Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu và thực hiện giải pháp kỹ thuật chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% đảm bảo tính năng kỹ thuật của động cơ; đánh giá hiệu quả cũng như tác động của việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới động cơ xăng đang lưu hành.
MỤC LỤC
i. Sự cần thiết của đề tài ..................................................................................................... 1
ii. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................................... 2
iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 2
iv. Phương pháp nghiên cứu.............................................................................................. 2
v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ......................................................................... 3
vi. Tính mới của đề tài ....................................................................................................... 3
vii. Các nội dung chính của đề tài ..................................................................................... 3
1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học .............................................................................. 4
1.1.1. Sự cần thiết phải nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học ............................ 4
1.1.2. Các loại nhiên liệu sinh học được sử dụng trên phương tiện ................................ 5
1.2. Nhiên liệu cồn ethanol và xăng sinh học ................................................................... 6
1.2.1. Nhiên liệu cồn ethanol ............................................................................................. 6
1.2.2. Xăng sinh học ........................................................................................................... 9
1.2.3. Sản xuất và sử dụng cồn ethanol và xăng sinh học trên phương tiện ................ 10
1.3. Các nghiên cứu sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn trên động cơ xăng ............................................................................................................................................ 13
1.3.1. Các nghiên cứu trên thế giới ................................................................................. 13
1.3.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam................................................................................. 25
1.4. Kết luận Chương 1 .................................................................................................... 28
2.1. Quá trình cháy của động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học ............................... 29
2.1.1. Quá trình cháy trong động cơ xăng ...................................................................... 29
2.1.2. Quá trình cháy của động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học ............................ 31
i
2.2. Lý thuyết mô phỏng động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học ............................. 34
2.2.1. Mô hình hỗn hợp nhiên liệu .................................................................................. 34
2.2.2. Mô hình cháy .......................................................................................................... 34
2.2.3. Mô hình truyền nhiệt ............................................................................................. 42
2.2.4. Mô hình phát thải ................................................................................................... 45
2.2.5. Một số mô hình phụ khác ...................................................................................... 47
2.3. Hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ phun xăng khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% ......................................................................................... 51
2.3.1. Cấu tạo hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ ............................................... 51
2.3.2. Cơ sở lý thuyết chuyển đổitừ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% .................................................................................... 54
2.3.3. Bộ dữ liệu chuẩn trong động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% ...................................................................................................................... 58
2.4. Kết luận chương 2 ..................................................................................................... 61
3.1. Đối tượng nghiên cứu và xây dựng mô hình động cơ ............................................ 62
3.1.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................ 62
3.1.2. Xây dựng mô hình động cơ .................................................................................... 63
3.2. Đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản trên động cơ ô tô phun xăng điện tử khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% ................................ 64
3.2.1. Hiệu chuẩn mô hình và đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản ... 65
3.2.2. Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới tham số của mô hình cháy Fractal ....................................................................................................... 80
3.2.3. Xác định hệ số dư lượng không khí của hỗn hợp cháy với các tỷ lệ cồn ethanol khác nhau ......................................................................................................................... 81
3.3. Nghiên cứu mô phỏng xây dựng bộ thông số chuẩn với xăng sinh học ................ 82
3.3.1. Tính toán mô phỏng lượng nhiên liệu phun đảm bảo hệ số dư lượng không khí = 1 .................................................................................................................................. 82
3.3.2. Tính toán góc đánh lửa sớm để mô men động cơ đạt Memax khi sử dụng xăng sinh học ..................................................................................................................................... 87
3.4. Kết luận chương 3....................................................................................................... 92
4.1. Đối tượng, nhiên liệu và trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm ........... 93
4.1.1. Đối tượng thử nghiệm ............................................................................................ 93
4.1.2. Nhiên liệu thử nghiệm ........................................................................................... 93
ii
4.1.3. Trang thiết bị thử nghiệm ...................................................................................... 94
4.2. Thử nghiệm hiệu chuẩn mô hình mô phỏng và bộ thông số chuẩn động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% ........................................................ 96
4.2.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm ..................................................... 96
4.2.2. Kết quả thử nghiệm ................................................................................................ 98
4.3. Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ECU phụ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% ............................................................................................................ 102
4.3.1. Thiết kế chế tạo bộ điều khiển ECU phụ cho động cơ Toyota 1NZ-FE ............ 102
4.3.2. Nghiên cứu nạp bộ thông số chuẩn lên ECU phụ .............................................. 109
4.4. Thử nghiệm đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ xăng khi được lắp thêm ECU phụ trên băng thử động cơ ......................................................... 110
4.4.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm ................................................... 110
4.4.2. Kết quả thử nghiệm trên băng thử động cơ ........................................................ 110
4.5. Thử nghiệm tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của xe ô tô được lắp thêm ECU phụ trên băng thử ô tô .......................................................................................... 115
4.5.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm ................................................... 115
4.5.2. Kết quả thử nghiệm với ô tô nguyên bản khi chưa lắp ECU phụ ...................... 116
4.5.3. Kết quả thử nghiệm với ô tô được lắp thêm ECU phụ ....................................... 119
4.6. Kết luận Chương 4 .................................................................................................. 123
Kết luận chung: .............................................................................................................. 125
Hướng phát triển của đề tài: ......................................................................................... 126
iii
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện. Luận án có sử dụng một phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong Đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống phun nhiên liệu điện tử cung cấp xăng sinh học có tỷ lệ cồn etanol tới 100% (E100) cho động cơ ô tô và xe máy sử dụng nhiên liệu linh hoạt”, mã số ĐT.09.2014/NLSH do PGS.TS Phạm Hữu Tuyến là chủ nhiệm đề tài và tổ chức chủ trì là Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025, do Bộ Công Thương quản lý. Tôi đã được chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả của Đề tài cấp nhà nước và việc viết luận án.
Tôi xin cam đoan 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.
Hà Nội, ngày tháng năm 2018
Tập thể giáo viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh
PGS.TS Phạm Hữu Tuyến PGS.TS Phạm Văn Thể Nguyễn Khánh Tùng
iv
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Động cơ đốt trong, Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong đã cho phép và giúp đỡ tôi thực hiện luận án trong thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Hữu Tuyến và PGS.TS. Phạm
Văn Thể đã chu đáo, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện và hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Cục Ứng dụng và Phát triển công nghệ - Bộ Khoa học và Công nghệ, Ban điều hành đề án Phát triển nhiên liệu sinh học - Bộ Công thương và các đồng nghiệp đã ủng hộ, tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ và các nhà khoa học đã
dành thời gian quý báu để đọc và góp ý giúp tôi hoàn thiện luận án.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn động viên khuyến khích trong suốt thời gian tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này.
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Khánh Tùng
v
Hình 1.1. Tổng mức tiêu thụ năng lượng và mức phát thải CO2 trên thế giới. ..................... 4
Hình 1.2. Sự biến động của giá dầu thô trên thị trường thế giới ........................................... 4
Hình 1.3. Tăng trưởng phương tiện cơ giới đường bộ. ......................................................... 5
Hình 1.4. Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza ...................................................................... 7
Hình 1.5. Tổng sản lượng ethanol hàng năm của các quốc gia/vùng lãnh thổ .................... 10
Hình 1.6. Tỷ lệ sản lượng ethanol của các quốc gia/vùng lãnh thổ năm 2015 .................... 11
Hình 1.7. Số lượng phương tiện sử dụng nhiên liệu thay thế được đặt hàng và sản xuất hàng năm ...................................................................................................................................... 11
Hình 1.8. Diện tích và sản lượng sắn tại Việt Nam giai đoạn 2001-2011 ........................... 12
Hình 1.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol tới hệ số dư lượng không khí tương đương A/F và hệ số nạp tại các tốc độ 1000, 2000, 3000, 4000 v/ph ............................................................. 14
Hình 1.10. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol tới mô men và suất tiêu hao nhiên liệu tại các tốc độ 1000, 2000, 3000, 4000 v/ph ............................................................................................... 14
Hình 1.11. Ảnh hưởng của lượng ethanol tăng lên tới hàm lượng khí thải CO, CO2, HC trong phát thải ............................................................................................................................... 15
Hình 1.12. Thay đổi mô men của động cơ và khi sử dụng xăng sinh học với với các tỷ lệ cồn ethanol khác nhau ................................................................................................................ 15
Hình 1.13. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu tới suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô ............................................................................................................................................. 16
Hình 1.14. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu tới lượng phát thải khí CO, CO2, HC và NH3 ........................................................................................................................... 16
Hình 1.15. Sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp và hiệu suất nhiệt của động cơ khi sử dụng các loại xăng sinh học E10, E20, E30, E85 so với khi sử dụng xăng thông thường ........... 17
Hình 1.16. Tỷ lệ suy giảm phát thải HC và NOx khi động cơ sử dụng các loại xăng sinh học E10, E20, E30, E85 so với khi sử dụng xăng thông thường ............................................... 18
Hình 1.17. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm tới mô men và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng các loại xăng sinh học tại tốc độ động cơ 5000v/ph .......................... 18
Hình 1.18. Ảnh hưởng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tới mô men, suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất nhiệt của động cơ tại tốc độ động cơ 2800 v/ph ............................. 19
Hình 1.19. Ảnh hưởng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tới tính năng động cơ tại tốc độ động cơ 2800 v/ph .................................................................................................... 20
Hình 1.20. Bộ chuyển đổi U.S. Ethanol Conversion Kits ................................................... 21
Hình 1.21. Lượng phun nhiên liệu được điều chỉnh cho E85.............................................. 22
vi
Hình 1.22. Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh cho E85 ..................................................... 22
Hình 1.23. Điều chỉnh lại quá trình phun nhiên liệu khi sử dụng ethanol với tỷ lệ lớn ...... 23
Hình 1.24. Điều chỉnh lại góc đóng muộn xu páp khi sử dụng ethanol với tỷ lệ lớn .......... 24
Hình 1.25. Điều chỉnh lại cấu tạo buồng cháy bằng cách điều chỉnh lại cấu tạo của piston24
Hình 1.26. Tỷ lệ cải thiện công suất của động cơ khi sử dụng xăng sinh học .................... 26
Hình 1.27. So sánh phát thải của động cơ khi sử dụng A95 và E10 ................................... 26
Hình 2.1. Quá trình cháy trong động cơ xăng ..................................................................... 29
Hình 2.2. Quá trình phát triển của màng lửa trong quá trình cháy ...................................... 30
Hình 2.3. Hình ảnh lan tràn màng lửa trong động cơ xăng ................................................. 30
Hình 2.4. Ảnh hưởng của cháy lốc tới quá trình cháy trong động cơ xăng ......................... 31
Hình 2.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới sự lan tràn màng lửa trong quá trình cháy ...................................................................................................................... 32
Hình 2.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới thời gian cháy và tỷ lệ hỗn hợp đã cháy .......................................................................................................................... 32
Hình 2.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới nhiệt độ quá trình cháy .... 33
Hình 2.8. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới áp suất trong xy lanh ....... 33
Hình 2.9. Một số mô hình phân dạng .................................................................................. 38
Hình 2.10. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ – ôtô ......................... 51
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun xăng điện tử trên động cơ phun xăng ............. 52
Hình 2.12. Phương pháp phun độc lập theo trình tự trên động cơ phun xăng ..................... 52
Hình 2.13. Sơ đồ điều khiển hệ thống đánh lửa trực tiếp trên động cơ phun xăng ............. 53
Hình 2.14. Điều khiển góc đánh lửa sớm theo phương pháp điều khiển ESA .................... 54
Hình 2.15. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ phun xăng điện tử khi được lắp thêm ECU phụ .............................................................................................................................. 54
Hình 2.16. Nguyên lý điều chỉnh tín hiệu khi qua bộ ECU phụ .......................................... 55
Hình 2.17. Cấu tạo và lắp đặt cảm biến cồn ethanol trên động cơ ...................................... 56
Hình 2.18. Đặc tính cảm biến tỷ lệ ethanol ......................................................................... 57
Hình 2.19. Sơ đồ khối hệ thống nhiên liệu khi được lắp thêm ECU phụ ............................ 57
Hình 2.20. Sơ đồ nguyên lý của bộ điều khiển ECU phụ. ................................................... 58
Hình 2.21. Các bước quy trình xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho động cơ ............................ 60
Hình 3.1. Mô hình mô phỏng động cơ Toyota 1NZ-FE trên phần mềm AVL Boost ......... 63
Hình 3.2. So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50 ................................................................ 66
vii
Hình 3.3. So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng ECU nguyên bản, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50 ...................................................................... 67
Hình 3.4. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50 ............................. 67
Hình 3.5. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng ECU nguyên bản, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50......................................... 68
Hình 3.6. So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô phỏng và thực nghiệm tại tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 100% ...................... 69
Hình 3.7. So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô phỏng và thực nghiệm ở từ tốc độ 3000 v/ph, chế độ bướm ga mở 100%.................... 69
Hình 3.8. So sánh phát thải NOx của động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100% .......................................... 70
Hình 3.9. So sánh phát thải CO của động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100% .......................................... 71
Hình 3.10. So sánh phát thải HC của động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100% .......................................... 71
Hình 3.11. So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85 và E100 ............................ 73
Hình 3.12. So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng ECU nguyên bản, bướm ga mở 40% với RON92, E30, E50, E85 và E100 ............................................. 73
Hình 3.13. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% với RON92, E30, E50, E85, E100 ................ 74
Hình 3.14. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng ECU nguyên bản, bướm ga mở 40% với RON92, E30, E50, E85 và E100 ........................ 74
Hình 3.15. So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 giữa mô phỏng và thực nghiệm ở từ tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 40% ............. 75
Hình 3.16. So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 giữa mô phỏng và thực nghiệm ở từ tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 40% ............. 76
Hình 3.17. So sánh phát thải NOx của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 ........................ 78
Hình 3.18. So sánh phát thải CO của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 ........................ 79
Hình 3.19. So sánh phát thải HC của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 ........................ 79
Hình 3.20. Sự thay đổi của tốc độ ngọn lửa tầng trong mô hình Fractal khi thay đổi tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học ................................................................................................. 80
viii
Hình 3.21. Sự thay đổi của diện tích màng lửa tầng trong mô hình Fractal khi thay đổi tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học ................................................................................................. 80
Hình 3.22. Lượng nhiên liệu và sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 20% tải ........................................................................ 84
Hình 3.23. Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 20% tải ............................................................................................................. 84
Hình 3.24. Lượng nhiên liệu và sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 60% tải ........................................................................ 85
Hình 3.25. Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 60% tải ............................................................................................................. 85
Hình 3.26. Lượng nhiên liệu và sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 100% tải ...................................................................... 86
Hình 3.27. Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 100% tải ........................................................................................................... 86
Hình 3.28. Công suất theo góc đánh lửa với các loại nhiên liệu ở 60% tải, 1000v/ph ........ 88
Hình 3.29. Góc đánh lửa sớm và sự thay đổi góc đánh lửa sớm trung bình của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 20% tải .................................................................. 89
Hình 3.30. Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh góc đánh lửa sớm ở 20% tải ...................................................................................................................... 90
Hình 3.31. Góc đánh lửa sớm và sự thay đổi góc đánh lửa sớm trung bình của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 60% tải .................................................................. 90
Hình 3.32. Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh góc đánh lửa sớm ở 60% tải ...................................................................................................................... 90
Hình 3.33. Góc đánh lửa sớm của động cơ và sự thay đổi góc đánh lửa sớm trung bình của động cơ cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 100% tải ...................................... 91
Hình 3.34. Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ khi điều chỉnh góc đánh lửa sớm ở 100% tải ............................................................................................................................... 91
Hình 4.1. Sơ đồ băng thử động cơ ....................................................................................... 94
Hình 4.2. Hệ thống điều khiển và lập trình ECU của hãng Woodward .............................. 95
Hình 4.3. Hệ thống đo đặc tính kinh tế kỹ thuật và phát thải ô tô ....................................... 95
Hình 4.4. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E30 ........................ 100
Hình 4.5. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E50 ........................ 100
Hình 4.6. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E85 ........................ 100
Hình 4.7. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E100 ...................... 100
Hình 4.8. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E30 ........................................................ 101
ix
Hình 4.9. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E50 ........................................................ 101
Hình 4.10. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E85 ...................................................... 102
Hình 4.11. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E100 .................................................... 102
Hình 4.12. Sơ đồ và mô phỏng mạch khi đã lắp linh kiện ................................................ 102
Hình 4.13. Mạch điều khiển của ECU phụ ô tô sau khi hoàn thiện .................................. 103
Hình 4.14. Hoạt động của ngắt 1 và bộ đếm timer2 .......................................................... 104
Hình 4.15. Điều khiển thời gian phun ............................................................................... 104
Hình 4.16. Hoạt động của ngắt INT0 và bộ đếm timer0 ................................................... 105
Hình 4.17. Nguyên lý điều khiển thời điểm đánh lửa của ECU phụ ................................. 106
Hình 4.18. Phép nội suy tuyến tính để tính toán các thông số làm việc của động cơ tại các chế độ làm việc khác ......................................................................................................... 107
Hình 4.19. Hình ảnh chip và bo mạch nạp ATxmega128A .............................................. 119
Hình 4.20. Giao diện phần mềm Codevision .................................................................... 110
Hình 4.21. Công suất và sự thay đổi công suất động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga ..... 111
Hình 4.22. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga .................................................................................................... 112
Hình 4.23. Hiệu suất có ích của động cơ và sự thay đổi hiệu suất có ích của động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga .......................................................................................................... 112
Hình 4.24. Hàm lượng và sự thay đổi phát thải CO của động cơ ô tô khi lắp ECU phụ ở 100% ga ............................................................................................................................. 113
Hình 4.25. Hàm lượng và sự thay đổi phát thải HC của động cơ ô tô khi lắp ECU phụ ở 100% ga ............................................................................................................................. 114
Hình 4.26. Hàm lượng và sự thay đổi phát thải NOx của động cơ ô tô khi lắp ECU phụ ở 100% ga ............................................................................................................................. 115
Hình 4.27. Chu trình thử theo tiêu chuẩn EURO 2 ........................................................... 116
Hình 4.28. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga, tay số 3 ............................................................................................................................... 117
Hình 4.29. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga, tay số 4 ............................................................................................................................... 118
Hình 4.30. Sự thay đổi về phát thải CO, CO2, NOx, và HC của ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga, tay số 3 và 4 .................................................................................................... 119
Hình 4.31. Thay đổi hàm lượng phát thải và tiêu hao nhiên liệu của ô tô theo chu trình thử Euro 2 ................................................................................................................................ 119
Hình 4.32. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô khi lắp ECU phụ ở 100%ga, tay số 3 ......................................................................................................................................... 120
x
Hình 4.33. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô khi lắp ECU phụ ở 100%ga, tay số 4 ......................................................................................................................................... 121
Hình 4.34. Thay đổi thông số kỹ thuật và phát thải của ô tô Toyota Vios khi lắp ECU phụ khi sử dụng xăng sinh học so với xăng RON92 tại 100% ga ............................................ 122
Hình 4.35. Thay đổi hàm lượng phát thải và tiêu hao nhiên liệu của ô tô Toyota Vios khi lắp ECU phụ thử theo chu trình thử tiêu chuẩn Euro 2 so với xăng RON92 .......................... 122
xi
Bảng 1.1. So sánh các đặc tính nhiên liệu của xăng và cồn Ethanol ..................................... 8
Bảng 1.2. Tính chất của một số loại xăng sinh học ............................................................. 10
Bảng 2.1. Phản ứng hình thành phát thải NOx ..................................................................... 45
Bảng 2.2. Phản ứng hình thành phát thải CO ...................................................................... 46
Bảng 2.3. Các hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải ............................ 48
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của động cơ 1NZ-FE ............................................................. 62
Bảng 3.2. Tỉ lệ của xăng và cồn trong các loại nhiên liệu ................................................... 64
Bảng 3.3. Lượng nhiên liệu và góc đánh lửa sớm được sử dụng trong quá trình chuẩn hóa mô hình mô phỏng động cơ ................................................................................................. 65
Bảng 3.4. Giá trị so sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 100% khi sử dụng RON92, E30 và E50 ..................................... 66
Bảng 3.5. Giá trị so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 100% khi sử dụng RON92, E30, E50 ............... 67
Bảng 3.6. So sánh áp suất trong xy lanh động cơ Toyota 1NZ-FE khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 100% tại một số vị trí .......................................................................................................................... 68
Bảng 3.7. Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx của động cơ ô tô Toyota 1NZ-FE khi sử dụng xăng RON92, E30 và E50 tại chế độ bướm ga mở 100% ................................................... 70
Bảng 3.8. Giá trị so sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85 và E100 .................... 72
Bảng 3.9. Giá trị so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85 và E100 ............................................................................................................................................. 72
Bảng 3.10. So sánh áp suất trong xy lanh động cơ Toyota 1NZ-FE khi sử dụng xăng RON92, E30, E50, E85, E100 giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 40% tại một số vị trí ...................................................................................................... 75
Bảng 3.11. Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx của động cơ ô tô Toyota 1NZ-FE khi sử dụng xăng RON92, E30 và E50 tại chế độ bướm ga mở 100% ................................................... 77
Bảng 3.12. Hệ số dư lượng không khí ở các chế độ tính toán ......................................... 81
Bảng 3.13. Bộ thông số điều chỉnh lượng phun nhiên liệu gct để hệ số dư lượng không khí = 1 ..................................................................................................................................... 83
Bảng 3.14. Kết quả mô phỏng để xác định góc đánh lửa sớm phù hợp cho động cơ khi sử dụng xăng sinh học E30, E50, E85, E100 tại chế độ 60% tải và tốc độ 1000 v/ph ............ 87
Bảng 3.19. Bộ thông số động cơ điều chỉnh lượng phun nhiên liệu để = 1 và Memax ...... 88
xii
Bảng 4.1. Tính chất của các loại nhiên liệu thử nghiệm ..................................................... 93
Bảng 4.2. Phương pháp thử nghiệm động cơ ô tô ............................................................... 98
Bảng 4.3. Lượng phun nhiên liệu được điều chỉnh bằng thực nghiệm để hệ số dư lượng không khí = 1 ..................................................................................................................... 99
Bảng 4.4. Bộ thông số động cơ điều chỉnh lượng phun nhiên liệu để = 1 và Memax được hiệu chuẩn bằng thực nghiệm ............................................................................................ 100
Bảng 4.5. Công suất động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga ............................................. 111
Bảng 4.6. Suất tiêu hao nhiên liệu khi lắp ECU phụ ở 100% ga ....................................... 111
Bảng 4.7. Hiệu suất có ích của động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga .............................. 112
Bảng 4.8. Sự thay đổi hàm lượng phát thải CO của động cơ lắp ECU phụ khi sử dụng xăng sinh học E30, E50, E85, E100 so sánh với khi sử dụng RON92 ở 100% ga .................... 113
Bảng 4.9. Sự thay đổi hàm lượng phát thải HC của động cơ lắp ECU phụ khi sử dụng xăng sinh học E30, E50, E85, E100 so sánh với khi sử dụng RON92 ở 100% ga .................... 114
Bảng 4.10. Sự thay đổi hàm lượng phát thải NOx của động cơ lắp ECU phụ khi sử dụng xăng sinh học E30, E50, E85, E100 so sánh với khi sử dụng RON92 ở 100% ga .................... 115
Bảng 4.11. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga, tay số 3 ............................................................................................................................... 117
Bảng 4.12. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga, tay số 4 ............................................................................................................................... 117
Bảng 4.13. Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx, CO2 của ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga, tay số 3 và tay số 4 ............................................................................................ 118
Bảng 4.14. Kết quả đo gia tốc của ô tô từ 20 km/h đến 100 km/h .................................... 119
Bảng 4.15. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô được lắp thêm ECU phụ ở 100% ga, tay số 3 và tay số 4 ....................................................................................................... 120
Bảng 4.16. Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx và CO2 của ô tô Toyota Vios được lắp thêm ECU phụ khi hoạt động với xăng RON92, E30, E50, E85 và E100 ở vị trí 100% ga, tay số 3 và tay số 4. ......................................................................................................................... 121
Bảng 4.17. Kết quả đo gia tốc từ 20 km/h đến 100 km/h của ô tô được lắp thêm ECU phụ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn Ethanol tới 100% ................................................ 122
xiii
Tiếng Anh Diễn giải Đơn vị Ký hiệu/viết tắt
A/F Air/Fuel Tỷ lệ không khí/nhiên liệu -
AVL-Boost Phần mềm mô phỏng AVL-Boost -
BMEP Áp suất có ích trung bình - Brake Mean Effective Pressure
CD 48’’ - Chassis Dynamometer 48’’ Băng thử ô tô con và xe tải hạng nhẹ
CNG Compress Natural Gas Nhiên liệu khí thiên nhiên nén -
DIS Direct Ignition System Hệ thống đánh lửa trực tiếp -
- Động cơ đốt trong ĐCĐT
- Điểm chết dưới ĐCD
- Điểm chết trên ĐCT
- Đánh lửa trực tiếp ĐLTT
- E5 Xăng sinh học gồm 5% ethanol và 95% xăng truyền thống về thể tích
- E10 Xăng sinh học gồm 10% ethanol và 90% xăng truyền thống về thể tích
- E20 Xăng sinh học gồm 20% ethanol và 80% xăng truyền thống về thể tích
- E30 Xăng sinh học gồm 30% ethanol và 70% xăng truyền thống về thể tích
- E50 Xăng sinh học gồm 50% ethanol và 50% xăng truyền thống về thể tích
- E85 Xăng sinh học gồm 85% ethanol và 15% xăng truyền thống về thể tích
- E100 Xăng sinh học gồm 100% ethanol về thể tích
- ECU Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử
- EFI Electronic fuel injection Hệ thống phun xăng điện tử
xiv
EGR Exhaust Gas Recirculation Luân hồi khí xả -
ESA Electronic Spark Advance - Hệ thống điều khiển đánh lửa theo chương trình
FFV Flexible Fuel Vehicle - Động cơ sử dụng nhiên liệu linh hoạt
Suất tiêu thụ nhiên liệu g/kW.h ge
Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình g/ct gct
GDI Gasoline Direct Injection Động cơ phun xăng trực tiếp -
GTVT Giao thông vận tải -
LNG Liquefied Natural Gas Khí thiên nhiên hóa lỏng -
LPG Liquefied Petroleum Gas Khí dầu mỏ hóa lỏng -
Mô men động cơ N.m Me
Tốc độ động cơ v/ph n
kW Ne Công suất động cơ khi thử trên băng thử động cơ và là công suất ô tô trên băng thử ô tô
NLSH Nhiên liệu sinh học -
OT Open throttle Độ mở bướm ga -
ppm Part per million Một phần triệu -
PC Personal Computer Máy tính cá nhân -
RON Research Octane Number Chỉ số Octan nghiên cứu -
Tiêu chuẩn Việt Nam - TCVN
Trục khuỷu - TK
WOT Wide open throttle Bướm ga mở hoàn toàn -
- Hệ số dư lượng không khí
Góc đánh lửa sớm GQTK s
- Tỷ số nén
xv
Ngày nay, cùng với sự tăng trưởng về số lượng xe cơ giới là sự gia tăng ô nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động cơ của các phương tiện. Nguồn ô nhiễm này gây ảnh hưởng lớn tới sức khỏe và cuộc sống của con người, đặc biệt là ở các thành phố lớn có mật độ xe cơ giới và mật độ dân cư cao. Một trong những giải pháp nhằm giải quyết vấn đề này là sử dụng các loại nhiên liệu thay thế, nhiên liệu sinh học có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường.
Ethanol (C2H5OH) là loại nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các loại nguyên liệu nông nghiệp như mía, sắn, ngô... cũng như từ các sản phẩm của quá trình chế biến gỗ và từ chất thải nông nghiệp. Ethanol có thể được sử dụng như một loại nhiên liệu cho phương tiện ở dạng nguyên chất và hoặc ở dạng hỗn hợp phối trộn với nhiên liệu truyền thống.
Ethanol có chỉ số octan cao hơn xăng nên làm tăng khả năng chống kích nổ của động cơvà hiệu suất nhiệt của động cơ được cải thiện khi tăng tỉ số nén. Việc bổ sung thêm lượng nhỏ ethanol vào xăng giúp tăng cường chỉ số octan của hỗn hợp nhiên liệu, bổ sung thêm ôxy giúp quá trình cháy trong động cơ triệt để hơn, qua đó nâng cao hiệu suất động cơ và giảm lượng phát thải độc hại CO, HC.
Xăng sinh học (hỗn hợp của xăng khoáng và cồn ethanol với các tỷ lệ phối trộn khác nhau) hiện nay được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Đối với các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol thấp (5-10%) thì có thể sử dụng trên động cơ xăng thông thường mà không cần phải thay đổi kết cấu. Tuy nhiên đối với các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn cần có những thay đổi kết cấu phù hợp nhằm duy trì và nâng cao tính năng kỹ thuật cũng như độ bền của động cơ [57, 96, 38]. Phương tiện có thể sử dụng được xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol khác nhau được gọi là phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt-Flexible Fuel Vehicles (FFV) đã được nghiên cứu, phát triển và lưu hành trên thị trường ở một số nước trên thế giới. Thông thường xăng sinh học cho phương tiện FFV có tỷ lệ cồn ethanol tới 85% (E85).
Việt Nam có sản lượng sắn lớn nên có tiềm năng về nguồn nguyên liệu sản xuất nhiên liệu cồn ethanol. Tính đến hết năm 2014, tổng diện tích trồng sắn tại Việt Nam đạt 551,1 nghìn héc ta và tổng 10255,3 nghìn tấn, trong khi đó chỉ có chưa tới 5% nguyên liệu sắn được sử dụng để sản xuất ethanol. Để phát huy thế mạnh về nguồn nguyên liệu, Chính phủ đã phê duyệt Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 [25]. Lộ trình áp dụng nhiên liệu sinh học cũng đã được ban hành vào cuối năm 2012, theo đó xăng E5 được sử dụng trên toàn quốc vào năm 2015 và xăng E10 vào năm 2017. Tuy nhiên do nhiều yếu tố chủ quan và khách quan nên việc sử dụng xăng sinh học còn gặp nhiều khó khăn làm tăng lượng cồn ethanol dư thừa. Do đó, để nâng cao khả năng thay thế của ethanol cho xăng khoáng, cần tăng lượng cồn ethanol trong xăng sinh học.
Nghiên cứu sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn là rất cần thiết. Tăng tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học sử dụng cho phương tiện đang lưu hành giúp giảm sự phụ
1
thuộc vào nhiên liệu khoáng mà hiện nay phần lớn đang phải nhập khẩu, đảm bảo an ninh năng lượng, giảm thiểu phát thải gây ô nhiễm môi trường, nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp vốn là thế mạnh của nước ta.
Xuất phát từ những lý do nêu trên, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% cho động cơ xăng” làm đề tài luận án nghiên cứu sinh của mình.
- Nghiên cứu và thực hiện giải pháp kỹ thuật chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% đảm bảo tính năng kỹ thuật của động cơ.
- Đánh giá hiệu quả cũng như tác động của việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn
ethanol lớn tới động cơ xăng đang lưu hành.
- Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ Toyota 1NZ-FE lắp trên xe ô tô Toyota Vios. Đây là động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp hiện đang được lưu hành phổ biến tại Việt Nam. Nhiên liệu thử nghiệm gồm xăng khoáng RON92 thương phẩm, các hỗn hợp của xăng khoáng RON92 và 30%, 50%, 85% và 100% cồn ethanol về thể tích (tương ứng là E0, E30, E50, E85 và E100).
- Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong phòng thí nghiệm với ở các chế độ làm việc ổn định của động cơ từ 1000 6000 vòng/phút, chế độ chuyển tiếp theo chu trình ECE 15 và các chế độ khởi động, tăng tốc.
Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết
và thực nghiệm, cụ thể như sau:
- Nghiên cứu lý thuyết: tổng hợp và phân tích kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước. Ứng dụng phần mềm AVL-Boost nghiên cứu mô phỏng động cơ xăng 1NZ-FE sử dụng xăng thông thường và xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn nhằm thực hiện các nhiệm vụ:
+ Đánh giá diễn biến các quá trình làm việc của động cơ xăng 1NZ-FE khi chuyển
sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn;
+ Điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp trong một chu trình (gct) sao cho hệ số dư lượng không khí của hỗn hợp khí cháy = 1 và điều chỉnh góc đánh lửa sớm (s) sao cho công suất động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn đạt giá trị lớn nhất.
- Nghiên cứu thực nghiệm:
+ Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm đánh giá chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ nguyên bản và động cơ kđược lắp thêm ECU phụ sử dụng xăng thông thường và xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn.
+ Nghiên cứu hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun, góc đánh lửa sớm và xây dựng bộ thông số chuẩn cho động cơ xăng Toyota 1NZ-FE khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn
2
ethanol lớn bằng phương pháp thực nghiệm trên băng thử động cơ. Sau đó thiết kế, chế tạo và thử nghiệm ECU phụ cho động cơ Toyota 1NZ-FE với bộ thông số góc đánh lửa sớm và lượng phun nhiên liệu đã được tối ưu khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol tới 100%.
- Luận án đã làm rõ được ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới quá
trình cháy, tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ phun xăng điện tử.
- Luận án xây dựng được bộ thông số chuẩn về lượng nhiên liệu cung cấp và góc đánh lửa phù hợp với tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học và chế độ làm việc của động cơ là cơ sở cho nghiên cứu chuyển đổi cũng như nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng nhiên liệu linh hoạt.
- Luận án đưa ra được giải pháp chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt thực hiện có tính khả thi, cải thiện tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ.
- Kết quả luận án góp phần thúc đẩy việc sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học, giảm phụ thuộc nhiên liệu khoáng, giảm ô nhiễm môi trường, nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp tại Việt Nam.
Đề tài là công trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam thực hiện chuyển đổi thành công động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100%. ECU phụ được lắp thêm trên động cơ có khả năng tự động nhận biết tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học, tự động điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình và góc đánh lửa sớm phù hợp với tỷ lệ ethanol, đảm bảo tính năng kỹ thuật của động cơ.
- Mở đầu
- Chương 1. Tổng quan
- Chương 2. Cơ sở lý thuyết
- Chương 3. Mô phỏng động cơ phun xăng điện tử khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ
cồn ethanol tới 100%
- Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm
- Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài
3
1.1.1. Sự cần thiết phải nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học
Ngày nay, cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội, mức độ tăng trưởng dân số và quá trình đô thị hóa nhanh chóng khiến nhu cầu về giao thông, vận tải trên toàn thế giới và đặc biệt là tại các nước đang phát triển tăng lên nhanh chóng. Số lượng phương tiện vận tải liên tục gia tăng khiến cho nhu cầu sử dụng và tiêu thụ nhiên liệu tương ứng tăng theo. Tốc độ tăng trưởng bình quân về lượng nhiên liệu do các phương tiện tiêu thụ trong thời gian từ năm 2000 - 2015 là 2,1% (Hình 1.1a). Để đáp ứng nhu cầu về nhiên liệu đó, các quốc gia trên thế giới đã tăng cường khai thác sử dụng tất cả các nguồn nhiên liệu hiện có. Tuy nhiên, việc gia tăng khai thác, sử dụng nhiên liệu hoá thạch cũng chính là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường, làm tăng nguy cơ của hiệu ứng nhà kính, làm cho trái đất nóng dần lên. Lượng phát thải khí CO2 do quá trình cháy nhiên liệu từ các phương tiện đã tăng lên 2,2% trong thời gian từ năm 2000 2015 (Hình 1.1b). Ngoài ra, do sự tăng lên nhanh chóng về nhu cầu nhiên liệu khiến nguồn nhiên liệu chính cho các phương tiện là dầu thô trở nên ngày càng cạn kiệt, đây là nguyên nhân khiến cho giá dầu thô trên thị trường thế giới trong thời gian qua biến động không ngừng (Hình 1.2), [47, 93, 94].
a) b) Hình 1.1. Tổng mức tiêu thụ năng lượng và mức phát thải CO2 trên thế giới [47] Để đảm bảo được an ninh năng lượng, tăng trưởng kinh tế và giảm thiểu ô nhiễm môi trường nhiều quốc gia và các hãng sản xuất ô tô lớn trên thế giới trong vài thập kỷ qua đã đầu tư cho nghiên cứu và phát triển các loại phương tiện sử dụng các dạng nhiên liệu sạch thay thế, trong đó có nhiên liệu sinh học. Hình 1.2: Sự biến động của giá dầu thô trên thị trường thế giới
4
Tại Việt Nam, trong thời gian qua số lượng phương tiện cơ giới đường bộ đã tăng lên nhanh chóng, giai đoạn 2002 - 2012 tăng 13,59 %, trong đó, ô tô tăng 12,66 % còn mô tô, xe gắn máy tăng 13,64 % (Hình 1.3) [1]. Tính đến thời điểm 15/9/2015, tổng số phương tiện cơ giới đường bộ đã đăng ký trong cả nước là 46065091 xe (trong đó: ô tô là 2579675 xe; mô tô là 43485416 xe) [2]. Cùng với sự tăng trưởng về số lượng xe cơ giới là sự gia tăng ô nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động cơ của các phương tiện này thải ra vào không khí [10,18, 22, 89].
Hình 1.3. Tăng trưởng phương tiện cơ giới đường bộ [1]
Đã có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm giảm thiểu ô nhiễm không khí do khí thải từ các phương tiện. Một trong những giải pháp đó là sử dụng nhiên liệu sinh học có khả năng tái tạo, thân thiện với môi trường và phù hợp với thế mạnh về sản xuất nông nghiệp của Việt Nam. Do đó, việc nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học nói chung, xăng sinh học nói riêng trên phương tiện giao thông trong giai đoạn hiện nay là điều cần thiết.
1.1.2. Các loại nhiên liệu sinh học được sử dụng trên phương tiện
1.1.2.1. Định nghĩa, phân loại
Nhiên liệu sinh học thuộc loại nhiên liệu tái tạo, được định nghĩa là bất kỳ loại nhiên liệu nào nhận được từ sinh khối hoặc có nguồn gốc từ độngthực vật, bao gồm bioethanol, biodiesel, biogas, ethanol pha trộn (ethanol - blended fuels), dimetyl este sinh học và dầu thực vật [4]. Nhiên liệu sinh học (NLSH) được phân thành hai nhóm, nhóm dùng cho động cơ xăng bao gồm các dạng cồn nhưng phổ biến là bioethanol và nhóm dùng cho động cơ diesel là các este của dầu béo (biodiesel). Cồn ethanol được sản xuất với nguyên liệu là tinh bột và đường nhờ quá trình phân giải của vi sinh vật. Sau đó ethanol được tách nước và bổ sung các chất phụ gia và chất biến tính gọi là ethanol nhiên liệu biến tính hay cồn nhiên liệu. Còn diesel sinh học được chế biến từ dầu thực vật và mỡ động vật. Nhiều nước trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu tận dụng và trồng các loài cây nông, lâm nghiệp để cung cấp nguyên liệu sinh học cho chế biến loại nhiên liệu này.
1.1.2.2. Một số loại nhiên liệu sinh học thường dùng
* Diesel sinh học
Diesel sinh học (biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự và có thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống. Biodiesel được điều chế bằng cách dẫn
5
xuất từ một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ động vật), thường được thực hiện thông qua quá trình transester hóa bằng cách cho phản ứng với các loại rượu, phổ biến nhất là methanol.
Hiện nay biodiesel đã được sử dụng tại nhiều quốc gia trên thế giới và là loại nhiên liệu sinh học phổ biến nhất ở Châu Âu. Tại Mỹ, lượng biodiesel được tiêu thụ đạt trên 2 tỷ gallon mỗi năm. Tại Áo, phải sử dụng nhiên liệu diesel khoáng pha 5% nhiên liệu sinh học. Tại Đức, bắt buộc phải sử dụng nhiên liệu diesel-B5. Tại Pháp, hiện đã có hàng vạn phương tiện tham gia giao thông sử dụng nhiên liệu diesel-B30, [4].
* Khí sinh học (Biogas)
Khí sinh học (biogas) là một loại khí hữu cơ với thành phần chính gồm methane (CH4) chiếm từ 50 - 60%, CO2 chiếm khoảng trên 30% và chất khác như hơi nước N2, O2, H2S, CO…được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20 40ºC và các đồng đẳng khác. Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ phế thải nông nghiệp, chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí. Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản phẩm dầu mỏ trong động cơ đốt trong.Tuy nhiên để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trước khi sử dụng vì có thể tạo nên hỗn hợp nổ với không khí. Khí H2S trong biogas có thể ăn mòn các chi tiết trong động cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc. Ngoài ra hơi nước trong biogas tuy có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kế đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu. Do đó, hiện nay biogas đã được nghiên cứu tại nhiều quốc gia trên thế giới và được sử dụng nhiều trong các động cơ đốt trong chạy máy phát điện, tuy nhiên các phương tiện sử dụng biogas hiện vẫn chưa được thương mại hoá [4].
* Xăng sinh học
Xăng sinh học (biogasoline) là loại nhiên liệu sinh học dạng lỏng được sử dụng phổ biến nhất trên phương tiện hiện nay. Chi tiết về xăng sinh học sẽ được trình bày chi tiết ở mục 1.2.2.
Ngoài ra còn có một số loại nhiên liệu sinh học khác như: nguyên liệu sinh khối (biomas); Bioether bao gồm sáu loại ether: dimetyl ether (DME), diethyl ether (DEE), methyl teritiary-butyl ether (MTBE), etyl ter-butyl ether (ETBE), ter-amyl methyl ether (TAME), ete ter-amyl ethyl (TAEE); Khí tổng hợp (syngas)... cũng đã được nghiên cứu tại nhiều quốc gia trên thế giới, tuy nhiên hiện vẫn chưa có các phương tiện sử dụng các loại nhiên liệu sinh học này được thương mại hoá [4].
1.2.1. Nhiên liệu cồn ethanol
Ethanol còn được biết đến với tên rượu etylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc hay cồn, là một hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của rượu metylic, dễ cháy, không màu, là một trong các rượu thông thường có trong thành phần của đồ uống chứa cồn [15].
Trong cách gọi thông thường, ethanol thường được gọi một cách đơn giản là rượu.
Công thức hóa học của ethanol là C2H5OH, hay CH3CH2OH, viết tóm tắt là C2H6O [15].
6
1.2.1.1. Nguồn gốc, phương pháp sản xuất cồn ethanol
* Nguồn gốc
Nhiên liệu ethanol có thể được sản xuất từ rất nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, bao
gồm:
- Các loại nguyên liệu chứa đường: mía, củ cải đường, thốt nốt…
- Các loại nguyên liệu chứa tinh bột: sắn, ngô, gạo, lúa mạch, lúa mì…
- Các loại nguyên liệu chứa cellulose.
Tuy nhiên, tùy theo lợi thế về nguồn nguyên liệu của mỗi quốc gia, người ta chọn loại nguyên liệu có lợi thế nhất để sản xuất nhiên liệu ethanol phù hợp. Ở Việt Nam, các nguồn nguyên liệu thích hợp có thể sản xuất nhiên liệu ethanol là mía, sắn, gạo, ngô và rỉ đường. Trong đó sắn hiện đang được coi là nguồn nguyên liệu chính.
* Phương pháp
Tùy thuộc vào các loại nguyên liệu mà nhiêu liệu ethanol sẽ được sản xuất theo các phương pháp và quy trình khác nhau. Tuy nhiên, tổng hợp lại thì có hai phương pháp sản xuất nhiên liệu ethanol được áp dụng phổ biến:
+ Phương pháp hydrat hóa ethylen: Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hydat hóa ethylen trên xúc tác axit, được trình bày theo phản ứng hóa học sau. Cho etylen hợp nước ở 300C áp suất 70 – 80atm với xúc tác là axit photphoric:
H2C = CH2 + H2O → CH3CH2OH
+ Phương pháp lên men: Mọi sự lên men các đường đến C6 (Ví dụ như: C6H12O6) trong
đó chủ yếu là glucose và cenlulozo đều chuyển thành ethanol và khí CO2.
Với các loại ngũ cốc thì người ta tách tinh bột và cần có thuỷ phân bởi các enzymes để thu được đường rồi mới lên men. Ở Pháp ethanol được sản xuất từ củ cải đường hay lúa mạch. Ở Việt Nam và các nước chủ yếu sử dụng các loại nguyên liệu có nguồn gốc cenlulozo hoặc dạng tinh bột. Công nghệ sản xuất ethanol bằng phương pháp lên men được thực hiện qua các bước theo quy trình như sau: Đầu tiên là thuỷ phân tinh bột để thu được đường; Tiếp sau là lên men đường; Rồi chưng cất ethanol để thu được ethanol nguyên chất. Có hai giai đoạn chưng cất: Giai đoạn đầu, thu được loại ethanol 96%; Giai đoạn sau, khử nước để có ethanol alhydrid (99,5% tối thiểu, theo khối lượng). Quy trình sản xuất ethanol từ cenlulozo được trình bày trong Hình 1.4 [9,19]. Hình 1.4. Sơ đồ sản xuất ethanol từ cenlulozo [9]
7
Phương trình hóa học khi đó tương ứng là:
(C6H10O5)n +nH2O → nC6H12O6
C6H12O6→ 2C2H5OH + CO2
1.2.1.2. Tính chất của cồn ethanol
Cồn ethanol không có màu, có mùi thơm và có ngọn lửa không màu, bay hơi ở nhiệt độ khá thấp (78°C), có tính háo nước rất lớn, có thể tan vô hạn trong nước và trong nhiều chất hữu cơ, vô cơ khác. So sánh tính chất của cồn ethanol và xăng thông thường (Bảng 1.1) cho thấy sự khác nhau giữa hai loại nhiên liệu này [16]:
Bảng 1.1. So sánh tính chất nhiên liệu xăng và cồn ethanol
Đặc tính Đơn vị Cồn Ethanol Xăng
Nhiệt trị thể tích MJ/L 21,1 – 21,7 32,2 – 32,9
Tỷ lệ không khí/nhiên liệu 9,0 14,7
Nhiệt độ sôi °C 78 25…215
Chỉ số Octan nghiên cứu RON 106 - 130 92 - 95
Tỷ trọng @ 20°C 0,794 0,720 – 0,775
Hàm lượng nguyên tố Ô xy 34,7 < 2,7 %
Độ tan trong nước ở 25°C 100,0 < 0,01 %
Nhiệt độ tự cháy 392 280/430 °C
* Ưu điểm
- Vì cồn ethanol là hợp chất hydrocacbon có chứa nhiều ô xy nên lượng không khí cần để đốt cháy hoàn toàn 1kg cồn ethanol là 9kg không khí ít hơn nhiều so với xăng (14,7kg không khí để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu).
- Ethanol có trị số octan cao, tức là khả năng chống kích nổ tốt, do vậy cho phép tăng
tỷ số nén, tăng hiệu suất động cơ.
- Trong phân tử cồn ethanol (C2H5OH) có sẵn ô xy tức là phân tử ethanol tự có một phần ô xy để đốt cháy hydro và cacbon. Do đó làm cho quá trình đốt cháy nhiên liệu được hoàn toàn hơn và giảm sự phát thải khí CO và HC.
8
- Nhiệt ẩn hóa hơi của cồn ethanol cao dẫn đến hiệu ứng làm lạnh môi chất nạp. Do
đó,động cơ khi sử dụng cồn nạp được đầy hỗn hợp hơn vào trong xy lanh.
* Nhược điểm
- Do có ô xy trong nhiên liệu cồn ethanol (khoảng 34,7% khối lượng) dẫn đến nhiệt trị của cồn ethanol thấp hơn xăng. Do vậy tiêu hao nhiên liệu tính trên cùng một quãng đường chạy xe nhiều hơn so với dùng xăng.
- Nhiệt ẩn hóa hơi và áp suất bay hơi của cồn ethanol cao hơn nhiều so với xăng gây ra khó khăn cho động cơ sử dụng cồn ethanol nguyên chất hoặc nhiên liệu hỗn hợp có thành phần cồn ethanol cao trong việc khởi động xe ở nhiệt độ thấp và trong việc hòa trộn giữa nhiên liệu với không khí.
- Hiện tượng azeotrope (đẳng khí) của cồn ethanol với các hydrocacbon nhẹ trong xăng
làm cho sự hao hụt do bay hơi tăng.
- Khó tách cồn ethanol ra khỏi nước do hiện tượng đồng sôi của cồn ethanol với nước. Hàm lượng nước trong nhiên liệu cồn ethanol lớn hơn 1% sẽ tạo ra sự phân lớp khi pha vào xăng. Nếu không bảo quản tốt thì một phần nhỏ cồn ethanol bị ô xy hóa thành acid axetic gây ăn mòn động cơ.
- Lượng aldehyt trong khí thải ra khỏi động cơ khi sử dụng nhiên liệu cồn ethanol
nhiều hơn khi động cơ dùng xăng.
- Nhiên liệu cồn ethanol kém an toàn hơn xăng vì nhiệt độ sôi thấp.
1.2.2.1. Khái niệm
Xăng sinh học trong tiếng Anh được gọi là gasohol hoặc biogasoline để phân biệt với gasoline (xăng gốc khoáng thông thường), được tạo ra bằng cách phối trộn cồn sinh học ethanol khan với xăng khoáng theo một tỉ lệ nhất định. Ngoài ra khi phối trộn để tạo thành xăng sinh học thì hỗn hợp phối trộn còn được bổ sung thêm một hàm lượng nhỏ chất phụ gia và chất biến tính để đảm bảo tính chất nhiên liệu của xăng sinh học. Về tính chất của xăng sinh học, do xăng sinh học là một hỗn hợp của xăng khoáng và cồn ethanol nên tính chất của xăng sinh học phụ thuộc vào tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học. Khi tỷ lệ cồn ethanol càng lớn thì tính chất của xăng sinh học càng giống tính chất của cồn ethanol, là một loại nhiên liệu sinh học.
Để phối trộn chế tạo xăng sinh học thì có nhiều phương pháp phối trộn khác nhau như: khuấy trộn bằng cơ khí, bằng khí nén (sục khí) hoặc bằng tiết lưu hay tuần hoàn chất lỏng. Tùy thuộc vào từng quy mô sản xuất khác nhau để lựa chọn phương pháp phối trộn phù hợp.
1.2.2.2. Tính chất của xăng sinh học
Xăng sinh học là hỗn hợp của cồn ethanol và xăng khoáng nên tính chất phụ thuộc vào tỷ lệ của cồn ethanol trong xăng sinh học. Xăng sinh học có những ưu nhược điểm của cồn ethanol khi so sánh với xăng khoáng. Tính chất của xăng sinh học với một số tỷ lệ cồn khác nhau thể hiện ở Bảng 1.2.
9
Bảng 1.2. Tính chất của một số loại xăng sinh học [4]
RON
Xăng sinh học Tỷ lệ % ethanol theo thể tích Nhiệt trị (kJ/g) Tỷ trọng (g/cc) Tỷ lệ % nước
E0 0 43,397 0,7426 0,013 90,8
E10 10,46 41,47 0,7449 0,1289 95,6
E20 21 39,53 0,7512 0,2373 99,7
E50 49,7 34,38 0,7666 0,4947 104
E85 82,2 29,2 0,7854 0,7653 106
E100 96,6 26,7 0,794 0,9 107
1.2.3. Sản xuất và sử dụng nhiên liệu cồn ethanol và xăng sinh học trên phương tiện
1.2.3.1. Trên thế giới
Hiện nay, xăng sinh học là loại nhiên liệu sinh học được ứng dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Tổng sản lượng xăng sinh học được sản xuất và sử dụng trong thời gian qua liên tục được tăng lên. Tuy nhiên do xăng sinh học có rất nhiều loại khác nhau tùy thuộc vào tỷ lệ cồn ethanol tương ứng trong xăng sinh học nên để đánh giá sự gia tăng khối lượng xăng sinh học được sản xuất ra chúng ta có thể xem xét thông qua tổng sản lượng cồn ethanol hàng năm được sản xuất để phối trộn sản xuất xăng sinh học. Cụ thể trong giai đoạn từ năm 2007 đến năm 2015, tổng sản lượng cồn ethanol được sản xuất ra trên toàn thế giới đã tăng từ 13123 (năm 2007) lên 25682 tỷ galon (năm 2015), tăng khoảng 93% [94], cụ thể như Hình 1.5.
