BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------------
ĐỖ VĂN ĐÍNH
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUAN HỆ GIỮA CHẾ ĐỘ
LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XE MÁY
KHI SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC E15 VÀ E20
LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
KĨ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. PHẠM HỮU TUYẾN
Hà Nội – 2014
Luận văn thạc sĩ kĩ thuật
HV: Đỗ Văn Đính MSHV: CA120119
1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
trong luận văn là trung thực.
Hà Nội, tháng 04 năm 2014
Học viên
Đỗ Văn Đính
Luận văn thạc sĩ kĩ thuật
HV: Đỗ Văn Đính MSHV: CA120119
2
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn
với nội dung “Nghiên cứu xây dựng quan hệ giữa chế độ làm việc và phát thải
của động cơ xe máy khi sử dụng xăng sinh học E15 và E20”, em đã nhận được sự
quan tâm tạo điều kiện và giúp đỡ của các thầy, cô cũng như bạn bè, đồng nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Hữu Tuyến đã tận tình hướng dẫn để
em hoàn thành Luận văn này.
Em xin cảm ơn các thầy, cô công tác ở Bộ môn Động cơ đốt trong và Phòng
thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, trường Đại học Bách khoa Hà
Nội đã tận tình giúp đỡ em trong thời gian qua.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong
Hội đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để em có
thể hoàn chỉnh Luận văn và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Cảm ơn Ban giám hiệu trường Cao đẳng nghề Cơ điện và Xây dựng Bắc
Ninh, lãnh đạo khoa Cơ khí động lực, bạn bè và các đồng nghiệp trong trường đã
tạo điều kiện và động viên trong suốt quá trình học tập và hoàn thành Luận văn này.
Học viên
Đỗ Văn Đính
Luận văn thạc sĩ kĩ thuật
HV: Đỗ Văn Đính MSHV: CA120119
3
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 2
MỤC LỤC ................................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................... 8
LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................... 11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ VÀ TÍNH TOÁN
LƯỢNG PHÁT THẢI ............................................................................................... 15
1.1. Các chất độc hại trong khí thải động cơ ....................................................... 15
1.1.1. Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ ......................... 15
1.1.2. Ảnh hưởng của chế độ làm việc tới hàm lượng các chất độc hại .......... 18
1.1.3. Ảnh hưởng của các chất độc hại có trong khí thải động cơ đến môi
trường và sức khỏe con người ......................................................................... 19
1.1.4. Các biện pháp giảm phát thải độc hại .................................................... 21
1.2. Vấn đề kiểm soát khí thải trên thế giới và ở Việt Nam ................................ 28
1.2.1. Kiểm soát khí thải trên thế giới ............................................................. 28
1.2.2. Vấn đề kiểm soát khí thải ở Việt Nam .................................................. 30
1.3. Kiểm kê lượng phát thải từ động cơ đốt trong ra môi trường ...................... 32
1.3.1. Khái niệm hệ số phát thải ...................................................................... 32
1.3.2. Phương pháp tính tổng lượng phát thải từ phương tiện cơ giới ............ 33
1.3.3. Một số nghiên cứu tính toán xác định lượng phát thải tại Việt Nam .... 37
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LƯỢNG PHÁT THẢI
XE MÁY TỪ SỐ LIỆU ĐO LIÊN TỤC .................................................................. 41
2.1. Hệ thống thử nghiệm đo phát thải xe máy .................................................... 41
2.1.1. Cấu tạo hệ thống .................................................................................... 41
2.1.2. Nguyên lí làm việc ................................................................................. 42
Luận văn thạc sĩ kĩ thuật
HV: Đỗ Văn Đính MSHV: CA120119
4
2.2. Cơ sở tính toán hàm lượng phát thải từ số liệu đo liên tục ........................... 50
2.2.1. Tính toán quy đổi hàm lượng phát thải từ phần triệu thể tích (ppm) sang
