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 HÀ NỘI – 2022 LỜI CAM ĐOAN Tơi 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, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí Động lực Bộ mơn Động đốt cho phép thực luận án Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Phịng 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 Tôi 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 lòng 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 .5 1.1.2 Các công nghệ giảm phát thải độc hại cho động diesel Luân hồi khí thải động diesel .7 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 .9 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 mơ 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 thơng số cho mơ 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 mơ 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 toán 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 vịi 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  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 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 v 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 i g/s g/s g/s v/p g/kWh (%) g/kWh -