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 DIESEL VÀ 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 chá y trong độ ng cơ diesel và động cơ diesel-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 tí nh toá n cá c thà nh phầ n phá t thả i 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 chí nh xá c 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 - SO X 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 % LPG m Khối lượng LPG tiêu thụ kg uLPG H Nhiệt trị thấp của LPG MJ/kg diesel m Khối lượng diesel tiêu thụ kg udiesel H Nhiệt trị thấp của diesel MJ/kg c m 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 F Q Nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp kJ W Q 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 m ew Khối lượng nhiên liệu bay hơi kg eff A Diện tích thông qua m 2 ol P Áp suất môi chất trước họng tiết lưu Pa 2 P Áp suất môi chất sau họng tiết lưu Pa ol T Nhiệt độ môi chất trước họng tiết lưu K o R 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 wi Q Nhiệt truyền đến các chi tiết (nắp máy, đỉnh piston, thành xy lanh) K wi A Diện tích bề mặt các chi tiết (nắp máy, đỉnh piston, thành xy lanh) m 2 w α Hệ số truyền nhiệt c T Nhiệt độ môi chất trên bề mặt thành xy lanh K wi T : Nhiệt độ bề mặt chi tiết (nắp máy, đỉnh piston, thành xy lanh) K D Đường kính xy lanh m C m Tốc độ trung bình của piston m/s C u Tốc độ tiếp tuyến của môi chất m/s [...]... 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. .. nghiên cứu ứng dụng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel – LPG vào thực tế Ở Việt Nam, nghiên cứu sử dụng LPG cho xe máy và ô tô con sử dụng xăng đã được thực hiện và công bố rộng rãi, tuy nhiên, các nghiên cứu đề cập đến việc sử dụng LPG trên động cơ diesel còn rất hạn chế Hiện đã có một số ứng dụng trong việc sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel LPG trên ô tô nhằm giảm ô nhiễm môi trường không khí Điển hình... tiện sử dụng lưỡng nhiên liệu mỗi năm bao gồm xe bus và taxi * Nhận xét: Các kết quả nghiên cứu và ứng dụng ở trên cho thấy, trên 16 thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về khí thải của động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG Các công trình tập trung chủ yếu vào loại động cơ lắp trên ô tô khách, ô tô tải trọng lớn, ô tô chuyên dùng Các nghiên cứu sử dụng động cơ diesel- LPG lắp trên ô tô cỡ... lượng phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu diesel – LPG Luận án đã tiến hành thực nghiệm đánh giá và so sánh các thành phần khí thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu diesel – LPG bằng hệ thống trang thiết bị thử nghiệm hiện đại, đạt tiêu chuẩn Quốc tế * Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở để đánh giá hiệu quả môi trường. .. lượng khí thải độc hại của một động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG là rất hiệu quả, đặc biệt là ở chế độ tải trung bình và tải nhỏ Các công trình kể trên đã cho thấy phương pháp xác định hàm lượng các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ diesel và động cơ diesel- LPG tùy thuộc vào loại động cơ, mục đích nghiên cứu và điều kiện hoạt động thực tế Với các động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu, ... giảm thiểu ô nhiễm môi trường của ô tô sử dụng nhiên liệu LPG, đồng thời khẳng định hiệu quả kinh tế của việc sử dụng khí hóa lỏng cho các loại ô tô ở Việt Nam Vũ An (Viện dầu khí Việt Nam) (2009) đã chủ trì cùng với nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giới thiệu một giải pháp cắt giảm phát thải khói đen cho động cơ xe buýt thông qua việc sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG Nghiên... LPG thôi chứ chưa quan tâm tới việc tối ưu hóa hệ thống cung cấp nhiên liệu, quá trình cháy, hình thành các chất ô nhiễm Với thực trạng trên, việc nghiên cứu tính toán xác định thành phần khí thải phát tán vào môi trường của động cơ ô tô sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG trở nên cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao 2 Mục đích nghiên cứu - Xác định hàm lượng các thành phần khí thải khi... cấp nhiên liệu thì biện pháp sử dụng nhiên liệu sạch cho động cơ diesel, trong đó có nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) hiện đang được nhiều nước ứng dụng Sử dụng động cơ chạy bằng lưỡng nhiên liệu diesel- LPG trên ô tô nhằm giảm khí thải độc hại là một hướng nghiên cứu đang được các nhà khoa học quan tâm Biện pháp này khi áp dụng sẽ giải quyết được hai vấn đề là bảo vệ môi trường không khí và tận dụng. .. đến phát thải của động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG phụ thuộc rất nhiều vào loại động cơ, thành phần nhiên liệu sử dụng, phương pháp cung cấp nhiên liệu LPG và điều kiện vận hành động cơ Ở Việt Nam, ứng dụng LPG cho động cơ đốt trong đã và đang được quan tâm nghiên cứu ngày càng nhiều nhưng chưa được chuyên sâu, các kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng ở mức cho động cơ chạy bằng nhiên liệu LPG. .. lắp thêm bộ cung cấp khí hóa lỏng (LPG) vào động cơ diesel - Đánh giá hiệu quả giảm phát thải của động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel- LPG 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 * Đối tượng nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel- LPG lắp trên ô tô cỡ nhỏ và trung bình * Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu về khí thải của đối tượng đã chọn trên cơ sở giữ nguyên các . thực trạng trên, việc nghiên cứu tính toán xác định thành phần khí thải phát tán vào môi trường của động cơ ô tô sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG trở nên cấp thiết, có ý nghĩa khoa học. 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. 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