Tổng sản lượng ethanol hàng năm của các quốc gia/vùng lãnh thổ
Các nước khác
Canada
China
Châu Âu 30000 25000 20000 15000 10000 5000 Brazil
USA
Hình 1.5. Tổng sản lượng ethanol hàng năm của các quốc gia/vùng lãnh thổ [94] Đến năm 2015, tổng sản lượng ethanol của toàn thế giới đã đạt 25682 tỷ gallon. Hiện nay, ethanol là loại nhiên liệu sinh học dạng lỏng được sản xuất với sản lượng lớn nhất. Trong số các quốc gia trên thế giới thì Mỹ và Brazil là hai quốc gia có sản lượng ethanol
10
được sản xuất lớn nhất, chiếm hơn 83% (Hình 1.6), và chủ yếu lượng ethanol được sản xuất ra là dùng để pha trộn sản xuất xăng sinh học [16, 94]. Tại khu vực Châu Á, Trung Quốc là quốc gia sản xuất ethanol nhiều nhất chiếm tỷ lệ gần 3% của thế giới. Còn trong khu vực Đông Nam Á, Thái Lan là nước dẫn đầu về sản xuất ethanol chiếm tỷ lệ gần 1% của toàn thế giới. Thái Lan hiện cũng sử dụng phần lớn ethanol để pha trộn xăng sinh học (Hình 1.6).
Tỷ lệ sản lượng ethanol của các quốc gia/vùng lãnh thổ năm 2015
2% 1% 1% 1% 4% USA
3% Brazil 5% Châu Âu
China
Canada 28% 58% Thailand
Argentina
Hình 1.6. Tỷ lệ sản lượng ethanol của các quốc gia/vùng lãnh thổ năm 2015 [94]
Bên cạnh việc tăng cường sản xuất xăng sinh học thì nhiều quốc gia và các hãng sản xuất ô tô lớn trên thế giới trong vài thập kỷ qua đã đầu tư cho nghiên cứu và phát triển các loại động cơ cũng như phương tiện mới có khả năng sử dụng có hiệu quả các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn (E85). Trong thời gian qua số lượng phương tiện sử dụng nhiên liệu thay thế nói chung cũng như xăng sinh học nói riêng được nghiên cứu phát triển và sản xuất không ngừng được tăng lên. Tại Mỹ, số lượng đơn đặt hàng các dòng xe cũng như số lượng xe được sản xuất sử dụng nhiên liệu thay thế nói chung cũng như xăng sinh học nói riêng liên tục được tăng lên qua từng năm (Hình 1.7) [93].
a) Số lượng phương tiện được đặt hàng b) Số lượng phương tiện được sản xuất
Hình 1.7. Số lượng phương tiện sử dụng nhiên liệu thay thế được đặt hàng và sản xuất hàng năm [93]
Qua biểu đồ, chúng ta thấy số lượng phương tiện được đặt hàng và sản xuất sử dụng nhiên liệu linh hoạt có tỷ lệ cồn ethanol lớn E85 chiếm tỷ lệ lớn nhất, đặc biệt là với số lượng phương tiện được sản xuất ra hàng năm thì số lượng phương tiện này chiếm tỷ lệ chủ yếu
11
(>90%). Điều này cho thấy mức độ ứng dụng rộng rãi của xăng sinh học trên phương tiện so với các loại nhiên liệu sinh học cũng như các loại nhiên liệu thay thế khác.
Hiện nay, tính đến giữa năm 2015 thì trên thế giới có khoảng 48 triệu phương tiện (ô tô, xe máy và xe tải hạng nhẹ) sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn lớn đã được sản xuất và bán và tập trung vào bốn thị trường lớn bao gồm: Brazil (29,5 triệu chiếc), Hoa Kỳ (17,4 triệu chiếc), Canada (hơn 600000 chiếc) và Thụy Điển (243100 chiếc) [58, 93].
Tại khu vực Đông nam Á, Thái Lan là nước dẫn đầu trong việc nghiên cứu và sử dụng xăng sinh học. Ðến năm 2006, thị trường Thái Lan đã dùng xăng pha 10% ethanol. Trên cơ sở đó, khi khủng hoảng giá nhiên liệu thế giới bùng nổ vào năm 2008, Thái Lan đã có thể chuyển sang dùng xăng pha 20% ethanol (E20) và giới thiệu xăng E85 (pha 85% ethanol). Đến năm 2013, nhiên liệu ethanol chiếm 9% lượng tiêu thụ nhiên liệu trong lĩnh vực giao thông vận tải của Thái Lan, lên tới 2,53 triệu lít/ngày. Hãng hàng không Thái (Thai Airways) trở thành hãng hàng không đầu tiên ở châu Á thực hiện chuyến bay thương mại bằng xăng sinh học vào năm 2011 [4, 93].
1.2.3.2. Tại Việt Nam
Tại Việt Nam, nhiên liệu cồn ethanol chủ yếu được sản xuất từ sắn. Sắn hiện đang là cây lương thực quan trọng đứng hàng thứ ba sau lúa và ngô. Cây sắn hiện nay đã chuyển đổi vai trò từ cây lương thực thực phẩm thành cây công nghiệp hàng hóa có lợi thế cạnh tranh cao. Sản xuất sắn là nguồn thu nhập quan trọng của các hộ nông dân nghèo do sắn dễ trồng, ít kén đất, ít vốn đầu tư, phù hợp sinh thái và điều kiện kinh tế nông hộ. Giai đoạn từ năm 2001 - 2011, tốc độ tăng trưởng diện tích bình quân trồng sắn hàng năm là 6% và tốc độ tăng trưởng sản lượng bình quân hàng năm đạt 10% (Hình 1.8). Hiện nay chủ yếu sắn sản xuất tại Việt Nam được xuất khẩu và Việt Nam là 1 trong 10 nước xuất khẩu sắn lớn nhất thế giới [4].
Nguồn: Tổng cục Thống kê 2012
Hình 1.8. Diện tích và sản lượng sắn tại Việt Nam giai đoạn 2001-2011 [4]
Việt Nam cũng đã có quy định bắt buộc về việc sử dụng xăng sinh học trên phương tiện, đó là Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg ngày 22/11/2012 của Thủ tướng Chính phủ về việc ban hành lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống, trong đó quy định rõ lộ trình sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện cơ
12
giới đường bộ tiêu thụ trên toàn quốc là xăng E5 từ ngày 1/12/2016 và xăng E10 từ ngày 1/12/2017 [26]. Tuy có sự chậm trễ nhưng đến ngày 1/01/2018, xăng E5 đã chính thức được sử dụng đại trà trên toàn quốc, thay thế hoàn toàn xăng RON 92.
Hiện tại, tại Việt Nam có 07 nhà máy ethanol với tổng mức đầu tư trên 500 triệu USD, với công suất thiết kế 600000m3/năm, tập trung chủ yếu tại miền Trung - Tây Nguyên và miền Nam. Hiện tại, chỉ có 04/07 Nhà máy có khả năng sản xuất được E100. Nếu 04 Nhà máy này hoạt động đạt 80% công suất thiết kế sẽ cung cấp ra thị trường 320000m3 E100/năm, dư đủ cho nhu cầu pha xăng E5 - E10 theo lộ trình đã quy định của Chính phủ. Hầu hết các nhà máy có công suất lớn mới xây dựng đều sử dụng sắn (khô hoặc tươi) làm nguyên liệu để sản xuất ethanol. Thiết bị của các nhà máy được xây dựng sau năm 2007, đều được đầu tư thiết bị mới 100%, xuất xứ Châu Á và G7, trình độ tự động hóa đạt trên 85%. Tuy nhiên các nhà máy khi hoạt động hết công suất mới chỉ tiêu thụ hết hơn 1 triệu tấn sắn lát, chưa hết 10% tổng sản lượng sắn được sản xuất ra. Do đó, tiềm năng để sản xuất ethanol ở Việt Nam trong thời gian tới vẫn còn rất lớn [4].
Đến nay từ những nước phát triển đến những nước đang phát triển đều đã có nhiều công trình nghiên cứu về sử dụng xăng sinh học trên động cơ xăng do các lợi ích và tiềm năng khi thay thế xăng thông thường cao hơn so với các dạng nhiên liệu thay thế khác. Các nghiên cứu đó tập trung theo ba hướng chính, bao gồm:
+ Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học trên động cơ xăng truyền thống.
+ Chuyển đổi từ động cơ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học.
+ Thiết kế, chế tạo động cơ mới chuyên dụng cho phương tiện sử dụng nhiên liệu linh
hoạt (FFV).
1.3.1. Các nghiên cứu trên thế giới
1.3.1.1. Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học trên động cơ xăng
Đây là hướng nghiên cứu phổ biến nhất trên thế giới và là hướng nghiên cứu được thực hiện đầu tiên khi muốn sử dụng xăng sinh học trên động cơ xăng thông thường. Các nghiên cứu này nhằm đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học tới tới tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải [30, 31, 32] và độ bền của động cơ để qua đó xem xét tính khả thi của việc sử dụng xăng sinh học trên động cơ xăng. Ngoài ra kết quả của các nghiên cứu này còn là cơ sở cho những nghiên cứu về điều chỉnh động cơ xăng thông thường cũng như phát triển các loại động cơ mới chuyên dụng cho xăng sinh học. Cụ thể một số nghiên cứu như sau:
Nghiên cứu của M. Al-Hasan [77] trên động cơ xăng 4 kỳ, 4 xy lanh, đánh lửa cưỡng bức, tỷ số nén 9:1, công suất tối đa 52kW tại 5600v/ph (động cơ Toyota – Tercel – 3A) tại các tốc độ động cơ từ 1000v/ph đến 4000v/ph với xăng sinh học có tỷ lệ cồn từ 0% đến 25% cho thấy, khi tăng tỷ lệ ethanol từ 0% đến 20% hệ số dư lượng không khí giảm dần, sau đó với tỷ lệ ethanol lớn hơn từ 20% trở lên thì hệ số dư lượng không khí dần tăng lên do hỗn hợp có xu hướng nhạt dần (Hình 1.9a). Trong khi đó, hệ số nạp của động cơ có xu hướng
13
biến thiên đối lập với hệ số dư lượng không khí tương đương 1/ (Hình 1.9b). Điều này gây ra bởi hai nguyên nhân: lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hết 1 đơn vị khối lượng xăng sinh học giảm và lượng ô xy nạp vào trong xy lanh động cơ tăng vì ngoài lượng ô xy trong không khí nạp còn có một lượng sẵn ô xy chứa sẵn trong xăng sinh học.
a) Hệ số 1/ b) Hệ số nạp
Hình 1.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol tới hệ số dư lượng không khí tương đương 1/ và hệ số nạp tại các tốc độ 1000, 2000, 3000, 4000v/ph
Mô men động cơ có xu hướng biến thiên tương tự như hệ số nạp (Hình 1.10a) còn suất tiêu hao nhiên liệu thì có xu hướng biến thiên tương tự như hệ số dư lượng không khí (Hình 1.10b). Xu thế này cho thấy với tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học lớn hơn 20% thì mô men động cơ sẽ giảm dần khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tăng lên. Do đó với động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% thì việc điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp vào động cơ là điều cần thiết để đảm bảo mô men động cơ không bị sụt giảm quá lớn do hỗn hợp cháy quá nhạt.
a) Mô men b) Suất tiêu hao nhiên liệu
Hình 1.10. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol tới mô men và suất tiêu hao nhiên liệu tại các tốc độ 1000, 2000, 3000, 4000v/ph
Đối với các thành phần phát thải, khi tăng tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu từ 0% đến 20% hàm lượng CO giảm xuống rất nhanh sau đó từ 20% dến 25% thì hàm lượng phát thải CO tăng rất ít (Hình 1.11a), trong khi đó lượng phát thải CO2 có xu hướng tăng lên với tỷ lệ ethanol từ 0 đến 20%, sau đó giảm xuống với tỷ lệ ethanol cao hơn (Hình 1.11b). Lượng phát thải HC cũng có xu hướng biến thiên tương tự như phát thải CO, tuy nhiên ở giai đoạn tỷ lệ ethanol tăng từ 20% đến 25% thì tốc độ tăng phát thải HC nhanh hơn nhiều so với tốc độ tăng của phát thải CO (Hình 1.11c).
14
a) b) c)
Hình 1.11. Ảnh hưởng của lượng ethanol tăng lên tới hàm lượng khí thải CO, CO2, HC trong phát thải
Thí nghiệm đã cho thấy khi động cơ ô tô không có sự điều chỉnh thì khi động cơ sử dụng xăng sinh học với tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học lớn hơn 20% mô men của động cơ giảm dần khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tăng lên. Nguyên nhân của sự sụt giảm này là do hỗn hợp cháy nhạt dần do lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ không đủ. Do đó khi sử dụng xăng sinh học với tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% cần phải điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp để đảm bảo mô men động cơ không bị sụt giảm.
Trong nghiên cứu của Vilnis Pirs và các cộng sự [112] tiến hành thử nghiệm trên ô tô VW Passat trang bị động cơ xăng 4 kỳ, đánh lửa cưỡng bức, 4 xy lanh, dung tích 1781cc, công suất cực đại đạt 92kW tại tốc độ động cơ 5800v/ph trang bị hệ thống nhiên liệu Bosch Motronic M3.8.2 và cảm biến lambda hoạt động ở chế độ chế độ điều khiển kín (closed loop control). Ô tô được tiến hành thí nghiệm trên bệ thử ô tô với xăng thông thường A95 và các loại xăng sinh học E10, E20, E30, E40, E50, E85. Kết quả thử nghiệm cho thấy khi động cơ chạy ở tốc độ thấp,tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu tăng lên thì mô men, công suất của động cơ giảm xuống thấp hơn so với khi dùng xăng. Tuy nhiên khi động cơ chạy ở tốc độ trung bình và tốc độ cao,tỷ lệ cồn ethanol tăng lên thì mô men, công suất của động cơ lại cao hơn khi động cơ chạy xăng. Mô men trung bình tăng lên đối với xăng E10, E20, E50, E85 là 3,20%, 2,90%, 1,47%, 0,64% và giảm xuống với E30, E100 là 1,96% và 0,43%. Sự thay đổi mô men trung bình giữa động cơ khi chạy xăng thông thường và xăng sinh học nhỏ, chỉ dưới 5% (Hình 1.12).
a) Mô men b) Mô men lớn nhất và trung bình
Hình 1.12. Thay đổi mô men của động cơ và khi sử dụng các loại xăng sinh học
Mặc dù nhiệt trị nhiên liệu xăng sinh học nhỏ hơn xăng khoáng, tuy nhiên trường hợp này hệ thống điều khiển vòng kín với khả năng điều chỉnh rộng đã tự động tăng lượng nhiên
15
liệu phun đáng kể để đảm bảo duy trì hệ số dư lượng không khí lambda bằng 1. Điều này cũng dẫn tới suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tăng đáng kể (Hình 1.13a). Lượng nhiên liệu khi động cơ sử dụng xăng sinh học E10, E20, E30, E40, E50, E85 tăng lên tương ứng là 5%, 9%, 12%, 15%, 21% và 31% so với khi dùng xăng thông thường A95, cụ thể trong Hình 1.13b [112].
a) Suất tiêu hao nhiên liệu b) Tỷ lệ tăng suất tiêu hao nhiên liệu
Hình 1.13. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu tới suất tiêu hao nhiên liệu
của ô tô
Về lượng phát thải, kết quả thử nghiệm ô tô với chế độ vận hành khác nhau khi sử dụng các loại xăng sinh học cũng cho thấy lượng phát thải CO trong động cơ khi sử dụng xăng sinh học giảm hơn so với khi sử dụng xăng thông thường, mức giảm tăng khi tăng tỷ lệ ethanol (Hình 1.14a). Trong khi đó lượng phát thải khí CO2 lúc đầu ít thay đổi, sau đó đến tỷ lệ 40% thì lượng CO2 giảm khi tỷ lệ ethanol tăng (Hình 1.14b). Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới lượng khí HC có diễn biến không theo xu hướng rõ ràng, có lúc tăng có lúc giảm khi lượng ethanol tăng lên (Hình 1.14c). Ngoài ra trong thí nghiệm này, lượng phát thải khí NH3 cũng được đo đạc. Khi hàm lượng ethanol trong nhiên liệu tăng lên thì lượng phát thải NH3 trong động cơ cũng giảm (Hình 1.14d).
a) Phát thải CO b) Phát thải CO2
c) Phát thải HC d) Phát thải NH3
Hình 1.14. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu tới lượng phát thải khí CO, CO2, HC và NH3
16
Thí nghiệm đã cho thấy khi động cơ ô tô được hoạt động với hệ số dư lượng không khí =1 thông qua việc chạy ở chế độ điều khiển kín thì động cơ, công suất ô tô khi sử dụng xăng sinh học và xăng thông thường sẽ không có nhiều biến đổi. Do đó, khi chuyển từ động cơ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học thì một yêu cầu cần thiết phải thực hiện là đảm bảo hệ số dư lượng không khí = 1.
Trong một nghiên cứu khác của Luigi De Simio và các cộng sự [76] thực hiện trên một động cơ xăng 4 kỳ, đánh lửa cưỡng bức, 4 xy lanh, dung tích 1596cm3, tỷ số nén 10,5:1, công suất tối đa 76kW tại 5750v/ph, sử dụng bộ xúc tác ba thành phần. Động cơ khi thí nghiệm được điều khiển bởi bộ điều khiển Magneti Marelli Helios với các loại xăng sinh học E0, E10, E20, E30, E85 tại các tốc độ động cơ từ 1750 đến 3000v/ph với các chế độ tải trọng 20, 50, 80Nm và chạy chế độ điều khiển kín (closed loop control). Kết quả thử nghiệm cho thấy khi động cơ sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn thì lượng nhiên liệu cấp cho động cơ cũng được điều chỉnh tăng lên tương ứng với sự gia tăng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học (Hình 1.15a). Nguyên nhân của sự gia tăng lượng nhiên liệu cung cấp này là do động cơ chạy ở chế độ điều khiển kín thì ECU sẽ đối chiếu nồng độ ôxy trong khí xả để luôn duy trì trạng thái cháy đủ không khí/nhiên liệu (tương đương với việc giữ hệ số dư lượng không khí = 1). Đồng thời khi tăng của lượng nhiên liệu cung cấp để đảm bảo hệ số dư lượng không khí = 1 thì hiệu suất nhiệt của động cơ khi sử dụng xăng sinh học cũng tăng lên 3÷10% so với khi sử dụng xăng thông thường và khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tăng lên thì hiệu suất nhiệt trung bình của động cơ tăng lên tương ứng (Hình 1.15b).
a) Lượng nhiên liệu cung cấp b) Hiệu suất nhiệt của động cơ
Hình 1.15: Sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp và hiệu suất nhiệt của động cơ khi sử dụng các loại xăng sinh học E10, E20, E30, E85 so với khi sử dụng xăng thông thường
Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy lượng phát thải CO và NOx giảm xuống tương ứng khi tỷ lệ cồn ethanol trong các loại xăng sinh học tăng lên (Hình 1.16). Trong đó đặc biệt với động cơ khi sử dụng xăng sinh học E85 thì lượng phát thải HC giảm gần 30% và lượng phát thải NOx giảm 18% so với khi sử dụng xăng thông thường. Kết quả thí nghiệm đã cho thấy khi động cơ sử dụng xăng sinh học thì cần phải thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ. Khi động cơ được tăng lượng nhiên liệu cung cấp thì hiệu suất nhiệt của động cơ cũng tương ứng được tăng lên. Do đó, khi động cơ chuyển đổi sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn thì cần thiết phải điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp để đảm bảo hệ số dư lượng không khí = 1.
17
a) Phát thái HC b) Phát thải NOx
Hình 1.16: Tỷ lệ suy giảm phát thải HC và NOx khi động cơ sử dụng các loại xăng sinh học E10, E20, E30, E85 so với khi sử dụng xăng thông thường
Nghiên cứu đánh giá về ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm và thời gian phun nhiên liệu tới quá trình làm việc của động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học được thực hiện bởi S. Phuangwongtrakul và các cộng sự [100] trên động cơ Toyota 3ZZ-FE dung tích 1600cc với lượng nhiên liệu cung cấp được điều chỉnh từ 185cc/phút đến 365cc/phút. Quá trình đánh lửa sớm và thời gian phun nhiên liệu trên động cơ được điều khiển bằng bộ điều khiển điện tử Haltech E11-V2. Động cơ được thử nghiệm với các loại xăng sinh học E10. E20, E30, E40, E50, E60, E70, E85 và E100 ở tốc độ động cơ từ 2000 - 5000 v/ph và độ mở bướm ga là 6, 9, 13, 16, 19, 22 và 26%. Kết quả thí nghiệm đã tính toán ra được góc đánh lửa sớm tối ưu để mô men của động cơ đạt giá trị cực đại bằng cách giữ lượng phun nhiên liệu đảm bảo hệ số dư lượng không khí 1 sau đó điều chỉnh góc đánh lửa sớm để mô men động cơ đạt cực đại. Đối với động cơ khi sử dụng xăng sinh học E85 mô men đạt cực đại là 23,46 Nm tại vị trí bướm ga mở 26% và góc đánh lửa sớm là 38º trục khuỷu trước ĐCT (Hình 1.17a). Ngoài ra kết quả thí nghiệm cũng cho thấy do chỉ số octan của xăng sinh học lớn hơn xăng thông thường nên động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn không xảy ra hiện tượng kích nổ. Suất tiêu hao nhiên liệu của xăng sinh học tương ứng tăng lên khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tăng lên, cụ thể với xăng sinh học E100 suất tiêu hao nhiên liệu là 661,94g/kWh cao hơn 26,65% so với xăng E10 (Hình 1.17b). Nguyên nhân của sự gia tăng này là do nhiệt trị của cồn ethanol thấp hơn so với xăng thông thường.
a) Mô men b) Suất tiêu hao nhiên liệu
Hình 1.17. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm tới mô men và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng các loại xăng sinh học tại tốc độ động cơ 5000v/ph
18
Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy hướng chuyển đổi động cơ từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% là điều chỉnh lượng phun nhiên liệu để hệ số dư lượng không khí 1 và điều chỉnh góc đánh lửa sớm của động cơ để mô men (công suất) động cơ đạt cực đại.
Một thí nghiệm khác được thực hiện bởi Koichi Nakata và các cộng sự [73] tại hãng Toyota trên động cơ Toyota 1NZ-FE sau khi điều chỉnh lại piston để nâng tỷ số nén của động cơ từ 10,5:1 lên 13:1 với hai loại xăng thông thường RON92, RON100 và các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% nhằm xác định ảnh hưởng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tới mô men, suất tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất nhiệt và góc đánh lửa tối ưu của động cơ. Thí nghiệm được tiến hành với động cơ ở chế độ tải bộ phận (BMEP 0,2MPa) và bướm ga mở hoàn toàn (WOT), động cơ được điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp để đảm bảo hệ số dư lượng không khí = 1 và điều chỉnh góc đánh lửa sớm tối ưu. Kết quả thí nghiệm đã cho thấy tại tốc độ động cơ 2800v/ph mô men của động cơ khi sử dụng xăng sinh học E100 tăng 20% so với khi sử dụng xăng RON92 và tăng 5% so với khi sử dụng xăng RON100. Nguyên nhân của sự gia tăng công suất này là do khả năng nâng cao góc đánh lửa sớm của động cơ khi sử dụng xăng sinh học lên cao hơn so với khi sử dụng xăng thông thường. Có hai nguyên nhân là do khả năng chống kích nổ của xăng sinh học cao hơn so với xăng thông thường và nhiệt độ hỗn hợp khí cháy của xăng sinh học giảm thấp hơn xăng thông thường trong quá trình nén do cồn ethanol nhiệt ẩn hóa hơi và áp suất bay hơi cao hơn so với xăng. Động cơ khi sử dụng xăng sinh học E50 điều chỉnh góc đánh lửa sớm giúp mô men động cơ đạt cực đại tăng hơn 50% tuy nhiên vẫn chưa xảy ra hiện tượng kích nổ. Điều này cho thấy xăng sinh học E100 còn có thể tăng tỷ số nén lên cao hơn nữa và thông qua đó sẽ có khả năng nâng cao mô men động cơ. Thử nghiệm cũng đã chỉ ra việc xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn làm giảm hệ số nạp của động cơ, như với xăng sinh học E100 hệ số nạp giảm 2%. Nguyên nhân là do tỷ số không khí/nhiên liệu chuẩn của cồn ethanol là 9 thấp hơn so với xăng (14,7) nên cần phải cung cấp nhiều thể tích hơn. Nghiên cứu cũng chỉ ra hiệu suất nhiệt của động cơ khi sử dụng xăng sinh học E100 cao hơn khi sử dụng xăng thông thường RON92 do khả năng chống kích nổ của E100 cao hơn so với RON92 (cụ thể các kết quả trong Hình 1.18).
a) Mô men b) Suất tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất nhiệt
Hình 1.18. Ảnh hưởng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tới mô men, suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất nhiệt của động cơ tại tốc độ động cơ 2800v/ph
19
Nghiên cứu cũng đã chứng minh được tại tất cả các tốc độ của động cơ, mô men và góc đánh lửa sớm trong động cơ sau khi được điều chỉnh khi sử dụng xăng sinh học đều cao hơn khi sử dụng xăng thông thường RON92. Kết quả này đã làm rõ được hiệu quả của việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn trên động cơ xăng khi được điều chỉnh tỷ số nén, lượng nhiên liệu cung cấp và tối ưu góc đánh lửa sớm thì mô men động cơ sẽ cao hơn nhiều so với khi sử dụng xăng thông thường và khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học càng lớn thì mô men động cơ càng tăng cao tương ứng (Hình 1.19).
Hình 1.19. Ảnh hưởng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tới tính năng động cơ tại tốc độ động cơ 2800v/ph
Kết quả thí nghiệm đã chứng tỏ rằng khi động cơ ô tô được hoạt động với hệ số dư lượng không khí = 1 thì việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm sẽ tối ưu quá trình làm việc của động cơ nâng cao mô men, hiệu suất nhiệt của động cơ. Thí nghiệm cũng chỉ ra hướng điều chỉnh cần thiết là tăng góc đánh lửa sớm lên cao hơn nhằm tận dụng khả năng chống kích nổ cao hơn của xăng sinh học so với xăng thông thường.
Các thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng cũng đã chỉ ra khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn thì cần phải có sự điều chỉnh để động cơ làm việc hiệu quả hơn và tùy thuộc vào từng tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học mà sự điều chỉnh động cơ. Hiện nay trên thế giới xăng sinh học được phân loại theo tỷ lệ cồn, tuy nhiên các nhà nghiên cứu vẫn chưa thống nhất về các khái niệm cao/lớn, thấp/nhỏ trong xăng sinh học. Do đó, để thuận tiện trong quá trình nghiên cứu luận án thì trong phạm vi nghiên cứu của luận án NCS chia xăng sinh học thành hai nhóm, bao gồm: xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol thấp/nhỏ là các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol nhỏ hơn 20% (là các loại xăng sinh học mà các loại động cơ đang lưu hành không phải hoặc cần rất ít sự điều chỉnh để làm việc có hiệu quả) [40, 46, 56, 57] và xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol cao/lớn là các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn hơn hoặc bằng 20% (là các loại xăng sinh học mà các loại động cơ đang lưu hành bắt buộc hoặc nên điều chỉnh để hoạt động được hoặc hoạt động có hiệu quả) [58, 59].
1.3.1.2. Chuyển đổi từ động cơ sử dụng xăng thông thường sang động cơ sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn
Bên cạnh các nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học đến động cơ xăng truyền thống thì trên thế giới cũng đã có nhiều nghiên cứu về chuyển đổi từ động cơ xăng thông thường sang động cơ sử dụng xăng sinh học. Cụ thể một số nghiên cứu như sau:
20
Keat B. Drane và các cộng sự trong nhóm nghiên cứu thuộc tạp chí Mother Earth [70] đã tiến hành chuyển đổi động cơ xe 1969 Dodge Dart sử dụng bộ chế hòa khí sang sử dụng cồn ethanol. Nhóm nghiên cứu đã điều chỉnh các chi tiết của động cơ sau:
- Hệ thống cung cấp nhiên liệu: được lắp thêm bình chứa cồn, van chữ T cũng như điều chỉnh lại hệ thống đường ống dẫn nhiên liệu cho phù hợp để có thể chuyển đổi hệ thống cung cấp nhiên liệu sang hai chế độ là dùng xăng và dùng cồn ethanol.
- Bộ chế hòa khí: được mở rộng tiết diện gic lơ lên 40% để tăng lượng cung cấp nhiên liệu, tăng 10% khối lượng phao xăng để cân bằng khối lượng vì khối lượng riêng của xăng sinh học lớn hơn xăng.
- Hệ thống đánh lửa: tăng góc đánh lửa sớm về 24 trước ĐCT và sử dụng bugi có số
cao hơn (có dải nhiệt nóng hơn).
Nhóm nghiên cứu cũng đưa ra giải pháp để chống lại hiện tượng khởi động lạnh khi nhiệt độ ngoài trời xuống thấp bằng cách dùng xăng chạy trước làm ấm máy sau đó mới chạy cồn ethanol hoặc sử dụng khởi động bằng tay làm ấm máy trước.
Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng khi sử dụng xăng sinh học với tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% thì cần thiết phải điều chỉnh về mặt kỹ thuật của động cơ đặc biệt là trong hệ thống cung cấp nhiên liệu và hệ thống đánh lửa. Ngoài ra, động cơ được điều chỉnh sẽ nâng cao được tính năng kỹ thuật cũng như làm giảm lượng phát thải. Tuy nhiên với giải pháp điều chỉnh bộ chế hòa khí như trên, sau khi điều chỉnh động cơ chỉ hoạt động với một loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol xác định. Khi thay đổi tỷ lệ ethanol cần thực hiện điều chỉnh lại bộ chế hòa khí, hệ thống không tự động điều chỉnh được.
Randy Price và các cộng sự [92] đã thực hiện nghiên cứu chuyển đổi động cơ ô tô 2008 Chevrolet Impala từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 85% (E85) với bộ chuyển đổi U.S. Ethanol Conversion Kits (Hình 1.20).
Hình 1.20. Bộ chuyển đổi U.S. Ethanol Conversion Kits
Bộ chuyển đổi Conversion Kits bao gồm hai bộ phận chính là cảm biến nồng độ cồn ethanol trong nhiên liệu và bộ ECU phụ điều chỉnh lại quá trình phun nhiên liệu. Bộ chuyển đổi được kết nối trực tiếp đến vòi phun. Kết quả nghiên cứu đã chuyển đổi được động cơ từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng được xăng sinh học E85. Tuy nhiên do bộ chuyển đổi chỉ có khả năng điều chỉnh được duy nhất lượng phun nhiên liệu nên công suất động cơ khi chuyển đổi không đạt được giá trị cao nhất. Nghiên cứu chuyển đổi cũng chỉ ra cần thiết
21
phải điều chỉnh lại hệ thống đánh lửa của động cơ để động cơ có thể khởi động được trong điều kiện khởi động lạnh vì nhiệt độ tại Hoa Kỳ vào mùa đông xuống rất thấp gây khó khăn cho việc khởi động của ô tô khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn do nhiệt ẩn hóa hơi và áp suất hơi bão hòa của cồn cao hơn nhiều so với xăng. Do đó với các vùng có nhiệt độ thấp cần phải sấy nóng động cơ trước khi sử dụng xăng sinh học.
Benjamin Strader [36] và J. R. Crosby [63] đã thực hiện các nghiên cứu khác nhau về việc chuyển đổi từ động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sang phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt với tỷ lệ cồn ethanol tới E85. Cả hai nghiên cứu này đều chỉ ra khi chuyển đổi động cơ sang sử dụng xăng sinh học thì việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm và lượng phun nhiên liệu được thực hiện thông qua việc xây dựng một bộ dữ liệu điều khiển mới cho hệ thống điều khiển của động cơ. Các nghiên cứu đã xây dựng được bộ thông số điều chỉnh lượng phun nhiên liệu phù hợp cho động cơ khi sử dụng E85 theo tốc độ động cơ và áp suất cửa nạp (thông qua cảm biến áp suất nạp) (Hình 1.21) và góc đánh lửa sớm tối ưu cho động cơ khi sử dụng xăng sinh học E85 (Hình 1.22). Bộ dữ liệu lượng phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm này sau khi hiệu chỉnh được nạp trực tiếp vào ECU điều khiển của ô tô để điều chỉnh lại động cơ khi sử dụng xăng sinh học E85.
Hình 1.21. Lượng phun nhiên liệu được điều chỉnh cho E85
Hình 1.22. Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh cho E85
Phương pháp điều chỉnh này có một nhược điểm là động cơ khi đó chỉ được tối ưu để sử dụng xăng sinh học E85 còn khi muốn sử dụng xăng thông thường thì động cơ cần phải nạp lại bộ thông số chuẩn mới phù hợp với xăng thông thường.
Tại khu vực Đông Nam Á, Thái Lan là một trong những nước dẫn đầu trong việc nghiên cứu sử dụng và chuyển đổi động cơ từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học. Tại Thái Lan, hiện đã có những bộ chuyển đổi hỗ trợ cho động cơ từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học cũng được thương mại hóa. Tuy nhiên thường các bộ chuyển đổi ở đây là các bộ chuyển đổi phù hợp với từng loại xăng sinh học nhất định,
22
còn đối với động cơ khi sử dụng nhiên liệu linh hoạt (xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol thay đổi) thì những bộ chuyển đổi đang được bán tại Thái Lan không tự động điều chỉnh mà cần phải điều chỉnh trực tiếp bằng tay thông qua các nút điều chỉnh. Ngoài ra các bộ điều chỉnh này chỉ điều chỉnh quá trình cung cấp nhiên liệu, chưa điều chỉnh được góc đánh lửa sớm của động cơ.
Thông qua những nghiên cứu trên chúng ta thấy để có thể chuyển đổi động cơ từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học cần thiết phải điều chỉnh lại quá trình cung cấp nhiên liệu và quá trình đánh lửa của động cơ. Để việc điều chỉnh động cơ sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn mà không thay đổi kết cấu động cơ thì giải pháp được lựa chọn nhiều nhất là điều chỉnh lại quá trình cung cấp nhiên liệu cũng như quá trình đánh lửa thông qua sử dụng bộ chuyển đổi. Bộ chuyển đổi này sẽ điều chỉnh lại tín hiệu phun nhiên liệu và đánh lửa của ECU động cơ căn cứ trên sự biến đổi của tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu được đo bởi cảm biến nồng độ cồn ethanol.
1.3.1.3. Thiết kế, chế tạo động cơ mới chuyên dụng cho phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt (FFV)
Các nghiên cứu thiết kế, chế tạo động cơ mới chuyên dụng cho phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt (FFV) đã được các hãng sản xuất ô tô lớn trên thế giới thực hiện [58, 114]. Tuy nhiên các nghiên cứu này thường ít được công bố rộng rãi do liên quan đến vấn đề bảo mật trong kinh doanh của các hãng xe. Các kết quả của những nghiên cứu này chỉ được các hãng xe công bố dưới dạng sản phẩm thương mại đã được bán ra trên thị trường. Trong số các nghiên cứu về thiết kế, chế tạo động cơ FFV được công bố thì nghiên cứu của nhóm nghiên cứu Hakan Yilmaz [55] tại Trung tâm Hệ thống và Nâng cao kỹ thuật hệ thống xăng tại Bắc Mỹ của hãng Bosch cho thấy được xu hướng phát triển trong thiết kế, chế tạo động cơ cho phương tiện linh hoạt trong thời gian tới. Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu tiến hành nghiên cứu thiết kế một động cơ sử dụng nhiên liệu mới trên cơ sở điều chỉnh động cơ 4 kỳ của hãng Bosch. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thiết kế, chế tạo động cơ mới với những cải tiến sau để nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ xe sử dụng nhiên liệu linh hoạt bao gồm:
- Tăng cường công suất của bơm nhiên liệu: Công suất của bơm nhiên liệu áp suất cao
được tăng lên từ 3 vấu cam, 0,9cm3/vòng quay lên 4 vấu cam, 1,1cm3/vòng quay.
- Điều chỉnh lại quá trình phun nhiên liệu: Tăng áp suất hoạt động trong hệ thống phun xăng trực tiếp từ 150bar lên 200bar, giảm thể tích ống tích áp nhiên liệu từ 135cm3 xuống 66cm3, thiết kế lại chùm tia phun nhiên liệu (Hình 1.23).
Hình 1.23. Điều chỉnh lại quá trình phun nhiên liệu khi sử dụng ethanol với tỷ lệ lớn [55]
23
- Tăng góc đóng muộn xu páp nạp: Thông qua việc thiết kế lại trục cam với biên dạng
cam thay đổi để tăng góc đóng muộn xu páp lên 37° góc quay trục khuỷu (Hình 1.24).
Hình 1.24. Điều chỉnh lại góc đóng muộn xupáp khi sử dụng ethanol với tỷ lệ lớn [55]
- Tăng tỷ số nén: Tăng tỷ số nén từ 9,25:1 lên 10,7:1 bằng cách điều chỉnh cấu tạo
piston để thay đổi kết cấu buồng cháy (Hình 1.25) .
Hình 1.25. Điều chỉnh lại cấu tạo buồng cháy bằng cách điều chỉnh lại cấu tạo của piston + Tăng áp suất xy lanh lớn nhất Pmax từ 100bar lên 130bar: tăng áp suất xy lanh lớn nhất Pmax lên bằng cách sử dụng bộ tăng áp. Ngoài ra, để đảm bảo độ bền, tuổi thọ của động cơ khi được tăng áp nhóm nghiên cứu cũng tiến hành thay đổi vật liệu và cấu tạo các chi tiết của động cơ bao gồm: thay đổi vật liệu làm nắp động cơ, thay gioăng nhiệt, thay thanh truyền, bạc đệm, chốt piston và thay đổi trọng lượng của bánh đà trục khuỷu.
Ngoài ra nhóm nghiên cứu còn tiến hành lập trình lại toàn bộ quá trình điều khiển của ECU của động cơ với bộ engine map mới nhằm tối ưu khả năng làm việc của động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol cao, đặc biệt là E85.
Qua nghiên cứu trên có thể thấy với việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo động cơ sử dụng nhiên liệu linh hoạt mới, các nhà nghiên cứu trên thế giới tập trung vào việc thiết kế các động cơ có phù hợp với tính chất nhiên liệu của xăng sinh học, phát huy được hết các ưu điểm cũng như các nhược điểm của cồn ethanol so với xăng thông thường. Các ưu điểm cần phát huy đó là khả năng chống kích nổ của cồn ethanol cao hơn xăng nên có thể nâng cao được tỷ số nén cũng như nâng cao được góc đánh lửa sớm của động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn. Các nhược điểm cần hạn chế bao gồm: khả năng ô xy hóa cao và đặc biệt là nhiệt trị của cồn ethanol thấp hơn so với xăng, do đó khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn thì hệ thống cung cấp nhiên liệu cần phải điều chỉnh lại.
Tổng quát lại, tất cả các nghiên cứu về ảnh hưởng của xăng sinh học tới động cơ xăng, chuyển đổi động cơ hay thiết kế mới động cơ để sử dụng xăng sinh học đều chỉ ra việc cần thiết phải điều chỉnh lại lượng phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm của động cơ để phát huy
24
được tối đa được các ưu điểm cũng như hạn chế được các nhược điểm của xăng sinh học. Việc điều chỉnh lượng phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm được thực hiện chủ yếu thông qua việc điều chỉnh lại quá trình điều khiển của động cơ thông qua việc xây dựng một bộ dữ liệu chuẩn mới cho hệ thống điều khiển của động cơ. Bộ dữ liệu chuẩn này có thể được nạp trực tiếp vào ECU của động cơ hoặc nạp vào bộ chuyển đổi (ECU phụ) để điều khiển động cơ khi sử dụng xăng sinh học. Đối với các động cơ được thiết kế mới để phù hợp với nhiên liệu linh hoạt thì bộ dữ liệu chuẩn để điều khiển động cơ đã được tối ưu. Tuy nhiên với các động cơ được điều chỉnh thông qua việc sử dụng bộ chuyển đổi thì hiện quá trình điều chỉnh này vẫn mới chỉ dừng lại ở mức điều chỉnh lượng phun nhiên liệu, góc đánh lửa sớm cho động cơ hiện vẫn chưa được tối ưu. Do đó, việc nghiên cứu chế tạo một bộ chuyển đổi (ECU phụ) mới có khả năng điều chỉnh được cả lượng phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm nhằm phát huy tối đa khả năng làm việc của động cơ khi sử dụng xăng sinh học là một hướng nghiên cứu mới để hoàn thiện khả năng chuyển đổi của động cơ.
1.3.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam
Ở Việt Nam, đến nay đã có một số công trình nghiên cứu về sử dụng xăng sinh học. Trong đó các nghiên cứu chủ yếu liên quan đến việc đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol nhỏ tới động cơ xăng truyền thống và một số ít nghiên cứu liên quan đến việc chuyển đổi động cơ xăng dùng chế hòa khí sang sử dụng cồn ethanol. Các nghiên cứu chuyển đổi hoặc thiết kế, chế tạo động cơ mới sử dụng nhiên liệu linh hoạt (FFV) chưa được tiến hành tại Việt Nam. Cụ thể một số nghiên cứu về sử dụng xăng sinh học trên phương tiện tại Việt Nam đó như sau:
1.3.2.1. Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học trên động cơ xăng
Các nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào đánh giá ảnh hưởng của động cơ khi sử dụng xăng sinh học ở các tỷ lệ ethanol thấp thường từ 5 đến 10%. Ngoài ra, các nghiên cứu ở Việt Nam hiện nay mới chủ yếu tập trung ở động cơ xe máy còn những nghiên cứu trên động cơ ô tô hiện mới được thử nghiệm bước đầu tại một số phòng thí nghiệm. Trong số các nghiên cứu này thì tiêu biểu phải kể đến là:
- Luận án tiến sỹ của tác giả Phạm Hữu Truyền về “Nghiên cứu nâng cao tỷ lệ nhiên liệu sinh học bio-etanol sử dụng trên động cơ xăng” được thực hiện trong khuôn khổ Đề tài cấp Nhà nước mã số ĐT.06.11/NLSH “Nghiên cứu khả năng tương thích của động cơ nổ thế hệ cũ sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn hơn 5%” do PGS.TS Lê Anh Tuấn chủ nhiệm thực hiện trong năm 2011 - 2012 [10, 18, 89, 90]: Luận án đã nghiên cứu, đánh giá một cách toàn diện khả năng tương thích của động cơ xăng đang lưu hành với nhiên liệu thử nghiệm bao gồm RON92, E5, E10, E15, E20 và nghiên cứu mô phỏng thêm với các loại nhiên liệu E50, E70, E85. Đề tài được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí Động lực - Đại học Bách Khoa Hà Nội. Kết quả luận án đã chứng minh được việc sử dụng xăng sinh học E10 trên động cơ xăng đang lưu hành là hoàn toàn tương thích. Luận án cũng chỉ ra được khi được ưu điểm của việc sử sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ thấp đến trung bình (E10, E15, E20) trong việc nâng cao tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ. Động cơ khi sử dụng xăng sinh học có công suất được cải thiện cao hơn so với khi sử dụng xăng thông thường (Hình 1.26).
25
Hình 1.26. Tỷ lệ cải thiện công suất của động cơ khi sử dụng xăng sinh học
Luận án cũng đã đánh giá khả năng tương thích và độ bền của động cơ khi sử dụng xăng sinh học E10 để thấy được ảnh hưởng của xăng sinh học cũng như đưa ra được những khuyến cáo cần thiết để thay đổi động cơ cho phù hợp. Ngoài ra luận án cũng chỉ ra việc cần tiếp tục nghiên cứu nâng cao tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp xăng sinh học trên 10% và tiến tới thiết kế phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt tại Việt Nam.
- Nghiên cứu thực nghiệm xăng RON95 pha 5% và 10% ethanol cho ô tô Mercedes- MB140 được thực hiện bởi nhóm tác giả Lê Văn Tụy, Trần Văn Nam, Huỳnh Bá Vang [13]: Nghiên cứu được thực hiện bằng cách trộn trực tiếp ethanol với tỉ lệ là 5% (E5) và 10% (E10) thể tích với xăng thị trường RON 95, sử dụng cho ô tô Mercedes-MB140 rồi chạy thử nghiệm trên hệ thống băng thử động lực học ô-tô CD 48’’ tại Phòng thí nghiệm Động cơ và Ô tô - Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng. Kết quả nghiên cứu đã cho thấy việc sử dụng xăng sinh học E5 và E10 làm giảm rõ rệt các chất phát thải ô nhiễm môi trường do khí thải gây ra (CO giảm từ từ 61% đến 85%; còn HC giảm từ 57% đến 80%) như trong Hình 1.27. Trong khi đó hiệu quả về kinh tế kỹ thuật của xe chỉ thay đổi chút ít theo chiều hướng tốt hơn khi sử dụng xăng sinh học so với khi sử dụng xăng thông thường RON 95.
Hình 1.27. So sánh phát thải của động cơ khi sử dụng A95 và E10
1.3.2.2. Chuyển đổi từ động cơ sử dụng xăng thông thường sang động cơ sử dụng xăng sinh học
Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn là hướng nghiên cứu mới tại Việt Nam, hiện mới được thực hiện trong Đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống phun nhiên liệu điện tử cung cấp xăng sinh học có tỷ lệ cồn etanol tới 100% (E100) cho động cơ ô tô và
26
xe máy sử dụng nhiên liệu linh hoạt”, mã số ĐT.09.2014/NLSH do PGS.TS Phạm Hữu Tuyến làm chủ nhiệm đề tài và Trường Đại học Bách khoa Hà Nội là đơn vị chủ trì [19]. Đề tài nằm trong Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025, do Bộ Công Thương quản lý và đây cũng là công trình nghiên cứu đầu tiên về nội dung này. Đề tài đã tiến hành thiết kế, chế tạo bộ chuyển đổi (ECU phụ) để chuyển đổi động cơ ô tô và xe máy từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100%. Đề tài cũng đồng thời tiến hành nghiên cứu đánh giá toàn diện ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới tính năng kinh tế - kỹ thuật của động cơ cũng như khả năng tương thích vật liệu và độ bền các chi tiết của động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn 100%. Tác giả luận án là một thành viên tham gia trong đề tài và luận án của nghiên cứu sinh thực hiện một số nội dung liên quan đến mô phỏng và thực nghiệm đối với động cơ ô tô và ô tô của đề tài. Tác giả luận án cũng đã được chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một số các kết quả nghiên cứu của đề tài để trong luận án.
Bên cạnh đó, để có thể chuyển đổi động cơ từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn thì phương án được nhiều nghiên cứu lựa chọn là sử dụng thêm bộ chuyển đổi (bộ điều khiển ECU phụ) để điều chỉnh lại quá trình cung cấp nhiên liệu và đánh lửa của động cơ. Do đó, phương án được lựa chọn trong luận án là sử dụng bộ chuyển đổi (ECU phụ) để điều chỉnh lại lượng nhiên liệu cung cấp và góc đánh lửa sớm phù hợp cho động cơ khi sử dụng xăng sinh học. Vì vậy, trong luận án việc thiết kế, chế tạo ECU phụ là điều cần thiết. Luận án đã kế thừa nhiều công trình nghiên cứu về thiết kế, chế tạo ECU tại Việt Nam trong thời gian qua. Có thể kể đến một số công trình nghiên cứu như sau:
Nghiên cứu của GS.TS Phạm Minh Tuấn và các cộng sự tại Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực Đại học Bách khoa Hà Nội [23] đã tiến hành nghiên cứu thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một hệ thống phun xăng cho xe máy. Bộ dữ liệu nạp cho ECU là thời gian phun trên một chu trình (tỷ lệ với lượng nhiên liệu cấp cho chu trình) phụ thuộc vào tốc độ và tải trọng (độ mở bướm ga) được xây dựng trên băng thử theo phương pháp dò tay. Ứng với mỗi giá trị tốc độ và tải trọng cố định, tiến hành điều chỉnh thời gian phun sao cho đảm bảo được hệ số dư lượng không khí λ ≈ 1.
Nghiên cứu của TS. Trần Anh Trung năm 2004 [29] về thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ECU cũng như quy trình xây dựng bộ dữ liệu về lượng nhiên liệu phun ở chế độ cơ bản phụ thuộc vào tốc độ và tải trọng của động cơ (độ chân không ở họng khuếch tán). Bộ số liệu được xây dựng trên băng thử theo phương pháp dò (điều chỉnh lượng nhiên liệu để đảm bảo luôn duy trì hệ số dư lượng không khí λ ≈ 1).
Nghiên cứu trong luận án tiến sỹ của tác giả Hồ Văn Đàm [7] về “Nghiên cứu xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU hệ thống nhiên liệu động cơ diesel” cũng đã đưa ra được quy trình xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU của hệ thống nhiên liệu sử dụng trên động cơ đốt trong.
Các công trình nghiên cứu về hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử nêu trên là cơ sở cho luận án trong quá trình xây dựng bộ thông số chuẩn và thiết kế, chế tạo bộ điều khiển
27
ECU cho động cơ khi chuyển đổi từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100%.
Thông qua việc phân tích các công trình nghiên cứu trong nước thời gian qua có thể thấy việc nghiên cứu chuyển đổi động cơ từ động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp đang lưu hành tại Việt Nam sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% là cần thiết, phù hợp với điều kiện thực tế và kế thừa được các nghiên cứu đã được triển khai trước đây.
Việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn làm nhiên liệu cho phương tiện, đặc biệt ở điều kiện Việt Nam giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch nhiên liệu hóa thạch đang ngày một cạn kiệt. Xăng sinh học được sản xuất thông qua việc phối trộn giữa xăng khoáng và cồn ethanol đang là loại nhiên liệu sinh học được ứng dụng và phát triển rộng rãi trên thế giới nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng của con người đồng thời góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn có thể nâng cao hiệu suất động cơ, giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp. Tuy nhiên khi tăng tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học thì nhiệt trị của nhiên liệu giảm xuống, đồng thời tính chất của xăng sinh học thay đổi nhiều so với xăng khoáng nên thời điểm đánh lửa của động cơ xăng nguyên bản không còn phù hợp. Điều này dẫn tới mômen và công suất động cơ suy giảm, do vậy cần điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cũng như thời điểm đánh lửa phù hợp với tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học. Để thực hiện được việc này trên động cơ phun xăng điện tử đang lưu hành, cần bổ sung thêm bộ điều khiển ECU phụ. Bộ điều khiển này sẽ điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp đảm bảo hệ số dư lượng không khí =1 và góc đánh lửa sớm hợp lý tương ứng với các tỷ lệ cồn ethanol khác nhau trong xăng sinh học. Hệ số dư lượng không khí được điều chỉnh bằng 1 để bộ xử lý khí xả làm việc có hiệu quả nhất và góc đánh lửa sớm được điều chỉnh để mô men động cơ đạt giá trị lớn nhất.
Trong quá trình thiết kế, chế tạo bộ chuyển đổi (ECU phụ) và hướng tới động cơ sử dụng nhiên liệu linh hoạt thì cần phải xây dựng bộ thông số lượng phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm của động cơ phù hợp với từng tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học để làm cơ sở dữ liệu điều khiển.
28
Quá trình cháy của động cơ khi sử dụng xăng sinh học có nhiều điểm khác biệt so với xăng thông thường, đặc biệt là khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học lớn. Nguyên nhân là do tính chất nhiên liệu của cồn ethanol có nhiều điểm khác biệt so với xăng. Do đó, khi chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp (động cơ phun xăng điện tử) từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học thì cần thiết phải nghiên cứu quá trình cháy của xăng sinh học. Phương pháp xây dựng bộ dữ liệu chuẩn điều khiển động cơ khi sử dụng xăng sinh học kết hợp giữa phương pháp mô phỏng và thực nghiệm. Vì vậy, cần thiết phải nghiên cứu các lý thuyết mô phỏng để mô phỏng được chính xác quá trình làm việc của động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn. Ngoài ra, để chế tạo được bộ chuyển đổi (ECU phụ) thì các lý thuyết liên quan đến hệ thống điều khiển trên động cơ phun xăng điện tử và các giải pháp liên quan kỹ thuật xây dựng bộ chuyển đổi (ECU phụ) cần thiết phải được đưa ra.
