(Luận án tiến sĩ) 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 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Thế giới ngày phát triển, kèm với với nhu cầu vận chuyển, lại ngày cao, làm gia tăng nhanh chóng số lượng, chủng loại phương tiện giao thơng sử dụng nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt phương tiện cá nhân Điều gây tác động mạnh mẽ đến vấn đề an ninh lượng phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính gây biến đổi khí hậu Để giải hai vấn đề trên, nghiên cứu ngày tập trung theo hướng sử dụng lượng điện ứng dụng lượng tái tạo thay phần hay hoàn tồn loại nhiên liệu hóa thạch sử dụng phương tiện giao thông Khác với nước phát triển, xe gắn máy phương tiện giao thông cá nhân nước ta với mật độ trung bình hai người dân có xe gắn máy, thuộc vào nhóm nước có mật độ xe gắn máy cao giới Tình hình cịn kéo dài vài thập kỷ tới Số lượng xe máy tăng từ 1,2 triệu năm 1990 lên 58 triệu năm 2018 [79] Hà Nội Thành phố Hồ Chí Minh có số lượng lớn nhất, với gần triệu 8,5 triệu Khí thải từ phương tiện làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng khơng khí, ảnh hưởng tiêu cực đến mơi trường sống làm tăng nồng độ CO2 bầu khí Trong nhiều công nghệ áp dung ô tô để giảm phát thải CO2 chất nhiễm xe gắn máy chưa cải tiến nhiều để nâng cao hiệu q trình cháy [1] Vấn đề nhiễm khí thải từ phương tiện tham gia giao thông Chính phủ quan chức quan tâm từ lâu Năm 1995, Việt Nam ban hành quy định kiểm sốt khí thải tơ theo tiêu chuẩn Euro Kể từ tháng 01 năm 2017, loại xe ô tô sản xuất, lắp ráp nhập phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức Euro cịn loại xe mơ tơ hai bánh sản xuất, lắp ráp nhập phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức Euro [85] Với tính đặc thù phương tiện giao thơng nêu trên, việc áp dụng công nghệ để nâng cao hiệu sử dụng nhiên liệu giảm phát thải ô nhiễm xe gắn máy cần thiết để tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải CO2 bảo vệ môi trường nước ta Một giải pháp có tính khả thi cao sử dụng nhiên liệu thay thế- tái tạo thay cho xăng Trong loại nhiên liệu dùng để thay xăng CNG LPG có nhiều lợi CNG nhiên liệu sạch, có mức phát thải HC CO trung bình thấp tương ứng 92% 78% so với nhiên liệu xăng Tuy nhiên, bình chứa CNG cồng kềnh lưu trữ áp suất cao rào cản cho việc ứng dụng rộng rãi loại nhiên liệu thay xe máy LPG với áp suất hóa lỏng thấp khắc phục nhược điểm CNG So với xăng, xe chạy LPG có lượng phát thải NOx CO thấp tương ứng 20% 60% Theo cơng trình nghiên cứu nhóm nghiên cứu động nhiên liệu khí (GATEC)-Đại học Đà Nẵng việc áp dụng LPG giải pháp thích hợp để giảm phát thải ô nhiễm xe gắn máy [86] Mặc dù xem nhiên liệu “sạch” CNG LPG nhiên liệu hóa thạch nên việc sử dụng chúng làm tăng nồng độ CO2 bầu khí Vì việc sử dụng kết hợp loại nhiên liệu với loại nhiên liệu tái tạo khác mang lại lợi ích thiết thực công tác bảo vệ môi trường Trong điều kiện thực tế cung ứng nhiên liệu tính đặc thù kết cấu xe gắn máy việc sử dụng kết hợp LPG ethanol giải pháp phù hợp Ethanol nhiên liệu tái tạo nên việc sử dụng làm nhiên liệu khơng làm gia tăng nồng độ chất khí gây hiệu ứng nhà kính Mặt