Luận án Nâng cao tính năng kinh tế-kỹ thuật và giảm mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ xe gắn máy chạy bằng LPG và ethanol

Nội dung text: Luận án Nâng cao tính năng kinh tế-kỹ thuật và giảm mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ xe gắn máy chạy bằng LPG và ethanol

1. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác! Đà Nẵng, tháng 11 năm 2021 Nghiên cứu sinh Bùi Văn Tấn I
2. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I MỤC LỤC II DANH MỤC CÁC HÌNH VI DANH MỤC BẢNG XIII DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT XIV MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4 4. Phương pháp nghiên cứu 5 5. Cấu trúc nội dung luận án 5 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 5 7. Các điểm mới chủ yếu của luận án 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU LPG-ETHANOL CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 7 1.1. Nhiên liệu sạch 7 1.2. Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học 8 1.2.1. Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới 8 1.2.2. Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam 8 1.3. Tình hình nghiên cứu sử dụng LPG trên động cơ đốt trong 10 1.3.1. Những đặc tính cơ bản của nhiên liệu LPG 10 1.3.2. Nghiên cứu sử dụng LPG trên động cơ ô tô 10 1.3.3. Nghiên cứu sử dụng LPG trên động cơ xe gắn máy 12 1.4. Tình hình nghiên cứu ứng dụng ethanol trên động cơ đốt trong 14 1.4.1. Những đặc tính cơ bản của nhiên liệu ethanol 14 1.4.2. Nghiên cứu ứng dụng ethanol trên động cơ đốt trong 16 1.5. Tình hình nghiên cứu ứng dụng kết hợp nhiên liệu LPG-ethanol trên động cơ đốt trong 20 1.6. Kết luận chương 1 24 II
3. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY 26 2.1. Hệ phương trình chảy rối 26 2.2. Lý thuyết quá trình cháy nhiên liệu khí 27 2.2.1. Lý thuyết cháy của hỗn hợp không hòa trộn trước 28 2.2.2. Lý thuyết quá trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước 36 2.2.3. Lý thuyết quá trình cháy hòa trộn trước cục bộ 42 2.3. Kết luận chương 2 44 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH NẠP, CHÁY VÀ PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ XE GẮN MÁY CHẠY BẰNG LPG-ETHANOL 46 3.1. Mục tiêu, đối tượng và phương pháp mô phỏng 46 3.1.1. Mục tiêu, đối tượng 46 3.1.2. Phương pháp mô phỏng 47 3.2. Đặc điểm quá trình cung cấp nhiên liệu LPG-ethanol 50 3.3. Mô phỏng quá trình nạp nhiên liệu LPG-ethanol 50 3.3.1. Mô hình hình học của động cơ và điều kiện biên mô phỏng 50 3.3.2. Ảnh hưởng đặc tính lý hóa của ethanol, LPG đến quá trình phun 53 3.3.3. Quá trình hình thành hỗn hợp khi phun nhiên liệu LPG-ethanol 54 3.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp đến việc hình thành hỗn hợp 62 3.3.5. Điều chỉnh thời gian phun ethanol-LPG theo áp suất trên đường nạp 67 3.4. Mô phỏng quá trình cháy hỗn hợp 72 3.4.1. Ảnh hưởng của hệ số tương đương 73 3.4.2. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm 75 3.4.3. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ 76 3.4.4. Ảnh hưởng của hàm lượng ethanol 80 3.5. Mô phỏng phát thải ô nhiễm khi sử dụng LPG-ethanol 81 3.5.1. Cơ chế hình thành các chất ô nhiễm 81 3.5.2. Đặc điểm phát thải các chất ô nhiễm 83 3.6. Kết luận chương 3 94 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 96 III
4. 4.1. Mục đích và nội dung nghiên cứu thực nghiệm 96 4.2. Trang thiết bị nghiên cứu 97 4.2.1. Các thiết bị của bộ tạo tải động cơ 97 4.2.2. Thiết bị phân tích khí xả động cơ MGT5 101 4.3. Chuyển đổi xe gắn máy chạy xăng sang chạy bằng LPG-ethanol 103 4.3.1. Hệ thống phun xăng PGM-FI của động cơ J52C xe Honda RSX 103 4.3.2. Thiết kế mạch điều khiển phun nhiên liệu xăng-LPG-ethanol 105 4.4. Thử nghiệm xe gắn máy chạy bằng nhiên liệu LPG-ethanol trên đường thực 111 4.4.1. Chuẩn bị nhiên liệu 111 4.4.2. Điều kiện thử nghiệm 111 4.4.3. Kết quả thử nghiệm 112 4.5. Thử nghiệm xe gắn máy chạy bằng nhiên liệu LPG-ethanol trên bộ tạo tải động cơ 113 4.5.