Nghiên cứu giảm phát thải độc hại của động cơ diesel đang lưu hành bằng phương pháp luân hồi khí thải kết hợp bổ sung khí hydro

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRỊNH XUÂN PHONG NGHIÊN CỨU GIẢM PHÁT THẢI ĐỘC HẠI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL ĐANG LƯU HÀNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP LUÂN HỒI KHÍ THẢI KẾT HỢP BỔ SUNG KHÍ HYDRO Ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS HỒNG ĐÌNH LONG UẤN HÀ NỘI – 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận án trung thực chưa công bố đề tài nghiên cứu khác Hà Nội, tháng 04 năm 2022 Nghiên cứu sinh Trịnh Xuân Phong i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phịng Đào tạo, Viện Cơ khí Động lực Bộ môn Động đốt cho phép thực luận án Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Phòng Đào tạo Viện Cơ khí Động lực hỗ trợ giúp đỡ suốt q trình tơi làm luận án Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hồng Đình Long hướng dẫn tơi tận tình chu đáo mặt chun mơn để tơi thực hồn thành luận án Tơi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn Động đốt Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu khí thải - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ dành cho điều kiện thuận lợi để hồn thành luận án Tơi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định hậu thuẫn động viên tơi suốt q trình nghiên cứu học tập Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy phản biện, Thầy hội đồng chấm luận án đồng ý đọc, duyệt góp ý kiến q báu để tơi hồn chỉnh luận án định hướng nghiên cứu tương lai Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người động viên khuyến khích tơi suốt thời gian tơi tham gia nghiên cứu thực cơng trình Nghiên cứu sinh Trịnh Xuân Phong ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC BẢNG BIỂU x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xii MỞ ĐẦU Chương NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Phát thải động diesel phương pháp kiểm soát 1.1.1 Đặc điểm phát thải động diesel 1.1.2 Các công nghệ giảm phát thải độc hại cho động diesel Luân hồi khí thải động diesel 1.2.1 Giới thiệu chung 1.2.2 Các phương pháp luân hồi 1.2.2.1 Luân hồi nội 1.2.2.2 Hệ thống luân hồi áp suất cao 1.2.2.3 Hệ thống luân hồi áp suất thấp 10 1.2.2.4 Hệ thống luân hồi kết hợp 11 1.2.2.5 Luân hồi tức thời 12 1.2.3 Đặc điểm làm việc động luân hồi khí thải 12 1.2.3.1 Các nghiên cứu nước 12 1.2.3.2 Các nghiên cứu nước 12 1.2.3.3 Tóm tắt đặc điểm làm việc động diesel luân hồi khí thải 15 Bổ sung hydro động đốt 15 1.3.1 Tính chất hydro 15 1.3.2 Sản xuất, lưu trữ vận chuyển hydro 16 1.3.2.1 Sản xuất 16 1.3.2.2 Lưu trữ vận chuyển 18 1.3.3 Sử dụng hydro làm nhiên liệu động đốt 19 iii 1.3.4 Bổ sung hydro động diesel 21 1.3.4.1 Các nghiên cứu nước 21 1.3.4.2 Các nghiên cứu nước 22 1.3.4.3 Tóm tắt đặc điểm động diesel bổ sung hydro 25 Kết hợp bổ sung hydro luân hồi khí thải động 26 Nội dung nghiên cứu luận án 27 Kết luận chương 28 Chương NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ DIESEL HIỆN HÀNH SỬ DỤNG LUÂN HỒI KHÍ THẢI VÀ BỔ SUNG HYDRO 29 Giới thiệu chung 29 2.1.1 Mục đích nghiên cứu mơ 29 2.1.2 Lựa chọn phần mềm mô 