Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết này trình bày nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến hệ số dư lượng không khí λ đối với động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu dieselethanol. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ số dư lượng không khí λ đều lớn hơn 1,2 cho thấy đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của động cơ diesel nếu xét theo tiêu chí này.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 p Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ ethanol thay đến hệ số dư lượng khơng khí λ động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol Experimental evaluation of alternative ethanol rates’ effects on relative λ air/fuel ratio of diesel engines using diesel-ethanol dual fuel Nguyễn Thành Bắc1,*, Trần Anh Trung2 Khoa Công nghệ Ôtô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội * Email: bacnt@haui.edu.vn/ ntbac.haui.hust@gmail.com Tóm tắt Từ khóa: Động lưỡng nhiên liệu dieselethanol; Hệ số dư lượng không khí; Lưỡng nhiên liệu; Lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol Việc nghiên cứu phát triển ứng dụng loại nhiên liệu thay xu hướng chung nhiều nước giới nhằm làm giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, đảm bảo an ninh lượng giảm tác động tới môi trường đặc biệt khí gây hiệu ứng nhà kính Trong đó, ethanol xem nhiên liệu tiềm sử dụng cho động diesel Đã có nhiều cơng trình ngồi nước nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ LPG, CNG thay đến hệ số dư lượng khơng khí λ động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG, diesel-CNG Tuy nhiên chưa có cơng bố nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ ethanol thay đến hệ số dư lượng khơng khí λ động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol mà tỷ lệ ethanol thay điều khiển linh hoạt phù hợp với chế độ làm việc khác động Phương pháp điều khiển tỷ lệ ethanol thay sử dụng nghiên cứu khác với cơng trình cơng bố, cơng bố trước đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ ethanol thay dùng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn trước phun với tỷ lệ ethanol thay cố định 5%, 10%, 20% Bài báo trình bày nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ ethanol thay đến hệ số dư lượng khơng khí λ động sử dụng lưỡng nhiên liệu dieselethanol Kết thực nghiệm cho thấy hệ số dư lượng khơng khí λ lớn 1,2 cho thấy đảm bảo điều kiện làm việc bình thường động diesel xét theo tiêu chí Abstract Keywords: Dual fuel; Dieselethanol Dual fuel; Dual-fuel engine; Relative air/fuel ratio The research, development and application of alternative fuels is a common trend in many countries around the world, in order to reduce their dependence on fossil fuels, to secure energy security and to reduce the impact on the environment, especially greenhouse gases In particular, ethanol is considered one of the potential fuels for diesel engines There have been many domestic and foreign research projects to evaluate the effect of LPG, CNG replacement ratio on relative air/fuel ratio λ for diesel engines using diesel-LPG and dieselCNG However, no published empirical study has evaluated the effects of alternative ethanol rates on relative air/fuel ratio λ for diesel engines using diesel-ethanol This paper presents an empirical study evaluating the effect of alternative ethanol rates on relative air/fuel ratio λ on diesel engine using diesel-ethanol dual fuel which the alternative ethanol rates was controlled conform to different engine modes The method of controlling alternative ethanol ratio used in this research is different from other published researches, as previous published researches only evaluated the effects of alternative ethanol rates while using blended dieselethanol and spraying with alternative ethanol rates of 5%, 10%, 20% Experimental results show that relative air/fuel ratio λ is greater than 1.2, indicating that the normal working conditions of the diesel engine are ensured according to this criterion Ngày nhận bài: 20/7/2018 Ngày nhận sửa: 03/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Khi chuyển đổi động diesel thành động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethnol theo phương pháp phun ethanol vào đường nạp, nguyên tắc phải trì cơng suất mơ men động nguyên cần phải đảm bảo giới hạn khói đen, giới hạn đánh giá qua thơng số hệ số dư lượng khơng khí λ Trong khn khổ báo này, nhóm tác giả trình bày nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ ethanol thay đến hệ số dư lượng khơng khí λ động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ ĐỘ THỰC NGHIỆM Nghiên cứu sử dụng hai loại nhiên liệu diesel ethanol với số tính chất trình bày Bảng Bảng Các thông số kỹ thuật nhiên liệu diesel ethanol [6] Thông số Khối lượng riêng 20 C (kg/m3) Hệ số khơng khí lý thuyết (kgkk/kgnl) Nhiệt trị thấp (MJ/kg) Nhiệt hóa (kJ/kg) Nhiệt độ tự cháy (K) Trị số xê tan o Diesel 856 14,7 41,66 270 500 45 ÷ 50 Ethanol 785 8,96 26,8 840 665 5÷8 Động thử nghiệm lựa chọn loại động diesel D4BB xy lanh, kỳ, buồng cháy ngăn cách IDI (Indirect Injection), sử dụng bơm phân phối lắp xe tải 1,25 hãng Huyndai, thông số động trình bày Bảng Động đặt băng thử động lực học cao APA 100 thuộc Phịng thí nghiệm Động đốt trong, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Đi kèm thiết bị đo kiểm bao gồm: thiết bị đo tiêu hao điều chỉnh nhiệt độ nhiên liệu kiểu khối lượng AVL 733S 735S; cảm biến áp suất xy lanh QC33C thiết bị thu nhận liệu Indicating với phần mềm Indiwin có chức đo diễn biến áp suất xy lanh theo góc quay trục khuỷu; thiết bị cung cấp điều chỉnh nhiệt độ nước làm mát AVL 553; vòi phun ethanol điều khiển ECU MotoHawk ECM‐0565‐128‐0702‐C [7] hãng Woodward, đặc tính mối quan hệ thời gian phun lượng phun xây dựng trước lắp lên động Các thông số đầu vào ECU, hệ thống cung cấp vị trí lắp vịi phun ethanol giới thiệu Hình Bảng Những thơng số động D4BB [5] Thông số Kiểu động Đường kính/hành trình D/S (mm) Dung tích xy lanh (cm3) Cơng suất lớn (kW – vg/ph) Mô men lớn (N.m – vg/ph) Tỷ số nén ε Giá trị Động diesel kỳ, xy lanh thẳng hàng, xupáp, buồng cháy ngăn cách 91,1/100 2607 59 – 4000 165– 2200 22 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Sơ đồ bố trí thiết bị thực nghiệm 1- Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu diesel; 2-Bơm cao áp; 3- Cảm biến vị trí ga; 4- Lọc khơng khí; 5- Bơm ethanol; 6- Thùng chứa ethanol; 7- Lọc ethanol; 8- Cảm biến lưu lượng khơng khí; 9- Cảm biến kích nổ; 10- Cảm biến trục cam; 11- Cảm biến tốc độ động cơ; 12- Cảm biến nhiệt độ dung dịch làm mát khỏi động cơ; 13- Thiết bị cung cấp điều khiển nhiệt độ dung dịch làm mát động cơ;14- Cảm biến nhiệt độ dung dịch làm mát vào động cơ; 15- Cảm biến ; 16- Cảm biến áp suất xy lanh; 17- Vòi phun diesel; 18- Vịi phun ethanol; 19- Máy tính; 20- Thiết bị phân tích khí xả; 21- Thiết bị xử lý trung tâm; 22- Thiết bị đo áp suất xy lanh; 23- Thiết bị cung cấp, đo tiêu hao điều chỉnh nhiệt độ nhiên liệu; A-Tín hiệu vào; B-Tín hiệu ra; ECU- Bộ điều khiển điện tử Chế độ thực nghiệm: Tải động lựa chọn 100%, 75% 50% giá trị mô men lớn thực nghiệm động sử dụng nhiên liệu diesel gốc, cụ thể 165, 121 81(Nm) hai trường hợp: tốc độ động cố định vùng mô men lớn 2000 vg/ph tốc độ động thay đổi từ 1000 3500 vg/ph với bước nhảy 500 vg/ph Thời điểm bắt đầu phun ethanol vòi phun điều khiển độc lập vị trí cuối nén đầu cháy xy lanh phun lên xupáp nạp nhằm tận dụng nhiệt xupáp giúp ethanol bay tốt Lượng ethanol thay điều khiển tăng lên lượng diesel điểu khiển giảm tương ứng ngược lại cách điều khiển ga để đảm bảo cố định mô men 100%, 75% 50% Đồng thời lượng ethanol thay lớn giới hạn hệ số lớn 1,2 tượng kích nổ xác định từ cảm biến kích nổ gắn động Góc phun sớm diesel 15 (độ) trước điểm chết Tiêu hao nhiên liệu diesel đo thiết bị đo tiêu hao điều chỉnh nhiệt độ nhiên liệu kiểu khối lượng AVL 733S 735S Tiêu hao nhiên liệu ethanol xác định sở đặc tính thực nghiệm vịi phun ethanol Giá trị mơ men cơng suất động đo băng thử tính động lực cao AVL APA 100 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Phương pháp thuật toán điều khiển phối hợp lưỡng nhiên liệu nhóm tác giả trình bày nghiên cứu [3] Để đo hệ số dư lượng khơng khí nghiên cứu thực nghiệm cần thiết phải sử dụng cảm biến Đặc điểm loại cảm biến giới thiệu sau CẢM BIẾN LAMBDA Cảm biến lambda sử dụng để đo hệ số dư lượng khơng khí khí xả động đốt nói chung có động diesel, bố trí lắp đặt đầu cụm đường ống thải động (Hình 1) Cảm biến sử dụng loại LSU 4.9 có dải đo từ 0,65 10,1 Một số thông số cảm biến lambda LSU 4.9 thể Bảng Bảng Thông số cảm biến LSU 4.9 [4] Thông số Dải đo Nhiên liệu tương thích Áp suất khí xả Nhiệt độ khí xả Điện áp nguồn cấp Giá trị 0,65 10,1 Xăng/Diesel/E85 2,5 bar 930 oC 10,8 16,5 V Hình ảnh cảm biến lambda LSU 4.9 thể Hình Hình Cảm biến LSU 4.9 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Ngồi điều kiện khơng kích nổ xét trên, hệ số dư lượng khơng khí động phải lớn giới hạn khói đen [1-2] Đặc tính khói đen đặc tính tốc độ vởi tốc vòng quay động cơ, cấu điều khiển bơm cao áp nằm vị trí bắt đầu nhả khói đen khí xả Theo nghiên cứu động diesel thông thường hệ số dư lượng khơng khí λ lớn 1,1 đảm bảo động khơng nhả khói đen khí xả Đặc tính nhả khói đen đề cập chi tiết nghiên cứu [2] Kết hệ số dư lượng khơng khí động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol chế độ tải 50%, 75%, 100% tốc độ động 2000 vg/ph theo tỷ lệ ethanol thay thể Hình Qua cho thấy chế độ 50% tải hệ số dư lượng khơng khí lớn 2,63; chế độ 75% tải hệ số dư lượng khơng khí lớn 1,89; chế độ 100% tải hệ số dư lượng khơng khí lớn 1,3 lý thuyết bảo đảm giới hạn khói đen buồng cháy ngăn cách [1-2] Như cho thấy động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol làm việc bình thường theo điều kiện hệ số HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Đồng thời từ kết biến thiên hệ số dư lượng khơng khí đo đường thải theo tỷ lệ ethanol thay thể Hình cho thấy 50% 75% tải có xu hướng đậm lên, 100% tải có xu hướng nhạt Điều tải thấp hiệu sinh công lượng nhiên liệu ethanol thêm vào thấp tải cao, dẫn tới lượng nhiên liệu diesel tải thấp giảm để giữ mô men thay đổi không đáng kể, kết phải cần nhiều khơng khí để đốt hỗn hợp làm giảm lượng oxy khí thải, tải cao (100%) hiệu sinh công ethanol cao dẫn tới lượng diesel giảm nhiều hơn, tỷ lệ khơng khí nhiên liệu diesel cao ethanol, hệ tăng lên Hình Hệ số dư lượng khơng khí tải 50%, 75%, 100%, tốc độ động giữ ổn định 2000 vg/ph thay đổi tỷ lệ ethanol thay Kết hệ số dư lượng không khí động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol chế độ thực nghiệm tải khác 50%, 75%, 100% tốc độ động thay đổi từ 1000 3500 vg/ph theo bước nhảy 500 vg/ph thay đổi tỷ lệ ethanol thay thể Hình Qua cho thấy chế độ tải khác hệ số dư lượng khơng khí giảm dần tăng tốc độ động hai trường hợp có phun ethanol khơng phun ethanol Trong trường hợp có phun ethanol hệ số giảm tăng tốc độ động tỷ lệ ethanol thay giảm tăng tốc độ động trình bày nội dung phần mối quan hệ tỷ lệ ethanol thay tốc độ động Qua Hình cho thấy chế độ tải thấp 50% cho thấy hệ số dư lượng khơng khí trường hợp có phun ethanol nhỏ trường hợp khơng phun ethanol Điều chế độ tải oxy trong nhiên liệu ethanol dễ kết hợp với cácbon tạo thành khí CO làm cho phát thải CO tăng cao Kết Hình cho thấy hệ số động nguyên xấp xỉ 1,1 thay đổi tăng tốc độ động Trong trường hợp có phun ethanol, hệ số giảm từ 1,45 tốc độ 1000 vg/ph xuống 1,25 3500 vg/ph Biến thiên hệ số trường hợp có phun ethanol đồng dạng với tỷ lệ ethanol thay thế, đồng thời hệ số trường hợp cao động nguyên ethanol có chứa oxy HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Hệ số dư lượng khơng khí theo tốc độ chế độ tải khác KẾT LUẬN Tại chế độ tải khác 50%, 75%, 100% tốc độ động ổn định 2000 vg/ph tăng tỷ lệ ethanol thay từ không phun ethanol thì: Hệ số dư lượng khơng khí λ lớn 1,2 cho thấy đảm bảo điều kiện λ lớn 1,1 [1-2] Từ cho thấy động làm việc bình thường khơng nhả khói đen khí xả Tại chế độ tải 50%, 75%, 100% theo tốc độ động với tỷ lệ ethanol thay thay đổi so với trường hợp chạy diesel gốc chế độ thì: Hệ số dư lượng khơng khí λ lớn 1,2 đảm bảo điều kiện λ lớn 1,1 [1-2] Từ cho thấy động làm việc bình thường khơng nhả khói đen khí xả DANH MỤC DANH PHÁP/KÝ HIỆU APA 100 AVL 553 AVL 733S AVL 735S CNG D4BB ECU IDI LPG LSU 4.9 QC33C λ Băng thử động lực học cao thiết bị cung cấp điều chỉnh nhiệt độ nước làm mát Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu Thiết bị điều chỉnh nhiệt độ nhiên liệu Khí nén thiên nhiên (Compressed Natural Gas) Động diesel kỳ xy lanh Bộ điều khiển điện tử Buồng cháy ngăn cách (Indirect Injection) Khí hóa lỏng (Liquefied Petroleum Gas) Cảm biến lambda Cảm biến áp suất xy lanh Hệ số dư lượng khơng khí HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Minh Tuấn (2013), "Lý thuyết Động đốt trong", Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2] Nguyễn Tất Tiến (2003), Nguyên lý động đốt trong, Nhà xuất Giáo dục [3] Nguyễn Thành Bắc; Trần Anh Trung (2018), "Nghiên cứu xây dựng mơ hình điều khiển động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol", Hội nghị khoa học HaUI lần thứ II [4] Bosch (2016), "Lambda sensor LSU 4.9" (Bosch) [5] Hyundai (2009), "Automotive diesel engines catalogue" (Perez Wholesale Distributor, Inc) [6] Zbigniew Pajączek Andrzej Kowalewicz (2003), "Dual fuel engine fuelled with ethanol and diesel fuel", Journal of KONES Internal Combustion Engines, vol.10, No1-2 [7] Woodward (2015), MotoHawk ECM‐0565‐128‐0702‐C ... nghiệm đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ ethanol thay đến hệ số dư lượng khơng khí λ động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel -ethanol ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ ĐỘ THỰC NGHIỆM Nghiên cứu sử dụng hai... Theo nghiên cứu động diesel thơng thường hệ số dư lượng khơng khí λ lớn 1,1 đảm bảo động khơng nhả khói đen khí xả Đặc tính nhả khói đen đề cập chi tiết nghiên cứu [2] Kết hệ số dư lượng không khí. .. 2000 vg/ph thay đổi tỷ lệ ethanol thay Kết hệ số dư lượng khơng khí động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel -ethanol chế độ thực nghiệm tải khác 50%, 75%, 100% tốc độ động thay đổi từ 1000 3500