Pa

Es,f Năng lượng hoạt hoá kJ/kmol

Es,ox Năng lượng ôxy hoá kJ/kmol

Af, Aox

Các hằng số được lựa chọn theo kinh nghiệm và kiểu

động cơ -

x Tỷ lệ C trên bề mặt của phần tử A tham gia phản ứng -

Rtot Hằng số tốc độ ôxy hoá soot -

MWc Trọng lượng của phân tử C -

s Mật độ của soot kg/m3

Ds Đường kính của phân tử soot đặc trưng m

ix

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN ÁN

Ký hiệu Tên bảng Trang

Bảng 1.1 Dự báo tổng phát thải do hoạt động GTVT đường bộ

và đường sắt 9

Bảng 2.1 Phương trình tính toán giá trị của các góc bắt đầu và

kết thúc giai đoạn cháy nhiên liệu cho các chế độ

khác nhau

36

Bảng 2.2 Chuỗi phản ứng hình thành NOx với hệ số tốc độ k 59

Bảng 3.1 Các thông số cơ bản của động cơ FAWDE- 4DX23-

110 69

Bảng 3.2 Đặc tính kỹ thuật của nhiên liệu diesel 70

Bảng 3.3 Đặc tính kỹ thuật của nhiên liệu LPG 71

Bảng 3.4 Các phần tử của mô hình mô phỏng trên hình 3.2 73

Bảng 3.5 Kết quả so sánh công suất động cơ FAWDE￾4DX23-110 giữa thực nghiệm và mô phỏng ở chế độ

đặc tính ngoài

73

Bảng 3.6 Các phần tử của mô hình mô phỏng trên hình 3.5 76

Bảng 3.7 Diễn giải các mode của chu trình thử ECE R49 77

Bảng 3.8 Phát thải trung bình theo chu trình ECE R49 80

Bảng 3.9 Kết quả mô phỏng các thành phần phát thải của động

cơ diesel-LPG theo chu trình ECE R49 khi thay đổi

góc phân phối khí

85

Bảng 4.1 Tiêu chuẩn EURO về phát thải của động cơ diesel 110

Bảng 4.2 Kết quả đo công suất và mô men của động cơ diesel

nguyên thủy 111

Bảng 4.3 Kết quả đo các thành phần phát thải của động cơ

diesel 112

x

Bảng 4.4 Kết quả đo độ khói của động cơ diesel-LPG 115

Bảng 4.5 Phát thải trung bình của động cơ lưỡng nhiên liệu

diesel-LPG 116

Bảng 4.6 Kết quả đo công suất của động cơ diesel-LPG 117

Bảng 4.7 Kết quả so sánh phát thải giữa mô phỏng và thực nghiệm

của động cơ nguyên bản theo chu trình ECE R49 118

Bảng 4.8 Kết quả so sánh phát thải giữa mô phỏng và thực nghiệm

của động cơ diesel-LPG theo chu trình ECE R49 119

Bảng 4.9 Kết quả so sánh công suất giữa mô phỏng và thực

nghiệm của động cơ diesel-LPG theo chu trình ECE R49 120

xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ẢNH TRONG LUẬN ÁN

Ký hiệu Tên hình vẽ Trang

Hình 1.1 Số lượ ng ô tô của cả nước theo năm 5

Hình 1.2 Các loại ô tô của cả nước theo năm 5

Hình 1.3 Số lượ ng ô tô tại Hà Nội theo năm 6

Hình 1.4 Các loại ô tô tại Hà Nội theo năm 6

Hình 1.5 Số lượ ng ô tô tại thành phố Hồ Chí Minh theo năm 6

Hình 1.6 Các loại ô tô tại thành phố Hồ Chí Minh theo năm 6

Hình 1.7 Phát thải độc hại từ các loại phương tiện khác nhau ở

Việt Nam 8

Hình 1.8 Biểu đồ sản xuất LPG trên toàn cầu 10

Hình 1.9 Sơ đồ chung về quá trình nghiên cứu 21

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống trộn nhiên liệu diesel-LPG ở dạng lỏng 22

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống phun trực tiếp LPG vào buồng đốt 23

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống phun LPG vào đường ống nạp động cơ 25

Hình 2.4 Sơ đồ bố trí hệ thống cung cấp LPG và hệ thống

nhiên liệu động cơ diesel tăng áp 26

Hình 2.5 Đồ thị biểu diễn các giai đoạn trong quá trình cháy

động cơ diesel 29

Hình 2.6 Phân chia vùng cháy trong động cơ diesel-LPG 31

Hình 2.7 Hướng lan truyền của màng lửa trong buồng cháy 32

Hình 2.8 Quá trình tỏa nhiệt trong động cơ sử dụng lưỡng

nhiên liệu diesel-LPG 33

Hình 2.9 Các giai đoạn trong quá trình cháy của động cơ

diesel-LPG 35

Hình 2.10 Cân bằng năng lượng trong xy lanh động cơ 38

Hình 2.11 Sơ đồ tính toán chuyển vị của piston 41

Hình 2.12 Sự phân bố nhiên liệu tia phun 50