Nghiên cứu điều khiển động cơ phun xăng trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hydro.

MỞ ĐẦU i Lý do chọn đề tài Với nhu cầu ngày một tăng về số lượng, đa dạng về chủng loại thì động cơ đốt trong (ĐCĐT) vẫn là nguồn động lực chính cho nhiều ngành kinh tế khác nhau, đặc biệt là ngành giao thông vận tải. Song song với sự phát triển đó là nhu cầu về năng lượng ngày một tăng, trong khi đó trữ lượng nhiên liệu hóa thạch đang dần bị cạn kiệt [1, 2]. Mặt khác, bầu không khí bị ô nhiễm một cách trầm trọng do khói bụi, chất độc và phóng xạ thải ra từ quá trình sử dụng nhiên liệu hóa thạch, trong đó phương tiện giao thông (PTGT) sử dụng nhiên liệu xăng và dầu diesel là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường [3, 4], đặc biệt tại các đô thị. Ở đó, mật độ PTGT đường bộ ngày một tăng lên rất lớn và đa phần các PTGT đường bộ này được trang bị động cơ xăng (ĐCX). Vì vậy, cần phải nghiên cứu tìm ra những giải pháp tổng thể giảm dần sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch trong tương lai, mặt khác có thể giảm thiểu phát thải gây ô nhiễm môi trường do ĐCĐT nói chung và ĐCX nói riêng. Hydro là nhiên liệu có tiềm năng rất lớn có thể đáp ứng được các yêu cầu nói trên [1, 5]. So với nhiên liệu truyền thống, hydro có khá nhiều ưu điểm nổi trội như: cháy nhanh, phạm vi cháy rộng, nhiệt độ tự cháy cao, tính chống kích nổ tốt do đó rất thuận lợi để nâng cao hiệu suất và công suất của động cơ thông qua việc nâng cao tỉ số nén và tốc độ làm việc của động cơ [6, 7]. Mặt khác, phạm vi cháy của hydro rộng nên động cơ có khả năng hoạt động tốt với hỗn hợp nghèo, làm tăng tính kinh tế nhiên liệu và giảm phát thải độc hại [810]. Thêm nữa, phát thải của động cơ hydro chỉ là hơi nước nên rất sạch, thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, nhiệt trị thể tích của hydro thấp hơn xăng rất nhiều nên khi chuyển đổi từ ĐCX sang chạy hoàn toàn bằng hydro sẽ phải cải tiến nhiều về kết cấu động cơ để có thể đạt được công suất như ĐCX ban đầu [11, 12]. Do đó, đây cũng là một trong những lý do khiến nhiên liệu hydro thường được ưu tiên sử dụng dưới dạng phụ gia cho nhiên liệu truyền thống để nâng cao giới hạn cháy nghèo cho ĐCĐT [13-15]. Với phương pháp này, chỉ cần cung cấp một tỉ lệ nhỏ hydro hòa trộn với nhiên liệu gốc giúp cải thiện quá trình đốt cháy nhiên liệu chính tốt hơn nhằm giảm phát thải độc hại, nâng cao được giới hạn cháy nghèo và hiệu quả sử dụng nhiên liệu của động cơ cũng được tăng lên. Mặt khác, việc sản xuất, tồn trữ và bảo quản nhiên liệu hydro đủ để cung cấp cho động cơ hoạt động liên tục trong thời gian dài hiện nay khá khó khăn và rất tốn kém, đặc biệt là với động cơ trang bị trên các PTGT do hydro có tỷ trọng rất thấp. Thay vào đó người ta thường sử dụng nhiên liệu giàu hydro (NLGH) là khí tổng hợp hay còn được gọi là khí syngas (có hydro ở trạng thái tự do trong hỗn hợp) cho ĐCĐT [16, 17]. Ngoài ra, NLGH có thể tạo ra nhờ biện pháp sử dụng bộ xúc tác (BXT) tạo thành hỗn hợp khí giàu hydro (HHGH) từ nhiên liệu gốc với giá thành phù hợp [18-20]. Thời gian qua đã có một số công trình nghiên cứu trong nước sử dụng nhiên liệu hydro bổ sung vào đường nạp ĐCX dùng “chế hòa khí” lắp trên xe máy đã được công bố [21, 18]. Tuy nhiên, hiện nay phần lớn ĐCX sử dụng trên các PTGT đều trang bị hệ thống “phun xăng điện tử” (EFI - Electronic Fuel Injection) được điều khiển và kiểm soát thông qua bộ điều khiển trung tâm ECU (ECU - Electronic Control Unit). Vì vậy, việc nghiên cứu trang bị BXT tạo HHGH bổ sung đối với động cơ phun xăng điện tử (ĐCPX) là một hướng nghiên cứu mới, rất cần thiết mà các nghiên cứu [21, 18] trước đây chưa thực hiện được. Đối với ĐCPX, lượng nhiên liệu cấp cho động cơ được ECU tính toán theo lượng không khí nạp đi vào xi lanh, do đó khi bổ sung HHGH vào đường ống nạp sẽ làm thay đổi lượng khí nạp nên ECU sẽ tính toán sai lượng xăng phun cần thiết. Ngoài ra, khi bổ sung HHGH làm cho tốc độ cháy của hỗn hợp thay đổi do đó đặc tính đánh lửa của ECU nguyên bản cũng không còn phù hợp. Thêm vào đó, hiệu suất chuyển hóa của BXT tận dụng nhiệt khí thải biến đổi nhiệt hóa một phần nhiên liệu xăng cung cấp cho động cơ cùng với hơi nước tạo HHGH bổ sung phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ BXT, do đó thông số này cũng cần phải được kiểm soát để BXT làm việc ở chế độ tối ưu. Như vậy, khi trang bị BXT cho ĐCPX thì hệ thống điều khiển nguyên bản của động cơ không còn phù hợp, phải thiết kế lại hệ thống điều khiển mới. Qua các phân tích trên cho thấy, việc nghiên cứu điều khiển ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH là một hướng mới, có tính khoa học và ý nghĩa thực tiễn cao. Từ đó, tác giả lựa chọn thực hiện luận án tiến sĩ của mình với đề tài: “Nghiên cứu điều khiển động cơ phun xăng trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hydro”, kết quả của đề tài sẽ góp phần nâng cao năng lực làm chủ và phát triển các công nghệ điều khiển ĐCPX. Luận án được thực hiện trong khuôn khổ đề tài cấp nhà nước mã số KC.05.24/11-15 do GS. TS Lê Anh Tuấn làm chủ nhiệm đề tài, trong đó nội dung công việc nghiên cứu điều khiển ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH do nghiên cứu sinh (NCS) thực hiện.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

LÊ ĐĂNG ĐÔNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRANG BỊ BỘ XÚC TÁC TẠO HỖN HỢP KHÍ GIÀU HYDRO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

HÀ NỘI - 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

LÊ ĐĂNG ĐÔNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRANG BỊ BỘ XÚC TÁC TẠO HỖN HỢP KHÍ GIÀU HYDRO

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực

Mã số: 9520116

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 - 2019

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xiii

MỞ ĐẦU 1 i Lý do chọn đề tài 1

ii Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài 2

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 3

iv Phương pháp nghiên cứu của đề tài 3

v Ý nghĩa khoa học của đề tài 4

vi Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 4

vii Điểm mới của luận án 4

viii Bố cục chính của luận án 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU 6

1.1 Vấn đề giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ xăng 6

1.2 Các biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải cho động cơ xăng 6

1.2.1 Các biện pháp liên quan đến động cơ 7

1.2.2 Xử lý khí thải 9

1.3 Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hydro cho động cơ xăng 10

1.3.1 Bổ sung hydro cho động cơ xăng 10

1.3.2 Bổ sung hỗn hợp khí giàu hydro cho động cơ xăng 16

1.3.2.1 Bổ sung hỗn hợp giàu hydro từ ô xy hóa không hoàn toàn nhiên liệu 16

1.3.2.2 Bổ sung hỗn hợp giàu hydro từ ô xy hóa nhiên liệu bằng plasma 18

1.3.2.3 Bổ sung hỗn hợp giàu hydro từ biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước 19

1.4 Hướng tiếp cận của luận án 22

1.5 Tổng quan về xây dựng mô hình động cơ 23

1.6 Tổng quan về xây dựng hệ thống điều khiển 26

1.7 Nội dung nghiên cứu 31

1.8 Kết luận chương 1 32

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG HỖN HỢP GIÀU HYDRO VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 33

2.1 Đặt vấn đề 33

2.2 Mô hình tổng quan động cơ phun xăng trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp giàu hydro 34

2.3 Mô hình thành phần 35

2.3.1 Mô hình trao đổi khí 35

2.3.1.1 Xác định lượng khí đi qua bướm ga 35

2.2.1.2 Xác định lượng khí đi qua xu páp nạp 37

2.2.1.3 Xác định lượng khí đi qua xu páp xả 38

2.3.2 Mô hình bộ xúc tác 39

2.3.3 Mô hình cháy 41

2.3.3.1 Cơ sở lựa chọn mô hình cháy 41

2.3.3.2 Mô hình cháy 43

2.3.3.3 Mô hình truyền nhiệt 46

2.3.4 Mô hình tổn thất cơ khí của động cơ 46

2.3.5 Mô hình động học, động lực học của động cơ 49

2.4 Mô hình điều khiển 50

2.4.1 Lọc nhiễu tín hiệu đo 51

2.4.2 Thuật toán tra bảng 53

2.4.2.1 Nội suy một chiều 1D 53

2.4.2.2 Nội suy hai chiều 2D 54

2.4.3 Bộ điều khiển vòng kín 54

2.4.3.1 Hàm truyền vòng kín 55

2.4.3.2 Bộ điều khiển PID 55

2.5 Kết luận chương 2 57

CHƯƠNG 3 ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG SỬ DỤNG HỖN HỢP GIÀU HYDRO VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 58

3.1 Đặt vấn đề 58

3.2 Đối tượng nghiên cứu và nhiên liệu thử nghiệm 58

3.2.1 Động cơ nghiên cứu 58

3.2.2 Nhiên liệu thử nghiệm 59

3.3 Thiết kế lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ và bộ xúc tác 59

3.3.1 Hệ thống cung cấp hỗn hợp giàu hydro tiêu chuẩn cho động cơ 59

3.3.2 Hệ thống cung cấp xăng và nước cho bộ xúc tác 60

3.4 Xác định vùng thường xuyên hoạt động của động cơ 61

3.5 Xác định các tham số đầu vào cơ bản cho mô hình động cơ 62

3.5.1 Xác định quy luật phối khí 62

3.5.2 Xác định lưu lượng khí đi qua xu páp 63

3.5.3 Xác định đặc tính của vòi phun 64

3.5.4 Áp suất xi lanh 65

3.6 Phân tích số liệu thực nghiệm và xây dựng mô hình động cơ 68

3.6.1 Xác định hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xu páp 68

3.6.2 Xác định tốc độ tỏa nhiệt 69

3.6.3 Xác định thời điểm bắt đầu cháy, khoảng thời gian cháy 71

3.6.4 Xây dựng mô hình động cơ 74

3.7 Đánh giá độ tin cậy của mô hình động cơ 75

3.7.1 Đánh giá về lưu lượng không khí nạp 75 3.7.2 Đánh giá về tỉ lệ cháy và tốc độ tỏa nhiệt 76

3.7.3 Đánh giá về áp suất xi lanh 78

3.7.4 Đánh giá về mô men và công suất 81

3.8 Bộ điều khiển động cơ phun xăng điện tử trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp giàu hydro 83 3.8.1 Bộ điều khiển động cơ sử dụng hỗn hợp giàu hydro 83

3.8.2 Các khối tính toán các thông số làm việc của động cơ 84

3.8.2.1 Khối xác định kỳ làm việc của động cơ 84

3.8.2.2 Các khối xác định và điều khiển góc đánh lửa sớm 87

3.8.2.3 Các khối xác định và điều khiển lượng nhiên liệu phun vào đường ống nạp 89

3.8.2.4 Các khối xác định và điều khiển lượng phun vào bộ xúc tác 90

3.8.2.5 Các khối xác định và điều khiển tốc độ không tải 91

3.8.3 Đánh giá bộ điều khiển 91

3.8.3.1 Kết quả chương trình nhận dạng kỳ làm việc của động cơ 92

3.8.3.2 Kết quả chương trình điều khiển không tải 93

3.9 Kết luận chương 3 94

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 95

4.1 Đặt vấn đề và các mục tiêu nghiên cứu thử nghiệm 95

4.2 Phạm vi, phương pháp và điều kiện thực nghiệm 95

4.2.1 Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm 95

4.2.2 Phương pháp thực nghiệm 96

4.2.3 Điều kiện nghiên cứu thực nghiệm 96

4.3 Quy trình, chế độ và trang thiết bị thử nghiệm 97

4.3.1 Thử nghiệm thu thập số liệu xây dựng mô hình mô phỏng động cơ trên băng thử công suất động cơ 97

4.3.1.1 Thử nghiệm xây dựng đặc tính ngoài của động cơ 98

4.3.1.2 Thử nghiệm xác định giới hạn cháy của động cơ 99

4.3.2 Thử nghiệm hiệu chuẩn và đánh giá hệ thống điều khiển trên bệ thử động lực học xe máy CD20” 99

4.3.2.1 Thử nghiệm hiệu chuẩn hệ thống điều khiển 100

4.3.2.2 Thử nghiệm đánh giá hệ thống điều khiển 102

4.4 Kết quả thực nghiệm động cơ trên băng thử công suất 103

4.4.1 Kết quả thử nghiệm động cơ ở chế độ toàn tải 103

4.4.2 Kết quả thử nghiệm động cơ ở chế độ cháy nghèo 105

4.4.2.1 Ảnh hưởng của hỗn hợp giàu hydro đến giới hạn cháy nghèo 105

4.4.2.2 Ảnh hưởng của hỗn hợp giàu hydro đến hiệu suất có ích của động cơ 107

4.4.2.3 Ảnh hưởng của hỗn hợp giàu hydro đến suất tiêu thụ năng lượng 108

4.4.2.4 Nhiệt độ khí xả của động cơ tại chế độ cháy nghèo 109

4.4.2.5 Ảnh hưởng của hỗn hợp giàu hydro đến phát thải của động cơ tại chế độ cháy nghèo 110 4.5 Kết quả thử nghiệm đánh giá hệ thống điều khiển ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH trên băng thử động lực học xe máy CD 20” 112

4.5.1 Tại 10% độ mở bướm ga 112

4.5.2 Tại 20% độ mở bướm ga 114

4.5.3 Tại 30% độ mở bướm ga 117

4.5.4 Tại 50% độ mở bướm ga 119

4.5.5 Kết quả thử nghiệm theo chu trình thử ECE-R40 121

4.6 Kết luận chương 4 123

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 124

Kết luận chung: 124

Hướng phát triển: 125

TÀI LIỆU THAM KHẢO 126

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 131

PHỤ LỤC 1 Phụ lục 1 Mô hình mô phỏng trong Matlab/Simulink 1

Phụ lục 1.1 Mô hình trao đổi khí 1

Phụ lục 1.2 Mô hình cháy 1

Phụ lục 1.3 Mô hình tổn thất cơ khí 2

Phụ lục 1.4 Mô hình động học 2

Phụ lục 2 Các thông số thực nghiệm 3

Phụ lục 2.1 Quy luật phối khí 3

Phụ lục 2.3 Tốc độ tỏa nhiệt ở chế độ toàn tải, động cơ sử dụng xăng nguyên bản 4

