Luận án Xác định thành phần khí thải phát tán vào môi trường của động cơ ô tô sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-Lpg

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI VƢƠNG VĂN SƠN XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN KHÍ THẢI PHÁT TÁN VÀO MÔI TRƢỜNG CỦA ĐỘNG CƠ Ô TÔ SỬ DỤNG LƢỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-LPG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI VƢƠNG VĂN SƠN XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN KHÍ THẢI PHÁT TÁN VÀO MÔI TRƢỜNG CỦA ĐỘNG CƠ Ô TÔ SỬ DỤNG LƢỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-LPG Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô máy kéo Mã số: 62.52.35.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS Cao Trọng Hiền 2. PGS. TS Đào Mạnh Hùng HÀ NỘI - 2014 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Giao thông Vận tải, Phòng Sau đại học, Khoa Cơ khí, Bộ môn Cơ khí ô tô đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận án. Tôi xin chân thành biết ơn PGS.TS Cao Trọng Hiền và PGS.TS Đào Mạnh Hùng đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình, chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội về những ý kiến đóng góp quý báu và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành nghiên cứu mô phỏng trên phần mềm AVL Boost. Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm thử nghiệm khí xả - Cục Đăng kiểm Việt Nam, Công ty Cơ khí ô tô Ngô Gia Tự, Công ty TNHH Tân An Bình đã tạo điều kiện giúp đỡ để tôi hoàn thành được các thí nghiệm quan trọng cho luận án và định hướng nghiên cứu trong tương lai. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo Học viện Quân sự, Đại học Nông nghiệp, Đại học Lâm nghiệp, các Nhà khoa học trong ngành Cơ khí Động lực đã nhiệt tình giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho luận án. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp, những người thân trong gia đình đã động viên, khích lệ tôi rất nhiều trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, tháng 4 năm 2014 Tác giả luận án Vƣơng Văn Sơn i MỤC LỤC Mục lục........................................................................................................ Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt.................................................... Danh mục các bảng trong luận án......................................................... Danh mục các hình vẽ và ảnh trong luận án........................................... MỞ ĐẦU..................................................................................................... Chương I. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU................................. 1.1 Tổng quan về ô nhiễm môi trường do phát thải của ô tô ..................... 1.1.1. Sự phát triển phương tiện giao thông ở Việt Nam............................ 1.1.2. Tình hình ô nhiễm môi trường do phát thải của ô tô......................... 1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng LPG............................................... 1.2.1. Tình hình sản xuất LPG................................................................. 1.2.2. Tình hình sử dụng LPG................................................................. 1.3. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về khí thải của động cơ diesel và động cơ diesel-LPG................................................................................ 1.3.1. Các kết quả nghiên cứu trên thế giới................................................. 1.3.2. Các kết quả nghiên cứu trong nước................................................... 1.4 Kết luận chương I…………………………………………………..... Chương II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ ĐỘNG CƠ DIESEL – LPG................................. 2.1. Chọn phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel- LPG..................... 2.1.1. Các phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel-LPG.................... 2.1.2. Chọn phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel- LPG.............. 2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy trong động cơ diesel và động cơ diesel-LPG 2.2.1. Quá trình cháy trong động cơ diesel.................................................. 