Nghiên cứu ảnh hưởng cuả khí giàu hydro đến đặc tính phát thải của động cơ xăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ CÔNG VŨ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KHÍ GIÀU HYDRO ĐẾN ĐẶC TÍNH PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS HOÀNG ĐÌNH LONG HÀ NỘI – 2014 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .8 MỞ ĐẦU 10 Lý chọn đề tài 10 Mục đích,đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 12 Nội dung phƣơng pháp nghiên cứu 12 Chƣơng TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ CÁC BIỆN PHÁP KIỂM SOÁT PHÁT THẢI 13 1.1 Đặc điểm phát thải động xăng 13 1.1.1 Giới thiệu chung 13 1.1.2 Đặc điểm thành phần phát thải độc hại .14 1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại cho động xăng 16 1.2.1 Tối ƣu hóa kết cấu 17 1.2.2 Sử dụng biện pháp xử lý khí thải 18 1.2.3 Dùng nhiên liệu thay có nồng độ phát thải độc hại thấp 20 Chƣơng NHIÊN LIỆU HYDRO VÀ PHƢƠNG PHÁP SẢN XUẤT 23 2.1 Đặc điểm nhiên liệu hy-đrô 23 2.1.1 Tính chất vật lý nhiên liệu hy-đrô .23 2.1.2 Tính chất cháy nhiên liệu hy-đrô 24 2.2 Các phƣơng pháp tạo nhiên liệu hy-đrô 28 2.2.1 Điện phân nƣớc (EW) 28 2.2.2 Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các-bua-hy-đrô với nƣớc (SR) 29 2.2.3 Ô-xy hóa không hoàn toàn nhiên liệu các- bua- hy-đrô (PO) 29 2.2.4 Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các- bua- hy-đrô với CO2 (CR) 30 2.2.5 Kết hợp ô-xy-hóa không hoàn toàn phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các-bua-hy-đrô với nƣớc (ATR) 30 2.3 Phƣơng pháp cung cấp đặc tính động sử dụng nhiên liệu hy-đrô 32 2.3.1 Hy-đrô đƣợc cung cấp từ động 32 2.3.2 Khí giàu hydrô đƣợc tạo cung cấp động 43 Chƣơng 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TẠO KHÍ GIÀU HYDRO TRÊN ĐỘNG CƠ NHỜ BIẾN ĐỔI NHIỆT HÓA XĂNG VÀ NƢỚC 45 3.1 Giới thiệu chung 45 3.2 Thiết kế bố trí chung hệ thống 46 3.3 Tính toán lƣợng nhiên liệu cấp vào xúc tác 47 3.3.1 Tính toán tỷ lệ hydro/xăng cấp vào động 48 3.3.2 Tính toán tỷ lệ xăng cấp vào xúc tác 51 3.4 Thiết kế hệ thống cấp nhiên liệu nƣớc cho xúc tác 52 3.4.1 Yêu cầu việc cấp nhiên liệu nƣớc vào bô xúc tác 52 3.4.2 Hệ thống cấp khí giàu hydro vào động 53 3.5 Thiết kế BXT 53 3.5.1 Cơ sở thiết kế 53 3.5.2 Lựa chọn kích thƣớc 55 3.5.3 Bản vẽ thiết kế 55 Chƣơng 4: THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ VỚI KHÍ GIÀU HYDRO ĐƢỢC TẠO RA TRÊN ĐỘNG CƠ .57 4.1 Mục đích, nội dung phƣơng pháp thử nghiệm 57 4.1.1 Mục đích 57 4.1.2 Nội dung 57 4.1.3 phƣơng pháp thử nghiệm 57 4.2 Trang thiết bị thử nghiệm 57 4.2.1 Động thử nghiệm 57 4.2.2 Nhiên liệu thử nghiệm .58 4.2.3 Băng thử xe máy CD20 58 4.2.4 Băng thử Didacta .60 4.2.5 Thiết bị đo 62 4.2.6 Thiết bị phân tích khí thải: .63 4.3 Quy trình thử nghiệm 64 4.3.1 Chạy chế độ đƣờng đặc tính tốc độ 65 4.3.2 Chạy theo chu trình thử ECE-R40 65 4.4 Kết thử nghiệm 67 4.4.1 Kết thử nghiệm theo đặc tính tốc độ 67 4.4.2 Kết thử nghiệm theo chu trình ECE R40 69 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP .73 Kết luận 73 Hƣớng nghiên cứu tiếp 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác! Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Tác giả Lê Công Vũ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CO : Khí mô-nô-xít – các- bon CO2 : Khí các-bô-níc CH4 : Khí mê-tan HC : Hy- đrô- các-bon NOx : Các loại ô-xít ni-tơ H2 : Khí hy-đrô N2 : Khí Ni- tơ O2 : Khí ô-xy CH : Gốc nhiên liệu hóa thạch hy-đrô-các-bua CNG : Nhiên liệu khí thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas) LNG : Khí thiên nhiên hóa lỏng (Liquefied Natural Gas) LPG : Khí dầu mỏ hoá lỏng (Liquefied Petroleum Gas) EGR : Bộ luân hồi khí thải (Exhaust Gas Recirculation) αz : Góc đánh lửa sớm IMEP : Áp suất thị trung bình có ích (Indicated Mean Effective Pressure) BTE : Hiệu suất nhiệt có ích (Brake temperature Effective) BSFC : Suất tiêu hao nhiên liệu có ích(Brake Specific Fuel Consumption) Ppm : Một phần triệu (parts per million) λ : Hệ số dƣ lƣợng không khí W/F : Tỉ lệ nƣớc-nhiên liệu NTP : Điều kiện nhiệt độ 20 oC, 1at (Normal Temperature and Pressure) SFC : Suất tiêu hao nhiên liệu (Specific Fuel Consumption) ESA : Hệ thống đánh lửa điều khiển máy tính BMEP : áp suất có ích trung bình (Brake Mean Effective Pressure) EW : Điện phân nƣớc SR : Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các-bua-hy-đrô với nƣớc PO : Ô xy-hóa không hoàn toàn nhiên liệu các- bua- hy-đrô CR : Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các- bua- hy-đrô với CO2 ATR : Kết hợp oxyhoas không hoàn toàn phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu cácbua-hydro với nƣớc BXT : Bộ xúc tác ĐCT : Điểm chết Rpm : Vòng/phút BCN : Chỉ số đo độ khói H-e : Động sử dụng nhiên liệu hy-đrô G-e : Động sử dụng nhiên liệu xăng D-e : Động sử dụng nhiên liệu diesel GH-e : Động sử dụng nhiên liệu xăng hyđrô DH-e : Động sử dụng nhiên liệu diesel hydro BĐNH: Biến đổi nhiệt hóa GHSV: Tốc độ không gian (gas-hourly-space velocity) TPSP : Thành phần sản phẩm DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Tính chất vật lý hy-đrô, mê-tan, xăng[3] 23 Bảng 2.2 Tính chất cháy của hy-đrô, mê-tan, xăng[3] 24 Bảng 2.3 Ƣu nhƣợc điểm phƣơng pháp sản xuất hy-đrô 31 Bảng 4.1 Các thông số kỹ thuật động thí nghiệm 58 Bảng 4.2 Các giai đoạn trình thử 66 Bảng 4.3 Kết thử nghiệm theo chu trình thử ECE R40 70 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình Các nguồn phát thải động xăng[1] 15 Hình 2.1 Phạm vi cháy hy-đrô số loại nhiên liệu [3] 24 Hình 2.2 Nhiệt độ tự cháy hy-đrô số loại nhiên liệu [3] 25 Hình 2.3 Tốc độ lửa số hỗn hợp khí [3] 26 Hình 2.4 Năng lƣợng đánh lửa hy-đrô số loại nhiên liệu [3] .27 Hình 2.5 Các phƣơng pháp sản xuất nhiên liệu hy-đrô [21] 28 Hình 2.6 Các phƣơng án cung cấp hy-đrô cho ĐCĐT [21] .32 Hình 2.7 BTE theo tốc độ động H-e G-e [24] 34 Hình 2.8 Mô men theo tốc độ động H-e G-e[24] 34 Hình 2.9 Công suất theo tốc độ động H-e G-e[24] 35 Hình 2.10 BSFC H-e G-e chế độ toàn tải [24] 35 Hình 2.11 IMEP H-e thay đổi phƣơng pháp phun nhiên liệu [21] 36 Hình 2.12 Mô-men công suất H-e sử dụng CHK vòi phun [21] 37 Hình 2.13 Kết cấu cụm ống hút động GH-e 37 Hình 2.14 BMEP GH-e thay đổi lƣợng hy-đrô cung cấp[16] .38 Hình 2.15 BTE GH-e thay đổi lƣợng hy-đrô cung cấp .38 Hình 2.16 Mô-men theo tốc độ GH-e thay đổi lƣợng hy-đrô cung cấp 39 Hình 2.17 SFC theo tốc độ GH-e thay đổi lƣợng hy-đrô cung cấp [21] .40 Hình 2.18 Phát thải GH-e thay đổi lƣợng hy-đrô cung cấp[21] 40 Hình 2.19 BMEP DH-e thay đổi lƣợng hy-đrô cung cấp 41 Hình 2.20 BTE phát thải D-e DH-e[41] 42 Hình 2.21 Mô-men theo tốc độ động D-e DH-e [21] 42 Hình 2.22 SFC theo tốc độ động D-e DH-e [25] .43 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống tạo cấp khí giàu hydro động 46 Hình 3.2 Ảnh hƣởng thay đổi tỷ lệ cấp H2 đến tổng nhiệt cấp vào động với điều kiện hệ số dƣ lƣợng không khí chung không đổi, =1 49 Hình 3.3 Ảnh hƣởng tỷ lệ H2 cấp vào động đến tỷ lệ xăng cần giảm tổng nhiệt cấp vào động 51 Hình 3.4 Tỷ lệ xăng cần cấp vào BXT ứng với tỷ lệ khối lƣợng H2 thay khác 52 Hình 3.5 Bản vẽ cấu tạo BXT 55 Hình 3.6 Bản vẽ kích thƣớc BXT 56 Hình Băng thử CD 20” 59 Hình 4.2 Phanh thuỷ lực Didacta T101D 61 Hình 4.3 Bộ chuyển đổi tín hiệu máy tính hiển thị .61 Hình 4.4.Sơ đồ nguyên lý hình ảnh thực tế hệ thống cảm biến tốc độ động 62 Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống 733S 63 Hình 4.6 Tủ phân tích khí thải CEBII 64 Hình 4.7 Sự tăng hiêu suất động cấp khí giàu hydro vào động từ BXT 68 Hình 4.8 Tỷ lệ giảm phát thải CO HC động cấp khí giàu hydro vào động từ BXT 69 Hình 4.9 Động xúc tác khí giàu hyđrô xe máy 69 Hình 4.10 Kết thử nghiệm theo chu trình thử ECE R40 HC, NOx, tiêu hao nhiên liệu (FC) 70 Hình 4.11 Kết thử nghiệm theo chu trình thử ECE R40 CO, CO2 71 Bộ phân tích HC xác định thành phần HC phƣơng pháp ion hoá lửa Khi khí mẫu đƣợc phun vào lửa hy-đrô, phân tử HC cháy bị i-ôn hoá Cƣờng độ dòng i-ôn đƣợc xác định tỷ lệ với thành phần HC mẫu thử Bộ phân tích NOx xác định thành phần NOx phƣơng pháp quang hoá Mẫu thử qua xúc tác nhiệt, NO2 bị phân huỷ thành NO O2, sau khí mẫu với NO đƣợc đƣa vào phân tích quang hoá Tại thành phần NO tác dụng với O3 tạo thành NO2 có mức lƣợng cao, tồn thời gian ngắn, nhẩy mức lƣợng thấp phát tia xạ Cƣờng độ lƣợng xạ đo đƣợc phản ánh thành phần NOx mẫu thử ban đầu Hình 4.6 Tủ phân tích khí thải CEBII 4.3 Quy trình thử nghiệm Việc thử nghiệm đƣợc thực theo phƣơng pháp đối chứng tiêu kinh tế kỹ thuật phát thải động chạy với nhiên liệu xăng Mogas 92 chạy với nhiên liệu xăng Mogas 92 có bổ sung thêm hỗn hợp khí giàu hyđrô tách từ 5% nhiên liệu theo chƣơng trình chạy: 64 4.3.1 Chạy chế độ đƣờng đặc tính tốc độ Động xe máy đƣợc tháo khỏi xe lắp lên băng thử Quy trình thử nghiệm đánh giá đƣợc thực cách đo công suất, lƣợng tiêu thụ nhiên liệu phát thải CO, HC, NOx động tốc độ khác đƣờng đặc tính tốc độ ứng với 40% tải, 70% tải 100% tải cho trƣờng hợp động chạy với xăng trƣờng hợp động đƣợc cấp khí giàu hydro từ BXT biến đổi nhiệt hóa xăng với nƣớc tận dụng nhiệt khí thải Ở 40% tải, BXT đƣợc cấp 30ml xăng/h, 70% tải 100% tải, BXT đƣợc cấp 50ml xăng/h, chế độ tải lƣu lƣợng nƣớc đƣợc cấp đảm bảo tỷ lệ W/F=3,2 4.3.2 Chạy theo chu trình thử ECE-R40 Việc thử nghiệm theo chu trình chử ECE-R40 đƣợc thực băng thử xe máy Xe đƣợc điều khiển chạy theo tốc độ thời gian quy định theo chu trình thử Trong trình chạy theo chu trình, khí thải đƣợc lấy mẫu phân tích a) Băng thử động lực học 20“ dùng cho thử xe máy Băng thử trang bị động công suất 23,9 kW hãng AVL Zollner chế tạo có chức để thử kiểm tra xe máy phòng thí nghiệm giúp cho trình nghiên cứu phát thải xe máy đƣợc dễ dàng đồng thời thực số chức mà khó thực đƣờng thực Thiết bị băng động điện xoay chiều đặt hai lăn Thiết kế cho phép thu nhỏ kích thƣớc băng thử cách bố trí thiết bị liên quan từ xuống cách dễ dàng đồng thời thuận lợi cho trình bảo dƣỡng sau Để tránh tƣợng trễ ma sát sinh ổ trục ổ trục đƣợc quay với tốc độ chậm thông qua động điện xoay chiều Hai ổ trục đƣợc điều khiển quay chiều để loại trừ tổn thất ma sát Việc lắp ổ trục không gây tổn thất cho băng thử Các thông số băng thử Chassis Dynamometer nhƣ sau: - Tốc độ lớn nhất: 160 km/h 65 - Phạm vi mô quán tính: 80 kg 350 kg - Dung sai tốc độ đo: 0-2 km/h: dung sai