TÓM TẮT Động cơ đốt trong đặt trên các loại phương tiện giao thông hiện nay hầu hết đều sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống và đây chính là nguyên nhân chính gây nên sự ô
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các phương án và công nghệ giảm khí thải
Vấn đề ô nhiễm không khí đã và đang là vấn đề nhức nhối khiến nhiều quốc gia trên thế giới phải lo lắng, trong đó có Việt Nam Hiện nay, nước ta nằm trong những quốc gia thuộc nhóm đầu chịu tác động từ ô nhiễm đặc biệt là ô nhiễm không khí Trong đó, hai thành phố lớn của nước ta là thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội là đáng chú ý khi có chất lượng không khí bị ô nhiễm cao gây tổn hại đến sức khỏe người dân sinh sống tại hai khu vực này Theo IQAir (một công ty đánh giá chất lượng không khí, sản xuất các sản phẩm giám sát và làm sạch không khí tại Thụy Điển), Tp Hồ Chí Minh và
Hà Nội lần lượt đạt các thứ hạng 54 và 74 trong bảng xếp hạng 100 thành phố có mức độ ô nhiễm không khí nghiêm trọng nhất thế giới
Hình 2.1 : Tp Hồ Chí Minh và Hà Nội trên bảng xếp hạng IQAir
Các yếu tố chính dẫn đến sự ô nhiễm không khí của hai thành phố lớn như hiện nay gồm: phát thải từ động cơ của phương tiện tham gia giao thông, khí thải từ các hoạt động công nghiệp, xây dựng Trong đó, phát thải từ động cơ của các phương tiện khi tham gia giao thông là đáng chú ý nhất do mật độ giao thông tại các thành phố này vô cùng dày đặc Theo thống kê, Việt Nam có hơn 60 triệu xe máy và 4,5 triệu ô tô đang lưu hành do đó phát thải từ động cơ các phương tiện này thải ra hằng ngày đặc biệt cao nhất là vào các khung giờ cao điểm Các chất gây ô nhiễm có trong phát thải bao gồm: Nitrogen Dioxide (NO2), Carbon Monoxide (CO), Benzene (C6H6), các hạt bụi mịn (chủ yếu từ động cơ sử dụng nhiên liệu dầu) và các Hydrocacbon Các hợp chất từ Nitơ trong phát thải có thể gây ra các triệu chứng hen suyễn hay gây ra các hiện tượng thắt chặt ở ngực, khó thở, giảm chức năng của phổi Khí Carbon Monoxide có tác hại làm chậm phản xạ, kém phát triển tư duy, gây buồn ngủ do làm giảm khả năng mang Oxy của máu và là tác nhân gây nên những bệnh về tim mạch Benzene là một trong những yếu tố dẫn đễn ung thư và bệnh bạch cầu Hydrocacbon gây kích thích niêm mạc của hệ thống hô hấp, gây ra ho, nghẹt thở và chức năng phổi bị suy giảm
Với các tác hại của phát thải từ động cơ đốt trong như vậy, nhiều phương pháp được đề ra để kiểm soát lượng khí thải từ phương tiện giao thông Các phương pháp đề ra chú trọng vào các yếu tố như năng lượng thay thế, cải tiến công nghệ giảm khí thải hay sử dụng động cơ điện, xe Hybrid
2.1.1 Phương án xe điện, xe Hybrid
Hình 2.2: Ô tô điện VinFast VF8
Xe điện (EV) và xe Hybrid (HEV) được cho là giải pháp của vấn đề giảm phát thải trên động cơ đốt trong Khác với các xe thông thường, xe điện sẽ sử dụng một hay nhiều Motor điện để dẫn động phương tiện hay xe Hybrid sẽ sử dụng cả động cơ chạy xăng và động cơ chạy bằng điện để giảm phần nào phát thải ra môi trường Các phương tiện này sử dụng pin (đôi khi được sạc bằng các tấm năng lượng mặt trời) để lưu trữ khi sạc điện và cung cấp chúng đến với các motor hay các trang thiết bị tiện ích trên xe Xe điện được cho là hoàn toàn không phát ra bất cứ chất thải gây ô nhiễm không khí Tuy nhiên, các phương tiện này dù không có ống xả để phát thải ra bên ngoài nhưng quá trình sản xuất và vận hành cũng có ảnh hưởng, tác động đến với môi trường
Thứ nhất khi nghiên cứu và phát triển một mẫu xe thuần điện hay thuần Hybrid sẽ cần một lượng lớn nguồn vồn đầu tư Trong quá trình sản xuất và lắp ráp các động cơ, pin cho xe điện trong các nhà máy sẽ tạo ra phát thải gây ô nhiễm môi trường
Bài toán tái chế pin xe điện đang trở thành một thách thức đối với các quốc gia phát triển Trong khi các quốc gia này sở hữu những công nghệ xử lý hiệu quả ắc quy chì trên xe sử dụng xăng, dầu thì pin lithium của xe điện vẫn chưa tìm được phương pháp xử lý ít gây ô nhiễm môi trường.
2.1.2 Công nghệ giảm khí thải a Bộ lọc khí thải:
Bộ lọc khí thải ô tô (Catalytic Converter) hay còn được gọi là bộ chuyển đổi tiếp xúc khí thải là bộ phận kiểm soát khí thải của phương tiện giúp chuyển đổi khí thải độc hại và các chất có tính ô nhiễm từ khí thải của động cơ đốt trong biến thành các chất ô nhiễm ít độc bằng xúc tác cho phản ứng oxy hóa khử Bộ lọc này có vai trò vô cùng đặc biệt trong suốt quá trình vận hành phương tiện Nó đóng vai trò như một lá phổi của con người khi có thể sàng lọc, chuyển hóa, giảm mức độc hại các chất có trong khí thải như
N2, CO, CO2 xuống hết mức có thể rồi mới thải ra môi trường bên ngoài
Hình 2.3: Bộ chuyển đổi xúc tác
Bộ chuyển đổi xúc tác thường được cấu tạo từ 3 lớp riêng biệt, chúng được liên kết với nhau Các lớp này làm việc và hỗ trợ cho nhau để trung hòa các chất thải độc hại có trong phát thải ô tô một cách tốt nhất
- Lớp xúc tác thứ nhất mà khí thải đi qua sẽ được làm từ các kim loại quý như Rhodium và Platium nhằm giảm lượng khí NOX
- Lớp tiếp theo mà phát thải đi qua là lớp xúc tác oxy hóa, tại đây lượng khí Carbon Monoxide và Hydrocacbon sẽ được trung hòa bằng cách đốt cháy cùng với chất xúc tác Palladium và Platium
- Lớp cuối cùng là hệ thống kiểm soát khí thải của xe Thông tin mà hệ thống này cung cấp sẽ điều chỉnh chính xác hệ thống phun nhiên liệu của ô tô Các thông tin này được xác định bằng một cảm biến oxy gắn giữa động cơ xe và bộ chuyển đổi xúc tác
Bầu lọc có thể được cho là một phần không thể thiếu trong các loại ô tô hiện nay Với các tiêu chuẩn khí thải như hiện nay thì bầu lọc khí này đang ngày được chú trọng và cải tiến hơn.
Các loại nhiên liệu thay thế
LPG - Liquefied Petroleum Gas là khí dầu mỏ hóa lỏng (khí gas) có thành phần gồm các khí Hydrocacbon trong đó các thành phần chính là Propan (C3H8) và Butan (C4H10), chúng có thể được lưu trữ riêng biệt hay được pha trộn với nhau theo tỷ lệ cụ thể Trong quá trình sản xuất LPG, người ta thường trộn Propan và Butan theo 3 tỷ lệ chính là 50:50, 40:60 và 30:70
Hình 2.4: Bồn lưu trữ LPG
LPG là sản phẩm trong quá trình xử lý khí từ thiên nhiên hay trong quá trình tinh lọc dầu thô LPG còn được gọi là “khí dầu mỏ hóa lỏng” do có thể hóa lỏng ở nhiệt độ bình thường bằng cách gia tăng áp suất ở mức vừa phải
13 b Thành phần của LPG Ở một số quốc gia, LPG chỉ bao gồm Propan còn ở Việt Nam thì LPG sẽ bao gồm hỗn hợp Propan và Butan với các tỷ lệ khác nhau Đối với hỗn hơp có tỷ lệ Propan : Butan là 40:60 và 30:70 thì thường được sử dụng trong sinh hoạt Còn tỷ lệ 50:50 sẽ là nguyên liệu sử dụng trong các nghành công nghiệp như sản xuất Accquy, nấu chảy thủy tinh, đóng tàu và nhiều nghành khác c Đặc điểm của LPG
LPG là chất khí không màu, nhẹ hơn nước khoảng 0,5 lần khi ở nhiệt độ 150 o C và ở thể lỏng, nặng hơn không khí khoảng 1,85 lần khi ở thể khí ở cùng nhiệt độ 150 o C
Do có tính chất nặng hơn không khí nên khi thoát khỏi bình chứa thì LPG sẽ tích tụ lại ở những nơi kín gió, vùng đất lõm hay bay là là trên mặt đất LPG khi ở dạng nguyên chất thì không có mùi nhưng trong quá trình sản xuất, người ta sẽ thêm Mercaptan vào trong LPG để dễ dàng nhận biết được bằng khứu giác khi có hiện tượng rò rỉ
Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG có thể chuyển hóa thành thể khí rất nhanh trong điều kiện nhiệt độ lớn hơn 0 o C hoặc ở áp suất khí quyển (15 psi) Trung bình 1 lít khí LPG ở dạng lỏng có thể chuyển hóa thành 250 lít khí, với mức khuếch đại lớn và nhanh chóng như vậy sẽ tạo thành một hỗn hợp dễ cháy nổ Khi có mồi (bắt cháy), LPG có thể tạo ra nhiệt lượng rất cao (trên 1900 o C) và sinh ra năng lượng lên đến 12000 Kcal với mỗi kilogram nhiên liệu Mức năng lượng này tương đương với 1.3 lít dầu, 1.5 lít xăng và 2 kilogram than củi khi cháy hết hoàn toàn
Hình 2.5: Tính chất khí LPG
CNG hay còn được gọi là khí thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas) là một loại khí có thành phần chính là Methane (CH4) Khí thiên nhiên thường được khai thác từ các mỏ khí nằm trong vỏ trái đất hay là khí đồng hành trong quá trình khai thác dầu mỏ
Sau đó khí sẽ được vận chuyển bằng đường ống có kích thước 6 inch và có áp suất từ 16 đến 22 Bar vào đến các nhà máy xử lý khí Hệ thống đo tự động sẽ liên tục cập nhật thành phần khí, áp suất, nhiệt độ, hiển thị thông tin và truyền dữ liệu về trung tâm để tính toán khí giao nhận Sau đó khí sẽ được nén với áp suất 200 đến 250 bar để dễ dàng vận chuyển và tăng thể tích chứa b Thành phần của CNG
Về thành phần, CNG bao gồm các Hydrocacbon trong đó phần chiếm số đông là Methane (CH4) ngoài ra còn có Etan (C2H6), Propan (C3H8), Butan (C4H8), Pentan
(C5H12) và các thành phần khí khác Do vậy, khí thiên nhiên nén CNG nhẹ, dễ tan trong không khí, không màu, không mùi, không gây độc hại cho cơ thể Thành phần của CNG sẽ khác nhau tùy theo từng mỏ khai thác khác nhau
Hình 2.6: Thành phần của CNG
Khí thiên nhiên khi khai thác sẽ chứa lượng nhỏ của các tạp chất bao gồm Cacbon Dioxide (CO2), Hydro Sulfide (H2S), và Nitơ (N2) Các tạp chất này có thể làm giảm nhiệt trị và đặc tính của khí thiên nhiên, các nhà sản suất CNG sẽ sử dụng phương pháp tinh lọc để loại bỏ các tạp chất này và sử dụng làm các sản phẩm phụ c Đặc điểm của CNG
CNG có đặc tính không màu, không mùi, không gây độc hại với môi trường và có nhiệt độ cháy khoảng 1950 O C Vì CNG nhẹ hơn không khí nên dễ dàng bị phân tán ra khi rời khỏi bình chứa Để dễ dàng nhận biết rò rỉ thì thông thường các nhà sản xuất sẽ thêm lưu huỳnh vào trong hỗn hợp khí CNG CNG là loại nhiên liệu sạch và có tính ứng dụng cao trong đời sống Với cùng một mức nhiên liệu với xăng và diesel, CNG giúp giảm đến 30% lượng NOX, 20% lượng CO2 và 70% lượng SOX
Hình 2.7: Đặc tính của khí CNG
Ngoài ra các vấn đề về nhiên liệu xanh, CNG còn giúp tiết kiệm chi phí nhiên liệu lên đến 40% so với các nhiên liệu xăng và diesel Hiện nay trên thế giới mức tăng trưởng lượng xe sử dụng CNG ổn định hằng năm tăng khoảng 30% Tính đến năm 2011, thống kê đã có hơn 14,8 triệu xe ô tô trên thế giới chuyển sang dùng các nhiên liệu khí nén thiên nhiên CNG và trong đó Châu Á đã chiếm hơn 5 triệu xe
2.2.3 Xăng sinh học a Khái niệm
Nhiên liệu xăng sinh học là một hỗn hợp giữa xăng truyền thống và ethanol sinh học (bioetanol) được sử dụng trong động cơ đốt trong như ô tô, xe máy Nhiên liệu sinh học E5 là nhiên liệu chứa 5% thể tích ethanol sinh học và 95% thể tích xăng thông thường Hiện nay, ethanol sinh học ở Việt Nam chủ yếu được sản xuất từ sắn lát khô Xăng sinh học đã được dùng ở nhiều quốc gia trên thế giới từ nhiều năm nay Đây được coi là giải pháp bảo vệ môi trường, giảm sự ảnh hưởng và phụ thuộc nhiên liệu hóa thạch
Sử dụng nhiên liệu sinh học mang lại nhiều lợi ích to lớn như:
Lợi ích đối với động cơ: Do trị số octan của ethanol (rượu) cao tới 109 nên khi trộn với xăng truyền thống sẽ làm gia tăng trị số octan và tăng chỉ số chống kích nổ của nhiên liệu Ngoài ra, nó còn có hàm lượng oxy cao hơn xăng thông thường, giúp quá trình đốt cháy bên trong được hoàn thiện hơn, tăng giá trị công suất, giảm suất tiêu hao
17 nhiên liệu, giảm tối đa phát thải các khí độc hại ra môi trường Cần lưu ý, sử dụng xăng có hàm lượng ethanol cao hơn 10% có thể ảnh hưởng đến một số bộ phận kim loại, cao su, nhựa và polymer của động cơ Tuy nhiên, những ảnh hưởng này không xảy ra khi hàm lượng ethanol trong nhiên liệu sinh học E5 là 5%
Động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng E5 thải ra lượng khí CO và HC ít, thấp hơn tới 20% so với xăng truyền thống như A92, A95, nhờ đó xăng E5 được đánh giá là thân thiện với môi trường Xăng E5 chứa thành phần oxy giúp nhiên liệu được đốt cháy trong điều kiện ít bị thiếu oxy và kiệt sức, tạo ra lượng khí thải carbon dioxide và hydrocarbon ít độc hại hơn Ngoài ra, thế hệ phương tiện giao thông hiện nay đều được trang bị thiết bị xử lý khí thải, việc sử dụng xăng E5 góp phần vào việc giảm đáng kể lượng khí thải ra bên ngoài.
Phương tiện sử dụng nhiên liệu thay thế
LPG hiện chưa được quá phổ biến đối với phương tiện giao thông nhưng việc nghiên cứu và sử dụng LPG đang ngày càng được nhận được sự quan tâm đặc biệt Đa số các phương tiện sử dụng loại nhiên liệu LPG thường là các ô tô tải hoặc các xe khách chạy trong các thành phố lớn để giảm phát thải với mật độ dân cư đông
Khi một chiếc xe sử dụng nhiên liệu là khí LPG thì sẽ giúp tiết kiệm 30% chi phí nhiên liệu so với việc sử dụng xăng, còn khi sử dụng trên đường ngoài thành phố, đường trường thì con số này có thể lên đến 40 đến 50% chi phí nhiên liệu cho chủ xe Mặt khác khi sử dụng ô tô hoạt động bằng LPG sẽ giúp giảm ô nhiễm môi trường hơn khi lượng
19 khí thải từ các phương tiện này giúp giảm đến 50% lượng khí CO, 12% lượng khí CO2, 35% lượng NOX và 40% lượng các loại Hydrocacbon không cháy hết Nhờ vào đó sẽ làm giảm nguy cơ ảnh hưởng đến tầng ozon 50%
Trong nỗ lực chuyển đổi từ xăng sang LPG, nhiều quốc gia toàn cầu đang tích cực hành động, nổi bật như Trung Quốc với 1800 trạm cung cấp LPG phục vụ 53000 xe chạy bằng nhiên liệu này Tại Việt Nam, CP-VT Dầu khí Cửu Long và Dầu khí Đông Dương đã tiên phong cung cấp hơn 600 xe taxi LPG cho các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh, góp phần đáng kể vào quá trình chuyển đổi năng lượng của đất nước.
