Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của tuần hoàn khí thải đến các chỉ tiêu kỹ thuật và môi trường của động cơ diesel phun nhiên liệu điện tử khi sử dụng diesel sinh học b10 và b20

BỘ QUỐC PHÒNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ TRẦN TRỌNG TUẤN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TUẦN HOÀN KHÍ THẢI ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL PHUN NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ KHI SỬ DỤNG DIESEL SINH HỌC B10 VÀ B20 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2019 BỘ QUỐC PHÒNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ TRẦN TRỌNG TUẤN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TUẦN HOÀN KHÍ THẢI ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL PHUN NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ KHI SỬ DỤNG DIESEL SINH HỌC B10 VÀ B20 Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: 9 52 01 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Hoàng Vũ 2. PGS.TS. Vũ Ngọc Khiêm HÀ NỘI – NĂM 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện. Luận án có sử dụng một phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong Đề tài cấp Quốc gia “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau”, mã số ĐT.08.14/NLSH do Đại tá, PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ là Chủ nhiệm đề tài và cơ quan chủ trì là Học viện Kỹ thuật Quân Sự, thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025. Tôi đã được Chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của Đề tài cấp Quốc gia vào việc viết và bảo vệ luận án. Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình khác. TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Hà Nội, tháng 10 năm 2019 Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2 Nghiên cứu sinh PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ PGS.TS Vũ Ngọc Khiêm Trần Trọng Tuấn ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Phòng Sau đại học, Khoa Động lực, Bộ môn Động cơ - Học viện Kỹ thuật Quân sự đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Học viện Kỹ thuật Quân sự. Xin cảm ơn Phòng Sau đại học và Khoa Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải, Khoa Cơ khí và các thầy trong Khoa đã tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ và PGS.TS Vũ Ngọc Khiêm đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy thuộc Bộ môn Động cơ, Khoa Động lực, Học viện KTQS và các chuyên gia thuộc lĩnh vực Cơ khí – Động lực trong và ngoài Học viện đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho NCS trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm Động cơ, Viện Cơ khí Động lực/Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng thí nghiệm động cơ, Trung tâm Công nghệ Cơ khí/Đại học Công nghệ Giao thông vận tải luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện tốt nhất để thực hiện quá trình nghiên cứu thực nghiệm. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài ĐT.08.14/NLSH đã đồng ý cho tôi sử dụng một số kết quả nghiên cứu của đề tài để viết và bảo vệ luận án. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Trần Trọng Tuấn iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................... LỜI CẢM ƠN............................................................................................................ MỤC LỤC.................................................................................................................. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.............................................................................. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.................................................................. MỞ ĐẦU.................................................................................................................... Mục đích nghiên cứu của luận án........................................................................... Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................................ Phương pháp nghiên cứu của luận án................................................................... Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.................................................................................. Bố cục của luận án..................................................................................................... CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về hệ thống tuần hoàn khí thải trên động cơ................................ 1.1.1. Lịch sử nghiên cứu và phát triển hệ thống tuần hoàn khí thải..................... 1.1.2. Vai trò của hệ thống tuần hoàn khí thải....................................................... 1.1.3. Phân loại hệ thống tuần hoàn khí thải.......................................................... 1.1.3.1. Theo áp suất của dòng khí tuần hoàn………………………….. 