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 TT

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI VĂN TẤN 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 Chuyên ngành : Kỹ thuật khí động lực Mã số : 9520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG - 2021 -1- Cơng trình hồn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học : GS.TSKH Bùi Văn Ga PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng Phản biện : ………………………………………………… Phản biện : ………………………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường Đại học Bách khoa-Đại học Đà Nẵng, Vào hồi : …… …… ngày …… tháng ……… năm 2021 Có thể tìm luận án : - Thư viện Quốc gia Việt Nam Trung tâm Thông tin - Học liệu Truyền thông, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng-Đại học Đà Nẵng -2- MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Khác với nước phát triển, xe gắn máy phương tiện giao thơng cá nhân nước ta với mật độ trung bình người dân có xe gắn máy Ơ nhiễm mơi trường khơng khí thành phố lớn nước ta khí thải xe gắn máy ngày trở nên trầm trọng Nghiên cứu động sử dụng ethanol hay xăng sinh học nhiều nhà khoa học thực hiện, nhiên cơng trình nghiên cứu phối hợp sử dụng LPG ethanol xe gắn máy hoi Chính thế, đề tài “Nâng cao tính kinh tế-kỹ thuật giảm mức độ phát thải ô nhiễm động xe gắn máy chạy LPG ethanol” luận án có ý nghĩa to lớn cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu Tận dụng tối đa lợi LPG ethanol làm nhiên liệu cho xe gắn máy nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải chất nhiễm CO2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu động J52C lắp xe gắn máy Honda RSX 110cc, động xi lanh, kỳ, phun xăng điều khiển điện tử Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu trình nạp, trình cháy, tính kinh tế kỹ thuật phát thải chất ô nhiễm động sử dụng nhiên liệu hybrid LPG ethanol Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp mô thực nghiệm Trên sở kết nghiên cứu này, định hướng phát triển công nghệ cung cấp nhiên liệu tổ chức trình cháy động xe gắn máy sử dụng nhiên liệu hybrid LPG-ethanol Cấu trúc nội dung luận án -1- Ngồi phần mở đầu, kết luận nội dung trình bày chương với cấu trúc sau:  Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu LPG-ethanol cho động đốt  Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết trình cháy  Chương 3: Mơ q trình nạp, cháy phát thải ô nhiễm động xe gắn máy chạy LPG-ethanol  Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá kết mô Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Việc phối hợp sử dụng LPG ethanol tận dụng mạnh hai loại nhiên liệu để cải thiện trình cháy nâng cao tính động Do LPG ethanol hai trạng thái khác điều kiện môi trường nên việc ứng dụng chúng xe gắn máy cần xử lý vấn đề liên quan đến cung cấp nhiên liệu tổ chức trình cháy Đây vấn đề phức tạp, kết nghiên cứu khoa học cơng bố Vì vậy, luận án khơng có ý nghĩa khoa học mà cịn mang tính thực tiễn cao tình hình nguồn lượng hóa thạch có dấu hiệu khủng hoảng, dầu mỏ cạn kiệt biến đổi khí hậu ngày trở nên nghiêm trọng Các điểm luận án  Đặt tảng cho nghiên cứu phát triển việc ứng dụng nhiên liệu khơng trạng thái xe gắn máy nói riêng phương tiện giới nói chung  Thiết lập chương trình tính tốn mơ q trình nạp nhiên liệu LPG-ethanol trình cháy động sử dụng nhiên liệu khí/lỏng nói chung  Cải tạo hệ thống phun xăng xe gắn máy thành hệ thống phun đa nhiên liệu lỏng/khí cách bổ sung thêm vi mạch điều khiển kết -2- nối với ECU động Hệ thống cho phép điều chỉnh tỷ lệ loại nhiên liệu cung cấp cho