BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Bình An NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM PHÁT THẢI HYĐROCARBON (HC) CỦA XE MÁY TRONG GIAI ĐOẠN KHỞI ĐỘNG LẠNH VÀ CHẠY ẤM MÁY Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS. TS. HOÀNG ĐÌNH LONG Hà Nội – Năm 2013 II MỤC LỤC Nội dung Trang LỜI CAM ĐOAN ii Nguyễn Bình An ii 1.1 Vấn đề phát thải của động cơ đốt trong 1 1.1.1 Các thành phần phát thải độc hại chính của động cơ đốt trong 1 1.1.2. Các biện pháp giảm độc hại trong khí thải 8 1.1.3. Nhận xét chung 20 1.2. Mục đích và phạm vi nghiên cứu của đề tài 21 1.2.1. Mục đích 21 1.2.2. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu 21 1.2.3. Nội dung thực hiện trong đề tài 21 2.1. Hệ thống thiết bị thử nghiệm khí thải xe máy 22 2.2. Kết quả thí nghiệm đo NOx trên xe máy 36 3.1. Đặt vấn đề 43 3.2. Mô hình đa vùng tính toán chu trình nhiệt động của động cơ 44 3.3.1. Các phương trình cơ bản 44 3.3.2. Các phương trình mô hình toán tổng quát 49 3.3.3. Tính toán truyền nhiệt của các chi tiết động cơ 53 4.1. Đặt vấn đề 59 4.2. Mô hình hóa quá trình tạo NOx trong động cơ xăng 59 4.2.1. Sự cân bằng phản ứng cháy trong xylanh động cơ xăng 59 4.2.2. Mô hình hóa khí xả NOx trong động cơ 61 64 5.1. Kết quả tính toán 64 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Hoàng Đình Long Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Động Cơ đốt trong Viện Cơ khí động lực trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Hà Nội, ngày tháng năm 2013 Tác giả Nguyễn Bình An ii iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CO Carbon Monoxide (Cacbon monoxít) NO Nitric Oxide (Nitơ monoxít) NO 2 Nitrogen Dioxide (Nitơ dioxít) HCs Hydrocarbon Không Cháy NOx Nitrogen oxides ( Nitơ oxít) e η Hiệu Suất Động Cơ p Dung Tích Xylanh P Áp Suất Hiệu Dụng (kPa) R n Số Vòng Quay Của Trục Khuỷu Cho Mỗi Kỳ Sinh Công Trên Một Xy Lanh d V Dung Tích Của Động Cơ (dm 3) P Công Suất Động Cơ (W) iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật của xe Wave α 36 Bảng 2.2. Công suất, lực kéo, suất tiêu hao nhiên liệu 37 Bảng 2.3. Hàm lượng phát thải 38 Bảng 2.4. Công suất, lực kéo, suất tiêu hao nhiên liệu 39 Bảng 2.5. Hàm lượng phát thải 40 Bảng 5.1. Các thông số đầu vào xe Wave α 64 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Tỷ lệ (khối lượng) các chất độc hại trong khí thải động cơ xăng 3 Các chất độc hại chính trong khí thải động cơ xăng là CO, HC và NOx. Nồng độ các thành phần độc hại này phụ thuộc rất nhiều vào hệ số dư lượng không khí λ và các chế độ làm việc của động cơ 3 Hình 1.2. Bộ xử lý xúc tác ba đường 18 Hình 2.1. Phòng thử xe máy CD20” 22 Hình 2.3. Tủ CEBII 26 Hình 2.4. Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích CO 29 Hình 2.5. Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO và NOx 31 Hình 2.6. Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo O2 32 Hình 2.7. Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo CnHm 34 Đồ thị 2.1. Công suất động cơ 37 Đồ thị 2.2. Hàm lượng NOx 39 Đồ thị 2.3. Công suất động cơ 40 Đồ thị 2.4. Hàm lượng NOx 41 Hình 3.1: Hệ thống nhiệt động lực học của quá trình đốt cháy nhiên liệu 56 Hình 3.2 : Sơ đồ truyền nhiệt của động cơ 57 Hình 3.3: Minh họa mô hình toán theo nguyên lý đa vùng 58 CHƯƠNG 4. MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH TẠO NOX 59 TRONG ĐỘNG CƠ XĂNG 59 Hình 5.1. Áp suất theo góc quay trục khuỷu 65 Hình 5.2. Đồ thị công 66 Hình 5.3. Môi chất chưa cháy (Tunburn) 68 và nhiệt độ khí cháy từng vùng (Tb1, Tb2, Tb3, Tb4, Tb5) 68 Hình 5.4. Nhiệt độ chung của khí đã cháy theo góc quay trục khuỷu 69 Hình 5.5. Nhiệt độ trung bình của khí thể trong xylanh (Tgas) theo góc quay trục khuỷu 70 Hình 5.6. Nồng độ NOx từng vùng 71 Hình 5.7. Nồng độ NOx trung bình theo chu trình 71 vi LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, vấn đề ô nhiễm môi trường đang nhận được sự quan tâm của cả thế giới, nó trở nên bức xúc với tất cả các quốc gia. Liên tục các hội nghị thượng đỉnh được tổ chức để bàn bạc và đưa ra các biện pháp xử lý ô nhiễm môi trường như: Rio De Janeiro (Braxin, 1992), Kyoto (Nhật, 1997) và Johannesburg (Nam Phi, 9/2002), Bali(Indonexia 12/2007) và hội nghị môi trường thế giới được tổ chức tại Copenhague (Đan Mạch 12/2009). Môi trường xung quanh chúng ta đang bị hủy diệt nghiêm trọng từ nhiều nguồn khác nhau. Một trong các nguồn ô nhiễm chủ yếu là khí thải động cơ đốt trong, thiết bị cung cấp tới 80% tổng năng lượng tiêu thụ trên toàn cầu. Hiện nay, trên thế giới có khoảng gần 800 triệu ôtô, hàng năm thải ra môi trường hàng trăm triệu tấn độc hại. Các hội nghị này đã chỉ ra rất nhiều nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường. Một trong những nguyên nhân chủ yếu đó là khí thải của động cơ đốt trong. Đặc biệt là loại phương tiện giao thông đang lưu hành. Tại Việt Nam, cùng với sự phát triển của quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa nhu cầu sử dụng các phương tiện giao thông vận tải ngày càng nhiều. Trong đó xe máy vẫn chiếm tỷ lệ rất lớn trên cả nước và lượng xe ôtô ngày một tăng. Ví dụ, tốc độ tăng bình quân xe máy của những năm 90 là 11,94% Tại thời điểm 31.12.1999 cả nước có 460.000 ôtô và 5.585.000 xe máy đang hoạt động, cuối năm 2003 tăng lên đến 500.000 ôtô, khoảng 11 triệu xe máy, cuối nảm 2004 thì con số tương ứng là 523.509 và 13 triệu theo số liệu của Đăng kiểm Việt Nam. Năm 2008 theo ước tình cả nước ta có khoảng 700.000 ôtô và 20 triệu xe máy. Phần lớn số ôtô, xe máy tập trung ở các đô thị lớn như Hà Nội (12%), thành phố Hồ Chí Minh (30%) … gây ra ô nhiễm môi trường trầm trọng. Do đó, việc nghiên cứu và áp dụng các phương pháp giảm các thành phần phát thải độc hại này của các phương tiện giao thông luôn được đặt ra. Với mục đích đó, các loại xe ô tô du lịch thường được trang vii bị hệ thống xúc tác xử lý khí thải trong khi hầu hết xe máy không được trang bị hệ thống này vì nhiều lý do. Chính vì vậy, việc nghiên cứu kiểm soát phát thải từ ngay bên trong xi lanh động cơ đối với xe máy sẽ góp phần quan trọng vào giảm ô nhiễm môi trường. Để thực hiện được điều này cần nghiên cứu cơ chế và đặc điểm hình thành các thành phần độc hại từ trong xi lanh động cơ. Do vậy, đề tài: “Mô phỏng quá trình tạo HC của động cơ và xác định đặc điểm phát thải HC của động cơ xe máy trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy và các nhân tố ảnh hưởng” được hình thành nhằm góp phần thực hiện một phần mục tiêu trên. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS. TS Hoàng Đình Long cùng các thầy giáo trong bộ môn Động Cơ Đốt Trong - Trường ĐHBK Hà Nội đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành luận văn này ! Do thời gian, trình độ còn hạn chế và đây là mảng nghiên cứu còn khá mới, đề tài không thể tránh được sai sót nhất định. Kính mong được sự quan tâm, góp ý của các Thầy và Chuyên gia để đề tài được đầy đủ và hoàn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu tiếp theo. Xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày … tháng… năm 2013 Học viên thực hiện Nguyễn Bình An viii [...]... 1.2.1 Mục đích Xây dựng và phát triển mô hình toán nghiên cứu cơ chế và đặc điểm quá trình hình thành NOx trong xi lanh động cơ 1.2.2 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu sự hình thành NOx trong xi lanh động cơ xe máy trên cơ sở nghiên cứu chu trình nhiệt của động cơ và sự hình thành NOx trong quá trình cháy Đối tượng nghiên cứu là xe máy Honda Wave-α 1.2.3 Nội dung thực hiện trong đề tài Nội dung... NO x phát ra còn cao Do đó, việc nghiên cứu giảm thiểu sự hình thành NO x từ ngay bên trong xi lanh động cơ, đặc biệt động cơ xe máy, là điều rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao Để có cơ sở 20 thực hiện vấn đề này, cần nghiên cứu cơ chế và đặc điểm quá trình hình thành NO x trong xi lanh động cơ để nghiên cứu giảm thành phần phát thải độc hại này từ gốc 1.2 Mục đích và phạm vi nghiên cứu của đề... Honda…), xe máy (Honda) dùng động cơ hybrid Trên xe lắp động cơ đốt trong và một máy điện hoạt động ở hai chế độ động cơ và máy phát Ở chế độ thông thường, ví dụ chạy trên xa lộ, động cơ đốt trong (xăng hoặc diesel) truyền lực cho bánh xe và kéo máy phát điện nạp cho acquy Khi chạy trên đường thành phố chỉ dùng động cơ điện do acquy kéo nên không gây ô nhiễm Những lúc cần công suất lớn có thể dùng cả hai động. .. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Vấn đề phát thải của động cơ đốt trong 1.1.1 Các thành phần phát thải độc hại chính của động cơ đốt trong Quá trình cháy lý tưởng của hỗn hợp hydrocarbon với không khí chỉ sinh ra CO2, H2O và N2 Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lý hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ đốt trong luôn có chứa một hàm... 1 Tổng quan về phát thải và kiểm soát phát thải trong động cơ đốt trong 2 Thí nghiệm đo phát thải NOx của xe máy Honda Wave-α 3 Xây dựng mô hình tính chu trình nhiệt của động cơ theo nguyên lý đa vùng 4 Xây dựng mô hình tính toán quá trình tạo NOx trong xi lanh động cơ 5 Đánh giá kết quả 21 CHƯƠNG 2 THÍ NGHIỆM ĐO NOX Thí nghiệm đo NOx được thực hiện để lấy số liệu đánh giá độ tin cậy của mô hình toán... thực hiện trên động cơ xe máy Honda Wave-α trên băng thử xe máy AVL tại phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội 2.1 Hệ thống thiết bị thử nghiệm khí thải xe máy Phòng thí nghiệm xe máy được trang bị băng thử động học, hệ thống lấy mẫu khí xả CVS, hệ thống đo lượng tiêu thụ nhiên liệu 733S và tủ phân tích khí xả CEBII 2.1.1 Băng thử xe máy Băng thử chassis... nghiệm và kiểm tra xe ở các chế độ mô phỏng Qua đó giúp cho quá trình nghiên cứu cải tiến xe máy và động cơ được dễ dàng Hình 2.1 Phòng thử xe máy CD20” Các chức năng chính của băng thử: - Xác định tốc độ của xe 22 - Xác định lực tác dụng trên bề mặt con lăn - Xác định gia tốc và công suất của xe - Mô hình hóa tải trọng trên đường thông qua băng thử Kết hợp băng thử với hệ thống lấy mẫu khí thải CVS,... phần khí thải độc hại phát ra từ động cơ đang hàng ngày gây ô nhiễm môi trường Vấn đề giảm phát thải đã được đặt nên hàng đầu với các biện pháp cải tiến động cơ và biện pháp xử lý khí thải đã được áp dụng Hiện nay, các xe máy hầu như không trang bị hệ thống xử lý khí thải trên đường ống thải Còn các động cơ có bộ xử lý xúc tác trên đường thải (dù xăng hay diesel) thì hiệu quả xử lý NOx còn thấp và thiết... lo ngại Với một nước đang phát triển như Việt Nam thì việc kiểm soát lượng khí thải chưa thực sự nghiêm ngặt trong khi tình trạng số lượng phương tiện giao thông ngày càng tăng, hiện cả nước có khoảng 850 nghìn ôtô và đặc biệt là có hàng triệu xe máy Trong quy hoạch phát triển ngành công nghiệp xe máy của Bộ Công Thương, sức tăng bình quân hiện nay của xe ở mức 2-2,2 triệu xe/ năm, thậm chí tới năm 2007... cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng (trong động cơ diesel) [1, 2] Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành Ở động cơ Diesel, nồng độ CO rất nhỏ chiếm tỉ lệ không đáng kể, nồng độ HC chỉ bằng khoảng 20% nồng độ HC của động cơ xăng còn nồng độ NO x của hai loại động cơ có giá trị tương đương nhau Trái lại, bồ hóng là chất gây ô nhiễm quan trọng trong . và 10% thu nhập quốc nội GDP. Nếu mực nước biển dâng lên là 3-5 m thì điều này đồng nghĩa với “có thể xảy ra thảm họa” ở Việt Nam. - Ảnh hưởng đến sinh thái: Sự gia tăng của NO x , đặc biệt là. nhiều dạng khác nhau, được gọi chung là NO x tồn tại ở hai dạng chủ yếu là NO 2 và NO. NO 2 - peoxit nitơ là một khí có mùi gắt và màu nâu đỏ. Với một hàm lượng nhỏ cũng có thể gây tác hại. thành axit gây ăn mòn các chi tiết máy và đồ vật. Mức giới hạn nguy hiểm [NO 2 ] = 9mg/m 3 . NO - Monoxit nitơ NO là thành phần chủ yếu của NO x trong khí thải. NO là một khí không mùi, gây tác