Luận án tiến sĩ xác định thành phần khí tải phát tán vào môi trường động cơ ô tô

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
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Danh mục các bảng trong luận án
Danh mục các hình vẽ và ảnh trong luận án
MỞ ĐẦU
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
1.1.2. Tình hình ô nhiễm môi trường do phát thải của ô tô
1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng LPG
1.2.1. Tình hình sản xuất LPG
1.2.2. Tình hình sử dụng LPG
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
1.3.2. Các kết quả nghiên cứu trong nước
1.4 Kết luận chương I…………………………………………………
Chương II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THÀNH PHẦN KHÍ THẢ I
CỦA ĐỘ NG CƠ DIESEL VÀ ĐỘNG CƠ DIESEL – LPG
2.1. Chọn phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel- LPG
2.1.1. Các phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel-LPG
2.1.2. Chọn phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel- LPG
2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình chá y trong độ ng cơ diesel và động cơ diesel-LPG
2.2.1. Quá trình cháy trong động cơ diesel
2.2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy trong động cơ diesel-LPG
2.2.3. Cơ sở mô hình hóa quá trình hình thành hỗn nợp và cháy trong
động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-LPG

i
iv
ix
xi
1
5
5
5
7
10
10
11

11
11

16
19

22
22
22
25
26
26
31

37




ii

2.3. Các thành phần khí thải ……………………
2.3.1. Mônôxit cácbon
2.3.2. Hyđrô cácbon
2.3.3. Ôxit nitơ
2.3.4. Phát thải hạt
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
2.4.2. Tính toán phát thải CO
2.4.3. Tính toán phát thải HC
2.4.4. Tính toán phát thải bồ hóng (Soot)
2.5. Kết luận chương II………………………………………………

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
3.1.1. Các phần mềm mô phỏng động cơ
3.1.2. Phần mềm AVL BOOST
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
3.2.2. Nhiên liệu diesel và LPG
3.2.3. Xây dựng mô hình động cơ diesel trên AVL Boost
3.2.4. Kiểm chứng độ chí nh xá c củ a mô hình
3.2.5. Xây dựng mô hình động cơ diesel - LPG trên AVL Boost
3.2.6. Kết quả tính toán mô phỏng
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
3.3.1. Ảnh hưởng của góc phun sớm đến lượng phát thải của động cơ
diesel - LPG

47
48
49
52
54

59
59
60
60
61
63

65
65
65
66

68
68
69
72
73
74
77

80

80




iii

3.3.2. Ảnh hưởng của pha phân phối khí đến lượng phát thải của động cơ
diesel - LPG
3.4. Kết luận chương III
Chương IV. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
4.1. Mục tiêu và nội dung thử nghiệm
4.1.1. Mục tiêu thử nghiệm
4.1.2. Nội dung thử nghiệm

4.2. Thiết bị thí nghiệm
4.2.1. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm
4.2.2. Các bộ phận cơ bản của thiết bị thử nghiệm
4.3. Lựa chọn và lắp đặt hệ thống cung cấp LPG vào động cơ diesel thí
nghiệm
4.4. Quy trình thí nghiệm
4.4.1. Điều kiện thí nghiệm
4.4.2. Thí nghiệm đo khí xả động cơ diesel nguyên thủy
4.4.3. Thí nghiệm đo khí xả động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-LPG
4.5. Kết quả thử nghiệm và đánh giá
4.5.1. Tiêu chuẩn EURO về phát thải của động cơ diesel
4.5.2. Kết quả đánh giá động cơ thử nghiệm
4.5.3. Đánh giá chất lượng phát thải của động cơ diesel khi chạy lưỡng
nhiên liệu diesel-LPG
4.5.4. Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm
4.6. Kết luận chương IV
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC








83
85

87
87
87
87
87
88
90

99
103
103
104
107
110
110
110

112
118
121
122
124
125
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
SCR
Đồ thị tốc độ tỏa nhiệt
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
-
SO
X
Ôxít lưu huỳnh
-
TB
Tua bin
-
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
-
TN
Thực nghiệm
-
TSP
Tổng lượng bụi lơ lửng trong không khí
-
VOCs
Hàm lượng các chất hữu cơ độc hại bay lên trên không
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
aw
Hằng số phụ thuộc vào tỷ lệ nhiên liệu LPG cung cấp
vào xy lanh
-

o,



Thời điểm và thời gian diễn ra quá trình cháy
Độ
k


Sai số
%
CCR

Tỷ lệ phần trăm năng lượng do LPG sinh ra trong tổng
năng lượng của lưỡng nhiên liệu diesel-LPG
%
LPG
m

Khối lượng LPG tiêu thụ
kg
uLPG
H

Nhiệt trị thấp của LPG
MJ/kg
diesel
m

Khối lượng diesel tiêu thụ
kg
udiesel
H

Nhiệt trị thấp của diesel
MJ/kg
c
m

Khối lượng môi chất bên trong xy lanh
kg
u
Nội năng

-
c
p

Áp suất bên trong xy lanh
Pa
V
Thể tích xy lanh
m
3

F
Q

Nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp
kJ
W
Q

Tổn thất nhiệt qua vách
kJ
α
Góc quay trục khuỷu
độ
BB
h

Trị số entanpy
-
i

dm

Lượng khí đi vào xy lanh
kg
vi

e
dm

Lượng khí đi ra khỏi xy lanh
kg
i
h

Entanpy của môi chất khí đi vào xy lanh
-
e
h

Entanpy của môi chất khí đi ra khỏi xy lanh
-
ev
q

Nhiệt hóa hơi của nhiên liệu
kJ
f
Phần nhiệt hóa hơi của môi chất trong xy lanh
kJ
m

ew

Khối lượng nhiên liệu bay hơi
kg
eff
A

Diện tích thông qua
m
2
ol
P

Áp suất môi chất trước họng tiết lưu
Pa
2
P

Áp suất môi chất sau họng tiết lưu
Pa
ol
T

Nhiệt độ môi chất trước họng tiết lưu
K
o
R

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
-
vi
d

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
φ
Góc giữa đường nối tâm quay với piston ở điểm chết
trên với trục thẳng đứng (trường hợp xy lanh lệch tâm)
độ
e
Khoảng lệch tâm

m
wi
Q

Nhiệt truyền đến các chi tiết (nắp máy, đỉnh piston,
thành xy lanh)
K
wi
A

Diện tích bề mặt các chi tiết (nắp máy, đỉnh piston,
thành xy lanh)
m
2
w
α

Hệ số truyền nhiệt

c
T

Nhiệt độ môi chất trên bề mặt thành xy lanh
K
wi
T :

Nhiệt độ bề mặt chi tiết (nắp máy, đỉnh piston, thành xy
lanh)
K

D
Đường kính xy lanh
m
C
m

Tốc độ trung bình của piston
m/s
C
u

Tốc độ tiếp tuyến của môi chất
m/s
vii

V
D

Thể tích công tác của 1 xy lanh
m
3

P
c

Áp suất môi chất trong xy lanh
Pa
p
c,0

Áp suất khí trời
Pa
P
c,1

Áp suất môi chất trong xy lanh tại thời điểm đóng xu
páp nạp
Pa
T
c,1

Nhiệt độ môi chất trong xy lanh tại thời điểm đóng xu
páp nạp
K
V
TDC

Thể tích xy lanh khi piston ở điểm chết trên
m
3

IMEP
Áp suất chỉ thị trung bình
pa
V
Thể tích xy lanh
m
3

D

Đường kính xy lanh
m
P
Áp suất
Pa
T
Nhiệt độ
K
d
in

Đường kính ống nối với đường nạp
m
v
in

Tốc độ dòng khí trên đường nạp
m/s
A
eff

Diện tích thông qua
m
2
δ
Khe hở piston - xylanh
m
Q
Tổng nhiệt lượng cấp vào
kJ

Δ
0

Thời điểm bắt đầu cháy
độ
Δ
αc

Thời gian cháy
giây
m
Thông số hình dạng
-
a
Thông số Vibe
-
Q
MCC

Lượng nhiệt tỏa ra trong giai đoạn cháy chính
kJ
Q
Comb

Hằng số cháy
-
C
Rate

Hằng số hòa trộn hỗn hợp

-
K
Thế năng của dòng chuyển động rối
J
m
F

Lượng nhiên liệu được hóa hơi
kg
LCV
Nhiệt trị thấp của nhiên liệu
kJ/kg
V
Thể tích xy lanh
m
3

Oxygen,available
w

Tỷ lệ khối lượng ôxy có trong hỗn hợp khi bắt đầu phun
nhiên liệu
-
C
EGR

Hằng số xét đến ảnh hưởng của khí thải luân hồi
-
E
kin

Thế năng củ a tia nhiên liệ u
J
C
turb

Hằ ng số năng lượ ng chuyể n độ ng rố i
-
viii

C
Diss

Hằ ng số suy giả m
-
m
F,I

Lượ ng nhiên liệ u phun và o
kg
v
Tố c độ nhiên liệ u
m/s
m
stoich

Khố i lượ ng không khí lý tưở ng để đố t chá y hế t nhiên
liệ u
kg
λ

Diff

Hệ số dư lượ ng không khí trong quá trình chá y chính
-
Q
PMC

Tổng nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp trong giai đoạn
cháy nhanh
kJ
C
NOe

NO ở trạng thái cân bằng

m
fi

Lượng nhiên liệu cấp vào
kg
m
fb

Lượng nhiên liệu đã cháy
kg
m
soot

Khối lượng soot
kg

m
CO

Khối lượng CO
kg
LHV
f
, LHV
C
,
LHV
CO

Nhiệt trị thấp của nhiên liệu, carbon (soot) và CO
kJ/kg
m
s

Khối lượng soot
kg
m
f,v

Khối lượng nhiên liệu bốc hơi
kg
P
O2

Áp suất của các phân tử O
2

Pa
E
s,f

Năng lượng hoạt hoá
kJ/kmol
E
s,ox

Năng lượng ôxy hoá
kJ/kmol
A
f, Aox

Các hằng số được lựa chọn theo kinh nghiệm và kiểu
động cơ
-
x
Tỷ lệ C trên bề mặt của phần tử A tham gia phản ứng
-
R
tot

Hằng số tốc độ ôxy hoá soot
-
MW
c

Trọng lượng của phân tử C

-

s

Mật độ của soot
kg/m
3

D
s

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

khác nhau
36
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
đặc tính ngoài
73
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
góc phân phối khí
85
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
Số lượ ng ô tô của cả nước theo năm
5
Hình 1.2
Các loại ô tô của cả nước theo năm
5
Hình 1.3
Số lượ ng ô tô tại Hà Nội theo năm
6
Hình 1.4
Các loại ô tô tại Hà Nội theo năm
6
Hình 1.5
Số lượ ng 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
Việ t 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
trên AVL BOOST

72
Hình 3.3
So sánh công suất và mô men của động cơ giữa thực
nghiệm và mô phỏng
74
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
chu trình ECE R49
84
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
3

* 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 để xây dựng phương pháp xác định lượng khí thải.
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 phương pháp xác định các thành phần khí
thải độc hại của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu
diesel – LPG.
Luận án đã xây dựng được mô hình mô phỏng để đánh giá lượng phát
thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu diesel –
LPG.
Luận án đã tiến hành thực nghiệm đánh giá và so sánh các thành phần
khí thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu diesel –
LPG bằng 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.
4

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị trong giảng dạy, nghiên cứu

khoa học và thực tế ứng dụng.
6. Những nội dung chính của luận án
Luận án được trình bày trong 4 chương với cấu trúc như sau:
Mở đầu
Chương I. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.
Chương II. Cơ sở lý thuyết tính toán thành phần 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.
Chương IV. Thực nghiệm và đánh giá kết quả
Kết luận và kiến nghị.
5

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. Tính đến 31/12/2012, số lượ ng ô tô trên c ả nước đã lên tới
1.539.142 chiế c [4]. Các số liệu biểu thị trên hình 1.1 và hình 1.2 cho thấy, trong
khoảng thời gian từ năm 2008 đến 2012, số lượng ô tô trên cả nước đã tăng trên
60%, xe con và xe tải chiếm tỷ lệ tương đối lớn, tỷ lệ giao thông công cộng
chỉ chiếm một phần nhỏ của giao thông đô thị.

Phương tiệ n giao thông cơ gi ới đường bộ lưu hà nh ở Việ t Nam bao
gồm nhiều loại, có nhiề u phương tiện đã cũ, tiêu thụ nhiên liệ u lớ n , độ ồn và
phát thải độc hại r ất cao . Thự c hiệ n Nghị định s ố 92/2001/NĐ-CP ngà y
11/12/2001 của Chính phủ về điều kiện kinh doanh vận tải bằng ô tô và Nghị
đị nh số 23/2004/NĐ-CP ngà y 13/01/2004 của Chính phủ về niên hạ n sử dụ ng
ô tô tả i và ô tô chở ngườ i , số lượ ng phương tiệ n quá cũ đã đượ c giả m đi đá ng
kể . Tuy nhiên, mức độ phát thải các chất độc hại vẫn còn ở mức cao.
Số lượ ng phương tiệ n tăng quá nhanh trong khi hạ 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

Hnh 1.1. Số lượ ng ô tô của cả nước theo năm

0,0
0,4
0,8
1,2
1,6
2008
2009
2010
2011
2012
(Triệu xe)
Hnh 1.2. Các loại ô tô của cả nước theo năm

0
150

300
450
600
750
Xe con
Xe tải
Xe khách
2008
2009
2010
2011
2012
(Nghìn xe)
6

thị. Hà Nội là mộ t thà nh phố có tố c độ phá t triể n số lượ ng phương tiệ n giao
thông đường bộ ở mức cao. Tính đến 31/12/2012, số lượ ng ô tô đạ t 334.399
chiế c [4]. Các số liệu biểu thị trên hình 1.3 và hình 1.4 cho thấy, trong khoảng
thời gian từ năm 2008 đến 2012, số lượng ô tô trên cả nước đã tăng lên gấp
khoảng 1,5 lần, trong đó gia tăng chủ yếu là xe con, số lượng xe tải và xe
khách thay đổi không đáng kể.

Tốc độ phát triển các loại phương tiệ n giao thông đường bộ ở Thành phố
Hồ Chí Minh cũng tăng lên rất nhanh, chủ yếu là các loại xe con và xe tải. Tính
đến 31/12/2012, số lượ ng ô tô tại Thành phố Hồ Chí Minh đạ t 307.724 chiế c [4].









Các số liệu biểu thị trên hình 1.5 và hình 1.6 cho thấy, trong khoảng thời
gian từ năm 2008 đến 2012, tổng số phương tiện giao thông đường bộ tại thành


Hnh 1.3. Số lượ ng ô tô tại Hà Nội theo năm


0
50
100
150
200
250
300
350
2008
2009
2010

2011
2012
(Nghìn xe)

Hnh 1.4. Các loại ô tô tại Hà Nội theo năm


0
50
100
150
200
250
Xe con
Xe tải
Xe khách
2008
2009
2010
2011
2012
(Nghìn xe)






Hnh 1.6. Các loại ô tô tại TP HCM theo năm

0
40
80
120
160
Xe con
Xe tải
Xe khách
2008
2009
2010
2011
2012
(Nghìn xe)


Hnh 1.5. Số lượ ng ô tô tại TP HCM theo năm


0
50
100
150
200
250
300
350
2008
2009

2010
2011
2012
(Nghìn xe)
7

phố này đã tăng 32%, trong đó gia tăng chủ yếu là xe con và xe khách, số
lượng xe tải thay đổi không đáng kể.
Việt Nam hiện đang áp dụng tiêu chuẩn khí thải Euro II cho phương tiện
giao thông mới xuất xưởng, còn đối với các phương tiện đang lưu hành, tiêu
chuẩn về khí thải được đánh giá bằng độ khói cho từng loại phương tiện. Khi
các tiêu chuẩn này được đưa vào áp dụng, rất nhiều phương tiện đang lưu hành
cũng như lắp ráp mới không đáp ứng được, điều đó đòi hỏi các nhà sản xuất
phải có những nghiên cứu nhằm giảm thiểu lượng khí thải độc hại của động cơ.
1.1.2. Tình hình ô nhiễm môi trường do phát thải của ô tô ở Việt Nam
Sản phẩm cháy được thải ra từ động cơ đốt trong gồm ôxit nitơ (NOx),
mônôxit cácbon (CO), hyđrô cácbon (HC), chất thải hạt (PM) và anđêhit, các
thành phần này là nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm không khí. Theo kết quả
thống kê thì động cơ đốt trong là nguồn đóng góp xấp xỉ một nửa lượng chất
ô nhiễm NOx, CO, và HC trong không khí [56]. Các chất ô nhiễm này gây
nhiều tác hại khác nhau cho sức khỏe và môi trường. Ví dụ, NOx phản ứng
với hơi nước tạo thành axit nitric và phản ứng với bức xạ ánh sáng mặt trời
tạo thành khí ô-zôn trong khí quyển, cả hai sản phẩm này đều gây ra các vấn
đề đối với hệ hô hấp. Mônôxit cácbon dễ kết hợp với Hb tạo thành các
Methemoglobin gây trở ngại cho sự vận chuyển khí ôxi trong hệ tuần hoàn của
con người. Ngoài ra, các hyđro cacbon có thể gây ra sự đột biến tế bào và cũng
góp phần hình thành ô-zôn trong khí quyển [10].
Tùy thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, phương pháp hình thành hỗn
hợp và cháy, tình trạng của động cơ mà nồng độ các thành phần phát thải của
các động cơ khác nhau. Trong khi động cơ xăng có hàm lượng các thành phần

phát thải CO và HC cao thì động cơ diesel lại thải ra môi trường một lượng
PM và NOx lớn [27].
Số lượ ng phương tiệ n tăng quá nhanh trong khi hạ tầng giao thông
không phát triển kịp đã gây ra tình trạng ùn tắc giao tại các thành phố lớn.