Hà Nội và Vũng Tàu
2.3.2 CNG Đặc biệt đối với ngành công nghiệp, khí CNG đóng vai trò chủ lực bởi nhiên liệu này tiết kiệm được lên đến 40% chi phí so với loại nhiên liệu khác Ngoài ra, khí CNG còn được dễ dàng vận chuyển vì có thể nén với tỷ lệ 1/250 so với khí thiên nhiên khi sử dụng Điều này giúp cho việc vận chuyển và chi phí vận chuyển cho mỗi lượt trở nên tiết kiệm hơn Nếu không may khí bị rò rỉ và thoát ra ngoài thì nguy cơ cháy nổ vẫn thấp hơn so với xăng dầu
Ngoài ra, khí CNG còn được sử dụng để làm nhiên liệu đối với các phương tiện đường bộ như các ô tô, xe buýt, xe tải Động cơ sử dụng khí CNG giảm được 90-97% lượng khí thải độc hại Đây là ưu điểm đáng kể của động cơ sử dụng CNG Việc sử dụng CNG làm nhiên liệu vận hành còn có tác dụng giảm chi phí đáng kể do giá khí CNG hiện đang ở mức thấp Một số nhà khoa học ước tính giá 1 tấn CNG vào khoảng 318 USD, chỉ bằng 53,5% giá xăng và 42% giá dầu Nhờ đó, ô tô sử dụng CNG tiết kiệm nhiên liệu đáng kể so với ô tô sử dụng dầu diesel, đây sẽ là loại nhiên liệu hiệu quả nhất trong tình hình giá xăng ngày càng tăng Ngoài ra, loại nhiên liệu này còn có một lợi ích khác là có thể sử dụng cho các máy chạy cả động cơ xăng và diesel Không những thế CNG có trị số octan và chỉ số nhiệt trị cao được đốt cháy hoàn toàn nên không đóng cặn trong các kim phun nhờ vào đó đảm bảo được hiệu suất làm việc và kéo dài tuổi thọ của động cơ
Thống kê chỉ ra rằng có khoảng 500 công ty sản xuất tại các khu công nghiệp lân cận có thể sử dụng thêm 338 triệu mét khối khí đốt mỗi năm Nguồn cung khí đốt tại Việt Nam sẽ tăng trưởng 11% mỗi năm trong giai đoạn 2013-2017 Ngoài ra, việc UBND TP.HCM chấp thuận đề xuất sản xuất 300 xe buýt chạy bằng CNG sẽ góp phần tăng cường tiêu thụ CNG nội địa trong năm 2014
Hình 2.9: Xe Bus sử dụng CNG
Dù đây là một loại đã có mặt tại Việt Nam một thời gian, nhưng người dân vẫn chưa thực sự tin dùng loại nhiên liệu này Xăng sinh học E5 sẽ bao gồm 5% thể tích là cồn sinh học và 95% thể tích là xăng khoáng Loại cồn sinh học học này thường sử dụng sắn lát khô để dùng làm nguyên liệu Mối lo ngại của người dân khi tiêu dùng loại xăng E5 này chính là liệu nhiên liệu này có làm hư hỏng động cơ hay có cho ra công suất tương đương với xăng truyền thống không Nhưng thực tế cho thấy xăng E5 thích hợp chạy cho động cơ xăng, người tiêu dùng có thể sử dụng nhiên liệu này cho cả xe máy và xe ô tô mà không cần trang bị thêm bất kỳ thiết bị nào Xăng E5 có thể thay thế hoàn toàn hay cũng có thể chuyển qua lại giữa xăng RON 92,95 mà không có bất kỳ ảnh
21 hưởng gì đến các thiết bị động cơ hay các thiết bị trên xe Khi sử dụng xăng có hàm lượng ethanol lớn hơn 10% thì chi tiết là chất liệu cao su hay kim loại, polymer của động cơ có thể bị ảnh hưởng nhưng với nhiên liệu xăng E5 thì không xuất hiện hiện tượng này Ngoài ra khi sủ dụng nhien liệu xăng E5 thì người dùng cũng góp phần vào công cuộc bảo vệ môi trường Theo nghiên cứu cho thấy, động cơ khi sử dụng xăng E5 sẽ thải ra phát thải có chứa rất ít HC và CO, so với động cơ dùng xăng là RON 92 và 95 thì lượng chất này giảm đến 20% Vì những lý do đó mà xăng E5 đã được sử dụng phổ biến trên hơn 60 quốc gia trên thế giới, trong đó 3 quốc gia tiên phong cho nguồn nhiên liệu này là Mỹ, Trung Quốc và Brazil Có thể kể đến như Thái Lan từ năm 2008 đã áp dụng xăng E20 và E85 vào thị trường nội địa Xăng E85 đã được chính thức sử dụng tại Áo, Pháp và Đức từ những năm 2007 Tại Mỹ cũng đã có hơn 2.000 trạm bán xăng E85 Mỹ cũng là nước tiêu thụ Ethanol lớn nhất với khoảng 60% tổng sản lượng của thế giới Với các nước không có điều kiện nông nghiệp, nhưng muốn hướng đến “bảo vệ môi trường” nên phải nhập nguyên liệu để sản xuất xăng Ethanol với giá thành cao, buộc người dân phải chấp nhận đi loại xăng có chỉ số chống kích nổ thấp như A95.
Giới thiệu về đặc điểm động cơ 4A91
Động cơ Mitsubishi 4A9s là dòng động cơ bốn xi-lanh thẳng hàng hoàn toàn bằng hợp kim mới nhất của Mitsubishi Motors, được giới thiệu trong phiên bản 2004 của mẫu Mitsubishi Colt được chế tạo bởi MDC Power thuộc sở hữu của DaimlerChrysler ở Đức
Dự án động cơ được bắt đầu như một nỗ lực chung của Mitsubishi Motors và DaimlerChrysler (DCX), trong đó Mitsubishi phụ trách việc phát triển động cơ, một công ty trước đây do Mitsubishi và DCX cùng thành lập, phụ trách sản xuất 4A9s là dòng động cơ bốn xi-lanh đầu tiên của Mitsubishi sử dụng khối nhôm đúc áp suất cao Tất cả các động cơ được phát triển trong dòng này đều có khối và đầu xylanh bằng nhôm, bốn van trên mỗi xylanh, bố trí trục cam đôi trên cao và điều phối van biến thiên liên tục MIVEC
Động cơ xăng 4A91 dung tích 1.5L được tích hợp công nghệ điều khiển van biến thiên điện tử MIVEC, giúp gia tăng công suất động cơ nhưng vẫn đảm bảo vận hành êm ái và tiết kiệm nhiên liệu Với công suất tối đa đạt 104 mã lực tại 6000 vòng/phút và mô-men xoắn cực đại 141Nm tại 4000 vòng/phút, động cơ 4A91 mang lại khả năng vận hành mạnh mẽ và hiệu quả.
Động cơ 4A91 là loại động cơ phổ biến trên các dòng xe của Mitsubishi và một số hãng xe khác, trong đó phải kể đến các mẫu xe nổi bật như:
Bảng 2.1: Các dòng xe sử dụng động cơ 4A91
Mẫu xe Năm sản xuất
Tổng quan AVL Boost
Ở thời điểm hiên tại, có rất nhiều phần mềm để mô phỏng một động cơ đốt trong hay quá trình nhiệt động học Một số phần mềm mô phỏng có thể kể đến như là phần mềm tính toán mô phỏng động lực học của các vật chất (CFD) hay các phần mềm của công ty AVL, phần mềm quen thuộc như Mathlab Simulink Trong đề tài lựa chọn phần mềm mô phỏng của công ty AVL đó là AVL Boost để thực hiện mô phỏng động cơ 4A91 Do phần này có khả năng tính toán được các thông số của động cơ một cách vô cùng chi tiết và dễ dàng trong việc chuyển đổi số liệu nên nhóm lựa chọn phần mềm để áp dụng vào đề tài nhằm cho cái nhìn tổng quan về việc thay đổi nhiên liệu ở động cơ 4A91 với dung tích 1.5l
AVL List GmbH có trụ sở chỉnh được đặt tại Áo (Graz) là một công ty độc lập lớn trên thế giới về mặt phát triển, mô phỏng và thử nghiệm về hệ thống truyền lực cho phương tiện giao thông (sử dụng động cơ đốt trong, hybrid, mô phỏng hệ thống truyền động, dẫn động điện, ắc-quy, pin nhiên liệu, và các kỹ thuật điều khiển)
Hình 2.12: Logo của công ty AVL
Công nghệ Mô phỏng là thế mạnh cốt lõi của AVL, và gói Công nghệ Mô phỏng Nâng cao (AST) cung cấp giải pháp cho nhiều ứng dụng khác nhau Công nghệ này đưa ra những thông tin chi tiết về hoạt động và tương tác của hệ thống, hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế, giảm thời gian ra mắt thị trường và tăng cường chất lượng sản phẩm.
25 các bộ phận, hệ thống và toàn bộ chiếc xe Các giải pháp mô phỏng AVL tăng hiệu quả, hiệu suất và sự đổi mới của phương tiện đồng thời giảm nỗ lực phát triển, chi phí và thời gian đưa ra thị trường Chúng có thể được sử dụng riêng lẻ hoặc kết hợp với các phương pháp và công cụ khác của bên thứ ba để giúp cho nhà sản xuất thiết bị ban đầu tạo ra các sản phẩm đáp ứng nhu cầu thị trường
2.5.2 Giới thiệu về AVL Boost
Phần mềm AVL Boost ra đời từ năm 1992 và được sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay AVL Boost là phần mềm mô phỏng tích hợp đầy đủ các bộ phận để mô phỏng động cơ đốt trong Nó cho phép mô phỏng toàn bộ động cơ bằng cách lựa chọn các bộ phận từ thanh công cụ và liên kết chúng bằng các bộ phận đường ống Các bộ phận này bao gồm xylanh, bộ lọc, bộ xúc tác, bộ làm mát khí nạp, bộ tăng áp và nhiều bộ phận khác Phần mềm này mô phỏng các trạng thái chuyển tiếp và ổn định của động cơ, giúp giảm thời gian phát triển động cơ AVL Boost được các quốc gia công nghiệp và các hãng ô tô hiện đại sử dụng rộng rãi để nghiên cứu, tối ưu hóa và mô hình hóa động cơ trong giai đoạn thiết kế.
AVL Boost chỉ hoạt động trên động cơ đốt trong, bao gồm cả động cơ đánh lửa cưỡng bức và động cơ cháy do nén Phần mềm cho phép người dùng xây dựng mô hình hoàn chỉnh của toàn bộ một động cơ thông qua cách chọn và sử dụng phần tử có sẵn trong hộp công cụ và kết nối chúng thông qua các ống Giữa các liên kết ống dung các phương trình động lực học Tuy nhiên, cũng có thể nghiên cứu xe hybrid bằng cách liên
26 kết với các gói AVL khác như Cruise hay Fire, cũng như Matlab, Simulink Boost cho phép người dùng thực hiện một phương pháp tính toán duy nhất và so sánh kết quả thử nghiệm với kết quả mô phỏng Kết quả sẽ được tổng hợp và xử lý bằng cách sử dụng biểu đồ hoặc bảng tính làm tùy chọn Phần mềm cung cấp mức độ linh hoạt cao về loại nhiên liệu và thành phần nhiên liệu, bao gồm khả năng sử dụng nhiên liệu thông thường và nhiên liệu thay thế
2.5.3 Tính năng cơ bản và ứng dụng của AVL Boost
Phần mềm AVL Boost có các tính năng hỗ trợ cho người sử dụng trong việc mô phỏng các động cơ đốt trong trên ô tô AVL BOOST có thể mô phỏng hầu hết các động cơ hiện tại như: động cơ hai kỳ, bồn kỳ, động cơ sử dụng tăng áp và không tăng áp cùng với các loại khác
Với những tính năng cơ bản được phần mềm này hỗ trợ, người dùng có thể áp dụng vào:
• Xác định đặc tính mô men xoắn, mức tiêu hao nhiên liệu và công suất động cơ
• Kiểm tra khả năng thích ứng của bộ tăng áp
• Phân tích độ ồn của ống xả và ống nạp
• Phân tích các quá trình cháy cũng như phát thải
• Thời gian đóng mở van
• Thiết kế đường dẫn khí thải và đường nạp
Phần mềm này có khả năng liên kết với các phần mềm khác như Matlab, 3D CFD hay AVL, AVL Fire thông qua liên kết động (dynamic link) Nhờ đó, người dùng có thể thực hiện mô phỏng bằng dữ liệu động, mở rộng phạm vi ứng dụng của phần mềm.
2.5.4 Các lệnh và phần tử cơ bản
STT Biểu tượng Chức năng
1 Nối các phần tử trong mô hình lại với nhau
2 Điều chỉnh lại hướng của dòng chảy
3 Thay đổi thứ tự kết nối giữa các phần tử đã chọn
4 Quay phần tử ngược chiều kim đồng hồ góc 90 0
5 Quay phần tử theo chiều kim đồng hồ góc 90 0
6 Mở cửa sổ điều khiển chung
8 Nhập thông số cho mô hình
9 Thiết lập thông số chuỗi cho mô hình
11 Hiện trang tức thời của mô hình chạy
12 Xem tổng kết của chạy mô hình
13 Xem lời nhắn từ chạy mô hình
14 Xem kết quả chạy mô hình
Bảng 2.2: Phần tử cơ bản trong AVL Boost
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ PHỎNG TRÊN AVL BOOST
Lý thuyết về mô phỏng trên phần mềm AVL Boost
Quá trình đốt cháy của nhiên liệu ở động cơ là một quá trình không tuân theo quy luật thuận nghịch, khi động cơ hoạt động nhiên liệu hoá năng sẽ được chuyển đổi thành nhiệt năng từ đó sinh ra công suất vận hành xe Trong từng thời điểm làm việc khác nhau, để xác định các trạng thái của môi chất ta cần biết được các phản ứng biến đổi trung gian của các hỗn hợp ban đầu từ đó tạo thành các sản phẩm trong quá trình cháy cuối cùng Trong hầu hết các trường hợp, mối quan hệ giữa các trạng thái ban đầu và cuối trong quá trình đốt cháy nhiên liệu đều tuân theo định luật nhiệt động học I
Hình 3.1: Mô hình nhiệt động học I trong xylanh
Mối tương quan giữa việc biến thiên nhiệt độ và công suất đối với sự biến thiên nội năng được thể hiện thông qua định luật nhiệt động học I Khi ta sử dụng định luật
35 này vào hệ thống làm cho các yếu tố hoá học của nó bị biến đổi cần xác định được trạng thái ban đầu của nội năng từ các chất của hệ thống đó
Từ định luật cân bằng, sự biến thiên khối lượng môi chất bên trong của xylanh được tính theo tổng khối lượng môi chất đi vào và đi ra thông qua công thức:
𝑚 𝑐 : Khối lượng của môi chất phía trong xylanh
𝛼: Góc quay của trục khuỷu
𝑑𝑚 𝑖 : Khối lượng của phần tử lưu lượng vào trong xylanh
𝑑𝑚 𝑒 : Khối lượng của phần tử lưu lượng ra ngoài xylanh
𝑚 𝑒𝑣 : Lượng nhiên liệu bị hóa hơi
Mô hình động cơ hình thành hỗn hợp hòa khí trong xylanh hoặc hoà khí bên ngoài xylanh đều được sử dụng phương trình (3.1) Tuy nhiên quá trình hỗn hợp khí được hình thành từ hai loại trên hoàn toàn không giống nhau
Từ đó ta có được các giả thuyết đối với các quá trình hình thành hoà khí bên trong và bên ngoài xylanh Đối với hoà khí được hình thành trong xylanh, nhiên liệu sẽ được hoà trộn thành một hỗn hợp đồng nhất và đốt cháy nó ngay lập tức Giá trị tỉ lệ hoà khí A/F trong trường hợp này sẽ giảm dần từ khi quá trình cháy bắt đầu đến khi kết thức Đối với hoà khí được hình thành bên ngoài xylanh, khi thời điểm cháy bắt đầu thì hỗn hợp nhiên liệu và không khí mới được đồng nhất Lúc này tỉ lệ hoà khí A/F là không đổi, nhiệt độ và áp suất của hỗn hợp cháy hoặc không cháy là như nhau
36 Đồng thời ta còn có phương trình trạng thái như sau:
𝑉 𝑚 𝑐 𝑅 𝑐 𝑇 𝑐 (3.2) Để thiết lập các mối quan hệ về áp suất cũng như nhiệt độ và khối lượng với phương trình (3.1) ta sử dụng phương pháp Runge-Kutta nhằm biết được nhiệt độ bên trong xylanh và biết được áp suất này qua phương trình (3.2)
3.1.1.2 Quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất
Thông qua phương trình triển khai từ phương trình nhiệt động học I ta có thể biểu diễn các quá trình liên quan đến trao đổi chất:
Trong đó: m c : lượng môi chất phía trong xylanh u : nội năng p c : áp suất phía trong xylanh
Q w : nhiệt lượng hao tổn dm i : khối lượng của phân tử chất vào xylanh dm e : khối lượng của phân tử chất ra phía ngoài xylanh h i : enthalpy của khí trong xylanh
Thông qua lưu lượng khí vào và khí ra từ xylanh, ta có thể xác định lượng môi chất được nạp vào thông qua biểu thức:
Một quá trình cháy khi diễn ra sẽ chịu rất nhiều ảnh hưởng từ các yếu tố khác nhau Đối với AVL Boost thì quá trình của sự cháy được mô tả qua chu trình cháy lý thuyết, đặc tính toả nhiệt của nhiên liệu hoặc do người sử dụng tự định nghĩa… Trong đó mô hình Vibe là một mô hình khá phổ biến cũng như dễ tiếp cận
Phương trình cháy Vibe sẽ được xác định nhờ các tham số cơ bản như vị trí bắt đầu của quá trình cháy, thời gian xảy ra quá trình cháy và tham số mang tính đặc trưng của quá trình cháy Các giá trị trên liên hệ với nhau thông qua phương trình sau:
𝑦 =𝛼 − 𝛼 0 Δ𝛼 𝑐 𝑄: Nhiệt lượng từ nhiên liệu tạo ra (KJ)
𝛼: Góc quay của trục khuỷu (độ)
𝛼 0 : Điểm bắt đầu quá trình cháy (độ)
38 Δ𝛼 𝑐 : Thời gian của quá trình cháy (ms)
𝑚: Tham số đặc trưng của quá trình cháy
Từ (3.3) ta có thể suy ra:
Với x là phần trăm của khối lượng của môi chất được đốt cháy
Tốc độ toả nhiệt cũng như phầm trăm khối lượng của môi chất có mối quan hệ với nhau được thể hiện thông qua đồ thị sau:
Hình 3.2: Quan hệ giữa tốc độ tỏa nhiệt và phần trăm khối lượng môi chất theo góc khuỷu
Tham số đặc trưng cháy ảnh hưởng trực tiếp đến hình dạng Vibe theo góc quay trục khuỷa như sau:
Hình 3.3: Quan hệ giữa tham số đặc trưng cháy “m” đến hình dạng Vibe
3.1.2.2 Mô hình cháy Vibe 2 vùng Đối với đề tài này, mô hình được xây dựng sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau, mang đặc điểm của cả hai loại động cơ cháy nén và động cơ cháy cưỡng bức Chính vì thế mô hình cháy Vibe 2 vùng là một mô hình vô cùng phù hợp để áp dụng Khi sử dụng mô hình này ta hoàn toàn có thể xác định tốc độ phát nhiệt đối với động cơ khí nạp đồng nhất, đồng thời các yếu tố như thành phần của khí nạp, thời điểm phun của nhiên liệu, mức độ chuyển động của xoáy lốc bị ảnh hưởng của hình dạng xylanh đều được xác định
Nhiên liệu được đốt cháy thông qua hai pha chồng lấn với nhau bao gồm phần cháy của nhiên liệu bay hơi được hoà trộn trước với không khí trong vùng của hỗn hợp hoà khí được chuẩn bị cho sự cháy khuếch tán đối với phần nhiên liệu chưa được chuẩn bị cho phần lõi của tia phun Mô hình cháy này có thể sử dụng để mô tả cho tốc độ toả nhiệt của quá trình cháy hỗn hợp cũng như quá trình cháy khuếch tán của nhiên liệu trong tia phun Nhầm đơn giản hoá cũng như mô hình hoá tính toán cho quá trình cháy phức tạp, ta sử dụng định luật động lực học thứ I để biểu diễn tốc độ cháy thông qua các hàm:
𝑑𝛼 : Bao gồm dòng chảy enthalpy từ vùng cháy đến khu vực không cháy để chuyển tia lửa cho các sản phẩm đốt cháy Thông lượng nhiệt giữa hai vùng có thể được bỏ qua
Quá trình của sự truyền nhiệt diễn ra trong xylanh bao gồm truyền nhiệt qua nắp của xylanh, truyền nhiệt qua piston,…và tất cả đều tính toán thông qua phương trình như sau:
Qwi: Nhiệt lượng truyền qua thành xylanh
Ai: Diện tích truyền nhiệt αw: Hệ số của quá trình truyền nhiệt
Tc: Nhiệt độ của môi chất phía trong xylanh
Twi: Nhiệt độ của thành xylanh
41 Đối với trường hợp quá trình trao đổi có sự biến đổi nhiệt độ theo phương dọc của xylanh đi từ điểm chết trên đến điểm chết dưới, ta áp dụng công thức:
TL : Nhiệt độ của lót xylanh
TL,ĐCT : Nhiệt độ của lót xylanh tại ĐCT
TL,ĐCD : Nhiệt độ của lót xylanh tại ĐCD x : Sự dịch chuyển mang tính tương đối của piston
Do ảnh hưởng đến hệ số của quá trình truyền nhiệt, phần mềm AVL Boost tạo điều kiện cho người dùng lựa và sử dụng một trong số các mô hình: Woschni 1978, Woschni 1990, Hohenberg và Lorenz Đối với mô hình động cơ 4A91 nhóm chúng em sử dụng mô hình Woschni 1978 với công thức:
C2 = 0.00324 với động cơ phun trực tiếp (DI)
C2 = 0.00622 với động cơ phun gián tiếp (IDI)
D: Đường kính của xylanh cm: Tốc độ trung bình từ piston cu: Tốc độ tiếp tuyến, 𝑐 𝑢 = 𝜋.𝐷.𝑛 𝑑
42 nd: tốc độ xoáy của môi chất, nd =8,5n
VD: Thể tích công tác của xylanh pc: Áp suất của môi chất bên trong xylanh pc,o: Áp suất của khí trời
Tc,1: Nhiệt độ của môi chất bên trong xylanh lúc đóng van nạp pc,1: Áp suất của môi chất bên trong xylanh lúc đóng van nạp
3.1.3.2 Truyền nhiệt trong quá trình trao đổi chất
Xây dựng mô hình động cơ 4A91 trên phần mềm AVL Boost
Ba bước chính để tạo nên một mô hình động cơ phù hợp với thực tế là xây dựng mô hình, đưa các tham số vào trong mô hình và cuối cung là hiệu chỉnh mô hình Để xây dựng được mô hình cần phải có yếu tố sau:
• Chọn được các thành phần tương ứng giữa động cơ thực tế và mô hình
• Xây dựng được mô hình từ việc liên kết phần tử
• Truyền tham số vào mô hình từ các thông số kỹ thuật có sẵn hoặc thông qua tính toán
Các thành phần tối thiểu để cấu thành một mô hình động cơ đơn giản bao gồm:
• Bộ phận điều hòa áp suất
Khí nạp khi vào động cơ cần phải được lọc qua màng lọc gọi là bầu lọc gió động cơ có tác dụng lọc bụi bẩn trong không khí Bầu lọc này trong chương trình mô phỏng AVL Boost tương ứng với modul Air Cleaner Trên xe thực tế thì sau khi qua bầu lọc không khí (lọc gió) thì tiếp đến không khí nạp sẽ lưu thông qua bướm ga nhưng do trong giới hạn đề tài nên trong bài mô phỏng này bướm ga sẽ được coi như là mở hoàn toàn
3.2.2 Bộ phận điều hòa áp suất
Các thiết bị điều hòa áp suất có các chức năng và nhiệm vụ riêng biệt Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, hệ thống thường bao gồm ba bộ phận chính: System Boundary (SB) đóng vai trò giới hạn và xác định phạm vi điều hòa, Restriction (R) đảm nhận nhiệm vụ hạn chế lưu lượng không khí, còn Plenum (PL) đóng vai trò làm không gian đệm để điều hòa áp suất và lưu lượng khí thích hợp.
3.2.2.1 System Boundary Đây là modul được đặt tại hai điểm đầu và cuối của mô hình và cũng được coi là điều kiện biên cho hệ thống
Các số liệu được nhập vào sẽ khác nhau tùy thuộc vào nhiệm vụ của modul, khi được sử dụng cho không khí nạp thì các thông số sẽ là nhiệt độ và áp suất còn đối với nhiên liệu sẽ là độ bay hơi và tỉ số A/F
3.2.2.2 Restriction Đây là modul có thể làm thay đổi hệ số tiết lưu trong đường ống dẫn khí của mô hình Tùy vào sự thay đổi thay đổi của đường ống mà modul này sẽ thay đổi hệ số tiết lưu của khí đi qua đó Hệ số tiết lưu của đường ống sẽ là 1 nếu như đường ống được thay đột ngột từ nhỏ sang đường ống lớn hơn và ngược lại nếu như đột ngột thay đổi từ một đường ống lớn sang đường ống nhỏ hơn thì hệ số này sẽ bé hơn 1
Bộ phận phân chia khí nạp cho các xy lanh ô tô được gọi là intake manifold Trong mô phỏng động cơ, bộ phận này được biểu thị bằng mô-đun Plenum (PL).
3.2.3 Kim phun Động cơ 4A91 của Mitsubishi được trang bị hệ thống phun xăng trực tiếp và được đặt gần xupap nạp Để thiết lập được kim phun cho mô hình cần sử dụng modul kim phun (Injector) Kim phun trong phần mềm có thể được thiết lập theo tỷ số A/F cho trước hoặc theo các thông số khác tùy người sử dụng Với đề tài này, việc sử dụng thông số A/F cho kim phun sẽ mang lại kết quả khách quan hơn
Khớp nối hay Junction dùng để liên kết các đường ống với nhau Tùy theo từng trường hợp mà Junction có thể gộp các đường ống lại hay chia chúng ra theo mong muốn của người dùng
3.2.4 Khối động cơ Đây là một trong những modul quan trọng và được thiết lập gần như là đầu tiên cho bài mô phỏng Thông số được đưa vào modul bao gồm các thông số như số kỳ động cơ, thứ tự công tác cũng như BMEP và FMEP
3.2.4.1 Xy Lanh Đúng như tên gọi, modul này dùng để mô phỏng xy-lanh trên động cơ ô tô Tùy thuộc vào mỗi động cơ thì số xy-lanh cần thiết là khác nhau Các thông số cần thiết cho việc thiết lập modul bao gồm các thông số kỹ thuật về thể tích xy lanh, biên dạng và góc mở của các xupap nạp và xả Bên cạnh đó, các góc mở sớm, các chu trình nhiệt và chu trình cháy của động cơ cũng là các chi tiết không thể thiếu Tuy nhiên sẽ có các thông số không có sẵn theo công bố nhà sản xuất nên phải tự tính toán và các công thức đã có sẵn theo hướng dẫn của AVL Boost
3.2.5 Khởi tạo mô hình trên AVL Boost
Bằng các modul đã được liệt kê ở trên cùng với các ống nối có kích thước phù hợp, thực hiện liên kết với nhau để tạo nên một mô hình hoàn chỉnh như hình bên dưới:
Hình 3.13: Mô hình hoàn chỉnh
Khi chỉ mới kết nối các modul mà chưa nhập thông số, các khối sẽ báo lỗi và không chạy được Để có thể thực hiện chạy “Run” được mô hình này cần phải thiết lập các thông số cho từng modul
Khởi tạo thông số
Các thông số cần khởi tạo cho modul bao gồm có số vòng tua máy (RPM) và chọn loại động cơ cho mô hình (2 kỳ hay 4 kỳ)
Thông số yêu cầu Ý nghĩa Thông số nhập
Engine Speed Tốc độ động cơ 1000 - 6500
Cycle Type Loại chu kỳ 4 – Storke
Firing Angle Góc đánh lửa 0 – 540 – 180 – 360
Bảng 3.2: Thông số đầu vào của động cơ
Hình 3.14: Các thông số nhập vào khối Engine
Hình 3.15: Các thông số nhập vào khối System Boundary
Thông số yêu cầu Ý nghĩa Thông số nhập
Pressure Áp suất khí nạp 1
Gas Temperature Nhiệt độ khí nạp 31
Fuel Vapour Tỉ số tiêu hao nhiên liệu 0
Combustion Products Sản phẩm cháy 0
Ratio Type Loại tỉ số A/F
Ratio Value Giá trị tỉ số 10000
Bảng 3.3: Các thông số nhập vào khối System Boundary
Hình 3.16: Các thông số nhập vào khối Air Cleaner
Thông số yêu cầu Ý nghĩa Thông số nhập
Total Air Cleaner Volume Lưu lượng khí đi qua 8,7 l
Inlet Collector Volume Lưu lượng đầu vào 3 l
Outlet Collector Volume Lưu lượng đầu ra 4.3 l
Length Of Filter Element Chiều dài phin nạp 300 mm
Bảng 3.4: Các thông số nhập vào khối Air Cleaner
Hình 3.17: Các thông số nhập vào khối Injector
Thông số yêu cầu Ý nghĩa Thông số nhập
The Injector Cover Tỉ trọng trong hỗn hợp khí nạp 25
Injection Method Kiểu phun Continuous
Bảng 3.5: Các thông số nhập vào khối Injector
Hình 3.18: Các thông số nhập vào khối Cylinder General
Thông số yêu cầu Ý nghĩa Thông số nhập
Bore Đường kính piston 75 mm
Stroke Hành trình xy lanh 84.8 mm
Compression ratio Tỉ số nén 10.5
Con – Rod Length Chiều dài thanh truyền 135.6 mm
Piston Pin Offset Độ lệch tâm 18 mm
Effective Blow By Gap Độ dày ron làm kín 0.0008 mm
Mean Crankcas Press Áp suất thành xy lanh 1 bar
Initial Condition at EO Điều kiện đầu vào tại kì xả
Fuel Vapour Tỉ số bay hơi nhiên liệu 0
Combustion Products Sản phẩm cháy 1
Bảng 3.6: Các thông số nhập vào khối Cylinder General
Hình 3.19: Các thông số nhập vào khối Cylinder Intialization
Do đề tài này chủ yếu quan tâm đến các sản phầm cháy, sản phẩm từ khí thải của những nhiên liệu có tính pha trộn nên mô hình cháy kiểu Vibe – 2 – Zone sẽ được chọn
Hình 3.20: Các thông số nhập vào khối Cylinder Combustion
Thông số yêu cầu Ý nghĩa Thông số nhập
Start Combustion Bắt đầu kì nổ – 5 deg
Combustion Duration Thời gian cháy 47 deg
Bảng 3.7: Các thông số nhập vào khối Cylinder Combustion
AVL Boost cũng cần các thông số kỹ thuật về chu trình cháy, cũng cần các bước tính toán đơn giản từ thông số kỹ thuật từ xy-lanh Yếu tố ảnh hưởng tiếp theo là mô hình truyền nhiệt AVL Boost cung cấp nhiều tùy chọn mô hình lửa để tính toán như: Woschni 1978, Woschni 1990, Hohenberg, Lorenz 1978, Lorenz 1990, AVL 2000 Qua các bài báo mô phỏng tương tự cho thấy Woschni 1978 là mô hình phù hợp để tính toán kết quả
Hình 3.21: Các thông số nhập vào khối Cylinder Heat Transfer
Những thành phần chịu ảnh hưởng của mô hình đốt và mô hình truyền nhiệt bao gồm van nạp và xả cùng thời gian đóng mở của chúng Đường kính van nạp và van xả lần lượt là 30,5 mm và 25,5 mm Khoảng hở được cho phép đối với van nạp là 0,22 mm và đối với van xả là 0,3 mm.
Hình 3.22: Công thức tính hiệu quả dòng chảy
Với công thức tính hiệu quả dòng chảy ở trên và các thông số kỹ thuật ta có thể tính toán được bảng sau:
Thông số yêu cầu Ý nghĩa Thông số nhập
Inner Valve Seat Đường kính xu páp 30,5 đối với xupap nạp
Valve Clearance Khe hở 0,22 mm xupap nạp
0,3 mm xupap xả Scaling Factor for
Hệ số cho hiệu quả dòng chảy
0,98 với xupap nạp 0,97 với xupap xả
Bảng 3.8: Các thông số nhập vào khối Cylinder Valve Controlled
Hình 3.23: Các thông số nhập vào khối Cylinder Valve Controlled
Cuối cùng là biên dạng trục cam được lấy từ các thông số kỹ thuật cùng với công thức tính toán ta sẽ được biên dạng như sau
Hình 3.24: Các thông số nhập vào khối Cylinder Valve Controlled
Các tham số này có giá trị không đổi tại mọi vị trí trong mô phỏng, giúp tạo ra các vòng khép kín không bị tổn thất trong mô hình Sẽ có một giá trị tương ứng cho từng
Các thông số về dung tích cc của xi lanh trong bài toán phun nhiên liệu trực tiếp ảnh hưởng đến sai số tính toán kết quả phun Vì thể để tính toán chính xác lưu lượng cần phun thì dung tích cc trước khi nạp và sau khi xả cần được nắm rõ.
Dự án sử dụng các loại nhiên liệu là xăng E15, E10, E5; nhiên liệu khí LPG và CNG Vì phần mềm không cung cấp sẵn các loại nhiên liệu trên nên cần tùy chỉnh theo tỷ lệ yêu cầu AVL hỗ trợ tạo nhiên liệu bằng công cụ đặc tính khí BOOST.
Hình 3.25: Các tham số của Simulation Control phần nhiên liệu b Thời gian mô phỏng: Đặc biệt, số vòng lặp trong mô phỏng càng cao thì kết quả càng mượt mà Nhưng thông số của AVL sẽ cho kết quả ổn định rất nhanh nên quá nhiều lần mô phỏng vẫn cho kết quả như nhau, nhưng sẽ làm tăng thời gian mô phỏng lên rất nhiều
Hình 3.26: Các tham số của Simulation Control phần thời gian mô phỏng
Thông số yêu cầu Ý nghĩa Thông số nhập
Species Transport Kiểu truyền Classic
Simulation Interval Thời gian mô phỏng 50 Cycles
Average Cell Size Kích thước của phần tử trung bình
Bảng 3.9: Các tham số của Simulation Control phần thời gian mô phỏng
65 c Điều kiện hoạt động của mô hình:
Hình 3.27: Điều kiện hoạt động Áp suất khí
Nhiệt độ khí nạp o C Độ bay hơi nhiên liệu
Tỷ số A/F Điều kiện 1 1 30.85 0 0 10000 Điều kiện 2 0.95 66.85 0.07 0 10000 Điều kiện 3 1.5 216.85 0 1 14.3
Bảng 3.10: Điều kiện hoạt động của mô hình
66 Để mô hình hoạt động ta cần nhập các thông số điều kiện phù hợp bao gồm ba giai đoạn: từ môi trường bên ngoài đến cửa nạp của xylanh, bên trong xylanh và từ xylanh thải ra ngoài môi trường.
Chạy mô hình, đánh giá và điều chỉnh kết quả
Sau khi truyền các tham số cần thiết vào trong mô hình đã vẽ, các dấu chấm thang màu đỏ sẽ biến mất Lúc này mô hình đã hoàn tất quá trình tính toán Để chạy mô hình chọn mục Simulation/Run và sau đó chọn Run
Hình 3.28 : Bảng chọn chương trình chạy
Hình 3.29: Bảng chạy chương trình mô phỏng
Nếu chương trình chạy hoàn thành và hiển thị "Complete" trong bảng chương trình chạy, điều đó có nghĩa là chương trình đã chạy thành công.
“Fail” nghĩa là đã thất bại và cần thiết lập lại các tham số Vì biến số thay đổi trong quá trình này là tốc độ động cơ nên mỗi lần chạy sẽ thay đổi tùy theo tốc độ động cơ yêu cầu
- trong trường hợp này là 1000 đến 6500 vòng/phút Kết quả thu được sẽ hiển thị ở phần Summary
Hình 3.30: Xem kết quả mô phỏng
Sau khi chạy thử nhiệm trên mô hình mô phỏng thì cần phải kiểm tra xem các thông số đầu ra có đúng theo mong muốn hay chưa Để đáp ứng được yêu cầu của đề tài, kết quả cho ra cần được so sánh với động cơ thực tế Lưu ý kết quả mô hình được chọn ở mức độ “Efficiently” nên sẽ thấp hơn thực tế khoảng 30% so với động cơ 4A91 thực tế Có sự khác biệt này là do đa số các nhà sản xuất đều sử dụng kết quả đo được từ trục khuỷu động cơ
Hình 3.31: So sánh động cơ 4A91 thực tế với động cơ mô phỏng
Như trong hình trên ta thấy được đường moment xoắn không được mềm mại và hiệu quả như đường của động cơ thực tế Tuy nhiên công xuất cho ra của mô phỏng lại khá đẹp Công suất cho ra ở động cơ thực tế được công bố theo nhà sản xuất là 77 kW tại 6000 vòng/phút và moment xoắn là 141 N.m tại 4000 vòng/phút Với động cơ mô
69 phỏng thì công suất cực đại đạt 75,8 kW tại 5500 vòng/phút và 140,7 N.m tại 4000 vòng/phút điều này cho thấy mô phỏng đã giảm khoảng 2% so với thực tế, theo quy định sai số dưới 5% là mô hình được chấp nhận
PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Giai đoạn 1
Góc đánh lửa sớm là -5 o và thời gian đánh lửa là 47 o , chiều dài cổ nạp là 220mm
Hình 4.1: Momen xoắn trước hiệu chỉnh của các loại nhiên liệu
Xăng E5 E10 E15 Me LPG Me CNG
Hình 4.2: Công suất trước hiệu chỉnh của các loại nhiên liệu
Từ 2 hình ảnh 4.1 và 4.2, có thể nhận thấy được sự khác biệt rõ rệt giữa các loại nhiên liệu Xăng và các chế phẩm chiếm ưu thế về mặt hiệu năng Trong khi đó, LPG và CNG lại cho hiệu quả kém hơn lên đến gần 20% Do đó cần phải cải thiện thông số của động cơ nếu muốn sử dụng nhiên liệu CNG và LPG thay thế cho xăng ở động cơ này
4.1.2 Suất tiêu hao nhiên liệu
Hình 4.3: Suất tiêu hao nhiên liệu trước hiệu chỉnh của các loại nhiên liệu
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 kW vòng tua máy (RPM)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 g/kWh vòng tua máy (RPM)
Ge (suất tiêu hao nhiên liệu)
Từ hình 4.3 cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu của CNG và LPG có xu hướng cao hơn các chế phẩm từ xăng 5% Từ hai kết quả của suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất có thể phỏng đoán được chúng có liên quan với nhau Tỷ lệ hòa khí của CNG và LPG khác với các chế phẩm từ xăng, do đó có thể xảy ra hiện tượng dư nhiên liệu hoặc thiếu không khí nạp làm cho động cơ không đốt hết và làm giảm hiệu suất của động cơ
Hình 4.4: Mức độ phát thải khí CO trước khi hiệu chỉnh
Từ hình 4.4 có thể thấy được thành phần CO trong phát thải động cơ của hai loại nhiên liệu CNG và LPG cao hơn so với các chế phẩm từ xăng Điều này có thể hiểu được do CNG và LPG là các hydrocacbon nên sau khi đốt cháy sẽ tạo ra nhiều CO và CO2 Với mức khí thải CO cao từ hai loại nhiên liệu này sẽ làm cho hệ thống tuần hoàn khí thải và bầu lọc khí thải hoạt động nhiều hơn dẫn đến giảm tuổi thọ của các bộ phận này nên đây cũng là yếu tố cần cải thiện
Vòng tua máy (RPM) khí CO
Hình 4.5: Mức độ phát thải khí HC trước khi hiệu chỉnh
Nồng độ HC sẽ tỷ lệ nghịch với nồng độ CO do trong xăng và các chế phẩm từ nó có các hydrocacbon thơm nên nồng độ này sẽ cao hơn so với LPG và CNG Đây là một ưu điểm của LPG và CNG vì vậy khi sử dụng hai loại nhiên liệu này thì không cần phải tính toán lọc HC như các chế phẩm từ xăng Tương tự với CNG và LPG thì cần phải tính toán việc lọc CO tối ưu hơn
Hình 4.6: Mức độ phát thải khí NOx trước khi hiệu chỉnh
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 g/kWh vòng tua máy (RPM)
NOx là sản phẩm của N2 và O2 ở nhiệt độ cao và bản thân xăng cũng như các sản phẩm xăng đều chứa gốc -OH do một lượng etanol nhất định được trộn vào xăng
Do đó, kết quả là lượng NOx được tạo ra nhiều hơn.
Đánh giá sơ bộ giai đoạn 1
Ta lấy xăng làm quy chuẩn cho các loại nhiên liệu thay thế khác, sau đây là bảng để tổng hợp các ưu và nhược của từng nhiên liệu:
Suất tiêu hao nhiên liệu - ↓ ↓ ↓ ↑ ↑
Bảng 4.1: Đặc tính của các nhiên liệu sau mô phỏng
Qua bảng trên có thể nhận thấy được về mặt hiệu năng thì LPG và CNG kém hơn cùng với tiêu hao nhiên liệu cao hơn xăng và các chế phẩm của nó nhưng về phát thải có thể nhận thấy được ưu điểm rõ rệt Như đã nói ở trên, việc hiệu năng của CNG và LPG bị giảm có thể là do tỉ lệ hòa khí không phù hợp dẫn đến việc thừa nhiên liệu hay lưu lượng khí nạp không đủ Sau các tìm kiếm thông qua các nghiên cứu trong cũng như ngoài nước, tổng hợp được các tỷ lệ hòa khí của các nhiên liệu như sau:
Nhiên liệu Tỉ số A/F tối ưu
Bảng 4.2: Tỷ lệ hòa khí của các loại nhiên liệu
Không những thế tỷ lệ hòa khí còn tác động đến hàm lượng phát thải của xe Khi chỉ số tối ưu sẽ cho ra các hàm lượng khí thải cân bằng từ đó dễ dàng sử lý các vần đề khác và đưa ra các giải pháp hợp lý
Hình 4.7: Mối tương quan giữa tỷ lệ hòa khí và phát thải
Tỷ lệ không khí - nhiên liệu tối ưu phụ thuộc vào loại nhiên liệu, đảm bảo phát thải cân bằng Khi lệch khỏi phạm vi này, hỗn hợp cháy không hoàn toàn, dẫn đến gia tăng một số khí thải và giảm thải một số khí khác Nhà sản xuất ô tô phải đối mặt với áp lực cân bằng lượng khí thải không đồng đều Tính chất nhiên liệu cũng ảnh hưởng đến phát thải Etanol tăng chỉ số octan của xăng, cải thiện hiệu suất đốt cháy (3-5%), giảm CO2 (1-2%), nhưng lại làm tăng HC và NOx do gốc -OH Ngược lại, LPG và CNG không có gốc -OH, nên NOx chủ yếu sinh ra từ không khí nạp, đây là ưu điểm của nhiên liệu khí tự nhiên.
Trên xe ô tô hiện đại, cảm biến oxy lắp tại cổ xả có nhiệm vụ đo nồng độ thành phần khí thải để gửi thông tin đến ECU Dựa trên thông tin này, ECU sẽ điều chỉnh góc đánh lửa và thời gian đánh lửa thích hợp với điều kiện vận hành động cơ, vừa giúp giảm phát thải vừa ảnh hưởng đến khả năng vận hành xe.
Tại thị trường Việt Nam, các mẫu xe sử dụng động cơ 4A91 hầu như không sử dụng trang bị hút khí cưỡng bức (turbo) Tại quê nhà Nhật Bản, mẫu xe Mitsubishi Lancer Evo thế hệ thứ 9 được trang bị động cơ 4A91 2.0L và sử dụng tăng áp đơn cho ra công suất suất lên đến 208,768 kW và momen xoắn lên đến 355 N.m Xe thải ra môi trường với nồng độ CO2 trung bình là 155,792 g/kWh so với động cơ 1.5L hút khí tự nhiên là trung bình mô hình thu được là 99,82 g/kWh (giảm 56%) nhưng công suất được tăng lên đến 2,7 lần momen xoắn lên 2,5 lần Điều này cũng phần nào cho thấy động cơ
77 được tối ưu hơn Tăng công suất động cơ cũng là một trong những cách làm giảm thiểu khí thải khi động cơ có thể đốt được sạch hơn
Một cách khác để tăng lượng khí nạp vào động cơ ở các dãy tốc độ khác nhau đó là làm thay đổi chiều dài đường ống nạp Điều sẽ giúp cho không khí được điều hòa khi đi qua lọc gió Hệ thống này còn đường gọi là hệ thống biên thiên đường ống nạp ACIS.
Các phương pháp nâng cao hiệu quả động cơ
4.3.1 Thay đổi góc đánh lửa
Chu trình đơn giản của động cơ đốt trong bao gồm có nạp – nén – nổ - xả Khi vào kỳ sinh công, bugi đánh lửa sẽ bật tia lửa điện làm cho hòa khí được nén trước đó cháy lan ra Các hòa khí khi cháy ở động cơ xăng cần thời gian để cháy hết, điều này chỉ phù hợp với điều kiện động cơ ở tốc độ thấp Tại dãy tốc độ cao, các kỳ diễn ra rất nhanh nên thời gian diễn ra việc cháy lan này là rất ngắn dẫn đến hòa khí được đốt cháy chưa hết mà đã bị thải ra ngoài phần nào ảnh hưởng đến hiểu quả làm việc của động cơ và gây ô nhiễm môi trường Với hệ thống thay đổi góc đánh lửa, lấy các tín hiệu từ cảm biến oxy được tại đầu cổ xả cùng với tín hiệu tốc độ quay của động cơ và tín hiệu đánh lửa ECU có thể điều chỉnh góc đánh lửa của bugi sớm và muộn thùy theo trường hợp của động cơ
Hình 4.8: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm tới quá trình cháy
Khi thay đổi góc đánh lửa nghĩa là đã thay đổi giời gian cháy của động cơ điều đó dẫn đến việc hòa khí được cháy lâu hơn hoặc nhanh hơn tùy theo sự điều khiển gián tiếp của ECU
4.3.2 Hút khí cưỡng bức bằng Turbo
Các mẫu xe tại Việt Nam sử dụng động cơ 4A91 như dòng Mitsubishi Xpander được trang bị hệ thống hút khí tự nhiên trong khi tại các nước phương Tây , tại thị trường Thái Lan hay tại quê nhà Nhật Bản vẫn có các mẫu xe sử dụng động cơ 4A91 Turbo Việc này cho thấy rằng động cơ này có đủ độ bền để được trang bị Turbo sau khi tinh chỉnh một số thông số kỹ thuật Kể nhà sản xuất Mitsubishi cũng có bán bộ turbo riêng dành cho động cơ này
Hình 4.9: Kit Turbocharger cho động cơ 4A91
Khi mức áp suất cấp vào hệ thống ở giai đoạn 1 là 1 bar thì theo tỷ số A/F sẽ được hiệu chỉnh là 1,07 bar đối với LPG và 1,2 bar đối với CNG Các phương pháp tăng áp áp dụng cho CNG sẽ dễ thực hiện hơn Bởi vì mức áp suất bổ sung của CNG là 0,2 bar, tương đương với 3 psi Đối với LPG là thêm 0,07 bar hay chỉ 1 psi
Trên thực tế, sẽ là một bài toán khó nếu mức áp suất bổ sung chỉ thấp bằng nhiên liệu LPG vì nó quá nhỏ so với công suất thực tế của turbo Trong điều kiện hoạt động bình thường, bộ tăng áp có thể nén tối thiểu 5 - 7 psi Vì vậy, ngoài bộ tua bin phải có các bộ phận khác để điều chỉnh áp suất đi kèm Mặt khác, đối với CNG, bộ tua bin đi
Đối với động cơ 1,0 lít, việc trang bị 79 cánh cùng các cánh tuabin nhỏ trở nên đơn giản hơn đôi chút Do đó, nhóm nghiên cứu không tiến hành lắp đặt hệ thống nạp cưỡng bức cho mô hình trong đề tài.
4.3.3 Thay đổi chiều dài đường ống nạp
Hệ thống thay đổi chiều dài hiệu dụng đường ống nạp ACIS (Acoustic Control Induction System) là hệ thống giúp tăng công suất cả ở tốc độ vòng tua máy thấp và tốc độ vòng tua máy cao Hệ thống này sử dụng hai đoạn đường ống khí nạp điều này cho phép ECU thay đổi chiều dài đường ống khí nạp tùy thuộc vào tốc độ của động cơ và góc mở của bướm ga nhờ vào van điều khiển Phương pháp này hoạt động như sau:
• Khi ở dãy tốc độ vòng tua máy thấp, chu kỳ của động cơ dài dẫn đến không khí nạp vào không nhanh nên lúc này hệ thống sẽ cho đường khí nạp dài như bình thường để đảm bảo độ mượt của động cơ
Khi động cơ vận hành ở tốc độ vòng quay cao, chu kỳ nạp diễn ra nhanh chóng hơn Để đáp ứng nhu cầu nạp khí kịp thời, hệ thống sẽ mở rộng van nạp khí, giúp rút ngắn đường đi của không khí vào xy-lanh, đảm bảo tỷ lệ hòa khí phù hợp cho quá trình đốt cháy Nhờ vậy, động cơ duy trì hoạt động ổn định và đạt được hiệu suất cao.
Hình 4.10: Hoạt động của hệ thống thay đổi chiều dài đường ống nạp
Sử dụng phương pháp này, lượng khí nạp cũng có thể tăng lên nhưng sẽ bị hạn chế bởi đường kính và chiều dài của ống nạp Mặt khác, lượng khí nạp có áp suất vẫn là
1 bar nhưng được bù lại bằng cách giảm khoảng cách vào buồng đốt Tốc độ dòng chảy đã tăng lên so với ống nạp ban đầu nhưng không nhiều Hệ thống hoạt động dựa vào lực hút của buồng đốt và chiều dài ống nạp.
Giai đoạn 2
Ở giai đoạn 2, nhóm sẽ thực hiện hai phương pháp thay đổi góc đánh lửa và thay đổi chiều dài đường ống nạp Nhóm sẽ thực hiện hiệu chỉnh trên hai nhiên liệu thay thế là LPG và CNG và đưa ra các kết quả đánh giá các phương pháp phù hợp cho từng loại nhiên liệu cũng như từng loại thành phần trong phát thải Các tỷ lệ hòa khí lúc đầu sẽ được tinh chỉnh lại cho từng loại nhiên liệu sao cho phù hợp Với tỷ lệ A/F cho nhiên liệu LPG là 15.5 và CNG là 17.23
Với phương điều chỉnh của góc đánh lửa, động cơ sẽ được điều chỉnh từ góc đánh lửa tiêu chuẩn từ 0 o đến sớm 5 o Góc này sẽ được điều chỉnh từ 3500 RPM đến 4500 RPM để giúp thay đổi góc đánh lửa giúp động cơ đốt sạch hơn
Phương pháp thay đổi chiều dài đường ống nạp: đường nạp sau lọc gió của động cơ sẽ được tinh chỉnh giảm dần từ 220 mm còn 50 mm và áp suất khí nạp sẽ được giữ nguyên ở mức 1 bar Chiều dài sẽ được thay đổi từ 3000 RPM đến 4500 RPM Nghĩa là trước 3000 RPM chiều dài đường ống là 220, từ 3000 đến 4500 thì chiều dài sẽ thay đổi từng bậc từ 220 mm đến 50 mm và cuối cùng sau 4500 RPM thì chiều dài đường ống là
4.4.1 Thay đổi góc đánh lửa
Hình 4.11: Momen xoắn của nhiên liệu sau khi thay đổi góc đánh lửa
Hình 4.12: Công suất của nhiên liệu sau khi thay đổi góc đánh lửa
Cả momen xoắn và công suất của động cơ đều giảm so với sử dụng góc đánh lửa tiêu chuẩn khoảng 5% Với phương pháp cho thấy tuy đã tăng được thời gian đánh lửa
Me LPG Me' LPG Me CNG Me' CNG
Pe LPG Pe' LPG Pe CNG Pe' CNG
82 nhưng hiệu suất cho ra vẫn giảm Điều đó nói lên rằng nhiên liệu chưa hoàn toàn được đốt hết do không khí nạp là chưa đủ đáp ứng
Hình 4.13: Suất tiêu hao nhiên liệu trước và sau khi thay đổi góc đánh lửa
Do công suất giảm trong khi mức tiêu hao nhiên liệu lại tăng, nên việc thay đổi góc đánh lửa hiện tại không thích hợp với các loại nhiên liệu này.
Hình 4.14: Thành phần CO có trong phát thải trước và sau khi điều chỉnh góc đánh lửa
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 g/kWh vòng tua máy (RPM)
Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kW)
Ge LPG Ge' LPG Ge CNG Ge' CNG
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 g/kWh vòng tua máy (RPM)
CO LPG CO' LPG CO CNG CO' CNG
Hình 4.15: Thành phần HC trong phát thải trước và sau khi điều chỉnh góc đánh lửa
Hình 4.16: Thành phần NOx trong phát thải trước và sau khi điều chỉnh góc đánh lửa
Có thể thấy được trong thành phần phát thải của các nhiên liệu thành phần CO tăng khoảng 10% nhưng thành phần HC giảm từ 15% đến 25% và thành phần NOx giảm khoảng 35% Từ các thống kê kết quả có thể thấy phương pháp thay đổi góc và thời gian
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 g/kWh vòng tua máy (RPM)
HC LPG HC' LPG HC CNG HC' CNG
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 g/kWh vòng tua máy (RPM)
Đánh lửa sớm hơn thời điểm tối ưu 84 độ tuy làm giảm hiệu suất động cơ và tiêu thụ nhiều nhiên liệu hơn, nhưng lại có tác dụng tích cực trong việc giảm hàm lượng hydrocarbon (HC) và nitrogen oxide (NOx) trong khí thải động cơ.
4.4.3 Thay đổi chiều dài đường ống nạp
Hình 4.17: Momen xoắn của nhiên liệu sau khi thay đổi chiều dài đường ống nạp
Me'' LPG Me'' CNG Me LPG Me CNG
Pe'' LPG Pe'' CNG Pe LPG Pe CNG
Hình 4.18: Công suất của nhiên liệu sau khi thay đổi chiều dài đường ống nạp
Từ hai hình ảnh trên cho thấy được cả công suất và momen xoắn của động cơ khi chạy nhiên liệu LPG và CNG được tăng lên đến 30% so với ban đầu Điều này cho thấy được động cơ đã đốt cháy gần như hoàn toàn
Hình 4.19: Suất tiêu hao nhiên liệu trước và sau khi thay đổi chiều dài đường ống nạp
Tuy hiệu suất làm việc động cơ tăng lên nhưng suất tiêu hao hầu như không đổi so với ban đầu Điều làm cho động cơ hoạt động tiết kiệm hơn và có thể thải sạch hơn
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 g/kWh vòng tua máy (RPM)
Suất tiêu hao nhiên liệu
Ge'' LPG Ge'' CNG Ge LPG Ge CNG
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 g/ kWh vòng tua máy (RPM)
CO'' LPG CO'' CNG CO LPG CO CNG
Hình 4.20: Thành phần CO có trong phát thải trước và sau khi điều chỉnh chiều dài đường ống nạp
Hình 4.21: Thành phần HC có trong phát thải trước và sau khi điều chỉnh chiều dài đường ống nạp
Hình 4.22: Thành phần NOx có trong phát thải trước và sau khi điều chỉnh chiều dài đường ống nạp
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 g/kWh vòng tua máy (RPM)
HC'' LPG HC'' CNG HC LPG HC CNG
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 g/kWh vòng tua máy (RPM)
Nồng độ khí thải HC và NOx của xe sử dụng LPG và CNG thấp hơn so với xăng, đáp ứng quy chuẩn đăng kiểm tại Việt Nam Tuy nhiên, nồng độ CO lại cao hơn, vì vậy cần có các biện pháp để giảm lượng CO thải ra môi trường.
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN Ở đề tài này, nhóm chúng em sử dụng ba phương pháp nhằm tăng hiệu suất động cợ đồng thời giảm phát thải Tuy nhiên nhóm chỉ sử dụng phương án thay đổi góc đánh lửa và biến thiên đường ống nạp vào mô hình mô phỏng Đối với phương pháp thay đổi góc đánh lửa nồng độ khí thải HC và Nox giảm tuy nhiên hiệu suất động cơ cũng giảm theo, đồng thời suất tiêu hao nhiên liệu cũng tăng lên Phương án biến thiên chiều dài đường ống nạp mang đến kết quả tốt hơn khi hiệu suất động cơ tăng khoảng 17% đối với LPG, 5% đối với CNG và không làm thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu đáng kể Theo kết quả từ mô phỏng, thông số về nồng độ khí thải được đo tại cổ xả, nên cần thêm các phương án giảm phát thải sau đó để phù hợp với tiêu chuẩn đăng kiểm tại nước ta
Theo TCVN-6204-2008, có 4 mức tiêu chuẩn cho việc kiểm tra khí thải của xe ô tô Muốn được phép di chuyển trên đường, xe cần đáp ứng tối thiểu mức độ ba tương đương với nồng độ CO không vượt mức 3% thể tích và HC không vượt quá 600ppm
Hình 5.1: Thông số tiêu chuẩn khí thải đăng kiểm tại Việt Nam
Theo nồng độ khí thải đo được từ mô phỏng, nồng độ HC ở cả hai loại nhiên liệu LPG và CNG đều đạt tiêu chuẩn đăng kiểm Tuy nhiên nồng độ CO còn khá cao, để làm sạch CO có trong khí thải ta sử dụng bầu lọc catalyst cho xe Do giới hạn của đề tài nên nhóm chỉ đưa ra hiệu quả của bầu lọc chứ không đi xâu vào nghiên cứu
Bầu lọc khí thải được cấu tạo từ nhiều kim loại quý có tác dụng làm sạch khí thải độc hại cho môi trường thông qua các phản ứng nhiệt Đối với động cơ 4A91 của Xpander bầu lọc được trang bị là loại catalyst converter
Hình 5.2: Cấu tạo bầu lọc catalyst
Nhiệt độ khí thải đóng vai trò quan trọng trong quá trình hoạt động của bộ lọc xúc tác Để lọc sạch và tối ưu hiệu suất xử lý khí thải, nhiệt độ phải đủ cao nhưng không vượt quá 800 độ C Khi động cơ 4A91 hoạt động với nhiên liệu LPG hoặc CNG, nồng độ khí thải thấp kết hợp với bộ lọc khí thải giúp giảm đáng kể lượng khí thải độc hại.
90 trường Như vậy đồng cơ 4A91 hoàn toàn có thể sử dụng nhiên liệu thay thế như LPG và CNG mà vẫn đáp ứng tiêu chuẩn khí thải ở hiện tại