Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu diesel ethanol

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

------------------------

NGUYỄN THÀNH BẮC

NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL
THÀNH ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU
DIESEL-ETHANOL

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

HÀ NỘI - 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

------------------------

NGUYỄN THÀNH BẮC

NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL
THÀNH ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU
DIESEL-ETHANOL
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
Mã số: 62520116
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. GS. TS PHẠM MINH TUẤN
2. TS TRẦN ANH TRUNG

HÀ NỘI - 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi, Nguyễn Thành Bắc, xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của GS.TS Phạm Minh Tuấn và TS Trần Anh Trung. Các số liệu kết quả nêu
trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác!
Hà Nội, tháng 01 năm 2018

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN
Người hướng dẫn 1

Người hướng dẫn 2

Nghiên cứu sinh

GS.TS Phạm Minh Tuấn

TS Trần Anh Trung

Nguyễn Thành Bắc

i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại

học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện đề tài
nghiên cứu này tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại
học và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi thực hiện luận
án.
Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Minh Tuấn và TS Trần Anh Trung đã hướng
dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành biết ơn thầy, cô trong Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt
trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết
sức thuận lợi để hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành biết ơn Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường
Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết
sức thuận lợi để thực hiện thực nghiệm trên băng thử động cơ.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban chủ nhiệm
Khoa Công nghệ Ôtô và các thầy trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá
trình nghiên cứu học tập.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy, cô phản biện, các thầy, cô trong hội
đồng đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã
động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện nghiên
cứu này.
Hà Nội, ngày ….. tháng 01 năm 2018
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thành Bắc

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ i

LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... ii
MỤC LỤC .....................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................................... xvi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................................... xviii
MỞ ĐẦU
...................................................................................................................... 1
i.Mục đích và nội dung nghiên cứu của đề tài ..................................................................... 2
ii.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .................................................................... 2
iii.Phương pháp nghiên cứu của đề tài ................................................................................ 2
iv.Ý nghĩa khoa học của đề tài ............................................................................................ 3
v.Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ............................................................................................. 3
vi.Điểm mới của luận án ..................................................................................................... 3
vii.Bố cục chính của luận án ............................................................................................... 3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU................................................. 5
1.1.Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường .................................................... 5
1.2.Nhiên liệu thay thế ........................................................................................................ 5
1.2.1.Nhiên liệu thay thế dạng khí ...................................................................................... 6
1.2.1.1.Khí thiên nhiên nén (CNG-Compressed Natural Gas) ............................................. 6
1.2.1.2.Hyđrô và khí giàu hyđrô ......................................................................................... 6
1.2.2.Nhiên liệu thay thế dạng lỏng .................................................................................... 7
1.2.2.1.Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas) .......................................... 7
1.2.2.2.Than hóa lỏng (CTL-Coal To Liquid) và khí hóa lỏng (GTL -Gas To Liquid) ........ 7
1.2.2.3.Dimethyl Ether (DME) ........................................................................................... 7
1.2.2.4.Biodiesel ................................................................................................................. 7
1.2.2.5.Ethanol ................................................................................................................... 8
1.3.Đặc điểm nhiên liệu ethanol.......................................................................................... 8
1.3.1.Các tính chất vật lý và hóa học của ethanol ................................................................ 8
1.3.1.1.Tính chất vật lý của ethanol .................................................................................... 8
1.3.1.2.Tính chất hóa học của ethanol ................................................................................. 9

1.3.2.Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam ................................................ 9
1.3.2.1.Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới ................................................ 9
1.3.2.2.Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol tại Việt Nam ............................................. 10
1.4.Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ đốt trong .................................................. 11
1.4.1.Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ xăng...................................................... 11
1.4.1.1.Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................................... 11
1.4.1.2.Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài....................................................................... 12
1.4.2.Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel .................................................... 13
1.4.2.1.Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................................... 13
1.4.2.2.Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài....................................................................... 14
a) Sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn ................................................................ 14
b) Ethanol phun trực tiếp .................................................................................................. 15
c) Ethanol phun trên đường ống nạp ................................................................................. 15
1.5.Phương pháp xây dựng mô hình động cơ .................................................................... 17
1.6.Phương pháp xây dựng mô hình bộ điều khiển ........................................................... 19
1.7.Nội dung nghiên cứu .................................................................................................. 22
1.8.Kết luận chương 1 ...................................................................................................... 23

iii


CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG
LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL LÀM VIỆC THEO THỜI GIAN THỰC ... 25
2.1.Đặt vấn đề .................................................................................................................. 25
2.2.Mô hình trao đổi khí ................................................................................................... 26
2.3.Mô hình hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol. ....................................... 27
2.4.Mô hình động học ....................................................................................................... 29
2.5.Mô hình ma sát ........................................................................................................... 30
2.6.Mô hình truyền nhiệt .................................................................................................. 33
2.7.Mô hình cháy .............................................................................................................. 34