khác, ethanol có số octane cao, làm tăng tính chống kích nổ động Do ethanol có chứa oxygen nên cháy sạch, làm giảm phát thải chất nhiễm Vì việc kết hợp sử dụng LPG ethanol cải thiện tính kỹ thuật giảm phát thải nhiễm xe gắn máy Ethanol pha trộn với xăng theo tỷ lệ định, gọi xăng sinh học, để sử dụng phương tiện giao thông Việc cung cấp xăng sinh học với tỷ lệ ethanol thấp (dưới 15%) cho động xăng không làm thay đổi hệ thống cung cấp nhiên liệu xe Tuy nhiên ethanol LPG có trạng thái khác điều kiện môi trường nên việc ứng dụng LPG-ethanol cho động đòi hỏi giải pháp kỹ thuật phức tạp liên quan đến hệ thống cung cấp nhiên liệu 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 Vì việc nghiên cứu tìm kiếm giải pháp cơng nghệ hiệu để tận dụng ưu điểm LPG ethanol làm nhiên liệu cho xe gắn máy cần thiết Với lý đó, đề tài “Nâng cao tính kinh tế-kỹ thuật giảm mức độ phát thải ô nhiễm động xe gắn máy chạy LPG ethanol” mang ý nghĩa thiết thực nước ta Đề tài góp phần phát triển cơng nghệ cung cấp nhiên liệu lỏng/khí riêng rẽ với thành phần nhiên liệu thay đổi linh hoạt, phù hợp với chế độ vận hành động Kết nghiên cứu đề tài nêu bật yếu tố ảnh hưởng đến tính mức độ phát thải ô nhiễm động chạy LPG-ethanol để định hướng cho việc thiết kế hệ thống điều khiển động nhằm nâng cao hiệu sử dụng xe gắn máy sử dụng nhiên liệu thay thế-tái tạo Mục tiêu nghiên cứu 2.1 Mục tiêu tổng quát 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 ô nhiễm CO2 2.2 Mục tiêu cụ thể Cải tạo hệ thống phun xăng xe gắn máy thành hệ thống cung cấp nhiên liệu lỏng/khí ethanol/LPG với thành phần nhiên liệu thay đổi linh hoạt theo chế độ vận hành động cơ, hạn chế thay đổi kết cấu động nguyên thủy Tính tốn mơ so sánh với thực nghiệm ảnh hưởng yếu tố khác đến tính kỹ thuật mức độ phát thải nhiễm động chạy LPG-ethanol để định hướng phát triển hệ thống điều khiển động tối ưu Xây dựng tảng kỹ thuật ban đầu để tiếp tục nghiên cứu phát triển công nghệ, tiến tới nâng cấp dòng động xe gắn máy hệ chạy nhiên liệu thay thế-tái tạo, góp phần giảm phát thải chất nhiễm chất khí gây ứng nhà kính, đa dạng nguồn nhiên liệu sử dụng cho xe máy Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu động J52C lắp xe gắn máy Honda RSX 110cc Đây động xi lanh, kỳ, phun xăng điều khiển điện tử Động cải tạo sang chạy nhiên liệu LPG ethanol 3.2 Phạm vi nghiên cứu Thực nghiên cứu mô bản, làm tảng ban đầu định hướng phát triển công nghệ ứng dụng nhiên liệu LPG-ethanol xe gắn máy Với phạm vi nghiên cứu này, luận án tập trung nghiên cứu nội dung sau đây: Về lý thuyết: - Thiết lập hệ phương trình học thủy khí áp dụng cho q trình cháy rối - Mơ hình rối để khép kín hệ phương trình đối lưu-khuếch tán - Mơ hình hóa q trình cháy hình thành chất nhiễm - Mơ hình tia phun nhiên liệu Về mô phỏng: - Sử dụng phần mềm Fluent để mơ q trình nạp riêng rẽ LPG ethanol vào đường nạp động - Sử dụng phần mềm Fluent để tính tốn q trình cháy phát thải chất ô nhiễm CO, HC NOx động chạy LPG-ethanol - Mơ tính cơng tác động chạy LPG-ethanol điều kiện vận hành cung cấp nhiên liệu khác Về thực nghiệm: - Cải tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu động bao gồm: lập trình vi điều khiển kết nối với ECU, bố trí vịi phun LPG vòi phun ethanol, thiết lập nguyên lý điều chỉnh linh hoạt thành phần nhiên liệu ethanol/LPG - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị tạo lực phanh thích hợp để đo mơ men động thí nghiệm số chế độ vận hành xác định nhằm đánh giá kết mơ - Phân tích mức độ phát thải ô nhiễm động chạy LPG-ethanol so sánh với kết mô số chế độ vận hành xác định Phương pháp nghiên cứu Trên sở nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mơ làm cơng cụ nghiên cứu nhằm khắc phục khó khăn nghiên cứu thực nghiệm môi trường cháy rối phức tạp diễn buồng cháy động Đo đạc thực nghiệm thực số chế độ vận hành xác định động nhằm kiểm chứng kết mô Sự phù hợp kết cho mô thực nghiệm cho phép rút kết luận mang tính tổng quát 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 LPGethanol Cấu trúc nội dung luận án Ngoài phần mở đầu kết luận, cấu trúc luận án gồm có chương sau:  Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu LPGethanol 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 Xe gắn máy phương tiện giao thông cá nhân nước ta, ngun nhân gây nhiễm bầu khơng khí phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính Vì việc nghiên cứu phát triển công nghệ nhằm nâng cao hiệu sử dụng nhiên liệu giảm phát thải ô nhiễm xe gắn máy có ý nghĩa thực tiễn thiết thực Cùng với phát triển loại phương tiện chạy điện hay hydrogen, việc sử dụng nhiên liệu thay thế, tái tạo ô tô, xe gắn máy giải pháp phù hợp để thay xăng dầu truyền thống Ethanol, nhiên liệu tái tạo, pha vào xăng thành hỗn hợp nhiên liệu sử dụng động đốt LPG, nhiên liệu thay thế, từ lâu sử dụng phương tiện giao thông chứng minh tính ưu việt mặt kinh tế giảm phát thải ô nhiễm Việc phối hợp sử dụng LPG ethanol tận dụng mạnh hai loại nhiên liệu để cải thiện q 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 phức tạp sử dụng hỗn hợp xăng-ethanol Cho đến kết nghiên cứu công bố vấn đề Việc sử dụng công cụ mô kết hợp với kiểm chứng thực nghiệm số chế độ vận hành xác định động để nghiên cứu phương pháp phù hợp nhằm khắc phục khó khăn thực nghiệm mơi trường cháy rối phức tạp Nhờ đó, rút kết luận mang tính tổng quát nhằm định hướng cho việc phát triển công nghệ ứng dụng LPG-ethanol xe gắn máy Các điểm chủ yếu luận án  Đặt tảng cho nghiên cứu phát triển việc ứng dụng nhiên liệu không 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 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 1: 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 Con người khai thác đến mức cao nguồn lượng hóa thạch (dầu mỏ, khí thiên nhiên, than đá…), làm cho chúng cạn kiệt với tốc độ phi mã Theo hiệp hội nhà sản xuất ô tô giới (OICA), đến năm 2015 tồn giới có khoảng 1,282 tỷ xe ô tô loại lưu hành với tốc độ gia tăng liên tục qua năm Trung tâm nghiên cứu lượng Anh (UKERC), hội đồng lượng giới (WEC) ngân hàng HSBC dự báo nguồn dầu mỏ cạn kiệt sau khoảng 40 năm (2060) với mức khai thác [15] Hiện ngày giới cần đến 100 triệu thùng dầu thơ, vịng 20 năm nữa, nhu cầu tăng lên 118 triệu thùng/ngày Hình 1.1: Tổng lượng nhiên liệu lỏng giới sản xuất tiêu thụ giai đoạn 2016÷2022 (triệu thùng/ ngày) [80] Hiện nay, nhu cầu xăng dầu nước ta 12 triệu tấn/năm, đến năm 2050 số lên đến 9098 triệu tấn/năm Điều địi hỏi phải có chiến lược an ninh lượng, giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính theo lộ trình COP21 mà nước ta cam kết tham gia 1.2 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học 1.2.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học giới Nhiều quốc gia giới ngày phát triển sử dụng nhiên liệu sinh học từ nguồn nguyên liệu có khả tái tạo được, thay phần xăng dầu cho ngành giao thông vận tải Brazil, Hoa Kỳ, Thái Lan, Đức, Pháp, Thụy Điển, Canada, Ấn Độ, Trung Quốc, Brazil nước dẫn đầu giới lĩnh vực sử dụng nhiên liệu sinh học với sản lượng ethanol cao giới, khoảng chừng 14,7 triệu mét khối/năm Từ năm 2017 đến năm Hoa Kỳ sản xuất 132.000 triệu lít nhiên liệu sinh học để giảm 20% lượng xăng dầu tiêu thụ [80] Việc sử dụng E85 hỗn hợp 85% ethanol 15% xăng cho xe chạy nhiên liệu tái tạo FFV trở nên phổ biến Brazil Pha trộn với tỷ lệ khác ethanol xăng thường sử dụng nước khác toàn giới, đặc biệt Thụy Điển (5%), Hoa Kỳ (10%), Úc (10%), Canada (10%), Brazil (25%), [14], [21] Hình 1.2: Sản lượng ethanol (triệu gallon) top nước hàng đầu giới [87] 1.2.2 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học Việt Nam Ở Việt Nam, Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định số 177/2007/QĐ-TTg ngày 20/11/2007 việc phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” Theo lộ trình áp dụng từ ngày 01/12/2014, xăng sinh học E5 sản xuất để sử dụng cho phương tiện giới đường địa phương: Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phịng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng Ngãi, Bà Rịa-Vũng Tàu thức sử dụng rộng rãi toàn quốc từ 01/12/2015 Xăng sinh học E10 (với mức hòa trộn 10%) sản xuất để sử dụng cho phương tiện giới đường tiêu thụ toàn quốc từ ngày 01/12/2017 nhiên đến sử dụng hạn chế [5] Vai trò nhiên liệu sinh học phát triển bền vững, đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 nêu rõ: Nhiên liệu sinh học dạng lượng mới, tái tạo cần phát triển để thay phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần đảm bảo an ninh lượng bảo vệ môi trường, phù hợp với xu phát triển chung giới Bảng 1.1: Tình hình sản xuất ethanol - sắn nguyên liệu pha chế xăng sinh học nước ta, [19] Công suất Tổng vốn Nhà máy thiết kế đầu tư (m3/năm) Ethanol Bình Phước Chủ đầu tư Đối tác 100,000 Tổng Công ty dầu Việt Nam (PVOil), 2.000 Cty Toyo Thai New Energy LTE LTD Ấn Độ tỷ đồng (TTNE) Cty Cổ phần Licogi 16 100,000 2.258 tỷ đồng Tổng Công ty dầu Việt Nam (PVOil), Tổng Cơng ty CP DVTH Dầu Khí Hoa Kỳ (Petrosetco) Cơng ty TNHH LọcHóa dầu Bình Sơn (BSR) Ethanol Phú Thọ 100,000 2.485 tỷ đồng Ethanol Đồng Xanh 100,000 575 tỷ đồng Công ty Cổ phần Đồng Xanh Trung Quốc Ethanol Tùng Lâm 60,000 928 tỷ đồng Công ty TNHH Tùng Lâm Trung Quốc Ethanol Dung Quất Tổng Công ty dầu Việt Nam (PVOil), Công ty TNHH Motor N.A Việt Nam, Hoa Kỳ Ngân hàng TMCP Đông Nam Á PL-25: Chạy chương trình tính tốn Bước Xuất kết PL-26: Chọn kết thị pressure Graphics and Animations Tính tốn mơ 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