Phụ lục 2.4 Tốc độ tỏa nhiệt tại n=4500 vg/ph, Me=2Nm 4

Phụ lục 2.5 Tốc độ tỏa nhiệt tại n=5300 vg/ph, Me=3Nm 5

Phụ lục 2.6 Tỉ lệ cháy xb ở chế độ toàn tải, động cơ sử dụng xăng nguyên bản 6

Phụ lục 2.7 Tỉ lệ cháy xb tại n=4500 vg/ph, Me=2Nm 7

Phụ lục 2.8 Tỉ lệ cháy xb tại n=5300 vg/ph, Me=3Nm 8

Phụ lục 2.9 Bảng MAP đánh lửa 8

Phụ lục 2.10 Bảng MAP lượng nhiên liệu phun tại vòi phun chính 9

Phụ lục 2.11 Bảng MAP lượng xăng, nước phun vào BXT 11

Phụ lục 3 Các trang thiết bị chính dùng trong thử nghiệm 12

Phụ lục 3.1 Thiết bị đo lượng nhiên liệu tiêu thụ AVL 733S 12

Phụ lục 3.2 Tủ phân tích khí thải AVL CEB II 13

Phụ lục 3.3 Hệ thống đo AVL 620 Indiset 14

Phụ lục 3.4 Mô đun điều khiển động cơ (MotoHawk Control Solutions) 15

Phụ lục 3.5 Băng thử động cơ DW-16 16

Phụ lục 3.6 Cảm biến đo lambda dải rộng LSU 4.9 17

Phụ lục 3.7 Cảm biến lưu lượng khí nạp 17

Phụ lục 3.8 Cảm biến lưu lượng hỗn hợp giàu hydro 18

Phụ lục 3.9 Băng thử động lực học xe máy Chassis dynamometer 20’’ (CD20”) 18

Phụ lục 4 Một số hình ảnh thực nghiệm trong quá trình thực hiện luận án 19

Phụ lục 4.1 Thực nghiệm xác định quy luật phối khí của động cơ 3V i.e 150 19

Phụ lục 4.2 Động cơ Liberty 3V i.e 150 được lắp đặt trên băng thử công suất động cơ DW-16 chuẩn bị cho các thí nghiệm cơ bản 20

Phụ lục 4.3 Chạy thử hệ thống thử nghiệm động cơ trên băng thử công suất 20

Phụ lục 4.4 Hiệu chỉnh hệ thống thử nghiệm động cơ trên băng thử công suất 20

Phụ lục 4.5 Thử nghiệm động cơ trên băng thử công suất, xác định các bộ tham số đầu vào cho mô hình mô phỏng động cơ 21

Phụ lục 4.6 Xe Liberty 3V i.e 150 lắp đặt cho thử nghiệm hiệu chỉnh bộ thông số điều khiển và thử nghiệm đối chứng trên Dyno 21

Phụ lục 4.7 Kiểm tra hiệu chỉnh xe Liberty 3V i.e trước khi thử nghiệm trên Dyno 21

Phụ lục 4.8 Vị trí lắp đặt vòi phun, bộ xúc tác và cảm biến lambda dải rộng 22

Phụ lục 4.9 Thử nghiệm hiệu chỉnh hệ thống điều khiển động cơ trên xe 22

Phụ lục 4.10 Hiệu chỉnh các bộ tham số hệ thống điều khiển động cơ trên Dyno 22

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

A Danh mục các ký hiệu

A/F Tỉ lệ không khí trên nhiên liệu (Air Fuel Ratio) -

aθ Khoảng cách từ tâm chốt piston đến tâm trục khuỷu m

BSEC Suất tiêu hao năng lượng (Brake Specific Energy Consumption) MJ/kW.h BTE Hiệu suất nhiệt có ích (Brake Thermal Efficiency) -

COVimep Hệ số biến thiên áp suất chỉ thị trung bình (Coefficient Of

Variation in indicated mean effective pressure) -

Cf, ev Hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xu páp xả -

Cf, iv Hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xu páp nạp -

Cm1 Hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào biên dạng xéc măng -

Cm2 Hệ số đánh giá ảnh hưởng do ma sát đối với xéc măng khí trên cùng do bôi trơn không đầy đủ -

Cm3 Hệ số tính đến ảnh hưởng của các tác động làm thay đổi độ dày

dQht/dt Tốc độ truyền nhiệt cho thành vách buồng cháy J/s

Ký hiệu Diễn giải Đơn vị

dU/dt Tốc độ biến thiên nội năng trong xi lanh J/s

dVcyl/dt Tốc độ thay đổi thể tích công tác trong xi lanh động cơ m3/s

Imep Áp suất chỉ thị trung bình (Indicated mean effective pressure) kPa ITE Hiệu suất nhiệt chỉ thị (Indicated Thermal Efficiency) -

m Tham số đặc trưng cho quá trình cháy của mô hình Wiebe - MAP Áp suất tuyệt đối đường nạp (Manifolds Absolute Pressures) kPa

Maub Mô men tổn hao cơ giới cho các dẫn động phụ N.m

Mrv Mô men cản của xéc măng do độ nhớt của dầu bôi trơn N.m

Mval Mô men tổn hao cơ giới do dẫn động cơ cấu phân phối khí N.m

ṁxang Khối lượng nhiên liệu xăng cấp cho mỗi chu trình kg

ṁxangbxt Lượng xăng cấp cho bộ xúc tác mỗi chu trình g

Ký hiệu Diễn giải Đơn vị

QHV_H2_mix Nhiệt trị thấp của hỗn hợp giàu hydro J/kg

RON Chỉ số ốc tan nghiên cứu (Research Octane Number) -

Ký hiệu Diễn giải Đơn vị

θEVO Góc quay trục khuỷu tương ứng với vị trí xu páp thải mở oCA

θSA Góc quay trục khuỷu tưsơng ứng với vị trí đánh lửa sớm oCA

p Độ chênh lệch áp suất phía trước và sau xu páp mmH2O

B Danh mục các chữ viết tắt

BXT Bộ xúc tác

ĐCD Động cơ diesel

ĐCĐT Động cơ đốt trong

ĐCPX Động cơ phun xăng điện tử

ĐCX Động cơ xăng

ECM Mô đun điều khiển (Electronic Control Modul)

ECU Bộ điều khiển trung tâm (Electronic Control Unit)

EFI Phun xăng điện tử (Electronic Fuel Injection)

EGR Tuần hoàn khí xả (Exhaust Gas Recirculation)

GDI Phun xăng trực tiếp (Gasoline Direct Injection)

HHGH Hỗn hợp khí giàu hydro

IEA Cơ quan Năng lượng Quốc tế (International Energy Agency)

MFB Tỉ lệ hỗn hợp đã cháy (Mass Fraction Burn)

NCS Nghiên cứu sinh

NLGH Nhiên liệu giàu hydro

PTGT Phương tiện giao thông

SA Góc đánh lửa sớm (Spark Advance)

SIL Mô hình điều khiển ghép chung với mô hình động cơ trên cùng một mô

hình (Software In the Loop Simulation)

SQP Phương pháp quy hoạch toàn phương liên tục (Sequential Quadratic

Programming)

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thông số cơ bản của một số nhiên liệu [9, 34, 35] 10

Bảng 2.1 Lượng nhiên liệu cấp cho BXT và lượng HHGH tạo thành [58] 40

Bảng 2.2 Các hệ số xác định chỉ số đa biến cho trường hợp cháy nghèo ở ĐCX [76] 45

Bảng 2.3 Các hệ số thực nghiệm ei [82] 48

Bảng 2.4 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất [90] 56

Bảng 3.1 Những thông số cơ bản của động cơ 3V i.e [91] 58

Bảng 3.2 Các thông số kỹ thuật của xăng A95 [92] 59

Bảng 3.3 Áp suất cực đại trong xi lanh động cơ tại các chế độ thí nghiệm 68

Bảng 3.4 Giá trị θo vàθd tính toán từ áp suất xi lanh thực nghiệm 72

Bảng 3.5 Giá trị θo và θd dự đoán từ hàm mô phỏng 74

Bảng 3.6 So sánh lưu lượng khí nạp ở chế độ toàn tải, động cơ chạy xăng nguyên bản 76

Bảng 3.7 So sánh mô men và công suất động cơ chạy xăng nguyên bản ở chế độ toàn tải81 Bảng 4.1 Phát thải của động cơ khi sử dụng xăng nguyên bản tại chế độ toàn tải 103

Bảng 4.2 COV imep tại 4500 và 5300 vg/ph 106

Bảng 4.3 Hiệu suất có ích của động cơ tại 4500 và 5300 vg/ph 108

Bảng 4.4 Suất tiêu thụ năng lượng quy đổi ra xăng tại 4500 và 5300 vg/ph 108

Bảng 4.5 Nhiệt độ khí xả ở chế độ cháy nghèo tại 4500 và 5300 vg/ph 109

Bảng 4.6 phát thải của động cơ tại chế độ tải bộ phận 4500 và 5300 vg/ph 111

Bảng 4.7 Đặc tính động cơ khi làm việc ở 10% bướm ga 112

Bảng 4.8 Phát thải của động cơ khi làm việc ở 10% bướm ga 114

Bảng 4.9 Đặc tính động cơ khi làm việc ở 20% bướm ga 115

Bảng 4.10 Phát thải của động cơ khi làm việc ở 20% bướm ga 117

Bảng 4.11 Đặc tính động cơ khi làm việc ở 30% bướm ga 118

Bảng 4.12 Phát thải của động cơ khi làm việc ở 30% bướm ga 119

Bảng 4.13 Đặc tính động cơ khi làm việc ở 50% bướm ga 120

Bảng 4.14 Phát thải của động cơ khi làm việc ở 50% bướm ga 121

Bảng 4.15 Kết quả thử nghiệm xe Liberty theo chu trình thử ECE R40 123

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Tỉ lệ các tổn thất trong động cơ đốt trong 8

Hình 1.2 Các nguồn nguyên liệu sản xuất và các lĩnh vực sử dụng hydro [5] 10

Hình 1.3 Công suất có ích tại bánh xe khi sử dụng xăng và hydro ở chế độ toàn tải 11

Hình 1.4 Sơ đồ thí nghiệm bổ sung hydro cho động cơ phun xăng điện tử [41] 12

Hình 1.5 Diễn biến hiệu suất nhiệt có ích theo λ [41] 12

Hình 1.6 Diễn biến góc cháy trễ, cháy chính tương ứng 10% và 90% MFB theo  [41] 13 Hình 1.7 Diễn biến của hiệu suất nhiệt chỉ thị và áp suất cực đại trong xi lanh theo λ 13

Hình 1.8 Suất tiêu thụ năng lượng của động cơ ứng với các tỉ lệ bổ sung hydro khác nhau theo tốc độ động cơ [42] 14

Hình 1.9 Quan hệ giữa hiệu suất nhiệt (a), suất tiêu thụ năng lượng (b) của động cơ ở các tỉ lệ bổ sung hydro khác nhau theo λ [48] 14

Hình 1.10 Sơ đồ thử nghiệm bổ sung HHO cho động cơ xăng dùng chế hóa khí [21] 16

Hình 1.11 Phương pháp tạo HHGH mở rộng giới hạn luân hồi khí xả EGR [54] 17

Hình 1.12 Diễn biến của COV Imep (a) và hiệu suất nhiệt (b) theo ϕ [50] 18

Hình 1.13 Diễn biến phát thải HC (a) và NOx (b) theo COVimep [50] 19

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên tắc tạo HHGH bằng plasmatron trên động cơ [8] 19

Hình 1.15 Sơ đồ thí nghiệm tạo HHGH bổ sung cho ĐCX dùng chế hòa khí [18] 20

Hình 1.16 Tỉ lệ phân bố sản phẩm tương ứng với tỉ lệ mol S/C=0,9 tại 550oC (a), hiệu suất chuyển đổi xăng và phân bố sản phẩm theo nhiệt độ bộ xúc tác (b) [52] 21

Hình 1.17 Mô hình làm việc theo thời gian thực [60] 24

Hình 1.18 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển khi sử dụng ECU phụ cho ĐCPX sử dụng nhiên liệu sinh học có tỉ lệ cồn ethanol tới 100% [62] 27

Hình 1.19 Sử dụng ECU chung cho động cơ khi sử dụng cả hai loại nhiên liệu xăng và CNG (a); trang bị thêm ECU phụ cho động cơ khi sử dụng CNG (b) [63] 28

Hình 1.20 Sơ đồ khái quát về thiết kế mô hình điều khiển dựa trên mô hình mô phỏng động cơ phun xăng điện tử trang bị bộ xúc tác tạo HHGH 29

Hình 1.21 Sơ đồ chung của hệ thống điều khiển động cơ phun xăng điện tử [69] 29

Hình 1.22 Sơ đồ cấu tạo chung của BXT tận dụng nhiệt của khí xả biến đổi nhiệt hóa một phần nhiên liệu cung cấp cho động cơ và hơi nước tạo HHGH [58] 30

Hình 1.23 Sơ đồ nội dung thực hiện luận án 31

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống điều khiển ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH 33

Hình 2.2 Mô hình điền đầy thải sạch của ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH 34

Hình 2.3 Sơ đồ tổng quan mô hình ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH 34

Hình 2.4 Sơ đồ mô hình nạp 35

Hình 2.5 Mô hình xác định dòng khí đi qua bướm ga [70] 35

Hình 2.6 Sơ đồ mô hình hệ thống thải [77] 38

Hình 2.7 Các thông số đầu vào, đầu ra của khối mô hình bộ xúc tác 39

Hình 2.8 Mối quan hệ giữa lượng xăng phun vào BXT và lượng HHGH tạo thành 41

Hình 2.9 Các loại mô hình cháy 41

Hình 2.10 Mô hình cháy một vùng và hai vùng 42

Hình 2.11 Phương pháp xác định các tham số của mô hình cháy một và hai vùng 42

Hình 2.12 Chương trình điều khiển góc đánh lửa sớm [86] 51

Hình 2.13 Xấp xỉ sai phân lùi Euler theo vi phân thời gian [88] 52

Hình 2.14 Phép nội suy tuyến tính 1D [89] 53

Hình 2.15 Phép nội suy 2 chiều 2D [89] 54

Hình 2.16 Một hệ điều khiển vòng kín 55

Hình 2.17 Bộ điều khiển PID 56

Hình 2.18 Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng đường cong chữ S [90] 56

Hình 3.1 Động cơ phun xăng điện tử 3V i.e 58

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống cung cấp HHGH pha sẵn cho động cơ 60

Hình 3.3 Hệ thống tạo HHGH trực tiếp trên động cơ phun xăng điện tử 60

Hình 3.4 Vùng làm việc của động cơ Liberty 3V i.e 150 theo chu trình thử ECE-R40 61

Hình 3.5 Quy luật phối khí của động cơ xe Piaggio Liberty 3V i.e 150 63

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo lưu lượng và tổn thất dòng khí [60] 63

Hình 3.7 Mối quan hệ giữa độ nâng và lưu lượng khí đi qua xu páp động cơ 3Vi.e150 64 Hình 3.8 Sơ đồ thực nghiệm xác định đặc tính vòi phun 64

Hình 3.9 Đặc tính của vòi phun xăng chính và vòi phun tại BXT 65

Hình 3.10 Áp suất trong xi lanh động cơ ở chế độ toàn tải 66

Hình 3.11 Áp suất xi lanh ở tải bộ phận 4500 và 5300 vg/ph khi chạy xăng nguyên bản 66 Hình 3.12 Áp suất xi lanh ở chế độ tải bộ phận khi bổ sung HHGH 67

Hình 3.13 Mối quan hệ giữa hệ số lưu lượng khí đi qua xu páp và tỉ số độ nâng với đường kính xu páp động cơ Piaggio Liberty 3V i.e 150 69

Hình 3.14 Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ khi chạy xăng nguyên bản ở chế độ toàn tải 70

Hình 3.15 Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ ở chế độ cháy nghèo 70

Hình 3.16 Tỉ lệ hỗn hợp đã cháy xb ở chế độ toàn tải 71

Hình 3.17 So sánh giá trị θo và θd mô phỏng và thực nghiệm 73

Hình 3.18 Mô hình động cơ phun xăng điện tử sử dụng HHGH bổ sung 74

Hình 3.19 So sánh lượng không khí nạp mô phỏng và thực nghiệm ở chế độ toàn tải 76