1.1.3.2. Theo nhiệt độ dòng khí tuần hoàn ……...…………………….. 1.1.3.3. Theo phương pháp điều khiển van tuần hoàn…………………. 1.1.4. Các phương pháp xác định tỷ lệ tuần hoàn khí thải………………………. 1.1.5. Một số lưu ý khi sử dụng hệ thống tuần hoàn khí thải……………………. 1.2. Tổng quan về nhiên liệu sinh học...................................................................... 1.2.1. Tình hình sử dụng nhiên liệu diesel sinh học............................................... 1.2.2. Sự thay đổi thuộc tính của hỗn hợp biodiesel theo tỷ lệ pha trộn................ 1.2.3. Ảnh hưởng của biodiesel đến chỉ tiêu tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường..................................................................................................................... 1.2.4. Ảnh hưởng của thuộc tính nhiên liệu đến thuộc tính dòng khí thải………. 1.3. Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn khí thải và nhiên liệu sử dụng đến chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ…... 1.3.1. Trên thế giới................................................................................................. 1.3.1.1. Trên động cơ dùng hệ thống phun nhiên liệu kiểu cơ khí........ 1.3.1.2. Trên động cơ dùng hệ thống phun nhiên liệu kiểu CR............. 1.3.1.3. Nghiên cứu tối ưu và điều chỉnh tỷ lệ tuần hoàn khí thải......... 1.3.2. Tại Việt Nam................................................................................................ 1.4. Lựa chọn đối tượng nghiên cứu và loại nhiên liệu sử dụng............................ 1.5. Trình tự và hướng nghiên cứu của đề tài......................................................... Trang i ii iii vi ix xi 1 2 2 2 3 4 5 5 5 6 7 7 10 11 11 12 13 13 17 18 20 21 21 21 24 27 29 31 32 iv 1.6. Kết luận Chương 1............................................................................................. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG CHU TÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ…………………………………………………….. 2.1. Các vấn đề chung................................................................................................ 2.2. Lựa chọn phần mềm tính toán…………………….......................................... 2.3. Cơ sở tính toán chu trình công tác của động cơ…………………………….. 2.3.1. Mô hình vật lý của định luật nhiệt động học thứ nhất áp dụng cho động cơ đốt trong......................................................................................................... 2.3.2. Mô hình cháy............................................................................................. 2.3.2.1. Mô hình Vibe.............................................................................. 2.3.2.2. Mô hình Double Vibe................................................................. 2.3.2.3. Mô hình Vibe hai vùng............................................................... 2.3.2.3. Mô hình MCC............................................................................. 2.3.3. Mô hình truyền nhiệt.................................................................................. 2.3.3.1. Mô hình truyền nhiệt trong xi lanh............................................. 2.3.3.2. Truyền nhiệt ở các quá trình trao đổi khí.................................... 2.3.4. Mô hình tính toán các thành phần khí thải của động cơ............................ 2.3.4.1. Mô hình tính toán NOx............................................................... 2.3.4.2. Mô hình tính toán Soot (bồ hóng)............................................... 2.5. Kết luận Chương 2............................................................................................. CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ CÓ TUẦN HOÀN KHÍ THẢI VÀ SỬ DỤNG BIODIESEL………….......................................................... 3.1. Xác định thông số đầu vào phục vụ cho quá trình xây dựng mô hình…….. 3.1.1. Các thông số về kết cấu của động cơ……………………………………. 3.1.2. Nhóm các thông số về hệ thống nạp, thải của động cơ………………….. 3.1.3. Các thông số vận hành của động cơ……………………………………... 