Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)

Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)

Do vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol”

ii Mục đích nghiên cứu của đề tài

Chuyển đổi thành công một động cơ diesel ô tô sang chạy lưỡng nhiên liệu ethanol thông qua thiết kế cải tiến và chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu đảm bảo tỷ lệ thay thế ethanol tối ưu ở mọi chế độ làm việc của động cơ

diesel-Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ diesel-ethanol đến tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Động cơ thực nghiệm được lựa chọn là loại động cơ diesel D4BB bốn xy lanh, bốn kỳ,

sử dụng bơm phân phối lắp trên xe tải 1,25 tấn của hãng HYUNDAI

Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong phòng thí nghiệm với các chế độ ổn định cũng như chuyển tiếp trong toàn bộ vùng làm việc của động cơ

iv Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu tổng quan, lý thuyết,

mô phỏng và thực nghiệm

v Ý nghĩa khoa học của đề tài

Kết quả của đề tài góp phần nâng cao năng lực làm chủ và phát triển các công nghệ chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống sang sử dụng nhiên liệu sạch Luận án đã đưa ra phương pháp xây dựng mô hình cháy của động cơ lưỡng nhiên liệu dựa trên số liệu thực nghiệm, làm tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về động cơ lưỡng nhiên liệu cũng như về điều khiển động cơ này

vi Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Ngoài một động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol chuyển đổi từ động cơ diesel sử dụng trên ôtô, sản phẩm của đề tài còn là phương pháp và quy trình công nghệ chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol, có thể áp dụng linh hoạt cho các động cơ phổ biến ở Việt Nam nhằm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu sinh học

Qua đó góp phần thực hiện Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 đã được chính phủ phê duyệt, theo đó nhiên liệu sinh học sẽ đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu cả nước vào năm 2015 và 5% vào năm 2025 [11]

vii Điểm mới của luận án

Đề tài đã đưa ra được phương pháp và cơ sở khoa học chuyển đổi động cơ diesel sang

sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol nhằm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu sinh học ở Việt Nam

viii Bố cục chính của luận án

Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần chính sau: Mở đầu; bốn Chương; Kết luận chung và hướng phát triển

-2-

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường

Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, nhu cầu vận chuyển bằng ôtô ngày càng tăng dẫn tới nhu cầu trong nước về nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch ngày càng tăng lên

Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường

là rất quan trọng và thiết thực Các nhà khoa học trong và ngoài nước đã và đang nghiên cứu

sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế thân thiện với môi trường cho ĐCDT

1.2 Nhiên liệu thay thế

1.2.1 Nhiên liệu thay thế dạng khí

1.2.1.1 Khí thiên nhiên nén (CNG-Compressed Natural Gas)

CNG là khí không màu, không mùi, có nhiệt độ ngọn lửa khoảng 1950ºC và nhẹ hơn không khí

1.2.1.2 Hyđrô và khí giàu hyđrô

Hyđrô có thể được sản xuất từ nguồn hyđrôcacbon hóa thạch, từ nước và từ sinh khối bằng các phương pháp như reforming hơi nước, oxy hóa không hoàn toàn, nhiệt phân khí thiên nhiên, thu hồi H2 từ quá trình reforming và điện phân nước [1, 7]

1.2.2 Nhiên liệu thay thế dạng lỏng

1.2.1.1 Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas)

LPG có thể sử dụng trực tiếp thay thế cho xăng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức hoặc cũng có thể sử dụng trên động cơ cháy do nén như là một phụ gia nhiên liệu

1.2.1.2 Than hóa lỏng (CTL-Coal To Liquid) và khí hóa lỏng (GTL -Gas To Liquid)

Than sau quá trình khí hoá, tạo ra syngas và thực hiện quá trình Fischer-Tropsch (FT)

để tạo thành FT diesel (CTL) Trong khi đó, GTL được điều chế từ khí methane, CH4 [1]

1.2.1.3 Dimethyl Ether (DME)

Dimethyl Ether (DME), công thức hoá học là CH3-O-CH3, là loại nhiên liệu có thể làm khí đốt và có khả năng thay thế cho diesel trên động cơ cháy do nén nhờ có trị số xêtan cao [1, 57]

1.3 Đặc điểm nhiên liệu ethanol

1.3.1 Các tính chất vật lý và hóa học của ethanol

1.3.1.1 Tính chất vật lý của ethanol

Ethanol là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước [7]

1.3.1.2 Tính chất hóa học của ethanol

Phản ứng oxy hóa, trong đó rượu bị oxy hóa theo 3 mức: Oxy hóa không hoàn toàn (hữu hạn) tạo ra aldehyde, acid hữu cơ và oxy hóa hoàn toàn (đốt cháy) tạo thành CO2 và

H2O

1.3.2 Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam

1.3.2.1 Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới

Mỹ và Brazil là hai quốc gia có sản lượng ethanol lớn nhất thế giới, chiếm khoảng 86,25% toàn bộ lượng ethanol sản xuất toàn cầu

1.3.2.2 Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol tại Việt Nam

Hiện tại, cả nước có bảy nhà máy ethanol với tổng mức đầu tư trên 500 triệu USD, tổng công suất thiết kế 600000 m3/năm

1.4 Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ đốt trong

1.4.1 Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ xăng

1.4.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu sử dụng ethanol cho động cơ xăng, trong đó có thể

kể đến nghiên cứu [51] với nhiên liệu E5 và E10 đối chứng với xăng Mogas92 Cụ thể khi

sử dụng xăng E5 và E10 cho động cơ xe máy và động cơ ôtô, công suất động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu được cải thiện khi so sánh với trường hợp sử dụng xăng Moga92 Phát thải

CO và HC giảm đáng kể Trong khí đó, phát thải NOx và khí gây hiệu ứng nhà kính CO2

đều tăng lên

1.4.1.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Có nhiều nghiên cứu như: Hsieh và các cộng sự [51], Abdel-Rahman và các cộng sự [23], Al-Hasan [60], Wu và các công sự [98], Yucesu và các cộng sự [102], Mustafa Koç

và các cộng sự [69] Qua các nghiên cứu cho thấy khi sử dụng nhiên liệu gasoline-ethanol

ở dạng hòa trộn trước đều cho thấy cải thiện được công suất và mô men động cơ, đồng thời giảm các thành phần phải thải như CO, HC và NOx

1.4.2 Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel

Nghiên cứu về đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn với tỷ lệ ethanol thay thế lần lượt là 5% và 10% [71] Kết quả cho thấy mô men động cơ và tiêu hao nhiên liệu thay đổi không đáng kể, phát thải

HC, CO và độ khói giảm, phát thải NOx tăng khi so sánh với trường hợp sử dụng diesel gốc Tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào công bố sử dụng ethanol cho động cơ diesel bằng phương pháp phun ethanol trực tiếp vào cửa nạp và điều khiển phối hợp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ

a) Sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn

Đã có nhiều nghiên cứu như: E.A Ajav và các cộng sự [42], Eugene EE và các cộng

sự [43] …Kết quả cho thấy, ưu điểm của phương pháp này là không phải thay đổi kết cấu động cơ mà chỉ cần điều chỉnh thời điểm phun và lượng phun cho phù hợp với tỷ lệ ethanol thay thế để đảm bảo giữ được mô men và công suất động cơ Tuy nhiên phương pháp này không tối ưu được tỷ lệ ethanol thay thế theo tốc độ và tải của động cơ, đồng thời ethanol

có tính hút nước mạnh nên lượng nước trong hỗn hợp sẽ dần tăng lên và làm hỗn hợp bị phân tách, lượng nước này sẽ dần tăng lên trong quá trình bảo quản và lưu trữ gây khó khăn trong quá trình sử dụng

b) Ethanol phun trực tiếp

Theo nghiên cứu của Savage LD [49], phương pháp này cho phép tỷ lệ ethanol lên tới 90% trong điều kiện lý tưởng Công nghệ này còn tạo ra quá trình cháy êm dịu, độ mờ khói

và khí thải rất thấp Tuy nhiên áp dụng công nghệ này vào thực tế gặp nhiều khó khăn do tính phức tạp trong thiết kế hệ thống phun ethanol cao áp

c) Ethanol phun trên đường ống nạp

Theo phương pháp này M Abu-Qudais và các cộng sự [61], Ogawa H và cộng sự [72], Volpato và cộng sự [74] Kết quả cho thấy, hiệu suất nhiệt được cải thiện khoảng 7,5% trên

