Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% cho động cơ xăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN KHÁNH TÙNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC CÓ TỶ LỆ CỒN ETHANOL TỚI 100% CHO ĐỘNG CƠ XĂNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC HÀ NỘI – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN KHÁNH TÙNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC CÓ TỶ LỆ CỒN ETHANOL TỚI 100% CHO ĐỘNG CƠ XĂNG Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS PHẠM HỮU TUYẾN PGS TS PHẠM VĂN THỂ U HÀ NỘI – 2018 MỤC LỤC MỤC LỤC i LỜI CAM ĐOAN iv LỜI CẢM ƠN v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ/ SƠ ĐỒ vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT xiv MỞ ĐẦU i Sự cần thiết đề tài ii Mục đích nghiên cứu iii Đối tượng phạm vi nghiên cứu iv Phương pháp nghiên cứu v Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn vi Tính đề tài vii Các nội dung đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nhiên liệu sinh học 1.1.1 Sự cần thiết phải nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu sinh học 1.1.2 Các loại nhiên liệu sinh học sử dụng phương tiện 1.2 Nhiên liệu cồn ethanol xăng sinh học 1.2.1 Nhiên liệu cồn ethanol 1.2.2 Xăng sinh học 1.2.3 Sản xuất sử dụng cồn ethanol xăng sinh học phương tiện 10 1.3 Các nghiên cứu sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn động xăng 13 1.3.1 Các nghiên cứu giới 13 1.3.2 Các nghiên cứu Việt Nam 25 1.4 Kết luận Chương 28 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 29 2.1 Quá trình cháy động xăng sử dụng xăng sinh học 29 2.1.1 Quá trình cháy động xăng 29 2.1.2 Quá trình cháy động xăng sử dụng xăng sinh học 31 i 2.2 Lý thuyết mô động xăng sử dụng xăng sinh học 34 2.2.1 Mơ hình hỗn hợp nhiên liệu 34 2.2.2 Mơ hình cháy 34 2.2.3 Mô hình truyền nhiệt 42 2.2.4 Mơ hình phát thải 45 2.2.5 Một số mơ hình phụ khác 47 2.3 Hệ thống điều khiển điện tử động phun xăng sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% 51 2.3.1 Cấu tạo hệ thống điều khiển điện tử động 51 2.3.2 Cơ sở lý thuyết chuyển đổitừ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% 54 2.3.3 Bộ liệu chuẩn động sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% 58 2.4 Kết luận chương 61 CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ KHI SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC CÓ TỶ LỆ CỒN ETHANOL TỚI 100% 62 3.1 Đối tượng nghiên cứu xây dựng mơ hình động 62 3.1.1 Đối tượng nghiên cứu 62 3.1.2 Xây dựng mơ hình động 63 3.2 Đánh giá khả thích ứng ECU nguyên động ô tô phun xăng điện tử sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% 64 3.2.1 Hiệu chuẩn mơ hình đánh giá khả thích ứng ECU nguyên 65 3.2.2 Đánh giá ảnh hưởng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới tham số mơ hình cháy Fractal 80 3.2.3 Xác định hệ số dư lượng khơng khí  hỗn hợp cháy với tỷ lệ cồn ethanol khác 81 3.3 Nghiên cứu mô xây dựng thông số chuẩn với xăng sinh học 82 3.3.1 Tính tốn mơ lượng nhiên liệu phun đảm bảo hệ số dư lượng khơng khí  = 82 3.3.2 Tính tốn góc đánh lửa sớm để mơ men động đạt Memax sử dụng xăng sinh học 87 3.4 Kết luận chương 92 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 94 4.1 Đối tượng, nhiên liệu trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm 93 4.1.1 Đối tượng thử nghiệm 93 4.1.2 Nhiên liệu thử nghiệm 93 ii 4.1.3 Trang thiết bị thử nghiệm 94 4.2 Thử nghiệm hiệu chuẩn mơ hình mơ thông số chuẩn động sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% 96 4.2.1 Mục tiêu, phương pháp chế độ thử nghiệm 96 4.2.2 Kết thử nghiệm 98 4.3 Thiết kế, chế tạo điều khiển ECU phụ sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% 102 4.3.1 Thiết kế chế tạo điều khiển ECU phụ cho động Toyota 1NZ-FE 102 4.3.2 Nghiên cứu nạp thông số chuẩn lên ECU phụ 109 4.4 Thử nghiệm đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động xăng lắp thêm ECU phụ băng thử động 