Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xác định thành phần khí thải phát tán vào môi trường của động cơ ôtô sử dụng lưỡng nhiên liệu Diesel - LPG

Chia sẻ: Trần Khánh Dư | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:157

Thêm vào BST

Báo xấu

229
lượt xem 63
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xác định thành phần khí thải phát tán vào môi trường của động cơ ôtô sử dụng lưỡng nhiên liệu Diesel - LPG nhằm xác định hàm lượng các thành phần khí thải khi lắp thêm bộ cung cấp khí hóa lỏng (LPG) vào động cơ diesel; đánh giá hiệu quả giảm phát thải của động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xác định thành phần khí thải phát tán vào môi trường của động cơ ôtô 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........................................................................................................ i Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt.................................................... iv Danh mục các bảng trong luận án......................................................... ix Danh mục các hình vẽ và ảnh trong luận án........................................... xi MỞ ĐẦU..................................................................................................... 1 Chương I. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU................................. 5 1.1 Tổng quan về ô nhiễm môi trường do phát thải của ô tô ..................... 5 1.1.1. Sự phát triển phương tiện giao thông ở Việt Nam............................ 5 1.1.2. Tình hình ô nhiễm môi trường do phát thải của ô tô......................... 7 1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng LPG............................................... 10 1.2.1. Tình hình sản xuất LPG................................................................. 10 1.2.2. Tình hình sử dụng LPG................................................................. 11 1.3. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về khí thải của động cơ diesel và động cơ diesel-LPG................................................................................ 11 1.3.1. Các kết quả nghiên cứu trên thế giới................................................. 11 1.3.2. Các kết quả nghiên cứu trong nước................................................... 16 1.4 Kết luận chương I…………………………………………………..... 19 Chương II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THÀNH PHẦN KHÍ THAI ̉ CỦA ĐÔNG CƠ DIESEL ĐỘNG CƠ DIESEL – LPG................................. ̣ VÀ 22 2.1. Chọn phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel- LPG..................... 22 2.1.1. Các phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel-LPG.................... 22 2.1.2. Chọn phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel- LPG.............. 25 2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình chay trong đông cơ diesel động cơ diesel-LPG 26 ́ ̣ và 2.2.1. Quá trình cháy trong động cơ diesel.................................................. 26 2.2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy trong động cơ diesel-LPG .......... 31 2.2.3. Cơ sở mô hình hóa quá trình hình thành hỗn nợp và cháy trong động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-LPG .......................................................... 37
ii 2.3. Các thành phần khí thải ……………………......................................... 47 2.3.1. Mônôxit cácbon........................................................................... 48 2.3.2. Hyđrô cácbon.............................................................................. 49 2.3.3. Ôxit nitơ..................................................................................... 52 2.3.4. Phát thải hạt................................................................................ 54 2.4. Cơ sơ tí nh toan cac thanh phân phat thai trong đông cơ diesel và động ̉ ́ ́ ̀ ̀ ́ ̉ ̣ cơ diesel - LPG ..................................................................................... 59 2.4.1. Tính toán phát thải NOx.................................................................... 59 2.4.2. Tính toán phát thải CO...................................................................... 60 2.4.3. Tính toán phát thải HC........................................................................ 60 2.4.4. Tính toán phát thải bồ hóng (Soot)................................................... 61 2.5. Kết luận chương II………………………………………………............... 63 Chương III. XÂY DỰNG MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ ĐỘNG CƠ DIESEL-LPG 65 3.1. Phần mềm AVL BOOST................................................................ 65 3.1.1. Các phần mềm mô phỏng động cơ.................................................... 65 3.1.2. Phần mềm AVL BOOST.................................................................. 66 3.2. Ứng dụng phần mềm AVL BOOST tính toán các thành phần khí thải của động cơ FAWDE - 4DX23................................................................. 68 3.2.1. Các thông số cơ bản của động cơ FAWDE- 4DX23......................... 68 3.2.2. Nhiên liệu diesel và LPG.............................................................. 69 3.2.3. Xây dựng mô hình động cơ diesel trên AVL Boost.......................... 72 3.2.4. Kiểm chứng đô chí nh xac cua mô hì nh............................................. ̣ ́ ̉ 73 3.2.5. Xây dựng mô hình động cơ diesel - LPG trên AVL Boost............... 74 3.2.6. Kết quả tính toán mô phỏng.............................................................. 77 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 ...... 80 3.3.1. Ảnh hưởng của góc phun sớm đến lượng phát thải của động cơ diesel - LPG......................................................................................... 80
iii 3.3.2. Ảnh hưởng của pha phân phối khí đến lượng phát thải của động cơ diesel - LPG.......................................................................................... 83 3.4. Kết luận chương III.............................................................................. 85 Chương IV. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ...................................... 87 4.1. Mục tiêu và nội dung thử nghiệm........................................................ 87 4.1.1. Mục tiêu thử nghiệm......................................................................... 87 4.1.2. Nội dung thử nghiệm......................................................................... 87 4.2. Thiết bị thí nghiệm............................................................................... 87 4.2.1. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm................................................................... 88 4.2.2. Các bộ phận cơ bản của thiết bị thử nghiệm..................................... 90 4.3. Lựa chọn và lắp đặt hệ thống cung cấp LPG vào động cơ diesel thí nghiệm........................................................................................................ 99 4.4. Quy trình thí nghiệm................................................................................... 103 4.4.1. Điều kiện thí nghiệm......................................................................... 103 4.4.2. Thí nghiệm đo khí xả động cơ diesel nguyên thủy........................... 104 4.4.3. Thí nghiệm đo khí xả động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-LPG............ 107 4.5. Kết quả thử nghiệm và đánh giá.......................................................... 110 4.5.1. Tiêu chuẩn EURO về phát thải của động cơ diesel........................... 110 4.5.2. Kết quả đánh giá động cơ thử nghiệm.............................................. 110 4.5.3. Đánh giá chất lượng phát thải của động cơ diesel khi chạy lưỡng nhiên liệu diesel-LPG................................................................................. 112 4.5.4. Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm..................................... 118 4.6. Kết luận chương IV.............................................................................. 121 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ.................................................. 122 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ............ 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 125 PHỤ LỤC.................................................................................................... 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 Đồ thị tốc độ tỏa nhiệt - SCR 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 - Hàm lượng các chất hữu cơ độc hại bay lên trên không - VOCs 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 Hằng số phụ thuộc vào tỷ lệ nhiên liệu LPG cung cấp - aw vào xy lanh  o,  Thời điểm và thời gian diễn ra quá trình cháy Độ k Sai số % Tỷ lệ phần trăm năng lượng do LPG sinh ra trong tổng % CCR năng lượng của lưỡng nhiên liệu diesel-LPG mLPG Khối lượng LPG tiêu thụ kg H uLPG Nhiệt trị thấp của LPG MJ/kg mdiesel Khối lượng diesel tiêu thụ kg H udiesel Nhiệt trị thấp của diesel MJ/kg mc Khối lượng môi chất bên trong xy lanh kg u Nội năng - pc Áp suất bên trong xy lanh Pa V Thể tích xy lanh m3 QF Nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp kJ QW Tổn thất nhiệt qua vách kJ α Góc quay trục khuỷu độ h BB Trị số entanpy - dmi Lượng khí đi vào xy lanh kg
vi dme Lượng khí đi ra khỏi xy lanh kg hi Entanpy của môi chất khí đi vào xy lanh - he Entanpy của môi chất khí đi ra khỏi xy lanh - q ev 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 A eff Diện tích thông qua m2 Pol Áp suất môi chất trước họng tiết lưu Pa P2 Áp suất môi chất sau họng tiết lưu Pa Tol Nhiệt độ môi chất trước họng tiết lưu K Ro 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 - d vi 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 Góc giữa đường nối tâm quay với piston ở điểm chết φ độ trên với trục thẳng đứng (trường hợp xy lanh lệch tâm) e Khoảng lệch tâm m Q wi Nhiệt truyền đến các chi tiết (nắp máy, đỉnh piston, K thành xy lanh) Diện tích bề mặt các chi tiết (nắp máy, đỉnh piston, A wi m2 thành xy lanh) αw Hệ số truyền nhiệt Tc Nhiệt độ môi chất trên bề mặt thành xy lanh K Twi : Nhiệt độ bề mặt chi tiết (nắp máy, đỉnh piston, thành xy K lanh) 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 m3 Pc Áp suất môi chất trong xy lanh Pa pc,0 Áp suất khí trời Pa Áp suất môi chất trong xy lanh tại thời điểm đóng xu Pc,1 Pa páp nạp Nhiệt độ môi chất trong xy lanh tại thời điểm đóng xu Tc,1 K páp nạp VTDC Thể tích xy lanh khi piston ở điểm chết trên m3 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 m2 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 w Oxygen,available 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 Thê năng cua tia nhiên liêu ́ ̉ ̣ J Cturb Hăng sô năng lương chuyên đông rôi ̀ ́ ̣ ̉ ̣ ́ -
viii CDiss Hăng sô suy giam ̀ ́ ̉ - mF,I Lương nhiên liêu phun vao ̣ ̣ ̀ kg v Tôc đô nhiên liêu ́ ̣ ̣ m/s Khôi lương không khí ly tương đê đôt chay hêt nhiên ́ ̣ ́ ̉ ̉ ́ ́ ́ mstoich kg liêu ̣ λDiff Hê sô dư lương không khítrong qua trì nh chay chí nh ̣ ́ ̣ ́ ́ - Tổng nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp trong giai đoạn QPMC kJ cháy nhanh 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, Nhiệt trị thấp của nhiên liệu, carbon (soot) và CO kJ/kg LHVCO 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 Các hằng số được lựa chọn theo kinh nghiệm và kiểu Af, Aox - 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/m3 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 36 khác nhau 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 73 đặc tính ngoài 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 85 góc phân phối khí 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 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 các loại phương tiện khác nhau ở Viêt 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 72 trên AVL BOOST Hình 3.3 So sánh công suất và mô men của động cơ giữa thực 74 nghiệm và mô phỏng 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 góc phun sớm 82 Hình 3.13 Thay đổi biên dạng cam dẫn động xu páp trong phần mềm AVL BOOST 83 Hình 3.14 Phát thải CO ở các góc mở xu páp mô phỏng theo chu 83
xiii trình ECE R49 Hình 3.15 Phát thải NOX ở các góc mở xu páp mô phỏng theo chu trình ECE R49 84 Hình 3.16 Phát thải bồ hóng ở các góc mở xu páp mô phỏng theo 84 chu trình ECE R49 Hình 4.1 Sơ đồ phòng thử động cơ ETC01,Trung tâm thử nghiệm khí thải phương tiện giao thông cơ giới đường bộ 88 Hình 4.2 Sơ đồ bố trí thiết bị của băng thử động lực học cao ETC01 ở phòng thử nghiệm khí thải động cơ thuộc Trung tâm thử nghiệm khí thải phương tiện giao thông cơ giới đường bộ 89 Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý của cụm phanh điện PA 406/6 PA 90 Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL 735S 93 Hình 4.5 Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích CO 94 Hình 4.6 Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO và NOX 96 Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống PSS i60 97 Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý buồng đo khói 98 Hình 4.9 Hệ thống cung cấp LPG điều khiển phun bằng điện tử 99 Hình 4.10 Hệ thống cung cấp LPG điều khiển phun bằng cơ khí 100 Hình 4.11 Bộ giảm áp hóa hơi 101 Hình 4.12 Sơ đồ bố trí bộ cung cấp LPG và hệ thống nhiên liệu 102 Hình 4.13 Chương trình thử Châu Âu EC ER49 cho động cơ 105 Hình 4.14 Lắp trục dẫn động 105 Hình 4.15 Lắp đặt bộ cung cấp LPG và động cơ trên bệ thử 108 Hình 4.16 Màn hình điều khiển của thiết bị thí nghiệm đo khí thải 109 Hình 4.17 Kết quả thí nghiệm đặc tính tốc độ ngoài của động cơ FAWDE- 4DX23 111 Hình 4.18 Quan hệ giữa lượng bồ hóng và tốc độ vòng quay của động cơ 112