2.7.1.Cơ sở lựa chọn mô hình cháy ................................................................................... 34
2.7.2.Mô hình cháy ........................................................................................................... 35
2.8.Tính toán áp suất xy lanh ............................................................................................ 39
2.9.Tính toán mô men và công suất động cơ ..................................................................... 40
2.10.Xác định hệ số dư lượng không khí và tỷ lệ ethanol thay thế .................................... 41
2.11.Kết luận chương 2 .................................................................................................... 41
CHƯƠNG 3 ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL VÀ MÔ HÌNH MÔ
PHỎNG
.................................................................................................................... 42
3.1.Đặt vấn đề .................................................................................................................. 42
3.2.Đối tượng nghiên cứu ................................................................................................. 42
3.3.Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu ......................................................................... 43
3.4.Trang thiết bị nghiên cứu ............................................................................................ 45
3.4.1.Băng thử tính năng động lực cao (AVL APA 100)................................................... 46
3.4.2.Thiết bị cung cấp, đo tiêu hao nhiên liệu diesel kiểu khối lượng AVL 733S và điều
khiển nhiệt độ nhiên liệu diesel AVL 753 ......................................................................... 46
3.4.3.Thiết bị cung cấp và điều khiển nhiệt độ dung dịch làm mát động cơ AVL 553 ....... 47
3.4.4.Thiết bị phân tích khí xả AVL CEB-II ..................................................................... 48
3.4.5.Bộ điều khiển vòi phun ethanol................................................................................ 48
3.4.6.Cảm biến áp suất xy lanh AVL QC33C ................................................................... 50
3.4.7.Thiết bị đo áp suất xy lanh AVL 620 Indiset ............................................................ 51
3.4.8.Cảm biến kích nổ ..................................................................................................... 51
3.4.9.Cảm biến lambda LSU 4.9 ....................................................................................... 52
3.5.Qui trình và chế độ thực nghiệm động cơ ................................................................... 52
3.6.Xác định các thông số đầu vào cơ bản của mô hình động cơ ....................................... 55
3.6.1.Quy luật phối khí ..................................................................................................... 55
3.6.2.Lưu lượng khí qua xupáp nạp và thải ....................................................................... 56
3.6.3.Áp suất xy lanh ........................................................................................................ 57
3.6.4.Đặc tính bơm cao áp và vòi phun ethanol ................................................................ 61
3.7.Phân tích số liệu thực nghiệm và xây dựng mô hình động cơ ...................................... 63

3.7.1.Xác định hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xupáp ............................................... 64
3.7.2.Xác định tốc độ tỏa nhiệt ......................................................................................... 64
3.7.3.Xác định thời điểm bắt đầu cháy, khoảng thời gian cháy và phần nhiên liệu đã cháy66
3.7.4.Mô hình hóa hệ thống nhiên liệu .............................................................................. 70
3.7.5.Xây dựng mô hình động cơ ...................................................................................... 71
3.8.Đánh giá độ tin cậy của mô hình ................................................................................. 72
3.8.1.Đánh giá lưu lượng không khí nạp ........................................................................... 72
3.8.2.Đánh giá áp suất xy lanh .......................................................................................... 74
3.8.3.Đánh giá mô men và công suất động cơ ................................................................... 78
3.8.4.Đánh giá tốc độ động cơ ở chế độ ổn định và chuyển tiếp ........................................ 83
3.9.Bộ điều khiển động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol và mô hình mô phỏng ............ 90
3.9.1.Sơ đồ tổng quan bộ điều khiển ................................................................................. 91
iv


