BỘ QUỐC PHÒNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ TRẦN TRỌNG TUẤN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TUẦN HỒN 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 MƠI 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: 52 01 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ PGS.TS Vũ Ngọc Khiêm HÀ NỘI – NĂM 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu tơi thực Luận án có sử dụng phần kết tơi nhóm nghiên cứu thực Đề tài cấp Quốc gia “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel với mức pha trộn khác nhau”, mã số ĐT.08.14/NLSH Đại tá, PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ Chủ nhiệm đề tài quan chủ trì Học viện Kỹ thuật Quân Sự, thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 Tơi Chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng phần kết nghiên cứu Đề tài cấp Quốc gia vào việc viết bảo vệ luận án Tôi xin cam đoan số liệu kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Hà Nội, tháng 10 năm 2019 Người hướng dẫn Người hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ PGS.TS Vũ Ngọc Khiêm Trần Trọng Tuấn ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Phòng Sau đại học, Khoa Động lực, Bộ môn Động - Học viện Kỹ thuật Quân cho phép thực luận án Học viện Kỹ thuật Quân Xin cảm ơn Phòng Sau đại học Khoa Động lực hỗ trợ giúp đỡ suốt q trình tơi làm luận án Tơi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghệ Giao thơng Vận tải, Khoa Cơ khí thầy Khoa tạo điều kiện động viên suốt q trình nghiên cứu học tập Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ PGS.TS Vũ Ngọc Khiêm hướng dẫn tận tình chu tơi thực hồn thành luận án Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy thuộc Bộ môn Động cơ, Khoa Động lực, Học viện KTQS chuyên gia thuộc lĩnh vực Cơ khí – Động lực ngồi Học viện đóng góp nhiều ý kiến q báu cho NCS q trình thực hồn thành luận án Tơi 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 Cơng nghệ Cơ khí/Đại học Cơng nghệ Giao thơng vận tải giúp đỡ dành cho điều kiện tốt để thực trình nghiên cứu thực nghiệm Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài ĐT.08.14/NLSH đồng ý cho sử dụng số kết nghiên cứu đề tài để viết bảo vệ luận án Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người động viên, khuyến khích tơi suốt thời gian nghiên cứu thực cơng trình 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 luận án Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn Bố cục luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan hệ thống tuần hồn khí thải động 1.1.1 Lịch sử nghiên cứu phát triển hệ thống tuần hồn khí thải 1.1.2 Vai trò hệ thống tuần hồn khí thải 1.1.3 Phân loại hệ thống tuần hồn khí thải 1.1.3.1 Theo áp suất dòng khí tuần hồn………………………… 1.1.3.2 Theo nhiệt độ dòng khí tuần hồn …… …………………… 1.1.3.3 Theo phương pháp điều khiển van tuần hoàn………………… 1.1.4 Các phương pháp xác định tỷ lệ tuần hồn khí thải……………………… 1.1.5 Một số lưu ý sử dụng hệ thống tuần hồn khí thải…………………… 1.2 Tổng quan nhiên liệu sinh học 1.2.