động cách linh hoạt, phù hợp với chế độ vận hành động  Rút qui luật ảnh hưởng yếu tố khác đến tính kỹ thuật mức độ phát thải ô nhiễm động xe gắn máy để định hướng việc thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu hệ thống điều khiển động sử dụng LPG-ethanol Chương TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU LPG-ETHANOL CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Nhiên liệu Năng lượng vấn đề sống cịn tồn nhân loại, người khai thác đến mức cao nguồn lượng hóa thạch (dầu mỏ, khí thiên nhiên, than đá…), với trữ lượng có hạn tốc độ tiêu thụ liên tục gia tăng vậy, giới đối mặt với cạn kiệt dần nguồn lượng 1.2 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học 1.2.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học giới Brazil nước dẫn đầu giới lĩnh vực này, sản xuất sử dụng ethanol nhiên liệu lớn giới với 14,7 triệu mét khối Sau năm 2017 năm Hoa Kỳ sản xuất 132.000 triệu lít nhiên liệu sinh học để giảm 20% lượng xăng dầu tiêu thụ Thái Lan có sản lượng ethanol 192,8 triệu lít vào năm 2007 Trung Quốc quốc gia sản xuất sử dụng ethanol nhiên liệu lớn thứ ba sau Brazil Hoa Kỳ Trung Quốc tăng gấp ba cơng suất sản xuất ethanol vào năm 2020, ước tính cần cơng suất sản xuất hàng năm 15 triệu (01 ethanol nhiên liệu tương đương 1,267.93 lít) 1.2.2 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học Việt Nam -3- Theo Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg ngày 22/11/2012 Thủ tướng Chính phủ, tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống Cùng với xu hướng giới, nhà khoa học Việt Nam quan tâm nghiên cứu nhiên liệu sinh học thập kỷ qua, có nhiều kết nghiên cứu, ứng dụng khả quan cơng bố 1.3 Tình hình nghiên cứu sử dụng LPG động đốt 1.3.1 Những đặc tính nhiên liệu LPG Nhiệt độ sôi LPG thấp nhiệt độ phòng, LPG bay nhanh nhiệt độ áp suất bình thường, tồn chứa bình thép áp lực Chúng thường lấp đầy tới 85% thể tích bình phép giãn nở nhiệt chất lỏng chứa Tỷ lệ thể tích khí hóa khí hóa lỏng thay đổi tùy thuộc vào thành phần, áp suất nhiệt độ, thường khoảng 250 :1 Áp suất mà LPG trở thành chất lỏng, gọi áp suất hơi, tương tự thay đổi tùy thuộc vào thành phần nhiệt độ 1.3.2 Nghiên cứu sử dụng LPG động ô tô Ở nước ta có nhiều nghiên cứu ứng dụng LPG cho động đốt Hình 1.3: Lắp đặt chế hịa khí dùng LPG Hình 1.4: "Greenbus" xe bt cỡ nhỏ chạy LPG Từ năm 2005, Hồ Tấn Quyền Đại học Đà Nẵng chế tạo thành công hệ thống cung cấp LPG cho ô tô Daihatsu sở chế hịa khí nghiên cứu xe gắn máy hai bánh 1.3.3 Nghiên cửu sử dụng LPG động xe gắn máy -4- Đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng LPG cho xe gắn máy nhóm nghiên cứu trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng thực hiện, vấn đề cần phải nghiên cứu giải thiết kế hệ thống hai nhiên liệu LPG/xăng nhỏ gọn lắp đặt xe gắn máy mà khơng làm thay đổi kiểu dáng hay kết cấu chúng Hình 1.5: Ðộng xe gắn Hình 1.6: Xe gắn máy kiểu WAVE máy110cc sau lắp chế hòa 110cc sau lắp xong hệ thống hai nhiên liệu LPG/xăng khí hai nhiên liệu LPG/xăng 1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng Ethanol động đốt Ứng dụng ethanol làm nhiên liệu cho động đốt công nghệ phun trực tiếp ethanol vào buồng cháy công nghệ phun riêng rẽ xăng/ethanol đường nạp giải nguồn nhiên liệu thay thế, mà cịn tận dụng lợi ích từ nhiên liệu ethanol đem lại để cải thiện hiệu suất động cơ, giảm phát thải đồng thời CO, HC, CO2 hạn chế gia tăng NOx so với công nghệ phun hỗn hợp xăng-ethanol đường nạp truyền thống 1.5 Tình hình nghiên cứu ứng dụng kết hợp nhiên liệu LPG- ethanol động