Nghiên cứu ảnh hưởng của tuần hoàn khí thải đến các chỉ tiêu kỹ thuật và môi trường của động cơ diesel phun nhiên liệu điện tử khi sử dụng diesel sinh học b10 và b20

BỘ QUỐC PHÒNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ TRẦN TRỌNG TUẤN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TUẦN HỒN KHÍ THẢI ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL PHUN NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ KHI SỬ DỤNG DIESEL SINH HỌC B10 VÀ B20 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2019 BỘ QUỐC PHÒNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ TRẦN TRỌNG TUẤN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TUẦN HOÀN KHÍ THẢI ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT VÀ MƠI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL PHUN NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ KHI SỬ DỤNG DIESEL SINH HỌC B10 VÀ B20 Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ PGS.TS Vũ Ngọc Khiêm HÀ NỘI – NĂM 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu tơi thực Luận án có sử dụng phần kết tơi nhóm nghiên cứu thực Đề tài cấp Quốc gia “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel với mức pha trộn khác nhau”, mã số ĐT.08.14/NLSH Đại tá, PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ Chủ nhiệm đề tài quan chủ trì Học viện Kỹ thuật Quân Sự, thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 Tơi Chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng phần kết nghiên cứu Đề tài cấp Quốc gia vào việc viết bảo vệ luận án Tôi xin cam đoan số liệu kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Hà Nội, tháng 10 năm 2019 Người hướng dẫn Người hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ PGS.TS Vũ Ngọc Khiêm Trần Trọng Tuấn ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Phòng Sau đại học, Khoa Động lực, Bộ môn Động - Học viện Kỹ thuật Quân cho phép thực luận án Học viện Kỹ thuật Quân Xin cảm ơn Phòng Sau đại học Khoa Động lực hỗ trợ giúp đỡ suốt trình làm luận án Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải, Khoa Cơ khí thầy Khoa tạo điều kiện động viên tơi suốt q trình nghiên cứu học tập Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ PGS.TS Vũ Ngọc Khiêm hướng dẫn tơi tận tình chu tơi thực hồn thành luận án Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy thuộc Bộ môn Động cơ, Khoa Động lực, Học viện KTQS chuyên gia thuộc lĩnh vực Cơ khí – Động lực ngồi Học viện đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho NCS q trình thực hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm Động cơ, Viện Cơ khí Động lực/Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng thí nghiệm động cơ, Trung tâm Cơng nghệ Cơ khí/Đại học Cơng nghệ Giao thơng vận tải ln giúp đỡ dành cho điều kiện tốt để thực q trình nghiên cứu thực nghiệm Tơi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài ĐT.08.14/NLSH đồng ý cho sử dụng số kết nghiên cứu đề tài để viết bảo vệ luận án Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người động viên, khuyến khích tơi suốt thời gian nghiên cứu thực