Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI------HOÀNG PHÚC THỌĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ CHẠY NHIÊN LIỆU KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN CNG CHUYỂN ĐỔI
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - HỒNG PHÚC THỌ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ CHẠY NHIÊN LIỆU KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN (CNG) CHUYỂN ĐỔI TỪ ĐỘNG CƠ XĂNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS HỒNG ĐÌNH LONG HÀ NỘI - 2014 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131909991000000 Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các kết quả, số liệu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, tháng năm 2014 Tác giả Hoàng Phúc Thọ Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU Lý nghiên cứu đề tài Mục tiêu đề tài Phạm vi đối tượng nghiên cứu 10 Các nội dung luận văn 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU 11 THAY THẾ TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG 11 1.1 Sự cần thiết sử dụng nhiên liệu thay 11 1.1.1 Sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch 11 1.1.2 Phát thải độc hại động sử dụng nhiên liệu hóa thạch 11 1.2 Các loại nhiên liệu thay động xăng 15 1.2.1 Cồn 15 1.2.2 LPG 16 1.2.3 Khí sinh học 17 1.2.4 Hydro 18 1.2.5 Khí thiên nhiên (CNG, LNG) 18 1.3 Nhiên liệu CNG 19 1.3.1 Đặc điểm CNG 19 1.3.2 Tình hình sản xuất sử dụng CNG cho động 23 1.3.3.Tình hình sử dụng khí CNG cho động xăng 28 1.3.4 Sự ô nhiễm môi trường động CNG 29 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT KHẢ NĂNG 31 SỬ DỤNG CNG TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG 31 2.1 Giới thiệu chung 31 2.2 Mơ hình hóa chu trình nhiệt động xăng chạy CNG 32 Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL 2.3 Kết tính tốn 42 CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH 46 LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ 46 3.1 Mục đích thử nghiệm 46 3.2 Trang bị hệ thống cung cấp CNG cho động 46 3.3 Trang thiết bị thí nghiệm 48 3.3.1 Băng thử động trang bị kèm 49 3.3.2 Thiết bị phân tích khí thải 56 3.4 Nội dung thử nghiệm 64 3.5 Kết thử nghiệm thảo luận 65 3.5.1 Đánh giá công suất động chạy CNG so với chạy xăng 65 3.5.2 Đánh giá tính kinh tế động so với chạy xăng 66 3.5.3 Đánh giá giảm phát thải động chạy CNG so với chạy xăng 67 KẾT LUẬN 71 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Thành phần loại CNG điển hình 20 Bảng 1.2 Thành phần khí CNG số vùng khai thác khác 20 Bảng 1.3 Top mười quốc gia với hầu hết xe CNG -2011 (đơn vị: triệu) 23 Bảng 1.4 So sánh đặc tính CNG với xăng 28 Bảng 1.5 Mức độ ô nhiễm động CNG 30 Bảng 1.6 So sánh mức độ phát sinh khí gây hiệu ứng nhà kính động dùng xăng, diesel, CNG (gCO2 /Km), theo chu trình ECE 30 Bảng 3.1 Thông số làm việc băng thử 50 Bảng 3.2 Một số thông số nhiên liệu thử nghiệm 65 Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Tỷ lệ chất độc hại khí thải động xăng 12 Hình 1.2 Saab 9-5 chạy bioethanol 15 Hình 1.3 Xe taxi thành phố Hồ Chí Minh sử dụng nhiên liệu LPG 16 Hình 1.4 Xe chở rác chạy khí sinh học thành phố Toronto 17 Hình 1.5 BMW Hydrogen chạy H2 18 Hình 1.6 Xe buýt chạy CNG thành phố Hồ Chí Minh 19 Hình 1.7 Trạm dịch vụ cơng cộng cung cấp CNG cho động 28 Hình 2.1 Áp suất khí thể động chạy với loại nhiên liệu 43 Hình 2.2 Áp suất thị trung bình động chạy với loại nhiên liệu 43 Hình 2.3 Nhiệt độ trung bình khí thể động chạy với loại nhiên liệu 44 Hình 2.4 Phát thải NOx động chạy với loại nhiên liệu 44 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG cho động 46 Hình 3.2 Sơ đồ bố trí thử nghiệm 48 Hình 3.4 Mặt cắt ngang phanh 51 Hình 3.5 Bộ điều chỉnh nhiệt độ dầu bôi trơn 51 Hình 3.6 Cụm điều chỉnh nhiệt độ nước 52 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống 733S 53 Hình 3.8 Sơ đồ phân tích khí CO 57 Hình 3.9 Sơ đồ phân tích HC 59 Hình 3.10 Sơ đồ phân tích khí NOx 60 Hình 3.11 Sơ đồ phân tích O2 61 Hình 3.12 Sơ đồ phân tích HC 63 Hình 3.13 So sánh công suất động chạy xăng CNG tốc độ 65 Hình 3.14 So sánh tiêu hao nhiên liệu chạy xăng CNG tốc độ 66 Hình 3.15 So sánh tiêu hao nhiên liệu chạy xăng CNG chế độ tải 67 Hình 3.16 So sánh phát thải CO chạy xăng CNG tốc độ 67 Hình 3.17 So sánh phát thải CO chạy xăng CNG chế độ tải 68 Hình 3.18 So sánh phát thải HC chạy xăng CNG tốc độ 68 Hồng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL Hình 3.19 So sánh phát thải HC chạy xăng CNG chế độ tải 68 Hình 3.20 So sánh phát thải NOx chạy xăng CNG tốc độ 69 Hình 3.21 So sánh phát thải NOx chạy xăng CNG chế độ tải 69 Hình 3.22 So sánh phát thải CO2 chạy xăng CNG tốc độ 70 Hình 3.23 So sánh phát thải CO2 chạy xăng CNG chế độ tải 70 Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, gia tăng nhanh chóng số lượng phương tiện vận tải thiết bị động lực sử dụng động đốt chạy nhiên liệu xăng diesel gây ô nhiêm môi trường trầm trọng đặc biệt thành phố lớn gây nguy cạn kiệt nguồn nhiên liệu Chính vậy, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay động để giảm ô nhiễm môi trường bù đắp phần nhiên liệu thiếu hụt cần thiết có ý nghĩa thực tiễn cao Các nhiên liệu thay ưu tiên nghiên cứu sử dụng loại nhiên liệu có trữ lượng lớn, tái tạo sử dụng cho động tồn mà không cần thay đổi nhiều kết cấu, đồng thời có mức độ nhiễm khí thải thấp xăng diesel để giảm ô nhiễm mơi trường Để đáp ứng u cầu sử dụng loại nhiên liệu thay nhiên liệu sinh học cồn ethanol, biogas biodiesel, nhiên liệu hydro, khí dầu mỏ hóa lỏng LPG nhiên liệu khí thiên nhiên Trong đó, khí thiên nhiên NG nhiên liệu thay có tiềm Khí thiên nhiên có thành phần methane (70-90%) cộng thêm số hydrocacbon tạp chất khác Do đó, sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu tốt cho động đốt đốt cháy cưỡng tia lửa điện nhiên liệu xăng Khí thiên nhiên có tỷ lệ C/H nhỏ so với xăng diesel nên phát thải CO CO2 thấp Mặt khác, khí thiên nhiên có giới hạn thành phần hỗn hợp cháy rộng loại carbuahydro khác nên động cháy tốt làm việc với hỗn hợp nghèo Nhiệt độ màng lửa hỗn hợp thấp nên nồng độ NOx sản phẩm cháy thấp Nhiên liệu lưu giữ dạng khí thiên nhiên nén (CNG) để cung cấp cho động phương tiện vận tải Vì việc chọn đề tài “Đánh giá đặc tính làm việc phát thải động chạy nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) chuyển đổi từ động xăng” cần thiết có ý nghĩa thực tiễn cao Em xin chân thành cảm ơn thày hướng dẫn PGS.TS Hồng Đình Long tận tình giúp đỡ với giúp đỡ thày cô môn “Động đốt trong” “Phịng thí nghiệm động đốt trong” giúp đỡ em hoàn thành luận văn Hà Nội, ngày 25 tháng năm 2014 Học viên thực Hoàng Phúc Thọ Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL MỞ ĐẦU Lý nghiên cứu đề tài Hiện nay, gia tăng nhanh chóng số lượng phương tiện vận tải thiết bị động lực sử dụng động đốt (ĐCĐT) chạy nhiên liệu xăng diesel gây ô nhiêm môi trường trầm trọng đặc biệt thành phố lớn gây nguy cạn kiệt nguồn nhiên liệu Chính vậy, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay động để giảm ô nhiễm mơi trưịng bù đắp phần nhiên liệu thiếu hụt cần thiết có ý nghĩa thực tiễn cao Các nhiên liệu thay ưu tiên nghiên cứu sử dụng loại nhiên liệu có trữ lượng lớn, loại nhiên liệu tái tạo sử dụng cho động tồn mà không cần thay đổi nhiều kết cấu, đồng thời có mức độ nhiễm khí thải thấp xăng diesel để giảm ô nhiễm môi trường Để đáp ứng yêu cầu sử dụng loại nhiên liệu thay nhiên liệu sinh học cồn ethanol, biogas biodiesel, nhiên liệu hydro, khí dầu mỏ hóa lỏng LPG nhiên liệu khí thiên nhiên CNG Các loại nhiên liệu sinh học đáp ứng yêu cầu sử dụng cho động có mức độ phát thải độc hại thấp, thay nhiên liệu xăng diesel với tỷ lệ tùy chọn tùy thuộc vào thay đổi kết cấu động Tuy nhiên, giá thành nhiên liệu sinh học cao việc sản xuất nhiên liệu cần nhiều đất đai canh tác để ni trồng nên ảnh hưởng đến tình hình an ninh lương thực quốc gia, đặc biệt nước phát triển có kinh tế chủ yếu phụ thuộc vào nơng nghiệp Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG có suất tỏa nhiệt cao nhiễm khí thải thấp, sử dụng tốt cho ĐCĐT đặc biệt động xăng Tuy nhiên, nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ nên cạn kiệt theo nguồn nhiên liệu dầu mỏ Nhiên liệu hydro nhiên liệu sạch, sản phẩm cháy có nước, hồn tồn khơng gây nhiễm mơi trường, nguồn cung hydro có tiềm vơ tận hydro tách từ nước Tuy nhiên, giá thành sản xuất hydro từ nước cơng nghệ cịn cao, hydro có tỷ trọng thấp, nhiệt trị Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL mol thấp, nên sử dụng cho ĐCĐT truyền thống sẵn có tính hiệu động (cơng suất dung tích động cơ) thấp Khí thiên nhiên nhiên liệu thay có tiềm Khí thiên nhiên có thành phần methane (65%-95% tuỳ thuộc nơi khai thác) cộng thêm số hydrocacbon khác, ngồi cịn hàm lượng nhỏ khí tạp chất như, Nitơ, CO2 , H2S, nước Ví dụ, thành phần khí thiên nhiên số vùng khai thác khác bảng 1.2 Khí thiên nhiên có trữ lượng lớn giới, ước tính 190 nghìn tỷ m3, Việt Nam có 680 tỷ m3 Tổng sản lượng khai thác sử dụng khí thiên nhiên nước giới năm 2010 đạt 3000 tỷ m Ở Việt Nam, sản lượng khí thiên nhiên khai thác sử dụng tăng nhanh Với lí đề tài: “Đánh giá đặc tính làm việc phát thải động chạy nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) chuyển đổi từ động xăng” luận văn có ý nghĩa to lớn cấp thiết đời sống Mục tiêu đề tài Nhu cầu sử dụng nhiên liệu cho động đốt Việt nam nước giới ngày gia tăng, nguồn nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt Vậy mục đích người cần tìm nguồn lượng thay nhiên liệu hóa thạch Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn cấp bách đó, nhà khoa học, cơng ty, tập đồn, phủ nước đẩy mạnh nghiên cứu đưa vào sử dụng loại nhiên liệu thay cho động đốt nhằm giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, giảm nhiễm mơi trường, giảm phụ thuộc nước với việc cung cấp nhiên liệu hóa thạch phục vụ sinh hoạt sản xuất Tuy nhiên nhiên liệu sinh học làm ảnh hưởng tới tính làm việc đặc tính phát thải động Chính mà mục đích đề tài đánh giá khả sử dụng CNG làm nhiên liệu thay động xăng qua nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm đánh giá tính làm việc phát thải động xăng sử dụng nhiên liệu CNG