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm 113 4.5.2. Lắp đặt động cơ xe gắn máy lên bộ tạo tải động cơ 114 4.5.3. Quy trình thử nghiệm xe gắn máy trên bộ tạo tải động cơ 117 4.5.4. Các biểu thức quan hệ giữa các đại lượng đo khi thực nghiệm 118 4.6. Đánh giá kết quả thử nghiệm và so sánh kết quả mô phỏng 120 4.6.1. So sánh ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến tính năng động cơ cho bởi mô phỏng và thực nghiệm 120 4.6.2. So sánh ảnh hưởng hàm lượng ethanol đến tính năng động cơ cho bởi mô phỏng và thực nghiệm 122 4.7. Kết luận chương 4 126 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 127 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO 133 PHỤ LỤC 142 IV
5. PHỤ LỤC 1. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH NẠP VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ XE GẮN MÁY CHẠY BẰNG XĂNG-ETHANOL-LPG BẰNG PHẦN MỀM ANSYS FLUENT 142 PHỤ LỤC 2. CODE LẬP TRÌNH ARDUINO ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHUN XĂNG - LPG VÀ XĂNG - ETHANOL 158 V
6. DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Tổng lượng nhiên liệu lỏng thế giới sản xuất và tiêu thụ giai đoạn 2016÷2022 (triệu thùng/ ngày) [81] 7 Hình 1.2: Sản lượng ethanol (triệu gallon) top các nước hàng đầu thế giới [88] 8 Hình 1.3: Lắp đặt bộ chế hòa khí 12 Hình 1.4: "Greenbus": xe buýt cỡ nhỏ chạy bằng LPG 12 Hình 1.5: Ðộng cơ xe gắn máy 110cc sau khi lắp bộ chế hòa khí hai nhiên liệu LPG/xăng 13 Hình 1.6: Xe gắn máy kiểu WAVE 110cc sau khi lắp xong hệ thống hai nhiên liệu LPG/xăng 13 Hình 1.7: Cấu trúc phân tử của ethanol và liên kết phân tử 14 Hình 1.8: Bố trí hệ thống thử nghiệm cung cấp LPG-ethanol cho động cơ [73] 20 Hình 1.9: Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến phát thải CO 21 Hình 1.10: Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến phát thải CO2 21 Hình 1.11: Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến nồng độ O2 trong khí thải 22 Hình 1.12: Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến phát thải THC 22 Hình 1.13: Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến phát thải NOx 22 Hình 1.14: Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến nhiệt độ khí thải 22 Hình 1.15: Bố trí thực nghiệm động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu LPG-ethanol . 23 Hình 1.16: Bố trí thực nghiệm đánh giá hiệu suất và phát thải động cơ SI sử dụng xăng và hỗn hợp LPG-ethanol 23 Hình 2.1: Biểu diễn đồ thị hàm mật độ xác suất p(f) 32 Hình 2.2: Ví dụ hàm PDF delta kép 33 2 Hình 2.3: Sự phụ thuộc logic của đại lượng trung bình i vào f , f ' và H, và mô hình hóa học (hệ thống không đoạn nhiệt, một thành phần hỗn hợp) 35 Hình 3.1: Giới thiệu động cơ J52C lắp trên xe Honda RSX 110cc đã cải tạo 47 Hình 3.2: Mô hình hình học đường nạp và buồng cháy động cơ J52C 51 Hình 3.3: Điều kiện biên và thông số ban đầu 51 VI
7. Hình 3.4: Chia lưới không gian tính toán và đặc trưng của các phần tử 52 Hình 3.5: Trình tự thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Ansys Fluent 53 Hình 3.6: Diễn biến mật độ hạt và sự phân bố ethanol, LPG trong xi lanh khi động cơ chạy ở tốc độ 5000 vg/ph và 3000 vg/ph, bướm ga mở hoàn toàn 56 Hình 3.7: Diễn biến mật độ hạt và sự phân bố ethanol, LPG trong xi lanh trong kỳ nạp khi động cơ chạy ở tốc độ 7000 vg/ph, bướm ga mở hoàn toàn 57 Hình 3.8: Diễn biến mật độ hạt và sự phân bố ethanol, LPG trong xi lanh trong kỳ nén khi động cơ chạy ở tốc độ 7000 vg/ph, bướm ga mở hoàn toàn 58 Hình 3.9: Biến thiên mật độ hạt và nồng độ hơi ethanol (a); Biến thiên nồng độ ethanol, LPG và hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu (b) (BG0, n=5000 vg/ph) 59 Hình 3.10: Ảnh hưởng của vị trí bướm ga đến sự phân bố nồng độ ethanol trong xilanh 60 Hình 3.11: Biến thiên mật độ hạt và nồng độ hơi ethanol (a); Biến thiên nồng độ ethanol, LPG và hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu (b) (BG45, n=5000 vg/ph) 61 Hình 3.12: Biến thiên của mật độ hạt nhiên liệu lỏng và tốc độ bay hơi của ethanol E15L (a) và E30L (b) đối với góc quay trục khuỷu (n=5000 vg/ph, Tnạp=315K) 61 Hình 3.13: Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp đến tốc độ bốc hơi hạt nhiên liệu ethanol trong quá trình nạp và nén (BG0, E30L, n=5000 vg/ph) 62 Hình 3.14: Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp đến mật độ hạt nhiên liệu ethanol lỏng khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vg/ph (a), 5000 vg/ph (b) và 7000 vg/ph (c) với nhiên liệu E30L 63 Hình 3.15: Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp đến biến thiên hệ số tương đương khi động cơ chạy bằng nhiên liệu LPG-ethanol E30L, n=5000 vg/ph 64 Hình 3.16: Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp đến biến thiên mật độ hạt nhiên liệu lỏng (a) và tốc độ bốc hơi hạt nhiên liệu lỏng (b) (n=7000 vg/ph, BG0) 65 VII
8. Hình 3.17: Biểu diễn phân bố nhiên liệu và hệ số tương đương trong buồng cháy ở giai đoạn đánh lửa trong trường hợp động cơ chạy bằng ethanol (a) và E30L (b) với cùng hệ số tương đương =1 và góc đánh lửa sớm s=15 TK, Tnạp=310K. 66 Hình 3.18: Biến thiên áp suất trong xi lanh trong kỳ nạp và nén khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vg/ph và 6500 vg/ph ở chế độ toàn tải BG0 (a) và chế độ tải cục bộ BG45 (b) 67 Hình 3.19: Ảnh hưởng của độ mở bướm ga đến biến thiên hệ số tương đương khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vg/ph (a) và 6500 vg/ph (b) 68 Hình 3.20: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên hệ số tương đương của hỗn hợp trong xi lanh khi cố định thời gian phun LPG và ethanol 68 Hình 3.21: Ảnh hưởng độ mở bướm ga đến biến thiên hệ số tương đương của hỗn hợp trong xi lanh khi cố định thời gian phun LPG và ethanol 69 Hình 3.22: Biến thiên hệ số tương đương thành phần khi cố định điều kiện phun ethanol, LPG ở chế độ toàn tải BG0 (a) và tải cục bộ BG45 (b) 70 Hình 3.23: Biến thiên hệ số tương đương và hệ số k theo tốc độ động cơ khi thời gian phun cố định (a) và thời gian phun điều chỉnh (b) trong trường hợp động cơ chạy ở tải cục bộ BG45; a. BG45, tp-LPG =0,5ms; tp-Etha=0,61ms; b. BG45, tp điều chỉnh để đạt  =1 và Etha/ LPG=1 71 Hình 3.24: Biến thiên hệ số tương đương và hệ số k theo tốc độ động cơ bướm ga mở hoàn toàn; a. BG0, tp-LPG=1 ms; tp-Etha=1,26 ms; b. BG0, tp điều chỉnh để đạt  =1 và Etha/ LPG=1 71 Hình 3.25: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên áp suất trong xi lanh (a) và nhiệt độ cháy T (b) theo góc quay trục khuỷu (E30L, n=5000 vg/ph, s=25 TK) 73 Hình 3.26: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến công chỉ thị chu trình Wi và công suất có ích Pe (E30L, n=5000 vg/ph, s=20 TK) 74 Hình 3.27: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên áp suất, tốc độ tỏa nhiệt HRR theo góc quay trục khuỷu (a) và thể tích tích công tác Vh (b) (E30L, n=5000 vg/ph, s=20 TK) 74 VIII
9. Hình 3.28: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến biến thiên áp suất trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu (a) và theo thể tích công tác (b) (E30L, n=5000 vg/ph, =1) 75 Hình 3.29: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến biến thiên áp suất cực đại (a), nhiệt độ cháy (b) theo góc quay trục khuỷu (E15L, n=5000 vg/ph, =1, BG0) 76 Hình 3.30: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên áp suất trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu (a) và theo thể tích công tác (b) (E30L, =1, s=25 TK) 77 Hình 3.31: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên áp suất trong xilanh, tốc độ tỏa nhiệt HRR (a) và nhiệt độ cháy T (b) (E30L, =1, s=20 TK) 77 Hình 3.32: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên công chỉ thị chu trình Wi theo góc đánh lửa sớm trong trường hợp động cơ chạy bằng LPG (E0L) (a) và chạy bằng ethanol (E100L) (b), =1 78 Hình 3.33: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến công chỉ thị chu trình Wi và công suất có ích Pe (E30L, =1, góc đánh lửa sớm tối ưu) 79 Hình 3.34: Ảnh hưởng của hàm lượng ethanol đến biến thiên áp suất trong xilanh (a) và nhiệt độ cháy T (b) (=1, s=20 TK) 80 Hình 3.35: Ảnh hưởng của hàm lượng ethanol đến biến thiên áp suất và tốc độ tỏa nhiệt (a) và biến thiên áp suất theo thể tích công tác (b) (=1, n=4000 vg/phút, s=20 TK) 80 Hình 3.36: Ảnh hưởng của hàm lượng ethanol đến công chỉ thị Wi và công suất có ích của động cơ (=1, n=5000 vg/ph, s=20 TK) 81 Hình 3.37: Ảnh hưởng của hệ số tương đương  đến HC khi chạy bằng hỗn hợp ethanol-LPG (E30L, n=5000 vg/ph, Tnạp=320K) 83 Hình 3.38: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên nồng độ NOx (a) và CO (b) 84 Hình 3.39: Tổng hợp ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên nồng độ HC, CO và NOx và nhiệt độ cháy của động cơ (E30L, n=5000 vg/ph, s=30 TK) . 85 IX
10. Hình 3.40: Hình thành bồ hóng trong buồng cháy động cơ J52C chạy bằng ethanol- LPG (n=5000 vg/ph, Tnạp=320K, E30L, =1,1 ở =355 TK và =365 TK) 85 Hình 3.41: So sánh biến thiên nồng độ bồ hóng khi động cơ chạy bằng ethanol (E100L) và ethanol-LPG (E30L), n=5000 vg/ph 86 Hình 3.42: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm s đến biến thiên nồng độ HC (a); NOx (b) và CO (c) (E15L, n=5000 vg/ph, =1) 87 Hình 3.43: Tổng hợp ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm s đến biến thiên nồng độ HC, CO và NOx và nhiệt độ cháy T (E15L, n=5000 vg/ph, =1) 88 Hình 3.44: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên của nhiệt độ cháy (a) và nồng độ HC (b) trong khí thải của động cơ (E30L, ϕ=1, φs=20 TK) 89 Hình 3.45: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên của nồng độ CO (a) và NOx (b) trong khí thải của động cơ (E30L, ϕ=1, φs=20 TK, BG45) 90 Hình 3.46: Tổng hợp ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên nồng độ NOx, CO, HC và nhiệt độ cháy T (E30L, ϕ=1, φs=20 TK) 91 Hình 3.47: Ảnh hưởng của hàm lượng ethanol đến biến thiên của nhiệt độ cháy (a), nồng độ HC (b), nồng độ CO (c) và nồng độ NOx (d) trong khí thải của động cơ (n=5000 vg/ph, BG45, ϕ=1, φs=20 TK) 92 Hình 3.48: Tổng hợp ảnh hưởng của hàm lượng ethanol đến sự biến thiên của nhiệt độ cháy, nồng độ NOx, CO và HC (n=5000 vg/ph, ϕ=1, s=20 TK) 93 Hình 4.1: Sơ đồ lắp đặt Loadcell 98 Hình 4.2: Cấu tạo và sơ đồ mạch điện của encoder tương đối 99 Hình 4.3: Kết nối servo với vi điều khiển Arduino 99 Hình 4.4: Sơ đồ cấu tạo bộ tạo tải động cơ xe gắn máy 100 Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý xác định nồng độ khí thải của thiết bị MGT5 [91] 101 Hình 4.6: Thiết bị phân tích khí xả động cơ xăng MGT5 102 Hình 4.7: Bố trí các cảm biến trên động cơ và trên xe gắn máy Honda RSX 104 Hình 4.8: Sơ đồ hệ thống cung cấp đa nhiên liệu liệu xăng-ethanol-LPG cho động cơ xe gắn máy 105 X
11. Hình 4.9: Họng nạp nguyên bản (a), lỗ khoan để lắp vòi phun thứ hai (b), họng nạp sau cải tạo (c) 106 Hình 4.10: Sơ đồ nối dây mạch vi điều khiển 107 Hình 4. 11: Sơ đồ kết nối ICU điều khiển phun LPG-ethanol và ECM của động cơ 108 Hình 4. 12. Sơ đồ thuật toán điều khiển các vòi phun 109 Hình 4. 13: Xung xác định ĐCT, xung phun LPG, xung phun ethanol 110 Hình 4. 14: Biến thiên độ rộng các xung điều khiển vòi phun 110 Hình 4.15: Thử nghiệm xe trên đường 111 Hình 4.16: Quãng đường xe gắn máy chạy được ứng với 1 kg nhiên liệu/hỗn hợp nhiên liệu theo tỉ lệ ethanol/xăng, ethanol/LPG 112 Hình 4.17: Sơ đồ bố trí thí nghiệm 113 Hình 4.18: Ống dẫn dầu bôi trơn động cơ 114 Hình 4.19: Gá đặt động cơ lên bộ tạo tải không cần tháo rời động cơ 115 Hình 4.20: Gá đặt động cơ lên bộ tạo tải thông qua khớp nối mềm 115 Hình 4.21: Vòi phun nhiên liệu khí LPG và servo motor điều khiển bướm ga 116 Hình 4.22: Board mạch vi điều khiển Arduino, điều khiển tải động cơ và vòi phun 116 Hình 4.23: Điện trở tải cố định được đấu vào đầu ra của phanh điện 117 Hình 4.24: Hệ thống thí nghiệm sau khi đã lắp đặt đầy đủ các bộ phận 117 Hình 4.25: So sánh ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến công suất và phát thải ô nhiễm của động cơ cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (E30L, =1, s tối ưu) 120 Hình 4.26: Biến thiên công suất đầu ra Pe theo hàm lượng ethanol thay đổi từ E0L đến E40L cho bởi mô phỏng và thực nghiệm khi chạy bằng LPG-ethanol 121 Hình 4.27: So sánh sự biến thiên của nồng độ CO (a) và nồng độ NOx (b) và HC (c) theo hàm lượng ethanol thay đổi từ E0L đến E40L cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (=1, n=4000 vg/ph, s=20 TK) 123 XI
12. Hình 4.28: So sánh công suất và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ khi chạy bằng LPG (E0L) cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (=1, n=4500 vg/phút, s=28 TK) 124 Hình 4.29: So sánh công suất và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ khi chạy bằng nhiên liệu E40L cho bởi mô phỏng và thực nghiệm (=1, n=4500 vg/phút, s=28 TK) 125 XII
13. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Tình hình sản xuất ethanol - sắn nguyên liệu pha chế xăng sinh học ở nước ta, [19] 9 Bảng 1.2: Đặc tính chính của các phương pháp tạo hỗn hợp LPG/không khí 11 Bảng 1.3: Yêu cầu kỹ thuật đối với ethanol nhiên liệu biến tính [8] 15 Bảng 1.4: Tính chất hóa học và vật lý của ethanol, xăng, propane và butane [14] 16 Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật động cơ J52C xe Honda RSX Fi 46 Bảng 3.2: Các giá trị tính của điều kiện biên mô phỏng 51 Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật thiết bị phân tích khí thải MGT5 102 Bảng 4.2: Kết quả chạy xe trên đường thực 107 Bảng 4.3: Bảng thống kê kết quả thực nghiệm trên cơ cấu bộ tạo tải và thiết bị phân tích khí xả động cơ xăng MGT5 .115 XIII
14. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. Các ký hiệu mẫu tự La tinh: Ký hiệu Diễn giải Thứ nguyên p Áp suất [bar] T Nhiệt độ [K] Me Mô men có ích [N.m] Ne Công suất có ích [kW] Wi Công chỉ thị chu trình J/ct n Tốc độ động cơ [vòng/phút] 3 Vh Thể tích công tác [cm ] TK Độ theo góc quay trục khuỷu [o] O2 Oxygen [%] CO2 Carbon dioxide [%] CO Carbon monoxide [%] HC Hydrocacbon [ppm] NOx Nitrogen oxides [ppm] BG Độ mở bướm ga [o] E5 E30 Hỗn hợp xăng pha 5% 30% thể tích ethanol [-] E85 Hỗn hợp xăng pha 85% thể tích ethanol [-] Tỉ lệ x% theo khối lượng của ethanol trong ExL [-] hỗn hợp LPG-ethanol E0L Hỗn hợp có 100% là LPG [-] Tỉ lệ 15% theo khối lượng của ethanol trong E15L [-] hỗn hợp LPG-ethanol XIV
15. Ký hiệu Diễn giải Thứ nguyên Tỉ lệ 30% theo khối lượng của ethanol trong E30L [-] hỗn hợp LPG-ethanol Tỉ lệ 45% theo khối lượng của ethanol trong E45L [-] hỗn hợp LPG-ethanol Tỉ lệ 70% theo khối lượng của ethanol trong E70L [-] hỗn hợp LPG-ethanol E100L Hỗn hợp có 100% là Ethanol [-] Ev Tốc độ bay hơi của hạt nhiên liệu lỏng [mg/s] 3 3 fv Biến thiên nồng độ bồ hóng [m /m ] 3 mv Biến thiên nồng độ hơi Ethanol [mg/m ] dpm Biến thiên mật độ hạt nhiên liệu lỏng [g/m3] k Tỷ lệ hệ số tương đương [-] t Thời gian phun [ms] tp_LPG Thời gian phun LPG [ms] tp_Etha Thời gian phun Ethanol [ms] Uđm Điện áp định mức [V] Iđm Dòng điện định mức [A] 2. Các ký hiệu mẫu tự Hy Lạp Ký hiệu Diễn giải Thứ nguyên Góc quay trục khuỷu [o] o s Góc đánh lửa sớm [ ]  Tỉ số nén [-]  Hệ số tương đương [-] _Ethanol Hệ số tương đương của Ethanol [-] _LPG Hệ số tương đương của LPG [-] XV
16. 3. Các chữ viết tắt Ký hiệu Diễn giải A/F Air/Fuel (Tỷ lệ không khí/ nhiên liệu theo khối lượng) CNG Compressed Natural Gas (khí nén thiên nhiên) CKP Crankshaft Position Sensor (Cảm biến vị trí trục khuỷu) DI Direct Injection (động cơ phun nhiên liệu trực tiếp) ECU Electronic Control Unit (Bộ điều khiển điện tử) Engine Coolant Temperature (Cảm biến nhiệt độ nước làm ECT mát) EOT Engine Oil Temp sensor (Cảm biến nhiệt độ dầu động cơ) FFV Flex Fuel Vehicle (Xe sử dụng nhiên liệu linh hoạt) GATEC Nhóm nghiên cứu động cơ sử dụng năng lượng tái tạo IC Intelligent Controller (Bộ điều khiển thông minh) Injection Control Unit (Bộ điều khiển phun ethanol/LPG điện ICU tử) IACV Idle Air Control Valve (Van điều khiển không tải) IAT Intake Air Temperature sensor (Cảm biến nhiệt độ khí nạp) LPG Liquified Petroleum Gas (Khí dầu mỏ hóa lỏng) MAP Manifold absolute pressure sensor (Cảm biến áp suất khí nạp) International Organization of Motor Vehicle Manufacturers OICA (Hiệp hội các nhà sản xuất Ô tô) PI Port Injection (Động cơ phun trên đường nạp) Programmed Fuel Injection (Chương trình điều khiển phun PGM-FI nhiên liệu điện tử) SI Spark Ignition (Động cơ đánh lửa cưỡng bức) XVI
