Hcmute nghiên cứu đánh giá và đề xuất phương án thu hồi nhiệt phát thải từ động cơ ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM NGHIÊN CỨU ÐÁNH GIÁ VÀ ÐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN THU HỒI NHIỆT PHÁT THẢI TỪ ÐỘNG CƠ Ô TÔ Mã số: T2013-73 Chủ nhiệm dề tài: GV KS Lê Quang Vũ S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2013 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN THU HỒI NHIỆT PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ Ô TÔ Mã số: T2013-73 Chủ nhiệm đề tài: GV.KS Lê Quang Vũ TP HCM, 11/2013 Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN THU HỒI NHIỆT PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ Ô TÔ Mã số: T2013-73 Chủ nhiệm đề tài: GV.KS Lê Quang Vũ TP HCM, 11/2013 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Chương TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, ô tô sử dụng động đốt phương tiện di chuyển chủ yếu người với số lượng ngày phát triển Điều có nghĩa người sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch với tốc độ ngày tăng Nhưng nguồn nhiên liệu hóa thạch giới ngày cạn kiệt hiệu suất động ô tô chưa cao Theo ước tính trung bình lượng Hoa Kỳ hiệu suất động đạt khoảng 30%, phần cịn lại phát thải 40% qua khí xả 30% qua hệ thống làm mát Như ngày uổng phí tới 40% tổng lượng nhiên liệu phần lượng phát thải đốt cháy hoàn toàn chuyển thành nhiệt thải ngồi mơi trường Bên cạnh đó, với phát triển khoa học kỹ thuật, phụ tải điện ô tơ ngày tăng địi hỏi tỷ lệ nhiên liệu hóa thạch chuyển thành điện lớn Chính việc nghiên cứu, đánh giá đề xuất phương án thu hồi nhiệt phát thải cần thiết 1.2 Tình hình ngh iên cứu và ngoài nước Trong nước có cơng trình nghiên cứu thu hồi nguồn nhiệt từ khí xả động ô tô Tuy nhiên lĩnh vực hàng hải có cơng trình nghiên cứu thu hồi nhiệt khí thải sử dụng với mục đích cấp nhiệt cho nồi tính tốn chạy máy lạnh Trên tạp chí khoa học cơng nghệ hàng hải số 21-01/2010 đăng tải cơng trình: “Nồi tận dụng nhiệt khí xả động Diesel tàu thủy kiểu MODUYN” nhóm tác giả PGS-TS Lê Viết Lượng, NCS Nguyễn Ngọc Hải - Khoa đóng tàu, Trường Đại Học Hằng Hải PGS-TS Phạm Lê Dần - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Trong cơng trình này, nhóm tác gi ả phân tích tất nồi sử dụng nghiên cứu đề xuất nồi kiểu MODUYN Kết thử nghiệm cho thấy với nồi có kích thước 1750x1250x1100, động hoạt động 15 phút, áp T2013-73 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ suất nồi đạt kg/cm2 , nhiệt độ khí xả chênh lệch qua nồi 100 oC Như nhiệt độ khí thải thu hồi tái sử dụng với tiềm cao Trên giới gần có dịch chuyển hướng nghiên cứu nâng cao hiệu suất động đốt sang tái sử dụng nguồn nhiệt phát thải Từ năm 2004, lượng Hoa Kỳ bắt đầu quan tâm đến lượng nhiệt phát thải tơ Chính họ đưa chương trình phát triển cơng nghệ thu nhiệt từ khí xả động tơ kéo dài cho phịng thí nghiệm, trường đại học viện nghiên cứu quốc gia Chương trình kéo dài tới cuối năm 2012 nghiệm thu với hai cơng trình tiêu biểu tương đối thành cơng tiếp tục phát triển Cơng trình thứ mang tên: “Thermoelectric Waste Heat Recovery Program for Passenger Vehicles” nhóm tác giả Douglas T Crane, John W LaGrandeur, đến từ National Renewable Energy Laboratory kết hợp với Caltech University Cấu trúc thu nhiệt mô tả Hình 1.1 Hình 1.1: Mặt cắt cấu trúc thu nhiệt Đây cơng trình tham gia báo cáo năm 2012 lượng Mỹ đầu tư từ năm 2004 với số kinh phí đến 12 triệu USD vốn từ DOE triệu USD, triệu USD lại đến từ nguồn đầu tư khác có BWM Ford Thời gian hoàn thành kéo dài từ tháng10 năm 2004 tới tháng năm 2011 Hình 1.2: Đặc tuyến kết thí nghiệm T2013-73 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Cơng trình chủ yếu tập trung phát triển chế thu hồi nhiệt phát thải cách chế tạo máy phát nhiệt điện đặt đường ống xả, sử dụng cặp vật liệu bán dẫn dùng chất lỏng làm mát thử nghiệm xe Ford Lincoln BWM X6 Kết Hình 1.2 cho thấy, công suất máy phát điện đạt 700W, nhiệt độ đầu nóng cặp nhiệt điện đạt 500 oC hiệu suất tiết kiệm nhiên liệu tăng 10% Tuy nhiên cơng trình nằm phịng thí nghiệm, tốn kinh phí lớn tuổi thọ đạt khoảng tháng Kết cấu vật liệu bán dẫn phức tạp kéo dài theo phân bố nhiệt độ không đồng đường ống xả Cùng nằm đề án này, cơng trình thứ hai mang tên: “Skutterudite Thermoelectric Generator For Automotive Waste Heat Recovery”, người chủ trì Gregory P Meisner đến từ General Motors Global Research & Development Hình 1.3: Bộ chuyển đổi nhiệt điện Cơng trình tham gia hội thảo ứng dụng nhiệt điện lần thứ ngày 21/03/2012 Baltimore, Maryland thuộc chương trình phát triển cơng nghệ tơ lượng Mỹ đầu từ từ năm 2005 tới 2012 với giá 12 triệu USD Cơng trình sử dụng thu hình hộp nhỏ, dẹt có bề rộng lớn đặt đường ống xả để làm chậm vận tốc khí xả tăng thời gian trao đổi nhiệt Mặt ngồi trao đổi nhiệt bố trí nhiều dãy modul nhiệt điện chế tạo sẵn từ vật liệu Skutterudite Bi-Te, mặt nóng tiếp xúc với thu nhiệt, mặt lạnh tiếp xúc với nước làm mát Hình 1.3 Các modul nhiệt điện chế tạo có thơng số khác bố trí theo giải phân bố nhiệt độ để bảo đảm thu điện áp tránh T2013-73 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ chênh áp theo mật độ phân bố nhiệt độ thu Dọc theo chiều dài thu nhiệt bố trí vùng c ặp nhiệt điện tùy theo đặc tính kỹ thuật vật liệu bán dẫn Vùng gần cửa vào có nhiệt độ cao nên bố trí modul Skutterudite vùng cuối gần cửa bố trí modul Bi-Te có đặc tuyến làm việc Hình 1.4 Hình 1.4: Đặc tuyến làm việc chất bán dẫn Kết Hình 1.5 cho thấy dịng khí vào thu có nhiệt độ 550 oC nhiệt độ bên nóng Skutterudite đạt 450 oC 250 o C với Bi-Te tổng công suất 24 cặp Skutterudite 18 cặp Bi-Te đạt 250W Hình 1.5: Bố trí cặp nhiệt điện phân bố nhiệt độ khí xả Tuy nhiên đề tài chủ yếu tập trung nghiên cứu phát triển cặp nhiệt điện bán dẫn phù hợp với dải nhiệt độ khí xả mà chưa quan tâm nhiều tới phương án thu nhiệt Kinh phí thực cao, cơng suất máy phát chưa đ ủ cung cấp cho phụ tải điện ô tơ, sản phẩm phịng thí nghiệm mà chưa thể sản xuất đại trà quy trình cơng nghệ phức tạp T2013-73 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Trong hội thảo quốc tế nhiệt điện lần thứ 20 IEEE Nhóm