(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ QUANG VŨ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY PHÁT NHIỆT ĐIỆN SỬ DỤNG NGUỒN NHIỆT TỪ KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ QUANG VŨ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY PHÁT NHIỆT ĐIỆN SỬ DỤNG NGUỒN NHIỆT TỪ KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ QUANG VŨ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY PHÁT NHIỆT ĐIỆN SỬ DỤNG NGUỒN NHIỆT TỪ KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 605246 Hướng dẫn khoa học: PGS TS ĐỖ VĂN DŨNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Lê Quang Vũ Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10/07/1984 Nơi sinh: Hà Tĩnh Quê quán: Hà Tĩnh Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: Khoa CKĐ, ĐHSPKT Tp.HCM Điện thoại quan: 08 38968641 Điện thoại nhà riêng: 0973 777077 Fax: E-mail: Vulq@hcmute.edu.vn II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Đại học Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2002 đến 4/2007 Nơi học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Ngành học: Cơ Khí Động Lực Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: “Nghiên cứu chế tạo ECU điều khiển phun xăng đánh lửa cho động xe gắ n máy” Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: tháng 02/2007 Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Văn Dũng III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2007 đến Khoa Cơ Khí Động Lực, trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Cán Bộ Giảng Dạy GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ I Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014 (Ký tên ghi rõ họ tên) GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ II Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tác giả xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô khoa Cơ Khí Động Lực, Phịng Quản Lý Khoa Học Quan Hệ Quốc Tế tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình Thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng giúp em hoàn thành luận văn cách thuận lợi Thầy ln bên cạnh để đóng góp sửa chữa thiếu sót, khuyết điểm em mắc phải đề hướng giải tốt từ em nhận đề tài luận văn đến hoàn thành Xin chân thành cảm ơn Thầy TS Lê Thanh Phúc có nhiều góp ý cho báo khoa học công bố Xin chân thành cảm ơn Thầy phản biện dành thời gian công sức để đọc đóng góp ý kiến quý báu giúp em hoàn thiện nội dung đồ án luận văn Một lần tác giả xin chân thành cảm ơn giúp đỡ thầy cô Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè ủng hộ, động viên tinh thần giúp tác giả hoàn thành luận văn Xin trân trọng cảm ơn ! TPHCM, ngày … tháng … năm 2014 Học viên thực Lê Quang Vũ GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ III Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ TÓM TẮT Nhiệt phát thải qua đường ống xả động ô tô nguồn lượng lãng phí lớn diễn ngày tồn giới Vì việc nghiên cứu thu hồi nguồn lượng nhà khoa học phịng thí nghiệm quốc gia nhiều nước tiên tiến hãng ô tô Toyota, GM đặt làm mục tiêu hàng đầu cho chiến lược phát triển Theo nghiên cứu gần đây, khoảng 40% lượng từ trình cháy buồng đốt động đốt phát thải mơi trường bên ngồi dạng nhiệt khói thải gây nhiễm mơi trường Đề tài: “ Nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động ” ứng dụng hiệu ứng Seebeck chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động Hệ thống máy phát nhiệt điện chế tạo dạng mơ hình thử nghiệm động 5S-FE xưởng Điện ô tô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Kết thử nghiệm ban đầu cho thấy động chạy chế độ khơng tải thu hồi cơng suất 30W mức điện áp ổn định 14V cung cấp cho hệ thống cấp điện tơ Bên cạnh đó, hệ thống thu hồi nhiệt giảm bớt nhiệt độ dịng khí thải khoảng 100OC Mơ hình tốn máy phát cho kết tương đối so với