Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu diesel ethanol

Do vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol” Đề tài này tập trung nghiên cứu điều khiển và cung cấp ethanol cho

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS TS PHẠM MINH TUẤN

2 TS TRẦN ANH TRUNG

HÀ NỘI - 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi, Nguyễn Thành Bắc, xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của GS.TS Phạm Minh Tuấn và TS Trần Anh Trung Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác!

Nghiên cứu sinh

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi thực hiện luận

Tôi xin chân thành biết ơn Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để thực hiện thực nghiệm trên băng thử động cơ

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban chủ nhiệm Khoa Công nghệ Ôtô và các thầy trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy, cô phản biện, các thầy, cô trong hội đồng đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này 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 tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện nghiên cứu này

Hà Nội, ngày … tháng 01 năm 2018

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thành Bắc

MỤC LỤC

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 xvi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xviii

MỞ ĐẦU 1

i.Mục đích và nội dung nghiên cứu của đề tài 2

ii.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2

iii.Phương pháp nghiên cứu của đề tài 2

iv.Ý nghĩa khoa học của đề tài 3

v.Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 3

vi.Điểm mới của luận án 3

vii.Bố cục chính của luận án 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5

1.1.Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường 5

1.2.Nhiên liệu thay thế 5

1.2.1.Nhiên liệu thay thế dạng khí 6

1.2.1.1.Khí thiên nhiên nén (CNG-Compressed Natural Gas) 6

1.2.1.2.Hyđrô và khí giàu hyđrô 6

1.2.2.Nhiên liệu thay thế dạng lỏng 7

1.2.2.1.Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas) 7

1.2.2.2.Than hóa lỏng (CTL-Coal To Liquid) và khí hóa lỏng (GTL -Gas To Liquid) 7

1.2.2.3.Dimethyl Ether (DME) 7

1.2.2.4.Biodiesel 7

1.2.2.5.Ethanol 8

1.3.Đặc điểm nhiên liệu ethanol 8

1.3.1.Các tính chất vật lý và hóa học của ethanol 8

1.3.1.1.Tính chất vật lý của ethanol 8

1.3.1.2.Tính chất hóa học của ethanol 9

1.3.2.Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam 9

1.3.2.1.Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới 9

1.3.2.2.Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol tại Việt Nam 10

1.4.Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ đốt trong 11

1.4.1.Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ xăng 11

1.4.1.1.Tình hình nghiên cứu trong nước 11

1.4.1.2.Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 12

1.4.2.Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel 13

1.4.2.1.Tình hình nghiên cứu trong nước 13

1.4.2.2.Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 14

a) Sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn 14

b) Ethanol phun trực tiếp 15

c) Ethanol phun trên đường ống nạp 15

1.5.Phương pháp xây dựng mô hình động cơ 17

1.6.Phương pháp xây dựng mô hình bộ điều khiển 19

1.7.Nội dung nghiên cứu 22

1.8.Kết luận chương 1 23

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 25

2.1.Đặt vấn đề 25

2.2.Mô hình trao đổi khí 26

2.3.Mô hình hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol 27

2.4.Mô hình động học 29

2.5.Mô hình ma sát 30

2.6.Mô hình truyền nhiệt 33

2.7.Mô hình cháy 34

2.7.1.Cơ sở lựa chọn mô hình cháy 34

2.7.2.Mô hình cháy 35

2.8.Tính toán áp suất xy lanh 39

2.9.Tính toán mô men và công suất động cơ 40

2.10.Xác định hệ số dư lượng không khí và tỷ lệ ethanol thay thế 41

2.11.Kết luận chương 2 41

CHƯƠNG 3 ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 42

3.1.Đặt vấn đề 42

3.2.Đối tượng nghiên cứu 42

3.3.Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu 43

3.4.Trang thiết bị nghiên cứu 45

3.4.1.Băng thử tính năng động lực cao (AVL APA 100) 46

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 46

3.4.3.Thiết bị cung cấp và điều khiển nhiệt độ dung dịch làm mát động cơ AVL 553 47

3.4.4.Thiết bị phân tích khí xả AVL CEB-II 48

3.4.5.Bộ điều khiển vòi phun ethanol 48

3.4.6.Cảm biến áp suất xy lanh AVL QC33C 50

3.4.7.Thiết bị đo áp suất xy lanh AVL 620 Indiset 51

3.4.8.Cảm biến kích nổ 51

3.4.9.Cảm biến lambda LSU 4.9 52

3.5.Qui trình và chế độ thực nghiệm động cơ 52

3.6.Xác định các thông số đầu vào cơ bản của mô hình động cơ 55

3.6.1.Quy luật phối khí 55

3.6.2.Lưu lượng khí qua xupáp nạp và thải 56

3.6.3.Áp suất xy lanh 57

3.6.4.Đặc tính bơm cao áp và vòi phun ethanol 61

3.7.Phân tích số liệu thực nghiệm và xây dựng mô hình động cơ 63

3.7.1.Xác định hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xupáp 64

3.7.2.Xác định tốc độ tỏa nhiệt 64

3.7.3.Xác định thời điểm bắt đầu cháy, khoảng thời gian cháy và phần nhiên liệu đã cháy66 3.7.4.Mô hình hóa hệ thống nhiên liệu 70

3.7.5.Xây dựng mô hình động cơ 71

3.8.Đánh giá độ tin cậy của mô hình 72

3.8.1.Đánh giá lưu lượng không khí nạp 72

3.8.2.Đánh giá áp suất xy lanh 74

3.8.3.Đánh giá mô men và công suất động cơ 78

3.8.4.Đánh giá tốc độ động cơ ở chế độ ổn định và chuyển tiếp 83

3.9.Bộ điều khiển động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol và mô hình mô phỏng 90

3.9.1.Sơ đồ tổng quan bộ điều khiển 91

3.9.2.Thuật toán điều khiển 91

3.9.2.1.Mô men yêu cầu 92

3.9.2.2.Lượng phun diesel và ethanol chế độ ổn định 93

3.9.2.3.Điều khiển giới hạn hệ số  chế độ chuyển tiếp 95

3.9.2.4.Xác định vị trí tay ga và thời gian phun ethanol 96

3.9.3.Đánh giá mô hình điều khiển trên mô hình động cơ 96

3.9.3.1.Đánh giá mô hình điều khiển trên mô hình động cơ ở chế độ ổn định 96

3.9.3.2.Đánh giá bộ điều khiển trên mô hình động cơ ở chế độ chuyển tiếp 97

3.10.Kết luận chương 3 99

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 100

4.1.Đặt vấn đề và mục tiêu thực nghiệm 100

4.2.Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm 100

4.3.Điều kiện nghiên cứu thực nghiệm 100

4.4.Phương pháp thực nghiệm 100

4.5.Kết quả thực nghiệm ở chế độ ổn định 101

4.5.1.Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến nhiệt tỏa ra 101

4.5.2.Mối quan hệ giữa tỷ lệ ethanol thay thế và tốc độ động cơ 102

4.5.3.Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến suất tiêu hao năng lượng 102

4.5.4.Xác định tỷ lệ ethanol thay thế lớn nhất 104

4.5.5.Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến hệ số dư lượng không khí  105

4.5.6.Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến tiêu hao nhiên liệu 107

4.5.7.Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến phát thải của động cơ 110

4.5.7.1.Phát thải HC 110

4.5.7.2.Phát thải CO 111

4.5.7.3.Phát thải NOx 113

4.5.7.4.Phát thải CO2 114

4.5.7.5.Phát thải smoke 115

4.6.Kết quả thực nghiệm ở chế độ chuyển tiếp 116

4.6.1.Tốc độ động cơ 116

4.6.2.Mô men động cơ 117

4.6.3.Công suất động cơ 118

4.6.4.Suất tiêu hao năng lượng 118

4.6.5.Hệ số dư lượng không khí  119

4.6.6.Phát thải động cơ 120

4.6.6.1.Phát thải HC 120

4.6.6.2.Phát thải CO 120

4.6.6.3.Phát thải NOx 121

4.6.6.4.Phát thải CO2 121

4.7.Kết luận chương 4 122

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 124

TÀI LIỆU THAM KHẢO 126

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 133

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

a Tham số bậc hai của hàm đáp ứng bậc hai trong mô

A Diện tích tức thời của thành buồng công tác xy lanh m2

ai Tham số mô hình cháy Wiebe tương ứng với từng

APP Độ mở bàn đạp chân ga (accelerator pedal position) %

AVL 553 Thiết bị cung cấp dung dịch làm mát và điều khiển

nhiệt độ dung dịch làm mát động cơ của hãng AVL - AVL 620 Indiset Thiết bị đo áp suất xy lanh của hãng AVL - AVL 733S Thiết bị được dùng để cung cấp, đo tiêu hao nhiên

AVL 753 Thiết bị điều khiển nhiệt độ nhiên liệu của hãng AVL -

AVL Boost Phần mềm mô phỏng và phát triển động cơ đốt trong

b Tham số bậc nhất của hàm đáp ứng bậc hai trong mô

B5 Diesel pha cồn với tỷ lệ cồn 5% %

c Tham số bậc không của hàm đáp ứng bậc hai trong

c1 Hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào hình dạng xéc

c2 Hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào sự tăng thêm ma sát

của xéc măng khí đầu tiên do thiếu dầu bôi trơn - c3 Hệ số thực nghiệm tính đến ảnh hưởng của sự thay

đổi của chiều dày màng dầu do sự nghiêng của piston - c4 Hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào cam hoặc bề mặt

CLP Vị trí tay ga bơm cao áp (control lever position) %

d1  d13 Các hệ số được xác định bằng phương pháp tối ưu

dùng để xác định động học bộ điều tốc bơm cao áp -

Das Đường kính chốt piston mm

Diesel RK Phần mềm mô phỏng và phát triển động cơ đốt trong

diff Giai đoạn cháy khuếch tán của nhiên liệu diesel -

p Độ chênh lệch áp suất trước và sau cửa nạp hoặc thải mmH2O

dQht/dt Tốc độ nhiệt truyền cho vách xy lanh theo thời gian J/s dQht/dθ Tốc độ nhiệt truyền cho vách xy lanh theo góc quay trục khuỷu J/rad

dU/dt Tốc độ biến thiên nội năng do nhiệt độ khí thay đổi J/s

dV/dt Tốc độ thay đổi thể tích công tác của xy lanh m3/s

dWb/dθ Tốc độ sinh công có ích của động cơ J/độ

dxb_diff_die/dθ Tốc độ tỏa nhiệt của diesel trong giai đoạn cháy

dxb_main_die/dθ Tốc độ tỏa nhiệt của diesel trong giai đoạn cháy chính J/độ

ECM Bộ điều khiển điện tử (Electronic Control Module) - ECU Bộ điều khiển điện tử (Electronic Control Unit) -

EGR Hệ thống luân hồi khí xả (Exhaust Gas Recirculation) -

h Chiều dày của màng dầu bôi trơn m

HCCI Cháy ở chế độ hỗn hợp đồng nhất (Homogeneous

Icgi Mô men quán tính của trục khuỷu và các chi tiến gắn

Lmb Chiều dài cổ trục trục khuỷu mm

Matlab Simulink Phần mềm mô phỏng, tính toán và điều khiển đa

ngành do hãng MathWorks của Mỹ sản xuất -

mc Khối lượng quay của một cổ biên và má khuỷu sau

mfuel_burned_i_j Lượng nhiên liệu loại j đã cháy trong từng giai đoạn

cháy i trong một chu kỳ làm việc của động cơ - mfuel_inj_j Lượng nhiên liệu loại j đã cung cấp cho động cơ

mi Tham số mô hình cháy Wiebe tương ứng với từng

ncr Số lượng xéc măng khí -

nR Số vòng quay hoàn thành một chu kỳ công tác của

PID Bộ điều khiển vòng kín PID (Proportional Integral

Qht Nhiệt truyền qua vách xy lanh J

R1 Tham số không thứ nguyên xác định mô men ma sát

Ricado WARE Phần mềm mô phỏng và phát triển động cơ đốt trong -

SIL Mô phỏng mô hình điều khiển động cơ trên cùng một

mô hình (Software-in-the-loop simulation) -

Syngas Nhiên liệu khí tổng hợp được sản xuất từ sinh khối -

Taub Mô men ma sát do tải và phụ tải truyền lên các cổ

Tfr_1_cyl Mô men do mát sát của một xy lanh N.m

Trml Mô men ma sát hỗn hợp của dầu bôi trơn xéc măng N.m

xf_diff_die Phần nhiên liệu diesel đã cháy trong giai đoạn cháy

xf_main_die Phần nhiên liệu diesel đã cháy trong giai đoạn cháy

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1.Tính chất của ethanol [5, 56, 103] 8

Bảng 2.1.Tham số mô hình mi 38

Bảng 3.1.Các thông số kỹ thuật của nhiên liệu diesel và ethanol [27, 68, 103] 42

Bảng 3.2.Những thông số cơ bản của động cơ D4BB [51] 42

Bảng 3.3.Thông số thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL733S và AVL 753 [106] 47

Bảng 3.4.Thông số cơ bản của thiết bị AVL 553 47

Bảng 3.5.Thông số cơ bản của cảm biến áp suất QC33C [104, 105] 50

Bảng 3.6.Bảng thông số cơ bản của thiết bị AVL 620 Indiset 51

Bảng 3.7.Thông số cơ bản của cảm biến kích nổ 51

Bảng 3.8.Thông số cơ bản của cảm biến LSU 4.9 [28] 52

Bảng 3.9.Diễn biến áp suất xy lanh tại 50% tải với các tỷ lệ ethanol thay thế khác nhau ở tốc độ 2000 vg/ph 59

Bảng 3.10.Diễn biến áp suất xy lanh tại 75% tải với các tỷ lệ ethanol thay thế khác nhau ở tốc độ 2000 vg/ph 59

Bảng 3.11.Diễn biến áp suất xy lanh tại 100% tải với các tỷ lệ ethanol thay thế khác nhau ở tốc độ 2000 vg/ph 60

Bảng 3.12.Mối quan hệ giữa các tham số mô hình cháy SOCi và i theo tỷ lệ ethanol thay thế tại 50% tải ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph 69

Bảng 3.13.Mối quan hệ giữa các tham số mô hình cháy SOCi và i theo tỷ lệ ethanol thay thế tại 75% tải ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph 70

Bảng 3.14.Mối quan hệ giữa các tham số mô hình cháy SOCi và i theo tỷ lệ ethanol thay thế tại 100% tải ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph 70

Bảng 3.15.Phần nhiên liệu đã cháy cho từng giai đoạn cháy 70

Bảng 3.16.So sánh lưu lượng không khí nạp tại chế độ tải 100% với tốc độ động cơ thay đổi từ 1000  3500 vg/ph 73

Bảng 3.17.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 74 Bảng 3.18.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 78

Bảng 3.19.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 vg/ph đến 3500 vg/ph với bước nhảy 500 vg/ph tại chế độ tải 100% trong trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu diesel gốc 79

Bảng 3.20.Đặc tính mô men, công suất động cơ giữa mô hình và thực nghiệm tại tốc độ động cơ bằng 2000 (vg/ph) tại chế độ tải 50% với các tỷ lệ ethanol thay thế khác nhau 81

Bảng 3.21.Đặc tính mô men, công suất động cơ giữa mô hình và thực nghiệm tại tốc độ động cơ bằng 2000 (vg/ph) tại chế độ tải 75% với các tỷ lệ ethanol thay thế khác nhau 81

Bảng 3.22.Đặc tính mô men, công suất động cơ giữa mô hình và thực nghiệm tại tốc độ động

cơ bằng 2000 (vg/ph) tại chế độ tải 100% với các tỷ lệ ethanol thay thế khác nhau 81

Bảng 3.23.Biến thiên tốc độ và mô men động cơ theo góc quay trục khuỷu 84

Bảng 3.24.Biến thiên tốc độ và mô men động cơ khi thay đổi độ mở ga 88

Bảng 3.25.Tốc độ động cơ giữa mô hình và thực nghiệm ở chế độ chuyển tiếp 89

Bảng 3.26.Lượng phun diesel theo mô men yêu cầu và tốc độ động cơ 94

Bảng 3.27.Lượng phun ethanol theo mô men yêu cầu và tốc độ động cơ 94

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1.Biểu đồ sản lượng ethanol trên thế giới từ 2007 đến 2015 [96, 97] 10

Hình 1.2.Sơ đồ bố trí của hệ thống phun ethanol [61] 15

Hình 1.3.Mô hình làm việc theo thời gian thực 18

Hình 1.4.Sơ đồ tổng quan về thiết kế mô hình điều khiển dựa trên mô hình động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol 20

Hình 1.5.Bơm cao áp phân phối 21

Hình 1.6.Đặc tính của quả ga theo tốc độ động cơ và vị trí tay ga 21

Hình 1.7.Sơ đồ nội dung nghiên cứu 23

Hình 2.1.Sơ đồ động cơ diesel truyền thống kết hợp thêm hệ thống cung cấp nhiên liệu ethanol 25

Hình 2.2.Đặc tính bơm cao áp của động cơ diesel [63] 28

Hình 2.3.Mô hình bơm cao áp [63] 28

Hình 2.4.Sơ đồ các loại mô hình cháy 34

Hình 2.5.Sơ đồ các loại mô hình cháy không chiều 34

Hình 2.6.Hai hướng kết hợp áp dụng mô hình cháy không chiều một vùng 35

Hình 2.7.Tốc độ tỏa nhiệt thực nghiệm của động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-syngas tại chế độ tải 40% với tỷ lệ syngas thay thế bằng 60,8% [34] 36

Hình 2.8.Tốc độ tỏa nhiệt trên mô hình của lưỡng nhiên liệu diesel-syngas sử dụng ba hàm Wiebe [34] 36

Hình 2.9.Tốc độ tỏa nhiệt trong hai trường hợp lựa chọn tham số mô hình mi=1,4 và mi=0,65 [90] 38

Hình 2.10.Nhiệt tỏa ra trong hai trường hợp lựa chọn tham số mô hình mi=1,4 và mi=0,65 [90] 38

