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 TRƢỜNG 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 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng, 2018 CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS LÊ VĂN TỤY Phản biện 1: PGS.TS Dƣơng Việt Dũng Phản biện 2: TS Hồ Sỹ Xuân Diệu Luận văn đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Cơ khí Động lực họp trƣờng Đại học Bách Khoa Đàng Nẵng vào ngày….tháng… năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: Thƣ viện trƣờng Đại học Bách khoa – ĐHĐN Khoa Cơ khí Giao thơng, trƣờng 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 chất phát thải xe gắn máy sử dụng nhiên liệu xăng E5 ” công tr nh nghi n c u c a ri ng Các số li u, kết n u luạ n va n trung thực chu a t ng đu ợc công ố ất k công tr nh khác Tất tham khảo kế th a đ u đu ợc trích ẫn tham chiếu đ y đ Đà Nẵng, ngày 28 tháng 07 năm 2018 Tác giả luận văn (Ký ghi rõ họ tên) NGUYỄN TRẦN TRUNG HIẾU MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài Hiện nay, tất nƣớc giới, t nƣớc tiên tiến đến nƣớc phát triển chậm phát triển quan tâm đến vấn đ ô nhiễm môi trƣờng cạn kiệt nguồn nhiên liệu truy n thống; Các tác hại c a chất nhiễm khí xả động đốt làm cho thể bị thiếu oxy, nh c đ u, chóng mặt, buồn nơn, gây viêm, ho, khó thở làm h y hoại tế quan hô hấp, ng , gây bệnh ung thƣ máu, gây rối loạn hệ th n kinh, gây bệnh v gan làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ Ngồi khí thải động làm thay đổi nhiệt độ khí ảnh hƣởng đến mơi trƣờng sinh thái toàn c u; Thế giới ngày ị lệ thuộc nhi u vào d u mỏ nhƣng trữ lƣợng d u mỏ cạn kiệt Trong lúc nhân loại chƣa có th nhiên liệu thay đƣợc xăng u hồn tồn Để khắc phục tình trạng trên, có nhi u giải pháp đƣợc công bố năm g n nhƣ tập trung hoàn thiện tr nh cháy động cơ, sử dụng loại nhiên liệu không truy n thống cho tơ nhƣ LPG, khí thi n nhi n NG, methanol, ethanol, io iesel, điện, pin nhiên liệu, lƣợng 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” có ý nghĩa khoa học thực tiễn II Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu c a đ tài hƣớng đến việc đánh giá tính kinh tế kỹ thuật chất phát thải gây ô niễm môi trƣờng c a xe gắn máy sử dụng nhiên liệu sinh học xăng E5 thử nghiệm xe tr n ăng thử xe gắn máy III Đối tƣợng nghiên cứu phạm vị nghiên cứu * Đối tƣợng nghiên c u: nhiên liệu xăng sinh học E5 sử dụng xe gắn máy * Phạm vi nghiên c u : Chỉ giới hạn nghiên c u tính kinh tế kỹ thuật chất phát thải ô nhiễm c a xe gắn máy chạy xe tr n ăng thử xe gắn máy IV Phƣơng pháp nghiên cứu - Kết hợp nghiên c u lý thuyết nghiên c u thực nghiệm, ƣu ti n nghiên c u thực nghiệm để đánh giá tính kinh tế kỹ thuật chất phát thải ô nhiễm c a xe gắn máy 3 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 kết luận, dự kiến nội dung luận văn gồm có chƣơng đƣợc bố trí theo cấu trúc nhƣ sau : CHƢƠNG TỔNG QUAN CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƢƠNG : NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CHƢƠNG 4: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VII Kết luận triển vọng + Những kết đạt đƣợc c a đ tài + Những hạn chế c a đ tài + Hƣớng phát triển đ tài tƣơng lai VIII Tài liệu tham khảo Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 