2.1.1. Quá trình cháy trong động cơ xăng
Trong động cơ xăng hay động cơ đốt cháy cưỡng bức, nhiên liệu và không khí được hòa trộn với nhau trên đường ống nạp, đi vào qua xu páp nạp vào xy lanh, hòa trộn với lượng khí sót còn lại trong xy lanh, sau đó hỗn hợp này bị nén lại trong hành trình nén. Cuối hành trình nén, tia lửa điện được phóng ra ở 2 điện cực bugi thực hiện quá trình đốt cháy hỗn hợp. Quá trình cháy trong động cơ xăng có thể chia ra thành 3 giai đoạn như sau (Hình 2.1), [15, 21].
Giai đoạn I: giai đoạn cháy trễ, tính từ lúc bugi bật tia lửa điện tại điểm 1 đến khi đường cháy tách khỏi đường nén tại điểm 2. Trong giai đoạn này hình thành những nguồn lửa đầu tiên từ bugi và bắt đầu dịch chuyển màng lửa. Lượng hỗn hợp tham gia phản ứng ít (chỉ tới khoảng 1,5%) nên lượng nhiệt toả ra nhỏ không làm thay đổi áp suất đường nén.
Hình 2.1. Quá trình cháy trong động cơ xăng
Giai đoạn II: giai đoạn cháy nhanh, diễn ra từ điểm 2 đến điểm 3, màng lửa lan tràn với tốc độ lớn. Do hỗn hợp đã được chuẩn bị rất tốt từ trước (xăng rất dễ bay hơi, hơn nữa thời gian chuẩn bị dài: từ bên ngoài xy lanh và tiếp tục trong quá trình nạp và quá trình nén) nên phần lớn bị đốt cháy trong giai đoạn này. Do đó, tốc độ toả nhiệt rất lớn trong khi thể tích xy lanh thay đổi ít nên gần với quá trình cấp nhiệt đẳng tích. Cuối giai đoạn này màng lửa hầu như lan tràn khắp buồng cháy và áp suất trong xy lanh đạt cực đại.
29
Giai đoạn III: giai đoạn cháy rớt, diễn ra từ điểm 3 đến điểm 4. Tốc độ cháy giảm vì chỉ cháy nốt những phần hỗn hợp chưa cháy như lớp sát vách hay ở khe kẽ của buồng cháy trong điều kiện nồng độ ô xy đã giảm nhiều nên tốc độ toả nhiệt nhỏ. Ngoài ra, piston đi càng xa khỏi ĐCT, hiệu quả sinh công ít. Nhiệt sinh ra chủ yếu làm nóng các chi tiết. Để hạn chế cháy rớt có thể áp dụng các biện pháp như chọn góc đánh lửa sớm, cường độ xoáy lốc của môi chất thích hợp và sử dụng đúng loại nhiên liệu yêu cầu [21].
Hình 2.2. Quá trình phát triển của màng lửa trong quá trình cháy [49]
Màng lửa của quá trình cháy cũng có diễn biến tương ứng với ba giai đoạn của quá trình cháy. Đầu tiên khi bugi bật tia lửa điện sẽ hình thành trung tâm màng lửa. Sau đó màng lửa phát triển với tốc độ cao, lan truyền khắp buồng cháy và cuối cùng kết thúc khi màng lửa chạm các vách buồng cháy (Hình 2.2) [49, 99].
Ảnh hưởng của chuyển động rối thấy rõ qua bề mặt cuộn lại của màng lửa. Thể tích cháy phía sau màng lửa tiếp tục phát triển theo dạng hình cầu, ngoại trừ nơi tiếp giáp với thành buồng cháy. Lượng hòa khí được đốt cháy và mức độ tăng áp suất trở nên đáng kể khi màng lửa đi khoảng 2/3 buồng cháy. Áp suất trong xy lanh đạt cực đại khi màng lửa lan tới thành ở xa của buồng cháy.
Sau khi bugi bật tia lửa điện, một màng lửa hình cầu bề mặt gồ ghề được hình thành và phát triển dần (Hình 2.3). Ban đầu của giai đoạn này màng lửa là một lớp mỏng, có số lượng nếp gấp vừa phải, tuy nhiên khi chịu tác động của dòng chuyển động rối, số lượng nếp gấp tăng lên [91, 99].
Hình 2.3. Hình ảnh lan tràn màng lửa trong động cơ xăng [91]
30
Hình dạng bề mặt màng lửa cũng phụ thuộc vào mức độ xoáy lốc của hòa khí. Nếu hòa khí không có xoáy lốc hoặc xoáy lốc ở mức độ bình thường, bề mặt màng lửa phát triển theo dạng hình cầu. Tuy nhiên nếu xoáy lốc của hòa khí mạnh bề mặt màng lửa bị kéo duỗi và biến dạng theo hình dạng của dòng xoáy (Hình 2.4).
Hình 2.4. Ảnh hưởng của cháy lốc tới quá trình cháy trong động cơ xăng [6]
Mức độ chuyển động rối của hòa khí càng lớn làm tăng độ gồ ghề, tăng nếp gấp trên bề mặt màng lửa làm tăng diện tích bề mặt màng lửa. Diện tích bề mặt màng lửa càng lớn, lượng hòa khí chưa cháy thâm nhập vào màng lửa và tham gia vùng cháy càng lớn, qua đó tăng tốc độ lan truyền màng lửa. Tốc độ lan truyền màng lửa là thông số quan trọng đặc trưng cho quá trình cháy hỗn hợp nhiên liệu, không khí và khí sót. Tốc độ cháy được tính toán khác nhau tùy theo màng lửa chảy tầng hay chảy rối. Với màng lửa chảy tầng trong các hỗn hợp được hòa trộn trước, tốc độ lan truyền màng lửa được định nghĩa là tốc độ màng lửa lan truyền đến phần hòa khí chưa cháy đứng yên phía trước màng lửa. Với màng lửa chảy rối, tốc độ lan truyền màng lửa có thể được tính thông qua tốc độ lan truyền. Khi tốc độ động cơ tăng, thời gian của quá trình cháy tính theo góc quay trục khuỷu cũng tăng lên tuy nhiên mức độ tăng chậm hơn so với mức độ tăng tốc độ. Điều này là do khi tốc độ động cơ tăng lên làm tăng mức độ chuyển động rối của hòa khí dẫn đến tăng tốc độ phát triển và lan truyền màng lửa và tốc độ cháy tăng lên.
2.1.2. Quá trình cháy của xăng sinh học
Quá trình cháy của xăng sinh học là quá trình cháy tổng hợp của xăng thông thường và cồn ethanol. Khi đó phương trình cháy của xăng sinh học sẽ là phương trình cháy tổng hợp của hai phương trình cháy của xăng thông thường và cồn ethanol [54, 56, 62]:
(1 - XE).CnHm + (XE).C2H5OH + A*.(O2 + 3,76N2) → B*.CO2 + D*.H2O + E*.N2 +
F*.O2 + G*.CO + H*.H2 + I*.H + J*.O + K*.OH + L*.NO
Trong đó A*, B*, D*, E*, F*, G*, H*, I*, J*, K*, L* là các hệ số cân bằng phương
trình; XE là tỷ lệ mol ethanol trong nhiên liệu.
Do trong cồn ethanol có sẵn ô xy nên hỗn hợp công tác của xăng sinh học trở nên nhạt hơn, tỷ số nhiên liệu/không khí tương đương khi sử dụng xăng sinh học có thể được tính theo công thức:
√ ∅𝑏1 = ∅𝐺 (𝐹/𝐴)𝑠𝐺 (𝐹/𝐴)𝑠𝑏1 𝜌𝑏1 𝜌𝐺
Trong đó: b1, G: tỷ số nhiên liệu/không khí tương đương khi sử dụng xăng sinh học và xăng thông thường; (F/A)sb1, (F/A)sG: tỷ số nhiên liệu/không khí ở điều kiện cháy lý tưởng với xăng sinh học và xăng thông thường.
31
Như trình bày ở các phần trên, ethanol có nhiệt ẩn cao có thể gây hiệu ứng làm lạnh khí nạp làm tăng hệ số nạp và hiệu suất động cơ. Tỷ lệ nhiên liệu/không khí tương đương ở điều kiện lý tưởng của ethanol cao hơn và nhiệt trị thấp hơn so với xăng thông thường, đặc biệt áp suất hơi bão hòa thay đổi khi pha vào xăng thông thường với nồng độ khác nhau. Những yếu tố này có thể dẫn đến diễn biến quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức khi sử dụng xăng sinh học có điểm khác biệt với xăng thông thường. Trong nghiên cứu trên, ảnh hưởng của nồng độ ethanol trong xăng sinh học tới bán kính màng lửa và diện tích màng lửa, thể tích màng lửa được thể hiện trên Hình 2.5.
a) Bán kính màng lửa b) Diện tích màng lửa
Hình 2.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới sự lan tràn màng lửa trong quá trình cháy [54]
Trong khoảng thời gian cháy trễ, khoảng 10 trước ĐCT, bán kính màng lửa đối với các loại xăng tương tự nhau. Tuy nhiên, trong giai đoạn cháy nhanh, nồng độ cồn ethanol trong xăng sinh học có ảnh hưởng đáng kể. Tại ĐCT và sau ĐCT 10, bán kính màng lửa tăng lên khi nồng độ cồn tăng dần đến 25%. Diện tích màng lửa cũng tăng lên khi tăng nồng độ ethanol tại thời điểm trước ĐCT 10 và tại ĐCT. Cuối quá trình cháy, màng lửa đã lan truyền khắp buồng cháy và chạm thành buồng cháy. Do đó diện tích màng lửa tại 10 sau ĐCT có xu hướng giảm khi tăng nồng độ ethanol tới 25% sau đó tăng lên. Diện tích màng lửa nhỏ nhất với xăng sinh học có nồng độ ethanol 25% cho thấy xăng sinh học này có tốc độ cháy nhanh nhất và chạm vào thành buồng cháy sớm nhất [54].
Nồng độ ethanol trong xăng sinh học cũng có ảnh hưởng tương tự tới tỷ lệ hỗn hợp đã
cháy và thời gian cháy (Hình 2.6).
a) Thời gian cháy b)Khối lượng cháy
Hình 2.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới thời gian cháy và tỷ lệ hỗn hợp đã cháy [54]
32
Đầu quá trình cháy, tỷ lệ hỗn hợp đã cháy không khác biệt với các nồng độ ethanol khác nhau. Trong giai đoạn cháy nhanh, tỷ lệ hỗn hợp cháy tăng lên khi tăng nồng độ ethanol và đạt giá trị lớn nhất tại 25% ethanol, sau đó giảm dần. Phù hợp với kết quả này, thời gian cháy với xăng sinh học cũng giảm dần khi tăng nồng độ cồn tới 25% và đạt giá trị nhỏ nhất với nồng độ 25% ethanol sau đó có xu hướng tăng lên.
Nồng độ ethanol trong xăng sinh học cũng có ảnh hưởng tới áp suất cũng như nhiệt độ của quá trình cháy (Hình 2.7, 2.8). Khi tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tăng lên ở tỷ lệ thấp và trung bình thì nhiệt độ quá trình cháy cũng như nhiệt độ cao nhất của quá trình cháy đều tăng lên. Sau đó khi tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tiếp tục tăng cao thì nhiệt độ quá trình cháy cũng như nhiệt động cao nhất của quá trình cháy lại giảm đi. Áp suất của quá trình cháy cũng có diễn biến tương tự như nhiệt độ, nghĩa là khi tỷ lệ ethanol tăng từ thấp đến trung bình thì áp suất tăng, sau đó khi tỷ lệ ethanol tăng cao thì áp suất giảm.
a) Nhiệt độ quá trình cháy b) Nhiệt độ cao nhất
Hình 2.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới nhiệt độ quá trình cháy [54]
a) Áp suất xy lanh b) Áp suất cao nhất
Hình 2.8. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới áp suất trong xy lanh [54]
Như vậy tốc độ cháy của xăng sinh học nhanh hơn so với xăng thông thường khi tăng nồng độ ethanol tới một giá trị nhất định. Sau đó, nếu tiếp tục tăng nồng độ cồn, tốc độ cháy sẽ giảm đi.
33
Hiện nay, các công ty phần mềm lớn trên thế giới đã phát triển rất nhiều phần mềm khác nhau để sử dụng cho việc mô phỏng các quá trình trong động cơ như: Matlab Simulink, Ansys - Forte, Comsol, Ricardo Wave, GT-Power, Lotus Engine Simulation, AVL-Fire, AVl-Boost...Tuy nhiên trong đề tài này tác giả đã lựa chọn phần mềm mô phỏng động cơ là phần mềm AVL Boost vì đây là một phần mềm mô phỏng mạnh và đặc biệt là tương thích với hệ thống trang thiết bị thí nghiệm tại Phòng Thí nghiệm động cơ đốt trong. Cơ sở tính toán của phần mềm AVL Boost là Phương trình nhiệt động học I. Quá trình tính toán trong phần mềm AVL Boost được thông qua việc sử dụng các mô hình tính toán cho các quá trình trong động cơ bao gồm: Mô hình nhiên liệu, Mô hình cháy, Mô hình truyền nhiệt, Mô hình nạp thải, Mô hình kích nổ, Mô hình phát thải.
2.2.1. Mô hình hỗn hợp nhiên liệu
Nhiên liệu sử dụng trong tính toán cần được định nghĩa đầy đủ các tính chất lý, hóa, nhiệt như: công thức hóa học, tỷ lệ % nguyên tử C, O, H trong phân tử, các phản ứng hóa học, nhiệt độ sôi, mật độ của nhiên liệu, nhiệt trị thấp. Dựa trên các cơ sở dữ liệu này, các phản ứng cháy với không khí cũng như đặc tính nhiệt động học của mỗi nhiên liệu được xác định và tính toán theo các phương trình sau đây:
= 𝑎1 + 𝑎2. 𝑇 + 𝑎3. 𝑇2 + 𝑎4. 𝑇3 + 𝑎5. 𝑇4 (2.1)
𝑎3 3
𝑎2 2
𝑎5 5
𝑎6 𝑇
𝑎4 4
(2.2) . 𝑇 + . 𝑇2 + . 𝑇3 + . 𝑇4 + = 𝑎1 +
𝑎4 3
𝑎3 2
𝐶𝑝 𝑅 𝐻0 𝑅𝑇 𝑆0 𝑎5 𝑅 4 Trong đó: T là nhiệt độ; R là hằng số chất khí; cp là nhiệt dung riêng đẳng áp; H0 và S0 lần lượt là entanpy và entropy; a1 đến a7 là các hằng số đa thức được xác định riêng cho mỗi loại nhiên liệu [109].
. 𝑇3 + . 𝑇2 + . 𝑇4 + 𝑎7 (2.3) = 𝑎1. 𝑙𝑛𝑇 + 𝑎2. 𝑇 +
2.2.2. Mô hình cháy
2.2.2.1. Các mô hình cháy dùng trong mô phỏng động cơ đốt cháy cưỡng bức
Đến nay đã có nhiều mô hình động cơ đốt trong khác nhau đã được phát triển để nghiên cứu diễn biến quá trình cháy, tuy nhiên có thể chia thành ba nhóm mô hình chính: Mô hình vô hướng (Zero dimensional models), mô hình đồng dạng (Quasi-dimensional models) và mô hình nhiều chiều (Multi-dimensional models). Mức độ chi tiết và mức độ phức tạp của các mô hình tăng tương ứng với số chiều không gian được xét đến. Trong thực tế, mô hình vô hướng là mô hình được sử dụng rộng rãi nhất vì đây là mô hình đơn giản nhất và rất thuận lợi khi tính toán các thông số của quá trình cháy trong động cơ. Tuy nhiên để khảo sát diễn biến quá trình cháy của động cơ một cách chi tiết hơn, bám sát thực tế hơn thì cần phải dùng các mô hình cháy đồng dạng hoặc mô hình cháy nhiều chiều.
a. Mô hình cháy vô hướng
Trong phần mềm AVL Boost cũng chia các mô hình cháy thành hai nhóm là mô hình cháy với nhiệt lượng tỏa ra được định nghĩa trước và mô hình cháy với nhiệt lượng tỏa ra được tính toán theo diễn biến quá trình thực tế trong động cơ. Đối với động cơ xăng, mô
34
hình cháy vô hướng được sử dụng chia thành hai nhóm mô hình chính: mô hình cháy một vùng và mô hình cháy hai vùng, cụ thể các mô hình như sau:
* Mô hình cháy một vùng
Mô hình cháy một vùng là mô hình cháy trong đó toàn bộ hỗn hợp nhiên liệu trong buồng cháy được coi là một hệ thống nhiệt động lực học, mà quá trình trao đổi năng lượng, khối lượng với môi trường xung quanh và năng lượng được giải phóng trong quá trình cháy của hệ được tính toán bằng cách áp dụng định luật nhiệt động học thứ nhất. Do đó, mô hình cháy một vùng có đặc điểm là đơn giản, dễ tính toán, coi nhiệt độ và thành phần hỗn hợp trong toàn vùng là đồng nhất. Tuy nhiên kết quả tính toán kém chính xác khi nghiên cứu sâu và đặc biệt khi muốn nghiên cứu về khí thải [66].
Đối với mô hình cháy một vùng phương trình cân bằng khối lượng tương ứng là:
𝑑𝑚𝑐 𝑑𝛼
𝑑𝑚𝐵𝐵 𝑑𝛼
𝑑𝑚𝑒𝑣 𝑑𝑡
(2.4) − + = ∑ 𝑑𝑚𝑖 𝑑𝛼 − ∑ 𝑑𝑚𝑒 𝑑𝛼
Quá trình biến đổi nhiệt động học trong quá trình cháy trong động cơ của mô hình cháy
𝑑𝑉
một vùng được tính toán dựa trên phương trình nhiệt động học thứ nhất là:
𝑑(𝑚𝑐.𝑢) 𝑑𝛼
𝑑𝛼
𝑑𝑄𝐹 𝑑𝛼
𝑑𝑚𝐵𝐵 𝑑𝛼
(2.5) + = −𝑝𝑐 − ℎ𝐵𝐵. − ∑ 𝑑𝑄𝑤 𝑑𝛼
Trong đó: là biến đổi nội năng bên trong xy lanh; là công chu trình
thực hiện; là nhiệt lượng cấp vào; là tổn thất nhiệt qua vách; là tổn
thất enthalpy do lọt khí; mc là khối lượng môi chất bên trong xy lanh; u là nội năng; pc là áp suất bên trong xy lanh; V là thể tích xy lanh; QF là nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp; Qw
là là nhiệt lượng tổn thất cho thành; là góc quay trục khuỷu; hBB là trị số enthalpy;
biến thiên khối lượng dòng chảy.
1
Phương trình trạng thái của hệ tương ứng là:
𝑉
𝑝𝑐 = . 𝑚𝑐. 𝑅𝑐. 𝑇𝑐 (2.6)
Mô hình cháy một vùng cháy dùng để nghiên cứu diễn biến quá trình cháy trong xy lanh trong phần mềm AVL Boost bao gồm bốn mô hình cháy: Mô hình Vibe một vùng; Mô hình Vibe kép, Mô hình Hires và cộng sự; Mô hình Woschni/Anisitis. Trong đó các mô hình sau phù hợp và có thể được lựa chọn để mô phỏng quá trình cháy trong động cơ xăng bao gồm ba mô hình: Mô hình Vibe một vùng; Mô hình Vibe kép, Mô hình Hires và cộng sự [102, 109].
Cụ thể các mô hình như sau:
- Mô hình Vibe một vùng
Mô hình Vibe (1970) được sử dụng để tính mối quan hệ giữa tổng lượng nhiệt truyền
𝑑𝑄
𝑑𝑥
và khối lượng nhiên liệu cháy như sau [117]:
𝑄
𝑑𝛼
𝛼−𝛼0 ∆𝛼𝑐
𝑎 ∆𝛼𝑐
(2.7) . (𝑚 + 1). 𝑦𝑚. 𝑒−𝑎.𝑦(𝑚+1) với 𝑑𝑥 = và 𝑦 = =
35
Trong đó: Q là tổng nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp vào; là góc quay trục khuỷu; 0 là thời điểm bắt đầu quá trình cháy; 0 là thời gian quá trình cháy; m là thông số hình dạng; a là thông số Vibe, a = 6,9 cho quá trình cháy diễn ra hoàn toàn.
Khi đó tích phân của phương trình Vibe sẽ cho phép tính được phần nhiên liệu đã được
𝑑𝑥
đốt cháy kể từ khi bắt đầu quá trình cháy:
𝑑𝛼
(2.8) . 𝑑𝛼 = 1 − 𝑒−𝑎.𝑦(𝑚+1) 𝑥 = ∫
- Mô hình Vibe kép
Đối với các động cơ cháy do nhiên liệu bị nén (động cơ diesel) thì mô hình Vibe đơn giản độ chính xác không cao. Vì vậy, mô hình Vibe đơn giản sẽ được thay thế bằng mô hình với hai hàm Vibe được gọi là mô hình Vibe kép. Khi đó, một hàm Vibe trong mô hình cháy dùng để tính toán quá trình cháy theo các tham số cho trước và một mô hình Vibe khác dùng để điều chỉnh độ chính xác của mô hình Vibe kép.
- Mô hình Hires và cộng sự
2/3
Đối với động cơ xăng, mô hình cháy có thể tính toán theo mô hình của Hires và các cộng sự. Khi đó các tham số của hàm Vibe được tính toán theo điều kiện trong lòng xy lanh và thời điểm đánh lửa, cụ thể là:
1/3 )
𝑓𝑟𝑒𝑓 𝑓
𝑆𝑟𝑒𝑓 𝑆
𝑛 𝑛𝑟𝑒𝑓
(2.9) . . ( ) ∆𝛼𝑐 = ∆𝛼𝑐,𝑟𝑒𝑓. (
1/3 )
2/3 )
𝑆𝑟𝑒𝑓 𝑆
𝑛 𝑛𝑟𝑒𝑓
𝑛𝑓 𝑓𝑟𝑒𝑓
(2.10) . ( . 𝑖𝑑 = 𝑖𝑑𝑟𝑒𝑓. (
Trong đó: s là tốc độ của ngọn lửa cháy tầng; f là khoảng cách của piston tới đỉnh xy
lanh tại thời điểm đánh lửa.
* Mô hình cháy hai vùng
Với mô hình cháy hai vùng, toàn bộ hỗn hợp nhiên liệu trong buồng cháy được chia thành hai vùng (hai hệ thống nhiệt động học), vùng nhiên liệu đã cháy và vùng nhiên liệu chưa cháy. Hai hệ thống nhiệt động lực học này độc lập với nhau và tương tác trao đổi năng lượng và khối lượng với nhau cũng như với môi trường xung quanh và thành xy lanh. Tỷ lệ khối lượng nhiên liệu được đốt cháy (hoặc áp suất xy lanh) là một hàm của góc quay trục khuỷu còn sự biến thiên năng lượng của nhiên liệu trong lòng xy lanh được tính toán thông qua việc áp dụng định luật nhiệt động học thứ nhất cho hai hệ riêng biệt. Mô hình cháy hai vùng dùng để tính toán nhiệt độ trong xy lanh tại hai vùng khác nhau đồng thời xác định được các thành phần độc hại trong khí thải tại các vùng trong động cơ và xác định được các thành phần độc hại trung bình trong động cơ. Đối với các mô hình cháy hai vùng, quá trình biến đổi nhiệt động học trong quá trình cháy trong động cơ áp dụng cho hai vùng cháy được tính toán dựa trên phương trình nhiệt động học thứ nhất là:
𝑑𝑚𝑏.𝑢𝑏 𝑑𝛼
𝑑𝑉𝑏 𝑑𝛼
𝑑𝑄𝐹 𝑑𝛼
𝑑𝑚𝑏 𝑑𝛼
𝑑𝑚𝐵𝐵,𝑏 𝑑𝛼
Vùng cháy: (2.11) + − ∑ ( = −𝑝𝑐 + ℎ𝑢 ) − ℎ𝐵𝐵,𝑏.
𝑑𝑚𝑢.𝑢𝑢 𝑑𝛼
𝑑𝑉𝑢 𝑑𝛼
𝑑𝑄𝑤𝑏 𝑑𝛼 − ∑ 𝑑𝑄𝑊𝑢 𝑑𝛼
𝑑𝑚𝑏 𝑑𝛼
𝑑𝑚𝐵𝐵,𝑢 𝑑𝛼
Vùng chưa cháy: (2.12) = −𝑝𝑐 − ℎ𝑢. − ℎ𝐵𝐵,𝑢
36
Trong đó: , và là biến đổi nội năng bên của vùng cháy và chưa
cháy trong lòng xy lanh; là công chu trình thực hiện; là nhiệt lượng cấp vào;
là tổn thất nhiệt qua vách; là tổn thất enthalpy do lọt khí; mc là khối lượng
môi chất bên trong xy lanh; u là nội năng; pc là áp suất bên trong xy lanh; V là thể tích xy lanh; QF là nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp; Qw là nhiệt lượng tổn thất cho thành; là
là biến thiên khối lượng dòng chảy. Ghi góc quay trục khuỷu; hBB là trị số enthalpy;
chú b là vùng cháy và u là vùng chưa cháy.
1
Phương trình trạng thái của hệ tương ứng là:
𝑉
𝑝𝑐 = (𝑚𝑏. 𝑅𝑏. 𝑇𝑏 + 𝑚𝑢. 𝑅𝑢. 𝑇𝑢) (2.13) - Mô hình Vibe hai vùng
𝑑𝑉
Mô hình cháy hai vùng trong phần mềm AVL Boost là mô hình Vibe hai vùng. Mô hình Vibe hai vùng sử dụng hàm Vibe để tính toán quá trình cháy cho hai vùng là vùng cháy và vùng chưa cháy [82]. Trong đó sự biến thiên thể tích và khối lượng của hai vùng được tính theo công thức:
𝑑𝑉𝑏 𝑑𝛼
𝑑𝑉𝑢 𝑑𝛼
𝑑𝛼
+ = và 𝑉𝑏 + 𝑉𝑢 = 𝑉 (2.14)
Đánh giá chung về các mô hình cháy vô hướng được sử dụng cho động cơ xăng là các mô hình này có ưu điểm là dễ tính toán do dựa trên hai tham chính là thời điểm bắt đầu quá trình cháy và thời gian quá trình cháy. Do đó các mô hình này khi được mô phỏng động cơ với mục đích tính toán các thông số làm việc định lượng như công suất, mô men, suất tiêu hao nhiên liệu sẽ phù hợp. Tuy nhiên các mô hình này có nhược điểm là do dựa trên các tham số đã cho trước và không bám sát diễn biến quá trình cháy thực diễn ra trong xy lanh động cơ nên các mô hình này không giúp tính toán được diễn biến áp suất, nhiệt độ của quá trình cháy trong động cơ. Trong đề tài một trong những thông số đầu ra mô hình mô phỏng dùng để chuẩn hóa là diễn biến áp suất trong lòng xy lanh. Do đó các mô hình vô hướng kể trên không được sử dụng tại các nghiên cứu trong luận án.
b. Mô hình cháy đồng dạng
Mô hình cháy đồng dạng được phát triển từ những năm 1970 cùng với sự phát triển của hình học phân hình (hình học Fractal). Các mô hình cháy này dùng các công thức của hình học phân hình để tính toán sự biến đổi của ngọn lửa, màng lửa... trong lòng xy lanh. Đã có nhiều mô hình cháy đồng dạng được phát triển để nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ như: mô hình cháy Fractal (mô hình cháy bán chiều hai vùng cháy) dùng cho động cơ xăng, mô hình cháy bán chiều ba vùng cháy cho động cơ diesel... Trong phần mềm AVL Boost mô hình cháy đồng dạng hai vùng cháy được sử dụng là mô hình Fractal.
Mô hình cháy Fractal có ưu điểm là diễn biến sự thay đổi các thông số trong mô hình bám sát theo sự thay đổi của các thông số cháy được đo đạc trong thực tế như diễn biến về
37
áp suất, nhiệt độ trong xy lanh động cơ [48, 50, 85]. Do đó, mô hình cháy Fractal hiện được áp dụng rộng rãi cho động cơ xăng cũng như được sử dụng trong đề tài để mô phỏng động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học do đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác và tin cậy của quá trình mô phỏng cũng như thuận tiện trong việc điều chỉnh lượng phun nhiên liệu cũng như góc đánh lửa sớm của động cơ khi chuyển đổi. Chi tiết về mô hình cháy Fractal được trình bày ở Mục 2.2.2.2.
c. Mô hình cháy nhiều chiều
Mô hình cháy nhiều chiều hiện nay rất ít được sử dụng trong nghiên cứu diễn biến quá
trình cháy trong động cơ do việc tính toán trên không gian nhiều chiều rất phức tạp.
Thông qua, việc phân tích tìm hiểu các mô hình ở trên và để đảm bảo được mục tiêu của luận án là mô phỏng được chính xác diễn biến quá trình cháy của động cơ xăng khi sử dụng xăng thông thường và xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% thì mô hình cháy được lựa chọn sử dụng là mô hình cháy Fractal. Mô hình cháy Fractal là mô hình cháy đồng dạng hai vùng cháy nên phù hợp với động cơ xăng và mô tả được chính xác diễn biến quá trình cháy trong động cơ hơn so với các mô hình vô hướng cũng có thể được sử dụng để mô phỏng quá trình cháy của động cơ xăng như mô hình cháy Vibe một vùng cháy, mô hình cháy Vibe hai vùng cháy.
2.2.2.2. Mô hình cháy Fractal
Mô hình cháy Fractal áp dụng hình học phân hình (hình học Fractal) mô hình hóa lại sự biến thiên của ngọn lửa trong quá trình cháy rối trong lòng xy lanh. Sự biến thiên của bề mặt màng lửa khi đó sẽ được tính toán theo hình học phân hình với tham số kích thước phân hình (kích thước Fractal) và hệ số khuếch đại tỷ lệ được đo đạc theo thí nghiệm.
a. Hình học phân hình
Lý thuyết hình học phân hình (hình học bội phân hay hình học Fractal) được Benoit B. Mandelbrot hoàn thiện và công bố vào năm 1982 được xây dựng dựa trên 2 vấn đề lớn được quan tâm ở những thập niên đầu thế kỷ 20 [35]. Các vấn đề đó bao gồm:
- Tính hỗn độn của các quá trình phát triển có quy luật trong tự nhiên.
- Sự mở rộng khái niệm số chiều và độ đo trong lý thuyết hình học Euclide cổ điển.
Khi đó, Fractal hay một phân dạng (Hình 2.9) là một vật thể hình học thường có hình dạng gấp khúc trên mọi tỷ lệ phóng đại, và có thể được tách ra thành từng phần: mỗi phần trông giống như hình tổng thể, nhưng ở tỷ lệ phóng đại nhỏ hơn. Như vậy phân dạng có vô tận các chi tiết, các chi tiết này có cấu trúc tự đồng dạng ở các tỷ lệ phóng đại khác nhau.
Hình 2.9. Một số mô hình phân dạng [35]
38
Do đó, khi cần xác định diện tích A(Q) của một vật thể Q ở các mức độ chi tiết khác
nhau cần căn cứ theo kích thước phân hình (D) và tỷ lệ phóng (b). Ta có:
A(Q) = A1 kích thước thông thường
A(Q) = Ab sau khi được phóng đại D chiều bởi tỷ lệ phóng b
Theo hình học phân hình, ta có công thức:
𝑙𝑜𝑔(𝐴𝑏/𝐴1) 𝑙𝑜𝑔(𝑏)
(2.15) Ab/A1 = bD hay 𝐷 =
b. Mô hình cháy Fractal
Thông qua thí nghiệm trên động cơ xăng, Domenic A Santavicca và các cộng sự [43] đã xây dựng được mô hình cháy Fractal. Mô hình cháy Fratcal chia quá trình cháy trong xy lanh động cơ thành hai giai đoạn: giai đoạn ngọn lửa phát triển, lan tràn trong lòng xy lanh và giai đoạn cháy sát vách. Đối với giai đoạn ngọn lửa phát triển, lan tràn trong lòng xy lanh, Santavicca đã sử dụng hình học phân hình để biểu diễn, phân tích và tính toán sự biến thiên của ngọn lửa. Thông qua việc sử dụng một camera tốc độ cao để chụp ảnh và tính toán diện tích màng lửa ở các thời điểm khác nhau cùng với hệ thống thí nghiệm đo nhiệt lượng tỏa ra trong lòng xy lanh động cơ tại cùng thời điểm, Santavicca đã xác định được bằng thực nghiệm mối quan hệ giữa nhiệt lượng tỏa ra và sự biến thiên của diễn biến màng lửa. Ngoài ra, cũng bằng việc sử dụng hình học phân hình, nhóm nghiên cứu của Santavicca đã biểu diễn và tính toán sự phát triển của màng lửa trong quá trình cháy của động cơ từ bề mặt cầu lửa trơn ban đầu với diện tích màng lửa tầng AL sau đó tạo sóng cùng với sự xuất hiện củac ác xoáy lốc tương ứng với các tỷ lệ chiều dài khuếch đại khác nhau. Mối quan hệ giữa xoáy lốc và màng lửa quyết định đến sự biến đổi của diện tích màng lửa xoáy lốc AT, lan truyền với tốc độ ngọn lửa tầng SL. Khi đó một sóng đồng dạng được giả thuyết rằng trong khoảng tỷ lệ chiều dài Lmin - Lmax và màng lửa thể hiện đặc tính của đối tượng phân dạng và bề mặt ngọn lửa cháy khi đó có thể được tính toán theo các công thức của hình học phân hình. Ngoài ra, thông qua đó Santaviccca cũng tính được lượng nhiệt tỏa ra của quá trình cháy trong động cơ tại từng thời điểm với độ rộng Fractal được xác định bằng thực nghiệm là 𝐷3,𝑚𝑖𝑛 = 2.05. Mô hình cháy Fractal dùng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức, được đề cập trong Boost, dự đoán tốc độ giải phóng nhiệt trong động cơ khí nạp đồng nhất. Do đó phải xét đến ảnh hưởng của các thông số quan trọng bao gồm: Hình dạng buồng cháy; Vị trí và thời gian đánh lửa; Thành phần của khí nạp (khí sót, khí xả luân hồi, bốc hơi khí và nhiên liệu) và chuyển động nạp và mức độ xoáy lốc. Diễn biến các giai đoạn của quá trình cháy trong xy lanh động cơ cụ thể như sau:
Giai đoạn ngọn lửa phát triển trong lòng xy lanh động cơ
Nhiệt động học của mô hình cháy 2 vùng được nêu ra trong phần mô hình Vibe hai vùng. Mô hình cháy 2 vùng được dùng để tính toán các điều kiện của sản phẩm cháy (vùng cháy) và duy trì khí nạp mới (vùng không cháy). Màng lửa được chuẩn bị kĩ càng lan truyền theo chuyển động xoáy lốc xảy ra trong buồng cháy của động cơ đốt trong rất mỏng và bề mặt gợn sóng cao. Diện tích màng lửa cháy rối AT do có sự gợn sóng nói trên sẽ lớn hơn nhiều so với diện tích màng lửa khi cháy tầng với diện tích màng lửa cháy tầng AL được tính
39
bằng diện tích bề mặt cầu trơn với tâm cầu là điểm đánh lửa. Độ tăng diện tích bề mặt cháy (AT/AL) tương ứng với độ tăng của tốc độ xoáy lốc với trường hợp cháy theo tầng. Tốc độ cháy của phần khối lượng nhiên liệu cháy được tính như sau:
𝑑𝑚𝑏 𝑑𝑡
𝐴𝑇 𝐴𝐿
= 𝜌𝑢. 𝐴𝑇. 𝑆𝐿 = 𝜌𝑢 ( ) . 𝐴𝐿. 𝑆𝐿 (2.16)
Bên cạnh đó tốc độ cháy của ngọn lửa và diện tích màng lửa có mối quan hệ tỷ lệ với
nhau:
𝑆𝑇 𝑆𝐿
𝐴𝑇 𝐴𝐿
( ) = ( ) (2.17)
Những phương trình biểu diễn trên được đưa ra bởi Damkohler vào năm 1940 đã cơ bản trình bày được diễn biến của tốc độ cháy xoáy lốc của ngọn lửa trong xy lanh động cơ. Phương trình 2.16 cũng được tính toán tốc độ cháy ngay khi bắt đầu có sự thay đổi diện tích màng lửa. Tuy nhiên, quá trình vật lý thực tế của việc hình thành sóng lửa cho đến ngày nay vẫn gặp nhiều khó khăn do một số nguyên nhân sau:
- Sự thay đổi nhiệt độ cục bộ, sự ảnh hưởng theo hàm mũ của tốc độ phản ứng động
học, có thể quyết định tốc độ cháy cục bộ khác nhau.
- Quá trình giãn nở của khí cháy và độ uốn lửa kết hợp nhau tạo ra độ lệch quỹ đạo
của chất điểm lỏng qua nó và sự biến dạng cháy thuỷ động học có thể xảy ra.
- Xoáy lốc có thể tạo ra sóng cháy đối lưu theo những tỷ lệ độ dài khác nhau. Sóng này sau đó một phần được bù lại bằng quá trình cháy tầng được gọi là ảnh hưởng “trơn” của những sự biến dạng cục bộ.
𝐷3−2
Sự tương tác giữa các hiện tượng trên càng trở nên phức tạp đối với những điều kiện làm việc khác nhau của động cơ. Khi động cơ hoạt động ở những tốc độ cao sự biến dạng tăng lên khiến số lượng các màng lửa cháy rối tăng lên rất nhiều. Tuy nhiên, để thuận lợi cho quá trình tính toán với các chế độ làm việc bình thường của động cơ thì các đặc tính của màng lửa được coi như là đại lượng vô hướng thay đổi do ảnh hưởng của hiện tượng đối lưu gây ra bởi các xoáy lốc. Khi đó, các thông số của quá trình cháy sẽ được tính toán thông qua sự thay đổi của diện tích màng lửa và các công thức của hình học phân hình Fractal. Theo phương pháp này, bề mặt cầu lửa trơn ban đầu với diện tích màng lửa cháy tầng AL - sẽ tạo sóng sau đó bởi sự hiện diện của các xoáy lốc tương ứng với các tỷ lệ khuếch đại độ dài khác nhau. Mối quan hệ giữa xoáy lốc và màng lửa quyết định sự phát triển của bề mặt ngọn lửa cháy rối với diện tích màng lửa cháy rối AT, lan truyền với tốc độ lửa cháy tầng SL. Giả thiết sự biến đổi chiều dài khuếc đại của sóng đồng dạng nằm trong khoảng từ Lmin đến Lmax, khi đó theo công thức của hình học phân hình Fractal thì tỷ lệ giữa diện tích màng lửa cháy rối AT và diện tích màng lửa cháy tầng AL có thể được tính theo công thức:
𝐴𝑇 𝐴𝐿
𝐿𝑚𝑎𝑥 𝐿𝑚𝑖𝑛
(2.18) ( ) = ( )
Với D3 là kích thước của phân hình (kích thước Fractal).
Thay công thức trên vào phương trình 2.18, khi đó tốc độ cháy của phần khối lượng
nhiên liệu cháy được tính theo công thức:
40
𝐷3−2
𝑑𝑚𝑏 𝑑𝑡
𝐿𝑚𝑎𝑥 𝐿𝑚𝑖𝑛
( ) = 𝜌𝑢. ( . 𝐴𝐿. 𝑆𝐿 (2.19) ) 𝑓𝑟𝑎𝑐𝑡𝑎𝑙𝑠
Trên cơ sở giả thiết nói trên, sự biến đổi chiều dài khuếch đại của sóng đồng dạng (Lmin
Lmax) cũng như kích thước phân hình D3 phụ thuộc vào sự biến đổi của ngọn lửa trong quá
trình cháy rối. Để tính toán các thông số của động cơ thông qua sự biến đổi của diện tích
màng lửa trong quá trình cháy rối thì phương pháp được sử dụng là phương pháp K - k điều
𝑑𝐾
1
chỉnh loại 2 với hệ phương trình tính toán như sau:
2 − 𝑃 + 𝐾.
𝑑𝑡
2
𝑚̇ 𝑒𝑥 𝑚
𝜌̇ 𝑢 𝜌𝑢
𝑑𝐾
(2.20) = + 𝐾. . 𝑚̇ 𝑖𝑛. 𝑢𝑖𝑛
𝑑𝑡
𝑚̇ 𝑒𝑥 𝑚
𝜌̇ 𝑢 𝜌𝑢
(2.21) = 𝑃 − 𝑚̇ . 𝜀 + 𝑘. + 𝑘.
𝐾 𝐿𝐼
1
3
(2.22) 𝑃 = 0,3307. 𝑐𝑡. . √ 𝑘 𝑚
2; 𝐾 =
2
2
𝑢′3 𝐿𝐼
𝑢′3 𝐿𝐼
(2.23) Trong đó: 𝐾 = . 𝑚. 𝑢′2 ; 𝜀 = ; 𝜀 = . 𝑚. 𝑈𝑓
Trong các phương trình cân bằng trên, K là năng lượng động học của trường dòng chảy bình quân (Uf), đại lượng mà sự sinh ra và mất đi của nó chủ yếu liên quan đến lưu lượng dòng nạp và thải ( 𝑚̇ 𝑖𝑛 và 𝑚̇ 𝑒𝑥 ); k là năng lượng động lực học của dòng chuyển động rối (giả thuyết là đẳng hướng); là tốc độ phân tán của k; P là đại lượng thể hiện sự hình thành rối đặc trưng cho sự truyền năng lượng giữa trường dòng bình quân và trường dòng rối (năng lượng truyền động gián đoạn). Hệ số điều chỉnh ct thường được chọn bằng 1.
Phương trình 2.22 tổng hợp tất cả các biến số của chu trình động cơ và sự chuyển động rối do sự thay đổi mật độ khí chưa cháy bên trong xy lanh trong suốt kỳ nén và giãn nở được thể hiện trong các hệ số phương trình K và k, thông qua đó tính toán được cường độ cháy rối. Thông qua hệ phương trình trên cũng tính toán được tỷ lệ chiều dài Kolmogorov lk với giả thuyết chuyển động rối là quá trình đẳng hướng, khi đó lk sẽ được tính toán theo công thức sau:
𝑢′.𝐿𝐼 𝑣𝑢
𝐿𝐼 3/4 với 𝑅𝑒𝑡 = 𝑅𝑒𝑡
𝑙𝑘 = và 𝐿𝐼 = 𝑐𝑙. 𝐻 (2.24)
Với LI là tỷ lệ chiều dài tổng, cl là hệ số khuếch đại chiều dài rối (cl = 0,2 0,8), H là độ rộng khe hở tức thời bên trong xy lanh và νu là độ nhớt động học của hỗn hợp chưa cháy.
Đặc biệt, tỷ lệ chiều dài tổng và chiều dài Kolmogorov, LI và Lk, được lựa chọn là tỷ lệ gợn sóng lớn nhất và nhỏ nhất trong phương trình 2.18, trong khi kích thước D3 chủ yếu phụ thuộc vào tỷ số giữa cường độ rối u’ và tốc độ cháy tầng SL.
2,35𝑢′+2,05𝑆𝐿 𝑢′+𝑆𝐿
𝐷3 = với 𝐷3,𝑚𝑖𝑛 = 2,05 (2.25)
Ở phương trình này, thành phần đầu tiên của quá trình cháy sẽ được đặc trưng bằng đường kính phân chia rất gần với mức cực tiểu D3,min, thể hiện tốc độ cháy ban đầu gần với tốc độ cháy tầng. Điều này có thể bù trừ cho tốc độ cháy rất cao ở giai đoạn hình thành trung tâm cháy do năng lượng cung cấp lớn từ bugi. Tất nhiên sự điều chỉnh một cách cẩn thận
41
thông số c1 và rf,ref là cần thiết nhằm tương đồng với các đặc tính áp suất thực nghiệm ở mỗi chế độ vận hành của động cơ.
Giai đoạn cháy sát vách
Khi ngọn lửa chạm tới thành buồng cháy cơ chế phân chia của việc lan truyền màng
lửa mô tả ở trên sẽ không còn giá trị.
Các đặc tính rất quan trọng của việc cháy hoàn toàn liên quan tới những ảnh hướng của thành vách xy lanh đến quá trình cháy (hiện tượng cháy sát vách). Thành buồng cháy hạn chế sự giãn nở của khí, ngăn cản sự phát triển của dòng môi chất và hình thành biên rắn có nhiệt độ khá thấp có thể làm nguội khí. Tất cả các yếu tố trên làm thay đổi đặc tính cơ bản của quá trình cháy so với trường hợp ngọn lửa lan truyền tự do trong buồng cháy. Một tỷ lệ lớn (30÷40%) hỗn hợp chưa cháy sẽ cháy trong trường hợp đặc biệt này.
Tỷ lệ nhiên liệu cháy sát vách có thể tính bởi công thức:
𝑑𝑚𝑏 𝑑𝑡
𝑚−𝑚𝑏 𝜏
𝑐ℎá𝑦𝑠á𝑡𝑣á𝑐ℎ
(2.26) ( ) =
Trong đó τ là thời gian cháy sát vách.
Cuối cùng tổng lượng nhiên liệu cháy có thể xác định theo tỷ lệ khối lượng của hai chế
độ cháy được mô tả ở trên (cháy Fractal và cháy sát vách):
𝑑𝑚𝑏 𝑑𝑡
𝑑𝑚𝑏 𝑑𝑡
𝑑𝑚𝑏 𝑑𝑡
𝑡ổ𝑛𝑔
𝑐ℎá𝑦𝑠á𝑡𝑣á𝑐ℎ
(2.27) ( ) ) = (1 − 𝑤2). ( + 𝑤2. ( ) 𝑓𝑟𝑎𝑐𝑡𝑎𝑙𝑠
Sự chuyển tiếp giữa 2 chế độ cháy bắt đầu khi đạt tới thời gian chuyển tiếp (thời gian
mà ngọn lửa đầu tiên chạm thành xy lanh):
(𝑚−𝑚𝑏)𝑡𝑟 (𝜌𝑢.𝐴𝑇.𝑆𝐿)𝑡𝑟
(2.28) 𝑟𝑓 =
Giá trị τ nói trên sau đó được giữ nguyên trong suốt quá trình cháy sát vách. Hệ số trọng lượng w2 tăng dần theo thời gian so với giá trị trong khoảng thời gian chuyển tiếp ttr dưới đây và phụ thuộc vào khối lượng nhiên liệu không cháy tức thời (m – mb).
𝑚−𝑚𝑏 (𝑚−𝑚𝑏)𝑡𝑟
(2.29) 𝑡𝑡𝑟 =
2.2.3. Mô hình truyền nhiệt
Để hiểu rõ hơn về các quá trình truyền nhiệt, cần tìm hiểu sâu về diễn biến các quá trình vật lý trong phần tử xy lanh. Môi chất trong xy lanh trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh.
(2.30)
𝑑𝑄𝑤 𝑑𝑡
𝑑𝑄𝛼 𝑑𝑡
𝑑𝑄𝜀 𝑑𝑡
𝑑𝑄𝛼 𝑑𝑡
𝑑𝑄𝜀 𝑑𝑡
Với là thành phần trao đổi nhiệt đối lưu; là thành phần trao đổi nhiệt bức xạ.
Quá trình trao đổi nhiệt trong động cơ gồm có quá trình trao đổi nhiệt đối lưu và bức xạ, tuy nhiên quá trình trao đổi nhiệt bức xạ nhỏ hơn rất nhiều so với trao đổi nhiệt đối lưu,
42
do đó trong tính toán coi trao đổi nhiệt bức xạ thuộc đối lưu. Qui luật trao đổi nhiệt được xác định theo định luật Newton - Richman:
𝑛 𝑖=1
𝑑𝑄𝑤 𝑑𝑡
(2.31) = ∑ 𝛼𝑖. 𝐹𝑖. (𝑇𝑤,𝑖 − 𝑇𝑔𝑎𝑠)
Trong đó: Fi là diện tích của đỉnh piston, nắp xy lanh (cả xupáp) và xy lanh; Tgas là nhiệt độ trung bình của môi chất trong xy lanh xác định từ phương trình trạng thái khí lý tưởngTw,i là nhiệt độ trên các thành vách như piston, nắp xy lanh. Để xác định Tw,i thông qua việc đo nhiệt độ ở từng vị trí, đo ở vài điểm sau đó vẽ dạng profil hoặc dùng mô hình truyền nhiệt đơn giản để xác định Tw,i ở một chế độ ổn định nhất định trên cơ sở phải biết ít nhất một giá trị nhiệt độ tương ứng với chế độ đó. Tuy nhiên, đối với chế độ không ổn định thì mô hình rất phức tạp vì còn phải biết các giá trị khác như hệ số dẫn nhiệt của vách (), hệ số trao đổi nhiệt , hình dạng kết cấu chi tiết…
Hệ số trao đổi nhiệt i được xác định thông qua các công thức bán thực nghiệm và các thông số ảnh hưởng được xác định trước đặc trưng cho chế độ làm việc của động cơ. Các công trình xác định i thường sử dụng là mô hình Woschni, mô hình Hohenberg và mô hình Bargende. Vì thế, để tính toán hệ số trao đổi nhiệt i trong AVL Boost có các mô hình sau: Woschni 1978, Woschni 1990, AVL2000, Hohenberg, Lorenz, các mô hình này đều có thể sử dụng được cho động cơ xăng, cụ thể như sau:
- Mô hình Woschni 1978
0,8
Trong mô hình Woschni 1978, hệ số trao đổi nhiệt được tính theo công thức:
−0,53. [𝐶1. 𝑐𝑚 + 𝐶2.
0,8. 𝑇𝑐
𝑉𝐷.𝑇𝑐,1 𝑝𝑐,1.𝑉𝑐,1
(2.32) . (𝑝𝑐 − 𝑝𝑐,0)] 𝛼𝑤 = 130. 𝐷−0,2. 𝑝𝑐
Trong đó: D là đường kính xy lanh; cm là tốc độ trung bình của piston; cu là tốc độ tiếp tuyến; VD là thể tích công tác của 1 xy lanh; pc là áp suất môi chất trong xy lanh; pc,o là áp suất bên trong xy lanh khi không có cháy; Tc,1 là nhiệt độ môi chất trong xy lanh tại thời điểm đóng xu páp nạp; pc,1 là áp suất môi chất trong xy lanh tại thời điểm đóng xu páp nạp.
𝑐𝑢 𝑐𝑚 𝑐𝑢 𝑐𝑚
: Trao đổi khí 6,18 + 0,417 (2.33) 𝐶1 = { : Nén/giãn nở 2,28 + 0,308
𝑐𝑢 𝑐𝑚 𝑐𝑢 𝑐𝑚
: Tạo hỗn hợp bên ngoài buồng cháy 6,18 + 0,417 (2.34) 𝐶2 = { 2,28 + 0,308 : Phun trực tiếp
(2.35)
𝜋.𝐷.𝑛𝑑 60
Với: nd là tốc độ xoáy của môi chất, nd = 8,5.n
- Mô hìnhWoschni 1990
Được xây dựng trên cơ sở điều chỉnh mô hình Woschni 1978. Hiệu suất nhiệt trong mô hình Woschni 1990 vẫn được tính theo công thức của mô hình Woschni 1978 nhưng ∗ để phù hợp với các loại động cơ có nhiệt độ thành xy lanh được điều chỉnh hệ số C2 thành 𝐶2 trên 600K (động cơ diesel). Khi đó hệ số C2 sẽ được tính theo công thức:
43
∗ = {
: Với Tw< 525K (2.36) 𝐶2 𝐶2 𝐶2 + 23. 10−6. (𝑇𝑤 − 525) : Với Tw 525K
- Mô hình Bargende
Trong mô hình Bargende (1990) được xây dựng trên sơ sở điều chỉnh mô hình
𝜌
Woschini 1978, hệ số trao đổi nhiệt được tính theo công thức:
𝜂
𝛼 = 𝐶. 𝐷−0,22. 𝜆. ( ) . 𝑤−0,78. Δ (2.37)
Mô hình Bargende dùng được cho động cơ phun xăng đa điểm (MPI).