Hệ thống phun ethanol, hệ thống điều khiển phun và vị trí lắp vòi phun 43

Hình ảnh lắp đặt vòi phun ethanol trên đường ống nạp của động cơ 44

Hình ảnh lắp đặt động cơ điều khiển ga và cảm biến vị trí tay ga 44

Sơ đồ bố trí thiết bị thực nghiệm 45

Động cơ diesel D4BB lắp trên băng thử dùng Phanh điện AVL APA 100 46

Hệ thống làm mát nước AVL 553 48

Tủ AVL CEB-II 48

ECM MotoHawk ECM‐0565‐128‐0702‐C [110] 49

Hình ảnh tổng quan kết nối bộ điều khiển MotoHawk với công cụ Mototune 50

Cảm biến QC33C 51

Thiết bị AVL 620 Indiset 51

Hình ảnh bố trí lắp đặt cảm biến kích nổ trên động cơ D4BB 52

Cảm biến LSU 4.9 52

54

Quy luật thay đổi độ mở bàn đạp ga 55

Quy luật phối khí của xupáp nạp 56

Quy luật phối khí của xupáp thải 56

Sơ đồ thiết bị đo lưu lượng và tổn thất dòng khí 57

Lưu lượng khí qua xupáp theo độ nâng xupáp 57

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 58

Lượng phun nhiên liệu diesel tại các vị trí tay ga bơm theo tốc độ bơm 62

Sơ đồ thực nghiệm xác định đặc tính vòi phun ethanol 63

Lượng phun ethanol theo thời gian phun 63

Hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xupáp theo độ nâng xupáp 64

Tốc độ tỏa nhiệt thực nghiệm tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph khi tăng dần tỷ lệ ethanol thay thế 66

Sơ đồ thuật toán tối ưu xác định các tham số SOCi , i và xfi 67

Mối quan hệ giữa các tham số mô hình cháy SOCi và i theo tỷ lệ ethanol thay thế tại 50% tải ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph 68

Mối quan hệ giữa các tham số mô hình cháy SOCi và i theo tỷ lệ ethanol thay thế tại 75% tải ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph 69

Mối quan hệ giữa các tham số mô hình cháy SOCi và i theo tỷ lệ ethanol thay thế tại 100% tải ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph 69

Sơ đồ tối ưu xác định các thông số a, b, c của hàm đáp ứng bậc hai trong mô hình bơm cao áp 71 Mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol 72

So sánh lưu lượng không khí nạp tại chế độ tải 100% với tốc độ động cơ thay đổi từ 1000  3500 vg/ph 73

Diễn biến áp suất xy lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu diesel nguyên bản 76

Diễn biến áp suất xy lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol tại chế độ tốc độ động cơ 2000 (vg/ph) và 50% tải 77

Diễn biến áp suất xy lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol tại chế độ tốc độ động cơ 2000 (vg/ph) và 75% tải 77

Diễn biến áp suất xy lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol tại chế độ tốc độ động cơ 2000 (vg/ph) và 100% tải 78

Đặc tính ngoài của động cơ giữa mô hình và thực nghiệm theo tốc độ động cơ 79 Mô men động cơ của mô hình và thực nghiệm tại các chế độ tải 50%, 75% và 100% 80

Công suất động cơ của mô hình và thực nghiệm tại các chế độ tải 50%, 75% và 100% 80

Sai số đặc tính mô men, công suất động cơ sử dụng nhiên liệu diesel gốc giữa mô hình và thực nghiêm 82

Sai số đặc tính mô men, công suất động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol giữa mô hình và thực nghiệm tại các chế độ tải 50 %, 75% và 100% 82

Biến thiên tốc độ và mô men động cơ theo góc quay trục khuỷu 84Biến thiên tốc độ và mô men động cơ khi thay đổi độ mở ga 88Tốc độ động cơ giữa mô hình và thực nghiệm ở chế độ chuyển tiếp 89

Sơ đồ tổng quan mô hình điều khiển 91

Sơ đồ thuật toán điều khiển 92

Mô men yêu cầu 93Lượng phun diesel yêu cầu theo mô men và tốc độ động cơ 94Lượng phun ethanol yêu cầu theo mô men và tốc độ động cơ 94Map ngược bơm cao áp 96

Mô men động cơ và hệ số  tại chế độ tải 100% với tốc độ động cơ thay đổi trong trường hợp có phun ethanol 97

Tốc độ động cơ, mô men động cơ, tiêu hao nhiên liệu và hệ số  ở chế độ chuyển tiếp 98Hình 4.1.Nhiệt tỏa ra trong xy lanh động cơ theo góc quay trục khuỷu tại 50% tải khi thay đổi tỷ lệ ethanol thay thế 101Hình 4.2.Nhiệt tỏa ra trong xy lanh động cơ theo góc quay trục khuỷu tại 75% tải khi thay đổi tỷ lệ ethanol thay thế 101Hình 4.3.Nhiệt tỏa ra trong xy lanh động cơ theo góc quay trục khuỷu tại 100% tải khi thay đổi tỷ lệ ethanol thay thế 102Hình 4.4.Mối quan hệ giữa tỷ lệ ethanol thay thế và tốc độ động cơ tại các chế độ tải khác nhau 102Hình 4.5.Suất tiêu hao năng lượng tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% khi thay đổi tốc độ động cơ trong hai trường hợp không phun và có phun ethnaol 103Hình 4.6.Suất tiêu hao năng lượng tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph 104Hình 4.7.Diễn biến áp suất xy lanh 104Hình 4.8.Tín hiệu dao động thân máy 105Hình 4.9.Phổ của tín hiệu dao động thân máy 105Hình 4.10.Hệ số dư lượng không khí  tại các tải 50%, 75%, 100%, tốc độ động cơ được giữ

ổn định bằng 2000 vg/ph khi thay đổi tỷ lệ ethanol thay thế 106Hình 4.11.Hệ số dư lượng không khí  theo tốc độ tại các chế độ tải khác nhau 106Hình 4.12.Lượng diesel tiêu thụ tương đương tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph theo tỷ lệ ethanol thay thế 108

Hình 4.13.Lượng diesel tiêu thụ tương đương theo tốc độ động cơ 108Hình 4.14.Phát thải HC tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph khi thay đổi tỷ lệ ethnaol thay thế 110Hình 4.15.Phát thải HC tại các chế độ tải khác nhau khi thay đổi tốc độ động cơ 111Hình 4.16.Phát thải CO tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph khi thay đổi tỷ lệ ethnaol thay thế 112Hình 4.17.Phát thải CO tại các chế độ tải khác nhau khi thay đổi tốc độ động cơ 112Hình 4.18.Phát thải NOx tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph khi thay đổi tỷ lệ ethnaol thay thế 113Hình 4.19.Phát thải NOx tại các chế độ tải khác nhau khi thay đổi tốc độ động cơ 114Hình 4.20.Phát thải CO2 tại các chế độ tải khác nhau khi thay đổi tốc độ động cơ 114Hình 4.21.Phát thải smoke tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph khi thay đổi tỷ lệ ethnaol thay thế 115Hình 4.22.Phát thải smoke tại các chế độ tải khác nhau khi thay đổi tốc độ động cơ 115Hình 4.23.Quy luật thay đổi độ mở chân ga yêu cầu theo thời gian 116Hình 4.24.Tốc độ động cơ ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun và không phun ethanol 117Hình 4.25.Mô men động cơ ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hơp có phun và không phun ethanol 117Hình 4.26.Công suất động cơ ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun và không phun ethanol 118Hình 4.27.Suất tiêu hao năng lượng ở chế độ chuyển trong hai trường hợp không phun và có phun ethanol 119Hình 4.28.Hệ số dư lượng không khí  ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun

và không phun ethanol 119Hình 4.29.Phát thải HC ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun và không phun ethanol 120Hình 4.30.Phát thải CO ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun và không phun ethanol 120Hình 4.31.Phát thải NOx ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun và không phun ethanol 121Hình 4.32.Phát thải CO2 ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun và không phun ethanol 121

MỞ ĐẦU

Với yêu cầu sạch hơn, rẻ hơn và thay thế được đã mở ra rất nhiều hướng nghiên cứu mới trong nhiên liệu ôtô nhằm làm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch cũng như giảm tác động tới môi trường đặc biệt là khí gây hiệu ứng nhà kính Vấn đề này không chỉ các nhà khoa học mà các nhà sản xuất ôtô cũng rất quan tâm khi giá của nhiên liệu hóa thạch ngày càng tăng đồng thời tổng lượng nhiên liệu hóa thạch trên thế giới đang sụt giảm Cho đến nay một số nhiên liệu tiềm năng và có khả năng thay thế nhiên liệu ôtô đã tìm ra như biogas, dầu thực vật, cồn, khí thiên nhiên nén CNG, khí hóa lỏng LPG và hyđrô

Cồn etylic thường được gọi ethanol là nhiên liệu sinh học có ưu điểm cháy sạch Ethanol có thể được sản xuất từ vụn gỗ, rơm rạ, cây lương thực biến đổi gen điều này giúp cho giảm chu kỳ tái sinh của CO2, là một hướng mà nhiều nước đang hết sức quan tâm Do

đó việc ứng dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế sẽ làm giảm ô nhiễm khí thải, tăng cường kinh tế nông nghiệp, tạo nhiều cơ hội việc làm và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch Vì vậy, trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu sử dụng ethanol với tỷ lệ khác nhau và công nghệ khác nhau cho động cơ đốt trong, nhưng chủ yếu cho động cơ đánh lửa cưỡng bức, chưa quan tâm nhiều cho động cơ cháy do nén (động cơ diesel) vì ethanol có tính tự cháy kém Để nâng cao tỷ lệ ethanol thay thế cho nhiên liệu hóa thạch cần tăng cường nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel là động cơ chiếm tới 50% tổng số động cơ đốt trong

Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel, thường chia ra hai hướng ứng dụng

là hòa trộn trước và lưỡng nhiên liệu Biện pháp hòa trộn trước cho thấy tỷ lệ hòa trộn không cao do độ nhớt nhiên liệu giảm và trị số xêtan giảm, thời gian lưu trữ ngắn đồng thời không

có khả năng tối ưu tỷ lệ ethanol/diesel theo các chế độ làm việc của động cơ Biện pháp lưỡng nhiên liệu về nguyên tắc cho phép có thể thay đổi tỷ lệ ethanol thay thế theo từng chế

độ làm việc của động cơ, cho phép tối ưu lượng ethanol theo các tiêu chí khác nhau như khí thải, công suất và đạt tỷ lệ thay thế cao hơn biện pháp hòa trộn trước Tuy nhiên các nghiên cứu về sử dụng lưỡng nhiên liệu mới chỉ dừng ở việc đánh giá tình trạng động cơ và chưa đưa ra một ứng dụng cụ thể Đó là mới chỉ dừng ở mức độ đánh giá ảnh hưởng lên các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ mà chưa đưa ra quy luật điều khiển lượng cấp cũng như tỷ

lệ thay thế cụ thể ở các chế độ làm việc khác nhau

Do vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động

cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol”

Đề tài này tập trung nghiên cứu điều khiển và cung cấp ethanol cho động cơ diesel khi chuyển đổi sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol nhằm xác định tỷ lệ thay thế ethanol lớn nhất và điều khiển phối hợp giữa lượng cấp ethanol và lượng cấp diesel phù hợp với các chế độ ổn định và chuyển tiếp trong toàn bộ vùng làm việc của động cơ

i Mục đích và nội dung nghiên cứu của đề tài

Mục đích nghiên cứu của đề tài:

Chuyển đổi thành công một động cơ diesel ôtô sang chạy lưỡng nhiên liệu ethanol đảm bảo giữ nguyên mô men và công suất động cơ Đồng thời đạt được tỷ lệ ethanol thay thế lớn nhất

diesel-Nhằm mục đích trên tác giả thực hiện các nội dung theo mạch phát triển như sau: 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 và thay đổi ít nhất về kết cấu động cơ

Xây dựng mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol đảm bảo tin cậy Thiết kế

và chế tạo hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol

Thiết kế mô hình điều khiển phối hợp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ để động cơ sau chuyển đổi đảm bảo giữ được mô men, công suất, giới hạn khói đen như động cơ nguyên bản, đồng thời không xảy ra kích nổ Thực nghiệm trên băng thử động cơ nhằm kiểm chứng kết quả mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ diesel-ethanol đến tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ

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 Chưa xét đến ảnh hưởng của góc phun sớm đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải nhằm mục đích thay đổi ít nhất về kết cấu động cơ khi chuyển đổi sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol

Về trang thiết bị, luận án sử dụng các băng thử động cơ do hãng AVL Cộng hòa Áo sản xuất đặt tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải Ngoài ra trong quá trình nghiên cứu có sử dụng thiết bị cân bơm cao áp đặt tại Học viện Kỹ thuật Quân sự

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng

và thực nghiệm Nghiên cứu tổng quan ứng dụng ethanol cho động cơ diesel trong và ngoài nước nhằm làm cơ sở cho việc đưa ra định hướng và nội dung chi tiết của nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết xây dựng mô hình động cơ và làm cơ sở để thiết kế các hàm điều khiển cho động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu theo các chế độ làm việc của động cơ

Nghiên cứu mô phỏng làm cơ sở để thiết kế hệ thống chuyển đổi động cơ sử dụng đơn nhiên liệu sang sử dụng lưỡng nhiên liệu

Sử dụng phương pháp tối ưu để xác định các tham số của mô hình cháy và bộ điều tốc bơm cao áp

Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xây dựng thuật toán điều khiển phối hợp lượng ethanol

và diesel cũng như xác định các thông số của quá trình cháy và làm việc của động cơ nhằm phục vụ việc xây dựng mô hình động cơ sau này Ngoài ra, nghiên cứu thực nghiệm nhằm kiểm chứng các hệ số điều khiển và đánh giá tính năng của động cơ sau chuyển đổi

iv 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

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 [9]

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:

- Đã chuyển đổi thành công một động cơ diesel D4BB sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol thông qua thiết kế cải tiến và chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu với điều kiện giữ nguyên mô men, tỷ lệ thay thế ethanol tối ưu ở mọi chế độ làm việc của động cơ Động cơ làm việc bình thường ở mọi chế độ ổn định cũng như chuyển tiếp, giảm phát thải

- Trên cơ sở phương pháp mô phỏng trực tiếp trên đối tượng:

+ Xây dựng được mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol, từ đó giúp cho việc chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol và đạt các mục đích như đã nói ở trên

+ Xây dựng được mô hình bộ điều khiển phối hợp lượng nhiên liệu diesel và ethanol, tiến hành chạy mô hình để tìm ra bộ dữ liệu phục vụ cho việc chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol

+ Xây dựng được mô hình điều khiển động cơ có xét đến ảnh hưởng của bộ điều tốc cho động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol để từ đó nghiên cứu quá trình chuyển tiếp

vii Bố cục chính của luận án

Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần chính sau:

- Mở đầu

- Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

- 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

- Chương 3 Động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol và mô hình mô phỏng

- Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm

- Kết luận chung và hướng phát triển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

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

Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ôtô trên thế giới, nên nhu cầu về dầu mỏ tăng lên nhanh chóng Thế giới đang phải đối mặt với thực tế là nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới cho biết nguồn cung dầu mỏ có thể đáp ứng nhu cầu của thế giới trong khoảng 40  50 năm nữa nếu không phát hiện thêm các nguồn dầu mỏ mới 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 ngày càng tăng lên

Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượng dầu mỏ trên trái đất đã khảo sát được khoảng 150 tỷ tấn Năm 2003, lượng dầu mỏ trên trái đất tiêu thụ khoảng 3,6 tỷ tấn Nếu không được phát hiện thêm những nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40 năm nữa Theo các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa, lượng dầu mỏ cung cấp cho thị trường vẫn luôn thấp hơn nhu cầu, chính

vì nhu cầu về xăng dầu và khí đốt không thấy điểm dừng như vậy đã đẩy mạnh giá dầu trên thế giới Mặt khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập trung ở các khu vực luôn

có tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng dầu mỏ trên thế giới), Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng giá dầu lại làm lay chuyển các nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang phát triển như Việt Nam [3]

Bên cạnh đó động cơ ôtô sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch từ dầu mỏ phát thải ra môi trường các chất độc hại gây ra ô nhiễm môi trường, phá hủy tầng ô zôn, ảnh hưởng đến sức khỏe con người

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 Song hành cùng với việc sử dụng nhiên liệu truyền thống trên động cơ ôtô, các nhà khoa học trong và ngoài nước đã và đang nghiên cứu tìm ra

và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế thân thiện với môi trường cho động cơ đốt trong

1.2 Nhiên liệu thay thế

Theo nguồn gốc nhiên liệu có thể chia thành hai nhóm là nhiên liệu hóa thạch và nhiên liệu sinh học Nhiên liệu có thể thay thế nhiên liệu truyền thống từ dầu mỏ như xăng và diesel gọi là nhiên liệu thay thế Hiện nay dầu mỏ chiếm hơn 35% tổng mức tiêu thụ nhiên liệu thương mại chủ yếu của toàn thế giới Xếp thứ hai là than đá (chiếm khoảng 23%) và khí thiên nhiên đứng thứ 3 (chiếm 21%) Những loại nhiên liệu hóa thạch này là nguồn phát thải khí nhà kính chủ yếu gây nóng lên toàn cầu và làm biến đổi khí hậu

Các loại nhiên liệu có nguồn gốc sinh học gọi là nhiên liệu sinh học (NLSH) là một dạng nhiên liệu thay thế, chiếm 10% tổng mức tiêu thụ năng lượng chủ yếu trên toàn cầu, NLSH gồm nhiên liệu rắn như gỗ, củi, khí sinh học, nhiên liệu lỏng như ethanol sinh học và các diesel sinh học chế biến từ các loại cây trồng như cây mía đường, các loại cỏ năng lượng hoặc từ gỗ nhiêu liệu, than củi, chất thải nông nghiệp và các sản phẩm phụ, những phế thải rừng, phân vật nuôi và các sản phẩm khác NLSH có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu hóa thạch (dầu khí, than đá ):

• Tính chất thân thiện với môi trường: sinh ra ít khí gây hiệu ứng nhà kính (một hiệu ứng vật lý khiến Trái Đất nóng lên) và ít khí gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống

• Nguồn nhiên liệu tái sinh: các nhiên liệu này chế biến từ hoạt động sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống (than đá, dầu mỏ)

NLSH đang là xu thế phát triển tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp và nhập khẩu nhiên liệu, do có các ưu điểm vượt trội khác: nguyên liệu để sản xuất NLSH rất phong phú,

có khả năng sản xuất và cung cấp với số lượng lớn để thay thế khi giá xăng dầu khoáng ngày càng tăng NLSH không chứa các chất gây độc hại như dầu mỏ, khả năng phân hủy sinh học cao Sử dụng NLSH thuận tiện đơn giản bên cạnh các dạng nhiên liệu khác, ví dụ có thể sử dụng xăng pha ethanol, mà không cần thay đổi, hoán cải các động cơ và mạng lưới phân phối hiện có

Công nghệ sản xuất ethanol, dầu mỡ động thực vật và pha chế NLSH không phức tạp như công nghệ lọc hoá dầu với đầu tư thấp hơn nhiều, có thể sản xuất với các quy mô khác nhau Chính vì vậy, hiện nay, NLSH đang được các quốc gia nói trên định hướng sử dụng rộng rãi

Tuy nhiên hiện nay NLSH mới chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong cán cân năng lượng thế giới do giá thành cao và gây ra những nguy cơ đến vấn đề an ninh lương thực, nhất là đối với những nước đang phát triển Chính vì thế, các nhà khoa học vẫn không ngừng nghiên cứu nhằm tìm ra giải pháp khắc phục những hạn chế của NLSH

Như trên đã trình bày, NLSH là một dạng nhiên liệu thay thế bên cạnh các nhiên liệu thay thế khác Theo trạng thái, nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong tồn tại ở hai dạng:

- Nhiên liệu thay thế dạng khí;

- Nhiên liệu thay thế dạng lỏng

1.2.1 Nhiên liệu thay thế dạng khí

Dưới đây giới thiệu một số nhiên liệu thay thế dạng khí tương đối phổ biến dùng cho động cơ đốt trong

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 Thành phần chủ yếu của CNG gồm các hydrocarbon, trong đó metan có thể chiếm đến 95%, etan chiếm 5% đến 10% cùng một lượng nhỏ propan, butan và các khí khác Theo [109] “Đặc điểm cháy của động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu Diesel-CNG (Trong trường hợp sử dụng Acid béo methyl esters phun mồi)” cho thấy, khi tỷ lệ CNG thay thế tới 75% thì hiệu suất nhiệt là tương tự như động cơ sử dụng diesel gốc Khi tỷ lệ CNG thay thế lớn hơn 75% thì hỗn hợp công tác khó cháy hơn và hiệu suất nhiệt giảm đáng kể, cũng như phát thải HC và NOx tăng lên nhiều

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, 5]

Hyđrô có thể được sử dụng trực tiếp trên động cơ đốt trong ở dạng hyđrô lỏng (nhiệt

độ hóa lỏng là -253oC ở điều kiện khí quyển) hoặc ở dạng nén (áp suất bình chứa lên tới 700 bar) Vấn đề tồn chứa hyđrô một cách hiệu quả, an toàn vẫn đang nhận được sự quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp Hyđrô hiện được cho là nguồn tiềm năng làm pin nhiên liệu để sản sinh điện năng Mặc dù còn có những vấn đề khó khăn về quá trình tồn trữ và giá thành, nhưng với nhiệt trị lớn (theo khối lượng) và nguồn nguyên liệu được xem như là vô hạn nên hiện tại hyđrô được xem là “nhiên liệu của tương lai” [1]

Khí giàu hyđrô là hỗn hợp của khí hyđrô và một số khí khác như oxy (trong khí HHO),

CO (trong khí tổng hợp) cùng một số tạp chất khác Khí giàu hyđrô thường được sử dụng trên động cơ như là một phụ gia nhiên liệu bằng cách bổ sung khí vào đường nạp nhằm cải thiện quá trình cháy và giảm phát thải ô nhiễm [30]

1.2.2 Nhiên liệu thay thế dạng lỏng

Dưới đây giới thiệu một số nhiên liệu thay thế dạng lỏng tương đối phổ biến dùng cho động cơ đốt trong

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

LPG là sản phẩm của quá trình hoá lỏng khí đồng hành thu được trong quá trình chưng cất dầu mỏ bao gồm hai thành phần chính là propan, C3H8 và butan, C4H10 [1, 26] 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

Giá trị áp suất hóa lỏng LPG phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp: khoảng 2,2 bar đối với C4H10 tại 20oC, và khoảng 22 bar đối với C3H8 tại 55oC [1, 18] Thông thường LPG được chứa trong bình ở áp suất khoảng 8 bar với tỷ lệ propan/butan khoảng 60%/40% Theo [80] cho thấy phát thải HC giảm hơn ba lần và phát thải NOx ít hơn khi phun trực tiếp vào buồng cháy

Theo [15] cho thấy tổng lượng tiêu hao nhiên liệu giảm khi tăng tỷ lệ LPG thay thế khi tốc độ động cơ lớn hơn 2000 vg/ph, khi tốc độ động cơ lớn hơn 2400 vg/ph suất tiêu hao năng lượng giảm rõ rệt, đồng thời phát thải HC và NOx tăng nhiều trong khí phát thải CO và soot giảm Bên cạnh đó nghiên cứu này cũng cho thấy cần phải giảm góc phun sớm để đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải

1.2.2.2 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 (có thể từ nguồn gốc tái tạo như biogas hoặc từ nguồn gốc hoá thạch như khí thiên nhiên) Các sản phẩm nhiên liệu được sản xuất từ khí methane gồm methanol, DME hoặc FT diesel [1]

1.2.2.3 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 DME có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau như nhiên liệu gốc hoá thạch, than đá, khí thiên nhiên và sinh khối [1, 82]

1.2.2.4 Biodiesel

Trong những năm gần đây, việc quan tâm sử dụng biodiesel thay thế cho diesel khoáng ngày càng được quan tâm Vấn đề ảnh hưởng của việc sử dụng trực tiếp biodiesel đến quá trình phun nhiên liệu, quá trình cháy, cũng như đặc tính động cơ, ô nhiễm môi trường và tính kinh tế nhiên liệu đang được các nhà khoa học quan tâm, và các kết quả đã chỉ ra rằng sự ảnh hưởng này phụ thuộc vào tính chất hóa học, tính chất vật lý của biodiesel và thông số động cơ, cũng như điều kiện làm việc của động cơ, … [29]

Theo hầu hết các nghiên cứu cho thấy công suất động cơ, mô men động cơ, phát thải dạng hạt PM, phát thải CO và phát thải HC chưa cháy nhìn chung đều giảm khi sử dụng biodiesel thay thế diesel khoáng Tuy nhiên phát thải NOx lại tăng [29]

Biodiesel có nhiệt trị thấp hơn diesel khoáng Do đó, nếu hiệu suất cháy như nhau thì tiêu hao nhiên liệu sẽ cao hơn khi sử dụng biodiesel thay thế diesel khoáng [29]

1.2.2.5 Ethanol

Cồn là nhiên liệu sinh học được chế biến từ bã mía, than củi, giấy vụn, thân và lá bắp, rơm rạ, mùn cưa, phế phẩm lâm nghiệp, phế phẩm bông sợi … có thể tái sinh được, vừa giảm thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường, vừa hạn chế dùng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch Cồn có công thức hoá học chung là CnH2n+1OH được xem là nhiên liệu phù hợp nhất để sử dụng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ có trị số octane cao và tính chất vật lý, hoá học tương tự như xăng Hiện nay, cồn tồn tại ở bốn thể là ethanol (C2H5OH), methanol (CH3OH), butanol (C4H9OH) và propanol (C3H7OH), tất cả đều là chất lỏng không màu, tuy nhiên methanol và butanol đều rất độc, đặc biệt là butanol Hơn nữa, giá thành sản xuất butanol khá cao so với giá thành sản xuất ethanol và methanol Vì vậy hiện tại ethanol được sử dụng rộng rãi hơn cả cho các phương tiện giao thông vận tải [1]

1.3 Đặc điểm nhiên liệu ethanol

Với các đặc tính là nguồn nhiên liệu cháy sạch, dễ lưu trữ và vận chuyển, có ưu thế trong tiềm năng sản xuất và cung cấp, việc sử dụng ethanol làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong sẽ cho tính kinh tế và tính hiệu quả cao, góp phần thay thế một phần nhiên liệu truyền thống đang ngày càng cạn kiệt và giảm phát thải ô nhiễm môi trường Do đó, sau đây sẽ tìm hiểu và nghiên cứu kỹ hơn về ethanol và việc sử dụng ethanol trên động cơ diesel

1.3.1 Các tính chất vật lý và hóa học của ethanol

là do có sự tạo thành liên kết hyđrô giữa các phân tử với nhau và với nước [5]

Bảng 1.1 Tính chất của ethanol [5, 56, 103]

1 Công thức phân tử C2H5OH hay C2H6O

2 Phân tử gam 46,07 (g/mol)

3 Cảm quan Chất lỏng trong suốt, dễ cháy

4 Khối lượng riêng tại

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

Mức 1: Oxy hóa không hoàn toàn trong môi trường nhiệt độ cao:

CH3-CH2-OH + CuO -> CH3-CHO + Cu + H2O (1.1)

Mức 2: Oxy hóa bằng oxy không khí có xúc tác tạo axit hữu cơ:

Mức 3: Oxy hóa hoàn toàn:

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

Dùng ethanol thay dầu diesel sẽ góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường từ khí thải động cơ diesel: các chỉ số HC, CO, độ khói đen đều thấp hơn so với khi dùng dầu diesel Sở

dĩ như vậy là do trong phần tử ethanol có thành phần cácbon ít hơn với dầu diesel và có sẵn oxy nên dễ đốt cháy cácbon hơn Tuy nhiên, do tính chất của ethanol khác với tính chất của nhiên liệu dùng cho động cơ diesel như: trị số xêtan và độ nhớt thấp, không thể đốt cháy ethanol bằng phương pháp tự bốc cháy trong động cơ diesel Vì vậy sử dụng ethanol trên động cơ diesel gặp nhiều khó khăn hơn so với động cơ đánh lửa cưỡng bức [2]

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 (Hình 1.1) Nguyên liệu chính để sản xuất ethanol tại Mỹ là ngô, trong khi tại Brazil thì mía là nguồn cung cấp chính

Theo số liệu năm 2015, Mỹ sản xuất được 14806 triệu gallons; Brazil 7093 triệu gallons Trung Quốc là nước có sản lượng lớn thứ 3 trên thế giới, với 813 triệu gallons Tổng sản lượng ethanol của toàn thế giới trong năm 2015 ước tính khoảng 25682 triệu gallons [94]

Thống kê sản lượng ethanol và biểu đồ sản lượng ethanol trên thế giới tính đến năm

2015 được thể hiện trên Hình 1.1

Brazil là nước đi đầu với chương trình quốc gia ủng hộ cồn từ năm 1975, sử dụng cồn sản xuất từ bã mía để pha vào xăng với tỷ lệ đến 20%, dùng trong ngành vận tải Hiện nay,

9 công ty sản xuất xe hơi ở Brazil, trong đó có General Motor và Ford cung cấp cho thị trường loại xe sử dụng nhiên liệu lưỡng tính (xe FFV – Flexible Fuel Vehicle) tức là chạy bằng xăng thông thường hoặc bằng cồn hoặc bằng hỗn hợp xăng cồn đều được Trong số xe bán ra trong tháng 4/2005, loại xe này chiếm tới 50%

Trong thực tế, Brazil là một trong các quốc gia sản xuất và xuất khẩu đường lớn nhất thế giới, đồng thời cũng là nước sản xuất, tiêu thụ và xuất khẩu cồn đứng thứ hai thế giới sau Mỹ Cả nước có khoảng 600000 đồn điền trồng mía, hơn 300 nhà máy sản xuất cồn Hiện nay, ở Brazil có 3 triệu xe hơi chạy nhiên liệu cồn và 17 triệu xe khác sử dụng xăng pha cồn (gasohol) hoặc dầu diesel pha cồn (diesohol) với tỷ lệ pha trộn khoảng 20% ethanol Nhờ vậy mà tình trạng ô nhiễm không khí ở nhiều thành phố lớn của Brazil đã được cải thiện đáng kể Số lượng xe hơi chạy nhiên liệu pha cồn được bán ra ngày càng tăng: năm

1999 là 11000 xe, năm 2001 là 18000 xe và năm 2002 là 40000 xe Chính phủ cũng khuyến khích người tiêu dùng mua xe máy chạy loại nhiên liệu mới bằng cách giảm giá bán xe

Hình 1.1 Biểu đồ sản lượng ethanol trên thế giới từ 2007 đến 2015 [93, 94]

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

Hiện nay tại Việt Nam, nhiên liệu xăng và diesel vẫn là hai loại nhiên liệu chính của ngành giao thông vận tải (GTVT) Việc sản xuất và sử dụng nhiên liệu thay thế là chưa nhiều, hầu hết ở quy mô nhỏ lẻ Năm 2007, thủ tướng chính phủ ra quyết định số

177/2007/QĐ-TTg về “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025”

[9] Mục tiêu đến năm 2015, sản xuất được 250 nghìn tấn ethanol và biodiesel, đáp ứng 1% nhu cầu nhiên liệu; và tầm nhìn 2025 là 1,8 triệu tấn ethanol và biodiesel, đáp ứng được 5%

nhu cầu nhiên liệu Cùng với đó là những khuyến khích về tài chính như trợ giá, miễn thuế cho các tổ chức, cá nhân trong và ngoài nước đầu tư vào lĩnh vực năng lượng tái tạo [1] Việt Nam là một nước nông nghiệp, có tiềm năng lớn để phát triển nhiên liệu sinh học, đặc biệt là ethanol Một số nhà máy sản xuất ethanol đã đi vào hoạt động như nhà máy cồn Đại Lộc (Quảng Nam) với sản lượng khoảng 125 triệu lít/năm; nhà máy cồn Cát Lái (TP Hồ Chí Minh) với sản lượng 40 triệu lít/năm Ba nhà máy cồn của công ty dầu Việt Nam (PV Oil) đang được xây dựng với sản lượng ước tính là 125 triệu lít/năm Nhà máy bắt đầu vào hoạt động vào cuối năm 2012, đầu năm 2013 Nguyên liệu chính được sử dụng là sắn Tuy nhiên, do nhu cầu ở Việt Nam chưa lớn, nên hầu hết các nhà máy không hoạt động hết công suất Trong năm 2010, tổng sản lượng ethanol sản xuất được của cả nước ước tính khoảng

150 triệu lít [1]

Bắt đầu từ tháng 8 năm 2010, xăng sinh học E5 đã bắt đầu được bán ở 22 cây xăng (12 cây xăng của PV Oil và 10 cây xăng do PETEC quản lý) ở các địa phương như TP Hồ Chí Minh, Hà Nội, Bà Rịa-Vũng Tàu, Hải Phòng, Hải Dương [1]

Lộ trình thực hiện tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống được thể hiện theo quyết định số 53/2012/QĐ-TTg [10] cụ thể như sau: từ ngày 01 tháng 12 năm

2014 xăng E5 được sản xuất, phối chế, kinh doanh, từ ngày 01 tháng 12 năm 2016, xăng E10 được sản xuất, phối chế, kinh doanh Trong thời gian chưa thực hiện áp dụng tỷ lệ phối trộn theo Lộ trình, khuyến khích các tổ chức, cá nhân sản xuất, phối chế và kinh doanh xăng E5, E10 và diesel B5 và B10

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, tập trung chủ yếu tại Miền Trung – Tây Nguyên và Miền Nam Việt Nam Thiết bị của các nhà máy này đều được xây dựng sau năm 2007 và được đầu tư thiết bị mới 100%, xuất xứ Châu Á và G7 Trình độ tự động hóa đạt trên 85% [4] Hiện tại, chỉ có 04/07 Nhà máy có khả năng sản xuất được E100 Nếu bốn nhà máy này hoạt động đạt 80% công suất thiết kế sẽ cung cấp ra thị trường 320000 m3 E100/năm, dư đủ cho nhu cầu pha xăng E5 - E10 theo lộ trình của Chính phủ

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 “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha ethanol E5 và E10 đến tính năng và phát thải độc hại của xe máy và xe con đang lưu hành ở Việt Nam” [55] với nhiên liệu E5 (5% ethanol, 95% xăng Mogas92) và E10 (10% ethanol, 90% xăng Mogas92) đối chứng với xăng Mogas92 Động cơ ôtô thực nghiệm là Ford Laser Ghia 1.8 và động cơ

xe máy là HonDa Super Dream 100cc Theo nghiên cứu này hỗn hợp xăng-ethanol được hòa trộn sẵn và có ưu điểm là không phải thay đổi về kết cấu động cơ

Kết quả cho thấy công suất động cơ ôtô tăng khi tỷ lệ ethanol thay thế tăng Suất tiêu hao nhiên liệu theo tốc độ ôtô tại tốc độ bình thường trong trường hợp có ethanol ít hơn khi dùng xăng Mogas92

Về các thành phần phát thải, nghiên cứu cũng cho thấy phát thải CO giảm khi tăng tỷ

lệ ethanol thay thế Phát thải HC cũng ít hơn khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế, đặc biệt tại tốc

độ cao Phát thải NOx tăng khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế còn phát thải CO2 tăng khi tăng tỷ

lệ ethanol thay thế, đặc biệt tại tốc độ cao

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 tương ứng 6,5% và 6,37% cho động cơ xe máy, cải thiện tương ứng 6,36% và 5,18 cho động cơ ôtô khi so sánh với trường hợp sử dụng xăng Moga92

Phát thải CO và HC giảm đáng kể lần lượt là 33,74% và 18,62% đối với động cơ ôtô, 16,06% và 21% đối với động cơ xe máy Trong khí đó, phát thải NOx và khí gây hiệu ứng nhà kính CO2 đều tăng lên 21,58% và 3,79% đối với động cơ ôtô, tăng 31,67% và 11,64% đối với động cơ xe máy

Bên cạnh đó còn có các nghiên cứu [12, 13], theo các nghiên cứu này hỗn hợp ethanol cũng được hòa trộn sẵn và có ưu điểm là không phải thay đổi về kết cấu động cơ Cho thấy, khi sử dụng nhiên liệu E10, E15 và E20 kết quả đo công suất và tỷ lệ cải thiện công suất xe Lanos so với trường hợp sử dụng xăng RON92 tại tay số IV và V cho thấy xét trên toàn dải tốc độ, xe chạy với nhiên liệu E10 cho công suất tương đương nhiên liệu RON92, tuy nhiên ở tốc độ thấp công suất E10 nhỏ hơn RON92, nhưng ở tốc độ cao E10 cho công suất lớn hơn Suất tiêu thụ nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E10, E15, E20 lớn hơn

xăng-so với trường hợp sử dụng xăng RON92 Phát thải xe Lanos tại tay số V cho thấy đối với xe

sử dụng hệ thống phun xăng điện tử, tính trung bình trên toàn dải tốc độ thử nghiệm, phát thải CO, HC được cải thiện đối với nhiên liệu E10, tương ứng với nó là mức phát thải NOx

và CO2 tăng lên Tuy nhiên với xăng E15 và E20, CO vẫn giảm nhưng HC có xu hướng tăng lên

Kết quả đo công suất xe Corrola tại tay số IV và tay số V đối với động cơ ô tô sử dụng

bộ chế hòa khí, công suất của động cơ tăng lên khi sử dụng xăng sinh học E10, E15 và E20 Công suất cao nhất của động cơ đạt được đối với nhiên liệu E15, tiếp sau đó là E10 Suất tiêu thụ nhiên liệu khi sử dụng xăng sinh học E10, E15 và E20 được cải thiện đáng kể so với xăng RON92 Phát thải CO, HC cải thiện, sự cải thiện các thành phần phát thải CO và HC càng lớn khi tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu xăng sinh học

1.4.1.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Hsieh và các cộng sự [50] đã nghiên cứu thực nghiệm về đặc tính động cơ và phát thải của động cơ xăng sử dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline-ethanol hòa trộn sẵn với tỷ lệ ethanol thay thế lần lượt là 5%, 10%, 20% và 30% Kết quả chỉ ra rằng khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế thì nhiệt trị của hỗn hợp giảm và trị số octane của hỗn hợp nhiên liệu tăng Động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline-ethanol hòa trộn sẵn thì mô men động cơ và tiêu hao nhiên liệu tăng không đáng kể

Abdel-Rahman và các cộng sự [21] đã thực nghiệm trên động cơ có tỷ số nén thay đổi

sử dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline-ethanol hòa trộn sẵn có tỷ lệ ethanol thay thế tới 40% Công suất động cơ tăng lên khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế đến 10% tại tỷ số nén động cơ bằng 10:1 Tỷ số nén tốt nhất là 10, 11, 12 tương ứng với tỷ lệ ethanol thay thế lần lượt là 20%, 30% và 40%, đồng thời công suất chỉ thị của động cơ đạt lớn nhất

Nghiên cứu thực nghiệm của Al-Hasan [57] về ảnh hưởng của việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline-ethanol hòa trộn sẵn đến tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng Kết quả chỉ ra rằng khi có ethanol thì làm tăng công suất có ích, hiệu suất nhiệt có ích, hiệu suất nạp và tiêu hao nhiên liệu tương ứng lần lượt là 8,3%; 9,0%; 7,0% và 5,7% Kết quả tốt nhất của tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ đạt được tương ứng với tỷ lệ ethanol thay thế bằng 20%

Wu và các công sự [95] đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ không khí - nhiên liệu đến tính năng kỹ thuật và phát thải ô nhiễm của động cơ xăng sử dụng lưỡng nhiên liệu gasoline-ethanol hòa trộn sẵn Kết quả cho thấy mô men tăng không đáng kể khi độ mở bướm ga nhỏ

và phát thải CO, HC giảm khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế Đồng thời phát thải CO2 trên một đơn vị công suất động cơ là tương tự hoặc ít hơn so với khi sử dụng nhiên liệu gốc

Yucesu và các cộng sự [98] đã nghiên cứu so sánh giữa tính toán và phân tích thực nghiệm về đặc tính kỹ thuật của động cơ xăng khi sử dụng hỗn hợp lưỡng nhiên liệu gasoline-ethanol hòa trộn sẵn Nhóm tác giả đã thực nghiệm động cơ sử dụng hỗn hợp gasoline-ethanol với các tỷ lệ ethanol thay thế là 10%, 20%, 40% và 60% trên động cơ xăng bốn kỳ, một xy lanh Khi thực nghiệm được tiến hành bằng cách thay đổi góc đánh lửa sớm có ảnh hưởng đến tỷ lệ A/F và tỷ số nén tại tốc độ động cơ bằng 2000 vg/ph khi bướm ga mở hoàn toàn Kết quả cho thấy mô men động cơ lớn hơn so với trường hợp sử dụng gasoline nguyên bản trong toàn dải tốc độ động cơ, phát thải HC giảm đáng kể, đồng thời động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline-ethanol hòa trộn sẵn có thể dùng tỷ số nén lớn hơn mà không

bị kích nổ

Mustafa Koç và các cộng sự [64] đã nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu gasoline-ethanol hòa trộn sẵn đến tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp gasoline-ethanol hòa trộn sẵn với các tỷ lệ ethanol thay thế là 0%, 50% và 85% Động cơ thực nghiệm là động cơ xăng, một xy lanh, bốn kỳ với hai tỷ số nén lần lượt là 10 và 11 Tốc độ động cơ thay đổi trong khoảng 1500  5000 vg/ph Kết quả nghiên cứu cho thấy mô men, công suất động cơ tăng, các thành phần phát thải CO, NOx và

HC đều giảm, đồng thời khi sử dụng lưỡng nhiên liệu gasoline-ethanol hòa trộn sẵn nên tăng

tỷ số nén của động cơ để không xảy ra kích nổ

Qua các nghiên cứu đã trình bày ở trên cho thấy khi sử dụng nhiên liệu 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

gasoline-1.4.2 Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel

1.4.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ethanol là một loại nhiên liệu thay thế tiềm năng cho cả động cơ xăng và động cơ diesel, đồng thời có khả năng cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ Điển hình gồm các nghiên cứu sau:

Nghiên cứu 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% [66] 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 vào xupáp nạpvà điều khiển phối hợp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ

Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu sinh học E10 và D5 đến các chỉ tiêu kinh

tế kỹ thuật của động cơ [8] cho thấy: Khi thử nghiệm đối chứng đánh giá tác động của phụ gia VPI-D đến tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ diesel D243, kết quả là ở thời điểm 0 giờ mô men động cơ tăng trung bình 5,7%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm khoảng 2,5%, các thành phần phát thải đều giảm, cụ thể: CO, 3,5%; HC, 6,6%; NOx, 5,5%; CO2, 0,86% và PM 3,3% khi so sánh với trường hợp không sử dụng phụ gia Kết quả thử nghiệm mô men, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và nhiệt độ khí xả của động cơ tại các thời điểm 50 giờ và 100 giờ chạy ổn định không thay đổi nhiều so với thời điểm 0 giờ Sau 50 giờ và 100 giờ chạy

ổn định với nhiên liệu D5 có phụ gia VPI-D, lượng phát thải được cải thiện Cụ thể, sau 50 giờ chạy ổn định phát thải HC, NOx, CO, CO2 và PM giảm hơn so với thời điểm 0 giờ lần lượt là 3,9%, 14,7%, 3,6%, 1,2% và 4,3; sau 100 giờ chạy ổn định phát thải HC, NOx, CO, CO2 và PM giảm hơn so với thời điểm 0 giờ lần lượt là 5%, 16,3%, 8,4%, 2,2% và 6%

Tuy nhiên các nghiên cứu này đều lựa chọn phương pháp cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol bằng cách sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn với tỷ lệ ethanol thay thế được xác định trước Phương pháp cung cấp lưỡng nhiên liệu này không cho phép thay đổi tỷ lệ ethanol thay thế trong quá trình động cơ làm việc nhằm tối ưu và nâng cao tỷ lệ ethanol thay thế theo các chế độ làm việc khác nhau của động cơ đảm bảo các tiêu chí như

đã đề cập trong mục đích của đề tài

1.4.2.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Có một vài công nghệ có thể ứng dụng cho động cơ diesel sử dụng nhiên liệu ethanol:

 Sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn;

 Ethanol phun trực tiếp;

 Ethanol phun trên đường ống nạp

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

E.A Ajav và các cộng sự [39] đã nghiên cứu thực nghiệm một số thông số hiệu suất của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn tại tốc độ động cơ không đổi Trong nghiên cứu sử dụng động cơ TV 110, một xy lanh, làm mát bằng dung dịch Kết quả cho thấy công suất lớn nhất của động cơ diesel nguyên bản đạt 10,71 mã lực tại tốc độ

1475 v/ph, công suất lớn nhất đạt lần lượt là 10.66; 10.63; 10.51; 10.39 mã lực tương ứng với các tỷ lệ ethanol thay thế lần lượt là 5%; 10%; 15% và 20% Như vậy, có thể coi công suất động cơ giảm không đáng kể khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn với tỷ lệ thay thế có thể đạt đến 20% so với động cơ diesel nguyên bản Theo nghiên cứu của Eugene

EE và các cộng sự [40] thì động cơ cần một số điều chỉnh nhỏ như thay đổi thời điểm phun

và lượng phun để động cơ giữ được công suất cực đại, mức độ điều chỉnh nhiều hay ít phụ thuộc vào tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu và phụ thuộc vào ảnh hưởng của ethanol đến quá trình cháy

Theo nghiên cứu của Alan C Hansen và các cộng sự [23] thì ethanol khan có thể hòa trộn với nhiên liệu diesel, tuy nhiên do 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 Theo nghiên cứu của Murayama T và các cộng sự [63] cho biết, khả năng hòa tan của hỗn hợp diesel-ethanol phụ thuộc vào tỷ lệ hòa trộn, nhiệt độ, hàm lượng nước, nồng độ chất phụ gia và trọng lượng riêng của nhiên liệu diesel So với các loại nhiên liệu diesel thông thường, các loại nhiên liệu pha trộn cho hiệu suất nhiệt tốt hơn, độ khói giảm, và phát thải HC, NOx, CO giảm

Do ethanol có tính chất cơ lý khác với nhiên liệu diesel nên khi thêm ethanol vào diesel

sẽ làm thay đổi tính chất cơ lý của nhiên liệu gốc như làm giảm mạnh trị số xêtan cũng như

độ nhớt và nhiệt trị của hỗn hợp [71] Với lý do này động cơ sẽ khó khởi động lạnh, hiện tượng rò rỉ nhiên liệu tăng lên đồng thời chiều dày màng dập lửa tăng do nhiệt hóa hơi của ethanol cao

Weidmann và các cộng sự [91] đã tiến hành đo đặc tính của động cơ diesel bốn xy lanh Volkswagen sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel pha ethanol, kết quả cho thấy HC, CO

và andehit trong khí thải tăng lên, tuy nhiên NOx và độ khói giảm so với chạy nhiên liệu diesel Czerwinski và các cộng sự [36] đã xây dựng đặc tính của động cơ diesel bốn xy lanh phun trực tiếp sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel pha 30% thể tích ethanol và 15% thể tích dầu hạt cải Kết quả cho thấy khi thêm ethanol sẽ làm cho nhiệt độ cháy giảm, tất cả chất độc hại trong khí thải giảm ở toàn tải, tuy nhiên lượng CO và HC tăng tại tải nhỏ và tốc độ thấp

Qua việc phân tích các công trình đã nghiên cứu sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn 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

Một công nghệ khác là sử dụng hai hệ thống nhiên liệu trên cùng một động cơ, trong

đó ethanol được phun trực tiếp vào buồng cháy và đốt cháy bằng nhiên liệu diesel phun mồi, thời điểm phun mồi trước thời điểm phun của ethanol và phải đảm bảo được độ êm dịu và đạt hiệu suất cháy cao nhất Theo nghiên cứu của Savage LD [48], 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

Phương pháp thứ ba là ethanol hòa trộn với không khí nạp trước khi đi vào xy lanh động cơ Theo phương pháp này M Abu-Qudais và các cộng sự [58] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hai trường hợp phun ethanol trên đường ống nạp và diesel-ethanol hòa trộn sẵn đến đặc tính và phát thải của động cơ diesel một xy lanh, bốn kỳ, làm mát bằng dung dịch

Sơ đồ hệ thống phun ethanol được thể hiện trên Hình 1.2 Ethanol được phun vào cụm đường ống nạp ở dạng hơi hoặc sương mù, phụ thuộc vào độ bay hơi Đây là loại hệ thống phun ethanol đơn giản, vòi phun ethanol ở áp suất thấp được tạo ra bởi bơm điện và phun liên tục nên cần phải phun vào tấm ngăn nhằm tạo điều kiện bay hơi cũng như hạn chế các hạt ethanol

có kích thước lớn ở dạng giọt không kịp bay hơi hòa trộn với không khí trước khi nạp vào động cơ

Hình 1.2 Sơ đồ bố trí của hệ thống phun ethanol [58]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

13 14

15

1- Không khí vào; 2- Van điều khiển; 3- Ống dẫn ethanol vào; 4- Lọc; 5- Vòi phun ethanol; 6- Tấm chặn; 7- Tia phun ethanol; 8- Nhỏ giọt ethanol; 9- Cửa nạp; 10- Xupáp nạp; 11- Xupáp thải; 12- Khí thải ra; 13- Piston; 14- Ống nghiệm khắc vạch; 15- Phễu hứng

Kết quả cho thấy, hiệu suất nhiệt được cải thiện khoảng 7,5% và 5,4% trên toàn dải tốc độ lần lượt trong hai trường hợp: phun ethanol trên đường ống nạp và hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn Về phát thải cho thấy CO, HC đều tăng trong khi smoke và soot giảm

so với khi sử dụng nhiên liệu diesel nguyên bản Tỷ lệ ethanol tối ưu theo sự giảm độ khói

là 20% và 15% trong lần lượt hai trường hợp phun ethanol và hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn

Từ các kết quả trên, cho thấy khi sử dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế với tỷ lệ thay thế 20% trong các trường hợp thì phát thải CO, HC tăng và phát thải smoke và soot đều giảm Phát thải CO và HC tăng dẫn đến tỷ lệ ethanol có thể sử dụng bị giới hạn Ngoài ra,

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

Ogawa H và cộng sự [67] đã tiến hành thiết lập đặc tính của động cơ diesel một xy lanh 0,83 dm3 phun trực tiếp sử dụng hai hệ thống nhiên liệu, bao gồm hệ thống phun diesel Common-Rail (CR) và hệ thống phun ethanol trên đường ống nạp, đồng thời sử dụng phương pháp luân hồi khí thải EGR Kết quả cho thấy với 20% ethanol và lượng oxy trong khí nạp giảm 15%, độ khói và NOx đều giảm trên toàn bộ dải làm việc của động cơ Nếu kết hợp tốt giữa việc phối trộn ethanol và EGR thì có thể cho phép độ khói bằng không đồng thời hàm lượng NOx giảm mạnh Kết quả còn cho thấy cần phải giảm tỷ số nén nhằm đẩy mạnh quá trình hòa trộn giữa diesel và ethanol đồng thời loại bỏ hiện tượng mất lửa và gõ trong xy lanh

Ngoài ra có thể kể đến Volpato và cộng sự [69] đã nghiên cứu điều khiển động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol cho động cơ nông nghiệp MWM MS-4001P

sử dụng bơm phân phối piston hướng kính, ethanol được phun vào đường ống nạp, trong đó nhiên liệu diesel được phun vào buồng cháy của động cơ ở dạng phun mồi nhằm kích hoạt nhiên liệu ethanol cháy chính Kết quả cho thấy công suất và mô men động cơ vẫn đảm bảo mặc dù tỷ lệ ethanol thay thế từ 60  85% tại chế độ tải 100%

Qua các nghiên cứu đã trình bày ở trên cho thấy phương pháp phun ethanol trên đường ống nạp có thể thực hiện bằng cách sử dụng bộ chế hòa khí hoặc sử dụng vòi phun ethanol

có áp suất thấp phun trước xupáp nạp Mặc dù phương pháp này phải cần hai hệ thống nhiên liệu và điều khiển độc lập, làm tăng mức độ phức tạp trong quá trình điều khiển, tuy nhiên phương pháp này giải quyết được các nhược điểm của hai phương pháp trên, và 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 Ngoài ra, cho đến nay trên thị trường không có động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol sản xuất hàng loạt nên các nghiên cứu trên đều dựa trên động cơ diesel cụ thể nào đó được nghiên cứu cải tiến để có thể chuyển sang chạy lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol Mặt khác,

chưa thấy có công bố nào về điều khiển đồng thời lượng ethanol và lượng diesel tại mỗi chế

độ làm việc của động cơ

Vì vậy tác giả chọn phương án cung cấp ethanol bằng cách phun vào đường nạp của từng xy lanh khi nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang chạy lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol, tập trung nghiên cứu điều khiển phối hợp cấp ethanol và cấp diesel sao cho tỷ lệ thay thế ethanol lớn nhất ở mọi chế độ làm việc ổn định của động cơ, đồng thời bảo đảm đặc tính của động cơ ở chế độ chuyển tiếp

Để giải quyết phương án trên, thì vấn đề quan trọng là phải điều khiển phối hợp cung cấp nhiên liệu diesel và ethanol phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ, do đó việc thiết kế bộ điều khiển lượng nhiên liệu phun diesel và ethanol là vấn đề cốt lõi của đề tài này Việc thiết kế này bao gồm hai bước là xây dựng mô hình động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – ethanol và bước thứ hai là thiết kế bộ điều khiển trên mô hình đó, hai bước này

sẽ được lần lượt trình bày sau đây

1.5 Phương pháp xây dựng mô hình động cơ

Mục đích của việc mô hình hóa động cơ đốt trong nói chung là để dự đoán tính năng

kỹ thuật động cơ và các thông số khó đo Đồng thời việc mô hình hóa động cơ cũng giúp giảm chi phí thực nghiệm Ban đầu, mô hình động cơ chủ yếu được sử dụng để cải tiến thiết

kế động cơ như các phần mềm kể trên Khi các động cơ ứng dụng điều khiển điện tử ra đời thì yêu cầu cần phải có loại mô hình mới giúp quá trình thiết kế bộ điều khiển nhanh chóng giảm thiểu chi phí thử nghiệm, các mô hình mới này có thể được chia ra ba loại như sau:

Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở mô hình hệ thống (Model-based control design): mô

hình này được sử dụng khi thuật toán điều khiển hay kỹ thuật chẩn đoán cần một mô hình động cơ để tính toán Việc này nhằm giúp bộ điều khiển dự đoán các thông số điều khiển hoặc làm việc của động cơ mà không có cảm biến đo như lượng nhiên liệu thực phun vào trong xy lanh, độ mở van EGR, nhiệt độ khí thải, lưu lượng khí nạp (trường hợp động cơ dùng cảm biến áp suất đường nạp), mô men động cơ,… Sự phức tạp của mô hình này là ở chỗ phải tuân thủ các thuật toán điều khiển [107]

Mô hình làm việc theo thời gian thực (Real-time model): Mô hình này được thể hiện

trên Hình 1.3 Đây là loại mô hình động cơ làm việc theo thời gian thực, là loại mô hình cần thiết cho việc phát triển và thực nghiệm các hệ thống nhúng thời gian thực phức tạp (Hardware in the loop - HIL) Mục tiêu của mô hình HIL là kiểm tra phần cứng bằng các thành phần mô phỏng nhằm giảm chi phí khi thực nghiệm Ví dụ, mô hình HIL của động cơ bao gồm một máy tính mô phỏng ECU hoặc kết nối với ECU để nhận các thông số tính toán trong ECU, ECU sẽ nhận các thông tin và điều khiển mô hình động cơ đốt trong đặt trên máy tính khác, các hoạt động này phải đảm bảo thời gian thực [107]