khối lượng ........................................................................................................ 50
2.2.2. Áp dụng các công thức tính toán với các thành phần phát thải ............. 52
2.2.3. Phương pháp tính toán xây dựng quan hệ giữa hàm lượng phát thải và
tốc độ của xe .................................................................................................... 55
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUAN HỆ GIỮA CHẾ ĐỘ LÀM
VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XE MÁY KHI SỬ DỤNG XĂNG SINH
HỌC E15 VÀ E20 ..................................................................................................... 62
3.1. Xe máy thử nghiệm ....................................................................................... 62
3.2. Nhiên liệu thử nghiệm .................................................................................. 62
3.3. Chu trình thử nghiệm .................................................................................... 63
3.4. Quan hệ giữa chế độ làm việc và hàm lượng phát thải ................................. 64
3.4.1. Quan hệ giữa chế độ làm việc của xe máy và hàm lượng phát thải khi sử
dụng xăng RON92 ........................................................................................... 64
3.4.2. Quan hệ giữa chế độ làm việc của xe máy và hàm lượng phát thải khi sử
dụng xăng sinh học E15 .................................................................................. 69
3.4.3. Quan hệ giữa chế độ làm việc của xe máy và hàm lượng phát thải khi sử
dụng xăng sinh học E20 .................................................................................. 74
3.4.4. Tổng hợp các phương trình quan hệ ...................................................... 78
3.4.5. Đánh giá phát thải xe máy khi sử dụng xăng sinh học .......................... 79
3.4.6. Đánh giá độ chính xác của các hàm số .................................................. 82
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 85
Luận văn thạc sĩ kĩ thuật
HV: Đỗ Văn Đính MSHV: CA120119
5
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu
CEMDC
CECDC
CD 20”
CO
CO
2
CVS
DOC
E15
E20
ECE R40
GDP
F
lm
HC
HMDC
LPG
PM
NO
x
SCR
Luận văn thạc sĩ kĩ thuật
HV: Đỗ Văn Đính MSHV: CA120119
6
SO
x
RON
TCVN
V
c
λ
ε
v
Luận văn thạc sĩ kĩ thuật
HV: Đỗ Văn Đính MSHV: CA120119
7
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
Trang
Bảng 1-1. Tiêu chuẩn Châu Âu đối với ô tô con (loại M1*)
29
Bảng 1-2. Giới hạn khí thải cho xe mô tô hai bánh (g/km)
31
Bảng 1-3. Giới hạn khí thải cho xe mô tô ba, bốn bánh (g/km)
32
Bảng 1-4. Hệ số phát thải với chu trình lái HMDC
38
Bảng 1-5. Tốc độ của xe trong 1 chu trình
40
Bảng 3-1. Các thông số của xe máy thử nghiệm
62
Bảng 3-2. Kết quả phân tích Ethanol
63
Bảng 3-3. So sánh kết quả tính với kết quả đo
83
Luận văn thạc sĩ kĩ thuật
HV: Đỗ Văn Đính MSHV: CA120119
8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình
Trang
Hình 1-1. Bộ xử lí xúc tác hai đường
23
Hình 1-2. Bộ xử lí ba đường
23
Hình 1-3. Nguyên tắc xử lí hấp thụ NO
x
dùng cho động cơ hỗn hợp
nghèo
25
Hình 1-4. Sơ đồ nguyên lí hoạt động của hệ thống SCR
26
Hình 1-5. Cấu tạo của bộ xúc tác DOC
27
Hình 1-6. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu hoặc phát thải của động cơ
34
Hình 1-7. Tính toán phát thải NO
x
theo giá trị tốc độ trung bình của chu
trình thử
35
Hình 1-8. Mô hình phát thải DGV
35
Hình 1-9. Đặc tính phát thải CO
2
theo áp suất có ích trung bình và tốc độ
động cơ
36
Hình 1-10. Xây dựng đặc tính phát thải theo công suất có ích và tốc độ
động cơ từ kết quả thử nghiệm trên băng thử trong mô hình PHEM
36
Hình 1-11. Chu trình lái HMDC
37
Hình 1-12. Chu trình lái cho xe máy CEMDC
39
Hình 1-13. Chu trình thử ECE R40
40
Hình 2-1. Sơ đồ hệ thống thử nghiệm khí thải xe máy
41
Hình 2-2. Sơ đồ thiết bị kiểm tra khí thải xe máy
42
Hình 2-3. Tủ phân tích khí thải CEBII
46
Hình 2-4. Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích CO
46
Hình 2-5. Sự ảnh hưởng của H
2
O tới kết quả đo CO
47
Hình 2-6. Nguyên lí phân tích HC
48
Hình 2-7. Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO
x
50
Hình 2-8. Số liệu đo liên tục
55
Luận văn thạc sĩ kĩ thuật
HV: Đỗ Văn Đính MSHV: CA120119