29 Cơ sở lý thuyết phần mềm AVL Boost 29 Xây dựng mơ hình mơ động R180 có EHSy 30 2.3.1 Thiết lập mô hình 30 2.3.1.1 Các thông số động R180 31 2.3.1.2 Các phần tử mơ hình 31 2.3.2 Nhập liệu cho mơ hình 31 2.3.2.1 Khai báo thông số cho mô hình 31 2.3.2.2 Xây dựng mơ hình lưỡng nhiên liệu 32 2.3.2.3 Vòi phun hydro 32 2.3.2.4 Van EGR 33 2.3.2.5 Bộ làm mát khí luân hồi 33 2.3.2.6 Thiết lập phần tử động xi-lanh (Cylinder) 34 2.3.3 Khai báo biến thực mô 40 2.3.3.1 Khai báo biến 40 2.3.3.2 Các nội dung mô 42 Hiệu chỉnh mô hình đánh giá độ tin cậy 42 Kết tính tốn mơ thảo luận 45 2.5.1 Đặc tính tải 1500 v/p 45 2.5.1.1 Hệ số Lambda 45 2.5.1.2 Suất tiêu hao nhiên liệu 47 2.5.1.3 Phát thải NOx 48 iv 2.5.1.4 Phát thải soot 50 2.5.1.5 Phát thải CO 52 2.5.1.6 Tỉ lệ hydro bổ sung EGR hợp lý 53 2.5.2 Đặc tính tải 2600 v/p 54 2.5.2.1 Hệ số lambda 54 2.5.2.2 Suất tiêu hao nhiên liệu 55 2.5.2.3 Phát thải NOx 57 2.5.2.4 Phát thải soot 58 2.5.2.5 Phát thải CO 60 2.5.2.6 Tỉ lệ hydro bổ sung EGR hợp lý 61 2.5.3 Đặc tính ngồi 62 2.5.3.1 Các thông số làm việc phát thải 62 2.5.3.2 Tỉ lệ hydro bổ sung EGR hợp lý 63 2.5.4 Thảo luận 63 Kết luận chương 65 Chương NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG EHSy CHO ĐỘNG CƠ DIESEL R180 66 Giới thiệu chung 66 Thiết kế bố trí chung hệ thống EGR cung cấp nhiên liệu động R180 66 Nghiên cứu thiết kế hệ thống cung cấp hydro cho động R180 68 3.3.1 Cơ sở tính tốn thiết kế 68 3.3.1.1 Bình nhiên liệu hydro 69 3.3.1.2 Van chống cháy ngược 70 3.3.1.3 Bộ giảm áp 70 3.3.1.4 Vòi phun hydro 70 3.3.1.5 Cảm biến đo lượng tiêu thụ hydro 72 3.3.2 Lắp đặt hệ thống cung cấp hydro 73 Nghiên cứu thiết kế hệ thống EGR cho động R180 73 3.4.1 Cơ sở tính tốn thiết kế 73 3.4.1.1 Đường ống thải 73 3.4.1.2 Van EGR 74 3.4.1.3 Mạch điện điều khiển 76 3.4.1.4 Bộ làm mát khí luân hồi 76 v 3.4.2 Lắp đặt hệ thống EGR 77 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển EHSy 78 3.5.1 Sơ đồ tổng quát 78 3.5.2 Các cảm biến công tắc 79 3.5.2.1 Cảm biến tốc độ động thời điểm phun hydro 79 3.5.2.2 Cảm biến vị trí tay điều khiển 80 3.5.2.3 Công tắc chọn chế độ làm việc 80 3.5.2.4 Tín hiệu điều khiển người thí nghiệm 80 3.5.3 Các cấu chấp hành 81 3.5.3.1 Động servo 81 3.5.3.2 Vòi phun hydro 82 3.5.3.3 Van EGR 82 3.5.4 Thiết kế ECU điều khiển 83 3.5.4.1 Phần cứng 83 3.5.4.2 Phần mềm 83 3.5.5 Thuật tốn code chương trình 84 3.5.5.1 Thuật toán xác định tốc độ thực, tốc độ đặt vị trí van EGR động 84 3.5.5.2 Thuật tốn điều khiển góc quay servo, thời gian mở vòi phun, van EGR 86 3.5.5.3 Code chương trình Labview 88 Kết luận chương 89 Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 90 Mục đích thử nghiệm 90 Đối tượng phạm vi thử nghiệm 90 4.2.1 Đối tượng thử nghiệm 90 4.2.2 Phạm vi thử nghiệm 90 Sơ đồ bố trí trang thiết bị quy trình thử nghiệm 90 Kết thí nghiệm thảo luận 92 4.4.1 Đặc tính tải 1500 vòng/phút 92 4.4.1.1 Hệ số lambda 93 4.4.1.2 Suất tiêu hao nhiên liệu 93 4.4.1.3 Phát thải thải NOx 93 4.4.1.4 Phát thải khói 94 vi 4.4.1.5 Phát thải HC 94 4.4.1.6 Phát thải CO 95 4.4.1.7 Diễn biến áp suất buồng đốt 95 4.4.2 Đặc tính tải 2600 vịng/phút 96 4.4.2.1 Hệ số lambda 96 4.4.2.2 Suất tiêu hao nhiên liệu 96 4.4.2.3 Phát thải NOx 97 4.4.2.4 Phát thải khói 97 4.4.2.5 Phát thải HC 97 4.4.2.6 Phát thải CO 98 4.4.2.7 Diễn biến áp suất buồng đốt 98 4.4.3 Đặc tính ngồi 99 4.4.3.1 Các thông số làm việc phát thải 99 4.4.3.2 Diễn biến áp suất buồng đốt 101 4.4.4 Thảo luận 102 Kết luận chương 102 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 113 DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC 114 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu AVLBoost AVL-MCC BSFC BTDC BTE BXT BXLKT CA CNG CO CO2 CRDi CRT DE DHE DOC DPF DEF ĐCĐT E5 ECU EGR EHSy g/ct HR H5 H5E5 HC HCCI HES ICE IMEP ISFC IVC IVO λ Diễn giải Phần mềm mô chiều hãng AVL (Áo) Mơ hình cháy MCC Suất tiêu hao nhiên liệu có ích Trước điểm chết Hiệu suất nhiệt Bộ xúc tác Bộ xử lý khí thải Góc quay trục khuỷu Khí thiên nhiên nén Mơ-nơ-xit cácbon Các-bon đi-ơ-xít Hệ thống diesel phun diesel điện tử Bộ lọc tái sinh liên tục Động diesel Động lưỡng nhiên liệu diesel-hydro Bộ xúc tác ô-xy hóa Bộ lọc phát thải dạng hạt Dung dịch hỗ trợ giảm phát thải động diesel Động đốt Luân hồi khí thải tỉ lệ 5% Bộ điều khiển động Phương pháp luân hồi khí thải Phương pháp kết hợp bổ sung luân hồi khí thải bổ sung hydro đường ống nạp Gam chu trình Tỉ lệ hydro bổ sung Tỉ lệ bổ sung hydro 5% Động diesel thực đồng thời bổ sung hydro 5% luân hồi khí thải 5% Hydro carbon Động cháy nén hỗn hợp đồng Phương pháp bổ sung hydro đường ống nạp Động đốt Áp suất thị có ích trung bình Suất tiêu hao nhiên liệu thị Van nạp đóng Van nạp mở Hệ số dư lượng khơng khí viii Đơn vị g/kWh Độ % Độ MPa g/kWh - LNT lpm mAIR mD mH MP NB NO NOx PCI PCCI PM PPM PWM RPM R180 SCR SFC Smoke Soot SOx VĐK xúc tác hấp thụ NOx Lít phút Lưu lượng khơng khí Lưu lượng diesel Lưu lượng hydro Các điểm đo Động diesel nguyên chưa qua cải tạo Nitric oxide Ơxít nitơ Cháy nén hỗn hợp hòa trộn Cháy nén hỗn hợp hòa trộn trước Phát thải hạt Phần triệu Độ rộng xung Vòng phút Động R180 Bộ xúc tác có chọn lọc Suất tiêu hao nhiên liệu Độ khói Bồ hóng Ơxít lưu huỳnh Vi điều khiển ix g/s g/s g/s v/p g/kWh (%) g/kWh - mfuel,id: toàn lượng nhiên liệu phun suốt giai đoạn cháy trễ; CPMC: số cháy nhanh (-); Δαc: thời gian cháy nhanh, phụ thuộc vào thừa số thời gian cháy nhanh CPMC-dur : (14) ∆α c = τ id CPMC − dur m: thơng số hình dạng; a: thơng số Vibe Mơ hình truyền nhiệt a) Truyền nhiệt xi-lanh Quá trình truyền nhiệt từ buồng cháy qua thành buồng cháy nắp xi-lanh, piston, lót xi-lanh tính dựa vào phương trình truyền nhiệt sau: Qwi = Ai α w (Tc − Twi ) (15) Qwi - Nhiệt lượng truyền cho thành (nắp xi-lanh, piston, lót xi-lanh); A - Diện tích truyền nhiệt (nắp xi-lanh, piston, lót xi-lanh); α - Hệ số truyền nhiệt; Tc - Nhiệt độ môi chất xi-lanh; Twi - Nhiệt độ thành (nắp xi-lanh, piston, lót xi-lanh) Đối với nhiệt độ thành lót xi-lanh, biến đổi nhiệt độ dọc trục vị trí ĐCT ĐCD tính theo biểu thức sau: − e − c x TL = TL , DCT x.c (16)  TL ,TDC c = ln   TL , BCD  (17)    Trong đó: TL.TDC - Nhiệt độ lót xi-lanh điểm chết trên; TL.BCD - Nhiệt độ lót xi-lanh vị trí điểm chết dưới; x - Dịch chuyển tương đối piston (vị trí thực tế piston so với tồn hành trình) Đối với hệ số truyền nhiệt phần mềm BOOST cho phép lựa chọn mơ hình : Woschni 