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

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

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa người công bố cơng trình khác! Đà Nẵng, tháng 04 năm 2018 Tác giả luận án Huỳnh Phƣớc Sơn i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 4 Nội dung nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Tên đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Cấu trúc nội dung luận án Các điểm chủ yếu luận án 10 Hạn chế luận án Chƣơng 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu hóa thạch nhiễm mơi trƣờng 1.2 CNG – nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trƣờng ứng dụng 10 1.2.1 Khí thiên nhiên nén CNG 10 1.2.2 Trữ lƣợng tình hình khai thác kh thiên nhiên 12 1.2.3 Tình hình sử dụng CNG làm nhiên liệu cho động đốt trong, ô tô xu hƣớng phát triển 14 1.3 Các nghiên cứu chuyển đổi động xăng, diesel sang sử dụng CNG 15 1.3.1 Nghiên cứu chuyển đổi động xăng, diesel sang sử dụng hoàn toàn nhiên liệu CNG 16 1.3.2 Nghiên cứu chuyển đổi động xăng sang sử dụng nhiên liệu kép CNG – xăng 17 1.3.3 Nghiên cứu chuyển đổi động diesel sang sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel 18 1.4 Các phƣơng pháp cung cấp CNG diesel động nhiên liệu kép 19 1.4.1 Cung cấp CNG hòa trộn 19 ii 1.4.2 Cung cấp CNG vòi phun đƣờng ống nạp 21 1.4.3 Cung cấp CNG vòi phun trực tiếp vào buồng cháy 22 1.4.4 Các phƣơng pháp điều khiển tỷ lệ cung cấp CNG-diesel 26 1.5 Các nghiên cứu ảnh hƣởng điều kiện cung cấp đến đặc t nh động sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel 26 1.5.1 Các nghiên cứu giới 26 1.5.2 Các nghiên cứu nƣớc 30 1.6 Kết luận định hƣớng nghiên cứu đề tài 33 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 35 2.1 Lý thuyết điều khiển động nhiên liệu kép 35 2.1.1 Hệ thống điều khiển động đốt 35 2.1.2 Lý thuyết điều khiển động đốt 38 2.1.3 Hệ thống điều khiển động nhiên liệu kép 43 2.2 Mơ hình hóa q trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel động VIKYNO RV125 phần mềm CFD FLUENT 46 2.2.1 Quá trình cháy hòa trộn trƣớc cục nhiên liệu kép CNG-diesel 47 2.2.2 Sự lan tràn màng lửa trình cháy động CNG-diesel 49 2.2.3 Thiết lập mơ hình t nh tốn mơ ph ng q trình cháy 51 2.2.4 Khảo sát diễn biến trình cháy 53 2.2.5 Đánh giá ảnh hƣởng thông số đến trình cháy động nhiên liệu kép CNG-diesel 56 2.3 Mơ ph ng t nh tốn đặc tính kỹ thuật động VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel phần mềm AVL-BOOST 58 2.3.1 Phƣơng trình nhiệt động học thứ 59 2.3.2 Mơ hình cháy Vibe vùng xy-lanh 60 2.3.3 Xây dựng mơ hình mơ ph ng động VIKYNO RV125 63 2.3.4 Kết mô ph ng động nhiên liệu kép CNG-diesel 67 2.4 Phát thải động VIKYNO RV125 70 2.4.1 Phát thải NOx 71 2.4.2 Phát thải CO 71 2.4.3 Phát thải SOOT 72 2.5 Kết luận chƣơng 73 Chƣơng 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU KÉP CNG-DIESEL VÀ THỰC NGHIỆM 75 iii 3.1 Phƣơng án thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel 76 3.2 Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel 78 3.2.1 Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu CRDI 79 3.2.2 Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG 81 3.2.3 Thiết kế hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép 82 3.3 Lập trình điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu 90 3.3.1 Thuật toán điều khiển cung cấp nhiên liệu diesel 90 3.3.2 Thuật toán điều khiển cung cấp nhiên liệu CNG 92 3.4 Thiết kế, chế tạo ECU điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu 92 3.5 Mơ hình thực nghiệm 95 3.5.1 Mục đ ch nội dung thực nghiệm 96 3.5.2 Sơ đồ thực nghiệm 96 3.5.3 Quy trình thực nghiệm 99 3.6 Kết luận chƣơng 101 Chƣơng 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 102 4.1 Thực nghiệm xác định đặc tính vòi phun diesel vòi phun CNG 102 4.2 Thực nghiệm đánh giá đặc tính mơ-men công suất động 104 4.3 Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng tỷ lệ CNG/DO đến mô-men công suất động 107 4.4 Thực nghiệm đánh giá đặc tính phát thải động 109 4.5 Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng tỷ lệ CNG/diesel đến đặc tính phát thải động 112 4.6 Thực nghiệm xác định suất tiêu hao lƣợng 114 4.7 Thực nghiệm đo áp suất cháy động 117 4.8 Xây dựng giản đồ tỷ lệ CNG/diesel 119 4.9 Kết luận chƣơng 123 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 125 CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ TÀI LIỆU THAM KHẢO iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu mẫu tự La-tinh: Vh [cm3] Thể tích cơng tác Vc [cm3] Thể t ch buồng cháy S D n i Wi Ni [mm] [mm] [v/ph] [-] [J] [kW] Hành trình piston f [-] Giá trị trung bình tỷ lệ hỗn hợp ge Suất tiêu hao nhiên liệu động ee R Re [g/kW.h] [J/kW.h] [J/kg.oK] [-] S [J/mol.oK] Entropy phân tử mol t Thời gian Q [ms], [s] [J] QF [J] Nhiệt lƣợng nhiên liệu cung cấp Qw [J] Tổn thất nhiệt qua vách QMCC [-] Hằng số chất kh QComb [-] Hằng số cháy mDO [kg] Khối lƣợng diesel tiêu thụ mCNG [kg] Khối lƣợng CNG tiêu thụ EDO [kJ] Năng lƣợng diesel tiêu thụ ECNG [kJ] Năng lƣợng CNG tiêu thụ eeDO [kJ/kW.h] Suất tiêu hao lƣợng diesel eeCNG [kJ/kW.h] Suất tiêu hao lƣợng CNG Đƣờng kính xylanh Số vòng quay động Số xylanh Cơng thị chu trình Cơng suất có ch Suất tiêu hao lƣợng động Hằng số kh Chuẩn số Reynolds Tổng nhiệt lƣợng t a trình cháy v mc [kg] Khối lƣợng môi chất xylanh hBB Trị số entanpy dmi [-] [kJ] dme [kJ] Lƣợng kh kh i xylanh hi [-] Entanpy môi chất kh vào xylanh he [-] Entanpy môi chất kh i xylanh qev [kJ] Nhiệt hóa nhiên liệu mew [kJ] Khối lƣợng nhiên liệu bay Ro [-] Hằng số chất kh Lƣợng kh vào xylanh Các ký hiệu mẫu tự Hy Lạp:  [-] Số kỳ động  [-] Tỷ số nén động s [độ] Góc phun sớm  [-] Hệ số dƣ lƣợng khơng khí  [-] Hệ số tƣơng đƣơng  ~ 2 [ ] Giá trị trung bình hàm [ ] Độ lệch trung bình phƣơng hàm nl [kg/m3] [kg/m3] Khối lƣợng riêng nhiên liệu kk Khối lƣợng riêng khơng khí  [N.s/m ], [kg/m.s] Hệ số nhớt động lực  [kg/m3] Khối lƣợng riêng x [m] Hệ số khuếch tán theo phƣơng x y [m] Hệ số khuếch tán theo phƣơng y z [m] Hệ số khuếch tán theo phƣơng z λDiff [-] Hệ số dƣ lƣợng khơng kh q trình cháy vi Các chữ viết tắt: A/F CNG Air/Fuel (tỷ số hỗn hợp khơng khí/nhiên liệu) LNG Liquefied Natural Gas khí thiên nhiên h a l ng LPG CRDI Liquefied Petroleum Gas khí d u m h a l ng CFD Computational Fluid Dynamics RNG Re-Normalisation Group (mơ hình k - ɛ đơn giản hóa theo nhóm) ECU Electronic Control Module (hộp điều khiển điện tử) BTDC Before Top Dead Center (trước điểm chết trên) CA Crankshaft Angle (góc quay trục khuỷu) RSM Reynolds Stress Models (mơ hình ứng suất Reynolds) EVM Eddy Viscovity Models (mơ hình độ nhớt động) AVL MCC Mơ hình cháy hãng AVL SOOT Muội than ĐCT Điểm chết ĐCD Điểm chết dƣới GTVT MP TN CO HC Giao thông vận tải NOX Oxyde nitơ Smoke Độ khói SOx Ơx t lƣu huỳnh Compressed Natural Gas (khí thiên nhiên nén) Commom Rail Diesel Injection Mô ph ng Thực nghiệm Monoxyde carbon Hydro cacbon vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Nguồn gốc kh thải gây hiệu ứng nhà k nh Mỹ năm 2013 Hình 1.2: Nguồn phát thải động ô tô gây ô nhiễm môi trƣờng trầm trọng Hình 1.3: Thành phần kh thiên nhiên cấu trúc phân tử kh methane (CH4) 11 Hình 1.4: Các ƣu điểm sử dụng nhiên liệu CNG thay cho xăng dầu diesel 12 Hình 1.5: Bản đồ phân bố kh thiên nhiên toàn giới 13 Hình 1.6: Bản đồ phân bố vùng có trữ lƣợng kh thiên nhiên lớn Việt Nam 13 Hình 1.7: Ơ tơ buýt sử dụng nhiên liệu CNG TP.HCM .14 Hình 1.8: Hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG động xăng, diesel chuyển sang sử dụng hoàn toàn CNG 16 Hình 1.9: Hệ thống cung cấp nhiên liệu kép xăng-CNG 17 Hình 1.10: Động diesel chuyển đổi sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel 18 Hình1.11: Bốn phƣơng pháp cung cấp CNG động .19 Hình 1.12: Cung cấp CNG hòa trộn 20 Hình 1.13: Cung cấp CNG hòa trộn động sử dụng nhiên liệu kép 20 Hình 1.14: Sơ đồ cung cấp CNG vòi phun đƣờng ống nạp 22 Hình 1.15: Sơ đồ cung cấp CNG với kiểu phun vào buồng cháy phụ 23 Hình 1.16: Phun trực tiếp CNG vào buồng cháy thống 24 Hình 1.17: Vòi phun liên hợp kép CNG-diesel .25 Hình 1.18: Các phƣơng án điều khiển cung cấp tỷ lệ CNG/diesel động nhiên liệu kép 26 Hình 1.19: Mơ-men, cơng suất tỷ lệ CNG thay động X6-130 sử dụng nhiên liệu kép 27 Hình 1.20: Hiệu suất nhiệt suất tiêu hao nhiên liệu động thử nghiệm thay đổi tỷ lệ CNG-diesel tỷ số nén động chế độ tải .28 Hình 1.21: Tỷ lệ CNG-diesel động sử dụng nhiên liệu kép .29 Hình 1.22: Cơng suất suất tiêu hao nhiên liệu động diesel động sử dụng nhiên liệu kép (CNG% = 65÷85%) 29 Hình 1.23: Áp suất nhiệt độ cháy động sử dụng diesel nhiên liệu kép 30 Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo chung hệ thống điều khiển động 36 Hình 2.2: Sơ đồ mạch giao tiếp ngõ vào ECU 36 Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động 37 Hình 2.4: Cấu trúc điều khiển PID .37 Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động diesel 38 Hình 2.6: Mơ hình mơ men động diesel .40 Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống điều khiển mơ men động diesel 40 viii Hình 2.8: Điều khiển giới hạn khói với tỷ lệ tối thiểu khơng kh /nhiên liệu 42 Hình 2.9: Sơ đồ điều khiển chống k ch nổ kiểu hồi tiếp 43 Hình 2.10: Sơ đồ điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu kép 43 Hình 2.11: Sự gia tăng áp suất theo thời gian động nhiên liệu kép hoạt động methane dƣới điều kiện k ch nổ không k ch nổ 46 Hình 2.12: Phân chia vùng cháy động CNG-diesel 49 Hình 2.13: Hƣớng lan truyền màng lửa buồng cháy 50 Hình 2.14: Sơ đồ xy-lanh buồng cháy động 51 Hình 2.15: Chia lƣới xác lập điều kiện biên cho mô hình 52 Hình 2.16: Diễn biến nồng độ CH4 nhiệt độ buồng cháy động .54 VIKYNO RV125 (n=2200v/ph; s=20; =1) 54 Hình 2.17: Trƣờng tốc độ vị tr 330 môi chất công tác buồng cháy động VIKYNO RV125 chế độ (n=2200v/ph; s=20; =1) .54 Hình 2.18: Biến thiên nồng độ O2 trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel động VIKYNO RV125 (n=2200v/ph; φs=20o; ϕ=1) 55 Hình 2.19: Biến thiên nồng độ CH4 trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel động VIKYNO RV125 (n=2200v/ph; φs=20o; ϕ=1) 55 Hình 2.20: Biến thiên nhiệt độ trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel động VIKYNO RV125 (n=2200v/ph; s=20; =1) 55 Hình 2.21: Biến thiên áp suất trình cháy nhiên liệu kép nhiên liệu kép CNG-diesel động VIKYNORV125 (n=2200v/ph; φs=20o; ϕ=1) 56 Hình 2.22: Đồ thị công p-Vcủa động VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel (n=2200v/ph; φs=20o; ϕ=1) 56 Hình 2.23: Áp suất thị trình cháy ứng với s : 10, 