9
Hình 2-9. Hàm lượng phát thải CO và tốc độ xe theo thời gian
55
Hình 2-10. Hàm lượng phát thải CO
2
và tốc độ xe theo thời gian
56
Hình 2-11. Hàm lượng phát thải HC và tốc độ xe theo thời gian
56
Hình 2-12. Hàm lượng phát thải NO
x
và tốc độ xe theo thời gian
57
Hình 2-13. Đồ thị thành phần CO-vận tốc theo thời gian sau khi dịch
chuyển
58
Hình 2-14. Đồ thị thành phần CO
2
-vận tốc theo thời gian sau khi dịch
chuyển
59
Hình 2-15. Đồ thị thành phần HC-vận tốc theo thời gian sau khi dịch
chuyển
59
Hình 2-16. Đồ thị thành phần NO
x
-vận tốc theo thời gian sau khi dịch
chuyển
60
Hình 2-17. Sơ đồ quá trình xây dựng quan hệ phát thải-tốc độ đối với xe
máy từ số liệu đo phát thải liên tục trên băng thử
61
Hình 3-1. Chu trình HMDC
63
Hình 3-2. Đồ thị hàm lượng HC và v theo thời gian khi sử dụng RON92
65
Hình 3-3. Đồ thị hàm lượng CO và v theo thời gian khi sử dụng RON92
65
Hình 3-4. Đồ thị hàm lượng CO
2
và v theo thời gian khi sử dụng RON92
66
Hình 3-5. Đồ thị hàm lượng NO
x
và v theo thời gian khi sử dụng RON92
66
Hình 3-6. Đồ thị quan hệ HC - v khi sử dụng RON92
67
Hình 3-7. Đồ thị quan hệ CO - v khi sử dụng RON92
68
Hình 3-8. Đồ thị quan hệ CO
2
- v khi sử dụng RON92
68
Hình 3-9. Đồ thị quan hệ NO
x
- v khi sử dụng RON92
69
Hình 3-10. Đồ thị hàm lượng HC và v theo thời gian khi sử dụng E15
70
Hình 3-11. Đồ thị hàm lượng CO và v theo thời gian khi sử dụng E15
70
Hình 3-12. Đồ thị hàm lượng CO
2
và v theo thời gian khi sử dụng E15
71
Hình 3-13. Đồ thị hàm lượng NO
x
và v theo thời gian khi sử dụng E15
71
Hình 3-14. Đồ thị quan hệ HC - v khi sử dụng E15
72
Luận văn thạc sĩ kĩ thuật
HV: Đỗ Văn Đính MSHV: CA120119
10
Hình 3-15. Đồ thị quan hệ CO - v khi sử dụng E15
72
Hình 3-16. Đồ thị quan hệ CO
2
- v khi sử dụng E15
73
Hình 3-17. Đồ thị quan hệ NO
x
- v khi sử dụng E15
73
Hình 3-18. Đồ thị hàm lượng HC và v theo thời gian khi sử dụng E20
74
Hình 3-19. Đồ thị hàm lượng CO và v theo thời gian khi sử dụng E20
74
Hình 3-20. Đồ thị hàm lượng CO
2
và v theo thời gian khi sử dụng E20
75
Hình 3-21. Đồ thị hàm lượng NO
x
và v theo thời gian khi sử dụng E20
75
Hình 3-22. Đồ thị quan hệ HC - v khi sử dụng E20
76
Hình 3-23. Đồ thị quan hệ CO - v khi sử dụng E20
76
Hình 3-24. Đồ thị quan hệ CO
2
- v khi sử dụng E20
77
Hình 3-25. Đồ thị quan hệ NO
x
- v khi sử dụng E20
77
Hình 3-26. Đồ thị quan hệ HC - v với các nhiên liệu khác nhau
80
Hình 3-27. Đồ thị quan hệ CO - v với các nhiên liệu khác nhau
80
Hình 3-28. Đồ thị quan hệ CO
2
- v với các nhiên liệu khác nhau
81
Hình 3-29. Đồ thị quan hệ NO
x
- v với các nhiên liệu khác nhau
81
Luận văn thạc sĩ kĩ thuật
HV: Đỗ Văn Đính MSHV: CA120119
11
LỜI NÓI ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Động cơ đốt trong là nguồn động lực chính trên các phương tiện giao thông
vận tải, máy nông nghiệp, và đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác như
xây dựng, khai khoáng… Tuy nhiên, động cơ đốt trong tiêu thụ một lượng lớn nhiên
liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt. Đồng thời, khí thải từ động cơ đốt trong ra môi
trường có nhiều thành phần độc hại gây ô nhiễm môi trường, làm biến đổi khí hậu,
ảnh hưởng tới sức khỏe con người.
Hiện nay, trên thế giới có khoảng 750 triệu ô tô, hàng năm thải ra môi trường
hàng trăm triệu tấn độc hại. Riêng ở Việt Nam, cùng với sự phát triển kinh tế - xã
hội, tốc độ tăng của các phương tiện nêu trên khá cao. Ví dụ, tốc độ tăng bình quân
xe máy của những năm 90 là 11,94%... Tại thời điểm ngày 31 tháng 12 năm 1999
cả nước có 460.000 ô tô và 5.585.000 xe máy đang hoạt động. Cuối năm 2003 tăng
lên đến 500.000 ô tô, khoảng 11 triệu xe máy. Cuối năm 2004 thì con số tương ứng
là 523.509 ô tô và 13 triệu xe máy theo số liệu của Cục Đăng kiểm Việt Nam. Năm
2008, theo ước tính cả nước ta có khoảng 700.000 ô tô và 20 triệu xe máy. Năm
2012 con số này đã lên tới khoảng 1,6 triệu ô tô và 30 triệu xe máy. Phần lớn số ô
tô, xe máy tập trung ở các thành phố lớn như Hà Nội (12%), thành phố Hồ Chí
Minh (30%)… gây ra ô nhiễm môi trường nặng nề [3].
Tốc độ tăng trung bình về số lượng ô tô, xe máy hiện nay là một trong những
nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường cũng như tăng lượng tiêu thụ nhiên
liệu.