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
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


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng
tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, tháng 4 năm 2014
Tác giả luận án Vƣơng Văn Sơn
i

MỤC LỤC

Mục lục
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Danh mục các bảng trong luận án
Danh mục các hình vẽ và ảnh trong luận án
MỞ ĐẦU
Chương I. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Tổng quan về ô nhiễm môi trường do phát thải của ô tô
1.1.1. Sự phát triển phương tiện giao thông ở Việt Nam
1.1.2. Tình hình ô nhiễm môi trường do phát thải của ô tô
1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng LPG
1.2.1. Tình hình sản xuất LPG
1.2.2. Tình hình sử dụng LPG
1.3. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về khí thải của động cơ diesel và

16
19

22
22
22
25
26
26
31

37

ii

2.3. Các thành phần khí thải ……………………
2.3.1. Mônôxit cácbon
2.3.2. Hyđrô cácbon
2.3.3. Ôxit nitơ
2.3.4. Phát thải hạt
2.4. Cơ sở tí nh toá n cá c thà nh phầ n phá t thả i trong độ ng cơ diesel và động
cơ diesel - LPG
2.4.1. Tính toán phát thải NOx
2.4.2. Tính toán phát thải CO
2.4.3. Tính toán phát thải HC
2.4.4. Tính toán phát thải bồ hóng (Soot)
2.5. Kết luận chương II………………………………………………


65
65
65
66

68
68
69
72
73
74
77

80

80

iii

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

87
87
87
87
87
88
90

99
103
103
104
107
110
110
110

112
118
121
122
124
125
133

iv


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
-

-
v

Smoke
Độ khói
-
SOOT
Bồ hóng
-
SO
X
Ôxít lưu huỳnh
-
TB
Tua bin
-
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
-
TN
Thực nghiệm
-
TSP
Tổng lượng bụi lơ lửng trong không khí
-
VOCs
Hàm lượng các chất hữu cơ độc hại bay lên trên không
khí
-


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

Khối lượng LPG tiêu thụ
kg
uLPG
H

Nhiệt trị thấp của LPG
MJ/kg
diesel
m

Khối lượng diesel tiêu thụ
kg
udiesel
H

Nhiệt trị thấp của diesel
MJ/kg
c
m

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

dm

Lượng khí đi vào xy lanh
kg
vi

e
dm

Lượng khí đi ra khỏi xy lanh
kg
i
h

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

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

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

ψ
Hệ số phụ thuộc tỷ lệ áp suất môi chất
-
k
Tỷ số nhiệt dung riêng của môi chất
-
μσ

Hệ số cản dòng của đường ống
-
vi
d

Đường kính xu páp
m
S
Vị trí của piston tính từ điểm chết trên
-
r
Bán kính quay
m
l
Chiều dài thanh truyền
m
φ
Góc giữa đường nối tâm quay với piston ở điểm chết
trên với trục thẳng đứng (trường hợp xy lanh lệch tâm)
độ
e
Khoảng lệch tâm

D
Đường kính xy lanh
m
C
m

Tốc độ trung bình của piston
m/s
C
u

Tốc độ tiếp tuyến của môi chất
m/s
vii

V
D

Thể tích công tác của 1 xy lanh
m
3

P
c

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


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

Đường kính ống nối với đường nạp
m
v
in

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

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

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

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

Oxygen,available
w

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

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

Diff

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

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

NO ở trạng thái cân bằng

m
fi

Lượng nhiên liệu cấp vào
kg
m
fb

Lượng nhiên liệu đã cháy
kg
m
soot

Khối lượng soot
kg


Pa
E
s,f

Năng lượng hoạt hoá
kJ/kmol
E
s,ox

Năng lượng ôxy hoá
kJ/kmol
A
f, Aox

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

Hằng số tốc độ ôxy hoá soot
-
MW
c

Trọng lượng của phân tử C

khác nhau
36
Bảng 2.2
Chuỗi phản ứng hình thành NOx với hệ số tốc độ k
59
Bảng 3.1
Các thông số cơ bản của động cơ FAWDE- 4DX23-
110
69
Bảng 3.2
Đặc tính kỹ thuật của nhiên liệu diesel
70
Bảng 3.3
Đặc tính kỹ thuật của nhiên liệu LPG
71
Bảng 3.4
Các phần tử của mô hình mô phỏng trên hình 3.2
73
Bảng 3.5
Kết quả so sánh công suất động cơ FAWDE-
4DX23-110 giữa thực nghiệm và mô phỏng ở chế độ
đặc tính ngoài
73
Bảng 3.6
Các phần tử của mô hình mô phỏng trên hình 3.5
76
Bảng 3.7
Diễn giải các mode của chu trình thử ECE R49
77
Bảng 3.8

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

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

72
Hình 3.3
So sánh công suất và mô men của động cơ giữa thực
nghiệm và mô phỏng
74
Hình 3.4
Mô hình mô phỏng động cơ diesel-LPG trên AVL
BOOST
75
Hình 3.5
Khai báo thành phần hóa học của LPG trên AVL
BOOST
76
Hình 3.6
Sơ đồ thể hiện các mode của chu trình thử ECE R49
77
Hình 3.7
Phát thải CO ở các chế độ mô phỏng theo chu trình
ECE R49
78
Hình 3.8
Phát thải NOX ở các chế độ mô phỏng theo chu trình
ECE R49
79
Hình 3.9
Phát thải bồ hóng ở các chế độ mô phỏng theo chu
trình ECE R49
80
Hình 3.10
Phát thải NOx và CO ở 100% tải, tốc độ động cơ

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

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

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

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.

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

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

2011
2012
(Nghìn xe)

Hnh 1.4. Các loại ô tô tại Hà Nội theo năm 0
50
100
150
200
250
Xe con
Xe tải
Xe khách
2008
2009
2010
2011
2012
(Nghìn xe)
Hnh 1.6. Các loại ô tô tại TP HCM theo năm


2010
2011
2012
(Nghìn xe)
7

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