Tóm tắt Luận án Nghiên cứu phương pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu trên động cơ common rail diesel sử dụng nhiên liệu kép (CNG-Diesel)
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
HUỲNH PHƯỚC SƠN
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
CUNG CẤP NHIÊN LIỆU
TRÊN ĐỘNG CƠ COMMON RAIL DIESEL
SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP (CNG-DIESEL)
TÓM TẮT
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng - Năm 2018
Công trình được hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học 1: PGS. TS. TRẦN THANH HẢI TÙNG
Người hướng dẫn khoa học 2: PGS. TS. ĐỖ VĂN DŨNG
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Luận án được bảo vệ tại Hội đồng bảo vệ
Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí động lực
họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày….tháng….năm 2018
Có thể tìm hiểu luận án tại:
-
-
Trung tâm Thông tin - Tư liệu, Đại học Đà Nẵng
Thư viện quốc gia Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Năng lƣợng và môi trƣờng đang là vấn đề quan tâm hàng đầu của
nhiều quốc gia trên thế giới. Với đà phát triển của thế giới hiện nay,
nhu cầu sử dụng năng lƣợng, đặc biệt là các loại nhiên liệu truyền
thống xăng và dầu diesel trong công nghiệp, các phƣơng tiện giao
thông vận tải, các động cơ tĩnh tại, thiết bị động lực ngày càng tăng.
Để giải quyết bài toán về năng lƣợng và môi trƣờng nói trên, phần
lớn các nghiên cứu hiện nay tập trung vào hƣớng cải tiến động cơ và
tìm nguồn năng lƣợng mới để thay thế một phần hay hoàn toàn các
loại nhiên liệu truyền thống nhằm mục đích nâng cao hiệu suất động
cơ, tiết kiệm nhiên liệu, giảm sức ép lên nguồn nhiên liệu hiện tại và
giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng. Trong đó, hƣớng nghiên cứu sử dụng
khí thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas -CNG) làm nhiên liệu
cho các động cơ nhiệt là một trong những giải pháp rất đƣợc quan
tâm hiện nay. Với ý nghĩa đó, đề tài “NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP NHIÊN LIỆU TRÊN ĐỘNG CƠ COMMON RAIL
DIESEL SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP (CNG–DIESEL)” đƣợc thực hiện
nhằm góp phần nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng CNG trên các
động cơ nhiệt. Đề tài chọn hƣớng nghiên cứu ứng dụng các thành tựu
công nghệ thông tin và kỹ thuật điện tử vào nghiên cứu điều khiển
cung cấp hỗn hợp nhiên liệu kép CNG-diesel cho động cơ diesel có
tỷ số nén cao, kiểm soát tỷ lệ sử dụng CNG/diesel theo hƣớng bảo
toàn công suất động cơ và giảm thiểu khí phát thải gây ô nhiễm môi
trƣờng, nhằm góp phần giải quyết các áp lực về nhiên liệu và đa dạng
hóa nguồn năng lƣợng cho các phƣơng tiện giao thông và động cơ
tĩnh tại, góp phần đảm bảo an toàn năng lƣợng quốc gia, bảo vệ môi
trƣờng đang là nhu cầu cấp thiết hiện nay. Do vậy, đề tài có tính thực
tiễn và ý nghĩa khoa học.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Đƣa ra giải pháp cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel trên động
cơ diesel có tỷ số nén cao, điều khiển phun diesel qua hệ thống CRDI
và phun CNG trên đƣờng nạp để động cơ làm việc ổn định, đảm bảo
các tính năng kinh tế kỹ thuật và giảm mức phát thải, góp phần nâng
cao hiệu quả sử dụng CNG và làm chủ công nghệ chuyển đổi các
động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu kép.
2
- Đánh giá các tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ
tại các chế độ cung cấp nhiên liệu khác nhau, xây dựng giản đồ tỷ lệ
cung cấp CNG/diesel (map engine) cho động cơ theo tiêu chí đảm
bảo hài hòa các tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ là
tốt nhất.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu:
Đối tƣợng nghiên cứu là động cơ diesel VIKYNO RV125 01 xy
lanh, giữ nguyên tỷ số nén (18:1), đƣợc lắp đặt hệ thống cung cấp
nhiên liệu kép CNG-diesel. Nghiên cứu thực nghiệm đƣợc thực hiện
tại Phòng Thí nghiệm trọng điểm động cơ đốt trong, trƣờng Đại học
Bách khoa TP.HCM.