-4-

toàn dải tốc độ Về phát thải cho thấy CO, HC đều tăng trong khi smoke và soot giảm Tỷ

lệ ethanol tối ưu theo sự giảm độ khói là 20%

Từ các kết quả trên, cho thấy sử dụng phương pháp phun ethanol gián tiếp trên đường ống nạp là một phương pháp đơn giản và dễ áp dụng Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là không tận dụng được nhiệt của xupáp nạp nhằm tạo điều kiện bay hơi cho ethanol khi được phun vào nó

Qua các nghiên cứu đã trình bày ở trên cho thấy phương pháp phun ethanol vào xupáp bằng cách sử dụng vòi phun ethanol có áp suất thấp Phương pháp này có các ưu điểm như sau:

- Không phải thay đổi lớn kết cấu của động cơ, do vòi phun ethanol được đặt ở trên đường ống nạp;

- Hệ thống nhiên liệu ethanol đơn giản giá thành thấp;

- Do dùng hai hệ thống nhiên liệu riêng, nên việc ngắt phun ethanol dễ dàng;

- Ethanol bay hơi trong đường ống nạp sẽ làm giảm nhiệt độ khí nạp giúp tăng mật độ không khí nạp nạp vào động cơ;

- Dễ dàng tối ưu tỷ lệ giữa ethanol và diesel theo các chế độ làm việc của động cơ

Vì vậy tác giả chọn phương án phun ethanol vào xupáp nạp khi nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang chạy lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol

1.5 Phương pháp xây dựng mô hình động cơ

Nghiên cứu sinh lựa chọn mô hình làm việc theo thời gian thực dựa trên cơ sở nhiệt động học và mô phỏng mô hình điều khiển trên cùng một mô hình (SIL)

Để nghiên cứu mô phỏng động cơ đốt trong có thể sử dụng nhiều phần mềm khác nhau Cho đến nay có nhiều phần mềm đã và đang được sử dụng để nghiên cứu mô phỏng mô hình động cơ và phát triển các loại động cơ đốt trong bao gồm: AVL Boost, Diesel RK, Ricado WARE, Matlab Simulink Trong đó nghiên cứu sinh lựa chọn phần mềm Matlab Simulink để xây dựng mô hình động cơ và thiết kế mô hình điều khiển động cơ trên mô hình này

1.6 Phương pháp xây dựng mô hình bộ điều khiển

Trong nghiên cứu thường hay sử dụng phương pháp xây dựng mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol rồi tiến hành mô phỏng theo thời gian thực để tìm bộ dữ liệu điều khiển cung cấp nhiên liệu phối hợp, trên cơ sở đó thiết kế và chế tạo bộ điều khiển

1.7 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tìm hiểu về nhiên liệu thay thế từ đó lựa chọn nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel phù hợp điều kiện sản xuất tại Việt Nam;

- Nghiên cứu tổng quan các biện pháp cung cấp ethanol cho động cơ diesel, từ đó đưa

ra biện pháp áp dụng cho một động cơ diesel đang thịnh hành tại Việt Nam;

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình cháy của động cơ diesel khi phun thêm nhiên liệu ethanol cũng như động học và động lực học của động cơ nhằm đưa ra các điều kiện biên cần xác định;

- Thiết kế lắp đặt hệ thống phun nhiên liệu ethanol trên động cơ và lắp đặt các cảm biến phù hợp để xác định điều kiện biên của mô hình tính;

- Thực nghiệm xác định các thông số điều kiện biên và tỷ lệ thay thế ethanol lớn nhất;

- Xây dựng mô hình động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol làm việc theo thời gian thực và đánh giá sai số của mô hình tính;

- Thiết kế mô hình điều khiển diesel-ethanol trên mô hình động cơ phù hợp với các chế

độ làm việc của động cơ;

- Thực nghiệm kiểm chứng mô hình điều khiển khi động cơ đặt trên băng thử, đánh giá

sự ổn định của mô hình điều khiển

1.8 Kết luận chương 1

Phương án lựa chọn: phun ethanol vào xupáp nạp

Điều khiển phối hợp phun diesel-ethanol: giữ nguyên Me, giới hạn khói đen, kích nổ động cơ

Phương pháp tiêp cận: mô phỏng trực tiếp trên đối tượng bằng Matlab Simulink để thiết kế bộ điều khiển (ĐK) hệ thống nhiên liệu (HTNL) mới

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL LÀM VIỆC THEO THỜI GIAN

THỰC 2.1 Đặt vấn đề

Để xây dựng mô hình động cơ sử dụng lưỡng nhiêu liệu diesel-ethanol và mô hình điều khiển động cơ này trước hết cần phải nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình

2.2 Mô hình trao đổi khí

Lượng khí vào và ra khỏi xy lanh được xác định theo các nghiên cứu [36, 53]

2.3 Mô hình hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol

Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel:

Xác định lượng nhiên liệu diesel phun ở chế độ ổn định theo vị trí tay ga và tốc độ bơm cao áp [63] Có nghĩa là lượng nhiên liệu diesel là hàm phụ thuộc vào vị trí tay ga và tốc độ bơm cao áp np:

Trong đó: np- Tốc độ bơm cao áp (vg/ph)

Lượng nhiên liệu này được xác định bằng biện pháp thực nghiệm khi động cơ lắp trên băng thử, hoặc đo trên thiết bị cân bơm cao áp

Còn mô hình phun ethanol được xác định trên cơ sở số liệu thực nghiệm giữa lượng phun ethanol và thời gian mở vòi phun

2.4 Mô hình động lực học

Chuyển vị piston (x), thể tích xy lanh (V), tốc độ thay đổi thể tích xy lanh (dV), tốc độ trung bình của piston, tốc độ động cơ, mô men quán tính của động cơ…được xác định theo quy luật động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền, các nghiên cứu [8, 9, 66]

2.5 Mô hình ma sát

Xây dựng mô hình ma sát là cơ sở để xác định tổn thất ma sát của động cơ đốt trong nói chung trong đó có động cơ diesel Tổn thất ma sát theo góc quay trục khuỷu bao gồm hai nhóm sau:

- Nhóm ma sát do piston chuyển động bao gồm: ma sát do độ nhớt của dầu bôi trơn xéc măng; ma sát hỗn hợp của dầu bôi trơn xéc măng; ma sát của váy piston

- Nhóm ma sát do chuyển động của các trục gồm: ma sát của các xupáp; ma sát do tải

và phụ tải truyền lên các cổ trục; ma sát do tải tác dụng lên các ổ đỡ

2.6 Mô hình truyền nhiệt

Nhiệt truyền cho xy lanh được xác định theo định luật làm mát Newton, theo các nghiên cứu [53-55] nhiệt lượng truyền cho xy lanh được xác định như sau:

-6-

Trong nội dung luận án này áp dụng mô hình cháy không chiều một vùng sử dụng phương trình Wiebe để phân tích và dự đoán quy luật của quá trình cháy trong động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol

Trong luận án này tham số mô hình ai cũng được lựa chọn bằng 5 cho tất cả các giai đoạn cháy, tham số mi được lựa chọn phù hợp cho các giai đoạn cháy cụ thể như bảng sau:

Tham số mô hình mi Giai đoại cháy

0,6 Giai đoạn cháy khuếch tán nhiên liệu diesel

Cơ sở xác định hai tham số θSOCi và θi: theo các nghiên cứu [41, 42, 82], hai tham số này không phụ thuộc vào ba tham số còn lại Từ đó hai tham số này có thể được xác định bằng phân tích kết quả thực nghiệm và tối ưu hóa trên mô hình động cơ vì vậy cần phải kết hợp với mô hình động cơ nên sẽ được trình bày cụ thể trong phần phân tích số liệu thực nghiệm và xây dựng mô hình động cơ ở Chương 3

2.8 Tính toán áp suất xy lanh

Để tính toán áp suất xy lanh ta sử dụng phương trình nhiệt động thứ nhất cho môi chất trong xy lanh được giới thiệu trong công thức sau:

(2.36)

2.9 Mô men và công suất động cơ

Công suất có ích của động cơ được xác định bằng biểu thức sau:

2.10 Xác định hệ số dư lượng không khí và tỷ lệ ethanol thay thế

Hệ số dư lượng không khí  được xác định theo các nghiên cứu [58], cụ thể là:

xy lanh; tính toán mô men và công suất động cơ; xác định hệ số dư lượng không khí 

CHƯƠNG 3 ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL VÀ MÔ

HÌNH MÔ PHỎNG 3.1 Đặt vấn đề

Trên cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ đã trình bày trong Chương 2, nghiên cứu sinh thực hiện thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu, xây dựng mô hình động cơ, mô hình bộ điều khiển, đánh giá độ tin cậy của mô hình, phương pháp xác định hai tham số

θSOCi và θi sẽ lần lượt trình bày sau đây

3.2 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng hai loại nhiên liệu là diesel và ethanol

Động cơ thực nghiệm được lựa chọn là loại động cơ diesel D4BB bốn xy lanh, 4 kỳ, buồng cháy ngăn cách IDI (Indirect Injection), sử dụng bơm phân phối lắp trên xe tải 1,25 tấn của hãng Hyundai đang được sử dụng phổ biến ở Việt Nam

3.3 Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu

Sơ đồ hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol được thể hiện trên Hình 3.1

Hình 3.1 Hệ thống phun ethanol, hệ thống điều khiển phun và vị trí lắp vòi phun

Trong quá trình thực nghiệm tác giả sử dụng vòi phun của động cơ xăng có dung tích công tác 2.0 để phun ethanol Đây là vòi phun kiểu điện từ được điều khiển phun bằng ECU MotoHawk ECM-0565-128-0702-C của hãng Woodward Áp suất phun ethanol được tạo ra nhờ bơm ethanol và luôn được duy trì ổn định ở mức 2,5 kg/cm2

3.4 Trang thiết bị nghiên cứu

Các trang thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu được lắp đặt tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận Tải và Học Viện

Kỹ thuật Quân sự

3.4.1 Băng thử tính năng động lực cao (AVL APA 100)

3.4.2 Thiết bị cung cấp, đo tiêu hao nhiên liệu diesel kiểu khối lượng AVL 733S và điều khiển nhiệt độ nhiên liệu diesel AVL 753

3.4.3 Thiết bị cung cấp và điều khiển nhiệt độ dung dịch làm mát động cơ AVL 553

Thiết bị AVL 553 dùng để cung cấp dung dịch làm mát và điều khiển nhiệt độ dung dịch làm mát động cơ theo yêu cầu thực nghiệm

3.4.4 Thiết bị phân tích khí xả AVL CEB-II

3.4.5 Bộ điều khiển vòi phun ethanol

-8-

Vòi phun ethanol được điều khiển bởi ECU MotoHawk ECM-0565-128-0702-C của hãng Woodward và được xây dựng đặc tính mối quan hệ giữa thời gian phun và lượng phun trước khi lắp lên động cơ

3.4.6 Cảm biến áp suất xy lanh AVL QC33C

Có nhiều loại cảm biến có thể đo được diễn biến áp suất trong xy lanh Trong luận án này, nghiên cứu sinh sử dụng cảm biến áp suất xy lanh QC33C của hãng AVL

3.4.7 Thiết bị đo áp suất xy lanh AVL 620 Indiset

Thiết bị AVL 620 Indiset với phần mềm Indiwin có chức năng đo diễn biến áp suất trong xy lanh theo thời gian thực hoặc góc quay trục khuỷu, đồng thời đo độ rung động cơ

3.4.8 Cảm biến kích nổ

Cảm biến kích nổ được sử dụng để đo rung động của động cơ, cảm biến này được bố trí lắp đặt trên nắp máy của động cơ

3.4.9 Cảm biến lambda LSU 4.9

Cảm biến này được sử dụng để đo thông số hệ số dư lượng không khí  trong khí xả, được bố trí lắp đặt tại đầu ra của cụm đường ống thải động cơ

3.5 Qui trình và chế độ thực nghiệm động cơ

Động cơ được đặt trên băng thử động lực học cao APA 100 Đi kèm là các thiết bị đo kiểm của hãng AVL; vòi phun ethanol và độ mở tay ga của bơm cao áp được điều khiển bởi ECU MotoHawk ECM-0565-128-0702-C [98] của hãng Woodward

Chế độ thực nghiệm ổn định: mục đích việc thực nghiệm ở chế độ này là nhằm xác định lượng ethanol thay thế lớn nhất cũng như xác định các tham số cho quá trình cháy, do

đó quá trình tiến hành như sau: tải của động cơ được lựa chọn ở 100%, 75% và 50% của giá trị mô men lớn nhất khi thực nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu diesel gốc, cụ thể là 165,

121 và 81(Nm) trong hai trường hợp: tốc độ động cơ được cố định tại vùng mô men lớn nhất 2000 vg/ph và tốc độ động cơ thay đổi từ 1000  3500 vg/ph với bước nhảy 500 vg/ph Thực nghiệm chế độ chuyển tiếp: Mục đích việc thực nghiệm chế độ chuyển tiếp là nhằm xác định đặc tính động học của bộ điều tốc bơm cao áp