20, 30 độ, .56 n=2000v/ph, =1 56 Hình 2.24: Đồ thị cơng P-V ứng với s: 10, 20, 30 độ, n=2000v/ph, =1 57 Hình 2.25: Ảnh hƣởng góc phun sớm đến cơng thị chu trình Wi ứng với φs:10, 20, 30 độ, n=2000v/ph, =1 57 Hình 2.26: Cân lƣợng xy-lanh động 60 Hình 2.27: Mơ hình mơ ph ng động VIKYNO RV125 64 Hình 2.28: Đồ thị mơ ph ng đặc t nh mô-men động thay đổi tỷ lệ CNG/diesel 68 Hình 2.29: Đồ thị mô ph ng công suất động thay đổi tỷ lệ CNG/diesel 69 Hình 2.30: Đồ thị suất tiêu hao lƣợng theo tỷ lệ CNG/diesel theo mô ph ng 70 Hình 2.31: Đồ thị biểu diễn kh thải NOx theo số vòng quay tỷ lệ CNG/diesel 71 Hình 2.32: Đồ thị biểu diễn kh thải CO theo số vòng quay tỷ lệ CNG/diesel 72 ix Hình 2.33: Đồ thị biểu diễn bồ hóng theo số vòng quay tỷ CNG/diesel 73 Hình 3.1: Động VIKYNO RV125 đồ thị đặc t nh động .76 Hình 3.2: Sơ đồ làm việc hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel 77 Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel .78 Hình 3.4: Hệ thống cung cấp nhiên liệu common rail diesel 79 Hình 3.5: Sơ đồ thiết kế hệ thống CRDI động VIKYNO RV125 80 Hình 3.6: Lắp đặt bơm cao áp HP3 80 Hình 3.7: Ống cao áp, cảm biến áp suất vòi phun diesel .80 Hình 3.8: Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG 81 Hình 3.9: Bình chứa CNG van giảm áp .81 Hình 3.10: Vòi phun CNG 82 Hình 3.11: Các cảm biến tốc độ, lƣu lƣợng kh nạp, k ch nổ nhiệt độ nƣớc .82 Hình 3.12: cấu trúc ECU điều khiển hệ thống nhiên liệu kép 83 Hình 3.13: Sơ đồ hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép .83 Hình 3.14: Sơ đồ khối điều khiển PID điều khiển áp suất nhiên liệu diesel 84 Hình 3.15: Sơ đồ khối điều khiển phun nhiên liệu CNG diesel 85 Hình 3.16: Giản đồ thời điểm phun nhiên liệu kép CNG-diesel .86 Hình 3.17: T n hiệu k ch nổ 90 Hình 3.18: Sơ đồ thuật tốn điều khiển áp suất nhiên liệu diesel .91 Hình 3.19: Sơ đồ thuật toán điều khiển thời gian phun nhiên liệu diesel tD .91 Hình 3.20: Sơ đồ thuật tốn điều khiển thời điểm phun sớm diesel 91 Hình 3.21: Sơ đồ thuật tốn điều khiển thời gian mở vòi phun CNG 92 Hình 3.22: Sơ đồ mạch ECU điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu 93 Hình 3.23: Mạch cấp nguồn thiết bị 93 Hình 3.24: Mạch điện nhận t n hiệu CKP 94 Hình 3.25: Mạch điện điều khiển vòi phun diesel CNG 95 Hình 3.26: Mơ hình động VIKYNO RV125 nhiên liệu kép CNG-diesel 95 Hình 3.27: Sơ đồ thực nghiệm động VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép 97 Hình 3.28: Bệ thử công suất động xy lanh 98 Hình 3.29: Cân nhiên liệu Vibra thiết bị đo lƣu lƣợng khí nạp ABB 98 Hình 3.30: Thiết bị phân tích khí xả đo độ mờ khói 98 Hình 3.31: Thiết bị thu thập liệu số vòng quay động áp suất cháy 98 Hình 3.32: Thiết bị thu thập liệu số vòng quay động áp suất cháy 99 Hình 3.33: Sơ đồ quy trình thực nghiệm 100 Hình 4.1: Đồ thị đặc t nh vòi phun diesel mơ hình thực nghiệm .103 Hình 4.2: Đồ thị đặc t nh vòi phun CNG mơ hình thực nghiệm 103 ... nhất, đạt cơng suất cao khí thải thấp quan trọng cần thiết Với ý nghĩa đó, đề tài Nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu động common rail diesel sử dụng nhiên liệu kép (CNG Diesel) ”... lƣợng nhiên liệu diesel cung cấp theo số vòng quay tải động động sử dụng nhiên liệu kép chu trình 122 Hình 4.22: Giản đồ lƣợng nhiên liệu CNG cung cấp theo số vòng quay tải động động sử dụng nhiên. .. phun CNG diesel theo số vòng quay tải động động sử dụng nhiên liệu kép 120 Bảng 4.9: Dữ liệu lƣợng nhiên liệu CNG diesel cung cấp theo số vòng quay tải động động sử dụng nhiên liệu kép