Phạm vi nghiên cứu:
Xây dựng phƣơng án và thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên
liệu kép CNG-diesel, điều khiển điều khiển phun diesel qua hệ thống
CRDI và phun CNG trên đƣờng nạp. Nghiên cứu ảnh hƣởng của các
chế độ cung cấp nhiên liệu kép đến các tính năng kinh tế kỹ thuật và
phát thải của động cơ. Chƣa nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiên liệu
đến độ bền và tuổi thọ của động cơ.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu và mô phỏng các đặc tính cháy, đặc tính kỹ thuật
của động cơ diesel sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel.
- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu kép
CNG-diesel điều khiển bằng điện tử trên động cơ diesel.
- Thực nghiệm đánh giá ảnh hƣởng nhiên liệu kép CNG-diesel
đến các tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ.
- Nghiên cứu xây dựng giản đồ tỷ lệ CNG/diesel (map engine)
cung cấp các nhiên liệu thành phần cho động cơ theo các chế độ tải
và số vòng quay động cơ.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa
kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá tính phù hợp và
khoa học của kết quả nghiên cứu.
6. Tên đề tài
“Nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu trên
động cơ common rail diesel sử dụng nhiên liệu kép (CNG – Diesel)”
3
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Đề tài góp phần nghiên cứu ứng dụng, cải tiến, phát triển các dòng
động cơ sử dụng nhiên liệu sạch, giải quyết tình trạng khủng hoảng
năng lƣợng và ô nhiễm môi trƣờng hiện nay. Góp phần nghiên cứu,
làm chủ công nghệ chuyển đổi một nguồn lớn động cơ diesel hiện có,
cả trên ô tô và tĩnh tại sang sử dụng nguồn năng lƣợng sạch CNG
nhằm tiết kiệm chi phí, nâng cao hiệu quả kinh tế và tính cạnh tranh
sản phẩm.
8. Cấu trúc nội dung luận án
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận án đƣợc chia làm
04 chƣơng trình bày các nội dung chính nhƣ sau: Chƣơng 1: Nghiên
cứu tổng quan; Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết; Chƣơng 3: Thiết kế, chế
tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel và thực nghiệm;
Chƣơng 4: Kết quả thực nghiệm và thảo luận
9. Các điểm mới chủ yếu của luận án
1. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành công hệ thống điều khiển
cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel bằng điện tử trên động cơ diesel
01 xy lanh VIKYNO RV125 phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt
Nam. Trong đó, nhiên liệu diesel đƣợc cung cấp bởi hệ thống CRDI,
nhiên liệu CNG đƣợc thiết kế phun trên đƣờng ống nạp, hệ thống 02
nhiên liệu thành phần đƣợc điều khiển đồng bộ bởi hệ thống ECU,
đảm bảo động cơ làm việc ổn định theo hƣớng bảo toàn công suất
động cơ và giảm thiểu mức phát thải.
2. Đề xuất tỷ lệ CNG tối đa trong hỗn hợp nhiên liệu kép.
3. Xây dựng đƣợc giản đồ tỷ lệ CNG-diesel theo các chế độ tải và số
vòng quay động cơ làm cơ sở cho việc lập trình điều khiển động cơ.
Chƣơng 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1. Tình hình sử dụng nhiên liệu hóa và ô nhiễm môi trƣờng
Nghị quyết số 41-NQ/TW (15/11/2004) của Bộ Chính trị về bảo
vệ môi trƣờng trong thời kỳ đẩy mạnh công nghiệp hóa và hiện đại
hóa đất nƣớc đã chỉ rõ việc sử dụng các loại nhiên liệu sạch CNG,
LPG là vấn đề cần quan tâm trong xây dựng chính sách phát triển hệ
thống giao thông vận tải trong thời gian tới.
1.2. CNG-nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trƣờng
1.2.1 Khí thiên nhiên nén CNG
Khí thiên nhiên Natural Gas - NG) là hỗn hợp khí cháy đƣợc bao
4
gồm phần lớn là các hydrocarbon. Thành phần chủ yếu của khí thiên
nhiên là methane (CH4) có thể chiếm đến 70-90 %, khoảng 8-10 %
ethane (C2H6), còn lại là các thành phần khác nhƣ propane C3H8),
butane (C4H10), pentane (C5H12) và các anlkan khác [5].
T
T
Các công trình nghiên cứu, đánh giá về động cơ CNG trong
những năm gần đây tập trung vào các hƣớng chính nhƣ: Nghiên cứu
các phƣơng pháp chuyển đổi động cơ sử dụng xăng, dầu diesel sang
sử dụng CNG một phần hay hoàn toàn; Nghiên cứu tối ƣu hóa các
phƣơng pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu CNG. Nghiên cứu mô
phỏng và thực nghiệm đánh giá quá trình cháy của động cơ sử dụng
CNG; so sánh, đánh giá các đặc tính kỹ thuật và mức độ phát thải.
1.3. Các nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng, diesel sang sử dụng
nhiên liệu CNG
Có 03 hƣớng nghiên cứu và ứng dụng chính đã đƣợc triển khai,
bao gồm: Chuyển đổi động cơ xăng, diesel sang sử dụng CNG, đốt
cháy hỗn hợp nhờ tia lửa điện của bu-gi; Động cơ xăng sang sử dụng
CNG–xăng, đốt cháy hỗn hợp nhờ tia lửa điện của bu-gi; Động cơ
diesel sang sử dụng CNG–diesel, trong đó diesel đóng vai trò nhiên
liệu phun mồi tạo tia lửa đốt cháy hỗn hợp khí CNG.
1.3.1. ứ y ổ ă e e
Hình 1.8: Hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG trên động cơ xăng, diesel chuyển sang sử dụng
hoàn toàn CNG
5
ứ y ổ ă
é – ă
Hình 1.9: Hệ thống cung cấp nhiên liệu kép xăng-CNG.
1.3.3 ứ y ổ e e
é -diesel
Hình 1.10: ộng cơ diesel chuyển đ i sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel.
1.4. Các phƣơng pháp cung cấp CNG và diesel trên động cơ
nhiên liệu kép
Có nhiều phƣơng pháp cung cấp và tạo hỗn hợp CNG trên động cơ.
Theo Rosli Abu Bakar (2012), Zastavniouk (1997) [25] có bốn phƣơng
pháp cơ bản cung cấp CNG vào xy-lanh động cơ: sử dụng bộ hòa trộn,
sử dụng một vòi phun chung (phun đơn điểm), vòi phun đa điểm trên
đƣờng nạp và vòi phun trực tiếp vào buồng đốt.
4 ấ bằ b ò
Phƣơng pháp hòa trộn này đơn giản, phù hợp đối với nhiên liệu khí.
Tuy nhiên, khi sử dụng bộ hòa trộn, do tổn thất lƣợng không khí nạp tại
họng và do CNG chiếm chỗ nên hệ số nạp bị giảm, dẫn đến công suất
của động cơ giảm khoảng 5÷8)%, đồng thời sự cung cấp CNG liên tục
làm hạn chế khả năng kiểm soát tỷ lệ CNG/ không khí.
4 ấ bằ vòi phun ờ ạ
Ngày nay, việc sử dụng vòi phun nhiên liệu CNG đƣợc áp dụng
nhiều hơn thay thế cho các bộ hòa trộn. Có hai phƣơng pháp phun
6
trên đƣờng ống nạp hay phun trực tiếp vào buồng đốt.
1.4.3. Cung cấp CNG bằng vòi phun trực tiếp vào buồng cháy
1.4.3.1. Cung cấp CNG bằng vòi phun bào buồng cháy phụ
1.4.3.2. Cung cấp CNG bằng vòi phun trực tiếp vào buồng cháy
thống nhất
1.4.3.3. Cung cấp CNG bằng vòi phun liên hợp kép CNG-diesel
1.4.3.4. Phƣơng pháp phun mồi diesel trong động cơ sử dụng nhiên
liệu kép CNG-diesel
4 4 ều khi n tỷ l cung cấp CNG-diesel
Nhận xét chung: Các phƣơng án cung cấp nhiên liệu CNG trên
đƣờng ống nạp hiện đang sử dụng phổ biến vì kết cấu hệ thống đơn giản,
dễ bố trí. Việc thay bộ hòa trộn bằng vòi phun CNG hạn chế đƣợc sự
giảm hệ số nạp, góp phần cải thiện hiệu suất nhiệt và công suất động cơ.
Phun trực tiếp CNG vào buồng đốt cũng là nghiên cứu đang đƣợc quan
tâm, tuy nhiên kết cấu phức tạp, giá thành tăng nên chƣa đƣợc ứng dụng
phổ biến.
1.5. Các nghiên cứu về đặc tính động cơ sử dụng nhiên liệu CNG
Một số nghiên cứu khác tập trung vào ảnh hƣởng của nhiên liệu
diesel phun mồi. Theo Slawomir Wierzbicki và các cộng sự [66], các
thông số cơ bản của sự phun mồi diesel nhƣ lƣợng nhiên liệu phun, thời
điểm phun và áp suất phun có ảnh hƣởng lớn đến quá trình cháy của
động cơ sử dụng nhiên liệu kép diesel – CNG.
Hình 1.19: Tỷ lệ CNG-diesel trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép.
Về động cơ sử dụng nhiên liệu kép, nhóm nghiên cứu Nguyễn Đức
Khánh, Trần Đăng Quốc cũng đã đánh giá tính năng làm việc và phát
thải độc hại của động cơ diesel khi sử dụng lƣỡng nhiên liệu CNG/diesel
[13]. Quá trình nghiên cứu đƣợc thực hiện trên động cơ diesel 4 xylanh
sử dụng trên xe tải. CNG đƣợc cung cấp bổ sung vào đƣờng nạp của
động cơ trƣớc khi vào xylanh với các tỷ lệ khác nhau.
1.6. Kết luận và định hƣớng nghiên cứu của đề tài
Luận án tập trung nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển cung cấp
7
nhiên liệu kép CNG-diesel trên động cơ diesel bằng điện tử nhằm nâng
cao chất lƣợng cung cấp nhiên liệu và điều khiển hoạt động của động cơ
nhiên liệu kép.
Thiết kế, chế tạo hệ thống Common Rail Diesel Injector CRDI)
để cung cấp nhiên liệu diesel thay cho hệ thống cung cấp cơ khí, sử dụng
vòi phun CNG trên đƣờng nạp thay cho kiểu cung cấp bằng bộ hòa trộn
thông thƣờng.
Thiết kế, chế tạo và lập trình ECU điều khiển đồng bộ hai hệ
thống nhiên liệu, kiểm soát tỷ lệ CNG/diesel cung cấp cho động cơ.
Xây dựng giản đồ tỷ lệ CNG/diesel engine map) thể hiện phạm
vi và tỷ lệ nhiên liệu CNG và diesel cần cung cấp cho động cơ hoạt động
ở chế độ nhiên liệu kép theo số vòng quay và tải động cơ theo tiêu chí
đảm bảo động cơ có vùng làm việc ổn định và đạt mô-men, mức phát
thải là tốt nhất.
Thực nghiệm đƣợc thực hiện trên động cơ diesel VIKYNO RV125
cỡ nhỏ, 1 xy-lanh, sản phẩm của Công ty SVEAM - Việt Nam, đƣợc sử
dụng rộng rãi trong nƣớc và xuất khẩu. Do vậy, nghiên cứu góp phần
làm chủ công nghệ chuyển đổi nguồn động cơ diesel đang có sang sử
dụng nhiên liệu sạch, đồng thời cũng góp phần cải tiến hệ thống nhiên
liệu, nâng cao chất lƣợng cạnh tranh của sản phẩm trong nƣớc.
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giả thuyết tính toán và mô phỏng dựa trên mô hình động cơ diesel
VIKYNO RV125 01 xylanh, chuyển sang sử dụng nhiên liệu kép
CNG-diesel, trong đó diesel tạo ra năng lƣợng đánh lửa đốt cháy hỗn
hợp CNG. Phƣơng án cung cấp nhiên liệu đƣợc lựa chọn: diesel đƣợc
cung cấp bằng hệ thống CRDI, CNG đƣợc cung cấp trên đƣờng ống
nạp bằng vòi phun.
2.1. Lý thuyết điều khiển động cơ nhiên liệu kép
2.1.1. H ề
2.1.2. Lý thuyế ều khi t trong
2.1.2.1. Điều khiển mô-men động cơ
Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động
8
2.1.2.2. Điều khiển kiểm soát khói đen
2.1.2.3. Kiểm soát kích nổ
2.1.3. H th ều khi u kép
2.2. Mô hình hóa quá trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel trong
động cơ VIKYNO RV125 bằng phần mềm CFD FLUENT
y ò b ủa nhiên li u kép
CNG-diesel
2.2.2. Sự lan tràn màng l a trong quá trình cháy củ
CNG-diesel
Hình 2.12: Phân chia vùng cháy trong động cơ CNG-diesel.
Kết luận: Quá trình cháy của nhiên liệu kép là quá trình cháy hòa
trộn trƣớc cục bộ trên cơ sở kết hợp giữa quá trình cháy khuyếch tán
không hòa trộn trƣớc của diesel và quá trình cháy hòa trộn trƣớc của
hỗn hợp nhiên liệu CNG – không khí. Nghiên cứu quá trình hình
thành hỗn hợp và cháy của nhiên liệu diesel trong hỗn hợp đồng
nhất của nhiên liệu CNG với không khí là cơ sở để xây dựng mô
hình mô phỏng quá trình cháy cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép.
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của động cơ VIKYNO RV125.
