Header Page 1 of 258.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

VƢƠNG VĂN SƠN

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2014

Footer Page 1 of 258.


Header Page 2 of 258.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

VƢƠNG VĂN SƠN

XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN KHÍ THẢI PHÁT TÁN
VÀO MÔI TRƢỜNG CỦA ĐỘNG CƠ Ô TÔ
SỬ DỤNG LƢỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-LPG
Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô máy kéo
Mã số: 62.52.35.01


khí Động lực đã nhiệt tình giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho
luận án.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp,
những người thân trong gia đình đã động viên, khích lệ tôi rất nhiều trong
suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Nghiên cứu sinh

Footer Page 3 of 258.


Header Page 4 of 258.

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

Vƣơng Văn Sơn

Footer Page 4 of 258.


Header Page 5 of 258.

i
MỤC LỤC

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


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



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

Footer Page 5 of 258.


Header Page 6 of 258.

ii

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

48

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

49

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

52

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

54

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


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

66

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

68

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

68

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

69

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

72

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

73

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

74



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

87

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

87

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

87

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

87

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

88

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

90

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

99



112

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

118

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

121

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

122

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

124

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

125

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

133

Footer Page 7 of 258.



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

EGR
HAP
HC
LHC
LHT
LNT
LPG
CNG
MN
MP

Nhiệt tỏa ra tính đến góc quay của trục khuỷu

-

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

J
-

%
%

mLPG

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

H uLPG

Nhiệt trị thấp của LPG

MJ/kg

mdiesel


m3
kJ

QW

Tổn thất nhiệt qua vách

kJ

α
h BB

Góc quay trục khuỷu
Trị số entanpy

độ
-

dmi

Lượng khí đi vào xy lanh

kg

Smoke
SOOT
SOX
TB
TCVN
TN


kg

hi

Entanpy của môi chất khí đi vào xy lanh

-

he

Entanpy của môi chất khí đi ra khỏi xy lanh

-

q ev

Nhiệt hóa hơi của nhiên liệu

kJ

f

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

kJ
kg

Diện tích thông qua


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

d vi

Đường kính xu páp

m

S
r
l

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

mew
A eff

φ


D
Cm
Cu

Footer Page 10 of 258.

m
m/s
m/s


Header Page 11 of 258.

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

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

m3
Pa
Pa
Pa

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

Footer Page 12 of 258.

viii

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

kg
kg
Pa
kJ/kmol
kJ/kmol

kg
m/s
kg
kJ

kg/m3
m


Header Page 13 of 258.

ix

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN ÁN
Ký hiệu

Tên bảng

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

Trang
9



Bảng 3.6 Các phần tử của mô hình mô phỏng trên hình 3.5

76

Bảng 3.7 Diễn giải các mode của chu trình thử ECE R49

77

Bảng 3.8 Phát thải trung bình theo chu trình ECE R49

80

Bảng 3.9 Kết quả mô phỏng các thành phần phát thải của động
cơ diesel-LPG theo chu trình ECE R49 khi thay đổi
góc phân phối khí

85

Bảng 4.1 Tiêu chuẩn EURO về phát thải của động cơ diesel

110

Bảng 4.2 Kết quả đo công suất và mô men của động cơ diesel
nguyên thủy

111

Bảng 4.3 Kết quả đo các thành phần phát thải của động cơ
diesel


119

Bảng 4.9 Kết quả so sánh công suất giữa mô phỏng và thực
nghiệm của động cơ diesel-LPG theo chu trình ECE R49

120

Footer Page 14 of 258.


Header Page 15 of 258.

xi

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

Tên hình vẽ

Hình 1.1

Số lượng ô tô của cả nước theo năm

5

Hình 1.2

Các loại ô tô của cả nước theo năm



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

nhiên liệu diesel-LPG

33

Các giai đoạn trong quá trình cháy của động cơ
diesel-LPG

35

Hình 2.10

Cân bằng năng lượng trong xy lanh động cơ

38

Hình 2.11

Sơ đồ tính toán chuyển vị của piston

41

Hình 2.12

Sự phân bố nhiên liệu tia phun

50

Hình 2.5

Hình 2.9

aliphatics

57

Hình 3.1

Giao diện phần mềm AVL BOOST

67

Hình 3.2

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

72

Hình 3.3

So sánh công suất và mô men của động cơ giữa thực
nghiệm và mô phỏng

74

Hình 3.4

Mô hình mô phỏng động cơ diesel-LPG trên AVL
BOOST

75

1800 v/ph theo góc phun sớm

81

Phát thải bồ hóng ở 100% tải với các tốc độ động cơ
theo góc phun sớm

82

Hình 3.12

Công suất và mô men động cơ theo góc phun sớm

82

Hình 3.13

Thay đổi biên dạng cam dẫn động xu páp trong phần
mềm AVL BOOST

83

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

83

Hình 2.16

Hình 3.5


khí thải phương tiện giao thông cơ giới đường bộ

88

Sơ đồ bố trí thiết bị của băng thử động lực học cao
ETC01 ở phòng thử nghiệm khí thải động cơ thuộc
Trung tâm thử nghiệm khí thải phương tiện giao
thông cơ giới đường bộ

89

Hình 4.3

Sơ đồ nguyên lý của cụm phanh điện PA 406/6 PA

90

Hình 4.4

Sơ đồ nguyên lý của thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu
AVL 735S

93

Hình 4.5

Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích CO

94


Hình 4.11

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 4.20
Hình 4.21
Hình 4.22
Hình 4.23

Footer Page 18 of 258.

xiv

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

113

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

113

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

114

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

116

Kết quả so sánh công suất giữa mô phỏng và thực

cạn kiệt.
Để đảm bảo cho động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG mà ít
phải thay đổi kết cấu có thể dùng biện pháp lắp đặt thêm bộ cung cấp LPG
vào động cơ diesel nguyên thủy.
Phương án này không chỉ sử dụng được cho các loại ô tô dùng động cơ
diesel mới mà còn có thể sử dụng cho các loại xe ô tô đang lưu hành vì việc
lắp đặt thêm hệ thống cung cấp LPG vào động cơ diesel là không phức tạp và

Footer Page 19 of 258.


Header Page 20 of 258.

2

ít làm ảnh hưởng đến đặc tính của động cơ.
Ưu điểm nổi bật của động cơ lưỡng nhiên liệu theo phương án đã nêu
so với đơn nhiên liệu LPG là không phải chế tạo động cơ chuyên chạy LPG
mà vẫn đạt được mục đích giảm lượng khí thải độc hại.
Hiện nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu sử dụng động cơ lưỡng
nhiên liệu diesel – LPG trên ô tô, các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhận định
chung về đặc điểm sử dụng LPG trên động cơ diesel như: khả năng giảm bụi
khói và NOX, hiện tượng tăng phát thải HC và CO khi thay thế LPG vào
diesel. Tuy nhiên, một số nghiên cứu đưa ra các kết quả rất khác nhau mức
giảm hoặc tăng các thành phần phát thải khi tăng tỷ lệ LPG thay thế. Điều đó
cho thấy ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế đến phát thải của động cơ sử dụng
lưỡng nhiên liệu diesel - LPG phụ thuộc rất nhiều vào loại động cơ, thành
phần nhiên liệu sử dụng, phương pháp cung cấp nhiên liệu LPG và điều kiện
vận hành động cơ.
Ở Việt Nam, ứng dụng LPG cho động cơ đốt trong đã và đang được

Sử dụng phần mềm AVL-BOOST để mô phỏng quá trình làm việc của
động cơ và tính toán hàm lượng phát thải.
* Về thực nghiệm: Thí nghiệm trên băng thử hiện đại theo chu trình
ECE của Cục Đăng kiểm Việt Nam để xác định hàm lượng các thành phần
khí thải độc hại, trên cơ sở đó sẽ hiệu chỉnh kết quả tính toán lý thuyết.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
* Ý nghĩa khoa học
Luận án đã xây dựng được phương pháp xác định các thành phần khí
thải độc hại của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu
diesel – LPG.
Luận án đã xây dựng được mô hình mô phỏng để đánh giá lượng phát
thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu diesel –
LPG.
Luận án đã tiến hành thực nghiệm đánh giá và so sánh các thành phần
khí thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu diesel –
LPG bằng hệ thống trang thiết bị thử nghiệm hiện đại, đạt tiêu chuẩn Quốc tế.
* Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở để đánh giá hiệu quả môi
trường và năng lượng của động cơ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG.

Footer Page 21 of 258.


Header Page 22 of 258.

4

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị trong giảng dạy, nghiên cứu
khoa học và thực tế ứng dụng.
6. Những nội dung chính của luận án

(Nghìn xe)

Xe con

Xe tải

Xe khách

750

1,6

600

1,2

450

0,8

300

0,4

150

0,0

0
2008

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

Footer Page 23 of 258.


Header Page 24 of 258.

6

thị. Hà Nội là một thành phố có tốc độ phát triển số lượng phương tiện giao
thông đường bộ ở mức cao. Tính đến 31/12/2012, số lượng ô tô đạt 334.399
chiếc [4]. Các số liệu biểu thị trên hình 1.3 và hình 1.4 cho thấy, trong khoảng
thời gian từ năm 2008 đến 2012, số lượng ô tô trên cả nước đã tăng lên gấp
khoảng 1,5 lần, trong đó gia tăng chủ yếu là xe con, số lượng xe tải và xe
khách thay đổi không đáng kể.
(Nghìn xe)

(Nghìn xe)

350

250

300

200

Xe con


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

2008

2009

2010

2011

2012

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

Tốc độ phát triển các loại phương tiện giao thông đường bộ ở Thành phố
Hồ Chí Minh cũng tăng lên rất nhanh, chủ yếu là các loại xe con và xe tải. Tính
đến 31/12/2012, số lượng ô tô tại Thành phố Hồ Chí Minh đạt 307.724 chiếc [4].
(Nghìn xe)

(Nghìn xe)

350

160
Xe con

300

Xe tải



2008

2009

2010

2011

2012

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

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

Footer Page 24 of 258.


Header Page 25 of 258.

7

phố này đã tăng 32%, trong đó gia tăng chủ yếu là xe con và xe khách, số
lượng xe tải thay đổi không đáng kể.
Việt Nam hiện đang áp dụng tiêu chuẩn khí thải Euro II cho phương tiện
giao thông mới xuất xưởng, còn đối với các phương tiện đang lưu hành, tiêu
chuẩn về khí thải được đánh giá bằng độ khói cho từng loại phương tiện. Khi
các tiêu chuẩn này được đưa vào áp dụng, rất nhiều phương tiện đang lưu hành
cũng như lắp ráp mới không đáp ứng được, điều đó đòi hỏi các nhà sản xuất