3.1.4. Các thông số về quy luật cung cấp nhiên liệu…………………………… 3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng CTCT của động cơ có xét đến ảnh hưởng của tuần hoàn khí thải và loại nhiên liệu sử dụng.................................................. 3.3. Đánh giá và hiệu chỉnh mô hình....................................................................... 3.3.1. Hiệu chỉnh các tham số trong mô hình cháy.............................................. 3.3.1.1. Mô hình Double Vibe................................................................. 3.3.1.2. Mô hình Vibe hai vùng............................................................... 3.3.1.3. Mô hình MCC............................................................................. 3.3.1.4. Lựa chọn bộ thông số phù hợp cho việc tính toán pcyl................ 3.3.2. Hiệu chỉnh theo chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của động cơ tại đường đặc tính ngoài.............................................................................................................. 35 36 36 37 38 38 40 40 41 42 42 45 45 47 48 48 48 49 50 50 51 51 53 53 55 58 59 60 61 62 63 64 v 3.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn khí thải đến diễn biến áp suất và nhiệt độ bên trong xi lanh………………………………………………………………….... 3.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn đến tốc độ tỏa nhiệt và quy luật cháy……. 3.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn đến tốc độ hình thành NOx và Soot………. 3.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn khí thải đến chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10, B20……………………………………. 3.8. Ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn khí thải đến phát thải NOx, PM của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10, B20……………………………………………….. 3.9. Kết luận Chương 3……………………………………………………………. CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM.................................................... 4.1. Mục đích, chế độ và đối tượng thử nghiệm...................................................... 4.1.1. Mục đích.................................................................................................... 4.1.2. Chế độ thực nghiệm.................................................................................. 4.1.2.1. Hiệu chỉnh mô hình lý thuyết......................................................... 4.1.2.2. Xác định quy luật thay đổi %EGR của động cơ nguyên thủy trong toàn vùng làm việc.......................................................................... 4.1.2.3. Đánh giá ảnh hưởng của %EGR đến chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ........................................................... 4.1.3. Đối tượng thực nghiệm............................................................................. 4.2. Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm............................................. 4.3. Kết quả xác định quy luật thay đổi của tỷ lệ EGR khi động cơ sử dụng ECU nguyên thủy trong toàn vùng làm việc………………………....................... 4.3.1. Kết quả xác định quy luật thay đổi của tỷ lệ tuần hoàn khí thải................ 4.3.2. Giới hạn ảnh hưởng của tỷ lệ EGR đến thông số vận hành và phát thải của động cơ.......................................................................................................... 4.4. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến một số thuộc tính của dòng khí thải………………………………………………. 4.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến chỉ tiêu kinh tế, năng lượng…………………………………….......................................................... 4.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ EGR và loại nhiên liệu sử dụng phát thải NOx và PM 4.7. Cơ sở để lựa chọn tỷ lệ EGR mới cho động cơ khi sử dụng B10, B20........... 4.8. Kết luận Chương 4……….…………………………………………………… KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN………………………………………... DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN……………………………………………………………. TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………….... PHỤ LỤC…………………………………………………………………………... 66 72 78 84 87 90 92 92 92 93 93 93 93 96 96 102 102 103 104 109 112 114 120 122 124 125 133 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu ASTM B0 (DO) Diễn giải Hiệp hội Vật liệu và Thử nghiệm Hoa Kỳ (American Society for Testing and Materials) Nhiên liệu diesel dầu mỏ Đơn vị BCA Nhiên liệu diesel sinh học Nhiên liệu diesel nguồn gốc hóa thạch được hòa trộn với nhiên liệu diesel sinh học gốc, trong đó, B thể hiện là hỗn hợp diesel/biodiesel, x thể hiện tỷ lệ % theo thể tích của diesel sinh học trong hỗn hợp. Bơm cao áp BXLKT Bộ xử lý khí thải CO CTCT Monoxit các bon Hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử kiểu Common Rail Chu trình công tác ĐCD Điểm chết dưới ĐCĐT Động cơ đốt trong ĐCT Điểm chết trên ECE R49 Chu trình thử công nhận