3.6 Xác định các thông số đầu vào cơ bản của mô hình động cơ

3.6.1 Quy luật phối khí

Quy luật phối khí được xác định bằng thực nghiệm

3.6.2 Lưu lượng khí qua xupáp nạp và thải

Lưu lượng khí qua xupáp nạp và thải được xác định trên thiết bị đo lưu lượng và tổn thất dòng khí

3.6.3 Áp suất xy lanh

Kết quả thực nghiệm đo được giá trị áp suất trong xy lanh được thể hiện trên các Hình 3.19 Qua đó cho thấy khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế, thời điểm đường áp suất bắt đầu tách khỏi đường nén có xu hướng muộn đi, tuy nhiên vị trí đạt áp suất lớn nhất hầu như không thay đổi, kết quả này có thể là do ethanol bay hơi thu nhiệt của không khí làm giảm nhiệt

độ quá trình nén dẫn tới thời điểm bắt đầu cháy muộn đi, tuy nhiên do ethanol cháy nhanh [37] nên đỉnh áp suất không bị muộn so với trường hợp không phun ethanol

a) Tại 50% tải a) Tại 75% tải a) Tại 100% tải Hình 3.20 Áp suất xy lanh tại các chế độ tải khác nhau với các tỷ lệ ethanol thay thế khác

nhau khi cố định tốc độ động cơ 2000 vg/ph

EDxx%-Tỷ lệ ethanol thay thể theo khối lượng, trong đó xx là phần trăm ethanol thay thế,

với ED0% là diesel hoàn toàn

3.6.4 Đặc tính bơm cao áp và vòi phun ethanol

Đặc tính bơm cao áp được xác định bằng thực nghiệm trên băng thử động cơ AVL đặt tại Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải

Đặc tính vòi phun ethanol cũng được xác định bằng thực nghiệm

3.7 Phân tích số liệu thực nghiệm và xây dựng mô hình động cơ

3.7.1 Xác định hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xupáp

Kết quả mối quan hệ giữa hệ số

lưu lượng của dòng khí đi qua xupáp

với độ nâng xupáp được thể hiện trên

-10-

SOC_xy và delta_xy- Lần lượt là thời điểm bắt đầu và khoảng thời gian của từng giai đoạn cháy trong đó xy là giai đoạn cháy (pilot là giai đoạn cháy nhiên liệu ethanol, main

là giai đoạn cháy nhanh nhiên liệu diesel, diff là giai đoạn cháy khuếch tán của nhiên liệu diesel)

Bảng 3.12 Phần nhiên liệu đã cháy cho từng giai đoạn cháy

80 Giai cháy nhanh của nhiên liệu diesel

20 Giai đoạn cháy khuếch tán của nhiên liệu diesel

100 Giai đoạn cháy của nhiên liệu ethanol

3.7.4 Mô hình hóa hệ thống nhiên liệu

Như đã phân tích tại Chương 2, mô hình nhiên liệu sử dụng trong động cơ bao gồm hai chế độ là chế độ ổn định và chế độ chuyển tiếp

Chế độ ổn định được xác định bằng biện pháp xây dựng đặc tính làm việc của bơm phụ thuộc vào độ mở bàn đạp ga và tốc độ động cơ

Trong chế độ chuyển tiếp để đơn giản cho quá trình xác định đặc tính động học của bộ điều tốc thì tốc độ động cơ trước khi vào bảng tra nhiên liệu sẽ được đưa qua hàm truyền bậc 2 giống như phương trình vi phân cấp hai của bộ điều tốc theo phương trình 3.9 [63]

np=

ne2

⁄

Trong đó: np là tốc độ bơm là thông số đầu vào của bảng tra, ne là tốc độ động cơ Các

hệ số a, b, c được xác định bằng biện pháp tối ưu khi mô hình động cơ mô phỏng lại chế độ chuyển tiếp giống như động cơ đặt trên băng thử

Phương pháp tối ưu sử dụng trong xác định các hệ số a, b, c là Gradient Descent [64, 65] và sử dụng thuật toán SQP (sequential quadratic programming) để giải [64] Kết quả tối ưu với ba thông số a, b, c xác định được là: a=0,005816; b=0,208105; c=1 Kết quả cho thấy tốc độ động cơ của mô hình mô phỏng bám sát với đường thực nghiệm của động cơ trên băng thử