2.2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy trong động cơ diesel-LPG .......... 2.2.3. Cơ sở mô hình hóa quá trình hình thành hỗn nợp và cháy trong động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-LPG .......................................................... i iv ix xi 1 5 5 5 7 10 10 11 11 11 16 19 22 22 22 25 26 26 31 37 ii 2.3. Các thành phần khí thải ……………………......................................... 2.3.1. Mônôxit cácbon........................................................................... 2.3.2. Hyđrô cácbon.............................................................................. 2.3.3. Ôxit nitơ..................................................................................... 2.3.4. Phát thải hạt................................................................................ 2.4. Cơ sở tính toán các thành phần phát thải trong động cơ diesel và động cơ diesel - LPG ..................................................................................... 2.4.1. Tính toán phát thải NOx.................................................................... 2.4.2. Tính toán phát thải CO...................................................................... 2.4.3. Tính toán phát thải HC........................................................................ 2.4.4. Tính toán phát thải bồ hóng (Soot)................................................... 2.5. Kết luận chương II………………………………………………............... Chương III. XÂY DỰNG MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ ĐỘNG CƠ DIESEL-LPG 3.1. Phần mềm AVL BOOST................................................................ 3.1.1. Các phần mềm mô phỏng động cơ.................................................... 3.1.2. Phần mềm AVL BOOST.................................................................. 3.2. Ứng dụng phần mềm AVL BOOST tính toán các thành phần khí thải của động cơ FAWDE - 4DX23................................................................. 3.2.1. Các thông số cơ bản của động cơ FAWDE- 4DX23......................... 3.2.2. Nhiên liệu diesel và LPG.............................................................. 3.2.3. Xây dựng mô hình động cơ diesel trên AVL Boost.......................... 3.2.4. Kiểm chứng độ chính xác của mô hình............................................. 3.2.5. Xây dựng mô hình động cơ diesel - LPG trên AVL Boost............... 3.2.6. Kết quả tính toán mô phỏng.............................................................. 3.3. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số kết cấu và điều chỉnh đến lượng phát thải của động cơ diesel-LPG bằng phương pháp mô phỏng ...... 3.3.1. Ảnh hưởng của góc phun sớm đến lượng phát thải của động cơ diesel - LPG......................................................................................... 47 48 49 52 54 59 59 60 60 61 63 65 65 65 66 68 68 69 72 73 74 77 80 80 iii 3.3.2. Ảnh hưởng của pha phân phối khí đến lượng phát thải của động cơ diesel - LPG.......................................................................................... 3.4. Kết luận chương III.............................................................................. Chương IV. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ...................................... 4.1. Mục tiêu và nội dung thử nghiệm........................................................ 4.1.1. Mục tiêu thử nghiệm......................................................................... 4.1.2. Nội dung thử nghiệm......................................................................... 