kiểu danh cho xe hạng nặng ECE R83 Chu trình thử công nhận kiểu danh cho xe hạng nhẹ EGR Tuần hoàn khí thải (Exhaust Gas Recirculation) %EGR % %EGR_NT Tỷ lệ tuần hoàn khí thải Tỷ lệ tuần hoàn khí thải tại đó có sự thay đổi đột biến về chỉ tiêu kinh tế, năng lượng hoặc môi trường của động cơ Tỷ lệ tuần hoàn khí thải tại đó có sự suy giảm về mô men của động cơ Tỷ lệ tuần hoàn khí thải tại đó có sự tăng về suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ Tỷ lệ tuần hoàn khí thải tại đó có sự tăng về độ khói của khí xả động cơ Tỷ lệ tuần hoàn khí thải của động cơ nguyên thủy %EGR_New Tỷ lệ tuần hoàn khí thải mới do nghiên cứu sinh lựa chọn % gct Lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình g ge Suất tiêu hao nhiên liệu có ích GPS Góc phun sớm Biodiesel Bxx CR %EGRgh %EGRghMe %EGRghge %EGRghPM % % % % % g/kW.h độ vii Ký hiệu GQTK Góc quay trục khuỷu GQTC Góc quay trục cam Gkk Lưu lượng của không khí nạp mới HC Hydrocacbon HRR Tốc độ tỏa nhiệt (Heat Release Rate) HTPNL Hệ thống phun nhiên liệu KH&CN Khoa học và công nghệ LATS Luận án Tiến sĩ Me Mô men xoắn có ích N.m Ne Công suất có ích kW n Tốc độ vòng quay của trục khuỷu vg/ph nc Tốc độ vòng quay của trục cam bơm cao áp vg/ph NCKH Nghiên cứu khoa học NCS Nghiên cứu sinh NOx PM Các Ô xít Ni tơ Tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế (Organization for Economic Co-operation and Development) Chất thải dạng hạt (Particulates Matter) PTCG Phương tiện cơ giới QCVN Quy chuẩn Việt Nam QLCCNL Quy luật cung cấp nhiên liệu  Hệ số dư lượng không khí  Góc quay trục khuỷu id (ID) Thời gian cháy trễ Độ GQTK z Khoảng thời gian cháy Độ GQTK dx/d Tốc độ cháy 1/độ GQTK xb Quy luật cháy Tburn Nhiệt độ vùng cháy dQc/d Tốc độ tỏa nhiệt pcyl Áp suất trong xi lanh PTCGĐB Phương tiện cơ giới đường bộ pz Áp suất lớn nhất trong xi lanh Tcyl Nhiệt độ trong xi lanh TEGR Nhiệt độ của khí thải tuần hoàn OECD Diễn giải Đơn vị độ độ kg/h J/độ độ K J/độ GQTK bar bar K O C viii Ký hiệu TNạp Diễn giải Nhiệt độ của khí nạp vào xi lanh TThải Nhiệt độ của khí thải Tz Nhiệt độ lớn nhất trong xi lanh dp/d Tốc độ tăng áp suất trong xi lanh pi Áp suất chỉ thị trung bình K Bar/độ GQTK bar pe Áp suất có ích trung bình bar m Hiệu suất cơ khí của động cơ % i Hiệu suất chỉ thị của động cơ % e Hiệu suất có ích của động cơ % ECU_NT ECU do hãng Hyundai chế tạo cho động cơ 2.5TCI-A ECU trắng (mã hiệu ECM 556-128) và chương trình điều khiển kèm theo, là sản phẩm của Đề tài cấp Quốc gia “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau”, mã số ĐT.08.14/NLSH Tua bin tăng áp có điều khiển cánh hướng dòng (Variable Geometry Turbo) ECU_New VGT Đơn vị O C O C ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Ký hiệu Tên bảng Trang Bảng 1.1 Lượng tiêu thụ biodiesel của các nước thuộc liên minh Châu Âu 16 Bảng 1.2 17 Bảng 1.6 Sự thay đổi thuộc tính của hỗn hợp biodiesel theo tỷ lệ pha trộn Sự thay đổi các thông số vật lý của nhiên liệu biodiesel trong một số công trình trên thế giới Tỷ lệ nghiên cứu đã công bố về sự thay đổi chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của động cơ khi sử dụng biodiesel so với diesel Tỷ lệ nghiên cứu đã công bố về sự thay đổi chỉ tiêu môi trường của động cơ khi sử dụng biodiesel so với diesel Thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ 2.5TCI-A Bảng 2.1 Các tham số điều chỉnh trong mô hình Double Vibe 41 Bảng 2.2 Khoảng điều chỉnh của các tham số trong mô hình MCC 44 Bảng 2.3 Các phản ứng hình thành NOx trong khí xả 48 Bảng 3.1 Một số thông số kết cấu cơ bản của động cơ 51 Bảng 3.2 Các thông số kết cấu cơ bản của hệ thống nạp, thải Kết quả xác định các thông số vận hành của hệ thống nạp thải khi động cơ làm việc ở đặc tính ngoài Kết quả xác định các thông số về QLCCNL của động cơ khi làm việc ở đặc tính ngoài, dùng B0 51 Bộ thông số hiệu chỉnh mô hình cháy 63 Bảng 1.3 Bảng 1.4 Bảng 1.5 Bảng 3.3 Bảng 3.4 Bảng 3.5 Bảng 3.6 Bảng 3.7 Bảng 3.8 Bảng 3.9 Bảng 3.10 Bảng 3.11 Bảng 3.12 Kết quả tính toán diễn biến pcyl có xét đến ảnh hưởng của mức độ EGR tại n=2000 vg/ph, nhiên liệu B0 Kết quả tính toán ảnh hưởng của %EGR đến diễn biến nhiệt độ bên trong xi lanh tại n=2000 vg/ph Kết quả tính toán diễn biến HRR có xét đến ảnh hưởng của mức độ EGR tại n=2000 vg/ph, nhiên liệu B0 Kết quả tính toán mức độ thay đổi của HRRmax khi xét đến ảnh hưởng của %EGR tại 2000 vg/ph Kết quả tổng hợp đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ EGR đến tốc độ hình thành NOx tại n=2000 vg/ph, dùng B0 Kết quả tính toán ảnh hưởng của tỷ lệ EGR đến tốc độ hình thành PM tại n=2000 vg/ph, dùng B0 Kết quả tổng hợp đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của động cơ khi làm việc tại các chế độ tải khác nhau ở 2000 vg/ph 18 18 19 32 53 54 67 71 73 76 81 83 86 x Ký hiệu Tên bảng Trang Bảng 3.13 Kết quả tính toán ảnh hưởng của tỷ lệ EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến mức phát thải NOx và độ khói của động cơ khi làm việc tại các chế độ tải khác nhau tại n=2000 vg/ph, dung B0, B10 và B20 88 Kết quả xác định %EGR của động cơ nguyên thủy theo tải và tốc độ 103 Bảng 4.1 Bảng 4.2 Bảng 4.3 Bảng 4.4 Bảng 4.5 Bảng 4.6 Bảng 4.7 Bảng 4.8 Bảng 4.9 Sai số lớn nhất giữa mô phỏng và thực nghiệm các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ tại n=2000 vg/ph Sai số lớn nhất giữa mô phỏng và thực nghiệm phát thải NO x và độ khói của động cơ tại n=2000 vg/ph Sự thay đổi các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ khi sử dụng tỷ lệ EGRNew với nhiên liệu B0 Sự thay đổi các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ khi sử dụng tỷ lệ EGRNew với nhiên liệu B10 Sự thay đổi các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ khi sử dụng tỷ lệ EGRNew với nhiên liệu B20 Kết quả xác định %EGRNew cho động cơ trên toàn vùng làm việc khi sử dụng nhiên liệu B0 Kết quả xác định %EGRNew cho động cơ trên toàn vùng làm việc khi sử dụng nhiên liệu B10 Kết quả xác định %EGRNew cho động cơ trên toàn vùng làm việc khi sử dụng nhiên liệu B20 112 114 116 117 117 118 119 119 xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Ký hiệu Tên hình vẽ, đồ thị Trang Hình 1.1 Vai trò của EGR trong việc đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải 6 Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống EGR kiểu áp suất cao (a) và kiểu áp suất thấp (b) 7 Hình 1.3 Hệ thống EGR kết hợp giữa áp suất cao và áp suất thấp 8 Hình 1.4 Sơ đồ so sánh hệ thống không làm mát khí EGR (a) và có làm mát khí EGR (b) 10 Hình 1.5 Mức tiêu thụ biodiesel của các nước thuộc OECD và Mỹ 14 Hình 1.6 Sự thay đổi về ge (a) và phát thải NOx (b) theo tỷ lệ pha trộn 19 Hình 1.7 Mối liên hệ giữa thuộc tính nhiên liệu, thuộc tính dòng khí thải và khí tuần hoàn 20 Hình 1.8 Hiệu quả của việc làm mát (a) và oxi hóa (b) khí EGR 21 Hình 1.9 Ảnh hưởng của %EGR đến hiệu suất nhiệt có ích và phát thải NOx 22 Hình 1.10 Ảnh hưởng của %EGR đến suất tiêu thụ nhiên liệu 23 Hình 1.11 Ảnh hưởng của %EGR đến HRR và NOx 24 Hình 1.12 Ảnh hưởng của EGR đến phát thải NOx và PM của động cơ 25 Hình 1.13 Ảnh hưởng của EGR áp suất thấp/cao đến suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải NOx của động cơ 26 Hình 1.14 Ảnh hưởng của EGR đến pcyl, HRR của động cơ 27 Hình 1.15 Hình 1.16 Vai trò của EGR trên động cơ có HTPNL kiểu CR (a-%EGR và áp suất phun theo mode thử, b- Phát thải NOx, PM tính cho cả chu trình thử ) Kết quả so sánh NOx, độ khói và suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ tại %EGR khác nhau 27 28 Hình 1.17 Sơ đồ các bước nghiên cứu của Luận án 34 Hình 2.1 Cân bằng năng lượng trong xi lanh 39 Hình 3.1 Kết quả diễn biến độ nâng xu páp và hệ số tổn thất trên đường nạp thải của động cơ 52 53 Hình 3.4 Quy luật thay đổi số lần phun theo tốc độ và tải của động cơ Diễn biến xung phun tại n=1500, 3000 và 3500 vg/ph khi động cơ làm việc tại đặc tính ngoài Trình tự tính toán CTCT trong phần mềm AVL-Boost Hình 3.5 Mô hình mô phỏng CTCT của động cơ 2.5TCI-A 57 Hình 3.6 Sơ đồ khối chủ động kiểm soát %EGR trên mô hình mô phỏng 58 Hình 3.2 Hình 3.3 54 56 xii Ký hiệu Tên hình vẽ, đồ thị Trang Hình 3.7 Ảnh hưởng của các tham số trong mô hinh Double Vibe đến pcyl 61 Hình 3.8 Ảnh hưởng của các tham số trong mô hình Vibe 2 vùng đến pcyl 61 Hình 3.9 Ảnh hưởng của các tham số trong mô hình MCC đến pcyl 62 Hình 3.10 So sánh pcyl khi sử dụng mô hình Vibe 2 vùng, MCC (sau khi đã hiệu chỉnh với kết quả pcyl đo thực nghiệm) 63 Hình 3.11 Kết quả so sánh Ne, ge, Gkk giữa mô phỏng và thực nghiệm 64 Hình 3.12 Ảnh hưởng của %EGR đến diễn biến pcyl tại 2000 vg/ph, dùng B0 68 Hình 3.13 Ảnh hưởng của %EGR đến Tcyl tại 2000 vg/ph, dùng B0 69 Hình 3.14 74 Hình 3.17 Kết quả tính toán HRR của động cơ tại 2000 vg/ph Kết quả so sánh HRR với các phương án phun mồi khác nhau tại n=2500 vg/ph, 50% tải, %EGR=20,03%, nhiêu liệu B0 Ảnh hưởng của %EGR đến quy luật cháy tại n=2000 vg/ph Ảnh hưởng của %EGR đến dNOx/dt tại n=2000 vg/ph, dùng B0 Hình 3.18 Ảnh hưởng của %EGR đến dSoot/dt tại n=2000 vg/ph, dùng B0 82 Hình 3.19 Ảnh hưởng của %EGR đến Me tại n=2000 vg/ph, B0, B10 và B20 84 Hình 3.20 Ảnh hưởng của %EGR đến ge tại n=2000 vg/ph, B0, B10 và B20 85 Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.21 Hình 3.22 Hình 4.1 Hình 4.2 Hình 4.3 Ảnh hưởng của %EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến mức phát thải NOx, PM khi sử dụng B0, B10 và B20 Mức độ cải thiện phát thải NOx của động cơ khi xét đến ảnh hưởng của tuần hoàn khí thải và loại nhiên liệu sử dụng tại n=2000 vg/ph Kết quả xác định vùng làm việc của động cơ khi xe vận hành theo chu trình thử ECE R83 Kết quả xác định đường đặc tính ngoài của động cơ khi sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau Sơ đồ bố trí chung phòng thử động lực học cao động cơ tại Đại học Bách khoa Hà Nội 77 78 80 87 90 93 95 96 Hình 4.4 Sơ đồ bố trí chung phòng thử Đại học Công nghệ GTVT 97 Hình 4.5 Sơ đồ bố trí thiết bị đo thuộc tính dòng khí nạp, thải và dòng khí EGR của động cơ 99 Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thiết bị đo tổn thất khí động 100 Hình 4.7 Sơ đồ bố trí thiết bị đo diễn biến độ mở của van EGR 101 Hình 4.8 Hình 4.9 Tỷ lệ EGR theo chế độ tải và tốc độ động cơ khi sử dụng ECU nguyên thủy Giới hạn thay đổi các thông số Me, Tthải , TEGR, Tnạp tại nđc = 2000 vg/ph khi đóng/mở van EGR 103 104 xiii Ký hiệu Tên hình vẽ, đồ thị Trang Hình 4.10 Ảnh hưởng của %EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến Texh 105 Hình 4.11 Ảnh hưởng của %EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến pexh 107 Hình 4.12 Ảnh hưởng của %EGR đến  và nồng độ ô xy trong khí nạp 108 Hình 4.13 Ảnh hưởng của %EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến Me 110 Hình 4.14 Ảnh hưởng của %EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến ge 111 Hình 4.15 Ảnh hưởng của %EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến phát thải NOx, độ khói 113 Hình 4.16 Kết quả lựa chọn %EGRNew tại 2000 vg/ph 44% tải 115 Hình 4.17 Kết quả xác định %EGRNew khi động cơ sử dụng nhiên liệu B10 119 Hình 4.18 Kết quả xác định %EGRNew khi động cơ sử dụng nhiên liệu B20 120 1 MỞ ĐẦU Tuần hoàn khí thải (EGR) là giải pháp hữu hiệu được sử dụng nhằm làm giảm phát thải NOx từ động cơ đốt trong [20]. Bản chất của EGR là đưa một phần khí thải quay trở lại đường nạp của động cơ nhằm làm giảm nồng độ ô xy trong hỗn hợp cháy. Trong phần lớn các tính toán lý thuyết, dòng khí EGR thường được coi là khí trơ với thành phần chủ yếu là CO2, [8, 15]. Tuy nhiên, trên thực tế khí EGR còn chứa các chất khác (H2O, HC, NOx, O2, …) và với các loại nhiên liệu khác nhau thì hàm lượng các chất trên có trong khí EGR cũng sẽ khác nhau. Các chất này sẽ có ảnh hưởng nhất định đến chất lượng quá trình cháy tiếp theo, mức phát thải ô nhiễm của động cơ. Mức phát thải NOx của động cơ phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ cực đại của quá trình cháy (Tz), hàm lượng ô xy (%O2) trong hỗn hợp cháy, thời gian duy trì phản ứng tạo NOx. Các nghiên cứu đã công bố cho thấy việc giảm nồng độ ôxy và nhiệt độ cực đại của quá cháy sẽ giảm được mức phát thải NOx, [20, 41, 58]. Các công trình [41, 58] chỉ ra rằng việc sử dụng tỷ lệ tuần hoàn khí thải (%EGR hoặc tỷ lệ EGR) ở mức 15÷20% (mức sử dụng khá phổ biến hiện nay trên các động cơ diesel hiện đại) có thể đem lại hiệu quả làm giảm NOx từ 40÷60% so với khi không sử dụng EGR. Bên cạnh đó, mức phát thải PM và HC cũng có xu hướng tăng khi tăng tỷ lệ tuần hoàn khí thải, mức độ tăng các chất phát thải nêu trên sẽ rõ ràng hơn khi tỷ lệ EGR vượt quá mức 30% ở chế độ tải nhỏ, trung bình và khoảng 20÷25% ở chế độ tải lớn, [41]. Như vậy, ảnh hưởng của tỷ lệ EGR đến mức phát thải của động cơ là khác nhau khi xét đến từng chất thải độc hại có trong khí thải của động cơ. Sử dụng nhiên liệu biodiesel có xu hướng làm tăng mức phát thải NOx của động cơ [24, 47]. Công trình [47] dựa trên việc nghiên cứu tổng quan các công trình nghiên cứu đánh giá về ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến chỉ tiêu kinh tế, môi trường của động cơ đã chỉ ra rằng việc sử dụng nhiên liệu biodiesel B100 có thể làm tăng phát thải NOx của động cơ so với khi sử dụng nhiên liệu B0 vì vậy cần có những biện pháp nhằm kiểm soát mức phát thải NOx khi động cơ chuyển sang sử dụng nhiên liệu biodiesel trong đó có việc sử dụng tuần hoàn khí thải. Ngày nay, động cơ được tích hợp các công nghệ hiện đại như: hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử, tăng áp có điều khiển VGT, tuần hoàn khí thải… và được điều khiển bằng ECU đang dần được thay thế cho các động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu kiểu cơ khí truyền thống vì vậy việc nghiên cứu nhằm chủ động làm chủ các công nghệ trên là rất cần thiết. 