tác giả Jihad G Haidar Jamil I Ghojel đến từ Monash University, Australia đưa cơng trình mang tên: “Waste heat recovery from the exhaust of low-power diesel engine using thermoelectric genetators” Cơng trình nghiên cứu lý thuyết vật liệu cặp nhiệt điện, khảo sát phân bố nhiệt lượng hiệu suất sử dụng động đốt Hình 1.6 Đồng thời đưa thơng số thực nghiệm động Ruston Diesel 37kW Hình 1.6: Phân phối lượng động đốt Kết đề tài cho thấy nhiệt lượng dòng khí xả cao, chiếm 34-45(%) với động xăng 22-35(%) với động Diesel Hình 1.7: Đặc tuyến cơng suất theo nhiệt độ Nhiệt độ khí xả đạt 500 oC với mức tải 88% cánh bướm ga tốc độ 1.800 RPM Bộ thu nhiệt thiết kế kiểu ống trụ, trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng Tuy nhiên bố trí sử dụng 98 cặp nhiệt điện nên công suất đạt 45W mức điện áp 14V Theo đó, cặp nhiệt điện bố trí dài đường ống nên khơng đồng nhiệt độ làm việc Trên tạp chí lượng Elsevier số 35 năm 2010 đăng tải cơng trình mang tên: “Analysis of exhaust waste heat recovery from a dual fuel low temperature T2013-73 10 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ combustion engine using an Organic Rankine Cycle” nhóm tác giả Kalyan K Srinivasan, Pedro J Mago, Sundar R Krishnan đến từ Department of Mechanical Engineering, Mississippi State University,USA Cơng trình sử dụng nguồn nhiệt khí xả cấp nhiệt cho nồi sử dụng chu trình Rankine chạy Turbine kéo máy phát điện mô tả Hình 1.8 Hình 1.8: Bố trí thí nghiệm thông số kỹ thuật Kết cho thấy với động Diesel 10,6 kW chạy toàn tải tốc độ 2700 RPM, nhiệt độ vào sinh thu 550 oC khỏi sinh 350 o C, Turbine đạt công suất 2kW Mặc dù công suất thu cao việc chế tạo Turbine cỡ nhỏ khó có hiệu suất thấp Nhiệt lượng thu từ khí xả không chuyển trực tiếp qua điện mà cần phải qua chu trình trung gian giảm hiệu suất thu từ khí thải 1.3 Mục tiêu nghiên cứu Trước tình hình đó, đề tài nghiên cứu với mục tiêu đánh giá mức độ khả tái sử dụng nguồn nhiệt phát thải từ khí khả động ô tô với điều kiện kinh tế khoa học kỹ thuật Việt Nam 1.4 Cách tiếp cận - Khảo sát nguồn nhiệt từ khí thải động - Lập phương án thu hồi nhiệt từ khí xả động - Đánh giá kiểu thu nhiệt 1.5 Phương pháp nghiên cứu T2013-73 11 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Trong q trình nghiên cứu, nhóm thực đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp thu thập tham khảo tài liệu - Phương pháp mô giả lập - Phương pháp thực nghiệm 1.6 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài bao gồm: - Nguồn nhiệt dư thừa sau q trình cháy động tơ - Các thiết bị chu trình máy nhiệt động học - Mơ máy tính Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu mơ hình động xăng - Mơ máy tính T2013-73 12 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Trong mơ hình trên, lượng khí lọt tạm thời bỏ qua tỷ lệ khí lọt so với khí xả nhỏ Theo mơ hình này, lượng khí xả me [Kg] tính theo cơng thức: me = ma + mf - me: Khối lượng khí xả chu trình [kg] - ma: Khối lượng khí nạp chu trình [kg] - mf: Khối lượng nhiên liệu chu trình [kg] Tuy nhiên việc xác định trực tiếp lượng khí xả me gặp nhiều khó khăn vận hành thơng số hoạt động hệ thống có thay đổi, đặc biệt với nhiệt độ cao khó lắp đặt thiết bị đo lường Chính lượng khí xả me tính theo lượng nhiên liệu mf thông qua hệ số dư lượng khơng khí λ sau: me = mf(14,7λ+1) λ: hệ số dư lượng khơng khí tính theo cơng thức: 𝜆= (A 𝐹 )𝑡𝑡 (A 𝐹 )𝑙𝑡 Trong đó: - A𝐹 𝑙𝑡 : Tỷ lệ khối lượng khơng khí nhiên liệu lý thuyết Theo lý thuyết, tỷ lệ tiêu chẩn nhiên liệu xăng có (A 𝐹 )𝑙𝑡 = 14,7 - (A 𝐹 )𝑡𝑡 : Tỷ lệ khơng khí nhiên liệu thực tế theo chế độ hoạt động động khả điều khiển hòa trộn hệ thống cung cấp nhiên liệu Nhiệt lượng khí xả chu trình động Qe tính theo cơng thức: Qe=Cpeme Te - Qe: Nhiệt lượng khí xả chu trình [J] - Cpe: Nhiệt dung riêng đ ẳng áp khí xả [J/kg.OK] - Te: Nhiệt độ khí xả [o K] Từ cơng thức trên, ta có cơng thức tính nhiệt lượng khí xả chu trình động sau: Qe=Cpemf(14,7.λ+1)Te T2013-73 38 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Trong cơng thức đó, Te đo trực tiếp từ cảm biến nhiệt độ khí xả đường ống thải mf xác định thông qua thời gian mở kim phun đặc tuyến kim phun Hệ số λ xác định trực tiếp nhờ cảm biến lambda gắn đường ống xả Cpe xác định dựa vào thành phần nhiệt độ khí xả động xăng 3.2 Xác định thông số khí xả Nếu xem qua trình cháy động xăng gần đạt mức lý tưởng, thành phần khí xả động xăng chứa hợp chất có tỷ lệ Bảng3.1 sau Bảng 3.1: Tỷ lệ khối lượng thành phần khí xả động xăng [1] Thành phần Tỷ lệ (%) N2 71 CO2 14 H2O 13 Khác(CO) Thành phần khác bao gồm CO, NOx , Cx Hy số loại chất rắn khác, tỷ lệ thành phần nhóm thay đổi theo tỷ lệ hịa khí, chất phụ gia nhiên liệu, chế độ hoạt động động nên khó xác định Tuy nhiên lượng CO chiếm tỷ lệ 80% [1] nên ta xem toàn CO Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp thành phần khí Cp phụ thuộc vào nhiệt độ theo cơng thức sau: [3] Cp= 𝑅µ µ (𝑎 + 𝑏 𝑇 + 𝑐 𝑇 + 𝑑 𝑇 + 𝑒 𝑇 ) Trong đó: - µ: Khối lượng kmol chất khí - R µ: Hằng số phổ biến chất khí - T : Nhiệt độ [ OK] Với thành phần Bảng3.1 ta xác định phương trình nhiệt dung riêng đẳng áp khí xả Cpe theo nhiệt độ sau: 𝐶𝑝𝑒 = 1,105 − 0,099 10−3 𝑇𝑒 + 0,586 10−6 𝑇𝑒2 − 0,270 10−9 𝑇𝑒3 + 0,002 10−12 𝑇𝑒4 [kJ/Kg.OK] T2013-73 39 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Lượng nhiên liệu m f cung cấp cho chu trình xác định cách đo thời gian mở kim phun Kim phun sử dụng có thơng số kỹ thuật bảng3.2 Bảng 3.2: Thông số kim phun xăng 25 O C [2] Áp suất nhiên liệu [kPa] Lưu lượng [kg/h] 200 300 400 500 6,99 8,39 9,9 11,3 Động Toyota 5S-FE sử dụng kim phun mức áp suất 300 kPa với điều kiện thử nghiệm 25 o C nên lưu lượng chọn G0=8,39 [kg/h] Lượng nhiên liệu mf cung cấp từ kim phun theo thời gian mở tính theo cơng thức: mf = k 𝑡𝑝 𝐺0 3600.10 - thời gian mở kim phun [ms] - k hệ số đáp ứng kim phun điều khiển xung với kim phun sử dụng có k = 0,95 xác định từ thực nghiệm Từ công thức ta có cơng thức xác định nhiệt lượng khí xả chu trình theo thơng số hoạt động động sau: Qe=2,21.10 -6 Cpe (14,7.λ+1)Te Từ cơng thức ta thấy để xác định nhiệt lượng khí xả động cơ, ta cần phải xác định thông số hoạt động thời gian mở kim phun tp, nhiệt độ khí xả Te hệ số dư lượng khơng khí λ 3.3 Xác định thơng số hoạt động mơ hình thí nghiệm Động 5S-FE chọn làm thí nghiệm động xăng dung tích xy lanh 2.2 lít sử dụng xe Toyota Camry có thơng số bảng 3.3 Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật động Toyota 5S-FE Đường kính x hành trình píttơng [mm] Thể tích xy lanh [cm3] 94 x 90 2200 Cơng suất cực đại [mã lực/vịng/phút] 130/5400 Mơmen cực đại [kgm/rpm] 140/4400 Tỉ số nén 9,5:1 Áp suất nhiên liệu [kg/cm2 ] T2013-73 40 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Để thu thập liệu hoạt động động xác định thông số hoạt động, sơ đồ khối thí nghiệm xây dựng hình 3.2 Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống thu thập liệu Trong sơ đồ trên, tín hiệu xung điều khiển kim phun xăng sử dụng cho hai mục đích: Đo thời gian mở kim phun phương pháp bắt xung Đo tốc độ động Ne phương pháp xác định tần số xuất xung hình 3.3 Hình 3.3: Giản đồ xung phun xăng Cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ khí xả Te [OK], cảm biến vị trí bướm ga đo mức tải động [%], cảm biến lambda đo hệ số dư lượng khơng khí λ Cảm biến lambda đo hệ số dư lượng khơng khí λ báo điều khiển dạng điện áp Đặc tuyến hoạt động cảm biến mơ tả hình 3.4 T2013-73 41 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Hình 3.4: Đặc tuyết cảm biến Lambda Mạch thu thập chuyển đổi liệu sử dụng vi điều khiển Atmega32 c hãng Atmel thu thập liệu giao tiếp với máy tính hiển thị thơng tin Mạch điện có sơ đồ ngun lý hình 3.5 Hình 3.5: Mạch thu thập xử lý liệu T2013-73 42 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Trong mạch thu thập liệu, ba kênh chuyển đổi ADC Atmega32 gồm ADC0, ADC1, ADC2 sử dụng để đo tín hiệu cảm biến vị trí bướm ga, tín hiệu cảm biến lambda tín hiệu nhiệt độ khí xả Ba tín hiệu cảm biến báo dạng analog, vi điều khiển chuyển đổi thành liệu số trước truyền máy tính Xung kim phun đưa so sánh analog AIN0, AIN1 Atmega32 để nhận dạng xung điều khiển kim phun Giải thuật lập trình cho vi điều khiển xây dựng hình 3.6 Hình 3.6: Lưu đồ giải thuật thu thập liệu Dữ liệu mạch thu thập gửi máy tính qua cổng Com xử lý hiển thị thông số hoạt động thơng qua giao diện lập trình phần mềm LabVIEW Giao diện máy tính hiển thị thơng số hoạt động động bao gồm tốc độ, mức tải Các thông số đầu vào gồm thời gian mở kim phun, nhiệt độ khí xả, hệ số dư lượng khơng khí Các thơng số đầu bao gồm lượng nhiên liệu, lượng khí xả nhiệt lượng khí xả chu trình Nhiệt lượng phát thải trung bình thời động Giao diện có dạng hình 3.7 Hình 3.7: Giao diện thu thập liệu T2013-73 43 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ 3.4 Thí nghiệm đánh giá mức độ phát thải nhiệt Thí nghiệm thu thập liệu xác định nhiệt lượng khí xả bố trí động mơ tả hình 3.8 Hình 3.8: Bố trí thí nghiệm Sau khí lắp đặt cảm biến, động cho chạy thử nghiệm hai chế độ hoạt động thường xuyên bao gồm chạy thành phố (1) chạy đường trường (2) Các chế độ cho hoạt động ổn định để ECU vào chế độ điều khiển close-loop