1978, Woschni 1990, Hohenberg, Lorenz (chỉ dùng cho động có buồng cháy ngăn cách), AVL 2000 Model Bargende b) Mơ hình Woschni Hệ số truyền nhiệt mơ hình Woschni 1978 tính theo phương trình :   V T = αW 130.D −0,2 pc0,8 Tc−0,53 C1.cm + C2 D c ,1 ( pc − pc ,0 )  pc ,1.Vc ,1   Trong đó: 121 0,8 (18) C1 = 2,28 + 0,308 cu/cm; C2 = 0,00324 động phun trực tiếp; C2 = 0,00622 động phun gián tiếp; D - Đường kính xi-lanh; cm - Tốc độ trung bình piston; cu - Tốc độ tiếp tuyến; VD - Thể tích cơng tác xi-lanh; pc - Áp suất môi chất xi-lanh; Tc - Nhiệt độ môi chất xi-lanh thời điểm đóng xu-páp nạp Hệ số truyền nhiệt mơ hình Woschni cơng bố năm 1990 nhằm dự đốn xác về truyền nhiệt vận hành phần tải: αW 130.D −0,2 0,8 c −0,53 c p T      VTDC  −0.2  c1.cm 1 +   IMEP    V        0,8 (19) VTDC - thể tích buồng cháy; V - thể tích thực tế xi-lanh; IMEP - áp suất thị; Trong trường hợp này: VD.Tc ,  VTDC  −0.2 C .( pc − pc , o) ≥ 2.C1.cm   IMEP pc , 1.V V   (20) Đối với q trình trao đổi khí, hai mơ hình Wochini sử dụng chung hệ số truyền nhiệt: aw = 130.D −0.2 pc.Tc −0.53 (C 3.cm)0.8 = C3 (21) 6.18 + 0.417.cu / cm (22) aw - Hệ số truyền nhiệt; D - Đường kính xi-lanh; Cm - Tốc độ trung bình piston; Cu - Vận tốc tiếp tuyến c) Trao đổi nhiệt cửa nạp, thải Trong q trình qt khí, việc lưu tâm đến trình trao đổi nhiệt cửa nạp cửa thải quan trọng Quá trình lớn nhiều so với dòng chảy đường ống đơn giản hệ số truyền nhiệt cao nhiệt độ cao vùng xu-páp đế xu-páp Trong Boost mơ hình Zap hiệu chỉnh sử dụng để tính tốn cho q trình 𝑇𝑇𝑑𝑑 = (𝑇𝑇𝑢𝑢 − 𝑇𝑇𝑤𝑤 ) 𝑒𝑒 �−𝐴𝐴𝑤𝑤 𝛼𝛼𝑝𝑝 �+𝑇𝑇𝑤𝑤 𝑚𝑚.𝑐𝑐𝑐𝑐 (23) 122 −1.5 𝛼𝛼𝑝𝑝 = (𝐶𝐶4 + 𝐶𝐶5 𝑇𝑇𝑢𝑢 − 𝐶𝐶6 𝑇𝑇𝑢𝑢2 )𝑇𝑇𝑢𝑢0.44 𝑚𝑚0.5 𝑑𝑑𝑣𝑣𝑣𝑣 (1 − 0.797 dùng cho dòng chảy ra, cho dòng chảy vào; ℎ𝑣𝑣 𝑑𝑑𝑣𝑣𝑣𝑣 0.68 −1.68 𝛼𝛼𝑝𝑝 = (𝐶𝐶7 + 𝐶𝐶8 𝑇𝑇𝑢𝑢 − 𝐶𝐶0 𝑇𝑇2𝑢𝑢 )𝑇𝑇0.33 𝑑𝑑𝑣𝑣𝑣𝑣 (1 − 0.765 𝑢𝑢 𝑚𝑚 (24) ) ℎ𝑣𝑣 𝑑𝑑𝑣𝑣𝑣𝑣 ) (25) đó: αp – hệ số trao đổi nhiệt cửa; Td – Nhiệt độ sau cửa; Tu – nhiệt độ trước cửa; TW – Nhiệt độ thành cửa; AW – diện tích tiết diện lưu thông; m - lưu lượng khối lượng; hv – độ nâng xu-páp; dvi – đường kính đế xu-páp Các hệ số sử dụng phương trình tra theo Bảng Bảng Các hệ số phương trình trao đổi nhiệt cửa nạp thải Xu-páp thải Xu-páp nạp C4 1,2809 C7 1,5132 C5 7,0451.10-4 C8 7,1625.10-4 C6 4,8035.10-7 C9 5,3719.10-7 Mơ hình phát thải 5.1 Phát thải NOx Cơ chế hình thành NOx mô AVL-Boost dựa sở Pattas Hafner [111] Quá trình hình thành thể qua sáu phương trình phản ứng theo chế Zeldovich trình bày Bảng Bảng Chuỗi phản ứng hình thành NOx TT Phản ứng N2 + O ↔ NO + N O2 + N ↔ NO + O OH + N ↔ NO + H N2O + O ↔ NO + NO O2 + N2 ↔ N2O + O OH + N2 ↔ N2O + H A (cm3/mol s) 4,93 x 1013 1,48 x 108 4,22 x 1013 Phản ứng thuận B (–) E (kcal/mol K) 0,0472 - 75,59 1,5 - 5,68 0 4,58 x 1013 - 24,1 2,25 x 1010 0,825 9,14 x 107 1,148 A (cm3/mol s) 1,6 x 1013 Phản ứng nghịch B (–) E (kcal/mol K) 0 1612 - 37,69 - 0,212 - 49,34 7,39 x 108 0,89 - 58,93 - 102,5 3,82 x 1013 - 24,1 - 71,9 2,95 x 1013 - 10,8 123 1,25 x 107 6,76 x 1014 Hệ số tốc độ mơ hình: 𝑘𝑘 = 𝐴𝐴𝑇𝑇 𝐵𝐵 exp (−𝐸𝐸/𝑇𝑇) (26) Sự hình thành NOx tính tốn theo thông số nhập đầu vào tốc độ động cơ, nhiên liệu áp suất, nhiệt độ, hệ số dư lượng khơng khí λ, thể tích khối lượng, thời gian số vùng cháy Quá trình