Nghiên cứu đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải của ô tô xăng khi chuyển đổi sử dụng nhiên liệu linh hoạt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐÀO TẤT THẮM NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI CỦA Ơ TÔ XĂNG KHI CHUYỂN ĐỔI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU LINH HOẠT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học : PGS.TS Phạm Hữu Tuyến HÀ NỘI - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐÀO TẤT THẮM NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI CỦA Ô TÔ XĂNG KHI CHUYỂN ĐỔI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU LINH HOẠT Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số : 62520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học : PGS.TS Phạm Hữu Tuyến HÀ NỘI - 2017 MỤC LỤC MỤC LỤC i LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHŨ VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU x MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài: 2 Mục đích nghiên cứu: Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu: Phƣơng pháp nghiên cứu: Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn đề tài: Cấu trúc luận văn: CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG TIỆN SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU LINH HOẠT 1.1.Tổng quan nhiên liệu sinh học 1.1.1.Giới thiệu chung nhiên liệu sinh học 1.1.2.Ƣu nhƣợc, điểm nhiên liệu sinh học 1.2 Nhiên liệu cồn ethanol xăng sinh học 1.2.1.Nhiên liệu cồn ethanol 1.2.2.Nhiên liệu xăng sinh học 11 1.2.3 Tình hình sản xuất sử dụng ethanol 15 1.3.Vấn đề sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn động 19 1.3.1 Nghiên cứu ứng dụng động sử dụng nhiên liệu linh hoạt giới 19 1.3.2.Nghiên cứu sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn sử dụng nhiên liệu linh hoạt cho động Việt Nam 25 CHƢƠNG II : QUY TRÌNH THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ CHUYỂN ĐỔI Ô TÔ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ SANG SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU LINH HOẠT 30 2.1 Phân tích hệ thống phun xăng điện tử nguyên động ô tô Toyota 1NZ FE 30 i 2.2 Nghiên cứu xây dựng thông số chuẩn 32 2.2.1 Nghiên cứu mô 32 2.2.2 Nghiên cứu thử nghiệm 42 2.2.3 Trang thiết bị thử nghiệm 44 2.2.4 Kết thực nghiệm góc đánh lửa sớm tỷ lệ pha trộn khác 45 2.2.5 Kết thực nghiệm xác định lƣợng nhiên liệu phun 46 2.3 Thiết kế chế tạo điều khiển ECU phụ cho động ô tô Toyota 1NZ FE 47 2.3.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý ECU phụ 47 2.3.2 Chế tạo mạch điều khiển ECU phụ 49 2.3.3 Lập trình nạp điều khiển lên ECU phụ cho động ô tô 49 CHƢƠNG III: NGHIÊN CỨU LẮP ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM BỘ CHUYỂN ĐỔI TRÊN Ô TÔ 52 3.1.Quy trình lắp đặt chuyển đổi lên xe ô tô 52 3.1.1.Giới thiệu chung xe ô tô Toyota Vios 1.5 52 3.1.2 Lắp đặt chuyển đổi lên xe ô tô 56 3.2 Thử nghiệm đánh giá tính kỹ thuật phát thải lắp chuyển đổi lên ô tô 59 3.2.1 Trang thiết bị chế độ thử nghiệm 59 3.2.1.1 Trang thiết bị thử nghiệm 59 3.2.1.2 Đối tƣợng chế độ thử nghiệm 60 3.2.2 Kết thử nghiệm với ô tô nguyên 61 3.2.3 Kết thử nghiệm với ô tô lắp chuyển đổi 64 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 Phụ lục Băng thử động lực học CD48’ 76 Phụ lục Tủ phân tích khí thải CEBII 77 Phụ lục Cân nhiên liệu 733S 81 Phụ lục Cơ sở lý thuyết phép đo 82 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết luận văn thân thực hướng dẫn thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Hữu Tuyến Ngoài tài liệu tham khảo liệt kê, số liệu tính tốn thử nghiệm luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 31 tháng 10 năm 2017 Giáo viên hướng dẫn Học viên Phạm Hữu Tuyến Đào Tất Thắm iii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, tác giả nhận đƣợc nhiều giúp đỡ từ thầy cô giáo, đồng nghiệp, bạn bè gia đình Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Phạm Hữu Tuyến hƣớng dẫn tơi tận tình chu đáo mặt chun mơn để tơi thực hồn thành luận văn Tơi xin chân thành biết ơn q thầy, Bộ mơn, Phịng thí nghiệm Động đốt trong, Viện Cơ khí động lực - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ dành cho điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận văn Xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí động lực thầy Bộ mơn, Xƣởng thực hành ô tô – Trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật Vinh tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tơi q trình thực nghiệm nghiên cứu học tập Cảm ơn anh chị em học viên cao học khóa 2015 B chuyên ngành thạc sỹ kỹ thuật động lực, bạn bè đồng nghiệp ngƣời thân gia đình động viên, giúp đỡ tơi thời gian vừa qua Hà Nội, tháng 10 năm 2017 Tác giả Đào Tất Thắm iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu E5 Diễn giải Xăng sinh học bao gồm 5% etanol 95% xăng RON92 Đơn vị - E10 Xăng sinh học bao gồm 10% ethanol 90% xăng RON92 - E15 Xăng sinh học bao gồm 15% ethanol 85% xăng RON92 - E20 Xăng sinh học bao gồm 20% ethanol 80% xăng RON92 - E85 Xăng sinh học bao gồm 85% ethanol 15% xăng RON92 - E100 Ethanol gốc - CO Mơnơxit cácbon - HC Hyđrơ cácbon - NOx Ơxit nitơ - CO2 Cácbonníc - Hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol - Hội kỹ sƣ ô tô giới - NLBT Nhiên liệu biến tính - TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam - NLSH Nhiên liệu sinh học - HDPE High Density Polyethylene (Nhựa polyethylene đặc biệt) - CD20” Chassis Dynamometer 20” (Băng thử xe máy) - CD48” Chassis Dynamometer 48” (Băng thử ô tô xe tải hạng nhẹ) - ECE R40 Chu trình thử châu Âu cho xe máy theo tiêu chuẩn Euro II - E-Diezel SAE v ECE15-05 Chu trình thử châu Âu cho xe xe tải hạng nhẹ - Tiêu thụ nhiên liệu l/100km Phần mềm mô chiều hãng AVL (Áo) - Điểm chết -  Hệ số dƣ lƣợng không khí - A/F Tỷ lệ khơng khí nhiên liệu - Tủ phân tích khí thải - ETB High Dynamic Engine Testbed (Băng thử tính động lực học cao) - TCB Trƣớc chạy bền - STB Sau chạy bền - Ne Công suất kW Me Mômen Nm ge Suất tiêu thụ nhiên liệu g/kW.h UN Xác định hóa chất nguy hiểm - FC AVL-Boost ĐCT CEBII vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ sản xuất ethanol từ cenlulozo Hình 1.2 Áp suất bão hòa 37,80C 13 Hình 1.3 Sự tăng trị số octan tăng tỉ lệ ethanol 14 Hình 1.4 Sản lƣợng nhiên liệu sinh học tính đến năm 2017 16 Hình 1.5 Ảnh hƣởng tỷ lệ ethanol tới hệ số dƣ lƣợng khơng khí tƣơng đƣơng (a) hệ số nạp (b) 20 Hình 1.6 Ảnh hƣởng tỷ lệ ethanol tới phát thải CO, HC CO2 21 Hình 1.7 Ảnh hƣởng tỷ lệ ethanol tới phát thải NOx 22 Hình 1.8 Các thông số kinh tế kỹ thuật phát thải động ô tô sử dụng nhiên liệu E5 E10 so với nhiên liệu xăng thông thƣờng 26 Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển phun xăng điện tử động ô tô Toyota 1NZ FE 31 Hình 2.2 Sơ đồ khối hoạt động ECU nguyên động ô tô Toyota 1NZ FE 32 Hình 2.3 Mơ hình động tơ Toyota 1NZFE phần mềm AVL - Boost 34 Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống hình ảnh thử nghiệm động tơ 35 Hình 2.5 Cơng suất, suất tiêu hao nhiên liệu động cơ ô tô 20% tải, ECU nguyên 38 Hình 2.6 Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu 60% tải, ECU ngun 40 Hình Cơng suất, suất tiêu hao nhiên liệu 100% tải, ECU nguyên 41 Hình 2.8 Hệ thống điều khiển lập trình ECU hãng Woodward 44 Hình 2.9 Góc đánh lửa sớm tối ƣu sử dụng E30 45 Hình 2.10 Góc đánh lửa sớm tối ƣu sử dụng E50 45 vii Hình 2.11 Góc đánh lửa sớm tối ƣu sử dụng E85 45 Hình 2.12 Góc đánh lửa sớm tối ƣu sử dụng E100 45 Hình 2.13 Đặc tính thời gian phun nhiên liệu sử dụng nhiên liệu E30 46 Hình 2.14 Đặc tính thời gian phun nhiên liệu sử dụng nhiên liệu E50 46 Hình 2.15 Đặc tính thời gian phun nhiên liệu sử dụng nhiên liệu E85 46 Hình 2.16 Đặc tính thời gian phun nhiên liệu sử dụng nhiên liệu E100 46 Hình 2.17 Sơ đồ quy trình xây dựng thơng số chuẩn cho động 47 Hình 2.18 Sơ đồ khối hệ thống nhiên liệu chuyển đổi 48 Hình 2.19 Sơ đồ nguyên lý điều khiển ECU phụ 48 Hình 2.20 Sơ đồ mạch in 49 Hình 2.21 Mạch điều khiển ECU phụ tơ sau hồn thiện 49 Hình 2.22 Sơ đồ quy trình chế tạo điều khiển ECU phụ 50 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động động TOYOTA 1NZ 54 Hình 3.2 Sơ đồ khối hoạt động ECU 55 Hình 3.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động phun xăng lắp đặt điều khiển phụ 55 Hình 3.4 Cảm biến đo nồng độ cồn đƣợc lắp đặt động xe ô tô Toyota Vios 1.5 57 Hình 3.5 Lắp đặt chuyển đổi ECU phụ lên xe ô tô 58 Hình 3.6 Phịng thử tơ CD48” 59 Hình 3.7 Thử nghiệm xe ô tô Toyota Vios băng thử CD48” 60 Hình 3.8 Lắp đặt chuyển đổi ECU phụ lên xe ô tô 60 Hình 3.9 Cơng suất suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên 100 ga, tay số 62 viii so với xăng RON 92 cho thấy rõ hiệu cải thiện tính tơ lắp chuyển đổi Các kết cho thấy chuyển đổi ECU phụ Viện Cơ khí động lực chế tạo cải thiện đáng kể tính kỹ thuật tô phun xăng điện tử sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn, giúp xe tơ chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt 70 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN  Kết luận chung Luận văn đạt đƣợc kết cụ thể nhƣ sau: - Tìm hiểu phƣơng pháp xây dựng thông số chuẩn cho động thiết kế chế tạo ECU phụ nhằm chuyển động phun xăng điện tử sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt - Làm rõ đƣợc ảnh hƣởng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động xăng lƣu hành - Nghiên cứu lắp đặt đánh giá đƣợc hiệu chuyển đổi ô tô xăng sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt đƣợc nghiên cứu phát triển Phịng thí nghiệm Động đốt trong, Viện khí động lực, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội Kết thử nghiệm cho thấy ô tô đƣợc lắp ECU phụ hoạt động tốt với loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100%, tính kỹ thuật phát thải đƣợc cải thiện Đây sở để chuyển đổi ô tô phun xăng điện tử thông thƣờng sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt  Hƣớng phát triển đề tài Nghiên cứu cần đƣợc tiếp tục với nội dung sau: - Nghiên cứu đánh giá khả tƣơng thích vật liệu chi tiết hệ thống nhiên liệu với xăng sinh học có tỷ lệ ethanol lớn tới 100% giải pháp khắc phục - Nghiên cứu chuyển đổi sử dụng nhiên liệu linh hoạt với số ô tô khác thực thử nghiệm trƣờng 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] PGS TS Đinh Thị Ngọ, TS Nguyễn Khánh Diệu Hồng: “Nhiên liệu trình xử lý RON92 hóa dầu”: NXB Khoa học kỹ thuật, 2008 [2] Kiều Đình Kiểm, Xăng pha cồn – Những hiểu biết tối thiểu với ngƣời tiêu dùng, Việt nam Nét 15.8.2006, [3] Thủ Tƣớng Chính Phủ, 2007 Quyết định 177 2007 QĐ-TTg việc phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” [4] QCVN 1: 2015 BKHCN: “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia xăng, nhiên liệu diesel nhiên liệu sinh học.” [5] PGS.TS Nguyễn Đình Thƣởng, TS Nguyễn Thanh Hằng (2005), Công nghệ sản xuất kiểm tra cồn Etylic, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, [6] Lê Anh Tuấn, Phạm Minh Tuấn “Nghiên cứu ảnh hƣởng nhiên liệu xăng pha etanol E5 E10 đến tính phát thải độc hại xe máy xe lƣu hành Việt Nam” Tạp chí KHCN trƣờng đại học, số 73B, 2009, tr 98-104 [7] Hồng ĐứcThông: “Nghiên cứu khả ứng dụng nhiên liệu lƣợng ôtô Việt Nam”, Khoa Kỹ Thuật Giao Thông, Đại học Bách Khoa TP.HCM [8] Dự báo phát triển sử dụng nhiên liệu sinh học (Ethanol & Biodiesel) Mỹ, www.most.gov.vn [9] Nhiên liệu ethanol dƣới góc nhìn khác nhau, www.moi.gov.vn [10] Quyết định số 177 2007 QĐ-TTg, ngày 20 tháng 11 năm 2007 việc phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” ]11] Quyết định số 53 2012 QĐ-TTg, ngày 22 tháng 11 năm 2012 việc ban hành lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống [12] Lê Anh Tuấn Phạm Minh Tuấn: Impacts of gasohol E5 and E10 on performance and exhaust emissions of in-used motorcycle and car: A case study in Vietnam, Journal of Science and Technology, Technical Universities, Vol 73 (2009) 72 [13] Nguyễn Huỳnh Hƣng Mỹ: Nghiên cứu sử dụng cồn etylic sản xuất nước pha chế xăng thương phẩm có trị số số ốc tan cao, Viện Dầu khí, Tập đồn dầu khí quốc gia Việt Nam, 2009 [14] Lê Anh Tuấn: Báo cáo khoa học tổng kết đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu khả tương thích động nổ hệ cũ sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn 5%”, mã số ĐT.06.11 NLSH, 2012 [15] Lê Văn Tụy, Trần Văn Nam, Huỳnh Bá Vang (2010), Nghiên cứu thử nghiệm hao mòn động chay xăng pha cồn, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, số 4/2010 [16] PGS.TS Phạm Hữu Tuyến ( 2017), Báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống phun nhiên liệu điện tử cung cấp xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% (E100) cho động ô tô xe máy sử dụng nhiên liệu linh hoạt “, mã số ĐT.09.2014 NLSH, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội [17] Phạm Minh Tuấn, Lê Anh Tuấn, Nguyễn Duy Tiến, Nguyễn Thế Trực (2010), Nghiên cứu hoàn thiện thiết kế chế tạo hệ thống phun xăng điện thay cho hệ thống nhiên liệu sử dụng chế hịa khí động xe máy Đề tài cấp mã số B2009-01-288 ]18] Trần Anh Trung (2004), Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống Digital Motor Electronics Luận văn thạc sỹ ngành động đốt trong, khóa 2002 – 2004, Đại học Bách khoa Hà Nội Tiếng anh [19] Wei-Dong Hsieh, Rong-Hong Chen, Tsung-Lin Wu, Ta-Hui Lin.Engine performance and pollutant emission of an SI engine using ethanol–gasoline blended fuels, Atmospheric Environment 36 (2002) 403–410 (25) [20] United States Patent US4357148 Method and fuel composition for control or reversal of octane requirement increase and for improved fuel economy 1982 [21] Susumu Nakajima: Research into Optimal Spectifications for Flexible Fuel Vehicle Engines, SAE 2010-01-1097 73 [22] Li-Wei Jia, et al.: Influence of ethanol–gasoline blended fuel on emissioncharacteristics from a four-stroke motorcycle engine, Journal of Hazardous Materials A123 (2005) 29–34 [23] IEA ETSAP: Ethanol Internal Combustion Engines, Technology Brief T06, June 2010 [24].The Royal Society: Sustainable biofuels: Prospects and chanllenges, UK, 2008 [25] Thomas MacDonald: Alcohol flexible fuel-progress and prospect, California Energy Commision, Sacramento, California 95814 [26] R.J Amorim et al.: Experimental Analyses of Flexible Fuel Systems in Spark Ignition Engine, SAE 2005-01-2183, [27] https://en.wikipedia.org/wiki/Flexible-fuel_vehicle [28] Thummarat Thummadetsak, et al.: Thailand Fuel Performance and Emissions in Flex Fuel Vehicles, SAE 2010-01-2132 [29] R Delgado S Paz: Effect of Different Ethanol-Gasoline Blends on Exhaust Emissions and Fuel Consumption, SAE 2012-01-1273, [30] Mauro Berti Giroldo, et al.: Development of 1.6L Flex Fuel Engine for Brazilian Market, SAE 2005-01-4130 [31] S Nakajima et al.: Development of an Engine for Flexible Fuel Vehicle (FFV), SAE 2007-01-3616 [32] Atsushi Ito, et al.: Flexible-Fuel System for Small Motorcycles, SAE 200932-0044 / 20097044 [33] M Al-Hasan, Effect of etanol–unleaded gasoline blends on engine performance and exhaust emission, Energy Conversion and Management 44 (2003) 15471561 [34] Mustafa Koỗ, Yakup Sekmen, The effects of etanol–unleaded gasoline blends on engine performance and exhaust emissions in a spark-ignition engine, Renewable Energy 34 (2009) 2101–2106 74 [35] Farha Tabassum determination of suitable Ansari, Abhishek Prakash Verma, Experimental ethanol–gasoline blend for Spark ignition engine, International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), Vol Issue 5, July – 2012 [36] Ioannis Gravalos, Dimitrios Moshou, Theodoros Gialamas, Panagiotis Xyradakis, Dimitrios Kateris, Zisis Tsiropoulos, Performance and Emission Characteristics of Spark Ignition Engine Fuelled with Ethanol and Metanol Gasoline Blended Fuels, Alternative Fuel, Publisher: InTech, Chapter [37] Keat B Drane (1980), Convert Your Car to Alcohol, Love Street Books, ISBN 0-915216 -54 – X, Louisville, Kentucky 40258 USA [38] Randy Price and Ed Brokeash (2015), Converting Gasoline Engines to ethanol, Biological and Agricultural Engineering, Kansas State University [39] Benjamin Strader (2004) How to Boild and Tune Custom EFI Sytems, Cartech, Incorporated, ISBN – 13:9781884089794 [40] J R Ceobsy (2013) How to Turbocharge and Tune Your engine, ISBN/EAN131481912712/ 9781481912716 75 PHỤ LỤC TRANG THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM Phụ lục Băng thử động lực học CD48’ Phịng thử tô bao gồm băng thử động lực học (Chassis Dynamometer 48”) hệ thống lấy mẫu khí thải (hình PL8) Hệ thống lấy mẫu khí thải Màn hình hỗ trợ ngƣời lái Chassis Dynamometer 48 Hình PL8 Phịng thử tô CD48” Băng thử động lực học CD48’ hãng AVL Zollner chế tạo có chức để thử kiểm tra ơtơ phịng thí nghiệm giúp cho q trình nghiên cứu ơtơ nói chung động nói riêng Băng thử Chassis Dynamometer 48” đƣợc mô khối lƣợng xe phạm vi từ 454 kg tới 5448 kg Quán tính sở lăn 1678 kg Các thông số băng thử: - Tốc độ lớn nhất: 200 km/h - Phạm vi mơ qn tính: 454 kg  5448 kg - Dung sai tốc độ đo: 0…2 km h