(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu giảm phát thải độc hại của xe máy bằng phương pháp sấy nóng bộ xử lý khí thải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI *** NGUYỄN KIM KỲ NGHIÊN CỨU GIẢM PHÁT THẢI ĐỘC HẠI CỦA XE MÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP SẤY NĨNG BỘ XỬ LÝ KHÍ THẢI Ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Hồng Đình Long UẤN HÀ NỘI – 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác! Hà Nội, tháng năm 2021 Nghiên cứu sinh Nguyễn Kim Kỳ i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phịng Đào tạo, Viện Cơ khí Động lực Bộ môn Động đốt cho phép thực luận án Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Phòng Đào tạo Viện Cơ khí Động lực hỗ trợ giúp đỡ suốt q trình tơi làm luận án Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hồng Đình Long hướng dẫn tơi tận tình chu đáo mặt chun mơn để tơi thực hồn thành luận án Tơi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn Động đốt Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu khí thải - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ dành cho điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận án Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Cao đẳng Công nghiệp Thương mại, thầy Khoa Công nghệ ôtô hậu thuẫn động viên tơi suốt q trình nghiên cứu học tập Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy phản biện, thầy hội đồng chấm luận án đồng ý đọc duyệt góp ý kiến q báu để tơi hồn chỉnh luận án định hướng nghiên cứu tương lai Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người động viên khuyến khích tơi suốt thời gian tơi tham gia nghiên cứu thực cơng trình Nghiên cứu sinh Nguyễn Kim Kỳ ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xii MỞ ĐẦU i Mục đích nghiên cứu đề tài ii Đối tượng phạm vi nghiên cứu iii Nội dung nghiên cứu iv Phương pháp nghiên cứu v Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn vi Các nội dung đề tài CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Vấn đề phát thải độc hại xe máy 1.1.1 Các thành phần phát thải độc hại xe máy 1.1.2 Đặc điểm phát thải giai đoạn khởi động lạnh chạy ấm máy 1.1.3 Hàm lượng phát thải xe máy theo chu trình thử 1.2 Các phương pháp kiểm soát phát thải xe máy 1.2.1 Kiểm soát phát thải từ bên động 1.2.1.1 Điều chỉnh xác tỉ lệ khơng khí nhiên liệu 1.2.1.2 Thiết kế hệ thống đánh lửa thích hợp 1.2.1.3 Tối ưu kết cấu buồng cháy 1.2.1.4 Luân hồi khí thải 1.2.1.5 Sử dụng nhiên liệu thay 1.2.2 Xử lý khí thải sau cửa thải 10 1.2.2.1 Đốt cháy CO HC đường thải 10 1.2.2.2 Trang bị BXT xử lý khí thải 11 1.3 Công nghệ tăng hiệu BXT trình khởi động lạnh .12 1.3.1 Đốt cháy CO, HC ống thải 12 1.3.1.1 Phun khí thứ cấp 12 1.3.1.2 Đốt cháy khí thải (EGI) 12 1.3.2 Cải tiến thiết kế BXT 14 1.3.3 Tăng cường sấy nóng BXT lượng khí thải 15 1.3.3.1 Quản lý nhiệt đường ống thải 15 1.3.3.2 Điều khiển đánh lửa muộn 16 iii 1.3.4Sấy nóng BXT nguồn nhiệt bên ngo 1.3.4.1 Sử dụng buồng đốt bên 1.3.4.2 Sấy nóng BXT lượng điện (EHC) 1.4 Sấy nóng BXT dịng điện cao tần 1.4.1Cơ sở lý thuyết việc đốt nóng 1.4.2Sấy nóng BXT dòng điện cao tần 1.5 Hướng tiếp cận nội dung nghiên cứu đề tài 1.6 Kết luận chương CHƯƠNG TÍNH TỐN MƠ PHỎNG NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ XE MÁY 2.1 Giới thiệu 2.2 Mơ tả mơ hình 2.2.1Mơ hình đa vùng mơ diễn biến nhi 2.2.1.1 Giới thiệu 2.2.1.2 Phương trình 2.2.1.3 Phương trình mơ hình hóa tổng thể 2.2.1.4 Truyền nhiệt sấy nóng động 2.2.1.5 Lưu lượng nhiệt độ khí thải 2.2.2Mơ hình hóa phát thải ơxit nitơ từ độn 2.2.3Mơ hình tính tốn phát thải HC động 2.2.3.1 Nguồn HC ban đầu 2.2.3.2 Sự ơxy hố HC phía sau màng lửa 2.2.4Mơ hình tính tốn phát thải CO động 2.3 Kết mô 2.3.1Hiệu chỉnh mơ hình 2.3.2Áp suất nhiệt độ khí thể xylanh 2.3.3Nhiệt độ, lưu lượng lượng dòng k 2.3.4Nồng độ phát thải CO, HC NO 2.4 Kết luận chương CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN MƠ PHỎNG HỆ THỐNG THẢI CĨ TRANG BỊ BXT ĐƯỢC SẤY NĨNG BẰNG DỊNG CAO TẦN 3.1 Giới thiệu 3.2 Mơ hình truyền nhiệt hệ thống thải 3.2.1Truyền nhiệt ống thải 3.2.1.1 Bề mặt truyền nhiệt ướt 3.2.1.2 Bề mặt truyền nhiệt khô 3.2.2Truyền nhiệt từ bề mặt ống thải tới môi tr 3.2.2.1 Truyền nhiệt từ bề mặt ống thải tới mơi trường q trình đối l iv 3.2.2.2 Truyền nhiệt từ bề mặt ống thải tới môi trường q trình x 3.3 Tính tốn cơng suất sấy nóng BXT dịng điện cao tần 3.4 Mơ hình trung hịa khí thải BXT có sấy nóng dịng điện cao tần 3.4.1 Giới thiệu 3.4.2 Mơ tả mơ hình 3.4.2.1 Các phản ứng hóa học 3.4.2.2 Biểu thức động học phản ứng 3.4.2.3 Cơ sở chuyển đổi xúc tác 3.4.2.4 Hệ số trao đổi nhiệt trao đổi chất 3.4.2.5 Phương pháp giải mơ hình 3.5 Kết mô 3.5.1 Nhiệt độ khí thải BXT 3.5.2 Hàm lượng chất độc hại phía trước 3.6 Kết luận chương CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Mục đích thí nghiệm 4.2 Trang thiết bị phục vụ thí nghiệm 4.2.1 Băng thử xe máy CD20 (Chassis dynamom 4.2.1.1 Giới thiệu 4.2.1.2 Sơ đồ hệ thống 4.2.2 Tủ phân tích khí thải CEBII phâ 4.2.2.1 Nguyên lý làm việc phân tích CO 4.2.2.2 Nguyên lý làm việc phân tích NO NOx 4.2.2.3 Nguyên lý làm việc hệ thống đo CnHm 4.2.3 Thiết bị đo nhiệt độ: 4.2.4 Đo lưu lượng khí thải: 4.3 Đối tượng, nhiên liệu chế độ thử 4.3.1 Đối tượng thử nghiệm: 4.3.2 Nhiên liệu thử nghiệm 4.3.3 Chế độ thử nghiệm 4.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 4.5 Kết thực nghiệm 4.6 Kết luận chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN PHỤ LỤC PHỤ LỤC CÁC SỐ LIỆU PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU v Phụ lục 1.1 Thông số động lắp xe Honda Lead 110 .1 Phụ lục 1.2 Thông số đường ống thải xe Honda Lead 110 Phụ lục 1.3 Thông số BXT PHỤ LỤC CÁC SỐ LIỆU KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Phụ lục 2.1 Kết tính tốn mơ áp suất nhiệt độ khí thể xylanh chế độ không tải chuẩn 1730 v/p, không tải nhanh 2500 v/p, 10% tải 2500 v/p sau 300” từ lúc khởi động lạnh toàn tải ổn định 7500v/p .3 Phụ lục 2.2 Kết tính tốn mơ nhiệt độ khí thải cửa thải, lưu lượng khí thải, lượng khí thải chế độ khởi động lạnh không tải chuẩn 1730 v/p, không tải nhanh 2500 v/p, 10% tải 2500v/p Phụ lục 2.3 Kết tính tốn mô hàm lượng phát thải CO, HC, NOx chế độ khởi động lạnh không tải chuẩn 1730 v/p, không tải nhanh 2500 v/p, 10% tải 2500v/p Phụ lục 2.4 Kết tính mơ nhiệt độ khí thải dọc ống thải từ cửa thải chế độ Phụ lục 2.5 Nhiệt độ khí thải cửa vào BXT chế độ khởi động lạnh Phụ lục 2.6 Nhiệt độ BXT chế độ khởi động lạnh sấy khác .11 Phụ lục 2.7 Hiệu trung hịa khí thải khơng sấy sấy 30”, 400W .15 Phụ lục 2.8 Hiệu trung hòa HC chế độ khởi động sấy BXT 23 PHỤ LỤC CÁC SỐ LIỆU KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 28 Phụ lục 3.1 Lưu lượng nhiệt độ khí thải cửa thải cửa vào BXT .28 Phụ lục 3.2 Thành phần khí thải động chế độ khởi động lạnh .29 Phụ lục 3.3 Nhiệt độ lõi BXT thành phần khí thải sau BXT chế độ khởi động lạnh không tải nhanh – không sấy 30 Phụ lục 3.4 Nhiệt độ lõi BXT thành phần khí thải sau BXT chế độ khởi động lạnh không tải nhanh – sấy 30”, 400W 32 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ A C Cl Cw cm cgv csv c, cp Dj d d1 d2 f g H h hfg k kj Kj M m m Nu NTU ncyl p Pr pw Q q R Re λ S Scat s T t U u V, Vc, V1, V2 X f, x Yf yf Ký tự e q ΔΦ Vận tốc góc trục khuỷu (rad/s) Biến thiên từ thơng Các số Diễn giải a Môi trường xung quanh b Khí cháy, thời gian đốt cháy bl Xylanh blc Từ xylanh đến nước làm mát conden Ngưng tụ Thanh truyền cva Đối lưu với môi trường xung quanh cyl Xylanh evo Góc mở sớm xupap thải evc Góc đóng muộn xupap thải g Khí gp Khí tới ống h Nắp máy hdc Từ nắp máy đến nước làm mát ip Bề mặt ống ivc Đóng xupap nạp gp, cv Đối lưu khí thải bề mặt ống, thành l Lọt khí, ống lót xylanh op Bề mặt ống p Bề mặt ống, piston port Cửa thải sat Bão hịa u Khí chưa cháy w Thành BXT Viết tắt Diễn giải CHK Chế hòa khí PXĐT Phun xăng điện tử NLSH Nhiên liệu sinh học LPG Nhiên liệu khí hóa lỏng ix AIS CO 265 270 275 280 285 290 295 300 Phụ lục 2.7.4 Hiệu trung hòa CO, HC, NOx chế độ không tải chuẩn không sấy sấy BXT 30 giây, 400W Thời gian (s) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 Hiệu suất trung hòa kt (%)- K CO 19 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300 Phụ lục 2.7.5 Hiệu trung hịa CO, HC, NOx chế độ khơng tải nhanh không sấy sấy BXT 30 giây, 400W Thời gian (s) CO 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 86 87 88 89 90 20 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 140 145 150 155 21 160 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300 Phụ lục 2.7.6 Hiệu trung hòa CO, HC, NOx chế độ 10% tải không sấy sấy BXT 30”, 400W Thời Hiệu suất trung hòa kt (%)- K gian (s) CO 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 22 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 201 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300 Phụ lục 2.8 Hiệu trung hòa HC chế độ khởi động sấy BXT Phụ lục 2.8.1 Hiệu trung hịa HC chế độ khởi động lạnh khơng tải chuẩn Thời gian(s) 23 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 24 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300 Phụ lục 2.8.2 Hiệu trung hòa HC chế độ khởi động lạnh không tải nhanh Thời gian(s) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 25 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300 Phụ lục 2.8.3 Hiệu trung hòa HC chế độ khởi động lạnh 10% tải Thời gian(s) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 26 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300 27 PHỤ LỤC CÁC SỐ LIỆU KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Phụ lục 3.1 Lưu lượng nhiệt độ khí thải cửa thải cửa vào BXT Lưu lượng nhiệt độ khí thải - Khơng tải Thời gian (s) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 28 Lưu lượng (g/s) mp 0.000 0.321 0.342 0.345 0.344 0.344 0.343 0.342 0.342 0.342 0.341 0.341 0.340 0.340 0.339 0.339 0.338 0.338 0.338 0.337 0.337 0.336 0.336 0.335 0.335 0.334 0.334 0.334 0.333 0.333 0.332 0.332 0.331 0.331 0.331 0.330 0.330 0.329 0.329 0.328 0.328 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300 Phụ lục 3.2 Thành phần khí thải động chế độ khởi động lạnh Thời gian (s) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 29 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300 Phụ lục 3.3 Nhiệt độ lõi BXT thành phần khí thải sau BXT chế độ khởi động lạnh không tải nhanh – không sấy Thời gian (s) 10 15 20 25 30 35 30 T lõi BXT (K) mp 300 304 308 311 315 320 326 332 tn 300 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 265 270 275 280 285 290 295 300 31 338 345 352 359 366 373 380 387 394 401 408 415 422 428 435 441 447 453 458 463 468 473 477 482 486 490 493 497 500 503 507 509 512 515 518 520 522 525 527 529 531 533 535 537 540 542 544 545 547 549 550 551 Phụ lục 3.4 Nhiệt độ lõi BXT thành phần khí thải sau BXT chế độ khởi động lạnh không tải nhanh – sấy 30”, 400W Kết thí nghiệm đo nhiệt độ lõi BXT thành phần khí thải sau BXT Thời gian (s) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 32 mp 300 352 401 443 483 523 553 543 536 531 528 526 525 525 526 527 528 529 531 532 534 536 538 540 542 544 546 547 549 551 553 554 556 558 559 561 562 564 565 566 567 569 570 571 220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300 33 572 573 574 575 576 576 577 578 579 580 581 582 582 583 584 585 585 ... động cơ, xử lý khí thải Trong đó, xử lý khí thải phương pháp trang bị BXT xử lý khí thải biện pháp hữu hiệu, mang lại hiệu cao việc giảm thành phần độc hại phát thải từ động Tuy nhiên, biện pháp. .. từ giảm phát thải nhiễm giai đoạn Chính vậy, việc chọn thực đề tài ? ?Nghiên cứu giảm phát thải độc hại xe máy phương pháp sấy nóng xử lý khí thải? ?? cần thiết có ý nghĩa thực tiễn cao i Mục đích nghiên. .. nghiên cứu đề tài Đưa giải pháp sấy nóng nhanh BXT xe máy chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy để tăng hiệu xử lý khí thải BXT từ giảm phát thải độc hại xe máy ii Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối