Tóm tắt Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cung cấp nhiên liệu trong động cơ diesel sử dụng nhiên liệu kép (LPG - Diesel)
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
NGUYỄN VĂN LONG GIANG
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ
CUNG CẤP NHIÊN LIỆU TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL
SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP (LPG - DIESEL)
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
Mã số: 62.52.01.16
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
ĐÀ NẴNG – 2018
Công trình được hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Đỗ Văn Dũng
Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. Trần Thanh Hải Tùng
Phản biện 1: GS.TS. Trần Văn Nam
Phản biện 2: PGS.TS. Lê Anh Tuấn
Phản biện 3: TS. Nguyễn Lê Duy Khải
Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cấp Trường
tại Đại học Đà Nẵng vào lúc 14 giờ 00, ngày 03 tháng 03 năm 2018
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam.
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng
MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển mạnh của công nghiệp và sự gia tăng nhanh số lượng
các phương tiện giao thông vận tải (GTVT) và thiết bị động lực trang bị động cơ đốt trong,
nhu cầu sử dụng nhiên liệu càng ngày càng tăng cao, đặc biệt là nhiên liệu hóa thạch
truyền thống xăng và dầu diesel. Trung bình mỗi ngày thế giới tiêu thụ hết khoảng 87
triệu thùng dầu. Trong đó phần lớn được sử dụng trên các phương tiện GTVT.
Việt Nam là nước đang phát triển nên cũng không nằm ngoài quy luật phát triển
chung của thế giới. Tình trạng thiếu nhiên liệu và ô nhiễm môi trường do khí thải động
cơ cũng đã đến mức báo động. Các loại nhiên liệu thay thế được ưu tiên sử dụng là các
loại nhiên liệu sạch (phát thải độc hại thấp), trữ lượng lớn, giá thành rẻ và có thể sử
dụng dễ dàng trên động cơ mà không cần thay đổi nhiều về kết cấu. Trong các loại
nhiên liệu đó, khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) là nhiên liệu có tiềm năng lớn, đáp ứng được
các yêu cầu trên.
Việc sử dụng LPG trên động cơ diesel hiện hành sẽ tận dụng được tính ưu việt
về hiệu suất cao của loại động cơ này và giúp giảm phát thải khói bụi (muội than),
đây là loại phát thải quan trọng và rất khó xử lý của động cơ diesel hiện nay. Tuy
nhiên, do tính tự cháy của LPG kém nên chỉ có thể sử dụng LPG thay thế một phần nhiên
liệu diesel trên động cơ và như vậy tính năng làm việc của động cơ phụ thuộc rất nhiều
vào đặc điểm cung cấp và tạo tỷ lệ hỗn hợp của hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu
kép LPG-Diesel và các thông số điều chỉnh của động cơ. Chính vì vậy, việc thực hiện đề
tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cung cấp nhiên liệu trong động cơ diesel sử
dụng nhiên liệu kép (LPG-Diesel)” để có thể sử dụng hiệu quả nhiên liệu LPG và đáp
ứng các yêu cầu đặt ra về tiết kiệm nhiên liệu diesel, giảm phát thải là rất cần thiết, có ý
nghĩa khoa học và thực tiễn cao, đặc biệt là ở điều kiện Việt Nam khi mà công nghiệp
chế tạo động cơ mới chuyên chạy nhiên liệu LPG chưa phát triển.
I. Mục đích nghiên cứu
- Đưa ra giải pháp chuyển đổi và phương pháp điều khiển tỷ lệ cung cấp nhiên liệu
LPG – Diesel cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG-Diesel).
- Đánh giá khả năng sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế trên các động cơ Diesel hiện
hành, thông qua sự ảnh hưởng của tỷ lệ nhiên liệu LPG thay thế nhiên liệu Diesel và các
thông số hiệu chỉnh sẽ ảnh hưởng đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ
chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel, từ đó lựa chọn được các giá trị hợp
lý đảm bảo sự hài hòa các tính năng động cơ.
II. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là động cơ Diesel TOYOTA 3C-TE trang bị hệ thống cung
cấp nhiên liệu bằng bơm phân phối với bộ điều khiển bằng điện tử VE-EDC;
- Nghiên cứu chế tạo hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ Diesel
Toyota 3C - TE;
- Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá các tính năng kỹ thuật của động cơ sử dụng
nhiên liệu kép (LPG – Diesel) với các trang thiết bị thực nghiệm (kiểm tra công suất, tiêu
hao nhiên liệu, khí xả, …) được trang bị ở Phòng thí nghiệm chuyên ngành Động cơ tại
Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí
Minh.
III. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu phương pháp cung cấp nhiên liệu kép (LPG-Diesel) trong động cơ Diesel
và cơ sở hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ.
- Nghiên cứu đặc điểm mô hình hóa và mô phỏng quá trình cháy và hình thành phát
1
thải của động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel).
- Nghiên cứu phương pháp cải tạo và phương thức điều khiển và kiểm soát việc cung
cấp tỷ lệ LPG – Diesel cho động cơ chuyển đổi sang sử dụng nhiện liệu kép (LPG – Diesel)
- Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ cung cấp LPG thay thế cho động cơ Diesel đến tính
năng kinh tế kỹ thuật và phát thải khi sử dụng nhiện liệu kép (LPG – Diesel).
- Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số liên quan đến động cơ khi sử dụng nhiên liệu
kép (LPG – Diesel).
IV. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp kết hợp nghiên cứu cơ sở lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm
với nhiệm vụ như sau:
- Xây dựng các mô hình lý thuyết mô tả các quá trình cháy, quá trình kích nổ và quá
trình phát thải của động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG - Diesel).
- Sử dụng phần mềm mô phỏng AVL BOOST để tính toán các thông số quá trình cháy
và hàm lượng phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel); Phân tích
kết quả mô phỏng và định hướng cho nội dung nghiên cứu thực nghiệm.
- Quá trình nghiên cứu thực nghiệm sẽ đánh ảnh hưởng của các tỷ lệ nhiên liệu LPG
thay thế và các thông số hiệu chỉnh sẽ ảnh hưởng đến đặc tính kinh tế, kỹ thuật và phát thải
của động cơ thí nghiệm sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel). Từ đó đánh giá và đề xuất
tỷ lệ nhiên liệu LPG thay thế tốt nhất với các thông số điều chỉnh của động cơ là thích hợp.
V. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Có được cơ sở lý thuyết hợp lý trong việc xác định phương án và phương pháp điều
khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG thay thế cho các động cơ Diesel.
- Phân tích và mô phỏng được quá trình hình thành hỗn hợp, quá trình cháy và hình
thành phát thải trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel).
- Đánh giá được ảnh hưởng của tỷ lệ nhiên liệu LPG thay thế nhiên liệu Diesel và các
thông số hiệu chỉnh sẽ ảnh hưởng đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ
chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu kép LPG-Diesel, từ đó lựa chọn được các giá trị hợp
lý đảm bảo sự hài hòa các tính năng động cơ.
- Đưa ra giải pháp khả thi chuyển đổi động cơ Diesel hiện hành sang sử dụng nhiên
liệu kép (LPG – Diesel).
- Góp phần giảm muội than và NOx là các thành phần phát thải quan trọng và khó xử
lý, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống, cũng như định hướng trong việc nghiên
cứu ứng dụng nhiên liệu thay thế trên các phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt
trong.
VI. Cấu trúc luận án
Bố cục của luận án gồm: Mở đầu, 4 chương nội dung chính và phần kết luận
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Với các ưu điểm sạch, nhiệt lượng cao và sức ép toàn cầu về vấn đề môi trường, LPG
hiện đang là loại khí đốt được khuyến khích tiêu dùng với mức tăng trưởng hàng năm trên
toàn thế giới đạt trên 3,5%. Tuy nhiên, LPG cũng bị cạnh tranh trực tiếp từ các loại khí đốt
khác như CNG, LNG, đặc biệt là các khu vực có hệ thống cơ sở hạ tầng tốt với hệ thống
dẫn khí đốt đồng bộ do giá các loại khí này rẻ hơn. Tuy nhiên, các loại khí này không thể
so sánh được với LPG về tính linh hoạt trong tồn trữ, vận chuyển và phân phối. Thực
tế cho thấy ở đâu cần sự linh hoạt trong phân phối, ở đó LPG luôn chiếm ưu thế. Về
xu hướng sử dụng, hiện nay tỷ trọng LPG sử dụng cho công nghiệp, hoá dầu, giao thông
vận tải/động cơ đốt trong đang tăng dần.
Theo các số liệu thống kê, hiện nay trên toàn thế giới có khoảng 13 triệu xe ô tô sử
2
dụng LPG, trong đó trên 7 triệu xe tập trung tại 38 nước và chủ yếu tại các vùng kinh
tế phát triển do tại đây có mức sống cao và vấn đề ô nhiễm môi trường đang là vấn đề
bức xúc được chính phủ quan tâm.
1.1 Tình hình nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ đốt trong
Các tác giả đã thực hiện các công trình trong nghiên cứu sử dụng nhiên liệu kép
LPG-Diesel trên các mẫu động cơ khác nhau với các điều kiện vận hành và thí nghiệm
cũng như tỷ lệ nhiên liệu khí LPG khác nhau và có các kết quả nghiên cứu và đánh giá như
sau:
1.1.1 Các kết quả nghiên cứu trong nước
Ở trong nước đã có một số công trình nghiên cứu về động cơ sử dụng nhiên liệu kép
LPG - Diesel như: Công trình của Bùi Văn Ga, Phạm Minh Tuấn, Lê Anh Tuấn, Phạm Hữu
Tuyến, Mai Sơn Hải, Trần Thanh Hải Tùng, Lê Minh Xuân, Vũ An, Nguyễn Tường Vi...
Các kết quả bước đầu đã cho thấy tác dụng giảm thiểu lượng khí thải độc hại gây ô nhiễm
môi trường của ô tô khi sử dụng diesel - LPG, đặc biệt là khả năng giảm phát thải PM trên
một số động cơ. Tuy nhiên, chưa có công trình nghiên cứu hoàn thiện nào về động cơ LPG
- Diesel lắp trên ô tô thực tế.
1.1.2 Các kết quả nghiên cứu trên thế giới
Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực này, điển hình như:
Công trình của BEROUN và MARTINS, Z.H. Zhang, C.S. Cheung, T.L. Chan và C.D.
Yao, Bogdan Cornel BENEA và Adrian Ovidiu SOICA, Dong Jian, Gao Xiaohong, Li
Gesheng và Zhang Xintang, Thomas Renald C. Ja và Somasundaram P, M. P. Poonia.
Tuy nhiên các công trình tập trung chủ yếu vào loại động cơ lắp trên ô tô khách, ô tô tải
trọng lớn, ô tô chuyên dùng. Các nghiên cứu chủ yếu sử dụng động cơ LPG - Diesel lắp
trên ô tô và phương tiện chuyển đổi chủ yếu tập trung vào các loại ô tô tải và ô tô chở
khách chạy trong các đô thị lớn.
1.2 Đặc điểm của khí hóa lỏng
1.2.1 Tính chất lý hóa của LPG
1.2.2 Ưu điểm của LPG so với các loại nhiên liệu truyền thống
1.2.3 Tình hình sản xuất LPG
Tình hình sản xuất, sử dụng LPG trên thế giới
Tình hình sản xuất, sử dụng LPG ở Việt nam
1.3 Kết luận chương 1
Nhiên liệu LPG không thể sử dụng được theo cách thức tự cháy do nén thông thường
như nhiên liệu Diesel và thay thế hoàn toàn nhiên liệu Diesel được nên LPG thường được
sử dụng trên động cơ Diesel hiện hành theo cách kết hợp với nhiên liệu Diesel gọi là nhiên
liệu kép LPG-Diesel.
Với số lượng đáng kể và thị phần cao về tổng công suất của động cơ Diesel so với
động cơ xăng và đặc điểm phát thải muội than cao của động cơ Diesel thì việc nghiên cứu
sử dụng nhiên liệu LPG trên động cơ Diesel có ý nghĩa kinh tế và thực tiễn cao.
Đã có khá nhiều công trình nghiên cứu về việc sử dụng nhiên liệu kép LPG-Diesel
trên động cơ Diesel. Các nhà nghiên cứu đã đưa ra các nhận định chung như sau:
- Việc cấp nhiên liệu kép bằng phương pháp phun LPG dạng khí vào đường ống nạp
của động cơ, hòa trộn với không khí rồi nạp vào xilanh để tạo hỗn hợp đồng nhất trong
xilanh trước khi nhiên liệu Diesel được phun là phù hợp đối với các động cơ nhiên liệu
kép LPG - Diesel.
- Ở toàn tải với tỷ lệ LPG thay thế dưới 25%, động cơ làm việc êm dịu, quá trình cháy
diễn ra qua ghi nhận đồ thị diễn biến áp suất thấy không thay đổi nhiều. Nếu tăng tỷ lệ
3
LPG thay thế lên cao hơn sẽ dẫn đến tăng tốc độ cháy và áp suất cực đại trong xilanh và
có xu hướng xuất hiện kích nổ.
- Phát thải muội than và NOx giảm đáng kể khi sử dụng LPG; tỷ lệ LPG thay thế càng
lớn thì mức giảm muội than càng nhiều.
- Phát thải HC và CO lớn hơn phát thải của động cơ Diesel; tỷ lệ LPG thay thế càng
tăng thì phát thải HC càng lớn.
- Tuy nhiên, một số nghiên cứu đưa ra các kết quả rất khác nhau xung quanh một số
vấn đề như sau:
- Về hiện tượng cháy kích nổ: Hiện tượng kích nổ xảy ra khi tăng tỷ lệ LPG thay thế
đến mức nhất định, tuy nhiên các tỷ lệ LPG thay thế giới hạn xảy ra kích nổ được các tác
giả chỉ ra rất khác nhau, thay đổi từ 20% đến trên 50% nên người sử dụng không xác định
được nên giới hạn ở tỷ lệ nào là thích hợp.
- Ảnh hưởng của LPG đến thời gian cháy trễ, thời gian cháy chính, tốc độ cháy ở tải
nhỏ và trung bình được công bố khác nhau. Một số tác giả cho rằng LPG làm tăng tốc độ
cháy dẫn đến áp suất cực đại tăng, một số khác lại cho rằng LPG làm giảm nhiệt độ môi
chất ở kỳ nén và giảm ôxy dẫn đến tăng thời gian cháy trễ, thời gian cháy chính, dẫn đến
làm giảm áp suất khí thể cực đại và do vậy làm giảm hiệu suất nhiệt của động cơ. Các nhận
định trái chiều nhau này làm khó cho cho người sử dụng trong việc xác định hướng điều
chỉnh tỷ lệ LPG thay thế và góc phun sớm tối ưu khi chạy nhiên liệu kép LPG-Diesel.
- Các nghiên cứu của các tác giả về cùng một vấn đề nhưng lại cho kết quả khác nhau
như đã đề cập và phân tích ở trên là do động cơ thí nghiệm và các điều kiện vận hành động
cơ trong thí nghiệm khác nhau. Từ đó có thể kết luận rằng ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay
thế đến các đặc tính làm việc và phát thải của động cơ như kích nổ, phát thải, góc phun
sớm tối ưu … phụ thuộc rất nhiều vào loại và kết cấu động cơ, thành phần nhiên liệu sử
dụng, phương pháp cấp nhiên liệu LPG và điều kiện vận hành động cơ.
- Đa số các nghiên cứu của các tác giả chưa quan tâm đến việc cung cấp tỷ lệ nhiên
liệu LPG thay thế lớn nhất nhưng phải bảo toàn công suất và mô ment của động cơ khi sử
dụng nhiên liệu kép so với khi sử dụng nhiên liệu Diesel.
Chính vì vậy, “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cung cấp nhiên liệu trong
động cơ diesel sử dụng nhiên liệu kép (LPG-Diesel)” để làm rõ hơn ảnh hưởng của
tỷ lệ LPG trên động cơ nhiên liệu kép LPG - Diesel đến đặc tính kinh tế, kỹ thuật và phát
thải của động cơ là rất cần thiết để xác định được các thông số điều chỉnh hợp lý giúp cho
việc chuyển đổi hiệu quả động cơ Diesel hiện hành sang chạy nhiên liệu kép LPG - Diesel.
Các vấn đề cần được nghiên cứu làm rõ thêm gồm:
- Nghiên cứu và điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu kép (LPG – Diesel) với động
cơ Diesel sử dụng bộ điều khiển nhiên liệu bằng điện tử để vận dụng chuyển đổi cho các
động cơ sử dụng Diesel hiện đại điều khiển bằng điện tử.
- Ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế đến diễn biến quá trình cháy và các chỉ tiêu kinh
tế kỹ thuật và phát thải của động cơ.
- Tỷ lệ LPG thay thế lớn nhất có thể nhưng đáp ứng các tính năng kỹ thuật của động
cơ.
- Các thông số điều chỉnh như góc phun sớm tối ưu khi sử dụng nhiên liệu kép LPG -
Diesel ở các tỷ lệ thay thế khác nhau và phương pháp điều chỉnh cấp LPG phù hợp với các
chế độ làm việc của động cơ.
4
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ
SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP LPG - DIESEL
Trong luận án này, tác giả sẽ xây dựng và phát triển các mô hình nhiệt động với
các mô hình toán về động học phản ứng cháy để mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp và
cháy của động cơ nhiên liệu kép LPG - Diesel với việc tạo hỗn hợp đồng nhất LPG -
không khí từ bên ngoài và phun mồi diesel trên động cơ nghiên cứu Toyota 3C-TE
(hình 2.1) trang bị hệ thống phun nhiên liệu kiểu bơm phân phối VE điều khiển bằng
điện tử (VE – ECD - Electronic Diesel Control). Mục đích cụ thể như sau:
– Xây dựng và phát triển các mô hình toán biểu diễn các quá trình tạo hỗn hợp,
quá trình cháy và hình thành phát thải của động cơ nhiên liệu kép LPG - Diesel.
– Đánh giá đặc tính kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ và xác định tỷ lệ
LPG thay thế hợp lý và các thông số điều chỉnh tối ưu cho động cơ.
– Cung cấp số liệu tính toán làm cơ sở cho việc nghiên cứu thực nghiệm để
chuyển đổi động cơ Diesel hiện hành sang chạy nhiên liệu kép LPG - Diesel một cách
hiệu quả.
2.1 Quá trình cháy trong động cơ Diesel và LPG - Diesel
2.1.1 Quá trình cháy trong động cơ Diesel
2.1.2 Quá trình cháy trong động cơ LPG - Diesel
2.2 Các giả thiết để nghiên cứu về động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel
2.3 Cơ sở lý thuyết tính toán mô phỏng quá trình cháy động cơ LPG - Diesel
2.3.1 Phương trình nhiệt động học thứ nhất
2.3.2 Mô hình hỗn hợp môi chất
Hỗn hợp môi chất trong động cơ diesel-LPG được mô tả bởi các thành phần hình
thành lên hỗn hợp gồm nhiên liệu diesel, LPG (C3H8, C4H10), O2, N2, CO2, H2O, CO, H2.
2.3.3 Mô hình truyền nhiệt
Quá trình truyền nhiệt từ trong buồng cháy qua thành buồng cháy như nắp xi lanh,
piston, và lót xi lanh được tính dựa vào phương trình truyền nhiệt sau:
Q = A .α . T – T
(2.9)
wi
wi
i
w
c
2.3.4 Mô hình cháy trong xi lanh
Sử dụng mô hình cháy Vibe 2 vùng, các phản ứng của chuỗi Zeldovich với hệ số tốc
độ để tính toán lượng NOx, các phản ứng theo A. Onorati để tính toán CO, mô hình
Hiroyasu để tính phát thải bồ hóng trong khí thải của động cơ diesel và động cơ LPG –
Diesel.
2.3.5 Mô hình hình thành phát thải các chất độc hại.
Sản phẩm độc hại của quá trình cháy trong động cơ Diesel và LPG - Diesel bao gồm
các chất sau: HC, NOX, SO2 và muội than.
2.4 Mô phỏng động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel với phần mềm AVL -
BOOST
2.4.1 Phần mềm mô phỏng AVL BOOST
Phần mềm AVL-BOOST phiên bản 2013 cho phép xác định các chỉ tiêu kinh tế,
đặc tính kỹ thuật và phát thải của động cơ với độ tin cậy cao. AVL BOOST bao gồm
những tính năng cơ bản sau:
- Mô phỏng động cơ 2 kỳ, 4 kỳ, động cơ không tăng áp, động cơ tăng áp...
- Mô phỏng các chế độ làm việc, chế độ chuyển tiếp của động cơ.
- Tính toán thiết kế và tối ưu hóa quá trình làm việc của động cơ như quá trình cháy,
quá trình trao đổi khí, quá trình phát thải độc hại...
5
- Có khả năng kết nối với các phần mềm khác (liên kết động) để mô phỏng với các
dữ liệu động (Matlab, Fire, Cruise…)
2.4.2 Ứng dụng phần mềm AVL BOOST trong tính toán mô phỏng:
Trong luận án này, tác giả sử dụng mô hình cháy là mô hình Vibe 2 vùng cho cả
hai trường hợp sử dụng nhiên liệu Diesel và nhiên liệu kép LPG - Diesel. Đây là mô hình
hai hàm Vibe chồng lấn áp dụng cho hai vùng hỗn hợp cháy là vùng cháy hỗn hợp đồng
nhất được chuẩn bị trước và vùng cháy khuyếch tán của nhiên liệu diesel phun sau.
2.4.3 Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ Diesel Toyota 3C – TE
2.4.3.1 Các thông số cơ bản của động cơ Toyota Diesel 3C - TE
Đề tài chọn động cơ để nghiên cứu thực nghiệm là động cơ 3C-TE làm động cơ nghiên
cứu mô phỏng và thực nghiệm.
2.4.3.2 Đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng
Độ chính xác của mô hình được đánh giá thông qua việc so sánh một số kết quả như
công suất, mô men giữa kết quả thực nghiệm động cơ từ phòng thí nghiệm động cơ -
Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM với kết quả mô phỏng. Kết quả so sánh các
thông số công suất, mô men, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 3C-TE được thể
hiện như sau:
80
70
60
50
40
30
20
10
250
225
200
175
150
125
100
75
Ne-mô phong (kW)
Ne-thuc nghiêm (kW)
Me-mô phong (N.m)
Me-thuc nghiêm (N.m)
50
1000
1400
1800
2200
2600
3000
3400
3800
4200
engine_speed (rpm)
Hình 2.10: Mô men và công suất của động cơ giữa thực nghiệm và mô phỏng
Các kết quả mô phỏng cho thấy, dải sai lệch về công suất của động cơ lớn nhất là
3.88% ở tốc độ 1800 v/ph và nhỏ nhất là 1.26% ở tốc độ 3800 v/ph, dải sai lệch này là
trong nghiên cứu có thể chấp nhận được.
250
225
Ge - Thực nghiệm
200
Ge - Mô phỏng
175
150
125
100
1000
1400
1800
2200
2600
3000
3400
3800
4200
Tốc độ động cơ [vòng/phút]
Hình 2.11: Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ 3C – TE thực nghiệm
và động cơ mô phỏng sử dụng nhiên liệu Diesel
6
Độ sai lệch giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm đối với các bài toán mô phỏng
cho phép đến 5%. Đối với mô hình động cơ 3C – TE đã xây dựng, giá trị sai lệch công
suất, mô men và suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm đều nhỏ hơn
giá trị sai lệch cho phép, điều đó cho thấy các thông số và điều kiện biên nhập cho mô
hình là hoàn toàn phù hợp.
2.4.4 Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ Toyota 3C-TE sử dụng nhiên liệu kép
LPG - Diesel
Hình 2.12: Mô hình mô phỏng động cơ LPG - Diesel trên AVL-BOOST.
Tiến hành mô phỏng động cơ chạy nhiên liệu kép LPG-Diesel bằng cách cung cấp
LPG vào đường nạp của động cơ với giả thiết LPG có tỷ lệ thành phần thể tích
Propan/Butan=50/50 được cấp với lưu lượng đảm bảo tỷ lệ LPG thay thế đã định.
Tỷ lệ nhiên liệu LPG thay thế có thể được tính như sau:
Lượng diesel được thay thế
Tỷ lệ LPG thay thế =
Tổng diesel ban đầu
Lượng LPG thay thế được xác định như sau:
Lượng LPG thay thế =
Nhiệt trị thấp LPG
Diễn biến áp suất trong xilanh động cơ cho thấy kết quả mô phỏng và thực nghiệm
ở 100% tải với tỷ lệ LPG thay thế 20%, tốc độ 2600v/ph (tốc độ ứng với mô men lớn
nhất) khi chạy nhiên liệu kép LPG-Diesel. Sai lệch về áp suất lớn nhất là 1.48 bar (1.98%)
(áp suất lớn nhất khi thực nghiệm là 74.82 bar và khi mô phỏng là 73,34 bar) và sai lệch
áp suất trung bình giữa mô phỏng so với thực nghiệm không quá 3,95 bar (gần 5%).
2.5 Kết quả mô phỏng động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel
Tiến hành chạy mô phỏng với AVL BOOST theo các điều kiện đầu vào phù hợp
các điều kiện lý thuyết hoạt động của động cơ sử dụng nhiên liệu kép. Sau khi kết thúc
quá trình chạy mô phỏng với các tỷ lệ LPG thay thế lần lượt là 10%, 20%, 30%, 40%,
50%, 60% và 70% và kết quả được tiến hành xuất ra các đặc tính kỹ thuật của động cơ
như sau:
2.5.1 Ảnh hưởng tỷ lệ nhiên liệu LPG thay thế đến đặc tính Mômen của động cơ
sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel
Kết quả mô phỏng khi sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel thì moment tăng theo
tỷ lệ thay đổi LPG. Ở chế độ LPG thay thế từ 10% đến 70%, moment động cơ tăng trung
bình từ 1.68% đến 7.20% so với giá trị mô men khi sử dụng diesel nguyên thủy.
7
2.5.2 Ảnh hưởng tỷ lệ nhiên liệu LPG thay thế đến đặc tính Công suất của động
cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel
Kết quả mô phỏng cho thấy, khi sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel thì công suất
động cơ tăng theo tỷ lệ thay thế LPG. Ở chế độ LPG thay thế từ 10% đến 70%, công suất
động cơ tăng trung bình từ 1.68% đến 7.20% so với giá trị công suất động cơ khi sử dụng
Diesel hoàn toàn. Kết quả đo được thể hiện ở phục lục 2.4, là do tăng tỷ lệ thay thế LPG
làm cho giá trị nhiệt trị trong nhiên liệu hòa trộn LPG - Diesel cao hơn, quá trình cháy
diễn ra tốt hơn với các tính năng về động học, áp suất khí cháy và nhiệt độ… khi sử dụng
nhiên liệu kép LPG - Diesel cao nên cũng góp phần làm tăng công suất của động cơ.
2.5.3 Ảnh hưởng tỷ lệ nhiên liệu LPG thay thế đến nhiệt độ quá trình cháy của
động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel
Khi sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel thì nhiệt độ quá trình cháy giảm. Ở chế độ
LPG thay thế 10%, nhiệt độ quá trình cháy trung bình giảm 0.19 % so với giá trị nhiệt độ
quá trình cháy khi sử dụng Diesel hoàn toàn. Kết quả đo được thể hiện ở phụ lục 2.5. Vì
khi cung cấp LPG hòa trộn với Diesel sẽ làm giảm nhiệt độ ngọn lửa khi cháy, thời gian
duy trì môi chất đã cháy ở nhiệt độ cao và thời gian cháy trễ tăng lên.
2.5.4 Ảnh hưởng tỷ lệ nhiên liệu LPG thay thế đến áp suất quá trình cháy của
động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel
Áp suất quá trình cháy là một trong những thông số để đánh giá quá trình làm việc
của động cơ, nó còn là yếu tố ảnh hưởng đến công suất và môment của động cơ.
2.5.5 Phát thải NOx trong quá trình cháy của động cơ sử dụng nhiên liệu kép
LPG - Diesel
Khi sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel thì hàm lượng NOx giảm. Ở chế độ LPG
thay thế 10%, phát thải trung bình của NOx giảm 10.86% và chế độ LPG thay thế 20%,
phát thải trung bình của NOx giảm 4.57% so với giá trị NOx khi sử dụng nhiên liệu Diesel
truyền thống. Kết quả đo được thể hiện ở phụ lục 2.6.
Khí NOx giảm là do LPG khi hòa trộn với Diesel sẽ làm giảm nhiệt độ ngọn lửa khi
cháy, thời gian duy trì môi chất đã cháy ở nhiệt độ cao khi tiếp xúc với ngọn lửa được rút
ngắn làm giảm quá trình hình thành NOx ở chế độ nhiệt độ cao.
Nhưng khi tăng tỷ lệ thay thế LPG từ 30% đến 70% thì hàm lượng phát thải NOx sẽ
tăng theo tỉ lệ thuận bởi vì trong những chế độ này thời gian cháy trễ của quá ttrình cháy
giảm do đó áp suất, và nhiệt độ cháy tăng mạnh. Điều này sẽ làm gia tăng hiện tượng phản
ứng hóa học của Nitơ và ôxy trong hỗn hợp cháy của động cơ.
2.5.6 Phát thải CO trong quá trình cháy của động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG
– Diesel
Kết quả phát thải CO khi sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel mô phỏng cho thấy
khi LPG phun vào đường nạp động cơ thì khí thải CO tăng lên ở tất cả các chế độ mô
phỏng theo tăng tỷ lệ thay thế LPG. Giá trị CO tăng trung bình ở chế độ LPG thay thế 10%
là 4.46% và ở chế độ LPG thay thế 70% là 22.98% so với giá trị CO khi sử dụng Diesel
nguyên thủy. Hàm lượng CO tăng là do hỗn hợp đồng nhất nhiên liệu và không khí quá
nghèo, dưới giới hạn cháy nên không cháy hết hoặc màng lửa không lan đến kịp trong
không gian buồng cháy.
2.5.7 Phát thải muội than (SOOT)
Kết quả mô phỏng phát thải muội than (Soot) ở chế độ toàn tải cho thấy khi tăng tỷ
lệ LPG thì phát thải muội than giảm so với trường hợp sử dụng 100% nhiên liệu Diesel
ở mọi chế độ thử nghiệm, Khi mô phỏng với tỷ lệ LPG 10%, 20%, 30%, 40%, 50% thì
phát thải muội than trung bình giảm tương ứng là 9,86%, 32,53%, 34,23%, 50,84% và
56,27%. Do bổ sung LPG nên quá trình cháy trong vùng tia phun tốt hơn làm cho muội
8
than của khí thải giảm.
2.5.8 Ảnh hưởng của góc phun sớm đến diễn biến áp suất trong xilanh động cơ
Dựa trên diễn biến áp suất trong xilanh khi sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel thì
nên giảm góc phun sớm Diesel so với động cơ chạy 100% nhiên liệu Diesel. Ở tốc độ
2600v/ph, 100% tải thì góc phun sớm hợp lý là 140CA (giảm 40CA so với khi chạy chỉ
với nhiên liệu diesel).
2.6 Kết luận chương 2
Từ việc nghiên cứu mô phỏng sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel trên động cơ
Diesel Toyota 3C – TE có thể kết luận tóm tắt như sau:
- Việc cấp LPG vào đường nạp bằng phương pháp phun cho động cơ diesel là rất
phù hợp và không yêu cầu phải thay đổi kết cấu động cơ. Tính chất nhiên liệu LPG đáp
ứng được yêu cầu làm việc của động cơ.
- Mô hình cung cấp LPG cho động cơ 3C – TE đã xây dựng và ứng dụng các thông số
và điều kiện biên nhập cho mô hình là hoàn toàn phù hợp dẫn đến giá trị sai lệch kết quả
mô phỏng về công suất, mô men và suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô phỏng với thực nghiệm
thực nghiệm đều nhỏ hơn giá trị sai lệch cho phép. Các chế độ mô phỏng cho thấy độ sai
lệch giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm đối với các bài toán mô phỏng cho phép đến
5%.
- Kết quả mô phỏng khi sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel ở các tỷ lệ thay thế LPG
từ 10% - 70% cho thấy thành phần khí phát thải HC và CO trung bình đều tăng; Ở một số
chế độ thay thế với tỷ lệ thay thế LPG ít phát thải NOx có giảm còn muội than giảm nhiều.
Cụ thể: Ở chế độ 100% tải, khi thay thế 10% LPG thì phát thải NOx giảm lớn nhất 10.86%,
muội than giảm 32.53%, nhưng CO tăng 4.46% và HC tăng hơn 200%.
- Khi tăng tỷ lệ LPG thì phát thải HC tăng mạnh, đặc biệt là ở các chế độ tải nhỏ, do
đó ở các chế độ tải nhỏ nên sử dụng tỷ lệ LPG thay thế thấp hơn. Có thể sử dụng LPG thay
thế Diesel tới 40% ở toàn tải, khi sử dụng tỷ lệ LPG thay thế cao hơn, thành phần phát
thải HC, NO và tốc độ tăng áp suất khí thể tăng cao.
x
- Động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel cần giảm góc phun sớm so với khi sử
dụng nhiên liệu diesel để đạt các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải tốt hơn. Cụ thể: Ở
tốc độ 2600 v/ph, 100% tải thì góc phun sớm hợp lý tương ứng là 140CA (giảm 40).
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CUNG CẤP LPG TRONG ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KÉP
(LPG-DIESEL)
Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel được thực hiện động
cơ diesel 3C - TE trang bị hệ thống nhiên liệu kiểu bơm phân phối điều khiển bằng điện tử
VE – EDC (Electronic Diesel Control). Hệ thống điều khiển bằng ECU cho phép thay đổi
các thông số điều chỉnh của động cơ một cách dễ dàng và giúp cho việc xác lập các
điều kiện làm việc và lấy dữ liệu một cách thuận tiện, tin cậy và chính xác. Việc nghiên
cứu thực nghiệm trên động cơ này mang ý nghĩa thực tế cao, có thể nhân rộng kết quả để
áp dụng vận hành thực tế ngay.
3.1 Hệ thống điều khiển nhiên liệu Diesel bằng điện tử của động cơ 3C – TE.
3.1.1 Quá trình điều khiển lưu lượng nhiên liệu.
Nguyên lý điꢀu khiꢁn lưu lưꢂng nhiên liệu.
Trong bộ điều khiển điện tử (ECU) đã có sẵn dữ liệu về lưu lượng phun cơ bản đã
được tính toán dựa trên các yếu tố như tốc độ động cơ, tải của động cơ, khả năng tăng tốc.
9
Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống điꢀu khiꢁn phun nhiên liệu cung cấp cho động cơ.
Quá trình điꢀu khiꢁn cung cấp nhiên liệu cho động cơ.
Nguyên lý điꢀu khiꢁn van đꢃnh lưꢂng SPV (Solenoid Spill Valve)
Hình 3.4: Tín hiệu điꢀu khiꢁn van đꢃnh lưꢂng nhiên liệu (SPV) thực tế.
- Điều khiển đꢀng van đꢁnh lưꢂng nhiên liệu SPV.
- Điều khiển mở van đꢁnh lưꢂng nhiên liệu SPV.
Lưu đồ tꢃnh toán điều khiển lưꢂng nhiên liệu phun.
3.1.2 Quá trình điều khiển thꢀi điểm phun nhiên liệu.
Quá trình kiꢁm soát thꢄi gian phun.
Van đꢃnh thꢄi điꢁm phun nhiên liệu TCV (Timing Control Valve).
Hình 3.6: Cấu trúc van đꢃnh thꢄi điꢁm phun TCV.
Nguyên lý điꢀu khiꢁn thꢄi điꢁm phun nhiên liệu.
Điꢀu khiꢁn thꢄi điꢁm phun cơ bản.
Bộ điều khiển động cơ tính toán thời điểm phun nhiên liệu, sau đó truyền tín hiệu tới
van điều khiển thời điểm phun để duy trì thời điểm phun tối ưu. Thời điểm phun tối ưu này
được gọi là góc trục khuỷu mục tiêu.
Việc hiệu chỉnh thời điểm phun cơ bản là tính toán từ các điều kiện hoạt động của
động cơ (tín hiệu tăng tốc, tốc độ động cơ, v.v…) tùy theo nhiệt độ nước làm mát, áp suất
khí nạp, v.v…, bộ điều khiển sẽ thực hiện các yếu tố sau:
10
3.2 Nghiên cứu thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ thực nghiệm
3.2.1 Sơ đồ nguyên lý cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ thực nghiệm
3.2.2 Hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép Diesel – LPG
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý điꢀu khiꢁn hệ thống cung cấp phun nhiên liệu LPG cho động
cơ Diesel
Yêu cầu đặt ra là bộ điều khiển cung cấp nhiên liệu LPG phải điều chỉnh độ rộng xung
phun thích hợp để đảm bảo lượng phun LPG phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ,
tức là đảm bảo tỷ lệ LPG thay thế tối ưu ở các chế độ làm việc.
3.2.3 Cơ sở tính toán lượng nhiên liệu LPG cung cấp cho động cơ
Đặc điểm của động cơ dùng nhiên liệu kép là sử dụng một lúc hai nhiên liệu. Lượng
nhiên liệu mồi diesel được quyết định nhờ thời gian đóng mở van SPV (Spill Valve) trên
bơm cao áp. Lượng LPG cung cấp thay thế được quyết định bởi thời gian nhấc kim phun
LPG.
Tính toán chu trình nhiệt động cơ khi sử dụng tỷ lệ năng lưꢂng Diesel và khí hóa
lỏng (LPG)
Xác đꢃnh thành phần nhiên liệu Diesel và khí LPG trong 1kg hỗn hꢂp
Gnl = GnlD + GnlLPG
– Thành phần phần trăm khối lượng của diesel trong 1kg hỗn hợp là:
[kg/h]
(3.8)
(3.9)
GnlD
Dhh
*100%
Gn
l
– Thành phần phần trăm khối lượng của LPG trong 1kg hỗn hợp là:
GLPG
(3.10)
(3.11)
LPGhh
*100%
Gnl
– Nhiệt trị của hỗn hợp (%Diesel + % LPG) là:
QH = QHD * Dhh + QHLPG * LPGhh
Khối lưꢂng không khꢃ nạp
[kJ/kg]
Lưꢂng nhiên liệu khꢃ LPG
Nhiên liệu LPG gồm có 50% Propane (C3H8) và 50% Butane (C4H10) nên thành
phần khối lượng của C và H là: 0,823C và 0,177H, không có thành phần oxy trong nhiên
liệu nên Onl = 0.
m
Lượng nhiên liệu phun LPG tỷ lệ thuận với thời gian phun và căn bậc hai của chênh
lệch áp suất giữa ống phân phối nhiên liệu và đường ống nạp trong trường hợp phun trên
đường ống nạp. Trường hợp LPG phun trực tiếp là sự chênh lệch áp suất giữa đường ống
phân phối và buồng cháy. Tỷ trọng của nhiên liệu và diện tích mở có ích của van kim phun
được xem như hằng số.
11
tinj
p
LPG
(3.22)
mLPG
LPG .A
2
.tinj
m
LG inj
eff
0
Tꢃnh toán lưꢂng nhiên liệu Diesel
Đối với động cơ diesel chọn =1,3. Do đó khối lượng nhiên liệu diesel được tính
theo công thức sau:
p 1 m
mdiesel
diesel A
2
(3.27)
eff
diesel
n CYL
3.3 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mạch bộ điều khiển cung cấp khí LPG cho động cơ
3C-TE
Hình 3.15: Mạch điꢀu khiꢁn hệ thống cung cấp LPG
Mạch điều khiển hệ thống cung cấp LPG cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG –
Diesel được lập trình bằng ngôn ngữ LabVIEW [7], kết nối và điều khiển từ máy tính thông
qua cổng USB 2.0.
Sau khi hoàn chỉnh mạch điều khiển cung cấp LPG, để bố trí thành một hệ thống
điều khiển cần phải kết nối với bộ điều khiển của hệ thống nhiên liệu Diesel và mạch công
suất điều khiển hệ thống LPG như sau:
3.4Kết luận chương 3
- Đã nghiên cứu, nắm rõ nguyên lý điều khiển của động cơ phun nhiên liệu Diesel bằng
điện tử VE – EDC. Từ nguyên lý điều khiển đó thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển cắt
giảm lượng nhiên liệu Diesel cung cấp khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép, đồng thời hoàn
toàn điều chỉnh góc phun sớm của động cơ để xác định góc phun sớm tốt nhất khi động cơ
sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel).
- Nghiên cứu và chế tạo thành công mạch điều khiển tỷ lệ cung cấp (LPG – Diesel)
hoạt động với độ tin cậy, kết nối điều khiển với máy tính trong việc thu thập các số liệu và
điều khiển của hệ thống cung cấp nhiên liệu kép (LPG – Diesel). Đây là cơ sở quan trọng
cho việc thực hiện các nghiên cứu sâu về sử dụng nhiên liệu LPG - Diesel cho động cơ
nghiên cứu.
- Đã ứng dụng thành công sử dụng kim phun LPG điều khiển điện tử trong việc chuyển
đổi động cơ sang sử dụng nhiên liệ kép LPG – Diesel, đồng thời sử dụng các tính năng ổn
định của các cảm biến, các thông số kim phun LPG và mạch điều khiển công suất cho các
kim phun và phần mềm BRC SEQUENT 24 thu thập tất cả thông số của hệ thống trong
quá trình thực nghiệm để đánh giá về động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel).
- Để ứng dụng nhiên liệu LPG trên động cơ Diesel một cách hiệu quả, đảm bảo cải
thiện các vấn đề tồn tại đặt ra trong các nghiên cứu trước đây, thì vấn đề nghiên cứu, thiết
kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG phù hợp cho động cơ là cần thiết.
- Trong chương này, tác giả đã thiết kế và chế tạo được bộ điều khiển cung cấp LPG
12
cho động cơ thực nghiệm 3C- TE có khả năng điều chỉnh lượng cung cấp LPG phù hợp
với các chế độ làm việc của động cơ theo yêu cầu đặt ra, đảm bảo cho động cơ hoạt động
ổn định ở tất cả các chế độ thử nghiệm.
CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
4.1 Mục đích, đối tượng và trang thiết bị thực nghiệm
4.1.1 Mục đích và đối tượng thực nghiệm
Mục đꢃch thực nghiệm
- Quá trình thử nghiệm trên động cơ Diesel với hệ thống điều khiển nhiên liệu bằng
điện tử sử dụng nhiên liệu kép LPG - Diesel trên băng thử nhằm các mục đích sau:
- Xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ sử dụng nhiên liệu Diesel
- Đánh giá hoạt động của hệ thống điều khiển hệ thống nhiên liệu kép LPG –Diesel
khi kết hợp hệ thống điều khiển điện tử nhiên liệu Diesel và hệ thống cung cấp tỷ lệ
LPG.
- Đánh giá tính năng kinh tế, đặc tính kỹ thuật và quá trình phát thải của động cơ khi
sử dụng nhiên liệu kép LPG-Diesel với tỷ lệ LPG thay thế lớn nhất.
- Đánh giá ảnh hưởng các thông số ảnh đến các chế độ hoạt động của động cơ sử dụng
nhiên liệu kép (LPG – Diesel).
- Kiểm tra và đánh giá các thành phần khí thải của động cơ khi sử dụng hoàn toàn
Diesel và khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel).
- Ngoài ra còn đánh giá một số tính năng mà nghiên cứu mô phỏng chưa chỉ ra được
như giới hạn kích nổ và sự rung động khi tăng tỷ lệ LPG thay thế.
Đối tưꢂng thực nghiệm:
Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel TOYOTA 3C-TE với hệ thống cung cấp
nhiên liệu kép LPG – Diesel điều khiển bằng điện tử. Các thông số cơ bản của các động cơ
này được trình bày ở Bảng 3.1.
4.1.2 Điều kiện thực nghiệm
Yêu cầu về thiết bꢁ thực nghiệm
Trang thiết bꢁ thực nghiệm
Hình 4.2: Sơ đồ bố trí thiết bꢃ thí nghiệm tại trưꢄng ĐH Sư phạm kỹ thuật TPHCM
13
- Băng thử công suất AVL Dynoperform
- Thiết bꢁ đo tiêu hao nhiên liệu
- Thiết bꢁ đo độ mờ khói
- Thiết bꢁ phân tích khí thải MGT 5
Yêu cầu về nhiên liệu
Trong quá trình thử nghiệm, chất lượng nhiên liệu có ảnh hưởng rất lớn đến kết quả
thí nghiệm. Để đảm bảo độ chính xác của thí nghiệm, nhiên liệu dùng trong quá trình thử
nghiệm phải được kiểm định đánh giá các thành phần hóa học.
4.2 Các quy trình thực nghiệm
4.2.1 Thực nghiệm đặc tính kỹ thuật động cơ Diesel 3C – TE.
Để có cơ sở so sánh với động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel) trước tiên
cần phải xây dựng đặc tính của động cơ thực nghiệm là động cơ TOYOTA 3C - TE đã qua
sử dụng nên để có thể so sánh và đánh giá đúng các đặc tính kỹ thuật của động cơ khi dùng
nhiên liệu kép LPG - Diesel với động cơ dùng nhiên liệu Diesel ta cần xác định các đặc
tính hiện tại của động cơ. Việc xác định các đặc tính của động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu
Diesel được thực hiện theo quy trình sau:
Xác đꢁnh đặc tính Mô men (Me) và công suất (Ne)
Xác đꢁnh suất tiêu hao nhiên liệu (ge)
4.2.2 Thực nghiệm hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép (LPG – Diesel).
Xác đꢁnh lưu lưꢂng cung cấp nhiên liệu Diesel cho động cơ 3C - TE
Xác đꢁnh đặc tính của kim phun LPG:
Thực nghiệm quá trình điều khiển cắt giảm nhiên liệu Diesel và quá trình điều
khiển kim phun LPG cung cấp nhiên liệu thay thế cho động cơ
Sử dụng phần mềm lập trình LabVIEW để điều khiển tỷ lệ thay thế của 2 loại nhiên
liệu LPG và Diesel khi động cơ đang hoạt động. Đồng thời với các thiết bị đo thu thập số
liệu dạng xung của hãng PicoScope sẽ cho thấy được thời gian điều khiển giảm lượng phun
nhiên liệu Diesel như hình 4.10
a
b
Hình 4.10: Điꢀu khiꢁn thꢄi gian giảm nhiên liệu Diesel bằng cách ngắt sớm thꢄi điꢁm
hoạt động của van SPV
(a) Xung tín hiệu điꢀu khiꢁn van SPV đầu vào; (b) Xung tín hiệu điꢀu khiꢁn đầu ra van
SPV khi điꢀu khiꢁn cắt giảm nhiên liệu Diesel
Đồng thời với việc cắt giảm nhiên liệu Diesel cung cấp cho động cơ thì để đảm bảo
14
về mặt cân bằng năng lượng của quá trình cháy, thì hệ thống điều khiển tính toán lưu lượng
LPG thay thế tương ứng thông qua thời gian nấc kim phun LPG để đảm bảo các đặc tính
mô men và công suất của động cơ. Vì vậy, tín hiệu của bộ điều khiển kim phun nhiên liệu
LPG thay thế được thể hiện thông qua thiết bị đo thu thập số liệu dạng xung của hãng
PicoScope hình 4.11 như sau:
Bề rộng của xung tín hiệu (số 4) điều khiển kim phun LPG sẽ thay đổi theo xung tín
hiệu (số 3) đầu ra của bộ điều khiển tỷ lệ (LPG – Diesel). Việc thay đổi thời gian điều khiển
kim phun LPG để tăng hoặc giảm lượng LPG cung cấp cho động cơ khi sử dụng nhiên liệu
kép (LPG – Diesel).
1
2
3
4
Hình 4.11: Xung tín hiệu điꢀu khiꢁn van SPV khi chạy 100% Diesel
1. Tín hiệu cảm biến TDC; 2. Tín hiệu cảm biến tốc độ động cơ; 3. Tín hiệu đầu ra bộ
điꢀu khiꢁn tỷ lệ (LPG – Diesel); 4. Tín hiệu điꢀu khiꢁn kim phun LPG
Thực nghiệm xác đꢁnh thời gian điều khiển kim phun LPG để cung cấp theo các
tỷ lệ thay thế nhiên liệu LPG cho nhiên liệu Diesel
4.2.3 Thực nghiệm các đặc tính và thông số ảnh hưởng đến động cơ sử dụng
nhiên liệu kép (LPG – Diesel)
Thực nghiệm đặc tính Mô men và Công suất của động cơ sử dụng nhiên liệu kép
(LPG – Diesel)
Thực nghiệm ảnh hưởng của góc phun dầu sớm đối với động cơ sử dụng nhiên
liệu kép (LPG – Diesel)
4.2.4 Thực nghiệm phát thải (HC, CO, NOx và độ mꢀ khói) khi động cơ sử dụng
nhiên liệu kép (LPG – Diesel)
4.3 Kết quả thực nghiệm và thảo luận
4.3.1 Đặc tính kỹ thuật động cơ Diesel 3C – TE thực tế.
Kết quả dữ liệu chạy thực nghiệm với phần mềm AVL-Concerto để xử lý số liệu
thu thập từ hệ thống AVL - InDICOM, tiến hành xuất ra kết quả đo như bảng 4.2:
Với kết quả thực nghiệm hình 4.13 trên ta thấy mô men cực đại của động cơ là
202.50 (Nm) tại tốc độ 2600 vòng/phút và công suất cực đại là 71.35 kW tại 4200
vòng/phút, tốc độ động cơ cao hơn 4200 vòng/phút thì công suất và mô men giảm nhiều
15
do bộ điều khiển cắt nhiên liệu cung cấp cho động cơ.
Mô men và công suất của động cơ thực nghiệm thấp hơn 10% và 7,6 so với thông
số của nhà chế tạo bởi vì động cơ 3C – TE đã qua sử dụng nên các hệ thống của động cơ
không còn hoạt động tốt như động cơ mới. Từ kết quả so sánh cho thấy việc sử dụng động
cơ 3C-TE trong nghiên cứu thực nghiệm của luận án là phù hợp.
250
225
200
175
150
125
100
75
80
70
60
50
40
30
20
10
Mô men_DIESEL
Công suất_DIESEL
50
1000
1400
1800
2200
2600
3000
3400
3800
4200
Tốc độ [v/ph]
Hình 4.13: Đồ thꢃ đặc tính Mô men và Công suất của động cơ khi sử dụng Diesel
Kết quả tiêu hao nhiên liệu của động cơ trong thời gian 1s được thể hiện như sau:
Theo như kết quả thể hiện suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng 100% nhiên liệu Diesel
của động cơ 3C- TE có suất tiêu hao cao nhất ở tốc độ 1000 (v/ph) và suất tiêu hao nhiên
liệu thấp nhất tại tốc độ 3000 (v/ph) ứng với công suất 61.69 kW và Mô men 196,46 (Nm).
250
225
200
175
Ge - Thực nghiệm
150
125
100
1000
1400
1800
2200
2600
3000
3400
3800
4200
Tốc độ [v/ph]
Hình 4.14: Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu Diesel
16
Kết quả thực nghiệm cho thấy đặc tính công suất và môment của động cơ thực nghiệm
đạt 92,4% và 90% so với thông số công bố của nhà chế tạo động cơ theo bảng 4.4, suất
tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất khi động cơ hoạt động ở tốc độ 3000 (v/ph). Tốc độ động cơ
cao hơn 4200 (v/ph) thì công suất và mô men giảm nhiều, suất tiêu hao nhiên liệu tăng
nhanh do hoạt động của bộ điều tốc. Như vậy, giá trị mô men, công suất và suất tiêu hao
nhiên liệu của động cơ Diesel hiện tại làm cơ sở để đánh giá về đặc tính của động cơ chuyển
đổi sang sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel) ở các tỷ lệ nhiên liệu khác nhau.
4.3.2 Đánh giá hoạt động của hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép (LPG
– Diesel).
Từ kết quả của phục lục 3.6 cho thấy việc thay đổi tỷ lệ cung cấp LPG – Diesel có
quy luật nhất định. Tỷ lệ nhiên liệu thay thế LPG – Diesel với thời gian điều khiển giảm
lượng phun Diesel và tăng lượng phun LPG thể hiện theo bảng 4.5 thời gian hiệu chỉnh
như sau:
Bảng 4. 1: Mối quan hệ giữa tỷ lệ thay thế với thꢄi gian giảm lưꢂng phun Diesel và tăng
lưꢂng phun LPG
Tỷ lệ thay thế
Giảm thꢀi gian phun Diesel Tăng thꢀi gian phun LPG
(%)
10
20
30
40
(ms)
0.5
1.3
1.5
2.4
(ms)
2.2
3.0
3.5
4.2
Để đảm bảo các đặc tính kỹ thuật của động cơ không thay đổi khi thay thế các tỷ lệ
LPG – Diesel khác nhau ta tiến hành so sánh áp suất của quá trình cháy diễn ra bên trong
buồng đốt động cơ thông qua cảm biến áp suất buồng cháy với kết quả theo hình 4.15 cho
thấy áp suất cháy cực đại cao nhất với tỷ lệ nhiên liệu thay thế (30%LPG – 70%Diesel) là
81.22 bar tại 4.860 BTDC. Nhưng ở tại vị trí 100 BDTC trên thì áp suất cháy của các tỷ lệ
nhiên liệu (LPG – Diesel) không có sự chênh lệnh nhiều (tối đa 1,3 bar) so với áp suất cháy
khi sử dụng nhiên liệu Diesel là 76.742 bar. Từ kết quả trên cho thấy điều này chứng tỏ
việc cung cấp tỷ lệ nhiên liệu LPG thay thế cho động cơ Diesel khi động cơ hoạt động ở
chế độ nhiện liệu kép phù hợp với cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu ở chương 2.
Hình 4.15: So sánh áp suất cháy ở các tỷ lệ (LPG – Diesel) ở tốc độ 2600 v/ph
17
Ngoài ra, khi thay đổi tỷ lệ nhiên liệu (LPG – Diesel) thay thế càng tăng thì thời điểm
đạt áp suất cháy cực đại càng gần vị trí điểm chết trên, cho thấy quá trình cháy khi sử dụng
nhiên liệu kép (LPG – Diesel) diễn biến nhanh hơn vì thời gian cháy trễ đã giảm so với khi
sử dụng nhiên liệu Diesel.
Đánh giá về tỷ lệ thay thế LPG lớn nhất của động cơ 3C - TE
Dựa vào các số liệu thu thập của cảm biến áp suất buồng cháy giúp giám sát và xác
định được sự gia tăng áp suất tới giới hạn kích nổ khi cung cấp tỷ lệ LPG tăng cao.
Với tỷ lệ thay thế của lần lượt LPG là 10%, 20%, 30%, 40% thì áp suất cháy trong
xilanh tăng dần. Nhưng khi tăng tỷ lệ LPG thay thế 44%, thì biên độ áp suất quá trình cháy
tăng cao hơn nhiều so với các chế độ thay thế ở trên, đồng thời cũng xuất hiện tượng kích
nổ đã xảy ra đối với động cơ. Khi tỷ lệ LPG tăng lên khoảng 43% thì xuất hiện đỉnh áp
suất cao hơn khoảng 10 bar, quá trình kích nổ diễn ra mạnh. Ví vậy, giới hạn tỷ lệ nhiên
liệu thay thế LPG lớn nhất của nghiên cứu trong luận án là 40% ở chế độ đảm bảo mô men
của động cơ cao nhất (chế độ 100% tải).
100
100% Diesel
10%LPG - 90%Diesel
20%LPG - 80%Diesel
30%LPG - 70%Diesel
90
40%LPG - 60%Diesel
43%LPG - 57%Diesel
80
70
60
50
40
30
20
10
0
GOC QUAY TRUC KHUY U AP SUAT XILANH PCYL1 20%LPG
deg bar bar
6.561
-
80%Diesel 30%LPG
bar
80.029
-
70%Diesel 40%LPG
bar
78.459
-
60%Diesel 43%LPG
bar
79.466
-
57%Diesel
bar
88.276
66.633 71.447
-10
-30
-20
0
10
GOC QUAY TRUC KHUYU [deg]
20
30
40
Created with Concerto Student Edition. Licensed for: University of Technical Education
Hình 4.16: Diễn biến áp suất xilanh ở 2600 v/ph với các tỷ lệ LPG khác nhau
Đồng thời để giám sát quá trình kích nổ của động cơ khi hoạt động với nhiên liệu kép
(LPG – Diesel). Hệ thống điều khiển cũng sử dụng tín hiệu cảm biến kích nổ để biết được
chính xác thời điểm xảy ra quá trình kích nổ để điều khiển giới hạn lượng cung cấp LPG
thay thế cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép theo tín hiệu (số 3) hình 4.17.
1
2
Tín hiệu kích nổ
3
4
Hình 4.17: Tín hiệu xung kích nổ của động cơ xảy ra khi thꢄi gian điꢀu khiꢁn mở kim
phun LPG > 4.2 ms
18
Tải về để xem bản đầy đủ
27 trang
22081
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tóm tắt Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cung cấp nhiên liệu trong động cơ diesel sử dụng nhiên liệu kép (LPG - Diesel)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tom_tat_luan_an_nghien_cuu_anh_huong_cua_che_do_cung_cap_nhi.pdf
