Nghiên cứu phương pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu trên động cơ common rail diesel sử dụng nhiên liệu kép (CNG – Diesel) (Luận án tiến sĩ)

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng
được người nào công bố trong bất kỳ công trình nào khác!
Đà Nẵng, tháng 04 năm 2018
Tác giả luận án

Huỳnh Phƣớc Sơn


i

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
MỤC LỤC .................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................ iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .............................................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................. xi
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết........................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................ 4
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 4
4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 4
5. Phƣơng pháp nghiên cứu......................................................................................... 5
6. Tên đề tài ................................................................................................................. 5
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu ............................................. 5
8. Cấu trúc nội dung luận án ....................................................................................... 5
9. Các điểm mới chủ yếu của luận án ......................................................................... 6
10. Hạn chế của luận án .............................................................................................. 6

Chƣơng 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ................................................................. 7
1.1. Tình hình sử dụng nhiên liệu hóa thạch và ô nhiễm môi trƣờng ......................... 7
1.2. CNG – nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trƣờng và ứng dụng ............ 10
1.2.1 Khí thiên nhiên nén CNG ................................................................................. 10
1.2.2. Trữ lƣợng và tình hình khai thác kh thiên nhiên ............................................ 12
1.2.3. Tình hình sử dụng CNG làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, ô tô và xu
hƣớng phát triển ........................................................................................................ 14
1.3. Các nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng, diesel sang sử dụng CNG .............. 15
1.3.1. Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng, diesel sang sử dụng hoàn toàn nhiên
liệu CNG ................................................................................................................... 16
1.3.2. Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng nhiên liệu kép CNG –
xăng ........................................................................................................................... 17
1.3.3. Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel.......................................................................................................................... 18
1.4. Các phƣơng pháp cung cấp CNG và diesel trên động cơ nhiên liệu kép ........... 19
1.4.1. Cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn .................................................................... 19


ii

1.4.2. Cung cấp CNG bằng vòi phun trên đƣờng ống nạp ........................................ 21
1.4.3. Cung cấp CNG bằng vòi phun trực tiếp vào buồng cháy ............................... 22
1.4.4. Các phƣơng pháp điều khiển tỷ lệ cung cấp CNG-diesel ............................... 26
1.5. Các nghiên cứu về ảnh hƣởng của điều kiện cung cấp đến đặc t nh động cơ sử
dụng nhiên liệu kép CNG-diesel ............................................................................... 26
1.5.1. Các nghiên cứu trên thế giới ........................................................................... 26
1.5.2. Các nghiên cứu trong nƣớc ............................................................................. 30
1.6. Kết luận và định hƣớng nghiên cứu của đề tài ................................................... 33
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 35
2.1. Lý thuyết điều khiển động cơ nhiên liệu kép ..................................................... 35
2.1.1. Hệ thống điều khiển động cơ đốt trong ........................................................... 35

2.1.2. Lý thuyết điều khiển động cơ đốt trong .......................................................... 38
2.1.3. Hệ thống điều khiển động cơ nhiên liệu kép................................................... 43
2.2. Mô hình hóa quá trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel trong động cơ
VIKYNO RV125 bằng phần mềm CFD FLUENT ................................................... 46
2.2.1. Quá trình cháy hòa trộn trƣớc cục bộ của nhiên liệu kép CNG-diesel ........... 47
2.2.2. Sự lan tràn màng lửa trong quá trình cháy của động cơ CNG-diesel ............. 49
2.2.3. Thiết lập mô hình t nh toán mô ph ng quá trình cháy .................................... 51
2.2.4. Khảo sát diễn biến quá trình cháy ................................................................... 53
2.2.5. Đánh giá ảnh hƣởng của các thông số đến quá trình cháy động cơ nhiên liệu
kép CNG-diesel ......................................................................................................... 56
2.3. Mô ph ng t nh toán các đặc tính kỹ thuật của động cơ VIKYNO RV125 sử
dụng nhiên liệu kép CNG-diesel bằng phần mềm AVL-BOOST............................. 58
2.3.1. Phƣơng trình nhiệt động học thứ nhất ............................................................. 59
2.3.2. Mô hình cháy Vibe 2 vùng trong xy-lanh ....................................................... 60
2.3.3. Xây dựng mô hình mô ph ng động cơ VIKYNO RV125 .............................. 63
2.3.4. Kết quả mô ph ng động cơ nhiên liệu kép CNG-diesel ................................. 67
2.4. Phát thải của động cơ VIKYNO RV125 ........................................................... 70
2.4.1. Phát thải NOx................................................................................................... 71
2.4.2. Phát thải CO ................................................................................................... 71
2.4.3. Phát thải SOOT ............................................................................................... 72
2.5. Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................. 73
Chƣơng 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU KÉP
CNG-DIESEL VÀ THỰC NGHIỆM ....................................................................... 75


iii

3.1. Phƣơng án thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel ................... 76
3.2. Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel .................................... 78
3.2.1. Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu CRDI .................................................. 79

3.2.2. Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG ................................................... 81
3.2.3. Thiết kế hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép .................................... 82
3.3. Lập trình điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu ............................................ 90
3.3.1. Thuật toán điều khiển cung cấp nhiên liệu diesel ........................................... 90
3.3.2. Thuật toán điều khiển cung cấp nhiên liệu CNG ............................................ 92
3.4. Thiết kế, chế tạo ECU điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu ....................... 92
3.5. Mô hình thực nghiệm ......................................................................................... 95
3.5.1. Mục đ ch và nội dung thực nghiệm................................................................. 96
3.5.2. Sơ đồ thực nghiệm .......................................................................................... 96
3.5.3. Quy trình thực nghiệm .................................................................................... 99
3.6. Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................ 101
Chƣơng 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN ................................. 102
4.1. Thực nghiệm xác định đặc tính vòi phun diesel và vòi phun CNG ................. 102
4.2. Thực nghiệm đánh giá đặc tính mô-men và công suất động cơ....................... 104
4.3. Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng của tỷ lệ CNG/DO đến mô-men và công
suất của động cơ ...................................................................................................... 107
4.4. Thực nghiệm đánh giá đặc tính phát thải của động cơ .................................... 109
4.5. Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng tỷ lệ CNG/diesel đến đặc tính phát thải
động cơ .................................................................................................................... 112
4.6. Thực nghiệm xác định suất tiêu hao năng lƣợng ............................................. 114
4.7. Thực nghiệm đo áp suất cháy của động cơ ...................................................... 117
4.8. Xây dựng giản đồ tỷ lệ CNG/diesel ................................................................. 119
4.9. Kết luận chƣơng 4 ............................................................................................ 123
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................. 125
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ......................................................................... 1
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 3


iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Các ký hiệu mẫu tự La-tinh:
Vh

[cm3]

Thể tích công tác

Vc

[cm3]

Thể t ch buồng cháy

S
D
n
i
Wi
Ni

[mm]
[mm]
[v/ph]
[-]
[J]
[kW]

Hành trình piston

f

[-]

Giá trị trung bình của tỷ lệ hỗn hợp

ge

Suất tiêu hao nhiên liệu động cơ

ee
R
Re

[g/kW.h]
[J/kW.h]
[J/kg.oK]
[-]

S

[J/mol.oK]

Entropy phân tử mol

t

Thời gian

Q

[ms], [s]
[J]

QF

[J]

Nhiệt lƣợng của nhiên liệu cung cấp

Qw

[J]

Tổn thất nhiệt qua vách

QMCC

[-]

Hằng số chất kh

QComb

[-]

Hằng số cháy

mDO

[kg]

Khối lƣợng diesel tiêu thụ

mCNG

[kg]

Khối lƣợng CNG tiêu thụ

EDO

[kJ]

Năng lƣợng diesel tiêu thụ

ECNG

[kJ]

Năng lƣợng CNG tiêu thụ

eeDO

[kJ/kW.h]

Suất tiêu hao năng lƣợng diesel

eeCNG

[kJ/kW.h]

Suất tiêu hao năng lƣợng CNG

Đƣờng kính xylanh
Số vòng quay động cơ
Số xylanh
Công chỉ thị chu trình
Công suất có ch

Suất tiêu hao năng lƣợng động cơ
Hằng số kh
Chuẩn số Reynolds

Tổng nhiệt lƣợng t a ra trong quá trình cháy


v

mc

[kg]

Khối lƣợng môi chất trong xylanh

hBB

Trị số entanpy

dmi

[-]
[kJ]

dme

[kJ]

Lƣợng kh ra kh i xylanh

hi

[-]

Entanpy của môi chất kh đi vào xylanh

he

[-]

Entanpy của môi chất khi đi kh i xylanh

qev

[kJ]

Nhiệt hóa hơi của nhiên liệu

mew

[kJ]

Khối lƣợng nhiên liệu bay hơi

Ro

[-]

Hằng số chất kh

Lƣợng kh vào xylanh

2. Các ký hiệu mẫu tự Hy Lạp:


[-]

Số kỳ của động cơ



[-]

Tỷ số nén động cơ

s

[độ]

Góc phun sớm



[-]

Hệ số dƣ lƣợng không khí



[-]

Hệ số tƣơng đƣơng


~
2

[--]

Giá trị trung bình của hàm

[--]

Độ lệch trung bình phƣơng của hàm

nl

[kg/m3]
[kg/m3]

Khối lƣợng riêng của nhiên liệu

kk

Khối lƣợng riêng của không khí



[N.s/m ], [kg/m.s]

Hệ số nhớt động lực



[kg/m3]

Khối lƣợng riêng

x

[m]

Hệ số khuếch tán theo phƣơng x

y

[m]

Hệ số khuếch tán theo phƣơng y

z

[m]

Hệ số khuếch tán theo phƣơng z

λDiff

2

[-]

Hệ số dƣ lƣợng không kh trong quá trình cháy
chính


vi

3. Các chữ viết tắt:
A/F
CNG

Air/Fuel (tỷ số hỗn hợp không khí/nhiên liệu)

LNG

Liquefied Natural Gas khí thiên nhiên h a l ng

LPG
CRDI

Liquefied Petroleum Gas khí d u m h a l ng

CFD

Computational Fluid Dynamics

RNG

Re-Normalisation Group (mô hình k - ɛ đơn giản hóa theo nhóm)

ECU

Electronic Control Module (hộp điều khiển điện tử)

BTDC

Before Top Dead Center (trước điểm chết trên)

CA

Crankshaft Angle (góc quay trục khuỷu)

RSM

Reynolds Stress Models (mô hình ứng suất Reynolds)

EVM

Eddy Viscovity Models (mô hình độ nhớt động)

AVL MCC

Mô hình cháy của hãng AVL

SOOT

Muội than

ĐCT

Điểm chết trên

ĐCD

Điểm chết dƣới

GTVT
MP
TN
CO
HC

Giao thông vận tải

NOX

Oxyde nitơ

Smoke

Độ khói

SOx

Ôx t lƣu huỳnh

Compressed Natural Gas (khí thiên nhiên nén)

Commom Rail Diesel Injection

Mô ph ng
Thực nghiệm
Monoxyde carbon
Hydro cacbon


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Nguồn gốc kh thải gây hiệu ứng nhà k nh ở Mỹ năm 2013 ......................8
Hình 1.2: Nguồn phát thải động cơ ô tô gây ô nhiễm môi trƣờng trầm trọng ............9
Hình 1.3: Thành phần kh thiên nhiên và cấu trúc phân tử kh methane (CH4)........11
Hình 1.4: Các ƣu điểm khi sử dụng nhiên liệu CNG thay cho xăng và dầu diesel ..12
Hình 1.5: Bản đồ phân bố kh thiên nhiên trên toàn thế giới ....................................13
Hình 1.6: Bản đồ phân bố các vùng có trữ lƣợng kh thiên nhiên lớn ở Việt Nam ..13
Hình 1.7: Ô tô buýt sử dụng nhiên liệu CNG tại TP.HCM.......................................14
Hình 1.8: Hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG trên động cơ xăng, diesel chuyển sang
sử dụng hoàn toàn CNG ............................................................................................16
Hình 1.9: Hệ thống cung cấp nhiên liệu kép xăng-CNG .........................................17

Hình 1.10: Động cơ diesel chuyển đổi sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel ............18
Hình1.11: Bốn phƣơng pháp cung cấp CNG trên động cơ .......................................19
Hình 1.12: Cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn ............................................................20
Hình 1.13: Cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn trên động cơ sử dụng nhiên liệu kép .20
Hình 1.14: Sơ đồ cung cấp CNG bằng vòi phun trên đƣờng ống nạp ......................22
Hình 1.15: Sơ đồ cung cấp CNG với kiểu phun vào buồng cháy phụ ......................23
Hình 1.16: Phun trực tiếp CNG vào buồng cháy thống nhất ....................................24
Hình 1.17: Vòi phun liên hợp kép CNG-diesel.........................................................25
Hình 1.18: Các phƣơng án điều khiển cung cấp tỷ lệ CNG/diesel trong động cơ
nhiên liệu kép ............................................................................................................26
Hình 1.19: Mô-men, công suất và tỷ lệ CNG thay thế trên động cơ X6-130 sử dụng
nhiên liệu kép ............................................................................................................27
Hình 1.20: Hiệu suất nhiệt và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ thử nghiệm khi
thay đổi tỷ lệ CNG-diesel và tỷ số nén động cơ ở các chế độ tải .............................28
Hình 1.21: Tỷ lệ CNG-diesel trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép .......................29
Hình 1.22: Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu động cơ diesel và động cơ sử dụng
nhiên liệu kép (CNG% = 65÷85%) ...........................................................................29
Hình 1.23: Áp suất và nhiệt độ cháy động cơ sử dụng diesel và nhiên liệu kép ......30
Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo chung của một hệ thống điều khiển động cơ......................36
Hình 2.2: Sơ đồ mạch giao tiếp các ngõ vào và ra của ECU ....................................36
Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động ...........................................................37
Hình 2.4: Cấu trúc bộ điều khiển PID .......................................................................37
Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển động cơ diesel ............................38
Hình 2.6: Mô hình mô men động cơ diesel ...............................................................40
Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống điều khiển mô men động cơ diesel ..................................40


viii

Hình 2.8: Điều khiển giới hạn khói với tỷ lệ tối thiểu không kh /nhiên liệu ............42

Hình 2.9: Sơ đồ điều khiển chống k ch nổ kiểu hồi tiếp ...........................................43
Hình 2.10: Sơ đồ điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu kép ..............................43
Hình 2.11: Sự gia tăng áp suất theo thời gian trên động cơ nhiên liệu kép hoạt động
bằng methane dƣới điều kiện k ch nổ và không k ch nổ ...........................................46
Hình 2.12: Phân chia vùng cháy trong động cơ CNG-diesel ....................................49
Hình 2.13: Hƣớng lan truyền của màng lửa trong buồng cháy .................................50
Hình 2.14: Sơ đồ xy-lanh và buồng cháy động cơ ....................................................51
Hình 2.15: Chia lƣới và xác lập điều kiện biên cho mô hình....................................52
Hình 2.16: Diễn biến nồng độ CH4 và nhiệt độ trong buồng cháy động cơ .............54
VIKYNO RV125 (n=2200v/ph; s=20; =1) .........................................................54
Hình 2.17: Trƣờng tốc độ ở vị tr 330 của môi chất công tác trong buồng cháy
động cơ VIKYNO RV125 ở chế độ (n=2200v/ph; s=20; =1) .............................54
Hình 2.18: Biến thiên nồng độ O2 trong quá trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel
của động cơ VIKYNO RV125 (n=2200v/ph; φs=20o; ϕ=1) ....................................55
Hình 2.19: Biến thiên nồng độ CH4 trong quá trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel
của động cơ VIKYNO RV125 (n=2200v/ph; φs=20o; ϕ=1) ....................................55
Hình 2.20: Biến thiên nhiệt độ trong quá trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel của
động cơ VIKYNO RV125 (n=2200v/ph; s=20; =1)............................................55
Hình 2.21: Biến thiên áp suất trong quá trình cháy nhiên liệu kép nhiên liệu kép
CNG-diesel của động cơ VIKYNORV125 (n=2200v/ph; φs=20o; ϕ=1) .................56
Hình 2.22: Đồ thị công p-Vcủa động cơ VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép
CNG-diesel (n=2200v/ph; φs=20o; ϕ=1) ..................................................................56
Hình 2.23: Áp suất chỉ thị trong quá trình cháy ứng với s : 10, 20, 30 độ, .............56
n=2000v/ph, =1 ......................................................................................................56
Hình 2.24: Đồ thị công P-V ứng với s: 10, 20, 30 độ, n=2000v/ph, =1 ..............57
Hình 2.25: Ảnh hƣởng của góc phun sớm đến công chỉ thị chu trình Wi ứng với
φs:10, 20, 30 độ, n=2000v/ph, =1...........................................................................57
Hình 2.26: Cân bằng năng lƣợng trong xy-lanh động cơ..........................................60
Hình 2.27: Mô hình mô ph ng động cơ VIKYNO RV125 ......................................64
Hình 2.28: Đồ thị mô ph ng đặc t nh mô-men động cơ khi thay đổi tỷ lệ

CNG/diesel ................................................................................................................68
Hình 2.29: Đồ thị mô ph ng công suất động cơ khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel ......69
Hình 2.30: Đồ thị suất tiêu hao năng lƣợng theo tỷ lệ CNG/diesel theo mô ph ng 70
Hình 2.31: Đồ thị biểu diễn kh thải NOx theo số vòng quay và tỷ lệ CNG/diesel ..71
Hình 2.32: Đồ thị biểu diễn kh thải CO theo số vòng quay và tỷ lệ CNG/diesel ...72


ix

Hình 2.33: Đồ thị biểu diễn bồ hóng theo số vòng quay và tỷ CNG/diesel..............73
Hình 3.1: Động cơ VIKYNO RV125 và đồ thị đặc t nh động cơ .............................76
Hình 3.2: Sơ đồ làm việc hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel ................77
Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel .....78
Hình 3.4: Hệ thống cung cấp nhiên liệu common rail diesel ....................................79
Hình 3.5: Sơ đồ thiết kế hệ thống CRDI trên động cơ VIKYNO RV125 ................80
Hình 3.6: Lắp đặt bơm cao áp HP3 ...........................................................................80
Hình 3.7: Ống cao áp, cảm biến áp suất và vòi phun diesel .....................................80
Hình 3.8: Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG .................................................81
Hình 3.9: Bình chứa CNG và van giảm áp ...............................................................81
Hình 3.10: Vòi phun CNG ........................................................................................82
Hình 3.11: Các cảm biến tốc độ, lƣu lƣợng kh nạp, k ch nổ và nhiệt độ nƣớc .......82
Hình 3.12: cấu trúc ECU điều khiển hệ thống nhiên liệu kép ..................................83
Hình 3.13: Sơ đồ hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép ...............................83
Hình 3.14: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID điều khiển áp suất nhiên liệu diesel........84
Hình 3.15: Sơ đồ khối bộ điều khiển phun nhiên liệu CNG và diesel ......................85
Hình 3.16: Giản đồ thời điểm phun nhiên liệu kép CNG-diesel ...............................86
Hình 3.17: T n hiệu k ch nổ ......................................................................................90
Hình 3.18: Sơ đồ thuật toán điều khiển áp suất nhiên liệu diesel .............................91
Hình 3.19: Sơ đồ thuật toán điều khiển thời gian phun nhiên liệu diesel tD .............91
Hình 3.20: Sơ đồ thuật toán điều khiển thời điểm phun sớm diesel .........................91

Hình 3.21: Sơ đồ thuật toán điều khiển thời gian mở vòi phun CNG ......................92
Hình 3.22: Sơ đồ mạch ECU điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu ....................93
Hình 3.23: Mạch cấp nguồn các thiết bị ...................................................................93
Hình 3.24: Mạch điện nhận t n hiệu CKP .................................................................94
Hình 3.25: Mạch điện điều khiển các vòi phun diesel và CNG ................................95
Hình 3.26: Mô hình động cơ VIKYNO RV125 nhiên liệu kép CNG-diesel ............95
Hình 3.27: Sơ đồ thực nghiệm động cơ VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép .97
Hình 3.28: Bệ thử công suất động cơ một xy lanh....................................................98
Hình 3.29: Cân nhiên liệu Vibra và thiết bị đo lƣu lƣợng khí nạp ABB ..................98
Hình 3.30: Thiết bị phân tích khí xả và đo độ mờ khói ............................................98
Hình 3.31: Thiết bị thu thập dữ liệu số vòng quay động cơ và áp suất cháy ............98
Hình 3.32: Thiết bị thu thập dữ liệu số vòng quay động cơ và áp suất cháy ............99
Hình 3.33: Sơ đồ quy trình thực nghiệm .................................................................100
Hình 4.1: Đồ thị đặc t nh vòi phun diesel trên mô hình thực nghiệm .....................103
Hình 4.2: Đồ thị đặc t nh vòi phun CNG trên mô hình thực nghiệm......................103


x

Hình 4.3: Đồ thị đặc t nh mô-men và công suất động cơ VIKYNO RV125 ..........105
Hình 4.4: Đồ thị so sánh kết quả công suất động cơ giữa thực nghiệm và mô ph ng
ở hai tỷ lệ CNG60 và DO100 ..................................................................................106
Hình 4.5: Đồ thị đặc t nh ngoài của động cơ khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel ..........107
Hình 4.6: Công suất cực đại của động cơ VIKYNO RV125 ở n= 2400v/ph, 100%
tải khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel .............................................................................108
Hình 4.7: Đồ thị quy trình 8 điểm thử theo chu trình thử kh thải ISO 8178 C1. ...109
Hình 4.8: Nồng độ CO của động cơ RV125 theo chu trình đo ISO 8178 C1 .........110
Hình 4.9: Nồng độ HC của động cơ RV125 theo chu trình đo ISO 8178 C1 .........111
Hình 4.10: Độ mờ khói Opacity của động cơ RV125 theo ISO 8178 C1...............111
Hình 4.11: Độ mờ khói Opacity của động cơ khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel .........113

Hình 4.12: Nồng độ CO của động cơ khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel ......................114
Hình 4.13: Độ mờ khói Opacity ở số vòng quay 2400v/ph, tải 100% theo tỷ lệ
CNG/diesel ..............................................................................................................114
Hình 4.14: Suất tiêu hao năng lƣợng eeDO khi động cơ hoạt động ở chế độ
100%diesel ..............................................................................................................115
Hình 4.15: Suất tiêu hao năng lƣợng thành phần diesel và CNG khi động cơ hoạt
động ở chế độ nhiên liệu kép ..................................................................................116
Hình 4.16: So sánh suất tiêu hao năng lƣợng khi động cơ sử dụng 100% diesel và
khi sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel ..................................................................117
Hình 4.17: Áp suất cháy động cơ ở chế độ 100% tải, số vòng quay 2000v/ph khi
thay đổi tỷ lệ CNG-diesel ........................................................................................118
Hình 4.18: Áp suất cháy động cơ ở chế độ 100% tải, số vòng quay 1800v/ph khi
thay đổi tỷ lệ CNG-diesel ........................................................................................118
Hình 4.19: Giản đồ thời gian phun nhiên liệu diesel theo số vòng quay và tải động
cơ khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép trong một chu trình ...................................121
Hình 4.20: Giản đồ thời gian phun nhiên liệu CNG theo số vòng quay và tải động
cơ khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép trong một chu trình ...................................121
Hình 4.21: Giản đồ lƣợng nhiên liệu diesel cung cấp theo số vòng quay và tải động
cơ khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép trong một chu trình ...................................122
Hình 4.22: Giản đồ lƣợng nhiên liệu CNG cung cấp theo số vòng quay và tải động
cơ khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép trong một chu trình ...................................123


xi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Mức độ xả thải vào môi trƣờng của xe buýt tại TP. Hồ Ch Minh.............8
Bảng 1.2: T nh chất vật lý, hóa học của CNG và xăng, dầu diesel ...........................11
Bảng 2.1: Giá trị của các hệ số của phƣơng trình (2.20) ..........................................48
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của động cơ VIKYNO RV125 ...................................51

Bảng 2.3: Các thông số ch nh của mô hình mô ph ng .............................................64
Bảng 2.4: Thống kê các phần tử trong mô hình mô ph ng .......................................65
Bảng 2.5: Kết quả mô ph ng đặc t nh mô-men động cơ khi thay đổi tỷ lệ CNG .....68
Bảng 2.6: Kết quả mô ph ng công suất động cơ khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel ......69
Bảng 3.1: Các thiết bị ch nh trong hệ thống cung cấp nhiên liệu kép ......................78
Bảng 3.2: Điều kiện thực nghiệm .............................................................................97
Bảng 4.1: Kết quả đo mô-men và công suất của động cơ thực nghiệm ..................104
Bảng 4.2. So sánh kết quả công suất động cơ giữa thực nghiệm và mô ph ng ở hai
tỷ lệ CNG60 và DO100 ...........................................................................................106
Bảng 4.3. Kết quả đo mô-men và công suất của động cơ thực nghiệm khi thay đổi tỷ
lệ CNG/diesel ở chế độ 100% tải ............................................................................107
Bảng 4.4: Mức phát thải CO, HC và độ mờ khói Opacity của động cơ thực nghiệm
.................................................................................................................................110
Bảng 4.5: Mức phát thải CO và độ mờ khói Opacity của động cơ thực nghiệm khi
thay đổi tỷ lệ CNG/diesel ........................................................................................112
Bảng 4.6: Suất tiêu hao nhiên liệu và suất tiêu hao năng lƣợng diesel khi động cơ
hoạt động ở chế độ 100% diesel..............................................................................115
Bảng 4.7: Suất tiêu hao nhiên liệu và suất tiêu hao năng lƣợng diesel và CNG khi
động cơ sử dụng nhiên liệu kép ..............................................................................116
Bảng 4.8: Dữ liệu thời gian phun CNG và diesel theo số vòng quay và tải động cơ
khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép ........................................................................120
Bảng 4.9: Dữ liệu lƣợng nhiên liệu CNG và diesel cung cấp theo số vòng quay và
tải động cơ khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép .....................................................122


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 GTVT, động cơ tĩnh tại, thiết bị động lực ngày càng tăng.
Theo Tổ chức các nƣớc sản xuất dầu OPEC, mỗi ngày thế giới tiêu thụ hết khoảng
92,7 triệu thùng dầu thô [91]. Trữ lƣợng dầu m ngày càng cạn kiệt, đang gây sức
ép lớn về nguồn cung, giá thành và nguy cơ khủng hoảng an ninh năng lƣợng trong
thời gian tới. Đồng thời, một lƣợng lớn khí phát thải độc hại tạo ra từ các loại nhiên
liệu này đang gây nên các hiện tƣợng ô nhiễm không khí, hiệu ứng nhà kính, biến
đổi khí hậu, làm Trái đất nóng lên, băng tan chảy và mực nƣớc dâng cao,… ảnh
hƣởng nghiêm trọng đến môi trƣờng sống và sức kh e con ngƣời. Điều này sẽ dẫn
đến những thảm họa ngày càng trầm trọng nếu chúng ta không có các giải pháp
ngăn chặn kịp thời.
Tại Việt Nam, với sự phát triển nhanh chóng của nền công nghiệp và số
lƣợng phƣơng tiện GTVT trong những năm gần đây, tốc độ tiêu thụ nhiên liệu đang
dẫn đầu khu vực với mức tăng 7,5% hàng năm [92], ảnh hƣởng rất lớn đến chi phí
sản xuất và giá thành sinh hoạt. Mức độ ô nhiễm tại các thành phố lớn do mật độ
giao thông đông đúc cũng đã đến mức báo động.
Bên cạnh các phƣơng tiện GTVT, một lƣợng lớn các động cơ diesel tĩnh tại
phục vụ cho sản xuất công, nông, ngƣ nghiệp cũng đang góp phần phát thải gây ô
nhiễm môi trƣờng trầm trọng, cần phải đƣợc đầu tƣ nghiên cứu chuyển đổi sang sử
dụng nhiên liệu sạch nhằm giảm chi ph đầu vào của sản phẩm, giảm thiểu ô nhiễm
môi trƣờng và tăng t nh cạnh tranh trên thị trƣờng.
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


2

đ ch 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.
CNG là nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trƣờng, có đặc tính kỹ
thuật phù hợp với các động cơ nhiệt, khi cháy ít sinh ra sản phẩm độc hại. Trữ
lƣợng khí thiên nhiên trên thế giới còn rất dồi dào, giá thành rẻ. Do vậy, việc sử
dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu thay thế là giải pháp cho thấy có sự phù hợp,
khả thi và triển vọng với điều kiện thực tế, đáp ứng đƣợc các mục tiêu tiết kiệm
nhiên liệu và chi phí, bảo vệ môi trƣờng và góp phần đảm bảo an ninh năng lƣợng.
Bên cạnh việc nghiên cứu sản xuất mới các động cơ sử dụng CNG, các nhà
nghiên cứu đang tập trung vào hƣớng chuyển đổi các động cơ có sẵn, đặc biệt là
động cơ diesel sang sử dụng CNG. Để tận dụng đƣợc các ƣu điểm của động cơ
diesel có tỷ số nén cao, hạn chế các ảnh hƣởng bất lợi về công suất, giảm chi phí cải
tạo động cơ, đồng thời động cơ có thể vừa hoạt động bằng nhiên liệu CNG vừa trở
về hoạt động nhƣ một động cơ diesel bình thƣờng, phù hợp với điều kiện hạ tầng về
cung cấp nhiên liệu, lĩnh vực nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng
nhiên liệu kép CNG-diesel đƣợc xem là có lợi thế nhất định và quan tâm nhiều nhất.
Tuy nhiên, do một số khác nhau về tính chất nhiên liệu, tổ chức quá trình cháy, nên
để động cơ lƣỡng nhiên liệu có thể làm việc ổn định, đảm bảo các yêu cầu về đặc
tính kỹ thuật, đòi h i phải có thêm các nghiên cứu về quá trình cháy của động cơ,
tối ƣu hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu. Trong đó, nếu tổ chức tốt phƣơng
pháp điều khiển cung cấp hệ thống nhiên liệu kép, kiểm soát tốt tỷ lệ nhiên liệu
CNG/diesel, khắc phục hiện tƣợng kích nổ của động cơ, … là các giải pháp quan
trọng góp phần nâng cao hiệu quả làm việc của các động cơ sử dụng nhiên liệu kép
CNG-diesel.
Từ các lý do trên, cho thấy việc nghiên cứu ứng dụng nguồn nhiên liệu sạch
CNG làm nhiên liệu thay thế cho các loại nhiên liệu truyền thống nhằm giải quyết
bài toán khan hiếm năng lƣợng và giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng là một nhu cầu xã

3

hội mang tính cấp thiết, có tính thời sự đang đặt ra trách nhiệm đối với các nhà
hoạch định chính sách, các nhà khoa học và sự vào cuộc của cả cộng đồng xã hội
cùng tham gia giải quyết.
Trên thế giới, vấn đề sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel đã và đang đƣợc
nghiên cứu ở nhiều qui mô khác nhau từ phòng thí nghiệm đến ứng dụng thực tiễn,
đã bắt đầu có một số sản phẩm thƣơng mại, nhƣng nhìn chung cần phải nghiên cứu
hoàn thiện rất nhiều về công nghệ và kỹ thuật. Đây có thể đƣợc xem là xuất phát
điểm thuận lợi để chúng ta có thể chủ động tham gia nghiên cứu, làm chủ công
nghệ, hƣớng đến các sản phẩm phù hợp với nền tảng công nghệ và điều kiện hạ tầng
kỹ thuật ở trong nƣớc, phát triển sản phẩm có tính cạnh tranh cao ra thị trƣờng khu
vực và thế giới. Trong các điều kiện vận hành cụ thể tại Việt Nam, việc nghiên cứu
phát triển các hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel tƣơng th ch
cho các chế độ vận hành tốt nhất, quá trình cháy hoàn thiện nhất, đạt công suất cao
và khí thải thấp nhất là rất quan trọng và cần thiết.
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, tiết kiệm nhiên liệu và giảm
thiểu khí phát thải. Kết quả nghiên cứu góp phần đa dạng hóa nguồn năng lƣợng
cho các phƣơng tiện GTVT và động cơ tĩnh tại, bảo vệ môi trƣờng, đang là nhu cầu
cấp thiết hiện nay.
Nghiên cứu này là cơ sở để đề xuất phƣơng pháp điều khiển cung cấp hệ
thống nhiên liệu kép CNG-diesel trên các động cơ nhiệt, góp phần nghiên cứu
chuyển đổi các động cơ diesel truyền thống sang sử dụng nguồn nhiên liệu sạch
CNG, trƣớc mắt đáp ứng nhu cầu thực tiễn của Việt Nam trong điều kiện hiện nay.

Nghiên cứu cũng có ý nghĩa đối với việc ứng dụng cải tiến hệ thống nhiên liệu trên


Luận án đủ ở file: Luận án full