3.7.5 Xây dựng mô hình động cơ

Trên cơ sở lý thuyết đã được trình bày trong

Chương 2 và các tham số đầu vào của mô hình đã

được trình bày ở trên Nghiên cứu sinh tiến hành xây

dựng mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu

diesel-ethanol bằng phần mềm Matlab Simulink Cụ thể

mô hình động cơ được thể hiện trên Hình 3.31 cơ lưỡng nhiên liệu diesel- Hình 3.31 Mô hình động

ethanol

3.8 Đánh giá độ tin cậy của mô hình ở chế độ ổn định

3.8.1 Đánh giá lưu lượng không khí nạp

Kết quả so sánh lưu lượng không

khí nạp tại chế độ tải 100% với ne thay

đổi từ 1000  3500 vg/ph trong trường

hợp sử dụng nhiên liệu diesel nguyên

bản giữa mô hình và thực nghiệm được

thể hiện trên Hình 3.32 Kết quả cho

thấy sai số trung bình bằng 1,83% trên

toàn dải tốc độ động cơ

Hình 3.32 Lưu lượng không khí nạp tại chế

độ tải 100% với n e thay đổi Exp- Thực nghiệm; Model- Mô hình

3.8.2 Đánh giá áp suất xy lanh

Trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu diesel gốc:

Diễn biến áp suất xy lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu diesel nguyên bản theo tốc độ động cơ thay đổi trong khoảng từ 1000  3500 vg/ph ở chế

độ 100% tải được thể hiện cụ thể trên Hình 3.33

a) Tại các ne lần lượt là 1000; 1500;

2000 (vg/ph)

b) Tại các ne lần lượt là 2500; 3000;

3500 (vg/ph) Hình 3.33 Diễn biến áp suất xy lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm động cơ sử dụng

nhiên liệu diesel nguyên bản P_model- Áp suất xy lanh trên mô hình; P_exp- Áp suất xy lanh thực nghiệm

Kết quả cho thấy sai số trung bình áp suất xy lanh đều nhỏ hơn 1,24% giữa mô phỏng

và thực nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu diesel nguyên bản trên toàn dải tốc độ động cơ

ở chế độ 100% tải

Trường hợp động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol:

Diễn biến áp suất xy lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol tại tốc độ động cơ 2000 (vg/ph) ở các chế độ 50%, 75%, 100% tải với các tỷ lệ ethanol thay thế khác nhau được thể hiện cụ thể lần lượt trên các Hình 3.34 đến 3.36

-12-

Trong trường hợp động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol sai số trung bình áp suất xy lanh đều nhỏ hơn 5% giữa mô phỏng và thực nghiệm động cơ tại tốc độ động cơ

2000 (vg/ph) ở các chế độ 50%, 75%, 100% tải với các tỷ lệ ethanol thay thế khác nhau

3.8.3 Đánh giá mô men và công suất động cơ

Kết quả đặc tính mô men, công suất

động cơ giữa mô hình và thực nghiệm

theo tốc độ động cơ thay đổi trong khoảng

từ 1000  3500 vg/ph tại chế độ tải 100%

trong trường hợp động cơ sử dụng nhiên

liệu diesel gốc không phun ethanol được

Hình 3.38 M e tại các chế độ tải 50%,

75% và 100%

Hình 3.39 N e tại các chế độ tải 50%, 75% và 100%

Kết quả sai số đặc tính mô men, công suất động cơ giữa mô hình và thực nghiệm đều nhỏ hơn 1,53% trong các trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu diesel nguyên bản và sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol Sai số này có thể chấp nhận được khi nghiên cứu xây dựng mô hình động cơ Do đó mô men và công suất động cơ của mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol đảm bảo tin cậy

3.8.4 Đánh giá tốc độ động cơ ở chế độ ổn định và chuyển tiếp

Kết quả tốc độ động cơ giữa mô hình

và thực nghiệm (Hình 3.44) ở chế độ tốc độ

động cơ đươc giới hạn đạt giá trị lớn nhất

bằng 1600 vg/ph Kết quả cho thấy tốc độ

động cơ mô phỏng bám sát tốc độ động cơ

ne_model- n e mô hình; ne_exp- n e thực nghiệm

3.9 Bộ điều khiển động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol và mô hình mô phỏng