Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu giảm phát thải độc hại của động cơ diesel đang lưu hành bằng phương pháp luân hồi khí thải kết hợp bổ sung khí hydro

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:150

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí "Nghiên cứu giảm phát thải độc hại của động cơ diesel đang lưu hành bằng phương pháp luân hồi khí thải kết hợp bổ sung khí hydro" trình bày các nội dung chính sau: Nghiên cứu tổng quan về các biện pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel từ đó chọn giải pháp nghiên cứu cho động cơ diesel đang lưu hành tại Việt Nam; Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống EHSy cho động cơ diesel R180.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu giảm phát thải độc hại của động cơ diesel đang lưu hành bằng phương pháp luân hồi khí thải kết hợp bổ sung khí hydro

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài 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 đề tài nghiên cứu nào khác. Hà Nội, tháng 02 năm 2022 Nghiên cứu sinh Trịnh Xuân Phong i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hoàng Đình Long đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn Động cơ đốt trong và Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy phản biện, các Thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc, duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Trịnh Xuân Phong ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ ii MỤC LỤC ............................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................... viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................ xii MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 Chương 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ............................................................ 4 Phát thải của động cơ diesel và phương pháp kiểm soát ............................. 4 1.1.1. Đặc điểm phát thải động cơ diesel ........................................................ 4 1.1.2. Các công nghệ giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel ................... 4 Luân hồi khí thải trong động cơ diesel ........................................................ 6 1.2.1. Giới thiệu chung .................................................................................... 6 1.2.2. Các phương pháp luân hồi ..................................................................... 7 1.2.2.1. Luân hồi nội tại ............................................................................... 7 1.2.2.2. Hệ thống luân hồi áp suất cao ......................................................... 8 1.2.2.3. Hệ thống luân hồi áp suất thấp ........................................................ 9 1.2.2.4. Hệ thống luân hồi kết hợp ............................................................. 10 1.2.2.5. Luân hồi tức thời ........................................................................... 11 1.2.3. Đặc điểm làm việc của động cơ khi luân hồi khí thải ......................... 11 1.2.3.1. Các nghiên cứu trong nước ........................................................... 11 1.2.3.2. Các nghiên cứu ngoài nước........................................................... 11 1.2.3.3. Tóm tắt đặc điểm làm việc của động cơ diesel khi luân hồi khí thải ........................................................................................................................ 14 Bổ sung hydro trong động cơ đốt trong ..................................................... 14 1.3.1. Tính chất của hydro ............................................................................. 14 1.3.2. Sản xuất, lưu trữ và vận chuyển hydro ................................................ 15 1.3.2.1. Sản xuất ......................................................................................... 15 1.3.2.2. Lưu trữ và vận chuyển .................................................................. 17 1.3.3. Sử dụng hydro làm nhiên liệu trong động cơ đốt trong ...................... 18 iii
1.3.4. Bổ sung hydro trong động cơ diesel .................................................... 20 1.3.4.1. Các nghiên cứu trong nước ........................................................... 20 1.3.4.2. Các nghiên cứu ngoài nước........................................................... 21 1.3.4.3. Tóm tắt đặc điểm động cơ diesel bổ sung hydro .......................... 24 Kết hợp bổ sung hydro và luân hồi khí thải trong động cơ ....................... 25 Nội dung nghiên cứu của luận án .............................................................. 26 Kết luận chương 1 ...................................................................................... 27 Chương 2 . NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ DIESEL HIỆN HÀNH SỬ DỤNG LUÂN HỒI KHÍ THẢI VÀ BỔ SUNG HYDRO ....................................... 28 Giới thiệu chung ........................................................................................ 28 2.1.1. Mục đích nghiên cứu mô phỏng .......................................................... 28 2.1.2. Lựa chọn phần mềm mô phỏng ........................................................... 28 Cơ sở lý thuyết của phần mềm AVL Boost ............................................... 28 Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ R180 có EHSy ............................. 29 2.3.1. Thiết lập mô hình ................................................................................ 29 2.3.1.1. Các thông số cơ bản của động cơ R180 ........................................ 30 2.3.1.2. Các phần tử trong mô hình............................................................ 30 2.3.2. Nhập dữ liệu cho mô hình ................................................................... 30 2.3.2.1. Khai báo các thông số cơ bản cho mô hình .................................. 30 2.3.2.2. Xây dựng mô hình lưỡng nhiên liệu ............................................. 31 2.3.2.3. Vòi phun hydro ............................................................................. 31 2.3.2.4. Van EGR ....................................................................................... 32 2.3.2.5. Bộ làm mát khí luân hồi ................................................................ 32 2.3.2.6. Thiết lập phần tử động cơ và xi-lanh (Cylinder) .......................... 33 2.3.3. Khai báo biến và thực hiện mô phỏng................................................. 39 2.3.3.1. Khai báo biến ................................................................................ 39 2.3.3.2. Các nội dung mô phỏng ................................................................ 41 Hiệu chỉnh mô hình và đánh giá độ tin cậy ............................................... 41 Kết quả tính toán mô phỏng và thảo luận .................................................. 43 2.5.1. Đặc tính tải ở 1500 v/p ........................................................................ 43 2.5.1.1. Hệ số Lambda ............................................................................... 43 2.5.1.2. Suất tiêu hao nhiên liệu ................................................................. 45 2.5.1.3. Phát thải NOx ................................................................................ 46 iv
2.5.1.4. Phát thải soot ................................................................................. 48 2.5.1.5. Phát thải CO .................................................................................. 50 2.5.1.6. Tỉ lệ hydro bổ sung và EGR hợp lý .............................................. 51 2.5.2. Đặc tính tải ở 2600 v/p ........................................................................ 52 2.5.2.1. Hệ số lambda................................................................................. 52 2.5.2.2. Suất tiêu hao nhiên liệu ................................................................. 53 2.5.2.3. Phát thải NOx ................................................................................ 55 2.5.2.4. Phát thải soot ................................................................................. 56 2.5.2.5. Phát thải CO .................................................................................. 58 2.5.2.6. Tỉ lệ hydro bổ sung và EGR hợp lý .............................................. 59 2.5.3. Đặc tính ngoài ..................................................................................... 60 2.5.3.1. Các thông số làm việc và phát thải ............................................... 60 2.5.3.2. Tỉ lệ hydro bổ sung và EGR hợp lý .............................................. 61 2.5.4. Thảo luận ............................................................................................. 61 Kết luận chương 2 ...................................................................................... 63 Chương 3 . NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG EHSy CHO ĐỘNG CƠ DIESEL R180.................................................................... 64 Giới thiệu chung ........................................................................................ 64 Thiết kế bố trí chung hệ thống EGR và cung cấp nhiên liệu trên động cơ R180 ...................................................................................................................... 64 Nghiên cứu thiết kế hệ thống cung cấp hydro cho động cơ R180 ............. 66 3.3.1. Cơ sở tính toán và thiết kế ................................................................... 66 3.3.1.1. Bình nhiên liệu hydro.................................................................... 67 3.3.1.2. Van chống cháy ngược ................................................................. 68 3.3.1.3. Bộ giảm áp .................................................................................... 68 3.3.1.4. Vòi phun hydro ............................................................................. 68 3.3.1.5. Cảm biến đo lượng tiêu thụ hydro ................................................ 70 3.3.2. Lắp đặt hệ thống cung cấp hydro ........................................................ 71 Nghiên cứu thiết kế hệ thống EGR cho động cơ R180 ............................. 71 3.4.1. Cơ sở tính toán và thiết kế ................................................................... 71 3.4.1.1. Đường ống thải ............................................................................. 71 3.4.1.2. Van EGR ....................................................................................... 72 3.4.1.3. Mạch điện điều khiển .................................................................... 74 3.4.1.4. Bộ làm mát khí luân hồi ................................................................ 74 v
3.4.2. Lắp đặt hệ thống EGR ......................................................................... 75 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển EHSy ........................... 76 3.5.1. Sơ đồ tổng quát .................................................................................... 76 3.5.2. Các cảm biến và công tắc .................................................................... 77 3.5.2.1. Cảm biến tốc độ động cơ và thời điểm phun hydro ...................... 77 3.5.2.2. Cảm biến vị trí tay điều khiển ....................................................... 78 3.5.2.3. Công tắc chọn chế độ làm việc ..................................................... 78 3.5.2.4. Tín hiệu điều khiển của người thí nghiệm .................................... 78 3.5.3. Các cơ cấu chấp hành .......................................................................... 79 3.5.3.1. Động cơ servo ............................................................................... 79 3.5.3.2. Vòi phun hydro ............................................................................. 80 3.5.3.3. Van EGR ....................................................................................... 80 3.5.4. Thiết kế ECU điều khiển ..................................................................... 81 3.5.4.1. Phần cứng ...................................................................................... 81 3.5.4.2. Phần mềm...................................................................................... 81 3.5.5. Thuật toán và code chương trình ......................................................... 82 3.5.5.1. Thuật toán xác định tốc độ thực, tốc độ đặt và vị trí van EGR của động cơ ........................................................................................................... 82 3.5.5.2. Thuật toán điều khiển góc quay servo, thời gian mở vòi phun, van EGR ................................................................................................................ 84 3.5.5.3. Code chương trình Labview ......................................................... 86 Kết luận chương 3 ...................................................................................... 87 Chương 4 . NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM..................................................... 88 Mục đích thử nghiệm ................................................................................. 88 Đối tượng và phạm vi thử nghiệm ............................................................. 88 4.2.1. Đối tượng thử nghiệm ......................................................................... 88 4.2.2. Phạm vi thử nghiệm ............................................................................ 88 Sơ đồ bố trí trang thiết bị và quy trình thử nghiệm ................................... 88 Kết quả thí nghiệm và thảo luận ................................................................ 90 4.4.1. Đặc tính tải ở 1500 vòng/phút ............................................................. 90 4.4.1.1. Hệ số lambda................................................................................. 91 4.4.1.2. Suất tiêu hao nhiên liệu ................................................................. 91 4.4.1.3. Phát thải thải NOx ......................................................................... 91 4.4.1.4. Phát thải khói ................................................................................ 92 vi
4.4.1.5. Phát thải HC .................................................................................. 92 4.4.1.6. Phát thải CO .................................................................................. 93 4.4.1.7. Diễn biến áp suất trong buồng đốt ................................................ 93 4.4.2. Đặc tính tải ở 2600 vòng/phút ............................................................. 94 4.4.2.1. Hệ số lambda................................................................................. 94 4.4.2.2. Suất tiêu hao nhiên liệu ................................................................. 94 4.4.2.3. Phát thải NOx ................................................................................ 95 4.4.2.4. Phát thải khói ................................................................................ 95 4.4.2.5. Phát thải HC .................................................................................. 95 4.4.2.6. Phát thải CO .................................................................................. 96 4.4.2.7. Diễn biến áp suất trong buồng đốt ................................................ 96 4.4.3. Đặc tính ngoài ..................................................................................... 97 4.4.3.1. Các thông số làm việc và phát thải ............................................... 97 4.4.3.2. Diễn biến áp suất trong buồng đốt ................................................ 99 4.4.4. Thảo luận ........................................................................................... 100 Kết luận chương 4 .................................................................................... 100 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .................. 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 103 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............ 112 DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC ........................................................................... 113 vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải Đơn vị AVL- Phần mềm mô phỏng một chiều của hãng AVL (Áo) - Boost AVL-MCC Mô hình cháy MCC - BSFC Suất tiêu hao nhiên liệu có ích g/kWh BTDC Trước điểm chết trên Độ BTE Hiệu suất nhiệt % BXT Bộ xúc tác - BXLKT Bộ xử lý khí thải - CA Góc quay trục khuỷu Độ CNG Khí thiên nhiên nén - CO Mô-nô-xit cácbon - CO2 Các-bon đi-ô-xít - CRDi Hệ thống diesel phun diesel điện tử - CRT Bộ lọc tái sinh liên tục - DE Động cơ thuần diesel - DHE Động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-hydro - DOC Bộ xúc tác ô-xy hóa - DPF Bộ lọc phát thải dạng hạt - DEF Dung dịch hỗ trợ giảm phát thải động cơ diesel - ĐCĐT Động cơ đốt trong - E5 Luân hồi khí thải tỉ lệ 5% - ECU Bộ điều khiển động cơ - EGR Phương pháp luân hồi khí thải - Phương pháp kết hợp bổ sung luân hồi khí thải và bổ sung EHSy - hydro trên đường ống nạp g/ct Gam trên chu trình - HR Tỉ lệ hydro bổ sung - H5 Tỉ lệ bổ sung hydro là 5% - Động cơ diesel thực hiện đồng thời bổ sung hydro 5% và H5E5 - luân hồi khí thải 5% HC Hydro carbon - HCCI Động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất - HES Phương pháp bổ sung hydro trên đường ống nạp - ICE Động cơ đốt trong - IMEP Áp suất chỉ thị có ích trung bình MPa ISFC Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g/kWh IVC Van nạp đóng - IVO Van nạp mở -  Hệ số dư lượng không khí - viii
LNT bộ xúc tác hấp thụ NOx - lpm Lít trên phút - mAIR Lưu lượng không khí g/s mD Lưu lượng diesel g/s mH Lưu lượng hydro g/s MP Các điểm đo - NB Động cơ diesel nguyên bản chưa qua cải tạo - NO Nitric oxide - NOx Ôxít nitơ - PCI Cháy do nén hỗn hợp đã hòa trộn - PCCI Cháy do nén hỗn hợp hòa trộn trước - PM Phát thải hạt - PPM Phần triệu - PWM Độ rộng xung - RPM Vòng trên phút v/p R180 Động cơ R180 - SCR Bộ xúc tác có chọn lọc - SFC Suất tiêu hao nhiên liệu g/kWh Smoke Độ khói (%) Soot Bồ hóng g/kWh SOx Ôxít lưu huỳnh - VĐK Vi điều khiển ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 Một số nghiên cứu về EGR cho động cơ có quá trình cháy hiện đại .................. 14 Bảng 1.2 Một số tính chất của hydro, mê-tan, xăng và diesel ............................................. 15 Bảng 2. 1 Thông số kỹ thuật của động cơ R180 .................................................................. 30 Bảng 2. 2 Các phần tử trong mô hình .................................................................................. 30 Bảng 2. 3 Thông số dữ liệu nhập cho mô hình .................................................................... 30 Bảng 2. 4 Các thông số của phần tử điều kiện biên............................................................. 33 Bảng 2. 5 Các thông số hình học, vật lý của các đường ống ............................................... 33 Bảng 2. 6 Độ nâng xu-páp nạp theo góc quay trục khuỷu................................................... 36 Bảng 2. 7 Độ nâng xu-páp thải theo góc quay trục khuỷu .................................................. 36 Bảng 2. 8 Bảng thông số hiệu chỉnh mô hình AVL MCC theo loại nhiên liệu ................... 38 Bảng 2. 9 Bảng thông số hiệu chỉnh mô hình AVL MCC theo người dùng ....................... 38 Bảng 2. 10 Diễn biến hệ số lambda tại đặc tính tải ở 1500 (v/p) ........................................ 43 Bảng 2. 11 Diễn biến ge tại đặc tính tải ở tốc độ 1500 (v/p) ............................................... 45 Bảng 2. 12 Diễn biến phát thải NOx tại đặc tính tải ở 1500 (v/p) ....................................... 47 Bảng 2. 13 Diễn biến phát thải soot tại đặc tính tải ở tốc độ 1500 (v/p) ............................. 49 Bảng 2. 14 Diễn biến phát thải CO tại đặc tính tải ở 1500 (v/p) ......................................... 50 Bảng 2. 15 Diễn biến hệ số lambda tại đặc tính tải ở 2600 (v/p) ........................................ 52 Bảng 2. 16 Diễn biến ge tại đặc tính tải ở 2600 (v/p) .......................................................... 54 Bảng 2. 17 Diễn biến phát thải NOx tại đặc tính tải ở 2600 (v/p) ........................................ 55 Bảng 2. 18 Diễn biến phát thải soot tại đặc tính tải ở 2600 (v/p) ........................................ 57 Bảng 2. 19 Diễn biến phát thải CO tại đặc tính tải ở 2600 (v/p) ......................................... 58 Bảng 3. 1 Thông số kỹ thuật bộ giảm áp ............................................................................. 68 Bảng 3. 2 Thông số kỹ thuật của vòi phun hydro [108] ...................................................... 69 Bảng 3. 3 Thông số kỹ thuật của cảm biến đo tiêu hao nhiên liệu hydro ............................ 70 Bảng 3. 4 Thông số kỹ thuật của van EGR ......................................................................... 74 Bảng 3. 5 Các thông số kỹ thuật động cơ servo MG995 ..................................................... 79 Bảng 4. 1 Hệ số lambda tại 1500 (v/p) ................................................................................ 91 Bảng 4. 2 ge tại 1500 (v/p) ................................................................................................... 91 Bảng 4. 3 Phát thải NOx tại 1500 (v/p) ................................................................................ 92 Bảng 4. 4 Phát thải smoke tại 1500 (v/p) ............................................................................ 92 x
Bảng 4. 5 Phát thải HC tại 1500 (v/p) ................................................................................. 93 Bảng 4. 6 Phát thải CO tại 1500 (v/p) ................................................................................. 93 Bảng 4. 7 Hệ số lambda tại 2600 (v/p) ................................................................................ 94 Bảng 4. 8 Suất tiêu hao nhiên liệu tại 2600 (v/p) ................................................................ 94 Bảng 4. 9 Phát thải NOx tại 2600 (v/p) ................................................................................ 95 Bảng 4. 10 Phát thải smoke tại 2600 (v/p) .......................................................................... 95 Bảng 4. 11 Phát thải HC tại 2600 (v/p) ............................................................................... 96 Bảng 4. 12 Phát thải CO tại 2600 (v/p) ............................................................................... 96 Bảng 4. 13 Hệ số lambda tại đặc tính ngoài ........................................................................ 97 Bảng 4. 14 ge tại đặc tính ngoài ........................................................................................... 97 Bảng 4. 15 Phát thải NOx tại đặc tính ngoài ....................................................................... 98 Bảng 4. 16 Phát thải khói tại đặc tính ngoài ........................................................................ 98 Bảng 4. 17 Phát thải HC tại đặc tính ngoài ......................................................................... 98 Bảng 4. 18 Phát thải CO tại đặc tính ngoài ......................................................................... 99 xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1. 1 Các thành phần có trong khí thải của động cơ diesel [1]....................................... 4 Hình 1. 2 Tổng quan về các phương pháp giảm phát thải NOx và PM [5]............................ 5 Hình 1. 3 Luân hồi nội tại sử dụng cam phụ EGR ................................................................ 8 Hình 1. 4 Hệ thống luân hồi áp suất cao ................................................................................ 9 Hình 1. 5 Hệ thống luân hồi áp thấp ...................................................................................... 9 Hình 1.6 Hệ thống luân hồi kết hợp .................................................................................... 10 Hình 1. 7 Hệ thống luân hồi tức thời ................................................................................... 11 Hình 1. 8 Ảnh hưởng của EGR tới quá trình cháy và phát thải của động cơ diesel [19-23]12 Hình 1. 9 Ảnh hưởng của CO2 và H2O tới phát thải NOx và Soot[28]................................ 13 Hình 1. 10 Ảnh hưởng của nồng độ ô-xy và làm mát khí luân hồi tới phát thải NOx[28] .. 13 Hình 1. 11 Các phương pháp sản xuất nhiên liệu hydro ..................................................... 16 Hình 1. 12 Các phương án cung cấp hydro vào cho ĐCĐT ................................................ 18 Hình 2. 1 Sơ đồ động cơ R180 trang bị EHSy trong thực tế ............................................... 29 Hình 2. 2 Mô hình động cơ R180 có trang bị EHSy trên AVL Boost ................................ 29 Hình 2. 3 Chọn mô hình lưỡng nhiên liệu cho quá trình mô phỏng .................................... 31 Hình 2. 4 Chọn lựa loại nhiên liệu trong mô hình cần mô phỏng ....................................... 31 Hình 2. 5 Thiết lập các thông số điều khiển vòi phun ......................................................... 31 Hình 2. 6 Khai báo biến thay đổi lượng nhiên liệu hydro cung cấp .................................... 31 Hình 2. 7 Thiết lập đường kính van EGR ............................................................................ 32 Hình 2. 8 Mối quan hệ giữa góc quay và hệ số lưu lượng của van EGR ............................ 32 Hình 2. 9 Thiết lập lưu lượng, nhiệt độ và áp suất đầu ra mong muốn ............................... 33 Hình 2. 10 Các thông số bộ làm mát khí luân hồi ............................................................... 33 Hình 2. 11 Thiết lập chung phần tử xi-lanh ......................................................................... 34 Hình 2. 12 Thiết lập mô hình truyền nhiệt .......................................................................... 34 Hình 2. 13 Thiết lập xú-páp nạp .......................................................................................... 35 Hình 2. 14 Thiết lập xú-páp thải .......................................................................................... 35 Hình 2. 15 Chọn lựa mô hình cháy và phương pháp hình thành hòa khí ............................ 37 Hình 2. 16 Khai báo thông số vật lý vòi phun diesel .......................................................... 37 Hình 2. 17 Tỉ lệ phun của vòi phun diesel sơ bộ theo biên dạng cam bơm ......................... 37 Hình 2. 18 Các thông số hiệu chỉnh mô hình cháy trong mô hình AVL MCC ................... 38 Hình 2. 19 Hiệu chỉnh mô hình theo kinh nghiệm người dùng ........................................... 38 xii
Hình 2. 20 Hiệu chỉnh các hệ số phát thải của mô hình cháy AVL-MCC .......................... 39 Hình 2. 21 Thay đổi lượng diesel và hydro ......................................................................... 39 Hình 2. 22 Thay đổi tỉ lệ EGR ............................................................................................. 39 Hình 2. 23 So sánh công suất và tiêu hao nhiên liệu ở đặc tính ngoài ................................ 42 Hình 2. 24 So sánh phát thải NOx ở đặc tính ngoài ............................................................. 42 Hình 2. 25 So sánh phát thải CO ở đặc tính ngoài .............................................................. 42 Hình 2. 26 Đồ thị so sánh Gnl tại đặc tính tải ở 1500 (v/p) và 2600 (v/p) ........................... 42 Hình 2. 27 Đồ thị so sánh phát thải NOx tại đặc tính tải ở 1500 (v/p) và 2600 (v/p) .......... 42 Hình 2. 28 Đồ thị so sánh phát thải CO tại đặc tính tải ở 1500 (v/p) và 2600 (v/p)............ 42 Hình 2. 29 Đồ thị so sánh NOx ở 1500 (v/p) và 2600 (v/p) khi thực hiện H5E5 ................ 42 Hình 2. 30 Đồ thị so sánh CO ở 1500 (v/p) và 2600 (v/p) khi thực hiện H5E5 .................. 42 Hình 2.31 Ảnh hưởng của EGR tới lambda trên R180 với H5 tại 1500 (v/p) mô phỏng ... 44 Hình 2.32 Ảnh hưởng của EGR tới lambda trên R180 với H10 tại 1500 (v/p) mô phỏng . 44 Hình 2.33 Ảnh hưởng của EGR tới lambda trên R180 với H20 tại 1500 (v/p) mô phỏng . 44 Hình 2.34 Ảnh hưởng của EGR tới lambda trên R180 với H30 tại 1500 (v/p) mô phỏng . 44 Hình 2. 35 Ảnh hưởng của EGR tới ge trên R180 với H5 tại 1500 (v/p) mô phỏng ........... 46 Hình 2. 36 Ảnh hưởng của EGR tới ge trên R180 với H10 tại 1500 (v/p) mô phỏng ......... 46 Hình 2. 37 Ảnh hưởng của EGR tới ge trên R180 với H20 tại 1500 (v/p) mô phỏng ........ 46 Hình 2. 38 Ảnh hưởng của EGR tới ge trên R180 với H30 tại 1500 (v/p) mô phỏng ......... 46 Hình 2. 39 Ảnh hưởng của EGR tới NOx trên R180 với H5 tại 1500 (v/p) mô phỏng ....... 48 Hình 2. 40 Ảnh hưởng của EGR tới NOx trên R180 với H10 tại 1500 (v/p) mô phỏng ..... 48 Hình 2. 41 Ảnh hưởng của EGR tới NOx trên R180 với H20 tại 1500 (v/p) mô phỏng ..... 48 Hình 2. 42 Ảnh hưởng của EGR tới NOx trên R180 với H30 tại 1500 (v/p) mô phỏng ..... 48 Hình 2. 43 Ảnh hưởng của EGR tới soot trên R180 với H5 tại 1500 (v/p) mô phỏng........ 49 Hình 2. 44 Ảnh hưởng của EGR tới soot trên R180 với H10 tại 1500 (v/p) mô phỏng...... 49 Hình 2. 45 Ảnh hưởng của EGR tới soot trên R180 với H20 tại 1500 (v/p) mô phỏng...... 49 Hình 2. 46 Ảnh hưởng của EGR tới soot trên R180 với H30 tại 1500 (v/p) mô phỏng ...... 49 Hình 2. 47 Ảnh hưởng của EGR tới CO trên R180 với H5 tại 1500 (v/p) mô phỏng ......... 51 Hình 2. 48 Ảnh hưởng của EGR tới CO trên R180 với H10 tại 1500 (v/p) mô phỏng ....... 51 Hình 2. 49 Ảnh hưởng của EGR tới CO trên R180 với H20 tại 1500 (v/p) mô phỏng ....... 51 Hình 2. 50 Ảnh hưởng của EGR tới CO trên R180 với H30 tại 1500 (v/p) mô phỏng ....... 51 Hình 2. 51 Tỉ lệ hydro thay thế và EGR hợp lý ở tốc độ 1500 (v/p) ................................... 52 Hình 2.52 Ảnh hưởng của EGR tới lambda trên R180 với H5 tại 2600 (v/p) mô phỏng ... 53 Hình 2.53 Ảnh hưởng của EGR tới lambda trên R180 với H10 tại 2600 (v/p) mô phỏng . 53 Hình 2.54 Ảnh hưởng của EGR tới lambda trên R180 với H20 tại 2600 (v/p) mô phỏng . 53 xiii
Hình 2.55 Ảnh hưởng của EGR tới lambda trên R180 với H30 tại 2600 (v/p) mô phỏng . 53 Hình 2. 56 Ảnh hưởng của EGR tới ge trên R180 với H5 tại 2600 (v/p) mô phỏng .......... 54 Hình 2. 57 Ảnh hưởng của EGR tới ge trên R180 với H10 tại 2600 (v/p) mô phỏng ......... 54 Hình 2. 58 Ảnh hưởng của EGR tới ge trên R180 với H20 tại 2600 (v/p) mô phỏng ......... 55 Hình 2. 59 Ảnh hưởng của EGR tới ge trên R180 với H30 tại 2600 (v/p) mô phỏng ......... 55 Hình 2. 60 Ảnh hưởng của EGR tới NOx trên R180 với H5 tại 2600 (v/p) mô phỏng ....... 56 Hình 2. 61 Ảnh hưởng của EGR tới NOx trên R180 với H10 tại 2600 (v/p) mô phỏng ..... 56 Hình 2. 62 Ảnh hưởng của EGR tới NOx trên R180 với H20 tại 2600 (v/p) mô phỏng ..... 56 Hình 2. 63 Ảnh hưởng của EGR tới NOx trên R180 với H30 tại 2600 (v/p) mô phỏng ..... 56 Hình 2. 64 Ảnh hưởng của EGR tới soot trên R180 với H5 tại 2600 (v/p) mô phỏng........ 56 Hình 2. 65 Ảnh hưởng của EGR tới soot trên R180 với H10 tại 2600 (v/p) mô phỏng...... 56 Hình 2. 66 Ảnh hưởng của EGR tới soot trên R180 với H20 tại 2600 (v/p) mô phỏng...... 57 Hình 2. 67 Ảnh hưởng của EGR tới soot trên R180 với H30 tại 2600 (v/p) mô phỏng...... 57 Hình 2. 68 Ảnh hưởng của EGR tới CO trên R180 với H5 tại 2600 (v/p) mô phỏng ......... 58 Hình 2. 69 Ảnh hưởng của EGR tới CO trên R180 với H10 tại 2600 (v/p) mô phỏng ....... 58 Hình 2. 70 Ảnh hưởng của EGR tới CO trên R180 với H20 tại 2600 (v/p) mô phỏng ....... 59 Hình 2. 71 Ảnh hưởng của EGR tới CO trên R180 với H30 tại 2600 (v/p) mô phỏng ....... 59 Hình 2. 72 Tỉ lệ hydro và EGR thay thế hợp lý ở tốc độ 2600 (v/p) ................................... 59 Hình 2. 73 Ảnh hưởng của EHSy tới lambda trên R180 ở toàn tải mô phỏng .................... 60 Hình 2. 74 Ảnh hưởng của EHSy tới pcmax trên R180 ở toàn tải mô phỏng ........................ 60 Hình 2. 75 Ảnh hưởng của EHSy tới ge trên R180 ở toàn tải mô phỏng ............................ 60 Hình 2. 76 Ảnh hưởng của EHSy tới NOx trên R180 ở toàn tải mô phỏng ........................ 60 Hình 2. 77 Ảnh hưởng của EHSy tới soot trên R180 ở toàn tải mô phỏng ......................... 61 Hình 2. 78 Ảnh hưởng của EHSy tới CO trên R180 ở toàn tải mô phỏng .......................... 61 Hình 3. 1 Sơ đồ khối hệ thống EHSy trang bị cho động cơ diesel R180 ............................ 65 Hình 3. 2 Động cơ diesel R180 dùng cho thí nghiệm ......................................................... 66 Hình 3. 3 Kết cấu bơm cao áp động cơ R180 ...................................................................... 66 Hình 3. 4 Kết cấu vòi phun diesel động cơ R180 ................................................................ 66 Hình 3. 5 Bình chứa nhiên liệu hydro ................................................................................. 67 Hình 3. 6 Van chống cháy ngược ........................................................................................ 67 Hình 3. 7 Cấu tạo cụm van giảm áp .................................................................................... 68 Hình 3. 8 Cấu tạo vòi phun hydro ....................................................................................... 68 Hình 3. 9 Ý nghĩa của T và i .............................................................................................. 69 Hình 3. 10 Cảm biến đo tiêu hao nhiên liệu hydro .............................................................. 70 xiv
Hình 3. 11 Hệ thống cung cấp nhiên liệu hydro sau khi hoàn thiện.................................... 71 Hình 3. 12 Kích thước đường ống thải ................................................................................ 71 Hình 3. 13 Sơ đồ tính toán tiết diện lưu thông của van EGR .............................................. 73 Hình 3. 14 Van EGR lựa chọn phục vụ thí nghiệm ............................................................. 73 Hình 3. 15 Mạch điện điều khiển van EGR ......................................................................... 74 Hình 3. 16 Hệ thống điều khiển van EGR ........................................................................... 74 Hình 3.17 Ống làm mát khí luân hồi ................................................................................... 75 Hình 3. 18 Bơm nước làm mát khí luân hồi ........................................................................ 75 Hình 3. 19 Hệ thống EGR cho động cơ R180 sau khi hoàn thiện ....................................... 76 Hình 3. 20 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống EHSy ...................................................... 76 Hình 3. 21 Sơ đồ cấu tạo hệ thống EHSy ............................................................................ 77 Hình 3. 22 Sơ đồ bố trí trong thực tế ................................................................................... 77 Hình 3. 23 Vị trí lắp đặt cảm biến phun hydro .................................................................... 78 Hình 3. 24 Cấu tạo cảm biến tốc độ động cơ ...................................................................... 78 Hình 3. 25 Cảm biến vị trí tay điều khiển ........................................................................... 78 Hình 3. 26 Sơ đồ mạch điện cảm biến ................................................................................. 78 Hình 3. 27 Mô tơ kéo thước nhiên liệu................................................................................ 79 Hình 3. 28 Mô tơ servo MG995 .......................................................................................... 79 Hình 3. 29 Đặc tính của động cơ servo ............................................................................... 80 Hình 3. 30 Đặc tính của vòi phun hydro.............................................................................. 80 Hình 3. 31 Tỉ lệ EGR theo độ mở van EGR ở tốc độ 1500 (v/p) ........................................ 80 Hình 3. 32 Tỉ lệ EGR theo độ mở van EGR ở tốc độ 2600 (v/p) ........................................ 80 Hình 3. 33 Sơ đồ mô tả các tín hiệu của card HDL 9090 .................................................... 81 Hình 3. 34 ECU điều khiển hệ thống EHSy ........................................................................ 81 Hình 3. 35 Sơ đồ thuật toán xác định tốc độ thực của động cơ ........................................... 82 Hình 3. 36 Sơ đồ thuật toán xác định vị trí tay điều khiển .................................................. 83 Hình 3. 37 Thuật toán xác định vị trí van EGR ................................................................... 84 Hình 3. 38 Thuật toán điều khiển góc quay động cơ servo ................................................. 84 Hình 3. 39 Thuật toán điều khiển vòi phun hydro ............................................................... 85 Hình 3. 40 Thuật toán điều khiển van EGR ........................................................................ 85 Hình 3. 41 Code lập trình điều khiển EHSy trên Labview .................................................. 86 Hình 3. 42 Giao diện điều khiển và hiển thị trên Labview.................................................. 86 Hình 3. 43 Sơ đồ mạch điện điều khiển hệ thống EHSy ..................................................... 87 Hình 3. 44 Sơ đồ mạch nguồn hệ thống EHSy .................................................................... 87 xv
Hình 4. 1 Động cơ R180 ...................................................................................................... 88 Hình 4. 2 Kích thước động cơ R180 .................................................................................... 88 Hình 4. 3 Sơ đồ băng thử phục vụ thử nghiệm .................................................................... 89 Hình 4.4 Hệ số lambda tại 1500 (v/p) ................................................................................. 91 Hình 4.5 ge tại 1500 (v/p) .................................................................................................... 91 Hình 4. 6 Phát thải NOx tại 1500 (v/p) ................................................................................ 92 Hình 4. 7 Phát thải khói tại 1500 (v/p) ................................................................................ 92 Hình 4. 8 Phát thải HC tại 1500 (v/p) .................................................................................. 93 Hình 4. 9 Phát thải CO tại 1500 (v/p) .................................................................................. 93 Hình 4. 10 Diễn biến áp suất buồng đốt tại 3kW ................................................................ 93 Hình 4. 11 Diễn biến áp suất buồng đốt tại 4kW ................................................................ 93 Hình 4. 12 Lambda tại 2600 (v/p) ....................................................................................... 94 Hình 4. 13 ge tại 2600 (v/p) ................................................................................................. 94 Hình 4. 14 Phát thải NOx tại 2600 (v/p) .............................................................................. 95 Hình 4. 15 Phát thải smoke tại 2600 (v/p) ........................................................................... 95 Hình 4. 16 Phát thải HC tại 2600 (v/p) ................................................................................ 96 Hình 4. 17 Phát thải CO tại 2600 (v/p) ................................................................................ 96 Hình 4. 18 Diễn biến áp suất buồng đốt tại 3kW ................................................................ 96 Hình 4. 19 Diễn biến áp suất buồng đốt tại 4kW ................................................................ 96 Hình 4. 20 Diễn biến áp suất buồng đốt tại 5kW ................................................................ 97 Hình 4. 21 Hệ số lambda tại đặc tính ngoài ........................................................................ 97 Hình 4. 22 ge tại đặc tính ngoài ........................................................................................... 97 Hình 4. 23 Phát thải NOx tại đặc tính ngoài ........................................................................ 98 Hình 4. 24 Phát thải khói tại đặc tính ngoài ........................................................................ 98 Hình 4. 25 Phát thải HC tại đặc tính ngoài .......................................................................... 98 Hình 4. 26 Phát thải CO tại đặc tính ngoài .......................................................................... 99 Hình 4. 27 Diễn biến áp suất buồng đốt tại toàn tải ............................................................ 99 xvi
MỞ ĐẦU Động cơ diesel được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quân sự, kinh tế quốc dân…do có các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cao hơn hẳn động cơ xăng. Tuy nhiên, do sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống nên động cơ diesel phát thải nhiều các chất độc hại như CO, HC, NOx và PM. Hiện nay, sự gia tăng nhanh về số lượng các phương tiện vận tải và thiết bị động lực trang bị loại động cơ này đang gây ô nhiễm môi trường trầm trọng, đặc biệt là ô nhiễm do phát thải NOx và PM. Do vậy, việc nghiên cứu giảm phát thải của động cơ là rất cần thiết để bảo vệ môi trường. Có nhiều phương pháp kiểm soát phát thải độc hại đã và đang được nghiên cứu áp dụng như xử lý khí thải, luân hồi khí thải, sử dụng phụ gia nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu thay thế có nguồn gốc sinh học và bổ sung hydro… Công nghệ xử lý khí thải đã và đang được sử dụng khá phổ biến trên các động cơ diesel hiện đại ngày nay. Để xử lý được tất cả các thành phần phát thải độc hại cần trang bị hệ thống xử lý khí thải phức tạp gồm bộ xử lý DOC để xử lý CO và HC, bộ xử lý DPF để lọc bụi, bộ xử lý SCR kết hợp DEF để giảm NOx. Việc trang bị các bộ xử lý khí này giúp giảm đáng kể các thành phần phát thải của động cơ diesel. Tuy nhiên, kết cấu hệ thống xử lý khí thải này khá cồng kềnh, chi phí tốn kém và sử dụng phức tạp nên thường không được trang bị trên các động cơ thế hệ cũ. Phương pháp luân hồi khí thải EGR cũng được xem là một phương pháp hiệu quả để giảm phát thải NOx của động cơ diesel và đã được sử dụng từ lâu. Tuy nhiên, công nghệ này lại làm giảm hiệu suất động cơ và tăng hàm lượng CO, HC và PM trong khí thải nên cần được sử dụng kết hợp với các biện pháp xử lý khác. Các phương pháp sử dụng phụ gia nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu thay thế có nguồn gốc sinh học và sử dụng nhiên liệu hydro cũng có hiệu quả đáng kể không chỉ giảm phát thải mà còn cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ nhưng còn một số bất cập như giá thành hiện tại đắt đỏ và thường làm tăng NOx. Riêng đối với nhiên liệu hydro, nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy nhiên liệu này có đặc điểm cháy nhanh, trị số ốc-tan cao nên dùng được trên động cơ có tỷ số nén cao, góp phần tăng hiệu suất nhiệt và cho phép động cơ có thể làm việc ở tốc độ cao, nhờ đó mà dễ dàng tăng công suất động cơ. Tức là, nhiên liệu hydro không những giúp giảm phát thải CO, HC và PM mà còn giúp tăng hiệu suất và giảm tiêu hao nhiên liệu của động cơ. Tuy nhiên, nhiên liệu hydro có nhược điểm so với nhiên liệu diesel là nhiệt trị mole rất thấp nên nếu không thay đổi kết cấu động cơ khi chuyển từ động cơ diesel sang động cơ chạy hoàn toàn bằng hydro thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều. Thêm nữa, việc sản xuất, vận chuyển và tích trữ bảo quản nhiên liệu hydro đủ để thay thế hoàn toàn diesel khá khó khăn và tốn kém do nhiên liệu có tỷ trọng rất thấp. Do đó, nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng hydro làm nhiên liệu bổ sung vào các nhiên liệu truyền thống. Với phương pháp này, hydro chỉ được cấp một tỷ lệ nhất định vào trong động cơ để hòa trộn với nhiên liệu chính là diesel để cải thiện quá trình cháy của động cơ. Kết quả nghiên cứu cho thấy với việc bổ sung khí hydro, quá trình cháy trong động cơ trở nên triệt để hơn, hiệu suất nhiệt tăng và do đó giảm suất tiêu hao nhiên liệu, đồng thời giảm được thành phần khí thải độc hại CO, HC và PM trong khi không cần thay đổi kết cấu động cơ so với khi dùng diesel. 1
Tại Việt Nam có một số lượng lớn các động cơ diesel sử dụng công nghệ cũ trang bị hệ thống nhiên liệu diesel cơ khí cổ điển và không được trang bị hệ thống kiểm soát khí thải toàn diện, khí thải chỉ qua bình tiêu âm rồi được thải trực tiếp ra môi trường. Có thể kể đến đó là các loại động cơ được lắp đặt trên các xe vận tải với tải trọng trung bình, trên các máy phát điện cỡ nhỏ, máy phục vụ nông nghiệp như họ động cơ D4BB sử dụng bơm cao áp phân phối Bosch của Hyundai, D6CA sử dụng bơm cao áp dãy Bosch của Isuzu, họ động cơ R180 sử dụng bơm cao áp đơn của Trung Quốc…. Phần lớn các động cơ diesel đang lưu hành ở Việt Nam hiện nay thuộc loại này. Các loại động cơ này đang là nguồn ô nhiễm lớn, nếu không được kiểm soát sẽ là mối đe dọa trầm trọng đối với môi trường. Chính vì vậy, để kiểm soát đồng thời tất cả các thành phần phát thải của động cơ diesel hiện hành và đặc biệt là NOx và PM với giá thành thấp có thể sử dụng phương pháp kết hợp luân hồi khí thải với bổ sung khí hydro hoặc khí giàu hydro vào động cơ. Với phương pháp này, NOx sẽ giảm nhờ luân hồi khí thải, còn CO, HC và PM sẽ giảm nhờ sự cải thiện quá trình cháy của nhiên liệu hydro bổ sung. Đây chính là lý do cần thực hiện đề tài “Nghiên cứu giảm phát thải độc hại của động cơ diesel đang lưu hành bằng phương pháp luân hồi khí thải kết hợp bổ sung khí hydro”. Việc nghiên cứu được thực hiện trên động cơ diesel 1 xi-lanh R180. Đây là loại động cơ công nghệ cũ đang được sử dụng rất phổ biến ở Việt Nam. Trong luận án các từ khóa quan trọng bao gồm: - EGR: Hệ thống luân hồi khí thải; - HES: Hệ thống bổ sung hydro trên đường nạp; - EHSy: Hệ thống kết hợp giữa luân hồi khí thải và bổ sung hydro. i. Mục đích nghiên cứu của đề tài Đánh giá được ảnh hưởng đồng thời của luân hồi khí thải và bổ sung hydro đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ diesel; Đưa ra được giải pháp kết hợp luân hồi khí thải và bổ sung hydro hợp lý để giảm phát thải cho động cơ diesel. ii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel R180 - Phạm vi nghiên cứu: + Nghiên cứu ảnh hưởng của luân hồi khí thải và bổ sung hydro đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ, từ đó xác định được chế độ luân hồi và bổ sung hydro phù hợp để giảm phát thải NOx và PM trong khi không làm giảm các chỉ tiêu khác (suất tiêu hao nhiên liệu, CO, HC) quá 5%. + Việc nghiên cứu được thực hiện ở quy mô trong phòng thí nghiệm tại Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. iii. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về các biện pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel từ đó chọn giải pháp nghiên cứu cho động cơ diesel đang lưu hành tại Việt Nam; 2
- Nghiên cứu mô phỏng động cơ R180 sử dụng hệ thống luân hồi khí thải kết hợp bổ sung hydro (EHSy) để xác định các tỉ lệ luân hồi và bổ sung hydro phù hợp ở các chế độ làm việc của động cơ; - Thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống EHSy cho động cơ diesel R180 để phục vụ nghiên cứu thử nghiệm; - Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để xác định các thông số đầu vào cho các mô hình mô phỏng, hiệu chỉnh, đánh giá độ tin cậy của các mô hình mô phỏng và đánh giá hiệu quả của các giải pháp nghiên cứu đã đề ra. iv. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp lý thuyết mô hình hóa với thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết gồm nghiên cứu cơ sở lý thuyết và mô hình hóa động cơ sử dụng EGR và HES để xác định tỉ lệ EGR và hydro thay thế phù hợp ở các chế độ làm việc của động cơ. Nghiên cứu thực nghiệm: Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm nhằm đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng và hiệu quả của giải pháp đã đưa ra. v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Luận án đã đưa ra được cơ sở khoa học để giảm NOx và PM của động cơ diesel trong khi vẫn đảm bảo các chỉ tiêu kĩ thuật và phát thải của động cơ bằng cách kết hợp EGR và HES trong động cơ. Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án sẽ góp phần vào nghiên cứu giảm ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ diesel thuộc thế hệ cũ đang lưu hành tại Việt Nam. vi. Các điểm đóng góp mới của luận án Đã xây dựng được mô hình mô phỏng động cơ diesel không tăng áp có luân hồi khí thải và bổ sung hydro trên đường nạp trên phần mềm AVL Boost; mô hình cho phép xác định được ảnh hưởng của luân hồi khí thải và bổ sung hydro đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ; Đã thiết kế chế tạo và lắp đặt thành công hệ thống EHSy cho động cơ diesel cho phép thay đổi tỉ lệ khí luân hồi và hydro bổ sung theo ý muốn để phục vụ nghiên cứu thực nghiệm; Đã nghiên cứu thực nghiệm và xác định được bộ thông số tỉ lệ luân hồi và bổ sung hydro phù hợp để giảm phát thải cho động cơ nghiên cứu. vii. Bố cục của luận án Luận án gồm các phần: Mở đầu; Chương 1. Nghiên cứu tổng quan ; Chương 2. Nghiên cứu mô phỏng động cơ diesel hiện hành sử dụng luân hồi khí thải và bổ sung hydro; Chương 3. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống EHSy cho động cơ diesel R180 Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm; Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài. 3
Chương 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Phát thải của động cơ diesel và phương pháp kiểm soát 1.1.1. Đặc điểm phát thải động cơ diesel Động cơ diesel có vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực của cuộc sống nhưng lại sản sinh ra rất nhiều các chất phát thải độc hại gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người và môi trường. Các chất thải ô nhiễm chính gồm NOx, HC, CO và PM. Tùy thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, đặc điểm kết cấu và tình trạng kỹ thuật của động cơ mà nồng độ các thành phần phát thải của các động cơ khác nhau. NOx được sinh ra trong buồng cháy trong quá trình cháy do phản ứng hóa học giữa nguyên tử ô-xy và ni-tơ của không khí. Các phản ứng tạo thành NOx phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Bởi vậy lượng NOx thải ra từ động cơ thường tăng theo tải của động cơ. Ở chế độ khởi động lạnh và chạy ấm máy, lượng NOx thải ra tương đối thấp, nhưng ở chế độ tải càng lớn thì lượng phát thải NOx càng lớn do nhiệt độ của quá trình cháy cũng như nhiệt độ của động cơ tăng cao. PM bao gồm các nhân các-bon (bồ hóng) và các hợp chất hữu cơ bám dính trên nó. Hầu hết phát thải hạt là kết quả của quá trình cháy không hoàn toàn HC của nhiên liệu và một phần là do dầu bôi trơn. Thành phần của PM phụ thuộc vào tình trạng của khí thải và hệ thống đường ống thải của động cơ. Ở nhiệt độ trên 500oC, các hạt riêng biệt là một chuỗi những hạt các-bon hình cầu hoặc tương tự hình cầu (kết hợp với một lượng nhỏ HC) với đường kính của các hạt tương tự hình cầu khoảng 15 đến 30 nm. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 500oC, các hạt này sẽ được phủ bởi các hợp chất hữu cơ bám đọng có trọng lượng khá lớn bao gồm: hy-đrô-các-bon có chứa phân tử ô-xy (ketones, este, a-xít hữu cơ) và hy-đrô-các-bon thơm đa nhân. Các thành phần bám đọng còn có những thành phần không phải hữu cơ như SO2, NO và sun-fu-ríc H2SO4. Thành phần khí thải của động cơ diesel được trình bày trên Hình 1.1. Hình 1. 1 Các thành phần có trong khí thải của động cơ diesel [1] 1.1.2. Các công nghệ giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel Để hạn chế phát thải độc hại do động cơ diesel gây ra, các quốc gia trên thế giới và Việt Nam luôn đưa ra các quy định về tiêu chuẩn phát thải ngày càng ngặt nghèo cho các loại phương tiện. Từ đó, các nhà nghiên cứu và chế tạo động cơ luôn phải nghiên cứu tìm giải pháp để giảm phát thải. Việc giảm phát thải độc hại của động cơ diesel có thể theo hướng ngăn chặn sự hình thành chúng trong buồng đốt (bao gồm kỹ thuật thiết kế động cơ và công nghệ nhiên liệu-bôi trơn) hoặc chuyển đổi chúng thành các chất không gây độc hại cho con người và môi trường (bao gồm các công nghệ xử lý khí thải) [2]. Ngoài ra, công nghệ 4