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. Số lượ ng phương tiệ n tăng quá nhanh trong khi h ạ tầng giao
thông không phát triển kịp đã tạo ra sức ép ngà y cà ng lớ n đố i vớ i môi trườ ng
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 lượ ng phương tiệ n 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 m
3
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
THI CỦA ĐỘ NG 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

















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 chá y trong độ ng 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.
1
2
3
4
5
6
13
7
8
9
10
11
15
16
12
14
11
17
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.

















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 chá y trong
độ ng 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 (C

3
H
8
, C
4
H
10
), O
2
, N
2
, CO
2
, H
2
O, CO, H
2
.
- 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.
Góc quay trục khuỷu (độ)
Tốc độ tỏa nhiệt (J/CA)
100% diesel
75,9 % diesel + 24,1 %
LPG
Tốc độ tỏa nhiệt (J/CA)
-25

25
75
125
175
225
275
-25
25
75
125
175
225
275
340
1
2
4
3
5
1
2
5
360
380
400
420
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, SO
2
, và bụi hạt (PM).
2.4. Cơ sở tí nh toá n cá c thà nh phầ n phá t thả i trong độ ng cơ diesel và
động cơ diesel - LPG
2.4.1. Tính toán phát thải NOX
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 O
2
, 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 ↔ CO
2
+ H;
CO
2
+ O ↔ CO + O
2
.
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:

s,f s,ox
s
dm dm
dm
dt dt dt

(2.36)

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 THI 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 C
n
H
2n+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: C
n
H
2n+2
như: Propane (C
3
H
8
), Butane (C
4
H
10
), Pentane
(C
5
H

12
)… Ngoài ra, trong LPG còn có một số chất như Ethane (C
2
H
6
),
Ethylen (C
2
H
4
), Butadiene (C
4
H
4
) 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

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 chí nh xá c củ a 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

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













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

I
1

11









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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
CO (g/kw.h)
Các chế độ của chu trình ECE R49
100 % diesel
diesel+10%LPG
diesel+20%LPG
0
3
6
9
12
15
18
1
2
3

4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
NOX(g/kw.h)
Các chế độ của chu trình ECE R49
100 % diesel
diesel+10%LPG
diesel+20%LPG
Hình 3.7. Phát thải CO ở các chế độ mô
phỏng theo chu trình ECE R49
Hình 3.8. Phát thải NOX ở các chế độ mô
phỏng theo chu trình ECE R49
Diesel
LPG_10
LPG_20
Diesel
LPG_10
LPG_20
12

Bảng 3.8. Phát thải trung bình theo chu trình ECE R49
Thành
phần
Đơn vị
Diesel
Diesel_10
So sánh
(%)
Diesel_20
So sánh
(%)
CO
g/kW.h
1,469
2,606
77,42
3,699
151,8
NO
X

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 9
0
, bắt đầu ở 351
0
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
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
1
2

3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Soot (g/kw.h)
Các chế độ của chu trình ECE R49
100 % diesel
diesel+10%LPG
diesel+20%LPG
Hình 3.9. Phát thải bồ hóng ở các chế độ mô phỏng
theo chu trình ECE R49
Diesel
LPG_10
LPG_20
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.

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
2,18
2,21
2,24
2,27
2,30
2,33
2,36
5,1
5,3
5,5
5,7
5,9
6,1
6,3
707 708 709 710 711 712 713 714 715
CO (g/KWh)
NOX (g/KWh)
Góc phun nhiên liệu (độ)
NOX
CO
0,15
0,17

0,19
0,21
0,23
0,25
707 708 709 710 711 712 713 714 715
Soot (g/KWh)
Góc phun nhiên liệu (độ)
n = 1600 v/ph
n = 2800 v/ph
Hình 3.11. Phát thải bồ hóng ở 100% tải với các tốc độ
động cơ theo góc phun sớm

Hình 3.10. Phát thải NOX và CO ở 100% tải, tốc độ động
cơ 1800 v/ph theo góc phun sớm

1800 v/ph

347 348 349 350 351 352 353 354 355
347 348 349 350 351 352 353 354 355
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
phần
Đơn vị
Nguyên
thủy

Giảm 4
độ
So sánh %
Tăng 4
độ
So sánh %
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.



















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.
ĐIỀU HÒA NHIỆT

ĐỘ NƢỚC LÀM
MÁT AVL 553C
BẢNG
ĐIỀUKHIỂN
ENCOMP400

FEM
CABLE
BOOM
BỘ KÉO GA
THA 100
LÀM MÁT
DẦU BÔI
TRƠN AVL554
ĐIỀU HÒA NHIỆT
ĐỘ NHIÊN LIỆU
573C


P
C
P
C
Động cơ
FAWDE
CÂN NHIÊN
LIỆU
AVL 735S
PUMA
PHANH

ĐIỆN APA
404/6PA
Hình 4.2. Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm

17

1. Bầu lọc;
2. Bộ hóa hơi giảm áp;
3. Đường ống nối với
cảm biến áp suất nạp;
4. Đường óng dẫn
LPG đến vòi phun;
5. Đường ống nạp;
6. Máy phát điện;
7. Quạt gió;
8. Dây đai;
9. Ống đến két nước;
10. Bơm cao áp;
11.Đường dẫn nước
nóng vào;
12. Đường dẫn nước
nóng ra;
13. Bàu lọc;
14. Đường dẫn LPG;
15. Bình chứa LPG.


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.
19

Khi động cơ làm việc ổn định, tiến hành các bước thử nghiệm theo chu
trình tương tự như khi thử nghiệm động cơ diesel.
Tiếp tục điều chỉnh giảm lượng diesel cung cấp xuống còn 80% và
tiến hành các bước thí nghiệm như trên.
Sau khi kết thúc quá trình chạy thử nghiệm, tiến hành tách lọc kết quả và
cân khối lượng bụi hạt tương tự như khi thử nghiệm động cơ nguyên thủy.
4.5. Kết quả thử nghiệm và đánh giá
4.5.1. Tiêu chuẩn EURO về phát thải của động cơ diesel
Trong thử nghiệm công nhận kiểu, nước ta đang áp dụng tiêu chuẩn
Tiêu chuẩn EURO II. Tiêu chuẩn EURO về phát thải của động cơ diesel
được trình bày trong bảng 4.1.
4.5.2. Kết quả đánh giá động cơ thử nghiệm
Kết quả trên hình 4.17 thể hiện đặc tính ngoài của động cơ FAWDE-
4DX23. Dựa trên kết quả thí nghiệm cho thấy động cơ đạt được mô men
cực đại là 308,9 Nm tại tốc độ 2000 vg/ph và công suất cực đại là 82,03 kW
tại tốc độ 2800 vg/ph. Giá trị công suất và mô men nhận được từ thí nghiệm
so với thông số kỹ thuật của nhà sản xuất sai lệch không nhiều.
4.5.3. Đánh giá chất lượng phát thải của động cơ diesel khi sử dụng
lưỡng nhiên liệu diesel – LPG
4.5.3.1. Phát thải CO



0
3

6
9
12
15
18
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
CO (g/kw.h)
Các chế độ của chu trình ECE R49
100 % diesel
diesel+10%LPG
diesel+20%LPG
Hình 4.19. Phát thải CO ở các chế độ thử nghiệm
theo chu trình ECE R49


Diesel
LPG_10
LPG_20

20

4.5.3.2. Phát thải HC



4.5.3.3. Phát thải NOX




Kết quả trên hình 4.19 và 4.20 thể hiện phát thải CO và HC của
động cơ thử nghiệm khi sử dụng diesel nguyên thủy và khi sử dụng lưỡng
nhiên liệu diesel- LPG. Kết quả trên đồ thị cho thấy, khi phun LPG vào
đường ống nạp động cơ diesel thì phát thải HC và CO tăng. Giá trị CO
trung bình tại các chế độ có tỷ lệ LPG thay thế 20% diesel tăng gấp trên 2
0
2
4
6
8
1
2
3
4
5
6
7
8
9

10
11
12
13
HC (g/kw.h)
Các chế độ của chu trình ECE R49
100 % diesel
diesel+10%LPG
diesel+20%LPG
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

12
13
NOX (g/kw.h)
Các chế độ của chu trình ECE R49
100 % diesel
diesel+10%LPG
diesel+20%LPG
Hình 4.20. Phát thải HC ở các chế độ thử
nghiệm theo chu trình ECE R49
Hình 4.21. Phát thải NOX ở các chế độ thử
nghiệm theo chu trình ECE R49

Diesel
LPG_10
LPG_20
Diesel
LPG_10
LPG_20
21

lần so với giá trị CO khi sử dụng diesel nguyên thủy, HC tăng cao nhất ở chế
độ LPG thay thế 20% lên tới 335%.
Kết quả trên hình 4.21 cho thấy, khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel –
LPG thì hàm lượng NOX giảm. Ở chế độ LPG thay thế 10%, phát thải trung
bình của NOX khi thử nghiệm theo chế độ ECE R49 giảm 2,8 %. Ở chế độ
LPG thay thế 20%, phát thải trung bình của NOX giảm 4,2 %.
4.5.3.4. Độ khói
Kết quả đo độ khói của động cơ diesel-LPG được trình bày trong bảng 4.4.
Bảng 4.4. Kết quả đo độ khói của động cơ diesel - LPG
Độ khói ở 100% tải (1/m)

Tốc độ động
cơ (v/ph)
Diesel
Diesel_10
So sánh
(%)
Diesel_20
So sánh
(%)
1000
0,394
0,379
-3,8
0,370
-6,1
1200
0,207
0,197
-4,8
0,187
-9,7
1400
0,142
0,134
-5,6
0,125
-12,0
1600
0,086
0,080

-6,9
0,077
-10,0
1800
0,068
0,062
-8,8
0,058
-14,7
2000
0,081
0,074
-8,4
0,068
-16,0
2200
0,120
0,110
-8,2
0,101
-15,9
2400
0,182
0,160
-12,0
0,142
-22,0
2600
0,252
0,217

-13,9
0,186
-26,2
2800
0,342
0,280
-18,1
0,227
-33,6
Trung bình
-9,1

-16,6

Độ khói giảm là do khi phun LPG vào, tỷ lệ cacbon so với hyđro của
LPG nhỏ hơn so với diesel, tức là khối lượng C trong nhiên liệu LPG thấp
hơn so với diesel nên giảm khả năng hình thành bồ hóng, dẫn đến độ khói
của động cơ diesel-LPG giảm so với động cơ diesel nguyên thủy.
4.5.3.5. Phát thải trung bình
Phát thải trung bình theo chu trình thử ECE R49 của động cơ thí
22

nghiệm thể hiện trên bảng 4.5.
Bảng 4.5. Phát thải trung bình của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-LPG
Thành
phần
Đơn vị
100%
Diesel
Diesel_10

Diesel_20
CO
g/kW.h
1,502
2,701
3,85
HC
g/kW.h
0,179
0,45
0,78
NO
X

g/kW.h
5,853
5,685
5,61
PM
g/kW.h
0,341
0,291
0,268

4.5.4. Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm
4.5.1.1. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm đối với động cơ nguyên
bản theo chu trình ECE R49
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
Thành phần

Đơn vị
Mô phỏng
Thực
nghiệm
Sai lệch
(%)
CO
g/kW.h
1,469
1,502
-2,21
NOX
g/kW.h
5,654
5,853
-3,40
Bồ hóng/PM
g/kW.h
0,299
0,341
-12,28

Bảng 4.7 thể hiện kết quả phát thải của động cơ FAWDE- 4DX23-110
tính theo chu trình ECE R49 khi mô phỏng và thực nghiệm. Kết quả cho
thấy giá trị sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm đối với phát thải NOx và
CO là không nhiều.
4.5.4.2. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm đối với động cơ diesel -
LPG theo chu trình ECE R49
Kết quả so sánh cho thấy, phát thải CO và NOX tính theo chu trình
ECE R49 giữa mô phỏng và thực nghiệm sai lệch không nhiều. Giá trị sai

lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm đối với phát thải CO ở các chế độ LPG
thay thế 10% diesel và LPG thay thế 20% diesel là 3,5% và 3,9%.
Với NOx sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm ở chế độ LPG thay
thế 10% diesel là 3,9% và ở chế độ LPG thay thế 20% diesel là 5,4%.

23

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
Thành
phần
Đơn vị
Chế độ Diesel_10
Chế độ Diesel_20
Mô
phỏng
Thực
nghiệm
Sai lệch
(%)
Mô
phỏng
Thực
nghiệm
Sai lệch
(%)
CO
g/kW.h
2,606
2,701

-3,5
3,699
3,850
-3,9
NOX
g/kW.h
5,460
5,685
-3,9
5,305
5,610
-5,4
Bồ hóng/PM
g/kW.h
0,249
0,291
-14,4
0,223
0,268
-16,7

Giá trị phát thải bồ hóng/PM giữa mô phỏng và thực nghiệm ở chế độ
LPG thay thế 10% diesel sai lệch là 14,4%, ở chế độ LPG thay thế 20%
diesel sai lệch lên tới 16,7%.
4.6. Kết luận chương IV
Luận án đã lựa chọn hệ thống cung cấp LPG phù hợp và lắp đặt hệ
thống này vào động cơ diesel FAWDE 4DX23-110 và tiến hành thí nghiệm
xác định các thành phần khí thải của động cơ khi sử dụng diesel và lưỡng
nhiên liệu diesel-LPG trên hệ thống trang thiết bị thí nghiệm hiện đại.
Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy:

Khi phun LPG vào đường ống nạp động cơ diesel thí nghiệm thì:
- Độ khói giảm ở tất cả các tốc độ làm việc của động cơ.
- CO và HC tăng nhưng vẫn đạt tiêu chuẩn EURO II.
- Lượng giảm NOx là 4,2 % khi LPG thay thế 20% diesel.
- Lượng giảm PM là 21,4 % khi LPG thay thế 20% diesel.
Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm sai khác nhau không
nhiều, điều này cho thấy việc sử dụng phần mềm AVL-BOOST để tính toán
các thành phần phát thải của động cơ diesel - LPG là chấp nhận được.
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ
I. Kết luận chung
1. Động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG là một trong những
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