tính tốn bắt đầu lúc thời điểm cháy bắt đầu Mặc dù khí thải NOx động cơ, NO chiếm phần lớn (90 ÷ 98%) việc tính tốn N2O khơng thể bỏ qua Lượng N2O sinh có mối quan hệ sau: 𝑁𝑁2 𝑂𝑂 𝑁𝑁2 �𝑂𝑂2 = 1.1802 10−6 𝑇𝑇10.6125 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 � −18.71 𝑅𝑅𝑅𝑅 � (27) Tốc độ hình thành NOx tính sau: 𝑑𝑑[𝑁𝑁𝑁𝑁] 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑅𝑅 𝑅𝑅 𝑝𝑝 1𝑒𝑒 4𝑒𝑒 = 2(1 − 𝛼𝛼 ) �1+𝛼𝛼𝐾𝐾 + 1+𝐾𝐾 � 𝑅𝑅𝑅𝑅 (28) Tốc độ phân huỷ NO [mol/cm3] tính tốn sau: rNO CPost Pr ocMult CkineticMult 2, 0.(1 − α ) Với α = CNO ,act r1 r4 + α AK + AK (29) (30) CNO ,equ CPost Pr oMult AK = r1 r2 + r3 (31) AK = r4 r5 + r6 (32) 5.2 Phát thải soot Soot (bồ hóng) chất nhiễm đặc biệt quan trọng khí thải động diesel Tuy từ lâu người ta nhận biết tác hại chúng việc nghiên cứu hình thành chất nhiễm khí thải động diesel thực phát triển từ năm 1970 dựa vào thành tựu kỹ thuật quang học Theo cơng trình nghiên cứu, bồ hóng bao gồm thành phần sau đây: - Các-bon: thành phần phụ thuộc vào nhiệt độ cháy hệ số dư lượng khơng khí trung bình, đặc biệt động hoạt động chế độ tải lớn tồn tải; - Dầu bơi trơn không cháy: động cũ thành phần chiếm tỷ lệ lớn Lượng dầu bôi trơn bị tiêu hao phát thải bồ hóng có quan hệ với nhau; - Nhiên liệu chưa cháy cháy không hoàn toàn (HC): thành phần phụ thuộc vào nhiệt độ cháy hệ số dư lượng khơng khí; - Sunfat: tạp chất lưu huỳnh nhiên liệu bị ô-xy hóa tạo thành SO2 SO4; Cơ chế hình thành phát thải soot mơ AVL-Boost dựa mơ hình 124 Schubiger [111] coi q trình cháy gồm hai vùng dựa mơ hình Hiroyasu [112, 113] coi trình cháy gồm nhiều vùng Cơ chế gọi chế hai bước, mơ tả hình thành ơ-xy hố phân tử bồ hóng hai nhiều phản ứng Schubiger quan tâm đến hai phản ứng định đến trình hình thành phát thải soot theo chế phản ứng động Phản ứng hình thành soot phụ thuộc vào tốc độ cháy khuyếch tán xi-lanh Q trình ơ-xy hóa định lượng soot thực tế xi-lanh hàm lượng ô-xy cịn dư thừa vùng phản ứng Thơng số τchar liên quan tới tổng nhiệt tỏa theo hai phương trình 33 34 dm s2 = As2 dt τ char PO2 (m soot ) n ( n1 PO2 , ref E so (33) ) n e Rm T  p  R sf.T dm  e m = As , f fb , diff  dt  pref  dms , f dt E (34) Trong đó: dms , f dt dms ,o dt dm fb ,diff dt p o , p o , ref : Tốc độ hình thành soot (kg/s); : Tốc độ ơ-xy hóa soot (kg/s); : Tốc độ trình cháy khuếch tán (kg/s); : Áp suất thực/áp suất tham chiếu (Pa); E sf , E so : Năng lượng kích hoạt q trình hình thành ơ-xy hóa (J/mol); m soot : Khối lượng soot (kg); As , f : Hệ số hình thành soot (-); As , f : Hệ số ơ-xy hóa soot (-); τ char n1 , n , n3 : Hệ số hịa trộn (-); : Hằng số mơ hình (-) Theo quan điểm Hiroyasu, trình hình thành phát thải soot phụ thuộc trực tiếp vào nồng độ nhiên liệu Q trình ơ-xy hóa định lượng soot thực tế xi-lanh hàm lượng ơ-xy cịn dư thừa vùng phản ứng Hai phản ứng 28 29 diễn đồng thời lượng soot thực tế sinh phụ thuộc vào tốc độ ơ-xy hóa tốc độ hình thành soot xi-lanh dm s , f dt = C s , f m fv p e 0.5 − Es , f (35) Rm T E (36) − s ,o po dms ,o = Cso msoot p1.8 e Rm T dt p Trong đó: 125 : Tốc độ hình thành soot (kg/s); dm s , f dt : Tốc độ ơ-xy hóa soot (kg/s); dms ,o dt po : Áp suất thực/áp suất tham chiếu (Pa); E sf , E so : Năng lượng kích hoạt trình hình thành ơ-xy hóa (J/mol); m soot : Khối lượng soot (kg); Cs, f : Hệ số hình thành soot (-); C s ,o : Hệ số ô-xy hóa soot (-) 5.3 Phát thải CO Phát thải CO mô Boost dựa lý thuyết Onorati [9] theo hai phản ứng 37 38: CO + OH = CO2 + H r1 = 6.76 *1010 * e ( CO + O2 = CO2 + O r2 = 62.51 * 10 * e ( 12 T ) 1102 * cCO * cOH −24055 ) T * cCO * cO (37) (38) Tốc độ hình thành phát thải CO [mole/c3s] xác định theo phương trình 39: rCO= Cconst * ( r1 + r2 ) * (1 − α ) Với α= (39) cCO ,act cCO ,equ cCO,equ hàm lượng cân CO 5.4.Phát thải HC Sự hình thành phát thải HC động đốt nhà nghiên cứu quan tâm từ lâu [112, 113] Nhiều lý thuyết khác hình thành HC đề cập, có ba chế hình thành phát thải HC động hầu hết nhà nghiên cứu chấp nhận Đó nén HC vào khe hẹp (trong trình nén) thoát HC khỏi khe hẹp hành trình giãn nở thải; Sự hấp thụ giải phóng nhiên liệu màng dầu bơi trơn lớp cáu cặn thành buồng cháy; Sự đốt cháy khơng hồn tồn hỗn hợp nhiên liệu khơng khí điều kiện cháy khơng thuận lợi Trong động diesel nhân tố ảnh hưởng đến mức độ tạo HC cháy khơng hồn tồn hỗn hợp khơng khí nhiên liệu vùng cháy Do hàm lượng phát thải HC động diesel nói chung nhỏ nên nghiên cứu này, mơ hình cháy MCC bỏ qua thành phần phát thải HC 126 PHỤ LỤC CÁC TRANG THIẾT BỊ PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM Trang thiết bị thử nghiệm bao gồm trang thiết bị sau đây: Băng thử động DW-16 Động thử nghiệm có cơng suất lớn 5,17 kW tác giả chọn băng thử DW-16 sử dụng phanh điện để tạo mơ-men cản Băng thử có mơ-men phù hợp, độ xác cao, ổn định với lực qn tính nhỏ, cấu trúc đơn giản hoạt động có độ tin cậy cao, phải bảo dưỡng bảo trì, phù hợp cho loại động đốt cỡ vừa nhỏ Thông số băng thử DW-16 Công suất max : 16 kW Mô men định mức : 70 N.m Tốc độ tối đa : 13000 (v/p) Mô-men quán tính quay : 0,01 kg.m2 Hình Băng thử động DW-16 Hệ thống điều khiển băng thử bao gồm: phần mềm điều khiển trực tiếp qua giao diện máy tính, bảng điều khiển phần cứng kết nối điều khiển bệ thử Hình trình bày phần mềm điều khiển, hiển thị hình ảnh kết nối động thiết bị Hình Phần mềm điều khiển hiển thị thơng số bệ đo cơng suất Hình Động kết nối với trang thiết bị Thiết bị đo áp suất buồng đốt Thiết bị đo áp suất buồng đốt trình bày Hình thu hiển thị số liệu đo (Hình 5) Thiết bị dùng để đo áp suất buồng đốt theo góc quay trục khuỷu Cấu tạo hệ thống bao gồm phận như: Máy tính thu thập tín hiệu hình hiển thị, khuyếch đại tín hiệu, cảm biến áp suất buồng đốt, encoder, Cảm biến đo áp suất buồng đốt cảm biến áp suất loại GH13Z-31 hãng AVL 127 cấu tạo Hình 6, chế tạo thép khơng gỉ có đường kính thân φ4,3 với thơng số trình bày bảng Cảm biến áp suất gắn trực tiếp vào nắp máy (Hình 7) để đo áp suất xi-lanh động Đây cảm biến áp suất kiểu thạch anh nhận biết áp suất xi-lanh thông qua việc tinh thể thạch anh bị phân cực tạo điện trường tinh thể Dữ liệu áp suất lấy trung bình sau 100 chu kỳ theo góc quay trục khuỷu giá đáng tin cậy Dựa vào cảm biến áp suất buồng đốt đánh giá thông số như: - Áp suất lớn pcmax vị trí khuỷu trục đạt pcmax, - Đường cong biến thiên áp suất xi-lanh theo góc quay trực khuỷu, - Áp suất thị trung bình IMEP cho chu kỳ, - Công sinh chu kỳ, - Tốc