Nghiên cứu xây dựng bộ thông số tối ưu điều khiển lpg trên động cơ diesel sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu commonrail

l BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI *** NGUYỄN THẾ TRỰC NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ THÔNG SỐ TỐI ƯU ĐIỀU KHIỂN LPG TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU COMMONRAIL Chuyên ngành: Kỹ thuật Động nhiệt LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ ANH TUẤN HÀ NỘI – NĂM 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác! Hà Nội, tháng 09 năm 2011 Học viên Nguyễn Thế Trực - i -  LỜI CẢM ƠN Với tư cách tác giả luận văn này, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Lê Anh Tuấn, người hướng dẫn tơi tận tình chu đáo mặt chun mơn để tơi hồn thành luận văn Đồng thời xin chân thành cảm ơn thầy cô bạn đồng nghiệp Bộ mơn Động đốt - Viện Cơ khí Động lực, Viện Đào tạo Sau đại học giúp đỡ tạo điều kiện sở vật chất suốt thời gian học tập làm luận văn Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn đến thầy bạn đồng nghiệp Bộ môn Động đốt Phịng thí nghiệm Động đốt tạo điều kiện thời gian, vật chất lẫn tinh thần để tơi hồn thành luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người động viên chia sẻ với nhiều suốt thời gian tham gia học tập làm luận văn Học viên Nguyễn Thế Trực - ii -  MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i  LỜI CẢM ƠN ii  DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi  DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii  DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .viii  MỞ ĐẦU 1  i.  Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài 3  ii.  Phương pháp nghiên cứu 3  iii.  Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn 4  iv.  Các nội dung đề tài 4  CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KHÍ HĨA LỎNG (LPG) VÀ MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LPG TRÊN PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG VẬN TẢI 5  1.1.  Tổng quan nhiên liệu LPG 5  1.1.1.  Tính chất vật lý LPG 6  1.1.2.  Tính chất hóa học LPG .8  1.1.3.  Các đặc tính khác LPG .9  1.1.4.  Phân loại LPG 10  1.1.5.  Ưu điểm LPG 11  1.2.  Tình hình sản xuất sử dụng LPG giới .12  1.2.1.  Tình hình sản xuất LPG 12  1.2.2.  Tình hình sử dụng LPG 13  1.3.  Tình hình sản xuất sử dụng LPG Việt Nam 18  1.4.  Một số kết nghiên cứu LPG động diesel Việt Nam .19  1.4.1.  Kết đo độ khói khí thải với giá trị áp suất LPG sau hóa khác 20  1.4.2.  Kết đo mức tiêu hao nhiên liệu chế độ chạy ổn định 20  1.4.3.  Kết thử nghiệm khí thải 21  1.4.4.  Kết thử nghiệm đặc tính động .24  1.5.  Kết luận 24  CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU LPG 25  2.1.  Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG động AVL 5402 25  2.1.1.  Sơ đồ thiết kế lắp đặt hệ thống cung cấp LPG 25  2.1.2.  Cấu tạo nguyên lý chi tiết hệ thống 27  2.2.  Thiết kế mạch điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG (ELC) .36  - iii -  2.2.1.  Khối cung cấp nguồn điện cho ELC .36  2.2.2.  Khối xử lý tín hiệu từ cảm biến 36  2.2.3.  Khối điều khiển cấu chấp hành 40  2.2.4.  Khối vi xử lý ELC 41  2.3.  Khối mạch giao tiếp với máy tính .43  2.4.  Xây dựng giao diện điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG 45  2.5.  Kết luận 46  CHƯƠNG XÂY DỰNG THUẬT TỐN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU LPG .47  3.1.  Thuật tốn đọc tính giá trị cảm biến hệ thống LPG .47  3.1.1.  Thuật toán đọc giá trị tốc độ động 47  3.1.2.  Thuật toán đọc giá trị cảm biến tín hiệu tương tự 47  3.1.3.  Thuật tốn tính giá trị tín hiệu từ cảm biến lưu lượng 48  3.1.4.  Thuật tốn tính giá trị tín hiệu từ cảm biến áp suất .48  3.1.5.  Thuật tốn tính giá trị tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ .48  3.1.6.  Thuật tốn tính giá trị tín hiệu từ cảm biến chân ga 49  3.1.7.  Thuật toán nội suy 49  3.2.  Thuật tốn điều khiển kết nối máy tính .50  3.2.1.  Thuật toán truyền giá trị từ vi xử lý lên máy tính 50  3.2.2.  Thuật tốn nhận giá trị từ máy tính 51  3.3.  Chương trình điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG 51  3.3.1.  Chương trình điều khiển vịi phun 51  3.3.2.  Thuật tốn điều khiển vịi phun .52  3.4.  Kết luận 57  CHƯƠNG THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 57  4.1.  Giới thiệu băng thử động 57  4.1.1.  Cấu tạo băng thử .57  4.1.2.  Động thử nghiệm 59  4.1.3.  Các hệ thống đo phụ trợ băng thử 60  4.2.  Nội dung thử nghiệm .67  4.2.1.  Đặc tính thử ngiệm 67  4.2.2.  Các bước thử nghiệm 67  4.3.  Tiêu chí thử nghiệm .68  4.4.  Cơng thức tính tốn hiệu chỉnh kết thực nghiệm 68  4.4.1.  Cơng thức tính hiệu chỉnh giá trị cảm biến lưu lượng 68  4.4.2.  Cơng thức tính lưu lượng LPG 69  4.5.  Kết thử nghiệm .71  - iv -  4.5.1.  Xác định hệ số hiệu chỉnh lưu lượng nhiên liệu phun KG 71  4.5.2.  Kết thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng áp suất phun LPG 72  4.5.3.  Kết thử nghiệm đánh giá tỷ lệ nhiên liệu LPG-Diesel .80  4.5.4.  Kết thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng góc phun sớm động trường hợp sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG .92  4.5.5.  Kết thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng phun mồi diesel trường hợp sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG 100  4.6.  Kết luận chương 102  KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 103  TÀI LIỆU THAM KHẢO 105  - v -  DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng HV Nhiệt trị thấp theo thể tích LPG A/F Tỷ lệ khơng khí / nhiên liệu LNG Khí tự nhiên hóa lỏng CNG Khí tự nhiên nén ELC Bộ điều khiển điện tử hệ thống cung cấp LPG PC Máy tính CB Cảm biến ADC Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số COM Cổng nối tiếp để kết nối máy tính vi xử lý VXL Vi xử lý W0 Chỉ số Wobbe ρ Trọng lượng riêng LPG - vi -  DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tỷ lệ C3 LPG số quốc gia giới [21,22,23] .5  Bảng 1.2 Tính chất thành phần chủ yếu LPG [1,11,12] .7  Bảng 1.3 Thị trường LPG-Autogas năm 2007 [23] 17  Bảng 1.4 Độ khói (FSN) khí thải với áp suất LPG khác 20  Bảng 1.5 Kết đo tiêu hao nhiên liệu (kg/h) 21  Bảng 1.6 Kết đo khí thải theo chu trình Châu Âu ECE R49 .21  Bảng 1.7 Độ khói (FSN) sau 100h chạy ổn định 23  Bảng 1.8 So sánh công suất (kW) chế độ 85% tải sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG với nhiên liệu diesel 24  Bảng 3.1 Đặc tính cảm biến nhiệt độ 49  Bảng 4.1 Hệ số hiệu chỉnh lưu lượng LPG chế độ tải tốc độ khác 72  Bảng 4.2 Mômen động tốc độ 2000vg/ph động sử dụng diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG giá trị áp suất tỷ lệ LPG khác 73  Bảng 4.3 So sánh mômen động sử dụng lưỡng nhiên liệu tỷ lệ LPG khác 81  Bảng 4.4 So sánh lượng nhiên liệu tiêu thụ sử dụng lưỡng nhiên liệu tỷ lệ LPG khác .82  Bảng 4.5 Giá thành nhiên liệu LPG tối đa sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG với tỷ lệ LPG khác (tính giờ) 83  Bảng 4.6 So sánh phát thải nhà kính CO2 sử dụng lưỡng nhiên liệu tỷ lệ LPG khác .88  - vii -  DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu trúc hóa học thành phần nhiên liệu LPG 9  Hình 1.2 Sản lượng (triệu tấn) LPG tồn cầu [21,22,23] 13  Hình 1.3 Tỷ trọng tiêu thụ LPG toàn cầu năm 2006 [20] 14  Hình 1.4 Tỷ trọng tiêu thụ LPG toàn cầu theo lĩnh vực sử dụng năm 2006 [21] .14  Hình 1.6 So sánh hàm lượng HC CO (g/kWh) .22  Hình 1.7 So sánh hàm lượng NOx PM 23  Hình 2.1 Sơ đồ thiết kế lắp đặt hệ thống cung cấp LPG động AVL 5402 26  Hình 2.2 Sơ đồ tín hiệu điều khiển cung cấp nhiên liệu LPG 27  Hình 2.3 Bình chứa LPG 1  Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý van giảm áp 28  Hình 2.5 Van điện từ, ống dẫn khí LPG 28  Hình 2.7 Bình ổn áp LPG 29  Hình 2.6 Bộ hóa LPG 1  Hình 2.8 Cảm biến đo lưu lượng LPG .30  Hình 2.9 Cảm biến nhiệt độ 1  Hình 2.10 Nguyên lý cảm biến tốc độ 32  Hình 2.11 Cảm biến lưu lượng khí nạp 32  Hình 2.12 Cảm biến đo áp suất LPG 33  Hình 2.13 Cảm biến vị trí chân ga .34  Hình 2.14 Vòi phun LPG 35  Hình 2.15 Bộ ELC điều khiển hệ thống nhiên liệu LPG 35  Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn 5V 36  Hình 2.17 Mạch xử lý tín hiệu tốc độ 1  Hình 2.18 Mạch xử lý tín hiệu lưu lượng áp suất LPG 38  Hình 2.19 Mạch xử lý tín hiệu nhiệt độ công tắc ON/OFF nhiên liệu LPG 38  Hình 2.20 Mạch xử lý tín hiệu lưu lượng nhiệt độ khí nạp 39  Hình 2.21 Mạch xử lý tín hiệu vị trí chân ga tín hiệu khơng tải 39  Hình 2.22 Mạch xử lý tín hiệu dự phòng (option) .40  - viii -  Hình 2.23 Mạch xử lý tín hiệu điều khiển vòi phun LPG 1  Hình 2.24 Mạch xử lý tín hiệu điều khiển van điện từ rơle đóng mở LPG 41  Hình 2.25 Sơ đồ khối vi điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG 41  Hình 2.27 Khối mạch Reset 1  Hình 2.26 Khối tạo xung nhịp 1  Hình 2.28 Sơ đồ chân ATmega32 1  Hình 2.30 Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối theo chuẩn RS232 44  Hình 2.31 Giao diện chương tình điều khiển trình phun LPG 46  Hình 3.1 Sơ đồ thuật tốn đọc tốc độ động 47  Hình 3.2 Sơ đồ đọc giá trị tín hiệu từ cảm biến 47  Hình 3.3 Sơ đồ tính cảm biến lưu lượng 1  Hình 3.4 Sơ đồ tính cảm biến áp suất 1  Hình 3.5 Sơ đồ tính cảm biến nhiệt độ .1  Hình 3.6 Sơ đồ thuật toán truyền giá trị 50  Hình 3.7 Sơ đồ thuật tốn thực thi lệnh từ máy tính 51  Hình 3.8 Nguyên lý điều khiển phun 51  Hình 3.9 Sơ đồ thuật toán điều khiển chung hệ thống phun LPG 52  Hình 3.10 Sơ đồ thuật tốn điều khiển chế độ không tải 54  Hình 3.11 Sơ đồ thuật tốn điều khiển chế độ chuyển tiếp khơng tải - có tải 54  Hình 3.12 Sơ đồ thuật tốn điều khiển chế độ ổn định 56  Hình 3.13 Sơ đồ thuật tốn điều khiển chế độ chuyển tiếp có tải - khơng tải 57  Hình 4.1 Sơ đồ băng thử động xylanh SCTB 58  Hình 4.2 Mặt cắt ngang động 60  Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý đo AVL Fuel balance 733s 61  Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý làm việc AVL 577 .61  Hình 4.5 Thiết bị điều chỉnh tay ga THA100 hộp tín hiệu 62  Hình 4.6 Mơ hình tủ CEBII 63  Hình 4.7 Sơ đồ cấu tạo phân tích CO .64  Hình 4.8 Sơ đồ cấu tạo phân tích NO NOx 65  Hình 4.9 Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo CnHm 66  Hình 4.10 Thiết bị đo độ khói Smoke Meter AVL 415 .67  Hình 4.11 Hệ số hiệu chỉnh lưu lượng chế độ thử nghiệm 100% 75% tải .71  - ix -  KAcc (g) 800 700 600 500 400 300 200 100 -10 -5 -100 10 15 20 25 30 35 -200 -300 -400 -500 -600 -700 -800 -900 Diesel Dual (10%) Dual (20%) Dual (30%) Dual (40%) Hình 4.29 Độ rung động động tốc độ 3000vg/ph, 100% tải, với tỷ LPG khác Ở tỷ lệ LPG 30%, giá trị ∆p/∆ϕ 8,65 bar/0TK tăng 33,93% so với trường hợp sử dụng đơn nhiên liệu Biên độ rung động lớn động ∆KAcc giảm so với trường hợp thay 20% diesel cao so với trường hợp sử dụng đơn nhiên liệu diesel 125% Tuy nhiên trường hợp lại xuất có nhiều biên độ rung động có tần số lớn so với trường hợp tỷ lệ LPG 20% Tiếng gõ kích nổ xảy mạnh Trường hợp tỷ lệ LPG 40% lại cho kết ∆p/∆ϕ tăng lên nhanh đạt giá trị 12,10 bar/0TK cao trường hợp sử dụng đơn nhiên liệu 87,50% Biên độ rung động lớn động ∆KAcc cao 183,33% Động xảy tiếng gõ mãnh liệt Đây lý mà thực việc tăng lượng LPG cho động 4.5.4 Kết thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng góc phun sớm động trường hợp sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG Quá trình đánh giá ảnh hưởng góc phun sớm tiến hành tốc độ 1400vg/ph 2000vg/ph, 100% tải, trường hợp động sử dụng lưỡng nhiên - 92 -  liệu với tỷ lệ LPG 20% Khi sử dụng nhiên liệu diesel, tốc độ động 1400vg/ph góc phun sớm tối ưu 12 0TK, cịn tốc độ 2000vg/ph góc phun sớm tối ưu 180TK 4.5.4.1 Ảnh hưởng thay đổi góc phun sớm đến mômen công suất động Kết hình 4.30 thể hiện, hai tốc độ giảm góc phun sớm cho mơmen cơng suất thấp Khi tăng góc phun sớm thêm 20TK ứng với hai tốc độ cho giá trị mơmen cơng suất thấp hơn, tăng góc phun sớm so với góc tối ưu lên 40TK cho giá trị mômen công suất hai tốc độ lớn Tuy nhiên, giá trị tăng lên khơng nhiều, tốc độ 1400 vg/ph mơmen tăng thêm 0,46%, cịn tốc độ 2000vg/ph mơmen tăng lên 1,59% Nếu tiếp tục tăng góc phun sớm mơmen cơng suất hai tốc độ giảm xuống 7.0 32 6.5 6.0 Me-1400vg/ph Me-2000vg/ph 30 5.5 Ne-1400vg/ph Ne-2000vg/ph 5.0 Công suất động Ne (kW) Mômen động Me (Nm) 31 29 4.5 28 4.0 10 12 14 16 18 20 22 24 Góc phun sớm nhiên liệu diesel (độ) Hình 4.30 Mơmen cơng suất động thay đổi góc phun sớm 4.5.4.2 Ảnh hưởng góc phun sớm đến nồng độ phát thải động Hình 4.31 cho thấy, tăng góc phun sớm phát thải CO độ khói giảm hai tốc độ 1400 vg/ph 2000 vg/ph Đối với tốc độ 1400 vg/ph góc phun sớm 120TK giá trị CO 7396 ppm, giá trị Smoke 8,3 FSN, tăng góc phun sớm lên 180TK CO 6059 ppm (giảm 18%), giá trị Smoke 6,55 FSN - 93 -  (giảm 21%) Ở tốc độ 2000 vg/ph, tăng góc phun sớm lên 240TK cho kết phát thải CO giảm 12,6%, Smoke giảm 25,6% 8000 10 CO-1400vg/ph CO-2000vg/ph Smoke-1400vg/ph Smoke-2000vg/ph 9.5 7600 7200 Thành phần CO (ppm) 6400 7.5 6000 6.5 5600 5200 Thành phần Smoke (FSN) 8.5 6800 5.5 4800 4400 4.5 4000 10 12 14 16 18 20 22 24 Góc phun sớm nhiên liệu diesel (độ) 1600 1150 1500 1100 1400 1050 1300 1000 1200 950 1100 900 1000 850 900 800 800 750 700 700 600 650 NOx-1400vg/ph NOx-2000vg/ph HC-1400vg/ph HC-2000vg/ph 500 600 10 12 14 16 18 20 22 Góc phun sớm nhiên liệu diesel (độ) Hình 4.32 Kết phát thải NOx HC thay đổi góc phun sớm - 94 -  24 Thành phần HC (ppm) Thành phần NOx (ppm) Hình 4.31 Kết phát thải CO Smoke thay đổi góc phun sớm Hình 4.32 thể kết thay đổi NOx HC thay đổi góc phun sớm tốc độ 1400 vg/ph 2000 vg/ph Khi tăng góc phun sớm dải tốc độ cho giá trị NOx tăng lên Ở tốc độ 1400 vg/ph, tăng góc phun sớm từ 120TK lên 180TK giá trị NOx tăng lên 69,7%, tốc độ 2000 vg/ph, tăng góc phun sớm từ 180TK lên 240TK giá trị NOx tăng lên 46,3% Kết ảnh hưởng góc phun sớm đến khả phát thải HC hình 4.32 cho thấy, hai tốc độ thử nghiệm cho giá trị HC nhỏ ứng với góc phun sớm tối ưu động sử dụng nhiên liệu diesel (ở tốc độ 1400 vg/ph 120TK 2000 vg/ph 180TK) Khi giảm tăng góc phun sớm so với góc tối ưu cho giá trị HC tăng lên (khi tăng góc phun sớm từ 120TK lên 180TK ứng với tốc độ 1400 vg/ph HC tăng lên 20,9%, cịn tăng góc phun sớm từ 180TK lên 240TK ứng với tốc độ 2000 vg/ph HC tăng lên 53,3%) Như vậy, kết đánh giá cho thấy tăng góc phun sớm lên 40TK cơng suất, mơmen, phát thải CO độ khói cải thiện phát thải HC NOx xấu nhiều Để giải thích tác động góc phun sớm đến tiêu trên, nghiên cứu đặc tính cháy động cần thực 4.5.4.3 Ảnh hưởng góc phun sớm đến áp suất xylanh độ rung động động a) Ảnh hưởng góc phun sớm đến áp suất xylanh độ rung động động tốc độ 1400vg/ph, 100% tải Hình 4.33 thể diễn biến áp suất xylanh động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG với việc thay đổi góc phun sớm chế độ tốc độ 1400vg/ph, 100% tải Khi giảm góc phun sớm xuống cịn 100TK giá trị ∆p/∆ϕ 3,48 bar/0TK, thấp trường hợp góc phun sớm 120TK 33,88% Đồng thời, kết hình 4.34 cho thấy biên độ rung động lớn động thấp so với trường hợp góc phun sớm 120TK, giá trị giảm 21,95% (biên dộ rung động ∆KAcc lúc 319,845g) Khi góc phun sớm tăng lên 140TK giá trị ∆p/∆ϕ 4,85 bar/0TK, thấp trường hợp góc phun sớm 120TK 8,06% Trong trường hợp này, biên độ rung động lớn ∆KAcc cao so với trường hợp góc phun sớm 120TK 31,71% - 95 -  Pcyl (bar) 75 70 Dual-10deg Dual-12deg Dual-14deg Dual-16deg Dual-18deg 65 60 55 50 45 40 35 30 25 -15 -10 -5 10 15 20 25 Góc quay trục khuỷu (deg) KAcc (g) Hình 4.33 Biến thiên áp xuất xylanh thay đổi góc phun sớm 1400vg/ph, 100% tải 300 250 200 Dual-10deg Dual-12deg Dual-14deg Dual-16deg Dual-18deg 150 100 50 -10 -5 10 15 20 25 -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 Hình 4.34 Độ rung động động thay đổi góc phun sớm 1400vg/ph, 100% tải - 96 -  Tiếp tục tăng góc phun sớm lên 160TK, lúc giá trị ∆p/∆ϕ 6,15 bar/0TK tăng 16,67% so với trường hợp góc phun sớm 120TK Đồng thời, biên độ rung động lớn động ∆KAcc tăng 22,65% so với góc phun sớm 120TK Trong trường góc phun sớm 180TK, kết ∆p/∆ϕ 5,19 bar/0TK, thấp trường hợp góc phun sớm 120TK 1,56% Trong trường hợp này, biên độ rung động lớn động ∆KAcc cao so với trường hợp góc phun sớm 120TK 12,89% Trên hình 4.33 cho thấy, tăng góc phun sớm tốc độ tăng áp suất có diễn biến khơng ổn định, q trình cháy bắt đầu sớm hơn, nguyên tắc làm cho công nén tăng Tuy nhiên bù trừ hiệu đốt cháy tổng thể nhiên liệu LPG diesel mà công suất động thay đổi khơng đáng kể Ngồi ra, kết hình 4.34 thể hiện, độ rung động động tăng góc phun sớm tăng lên rõ rệt tần số đỉnh có biên độ lớn nhiều Khi tăng góc phun sớm biên độ rung động có xu hướng dịch dần điểm chết trên, chí diễn phía trước điểm chết trên, làm cho động rung động mạnh, khả kích nổ tăng cao Như vậy, đánh giá diễn biến áp suất xylanh độ rung động động tốc độ động 1400vg/ph, 100% tải giá trị góc phun sớm hợp lý động sử dụng lưỡng nhiên liệu tương tự sử dụng diesel, góc 120TK b) Ảnh hưởng góc phun sớm đến áp suất xylanh độ rung động động tốc độ 2000vg/ph, 100% tải Hình 4.35 thể diễn biến áp suất xylanh động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG với việc thay đổi góc phun sớm chế độ tốc độ 2000vg/ph, 100% tải Tương tự tốc độ 1400vg/ph, giảm góc phun sớm xuống 140TK 160TK giá trị ∆p/∆ϕ thấp so với trường hợp góc phun sớm 180TK, mức tương ứng 3,30 bar/0TK 3,68 bar/0TK (giảm tương ứng 10,59% 0,19%) Hình 4.36 cho thấy biên độ rung động lớn động ∆KAcc trường hợp thấp so với trường hợp góc phun sớm 180TK (giá trị giảm tương ứng 38,46% 0,48%) - 97 -  Khi góc phun sớm tăng lên 200TK giá trị ∆p/∆ϕ 4,36 bar/0TK, cao trường hợp góc phun sớm 180TK 18,05% Trong trường hợp này, biên độ rung động lớn động ∆KAcc cao so với trường hợp góc phun sớm 180TK 44,23% Tiếp tục tăng góc phun sớm lên 220TK, giá trị ∆p/∆ϕ 4,63 bar/0TK, cao so với góc phun sớm 180TK 25,39% Biên độ rung động lớn động ∆KAcc tăng lên 146,15% so với góc phun sớm 180TK Đồng thời, trường hợp xuất nhiều biên độ rung động có tần số lớn Trong trường góc phun sớm 240TK, ∆p/∆ϕ 4,58 bar/0TK, cao trường hợp góc phun sớm 180TK 24,28% Biên độ rung động lớn động ∆KAcc cao so với trường hợp góc phun sớm 180TK 46,15% Giá trị thấp so với trường hợp góc phun sớm 220TK Hình 4.35 cho thấy, tốc độ 2000 v/ph, 100% tải, tăng góc phun sớm q trình cháy bắt đầu sớm hơn, dẫn tới tổn thất cho trình nén tăng Tuy nhiên nhờ áp suất xilanh tăng góc quay trục khuỷu nên khơng có ảnh hưởng đáng kể đến công suất động Hình 4.36 thể độ rung động động tăng góc phun sớm tăng lên rõ rệt tần số đỉnh có biên độ lớn nhiều Khi tăng góc phun sớm biên độ rung động có xu hướng tiến gần điểm chết trên, góc phun sớm lớn 180TK biên độ rung động lớn chí cịn diễn phía trước điểm chết trên, tương tự kết nghiên cứu tốc độ quay 1400 v/ph Như vậy, tốc độ động 2000vg/ph, 100% tải giá trị góc phun sớm hợp lý động sử dụng lưỡng nhiên liệu sử dụng diesel, góc 180TK Tóm lại, việc tăng góc phun sớm động có tác động tích cực đến cơng suất, phát thải CO độ khói lại có tác động khơng tốt đến phát thải HC NOx diễn biến áp suất độ rung động động Tổng hợp yếu tố trên, thấy khơng cần thiết phải thay đổi góc phun sớm sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG - 98 -  Pcyl (bar) 80 75 70 Dual-14deg Dual-16deg Dual-18deg Dual-20deg Dual-22deg Dual-24deg 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 -25 -20 -15 -10 -5 10 15 20 25 30 Góc quay trục khuỷu (deg) KAcc (g) Hình 4.35 Biến thiên áp xuất xylanh thay đổi góc phun sớm 2000vg/ph, 100% tải 800 700 600 Dual-14deg Dual-16deg Dual-18deg Dual-20deg Dual-22deg Dual-24deg 500 400 300 200 100 -10 -5 -100 10 15 20 25 -200 -300 -400 -500 -600 -700 -800 Hình 4.36 Độ rung động động thay đổi góc phun sớm 2000vg/ph, 100% tải - 99 -  4.5.5 Kết thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng phun mồi diesel trường hợp sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG 4.5.5.1 Ảnh hưởng phun mồi đến nồng độ phát thải tốc độ 2000vg/ph Quá trình phun mồi tiến hành tốc độ 2000vg/ph, 100% tải với động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG Thời gian phun mồi nhiên liệu diesel 90µs, 100µs, 110µs 120µs Góc phun sớm q trình phun 180TK, góc phun mồi cách góc phun 220TK Q trình phun mồi thực 10000 khơng có phun mồi Kết cho thấy phát thải CO Smoke giảm 8.0 7.0 6000 6.0 5000 5.0 4000 4.0 3000 3.0 2000 2.0 1000 1.0 2000 15,07% Đối với phát thải HC, bắt đầu Thành phần NOx (ppm) gian 120µs (Pilot120) CO giảm tăng tương ứng 19,66% Pilot90 Pilot100 Pilot110 Pilot120 Hình 4.37 Ảnh hưởng phun mồi đến phát thải CO Smoke cải thiện tốt Khi phun mồi với thời với thời gian 90µs CO Smoke LPG20% Chế độ thử nghiệm mồi trình cháy động tăng 24,91% Tuy nhiên, phun mồi 0.0 Di phun mồi Điều chứng tỏa phun LPG20% Đồng thời, phát thải NOx 9.0 7000 xuống NOx tăng lên tăng lượng 46,68% Smoke giảm 26,85% so với Smoke-2000vg/ph 8000 NOx-2000vg/ph HC-2000vg/ph 1250 1900 1150 1800 1050 1700 950 1600 850 1500 750 1400 650 1300 550 1200 450 1100 350 1000 Thành phần HC (ppm) sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG có Thành phần CO (ppm) Kết hình 4.37 hình 4.38 thể nồng độ phát thải động 10.0 CO-2000vg/ph 9000 Thành phần Smoke (FSN) với áp suất phun nhiên liệu 1000 bar 250 Di LPG20% Pilot90 Pilot100 Pilot110 Chế độ thử nghiệm Pilot120 Hình 4.38 Ảnh hưởng phun mồi đến phát thải NOx HC phun mồi với thời gian phun 90µs HC giảm 15,01% Tuy nhiên tăng lượng phun mồi HC tăng lên, với lượng phun mồi 120µs HC tăng 5,75% so với trường hợp không phun mồi (LPG20%) 4.5.5.2 Ảnh hưởng phun mồi đến diễn biến áp suất xylanh tốc độ 2000vg/ph Kết hình 4.41 cho thấy, thay đổi thời gian phun mồi diễn biến - 100 -  áp suất xylanh thay đổi không đáng kể, nhiên tốc độ tăng áp suất ∆p/∆ϕ giảm, độ ồn rung động động giảm xuống Trong trường hợp sử dụng nhiên liệu diesel với áp suất phun 1000 bar giá trị ∆p/∆ϕ 4,11 bar/0TK, động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG giá trị ∆p/∆ϕ tăng lên 25,69% (đạt giá trị 5,17 bar/0TK) Khi động sử dụng lưỡng nhiên liệu có phun mồi với thời gian 90µs giá trị ∆p/∆ϕ giảm 18,86% so với động sử dụng lưỡng nhiên liệu không phun mồi Tiếp tục tăng tỷ lệ phun mồi giá trị ∆p/∆ϕ giảm Khi tỷ lệ phun mồi với thời gian 110µs giá trị ∆p/∆ϕ 3,78 bar/0TK giảm 26,86% lúc giá trị ∆p/∆ϕ thấp so với động sử dụng nhiên liệu diesel Như vậy, động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG với tỷ lệ 20% có độ ồn rung động cao động sử dụng nhiên liệu diesel Tuy nhiên, động sử dụng lưỡng nhiên liệu có phun mồi động làm việc êm với tỷ lệ phun mồi từ 110µs trở lên động làm việc êm trường hợp sử dụng nhiên liệu diesel 85 Pcyl (bar) 75 65 55 45 35 25 Di LPG20% Pilot-90 Pilot-100 Pilot-110 Pilot-120 15 -20 -15 -10 -5 10 15 20 Góc quay trục khuỷu (deg) Hình 4.39 Ảnh hưởng phun mồi đến diễn biến áp suất xylanh - 101 -  4.6 Kết luận chương Với kết thử nghiệm ứng dụng nhiên liệu LPG động mẫu xylanh sử dụng hệ thống nhiên liệu CommonRail Phịng thí nghiệm Động đốt cho thấy: Áp suất phun LPG phù hợp động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG từ 1bar đến 1,5bar Trong nghiên cứu này, áp suất phun sử dụng cho chế độ thử nghiệm 1,5bar Giá trị áp suất tương đồng với kết nghiên cứu hãng Ecogas (Australia) với giá trị áp suất LPG sử dụng xe du lịch xe tải nhẹ 1,2bar, xe khách xe tải nặng 1,4bar Kết nghiên cứu ứng dụng LPG động diesel theo đường đặc tính ngồi cho kết tỷ lệ thay nhiên liệu diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu lên tới 30% Một số chế độ tốc độ thay diesel lên tới 40%, nhiên tỷ lệ LPG thay cao, tượng kích nổ xẩy Kết nghiên cứu cho thấy thay đổi góc phun sớm khơng cải thiện nhiều tính hiệu phát thải động Do ứng dụng LPG vào động diesel khơng cần phải thay đổi góc phun sớm động Qua kết nghiên cứu cho thấy động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG kết hợp với phun mồi diesel làm giảm phát thải CO, Smoke HC đồng thời động làm việc êm - 102 -  KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ Qua kết nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu LPG động diesel sử dụng hệ thống nhiên liệu CommonRail, kết đạt trình nghiên cứu khả ứng dụng nhiên liệu LPG động diesel đưa kết luận sau: Việc ứng dụng nhiên liệu LPG phương tiện vận tải phù hợp, khơng u cầu phải cải tiến động Tính chất nhiên liệu đáp ứng yêu cầu làm việc động cơ, đồng thời với khả tạo phản ứng cháy tốt giúp cho hiệu suất nhiệt động cao hơn, phát thải động giảm xuống Đề tài xây dựng, thiết kế chế tạo số phận hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG phù hợp với điều kiện Việt Nam Đồng thời, tác giả nghiên cứu chế tạo điều khiển điện tử hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG phù hợp với mục đích đề tài đặt có khả ứng dụng vào thực tế Xây dựng thuật tốn đọc giá trị tín hiệu từ cảm biến gửi ELC, thuật tốn điều khiển vịi phun cung cấp nhiên liệu LPG theo chế độ làm việc động Xây dựng chương trình điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG, tối ưu hóa thơng số điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG Xây dựng phương trình tính tốn lượng nhiên liệu LPG theo thời gian phun LPG, nhiệt độ áp suất LPG, đồng thời xác định hệ số hiệu chỉnh lưu lượng LPG qua vòi phun LPG để làm sở xác định lượng nhiên liệu LPG trình lập trình cho điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG Đánh giá ảnh hưởng áp suất phun tới khả làm việc động cơ, từ đưa áp suất phun LPG phù hợp ứng dụng nhiên liệu động diesel Xây dựng tỷ lệ cung cấp nhiên liệu LPG động diesel phù hợp với mục đích cải thiện tính kinh tế, kỹ thuật giảm phát thải động - 103 -  chế độ 100% tải với tốc độ từ 1000 đến 3000 vòng/phút Đánh giá ảnh hưởng góc phun sớm động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG khẳng định, tăng góc phun sớm có tác động tốt đến cơng suất, phát thải CO độ khói lại có tác động khơng tốt đến phát thải HC NOx diễn biến áp suất độ rung động động Từ đưa kết luận khơng cần thiết phải thay đổi góc phun sớm động chuyển sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG Đánh giá ảnh hưởng trình phun mồi diesel đến khả làm việc động cơ, kết cho thấy phun mồi với lượng nhỏ 120µs giảm thành phần phát thải CO, Smoke HC Đồng thời, phun mồi động làm việc êm Trong thời gian tới đề tài cần hoàn thiện theo hướng sau: - Hoàn thiện việc xây dựng thông số điều khiển cho ELC để xác định tỷ lệ cung cấp LPG tối ưu đường đặc tính phận 25%, 50% 75% tải động - Tiếp tục nghiên cứu trình cháy LPG động diesel thơng qua thiết bị quay lại buồng cháy Visioscope - Đánh giá khả làm việc ổn định ELC - Lắp đặt ELC phương tiện cụ thể để đánh giá khả làm việc thiết bị - Thương mại hóa hệ thống điều khiển q trình cung cấp nhiên liệu LPG - 104 -  TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT Vũ An cộng (3/2010), Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp ngành: “Nghiên cứu sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/khí hóa lỏng (LPG) đồng thời chuyển đổi động diesel xe buýt theo hướng phù hợp nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường đô thị lớn Việt Nam” - mã số 03/(CTAT) NCCB/2009/HĐ-NCKH, Viện dầu khí Việt Nam - Tập đồn dầu khí Việt Nam PGS TS Đỗ Văn Dũng (2002), Trang bị điện & điện tử ô tô đại, NXB Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh Lê Phương Lan, Hồng Đức Hải (2000), Giáo trình lý thuyết & tập Borland DELPHI, NXB Giáo dục, Hà nội Nguyễn Viết Nguyên (2008), Giáo trình linh kiện điện tử, NXB Giáo dục, Hà nội Phan Quốc Phô (2008), Giáo trình cảm biến, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà nội Nguyễn Doãn Phước (2005), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB khoa học kỹ thuật, Hà nội Ngô Diên Tập (2003), Kỹ thuật vi điều khiển với AVR NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội Ngô Diên Tập (2006), Vi điều khiển với lập trình C NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội Phạm Minh Tuấn (2008), Khí thải động ô nhiễm môi trường,NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 10 Phạm Minh Tuấn (2008), Lý thuyết động đốt trong, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội - 105 -  11 Tổng công ty xăng dầu Việt Nam (1997), LPG - Đặc tính LPG, Hà Nội 12 www.congnghehoahoc.org/forum/archive/index.php?t-998.html 13 TS Phạm Hữu Tuyến, PGS.TS Lê Anh Tuấn, KS.Nguyễn Thế Trực, KS Vũ Khắc Thiện (2011), Nghiên cứu sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel động diesel, Tạp chí Giao thơng vận tải số 1+2/2011, ISSN 0866-7012 TIẾNG ANH 14 AVL GmbH (2001), Singer cylinder research engine 5402, Austria 15 AVL GmbH (2001), Manual CVS & CEBII, Austria 16 Blackmer Dover Company (2008), Liquified gas handbook, Bulettin 500-01 17 Dong Jian, Gao Xiaohong, Li Gesheng, Zhang Xintang (2001), Study on DieselLPG Dual Fuel Engines,Wuhan University of Technology, SAE- Technical 18 Eve LIU, S.Y Yue, Joseph Lee (1997), A Study ON LPG As Fuel for Vehicles 19 Klaus Mollenhauer, Helmut Tsch ke, Eds (2010), Handbook of Diesel Engines, Springer, Germany 20 Lino Guzzulla, Christopher H.Onder (2004), Introduction to Modeling and Control of Internal Combustion Engine Systems, Springer, Germany 21 www.worldlpgas.com 22 www.purvingertz.com/userfiles/products/World%20LPG%20Brochure.pdf 23 www.lpgli.com/market.html 24 www.engineeringtoolbox.com/gas-density-d_158.html 25 www.tokyokeiso.co.jp - 106 -  ... Nhằm xây dựng sở cho việc chuyển đổi động diesel sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel /LPG thời gian tới, đề tài ? ?Nghiên cứu xây dựng thông số tối ưu điều khiển LPG động Diesel sử dụng hệ thống cung. .. lệ tối ưu LPG diesel thực thơng qua khối kết nối máy tính điều khiển ELC 2.2 Thiết kế mạch điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG (ELC) Mạch điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG động. .. 2.14 Vịi phun LPG 2.1.2.13 Bộ điều khiển hệ thống cung cấp LPG Hình 2.15 Bộ ELC điều khiển hệ thống nhiên liệu LPG Bộ điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG gồm khối mạch: Khối nguồn, khối