STT
1
Thông số
Đƣờng kính xylanh
Ký hiệu
Giá trị
94
Đơn vị
mm
D
2
Hành trình piston
S
90
mm
3
4
5
6
7
8
9
Chiều dài thanh truyền
Thể tích công tác
Tỷ số nén
Công suất cực đại ở 2.400 v/ph)
Mô-men cực đại ở 1.800 v/ph)
Số vòng quay cực đại
Số vòng quay định mức
l
Vh
Ne max
Me max
n
n
EDO
s
145
624
18:1
12,5
4
2.560
2.200
143
20
mm
cm3
HP
kgf.m/1
v/ph
v/ph
J
10 Năng lƣợng phun mồi
11 Góc phun sớm
độ
12 Thành phần hỗn hợp
f
0,054
9
2.2.3 T ế y
Hình 2.15: Chia l i v xác lập điều kiện iên cho mô hình.
2.2.4 K ả ễ b ế y
Hình 2.17: Tr ờng số vòng quay ở vị trí 330 của môi chất công tác trong uồng cháy động cơ
VIKYNO RV125 ở ch độ n 2.200 v ph; s=20; = 1).
Hình 2.20: Bi n thiên nhiệt độ trong quá trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel của động cơ
VIKYNO RV125 (n=2.200 v/ph; s=20; = 1).
2.2.5. ả ủ ế y
é -diesel
nh hƣởng của góc phun diessel đánh lửa sớm
nh hƣởng của góc đánh lửa sớm, tức thời điểm phun sớm diesel
đến áp suất đƣợc mô phỏng với thành phần hỗn hợp f 0,054 ứng
với 1, số vòng quay n 2.000 v/ph, ứng với các góc phun sớm
lần lƣợt là 100, 200, 300, 400 có kết quả nhƣ các hình 2.12, 2.13.
10
120
100
80
60
40
20
0
Góc phun sớm 30 độ
Góc phun sớm 20 độ
Góc phun sớm 10 độ
180
210
240
270
300
330
360
390
420
450
480
510
540
Góc quay trục khuỷu (độ)
Hình 2.23: p suất ch thị trong quá trình cháy ng v i s : 10, 20, 30, 40 độ,
n = 2.000 v/ph; = 1.
Kết luận: Quá trình cháy của động cơ VIKYNO RV125 sử dụng
nhiên liệu kép CNG-diesel đƣợc mô phỏng, tính toán bằng phần mềm
FLUENT, sử dụng mô hình rối k-ε tiêu chuẩn, mô hình cháy Partially
Premixed, năng lƣợng đánh lửa do tia phun diesel cung cấp. Các kết
quả mô phỏng về biến thiên nồng độ CH4 và O2 trong quá trình cháy,
diễn biến nhiệt độ và áp suất khí thể trong buồng cháy cho thấy khả
năng đáp ứng phù hợp của hệ thống nhiên liệu kép khi cháy.
2.3. Mô phỏng tính toán các đặc tính kỹ thuật của động cơ
VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel bằng phần
mềm AVL-BOOST
Trong luận án này, tác giả sử dụng mô hình cháy là mô hình
Vibe 2 vùng cho cả hai trƣờng hợp sử dụng nhiên liệu diesel và nhiên
liệu kép CNG-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
đƣợc chuẩn bị trƣớc và vùng cháy khuyếch tán của nhiên liệu diesel
phun sau. Các thông số của mô hình Vibe là các thông số liên quan
đến thời điểm bắt đầu cháy, thời gian cháy, lƣợng nhiên liệu tham gia
quá trình cháy và lƣợng nhiên liệu đã bay hơi hòa trộn với không khí
trƣớc khi cháy.
P ọ ứ ấ
2.3.2. Mô hình cháy Vibe 2 vùng trong xylanh
2.3.3. Xây ự VIKYNO RV125
Luận án sử dụng mô hình cháy là mô hình Vibe 2 vùng cho cả hai
trƣờng hợp sử dụng nhiên liệu diesel và nhiên liệu kép CNG - 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 đƣợc chuẩn bị trƣớc và
11
vùng cháy khuyếch tán của nhiên liệu diesel phun sau.
Bảng 2.3: Các thông số chính của mô hình mô phỏng.
