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 1.3.4 Sấy nóng BXT nguồn nhiệt bên 16 1.3.4.1 Sử dụng buồng đốt bên 16 1.3.4.2 Sấy nóng BXT lượng điện (EHC) 17 1.4 Sấy nóng BXT dịng điện cao tần 20 1.4.1 Cơ sở lý thuyết việc đốt nóng điện cao tần 20 1.4.2 Sấy nóng BXT dòng điện cao tần 21 1.5 Hướng tiếp cận nội dung nghiên cứu đề tài 23 1.6 Kết luận chương 24 CHƯƠNG TÍNH TỐN MƠ PHỎNG NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ XE MÁY 25 2.1 Giới thiệu 25 2.2 Mô tả mô hình 27 2.2.1 Mơ hình đa vùng mơ diễn biến nhiệt động xylanh 27 2.2.1.1 Giới thiệu 27 2.2.1.2 Phương trình 28 2.2.1.3 Phương trình mơ hình hóa tổng thể 32 2.2.1.4 Truyền nhiệt sấy nóng động 35 2.2.1.5 Lưu lượng nhiệt độ khí thải 38 2.2.2 Mơ hình hóa phát thải ơxit nitơ từ động 39 2.2.3 Mô hình tính tốn phát thải HC động 40 2.2.3.1 Nguồn HC ban đầu 41 2.2.3.2 Sự ơxy hố HC phía sau màng lửa 44 2.2.4 Mơ hình tính tốn phát thải CO động 45 2.3 Kết mô 45 2.3.1 Hiệu chỉnh mơ hình 46 2.3.2 Áp suất nhiệt độ khí thể xylanh 47 2.3.3 Nhiệt độ, lưu lượng lượng dịng khí thải 48 2.3.4 Nồng độ phát thải CO, HC NO 52 2.4 Kết luận chương 54 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN MƠ PHỎNG HỆ THỐNG THẢI CĨ TRANG BỊ BXT ĐƯỢC SẤY NĨNG BẰNG DỊNG CAO TẦN 56 3.1 Giới thiệu 56 3.2 Mơ hình truyền nhiệt hệ thống thải 57 3.2.1 Truyền nhiệt ống thải 58 3.2.1.1 Bề mặt truyền nhiệt ướt 60 3.2.1.2 Bề mặt truyền nhiệt khô 60 3.2.2 Truyền nhiệt từ bề mặt ống thải tới môi trường 61 3.2.2.1 Truyền nhiệt từ bề mặt ống thải tới mơi trường q trình đối lưu 61 iv 3.2.2.2 Truyền nhiệt từ bề mặt ống thải tới môi trường q trình xạ 62 3.3 Tính tốn cơng suất sấy nóng BXT dịng điện cao tần 62 3.4 Mơ hình trung hịa khí thải BXT có sấy nóng dịng điện cao tần 66 3.4.1 Giới thiệu 66 3.4.2 Mơ tả mơ hình 68 3.4.2.1 Các phản ứng hóa học 68 3.4.2.2 Biểu thức động học phản ứng 68 3.4.2.3 Cơ sở chuyển đổi xúc tác 70 3.4.2.4 Hệ số trao đổi nhiệt trao đổi chất 74 3.4.2.5 Phương pháp giải mơ hình 75 3.5 Kết mô 76 3.5.1 Nhiệt độ khí thải BXT 77 3.5.2 Hàm lượng chất độc hại phía trước sau BXT 85 3.6 Kết luận chương 97 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 98 4.1 Mục đích thí nghiệm 98 4.2 Trang thiết bị phục vụ thí nghiệm 98 4.2.1 Băng thử xe máy CD20 (Chassis dynamometer 20’’) 98 4.2.1.1 Giới thiệu 98 4.2.1.2 Sơ đồ hệ thống 99 4.2.2 Tủ phân tích khí thải CEBII phân tích 100 4.2.2.1 Nguyên lý làm việc phân tích CO 100 4.2.2.2 Nguyên lý làm việc phân tích NO NOx 100 4.2.2.3 Nguyên lý làm việc hệ thống đo CnHm 102 4.2.3 Thiết bị đo nhiệt độ: 103 4.2.4 Đo lưu lượng khí thải: 104 4.3 Đối tượng, nhiên liệu chế độ thử 104 4.3.1 Đối tượng thử nghiệm: 104 4.3.2 Nhiên liệu thử nghiệm 105 4.3.3 Chế độ thử nghiệm 106 4.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 106 4.5 Kết thực nghiệm 109 4.6 Kết luận chương 118 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 120 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 126 PHỤ LỤC PHỤ LỤC CÁC SỐ LIỆU PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU v Phụ lục 1.1 Thông số động lắp xe Honda Lead 110 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 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 mơ 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 hòa 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 Diễn giải A Diện tích (m2) C Nồng độ khí theo thể tích (%) Cl Hệ số lọt khí (1/s) Cw Khối lượng nước (kg) cm Tốc độ trung bình piston (m/s) cgv Hàm lượng khí thải (kg/m3) csv Hàm lượng bão hịa khí thải (kg/m3) c, cp Nhiệt dung riêng đẳng áp chất khí (J/kg/K) Dj Độ khuếch tán khí j (m2/s) d Đường kính thủy lực lỗ BXT (m) d1 Đường kính ống thải (m) d2 Đường kính ngồi ống thải (m) f Hệ số ma sát g Gia tốc trọng trường (9.81 m/s2) H Hằng số Henry h Entanpi khí (kJ/kg), hệ số truyền nhiệt hfg Nhiệt ẩn hóa (kJ/kg) k Hệ số dẫn nhiệt (W/m/K) kj Hệ số động học phản ứng (mol.K/m2/s) Kj Hằng số cân hấp thụ M Khối lượng phân tử (kg/mol) m Khối lượng (kg), m Lưu lượng khí thải (kg/s) Nu Chỉ số Nusselt NTU Đơn vị trao đổi ncyl Số xylanh p áp suất (N/m2) Pr Chỉ số Prandtl vii pw Chu vi ướt (m) Q Nhiệt lượng (kJ) q Mật độ dòng nhiệt (w/m2) R Hằng số chất khí (8314J/kg/K), Tỉ lệ phản ứng Re Chỉ số Reynolds λ Tỉ số bán kính quay trục khuỷu chiều dài truyền S Diện tích bề mặt hình học đơn vị thể tích BXT (m2/m3) Scat Diện tích bề mặt xúc tác đơn vị thể tích BXT (m2/m3) s entropy khí (kJ/kg/K) T Nhiệt độ (K) t Thời gian (s) U Hệ số truyền nhiệt tổng thể cho xéc măng mép piston u Vận tốc khí theo phương dọc trục (m/s), V, Vc, V1, V2 Thể tích  Thể tích riêng (m3/kg) X f , Phần mol nhiên liệu lớp dầu x Tọa độ theo phương hướng trục hệ thống thải Yf Phần khối lượng nhiên liệu lớp dầu yf Phần mol nhiên liệu khí  Nhiệt tỏa (J/mol) Ký tự Diễn giải  Độ dẫn nhiệt (m2/s)  Hệ số giãn nở nhiệt (1/K)  Độ nhớt động lực học (kg/ms)  Độ nhớt động học (m2/s)  Khối lượng riêng (kg/m3)  Độ ẩm tương đối  Hệ số Stefan-Boltzmann (5.67´10-8 W/m2K4)  chiều dày thành (m), e Tỉ số nén q Góc quay trục khuỷu ( °CA) viii  ΔΦ Vận tốc góc trục khuỷu (rad/s) Biến thiên từ thông 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 hịa khí PXĐT Phun xăng điện tử NLSH Nhiên liệu sinh học LPG Nhiên liệu khí hóa lỏng ix ... 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 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 i ii Đối tượng phạm vi nghiên cứu -