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


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



11

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

11

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

16

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

19

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

22

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

22

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

22

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


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

54

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

59

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

59

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

60

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

63

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

65

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

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..............................................................................

85

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



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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tên gọi

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

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

PM10
ROHR
SCR
SCRT
SMF

Đơn vị
-


v

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

-

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

MJ/kg

mc

Khối lượng môi chất bên trong xy lanh

kg

u
pc

Nội năng
Áp suất bên trong xy lanh

Pa

V
QF

Thể tích xy lanh
Nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp

m3
kJ

QW

Tổn thất nhiệt qua vách

kJ

 o, 
k

CCR

Độ
J

Độ

kg


vi

dme

Lượng khí đi ra khỏi xy lanh

kg

hi

Entanpy của môi chất khí đi vào xy lanh

-

he

Entanpy của môi chất khí đi ra khỏi xy lanh


Pa

Tol

Nhiệt độ môi chất trước họng tiết lưu

K

Ro

Hằng số chất khí

-

ψ
k
μσ

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

d vi

Đường kính xu páp

m

S


Hệ số truyền nhiệt

Tc

Nhiệt độ môi chất trên bề mặt thành xy lanh

K

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

K

Twi :

D
Cm
Cu

m
m/s
m/s


vii


Ekin
Cturb

Thể tích công tác của 1 xy lanh
Áp suất môi chất trong xy lanh
Áp suất khí trời
Áp suất môi chất trong xy lanh tại thời điểm đóng xu
páp nạp
Nhiệt độ môi chất trong xy lanh tại thời điểm đóng xu
páp nạp
Thể tích xy lanh khi piston ở điểm chết trên
Áp suất chỉ thị trung bình
Thể tích xy lanh
Đường kính xy lanh
Áp suất
Nhiệt độ
Đường kính ống nối với đường nạp
Tốc độ dòng khí trên đường nạp
Diện tích thông qua
Khe hở piston - xylanh
Tổng nhiệt lượng cấp vào
Thời điểm bắt đầu cháy
Thời gian cháy
Thông số hình dạng
Thông số Vibe
Lượng nhiệt tỏa ra trong giai đoạn cháy chính
Hằng số cháy
Hằng số hòa trộn hỗn hợp
Thế năng của dòng chuyển động rối
Lượng nhiên liệu được hóa hơi

m3
J
-


viii

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

Các hằng số được lựa chọn theo kinh nghiệm và kiểu
động cơ
Tỷ lệ C trên bề mặt của phần tử A tham gia phản ứng
Hằng số tốc độ ôxy hoá soot
Trọng lượng của phân tử C
Mật độ của soot
Đường kính của phân tử soot đặc trưng

kg
kg
Pa
kJ/kmol
kJ/kmol

kg
m/s
kg
kJ

kg/m3
m


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN ÁN
Ký hiệu

Tên bảng


73

Bảng 3.5 Kết quả so sánh công suất động cơ FAWDE4DX23-110 giữa thực nghiệm và mô phỏng ở chế độ
đặc tính ngoài

73

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

76

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

77

Bảng 3.8 Phát thải trung bình theo chu trình ECE R49

80

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

85

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

110

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

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

Hình 1.1

Số lượng ô tô của cả nước theo năm

5

Hình 1.2

Các loại ô tô của cả nước theo năm

5

Hình 1.3

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



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

Trang



67

Hình 3.2

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

72

Hình 3.3

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

74

Hình 3.4

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

75

Khai báo thành phần hóa học của LPG trên AVL
BOOST

76

Hình 3.6

82

Hình 3.12

Công suất và mô men động cơ theo góc phun sớm

82

Hình 3.13

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

83

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

83

Hình 2.16

Hình 3.5

Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10
Hình 3.11

Hình 3.14



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 4.13

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


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

114

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

116

Kết quả so sánh công suất giữa mô phỏng và thực
nghiệm của động cơ nguyên bản theo chu trình ECE R49

118


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.

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.

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

(Nghìn xe)

Xe con

Xe tải



2012

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

2008

2009

2010

2011

2012

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

Phương tiện giao thông cơ gi ới đường bộ lưu hành ở Việt Nam bao
gồm nhiều loại, có nhiều phương ti ện đã cũ, tiêu thụ nhiên liệu lớn , độ ồn và
phát thải độc hại r ất cao . Thực hiện Nghị đị nh s ố 92/2001/NĐ-CP ngày
11/12/2001 của Chính phủ về điều kiện kinh doanh vận tải bằng ô tô và Nghị
đị nh số 23/2004/NĐ-CP ngày 13/01/2004 của Chính phủ về niên hạn sử dụng
ô tô tải và ô tô chở người , số lượng phương tiện quá cũ đã được giảm đi đáng
kể. Tuy nhiên, mức độ phát thải các chất độc hại vẫn còn ở mức cao.
Số lượng phương tiện tăng quá nhanh trong khi hạ tầng giao thông không
phát triển kịp đã tạo ra sức ép ngày càng lớn đối với môi trường đặc biệt là ở đô


6



100

100
50

50
0

0
2008

2009

2010

2011

2012

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

2008

2009

2010

2011


100

40

50
0

0

2008

2009

2010

2011

2012

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

2008

2009

2010

2011

2012

Tùy thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, phương pháp hình thành hỗn
hợp và cháy, tình trạng của động cơ mà nồng độ các thành phần phát thải của
các động cơ khác nhau. Trong khi động cơ xăng có hàm lượng các thành phần
phát thải CO và HC cao thì động cơ diesel lại thải ra môi trường một lượng
PM và NOx lớn [27].
Số lượng phương tiện tăng quá nhanh

trong khi hạ tầng giao thông

không phát triển kịp đã gây ra tình trạng ùn tắc giao tại các thành phố lớn.