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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:184

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu LPG-ethanol cho động cơ đốt trong; Nghiên cứu lý thuyết quá trình cháy; Mô phỏng quá trình nạp, cháy và phát thải ô nhiễm của động cơ xe gắn máy chạy bằng LPG-ethanol; Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá kết quả mô phỏng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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 đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào 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 1. Tính cấp thiết ......................................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu.............................................................................................. 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu........................................................................ 4 4. Phương pháp nghiên cứu...................................................................................... 5 5. Cấu trúc nội dung luận án .................................................................................... 5 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu ........................................ 5 7. Các điểm mới chủ yếu của luận án ...................................................................... 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU LPG-ETHANOL CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ....................... 7 1.1. Nhiên liệu sạch ................................................................................................7 1.2. Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học .........................................................8 1.2.1. Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới ..................................8 1.2.2. Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam....................................8 1.3. Tình hình nghiên cứu sử dụng LPG trên động cơ đốt trong....................10 1.3.1. Những đặc tính cơ bản của nhiên liệu LPG ............................................10 1.3.2. Nghiên cứu sử dụng LPG trên động cơ ô tô ............................................10 1.3.3. Nghiên cứu sử dụng LPG trên động cơ xe gắn máy ................................12 1.4. Tình hình nghiên cứu ứng dụng ethanol trên động cơ đốt trong ............14 1.4.1. Những đặc tính cơ bản của nhiên liệu ethanol ........................................14 1.4.2. Nghiên cứu ứng dụng ethanol trên động cơ đốt trong ............................16 1.5. Tình hình nghiên cứu ứng dụng kết hợp nhiên liệu LPG-ethanol trên động cơ đốt trong .................................................................................................20 1.6. Kết luận chương 1 ........................................................................................24 II
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY ................... 26 2.1. Hệ phương trình chảy rối ............................................................................26 2.2. Lý thuyết quá trình cháy nhiên liệu khí .....................................................27 2.2.1. Lý thuyết cháy của hỗn hợp không hòa trộn trước ..................................28 2.2.2. Lý thuyết quá trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước ...................................36 2.2.3. Lý thuyết quá trình cháy hòa trộn trước cục bộ ......................................42 2.3. Kết luận chương 2 ........................................................................................44 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ 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 và phương pháp mô phỏng .......................................46 3.1.1. Mục tiêu, đối tượng ..................................................................................46 3.1.2. Phương pháp mô phỏng ...........................................................................47 3.2. Đặc điểm quá trình cung cấp nhiên liệu LPG-ethanol .............................50 3.3. Mô phỏng quá trình nạp nhiên liệu LPG-ethanol .....................................50 3.3.1. Mô hình hình học của động cơ và điều kiện biên mô phỏng ...................50 3.3.2. Ảnh hưởng đặc tính lý hóa của ethanol, LPG đến quá trình phun..........53 3.3.3. Quá trình hình thành hỗn hợp khi phun nhiên liệu LPG-ethanol ...........54 3.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp đến việc hình thành hỗn hợp ...............62 3.3.5. Điều chỉnh thời gian phun ethanol-LPG theo áp suất trên đường nạp ...67 3.4. Mô phỏng quá trình cháy hỗn hợp .............................................................72 3.4.1. Ảnh hưởng của hệ số tương đương ..........................................................73 3.4.2. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm ...........................................................75 3.4.3. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ ................................................................76 3.4.4. Ảnh hưởng của hàm lượng ethanol .........................................................80 3.5. Mô phỏng phát thải ô nhiễm khi sử dụng LPG-ethanol ...........................81 3.5.1. Cơ chế hình thành các chất ô nhiễm .......................................................81 3.5.2. Đặc điểm phát thải các chất ô nhiễm ......................................................83 3.6. Kết luận chương 3 ........................................................................................94 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ............................................................................................................ 96 III
4.1. Mục đích và nội dung nghiên cứu thực nghiệm ........................................96 4.2. Trang thiết bị nghiên cứu ............................................................................97 4.2.1. Các thiết bị của bộ tạo tải động cơ..........................................................97 4.2.2. Thiết bị phân tích khí xả động cơ MGT5 ...............................................101 4.3. Chuyển đổi xe gắn máy chạy xăng sang chạy bằng LPG-ethanol .........103 4.3.1. Hệ thống phun xăng PGM-FI của động cơ 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 bằng nhiên liệu LPG-ethanol trên đường thực .....................................................................................................................111 4.4.1. Chuẩn bị nhiên liệu ................................................................................111 4.4.2. Điều kiện thử nghiệm .............................................................................111 4.4.3. Kết quả thử nghiệm ................................................................................112 4.5. Thử nghiệm xe gắn máy chạy bằng nhiên liệu LPG-ethanol trên bộ tạo tải động cơ ..........................................................................................................113 4.5.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm ..........................................................................113 4.5.2. Lắp đặt động cơ xe gắn máy lên bộ tạo tải động cơ..............................114 4.5.3. Quy trình thử nghiệm xe gắn máy trên bộ tạo tải động cơ ....................117 4.5.4. Các biểu thức quan hệ giữa các đại lượng đo khi thực nghiệm ............118 4.6. Đánh giá kết quả thử nghiệm và so sánh kết quả mô phỏng ..................120 4.6.1. So sánh ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến tính năng động cơ cho bởi mô phỏng và thực nghiệm ................................................................................120 4.6.2. So sánh ảnh hưởng hàm lượng ethanol đến tính năng động cơ cho bởi mô phỏng và thực nghiệm ................................................................................122 4.7. Kết luận chương 4 ......................................................................................126 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...........................................................127 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ..................................................................131 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................133 PHỤ LỤC ...............................................................................................................142 IV
PHỤ LỤC 1. 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 2. 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 thế giới sản xuất và tiêu thụ giai đoạn 2016÷2022 (triệu thùng/ ngày) [81] ............................................................................7 Hình 1.2: Sản lượng ethanol (triệu gallon) top các nước hàng đầu thế giới [88] .......8 Hình 1.3: Lắp đặt bộ chế hòa khí ..............................................................................12 Hình 1.4: "Greenbus": xe buýt cỡ nhỏ chạy bằng LPG ............................................12 Hình 1.5: Ðộng cơ xe gắn máy 110cc sau khi lắp bộ chế hòa khí hai nhiên liệu LPG/xăng ..................................................................................................................13 Hình 1.6: Xe gắn máy kiểu WAVE 110cc sau khi lắp xong hệ thống hai nhiên liệu LPG/xăng ..................................................................................................................13 Hình 1.7: Cấu trúc phân tử của ethanol và liên kết phân tử ......................................14 Hình 1.8: Bố trí hệ thống thử nghiệm cung cấp LPG-ethanol cho động cơ [73] ......20 Hình 1.9: Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến phát thải CO .........................21 Hình 1.10: Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến phát thải CO2 ......................21 Hình 1.11: Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến nồng độ O2 trong khí thải ...22 Hình 1.12: Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến phát thải THC .....................22 Hình 1.13: Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến phát thải NOx ......................22 Hình 1.14: Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến nhiệt độ khí thải ..................22 Hình 1.15: Bố trí thực nghiệm động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu LPG-ethanol .23 Hình 1.16: Bố trí thực nghiệm đánh giá hiệu suất và phát thải động cơ SI sử dụng xăng và 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 của đại lượng trung bình i vào f , f '2 và H, và mô hình hóa học (hệ thống không đoạn nhiệt, một thành phần hỗn hợp).......................35 Hình 3.1: Giới thiệu động cơ J52C lắp trên xe Honda RSX 110cc đã cải tạo ..........47 Hình 3.2: Mô hình hình học đường nạp và buồng cháy động cơ J52C ....................51 Hình 3.3: Điều kiện biên và thông số ban đầu ..........................................................51 VI
Hình 3.4: Chia lưới không gian tính toán và đặc trưng của các phần tử ..................52 Hình 3.5: Trình tự thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Ansys Fluent ...................53 Hình 3.6: Diễn biến mật độ hạt và sự phân bố ethanol, LPG trong xi lanh khi động cơ chạy ở tốc độ 5000 vg/ph và 3000 vg/ph, bướm ga mở hoàn toàn ......................56 Hình 3.7: Diễn biến mật độ hạt và sự phân bố ethanol, LPG trong xi lanh trong kỳ nạp khi động cơ chạy ở tốc độ 7000 vg/ph, bướm ga mở hoàn toàn ........................57 Hình 3.8: Diễn biến mật độ hạt và sự phân bố ethanol, LPG trong xi lanh trong kỳ nén khi động cơ chạy ở tốc độ 7000 vg/ph, bướm ga mở hoàn toàn ........................58 Hình 3.9: Biến thiên mật độ hạt và nồng độ hơi ethanol (a); Biến thiên nồng độ ethanol, LPG và hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu (b) (BG0, n=5000 vg/ph) ........................................................................................................................59 Hình 3.10: Ảnh hưởng của vị trí bướm ga đến sự phân bố nồng độ ethanol trong xilanh .........................................................................................................................60 Hình 3.11: Biến thiên mật độ hạt và nồng độ hơi ethanol (a); Biến thiên nồng độ ethanol, LPG và hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu (b) (BG45, n=5000 vg/ph) ........................................................................................................................61 Hình 3.12: Biến thiên của mật độ hạt nhiên liệu lỏng và tốc độ bay hơi của ethanol E15L (a) và E30L (b) đối với góc quay trục khuỷu (n=5000 vg/ph, Tnạp=315K) ....61 Hình 3.13: Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp đến tốc độ bốc hơi hạt nhiên liệu ethanol trong quá trình nạp và nén (BG0, E30L, n=5000 vg/ph) .............................62 Hình 3.14: Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp đến mật độ hạt nhiên liệu ethanol lỏng khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vg/ph (a), 5000 vg/ph (b) và 7000 vg/ph (c) với nhiên liệu E30L .........................................................................................................63 Hình 3.15: Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp đến biến thiên hệ số tương đương khi động cơ chạy bằng nhiên liệu LPG-ethanol E30L, n=5000 vg/ph............................64 Hình 3.16: Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp đến biến thiên mật độ hạt nhiên liệu lỏng (a) và tốc độ bốc hơi hạt nhiên liệu lỏng (b) (n=7000 vg/ph, BG0) .................65 VII
Hình 3.17: Biểu diễn phân bố nhiên liệu và hệ số tương đương trong buồng cháy ở giai đoạn đánh lửa trong trường hợp động cơ chạy bằng ethanol (a) và E30L (b) với cùng hệ số tương đương =1 và góc đánh lửa sớm s=15TK, Tnạp=310K. ............66 Hình 3.18: Biến thiên áp suất trong xi lanh trong kỳ nạp và nén khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vg/ph và 6500 vg/ph ở chế độ toàn tải BG0 (a) và chế độ tải cục bộ BG45 (b) ....................................................................................................................67 Hình 3.19: Ảnh hưởng của độ mở bướm ga đến biến thiên hệ số tương đương khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vg/ph (a) và 6500 vg/ph (b) .........................................68 Hình 3.20: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên hệ số tương đương của hỗn hợp trong xi lanh khi cố định thời gian phun LPG và ethanol ...........................68 Hình 3.21: Ảnh hưởng độ mở bướm ga đến biến thiên hệ số tương đương của hỗn hợp trong xi lanh khi cố định thời gian phun LPG và ethanol ..................................69 Hình 3.22: Biến thiên hệ số tương đương thành phần khi cố định điều kiện phun ethanol, LPG ở chế độ toàn tải BG0 (a) và tải cục bộ BG45 (b) ..............................70 Hình 3.23: Biến thiên hệ số tương đương và hệ số k theo tốc độ động cơ khi thời gian phun cố định (a) và thời gian phun điều chỉnh (b) trong trường hợp động cơ chạy ở tải cục bộ BG45; a. BG45, tp-LPG =0,5ms; tp-Etha=0,61ms; b. BG45, tp điều chỉnh để đạt  =1 và Etha/ LPG=1 .............................................................................71 Hình 3.24: Biến thiên hệ số tương đương và hệ số k theo tốc độ động cơ bướm ga mở hoàn toàn; a. BG0, tp-LPG=1 ms; tp-Etha=1,26 ms; b. BG0, tp điều chỉnh để đạt  =1 và Etha/ LPG=1 ....................................................................................................71 Hình 3.25: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên áp suất trong xi lanh (a) và nhiệt độ cháy T (b) theo góc quay trục khuỷu (E30L, n=5000 vg/ph, s=25TK) .................................................................................................................73 Hình 3.26: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến công chỉ thị chu trình Wi và công suất có ích Pe (E30L, n=5000 vg/ph, s=20TK) ......................................................74 Hình 3.27: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên áp suất, tốc độ tỏa nhiệt HRR theo góc quay trục khuỷu (a) và thể tích tích công tác Vh (b) (E30L, n=5000 vg/ph, s=20TK).........................................................................................74 VIII
Hình 3.28: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến biến thiên áp suất trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu (a) và theo thể tích công tác (b) (E30L, n=5000 vg/ph, =1) ...........................................................................................................................75 Hình 3.29: Ảnh hưởng của 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 của tốc độ động cơ đến biến thiên áp suất trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu (a) và theo thể tích công tác (b) (E30L, =1, s=25TK) .......77 Hình 3.31: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên áp suất trong xilanh, tốc độ tỏa nhiệt HRR (a) và nhiệt độ cháy T (b) (E30L, =1, s=20TK) ....................77 Hình 3.32: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên công chỉ thị chu trình Wi theo góc đánh lửa sớm trong trường hợp động cơ chạy bằng LPG (E0L) (a) và chạy bằng ethanol (E100L) (b), =1 ..................................................................................78 Hình 3.33: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến công chỉ thị chu trình Wi và công suất có ích Pe (E30L, =1, góc đánh lửa sớm tối ưu) ...............................................79 Hình 3.34: Ảnh hưởng của hàm lượng ethanol đến biến thiên áp suất trong xilanh (a) và nhiệt độ cháy T (b) (=1, s=20TK) .............................................................80 Hình 3.35: Ảnh hưởng của hàm lượng ethanol đến biến thiên áp suất và tốc độ tỏa nhiệt (a) và biến thiên áp suất theo thể tích công tác (b) (=1, n=4000 vg/phút, s=20TK) .................................................................................................................80 Hình 3.36: Ảnh hưởng của hàm lượng ethanol đến công chỉ thị Wi và công suất có ích của động cơ (=1, n=5000 vg/ph, s=20TK).....................................................81 Hình 3.37: Ảnh hưởng của hệ số tương đương  đến HC khi chạy bằng hỗn hợp ethanol-LPG (E30L, n=5000 vg/ph, Tnạp=320K) ......................................................83 Hình 3.38: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên nồng độ NOx (a) và CO (b) ........................................................................................................................84 Hình 3.39: Tổng hợp ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên nồng độ HC, CO và NOx và nhiệt độ cháy của động cơ (E30L, n=5000 vg/ph, s=30TK) .85 IX
Hình 3.40: Hình thành bồ hóng trong buồng cháy động cơ J52C chạy bằng ethanol- LPG (n=5000 vg/ph, Tnạp=320K, E30L, =1,1 ở =355TK và =365TK)...........85 Hình 3.41: So sánh biến thiên nồng độ bồ hóng khi động cơ chạy bằng ethanol (E100L) và ethanol-LPG (E30L), n=5000 vg/ph ......................................................86 Hình 3.42: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm s đến biến thiên nồng độ HC (a); NOx (b) và CO (c) (E15L, n=5000 vg/ph, =1) ........................................................87 Hình 3.43: Tổng hợp ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm s đến biến thiên nồng độ HC, CO và NOx và nhiệt độ cháy T (E15L, n=5000 vg/ph, =1).............................88 Hình 3.44: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên của nhiệt độ cháy (a) và nồng độ HC (b) trong khí thải của động cơ (E30L, ϕ=1, φs=20TK) .......................89 Hình 3.45: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên của nồng độ CO (a) và NOx (b) trong khí thải của động cơ (E30L, ϕ=1, φs=20TK, BG45) ........................90 Hình 3.46: Tổng hợp ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên nồng độ NOx, CO, HC và nhiệt độ cháy T (E30L, ϕ=1, φs=20TK) ...............................................91 Hình 3.47: Ảnh hưởng của hàm lượng ethanol đến biến thiên của nhiệt độ cháy (a), nồng độ HC (b), nồng độ CO (c) và nồng độ NOx (d) trong khí thải của động cơ (n=5000 vg/ph, BG45, ϕ=1, φs=20TK) ...................................................................92 Hình 3.48: Tổng hợp ảnh hưởng của hàm lượng ethanol đến sự biến thiên của nhiệt độ cháy, nồng độ NOx, CO và 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 và sơ đồ mạch điện của encoder tương đối .................................99 Hình 4.3: Kết nối servo với vi điều khiển Arduino...................................................99 Hình 4.4: Sơ đồ cấu tạo bộ tạo tải động cơ xe gắn máy..........................................100 Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý xác định nồng độ khí thải của thiết bị MGT5 [91] ......101 Hình 4.6: Thiết bị phân tích khí xả động cơ xăng MGT5 .......................................102 Hình 4.7: Bố trí các cảm biến trên động cơ và trên xe gắn máy Honda RSX ........104 Hình 4.8: Sơ đồ hệ thống cung cấp đa nhiên liệu liệu xăng-ethanol-LPG cho động cơ xe gắn máy .........................................................................................................105 X
Hình 4.9: Họng nạp nguyên bản (a), lỗ khoan để lắp vòi phun thứ hai (b), họng nạp sau cải tạo (c) ..........................................................................................................106 Hình 4.10: Sơ đồ nối dây mạch vi điều khiển .........................................................107 Hình 4. 11: Sơ đồ kết nối ICU điều khiển phun LPG-ethanol và ECM của động cơ .................................................................................................................................108 Hình 4. 12. Sơ đồ thuật toán điều khiển các vòi phun ............................................109 Hình 4. 13: Xung xác định ĐCT, xung phun LPG, xung phun ethanol..................110 Hình 4. 14: Biến thiên độ rộng các xung điều khiển vòi phun ...............................110 Hình 4.15: Thử nghiệm xe trên đường ....................................................................111 Hình 4.16: Quãng đường xe gắn máy chạy được ứng với 1 kg nhiên liệu/hỗn hợp nhiên liệu theo tỉ lệ ethanol/xăng, ethanol/LPG ......................................................112 Hình 4.17: Sơ đồ bố trí thí nghiệm .........................................................................113 Hình 4.18: Ống dẫn dầu bôi trơn động cơ...............................................................114 Hình 4.19: Gá đặt động cơ lên bộ tạo tải không cần tháo rời động cơ ...................115 Hình 4.20: Gá đặt động cơ lên bộ tạo tải thông qua khớp nối mềm .......................115 Hình 4.21: Vòi phun nhiên liệu khí LPG và servo motor điều khiển bướm ga ......116 Hình 4.22: Board mạch vi điều khiển Arduino, điều khiển tải động cơ và vòi phun .................................................................................................................................116 Hình 4.23: Điện trở tải cố định được đấu vào đầu ra của phanh điện.....................117 Hình 4.24: Hệ thống thí nghiệm sau khi đã lắp đặt đầy đủ các bộ phận.................117 Hình 4.25: So sánh ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến công suất và phát thải ô nhiễm của động cơ cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (E30L, =1, s tối ưu) .....120 Hình 4.26: Biến thiên công suất đầu ra Pe theo hàm lượng ethanol thay đổi từ E0L đến E40L cho bởi mô phỏng và thực nghiệm khi chạy bằng LPG-ethanol ............121 Hình 4.27: So sánh sự biến thiên của nồng độ CO (a) và nồng độ NOx (b) và HC (c) theo hàm lượng ethanol thay đổi từ E0L đến E40L cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (=1, n=4000 vg/ph, s=20TK) ................................................................123 XI
Hình 4.28: So sánh công suất và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ khi chạy bằng LPG (E0L) cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (=1, n=4500 vg/phút, s=28TK) ...............................................................................................................124 Hình 4.29: So sánh công suất và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ khi chạy bằng nhiên liệu E40L cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (=1, n=4500 vg/phút, s=28TK) ...............................................................................................................125 XII
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Tình hình sản xuất ethanol - sắn nguyên liệu pha chế xăng sinh học ở nước ta, [19] ................................................................................................................9 Bảng 1.2: Đặc tính chính của các phương pháp tạo hỗn hợp LPG/không khí ..........11 Bảng 1.3: Yêu cầu kỹ thuật đối với ethanol nhiên liệu biến tính [8] ........................15 Bảng 1.4: Tính chất hóa học và vật lý của ethanol, xăng, propane và butane [14] ..16 Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật động cơ J52C xe Honda RSX Fi ................................46 Bảng 3.2: Các giá trị tính của điều kiện biên mô phỏng ...........................................51 Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật thiết bị phân tích khí thải MGT5…………………..102 Bảng 4.2: Kết quả chạy xe trên đường thực………………………………………107 Bảng 4.3: Bảng thống kê kết quả thực nghiệm trên cơ cấu bộ tạo tải và thiết bị phân tích khí xả động cơ xăng MGT5………………………………………………….115 XIII
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. Các ký hiệu mẫu tự La tinh: Ký hiệu Diễn giải Thứ nguyên p Áp suất [bar] T Nhiệt độ [K] Me Mô men có ích [N.m] Ne Công suất có ích [kW] Wi Công chỉ thị chu trình J/ct n Tốc độ động cơ [vòng/phút] Vh Thể tích công tác [cm3] TK Độ theo góc quay trục khuỷu [o] O2 Oxygen [%] CO2 Carbon dioxide [%] CO Carbon monoxide [%] HC Hydrocacbon [ppm] NOx Nitrogen oxides [ppm] BG Độ mở bướm ga [o] E5 …E30 Hỗn hợp xăng pha 5%... 30% thể tích ethanol [-] E85 Hỗn hợp xăng pha 85% thể tích ethanol [-] Tỉ lệ x% theo khối lượng của ethanol trong ExL [-] hỗn hợp LPG-ethanol E0L Hỗn hợp có 100% là LPG [-] Tỉ lệ 15% theo khối lượng của ethanol trong E15L [-] hỗn hợp LPG-ethanol XIV
Ký hiệu Diễn giải Thứ nguyên Tỉ lệ 30% theo khối lượng của ethanol trong E30L [-] hỗn hợp LPG-ethanol Tỉ lệ 45% theo khối lượng của ethanol trong E45L [-] hỗn hợp LPG-ethanol Tỉ lệ 70% theo khối lượng của ethanol trong E70L [-] hỗn hợp LPG-ethanol E100L Hỗn hợp có 100% là Ethanol [-] Ev Tốc độ bay hơi của hạt nhiên liệu lỏng [mg/s] fv Biến thiên nồng độ bồ hóng [m3/m3] mv Biến thiên nồng độ hơi Ethanol [mg/m3] dpm Biến thiên mật độ hạt nhiên liệu lỏng [g/m3] k Tỷ lệ hệ số tương đương [-] t Thời gian phun [ms] tp_LPG Thời gian phun LPG [ms] tp_Etha Thời gian phun Ethanol [ms] Uđm Điện áp định mức [V] Iđm Dòng điện định mức [A] 2. Các ký hiệu mẫu tự Hy Lạp Ký hiệu Diễn giải Thứ nguyên  Góc quay trục khuỷu [o] s Góc đánh lửa sớm [o]  Tỉ số nén [-]  Hệ số tương đương [-] _Ethanol Hệ số tương đương của Ethanol [-] _LPG Hệ số tương đương của LPG [-] XV
3. Các chữ viết tắt Ký hiệu Diễn giải A/F Air/Fuel (Tỷ lệ không khí/ nhiên liệu theo khối lượng) CNG Compressed Natural Gas (khí nén thiên nhiên) CKP Crankshaft Position Sensor (Cảm biến vị trí trục khuỷu) DI Direct Injection (động cơ phun nhiên liệu trực tiếp) ECU Electronic Control Unit (Bộ điều khiển điện tử) Engine Coolant Temperature (Cảm biến nhiệt độ nước làm ECT mát) EOT Engine Oil Temp sensor (Cảm biến nhiệt độ dầu động cơ) FFV Flex Fuel Vehicle (Xe sử dụng nhiên liệu linh hoạt) GATEC Nhóm nghiên cứu động cơ sử dụng năng lượng tái tạo IC Intelligent Controller (Bộ điều khiển thông minh) Injection Control Unit (Bộ điều khiển phun ethanol/LPG điện ICU tử) IACV Idle Air Control Valve (Van điều khiển không tải) IAT Intake Air Temperature sensor (Cảm biến nhiệt độ khí nạp) LPG Liquified Petroleum Gas (Khí dầu mỏ hóa lỏng) MAP Manifold absolute pressure sensor (Cảm biến áp suất khí nạp) International Organization of Motor Vehicle Manufacturers OICA (Hiệp hội các nhà sản xuất Ô tô) PI Port Injection (Động cơ phun trên đường nạp) Programmed Fuel Injection (Chương trình điều khiển phun PGM-FI nhiên liệu điện tử) SI Spark Ignition (Động cơ đánh lửa cưỡng bức) XVI
Ký hiệu Diễn giải TWC Theree Way Catalyst (Bộ xúc tác 3 chức năng) TP/ TPS Throttle position sensor (Cảm biến vị trí bướm ga) UK Energy Research Centre (Trung tâm nghiên cứu năng UKERC lượng Anh) WEC World Energy Council (Hội đồng năng lượng thế giới) XVII
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Thế giới ngày càng phát triển, đi kèm với với nó là nhu cầu vận chuyển, đi lại ngày càng cao, làm gia tăng nhanh chóng số lượng, chủng loại phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là phương tiện cá nhân. Điều này gây tác động mạnh mẽ đến vấn đề an ninh năng lượng và phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính gây biến đổi khí hậu. Để giải quyết hai vấn đề trên, các nghiên cứu ngày nay tập trung theo hướng sử dụng năng lượng điện và ứng dụng năng lượng tái tạo thay thế một phần hay hoàn toàn các loại nhiên liệu hóa thạch sử dụng trên phương tiện giao thông. Khác với các nước phát triển, xe gắn máy là phương tiện giao thông cá nhân chính ở nước ta với mật độ trung bình cứ hai người dân có một xe gắn máy, thuộc vào nhóm những nước có mật độ xe gắn máy cao nhất thế giới. Tình hình này vẫn còn kéo dài trong vài thập kỷ tới. Số lượng xe máy đã tăng từ 1,2 triệu chiếc năm 1990 lên hơn 58 triệu chiếc năm 2018 [79]. Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh có số lượng lớn nhất, với gần 6 triệu chiếc và 8,5 triệu chiếc. Khí thải từ các phương tiện này làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng không khí, ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường sống và làm tăng nồng độ CO2 trong bầu khí quyển. Trong khi nhiều công nghệ mới đã được áp dung trên ô tô để giảm phát thải CO2 và các chất ô nhiễm thì hầu như xe gắn máy chưa được cải tiến gì nhiều để nâng cao hiệu quả quá trình cháy [1]. Vấn đề ô nhiễm khí thải từ các phương tiện tham gia giao thông đã được Chính phủ và các cơ quan chức năng quan tâm từ rất lâu. Năm 1995, Việt Nam đã ban hành quy định kiểm soát khí thải ô tô theo tiêu chuẩn Euro 2. Kể từ tháng 01 năm 2017, các loại xe ô tô sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức Euro 4 còn các loại xe mô tô hai bánh sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức Euro 3 [85]. Với tính đặc thù về phương tiện giao thông nêu trên, việc áp dụng các công nghệ để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm của xe gắn 1
máy là rất cần thiết để tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải CO2 và bảo vệ môi trường ở nước ta. Một trong những giải pháp có tính khả thi cao là sử dụng nhiên liệu thay thế- tái tạo thay cho xăng. Trong các loại nhiên liệu dùng để thay thế xăng thì CNG và LPG có nhiều lợi thế. CNG là nhiên liệu sạch, có mức phát thải HC và CO trung bình thấp hơn tương ứng 92% và 78% so với nhiên liệu xăng. Tuy nhiên, bình chứa CNG cồng kềnh và lưu trữ ở áp suất cao là những rào cản chính cho việc ứng dụng rộng rãi loại nhiên liệu thay thế này trên xe máy. LPG với áp suất hóa lỏng thấp có thể khắc phục được nhược điểm trên của CNG. So với xăng, xe chạy bằng LPG có lượng phát thải NOx và CO thấp hơn tương ứng 20% và 60%. Theo các công trình nghiên cứu của nhóm nghiên cứu động cơ nhiên liệu khí (GATEC)-Đại học Đà Nẵng thì việc áp dụng LPG là một giải pháp thích hợp để giảm phát thải ô nhiễm của xe gắn máy [86]. Mặc dù được xem là nhiên liệu “sạch” nhưng CNG cũng như LPG đều là những nhiên liệu hóa thạch nên việc sử dụng chúng làm tăng nồng độ CO2 trong bầu khí quyển. Vì vậy việc sử dụng kết hợp các loại nhiên liệu này với các loại nhiên liệu tái tạo khác sẽ mang lại lợi ích thiết thực trong công tác bảo vệ môi trường. Trong điều kiện thực tế về cung ứng nhiên liệu hiện nay cũng như tính đặc thù về kết cấu xe gắn máy thì việc sử dụng kết hợp giữa LPG và ethanol là giải pháp phù hợp. Ethanol là nhiên liệu tái tạo nên việc sử dụng nó làm nhiên liệu sẽ không làm gia tăng nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Mặt khác, ethanol có chỉ số octane cao, làm tăng tính chống kích nổ của động cơ. Do ethanol có chứa oxygen nên cháy sạch, làm giảm phát thải các chất ô nhiễm. Vì vậy việc kết hợp sử dụng LPG và ethanol sẽ cải thiện được tính năng kỹ thuật và giảm phát thải ô nhiễm của xe gắn máy. Ethanol hiện nay đã được pha trộn với xăng theo tỷ lệ nhất định, gọi là xăng sinh học, để sử dụng trên phương tiện giao thông. Việc cung cấp xăng sinh học với tỷ lệ ethanol thấp (dưới 15%) cho động cơ xăng không làm thay đổi hệ thống cung 2
cấp nhiên liệu của xe. Tuy nhiên do ethanol và LPG có trạng thái khác nhau trong điều kiện môi trường nên việc ứng dụng LPG-ethanol cho động cơ đòi hỏi những giải pháp kỹ thuật phức tạp hơn liên quan đến hệ thống cung cấp nhiên liệu. Nghiên cứu động cơ sử dụng ethanol hay xăng sinh học đã được nhiều nhà khoa học thực hiện, tuy nhiên những công trình nghiên cứu phối hợp sử dụng LPG và ethanol trên xe gắn máy hầu như rất hiếm hoi. Vì vậy việc nghiên cứu tìm kiếm giải pháp công nghệ hiệu quả để có thể tận dụng ưu điểm của cả LPG và ethanol làm nhiên liệu cho xe gắn máy là rất cần thiết. Với các lý do đó, đề tài “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” mang ý nghĩa thiết thực ở nước ta. Đề tài này góp phần phát triển công nghệ cung cấp nhiên liệu lỏng/khí riêng rẽ với thành phần nhiên liệu có thể thay đổi linh hoạt, phù hợp với các chế độ vận hành của động cơ. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ nêu bật các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ chạy bằng LPG-ethanol để định hướng cho việc thiết kế hệ thống điều khiển động cơ nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng xe gắn máy sử dụng nhiên liệu thay thế-tái tạo. 2. Mục tiêu nghiên cứu 2.1. Mục tiêu tổng quát Tận dụng tối đa lợi thế của LPG và ethanol làm nhiên liệu cho xe gắn máy nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải các chất ô nhiễm và CO2. 2.2. Mục tiêu cụ thể Cải tạo hệ thống phun xăng của xe gắn máy thành hệ thống cung cấp nhiên liệu lỏng/khí ethanol/LPG với thành phần nhiên liệu có thể thay đổi linh hoạt theo chế độ vận hành của động cơ, hạn chế thay đổi kết cấu của động cơ nguyên thủy. Tính toán mô phỏng và so sánh với thực nghiệm về ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ chạy bằng LPG-ethanol để định hướng phát triển hệ thống điều khiển động cơ tối ưu. Xây dựng nền tảng kỹ thuật ban đầu để tiếp tục nghiên cứu phát triển công nghệ, tiến tới nâng cấp dòng động cơ xe gắn máy thế hệ mới chạy bằng nhiên liệu 3