Đang tải... (xem toàn văn)
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu dieselLPG lắp trên ô tô cỡ nhỏ và trung bình. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu về khí thải của đối tượng đã chọn trên cơ sở giữ nguyên các chỉ tiêu kỹ thuật (công suất mô men) của động cơ diesel nguyên thủy
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 THẢ I CỦA ĐỘ NG 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 chá y trong độ ng 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 tí nh toá n cá c thà nh phầ n phá t thả i trong độ ng 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 chí nh xá c củ a 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 - SO X 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 % LPG m Khối lượng LPG tiêu thụ kg uLPG H Nhiệt trị thấp của LPG MJ/kg diesel m Khối lượng diesel tiêu thụ kg udiesel H Nhiệt trị thấp của diesel MJ/kg c m Khối lượng môi chất bên trong xy lanh kg u Nội năng - c p Áp suất bên trong xy lanh Pa V Thể tích xy lanh m 3 F Q Nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp kJ W Q Tổn thất nhiệt qua vách kJ α Góc quay trục khuỷu độ BB h Trị số entanpy - i dm Lượng khí đi vào xy lanh kg vi e dm Lượng khí đi ra khỏi xy lanh kg i h Entanpy của môi chất khí đi vào xy lanh - e h Entanpy của môi chất khí đi ra khỏi xy lanh - ev q Nhiệt hóa hơi của nhiên liệu kJ f Phần nhiệt hóa hơi của môi chất trong xy lanh kJ m ew Khối lượng nhiên liệu bay hơi kg eff A Diện tích thông qua m 2 ol P Áp suất môi chất trước họng tiết lưu Pa 2 P Áp suất môi chất sau họng tiết lưu Pa ol T Nhiệt độ môi chất trước họng tiết lưu K o R 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 - vi d 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 wi Q Nhiệt truyền đến các chi tiết (nắp máy, đỉnh piston, thành xy lanh) K wi A Diện tích bề mặt các chi tiết (nắp máy, đỉnh piston, thành xy lanh) m 2 w α Hệ số truyền nhiệt c T Nhiệt độ môi chất trên bề mặt thành xy lanh K wi T : Nhiệt độ bề mặt chi tiết (nắp máy, đỉnh piston, thành xy lanh) K D Đường kính xy lanh m C m Tốc độ trung bình của piston m/s C u Tốc độ tiếp tuyến của môi chất m/s [...]... DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ẢNH TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Tên hình vẽ Hình 1.1 Sô lương ô tô của cả nước theo năm ́ ̣ 5 Hình 1.2 Các loại ô tô của cả nước theo năm 5 Hình 1.3 Sô lương ô tô tại Hà Nội theo năm ́ ̣ 6 Hình 1.4 Các loại ô tô tại Hà Nội theo năm 6 Hình 1.5 Sô lương 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... sức ép ngay cang lơn đôi vơi môi trương đ biệt là ở ô ̀ ̀ ́ ́ ́ ̀ ặc 6 thị Hà Nội la môt thanh phô co tôc ô phat triên sô lương phương tiên giao ̀ ̣ ̀ ́ ́ ́ ̣ ́ ̉ ́ ̣ ̣ thông đường bộ ở mức cao Tính đến 31/12/2012, sô lương ô tô đat 334.399 ́ ̣ ̣ chiêc [4] Các số liệu biểu thị trên hình 1.3 và hình 1.4 cho thấy, trong khoảng ́ thời gian từ năm 2008 đến 2012, số lượng ô tô trên cả nước đã tăng lên gấp... kết quả nghiên cứu và ứng dụng ở trên cho thấy, trên 16 thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về khí thải của động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG Các công trình tập trung chủ yếu vào loại động cơ lắp trên ô tô khách, ô tô tải trọng lớn, ô tô chuyên dùng Các nghiên cứu sử dụng động cơ diesel-LPG lắp trên ô tô cỡ nhỏ còn rất hạn chế 1.3.2 Các kết quả nghiên cứu trong nước 1.3.2.1 Theo... mới không đáp ứng được, điều đó đòi hỏi các nhà sản xuất phải có những nghiên cứu nhằm giảm thiểu lượng khí thải độc hại của động cơ 1.1.2 Tình hình ô nhiễm môi trường do phát thải của ô tô ở Việt Nam Sản phẩm cháy được thải ra từ động cơ đốt trong gồm ôxit nitơ (NOx), mônôxit cácbon (CO), hyđrô cácbon (HC), chất thải hạt (PM) và anđêhit, các thành phần này là nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm không khí... bằng ô tô và Nghị đị nh số 23/2004/NĐ-CP ngay 13/01/2004 của Chính phủ vê niên han sư dung ̀ ̀ ̣ ̉ ̣ ô tô tai va ô tô chơ ngươi , sô lương phương tiên qua cu đa đươc giam đi đang ̉ ̀ ̉ ̀ ́ ̣ ̣ ́ ̃ ̃ ̣ ̉ ́ kê Tuy nhiên, mức độ phát thải các chất độc hại vẫn còn ở mức cao ̉ Sô lương phương tiên tăng quá nhanh trong khi h tầng giao thông không ́ ̣ ̣ ạ phát triển kịp đã tạo ra sức ép ngay cang lơn đôi vơi... chuyên đông rôi ̀ ́ ̣ ̉ ̣ ́ m3 Pa Pa Pa K m3 pa m3 m Pa K m m/s m2 m kJ độ giây kJ J kg kJ/kg m3 J - viii CDiss mF,I v mstoich λDiff QPMC CNOe mfi mfb msoot mCO LHVf, LHVC, LHVCO ms mf,v PO2 Es,f Es,ox Af, Aox x Rtot MWc s Ds Hăng sô suy giam ̀ ́ ̉ Lương nhiên liêu phun vao ̣ ̣ ̀ Tôc ô nhiên liêu ́ ̣ ̣ Khôi lương không khí ly tương đê đôt chay hêt nhiên ́ ̣ ́ ̉ ̉ ́ ́ ́ liêu ̣ Hê sô dư lương không khítrong... có nguy cơ cạn kiệt Để đảm bảo cho động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG mà ít phải thay đổi kết cấu có thể dùng biện pháp lắp đặt thêm bộ cung cấp LPG vào động cơ diesel nguyên thủy Phương án này không chỉ sử dụng được cho các loại ô tô dùng động cơ diesel mới mà còn có thể sử dụng cho các loại xe ô tô đang lưu hành vì việc lắp đặt thêm hệ thống cung cấp LPG vào động cơ diesel là không phức... của quá trình hình thành bồ hóng từ các phân tử aromatics 56 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 Khai báo thành phần hóa học... có nguy cơ ô nhiễm không khí rất cao [56] Ô nhiễm không khí tại các trục giao thông và khu vực dân cư xung quanh đường giao thông chủ yếu là do khí thải các loại xe cơ giới Trừ bụi xây dựng thì các nguồn khác như khí thải từ các chất đốt dùng trong sinh hoạt hoặc khí thải của các nhà máy công nghiệp ở khu vực khác lan sang cũng có ảnh hưởng đến ô nhiễm không khí trong khu vực nội thành nhưng không lớn... ô nhiễm bụi trên các trục giao thông và khu vực dân cư Chúng ta đã bị ô nhiễm bụi PM10 và tình trạng ô nhiễm vẫn đang có xu hướng tăng lên Ô nhiễm PM10 ở nước ta chủ yếu do các loại xe cơ giới sử dụng nhiên liệu diesel và một phần do xe mô tô, xe gắn máy Nồng độ các chất độc hại tại một số nút giao thông gần khu dân cư vào giờ cao điểm đã chạm ngưỡng giới hạn cho phép [78] Ảnh hưởng của ô nhiễm không . nhiên liệ u m/s m stoich Khố i lượ ng không khí lý tưở ng để đố t chá y hế t nhiên liệ u kg λ Diff Hệ số dư lượ ng không khí trong quá trình chá y chính - Q PMC Tổng