STT
1
2
3
4
Thông số
Đƣờng kính xylanh
Giá trị
Đơn vị
mm
mm
mm
94
Hành trình dịch chuyển
Chiều dài thanh truyền
Số xylanh
90
145
1
5
Tỷ số nén
18
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Số lỗ trên vòi phun diesel
Đƣờng kính lỗ vòi phun diesel
Góc phun sớm
Đƣờng kính đế xupáp nạp
Đƣờng kính đế xupáp xả
Thời điểm xupáp nạp mở sớm
Thời gian xupáp nạp mở
Thời điểm xupáp thải mở
Thời gian xupáp thải làm việc
Mô hình cháy
6
0,14
22,5
42
36
340
310
130
310
mm
deg
mm
mm
deg
deg
deg
deg
AVL MCC Model
Woschni 1978
Mô hình truyền nhiệt
Hình 2.27: Mô hình mô phỏng động cơ VIKYNO RV125.
4 Kế ả ặ ủ é
CNG-diesel
Khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel từ DO100 đến CNG70–DO30,
kết quả mô phỏng đƣờng đặc tính mô-men động cơ thu đƣợc nhƣ
bảng 2.5. Đồ thị mô phỏng đặc tính mô men khi động cơ sử dụng
nhiên liệu kép hình 2.20.
12
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
nh hƣởng tỷ lệ CNG đến mô-men động cơ theo mô phỏng
MP_Ne D100
MP_Ne CNG10
MP_Ne CNG30
MP_Ne CNG50
MP_Ne CNG70
MP_Ne CNG20
MP_Ne CNG40
MP_Ne CNG60
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
Số vòng quay động cơ n v/ph)
Hình 2.28: ồ thị mô phỏng đặc tính mô-men động cơ khi thay đ i tỷ lệ CNG diesel
Tƣơng tự, công suất động cơ thu đƣợc thể hiện trong bảng 2.6 và
đồ thị 2.21. Khi nâng tỷ lệ CNG trong hỗn hợp, công suất động cơ
càng tăng. Ở tỷ lệ CNG70, số vòng quay n=2400 (v/ph), công suất
cực đại cao hơn khoảng 4,45% so với trƣờng hợp tỷ lệ DO100.
11
nh hƣởng tỷ lệ CNG đến công suất động cơ theo mô phỏng
MP_Ne D100
MP_Ne CNG10
MP_Ne CNG40
MP_Ne CNG70
MP_Ne CNG20
MP_Ne CNG30
MP_Ne CNG60
MP_Ne CNG50
9
7
5
3
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
Số vòng quay động cơ n v/ph)
Hình 2.29: ồ thị mô phỏng công suất động cơ khi thay đ i tỷ lệ CNG diesel.
2.3.5. Phát thải của động cơ VIKYNO RV125
2.3.5.1. Phát thải NOx
Hình 2.32: ồ thị iểu diễn NOx theo số vòng quay v tỷ CNG diesel.
2.3.5.2. Phát thải CO
13
2.3.5.3. Phát thải SOOT
2.4. Kết luận chƣơng 2
- Diễn biến nồng độ ôxy và CH4 cuối quá trình cháy cho thấy tốc
độ tiêu thụ mãnh liệt hỗn hợp thể hiện qua tốc độ giảm nồng độ O2 và
CH4 trong quá trình cháy. Điều đó cho thấy CNG có khả năng cháy
tốt với năng lƣợng tia lửa do diesel phun mồi tạo ra.
- Tốc độ tỏa nhiệt trong buồng cháy cao làm cho nhiệt độ cực đại
của môi chất trong buồng cháy lớn. Do vậy, áp suất trên đƣờng giãn
nở của động cơ cao, do đó công chỉ thị của chu trình đƣợc tính trên
diện tích đồ thị công s lớn.
Trong luận án này, tác giả cũng đã sử dụng phần mềm mô phỏng
AVL-BOOST để mô phỏng tính toán các đặc tính kỹ thuật của động
cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel. Các kết quả đạt đƣợc nhƣ sau:
- Khi động cơ chuyển sang sử dụng CNG-diesel với các tỷ lệ thay
đổi phần trăm CNG từ 30-70 (%): mô-men động cơ khi sử dụng
nhiên liệu kép CNG-diesel ở dãy số vòng quay thấp từ
1200÷1600v/ph thấp hơn so với khi sử dụng nhiên liệu diesel đơn
thuần và cao hơn khi vòng quay đạt từ 1600÷2400v/ph. Tỷ lệ
CNG/diesel tăng mô-men càng tăng. Ở tỷ lệ nhiên liệu CNG70 so với
DO100, mô-men cực đại cao hơn 1,3% tại số vòng quay
n=1800v/ph),công suất động cơ cao hơn khoảng 4,45 % so với 100%
diesel (tại số vòng quay n=2400v/ph).
- Kết quả mô phỏng cũng cho thấy mức phát thải khi động cơ sử
dụng nhiên liệu kép CNGdiesel cũng đƣợc cải thiện rất nhiều so với
khi sử dụng hoàn toàn diesel.
Với kết quả khảo sát diễn biến các thông số kỹ thuật chính trong
quá trình cháy của nhiên liệu kép CNG-diesel và các đặc tính kinh tế
kỹ thuật, mức phát thải thu nhận đƣợc từ các kết quả mô phỏng, cho
thấy tính khả quan của việc sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel trên
động cơ diesel có tỷ số nén cao. Đây là cơ sở khoa học và định hƣớng
cho công việc thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển cung cấp nhiên
liệu kép CNG-diesel trên mô hình thực nghiệm.
Chƣơng 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CUNG CẤP
NHIÊN LIỆU KÉP CNG-DIESEL VÀ THỰC NGHIỆM
Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel
trên động cơ diesel, kiểm soát đƣợc tỷ lệ nhiên liệu CNG/diesel cung
cấp cho động cơ, thỏa mãn đƣợc các tiêu chí đặt ra là động cơ làm
14
việc ổn định ở các chế độ tải và số vòng quay động cơ, bảo toàn các
tính năng kinh tế kỹ thuật và giảm mức phát thải tốt nhất so với động
cơ diesel nguyên thủy. Trên cơ sở đó đề xuất bản đồ tỷ lệ CNG-diesel
theo tiêu chí công suất động cơ và giảm mức phát thải ở điều kiện tốt
nhất.
3.1. Phƣơng án thiết kế hệ thống cung cấp NL kép CNG-diesel
Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel
3.2. Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel
3.2.1. T ế ế ấ RDI
Hình 3.6: Bơm cao áp HP3 v vị trí lắp đặt, dẫn động
T ế ế ấ
T ế ế ề ấ é
Hình 3.13: Sơ đồ t ng quan hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép
3.2.3.1. Điều khiển áp suất nhiên liệu CNG
3.2.3.2. Điều khiển áp suất nhiên liệu diesel
3.2.3.3. Điều khiển thời điểm và thời gian phun nhiên liệu diessel và
CNG
3.2.3.4. Điều khiển tỷ lệ nhiên liệu CNG/diesel cung cấp
15
3.2.3.5. Điều khiển chống kích nổ
3.3. Lập trình điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu
T ề ấ e e
T ề ấ
3.4. Thiết kế, chế tạo ECU điều khiển hệ thống cung cấp nhiên
liệu
Hình 3.25: Mạch điện điều khiển các vòi phun diesel và CNG
3.5. Mô hình thực nghiệm
Hình 3.26: Mô hình động cơ thực nghiệm VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel
3.5 M ự
Mục đích thực nghiệm
Thực nghiệm động cơ VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép
CNG-diesel nhằm các mục đích sau:- Xác định đƣờng đặc tính ngoài
của động cơ thực nghiệm khi chuyển đổi nhiên liệu từ diesel sang sử
dụng nhiên liệu kép CNG-diesel;- Đánh giá tính năng kinh tế, kỹ
thuật và quá trình phát thải của động cơ thực nghiệm khi sử dụng
nhiên liệu kép CNG-diesel; - Đánh giá ảnh hƣởng của tỷ lệ
CNG/diesel đến các đặc tính kỹ thuật và phát thải của động cơ thực
nghiệm khi sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel; - Xây dựng giản đồ
tỷ lệ CNG/diesel của động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel
theo tiêu chí bảo toàn công suất động cơ và giảm khí phát thải.
Nội dung thực nghiệm:
- Xác định đặc tính vòi phun diesel và CNG làm cơ sở cho việc
16
tính toán lƣợng nhiên liệu kép cung cấp cho động cơ thực nghiệm; -
Đo áp suất cháy động cơ; Đo mô-men, công suất động cơ; Xác định
mức tiêu hao năng lƣợng diesel và CNG; - Đo các thành phần khí
thải; Xây dựng giản đồ tỷ lệ CNG-diesel cung cấp nhiên liệu kép.
3.5 S ồ ự
3.5.3 y ự
3.6. Kết luận chƣơng 3
- Áp dụng thành công các kỹ thuật điều khiển hiện đại vào hệ
thống điều khiển cung cấp nhiên liệu cho động cơ sử dụng nhiên liệu
kép. Phƣơng án sử dụng hệ thống CRDI để cung cấp diesel và phun
CNG trên đƣờng nạp đã tận dụng đƣợc các ƣu điểm về điều khiển
phun nhiên liệu, nâng cao chất lƣợng hòa trộn hỗn hợp và quá trình
cháy của nhiên liệu kép.
- ECU đƣợc lập trình điều khiển bởi các chƣơng trình, ngôn ngữ
mạnh; đƣợc thiết kế, chế tạo, sử dụng các thiết bị hiện đại nên có độ
ổn định, tin cậy và tốc độ xử lý nhanh, đáp ứng tốt yêu cầu làm việc
của hệ thống cung cấp nhiên liệu kép.
- Công tác thực nghiệm đƣợc thực hiện theo quy trình thí nghiệm
chính xác, thiết bị đo hiện đại nên kết quả thực nghiệm có độ chính
xác, tin cậy cao.
Chƣơng 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
4.1. Thực nghiệm xác định đặc tính vòi phun diesel và CNG
Hình 4.1: ồ thị đặc tính vòi phun diesel Hình 4.2: ồ thị đặc tính vòi phun
trên mô hình thực nghiệm
CNG trên mô hình thực nghiệm
4.2. Thực nghiệm đánh giá đặc tính mô-men và công suất
Kết quả xây dựng đồ thị đặc tính mô-men và công suất động cơ ở
hai tỷ lệ 100 % diesel và 60 % CNG, chế độ tải 100 % nhƣ hình 4.3,
cho thấy: khi động cơ làm việc ở số vòng quay thấp từ
1200÷1400v/ph, mô-men động cơ khi sử dụng nhiên liệu kép CNG-
17
diesel thấp hơn so với khi sử dụng hoàn toàn nhiên liệu diesel. Tại số
vòng quay 1200v/ph, mô-men và công suất giảm khoảng 8,9 (%).
Khi số vòng quay tăng từ 1600÷2400v/ph, mô-men và công suất khi
sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel đạt giá trị cao hơn so với khi sử
dụng hoàn toàn diesel. ở tỷ lệ CNG60, mô-men cực đại ở số vòng
quay 1800v/ph cao hơn 1,32 %), công suất cực đại ở số vòng quay
2400v/ph cao hơn 3,74 %) so với khi sử dụng hoàn toàn diesel.
Hình 4.3: ồ thị đặc tính mô-men v công suất động cơ VIKYNO RV125.
Hình 4.4: ồ thị so sánh k t quả công suất động cơ giữa thực nghiệm v mô phỏng ở hai tỷ lệ
CNG60 và DO100
Hình 4.4 thể hiện kết quả so sánh công suất động cơ giữa thực
nghiệm và mô phỏng. Theo đó, sai lệch công suất động cơ giữa thực
nghiệm và mô phỏng lớn nhất ở hai tỷ lệ DO100 và CNG60 lần lƣợt
là -2,68 và -5,16 %). Giá trị sai lệch cho thấy kết quả thực nghiệm
và mô phỏng là chính xác, có độ tin cậy cao.
4.3. Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng của tỷ lệ CNG/diesel
đến mô-men và công suất của động cơ
18
11
9
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
nh hƣởng tỷ lệ CNG đến đặc tính công suất động cơ
nh hƣởng tỷ lệ CNG đến đặc tính mô-men động cơ
TN_Ne DO100
TN_Ne CNG30
TN_Ne CNG40
TN_Ne CNG50
TN_Ne CNG60
TN_Me DO100
7
TN_Me CNG30
TN_Me CNG40
TN_Me CNG50
TN_Me CNG60
5
3
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
Số vòng quay động cơ n v/ph)
Số vòng quay động cơ n v/ph)
Hình 4.5: ồ thị đặc tính ngo i của động cơ khi thay đ i tỷ lệ CNG diesel.
4.4. Thực nghiệm đánh giá đặc tính phát thải của động cơ
Thực nghiệm đo khí thải động cơ CO, HC và độ mờ khói theo chu
trình thử khí thải ISO 8178 C1, đƣợc sử dụng cho các động cơ tĩnh
tại theo tiêu chuẩn khí thải EPA TIER2.
Hình 4.8: Nồng độ CO của động cơ RV125 theo chu trình đo ISO 8178 C1.
4.5. Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng tỷ lệ CNG/diesel đến
đặc tính phát thải động cơ
Hình 4.11: ộ mờ khói Opacity của động cơ khi thay đ i tỷ lệ CNG diesel.
Nồng độ CO, HC và độ mờ khói giảm đáng kể khi tăng tỷ lệ
CNG.
Tải về để xem bản đầy đủ
26 trang
20660
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tóm tắt Luận án Nghiên cứu phương pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu trên động cơ common rail diesel sử dụng nhiên liệu kép (CNG-Diesel)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tom_tat_luan_an_nghien_cuu_phuong_phap_dieu_khien_cung_cap_n.pdf