cơng trình Nghiên cứu sinh Trần Trọng Tuấn iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi MỞ ĐẦU Mục đích nghiên cứu luận án Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn Bố cục luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan hệ thống tuần hồn khí thải động 1.1.1 Lịch sử nghiên cứu phát triển hệ thống tuần hồn khí thải 1.1.2 Vai trò hệ thống tuần hồn khí thải 1.1.3 Phân loại hệ thống tuần hồn khí thải 1.1.3.1 Theo áp suất dòng khí tuần hồn………………………… 1.1.3.2 Theo nhiệt độ dòng khí tuần hồn …… …………………… 10 1.1.3.3 Theo phương pháp điều khiển van tuần hoàn………………… 11 1.1.4 Các phương pháp xác định tỷ lệ tuần hoàn khí thải……………………… 11 1.1.5 Một số lưu ý sử dụng hệ thống tuần hồn khí thải…………………… 12 1.2 Tổng quan nhiên liệu sinh học 13 1.2.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu diesel sinh học 13 1.2.2 Sự thay đổi thuộc tính hỗn hợp biodiesel theo tỷ lệ pha trộn 17 1.2.3 Ảnh hưởng biodiesel đến tiêu tiêu kinh tế, lượng môi 18 trường 1.2.4 Ảnh hưởng thuộc tính nhiên liệu đến thuộc tính dòng khí thải……… 20 1.3 Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ tuần hồn khí thải nhiên liệu sử dụng đến tiêu kinh tế, lượng, môi trường động cơ… 21 1.3.1 Trên giới 21 1.3.1.1 Trên động dùng hệ thống phun nhiên liệu kiểu khí 21 1.3.1.2 Trên động dùng hệ thống phun nhiên liệu kiểu CR .24 1.3.1.3 Nghiên cứu tối ưu điều chỉnh tỷ lệ tuần hồn khí thải .27 1.3.2 Tại Việt Nam 29 1.4 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu loại nhiên liệu sử dụng 31 1.5 Trình tự hướng nghiên cứu đề tài 32 iv 1.6 Kết luận Chương 35 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN MƠ PHỎNG CHU TÌNH CƠNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ…………………………………………………… 36 2.1 Các vấn đề chung 36 2.2 Lựa chọn phần mềm tính toán…………………… 37 2.3 Cơ sở tính tốn chu trình cơng tác động cơ…………………………… 38 2.3.1 Mơ hình vật lý định luật nhiệt động học thứ áp dụng cho động đốt 38 2.3.2 Mô hình cháy 40 2.3.2.1 Mơ hình Vibe 40 2.3.2.2 Mơ hình Double Vibe41 2.3.2.3 Mơ hình Vibe hai vùng 42 2.3.2.3 Mơ hình MCC 42 2.3.3 Mơ hình truyền nhiệt 45 2.3.3.1 Mơ hình truyền nhiệt xi lanh 45 2.3.3.2 Truyền nhiệt q trình trao đổi khí 47 2.3.4 Mơ hình tính tốn thành phần khí thải động 48 2.3.4.1 Mơ hình tính tốn NOx 48 2.3.4.2 Mơ hình tính tốn Soot (bồ hóng) 48 2.5 Kết luận Chương 49 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ CĨ TUẦN HỒN KHÍ THẢI VÀ SỬ DỤNG BIODIESEL………… 50 3.1 Xác định thơng số đầu vào phục vụ cho q trình xây dựng mơ hình…… 50 3.1.1 Các thơng số kết cấu động cơ…………………………………… 51 3.1.2 Nhóm thơng số hệ thống nạp, thải động cơ………………… 51 3.1.3 Các thông số vận hành động cơ…………………………………… 53 3.1.4 Các thông số quy luật cung cấp nhiên liệu…………………………… 53 3.2 Xây dựng mơ hình mơ CTCT động có xét đến ảnh hưởng tuần hồn khí thải loại nhiên liệu sử dụng 55 3.3 Đánh giá hiệu chỉnh mơ hình 58 3.3.1 Hiệu chỉnh tham số mơ hình cháy 59 3.3.1.1 Mơ hình Double Vibe60 3.3.1.2 Mơ hình Vibe hai vùng 61 3.3.1.3 Mơ hình MCC 62 3.3.1.4 Lựa chọn thơng số phù hợp cho việc tính tốn pcyl 63 3.3.2 Hiệu chỉnh