thực nghiệm với sai số giới hạn chấp nhận Tuy nhiên, nhiều lý khác nên đề tài chế tạo hệ thống thu hồi nhiệt với công suất nhỏ, chưa thu hồi hết tiềm nhiệt phát thải Đề tài chưa nghiên cứu sâu trình truyền nhiệt trao đổi nhiệt Hệ thống thử nghiệm điều kiện động chạy không tải Nhưng thành công ban đầu nghiên cứu tiền đề quan trọng cho trình nghiên cứu thu hồi nhiệt phát thải ô tô, giảm tiêu hao nhiên liệu hóa thạch góp phần chống biến đổi khí hậu GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ IV Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ ABSTRACT The heat from exhaust gas which is produced by internal combustion engines is wasted energy in vehicles Therefore, the study for regenerating this energy is the key research in many overseas laboratories It is also the important goal that many automakers such as GM, Toyota want to achieve in their products According to recent studies, the internal combustion engine lost around 40% of the energy in the form of emission heat which caused environmental pollution In this thesis, “The study on making thermoelectric generator using heat energy from the engine exhaust” by applying the Seebeck effect is presented; this thermoelectric generator converts the waste heat of exhaust gas in the muffler to the electrical power A thermoelectric generator prototype is built and tested on the 5SFE engine in the Automobile Electrical workshop at University of Technical Education HCMC The experiment results when engine ran in the idling mode show that our system generated the electrical energy around 30W, 14Vols This recovery energy is able to supply for some automotive electrical system Besides, the heat recovery system can reduce the temperature of the exhaust gas flow about 100 oC The results of mathematical modeling of the thermoelectric generator are similar to the experimental results with a low error However, as different reasons to the study only built a heat recovery system with small capacity, have not full potential recovery of waste heat This research has not specialized in heat transfer and heat exchanger The system has just tested with engine in idling mode Nevertheless, the initial success of this study is an important prerequisite for the study of heat recovery on automobile emissions, reduce consumption of fossil fuels and contribute to anti climate change GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ V Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ MỤC LỤC Trang Lý lịch khoa học I Lời cam đoan II Lời cảm ơn III Tóm tắt .IV Mục lục V Danh mục hình bảng biểu IX Chƣơng Tổng quan 01 1.1 Tổng quan máy phát nhiệt điện ô tô 01 1.1.1 Tính cấp thiết đề tài 01 1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 01 1.1.3 Những vấn đề tồn 06 1.2 Mục đích đề tài 07 1.3 Nhiệm vụ giới hạn đề tài 07 1.4 Phương pháp nghiên cứu 07 Chƣơng Cơ sở lý thuyết 08 2.1 Nhiệt phát thải động đốt 08 2.2 Quá trình truyền nhiệt 10 2.2.1 Dẫn nhiệt 10 2.2.2 Truyền nhiệt đối lưu 12 2.3 Hiệu ứng nhiệt điện mô-đun nhiệt điện 13 2.3.1 Hiệu ứng nhiệt điện 13 2.3.2 Mô-đun nhiệt điện 15 Chƣơng Ƣớc lƣợng nhiệt lƣợng phát thải động xăng 17 3.1 Tính tốn ước lượng khối lượng khí xả 17 3.2 Xác định thơng số khí xả 18 GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ VI Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ 3.3 Xác định thông số hoạt động mơ hình thí nghiệm 20 3.4 Thí nghiệm đánh giá mức độ phát thải nhiệt động xăng 5S-FE 23 Chƣơng Đánh giá khả ứng dụng TEG thu hồi nhiệt thải 25 4.1 Xây dựng mơ hình tốn mô-đun TEG 25 4.2 Thiết kế, chế tạo thí nghiệm 27 4.2.1 Thiết kế trao đổi nhiệt cho mô-đun TEG 27 4.2.2 Chế tạo lắp đặt mơ hình thí nghiệm 28 4.3 Thực nghiệm thu thập liệu 29 4.3.1 Sơ đồ khối bố trí thí nghiệm 29 4.3.2 Thí nghiệm thu thập liệu mơ-đun TEG 30 Chƣơng Thiết kế chế tạo mơ hình máy phát kiểu nhiệt điện 35 5.1 Thiết kế phần khí 35 5.1.1 Bộ thu hồi nhiệt khói thải 35 5.1.2 Bộ phận làm mát cho thiết bị nhiệt điện 37 5.1.3 Bộ phận chuyển đổi nhiệt điện 38 5.2 Chế tạo thử nghiệm thu hồi nhiệt 40 5.3 Xây dựng mơ hình máy phát nhiệt điện 42 5.3.1 Mơ hình hóa máy phát nhiệt điện 42 5.3.2 Mơ hệ thống máy tính phần mềm Matlab 45 5.4 Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển kiểm soát máy phát điện 49 5.4.1 Thiết kế mạch điều khiển điện áp 49 5.4.2 Thiết lập hệ thống thu thập liệu 56 Chƣơng Thực nghiệm hệ thống máy phát nhiệt điện 59 6.1 Mục tiêu thực nghiệm 59 6.2 Thiết bị thực nghiệm 59 6.3 Kết thực nghiệm 60 6.3.1 Thực nghiệm thông số chuyển đổi nhiệt điện 60 6.3.2 Thực nghiệm mạch chuyển đổi điện áp 65 6.3.3 Thực nghiệm hệ thống máy phát nhiệt điện 67 GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ VII Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ UL2=RL.*Us2.*(Ri2+RL).^-1; PL2=UL2.*UL2.*RL.^-1; IL2=UL2.*RL.^-1; % thong so truyen nhiet Qi2=-0.5*IL2.^2*Ri2 + S2.*IL2.*Th+Kt*deltaT; Qo2=0.5*IL2.^2*Ri2 + S2.*IL2.*Tc+Kt*deltaT; H2=PL2/Qi2; % thong so DC-DC converter-1 Vo=14 Vi=UL Po=0.85*UL.*IL Io=Po./14 % thong so DC-DC converter-2 Vo=14 Vi=UL1 Po1=0.85*UL1.*IL1 Io1=Po1./14 % thong so DC-DC converter-3 Vo=14 Vi=UL2 Po2=0.85*UL2.*IL2 Io2=Po2./14 % thong so bom nuoc Twi=40; Two=60; Gp=Qo/(4200*(Two-Twi)); Gp1=Qo1/(4200*(Two-Twi)); Gp2=Qo2/(4200*(Two-Twi)); % in ket qua xem hang plot(var,PL,'r ','LineWidth',2); hold on; plot(var,PTN,'b','LineWidth',2); GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 83 Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ hold on; plot(var,UL,'r ','LineWidth',2); hold on; plot(var,UTN,'b','LineWidth',2); hold on; grid on; % chu thich cho hinh anh title('So sanh thuc nghiem voi mo hinh toan') xlabel('Th-Tc[oC]') ylabel('P[A] U[[V]') %ylabel('Gp[Kg/s]') legend('P-MH','P-TN','U-MH','U-TN') %legend('Gp') GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 84 Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ PHỤ LỤC CÁC BÀI BÁO KHOA HỌC P3.1 Bài báo đăng tuyển tập cơng trình khoa học Hội nghị Khoa học Cơ học Thủy khí toàn quốc 2013 – số 20, trang 195 Nghiên cứu xác định nhiệt lƣợng khí xả động xăng thơng qua hệ số dƣ lƣợng khơng khí Đỗ Văn Dũng, Lê Quang Vũ, Huỳnh Phước Sơn(1) (1) Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Tóm tắt: Nhiệt phát thải qua đường ống xả động ô tô nguồn lượng lãng phí lớn diễn ngày tồn giới Chính việc nghiên cứu thu hồi nguồn lượng nhà khoa học phịng thí nghiệm quốc gia nhiều nước tiên tiến hãng ô tô Toyota, GM đặt làm mục tiêu hàng đầu cho chiến lược phát triển Bài báo trình bày phương pháp xác định nhiệt lượng khí xả động xăng thơng qua hệ số dư lượng khơng khí xác định nhờ cảm biến đặt đường ống xả nhằm mục đích nghiên cứu thu hồi nhiệt lượng phát thải động tơ Từ khóa: Hệ số dư lượng khơng khí, tỷ lệ hịa khí, nhiệt phát thải Research to determine the waste heat from the exhaust of gasoline engines through Lambda coefficient Abstract: The heat from exhaust gas which is produced by internal combustion engines is wasted energy in vehicles Therefore, the study for regenerating this energy is considered by many scientists in the world Even, it is one of the most important objects which many automakers want to approach such as GM and Toyota This paper presents the method to determine the quantity of heat energy from exhaust gas by lambda coefficient in internal combustion engines The amount of exhaust gas is measured by the lambda sensor which is located in the exhaust pipe The signal from the sensor is used to calculate the energy quantity could be regenerated Key words: lambda coefficient, air fuel ratio, waste heat Đặt vấn đề Ngày nay, công nghệ điều khiển hỗn hợp nhiên liệu điện tử cho động đốt ngày phát triển đạt nhiều thành việc tiết kiệm nhiên liệu Đặc biệt động xăng, với việc lắp đặt hệ thống kiểm sốt tỷ lệ hồ khí dựa vào tín hiệu cảm biến lambda cho động hoạt động với tỷ lệ hồ khí gần đạt mức tiêu chuẩn theo lý thuyết Điều có nghĩa tồn nhiên liệu đốt cháy hoàn toàn xy lanh cho hiệu suất cháy cao Tuy nhiên đặc điểm động đốt hiệu suất nhiệt thấp nên lượng nhiệt lớn phát thải qua đường ống xả thải động Nghiên cứu xác định nguồn nhiệt phát thải qua đường ống xả động Toyota 5S-FE có trang bị hệ thống phun xăng điện tử, kiểm sốt tỷ lệ hịa khí A/F nhờ cảm biến lambda Thông số nguồn nhiệt phát thải qua đường ống xả điều kiện cháy gần đạt mức tiêu chuẩn yếu tố quan trọng việc đánh giá, thu hồi nguồn nhiệt phát thải từ động đốt Nội dung nghiên cứu bao gồm: - Nghiên cứu phương pháp xác định khối lượng khí xả thơng qua hệ số dư lượng khơng khí thời gian mở kim phun - Xác định, đánh giá nhiệt lượng phát thải qua đường ống xả điều kiện tỷ lệ hồ khí gần đạt mức tiêu chẩn GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 85 Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Tính tốn lƣợng khí xả xác định thơng số 2.1 Tính tốn lượng khí xả Nếu ta xem lượng khí lọt nhỏ so với lượng khí xả bỏ qua Mơ hình tính tốn khối lượng khí xả theo chu trình động xây dựng dựa vào lượng khí nạp lượng nhiên liệu chu trình hình Hình 1: Mơ hình tính tốn lượng khí xả Theo mơ hình này, lượng khí xả me[kg] tính theo cơng thức: me = ma+ mf (1) Trong đó: - 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 thơng qua hệ số dư lượng khơng khí λ sau: me = mf(14,7λ+1) (2) Hệ số dư lượng không khí λ tính theo cơng thức: 𝜆= (A 𝐹 )𝑡𝑡 (A 𝐹 )𝑙𝑡 (3) Trong đó: - A 𝐹 : Tỷ lệ khối lượng khơng khí nhiên liệu lý thuyết Theo lý thuyết, tỷ lệ tiêu chẩn nhiên liệu 𝑙𝑡 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 = CpemeTe (4) Trong đó: - Qe: Nhiệt lượng khí xả chu trình [J] - Cpe: Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp khí xả [J/kg.OK] - Te: Nhiệt độ khí xả [oK] Từ cơng thức (2) (4) ta có cơng thức tính nhiệt lượng khí xả chu trình động sau: Qe = Cpemf(14,7.λ+1)Te (5) Trong công thức (5), Te đo trực tiếp từ cảm biến nhiệt độ khí xả đường ống thải Giá trị 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 GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 86 Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ 2.2 Xác định thông số Một cách tương đối xem thành phần khí xả động xăng điều kiện tỷ lệ hồ khí tiêu chuẩn chứa hợp chất có tỷ lệ Bảng1 Bảng 1:Tỷ lệ khối lượng thành phần khí xả động xăng[1] Thành phần N2 CO2 H2O Khác(CO) Tỷ lệ (%) 71 14 13 Thành phần khác bao gồm CO, NOx, CxHy 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[4]: Cp = 𝑅µ µ (𝑎 + 𝑏 𝑇 + 𝑐 𝑇 + 𝑑 𝑇 + 𝑒 𝑇 ) (6) Trong đó: - µ: Khối lượng kmol chất khí [kg/Kmol] Rµ: Hằng số chất khí T : Nhiệt độ [OK] Với thành phần bảng1 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 (7) Lượng nhiên liệu mf cung cấp cho chu trình xác định cách đo thời gian mở kim phun Kim phun sử dụng có thơng số kỹ thuật bảng Bảng 2:Thơng số kim phun xăng 25OC[5] Áp suất nhiên liệu[kPa] 200 300 400 500 Lưu lượng [kg/h] 6,99 8,39 9,9 11,3 Động Toyota 5S-FE sử dụng kim phun mức áp suất 300kPa với điều kiện thử nghiệm 25oC 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 𝑡 𝑝 𝐺0 (8) 3600 10 Trong đó: - tp: 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 (5) (8) ta có cơng thức xác định nhiệt lượng khí xả chu trình theo thơng số hoạt động động sau: Qe = 2,21.10-6Cpe tp(14,7.λ+1)Te (9) Từ công thức (7) (9) 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 2.3 Xác định thông số hoạt động 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 Bảng 3:Thông số kỹ thuật động cơToyota 5S-FE GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 87 Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Đường kính x hành trình píttơng [mm] 94 x 90 Thể tích xy lanh [cm ] 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/cm ] Để thu thập liệu hoạt động động xác định thơng số hoạt động, sơ đồ khối thí nghiệm xây dựng hình 3.Trong sơ đồ khối thu thập liệu, 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 Hình 2: Giản đồ xung điều khiển phun xăng Hình 3: Sơ đồ khối hệ thống thu thập liệu Các cảm biến bao gồm 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 4.[3] Hình 4: Đặc tuyết cảm biến Lambda GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 88 Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Mạch thu thập chuyển đổi liệu sử dụng vi điều khiển Atmega32 hãng Atmel thu thập liệu giao tiếp với máy tính hiển thị thơng tin Mạch điện có sơ đồ ngun lý hình Hình 5: Mạch thu thập xử lý liệu Trong mạch thu thập liệu, ba kênh 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 cảm biến nhiệt độ khí xả Ba tín hiệu cảm biến báo đưới dạng điện áp, vi điều khiển chuyển đổi thành liệu số trước truyền máy tính Xung điều khiển kim phun đưa so sánh tín hiệu AIN0, AIN1 Atmega32 để nhận dạng xung điều khiển kim phun Giải thuật lập trình cho vi điều khiển xây dựng hình Hình 6: Lưu đồ giải thuật thu thập liệu Dữ liệu mạch thu thập gửi máy tính thơng qua cổng COM xử lý hiển thị thông số hoạt động thông qua giao diện lập trình phần mềm LabVIEW Giao diện hiển thị thông số hoạt động động giá trị đo đạc hình GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 89 Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Hình 7: Giao diện thu thập liệu Thí nghiệm thảo luận Thí nghiệm thu thập liệu xác định nhiệt lượng khí xả bố trí động mơ tả hình Hình 8: Bố trí thí nghiệm Sau khí lắp đặt cảm biến, động cho chạy thí 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 14,7:1 Tín hiệu cảm biến lambda báo ECU có dao động tuần hoàn với mức điện áp từ 200 mV đến 800 mV [2], điều khiển đo mức trung bình khoảng 450 mV Tín hiệu cảm biến lambda lúc có dạng hình9 Hình 9: Tín hiệu cảm biến lambda Thông qua liệu cài đặt thu thập từ tín hiệu phản hồi, liệu thống kê bảng Bảng 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] GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng Nhiệt lượng phát thải [kJ/CT] Nhiệt lượng[kW]nhiệt độ[K] phát thải trung bình HVTH: Lê Quang Vũ 90 Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ 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 vậy, với điều kiện tỷ lệ hịa khí tốt nhất,động đốt phát thải lượng nhiệt lớn với nhiệt độ đạt khoảng 400oC đến 500oC Kết luận Đề tài xác định nhiệt lượng phát thải qua đường ống xả động Toyota 5S-FE Với điều kiện hoạt động động có kiểm sốt tiết kiệm nhiên liệu, lượng phát thải chiếm từ 27% đến 29% lượng nhiên liệu đưa vào buồng đốt Đây sở quan trọng việc nghiên cứu thu hồi lượng phát thải động xăng nhằm mục đích tiết kiệm nhiên liệu Thông số đề tài 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 Tài liệu tham khảo [1].Audi, Motor Vehicle Exhaust Emissions,Self-Study Programmer 230 [2] BOSCH, Automotive Electric Electronic System [3] Đỗ Văn Dũng, Điện động điều khiển động NXB ĐH QG TP HCM, 2013 [4] Hoàng Đình Tín, Lê Chí Hiệp, Nhiệt động lực học kỹ thuật, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, 1997 [5].F.Ommi, E.Movahednejad, K Nekofar Study of injection parameters on performance and fuel consumption in a portinjectedgasoline engine with experimental andtheoretical methods, Journal of Engineering Annuals of Faculty of Engineering Hunedara P3.2 Bài báo đăng Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Giáo dục số 28/2014 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HIỆU ỨNG SEEBECK THU HỒI NHIỆT KHÓI THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG THÔNG QUA MÁY PHÁT NHIỆT ĐIỆN THE STUDY ON APPLICATION OF THE SEEBECK EFFECT TO THE ENERGY RECOVERY FROM EXHAUST GAS BY THERMO-ELECTRIC GENERATOR Đỗ Văn Dũng, Lê QuangVũ(1) (1) Trường Đại học SưPhạm KỹThuật Tp HồChí Minh TĨM TẮT Theo ước tính, khoảng 40% lượng từ trình cháy buồng đốt động đốt phát thải mơi trường bên ngồi dạng nhiệt khói thải Điều có nghĩa có tới 40% lượng nhiên liệu hóa thạch đốt cháy ngày thải nhiệt bầu khơng khí, làm nhiễm mơi trường Bài báo trình bày phương pháp ứng dụng hiệu ứng Seebeck, chuyển đổi trực tiếp nhiệt khói thải thành điện cung cấp cho phụ tải điện ô tô Kết nghiên cứu góp phần giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm nhiễm mơi trường chống lại ấm lên tồn cầu Từ khóa: Nhiệt phát thải, hiệu ứng Seebeck, động đốt GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 91 Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ ABSTRACT According to the most recent estimates, the internal combustion engine has lost around 40% of energy in the form of emission heat On average, 40% of fossil fuels are burned daily just wasted heat into the environment This paper presents the application of the Seebeck effect to recover energy through thermo-electric generator from internal combustion engine emissions This thermo-electric generator will provide the additional electrical power in automobile to supply electrical loads, thereby, reducing the fuel consumption, emission and global warming Keywords: Waste heat, Seebeck effect, Internal combustion engine ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, công nghệ chế tạo điều khiển động đốt đạt tới mức tối ưu Nhưng đặc thù riêng nên hiệu suất động thấp đạt khoảng từ 25% đến 35% Một lượng nhiệt lớn chiếm từ 35% đến 40%được phát thải qua đường ống xả[1].Đây lượng tổn hao nhiên liệu lớn mà ngày phương tiện giao thông thải làm ô nhiễm môi trường tác nhân gây biến đổi khí hậu Bên cạnh đó, phụ tải điện tơ ngày nhiều địi hỏi tỷ lệ nhiên liệu chuyển thành điện ngày tăng Chính vậy, vấn đề thu hồi nhiệt thải để phát điện trở nên cấp bách nhiều cá nhân tổ chức nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng hiệu ứng Seebeck vào máy phát kiểu nhiệt điện chuyển đổi trực tiếp nhiệt từ khói thải thành điện cung cấp cho hệ thống điện ô tô nhờ module nhiệt điện Các thông số xác định đánh giá động xăng 5S-FE củaToyota Kết nghiên cứu đóng góp quan trọng lĩnh vực tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường cho phương tiện giao thông Nội dung nghiên cứu bao gồm: - Nghiên cứu khả ứng dụng hiệu ứng Seebeck thu hồi nhiệt khói thải - Đánh giá mức độ giảm phát thải nhiệt động xăng lắp đặt hệ thống thu hồi TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ CƠ BẢN Mơ hình module nhiệt điện TEG Modulenhiệt điện TEG(Thermoelectric Generator) thiết bị chuyển đổi nhiệt thành điện dựa vào độ chênh lệch nhiệt độ hai mặt trao đổi nhiệt Quá trình trao đổi nhiệt TEG diễn phức tạp tuân theo nhiều hiệu ứng khác Tuy nhiên,nếu xét khía cạnh nhiệt điện chọn mơ hình 1[2] 2.1 Hình 1: Mơ hình module TEG Trong đó: Th [K] - nhiệt độ mặt nóng, Tc [K] - nhiệt độ mặt lạnh, Us [V] - điện áp phát theo hiệu ứng Seebeck, Es [V] - suất điện động phát TEG, Ri [Ω] - điện trở TEG, UL [V] - điện áp ngõ TEG, IL[A] - dòng điện qua tải, RL [Ω] điện trở tải Từ mơ hình ta có phương trình TEG sau GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 92 Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Us = S(Th-Tc) = S.∆T = Es 𝐸 𝑖 Trong đó:tp[ms]- thời gian mở kim phun xác định trực tiếp động (2) hoạt động 𝑆.∆𝑇 𝑠 𝐼𝐿 = 𝑅 +𝑅 = 𝑅 +𝑅 𝐿 𝑖 𝐿 𝑆.∆𝑇 UL= IL.RL= ES – IL.Ri = S.