110 4.4.1 Mục tiêu, phương pháp chế độ thử nghiệm 110 4.4.2 Kết thử nghiệm băng thử động 110 4.5 Thử nghiệm tính kinh tế, kỹ thuật phát thải xe ô tô lắp thêm ECU phụ băng thử ô tô 115 4.5.1 Mục tiêu, phương pháp chế độ thử nghiệm 115 4.5.2 Kết thử nghiệm với ô tô nguyên chưa lắp ECU phụ 116 4.5.3 Kết thử nghiệm với ô tô lắp thêm ECU phụ 119 4.6 Kết luận Chương 123 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 125 Kết luận chung: 125 Hướng phát triển đề tài: 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO 127 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 137 PHỤ LỤC iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu thực Luận án có sử dụng một phần kết quả nhóm nghiên cứu thực Đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống phun nhiên liệu điện tử cung cấp xăng sinh học có tỷ lệ cồn etanol tới 100% (E100) cho động ô tô xe máy sử dụng nhiên liệu linh hoạt”, mã số ĐT.09.2014/NLSH PGS.TS Phạm Hữu Tuyến chủ nhiệm đề tài tổ chức chủ trì Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025, Bợ Cơng Thương quản lý Tôi chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả Đề tài cấp nhà nước việc viết luận án Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày Tập thể giáo viên hướng dẫn PGS.TS Phạm Hữu Tuyến tháng năm 2018 Nghiên cứu sinh PGS.TS Phạm Văn Thể iv Nguyễn Khánh Tùng LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Đợng lực, Bợ mơn Đợng đốt trong, Phịng thí nghiệm Đợng đốt cho phép giúp đỡ thực luận án thời gian học tập, nghiên cứu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Hữu Tuyến PGS.TS Phạm Văn Thể chu đáo, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi thực hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Cục Ứng dụng Phát triển công nghệ - Bộ Khoa học Công nghệ, Ban điều hành đề án Phát triển nhiên liệu sinh học - Bộ Công thương các đồng nghiệp ủng hộ, tạo điều kiện tḥn lợi để tơi hồn thành ḷn án Tôi xin chân thành cảm ơn các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ các nhà khoa học dành thời gian quý báu để đọc góp ý giúp tơi hồn thiện ḷn án Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người ln đợng viên khún khích suốt thời gian tham gia nghiên cứu thực cơng trình Nghiên cứu sinh Nguyễn Khánh Tùng v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ/SƠ ĐỒ Hình 1.1 Tổng mức tiêu thụ lượng mức phát thải CO2 thế giới Hình 1.2 Sự biến động giá dầu thô thị trường thế giới Hình 1.3 Tăng trưởng phương tiện giới đường bộ Hình 1.4 Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza Hình 1.5 Tổng sản lượng ethanol hàng năm quốc gia/vùng lãnh thổ 10 Hình 1.6 Tỷ lệ sản lượng ethanol quốc gia/vùng lãnh thổ năm 2015 11 Hình 1.7 Số lượng phương tiện sử dụng nhiên liệu thay thế đặt hàng sản xuất hàng năm 11 Hình 1.8 Diện tích sản lượng sắn Việt Nam giai đoạn 2001-2011 12 Hình 1.9 Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol tới hệ số dư lượng khơng khí tương đương A/F hệ số nạp tốc độ 1000, 2000, 3000, 4000 v/ph 14 Hình 1.10 Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol tới mô men suất tiêu hao nhiên liệu tốc độ 1000, 2000, 3000, 4000 v/ph 14 Hình 1.11 Ảnh hưởng lượng ethanol tăng lên tới hàm lượng khí thải CO, CO2, HC phát thải 15 Hình 1.12 Thay đổi mơ men động sử dụng xăng sinh học với với tỷ lệ cồn ethanol khác 15 Hình 1.13 Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol nhiên liệu tới suất tiêu hao nhiên liệu ô tô 16 Hình 1.14 Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol nhiên liệu tới lượng phát thải khí CO, CO2, HC NH3 16 Hình 1.15 Sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp hiệu suất nhiệt động sử dụng loại xăng sinh học E10, E20, E30, E85 so với sử dụng xăng thông thường 17 Hình 1.16 Tỷ lệ suy giảm phát thải HC NOx động sử dụng loại xăng sinh học E10, E20, E30, E85 so với sử dụng xăng thông thường 18 Hình 1.17 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm tới mô men suất tiêu hao nhiên liệu động sử dụng loại xăng sinh học tốc độ động 5000 v/ph 18 Hình 1.18 Ảnh hưởng tỷ lệ cồn ethanol xăng sinh học tới mô men, suất tiêu hao nhiên liệu hiệu suất nhiệt động tốc độ động 2800 v/ph 19 Hình 1.19 Ảnh hưởng tỷ lệ cồn ethanol xăng sinh học tới tính đợng tốc độ động 2800 v/ph 20 Hình 1.20 Bợ chuyển đổi U.S Ethanol Conversion Kits 21 Hình 1.21 Lượng phun nhiên liệu điều chỉnh cho E85 22 vi Hình 1.22 Góc đánh lửa sớm điều chỉnh cho E85 22 Hình 1.23 Điều chỉnh trình phun nhiên liệu sử dụng ethanol với tỷ lệ lớn 23 Hình 1.24 Điều chỉnh góc đóng muộn xu páp sử dụng ethanol với tỷ lệ lớn 24 Hình 1.25 Điều chỉnh kết cấu buồng cháy cách điều chỉnh cấu tạo piston 24 Hình 1.26 Tỷ lệ cải thiện công suất động sử dụng xăng sinh học 26 Hình 1.27 So sánh phát thải động sử dụng A95 E10 26 Hình 2.1 Quá trình cháy động xăng 29 Hình 2.2 Quá trình phát triển màng lửa trình cháy 30 Hình 2.3 Hình ảnh lan tràn màng lửa động xăng 30 Hình 2.4 Ảnh hưởng cháy lốc tới quá trình cháy đợng xăng 31 Hình 2.5 Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol xăng sinh học tới lan tràn màng lửa trình cháy 32 Hình 2.6 Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol xăng sinh học tới thời gian cháy tỷ lệ hỗn hợp cháy 32 Hình 2.7 Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol xăng sinh học tới nhiệt đợ q trình cháy 33 Hình 2.8 Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol xăng sinh học tới áp suất xy lanh 33 Hình 2.9 Mợt số mơ hình phân dạng 38 Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển điện tử động – ôtô 51 Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun xăng điện tử động phun xăng 52 Hình 2.12 Phương pháp phun đợc lập theo trình tự đợng phun xăng 52 Hình 2.13 Sơ đồ điều khiển hệ thống đánh lửa trực tiếp đợng phun xăng 53 Hình 2.14 Điều khiển góc đánh lửa sớm theo phương pháp điều khiển ESA 54 Hình 2.15 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động phun xăng điện tử lắp thêm ECU phụ 54 Hình 2.16 Nguyên lý điều chỉnh tín hiệu qua bợ ECU phụ 55 Hình 2.17 Cấu tạo lắp đặt cảm biến cồn ethanol động 56 Hình 2.18 Đặc tính cảm biến tỷ lệ ethanol 57 Hình 2.19 Sơ đồ khối hệ thống nhiên liệu lắp thêm ECU phụ 57 Hình 2.20 Sơ đồ ngun lý bợ điều khiển ECU phụ 58 Hình 2.21 Các bước quy trình xây dựng bợ liệu chuẩn cho động 60 Hình 3.1 Mơ hình mơ đợng Toyota 1NZ-FE phần mềm AVL Boost 63 Hình 3.2 So sánh công suất động Toyota 1NZ-FE mô thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 100% với RON92, E30 E50 66 vii Hình 3.3 So sánh công suất động Toyota 1NZ-FE động sử dụng ECU nguyên bản, bướm ga mở 100% với RON92, E30 E50 67 Hình 3.4 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu động Toyota 1NZ-FE mô thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 100% với RON92, E30 E50 67 Hình 3.5 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu đợng Toyota 1NZ-FE động sử dụng ECU nguyên bản, bướm ga mở 100% với RON92, E30 E50 68 Hình 3.6 So sánh áp xuất xy lanh động sử dụng xăng RON92, E30, E50 mô thực nghiệm tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 100% 69 Hình 3.7 So sánh áp xuất xy lanh động sử dụng xăng RON92, E30, E50 mô thực nghiệm tốc độ 3000 v/ph, chế độ bướm ga mở 100% 69 Hình 3.8 So sánh phát thải NOx động sử dụng xăng RON92, E30, E50 mô thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100% 70 Hình 3.9 So sánh phát thải CO động sử dụng xăng RON92, E30, E50 mô thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100% 71 Hình 3.10 So sánh phát thải HC đợng sử dụng xăng RON92, E30, E50 mô thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100% 71 Hình 3.11 So sánh công suất động Toyota 1NZ-FE mô thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% sử dụng RON92, E30, E50, E85 E100 73 Hình 3.12 So sánh cơng suất động Toyota 1NZ-FE động sử dụng ECU nguyên bản, bướm ga mở 40% với RON92, E30, E50, E85 E100 73 Hình 3.13 