2 Có sự liên hệ mật thiết giữa thuộc tính của dòng khí thải và dòng khí EGR (bao gồm các thuộc tính vật lý và hàm lượng các chất ô nhiễm) với tỷ lệ tuần hoàn khí thải và loại nhiên liệu sử dụng. Điều này có thể được giải thích do dòng khí EGR được quay trở lại buồng cháy, kết hợp với không khí và nhiên liệu tham gia vào quá trình cháy vì vậy khi thuộc tính của nhiên liệu thay đổi sẽ làm cho thuộc tính của dòng EGR thay đổi theo. Vì những lý do trên nên việc “Nghiên cứu ảnh hưởng của việc tuần hoàn khí thải đến các chỉ tiêu kỹ thuật và môi trường của động cơ diesel phun nhiên liệu điện tử khi sử dụng diesel sinh học B10 và B20” là rất cần thiết nhằm chủ động kiểm soát tỷ lệ EGR khi động cơ chuyển sang sử dụng nhiên liệu biodiesel. Mục đích nghiên cứu của luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ tuần hoàn khí thải đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B0, B10 và B20 bằng phần mềm mô phỏng chuyên dụng kết hợp với thực nghiệm trên bệ thử động cơ, làm cơ sở cho việc xây dựng bộ dữ liệu nhằm chủ động kiểm soát tỷ lệ EGR phù hợp cho động cơ diesel có hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử kiểu CR khi chuyển sang sử dụng biodiesel B10, B20. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel D4CB 2.5 TCI-A là động cơ 4 kỳ, 4 xi lanh bố trí 1 hàng, phun nhiên liệu trực tiếp, hệ thống phun nhiên liệu diesel kiểu CR dùng bơm cao áp kiểu CP1H với áp suất phun lớn nhất là 1600 bar, tăng áp bằng tua bin khí thải kiểu VGT có làm mát khí tăng áp, sử dụng hệ thống EGR kiểu áp suất cao có làm mát khí thải tuần hoàn, [20]. Nhiên liệu sử dụng là diesel khoáng (B0). Hỗn hợp nhiên liệu diesel/biodiesel có tỷ lệ pha trộn 10% (B10) và 20% (B20) theo thể tích (với diesel sinh học gốc B100 được sản xuất từ bã thải của quá trình tinh lọc dầu Cọ thô thành dầu ăn), [20]. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, ưu tiên cho các nghiên cứu thực nghiệm chuyên sâu trên các trang thiết bị chuyên dụng. - Nghiên cứu lý thuyết: tính toán mô phỏng CTCT của động cơ bằng phần mềm chuyên dụng AVL-Boost có độ tin cậy và chính xác cao nhằm mục đích: + Xây dựng và hoàn thiện khối EGR trong mô hình. + Dự báo các thông số không đo đạc trực tiếp được bằng thực nghiệm như: diễn biến nhiệt độ, áp suất, tốc độ tỏa nhiệt … khi động cơ sử dụng nhiên liệu B0 có xét đến ảnh hưởng của EGR. 3 + Tính toán chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ khi thay đổi tỷ lệ tuần hoàn khí thải và loại nhiên liệu sử dụng - Nghiên cứu thực nghiệm: được thực hiện với các trang thiết bị hiện đại có độ chính xác và mức độ tự động hoá cao thuộc: Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong Viện Cơ khí Động lực - Đại học Bách khoa Hà Nội; Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong - Khoa Cơ khí - Đại học Công nghệ GTVT. Nghiên cứu thực nghiệm nhằm mục đích chính sau: + Xây dựng bộ dữ liệu đầu vào phục vụ cho quá trình mô phỏng, hiệu chỉnh các mô hình mô phỏng; + Kiểm chứng đánh giá mô hình lý thuyết; + Hiệu chuẩn các mô hình lý thuyết; + Xây dựng bộ dữ liệu kết quả thực nghiệm nhằm chủ động kiểm soát tỷ lệ EGR của động cơ khi sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau; + Kiểm chứng ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn khí thải mới đến hiệu suất nhiệt và mức phát thải ô nhiễm của động cơ Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án * Ý nghĩa khoa học - Luận án đã xác định được bộ dữ liệu chi tiết, đảm bảo độ chính xác về ảnh hưởng của EGR đến các thông số nhiệt động bên trong xi lanh, chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ trên phần mềm AVL-Boost. - Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn khí thải đến chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường là cơ sở khoa học cho việc xác định %EGR phù hợp khi động cơ chuyển sang sử dụng nhiên liệu biodiesel nhằm giảm phát thải NOx, nâng cao khả năng ứng dụng của nhiên liệu biodiesel. * Ý nghĩa thực tiễn - Luận án có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho quá trình lập trình ECU cho động cơ diesel có HTPNL kiểu CR, đặc biệt là khi quan tâm chi tiết đến quá trình kiểm soát tỷ lệ tuần hoàn khí thải. - Bộ dữ liệu %EGR phù hợp nhằm chủ động kiểm soát tỷ lệ tuần hoàn khí thải đã đóng góp trực tiếp cho việc thực hiện Đề tài NCKH & PTCN cấp Nhà nước “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau”, mã số ĐT.08.14/NLSH (Thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025), [20]. 4 Bố cục của Luận án Luận án được thực hiện với 123 trang thuyết minh và 7 Phụ lục, bao gồm những nội dung chính sau: - Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: tập trung phân tích, đánh giá tổng quan về tình hình sử dụng nhiên liệu diesel sinh học; sự thay đổi các thuộc tính của biodiesel so với nhiên liệu diesel truyền thống; tổng quan về hệ thống EGR trên động cơ diesel; tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn khí thải và loại biodiesel sử dụng đến chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel bằng lý thuyết và thực nghiệm. Đây là nội dung rất cần thiết nhằm xác định rõ mục đích, phương pháp, phạm vi nghiên cứu, nội dung và đối tượng nghiên cứu. - Chương 2. Cơ sở lý thuyết tính toán chu trình công tác của động cơ diesel phun nhiên liệu kiểu CR có xét đến ảnh hưởng của EGR và đặc tính của nhiên liệu. Nội dung của chương 2 tập trung vào việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán CTCT; lựa chọn phần mềm tính toán CTCT và các chỉ tiêu công tác của động cơ; thực nghiệm xác định thông số đầu vào phục vụ cho việc xây dựng mô hình mô phỏng CTCT của động cơ diesel Hyundai 2.5TCI-A có xét đến QLCCNL, %EGR và loại nhiên liệu sử dụng. - Chương 3. Khảo sát ảnh hưởng của %EGR đến chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ khi sử dụng nhiên liệu biodiesel: trình bày việc xây dựng và hiệu chỉnh mô hình mô phỏng CTCT của động cơ; kết quả tính toán, đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn khí thải và loại nhiên liệu sử dụng đến diễn biến các quy luật nhiệt động trong xi lanh; đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ 2.5TCI-A tại các chế độ vận hành khác nhau. - Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm: trình bày các nội dung liên quan đến nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định quy luật điều khiển hệ thống EGR ở động cơ nguyên thủy; đánh giá ảnh hưởng của EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ khi sử dụng: B0, B10 và B20 ở các chế độ vận hành khác nhau; xác định được tỷ lệ tuần hoàn khí thải phù hợp cho động cơ khi sử dụng B10, B20; xây dựng bộ dữ liệu phục vụ việc chủ động kiểm soát %EGR mới; đánh giá hiệu quả sử dụng %EGRNew. Phần Kết luận và hướng phát triển của luận án trình bày những đóng góp mới của luận án trong lĩnh vực chuyên ngành và hướng nghiên cứu tiếp theo. 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về hệ thống tuần hoàn khí thải trên động cơ 1.1.1. Lịch sử nghiên cứu và phát triển hệ thống tuần hoàn khí thải Tuần hoàn khí thải (EGR) là phương pháp đưa một phần khí thải quay trở lại đường nạp nhằm làm giảm nồng độ ô xy trong hỗn hợp môi chất công tác bên trong xi lanh, giảm nhiệt độ cực đại của quá trình cháy, giảm phát thải NO x … Tuần hoàn khí thải được áp dụng rất rộng rãi trên động cơ động cơ đốt trong kiểu pít tông. Tuần hoàn khí thải không phải là giải pháp công nghệ mới. Tác dụng làm giảm NOx của EGR được công bố từ rất sớm (Berger 1940). Tuy nhiên, việc tạo ra một hệ thống EGR trên động cơ trên thực tế mãi đến cuối những năm 1950 mới được thực hiện (Kopa 1960). Ban đầu hệ thống EGR chỉ đơn giản là dạng ống phụt jecter nối trực tiếp từ đường thải sang đường nạp. Hệ thống sẽ đưa khí EGR trở lại đường nạp ở tất cả các chế độ làm việc của động cơ. Với thiết kế này làm cho động cơ khó khởi động, làm việc không ổn định ở chế độ không tải. Các thí nghiệm đầu tiên về hệ thống EGR được thực hiện vào những năm 1960. Sự phát triển của hệ thống EGR được đánh dấu từ năm 1973 khi Chrysle cho ra đời hệ thống EGR có làm mát khí tuần hoàn và van EGR được điều khiển theo độ chân không trên đường nạp. Tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát được sử dụng nhằm kích hoạt hệ thống điều khiển của van EGR khi nhiệt độ động cơ ở trạng thái làm việc ổn định. Từ những năm 1972 đến cuối những năm 1980 EGR thường được sử dụng trong việc kiểm soát phát thải NOx trong động cơ sử dụng nhiên liệu xăng trên xe tải hạng nhẹ và xe khách tại Mỹ. Cuối những năm 1990, hệ thống EGR sử dụng phổ biến trên động cơ xăng. Việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống EGR cho động cơ diesel mãi đến đầu những năm 1990 mới được ứng dụng và phát triển (Hawley 1999). Đến đầu những năm 2000 do yêu cầu cần đáp ứng những tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt dành cho xe tải nên Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) đã phát triển các chương trình nghiên cứu giúp cải thiện phát thải của phương tiện (trong đó có việc phát triển hệ thống EGR có làm mát khí EGR). Từ 2000÷2010 hệ thống EGR có làm mát khí EGR được sử dụng phổ biến trên các động cơ diesel tại Mỹ. Đến sau những năm 2010 hệ thống EGR ứng dụng trên động cơ không chỉ giúp kiểm soát phát thải NOx mà còn thực hiện các nhiệm vụ khác như: đối với động cơ xăng việc sử dụng EGR trên những động cơ phun nhiên liệu trực tiếp còn giúp giảm công bơm (tăng hiệu suất nhiệt), tăng khả năng chống kích nổ và giúp động cơ