17. Ký hiệu Diễn giải TWC Theree Way Catalyst (Bộ xúc tác 3 chức năng) TP/ TPS Throttle position sensor (Cảm biến vị trí bướm ga) UK Energy Research Centre (Trung tâm nghiên cứu năng UKERC lượng Anh) WEC World Energy Council (Hội đồng năng lượng thế giới) XVII
18. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Thế giới ngày càng phát triển, đi kèm với với nó là nhu cầu vận chuyển, đi lại ngày càng cao, làm gia tăng nhanh chóng số lượng, chủng loại phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là phương tiện cá nhân. Điều này gây tác động mạnh mẽ đến vấn đề an ninh năng lượng và phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính gây biến đổi khí hậu. Để giải quyết hai vấn đề trên, các nghiên cứu ngày nay tập trung theo hướng sử dụng năng lượng điện và ứng dụng năng lượng tái tạo thay thế một phần hay hoàn toàn các loại nhiên liệu hóa thạch sử dụng trên phương tiện giao thông. Khác với các nước phát triển, xe gắn máy là phương tiện giao thông cá nhân chính ở nước ta với mật độ trung bình cứ hai người dân có một xe gắn máy, thuộc vào nhóm những nước có mật độ xe gắn máy cao nhất thế giới. Tình hình này vẫn còn kéo dài trong vài thập kỷ tới. Số lượng xe máy đã tăng từ 1,2 triệu chiếc năm 1990 lên hơn 58 triệu chiếc năm 2018 [79]. Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh có số lượng lớn nhất, với gần 6 triệu chiếc và 8,5 triệu chiếc. Khí thải từ các phương tiện này làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng không khí, ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường sống và làm tăng nồng độ CO2 trong bầu khí quyển. Trong khi nhiều công nghệ mới đã được áp dung trên ô tô để giảm phát thải CO2 và các chất ô nhiễm thì hầu như xe gắn máy chưa được cải tiến gì nhiều để nâng cao hiệu quả quá trình cháy [1]. Vấn đề ô nhiễm khí thải từ các phương tiện tham gia giao thông đã được Chính phủ và các cơ quan chức năng quan tâm từ rất lâu. Năm 1995, Việt Nam đã ban hành quy định kiểm soát khí thải ô tô theo tiêu chuẩn Euro 2. Kể từ tháng 01 năm 2017, các loại xe ô tô sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức Euro 4 còn các loại xe mô tô hai bánh sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức Euro 3 [85]. Với tính đặc thù về phương tiện giao thông nêu trên, việc áp dụng các công nghệ để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm của xe gắn 1
19. máy là rất cần thiết để tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải CO2 và bảo vệ môi trường ở nước ta. Một trong những giải pháp có tính khả thi cao là sử dụng nhiên liệu thay thế- tái tạo thay cho xăng. Trong các loại nhiên liệu dùng để thay thế xăng thì CNG và LPG có nhiều lợi thế. CNG là nhiên liệu sạch, có mức phát thải HC và CO trung bình thấp hơn tương ứng 92% và 78% so với nhiên liệu xăng. Tuy nhiên, bình chứa CNG cồng kềnh và lưu trữ ở áp suất cao là những rào cản chính cho việc ứng dụng rộng rãi loại nhiên liệu thay thế này trên xe máy. LPG với áp suất hóa lỏng thấp có thể khắc phục được nhược điểm trên của CNG. So với xăng, xe chạy bằng LPG có lượng phát thải NOx và CO thấp hơn tương ứng 20% và 60%. Theo các công trình nghiên cứu của nhóm nghiên cứu động cơ nhiên liệu khí (GATEC)-Đại học Đà Nẵng thì việc áp dụng LPG là một giải pháp thích hợp để giảm phát thải ô nhiễm của xe gắn máy [86]. Mặc dù được xem là nhiên liệu “sạch” nhưng CNG cũng như LPG đều là những nhiên liệu hóa thạch nên việc sử dụng chúng làm tăng nồng độ CO2 trong bầu khí quyển. Vì vậy việc sử dụng kết hợp các loại nhiên liệu này với các loại nhiên liệu tái tạo khác sẽ mang lại lợi ích thiết thực trong công tác bảo vệ môi trường. Trong điều kiện thực tế về cung ứng nhiên liệu hiện nay cũng như tính đặc thù về kết cấu xe gắn máy thì việc sử dụng kết hợp giữa LPG và ethanol là giải pháp phù hợp. Ethanol là nhiên liệu tái tạo nên việc sử dụng nó làm nhiên liệu sẽ không làm gia tăng nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Mặt khác, ethanol có chỉ số octane cao, làm tăng tính chống kích nổ của động cơ. Do ethanol có chứa oxygen nên cháy sạch, làm giảm phát thải các chất ô nhiễm. Vì vậy việc kết hợp sử dụng LPG và ethanol sẽ cải thiện được tính năng kỹ thuật và giảm phát thải ô nhiễm của xe gắn máy. Ethanol hiện nay đã được pha trộn với xăng theo tỷ lệ nhất định, gọi là xăng sinh học, để sử dụng trên phương tiện giao thông. Việc cung cấp xăng sinh học với tỷ lệ ethanol thấp (dưới 15%) cho động cơ xăng không làm thay đổi hệ thống cung 2
20. cấp nhiên liệu của xe. Tuy nhiên do ethanol và LPG có trạng thái khác nhau trong điều kiện môi trường nên việc ứng dụng LPG-ethanol cho động cơ đòi hỏi những giải pháp kỹ thuật phức tạp hơn liên quan đến hệ thống cung cấp nhiên liệu. Nghiên cứu động cơ sử dụng ethanol hay xăng sinh học đã được nhiều nhà khoa học thực hiện, tuy nhiên những công trình nghiên cứu phối hợp sử dụng LPG và ethanol trên xe gắn máy hầu như rất hiếm hoi. Vì vậy việc nghiên cứu tìm kiếm giải pháp công nghệ hiệu quả để có thể tận dụng ưu điểm của cả LPG và ethanol làm nhiên liệu cho xe gắn máy là rất cần thiết. Với các lý do đó, đề tài “Nâng cao tính năng kinh tế-kỹ thuật và giảm mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ xe gắn máy chạy bằng LPG và ethanol” mang ý nghĩa thiết thực ở nước ta. Đề tài này góp phần phát triển công nghệ cung cấp nhiên liệu lỏng/khí riêng rẽ với thành phần nhiên liệu có thể thay đổi linh hoạt, phù hợp với các chế độ vận hành của động cơ. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ nêu bật các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ chạy bằng LPG-ethanol để định hướng cho việc thiết kế hệ thống điều khiển động cơ nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng xe gắn máy sử dụng nhiên liệu thay thế-tái tạo. 2. Mục tiêu nghiên cứu 2.1. Mục tiêu tổng quát Tận dụng tối đa lợi thế của LPG và ethanol làm nhiên liệu cho xe gắn máy nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải các chất ô nhiễm và CO2. 2.2. Mục tiêu cụ thể Cải tạo hệ thống phun xăng của xe gắn máy thành hệ thống cung cấp nhiên liệu lỏng/khí ethanol/LPG với thành phần nhiên liệu có thể thay đổi linh hoạt theo chế độ vận hành của động cơ, hạn chế thay đổi kết cấu của động cơ nguyên thủy. Tính toán mô phỏng và so sánh với thực nghiệm về ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ chạy bằng LPG-ethanol để định hướng phát triển hệ thống điều khiển động cơ tối ưu. Xây dựng nền tảng kỹ thuật ban đầu để tiếp tục nghiên cứu phát triển công nghệ, tiến tới nâng cấp dòng động cơ xe gắn máy thế hệ mới chạy bằng nhiên liệu 3
21. thay thế-tái tạo, góp phần giảm phát thải các chất ô nhiễm và chất khí gây ứng nhà kính, đa dạng nguồn nhiên liệu sử dụng cho xe máy. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là động cơ J52C lắp trên xe gắn máy Honda RSX 110cc. Đây là động cơ 1 xi lanh, 4 kỳ, phun xăng điều khiển điện tử. Động cơ được cải tạo sang chạy bằng nhiên liệu LPG và ethanol. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Thực hiện các nghiên cứu mô phỏng cơ bản, làm nền tảng ban đầu định hướng phát triển công nghệ ứng dụng nhiên liệu LPG-ethanol trên xe gắn máy. Với phạm vi nghiên cứu này, luận án tập trung nghiên cứu các nội dung chính sau đây: Về lý thuyết: - Thiết lập hệ phương trình cơ bản của cơ học thủy khí áp dụng cho quá trình cháy rối. - Mô hình rối để khép kín hệ phương trình đối lưu-khuếch tán. - Mô hình hóa quá trình cháy và hình thành các chất ô nhiễm. - Mô hình tia phun nhiên liệu. Về mô phỏng: - Sử dụng phần mềm Fluent để mô phỏng quá trình nạp riêng rẽ LPG và ethanol vào đường nạp động cơ. - Sử dụng phần mềm Fluent để tính toán quá trình cháy và phát thải các chất ô nhiễm CO, HC và NOx của động cơ chạy bằng LPG-ethanol. - Mô phỏng tính năng công tác của động cơ chạy bằng LPG-ethanol trong các điều kiện vận hành và cung cấp nhiên liệu khác nhau. Về thực nghiệm: - Cải tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ bao gồm: lập trình vi điều khiển kết nối với ECU, bố trí các vòi phun LPG và vòi phun ethanol, thiết lập nguyên lý điều chỉnh linh hoạt thành phần nhiên liệu ethanol/LPG. 4
22. - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị tạo lực phanh thích hợp để đo mô men động cơ thí nghiệm ở một số chế độ vận hành xác định nhằm đánh giá kết quả mô phỏng. - Phân tích mức độ phát thải ô nhiễm động cơ chạy bằng LPG-ethanol và so sánh với kết quả mô phỏng ở một số chế độ vận hành xác định. 4. Phương pháp nghiên cứu Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mô phỏng làm công cụ nghiên cứu chính nhằm khắc phục những khó khăn trong nghiên cứu thực nghiệm đối với môi trường cháy rối phức tạp diễn ra trong buồng cháy động cơ. Đo đạc thực nghiệm được thực hiện đối với một số chế độ vận hành xác định của động cơ nhằm kiểm chứng kết quả mô phỏng. Sự phù hợp giữa kết quả cho bởi mô phỏng và thực nghiệm cho phép rút ra những kết luận mang tính tổng quát. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu cơ bản này, chúng ta có thể định hướng phát triển công nghệ cung cấp nhiên liệu và tổ chức quá trình cháy động cơ xe gắn máy sử dụng nhiên liệu LPG- ethanol. 5. Cấu trúc nội dung luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, cấu trúc luận án gồm có 4 chương sau: Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu LPG- ethanol cho động cơ đốt trong. Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết quá trình cháy. Chương 3: Mô phỏng quá trình nạp, cháy và phát thải ô nhiễm của động cơ xe gắn máy chạy bằng LPG-ethanol. Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá kết quả mô phỏng. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Xe gắn máy là phương tiện giao thông cá nhân chính ở nước ta, là nguyên nhân chính gây ô nhiễm bầu không khí và phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Vì vậy việc nghiên cứu phát triển công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm của xe gắn máy có ý nghĩa thực tiễn rất thiết thực. Cùng với sự phát triển các loại phương tiện chạy điện hay hydrogen, việc sử 5
23. dụng nhiên liệu thay thế, tái tạo trên ô tô, xe gắn máy là giải pháp phù hợp để thay thế xăng dầu truyền thống. Ethanol, nhiên liệu tái tạo, đã được pha vào xăng thành hỗn hợp nhiên liệu sử dụng trên động cơ đốt trong. LPG, nhiên liệu thay thế, từ lâu đã được sử dụng trên phương tiện giao thông và đã chứng minh tính ưu việt về mặt kinh tế và giảm phát thải ô nhiễm. Việc phối hợp sử dụng LPG và ethanol sẽ tận dụng được thế mạnh của cả hai loại nhiên liệu này để cải thiện quá trình cháy và nâng cao tính năng của động cơ. Do LPG và ethanol ở hai trạng thái khác nhau trong điều kiện môi trường nên việc ứng dụng chúng trên xe gắn máy cần xử lý những vấn đề liên quan đến cung cấp nhiên liệu và tổ chức quá trình cháy phức tạp hơn khi sử dụng hỗn hợp xăng-ethanol. Cho đến nay hầu như rất hiếm các kết quả nghiên cứu được công bố về vấn đề này. Việc sử dụng công cụ mô phỏng kết hợp với kiểm chứng thực nghiệm ở một số chế độ vận hành xác định của động cơ để nghiên cứu là phương pháp phù hợp nhằm khắc phục những khó khăn về thực nghiệm trong môi trường cháy rối phức tạp. Nhờ đó, chúng ta có thể rút ra được những kết luận mang tính tổng quát nhằm định hướng cho việc phát triển công nghệ ứng dụng LPG-ethanol trên xe gắn máy. 7. Các điểm mới chủ yếu của luận án Đặt nền tảng cho nghiên cứu phát triển việc ứng dụng nhiên liệu không cùng trạng thái trên xe gắn máy nói riêng và trên phương tiện cơ giới nói chung. Thiết lập được chương trình tính toán mô phỏng quá trình nạp nhiên liệu LPG-ethanol và quá trình cháy động cơ sử dụng nhiên liệu khí/lỏng nói chung. Cải tạo hệ thống phun xăng của xe gắn máy thành hệ thống phun đa nhiên liệu lỏng/khí bằng cách bổ sung thêm vi mạch điều khiển kết nối với ECU của động cơ. Hệ thống này cho phép điều chỉnh được tỷ lệ các loại nhiên liệu cung cấp cho động cơ một cách linh hoạt, phù hợp với các chế độ vận hành của động cơ. Rút ra được các qui luật ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ xe gắn máy để định hướng việc thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu và hệ thống điều khiển động cơ sử dụng LPG-ethanol. 6