Nghiên cứu phương pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu trên động cơ common rail diesel sử dụng nhiên liệu kép (CNG Diesel)

1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Năng lượng môi trường vấn đề quan tâm hàng đầu nhiều quốc gia giới Với đà phát triển giới nay, nhu cầu sử dụng lượng, đặc biệt loại nhiên liệu truyền thống xăng dầu diesel công nghiệp, phương tiện giao thông vận tải, động tĩnh tại, thiết bị động lực ngày tăng Để giải tốn lượng mơi trường nói trên, phần lớn nghiên cứu tập trung vào hướng cải tiến động tìm nguồn lượng để thay phần hay hoàn toàn loại nhiên liệu truyền thống nhằm mục đích nâng cao hiệu suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu, giảm sức ép lên nguồn nhiên liệu giảm thiểu ô nhiễm môi trường Trong đó, hướng nghiên cứu sử dụng khí thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas -CNG) làm nhiên liệu cho động nhiệt giải pháp quan tâm Với ý nghĩa đó, đề tài “NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP NHIÊN LIỆU TRÊN ĐỘNG CƠ COMMON RAIL DIESEL SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP (CNG–DIESEL)” thực nhằm góp phần nghiên cứu nâng cao hiệu sử dụng CNG động nhiệt Đề tài chọn hướng nghiên cứu ứng dụng thành tựu công nghệ thông tin kỹ thuật điện tử vào nghiên cứu điều khiển cung cấp hỗn hợp nhiên liệu kép CNG-diesel cho động diesel có tỷ số nén cao, kiểm sốt tỷ lệ sử dụng CNG/diesel theo hướng bảo tồn cơng suất động giảm thiểu khí phát thải gây nhiễm mơi trường, nhằm góp phần giải áp lực nhiên liệu đa dạng hóa nguồn lượng cho phương tiện giao thông động tĩnh tại, góp phần đảm bảo an tồn lượng quốc gia, bảo vệ môi trường nhu cầu cấp thiết Do vậy, đề tài có tính thực tiễn ý nghĩa khoa học Mục tiêu nghiên cứu - Đưa giải pháp cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel động diesel có tỷ số nén cao, điều khiển phun diesel qua hệ thống CRDI phun CNG đường nạp để động làm việc ổn định, đảm bảo tính kinh tế kỹ thuật giảm mức phát thải, góp phần nâng cao hiệu sử dụng CNG làm chủ công nghệ chuyển đổi động diesel sang sử dụng nhiên liệu kép 2 - Đánh giá tính kinh tế kỹ thuật phát thải động chế độ cung cấp nhiên liệu khác nhau, xây dựng đồ tỷ lệ cung cấp CNG-diesel (map engine) cho động theo tiêu chí đảm bảo hài hòa tính kinh tế kỹ thuật phát thải động tốt Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu động diesel VIKYNO RV125 01 xylanh, giữ nguyên tỷ số nén (18:1), lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel Nghiên cứu thực nghiệm thực Phòng Thí nghiệm trọng điểm động đốt trong, trường Đại học Bách khoa TP.HCM Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng phương án thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel, điều khiển điều khiển phun diesel qua hệ thống CRDI phun CNG đường nạp Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cung cấp nhiên liệu kép đến tính kinh tế kỹ thuật phát thải động Chưa nghiên cứu ảnh hưởng nhiên liệu đến độ bền tuổi thọ động Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu mơ đặc tính cháy, đặc tính kỹ thuật động diesel sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel điều khiển điện tử động diesel - Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu kép CNG-diesel đến tính kinh tế kỹ thuật phát thải động - Nghiên cứu xây dựng đồ tỷ lệ CNG-diesel (engine map) cung cấp nhiên liệu thành phần cho động theo chế độ tải số vòng quay động Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mơ hình hóa kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá tính phù hợp khoa học kết nghiên cứu Tên đề tài “Nghiên cứu phương pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu động common rail diesel sử dụng nhiên liệu kép (CNG – Diesel)” Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Đề tài góp phần nghiên cứu ứng dụng, cải tiến, phát triển dòng động sử dụng nhiên liệu sạch, giải tình trạng khủng hoảng lượng ô nhiễm môi trường Góp phần nghiên cứu, làm chủ cơng nghệ chuyển đổi nguồn lớn động diesel có, ô tô tĩnh sang sử dụng nguồn lượng CNG nhằm tiết kiệm chi phí, nâng cao hiệu kinh tế tính cạnh tranh sản phẩm Cấu trúc nội dung luận án Ngoài phần mở đầu kết luận, nội dung luận án chia làm 04 chương trình bày nội dung sau: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan; Chương 2: Cơ sở lý thuyết; Chương 3: Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel thực nghiệm; Chương 4: Kết