3.9.2.Thuật toán điều khiển .............................................................................................. 91
3.9.2.1.Mô men yêu cầu ................................................................................................... 92
3.9.2.2.Lượng phun diesel và ethanol chế độ ổn định ....................................................... 93
3.9.2.3.Điều khiển giới hạn hệ số  chế độ chuyển tiếp .................................................... 95
3.9.2.4.Xác định vị trí tay ga và thời gian phun ethanol .................................................... 96
3.9.3.Đánh giá mô hình điều khiển trên mô hình động cơ ................................................. 96
3.9.3.1.Đánh giá mô hình điều khiển trên mô hình động cơ ở chế độ ổn định ................... 96
3.9.3.2.Đánh giá bộ điều khiển trên mô hình động cơ ở chế độ chuyển tiếp ...................... 97
3.10.Kết luận chương 3 .................................................................................................... 99
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .............................................................. 100
4.1.Đặt vấn đề và mục tiêu thực nghiệm ......................................................................... 100
4.2.Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm .............................................................................. 100
4.3.Điều kiện nghiên cứu thực nghiệm ........................................................................... 100
4.4.Phương pháp thực nghiệm ........................................................................................ 100
4.5.Kết quả thực nghiệm ở chế độ ổn định ...................................................................... 101

4.5.1.Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến nhiệt tỏa ra ............................................ 101
4.5.2.Mối quan hệ giữa tỷ lệ ethanol thay thế và tốc độ động cơ ..................................... 102
4.5.3.Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến suất tiêu hao năng lượng ....................... 102
4.5.4.Xác định tỷ lệ ethanol thay thế lớn nhất ................................................................. 104
4.5.5.Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến hệ số dư lượng không khí ................... 105
4.5.6.Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến tiêu hao nhiên liệu................................. 107
4.5.7.Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến phát thải của động cơ ............................ 110
4.5.7.1.Phát thải HC ....................................................................................................... 110
4.5.7.2.Phát thải CO ....................................................................................................... 111
4.5.7.3.Phát thải NOx ...................................................................................................... 113
4.5.7.4.Phát thải CO2 ...................................................................................................... 114
4.5.7.5.Phát thải smoke ................................................................................................... 115
4.6.Kết quả thực nghiệm ở chế độ chuyển tiếp ............................................................... 116
4.6.1.Tốc độ động cơ ...................................................................................................... 116
4.6.2.Mô men động cơ .................................................................................................... 117
4.6.3.Công suất động cơ ................................................................................................. 118
4.6.4.Suất tiêu hao năng lượng........................................................................................ 118
4.6.5.Hệ số dư lượng không khí  ................................................................................... 119
4.6.6.Phát thải động cơ ................................................................................................... 120
4.6.6.1.Phát thải HC ....................................................................................................... 120
4.6.6.2.Phát thải CO ....................................................................................................... 120
4.6.6.3.Phát thải NOx ...................................................................................................... 121
4.6.6.4.Phát thải CO2 ...................................................................................................... 121
4.7.Kết luận chương 4 .................................................................................................... 122
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................ 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 126
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ....................................................... 133

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Diễn giải

Đơn vị

a

Tham số bậc hai của hàm đáp ứng bậc hai trong mô
hình bơm cao áp

-

A

Diện tích tức thời của thành buồng công tác xy lanh

m2

A/F

Tỷ lệ không khí trên nhiên liệu lý thuyết

-

A/Fdie

Tỷ lệ không khí nhiên liệu diesel

-

A/Feth

Tỷ lệ không khí nhiên liệu ethanol

-

Ahp

Diện tích đỉnh piston

ai

Tham số mô hình cháy Wiebe tương ứng với từng
giai đoạn cháy

-

APP

Độ mở bàn đạp chân ga (accelerator pedal position)

%

AVL

Tập đoàn AVL- Cộng hòa Áo

-

AVL 553

Thiết bị cung cấp dung dịch làm mát và điều khiển
nhiệt độ dung dịch làm mát động cơ của hãng AVL