đốt Có nhiều cơng trình nghiên cứu quan tâm việc ứng dụng hỗn hợp nhiên liệu LPG-ethanol động SI để giảm phát thải, kết liên quan đến động ô tô điều kiện vận hành Còn riêng động xe máy có thơng số kỹ thuật khác biệt dung tích xi lanh nhỏ, tốc độ cao, làm mát không khí chưa quan tâm nghiên cứu -5- 1.6 Kết luận - Kết hợp sử dụng LPG ethanol động tận dụng ưu điểm loại nhiên liệu để cải thiện chất lượng trình cháy giảm phát thải chất khí gây nhiễm Do LPG ethanol không trạng thái điều kiện môi trường nên hệ thống cung cấp nhiên liệu phức tạp so với sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng-ethanol - Việc phối hợp LPG ethanol cho xe gắn máy giải pháp thiết thực khả thi để giảm dần lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch giảm phát thải nhiễm mơi trường Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu ứng dụng LPG, xăng-ethanol cho xe gắn máy nói riêng phương tiện giao thơng giới nói chung, nhiên cơng trình liên quan đến ứng dụng LPG-ethanol xe gắn máy công bố CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY 2.1 Hệ phương trình chảy rối Mơ hình chảy rối thường biểu diễn thông qua động rối k tốc độ tiêu tán động rối  phương trình chuyển sau đây:    ( k )  ( ku )  i x t xi j    ui   t xi x j      t   k  k     P  P    Y  S  x  k b M K  j       2    t    C1 Pk  C3Pb  C 2  S   x k k   j   (2.6) (2.7) 2.2 Lý thuyết q trình cháy nhiên liệu khí Trong tính tốn mơ phỏng, tốn nhiệt động hóa học đơn giản hóa thơng số nhất, thành phần hỗn hợp f f đại lượng bảo tồn, phương trình bảo tồn đại lượng khơng có đại lượng nguồn 2.2.1 Lý thuyết cháy hỗn hợp khơng hịa trộn trước -6- 2.2.1.1 Lý thuyết thành phần hỗn hợp Thành phần hỗn hợp viết dạng thành phần khối lượng nguyên tử sau: f Z i  Z i, ox Z i, fuel  Z i, ox (2.8) 2.2.1.2 Mô hình tương tác rối hóa học a Mơ tả hàm mật độ xác suất Hàm mật độ xác suất ký hiệu p(f), biểu diễn dạng toán học sau: p( f )f  lim   i T  T i (2.17) b Đạo hàm giá trị đại lượng trung bình từ thành phần hỗn hợp tức thời Hàm mật độ xác suất p(f) mơ tả dao động f dịng chảy rối dùng để tính giá trị tức thời biến số phụ thuộc vào f i   p(f )i (f )df (2.18) 2.2.1.3 Mở rộng mơ hình cháy khơng hịa trộn trước cho trường hợp không đoạn nhiệt Việc xác định i hệ thống khơng đoạn nhiệt cần có nghiệm số phương trình vận chuyển enthalpy trung bình: k    ( H ).( v H ). t H  Sh  cp  t   (2.25) 2.2.2 Lý thuyết q trình cháy hỗn hợp hịa trộn trước 2.2.2.1 Lan tràn màng lửa Sự lan tràn màng lửa mơ hình hóa thơng qua giải phương trình vận chuyển biến diễn tiến phản ứng trung bình, ký hiệu c -7-     ( c).( v c). t c  Sc t  Sct  (2.26) 2.2.2.2 Tốc độ màng lửa rối Trong Fluent, tốc độ màng lửa rối tính tốn dựa vào mơ hình độ nhăn nheo bề dày màng lửa: U t  A( u')3/ U l1/ 2 1/ lt1/ (2.29) 1/   U t  Au'  t  c  2.2.2.3 Tốc độ màng lửa chảy tầng Tốc độ màng lửa chảy tầng (Ul phương trình 2.32) số phương trình người sử dụng đặt U l  U l ,ref  Tu   Tu ,ref      pu     pu ,ref   (2.32) 2.2.2.4 Mơ hình cháy hỗn hợp hịa trộn trước Fluent Tính tốn đại lượng nguồn, Sc, dựa lý thuyết trình bày:  Sc  AG.u I / U l ( lp ) 1/  ( lp ) 1/ 1/ t l c (2.35) 1/    Sc  AGu I  t   c (lp )  c (2.36) 2.2.2.5 Tính tốn nhiệt độ a Tính tốn nhiệt độ đoạn nhiệt Đối với mơ hình cháy đoạn nhiệt hỗn hợp hịa trộn trước, điều kiện đoạn nhiệt: Tad: T  (  c )Tu  cTad b Tính tốn nhiệt độ khơng đoạn nhiệt (2.37) Phương trình lượng viết theo độ tăng enthalpy, h, -8- 3.3.3 Quá trình hình thành hỗn hợp phun LPG-ethanol  t (ms) Ethanol n=5000 (%V) vg/ph LPG (%V) 140 n=3000 vg/ph 140 Hình 3.6: Diễn biến mật độ hạt phân bố ethanol, LPG xilanh động chạy tốc độ 5000 vg/ph 3000 vg/ph, BG0, Tnạp=310K, k=1, =1 Hình 3.6 cho thấy ethanol bốc sau phun, tạo thành vùng giàu ethanol đường nạp phía đối diện vịi phun Cuối kỳ nạp, không gian xi lanh chia thành hai khu vực rõ rệt, ngăn cách vệt giàu nhiên liệu LPG  Etha (%V) LPG (%V) 300 330 360  Hình 3.8: Diễn biến mật độ hạt phân bố ethanol, LPG xi lanh trình nén động chạy tốc độ 7000 vg/ph, BG0, Tnạp=310K, k=1, =1 Trong kỳ nén, khu vực tương đối giàu nhiên liệu LPG tập trung gần nến đánh lửa khu vực giàu ethanol lại tập trung khu vực xa nến đánh lửa (hình 3.8) Sự phân bố nồng độ nhiên liệu trường hợp có lợi q trình cháy Ethanol có số octane cao nên phân bố xa nến đánh lửa tránh tượng kích nổ áp suất nhiệt độ hỗn hợp tăng cao Sự phân lớp octane hỗn hợp nhiên liệu lợi lớn động đánh lửa cưỡng sử dụng ethanol -11- 0.03 20 0.02 10 0.01 0 60 120 180  (CA)  240 0.06 dpm (g/m3) Ev (mg/s) 50 0.05 40 0.04 30 0.03 20 0.02 10 0.01 300 Ev (mg/s) 0.04 30 Liquid Particle Density (g/m3) 40 Ev (mg/s) 0.05 dpm (g/m3) 50 60 Evaporation Rate (mg/s) 0.06 dpm (g/m3) Ev (mg/s) Evaporation Rate (mg/s) dpm (g/m3) Liquid Particle Density (g/m3) 60 0 60 120 180 (CA)  240 300  ( TK)  ( TK) (a) (b) 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) Hình 3.12 ứng với E15L (a), trình bốc kết thúc khoảng =180TK, nghĩa cuối trình nạp tất hạt nhiên liệu ethanol bốc hồn tồn Trong ứng với E30L (b), trình bốc hạt nhiên liệu lỏng kéo dài đến cuối trình nén Do cần phải có giải pháp hỗ trợ bốc ethanol sử dụng nhiên liệu với hàm lượng ethanol cao 30% động xe gắn máy 3.4 Mô trình cháy 145 141 3.9 137 3.8 133 3.7 129 3.6 125 3.5 0.9 0.95  1.05 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, Pe (kW) Wi (J/ct) 3.4.1 Ảnh hưởng hệ số tương đương s=20TK) 1.1 Kết cho thấy cơng thị chu trình đạt giá trị cực đại ứng với hỗn hợp cháy =1,08 (hình 3.26) Ứng với hệ số tương đương này, công thị chu trình Wi tăng 3% so với trường hợp =1 -12- 3.4.2 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm 50 10 15 20 25 30 35 30 s (TK) 40 10 15 20 25 30 35 30 p (bar) 40 p (bar) 50 s (TK) 20 20 10 10 0 120 150 180 210  (TK) 240 270 20 40 (a) 60 V (cm3) 80 100 120 (b) 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) Công thị chu trình động đạt giá trị cực đại diện tích đồ thị cơng lớn nhất, tương ứng với góc đánh lửa sớm tối ưu ứng với chế độ vận hành động cho trước 160 148 5.2 136 4.4 124 3.6 112 2.8 100 2000 3000 4000 5000 n (v/ph) 6000 Hình 3.33: Ảnh hưởng Pe (kW) Wi (J/ct) 3.4.3 Ảnh hưởng tốc độ động tốc độ động đến công thị chu trình Wi cơng suất có ích Pe (E30L, =1, góc đánh lửa sớm tối ưu) 7000 Cơng thị chu trình giảm từ 156 J/ct xuống 117 J/ct tốc độ động tăng từ 2000 vg/ph lên 7000 vg/ph (hình 3.33) điều kiện góc đánh lửa sớm tối ưu -13- 3.4.4 Ảnh hưởng hàm lượng ethanol 50 10 40 50 E0 E0L E15 E15L E30 E30L E45 E45L E70 E70L E100 E100L p (bar) 20 10 0 p (bar) E0L E0 E100 E100L 30 HRR (J/CA) 40 30 20 10 0 20 120 150 180 210 240 270 300 330 360 40 60 80 V (cm3) 100 120  ((CA)   TK) b) (a) 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/ph, s=20TK) Kết mơ (hình 3.35a) cho áp suất cực đại chạy ethanol (E100L) cao chạy LPG (E0L) Khi tăng hàm lượng ethanol áp suất giai đoạn nén giảm áp suất giai đoạn cháy tăng làm tăng diện tích đồ thị cơng, tăng cơng thị chu trình (hình 3.35b) Kết tính tốn cho thấy cơng thị chu trình động đạt 130, 134, 136, 146, 150 152 J/cyc ứng với E0, E15, E30, E45, E70 E100 3.5 Mô phát thải ô nhiễm 3.5.1 Ảnh hưởng hệ số tương đương đến biến thiên HC,CO, NOx CO, HC, NOx (ppm), T (K) 5000 4000 NOx CO HC T Hình 3.39: Tổng hợp ảnh hưởng hệ số tương đương đến 3000 biến thiên nồng độ HC,CO NOx nhiệt độ cháy động (E30L, n=5000 vg/ph, 2000 1000 s=30TK) 0.9 0.95  1.05 1.1 -14- Trong điều kiện vận hành (hình 3.39), nhiệt độ hỗn hợp khí đạt giá trị cao ứng với  khoảng 1,03 ÷1,08 Nồng độ NOx ổn định lớn 1,03 Trong nồng độ CO, HC tăng nhanh >1 trình cháy diễn khơng hồn tồn 3.5.2 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến biến thiên nồng độ HC, CO NOx 4000 CO, HC, NOx (ppm), T (K) NOx CO HC Hình 3.43: Tổng hợp ảnh hưởng góc đánh lửa T 3000 sớm s đến biến thiên nồng 2000 độ HC, CO NOx nhiệt độ cháy T (E15L, n=5000 1000 vg/ph, =1) 10 15 20 25 s (TK) 30 35 Chúng ta thấy nhiệt độ khí thải thay đổi nhẹ (hình 3.43), góc đánh lửa sớm tăng từ 10TK lên 35TK, nồng độ NOx tăng 50%, nồng độ CO HC giảm trung bình 50% 3.5.3 Ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên nồng độ HC, CO NOx 6000 Hình 3.46: Tổng hợp ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên nồng độ NOx, CO, HC nhiệt độ cháy T CO, HC, NOx (ppm), T (K) 5000 4000 3000 NOx CO HC T 2000 (E30L, ϕ=1, φs=20TK) 1000 2000 3000 4000 5000 n (v/ph) 6000 7000 Ngược lại với phát thải CO, điều kiện vận hành chế độ nhiên liệu định, nồng độ NOx giảm tốc độ động tăng (hình 3.46) Khi tốc độ động tăng, nhiệt độ cháy thời gian cháy giảm, kết giảm nồng độ NOx -15- 3.5.4 Ảnh hưởng hàm lượng ethanol đến biến thiên nồng độ HC, CO NOx 2500 E0L E0 2000 E15L E15 E30L E30 E45L E45 E70L E70 E100L E100 1000 E15 E15L E30 E30L E45 E45L E70L E70 E100L E100 0.08 HC (%V) T (K) 1500 E0 E0L 0.04 500 330 345 360 0 60 120 180 240 300 150 360 180 210 240 270  (TK) (CA) (TK) (a) (b) 300 330 360 1.5 E0L E0 1500 E15L E15 1.25 E30L E30 E70L E70 0.75 E100L E100 0.5 900 NOx (ppm) CO (%V) 1200 E45L E45 0.25 600 E0L E0 E30L E30 E70 E70L 300 150 180 210 240 270 300 330 E15L E15 E45 E45L E100 E100L 360 150   (CA) (TK) 180 210 240 270 (CA)  300 330 360  ( TK) (c) (d) Hình 3.47: Ảnh hưởng hàm lượng ethanol đến biến thiên nhiệt độ cháy (a) nồng độ NOx (b), nồng độ CO (c) nồng độ NOx (d) khí thải động (n=5000 vg/ph, BG45, ϕ=1, φs=20TK) Do nhiệt ẩn bốc ethanol cao nên tăng hàm lượng ethanol, nhiệt độ khí nạp giảm làm giảm nhiệt độ cháy nhiệt độ hỗn hợp đường giãn nở (hình 3.47a) Nhiệt độ cháy giảm dẫn đến nồng độ NOx giảm mạnh theo hàm lượng ethanol Hình 3.47b cho thấy hàm lượng NOx khí thải chạy LPG gần gấp đơi hàm lượng NOx khí thải chạy ethanol Nhờ tăng tốc độ cháy, tốc độ tỏa nhiệt -16- trình cháy cải thiện nhờ diện oxygen ethanol nên tăng hàm lượng ethanol, q trình cháy diễn hồn tồn hơn, dẫn đến giảm nồng độ CO HC khí thải (hình 3.47c hình 3.47d) Kết hình 3.35 hình 3.47 cho thấy, động chạy E30L có cơng thị chu trình tăng 4.5%, phát thải NOx, CO HC giảm tương ứng 13, 20 17% so với động chạy hoàn toàn LPG 3.6 Kết luận - Khi phun LPG-ethanol đường nạp cuối trình nén khu vực tương đối giàu LPG tập trung gần nến đánh lửa khu vực giàu Ethanol tập trung khu vực xa nến đánh lửa Nhờ phân lớp nồng độ nhiên liệu động tránh tượng kích nổ - Mức độ giảm thời gian phun LPG trung bình cao mức giảm thời gian phun ethanol Khi động chạy LPG-ethanol trình bốc nhiên liệu cải thiện Góc đánh lửa sớm tối ưu tăng tăng tốc độ động - Nồng độ hóng tăng tăng hàm lượng ethanol hỗn hợp với nhiên liệu LPG Việc bổ sung ethanol vào LPG làm giảm lượng khí thải nhiễm - Ở góc đánh lửa sớm cố định, tốc độ động tăng dẫn đến nồng độ CO tăng, nồng độ NOx giảm Ở tốc độ động định, việc tăng góc đánh lửa sớm dẫn đến giảm phát thải CO tăng nồng độ NOx CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1 Mục đích giới hạn nội dung nghiên cứu thực nghiệm - Chế tạo tạo tải động cơ, đo momen phân tích khí thải động số chế độ vận hành - Cải tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG-ethanol xe gắn máy -17- 4.2 Trang thiết bị nghiên cứu 4.2.1 Các thiết bị tạo tải động Bộ tạo tải động cải tạo từ máy phát điện để tạo momen cản Các cảm biến lực (loadcell), cảm biến tốc độ động cơ, điều khiển bướm ga (servo motor), mạch điện kết nối điều khiển kết nối với máy tính qua board mạch vi điều khiển Arduino Uno R3 Toàn thiết bị hệ thống thử nghiệm động xe gắn máy hình 4.4 Hình 4.4: Sơ đồ cấu tạo tạo tải động xe gắn máy Động thử nghiệm, Khớp truyền động, Loadcell, Giá, Phanh điện, Quạt làm mát 4.3 Chuyển đổi xe gắn máy chạy xăng sang chạy LPG-ethanol ECU Điều chỉnh Tỉ lệ nhiên liệu C C A B Arduino Ổn áp B Lọc Xăng/Ethanol Bơm Hình 4.8: Sơ đồ hệ thống cung cấp đa nhiên liệu liệu LPG-ethanol cho động xe gắn máy Cảm biến vị trí bướm ga, Cảm biến áp suất khí nạp, Cảm biến áp suất nhiên liệu, Cảm biến tốc độ, Cảm biến kích nổ, Cảm biến nhiệt độ thành xi lanh, Cảm biến oxygen, A Tín hiệu điều khiển vịi phun nhiên liệu lỏng, B Tín hiệu điều khiển vịi phun nhiên liệu khí, C Tín hiệu điều khiển đánh lửa Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu LPG-ethanol cho động xe gắn máy trình bày hình 4.8 Hệ thống gồm vịi phun lắp -18- phía sau bướm ga: vịi phun nhiên liệu lỏng để phun ethanol, vòi phun nhiên liệu khí để phun LPG Vịi phun LPG lắp bên cạnh vòi phun ethanol (sử dụng lại vòi phun xăng) Một vi điều khiển Arduino bổ sung vào ECU để điều khiển vòi phun Vi điều khiển nhận tín hiệu điều khiển vịi phun xăng ngun thủy từ ECU sau chia thành xung tín hiệu điều khiển với độ rộng xung xác định theo tỷ lệ nhiên liệu ethanol/LPG cần cung cấp Phương pháp giúp cho việc điều chỉnh tỉ lệ nhiên liệu linh hoạt đồng thời giúp cho việc cải tạo hệ thống nhiên liệu động gọn nhẹ, đơn giản 4.5 Thử nghiệm xe gắn máy chạy nhiên liệu LPG-ethanol tạo tải động Hình 4.13: Sơ đồ bố trí thí nghiệm Động Honda + 11 RSX xăng-ethanolLPG; Phanh điện; + Cell load; 14 12 Encoder; Điện 13 trở; Accu; Mạch 15 16 điều chỉnh dòng điện kíchđộng RSX; 11 thích; Vi điều khiển Arduino; Máy tính; 10 ECU Vịi phun LPG; 12 Vịi phun xăng/ethanol; 13 Bình chứa ethanol; 14 Bình chứa LPG; 15 Cân điện tử; 16 Cân điện tử Hình 4.13 giới thiệu sơ đồ bố trí thí nghiệm, hệ thống gồm động LPG-ethanol thử nghiệm kết nối với phanh điện nhờ khớp nối mềm Trong thí nghiệm tốc độ động chọn giá trị: 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500 5000 vg/ph Để đảm bảo độ an toàn hệ thống đo, tốc độ động giới hạn 5000 vg/ph Điều chỉnh tỉ lệ phun ethanol LPG giá trị từ ExL= 0% đến ExL=40% -19- 4.6 Đánh giá kết thử nghiệm so sánh kết mô 4.6.1 So sánh ảnh hưởng tốc độ động đến tính động cho mơ thực nghiệm Hình 4.21: So sánh ảnh hưởng tốc độ động đến công suất phát thải ô nhiễm động cho mô thực nghiệm (E30L, =1, s tối ưu) Nồng độ CO thực nghiệm cao giá trị mô khoảng 8% tốc độ 2000 vg/ph cao khoảng 5% tốc độ 5000 vg/ph Nồng độ HC theo thực nghiệm cao giá trị mô trung bình khoảng 15% nồng độ NOx cho thực nghiệm nhỏ giá trị mô trung bình khoảng 12% 4.2 Hình 4.22: Biến thiên cơng suất Pe (kW) 4.1 đầu Pe theo hàm lượng ethanol 3.9 thay đổi từ E0L đến E40L cho 3.8 mô thực nghiệm chạy ethanol-LPG ━: Mô phỏng,  : Thực nghiệm 3.7 3.6 10 20 30 E (%V) 40 50 Chúng ta thấy chênh lệch kết thực nghiệm mô khoảng 10% trường hợp ExL=10% khoảng 5% trường hợp ExL=40% -20- 4.6.2 So sánh ảnh hưởng hàm lượng ethanol đến tính động cho mô thực nghiệm 0.3 1600 1400 0.2 NOx (ppm) CO (%V) 0.25 0.15 0.1 1000 800 0.05 600 0 10 20 30 E (%V) 40 50 (a) 700 600 500 400 300 200 10 20 10 20 E (%V) 30 40 50 (b) 800 HC (ppm) 1200 30 40 50 E (% V) ━: Mô phỏng,  : Thực nghiệm Hình 4.23: So sánh biến thiên nồng độ CO (a) nồng độ NOx (b) HC (c) theo hàm lượng ethanol thay đổi từ E0L đến E40L (=1, n=4000 vg/ph, s=20TK) Khác biệt giá trị nồng độ CO, NOx động chạy LPG pha 40% ethanol nhỏ giá trị chúng động chạy LPG pha 10% ethanol E0L Hệ số Pe (kW) 4,2 CO (%) 0,27 HC (ppm) 700 NOx (ppm) 1500 Hình 4.24: Đánh giá biến thiên cơng suất đầu Pe mức độ phát -21- thải ô nhiễm động chạy LPG (E0L) cho mô thực nghiệm (=1, n=4500 vg/ph, s=28TK) CO, HC cho thực nghiệm cao giá trị mô phát thải NOx cho thực nghiệm thấp mô q trình cháy thực tế khơng diễn hồn tồn lý tưởng tính tốn mơ E40L Hệ số Pe (kW) 4,5 CO (%) 0,15 HC (ppm) 410 NOx (ppm) 1200 Hình 4.25: So sánh công suất mức độ phát thải ô nhiễm động chạy nhiên liệu E40L tốc độ 4500 vg/ph, =1, s=28TK HC cho thực nghiệm gần với giá trị mô trường hợp E0L Sự khác biệt thực nghiệm mô HC NOx không thay đổi so với trường hợp E0L 4.7 Kết luận - Có thể cải tạo hệ thống phun xăng xe gắn máy thành hệ thống phun nhiên liệu lỏng/khí cách bổ sung thêm vi mạch điều khiển kết nối với ECM động - Biến thiên nồng độ CO, HC khí thải động theo hàm lượng ethanol cho thực nghiệm cao giá trị mô nồng độ NOx cho thực nghiệm thấp giá trị mô - Sự phù hợp mô thực nghiệm cho phép sử dụng mô để dự báo thông số vận hành động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu hybrid lỏng/khí -22- KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết nghiên cứu cho phép rút kết luận sau: Đã thiết lập mơ hình tính tốn mơ trình phun riêng rẽ hai loại nhiên liệu ethanol LPG đường nạp động J52C, sở nghiên cứu q trình cháy phát thải ô nhiễm động Kết mô phỏng: - Khi hàm lượng ethanol nhỏ 30%, hạt nhiên liệu lỏng bốc hồn tồn kỳ nạp, cơng thị chu trình Wi tăng nhanh Khi hàm lượng ethanol lớn 30%, Wi tăng chậm - Khi động chạy E30L, cơng thị chu trình tăng 4.5%, phát thải NOx, CO HC giảm tương ứng 13, 20 17% so với chạy hồn tồn LPG Nồng độ bồ hóng động chạy E30L 50% nồng độ bồ hóng chạy ethanol E100L - Hệ số tương đương tối ưu động chạy nhiên liệu E30L nằm khoảng 1,03-1,08 Nồng độ CO HC khí thải tăng nhanh theo hệ số tương đương phát thải NOx gần ổn định  cao giá trị tối ưu - Khi động chạy nhiên liệu E15L tốc độ 5000 vg/ph với góc đánh lửa sớm tăng từ 10TK lên 35TK, nồng độ NOx tăng 50%, nồng độ CO HC giảm trung bình 50% Động phun xăng cải tạo thành động phun riêng rẽ sử dụng hai nhiên liệu khí/lỏng cách bổ sung thêm mạch vi điều khiển để tách xung điều khiển vòi phun xăng nguyên thủy thành xung riêng rẽ với bề rộng xung tỷ lệ với thành phần nhiên liệu cần cung cấp Kết thực nghiệm cho thấy: - Nồng độ CO, HC khí thải động cho thực nghiệm cao giá trị mơ cơng thị chu trình nồng độ NOx cho thực nghiệm thấp giá trị mô - Khi động chạy nhiên liệu E30L, công suất cho thực -23- nghiệm nhỏ giá trị tính tốn mơ khoảng 10% tốc độ 2000 vg/ph nhỏ 6% tốc độ 5000 vg/ph Nồng độ CO thực nghiệm cao giá trị mô khoảng 8% tốc độ 2000 vg/ph cao khoảng 5% tốc độ 5000 vg/ph Nồng độ HC theo thực nghiệm cao giá trị mơ trung bình khoảng 15% nồng độ NOx cho thực nghiệm nhỏ giá trị mơ trung bình khoảng 12% Kết phát triển, ứng dụng mơ hình: Bước đầu xây dựng mơ hình (bộ điều khiển phun nhiên liệu lỏng/khí) lắp ráp xe gắn máy Honda chạy thực nghiệm tạo tải động đường thử Ở điều kiện vận hành đô thị, động J52C lắp xe gắn máy Honda RSX 2014 cấp bổ sung ethanol vào LPG hoạt động phạm vi tốc độ động khoảng 4000 ÷5000 vg/ph phát thải tối ưu khí thải nhiễm HƯỚNG PHÁT TRIỂN Đề tài tiếp tục phát triển theo hướng sau đây: - Hoàn thiện hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid LPG-ethanol cho động xe gắn máy theo hướng xe gắn máy sử dụng nhiên liệu linh hoạt (Flexible Fuel Motorcycles); cải tạo ECU xe gắn máy hành để vận hành với nhiên liệu linh hoạt - Đo tính kỹ thuật phát thải ô nhiễm xe gắn máy LPGethanol băng thử để so sánh, đánh giá hiệu thực tế sử dụng LPG-ethanol so với sử dụng loại nhiên liệu truyền thống CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Bùi Văn Ga, Bùi Văn Tấn, Nguyễn Văn Đông: Ảnh hưởng nhiên liệu, tỷ số nén góc đánh lửa sớm đến q trình cháy hỗn hợp xăng ethanol động Daewoo Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, Số [98], pp 22-26, 2016 -24- Bui Van Ga, Tran Van Nam, Nguyen Van Dong, Bui Van Tan: Comparison of Performance and Pollution Emission of Engine Fueled with Gasoline Ethanol Blended Fuels and Biogas Journal of Science and Technology 112 (2016), pp 93-99 Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Đông, Bùi Văn Tấn, Nguyễn Quang Trung: Ảnh hưởng thành phần H2 làm giàu biogas đến tính công tác mức độ phát thải ô nhiễm động dual fuel biogas-diesel Tuyển tập cơng trình Hội nghị Cơ học Thủy khí Tồn quốc lần thứ 20, Cần Thơ, 27-29 tháng năm 2017, Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp HCM, 2018, pp 238-245 Trần Thanh Hải Tùng, Bùi Văn Ga, Võ Anh Vũ, Bùi Văn Tấn: Xe gắn máy sinh thái Tuyển tập Cơng trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí toàn quốc lần thứ 21, Quinhon 19-21/7/2018, pp 894-906 Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Bùi Văn Tấn, Võ Như Tùng: Mô Engine Map động cung cấp nhiên liệu kiểu hybrid biogasxăng Tuyển tập Công trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí tồn quốc lần thứ 22, Hải Phòng, 25-27/7/2019, pp 250-259 Bùi Văn Ga, Dương Việt Dũng, Lê Minh Tiến, Bùi Văn Tấn: So sánh mơ thực nghiệm tính động xe gắn máy Honda RSX 110cc phun ethanol-LPG trước cửa nạp Tuyển tập Cơng trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí tồn quốc lần thứ 23, Đà Nẵng 7/11/2020, pp 124-136 Bui Van Ga, Tran Thanh Hai Tung, Bui Thi Minh Tu, and Bui Van Tan: Effects of Ethanol Addition to LPG or to Gasoline on Emissions of Motorcycle Engines Operating Under Urban Conditions GMSARN International Journal 14 (4), 2020, 185-194 Bui Van Ga, Cao Xuan Tuan, Bui Van Hung, Nguyen Thi Thanh Xuan, and Bui Van Tan: Performance and Emissions of Motorcycle Engine Fueled with LPG-Ethanol by Port Injection CIGOS 2021, Emerging Technologies and Applications for Green Infrastructure Springer, Singapore, 2022 1673-1682 -25- ... đề tài ? ?Nâng cao tính kinh tế- kỹ thuật giảm mức độ phát thải ô nhiễm động xe gắn máy chạy LPG ethanol? ?? luận án có ý nghĩa to lớn cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu Tận dụng tối đa lợi LPG ethanol. .. PHÁT THẢI Ơ NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ XE GẮN MÁY CHẠY BẰNG LPG- ETHANOL 3.1 Mục tiêu, đối tượng phương pháp mô - Mô thực động J52C lắp xe gắn máy Honda RSX FI, sử dụng nhiên liệu hybrid LPG- ethanol Trong... lắp ráp xe gắn máy Honda chạy thực nghiệm tạo tải động đường thử Ở điều kiện vận hành ? ?ô thị, động J52C lắp xe gắn máy Honda RSX 2014 cấp bổ sung ethanol vào LPG hoạt động phạm vi tốc độ động khoảng