LỊCH SỬ RA ĐỜI VÀ PHÁT TRIỂN XE GẮN MÁY TRÊN THẾ GIỚI Ý tƣởng xe gắn máy ƣờng nhƣ xảy với nhi u kỹ sƣ nhà phát minh, đặc biệt Châu Âu sau đời c a phát minh mang tính đột phá nhƣ: Động nƣớc (James Watt), động điện (Michael Fara ay), xe đạp, động đốt (Etienne Lenoir), … Trong khoảng cuối kỷ 18 đ u kỷ 19 Ý tƣởng đƣợc thực việc cho đời mẫu “xe đạp gắn động cơ” vào khoảng cuối 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 giới Theo thống kê, số lƣợng xe máy phụ thuộc vào phát triển kinh tế c a đất nƣớc Những nƣớc phát triển có số lƣợng tơ vƣợt trội hơn, nƣớc phát triển lại sử dụng nhi u xe máy nhƣ phƣơng tiện di chuyển Trên giới có khoảng 200 triệu xe máy (bao gồm loại xe đạp gắn động xe ba bánh), trung bình khoảng 1000 ngƣời có 33 xe máy Khá so với tỷ lệ 141/1000 c a xe ô tô Số lƣợng xe máy tập trung ch yếu khu vực châu Á, Ấn Độ có khoảng 37 triệu chiếc, đ ng đ u giới Trung Quốc đ ng th hai với khoảng 34 triệu xe máy Theo đánh giá, thị trƣờng xe máy lớn giới Trung Quốc, Ấn Độ, Indonesia, Việt Nam 4 Hình 1.1 Biểu đồ phân bố lượng xe ô tô xe gắn máy nước giới 1.2.2 Tình hình sử dụng xe gắn máy Việt Nam Trong cấu tham gia giao thông đô thị Việt Nam, xe gắn máy chiếm vị trí đ u bảng với tỷ lệ khoảng 61%, nghĩa c 10 ngƣời dân có tới ngƣời sử dụng xe máy Chỉ riêng thành phố Hồ chí minh có triệu xe máy, Hà nội số xấp xỉ triệu, khơng kể đến số lƣợng xe không nhỏ vùng khác Theo thống kê số lƣợng môtô, xe máy đăng ký Việt Nam, bao gồm xe khơng lƣu hành, 42.818.527 Tính theo số dân 90,5 triệu ngƣời, bình quân c 1.000 ngƣời dân sở hữu khoảng 460 xe máy Số lƣợng xe máy tăng nhanh phá vỡ kế hoạch mà “Quy hoạch phát triển giao thông vận tải đƣờng Việt Nam đến năm 2020 định hƣớng đến năm 2030” đặt ra, đƣợc phê duyệt theo Quyết định 356 c a Chính ph hồi cuối tháng 2/2013 Theo đó, đến năm 2020 Việt Nam m c 36 triệu xe máy 1.3 VẤN ĐỀ Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG & SỬ DỤNG XĂNG E5 Ở VIỆT NAM 1.3.1 Vấn đề ô nhiễm môi trƣờng Việt nam 1.3.2 Tình hình sử dụng nhiên liệu xăng sinh học E5 Việt nam 1.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG Với m c độ phát triển “khá nóng” xe gắn máy nhƣ Việt nam tình trạng ô nhiễm môi trƣờng trở nên b c xúc khó kiểm sốt Khơng ảnh hƣởng nghiêm trọng mơi trƣờng sống ngƣời mà đe ạo nghiệm trọng tình hình biến đổi khí hậu nƣớc ta Việc ng ng sử dụng xăng RON92 mà chuyển sang sử dụng xăng sinh học E5 góp ph n đáng kể vảo việc giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng ô tô xe gắn máy sử dụng xăng hóa thạch Việt Nam gây 5 CHƢƠNG II: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 PHƢƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE GẮN MÁY Hình 2.1 Sơ đổ tổng quát lực mô men tác dụng lên ô tô Phƣơng tr nh tổng quát (2.1) viết lại dạng triển khai lực cản chuyển động nhƣ sau: dV i Fk = G.(cos( ) f  sin( )]  kAV  mg (2.2) dt Trong đó: G trọng lực xe [N];  góc dốc c a đƣờng [rad]; k hệ số dạng khí động c a xe [Ns2/m4] (đặc trƣng cho hệ số cản khơng khí hình dáng c a xe); A diện tích cản diện [m2]; m khối lƣợng xe [kg] g gia tốc trọng trƣờng [m/s2]; i hệ số xét đến ảnh hƣởng c a khối lƣợng quay đến lực tính tịnh tiến [-] 2.1.1 Các lực cản chuyển động xe gắn máy Các số hạng bên phải c a phƣơng tr nh (2.1) nhƣ (2.2) thành ph n lực cản hình thành trình chuyển động c a xe Cụ thể, nghiên c u sâu yếu tố cấu thành lực cản chuyển độngc a xe nhƣ sau: 2.1.1.1 Lực cản khơng khí Fw : 2.1.1.2 Lực cản lăn lốp với mặt đường Ff : 2.1.1.3 Lực cản lên dốc Fi: 2.1.1.4 Lực quán tính chuyển động tính tiến Fj: 2.1.2 Lực kéo đặc tính động lực học xe gắn máy 2.2 PHƢƠNG TRÌNH TIÊU HAO NHIÊN LIỆU CỦA XE GẮN MÁY 2.2.1 Khái niệm mức tiêu hao nhiên liệu & phƣơng trình tiêu hao nhiên liệu tơ 2.2.2 Các yếu tố ảnh hƣớng đến tiêu hao nhiên liệu ô tô a) Ảnh hưởng suất tiêu hao nhiên liệu động b) Ảnh hưởng trọng lượng xe (Go + Gt) c) Ảnh hưởng chất lượng mặt đường lốp xe d) Ảnh hưởng hình dáng thân vỏ xe e) Ảnh hưởng chất lượng hệ thống truyền lực f) Ảnh hưởng tỷ trọng nhiên liệu g) Ảnh hưởng tốc độ chuyển động 2.3 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT PHÁT THẢI Ơ NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƢỠNG BỨC 2.3.1 Cơ chế hình thành COx Khí CO (Mơnơxít-cácbon) sinh q trình nhiên liệu cháy khơng hồn tồn thiếu O2 buồng cháy [5-7], đƣợc hình thành t phản ng sau: 2C + O2 = 2CO 2.3.2 Cơ chế hình thành NOx Sự hình thành NO: NO oxy hóa nitơ khơng khí đƣợc mơ tả chế Zel ovich Trong động cơ, tr nh cháy iễn u kiện áp suất cao nhiệt độ lớn Hình 2.2 Sự phụ thuộc nồng độ NO theo nhiệt độ Sự hình thành NO phụ thuộc 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 đƣợc hình thành t monoxyde nitơ NO chất trung gian c a sản vật cháy theo phản ng sau: NO + HO2 NO2 + OH (2.2) Trong u kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành phân giải theo phản ng: (2.3) 2.3.3 Cơ chế hình thành khí HC (Hydrocacbure) 2.3.4 Ảnh hƣởng tính chất nhiên liệu xăng đến phát thải chất ô nhiễm 2.3.4.1 Ảnh hưỏng khối lượng riêng 2.3.4.2 Ảnh hưỏng tỉ lệ hydrocacbon thơm 2.3.4.4 Ảnh hưởng số octane 2.3.4.5 Ảnh hưởng chất phụ gia CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM Với mục tiêu phạm vi nghiên c u c a đ tài luận văn thạc sỹ, nội dung nghiên c u thực nghiệm đƣợc xem nội dung trọng tâm c a luận văn 3.1 NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM Với phạm vi đối tƣợng nghiên c u c a đ tài luận văn thạc sỹ, nội dung nghiên c u thực nghiệm đƣợc thực xe gắn máy Supper Dream II có 04 cấp số tiến Xe đƣợc vận hành thử nghiệm tr n ăng thử động lực học dành cho xe gắn máy CD-20” [12]; đƣợc trang bị phòng thí nghiệm Động – Ơ tơ, Viện Cơ khí Động lực, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà nội 3.1.1 Nội dung thử nghiệm Để đáp ng mục đích y u c u c a luận văn n u, nội dung thử nghiệm đƣợc tiến hành hệ thống ăng thử động lực học Chassis Dynamometer 20“ (kí hiệu CD-20“) dùng cho xe gắn máy nhằm đo đại lƣợng thử nghiệm nhƣ sau [12]: + Đo lực kéo Fk [N] xe gắn máy ng với tốc độ chuyển động c a xe V[km/h] nhờ cảm biến lực (LoadCell) 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 thành ph n khí thải gồm: Monoxide Carbon CO [%], Dioxide Carbon CO2 [%]; Hydro Carbon HC [ppm] NOx [ppm] nhờ hệ thống lấy mẫu phân tích khí thải c a hệ thống ăng thử CD-20“ + Đo lực cản chuyển động ản c a xe; bao gồm lực cản lăn Ff lực cản khơng khí Fw nhờ „phƣơng pháp lăn trơn“ xe tr n đƣờng thử 3.1.2 Phƣơng pháp thử nghiệm chế độ vận hành a) Đối với nội dung thử nghiệm đo lực kéo Fk [N] đồng thời với tốc độ V [km/h] b) Đối với thử nghiệm đo tiêu hao nhiên liệu Gh [kg/h] Việc thử nghiệm đo ti u hao nhi n liệu c a xe gắn máy đƣợc tiến hành theo phƣơng pháp đo gián tiếp nhờ cảm biến lực lƣu lƣợng Gh [kg/h] thông qua thiết bị đo lƣu lƣợng 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 đƣợc thực theo trình tự nhƣ đo lực kéo; đo đồng thời với việc đo lực kéo Fk tốc độ xe V; tƣơng ng với tay số I, II, III, IV tốc độ l n lƣợt 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 thành phần khí thải CO, CO2, HC, NOx Các chế độ vận hành đƣợc thực theo trình tự nhƣ đo lực kéo; đo đồng thời với việc đo lực kéo Fk tốc độ xe V Mỗi l n đo đƣợc tiến hành tƣơng ng với tay số I, II, III, IV tốc độ l n lƣợt 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 Ff Fw 3.2 THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM Để thực đƣợc nội dung nêu trên, trang thiết bị thí nghiệm đƣợc dùng ch yếu thuộc hệ thống ăng thử động lực học dành cho xe gắn máy CD-20” [12]; liệu thực nghiệm cho độ tin cậy xác 3.2.1 Xe thử nghiệm Xe máy thử nghiệm xe Honda SupperDream 100cc c a phòng thí nghiệm Động đốt trong, Viện Cơ khí Động lực, trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội (xem hình 3.1) Xe có chất lƣợng khoảng 90% Hình 3.1 Phòng thử xe gắn máy - PTN Động đốt - ĐHBK Hà Nội 3.2.2.Nhiên liệu thử nghiệm Nguồn nhiên liệu liệu thử nghiệm bao gồm xăng thị trƣờng RON92, xăng RON92 pha 5% cồn cơng nghiệp với Ethanol gốc có nồng độ đạt 99,5% (do Công ty cổ phần Đồng Xanh cung cấp) Tr n sở loại nhiên liệu gốc, hỗn hợp xăng-ethanol (Gasohol) l n lƣợt đƣợc pha trộn nhƣ sau: Gasohol E5: 5% ethanol biến tính 95% xăng RON92 Sau pha trộn chờ cho nhiên liệu ổn định, tất mẫu nhiên liệu đƣợc thử nghiệm PTN trọng điểm quốc gia v cơng nghệ lọc hóa d u - Viện Hóa học Cơng nghiệp, để xác định tính chất lý hóa Kết phân tích xăng RON92 ethanol gốc cho bảng 3.1 Bảng Kết phân tích xăng RON92 Ethanol gốc TT Chỉ tiêu thử nghiệm Xăng RON92 Ethanol gốc Chỉ số Octan 92,3 116 Nhiệt độ sôi (0C) Nhiệt độ sôi đ u Nhiệt độ sôi cuối 60 149 80 Tỷ trọng 200C 0,7291 0,7917 Áp suất ão hòa (psi) 7,963 Nồng độ cồn (%) 99,5 Kết phân tích mẫu nhiên liệu Gasohol E5 cho bảng 3.2 Bảng Kết phân tích nhiên liệu Gasohol E5 TT Chỉ tiêu thử nghiệm E5 Chỉ số Octan 94,9 Nhiệt độ sôi (0C) 5% 48,8 10% 51,4 20% 57,2 30% 67,7 40% 82,9 50% 99,9 60% 120,1 70% 141,6 80% 160,8 90% 180,7 Tỷ trọng 200C 0,7329 Áp suất Rei ( ar) 0,633 10 Ngoài ra, xe máy Honda SuperDream ng với loại nhiên liệu thực thử nghiệm công nhận kiểu v khí thải theo tiêu chuẩn TCVN 7357:2003 “Phương tiện giao thơng đường - Khí thải gây nhiễm phát từ mô tô lắp động cháy cưỡng - Yêu cầu phương pháp thử phê duyệt kiểu” (tương đương tiêu chuẩn EURO II) 3.2.3 Băng thử động lực học CD-20“ Các thông số ản c a ăng thử Chassis Dynamometer 20“ đƣợc trình bày bảng 3.3 nhƣ sau: Bảng 3 thông số kỹ thuật băng thử xe gắn máy CD 20“ STT Thông số kỹ thuật 01 Phạm vi đo tốc độ Đơn vị [Km/h] Giá trị Ghi  160 02 Dung sai tốc độ [Km/h] 02 03 Khối lƣợng qn tính mơ [kg] 04 05 06 Dung sai lực kéo Độ xác phép đo thời gian Nhiệt độ buồng thử [%] [s] [0C] 07 Độ ẩm tƣơng đối [%] 80  350 0,11 0,01  40