xiv Hình 4.19 Phát thải CO ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49 113 Hình 4.20 Phát thải HC ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49 113 Hình 4.21 Phát thải NOX ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49 114 Hình 4.22 Quan hệ giữa độ khói và số vòng quay của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-LPG 116 Hình 4.23 Kết quả so sánh công suất giữa mô phỏng và thực nghiệm của động cơ nguyên bản theo chu trình ECE R49 118
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Khí thải từ ô tô sử dụng nhiên liệu diesel sinh ra đang là một trong những tác nhân lớn nhất gây ô nhiễm môi trường không khí, đặc biệt ở tại các khu đô thị. Trong khí thải của động cơ diesel thì thành phần độc hại đáng quan tâm nhất là khí thải dạng hạt có đường kính  10 m (bụi lơ lửng) và nitơ ôxít (NOx). Các nghiên cứu trên thế giới đều cho thấy NOx là một trong những nhân tố làm trầm trọng thêm bệnh hen suyễn và các bệnh về hô hấp khác, trong khi đó khí thải bụi hạt có liên quan đến nguy cơ gây ung thư. Trong những năm qua, việc nghiên cứu giảm khí thải độc hại cho động cơ diesel đang được nhiều quốc gia đầu tư thực hiện. Để giảm các thành phần độc hại trong khí thải động cơ diesel, ngoài các biện pháp công nghệ như cải tiến kết cấu buồng cháy, sử dụng hệ thống tuần hoàn khí thải, tối ưu hóa các thông số của quá trình cung cấp nhiên liệu...thì biện pháp sử dụng nhiên liệu sạch cho động cơ diesel, trong đó có nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) hiện đang được nhiều nước ứng dụng. Sử dụng động cơ chạy bằng lưỡng nhiên liệu diesel- LPG trên ô tô nhằm giảm khí thải độc hại là một hướng nghiên cứu đang được các nhà khoa học quan tâm. Biện pháp này khi áp dụng sẽ giải quyết được hai vấn đề là bảo vệ môi trường không khí và tận dụng được nguồn nhiên liệu hiện đang có sẵn ở nhiều nơi trên thế giới trong khi nhiên liệu hóa thạch đang dần 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 tạp và
2 ít làm ảnh hưởng đến đặc tính của động cơ. Ưu điểm nổi bật của động cơ lưỡng nhiên liệu theo phương án đã nêu so với đơn nhiên liệu LPG là không phải chế tạo động cơ chuyên chạy LPG mà vẫn đạt được mục đích giảm lượng khí thải độc hại. Hiện nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu sử dụng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel – LPG trên ô tô, các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhận định chung về đặc điểm sử dụng LPG trên động cơ diesel như: khả năng giảm bụi khói và NOX, hiện tượng tăng phát thải HC và CO khi thay thế LPG vào diesel. Tuy nhiên, một số nghiên cứu đưa ra các kết quả rất khác nhau mức giảm hoặc tăng các thành phần phát thải khi tăng tỷ lệ LPG thay thế. Điều đó cho thấy ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế đến phát thải của động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG phụ thuộc rất nhiều vào loại động cơ, thành phần nhiên liệu sử dụng, phương pháp cung cấp nhiên liệu LPG và điều kiện vận hành động cơ. Ở Việt Nam, ứng dụng LPG cho động cơ đốt trong đã và đang được quan tâm nghiên cứu ngày càng nhiều nhưng chưa được chuyên sâu, các kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng ở mức cho động cơ chạy bằng nhiên liệu LPG thôi chứ chưa quan tâm tới việc tối ưu hóa hệ thống cung cấp nhiên liệu, quá trình cháy, hình thành các chất ô nhiễm. Với thực trạng trên, việc nghiên cứu tính toán xác định thành phần khí thải phát tán vào môi trường của động cơ ô tô sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG trở nên cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. 2. Mục đích nghiên cứu - Xác định hàm lượng các thành phần khí thải khi lắp thêm bộ cung cấp khí hóa lỏng (LPG) vào động cơ diesel. - Đánh giá hiệu quả giảm phát thải của động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu