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

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 k

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:

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

Thư viện Quốc gia

Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải

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

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 Số lượng phương tiện tăng quá nhanh trong khi h ạ tầng giao thông không phát triển kịp đã tạo ra sức ép ngày càng lớn đối với môi trường 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 lượng phương tiện 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

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

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

Chương II CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ ĐỘNG CƠ DIESEL - LPG

2.1 Chọn phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel - LPG

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

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 cháy trong động 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

11

17

- 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

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 cháy trong động 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

-25 25 75 125 175 225 275

340 1 2 4

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:

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:

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

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

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 độ chính xác của mô hình

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

Hình 3.2 Mô hình mô phỏng động cơ FAWDE- 4DX23-110 trên AVL-BOOST

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

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

Hình 3.5 Mô hình mô phỏng động cơ diesel - LPG trên AVL-BOOST

I1

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

0 3 6 9 12 15 18

0 3 6 9 12 15 18

Hình 3.7 Phát thải CO ở các chế độ mô phỏng theo chu trình ECE R49

Hình 3.8 Phát thải NO X ở các chế độ mô phỏng theo chu trình ECE R49

Diesel LPG_10 LPG_20

Diesel LPG_10 LPG_20