XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN KHÍ THẢI PHÁT TÁN VÀO MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ Ô TÔ SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-LPG

Header Page 1 of 258.

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

Footer Page 1 of 258.


Header Page 2 of 258.

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

Footer Page 2 of 258.


Header Page 3 of 258.

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

Footer Page 3 of 258.


Header Page 4 of 258.

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

Footer Page 4 of 258.


Header Page 5 of 258.

i
MỤC LỤC

Mục lục........................................................................................................

i

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt....................................................

iv

Danh mục các bảng trong luận án.........................................................

ix

Danh mục các hình vẽ và ảnh trong luận án...........................................

xi

MỞ ĐẦU.....................................................................................................

1

Chương I. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.................................

5

1.1 Tổng quan về ô nhiễm môi trường do phát thải của ô tô .....................

5

1.1.1. Sự phát triển phương tiện giao thông ở Việt Nam............................

5

1.1.2. Tình hình ô nhiễm môi trường do phát thải của ô tô.........................

7

1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng LPG...............................................

10

1.2.1. Tình hình sản xuất LPG.................................................................

10

1.2.2. Tình hình sử dụng LPG.................................................................

11

1.3. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về khí thải của động cơ diesel và
động cơ diesel-LPG................................................................................

11

1.3.1. Các kết quả nghiên cứu trên thế giới.................................................

11

1.3.2. Các kết quả nghiên cứu trong nước...................................................

16

1.4 Kết luận chương I………………………………………………….....

19

Chương II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI
CỦA ĐỘNG CƠ DIESELVÀ ĐỘNG CƠ DIESEL – LPG.................................

22

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

22

2.1.1. Các phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel-LPG....................

22

2.1.2. Chọn phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel- LPG..............

25

2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy trong động cơ diesel
và động cơ diesel-LPG 26
2.2.1. Quá trình cháy trong động cơ diesel..................................................

26

2.2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy trong động cơ diesel-LPG ..........

31

2.2.3. Cơ sở mô hình hóa quá trình hình thành hỗn nợp và cháy trong
động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-LPG .......................................................... 37

Footer Page 5 of 258.


Header Page 6 of 258.

ii

2.3. Các thành phần khí thải ……………………......................................... 47
2.3.1. Mônôxit cácbon...........................................................................

48

2.3.2. Hyđrô cácbon..............................................................................

49

2.3.3. Ôxit nitơ.....................................................................................

52

2.3.4. Phát thải hạt................................................................................

54

2.4. Cơ sở tí nh toán các thành phần phát thải trong động cơ diesel và động
cơ diesel - LPG .....................................................................................

59

2.4.1. Tính toán phát thải NOx....................................................................

59

2.4.2. Tính toán phát thải CO......................................................................

60

2.4.3. Tính toán phát thải HC........................................................................ 60
61
2.4.4. Tính toán phát thải bồ hóng (Soot)...................................................
2.5. Kết luận chương II………………………………………………...............

63

Chương III. XÂY DỰNG MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN KHÍ
THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ ĐỘNG CƠ DIESEL-LPG

65

3.1. Phần mềm AVL BOOST................................................................

65

3.1.1. Các phần mềm mô phỏng động cơ....................................................

65

3.1.2. Phần mềm AVL BOOST..................................................................

66

3.2. Ứng dụng phần mềm AVL BOOST tính toán các thành phần khí thải
của động cơ FAWDE - 4DX23.................................................................

68

3.2.1. Các thông số cơ bản của động cơ FAWDE- 4DX23.........................

68

3.2.2. Nhiên liệu diesel và LPG..............................................................

69

3.2.3. Xây dựng mô hình động cơ diesel trên AVL Boost..........................

72

3.2.4. Kiểm chứng độ chí nh xác của mô hì nh.............................................

73

3.2.5. Xây dựng mô hình động cơ diesel - LPG trên AVL Boost...............

74

3.2.6. Kết quả tính toán mô phỏng..............................................................

77

3.3. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số kết cấu và điều chỉnh đến
lượng phát thải của động cơ diesel-LPG bằng phương pháp mô phỏng ...... 80
3.3.1. Ảnh hưởng của góc phun sớm đến lượng phát thải của động cơ
diesel - LPG.........................................................................................

Footer Page 6 of 258.

80


Header Page 7 of 258.

iii

3.3.2. Ảnh hưởng của pha phân phối khí đến lượng phát thải của động cơ
diesel - LPG..........................................................................................

83

3.4. Kết luận chương III..............................................................................

85

Chương IV. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ......................................

87

4.1. Mục tiêu và nội dung thử nghiệm........................................................

87

4.1.1. Mục tiêu thử nghiệm.........................................................................

87

4.1.2. Nội dung thử nghiệm.........................................................................

87

4.2. Thiết bị thí nghiệm...............................................................................

87

4.2.1. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm...................................................................

88

4.2.2. Các bộ phận cơ bản của thiết bị thử nghiệm.....................................

90

4.3. Lựa chọn và lắp đặt hệ thống cung cấp LPG vào động cơ diesel thí
nghiệm........................................................................................................

99

4.4. Quy trình thí nghiệm...................................................................................

103

4.4.1. Điều kiện thí nghiệm.........................................................................

103

4.4.2. Thí nghiệm đo khí xả động cơ diesel nguyên thủy...........................

104

4.4.3. Thí nghiệm đo khí xả động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-LPG............

107

4.5. Kết quả thử nghiệm và đánh giá..........................................................

110

4.5.1. Tiêu chuẩn EURO về phát thải của động cơ diesel...........................

110

4.5.2. Kết quả đánh giá động cơ thử nghiệm..............................................

110

4.5.3. Đánh giá chất lượng phát thải của động cơ diesel khi chạy lưỡng
nhiên liệu diesel-LPG.................................................................................

112

4.5.4. Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm.....................................

118

4.6. Kết luận chương IV..............................................................................

121

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ..................................................

122

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ............

124

TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................

125

PHỤ LỤC....................................................................................................

133

Footer Page 7 of 258.

Header Page 8 of 258.

iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tên gọi

AVL-BOOST
AVL-MCC
CA
CO
CNG
CRT
DOC
DPF
ECE R49

Phần mềm mô phỏng một chiều của hãng AVL
Mô hình cháy của hãng AVL
Góc quay trục khuỷu
Mônôxit cácbon
Khí thiên nhiên
Bộ lọc tái sinh liên tục
Bộ xúc tác ôxi hóa
Bộ lọc phát thải hạt, dạng khép kín
Chu trình thử châu Âu 13 mode đối với động cơ xe tải
hạng nặng
Hệ thống luân hồi khí thải

Hyđrô các bon thơm mạch vòng
Hyđrô các bon
Luân hồi áp suất cao
Luân hồi áp suất thấp
Bộ xúc tác hấp thụ NOx
Khí dầu mỏ hóa lỏng
Khí thiên nhiên
Máy nén
Mô phỏng
Trung tâm thử nghiệm khí thải các phương tiện cơ giới
đường bộ, Cục Đăng Kiểm Việt Nam
Ôxít nitơ
Phát thải hạt
Bộ lọc phát thải hạt (dạng lọc hở)
Phát thải hạt có kích thước nhỏ hơn 10µm
Đồ thị tốc độ tỏa nhiệt
Bộ xúc tác khử NOx
Hệ thống xử lý khí thải tổng hợp CRT và SCR
Bộ lọc phát thải hạt có trang bị sợi đốt

EGR
HAP
HC
LHC
LHT
LNT
LPG
CNG
MN
MP

NETC
NOX
PM
PM- cat
PM10
ROHR
SCR
SCRT
SMF

Footer Page 8 of 258.

Đơn vị
-


Header Page 9 of 258.

v

Độ khói
Bồ hóng
Ôxít lưu huỳnh
Tua bin
Tiêu chuẩn Việt Nam
Thực nghiệm
Tổng lượng bụi lơ lửng trong không khí
Hàm lượng các chất hữu cơ độc hại bay lên trên không
khí
Góc quay trục khuỷu hiện thời

Nhiệt tỏa ra tính đến góc quay của trục khuỷu

-

Tổng nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình cháy
Hằng số phụ thuộc vào tỷ lệ nhiên liệu LPG cung cấp
vào xy lanh
Thời điểm và thời gian diễn ra quá trình cháy

J
-

%
%

mLPG

Sai số
Tỷ lệ phần trăm năng lượng do LPG sinh ra trong tổng
năng lượng của lưỡng nhiên liệu diesel-LPG
Khối lượng LPG tiêu thụ

H uLPG

Nhiệt trị thấp của LPG

MJ/kg

mdiesel

Khối lượng diesel tiêu thụ

kg

H udiesel

Nhiệt trị thấp của diesel

MJ/kg

mc

Khối lượng môi chất bên trong xy lanh

kg

u
pc

Nội năng
Áp suất bên trong xy lanh

Pa

V
QF

Thể tích xy lanh
Nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp

m3
kJ

QW

Tổn thất nhiệt qua vách

kJ

α
h BB

Góc quay trục khuỷu
Trị số entanpy

độ
-

dmi

Lượng khí đi vào xy lanh

kg

Smoke
SOOT
SOX
TB
TCVN
TN

TSP
VOCs



Q  
Q
aw
 o, 
k

CCR

Footer Page 9 of 258.

Độ
J

Độ

kg


Header Page 10 of 258.

vi

dme

Lượng khí đi ra khỏi xy lanh

kg

hi

Entanpy của môi chất khí đi vào xy lanh

-

he

Entanpy của môi chất khí đi ra khỏi xy lanh

-

q ev

Nhiệt hóa hơi của nhiên liệu

kJ

f

Phần nhiệt hóa hơi của môi chất trong xy lanh
Khối lượng nhiên liệu bay hơi

kJ
kg

Diện tích thông qua

m2

Pol

Áp suất môi chất trước họng tiết lưu

Pa

P2

Áp suất môi chất sau họng tiết lưu

Pa

Tol

Nhiệt độ môi chất trước họng tiết lưu

K

Ro

Hằng số chất khí

-

ψ
k
μσ

Hệ số phụ thuộc tỷ lệ áp suất môi chất
Tỷ số nhiệt dung riêng của môi chất
Hệ số cản dòng của đường ống

d vi

Đường kính xu páp

m

S
r
l

Vị trí của piston tính từ điểm chết trên
Bán kính quay
Chiều dài thanh truyền
Góc giữa đường nối tâm quay với piston ở điểm chết
trên với trục thẳng đứng (trường hợp xy lanh lệch tâm)
Khoảng lệch tâm
Nhiệt truyền đến các chi tiết (nắp máy, đỉnh piston,
thành xy lanh)
Diện tích bề mặt các chi tiết (nắp máy, đỉnh piston,
thành xy lanh)

mew
A eff

φ

e
Q wi
A wi

m
m
độ
m
K
m2

αw

Hệ số truyền nhiệt

Tc

Nhiệt độ môi chất trên bề mặt thành xy lanh

K

Nhiệt độ bề mặt chi tiết (nắp máy, đỉnh piston, thành xy
lanh)
Đường kính xy lanh
Tốc độ trung bình của piston
Tốc độ tiếp tuyến của môi chất

K

Twi :

D
Cm
Cu

Footer Page 10 of 258.

m
m/s
m/s


Header Page 11 of 258.

VD
Pc
pc,0
Pc,1
Tc,1
VTDC
IMEP
V
D
P
T
din
vin
Aeff
δ
Q

Δ0
Δαc
m
a
QMCC
QComb
CRate
K
mF
LCV
V

w Oxygen,available
CEGR
Ekin
Cturb

Footer Page 11 of 258.

vii

Thể tích công tác của 1 xy lanh
Áp suất môi chất trong xy lanh
Áp suất khí trời
Áp suất môi chất trong xy lanh tại thời điểm đóng xu
páp nạp
Nhiệt độ môi chất trong xy lanh tại thời điểm đóng xu
páp nạp
Thể tích xy lanh khi piston ở điểm chết trên
Áp suất chỉ thị trung bình

Thể tích xy lanh
Đường kính xy lanh
Áp suất
Nhiệt độ
Đường kính ống nối với đường nạp
Tốc độ dòng khí trên đường nạp
Diện tích thông qua
Khe hở piston - xylanh
Tổng nhiệt lượng cấp vào
Thời điểm bắt đầu cháy
Thời gian cháy
Thông số hình dạng
Thông số Vibe
Lượng nhiệt tỏa ra trong giai đoạn cháy chính
Hằng số cháy
Hằng số hòa trộn hỗn hợp
Thế năng của dòng chuyển động rối
Lượng nhiên liệu được hóa hơi
Nhiệt trị thấp của nhiên liệu
Thể tích xy lanh
Tỷ lệ khối lượng ôxy có trong hỗn hợp khi bắt đầu phun
nhiên liệu
Hằng số xét đến ảnh hưởng của khí thải luân hồi
Thế năng của tia nhiên liệu
Hằng số năng lượng chuyển động rối

m3
Pa
Pa
Pa

K
m3
pa
m3
m
Pa
K
m
m/s
m2
m
kJ
độ
giây
kJ
J
kg
kJ/kg
m3
J
-


Header Page 12 of 258.

CDiss
mF,I
v
mstoich
λDiff

QPMC
CNOe
mfi
mfb
msoot
mCO
LHVf, LHVC,
LHVCO
ms
mf,v
PO2
Es,f
Es,ox
Af, Aox
x
Rtot
MWc
s
Ds

Footer Page 12 of 258.

viii

Hằng số suy giảm
Lượng nhiên liệu phun vào
Tốc độ nhiên liệu
Khối lượng không khí lý tưởng để đốt cháy hết nhiên
liệu
Hệ số dư lượng không khítrong quá trì nh cháy chí nh

Tổng nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp trong giai đoạn
cháy nhanh
NO ở trạng thái cân bằng
Lượng nhiên liệu cấp vào
Lượng nhiên liệu đã cháy
Khối lượng soot
Khối lượng CO

kg
kg
kg
kg

Nhiệt trị thấp của nhiên liệu, carbon (soot) và CO

kJ/kg

Khối lượng soot
Khối lượng nhiên liệu bốc hơi
Áp suất của các phân tử O2
Năng lượng hoạt hoá
Năng lượng ôxy hoá
Các hằng số được lựa chọn theo kinh nghiệm và kiểu
động cơ
Tỷ lệ C trên bề mặt của phần tử A tham gia phản ứng
Hằng số tốc độ ôxy hoá soot
Trọng lượng của phân tử C
Mật độ của soot
Đường kính của phân tử soot đặc trưng

kg
kg
Pa
kJ/kmol
kJ/kmol

kg
m/s
kg
kJ

kg/m3
m


Header Page 13 of 258.

ix

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN ÁN
Ký hiệu

Tên bảng

Bảng 1.1 Dự báo tổng phát thải do hoạt động GTVT đường bộ
và đường sắt

Trang
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- 4DX23110

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 FAWDE4DX23-110 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

Footer Page 13 of 258.


Header Page 14 of 258.

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

Footer Page 14 of 258.


Header Page 15 of 258.

xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ẢNH TRONG LUẬN ÁN
Ký hiệu

Tên hình vẽ

Hình 1.1

Số lượng 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 lượng 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 lượng 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
Việt 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

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

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

Hình 2.5

Hình 2.9

Footer Page 15 of 258.

Trang


Header Page 16 of 258.

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

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

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

Phát thải NOX ở các chế độ mô phỏng theo chu trình
ECE R49

79

Phát thải bồ hóng ở các chế độ mô phỏng theo chu
trình ECE R49

80

Phát thải NOx và CO ở 100% tải, tốc độ động cơ

1800 v/ph theo góc phun sớm

81

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

Phát thải CO ở các góc mở xu páp mô phỏng theo chu

83

Hình 2.16

Hình 3.5

Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10
Hình 3.11

Hình 3.14

Footer Page 16 of 258.


Header Page 17 of 258.

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

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

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

Quan hệ giữa lượng bồ hóng và tốc độ vòng quay của
động cơ

112

Hình 4.2

Hình 4.18

Footer Page 17 of 258.

84


Header Page 18 of 258.

Hình 4.19

Hình 4.20
Hình 4.21
Hình 4.22
Hình 4.23

Footer Page 18 of 258.

xiv

Phát thải CO ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình
ECE R49

113

Phát thải HC ở các chế độ thử nghiệm theo chu trình
ECE R49

113

Phát thải NOX ở các chế độ thử nghiệm theo chu
trình ECE R49

114

Quan hệ giữa độ khói và số vòng quay của động cơ
lưỡng nhiên liệu diesel-LPG

116

Kết quả so sánh công suất giữa mô phỏng và thực

nghiệm của động cơ nguyên bản theo chu trình ECE R49

118


Header Page 19 of 258.

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

Footer Page 19 of 258.


Header Page 20 of 258.

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

Footer Page 20 of 258.


Header Page 21 of 258.

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.

Footer Page 21 of 258.


Header Page 22 of 258.

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.

Footer Page 22 of 258.


Header Page 23 of 258.

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 lượng ô tô trên c ả nước đã lên tới
1.539.142 chiếc [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.
(Triệu xe)

(Nghìn xe)

Xe con

Xe tải

Xe khách

750

1,6

600

1,2

450

0,8

300

0,4

150

0,0

0
2008

2009

2010

2011

2012

Hình 1.1. Số lượng ô tô của cả nước theo năm

2008

2009

2010

2011

2012

Hình 1.2. Các loại ô tô của cả nước theo năm

Phương tiện giao thông cơ gi ới đường bộ lưu hành ở Việt Nam bao
gồm nhiều loại, có nhiều phương ti ện đã cũ, tiêu thụ nhiên liệu lớn , độ ồn và
phát thải độc hại r ất cao . Thực hiện Nghị đị nh s ố 92/2001/NĐ-CP ngày
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 ngày 13/01/2004 của Chính phủ về niên hạn sử dụng
ô tô tải và ô tô chở người , số lượng phương tiện quá cũ đã được giảm đi đáng
kể. Tuy nhiên, mức độ phát thải các chất độc hại vẫn còn ở mức cao.

Số lượng phương tiện tăng quá nhanh trong khi hạ tầng giao thông không
phát triển kịp đã tạo ra sức ép ngày càng lớn đối với môi trường đặc biệt là ở đô

Footer Page 23 of 258.


Header Page 24 of 258.

6

thị. Hà Nội là một thành phố có tốc độ phát triển số lượng phương tiện giao
thông đường bộ ở mức cao. Tính đến 31/12/2012, số lượng ô tô đạt 334.399
chiếc [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.
(Nghìn xe)

(Nghìn xe)

350

250

300

200

Xe con

Xe tải

Xe khách

250
200

150

150

100

100
50

50
0

0
2008

2009

2010

2011

2012

Hình 1.3. Số lượng ô tô tại Hà Nội theo năm

2008

2009

2010

2011

2012

Hình 1.4. Các loại ô tô tại Hà Nội theo năm

Tốc độ phát triển các loại phương tiện 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 lượng ô tô tại Thành phố Hồ Chí Minh đạt 307.724 chiếc [4].
(Nghìn xe)

(Nghìn xe)

350

160
Xe con

300

Xe tải

Xe khách

120

250
200

80

150
100

40

50
0

0

2008

2009

2010

2011

2012

Hình 1.5. Số lượng ô tô tại TP HCM theo năm

2008

2009

2010

2011

2012

Hình 1.6. Các loại ô tô tại TP HCM theo năm

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

Footer Page 24 of 258.


Header Page 25 of 258.

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 lượng phương tiện 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.

Footer Page 25 of 258.