độ tỏa nhiệt xi-lanh theo góc quay trục khuỷu, - Quy luật nhiệt tỏa xi-lanh theo góc quay trục khuỷu Bảng Bảng thông số kỹ thuật cảm biến đo áp suất xi-lanh Thông số kỹ thuật Dải đo Quá tải Tuổi thọ Độ nhạy Độ tuyến tính Tần số Nhiệt độ làm việc Điện trở Giá trị (0 ÷ 250) bar 300 bar ≥ 108 Chu kỳ tải 16 pC/bar ≤ ± 0,3% FSO ∼115 kHz -40oC…400oC ≥ 1013 Ω Tại 20oC Hình Hệ thống đo AVL 620 Indiset 1.Màn hình hiển thị; Mặt trước thu thập liệu; 3.Mặt sau thu thập liệu;4.Cảm biến đo áp suất buồng đốt; 5;6 Bộ Encorder 128 Hình Hình ảnh thu thập hiển thị số liệu thiết bị đo AVL 620 Indiset Hình Cấu tạo cảm biến đo áp suất buồng đốt Hình Vị trí lắp đặt cảm biến Cảm biến; Nắp máy Hình Kích thước Encorder Hình Vị trí lắp Encorder Trục khởi động tay quay; Encorder Hình 10 Ý nghĩa cực Encoder Hình 11 Tín hiệu đầu Encoder - Encoder: Dùng để xác định xác góc quay trục khuỷu, encoder kết hợp với cảm biến áp suất cho liệu xác áp suất buồng đốt theo góc quay trục khuỷu Encoder thiết bị “E50S-8-360-3-T-24-C” hãng Autonics Hàn Quốc sản xuất Thiết bị có đường kính ngồi 50mm - trục 8mm, vòng quay thiết bị phát 360 xung, tương ứng xung độ pha đầu thể hình 11 (A, 129 B Z) Thiết bị sử dụng nguồn điện 12-24V-DC ± 5% kết nối dây cáp (kí hiệu chữ C mã thiết bị) dùng chung với nguồn điện cấp cho động thử nghiệm Kích thước bản, vị trí lắp đặt Ý nghĩa cực tín hiệu đầu Encoder trình bày hình từ đến 11 - Data Loggers (Dữ liệu Loggers): Để thu thập liệu thời gian thực, phần mềm DeLogger kèm cho phép giám sát từ xa, kiểm soát quản lý liệu Kênh: 10 đến 30 kênh cảm biến kênh tín hiệu số Thiết bị đo tiêu hao khơng khí Hình 12 Cảm biến lưu lượng khí nạp Hình 13 Cảm biến lắp hệ thống thí nghiệm 1.Cảm biến lưu lượng khí nạp; Bình ổn áp; Động R180 Sử dụng thiết bị Hot-Film-Air-Mass meter (HFM5) loại cảm biến lưu lượng kiểu màng nóng có mã số “0 280 218 019” thể hình dùng để đo lưu lượng khí nạp qua, đo lưu lượng lên đến 1000kg/h Phần tử cảm biến đặt ống hướng dòng chảy, với đặc điểm sau: - Thiết kế nhỏ gọn, trọng lượng thấp - Phản ứng nhanh, đầu vào công suất thấp - Đo khối khơng khí theo đơn vị thời gian, độc lập với nhiệt độ - Phạm vi đo rộng - Độ nhạy cao, đặc biệt cho thay đổi nhỏ tốc độ dòng chảy - Không bị ảnh hưởng bụi bẩn ô nhiễm Đặc biệt đo phát có dịng chảy qua Hình 12 13 trình bảy hình ảnh cảm biến lưu lượng khí nạp vị trí lắp thực nghiệm Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu diesel Q trình thí nghiệm sử dụng hệ thống AVL Fuel Balance 733S để đo tiêu hao nhiên liệu Thiết bị đo liên tục lượng nhiên liệu khoảng thời gian từ đầy bình đến nhiêu liệu bình giảm tới mức Sai số thiết bị 0,1% Dải đo từ đến 150 kg/h, cho phép tới 400 kg/h Hệ thống đo suất tiêu thụ nhiên liệu AVL Fuel Balance 733S thực trình đo ghi lại kết trung bình phép đo thời gian phép đo người thử nghiệm đặt giao diện 130 phần mềm chuyên dụng máy tính Hình 14 trình bày hình ảnh thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu diesel Hình 14 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu diesel Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu hydro Việc đo lượng tiêu hao nhiên liệu hydro sử dụng cảm biến hãng GFC Thông số kỹ thuật của cảm biến trình bày Chương Hình 15 trình bày hình ảnh thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu hydro Hình 16 trình bày vị trí lắp đặt cảm biến đo tiêu hao hydro hệ thống thử nghiệm Hình 15 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu hydro [114] Hình 16 Lắp đặt cảm biến đo lưu lượng hydro thực tế 1.Cụm van điều áp; Cảm biến đo tiêu hao hydro; 3.