Nghiên cứu xây dựng quan hệ giữa phát thải và chế độ làm việc của xe máy khi sử dụng nhiên liệu xăng sinh học

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận văn trung thực./ Hà nội, ngày tháng 08 năm 2013 Tác giả Bùi Minh Hiệp HV: Bùi Minh Hiệp MSHV: CB110502 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập làm luận văn cao học với nội dung “Nghiên cứu xây dựng quan hệ phát thải chế độ làm việc xe máy sử dụng nhiên liệu xăng sinh học” Em xin chân thành cảm ơn thầy Bộ môn Động đốt - Viện Cơ khí Động lực, Viện đào tạo sau đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội bạn học viên lớp 2011B Sơn Tây, trang bị cho em kiến thức cần thiết trình học tập, tạo điều kiện sở vật chất giúp đỡ suốt thời gian học tập làm luận văn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phạm Hữu Tuyến, người hướng dẫn em tận tình chu đáo, mặt chuyên môn để em hoàn thành Luận văn Tác giả Bùi Minh Hiệp HV: Bùi Minh Hiệp MSHV: CB110502 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 13 DANH MỤC CÁC BẢNG 14 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .23 PHẦN MỞ ĐẦU 32 1.Lý chọn đề tài .32 Động đốt nguồn động lực phương tiện giao thông vận tải, máy nông nghiệp đóng vai trò quan trọng nhiều lĩnh vực khác xây dựng, khai khoáng, điện.v.v Tuy nhiên, động đốt tiêu thụ lượng lớn nhiên liệu dầu mỏ cạn kiệt Đồng thời khí thải từ động đốt có chứa nhiều chất độc hại gây ô nhiễm môi trường, làm biến đổi khí hậu, ảnh hưởng tới đời sống sức khỏe người 32 Lịch sử nghiên cứu 34 Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 34 a Mục đích 34 b Đối tượng nghiên cứu 34 Các luận điểm đóng góp tác giả 35 Phương pháp nghiên cứu 35 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ HỆ SỐ PHÁT THẢI .36 1.1 Các chất độc hại khí thải động .36 1.1.1 Sự hình thành chất độc hại khí thải 36 1.1.2 Ảnh hưởng chế độ làm việc không ổn định đến thành phần độc hại khí thải 37 1.1.3 Ảnh hưởng chất độc hại đến môi trường sức khỏe người38 1.1.4 Vấn đề kiểm soát khí thải giới Việt Nam 41 a Kiểm soát khí thải giới 41 Trọng lượng xe .49 HV: Bùi Minh Hiệp MSHV: CB110502 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Năm 49 Chu trình thử .49 CO 49 HC 49 NOx 49 PM 49 1986 49 10-15mode 49 2.1 (2.7) 49 0.40 (0.62) .49 0.70 (0.98) .49 1990 49 2.1 (2.7) 49 0.40 (0.62) .49 0.50 (0.72) .49 1994 49 2.1 (2.7) 49 0.40 (0.62) .49 0.50 (0.72) .49 0.20 (0.34) .49 1997 49 2.1 (2.7) 49 0.40 (0.62) .49 0.40 (0.55) .49 0.08 (0.14) .49 2002a 49 0.63 49 0.12 49 0.30 49 HV: Bùi Minh Hiệp MSHV: CB110502 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 0.056 49 2005b 49 JC 08c 49 2.1 (2.7) 49 0.40 (0.62) .49 0.70 (0.98) .49 2009 50 2.1 (2.7) 50 0.40 (0.62) .50 0.50 (0.72) .50 1986 50 10-15 mode 50 2.1 (2.7) 50 0.40 (0.62) .50 0.90 (1.26) .50 1992 50 2.1 (2.7) 50 0.40 (0.62) .50 0.60 (0.84) .50 1994 50 2.1 (2.7) 50 0.40 (0.62) .50 0.60 (0.84) .50 0.20 (0.34) .50 1998 50 2.1 (2.7) 50 0.40 (0.62) .50 0.40 (0.55) .50 0.08 (0.14) .50 HV: Bùi Minh Hiệp MSHV: CB110502 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 2002a 50 0.63 50 0.12 50 0.30 50 0.056 50 2005b 50 JC08c 50 0.63 50 0.024d 50 0.15 50 0.014 50 2009e 50 0.63 50 0.024d 50 0.08 50 0.005 50 b Vấn đề kiểm soát khí thải Việt Nam 52 Thành phần ô nhiễm khí thải 53 Phương tiện sử dụng 53 Phương tiện đăng ký lần đầu 53 Phương tiện động xăng 53 Phương tiện động diesel 53 Phương tiện động xăng 53 Phương tiện động diesel 53 Mức 53 Mức 53 Mức 53 Mức 53 Mức 53 HV: Bùi Minh Hiệp MSHV: CB110502 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Mức 53 Mức 53 CO (% thể tích) 53 6,5 53 6,0 53 4,5 53 - 53 - 53 4,5 53 - 53 - 53 HC (ppmV) 53 - Động kỳ 53 - 53 1500 53 1200 53 - 53 - 53 1200 53 - 53 - 53 - Động kỳ 53 - 53 7800 53 7800 53 - 53 - 53 7800 53 - 53 HV: Bùi Minh Hiệp MSHV: CB110502 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 53 Độ khói (%HSU) 53 - 53 - 53 - 53 85 53 72 53 - 53 72 53 50 53 Mức 53 Mức 53 Mức 53 Mức 53 Mức 53 Mức 53 Mức 53 Mức 53 CO (% thể tích) 54 HC (ppmV) 54 - Động kỳ 54 - Động kỳ 54 Độ khói (%HSU) 54 1.2 Hệ số phát thải 55 1.2.1 Khái niệm hệ số phát thải 55 1.2.2 Phương pháp tính tổng lượng phát thải từ phương tiện giới 55 1.3 Các mô hình tính toán phát thải theo chế độ làm việc động 57 1.3.1 Mô hình phát thải liên tục (Instantaneous emission factor models) .57 Hình 1.1 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu phát thải động 57 HV: Bùi Minh Hiệp MSHV: CB110502 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 1.3.2 Mô hình phát thải toàn 57 Hình 1.2 Tính toán phát thải NOx theo giá trị tốc độ trung bình chu trình thử 58 1.3.3 Mô hình DGV (Digitalisiertes Grazer Verfahren) 58 1.3.4 Mô hình EMPA (Thụy Sỹ) 58 Hình 1.4 Đặc tính phát thải CO2 theo áp suất có ích trung bình tốc độ động 59 1.3.5 Mô hình PHEM 59 Hình 1.5 Xây dựng đặc tính phát thải theo công suất có ích tốc độ động từ kết thử nghiệm băng thử mô hình PHEM 59 1.4 Một số nghiên cứu tính toán xác định lượng phát thải Việt Nam 60 Hình 1.6 Chu trình lái HMDC 61 Hình 1.7 Chu trình lái cho xe máy CEMDC .62 Chu trình thử ECE R40 62 Hình 1.8 Chu trình thử ECE R40 63 CHƯƠNG TÍNH TOÁN HÀM LƯỢNG PHÁT THẢI TỪ SỐ LIỆU ĐO LIÊN TỤC 64 2.1 Hệ thống thử nghiệm đo phát thải liên tục với xe máy 64 2.1.1 Cấu tạo hệ thống 64 Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm khí thải xe máy .64 Hình 2.2 Sơ đồ thiết bị kiểm tra khí thải xe máy 65 b Kết cấu băng thử CD 20’’ .65 Thông số băng thử .66 c Giới thiệu hệ thống lấy mẫu khí xả CVS (Constant Volume Sampling) 66 d Kết cấu tủ CEBII 67 Hình 2.3 Tủ CEBII .67 2.1.2 Nguyên lý làm việc hệ thống 69 Hình 2.4 Sơ đồ cấu tạo phân tích CO 70 Hình 2.5 Sự ảnh hưởng H2O tới kết đo CO .71 Hình 2.6 Nguyên lý phân tích H C 72 HV: Bùi Minh Hiệp MSHV: CB110502 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 2.7 Sơ đồ cấu tạo phân tích NOx 73 2.2 Cơ sở tính toán hàm lượng phát thải từ số liệu đo liên tục 74 2.2.1 Tính toán quy đổi hàm lượng phát thải từ phần triệu thể tích (ppm) sang khối lượng (g/km) 74 2.2.2 Áp dụng công thức tính toán với thành phần phát thải 75 Hình 2.8 Số liệu đo liên tục 79 Hình 2.9 Hàm lượng phát thải CO tốc độ xe theo thời gian .79 Hình 2.10.Hàm lượng phát thải CO2 tốc độ xe theo thời gian 80 Hình 2.11 Hàm lượng phát thải HC tốc độ xe theo thời gian .80 Hình 2.12 Hàm lượng phát thải NOx tốc độ xe theo thời gian 81 Hình 2.13 Đồ thị thành phần CO- vận tốc theo thời gian sau dịch 82 Hình 2.14 Đồ thị thành phần CO2- vận