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu động Toyota 1NZ-FE mô thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% với RON92, E30, E50, E85, E100 74 Hình 3.14 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu động Toyota 1NZ-FE động sử dụng ECU nguyên bản, bướm ga mở 40% với RON92, E30, E50, E85 E100 74 Hình 3.15 So sánh áp xuất xy lanh động sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 mô thực nghiệm tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 40% 75 Hình 3.16 So sánh áp xuất xy lanh động sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 mô thực nghiệm tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 40% 76 Hình 3.17 So sánh phát thải NOx đợng Toyota 1NZ-FE mô thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 78 Hình 3.18 So sánh phát thải CO động Toyota 1NZ-FE mô thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 79 Hình 3.19 So sánh phát thải HC động Toyota 1NZ-FE mô thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 79 Hình 3.20 Sự thay đổi tốc đợ lửa tầng mơ hình Fractal thay đổi tỷ lệ ethanol xăng sinh học 80 viii Phụ lục 2.2 Các khối phân tích hệ thống phân tích khí thải CEBII Hệ thống phân tích khí thải CEBII (Combustion Emission Bench) hệ thống bao gồm tồn bợ các mơđun thực quá trình phân tích các thành phần chất CO, CO2, NO, NOx, HC có khí thải đợng các thiết bị đảm bảo điều kiện làm việc hệ thống như: Khối làm nóng (HSU), khối chuẩn đoán, khối điều khiển Mỗi bợ phân tích chia thành dải đo, tuỳ thuộc vào hàm lượng thực tế chất có khí thải mà bợ phân tích tự lựa chọn dải đo phù hợp Để đảm bảo đợ xác phép đo, các bợ phân tích hiệu chuẩn trước đo chất khí hiệu chuẩn ứng với dải đo Máy tính tích hợp tủ Khối SCU 2a: Khối làm nóng, 2b: Khối làm lạnh, 2c: Khối điều khiển SCU 2d: Vùng dành cho ERG Các phân tích Bảng đồng hồ khí Cơng tắc hệ thống Khối chuẩn đốn Các đường khí nguồn điện Sơ đồ hệ thống phân tích khí xả AVL CEBII Tồn bợ hoạt đợng hệ thống có thể thực thơng qua máy tính cơng nghiệp nằm tủ điều khiển tay thơng qua hình sử dụng giao diện máy tính điều khiển (tủ làm việc đợc lập) Khi máy tính kết nối với máy tính chủ (CESAR) chạy đợng theo chương trình, hoạt đợng tủ điều khiển tự đợng từ máy tính chủ.Hệ thống phân tích khí thải CEBII bên cạnh việc đo lường các thành phần: monô xyt cacbon (CO), cacbon diô xyde (CO2), ô xygen (O2), ô xyt nitơ (NOx), hyđrocacbon (HC), đồng thời cịn đo hệ số dư lượng khơng khí  có khí xả * Nguyên lý hoạt đợng các khối phân tích Tồn bợ hệ thống phân tích khí xả thiết lập theo mợt hệ thống các quy ước hoàn chỉnh giúp cho điều khiển thử nghiệm tốt * Nguyên lý làm việc phân tích CO - Cấu tạo hệ thống đo CO: hệ thống đo CO Sơ đồ cấu tạo đo CO Một buồng phát tia hồng ngoại; Màn chắn; Đĩa khoét rãnh; Buồng chứa khí mẫu; Buồng chứa khí CO ngăn chắn màng cao su; Thiết bị đo độ võng màn; Buồng chứa khí CO ngăn màng cao su; Buồng chứa khí mẫu - Nguyên lý hoạt động: CO hấp thụ xạ hồng ngoại bước sóng khoảng 4,7m thế có mặt nồng độ CO có thể xác định giãn nở CO buồng đo có tia hồng ngoại qua Khi cần đo lượng CO có khí mẫu, khí mẫu đưa vào buồng (4) Sau đó cho đốt đèn hồng ngoại (1) Tia hồng ngoại qua buồng (4) buồng (8), buồng (4) có CO nên một phần tia hồng ngoại bị hấp thụ, cịn buồng (8) có chứa N2 vậy tia hồng ngoại qua hoàn toàn Để lượng hồng ngoại qua hai buồng đĩa (3) điều khiển quay, đĩa (3) có xẻ các rãnh cho thời gian để tia hồng ngoại qua rãnh rãnh Sau qua hai buồng (4) (8), tia hồng ngoại tới buồng (5) buồng (7) Trong hai buồng có chứa toàn CO, lúc tia hồng ngoại bị hấp thụ hoàn toàn CO làm tăng nhiệt đợ khối khí buồng (5) buồng (7), tương ứng với tăng nhiệt độ tăng áp suất Hai buồng (5) (7) ngăn cách với một màng cao su Trong hai chùm tia hồng ngoại chùm tia hồng ngoại qua buồng (4) bị hấp thụ một phần đó vậy hấp thụ tia hồng ngoại buồng (5) buồng (7) đó có chênh lệch áp suất hai buồng Sự chênh lệch áp suất làm cho màng cao su bị cong, tiến hành đo đợ cong có thể tính đợ chênh lệch áp suất Qua tính tốn chênh áp suất biết lượng CO Sự ảnh hưởng H2O đến CO hấp thụ tia hồng ngoại Lượng CO đó lượng CO có khí xả Khi đo CO khí xả phương pháp hồng ngoại phải tính đến các điều kiện gây sai số Đặc biệt hấp thụ nước Vì vậy phải có biện pháp hiệu chỉnh giá trị đo Thơng thường hiệu chỉnh giá trị đo cách lọc hết nước quy định giá trị ảnh hưởng nước khoảng đo * Nguyên lý làm việc phân tích NO NOx - Cấu tạo hệ thống đo NO NOx Thiết bị đo NO NOx thiết bị xác định cường độ ánh sáng, nó bao gồm các chi tiết chính: Sơ đồ cấu tạo phân tích NO NOx Khí ôzôn sinh nhờ thiết bị tạo ô zơn khơng khí; Bộ phận chuyển đổi NO2 thành NO; Buồng phản ứng đo NOx có đường dẫn khí ơzơn khí mẫu; Buồng phản ứng đo NO có đường dẫn khí ơzơn khí mẫu; Bộ phận hủy ơzơn trước đưa ngồi mơi trường; Bộ phận đo cường độ sáng - Nguyên tắc hoạt động Thiết bị hoạt động dựa vào tượng khí quang hóa để xác định hàm lượng NO NOx Thực chất phương pháp đo cường độ ánh sáng các phần tử NO2 hoạt tính sinh NO2 hoạt tính tạo buồng phản ứng qua phản ứng sau: NO + O3 = NO2* + O2 Khơng khí đưa vào một đường cho qua bộ tạo ôzôn, O2 khơng khí tạo thành O3 nhờ tia lửa điện đưa đến buồng phản ứng Để đo lượng NO có khí xả, khí xả đưa trực tiếp vào buồng phản ứng Trong buồng phản ứng có O3 Vì vậy, mợt phần NO có khí thải mẫu phản ứng với O3 tạo NO2 hoạt tính (NO2*), NO2 hoạt tính tồn khơng lâu điều kiện bình thường vậy nó tự đợng chuyển NO2 khơng hoạt tính cách phóng một phần lượng dạng tia sáng Đo cường độ tia sáng thu dựa vào đó để xác định lượng NO phản ứng Từ lượng NO phản ứng có thể tính lượng NO có khí xả mẫu Để đo lượng NOx có khí xả mẫu, cho tất cả khí xả mẫu qua một bộ chuyển đổi từ NO2 thành NO Phần lớn NO2 chuyển đổi thành NO, sau đó tất cả khí xả qua chuyển đổi đưa tới buồng phản ứng Tương tự với NO, buồng phản ứng mợt lượng NO có khí xả phản ứng với O3 tạo thành NO2 hoạt tính NO2 hoạt tính có lượng cao chuyển mức lượng thấp phát ánh sáng, vào cường đợ ánh sáng thu ta tính lượng NOx có khí xả * Nguyên lý làm việc phân tích HC - Cấu tạo hệ thống đo CnHm: Hệ thống đo HC có sơ đồ nguyên lý hình bao gồm các thành phần sau: Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo HC Hệ thống có ba đường dẫn khí vào Mợt đường dẫn khí mẫu vào, hai đường dẫn khí cháy (hỗn hợp H/He), ba đường khí tạo mơi trường cháy Buồng phản ứng có gắn cảm biến nhiệt độ Bộ đánh lửa để sinh tia lửa mồi Cặp cực điện nối với một bộ khuyếch đại một bộ đo điện áp Bộ cảm biến nhiệt độ T100 Bợ bơm khí nén tạo đợ chân khơng để hút khí cháy - Ngun lý hoạt đợng: Khí mẫu cần đo đưa vào hệ thống với áp suất 580mbar lưu lượng 1500l/h Nó hịa trợn với khí cháy (hỗn hợp H/He) đưa vào đường ống thứ hai Khí cháy có áp suất 1050mbar, có lưu lượng 30l/h Khí mẫu khí cháy trộn với đưa buồng cháy với áp suất 680mbar Trong buồng phản ứng hỗn hợp khí (20% O2, 80% N2) bơm vào làm mơi trường cháy Khi khí mẫu khí cháy đưa vào, bộ đánh lửa bật tia lửa đốt cháy Trong điều kiện vậy khí HC khơng cháy mà bị bẻ gãy thành các ion Các ion sinh môi trường có từ trường cặp điện cực, nó bị hút hai bản cực tạo thành dòng điện mạch Dòng điện khuyếch đại qua bộ khuyếch đại đưa tới bợ đo điện áp Khí cháy hút nhờ độ chân không đầu Độ chân không sinh luồng khí nén thổi qua miệng hút Dựa vào cường đợ dịng điện sinh có thể đánh giá lượng HC có khí mẫu Khi đo lượng HC có khí xả động cơ, các điều kiện đo ý Áp suất đầu vào phải đảm bảo xác, lưu lượng phải vừa đủ Có vậy quá trình đo Hệ thống đánh lửa 10 lần, 10 lần đó mà các điều kiện không đảm bảo hệ thống khơng đo Sau 10 lần đánh lửa mà khơng đo hệ thống dừng lại yêu cầu có kiểm tra sửa chữa Phụ lục 2.3 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Balance 733S Hệ thống AVL Fuel Balance 733S đo lượng nhiên liệu tiêu thụ động cách cân lượng nhiên liệu bình chứa AVL Fuel Balance 733S có thể đo liên tục lượng nhiên liệu một khoảng thời gian từ đầy bình đến nhiên liệu bình giảm tới mức (Hình 2.7) Sai số thiết bị 0,1% Giải đo từ đến 150 (kg/h) Có thể cho phép tới 400kg/h Sơ đồ nguyên lý hình ảnh thực tế AVL Fuel Balance 733S Nhiên liệu cấp vào thùng đo Thanh cân Nhiên liệu tới động Lò xo Nhiên liệu hồi từ động Cân bì ống thơng 10 Cảm biến lưu lượng Các ống nối mềm 11 Thiết bị giảm chấn Thùng đo 12 Van điện từ đường nạp Bắt đầu quá trình đo nhiên liệu cấp đầy vào thùng đo thông qua đường cấp nhiên liệu Khi lượng nhiên liệu đầy, lúc lực tì lên cảm biến lưu lượng lớn Van điện từ 12 đóng lại ngăn khơng cho dịng nhiên liệu vào thùng đo đường cấp vào động mở, lượng nhiên liệu đường hồi động (khi sử dụng hệ thống phun xăng điện tử) áp suất bình giữ ổn định nhờ ống thông Đồng thời với quá trình đó bợ phận đếm thời gian hoạt đợng Lượng nhiên liệu bình chứa đo liên tục giây dựa vào lượng nhiên liệu cịn bình ECU tính lượng nhiên liệu tiêu thụ động Hệ thống đo suất tiêu thụ nhiên liệu AVL Fuel Balance 733S thực quá trình đo ghi lại kết quả trung bình phép đo thời gian phép đo, người thử nghiệm đặt giao diện từ máy tính Giao diện máy tính hệ thống cân nhiên liệu AVL 733S Phụ lục 2.4 Hệ thống thử nghiệm ô tô hạng nhẹ Hệ thống thử nghiệm ô tô hạng nhẹ hãng AVL - Cợng hịa Áo bao gồm băng thử ô tô CD 48”, hệ thống lấy mẫu thể tích khơng đổi CVS, thiết bị phân tích khí thải CEB II, cân nhiên liệu AVL 733S Đối tượng thử nghiệm xe ô tô Toyota Vios 1.5, xe lắp động Toyota 1NZ-FE nghiên cứu các chương trước Ơ tơ thử nghiệm với trạng thái nguyên bản (chưa lắp bộ chuyển đổi ECU phụ) sau lắp bộ chuyển đổi sử dụng với loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn gồm E30, E50, E85 E100 Thông số đánh giá gồm công suất, tiêu hao nhiên liệu, thành phần phát thải, khả khởi động, tăng tốc Hệ thống thử nghiệm ô tô hạng nhẹ hãng AVL Phụ lục 2.5 Các phận điều khiển ECU phụ * Bộ vi xử lý ATxmega 128A bộ vi điều khiển CMOS điện áp thấp dựa kiến trúc AVR RISC nâng cao, cho phép tốc độ đạt MPIS MHz.Vi xử lý thực chương trình cách tiếp nhận thông số đầu vào thông qua ngắt bao gồm tỷ lệ cồn ethanol nhiên liệu, xung đánh lửa xung phun nhiên liệu Sau vào ngắt thông qua bộ đếm bộ chuyển đổi ADC, giá trị chuyển sang giá trị thực đưa vào các bảng tra kết hợp chương trình nợi suy để hiệu chỉnh, tính toán đưa giá trị thời điểm đánh lửa độ rộng xung phun phù hợp với tỷ lệ cồn Cấu hình chân ATxmega 128A * Bộ đếm (Timer/Counter) Timer/Counter các module đợc lập với CPU Chức bộ Timer/Counter, tên gọi chúng, định (tạo mợt khoảng thời gian, đếm thời gian…) đếm kiện Trên chip AVR, bợ Timer/Counter cịn có thêm chức tạo các xung điều rộng PWM (Pulse Width Modulation) Ở một số dịng AVR, Timer/Counter cịn dùng các bợ hiệu chỉnh thời gian ứng dụng thời gian thực Các bộ Timer/Counter chia theo độ rộng ghi chứa giá trị định thời gian hay giá trị đếm chúng ATxmega128A có bợ T/C (Timer/Counter) 16 bit chia làm loại type type 1, kết hợp để tạo bợ T/C 32 bit Mợt bợ T/C gồm có bợ đếm bản kênh so sánh bắt kiện Sơ đồ khối Timer/Counter Hoạt động đếm (Counter Operation): Tùy thuộc vào chế độ hoạt động, bộ đếm counter xóa (clear) tải lại (reloaded), tăng lên giảm giá trị với xung vào bợ timer/counter Chế đợ hoạt đợng bình thường đếm lên (up-counting) đạt giá trị TOP, giá trị đặt xung tiếp theo Và đếm xuống (down-counting), giá trị ghi tải lại đạt BOTTOM Mô tả giá trị mà ghi đếm đạt BOTTOM: giá trị thấp mà mợt T/C đạt được, giá trị MAX: giá trị lớn mà mợt T/C đạt được, giá trị quy định bởi giá trị lớn mà ghi đếm T/C chứa Ví dụ với mợt bợ T/C bit giá trị MAX ln 0xFF (tức 255 hệ thập phân), với bợ T/C 16 bit MAX 0xFFFF (65535) Như thế MAX giá trị không đổi T/C TOP: giá trị mà T/C đạt đến thay đổi trạng thái, giá trị không thiết số lớn bit hay 16 bit MAX, giá trị TOP thay đổi cách điều khiển bit điều khiển tương ứng nhập trực tiếp thông qua một số ghi - Kênh bắt kiện Kênh bắt kiện sử dụng để bắt đợ rợng xung ngồi mơ tả hình Mô tả cách bắt kiện * Các ngắt Ngắt một chế cho phép CPU tạm thời dừng tức khắc hoạt động để nhảy đến một nơi khác thực một nhiệm vụ đó Sau kết thúc chương trình ngắt, bợ đếm chương trình trả giá trị trước đó để bộ xử lí quay thực tiếp nhiệm vụ cịn dang dở Như vậy, ngắt có mức đợ ưu tiên xử lí cao nhất, ngắt thường dùng để xử lí kiện bất ngờ khơng tốn q nhiều thời gian Các tín hiệu dẫn đến ngắt xuất phát từ thiết bị bên chip (ngắt báo bợ đếm timer/counter tràn, ngắt báo q trình gửi liệu RS232 kết thúc…) hay các tác nhân bên ngồi (ngắt báo có button nhấn, ngắt báo có gói liệu nhận…) Các cấp độ ngắt: cấp độ ngắt lựa chọn đợc lập với nguồn ngắt Có cấp đợ ngắt thấp, trung bình cao (LowMedium-High) đặt ghi điều khiển * Bộ chuyển đổi ADC Bợ chuyển đổi ADC chuyển đổi tín hiệu tương tự analog sang tín hiệu số digital, với đợ phân giải 12 bit bợ ADC chuyển đổi tới triệu mẫu giây ADC có bốn kênh chuyển đổi với đầu vào riêng biệt, sử dụng cả hai điện áp tham chiếu nội bộ bên Sơ đồ tổng quan ADC vi điều khiển chuyển hình bên dưới: Sơ đồ tổng quan ADC vi điều khiển Phụ lục 2.6 Chức nhiệm vụ khối điều khiển ECU phụ Khối nguồn: Khối nguồn có nhiệm vụ chuyển điện áp làm việc ắc quy (12V) sang điện áp phù hợp với vi điều khiển, đảm bảo cung cấp đủ dịng làm việc có khả chống nhiễu tốt Khối nguồn ECU phụ - Khối nhận tín hiệu phun xăng đánh lửa: khối có nhiệm vụ nhận tín hiệu giả lập lại tín hiệu cấu chấp hành đồng thời tạo tín hiệu phù hợp với đầu vào vi điều khiển Sơ đồ khối nguồn trình khối nhận tín hiệu phun xăng đánh lửa trình bày hình đây: Khối nhận tín hiệu xung phun Khối nhận tín hiệu đánh lửa - Khối nhận tín hiệu tỷ lệ ethanol: khối có nhiệm vụ phối hợp đầu cảm biến tỷ lệ ethanol với đầu vào vi điều khiển, đảm bảo nhận xác tín hiệu tỷ lệ xăng - ethanol đồng thời lặp lại tín hiệu vi điều khiển đảm bảo phù hợp với điện áp vi điều khiển - Khối cơng suất điều khiển vịi phun: khối có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu từ vi điều khiển để điều khiển vòi phun cho lặp lại dạng điều khiển ECU chính, đồng thời đảm bảo khả chịu dịng tín hiệu Sơ đồ khối nhận tín hiệu tỷ lệ ethanol khối cơng suất điều khiển vịi phun trình bày hình đây: Khối điều khiển vịi phun Khối nhận tín hiệu tỷ lệ cồn ethanol - Khối công suất điều khiển đánh lửa: khối điều khiển đánh lửa có nhiệm vụ tương tự khối điều khiển vòi phun, nhiên điều khiển trực tiếp biến áp đánh lửa loại biến áp có điện áp cao 18.000 đến 25.000 V nên dễ gây xung nhiễu làm hỏng bộ điều khiển, đó cần phải có mạch lọc xung điện áp cao phù hợp nhằm đảm bảo an toàn cho mạch điều khiển Khối điều khiển đánh lửa động 1NZ-FE có mạch cơng biến áp đánh lửa có sẵn với biến áp đánh lửa Khối công suất điều khiển đánh lửa Khối điều khiển biến áp đánh lửa - Khối vi điều khiển: Đây khối quan trọng ECU phụ có nhiệm vụ nhận thơng tin, xử lý tính tốn gửi thơng tin Do cần phải đảm bảo tính ổn định làm việc tần số cao 32MHz nên việc chống nhiễu hết sức quan trọng nguồn cung cấp phải ổn định Sơ đồ khối công suất điều khiển đánh lửa trình khối vi điều khiển thể đây: Khối vi điều khiển Phụ lục 2.7 Sơ đồ lắp đặt chuyển đổi ECU phụ tơ PHỤ LỤC KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHI ĐIỀU CHỈNH LƯỢNG NHIÊN LIỆU CUNG CẤP VÀ GÓC ĐÁNH LỬA SỚM Phụ lục 3.1 Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình, góc đánh lửa sớm chế độ tính động tơ với ECU nguyên Chế độ tải Tốc độ động (v/ph) Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình (g/ct) Góc đánh lửa sớm (đợ TK) 20% 1000 0,00598 2000 0,00601 21,5 3000 0,00626 36 4000 0,00644 40 5000 0,00664 45 6000 0,00691 47 1000 0,01795 1,5 2000 0,01803 12,5 3000 0,01878 20 4000 0,01931 30 5000 0,01991 35 6000 0,02073 39 1000 0,03074 -6 2000 0,03123 -1 3000 0,03367 4000 0,03447 14 5000 0,03517 19,5 6000 0,03587 26 60% 100% Phụ lục 3.2 Công suất động sau tăng gct đảm bảo hệ số dư lượng  =1 Công suất (kW) Tốc độ RON92 (v/ph) E30 Thay đổi E30 so với RON92 E50 Thay đổi E50 so với RON92 E85 Thay đổi E85 so với RON92 E100 Thay đổi E100 so với RON92 Vị trí 20% tải 1000 2,26 2,18 -3,35% 2,31 2,28% 2,36 4,56% 2,32 2,74% 2000 4,43 4,35 -1,64% 4,55 2,76% 4,54 2,67% 4,64 4,85% 3000 8,06 7,84 -2,80% 8,18 1,45% 8,44 4,65% 8,48 5,25% 4000 10,80 10,98 1,64% 11,11 2,88% 11,35 5,04% 11,51 6,54% 5000 13,08 13,47 2,98% 13,56 3,60% 13,43 2,67% 13,76 5,16% 6000 14,33 14,71 2,62% 14,88 3,82% 15,04 4,93% 15,23 6,22% -0,09% TB 2,80% 4,09% 5,13% Vị trí 60% tải 1000 6,78 6,93 2,21% 7,01 3,42% 7,13 5,16% 7,29 7,57% 2000 13,28 13,50 1,68% 13,79 3,88% 14,08 6,06% 14,33 7,94% 3000 24,18 23,51 -2,80% 24,94 3,14% 25,70 6,25% 25,67 6,13% 4000 32,40 33,79 4,26% 33,68 3,92% 34,34 5,96% 35,19 8,59% 5000 39,25 40,53 3,24% 40,90 4,20% 41,81 6,51% 42,20 7,51% 6000 43,00 44,13 2,62% 45,04 4,73% 45,87 6,66% 46,88 9,02% 1,87% TB 3,88% 6,10% 7,79% Vị trí 100% tải 1000 11,30 11,55 2,27% 11,82 4,63% 11,89 5,27% 12,20 7,98% 2000 22,13 21,75 -1,71% 22,88 3,40% 23,52 6,27% 23,99 8,40% 3000 40,31 39,87 -1,07% 42,56 5,60% 43,21 7,20% 43,87 8,84% 4000 54,01 55,74 3,21% 55,41 2,60% 57,71 6,86% 59,15 9,52% 5000 65,42 67,30 2,87% 67,78 3,60% 69,61 6,40% 69,48 6,20% 6000 71,67 73,36 2,35% 75,69 5,60% 76,86 7,24% 77,04 7,48% TB 1,32% 4,24% 6,54% 8,07% Phụ lục 3.3 Góc đánh lửa sớm tối ưu công suất động với loại xăng sinh học chế độ làm việc khác RON92 Tốc độ (v/ph) E30 Góc đánh lửa Góc đánh sớm lửa sớm nguyên (GQTK) (GQTK) E50 Cơng suất (kW) Góc đánh lửa sớm (GQTK) E85 Cơng suất (kW) E100 Góc đánh lửa sớm (GQTK) Cơng suất (kW) Góc đánh lửa sớm (GQTK) Cơng suất (kW) 20% tải 1000 31 2,32 42 2,44 44 2,44 37 2,52 2000 21,5 37 4,59 46 4,74 50 5,29 43 5,07 3000 36 42 8,14 54 8,38 54 8,46 48 8,55 4000 40 46 11,43 58 11,56 55 11,97 52 12,13 5000 45 50 14,19 59 14,27 59 14,54 53 14,96 6000 47 52 15,54 61 15,57 61 15,68 55 15,99 60% tải 1000 1,5 21 7,17 21 7,21 24 7,31 24 7,35 2000 12,5 26 14,23 32 14,33 32 14,81 32 15,82 3000 20 33 25,57 33 26,07 39 26,17 39 26,20 4000 30 35 33,81 38 33,82 44 35,55 44 35,73 5000 35 38 40,63 44 41,43 50 42,06 50 43,59 6000 39 42 44,43 48 45,70 51 46,09 51 48,93 100% tải 1000 -6 21 11,63 24 11,94 24 11,87 24 12,67 2000 -1 26 22,86 29 23,95 29 24,15 29 25,34 3000 29 40,44 32 42,83 32 42,99 32 43,93 4000 14 32 57,91 35 57,99 35 58,02 35 59,68 5000 19,5 32 68,03 35 68,60 35 68,67 35 74,04 6000 26 34 77,57 37 78,80 37 80,70 37 82,49 PHỤ LỤC KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TÍNH NĂNG KINH TẾ, KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG BỘ CHUYỂN ĐỔI Phụ lục 4.1 Thay đổi hàm lượng phát thải tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios chạy động nguyên theo chu trình thử Euro Phát thải Nhiên liệu HC (g/km) NOx (g/km) CO (g/km) CO2 (g/km) Tiêu hao nhiên liệu (l/100km) E0 (RON92) 0,012 0,132 1,537 136,295 6,070 E30 0,049 0,166 0,847 151,371 6,597 E50 0,032 0,501 0,432 155,401 6,913 Phụ lục 4.2 Thay đổi hàm lượng phát thải tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios chạy động lắp chuyển đổi theo chu trình thử Euro Phát thải HC (g/km) NOx (g/km) CO (g/km) CO2 (g/km) Tiêu hao nhiên liệu (l/100km) E0 (RON92) 0,431 0,018 7,066 37,433 2,124 E30 0,392 0,026 5,988 34,332 2,144 E50 0,331 0,021 5,802 34,456 2,311 E85 0,232 0,019 4,975 36,155 2,731 E100 0,163 0,023 3,169 37,532 2,849 Nhiên liệu ... chất nhiên liệu xăng sinh học Về tính chất xăng sinh học, xăng sinh học một hỗn hợp xăng khoáng cồn ethanol nên tính chất xăng sinh học phụ tḥc vào tỷ lệ cồn ethanol xăng sinh học Khi tỷ lệ cồn. .. dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% 54 2.3.3 Bộ liệu chuẩn động sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% 58 2.4... trên, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% cho động xăng? ?? làm đề tài luận án nghiên cứu sinh ii Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu