Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)

Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu dieselethanol. (tt)

MỞ ĐẦU i Lý chọn đề tài Ethanol nguồn nhiên liệu sinh học (NLSH) thay tiềm cho động đốt (ĐCĐT) Năm 2007, thủ tướng phủ định số 177/2007/QĐ-TTg “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025” [11] Hiên nay, Việt Nam sử dụng xăng E5 cho động xăng, sử dụng ethanol cho động diesel chiếm tỷ 50% tổng số ĐCĐT góp phần nâng cao tỷ lệ sử dụng ethanol Do vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chuyển đổi động diesel thành động lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol” ii Mục đích nghiên cứu đề tài Chuyển đổi thành công động diesel ô tô sang chạy lưỡng nhiên liệu dieselethanol thông qua thiết kế cải tiến chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu đảm bảo tỷ lệ thay ethanol tối ưu chế độ làm việc động Đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ diesel-ethanol đến tính kỹ thuật phát thải động iii Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Động thực nghiệm lựa chọn loại động diesel D4BB bốn xy lanh, bốn kỳ, sử dụng bơm phân phối lắp xe tải 1,25 hãng HYUNDAI Phạm vi nghiên cứu luận án giới hạn phòng thí nghiệm với chế độ ổn định chuyển tiếp toàn vùng làm việc động iv Phương pháp nghiên cứu đề tài Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu tổng quan, lý thuyết, mô thực nghiệm v Ý nghĩa khoa học đề tài Kết đề tài góp phần nâng cao lực làm chủ phát triển công nghệ chuyển đổi động sử dụng nhiên liệu truyền thống sang sử dụng nhiên liệu Luận án đưa phương pháp xây dựng mơ hình cháy động lưỡng nhiên liệu dựa số liệu thực nghiệm, làm tiền đề cho nghiên cứu động lưỡng nhiên liệu điều khiển động vi Ý nghĩa thực tiễn đề tài Ngoài động lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol chuyển đổi từ động diesel sử dụng ôtô, sản phẩm đề tài phương pháp quy trình cơng nghệ chuyển đổi động diesel sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol, áp dụng linh hoạt cho động phổ biến Việt Nam nhằm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu sinh học Qua góp phần thực Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 phủ phê duyệt, theo nhiên liệu sinh học đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu nước vào năm 2015 5% vào năm 2025 [11] vii Điểm luận án Đề tài đưa phương pháp sở khoa học chuyển đổi động diesel sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol nhằm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu sinh học Việt Nam viii Bố cục luận án Thuyết minh luận án trình bày gồm phần sau: Mở đầu; bốn Chương; Kết luận chung hướng phát triển -1- CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Vấn đề thiếu hụt lượng ô nhiễm môi trường Việt Nam quốc gia phát triển, nhu cầu vận chuyển ôtô ngày tăng dẫn tới nhu cầu nước nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch ngày tăng lên Vì việc tìm nguồn lượng có khả tái tạo thân thiện với môi trường quan trọng thiết thực Các nhà khoa học nước nghiên cứu sử dụng nguồn nhiên liệu thay thân thiện với môi trường cho ĐCDT 1.2 Nhiên liệu thay 1.2.1 Nhiên liệu thay dạng khí 1.2.1.1 Khí thiên nhiên nén (CNG-Compressed Natural Gas) CNG khí khơng màu, khơng mùi, có nhiệt độ lửa khoảng 1950ºC nhẹ khơng khí 1.2.1.2 Hyđrơ khí giàu hyđrơ Hyđrơ sản xuất từ nguồn hyđrơcacbon hóa thạch, từ nước từ sinh khối phương pháp reforming nước, oxy hóa khơng hồn tồn, nhiệt phân khí thiên nhiên, thu hồi H2 từ trình reforming điện phân nước [1, 7] 1.2.2 Nhiên liệu thay dạng lỏng 1.2.1.1 Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas) LPG sử dụng trực tiếp thay cho xăng động đánh lửa cưỡng sử dụng động cháy nén phụ gia nhiên liệu 1.2.1.2 Than hóa lỏng (CTL-Coal To Liquid) khí hóa lỏng (GTL -Gas To Liquid) Than sau q trình khí hố, tạo syngas thực trình Fischer-Tropsch (FT) để tạo thành FT diesel (CTL) Trong đó, GTL điều chế từ khí methane, CH4 [1] 1.2.1.3 Dimethyl Ether (DME) Dimethyl Ether (DME), cơng thức hố học CH3-O-CH3, loại nhiên liệu làm khí đốt có khả thay cho diesel động cháy nén nhờ có trị số xêtan cao [1, 57] 1.2.1.4 Biodiesel Biodiesel có nhiệt trị thấp diesel khống Do đó, hiệu suất cháy tiêu hao nhiên liệu cao sử dụng biodiesel thay diesel khoáng [32] 1.2.1.5 Ethanol Hiện ethanol sử dụng rộng rãi cho phương tiện giao thông vận tải [1] 1.3 Đặc điểm nhiên liệu ethanol 1.3.1 Các tính chất vật lý hóa học ethanol 1.3.1.1 Tính chất vật lý ethanol Ethanol chất lỏng, không màu, suốt, mùi thơm dễ chịu đặc trưng, vị cay, nhẹ nước [7] 1.3.1.2 Tính chất hóa học ethanol Phản ứng oxy hóa, rượu bị oxy hóa theo mức: Oxy hóa khơng hồn tồn (hữu hạn) tạo aldehyde, acid hữu oxy hóa hồn tồn (đốt cháy) tạo thành CO H2O 1.3.2 Tình hình sản xuất ethanol giới Việt Nam 1.3.2.1 Tình hình sản xuất sử dụng ethanol giới Mỹ Brazil hai quốc gia có sản lượng ethanol lớn giới, chiếm khoảng 86,25% toàn lượng ethanol sản xuất tồn cầu -2- 1.3.2.2 Tình hình sản xuất sử dụng ethanol Việt Nam Hiện tại, nước có bảy nhà máy ethanol với tổng mức đầu tư 500 triệu USD, tổng công suất thiết kế 600000 m3/năm 1.4 Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động đốt 1.4.1 Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động xăng 1.4.1.1 Tình hình nghiên cứu nước Đã có nhiều đề tài nghiên cứu sử dụng ethanol cho động xăng, kể đến nghiên cứu [51] với nhiên liệu E5 E10 đối chứng với xăng Mogas92 Cụ thể sử dụng xăng E5 E10 cho động xe máy động ôtô, công suất động suất tiêu hao nhiên liệu cải thiện so sánh với trường hợp sử dụng xăng Moga92 Phát thải CO HC giảm đáng kể Trong khí đó, phát thải NOx khí gây hiệu ứng nhà kính CO2 tăng lên 1.4.1.2 Tình hình nghiên cứu nước ngồi Có nhiều nghiên cứu như: Hsieh cộng [51], Abdel-Rahman cộng [23], Al-Hasan [60], Wu công [98], Yucesu cng s [102], Mustafa Koỗ v cỏc cng s [69] Qua nghiên cứu cho thấy sử dụng nhiên liệu gasoline-ethanol dạng hòa trộn trước cho thấy cải thiện công suất mô men động cơ, đồng thời giảm thành phần phải thải CO, HC NOx 1.4.2 Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động diesel 1.4.2.1 Tình hình nghiên cứu nước Nghiên cứu đánh giá tính kỹ thuật phát thải động diesel sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn với tỷ lệ ethanol thay 5% 10% [71] Kết cho thấy mô men động tiêu hao nhiên liệu thay đổi không đáng kể, phát thải HC, CO độ khói giảm, phát thải NOx tăng so sánh với trường hợp sử dụng diesel gốc Tuy nhiên chưa có nghiên cứu cơng bố sử dụng ethanol cho động diesel phương pháp phun ethanol trực tiếp vào cửa nạp điều khiển phối hợp lưỡng nhiên liệu dieselethanol phù hợp với chế độ làm việc khác động 1.4.2.2 Tình hình nghiên cứu nước a) Sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn Đã có nhiều nghiên cứu như: E.A Ajav cộng [42], Eugene EE cộng [43] …Kết cho thấy, ưu điểm phương pháp thay đổi kết cấu động mà cần điều chỉnh thời điểm phun lượng phun cho phù hợp với tỷ lệ ethanol thay để đảm bảo giữ mô men công suất động Tuy nhiên phương pháp không tối ưu tỷ lệ ethanol thay theo tốc độ tải động cơ, đồng thời ethanol có tính hút nước mạnh nên lượng nước hỗn hợp dần tăng lên làm hỗn hợp bị phân tách, lượng nước dần tăng lên trình bảo quản lưu trữ gây khó khăn trình sử dụng b) Ethanol phun trực tiếp Theo nghiên cứu Savage LD [49], phương pháp cho phép tỷ lệ ethanol lên tới 90% điều kiện lý tưởng Cơng nghệ tạo q trình cháy êm dịu, độ mờ khói khí thải thấp Tuy nhiên áp dụng công nghệ vào thực tế gặp nhiều khó khăn tính phức tạp thiết kế hệ thống phun ethanol cao áp c) Ethanol phun đường ống nạp Theo phương pháp M Abu-Qudais cộng [61], Ogawa H cộng [72], Volpato cộng [74] Kết cho thấy, hiệu suất nhiệt cải thiện khoảng 7,5% -3- toàn dải tốc độ Về phát thải cho thấy CO, HC tăng smoke soot giảm Tỷ lệ ethanol tối ưu theo giảm độ khói 20% Từ kết trên, cho thấy sử dụng phương pháp phun ethanol gián tiếp đường ống nạp phương pháp đơn giản dễ áp dụng Tuy nhiên phương pháp có nhược điểm không tận dụng nhiệt xupáp nạp nhằm tạo điều kiện bay cho ethanol phun vào Qua nghiên cứu trình bày cho thấy phương pháp phun ethanol vào xupáp cách sử dụng vòi phun ethanol có áp suất thấp Phương pháp có ưu điểm sau: - Khơng phải thay đổi lớn kết cấu động cơ, vòi phun ethanol đặt đường ống nạp; - Hệ thống nhiên liệu ethanol đơn giản giá thành thấp; - Do dùng hai hệ thống nhiên liệu riêng, nên việc ngắt phun ethanol dễ dàng; - Ethanol bay đường ống nạp làm giảm nhiệt độ khí nạp giúp tăng mật độ khơng khí nạp nạp vào động cơ; - Dễ dàng tối ưu tỷ lệ ethanol diesel theo chế độ làm việc động Vì tác giả chọn phương án phun ethanol vào xupáp nạp nghiên cứu chuyển đổi động diesel sang chạy lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol 1.5 Phương pháp xây dựng mơ hình động Nghiên cứu sinh lựa chọn mơ hình làm việc theo thời gian thực dựa sở nhiệt động học mô mơ hình điều khiển mơ hình (SIL) Để nghiên cứu mô động đốt sử dụng nhiều phần mềm khác Cho đến có nhiều phần mềm sử dụng để nghiên cứu mơ mơ hình động phát triển loại động đốt bao gồm: AVL Boost, Diesel RK, Ricado WARE, Matlab Simulink Trong nghiên cứu sinh lựa chọn phần mềm Matlab Simulink để xây dựng mơ hình động thiết kế mơ hình điều khiển động mơ hình 1.6 Phương pháp xây dựng mơ hình điều khiển Trong nghiên cứu thường hay sử dụng phương pháp xây dựng mơ hình động lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol tiến hành mô theo thời gian thực để tìm liệu điều khiển cung cấp nhiên liệu phối hợp, sở thiết kế chế tạo điều khiển 1.7 Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tìm hiểu nhiên liệu thay từ lựa chọn nhiên liệu thay cho động diesel phù hợp điều kiện sản xuất Việt Nam; - Nghiên cứu tổng quan biện pháp cung cấp ethanol cho động diesel, từ đưa biện pháp áp dụng cho động diesel thịnh hành Việt Nam; - Nghiên cứu sở lý thuyết trình cháy động diesel phun thêm nhiên liệu ethanol động học động lực học động nhằm đưa điều kiện biên cần xác định; - Thiết kế lắp đặt hệ thống phun nhiên liệu ethanol động lắp đặt cảm biến phù hợp để xác định điều kiện biên mơ hình tính; - Thực nghiệm xác định thông số điều kiện biên tỷ lệ thay ethanol lớn nhất; - Xây dựng mơ hình động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol làm việc theo thời gian thực đánh giá sai số mơ hình tính; - Thiết kế mơ hình điều khiển diesel-ethanol mơ hình động phù hợp với chế độ làm việc động cơ; -4- - Thực nghiệm kiểm chứng mơ hình điều khiển động đặt băng thử, đánh giá ổn định mơ hình điều khiển 1.8 Kết luận chương Phương án lựa chọn: phun ethanol vào xupáp nạp Điều khiển phối hợp phun diesel-ethanol: giữ nguyên Me, giới hạn khói đen, kích nổ động Phương pháp tiêp cận: mô trực tiếp đối tượng Matlab Simulink để thiết kế điều khiển (ĐK) hệ thống nhiên liệu (HTNL) CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL LÀM VIỆC THEO THỜI GIAN THỰC 2.1 Đặt vấn đề Để xây dựng mơ hình động sử dụng lưỡng nhiêu liệu diesel-ethanol mơ hình điều khiển động trước hết cần phải nghiên cứu sở lý thuyết để xây dựng mơ hình 2.2 Mơ hình trao đổi khí Lượng khí vào khỏi xy lanh xác định theo nghiên cứu [36, 53] 2.3 Mơ hình hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel: Xác định lượng nhiên liệu diesel phun chế độ ổn định theo vị trí tay ga tốc độ bơm cao áp [63] Có nghĩa lượng nhiên liệu diesel hàm phụ thuộc vào vị trí tay ga tốc độ bơm cao áp np: (2.9) ṁ inj_die=f(% tay ga, np ) Trong đó: np- Tốc độ bơm cao áp (vg/ph) Lượng nhiên liệu xác định biện pháp thực nghiệm động lắp băng thử, đo thiết bị cân bơm cao áp Còn mơ hình phun ethanol xác định sở số liệu thực nghiệm lượng phun ethanol thời gian mở vòi phun 2.4 Mơ hình động lực học Chuyển vị piston (x), thể tích xy lanh (V), tốc độ thay đổi thể tích xy lanh (dV), tốc độ trung bình piston, tốc độ động cơ, mơ men quán tính động cơ…được xác định theo quy luật động học cấu trục khuỷu truyền, nghiên cứu [8, 9, 66] 2.5 Mơ hình ma sát Xây dựng mơ hình ma sát sở để xác định tổn thất ma sát động đốt nói chung có động diesel Tổn thất ma sát theo góc quay trục khuỷu bao gồm hai nhóm sau: - Nhóm ma sát piston chuyển động bao gồm: ma sát độ nhớt dầu bôi trơn xéc măng; ma sát hỗn hợp dầu bôi trơn xéc măng; ma sát váy piston - Nhóm ma sát chuyển động trục gồm: ma sát xupáp; ma sát tải phụ tải truyền lên cổ trục; ma sát tải tác dụng lên ổ đỡ 2.6 Mô hình truyền nhiệt Nhiệt truyền cho xy lanh xác định theo định luật làm mát Newton, theo nghiên cứu [53-55] nhiệt lượng truyền cho xy lanh xác định sau: dQht dQht dt (2.26) = =A.hg (T-Tw ) (J/rad) dθ dt dθ ωe 2.7 Mô hình cháy 2.7.1 Cơ sở lựa chọn mơ hình cháy -5- Trong nội dung luận án áp dụng mô hình cháy khơng chiều vùng sử dụng phương trình Wiebe để phân tích dự đốn quy luật trình cháy động lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol 2.7.2 Mơ hình cháy Phương trình Wiebe tính tốn khối lượng nhiên liệu cháy theo nghiên cứu [24, 41, 42, 48, 81, 82]: θ- θSOC mi+1 (2.28) i) [-ai ( ] ∆θi xbi =1-e Trong đó: θ: Góc quay trục khuỷu, (độ); θSOCi: Thời điểm bắt đầu cháy giai đoạn, (độ); θi: Khoảng thời gian cháy giai đoạn, (độ); ai, mi: Tham số mô hình tương ứng với giai đoạn cháy; i: Số hàm Wiebe Trong luận án tham số mơ hình lựa chọn cho tất giai đoạn cháy, tham số mi lựa chọn phù hợp cho giai đoạn cháy cụ thể bảng sau: Bảng 2.1 Tham số mơ hình mi Tham số mơ hình mi Giai đoại cháy 1,2 Giai đoạn cháy nhanh nhiên liệu diesel 0,8 Giai đoạn cháy nhiên liệu ethanol 0,6 Giai đoạn cháy khuếch tán nhiên liệu diesel Cơ sở xác định hai tham số θSOCi θi: theo nghiên cứu [41, 42, 82], hai tham số khơng phụ thuộc vào ba tham số lại Từ hai tham số xác định phân tích kết thực nghiệm tối ưu hóa mơ hình động cần phải kết hợp với mơ hình động nên trình bày cụ thể phần phân tích số liệu thực nghiệm xây dựng mơ hình động Chương 2.8 Tính tốn áp suất xy lanh Để tính tốn áp suất xy lanh ta sử dụng phương trình nhiệt động thứ cho mơi chất xy lanh giới thiệu công thức sau: dQhr γ dm dV dQ dm (2.36) −γ-1.p dt - dtht -hin dtin + hout dtout dp dt = (N/m2.s) dt γ-1 V 2.9 Mô men cơng suất động Cơng suất có ích động xác định biểu thức sau: (2.40) Pb =2.π.ne Tb (W) 2.10 Xác định hệ số dư lượng khơng khí tỷ lệ ethanol thay Hệ số dư lượng khơng khí  xác định theo nghiên cứu [58], cụ thể là: mair (2.48) λ= A A minj_die ( ) +minj_eth ( ) F die F eth Tỷ lệ ethanol thay tính theo khối lượng xác định biểu thức sau: ED= minj_eth minj_eth +minj_die 100 (%) (2.49) 2.11 Kết luận chương Đã nghiên cứu tìm hiểu sở lý thuyết xây dựng mơ hình động lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol: mơ hình trao đổi khí; mơ hình hệ thống cung cấp nhiên liệu; mơ hình động lực học; mơ hình ma sát; mơ hình truyền nhiệt; mơ hình cháy Wiebe; tính tốn áp suất xy lanh; tính tốn mơ men công suất động cơ; xác định hệ số dư lượng khơng khí  -6- CHƯƠNG ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL VÀ MƠ HÌNH MƠ PHỎNG 3.1 Đặt vấn đề Trên sở lý thuyết xây dựng mơ hình động trình bày Chương 2, nghiên cứu sinh thực thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu, xây dựng mơ hình động cơ, mơ hình điều khiển, đánh giá độ tin cậy mơ hình, phương pháp xác định hai tham số θSOCi θi trình bày sau 3.2 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng hai loại nhiên liệu diesel ethanol Động thực nghiệm lựa chọn loại động diesel D4BB bốn xy lanh, kỳ, buồng cháy ngăn cách IDI (Indirect Injection), sử dụng bơm phân phối lắp xe tải 1,25 hãng Hyundai sử dụng phổ biến Việt Nam 3.3 Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu Sơ đồ hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol thể Hình 3.1 Hình 3.1 Hệ thống phun ethanol, hệ thống điều khiển phun vị trí lắp vòi phun Trong q trình thực nghiệm tác giả sử dụng vòi phun động xăng có dung tích cơng tác 2.0 để phun ethanol Đây vòi phun kiểu điện từ điều khiển phun ECU MotoHawk ECM-0565-128-0702-C hãng Woodward Áp suất phun ethanol tạo nhờ bơm ethanol trì ổn định mức 2,5 kg/cm2 3.4 Trang thiết bị nghiên cứu Các trang thiết bị sử dụng nghiên cứu lắp đặt Phòng thí nghiệm Động đốt - Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng thí nghiệm Động đốt - Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận Tải Học Viện Kỹ thuật Quân 3.4.1 Băng thử tính động lực cao (AVL APA 100) 3.4.2 Thiết bị cung cấp, đo tiêu hao nhiên liệu diesel kiểu khối lượng AVL 733S điều khiển nhiệt độ nhiên liệu diesel AVL 753 3.4.3 Thiết bị cung cấp điều khiển nhiệt độ dung dịch làm mát động AVL 553 Thiết bị AVL 553 dùng để cung cấp dung dịch làm mát điều khiển nhiệt độ dung dịch làm mát động theo yêu cầu thực nghiệm 3.4.4 Thiết bị phân tích khí xả AVL CEB-II 3.4.5 Bộ điều khiển vòi phun ethanol -7- Vòi phun ethanol điều khiển ECU MotoHawk ECM-0565-128-0702-C hãng Woodward xây dựng đặc tính mối quan hệ thời gian phun lượng phun trước lắp lên động 3.4.6 Cảm biến áp suất xy lanh AVL QC33C Có nhiều loại cảm biến đo diễn biến áp suất xy lanh Trong luận án này, nghiên cứu sinh sử dụng cảm biến áp suất xy lanh QC33C hãng AVL 3.4.7 Thiết bị đo áp suất xy lanh AVL 620 Indiset Thiết bị AVL 620 Indiset với phần mềm Indiwin có chức đo diễn biến áp suất xy lanh theo thời gian thực góc quay trục khuỷu, đồng thời đo độ rung động 3.4.8 Cảm biến kích nổ Cảm biến kích nổ sử dụng để đo rung động động cơ, cảm biến bố trí lắp đặt nắp máy động 3.4.9 Cảm biến lambda LSU 4.9 Cảm biến sử dụng để đo thông số hệ số dư lượng khơng khí  khí xả, bố trí lắp đặt đầu cụm đường ống thải động 3.5 Qui trình chế độ thực nghiệm động Động đặt băng thử động lực học cao APA 100 Đi kèm thiết bị đo kiểm hãng AVL; vòi phun ethanol độ mở tay ga bơm cao áp điều khiển ECU MotoHawk ECM-0565-128-0702-C [98] hãng Woodward Chế độ thực nghiệm ổn định: mục đích việc thực nghiệm chế độ nhằm xác định lượng ethanol thay lớn xác định tham số cho q trình cháy, q trình tiến hành sau: tải động lựa chọn 100%, 75% 50% giá trị mô men lớn thực nghiệm động sử dụng nhiên liệu diesel gốc, cụ thể 165, 121 81(Nm) hai trường hợp: tốc độ động cố định vùng mô men lớn 2000 vg/ph tốc độ động thay đổi từ 1000  3500 vg/ph với bước nhảy 500 vg/ph Thực nghiệm chế độ chuyển tiếp: Mục đích việc thực nghiệm chế độ chuyển tiếp nhằm xác định đặc tính động học điều tốc bơm cao áp 3.6 Xác định thông số đầu vào mô hình động 3.6.1 Quy luật phối khí Quy luật phối khí xác định thực nghiệm 3.6.2 Lưu lượng khí qua xupáp nạp thải Lưu lượng khí qua xupáp nạp thải xác định thiết bị đo lưu lượng tổn thất dòng khí 3.6.3 Áp suất xy lanh Kết thực nghiệm đo giá trị áp suất xy lanh thể Hình 3.19 Qua cho thấy tăng tỷ lệ ethanol thay thế, thời điểm đường áp suất bắt đầu tách khỏi đường nén có xu hướng muộn đi, nhiên vị trí đạt áp suất lớn khơng thay đổi, kết ethanol bay thu nhiệt khơng khí làm giảm nhiệt độ trình nén dẫn tới thời điểm bắt đầu cháy muộn đi, nhiên ethanol cháy nhanh [37] nên đỉnh áp suất không bị muộn so với trường hợp không phun ethanol -8- a) Tại 50% tải a) Tại 75% tải a) Tại 100% tải Hình 3.20 Áp suất xy lanh chế độ tải khác với tỷ lệ ethanol thay khác cố định tốc độ động 2000 vg/ph EDxx%-Tỷ lệ ethanol thay thể theo khối lượng, xx phần trăm ethanol thay thế, với ED0% diesel hồn tồn 3.6.4 Đặc tính bơm cao áp vòi phun ethanol Đặc tính bơm cao áp xác định thực nghiệm băng thử động AVL đặt Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải Đặc tính vòi phun ethanol xác định thực nghiệm 3.7 Phân tích số liệu thực nghiệm xây dựng mơ hình động 3.7.1 Xác định hệ số lưu lượng dòng khí qua xupáp Kết mối quan hệ hệ số lưu lượng dòng khí qua xupáp với độ nâng xupáp thể Hình 3.24 Hình 3.24 Hệ số lưu lượng dòng khí qua xupáp theo độ nâng xupáp 3.7.2 Xác định tốc độ tỏa nhiệt Tốc độ tỏa nhiệt thực nghiệm xác định theo nghiên cứu [45, 55, 62,77] biểu thức 3.3 dQhr dQ dp γ dV (3.3) = V + p − ht (J/độ) dθ γ-1 dθ γ-1 dθ dθ 3.7.3 Xác định thời điểm bắt đầu cháy, khoảng thời gian cháy phần nhiên liệu cháy Các tham số SOCi, i xfi xác định phương pháp tối ưu tham số Gradient Descent [64, 65] sử dụng thuật toán SQP (sequential quadratic programming) để giải [64] Kết xác định tham số cụ thể thể Hình 3.27 đến 3.29 Bảng 3.12 a) SOCi a) SOCi -9- a) SOCi b) i b) i b) i Hình 3.27 50% tải Hình 3.28 75% tải Hình 3.29 100% tải SOC_xy delta_xy- Lần lượt thời điểm bắt đầu khoảng thời gian giai đoạn cháy xy giai đoạn cháy (pilot giai đoạn cháy nhiên liệu ethanol, main giai đoạn cháy nhanh nhiên liệu diesel, diff giai đoạn cháy khuếch tán nhiên liệu diesel) Bảng 3.12 Phần nhiên liệu cháy cho giai đoạn cháy xfi (%) Giai đoạn cháy 80 Giai cháy nhanh nhiên liệu diesel 20 Giai đoạn cháy khuếch tán nhiên liệu diesel 100 Giai đoạn cháy nhiên liệu ethanol 3.7.4 Mơ hình hóa hệ thống nhiên liệu Như phân tích Chương 2, mơ hình nhiên liệu sử dụng động bao gồm hai chế độ chế độ ổn định chế độ chuyển tiếp Chế độ ổn định xác định biện pháp xây dựng đặc tính làm việc bơm phụ thuộc vào độ mở bàn đạp ga tốc độ động Trong chế độ chuyển tiếp để đơn giản cho trình xác định đặc tính động học điều tốc tốc độ động trước vào bảng tra nhiên liệu đưa qua hàm truyền bậc giống phương trình vi phân cấp hai điều tốc theo phương trình 3.9 [63] ne ⁄ (3.8) np = 2 (vg/ph) a.s +b.s+c Trong đó: np tốc độ bơm thông số đầu vào bảng tra, ne tốc độ động Các hệ số a, b, c xác định biện pháp tối ưu mơ hình động mơ lại chế độ chuyển tiếp giống động đặt băng thử Phương pháp tối ưu sử dụng xác định hệ số a, b, c Gradient Descent [64, 65] sử dụng thuật toán SQP (sequential quadratic programming) để giải [64] Kết tối ưu với ba thông số a, b, c xác định là: a=0,005816; b=0,208105; c=1 Kết cho thấy tốc độ động mơ hình mô bám sát với đường thực nghiệm động băng thử 3.7.5 Xây dựng mơ hình động Trên sở lý thuyết trình bày Chương tham số đầu vào mơ hình trình bày Nghiên cứu sinh tiến hành xây dựng mơ hình động lưỡng nhiên liệu dieselethanol phần mềm Matlab Simulink Cụ thể Hình 3.31 Mơ hình động mơ hình động thể Hình 3.31 lưỡng nhiên liệu dieselethanol 3.8 Đánh giá độ tin cậy mơ hình chế độ ổn định -10- 3.8.1 Đánh giá lưu lượng khơng khí nạp Kết so sánh lưu lượng khơng khí nạp chế độ tải 100% với ne thay đổi từ 1000  3500 vg/ph trường hợp sử dụng nhiên liệu diesel ngun mơ hình thực nghiệm thể Hình 3.32 Kết cho Hình 3.32 Lưu lượng khơng khí nạp chế thấy sai số trung bình 1,83% độ tải 100% với ne thay đổi toàn dải tốc độ động Exp- Thực nghiệm; Model- Mơ hình 3.8.2 Đánh giá áp suất xy lanh Trường hợp động sử dụng nhiên liệu diesel gốc: Diễn biến áp suất xy lanh mô thực nghiệm động sử dụng nhiên liệu diesel nguyên theo tốc độ động thay đổi khoảng từ 1000  3500 vg/ph chế độ 100% tải thể cụ thể Hình 3.33 b) Tại ne 2500; 3000; a) Tại ne 1000; 1500; 3500 (vg/ph) 2000 (vg/ph) Hình 3.33 Diễn biến áp suất xy lanh mô thực nghiệm động sử dụng nhiên liệu diesel nguyên P_model- Áp suất xy lanh mơ hình; P_exp- Áp suất xy lanh thực nghiệm Kết cho thấy sai số trung bình áp suất xy lanh nhỏ 1,24% mô thực nghiệm động sử dụng nhiên liệu diesel nguyên toàn dải tốc độ động chế độ 100% tải Trường hợp động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol: Diễn biến áp suất xy lanh mô thực nghiệm động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol tốc độ động 2000 (vg/ph) chế độ 50%, 75%, 100% tải với tỷ lệ ethanol thay khác thể cụ thể Hình 3.34 đến 3.36 a) ED 0% a) ED 19,29%; -11- a) ED 7,68% b) ED 25,88% b) ED 26,29% b) ED 19,77% Hình 3.34 50% tải Hình 3.35 75% tải Hình 3.36 100% tải Trong trường hợp động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol sai số trung bình áp suất xy lanh nhỏ 5% mô thực nghiệm động tốc độ động 2000 (vg/ph) chế độ 50%, 75%, 100% tải với tỷ lệ ethanol thay khác 3.8.3 Đánh giá mô men công suất động Kết đặc tính mơ men, cơng suất động mơ hình thực nghiệm theo tốc độ động thay đổi khoảng từ 1000  3500 vg/ph chế độ tải 100% trường hợp động sử dụng nhiên Hình 3.37 Me Ne động liệu diesel gốc không phun ethanol MH TN theo ne thể Hình 3.37 Tb_model- Mơ men động mơ hình; Tb_exp- Mơ men động thực nghiệm; Pb_model- Mơ men động mơ hình; Pb_exp- Mô men động thực nghiệm Kết đặc tính mơ men, cơng suất động mơ hình thực nghiệm tốc độ động 2000 (vg/ph) chế độ tải 50%, 75%, 100% với tỷ lệ ethanol thay khác từ  60,09% thể cụ thể Hình 3.38 3.39 Hình 3.38 Me chế độ tải 50%, Hình 3.39 Ne chế độ tải 50%, 75% 100% 75% 100% Kết sai số đặc tính mơ men, cơng suất động mơ hình thực nghiệm nhỏ 1,53% trường hợp động sử dụng nhiên liệu diesel nguyên sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol Sai số chấp nhận nghiên cứu xây dựng mơ hình động Do mơ men cơng suất động mơ hình động lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol đảm bảo tin cậy 3.8.4 Đánh giá tốc độ động chế độ ổn định chuyển tiếp Kết tốc độ động mơ hình thực nghiệm (Hình 3.44) chế độ tốc độ động đươc giới hạn đạt giá trị lớn 1600 vg/ph Kết cho thấy tốc độ động mô bám sát tốc độ động thực nghiệm Hình 3.44 ne MH TN ne_model- ne mơ hình; ne_exp- ne thực nghiệm 3.9 Bộ điều khiển động lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol mơ hình mơ -12- 3.9.1 Sơ đồ tổng quan điều khiển Sơ đồ tổng quan mơ hình điều khiển thể Hình 3.45 Hình 3.45 Sơ đồ tổng quan mơ hình điều khiển 3.9.2 Thuật tốn điều khiển 3.9.2.1 Mơ men u cầu Mơ men yêu cầu hàm vị trí chân ga, lựa chọn đơn giản dạng hàm tuyến tính bậc (Hình 3.47) Hình 3.47 Mơ men u cầu 3.9.2.2 Lượng phun diesel ethanol chế độ ổn định Lượng phun diesel ethanol chế độ ổn định hàm mô men yêu cầu tốc độ động xác định băng thử công suất AVL với đặc điểm sau: Lượng thay ethanol lớn nhất; Hệ số dư lượng khơng khí  ≥ 1,2 nhằm giới hạn khói đen; Giới hạn kích nổ động cơ; Động hoạt động ổn định khơng có dao động tốc độ mô men 3.9.2.3 Điều khiển giới hạn hệ số  chế độ chuyển tiếp Khi phun thêm nhiên liệu ethanol vào  thay đổi tăng lên giảm so sánh tốc độ mô men, đặc biệt thời điểm chuyển tiếp mà đạp ga đột ngột dẫn tới tượng thừa nhiên liệu khoảng vài giây đầu lúc ga bơm cao áp điều chỉnh cung cấp lượng nhiên liệu lớn tốc độ động chưa đạt tới ngưỡng điều tốc làm việc đồng thời lượng ethanol điều chỉnh mức cao Để giải vấn đề trên, nghiên cứu sử dụng biện pháp hiệu chỉnh lại lượng phun ethanol thời kỳ chuyển tiếp Biện pháp hiệu chỉnh lượng phun xây dựng dựa sở lọc thông thấp bậc 3.9.2.4 Xác định vị tay ga thời gian phun ethanol Lượng phun diesel (g/chu trình) sau hiệu chỉnh đưa vào bảng tra để xác định vị trí tay ga bơm cao áp Công cụ “curve fitting” Matlab sử dụng để xác định bảng tra ngược Hình 3.50 Map ngược bơm Map ngược thể Hình 3.50 3.9.3 Đánh giá mơ hình điều khiển mơ hình động 3.9.3.1 Đánh giá mơ hình điều khiển mơ hình động chế độ ổn định Kết đánh giá mơ hình điều khiển mơ hình động thực nghiệm chế độ ổn định lựa chọn 100% tải với ne thay đổi từ 1000  3500 vg/ph trường hợp có phun ethanol thể Hình 3.51 Kết cho thấy, mơ men động hệ số  mơ hình động ln bám với mô men động hệ số  thực nghiệm chế độ, sai lệch mô men trung bình Hình 3.51 Me hệ số  toàn dải tốc độ động 0,51%, sai lệch hệ số  trung bình tồn dải tốc độ động 1,17% Từ cho thấy điều khiển đảm bảo u cầu 3.9.3.2 Đánh giá mơ hình điều khiển mơ hình động chế độ chuyển tiếp -13- Chế độ chuyển tiếp lựa chọn để đánh giá điều khiển: thay đổi độ mở chân ga yêu cầu từ 10  100% theo thời gian với bước nhảy 25% (Hình 3.52), tốc độ động đặt giống băng thử công suất 1500 vg/ph Kết đánh giá điều khiển chế độ chuyển tiếp thể Hình 3.52 Kết cho thấy, động mơ hình bắt đầu khởi động từ thời gian 0s tốc độ động mơ hình tăng vọt sau giảm nhanh tốc độ làm việc không tải ổn định tốc độ 800 vg/ph tương ứng với độ mở chân ga 10% Khi thay đổi độ mở chân ga từ 10  25% tốc độ động mô hình thực nghiệm đồng thời tăng nhanh lớn 1500 vg/ph nhiên tốc độ động thực Hình 3.52 Tốc độ động cơ, mơ men nghiệm tăng đến 1678 vg/ph tốc độ động cơ, tiêu hao nhiên liệu hệ động mơ hình tăng đến 1513 vg/ph, sau số  tăng tốc độ động thực nghiệm mơ a) Tốc độ động cơ; b) Mơ men hình giảm xoay quanh giá trị 1500 vg/ph động cơ; c) Tiêu hao nhiên liệu; d) Ở bước thay đổi độ mở chân ga từ 25  50 Hệ số   75  100% tốc độ động mơ hình ln bám tốc độ động thực nghiệm 3.10 Kết luận chương Đã thiết kế hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol nhằm mục đích chuyển đổi động diesel thành động lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol Đưa số liệu thực nghiệm quy luật phối khí, lưu lượng khí qua xupáp nạp thải, áp suất xy lanh, đặc tính bơm cao áp đặc tính vòi phun ethanol cho động Hyundai D4BB Các liệu sử dụng để xây dựng mơ hình động lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol đánh giá độ tin cậy mô hình động Đã phân tích số liệu thực nghiệm để xác định thông số đầu vào cho mơ hình động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol như: hệ số lưu lượng dòng khí qua xupáp; thời điểm bắt đầu cháy khoảng thời gian cháy; phần nhiên liệu cháy giai đoạn cháy khác Đã xây dựng mơ hình động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol Từ kết đánh giá độ tin cậy mơ phân tích cho thấy mơ hình động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol đảm bảo tin cậy Vì sử dụng mơ hình động cho nghiên cứu Thiết kế điều khiển động lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol: Đưa sơ đồ tổng quan điều khiển; thuật tốn điều khiển mơ men động u cầu; thuật toán điều khiển lượng phun diesel ethanol chế độ ổn định; thuật toán điều khiển giới hạn hệ số dư lượng khơng khí  chế độ chuyển tiếp; thuật tốn xác định vị trí tay ga thời gian phun ethanol Các thuận toán biên dịch nạp vào ECM-0565128-0702-C hãng Woodward tiến hành thực nghiệm động Bộ điều khiển đảm bảo điều khiển mô men động yêu cầu, lượng phun diesel, lượng phun ethanol, giới hạn hệ số dư lượng khơng khí , xác định vị trí tay ga thời gian -14- phun ethanol phù hợp với chế độ làm việc động theo yêu cầu đặt ra, đảm bảo cho động làm việc ổn định tất chế độ làm việc CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Đặt vấn đề mục tiêu thực nghiệm Nghiên cứu thực nghiệm nhằm giải mục tiêu sau: - Đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ diesel-ethanol đến tính kỹ thuật, phát thải động chế độ ổn định chuyển tiếp - Đánh giá ảnh hưởng số yếu tố mà nghiên cứu mô chưa giới hạn kích nổ rung động tăng tỷ lệ ethanol thay 4.2 Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm Thực nghiệm thực động diesel D4BB băng thử động với chế độ ổn định chuyển tiếp toàn vùng làm việc động 4.3 Điều kiện nghiên cứu thực nghiệm Động bảo dưỡng, băng thử phải tiến hành hiệu chuẩn thiết bị trước thực nghiệm nhằm đảm bảo kết đo xác Nhiên liệu diesel sử dụng thực nghiệm mua cửa hàng xăng dầu thị trường có hàm lượng lưu huỳnh theo tiêu chuẩn nhỏ 500ppm 4.4 Phương pháp thực nghiệm Phương pháp thực nghiệm sử dụng phương pháp thực nghiệm đối chứng chế độ ổn định chế độ chuyển tiếp 4.5 Kết thực nghiệm chế độ ổn định 4.5.1 Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol thay đến nhiệt tỏa Kết nhiệt tỏa theo góc quay trục khuỷu thay đổi tỷ lệ ethanol thay thể Hình 4.1 đến 4.3 Qua Hình 4.1 đến 4.3 cho thấy nhiệt tỏa tải khác thay đổi tỷ lệ ethanol thay không thay đổi so với nhiệt tỏa động sử dụng nhiên liệu diesel nguyên nhiên liệu ethanol có nhiệt trị thấp nhiều so với nhiên liệu diesel Nhiệt tỏa khơng thay đổi q trình thực nghiệm động chế độ ổn định lượng nhiên liệu diesel cung cấp cho động điều khiển giảm dần lượng nhiên liệu ethanol cung cấp cho động điều khiển tăng lên, lượng nhiên liệu ethanol tăng lên bù vào phần nhiệt tỏa bị giảm nhiên liệu diesel Hình 4.1 50% tải Hình 4.2 75% tải Hình 4.3 100% tải 4.5.2 Mối quan hệ tỷ lệ ethanol thay tốc độ động Kết thực nghiệm mối quan hệ tỷ lệ ethanol thay tốc độ động chế độ tải 50%, 75% 100% theo tốc độ động thể Hình 4.4 Kết cho thấy tỷ lệ ethanol Hình 4.4 Mối quan hệ tỷ lệ thay giảm dần tăng tốc độ ethanol thay tốc độ động động chế độ tải khác chế độ tải khác 4.5.3 Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol thay đến suất tiêu hao lượng -15- Kết suất tiêu hao lượng (BSEC) chế độ tải 50%, 75%, 100% theo tốc độ động với tỷ lệ ethanol thay thay đổi so với trường hợp chạy diesel gốc chế độ thể Hình 4.5 Kết cho thấy tải cao 100%, BSEC nhỏ so sánh trường hợp chạy diesel Hình 4.5 BSEC chế gốc toàn dải tốc độ động Điều độ tải 50%, 75%, 100% giải thích ethanol có 34,8% khối thay đổi tốc độ động lượng oxy làm cho q trình cháy hồn thiện hơn, hai trường hợp không dẫn đến BSEC nhỏ Kết nghiên cứu [5, phun có phun ethnaol 61] cho thấy kết tương tự Kết BSEC theo tỷ lệ ethanol thay chế độ tải khác tốc độ động 2000 vg/ph giới thiệu Hình 4.6 Qua cho thấy tỷ lệ thay tăng lên, BSEC 50% tải tăng lên, 75% tải thay đổi, 100% tải giảm xuống đáng kể Hình 4.6 BSEC chế Kết cho thấy hiệu thay tải thấp độ tải 50%, 75%, 100% tải cao, nhiên tỷ lệ thay cho phép tải tốc độ động 2000 vg/ph thấp đạt cao Kết nghiên cứu [6, 28] có nhận định tương tự 4.5.4 Xác định tỷ lệ ethanol thay lớn Tỷ lệ ethanol thay lớn xác định tiêu chí: áp suất xy lanh, tín hiệu dao động phân tích phổ tín hiệu dao động Các kết thể Hình 4.7 đến 4.9 Từ kết cho thấy xét theo tiêu chí kích nổ tỷ lệ ethanol thay lớn tốc độ 2000 vg/ph đạt 60,09% chế độ 50% tải, 49,12% chế độ 75% tải 38,19% chế độ 100% tải Tuy nhiên việc xét theo tiêu chí kích nổ động đốt có tiêu giới hạn khác hệ số dư lượng khơng khí, mức độ ổn định, khí thải, độ bền … cần phải xét cụ thể mục đích thay khác để lựa chọn tỷ lệ thay lớn Dưới đề cập đến điều kiện hệ số dự lượng khơng khí  Hình 4.8 Tín hiệu dao động Hình 4.9 Phổ tín hiệu thân máy Hình 4.7 Áp suất xy lanh dao động thân máy 4.5.5 Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol thay đến hệ số dư lượng khơng khí  Kết hệ số dư lượng khơng khí  động sử dụng lưỡng nhiên liệu dieselethanol chế độ tải 50%, 75%, 100% tốc độ động 2000 vg/ph theo tỷ lệ ethanol thay thể Hình 4.10 Qua cho thấy chế độ tải khác hệ số dư lượng khơng khí  lớn 1,3 lý thuyết bảo đảm ngồi giới hạn khói đen [9, 14] -16- Hình 4.10 Hê số  ne 2000 vg/ph Hình 4.11 Hệ số  theo ne Kết hệ số  động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol chế độ thực nghiệm tải khác 50%, 75%, 100% tốc độ động thay đổi từ 1000  3500 vg/ph thay đổi tỷ lệ ethanol thay thể Hình 4.11 Kết Hình 4.11 cho thấy hệ số  trường hợp có phun ethanol, hệ số  đồng dạng với tỷ lệ ethanol thay thế, đồng thời hệ số  trường hợp cao động nguyên ethanol có chứa oxy 4.5.6 Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol thay đến tiêu hao nhiên liệu Kết biến thiên tổng tiêu hao lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol sau quy đổi theo lượng diesel tiêu thụ tương đương chế độ tải 50%, 75%, 100% tốc độ động 2000 vg/ph theo tỷ lệ ethanol thay thể Hình 4.12 bảng số liệu kèm theo thuyết minh luận án Qua cho thấy tỷ lệ ethanol thay tăng lên, lượng diesel tiêu thụ tương đương 50% tải tăng lên, 75% tải thay đổi, 100% tải giảm xuống đáng kể Kết cho thấy hiệu thay tải thấp tải cao, nhiên tỷ lệ thay cho phép tải thấp đạt cao Đặc điểm tương đồng suất tiêu hao lượng phân tích Kết nghiên cứu [6, 28] có nhận định tương tự Hình 4.13 ge theo ne Hình 4.12 ge ne 2000 vg/ph Kết tổng tiêu hao lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol sau quy đổi theo lượng diesel tiêu thụ tương đương chế độ tải 50%, 75%, 100% theo tốc độ động với tỷ lệ ethanol thay thay đổi so với trường hợp chạy diesel gốc chế độ thể Hình 4.13 bảng số liệu kèm theo thuyết minh luận án Qua cho thấy chế độ tải 50% lượng diesel tiêu thụ tương đương lớn hơn, chế độ tải 75% lượng diesel tiêu thụ tương đương thay đổi, nhiên chế độ tải cao 100% lượng diesel tiêu thụ tương đương thấp so sánh với trường hợp chạy diesel gốc chế độ Điều chứng tỏ tải cao 100% hiệu thay cao hơn, quan điểm tương đồng bàn luận phần đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ ethanol thay đến suất tiêu hao lượng trình bày 4.5.7 Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol thay đến phát thải động 4.5.7.1 Phát thải HC Biến thiên hàm lượng HC chế độ tải 50%, 75%, 100% tốc độ động 2000 vg/ph theo tỷ lệ ethanol thay thể Hình 4.14 Kết cho thấy tỷ lệ thay tăng phát thải HC tăng theo tất chế độ tải Như biết phát thải HC có phần nhiên liệu khơng cháy Vì tăng tỷ lệ ethanol -17- thay phát thải HC tăng hình thành vùng dập lửa nên màng lửa không lan đến hay màng lửa lan đến nhiệt độ giảm (do ethanol có đặc điểm bay thu nhiệt làm giảm nhiệt độ) không đốt cháy mơi chất cơng tác vùng Biến thiên phát thải HC chế độ tải 50%, 75%, 100% theo tốc độ động với tỷ lệ ethanol thay thay đổi so với trường hợp chạy diesel gốc chế độ thể Hình 4.15 Hình 4.15 HC thay đổi ne Hình 4.14 HC ne 2000 vg/ph Kết thể Hình 4.15 cho thấy trường hợp có phun ethanol tăng tải phát thải HC giảm rõ rệt tồn dải tốc độ động cơ, điều tải tăng tỷ lệ ethanol thay giảm làm độ dày màng dập lửa giảm dẫn đến q trình cháy hồn thiện với tỷ ethanol thay giảm tăng tải thời điểm bắt đầu cháy muộn tạo điều kiện cho q trình cháy hồn thiện Qua kết thể Hình 4.15 cho thấy trường hợp có phun ethanol chế độ tải tăng tốc độ động phát thải HC giảm, đặc biệt chế độ tải 50%, 75% giảm rõ rệt Nguyên nhân tăng tốc độ động tỷ lệ ethanol thay giảm làm độ dày màng dập lửa giảm thời điểm bắt đầu cháy muộn dẫn đến q trình cháy hoàn thiện 4.5.7.2 Phát thải CO Kết hàm lượng CO chế độ tải 50%, 75%, 100% tốc độ động 2000 vg/ph theo tỷ lệ ethnaol thay giới thiệu Hình 4.16 Kết cho thấy phát thải CO tăng lên chế độ tải khác tăng tỷ lệ ethanol thay Điều tăng tỷ lệ ethanol thay thời điểm bắt đầu cháy muộn suất màng dập lửa làm cho q trình cháy hồn thiện dẫn đến nhiệt độ giảm khơng đủ để oxy hóa CO thành CO2 Hình 4.16 CO ne 2000 vg/ph Hình 4.17 CO thay đổi ne Biến thiên phát thải CO chế độ tải 50%, 75%, 100% theo tốc độ động với tỷ lệ ethanol thay thay đổi so với trường hợp chạy diesel gốc chế độ thể Hình 4.17 Qua Hình 4.17 cho thấy: Tại chế độ tải 50% 75% có phun ethanol thay phát thải CO cao không phun ethanol Tuy nhiên, chế độ tải cao 100%, trường hợp có nhiên liệu ethanol thay phát thải CO giảm rõ rệt so sánh với trường hợp động sử dụng nhiên liệu diesel gốc toàn dải tốc độ động Điều giải thích chế độ tải tỷ lệ ethanol thay so sánh với chế độ tải nhỏ làm thời điểm bắt đầu cháy muộn độ dày màng dập lửa nhỏ hơn, đồng -18- thời nhiên liệu ethanol có cácbon nhiều oxy nhiên liệu diesel làm cho trình cháy hồn thiện Các nghiên cứu [5, 39] có nhận định 4.5.7.3 Phát thải NOx Kết hàm lượng NOx chế độ tải 50%, 75%, 100% tốc độ động 2000 vg/ph theo tỷ lệ ethanol thay thể Hình 4.18 Kết cho thấy tăng tỷ lệ thay chế độ tải 50% 75% hàm lượng NOx thay đổi không đáng kể Nguyên nhân hai chế độ tải tỷ lệ ethanol thay nhiều chế độ 100% tải làm cho thời điểm bắt đầu cháy muộn độ dày màng dập lửa tăng trình cháy hồn thiện dẫn đến nhiệt độ thay đổi Tuy nhiên vùng tải cao 100% tỷ lệ ethanol thay so với chế độ tải nhỏ làm cho thời điểm bắt đầu cháy muộn độ dày màng dập lửa giảm q trình cháy kiệt làm nhiệt độ cháy tăng, đồng thời với lượng oxy dư thừa tăng tỷ lệ ethanol thay thế, hệ lượng NOx tăng nhanh Hình 4.18 NOx ne 2000 vg/ph Hình 4.19 NOx thay đổi ne Biến thiên phát thải NOx chế độ tải 50%, 75%, 100% theo tốc độ động với tỷ lệ ethanol thay thay đổi so với trường hợp chạy diesel gốc chế độ thể Hình 4.19 Kết cho thấy: chế độ tải khác nhau, trường hợp có nhiên liệu ethanol thay phát thải NOx cao nhiều so với trường hợp động sử dụng nhiên liệu diesel gốc Nguyên nhân trị số xêtan ethanol thấp nhiều so với nhiên liệu diesel Trị số xêtan thấp làm cho thời gian cháy trễ tăng tốc độ tăng áp suất xy lanh tăng, kết làm cho áp suất xy lanh cao nhiệt độ trình cháy lớn Hơn hệ số  cao dư thừa oxy nên làm tăng phát thải NOx Các kết nghiên cứu [5, 43, 75] cho kết tương tự 4.5.7.4 Phát thải CO2 Biến thiên phát thải CO2 chế độ tải 50%, 75%, 100% theo tốc độ động với tỷ lệ ethanol thay thay đổi so với trường hợp chạy diesel gốc chế độ thể Hình 4.20 Hình 4.20 CO2 chế độ tải khác thay đổi tốc độ động Qua cho thấy phát thải CO2 tăng tăng tốc độ động cơ, phát thải CO2 tăng với quy luật tăng tải Các nghiên cứu [5, 61] có kết tương đồng Phát thải CO2 tăng tăng tốc độ động tỷ lệ ethanol thay giảm tăng tốc độ động cơ, điều trình bày phần mối quan hệ tỷ lệ ethanol thay với tốc độ động Đồng thời trình bày trên, cho thấy phát thải CO2 tăng giảm tỷ lệ ethanol thay chế độ tải khác tốc độ 4.5.7.5 Phát thải smoke Phát thải smoke chế độ tải 50%, 75%, 100% tốc độ động 2000 vg/ph theo tỷ lệ ethanol thay thể Hình 4.21 Kết cho thấy phát thải smoke giảm chế độ tải khác nhau, đặc biệt chế độ 100% tải tăng tỷ lệ ethanol thay -19- phát thải smoke giảm mạnh nhiên liệu ethanol có 34,8% khối lượng oxy làm cho q trình cháy hồn thiện giúp diesel cháy kiệt Biến thiên phát thải smoke chế độ tải 50%, 75%, 100% theo tốc độ động với tỷ lệ ethanol thay thay đổi so với trường hợp chạy diesel gốc chế độ thể Hình 4.22 Hình 4.21 Smoke ne 2000 vg/ph Hình 4.22 Smoke thay đổi ne Qua cho thấy, trường hợp có nhiên liệu ethanol thay phát thải smoke nhỏ nhiều so sánh với trường hợp động sử dụng nhiên liệu diesel gốc, đồng thời tải cao phát thải smoke giảm mạnh Các nghiên cứu [5, 61] có kết tương đồng Cụ thể, tải cao 100%, có ethanol thay tốc độ 1000 vg/ph phát thải smoke giảm nhiều đạt 64,92%, tốc độ 3000 (vg/ph) phát thải smoke giảm đạt 12,92% Phát thải smoke giảm ethanol có 34,8% khối lượng oxy làm cho q trình cháy hồn thiện giúp nhiên liệu diesel cháy kiệt 4.6 Kết thực nghiệm chế độ chuyển tiếp 4.6.1 Tốc độ động Kết tốc độ động chế độ chuyển tiếp hai trường hợp có phun khơng phun ethanol thể Hình 4.24 Qua Hình 4.24 cho thấy tăng độ mở chân ga tốc độ động tăng lên nhanh so sánh với Hình 4.24 ne trường hợp khơng phun ethanol ne_WI- ne có phun; ne_WO- ne khơng phun 4.6.2 Mơ men động Kết mô men động hai trường hợp có phun khơng phun ethanol chế độ chuyển tiếp thể Hình 4.25 Hình 4.25 Me Tb_WI- Me có phun; Tb_WO- Me khơng phun Qua Hình 4.25 cho thấy tăng độ mở bàn đạp chân ga mơ men động tăng lên sớm giảm ga mơ men động giảm so sánh với trường hợp không phun ethanol Đồng thời tăng độ mở chân ga vùng nhỏ 50% mô men động tăng lên sớm lớn so sánh với trường hợp khơng phun ethanol, vùng độ mở chân ga lớn 50% cho thấy mô men động nhỏ tăng hơn, độ mở chân ga 100% mô men nhỏ Khi giảm độ mở chân ga vùng lớn 50% -20- mơ men động nhỏ giảm hơn, vùng độ mở chân ga nhỏ 50% mơ men lớn giảm 4.6.3 Công suất động Kết công suất động chế độ chuyển tiếp hai trường hợp có phun khơng phun ethanol thể thiện Hình 4.26 Hình 4.26 Ne Pb_WI- Me có phun; Pb_WO- Me khơng phun Qua Hình 4.26 cho thấy so sánh với trường hợp không phun ethanol vùng độ mở bướm ga nhỏ 50% công suất động lớn tăng lên sớm tăng độ mở chân ga, giảm độ mở chân ga mơ men động lớn giảm theo độ giảm độ mở chân ga Tại vùng độ mở chân ga lớn 50% công suất động tăng lên nhỏ tăng độ mở chân ga ngược lại giảm độ mở chân ga công suất động giảm nhỏ hơn, nhiên độ mở chân ga đạt 100% cơng suất động nhỏ so sánh với trường hợp khơng phun ethanol, điều chưa phải vùng tốc độ mà động đạt cơng suất lớn 4.6.4 Suất tiêu hao lượng Kết suất tiêu hao lượng hai trường hợp khơng phun có phun ethanol chế độ chuyển tiếp thể Hình 4.27 Hình 4.27 BSEC BSEC_WI- BSEC có phun; BSEC_WO- BSEC khơng phun Qua Hình 4.27 cho thấy suất tiêu hao lượng thấp toàn chu trình so sánh với trường hợp khơng phun ethanol, chứng tỏ hiệu thay nhiên liệu ethanol cao rõ rệt Điều giải thích ethanol có 34,8% khối lượng oxy làm cho q trình cháy hồn thiện hơn, dẫn đến suất tiêu hao lượng nhỏ 4.6.5 Hệ số dư lượng khơng khí  Kết hệ số dư lượng khơng khí  chế độ chuyển tiếp hai trường hợp có phun khơng phun ethanol thể Hình 4.28 Hình 4.28 Hệ số  _WI-  có phun; _WO-  khơng phun Qua Hình 4.28 cho thấy hai trường hợp có phun không phun ethanol chế độ chuyển tiếp hệ số  lớn 1,2 Giá trị hệ số  thỏa mãn cho động diesel làm việc bình thường theo điều kiện hệ số  -21- 4.6.6 Phát thải động 4.6.6.1 Phát thải HC Kết phát thải HC chế độ chuyển tiếp hai trường hợp có phun khơng phun ethanol thể Hình 4.29 Hình 4.29 HC có phun khơng phun HC_WI- HC có phun; HC_WO- HC khơng phun Qua Hình 4.29 cho thấy phát thải HC cao so sánh với trường hợp không phun ethanol Đồng thời phát thải HC tỷ lệ thuận với độ mở chân ga mô men động ngược lại Điều động D4BB sử dụng buồng cháy ngăn cách nên tồn nhiều vùng thể tích chết, màng lửa khơng lan tràn đến nơi nên HC tăng 4.6.6.2 Phát thải CO Kết phát thải CO chế độ chuyển tiếp hai trường hợp có phun khơng phun ethanol thể Hình 4.30 Hình 4.30 CO có phun khơng phun CO_WI- CO có phun; CO_WO- CO khơng phun Qua Hình 4.30 cho thấy phát thải CO lớn so sánh với trường hợp không phun ethanol, kết nhiên liệu ethanol bay thu nhiệt làm giảm nhiệt độ nhiệt độ cháy nhiều vùng buồng cháy không đủ cao để oxy hóa CO thành CO2 CO tăng 4.6.6.3 Phát thải NOx Kết phát thải NOx chế độ chuyển tiếp hai trường hợp có phun khơng phun ethanol thể Hình 4.31 Hình 4.31 NOx có phun khơng phun NOx_WI- NOx có phun; NOx_WO- NOx khơng phun Qua Hình 4.31 cho thấy chế độ chuyển tiếp thay đổi độ mở chân ga, vùng mô men động nhỏ (vùng A C) phát thải NOx nhiều hơn, vùng mô men động lớn (vùng B) phát thải NOx so sánh với trường hợp không phun ethanol 4.6.6.4 Phát thải CO2 Kết phát thải CO2 chế độ chuyển tiếp hai trường hợp có phun khơng phun ethanol thể Hình 4.32 Hình 4.32 CO2 có phun khơng phun CO2_WI- CO2 có phun; CO2_WO- CO2 khơng phun -22- Qua Hình 4.32 cho thấy chế độ chuyển tiếp thay đổi độ mở chân ga, vùng mô men động nhỏ (vùng D F) phát thải CO2 nhiều hơn, vùng mô men động lớn (vùng E) phát thải CO2 so sánh với trường hợp không phun ethanol 4.7 Kết luận chương Tại chế độ tải khác 50%, 75%, 100% tốc độ động ổn định 2000 vg/ph tăng tỷ lệ ethanol thay từ không phun ethanol thì: - Thời điểm đạt đỉnh áp suất khơng thay đổi, tốc độ tỏa nhiệt tăng, thời điểm bắt đầu cháy muộn đi, góc cháy trễ tăng lên, nhiệt tỏa không đổi; - Mô men công suất động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol đảm bảo trì gần động sử dụng nhiên liệu diesel gốc sai lệch trung bình khơng 1,19%; - Hiệu thay tải thấp tải cao, nhiên tỷ lệ thay cho phép tải thấp đạt cao hơn; - Tỷ lệ ethanol thay lớn đạt 60,09% chế độ 50% tải, 49,12% chế độ 75% tải 38,19% chế độ 100% tải xét theo tiêu chí kích nổ; - Hệ số dư lượng khơng khí  lớn 1,2 cho thấy đảm bảo điều kiện làm việc bình thường động diesel xét theo tiêu chí này; - Tổng tiêu hao lưỡng nhiên liệu tăng lượng nhiên liệu ethanol phải tăng lên nhiều lượng nhiên liệu diesel giảm nhiệt trị nhiên liệu ethanol thấp nhiều so với nhiệt trị nhiên liệu diesel, đồng thời để đảm bảo ổn định mô men công suất động cơ; - Phát thải HC CO tăng, chế độ tải nhỏ tăng nhiều chế độ tải lớn 100% tăng Trong khí phát thải CO2 giảm, đặc biệt chế độ tải cao CO2 giảm mạnh; - Ở vùng tải thấp hàm lượng NOx không tăng, nhiên vùng tải cao 100% lượng NOx tăng nhanh Trong phát thải smoke giảm, đặc biệt chế độ 100% tải phát thải smoke giảm mạnh Tại chế độ tải 50%, 75%, 100% theo tốc độ động với tỷ lệ ethanol thay thay đổi so với trường hợp chạy diesel gốc chế độ thì: - Tỷ lệ ethanol thay giảm dần tăng tốc độ động chế độ tải khác nhau, tải cao tỷ lệ ethanol thay giảm; - Sai số trung bình mơ men cơng suất động lớn 1,3766% tất chế độ tải toàn dải tốc độ động với tỷ lệ ethanol thay khác nhau; - Suất tiêu hao lượng nhỏ nhiều chế độ tải cao 100%, chế độ tải 50% 75% suất tiêu hao lượng lớn tồn dải tốc độ động với tỷ lệ ethanol thay khác Như vậy, hiệu thay tải cao lớn tải thấp; - Hệ số dư lượng khơng khí  lớn 1,1 đảm bảo điều kiện làm việc bình thường động diesel xét theo tiêu chí này; - Tiêu hao nhiên liệu chế độ tải cao 100% nhỏ hơn, chế độ tải 50% 75% tiêu hao nhiên liệu cao tồn dải tốc độ động cơ; Tại chế độ chuyển tiếp so sánh trường hợp có phun ethanol với trường hợp khơng phun ethanol thì: - Khi tăng độ mở chân ga tốc độ động tăng lên nhanh hơn; - Mô men công suất động lớn vùng độ mở chân ga nhỏ 50%; - Hiệu thay nhiên liệu ethanol cao rõ rệt; -23- - Hệ số  lớn 1,2; - Phát thải HC CO cao hơn; - Tại vùng mô men động nhỏ phát thải NOx nhiều hơn, vùng mô men động lớn phát thải NOx hơn; - Tại vùng mô men động nhỏ phát thải CO2 nhiều hơn, vùng mô men động lớn phát thải CO2 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận chung: Đề tài đưa phương pháp sở khoa học chuyển đổi động diesel sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol, áp dụng linh hoạt cho động phổ biến Việt Nam nhằm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu sinh học Với kết sau: - Đã chuyển đổi thành công động diesel D4BB sang chạy lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol thông qua thiết kế cải tiến chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu với điều kiện giữ nguyên mô men, tỷ lệ thay ethanol tối ưu chế độ làm việc động Động làm việc bình thường chế độ ổn định chuyển tiếp, giảm phát thải Trên sở phương pháp mô trực tiếp đối tượng: + Xây dựng mơ hình động lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol, từ giúp cho việc chuyển đổi động diesel thành động lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol đạt mục tiêu nói + Xây dựng mơ hình điều khiển lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol, tiến hành chạy mơ hình để tìm liệu phục vụ cho việc chuyển đổi động diesel thành động lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol + Đã xây dựng mơ hình điều khiển động có điều tốc bơm cao áp cho động lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol để từ nghiên cứu q trình chuyển tiếp - Kết so sánh mô với thực nghiệm đảm bảo tin cậy khẳng định tính đắn mơ hình cách tiếp cận Hướng phát triển: Phạm vi nghiên cứu luận án giới hạn phòng thí nghiệm Nhằm đưa nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn, cần thiết phải bổ sung nghiên cứu sau: - Thử nghiệm bền động thử nghiệm trường để đánh giá khả làm việc động lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol thời gian dài môi trường thực tế - Mở rộng áp dụng động diesel đời có tích hợp hệ thống EGR, tăng áp đường nạp, hệ thống nhiên liệu CR, … - Nghiên cứu ảnh hưởng góc phun sớm diesel -24- ... việc chuyển đổi động diesel thành động lưỡng nhiên liệu diesel- ethanol + Đã xây dựng mơ hình điều khiển động có điều tốc bơm cao áp cho động lưỡng nhiên liệu diesel- ethanol để từ nghiên cứu trình... cho việc chuyển đổi động diesel thành động lưỡng nhiên liệu diesel- ethanol đạt mục tiêu nói + Xây dựng mơ hình điều khiển lưỡng nhiên liệu diesel- ethanol, tiến hành chạy mơ hình để tìm liệu phục... học chuyển đổi động diesel sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel- ethanol, áp dụng linh hoạt cho động phổ biến Việt Nam nhằm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu sinh học Với kết sau: - Đã chuyển đổi thành