theo tiêu kinh tế, lượng động đường đặc tính ngồi 64 v 3.4 Ảnh hưởng tỷ lệ tuần hồn khí thải đến diễn biến áp suất nhiệt độ bên xi lanh………………………………………………………………… 3.5 Ảnh hưởng tỷ lệ tuần hoàn đến tốc độ tỏa nhiệt quy luật cháy…… 3.6 Ảnh hưởng tỷ lệ tuần hoàn đến tốc độ hình thành NOx Soot……… 3.7 Ảnh hưởng tỷ lệ tuần hồn khí thải đến tiêu kinh tế, lượng động sử dụng nhiên liệu B10, B20…………………………………… 3.8 Ảnh hưởng tỷ lệ tuần hồn khí thải đến phát thải NOx, PM động sử dụng nhiên liệu B10, B20……………………………………………… 3.9 Kết luận Chương 3…………………………………………………………… 66 72 78 84 87 90 92 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Mục đích, chế độ đối tượng thử nghiệm 92 4.1.1 Mục đích 92 4.1.2 Chế độ thực nghiệm 93 4.1.2.1 Hiệu chỉnh mơ hình lý thuyết 93 4.1.2.2 Xác định quy luật thay đổi %EGR động nguyên thủy toàn vùng làm việc 93 4.1.2.3 Đánh giá ảnh hưởng %EGR đến tiêu kinh tế, lượng môi trường động 93 4.1.3 Đối tượng thực nghiệm 96 4.2 Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm 96 4.3 Kết xác định quy luật thay đổi tỷ lệ EGR động sử dụng ECU nguyên thủy toàn vùng làm việc……………………… 102 4.3.1 Kết xác định quy luật thay đổi tỷ lệ tuần hoàn khí thải 102 4.3.2 Giới hạn ảnh hưởng tỷ lệ EGR đến thông số vận hành phát thải động 103 4.4 Kết đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ EGR loại nhiên liệu sử dụng đến số thuộc tính dòng khí thải……………………………………………… 104 4.5 Ảnh hưởng tỷ lệ EGR loại nhiên liệu sử dụng đến tiêu kinh tế, lượng…………………………………… 109 4.6 Ảnh hưởng tỷ lệ EGR loại nhiên liệu sử dụng phát thải NOx PM 112 4.7 Cơ sở để lựa chọn tỷ lệ EGR cho động sử dụng B10, B20 114 4.8 Kết luận Chương 4……….…………………………………………………… 120 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN……………………………………… 122 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN…………………………………………………………… 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………… 125 PHỤ LỤC………………………………………………………………………… 133 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu ASTM B0 (DO) Biodiesel Bxx BCA BXLKT CO CR CTCT ĐCD ĐCĐT ĐCT ECE R49 ECE R83 EGR %EGR %EGRgh %EGRghMe %EGRghge %EGRghPM %EGR_NT %EGR_New gct ge GPS 35 PHỤ LỤC DIỄN BIẾN CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN PHÁT THẢI NOX Kết thử nghiệm tính tốn lý thuyết đánh giá ảnh hưởng tuần hồn khí thải loại nhiên liệu sử dụng đến mức phát thải NO x động trình bày Hình 4.14 cho thấy: sử dụng nhiên liệu B10, B20 tuần hồn khí thải mức phát thải NOx có xu hướng cao so với sử dụng nhiên liệu B0 từ 30÷72 ppm (tương ứng từ 10÷15%) Điều giải thích sau: Các u tố ảnh hưởng đến mức phát thải NO x gồm: chất lượng hình thành hỗn hợp cháy, thời gian trì phản ứng, nồng độ hai chất thành phần (ôxy Nitơ), nhiệt độ cực đại trình cháy Trong trình thử nghiệm, thống số quy luật điều khiển hệ thống phun nhiên liệu, hệ thống tăng áp động sử dụng nhiên liệu B10, B20 giữ giống với sử dụng nhiên liệu B0 nhờ việc sử dụng ECU trắng (mã hiệu ECM 556-128) chương trình điều khiển kèm theo (là sản phẩm Đề tài cấp Quốc gia “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel với mức pha trộn khác nhau”,mã số ĐT.08.14/NLSH) Nhờ việc giữ quy luật điều khiển nên tổng nhiệt lượng cung cấp cho chu trình lưu lượng khí nạp vào động sử dụng nhiên liệu B10, B20 thay đổi không nhiều so với sử dụng nhiên liệu B0 Kết xác định tổng lượng nhiệt cung cấp cho chu trình lưu lượng khơng khí động làm việc chế độ tải khác với nhiên liệu B0, B10 B20 tốc độ n=2000 vg/ph trình bày Hình Hình Ta thấy, sử dụng B10, B20 lượng nhiệt cung cấp cho chu trình lưu lượng khí nạp thay đổi từ 0÷3,5% 1,2÷3,8% so với sử dụng nhiên liệu B0 Hình Tổng lượng nhiêt cung cấp cho chu trình chế độ tải khác với nhiên liệu B0, B10, B20 n=2000 vg/ph 36 Hình Lưu lượng khí nạp chế độ tải khác với nhiên liệu B0, B10, B20 n=2000 vg/ph Như vậy, sử dụng nhiên liệu biodiesel B10 B20 tổng lượng nhiệt cung cấp cho chu trình lưu lượng khí nạp thay đổi khơng nhiều so với sử dụng nhiên liệu B0 Tuy nhiên, tỷ lệ A/F lý thuyết động sử dụng nhiên liệu B10, B20 nhỏ so với sử dụng nhiên liệu B0 điều làm cho hệ số lambda động sử dụng nhiên liệu B10, B20 lớn so với sử dụng nhiên liệu B0 Kết xác định hệ số lambda chế độ tải khác động sử dụng nhiên liệu B0, B10, B20 tốc độ n=2000 vg/ph trình bày Hình Hình Hệ số lambda chế độ tải khác với nhiên liệu B0, B10, B20 n=2000 vg/ph Ảnh hưởng hệ số lambda (mức độ đậm, nhạt hỗn hợp) đến phát thải chất độc hại có khí thải động diesel trình bày Hình Hệ số lambda động sử dụng nhiên liệu B10, B20 có xu hướng lớn từ 37 3,69÷12,46% so với động sử dụng nhiên liệu B0, với động diesel vùng lambda lớn 1,1 lambda tăng NO x có xu hướng giảm Vì vậy, nguyên nhân giải thích cho việc phát thải NO x động sử dụng nhiên liệu biodiesel B10, B20 có xu hướng nhỏ so với sử dụng nhiên liệu B0 Hình Ảnh hưởng hệ số lambda đến phát thải chất độc hại có khí thải động diesel [17] Các yêu tố ảnh hưởng đến mức phát thải NO x động có HTPNL kiểu CR sử dụng nhiên liệu biodiesel phức tạp có ảnh hưởng đan xen lẫn nhau, phụ thuộc lớn vào điều kiện thử nghiệm để đánh giá cách chi tiết mức độ ảnh hưởng thơng số cần có nghiên cứu 38 PHỤ LỤC KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH ĐỘ RỘNG XUNG ĐIỀU KHIỂN VAN EGR ĐỂ ĐẠT ĐƯỢC %EGRNEW KHI ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG CÁC LOẠI NHIÊN LIỆU KHÁC NHAU Động 2.5TCI-A trang bị hệ thống EGR kiểu áp suất cao, có làm mát khí tuần hồn Van EGR (dạng van điện từ) nhận tín hiệu điều khiển độ mở van trực tiếp từ ECU dạng xung điều khiển (tùy theo chế độ tải, tốc độ động cơ) Vì vậy, để chủ động kiểm sốt %EGR cần xác định diễn biến độ mở van EGR nhằm xây dựng mối liên hệ độ rộng xung điều khiển quy luật độ mở van Sơ đồ bố trí (Hình 4.6), hình ảnh thực tế (Hình 1) trang thiết bị thử nghiệm kết xác định diễn biến độ mở van EGR theo tín hiệu điều khiển trình bày Hình Hình Hình ảnh thực tế thiết bị đo quy luật độ mở van EGR Đồ gá; Van tuần hồn khí thải; Đồng hồ so 39 Hình Kết đo quy luật độ mở van EGR theo tín hiệu điều khiển Trong q trình thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng %EGR đến tiêu kinh tế, lượng mơi trường, tín hiệu xung điều khiển van EGR ghi nhận thông qua thiết bị picoscope Tỷ lệ tuần hồn khí thải tương ứng với độ rộng xung điều khiển van EGR chế độ tải tốc độ khác xác định thơng qua việc đo lưu lượng khí nạp lưu lượng khí EGR (Sơ đồ bố trí trang thiết bị thể Hình 4.4) Thơng qua kết đo xây dựng mối liên hệ độ rộng xung điều khiển van EGR %EGR theo chế độ vận hành khác đông Dựa vào kết xác định %EGRNew loại nhiên liệu (Bảng 4.5, 4.6 4.7) kết hợp với kết xây dựng mối liên hệ độ rộng xung điều khiển van EGR %EGR, NCS xây dựng số liệu xác định độ rộng xung điều khiển van EGR sử dụng loại nhiên liệu khác trình bày Bảng 1, Bảng Kết xác định độ rộng xung điều khiển van EGR sử dụng %EGRNew với nhiên liệu B0 n [vg/ph] 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 40 Bảng Kết xác định độ rộng xung điều khiển van EGR sử dụng %EGRNew với nhiên liệu B10 n [vg/ph] 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 Bảng Kết xác định độ rộng xung điều khiển van EGR sử dụng %EGRNew với nhiên liệu B20 n [vg/ph] 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 41 PHỤ LỤC MỘT SỐ HÌNH ẢNH THỰC HIỆN LUẬN ÁN Xác định thơng số đầu vào Ống dẫn khí EGR Bầu gom khí nạp Van EGR Hình Hình ảnh thực tế hệ thống EGR động Hyundai 2.5 TCI-A Hình Kết cấu van EGR két làm mát khí EGR 42 Hình Xác định thơng số kết cấu hệ thống nạp/thải, hệ thống EGR Hình Xác định số thông số kết cấu thiết bị Scan 3D 43 Thử nghiệm xác định thông số công tác, mức phát thải động 2.5 TCI-A dùng ECU nguyên thủy, PTN Động đốt trong, ĐH Bách Khoa Hà Nội Hình Động Hyundai 2.5TCI-A lắp đặt bệ thử Hình Kết nối ECU nguyên thủy với động 2.5TCI-A trang thiết bị đo 44 Thử nghiệm đo tổn thất nạp/thải diễn biến độ nâng xu páp Hình Trang thiết bị thử nghiệm tổn thất nạp/thải Hình Trang thiết bị đo diễn biến độ nâng xu pap 45 Thử nghiệm trường Đại học cơng nghệ Giao thơng vận tải Hình Động 2.5TCI-A trang thiết bị thử nghiệm Hình 10 Phòng điều khiển PTN Động đốt ĐH Công nghệ giao thơng vận tải 46 Hình 11 Giao diện phần mềm điều khiển băng thử Bobcat Hình 12 Kết hiển thị Bobcat FTIR 47 Hình 13 Kết đo thông số động thiết bị Gscan Hình 14 Kết đo độ chênh áp ống pitot vận tốc dòng khí EGR thiết bị Testo 350 48 Hình 15 Màn hình điều khiển phần mềm MotoTune Hình 16 Nghiên cứu sinh báo cáo số kết thử nghiệm trường Đại học Công nghệ GTVT (ngày 07 tháng năm 2017) 49 Hình 17 Nghiên cứu sinh báo cáo số kết thực Luận án tiến sỹ trường Đại học Công nghệ GTVT (ngày 07 tháng năm 2017) ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ TRẦN TRỌNG TUẤN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TUẦN HỒN KHÍ THẢI ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL PHUN NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ KHI SỬ DỤNG... thuật môi trường động diesel phun nhiên liệu điện tử sử dụng diesel sinh học B10 B20 cần thiết nhằm chủ động kiểm soát tỷ lệ EGR động chuyển sang sử dụng nhiên liệu biodiesel Mục đích nghiên cứu. .. hình nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ tuần hồn khí thải nhiên liệu sử dụng đến tiêu kinh tế, lượng, môi trường động cơ 21 1.3.1 Trên giới 21 1.3.1.1 Trên động dùng hệ thống phun nhiên liệu