- Mô hình Hohenberg
0,8. 𝑇𝑐
Mô hình Hohenberg được phát triển trên cơ sở lý thuyết về phiếm hàm mật độ, cụ thể là: Mật độ điện tử có thể đặc trưng cho toàn bộ tính chất lượng tử sóng hạt của vật liệu. Do đó, việc xác định nhiệt sự thay đổi nhiệt độ sẽ được xác định thông qua việc tính toán chất lượng sóng hạt của vật liệu truyền nhiệt. Hệ số trao đổi nhiệt Hohenberg khi đó được tính theo công thức:
−0,4. (𝑐𝑚 + 1,4)0,8 (2.38) Mô hình Hohenberg dùng được cho động cơ xăng và động cơ Diesel tuy nhiên do mật độ điện tử dễ quan sát hơn khi nhiệt độ trong lòng xy lanh lớn nên mô hình này phù hợp để tính hệ số trao đổi nhiệt của động cơ diesel hơn.
𝛼𝑤 = 130. 𝑉−0,06. 𝑝𝑐
- Mô hình Lorenz
4.
Mô hình Lorenz sử dụng công thức tính của hệ số trao đổi nhiệt của mô hình Woschini, tuy nhiên để tính cho hệ số trao đổi nhiệt cho xy lanh với thêm buồng cháy phụ thì mô hình Lorenz sử dụng thêm hệ số điều chỉnh mô hình:
𝑑𝑉𝐶𝑃 𝑑𝑡 𝐷.𝜋.𝑥
𝑤𝑐 = + 𝐶1. 𝑐𝑚 (2.39)
𝑑𝑉𝐶𝑃 𝑑𝑡
Trong đó: là thể tích khí từ ống nối tới xy lanh; x là khoảng cách từ nắp xy lanh
tới đỉnh piston.
- Mô hình AVL 2000
Hệ số trao đổi nhiệt của mô hình AVL 2000 được hiệu chỉnh từ mô hình Woschni 1978
0,8
2
với các động cơ chạy tải cao ở chế độ thấp. Hệ số trao đổi nhiệt được tính theo công thức:
𝑑𝑖𝑛 𝑑
] (2.40) ) = 𝑀𝑎𝑥 [𝛼𝑊𝑜𝑠𝑐ℎ𝑛𝑖, .0,013. 𝑑−0,2. 𝑝0,8. 𝑇−0,53. (𝑐4. ( . |𝑣𝑖𝑛|)
Mô hình AVL 2000 sử dụng cho các động cơ xăng và diesel.
Thông qua, việc phân tích tìm hiểu các mô hình trao đổi nhiệt ở trên và căn cứ vào mục đích luận án chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% thì các mô hình truyền nhiệt phù hợp để mô phỏng là mô hình Woschni 1978, Mô hìnhWoschni 1990, Mô hình Bargende. Tuy nhiên trong phần mềm AVL không có mô hình Bargende và động cơ phun xăng điện tử có nhiệt độ vách buồng cháy nhỏ nên việc sử dụng hai mô hình Woschni 1978 và Woschni 1990
44
là tương đương nhau, trong khi đó mô hình Woschni 1798 lại đơn giản và thuận tiện hơn trong quá trình sử dụng. Mô hình Woschni 1978 cũng đã được sử dụng trong việc mô phỏng quá trình truyền nhiệt trên động cơ xăng trong nhiều nghiên cứu. Vì vậy, mô hình truyền nhiệt của động cơ xăng khi sử dụng xăng thông thường và xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% được lựa chọn sử dụng là mô hình Woschni 1978.
2.2.4. Mô hình phát thải
Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocarbon với không khí chỉ sinh ra CO2, H2O và N2. Do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ đốt trong luôn có chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như ô xyde nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), monô xyde carbon (CO), các hydrocarbon chưa cháy (HC). Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào loại động cơ vàchế độ vận hành.
Một trong những thông số có tính tổng quát ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ là hệ số dư lượng không khí . Động cơ đánh lửa cưỡng bức thường làm việc với hệ số dư lượng không khí ≈ 1. Tuy nhiên, nếu hỗn hợp quá nghèo thì tốc độ cháy thấp, đôi lúc diễn ra tình trạng bỏ lửa và đó là những nguyên nhân làm tăng nồng độ HC trong khí thải. Nhiệt độ cực đại của quá trình cháy cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm vì nó ảnh hưởng mạnh đến động học phản ứng, đặc biệt là các phản ứng tạo NOx. Do đó, có thể nói tất cả những thông số kết cấu hay vận hành của động cơ mà có tác động đến thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy đều gây ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí xả.
2.2.4.1. Mô hình hình thành NOx
NOx trong khí thải của động cơ đốt trong chủ yếu được hình thành do quá trình ô xy hóa N2 có trong không khí nạp vào động cơ. Trong khí thải của động cơ đốt trong, mono ô xyt nitơ (NO) chiếm tỷ lệ lớn nhất trong họ ô xyt nitơ (NOx). Cơ chế hình thành phát thải NOx trong động cơ đốt trong dựa trên mô hình động lực học phản ứng cơ sở Pattas và Hafner [109]. Quá trình hình thành NOx được thể hiện qua sáu phương trình phản ứng theo cơ chế Zeldovich (Bảng 2.1). Quá trình tính toán bắt đầu từ thời điểm xảy ra quá trình cháy.
Bảng 2.1. Phản ứng hình thành phát thải NOx
Tốc độ
a [-] k0 [cm3/mol.s] TA (K) Phản ứng
4,93.1013 0,0472 38048,01 1 N2 + O = NO + N r1 = k1.cN2.cO
1,48.108 1,5 2859,01 2 O2 + N = NO + O r2 = k2.cO2.cN
4,22.1013 0,0 3 N + OH = NO + H 0,00 r3 = k3.cN.cOH
4,58.1013 0,0 12130,60 4 N2O + O = NO + NO r4 = k4.cN2O.cO
2,25.1010 0,825 50569,70 5 O2 + N2 = N2O + O r5 = k5.cO2.cN2
9,14.107 1,148 36190,66 6 OH + N2 = N2O + H r6 = k6.cOH.cN2
45
Tốc độ phản ứng ri có đơn vị là [mol/cm3.s], nồng độ ci là nồng độ mol trong điều kiện
). 𝐶𝑁2. √𝑝𝑂2 (2.41)
cân bằng với đơn vị [mol/cm3]. Nồng độ của N2O được tính toán theo công thức sau: 9471,6 𝑇
𝐶𝑁2𝑂 = 1,1802. 10−6. 𝑇0,6125. 𝑒( Tốc độ phản ứng tạo thành NO được tính toán như sau:
(2.42)
Trong đó: ; ;
2.2.4.2. Mô hình hình thành CO
Mô hình hình thành CO dựa trên hai phản ứng trong Bảng 2.2 dưới đây.
Bảng 2.2. Phản ứng hình thành phát thải CO
Phản ứng Tốc độ
1 CO + OH = CO2 + H
2 CO + O2 = CO2 + O
(2.43) Tốc độ phản ứng tạo CO: rCO= Cconst.(r1 + r2).(1 - α)
Trong đó:
2.2.4.3. Mô hình hình thành HC
Sự hình thành HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức có thể được giải thích theo các
cơ chế sau:
- Sự tôi màng lửa khi tiếp xúc với thành tạo ra một lớp hỗn hợp không bị bén lửa trên mặt thành buồng cháy (gọi là hiệu ứng sát vách). Hiệu ứng sát vách xảy ra khi ngọn lửa bị dập tắt khi tiếp xúc với vách buồng đốt có nhiệt độ thấp hoặc khi lan đến các không gian chết trong buồng đốt.
- Hỗn hợp chứa trong không gian chết (các khe, kẽ) không cháy do màng lửa bị dập tắt. Những khe, kẽ đáng lưu ý nhất là cách khe hở giữa xec - măng và thành xy lanh, khe hở đỉnh piston. Trong quá trình nén, hỗn hợp không cháy bị đẩy vào những khe kẽ, làm cho nhiệt trao đổi với thành xylanh giảm xuống. Trong quá trình cháy, áp suất tiếp tục tăng lên và đẩy hỗn hợp khí không cháy khác vào các khe kẽ này. Màng lửa lan tràn bị dập tắt khi đến đây nên sau đó khí chưa cháy từ các khe, kẽ này sẽ bị đẩy ra khi áp suất trong xylanh bắt đầu giảm, tạo nên phát thải HC từ các khe kẽ.
- Hơi nhiên liệu hấp thụ vào lớp dầu dầu bôi trơn trên thành xy lanh hấp thụ trong quá trình nạp và nén sau đó được giải phóng trong quá trình cháy và giãn nở nhưng không được đốt cháy hoàn toàn. Thực tế, trong quá trình nén, áp suất hơi nhiên liệu tăng, vì thế theo định luật Henry, sự hấp thụ xảy ra ngay cả khi dầu đã bão hòa trong suốt quá trình nạp. Trong quá trình cháy, nồng độ hơi nhiên liệu trong khí cháy giảm về không nên hơi nhiên liệu đã bị hấp
46
thụ trước đó sẽ được giải phóng ra từ dầu lỏng thành khí cháy. Độ hòa tan của nhiên liệu liên quan đến phân tử khối, vì thế lớp dầu tạo HC phụ thuộc vào độ hòa tan khác nhau của từng loại hyđrôcacbon trong dầu bôi trong. Trong đó, đối với nhiên liệu khí thông thường như metan hay propan, do khối lượng phân tử thấp, cơ chế này không ảnh hưởng nhiều.
- Sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở một số chu trình làm việc của động cơ (cháy cục bộ hay bỏ lửa) do sự thay đổi độ đậm đặc, thay đổi góc đánh lửa sớm hay hồi lưu khí xả, đặc biệt khi gia giảm tốc độ. Hiện tượng cháy không hoàn toàn diễn ra khi lượng ô xy có trong buồng đốt không đủ để ô xy hóa hoàn toàn nhiên liệu hoặc hỗn hợp cháy không đồng nhất. Trường hợp thiếu ô xy tồn tại ở các chế độ nhẹ tải hoặc nặng tải khi hỗn hợp cháy được điều chỉnh để có hệ số dư lượng không khí < 1, đảm bảo cho động cơ làm việc ổn định khi nhẹ tải và phát ra công suất lớn khi nặng tải. Trong trường hợp hỗn hợp cháy không đồng nhất, mặc dù hệ số dư lượng không khí trung bình vẫn lớn hơn hoặc bằng 1, nhưng sẽ có khu vực thừa và khu vực thiếu ô xy. Nhiên liệu sẽ cháy không hoàn toàn ở những khu vực thiếu ô xy và sẽ có HC nếu các phân tử HC không được ô xy hóa hoàn toàn trong quá trình giãn nở và xả. Hàm lượng HC trong khí thải cũng sẽ tăng nhanh khi nhiên liệu không được phát hỏa do các lý do như: nhiệt độ trong buồng đốt thấp, hỗn hợp cháy quá giàu hoặc quá nghèo, tia lửa điện không đủ mạnh... Hiện tượng này gọi là bỏ lửa. Hiện tượng bỏ lửa thường xuất hiện ở các chế độ nhẹ tải và tốc độ quay thấp.
𝑑[𝐻𝐶]
Từ phương trình thực nghiệm và cơ sở lý thuyết của Arrhenius về ảnh hưởng nhiệt độ đến tốc độ phản ứng đã xây dựng được phương trình tổng quát về tốc độ hình thành HC như sau:
𝑑𝑡
= −𝐶𝐻𝐶. 𝐴𝐻𝐶. 𝑒−𝐸𝐻𝐶/𝑅.𝑇𝑔𝑤. [𝐻𝐶]𝛼. [𝑂2]𝑏 (2.44)
với: AHC là hệ số tần số, thông thường AHC = 7,7.109 ((m3/mol)a+b-1/s); EHC là năng lượng kích hoạt phản ứng tạo thành HC, thông thường EHC = 156222 (J/mol); R là hằng số khí hay hằng số khí lý tưởng R = 8314 (J/mol.K); Tgw = (Tgas + Tcyl.wall)/2; [HC] và [O2] là mật độ của HC và O2 (mol/m3); CHC là hằng số điều chỉnh tốc độ phản ứng tùy thuộc từng chế độ, từng loại động cơ; a và b là các hằng số, a = b = 1.
2.2.5. Một số mô hình phụ khác
Bên cạnh các mô hình chính là mô hình cháy, mô hình truyền nhiệt, mô hình phát thải thì để quá trình mô phỏng động cơ được chính xác và bám sát với thực nghiệm, trong phần mềm AVL Boost còn sử dụng một số mô hình phụ sau để mô phỏng những quá trình khác diễn ra trong động cơ, bao gồm: Mô hình nạp, thải; Mô hình tổn thất ma sát; Mô hình tiếng gõ. Cụ thể như sau:
2.2.5.1. Mô hình nạp, thải
Trong quá trình quét khí, cần chú ý đến quá trình trao đổi nhiệt và khí tại cửa nạp và thải là hết sức quan trọng. Quá trình trao đổi nhiệt tại các cửa nạp và xả có thể lớn hơn rất nhiều so với quá trình truyền nhiệt qua dòng chảy trong đường ống do hệ số trao đổi và nhiệt độ trong vùng giữa xu páp và đế xu páp lớn hơn nhiều. Trong AVL Boost mô hình Zapf (1969) hiệu chỉnh được sử dụng để tính toán cho quá trình này.
47
)
(−Aw.
αp ṁ .cp
Td = (Tu − Tw). e + Tw (2.45)
0,8
Hệ số trao đổi nhiệt p phụ thuộc vào hướng của dòng chảy (vào hoặc ra khỏi xy lanh):
−0,53. [𝐶1. 𝑐𝑚 + 𝐶2.
0,8. 𝑇𝑐
𝑉𝐷.𝑇𝑐,1 𝑝𝑐,1.𝑉𝑐,1
(2.46) . (𝑝𝑐 − 𝑝𝑐,0)] 𝛼𝑝 = 130. 𝐷−0,2. 𝑝𝑐
−1.68. [1 − 0,767.
dùng cho dòng chảy ra, và:
2]. 𝑇𝑢
0.33. 𝑚̇ 0.68. 𝑑𝑣𝑖
𝑑𝑣 𝑑𝑣𝑖
] (2.47) 𝛼𝑝 = [𝐶7 + 𝐶8. 𝑇𝑢 − 𝐶9. 𝑇𝑢
cho dòng chảy vào.
Trong đó: p là hệ số trao đổi nhiệt tại cửa; Td là nhiệt độ sau cửa; Tu là nhiệt độ trước cửa; Tw là nhiệt độ thành cửa; Aw là diện tích bề mặt cửa; 𝑚̇ là khối lượng khí qua cửa; cp là nhiệt dung riêng đẳng áp; hv là độ nâng xupáp; dvi là đường kính trong của đế xu páp. Các hệ số của các phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và cửa thải được thể hiện trong trong bảng sau:
Bảng 2.3. Các hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải
Xu páp thải Xu páp nạp
1,2809 1,5132 C4 C7
7,0451.10-4 7,1625.10-4 C5 C8
4,8035.10-7 5,3719.10-7 C6 C9
Lưu lượng của dòng khí tại cửa nạp và cửa thải được tính toán từ các phương trình của
dòng chảy qua khe hẹp đẳng entropi có tính đến hệ số lưu lượng được xác định bằng thiết bị
đo ở trạng thái dòng ổn định.
Lưu lượng khối lượng có thể nhận được từ phương trình năng lượng đối với dòng ổn
𝑑𝑚
định qua khe hẹp.
𝑑𝑡
2 𝑅0.𝑇01
𝑑𝑚
𝜓 (2.48) = 𝐴𝑒𝑓𝑓. 𝑝01. √
𝑑𝑡
Trong đó: là lưu lượng dòng khí; Aeff là diện tích tiết diện lưu thông; p01 là áp suất
𝑘+1
2
trước miệng hút; T01 là nhiệt độ trước miệng hút; R0 là hằng số chất khí; là hàm áp suất phụ thuộc vào tính chất của khí và tỷ số áp suất. Đối với dòng chảy dưới âm:
𝑘 − (
𝑘 ] (2.49)
𝑝2 𝑝01
𝑝2 𝑝01
. [( ) ) 𝜓 = √ 𝑘 𝑘−1
Với p2 là áp suất ra; k là chỉ số đoạn nhiệt, dòng lưu động dưới giới hạn.
Bên cạnh những mô hình cơ bản ở trên thì đối với các bộ phận khác trong hệ thống động cơ đốt trong thì trong AVL Boost cũng có các mô hình tương ứng. Tuy nhiên, do chúng ta chủ yếu tập trung nghiên cứu các ảnh hưởng của cồn ethanol tới quá trình cháy của động cơ nên các mô hình phụ còn lại được được chỉnh cho phù hợp.
48
2.2.5.2. Mô hình kích nổ
Mô hình kích nổ được sử dụng là mô hình kích nổ Franzke (1981) và mô hình kích nổ Franzke điều chỉnh (2002). Với động cơ xăng (động cơ chuẩn bị hỗn hợp cháy bên ngoài xy lanh), mô hình kích nổ tính toán chỉ số octane tối thiểu để động cơ không có kích nổ, cụ thể là:
𝑡 ∫ 0
1 𝜏𝑖𝐷(𝑡)
. 𝑑𝑡 (2.50)
Trong đó: iD là độ trễ đánh lửa tại điều kiện vùng chưa cháy lớn hơn ở thời điểm quá
trình cháy cuối quá trình cháy đạt cao nhất.
Độ trễ đánh lửa của mô hình kích nổ phụ thuộc vào chỉ sổ octane của nhiên liệu và
𝑎
𝑂𝑁
𝐵 𝑇 (2.51)
điều kiện của hỗn hợp khí theo công thức.
. 𝑝−𝑛. 𝑒 𝜏𝑖𝐷 = 𝐴. ( ) 100
Trong đó: iD là độ trễ đánh lửa [m.s]; ON là chỉ số Octane của nhiên liệu; p là áp suất
[atm]; T là nhiệt độ [K]; A,a,n, B là các hằng số điều chỉnh mô hình.
2.2.5.3. Mô hình tính toán tổn thất cơ giới
Để tính toán được công suất, áp suất trong xy lanh động cơ cũng như các thông số làm việc khác của động cơ thì cần phải xác định được áp suất tổn thất cơ giới trung bình của động cơ pm. Ta có:
pe = pi - pm (2.52)
Hiện có nhiều mô hình tính toán khác nhau được sử dụng để tính toán áp suất tổn thất cơ giới trung bình của động cơ pm. Phương pháp đơn giản nhất là xác định tổn thất cơ giới thông qua quan hệ tuyến tính với tốc độ trung bình của động cơ. Chính vì vậy, trong phần mềm phần mềm AVL Boost, mô hình tính toán tổn thất cơ giới đơn giản nhất là mô hình tuyến tính thông qua nhập bảng áp suất tổn thất cơ giới tương ứng với từng tốc độ động cơ. Nhược điểm của mô hình này là độ chính xác không cao và không phù hợp với diễn biến sự thay đổi của tổn thất cơ giới trong động cơ. Hai mô hình tính toán tổn thất cơ giới khác được sử dụng là mô hình Patton, Nitschke, Heywood [86] dùng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức và mô hình Shayler, Leong, Murphy [88] là mô hình điều chỉnh của mô hình Patton, Nitschke, Heywood cho các động cơ chạy ở tốc độ và nhiệt độ thấp. Cả hai mô hình này đều tính toán tổn thất ma sát động cơ thông qua việc tính toán tổng hợp tổn thất ma sát tại các vòng bi, tổn thất ma sát thủy lực tại các van (xu páp nạp, thải), nhóm các chi tiết piston và các chi tiết khác trong động cơ, do vậy kết quả tính toán của hai mô hình có độ chính xác cao hơn phương pháp tính toán tuyến tính theo tốc độ động cơ truyền thống. Vì động cơ được sử dụng nghiên cứu là động cơ xăng sử dụng trên ô tô đang được lưu hành tại Việt Nam (tốc độ cao) nên mô hình tổn thất ma sát được sử dụng là mô hình Patton, Nitschke, Heywood. Công thức tính toán tổn thất ma sát với các chi tiết, cụm chi tiết trên động cơ cụ thể như sau:
𝐷𝑏
𝑁𝐷𝑏
- Tổn thất ma sát đối với trục khuỷu:
𝐷𝑏 𝐵2.𝑆𝑛𝑐
2.𝑁2.𝑛𝑏 𝑛𝑐
𝜇 𝜇0
3.𝐿𝑏.𝑛𝑏 𝐵2.𝑆𝑛𝑐
𝑐𝑓𝑚𝑒𝑓 = 1,22. 105. ( ) + 1,35. 10−10. ( ) (2.53) ( ) + 3,03. 10−4. √
49
Trong đó: cfmef là áp suất tổn thất ma sát của trục khuỷu (kPa); B là đường kính xy lanh (mm); Db là đường kính vòng bi (mm); nb là số lượng vòng bi; N là tốc độ động cơ (v/ph); nc là số lượng xy lanh; S là hành trình piston (mm); Lb là chiều dài vòng bi; là độ nhớt của dầu; 0 là độ nhớt dầu ban đầu.
1000
1
𝑁𝐷𝑏
- Tổn thất ma sát đối với các chi tiết piston (bao gồm: piston, vòng găng, thanh truyền):
𝑆𝑝 𝐵
𝐵2) + 3,03. 10−4. √
𝑁
𝜇 𝜇0
𝜇 𝜇0
3.𝐿𝑏.𝑛𝑏 𝐵2𝑆𝑛𝑐
) ) + 4,06. 104. (1 + . ( ) . ( ( 𝑟𝑓𝑚𝑒𝑓 = 2,94. 102. √
(2.54)
Trong đó: rfmef là áp suất tổn thất ma sát của các chi tiết piston (kPa); B là đường kính xy lanh (mm); Db là đường kính vòng bi (mm); nb là số lượng vòng bi; N là tốc độ động cơ (v/ph); nc là số lượng xy lanh; S là hành trình piston (mm); Sp là tốc độ trung bình piston (m/s); Lb là chiều dài vòng bi; là độ nhớt của dầu; 0 là độ nhớt dầu ban đầu.
500
- Tổn thất ma sát tại các xu páp:
𝑁
𝜇 𝜇0
𝑁𝑛𝑏 𝐵2𝑆𝑛𝑐
𝑛𝑣 𝑆𝑛𝑐
𝑁𝑛𝑣 𝑆𝑛𝑐
𝜇 𝜇0
1,5𝑁0,5𝑛𝑣 𝐿𝑣 ( 𝐵𝑆𝑛𝑐
. ) ) + 𝑣𝑓𝑚𝑒𝑓 = 244√ + 𝐶𝑓𝑓. (1 + + 𝐶𝑟𝑓. ( ) + 𝐶𝑜ℎ√
500 )
𝑁
𝐿𝑣𝑛𝑣 𝑆𝑛𝑐
(2.55) 𝐶𝑜𝑚 (1 +
Trong đó: vfmef là áp suất tổn thất ma sát của các xu páp (kPa); B là đường kính xy lanh (mm); Db là đường kính vòng bi (mm); nb là số lượng vòng bi; N là tốc độ động cơ (v/ph); nc là số lượng xy lanh; S là hành trình piston (mm); Sp là tốc độ trung bình của piston (m/s); Lb là chiều dài vòng bi; là độ nhớt của dầu; 0 là độ nhớt dầu ban đầu.
- Tổn thất ma sát của các chi tiết phụ (các chi tiết bộ phận làm mát):
𝑎𝑓𝑚𝑒𝑓 = 6,23 + 5,22. 10−3𝑁 − 1,79. 10−7𝑁2 (2.56)
Trong đó: afmef là áp suất tổn thất ma sát của các chi tiết phụ (kPa); N là tốc độ động
cơ (v/ph).
2
- Tổn thất của bơm:
4) (2.57)
𝑝𝑖 𝑝𝑎
2 𝑆𝑝 2𝑟𝑖 𝑛𝑣 2
2
) ( Hành trình nạp: 𝑝𝑚𝑒𝑝𝑖 = (𝑝𝑎 − 𝑝𝑖) + 4,12. 10−3 (
4) (2.58)
𝑝𝑖 𝑝𝑎
𝑝𝑖 𝑝𝑎
2 𝑆𝑝 2𝑟𝑒 𝑛𝑣
) ( + 4,12. 10−3 ( Hành trình xả: 𝑝𝑚𝑒𝑝𝑒 = 0,178 ( 𝑆𝑝)
Trong đó: pmep là áp suất tổn thất của bơm (kPa); pa là áp suất không khí; pi là áp suất cửa nạp (kPa); Sp là tốc độ trung bình của piston (m/s); nv là số lượng xu páp; ri là đường kính xu páp nạp (mm); re là đường kính xu páp xả (mm).
Trên cơ sở nghiên cứu tìm hiểu các lý thuyết mô phỏng động cơ xăng, để phục vụ mục tiêu nghiên cứu, đề tài lựa chọn các mô hình mô phỏng động cơ ô tô phun xăng điện tử Toyota 1NZ-FE trong phần mềm mô phỏng động cơ AVL Boost bao gồm: mô hình cháy Fractal; mô hình truyền nhiệt Woschni 1978; mô hình phát thải NOx dựa trên mô hình động lực học phản ứng cơ sở Pattas và Hafnertheo cơ chế Zeldovich; mô hình CO dựa trên mô hình của Onorati và cộng sự; mô hình hình thành HC được tính toán dựa trên các nghiên cứu
50
của D'Errico và cộng sự, mô hình nạp thải Zaft; mô hình kích nổ Franzke điều chỉnh (2002); mô hình tổn thất ma sát Patton, Nitschke, Heywood.
2.3.1. Hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ phun xăng điện tử
2.3.1.1. Cấu tạo hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ phun xăng
Hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ phun xăng, hay thực chất là hệ thống điều khiển phun xăng điện tử bao gồm một bộ điều khiển điện tử (ECU - Electronic Control Unit), các cảm biến và cơ cấu chấp hành. Các cảm biến có nhiệm vụ ghi nhận các thông số, trạng thái hoạt động của động cơ làm các giá trị đầu vào (hoặc so sánh) của hệ thống điều khiển. ECU so sánh các giá trị đầu vào này với các giá trị tối ưu ghi sẵn trong bộ nhớ, tính toán và đưa ra các thông số điều khiển phù hợp cho cơ cấu chấp hành (vòi phun, hệ thống đánh lửa...). Sơ đồ cấu trúc và các khối chức năng của hệ thống điều khiển điện tử động cơ ôtô theo chương trình được mô tả trên Hình 2.10.
Hình 2.10. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ ôtô
Hệ thống điều khiển bao gồm: ngõ vào (Inputs) với chủ yếu là các cảm biến; bộ điều khiển trung tâm ECU là bộ não của hệ thống; ngõ ra (Outputs) bao gồm các cơ cấu chấp hành (Actuators) như: vòi phun, bô bin, van điều khiển không tải, động cơ bước (mở bướm ga)…Cảm biến kiểm soát liên tục tình trạng hoạt động của động cơ và báo về cho bộ điều khiển ECU. Từ đó, ECU sẽ tính toán, xử lý tín hiệu và đưa ra tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành. Chương trình điều khiển động cơ được nhà chế tạo viết và cài đạt sẵn trong bộ nhớ của ECU. Tùy thuộc vào từng chế độ làm việc hay tình trạng của động cơ mà ECU sẽ tính toán dựa trên chương trình sẵn có để đưa ra những tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành sao cho động cơ làm việc tối ưu.
2.3.1.2. Cấu tạo hệ thống phun xăng điện tử trên động cơ phun xăng
Sơ đồ một hệ thống phun xăng điện tử trên động cơ phun xăng thể hiện trên Hình 2.11. Các bộ phận chính trong hệ thống gồm có: ECU động cơ, các cảm biến (lưu lượng khí nạp,
51
vị trí góc quay trục khuỷu, vị trí trục cam, vị trí bướm ga, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ nước làm mát, cảm biến ô xy…) [27, 28].
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun xăng điện tử trên động cơ phun xăng
Hệ thống phun xăng điện tử được chia thành 3 khối: khối cấp không khí, khối cấp nhiên liệu và khối điều khiển điện tử. Hệ thống hoạt động cơ bản như sau: từ vị trí bướm ga và tốc độ động cơ, các cảm biến nhận thông tin và gửi đến ECU. ECU sẽ so sánh với bộ dữ liệu điều khiển và tính toán đưa ra tín hiệu điều khiển thời gian mở vòi phun để điều khiển lượng xăng phun cho phù hợp với chế độ làm việc của động cơ. Ngoài ra, bộ dữ liệu chuẩn ECU sử dụng để điều chỉnh góc đánh lửa sớm, hệ số dư lượng không khí ... để động cơ làm việc tối ưu. Khi nhận được tín hiệu vòi phun mở, xăng có áp suất cao do bơm xăng tạo ra thường trực tại ống phân phối được phun vào đường nạp kết hợp với không khí tạo thành hỗn hợp.
Đối với động cơ phun xăng sử dụng phương pháp phun độc lập theo trình tự nhiên liệu được phun độc lập cho từng xy lanh mỗi lần sau 2 vòng quay của trục khuỷu. ECU động cơ làm thay đổi lượng phun nhiên liệu bằng cách thay đổi thời gian phun của kim phun (Hình 2.12). Thời gian phun nhiên liệu cơ bản được xác định qua lượng khí nạp và tốc độ động cơ. Các thời gian phun hiệu chỉnh khác nhau được xác định qua các cảm biến khác nhau. Tín hiệu thời gian phun mà ECU động cơ cuối cùng truyền đến kim phun được bổ sung các hiệu chỉnh thời gian phun cơ bản. Có các hiệu chỉnh sau: làm đậm để khởi động; Làm đậm để hâm nóng; hiệu chỉnh phản hồi tỷ lệ không khí - nhiên liệu (chỉ có ở một số kiểu xe); làm đậm để tăng tốc; cắt nhiên liệu; làm đậm để tăng công suất; các hiệu chỉnh khác, [12].
Hình 2.12. Phương pháp phun độc lập theo trình tự trên động cơ phun xăng
52
2.3.1.3. Hệ thống đánh lửa trực tiếp trên động cơ phun xăng
Hệ thống đánh lửa trong động cơ xăng có nhiệm vụ tạo ra một tia lửa mạnh, vào thời điểm chính xác để đốt cháy hỗn hợp hòa khí. Hệ thống đánh lửa trong quá trình phát triển đã phát triển qua các hệ thống sau: kiểu điều khiển bằng vít, kiểu bán dẫn, kiểu bán dẫn có ESA (đánh lửa sớm bằng điện tử), Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS). Hệ thống đánh lửa hiện được sử dụng nhiều trên các động cơ phun xăng điện tử hiện nay là hệ thống đánh lửa trực tiếp. Sơ đồ điều khiển hệ thống đánh lửa trực tiếp của động cơ được thể hiện trong Hình 2.13.
Hình 2.13. Sơ đồ điều khiển hệ thống đánh lửa trực tiếp trên động cơ phun xăng
Trong hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS, bộ chia điện không còn được sử dụng nữa. Thay vào đó, hệ thống DIS cung cấp một bô bin cùng với một IC đánh lửa độc lập cho mỗi xy lanh. Vì hệ thống này không cần sử dụng bộ chia điện hoặc dây cao áp nên có thể giảm tổn thất năng lượng trong khu vực cao áp và tăng độ bền, đồng thời giảm đến mức tối thiểu nhiễu điện từ vì không sử dụng tiếp điểm trong khu vực cao áp. Chức năng điều khiển thời điểm đánh lửa được thực hiện thông qua việc sử dụng ESA.
Hệ thống ESA là một hệ thống dùng ECU động cơ để xác định thời điểm đánh lửa dựa vào các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau. ECU động cơ tính toán thời điểm đánh lửa từ thời điểm đánh lửa tối ưu được lưu trong bộ nhớ để phù hợp với tình trạng của động cơ, sau đó chuyển các tín hiệu đánh lửa đến IC đánh lửa. Thời điểm đánh lửa tối ưu cơ bản được xác định qua tín hiệu tốc độ của động cơ và lượng không khí nạp. ECU của động cơ nhận được các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau, tính toán thời điểm đánh lửa, truyền tín hiệu đánh lửa đến IC đánh lửa. Thời điểm đánh lửa được tính toán liên tục theo điều kiện của động cơ, dựa trên giá trị thời điểm đánh lửa tối ưu đã được lưu giữ trong máy tính, dưới dạng một bản đồ ESA (Hình 2.14). Phương pháp điều khiển bằng ESA có độ chính xác cao hơn và không cần phải đặt lại thời điểm đánh lửa. Kết quả là hệ thống này giúp cải thiện tiết kiệm nhiên liệu và tăng công suất phát ra [27, 28].
53
Hình 2.14. Điều khiển góc đánh lửa sớm theo phương pháp điều khiển ESA
Bên cạnh việc điều khiển hệ thống phun nhiên liệu và hệ thống đánh lửa, hệ thống điều khiển điện tử còn điều khiển tại chế độ không tải, thực hiện chức năng chuẩn đoán, thực hiện các chức năng an toàn và dự phòng cũng như nhiều chức năng khác nhằm đảm bảo điều khiển được quá trình làm việc của động cơ. Để thực hiện được tất cả các chức năng điều khiển đó, thì ECU động cơ cần phải phân tích, so sánh các bộ thông số làm việc của động cơ với các bộ dữ liệu chuẩn đã được cài đặt trong ECU để có thể đưa ra được tín hiệu điều khiển phù hợp.
2.3.2. Cơ sở lý thuyết chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100%
2.3.2.1. Sơ đồ hệ thống
Để chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% (sử dụng nhiên liệu linh hoạt) và đảm bảo tính năng kỹ thuật thì hai thông số quan trọng trên động cơ phun xăng điện tử là lượng phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm cần được điều chỉnh phù hợp với tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu. Như vậy, nếu giữ nguyên hệ thống điều khiển phun xăng điện tử nguyên bản (ECU chính), cần bổ sung thêm ECU điều khiển thứ hai (ECU phụ) để hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển phù hợp với tỷ lệ cồn cũng như cảm biến để nhận biết tỷ lệ cồn trong nhiên liệu. Trên cơ sở đó, luận án xây dựng hệ thống phun xăng điện tử chuyển đổi với sơ đồ khối được trình bày ở Hình 2.15.
Hình 2.15. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ phun xăng điện tử khi chuyển đổi
54
Các bộ phận chính trong sơ đồ điều khiển động cơ phun xăng điện tử khi chuyển đổi
bao gồm:
1. ECU chính của động cơ 8. Vòi phun nhiên liệu
2. Cảm biến tốc độ động cơ 9. Bô bin đánh lửa
3. Cảm biến lưu lượng khí nạp 10. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
4. Cảm biến áp suất khí nạp 11. Cảm biến lambda
5. Cảm biến vị trí bướm ga 12. Bộ xúc tác
6. Đường khí nạp vào 13. Bộ chuyển đổi (ECU phụ)
7. Đường dẫn nhiên liệu 14. Cảm biến nồng độ cồn trong nhiên liệu
Trong đó ECU chính sẽ nhận các tín hiệu từ các cảm biến của động cơ và tính toán lượng nhiên liệu phun (FI), thời điểm đánh lửa (IGT) và điều khiển vòng kín van không tải, hai tín hiệu IGT và FI được đưa vào ECU phụ nhằm hiệu chỉnh lại góc đánh lửa sớm và lượng nhiên liệu phun theo tỷ lệ ethanol đo được từ cảm biến tỷ lệ ethanol lắp trên đường cung cấp nhiên liệu trước vòi phun. ECU phụ sẽ tính toán dựa trên bộ dữ liệu lượng phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm chuẩn đã được nạp vào. Tín hiệu từ ECU phụ bao gồm thời điểm đánh lửa đã hiệu chỉnh IGT’ và lượng nhiên liệu phun đã hiệu chỉnh FI’ được gửi tới cuộn dây đánh lửa và vòi phun. Do tín hiệu điều khiển van không tải là tín hiệu điều khiển vòng kín theo tốc độ động cơ nên không cần phải hiệu chỉnh lại trong hệ thống này.
Trong quá trình nghiên cứu chuyển đổi động cơ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt, các tính hiệu từ cảm biến cũng như cơ cấu chấp hành trong hệ thống điều khiển nguyên bản được giữ nguyên. Các tín hiệu cần điều chỉnh sẽ được trình bày cụ thể sau đây.
2.3.2.2. Tín hiệu điều khiển
Hình 2.16. Nguyên lý điều chỉnh tín hiệu khi qua bộ ECU phụ Hình 2.16 thể hiện tín hiệu đầu vào và đầu ra của ECU phụ, trong đó Hình 2.16a là tín hiệu xung phun của ECU chính được tính toán từ các cảm biến của động cơ, tín hiệu này được đưa vào ECU phụ, tại đây ECU phụ sẽ tính toán độ rộng xung nhiên liệu cần thêm vào FI dựa trên cảm biến tỷ lệ cồn sau đó cộng thêm với độ rộng xung FI từ ECU chính và gửi tới vòi phun, độ rộng xung điều khiển vòi phun từ ECU phụ FI’ được thể hiện trong Hình 2.16b. Hình 2.16c thể hiện tín hiệu điều khiển đánh lửa từ ECU chính, trong đó độ rộng của xung thể hiện thời gian ngấm điện cho bô bin, thời điểm kết thúc của xung chính là thời điểm đánh lửa (IGT) so với điểm chết
55
trên (TDC) của động cơ, tín hiệu này được đưa vào ECU phụ, tại đây ECU phụ sẽ xác định góc đánh lửa cần thêm bớt (IGT) dựa vào lượng nhiên liệu phun và tốc độ động cơ, từ giá trị này ECU phụ sẽ đưa ra tín hiệu IGT’ (Hình 2.16d) có thời điểm kết thúc lệch với tín hiệu IGT ban đầu một đại lượng là IGT, tuy nhiên độ rộng của xung IGT’ vẫn sẽ được giữ nguyên so với tín IGT ban đầu.
2.3.2.3. Cảm biến tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu
Có nhiều phương pháp khác nhau để điều khiển động cơ khi sử dụng xăng sinh học. Phương pháp đầu tiên là sử dụng chính cảm biến lambda (hay cảm biến ô xy trong khí xả) để điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp trong chế độ điều khiển kín (closed loop control). Thông thường nhiên liệu xăng cần 14.7 kg không khí để đốt kiệt 1 kg nhiên liệu, trong đó nhiên liệu E85 chỉ cần khối lượng không khí là 9,855 kg để đốt kiệt 1 kg nhiên liệu, do đó khi lượng cồn ethanol trong nhiên liệu tăng lên thì hỗn hợp sẽ trở nên nghèo và làm tăng lượng ô xy dư trong khí xả. Tín hiệu cảm biến lambda phản hồi về sẽ giúp bộ điều khiển hiệu chỉnh lại lượng nhiên liệu phù hợp với lượng khí nạp vào. Tuy nhiên, biện pháp này sẽ gây ra vấn đề là khó kiểm soát các hư hỏng trong hệ thống trong công tác chẩn đoán. Ngoài ra biện pháp này cũng không áp dụng được khi xe khởi động với một loại nhiên liệu mới. Do đó để đảm bảo chính xác trong vấn đề điều khiển và chẩn đoán của động cơ sử dụng nhiên liệu cồn thì biện pháp tối ưu nhất là sử dụng cảm biến lượng cồn trong nhiên liệu xăng (ethanol concentration sensor). Cảm biến này xác định lượng cồn trong nhiên liệu trước khi nhiên liệu được phun vào động cơ nhờ đó hệ thống có tính đáp ứng cao. Có hai loại cảm biến chính thường được sử dụng trên các phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt là các cảm ứng điện dung (đo lường sự thay đổi tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu thông qua sự thay đổi của hằng số điện môi trong nhiên liệu) và các cảm biến quang trở (đo lường sự thay đổi tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu thông qua sự khúc xạ ánh sáng khi tia sáng đi qua nhiên liệu). Các cảm biến tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu có thể được lắp đặt tại hai vị trí khác nhau là tại bình chứa nhiên liệu hoặc trên đường cấp nhiên liệu. Luận án sử dụng cảm biến điện dung và cảm biến được lắp trên đường cấp nhiên liệu tới động cơ. Vị trí cảm biến và sơ đồ cấu tạo của cảm biến được thể hiện trong Hình 2.17.
Hình 2.17. Cấu tạo và lắp đặt cảm biến cồn ethanol trên động cơ
56
Về cơ bản, cảm biến này là một tụ điện đồng trục có 2 điện cực trong và ngoài, nhiên liệu sẽ chảy giữa hai điện cực. Một điện áp xoay chiều được cấp vào hai bản cực, hằng số điện môi của nhiên liệu sẽ thay đổi theo tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu sẽ làm cho thay đổi điện dung của tụ điện, điện dung tăng lên khi tăng tỷ lệ ethanol dẫn tới tần số dao động trong mạch điện cũng sẽ thay đổi theo. Công thức dưới xác định điện dung (C) của tụ điện theo hằng số điện môi (r), chiều dài tụ điện (l), bán kính của điện cực trong (R1) và điện cực ngoài (R2), trong đó hằng số điện môi của xăng r 2 và của ethanol là r 25.
𝑙 𝑅2
ln(
⁄ ) 𝑅1
(2.52) 𝐶 = 2𝜋. 𝜀𝑟.
Một vi xử lý bên trong cảm biến sẽ đo lại tần số từ mạch điện để xác định tỷ lệ ethanol đồng thời hiệu chỉnh lại giá trị này thông qua cảm biến nhiệt độ nhiên liệu. Hình 2.18 là đặc tính của cảm biến ethanol, trong đó trục hoành là điện áp ra và trục tung là tỷ lệ ethanol, đặc tính này có thể xây dựng dựa trên công thức %E = 200.U.
Hình 2.18. Đặc tính cảm biến tỷ lệ ethanol
2.3.2.4. Bộ điều khiển ECU phụ
Để có thể đáp ứng được các yêu cầu điều khiển tín hiệu phù hợp cho động cơ khi sử dụng xăng sinh học thì ECU phụ phải được kết hợp cùng với ECU chính cùng với hệ thống phun xăng điện tử sẵn có trên động cơ như Hình 2.19.
Hình 2.19. Sơ đồ khối hệ thống nhiên liệu chuyển đổi
ECU phụ sử dụng vi điều khiển ATxmega 128A có vai trò nhận và xử lý tín hiệu xung phun (FI), xung đánh lửa (IGT) từ ECU chính, tín hiệu tỷ lệ cồn ethanol (ER) trong nhiên
57
liệu. Tín hiệu từ vi xử lý ra được qua khối công suất nhằm khuếch đại tín hiệu và được truyền tới cơ cấu chấp hành là vòi phun và bô bin đánh lửa. Để đáp ứng được những yêu cầu xử lý đó, ECU phụ phải bao gồm các bộ phận chính sau: bộ vi xử lý, bộ đếm (Timer/Counter), các ngắt và bộ chuyển đổi ADC. Chi tiết về các bộ phận này xem tại Phụ lục 2.6.
Sơ đồ nguyên lý ECU phụ đối với động cơ ô tô 1NZ-FE bao gồm các khối nguồn, khối nhận tín hiệu phun xăng và đánh lửa, khối nhận tín hiệu tỷ lệ ethanol, khối điều khiển vòi phun, khối điều khiển đánh lửa và mạch vi điều khiển. ECU phụ sẽ xử lý các tín hiệu tiếp nhận các tín hiệu điều khiển quá trình phun nhiên liệu và đánh lửa sớm từ ECU chính và căn cứ trên tỷ lệ cồn ethanol có trong nhiên liệu nhận được từ cảm biến ethanol. Các tín hiệu này sẽ được xử lý tại khối vi xử lý đã được nhập bộ dữ liệu chuẩn về lượng phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm. Sau đó các tín hiệu được điều chỉnh qua khối công suất để khuếch đại tín hiệu và sau đó được đưa tới cơ cấu chấp hành là vòi phun và bô bin đánh lửa (Hình 2.20).
Hình 2.20. Sơ đồ nguyên lý của bộ điều khiển ECU phụ
Cụ thể chức năng và nhiệm vụ của các khối trong bộ điều khiển ECU phụ được trình
bày trong Phụ lục 2.6.
2.3.3. Bộ dữ liệu chuẩn trong động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100%
2.3.3.1. Bộ dữ liệu chuẩn trong động cơ xăng
Bộ dữ liệu chuẩn của ECU là bộ dữ liệu được xây dựng trong quá trình nghiên cứu- phát triển và ghi sẵn trong bộ nhớ của ECU dưới dạng các bộ thông số vận hành hay đặc tính chuẩn. Trong quá trình động cơ làm việc, ECU sẽ căn cứ trên những dữ liệu được lưu trong bộ dữ liệu chuẩn để đưa ra tín hiệu điều khiển phù hợp.
Về mặt cấu tạo, ECU bao gồm các phần cơ bản sau: bộ vi xử lý có chức năng tính toán và ra quyết định điều khiển; bộ nhớ ROM, RAM, PROM và KAM có nhiệm vụ lưu trữ chương trình và các số liệu; mạch vào/ra: chuẩn hóa tín hiệu vào, lọc, khuếch đại tín hiệu ra...; bộ chuyển đổi tín hiệu từ dạng tương tự sang tín hiệu số; đường truyền BUS (dùng để chuyển các lệnh và số liệu trong ECU); tầng khuếch đại công suất cho mạch điều khiển: phun nhiên liệu, đánh lửa...; mạch nguồn.
58
Các thuật toán dùng để điều khiển động cơ rất phức tạp, vì chúng phải đáp ứng nhiều yêu cầu khác nhau về công suất, suất tiêu thụ nhiên liệu, mức độ phát thải… Bộ ECU phải dùng một biểu thức tính toán và một loạt các bảng dữ liệu có sẵn (dữ liệu chuẩn) để xác định độ rộng xung cho từng chế độ làm việc của động cơ. Biểu thức tính toán bao gồm một loạt các hệ số được tra từ các bảng dữ liệu chuẩn. Có thể có tới hàng trăm tham số trong biểu thức tính toán này. Trên thực tế, hệ thống điều khiển động cơ chứa hàng trăm tham số, mỗi tham số này lại có bảng dữ liệu chuẩn của riêng nó. Hơn nữa, tùy theo tốc độ động cơ, ECU có thể phải thực hiện tính toán và điều chỉnh hàng triệu lần một giây [98, 99].
Như vậy có thể thấy rằng, bộ dữ liệu chuẩn cho ECU của hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ là cần thiết và quan trọng trong việc quyết định hiệu quả làm việc của động cơ. Vì vậy, việc xác định bộ dữ liệu chuẩn cho ECU luôn được coi là nhiệm vụ quan trọng hàng đầu của các hãng sản xuất động cơ.
Đối với động cơ phun xăng điện tử trong quá trình chuyển đổi từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học thì việc xây dựng một bộ dữ liệu chuẩn cho động cơ để nạp vào ECU điều khiển động cơ là một việc làm vô cùng cần thiết để tối ưu hóa quá trình làm việc của động cơ. Hai thông số quan trọng được tập trung nghiên cứu trong luận án là lượng nhiên liệu phun và góc đánh lửa sớm.
2.3.3.2. Phương pháp xây dựng bộ thông số chuẩn cho động cơ khi sử dụng xăng sinh học
Quá trình xây dựng giá trị lượng nhiên liệu phun và góc đánh lửa sớm phù hợp với tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học được thực hiện qua bốn bước được thể hiện trong hình 2.21. Cụ thể từng bước như sau:
* Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ
Để mô phỏng được động cơ thì việc đầu tiên cần phải thực hiện là nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng của động cơ sử dụng phần mềm mô phỏng, trong luận án này phần mềm được sử dụng là phần mềm AVL Boost. Mô hình mô phỏng được xây dựng phải đảm bảo bám sát số liệu đo đạc trong thực tế của động cơ. Các chế độ làm việc của mô hình mô phỏng phải được xây dựng với miền làm việc xác định thông qua các tham số chính như tốc độ và tải của động cơ, trong đó giới hạn vùng làm việc được xác định với tốc độ động cơ từ nmin đến nđm và tải từ không tải đến toàn tải. Quá trình chia lưới vùng làm việc của động cơ được thực hiện như sau:
- Xác định giới hạn tốc độ làm việc của động cơ, từ nmin đến nmax.
- Xác định đặc tính ngoài của động cơ để có vùng làm việc từ không tải tới toàn tải.
- Xác định độ lớn của các mắt lưới theo tốc độ và tải của động cơ.
- Xác định các vùng làm việc của động cơ.
Tiến hành xây dựng mô hình mô phỏng cho động cơ tại các mắt lưới ở các chế độ làm
việc khác nhau của động cơ.
59
Hình 2.21. Các bước quy trình xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho động cơ
* Chuẩn hóa mô hình
Để đảm bảo mô hình mô phỏng đảm bảo chính xác có khả năng sử dụng để thay thế động cơ thật trong quá trình xây dựng bộ dữ liệu chuẩn, cần thực hiện chuẩn hóa mô hình bằng thực nghiệm. Thí nghiệm chuẩn hóa được tiến hành với mục tiêu đo đạc các thông số của động cơ (thông số đầu vào cũng như đầu ra) để điều chỉnh mô hình. Các thông số được đo đạc trong thí nghiệm bao gồm: mô men, tốc độ, diễn biến áp suất trong xy lanh, lưu lượng khí nạp, lượng nhiên liệu cung cấp, góc đánh lửa sớm và phát thải của động cơ tại một số chế độ làm việc của động cơ.
Quá trình chuẩn hóa mô hình mô phỏng được tiến hành trên phần mềm mô phỏng AVL Boost với các thông số dùng để chuẩn hóa mô hình là các thông số đo đạc được trong thí nghiệm chuẩn hóa mô hình. Thông qua việc điều chỉnh các thông số của mô hình mô phỏng bao gồm: thông số của mô hình cháy, mô hình truyền nhiệt, mô hình phát thải, mô hình tổn thất ma sát và các mô hình phụ khác của động sơ sao cho các kết quả đầu ra là công suất, mô men, suất tiêu hao nhiên liệu, diễn biến áp suất trong lòng xy lanh động cơ và phát thải của động cơ trong mô hình mô phỏng sát với kết quả đo đạc trong thực tế.
Sau khi chuẩn hóa mô hình, luận án tiến hành mô phỏng động cơ với ECU nguyên bản ở các chế độ toàn tải, tải trung bình và tải nhỏ trên toàn dải tốc độ làm việc. Thông qua mô phỏng xác định được thông số tính năng kỹ thuật động cơ nguyên bản với các loại xăng sinh học. Từ đó, điều chỉnh lượng phun nhiên liệu và điều chỉnh góc đánh lửa sớm phù hợp với xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol khác nhau làm cơ sở cho quá trình thực nghiệm xác định bộ thông số chuẩn cho động cơ, cụ thể như sau:
60
* Tính toán bộ thông số chuẩn bằng mô phỏng
Tính toán lượng phun nhiên liệu cho một chu trình (gct): lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình (gct) được điều chỉnh trên mô hình mô phỏng sao cho kết quả hệ số dư lượng không khí động cơ sau khi đạt = 1. Vì khi = 1 thì bộ xúc tác khí xả ba thành phần đạt hiệu quả làm việc cao nhất.
Sau khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu thì trên phần mềm mô phỏng đề tài sẽ tiến hành điều chỉnh góc đánh lửa sớm. Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh trên cơ sở sao cho mô men động cơ đạt giá trị cực đại Memax.
Chế độ tính toán của động cơ trên phần mềm mô phỏng được thực hiện tại các chế độ làm việc khác nhau của động cơ với tốc độ từ nmin đến nđm và tải trọng từ 0% đến 100% tương ứng với xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol khác nhau.
* Hiệu chỉnh bộ thông số bằng thực nghiệm
Sau khi có bộ thông số chuẩn tính toán bằng mô phỏng, tiến hành thí nghiệm nhằm hiệu chỉnh bộ thông số bằng thực nghiệm. Thông qua thí nghiệm, bộ thông số chuẩn cho động cơ được hiệu chỉnh lại cho phù hợp. Quá trình hiệu chỉnh bộ thông số bằng thực nghiệm cũng tiến hành tương tự như xây dựng bộ thông số bằng mô phỏng. Đầu tiên hiệu chỉnh lượng phun nhiên liệu cung cấp cho động cơ trong một chu trình (gct) sao cho hệ số dư lượng không khí = 1, sau đó hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm của động cơ để tìm được góc đánh lửa sớm tối ưu cho động sao cho tại đó mô men động cơ đạt giá trị cực đại Memax. Thông qua thí nghiệm này, luận án đã xây dựng được bộ thông số chuẩn bằng thực nghiệm.
Quá trình cháy của xăng sinh học trong động cơ xăng có diễn biến giống như quá trình cháy của xăng thông thường tuy nhiên tùy thuộc vào từng tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học mà các thông số của quá trình cháy của xăng sinh học sẽ biến đổi tương ứng.
Luận án đã phân tích và lựa chọn được các mô hình phù hợp trong phần mềm AVL Boost để mô phỏng động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn. Các mô hình được lựa chọn bao gồm: mô hình cháy Fractal, mô hình truyền nhiệt Woschni 1978, mô hình nạp thải Zaft, mô hình tổn thất ma sát Patton, các mô hình phát thải NOx, CO, HC và một số mô hình phụ khác.
Để chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử sử dụng xăng thông thường sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt thì phương án được luận án đưa ra là sử dụng ECU phụ nhằm lượng nhiên liệu cung cấp và góc đánh lửa sớm theo tỷ lệ cồn ethanol đo được từ cảm biến tỷ lệ cồn ethanol lắp trên đường cung cấp nhiên liệu. ECU sẽ tính toán và xử lý các tín hiệu đầu vào thời điểm đánh lửa IGT và lượng phun nhiên liệu FI nhận được từ ECU chính thành các tín hiệu đầu ra thời điểm đánh lửa đã hiệu chỉnh IGT’ và lượng nhiên liệu phun đã hiệu chỉnh FI’ được gửi tới cuộn dây đánh lửa và vòi phun căn cứ trên bộ dữ liệu chuẩn đã được nạp vào ECU phụ.
Việc xây dựng bộ thông số lượng nhiên liệu cung cấp và góc đánh lửa sớm chuẩn cho động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% trong luận văn cần phải kết hợp hai phương pháp mô phỏng và thực nghiệm. Bộ thông số chuẩn sẽ được tính toán bằng mô phỏng trước sau đó sẽ được hiệu chuẩn bằng thực nghiệm sau.
61
Dựa trên phần mềm AVL Boost với các mô hình cháy, truyền nhiệt, nạp thải, phát thải đã được phân tích và lựa chọn trong Chương 2, trong chương này sẽ tiến hành mô phỏng và đánh giá quá trình làm việc của động cơ xăng với ECU nguyên bản khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100%. Sau đó, tiến hành điều chỉnh để tính toán lượng nhiên liệu và góc đánh lửa sớm phù hợp cho động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% trên mô hình mô phỏng.
Quá trình mô phỏng động cơ bao gồm hai quá trình chính là xây dựng mô hình và hiệu chỉnh mô hình. Quy trình mô phỏng cũng được tiến hành tuần tự cho từng loại nhiên liệu theo thứ tự là xây dựng mô hình cho động cơ rồi tiến hành mô phỏng động cơ khi sử dụng xăng thông thường RON92 trước, sau đó tiến hành mô phỏng động cơ khi sử dụng xăng sinh học E30, E50, E85 và E100.
3.1.1. Đối tượng nghiên cứu
Để xây dựng mô hình thì đầu tiên phải lựa chọn một loại động cơ thực tế đang được sử dụng. Động cơ được lựa chọn phải đảm bảo là loại động cơ thông thường và được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam. Vì vậy, đối tượng nghiên cứu là động cơ xăng Toyota 1NZ-FE lắp trên xe ô tô Toyota Vios 1.5 với thông số kỹ thuật chính được thể hiện trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của động cơ 1NZ-FE
Loại động cơ 1NZ-FE
Kiểu
Dung tích công tác 4 xy lanh thẳng hàng 1497 cm3
Đường kính xy lanh D 75 mm
Hành trình piston S 84,7 mm
Tỉ số nén 10,5
Công suất tối đa 81kW/6000 v/ph
Mô men xoắn tối đa 142/4200 (N.m/v/ph)
Hệ thống phun nhiên liệu SFI (Sequential Fuel Injection)
Cơ cấu phối khí
Nạp Mở
Thời điểm phối khí Đóng
Xả Mở
Đóng 16 xu páp dẫn động bằng xích, VVT-i -70 ~ 530 BTDC 520 ~ -80 ABDC 420 BTDC 20 ABDC
Chất lượng dầu 5W-30
62
Trước khi tiến hành thử nghiệm, động cơ đã được bảo dưỡng và đại tu toàn bộ nhằm
đảm bảo tình trạng động cơ hoạt động tốt.
3.1.2. Xây dựng mô hình động cơ
Dựa trên động cơ thực tế, xây dựng mô hình động cơ ô tô Toyota 1NZ-FE trong phần mềm AVL Boost theo các bước như sau: chọn các phần tử cần sử dụng trong mô hình tương ứng với các chi tiết thực tế của động cơ, liên kết các phần tử bằng phần tử ống, nhập các thông số kỹ thuật cần thiết cho các phần tử, đặt điều kiện biên phù hợp cho từng phần tử.
Các phần tử chính trong mô hình gồm: động cơ (Engine), xy lanh (Cylinder), bầu lọc khí (Air Cleaner), vòi phun (Injector), bình ổn áp (Plenum), các phần tử cản (Restriction), các phần tử ống nối (Pipe), các phần tử môi trường (System boundary) (Hình 3.1). Ngoài ra, có thể đặt các phần tử Measuring Point trên các đường ống để đo các thông số tại đây.
Hình 3.1. Mô hình mô phỏng động cơ Toyota 1NZ – FE trên phần mềm AVL Boost
Căn cứ trên các mô hình đã được lựa chọn để mô phỏng động cơ đã được trình bày
trong Chương 2, tiến hành nhập dữ liệu các phần tử bao gồm:
* Phần tử xy lanh: các thông số cơ bản của xy lanh được nhập căn cứ theo thông số kỹ
thuật của động cơ 1NZ-FE được thể hiện trong Phụ lục 1.1.
- Điều kiện khởi đầu (Initialization): Các thông số của điều kiện khởi đầu được cho căn cứ theo đều kiện môi trường thí nghiệm thực tế của động cơ trên băng thử (Chương 4) được thể hiện trong Phụ lục 1.2.
- Mô hình cháy (Combustion): Các thông số của mô hình cháy Fractal được thể hiện
trong Phụ lục 1.3 và Phụ lục 1.4.
- Mô hình truyền nhiệt (Heat Transfer): Các thông số của mô hình truyền nhiệt
Woschini 1978 được thể hiện trong Phụ lục 1.5.
63
- Các thông số của các mô hình khác được lấy căn cứ trên cơ sở các tài liệu tham khảo và số liệu đo đạc thực tế, cụ thể là: Mô hình phát thải (Pollutants) Phụ lục 1.6; Mô hình kích nổ (Knock) Phụ lục 1.7.
* Các phần tử khác trong động cơ: Tương tự với phần tử xy lanh, các phần tử khác của động cơ được xây dựng căn cứ trên thông số kỹ thuật của động cơ đã cho, bao gồm: Phần tử vòi phun (Injector); Phần tử lọc khí (Air Cleaner); Phần tử ổn áp (Plenum); Phần tử đường ống (Pipe) Phụ lục 1.8; Phần tử cản dòng (Restriction); Phần tử điểm đo (Measuring point); Phần tử môi trường (System Boundary) và phần tử động cơ (Engine).
* Các thông số điều khiển quá trình mô phỏng (Simulation Control): Để bắt đầu quá trình mô phỏng cần phải xác định nhiên liệu được sử dụng cho động cơ mô phỏng. Các thông số nhiên liệu được nhập căn cứ vào tính chất thực tế của các loại nhiên liệu xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol khác nhau mà đề tài sử dụng để thử nghiệm bao gồm: RON92, E30, E50, E85, E100.
Khi đó các loại xăng sinh học trong mô hình mô phỏng sẽ được nhập các thông số
tương ứng với tỷ lệ thể tích của xăng thông thường RON92 và cồn ethanol như sau:
Bảng 3.2. Tỉ lệ của xăng và cồn trong các loại nhiên liệu
TT Nhiên liệu Khối lượng riêng Tỉ lệ Vxăng/Vcồn
1 RON92 1 : 0 730 kg/m3
2 E100 0 : 1 794 kg/m3
3 E30 0,7 : 0,3 749 kg/m3
4 E50 0.,5 : 0,5 762 kg/m3
5 E85 0,15 : 0,85 784 kg/m3
Sau khi xây dựng hoàn thiện các mô hình, nhập đầy đủ thông tin của các phần tử và các thông số điều khiển quá trình, tiến hành chuẩn hóa lại mô hình mô phỏng của động cơ bám sát với quá trình làm việc thực tế của động cơ khi sử dụng xăng thông thường RON92 và các loại xăng sinh học E30, E50, E85, E100.
Để đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản khi sử dụng các loại xăng sinh học có tỷ lệ ethanol lớn, luận án thực hiện nghiên cứu mô phỏng bằng phần mềm AVL Boost cũng như thử nghiệm động cơ trên băng thử. Các kết quả thử nghiệm được sử dụng làm thông số đầu vào cho mô hình cũng như thông số hiệu chuẩn cho mô hình được trình bày chi tiết ở Chương 4. Chế độ làm việc của động cơ phục vụ mục tiêu nghiên cứu của phần này gồm các chế độ theo hai đường đặc tính tốc độ: đường đặc tính tốc độ tại 100% ga (đường đặc tính ngoài) và tại 40% ga (đường đặc tính bộ phận). Mục đích hiệu chuẩn nhằm xây hoàn thiện mô hình mô phỏng trong động cơ cũng như để dự doán ảnh hưởng của tỷ lệ cồn trong xăng sinh học tới quá trình làm việc của động cơ nên chỉ cần thử nghiệm với hai
64
chế độ và với tốc độ thử nghiệm trong phạm vi từ 1000 đến 4000v/ph còn quá trình mô phỏng thực hiện trong toàn dải tốc độ từ 1000 đến 6000v/ph. Bộ thông số điều chỉnh sau khi được xây dựng bằng mô phỏng sẽ được hiệu chuẩn lại bằng thực nghiệm nên vẫn đảm bảo được độ tin cậy khi áp dụng vào thực tiễn. Các thông số đầu vào của mô hình ở các tốc độ 5000 và 6000v/ph được tính toán ngoại suy từ các giá trị ở các tốc độ trước đó. Nhiên liệu nghiên cứu gồm: RON92 (xăng thông thường), xăng sinh học E30, E50, E85, E100.
Lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình gct và góc đánh lửa sớm s là các thông số
đầu vào đo đạc được thông qua thí nghiệm, số liệu cụ thể được thể hiện ở Bảng 3.3.
Bảng 3.3. Lượng nhiên liệu và góc đánh lửa sớm của động cơ với ECU nguyên bản
Vị trí ga
Tốc độ động cơ (v/ph) Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình (g/ct) Góc đánh lửa sớm (GQTK trước ĐCT)
100% 1000 0,03074 -6
2000 0,03123 -1
3000 0,03367 8
4000 0,03447 14
5000 0,03517 19,5
6000 0,03587 26
1000 0,01197 40% -1
2000 0,01202 12,5
3000 0,01252 25
4000 0,01288 38
5000 0,01328 40
6000 0,01382 44
3.2.1. Hiệu chuẩn mô hình và đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản
Động cơ được thử nghiệm để đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản và lấy dữ liệu để chuẩn hóa mô hình mô phỏng tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Trang thiết bị, nhiên liệu, đối tượng và chế độ thử nghiệm được trình bày cụ thể tại Chương 4. Đối với các thông số chưa thể đo đạc trực tiếp (hằng số rối ct và hệ số khuếch đại chiều dài rối cl trong công thức (2.24), (2.26) và các hệ số của mô hình phát thải) của mô hình sẽ được hiệu chuẩn tại các chế độ tải và tốc độ khác nhau. Thông số sử dụng để hiệu chuẩn mô hình gồm diễn biến áp suất trong xy lanh, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và các thành phần phát thải HC, CO, NOx. Kết quả hiệu chuẩn mô hình mô phỏng và đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản với hai chế độ thử nghiệm như sau:
65
3.2.1.1. Chế độ toàn tải (100% ga)
Ở chế độ toàn tải, tay ga được đặt ở vị trí 100%, thí nghiệm đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản và quy trình hiệu chuẩn mô hình mô phỏng được thực hiện tương tự như nhau khi sử dụng xăng thông thường RON92 và xăng sinh học E30, E50, E85 và E100. Tuy nhiên, với xăng E85 và E100 do hàm lượng cồn ethanol quá lớn nên động cơ không hoạt động được ở chế độ 100% ga. Do đó, ở chế độ toàn tải chỉ có kết quả thí nghiệm đánh giá và mô hình mô phỏng của động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 được hiệu chuẩn. Sau khi mô hình được hiệu chuẩn, kết quả so sánh giữa giá trị mô phỏng và thực nghiệm. Đối với công suất của động cơ, giá trị được tính toán trên mô hình mô phỏng sau khi được chuẩn hóa và kết quả đo đạc bằng thực nghiệm có sai lệch lớn nhất là 5,10%. Kết quả giá trị công suất được tính toán trên bằng mô hình mô phỏng sau khi được chuẩn hóa đã tương đối bám sát với giá trị đo đạc được bằng thực nghiệm (chi tiết trong Bảng 3.4 và 3 đồ thị Hình 3.2).
Bảng 3.4. Giá trị so sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực
nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 100% khi sử dụng RON92, E30 và E50
RON92 E30 E50
Tốc độ (v/ph) Ne_TN (kW) Ne_MP (kW) Sai lệch (%) Ne_TN (kW) Ne_MP (kW) Sai lệch (%) Ne_TN (kW) Ne_MP (kW) Sai lệch (%)
1000
11,01 11,30 2,63 9,15 9,31 1,72 9,30 9,05 2,76
2000
24,30 24,13 0,70 20,20 20,75 2,65 18,25 19,23 5,10
3000
40,03 40,31 0,70 32,30 31,49 2,57 27,05 27,25 0,73
4000
54,97 54,01 1,75 43,23 43,53 0,69 36,18 36,21 0,08
TB
32,58 32,44 1,45 26,22 26,27 1,91 22,70 22,94 1,53
a) RON92 b) E30 c) E50
Hình 3.2. So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50
Kết quả thí nghiệm cho thấy công suất của động cơ khi sử dụng các loại xăng sinh học đều thấp hơn của xăng thông thường và tỷ lệ sụt giảm công suất càng tăng khi tỷ lệ cồn trong xăng sinh học tăng lên, cụ thể trong Hình 3.3. Đặc biệt trong trường hợp này động cơ không hoạt động được với các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn rất lớn như E85 và E100.
66
a) Công suất a) So sánh công suất với RON92
Hình 3.3. So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng ECU nguyên bản, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50
Đối với giá trị suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ, giá trị mô phỏng cũng bám sát giá trị thực nghiệm, sai lệch lớn nhất giữa giá trị được tính toán trên mô hình mô phỏng sau khi được chuẩn hóa và kết quả đo đạc bằng thực nghiệm là 2,55% (chi tiết trong Bảng 3.5 và Hình 3.4).
Bảng 3.5.Giá trị so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô
phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 100% khi sử dụng RON92, E30, E50
RON92 E30 E50
Tốc độ (v/ph) ge_TN (g/kWh) ge_MP (g/kWh)
ge_TN (g/kWh) ge_MP (g/kWh)
ge_TN (g/kWh) ge_MP (g/kWh)
1000
335,1 326,5 2,55 335 333 0,60 353 359,3 1,78
2000
308,4 310,6 0,72 315,7 313,5 0,70 341 343,5 0,73
3000
302,8 300,7 0,68 317 315,8 0,38 368 372 1,09
4000
301,0 306,3 1,78 320 318,5 0,47 365 368 0,82
TB
311,8 311,0 1,43 321,9 320,2 0,54 356,8 360,7 1,11
a) RON92 b) E30 c) E50
Hình 3.4. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50
Phù hợp với xu hướng sụt giảm của công suất khi tỷ lệ cồn trong xăng sinh học tăng lên, suất tiêu hao nhiên liệu lại có diễn biến hoàn toàn ngược lại, xăng sinh học cao hơn so
67
với xăng thông thường và xu hướng càng tăng lên khi tỷ lệ cồn trong xăng sinh học tăng lên, cụ thể như trong Hình 3.5.
a) Suất tiêu hao nhiên liệu b) So sánh suất tiêu hao nhiên liệu với RON92
Hình 3.5. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng ECU nguyên bản, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50
Đối với diễn biến trong xy lanh của mô hình mô phỏng và áp suất trong xy lanh thực tế được đo đạc có đồ thị có sai lệch không đáng kể. Tại 1000 v/ph, áp suất trong xylanh có 3 điểm cực trị gồm 1 điểm đạt khi piston ở ĐCT và hai điểm đạt sau khi piston qua ĐCT (Hình 3.6). Kết quả sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm tại các điểm cực trị đối với giá trị áp suất có sai lệch lớn nhất là 2,46% và với góc là 2GQTK (Bảng 3.6).
Bảng 3.6. So sánh áp suất trong xy lanh động cơ Toyota 1NZ-FE khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 100% tại một số vị trí
TN MP Nhiên liệu (GQTK) (GQTK) Sai lệch (GQTK) pTN (bar) pMP (bar) Sai lệch (%)
Tại điểm cực trị 1
0 E0 (RON92) 0 0 19,31 19,61 1,55
0 E30 0 0 19,76 20,11 1,77
0 E50 0 0 19,79 20,17 1,92
Tại điểm cực trị 2
17 E0 (RON92) 15 2 15,87 15,48 2,46
18 E30 20 2 15,78 15,92 0,89
18 E50 20 2 16,08 15,81 1,68
Tại điểm cực trị 3
42 E0 (RON92) 40 2 25,14 25,19 0,20
41 E30 40 1 24 23,68 1,33
44 E50 45 1 22,43 22,63 0,89
68
a) RON92 b) E30 c) E50
Hình 3.6. So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô phỏng và thực nghiệm tại tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 100%
Ở chế độ 100% ga, 1000v/ph, ECU nguyên bản điều chỉnh góc đánh lửa sớm khá muộn, 6GQTK sau ĐCT. Đây là chế độ làm việc không thường xuyên của động cơ và nhà sản xuất có thể không thực hiện thử nghiệm để xác định giá trị phù hợp mà chỉ thực hiện tính toán ngoại suy từ góc đánh lửa ở các chế độ làm việc thường xuyên.
Tại vị trí 3000 v/ph, kết quả sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm tại các điểm cực trị đối với giá trị áp suất có sai lệch lớn nhất là 8,91% và với góc là 1GQTK (Hình 3.7). Đối với các tốc độ khác, kết quả mô phỏng cũng bám sát kết quả đo đạc được bằng thực nghiệm với sai lệch giữa các giá trị áp suất có sai lệch lớn nhất là 10% và độ sai lệch vị trí có sai lệch lớn nhất là 2GQTK. Các kết quả này đảm bảo độ chính xác của mô hình mô phỏng động cơ với các kết quả đo đạc được trong thực nghiệm.
a) RON92 b) E30 c) E50
Hình 3.7. So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô phỏng và thực nghiệm ở từ tốc độ 3000 v/ph, chế độ bướm ga mở 100%
Qua các giá trị trong Bảng 3.6, Hình 3.4 và Hình 3.5 cho thấy áp suất trong xy lanh động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol càng lớn thì càng giảm xuống. Điều này cho thấy quá trình cháy trên động cơ sử dụng ECU nguyên bản với xăng sinh học có xu hướng muộn đi hơn so với xăng thông thường và càng ngày càng giảm khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học càng tăng.
Động cơ khi được thử nghiệm không có bộ xử lý khí thải (BXLKT), do đó khí thải của động cơ là khí thải thô (trước bộ BXLKT). Đối với thành phần phát thải trong động cơ, do việc tính toán dự báo hàm lượng các chất ô nhiễm khó khăn và phức tạp hơn so với việc tính toán các thông số công tác của động cơ tiến nên sai lệch giữa kết quả lượng phát thải được tính toán trên mô hình mô phỏng và lượng phát thải đo đạc được từ thực nghiệm sẽ cao hơn sai lệch của các thông số công tác của động cơ. Kết quả cụ thể lượng phát thải khi mô phỏng
69
và thực nghiệm đối với xăng RON92 được thể hiện trong Bảng 3.7 và các Hình 3.6, Hình 3.7, Hình 3.8.
Bảng 3.7. Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx của động cơ ô tô Toyota 1NZ-FE khi sử
dụng xăng RON92, E30 và E50 tại chế độ bướm ga mở 100%
Thực nghiệm (ppm) Mô phỏng (ppm) Sai lệch (%)
Tốc độ (v/ph) CO HC NOx CO HC NOx CO HC NOx
RON92
1000 7478 4665 2952 7219 4623 2994 3,46 0,89 0,79
2000 6372 3462 4099 6101 3338 4135 4,25 3,59 1,79
3000 7219 2716 5963 7161 2750 6095 0,80 1,26 0,39
4000 8214 1875 5543 8043 1905 5516 2,08 1,62 1,07
TB 2,65 1,84 1,01
E30
1000 5500 2500 823 5424 2503 829 1,38 0,12 0,73
2000 4500 2100 781 4525 2150 790 0,56 2,38 1,15
3000 2600 1790 800 2624 1806 807 0,92 0,89 0,88
4000 1980 1650 761 2089 1653 750 5,51 0,18 1,45
TB 2,09 0,89 1,05
E50
1000 550 1900 900 537 1929 920 2,36 1,53 2,22
2000 1300 1350 750 1376 1428 763 5,85 5,78 1,73
3000 1850 1200 550 1908 1175 548 3,14 2,08 0,36
4000 2300 900 400 2350 868 390 2,17 3,56 2,50
TB 3,38 3,24 1,70
a) RON92 b) E30 c) E50
Hình 3.8. So sánh phát thải NOx của động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100%
70
a) RON92 b) E30 c) E50
Hình 3.9. So sánh phát thải CO của động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100%
a) RON92 b) E30 c) E50
Hình 3.10. So sánh phát thải HC của động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100%
Các kết quả chuẩn hóa trên đã cho thấy mô hình mô phỏng động cơ khi chạy ở chế độ toàn tải với xăng thông thường RON92 và các loại xăng sinh học E30, E50 có sai lệch giữa kết quả tính toàn trên mô hình mô phỏng và số liệu đo đạc được từ thực nghiệm với phát thải CO lớn nhất là 5,51%, phát thải HC lớn nhất là 5,78%, phát thải NOx lớn nhất là 2,50%. Sai lệch này đủ đáp ứng yêu cầu để có thể sử dụng mô hình mô phỏng trong tính toán lượng phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm phù hợp cho động cơ được điều chỉnh chuyển từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100%.
3.2.1.2. Chế độ tải bộ phận (40% ga)
Ở chế độ tải bộ phận, tay ga được đặt ở vị trí 40%, thí nghiệm đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản và quy trình hiệu chuẩn mô hình mô phỏng được tiến hành tương tự chế độ toàn tải. Tại chế độ này, bên cạnh xăng sinh học E30 và E50 động cơ còn hoạt động được với các loại xăng sinh học E85 và E100. Thí nghiệm đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản và quy trình hiệu chuẩn mô hình mô phỏng được thực hiện tương tự như nhau khi sử dụng xăng thông thường RON92 và các loại xăng sinh học E30, E50, E85 và E100. Kết quả cụ thể đối với công suất động cơ khi mô phỏng và số liệu đo đạc thực nghiệm được thể hiện trong Bảng 3.8 và Hình 3.11. Kết quả chuẩn hóa cho thấy đối với công suất của động cơ, giá trị được tính toán trên mô hình mô phỏng sau khi được chuẩn hóa và kết quả đo đạc bằng thực nghiệm có sai lệch lớn nhất là 3,36%. Kết quả giá trị công suất được tính toán trên bằng mô hình mô phỏng sau khi được chuẩn hóa đã tương đối bám sát với giá trị đo đạc được bằng thực nghiệm.
71
Bảng 3.8. Giá trị so sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng
RON92, E30, E50, E85 và E100
RON92 E30 E50 E85 E100
Tốc độ (v/ph)
1000
7,13 7,12 0,14 7,15 7,20 0,69 5,99 5,85 2,39 3,90 4,00 2,50 4,60 4,76 3,36
2000
13,34 13,45 0,82 13,01 13,16 1,14 11,63 11,46 1,48 8,25 8,51 3,06 8,50 8,70 2,30
3000
16,08 16,05 0,19 15,85 16,11 1,61 15,31 15,06 1,66 11,50 11,74 2,04 11,50 11,68 1,54
4000
14,45 14,47 0,14 14,02 13,9 0,86 13,67 13,32 2,63 11,00 11,01 0,09 11,00 10,74 2,42
TB
12,75 12,77 0,32 12,51 12,59 1,08 11,65 11,42 2,04 8,66 8,82 1,92 8,90 8,97 2,41
Bảng 3.9. Giá trị so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở
40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85 và E100
RON92 E30 E50 E85 E100
Tốc độ (v/ph)
ge_TN (g/kWh)
ge_TN (g/kWh) ge_MP (g/kWh) ge_TN (g/kWh) ge_MP (g/kWh) ge_TN (g/kWh) ge_MP (g/kWh) ge_TN (g/kWh) ge_MP (g/kWh)
1000
370,5 371,8 0,35 390 393,1 0,79 463,0 459,0 0,89 690,0 690,3 0,04 602,3 612,4 1,64
2000
320 321,0 0,31 335 336,3 0,39 403,3 415,5 2,95 550,0 526,7 4,42 515,1 517,2 0,41
3000
308 306,0 0,65 320 320,1 0,03 338,4 350,2 3,38 435,0 430,4 1,07 491,1 482,4 1,80
4000
371 372,0 0,27 392 390,8 0,31 414,2 422,0 1,84 480,0 490,5 2,14 553,2 547,6 1,02
TB
342,4 342,7 0,40 359,3 360,1 0,38 404,7 411,7 2,27 538,8 534,5 1,92 540,4 539,9 1,22
72
a) RON92 b) E30 c) E50
d) E85 e) E100
Hình 3.11. So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85 và E100
Kết quả thí nghiệm cho thấy công suất của động cơ khi sử dụng các loại xăng sinh học đều thấp hơn của xăng thông thường và tỷ lệ sụt giảm công suất càng tăng khi tỷ lệ cồn trong xăng sinh học tăng lên, cụ thể trong Hình 3.12.
a) Công suất a) So sánh công suất với RON92
Hình 3.12. So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng ECU nguyên bản, bướm ga mở 40% với RON92, E30, E50, E85 và E100
Đối với giá trị suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ, giá trị mô phỏng cũng bám sát giá trị thực nghiệm (chi tiết trong Bảng 3.9 và Hình 3.13). Giá trị mô phỏng cũng bám sát giá trị thực nghiệm, sai lệch lớn nhất giữa giá trị được tính toán trên mô hình mô phỏng sau khi được chuẩn hóa và kết quả đo đạc bằng thực nghiệm là 4,42%
73
a) RON92 b) E30 c) E50
d) E85 e) E100
Hình 3.13. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% với RON 92, E30, E50, E85, E100
Sự thay đổi của suất tiêu hao nhiên liệu cũng phù hợp với xu hướng sụt giảm của công suất khi tỷ lệ cồn trong xăng sinh học tăng lên, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng xăng sinh học cao hơn so với xăng thông thường và xu hướng càng tăng lên khi tỷ lệ cồn trong xăng sinh học tăng lên, cụ thể như trong Hình 3.14.
a) Suất tiêu hao nhiên liệu b) So sánh suất tiêu hao nhiên liệu với RON92
Hình 3.14. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng ECU nguyên bản, bướm ga mở 40% với RON92, E30, E50, E85 và E100
Đối với diễn biến trong xy lanh của mô hình mô phỏng và áp suất trong xy lanh thực tế được đo đạc cũng có hình dạng đồ thị tương tự nhau, cụ thể với xăng thông thường RON92 và các loại xăng sinh học E30, E50, E85, E100 tại tốc độ động cơ 1000v/ph được thể hiện như Hình 3.15.
74
a) RON92 b) E30 c) E50
d) E85 e) E100
Hình 3.15. So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50, E85, E100 giữa mô phỏng và thực nghiệm ở từ tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 40%
Đối với diễn biến trong xy lanh của mô hình mô phỏng và áp suất trong xy lanh thực tế được đo đạc có đồ thị có sai lệch không đáng kể. Tại 1000v/ph, áp suất trong xylanh có 3 điểm cực trị gồm 1 điểm đạt khi piston ở ĐCT và hai điểm đạt sau khi piston qua ĐCT (Hình 3.15). Kết quả sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm tại các điểm cực trị đối với giá trị áp suất có sai lệch lớn nhất là 3,32% và với góc là 2GQTK (Bảng 3.10).
Bảng 3.10. So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ Toyota 1NZ-FE khi sử dụng xăng RON92, E30, E50, E85, E100 giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ 1000v/ph, chế độ bướm ga mở 40% tại một số vị trí
TN MP Nhiên liệu (GQTK) (GQTK) Sai lệch (GQTK) pTN (bar) pMP (bar) Sai lệch (%)
Tại điểm cực trị 1
0 0 17,07 17,38 1,82 0 E0 (RON92)
E30 0 0 18,28 18,38 0,55 0
E50 0 0 18,52 18,93 2,21 0
0 0 0 E85 18,52 18,57 0,27
0 0 0 E100 18,55 18,64 0,49
Tại điểm cực trị 2
20 20 0 13,1 12,72 2,90 E0
75
(RON92)
E30 25 25 0 11,39 11,21 1,58
E50 40 40 0 10,3 10,03 2,62
50 50 0 E85 7,92 8,13 2,65
55 50 0 E100 9,07 8,81 2,87
Tại điểm cực trị 3
46 45 1 16,01 16,2 1,19 E0 (RON92)
E30 52 50 2 14,82 14,69 0,88
E50 57 55 2 11,62 11,7 0,69
60 60 0 E85 7,65 7,68 0,39
65 65 0 E100 8,74 8,45 3,32
Ở chế độ 40% ga, 1000v/ph, ECU nguyên bản điều chỉnh góc đánh lửa sớm khá muộn, 1 GQTK sau ĐCT. Đây là chế độ làm việc không thường xuyên của động cơ và nhà sản xuất có thể không thực hiện thử nghiệm để xác định giá trị phù hợp mà chỉ thực hiện tính toán ngoại suy từ góc đánh lửa ở các chế độ làm việc thường xuyên.
Tại vị trí 4000 v/ph, kết quả sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm tại các điểm cực trị đối với giá trị áp suất có sai lệch lớn nhất là 14,18% và với góc là 2GQTK (Hình 3.16).
a) RON92 b) E30 c) E50
d) E85 e) E100
Hình 3.16. So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50, E85, E100 giữa mô phỏng và thực nghiệm ở từ tốc độ 4000v/ph, chế độ bướm ga mở 40%
76
Đối với các tốc độ khác, kết quả mô phỏng cũng bám sát kết quả đo đạc được bằng thực nghiệm với sai lệch giữa các giá trị áp suất có sai lệch lớn nhất là 15% và độ sai lệch vị trí có sai lệch lớn nhất là 2GQTK. Các kết quả này đảm bảo độ chính xác của mô hình mô phỏng động cơ với các kết quả đo đạc được trong thực nghiệm. Ngoài ra, qua các giá trị trong Bảng 3.10, Hình 3.15 và 3.16 cũng cho thấy áp suất trong xy lanh động cơ khi sử dụng xăng sinh học diễn biến giống như trường hợp động cơ chạy ở chế độ 100% ga. Áp suất trong xy lanh động cơ giảm xuống khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tăng. Điều này cho thấy quá trình cháy trên động cơ sử dụng ECU nguyên bản với xăng sinh học kém hơn với xăng thông thường và giảm dần khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tăng lên.
Trong cả hai chế độ thử tại vị trí bướm ga mở 100% và 40% thì đỉnh áp suất cháy thấp do quá trình cháy diễn ra quá muộn khi piston đang đi xuống và thể tích xylanh tăng nhanh. Với các loại xăng sinh học lớn như E85 và E100 gần như không nhận ra đỉnh áp suất cháy. Kết quả này cũng cho thấy ECU nguyên bản không đáp ứng được yêu cầu điều khiển động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100%.
Tương tự như với chế độ tải 100% ga, đối với thành phần phát thải trong động cơ khi sử dụng xăng thông thường RON92, các loại xăng sinh học E30, E50, E85 và E100 ở chế độ 40% ga thì sai lệch giữa kết quả tính toàn trên mô hình mô phỏng và số liệu đo đạc được từ thực nghiệm với phát thải CO lớn nhất là 6,16%, phát thải HC lớn nhất là 7,10%, phát thải NOx lớn nhất là 15,00%. Kết quả cụ thể về hàm lượng phát thải CO, HC, NOx được cho trong Bảng 3.11 và thể hiện trong các Hình 3.17, 3.18, 3.19.
Bảng 3.11. Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx của động cơ ô tô Toyota 1NZ-FE khi
sử dụng xăngRON92, E30, E50, E85 và E100 tại chế độ bướm ga mở 40%
Thực nghiệm (ppm) Mô phỏng (ppm) Sai lệch (%)
Tốc độ (v/ph) CO HC NOx CO HC NOx CO HC NOx
RON92
1000 12432 2224 319 12015 2160 315 3,36 2,80 1,32
2000 15413 2021 343 16173 2001 321 4,93 0,96 6,35
3000 29784 2296 434 27950 2132 424 6,16 7,10 2,16
4000 39584 2668 414 39780 2601 438 0,50 2,52 5,72
TB 2,52 3,35 3,89
E30
1000 1800 1500 735 1890 1591 742 4,20 3,39 4,80
2000 3600 1400 700 3552 1434 702 5,10 0,01 4,85
3000 6500 1700 960 6515 1776 964 2,99 1,95 2,47
4000 11200 2000 950 11528 2009 956 4,92 2,55 4,01
TB 4,30 1,98 4,03
77
E50
1000 654 941 362 627 909 379 4,13 3,40 4,70
2000 824 746 383 866 746 364 5,10 0,00 4,96
3000 799 1274 855 775 1299 876 3,00 1,96 2,46
4000 1991 1179 1132 2089 1149 1087 4,92 2,54 3,98
TB 4,29 1,98 4,02
E85
650 1000 15 656 1051 13 0,92 5,10 13,3 1000
950 850 20 870 936 20 2,35 1,47 0,00 2000
700 970 160 684 969 167 2,29 0,10 4,38 3000
4000 1000 820 350 1020 799 336 2,00 2,56 4,00
1,89 2,31 5,43 TB
E100
1000 600 1150 25 607 1148 1,17 0,17 0,00 25
2000 900 1000 20 918 1033 2,00 3,30 15,0 17
3000 650 990 100 655 1025 0,77 3,54 2,00 98
4000 950 700 230 955 714 222 0,53 2,00 3,48
TB 1,12 2,25 5,12
a) RON92 b) E30 c) E50
d) E85 e) E100
Hình 3.17. So sánh phát thải NOx của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100
78
a) RON92 b) E30 c) E50
d) E85 e) E100
Hình 3.18. So sánh phát thải CO của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100
a) RON92 b) E30 c) E50
d) E85 e) E100
Hình 3.19. So sánh phát thải HC của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100
Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sai lệch của công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, diễn biến áp suất trong xy lanh và các thành phần phát thải ở các chế độ làm việc khác nhau là phù hợp. Điều đó cho thấy mô hình mô phỏng động cơ ô tô Toyota 1NZ-FE đạt độ chính xác cần thiết để thực hiện các nghiên cứu tính toán để so sánh tính
79
năng kỹ thuật động cơ và xây dựng bộ thông số chuẩn khi sử dụng các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn.
Bên cạnh đó, các kết quả thí nghiệm trên động cơ với ECU nguyên bản khi sử dụng các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% (E30, E50, E85, E100) cho thấy công suất cũng như áp suất trong xy lanh động cơ khi sử dụng xăng sinh học bị sụt giảm mạnh khi so sánh với khi sử dụng RON92 và mức độ sụt giảm tỷ lệ thuận với tỷ lệ tăng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học. Điều đó cho thấy ECU nguyên bản không có khả năng đáp ứng được quá trình điều khiển động cơ khi sử dụng xăng sinh học đặc biệt là với các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100%. Do đó yêu cầu cần thiết đặt ra ở đây là phải điều chỉnh lại quá trình điều khiển động cơ cho phù hợp với xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100%.
3.2.2. Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới tham số của mô hình cháy Fractal
Đối với quá trình cháy trong động cơ, thông qua mô hình Fractal đã được chuẩn hóa, cũng có thể tính toán được ảnh hưởng của lượng cồn ethanol trong xăng sinh học tới các tham số của ngọn lửa cháy như: tốc độ cháy tầng ST và diện tích màng lửa cháy tầng AT của ngọn lửa trong lòng xy lanh động cơ (Hình 3.20, Hình 3.21).
a) Tốc độ động cơ n = 1000v/ph b) Tốc độ động cơ n = 3000v/ph
Hình 3.20. Sự thay đổi của tốc độ ngọn lửa tầng trong mô hình Fractal khi thay đổi tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học
a) Tốc độ động cơ n = 1000v/ph b) Tốc độ động cơ n = 3000v/ph
Hình 3.21. Sự thay đổi của diện tích màng lửa tầng trong mô hình Fractal khi thay đổi tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học
80
Sự biến thiên của tốc độ ngọn lửa tầng và diện tích màng lửa cháy tầng có diễn biến tỷ lệ nghịch với diễn biến của tham số tỷ lệ chiều dài rối, phù hợp với sự biến đổi từ cháy tầng sang cháy rối trong xy lanh động cơ với việc tỷ lệ cồn tăng lên thì quá trình cháy rối tăng lên và quá trình cháy tầng giảm xuống. Nghiên cứu này sẽ là tiền đề cho những nghiên cứu sâu hơn về sự hình thành và biến đổi ngọn lửa trong buồng cháy xy lanh động cơ khi sử dụng xăng sinh học.
Bên cạnh đó việc đánh giá được các ảnh hưởng của xăng sinh học tới quá trình cháy của động cơ thông qua công cụ mô phỏng cũng giúp ích rất nhiều cho các nhà nghiên cứu trong nước nghiên cứu những diễn biến phức tạp của quá trình cháy mà trong điều kiện thí nghiệm thực tiễn chưa thể tiến hành được.
3.2.3. Xác định hệ số dư lượng không khí của hỗn hợp cháy với các tỷ lệ cồn ethanol khác nhau
Từ các kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm trong Mục 3.2.1 thấy rằng khi càng tăng tỷ lệ cồn ethanol trong hỗn hợp, các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của động càng bị suy giảm. Một trong những lý do khiến các chỉ tiêu kinh tế - năng lượng của động cơ bị suy giảm là do sự thay đổi các thành phần hỗn hợp cháy. Khi càng tăng tỷ lệ cồn ethanol, hỗn hợp càng trở nên “nghèo” đi, nghĩa là hệ số dư lượng không khí càng tăng lên. Dưới đây là kết quả tính toán hệ số dư lượng không khí ứng với các tỷ lệ tại hai chế độ thử nghiệm bướm ga mở 40% và bướm ga mở 100%.
Bảng 3.12. Hệ số dư lượng không khí ở các chế độ tính toán
Chế độ tải bộ phận 40% ga
RON92 E30 E85 E100 E50 Tốc độ (v/ph)
1,45 1,61 1000 1,03 1,15 1,26
1,46 1,63 2000 1,01 1,13 1,25
1,49 1,72 3000 1,01 1,19 1,26
1,48 1,69 4000 1,01 1,18 1,26
1,50 1,69 5000 1,01 1,19 1,25
1,50 1,68 6000 1,01 1,18 1,25
Chế độ toàn tải 100% ga
E50 RON92 E30 Tốc độ (v/ph)
1000 0,93 1,04 1,15
2000 0,93 1,01 1,10
3000 0,94 1,07 1,18
4000 0,92 1,03 1,26
5000 0,92 1,02 1,25
6000 0,93 1,05 1,26
81
Bảng 3.12 cho thấy hệ số dư lượng không khí của động cơ khi sử dụng xăng sinh học đều cao hơn khi sử dụng xăng thông thường RON92 và có xu hướng tăng lên khi tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu tăng lên. Nguyên nhân là do trong hàm lượng nguyên tố Ô xy trong ethanol nhiên liệu cao hơn nhiều so với xăng (xấp xỉ 30% so với chưa đến 3% của xăng). Do vậy hỗn hợp cháy khi sử dụng xăng sinh học thừa ô xy do đó cần phải tăng lượng nhiên liệu cung cấp để hệ số dư lượng không khí = 1.
Ngoài ra, bằng phương pháp nội suy từ các kết quả đo đạc thực nghiệm, đề tài cũng xác định các thông số của động cơ ở các chế độ tải trọng 20% tải, 60% tải và 100% tải. Trong đó chế độ tải ở đây được tính toán căn cứ theo lượng không khí nạp vào động cơ. Kết quả tính toán cụ thể về lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình gct và góc đánh lửa sớm s đối với động cơ sử dụng ECU nguyên bản tại các chế độ 20% tải, 60% tải, 100% tải với các tốc độ động cơ từ 1000÷6000v/ph được thể hiện trong Phụ lục 3.1.
Tổng hợp lại, đánh giá chung khả năng làm việc của động cơ nguyên bản khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% cho thấy khả năng làm việc của động cơ suy giảm, kém hơn khi sử dụng xăng thông thường RON92. Công suất động cơ giảm tỷ lệ thuận với tỷ lệ cồn ethanol tăng lên trong xăng sinh học. Nguyên nhân là do các tính chất như trị số Octan, tính bay hơi, nhiệt ẩn và nhất là nhiệt trị của xăng sinh học thay đổi so với xăng RON92. Ngoài ra cũng có thể thấy, hệ số dư lượng không khí có xu hướng tăng khi tăng tỷ lệ cồn trong xăng sinh học do cồn ethanol có chứa tới 34,7% khối lượng là ô xy. Với tỷ lệ cồn lớn hỗn hợp khá nhạt, điều này cũng dẫn tới chất lượng của quá trình cháy kém, công suất động cơ giảm và suất tiêu hao nhiên liệu tăng. Đặc biệt ở những chế độ tải lớn, sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn quá lớn như E85 hay E100 sẽ làm hỗn hợp quá nhạt và động cơ không hoạt động được. Do đó, để có thể sử dụng có hiệu quả xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% trên động cơ xăng thì cần điều chỉnh lại lượng nhiên liệu cung cấp để hệ số dư lượng không khí = 1 và góc đánh lửa sớm phù hợp để mô men động cơ đạt được giá trị cao nhất.
Để mô phỏng động cơ nhằm tính toán được lượng phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm phù hợp cho động cơ khi sử dụng xăng sinh học, luận án tiến hành hiệu chỉnh lại thời điểm đánh lửa và lượng nhiên liệu phun để tìm được giá trị phù hợp, trong đó hiệu chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình gct để đạt được hệ số dư lượng không khí = 1 và hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm s nhằm đạt được công suất lớn nhất (hoặc mô men lớn nhất, còn gọi là điểm MBT). Qua đó xây dựng được bộ thông số chuẩn (engine map) của gct và s thông qua mô phỏng.
3.3.1. Tính toán mô phỏng lượng nhiên liệu phun đảm bảo hệ số dư lượng không khí = 1
Do động cơ nguyên bản khi sử dụng xăng sinh học có 1 nên để = 1 cần phải tăng thêm lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình nhằm tăng độ đậm cho hỗn hợp. Kết quả lượng nhiên liệu cung cấp thêm cho một chu trình sau khi được tính toán ở các vị trí 20% tải, 60% tải và 100% tải được trình bày trong Bảng 3.13.
82
Bảng 3.13. Bộ thông số điều chỉnh lượng phun nhiên liệu gct để hệ số dư lượng không
khí = 1
Lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình gct (g/ct) sau khi tính toán bổ sung
Tốc độ (v/ph) E30 E50 E85 E100
Vị trí 20% tải
0,00655 0,00717 0,00866 0,00926 1000
0,00656 0,00720 0,00858 0,00920 2000
0,00684 0,00750 0,00900 0,00955 3000
0,00703 0,00771 0,00916 0,00990 4000
0,00723 0,00793 0,00940 0,01027 5000
0,00747 0,00819 0,00971 0,01038 6000
Vị trí 60% tải
0,01966 0,02135 0,02556 0,02747 1000
0,01964 0,02166 0,02567 0,02720 2000
0,02049 0,02250 0,02674 0,02866 3000
0,02101 0,02307 0,02749 0,02969 4000
0,02169 0,02378 0,02821 0,03082 5000
0,02242 0,02457 0,02913 0,03115 6000
Vị trí 100% tải
0,034379 0,037662 0,044611 0,047624 1000
0,035166 0,03791 0,045717 0,048465 2000
0,037358 0,040802 0,05006 0,051777 3000
0,038498 0,04091 0,050113 0,053332 4000
0,039315 0,043078 0,051447 0,05452 5000
0,040384 0,043218 0,052543 0,055448 6000
Kết quả tính toán công suất và sự thay đổi của công suất khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu của động cơ khi sử dụng xăng sinh học E30, E50, E85 và E100, góc đánh lửa sớm giữ nguyên bản như ở Bảng 3.14 so với trường hợp khi động cơ nguyên bản tại các chế độ cụ thể như sau:
83
* Tại chế độ 20% tải: Lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ trong một chu trình (gct) được tăng lên tương ứng với sự tăng lên của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học, (Hình 3.22).
a) Lượng nhiên liệu cung cấp b) So sánh với RON92
Hình 3.22. Lượng nhiên liệu và sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp của động cơ ô
tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 20% tải
Công suất của động cơ sau khi được điều chỉnh lượng phun nhiên liệu tăng lên rất nhiều và với các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol càng lớn thì công suất càng tăng lên nhiều hơn khi chưa có sự điều chỉnh. Công suất của động cơ khi được điều chỉnh sử dụng xăng sinh học E30, E50, E85 và E100 đạt gần tương đương với công suất của động cơ khi sử dụng RON92 (Phụ lục 3.2 và Hình 3.23).
a) Công suất b) So sánh với RON92
Hình 3.23. Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng
phun nhiên liệu ở 20% tải
* Tại chế độ 60% tải: Lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ trong một chu trình (gct) và công suất cũng biến thiên tương tự như với chế độ 20% tải. Lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ trong một chu trình (gct) và công suất của động cơ sau khi được điều chỉnh lượng phun nhiên liệu được tăng lên tương ứng với sự tăng lên của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học và được thể hiện chi tiết trong Hình 3.24, Hình 3.25 và Phụ lục 3.2.
84
a) Lượng nhiên liệu cung cấp b) So sánh với RON92
Hình 3.24.Lượng nhiên liệu và sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp của động cơ ô
tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 60% tải
a) Công suất b) So sánh với RON92
Hình 3.25. Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng
phun nhiên liệu ở 60% tải
* Tại chế độ 100% tải: Lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ trong một chu trình (gct) và công suất cũng biến thiên tương tự như với chế độ 20% tải và 60% tải, chi tiết được thể hiện trong Hình 3.26, Hình 3.27 và Phụ lục 3.2. Đặc biệt trong trường hợp này với các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn rất lớn như E85 và E100 khi chưa được điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp thì động cơ không hoạt động được, còn sau khi được điều chỉnh bằng cách tăng lượng nhiên liệu cung cấp trong một chu trình cho động cơ thì công suất động cơ đã đạt tương đương, thậm chí tăng hơn so với động cơ nguyên bản. Kết quả này là cơ sở tính toán mô phỏng quan trọng cho thấy khi động cơ chuyển đổi từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học thì việc điều chỉnh lại lượng nhiên liệu cung cấp bên cạnh việc giúp tăng công suất của động cơ đồng thời giúp cho động cơ hoạt động được ở các chế độ tải cao khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học lớn (như với các loại xăng sinh học E85 và E100).
85
a) Lượng nhiên liệu cung cấp b) So sánh với RON92
Hình 3.26.Lượng nhiên liệu và sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp của động cơ ô
tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 100% tải
a) Công suất b) So sánh với RON92
Hình 3.27. Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 100% tải
Như vậy khi sử dụng xăng sinh học, trong trường hợp điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp, công suất động cơ đã tăng lên đáng kể và gần tương đương với khi động cơ sử dụng xăng RON92 thông thường. Nguyên nhân trong cồn ethanol có tỷ lệ phần trăm ô xy cao hơn xăng thông thường nên với cùng một lượng không khí nạp sẽ đốt cháy được lượng nhiên liệu cồn ethanol lớn hơn so với xăng. Chính vì hệ số nạp tăng nên đã bù đắp được mức độ suy giảm do nhiệt trị của cồn ethanol thấp hơn so với xăng thông thường. Mức độ tăng của công suất sau khi được điều chỉnh lượng phun nhiên liệu tỷ lệ thuận với tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu. Đặc biệt ở những chế độ tải lớn, nhờ điều chỉnh lượng phun nhiên liệu mà động cơ sử dụng được các xăng sinh học có tỷ lệ cồn rất lớn như E85 hay E100 mà nếu không có điều chỉnh thì động cơ không thể hoạt động được do hỗn hợp cháy quá nhạt.
Ngoài ra với theo các nghiên cứu đã được tham khảo trong Chương 1 thì khả năng chống kích nổ của xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn cao hơn so với xăng thông thường nên nếu động cơ được tăng tỷ số nén thì có thể nâng cao lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ trong một chu trình lên cao hơn nữa giúp tăng công suất của động cơ.
86
3.3.2. Tính toán góc đánh lửa sớm để mô men động cơ đạt Memax khi sử dụng xăng sinh học
Sau khi điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ để = 1, tiến hành điều chỉnh góc đánh lửa sớm để mô men đạt giá trị lớn nhất Memax tại các chế độ mô phỏng với mỗi loại xăng sinh học.
Phương pháp điều chỉnh được thực hiện như sau: Tại chế độ 60% tải, tốc độ động cơ 1000 v/ph, góc đánh lửa sớm nguyên bản của động cơ là 1,5ºGQTK. Đầu tiên, luận án điều chỉnh góc đánh lửa sớm ±7ºGQTK, sau khi điều chỉnh góc đánh lửa sớm tăng lên, do mô men của động cơ tăng phù hợp với các tài liệu tham khảo đã chứng minh góc đánh lửa sớm phù hợp khi sử dụng xăng sinh học tăng lên so với khi động cơ sử dụng xăng thông thường. Luận án tiếp tục điều chỉnh góc đánh lửa sớm tăng lên với bước tăng là 7ºGQTK lên các góc là 9ºGQTK, 16ºGQTK, 23ºGQTK, 30ºGQTK, 37ºGQTK. Với xăng sinh học E50, mô men đạt giá trị cao nhất tại góc đánh lửa sớm 23ºGQTK. Luận án tiếp tục điều chỉnh góc đánh lửa sớm quanh điểm 23ºGQTK với bước điều chỉnh ngắn hơn là 3ºGQTK với các góc khảo sát là 20ºGQTK, 26ºGQTK. Mô men động cơ tại góc đánh lửa sớm 20ºGQTK cao hơn nên đề tài tiếp tục khảo sát quang điểm 20ºGQTK với bước điều chỉnh là 1ºGQTK và cuối cùng đã xác định được tại góc đánh lửa 21ºGQTK động cơ khi sử dụng xăng sinh học E50 đạt mô men lớn nhất. Quy trình xác định góc đánh lửa sớm phù hợp với các loại xăng sinh học khác được thực hiện tương tự và được trình bày chi tiết trong Bảng 3.14 và Hình 3.28.
Bảng 3.14. Kết quả mô phỏng để xác định góc đánh lửa sớm phù hợp cho động cơ khi
sử dụng xăng sinh học E30, E50, E85, E100 tại chế độ 60% tải và tốc độ 1000v/ph
E30 E50 E85 E100
s (ºGQTK) s (ºGQTK) s (ºGQTK) s (ºGQTK) Mô men (N.m) Mô men (N.m) Mô men (N.m) Mô men (N.m)
64,84 -5 65,99 -5 67,33 69,52 -5 -5
66,18 1,5 66,95 1,5 68,09 69,62 1,5 1,5
67,33 9 67,81 9 68,76 69,72 9 9
68,19 16 68,47 16 69,33 69,91 16 16
68,47 20 68,86 22 69,72 70,10 22 20
68,48 21 68,87 23 69,81 70,19 23 21
68,38 22 68,76 24 69,81 70,19 24 22
68,28 23 68,66 25 69,72 70,10 25 23
67,81 26 68,19 26 69,62 69,91 26 26
67,14 30 67,52 30 69,14 69,33 30 30
65,90 37 66,28 37 68,28 68,28 37 37
87
Hình 3.28. Công suất theo góc đánh lửa với các loại nhiên liệu ở 60% tải, 1000 v/ph
Tổng hợp các kết quả, góc đánh lửa sớm phù hợp cho động cơ khi sử dụng xăng sinh học E30, E50, E85, E100 được tính toán ở các vị trí 20% tải, 60% tải và 100% tải được trình bày như trong bảng sau:
Bảng 3.15. Bộ thông số động cơ điều chỉnh lượng phun nhiên liệu để = 1 và Memax
E30 E50 E85 E100
Tốc độ (v/ph) gct s gct s gct s gct s
20% tải
31 0,00717 42 1000 0,00655 0,00866 44 0,00926 37
37 0,00720 46 2000 0,00656 0,00858 50 0,00920 43
42 0,00750 54 3000 0,00684 0,00900 54 0,00955 48
46 0,00771 58 4000 0,00703 0,00916 55 0,00990 52
50 0,00793 59 5000 0,00723 0,00940 59 0,01027 53
52 0,00819 61 6000 0,00747 0,00971 61 0,01038 55
60% tải
21 0,02135 21 1000 0,01966 0,02556 24 0,02747 24
26 0,02166 32 2000 0,01964 0,02567 32 0,02720 32
33 0,02250 33 3000 0,02049 0,02674 39 0,02866 39
35 0,02307 38 4000 0,02101 0,02749 44 0,02969 44
38 0,02378 44 5000 0,02169 0,02821 50 0,03082 50
42 0,02457 48 6000 0,02242 0,02913 51 0,03115 51
88
100% tải
1000 0,034379 21 0,037662 24 0,044611 24 0,047624 24
2000 0,035166 26 0,03791 29 0,045717 29 0,048465 29
3000 0,037358 29 0,040802 32 0,05006 32 0,051777 32
4000 0,038498 32 0,04091 35 0,050113 35 0,053332 35
5000 0,039315 32 0,043078 35 0,051447 35 0,05452 35
6000 0,040384 34 0,043218 37 0,052543 37 0,055448 37
Kết quả tính toán công suất và sự thay đổi của công suất khi điều chỉnh góc đánh lửa sớm của động cơ khi sử dụng xăng sinh học E30, E50, E85 và E100 so với trường hợp khi động cơ không điều chỉnh góc đánh lửa sớm cụ thể như sau:
* Tại chế độ 20% tải: Góc đánh lửa sớm của động cơ khi tăng lên khi sử dụng xăng sinh học và trung bình tăng lên từ 10,1÷20,9GQTK so với góc đánh lửa nguyên bản khi chưa điều chỉnh. Góc đánh lửa sớm tăng lên cao nhất khi động cơ sử dụng xăng sinh học E85. Ngoài ra, đối với tốc độ động cơ càng thấp thì góc đánh lửa sớm phải điều chỉnh càng cao (Hình 3.29).
a) Góc đánh lửa sớm b) So sánh với RON92
Hình 3.29. Góc đánh lửa sớm và sự thay đổi góc đánh lửa sớm trung bình của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 20% tải
Công suất của động cơ sử dụng xăng sinh học sau khi được điều chỉnh góc đánh lửa sớm tăng lên khi so sánh với sử dụng xăng thông thường RON92 tương ứng là 5,0% với E30, 7,29% với E50, 10,63% với E85 và 11,72% với E100. Công suất của động cơ khi được điều chỉnh sử dụng xăng sinh học E30, E50, E85 và E100 cũng cao hơn so với khi động cơ sử dụng xăng thông thường RON92 (chi tiết được trình bày trong Phụ lục 3.3 và Hình 3.30). Điều này cũng phù hợp với nghiên cứu trên động cơ Toyota 1NZ-FE của nhóm nghiên cứu của Koichi Nakata tại hãng Toyota [73] đã được trình bày trong chương Tổng quan.
89
a) Công suất b) So sánh với RON92
Hình 3.30. Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh góc đánh lửa sớm ở 20% tải
* Tại chế độ 60% tải: Góc đánh lửa sớm của động cơ khi tăng lên khi sử dụng xăng sinh học và trung bình tăng lên khoảng 9,517GQTK so với góc đánh lửa nguyên bản khi chưa điều chỉnh (Hình 3.31). Công suất của động cơ sử dụng xăng sinh học sau khi được điều chỉnh góc đánh lửa sớm tăng lên khi so sánh với sử dụng xăng thông thường RON92 tương ứng là 4,97% với E30, 6,38% với E50, 8,61% với E85 và 11,84% với E100. Công suất của động cơ khi được điều chỉnh sử dụng xăng sinh học E30, E50, E85 và E100 cũng cao hơn so với khi động cơ sử dụng xăng RON92 (Phụ lục 3.3 và Hình 3.32).
a) Góc đánh lửa sớm b) So sánh với RON92
Hình 3.31.Góc đánh lửa sớm và sự thay đổi góc đánh lửa sớm trung bình của
độngcơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 60% tải
a) Công suất b) So sánh với RON92
Hình 3.32. Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh góc đánh lửa sớm ở 60% tải
90
* Tại chế độ 100% tải: Góc đánh lửa sớm của động cơ khi tăng lên khi sử dụng xăng sinh học và trung bình tăng lên khoảng 18,921,9GQTK so với góc đánh lửa nguyên bản khi chưa điều chỉnh. Đối với tốc độ động cơ càng thấp thì góc đánh lửa sớm phải điều chỉnh càng cao (Hình 3.33).
a) Góc đánh lửa sớm b) So sánh với RON92
Hình 3.33. Góc đánh lửa sớm của động cơ và sự thay đổi góc đánh lửa sớm trung bình của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 100% tải
Công suất của động cơ sau khi được điều chỉnh góc đánh lửa sớm tăng lên tương ứng là 4,33% với E30, 7,05% với E50, 8,45% với E85 và 12,40% với E100. Công suất của động cơ khi được điều chỉnh sử dụng xăng sinh học E30, E50, E85 và E100 cũng cao hơn so với khi động cơ sử dụng xăng thông thường RON92 (chi tiết được trình bày trong Phụ lục 3.3 và Hình 3.34).
a) Công suất b) So sánh với RON92
Hình 3.34. Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ khi điều chỉnh góc đánh lửa sớm ở 100% tải
Như vậy, khi sử dụng xăng sinh học thì khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tăng thì góc đánh lửa sớm phải tăng lên tương ứng. Góc đánh lửa sớm trung bình cần điều chỉnh với xăng sinh học E30 (9,518,9GQTK), E50 (1321,9GQTK), E85 (1721,9GQTK) và E100 (15,121,9GQTK). Góc đánh lửa sớm cũng được nhiều hơn ở chế độ tải trọng nhỏ (10,1÷20,9GQTK) sau đó giảm ở chế độ tải trọng trung bình (9,517GQTK) và tăng lên cao nhất ở chế độ toàn tải (18,921,9GQTK).
Tổng hợp lại, chúng ta thấy khi sử dụng xăng sinh học, trong trường hợp sau khi điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp tiếp tục điều chỉnh góc đánh lửa sớm thì công suất động cơ
91
tiếp tục được tăng lên và công suất động cơ khi sử dụng xăng sinh học cao hơn so với động cơ khi sử dụng xăng RON92.
Mô hình mô phỏng được xây dựng trên cơ sở các thông số kỹ thuật thực tế của động cơ Toyota 1NZ-FE với mô hình cháy Fractal, mô hình truyền nhiệt Mô hình Woschni 1978, mô hình nạp thải Zaft, mô hình tổn thất ma sát Patton, các mô hình phát thải NOx, CO, HC và một số mô hình phụ khác đã được lựa chọn trên cơ sở lý thuyết được trình bày trong Chương 2.
Mô hình mô phỏng động cơ được hiệu chuẩn dựa trên các số liệu thực nghiệm bao gồm: công suất, mô men, suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải NOx, CO, HC và diễn biến áp suất trong xy lanh động cơ đảm bảo kết quả mô phỏng bám sát kết quả đo đạc bằng thực nghiệm. Sai lệch lớn nhất đối với các thông số công tác của động cơ cụ thể như sau: công suất động cơ 5,10%, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ 4,42%, các giá trị áp suất trong xy lanh động cơ 15,00%. Sai lệch lớn nhất đối với các thành phần phát thải động cơ cụ thể như sau: phát thải CO 6,16%, phát thải HC 7,10%, phát thải NOx 15,00%.
Lượng phun nhiên liệu được điều chỉnh tăng thêm đảm bảo hệ số dư lượng không khí = 1 để bộ xử lý khí thải trên động cơ xăng đạt hiệu quả làm việc cao nhất. Quá trình điều chỉnh cho thấy khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học càng lớn thì lượng nhiên liệu cần điều chỉnh tăng lên cũng tương ứng tăng theo.
Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh để mô men động cơ đạt giá trị cao nhất cho thấy khi sử dụng xăng sinh học thì khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tăng thì góc đánh lửa sớm phải tăng lên tương ứng. Ngoài ra góc đánh lửa sớm trung bình cần điều chỉnh nhiều hơn ở chế độ tải trọng nhỏ sau đó giảm ở chế độ tải trọng trung bình và tăng lên cao nhất ở chế độ toàn tải.
92
Các nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành để kiểm chứng lại các kết quả mô phỏng cũng như nhằm đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng; hiệu chỉnh lại bộ thông số lượng phun nhiên liệu cung cấp trong một chu trình (gct) và góc đánh lửa sớm (s) đã được tính toán bằng thực nghiệm; đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ sử dụng ECU nguyên bản cũng như động cơ sử dụng bộ chuyển đổi (lắp thêm ECU phụ) trên băng thử động cơ cũng như động cơ được lắp trên ô tô trên băng thử ô tô khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100%.
4.1.1. Đối tượng thử nghiệm
Đề tài tiến hành thử nghiệm với động cơ và ô tô lắp động cơ sử dụng xăng RON92 thông thường và xăng sinh học E30, E50, E85 và E100. Vì vậy đối tượng trong các thử nghiệm được thực hiện trong luận án bao gồm:
- Động cơ xăng 1NZ-FE của hãng Toyota trước và sau khi được điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp và góc đánh lửa sớm. Trước khi tiến hành thử nghiệm, động cơ đã được bảo dưỡng và đại tu toàn bộ nhằm đảm bảo tình trạng động cơ hoạt động tốt. Các thông số kỹ thuật của động cơ đã được cung cấp trong bảng 3.1 trong Chương 3.
- Ô tô Toyota Vios 1.5 sử dụng động cơ Toyota 1NZ-FE với trạng thái nguyên bản
(chưa lắp thêm ECU phụ) và sau khi lắp thêm ECU phụ.
4.1.2. Nhiên liệu thử nghiệm
Nhiên liệu thử nghiệm bao gồm: xăng RON92, xăng sinh học E30, E50, E85 và E100. Các loại nhiên liệu được sử dụng được phối trộn tại Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam theo quy trình phối trộn tuần hoàn. Tính chất cụ thể của từng loại nhiên liệu được cho trong bảng sau:
Bảng 4.1. Tính chất của các loại nhiên liệu thử nghiệm
TT Tính chất RON92 E30 E50 E85 E100 Phương pháp thử
1 Nhiệt trị (kJ/g) Tài liệu [34] 43,41 37,26 34,42 29,21 26,68
2 Trị số Ốctan RON TCVN 2703 92,4 96,8 97,5 106 107
lượng lưu huỳnh 3 215 201 172 17,13 8,64 Hàm (mg/kg) TCVN 7760:2013
4 Áp suất hơi Reid (kPa) 70,46 67,86 53,64 43,01 15,7 ASTM D 4953
5 0,55 6,93 8,02 13,25 15,49 Hàm lượng ô xy, % khối lượng TCVN 7332:2013
93
6 0,73 0,752 0,761 0,7895 0,786 Khối lượng riêng ở 15 (kg/m3) ASTM D 4052
7 Tỷ lệ nước (% thể tích) ASTM E 203 0,184 0,215 0,270 0,297 0
8 Tỷ lệ ethanol (% thể tích) 28,56 47,63 79,81 95,42 0 TCVN 7332:2013
4.1.3. Trang thiết bị thử nghiệm
Thử nghiệm trên động cơ và ô tô với các trang thiết bị thử nghiệm tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Cụ thể như sau:
4.1.3.1. Thử nghiệm động cơ
Trang thiết bị thử nghiệm được thể hiện như hình 4.1, bao gồm:
-Băng thử tính năng động lực học cao (ETB);
-Hệ thống đo khí thải CEBII;
- Hệ thống đo nhiên liệu AVL733S.
Hình 4.1. Sơ đồ băng thử động cơ
Cụ thể các trang thiết bị như sau:
- Băng thử tính năng động lực học cao (ETB)
Băng thử động lực cao động cơ (High Dynamic Engine Testbed) (Hình 4.3) với mục đích thực hiện các thử nghiệm phục vụ công tác nghiên cứu và phát triển động cơ được trang bị nhiều thiết bị hiện đại và đồng bộ. Chi tiết về các trang thiết bị trên băng thử động cơ xem tại Phụ lục 2.1.
- Hệ thống phân tích khí thải CEBII
Hệ thống phân tích khí thải CEBII (Combustion Emission Bench) là hệ thống bao gồm toàn bộ các môđun thực hiện quá trình phân tích các thành phần các chất CO, CO2, NO, NOx, HC có trong khí thải động cơ và các thiết bị đảm bảo điều kiện làm việc đúng của hệ thống như: Khối làm nóng (HSU), khối chuẩn đoán, khối điều khiển... Mỗi bộ phân tích được chia thành 4 dải đo, tuỳ thuộc vào hàm lượng thực tế các chất có trong khí thải mà bộ phân tích sẽ tự lựa chọn dải đo phù hợp. Để đảm bảo độ chính xác của phép đo, các bộ phân tích được
94
hiệu chuẩn trước khi đo bởi khí hiệu chuẩn ứng với từng dải đo. Chi tiết về các khối phân tích của hệ thống phân tích khí thải xem tại Phụ lục 2.2.
- Hệ thống đo nhiên liệu AVL 733S (Fuel Balance) đo lượng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ bằng cách cân lượng nhiên liệu trong bình chứa. AVL Fuel Balance 733S có thể đo liên tục lượng nhiên liệu trong một khoảng thời gian từ khi đầy bình đến khi nhiêu liệu trong bình giảm tới mức 0. Sai số của thiết bị là 0,1%. Dải đo từ 0 đến 150kg/h. Có thể cho phép tới 400kg/h. Chi tiết về hệ thống đo nhiên liệu AVL 733S xem tại Phụ lục 2.3.
Đối với các thí nghiệm điều chỉnh lượng phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm để chuẩn hóa bộ thông số thì động cơ được điều khiển bằng hệ thống điều khiển động cơ của ECM của hãng Woodward (Hình 4.2) kết hợp với các cảm biến thu nhận tín hiệu thực hiện điều chỉnh được gct và s trong quá trình thử nghiệm. Hệ thống điều khiển ECM đưa ra tín hiệu điều khiển thời gian phun tới vòi phun và tín hiệu về thời điểm đánh lửa cho hệ thống đánh lửa của động cơ thử nghiệm. Các cảm biến kết nối với ECU bao gồm các cảm biến của động cơ như cảm biến áp suất ống nạp, cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến vị trí bướm ga… Ngoài ra còn kết nối với các cảm biến phụ trợ giúp cho quá trình đo và tính toán của ECU chính xác hơn bao gồm cảm biến đo lamda dải rộng LSU4 có dải đo = 0,610,11, và cảm biến lưu lượng khí nạp Bosch HFM5 0 280 217 123.
Hình 4.2. Hệ thống điều khiển và lập trình ECU của hãng Woodward
4.1.3.2. Thử nghiệm ô tô
Thử nghiệm ô tô được thực hiện theo phương pháp đối chứng trên hệ thống thử nghiệm
ô tô hạng nhẹ tại Phòng thử khí thải cho xe con và xe tải nhẹ (CD 48”).
Hình 4.3. Hệ thống đo đặc tính kinh tế kỹ thuật và phát thải ô tô
95
Trang thiết bị hệ thống này được bố trí như Hình 4.3 bao gồm:
- Băng thử ô tô CD 48’’;
- Hệ thống lấy mẫu thể tích không đổi CVS;
- Hệ thống đo khí thải CEB II;
- Hệ thống đo nhiên liệu AVL 733S.
Các băng thử và hệ thống trên đều là những trang thiết bị hiện đại được cung cấp đồng bộ bởi Hãng AVL-Zöllner, Cộng hòa Áo. Hệ thống đo khí thải CEB II và hệ thống đo nhiên liệu AVL 733S giống như hệ thống được sử dụng trong thử nghiệm động cơ.
- Băng thử ô tô CD 48’’ (Chassis Dyndmometer) tạo lực cản theo nguyên lý chuyển đổi cơ điện (con lăn - phanh điện) cho phép khảo sát đặc tính động lực học: lực kéo, khả năng tăng tốc cũng như vượt dốc của ôtô trong đó: tốc độ cực đại ôtô cho phép thử là 200 km/h, lực kéo lớn nhất là 5870N, công suất lớn nhất là 220kW. Chi tiết về băng thử ô tô xem tại Phụ lục 2.5.
- Hệ thống lấy mẫu khí với thể tích không đổi CVS (Constant Volume Sampling) sử dụng nguyên lý lưu lượng dòng chảy tới hạn qua ống Venturi. Khí thải từ ống xả được thu toàn bộ và làm loãng bằng không khí của môi trường thử rồi sau được trích ra một phần vào các túi khí. Các túi khí này sẽ được các bộ phân tích xác định thành phần và hiểnthị kết quả đo được. Chi tiết về hệ thống lấy mẫu khí với thể tích không đổi CVS xem tại Phụ lục 2.6.
4.2.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm
4.2.1.1. Mục tiêu
* Thử nghiệm hiệu chuẩn mô hình mô phỏng
Thử nghiệm này được thực hiện nhằm lấy số liệu để hiệu chuẩn mô hình mô phỏng động cơ đồng thời đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn E30, E50, E85 và E100 đến tính năng và phát thải của động cơ nguyên bản.
* Thử nghiệm hiệu chuẩn bộ thông số
Thử nghiệm này được thực hiện nhằm hiệu chuẩn lượng nhiên liệu phun gct và góc đánh lửa sớm s của động cơ ô tô phun xăng điện tử khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% đã được tính toán mô phỏng trong Chương 3. Trên băng thử công suất, ứng với mỗi điểm làm việc gồm tốc độ động cơ và lượng khí nạp (động cơ ô tô) thực hiện hiệu chỉnh lại thời điểm đánh lửa và lượng nhiên liệu phun đã xác định từ mô phỏng để tìm được giá trị tối ưu, trong đó hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun để đạt được hệ số dư lượng không khí = 1 và hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm nhằm đạt được công suất lớn nhất (hoặc mô men lớn nhất, còn gọi là điểm MBT). Qua đó xây dựng được bộ thông số chuẩn (engine map) của gct và s bằng thực nghiệm và xác định được hệ số điều chỉnh của các thông số này ứng với tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu để nạp vào ECU phụ. ECU phụ này kết hợp cùng
96
với ECU chính của hệ thống phun xăng điện tử nguyên bản sẵn có trên động cơ để chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100%.
4.2.1.2. Phương pháp và chế độ thử nghiệm
* Thử nghiệm lấy số liệu hiệu chuẩn mô hình mô phỏng
Thử nghiệm nhằm đo lường các thông số làm việc của động cơ để làm cơ sở dữ liệu thông số đầu vào cũng như kết quả đối chứng đầu ra để hiệu chuẩn mô hình mô phỏng động cơ. Các thông số được đo đạc bao gồm: lượng không khí nạp vào động cơ, lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ, góc đánh lửa sớm, mô men, công suất, áp suất trong xy lanh và phát thải của động cơ.
Thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng các loại xăng sinh học khác nhau bao gồm: E30, E50, E85, E100 đến tính năng và phát thải của động cơ được thực hiện trên cơ sở đối chứng. Trong đó, nhiên liệu đối chứng là xăng thông thường RON92 có sẵn trên thị trường.
Động cơ được thử nghiệm tại tốc độ động cơ từ 1000 đến 4000v/ph, ở hai chế độ bướm ga mở hoàn toàn (WOT) và bướm ga mở một phần (40%OT) như đã trình bày trong mục 3.2.
* Thử nghiệm hiệu chuẩn bộ thông số chuẩn
Mục đích của việc thử nghiệm này là xây dựng bộ thông số điều khiển nhiên liệu và thời điểm đánh lửa để nạp vào bộ điều khiển ECU động cơ, do đó khi xây dựng bộ thông số này thì tất cả các thông số ảnh hưởng khác như nhiệt độ động cơ, nhiệt độ khí nạp phải được giữ là hằng số để đảm bảo quá trình thí nghiệm chính xác. Các bước thử nghiệm của động cơ ô tô bao gồm:
- Thử nghiệm với động cơ sử dụng ECU nguyên bản dùng nhiên liệu xăng RON92, chế độ chạy được giới thiệu trong Bảng 4.2. Tại mỗi điểm đo sử dụng osciloscope đo thời gian phun của 1 xy lanh, sử dụng máy chẩn đoán TA500J để xác định thời điểm đánh lửa, hệ số dư lượng không khí, lưu lượng khí nạp, độ mở bướm ga; sử dụng cân nhiên liệu AVL 733S để xác định khối lượng nhiên liệu phun.
- Thử nghiệm với động cơ sử dụng ECU Woodward dùng nhiên liệu xăng E30, E50, E85 và E100, chế độ chạy được lựa chọn giống như trường hợp sử dụng RON92 trình bày ở Bảng 4.2. Trong thử nghiệm này ECU được lập trình đo lại và hiển thị các thông tin bao gồm tốc độ động cơ, độ mở bướm ga, lưu lượng khí nạp, nhiệt độ động cơ, nhiệt độ khí nạp. Các thông tin điều khiển ra là thời gian phun và thời điểm đánh lửa, trong đó điều khiển thời điểm đánh lửa được đặt trực tiếp thông qua máy tính, thời gian phun được điều khiển bằng bộ điều khiển vòng kín PI với sai số lambda nhỏ hơn 0,01, tín hiệu đầu vào bộ điều khiển là cảm biến lambda cùng với giá trị lambda yêu cầu, thời gian phun hiển thị trên máy tính. Tại mỗi điểm đo, lượng nhiên liệu phun được tự động hiệu chỉnh để đạt lambda bằng giá trị lambda yêu cầu, thời điểm đánh lửa ban đầu được lựa chọn là giá trị đánh lửa mô phỏng trong Chương 3, sau đó góc đánh lửa này được hiệu chỉnh từng độ một để tìm được thời
97
điểm đánh lửa đạt công suất lớn nhất (MBT), tại các điểm thử không có số liệu mô phỏng thì góc đánh lửa ban đầu sẽ sử dụng góc mô phỏng lân cận điểm thử đó.
Bảng 4.2. Phương pháp thử nghiệm động cơ ô tô
TT Thông số Phương pháp thử nghiệm
1 Nhiệt độ động cơ Cố định tại 80C
2 Tốc độ động cơ Điều chỉnh từ 1000 đến 6000v/ph
Bước 1000v/ph
3 Vị trí bướm ga
Điều chỉnh vị trí bướm ga sao cho lưu lượng không khí nạp đạt các giá trị 20%, 60% và 100% lưu lượng khí nạp lớn nhất
4 Góc đánh lửa sớm
Hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm dựa trên số liệu mô phỏng cho đến khi đạt mô men cao nhất Memax (MBT)
5 Lượng nhiên liệu phun Điều chỉnh dựa trên số liệu mô phỏng để giữ = 1
4.2.2. Kết quả thử nghiệm
4.2.2.1. Kết quả thử nghiệm lấy số liệu hiệu chuẩn mô hình
Kết quả thử nghiệm đã được lấy để phục vụ hiệu chuẩn cho mô hình mô phỏng động cơ trên phần mềm AVL Boost và được trình bày trong Chương 3. Các kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng mô men, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng xăng sinh học với tỷ lệ ethanol thấp là E30 thì tăng lên còn với xăng sinh học có tỷ lệ ethanol cao E50, E85, E100 thì giảm xuống. Đặc biệt nếu không có sự điều chỉnh động cơ thì khi chạy với xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn như E85 và E100, động cơ sẽ không hoạt động được ở chế độ toàn tải do lượng nhiên liệu cung cấp không đủ để hỗn hợp không khí, nhiên liệu trong động cơ đủ đậm để đảo bảo điều kiện cháy.
Đối với các thành phần phát thải chính của động cơ xăng như CO và CO2 đều giảm rất mạnh khi động cơ chuyển sang sử dụng xăng sinh học và đặc biệt là với xăng sinh học E85 thì phát thải CO và CO2 trong mọi thí nghiệm đều nhỏ hơn so với xăng thông thường. Trong khi đó phát thải HC và NOx và CO2 cũng tăng lên do quá trình cháy được cải thiện, tuy nhiên lượng tăng không quá lớn. Kết quả thử nghiệm này đã chứng minh được tính khả thi của sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol cao trên động cơ xăng truyền thống để nâng cao tính kinh tế động cơ cũng như yêu cầu cần thiết phải có sự điều chỉnh động cơ để động cơ có thể hoạt động với các loại xăng sinh học có tỷ cồn ethanol cao như E85 và E100.
4.1.2.2. Kết quả thử nghiệm hiệu chuẩn bộ thông số chuẩn cho động cơ
* Kết quả thực nghiệm xác định lượng nhiên liệu phun
Lượng nhiên liệu phun được hiệu chỉnh theo cảm biến lambda và lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình gct (g/ct) để đảm bảo hệ số dư lượng không khí = 1. Kết quả lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình gct sau khi được điều chỉnh bằng thực nghiệm được cho trong Bảng 4.3.
98
Bảng 4.3. Lượng phun nhiên liệu được điều chỉnh bằng thực nghiệm để hệ số dư lượng
không khí = 1
Lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình gct (g/ct)
Tốc độ (v/ph) E30 E50 E85 E100
Vị trí 20% tải
0,00667 0,00729 0,00878 0,00938 1000
0,00668 0,00732 0,0087 0,00932 2000
0,00696 0,00762 0,00912 0,00967 3000
0,00715 0,00783 0,00928 0,01002 4000
0,00735 0,00805 0,00952 0,01039 5000
0,00759 0,00831 0,00983 0,0105 6000
Vị trí 60% tải
0,01971 0,02205 0,02536 0,0275 1000
0,01969 0,02236 0,02547 0,02723 2000
0,02054 0,0232 0,02654 0,02869 3000
0,02106 0,02377 0,02729 0,02972 4000
0,02174 0,02448 0,02801 0,03085 5000
0,02247 0,02527 0,02893 0,03118 6000
Vị trí 100% tải
0,034349 0,037542 0,044821 0,047394 1000
0,035136 0,03779 0,045927 0,048235 2000
0,037328 0,040682 0,05027 0,051547 3000
0,038468 0,04079 0,050323 0,053102 4000
0,039285 0,042958 0,051657 0,05429 5000
0,040354 0,043098 0,052753 0,055218 6000
Để nạp vào ECU điều khiển động cơ thì lượng nhiên liệu phun được tính toán sang dạng thời gian phun nhiên liệu trong 1 chu trình tính theo mili giây (ms) trong phần mềm Matlab Simulink. Kết quả lượng phun nhiên liệu đối với các loại xăng sinh học E30, E50, E85 và E100 trong phần mềm Matlab được thể hiện ở dạng đường đồng mức từ Hình 4.4 đến 4.7. Có thể thấy, lượng nhiên liệu phun thay đổi nhanh ở vùng tốc độ thấp và lưu lượng khí nạp nhỏ (bướm ga mở nhỏ) và thay đổi từ từ ở vùng tốc độ lớn và lưu lượng khí nạp lớn (bướm ga mở lớn).
99
Hình 4.4. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E30 Hình 4.5. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E50
Hình 4.6. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E85 Hình 4.7. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E100
* Kết quả hiệu chuẩn góc đánh lửa sớm
Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh theo bước nhảy 1GQTK lên phía trước và phía sau góc đánh lửa được tính toán thông qua mô phỏng. Góc đánh lửa sớm phù hợp là góc được xác định tại vị trí đạt công suất lớn nhất (hay mô men lớn nhất-MBT). Kết quả bộ thông số chuẩn bao gồm lượng phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm được hiệu chuẩn bằng thực nghiệm của các loại xăng sinh học E30, E50, E85 và E100 được cho trong Bảng 4.4.
Bảng 4.4. Bộ thông số động cơ điều chỉnh lượng phun nhiên liệu để = 1 và Memax
được hiệu chuẩn bằng thực nghiệm
E30 E50 E85 E100
Tốc độ (v/ph) gct s gct s gct s gct s
20% tải
44 0,00667 32 0,00729 0,00878 45 0,0275 39 1000
48 0,00668 38 0,00732 0,0087 51 0,02723 45 2000
56 0,00696 43 0,00762 0,00912 55 0,02869 50 3000
100
0,00715 47 0,00783 60 0,00928 56 0,02972 54 4000
0,00735 51 0,00805 61 0,00952 60 0,03085 55 5000
0,00759 53 0,00831 63 0,00983 62 0,03118 57 6000
60% tải
0,01971 20 0,02205 22 0,02536 25 26 0,02747 1000
0,01969 25 0,02236 33 0,02547 33 34 0,02720 2000
0,02054 32 0,0232 34 0,02654 40 41 0,02866 3000
0,02106 34 0,02377 39 0,02729 45 46 0,02969 4000
0,02174 37 0,02448 45 0,02801 51 52 0,03082 5000
0,02247 41 0,02527 49 0,02893 52 53 0,03115 6000
100% tải
0,034349 22 0,037542 23 0,044821 24 0,047394 25 1000
0,035136 27 0,03779 28 0,045927 29 0,048235 30 2000
0,037328 30 0,040682 31 0,05027 32 0,051547 33 3000
0,038468 33 0,04079 34 0,050323 35 0,053102 36 4000
0,039285 33 0,042958 34 0,051657 35 0,05429 36 5000
0,040354 35 0,043098 36 0,052753 37 0,055218 38 6000
Các kết quả sau khi được đo đạc cũng được nhập vào phần mềm Matlab để sử dụng cho quá trình tính toán điều khiển động cơ của ECU phụ. Hình 4.8 đến 4.11 là kết quả góc đánh lửa sớm theo tốc độ động cơ và lượng không khí nạp của các loại xăng sinh học E30, E50, E85 và E100 được thể hiện ở dạng đường đồng mức trong phần mềm Matlab.
Hình 4.8. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E30 Hình 4.9. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E50
101
Hình 4.10. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E85 Hình 4.11. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E100
Các kết quả cũng cho thấy ảnh hưởng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tới góc đánh lửa sớm của động cơ khi góc đánh lửa sớm của động cơ tăng lên tương ứng với việc tăng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học. Ngoài ra, góc đánh lửa sớm tại các chế độ tải nhỏ cần phải điều chỉnh nhiều hơn tại các chế độ tải trọng lớn.
Bộ thông số điều chỉnh chuẩn (engine map) với lượng phun nhiên liệu gct và góc đánh lửa sớm s sau khi được tính toán bằng mô phỏng và thực nghiệm sẽ được lập trình điều khiển trên phần mềm Matlab và phần mềm lập trình C để nhập vào ECU phụ của động cơ. Bộ thông số này có thể được coi là phần mềm của bộ điều khiển ECU phụ. Đồng thời với việc hiệu chuẩn và xây dựng bộ thông số, đã tiến hành thiết kế, chế tạo ECU phụ để có thể chuyển bộ thông số điều chỉnh chuẩn này thành các tín hiệu điều khiển quá trình làm việc của động cơ.
4.3.1. Thiết kế chế tạo bộ điều khiển ECU phụ cho động cơ Toyota 1NZ-FE
4.3.1.1. Chế tạo mạch điều khiển của ECU phụ
Trên cơ sở lý thuyết chuyển đổi hệ thống phun xăng điện tử thông thường sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn như đã trình bày ở Chương 2, thực hiện thiết kế chế tạo ECU phụ. Mạch điều khiển của ECU phụ phải đảm bảo khả năng chống nhiễu tốt, khoảng cách các chân và vùng hàn thiếc không quá gần nhau. Hình 4.12a là sơ đồ mạch in mặt dưới, hình 4.12b là sơ đồ mạch in mặt trên và Hình 4.12c là hình vẽ 3D khi mạch in đã lắp linh kiện.
a) Mạch in dưới b) Mạch in trên c) Mạnh in khi lắp
Hình 4.12. Sơ đồ và mô phỏng mạch khi đã lắp linh kiện
102
Thiết kế có thể cho thấy tất cả những vùng nào không lắp linh kiện đều được phủ mát, các linh kiện không quá sát nhau và phân chia đều trên bề mặt mạch đảm bảo khả năng tản nhiệt tốt cho các bóng công suất.
Mạch điều khiển được chế tạo qua các bước sau:
+ Chuẩn bị và làm vệ sinh miếng phíp đồng sử dụng để chế tạo mạch in
+ Ép màng phim cảm quang vào miếng phíp đồng
+ In mạch lên phim và cắt, dán lên phíp đồng đã dán phim cảm quang và tiến hành
chụp phim sử dụng đèn chiếu tia UV trong khoảng thời gian là 20 phút
+ Rửa mạch trong dung dịch Na2CO3 1%
+ Thực hiện quá trình ăn mòn mạch trong dung dịch
+ Tráng thiếc mạch in
+ Khoan mạch bằng máy phay khoan
+ Phủ xanh bảo vệ mạch in
+ Hàn linh kiện và kiểm tra mạch điều khiển.
Mạch điều khiển sau chế tạo và hoàn thiện được thể hiện ở hình 4.13.
Hình 4.13. Mạch điều khiển của ECU phụ ô tô sau khi hoàn thiện
4.3.1.2. Phương pháp tính toán các thông số điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp và góc đánh lửa sớm theo tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học
Quá trình lập trình cho bộ điều khiển ECU phụ cho động cơ ô tô cũng bao gồm lập trình xác định tín hiệu đánh lửa, độ rộng xung phun, tỷ lệ cồn ethanol, điều khiển thời điểm đánh lửa, điều khiển phun có xét đến số lượng 4 xy lanh và thứ tự công tác của động cơ ô tô Toyota 1NZ-FE là 1-3-4-2.
a. Phương pháp tính toán lượng nhiên liệu cung cấp:
* Xác định xung phun
Tín hiệu xung phun được đưa vào chân ngắt INT1 của vi xử lý ATxmega 128A, chân ngắt này được thiết lập để nhận cả hai sườn lên và xuống của tín hiệu FI. Tại thời điểm bắt đầu và kết thúc của xung phun, chương trình con phục vụ ngắt INT1 được gọi ra, đầu tiên chương trình con INT1 cần phân biệt được đây là ngắt của sườn lên hoặc sườn xuống và nhảy vào phần chương trình phục vụ sườn lên hoặc sườn xuống.
103
Trong trường hợp sườn lên, đầu tiên bộ đếm timer2 được khởi động, bộ đếm timer2 được kích hoạt với tần số xung đếm là 1MHz, đây là bộ đếm 8bit, có giá trị tràn là 28=256 giá trị, sau khoảng thời gian 256s bộ đếm cần được kích hoạt lại để đếm tiếp thông qua ngắt timer2, đồng thời một biến toàn cục cho độ rộng xung phun được kích hoạt bằng cách +1 sau mỗi lần xảy ra ngắt timer2. Biến toàn cục này sẽ được sử dụng để xác định độ rộng xung phun. Sau khi khởi động bộ đếm, biến toàn cục cũng được xóa về 0 tại thời điểm này.
Trong trường hợp sườn xuống, giá trị bộ đếm timer2 được ghi lại và dừng bộ đếm, thời gian đo từ bộ đếm timer2 kết hợp giá trị biến toàn cục sẽ xác định được độ rộng xung phun.
Quá trình hoạt động của INT1 và timer2 được thể hiện trong Hình 4.14, trong đó Hình 4.14a thể hiện 2 thời điểm sườn lên và xuống của tín hiệu xung phun, 4.14b cho thấy thời điểm ngắt INT1 làm việc, Hình 4.14c cho thấy bộ đếm timer2 làm việc và thời điểm dừng bộ đếm.
Hình 4.14. Hoạt động của ngắt 1 và bộ đếm timer2
* Điều khiển quá trình phun nhiên liệu khi sử dụng xăng sinh học
Khi tỷ lệ cồn ethanol tăng lên thì lượng nhiên liệu phun luôn luôn có xu hướng tăng lên do tỷ lệ không khí/nhiên liệu của cồn thấp hơn so với xăng khoáng, do đó FI là số luôn dương. Từ hình 4.15 cho thấy tại thời điểm xuất hiện xung FI của ECU chính thì cũng là lúc FI’ của ECU phụ bắt đầu sườn lên của xung, tại thời điểm kết thúc của tín hiệu FI, thì FI’ vẫn giữ tiếp một đoạn FI nữa. Do đó để điều khiển lượng phun thêm thì bộ đếm timer1b được sử dụng, tuy nhiên bộ đếm này bắt đầu đếm tại thời điểm kết thúc xung FI và thời gian đếm bằng độ rộng xung FI, kết thúc quá trình đếm cũng là thời điểm kết thúc xung phun FI’.
Hình 4.15. Điều khiển thời gian phun
104
b. Phương pháp tính toán góc đánh lửa sớm
* Xác định tín hiệu đánh lửa
Tín hiệu đánh lửa được đưa vào chân ngắt INT0 của vi xử lý ATxmega 128A, chân ngắt này được thiết lập để nhận cả hai sườn lên và xuống của tín hiệu IGT. Tại thời điểm bắt đầu và kết thúc của xung đánh lửa, chương trình con phục vụ ngắt INT0 được gọi ra, đầu tiên chương trình con INT0 cần phân biệt được đây là ngắt của sườn lên hoặc sườn xuống và nhảy vào phần chương trình phục vụ sườn lên hoặc sườn xuống.
Trong trường hợp sườn lên, đầu tiên giá trị bộ đếm timer0 được ghi lại và sau đó khởi động lại. Bộ đếm timer0 được kích hoạt với tần số xung đếm là 1MHz, đây là bộ đếm 8bít, có giá trị tràn là 28 = 256 giá trị nên sau khoảng thời gian 256s bộ đếm cần được kích hoạt lại để đếm tiếp thông qua ngắt timer0. Đồng thời một biến toàn cục cho thời điểm đánh lửa được kích hoạt bằng cách +1 sau mỗi lần xảy ra ngắt timer0, biến toàn cục này sẽ được sử dụng để xác định thời gian của xung đánh lửa và tốc độ động cơ. Sau khi khởi động bộ đếm, tốc độ động cơ được xác định và biến toàn cục cũng được xóa về 0 tại thời điểm này.
Trong trường hợp sườn xuống, giá trị bộ đếm timer0 được ghi lại, kết hợp giá trị biến
toàn cục thời điểm này sẽ xác định được độ rộng xung thời điểm đánh lửa.
Toàn bộ quá trình hoạt động của INT0 và timer0 được mô tả trong Hình 4.16, trong đó Hình 4.16a mô tả 2 thời điểm sườn lên và xuống của tín hiệu đánh lửa, Hình 4.16b cho thấy thời điểm ngắt INT0 làm việc, Hình 4.16c cho thấy bộ đếm timer1 làm việc và thời điểm khởi động lại bộ đếm.
Hình 4.16. Hoạt động của ngắt INT0 và bộ đếm timer0
d. Lập trình điều khiển thời điểm đánh lửa
Thông tin độ lệch thời điểm đánh lửa IGT được xác định từ chương trình tính toán thời điểm theo tỷ lệ ethanol, do phải lấy thời điểm đánh lửa (IGT) làm chuẩn nên ở trường hợp +IGT tức là thời điểm IGT’ sớm hơn IGT thì quá trình điều khiển sẽ bị trễ 1 chu kỳ, ở trường hợp -IGT thì thời điểm IGT’ sẽ được sẽ trễ hơn 1 góc bằng đúng -IGT như thể hiện ở Hình 4.16. Hình 4.16a là tín hiệu gốc từ ECU chính gửi tới, Hình 4.16b là trường hợp +IGT và Hình 4.16c là -IGT.
105
Hình 4.17. Nguyên lý điều khiển thời điểm đánh lửa của ECU phụ
Từ nguyên lý điều khiển trên cho thấy, ở trường hợp -IGT, bộ đếm timer1a được kích hoạt từ thời điểm bắt đầu của xung IGT và đếm với thời gian = (-IGT) nhân với thời gian của một độ, kết thúc thời gian này sườn lên của xung IGT’ sẽ được gửi ra bô bin bắt đầu thời gian ngấm điện của cuộn dây. Sau đó bộ đếm timer1a tiếp tục được kích hoạt và đếm với thời gian ngấm điện của cuộn dây bô bin, kết thúc thời gian này xung IGT’ được đặt =0 chính là lúc xuất hiện tia lửa ở bugi. Ở trường hợp +IGT, bộ đếm timer1a được kích hoạt tại thời điểm cuối của xung IGT, thời gian đếm sẽ bằng thời gian của 720 góc quay trục khuỷu trừ đi thời gian của +IGT và trừ đi thời gian ngấm điện, cuối cùng lặp lại quá trình trên.
c. Phương pháp tính toán tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học
Tín hiệu tỷ lệ ethanol là tín hiệu xung vuông có tần số thay đổi từ 50 đến 150 Hz tương ứng với E0 đến E100, tín hiệu này tương tự như tín hiệu xung phun và được đưa vào 1 chân ngắt INT2 của vi xử lý, sau mỗi sườn xung lên của tín hiệu cảm biến ethanol sẽ xác định được thời gian của một xung tính theo micro giây. Giá trị thực của tỷ lệ ethanol được xác định theo công thức sau:
𝐸 = − 50 (%) 1.000.000 𝑡
Tín hiệu tỷ lệ cồn ethanol được đưa qua bộ lọc thông thấp IIR (Infinite Impulse
Response) theo công thức sau
y[k] = a.x[k] + (1-a).y[k-1]
Trong đó: a là tỷ số giữa thời gian lọc chia cho thời gian lấy mẫu, k là thời điểm lấy
mẫu thứ k.
Đầu ra y[k] là tín hiệu tỷ lệ ethanol sau khi đã loại bỏ các tín hiệu nhiễu ở tần số cao.
d. Tính toán các thông số điều chỉnh tại các chế độ làm việc khác
Khi động cơ làm việc ở các chế độ không phải các chế độ ổn định với tốc độ động cơ và tải trọng biến đổi thì các thông số điều chỉnh bao gồm lượng phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm tối ưu sẽ được tính toán thông qua các hàm nội suy. Thông thường có 2 biện pháp nội suy là nội suy phi tuyến và nội suy tuyến tính, việc nội suy phi tuyến sẽ cho kết quả chính
106
xác hơn nội suy tuyến tính tuy nhiên chiếm nhiều thời gian tính toán của bộ điều khiển nên thường không được sử dụng trong điều khiển động cơ, hiện nay các hàm nội suy sử dụng trong điều khiển động cơ là hàm nội suy tuyến tính. Hàm nội suy tuyến tính sử dụng trong ECU phụ của động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn có hai dạng là hai chiều và ba chiều, [3, 14]. Đối với hệ số điều chỉnh lượng nhiên liệu phun sử dụng nội suy tuyến tính hai chiều với hai thông số đầu vào là thời gian phun (chế độ tải) và tỷ lệ cồn ethanol. Đối với hệ số điều chỉnh góc đánh lửa sớm sử dụng nội suy tuyến tính ba chiều với ba thông số đầu vào là thời gian phun, tốc độ động cơ và tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu.
Phép nội suy hai chiều: Trong không gian hai chiều như Hình 4.18a, ta có một hàm với hai biến p(x,y) và bốn nút mạng 𝑝00(𝑥0, 𝑦0), 𝑝01(𝑥0, 𝑦1), 𝑝10(𝑥1, 𝑦0) và 𝑝11(𝑥1, 𝑦1). Để đạt được giá trị cho điểm p, giữ 𝑦0 không đổi và sử dụng phép nội suy tuyến tính tại các nút 𝑝00 và𝑝10 để có được 𝑝0.
𝑥−𝑥𝑜 (𝑥1−𝑥𝑜)
] (4.1) 𝑝0 = 𝑝00 + (𝑝10 − 𝑝00) [
Tương tự, tính 𝑝1bằng cách giữ 𝑦1 không đổi
𝑥−𝑥𝑜 (𝑥1−𝑥𝑜)
(4.2) ] 𝑝1 = 𝑝01 + (𝑝11 − 𝑝01) [
Sau khi có được 𝑝0𝑣à 𝑝1, ta lại sử dụng phép nội suy tuyến tính bằng cách giữ x không đổi.
𝑦−𝑦0 𝑦1−𝑦0
(4.3) ] 𝑝(𝑥, 𝑦) = 𝑝0 + (𝑝1 − 𝑝0) [
Thế phương trình (4.1) và (4.2) vào phương trình (4.3), ta có:
𝑦−𝑦0 𝑦1−𝑦0
𝑥−𝑥𝑜 (𝑥1−𝑥𝑜)
] + (𝑝01 − 𝑝00) [ ] + (𝑝11 − 𝑝01 − 𝑝10 +
𝑦−𝑦0 𝑦1−𝑦0
(4.4) ] [ ] 𝑝00) [ 𝑝(𝑥, 𝑦) = 𝑝00 + (𝑝10 − 𝑝00) [ 𝑥−𝑥𝑜 (𝑥1−𝑥𝑜)
a) Nội suy hai chiều b) Nội suy ba chiều
Hình 4.18. Phép nội suy tuyến tính để tính toán các thông số làm việc của động cơ tại các chế độ làm việc khác
Phép nội suy ba chiều: Phương trình ba chiều xuất phát từ việc lấy phép nội suy tuyến tính bảy lần mô tả ở Hình 4.18b. Cứ mỗi 3 lần thì xác định các điểm p1 và p0 được minh hoạ trong phép nội suy hai chiều, sau đó thêm 1 lần để tính toán điểm p. Công thức tổng quát cho phép nội suy ba chiều được cho ở công thức (4.5).
107
𝑝(𝑥, 𝑦, 𝑧) = 𝑐0 + 𝑐1𝛥𝑥 + 𝑐2𝛥𝑦 + 𝑐3𝛥 + 𝑐4𝛥𝑥𝛥𝑦 + 𝑐5𝛥𝑦𝛥𝑧 + 𝑐6𝛥𝑧𝛥𝑥 + 𝑐7𝛥𝑥𝛥𝑦𝛥𝑧 (4.5)
Trong đó, 𝛥𝑥, 𝛥𝑦 𝑣à 𝛥𝑧 là lần lượt là khoảng cách tương đối của các điểm từ điểm đầu
𝑥−𝑥0 𝑥1−𝑥0
𝑧−𝑧0 𝑧1−𝑧0
(4.6) ; 𝛥𝑦 = ; 𝛥𝑧 = Δ𝑥 = 𝑝000 theo trục x, y và z, trình bày trong công thức (4.6). 𝑦−𝑦0 𝑦1−𝑦0
Hệ số 𝑐𝑗 được xác định từ các giá trị của các đỉnh:
𝑐0 = 𝑝000; 𝑐1 = (𝑝100 − 𝑝000); 𝑐2 = (𝑝010 − 𝑝000);
𝑐3 = (𝑝001 − 𝑝000); 𝑐4 = (𝑝110 − 𝑝010 − 𝑝100 − 𝑝000);
𝑐5 = (𝑝011 − 𝑝001 − 𝑝010 + 𝑝000); 𝑐6 = (𝑝101 − 𝑝001 − 𝑝100 + 𝑝000);
𝑐7 = (𝑝111 − 𝑝011 − 𝑝101 − 𝑝110 + 𝑝100 + 𝑝001 + 𝑝010 − 𝑝000). (4.7)
Phương trình (4.5) có thể được viết lại ở dạng ma trận véctơ như sau:
𝑇𝑪
(4.8)
(4.9) 𝑝 = 𝑪𝑇𝑄1 hoặc 𝑝 = 𝑄1 Trong đó C là véctơ hệ số, C = [𝑐0𝑐1𝑐2𝑐3𝑐4𝑐5𝑐6𝑐7]𝑇
(4.10) 𝑄1là véctơ khoảng cách liên quan đếnx, y và z. 𝑄1 = [1 𝛥𝑥𝛥𝑦𝛥𝑧𝛥𝑥𝛥𝑦𝛥𝑦𝛥𝑧𝛥𝑧𝛥𝑥𝛥𝑥𝛥𝑦𝛥𝑧]𝑇
Kích thước của các véctơ Q1 và C là phải như nhau. Hệ số C có thể đưa vào dạng ma
trận véctơ trình bày ở công thức (4.5) bằng việc khai triển công thức (4.7).
= = (4.11)
0 0 1 0 0 0 0 0 0 −1 1 0 0 −1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 [ [ [ 𝑐0 𝑐1 𝑐2 𝑐3 𝑐4 𝑐5 𝑐6 𝑐7] 𝑝000 𝑝001 𝑝010 𝑝011 𝑝100 𝑝101 𝑝110 𝑝111] 0 0 1 0 0 −1 1 0 −1 1 0 −1 0 −1 1 1 −1 −1 0 1 −1 1 −1 1 −1 0 0 0 0 0 0 0 1 −1 −1 1]
(4.12) Hoặc 𝐶 = 𝐵1𝑃
Trong đó véctơ P là tập các điểm,
(4.13) 𝑃 = [𝑝000𝑝001𝑝010 𝑝011𝑝100𝑝101𝑝110𝑝111]𝑇
Ma trận 𝐵1 ở phương trình (4.12) là một ma trận hàng số nhị phân, có kích thước 8 x 8.
Thế phương trình (4.6) vào phương trình (4.8), ta có công thức ma trận véctơ để tính
giá trị của điểm p.
𝑇𝑄1,
(4.14)
(4.15) 𝑝 = 𝐶𝑇𝑄1 = 𝑃𝑇𝐵1 𝑇𝐵1𝑃 𝑇𝐶 = 𝑄1 𝑝 = 𝑄1
Phương trình (4.14) và (4.15) hoàn toàn tương tự phương trình (4.5), chỉ khác nhau về
biểu diễn.
108
4.3.2. Nghiên cứu nạp bộ thông số chuẩn lên ECU phụ
4.3.2.1. Nghiên cứu nạp bộ thông số chuẩn lên ECU phụ
Bộ nhớ chương trình của AVR là bộ nhớ Flash cho phép người lập trình có thể đọc và viết từ phần mềm ứng dụng chạy trong thiết bị. Bộ nhớ Flash bao gồm hai phần chính là phần boot loader (boot loader program section) và phần ứng dụng (application program section).
Phần boot (Boot section) chứa chương trình boot loader là một phần mềm nhỏ nạp trong vi điều khiển và được chạy lúc khởi động. Phần mềm này có thể tải vào trong vi điều khiển chương trình của người sử dụng và sau đó thực thi chương trình này. Mỗi khi reset vi điều khiển, CPU sẽ nhảy tới thực thi chương trình boot loader trước, chương trình boot loader sẽ dò xem có chương trình nào cần nạp vào vi điều khiển hay không. Nếu có chương trình cần nạp, boot loader sẽ nạp vào trong vùng nhớ ứng dụng rồi thực thi chương trình này. Ngược lại, boot loader sẽ nhảy tới chương trình có sẵn trong vùng nhớ ứng dụng để thực thi chương trình này.
Phần ứng dụng bảng (Application table section) là một phần của phần ứng dụng trong bộ nhớ chương trình Flash được dùng để chứa dữ liệu, có kích thước giống với phần boot loader. Mức độ bảo vệ của phần ứng dụng bảng có thể lựa chọn bởi boot locks bit. Nếu không dùng để lưu dữ liệu thì phần này sẽ được lưu trữ chương trình.
Phần ứng dụng (Application section) là một phần của bộ nhớ chương trình chỉ dùng
để lưu trữ những mã lệnh.
4.3.2.2. Phần cứng nạp chương trình
Phần cứng gồm có một bo mạch nạp MKII-ISP và bộ nạp của vi xử lý ATxmega128A
mô tả ở Hình 4.19.
.
Hình 4.19. Hình ảnh chip và bo mạch nạp ATxmega128A
Đây là mạch nạp giao tiếp USB dùng chip chuyên dụng (ATmel 90USB162), tốc độ nạp nhanh, mạch nạp nhỏ gọn, hỗ trợ nạp hầu hết các dòng chip của Atmel như Tiny, Xmega, Mega...
4.3.2.3. Phần mềm nạp chương trình
Phần mềm được sử dụng là phần mềm CodeVision có giao diện thân thiện với người
sử dụng, dễ dàng lập trình và nạp chương trình, thể hiện ở Hình 4.20.
109
Hình 4.20. Giao diện phần mềm Codevision
Bộ chuyển đổi (ECU phụ) sau khi được nạp bộ thông số chuẩn sẽ được sử dụng để hỗ trợ quá trình điều khiển của động cơ khi chuyển đổi sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn.
4.4.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm
4.4.1.1. Mục tiêu
Thử nghiệm này được thực hiện nhằm đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ xăng khi được lắp thêm ECU phụ. Các giá trị được đo đạc bao gồm: công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ.
4.4.1.2. Phương pháp và chế độ thử nghiệm
* Phương pháp thử nghiệm
Thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng các loại xăng sinh học khác nhau bao gồm: E30, E50, E85, E100 đến tính năng và phát thải của động cơ khi được lắp thêm ECU phụ được thực hiện trên cơ sở đối chứng. Trong đó, nhiên liệu đối chứng là xăng thông thường RON92 có sẵn trên thị trường.
* Chế độ thử nghiệm
Chế độ thử nghiệm: thử nghiệm theo đường đặc tính ngoài 100% ga, tốc độ thay đổi
từ 1000 v/ph đến 6000 v/ph.
4.4.2. Kết quả thử nghiệm trên băng thử động cơ
Kết quả thử nghiệm công suất của động cơ Toyota 1NZ-FE với các loại nhiên liệu thử nghiệm cho thấy trung bình trên toàn dải tốc độ, so với RON92 công suất động cơ tăng 6,30%, 9,05%, 12,96% và 16,61 % tương ứng khi sử dụng xăng E30, E50, E85 và E100. Điều này cho thấy hiệu quả của việc sử dụng xăng sinh học khi tăng được công suất của động cơ (Bảng 4.5 và Hình 4.21).
110
Bảng 4.5. Công suất động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga
Công suất (kW) TT Tốc độ (v/ph) RON92 E30 E50 E85 E100
1000 11,01 11,8 12,15 13,0 13,2 1
2000 24,30 25,9 26,03 26,2 28,4 2
3000 40,03 41,4 43,86 45,6 46,1 3
4000 54,97 58,8 59,57 60,9 62,9 4
5000 65,80 70,4 72,01 74,2 76,8 5
6000 72,70 77,7 79,57 83,5 85,1 6
Hình 4.21. Công suất và sự thay đổi công suất động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga
Kết quả thử nghiệm suất tiêu hao nhiên liệu động cơ Toyota 1NZ-FE với các loại nhiên liệu thử nghiệm cho thấy trung bình trên toàn dải tốc độ, so với RON92 suất tiêu hao nhiên liệu tăng 6,92%, 13,55%, 22,76% và 31,17% tương ứng khi sử dụng xăng E30, E50, E85 và E100 (Bảng 4.6 và Hình 4.22).
Bảng 4.6. Suất tiêu hao nhiên liệu khi lắp ECU phụ ở 100% ga
Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh) TT Tốc độ (v/ph) RON92 E30 E50 E85 E100
1000 335,09 364,14 390,03 425,73 457,65 1
2000 308,42 333,65 357,39 384,17 416,35 2
3000 302,76 322,83 342,26 372,96 395,76 3
4000 300,95 317,74 332,88 356,97 390,99 4
5000 320,66 338,80 357,19 388,08 407,34 5
6000 355,20 379,38 404,76 433,71 453,90 6
111
Hình 4.22. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga
Từ thông số nhiệt trị của nhiên liệu tại bảng 4.1 và kết quả thử nghiệm suất tiêu hao nhiên liệu động cơ Toyota 1NZ-FE, luận án đã xác định được hiệu suất có ích của động cơ (e) khi sử dụng xăng RON92 và các loại xăng sinh học E30, E50, E85, E100 và sự thay đổi hiệu suất có ích của động cơ (e) được thể hiện trong bảng 4.7 và hình 4.23.
Bảng 4.7. Hiệu suất có ích của động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga
Hiệu suất có ích của động cơ TT Tốc độ (v/ph) RON92 E30 E50 E85 E100
1 1000 0,2475 0,2653 0,2682 0,2895 0,2948
2 2000 0,2689 0,2896 0,2927 0,3208 0,3241
3 3000 0,2739 0,2993 0,3056 0,3305 0,3409
4 4000 0,2756 0,3041 0,3142 0,3453 0,3451
5 5000 0,2586 0,2852 0,2928 0,3176 0,3313
6 6000 0,2335 0,2547 0,2584 0,2842 0,2973
Hình 4.23. Hiệu suất có ích của động cơ và sự thay đổi hiệu suất có ích của động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga
Kết quả tính toán cho thấy hiệu suất có ích của động cơ Toyota 1NZ-FE với các loại nhiên liệu xăng RON92 và xăng sinh học E30, E50, E85 và E100 cho thấy trung bình trên toàn dải tốc độ, so với RON92 hiệu suất có ích của động cơ tăng 2,34%, 2,90%, 5,50% và
112
6,26% tương ứng khi sử dụng xăng E30, E50, E85 và E100 (Bảng 4.6 và Hình 4.22). Hiệu suất nhiệt của động cơ được tăng lên là do hệ số nạp của động cơ đã được tăng lên (lượng nhiên liệu cung cấp được tăng lên) cao hơn so với mức sụt giảm của nhiệt trị của nhiên liệu khi tăng tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học.
Các kết quả thử nghiệm này đã cho thấy công suất của động cơ Toyota 1NZ-FE khi sử dụng ECU phụ đã tăng lên so khi sử dụng xăng sinh học so với khi sử dụng xăng thông thường do ECU phụ đã điều chỉnh tăng lượng nhiên liệu cung cấp cũng như hiệu suất nhiệt của động cơ được tăng lên.
Bảng 4.8 đến 4.10 và Hình 4.24 đến 4.26 thể hiện hàm lượng và sự thay đổi hàm lượng các thành phần khí thải của động cơ ô tô khi sử dụng các nhiên liệu thử nghiệm ở chế độ 100% tải. Kết quả thử nghiệm thể hiện xu hướng chung HC và CO giảm, NOx tăng khi sử dụng xăng sinh học.Trung bình trên toàn dải tốc độ, so với RON92 sự thay đổi các thành phần phát thải khi sử dụng E30, E50, E85 và E100 lần lượt như sau: Thành phần CO giảm 6,64%, 11,03%, 15,68% và 18,13%; Thành phần HC giảm 4,05%, 8,23%, 23,87% và 34,88%; Thành phần NOx tăng 9,77%, 16,41%, 9,86% và 6,90%.
Bảng 4.8. Sự thay đổi hàm lượng phát thải CO của động cơ lắp ECU phụ khi sử dụng
xăng sinh học E30, E50, E85, E100 so sánh với khi sử dụng RON92 ở 100% ga
Tốc độ (v/ph) RON92 (ppm) E30 (ppm) E50 (ppm) E85 (ppm) E100 (ppm) So sánh (%) So sánh (%) So sánh (%) So Sánh (%)
1000 7478 7022 -6,10 6890 -7,86 6377 -14,72 6305 -15,69
2000 6372 6102 -4,24 5826 -8,57 5535 -13,14 5276 -17,20
3000 7219 6842 -5,22 6361 -11,89 6123 -15,18 5879 -18,56
4000 8214 7657 -6,78 7217 -12,14 6787 -17,37 6540 -20,38
5000 8432 7755 -8,03 7339 -12,96 7035 -16,57 6818 -19,14
6000 8976 8124 -9,49 7828 -12,79 7443 -17,08 7376 -17,83
Hình 4.24. Hàm lượng và sự thay đổi phát thải CO của động cơ ô tô khi lắp ECU phụ ở 100% ga
113
Bảng 4.9. Sự thay đổi hàm lượng phát thải HC của động cơ lắp ECU phụ khi sử dụng
xăng sinh học E30, E50, E85, E100 so sánh với khi sử dụng RON92 ở 100% ga
Tốc độ (v/ph) RON92 (ppm) E30 (ppm) E50 (ppm) E85 (ppm) E100 (ppm) So sánh (%) So sánh (%) So sánh (%) So Sánh (%)
1000 4665 4561 -2,23 4410 -5,47 3588 -23,09 3292 -29,43
2000 3462 3342 -3,47 3292 -4,91 2722 -21,37 2553 -26,26
3000 2716 2581 -4,97 2501 -7,92 2087 -23,16 1823 -32,88
4000 1875 1790 -4,53 1680 -10,40 1423 -24,11 1130 -39,73
5000 1962 1893 -3,52 1741 -11,26 1447 -26,25 1142 -41,79
6000 2031 1918 -5,56 1840 -9,40 1518 -25,26 1235 -39,19
Hình 4.25. Hàm lượng và sự thay đổi phát thải HC của động cơ ô tô khi lắp ECU phụ ở 100% ga
Lượng phát thải CO và HC giảm là do khi tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học càng tăng thì phần trăm ô xy trong nhiên liệu tăng lên tương ứng nhờ đó khi lượng phát thải CO và HC được sinh ra đã phản ứng với ô xy tạo thành CO2 và nước (H2O).
Trong khi đó lượng phát thải NOx cũng tăng lên do nhiệt độ của quá trình cháy tăng, góc đánh lửa sớm của động cơ khi sử dụng xăng sinh học cũng tăng lên khiến thời điểm quá trình cháy bắt đầu sớm hơn, do đó làm tăng giá trị áp suất cháy cực đại và thời gian sản phẩm cháy tồn tại ở nhiệt độ cao cũng góp phần làm tăng lượng NOx. Khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học rất lớnkhiến cho nhiệt độ hỗn hợp khí cháy của xăng sinh học giảm thấp hơn xăng thông thường trong quá trình nén do cồn ethanol có nhiệt ẩn hóa hơi và áp suất bay hơi cao hơn so với xăng, khiến cho lượng phát thải NOx giảm. Chính hai quá trình tác động này khiến cho lượng phát thải NOx tăng cao nhất ở E50 sau đó giảm dần ở E85 và E100. Sự thay đổi của lượng phát thải NOx được thể hiện chi tiết trong Bảng 4.10 và Hình 4.26.
114
Bảng 4.10. Sự thay đổi hàm lượng phát thải NOx của động cơ lắp ECU phụ khi sử
dụng xăng sinh học E30, E50, E85, E100 so sánh với khi sử dụng RON92 ở 100% ga
RON92 (ppm) E30 (ppm) E50 (ppm) E85 (ppm) E100 (ppm) Tốc độ (v/ph) So sánh (%) So sánh (%) So sánh (%) So Sánh (%)
1000 2952 3115 5,52 3318 12,40 3198 8,33 3108 5,28
2000 4099 4382 6,90 4678 14,13 4392 7,15 4333 5,71
3000 5963 6550 9,84 6929 16,20 6537 9,63 6271 5,17
4000 5543 6160 11,13 6555 18,26 6156 11,06 5951 7,36
5000 5010 5621 12,20 5991 19,58 5530 10,38 5509 9,96
6000 4756 5374 12,99 5608 17,91 5356 12,62 5132 7,91
Hình 4.26. Hàm lượng và sự thay đổi phát thải NOx của động cơ ô tô khi lắp ECU phụ ở 100% ga
Đánh giá tổng thể khi thử nghiệm đối với động cơ sau khi lắp ECU phụ đã cho thấy hiệu quả cải thiện tính năng kỹ thuật và phát thải của ECU phụ khi sử dụng các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100%.
Có thể thấy sau khi lắp ECU phụ công suất động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol cao đều tăng lên so với khi sử dụng xăng thông thường, trong khi đó khi chưa lắp ECU phụ thì công suất động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol cao đều thấp hơn, thậm chí trong một số chế độ (chế độ toàn tải của động cơ) với một số loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol rất cao như E85 hay E100 động cơ trước khi lắp ECU phụ còn không hoạt động được. Kết quả này cho thấy hiệu quả khi lắp ECU phụ trên động cơ ô tô.
4.5.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm
4.5.1.1. Mục tiêu
Thử nghiệm này được thực hiện nhằm đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của xe ô tô với động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp trước và sau khi được
115
lắp đặt ECU phụ sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% trên băng thử ô tô. Mục đích thử nghiệm trên ô tô cũng để đánh giá tính khả thi và khả năng áp dụng thực tiễn của ECU phụ khi được sử dụng trên các phương tiện đang được lưu hành với các chu trình thử nghiệm như đối với các phương tiện hoán cải hoặc thiết kế, chế tạo mới.
4.5.1.2. Phương pháp và chế độ thử nghiệm
* Phương pháp thử nghiệm
Ô tô được thử nghiệm với hai trạng thái:
- Động cơ ô tô nguyên bản (chưa lắp ECU phụ) sử dụng với các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn gồm E30, E50, E85 và E100. Thông số đánh giá gồm công suất, tiêu hao nhiên liệu, các thành phần phát thải, khả năng khởi động, tăng tốc.
- Động cơ ô tô được lắp ECU phụ sử dụng với các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn gồm E30, E50, E85 và E100. Thông số đánh giá gồm công suất, tiêu hao nhiên liệu, các thành phần phát thải, khả năng khởi động, tăng tốc.
* Chế độ thử nghiệm
Chế độ thử nghiệm gồm:
- Chế độ ổn định: 100% ga, ở các vị trí tay số
Tay số 3, tốc độ từ 40km/h đến 70km/h, bước 10km/h
Tay số 4, tốc độ thay đổi từ 60km/h đến 90km/h, bước 10km/h
- Chế độ chuyển tiếp gồm chu trình thử tiêu chuẩn hiện hành Euro 2, chế độ khởi động,
tăng tốc. Chu trình thử được thể hiện như trong hình 4.27.
Hình 4.27. Chu trình thử theo tiêu chuẩn EURO 2
Để giảm thiểu sai lệch trong quá trình thử nghiệm thì toàn bộ quá trình tăng tốc (đạp côn và sang số) được thực hiện trên phương tiện thử nghiệm bởi một người lái cho tất cả quá trình thử. Trong quá trình thử nghiệm các loại nhiên liệu trên ô tô nguyên bản khi chưa lắp ECU phụ xe ô tô chỉ hoạt động ổn định với RON92, E30 và E50. Xe ô tô được khởi động ở điều kiện môi trường có nhiệt độ t 20C và được khởi động lạnh nên nhiệt độ động cơ (nhiệt độ nước làm mát, dầu bôi trơn) bằng nhiệt độ môi trường.
4.5.2. Kết quả thử nghiệm với ô tô nguyên bản khi chưa lắp ECU phụ
Kết quả thực nghiệm với xăng E85 và E100, xe ô tô không hoạt động được ở chế độ toàn tải và hoạt động không ổn định ở chế độ chạy theo chu trình thử tiêu chuẩn Euro 2, chế độ khởi động và tăng tốc, phù hợp với kết quả thử nghiệm với động cơ nguyên bản được
116
trình bày ở chương 3. Do vậy chỉ có các kết quả thực nghiệm với xăng RON92, E30 và E50. Bảng 4.11, Bảng 4.12 và Hình 4.28, 4.29 thể hiện công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi của các thông số này khi ô tô Toyota Vios hoạt động với xăng RON92, E30 và E50 ở chế độ toàn tải tại tay số 3 và tay số 4. Công suất động cơ ô tô (công suất ô tô) được xác định thông qua hệ thống con lăn và phanh điện của băng thử ô tô CD 48’ còn suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ô tô (suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô) được xác định bằng hệ thống đo nhiên liệu AVL 733S.
Bảng 4.11. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100%
ga, tay số 3
RON92 E30 E50
Tốc độ (km/h) Ne (kW) Ne (kW) Ne (kW) ge (g/kWh) ge (g/kWh) ge (g/kWh)
396,1 28,11 428,4 26,56 461,2 40 29,87
350,5 32,91 379,6 30,45 413,0 50 34,76
335,0 35,74 355,6 33,83 384,2 60 37,98
320,1 37,17 338,3 34,05 358,9 70 39,67
350,42 33,48 375,47 31,22 404,33 TB 35,57
Hình 4.28. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga, tay số 3
Bảng 4.12. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở
100%ga, tay số 4
RON92 E30 E50
Tốc độ (km/h) Ne (kW) Ne (kW) Ne (kW) ge (g/kWh) ge (g/kWh) ge (g/kWh)
380,80 32,91 60 400,75 29,11 440,92 31,07
351,99 36,63 70 372,55 31,95 401,97 34,84
329,93 40,47 80 346,20 35,93 370,71 38,75
312,59 42,20 90 333,60 38,28 346,45 40,81
343,83 38,05 TB 363,27 33,82 390,01 36,37
117
Hình 4.29. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga, tay số 4
Bảng 4.13 thể hiện hàm lượng các phát thải của động cơ khi ô tô Toyota Vios hoạt
động với xăng RON92, E30 và E50 ở chế độ toàn tải tại tay số 3 và tay số 4.
Bảng 4.13. Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx, CO2 của ô tô Toyota Vios nguyên bản
ở 100% ga, tay số 3 và tay số 4
RON92 (ppm) E30 (ppm) E50 (ppm)
(km/h)
26425 1151
183
163872
6739
392
248
149696
4436
259
605
145835
40
24624 1169
186
162723
6630
405
265
142298
2458
261
748
144216
50
21508 1036
117
161483
6024
301
176
138622
2226
159
624
142791
60
19498
997
107
159458
5028
255
149
138329
1459
137
417
139419
70
TB
23014 1088
148
161884
6105
338
210
142236
2645
204
599
143065
Tay số 3
35311 1769 241
144726 10164 614 341
130905
4904 369
951
129656
40
34685 1863 251
142557 9554
633 366
123477
4556 409
1074
123472
50
32993 1939 243
140582 8262
697 385
120123
3794 420
948
119944
60
32493 1747 238
138411 7950
585 327
119633
3313 303
939
118989
70
TB
33871 1829 243
141569 8983
632 355
123535
4142 375
978
123015
Tay số 4
Tổng hợp các kết quả sự thay đổi công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và các thành phần phát thải tính trung bình trên toàn dải tốc độ ở tay số 3 và tay số 4 khi sử dụng xăng E30 và E50 so với xăng RON92 được thể hiện trên Hình 4.30. Kết quả thử nghiệm cho thấy sử dụng xăng sinh học công suất giảm và suất tiêu hao nhiên liệu tăng, với xăng E30 công suất giảm khoảng 5%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng khoảng 6%, với xăng E50 các giá trị này là 12% và 14% so với xăng khoáng RON92. Hàm lượng phát thải CO và HC giảm đáng kể từ 65% đến 80% với E30 và E50, hàm lượng NOx tăng khoảng 10% với E30 nhưng tăng đáng kể tới 300% với E50, trong khi CO2 giảm khoảng 10% với cả hai loại nhiên liệu so với trường hợp sử dụng xăng RON92.
118
Tay số 3
Tay số 4
Hình 4.30. Sự thay đổi về phát thải CO, CO2, NOx, và HC của ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga, tay số 3 và 4
Hình 4.31 và Phụ lục 4.1 thể hiện sự thay đổi các thành phần khí thải và tiêu hao nhiên liệu của xe ô tô chạy theo chu trình thử tiêu chuẩn khi sử dụng xăng E30 và E50 so với trường hợp xăng khoáng RON92.
Hình 4.31. Thay đổi hàm lượng phát thải và tiêu hao nhiên liệu của ô tô theo chu trình thử Euro 2
Qua đồ thị chung ta thấy xu hướng thay đổi khi ô tô sử dụng xăng sinh học E30 và E50
nhìn chung khá tương đồng với kết quả thử nghiệm ở 100% ga.
Khả năng gia tốc của ô tô với các loại nhiên liệu được đánh giá bằng thời gian gia tốc xe từ 20km/h đến 100km/h thể hiện ở Bảng 4.14, thời gian gia tốc với xăng E30 và E50 dài hơn so với xăng khoáng RON92.
Bảng 4.14. Kết quả đo gia tốc của ô tô từ 20 km/h đến 100km/h
Thông số RON92 E30 E50
Thời gian gia tốc từ 20 đến 100 km/h (s) 19,5 22,2 23,7
Quá trình khởi động khi sử dụng E30 tương đương với xăng RON92 nhưng với xăng E50 thời gian khởi động khó khăn và lâu hơn. Điều này cũng chứng tỏ sự cần thiết phải lắp thêm ECU phụ trên ô tô để xe có thể sử dụng được xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn.
4.5.3. Kết quả thử nghiệm với ô tô lắp ECU phụ
Sau khi lắp đặt ECU phụ, xe ô tô có khả năng hoạt động ổn định với tất cả các nhiên liệu thử nghiệm bao gồm: RON92, E30, E50, E85 và E100. Bảng 4.15 và Hình 4.32, 4.33 thể hiện công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi của thông số này của ô tô có lắp ECU phụ ở vị trí 100% ga, tay số 3 và tay số 4.
119
Bảng 4.15. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô khi lắp ECU phụ ở 100%
ga, tay số 3 và tay số 4
RON92 E30 E50 E85 E100
Tốc độ (km/h) Ne (kW) ge (g/kWh) Ne (kW) ge (g/kWh) Ne (kW) ge (g/kWh) Ne (kW) ge (g/kWh) Ne (kW) ge (g/kWh)
29,87
396,1
31,84
414,8
32,06
451,0
33,25
513,7
34,43
525,9
40
34,76
350,5
37,91
366,3
38,15
393,4
39,64
448,2
41,31
455,1
50
37,98
335,0
40,41
345,0
41,03
371,9
42,24
420,7
43,52
444,4
60
39,67
320,1
43,07
333,3
44,12
349,5
45,14
392,5
48,98
438,6
70
TB
35,57
350,42
38,31
364,85
38,84
391,45
40,07
443,80
42,06
466,00
Tay số 3
32,91
380,8
36,05
398,8
37,05
417,2
38,09
483,7
40,31
508,9
40
36,63
352,0
40,13
366,3
40,13
380,9
42,15
441,6
43,51
473,6
50
40,47
329,9
43,47
342,6
43,47
362,1
44,84
406,9
47,37
454,8
60
42,20
312,6
45,63
322,5
45,93
328,3
46,83
380,4
49,84
386,3
70
TB
38,05
343,8
41,32
357,6
41,65
372,1
42,98
428,1
45,26
455,9
Tay số 4
Hình 4.32. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô khi lắp ECU phụ ở 100%ga, tay số 3
Hình 4.33. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô khi lắp ECU phụ ở 100%ga, tay số 4
120
Bảng 4.16 thể hiện hàm lượng các phát thải của động cơ ô tô Toyota Vios khi lắp ECU phụ hoạt động với xăng RON92, E30, E50, E85 và
E100 ở vị trí 100% ga, tay số 3 và tay số 4.
Bảng 4.16. Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx và CO2 của ô tô Toyota Vios khi lắp ECU phụ hoạt động với xăng RON92, E30, E50, E85 và
E100 ở vị trí 100% ga, tay số 3 và tay số 4.
RON92 (ppm) E30 (ppm) E50 (ppm) E85 (ppm) E100 (ppm)
20655 1094
670
164678
20007 1060
760
160106
19023 1000
798
157023
18676
806
746
168847 13059
609
710
179143
50
26425 1151
778
163872
25013 1191
860
158227
24538 1065
867
156433
23572
908
899
167831 18291
707
846
177308
55
24624 1169
850
162723
23003 1115
993
150408
23515 1097
949
154696
22058
928
904
163115 17055
773
880
166353
60
21508 1036
669
161483
21091 1008
724
146522
20277
984
775
153167
19865
830
782
164950 14875
608
686
165202
65
19498
997
547
159458
18084
961
613
149213
18093
900
618
149550
17554
702
601
159795 12232
497
591
163729
70
TB
22542 1089
703
162443
21439 1067
790
152895
21089 1009
801
154174
20345
835
786
164908 15102
639
743
170347
Tay số 3
35311 1769
241
144726
241
1715
258
144063
34245 1604
275
142193
33890 1390
277
147705 26800 1022
255
153026
40
34685 1863
251
142557
251
1859
286
135417
33250 1693
284
135411
32708 1417
273
144468 24224 1127
264
148903
50
32993 1939
243
140582
243
1906
275
131739
32683 1756
276
134543
29303 1471
273
143162 22708 1254
258
146290
60
32493 1747
238
138411
238
1719
273
131202
28541 1693
270
133495
28369 1445
266
139033 20099 1029
241
141695
70
TB
33871 1829
243
141569
32169
632
355
135605
32180
375
978
136411
31067
204
599
143592 23458
204
599
147479
Tay số 4
121
Tổng hợp các kết quả sự thay đổi công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và các thành phần phát thải tính trung bình trên toàn dải tốc độ ở tay số 3 và tay số 4 khi sử dụng xăng E30, E50, E85 và E100 có lắp ECU phụ so với xăng RON92 được thể hiện trên Hình 4.34.
Hình 4.34. Thay đổi thông số kỹ thuật và phát thải của ô tô Toyota Vios khi lắp ECU phụ khi sử dụng xăng sinh học so với xăng RON92 tại 100% ga
Kết quả thử nghiệm đã cho thấy với ECU phụ công suất động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu có xu hướng tăng khi sử dụng xăng sinh học, mức tăng công suất từ 7% đến 20%, mức tăng suất tiêu hao nhiên liệu từ 4% đến 33% tùy vào tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu. Thành phần phát thải CO và HC có xu hướng giảm, trong khi NOx tăng đến 15% khi tỷ lệ cồn ethanol tới 50% (E50), với tỷ lệ cồn lớn hơn 50% như E85 và E100 thì mức tăng NOx có xu hướng giảm xuống.
Hình 4.35 và Phụ lục 4.2 thể hiện sự thay đổi các thành phần khí thải và tiêu hao nhiên liệu của xe ô tô lắp bộ chuyển đổi chạy theo chu trình thử tiêu chuẩn khi sử dụng xăng E30 đến E100 so với xăng RON92. Kết quả thử khí thải theo chu trình tương đối phù hợp với kết quả thử nghiệm ở chế độ ổn định.
Hình 4.35. Thay đổi hàm lượng phát thải và tiêu hao nhiên liệu của ô tô Toyota Vios khi lắp ECU phụ thử theo chu trình thử tiêu chuẩn Euro 2 so với xăng RON92
Thời gian gia tốc từ 20km/h đến 100km/h của xe ô tô khi lắp bộ chuyển đổi thể hiện ở Bảng 4.17, thời gian gia tốc với xăng sinh học trường hợp này ngắn hơn so với xăng RON92 cho thấy rõ hiệu quả cải thiện tính năng của ô tô khi được lắp thêm ECU phụ.
Bảng 4.17. Kết quả đo gia tốc từ 20 km/h đến 100 km/h của ô tô khi lắp ECU phụ
Thông số RON92 E30 E50 E85 E100
Thời gian gia tốc từ 20-100 km/h (s) 19,5 17,5 17.7 18,1 17,3
122
Tương tự, quá trình khởi động của ô tô được lắp thêm ECU phụ khi sử dụng các loại xăng sinh học khá dễ dàng, hầu như không có sự khác biệt so với trường hợp sử dụng xăng RON92. Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy thời gian tăng tốc của ô tô khi được lắp ECU phụ với xăng sinh học E30 và E50 tăng tương ứng là 20,27% và 26,16%. Ngoài ra, khi lắp thêm ECU phụ động cơ và ô tô khởi động và hoạt động được với xăng sinh học E85 và E100.
Tổng hợp lại, thử nghiệm đổi với ô tô thử nghiệm trên băng thử ô tô CD 48’’ cho thấy công suất động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu có xu hướng tăng khi sử dụng xăng sinh học, mức tăng công suất từ 7% đến 20%, mức tăng suất tiêu hao nhiên liệu từ 3% đến 33% tùy vào tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu. Thành phần phát thải CO và HC có xu hướng giảm, trong khi NOx tăng đến 15% khi tỷ lệ cồn ethanol tới 50% (E50), với tỷ lệ cồn lớn hơn 50% (như E85 và E100) thì mức tăng NOx có xu hướng giảm xuống. Kết quả thử nghiệm ô tô theo chu trình thử tiêu chuẩn Euro 2 có xu hướng tương tự phù hợp với kết quả thử nghiệm ở chế độ ổn định của ô tô cũng như động cơ ô tô.
Các chế độ chuyển tiếp như gia tốc, khởi động đối với ô tô được lắp thêm ECU phụ đều tốt hơn so với trường hợp nguyên bản khi sử dụng xăng sinh học, nhất là xăng sinh học có tỷ lệ cồn lớn như E85, E100 trong các điều kiện thử nghiệm trong luận án.
Bộ thông số chuẩn sau khi xây dựng bằng mô phỏng đã được hiệu chuẩn bằng thực nghiệm. Lượng phun nhiên liệu thực nghiệm và lượng phun nhiên liệu được xây dựng bằng mô phỏng có độ sai lệch nhỏ, dưới 1%. Góc đánh lửa sớm xây dựng bằng thực nghiệm có độ sai lệnh so với góc đánh lửa sớm xây dựng bằng mô phỏng nhỏ (dưới 3ºGQTK).
Động cơ sau khi được lắp thêm ECU phụ thì công suất động cơ khi sử dụng xăng sinh học có công suất lớn hơn động cơ khi sử dụng xăng thông thường và tăng lên khi tỉ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tăng lên (cao nhất là với E100 16,61%). Lượng phát thải CO và HC giảm đáng kể khi động cơ chuyển đổi sang sử dụng xăng sinh học.
Bộ điều khiển ECU phụ sau khi được chế tạo hoàn thiện đã được thử nghiệm đánh giá hiệu quả sử dụng và chất lượng vận hành trên phương tiện ô tô. Đối với động cơ ô tô thử nghiệm được thực hiện trên băng thử động cơ, trung bình trên toàn dải tốc độ, so với RON92 công suất động cơ tăng 6,30%, 9,05%, 12,96% và 16,61%, do sự gia tăng của suất tiêu hao nhiên liệu tăng tương ứng 6,92%, 13,55%, 22,76% và 31,17% và hiệu suất có ích của động cơ của động cơ tăng tương ứng 2,34%, 2,90%, 5,50% và 6,26% khi sử dụng xăng E30, E50, E85 và E100. Đối với thành phần phát thải thì hàm lượng CO giảm 6,64%, 11,03%, 15,68% và 18,13%, HC giảm 4,05%, 8,23%, 23,87% và 34,88%, NOx tăng 9,77%, 16,41%, 9,86% và 6,90% tương ứng khi sử dụng xăng E30, E50, E85 và E100.
Đối với ô tô thử nghiệm trên băng thử CD 48’’, công suất động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu có xu hướng tăng khi sử dụng xăng sinh học, mức tăng công suất từ 7% đến 20%, mức tăng suất tiêu hao nhiên liệu từ 3% đến 33% tùy vào tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu. Thành phần phát thải CO và HC có xu hướng giảm, trong khi NOx tăng đến 15% khi tỷ lệ cồn ethanol tới 50% (E50), với tỷ lệ cồn lớn hơn 50% (như E85 và E100) thì mức tăng NOx có xu hướng giảm xuống. Kết quả thử nghiệm ô tô theo chu trình thử tiêu chuẩn Euro 2 có
123
xu hướng tương tự phù hợp với kết quả thử nghiệm ở chế độ ổn định của ô tô cũng như động cơ ô tô.
Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy thời gian tăng tốc của ô tô khi được lắp ECU phụ với xăng sinh học E30 và E50 tăng tương ứng là 20,27% và 26,16%. Ngoài ra, khi lắp thêm ECU phụ động cơ và ô tô khởi động và hoạt động được với xăng sinh học E85 và E100.
124
Luận án đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu và thực hiện giải pháp kỹ thuật chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% đảm bảo tính năng kỹ thuật của động cơ. Luận án đã đạt được các kết quả cụ thể như sau:
1. Mô hình động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn được xây dựng trên phần mềm AVL Boost và hiệu chỉnh bằng thực nghiệm đảm bảo độ chính xác cao phục vụ tốt công tác đào tạo và nghiên cứu.
2. Xây dựng được bộ thông số chuẩn về lượng nhiên liệu phun và góc đánh lửa sớm
phù hợp với chế độ làm việc của động cơ và tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu.
3. Đưa ra được giải pháp kỹ thuật khả thi với ECU phụ và cảm biến tỷ lệ cồn ethanol
để sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn trên phương tiện đang lưu hành.
4. Thiết kế, chế tạo được bộ điều khiển ECU phụ, thực hiện chuyển đổi thành công một động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100%.
Bộ điều khiển ECU phụ sau khi được chế tạo hoàn thiện đã được thử nghiệm đánh giá hiệu quả sử dụng và chất lượng vận hành trên phương tiện ô tô. Đối với động cơ ô tô thử nghiệm được thực hiện trên băng thử động cơ, trung bình trên toàn dải tốc độ, so với RON92 công suất động cơ tăng 6,30%, 9,05%, 12,96% và 16,61%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 6,92%, 13,55%, 22,76% và 31,17%, hàm lượng CO giảm 6,64%, 11,03%, 15,68% và 18,13%, HC giảm 4,05%, 8,23%, 23,87% và 34,88%, NOx tăng 9,77%, 16,41%, 9,86% và 6,90% tương ứng khi sử dụng xăng E30, E50, E85 và E100. Đối với ô tô thử nghiệm trên băng thử ô tô CD 48’’, công suất động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu có xu hướng tăng khi sử dụng xăng sinh học, mức tăng công suất từ 7% đến 20%, mức tăng suất tiêu hao nhiên liệu từ 3% đến 33% tùy vào tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu. Thành phần phát thải CO và HC có giảm, trong khi NOx tăng nhẹ đến 15% khi tỷ lệ cồn ethanol tới 50% (E50), với tỷ lệ cồn lớn hơn 50% (như E85 và E100) thì mức tăng NOx giảm xuống. Kết quả thử nghiệm ô tô theo chu trình thử tiêu chuẩn Euro 2 có xu hướng tương tự phù hợp với kết quả thử nghiệm ở chế độ ổn định của ô tô cũng như động cơ ô tô. Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy thời gian tăng tốc của ô tô khi được lắp ECU phụ với xăng sinh học E30 và E50 tăng tương ứng là 20,27% và 26,16%. Ngoài ra, khi lắp thêm ECU phụ động cơ và ô tô khởi động và hoạt động được với xăng sinh học E85 và E100.
5. Kết quả của luận án là cơ sở tham khảo tốt cho các nghiên cứu và ứng dụng phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt, góp phần thúc đẩy sử dụng nhiên liệu sinh học đáp ứng yêu cầu đảm bảo an ninh năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà Chính phủ đặt ra.
125
Trong thời gian tới, nghiên cứu có thể được phát triển theo một số hướng sau:
1. Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của việc nâng cao tỷ số nén đối với động cơ khi sử
dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn;
2. Nghiên cứu các phụ gia để nâng cao hiệu quả của xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol
lớn khi sử dụng trên động cơ xăng;
3. Nghiên cứu giảm phát thải NOx khi sử dụng xăng sinh học trên động cơ
4. Đánh giá khả năng tương thích vật liệu và độ bền động cơ khi sử dụng xăng sinh
học có tỷ lệ cồn ethanol lớn.
5. Nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi đặc tính nhiệt động, tính chất hóa học, tính chất vật lý của dòng khí thải khi sử dụng xăng sinh học đến hiệu quả chuyển đổi, tuổi thọ của bộ xử lý khí xả.
126
Tiếng Việt
[1]. Bộ Giao thông vận tải (2012), Báo cáo tổng hợp “Điều chỉnh Chiến lược phát triển
GTVT Việt Nam đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2030”.
[2]. Bộ Giao thông vận tải (2015), Báo cáo số 476/BC-CP báo cáo về Kết quả thực hiện nhiệm vụ bảo đảm trật tự, an toàn giao thông 9 tháng đầu năm 2015, phương hướng, nhiệm vụ năm 2016.
[3]. Bùi Minh Trí (2005), Xác suất thống kê và quy hoạch thực nghiệm. Nhà xuất bản Khoa
học và kỹ thuật.
[4]. Đinh Thị Ngọ, Nguyễn Khánh Diệu Hồng (2008), Nhiên liệu sạch và các quá trình xử
lý trong hóa dầu, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật.
[5]. Đỗ Văn Dũng (1997), Trang bị điện và điện tử ôtô hiện đại, Đại học sư phạm kỹ thuật
TPHCM.
[6]. Hồ Tấn Chuẩn, Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tất Tiến. “Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong”. Hà Nội: NXB Đại học trung học chuyên nghiệp, 1979.
[7]. Hồ Văn Đàm (2014), Luận án Tiến sỹ: “Nghiên cứu xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU hệ thống nhiên liệu động cơ diesel”, Viện Cơ khí Động Lực, Đại học Bách Khoa Hà Nội.
[8]. Hoàng Xuân Quốc (1996), Hệ thống phun xăng điện tử trên xe du lịch, Nhà xuất bản
Khoa học và kỹ thuật.
[9]. Kiều Đình Kiểm, Xăng pha cồn – Những hiểu biết tối thiểu với người tiêu dùng,
Vietnam Net 15.8.2006.
[10]. Lê Anh Tuấn (2012), Báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu khả năng tương thích của động cơ nổ thế hệ cũ sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn hơn 5%”, đề tài cấp nhà nước, mã số ĐT.06.11/NLSH, Trường ĐH Bách khoa Hà Nội.
[11]. Lê Danh Quang (2014), Luận án Tiến sỹ: “Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu sinh học E10 và D5 đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ”, Viện Cơ khí Động Lực, Đại học Bách Khoa Hà Nội.
[12]. Lê Đăng Đông (2010), Báo cáo tổng kết đề tài: “Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thực nghiệm kiểm tra chẩn đoán hệ thống điều khiển động cơ trên mô hình động cơ xăng Toyota 1NZ-FE, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên.
[13]. Lê Văn Tụy, Trần Văn Nam, Huỳnh Bá Vang (2010), Nghiên cứu thử nghiệm hao mòn động cơ chạy xăng pha cồn, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, số 4/2010.
127
[14]. Nguyễn Doãn Ý (2007), Quy hoạch thực nghiệm. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[15]. Nguyễn Đình Thưởng, Nguyễn Thanh Hằng (2005), Công nghệ sản xuất và kiểm tra
cồn Etylic, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[16]. Nguyễn Tất Tiến (2007), Nguyên lý động cơ đốt trong. NXB. Giáo dục,
[17]. Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng (2005), Lý thuyết điều khiển tự động. Đại
học Bách khoa - Đại học Quốc gia TPHCM.
[18]. Phạm Hữu Truyền (2014), Luận án Tiến sỹ: “Nghiên cứu nâng cao tỷ lệ nhiên liệu sinh học bio-etanol sử dụng trên động cơ xăng”, Viện Cơ khí Động Lực, Đại học Bách Khoa Hà Nội.
[19]. Phạm Hữu Tuyến (2017), Báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống phun nhiên liệu điện tử cung cấp xăng sinh học có tỷ lệ cồn etanol tới 100% (E100) cho động cơ ô tô và xe máy sử dụng nhiên liệu linh hoạt”, mã số ĐT.09.2014/NLSH, Trường ĐH Bách khoa Hà Nội.
[20]. Phạm Minh Tuấn (2010), Đề tài cấp Bộ Giáo dục 2009-2010: "Nghiên cứu hoàn thiện thiết kế và chế tạo hệ thống phun xăng điện tử thay thế cho hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí của động cơ xe máy.”, mã số B2009-01-288, Trường ĐH Bách khoa Hà Nội.
[21]. Phạm Minh Tuấn (2008), Lý thuyết động cơ đốt trong. NXB Khoa học kỹ thuật.
[22]. Phạm Minh Tuấn (2013), Khí thải động cơ và ô nhiễm môi trường, Nhà xuất bản Khoa
học và Kỹ thuật.
[23]. Phạm Minh Tuấn, Lê Anh Tuấn, Nguyễn Duy Tiến, Nguyễn Thế Trực (2010), Nghiên cứu hoàn thiện thiết kế và chế tạo hệ thống phun xăng điện tử thay thế cho hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí của động cơ xe máy. Đề tài cấp bộ mã số B2009-01- 288.
[24]. Phạm Xuân Minh, Hà Thị Kim Duyên, Phạm Xuân Khánh (2008), Lý thuyết điều
khiển tự động, Nhà xuất bản Giáo dục.
[25]. Thủ tướng Chính phủ (2007), Quyết định số 177/2007/QĐ-TTg ban hành ngày 20 tháng 11 năm 2007 phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”.
[26]. Thủ tướng Chính phủ (2012), Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg ban hành ngày 22 tháng 11 năm 2012 về việc ban hành lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống.
[27]. Toyota Service Training - Hệ thống điều khiển động cơ xăng- Công ty ô tô Toyota
Việt Nam.
[28]. Toyota Service Training - Tài liệu hướng dẫn sửa chữa xe Toyota Vios - Công ty ô tô
Toyota Việt Nam.
128
[29]. Trần Anh Trung (2004), Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống Digital Motor Electronics. Luận văn thạc sỹ ngành Động cơ đốt trong, khóa 2002 – 2004, Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tiếng Anh
[30]. A. Elfasakhany (2014), The Effects of Ethanol-Gasoline Blends on Performance and Exhaust Emission Characteristics of Spark Ignition Engines, International Journal of Automotive Engineering Vol. 4, Number 1, March 2014.
[31]. Achinta Sarkar, Ambarish Datta, Bijan Kumar Mandal (2013), Performance characteristics of spark ignition engine using ethanol as fuel at different operating conditions, International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering Volume 3, Special Issue3: ICERTSD 2013, Feb 2013, pages 96-100, An ISO 9001:2008 certified Int. Journal, ISSN 2250-2459.
[32]. Alok Dhaundiyal (2014), Influence of blending on the engine parameters and the Reynolds, Int. Journal of Applied Sciences and Engineering Research, Vol. 3, Issue 1.
[33]. B. Saenrens et al(2009), Minimization of the fuel consumption of gasoline engine
using dynamic optimization. Applied Energy 86, pp1582-1588.
[34]. B.M. Masum, H.H. Masjuki, M.A. Kalam, I.M. Rizwanul Fattah, S.M. Palash, M.J. Abedin (2013), Effect of ethanol–gasoline blend on NOx emission in SI engine, Renewable and Sustainable Energy Reviews 24 (2013) 209–222.
[35]. Benoit B. Mandelbrot (1982), The Fractal Goemety of Nature, Freeman.
[36]. Benjamin Strader (2004), How to Build and Tune Custom EFI Systems, CarTech,
Incorporated, ISBN-13:9781884089794.
[37]. Bob Glicksman (2011), Ethanol and Internal Combustion Engines.
[38]. Bruce Jones, Gary Mead, Paul Steevens, and Mike Timanus (2008), The Effects of E20 on Metals Used in Automotive Fuel System Components, Minnesota Center for Automotive, Research at Minnesota State University, Mankato.
[39]. C. Ananda Srinivasan and C.G. Saravanan (2010), Study of Combustion Characteristics of an SI Engine Fuelled with Ethanol and Ô xygenated Fuel Additives, Journal of Sustainable Energy & Environment 1 (2010) 85-91.
[40]. Chongming Wang (2014), Combustion and emissions of a direct injection gasoline engine using biofuels, A thesis submitted to The University of Birmingham for the degree of Doctor of Philosophy.
[41]. Cinzia Tornatore, Luca Marchitto, Alfredo Mazzei, Gerardo Valentino, Felice E. Corcione, Simona S. Merola (2011), Effect of butanol blend on in-cylinder combustion process. Part 1: spark ignition engine, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 18, No. 2 2011.
129
[42]. Craig D. Mawle (1989), The effects of tubulence and combustion chamber goemetryon combustion in a spark igniton engine, The University of British Columbia, September, 1989.
[43]. D. A. Santavicca (1990), Premixed Turbulent Flame Propagation, Combustion Science
and Technology.
[44]. Dale Turner, Hongming Xu, Roger F. Cracknell, Vinod Natarajan, Xiangdong Chen (2015), Combustion performance of bio-ethanol at various blend ratios in a gasoline direct injection engine, ScienceDirect, Fuel 90 (2011) 1999–2006.
[45]. David Hilbert (2011), A Study of the Effects of Running Gasoline with 15% Ethanol Concentration in Current Production Outboard Four-Stroke Engines and Conventional Two-Stroke Outboard Marine Engines, Subcontract Report NREL/SR-5400-52909.
[46]. Dr. Haroun A.K Shahad, Maher A.R. Sadiq Al-Baghdadi, Hashim R. Abdol-Hamid (2008), Ethanol as an octane enhancer for the commercial gasoline fuels, The Iraqi Journal For Mechanical And Material Engineering, Vol.8, No.2.
[47]. Enerdata 2016, Global Energy Statistical Yearbook 2016, The Project of The French
Development Agency (AFD) and The Government of Pakistan 's Energy.
[48]. Eugenio Giacomazzi, Claudio Bruno and Bernardo Favini (1999), Fractal modelling
of turbulent mixing, Combust. Theory Modelling 3 (1999) 637–655, UK.
[49]. F. Atzler, F.X. Demoulin, M. Lawes , Y. Lee and N. Marquez (2005), Flame speed oscillations in combustion of two-phase mixtures, Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad del Zulia, Apartado 526. Maracaibo 4011-A, Venezuela.
[50]. Fanhua Ma, Shun Li, Jianbiao Zhao, Zhengliang Qi, Jiao Deng, Nashay Naeve, Yituan He, Shuli Zhao, A fractal-based quasi-dimensional combustion model for SI engines fuelled by hydrogen enriched compressed natural gas, International journal of hydrogen energy 37 (2012) 9892e9901, Elsevier.
[51]. G.P. Beretta , M. Rashidi, and J.C. Keck (1983), Turbulent Flame Propagation and Combustion in Spark Ignition Engines, Combustion and Flame 52: 217 - 245 (1983), Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139.
[52]. Günter P. Merker, Christian Schwarz, Gunnar Stiesch, Frank Otto (2006), Simulating Combustion: Simulation of combustion and pollutant formation for engine- development, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Germany.
[53]. Hakan Bayraktar (2005), Experimental and theoretical investigation of using gasoline– ethanol blends in spark-ignition engines, Renewable Energy 30 pp1733–1747.
[54]. Hakan Bayraktar (2007), Theoretical investigation of flame propagation process in an SI engine running on gasoline–ethanol blends, Renewable Energy 32 (2007) 758–771, Elsevier.
130
[55]. Hakan Yilmaz (2011), Research on Advanced Flex Fuel Systems, GS/ENS-NA System and Advanced Engineering | March 2nd 2011 | © 2011 Robert Bosch LLC and affiliates.
[56]. Hara Takashi and Tanoue Kimitoshi (2005), Laminar flame speeds of Ethanol, n- heptane, iso- octane air mixtures, Department of Mechanical Engineering, Oita University, Japan.
[57]. Henning Kleeberg, Intermediate-level ethanol blends engine durability study, Coordinating Research Council, Inc, 3650 Mansell Road, Suite 140, Alpharetta, GA 30022.
[58]. Henry Joseph Jr (2013), Flex Fuel Vehicles in Brazil, Brazilian Vehicle Manufacturers
Association, Energy & Environment Affairs Commission, Brasília.
[59]. Henry Joseph Jr. (2007), The Vehicle Adaptation to Ethanol Fuel, Royal Society Multilateral Second Generation Biofuels Event, 23 and 24 April 2007, The Royal Society, London, UK.
[60]. Ioannis Gravalos , Dimitrios Moshou , Theodoros Gialamas, Panagiotis Xyradakis, Dimitrios Kateris and Zisis Tsiropoulos (2011), Performance and Emission Characteristics of Spark Ignition Engine Fuelled with Ethanol and Methanol Gasoline Blended Fuels, Alternative Fuel, InTech, ISBN 978-953-307-372-9.
[61]. Ivan Arsie, Cesare Pianese, Gianfranco Rizzo, Roberto Flora, Gabriele Serra (1998), Development and Validation of a Model for Mechanical Efficiency in a Spark Ignition Engine, Society of Automotive Engineers, Inc.
[62]. J. M. Mantilla, D. A. Garzón, and C. H. Galeano (2010), Combustion model for Spark ignition Engines operating on Gasoline-ethanol blends, Engenharia Térmica (Thermal Engineering), Vol. 9 - N01 - e02 - December 2010 - p. 8997.
[63]. J. R. Crosby (2013), How to Turbocharge and Tune Your Engine, ISBN/EAN13
1481912712 / 9781481912716.
[64]. Jenkin R.J., James E.G. and Malalasekera W. (1998), Modelling the effects of combustion and turbulence on near-wall temperature gradients in the cylinders of spark ignition engines, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 212, pp. 533-546.
[65]. Jens Neumeister, Tim Hattrell (2005), Development of an advanced Quasi Dimensional SI Engine Combustion Model, GT-Power User Conference Frankfurt October 10, 2005.
[66]. John B. Heywood (1988), Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw – Hill,
Inc.
131
[67]. Justin E. Negrete (2010), Effects of Different Fuels on a Turbocharged, Direct Injection, Spark Ignition Engine, Submitted to the Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology.
[68]. K B Siddegowda , J Venkatesh (2013), Performance and Emission Characteristics of MPFI Engine by Using Gasoline – Ethanol Blends, International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology (An ISO 3297: 2007 Certified Organization) Vol. 2, Issue 9, September 2013, ISSN: 2319-8753.
Iso-Butanol and Ethanol Blends, SAE
[69]. Karavalakis, G., Short, D., Vu, D., Villela, M. et al.(2014), Regulated Emissions, Air Tô xycs, and Particle Emissions from SI-DI Light-Duty Vehicles Operating on Different Int. J. Fuels Lubr. 7, doi:10.4271/2014-01-1451.
[70]. Keat B. Drane (1980), Convert Your Car to Alcohol, Love Street Books, ISBN 0-
915216-54-X, Louisville, Kentucky 40258 USA.
[71]. Keith Knoll, Brian West, Shean Huff, John Thomas, John Orban, Cynthia Cooper (2009), Effects of Mid-Level Ethanol Blends on Conventional Vehicle Emissions, The 2009 SAE Powertrain, Fuels, and Lubricants Meeting, 2-4 November 2009, San Antonio, Texas.
[72]. K. Ogata (2010), Modern Control Engineering, 5th Edition, Prentice.
[73]. Koichi Nakata, Shintaro Utsumi, Atsuharu Ota (2006), The Effect of Ethanol Fuel on a Spark Ignition Engine, Toyota Motor Corporation, SAE 2006-01-0380, ISSN 0148- 7191.
[74]. Le Anh Tuan, Pham Minh Tuan (2009), Impacts of Gasohol E5 and E10 on Performance and Exhaust Emissions of In-used Motorcycle and Car Study in VietNam, Vietnamese Journal of Sience and Technology, No. 73B.
[75]. Long Liang and Rolf D. Reitz (2006), Spark Ignition Engine Combustion Modeling Using a Level Set Method with Detailed Chemistry, Multi-Dimensional Engine Modeling 2006 (SP-2011), 2006 SAE World Congress, Detroit, Michigan.
[76]. Luigi De Simio, Michele Gambino, and Sabato Iannaccone (2012), Effect of Ethanol Content on Thermal Efficiency of a Spark-Ignition Light-Duty Engine, International Scholarly Research Network, ISRN Renewable Energy Volume 2012, Article ID 219703, 8 pages doi:10.5402/2012/219703.