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu diesel sinh học 1.2.2 Sự thay đổi thuộc tính hỗn hợp biodiesel theo tỷ lệ pha trộn 1.2.3 Ảnh hưởng biodiesel đến tiêu tiêu kinh tế, lượng môi trường 1.2.4 Ảnh hưởng thuộc tính nhiên liệu đến thuộc tính dòng khí thải……… 1.3 Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ tuần hồn khí thải nhiên liệu sử dụng đến tiêu kinh tế, lượng, môi trường động cơ… 1.3.1 Trên giới 1.3.1.1 Trên động dùng hệ thống phun nhiên liệu kiểu khí 1.3.1.2 Trên động dùng hệ thống phun nhiên liệu kiểu CR 1.3.1.3 Nghiên cứu tối ưu điều chỉnh tỷ lệ tuần hồn khí thải 1.3.2 Tại Việt Nam 1.4 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu loại nhiên liệu sử dụng 1.5 Trình tự hướng nghiên cứu đề tài Trang i ii iii vi ix xi 2 5 7 10 11 11 12 13 13 17 18 20 21 21 21 24 27 29 31 32 iv 1.6 Kết luận Chương CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN MƠ PHỎNG CHU TÌNH CƠNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ…………………………………………………… 2.1 Các vấn đề chung 2.2 Lựa chọn phần mềm tính tốn…………………… 2.3 Cơ sở tính tốn chu trình cơng tác động cơ…………………………… 2.3.1 Mơ hình vật lý định luật nhiệt động học thứ áp dụng cho động đốt 2.3.2 Mơ hình cháy 2.3.2.1 Mơ hình Vibe 2.3.2.2 Mơ hình Double Vibe 2.3.2.3 Mơ hình Vibe hai vùng 2.3.2.3 Mơ hình MCC 2.3.3 Mơ hình truyền nhiệt 2.3.3.1 Mô hình truyền nhiệt xi lanh 2.3.3.2 Truyền nhiệt trình trao đổi khí 2.3.4 Mơ hình tính tốn thành phần khí thải động 2.3.4.1 Mơ hình tính tốn NOx 2.3.4.2 Mơ hình tính tốn Soot (bồ hóng) 2.5 Kết luận Chương CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ CĨ TUẦN HỒN KHÍ THẢI VÀ SỬ DỤNG BIODIESEL………… 3.1 Xác định thông số đầu vào phục vụ cho q trình xây dựng mơ hình…… 3.1.1 Các thơng số kết cấu động cơ…………………………………… 3.1.2 Nhóm thông số hệ thống nạp, thải động cơ………………… 3.1.3 Các thông số vận hành động cơ…………………………………… 3.1.4 Các thông số quy luật cung cấp nhiên liệu…………………………… 3.2 Xây dựng mơ hình mơ CTCT động có xét đến ảnh hưởng tuần hồn khí thải loại nhiên liệu sử dụng 3.3 Đánh giá hiệu chỉnh mơ hình 3.3.1 Hiệu chỉnh tham số mơ hình cháy 3.3.1.1 Mơ hình Double Vibe 3.3.1.2 Mơ hình Vibe hai vùng 3.3.1.3 Mơ hình MCC 3.3.1.4 Lựa chọn thơng số phù hợp cho việc tính tốn pcyl 3.3.2 Hiệu chỉnh theo tiêu kinh tế, lượng động đường đặc tính ngồi 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 tỷ lệ tuần hồn khí thải đến diễn biến áp suất nhiệt độ bên xi lanh………………………………………………………………… 3.5 Ảnh hưởng tỷ lệ tuần hoàn đến tốc độ tỏa nhiệt quy luật cháy…… 3.6 Ảnh hưởng tỷ lệ tuần hồn đến tốc độ hình thành NOx Soot……… 3.7 Ảnh hưởng tỷ lệ tuần hoàn khí thải đến tiêu kinh tế, lượng động sử dụng nhiên liệu B10, B20…………………………………… 3.8 Ảnh hưởng tỷ lệ tuần hồn khí thải đến phát thải NOx, PM động sử dụng nhiên liệu B10, B20……………………………………………… 3.9 Kết luận Chương 3…………………………………………………………… CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Mục đích, chế độ đối tượng thử nghiệm 4.1.1 Mục đích 4.1.2 Chế độ thực nghiệm 4.1.2.1 Hiệu chỉnh mơ hình lý thuyết 4.1.2.2 Xác định quy luật thay đổi %EGR động nguyên thủy toàn vùng làm việc 4.1.2.3 Đánh giá ảnh hưởng %EGR đến tiêu kinh tế, lượng môi trường động 4.1.3 Đối tượng thực nghiệm 4.2 Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm 4.3 Kết xác định quy luật thay đổi tỷ lệ EGR động sử dụng ECU nguyên thủy toàn vùng làm việc……………………… 4.3.1 Kết xác định quy luật thay đổi tỷ lệ tuần hoàn khí thải 4.3.2 Giới hạn ảnh hưởng tỷ lệ EGR đến thông số vận hành phát thải động 4.4 Kết đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ EGR loại nhiên liệu sử dụng đến số thuộc tính dòng khí thải……………………………………………… 4.5 Ảnh hưởng tỷ lệ EGR loại nhiên liệu sử dụng đến tiêu kinh tế, lượng…………………………………… 4.6 Ảnh hưởng tỷ lệ EGR loại nhiên liệu sử dụng phát thải NOx PM 4.7 Cơ sở để lựa chọn tỷ lệ EGR cho động sử dụng B10, B20 4.8 Kết luận Chương 4……….…………………………………………………… KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN……………………………………… DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG 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 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 hòa trộn với nhiên liệu diesel sinh học gốc, đó, B thể hỗn hợp diesel/biodiesel, x thể tỷ lệ % theo thể tích diesel sinh học hỗn hợp Bơm cao áp BXLKT Bộ xử lý khí thải CO CTCT Monoxit bon Hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử kiểu Common Rail Chu trình cơng tác ĐCD Điểm chết ĐCĐT Động đốt ĐCT Điểm chết ECE R49 Chu trình thử cơng nhận kiểu danh cho xe hạng nặng ECE R83 Chu trình thử cơng nhận kiểu danh cho xe hạng nhẹ EGR Tuần hồn khí thải (Exhaust Gas Recirculation) %EGR % %EGR_NT Tỷ lệ tuần hồn khí thải Tỷ lệ tuần hồn khí thải có thay đổi đột biến tiêu kinh tế, lượng môi trường động Tỷ lệ tuần hồn khí thải có suy giảm mô men động Tỷ lệ tuần hồn khí thải có tăng suất tiêu thụ nhiên liệu động Tỷ lệ tuần hồn khí thải có tăng độ khói khí xả động Tỷ lệ tuần hồn khí thải động ngun thủy %EGR_New Tỷ lệ tuần hồn khí thải nghiên cứu sinh lựa chọn % gct Lượng nhiên liệu cấp cho 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 khơng khí nạp HC Hydrocacbon HRR Tốc độ tỏa nhiệt (Heat Release Rate) HTPNL Hệ thống phun nhiên liệu KH&CN Khoa học công nghệ LATS Luận án Tiến sĩ Me Mô men xoắn có ích N.m Ne Cơng suất có ích kW n Tốc độ vòng quay trục khuỷu vg/ph nc Tốc độ vòng quay trục cam bơm cao áp vg/ph NCKH Nghiên cứu khoa học NCS Nghiên cứu sinh NOx PM Các Ơ xít Ni tơ Tổ chức hợp tác phát triển kinh tế (Organization for Economic Co-operation and Development) Chất thải dạng hạt (Particulates Matter) PTCG Phương tiện giới QCVN Quy chuẩn Việt Nam QLCCNL Quy luật cung cấp nhiên liệu  Hệ số dư lượng khơng 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 xi lanh PTCGĐB Phương tiện giới đường pz Áp suất lớn xi lanh Tcyl Nhiệt độ xi lanh TEGR Nhiệt độ khí thải tuần hồn 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 khí nạp vào xi lanh TThải Nhiệt độ khí thải Tz Nhiệt độ lớn xi lanh dp/d Tốc độ tăng áp suất xi lanh pi Áp suất thị trung bình K Bar/độ GQTK bar pe Áp suất có ích trung bình bar m Hiệu suất khí động % i Hiệu suất thị động % e Hiệu suất có ích động % ECU_NT ECU hãng Hyundai chế tạo cho động 2.5TCI-A ECU trắng (mã hiệu ECM 556-128) chương trình điều khiển kèm theo, sản phẩm Đề tài cấp Quốc gia “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel với 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 ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ TRẦN TRỌNG TUẤN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TUẦN HỒN KHÍ THẢI ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL PHUN NHIÊN LIỆU ĐIỆN TỬ KHI SỬ DỤNG... 3.7 Ảnh hưởng tỷ lệ tuần hồn khí thải đến tiêu kinh tế, lượng động sử dụng nhiên liệu B10, B20 ………………………………… 3.8 Ảnh hưởng tỷ lệ tuần hồn khí thải đến phát thải NOx, PM động sử dụng nhiên liệu B10, ... thuật môi trường động diesel phun nhiên liệu điện tử sử dụng diesel sinh học B10 B20 cần thiết nhằm chủ động kiểm soát tỷ lệ EGR động chuyển sang sử dụng nhiên liệu biodiesel Mục đích nghiên cứu