Hình 3.20 So sánh tỉ lệ cháy ở chế độ toàn tải, động cơ chạy xăng nguyên bản 76

Hình 3.21 So sánh tỉ lệ cháy tại chế độ cháy nghèo 4500 và 5300 vg/ph 77

Hình 3.22 So sánh tốc độ tỏa nhiệt mô phỏng và thực nghiệm 78

Hình 3.23 So sánh áp suất xi lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm ở chế độ toàn tải 79

Hình 3.24 So sánh áp suất xi lanh ở chế độ cháy nghèo 5300 vg/ph 80

Hình 3.25 So sánh áp suất xi lanh ở chế độ cháy nghèo 4500 vg/ph 81

Hình 3.26 Đặc tính ngoài thực nghiệm và mô phỏng của động cơ 82

Hình 3.27 Sai số về mô men và công suất giữa mô phỏng và thực nghiệm 82

Hình 3.28 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ phun xăng trang bị BXT tạo HHGH 83 Hình 3.29 Kết quả đo áp suất đường nạp, độ nâng xu páp và góc quay trục khuỷu hai trường hợp đúng và lệch trên mô hình tại tốc độ 1800 vg/ph, bướm ga mở 8% 84

Hình 3.30 Kết quả áp suất đường ống nạp mô phỏng tại tốc độ 2500 vg/ph 85

Hình 3.31 Sơ đồ thuật toán xác định kỳ của động cơ 86

Hình 3.32 Mô hình xác định thời kỳ khởi động trên Matlab/Simulink 87

Hình 3.33 Mô hình xác định góc quay trục khuỷu trên Matlab/Simulink 87

Hình 3.34 Góc đánh lửa sớm thực nghiệm trường hợp không bổ sung HHGH 88

Hình 3.35 Góc đánh lửa sớm thực nghiệm trường hợp bổ sung HHGH 88

Hình 3.36 Lượng nhiên liệu phun thực nghiệm khi BXT không làm việc 89

Hình 3.37 Lượng nhiên liệu phun thực nghiệm khi sử dụng bộ xúc tác 89

Hình 3.38 Lượng xăng phun vào BXT 90

Hình 3.39 Lượng nước phun vào BXT 90

Hình 3.40 Tốc độ không tải yêu cầu 91

Hình 3.41 Bộ điều khiển không tải 91

Hình 3.42 Nhận dạng kỳ trường hợp lệch góc 92

Hình 3.43 Nhận dạng kỳ trường hợp đúng góc 92

Hình 3.44 Kết quả điều khiển chế độ không tải của động cơ 93

Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm động cơ trên băng thử DW-16 98

Hình 4.2 Sơ đồ thí nghiệm xe máy lắp BXT trên bệ thử động lực học xe máy CD20” 100 Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán thực nghiệm hiệu chỉnh bảng dữ liệu của ECU 101

Hình 4.4 Suất tiêu thụ năng lượng của động cơ tại 4500, 2Nm khi bổ sung HHGH với lưu lượng 7 lít/ph 102

Hình 4.5 Phát thải của động cơ khi sử dụng xăng nguyên bản tại chế độ toàn tải 104

Hình 4.6 Diễn biến của nhiệt độ khí xả và hiệu suất có ích của động cơ khi sử dụng xăng nguyên bản ở chế độ toàn tải 105

Hình 4.7 Biến thiên của áp suất chỉ thị trung bình tại 4500 và 5300 vg/ph khi chạy xăng nguyên bản (X) và khi bổ sung HHGH (XH) 105

Hình 4.8 So sánh tốc độ tỏa nhiệt thực nghiệm (TN) trong xi lanh tại 4500 vg/ph khi động cơ chạy xăng nguyên bản (X) và khi bổ sung HHGH (XH) 106

Hình 4.9 Tỉ lệ cháy thực nghiệm (TN) khi sử dụng xăng nguyên bản (X) và khi bổ sung HHGH (XH) theo góc quay trục khuỷu tại 4500 và 5300 vg/ph 107

Hình 4.10 Hiệu suất có ích của động cơ tại 4500 và 5300 vg/ph khi sử dụng xăng nguyên bản (X) và khi bổ sung HHGH (XH) 108

Hình 4.11 Suất tiêu thụ năng lượng của động cơ tại 4500 và 5300 vg/ph khi sử dụng xăng nguyên bản (X) và khi bổ sung HHGH (XH) 109

Hình 4.12 Nhiệt độ khí xả tại chế độ cháy nghèo 4500 và 5300 vg/ph khi sử dụng xăng nguyên bản (X) và khi bổ sung HHGH (XH) 110

Hình 4.13 Phát thải HC theo λ 110

Hình 4.14 Phát thải NOx theo λ 111

Hình 4.15 Phát thải CO theo λ 112

Hình 4.16 Diễn biến của nhiệt độ bộ xúc tác và λ tại 10% bướm ga 113

Hình 4.17 Diễn biến của công suất và suất tiêu hao nhiên liệu tại 10% bướm ga 113

Hình 4.18 Diễn biến các thành phần phát thải tại 10% bướm ga 114

Hình 4.19 Diễn biến của nhiệt độ bộ xúc tác và λ tại 20% bướm ga 115

Hình 4.20 Diễn biến của công suất và suất tiêu hao nhiên liệu tại 20% bướm ga 116

Hình 4.21 Diễn biến các thành phần phát thải tại 20% bướm ga 116

Hình 4.22 Diễn biến của nhiệt độ bộ xúc tác và λ tại độ mở 30% bướm ga 117

Hình 4.23 Diễn biến của công suất và suất tiêu hao nhiên liệu tại 30% bướm ga 118

Hình 4.24 Diễn biến các thành phần phát thải tại 30% độ mở bướm ga 119

Hình 4.25 Diễn biến của nhiệt độ bộ xúc tác và λ tại 50% bướm ga 120

Hình 4.26 Diễn biến của công suất và suất tiêu hao nhiên liệu tại 50% bướm ga 120

Hình 4.27 Diễn biến các thành phần phát thải tại 50% bướm ga 121

Hình 4.28 So sánh phát thải và lượng tiêu hao nhiên liệu của xe khi BXT làm việc (XH) và khi BXT không làm việc (X) theo chu trình thử ECE-R40 122

MỞ ĐẦU

Với nhu cầu ngày một tăng về số lượng, đa dạng về chủng loại thì động cơ đốt trong (ĐCĐT) vẫn là nguồn động lực chính cho nhiều ngành kinh tế khác nhau, đặc biệt là ngành giao thông vận tải Song song với sự phát triển đó là nhu cầu về năng lượng ngày một tăng, trong khi đó trữ lượng nhiên liệu hóa thạch đang dần bị cạn kiệt [1, 2] Mặt khác, bầu không khí bị ô nhiễm một cách trầm trọng do khói bụi, chất độc và phóng xạ thải ra từ quá trình sử dụng nhiên liệu hóa thạch, trong đó phương tiện giao thông (PTGT) sử dụng nhiên liệu xăng

và dầu diesel là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường [3, 4], đặc biệt tại các đô thị Ở

đó, mật độ PTGT đường bộ ngày một tăng lên rất lớn và đa phần các PTGT đường bộ này được trang bị động cơ xăng (ĐCX) Vì vậy, cần phải nghiên cứu tìm ra những giải pháp tổng thể giảm dần sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch trong tương lai, mặt khác có thể giảm thiểu phát thải gây ô nhiễm môi trường do ĐCĐT nói chung và ĐCX nói riêng Hydro là nhiên liệu có tiềm năng rất lớn có thể đáp ứng được các yêu cầu nói trên [1, 5] So với nhiên liệu truyền thống, hydro có khá nhiều ưu điểm nổi trội như: cháy nhanh, phạm vi cháy rộng, nhiệt độ tự cháy cao, tính chống kích nổ tốt do đó rất thuận lợi để nâng cao hiệu suất và công suất của động cơ thông qua việc nâng cao tỉ số nén và tốc độ làm việc của động cơ [6, 7] Mặt khác, phạm vi cháy của hydro rộng nên động cơ có khả năng hoạt động tốt với hỗn hợp nghèo, làm tăng tính kinh tế nhiên liệu và giảm phát thải độc hại [8-10] Thêm nữa, phát thải của động cơ hydro chỉ là hơi nước nên rất sạch, thân thiện với môi trường Tuy nhiên, nhiệt trị thể tích của hydro thấp hơn xăng rất nhiều nên khi chuyển đổi

từ ĐCX sang chạy hoàn toàn bằng hydro sẽ phải cải tiến nhiều về kết cấu động cơ để có thể đạt được công suất như ĐCX ban đầu [11, 12] Do đó, đây cũng là một trong những lý do khiến nhiên liệu hydro thường được ưu tiên sử dụng dưới dạng phụ gia cho nhiên liệu truyền thống để nâng cao giới hạn cháy nghèo cho ĐCĐT [13-15] Với phương pháp này, chỉ cần cung cấp một tỉ lệ nhỏ hydro hòa trộn với nhiên liệu gốc giúp cải thiện quá trình đốt cháy nhiên liệu chính tốt hơn nhằm giảm phát thải độc hại, nâng cao được giới hạn cháy nghèo

và hiệu quả sử dụng nhiên liệu của động cơ cũng được tăng lên Mặt khác, việc sản xuất, tồn trữ và bảo quản nhiên liệu hydro đủ để cung cấp cho động cơ hoạt động liên tục trong thời gian dài hiện nay khá khó khăn và rất tốn kém, đặc biệt là với động cơ trang bị trên các PTGT do hydro có tỷ trọng rất thấp Thay vào đó người ta thường sử dụng nhiên liệu giàu hydro (NLGH) là khí tổng hợp hay còn được gọi là khí syngas (có hydro ở trạng thái tự do trong hỗn hợp) cho ĐCĐT [16, 17] Ngoài ra, NLGH có thể tạo ra nhờ biện pháp sử dụng bộ xúc tác (BXT) tạo thành hỗn hợp khí giàu hydro (HHGH) từ nhiên liệu gốc với giá thành phù hợp [18-20]

Thời gian qua đã có một số công trình nghiên cứu trong nước sử dụng nhiên liệu hydro

bổ sung vào đường nạp ĐCX dùng “chế hòa khí” lắp trên xe máy đã được công bố [21, 18] Tuy nhiên, hiện nay phần lớn ĐCX sử dụng trên các PTGT đều trang bị hệ thống “phun

xăng điện tử” (EFI - Electronic Fuel Injection) được điều khiển và kiểm soát thông qua bộ

điều khiển trung tâm ECU (ECU - Electronic Control Unit) Vì vậy, việc nghiên cứu trang

bị BXT tạo HHGH bổ sung đối với động cơ phun xăng điện tử (ĐCPX) là một hướng nghiên cứu mới, rất cần thiết mà các nghiên cứu [21, 18] trước đây chưa thực hiện được

Đối với ĐCPX, lượng nhiên liệu cấp cho động cơ được ECU tính toán theo lượng không khí nạp đi vào xi lanh, do đó khi bổ sung HHGH vào đường ống nạp sẽ làm thay đổi

lượng khí nạp nên ECU sẽ tính toán sai lượng xăng phun cần thiết Ngoài ra, khi bổ sung HHGH làm cho tốc độ cháy của hỗn hợp thay đổi do đó đặc tính đánh lửa của ECU nguyên bản cũng không còn phù hợp Thêm vào đó, hiệu suất chuyển hóa của BXT tận dụng nhiệt khí thải biến đổi nhiệt hóa một phần nhiên liệu xăng cung cấp cho động cơ cùng với hơi nước tạo HHGH bổ sung phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ BXT, do đó thông số này cũng cần phải được kiểm soát để BXT làm việc ở chế độ tối ưu Như vậy, khi trang bị BXT cho ĐCPX thì hệ thống điều khiển nguyên bản của động cơ không còn phù hợp, phải thiết kế lại hệ thống điều khiển mới

Qua các phân tích trên cho thấy, việc nghiên cứu điều khiển ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH là một hướng mới, có tính khoa học và ý nghĩa thực tiễn cao Từ đó, tác giả lựa chọn

thực hiện luận án tiến sĩ của mình với đề tài: “Nghiên cứu điều khiển động cơ phun xăng trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hydro”, kết quả của đề tài sẽ góp phần nâng cao

năng lực làm chủ và phát triển các công nghệ điều khiển ĐCPX

Luận án được thực hiện trong khuôn khổ đề tài cấp nhà nước mã số KC.05.24/11-15

do GS TS Lê Anh Tuấn làm chủ nhiệm đề tài, trong đó nội dung công việc nghiên cứu điều khiển ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH do nghiên cứu sinh (NCS) thực hiện

ii Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

- Nghiên cứu điều khiển ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH bổ sung để cải thiện tính năng và phát thải, đảm bảo giữ nguyên mô men và công suất động cơ so với trường hợp động cơ sử dụng hệ thống điều khiển nguyên bản với sự thay đổi ít nhất về kết cấu động cơ;

- Đánh giá được hiệu quả của việc sử dụng BXT tới tính kinh tế nhiên liệu và phát thải của ĐCPX đang lưu hành, góp phần định hướng sử dụng giải pháp tạo HHGH bằng BXT nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm các thành phần phát thải gây ô nhiễm môi trường của ĐCPX

Với mục tiêu đã được đặt ra ở trên, nghiên cứu sinh sẽ thực hiện các nội dung nghiên cứu như sau:

1 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, các công trình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hydro bổ sung cho ĐCX nhằm khảo sát sự ảnh hưởng của nhiên liệu bổ sung đến các thông số hoạt động của động cơ làm tiền đề định hướng cho quá trình xây dựng hệ thống điều khiển;

2 Tìm hiểu đối tượng nghiên cứu, thu thập các số liệu đồng thời tiến hành các thí nghiệm động cơ trên băng thử công suất nhằm xác định các bộ thông số làm việc, các thông

số cần thiết cho việc xây dựng và kiểm chứng mô hình mô phỏng ĐCPX sử dụng HHGH bổ sung;

3 Xây dựng mô hình mô phỏng ĐCPX sử dụng HHGH bổ sung làm việc theo thời gian thực (bằng công cụ Matlab/Simulink, mô hình hóa đối tượng nghiên cứu) Chạy mô hình mô phỏng động cơ mới xây dựng thu thập các bộ thông số làm việc của mô hình so sánh với các kết quả thực nghiệm động cơ thật trên băng thử công suất động cơ nhằm đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng động cơ đã xây dựng trước khi đưa vào sử dụng;

4 Thiết kế, xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển trực tiếp trên mô hình

mô phỏng ĐCPX bổ sung HHGH mới được xây dựng cùng chung phần mềm mô phỏng (công cụ Matlab/Simulink);

5 Chạy mô phỏng hệ thống điều khiển mới xây dựng điều khiển trực tiếp mô hình mô phỏng động cơ trên máy tính nhằm xác định các bộ tham số điều khiển nạp cho mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển;

6 Nạp các bộ tham số điều khiển vào ECM mới (ECM trắng) đồng thời tiến hành các thí nghiệm điều khiển động cơ thật trên bệ thử, hiệu chỉnh lại các bộ tham số điều khiển cho phù hợp khi điều khiển động cơ thật trên bệ thử;

7 Thực nghiệm hệ thống điều khiển động cơ mới xây dựng trên băng thử nhằm kiểm chứng khả năng điều khiển và đánh giá các thông số ảnh hưởng của HHGH bổ sung đến tính năng, kinh tế, kỹ thuật và phát thải của ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH

- Đối tượng nghiên cứu của luận án là ĐCPX Tuy nhiên, để thuận lợi và giảm thiểu chi phí trong quá trình thực hiện luận án, nghiên cứu sinh lựa chọn đối tượng nghiên cứu là động cơ phun xăng điện tử 3V i.e 150cm3, lắp trên xe máy Liberty 3V i.e 150 do hãng Piaggio chế tạo làm đối tượng thử nghiệm Đây là loại động cơ 4 kỳ, 1 xi lanh, 150 cm3, 3

xu páp, phun xăng điện tử trên đường ống nạp có kết cấu nhỏ gọn, phổ biến trên thị trường, sẵn có tại Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, trường Đại học Bách khoa Hà Nội

- Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong phòng thí nghiệm tại các chế độ làm việc ổn định của động cơ ở vùng tải nhỏ và trung bình tương ứng với điều kiện hoạt động của động cơ trên xe khi xe hoạt động trong điều kiện giao thông đô thị Các thí nghiệm được thực hiện tại các chế độ như sau:

+ Thí nghiệm thu thập các bộ thông số hoạt động để xây dựng và kiểm chứng mô hình

mô phỏng động cơ tại tốc độ 4500 và 5300 vg/ph với mô men có ích của động cơ lần lượt tại 2 và 3 Nm tương đương với vận tốc xe khoảng từ 30 đến 50 km/h (điều kiện thường xuyên hoạt động của xe khi lưu thông trong thành phố)

+ Thí nghiệm hiệu chỉnh các bộ thông số của mô hình động cơ và bộ thông số của mô hình hệ thống điều khiển

+ Thí nghiệm đối chứng so sánh, đánh giá kết quả hoạt động của động cơ ở chế độ ổn định tại vùng tải nhỏ, tải trung bình với độ mở bướm ga trong khoảng từ 10 ÷ 50% và thử nghiệm theo chu trình thử châu Âu cho xe máy trong thành phố ECE-R40

Quá trình nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Các trang thiết bị được sử dụng như: băng thử công suất động cơ DW-16 do Trung Quốc sản xuất; các trang thiết bị thí nghiệm của hãng AVL Cộng hòa Áo sản xuất Động cơ được điều khiển thông qua ECM MotoHawk chuyên dụng dùng trong nghiên cứu do hãng Woodward Mỹ sản xuất, có khả năng nạp dữ liệu điều khiển từ Matlab/Simulink bởi ứng dụng đi kèm MotoTune theo yêu cầu cụ thể của từng thí nghiệm

Phương pháp nghiên cứu của luận án là sự kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu mô phỏng và nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng đánh giá, cụ thể như sau:

- Nghiên cứu lý thuyết:

+ Tổng hợp và phân tích các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về sử dụng nhiên liệu hydro, giàu hydro bổ sung cho ĐCX làm cơ sở cho việc đưa ra các định hướng nghiên cứu một cách phù hợp đối với từng nội dung cụ thể của luận án

+ Nghiên cứu lý thuyết về phương pháp xây dựng mô hình động cơ làm cơ sở để xây dựng các sơ đồ thuật toán, ứng dụng các hàm điều khiển cho ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH

bổ sung tại các chế độ làm việc của động cơ

- Nghiên cứu mô phỏng:

+ Nghiên cứu ứng dụng Matlab/Simulink mô phỏng ĐCPX bổ sung HHGH làm cơ sở

để thiết kế hệ thống điều khiển ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH

+ Sử dụng phương pháp tối ưu để xác định các tham số của mô hình cháy trong quá trình xây dựng mô hình mô phỏng động cơ

- Nghiên cứu thực nghiệm:

+ Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm nhằm xác định bộ thông số kết cấu, các bộ thông số làm việc của động cơ để nạp cho mô hình mô phỏng ĐCPX bổ sung HHGH, đánh giá tính năng và phát thải của ĐCPX bổ sung HHGH so với động cơ nguyên bản + Thực nghiệm hiệu chỉnh các bộ tham số điều khiển nhằm xây dựng bộ thông số chuẩn cho hệ thống điều khiển ĐCPX 3V i.e 150 khi trang bị BXT tạo HHGH bổ sung + Thực nghiệm đánh giá tính năng, kinh tế và phát thải của động cơ 3V i.e 150 khi trang bị BXT tạo HHGH bổ sung với hai trường hợp là BXT làm việc và BXT không làm việc khi động cơ được điều khiển bởi hệ thống điều khiển mới xây dựng

- Luận án góp phần nâng cao năng lực làm chủ và phát triển các công nghệ chuyển đổi động cơ, thiết kế hệ thống điều khiển động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống sang sử dụng nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường

- Luận án đã làm rõ ảnh hưởng của HHGH được tạo ra bởi BXT đến tính năng, kinh tế và phát thải của ĐCPX khi được trang bị thêm BXT

- Luận án tìm ra được bộ thông số chuẩn về lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ, BXT và góc đánh lửa phù hợp với chế độ làm việc của động cơ khi BXT hoạt động và không hoạt động làm cơ sở cho nghiên cứu chuyển đổi cũng như nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH

- Luận án đưa ra được phương pháp xây dựng mô hình cháy của ĐCPX bổ sung HHGH dựa trên các số liệu thực nghiệm, qua đó xây dựng được mô hình mô phỏng động cơ làm việc theo thời gian thực giúp cho việc nghiên cứu điều khiển động cơ này được dễ dàng, làm tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về sử dụng nhiên liệu mới, nhiên liệu thay thế cho các động cơ hiện hành cũng như về phương pháp điều khiển loại động cơ này

- Kết quả nghiên cứu của luận án đáp ứng xu thế nghiên cứu phát triển ĐCĐT hiện nay là giảm phát thải độc hại gây ảnh hưởng đến môi trường, nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu truyền thống

- Từng bước nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế, nhiên liệu sạch, tiềm năng, thân thiện môi trường dùng cho ĐCĐT Ngoài ra, luận án còn là một giải pháp tận dụng nguồn năng lượng dư thừa trong khí thải để sấy nóng BXT

- Kết quả luận án góp phần nâng cao năng lực làm chủ và phát triển công nghệ chuyển đổi động cơ, lập trình điều khiển cho ECM nói chung và quy trình công nghệ điều khiển ĐCPX sang sử dụng nhiên liệu mới có thể áp dụng linh hoạt cho các động cơ đang lưu hành khắc phục tình trạng cạn kiệt nguồn năng lượng truyền thống trong tương lai

- Luận án là công trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam thực hiện thiết kế hệ thống điều khiển cho ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH bổ sung vào đường nạp động cơ Luận án đã đưa ra được cơ sở khoa học, phương pháp và quy trình thiết kế hệ thống điều khiển cho

ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu, cải thiện tính năng và giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường

- Thực hiện chuyển đổi thành công một ĐCPX lắp trên xe máy Liberty 3V i.e 150 hãng Piaggio sang thành ĐCPX sử dụng BXT tạo HHGH bổ sung đảm bảo không thay đổi nhiều

về kết cấu động cơ hiện hành Kết quả thử nghiệm cho thấy, tính kinh tế và phát thải của xe được cải thiện

- Kết quả của luận án có thể áp dụng vào việc thiết kế hệ thống điều khiển cho ĐCPX nói chung và ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH nói riêng nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường

viii 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 phun xăng điện tử sử dụng hỗn hợp giàu hydro và hệ thống điều khiển

- Chương 3 Động cơ phun xăng sử dụng hỗn hợp giàu hydro và mô hình mô phỏng

- Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm

- Kết luận chung và hướng phát triển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU

1.1 Vấn đề giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ xăng

Số lượng PTGT trên thế giới đã tăng một cách đột biến trong những năm qua Với sự phát triển mạnh mẽ đó dẫn tới nhu cầu về nhiên liệu cũng tăng lên một cách nhanh chóng, đặc biệt là trước bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch từ dầu mỏ đang dần bị cạn kiệt [1] Với nhu cầu về dầu mỏ như hiện nay, theo các báo cáo của cơ quan Năng lượng Quốc tế IEA năm 2008 và văn phòng Tổ chức kiểm soát năng lượng Vương quốc Anh (EWG) tại Đức cho biết, trữ lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ để cho con người sử dụng trong khoảng

42 năm tới Mặt khác, việc sử dụng nhiên liệu gốc hoá thạch đang xả thải ra môi trường một lượng lớn các chất độc hại ảnh hưởng trầm trọng đến môi trường sinh thái, sức khoẻ con người, gây ra hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu, trong đó phần lớn là do phát thải của phương tiện giao thông gây nên [3, 22] Hơn nữa, ảnh hưởng rõ rệt nhất của biến đổi khí hậu được thể hiện thông qua sự gia tăng các hiện tượng thời tiết cực đoan, bất thường cả về số lượng và cường độ trong những năm gần đây [4]

Đã có nhiều giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng của phát thải độc hại trong khí thải động

cơ được nghiên cứu ứng dụng, tuy nhiên mới chỉ được áp dụng trong một phạm vi rất hẹp

Vì vậy, cần phải tập trung nghiên cứu ứng dụng nhiều hơn nữa các hướng nghiên cứu về sử dụng nhiên liệu thay thế, nhiên liệu “sạch” thân thiện với môi trường hoặc ít gây ô nhiễm môi trường trong tương lai [23] Các loại nhiên liệu mới, nhiên liệu thay thế phải đảm bảo

có thể sử dụng thuận lợi trên ĐCĐT đang lưu hành mà không cần phải thay đổi nhiều về kết cấu động cơ Mặt khác, phải có trữ lượng đủ lớn, giá thành rẻ có thể bù đắp cho lượng nhiên liệu truyền thống đang bị thiếu hụt trong tương lai Để đáp ứng các yêu cầu đó có thể sử dụng các loại nhiên liệu tiềm năng như hydro, biogas, nhiên liệu khí thiên nhiên CNG, khí dầu mỏ hóa lỏng LPG, biodiesel, nhiên liệu sinh học cồn ethanol… Bên cạnh đó, xu hướng nghiên cứu nâng cao hiệu quả quản lý và sử dụng năng lượng, giảm phát thải của ĐCĐT hiện được nhiều nhà khoa học trên thế giới ưu tiên nghiên cứu, ứng dụng

Như đã trình bày trong phần mở đầu, đối tượng nghiên cứu của luận án là ĐCX, cụ thể

là ĐCPX hiện đang lưu hành Đây là ĐCĐT phổ biến nhất được trang bị trên xe con và xe máy, hoạt động chủ yếu tại các đô thị nên luôn được ưu tiên hàng đầu trong các nghiên cứu phát triển, đặc biệt trong giai đoạn cấp bách hiện nay Đối với động cơ đang lưu hành, nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng và giảm phát thải độc hại của động cơ cần phải đáp ứng được các tiêu chí như giữ nguyên mô men và công suất của động cơ, đồng thời hạn chế tối đa sự thay đổi về kết cấu của động cơ hiện hành Như vậy, cần phải nghiên cứu tìm ra các biện pháp tổng thể để giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải cho động cơ

1.2 Các biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải cho động

cơ xăng

Động cơ xăng hiện được dùng phổ biến trên xe máy và xe du lịch là những phương tiện giao thông đường bộ hoạt động chủ yếu trong thành phố Vì vậy, nghiên cứu giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải cho đối tượng này có ý nghĩa thực tiễn cao về giảm tiêu thụ nhiên liệu và bảo vệ môi trường đô thị

Để giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải cho ĐCX có rất nhiều biện pháp, trong đó có một số biện pháp chủ yếu sau đây, được chia thành hai nhóm chính [3]

1.2.1 Các biện pháp liên quan đến động cơ

- Điều chỉnh chính xác 

So với động cơ diesel (ĐCD) thì ĐCX có giới hạn cháy rất hẹp Do đó để kiểm soát chặt chẽ các thành phần này nên sử dụng các biện pháp điều chỉnh chính xác  tức là nhằm định lượng chính xác lượng nhiên liệu tuỳ thuộc vào lượng không khí nạp Sau đây là một

số biện pháp cụ thể thường được sử dụng

+ Sử dụng bộ chế hoà khí điện tử hoặc hệ thống phun xăng thay cho bộ chế hoà khí cơ khí thông thường Ngoài tác dụng điều chỉnh chính xác , những hệ thống thay thế này còn

có khả năng cắt hoàn toàn nhiên liệu khi động cơ bị kéo (khi phanh xe hay xuống dốc) nên vừa giảm ô nhiễm do thành phần HC chưa cháy rất lớn, vừa giảm đáng kể lượng tiêu thụ nhiên liệu

+ Hạn chế tối đa sự khác biệt về  giữa các xi lanh bằng các biện pháp như: sử dụng

hệ thống phun xăng đa điểm thay cho phun đơn điểm để có  đồng đều giữa các xi lanh; hạn chế tối đa sự hình thành màng xăng trong ống nạp bằng sấy nóng đường nạp và tạo xoáy không khí quanh vòi phun; tạo xoáy lốc trong xi lanh từ quá trình nạp kết hợp với phun nhiên liệu trong khi mở xupap nạp; thiết kế đường ống nạp - thải với sức cản và đặc tính dao động

áp suất như nhau…

+ Thiết kế động cơ dùng hòa khí nghèo: khi  > 1, tức là hòa khí nghèo thì các thành phần độc hại như CO và NOx giảm đi Tuy nhiên, do giới hạn cháy của hỗn hợp xăng với không khí rất hẹp nên để mở rộng giới hạn này phải sử dụng những biện pháp đặc biệt Điển hình là phương pháp hình thành hòa khí phân lớp (Stratified Mixture Formation) được áp dụng trong động cơ phun xăng trực tiếp (GDI Engine - Gasoline Direct Injection Engine) Bản chất của phương pháp này là tạo ra hòa khí không đồng nhất trong xi lanh và bố trí bugi tại vị trí hòa khí có hệ số  xấp xỉ 1 Khi bugi bật tia lửa điện, phần hòa khí này sau khi bốc cháy sẽ làm mồi để đốt hòa khí còn lại có thành phần  lớn (hòa khí nghèo)

- Phát triển hệ thống đánh lửa tiên tiến

+ Tăng năng lượng đánh lửa Về mặt lý thuyết, năng lượng đánh lửa E tăng sẽ ảnh hưởng tích cực đến diễn biến quá trình cháy Cụ thể, E tăng tới 30  50 mJ có thể mở rộng giới hạn của hệ số dư lượng không khí  thêm 0,2  0,3 về phía nghèo

+ Hệ thống đánh lửa kép với hai lần đánh lửa nối tiếp nhau Ưu điểm của hệ thống này

là quá trình cháy diễn ra êm và ổn định (khi so sánh giữa các chu kỳ), khởi động chắc chắn

và đốt được hỗn hợp nghèo Ngoài ra, so với hệ thống đánh lửa thông thường, năng lượng đánh lửa yêu cầu không lớn nên tuổi thọ của bugi tăng

+ Bugi có khoảng cách giữa hai điện cực rất lớn, đến 1,5 mm nhằm mục đích tăng chiều dài tia lửa

+ Bugi plasma đang ở giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm

- Cắt bớt xi lanh ở chế độ tải nhỏ

Ở chế độ tải nhỏ, lượng khí nạp mới ít, hệ số khí sót lớn, quá trình cháy không tốt nên chất lượng khí thải kém và suất tiêu thụ nhiên liệu cao Khi đó có thể cắt bớt một số xi lanh không làm việc Những xi lanh còn lại sẽ làm việc ở chế độ tải cao với tính kinh tế và phát thải tốt hơn

- Giảm tổn thất công hút

Các kết quả nghiên cứu cho thấy, ĐCX thông thường có hiệu suất khá thấp so với ĐCD ở các chế độ tải nhỏ và tải trung bình, nguyên nhân là do sự tồn tại của bướm ga gây

ra tổn thất công hút lớn

Theo John B Heywood [24], các tổn thất trong ĐCX thông thường ở tải nhẹ tại vùng tốc độ thấp đến trung bình như sau: trục khuỷu từ 10 ÷ 15%; nhóm piston - thanh truyền từ

25 ÷ 30%; dẫn động xu páp từ 10 ÷ 15%; các bộ phận phụ từ 10 ÷ 15% và nạp khí từ 30 ÷ 45% (Hình 1.1a)

Một nghiên cứu khác của SATO và cộng sự tại công ty Honda R&D, Nhật Bản khi đánh giá các dạng tổn thất của ĐCX cho thấy, ngoài các tổn thất do ma sát của nhóm piston

- thanh truyền từ 20,3 ÷ 27,8% và một số tổn thất khác thì tổn thất cho quá trình nạp khí của ĐCX cũng khoảng từ 35 ÷ 40% (Hình 1.1b) [25]

a) Tỉ lệ các tổn thất trong ĐCĐT [24] b) Tỉ lệ các tổn thất theo tốc độ trong ĐCX [25]

Hình 1.1 Tỉ lệ các tổn thất trong động cơ đốt trong

Do đó, để giảm tổn thất công hút cho ĐCX, hiện nay có thể thực hiện một số biện pháp dưới đây

+ Dùng hệ thống Valvetronic điều khiển hành trình hiệu dụng của xu páp nạp, qua đó

để điều khiển lượng hỗn hợp nạp vào xi lanh thay cho bướm ga như ĐCX thông thường Trên động cơ loại này, bướm ga chỉ được sử dụng khi khởi động và cho chức năng dự phòng khẩn cấp Trong tất cả các trạng thái hoạt động khác, bướm ga được mở lớn hoàn toàn nên giảm được tổn thất công hút Động cơ dùng Valvetronic có thể tiết kiệm được khoảng 10% nhiên liệu so với các ĐCX thông thường có cùng dung tích xi lanh

+ Nâng cao giới hạn cháy nghèo cho ĐCX: Khi động cơ hoạt động ở chế độ tải nhỏ và trung bình, do bướm ga mở nhỏ nên gây ra tổn thất công hút lớn sẽ làm giảm hiệu suất của động cơ Vì vậy, khi nâng cao giới hạn cháy nghèo cho ĐCX ở vùng tải này, khi đó để giữ nguyên được công suất thì bướm ga của động cơ sẽ mở rộng hơn sẽ giảm được tổn thất công hút, nhờ đó hiệu suất của động cơ sẽ được nâng lên

- Dùng động cơ hybrid

Trên xe lắp động cơ đốt trong và một máy điện hoạt động ở hai chế độ động cơ và máy phát Ở chế độ thông thường, ví dụ chạy trên xa lộ, ĐCĐT truyền lực cho bánh xe và kéo máy phát điện nạp cho ắc qui Khi chạy trên đường thành phố chỉ dùng động cơ điện sử dụng điện năng do ắc qui cung cấp nên không gây ô nhiễm môi trường đô thị Những lúc cần công

suất lớn có thể dùng cả hai động cơ Ngoài ra, khi xe phanh, một phần năng lượng phanh sẽ được tận dụng để phát điện nạp ắc qui

- Sử dụng nhiên liệu thay thế

Khi sử dụng nhiên liệu thay thế nhiên liệu gốc hóa thạch góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường Một số nhiên liệu thay thế chủ yếu dùng cho ĐCX được trình bày dưới đây

+ Cồn (alcohol) có cấu trúc phân tử CnH2n + 2 - i(OH)i được sản xuất từ nguyên liệu sinh học như sắn, mía có thể sử dụng làm nhiên liệu cho ĐCĐT Do hàm lượng các bon trong nhiên liệu thấp hơn so với xăng và có nguồn gốc sinh học (tái sinh) nên phát thải CO2 ít hơn dẫn tới giảm hiệu ứng nhà kính Ngoài ra, hàm lượng NOx nhỏ hơn do nhiệt độ quá trình cháy thấp hơn Đồng thời, do tỉ lệ các bon trong nhiên liệu nhỏ hơn và hàm lượng ô xy trong hỗn hợp cao hơn nên muội than cũng ít hơn Ngoài ra, do chỉ số octan cao nên có thể tăng được tỷ số nén Tuy nhiên, do nhiệt trị thấp hơn xăng (chỉ bằng 62% nhiệt trị của xăng) nên làm giảm công suất động cơ

+ Nhiên liệu khí Nhiên liệu khí chủ yếu dùng trong động cơ là khí hoá lỏng Liquified

Petroleum Gas (LPG) và khí thiên nhiên nén Compressed Natural Gas (CNG), khí sinh vật (Biogas), khí tổng hợp (Syngas), khí hydro Khí thải động cơ khi dùng nhiên liệu khí ít độc hại hơn so với dùng xăng do thành phần các bon trong nhiên liệu ít hơn và thành phần hydro nhiều hơn Ngoài ra nhiên liệu ở dạng khí dễ dàng hòa trộn với không khí tạo thành hòa khí

và cháy tốt hơn nên phát thải độc hại ít hơn so với khi dùng xăng Đặc biệt, khi dùng hydro, khí thải chỉ là hơi nước nên rất sạch

1.2.2 Xử lý khí thải

Xu hướng chung trên thế giới là các tiêu chuẩn kiểm soát khí thải ngày càng ngặt nghèo hơn để bảo vệ môi trường Để thoả mãn các tiêu chuẩn hiện hành của châu Âu, Mỹ và Nhật gần như bắt buộc phải sử dụng các biện pháp xử lý khí thải Đối với ĐCX hiện nay thường

sử dụng phổ biến bộ xử lý xúc tác ba đường (Three-Ways Catalytic Converter) Bộ xử lý này có thể đồng thời xử lý tới hơn 90% các chất độc hại chính là CO, HC và NOx với điều kiện hòa khí được điều chỉnh giữ cho  = 1 với sự trợ giúp của cảm biến 

Qua các phân tích ở trên cho thấy: đối với ĐCX, giải pháp tăng giới hạn cháy nghèo

là biện pháp khả thi và hiệu quả đã được động cơ GDI khẳng định Khi tăng giới hạn cháy nghèo cho ĐCX làm việc với λ>1 thì bướm ga phải mở rộng để tăng lượng không khí nạp vào xi lanh động cơ, nhờ bướm ga mở rộng nên giảm được tổn thất công hút qua bướm ga làm tăng hiệu suất của động cơ [26, 27] Hơn nữa, khi làm việc với hòa khí nghèo thì phát thải của động cơ như CO, HC và NOx cũng được cải thiện [28, 29]

Đối với đối tượng nghiên cứu của luận án là ĐCPX hiện đang lưu hành cho thấy, giải pháp để giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải gây ô nhiễm môi trường đối với các động cơ này thì lựa chọn nâng cao giới hạn cháy nghèo cho động cơ ở vùng tải nhỏ và tải trung bình

là phương án khả thi Mặt khác, sử dụng khí HHGH với thành phần chính là hydro như một dạng phụ gia cho nhiên liệu truyền thống có thể giúp mở rộng  về phía nghèo cũng tương đối thuận lợi Thêm nữa, việc sử dụng HHGH thực hiện nâng cao giới hạn cháy nghèo, giảm phát thải độc hại sẽ hạn chế được các biện pháp kỹ thuật phức tạp để cải tiến về kết cấu của động cơ Từ các nhận định ban đầu cho thấy, cần phải khảo sát kỹ hơn nữa về tình hình sử dụng nhiên liệu hydro cũng như HHGH cho ĐCX

1.3 Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hydro cho động cơ xăng

1.3.1 Bổ sung hydro cho động cơ xăng

Hydro là chất khí không màu, không mùi, không vị với khối lượng phân tử là 2,016 và

là nguyên tố nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học Hydro là nguyên tố phổ biến nhất tồn tại trên trái đất ở dạng hợp chất với các nguyên tố khác như nước, hydrocacbon hoặc các hợp chất khác Do đó, để có được nhiên liệu hydro cần phải tách hydro từ các nguồn

sơ cấp chứa hydro với nhiều công nghệ khác nhau Các phương pháp phổ biến hiện nay được

áp dụng để sản xuất hydro như phương pháp điện phân [21, 30], quang hóa [31, 32] hoặc nhiệt hóa với chất xúc tác để tách hydro từ nước hoặc từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau (Hình 1.2) [5, 33] Một số tính chất quan trọng của nhiên liệu hydro so với một số nhiên liệu khác được thể thiện ở Bảng 1.1

Hình 1.2 Các nguồn nguyên liệu sản xuất và các lĩnh vực sử dụng hydro [5]

Bảng 1.1 Thông số cơ bản của một số nhiên liệu [9, 34, 35]

Tỉ trọng tại 1 atm và 0oC (kg/m3) 0,09 0,72 2 7 3 5

Hệ số khuyếch tán vào không khí (cm2/s) 0,61 0,189 - 0,05 Giá trị nhiệt trị cao HHV (MJ/kg) 141,7 55,5 49,3 46,4 Giá trị nhiệt trị thấp LHV (MJ/kg) 119,7 45,8 46,4 44,79 Giá trị nhiệt trị thấp LHV (kJ/mol) 240 810 2002 4840

Tỉ lệ hòa khí tiêu chuẩn A/F (%m) 34,3 17,2 15,6 14,6

Giới hạn cháy (% thể tích hơi nhiên liệu) 4÷75 4,3÷15,0 2,2÷9,5 1,4÷7,6

Tính chất Hydro CNG LPG Xăng

Năng lượng đánh lửa tối thiểu (mJ) 0,017 0,28 0,3 0,25

Hydro là nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường, có nhiều tiềm năng của tương lai [36, 37] Hydro có thể được sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu cho ĐCĐT ở dạng hydro lỏng (nhiệt độ hóa lỏng là -259,2oC) hoặc ở dạng khí nén (áp suất bình chứa lên tới

700 bar) [38], phản ứng cháy của hydro với không khí chỉ tạo ra nước nên phát thải của động

cơ sử dụng nhiên liệu hydro không gây ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính [39, 40]

Từ Bảng 1.1 cho thấy hydro có ưu điểm như nhiệt độ tự cháy lớn, trị số ốc tan cao, tính chống kích nổ tốt nên cho phép nâng cao được tỷ số nén của động cơ nhờ đó hiệu suất của động cơ được tăng lên Ngoài ra, hydro cháy rất nhanh, tốc độ lan tràn màng lửa lớn, khả năng khuyếch tán tốt và năng lượng đánh lửa yêu cầu thấp do đó động cơ ít nhạy cảm với sự thay đổi tốc độ nên có thể tăng công suất động cơ một cách dễ dàng nhờ nâng cao tốc độ làm việc của động cơ Thêm nữa, giới hạn cháy của hydro rất rộng ( = 0,14  10) nên động cơ

có thể làm việc với hỗn hợp siêu nghèo giúp nâng cao được tính năng, kinh tế nhiên liệu và phát thải của động cơ [41, 42] Tuy nhiên, nhiên liệu hydro cũng có một số nhược điểm so với xăng và diesel là có tỉ trọng trong hỗn hợp với không khí rất thấp, nhiệt trị mole thấp nên khi chuyển đổi từ ĐCX sang chạy hoàn toàn bằng nhiên liệu hydro cấp vào đường nạp thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều (Hình 1.3) [43, 44]

Không những vậy, khi động

cơ chạy với hỗn hợp có tỉ lệ hòa khí

tiêu chuẩn =1 thì nhiệt độ buồng

cháy rất cao gây phát thải NOx lớn

[45], đồng thời dễ xảy ra hiện tượng

cháy sớm Chính vì các lý do kể trên

nên hydro thường được ưu tiên sử

dụng như một phụ gia cho nhiên liệu

truyền thống, ứng dụng trên cả động

cơ đánh lửa cưỡng bức và động cơ

diesel giúp mở rộng giới hạn cháy

nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng

nhiên liệu, giảm phát thải độc hại

của động cơ gây tác động xấu đến

môi trường [14, 46]

Hình 1.3 Công suất có ích tại bánh xe khi sử dụng

xăng và hydro ở chế độ toàn tải, λ=1,6 [43]

- GS Changwei Ji và cộng sự tại Trường Đại học Công nghệ Bắc Kinh, Trung Quốc

đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hydro bổ sung vào đường nạp ĐCPX làm giàu hỗn hợp ở các chế độ như hỗn hợp nghèo; hỗn hợp nghèo giới hạn [41, 13] Đây

là các nghiên cứu tiền đề cho việc sử dụng hydro, HHGH cho ĐCPX Các thí nghiệm được tiến hành trên ĐCPX 4 kỳ, 4 xi lanh, 1,6 lít, phun xăng điện tử trên đường ống nạp, sơ đồ thí nghiệm được giới thiệu trên Hình 1.4

Hình 1.4 Sơ đồ thí nghiệm bổ sung hydro cho động cơ phun xăng điện tử [41]

1 Bình chứa hydro; 2 Van điều chỉnh áp suất; 3 Thiết bị đo áp suất; 4 Thiết bị đo lưu lượng hydro;

5 Van chống cháy ngược; 6 Vòi phun hydro; 7 Bướm ga; 8 Thiết bị đo lưu lượng khí nạp; 9 Van không tải; 10 ECU nguyên bản; 11 ECU phụ; 12 Máy tính điều khiển; 13 Bình nhiên liệu; 14 Bộ

đo nhiên liệu; 15 Bơm nhiên liệu; 16 Vòi phun nhiên liệu; 17 Mô đun đánh lửa; 18 Bugi có gắn cảm biến áp suất; 19 Cảm biến góc quay trục khuỷu; 20 Bộ khuếch đại; 21 Bộ biến đổi A/D; 22

Bộ phân tích đặc tính cháy; 23 Cảm biến ôxy; 24 Thiết bị tính toán A/F; 25 Đầu lấy mẫu khí thải;

26 Bộ phân tích khí thải; a, b1, b2 Đường tín hiệu

Hệ thống phun xăng nguyên bản của động cơ được giữ nguyên, khí hydro tích áp điều chế từ quá trình điện phân nước được bổ sung qua vòi phun hydro lắp cuối đường nạp Mặt khác, hệ thống điều khiển được trang bị thêm ECU phụ kết nối đồng thời với cả ECU nguyên bản và máy tính để điều khiển động cơ trong quá trình thí nghiệm

+ Chế độ hỗn hợp nghèo [41]:

Tại n=1400 vg/ph, áp suất tuyệt đối

đường nạp MAP=61,5 kPa và góc

đánh lửa sớm SA=22oCA Kết quả

cho thấy, hiệu suất nhiệt có ích của

động cơ đạt 26,4% tại =1,09 khi sử

dụng xăng nguyên bản tăng lên lần

lượt tương ứng 28,2% tại =1,26 và

31,6% tại =1,31 khi bổ sung 3 và

6% hydro Như vậy, nhờ đặc tính

cháy của động cơ được cải thiện khi

bổ sung hydro vào đường nạp nên

hiệu suất nhiệt của động cơ tăng lên

đáng kể và duy trì tương đối ổn định

khi tăng λ (Hình 1.5) Hình 1.5 Diễn biến hiệu suất nhiệt có ích theo λ [41]

Do ảnh hưởng của hydro, góc cháy trễ tương ứng tỉ lệ 10% hỗn hợp đã cháy (10% MFB) và góc cháy chính tương ứng 90% MFB giảm khi tăng tỉ lệ hydro bổ sung (Hình 1.6a, b) Hiện tượng cháy trễ giảm, góc đánh lửa sớm cũng được giảm đi và khi λ tăng do hỗn hợp

bị nhạt làm giảm tốc độ cháy Sự cháy được cường hóa khi bổ sung hydro làm cho hỗn hợp cháy tập trung gần điểm chết trên với tỉ lệ lớn, hiện tượng cháy rớt giảm dẫn tới giảm tổn thất nhiệt cho thành vách xi lanh Hiệu suất của động cơ tăng khi bổ sung hydro, hiệu ứng cháy sát vách giảm làm giảm lượng HC, nhiệt độ cháy tăng nên phát thải NOx tăng Hỗn

hợp loãng, thừa ô xy và nhiệt độ cháy cao làm cho CO bị ôxy hóa thành CO2 nên CO giảm Mặt khác, hydro không chứa các bon, lượng xăng cung cấp cho chu trình giảm, lượng khí nạp giảm khi được bổ sung hydro, nên phát thải CO2 cũng giảm theo

Hình 1.6 Diễn biến góc cháy trễ (a), cháy chính (b) tương ứng 10% và 90% MFB theo  [41]

+ Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm [47]: n=1400 vg/ph, MAP=61,5kPa, tỉ lệ hydro

bổ sung là 0 và 3% lần lượt tương ứng tại λ=1,2 và 1,4 SA thay đổi từ 14 ÷ 50oCA, bước nhảy 2oCA Kết quả cho thấy, hiệu suất nhiệt chỉ thị ITE (ITE - Indicated Thermal Efficiency) ban đầu tăng, sau đó giảm dần khi tăng SA (Hình 1.7a) Khi SA tăng, pcylmax sẽ tiến gần điểm chết trên nên Tcylmax và pcylmax đều tăng, đặc biệt là khi bổ sung hydro (Hình 1.7b) Nếu SA tăng lên quá cao sẽ làm cho ITE bị giảm do hiệu quả sinh công giảm Khi SA tăng làm cho góc cháy trễ 10% MFB bị kéo dài trong khi đó góc cháy chính 90% MFB thì ngắn lại Phát thải HC có xu hướng tăng khi tăng SA ở trường hợp không bổ sung hydro và đặc biệt tăng nhanh khi tăng λ do hỗn hợp cháy không tốt

Hình 1.7 Diễn biến của hiệu suất nhiệt chỉ thị (a) và áp suất cực đại trong xi lanh (b) theo λ [47]

- Theo nghiên cứu của F.Yüksel và M.A.Ceviz [42] tại trường đại học Atatürk, Thổ Nhĩ Kỳ đã thí nghiệm bổ sung hydro vào đường nạp của ĐCPX 4 xi lanh, 1,8 lít Ford MVH-

418 Kết quả thu được cũng tương đồng với các nghiên cứu ở trên Hiệu suất nhiệt của động

cơ được cải thiện, cụ thể tăng từ 38,1% khi dùng xăng lên 41,9; 44 và 43,8%, đồng thời suất

tiêu thụ năng lượng giảm từ 215,78 (g/kW.h) xuống còn 200,11; 190,58 và 194,58 (g/kW.h)

tương ứng lần lượt với lưu lượng hydro bổ sung là 0,129; 0,168 và 0,208 kg/h (Hình 1.8)

Nhờ tốc độ cháy nhanh, giới hạn cháy rộng của hydro đã nâng cao được giới hạn cháy nghèo nên suất tiêu thụ năng lượng của động cơ giảm khoảng 11,5%

Hình 1.8 Suất tiêu thụ năng lượng của động cơ ứng với các tỉ lệ

bổ sung hydro khác nhau theo tốc độ động cơ [42]

- Một nghiên cứu khác của M Akif Ceviz cùng cộng sự [48] cũng thực hiện trên động

cơ Ford MVH-418 tại 2000 vg/ph khi bổ sung hydro vào đường nạp với các giá trị λ thay đổi từ 1,0 ÷ 1,3 nhằm nghiên cứu tính năng và phát thải của động cơ Kết quả cho thấy, với các tỉ lệ hydro bổ sung 2,14%, 5,28% và 7,74% theo thể tích, hiệu suất nhiệt của động cơ tăng lần lượt tương ứng 4%, 18% và 14% và suất tiêu thụ năng lượng giảm xuống lần lượt

là 3%, 12% và 6% so với động cơ sử dụng xăng nguyên bản (Hình 1.9a, b)

Hình 1.9 Quan hệ giữa hiệu suất nhiệt (a), suất tiêu thụ năng lượng (b) của động cơ

ở các tỉ lệ bổ sung hydro khác nhau theo λ [48]

Khi đốt cháy hòa khí nghèo hơn hòa khí chuẩn (λ=1) nhiệt lượng tạo ra thấp hơn, phần lớn nhiên liệu được đốt cháy trong giai đoạn cháy nhanh nên tổn thất nhiệt thấp, do đó hiệu suất nhiệt của động cơ tăng và suất tiêu thụ năng lượng giảm Tuy nhiên, do hydro có mật độ rất thấp nên ảnh hưởng đến mật độ năng lượng của hỗn hợp, dẫn tới ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt của động cơ và tỉ lệ 5,28% hydro bổ sung cho hiệu suất nhiệt cao nhất so với các trường hợp còn lại (Hình 1.9a) Về phát thải cũng tương đồng với các nghiên cứu [41, 13] ở trên, phát thải CO giảm khi tăng  do nhiệt độ cháy cao, đồng thời khi tăng  làm tăng lượng ôxy dư tạo điều kiện thuận lợi để ôxy hóa CO thành CO2 Kết quả cũng cho thấy ảnh hưởng

của hydro tới phát thải CO là không nhiều Phát thải HC giảm xuống khi λ tăng, cụ thể HC giảm 10%; 13% và 14%, tương ứng với tỉ lệ bổ sung hydro là 2,14%; 5,28% và 7,74% Do khả năng khuếch tán của hydro tốt nên độ đồng nhất của hỗn hợp được cải thiện, khoảng dập lửa của hydro nhỏ, tốc độ cháy nhanh nên hỗn hợp cháy triệt để hơn làm HC giảm Tuy nhiên, nhiệt độ và áp suất trong xi lanh tăng cao làm NOx tăng, cụ thể phát thải NOx tăng 22%; 91% và 117%, lần lượt tương ứng với tỉ lệ 2,14%; 5,28% và 7,74% hydro bổ sung

- Theo nghiên cứu của T D’Andrea và cộng sự [49] tại trường đại học Windsor Canada

sử dụng hỗn hợp khí nén có tỉ lệ 98% không khí, 2% hydro và phối hợp với khí nén để tạo

ra hỗn hợp có tỉ lệ 0%; 1% và 2% hydro cấp vào đường nạp của động cơ đã được cải tiến Đối tượng thử nghiệm là động cơ 2 xi lanh, 4 kỳ, dung tích 570 cm3 Tỉ lệ hòa khí được đánh giá thông qua tỉ lệ hòa khí tương đương ϕ (ϕ=1/λ) tại các chế độ thí nghiệm Kết quả cho thấy, khi bổ sung hydro mô men của động cơ tăng lên Cụ thể, ứng với các các điểm có ϕ > 0,85 mô men động cơ chỉ tăng khoảng 1Nm khi bổ sung 2% hydro, cao hơn một chút so với độ không ổn định mô men động cơ là 0,4Nm Kết quả cũng cho thấy, tại các trường hợp ϕ < 0,85 mô men động cơ tăng khoảng 5Nm khi bổ sung hydro tại mỗi điểm thí nghiệm Tương

tự các nghiên cứu trên, góc cháy trễ 10% MFB và góc cháy chính 90% MFB của động cơ đều giảm khi bổ sung hydro, đặc biệt là ở chế độ hỗn hợp nghèo Tuy nhiên, khi tỉ lệ hòa khí tiến gần tới giới hạn hòa khí tiêu chuẩn λ=1 thì sự thay đổi này là không nhiều

- Nghiên cứu của Z Dülger tại Đại học Kocaeli và K.R Özçelik [30] thuộc công ty ứng dụng hydro Thổ Nhĩ Kỳ sử dụng thiết bị Hydrogas điện phân nước thành hydro ngay trên các xe thử nghiệm cung cấp trực tiếp vào đường nạp động cơ Thiết bị có lưu lượng lớn nhất đạt 20 lít/giờ được lắp đặt trên 4 mẫu xe thử nghiệm khác nhau trong điều kiện giao thông ở thành phố Kết quả thử nghiệm tính trên đơn vị quãng đường 100 km cho thấy lượng nhiên liệu tiêu thụ của các xe đều giảm đáng kể, cụ thể xe Volvo 940 (đời 1993) từ 10,5 lít giảm xuống còn 6 lít, tức giảm 43%; Mercedes 280 (đời 1996) giảm từ 11 lít xuống 7 lít tức giảm 36%; Fiat Kartal (đời 1992) giảm 26% từ 9,5 lít xuống còn 7 lít khi bổ sung hydro và Fiat Doğan (đời 1992) giảm từ 9 lít xuống 6 lít, tương ứng 33% Cùng với đó là các thành phần phát thải như CO và HC giảm khoảng từ 40 ÷ 50% tuỳ thuộc vào loại động cơ Ngoài

ra, không nhận thấy sự thay đổi nào về gia tốc, mô men và công suất tối đa trong khi đó hệ thống tiết kiệm 35 - 40% nhiên liệu

- Luận án tiến sĩ kỹ thuật (TSKT) của Cao Văn Tài (2015) [21] đã sử dụng khí HHO điện phân từ nước bổ sung vào đường nạp ĐCX dùng chế hòa khí xe Honda Wave Thí nghiệm được thực hiện tại các chế độ 30; 50 và 70% độ mở bướm ga trong dải tốc độ động

cơ từ 3200 ÷ 7600 vg/ph ở hai trường hợp là bổ sung HHO và bổ sung HHO kết hợp với không khí Hệ thống cung cấp nhiên liệu chế hòa khí; hệ thống đánh lửa CDI nguyên bản của động cơ được giữ nguyên, lượng HHO bổ sung được EHC điều khiển phụ thuộc vào độ

mở bướm ga và tốc độ động cơ Sơ đồ thí nghiệm được giới thiệu trên Hình 1.10

Kết quả cho thấy ở chế độ tải thấp 30% độ mở bướm ga có sự thay đổi thể hiện rõ nhất, công suất và mô men động cơ tăng lần lượt 3,68% và 3,48%; suất tiêu hao năng lượng giảm 7,14% Các phát thải HC; CO giảm trung bình lần lượt là 11,68%; 13,21% Phát thải CO ở 70% bướm ga giảm trung bình là 14,24% NOx tăng trung bình là 40,60% ở 30% độ mở bướm ga và tăng tới 44,77% ở 70% độ mở bướm ga do nhiệt độ cháy tăng Tuy nhiên, góc đánh lửa sớm chưa được điều khiển cho phù hợp với lượng HHO cung cấp nên hiệu quả đạt được chưa cao Ngoài ra, cần phải tiếp tục nghiên cứu giải pháp tạo HHO trực tiếp trên xe thì động cơ mới có thể hoạt động trong thời gian dài được

Từ các nghiên cứu trên cho thấy, sử dụng nhiên liệu hydro ở dạng phụ gia đã giúp cải

khó khăn về quá trình sản xuất, vận chuyển, bảo quản, an toàn và tích trữ đủ lượng hydro cần thiết cho động cơ hoạt động lâu dài gặp nhiều khó khăn, nhất là các động cơ trang bị trên PTGT nên hydro tinh khiết thường không được sử dụng trực tiếp trên ĐCĐT mà thay vào đó người ta sử dụng khí giàu hydro (HHGH) để thay thế hydro tinh khiết [8, 50, 16]

Hình 1.10 Sơ đồ thử nghiệm bổ sung HHO cho động cơ xăng xe máy dùng chế hóa khí [21]

1.3.2 Bổ sung hỗn hợp khí giàu hydro cho động cơ xăng

Khí giàu hydro là khí tổng hợp, một nguyên liệu sơ cấp dùng để sản xuất hydro tinh khiết còn được gọi là syngas Tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu, phương pháp sản xuất khác nhau mà tỉ lệ hydro có thể chiếm từ 35 ÷ 75% thể tích hỗn hợp, còn lại là CO, CO2, CH4 và một tỉ lệ nhỏ các thành phần khí khác [18, 33] Khí hỗn hợp giàu hydro (sau đây thống nhất gọi chung là HHGH) ít được dùng cho pin nhiên liệu do có nhiều thành phần tạp chất, CO

có trong HHGH gây hại cho pin nhiên liệu polymer… [38, 51] Tuy nhiên, khi được trộn lẫn với hỗn hợp xăng và không khí cung cấp cho ĐCX, HHGH lại được sử dụng rất thuận lợi, các thành phần khí tạp chất khác ngoài hydro vẫn có thể cháy tốt cùng hỗn hợp trong xi lanh động cơ Một ưu điểm rất lớn là HHGH có thể được tạo ra trực tiếp trên động cơ một cách

dễ dàng, liên tục nhờ biện pháp sử dụng chất xúc tác biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu gốc (ở đây

là xăng) với giá thành phù hợp [52] Vì vậy, HHGH sẽ rất thuận lợi khi được dùng làm nhiên liệu bổ sung cho động cơ thay vì phải sử dụng hydro tinh khiết với chi phí quá cao mà vẫn cải thiện được đặc tính và phát thải của động cơ

1.3.2.1 Bổ sung hỗn hợp giàu hydro từ ô xy hóa không hoàn toàn nhiên liệu

Phương pháp ô xy hóa không hoàn toàn nhiên liệu (PO - Partially Oxidative reformer) Đây là quá trình đốt cháy nhiên liệu chứa hydro ở điều kiện thiếu ô xy trong BXT, nhiệt độ BXT thường khá cao, 900 ÷ 1100oC Phương pháp này có hệ số biến đổi nhiên liệu thấp, quá trình cháy tỏa nhiệt mạnh, hàm lượng H2 tạo ra trong sản phẩm của PO tương đối thấp Phương trình phản ứng chung của quá trình PO được thể hiện tại biểu thức (1.1) [18]

CnHmOr + a(0,21O2 + 0,79N2) → bCO + cCO2 + dH2 + eN2 + Q (1.1)

- Theo nghiên cứu của Enrico Conte và cộng sự khi bổ sung HHGH vào đường nạp động cơ 2 xi lanh, 4 kỳ, 505 cm3 đã cải tiến thành ĐCPX [53] HHGH chứa trong bình tích

áp có tỉ lệ thể tích là 21% H2; 24% CO và 55% N2 tương đương HHGH được tạo ra trực tiếp trên động cơ bởi BXT bằng phương pháp PO Các thí nghiệm tiến hành tại 2000 vg/ph; 2bar Bmep với góc đánh lửa sớm được hiệu chỉnh để đạt mô men có ích cao nhất MBT (MBT - Maximum Brake Torque) Hỗn hợp xăng được thay thế dần bằng HHGH với tỉ lệ từ 0 ÷ 100% năng lượng cung cấp cho động cơ ở 3 trường hợp thử nghiệm

+ Trường hợp thứ nhất, đánh giá khả năng cháy tại λ=1, không có luân hồi khí xả EGR (EGR - Exhaust Gas Recirculation): Khi thay thế dần xăng bằng HHGH cho thấy, quá

trình cháy ngày càng ổn định khi tăng tỉ lệ HHGH, hệ số biến thiên áp suất chỉ thị trung bình COVimep (COVimep - Coefficient Of Variation in indicated mean effective pressure) giảm khoảng 3 lần khi tỉ lệ thay thế đạt 100% Ngoài ra, khi tăng tỉ lệ HHGH cả góc cháy trễ; góc cháy chính đều giảm, tốc độ cháy; tốc độ tỏa nhiệt tăng làm cho áp suất cực đại trong xi lanh

pcylmax tăng lên tương ứng, góc đánh lửa sớm (SA - Spark Advance) phải giảm xuống để đạt

được mô men yêu cầu và tránh hiện tượng kích nổ của động cơ

+ Trường hợp thứ 2, xác định giới hạn cháy nghèo: Kết quả cho thấy, tại vùng lân cận

COVimep = 10%, giới hạn cháy nghèo của động cơ đạt tới giá trị λ≈2,15 với tỉ lệ thay thế 100% HHGH Khi tăng tỉ lệ HHGH khả năng châm cháy của hỗn hợp tăng lên, hỗn hợp cháy nhanh hơn nên thời gian cháy giảm đi, như vậy về mặt lý thuyết thì SA cần được giảm xuống Tuy nhiên, λ tăng khả năng cháy của hỗn hợp giảm, SA lại cần phải tăng lên, hệ quả làm cho

pcylmax ngày một ngày một tăng và gần điểm chết trên hơn khi tăng SA và λ

+ Trường hợp thứ 3, xác định tỉ lệ EGR giới hạn tại λ=1: Khi tăng tỉ lệ thay thế HHGH

làm cho tỉ lệ khí luân hồi tăng, kết quả làm cho khả năng cháy của hỗn hợp bị giảm đi do tỉ

lệ pha loãng của khí xả luân hồi lớn Như vậy, cần phải tăng SA làm cho vị trí đạt pcylmax

cũng có xu hướng ngày một gần điểm chết trên và hệ quả làm cho pcylmax tăng theo

Kết quả cũng cho thấy, hiệu suất có ích của động cơ tăng lên khi tăng tỉ lệ HHGH thay thế hỗn hợp xăng Ở trường hợp thứ nhất hiệu suất động cơ tăng 13,5% so với động cơ nguyên bản với tỉ lệ HHGH thay thế tươpng ứng 100% HHGH Với hai trường hợp còn lại hiệu suất có ích của động cơ đều tăng 34% [53]

- Koichi Ashida và các cộng sự [54, 16] nghiên cứu phát triển và thử nghiệm BXT lắp trên hệ thống EGR nhằm mục đích mở rộng giới hạn EGR, cải thiện đặc tính và nâng cao hiệu suất của động cơ khi hệ thống EGR hoạt động (Hình 1.11a) Lượng xăng phun vào BXT được tính toán mô phỏng tỉ lệ với lượng hơi nước có trong dòng khí xả ở nhiệt độ cao sẽ tạo

ra HHGH với các thành phần chính là H2, CO và CH4 bổ sung cho động cơ (Hình 1.11b)

a) Sơ đồ lắp đặt BXT tạo HHGH

trên hệ thống EGR b) Nguyên lý tạo HHGH trong BXT

Mô phỏng và thực nghiệm trên ĐCX 1 xi lanh 553 cm3 ở 1200 vg/ph nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng đơn chất, hợp chất được tạo ra bởi BXT và mức độ suy giảm hiệu suất của chất xúc tác cho thấy: Mê tan làm giảm tốc độ cháy lên tới 1,2% khi tăng lượng

mê tan thay thế lên tương ứng 10% nhiệt lượng cung cấp, trong khi đó với cùng tỉ lệ thay thế, mức độ cải thiện tốc độ cháy của hydro lên tới 18,3% Ảnh hưởng của CO đến tốc độ cháy là không nhiều Kết quả cũng chỉ ra rằng, tác dụng của HHGH được tạo ra trực tiếp trên động cơ có khả năng mở rộng giới hạn EGR với mức độ tương tự như bổ sung một mình hydro HHGH có thể cải thiện mô men động cơ và suất tiêu thụ nhiên liệu như hydro tinh khiết trong một số điều kiện hoạt động, giới hạn kích nổ được mở rộng tăng 6 độ nhờ tác dụng chống kích nổ của hydro

1.3.2.2 Bổ sung hỗn hợp giàu hydro từ ô xy hóa nhiên liệu bằng plasma

- Johney Boyd Green và cộng sự [50] đã sử dụng thiết bị Microplasmatron đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu bằng tia lửa ở điều kiện thiết ô xy trong môi trường ion hóa để ô

xy hóa một phần nhiên liệu trực tiếp trên động cơ, tạo HHGH HHGH được tạo ra có tỉ lệ thể tích 20% CO - 3,5% CO2 - 0,5% CH4 - 16% H2 - 60% N2 - 0,5% CnHm sau khi được làm mát đến nhiệt độ phòng sẽ bổ sung trực tiếp vào đường nạp của động cơ Động cơ General Motors Quad -4, 2,3 lít được dùng cho thí nghiệm ở hai chế độ: 2300 vg/ph, 4,2 bar Bmep

và 1500 vg/ph, 2,6 bar Bmep với góc đánh lửa sớm MBT Tỉ lệ HHGH bổ sung tương ứng khoảng 4% ở 2300 vg/ph và khoảng 9% ở 1500 vg/ph tính theo nhiệt trị nhiên liệu Kết quả cho thấy giới hạn cháy nghèo của động cơ tăng, hệ số biến thiên áp suất chỉ thị trung bình COVimep giảm đáng kể trong cả 2 trường hợp, thậm chí ở tốc độ 2300 vg/ph tỉ lệ HHGH

bổ sung chiếm một phần rất nhỏ (Hình 1.12a) Tuy nhiên, hiệu suất nhiệt của động cơ bị giảm do tiêu hao năng lượng cho thiết bị Microplasmatron, khi tăng tỉ lệ bổ sung HHGH hiệu suất của động cơ sẽ tăng (Hình 1.12b)

Hình 1.12 Diễn biến của COV Imep (a) và hiệu suất nhiệt (b) theo ϕ [50]

Do hydro cháy nhanh, giới hạn cháy rộng, hiệu ứng cháy sát vách nhỏ nên phát thải

HC cũng giảm khoảng từ 20 đến 30%, hiệu quả sẽ lớn hơn khi tăng tỉ lệ HHGH bổ sung (Hình 1.13a) Giới hạn cháy nghèo của động cơ được mở rộng dẫn đến phát thải NOx giảm đáng kể, nhất là trong khoảng COVImep từ 3 đến 5% (Hình 1.13b) Các kết quả tương tự cũng có thể đạt được khi sử dụng EGR ở tải cao

Hình 1.13 Diễn biến phát thải HC (a) và NOx (b) theo COVimep [50]

- Edward J Tully và John B Heywood [8] sử dụng hai loại HHGH khác nhau thay thế cho HHGH được tạo ra bởi thiết bị plasmatron bổ sung cho ĐCX (Hình 1.14) Khí thứ nhất đại diện cho HHGH plasmatron lý tưởng có tỉ lệ 25% H2 - 26% CO và 49% N2 Khí thứ hai

là khí plasmatron điển hình có thành phần 23% H2 - 21% CO - 52% N2 và 4% CO2 Thí nghiệm được thực hiện trên động cơ 1 xi lanh, 4 xu páp ở tốc độ 1500 vg/ph tại áp suất chỉ thị trung bình Imep=350kPa Tỉ lệ HHGH bổ sung được thay đổi tương đương 10; 20 và 30% nhiên liệu được so sánh với trường hợp động cơ sử dụng đơn nhiên liệu xăng

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên tắc tạo HHGH bằng plasmatron trên động cơ [8]

Kết quả nghiên cứu cũng tương đồng với kết luận của Enrico Conte và cộng sự [53], khi bổ sung HHGH thời gian cháy trễ, cháy chính của động cơ đều giảm, tổn thất công hút giảm và giới hạn cháy nghèo tăng Quá trình cháy xảy ra tương đối ổn định khi λ thay đổi Hiệu suất tại điểm cao nhất đạt được khi sử dụng HHGH lý tưởng khoảng 32%, cao hơn so với HHGH điển hình Hiệu suất tại điểm cao nhất của toàn bộ hệ thống khi sử dụng HHGH

lý tưởng tăng khoảng 12,3% so với động cơ nguyên bản sử dụng hòa khí tiêu chuẩn Kết quả cũng cho thấy, tại điểm hiệu suất cao nhất phát thải NOx giảm 94% (165ppm so với 2800ppm), phát thải HC giảm 6% và ảnh hưởng của CO đến quá trình cháy là không đáng

kể Tương tự nghiên cứu [50], để nâng cao hiệu suất của động cơ chỉ có thể thực hiện bằng cách tăng tỉ lệ HHGH bổ sung để bù lại tổn thất do sử dụng thiết bị plasmatron

1.3.2.3 Bổ sung hỗn hợp giàu hydro từ biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước

- Luận án TSKT của Phạm Ngọc Anh thực hiện tại Trường ĐHBK Hà Nội (2017) [18],

đã nghiên cứu chế tạo, lắp đặt BXT Ni-0309S tận dụng nhiệt khí xả biến đổi nhiệt hóa xăng

và hơi nước (quá trình SR - Steam Reforming) tạo HHGH bổ sung trực tiếp vào đường nạp ĐCX dùng chế hòa khí xe máy Honda Wave-α Thực nghiệm đối chứng được thực hiện ở

cùng chế độ tải và tốc độ trong hai trường hợp khi BXT làm việc và BXT không làm việc tại 70 và 100% độ mở bướm ga, tốc độ động cơ thay đổi từ 4000 ÷ 6000 vg/ph, nhiệt độ làm việc của BXT được duy trì trong khoảng từ 650 đến 700oC Hệ thống cung cấp nhiên liệu chế hòa khí, hệ thống đánh lửa CDI của động cơ nguyên bản được giữ nguyên, lượng HHGH bổ sung được tính toán và hiệu chỉnh phù hợp theo từng chế độ thử nghiệm bằng cách điều chỉnh lượng xăng và lượng nước cấp cho BXT thông qua các van tiết lưu điều chỉnh bằng cơ khí (Hình 1.15)

So với động cơ dùng xăng nguyên bản, khi bổ sung HHGH ở 70% tải cho thấy công suất động cơ trung bình tăng 2,68%, mức tiêu hao nhiên liệu trung bình giảm 8,22%, mức giảm trung bình của CO đạt 87% và của HC khoảng 50%, tuy nhiên NOx tăng 4 lần trên toàn dải tốc độ thử nghiệm với tỉ lệ bổ sung HHGH là 2,5% lưu lượng khí nạp Ở chế độ 100% tải, công suất động cơ giảm 1,27%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm khoảng 6,5%, phát thải CO và HC giảm tương ứng 74% và 29%, trong khi NOx tăng hơn gấp 8 lần so với động

cơ nguyên bản Ở nghiên cứu này chưa tối ưu hóa được góc đánh lửa theo tỉ lệ HHGH bổ sung tại các chế độ thử nghiệm

Hình 1.15 Sơ đồ thí nghiệm tạo HHGH bổ sung cho ĐCX dùng chế hòa khí [18]

- Theo GS.TS Lê Anh Tuấn và cộng sự tại Trường ĐHBK Hà Nội trong khuôn khổ đề tài tiềm năng cấp nhà nước mã số KC.05.TN05/11-15 [55] đã nghiên cứu tạo khí HHO từ quá trình điện phân nước và tạo HHGH từ BXT tận dụng nhiệt khí xả biến đổi nhiệt hóa một phần nhiên liệu cùng hơi nước bổ sung vào đường nạp ĐCX dùng chế hòa khí nhằm đánh giá tác động của HHGH đến tính năng và phát thải của động cơ Kết quả cho thấy, công suất; suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải của trường hợp tạo HHGH bằng BXT có ưu điểm hơn phương pháp điện phân nước từ nguồn năng lượng bên ngoài Mặt khác, tận dụng nguồn

năng lượng dư thừa của khí xả để tạo HHGH trực tiếp trên động cơ có ý nghĩa khoa học và

ý nghĩa thực tiễn cao

Từ các nghiên cứu tổng quan trên cho thấy, khả năng nâng cao giới hạn cháy nghèo sử dụng HHGH mang lại hiệu quả tương tự như bổ sung hydro tinh khiết Tuy nhiên, tùy thuộc vào đặc điểm của mỗi phương pháp tạo HHGH khác nhau mà kết quả đạt được cũng khác nhau Việc tạo ra HHGH bằng công nghệ plasma có ưu điểm là khả năng đáp ứng nhanh, tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là tiêu hao năng lượng khá lớn cho hoạt động của thiết bị plasma, làm giảm hiệu suất của động cơ Ngoài ra, khi thiết bị này hoạt động còn gây nhiễu sóng điện từ rất mạnh [8, 50] Nếu sử dụng phương pháp điện phân nước có ưu điểm

là công nghệ đơn giản, dễ dàng nhưng có nhược điểm là không tách được hydro ra khỏi ôxy nên mức độ mất an toàn cao Thêm nữa, thiết bị này tiêu hao khá nhiều điện năng và cồng kềnh nên khó thiết kế lắp đặt trực tiếp trên động cơ [55, 14] Sử dụng BXT biến đổi nhiệt hóa một phần nhiên liệu với hơi nước tận dụng nhiệt khí xả là một giải pháp khả thi và hiệu quả do tận dụng được nguồn nhiệt dư thừa khá lớn của khí thải (khoảng từ 22 đến 46% nhiệt lượng nhiên liệu đưa vào động cơ), kết cấu nhỏ gọn thuận lợi cho việc lắp đặt trực tiếp trên động cơ Tuy nhiên, sử dụng các BXT thông thường có nhược điểm là để đảm bảo hiệu suất chuyển hóa thì nhiệt độ làm việc của BXT yêu cầu khá cao, khoảng 650÷700oC [18, 56, 57] Nhằm nghiên cứu phát triển công nghệ tạo khí HHGH từ xăng bằng BXT tận dụng nhiệt khí xả biến đổi nhiệt hóa một phần nhiên liệu cung cấp cho động cơ cùng hơi nước tạo khí HHGH bổ sung từ đề tài tiềm năng KC.05.TN05/11-15, GS.TS Lê Anh Tuấn tiếp tục thực hiện đề tài cấp Nhà nước mã số KC.05.24/11-15 Tác giả Lê Anh Tuấn và cộng sự đã nghiên cứu phát triển hệ xúc tác lưỡng kim 18wt.%Ni0,5-Cu0,5/γ-Al2O3 có nhiệt độ làm việc thấp (khoảng 500-550oC) với hiệu suất chuyển hóa và tỉ lệ hydro có trong HHGH cao [58, 52] Kết quả cho thấy, với tỉ lệ mol của hơi nước/cacbon của nhiên liệu (kí hiệu là S/C) tối

ưu được lựa chọn S/C=0,9 (tương đương với tỉ lệ 2 gam nước/ 1 gam xăng được phun vào BXT) do tại đó hàm lượng hydro có trong thành phần của HHGH đạt tỉ lệ cao, sự hình thành

CH4 giảm trong khi tỉ lệ CO và CO2 không thay đổi nhiều tại 550oC (Hình 1.16a) Với tỉ lệ S/C=0,9 và nhiệt độ BXT thay đổi từ 500 đến 750oC hiệu suất chuyển hóa của hơi xăng thay đổi từ 38,1 đến gần 100%; nồng độ CO2 giảm nhẹ từ 15,1% xuống còn 9,4% và nồng độ CO thay đổi không đáng kể (7%), trong khi đó nồng độ CH4 tăng từ 6,9% lên 21,2% Hàm lượng

H2 giảm từ 71% đến 61,8% khi nhiệt độ BXT tăng từ 500 lên 750oC (Hình 1.16b) Kết quả cũng cho thấy, hiệu suất chuyển hóa của BXT tại 550oC đạt tỉ lệ 42,6% xăng và 12,2% nước

có thể chuyển đổi thành HHGH với hàm lượng: 70,6%H2; 7,4%CO; 15,3%CO2 và 6,7%CH4

Hình 1.16 Tỉ lệ phân bố sản phẩm tương ứng với tỉ lệ mol S/C=0,9 tại 550 o C (a),

hiệu suất chuyển đổi xăng và phân bố sản phẩm theo nhiệt độ bộ xúc tác (b) [52]

Qua nghiên cứu ban đầu cho thấy, việc hạ thấp nhiệt độ làm việc giúp cho BXT có thể đáp ứng tốt yêu cầu cho cả ĐCX dùng chế hòa khí và ĐCPX trong dải làm việc từ tải nhỏ, tải trung bình, thậm chí cho đến cả các chế độ tải cao hơn của động cơ Ở các chế độ tải đó thông thường nhiệt độ khí xả đã đạt khoảng từ 500 đến 650oC Trong khoảng nhiệt độ trên, hiệu suất chuyển hóa của BXT khá cao, hàm lượng hydro có trong HHGH được tạo ra tương đối ổn định để bổ sung cho động cơ (Hình 1.16b)

1.4 Hướng tiếp cận của luận án

Từ kết quả nghiên cứu phát triển BXT lưỡng kim 18wt.%Ni0,5-Cu0,5/γ-Al2O3 trong khuôn khổ đề tài KC.05.24/11-15 cho thấy, việc ứng dụng BXT này lên ĐCPX xe máy là hoàn toàn khả thi, đây là loại PTGT đường bộ phổ biến tại thị trường Việt Nam, trang bị BXT sẽ giúp nâng cao hiệu suất, giảm tiêu thụ nhiên liệu đồng thời nâng cao chất lượng khí thải Tuy nhiên, khi trang bị BXT tạo HHGH bổ sung vào đường nạp ĐCPX sẽ làm thay đổi thành phần và lượng khí nạp đi vào động cơ do HHGH chiếm chỗ ECU nguyên bản sẽ tính toán sai lượng phun cần thiết, kết quả sẽ tạo ra hỗn hợp cháy có tỉ lệ không phù hợp với chế độ làm việc hiện tại của động cơ Mặt khác, khi bổ sung HHGH sẽ tác động làm thay đổi đặc tính cháy, góc đánh lửa sớm cũng như tốc độ tỏa nhiệt và áp suất trong xi lanh động cơ Không những thế, khi trang bị BXT, ECU cần phải điều khiển thêm các vòi phun xăng, vòi phun nước và giám sát nhiệt độ của BXT để hiệu chỉnh lượng xăng phun; lượng nước tối ưu cấp cho BXT làm việc để đạt được hiệu quả chuyển hóa tạo HHGH cao nhất tại BXT Do

đó, hệ thống điều khiển nguyên bản của ĐCPX không còn phù hợp, cần phải thiết kế lại hệ thống điều khiển mới cho phù hợp với ĐCPX khi được trang bị thêm BXT tạo khí HHGH Đây chính là phần nội dung phải thực hiện của nghiên cứu sinh khi tham gia thực hiện đề tài cấp Nhà nước KC.05.24/11-15, đó cũng là nội dung chính cần thực hiện của luận án

Để thiết kế hệ thống điều khiển, thông thường hiện nay người ta thực hiện bằng hai phương pháp sau:

- Thiết kế hệ thống điều khiển trực tiếp trên động cơ thật: Phương pháp này thường

được các hãng sản xuất ô tô, xe máy áp dụng để thiết kế hệ thống điều khiển cho động cơ mới khi nghiên cứu phát triển động cơ, quá trình thiết kế được thực hiện trực tiếp trên băng thử công suất động cơ Với phương pháp này, phần cứng của bộ điều khiển (ECU) được thiết kế đầu tiên, bằng cách tiến hành thực nghiệm động cơ trực tiếp trên băng thử sẽ xác định được các bộ thông số hoạt động nạp vào ECU điều khiển động cơ Nếu thực hiện theo phương

án này, cần phải tiến hành thí nghiệm tại tất cả các chế độ và điều kiện hoạt động khác nhau của động cơ để xây dựng được các bộ thông số chuẩn; các bộ thông số hiệu chỉnh cho quá trình hoạt động của động cơ như: mối quan hệ giữa lượng khí nạp và lượng xăng phun yêu cầu ứng với các tốc độ và các chế độ tải khác nhau; mối quan hệ giữa tốc độ động cơ và góc đánh lửa; mối quan hệ của lượng nhiên liệu phun, nhiệt độ động cơ, hệ số λ Phương pháp này có ưu điểm là các bộ tham số điều khiển, các bảng số liệu đạt độ chính xác cao, tuy nhiên nhược điểm là thời gian chạy thử nghiệm động cơ trên bệ thử bị kéo dài dẫn tới chi phí cho thử nghiệm rất tốn kém Thêm nữa, các công việc chuẩn bị cho quá trình lắp đặt; vận hành thí nghiệm mất nhiều thời gian làm cho tổng thời gian thực hiện bị kéo dài Do đó, phương pháp này ít được dùng trong trong nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển động cơ Thay vào đó, người ta ưu tiên áp dụng phương pháp dưới đây để xây dựng hệ thống điều khiển trong quá trình nghiên cứu phát triển động cơ

- Thiết kế hệ thống điều khiển gián tiếp thông qua mô hình mô phỏng động cơ: Ở

phương pháp này, đầu tiên động cơ được đưa vào thử nghiệm nhằm xác định các bộ thông

số đầu vào cho việc xây dựng mô hình mô phỏng động cơ làm việc theo thời gian thực, đồng thời bộ thông số này cũng được sử dụng làm căn cứ để đánh giá độ tin cậy của mô hình động

cơ sau khi mô phỏng Mô hình động cơ sau khi kiểm chứng đảm bảo độ tin cậy sẽ được dùng làm đối tượng điều khiển thay thế cho động cơ thật Bước tiếp theo là thiết kế hệ thống điều khiển trực tiếp trên mô hình mô phỏng động cơ thay vì điều khiển động cơ thật trên bệ thử công suất động cơ, từ đó sẽ xây dựng và tối ưu hóa được các bộ tham số điều khiển Chương trình điều khiển sau khi xây dựng, tối ưu bằng mô phỏng sẽ được nạp vào ECM trắng để điều khiển động cơ thật trên bệ thử nhằm hiệu chỉnh lại các bộ tham số điều khiển cho phù hợp với động cơ thực Phương pháp thứ hai này có ưu điểm tính khoa học cao, độ chính xác của các bộ tham số và chương trình điều khiển phụ thuộc vào độ chính xác của mô hình mô phỏng động cơ Nếu mô hình mô phỏng động cơ càng chính xác thì chi phí thực nghiệm hiệu chỉnh chương trình điều khiển càng giảm, rút ngắn thời gian nghiên cứu phát triển mà vẫn đảm bảo tính chính xác khi phát triển hệ thống điều khiển mới cho động cơ

Từ các phân tích ở trên cho thấy, phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển dựa trên

mô hình mô phỏng động cơ làm việc theo thời gian thực có ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn cao, hơn nữa với phương pháp này sẽ giảm thiểu được thời gian nghiên cứu và chi phí thực hiện luận án Mặt khác, đề tài cấp Nhà nước KC.05.24/11-15 được trang bị bộ điều khiển ECM Motohawk trắng hiện đại, chuyên dụng dùng trong nghiên cứu phát triển, bộ điều khiển này cho phép lập trình nhúng chương trình điều khiển bằng ngôn ngữ Matlab/Simulink, rất thuận tiện cho việc thiết kế, nạp và hiệu chỉnh tối ưu trực tiếp chương trình điều khiển xây dựng dựa trên mô hình mô phỏng động cơ làm việc theo thời gian thực trong quá trình thí nghiệm Do đó, trong luận án này nghiên cứu sinh lựa chọn phương pháp thứ hai để thiết kế hệ thống điều khiển cho ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH Ngoài ra, đặc biệt chú ý đến giải pháp nâng cao giới hạn cháy nghèo cho động cơ ở các chế độ tải nhỏ, tải trung bình để giảm tổn thất công hút, tăng tính kinh thế nhiên liệu và giảm phát thải cho động cơ Thêm nữa, từng bước tiếp cận, giải mã công nghệ thiết kế hệ thống điều khiển động

cơ, giảm kinh phí, rút ngắn thời gian thực hiện luận án

Các công việc thực hiện luận án sẽ tiến hành theo những bước như sau:

- Thực nghiệm động cơ để thu thập bộ số liệu phục vụ cho việc xây dựng và đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng động cơ;

- Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ làm việc theo thời gian thực;

- Xây dựng chương trình điều khiển trực tiếp trên mô hình mô phỏng động cơ;

- Nạp chương trình điều khiển mới xây dựng vào ECM và hiệu chỉnh lại các bộ tham

số điều khiển cho phù hợp với động cơ thật trên băng thử;

- Thí nghiệm hệ thống điều khiển mới, đánh giá kết quả điều khiển của hệ thống trên ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH

1.5 Tổng quan về xây dựng mô hình động cơ

Mô phỏng là một phương pháp được sử dụng nhiều trong nghiên cứu, phân tích đối tượng chuẩn bị cho việc thiết kế hệ thống Thực hiện mô phỏng sẽ giảm chi phí thiết kế chế tạo, tránh được những sai sót không đáng có khi ứng dụng thực tế Mô hình động cơ được xây dựng với mục đích là dự đoán trước về tính năng hoạt động, hiệu suất động cơ và các biến số khó đo lường Mô phỏng động cơ cho phép giảm bớt số lần thực nghiệm, nhờ đó giảm được các chi phí cho quá trình thực nghiệm động cơ trên băng thử Ban đầu, các mô hình động cơ được sử dụng chủ yếu để thiết kế cải tiến động cơ Tuy nhiên, kể từ khi ứng

dụng điều khiển điện tử được ứng dụng đưa vào kiểm soát các quá trình hoạt động của ĐCĐT

đã xuất hiện nhiều loại mô hình điều khiển mới, nhiều phương pháp điều khiển khác nhau

đã được nghiên cứu ứng dụng trong những năm qua Những nghiên cứu này được phát triển

từ những bộ điều khiển rất tổng quát dựa trên mô hình mô phỏng đối tượng cần điểu khiển

để phát triển thành những mô hình hệ thống điều khiển chuyên dụng

Theo nghiên cứu [59], mô hình mô phỏng động cơ có thể được chia ra như sau:

- Mô hình hướng điều khiển (Model-based control design): mô hình này còn được gọi

là mô hình trung bình, thường được sử dụng khi thuật toán điều khiển hoặc chẩn đoán cần

mô hình của động cơ hoặc mô hình của hệ thống để tính toán Do việc kiểm soát và chẩn đoán dựa vào mô hình động cơ nên giúp cho bộ điều khiển dự đoán được các thông số điều khiển theo thời gian với các biến đầu vào thay đổi khi không có cảm biến đo đạc như: lượng nhiên liệu phun, độ mở van EGR Mô hình này yêu cầu phải tuân thủ các thuật toán điều khiển, do đó thường được sử dụng mô phỏng các hệ thống nhỏ gọn thành phần

- Mô hình điều khiển và mô hình động cơ chung phần mềm mô phỏng (Software in the loop simulation - SiL) Hệ thống điều khiển cần một phần mềm mô phỏng để kiểm tra các thuật toán điều khiển khi không có phần cứng (off-line) Bằng biện pháp này cho phép kiểm tra, khảo sát phản ứng của động cơ với các thông số hiệu chỉnh, các thông số điều khiển trước khi thực hiện thí nghiệm Với mô hình này yêu cầu các thông số làm việc của động cơ

mô phỏng phải gần sát với động cơ thực như dao động mô men, dao động tốc độ theo các

kỳ làm việc của động cơ…, đồng thời tốc độ tính toán phải nhanh nhằm đảm bảo tính thời gian thực trong thiết kế bộ điều khiển

- Mô hình thời gian thực (Real-time model): Các mô hình động cơ thời gian thực rất cần thiết cho mô phỏng phần cứng và phát triển các hệ thống nhúng theo thời gian thực (Hardware in the loop - HiL) Nó được đặc trưng bởi việc vận hành các thành phần thực kết hợp với các thành phần mô phỏng theo thời gian thực Mục tiêu của mô phỏng HiL là để kiểm tra phần cứng thực trên các phần tử được mô phỏng để tránh các thí nghiệm có chi phí cao trên các đối tượng thử nghiệm Ví dụ, HiL có thể bao gồm 1 máy tính kết nối với bộ điều khiển ECU, ECU này điều khiển và nhận tín hiệu từ card chuyên dụng mô phỏng động cơ, card này được kết nối với máy tính mô phỏng động cơ theo thời gian thực, thông qua phương pháp này có thể kiểm tra được phản ứng của phần cứng (Hình 1.17) Thông thường, một số

cơ cấu chấp hành là thực còn quá trình và các bộ cảm biến chỉ là mô phỏng Lý do là cơ cấu chấp hành và phần cứng điều khiển thường là một hệ thống tích hợp con hoặc do cơ cấu chấp hành rất khó được mô hình hoá chính xác và mô phỏng trong khoảng thời gian thực

Hình 1.17 Mô hình làm việc theo thời gian thực [60]

Qua phân tích đặc điểm của 3 loại mô hình mô phỏng ở trên, nghiên cứu sinh lựa chọn

mô hình SiL để mô phỏng động cơ bởi vì đặc điểm của mô hình này rất thuận lợi để thiết kế

mô phỏng mô hình điều khiển sau này trên cùng một phần mềm (công cụ) mô phỏng Hiện nay dựa vào cơ sở tính toán chu trình nhiệt động, đã có nhiều phần mềm tính toán, mô phỏng mạnh được áp dụng vào nghiên cứu phát triển ĐCĐT Tùy theo đặc điểm yêu cầu của đối tượng được mô phỏng và khả năng đáp ứng của từng phần mềm để có thể lựa chọn phần mềm mô phỏng sao cho đạt được hiệu quả cao nhất Một số phần mềm thông dụng hiện nay như: AVL Boost, MC90-V, Ricado WARE, Engine Analyzer, GT-Power,

Matlab Simulink được dùng nhiều trong mô phỏng ĐCĐT

Phần mềm AVL Boost: là một ứng dụng trong bộ phần mềm chuyên dụng nghiên cứu

về ĐCĐT khá nổi tiếng được hãng ALV- Cộng hòa Áo nghiên cứu phát triển từ năm 1992 AVL Boost rất mạnh về tính toán các quá trình nhiệt động trong động cơ và dòng chảy Phần mềm đã được sử dụng tại nhiều nước có ngành công nghiệp ôtô phát triển, ngoài ra cũng được các hãng ôtô nổi tiếng ưu tiên sử dụng trong nghiên cứu phát triển ĐCĐT AVL Boost

có khả năng mô phỏng ĐCĐT tương đối đa dạng với nhiều chủng loại nhiên liệu khác nhau,

từ động cơ sử dụng đơn đến động cơ sử dụng đa nhiên liệu Đồng thời nó có khả năng tính toán thiết kế, tối ưu hóa các quá trình làm việc của động cơ, cũng như phân tích đánh giá các tính năng làm việc, tính năng kỹ thuật và đặc biệt là phát thải của ĐCĐT

Phần mềm Ricardo Wave: Phần mềm Ricardo Wave được phát triển bởi tập đoàn

Ricardo toàn cầu có trụ sở chính đặt tại Anh quốc Ricardo Wave được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới trong các lĩnh vực công nghiệp bao gồm giao thông đường bộ, đường sắt, thể thao, hàng hải Phần mềm cho phép thực hiện các mô phỏng hiệu suất, âm thanh, quá trình hoạt động của động cơ, các thông số động lực học động cơ Mô phỏng quá trình cháy nhiên liệu và thành phần khí xả Phân tích nhiệt động lực học trong quá trình cháy của nhiên liệu trong buồng đốt và nhiệt độ trong hệ thống xả Mô phỏng động lực học và hệ thống truyền động của những loại động cơ khác nhau Đây là một phần mềm mô phỏng mạnh được nhiều

tổ chức và các nhà khoa học trong và ngoài nước sử dụng

Phần mềm GT-Power: là phần mềm ứng dụng được nhiều nhà sản xuất động cơ sử

dụng trong nghiên cứu thiết kế và phát triển động cơ với sự đa dạng về kích cỡ và chủng loại Cơ sở dữ liệu của phần mềm khá phong phú, phù hợp với các loại động cơ lắp trên ô

tô, xe máy, xe thể thao, tàu biển, đầu máy xe lửa, động cơ máy phát điện, máy khai thác mỏ, nông nghiệp Phần mềm này cho phép mô phỏng và phân tích được hầu hết các quá trình trong ĐCĐT GT-Power được sử dụng để dự đoán như: công suất, mô men, tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất turbine tăng áp…

Các phần mềm mô phỏng kể trên đều rất mạnh, chú trọng mô phỏng sâu vào các quá trình nhiệt động; cơ chế hình thành phát thải của động cơ, các quá trình động lực học, có khối lượng tính toán lớn nên khó đảm bảo tính thời gian thực khi thiết kế hệ thống điều khiển Mặt khác, các công cụ hỗ trợ để kết nối và giao tiếp với các bộ điều khiển (ECM) có quy chuẩn, xuất xứ ngoài hãng phần mềm sẽ gặp không ít những khó khăn so với những bộ điều khiển đã được quy chuẩn đồng bộ theo phần mềm mô phỏng của hãng sản xuất

Như đã trình bày ở trên, đề tài KC.05.24/11-15 được trang bị ECM MotoHawk trắng chuyên dụng dùng trong nghiên cứu cùng trình biên dịch MotoTune của hãng Woodward

cho phép lập trình mô phỏng từ Matlab/Simulink, biên dịch nạp trực tiếp toàn bộ chương trình điều khiển vào ECM MotoHawk để điều khiển động cơ Như vậy, sử dụng ECM MotoHawk trắng sẽ bỏ qua được bước trung gian là viết lại code chương trình điều khiển giao tiếp giữa ECM và phần mềm mô phỏng như trước đây Việc viết lại code điều khiển sẽ làm mất đi tính thời gian thực của hệ thống điều khiển cũng như kéo dài thời gian thực hiện