Với chế độ này, ECU vào thông số cảm biến lambda để điều khiển tỷ lệ hịa khí xoay quanh giá trị tiêu chuẩn theo lý thuyết 14,7:1 Tín hiệu cảm biến Lambda báo ECU có dao động tuần hồn với mức điện áp từ 200 mV đến 800 mV, điều khiển đo mức trung bình khoảng 450 mV Tín hiệu cảm biến lambda lúc có dạng hình 3.9 Hình 9: Tín hiệu cảm biến lambda Thông qua liệu cài đặt thu thập từ tín hiệu phản hồi, liệu thống kê bảng 3.4 T2013-73 44 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Bảng 3.4: Dữ liệu thực nghiệm xác định nhiệt lượng phát thải động Chế độ hoạt động Mức tải[%]Tốc độ động [v/p] Lượng nhiên liệu [mg/CT] Nhiệt lượng Nhiệt lượng[KW]phát thải nhiệt độ[K] phát thải [kJ/CT] trung bình 30-1700 11,29 0,14 7,99-683 60-3000 26,79 0,37 30,87-743 Qua bảng thơng số thí nghiệm ta nhận thấy hai chế độ hoạt động thường xuyên động cơ, mức nhiệt phát thải thu hồi sau đường ống xả dao động từ 27% đến 29% lượng nhiên liệu đốt cháy hoàn tồn Như với điều kiện tỷ lệ hịa khí tốt nhất, động đốt phát thải lượng nhiệt lớn với nhiệt độ đạt khoảng 400 oC đến 500 oC 3.5 Kết luận thí nghiệm Thí nghiệm xác định nhiệt lượng phát thải qua đường ống xả động Toyota 5S-FE Với điều kiện hoạt động động có kiểm soát tiết kiệm nhiên liệu, lượng phát thải chiếm từ 27% đến 29% lượng nhiên liệu đưa vào buồng đốt Hơn nguồn nhiệt đốt hồn tồn sử dụng Đây sở quan trọng việc nghiên cứu thu hồi lượng phát thải động xăng nhằm mục đích tiết kiệm nhiên liệu Thơng số thí nghiệm sở quan trọng để nhóm tác giả hướng tới nghiên cứu phương án thu hồi nhiệt lượng phát thải chuyển thành điện cung cấp cho phụ tải ô tô theo nguyên lý hiệu ứng Seebeck nhiệt điện T2013-73 45 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Chƣơng ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN THU HỒI NHIỆT PHÁT THẢI TRÊN ĐƢỜNG ỐNG XẢ ĐỘNG CƠ 4.1 Phân tích phƣơng án thu hồi nhiệt thải Trong nghiên cứu dẫn trên, phương án có ưu nhược điểm khác Với phương án sử dụng chu trình nước để thu hồi biến nhiệt thành công trục turbine đề tài nhóm tác giả Kalyan K Srinivasan, Pedro J Mago, Sundar R Krishnan đến từ Department of Mechanical Engineering, Mississippi State University, USA Hay thu hồi chạy nồi tàu thuỷ nhóm tác giả PGS-TS Lê Viết Lượng, NCS Nguyễn Ngọc Hải - Khoa đóng tàu, Trường Đại Học Hằng Hải PGS-TS Phạm Lê Dần - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Ta thấy tỷ lệ công suất thu hồi đạt tới 5% công suất phát động Tuy nhiên đặc điểm turbine nước nhiệt độ áp suất cao ô tô hoạt động với mức độ chấn động cao nên dễ gây va chạm dẫn tới nổ bình chứa Các thiết bị turbine cồng kềnh, khó bố trí lắp đặt tơ Chính phương án sử dụng chu trình nước khơng ưu tiên lựa chọn phương pháp thu hồi kiểu nồi cần lưu ý Phương án thứ hai, sử dụng chuyển đổi trực tiếp từ nhiệt sang điện TEG (ThermoElectric Generator) đề tài nhóm tác giả Douglas T Crane, John W LaGrandeur, đến từ National Renewable Energy Laboratory kết hợp với Caltech University hay Gregory P Meisner đến từ General Motors Global Research & Development Với phương án có ưu điểm trội kết cấu gọn, dễ bố trí tơ, đặc biệt thay vị trí ống Po Nhiệt chuyển đổi trực tiếp qua điện phục vụ cho phụ tải điện nên đạt hiệu suất cao khơng qua khâu trung gian Tuy nhiên hạn chế lớn phương án không đồng nhiệt thu nhiệt Chính thu nhiệt bố trí modul nhiệt điện khác theo dọc chiều dài ống thu Với đặc điểm thế, để có thu hồi đạt công suất cao gần 700W Douglas T Crane cần chế tạo dải vật liệu bán dẫn có đặc tính nhiệt khác suốt chiều dài T2013-73 46 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ thu Trong thu nhiệt tác giả Gregory P Meisner cần chế tạo loại vật liệu nhiệt điện khác đặt vào đầu thu có kết đồng tồn ống thu Như phương án bị nhược điểm khó chế tạo vật liệu nhiệt điện Giá thành thu cao tuổi thọ lại thấp Điều lại cản trở lớn cho việc chế tạo đại trà máy phát nhiệt điện theo phương án 4.2 Đề xuất phƣơng án thu hồi nhiệt phát thải động ô tô Với ưu nhược điểm phương án thu hồi nói trên, nhóm làm đề tài đề xuất phương án sử dụng TEG chuyển đổi trực tiếp từ nhiệt qua điện modul TEG sử dụng đồng có nhà máy sản xuất phân phối thị trường có dạng Hình 4.1 Hình 4.1: Modul TEG Modul có thơng số kỹ thuật bảng 4.1 dây phân phối HP Corporation Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật modul TEG 12710 Với Modul có cơng suất nhỏ, ghép nối nhiều modul xếp bề mặt trao đổi nhiệt chuyển đổi cho công suất lớn Tuy nhiên lắp ghép nhiều modul TEG theo dọc chiều dài thu xẩy tượng không T2013-73 47 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ đồng nhiệt độ làm việc Chính người làm đề tài chọn phương án trao đổi nhiệt theo kiểu nồi vỏ bọc chùm ống mơ tả Hình 4.2 Hơi nóng qua thu đồng nhiệt độ tới trao đổi nhiệt Hình 4.2: Bộ thu nhiệt kiểu vỏ bọc chùm ống Hơi nóng sau qua thu nhiệt dẫn tới tản nhiệt nơi có bố trí modul TEG Bên mặt lạnh TEG có làm mát nước để bảo đảm nhiệt độ chênh lệch mặt nóng mặt lạnh không đổi Cấu trúc nguyên lý trao đổi nhiệt mơ tả Hình 4.3 Hình 4.3: Cấu trúc trao đổi nhiệt Cấu trúc trao đổi nhiệt cấu trúc đề xuất theo phươn pháp lựa chọn ưu điểm, né tránh khuyết điểm phương án sử dụng Để đánh giá hiệu thu cần phải có kiểm nghiệm thực tế xe thí nghiệm phức tạp Do giới hạn đề tài nên người làm đề tài đưa ý tưởng việc hình thành thu nhiệt tối ưu Việc phát triển thu đề cập hướng phát triển đề tài T2013-73 48 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Chương KẾT LUẬN ĐỀ NGHỊ Kết luận 5.1 5.1.1 Những vấn đề thực - Tìm hiểu trình phát thải nhiệt đường ống xả động đốt - Nghiên cứu phương án thu hồi nhiệt sử dụng - Nghiên cứu cở sở lý thuyết trình truyền nhiệt thiết bị thu hồi nhiệt thải - Nghiên cứu sở lý thuyết hiệu ứng nhiệt điện modul nhiệt điện - Thực nghiệm đánh giá nhiệt lượng phát thải động xăng chế độ tiết kiệm nhiên liệu - Phân tích phương án thu hồi đề xuất phương án thu hồi nhiệt tối ưu 5.1.2 Những vấn đề tồn Do thời gian mức độ đề tài hạn chế nên đề tài tồn vấn đề cần giải sau: - Chưa đánh giá so sánh hiệu suất thu hồi phương án sử dụng - Chỉ thực nghiệm đánh giá mức độ phát thải nhiệt động xăng chế độ tiết kiệm nhiên liệu - Trong thí nghiệm thực nghiệm đánh giá mức độ phát thải mà chưa đánh giá khả thu hồi phương án lựa chọn 5.1.3 Hạn chế đề tài - Các phương án thu hồi nghiên cứu mức độ lý thuyết - Mức độ phát thải nhiệt đánh giá số chế độ định T2013-73 47 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường 5.2 Lê Quang Vũ Phương hướng phát triển đề tài Đề tài đạt số kết làm tảng quan trọng cho việc nghiên cứu phát triển thu nhiệt nhằm mục đích giảm tiêu hao nhiên liệu hố thạch góp phần chống biến đổi khí hậu Đây bước đầu quan trọng cho vấn đề nâng cao hiệu suất động đốt sử dụng cho phương tiện giao thông Thông số thu làm tảng cho hướng nghiên cứu chuyển đổi nhiệt thành điện nhằm cung cấp cho phụ tải ô tô 5.3 Tài liệu tham khảo [1] Audi, Motor Vehicle Exhaust Emissions, Self-Study Programmer 230 [2] Study of injection parameters on performance and fuel consumption in a portinjected gasoline engine with experimental and theoretical methods , F.Ommi, E.Movahednejad, K Nekofar, Journal of Engineering Annals of Faculty of Engineering Hunedoara [3] Hồng Đình Tín, Lê Chí Hiệp, Nhiệt động lực học kỹ thuật, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, 1997 [4] BOSCH, Automotive Electric Electronic System [5] Đỗ Văn Dũng, Hệ thống điện điều khiển động cơ, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Tp HCM, 2013 [6] “Waste heat recovery from the exaaust of low-power diesel engine using thermoelectric genetators”, Jihad G Haidar Jamil I Ghojel, Department of Mechanical Engineering Monash University, Australia [7] “Thermoelectric Waste Heat Recovery Program for Passenger Vehicles” , Douglas T Crane, John W LaGrandeur, National Renewable Energy Laboratory – Caltech University [8] “Skutterudite Thermoelectric Generator For Automotive Waste Heat Recovery”, Gregory P Meisner, General Motors Global Research & Development [9] “Analysis of exhaust waste heat recovery from a dual fuel low temperature combustion engine using an Organic Rankine Cycle” Kalyan K Srinivasan, Pedro T2013-73 48 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ J Mago, Sundar R Krishnan, Department of Mechanical Engineering, Mississippi State University,USA [10] G Jeffrey Snyder, Small Thermoelectric Generators [11] Thiết bị thu hồi nhiệt thải, United Nations Environment Programme - 2006 T2013-73 49 Luan van S K L 0 Luan van ... theo phương án 4.2 Đề xuất phƣơng án thu hồi nhiệt phát thải động ô tô Với ưu nhược điểm phương án thu hồi nói trên, nhóm làm đề tài đề xuất phương án sử dụng TEG chuyển đổi trực tiếp từ nhiệt. .. Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nhiệt phát thải động ô tô Để xác định, tính tốn ước lượng đánh giá nhiệt lượng khí thải động cơ, ta nghiên cứu động chế độ hoạt động theo thông số kỹ thu? ??t định mức động. .. KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN THU HỒI NHIỆT PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ Ô TÔ Mã số: T2013-73 Chủ nhiệm đề tài: GV.KS Lê Quang Vũ TP HCM, 11/2013 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường