Nghiên cứu, đánh giá tính kinh tế kỹ thuật và các chất phát thải của xe gắn máy sử dụng nhiên liệu xăng E5

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN TRẦN TRUNG HIẾU NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ TÍNH KINH TẾ KỸ THUẬT VÀ CÁC CHẤT PHÁT THẢI CỦA XE GẮN MÁY SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG E5 Chuyên ngành

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN TRẦN TRUNG HIẾU

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ TÍNH KINH TẾ KỸ THUẬT VÀ CÁC CHẤT PHÁT THẢI CỦA XE GẮN MÁY SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG E5

Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Mã số : 60520116

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng, 2018

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ VĂN TỤY

Phản biện 1: PGS.TS Dương Việt Dũng

Phản biện 2: TS Hồ Sỹ Xuân Diệu

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Cơ khí Động lực họp tại trường Đại học Bách Khoa Đàng Nẵng vào ngày….tháng… năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

Thư viện trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Khoa Cơ khí Giao thông, trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN

Đà Nẵng, 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan luận văn Thạc Sỹ “ Nghiên cứu đánh giá tính kinh tế kỹ thuật và các

chất phát thải xe gắn máy sử dụng nhiên liệu xăng E5 ” là công tr nh nghi n c u c a ri ng

tôi Các số li u, kết quả n u trong luạ n va n là trung thực và chu a t ng đu ợc ai công

ố trong ất k công tr nh nào khác Tất cả những tham khảo và kế th a đ u đu ợc trích ẫn

và tham chiếu đ y đ

Đà Nẵng, ngày 28 tháng 07 năm 2018 Tác giả luận văn

NGUYỄN TRẦN TRUNG HIẾU

MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài

Hiện nay, tất cả các nước trên thế giới, t các nước tiên tiến đến các nước đang phát triển và chậm phát triển đang rất quan tâm đến vấn đ ô nhiễm môi trường và sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu truy n thống;

Các tác hại c a các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong có thể làm cho

cơ thể bị thiếu oxy, nh c đ u, chóng mặt, buồn nôn, gây viêm, ho, khó thở và làm h y hoại các tế ào cơ quan hô hấp, mất ng , gây ra căn bệnh ung thư máu, gây rối loạn hệ

th n kinh, gây ra các bệnh v gan và làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ Ngoài ra khí thải động cơ còn làm thay đổi nhiệt độ khí quyển và ảnh hưởng đến môi trường sinh thái toàn c u;

Thế giới ngày nay đã ị lệ thuộc quá nhi u vào d u mỏ nhưng trữ lượng d u mỏ sắp cạn kiệt Trong lúc nhân loại chưa có một th nhiên liệu nào có thể thay thế được xăng u hoàn toàn Để khắc phục tình trạng trên, có nhi u giải pháp đã được công bố trong những năm g n đây như là tập trung là hoàn thiện quá tr nh cháy động cơ, sử dụng các loại nhiên liệu không truy n thống cho ô tô như LPG, khí thi n nhi n NG, methanol, ethanol, io iesel, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời

Vì vậy, đ tài “NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ TÍNH KINH TẾ KỸ THUẬT VÀ CÁC CHẤT PHÁT THẢI CỦA XE GẮN MÁY SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG E5” là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

II Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu c a đ tài hướng đến việc đánh giá tính kinh tế kỹ thuật và các chất phát thải gây ô niễm môi trường c a xe gắn máy sử dụng nhiên liệu sinh học xăng E5 khi thử nghiệm xe tr n ăng thử xe gắn máy

III Đối tượng nghiên cứu và phạm vị nghiên cứu

* Đối tượng nghiên c u: nhiên liệu xăng sinh học E5 sử dụng trên xe gắn máy

* Phạm vi nghiên c u : Chỉ giới hạn nghiên c u tính kinh tế kỹ thuật và các chất phát thải ô nhiễm c a xe gắn máy khi chạy xe tr n ăng thử xe gắn máy

IV Phương pháp nghiên cứu

- Kết hợp nghiên c u lý thuyết và nghiên c u thực nghiệm, trong đó ưu ti n nghiên c u thực nghiệm để đánh giá tính kinh tế kỹ thuật và các chất phát thải ô nhiễm c a xe gắn máy

V Trang thiết bị nghiên cứu

- Sử dụng ăng thử xe gắn máy

- Sử dụng xe gắn máy hiệu HONDA SUPERDREAM 100cc để thử nghiệm

VI Cấu trúc nội dung luận văn

Ngoài ph n mở đ u và kết luận, dự kiến nội dung luận văn gồm có 4 chương được bố trí theo cấu trúc như sau :

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 3 : NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

VII Kết luận và triển vọng

+ Những kết quả đạt được c a đ tài

+ Những hạn chế c a đ tài

+ Hướng phát triển đ tài trong tương lai

VIII Tài liệu tham khảo

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 LỊCH SỬ RA ĐỜI VÀ PHÁT TRIỂN XE GẮN MÁY TRÊN THẾ GIỚI

Ý tưởng xe gắn máy ường như đã xảy ra với rất nhi u kỹ sư và nhà phát minh, đặc biệt là ở Châu Âu sau sự ra đời c a các phát minh mang tính đột phá như: Động cơ hơi nước (James Watt), động cơ điện (Michael Fara ay), xe đạp, động cơ đốt trong (Etienne Lenoir), … Trong khoảng cuối thế kỷ 18 và nữa đ u thế kỷ 19 Ý tưởng trên

đã được thực hiện bằng việc cho ra đời những mẫu “xe đạp gắn động cơ” vào khoảng nữa cuối thế kỷ 19, đánh ấu mốc cho lịch sử phát triển c a xe gắn máy

1.2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG XE GẮN MÁY TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.2.1 Tình hình sử dụng xe gắn máy trên thế giới

Theo thống kê, số lượng xe máy phụ thuộc vào sự phát triển kinh tế c a đất nước Những nước phát triển có số lượng ô tô vượt trội hơn, trong khi đó các nước đang phát triển lại sử dụng nhi u xe máy hơn như một phương tiện di chuyển chính Trên thế giới có khoảng hơn 200 triệu chiếc xe máy (bao gồm cả các loại xe đạp gắn động cơ và

xe ba bánh), trung bình khoảng 1000 người thì có 33 chiếc xe máy Khá ít so với tỷ lệ 141/1000 c a xe ô tô

Số lượng xe máy tập trung ch yếu ở khu vực châu Á, trong đó Ấn Độ có khoảng

37 triệu chiếc, đ ng đ u thế giới Trung Quốc đ ng th hai với khoảng 34 triệu chiếc

xe máy Theo đánh giá, 4 thị trường xe máy lớn nhất thế giới là Trung Quốc, Ấn Độ, Indonesia, và Việt Nam

Hình 1.1 Biểu đồ phân bố lượng xe ô tô và xe gắn máy các nước trên thế giới

1.2.2 Tình hình sử dụng xe gắn máy tại Việt Nam

Trong cơ cấu tham gia giao thông đô thị ở Việt Nam, xe gắn máy chiếm vị trí đ u bảng với tỷ lệ khoảng 61%, nghĩa là c 10 người dân thì có tới hơn 6 người sử dụng xe máy Chỉ riêng thành phố Hồ chí minh đã có 2 triệu xe máy, ở Hà nội thì con số này xấp xỉ 1 triệu, còn không kể đến một số lượng xe không nhỏ ở các vùng khác

Theo thống kê số lượng môtô, xe máy đã đăng ký ở Việt Nam, bao gồm cả những

xe không còn lưu hành, là 42.818.527 chiếc Tính theo số dân 90,5 triệu người, bình quân c 1.000 người dân sẽ sở hữu khoảng 460 xe máy Số lượng xe máy tăng nhanh trên phá vỡ kế hoạch mà “Quy hoạch phát triển giao thông vận tải đường bộ Việt Nam đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030” đặt ra, đã được phê duyệt theo Quyết định 356 c a Chính ph hồi cuối tháng 2/2013 Theo đó, đến năm 2020 Việt Nam ở

Việc ng ng sử dụng xăng RON92 mà chuyển sang sử dụng xăng sinh học E5 đã góp ph n đáng kể vảo việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường do ô tô và xe gắn máy sử dụng xăng hóa thạch ở Việt Nam gây ra

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE GẮN MÁY

Hình 2.1 Sơ đổ tổng quát lực và mô men tác dụng lên ô tô

Phương tr nh tổng quát (2.1) có thể viết lại ở dạng triển khai đối với các lực cản chuyển động như sau:

dt

dV mg kAV

/m4] (đặc trưng cho hệ số cản không khí đối với hình dáng c a xe); A

là diện tích cản chính diện [m2]; m là khối lượng xe [kg] và g là gia tốc trọng trường [m/s2]; i là hệ số xét đến ảnh hưởng c a khối lượng quay đến lực quá tính tịnh tiến [-]

2.1.1 Các lực cản chuyển động của xe gắn máy

Các số hạng bên phải c a các phương tr nh (2.1) cũng như (2.2) là các thành

ph n lực cản có thể hình thành trong quá trình chuyển động c a xe Cụ thể, chúng ta có thể nghiên c u sâu hơn các yếu tố cấu thành các lực cản chuyển độngc a xe như sau:

2.1.1.1 Lực cản không khí F w :

2.1.1.2 Lực cản lăn của lốp với mặt đường F f :

2.1.1.3 Lực cản lên dốc F i :

2.1.1.4 Lực quán tính chuyển động tính tiến F j :

2.1.2 Lực kéo và đặc tính động lực học của xe gắn máy

2.2 PHƯƠNG TRÌNH TIÊU HAO NHIÊN LIỆU CỦA XE GẮN MÁY

2.2.1 Khái niệm mức tiêu hao nhiên liệu & phương trình tiêu hao nhiên liệu ô tô 2.2.2 Các yếu tố ảnh hướng đến tiêu hao nhiên liệu ô tô

a) Ảnh hưởng của suất tiêu hao nhiên liệu động cơ

b) Ảnh hưởng của trọng lượng xe (G o + G t )

c) Ảnh hưởng của chất lượng mặt đường và lốp xe

d) Ảnh hưởng của hình dáng thân vỏ xe

e) Ảnh hưởng của chất lượng hệ thống truyền lực

f) Ảnh hưởng của tỷ trọng nhiên liệu

g) Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động

2.3 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG

CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC

2.3.1 Cơ chế hình thành COx

Khí CO (Mônôxít-cácbon) sinh ra trong quá trình nhiên liệu cháy không hoàn toàn

do thiếu O2 trong buồng cháy [5-7], được hình thành t phản ng sau:

2C + O2 = 2CO

2.3.2 Cơ chế hình thành NOx

Sự hình thành NO: NO do oxy hóa nitơ trong không khí có thể được mô tả bởi

cơ chế Zel ovich Trong động cơ, quá tr nh cháy iễn ra trong đi u kiện áp suất cao và nhiệt độ lớn

Hình 2.2 Sự phụ thuộc nồng độ NO theo nhiệt độ

Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ hình 2.4 cho thấy m c độ tiến triển c a phản ng:

N2 + O2 2NO (2.1)

Sự hình thành Dioxide nitơ: Dioxy e nitơ NO2 được hình thành t monoxyde nitơ NO và các chất trung gian c a sản vật cháy theo phản ng sau:

Trong đi u kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành có thể phân giải theo phản ng:

2.3.3 Cơ chế hình thành khí HC (Hydrocacbure)

2.3.4 Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu xăng đến phát thải chất ô nhiễm

2.3.4.1 Ảnh hưỏng của khối lượng riêng

2.3.4.2 Ảnh hưỏng của tỉ lệ hydrocacbon thơm

2.3.4.4 Ảnh hưởng của chỉ số octane

2.3.4.5 Ảnh hưởng của các chất phụ gia

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM

Với mục tiêu và phạm vi nghiên c u c a đ tài luận văn thạc sỹ, thì nội dung nghiên c u thực nghiệm được xem là một trong những nội dung trọng tâm c a luận văn

3.1 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM

Với phạm vi và đối tượng nghiên c u c a đ tài luận văn thạc sỹ, nội dung nghiên

c u thực nghiệm sẽ được thực hiện trên xe gắn máy Supper Dream II có 04 cấp số tiến Xe sẽ được vận hành thử nghiệm tr n ăng thử động lực học dành cho xe gắn máy CD-20” [12]; được trang bị tại phòng thí nghiệm Động cơ – Ô tô, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà nội

3.1.1 Nội dung thử nghiệm

Để đáp ng mục đích và y u c u c a luận văn đã n u, nội dung thử nghiệm sẽ

được tiến hành trên hệ thống ăng thử động lực học Chassis Dynamometer 20“ (kí

hiệu CD-20“) dùng cho xe gắn máy nhằm đo các đại lượng thử nghiệm như sau [12]:

+ Đo lực kéo Fk [N]xe gắn máy ng với tốc độ chuyển động c a xe V[km/h] nhờ các cảm biến lực (LoadCell) và cảm biến tốc độ (Encorder)

+ Đo ti u hao nhi n liệu c a xe Gh [kg/h] thông qua hệ thống cung cấp nhiên liệu chuyên biệt c a ăng thử CD-20“

+ Đo các thành ph n khí thải gồm: Monoxide Carbon CO [%], Dioxide Carbon

CO2 [%]; Hydro Carbon HC [ppm] và NOx [ppm] nhờ hệ thống lấy mẫu và phân tích khí thải c a hệ thống ăng thử CD-20“

+ Đo lực cản chuyển động cơ ản c a xe; bao gồm lực cản lăn Ff và lực cản không khí Fw nhờ „phương pháp lăn trơn“ xe tr n đường thử

lưu lượng nhiên liệu c a hệ thống ăng thử động lực học xe gắn máy CD-20“ (xem

hình 3.1) [12]

Các chế độ vận hành được thực hiện theo trình tự như đo lực kéo; và đo đồng thời cùng với việc đo lực kéo Fk và tốc độ xe V; tương ng với các tay số I, II, III, IV ở các tốc độ l n lượt V = 10[km/h], 15[km/h], 20[km/h], 25[km/h], 30[km/h], 35[km/h], 40[km/h], 45[km/h], 50[km/h], 60[km/h], 70[km/h], 80[km/h], 90[km/h]

c) Đối với thử nghiệm đo các thành phần khí thải CO, CO 2 , HC, NOx

Các chế độ vận hành được thực hiện theo trình tự như đo lực kéo; và đo đồng thời cùng với việc đo lực kéo Fk và tốc độ xe V

Mỗi một l n đo được tiến hành tương ng với các tay số I, II, III, IV ở các tốc độ

l n lượt V = 10[km/h], 15[km/h], 20[km/h], 25[km/h], 30[km/h], 35[km/h], 40[km/h], 45[km/h], 50[km/h], 60[km/h], 70[km/h], 80[km/h], 90[km/h]

d) Đối với thử nghiệm đo lực cản chuyển động cơ bản F f và F w

3.2 THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM

Để thực hiện được các nội dung nêu trên, các trang thiết bị thí nghiệm được dùng

ch yếu thuộc hệ thống ăng thử động lực học dành cho xe gắn máy CD-20” [12]; vì vậy dữ liệu thực nghiệm sẽ cho độ tin cậy và chính xác

3.2.1 Xe thử nghiệm

Xe máy thử nghiệm là xe Honda SupperDream 100cc c a phòng thí nghiệm Động

cơ đốt trong, Viện Cơ khí Động lực, trường Đại học Bách khoa Hà Nội (xem hình 3.1)

Xe có chất lượng khoảng 90%

Hình 3.1 Phòng thử xe gắn máy - PTN Động cơ đốt trong - ĐHBK Hà Nội

3.2.2.Nhiên liệu thử nghiệm

Nguồn nhiên liệu liệu thử nghiệm bao gồm xăng thị trường RON92, xăng RON92

pha 5% cồn công nghiệp với Ethanol gốc có nồng độ đạt 99,5% (do Công ty cổ phần

Đồng Xanh cung cấp)

Tr n cơ sở 2 loại nhiên liệu gốc, hỗn hợp xăng-ethanol (Gasohol) l n lượt được pha trộn như sau:

Gasohol E5: 5% ethanol biến tính và 95% xăng RON92

Sau khi pha trộn và chờ cho nhiên liệu ổn định, tất cả các mẫu nhiên liệu được thử nghiệm tại PTN trọng điểm quốc gia v công nghệ lọc và hóa d u - Viện Hóa học Công nghiệp, để xác định các tính chất lý hóa chính

Kết quả phân tích đối với xăng RON92 và ethanol gốc cho ở bảng 3.1

Bảng 3 1 Kết quả phân tích xăng RON92 và Ethanol gốc

2

Nhiệt độ sôi (0C) Nhiệt độ sôi đ u Nhiệt độ sôi cuối

Kết quả phân tích 2 mẫu nhiên liệu Gasohol E5 cho ở trên bảng 3.2

Bảng 3 2 Kết quả phân tích nhiên liệu Gasohol E5

Ngoài ra, trên xe máy Honda SuperDream ng với mỗi loại nhiên liệu sẽ thực

hiện thử nghiệm công nhận kiểu v khí thải theo tiêu chuẩn TCVN 7357:2003

“Phương tiện giao thông đường bộ - Khí thải gây ô nhiễm phát ra từ mô tô lắp động

cơ cháy cưỡng bức - Yêu cầu và phương pháp thử trong phê duyệt kiểu” (tương đương tiêu chuẩn EURO II)

3.2.3 Băng thử động lực học CD-20“

Các thông số cơ ản c a ăng thử Chassis Dynamometer 20“ đƣợc trình bày trên bảng 3.3 nhƣ sau:

Bảng 3 3 các thông số kỹ thuật cơ bản của băng thử xe gắn máy CD 20“

Xe chạy thử nghiệm tr n ăng thử xe gắn máy CD-20“ đƣợc giữ cố định bởi cơ cấu k p bánh xe dùng khí nén

3.2.4 Thiết bị đo lực kéo

Thiết bị đo lực kéo c a bánh xe ch động đƣợc thể hiện qua việc đo lực trên b

mặt con lăn ựa tr n nguy n lý phanh điện xoay chi u nhƣ sau (xem hình 3.2)

Hình 3 2: Nguyên lý đo lực kéo

01 Phạm vi đo tốc độ [Km/h] 2  160

03 Khối lƣợng quán tính mô phỏng [kg] 80  350

05 Độ chính xác phép đo thời gian [s] 0,01

06 Nhiệt độ trong buồng thử [0C] 5  40

12

3

4

Một máy điện xoay chi u (3) được đặt trên hai gối đỡ trục (2) sao cho stator luôn

tự do (nhờ stator cũng lăn trơn trên hai ở đỡ riêng cho nó), do vậy stator có thể quay

tương đối so với rotor

Khi hai con lăn (1) ố trí ở hai bên máy điện (3) quay quanh trục ưới tác dụng c a

lực kéo t bánh xe ch động (đặt lên trên hai con lăn), kéo theo trục rotor quay Nhờ

tác dụng tương hỗ c a t trường giữa rotor và stator sẽ làm stator c a động cơ điện quay theo Khi stator dịch chuyển, thông qua cụm cân tải (LoadCell) sẽ xác định được giá trị lực kéo theo phương tr nh cân ằng sau:

Trong đó Fkéo: Lực kéo tại b mặt con lăn; FW: Lực đo tại bộ cân tải (LoadCell); r:

Chi u ài cánh tay đòn đặt cảm biến lực (LoadCell); R: Bán kính con lăn

3.2.5 Thiết bị đo tốc độ

Tốc độ c a xe được xác định thông qua tốc độ c a con lăn ăng thử (đối tượng tiếp

xúc trực tiếp với bánh xe) Nó được xác định thông qua thiết bị đo tốc độ nhờ bộ cảm

biến tốc độ kiểu quang học Bộ cảm biến được gắn ở đ u trục c a con lăn (4) v vậy nó

có thể đo trực tiếp tốc độ c a con lăn

Hình 3 3 Cấu tạo của cảm biến tốc độ

1 : Đĩa xẻ rảnh 2 : Nguồn sáng (đèn LED) 3: Tranzitor quang

Đĩa mã hoá kiểu xẻ rảnh (1) được gắn c ng với trục con lăn (4) v vậy khi trục con lăn quay sẽ làm cho đĩa (1) quay cùng với tốc độ con lăn

Khi vị trí đèn LED (2) và rảnh tr n đĩa (1) cùng tranzitor quang (3) thằng hàng thì tranzitor nhận được ánh sáng o đèn (2) phát ra, sẽ làm thông mạnh điện, lúc đó điện

áp cung cấp cho mạch là 5[V]

Khi vị trí c a đèn (2) không xuy n rảnh tr n đĩa (1) cùng với tranzitor (3) không thẳng hàng thì tranzitor không nhận được ánh sáng do (2) cung cấp; o đó tranzitor quang (3) bị khoá, và điện áp cung cấp c a mạch bằng 0[V]

R

r F