Nghiên cứu đặc tính phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn diesel theo các chu trình lái ftp, hw và nedc

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP HOÀNG TRUNG THÀNH NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU CỒN - DIESEL THEO CÁC CHU TRÌNH LÁI FTP, HW VÀ NEDC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Thái Nguyên - Năm 2018 ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun, Phịng Đào tạo Khoa kỹ thuật Ơ tơ Máy động lực cho phép tơi thực luận văn Xin cảm ơn Phịng Đào tạo Khoa kỹ thuật Ơ tơ Máy động lực hỗ trợ giúp đỡ suốt q trình tơi học tập làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Trung Kiên hướng dẫn tơi tận tình chu đáo mặt chun mơn để tơi thực hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn lãnh đạo, đồng nghiệp Cơ quan nơi công tác tạo điều kiện động viên suốt q trình học tập Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy phản biện, thầy hội đồng chấm luận văn đồng ý đọc duyệt góp ý kiến quý báu để tơi hồn chỉnh luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người động viên khuyến khích tơi suốt thời gian tơi học tập Tuy nhiên cịn có hạn chế thời gian kiến thức thân nên đề tài tơi cịn nhiều thiếu sót Tơi mong nhận góp ý để luận văn hoàn thiện Học viên iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích đề tài 3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn * Ý nghĩa khoa học: * Ý nghĩa thực tiễn: Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Vấn đề thiếu hụt lượng ô nhiễm môi trường 1.2 Nhiên liệu thay 1.2.1 Nhiên liệu thay dạng khí 1.2.2 Nhiên liệu thay dạng lỏng 1.3 Đặc điểm nhiên liệu ethanol 11 1.3.1 Các tính chất vật lý hóa học ethanol 11 1.3.2 Tình hình sản xuất ethanol giới Việt Nam 13 1.4 Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động đốt 16 1.4.1 Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động xăng 16 iv 1.4.2 Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động diesel 19 1.5 Kết luận chương 25 CHƯƠNG THÀNH PHẦN KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ 26 VÀ CÁC CHU TRÌNH THỬ NGHIỆM 26 2.1 Các thành phần độc hại khí thải động 26 2.2 Cơ chế hình thành chất độc hại khí xả động diesel 28 2.3 Giới thiệu chu trình thử nghiệm 31 Chu trình thử cho đường phố FTP – 75 32 Chu trình thử cho xa lộ HW (US-Highway-Cycle) 33 Chu trình thử Châu âu NEDC 34 2.4 Các tiêu chuẩn khí thải 35 2.4.1 Tiêu chuẩn khí thải Mỹ 35 2.4.2 Tiêu chuẩn khí thải Châu âu 39 2.5 Kết luận chương 40 CHƯƠNG MƠ PHỎNG Ơ TƠ THEO CÁC CHU TRÌNH THỬ 41 BẰNG PHẦN MỀM GT-SUITE 41 3.1 Xây dựng mơ hình mô phần mềm GT-Suite 41 3.1.1 Giới thiệu phần mềm GT-Drive 41 3.1.2 Xây dựng mơ hình mô 42 3.2 Nhiên liệu sử dụng mô 47 3.3 Kết mô 48 3.3.1 Tiêu hao nhiên liệu 48 3.3.2 Phát thải NOx 51 3.3.3 Phát thải CO 54 3.4 Kết luận chương 56 KẾT LUẬN CHUNG 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải CNG Khí nén thiên nhiên LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng GTL Khí hóa lỏng CTL Than đá hóa lỏng PM Chất ô nhiễm dạng hạt THC Tổng phát thải hy đrô bon chưa cháy D80E20 Nhiên liệu pha trộn 80% diesel 20% ethanol D100 FTP-75 HW NEDC Nhiên liệu diesel khống Chu trình thử cho xe chạy thành phố Mỹ Chu trình thử xa lộ Mỹ Chu trình thử Châu Âu vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tính chất ethanol 12 Bảng 2.1 Các thông số chu trình thử xe cho đường thành phố Mỹ 33 Bảng 2.2 Bảng tiêu chuẩn khí thải EPA loại 36 Bảng 2.3 Bảng tiêu chuẩn khí thải EPA loại 37 Bảng 2.4 Tiêu chuẩn liên bang Mỹ cho xe tải nặng 38 Bảng 2.5 Tiêu chuẩn EPA cho động diesel chạy xa lộ 39 Bảng 2.6 Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu cho xe xe tải nhẹ Áp dụng cho xe với số chỗ ≤ xe tải hạng nhẹ có trọng lượng ≤ 2,5 39 Bảng 2.7 Tiêu chuẩn khí thải châu âu cho xe tải nặng, đơn vị tính g/km 40 Bảng 3.1 Các thơng số mơ hình tô “Vihicle - TC” 44 Bảng 3.2 Các thơng số nhiên liệu diesel khống D80E20 48 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Biểu đồ sản lượng ethanol giới từ 2007 đến 2015 14 Hình 2.1 Cơ chế hình thành chất thải độc hại động diesel 29 Hình 2.2 Đặc tính thành phần độc hại động diesel theo λ 29 Hình 2.3 Chu trình thử FTP 75 32 Hình 2.4 Chu trình thử xe xa lộ Mỹ, HW 33 Hình 2.5 Chu trình thử Châu Âu NEDC 34 Hình 3.1 Cửa sổ giao diện GT-Drive 42 Hình 3.2 Mơ hình mơ tơ theo chu trình thử 43 ứng với loại nhiên liệu khác 43 Hình 3.3 Cửa sổ giao diện nhập liệu cho phần tử động 43 Hình 3.4 Mơ hình hệ thống truyền lực ô tô “Vihicle - TC” 44 Hình 3.5 Cửa sổ giao diện nhập liệu cho phần tử Vehicle_Controller 45 Hình 3.6 Chu trình thử FTP-75 thiết lập mơ hình mơ 46 Hình 3.7 Chu trình thử HW thiết lập mơ hình mơ 46 Hình 3.8 Chu trình thử NEDC thiết lập mơ hình mơ 47 Hình 3.9 Tiêu hao nhiên liệu tồn chu trình thử NEDC 49 Hình 3.10 Tiêu hao nhiên liệu tồn chu trình thử FTP-75 49 Hình 3.11 Tiêu hao nhiên liệu tồn chu trình thử HW 50 Hình 3.12 Lượng nhiên liệu tiêu thụ, [lít/100 km] 50 Hình 3.13 Tiêu hao nhiên liệu tổng cộng ứng với chu trình thử 51 khác nhau, [kg/h] 51 Hình 3.14 Phát thải NOx chạy loại nhiên liệu theo chu trình NEDC 52 Hình 3.15 Phát thải NOx chạy loại nhiên liệu theo chu trình FTP-75 52 Hình 3.16 Phát thải NOx chạy loại nhiên liệu theo chu trình HW 53 Hình 3.17 Phát thải NOx tồn chu trình thử sử dụng loại nhiên liệu D100 D80E20, [g/h] 53 viii Hình 3.18 Phát thải CO chạy loại nhiên liệu theo chu trình NEDC 54 Hình 3.19 Phát thải CO chạy loại nhiên liệu theo chu trình FTP-75 55 Hình 3.20 Phát thải CO chạy loại nhiên liệu theo chu trình HW 55 Hình 3.21 Phát thải CO tồn chu trình thử sử dụng loại nhiên liệu D100 D80E20, [g/h] 56 ix MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày nay, với tăng trưởng số lượng xe giới gia tăng ô nhiễm môi trường khí thải độc hại từ động phương tiện Nguồn ô nhiễm gây ảnh hưởng lớn tới sức khỏe sống người, đặc biệt thành phố lớn có mật độ xe giới mật độ dân cư cao Ô nhiễm môi trường vấn đế cấp bách mà giới quan tâm, động đốt trong nguồn gây ô nhiễm nhiều Hơn nhiên liệu dùng cho động đốt dần cạn kiệt Vì vậy, thực tiễn phát triển động phải gắn liền tiêu hao nhiên liệu giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường đến mức nhỏ Từ yêu cầu cấp bách thực tiễn, nhà nghiên cứu phải tìm biện pháp tối ưu để cải tiến động nghiên cứu tìm nguồn nhiên liệu thay cho nhiên liệu truyền thống Vì vậy, hướng nghiên cứu sử dụng nguồn nhiên liệu thay cho nhiên liệu truyền thống có ý nghĩa thực tiễn cao, phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ động tương lai Việc nghiên cứu phát triển ứng dụng loại nhiên liệu thay xu hướng chung nhiều nước giới nhằm làm giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, đảm bảo an ninh lượng giảm tác động tới môi trường đặc biệt khí gây hiệu ứng nhà kính Động cháy nén (động diesel) sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực: nông nghiệp, giao thông vận tải, máy phát điện… ưu điểm bật hiệu suất cao; nhiên sản phẩm cháy lại chứa nhiều thành phần độc hại với người mơi trường đặc biệt xít ni tơ (NOx) chất ô nhiễm dạng hạt (PM - Particulate Matter) Sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc sinh học (bio-based fuels) động diesel giải pháp hiệu nhằm giảm phát sinh thành phần độc hại khí xả Một số đó, nhiên liệu cồn (alcohol) nhiên liệu tiềm nhằm giảm phát thải lệ thuộc vào nhiên liệu hóa sử dụng nhiên liệu D80E20 tăng cao hơn, cụ thể: NEDC tăng 3,9%; HW tăng 2,22% FTP-75 tăng: 4% Hình 3.9 Tiêu hao nhiên liệu tồn chu trình thử NEDC Hình 3.10 Tiêu hao nhiên liệu tồn chu trình thử FTP-75 49 Hình 3.11 Tiêu hao nhiên liệu tồn chu trình thử HW Hình 3.12 Lượng nhiên liệu tiêu thụ, [lít/100 km] 50 Hình 3.13 Tiêu hao nhiên liệu tổng cộng ứng với chu trình thử khác nhau, [kg/h] 3.3.2 Phát thải NOx Phát thải NOx phương tiện sử dụng loại nhiên liệu diesel khoáng (D100) nhiên liệu pha trộn diesel - ethanol (D80E20: 80% diesel 20% ethanol) theo chu trình thử NEDC, FTP-75 HW trình bày hình từ hình 3.14 đến hình 3.17 Xu hướng phát thải NOx tổng cộng thử chu trình lái NEDC, FTP-75 HW giống nhau, phát thải NOx có tăng nhẹ ô tô sử dụng D80E20, với giá trị là: 3,44%, 3,54% 4,01% Trong đó, phát thải NOx tức thời chu trình thử lại có đơi chút khác biệt Cụ thể, tơ chạy theo chu trình thử NEDC số điểm phát thải NOx có tách biệt rõ rệt (đường màu đỏ hình 3.14), điểm không thấy rõ ô tô chạy theo chu trình FTP75 HW 51 Hình 3.14 Phát thải NOx chạy loại nhiên liệu theo chu trình NEDC Hình 3.15 Phát thải NOx chạy loại nhiên liệu theo chu trình FTP-75 52 Hình 3.16 Phát thải NOx chạy loại nhiên liệu theo chu trình HW Hình 3.17 Phát thải NOx tồn chu trình thử sử dụng loại nhiên liệu D100 D80E20, [g/h] 53 3.3.3 Phát thải CO Phát thải CO ô tô sử dụng loại nhiên liệu diesel D80E20 chạy theo chu trình thử NEDC, FTP-75 HW trình bày chi tiết hình từ 3.18 tới hình 3.21 Thơng qua số liệu đó, nhận thấy phát thải CO tổng tồn chu trình sử dụng nhiên liệu D80E20 có xu hướng giảm so với sử dụng diesel, với giá trị là: -4,67% theo NEDC, 2,85% theo FTP-75 -5,27% theo HW Phát thải CO tức thời theo chu trình thử có xu hướng giống nhau, nghĩa ứng với tốc độ phát thải lớn (>400 g/hr thử theo chu trình NEDC FTP-75, >1200 g/hr thử theo HW) phát thải CO sử dụng nhiên liệu diesel lớn so với sử dụng nhiên liệu D80E20 Tuy nhiên, phía đối diện phát thải CO sử dụng D80E20 có chiều hướng gia tăng so với sử dụng nhiên liệu diesel Hình 3.18 Phát thải CO chạy loại nhiên liệu theo chu trình NEDC 54 Hình 3.19 Phát thải CO chạy loại nhiên liệu theo chu trình FTP-75 Hình 3.20 Phát thải CO chạy loại nhiên liệu theo chu trình HW 55 Hình 3.21 Phát thải CO tồn chu trình thử sử dụng loại nhiên liệu D100 D80E20, [g/h] 3.4 Kết luận chương - Chương giới thiệu khái quát phần mềm GT-Drive nằm phần mềm GT-Suite, sản phẩm hãng Gama Technologies Giới thiệu thư viện phần tử GT-Suite sử dụng để xây dựng mơ hình mơ tơ theo chu trình lái nhằm tính tốn tiêu kinh tế, kỹ thuật phát thải ô tô theo chu trình thử - Nhập liệu, kết nối phần tử thành mơ hình mơ thiết lập “Run Setup” để chạy mơ hình mơ thành cơng Thơng qua mơ hình này, tiến hành mơ động lực ô tô sử dụng loại nhiên liệu thay thế khác theo chu trình lái Điều cho phép giảm đáng kể chi phí so với thực nghiệm - Thơng qua kết mô nhận thấy, phát thải CO giảm sử dụng nhiên liệu D80E20 đặc biệt suốt giai đoạn đầu chu trình thử Sự phát thải NOx tiêu hao nhiên liệu có tăng nhẹ so với sử dụng nhiên liệu diesel 56 KẾT LUẬN CHUNG Qua thời gian nghiên cứu, luận văn thực xong nội dung đề tài: “Nghiên cứu đặc tính phát thải động lưỡng nhiên liệu cồn - diesel theo chu trình lái FTP, HW NEDC”, q trình tính tốn mơ khảo sát đưa số kết luận sau:  Việc nghiên cứu sử dụng alcohol cho động diesel ngày quan tâm, việc hình thành lên chế độ vận hành lưỡng nhiên liệu có phương pháp bật hịa trộn diesel - alcohol sẵn trước phun vào xi lanh phương pháp phun cồn vào đường nạp động  Trên sở phân tích phương pháp hình thành lên chế độ vận hành động lưỡng nhiên liệu diesel - alcohol, nội dung luận văn tác giả sử dụng phương pháp hòa trộn diesel - alcohol trước trước phun vào xi lanh đơn giản, thay đổi kết cấu động quan trọng thuận tiện xây dựng mô hình mơ tơ theo chu trình lái phần mềm GT-Suite  Thơng qua mơ hình thiết lập được, tiến hành mơ động lực ô tô sử dụng loại nhiên liệu thay thế khác theo chu trình lái Điều cho phép giảm đáng kể chi phí so với thực nghiệm  Thông qua kết mô nhận thấy, phát thải CO giảm sử dụng nhiên liệu D80E20 đặc biệt suốt giai đoạn đầu chu trình thử Sự phát thải NOx tiêu hao nhiên liệu có tăng nhẹ so với sử dụng nhiên liệu diesel Hướng phát triển đề tài: + Xây dựng mơ hình mô ô tô sử dụng động lưỡng nhiên liệu diesel - alcohol phương pháp phun cồn vào đường nạp theo chu trình lái 57 Do khả điều kiện kinh phí có hạn, trang thiết bị thực nghiệm không đảm bảo nên kết luận văn cịn có sai sót, hạn chế định, mong giúp đỡ đóng góp ý kiến thầy bạn đồng nghiệp 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Thành Bắc (2017), "Nghiên cứu chuyển đổi động diesel thành động lưỡng nhiên liệu", LATS Kỹ thuật Cơ khí động lực [2] Lê Anh Tuấn, Phạm Hữu Tuyến, Văn Đình Sơn Thọ (2017), “Nhiên liệu thay dùng cho động đốt trong”, NXB ĐHBK Hà Nội Tiếng Anh [3] Gamma Technologies (2016), GT-SUITE Tutorial Ver 7.3 [4] www.gtisoft.com [5] Ghazi A.Karim (2015), "Dual-Fuel diesel engines", CRC Press, Taylor & Francis Group [6] Nadir Yilmaz, Alpaslan Atmanli (2017), "Experimental evaluation of a diesel engine running on the blends of diesel and pentanol as a next generation higher alcohol", Elsevier [7] T Balamurugan, R Nalini (2014), "Experimental investigation on performance, combustion and emission characteristics of four stroke diesel engine using diesel blended with alcohol as fuel", Elsevier [8] H.K Imdadul, H.H Masjuki, etc (2015), "Higher alcohol–biodiesel–diesel blends: An approach for improving the performance, emission, and combustion of a light-duty diesel engine", Elsevier [9] M.S.M Zaharin, N.R Abdullah, etc (2017), "Effects of physicochemical properties of biodiesel fuel blends with alcohol on diesel engine performance and exhaust emissions: A review", Elsevier [10] Arkadiusz Jamrozik (2017), "The effect of the alcohol content in the fuel mixture on the performance and emissions of a direct injection diesel engine fueled with diesel-methanol and diesel-ethanol blends", Elsevier 59 [11] Wojciech Tutak, etc (2015), "Alcohol–diesel fuel combustion in the compression ignition engine", Fuel, Elsevier [12] Kevin Robinson, Shifei Ye, Yeow Yap, etc (2013), "Application of a methodology to assess the performance of a full-scale diesel oxidation catalyst during cold and hot start NEDC drive cycles", Chemical Engineering Research and Design, Elsevier [13] Juwon Kim, Kwanhee Choi, Cha-Lee Myung (2012), "Comparative investigation of regulated emissions and nano-particle characteristics of light duty vehicles using various fuels for the FTP-75 and the NEDC mode", Fuel, Elsevier [14] Augusto F Pacheco, Mario E.S Martins, Hua Zhao (2013), "New European Drive Cycle (NEDC) simulation of a passenger car with a HCCI engine_ Emissions and fuel consumption results", Fuel, Elsevier [15] Octavio Armas, Reyes Garcia-Contreras, Angel Ramos (2014), "Pollutant emissions from New European Driving Cycle with ethanol and butanol diesel blends", Fuel Processing Technology, Elsevier [16] Octavio Armas, Reyes Garcia-Contreras, Angel Ramos (2013), "Impact of alternative fuels on performance and pollutant emissions of a light duty engine tested under the new European driving cycle", Applied Energy, Elsevier [17] Mirko Baratta, Daniela Misul (2015), "Development of a method for the estimation of the behavior of a CNG engine over the NEDC cycle and its application to quantify for the effect of hydrogen addition to methane operations", Volume 140, 15 January 2015, Pages 237-249, Elsevier [18] Louis Sileghem (2014), etc "Analysis of vehicle emission measurements on the new WLTC, the NEDC and the CADC", Transportation Research Part D, Elsevier 60 [19] Xiongbo Duan (2016), etc "Experimental study on the energy flow of a gasoline-powered vehicle under the NEDC of cold starting" Applied Thermal Engineering, Elsevier [20] Jinyoung Ko (2016), etc "Comparative investigation of NOx emission characteristics from a Euro 6-compliant diesel passenger car over the NEDC and WLTC at various ambient temperatures", Applied Elsevier [21] Chen R.H Hsieh W.D., Wu T.L., and Lin T.H, (2002), "Engine performance and pollutant emission of an SI engine using ethanol–gasoline blended fuels", Applied Elsevier [22] Osman M.M, Abdel-Rahman A.A., (1997) "Experimental investigation on varying the compression ratio of SI engine working under different ethanol– gasoline fuel blends", Int J Energy Res [23] Al-Hasan M, (2003), "Effect of ethanol–unleaded gasoline blends on engine performance and exhaust emissions", Energy Conversion and Management [24] Chen R-H Wu C-W., Pu J-Y., and Lin T-H, (2004), "The influence of air - fuel ratio on engine performance and pollutant emission of an SI engine using ethanol - gasoline blended fuels", Atmospheric Environment [25] Sozen A Yucesu H.S., Topgu T., and Arcakliog E, (2006) "Comparative study of mathematical and experimental analysis of spark ignition engine performance used ethanol - gasoline blend fuel", Applied Thermal Engineering [26] Mustafa Koỗ v cỏc cng s., (2009) "The effects of ethanol–unleaded gasoline blends on engine performance and exhaust emissions in a sparkignition engine", Elsevier Ltd [27] Pham Huu Tuyen Nguyen The Luong, Vu Khac Thien, Luong Duc Nghia, (2013) "An Experimental Study on the Performance and Emissions of Diesel 61 Engine Fuelled by Ethanol-Diesel Blends" (The 3rd International Conference on Sustainable Energy) [28] E.A Ajav, Bachchan Singh T.K Bhattacharya, (1999) "Experimental study of some performance parameters of a constant speed stationary diesel engine using ethanol-diesel blends as fuel", Biomass and Bioenergy(17(4): 357-365) [29] Eugene EE cộng sự., (1984) "State-of-the-art report on the use of alcohols in diesel engines", SAE Paper 840118 [30] Alan C Hansen, Qin Zhang Peter W.L Lyne, (2005) "Ethanol–diesel fuel blends - a review" (Bioresource Technology 96 277 - 285) [31] Murayama T cộng sự., (1982), "A method to improve the solubility and combustion characteristics of alcohol diesel fuel blends", SAE Paper 821113 [32] Weidmann K, Menard H Fleet test, (1984) "Performance and emissions of diesel engine using different alcohol fuel blends", SAE Paper 841331 [33] Czerwinski J, (1994), "Performance of HD-DI-diesel engine with addition of ethanol and rapeseed oil", SAE Paper 940545 [34] Savage LD Hayes TK, White RA, Sorenson SC, (1988) "The effect of fumigation of different ethanol proofs on a turbo-charged diesel engine", SAE Paper 880497 [35] M Abu-Qudais, O Haddad M Qudaisat, (2000) "The effect of alcohol fumigation on diesel engine performance and emissions"(Elsevier Science Ltd) [36] Ogawa H, Setiapraja H Nakamura T, (2010) "Improvements to Premixed Diesel Combustion with Ignition Inhibitor Effects of Premixed Ethanol by Intake Port Injection", SAE Technical Paper 01-0866 62 [37] Orlando Volpato cộng sự., (2010) "Control System for DieselEthanol Engines" 63