[77]. M. Al-Hasan (2003), Effect of ethanol–unleaded gasoline blends on engine performance and exhaust emission, Energy Conversion and Management 44 pp 1547– 1561.
[78]. Malalasekera W. and Ranasinghe C.P. (2012), Simulation of engine combustion with ethanol as a renewable fuel, International Conference on Advanced Materials, Science and Engineering (ICAMSE-12), Colombo Sri Lanka, 1-4 July 2012, 5pp.
132
[79]. Mohammad Reza Zangooee Motlagh,Mohammad Reza Modarres Razavi (2014), A Comprehensive Numerical Study of the Ethanol Blended Fuel Effect on the Performance and Pollutant Emissions in Spark-ignition Engine, Thermal Science: Year 2014, Vol. 18, No. 1, pp. 29-38.
[80]. Moh'd Sami S. Ashhab (2008), Fuel economy and torque tracking in camless engines through optimization of neural networks. Energy Comversion and Management 49,pp 365-372.
[81]. Mohit Katragadda, Nilanjan Chakraborty, and R. S. Cant (2012), Effects of Turbulent Reynolds Number on the Performance of Algebraic Flame Surface Density Models for Large Eddy Simulation in the Thin Reaction Zones Regime: A Direct Numerical Simulation Analysis, Hindawi Publishing Corporation, Journal of Combustion Volume 2012, Article ID 353257, 13 pages, doi:10.1155/2012/353257.
[82]. Momir Sjeric, Darko Kozarac, and Rudolf Tomic (2014), Development of a two zone turbulence model and its application to the cycle-simulation, Sjeric, M., et al.: Development of a Two Zone Turbulence Model and ....Thermal science: Year 2014, Vol. 18, No. 1, pp. 1-16.
[83]. Mrdjan Jankovic and Stephen Magner (2006), Fuel economy optimization in automotive engines. Proceeding of the 2006 American Control Conference Minneapolis, Minnesota, USA, June 14-16, 2006.
[84]. Orbital Engine Company (2003) A Testing Based Assessment to Determine Impacts of a 20% Ethanol Gasoline Fuel Blend on the Australian Passenger Vehicle Fleet, Market Barriers to the Uptake of Biofuels Study, Report to Environment Australia.
[85]. P.L. Curto-Rissoa, A. Medinab, A. Calvo Hernándezb, L. Guzmán-Vargasc, F. Angulo-Brownd (2010), Monofractal and multifractal analysis of simulated heat release fluctuations in a spark ignition heat engine, Physica A 389 (2010) 5662–5670, Elsevier.
[86]. Patton K., Nitschke R., and Heywood J. (1989), Development and Evaluation of a Friction Model for Spark-Ignition Engines, SAE Technical Paper 890836, doi:10.4271/890836.
[87]. Paul D. Ranney and Victor Yakhot (1992), Flame Broadening Effects on Premixed Turbulent Flame Speed, Combust. Sci. and Tech., 1992, Vol. 86. pp. 31-43, Gordon and Breach Science Publishers, United Kingdom.
[88]. Paul J. Shayler and David K. W Leon, Michael Murphy (2005), Contributions to Engine Friction During Cold, Low speed Running and the Dependence on Oil Viscostity, CI and SI Power Cylinder Systems and Power Boost Technology (SP- 1954), SAE 2005-1.
[89]. Pham Huu Truyen, Pham Huu Tuyen, Pham Minh Tuan, Le Anh Tuan (2012), Influence of E10, E15 and E20 fuels on performance and emissions of in-use gasoline
133
passenger cars, The 5th AUN/SEED-Net Regional Conference on New/Renewable Energy, Hanoi, Vietnam.
[90]. Pham Huu Tuyen, Pham Huu Truyen, Nguyen Duy Tien, Pham Hoa Binh, Le Anh Tuan (2012), Compability assessment of automotive fuel system components with E10 fuel, The 5th AUN/SEED-Net Regional Conference on New/Renewable Energy, Hanoi, Vietnam.
[91]. Photron (2014), Combustion Studies, the fastcam sa-x combustion analysis, the
fastcam sa-x users guide, USA.
[92]. Randy Price and Ed Brokesh (2015), Converting Gasoline Engines to Ethanol,
Biological and Agricultural Engineering, Kansas State University.
[93]. Renewable Energy Policy Network for the 21st Century (Ren21) (2016), Renewable
2016 Global status Report.
[94]. Renewable Fuels Association (RFA) (2015), Going Global - 2015 Ethanol Industry
Outlook" (PDF), RFA. Retrieved 2015-11-22. See page 4.
[95]. Ritchie Daniel, Chongming Wang, Hongming Xu, Guohong Tian (2012), Effects of Combustion Phasing, Injection Timing, Relative Air- Fuel Ratio and Variable Valve Timing on SI Engine Performance and Emissions using 2,5-Dimethylfuran, SAE International by University of Birmingham, doi:10.4271/2012-01-1285.
[96]. Robert Waytulonis, David Kittelson, and Darrick Zarling (2008), E20 Effects in Small Non-Road SI Engines: A literature and Information Search, Report to the Minnesota Department of Commerce.
[97]. Rubelmar Maia de Azevedo Cruz Neto, Albino José Kalab Leiroz, Manuel Ernani de Carvalho Cruz (2013), Computational simulatioional of a low - displacement motorcycle si engine operating with gasoline and ethanol blends, 22nd International Congress of Mechanical Engineering (COBEM 2013), Ribeirão Preto, SP, Brazil.
[98]. R.S.Burns (2001), Advanced Control Engineering . Butter – Heinemann.
[99]. S. Jackobsson et al (2010), Combustion engine optimization: a multiobjective
approach. Optim Eng 11: pp 533-554.
[100]. S. Phuangwongtrakul, K.Wannatong, T. Laungnarutai and W. Wechsatol (2013), Suitable Ignition Timing and Fuel Injection Duration for Ethanol-Gasoline Blended Fuels in a Spark Ignition Internal Combustion Engine, ISBN: 978-981-07-7021-1 doi:10.3850/ 978- 981-07-7021-1_49.
[101]. Sandeep Kumar Kamboj , Munawar Nawab Kairimi (2012), Effects of Compression Ratios, Fuels And Specific Heats, International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, ISSN 2250-2459, Volume 2, Issue 8, August 2012.
134
[102]. Seyedmohsen Hosseini, Rushed Abdolah, and Amir Khani (2008), A Developed Quasi-Dimensional Combustion Model in Spark-Ignition Engines, Proceedings of the World Congress on Engineering 2008 Vol II, WCE 2008, London, U.K.
[103]. Shane Curtis, Mark Owen, Terrence Hess and Scott Egan (2008), Effect of Ethanol Blends on a Spar Ignition, 4-Stroke, Internal Combustion Engine, Brigham Young University Provo, Utah.
[104]. Simeon Penchev Iliev (2014), Developing of a 1-D Combustion Model and Study of Engine Characteristics Using Ethanol - Gasoline Blends, Proceedings of the World Congress on Engineering 2014 Vol II, WCE 2014, London, U.K.
[105]. Stephen C. Bates (1989), Flame Imaging Studies of Cycle-by-Cycle Combustion Variation in a SI Four-Stroke Engine, SAE Paper 892086 (1989).
[106]. Stephen Gregory Poulos (1982), The effect of combustion chamber geometry on S. I engine combustion rates – A modeling study, Master of Science in Mechanical Engineering at the Massachusetts Institue of Technology.
[107]. Suat Saridemir (2012), The effects of ethanol–unleaded gasoline blends in a single cylinder SI engine performance and exhaust emissions, Energy Education Science and Technology Part A: Energy Science and Research Volume (issues) 30: 727-736.
[108]. S. Phuangwongtrakul (2013), Suitable Ignition Timing and Fuel Injection Duration for Ethanol-Gasoline Blended Fuels in a Spark Ignition Internal, ISBN: 978-981-07-7021-1 doi:10.3850/ 978-981-07-7021-1_49 Combustion Engine.
[109]. Theory AVL-BOOST version 2011.1.
[110]. Toyota (2010), 1NZ-FE engine.
[111]. Users guide AVL-BOOST version 2011.1.
[112]. Vilnis Pirs, V. Malnicenko (2010), Bioethanol gasoline fuel blends effect on standard spark-ignition engine operating parameters, Research papers of Lithuanian University of Agriculture, vol 42, no 2-3, 115 – 126.
[113]. Vincenzo De Bellis, Elena Severi, Stefano Fontanesi, Fabio Bozza (2014), Hierarchical 1D/3D approach for the development of a turbulent combustion model applied to a VVA turbocharged engine. Part I: turbulence model, 68th Conference of the Italian Thermal Machines Engineering Association, ATI2013, ScienceDirect Energy Procedia 45 ( 2014 ) 829 – 838.
[114]. Wayne Moore, Matthew Foster, Kevin Hoyer (2011), Engine Efficiency Improvements Enabled by Ethanol Fuel Blends in a GDi VVA Flex Fuel Engine, SAE International doi:10.4271/2011-01-0900.
[115]. Wei-Dong Hsieh, Rong-Hong Chen, Tsung-Lin Wu, Ta-Hui Lin (2002), Engine performance and pollutant emission of an SI engine using ethanol–gasoline blended fuels, ScienceDirect, Atmospheric Environment 36 pp 403–410.
135
[116]. Y.H. Yoo, I.J. Park, J.G. Kim, D.H. Kwak, W.S. Ji (2011), Corrosion characteristics of aluminum alloy in bio-ethanol blended gasoline fuel: Part 1. The corrosion properties of aluminum alloy in high temperature fuels, ScienceDirect, Fuel 90 (2011) 1208–1214.
[117]. Yeliana, C. Cooney, J. Worm, D. Michalek, J. Naber (2008), Wiebe Function Parameter Determination for Mass Fraction Burn Calculation in an Ethanol-gasoline Fuelled SI engine, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 15, No. 3.
136
1, Pham Huu Tuyen, Tran Anh Trung, Nguyen Khanh Tung (2014), Effects of high ethanol content blended fuels on performance and emissions of a conventional SI engine, The 5th TSME International Conference on Mechanical Engineering, Chiang Mai, Thailand, 17- 19th December 2014.
2, Bùi Thái Sơn, Nguyễn Khánh Tùng, Phạm Hữu Tuyến (2015), Chuẩn hóa mô hình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức khi sử dụng xăng sinh học, Tạp chí khoa học công nghệ, Trường ĐH CN Hà Nội, số 31/2015, ISSN 1859-3585.
3, Nguyễn Khánh Tùng, Phan Văn Bình, Phạm Hữu Tuyến (2015), Động cơ sử dụng nhiên
liệu linh hoạt, Tạp chí Giao thông vận tải, Số đặc biệt 2015, ISSN 2354-0818.
4, Bùi Thái Sơn, Nguyễn Khánh Tùng, Phạm Hữu Tuyến (2015), Nghiên cứu điều chỉnh thông số làm việc của động cơ ô tô khi sử dụng xăng sinh học E10 và E50, Tạp chí Giao thông vận tải, Số đặc biệt 2015, ISSN 2354-0818.
5, Nguyễn Khánh Tùng, Phạm Hữu Tuyến, Phạm Văn Thể (2016), Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ Ethanol trong xăng sinh học tới các thông số của mô hình cháy Fractal sử dụng cho động cơ đốt cháy cưỡng bức, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số đặc biệt 9/2016, ISSN 0866-70565.
137
PHỤ LỤC 1. CÁC THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH MÔ PHỎNG
Phụ lục 1.1. Nhập các thông số kết cấu cho phần tử xy lanh
TT Thông số Đơn vị Giá trị Ghi chú
1 Bore (Đường kính) mm 75
2 Stroke (Hành trình) mm 84,7
3 Compression ratio (tỉ số nén) - 10,5
4 Con-rod Length (Chiều dài thanh truyền) mm 140,8
5 mm 12 Piston pin offset (Độ lệch của đường tâm xy lanh so với tâm trục khuỷu
6 Effective Blow by Gap (Khe hở lọt khí) mm 0,009
Phụ lục 1.2. Nhập các thông số của điều kiện khởi đầu
TT Thông số Đơn vị Giá trị Ghi chú
Initial Condition at EO 1 (Điều kiện khởi đầu tại thời điểm xu páp xả mở)
Pressure (Áp suất) bar 5
Temperature (Nhiệt độ) C 700
Initial Gas Composition 2 (Thành phần khí khởi đầu)
Ratio Type (Loại tỷ lệ) - Tỷ lệ A/F
Fuel Vapour (Hơi nhiên liệu) - 0
Combustion Products (Sản phẩm cháy) - 1
Phụ lục 1.3. Nhập các thông số lựa chọn mô hình cháy
TT Thông số Đơn vị Giá trị Ghi chú
1 Heat Release (Tính hệ số truyền nhiệt) - Fractal
2 Mixture Preparation (Chuẩn bị hỗn hợp) - External
3 Fuel Temperature (Nhiệt độ nhiên liệu) C 25
Phụ lục 1.4. Nhập các thông số của mô hình cháy Fractal
TT Thông số Đơn vị Giá trị
Ignition timing (góc đánh lửa) độ -9,5 1
- 1 2 Ignition fomation multiplier (tham số điều chỉnh sự đánh lửa chậm)
Ignition radius ratio (tỉ lệ bán kính màng lửa) - 0,01 3
- 0,6 4 Turbulence production constant (hằng số sản phẩm rối) ct
- 0,205 5 Turbulent length scale parameter (hệ số khuếch đại chiều dài rối) cL
- -0,33 6 Turbulence length scale density exponent (số mũ trong mô hình rối)
- 0,2 7 Mass fraction burned at wall combustion start (phần khối lượng cháy sát vách khi bắt đầu quá trình cháy)
Phụ lục 1.5: Các tham số mô hình truyền nhiệt Woschini 1978 của động cơ 1NZ-FE
TT Tham số của mô hình truyền nhiệt Đơn vị Giá trị
Zaft 1 Mô hình nạp thải (Ports)
2 Piston (Piston)
Diện tích bề mặt (Surface Area) mm2 4418
Nhiệt độ vách (Wall Temperature) °C 300
Hệ số hiệu chỉnh Piston (Piston Calibration Factor) - 1
3 Nắp xy lanh (Cylinder Head)
Diện tích bề mặt (Surface Area) mm2 4859,8
Nhiệt độ vách (Wall Temperature) °C 330
Hệ số hiệu chỉnh piston (Piston Calibration Factor) - 1
4 Đường ống
Diện tích bề mặt (Piston tại ĐCT) mm2 270 [Surface Area (Piston at TDC)]
Nhiệt độ vách (Piston tại ĐCT) °C 150 [Wall Temperature (Piston at TDC)]
Nhiệt độ vách (Piston tại ĐCD) °C 150 [Wall Temperature (Piston at BDC)]
Hệ số hiệu chỉnh đường ống - 1
5 Hệ thống cháy DI
Phụ lục 1.6. Các tham số của mô hình phát thải của động cơ 1NZ-FE
TT Tham số của mô hình phát thải
1 Mô hình phát thải NOx
0,5 Hệ số nhân động học NOx
0,7 Hệ số nhân sau xử lý NOx
2 Mô hình phát thải CO
Hệ số nhân động học CO 21
3 Mô hình phát thải HC
Chiều cao khoảng hở 5
Khoảng cách khoảng hở 0,2
Độ dày màng dầu 0,005
Khoảng cách khoảng hở 1
Hệ số E sau khi ô xy hóa của HC 18790
Hệ số f sau khi ô xy hóa của HC 0,3
Hệ số cháy từng phần P của HC 150
Phụ lục 1.7. Các tham số của mô hình kích nổ của động cơ 1NZ-FE
TT Thông số Đơn vị Giá trị
1 Hệ số mũ a - 3,402
2 Hệ số mũ n - 1,7
3 Hằng số A s 0,001768
ºC 3526,85 4 Hằng số B
Phụ lục 1.8. Giá trị hệ số ma sát theo vật liệu và đường kính ống
Đường kính ống [mm] Vật liệu
(Độ nhám [mm]) 30 100 150 60
Plastics (0,0015) 0,011 0,01 0,01 0,01
Thép mới (0,05) 0,023 0,017 0,016 0,019
Thép cũ (0,17) 0,032 0,023 0,021 0,027
Gang (0,25 – 0,5) 0,037 – 0,044 0,029 – 0.037 0,026 – 0,031 0,023 – 0,028
PHỤ LỤC 2. CÁC TRANG THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM
Phụ lục 2.1. Các trang thiết bị trên băng thử tính năng động lực học cao (ETB)
Băng thử động lực cao động cơ (High Dynamic Engine Testbed) với mục đích thực hiện các thử nghiệm phục vụ công tác nghiên cứu và phát triển động cơ được trang bị nhiều thiết bị hiện đại và đồng bộ như:
- Phanh điện APA 100.
- Cảm biến tốc độ động cơ
- Thiết bị làm mát dầu bôi
trơn AVL 554.
- Thiết bị làm mát nước làm
mát AVL 553.
- Bộ ổn định nhiệt độ nhiên
liệu AVL 753.
- Bộ điều khiển tay ga THA
100.
Chi tiết cụ thể các trang thiết
bị như sau: Sơ đồ phòng thử động lực cao động cơ * Phanh điện APA 100
Phanh điện APA 100 có thể hoạt động được ở chế độ phanh điện và động cơ điện. Tác dụng tương hỗ giữa lực từ của stato và rotor sẽ tạo ra tải trọng cho động cơ hoặc kéo động cơ đốt trong quay. Vỏ stato do được đặt trên hai gối đỡ nên cũng có xu hướng quay theo. Một cảm biến lực (loadcell) giữ vỏ stato ở vị trí cân bằng và xác định giá trị lực tương hỗ này. Thay đổi giá trị của lực này bằng cách thay đổi cường độ dòng điện vào băng thử. Tốc độ quay của băng thử được xác định bằng cảm biến tốc độ kiểu đĩa quang. Công suất lớn nhất của băng thử ở chế độ động cơ điện là 200kW, ở chế độ phanh điện là 220kW trong dải tốc độ từ 2250 đến 4500 vòng/phút, tốc độ cực đại 8000 vòng/phút. Băng thử được trang bị các hệ thống điều khiển, xử lý số liệu tự động và hiển thị kết quả, mô hình hoá như PUMA, EMCON 300, Concerto và ISAC 300, giúp cho quá trình điều khiển được dễ dàng và bảo đảm kết quả thử nghiệm chính xác.
Phanh điện APA 100
Từ trường tương hỗ giữa rotor và stator tạo ra mô men cản với rotor và cân băng với momen dẫn động từ rotor (rotor là cụm phanh được nối với trục dẫn động từ động cơ). Cường độ từ trường tương hỗ giữa rotor và stator được điều chỉnh để tăng hoặc giảm mô men cản trên trục dẫn động từ động cơ. Khả năng thay đổi mô men phanh thích hợp cho việc điều khiển tự động ở các chế độ thử của động cơ.
Cụm phanh có chức năng làm việc ở chế độ máy phát (phanh đối với động cơ) và chế độ động cơ (kéo động cơ quay) nên có thể dùng để chạy rà nguội và thí nghiệm động cơ trên cùng một băng thử.Ngoài ra công suất động cơ được hấp thụ và biến đổi thành năng lượng điện trong thiết bị (phanh). Dòng điện này qua bộ biến tần và được đưa ra ngoài.Phanh APA 100 còn có chức năng mô tả các sức cản lên động cơ như động cơ đang lắp trên ôtô chạy trên đường bằng phần mềm ISAC.
* Cảm biến tốc độ động cơ
Tín hiệu vòng quay cho bộ điều khiển nhận biết tốc độ động cơ.
Trên trục quay của trục cam có gắn 1 vấu sắt, còn cảm biến là một cuộn dây quấn trên một lõi nam châm. Khi trục quay làm các vấu cam quét qua cảm biến từ trở mạch từ của cuộn dây biến thiên một cách tuần hoàn làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động có tần số thay đổi tỷ lệ với tốc độ quay như hình sau:
Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của hệ thống cảm biến tốc độ động cơ
Biên độ E của suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố là khoảng cách và tốc độ quay. Khoảng cách giữa cuộn dây với vấu sắt chính là khe từ, khoảng cách càng lớn thì biên độ của suất điện động càng nhỏ, thông thường sự thay đổi khoảng cách này không vượt quá 0,2 0,4mm. Tốc độ quay tỷ lệ thuận với biên độ của suất điện động.
* Thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554
Theo tiêu chuẩn thử nghiệm về động cơ cũng như về khí thải đều có yêu cầu về nhiệt
độ dầu bôi trơn phải nằm trong giới hạn cho phép. Cụm làm mát dầu có chức năng giữ ổn định nhiệt độ dầu bôi trơn.
Khi động cơ làm việc một phần nhiệt sẽ truyền cho dầu bôi trơn, sẽ làm nóng dầu bôi trơn, do đó ảnh hưởng đến chất lượng bôi trơn (tính năng lý hoá của dầu bôi trơn) nên cần làm mát dầu bôi trơn.
Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát dầu bôi
trơn AVL 554 Và khi động cơ bắt đầu làm việc ở môi trường có nhiệt độ thấp, lúc này nhiệt
độ động cơ thấp (độ nhớt của dầu cao) ảnh hưởng đến chất lượng bôi trơn (tính lý hoá của dầu bôi trơn) cũng như làm tăng thời gian hâm nóng động cơ (có thể động cơ không thể làm việc được) do vậy cần làm nóng dầu bôi trơn.
Các van được điều khiển bằng điện và khí nén sẽ đóng mở để cho nước qua nhiều hay
ít, để đảm bảo nhiệt độ dầu theo yêu cầu.
* Thiết bị làm mát nước AVL 553
Theo các tiêu chuẩn thử nghiệm về động cơ cũng như về khí thải đều có yêu cầu về nhiệt độ nước làm mát. Cụm làm mát nước có chức năng giữ ổn định nhiệt độ nước làm mát động cơ.
Khi động cơ làm việc một phần nhiệt được truyền cho các chi tiết động cơ, do đó gây
ra các ứng suất nhiệt cho các chi tiết nên cần phải làm mát động cơ.
Khi động cơ bắt đầu làm việc, nhiệt độ động cơ còn thấp, do đó rất khó khởi động nên làm nóng nước vòng ngoài để hâm nóng động cơ, khi động cơ đã làm việc nhiệt độ động cơ tăng khi đó cụm AVL 553 sẽ điều chỉnh nhiệt độ nước vòng ngoài phù hợp để làm mát nhiệt độ nước làm mát động cơ.
Các van được điều khiển bằng điện và khí nén sẽ đóng mở để cho nước vòng ngoài
qua nhiều hay ít, để đảm bảo nhiệt độ nước làm mát động cơ theo đúng yêu cầu.
* Bộ ổn định nhiệt độ nhiên liệu AVL 753
Nhiệt độ nhiên liệu trong hệ thống không giống như nhiệt độ nhiên liệu trên đường cung cấp do có đường nhiên liệu hồi mang nhiệt từ động cơ. Do đó mật độ nhiên liệu thay đổi làm sai lệch kế quả đo. AVL 753 có nhiệm vụ điều hoà nhiệt độ nhiên liệu đồng thời đảm bảo lưu lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ.
AVL 753 dùng nước vòng ngoài làm mát lượng nhiên liệu đã được định sẵn từ cân
nhiên liệu.
Lưu lượng nhiên liệu được đảm bảo bằng một bơm trên đường nhiên liệu cung cấp cho động cơ.
* Bộ điều khiển tay ga THA 100
Bộ điều khiển tay ga THA 100 có chức năng thay đổi vị trí cung cấp nhiên liệu: kéo thanh răng đối với động cơ Diesel, đóng mở bướm ga đối với động cơ xăng.
Sơ đồ nguyên lý cụm làm mát nước làm mát AVL 553
THA 100 là động cơ biến bước, thay đổi chiều dài của đoạn dây kéo ga để thay đổi vị trí cung cấp nhiên liệu tuỳ theo từng chế độ thử và được điều khiển từ máy tính.
Phụ lục 2.2. Các khối phân tích trong hệ thống phân tích khí thải CEBII
Hệ thống phân tích khí thải CEBII (Combustion Emission Bench) là hệ thống bao gồm toàn bộ các môđun thực hiện quá trình phân tích các thành phần các chất CO, CO2, NO, NOx, HC có trong khí thải động cơ và các thiết bị đảm bảo điều kiện làm việc đúng của hệ thống như: Khối làm nóng (HSU), khối chuẩn đoán, khối điều khiển.... Mỗi bộ phân tích được chia thành 4 dải đo, tuỳ thuộc vào hàm lượng thực tế các chất có trong khí thải mà bộ phân tích sẽ tự lựa chọn dải đo phù hợp. Để đảm bảo độ chính xác của phép đo, các bộ phân tích được hiệu chuẩn trước khi đo bởi chất khí hiệu chuẩn ứng với từng dải đo.
1. Máy tính tích hợp trong tủ
2. Khối SCU
2a: Khối làm nóng,
2b: Khối làm lạnh,
2c: Khối điều khiển SCU
2d: Vùng dành cho ERG
3. Các bộ phân tích
4. Bảng đồng hồ khí
5. Công tắc hệ thống
6. Khối chuẩn đoán
7. Các đường khí và nguồn điện.
Sơ đồ của hệ thống phân tích khí xả AVL CEBII
Toàn bộ hoạt động của hệ thống có thể thực hiện thông qua máy tính công nghiệp nằm trong tủ hoặc điều khiển bằng tay thông qua màn hình sử dụng giao diện của máy tính điều khiển (tủ làm việc độc lập). Khi máy tính này được kết nối với máy tính chủ (CESAR) khi chạy động cơ theo chương trình, mọi hoạt động của tủ sẽ được điều khiển tự động từ máy tính chủ.Hệ thống phân tích khí thải CEBII bên cạnh việc đo lường được các thành phần: monô xyt cacbon (CO), cacbon diô xyde (CO2), ô xygen (O2), ô xyt nitơ (NOx), hyđrocacbon (HC), đồng thời còn đo được hệ số dư lượng không khí có trong khí xả.
* Nguyên lý hoạt động của các khối phân tích
Toàn bộ hệ thống phân tích khí xả được thiết lập theo một hệ thống các quy ước hoàn
chỉnh giúp cho sự điều khiển và thử nghiệm là tốt nhất.
* Nguyên lý làm việc của bộ phân tích CO
- Cấu tạo của hệ thống đo CO: hệ thống đo CO
Sơ đồ cấu tạo của bộ đo CO
1. Một buồng phát tia hồng ngoại; 2. Màn chắn; 3. Đĩa khoét các rãnh; 4. Buồng chứa khí mẫu; 5. Buồng chứa khí CO được ngăn chắn bằng một màng cao su; 6. Thiết bị đo độ võng của màn; 7. Buồng chứa khí CO được ngăn bằng một tấm màng cao su; 8. Buồng chứa khí mẫu.
- Nguyên lý hoạt động:
Sự ảnh hưởng của H2O đến CO
CO hấp thụ bức xạ hồng ngoại ở bước sóng khoảng 4,7m vì thế sự có mặt và nồng độ của CO có thể xác định bởi sự giãn nở của CO tại buồng đo khi có tia hồng ngoại đi qua. Khi cần đo lượng CO có trong khí mẫu, khí mẫu được đưa vào buồng (4). Sau đó cho đốt đèn hồng ngoại (1). Tia hồng ngoại đi qua buồng (4) và buồng (8), do buồng (4) có CO nên một phần tia hồng ngoại bị hấp thụ, còn buồng (8) chỉ có chứa N2 vì vậy tia hồng ngoại đi qua hoàn toàn. Để lượng hồng ngoại đi qua hai buồng là như nhau đĩa (3) được điều khiển quay, trên đĩa (3) có xẻ các rãnh sao cho thời gian để tia hồng ngoại qua rãnh trong và rãnh ngoài là bằng nhau. Sau khi đi qua hai buồng (4) và (8), tia hồng ngoại tới buồng (5) và buồng (7). Trong hai buồng này có chứa toàn CO, lúc này tia hồng ngoại sẽ bị hấp thụ hoàn toàn bởi CO và làm tăng nhiệt độ của khối khí trong buồng (5) và buồng (7), tương ứng với sự tăng nhiệt độ là sự tăng áp suất. Hai buồng (5) và (7) được ngăn cách với nhau bằng một màng cao su. Trong hai chùm tia hồng ngoại thì chùm tia hồng ngoại đi qua buồng (4) đã bị hấp thụ một phần tại đó vì vậy sự hấp thụ tia hồng ngoại tại buồng (5) ít hơn buồng (7) do đó có sự chênh lệch áp suất giữa hai buồng. Sự chênh lệch áp suất này làm cho màng cao su bị cong, tiến hành đo độ cong có thể tính được độ chênh lệch áp suất. Qua tính toán chênh áp suất sẽ biết được lượng CO đã hấp thụ tia hồng ngoại. Lượng CO đó chính là lượng CO có trong khí xả.
Khi đo CO trong khí xả bằng phương pháp hồng ngoại phải tính đến các điều kiện gây sai số. Đặc biệt là sự hấp thụ của nước. Vì vậy phải có biện pháp hiệu chỉnh giá trị đo. Thông thường hiệu chỉnh giá trị đo bằng cách lọc hết nước hoặc quy định giá trị ảnh hưởng của nước trong các khoảng đo.
* Nguyên lý làm việc của bộ phân tích NO và NOx.
- Cấu tạo của hệ thống đo NO và NOx.
Thiết bị đo NO và NOx là thiết bị xác định cường độ ánh sáng, nó bao gồm các chi tiết
chính:
Sơ đồ cấu tạo bộ phân tích NO và NOx
1. Khí ôzôn được sinh ra nhờ một thiết bị tạo ô zôn trong không khí; 2. Bộ phận chuyển đổi NO2 thành NO; 3. Buồng phản ứng đo NOx có các đường dẫn khí ôzôn và khí mẫu; 4. Buồng phản ứng đo NO có các đường dẫn khí ôzôn và khí mẫu; 5. Bộ phận hủy ôzôn trước khi đưa ra ngoài môi trường; 6. Bộ phận đo cường độ sáng.
- Nguyên tắc hoạt động.
Thiết bị hoạt động dựa vào hiện tượng khí quang hóa để xác định hàm lượng NO và NOx. Thực chất phương pháp này là đo cường độ ánh sáng do các phần tử NO2 hoạt tính sinh ra. NO2 hoạt tính được tạo ra trong buồng phản ứng qua phản ứng sau:
NO + O3 = NO2* + O2
Không khí được đưa vào một đường và được cho qua bộ tạo ôzôn, O2 trong không khí
được tạo thành O3 nhờ tia lửa điện và được đưa đến buồng phản ứng.
Để đo lượng NO có trong khí xả, khí xả được đưa trực tiếp vào buồng phản ứng. Trong buồng phản ứng có O3. Vì vậy, một phần NO có trong khí thải mẫu sẽ phản ứng với O3 và tạo ra NO2 hoạt tính (NO2*), NO2 hoạt tính tồn tại không lâu trong điều kiện bình thường vì vậy nó sẽ tự động chuyển về NO2 không hoạt tính bằng cách phóng đi một phần năng lượng dưới dạng tia sáng. Đo cường độ tia sáng thu được và dựa vào đó để xác định lượng NO phản ứng. Từ lượng NO phản ứng có thể tính ra lượng NO có trong khí xả mẫu.
Để đo lượng NOx có trong khí xả mẫu, cho tất cả khí xả mẫu đi qua một bộ chuyển đổi từ NO2 thành NO. Phần lớn NO2 chuyển đổi thành NO, sau đó tất cả khí xả đã qua chuyển đổi được đưa tới buồng phản ứng. Tương tự như với NO, trong buồng phản ứng một lượng NO có trong khí xả sẽ phản ứng với O3 và tạo thành NO2 hoạt tính. NO2 hoạt tính có năng lượng cao sẽ chuyển về mức năng lượng thấp và phát ra ánh sáng, căn cứ vào cường độ ánh sáng thu được ta tính ra được lượng NOx có trong khí xả.
* Nguyên lý làm việc của bộ phân tích HC
- Cấu tạo của hệ thống đo CnHm:
Hệ thống đo HC có sơ đồ nguyên lý như hình dưới và bao gồm các thành phần sau:
Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo HC
1. Hệ thống có ba đường dẫn khí vào. Một là đường dẫn khí mẫu vào, hai là đường dẫn
khí cháy (hỗn hợp H/He), ba là đường khí tạo môi trường cháy.
2. Buồng phản ứng có gắn cảm biến nhiệt độ.
3. Bộ đánh lửa để sinh tia lửa mồi.
4. Cặp cực điện được nối với một bộ khuyếch đại và một bộ đo điện áp.
5. Bộ cảm biến nhiệt độ T100
6. Bộ bơm khí nén tạo độ chân không để hút khí cháy ra.
- Nguyên lý hoạt động:
Khí mẫu cần đo được đưa vào hệ thống với áp suất 580mbar và lưu lượng 1500l/h. Nó được hòa trộn với khí cháy (hỗn hợp H/He) được đưa vào ở đường ống thứ hai. Khí cháy có áp suất là 1050mbar, có lưu lượng là 30l/h. Khí mẫu và khí cháy được trộn với nhau và đưa và buồng cháy với áp suất là 680mbar.
Trong buồng phản ứng hỗn hợp khí (20% O2, 80% N2) được bơm vào làm môi trường cháy. Khi khí mẫu và khí cháy được đưa vào, bộ đánh lửa bật tia lửa đốt cháy. Trong điều kiện như vậy khí HC không cháy mà bị bẻ gãy thành các ion.
Các ion sinh ra trong môi trường có từ trường của cặp điện cực, nó sẽ bị hút về hai bản cực và tạo thành dòng điện trong mạch. Dòng điện được khuyếch đại khi đi qua bộ khuyếch đại và được đưa tới bộ đo điện áp.
Khí cháy được hút ra nhờ độ chân không ở đầu ra. Độ chân không này được sinh ra do
luồng khí nén thổi qua tại miệng hút.
Dựa vào cường độ dòng điện sinh ra có thể đánh giá được lượng HC có trong khí mẫu.
Khi đo lượng HC có trong khí xả động cơ, các điều kiện đo rất được chú ý. Áp suất đầu vào phải đảm bảo chính xác, lưu lượng phải vừa đủ. Có như vậy thì quá trình đo mới đúng. Hệ thống sẽ đánh lửa 10 lần, trong 10 lần đó mà các điều kiện không đảm bảo thì hệ thống sẽ không đo được. Sau 10 lần đánh lửa mà không đo được thì hệ thống sẽ dừng lại và yêu cầu có sự kiểm tra sửa chữa.
Phụ lục 2.3. Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Balance 733S
Hệ thống AVL Fuel Balance 733S đo lượng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ bằng cách cân lượng nhiên liệu trong bình chứa. AVL Fuel Balance 733S có thể đo liên tục lượng nhiên liệu trong một khoảng thời gian từ khi đầy bình đến khi nhiên liệu trong bình giảm tới mức 0 (Hình 2.7). Sai số của thiết bị là 0,1%. Giải đo từ 0 đến 150 (kg/h). Có thể cho phép tới 400kg/h.
Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của AVL Fuel Balance 733S
1. Nhiên liệu cấp vào thùng đo 7. Thanh cân.
2. Nhiên liệu tới động cơ. 8. Lò xo lá.
3. Nhiên liệu hồi từ động cơ. 9. Cân bì.
4. ống thông hơi. 10. Cảm biến lưu lượng.
5. Các ống nối mềm. 11. Thiết bị giảm chấn.
6. Thùng đo 12. Van điện từ đường nạp.
Bắt đầu quá trình đo nhiên liệu được cấp đầy vào thùng đo 6 thông qua đường cấp nhiên liệu 1. Khi lượng nhiên liệu đã đầy, lúc này lực tì lên cảm biến lưu lượng là lớn nhất. Van điện từ 12 đóng lại ngăn không cho dòng nhiên liệu vào thùng đo trong khi đường cấp vào động cơ vẫn mở, lượng nhiên liệu trên đường hồi của động cơ (khi sử dụng hệ thống phun xăng điện tử) áp suất trong bình được giữ ổn định nhờ ống thông hơi 4. Đồng thời với quá trình đó bộ phận đếm thời gian hoạt động. Lượng nhiên liệu trong bình chứa được đo liên tục trong từng giây dựa vào lượng nhiên liệu còn trong bình ECU sẽ tính ra lượng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ.
Hệ thống đo suất tiêu thụ nhiên liệu AVL Fuel Balance 733S thực hiện quá trình đo và ghi lại kết quả trung bình của phép đo trong thời gian của phép đo, do người thử nghiệm đặt trên giao diện từ máy tính
Giao diện trên máy tính hệ thống cân nhiên liệu AVL 733S
Phụ lục 2.4. Hệ thống thử nghiệm ô tô hạng nhẹ
Hệ thống thử nghiệm ô tô hạng nhẹ của hãng AVL - Cộng hòa Áo bao gồm băng thử ô tô CD 48”, hệ thống lấy mẫu thể tích không đổi CVS, thiết bị phân tích khí thải CEB II, cân nhiên liệu AVL 733S.
Đối tượng thử nghiệm là xe ô tô Toyota Vios 1.5, xe này được lắp động cơ Toyota 1NZ-FE đã được nghiên cứu trong các chương trước. Ô tô được thử nghiệm với trạng thái nguyên bản (chưa lắp bộ chuyển đổi ECU phụ) và sau khi lắp bộ chuyển đổi và sử dụng với các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn gồm E30, E50, E85 và E100. Thông số đánh giá gồm công suất, tiêu hao nhiên liệu, các thành phần phát thải, khả năng khởi động, tăng tốc.
Hệ thống thử nghiệm ô tô hạng nhẹ của hãng AVL
Phụ lục 2.5. Các bộ phận chính trong bộ điều khiển ECU phụ
* Bộ vi xử lý
ATxmega 128A là bộ vi điều khiển CMOS điện áp thấp dựa trên nền kiến trúc AVR RISC nâng cao, cho phép tốc độ đạt được là 1 MPIS trên 1 MHz.Vi xử lý thực hiện chương trình bằng cách tiếp nhận các thông số đầu vào thông qua các ngắt bao gồm tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu, xung đánh lửa và xung phun nhiên liệu. Sau khi vào ngắt thông qua các bộ đếm và bộ chuyển đổi ADC, các giá trị này được chuyển sang giá trị thực và đưa vào các
bảng tra kết hợp chương trình nội suy để hiệu chỉnh, tính toán và đưa ra giá trị thời điểm đánh lửa và độ rộng xung phun phù hợp với tỷ lệ cồn.
Cấu hình chân của ATxmega 128A
* Bộ đếm (Timer/Counter)
Timer/Counter là các module độc lập với CPU. Chức năng chính của các bộ Timer/Counter, như tên gọi của chúng, là định thì (tạo ra một khoảng thời gian, đếm thời gian…) và đếm sự kiện. Trên các chip AVR, các bộ Timer/Counter còn có thêm chức năng tạo ra các xung điều rộng PWM (Pulse Width Modulation). Ở một số dòng AVR, Timer/Counter còn được dùng như các bộ hiệu chỉnh thời gian trong các ứng dụng thời gian thực. Các bộ Timer/Counter được chia theo độ rộng thanh ghi chứa giá trị định thời gian hay giá trị đếm của chúng. ATxmega128A có 8 bộ T/C (Timer/Counter) 16 bit được chia làm 2 loại là type 0 và type 1, có thể kết hợp để tạo ra bộ T/C 32 bit. Một bộ T/C gồm có bộ đếm cơ bản và các kênh so sánh hoặc bắt sự kiện.
Sơ đồ khối của bộ Timer/Counter
Hoạt động đếm (Counter Operation): Tùy thuộc vào chế độ hoạt động, bộ đếm counter sẽ được xóa (clear) hoặc tải lại (reloaded), được tăng lên hoặc giảm giá trị với mỗi xung đi vào bộ timer/counter. Chế độ hoạt động bình thường khi đếm lên (up-counting) đạt giá trị TOP, giá trị sẽ được đặt về 0 ở xung tiếp theo. Và khi đếm xuống (down-counting), giá trị thanh ghi sẽ được tải lại khi đạt BOTTOM.
Mô tả các giá trị mà thanh ghi đếm có thể đạt được
BOTTOM: là giá trị thấp nhất mà một T/C có thể đạt được, giá trị này luôn là 0.
MAX: là giá trị lớn nhất mà một T/C có thể đạt được, giá trị này được quy định bởi bởi giá trị lớn nhất mà thanh ghi đếm của T/C có thể chứa được. Ví dụ với một bộ T/C 8 bit thì giá trị MAX luôn là 0xFF (tức 255 trong hệ thập phân), với bộ T/C 16 bit thì MAX bằng 0xFFFF (65535). Như thế MAX là giá trị không đổi trong mỗi T/C.
TOP: là giá trị mà khi T/C đạt đến nó sẽ thay đổi trạng thái, giá trị này không nhất thiết là số lớn nhất 8 bit hay 16 bit như MAX, giá trị của TOP có thể thay đổi bằng cách điều khiển các bit điều khiển tương ứng hoặc có thể nhập trực tiếp thông qua một số thanh ghi.
- Kênh bắt sự kiện
Kênh bắt sự kiện được sử dụng để bắt độ rộng xung ngoài mô tả ở hình dưới đây.
Mô tả cách bắt sự kiện
* Các ngắt
Ngắt là một cơ chế cho phép CPU tạm thời dừng tức khắc các hoạt động để nhảy đến một nơi khác thực hiện một nhiệm vụ nào đó. Sau khi kết thúc chương trình ngắt, bộ đếm chương trình sẽ được trả về giá trị trước đó để bộ xử lí quay về thực hiện tiếp các nhiệm vụ còn dang dở. Như vậy, ngắt có mức độ ưu tiên xử lí cao nhất, ngắt thường được dùng để xử lí các sự kiện bất ngờ nhưng không tốn quá nhiều thời gian. Các tín hiệu dẫn đến ngắt có thể xuất phát từ các thiết bị bên trong chip (ngắt báo bộ đếm timer/counter tràn, ngắt báo quá trình gửi dữ liệu bằng RS232 kết thúc…) hay do các tác nhân bên ngoài (ngắt báo có 1 button được nhấn, ngắt báo có 1 gói dữ liệu đã được nhận…). Các cấp độ ngắt: cấp độ ngắt được lựa chọn độc lập với mỗi nguồn ngắt. Có 3 cấp độ của ngắt thấp, trung bình và cao (Low- Medium-High) và được đặt ở thanh ghi điều khiển.
* Bộ chuyển đổi ADC
Bộ chuyển đổi ADC chuyển đổi tín hiệu tương tự analog sang tín hiệu số digital, với độ phân giải 12 bit bộ ADC có thể chuyển đổi tới 2 triệu mẫu trên giây. ADC có bốn kênh chuyển đổi với đầu vào riêng biệt, có thể sử dụng cả hai điện áp tham chiếu nội bộ và bên ngoài. Sơ đồ tổng quan ADC trong vi điều khiển chuyển như hình bên dưới:
Sơ đồ tổng quan ADC trong vi điều khiển
Phụ lục 2.6. Chức năng và nhiệm vụ của các khối trong bộ điều khiển ECU phụ
Khối nguồn: Khối nguồn có nhiệm vụ chuyển điện áp làm việc của ắc quy (12V) sang điện áp phù hợp với vi điều khiển, đảm bảo cung cấp đủ dòng làm việc và có khả năng chống nhiễu tốt.
Khối nguồn ECU phụ
- Khối nhận tín hiệu phun xăng và đánh lửa: khối này có nhiệm vụ nhận tín hiệu và giả lập lại tín hiệu cơ cấu chấp hành đồng thời tạo được tín hiệu phù hợp với đầu vào của vi điều khiển. Sơ đồ khối nguồn trình và khối nhận tín hiệu phun xăng và đánh lửa trình bày ở hình dưới đây:
Khối nhận tín hiệu xung phun Khối nhận tín hiệu đánh lửa
- Khối nhận tín hiệu tỷ lệ ethanol: khối này có nhiệm vụ phối hợp giữa đầu ra của cảm biến tỷ lệ ethanol với đầu vào của vi điều khiển, đảm bảo nhận chính xác tín hiệu tỷ lệ xăng - ethanol đồng thời lặp lại tín hiệu này về vi điều khiển trong khi đảm bảo phù hợp với điện áp của vi điều khiển.
- Khối công suất điều khiển vòi phun: khối này có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu từ vi điều khiển để điều khiển vòi phun sao cho lặp lại đúng dạng điều khiển của ECU chính, đồng
thời đảm bảo khả năng chịu dòng của tín hiệu. Sơ đồ khối nhận tín hiệu tỷ lệ ethanol và khối công suất điều khiển vòi phun trình bày ở hình dưới đây:
Khối điều khiển vòi phun Khối nhận tín hiệu tỷ lệ cồn ethanol
- Khối công suất điều khiển đánh lửa: khối điều khiển đánh lửa có nhiệm vụ tương tự khối điều khiển vòi phun, tuy nhiên do điều khiển trực tiếp biến áp đánh lửa là loại biến áp có điện áp cao 18.000 đến 25.000 V nên rất dễ gây xung nhiễu làm hỏng bộ điều khiển, do đó cần phải có mạch lọc xung điện áp cao phù hợp nhằm đảm bảo an toàn cho mạch điều khiển. Khối điều khiển đánh lửa của động cơ 1NZ-FE có mạch công của biến áp đánh lửa đã có sẵn cùng với biến áp đánh lửa.
Khối công suất điều khiển đánh lửa Khối điều khiển biến áp đánh lửa
- Khối vi điều khiển: Đây là khối quan trọng nhất của ECU phụ có nhiệm vụ nhận thông tin, xử lý tính toán và gửi thông tin ra. Do cần phải đảm bảo tính ổn định khi làm việc ở tần số cao 32MHz nên việc chống nhiễu là hết sức quan trọng cũng như nguồn cung cấp phải ổn định. Sơ đồ khối công suất điều khiển đánh lửa trình và khối vi điều khiển được thể hiện ở dưới đây:
Khối vi điều khiển
PHỤ LỤC 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHI ĐIỀU CHỈNH LƯỢNG NHIÊN LIỆU CUNG CẤP VÀ GÓC ĐÁNH LỬA SỚM
Phụ lục 3.1. Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình, góc đánh lửa sớm ở các chế độ tính
của động cơ ô tô với ECU nguyên bản
Chế độ tải Tốc độ động cơ (v/ph) Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình (g/ct) Góc đánh lửa sớm (độ TK)
1000 0,00598 8 20%
2000 0,00601 21,5
3000 0,00626 36
4000 0,00644 40
5000 0,00664 45
6000 0,00691 47
1000 0,01795 1,5 60%
2000 0,01803 12,5
3000 0,01878 20
4000 0,01931 30
5000 0,01991 35
6000 0,02073 39
1000 0,03074 -6 100%
2000 0,03123 -1
3000 0,03367 8
4000 0,03447 14
5000 0,03517 19,5
6000 0,03587 26
Phụ lục 3.2. Công suất động cơ sau khi tăng gct đảm bảo hệ số dư lượng =1
Công suất (kW)
RON92 E30 E50 E85 E100 Tốc độ (v/ph) Thay đổi E30 so với RON92 Thay đổi E50 so với RON92 Thay đổi E85 so với RON92 Thay đổi E100 so với RON92
Vị trí 20% tải
1000 2,26 2,18 -3,35% 2,31 2,28% 2,36 4,56% 2,32 2,74%
2000 4,43 4,35 -1,64% 4,55 2,76% 4,54 2,67% 4,64 4,85%
3000 8,06 7,84 -2,80% 8,18 1,45% 8,44 4,65% 8,48 5,25%
4000 10,80 10,98 1,64% 11,11 2,88% 11,35 5,04% 11,51 6,54%
5000 13,08 13,47 2,98% 13,56 3,60% 13,43 2,67% 13,76 5,16%
6000 14,33 14,71 2,62% 14,88 3,82% 15,04 4,93% 15,23 6,22%
-0,09% 2,80% 4,09% 5,13% TB
Vị trí 60% tải
1000 6,78 6,93 2,21% 7,01 3,42% 7,13 5,16% 7,29 7,57%
2000 13,28 13,50 1,68% 13,79 3,88% 14,08 6,06% 14,33 7,94%
3000 24,18 23,51 -2,80% 24,94 3,14% 25,70 6,25% 25,67 6,13%
4000 32,40 33,79 4,26% 33,68 3,92% 34,34 5,96% 35,19 8,59%
5000 39,25 40,53 3,24% 40,90 4,20% 41,81 6,51% 42,20 7,51%
6000 43,00 44,13 2,62% 45,04 4,73% 45,87 6,66% 46,88 9,02%
1,87% 3,88% 6,10% 7,79% TB
Vị trí 100% tải
1000 11,30 11,55 2,27% 11,82 4,63% 11,89 5,27% 12,20 7,98%
2000 22,13 21,75 -1,71% 22,88 3,40% 23,52 6,27% 23,99 8,40%
3000 40,31 39,87 -1,07% 42,56 5,60% 43,21 7,20% 43,87 8,84%
4000 54,01 55,74 3,21% 55,41 2,60% 57,71 6,86% 59,15 9,52%
5000 65,42 67,30 2,87% 67,78 3,60% 69,61 6,40% 69,48 6,20%
6000 71,67 73,36 2,35% 75,69 5,60% 76,86 7,24% 77,04 7,48%
1,32% 4,24% 6,54% 8,07% TB
Phụ lục 3.3. Góc đánh lửa sớm tối ưu và công suất động cơ với các loại xăng sinh học
ở các chế độ làm việc khác nhau.
8
31
2,32
2,44
42
44
2,44
37
2,52
1000
21,5
37
4,59
4,74
46
50
5,29
43
5,07
2000
36
42
8,14
8,38
54
54
8,46
48
8,55
3000
40
46
11,43
11,56
58
55
11,97
52
12,13
4000
45
50
14,19
14,27
59
59
14,54
53
14,96
5000
47
52
15,54
15,57
61
61
15,68
55
15,99
6000
20% tải
1,5
21
7,17
7,21
21
24
7,31
24
7,35
1000
12,5
26
14,23
14,33
32
32
14,81
32
15,82
2000
20
33
25,57
26,07
33
39
26,17
39
26,20
3000
30
35
33,81
33,82
38
44
35,55
44
35,73
4000
35
38
40,63
41,43
44
50
42,06
50
43,59
5000
39
42
44,43
45,70
48
51
46,09
51
48,93
6000
60% tải
-6
21
11,63
11,94
24
24
11,87
24
12,67
1000
-1
26
22,86
23,95
29
29
24,15
29
25,34
2000
8
29
40,44
42,83
32
32
42,99
32
43,93
3000
14
32
57,91
57,99
35
35
58,02
35
59,68
4000
19,5
32
68,03
68,60
35
35
68,67
35
74,04
5000
26
34
77,57
78,80
37
37
80,70
37
82,49
6000
100% tải
PHỤ LỤC 4. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TÍNH NĂNG KINH TẾ, KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG BỘ CHUYỂN ĐỔI
Phụ lục 4.1. Thay đổi hàm lượng phát thải và tiêu hao nhiên liệu của ô tô Toyota Vios
khi chạy động cơ nguyên bản theo chu trình thử Euro 2
Phát thải
Nhiên liệu Tiêu hao nhiên liệu (l/100km) CO2 (g/km) HC (g/km) NOx (g/km) CO (g/km)
E0 (RON92) 0,012 0,132 1,537 136,295 6,070
E30 0,049 0,166 0,847 151,371 6,597
E50 0,032 0,501 0,432 155,401 6,913
Phụ lục 4.2. Thay đổi hàm lượng phát thải và tiêu hao nhiên liệu của ô tô Toyota Vios
khi chạy động cơ được lắp bộ chuyển đổi theo chu trình thử Euro 2
Phát thải
Nhiên liệu Tiêu hao nhiên liệu (l/100km) HC (g/km) CO (g/km) CO2 (g/km) NOx (g/km)
E0 (RON92) 0,431 0,018 7,066 37,433 2,124
E30 0,392 0,026 5,988 34,332 2,144
E50 0,331 0,021 5,802 34,456 2,311
E85 0,232 0,019 4,975 36,155 2,731
E100 0,163 0,023 3,169 37,532 2,849
