Nâng cao tính năng kinh tế kỹ thuật và giảm mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ xe gắn máy chạy bằng LPG và ethanol

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác! Đà Nẵng, tháng 11 năm 2021 Nghiên cứu sinh Bùi Văn Tấn I MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I MỤC LỤC II DANH MỤC CÁC HÌNH VI DANH MỤC BẢNG XIII DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT XIV MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4 Phương pháp nghiên cứu 5 Cấu trúc nội dung luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Các điểm chủ yếu luận án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU LPG-ETHANOL CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Nhiên liệu 1.2 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học 1.2.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học giới 1.2.2 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học Việt Nam 1.3 Tình hình nghiên cứu sử dụng LPG động đốt 10 1.3.1 Những đặc tính nhiên liệu LPG 10 1.3.2 Nghiên cứu sử dụng LPG động ô tô 10 1.3.3 Nghiên cứu sử dụng LPG động xe gắn máy 12 1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ethanol động đốt 14 1.4.1 Những đặc tính nhiên liệu ethanol 14 1.4.2 Nghiên cứu ứng dụng ethanol động đốt 16 1.5 Tình hình nghiên cứu ứng dụng kết hợp nhiên liệu LPG-ethanol động đốt 20 1.6 Kết luận chương 24 II CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY 26 2.1 Hệ phương trình chảy rối 26 2.2 Lý thuyết q trình cháy nhiên liệu khí .27 2.2.1 Lý thuyết cháy hỗn hợp khơng hịa trộn trước 28 2.2.2 Lý thuyết q trình cháy hỗn hợp hịa trộn trước 36 2.2.3 Lý thuyết q trình cháy hịa trộn trước cục 42 2.3 Kết luận chương 44 CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG Q TRÌNH NẠP, CHÁY VÀ PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ XE GẮN MÁY CHẠY BẰNG LPG-ETHANOL 46 3.1 Mục tiêu, đối tượng phương pháp mô .46 3.1.1 Mục tiêu, đối tượng 46 3.1.2 Phương pháp mô 47 3.2 Đặc điểm trình cung cấp nhiên liệu LPG-ethanol .50 3.3 Mơ q trình nạp nhiên liệu LPG-ethanol .50 3.3.1 Mơ hình hình học động điều kiện biên mơ 50 3.3.2 Ảnh hưởng đặc tính lý hóa ethanol, LPG đến q trình phun 53 3.3.3 Quá trình hình thành hỗn hợp phun nhiên liệu LPG-ethanol 54 3.3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp đến việc hình thành hỗn hợp .62 3.3.5 Điều chỉnh thời gian phun ethanol-LPG theo áp suất đường nạp 67 3.4 Mơ q trình cháy hỗn hợp .72 3.4.1 Ảnh hưởng hệ số tương đương 73 3.4.2 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm 75 3.4.3 Ảnh hưởng tốc độ động 76 3.4.4 Ảnh hưởng hàm lượng ethanol 80 3.5 Mô phát thải ô nhiễm sử dụng LPG-ethanol 81 3.5.1 Cơ chế hình thành chất nhiễm .81 3.5.2 Đặc điểm phát thải chất ô nhiễm 83 3.6 Kết luận chương 94 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 96 III 4.1 Mục đích nội dung nghiên cứu thực nghiệm 96 4.2 Trang thiết bị nghiên cứu 97 4.2.1 Các thiết bị tạo tải động 97 4.2.2 Thiết bị phân tích khí xả động MGT5 .101 4.3 Chuyển đổi xe gắn máy chạy xăng sang chạy LPG-ethanol 103 4.3.1 Hệ thống phun xăng PGM-FI động J52C xe Honda RSX 103 4.3.2 Thiết kế mạch điều khiển phun nhiên liệu xăng-LPG-ethanol 105 4.4 Thử nghiệm xe gắn máy chạy nhiên liệu LPG-ethanol đường thực .111 4.4.1 Chuẩn bị nhiên liệu 111 4.4.2 Điều kiện thử nghiệm .111 4.4.3 Kết thử nghiệm 112 4.5 Thử nghiệm xe gắn máy chạy nhiên liệu LPG-ethanol tạo tải động 113 4.5.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 113 4.5.2 Lắp đặt động xe gắn máy lên tạo tải động 114 4.5.3 Quy trình thử nghiệm xe gắn máy tạo tải động 117 4.5.4 Các biểu thức quan hệ đại lượng đo thực nghiệm 118 4.6 Đánh giá kết thử nghiệm so sánh kết mô 120 4.6.1 So sánh ảnh hưởng tốc độ động đến tính động cho mô thực nghiệm 120 4.6.2 So sánh ảnh hưởng hàm lượng ethanol đến tính động cho mô thực nghiệm 122 4.7 Kết luận chương 126 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 127 CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO 133 PHỤ LỤC .142 IV PHỤ LỤC MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH NẠP VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ XE GẮN MÁY CHẠY BẰNG XĂNG-ETHANOL-LPG BẰNG PHẦN MỀM ANSYS FLUENT 142 PHỤ LỤC CODE LẬP TRÌNH ARDUINO ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHUN XĂNG - LPG VÀ XĂNG - ETHANOL 158 V DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Tổng lượng nhiên liệu lỏng giới sản xuất tiêu thụ giai đoạn 2016÷2022 (triệu thùng/ ngày) [81] Hình 1.2: Sản lượng ethanol (triệu gallon) top nước hàng đầu giới [88] .8 Hình 1.3: Lắp đặt chế hịa khí 12 Hình 1.4: "Greenbus": xe buýt cỡ nhỏ chạy LPG 12 Hình 1.5: Ðộng xe gắn máy 110cc sau lắp chế hịa khí hai nhiên liệu LPG/xăng 13 Hình 1.6: Xe gắn máy kiểu WAVE 110cc sau lắp xong hệ thống hai nhiên liệu LPG/xăng 13 Hình 1.7: Cấu trúc phân tử ethanol liên kết phân tử 14 Hình 1.8: Bố trí hệ thống thử nghiệm cung cấp LPG-ethanol cho động [73] 20 Hình 1.9: Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol cung cấp đến phát thải CO 21 Hình 1.10: Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol cung cấp đến phát thải CO2 21 Hình 1.11: Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol cung cấp đến nồng độ O2 khí thải 22 Hình 1.12: Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol cung cấp đến phát thải THC .22 Hình 1.13: Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol cung cấp đến phát thải NOx 22 Hình 1.14: Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol cung cấp đến nhiệt độ khí thải 22 Hình 1.15: Bố trí thực nghiệm động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu LPG-ethanol 23 Hình 1.16: Bố trí thực nghiệm đánh giá hiệu suất phát thải động SI sử dụng xăng hỗn hợp LPG-ethanol 23 Hình 2.1: Biểu diễn đồ thị hàm mật độ xác suất p(f) 32 Hình 2.2: Ví dụ hàm PDF delta kép 33 Hình 2.3: Sự phụ thuộc logic đại lượng trung bình i vào f , f '2 H, mơ hình hóa học (hệ thống không đoạn nhiệt, thành phần hỗn hợp) .35 Hình 3.1: Giới thiệu động J52C lắp xe Honda RSX 110cc cải tạo 47 Hình 3.2: Mơ hình hình học đường nạp buồng cháy động J52C 51 Hình 3.3: Điều kiện biên thông số ban đầu 51 VI Hình 3.4: Chia lưới khơng gian tính tốn đặc trưng phần tử 52 Hình 3.5: Trình tự thực mô phần mềm Ansys Fluent 53 Hình 3.6: Diễn biến mật độ hạt phân bố ethanol, LPG xi lanh động chạy tốc độ 5000 vg/ph 3000 vg/ph, bướm ga mở hồn tồn 56 Hình 3.7: Diễn biến mật độ hạt phân bố ethanol, LPG xi lanh kỳ nạp động chạy tốc độ 7000 vg/ph, bướm ga mở hoàn tồn 57 Hình 3.8: Diễn biến mật độ hạt phân bố ethanol, LPG xi lanh kỳ nén động chạy tốc độ 7000 vg/ph, bướm ga mở hoàn toàn 58 Hình 3.9: Biến thiên mật độ hạt nồng độ ethanol (a); Biến thiên nồng độ ethanol, LPG hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu (b) (BG0, n=5000 vg/ph) 59 Hình 3.10: Ảnh hưởng vị trí bướm ga đến phân bố nồng độ ethanol xilanh 60 Hình 3.11: Biến thiên mật độ hạt nồng độ ethanol (a); Biến thiên nồng độ ethanol, LPG hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu (b) (BG45, n=5000 vg/ph) 61 Hình 3.12: Biến thiên mật độ hạt nhiên liệu lỏng tốc độ bay ethanol E15L (a) E30L (b) góc quay trục khuỷu (n=5000 vg/ph, Tnạp=315K) 61 Hình 3.13: Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp đến tốc độ bốc hạt nhiên liệu ethanol trình nạp nén (BG0, E30L, n=5000 vg/ph) .62 Hình 3.14: Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp đến mật độ hạt nhiên liệu ethanol lỏng động chạy tốc độ 3000 vg/ph (a), 5000 vg/ph (b) 7000 vg/ph (c) với nhiên liệu E30L 63 Hình 3.15: Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp đến biến thiên hệ số tương đương động chạy nhiên liệu LPG-ethanol E30L, n=5000 vg/ph 64 Hình 3.16: Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp đến biến thiên mật độ hạt nhiên liệu lỏng (a) tốc độ bốc hạt nhiên liệu lỏng (b) (n=7000 vg/ph, BG0) 65 VII Hình 3.17: Biểu diễn phân bố nhiên liệu hệ số tương đương buồng cháy giai đoạn đánh lửa trường hợp động chạy ethanol (a) E30L (b) với hệ số tương đương =1 góc đánh lửa sớm s=15TK, Tnạp=310K 66 Hình 3.18: Biến thiên áp suất xi lanh kỳ nạp nén động chạy tốc độ 3000 vg/ph 6500 vg/ph chế độ toàn tải BG0 (a) chế độ tải cục BG45 (b) 67 Hình 3.19: Ảnh hưởng độ mở bướm ga đến biến thiên hệ số tương đương động chạy tốc độ 3000 vg/ph (a) 6500 vg/ph (b) 68 Hình 3.20: Ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên hệ số tương đương hỗn hợp xi lanh cố định thời gian phun LPG ethanol 68 Hình 3.21: Ảnh hưởng độ mở bướm ga đến biến thiên hệ số tương đương hỗn hợp xi lanh cố định thời gian phun LPG ethanol 69 Hình 3.22: Biến thiên hệ số tương đương thành phần cố định điều kiện phun ethanol, LPG chế độ toàn tải BG0 (a) tải cục BG45 (b) 70 Hình 3.23: Biến thiên hệ số tương đương hệ số k theo tốc độ động thời gian phun cố định (a) thời gian phun điều chỉnh (b) trường hợp động chạy tải cục BG45; a BG45, tp-LPG =0,5ms; tp-Etha=0,61ms; b BG45, điều chỉnh để đạt  =1 Etha/ LPG=1 .71 Hình 3.24: Biến thiên hệ số tương đương hệ số k theo tốc độ động bướm ga mở hoàn toàn; a BG0, tp-LPG=1 ms; tp-Etha=1,26 ms; b BG0, điều chỉnh để đạt  =1 Etha/ LPG=1 71 Hình 3.25: Ảnh hưởng hệ số tương đương đến biến thiên áp suất xi lanh (a) nhiệt độ cháy T (b) theo góc quay trục khuỷu (E30L, n=5000 vg/ph, s=25TK) 73 Hình 3.26: Ảnh hưởng hệ số tương đương đến cơng thị chu trình Wi cơng suất có ích Pe (E30L, n=5000 vg/ph, s=20TK) 74 Hình 3.27: Ảnh hưởng hệ số tương đương đến biến thiên áp suất, tốc độ tỏa nhiệt HRR theo góc quay trục khuỷu (a) thể tích tích cơng tác Vh (b) (E30L, n=5000 vg/ph, s=20TK) .74 VIII Hình 3.28: Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến biến thiên áp suất xi lanh theo góc quay trục khuỷu (a) theo thể tích cơng tác (b) (E30L, n=5000 vg/ph, =1) 75 Hình 3.29: Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến biến thiên áp suất cực đại (a), nhiệt độ cháy (b) theo góc quay trục khuỷu (E15L, n=5000 vg/ph, =1, BG0) .76 Hình 3.30: Ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên áp suất xi lanh theo góc quay trục khuỷu (a) theo thể tích cơng tác (b) (E30L, =1, s=25TK) .77 Hình 3.31: Ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên áp suất xilanh, tốc độ tỏa nhiệt HRR (a) nhiệt độ cháy T (b) (E30L, =1, s=20TK) 77 Hình 3.32: Ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên công thị chu trình Wi theo góc đánh lửa sớm trường hợp động chạy LPG (E0L) (a) chạy ethanol (E100L) (b), =1 78 Hình 3.33: Ảnh hưởng tốc độ động đến công thị chu trình Wi cơng suất có ích Pe (E30L, =1, góc đánh lửa sớm tối ưu) .79 Hình 3.34: Ảnh hưởng hàm lượng ethanol đến biến thiên áp suất xilanh (a) nhiệt độ cháy T (b) (=1, s=20TK) .80 Hình 3.35: Ảnh hưởng hàm lượng ethanol đến biến thiên áp suất tốc độ tỏa nhiệt (a) biến thiên áp suất theo thể tích cơng tác (b) (=1, n=4000 vg/phút, s=20TK) 80 Hình 3.36: Ảnh hưởng hàm lượng ethanol đến công thị Wi công suất có ích động (=1, n=5000 vg/ph, s=20TK) 81 Hình 3.37: Ảnh hưởng hệ số tương đương  đến HC chạy hỗn hợp ethanol-LPG (E30L, n=5000 vg/ph, Tnạp=320K) 83 Hình 3.38: Ảnh hưởng hệ số tương đương đến biến thiên nồng độ NOx (a) CO (b) 84 Hình 3.39: Tổng hợp ảnh hưởng hệ số tương đương đến biến thiên nồng độ HC, CO NOx nhiệt độ cháy động (E30L, n=5000 vg/ph, s=30TK) 85 IX Hình 3.40: Hình thành bồ hóng buồng cháy động J52C chạy ethanolLPG (n=5000 vg/ph, Tnạp=320K, E30L, =1,1 =355TK =365TK) 85 Hình 3.41: So sánh biến thiên nồng độ bồ hóng động chạy ethanol (E100L) ethanol-LPG (E30L), n=5000 vg/ph 86 Hình 3.42: Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm s đến biến thiên nồng độ HC (a); NOx (b) CO (c) (E15L, n=5000 vg/ph, =1) 87 Hình 3.43: Tổng hợp ảnh hưởng góc đánh lửa sớm s đến biến thiên nồng độ HC, CO NOx nhiệt độ cháy T (E15L, n=5000 vg/ph, =1) 88 Hình 3.44: Ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên nhiệt độ cháy (a) nồng độ HC (b) khí thải động (E30L, ϕ=1, φs=20TK) .89 Hình 3.45: Ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên nồng độ CO (a) NOx (b) khí thải động (E30L, ϕ=1, φs=20TK, BG45) 90 Hình 3.46: Tổng hợp ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên nồng độ NOx, CO, HC nhiệt độ cháy T (E30L, ϕ=1, φs=20TK) .91 Hình 3.47: Ảnh hưởng hàm lượng ethanol đến biến thiên nhiệt độ cháy (a), nồng độ HC (b), nồng độ CO (c) nồng độ NOx (d) khí thải động (n=5000 vg/ph, BG45, ϕ=1, φs=20TK) 92 Hình 3.48: Tổng hợp ảnh hưởng hàm lượng ethanol đến biến thiên nhiệt độ cháy, nồng độ NOx, CO HC (n=5000 vg/ph, ϕ=1, s=20TK) .93 Hình 4.1: Sơ đồ lắp đặt Loadcell .98 Hình 4.2: Cấu tạo sơ đồ mạch điện encoder tương đối 99 Hình 4.3: Kết nối servo với vi điều khiển Arduino 99 Hình 4.4: Sơ đồ cấu tạo tạo tải động xe gắn máy 100 Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý xác định nồng độ khí thải thiết bị MGT5 [91] 101 Hình 4.6: Thiết bị phân tích khí xả động xăng MGT5 .102 Hình 4.7: Bố trí cảm biến động xe gắn máy Honda RSX 104 Hình 4.8: Sơ đồ hệ thống cung cấp đa nhiên liệu liệu xăng-ethanol-LPG cho động xe gắn máy 105 X PL-25: Chạy chương trình tính tốn Bước Xuất kết PL-26: Chọn kết thị pressure Graphics and Animations Tính tốn mơ q trình cháy với phần mềm FLUENT 152 Bước Xác định mơ hình lưới động Define  Dynamic Mesh  Parameters Bấm chuột trái vào Dynamic Mesh Chọn Models: - Dynamic Mesh (PL-27) - In-Cylinder (PL-31) Chọn Mesh Methods: - Smoothing (PL-28) - Layering (PL-29) - Remeshing (PL-30) PL-27: Chọn mơ hình lưới động Dynamic Mesh PL-28: Thiết lập mơ hình lưới động cho PL-29: Thiết lập mơ hình lưới động cho thẻ Smoothing thẻ Layering 153 PL-30: Thiết lập mơ hình lưới động cho PL-31: Thiết lập mơ hình lưới động cho thẻ Remeshing thẻ In-Cylinder Bước Xác định khu vực lưới biến dạng biên di động PL-32: Xác lập thông số cho khu vực xi lanh 154 PL-33: Xác lập lưới biến dạng cho xi lanh PL-34: Hiển thị lưới khơng gian tính tốn Bước Kích hoạt phương trình lượng 155 PL-35: Chọn phương trình lượng Bước Chọn mơ hình độ nhớt rối Bước 10 Chọn thơng sơ liên quan đến vị trí đánh lửa Chọn menu Define -> Model ->Species ->Spark Ignition, cửa sổ Spark Ignition Model chọn Fixed Spark Size Tiếp tục thiết lập thông số Spark Ignition Model sau: lượng đánh lửa trường hợp 143J, vị trí đánh lửa tọa độ (0,90,0), bắt đầu đánh lửa (20 độ trước điểm chết trên) PL-36: Chọn thông số đánh lửa 156 Bước 11 Xác định mặt phẳng để biểu diễn kết PL-37: Lập mặt phẳng biểu diễn kết PL-38: Lập mặt phẳng biểu diễn kết pressure nhiệt độ PL-39: Lập mặt phẳng biểu diễn kết nồng độ C3H8 157 PHỤ LỤC CODE LẬP TRÌNH ARDUINO ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHUN XĂNG - LPG VÀ XĂNG - ETHANOL #include #include #include #include #include #include "maths.h" // #define pinLED 13 #define pinINJECTION1 #define pinINJECTION2 10 #define pinINJECTION3 11 #define pinTRIGGER #define pinBUTTON #define pinA0 A0 // #define SIZE_BYTE #define SIZE_INT 16 // //Handy bitsetting macros #define BIT_SET(a,b) ((a) |= (1 1e6) { //fallTrigTime = micros(); bRUN = false; curInjTime = 0; rpm = 0; } else { rpm = 12e7/curRevTime; } //lcdWrite(2,0,5," ",String(loop1000msCounts)); lcdWrite(0,0,7," ", (runMode==0)?"Gas-Eth":"Gas-LPG"); lcdWrite(2,1,5," ",String(ratio)); lcdWrite(11,0,5," ",String(curInjTime)); lcdWrite(11,1,5," ",String(rpm)); //Serial.print("curInjTime: "); //Serial.print(curInjTime); //Serial.print("\tcurRevTime: "); //Serial.println(curRevTime); } } void loop500ms() { if (loopTime>=next500ms) { next500ms=loopTime+5e5; } } void loop1000ms() { loop1000msCount++; if (loopTime>=next1000ms) { next1000ms=loopTime+1e6; // loop1000msCounts = loop1000msCount; loop1000msCount = 0; } } 163 void serialCommand() { if (bStringComplete) { // clear the string: Serial.println(inputString); int i = inputString.indexOf('='); if (i > 0) { String subString = inputString.substring(0,i); String subString2 = inputString.substring(i+1,inputString.length()); //Serial.println(subString); float tempx = subString2.toFloat(); //Serial.println(temp); if (subString == "test") { Serial.println("Test KK!"); } else { Serial.println("No cmd!"); } } else { if (inputString == "save") { } else if (inputString == "load") { } else if (inputString == "print") { } else if (inputString == "test") { } else { Serial.println("Nothing to do!"); } } inputString = ""; bStringComplete = false; } } void loop() { // put your main code here, to run repeatedly: loopTime=micros(); serialCommand(); loop50ms(); loop100ms(); loop250ms(); loop500ms(); loop1000ms(); } 164 /* SerialEvent occurs whenever a new data comes in the hardware serial RX This routine is run between each time loop() runs, so using delay inside loop can delay response Multiple bytes of data may be available */ void serialEvent() { while (Serial.available()) { // get the new byte: char inChar = (char)Serial.read(); // if the incoming character is a newline, set a flag // so the main loop can something about it: if (inChar == '\n') { bStringComplete = true; } else { // add it to the inputString: inputString += inChar; } } } void lcdWrite(byte x, byte y, String text) { lcd.setCursor(x,y); lcd.print(text); } void lcdWrite(byte x, byte y, unsigned long number) { lcd.setCursor(x,y); lcd.print(number); } void lcdWrite(byte x, byte y, byte z, double number) { lcd.setCursor(x,y); lcd.print(number,z); } void lcdWrite(byte x, byte y, byte l, String text1, String text2) { lcd.setCursor(x,y); byte l2 = text2.length(); if (l>l2) { for (byte i=0; i