thực nghiệm thảo luận Các điểm chủ yếu luận án Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành công hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel điện tử động diesel 01 xy lanh VIKYNO RV125 phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam Trong đó, nhiên liệu diesel cung cấp hệ thống CRDI, nhiên liệu CNG thiết kế phun đường ống nạp, hệ thống 02 nhiên liệu thành phần điều khiển đồng hệ thống ECU, đảm bảo động làm việc ổn định theo hướng bảo tồn cơng suất động giảm thiểu mức phát thải Đề xuất tỷ lệ CNG tối đa hỗn hợp nhiên liệu kép Xây dựng giản đồ tỷ lệ CNG-diesel theo chế độ tải số vòng quay động làm sở cho việc lập trình điều khiển động 10 Hạn chế luận án Luận án chưa nghiên cứu tối ưu áp suất phun nhiên liệu diesel CNG theo chế độ làm việc động sử dụng nhiên liệu kép; chưa đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ CNG/diesel đến độ bền chi tiết động Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu hóa nhiễm mơi trường Nghị số 41-NQ/TW (15/11/2004) Bộ Chính trị bảo vệ môi trường thời kỳ đẩy mạnh công nghiệp hóa đại hóa đất nước rõ việc sử dụng loại nhiên liệu CNG, LPG vấn đề cần quan tâm xây dựng sách phát triển hệ thống giao thơng vận tải thời gian tới 4 1.2 CNG-nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với mơi trường 1.2.1 Khí thiên nhiên nén CNG Khí thiên nhiên (Natural Gas - NG) hỗn hợp khí cháy bao gồm phần lớn hydrocarbon Thành phần chủ yếu khí thiên nhiên methane (CH4) chiếm đến 70-90 %, khoảng 8-10 % ethane (C2H6), lại thành phần khác propane (C3H8), butane (C4H10), pentane (C5H12) anlkan khác [5] 1.2.2 Trữ lượng và tình hình khai thác khí thiên nhiên 1.2.3 Tình hình sử dụng CNG làm nhiên liệu cho động đốt trong, ô tô và xu hướng phát triển Các cơng trình nghiên cứu, đánh giá động CNG năm gần tập trung vào hướng như: Nghiên cứu phương pháp chuyển đổi động sử dụng xăng, dầu diesel sang sử dụng CNG phần hay hoàn toàn; Nghiên cứu tối ưu hóa phương pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu CNG Nghiên cứu mô thực nghiệm đánh giá trình cháy động sử dụng CNG; so sánh, đánh giá đặc tính kỹ thuật mức độ phát thải 1.3 Các nghiên cứu chuyển đổi động xăng, diesel sang sử dụng nhiên liệu CNG Có 03 hướng nghiên cứu ứng dụng triển khai, bao gồm: Chuyển đổi động xăng, diesel sang sử dụng CNG, đốt cháy hỗn hợp nhờ tia lửa điện bu-gi; Động xăng sang sử dụng CNG–xăng, đốt cháy hỗn hợp nhờ tia lửa điện bu-gi; Động diesel sang sử dụng CNG–diesel, diesel đóng vai trò nhiên liệu phun mồi tạo tia lửa đốt cháy hỗn hợp khí CNG 1.3.1 Nghiên cứu chuyển đổi động xăng, diesel sang sử dụng hoàn toàn nhiên liệu CNG Hình 1.8: Hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG động xăng, diesel chuyển sang sử dụng hoàn toàn CNG 1.3.2 Nghiên cứu chuyển đổi động xăng sang sử dụng nhiên liệu kép CNG – xăng Hình 1.9: Hệ thống cung cấp nhiên liệu kép xăng-CNG 1.3.3 Nghiên cứu chuyển đổi động diesel sang sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel Hình 1.10: Động diesel chuyển đởi sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel 1.4 Các phương pháp cung cấp CNG diesel động nhiên liệu kép Có nhiều phương pháp cung cấp tạo hỗn hợp CNG động Theo Rosli Abu Bakar (2012), Zastavniouk (1997) [25] có bốn phương pháp cung cấp CNG vào xy-lanh động cơ: sử dụng hòa trộn, sử dụng vòi phun chung (phun đơn điểm), vòi phun đa điểm đường nạp vòi phun trực tiếp vào buồng đốt 1.4.1 Cung cấp CNG bộ hòa trợn Phương pháp hòa trộn đơn giản, phù hợp nhiên liệu khí Tuy nhiên, sử dụng hòa trộn, tổn thất lượng khơng khí nạp họng CNG chiếm chỗ nên hệ số nạp bị giảm, dẫn đến công suất động giảm khoảng (5÷8)%, đồng thời cung cấp CNG liên tục làm hạn chế khả kiểm soát tỷ lệ CNG/ khơng khí 1.4.2 Cung cấp CNG vòi phun đường ống nạp Ngày nay, việc sử dụng vòi phun nhiên liệu CNG áp dụng nhiều thay cho hòa trộn Có hai phương pháp phun đường ống nạp hay phun trực tiếp vào buồng đốt 1.4.3 Cung cấp CNG vòi phun trực tiếp vào buồng cháy 1.4.3.1 Cung cấp CNG vòi phun bào buồng cháy phụ 1.4.3.2 Cung cấp CNG vòi phun trực tiếp vào buồng cháy thống 1.4.3.3 Cung cấp CNG vòi phun liên hợp kép CNG-diesel 1.4.3.4 Phương pháp phun mồi diesel động sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel 1.4.4 Các phương pháp điều khiển tỷ lệ cung cấp CNG-diesel Nhận xét chung: Các phương án cung cấp nhiên liệu CNG đường ống nạp sử dụng phổ biến kết cấu hệ thống đơn giản, dễ bố trí Việc thay hòa trộn vòi phun CNG hạn chế giảm hệ số nạp, góp phần cải thiện hiệu suất nhiệt công suất động Phun trực tiếp CNG vào buồng đốt nghiên cứu quan tâm, nhiên kết cấu phức tạp, giá thành tăng nên chưa ứng dụng phổ biến 1.5 Các nghiên cứu đặc tính động sử dụng nhiên liệu CNG Một số nghiên cứu khác tập trung vào ảnh hưởng nhiên liệu diesel phun mồi Theo Slawomir Wierzbicki cộng [66], thông số phun mồi diesel lượng nhiên liệu phun, thời điểm phun áp suất phun có ảnh hưởng lớn đến trình cháy động sử dụng nhiên liệu kép diesel – CNG Hình 1.19: Tỷ lệ CNG-diesel động sử dụng nhiên liệu kép Về động sử dụng nhiên liệu kép, nhóm nghiên cứu Nguyễn Đức Khánh, Trần Đăng Quốc đánh giá tính làm việc phát thải độc hại động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu CNG/diesel [13] Quá trình nghiên cứu thực động diesel xylanh sử dụng xe tải CNG cung cấp bổ sung vào đường nạp động trước vào xylanh với tỷ lệ khác 1.6 Kết luận định hướng nghiên cứu đề tài Luận án tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel động diesel điện tử nhằm nâng cao chất lượng cung cấp nhiên liệu điều khiển hoạt động động nhiên liệu kép  Thiết kế, chế tạo hệ thống Common Rail Diesel Injector (CRDI) để cung cấp nhiên liệu diesel thay cho hệ thống cung cấp khí, sử dụng vòi phun CNG đường nạp thay cho kiểu cung cấp hòa trộn thông thường  Thiết kế, chế tạo lập trình ECU điều khiển đồng hai hệ thống nhiên liệu, kiểm soát tỷ lệ CNG/diesel cung cấp cho động  Xây dựng giản đồ tỷ lệ CNG/diesel (engine map) thể phạm vi tỷ lệ nhiên liệu CNG diesel cần cung cấp cho động hoạt động chế độ nhiên liệu kép theo số vòng quay tải động theo tiêu chí đảm bảo động có vùng làm việc ổn định đạt mô-men, mức phát thải tốt Thực nghiệm thực động diesel VIKYNO RV125 cỡ nhỏ, xy-lanh, sản phẩm Công ty SVEAM - Việt Nam, sử dụng rộng rãi nước xuất Do vậy, nghiên cứu góp phần làm chủ cơng nghệ chuyển đổi nguồn động diesel có sang sử dụng nhiên liệu sạch, đồng thời góp phần cải tiến hệ thống nhiên liệu, nâng cao chất lượng cạnh tranh sản phẩm nước Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Giả thuyết tính tốn mơ dựa mơ hình động diesel VIKYNO RV125 01 xylanh, chuyển sang sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel, diesel tạo lượng đánh lửa đốt cháy hỗn hợp CNG Phương án cung cấp nhiên liệu lựa chọn: diesel cung cấp hệ thống CRDI, CNG cung cấp đường ống nạp vòi phun 2.1 Lý thuyết điều khiển động nhiên liệu kép 2.1.1 Hệ thống điều khiển động đốt 2.1.2 Lý thuyết điều khiển động đốt 2.1.2.1 Điều khiển mơ-men động Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động 2.1.2.2 Điều khiển kiểm soát khói đen 2.1.2.3 Kiểm sốt kích nổ 2.1.3 Hệ thống điều khiển động nhiên liệu kép 2.2 Mô hình hóa q trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel động VIKYNO RV125 phần mềm CFD FLUENT 2.2.1 Quá trình cháy hòa trợn trước cục bợ nhiên liệu kép CNG-diesel 2.2.2 Sự lan tràn màng lửa q trình cháy đợng CNG-diesel Hình 2.12: Phân chia vùng cháy động CNG-diesel Kết luận: Quá trình cháy nhiên liệu kép trình cháy hòa trộn trước cục sở kết hợp q trình cháy khuyếch tán khơng hòa trộn trước diesel q trình cháy hòa trộn trước hỗn hợp nhiên liệu CNG – khơng khí Nghiên cứu trình hình thành hỗn hợp cháy nhiên liệu diesel hỗn hợp đồng nhiên liệu CNG với khơng khí sở để xây dựng mơ hình mơ q trình cháy cho động sử dụng nhiên liệu kép Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật động VIKYNO RV125 STT 10 11 12 Thông số Đường kính xylanh Hành trình piston Chiều dài truyền Thể tích cơng tác Tỷ số nén Cơng suất cực đại (ở 2.400 v/ph) Mô-men cực đại (ở 1.800 v/ph) Số vòng quay cực đại Số vòng quay định mức Năng lượng phun mồi Góc phun sớm Thành phần hỗn hợp Ký hiệu D S l Vh  Ne max Me max n n EDO s f Giá trị 94 90 145 624 18:1 12,5 2.560 2.200 143 20 0,054 Đơn vị mm mm mm cm3 HP kgf.m/1 v/ph v/ph J độ 2.2.3 Thiết lập mô hình tính toán mơ phỏng quá trình cháy Hình 2.15: Chia lưới xác lập điều kiện biên cho mơ hình 2.2.4 Khảo sát diễn biến quá trình cháy Hình 2.17: Trường số vòng quay vị trí 330 mơi chất công tác buồng cháy động VIKYNO RV125 chế độ (n=2.200 v/ph; s=20; = 1) Hình 2.20: Biến thiên nhiệt độ trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel động VIKYNO RV125 (n=2.200 v/ph; s=20; = 1) 2.2.5 Đánh giá ảnh hưởng các thông số đến quá trình cháy động nhiên liệu kép CNG-diesel Ảnh hưởng góc phun diessel đánh lửa sớm Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm, tức thời điểm phun sớm diesel đến áp suất mô với thành phần hỗn hợp f = 0,054 ứng với  = 1, số vòng quay n = 2.000 v/ph, ứng với góc phun sớm 100, 200, 300, 400 có kết hình 2.12, 2.13 10 Áp suất thị Pi (Pa) 120 Góc phun sớm 30 độ 100 Góc phun sớm 20 độ 80 Góc phun sớm 10 độ 60 40 20 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 Góc quay trục khuỷu (độ) Hình 2.23: Áp suất chỉ thị trình cháy ứng với s : 10, 20, 30, 40 độ, n = 2.000 v/ph; = Kết luận: Quá trình cháy động VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel mô phỏng, tính tốn phần mềm FLUENT, sử dụng mơ hình rối k-ε tiêu chuẩn, mơ hình cháy Partially Premixed, lượng đánh lửa tia phun diesel cung cấp Các kết mô biến thiên nồng độ CH4 O2 trình cháy, diễn biến nhiệt độ áp suất khí thể buồng cháy cho thấy khả đáp ứng phù hợp hệ thống nhiên liệu kép cháy 2.3 Mơ tính tốn đặc tính kỹ thuật động VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel phần mềm AVL-BOOST Trong luận án này, tác giả sử dụng mơ hình cháy mơ hình Vibe vùng cho hai trường hợp sử dụng nhiên liệu diesel nhiên liệu kép CNG-diesel Đây mơ hình hai hàm Vibe chồng lấn áp dụng cho hai vùng hỗn hợp cháy vùng cháy hỗn hợp đồng chuẩn bị trước vùng cháy khuyếch tán nhiên liệu diesel phun sau Các thơng số mơ hình Vibe thông số liên quan đến thời điểm bắt đầu cháy, thời gian cháy, lượng nhiên liệu tham gia trình cháy lượng nhiên liệu bay hòa trộn với khơng khí trước cháy 2.3.1 Phương trình nhiệt đợng học thứ 2.3.2 Mơ hình cháy Vibe vùng xylanh 2.3.3 Xây dựng mô hình mô phỏng đợng VIKYNO RV125 Luận án sử dụng mơ hình cháy mơ hình Vibe vùng cho hai trường hợp sử dụng nhiên liệu diesel nhiên liệu kép CNG - diesel Đây mơ hình hai hàm Vibe chồng lấn áp dụng cho hai vùng hỗn hợp cháy vùng cháy hỗn hợp đồng chuẩn bị trước 11 vùng cháy khuyếch tán nhiên liệu diesel phun sau Bảng 2.3: Các thơng số mơ hình mơ STT 10 11 12 13 14 15 16 Thơng số Đường kính xylanh Hành trình dịch chuyển Chiều dài truyền Số xylanh Tỷ số nén Số lỗ vòi phun diesel Đường kính lỗ vòi phun diesel Góc phun sớm Đường kính đế xupáp nạp Đường kính đế xupáp xả Thời điểm xupáp nạp mở sớm Thời gian xupáp nạp mở Thời điểm xupáp thải mở Thời gian xupáp thải làm việc Mơ hình cháy Mơ hình truyền nhiệt Giá trị 94 90 145 18 0,14 22,5 42 36 340 310 130 310 AVL MCC Model Woschni 1978 Đơn vị mm mm mm    mm deg mm mm deg deg deg deg   Hình 2.27: Mơ hình mơ động VIKYNO RV125 2.3.4 Kết mô phỏng động nhiên liệu kép CNG-diesel 2.3.4.1 Kết mô đặc tính ngồi động nhiên liệu kép CNG-diesel Khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel từ DO100 đến CNG70–DO30, kết mơ đường đặc tính mơ-men động thu bảng 2.5 Đồ thị mơ đặc tính mô men động sử dụng nhiên liệu kép hình 2.20 12 Ảnh hưởng tỷ lệ CNG đến mơ-men động theo mô 40 Mô-men động Me (Nm) 39 38 37 36 35 MP_Ne D100 MP_Ne CNG20 MP_Ne CNG40 MP_Ne CNG60 34 33 32 31 1200 1400 1600 1800 MP_Ne CNG10 MP_Ne CNG30 MP_Ne CNG50 MP_Ne CNG70 2000 2200 2400 Số vòng quay động n (v/ph) Hình 2.28: Đồ thị mơ đặc tính mơ-men động thay đổi tỷ lệ CNG/diesel Tương tự, công suất động thu thể bảng 2.6 đồ thị 2.21 Khi nâng tỷ lệ CNG hỗn hợp, công suất động tăng Ở tỷ lệ CNG70, số vòng quay n=2400 (v/ph), cơng suất cực đại cao khoảng 4,45% so với trường hợp tỷ lệ DO100 Công suất động Ne (kW) 11 Ảnh hưởng tỷ lệ CNG đến công suất động theo mô MP_Ne D100 MP_Ne CNG30 MP_Ne CNG60 MP_Ne CNG10 MP_Ne CNG40 MP_Ne CNG70 MP_Ne CNG20 MP_Ne CNG50 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Số vòng quay động n (v/ph) Hình 2.29: Đồ thị mô công suất động thay đổi tỷ lệ CNG/diesel 2.3.4.2 Kết mô suất tiêu hao nhiên liệu động nhiên liệu kép CNG-diesel Suất tiêu hao lượng 14000 ee (kJ/kWh) 13500 DO100 DO60 DO90 DO50 DO80 DO40 DO70 DO30 13000 12500 12000 11500 11000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Số vòng quay động (v/p) Hình 2.30: Đồ thị suất tiêu hao lượng theo tỷ lệ CNGdiesel theo mô 13 2.4 Phát thải động VIKYNO RV125 2.4.1 Phát thải NOx 2.4.2 Phát thải CO 2.4.3 Phát thải SOOT 2.5 Kết luận chương - Diễn biến nồng độ ơxy CH4 cuối q trình cháy cho thấy số vòng quay tiêu thụ mãnh liệt hỗn hợp thể qua số vòng quay giảm nồng độ O2 CH4 q trình cháy Điều cho thấy CNG có khả cháy tốt với lượng tia lửa diesel phun mồi tạo - Tốc độ tỏa nhiệt buồng cháy cao làm cho nhiệt độ cực đại môi chất buồng cháy lớn Do vậy, áp suất đường giãn nở động cao, cơng thị chu trình tính diện tích đồ thị cơng sẽ lớn Trong luận án này, tác giả sử dụng phần mềm mơ AVL-BOOST để mơ tính tốn đặc tính kỹ thuật động sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel Các kết đạt sau: - Khi động chuyển sang sử dụng CNG-diesel với tỷ lệ thay đổi phần trăm CNG từ 30-70 (%): mô-men động sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel dãy số vòng quay thấp từ 1200÷1600v/ph thấp so với sử dụng nhiên liệu diesel đơn cao vòng quay đạt từ 1600÷2400v/ph Tỷ lệ CNG/diesel tăng mô-men tăng Ở tỷ lệ nhiên liệu CNG70 so với DO100, mô-men cực đại cao 1,3% (tại số vòng quay n=1800v/ph),cơng suất động cao khoảng 4,45 % so với 100% diesel (tại số vòng quay n=2400v/ph) - Kết mơ cho thấy suất tiêu hao lượng mức phát thải động sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel cải thiện nhiều so với sử dụng hoàn toàn diesel Với kết khảo sát diễn biến thơng số kỹ thuật q trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel đặc tính kinh tế kỹ thuật, mức phát thải thu nhận từ kết mơ phỏng, cho thấy tính khả quan việc sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel động diesel có tỷ số nén cao Đây sở khoa học định hướng cho công việc thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel mơ hình thực nghiệm 14 Chương 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU KÉP CNG-DIESEL VÀ THỰC NGHIỆM Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel động diesel, kiểm soát tỷ lệ nhiên liệu CNG/diesel cung cấp cho động cơ, thỏa mãn tiêu chí đặt động làm việc ổn định chế độ tải số vòng quay động cơ, bảo tồn tính kinh tế kỹ thuật giảm mức phát thải tốt so với động diesel nguyên thủy Trên sở đề xuất đồ tỷ lệ CNG-diesel theo tiêu chí cơng suất động giảm mức phát thải điều kiện tốt 3.1 Phương án thiết kế hệ thống cung cấp NL kép CNG-diesel Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel 3.2 Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel 3.2.1 Hệ thớng cung cấp nhiên liệu CRDI Hình 3.6: Bơm cao áp HP3 vị trí lắp đặt, dẫn động 3.2.2 Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG 3.2.3 Thiết kế hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép Hình 3.13: Sơ đồ tởng quan hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép 15 3.2.3.1 Điều khiển áp suất nhiên liệu CNG 3.2.3.2 Điều khiển áp suất nhiên liệu diesel 3.2.3.3 Điều khiển thời điểm thời gian phun nhiên liệu diessel CNG 3.2.3.4 Điều khiển tỷ lệ nhiên liệu CNG/diesel cung cấp 3.2.3.5 Điều khiển chống kích nổ 3.3 Lập trình điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu 3.3.1 Thuật toán điều khiển cung cấp nhiên liệu diesel 3.3.2 Thuật toán điều khiển cung cấp nhiên liệu CNG 3.4 Thiết kế, chế tạo ECU điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu Hình 3.25: Mạch điện điều khiển vòi phun diesel CNG 3.5 Mơ hình thực nghiệm Hình 3.26: Mơ hình động thực nghiệm VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel 3.5.1 Mục đích và nợi dung thực nghiệm Mục đích thực nghiệm Thực nghiệm động VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel nhằm mục đích sau:- Xác định đường đặc tính ngồi động thực nghiệm chuyển đổi nhiên liệu từ diesel sang sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel;- Đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật trình phát thải động thực nghiệm sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel;- Đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ CNG/diesel đến đặc tính kỹ thuật phát thải động thực 16 nghiệm sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel; - Xây dựng đồ tỷ lệ CNG/diesel động sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel theo tiêu chí bảo tồn cơng suất động giảm khí phát thải; Nội dung thực nghiệm - Xác định đặc tính vòi phun diesel CNG làm sở cho việc tính tốn lượng nhiên liệu kép cung cấp cho động thực nghiệm; Đo áp suất cháy động cơ; Đo mô-men, công suất động cơ; Xác định mức tiêu hao lượng diesel CNG; - Đo thành phần khí thải; Xây dựng đồ tỷ lệ CNG-diesel cung cấp nhiên liệu kép 3.5.2 Sơ đồ thực nghiệm 3.5.3 Quy trình thực nghiệm 3.6 Kết luận chương - Áp dụng thành công kỹ thuật điều khiển đại vào hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu cho động sử dụng nhiên liệu kép Phương án sử dụng hệ thống CRDI để cung cấp diesel phun CNG đường nạp tận dụng ưu điểm điều khiển phun nhiên liệu, nâng cao chất lượng hòa trộn hỗn hợp trình cháy nhiên liệu kép - ECU lập trình điều khiển chương trình, ngơn ngữ mạnh; thiết kế, chế tạo, sử dụng thiết bị đại nên có độ ổn định, tin cậy tốc độ xử lý nhanh, đáp ứng tốt yêu cầu làm việc hệ thống cung cấp nhiên liệu kép - Công tác thực nghiệm thực theo quy trình thí nghiệm xác, thiết bị đo đại nên kết thực nghiệm có độ xác, tin cậy cao Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 4.1 Thực nghiệm xác định đặc tính vòi phun diesel CNG Hình 4.1: Đồ thị đặc tính vòi phun dieselHình 4.2: Đồ thị đặc tính vòi phun mơ hình thực nghiệm CNG mơ hình thực nghiệm 17 4.2 Thực nghiệm đánh giá đặc tính mơ-men cơng suất Tại số vòng quay 1200v/ph, mơ-men cơng suất giảm khoảng 8,9 (%) Khi số vòng quay tăng từ 1600÷2400v/ph, mơ-men cơng suất sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel đạt giá trị cao so với sử dụng hoàn toàn diesel tỷ lệ CNG60, mơ-men cực đại số vòng quay 1800v/ph cao 1,32 (%), cơng suất cực đại số vòng quay 2400v/ph cao 3,74 (%) so với sử dụng hồn tồn diesel 10 Đồ thị đặc tính mơ-men công suất động 35 TN_Me CNG60 TN_Me DO100 TN_Ne CNG60 TN_Ne DO100 30 25 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Công suất động Ne (kW) Mô-men động Me (Nm) 40 Số vòng quay động n (v/ph) Hình 4.3: Đồ thị đặc tính mơ-men cơng suất động VIKYNO RV125 So sánh kết công suất động TN MP 10 Chế độ tải: 100% Ne DO100-TN Ne DO100-MP Ne CNG60DO40-TN Ne CNG60DO40-MP 1200 Công suất động Ne sử dụng DO100 (kW) Công suất động Ne sử dụng CNG60DO40 (kW) 10 1400 1600 2400 Số vòng quay1800 động n2000 (v/ph) 2200 Hình 4.4: Đồ thị so sánh kết cơng suất động thực nghiệm mô hai tỷ lệ CNG60 DO100 Kết xây dựng đồ thị đặc tính mơ-men cơng suất động hai tỷ lệ 100 % diesel 60 % CNG, chế độ tải 100 % hình 4.3, cho thấy: động làm việc số vòng quay thấp từ 1200÷1400v/ph, mơ-men động sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel thấp so với sử dụng hồn tồn nhiên liệu diesel Tại số vòng quay 1200v/ph, mô-men công suất giảm khoảng 8,9 (%) Khi số vòng quay tăng từ 1600÷2400v/ph, mơ-men cơng suất sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel đạt giá trị cao so với sử 18 dụng hoàn toàn diesel Tại số vòng quay 1800v/ph, mơ-men cực đại cao 1,32 (%), số vòng quay 240 v/ph cơng suất cực đại cao 3,74 (%) 4.3 Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ CNG/DO đến mô-men công suất động 11 Công suất động Ne (kW) Ảnh hưởng tỷ lệ CNG đến đặc tính mô-men động 39 38 Mô-men động Me (Nm) 37 36 TN_Me DO100 35 TN_Me CNG30 TN_Me CNG40 TN_Me CNG50 TN_Me CNG60 34 33 32 31 30 1200 Ảnh hưởng tỷ lệ CNG đến đặc tính cơng suất động TN_Ne DO100 TN_Ne CNG30 TN_Ne CNG40 TN_Ne CNG50 TN_Ne CNG60 1400 1600 1800 2000 2200 1200 2400 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Số vòng quay động n (v/ph) Số vòng quay động n (v/ph) Hình 4.5: Đồ thị đặc tính ngồi động thay đổi tỷ lệ CNG/diesel 4.4 Thực nghiệm đánh giá đặc tính phát thải động Nồng độ phát thải CO (%) 01 01 DO100 01 CNG60 01 01 00 00 00 Điểm đo Hình 4.8: Nồng độ CO động RV125 theo chu trình đo ISO 8178 C1 4.5 Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ CNG/Diesel đến đặc tính phát thải động Nồng độ phát thải Opac (%) 120 DO100 CNG40 100 CNG20 CNG50 CNG30 CNG60 80 60 40 20 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Số vòng quay động n (v/ph) Hình 4.11: Độ mờ khói Opacity động thay đổi tỷ lệ CNG/diesel 19 4.6 Thực nghiệm xác định suất tiêu hao lượng Bảng 4.6: Suất tiêu hao nhiên liệu suất tiêu hao lượng diesel động hoạt động chế độ 100% diesel Số vòng quay động (v/ph) 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Ne (kW) geDO100 (g/kW.h) eeDO100 (kJ/kW.h) 4.36 5.28 6.21 7.14 7.85 8.40 8.74 248.4 237.6 270 298.8 313.2 342 396 10715.48 10249.59 11647.26 12889.63 13510.82 14753.2 17082.65 Suất tiêu hao lượng (kJ/kW.h) Dựa vào kết đo lượng nhiên liệu thành phần diesel mDO mCNG tiêu thụ động hoạt động tỷ lệ CNG, tính suất tiêu hao nhiên liệu thành phần geDO geCNG (g/kW.h) Từ đó, xác định suất tiêu hao lượng thành phần eeDO, eeCNG suất tiêu hao lượng tổng ee Tổng (ee Tổng = eeDO + eeCNG) (kJ/kW.h) 18000 e_DO40 16000 e_CNG60 14000 e_Tổng 12000 10000 8000 6000 4000 2000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Số vòng quay động n (v/ph) Hình 4.15: Suất tiêu hao lượng thành phần diesel CNG động hoạt động chế độ nhiên liệu kép Suất tiêu hao lượng (kJ/kW.h) 18000 e_Tổng 16000 14000 12000 10000 8000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Số vòng quay động n (v/ph) Hình 4.17: So sánh suất tiêu hao lượng động sử dụng 100% diesel sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel 20 4.7 Thực nghiệm đo áp suất cháy động Hình 4.19: Áp suất cháy động chế độ 100% tải, số vòng quay 2.200 v/ph thay đổi tỷ lệ CNG-diesel Trong tất điều kiện làm việc, áp suất cháy cực đại tăng tăng tỷ lệ CNG Ở số vòng quay 2000v/ph tăng tỷ lệ CNG lên 70%, áp suất cực đại tăng 13.5 % so với động sử dụng 100% diesel (86,2×105 Pa /74,5×105 Pa) Ở số vòng quay n=1800 v/ph (ứng với chế độ đạt mô-men xoắn cực đại), tỷ lệ 24% (90,4×105 Pa /72.5×105 Pa) Đây ưu điểm lớn sử dụng CNG động có tỷ số nén cao 4.8 Xây dựng giản đồ tỷ lệ CNG/Diesel Giản đồ tỷ lệ CNG/diesel (engine map) thể mối quan hệ lượng nhiên liệu diesel CNG cần cung cấp cho động hoạt động chế độ nhiên liệu kép theo số vòng quay tải động Tỷ lệ hỗn hợp CNG/diesel xác định theo tiêu chí đảm bảo động làm việc ổn định, mô-men công suất động đạt cao mức phát thải thấp Thời gian phun (µs) Giản đồ thời gian phun diesel theo tốc độ chế độ tải động 300 200-300 200 100-200 0-100 100 100 80 60 40 202400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 Hình 4.20: Giản đồ thời gian phun nhiên liệu diesel theo số vòng quay tải động động sử dụng nhiên liệu kép chu trình 21 Lượng CNG phun (mg/ct) Giản đồ lượng CNG phun theo tốc độ chế độ tải động 30 25-30 25 20-25 20 15 10 15-20 10-15 5-10 100 80 60 40 2200 20 2400 2000 1800 1600 1400 1200 0-5 Hình 4.23: Giản đồ lượng nhiên liệu CNG cung cấp theo số vòng quay tải động động sử dụng nhiên liệu kép chu trình 4.9 Kết luận chương Từ kết thực nghiệm phân tích có kết luận sau: - Khi sử dụng nhiên liệu kép CNG/diesel, dải số vòng quay thấp (1200÷1400v/ph) mơ-men cơng suất động thấp so với sử dụng nhiên liệu diesel đơn thuần, dải số vòng quay từ 1600÷2400 (v/ph) sẽ cao Khi tăng tỷ lệ CNG/diesel, mô-men công suất động tăng Ở tỷ lệ CNG60, chế độ tải 100%, mơmen cực đại (ở số vòng quay 1800v/ph) có giá trị cao so với sử dụng hồn tồn diesel 1,32 (%), cơng suất cực đại (ở số vòng quay 2.400 (v/ph)) cao 3,74 (%) Sai lệch giá trị công suất thực nghiệm mô lớn hai tỷ lệ DO100 CNG60 2,68 5,1 (%) cho thấy kết thực nghiệm mơ xác, có độ tin cậy cao - Kết đo mức phát thải động theo chu trình thử khí thải ISO 8178 C1, chu trình thử chuẩn quốc tế sử dụng cho động tĩnh theo tiêu chuẩn khí thải EPA TIER2, cho thấy sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel, mức độ phát thải động giảm đáng kể Ở hai điểm đo ứng với số vòng quay động chế độ công suất moment cực đại, chế độ tải 100%: CO (%) giảm đến 74,5%; HC (ppm) giảm đến 56,1%; Độ mờ khói giảm đến 51,1% Mức phát thải giảm đáng kể tăng tỷ lệ CNG - Suất tiêu hao lượng động chuyển sang sử dụng nhiên liệu kép thấp chạy hoàn toàn diesel Ở chế độ tỷ lệ nhiên liệu CNG60, 100% tải, suất tiêu hao lượng động giảm từ 1,6% đến 3,6% so với động sử dụng nhiên liệu 22 diesel, khẳng định tính tiết kiệm nhiên liệu động chuyển sang sử dụng nhiên liệu kép - Diễn biến giá trị áp suất cháy động sử dụng nhiên liệu kép tỷ lệ CNG khác diễn phù hợp với quy luật biến thiên áp suất buồng đốt Điều cho thấy điều kiện khác nhau, lượng tia lửa diesel tạo đủ mạnh cần thiết để đốt cháy hỗn hợp CNG Trong tất điều kiện làm việc, áp suất cháy cực đại tăng tăng tỷ lệ CNG Ở số vòng quay 2000v/ph tăng tỷ lệ CNG lên 60%, áp suất cực đại tăng 13.5 % so với động sử dụng nhiên 100% diesel (86,2×105 Pa /74,5×105 Pa) Ở số vòng quay n=1800v/ph (ứng với chế độ đạt mô-men xoắn cực đại), tỷ lệ 24% (90,4×105 Pa /72.5×105 Pa) Đây ưu điểm lớn sử dụng CNG động có tỷ số nén cao Tuy nhiên cần lưu ý yếu tố dẫn đến tượng kích nổ động - Các thơng số làm việc động nhiệt độ dầu bôi trơn, nhiệt độ thân động cơ, nhiệt độ khí xả q trình thực nghiệm kiểm sốt, giá trị nằm phạm vi cho phép, thể tích thích ứng trạng thái ổn định động chuyển sang sử dụng nhiên liệu kép - Quá trình thực nghiệm tập trung xác định đặc tính vòi phun CNG diesel để làm sở tính tốn lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ, sở xây dựng giản đồ tỷ lệ CNG/diesel thể mối quan hệ lượng nhiên liệu CNG diesel cần cung cấp cho động hoạt động chế độ nhiên liệu kép theo số vòng quay tải động Tỷ lệ hỗn hợp CNG/diesel xác định theo tiêu chí đảm bảo động làm việc ổn định, mơ-men công suất động đạt cao mức phát thải thấp Giản đồ CNG-diesel xây dựng thực nghiệm thông qua xác định bảng liệu điều khiển thời gian phun CNG diesel Giá trị liệu nạp vào ECU hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel mơ hình thực nghiệm Kết chung q trình thực nghiệm cho thấy, với hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel điều khiển điện tử thiết kế, chế tạo, động VIKYNO RV125 chuyển sang hoạt động chế độ nhiên liệu kép đạt mục tiêu đặt bảo tồn cơng suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường 23 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN KẾT LUẬN Kết luận án rút kết luận sau đây: Động sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel hướng nghiên cứu, ứng dụng nhà khoa học quan tâm nhằm giải tốn khan lượng nhiễm mơi trường Đã có nhiều nghiên cứu nước lĩnh vực Tuy nhiên, phần lớn nghiên cứu tập trung vào đánh giá đặc tính kinh tế, kỹ thuật động nhiên liệu kép; phương pháp cung cấp nhiên liệu kép kiểu khí, mà chưa quan tâm nhiều đến việc tối ưu hóa điều khiển cung cấp hệ thống nhiên liệu kép, việc kiểm soát tỷ lệ CNG/diesel đến chế độ hoạt động động Luận án nghiên cứu, thiết kế chế tạo thành công hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel điện tử động VIKYNO RV125, cung cấp diesel hệ thống CRDI phun CNG đường nạp, làm việc ổn định tin cậy Đối với động diesel VIKYNO RV125 có tỷ số nén 18:1, với hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel chế tạo, động làm việc ổn định, cơng suất bảo tồn, tiết kiệm nhiên liệu giảm mức phát thải Khi tăng tỷ lệ CNG/diesel, mô-men công suất động tăng Ở chế độ tỷ lệ CNG60: mô-men cực đại tăng 1,32%, công suất cực đại tăng 3,74 %; mức phát thải đo theo chu trình thử khí thải ISO 8178 C1, hai điểm đo ứng với chế độ cơng suất moment cực đại, chế độ tải 100%: CO giảm đến 74,5%; HC giảm đến 56,1%; Độ mờ khói giảm đến 51,1% Suất tiêu hao lượng giảm từ 1,6% đến 3,6% so với động sử dụng hoàn toàn diesel Đối với động diesel VIKYNO RV125, tỷ lệ CNG tham gia tối đa động nhiên liệu kép 60% để động làm việc ổn định, khơng bị kích nổ Tuy nhiên, để động đạt đặc tính 24 kinh tế, kỹ thuật mức phát thải tốt nhất, hiệu sử dụng CNG cao nhất, nên sử dụng tỷ lệ CNG đến 30% dải tốc độ thấp tỷ lệ 40% trở lên dải tốc độ từ 1400 v/ph Xây dựng giản đồ tỷ lệ CNG/diesel theo số vòng quay tải động cơ, xác định tỷ lệ CNG/diesel tối ưu cho chế độ hoạt động động theo tiêu chí đảm bảo động làm việc ổn định, có cơng suất mức phát thải tốt Dữ liệu giản đồ sử dụng để lập trình điều khiển hệ thống cung cấp CNG diesel cho động VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép Với kết nghiên cứu đạt được, luận án đạt mục tiêu quan trọng đặt điều khiển cung cấp nhiên liệu kép động diesel có tỷ số nén cao, bảo tồn cơng suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu giảm mức phát thải Kết nghiên cứu luận án góp phần làm chủ cơng nghệ điều khiển cung cấp nhiên liệu kép điều kiện thực tế Việt Nam, nghiên cứu có ý nghĩa lớn việc hướng đến cải tiến hệ thống nhiên liệu động tĩnh để tiết kiệm chi phí nhiên liệu tăng tính cạnh tranh sản phẩm HƯỚNG PHÁT TRIỂN Nghiên cứu tính kích nổ động diesel có tỷ số nén cao sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel, xác định tỷ số nén tối đa để động sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel làm việc ổn định, khơng bị kích nổ Nghiên cứu tối ưu thời điểm phun diesel theo tỷ lệ CNG/diesel, chế độ tải số vòng quay động động diesel sử dụng nhiên liệu kép Nghiên cứu tối ưu áp suất phun diesel CNG theo chế độ tải số vòng quay động diesel sử dụng nhiên liệu kép Đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ CNG/diesel đến độ bền chi tiết tuổi thọ động Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện đồ động chi tiết để làm sở liệu lập trình điều khiển động tối ưu  ... cứu phương pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu động common rail diesel sử dụng nhiên liệu kép (CNG – Diesel) ” Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Đề tài góp phần nghiên cứu ứng dụng, cải... hướng nghiên cứu đề tài Luận án tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNG -diesel động diesel điện tử nhằm nâng cao chất lượng cung cấp nhiên liệu điều khiển hoạt động. .. dụng thành công kỹ thuật điều khiển đại vào hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu cho động sử dụng nhiên liệu kép Phương án sử dụng hệ thống CRDI để cung cấp diesel phun CNG đường nạp tận dụng