Tóm tắt Luận án: Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol

MỞ ĐẦU<br /> i. Lý do chọn đề tài<br /> Ethanol là một trong những nguồn nhiên liệu sinh học (NLSH) thay thế tiềm năng cho<br /> động cơ đốt trong (ĐCĐT).<br /> Năm 2007, thủ tướng chính phủ ra quyết định số 177/2007/QĐ-TTg về “Đề án phát<br /> triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025” [11].<br /> Hiên nay, ở Việt Nam đang sử dụng xăng E5 cho động cơ xăng, nếu có thể sử dụng<br /> ethanol cho động cơ diesel chiếm tỷ 50% tổng số ĐCĐT thì sẽ góp phần nâng cao tỷ lệ sử<br /> dụng ethanol.<br /> Do vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ<br /> lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol”<br /> ii. Mục đích nghiên cứu của đề tài<br /> Chuyển đổi thành công một động cơ diesel ô tô sang chạy lưỡng nhiên liệu dieselethanol thông qua thiết kế cải tiến và chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu đảm bảo tỷ lệ<br /> thay thế ethanol tối ưu ở mọi chế độ làm việc của động cơ.<br /> Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ diesel-ethanol đến tính năng kỹ thuật và phát thải của<br /> động cơ.<br /> iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài<br /> Động cơ thực nghiệm được lựa chọn là loại động cơ diesel D4BB bốn xy lanh, bốn kỳ,<br /> sử dụng bơm phân phối lắp trên xe tải 1,25 tấn của hãng HYUNDAI.<br /> Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong phòng thí nghiệm với các chế độ ổn<br /> định cũng như chuyển tiếp trong toàn bộ vùng làm việc của động cơ.<br /> iv. Phương pháp nghiên cứu của đề tài<br /> Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu tổng quan, lý thuyết,<br /> mô phỏng và thực nghiệm.<br /> v. Ý nghĩa khoa học của đề tài<br /> Kết quả của đề tài góp phần nâng cao năng lực làm chủ và phát triển các công nghệ<br /> chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống sang sử dụng nhiên liệu sạch.<br /> Luận án đã đưa ra phương pháp xây dựng mô hình cháy của động cơ lưỡng nhiên liệu<br /> dựa trên số liệu thực nghiệm, làm tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về động cơ lưỡng<br /> nhiên liệu cũng như về điều khiển động cơ này.<br /> vi. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài<br /> Ngoài một động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol chuyển đổi từ động cơ diesel sử<br /> dụng trên ôtô, sản phẩm của đề tài còn là phương pháp và quy trình công nghệ chuyển đổi<br /> động cơ diesel sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol, có thể áp dụng linh hoạt cho<br /> các động cơ phổ biến ở Việt Nam nhằm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu sinh học.<br /> Qua đó góp phần thực hiện Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm<br /> nhìn đến năm 2025 đã được chính phủ phê duyệt, theo đó nhiên liệu sinh học sẽ đáp ứng<br /> 1% nhu cầu xăng dầu cả nước vào năm 2015 và 5% vào năm 2025 [11].<br /> vii. Điểm mới của luận án<br /> Đề tài đã đưa ra được phương pháp và cơ sở khoa học chuyển đổi động cơ diesel sang<br /> sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol nhằm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu sinh học ở Việt<br /> Nam.<br /> viii. Bố cục chính của luận án<br /> Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần chính sau: Mở đầu; bốn Chương;<br /> Kết luận chung và hướng phát triển.<br /> <br /> -1-<br /> <br /> CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU<br /> 1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường<br /> Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, nhu cầu vận chuyển bằng ôtô ngày càng<br /> tăng dẫn tới nhu cầu trong nước về nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch ngày càng tăng lên.<br /> Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường<br /> là rất quan trọng và thiết thực. Các nhà khoa học trong và ngoài nước đã và đang nghiên cứu<br /> sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế thân thiện với môi trường cho ĐCDT.<br /> 1.2. Nhiên liệu thay thế<br /> 1.2.1. Nhiên liệu thay thế dạng khí<br /> 1.2.1.1. Khí thiên nhiên nén (CNG-Compressed Natural Gas)<br /> CNG là khí không màu, không mùi, có nhiệt độ ngọn lửa khoảng 1950ºC và nhẹ hơn<br /> không khí.<br /> 1.2.1.2. Hyđrô và khí giàu hyđrô<br /> Hyđrô có thể được sản xuất từ nguồn hyđrôcacbon hóa thạch, từ nước và từ sinh khối<br /> bằng các phương pháp như reforming hơi nước, oxy hóa không hoàn toàn, nhiệt phân khí<br /> thiên nhiên, thu hồi H2 từ quá trình reforming và điện phân nước [1, 7].<br /> 1.2.2. Nhiên liệu thay thế dạng lỏng<br /> 1.2.1.1. Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas)<br /> LPG có thể sử dụng trực tiếp thay thế cho xăng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức hoặc<br /> cũng có thể sử dụng trên động cơ cháy do nén như là một phụ gia nhiên liệu.<br /> 1.2.1.2. Than hóa lỏng (CTL-Coal To Liquid) và khí hóa lỏng (GTL -Gas To Liquid)<br /> Than sau quá trình khí hoá, tạo ra syngas và thực hiện quá trình Fischer-Tropsch (FT)<br /> để tạo thành FT diesel (CTL). Trong khi đó, GTL được điều chế từ khí methane, CH4 [1].<br /> 1.2.1.3. Dimethyl Ether (DME)<br /> Dimethyl Ether (DME), công thức hoá học là CH3-O-CH3, là loại nhiên liệu có thể làm<br /> khí đốt và có khả năng thay thế cho diesel trên động cơ cháy do nén nhờ có trị số xêtan cao<br /> [1, 57].<br /> 1.2.1.4. Biodiesel<br /> Biodiesel có nhiệt trị thấp hơn diesel khoáng. Do đó, nếu hiệu suất cháy như nhau thì<br /> tiêu hao nhiên liệu sẽ cao hơn khi sử dụng biodiesel thay thế diesel khoáng [32].<br /> 1.2.1.5. Ethanol<br /> Hiện tại ethanol được sử dụng rộng rãi hơn cả cho các phương tiện giao thông vận tải<br /> [1].<br /> 1.3. Đặc điểm nhiên liệu ethanol<br /> 1.3.1. Các tính chất vật lý và hóa học của ethanol<br /> 1.3.1.1. Tính chất vật lý của ethanol<br /> Ethanol là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị<br /> cay, nhẹ hơn nước [7].<br /> 1.3.1.2. Tính chất hóa học của ethanol<br /> Phản ứng oxy hóa, trong đó rượu bị oxy hóa theo 3 mức: Oxy hóa không hoàn toàn<br /> (hữu hạn) tạo ra aldehyde, acid hữu cơ và oxy hóa hoàn toàn (đốt cháy) tạo thành CO 2 và<br /> H2O.<br /> 1.3.2. Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam<br /> 1.3.2.1. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới<br /> Mỹ và Brazil là hai quốc gia có sản lượng ethanol lớn nhất thế giới, chiếm khoảng<br /> 86,25% toàn bộ lượng ethanol sản xuất toàn cầu.<br /> <br /> -2-<br /> <br /> 1.3.2.2. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol tại Việt Nam<br /> Hiện tại, cả nước có bảy nhà máy ethanol với tổng mức đầu tư trên 500 triệu USD,<br /> tổng công suất thiết kế 600000 m3/năm.<br /> 1.4. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ đốt trong<br /> 1.4.1. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ xăng<br /> 1.4.1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước<br /> Đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu sử dụng ethanol cho động cơ xăng, trong đó có thể<br /> kể đến nghiên cứu [51] với nhiên liệu E5 và E10 đối chứng với xăng Mogas92. Cụ thể khi<br /> sử dụng xăng E5 và E10 cho động cơ xe máy và động cơ ôtô, công suất động cơ và suất tiêu<br /> hao nhiên liệu được cải thiện khi so sánh với trường hợp sử dụng xăng Moga92. Phát thải<br /> CO và HC giảm đáng kể. Trong khí đó, phát thải NOx và khí gây hiệu ứng nhà kính CO2<br /> đều tăng lên.<br /> 1.4.1.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài<br /> Có nhiều nghiên cứu như: Hsieh và các cộng sự [51], Abdel-Rahman và các cộng sự<br /> [23], Al-Hasan [60], Wu và các công sự [98], Yucesu và các cộng sự [102], Mustafa Koç<br /> và các cộng sự [69]. Qua các nghiên cứu cho thấy khi sử dụng nhiên liệu gasoline-ethanol<br /> ở dạng hòa trộn trước đều cho thấy cải thiện được công suất và mô men động cơ, đồng thời<br /> giảm các thành phần phải thải như CO, HC và NOx.<br /> 1.4.2. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel<br /> 1.4.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước<br /> Nghiên cứu về đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng<br /> hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn với tỷ lệ ethanol thay thế lần lượt là 5% và 10% [71].<br /> Kết quả cho thấy mô men động cơ và tiêu hao nhiên liệu thay đổi không đáng kể, phát thải<br /> HC, CO và độ khói giảm, phát thải NOx tăng khi so sánh với trường hợp sử dụng diesel gốc.<br /> Tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào công bố sử dụng ethanol cho động cơ diesel bằng phương<br /> pháp phun ethanol trực tiếp vào cửa nạp và điều khiển phối hợp lưỡng nhiên liệu dieselethanol phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ.<br /> 1.4.2.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài<br /> a) Sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn<br /> Đã có nhiều nghiên cứu như: E.A. Ajav và các cộng sự [42], Eugene EE và các cộng<br /> sự [43] …Kết quả cho thấy, ưu điểm của phương pháp này là không phải thay đổi kết cấu<br /> động cơ mà chỉ cần điều chỉnh thời điểm phun và lượng phun cho phù hợp với tỷ lệ ethanol<br /> thay thế để đảm bảo giữ được mô men và công suất động cơ. Tuy nhiên phương pháp này<br /> không tối ưu được tỷ lệ ethanol thay thế theo tốc độ và tải của động cơ, đồng thời ethanol<br /> có tính hút nước mạnh nên lượng nước trong hỗn hợp sẽ dần tăng lên và làm hỗn hợp bị<br /> phân tách, lượng nước này sẽ dần tăng lên trong quá trình bảo quản và lưu trữ gây khó khăn<br /> trong quá trình sử dụng.<br /> b) Ethanol phun trực tiếp<br /> Theo nghiên cứu của Savage LD [49], phương pháp này cho phép tỷ lệ ethanol lên tới<br /> 90% trong điều kiện lý tưởng. Công nghệ này còn tạo ra quá trình cháy êm dịu, độ mờ khói<br /> và khí thải rất thấp. Tuy nhiên áp dụng công nghệ này vào thực tế gặp nhiều khó khăn do<br /> tính phức tạp trong thiết kế hệ thống phun ethanol cao áp.<br /> c) Ethanol phun trên đường ống nạp<br /> Theo phương pháp này M. Abu-Qudais và các cộng sự [61], Ogawa H và cộng sự [72],<br /> Volpato và cộng sự [74]. Kết quả cho thấy, hiệu suất nhiệt được cải thiện khoảng 7,5% trên<br /> <br /> -3-<br /> <br /> toàn dải tốc độ. Về phát thải cho thấy CO, HC đều tăng trong khi smoke và soot giảm. Tỷ<br /> lệ ethanol tối ưu theo sự giảm độ khói là 20%.<br /> Từ các kết quả trên, cho thấy sử dụng phương pháp phun ethanol gián tiếp trên đường<br /> ống nạp là một phương pháp đơn giản và dễ áp dụng. Tuy nhiên phương pháp này có nhược<br /> điểm là không tận dụng được nhiệt của xupáp nạp nhằm tạo điều kiện bay hơi cho ethanol<br /> khi được phun vào nó.<br /> Qua các nghiên cứu đã trình bày ở trên cho thấy phương pháp phun ethanol vào xupáp<br /> bằng cách sử dụng vòi phun ethanol có áp suất thấp. Phương pháp này có các ưu điểm như<br /> sau:<br /> - Không phải thay đổi lớn kết cấu của động cơ, do vòi phun ethanol được đặt ở trên<br /> đường ống nạp;<br /> - Hệ thống nhiên liệu ethanol đơn giản giá thành thấp;<br /> - Do dùng hai hệ thống nhiên liệu riêng, nên việc ngắt phun ethanol dễ dàng;<br /> - Ethanol bay hơi trong đường ống nạp sẽ làm giảm nhiệt độ khí nạp giúp tăng mật độ<br /> không khí nạp nạp vào động cơ;<br /> - Dễ dàng tối ưu tỷ lệ giữa ethanol và diesel theo các chế độ làm việc của động cơ.<br /> Vì vậy tác giả chọn phương án phun ethanol vào xupáp nạp khi nghiên cứu chuyển đổi<br /> động cơ diesel sang chạy lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol.<br /> 1.5. Phương pháp xây dựng mô hình động cơ<br /> Nghiên cứu sinh lựa chọn mô hình làm việc theo thời gian thực dựa trên cơ sở nhiệt<br /> động học và mô phỏng mô hình điều khiển trên cùng một mô hình (SIL).<br /> Để nghiên cứu mô phỏng động cơ đốt trong có thể sử dụng nhiều phần mềm khác nhau.<br /> Cho đến nay có nhiều phần mềm đã và đang được sử dụng để nghiên cứu mô phỏng mô<br /> hình động cơ và phát triển các loại động cơ đốt trong bao gồm: AVL Boost, Diesel RK,<br /> Ricado WARE, Matlab Simulink... Trong đó nghiên cứu sinh lựa chọn phần mềm Matlab<br /> Simulink để xây dựng mô hình động cơ và thiết kế mô hình điều khiển động cơ trên mô hình<br /> này.<br /> 1.6. Phương pháp xây dựng mô hình bộ điều khiển<br /> Trong nghiên cứu thường hay sử dụng phương pháp xây dựng mô hình động cơ lưỡng<br /> nhiên liệu diesel-ethanol rồi tiến hành mô phỏng theo thời gian thực để tìm bộ dữ liệu điều<br /> khiển cung cấp nhiên liệu phối hợp, trên cơ sở đó thiết kế và chế tạo bộ điều khiển.<br /> 1.7. Nội dung nghiên cứu<br /> - Nghiên cứu tìm hiểu về nhiên liệu thay thế từ đó lựa chọn nhiên liệu thay thế cho<br /> động cơ diesel phù hợp điều kiện sản xuất tại Việt Nam;<br /> - Nghiên cứu tổng quan các biện pháp cung cấp ethanol cho động cơ diesel, từ đó đưa<br /> ra biện pháp áp dụng cho một động cơ diesel đang thịnh hành tại Việt Nam;<br /> - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình cháy của động cơ diesel khi phun thêm nhiên<br /> liệu ethanol cũng như động học và động lực học của động cơ nhằm đưa ra các điều kiện biên<br /> cần xác định;<br /> - Thiết kế lắp đặt hệ thống phun nhiên liệu ethanol trên động cơ và lắp đặt các cảm<br /> biến phù hợp để xác định điều kiện biên của mô hình tính;<br /> - Thực nghiệm xác định các thông số điều kiện biên và tỷ lệ thay thế ethanol lớn nhất;<br /> - Xây dựng mô hình động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol làm việc<br /> theo thời gian thực và đánh giá sai số của mô hình tính;<br /> - Thiết kế mô hình điều khiển diesel-ethanol trên mô hình động cơ phù hợp với các chế<br /> độ làm việc của động cơ;<br /> <br /> -4-<br /> <br /> - Thực nghiệm kiểm chứng mô hình điều khiển khi động cơ đặt trên băng thử, đánh giá<br /> sự ổn định của mô hình điều khiển.<br /> 1.8. Kết luận chương 1<br /> Phương án lựa chọn: phun ethanol vào xupáp nạp.<br /> Điều khiển phối hợp phun diesel-ethanol: giữ nguyên Me, giới hạn khói đen, kích nổ<br /> động cơ.<br /> Phương pháp tiêp cận: mô phỏng trực tiếp trên đối tượng bằng Matlab Simulink để<br /> thiết kế bộ điều khiển (ĐK) hệ thống nhiên liệu (HTNL) mới.<br /> CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG<br /> LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL LÀM VIỆC THEO THỜI GIAN<br /> THỰC<br /> 2.1. Đặt vấn đề<br /> Để xây dựng mô hình động cơ sử dụng lưỡng nhiêu liệu diesel-ethanol và mô hình điều<br /> khiển động cơ này trước hết cần phải nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình.<br /> 2.2. Mô hình trao đổi khí<br /> Lượng khí vào và ra khỏi xy lanh được xác định theo các nghiên cứu [36, 53].<br /> 2.3. Mô hình hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol.<br /> Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel:<br /> Xác định lượng nhiên liệu diesel phun ở chế độ ổn định theo vị trí tay ga và tốc độ bơm<br /> cao áp [63]. Có nghĩa là lượng nhiên liệu diesel là hàm phụ thuộc vào vị trí tay ga và tốc độ<br /> bơm cao áp np:<br /> (2.9)<br /> minj_die=f(% tay ga, np )<br /> ̇<br /> Trong đó: np- Tốc độ bơm cao áp (vg/ph).<br /> Lượng nhiên liệu này được xác định bằng biện pháp thực nghiệm khi động cơ lắp trên<br /> băng thử, hoặc đo trên thiết bị cân bơm cao áp.<br /> Còn mô hình phun ethanol được xác định trên cơ sở số liệu thực nghiệm giữa lượng<br /> phun ethanol và thời gian mở vòi phun.<br /> 2.4. Mô hình động lực học<br /> Chuyển vị piston (x), thể tích xy lanh (V), tốc độ thay đổi thể tích xy lanh (dV), tốc độ<br /> trung bình của piston, tốc độ động cơ, mô men quán tính của động cơ…được xác định theo<br /> quy luật động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền, các nghiên cứu [8, 9, 66].<br /> 2.5. Mô hình ma sát<br /> Xây dựng mô hình ma sát là cơ sở để xác định tổn thất ma sát của động cơ đốt trong<br /> nói chung trong đó có động cơ diesel. Tổn thất ma sát theo góc quay trục khuỷu bao gồm<br /> hai nhóm sau:<br /> - Nhóm ma sát do piston chuyển động bao gồm: ma sát do độ nhớt của dầu bôi trơn<br /> xéc măng; ma sát hỗn hợp của dầu bôi trơn xéc măng; ma sát của váy piston.<br /> - Nhóm ma sát do chuyển động của các trục gồm: ma sát của các xupáp; ma sát do tải<br /> và phụ tải truyền lên các cổ trục; ma sát do tải tác dụng lên các ổ đỡ.<br /> 2.6. Mô hình truyền nhiệt<br /> Nhiệt truyền cho xy lanh được xác định theo định luật làm mát Newton, theo các nghiên<br /> cứu [53-55] nhiệt lượng truyền cho xy lanh được xác định như sau:<br /> dQht dQht dt<br /> 1<br /> (2.26)<br /> =<br /> . =A.hg .(T-Tw ). (J/rad)<br /> dθ<br /> <br /> dt<br /> <br /> dθ<br /> <br /> ωe<br /> <br /> 2.7. Mô hình cháy<br /> 2.7.1. Cơ sở lựa chọn mô hình cháy<br /> <br /> -5-<br /> <br />