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: 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 Trang LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................................................i LỜI CẢM ƠN.........................................................................................................................................ii MỤC LỤC...............................................................................................................................................iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT..............................................................vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU....................................................................................................ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ......................................................................................xi MỞ ĐẦU...................................................................................................................................................1 Mục đích nghiên cứu của luận án..................................................................................................2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu..................................................................................................2 Phương pháp nghiên cứu của luận án..........................................................................................2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.........................................................................................................3 Bố cục của luận án................................................................................................................................4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5 1.1. Tổng quan về hệ thống tuần hoàn khí thải trên động cơ.............................................5 1.1.1. Lịch sử nghiên cứu và phát triển hệ thống tuần hoàn khí thải........................5 1.1.2. Vai trò của hệ thống tuần hoàn khí thải...................................................................6 1.1.3. Phân loại hệ thống tuần hoàn khí thải.......................................................................7 1.1.3.1. Theo áp suất của dòng khí tuần hoàn………………………….. 7 1.1.3.2. Theo nhiệt độ dòng khí tuần hoàn ……...…………………….. 10 1.1.3.3. Theo phương pháp điều khiển van tuần hoàn…………………. 11 1.1.4. Các phương pháp xác định tỷ lệ tuần hoàn khí thải………………………. 11 1.1.5. Một số lưu ý khi sử dụng hệ thống tuần hoàn khí thải……………………. 12 1.2. Tổng quan về nhiên liệu sinh học.........................................................................................13 1.2.1. Tình hình sử dụng nhiên liệu diesel sinh học...........................................................13 1.2.2. Sự thay đổi thuộc tính của hỗn hợp biodiesel theo tỷ lệ pha trộn.................17 1.2.3. Ảnh hưởng của biodiesel đến chỉ tiêu tiêu kinh tế, năng lượng và môi 18 trường ..................................................................................................................... 1.2.4. Ảnh hưởng của thuộc tính nhiên liệu đến thuộc tính dòng khí thải………. 20 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…... 21 1.3.1. Trên thế giới........................................................................................................................21 1.3.1.1. Trên động cơ dùng hệ thống phun nhiên liệu kiểu cơ khí..........21 1.3.1.2. Trên động cơ dùng hệ thống phun nhiên liệu kiểu CR...............24 1.3.1.3. Nghiên cứu tối ưu và điều chỉnh tỷ lệ tuần hoàn khí thải.........27 1.3.2. Tại Việt Nam.......................................................................................................................29 1.4. Lựa chọn đối tượng nghiên cứu và loại nhiên liệu sử dụng.......................................31 1.5. Trình tự và hướng nghiên cứu của đề tài..........................................................................32 iv 1.6. Kết luận Chương 1......................................................................................................................35 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG CHU TÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ…………………………………………………….. 36 2.1. Các vấn đề chung........................................................................................................................36 2.2. Lựa chọn phần mềm tính toán……………………........................................................37 2.3. Cơ sở tính toán chu trình công tác của động cơ…………………………….. 38 2.3.1. Mô hình vật lý của định luật nhiệt động học thứ nhất áp dụng cho động cơ đốt trong...................................................................................................................................38 2.3.2. Mô hình cháy......................................................................................................................40 2.3.2.1. Mô hình Vibe 40 2.3.2.2. Mô hình Double Vibe 41 2.3.2.3. Mô hình Vibe hai vùng 42 2.3.2.3. Mô hình MCC 42 2.3.3. Mô hình truyền nhiệt.....................................................................................................45 2.3.3.1. Mô hình truyền nhiệt trong xi lanh 45 2.3.3.2. Truyền nhiệt ở các quá trình trao đổi khí 47 2.3.4. Mô hình tính toán các thành phần khí thải của động cơ................................48 2.3.4.1. Mô hình tính toán NOx 48 2.3.4.2. Mô hình tính toán Soot (bồ hóng) 48 2.5. Kết luận Chương 2.....................................................................................................................49 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ CÓ TUẦN HOÀN KHÍ THẢI VÀ SỬ DỤNG BIODIESEL…………...........................................................................50 3.1. Xác định thông số đầu vào phục vụ cho quá trình xây dựng mô hình…….. 50 3.1.1. Các thông số về kết cấu của động cơ……………………………………. 51 3.1.2. Nhóm các thông số về hệ thống nạp, thải của động cơ………………….. 51 3.1.3. Các thông số vận hành của động cơ……………………………………... 53 3.1.4. Các thông số về quy luật cung cấp nhiên liệu…………………………… 53 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..................................................................55 3.3. Đánh giá và hiệu chỉnh mô hình...........................................................................................58 3.3.1. Hiệu chỉnh các tham số trong mô hình cháy.........................................................59 3.3.1.1. Mô hình Double Vibe 60 3.3.1.2. Mô hình Vibe hai vùng 61 3.3.1.3. Mô hình MCC 62 3.3.1.4. Lựa chọn bộ thông số phù hợp cho việc tính toán pcyl 63 3.3.2. Hiệu chỉnh theo chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của động cơ tại đường đặc tính ngoài...........................................................................................................................................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……………………………………………………………. 66 72 78 84 87 90 92 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM..................................................................... 4.1. Mục đích, chế độ và đối tượng thử nghiệm.....................................................................92 4.1.1. Mục đích.............................................................................................................................92 4.1.2. Chế độ thực nghiệm......................................................................................................93 4.1.2.1. Hiệu chỉnh mô hình lý thuyết....................................................................93 4.1.2.2. Xác định quy luật thay đổi %EGR của động cơ nguyên thủy trong toàn vùng làm việc..............................................................................................93 4.1.2.3. Đánh giá ảnh hưởng của %EGR đến chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ...........................................................................93 4.1.3. Đối tượng thực nghiệm..................................................................................................96 4.2. Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm...........................................................96 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………………………................................102 4.3.1. Kết quả xác định quy luật thay đổi của tỷ lệ tuần hoàn khí thải...............102 4.3.2. Giới hạn ảnh hưởng của tỷ lệ EGR đến thông số vận hành và phát thải của động cơ...................................................................................................................................103 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………………………………………………. 104 4.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ EGR và loại nhiên liệu sử dụng đến chỉ tiêu kinh tế, năng lượng……………………………………..........................................................................109 4.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ EGR và loại nhiên liệu sử dụng phát thải NOx và PM 112 4.7. Cơ sở để lựa chọn tỷ lệ EGR mới cho động cơ khi sử dụng B10, B20.................114 4.8. Kết luận Chương 4……….…………………………………………………… 120 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN………………………………………... 122 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN……………………………………………………………. 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………….... 125 PHỤ LỤC…………………………………………………………………………... 133 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu ASTM B0 (DO) Biodiesel Bxx BCA BXLKT CO CR CTCT ĐCD ĐCĐT ĐCT ECE R49 ECE R83 EGR %EGR %EGRgh %EGRghMe %EGRghge %EGRghPM %EGR_NT %EGR_New gct ge GPS vii Ký hiệu GQTK GQTC Gkk HC HRR HTPNL KH&CN LATS Me Ne n nc NCKH NCS NOx OECD PM PTCG QCVN QLCCNL   id (ID) z dx/d xb Tburn dQc/d pcyl PTCGĐB pz Tcyl TEGR viii Ký hiệu TNạp TThải Tz dp/d pi pe m i e ECU_NT ECU_New VGT ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Ký hiệu Bảng 1.1 Lượn Bảng 1.2 Sự th Bảng 1.3 Bảng 1.4 Bảng 1.5 Sự th công Tỷ lệ n của đ Tỷ lệ động Bảng 1.6 Thôn Bảng 2.1 Các t Bảng 2.2 Khoả Bảng 2.3 Các p Bảng 3.1 Một s Bảng 3.2 Các t Bảng 3.3 Bảng 3.4 Bảng 3.5 Bảng 3.6 Bảng 3.7 Kết qu cơ làm Kết q ở đặc Bộ th Kết qu tại n= Kết q trong Bảng 3.8 Bảng 3.9 Bảng 3.10 Bảng 3.11 Bảng 3.12 Kết q EGR Kết qu của % Kết q thành Kết qu tại n= Kết qu sử dụ các ch x Ký hiệu Bảng 3.13 Kết qu đến m độ tải Bảng 4.1 Kết q 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 năng Sai số khói c Sự tha cơ kh Sự tha cơ kh Sự tha cơ kh Kết q sử dụ Kết q sử dụ Kết q sử dụ xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Ký hiệu Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 1.11 Hình 1.12 Hình 1.13 Hình 1.14 Hình 1.15 Hình 1.16 Hình 1.17 Hình 2.1 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 xii Ký hiệu Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Hình 3.20 Hình 3.21 Hình 3.22 Hình 4.1 Hình 4.2 Hình 4.3 Hình 4.4 Hình 4.5 Hình 4.6 Hình 4.7 Hình 4.8 Hình 4.9