∆T - 𝑅 +𝑅 𝑅𝑖 𝐿 𝑖 𝑆 ∆𝑇 𝑅 𝑖 𝑃𝐿 = 𝐼𝐿 𝑈𝐿 = − 𝑅 +𝑅 𝑖 𝐿 𝑅 +𝑅 𝑅𝐿 𝑖 𝐿 O Trong đó: ∆T [ K] - độ chênh lệch nhiệt độ hai mặt trao đổi nhiệt, S- hệ số Seebeck vật liệu bán dẫn, P L [W] cơng suất đầu TEG Từ mơ hình ta thấy muốn xác định điện áp công suất phát máy phát nhiệt điện cần xác định nhiệt độ hai bề mặt trao đổi nhiệt Th Tc TEG 2.2 Xác định nhiệt lƣợng thu hồi Nhiệt phát thải xả động đốt chất nhiệt dư thừa trình cháy giãn nở Sản vật cháy lúc có nhiệt độ cao qua thu nhiệt, nhiệt độ bị giảm Nhiệt lượng thu thu, xét chu trình(CT) xác định qua công thức sau q= mf(kf-a λ+1) 𝑇𝑜 𝑇𝑖 Luận văn Thạc Sĩ 𝐶𝑝 𝑑𝑇 Trong đó: q[kJ/CT] - nhiệt lượng thu hồi, Cp[kJ/kgOK] - nhiệt dung riêng khí xảđi qua thu hàm số theo nhiệt độ, mf[kg] - khối lượng nhiên liệu, kf-a - tỷ lệ khối lượng khơng khí nhiên liệu tiêu chuẩn, Ti To[OK] - nhiệt độ khí xả vào thu hồi, λ- hệ số dư lượng khơng khí Trong cơng thức (5), kf-a thơng số tùy thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng Với nhiên liệu xăng kf-a = 14,7 Hệ số λđược xác định nhờ vào cảm biến A/F đặt đường ống thải động cơ, mf xác định thông qua lưu lượng thời gian mở kim phun Động 5S-FE làm thí nghiệm sử dụng kim phun có thơng số xác định qua công thức[5]: mf= 2,214.10-6tp Cplà thành phần khó (3)xác định Giá trị Cp phụ thuộc vào nhiệt độ thành phần khói thải Tuy nhiên (4) với động xăng đại có kiểm sốt tỷ lệ hịa khí, ta xem tỷ lệ hịa khí đạt xoay quanh tiêu chuẩn 14,7 khí xả bao gồm thành phần hình Hình 2: Thành phần khí xả động xăng[4] Thành phần khác bao gồm CO, NOx, HC với lượng CO chiếm tỷ lệ 80% nên ta xem toàn CO Với thành (5) phần này, nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp khí xả xác định theo công thức sau Cp = 1,105 - 0,099.10-3Te+0,586.10-6 Te2 0,270.10-9Te3+0,002.10-12.Te4 THI NGHIỆM THU THẬP DỮ LIỆU 3.1.Thí nghiệm xác định thơng số TEG Để tiến hành thí nghiệm máy phát nhiệt điện, trao đổi nhiệt thiết kế đặt đường ống xả thay ống PO phụ xe Dịng nhiệt từ khí xả động hấp thụ qua thu nhiệt đưa tới mặt nóng TEG Mặt lạnh TEG giải nhiệt nhờ làm mát kiểu đối lưu cưỡng với dịng gió làm mát tạo xe chạy Máy phát nhiệt điện thiết kếvà chế tạo hình3 (6) GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 93 Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Hình 3: Hình thiết kế chế tạo máy phát nhiệt điện Trong máy phát nhiệt điện, module nhiệt điện ghép nối dọc theo chiều dài thu nhiệt để tránh tình trạng phân bố khơng đồng nhiệt độ dọc theo chiều dài thu tạo khác biệt chuyển đổi Mỗi TEG gồm 500 cặp P-N mắc nối tiếp Thí nghiệm tiến hành động 5S-FE chạy không tải, thay đổi nhiệt độ cách thay đổi số vòng quay động Sơ đồ bố trí thí nghiệm hình hình Từ thơng số thí nghiệm thu kết hợp với mơ hình TEG, phương pháp bình phương nhỏ nhóm làm đề tài tìm phương trình xác định hệ số S theo chênh lệnh nhiệt độ sau S = - 0,0003.ΔT+ 0,1668 Đồ thị biểu diễn hàm S=f(ΔT) hình Hình 5: Đặc tuyến S theo chênh lệch nhiệt độ Hình 4: Thí nghiệm thu thập liệu máy phát nhiệt điện Dữ liệu thu thập từ thí nghiệm trình bày tóm lược bảng Bảng 1: Dữ liệu thí nghiệm xác định thông số TEG Th[oC] 98 104 111 117 127 139 149 156 163 168 Tc[oC] 56 58 60 61 65 67 67 69 70 70 Th-Tc 42 46 51 56 62 72 82 87 93 98 UL[V] 5.88 6.46 6.99 7.57 8.49 9.57 10.47 11.11 11.79 12.43 IL[mA] 89 97 105 114 128 145 158 168 178 188 Với quy luật biến thiên S phương trình (8), điện áp phát theo hiệu ứng Seebeck có phương trình sau Us = - 0,0003ΔT2+ 0.1668 ΔT Đặc tuyến US theo chênh lệch nhiệt độ hình Hình 6: Đặc tuyến US theo chênh lệch nhiệt độ GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 94 Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Với phương trình xác định hệ số Seebeck theo cơng thức (8) mơ hình TEG hình 1, ta có đặc tuyến module TEG 500 cặp P-N đặt dọc theo thu nhiệt hình 3.2 Thí nghiệm đánh giá thu nhiệt Thí nghiệm xác định thơng số khói thải bố trí theo sơ đồ khối hình Hình 7: Kết mơ module TEG Hình 8: Bố trí thí nghiệm thu thập liệu khói thải Qua liệu thí nghiệm bảng 1ta thấy với 500 cặp nhiệt điện hệ số Seebeck đạt tới 0,154 nhiệt độ mặt nóng đạt 168 OC mức độ chênh lệch đạt 98 O C điện áp phát đạt tới 12 V, nhánh module cho kết giống hồn tồn mắc song song để tăng dòng điện ngõ Kết mơ hình cho ta thấy với mức nhiệt độ mặt lạnh 50OC điện áp phát đạt 10V cơng suất đạt tới 12W Để đánh giá thu nhiệt, bước đầu nhóm nghiên cứu đánh giá khả thu hồi nhiệt cách đo độ chênh lệch nhiệt độ dịng khí vào Ti[OC] thu To[OC] từ đó, kết hợp với liệu khói thải để tính nhiệt lượng hấp thụ thu Thí nghiệm đánh giá khả giải nhiệt gió làm mát Ta[OC] tốc độ động cơNe từ1500 rpm tới 2500 rpm động chạy khơng tải Tốc độ gió Wa[km/h] tạo từ quạt gió với vận tốc khoảng 20 km/h Dữ liệu thí nghiệm trình bày bảng Bảng 2: Dữ liệu thí nghiệm đánh giá trao đổi nhiệt Ti[OC] 373 377 446 469 503 515 527 535 To[OC] 334 337 379 394 408 415 423 430 Ta[OC] 49 54 55 55 55 56 56 57 tp[ms] 4,1 4,3 4,4 4,7 4,9 4,9 5,0 5,1 Trong bảng trên, Ne[rpm] - tốc độ động cơ, Qe[kW] - nhiệt lượng khí xả vào thu nhiệt, Qt[kW] - nhiệt lượng thu thu, H[%] - hiệu suất thu hồi nhiệt Ne[rpm] 1463 1461 1719 1758 2049 2351 2443 2554 Qe[kW] 2,944 3,119 4,509 5,207 6,842 8,061 8,773 9,516 Qt[kW] 0,307 0,330 0,672 0,825 1,278 1,546 1,709 1,844 H[%] 10,4 10,6 14,9 15,8 18,7 19,2 19,5 19,4 Dữ liệu thực nghiệm cho thấy phận thu hồi nhiệt có nhiệt độ chênh lệch đạt tới 109OC nhiệt độ gió làm mát khỏi cánh tản nhiệt đạt 57OC với tốc GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 95 Luan van Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM độ gió 20 km/h Nhiệt độ vào 283OC tốc độ động 2554 rpm, công suất thu nhiệt đạt 1,844 [kW].Hiệu suất thu hồi đạt 19,4% Tuy nhiên, khả thu hồi nhiệt thu nhiệt làm mát gió Hiệu suất tái sử dụng nhiệt cịn phụ thuộc vào chuyển đổi nhiệt điện KẾT LUẬN Nghiên cứu xây dựng mối quan hệ điện áp phát thu nhiệt gồm dãy mắc song song, dãy gồm 500 cặp nhiệt điện cho kết đồng có khả ứng dụng thu hồi nhiệt phát thải ô tô Tuy nhiên, điện áp phát TEG phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ hai bề mặt trao đổi nhiệt Bên mặt nóng phụ thuộc vào tải tốc độ động cơ, bên mặt lạnh phụ thuộc vào tốc độ xe Các thông số phụ thuộc lại thay đổi thường TÀI LIỆU THAM KHẢO Luận văn Thạc Sĩ xuyên xe hoạt động nên thu kết điện áp trực tiếp ổn định Chính vậy, cần sử dụng chuyển đổi DC-DC để đạt điện áp ổn định mức14V cung cấp cho phụ tải.Ở thí nghiệm đánh giá thu hồi nhiệt,do thu đặt xa động chưa cách nhiệt đường ống thải đồng thời động chạy không tải nên nhiệt độ vào thu thấp Ở tốc độ 2554rpm nhiệt độ vào đạt 280OC, thấp nhiều so với số 510OCkhi vừa khỏi hệ thống thải chế độ tải trung bình [5] Vì công suất thu hồi thu nhiệt đạt 1844W Tuy nhiên nghiên cứu cho thấy khả giải nhiệt phương pháp đối lưu cưỡng nhờ dịng gió xe chạy đáp ứng chức tiết kiệm nhiên liệu Đồng thời hệ thống cần có quạt làm mát dự phịng tốc độ xe khơng đủ tạo vận tốc gió làm mát cần thiết [1].Jihad G Haidar Jamil I Ghojel, Waste heat recovery from the exhaust of low-power diesel engine, Department of Mechanical Engineering Monash University [2] Dimitri Tatarinov, Modeling of a Thermoelectric Generator for Thermal Energy Regeneration in Automobiles, Faculty of Engineering, University of Applied Sciences Trier, Schneidershof, 54293 Trier, Germany [3] G Jeffrey Snyder, Small Thermoelectric Generators [4].Audi, Motor Vehicle Exhaust Emissions,Self-Study Programmer 230 [5] Đỗ Văn Dũng, Lê Quang Vũ, Huỳnh Phước Sơn, Nghiên cứu xác định nhiệt lượng khí xả động xăng thơng qua hệ số dư lượng khơng khí,Báo cáo Hội nghị Cơ học Thủy khí tồn quốc năm 2013, Đồng Hới, Quảng Bình GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 96 Luan van S K L 0 Luan van