Luận án tiến sĩ 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

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 02 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 hoàn thành luận án Tôi 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 hoàn 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 tham gia nghiên cứu thực cơng trình Nghiên cứu sinh Trịnh Xn 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 1.2.2.4 Hệ thống luân hồi kết hợp 10 1.2.2.5 Luân hồi tức thời 11 1.2.3 Đặc điểm làm việc động luân hồi khí thải 11 1.2.3.1 Các nghiên cứu nước 11 1.2.3.2 Các nghiên cứu nước 11 1.2.3.3 Tóm tắt đặc điểm làm việc động diesel luân hồi khí thải 14 Bổ sung hydro động đốt 14 1.3.1 Tính chất hydro 14 1.3.2 Sản xuất, lưu trữ vận chuyển hydro 15 1.3.2.1 Sản xuất 15 1.3.2.2 Lưu trữ vận chuyển 17 1.3.3 Sử dụng hydro làm nhiên liệu động đốt 18 iii 1.3.4 Bổ sung hydro động diesel 20 1.3.4.1 Các nghiên cứu nước 20 1.3.4.2 Các nghiên cứu nước 21 1.3.4.3 Tóm tắt đặc điểm động diesel bổ sung hydro 24 Kết hợp bổ sung hydro luân hồi khí thải động 25 Nội dung nghiên cứu luận án 26 Kết luận chương 27 Chương NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ DIESEL HIỆN HÀNH SỬ DỤNG LUÂN HỒI KHÍ THẢI VÀ BỔ SUNG HYDRO 28 Giới thiệu chung 28 2.1.1 Mục đích nghiên cứu mô 28 2.1.2 Lựa chọn phần mềm mô 28 Cơ sở lý thuyết phần mềm AVL Boost 28 Xây dựng mơ hình mơ động R180 có EHSy 29 2.3.1 Thiết lập mơ hình 29 2.3.1.1 Các thông số động R180 30 2.3.1.2 Các phần tử mơ hình 30 2.3.2 Nhập liệu cho mơ hình 30 2.3.2.1 Khai báo thông số cho mơ hình 30 2.3.2.2 Xây dựng mơ hình lưỡng nhiên liệu 31 2.3.2.3 Vòi phun hydro 31 2.3.2.4 Van EGR 32 2.3.2.5 Bộ làm mát khí luân hồi 32 2.3.2.6 Thiết lập phần tử động xi-lanh (Cylinder) 33 2.3.3 Khai báo biến thực mô 39 2.3.3.1 Khai báo biến 39 2.3.3.2 Các nội dung mô 41 Hiệu chỉnh mơ hình đánh giá độ tin cậy 41 Kết tính tốn mơ thảo luận 43 2.5.1 Đặc tính tải 1500 v/p 43 2.5.1.1 Hệ số Lambda 43 2.5.1.2 Suất tiêu hao nhiên liệu 45 2.5.1.3 Phát thải NOx 46 iv 2.5.1.4 Phát thải soot 48 2.5.1.5 Phát thải CO 50 2.5.1.6 Tỉ lệ hydro bổ sung EGR hợp lý 51 2.5.2 Đặc tính tải 2600 v/p 52 2.5.2.1 Hệ số lambda 52 2.5.2.2 Suất tiêu hao nhiên liệu 53 2.5.2.3 Phát thải NOx 55 2.5.2.4 Phát thải soot 56 2.5.2.5 Phát thải CO 58 2.5.2.6 Tỉ lệ hydro bổ sung EGR hợp lý 59 2.5.3 Đặc tính ngồi 60 2.5.3.1 Các thông số làm việc phát thải 60 2.5.3.2 Tỉ lệ hydro bổ sung EGR hợp lý 61 2.5.4 Thảo luận 61 Kết luận chương 63 Chương NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG EHSy CHO ĐỘNG CƠ DIESEL R180 64 Giới thiệu chung 64 Thiết kế bố trí chung hệ thống EGR cung cấp nhiên liệu động R180 64 Nghiên cứu thiết kế hệ thống cung cấp hydro cho động R180 66 3.3.1 Cơ sở tính tốn thiết kế 66 3.3.1.1 Bình nhiên liệu hydro 67 3.3.1.2 Van chống cháy ngược 68 3.3.1.3 Bộ giảm áp 68 3.3.1.4 Vòi phun hydro 68 3.3.1.5 Cảm biến đo lượng tiêu thụ hydro 70 3.3.2 Lắp đặt hệ thống cung cấp hydro 71 Nghiên cứu thiết kế hệ thống EGR cho động R180 71 3.4.1 Cơ sở tính tốn thiết kế 71 3.4.1.1 Đường ống thải 71 3.4.1.2 Van EGR 72 3.4.1.3 Mạch điện điều khiển 74 3.4.1.4 Bộ làm mát khí luân hồi 74 v 3.4.2 Lắp đặt hệ thống EGR 75 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển EHSy 76 3.5.1 Sơ đồ tổng quát 76 3.5.2 Các cảm biến công tắc 77 3.5.2.1 Cảm biến tốc độ động thời điểm phun hydro 77 3.5.2.2 Cảm biến vị trí tay điều khiển 78 3.5.2.3 Công tắc chọn chế độ làm việc 78 3.5.2.4 Tín hiệu điều khiển người thí nghiệm 78 3.5.3 Các cấu chấp hành 79 3.5.3.1 Động servo 79 3.5.3.2 Vòi phun hydro 80 3.5.3.3 Van EGR 80 3.5.4 Thiết kế ECU điều khiển 81 3.5.4.1 Phần cứng 81 3.5.4.2 Phần mềm 81 3.5.5 Thuật toán code chương trình 82 3.5.5.1 Thuật toán xác định tốc độ thực, tốc độ đặt vị trí van EGR động 82 3.5.5.2 Thuật toán điều khiển góc quay servo, thời gian mở vịi phun, van EGR 84 3.5.5.3 Code chương trình Labview 86 Kết luận chương 87 Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 88 Mục đích thử nghiệm 88 Đối tượng phạm vi thử nghiệm 88 4.2.1 Đối tượng thử nghiệm 88 4.2.2 Phạm vi thử nghiệm 88 Sơ đồ bố trí trang thiết bị quy trình thử nghiệm 88 Kết thí nghiệm thảo luận 90 4.4.1 Đặc tính tải 1500 vịng/phút 90 4.4.1.1 Hệ số lambda 91 4.4.1.2 Suất tiêu hao nhiên liệu 91 4.4.1.3 Phát thải thải NOx 91 4.4.1.4 Phát thải khói 92 vi 4.4.1.5 Phát thải HC 92 4.4.1.6 Phát thải CO 93 4.4.1.7 Diễn biến áp suất buồng đốt 93 4.4.2 Đặc tính tải 2600 vịng/phút 94 4.4.2.1 Hệ số lambda 94 4.4.2.2 Suất tiêu hao nhiên liệu 94 4.4.2.3 Phát thải NOx 95 4.4.2.4 Phát thải khói 95 4.4.2.5 Phát thải HC 95 4.4.2.6 Phát thải CO 96 4.4.2.7 Diễn biến áp suất buồng đốt 96 4.4.3 Đặc tính ngồi 97 4.4.3.1 Các thông số làm việc phát thải 97 4.4.3.2 Diễn biến áp suất buồng đốt 99 4.4.4 Thảo luận 100 Kết luận chương 100 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 112 DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC 113 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  Diễn giải Phần mềm mô chiều hãng AVL (Áo) Mô 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 ơ-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 hịa 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 - DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Một số nghiên cứu EGR cho động có trình cháy đại 14 Bảng 1.2 Một số tính chất hydro, mê-tan, xăng diesel 15 Bảng Thông số kỹ thuật động R180 30 Bảng 2 Các phần tử mơ hình 30 Bảng Thông số liệu nhập cho mơ hình 30 Bảng Các thông số phần tử điều kiện biên 33 Bảng Các thơng số hình học, vật lý đường ống 33 Bảng Độ nâng xu-páp nạp theo góc quay trục khuỷu 36 Bảng Độ nâng xu-páp thải theo góc quay trục khuỷu 36 Bảng Bảng thơng số hiệu chỉnh mơ hình AVL MCC theo loại nhiên liệu 38 Bảng Bảng thơng số hiệu chỉnh mơ hình AVL MCC theo người dùng 38 Bảng 10 Diễn biến hệ số lambda đặc tính tải 1500 (v/p) 43 Bảng 11 Diễn biến ge đặc tính tải tốc độ 1500 (v/p) 45 Bảng 12 Diễn biến phát thải NOx đặc tính tải 1500 (v/p) 47 Bảng 13 Diễn biến phát thải soot đặc tính tải tốc độ 1500 (v/p) 49 Bảng 14 Diễn biến phát thải CO đặc tính tải 1500 (v/p) 50 Bảng 15 Diễn biến hệ số lambda đặc tính tải 2600 (v/p) 52 Bảng 16 Diễn biến ge đặc tính tải 2600 (v/p) 54 Bảng 17 Diễn biến phát thải NOx đặc tính tải 2600 (v/p) 55 Bảng 18 Diễn biến phát thải soot đặc tính tải 2600 (v/p) 57 Bảng 19 Diễn biến phát thải CO đặc tính tải 2600 (v/p) 58 Bảng Thông số kỹ thuật giảm áp 68 Bảng Thơng số kỹ thuật vịi phun hydro [108] 69 Bảng 3 Thông số kỹ thuật cảm biến đo tiêu hao nhiên liệu hydro 70 Bảng Thông số kỹ thuật van EGR 74 Bảng Các thông số kỹ thuật động servo MG995 79 Bảng Hệ số lambda 1500 (v/p) 91 Bảng ge 1500 (v/p) 91 Bảng Phát thải NOx 1500 (v/p) 92 Bảng 4 Phát thải smoke 1500 (v/p) 92 x 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)  c =  id CPMC − dur m: thông 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  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 :  W = 130.D −0,2 pc0,8 Tc−0,53 C1.cm + C2   ( pc − pc ,0 )  pc ,1.Vc ,1  VD Tc ,1 Trong đó: 120 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 mơi 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: W = 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 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 (21) C = 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 trình qt khí, việc lưu tâm đến q trình trao đổi nhiệt cửa nạp cửa thải quan trọng Q 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 mô hình Zap hiệu chỉnh sử dụng để tính tốn cho trình 𝑇 𝑑 = (𝑇 𝑢 − 𝑇 𝑤 ) 𝑒 (−𝐴𝑤 𝛼𝑝 )+𝑇𝑤 𝑚.𝑐𝑝 (23) 121 −1.5 𝛼𝑝 = (𝐶4 + 𝐶5 𝑇𝑢 − 𝐶6 𝑇𝑢2 )𝑇𝑢0.44 𝑚0.5 𝑑𝑣𝑖 (1 − 0.797 dùng cho dòng chảy ra, cho dòng chảy vào; ℎ𝑣 𝑑𝑣𝑖 0.68 −1.68 𝛼𝑝 = (𝐶7 + 𝐶8 𝑇𝑢 − 𝐶0 𝑇2𝑢 )𝑇0.33 𝑑𝑣𝑖 (1 − 0.765 𝑢 𝑚 (24) ) ℎ𝑣 𝑑𝑣𝑖 ) (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 thơng; 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 mơ AVL-Boost dựa sở Pattas Hafner [110] 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 - 10,8 122 1,25 x 107 6,76 x 1014 Hệ số tốc độ mơ hình: 𝑘 = 𝐴𝑇 𝐵 exp (−𝐸/𝑇) (26) Sự hình thành NOx tính tốn theo thơng 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 Q 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: 𝑁2 𝑂 𝑁2 √𝑂2 = 1.1802 10−6 𝑇10.6125 𝑒𝑥𝑝 [ −18.71 𝑅𝑇 ] (27) Tốc độ hình thành NOx tính sau: 𝑑[𝑁𝑂] 𝑑𝑡 𝑅 𝑅 𝑝 1𝑒 4𝑒 = 2(1 − 𝛼 ) [1+𝛼𝐾 + 1+𝐾 ] 𝑅𝑇 (28) Tốc độ phân huỷ NO [mol/cm3] tính tốn sau: rNO = CPost Pr ocMult CkineticMult 2, 0.(1 −  ) Với  = CNO ,act r1 r4 +  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 khơng 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 khơng hồn tồn (HC): thành phần phụ thuộc vào nhiệt độ cháy hệ số dư lượng khơng khí; - Sunfat: tạp chất lưu huỳnh nhiên liệu bị ơ-xy hóa tạo thành SO2 SO4; Cơ chế hình thành phát thải soot mơ AVL-Boost dựa mơ hình 123 Schubiger [110] coi trình cháy gồm hai vùng dựa mơ hình Hiroyasu [111, 112] 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 Quá trình ô-xy hóa định lượng soot thực tế xi-lanh hàm lượng ơ-xy cịn dư thừa vùng phản ứng Thông số τchar liên quan tới tổng nhiệt tỏa theo hai phương trình 33 34 dms2 = As2 dt  char n1 dms , f = As , f dt PO2 (m soot ) n ( PO2 , ref E so (33) ) n e Rm T sf dm fb , diff  p  Rm T  e  dt  pref  E (34) Trong đó: dms , f dt dms ,o dt dm fb ,diff dt po , po 2,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); msoot : Khối lượng soot (kg); As , f : Hệ số hình thành soot (-); As , f : Hệ số ơ-xy hóa soot (-);  char n1 , n2 , 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 ô-xy 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: 124 : 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 q trình hình thành ơ-xy hóa (J/mol); msoot : Khối lượng soot (kg); Cs , f : Hệ số hình thành soot (-); C s ,o : Hệ số ơ-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 −  ) Với = (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 [111, 112] 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 không 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 125 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 quán 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) Mơ-men qn 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 thông 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 126 cấu tạo Hình 6, chế tạo thép khơng gỉ có đường kính thân 4,3 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  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 127 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, 128 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 dịng chảy - Khơng 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 129 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 [113] 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 130 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 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 cơng 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 điơxit (CO2), ô-xygen (O2), ôxit nitơ (NO NOx), hydrocacbon (HC), đồng thời cịn đo hệ số dư lượng khơng khí  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 131 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 132 PHỤ LỤC MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Hình Cải tạo hệ thống nhiên liệu diesel Hình Lắp đặt hệ thống ln hồi khí thải Hình Lắp đặt hệ thống bổ sung hydro 133 Hình Hệ thống hồn thành chuẩn bị thí nghiệm Hình Quá trình nghiên cứu thực nghiệm 134