4.2. Thiết bị thí nghiệm............................................................................... 4.2.1. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm................................................................... 4.2.2. Các bộ phận cơ bản của thiết bị thử nghiệm..................................... 4.3. Lựa chọn và lắp đặt hệ thống cung cấp LPG vào động cơ diesel thí nghiệm........................................................................................................ 4.4. Quy trình thí nghiệm................................................................................... 4.4.1. Điều kiện thí nghiệm......................................................................... 4.4.2. Thí nghiệm đo khí xả động cơ diesel nguyên thủy........................... 4.4.3. Thí nghiệm đo khí xả động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-LPG............ 4.5. Kết quả thử nghiệm và đánh giá.......................................................... 4.5.1. Tiêu chuẩn EURO về phát thải của động cơ diesel........................... 4.5.2. Kết quả đánh giá động cơ thử nghiệm.............................................. 4.5.3. Đánh giá chất lượng phát thải của động cơ diesel khi chạy lưỡng nhiên liệu diesel-LPG................................................................................. 4.5.4. Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm..................................... 4.6. Kết luận chương IV.............................................................................. KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ.................................................. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ............ TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... PHỤ LỤC.................................................................................................... 83 85 87 87 87 87 87 88 90 99 103 103 104 107 110 110 110 112 118 121 122 124 125 133 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên gọi Đơn vị AVL-BOOST Phần mềm mô phỏng một chiều của hãng AVL - AVL-MCC Mô hình cháy của hãng AVL - CA Góc quay trục khuỷu - CO Mônôxit cácbon - CNG Khí thiên nhiên - CRT Bộ lọc tái sinh liên tục - DOC Bộ xúc tác ôxi hóa - DPF Bộ lọc phát thải hạt, dạng khép kín - ECE R49 Chu trình thử châu Âu 13 mode đối với động cơ xe tải hạng nặng - EGR Hệ thống luân hồi khí thải - HAP Hyđrô các bon thơm mạch vòng - HC Hyđrô các bon - LHC Luân hồi áp suất cao - LHT Luân hồi áp suất thấp - LNT Bộ xúc tác hấp thụ NOx - LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng - CNG Khí thiên nhiên - MN Máy nén - MP Mô phỏng - NETC Trung tâm thử nghiệm khí thải các phương tiện cơ giới đường bộ, Cục Đăng Kiểm Việt Nam - NOX Ôxít nitơ - PM Phát thải hạt - PM- cat Bộ lọc phát thải hạt (dạng lọc hở) - PM10 Phát thải hạt có kích thước nhỏ hơn 10µm - ROHR SCR Đồ thị tốc độ tỏa nhiệt Bộ xúc tác khử NOx - - SCRT Hệ thống xử lý khí thải tổng hợp CRT và SCR - SMF Bộ lọc phát thải hạt có trang bị sợi đốt - v Smoke Độ khói - SOOT Bồ hóng - SOX Ôxít lưu huỳnh - TB Tua bin - TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam - TN Thực nghiệm - TSP Tổng lượng bụi lơ lửng trong không khí - VOCs Hàm lượng các chất hữu cơ độc hại bay lên trên không khí -  Góc quay trục khuỷu hiện thời Độ  Q  Nhiệt tỏa ra tính đến góc quay của trục khuỷu J Q Tổng nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình cháy J aw Hằng số phụ thuộc vào tỷ lệ nhiên liệu LPG cung cấp vào xy lanh -  o,  Thời điểm và thời gian diễn ra quá trình cháy Độ k Sai số % CCR Tỷ lệ phần trăm năng lượng do LPG sinh ra trong tổng năng lượng của lưỡng nhiên liệu diesel-LPG % LPGm Khối lượng LPG tiêu thụ kg uLPGH Nhiệt trị thấp của LPG MJ/kg dieselm Khối lượng diesel tiêu thụ kg udieselH Nhiệt trị thấp của diesel MJ/kg cm Khối lượng môi chất bên trong xy lanh kg u Nội năng - cp Áp suất bên trong xy lanh Pa V Thể tích xy lanh m3 FQ Nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp kJ WQ Tổn thất nhiệt qua vách kJ α Góc quay trục khuỷu độ BBh Trị số entanpy - idm Lượng khí đi vào xy lanh kg vi edm Lượng khí đi ra khỏi xy lanh kg ih Entanpy của môi chất khí đi vào xy lanh - eh Entanpy của môi chất khí đi ra khỏi xy lanh - evq Nhiệt hóa hơi của nhiên liệu kJ f Phần nhiệt hóa hơi của môi chất trong xy lanh kJ mew Khối lượng nhiên liệu bay hơi kg effA Diện tích thông qua m 2 olP Áp suất môi chất trước họng tiết lưu Pa 2P Áp suất môi chất sau họng tiết lưu Pa olT Nhiệt độ môi chất trước họng tiết lưu K oR Hằng số chất khí - ψ Hệ số phụ thuộc tỷ lệ áp suất môi chất - k Tỷ số nhiệt dung riêng của môi chất - μσ Hệ số cản dòng của đường ống - vid Đường kính xu páp m S Vị trí của piston tính từ điểm chết trên - r Bán kính quay m l Chiều dài thanh truyền m φ Góc giữa đường nối tâm quay với piston ở điểm chết trên với trục thẳng đứng (trường hợp xy lanh lệch tâm) độ e Khoảng lệch tâm m wiQ Nhiệt truyền đến các chi tiết (nắp máy, đỉnh piston, thành xy lanh) K wiA Diện tích bề mặt các chi tiết (nắp máy, đỉnh piston, thành xy lanh) m 2 wα Hệ số truyền nhiệt cT Nhiệt độ môi chất trên bề mặt thành xy lanh K wiT : Nhiệt độ bề mặt chi tiết (nắp máy, đỉnh piston, thành xy lanh) K D Đường kính xy lanh m Cm Tốc độ trung bình của piston m/s Cu Tốc độ tiếp tuyến của môi chất m/s vii VD Thể tích công tác của 1 xy lanh m 3 Pc Áp suất môi chất trong xy lanh Pa pc,0 Áp suất khí trời Pa Pc,1 Áp suất môi chất trong xy lanh tại thời điểm đóng xu páp nạp Pa Tc,1 Nhiệt độ môi chất trong xy lanh tại thời điểm đóng xu páp nạp K VTDC Thể tích xy lanh khi piston ở điểm chết trên m 3 IMEP Áp suất chỉ thị trung bình pa V Thể tích xy lanh m3 D Đường kính xy lanh m P Áp suất Pa T Nhiệt độ K din Đường kính ống nối với đường nạp m vin Tốc độ dòng khí trên đường nạp m/s Aeff Diện tích thông qua m 2 δ Khe hở piston - xylanh m Q Tổng nhiệt lượng cấp vào kJ Δ0 Thời điểm bắt đầu cháy độ Δαc Thời gian cháy giây m Thông số hình dạng - a Thông số Vibe - QMCC Lượng nhiệt tỏa ra trong giai đoạn cháy chính kJ QComb Hằng số cháy - CRate Hằng số hòa trộn hỗn hợp - K Thế năng của dòng chuyển động rối J mF Lượng nhiên liệu được hóa hơi kg LCV Nhiệt trị thấp của nhiên liệu kJ/kg V Thể tích xy lanh m3 Oxygen,availablew Tỷ lệ khối lượng ôxy có trong hỗn hợp khi bắt đầu phun nhiên liệu - CEGR Hằng số xét đến ảnh hưởng của khí thải luân hồi - Ekin Thế năng của tia nhiên liệu J Cturb Hằng số năng lượng chuyển động rối - viii CDiss Hằng số suy giảm - mF,I Lượng nhiên liệu phun vào kg v Tốc độ nhiên liệu m/s mstoich Khối lượng không khí lý tưởng để đốt cháy hết nhiên liệu kg λDiff Hệ số dư lượng không khí trong quá trình cháy chính - QPMC Tổng nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp trong giai đoạn cháy nhanh kJ CNOe NO ở trạng thái cân bằng mfi Lượng nhiên liệu cấp vào kg mfb Lượng nhiên liệu đã cháy kg msoot Khối lượng soot kg mCO Khối lượng CO kg LHVf, LHVC, LHVCO Nhiệt trị thấp của nhiên liệu, carbon (soot) và CO kJ/kg ms Khối lượng soot kg mf,v Khối lượng nhiên liệu bốc hơi kg PO2 Áp suất của các phân tử O2 Pa Es,f Năng lượng hoạt hoá kJ/kmol Es,ox Năng lượng ôxy hoá kJ/kmol Af, Aox Các hằng số được lựa chọn theo kinh nghiệm và kiểu động cơ - x Tỷ lệ C trên bề mặt của phần tử A tham gia phản ứng - Rtot Hằng số tốc độ ôxy hoá soot - MWc Trọng lượng của phân tử C - s Mật độ của soot kg/m 3 Ds Đường kính của phân tử soot đặc trưng m ix DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Tên bảng Trang Bảng 1.1 Dự báo tổng phát thải do hoạt động GTVT đường bộ và đường sắt 9 Bảng 2.1 Phương trình tính toán giá trị của các góc bắt đầu và kết thúc giai đoạn cháy nhiên liệu cho các chế độ khác nhau 36 Bảng 2.2 Chuỗi phản ứng hình thành NOx với hệ số tốc độ k 59 Bảng 3.1 Các thông số cơ bản của động cơ FAWDE- 4DX23- 110 69 Bảng 3.2 Đặc tính kỹ thuật của nhiên liệu