Động nghiên cứu 131 Thiết bị phân tích khí thải Tủ phân tích khí thải CEB1 Máy tính; II (Combustion Emission Khối SCU; Bench) thể Hình 17 hệ thống bao gồm tồn 2a Khối làm nóng; mơ đun thực q 2b Khối làm lạnh; trình phân tích thành phần 2c Khối điều khiển SCU; khí thải (các phân tích) 2d Vùng dành cho EGR; thiết bị đảm bảo điều kiện làm việc xác hệ Vùng đặt phân thống như: khối làm nóng tích; (HSU), khối chẩn đốn, khối Bảng đồng hồ khí; điều khiển… Ngồi ra, tủ Cơng tắc hệ thống; phân tích cịn lắp đặt Khối chẩn đốn; máy tính công nghiệp với phần mềm điều khiển Các đường khí nguồn GEM110 Việc kết nối máy điện tính điều khiển với Hình 17 Mơ hình tủ CEB-II phân tích thực thơng qua tín hiệu số, tùy thuộc vào phân tích mà kết nối với máy tính qua mạng LAN hay qua cáp nối tiếp RS232 Các phân tích lắp đặt tủ sử dụng để đo thành phần có khí thải như: mơnơxit cácbon (CO), cácbon điôxit (CO2), ô-xygen (O2), ôxit nitơ (NO NOx), hydrocacbon (HC), đồng thời đo hệ số dư lượng khơng khí λ Thiết bị phân tích khí thải hiệu chuẩn khí mẫu trước tiến hành thử nghiệm đo đạc xác định phát thải độc hại động có trang bị hệ thống EHSy Thiết bị đo lambda Cảm biến thiết kế để đo hệ số dư lượng khơng khí λ, sử dụng cho động xăng động diesel Dải đo cho phép thiế t bị từ λ 0,65 đến ∞, ∞ tương ứng với mức O2 =21% Hình 18 trình bày hình ảnh cảm biến lambda sử dụng nghiên cứu thực nghiệm Dải đo lambda: 0,65 đến vơ Nhiên liệu tương thích: Xăng/Diesel/E85 Áp suất làm việc: nhỏ 2,5 (bar) Nhiệt độ khí thải tới hạn: Từ 930oC đến 103oC (trong thời gian ngắn) Điện áp sử dụng: 10,8 đến 16,5 V Hình 18 Cảm biến lambda sử dụng nghiên cứu thực nghiệm 132 Thiết bị đo độ khói Thiết bị đo độ khói Smoke Meter AVL 415S (Hình 19) sử dụng giấy lọc để giữ lại hạt muội có khí thải Độ khói khí thải xác định qua độ đen giấy lọc sau khí thải qua biểu thị theo đơn vị FSN (Filter Smoke Number), % mg/m3 Hình 19 Thiết bị đo độ khói Smoke Meter AVL 415S 133 PHỤ LỤC MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Hình Cải tạo hệ thống nhiên liệu diesel Hình Lắp đặt hệ thống luân hồi khí thải Hình Lắp đặt hệ thống bổ sung hydro 134 Hình Hệ thống hồn thành chuẩn bị thí nghiệm Hình Q trình nghiên cứu thực nghiệm 135 ... lọc phát thải dạng hạt Dung dịch hỗ trợ giảm phát thải động diesel Động đốt Luân hồi khí thải tỉ lệ 5% Bộ điều khiển động Phương pháp luân hồi khí thải Phương pháp kết hợp bổ sung luân hồi khí thải. .. biện pháp giảm phát thải độc hại cho động diesel từ chọn giải pháp nghiên cứu cho động diesel lưu hành Việt Nam; - Nghiên cứu mô động R180 sử dụng hệ thống luân hồi khí thải kết hợp bổ sung hydro. .. thành phần phát thải động diesel hành đặc biệt NOx PM với giá thành thấp sử dụng phương pháp kết hợp luân hồi khí thải với bổ sung khí hydro khí giàu hydro vào động Với phương pháp này, NOx giảm