Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

217
lượt xem 27
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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: Tóm tắt 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 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI VƯƠNG VĂN SƠN XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN KHÍ THẢI PHÁT TÁN VÀO MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ Ô TÔ SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-LPG Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô máy kéo Mã số: 62.52.35.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2014
Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Cao Trọng Hiền 2. PGS.TS. Đào Mạnh Hùng Phản biện 1: GS.TSKH Phạm Văn Lang Phản biện 2: PGS.TS Lại Văn Định Phản biện 3: PGS.TS Trần Văn Nam Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp tại Trường Đại học Giao thông Vận tải Vào hồi........giờ...........ngày..........tháng...........năm........ Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc gia Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải
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 gây ô nhiễm môi trường không khí, đặc biệt ở tại các khu đô thị. Trong các phương án nghiên cứu giảm sự phát thải các chất độc hại của động cơ diesel thì phương án sử dụng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-LPG là một hướng nghiên cứu đang được các nhà khoa học quan tâm. Nhiều nước tiên tiến trên thế giới đã đầu tư tài chính, công sức cho nghiên cứu này. 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. Ở Việt Nam ứng dụng LPG cho động cơ đốt trong đã và đang được quan tâm nghiên cứu ngày càng nhiều, nhưng chưa chuyên sâu. Các kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng ở mức cho động cơ chạy bằng nhiên liệu LPG 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 và có ý nghĩa 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 * Đối tượng nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG 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.
2 4. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm. * Về lý thuyết: Sử dụng lý thuyết về quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất của động cơ đốt trong, sử dụng phần mềm AVL-BOOST để mô phỏng quá trình làm việc của động cơ và tính toán hàm lượng phát thải. * Về thực nghiệm: Thí nghiệm trên băng thử hiện đại theo chu trình ECE của Cục Đăng kiểm Việt Nam để xác định hàm lượng các thành phần khí thải độc hại, trên cơ sở đó sẽ hiệu chỉnh kết quả tính toán lý thuyết. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn * Ý nghĩa khoa học: Luận án đã xây dựng được mô hình mô phỏng để đánh giá lượng phát thải của động cơ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG. Các kết quả tính toán đã được so sánh kiểm chứng bằng thực nghiệm trên hệ thống trang thiết bị thử nghiệm hiện đại, đạt tiêu chuẩn Quốc tế. * Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở để đánh giá hiệu quả môi trường và năng lượng của động cơ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG. 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 Trong những năm qua cùng với tốc độ tăng trưởng kinh tế, nhu cầu đi lại và vận chuyển hàng hóa ở Việt Nam cũng tăng nhanh. Điều đó dẫn tới số lượng các phương tiện vận tải đặc biệt là loại sử dụng nhiên liệu diesel ngày càng gia tăng. Sô lương phương tiên tăng quá nhanh trong khi h ạ tầng giao ́ ̣ ̣ thông không phát triển kịp đã tạo ra sức ép ngay cang lơn đôi vơi môi trương ̀ ̀ ́ ́ ́ ̀ đặc biệt là ở đô thị . 1.1.2. Tình hình ô nhiễm môi trường do phát thải của ô tô ở Việt Nam Số lương phương tiên tăng quá nhanh trong khi h ạ tầng giao thông ̣ ̣ không phát triển kịp đã gây ra tình trạng ùn tắc giao tại các thành phố lớn. Trong khi đó chúng ta lại chưa có các biện pháp kiểm soát hữu hiệu để giảm phát thải dẫn đến đến tình trạng ô nhiễm không khí tại các các thành phố lớn, đặc biệt là Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh đã ở mức báo động.
3 1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng LPG 1.2.1. Tình hình sản xuất LPG 1.2.1.1. Tình hình sản xuất LPG trên thế giới Tổng nguồn cung LPG trên thế giới năm 2000 đạt mức 198 triệu tấn năm 2008 đạt 239 triệu tấn. Tốc độ tăng trưởng nguồn cung LPG thế giới tăng khoảng 2.4% / năm trong giai đoạn 2000-2008. Năm 2013 nguồn cung thế giới có thể đạt 260 triệu tấn và dự báo năm 2015 đạt 291,7 triệu tấn. 1.2.1.1. Tình hình sản xuất LPG ở Việt Nam Việt Nam có trữ lượng khoảng 3000 tỷ m3 khí tập trung chủ yếu ở thềm lục địa nước ta. Năm 2009 Nhà máy chế biến khí Dinh Cố bắt đầu sản xuất LPG (sản lượng khoảng 29.000 tấn/tháng) phục vụ cho công nghiệp và dân dụng. Từ qúy II năm 2009, nhà máy lọc dầu Dung Quất cũng chính thức đi vào hoạt động, đã cho ra sản phẩm LPG, đáp ứng được nhu cầu sử dụng LPG của cả nước. 1.2.2. Tình hình sử dụng LPG Trên thế giới: Việc sử dụng LPG trên thế giới tập trung vào bốn lĩnh vực, tiêu dùng dân dụng hiện có khối lượng sử dụng lớn nhất chiếm gần 50%, tiếp theo là lĩnh vực hoá chất chiếm 24%, sử dụng LPG trong công nghiệp đứng thứ ba với tổng mức tiêu thụ chiếm khoảng 13%, trong khi vận tải chỉ đứng thứ 4 với tổng lượng tiêu thụ hàng năm chiếm 8,8%. Ở Việt Nam: Nhu cầu sử dụng LPG tại Việt Nam những năm gần đây gia tăng một cách nhanh chóng. Dự báo năm 2015 nhu cầu sử dụng LPG cả nước khoảng 1,5 triệu tấn và năm 2020 đạt 2 triệu tấn. Tuy nhiên ở nước ta, LPG vẫn chủ yếu sử dụng làm chất đốt, việc sử dụng LPG cho các phương tiện giao thông vận tải chưa đáng kể. 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 Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực này, điển hình như: Công trình của BEROUN và MARTINS, Z.H. Zhang, C.S. Cheung, T.L. Chan và C.D. Yao, Bogdan Cornel BENEA và Adrian
4 Ovidiu SOICA, Dong Jian, Gao Xiaohong, Li Gesheng và Zhang Xintang, Thomas Renald C.Ja và Somasundaram P, M. P. Poonia. Tuy nhiên 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 Ở trong nước đã có một số công trình nghiên cứu về động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG như: Công trình của Bùi Văn Ga, Phạm Minh Tuấn, Lê Anh Tuấn, Phạm Hữu Tuyến, Mai Sơn Hải, Trần Thanh Hải Tùng, Lê Minh Xuân, Vũ An. Các kết quả bước đầu đã cho thấy tác dụng giảm thiểu lượng khí thải độc hại gây ô nhiễm môi trường của ô tô khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG, đặc biệt là khả năng giảm phát thải PM trên một số động cơ. Tuy nhiên, chưa có công trình nghiên cứu hoàn thiện nào về động cơ diesel-LPG lắp trên ô tô cỡ nhỏ. 1.4. Kết luận chương I Trong các phương án nghiên cứu giảm sự phát thải các chất độc hại của động cơ diesel thì phương án sử dụng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-LPG là một hướng nghiên cứu đang được các nhà khoa học quan tâm. Nhiều nước tiên tiến trên thế giới đã đầu tư tài chính, công sức cho nghiên cứu này. Ở Việt Nam ứng dụng LPG cho động cơ đốt trong đã và đang được quan tâm nghiên cứu ngày càng nhiều, nhưng chưa chuyên sâu. Các kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng ở mức cho động cơ chạy bằng nhiên liệu LPG chứ chưa quan tâm tới việc tối ưu hóa hệ thống cung cấp nhiên liệu, quá trình cháy, hình thành các chất ô nhiễm. Chương II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐÔNG CƠ DIESEL VÀ ĐỘNG CƠ DIESEL - LPG ̣ 2.1. Chọn phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel - LPG Căn cứ vào ưu nhược điểm của các phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel - LPG và để phù hợp với mục tiêu nghiên cứu, đề tài chọn phương án phun LPG vào đường ống nạp động cơ để khảo sát tính toán và thực nghiệm. Sơ đồ bố trí hệ thống cung cấp LPG vào động cơ diesel được trình bày trên hình 2.4.
5 2 3 1 4 5 7 9 10 6 8 11 12 13 14 17 11 15 16 Hình 2.4. Sơ đồ bố trí hệ thống cung cấp LPG và hệ thống nhiên liệu động cơ diesel tăng áp 1. Bầu lọc khí; 2. Bộ làm mát khí nạp; 3. Ống xả; 4. Bơm cao áp; 5. Bầu lọc thô; 6. Turbo tăng áp; 7. Vòi phun; 8. Đường ống lấy tín hiệu áp suất nạp; 9. Đường ống dẫn LPG đã hóa hơi; 10. Bơm tiếp nhiên liệu; 11. Van điều chỉnh lưu lượng LPG; 12. Bầu lọc tinh; 13. Bình chứa LPG; 14. Đường ống dẫn LPG; 15. Két làm mát động cơ; 16. Thùng nhiên liệu diesel; 17. Bộ giảm áp hóa hơi. 2.2. Cơ sở lý thuyết động cơ diesel và động cơ diesel - LPG 2.2.1. Quá trình chay trong đông cơ diesel ́ ̣ Quá trình cháy trong động cơ diesel có thể được chia thành 4 giai đoạn gồm: Cháy trễ, cháy nhanh, cháy chính (cháy chậm) và cháy rớt. 2.2.2. Quá trình cháy trong động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - LPG Quá trình cháy trong động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel -LPG khá phức tạp vì kết hợp các hiện tượng cháy ở động cơ xăng và động cơ diesel. Ngoài giai đoạn cháy trễ và cháy rớt giống như trường hợp đơn nhiên liệu diesel, quá trình cháy này có thể chia thành 3 giai đoạn chính. - Giai đoạn 1: Giai đoạn cháy nhanh với nhiên liệu diesel và một phần nhỏ nhiên liệu khí.
6 - Giai đoạn 2: Giai đoạn cháy nhanh với phần lớn nhiên liệu LPG và một phần nhiên liệu diesel. - Giai đoạn 3: Giai đoạn cháy khuếch tán của diesel và khí còn lại. 275 Tốc độ tỏa nhiệt (J/CA) 225 2 100% diesel 175 125 75 25 1 5 -25 275 4 Tốc độ tỏa nhiệt (J/CA) 225 175 2 75,9 % diesel + 24,1 % 125 LPG 75 3 25 1 5 -25 340 360 380 400 420 Góc quay trục khuỷu (độ) Hình 2.8. Quá trình tỏa nhiệt trong động cơ diesel- LPG 2.2.3. Cơ sở mô hình hóa quá trình hình thành hỗn hợp và chay trong ́ đông cơ lưỡng nhiên liệu Diesel - LPG ̣ Cơ sở mô hình hóa quá trình hình thành hỗn nhợp và cháy được dựa trên các quy luật: - Phương trình nhiệt động học thứ nhất - Mô hình hỗn hợp môi chất được mô tả bởi các thành phần hình thành lên hỗn hợp gồm nhiên liệu diesel, LPG (C3H8, C4H10), O2, N2, CO2, H2O, CO, H2. - Mô hình truyền nhiệt được tính theo các công thức Woschni 1978. - Sử dụng mô hình cháy Vibe 2 vùng, các phản ứng của chuỗi Zeldovich với hệ số tốc độ để tính toán lượng NOx, các phản ứng theo A. Onorati để tính toán CO, mô hình Hiroyasu để tính phát thải bồ hóng trong khí thải của động cơ diesel và động cơ diesel – LPG.
7 2.3. Các thành phần khí thải Sản phẩm độc hại của quá trình cháy trong động cơ diesel và diesel - LPG bao gồm các chất sau: HC, NOX, SO2, và bụi hạt (PM). 2.4. Cơ sơ tí nh toan cac thanh phân phat thai trong đông cơ diesel và ̉ ́ ́ ̀ ̀ ́ ̉ ̣ động cơ diesel - LPG 2.4.1. Tính toán phát thải NOX Sự hình thành NOx được tính toán dựa trên các thông số như tốc độ động cơ, thành phần nhiên liệu, áp suất, nhiệt độ, hệ số dư lượng không khí λ, thể tích và khối lượng, thời gian cháy cũng như số vùng cháy. 2.4.2. Tính toán phát thải CO CO là sản phẩm cháy thiếu O2, chủ yếu sinh ra từ quá trình cháy không hoàn toàn. Vì thế CO có thể tính toán dựa trên các phản ứng theo A. Onorati: CO + OH ↔ CO2 + H; CO2 + O ↔ CO + O2. 2.4.3. Tính toán phát thải HC Đối với động cơ diesel, thành phần HC sinh ra trong quá trình làm việc là không đáng kể, do đó hầu như các công trình nghiên cứu về khí thải của động cơ diesel không đề cập đến tính toán thành phần khí thải này. 2.4.4. Tính toán phát thải bồ hóng (Soot) Phát thải Soot được tính toán theo mô hình Hiroyasu. Trong mô hình này, sự thay đổi của khối lượng soot qua công thức: dms dms,f dms,ox   (2.36) dt dt dt 2.5. Kết luận chương II Trong các phương án sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG, phương án phun LPG vào đường ống nạp của động cơ diesel nguyên thủy được chọn làm phương án nghiên cứu. Phương án này có nhiều ưu điểm như kết cấu gọn nhẹ, lắp đặt đơn giản, không phải cải tạo động cơ diesel nguyên bản. Đề tài đã sử dụng mô hình cháy Vibe 2 vùng, các phản ứng của chuỗi Zeldovich với hệ số tốc độ để tính toán lượng NOx, các phản ứng theo A.
8 Onorati để tính toán CO, mô hình Hiroyasu để tính phát thải bồ hóng trong khí thải của động cơ diesel và động cơ diesel – LPG. 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 Căn cứ vào mục tiêu và nội dung nghiên cứu, đề tài chọn phương pháp tính toán phát thải của động cơ diesel bằng phần mềm mô phỏng. Với các tính năng và công cụ sẵn có, AVL-BOOST có thể xây dựng được mô hình và tính toán được các thành phần phát thải của động cơ. 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 Động cơ FAWDE- 4DX23-110 là động cơ diesel tăng áp được sản xuất tại của Trung Quốc. Loại động cơ này được sử dụng trên các ô tô khách và ô tô tải cỡ nhỏ và trung bình. Công suất định mức ở 2800v/ph là 81 KW, mô men max ở 1800 v/ph là 320 Nm. 3.2.2. Nhiên liệu diesel và LPG 3.2.2.1. Nhiên liệu diesel Thành phần hóa học chủ yếu của nhiên liệu diesel là các hợp chất hydrocacbon, công thức chung là CnH2n+2. 3.2.2.2. Khí hóa lỏng ( LPG) Thành phần hóa học chủ yếu của LPG là hydrocarbon dạng parafin, công thức chung là: CnH2n+2 như: Propane (C3H8), Butane (C4H10), Pentane (C5H12)… Ngoài ra, trong LPG còn có một số chất như Ethane (C2H6), Ethylen (C2H4), Butadiene (C4H4) nhưng chiếm một tỷ lệ rất nhỏ. 3.2.3. Xây dựng mô hình động cơ diesel trên AVL-BOOST Dựa trên kết cấu của động cơ thực tế, từ những thành phần tử đã được định nghĩa trong AVL-BOOST và các thông số kỹ thuật của động cơ, có thể xây dựng được mô hình động cơ FAWDE- 4DX23-110 như hình 3.2. Chức năng tên gọi của các phần tử trên mô hình mô phỏng được trình bày trong bảng 3.4.
9 Hình 3.2. Mô hình mô phỏng động cơ FAWDE- 4DX23-110 trên AVL-BOOST Sau khi xây dựng được mô hình, tiến hành nhập các dữ liệu đầu vào cho mô hình dựa trên các thông số kỹ thuật của động cơ tính toán, tiến hành chạy chương trình và xuất kết quả. 3.2.4. Kiểm chứng đô chí nh xac cua mô hì nh ̣ ́ ̉ Độ chính xác của mô hình được đánh giá thông qua việc so sánh một số kết quả như công suất, mô men giữa kết quả thực nghiệm (đã được nhà sản xuất thử nghiệm và ghi trong catalog khi xuất xưởng) với kết quả mô phỏng. Các kết quả mô phỏng cho thấy, dải sai lệch về công suất của động cơ lớn nhất là 6,48% ở tốc độ 1400 vg/ph và nhỏ nhất là 1,13%, dải sai lệch này là có thể chấp nhận được. 3.2.5. Xây dựng mô hình động cơ diesel - LPG trên AVL-BOOST. Sự khác nhau cơ bản giữa mô hình cháy trong động cơ diesel - LPG và động cơ diesel là thành phần nhiên liệu cấp cho chu trình. Tuy nhiên, các yếu tố khác nhau như đặc điểm quá trình cháy trễ, hệ số truyền nhiệt, tốc độ quá trình cháy…khi thay thế LPG vào nhiên liệu diesel đã được xét đến qua việc định nghĩa tính chất của nhiên liệu sử dụng (mặc dù công thức chung để tính toán là như nhau). Bên cạnh các thông số cơ bản như nhiệt trị thấp, tỷ số A/F, nhiên liệu được định nghĩa qua nhiều thông số nhiệt động (nhiệt dung riêng, entanpy, entropy…) phục vụ quá trình tính toán chuyển đổi hóa năng thành nhiệt năng. Mô hình sau khi xây dựng sẽ được kiểm chứng qua
10 thực nghiệm (sẽ được tiến hành ở phần sau của đề tài này). Nếu kết quả mô phỏng sai khác nhiều so với thực nghiệm, có thể điều chỉnh các thông số a, m của mô hình cháy Vibe 2 vùng khi xây dựng mô hình. Để xây dựng mô hình động cơ diesel - LPG trên AVL-BOOST, cần phải căn cứ vào sơ đồ bố trí hệ thống cung cấp LPG vào động cơ diesel và cách thức pha trộn của chúng. Theo phương án đã chọn, LPG sẽ được phun vào đường ống nạp của động cơ. Do đó trên mô hình động cơ diesel-LPG, ngoài các phần tử cơ bản như mô hình động cơ diesel nguyên thủy sẽ có thêm phần tử vòi phun (I1) để mô phỏng quá trình cung cấp LPG. I1 Hình 3.5. Mô hình mô phỏng động cơ diesel - LPG trên AVL-BOOST Trong phần khai báo các thông số đầu vào cho mô hình, trong mục Classic Specles Setup, sau khi chọn nhiên liệu cho động cơ là diesel cần khai báo các thành phần hóa học của LPG, tỷ lệ của Propane và Butane. 3.2.6. Kết quả tính toán mô phỏng Kết quả mô phỏng các thành phần khí thải của động cơ diesel và động cơ diesel-LPG khi chạy theo chu trình ECE R49 thể hiện trong các hình (3.7), (3.8), (3.9) và bảng 3.8. Kết quả mô phỏng ở trên hình 3.7 cho thấy, khi chạy theo chu trình thử ECE R49 thì hàm lượng CO tăng, mức tăng trung bình ở chế độ LPG thay thế 10% diesel là 77,42% và ở chế độ LPG thay thế 20% diesel là 151,8% so với khi sử dụng 100% diesel.
11 18 100 % diesel Diesel 15 diesel+10%LPG LPG_10 12 LPG_20 CO (g/kw.h) diesel+20%LPG 9 6 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Các chế độ của chu trình ECE R49 Hình 3.7. Phát thải CO ở các chế độ mô phỏng theo chu trình ECE R49 18 100 % diesel Diesel 15 diesel+10%LPG LPG_10 12 NOX(g/kw.h) LPG_20 diesel+20%LPG 9 6 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Các chế độ của chu trình ECE R49 Hình 3.8. Phát thải NOX ở các chế độ mô phỏng theo chu trình ECE R49 Kết quả mô phỏng ở trên hình 3.8 cho thấy, hàm lượng NOX trong động cơ diesel - LPG giảm, ở chế độ LPG thay thế 10% diesel mức giảm trung bình là 3,427% và ở chế độ LPG thay thế 20% diesel mức giảm trung bình là 6,178% so với khi sử dụng 100% diesel. Đối với thành phần phát thải bồ hóng, kết quả cho thấy khi sử dụng lưỡng nhiên liệu, hàm lượng bồ hóng giảm trung bình 16,76% ở chế độ LPG thay thế 10% diesel và giảm trung bình 25,4% ở chế độ LPG thay thế 20% diesel.
12 0,6 100 % diesel Diesel 0,5 LPG_10 diesel+10%LPG 0,4 LPG_20 Soot (g/kw.h) diesel+20%LPG 0,3 0,2 0,1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Các chế độ của chu trình ECE R49 Hình 3.9. Phát thải bồ hóng ở các chế độ mô phỏng theo chu trình ECE R49 Bảng 3.8. Phát thải trung bình theo chu trình ECE R49 Thành So sánh So sánh Đơn vị Diesel Diesel_10 Diesel_20 phần (%) (%) CO g/kW.h 1,469 2,606 77,42 3,699 151,8 NOX g/kW.h 5,654 5,460 -3,427 5,305 -6,178 Bồ hóng g/kW.h 0,299 0,249 -16,76 0,223 -25,40 3.3. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số kết cấu 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 Căn cứ vào mô hình động cơ đã xây dựng, đề tài tiến hành thay đổi thời điểm phun nhiên liệu diesel và xem xét ảnh hưởng của nó đến các thành phần phát thải ở chế độ LPG thay thế 20% diesel với 100%, tải tốc độ động cơ là 1800 v/ph. Theo thông số của động cơ nguyên bản, thời điểm phun nhiên liệu của vòi phun sẽ sớm 90, bắt đầu ở 3510 góc quay trục khuỷu. Tiến hành thay đổi giá trị này theo hai hướng, tăng và giảm góc phun và khảo sát ảnh hưởng của nó đến phát thải của động cơ. Kết quả phát thải trên hình 3.10 và 3.11 cho thấy, khi giảm góc phun
13 sớm thì NOX giảm, CO và bồ hóng tăng. Hiện tượng này là do thời điểm nhiên liệu cháy mãnh liệt nhất trong xylanh động cơ bị đẩy lùi về phía sau, khi đó piston đã đi xuống trong hành trình giãn nở, thể tích buồng cháy tăng dẫn đến nhiệt độ và áp suất giảm, ảnh hưởng đến các thành phần phát thải. 6,3 2,36 NOX 6,1 2,33 CO 5,9 2,30 NOX (g/KWh) CO (g/KWh) 5,7 2,27 5,5 2,24 5,3 2,21 5,1 2,18 347 348 349 707 708 709 350 351 710 711 712 353 352 713 354 355 714 715 Góc phun nhiên liệu (độ) Hình 3.10. Phát thải NOX và CO ở 100% tải, tốc độ động cơ 1800 v/ph theo góc phun sớm 0,25 n = 1600 v/ph 1800 v/ph 0,23 n = 2800 v/ph Soot (g/KWh) 0,21 0,19 0,17 0,15 347 707 348 708 349 709 350 710 351 711 352 353 354 355 712 713 714 715 Góc phun nhiên liệu (độ) Hình 3.11. Phát thải bồ hóng ở 100% tải với các tốc độ động cơ theo góc phun sớm 3.3.2. Ảnh hưởng của pha phân phối khí đến phát thải của động cơ diesel - LPG Để khảo sát ảnh hưởng của pha phân phối khí đến lượng phát thải của động cơ, tiến hành đồng thời thay đổi giá trị góc mở của xu páp nạp và xu páp thải theo hướng tăng góc mở sớm và góc đóng muộn. Các thành phần
14 khí thải sẽ thay đổi như trong bảng 3.9. 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 Thành Nguyên Giảm 4 Tăng 4 Đơn vị So sánh % So sánh % phần thủy độ độ CO g/kW.h 3,699 3,569 -3,515 4,313 16,61 NOx g/kW.h 5,305 5,246 -1,102 5,481 3,333 Bồ hóng g/kW.h 0,223 0,224 0,191 0,228 2,087 Các kết quả trên cho thấy, có thể điều chỉnh giảm góc phun sớm để giảm lượng phát thải CO và NOx, tuy nhiên, cần có những nghiên cứu thực nghiệm tiếp theo nhằm tìm giải pháp phối hợp để hiệu quả giảm phát thải các chất độc hại là tốt nhất. 3.4. Kết luận chương III Ứng dụng phần mềm AVL-BOOST tính các thành phần phát thải của động cơ FAWDE- 4DX23-110 có lắp thêm hệ thống phun LPG cho thấy: - Lượng NOx giảm, mức giảm ở chế độ LPG thay thế 10% diesel là 3,427% và ở chế độ LPG thay thế 20% diesel là 6,178% so với khi sử dụng 100% diesel. - Lượng CO trong động cơ diesel - LPG tăng, ở chế độ LPG thay thế 10% diesel mức tăng là 77,42% và ở chế độ LPG thay thế 20% diesel mức tăng là 151,8% so với khi sử dụng 100% diesel. - Thành phần phát thải bồ hóng khi sử dụng lưỡng nhiên liệu giảm, ở chế độ LPG thay thế 10% diesel mức giảm là 16,76% và ở chế độ LPG thay thế 20% diesel là 25,4% so với khi sử dụng 100% diesel. Luận án đã khảo sát ảnh hưởng của một số thông số kết cấu đến phát thải của động cơ diesel khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG. Các kết quả cho thấy, có thể điều chỉnh giảm góc phun sớm để giảm lượng phát thải CO và NOx, tuy nhiên, cần có những nghiên cứu thực nghiệm tiếp theo nhằm tìm giải pháp phối hợp để phát thải bụi hạt không vượt quá giới hạn cho phép.
15 Chương IV. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1. Mục tiêu và nội dung thử nghiệm 4.1.1. Mục tiêu thử nghiệm - Đo chính xác các thành phần khí thải của động cơ diesel nguyên thủy và động cơ diesel khi đã chuyển đổi để sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG. - Đánh giá hiệu quả phát thải của động diesel khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG. - Đánh giá độ chính xác của phương pháp tính toán lý thuyết trên cơ sở kết quả thử nghiệm. 4.1.2. Nội dung thử nghiệm - Xác định lượng khí thải độc hại của động cơ diesel nguyên thủy theo chu trình ECE R49. - Xác định lượng khí thải độc hại của động cơ diesel - LPG theo chu trình ECE R49. - Đo các thông số phục vụ việc đánh giá đặc tính làm việc của động cơ như công suất, mô men, độ khói của động cơ... 4.2. Thiết bị thí nghiệm Các nội dung thử nghiệm của đề tài được tiến hành trên 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 (NETC) - Cục Đăng kiểm Việt Nam. 4.2.1. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm được trình bày trên hình 4.2. Các bộ phận cơ bản của thiết bị thử nghiệm gồm: - Phanh điện APA 404/6 PA - Thiết bị làm mát nước AVL 553 - Thiết bị làm mát dầu AVL 554 - Bộ điều khiển tay ga THA 100 - Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Mas Flow Meter - Hệ thống đo phát thải khí - Thiết bị đo phát thải dạng hạt (Particulate Sampler System - PSS i60)
16 - Thiết bị đo độ khói AVL 439 (Được trang bị sẵn tại phòng thí nghiệm). 4.3. Lựa chọn và lắp đặt hệ thống cung cấp LPG vào động cơ diesel thí nghiệm Căn cứ vào ưu nhược điểm của các hệ thống cung cấp thêm LPG vào động cơ, đề tài chọn hệ thống cung cấp LPG vào động cơ do hãng WTV - UK (Anh) sản xuất. PUMA CÂN NHIÊN P P LIỆU FEM C C AVL 735S ĐIỀU HÒA NHIỆT ĐỘ NHIÊN LIỆU 573C BẢNG ĐIỀUKHIỂN ENCOMP400 LÀM MÁT CABLE DẦU BÔI BOOM TRƠN AVL554 ĐIỀU HÒA NHIỆT ĐỘ NƢỚC LÀM MÁT AVL 553C BỘ KÉO GA THA 100 PHANH ĐIỆN APA 404/6PA Động cơ FAWDE Hình 4.2. Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm LPG được chứa trong bình chứa hình trụ bằng thép dày 3mm, dung tích 12 lít. Lưu lượng LPG cấp vào động cơ được điều chỉnh ban đầu bởi van định lượng, van này được điều khiển bởi núm xoay. Trong quá trình làm việc, lượng LPG sẽ thay đổi phụ thuộc vào áp suất trong đường ống nạp của động cơ. Các chi tiết trong hệ thống cung cấp LPG đã chọn có kết cấu đơn giản gọn nhẹ, có thể bố trí dễ dàng vào khoang động cơ mà không cần cải tạo lại kết cấu của xe. Sơ đồ bố trí bộ cung cấp LPG vào động cơ được trình bày trên hình 4.12.
1. Bầu lọc; 9. Ống đến két nước; 2. Bộ hóa hơi giảm áp; 10. Bơm cao áp; 3. Đường ống nối với 11.Đường dẫn nước cảm biến áp suất nạp; nóng vào; 4. Đường óng dẫn 12. Đường dẫn nước LPG đến vòi phun; nóng ra; 5. Đường ống nạp; 13. Bàu lọc; 6. Máy phát điện; 14. Đường dẫn LPG; 7. Quạt gió; 15. Bình chứa LPG. 8. Dây đai; 17 Hình 4.12. Sơ đồ bố trí bộ cung cấp LPG và hệ thống nhiên liệu động cơ
18 4.4. Quy trình thí nghiệm 4.4.1. Điều kiện thí nghiệm Để đảm bảo cho động cơ hoạt động ổn định trong suốt quá trình thí nghiệm, trước khi lắp đặt, phải tiến hành kiểm tra bảo dưỡng tất cả các bộ phận của động cơ. Băng thử cũng được kiểm tra và tiến hành calib các thiết bị trước khi thí nghiệm.. Nhiên liệu LPG và diesel được giám định bởi Trung tâm kiểm định chất lượng – Đo lường, Công ty Xăng dầu Khu vực I. 4.4.2. Thí nghiệm đo khí xả động cơ diesel nguyên thủy * Chu trình thử nghiệm Đề tài chọn chế độ chạy theo chu trình thử ECE R49 để xác định lượng phát thải của động cơ thí nghiệm. * Nội dung thí nghiệm: Quy trình thực nghiệm được tiến hành theo các bước như sau: Bước 1. Thí nghiệm đo công suất, mô men động cơ: Bước 2. Thí nghiệm đo độ khói. Bước 3. Nhập các thông số của chu trình thử trên phần mềm điều khiển. Bước 4. Thí nghiệm đo khí xả động cơ theo chu trình đã thiết lập. Bước 5. Cân khối lượng giấy lọc để xác định lượng phát thải PM. 4.4.3. Thí nghiệm đo khí xả động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - LPG Bước 1. Cho động cơ chạy trên băng thử ở chế độ tốc độ tương ứng với mô men lớn nhất và 100% tải, quan sát mức nhiên liệu cấp cho chu trình trên màn hình điều khiển (hình 4.16). Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Mas Flow Meter kết nối trực tiếp với màn hình sẽ cho biết lượng nhiên liệu đang cấp cho chu trình. Bước 2. Tiến hành điều chỉnh kéo thanh răng để giảm lượng nhiên liệu diesel tiêu thụ xuống còn 90%, quan sát mức giảm nhiên liệu cấp cho chu trình trên màn hình điều khiển. Bước 3. Giữ nguyên lượng nhiên liệu diesel và điều chỉnh lượng LPG phun vào đường ống nạp đến khi công suất động cơ hiển thị trên màn hình bằng với giá trị ban đầu khi chạy 100% diesel.