diesel 70 Bảng 3.3 Đặc tính kỹ thuật của nhiên liệu LPG 71 Bảng 3.4 Các phần tử của mô hình mô phỏng trên hình 3.2 73 Bảng 3.5 Kết quả so sánh công suất động cơ FAWDE- 4DX23-110 giữa thực nghiệm và mô phỏng ở chế độ đặc tính ngoài 73 Bảng 3.6 Các phần tử của mô hình mô phỏng trên hình 3.5 76 Bảng 3.7 Diễn giải các mode của chu trình thử ECE R49 77 Bảng 3.8 Phát thải trung bình theo chu trình ECE R49 80 Bảng 3.9 Kết quả mô phỏng các thành phần phát thải của động cơ diesel-LPG theo chu trình ECE R49 khi thay đổi góc phân phối khí 85 Bảng 4.1 Tiêu chuẩn EURO về phát thải của động cơ diesel 110 Bảng 4.2 Kết quả đo công suất và mô men của động cơ diesel nguyên thủy 111 Bảng 4.3 Kết quả đo các thành phần phát thải của động cơ diesel 112 x Bảng 4.4 Kết quả đo độ khói của động cơ diesel-LPG 115 Bảng 4.5 Phát thải trung bình của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-LPG 116 Bảng 4.6 Kết quả đo công suất của động cơ diesel-LPG 117 Bảng 4.7 Kết quả so sánh phát thải giữa mô phỏng và thực nghiệm của động cơ nguyên bản theo chu trình ECE R49 118 Bảng 4.8 Kết quả so sánh phát thải giữa mô phỏng và thực nghiệm của động cơ diesel-LPG theo chu trình ECE R49 119 Bảng 4.9 Kết quả so sánh công suất giữa mô phỏng và thực nghiệm của động cơ diesel-LPG theo chu trình ECE R49 120 xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ẢNH TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Tên hình vẽ Trang Hình 1.1 Số lượng ô tô của cả nước theo năm 5 Hình 1.2 Các loại ô tô của cả nước theo năm 5 Hình 1.3 Số lượng ô tô tại Hà Nội theo năm 6 Hình 1.4 Các loại ô tô tại Hà Nội theo năm 6 Hình 1.5 Số lượng ô tô tại thành phố Hồ Chí Minh theo năm 6 Hình 1.6 Các loại ô tô tại thành phố Hồ Chí Minh theo năm 6 Hình 1.7 Phát thải độc hại từ các loại phương tiện khác nhau ở Việt Nam 8 Hình 1.8 Biểu đồ sản xuất LPG trên toàn cầu 10 Hình 1.9 Sơ đồ chung về quá trình nghiên cứu 21 Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống trộn nhiên liệu diesel-LPG ở dạng lỏng 22 Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống phun trực tiếp LPG vào buồng đốt 23 Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống phun LPG vào đường ống nạp động cơ 25 Hình 2.4 Sơ đồ bố trí hệ thống cung cấp LPG và hệ thống nhiên liệu động cơ diesel tăng áp 26 Hình 2.5 Đồ thị biểu diễn các giai đoạn trong quá trình cháy động cơ diesel 29 Hình 2.6 Phân chia vùng cháy trong động cơ diesel-LPG 31 Hình 2.7 Hướng lan truyền của màng lửa trong buồng cháy 32 Hình 2.8 Quá trình tỏa nhiệt trong động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG 33 Hình 2.9 Các giai đoạn trong quá trình cháy của động cơ diesel-LPG 35 Hình 2.10 Cân bằng năng lượng trong xy lanh động cơ 38 Hình 2.11 Sơ đồ tính toán chuyển vị của piston 41 Hình 2.12 Sự phân bố nhiên liệu tia phun 50 xii Hình 2.13 Sự hình thành HC do tôi trên thành buồng cháy 51 Hình 2.14 Tóm tắt quá trình hình thành bồ hóng của Fusco 55 Hình 2.15 Cơ chế trung gian về động hóa học của quá trình hình thành bồ hóng từ các phân tử aromatics 56 Hình 2.16 Mô hình cơ chế tạo hạt bồ hóng từ aromatics và aliphatics 57 Hình 3.1 Giao diện phần mềm AVL BOOST 67 Hình 3.2 Mô hình mô phỏng động cơ FAWDE- 4DX23-110 trên AVL BOOST 72 Hình 3.3 So sánh công suất và mô men của động cơ giữa thực nghiệm và mô phỏng 74 Hình 3.4 Mô hình mô phỏng động cơ diesel-LPG trên AVL BOOST 75 Hình 3.5 Khai báo thành phần hóa học của LPG trên AVL BOOST 76 Hình 3.6 Sơ đồ thể hiện các mode của chu trình thử ECE R49 77 Hình 3.7 Phát thải CO ở các chế độ mô phỏng theo chu trình ECE R49 78 Hình 3.8 Phát thải NOX ở các chế độ mô phỏng theo chu trình ECE R49 79 Hình 3.9 Phát thải bồ hóng ở các chế độ mô phỏng theo chu trình ECE R49 80 Hình 3.10 Phát thải NOx và CO ở 100% tải, tốc độ động cơ 1800 v/ph theo góc phun sớm 81 Hình 3.11 Phát thải bồ hóng ở 100% tải với các tốc độ động cơ theo góc phun sớm 82 Hình 3.12 Công suất và mô men động cơ theo