tốc theo thời gian sau dịch 83 Hình 2.15 Đồ thị thành phần HC- vận tốc theo thời gian sau dịch 83 Hình 2.16 Đồ thị thành phần NOx- vận tốc theo thời gian sau dịch 84 Hình 2.17 Sơ đồ trình xây dựng quan hệ phát thải - tốc độ xe máy từ số liệu đo phát thải liên tục băng thử .85 CHƯƠNG XÂY DỰNG QUAN HỆ GIỮA LƯỢNG PHÁT THẢI VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ XE MÁY 86 3.1.1 Xe máy thử nghiệm 86 Hình 3.1 Chu trình WMTC .87 Hình 3.2 Chu trình HMDC 87 3.2.1 Quan hệ hàm lượng phát thải tốc độ xe máy sử dụng xăng sinh học E5 87 88 Hình 3.4 Đồ thị hàm lượng CO v theo thời gian 88 Hình 3.5 Đồ thị hàm lượng CO2 v theo thời gian 89 Hình 3.6 Đồ thị hàm lượng NOx v theo thời gian 89 90 Hình 3.8 Đồ thị quan hệ CO – v 90 HV: Bùi Minh Hiệp 10 MSHV: CB110502 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 3.9 Đồ thị quan hệ CO2 – v Hình 3.10 Đồ thị quan hệ NOx – v 3.2.2 Quan hệ hàm lượng phát thải tốc độ xe máy sử dụng xăng sinh học E10 Thực bước tương tự trên, nhiên chu trình có chiều dài 20 giây, ta thu kết trường hợp sử dụng xăng sinh học E10 HV: Bùi Minh Hiệp 91 MSHV: CB110502 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 3.11 Đồ thị quan hệ HC v theo thời gian Hình 3.12 Đồ thị quan hệ CO v theo thời gian HV: Bùi Minh Hiệp 92 MSHV: CB110502 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 3.13 Đồ thị quan hệ CO2 v theo thời gian Hình 3.14 Đồ thị quan hệ NOx v theo thời gian HV: Bùi Minh Hiệp 93 MSHV: CB110502 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 3.15 Đồ thị quan hệ HC – v Hình 3.16 Đồ thị quan hệ CO – v HV: Bùi Minh Hiệp 94 MSHV: CB110502 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 3.17 Đồ thị quan hệ CO2 – v Hình 3.18 Đồ thị quan hệ NOx – v HV: Bùi Minh Hiệp 95 MSHV: CB110502 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 3.2.3 Tổng hợp phương trình quan hệ Từ đồ thị quan hệ giữa, ta nhận kết phương trình quan hệ hệ số phát thải e theo vận tốc xe sau: * Với xe sử dụng E5 - Phương trình quan hệ hàm lượng phát thải HC theo vận tốc: y = 2.7538x-0.5725 R2 = 0.6045 - Phương trình quan hệ hàm lượng phát thải CO theo vận tốc: y = 20.755x-0.2796 R2 = 0.1179 - Phương trình quan hệ hàm lượng phát thải CO2 theo vận tốc: y = 229.63x-0.5764 R2 = 0.782 - Phương trình quan hệ hàm lượng phát thải NOx theo vận tốc: y = 0.4449x-0.5162 R2 = 0.4518 * Với xe sử dụng E10 - Phương trình quan hệ hàm lượng phát thải HC theo vận tốc: y = 3.838x-0.7919 R2 = 0.8298 - Phương trình quan hệ hàm lượng phát thải CO theo vận tốc: y = 9.9873x-0.1986 R2 = 0.1077 - Phương trình quan hệ hàm lượng phát thải CO2 theo vận tốc: y = 220.85x-0.5783 R2 = 0.9383 - Phương trình quan hệ hàm lượng phát thải NOx theo vận tốc: y = 0.7586x-0.6937 R2 = 0.7814 HV: Bùi Minh Hiệp 96 MSHV: CB110502 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật * Với xe sử dụng xăng thông thường A92 Theo kết nghiên cứu thực trước xe máy chế hòa khí sử dụng xăng truyền thống [16] - Phương trình quan hệ hàm lượng phát thải HC theo vận tốc: y = 14.621x-0.8122 - Phương trình quan hệ hàm lượng phát thải CO theo vận tốc: y = 96.48x-0.6374 - Phương trình quan hệ hàm lượng phát thải CO2 theo vận tốc: y = 65.346x-0.2933 - Phương trình quan hệ hàm lượng phát thải NOx theo vận tốc: y = 0.0263x0.4556 3.2.4 Đánh giá phát thải xe máy sử dụng xăng sinh học Biểu diễn quan hệ hàm lượng phát xe máy dung chế hòa khí sử dụng xăng thông thường, xăng E5 E10 thể hình Hình 3.19 Đồ thị quan hệ HC –v với nhiên liệu HV: Bùi Minh Hiệp 97 MSHV: CB110502 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 3.20 Đồ thị quan hệ CO –v với nhiên liệu Hình 3.21 Đồ thị quan hệ CO2 –v với nhiên liệu HV: Bùi Minh Hiệp 98 MSHV: CB110502 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 3.22 Đồ thị quan hệ NOx –v với nhiên liệu Từ đồ thị thấy sử dụng xăng sinh học E5 E10 hàm lượng phát thải CO HC giảm đáng kể, nhiên có tăng CO trình cháy cải thiện Khi sử dụng xăng sinh học diễn biến phát thải NO x tương đối tuân theo quy luật tốc độ xe thay đổi có giá trị nhỏ so với sử dụng xăng thông thường 3.2.5 Đánh giá độ xác hàm số Để đánh giá độ xác hàm số thu thể quan hệ phát thải tốc độ xe máy sử dụng E5 E10, tiến hành so sánh giá trị phát thải toàn chu trình sử dụng công thức tính giá trị đo So sánh kết tính phát thải Kiểm nghiệm kết từ số liệu đo liên tục xe Airblade từ số liệu đo chu trình thử (WMTC HMTC,ECE 40) Từ phương trình liên hệ tìm được, tiến hành kiểm nghiệm so sánh kết tính hàm lượng phát thải theo phương trình liên hệ giá trị hệ số phát thải trung bình từ số liệu đo theo chu trình thử xe sau: Chu trình thử WMTC: Vtb = 23 km/h Chu trình thử HMDC: Vtb = 20.4 km/h HV: Bùi Minh Hiệp 99 MSHV: CB110502 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Thay giá trị Vtb theo chu trình thử khác vào hàm số xây dựng theo loại nhiên liệu, so sánh kết thu với số liệu đo liên tục thu được, kết cụ thể trình bày bảng 3.2 Bảng 3.2: So sánh kết tính kết đo TT Thành phần phát thải (g/km) Tốc độ trung bình Nhiên liệu Chu trình thử Kết đo liên tục Kết tính toán Sai lệch HC 23 E5 WMTC 0,457 1,145 -60,1% CO 23 E5 WMTC 9,211 13,076 -29,6% CO2 23 E5 WMTC 36,055 26,051 38,4% NOx 23 E5 WMTC 0,091 0,110 -17,3% HC 20,4 E10 HMDC 0,356 0,352 1,1% CO 20,4 E10 HMDC 6,289 5,487 14,6% CO2 20,4 E10 HMDC 37,789 38,613 -2,1% NOx 20,4 E10 HMDC 0,095 0,094 1,1% HV: Bùi Minh Hiệp CB110502 100 MSHV: Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Kết phát thải tính toán đo băng thử tương đối phù hợp sử dụng hàm số thu để tính toán hàm lượng phát thải xe chế độ tốc độ khác sử dụng xăng sinh học E5 E10 Để tăng độ xác hơn, với loại nhiên liệu cần thử nghiệm thêm số chu trình ECE R40, HMDC (với E5), WMTC (với E10) HV: Bùi Minh Hiệp CB110502 101 MSHV: Luận văn thạc sĩ kỹ thuật KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Đề tài xây dựng phương pháp đơn giản để tính toán lượng phát thải theo chế độ làm việc xe máy sử dụng xăng sinh học E5 E10 Sử dụng hàm số thu được, xác định sơ lượng phát thải xe máy gây HV: Bùi Minh Hiệp CB110502 102 MSHV: Luận văn thạc sĩ kỹ thuật đoạn đường hay vùng biết tốc độ vận hành trung bình xe chủng loại, số lượng xe lưu thông qua đường hay vùng Đề tài sử dụng số liệu thử nghiệm loại xe Để kết tính phát thải xác nữa, cần thử nghiệm nhiều loại xe khác nhau, loại xe cần phân loại theo nhóm xe số xe ga theo loại xe dùng chế hòa khí phun xăng điện tử Qua đó, xây dựng hàm số liên hệ nhiều loại xe khác theo vận tốc, theo chu trình thử nghiệm khác nhau, từ có số liệu đủ lớn để tính lượng phát thải hàng năm vùng, khu vực Nâng cao độ xác hàm số cách xây dựng đưa vào hàm số, hệ số kể đến ảnh hưởng điều kiện khác trình sử dụng xe công suất, nhiệt độ động cơ, quãng đường xe chạy, tình trạng kỹ thuật xe thử nghiệm, trình độ người lái thử… Kết nghiên cứu có tính mở, tiếp tục bổ sung theo thực nghiệm nhiều loại xe máy khác để áp dụng tính toán tổng lượng phát thải gần so với thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Zallinger M., Hausberger S., Ajtay D., Weilenmann M., 2005: Instantaneous emission modeling applications Final Report of WP 300– Task 332 in ARTEMIS (Assessment and Reliability of Transport Emission Models and Inventory Systems), Contract 1999- RD.10429, Report No.: I 04/2005/Zall 20/2000 I680, Graz University of Technology HV: Bùi Minh Hiệp CB110502 103 MSHV: Luận văn thạc sĩ kỹ thuật [2] Lê Anh Tuấn Xây dựng chu trình thử nghiệm khí thải tiêu hao nhiên liệu đặc trưng cho xe máy Hà Nội (HMDC driving cycle) liệu hệ số phát thải cho xe máy Đề tài cấp thành phố, Viện Cơ khí động lực Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2009 [3] H.D Tung, H.Y Tong, W.T Hung, N.T.N Anh Development of emission factors and emission inventories for motorcycles and light duty vehicles in the urban region in Vietnam Science of the Total Environment Vol 409, p 2761–2767, 2011 [4] Directive 70/220/EEC CONSLEG: 1970L0220 — 31/10/2002 [5] PGS.TS Phạm Minh Tuấn Khí thải động ô nhiễm môi trường NXB Khoa học kỹ thuật [6] Simon Eggleston and Michael Walsh, “Emissions: Energy, Road, Transport”, AEA Technology Environment, UK, 2010 [7] Charis Kouridis, Dimitrios Gkatzoflias, Ioannis Kioutsioukis, Leonidas Ntziachristos, Cinzia Pastorello, Panagiota Dilara, Uncertainty Estimates and Guidance for Road Transport Emission Calculations, EUR 24296 EN – 2010 [8] DUONG Vu Huy, TUAN Pham Minh, THE Pham Van, VINH Tran Quang, LUONG Nguyen The, “Evaluate the emission from some domestically assembled car brands in Vietnam” Department of Internal Combustion Engine, Hanoi University of Technology, Vietnam, 2005 [9] http://www.dieselnet.com/standards [10] Tiêu chuẩn TCVN 5123-1990, quy định hàm lượng CO khí thải động xăng chế độ không tải [11] Tiêu chuẩn TCVN 5418-1991, quy định độ khói khí thải động Diesel [12] Tiêu chuẩn TCVN 6438-1998, quy định lại cụ thể giới hạn cho phép chất ô nhiễm khí thải phương tiện vận tải [13] Tiêu chuẩn TCVN 6438:2001, Phương tiện giao thông đường - Giới hạn cho phép lớn khí thải HV: Bùi Minh Hiệp CB110502 104 MSHV: 55 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật [14] Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 05:2009/BGTVT khí thải cho xe ô tô sản xuất, lắp ráp nhập mới, [15] Quyết định số 249/2005/QĐ-TTg ngày 10 tháng 10 năm 2005 Thủ tướng Chính phủ, lộ trình áp dụng tiêu chuẩn EURO xe giới sản xuất, lắp ráp nước nhập [16] Cao Huy Giáp: Nghiên cứu mối quan hệ chế độ làm việc động xe máy với hàm lượng phát thải, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, chuyên ngành Kỹ thuật Động nhiệt, năm 2012 [17] Bộ Tài nguyên Môi trường: Môi trường không khí đô thị Việt Nam, Báo cáo môi trường quốc gia năm 2007 HV: Bùi Minh Hiệp CB110502 105 MSHV: