Luận văn Xác định thành phần khí thải phát tán vào môi trường của động cơ ô tô sử dụng lưỡng nhiên liệu Diesel-LPG

157 trang phuongnguyen 2741

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Xác định thành phần khí thải phát tán vào môi trường của động cơ ô tô sử dụng lưỡng nhiên liệu Diesel-LPG", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

luan_van_xac_dinh_thanh_phan_khi_thai_phat_tan_vao_moi_truon.pdf

Nội dung text: Luận văn Xác định thành phần khí thải phát tán vào môi trường của động cơ ô tô sử dụng lưỡng nhiên liệu Diesel-LPG

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 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 THẢ I CỦA ĐỘ NG CƠ DIESE LVÀ 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 chá y trong độ ng cơ dies vàel 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
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 toá n cá c thà nh phầ n phá t thả i trong độ ng 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 2.4.4. Tính toán phát thải bồ hóng (Soot) 61 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 xá c củ a 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 80
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 8 5 Chương IV. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 8 7 4.1. Mục tiêu và nội dung thử nghiệm 8 7 87 4.1.1. Mục tiêu thử nghiệm 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
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 Đồ thị tốc độ tỏa nhiệt - SCR 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 - SOX Ôxít lưu huỳnh - TB Tua bin - TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam - TN Thực nghiệm - TSP Tổng lượng bụi lơ lửng trong không khí - Hàm lượng các chất hữu cơ độc hại bay lên trên không - VOCs khí  Góc quay trục khuỷu hiện thời Độ  Nhiệt tỏa ra tính đến góc quay của trục khuỷu J Q  Q Tổng nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình cháy J Hằng số phụ thuộc vào tỷ lệ nhiên liệu LPG cung cấp - aw vào xy lanh o,  Thời điểm và thời gian diễn ra quá trình cháy Độ  k Sai số % Tỷ lệ phần trăm năng lượng do LPG sinh ra trong tổng % CCR năng lượng của lưỡng nhiên liệu diesel-LPG m Khối lượng LPG tiêu thụ kg LPG H Nhiệt trị thấp của LPG MJ/kg uLPG m Khối lượng diesel tiêu thụ kg diesel H Nhiệt trị thấp của diesel MJ/kg udiesel m Khối lượng môi chất bên trong xy lanh kg c u Nội năng - p Áp suất bên trong xy lanh Pa c V Thể tích xy lanh m3 Q Nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp kJ F Q Tổn thất nhiệt qua vách kJ W α Góc quay trục khuỷu độ h Trị số entanpy - BB dm Lượng khí đi vào xy lanh kg i
vi dm Lượng khí đi ra khỏi xy lanh kg e h - i Entanpy của môi chất khí đi vào xy lanh h - e Entanpy của môi chất khí đi ra khỏi xy lanh q kJ ev Nhiệt hóa hơi của nhiên liệu f Phần nhiệt hóa hơi của môi chất trong xy lanh kJ mew Khối lượng nhiên liệu bay hơi kg A m2 eff Diện tích thông qua P Pa ol Áp suất môi chất trước họng tiết lưu P Pa 2 Áp suất môi chất sau họng tiết lưu T K ol Nhiệt độ môi chất trước họng tiết lưu R - o 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 - d m vi Đường kính xu páp S Vị trí của piston tính từ điểm chết trên - r Bán kính quay m l Chiều dài thanh truyền m Góc giữa đường nối tâm quay với piston ở điểm chết φ độ trên với trục thẳng đứng (trường hợp xy lanh lệch tâm) e Khoảng lệch tâm m Nhiệt truyền đến các chi tiết (nắp máy, đỉnh piston, Q K wi thành xy lanh) Diện tích bề mặt các chi tiết (nắp máy, đỉnh piston, A m2 wi thành xy lanh) α w Hệ số truyền nhiệt T K c Nhiệt độ môi chất trên bề mặt thành xy lanh T : Nhiệt độ bề mặt chi tiết (nắp máy, đỉnh piston, thành xy K wi lanh) D Đường kính xy lanh m Cm Tốc độ trung bình của piston m/s Cu Tốc độ tiếp tuyến của môi chất m/s
vii 3 VD Thể tích công tác của 1 xy lanh m Pc Áp suất môi chất trong xy lanh Pa pc,0 Áp suất khí trời Pa Áp suất môi chất trong xy lanh tại thời điểm đóng xu P Pa c,1 páp nạp Nhiệt độ môi chất trong xy lanh tại thời điểm đóng xu T K c,1 páp nạp 3 VTDC Thể tích xy lanh khi piston ở điểm chết trên m IMEP Áp suất chỉ thị trung bình pa V Thể tích xy lanh m3 D Đường kính xy lanh m P Áp suất Pa T Nhiệt độ K din Đường kính ống nối với đường nạp m vin Tốc độ dòng khí trên đường nạp m/s 2 Aeff Diện tích thông qua m δ Khe hở piston - xylanh m Q Tổng nhiệt lượng cấp vào kJ Δ0 Thời điểm bắt đầu cháy độ Δαc Thời gian cháy giây m Thông số hình dạng - a Thông số Vibe - QMCC Lượng nhiệt tỏa ra trong giai đoạn cháy chính kJ QComb Hằng số cháy - CRate Hằng số hòa trộn hỗn hợp - K Thế năng của dòng chuyển động rối J mF Lượng nhiên liệu được hóa hơi kg LCV Nhiệt trị thấp của nhiên liệu kJ/kg V Thể tích xy lanh m3 Tỷ lệ khối lượng ôxy có trong hỗn hợp khi bắt đầu phun w - Oxygen,available nhiên liệu CEGR Hằng số xét đến ảnh hưởng của khí thải luân hồi - Ekin Thế năng củ a tia nhiên liệ u J Cturb Hằ ng số năng lượ ng chuyể n độ ng rố i -
viii CDiss Hằ ng số suy giả m - mF,I Lượ ng nhiên liệ u phun và o kg v Tố c độ nhiên liệ u m/s Khố i lượ ng không khí lý tưở ng để đố t chá y hế t nhiên m kg stoich liệ u λDiff Hệ số dư lượ ng không kh ítrong quá trì nh chá y chí nh - Tổng nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp trong giai đoạn Q kJ PMC cháy nhanh CNOe NO ở trạng thái cân bằng mfi Lượng nhiên liệu cấp vào kg mfb Lượng nhiên liệu đã cháy kg msoot Khối lượng soot kg mCO Khối lượng CO kg LHV , LHV , f C Nhiệt trị thấp của nhiên liệu, carbon (soot) và CO kJ/kg LHVCO ms Khối lượng soot kg mf,v Khối lượng nhiên liệu bốc hơi kg PO2 Áp suất của các phân tử O2 Pa Es,f Năng lượng hoạt hoá kJ/kmol Es,ox Năng lượng ôxy hoá kJ/kmol Các hằng số được lựa chọn theo kinh nghiệm và kiểu A - f, Aox động cơ x Tỷ lệ C trên bề mặt của phần tử A tham gia phản ứng - Rtot Hằng số tốc độ ôxy hoá soot - MWc Trọng lượng của phân tử C - 3 s Mật độ của soot kg/m Ds 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 36 khác nhau 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 73 đặc tính ngoài 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 85 góc phân phối khí 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 72 trên AVL BOOST Hình 3.3 So sánh công suất và mô men của động cơ giữa thực 74 nghiệm và mô phỏng 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 84 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 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. (Triệu xe) (Nghìn xe) Xe con Xe tải Xe khách 1,6 750 600 1,2 450 0,8 300 0,4 150 0,0 0 2008 2009 2010 2011 2012 2008 2009 2010 2011 2012 Hình 1.1. Số lượ ng ô tô của cả nước theo năm Hình 1.2. Các loại ô tô của cả nước theo năm 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 đị nh 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
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. (Nghìn xe) (Nghìn xe) Xe con Xe tải Xe khách 350 250 300 200 250 200 150 150 100 100 50 50 0 0 2008 2009 2010 2011 2012 2008 2009 2010 2011 2012 Hình 1. 3. Số lượ ng ô tô tại Hà Nội theo năm Hình 1.4. Các loại ô tô tại Hà Nội theo năm Tốc độ phát tri ển 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]. (Nghìn xe) (Nghìn xe) 350 160 Xe con Xe tải Xe khách 300 250 120 200 80 150 100 40 50 0 0 2008 2009 2010 2011 2012 2008 2009 2010 2011 2012 Hình 1.5. Số lượ ng ô tô tại TP HCM theo năm 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
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.
8 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. Ngoài 05 thành phố thuộc Trung ương thì các thành phố thuộc tỉnh là trung tâm phát triển của vùng như Huế, Vinh, Nam Định, Hạ Long, Nha Trang cũng có nguy cơ ô nhiễm không khí rất cao [56]. Ô nhiễm không khí tại các trục giao thông và khu vực dân cư xung quanh đường giao thông chủ yếu là do khí thải các loại xe cơ giới. Trừ bụi xây dựng thì các nguồn khác như khí thải từ các chất đốt dùng trong sinh hoạt hoặc khí thải của các nhà máy công nghiệp ở khu vực khác lan sang cũng có ảnh hưởng đến ô nhiễm không khí trong khu vực nội thành nhưng không lớn. Theo báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia năm 2009 [56], kế t quả quan trắc môi trường không khí trên toàn quốc cho thấy lĩnh vực giao thông ướ c tí nh chiế m khoả ng 85% đố i vớ i CO và 95% đố i vớ i VOCs , các hoạt động công nghi ệp và sinh hoạt chỉ chiế m 10-30 %. Trong đó, khí thải của xe cơ giới là nguồn chính gây ô nhiễm CO, HC, PM10, NOx và các chất phụ gia trong xăng như benzene, toluene, xylene. Phát thải SO2 và 100% 90% bụi hạt thì phát sinh chủ yếu từ 80% 70% các nguồn thải công nghiệp và 60% 50% hoạt động xây dựng. 40% 30% Do chưa có hệ thống quan 20% 10% trắc đầy đủ nên không thể thấy 0% CO NO SO H C VOC được bức tranh tổng thể về ô X 2 m n Xe máy xe con xe khách xe tải nhiễm không khí trên cả nước. Hình 1.7. Phát thải độc hại từ các loại Từ mức độ phát thải độc hại phương tiệ n khá c nhau ở Vi ệ t Nam của các loại phương tiện khá c nhau ở Việ t Nam trên hình 1.7 cho thấy, đối với ô tô tải, thành phần phát thải độc hại chủ yếu là NOX và SO2 trong khi
9 đó phát thải độc hại chủ yếu của xe máy là CO, HmCn và VOC. Các nghiên cứu gần đây mới chỉ tập trung thống kê mức độ ô nhiễm không khí tại một số trục giao thông chính tại Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và một số đô thị lớn. Các số liệu quan trắc cho thấy các thành phố lớn ở nước ta đều bị ô nhiễm bụi TSP, PM10, CO, HC, NOx và một số chất phụ gia trong xăng như Benzen. Hàm lượng chì trong không khí tuy chưa vượt quá tiêu chuẩn cho phép nhưng có xu hướng tăng trở lại. Dự báo mức độ gia tăng lượng phát thải các chất ô nhiễm do hoạt động giao thông vận tải được trình bày trong bảng 1.1 [78] Bảng 1.1. Dự báo tổng phát thải do hoạt động GTVT đường bộ (Tấn) Chất ô nhiễm 2005 2010 2020 CO 1140,98 1621,46 2132,42 HC 63,76 90,79 123,13 NOx 75,69 108,52 163,24 SOx 21,00 30,27 48,95 Bụi 13,01 23,25 37,80 Hầu như tất cả các thành phố lớn, kể cả các thành phố thuộc tỉnh đều gặp phải ô nhiễm bụi trên các trục giao thông và khu vực dân cư. Chúng ta đã bị ô nhiễm bụi PM10 và tình trạng ô nhiễm vẫn đang có xu hướng tăng lên. Ô nhiễm PM10 ở nước ta chủ yếu do các loại xe cơ giới sử dụng nhiên liệu diesel và một phần do xe mô tô, xe gắn máy. Nồng độ các chất độc hại tại một số nút giao thông gần khu dân cư vào giờ cao điểm đã chạm ngưỡng giới hạn cho phép [78]. Ảnh hưởng của ô nhiễm không khí chủ yếu là tác động xấu đến sức khỏe con người và gây thiệt hại kinh tế do chi phí để khắc phục các vấn đề về sức khỏe. Có thể nói, vấn đề ô nhiễm do khí thải của động cơ đã mang tính thời sự toàn cầu và Việt Nam chúng ta không thể là một ngoại lệ.
10 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 Theo số liệu thống kê của hãng tư vấn năng lượng quốc tế Purvin & Gertz của Mỹ [61], sản lượng LPG sản xuất trên thế giới liên tục tăng (trung bình 5-10%/năm) kể từ thập kỷ 90 đến nay và dự đoán vẫn tiếp tục tăng trong những năm tới. 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% một 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. Trong tổng lượng LPG cung cấp trên thị trường, 60% LPG được sản xuất từ quá trình xử lý khí, 39,5% sản xuất từ các nhà máy lọc dầu, còn lại 0,5% sản xuất từ các nguồn khác. Triệu tấn Thặng dư 350 35 Tổng sản lượng sản xuất 300 Tổng nhu cầu 30 Sản lượng thặng dư 250 25 200 20 150 15 100 10 50 5 0 0 1995 2000 2005 2010 2015 Hình 1.8. Biểu đồ sản xuất LPG trên toàn cầu [61] 1.2.1.2. Tình hình sản xuất LPG ở Việt Nam Việt Nam có trữ lượng khoảng 3000 tỷ m3 khí tập trung chủ yếu ở thềm lục địa nước ta. Năm 2009 Nhà máy chế biến khí Dinh Cố bắt đầu sản xuất
11 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 thương mại đầu tiên. Trong tương lai, khi các nhà máy lọc, hoá dầu khác như Nghi Sơn, Long Sơn, hoàn thành theo qui hoạch PVN (Petrovietnam) đã phê duyệt thì sản lượng khí đồng hành của các nhà máy trên sẽ là nguồn cung cấp LPG rất lớn, khi đó chúng ta có thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng LPG của cả nước. Dự báo sản lượng LPG tại Việt Nam sẽ đạt 1,86 triệu tấn năm 2015 và đạt 2,88 triệu tấn năm 2025. 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. Năm 1991 nhu cầu LPG cả nước là 50.000 tấn, năm 2000 là 400.000 tấn và năm 2010 là 1,2 triệu tấn. 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 1.3.1.1. Theo hướng tính toán lượng phát thải các chất độc hại và các yếu tố ảnh hưởng.
12 Tính toán lượng phát thải các chất độc hại trong khí thải là một trong những nội dung quan trọng để đánh giá chất lượng bảo vệ môi trường của động cơ. Ngay từ khi vấn đề ô nhiễm môi trường được đặt ra, đã có nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực này. Việc tính toán phát thải dựa trên mô hình mô phỏng hệ thống phun nhiên liệu của động cơ diesel được giới thiệu khá chi tiết trong công trình của tác giả Badami. M, Nuccio. P, Trucco. G (Technology for Diesel Fule Injection and Spray) (1999), [36]. Mô hình ba chiều về sự hình thành PM và NOX trong động cơ diesel buồng cháy thống nhất cũng được đề cập trong nghiên cứu của Z.X Hou và J.Abraham (University of Minesota) (1995) [45]. Ảnh hưởng của một số thông số như áp suất phun, hình dạng hình học của vòi phun đến phát thải các chất ô nhiễm trong khí thải của động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp đã được nhóm tác giả D.A Pierpont và R.D Reitz (Universty of Wisconsin-Madison) (1995) [59] làm rõ. Đây là một trong những đóng góp đáng kể cho quá trình nghiên cứu giảm ô nhiễm của động cơ diesel. Tác động của tốc độ phun đến sự phát thải ô nhiễm của động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp cũng được đề cập trong công trình của tác giả J.W Hwang, H.J Kai, M.H Kim và các đồng sự (INHA University) (1999) [47]. BEROUN (Stanislav Techn. Univ. Liberec - Czech Republic) và MARTINS, Jorge (Univ. Minho - Portugal) (2001) [38] đã xác định được nồng độ các chất CO, HC, NOx, CO2, PM trong khí thải của động cơ diesel khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - CNG và diesel - LPG. Kết quả nghiên cứu của tác giả đã cho thấy hàm lượng NOX và PM trong động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu giảm tùy thuộc vào tốc độ và tải trọng của động cơ. Z.H. Zhang, C.S. Cheung, T.L. Chan và C.D. Yao (State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300 072, PR China) (2009) [74] đã tìm ra được ảnh hưởng đến thành phần khí thải của động cơ diesel khi phun thêm khí metanol vào đường ống nạp của động cơ.
13 Thierry Seguelong [71] đã tiến hành thực nghiệm so sánh 3 phương pháp cắt giảm phát thải NOx trên động cơ diesel, kết quả đạt được cho thấy, sử dụng bộ xúc tác SCR có thể giúp cho động cơ mới đáp ứng tiêu chuẩn khí thải Euro 6, trong khi giải pháp LNT và EGR có thể giúp động cơ đạt được tiêu chuẩn phát thải Euro V. Công trình của các tác giả Bogdan Cornel BENEA và Adrian Ovidiu SOICA (TRANSILVANIA University of Brasov) (2007) [37] đã so sánh kết quả thực nghiệm đo khí thải của một động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu diesel – LPG. Tác giả đã làm rõ được hiệu quả giảm phát thải PM đối với động cơ diesel – LPG là rất đáng kể, đồng thời cũng cho thấy lượng phát thải HC và CO tăng lên khi sử dụng lưỡng nhiên liệu. Khả năng giảm phát thải độc hại của động cơ diesel khi sử dụng phương án phun LPG vào đường ống nạp đã được các tác giả Dong Jian, Gao Xiaohong, Li Gesheng và Zhang Xintang, (Wuhan University of Technology) (2001) [41] nghiên cứu thành công trên một động cơ diesel lắp trên ô tô buýt. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi đưa thêm LPG vào nhiên liệu diesel, lượng phát thải PM và NOx giảm mạnh. Các tác giả cũng đã làm rõ ảnh hưởng của các thông số như áp suất phun, thời gian phun và đường kính lỗ phun đến độ ổn định của động cơ diesel khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG. Kết quả nghiên cứu của Thomas Renald C.Ja và Somasundaram P trên một động cơ diesel có hệ thống phun nhiên liệu điện tử [69] cho thấy mức giảm phát thải NOx khi pha thêm tỷ lệ % LPG khác nhau ở các chế độ tải trọng khác nhau. Biện pháp giải quyết hiện tượng tăng lượng phát thải độc hại HC và CO khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG đã được các tác giả M. P. Poonia, (Engineering College, Kota, Rajasthan), A. Ramesh (Indian Institute of Technology Madras, Chennai) và R. R. Gaur (Indian Institute of
14 Technology Delhi, New Delhi-110 016) (1999) [57] tiến hành thực nghiệm trên một động cơ diesel. Nghiên cứu đã chỉ rõ tác dụng của việc sử dụng biện pháp luân hồi khí xả để giảm lượng khí thải độc hại của một động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG là rất hiệu quả, đặc biệt là ở chế độ tải trung bình và tải nhỏ. Các công trình kể trên đã cho thấy phương pháp xác định hàm lượng các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ diesel và động cơ diesel-LPG tùy thuộc vào loại động cơ, mục đích nghiên cứu và điều kiện hoạt động thực tế. Với các động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu, việc tính toán các thành phần khí thải thường sử dụng phương pháp mô phỏng kết hợp với thực nghiệm. Chất lượng quá trình cháy và hàm lượng các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ diesel-LPG phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố như phương pháp hòa trộn hỗn hợp diesel-LPG, tỷ lệ hòa trộn, thành phần nhiên liệu, thông số kết cấu của động cơ Do vậy, muốn xác định được thành phần khí thải của động cơ, cần phải tiến hành nghiên cứu trên những động cơ cụ thể. 1.3.1.2. Theo hướng nghiên cứu ứng dụng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel – LPG vào thực tế Trên thế giới, việc sử dụng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - LPG thực tế chưa phổ biến như chuyển đổi động cơ đơn nhiên liệu LPG, tuy nhiên việc nghiên cứu, thử nghiệm chuyển đổi lưỡng nhiên liệu ngày càng được quan tâm đặc biệt. Loại phương tiện chuyển đổi chủ yếu tập trung vào các loại ô tô tải và ô tô chở khách chạy trong các đô thị lớn. Liên xô cũ là một trong những nước đi tiên phong trong việc nghiên cứu, ứng dụng động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG. Vào những năm 70 của thế kỷ 19, Liên xô đã nghiên cứu chuyển các động cơ máy kéo M-17, Д-54 và V-2 sang sử dụng LPG với phương pháp trộn hỗn hợp bên ngoài và phát cháy bằng tia lửa điện. Clark Material Handling Company là một Công ty sản xuất ô tô có trụ
15 sở tại Lexington, Kentucky (Mỹ) cũng là hãng đi tiên phong trong việc sử dụng động cơ diesel - LPG vào các xe nâng hàng hóa. Hiện nay có 250.000 xe nâng hàng của Clark được sử dụng tại Bắc Mỹ và trên 350.000 chiếc sử dụng trên toàn thế giới [52]. Ở Anh việc sử dụng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - LPG bắt đầu từ năm 1996 và được hiệp hội LPGA (LPG Autogas) phê chuẩn vào năm 2000. Đến nay ở Anh đã có khoảng 90.000 xe ô tô các loại được chuyển đổi sang đa nhiên liệu. GSPK là một trong những hãng đi đầu về công nghệ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG tại Anh. Hãng đã lắp đặt hơn 500 xe tải hạng nặng sử dụng lưỡng nhiên liệu và đều rất thành công [79]. Việc ứng dụng chuyển đổi lưỡng nhiên liệu cho động cơ diesel cũng rất phổ biến ở Australia, nó được ứng dụng trên hầu hết các loại xe từ phương tiện cá nhân cho đến phương tiện giao thông công cộng, thậm chí cả tàu thủy. Theo Eco - gas thì tại Australia có khoảng gần 20 công ty kinh doanh trong lĩnh vực lắp đặt bộ chuyển đổi, trung bình một tháng tại Australia có khoảng 5000-8000 phương tiện các loại chuyển đổi sang sử dụng lưỡng nhiên liệu [79]. Philipin là quốc gia đi đầu ở khu vực Đông Nam Á trong việc ứng dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG đại trà trên các phương tiện công cộng. Tháng 6 năm 2008 tổng thống Gloria Macapagal-Arroyo đã dành một khoản ngân sách một tỷ peso để thực hiện dự án chuyển đổi các phương tiện công cộng sử dụng nhiên liệu diesel sang sử dụng diesel - LPG. Hiện tại có khoảng 53 trạm tiếp LPG cho các phương tiện sử dụng động cơ lưỡng nhiên liệu tại thủ đô Manila của Philippin. MACRO Liquefied Petroleum Gas Co. Inc, một công ty cung cấp LPG tại Philipin đang có kế hoạch mở rộng mạng lưới LPG ra các thành phố khác của Philipin như Baguio, Cebu và Davao. Công ty cũng hứa hẹn sẽ sản xuất 15.000 phương tiện sử dụng lưỡng nhiên liệu mỗi năm bao gồm xe bus và taxi. * Nhận xét: Các kết quả nghiên cứu và ứng dụng ở trên cho thấy, trên
16 thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về khí thải của động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG. 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 1.3.2.1. Theo hướng tính toán lượng phát thải và các nhân tố ảnh hưởng Ở trong nước nói chung, nghiên cứu nhằm xác định lượng phát thải do hoạt động của các phương tiện giao thông đã được các nhà khoa học và quản lý môi trường rất quan tâm trong những năm gần đây. Công trình nghiên cứu về ngọn lửa khuếch tán bên ngoài động cơ của Bùi Văn Ga (Đại học Đà Nẵng) đã cho thấy ảnh hưởng của quá trình cháy và sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ diesel. Luận án tiến sĩ kỹ thuật của Trần Văn Nam (Đại học Đà Nẵng) đã đóng góp cho việc mô hình hóa động cơ đánh lửa cưỡng bức và tính toán động học phản ứng quá trình hình thành CO trong buồng cháy [16]. Luận án tiến sỹ kỹ thuật của Phạm Xuân Mai đã góp phần đưa mô hình ngọn lửa khuếch tán bên ngoài động cơ vào bên trong buồng cháy động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp và nghiên cứu quá trình hình thành bồ hóng của nó [14]. Luận án tiến sĩ kỹ thuật của Trần Thanh Hải Tùng đã góp phần nghiên cứu sự hình thành NOX trong quá trình cháy của động cơ diesel buồng cháy phân chia [21]. Đề tài tính toán mô phỏng cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiên phun trực tiếp cho động cơ có tỷ số nén cao của Lê Văn Tụy (Đại học Đà Nẵng) (2009) [25] đã xây dựng được mô hình tính toán hệ thống phun trực tiếp hai giai đoạn nhiên liệu khí thiên nhiên điều khiển bởi rơ le điện từ kép cho động cơ diesel, qua đó cho phép nâng cao hiệu suất nhiệt và công suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu hơn, đồng thời giảm thiểu tốt hơn ô nhiễm môi trường do các phương tiện giao thông gây ra. Nguyễn Hoàng Vũ (Học viện kỹ thuật quân sự) (2005) [29] đã nghiên
17 cứu tính toán thành phần mol của sản vật cháy theo động học cân bằng và xác định hàm lượng các chất độc hại trong khí thải theo các phương trình phản ứng và giải bằng mô hình Zeldovich. Sau khi sử dụng một phần mềm máy tính để tính toán, tác giả đã xác định được hàm lượng NOx trong khí thải động cơ diesel khi thay đổi các biến số đầu vào khác nhau như tốc độ quay trục khuỷu, áp suất bắt đầu nâng kim phun, góc phun sớm. Mức độ phát thải của các loại động cơ ô tô đã được nhóm nghiên cứu gồm Lê Anh Tuấn, Nguyễn Duy Vinh, Nguyễn Đức Khánh (Trường ĐH Bách khoa Hà Nội) (2009) [20] xác định bằng thực nghiệm tại phòng thí nghiệm động cơ thuộc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Kết quả là đã xác định được hệ số phát thải các chất độc hại của một số động cơ lắp trên các ô tô như Ford Laser, Ford Ranger, Toyota Innova, Toyota Prado. Đối với động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu, việc tính toán phát thải dựa chủ yếu vào các kết quả thực nghiệm. Phạm Hữu Tuyến, Lê Anh Tuấn, Nguyễn Thế Trực (Trường ĐH Bách khoa Hà Nội) (2011) [2] đã tiến hành nghiên cứu tính toán thực nghiệm đo lượng phát thải của động cơ diesel lắp trên xe buýt. Kết quả thực nghiệm theo chu trình ECE R49 cho thấy, khi lắp thêm bộ hóa hơi giảm áp để phun LPG vào đường ống nạp, mức độ phát thải của một số chất độc hại trong khí thải như PM, NOx giảm đáng kể. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ và mức tải đến lượng phát thải của động cơ diesel - LPG đã được Mai Sơn Hải (Đại học Nha Trang) (2008) [9] nghiên cứu tính toán thực nghiệm trên một động cơ diesel có lắp thêm hệ thống cung cấp LPG. Kết quả nghiên cứu cho thấy đối với động cơ diesel - LPG khi hoạt động ở chế độ tải cao, độ khói giảm đáng kể, tuy nhiên một số thành phần khác như HC, CO tăng nhưng lượng tăng không đáng kể, giá trị vẫn nằm trong giới hạn cho phép. Kết quả nghiên cứu của Trần Thanh Hải Tùng, Lê Minh Xuân (Đại học Đà Nẵng) (2005) [21] đã cho thấy ảnh hưởng của tỷ lệ hỗn hợp diesel - LPG
18 đến các thành phần khí thải của động cơ. Các tác giả cũng đã chỉ ra được những vấn đề kỹ thuật cần giải quyết khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG trên động cơ diesel. Chu Mạnh Hùng (Bộ Giao thông Vận tải) (2006) [11] đã khảo sát thử nghiệm và đưa ra kết luận về khả năng giảm thiểu ô nhiễm môi trường của ô tô sử dụng nhiên liệu LPG, đồng thời khẳng định hiệu quả kinh tế của việc sử dụng khí hóa lỏng cho các loại ô tô ở Việt Nam. Vũ An (Viện dầu khí Việt Nam) (2009) đã chủ trì cùng với nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giới thiệu một giải pháp cắt giảm phát thải khói đen cho động cơ xe buýt thông qua việc sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG. Nghiên cứu này hiện đang được tiếp tục thực hiện với mục đích đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sử dụng cho phương tiện giao thông [2]. Phạm Minh Tuấn, Lê Anh Tuấn (Trường ĐH Bách khoa Hà Nội) (2010) đã nghiên cứu khả năng giảm ô nhiễm môi trường của động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel làm từ mỡ cá basa và nhiên liệu khí hóa lỏng LPG. Kết quả nghiên cứu cho thấy nhiều ưu việt khi sử dụng các loại nhiên liệu thay thế này trên động cơ diesel. 1.3.2.3. Theo hướng nghiên cứu ứng dụng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel – LPG vào thực tế Ở Việt Nam, nghiên cứu sử dụng LPG cho xe máy và ô tô con sử dụng xăng đã được thực hiện và công bố rộng rãi, tuy nhiên, các nghiên cứu đề cập đến việc sử dụng LPG trên động cơ diesel còn rất hạn chế. Hiện đã có một số ứng dụng trong việc sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG trên ô tô nhằm giảm ô nhiễm môi trường không khí. Điển hình là nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - LPG trên ô tô buýt năm 2009 của Viện dầu khí Việt Nam [2]. Nghiên cứu này,
19 LPG thay thế tối ưu khoảng 26,5% nhiên liệu diesel, trong khi động cơ vẫn đạt được mômen và công suất cực đại. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, do sử dụng bộ điều khiển LPG đơn giản nên lưu lượng LPG hầu như không đổi theo các chế độ làm việc khác nhau của động cơ, dẫn đến thừa LPG ở chế độ tải thấp và không phát huy hết tính ưu việt của lưỡng nhiên liệu ở tải cao. Nguyễn Quang Vinh (Công ty Cơ khí Ngô Gia Tự) (2008) [28] đã nghiên cứu tính năng và phát thải của động cơ diesel lắp trên xe buýt cỡ nhỏ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG. Kết quả thử nghiệm đã cho thấy mức độ giảm phát thải độc hại NOx và PM và khả năng duy trì công suất, mô men của động cơ nghiên cứu. Tuy nhiên, công trình này mới nghiên cứu ở mức tỷ lệ LPG thay thế thấp (dưới 19%) và chưa đánh giá ảnh hưởng của LPG đến các thành phần khí thải của xe. Một số trường đại học cũng đã có những đề tài nghiên cứu thực nghiệm sử dụng động cơ diesel – LPG. Ví dụ, nghiên cứu ứng dụng khả năng sử dụng lưỡng nhiên liệu trên động cơ diesel cỡ nhỏ (động cơ 1 xy lanh) của nhóm nghiên cứu thuộc Trường ĐH Bách khoa Hà Nội, nghiên cứu quá trình cháy trong xy lanh động cơ diesel – LPG của nhóm tác giả Trường ĐH Đà Nẵng * Nhận xét: Ở trong nước đã có một số công trình nghiên cứu về động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG. 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, các công trình trong nước mới tập trung chủ yếu vào nghiên cứu trên một số động cơ lắp trên ô tô tải trọng lớn, máy tàu thủy và ô tô khách, chưa có công trình nghiên cứu hoàn thiện nào về tính toán khí thải của động cơ diesel-LPG lắp trên ô tô cỡ nhỏ. 1.4. Kết luận chương I 1. Cùng với sự tăng trưởng kinh tế của đất nước, số lượng phương tiện vận tải đường bộ cũng tăng lên một cách nhanh chóng, điều đó tạo ra sức ép
20 ngày càng lớn đối với môi trường không khí đặc biệt là ở các đô thị nơi có mật độ dân cư lớn và lưu lượng phương tiện tham gia giao thông cao. 2. Hiện tại môi trường không khí dọc theo các tuyến đường ở Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh đã bị ô nhiễm ở mức báo động, do vậy việc đặt vấn đề nghiên cứu nhằm giảm phát thải các chất độc hại từ các phương tiện vận tải sử dụng động cơ diesel chạy trong các thành phố ở Việt Nam hiện nay là rất cần thiết. 3. 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. 4. 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. Trên cơ sở kế thừa kết quả đạt được của các tác giả đi trước, luận án tập trung nghiên cứu, xây dựng phương pháp xác định lượng phát thải của động cơ diesel và động cơ diesel - LPG lắp trên xe ô tô. Đồng thời, đánh giá hiệu quả giảm phát thải độc hại của động cơ diesel khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG. Sơ đồ chung về quá trình nghiên cứu của luận án được trình bày trên hình 1.9.
21 Xác định lượng phát thải của động cơ diesel và động cơ diesel - LPG Nghiên cứu lý Lựa chọn động cơ, thuyết thiết bị thử nghiệm Xây dựng mô hình Chọn phương pháp xác định các thành và thiết bị hòa trộn phần khí thải động LPG vào diesel cơ diesel Xây dựng mô hình Lắp đặt thiết bị hòa xác định các thành trộn LPG vào động phần khí thải động cơ diesel cơ diesel - LPG Khảo sát ảnh hưởng Thực nghiệm xác định của các thông số đến các thành phần khí thải động cơ diesel và động thành phần khí thải cơ diesel - LPG So sánh độ chính xác của mô hình Đánh giá kết quả nghiên cứu. Kết luận chung Hướng phát triển Hình 1.9. Sơ đồ chung về quá trình nghiên cứu
22 Chương II CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THÀNH PHẦN KHÍ THẢ I CỦA ĐỘNG 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 2.1.1.1. Trộn nhiên liệu diesel với LPG dạng lỏng trước khi phun vào buồng đốt Hệ thống cung cấp nhiên liệu loại này gồm có bình chứa khí hóa lỏng LPG áp suất cao, hệ thống van kết nối với bình chứa điều khiển lưu lượng khí hóa lỏng LPG, bộ trộn (hình 2.1) [41]. Hệ thống van điều tiết, kiểm soát lưu lượng được điều khiển bằng mô đun điều khiển trung tâm, căn cứ vào các tín hiệu từ các cảm biến của xe, theo nhu cầu nhiên liệu của động cơ. Nhiên liệu diesel được nén bằng bơm và chứa trong bình áp lực cao trước khi đưa vào buồng trộn. Lượng diesel cung cấp được điều khiển bằng van kiểm soát lưu lượng và được điều khiển bởi bộ điều khiển điện tử. Thùng chưá diesel Bộ trộn diesel-LPG Van điều khiển Bình chứa LPG Mô đun điều khiển Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống trộn nhiên liệu diesel - LPG ở dạng lỏng. Nhiên liệu LPG ở dạng lỏng được đưa từ bình chứa qua các van điều khiển và trộn với diesel tại buồng trộn thành một hỗn hợp nhiên liệu lỏng, hỗn hợp này vẫn được duy trì áp suất và được bơm vào ống góp chung
23 (commonrail) rồi qua vòi phun, phun vào buồng đốt. Ưu điểm: - LPG có thể trộn với diesel theo tỷ lệ khá cao, góp phần giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu diesel. - Kết cấu động cơ diesel nguyên bản không bị thay đổi nhiều. Nhược điểm: - Khi tăng tốc độ vòng quay, động cơ làm việc không ổn định. - Với tỷ lệ hòa trộn LPG cao thì tính bôi trơn của nhiên liệu sẽ giảm đi, dẫn đến những vấn đề liên quan đến mài mòn chi tiết, làm tăng chi phí bảo dưỡng sửa chữa động cơ. 2.1.1.2. Phun trực tiếp LPG lỏng vào buồng đốt Nhiên liệu diesel và LPG được bơm cao áp nén với áp suất cao và phun vào buồng cháy của động cơ (hình 2.2) [57]. Có thể sử dụng vòi phun chung cho cả hai loại nhiên liệu (combi-injector), hoặc sử dụng hai vòi phun riêng biệt. 1 2 3 4 5 6 7 8 Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống phun trực tiếp LPG vào buồng đốt 1.Đầu phun kết hợp; 2. Đường dẫn nhiên liệu; 3. Điều khiển dầu; 4. Van xả; 5. Van khí; 6. Cung cấp khí có áp suất cao; 7. Bơm đôi; 8. Trục cam
24 Trường hợp sử dụng hai vòi phun riêng biệt cho LPG và diesel thì phải cải tạo động cơ rất phức tạp và tốn kém chi phí. Sử dụng vòi phun chung hai nhiên liệu thì vòi phun dễ bị mài mòn do đặc tính bôi trơn kém của LPG. Ưu điểm: - Kiểm soát được nồng độ hỗn hợp cháy. - Đáp ứng kịp thời mọi chế độ tải. Nhược điểm: - Dễ đóng băng làm tắc ống dẫn nhiên liệu LPG. - Bơm nhiên liệu LPG dễ bị hóa hơi và ngưng tụ. - Thiết bị điều khiển phức tạp. 2.1.1.3. Phun LPG vào đường ống nạp Hiện nay phương pháp hòa trộn LPG với không khí trước khi phun hỗn hợp này vào buồng đốt được áp dụng khá phổ biến. Hệ thống cung cấp LPG bao gồm bình chứa LPG, bộ hóa hơi giảm áp và vòi phun LPG (hình 2.3) [67]. LPG từ bình chứa được đưa đến bộ hóa hơi giảm áp để giảm áp suất LPG xuống một giá trị phù hợp, bộ phận này sử dụng nhiệt của nước làm mát động cơ để tăng tốc độ hóa hơi LPG. Sau khi được hóa hơi giảm áp, LPG được dẫn qua các van điều khiển đến vòi phun và phun vào đường ống nạp động cơ. Tại đây LPG hơi hòa trộn với không khí từ máy nén của turbo tăng áp tạo thành hỗn hợp LPG-không khí trước khi đưa qua các họng hút đi vào buồng cháy của động cơ. Ưu điểm: - Kết cấu gọn nhẹ, lắp đặt đơn giản. - Không phải cải tạo động cơ diesel nguyên bản. - Quá trình cháy hoàn toàn, hiệu suất cháy cao. Nhược điểm: - Tỷ lệ hòa trộn diesel - LPG không ổn định khi tốc độ và tải trọng động cơ thay đổi.
25 - Động cơ dễ bị cháy kích nổ khi tỷ lệ hòa trộn cao. 5 6 1 2 3 4 Hình 2.3. Sơ đồ hệ thống phun LPG vào đường ống nạp động cơ 1. Bình chứa LPG; 2. Van điện từ; 3. Bộ giảm áp hóa hơi; 4. Van tiết lưu; 5. Cảm biến tín hiệu áp suất nạp; 6. Vòi phun LPG 2.1.2. 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. LPG từ bình chứa được đưa đến bộ hóa hơi giảm áp, tại đây LPG bay hơi, áp suất giảm đến giá trị làm việc phù hợp. Vòi phun LPG và sensor thu tín hiệu áp suất được lắp vào đường ống nạp, trong quá trình hóa hơi, LPG sẽ thu nhiệt gây ra hiện tượng đóng băng nên cần phải có một nguồn nhiệt đưa vào để duy trì khả năng làm việc của bộ hóa hơi giảm áp. Để giải quyết vấn đề này, hai ống dẫn nước của thiết bị được lắp vào đường nước vào và ra két nước làm mát của động cơ, do đó sẽ bổ sung nhiệt hâm nóng bộ giảm áp hóa hơi, làm tăng tốc độ hóa hơi LPG và tránh hiện tượng đóng băng trong hệ thống.
26 2 3 1 4 5 7 9 10 6 8 11 12 13 14 17 11 15 16 Hình 2.4. Sơ đồ bố trí hệ thống cung cấp LPG và hệ thống nhiên liệu động cơ diesel tăng áp 1. Bầu lọc khí; 2. Bộ làm mát khí nạp; 3. Ống xả; 4. Bơm cao áp; 5. Bầu lọc thô; 6. Turbo tăng áp; 7. Vòi phun; 8. Đường ống lấy tín hiệu áp suất nạp; 9. Đường ống dẫn LPG đã hóa hơi; 10. Bơm tiếp nhiên liệu; 11. Van điều chỉnh lưu lượng LPG; 12. Bầu lọc tinh; 13. Bình chứa LPG; 14. Đường ống dẫn LPG; 15. Két làm mát động cơ; 16. Thùng nhiên liệu diesel; 17. Bộ giảm áp hóa hơi. 2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình chá y trong độ ng cơ die svàel động cơ diesel - LPG 2.2.1. Quá trình chá y trong độ ng cơ diesel Khác với động cơ xăng, quá trình hình thành hỗn hợp đối với động cơ diesel được thực hiện bên trong xi lanh. Nhiên liệu có áp suất cao được phun vào xi lanh ở cuối hành trình nén, trước thời điểm quá trình cháy diễn ra [26]. Nhiên liệu lỏng được phun với tốc độ cao thành một hoặc nhiều tia phun qua các lỗ phun nhỏ trên vòi phun, sau đó được xé tơi thành những hạt nhỏ và
27 phun vào trong buồng cháy động cơ. Các hạt nhiên liệu này có kích thước khác nhau và phân bố không đều trong xi lanh động cơ. Lớp nhiên liệu trên bề mặt hạt bắt đầu bay hơi và khuếch tán nhanh vào khối không khí nóng xung quanh, tạo ra các lớp hỗn hợp hơi nhiên liệu và không khí. Lớp hỗn hợp nằm sát với bề mặt hạt có thành phần đậm và nhiệt độ thấp do hạt nhiên liệu hấp thụ nhiệt để bay hơi, lớp hỗn hợp càng xa hạt nhiên liệu thì thành phần càng nhạt và có nhiệt độ càng cao. Khi nhiệt độ và áp suất của lớp hỗn hợp cao hơn điểm tự cháy của nhiên liệu, quá trình tự cháy xuất hiện sau thời gian trễ khoảng vài độ góc quay trục khuỷu. Quá trình cháy của phần hỗn hợp này làm áp suất trong xi lanh tăng nhanh, do đó phần hỗn hợp chưa cháy bị nén mạnh, thời gian chuẩn bị cháy được rút ngắn và phần này được cháy rất nhanh, đồng thời thời gian bay hơi của nhiên liệu lỏng còn lại cũng giảm. Quá trình phun nhiên liệu tiếp tục cho đến khi toàn bộ lượng nhiên liệu cần thiết được cung cấp hết vào xi lanh động cơ. Toàn bộ nhiên liệu phun vào đều lần lượt trải qua các quá trình xé tơi, bay hơi, hòa trộn nhiên liệu với không khí và bốc cháy. Trong suốt hành trình cháy và giãn nở, liên tục diễn ra sự hòa trộn của không khí còn sót lại trong xi lanh với hỗn hợp đang cháy và đã cháy. Quá trình cháy của động cơ diesel thực chất là các phản ứng cháy của nhiên liệu với không khí. Sản phẩm của quá trình cháy bao gồm: CO2, H2O, N2, O2, CO, HC cháy không hết, NOx, bụi, khói và tuỳ thuộc vào chất lượng của nhiên liệu mà sản phẩm cháy có thể có SOx. Trong các thành phần khí thải thì NOx, phát thải hạt, CO và HC cháy không hết là phát thải gây độc hại nghiêm trọng nhất của động cơ đốt trong [27]. Như vậy, quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel là một quá trình phức tạp. Có thể rút ra một số vấn đề chính từ quá trình cháy trong động cơ diesel như sau: - Nhiên liệu được phun vào buồng cháy ngay trước khi quá trình cháy diễn ra nên không có hiện tượng kích nổ như đối với động cơ xăng. Do đó, có
28 thể tăng tỷ số nén giúp tăng hiệu suất cao hơn với động cơ xăng. - Nhiên liệu diesel phải có chỉ số xetan đủ lớn để rút ngắn thời gian cháy trễ, điều này đảm bảo việc có thể kiểm soát thời điểm bắt đầu cháy qua thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu và đảm bảo áp suất khí cháy tối đa trong xi lanh không vượt quá giới hạn cho phép. - Mô men của động cơ được điều chỉnh theo lượng nhiên liệu phun vào cho mỗi chu trình trong khi lượng không khí nạp gần như không đổi nên trên đường nạp động cơ không cần có bướm tiết lưu, công suất bơm nhỏ nên hiệu suất cơ giới của động cơ diesel ở chế độ tải trọng trung bình cao hơn so với động cơ xăng. - Khi lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình tăng, lượng muội than (bồ hóng) được hình thành do nhiên liệu cháy không hết tăng lên, do vậy hệ số dư lượng không khí ở chế độ toàn tải phải cao hơn 20% hệ số dư lượng không khí ở điều kiện cháy tiêu chuẩn. Trong động cơ diesel tốc độ hòa trộn hỗn hợp sẽ quyết định tốc độ cháy, vì vậy buồng cháy của động cơ diesel cần đảm bảo hòa trộn nhanh giữa nhiên liệu phun vào và không khí trong xi lanh để quá trình cháy hoàn thành trong khoảng góc quay thích hợp gần điểm chết trên. 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 (Hình 2.5) [26]. Giai đoạn cháy trễ (I): Được tính từ khi bắt đầu phun nhiên liệu vào buồng cháy đến khi bắt đầu cháy. Đặc điểm của giai đoạn này là: + Tốc độ phản ứng hóa học tương đối chậm, phản ứng tạo ra các sản phẩm trung gian. + Nhiên liệu được phun liên tục vào buồng cháy, lượng nhiên liệu được phun vào cuối giai đoạn cháy trễ khoảng 30-40%, cá biệt đối với một vài động cơ cao tốc có thể tới 100%. Giai đoạn cháy nhanh (II): Trong giai đoạn này xảy ra quá trình cháy của nhiên liệu đã được hòa trộn với không khí trong giai đoạn cháy trễ, quá
29 trình cháy này diễn ra rất nhanh, chỉ trong vài độ góc quay trục khuỷu. Đặc điểm của giai đoạn này là: + Hình thành nguồn lửa, tốc độ cháy tăng nhanh, tốc độ tỏa nhiệt thường lớn nhất, cuối giai đoạn này lượng nhiên liệu được đốt cháy chiếm khoảng 1/3 lượng nhiên liệu cấp cho chu trình. + Áp suất và nhiệt độ môi chất tăng nhanh. + Nhiên liệu tiếp tục được phun vào làm tăng nồng độ nhiên liệu trong hỗn hợp. P I II III IV T 4' 3' 5' 3 T 2' 1' 4 2 1 5 P 60 40 20 0 20 40 60 80 φ 0 ĐCT Hình 2.5. Đồ thị biểu diễn các giai đoạn trong quá trình cháy động cơ diesel Trong giai đoạn cháy nhanh, tốc độ tăng áp suất p/ rất lớn, nếu giá trị này quá lớn sẽ tạo ra các xung áp suất va đập vào bề mặt các chi tiết tạo thành buồng cháy gây tiếng gõ, làm giảm tuổi thọ động cơ. Tình hình cháy trong giai đoạn này phụ thuộc chính vào lượng nhiên liệu cung cấp và sự
30 chuẩn bị về vật lý và hóa học của hỗn hợp trong giai đoạn cháy trễ. Nếu giai đoạn cháy trễ kéo dài, lượng nhiên liệu phun vào nhiều và được chuẩn bị đầy đủ để cháy thì sau khi có một điểm bắt đầu cháy, màng lửa sẽ lan nhanh đến mọi nơi trong buồng cháy làm tốc độ cháy và tốc độ tăng áp suất rất lớn. Giai đoạn cháy chính (III): Khi phần hỗn hợp nhiên liệu/không khí hòa trộn trong giai đoạn cháy trễ được đốt cháy hết, tốc độ cháy (hay tốc độ tỏa nhiệt) trong giai đoạn tiếp theo phụ thuộc vào tốc độ hình thành hỗn hợp đủ điều kiện có thể cháy. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ hình thành hỗn hợp và cháy trong giai đoạn này như: Mức độ phun sương, khả năng bay hơi nhiên liệu, tốc độ hòa trộn hơi nhiên liệu với không khí, các phản ứng hóa học chuẩn bị cho sự cháy. Trong đó tốc độ cháy bị chi phối lớn nhất bởi quá trình hòa trộn hơi nhiên liệu với không khí. Tốc độ tỏa nhiệt có thể đạt giá trị đỉnh thứ hai (thường thấp hơn đỉnh thứ nhất) và sau đó dần dần giảm xuống. Một số đặc điểm cơ bản của giai đoạn này là: + Quá trình cháy tiếp diễn với tốc độ cháy khá lớn, cuối giai đoạn này khoảng 70-80% nhiệt lượng được tỏa ra. + Nhiên liệu đã kết thúc phun, do lượng sản vật cháy tăng nhanh nên nồng độ nhiên liệu và ôxy giảm. + Nhiệt độ tăng đến giá trị lớn nhất, tuy nhiên do piston bắt đầu đi xuống nên áp suất hơi giảm xuống. + Nồng độ sản phẩm của quá trình cháy trung gian giảm, nồng độ sản phẩm cháy cuối cùng tăng. Giai đoạn cháy rớt (IV): Quá trình tỏa nhiệt vẫn tiếp diễn với tốc độ thấp ngay trong hành trình giãn nở. Một phần nhỏ nhiên liệu chưa được cháy, một phần năng lượng của nhiên liệu ở dưới dạng bồ hóng và các sản phẩm của quá trình cháy giàu nhiên liệu vẫn tiếp tục tỏa nhiệt. Đặc điểm của giai đoạn này là: + Tốc độ cháy giảm dần đến kết thúc cháy, tốc độ tỏa nhiệt giảm dần tới không.
31 + Thể tích môi chất trong xi lanh tăng dần nên áp suất và nhiệt độ môi chất giảm xuống. Điều kiện cháy trong giai đoạn này kém do áp suất, nhiệt độ thấp, chuyển động của dòng khí yếu và sản phẩm cháy tăng dẫn đến tăng khả năng hình thành muội than. Phần nhiệt lượng tỏa ra trong giai đoạn này không những chuyển thành công ít hiệu quả hơn so với các giai đoạn trước mà còn tăng phụ tải nhiệt cho các chi tiết, tăng tổn thất nhiệt truyền cho nước làm mát và làm giảm tính năng của động cơ. 2.2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy trong động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG Trong động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG, LPG được hóa hơi và phun vào đường ống nạp, hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp đi vào xi lanh động cơ. Cuối kỳ nén, hỗn hợp khí bị nén lại, áp suất và nhiệt độ tăng lên, khi piston gần tới điểm chết trên, nhiên liệu diesel được phun vào trong xi lanh. Tương tự như trong động cơ diesel-CNG, môi chất trong xy lanh sẽ hòa trộn với hơi nhiên liệu ở phần vỏ hình nón của tia nhiên liệu [62]. Đường bao của tia nhiên liệu chia không gian buồng cháy thành 2 vùng: Vùng chưa cháy và vùng cháy (Hình 2.6). Vùng chưa cháy Vòi phun Vùng cháy nhiên liệu diesel Hình 2.6. Phân chia vùng cháy trong động cơ diesel - LPG
32 Vùng chưa cháy là vùng hỗn hợp đồng nhất của LPG và không khí, nằm bên ngoài hình nón của tia nhiên liệu. Vùng cháy nằm bên trong hình nón của tia nhiên liệu là nơi diễn ra quá trình cháy, thành phần môi chất trong vùng này gồm sản phẩm cháy, nhiên liệu diesel chưa cháy, hỗn hợp LPG và không khí chưa cháy. Quá trình cháy của hỗn hợp môi chất nạp diễn ra sau khi hơi nhiên liệu diesel tự cháy. Trong quãng thời gian cháy trễ, nhiệt độ và áp suất của môi chất trong cả 2 vùng đều tăng nhanh khi piston vẫn tiếp tục chuyển động tới gần điểm chết trên, đồng thời lượng diesel bay hơi tiếp tục tăng lên và hòa trộn với môi chất nạp tạo hỗn hợp cháy và thâm nhập vào vùng cháy. Khi quá trình cháy xảy ra, 2 vùng trên bị phân cách bởi màng lửa bao phủ bề mặt của tia nhiên liệu diesel với chiều dày màng lửa khoảng 0,2mm [62]. Màng lửa này sẽ lan truyền qua toàn bộ không gian buồng cháy theo phương vuông góc với bề mặt ngoài của vùng cháy (Hình 2.7). Hỗn hợp LPG và không khí sẽ cháy khi màng lửa lan tràn qua tạo ra các sản phẩm cháy, do vậy lượng nhiệt tỏa ra sẽ phụ thuộc vào tốc độ lan tràn của màng lửa và lượng LPG trong hỗn hợp. Tổng lượng nhiệt tỏa ra bao gồm cả phần nhiên liệu LPG và diesel. Hướng lan truyền Phía trước của màng lửa màng lửa Ranh giới của vùng cháy Hình 2.7. Hướng lan truyền của màng lửa trong buồng cháy
33 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 [30]. 275 100% diesel 225 2 (J/CA) t ệ 175 a nhi a 125 ỏ t ộ 75 đ c ố T 25 1 5 -25 340 360 380 400 420 275 4 (J/CA) 225 t ệ 175 2 75,9 % diesel + 24,1 % LPG a nhi a ỏ t 125 ộ 75 đ c ố T 3 25 1 5 -25 340 360 380 400 420 Góc quay trục khu ỷu (độ) Hình 2.8. Quá trình tỏa nhiệt trong động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel- LPG 1. Điểm bắt đầu quá trình cháy 2. Điểm cực đại ở giai đoạn cháy thứ nhất 3. Điểm cực tiểu giữa hai giai đoạn cháy 4. Điểm cực đại ở giai đoạn cháy thứ hai 5. Điểm kết thúc quá trình cháy
34 - Giai đoạn 1: Giai đoạn cháy nhanh với nhiên liệu diesel và một phần nhỏ nhiên liệu khí. Quá trình cháy này chủ yếu do nhiên liệu diesel phun vào cùng với một lượng nhỏ LPG bị cuốn vào vùng cháy, thể hiện bằng đỉnh thứ nhất trên hình 2.8. - Giai đoạn 2: Giai đoạn cháy nhanh với phần lớn nhiên liệu LPG và một phần nhiên liệu diesel. Quá trình cháy này chủ yếu do nhiên liệu LPG cùng với một lượng nhỏ diesel, thể hiện bằng đỉnh thứ 2 trên hình 2.8. - Giai đoạn 3: Giai đoạn cháy khuếch tán của diesel và khí còn lại. Trong giai đoạn này lượng nhiên liệu diesel và LPG còn lại tiếp tục cháy nốt. Giá trị cực đại trên đồ thị biểu diễn giai đoạn cháy nhanh của nhiên liệu diesel và LPG phụ thuộc nhiều vào tỷ lệ diesel và LPG thay thế. Giới hạn này được xác định dựa vào lượng LPG phun vào động cơ mà không gây ra hiện tượng cháy kích nổ. Theo A. Bilcan, O . Le Corre and M . Tazerout [30], nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình cháy của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel – LPG theo góc quay của trục khuỷu động cơ được xác định từ phương trình mô tả quy luật cháy Vibe (2.1). s 1  ˆ  o Q() Q. 1 exp aw.  (2.1)   Trong đó:  . 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; S. Hệ số hình dáng (thông số kích thước); o,  . Thời điểm và thời gian diễn ra quá trình cháy, độ; Hệ số hình dáng S quyết định biên dạng của đồ thị tốc độ tỏa nhiệt
35 (ROHR), giá trị S càng lớn, giá trị cực đại của ROHR càng cao. Thời điểm bắt đầu và kết thúc của mỗi giai đoạn cháy phụ thuộc vào tỷ lệ diesel và LPG. Quy luật tỏa nhiệt trong động cơ lưỡng nhiên liệu diesel – LPG được trình bày trong hình 2.9 [30]. 275 - 4 (J/CA) 225 - t ệ (spd,Qpd) a nhi a 175 - 2 ỏ t (sd,Qd) ộ 125 - đ c (spg,Qpg) ố T 3 75 - Góc quay trục khuỷu (độ) 25 - 1 5 ! ! ! ! ! ! ! 360 370 380 390 400 Bắt đầu cháy nhanh với LPG Bắt đầu cháy khuyếch tán Bắt đầu cháy nhanh với diesel Hình 2.9. Các giai đoạn trong quá trình cháy của động cơ diesel-LPG Đối với mỗi một giai đoạn cháy cần phải xác định được thời điểm bắt đầu và kết thúc. Các thời điểm này được xác định theo tỷ lệ hòa trộn diesel-LPG khác nhau. Phương trình tính toán và các hệ số được trình bày trong bảng 2.1. Thời điểm bắt đầu giai đoạn cháy nhanh của nhiên liệu diesel được xem là cùng với thời điểm bắt đầu của toàn bộ quá trình cháy. Giai đoạn cháy nhanh của nhiên liệu LPG được xem là giai đoạn tiếp theo giai đoạn cháy của nhiên liệu diesel, khi mà điều kiện bên trong xy lanh đủ để hình thành quá trình cháy của nhiên liệu khí. Giá trị hằng số được lựa chọn cho 2 giai đoạn cháy đối với mỗi tỷ lệ LPG khác nhau như thể hiện trong bảng 2. Giá trị 휃표 được điều chỉnh tùy theo từng loại động cơ.
36 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 k pd pg d dQ pcl pg pd d 휃s ( ) 0 si xj d d Qpd d Q pd  32dd 23dQ f 휃e e ( ) 0 xxbb()  d Qpd d Q pd d  . 3 dd 32 Giá trị tối ưu của cặp hệ số (S, Q) được xác định bằng cách tối thiểu hóa sai số mô hình cần xây dựng và giá trị thực nghiệm của đường ROHR tại mỗi tỷ lệ diesel-LPG khác nhau. Sai số cho mỗi giai đoạn cháy được xác định theo phương trình 2.2. 2 k k e dQ dQ p ()() m s dd  k . 100 (2.2) k 2 e dQ p ()d  s d Trong đó:  k . Sai số (%); 휃푠 và 휃푒. Góc quay trục khuỷu ứng với thời điểm bắt đầu và kết thúc của giai đoạn cháy hiện thời; dQp/d휃 và dQm/d휃. Giá trị tính toán và giá trị thực nghiệm của ROHR. Phương trình tính toán trong bảng 2.1 được sử dụng để xác định quy luật cháy và tỏa nhiệt của động cơ lưỡng nhiên liệu ở các tỷ lệ diesel – LPG khác nhau.
37 Tỷ lệ năng lượng do LPG sinh ra trong tổng năng lượng của lưỡng nhiên liệu diesel-LPG được tính theo công thức 2.3. m .H CCR LPG uLPG .100 % (2.3) mLPG .H uLPG m diesel .H udiesel Trong đó: CCR. Tỷ lệ phần trăm năng lượng do LPG sinh ra trong tổng năng lượng của lưỡng nhiên liệu diesel-LPG; mLPG . Khối lượng LPG tiêu thụ (kg); HuLPG. Nhiệt trị thấp của LPG; mdiesel. Khối lượng diesel tiêu thụ (kg); Hudiesel. Nhiệt trị thấp của diesel. Nhiệt trị thấp của LPG là 45,31 MJ/kg, của diesel là 42,50 MJ/kg, dựa vào đó có thể xác định được tỷ lệ phần trăm năng lượng LPG trong tổng năng lượng được đốt cháy trong quá trình hoạt động của động cơ. 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 2.2.3.1. Phương trình nhiệt động học thứ nhất Trạng thái nhiệt động diễn ra trong xy lanh động cơ được tính toán dựa trên phương trình nhiệt động học thứ nhất [33]: d m .u dV dQ dQ dm dm c = −p . + F − w − h . BB + i . h − dα c dα dα dα BB dα dα i dm dm e . h − q . f. ev . (2.4) dα ev dt Trên cơ sở cân bằng năng lượng trong xy lanh động cơ, biến thiên về khối lượng môi chất trong xy lanh được tính bằng tổng khối lượng môi chất đi vào trừ khối lượng đi ra khỏi xy lanh: dm dm dm dm dm c  i e BB ev (2.5) dα dα dα dα dt
38 Trong các công thức trên: d(m .u) c . Nội năng biến đổi bên trong xy lanh; dα dV p. . Công sinh ra trên đỉnh piston; c dα dQ F . Nhiệt lượng cấp vào; dα dQ w . Tổn thất nhiệt qua vách;  dα dm h. BB . Tổn thất entanpy lọt khí; BB dα dm BB . Lượng khí lọt các te; dα dmi . Lượng khí đi vào xy lanh; dme . Lượng khí đi ra khỏi xy hi dmi lanh; hi dmi hi . Entanpy của môi chất khí đi vào xy lanh; dQw pc Tc, mc he Entanpy của môi chất khí đi . Giới hạn vùng nhiệt động ra khỏi xy lanh; pc dV qev. Nhiệt hóa hơi của nhiên liệu; f. Phần nhiệt hóa hơi của môi chất trong xy lanh; mew. Khối lượng nhiên liệu bay hơi. hBB dmBB mC. Khối lượng môi chất bên Hình 2.10. Cân bằng năng lượng trong trong xy lanh; xylanh động cơ u. Nội năng; pc . Áp suất bên trong xy lanh;
39 V. Thể tích xy lanh; QF . Nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp; QW . Tổn thất nhiệt qua vách; α. Góc quay trục khuỷu; hBB . Trị số entanpy. Định luật nhiệt động học I cho thấy sự thay đổi nội năng của môi chất trong xy lanh bằng tổng công sinh ra trên đỉnh piston, nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp, tổn thất nhiệt cho thành vách và tổn thất entanpy do lọt khí. Nhiên liệu diesel phun vào trong xy lanh hình thành hỗn hợp với môi chất nạp bên trong xy lanh nên có thể giả thiết: + Nhiên liệu phun vào trong buồng cháy được đốt cháy ngay. + Sản phẩm của quá trình cháy được hòa trộn tức thì với phần hỗn hợp chưa cháy còn lại tạo thành hỗn hợp đồng nhất. + Hệ số dư lượng không khí giảm dần từ giá trị cao khi bắt đầu cháy đến giá trị thấp khi kết thúc quá trình cháy. 2.2.3.2. Mô hình hỗn hợp môi chất Hỗn hợp môi chất trong động cơ diesel-LPG được mô tả bởi các thành phần hình thành lên hỗn hợp gồm nhiên liệu diesel, LPG (C3H8, C4H10), O2, N2, CO2, H2O, CO, H2. Đặc tính của hỗn hợp được tính toán trên cơ sở đặc tính của từng thành phần hợp thành trên cơ sở xét đến tỷ trọng khối lượng của thành phần đó trong hỗn hợp. Đối với một thành phần thứ k, các đặc trưng cơ bản gồm nhiệt dung riêng cpk , entanpy Hk và entropy Sk là các hàm đa thức đối với nhiệt độ trong điều kiện áp suất không đổi: C pk a a T a T2 a T 3 a T 4 (2.6) R 1k 2k 3k 4k 5k H a a a a a k a 2k T 3k T2 4k T 3 5k T 4 6k (2.7) RT1k 2 3 4 5 T
40 S a a a k=a .lnT+a T+ 3k T2 + 4k T 3 + 5k T 4 +a (2.8) R 1k 2k2 3 4 7k Các hệ số amk xác định tùy vào thuộc tính nhiệt động của chất thành phần 2.2.3.3. Tính toán lượng môi chất vào và ra khỏi xy lanh Theo Blair, G. P [33], lượng môi chất đi vào xy lanh trong hành trình nạp và đi ra trong hành trình thải được tính toán trên cơ sở lưu lượng khối lượng môi chất qua khe hẹp, với giả thiết dòng chảy liên tục và ổn định: dm 2 =Aeff .P ol . .Ψ. (2.9) dt Ro T o1 Trong đó: dm . Lưu lượng khối lượng theo thời gian; dt Aeff . Diện tích thông qua; Pol . Áp suất môi chất trước họng tiết lưu; P2 . Áp suất môi chất sau họng tiết lưu; Tol . Nhiệt độ môi chất trước họng tiết lưu; R o . Hằng số chất khí; Ψ . Hệ số phụ thuộc tỷ lệ áp suất môi chất. Với dòng chảy có tốc độ dưới âm: 2 k 1 k P kk P  . 22 (2.10) k1 PPo1 ol k. Tỷ số nhiệt dung riêng của môi chất; Với dòng chảy có tốc độ trên âm: 1 2kk1 ΨΨ. max . (2.11) k 1 k 1 Diện tích thông qua của dòng chảy được tính bằng:
41 d.2 π A μσ.vi ; (2.12) eff 4 μσ. Hệ số bóp dòng của đường ống; dvi . Đường kính xu páp. 2.2.3.4. Tính toán chuyển vị của piston Chuyển vị của piston tính theo công thức (2.13): r e 2 s = r + l . cos휑 − r. cos 휑 + α − l. 1 − . sin 휑 + α − . (2.13) l l S. Vị trí của piston tính từ điểm chết trên; r. Bán kính quay; l. Chiều dài thanh truyền; 휑. Góc giữa đường nối tâm quay với piston ở điểm chết trên với trục thẳng đứng 휑 (trường hợp xy lanh lệch tâm); s(α) e 휑 = arcsin ; r+l e. Khoảng lệch tâm; 훼. Góc quay trục khuỷu. l 2.2.3.5. Mô hình truyền nhiệt Nhiệt truyền từ môi chất trong xy α lanh đến bề mặt các chi tiết tạo thành r buồng cháy được tính theo công thức [33]: e Qwi = AWi . αw . (Tc − Twi ). (2.14) Qwi . Nhiệt truyền đến các chi tiết Hình 2.11. Sơ đồ tính toán chuyển vị của piston (nắp máy, đỉnh piston, thành xy lanh); AWi . Diện tích bề mặt các chi tiết (nắp máy, đỉnh piston, thành xy lanh); αw . Hệ số truyền nhiệt; Tc. Nhiệt độ môi chất trên bề mặt thành xy lanh; Twi . Nhiệt độ bề mặt chi tiết (nắp máy, đỉnh piston, thành xy lanh);
42 Hệ số truyền nhiệt được tính theo các công thức dưới đây: + Công thức Woschni 1978: 0,8 0,2 0,8 0,53 VD .T c,1 αw 130.D .p c .T c . C 1 .C m C 2 . . pP c c,0 . (2.15) PVc,1 c,1 C1 2,28 0,308. C u / C m ; C2 = 0,00324 với động cơ phun trực tiếp; C2 = 0,00622 với động cơ phun gián tiếp; D. Đường kính xy lanh; Cm. Tốc độ trung bình của piston; Cu. Tốc độ tiếp tuyến (Cu = π. D. nd/60 trong đó nd - tốc độ xoáy của môi chất, nd = 0,85n); VD. Thể tích công tác của 1 xy lanh; Pc. Áp suất môi chất trong xy lanh; pc,0. Áp suất khí trời; Pc,1. Áp suất môi chất trong xy lanh tại thời điểm đóng xu páp nạp; Tc,1. Nhiệt độ môi chất trong xy lanh tại thời điểm đóng xu páp nạp. + Công thức Woschni 1990: 2 0,20,8 0,53 VTDC 0,20,8 αw 130.D .p c .T c .{C 1 .C m .[1 2 .IMEP ]} . (2.16) V VTDC. Thể tích xy lanh khi piston ở điểm chết trên; V. Thể tích xy lanh; IMEP. Áp suất chỉ thị trung bình; + Công thức Hohenberg: α =130V-0,06 .p 0,8 .T -0,4 .(C +1.4) 0,8 w c c m (2.17) + Công thức truyền nhiệt AVL 2000: 0,8 d 2 = Max α . 0,013d−0,2p0,8T−0,53 C in v (2.18) w woschni 4 d in
43 2 0 w. Hệ số truyền nhiệt (J/m . K); C4 = 14,0; D. Đường kính xy lanh (m); P. Áp suất (Pa); T. Nhiệt độ (K); din. Đường kính ống nối với đường nạp (m); vin. Tốc độ dòng khí trên đường nạp (m/s). Công thức Woschni 1978 áp dụng phổ biến để tính hệ số truyền nhiệt cho động cơ diesel nói chung, công thức này chỉ xét đến các thông số rất cơ bản của động cơ như diện tích ống lót xylanh, diện tích đỉnh piston Trong nghiên cứu này sử dụng công thức Woschni 1978 bởi dễ áp dụng và có độ chính xác phù hợp, thể hiện qua kết quả kiểm chứng giữa mô phỏng và thực nghiệm. 2.2.3.6. Tính toán lượng khí lọt các te Lượng khí lọt các te được tính toán theo công thức áp dụng cho dòng chảy tiết lưu qua khe hợp tương tự như trường hợp tính lượng môi chất vào và ra khỏi xy lanh. Diện tích thông qua được tính bằng [34]: Aeff = D. π. δ (2.19) Trong đó : Aeff . Diện tích thông qua; D. Đường kính xylanh; δ. Khe hở piston - xylanh. 2.2.3.7. Mô hình cháy trong xy lanh a) Mô hình cháy Vibe 2 vùng (Vibe 2 zones) Tốc độ tỏa nhiệt của môi chất cháy trong xy lanh được xác định theo công thức Vibe: dx α a m1 m a.y (2.20) . mì 1 .y .e dαα c
44 dQ   dx ; y. 0 Q Δ c Trong đó: Q. Tổng nhiệt lượng cấp vào; 훼. Góc quay trục khuỷu; 훼0. Thời điểm bắt đầu cháy; ∆훼 . Thời gian cháy; m. Thông số hình dạng; . Thông số Vibe. Phần nhiên liệu đã được đốt cháy được tính toán qua tích phân phương trình Vibe là: dx m1 x .dα 1 e a.y (2.21) dα Với mô hình cháy Vibe 2 vùng, môi chất trong xylanh được chia thành 2 vùng: Vùng cháy và vùng chưa cháy. Phương trình nhiệt động thứ nhất được viết cho 2 vùng này như sau: - Với vùng cháy: dm μ dV dQ dQ dm dm b b=-p b + F Wb +h b h . BB,b (2.22) dαc dα dα dα u dα BB,b dα - Với vùng chưa cháy: dmuμ u dV u dQ Wu dm B dmBB,b pc  h u h BB,b . (2.23) dα dα dα dα dα Chỉ số b và u lần lượt thể hiện thông số của vùng cháy và vùng chưa cháy; dmB h;u đại lượng thể hiện biến đổi enthalpy của môi chất nạp (vùng dα chưa cháy) sang sản phẩm cháy (vùng cháy). Sự thay đổi thể tích của 2 vùng chính bằng sự thay đổi thể tích của xy lanh, do vậy:
45 dV dV dV bu ; (2.24) dα dα dα Vb + Vu = V. b) Mô hình cháy 2 giai đoạn (Mixing Controlled Combustion, MCC) Nhiệt lượng tỏa ra trong xy lanh tập trung chủ yếu trong giai đoạn cháy nhanh và cháy chính, vì vậy có thể tính lượng nhiệt tỏa ra theo công thức: dQ dQ dQ total MCC PMC (2.25) dα dα dα Trong đó: dQ total . Biến thiên nhiệt lượng tổng trong xy lanh; dα dQ MCC . Biến thiên nhiệt lượng trong giai đoạn cháy chính; dα dQ PMC . Biến thiên nhiệt lượng trong giai đoạn cháy nhanh. dα Nhiệt lượng trong giai đoạn cháy chính được tính bằng: dQ MCC C .f m,Q .f k,V (2.26) dα Comb 1 F MCC 2 Trong đó: QMCC CEGR f1 m F ,Q m F .(w Oxygen,available ) ; LCV k f k,V C . ; 2 Rate 3 V QMCC . Lượng nhiệt tỏa ra trong giai đoạn cháy chính (kJ); CComb . Hằng số cháy (kJ/kg/độ trục khuỷu); CRate . Hằng số hòa trộn hỗn hợp; K. Thế năng của dòng chuyển động rối (J); mF. Lượng nhiên liệu được hóa hơi (kg); LCV. Nhiệt trị thấp của nhiên liệu (kJ/kg);
46 V. Thể tích xy lanh (m3); α. Góc quay trục khuỷu (độ); wOxygen ,available . Tỷ lệ khối lượng ôxy có trong hỗn hợp khi bắt đầu phun nhiên liệu; CEGR . Hằng số xét đến ảnh hưởng của khí thải luân hồi. Thế năng của dòng chuyển động rối được xác định như sau: dE kin 0.5.C .m .v2 C .E 1.5 ; (2.27) dt turb F F Diss kin E k=kin . (2.28) mF,I (1 λ Diff m stoich ) Trong đó: Ekin . Thế năng củ a tia nhiên liệ u (J); Cturb . Hằ ng số năng lượ ng chuyể n độ ng rố i; CDiss . Hằ ng số suy giả m; mF,I. Lượ ng nhiên liệ u phun và o (kg); v. Tố c độ nhiên liệ u; mstoich . Khố i lượ ng không khí lý tưở ng để đố t chá y hế t nhiên liệ u(kg); λDiff . Hệ số dư lượ ng không khí trong quá trì nh chá y chí nh. Nhiệt lượng trong giai đoạn cháy nhanh: Sử dụng phương trình Vibe để tính toán tốc độ tỏa nhiệt: dQ PMC Q a (m 1) PMC . m 1 .ym .e a.y (2.29) dαα c αα y id αc Trong đó: QPMC . Tổng nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp trong giai đoạn cháy nhanh; QPMC = Tid . CPMC-Dur ;
47 CPMC. Hệ số cháy nhanh; ∆∝ . Khoảng thời gian cháy nhanh; ∆∝ = mfuel,id . CPMC; mfuel, id. Tổng lượng nhiên liệu được phun vào trong giai đoạn cháy trễ; CPMC-Dur. Hệ số xét đến thời gian cháy nhanh; m. Thông số hình dạng, m = 2.0; a. Thông số Vibe, a = 6,9. Mô hình MCC không kể đến phần nhiên liệu hình thành bên ngoài xy lanh nên không phù hợp với mô hình cháy của động cơ nghiên cứu. Do đó đề tài chọn mô hình cháy Vibe 2 vùng để tính toán mô phỏng động cơ. Việc lựa chọn quy luật cháy và các phản ứng phù hợp sẽ giúp cho quá trình mô phỏng đạt kết quả có độ chính xác cao. 2.3. Các thành phần khí thải Quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình ô xy hóa nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết sức phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số. Sản phẩm độc hại của quá trình cháy trong động cơ diesel và diesel - LPG bao gồm các chất: HC, NOX, SO2, và bụi hạt (PM) [50]. Khi nhiên liệu lỏng lý tưởng cháy hoàn toàn, sản phẩm cháy chủ yếu gồm CO2, H2O và N2 (có trong không khí). Phản ứng ôxy hoá trong trường hợp này có thể viết như sau [10]: m to m CnHm + (n + ) O2 + N2  nCO2 + H2O + N2 4 2 Trong thực tế, trường hợp cháy hoàn toàn khó có thể xảy ra vì nó còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: thông số kết cấu động cơ, quá trình hình thành và đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu, chế độ làm việc và trạng thái kỹ thuật của động cơ. Khi nhiên liệu cháy không hoàn toàn, thành phần của sản phẩm cháy chủ yếu gồm CO2, H2O, CO, HC, NOX (từ N2 có trong không khí).
48 to CnHm + O2 + N2  CO2 + H2O + CnHm + CO + NOx + N2 (dư) Trong thực tế, nhiên liệu diesel ngoài các thành phần CnHm còn có sun phua và các phụ gia nhiên liệu để làm tăng trị số Xê tan (các nitơrát hữu cơ) để khử khói (canxi, magiê hữu cơ) nên trong khí thải còn có SO2 và bụi hạt các loại. 2.3.1. Mônôxit cácbon Mônôxit cácbon được hình thành từ phản ứng [68]: 2C + O2 = 2CO Đây là phản ứng cháy thiếu ôxy, từ phương trình này có thể thấy rằng, nếu  càng nhỏ thì nồng độ CO càng lớn và ngược lại. Tuy nhiên, trong quá trình giãn nở, một phần CO sẽ kết hợp với hơi nước (trong sản phẩm cháy) để tạo thành CO2: CO + H2O = CO2 + H2 Khi  > 1, về lý thuyết thừa ôxy nhưng vẫn có một lượng nhỏ CO. Lý do là trong buồng cháy vẫn có những vùng cục bộ có  1 (thừa ôxy) nhưng vẫn có thành phần CO mặc dù khá nhỏ là do có những vùng cục bộ thiếu ôxy với  < 1. Khi  tăng, ban đầu CO giảm do nồng độ ôxy tăng và đạt cực tiểu tại  2. Tiếp tục tăng , CO tăng do tỷ lệ tái hợp của CO với ôxy trong quá trình giãn nở giảm đi nên lượng CO còn lại trong khí thải tăng lên.
49 2.3.2. Hyđrô cácbon 2.3.2.1. Đặc điểm phát sinh HC trong quá trình cháy động cơ diesel Động cơ diesel hình thành hỗn hợp bên trong buồng cháy, do đó thời gian lưu lại của nhiên liệu trong buồng cháy ngắn hơn động cơ xăng. Đặc điểm trên đã dẫn đến thời gian dành cho việc hình thành sản phẩm cháy không hoàn toàn cũng rút ngắn làm giảm thành phần HC cháy không hoàn toàn trong khí xả. Do nhiên liệu diesel chứa HC có điểm sôi cao, nghĩa là khối lượng phân tử cao, sự phân hủy nhiệt diễn ra ngay từ lúc phun nhiên liệu. Điều này làm tăng tính phức tạp của thành phần HC cháy không hoàn toàn trong khí xả. Quá trình cháy trong động cơ diesel là một quá trình phức tạp, trong đó diễn ra đồng thời sự bay hơi nhiên liệu và hòa trộn nhiên liệu với không khí và sản phẩm cháy. Khi độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp quá lớn hoặc quá bé đều làm giảm khả năng tự cháy và lan tràn màng lửa. Nhiên liệu sẽ được tiêu thụ từng phần trong những phản ứng ôxy hóa diễn ra chậm ở giai đoạn giãn nở sau khi hòa trộn thêm không khí. Chúng ta có thể chia ra hai khu vực đối với bộ phận nhiên liệu được phun vào buồng cháy trong giai đoạn cháy trễ: Khu vực hỗn hợp quá nghèo do pha trộn với không khí quá nhanh và khu vực hỗn hợp quá giàu do pha trộn với không khí quá chậm. Trong trường hợp đó, chủ yếu là khu vực hỗn hợp quá nghèo diễn ra sự cháy không hoàn toàn còn khu vực hỗn hợp quá giàu sẽ tiếp tục cháy khi hòa trộn thêm không khí. Đối với bộ phận nhiên liệu phun sau giai đoạn cháy trễ, sự ôxy hóa nhiên liệu hay các sản phẩm phân hủy nhiệt diễn ra nhanh chóng khi chúng dịch chuyển trong khối khí ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên sự hòa trộn không đồng đều có thể làm cho hỗn hợp quá giàu cục bộ hay dẫn đến sự làm mát đột ngột làm tắt màng lửa, sinh ra các sản phẩm cháy không hoàn toàn trong khí xả. Mức độ phát sinh HC trong động cơ diesel phụ thuộc nhiều vào điều kiện vận hành; ở chế độ không tải hay tải thấp, nồng độ HC cao hơn ở chế độ
50 đầy tải. Thêm vào đó, khi thay đổi tải đột ngột có thể gây ra sự thay đổi mạnh các điều kiện cháy dẫn đến sự gia tăng HC do những chu trình bỏ lửa. Cuối cùng, khác với động cơ xăng, không gian chết trong động cơ diesel không gây ảnh hưởng quan trọng đến nồng độ HC trong khí xả vì trong quá trình nén và giai đoạn đầu của quá trình cháy, các không gian chết chỉ chứa không khí và khí sót. Ảnh hưởng của lớp dầu bôi trơn trên mặt gương xi lanh, ảnh hưởng của lớp muội than trên thành buồng cháy cũng như ảnh hưởng của sự tôi màng lửa đối với sự hình thành HC trong động cơ diesel cũng không đáng kể so với trường hợp động cơ xăng. 2.3.2.2. Phát sinh HC trong trường hợp hỗn hợp quá nghèo Sự phân bố không đồng đều nhiên liệu trong xi lanh Tia nhiên liệu 휆 1 = 21 vòi phun phun nhiên liệu, quá Giới hạn tia 휆 = 1 trình tự cháy diễn ra ở khu vực nhiên liệu Vùng hỗn hợp quá có độ đậm đặc thấp hơn 1. Nguồn lửa nghèo Phần nhiên liệu ở vùng ngoài Hình 2.12. Sự phân bố nhiên liệu tia phun [5] tia phun nằm ngoài giới hạn tự cháy, do đó chúng không thể tự cháy và cũng không thể duy trì màng lửa. Phản ứng ở khu vực này diễn ra chậm dẫn đến sản phẩm cháy không hoàn toàn. Do đó trong vùng này có một phần nhiên liệu chưa cháy hết, những sản phẩm ôxy hóa không hoàn toàn như CO, anđêhit và những ôxít khác. Hàm lượng cácbuahyđrô chưa cháy ở khu vực nghèo này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Lượng nhiên liệu phun trong thời kỳ cháy trễ, tỷ lệ không khí kéo theo vào tia phun và những điều kiện lý hóa ảnh hưởng đến sự tự cháy của nhiên liệu trong xi lanh. 2.3.2.3. Phát sinh HC trong trường hợp hỗn hợp quá giàu Có hai nguyên nhân dẫn đến sự phát sinh HC do hỗn hợp quá giàu.
51 Nguyên nhân thứ nhất: Do nhiên liệu rời khỏi vòi phun với tốc độ thấp và thời gian phun kéo dài. Nguồn phát sinh HC chính trong trường hợp này là không gian chết ở mũi vòi phun và phun rớt do đóng kim phun không dứt khoát. Nguyên nhân thứ hai: Thừa nhiên liệu trong buồng cháy do hỗn hợp quá đậm. Vào cuối giai đoạn phun, ở miệng vòi phun (không gian chết) chứa đầy nhiên liệu. Trong quá trình cháy và giãn nở, phần nhiên liệu này được sấy nóng và bốc hơi thoát ra khỏi lỗ phun (ở pha lỏng và khí) đi vào xi lanh với tốc độ thấp rồi hòa trộn chậm với không khí. Do đó, phần nhiên liệu này không bị đốt cháy trong giai đoạn cháy chính. Ở động cơ phun trực tiếp, thời gian của giai đoạn cháy trễ nhỏ, mức độ phát sinh HC tỷ lệ với thể tích không gian chết ở đầu vòi phun. Tuy nhiên, không phải toàn bộ phần nhiên liệu chứa trong thể tích chết đều bay hơi và hòa trộn với sản vật cháy. Một phần cácbuahydro nặng tiếp tục lưu lại trong vòi phun còn phần cácbuahydro nhẹ sẽ bay hơi và bị ôxy hóa khi thoát ra khỏi thể tích chết. 2.3.2.4. Tôi màng lửa trên thành buồng cháy Tôi màng lửa là hiện tượng Hỗn hợp màng lửa bị dập tắt khi nó tiếp xúc Vùng chưa cháy với thành xi lanh. Quá trình tôi màng lửa bị màng lửa có thể xảy ra trong những tôi điều kiện khác nhau: Màng lửa bị làm lạnh khi tiếp xúc với thành buồng cháy trong quá trình dịch chuyển hoặc màng lửa có thể bị dập tắt như trên hình 2.13. Khi màng lửa bị tôi, nó giải phóng một lớp hỗn Hình 2.13. Sự hình thành HC do tôi trên thành buồng cháy [5] hợp rất mỏng chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn trên các bề mặt như đỉnh piston, thành xi lanh, xu páp, vòi phun và cả ở những phần thể tích chết. Bề dày của vùng bị tôi phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Nhiệt độ, áp
52 suất của hỗn hợp; tốc độ lan tràn màng lửa; hệ số dẫn nhiệt; nhiệt dung riêng; tình trạng bề mặt của thành xi lanh; lớp muội than; nhiệt độ thành buồng cháy. Bề dày của lớp bị tôi thay đổi từ 0,05 đến 0,4mm tùy theo chế độ tải của động cơ, ở chế độ tải càng thấp thì lớp bị tôi càng dày. Một số nghiên cứu cho thấy trong lớp tôi có tồn tại anđêhit dạng HCHO, CH3CHO, điều đó chứng tỏ rằng khu vực lớp tôi là nơi diễn ra các phản ứng ôxy hóa ở nhiệt độ thấp. Sau khi màng lửa bị làm lạnh hoặc bị dập tắt, những phần tử HC có mặt trong lớp tôi khuếch tán vào khối khí nhiệt độ cao trong buồng cháy và đại bộ phận bị ô xy hóa. Trạng thái bề mặt của thành buồng cháy cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC: Nồng độ HC có thể giảm đi 14% trong trường hợp thành buồng cháy được đánh bóng so với trường hợp thành buồng cháy ở dạng đúc thô. Ngoài ra, lớp muội than cũng gây ảnh hưởng đến nồng độ HC tương tự như trường hợp thành buồng cháy nhám. 2.3.3. Ôxit nitơ Trong động cơ diesel, cơ chế hình thành NOX diễn ra nhanh do hỗn hợp cháy không đồng nhất. Thành phần chính của NOX là NO và NO2. Trong đó, NO là khí không mùi không màu còn NO2 có màu nâu đỏ và mùi gắt. Cả hai loại khí đều rất độc nhưng NO2 độc gấp 5 lần so với NO, phần lớn NO2 hình thành từ việc ôxy hoá NO. Thành phần NOX phụ thuộc rất nhiều vào hệ số dư lượng không khí  và nhiệt độ của quá trình cháy. Nồng độ NOX đạt giá trị cực đại tại  = 1,05  1,1. Tại đây, nhiệt độ của quá trình cháy đủ lớn để ôxy và nitơ phân hủy thành nguyên tử có tính năng hoạt hóa cao và nồng độ ôxy đủ lớn cho phản ứng ôxy hóa, do đó NOX đạt cực đại. Do đặc điểm của động cơ diesel là hình thành hỗn hợp bên trong nên hệ số dư lượng không khí  nằm trong một giới hạn rất rộng, có thể lên đến 10. Khi  tăng, nhiệt độ cháy giảm nên thành phần NOX giảm. So với động cơ xăng thì động cơ diesel có thành phần NOX thấp hơn. Tuy nhiên, thành phần
53 NO2 trong NOX lại cao hơn, chiếm 5 ÷ 15% trong khi tỷ lệ này ở động cơ xăng là 2 ÷ 10%. Phương pháp hình thành hỗn hợp có ảnh hưởng lớn đến sự hình thành NOX. Đối với buồng cháy ngăn cách, quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ rất thiếu ôxy nên mặc dù nhiệt độ lớn nhưng NOX vẫn nhỏ. Khi cháy ở buồng cháy chính, mặc dù  rất lớn, ôxy nhiều nhưng nhiệt độ quá trình cháy không lớn nên NOX cũng nhỏ. Tổng hợp lại, NOX của động cơ có buồng cháy ngăn cách chỉ bằng khoảng một nửa so với động cơ có buồng cháy thống nhất. Tuy vậy, động cơ sử dụng buồng cháy ngăn cách có tính kinh tế không cao do có suất tiêu hao nhiên liệu lớn nên ngày nay không được sử dụng nhiều. 2.3.3.1. Sự hình thành mônôxit nitơ Trong họ NOX thì NO chiếm tỷ lệ lớn nhất. NO được hình thành trong quá trình cháy rớt trong xi lanh tại vùng nhiệt độ cao, cơ chế hình thành NO được chấp nhận rộng rãi là cơ chế được đưa ra bởi Zendovich. Thành phần chính để hình thành NO là khí N2 trong không khí nạp vào động cơ. Phản ứng dây chuyền ôxy hoá khí nitơ được tạo bởi các nguyên tử ôxy, chúng được hình thành từ việc tách ra khỏi phân tử O2 tại nhiệt độ cao trong quá trình cháy. Phản ứng hình thành NO từ phân tử N2 là [68]: O2  2O N + O →NO + N 2 N + O2 → NO +O N + OH →NO + H Phản ứng thứ tư xảy ra khi hỗn hợp rất giàu, NO tạo thành trong màng lửa và trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa. Trong động cơ, quá trình cháy diễn ra trong điều kiện áp suất cao, vùng phản ứng rất mỏng (khoảng 0,1mm) và thời gian cháy rất ngắn. Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng cháy. Nồng độ NO cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ ô xy. Vì vậy trong điều kiện nhiệt
54 độ cao và nồng độ O2 lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy cũng lớn. 2.3.3.2. Sự hình thành điôxit nitơ Các phương trình cân bằng hoá học đã chỉ ra rằng khí cháy tại nhiệt độ cháy bình thường thì tỷ lệ NO2/NO là rất nhỏ. Kết quả này có thể áp dụng gần đúng trong trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức. Đối với động cơ diesel, người ta thấy rằng NO2 có thể chiếm từ 10% đến 30% trong thành phần NOX. Điều đó được giải thích là do NO được hình thành trong vùng ngọn lửa có thể nhanh chóng trở thành NO2 qua phản ứng: NO + HO2 → NO2 + OH Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 có thể phân giải theo phản ứng: NO2 + O → NO + O2 Trong trường hợp NO2 sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi môi chất có nhiệt độ thấp thì phản ứng phân giải NO2 thành NO bị khống chế, nghĩa là NO2 tiếp tục tồn tại trong sản vật cháy. Vì vậy khi động cơ làm việc kéo dài ở chế độ không tải hoặc tải nhỏ thì nồng độ NO2 trong khí thải sẽ gia tăng bởi sự khống chế của các vùng không khí có nhiệt độ thấp. NO2 cũng hình thành trên đường thải khi tốc độ thải thấp và có đủ lượng ôxy. NO2 là chất khí độc nhất trong họ NOX. Vì vậy việc tổ chức tốt quá trình cháy để giảm tốc độ phản ứng tạo thành và tăng tốc độ phản ứng phân giải chất ô nhiễm này có ý nghĩa rất quan trọng. 2.3.4. Phát thải hạt 2.3.4.1. Thành phần bồ hóng Các hạt (PM) có kích thước từ 0,01 đến 1 m. Phần lớn hạt có kích thước < 0,3 m nên rất dễ bị hít vào và gây tổn thương cho đường hô hấp và phổi. Thành phần PM bao gồm các thành phần chính sau: - Các bon: Thành phần này ít nhiều phụ thuộc vào nhiệt độ cháy và hệ số dư lượng không khí trung bình, đặc biệt là khi động cơ hoạt động ở chế độ đầy tải hoặc quá tải.
55 - Dầu bôi trơn không cháy: Đối với động cơ cũ thành phần này chiếm tỷ lệ lớn. Lượng dầu bôi trơn bị tiêu hao và lượng hạt bồ hóng có quan hệ với nhau. - Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn: Thành phần này phụ thuộc vào nhiệt độ và hệ số dư lượng không khí. - Sun phát: Do lưu huỳnh trong nhiên liệu bị ôxy hóa và tạo thành SO2 hoặc SO4. - Các chất khác: Lưu huỳnh, calci, sắt, silicon, chromium, phosphor, các hợp chất calci từ dầu bôi trơn. Thành phần hạt bồ hóng còn phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, đặc điểm của quá trình cháy, dạng động cơ cũng như thời hạn sử dụng của động cơ. 2.3.4.2. Cơ chế hình thành bồ hóng trong buồng cháy động cơ diesel Cơ chế hình thành bồ hóng tổng quan nhất của Fusco được mô tả theo sơ đồ trong hình 2.14. Nhiên liệu + không khí Tạo hạt nhân Phân hủy nhiệt Các hạt cơ bản Axetylen Phát triển bề mặt Các hạt Oxy hóa cơ bản Các hạt bồ hóng ban đầu Oxy hóa Phát triển bề mặt Các hạt bồ hóng ban đầu Các hạt bồ hóng Hợp dính Ngưng tụ Phát triển bề mặt Oxy hóa Liên kết hạt Hình 2.14. Tóm tắt quá trình hình thành bồ hóng của Fusco [5]
56 +Giai đoạn 1: Hình thành hạt bồ hóng Vật chất của pha ngưng tụ đầu tiên phát triển từ những phân tử nhiên liệu thông qua các sản phẩm của sự ôxy hóa hoặc các sản phẩm phân hủy nhiệt. Những sản phẩn này gồm những cacbuahyđrô không bão hòa khác nhau, đặc biệt là axêtylen, các đồng vị bậc cao của nó. Hai dạng phần tử này được coi như là nhân tố chính trong sự hình thành bồ hóng. Phản ứng ngưng tụ của những phân tử thể khí dẫn đến sự hình thành các hạt nhân bồ hóng đầu tiên có đường kính rất bé, đây là các hạt cơ sở được hợp thành bởi một lượng lớn các gốc tinh thể đơn lẻ. Cơ chế tổng quát về sự tạo thành hạt nhân bồ hóng ở nhiệt độ thấp và trung bình được trình bày trên hình 2.15 và hình 2.16. Ở nhiệt độ thấp (<1700K), cacbuahyđrô thơm có thể sinh ra bồ hóng một cách trực tiếp và nhanh chóng biến thành cấu trúc gần graphite. H H H H C H C C C C C C H C C C C H C C 2 2 C 2H2 C2H 2+C2H2 C C C C H C H + C H H 2 2 H C C C C C H H Hình 2.15. Cơ chế trung gian về động hóa học của quá trình hình thành bồ hóng từ các phân tử aromatics [5] Khi nhiệt độ cao hơn 1800K, một cơ chế hình thành bồ hóng khác diễn ra chậm hơn và ít trực tiếp hơn. Trước hết qua trung gian những thành phần HC có khối lượng phân tử nhỏ và sau đó bị polyme hóa thành những phần tử kém bão hòa có khối lượng phân tử lớn hơn. Đây là các mầm cơ bản để hình thành các hạt nhân bồ hóng.
57 Theo Borghi, sự hình thành bồ hóng qua trung gian các aromatics được viết như sau: Aromatic → (khử hydro) → Alcanes (CH4, C2H6, ) → Các gốc Alcolyles (CH3, C2H5, ) → Alcenes (C2H4) → Alcynes (C2H2) → (khử hydro) → Các gốc C2H∙ và sau đó: C2H∙ + C2H2 → C4H2 + H. C2H∙ và C4H2 lại tiếp tục tác dụng với nhau như hình 2.16 và cơ chế tiếp tục kéo dài. Ở mỗi một chu trình đều có sự tham gia của C2H2. Aromatics Các phản ứng ngưng tụ Trực tiếp Bồ hóng Gián tiếp (chậm) CH Các phản X C2 H X Bồ hóng ứng nhánh C 3H X Aliphatic Hình 2.16. Mô hình cơ chế tạo hạt bồ hóng từ aromatics và aliphatics [5] + Giai đoạn 2: Phát triển hạt bồ hóng Quá trình phát triển của hạt bồ hóng bao gồm sự phát triển bề mặt, ngưng tụ và sự liên kết hạt. Sự phát triển bề mặt diễn ra do các chất thể khí ngưng tụ trên hạt rắn và biến thành một bộ phận của hạt. Các phản ứng phát triển bề mặt dẫn đến sự gia tăng nồng độ bồ hóng nhưng không làm thay đổi số lượng hạt. Ngược lại sự phát triển bằng con đường liên kết và hợp dính các hạt với nhau làm giảm số lượng hạt nhưng nồng độ bồ hóng không thay đổi. Khi sự phát triển bề mặt hạt kết thúc, quá trình liên kết hạt thành chuỗi và cụm vẫn có thể xảy ra. Khi đó lực tĩnh điện của chúng có vai trò quan trọng