-

AVL 620 Indiset

Thiết bị đo áp suất xy lanh của hãng AVL

-

AVL 733S

Thiết bị được dùng để cung cấp, đo tiêu hao nhiên
liệu của hãng AVL

-

AVL 753

Thiết bị điều khiển nhiệt độ nhiên liệu của hãng AVL

-

AVL APA 100

Phanh điện của hãng AVL

-

AVL Boost

Phần mềm mô phỏng và phát triển động cơ đốt trong
do tập đoàn AVL sản xuất

-

AVL CEB-II

Thiết bị phân tích khí xả của hãng AVL

-

AVL QC33C

Cảm biến áp suất xy lanh của hãng AVL

-

b

Tham số bậc nhất của hàm đáp ứng bậc hai trong mô
hình bơm cao áp

-

B

Đường kính piston

m

B10

Diesel pha cồn với tỷ lệ cồn 10%

%

m2

vi


B5

Diesel pha cồn với tỷ lệ cồn 5%

%

Biodiesel

Nhiên liệu biodiesel

-

BMEP

Áp suất có ích trung bình của động cơ

BSEC

Suất tiêu hao năng lượng

c
c1
c2
c3
c4

Tham số bậc không của hàm đáp ứng bậc hai trong
mô hình bơm cao áp
Hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào hình dạng xéc
măng
Hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào sự tăng thêm ma sát
của xéc măng khí đầu tiên do thiếu dầu bôi trơn
Hệ số thực nghiệm tính đến ảnh hưởng của sự thay
đổi của chiều dày màng dầu do sự nghiêng của piston
Hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào cam hoặc bề mặt
dẫn động

N/m2
MJ/kW.h
-

c5

Hệ số thực nghiệm

-

c6

Hệ số thực nghiệm

-

CAN

Mạng CAN

-

CD

Hệ số tổn thất của dòng khí đi qua xupáp

-

Cf

Hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xupáp

-

CHR

Nhiệt tỏa ra

J

CLP

Vị trí tay ga bơm cao áp (control lever position)

%

CNG

Khí thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas)

-

CO

Mônôxit cácbon

ppm

CO2

Cácboníc

ppm

CR

Hệ thống nhiên liệu Comman Rail

-

CTL

Than hóa lỏng (Coal To Liquid)

-

d1  d13

Các hệ số được xác định bằng phương pháp tối ưu
dùng để xác định động học bộ điều tốc bơm cao áp

-

vii


Das

Đường kính chốt piston

mm

Dcb

Đường kính cổ biên trục khuỷu

mm

delta

Khoảng thời gian cháy

độ

Diesel

Nhiên liệu diesel

-

Diesel RK

Phần mềm mô phỏng và phát triển động cơ đốt trong
do Nga sản xuất

-

diesohol

Diesel pha cồn

-

diff

Giai đoạn cháy khuếch tán của nhiên liệu diesel

-

Dmb

Đường kính cổ trục trục khuỷu

DME

Nhiên liệu Dimethyl Ether

dmin/dt

Tốc độ thay đổi lượng khí nạp

kg/s

dmout/dt

Tốc độ thay đổi lượng khí thải

kg/s

p

Độ chênh lệch áp suất trước và sau cửa nạp hoặc thải

mmH2O

dp/dt

Tốc độ thay đổi áp suất

N/m2.s

dQhr/dt

Tốc độ tỏa nhiệt theo thời gian

J/s

dQht/dt

Tốc độ nhiệt truyền cho vách xy lanh theo thời gian

J/s

dQht/dθ

Tốc độ nhiệt truyền cho vách xy lanh theo góc quay
trục khuỷu

J/rad

dQhti/dθ

Tốc độ cháy của từng giai đoạn

J/độ

dt/dθ

Đạo hàm thời gian theo góc quay trục khuỷu

s/rad

dU/dt

Tốc độ biến thiên nội năng do nhiệt độ khí thay đổi

J/s

Dv

Đường kính nấp xúp páp

m

dV/dt

Tốc độ thay đổi thể tích công tác của xy lanh

m3/s

d/dt

Gia tốc góc của trục khuỷu

rad/s2

viii

mm
-


dWb/dθ

Tốc độ sinh công có ích của động cơ

J/độ

dxb_diff_die/dθ

Tốc độ tỏa nhiệt của diesel trong giai đoạn cháy
khuếch tán

J/độ

dxb_eth/dθ

Tốc độ tỏa nhiệt của ethanol

J/độ

dxb_main_die/dθ

Tốc độ tỏa nhiệt của diesel trong giai đoạn cháy chính

J/độ

dxbi/dθ

Tốc độ cháy

θi

Khoảng thời gian cháy của từng giai đoạn

độ

E10

Xăng pha cồn với tỷ lệ cồn 10%

%

E100

Cồn 100%

%

E5

Xăng pha cồn với tỷ lệ cồn 5%

%

E85

Xăng pha cồn với tỷ lệ cồn 85%

%

ECM

Bộ điều khiển điện tử (Electronic Control Module)

-

ECU

Bộ điều khiển điện tử (Electronic Control Unit)

-

ED

Tỷ lệ ethanol thay thế

%

EGR

Hệ thống luân hồi khí xả (Exhaust Gas Recirculation)

-

EOC

Thời điểm kết thúc quá trình cháy

Ethanol

Nhiên liệu cồn ethanol

-

Exp

Thực nghiệm

-

FMEP

Tổn thất áp suất trung bình do ma sát (Friction mean
effective pressure)



Chỉ số đoạn nhiệt

-

Gasohol

Xăng pha cồn

-

Gasoline

Nhiên liệu xăng

-

GTL

Khí hóa lỏng (Gas To Liquid)

-

-

ix

độ

N/m2


h

Chiều dày của màng dầu bôi trơn

m

hbx

Vị trí bạc xả

m

HC

Hydro cácbon

HCCI

Cháy ở chế độ hỗn hợp đồng nhất (Homogeneous
charge compression ignition)

hg

Hệ số truyền nhiệt

HIL

Hệ thống nhúng (Hardware in the loop)

hin

Entanpi của khí nạp

J/kg

hout

Entanpi của khí thải

J/kg

Hydro

Khí hydro

-

i

Số hàm Wiebe

-

Icgi

Mô men quán tính của trục khuỷu và các chi tiến gắn
liền trên trục

IDI

Buồng cháy ngăn cách (Indirect Injection)

Ie

Mô men quán tính của động cơ

kg.m2

Ifw

Mô men quán tính của bánh đà

kg.m2

IMEP

Áp suất chỉ thị trung bình của động cơ

N/m2

K

Hệ số kích thước cổ trục trục khuỷu

-

L

Chiều dài thanh truyền

m

Las

Chiều dài chốt piston.

mm

Lcb

Chiều dài cổ biên trục khuỷu

mm

LHVdie

Nhiệt trị thấp của diesel

J/kg

LHVeth

Nhiệt trị thấp của ethanol

J/kg

LHVj

Nhiệt trị thấp của nhiên liệu thứ j

J/kg

ppm
W/m2.K

x

-

kg.m2
-


Lmb

Chiều dài cổ trục trục khuỷu

LPG

Khí hóa lỏng (Liquefied Petroleum Gas)

-

Lps

Chiều dài đuôi piston

m

LSU 4.9

Cảm biến hệ số dư lượng không khí

-

Lv

Độ nâng của xúp páp theo góc quay trục khuỷu

m



Độ nhớt động học của dầu bôi trơn động cơ

kg/ms

main

Giai đoạn cháy chính của nhiên liệu diesel

-

mair

Lượng không khí

mair_exp

Lưu lượng không khí thực nghiệm

kg/h

mair_model

Lưu lượng không khí mô hình

kg/h

Matlab Simulink
mc
mcr
mfuel_burned_i_j
mfuel_inj_j
mi

mm

kg/chu kỳ

Phần mềm mô phỏng, tính toán và điều khiển đa
ngành do hãng MathWorks của Mỹ sản xuất
Khối lượng quay của một cổ biên và má khuỷu sau
quy dẫn về tâm cổ biên
Khối lượng đầu to thanh truyền
Lượng nhiên liệu loại j đã cháy trong từng giai đoạn
cháy i trong một chu kỳ làm việc của động cơ
Lượng nhiên liệu loại j đã cung cấp cho động cơ
trong một chu kỳ làm việc của động cơ
Tham số mô hình cháy Wiebe tương ứng với từng
giai đoạn cháy

kg
kg
-

minj_die

Lượng nhiên liệu diesel

kg/chu kỳ

minj_eth

Lượng nhiên liệu ethanol

kg/chu kỳ

minj_j

Lượng nhiên liệu của loại nhiên liệu thứ j

model

Mô hình

-

Motohawk

Hãng sản xuất bộ điều khiển của Mỹ

-

nc

Số xy lanh của động cơ

-

xi

kg


ncr

Số lượng xéc măng khí

ne

Tốc độ động cơ

vg/ph

neD

Tốc độ động cơ yêu cầu

vg/ph

NLSH

Nhiên liệu sinh học

-

nor

Số lượng xéc măng dầu

-

NOx

Ôxit nitơ

ppm

np

Tốc độ bơm cao áp

vp/ph

nR

Số vòng quay hoàn thành một chu kỳ công tác của
động cơ

-

nvpc

Số xupáp của một xy lanh

-

Nvpl

Lực đàn hồi của lò xo xupáp

N

p

Áp suất xy lanh

P

Công suất động cơ

pa

Áp suất khí trời

Pb

Công suất có ích của động cơ

pe

Áp suất đàn hồi tác dụng lên xéc măng

N/m2

pexp

Áp suất xy xy lanh thực nghiệm động cơ

N/m2

PID

Bộ điều khiển vòng kín PID (Proportional Integral
Derivative)

-

pilot

Giai đoạn cháy của nhiên liệu ethanol

-

Pind

Công suất chỉ thị của động cơ

PM

Phát thải dạng hạt

pmodel

Áp suất xy xy lanh trên mô hình động cơ

Qhr

Nhiệt tỏa ra

-

N/m2
kW
N/m2
W

W
N/m2
J

xii


Qht

Nhiệt truyền qua vách xy lanh

R

Hằng số khí

r

Bán kính quay trục khuỷu

m

R1

Tham số không thứ nguyên xác định mô men ma sát
do độ nhớt của dầu bôi trơn

-

Ricado WARE

Phần mềm mô phỏng và phát triển động cơ đốt trong

-

rjb

Bán kính cổ trục khuỷu

mm

ROHR

Tốc độ tỏa nhiệt

J/độ

S

Hành trình dịch chuyển của piston

m

SIL

Mô phỏng mô hình điều khiển động cơ trên cùng một
mô hình (Software-in-the-loop simulation)

-

Smoke

Độ khói

SOC

Thời điểm bắt đầu quá trình cháy

Soot

Bồ hóng

ppm

Sp

Tốc độ trung bình của piston

m/s

Syngas

Nhiên liệu khí tổng hợp được sản xuất từ sinh khối

-

T

Nhiệt độ khí thể trong xy lanh

K

t

Thời gian

s

Ta

Nhiệt độ khí trời

K

Taub

Mô men ma sát do tải và phụ tải truyền lên các cổ
trục

N.m

Tb

Mô men có ích của động cơ

N.m

Tb_exp

Mô men động cơ thực nghiệm

N.m

Tb_model

Mô men động cơ trên mô hình

N.m

Tfr

Mô men ma sát của động cơ

N.m

J
J/kg.K

FSN/ppm

xiii

độ


Tfr_1_cyl

Mô men do mát sát của một xy lanh

N.m

Tind

Mô men chỉ thị của động cơ

N.m

Tlb

Mô men ma sát do tải tác dụng lên các ổ đỡ

N.m

Tload

Mô men tải của động cơ

N.m

Tps

Mô men ma sát của đuôi piston

N.m

Trml

Mô men ma sát hỗn hợp của dầu bôi trơn xéc măng

N.m

Trvl

Mô men ma sát do độ nhớt của dầu bôi trơn

N.m

Tval

Mô men ma sát do dẫn động xupáp

N.m

Tw

Nhiệt độ vách xy lanh

K

V

Thể tích xy lanh theo góc quay trục khuỷu

m3

Vc

Thể tích buồng cháy của xy lanh

m3

Vd

Thể tích công tác của xy lanh

m3

Vo

Vận tốc dòng khí lý tưởng

m/s

Wb

Công có ích của động cơ

J

wcr

Chiều cao của xéc măng khí

m

we

Tốc độ góc của động cơ

Wfr

Công tổn thất do ma sát của động cơ

J

Wiebe

Hàm Wiebe

-

Wind

Công chỉ thị của động cơ

J

wor

Chiều cao của xéc măng dầu

m

x

Chuyển vị piston

m

xbi

Khối lượng nhiên liệu đã cháy

-

xiv

rad/s


xf_diff_die

Phần nhiên liệu diesel đã cháy trong giai đoạn cháy
khuếch

%

xf_eth

Phần nhiên liệu ethanol đã cháy

%

xf_main_die

Phần nhiên liệu diesel đã cháy trong giai đoạn cháy
chính

%

xfi

Phần nhiên liệu đã cháy trong mỗi giai đoạn

%

y

Vị trí tay điều khiển bơm cao áp

mm

z

Vị trí điều tốc

mm

ε

Tỷ số nén của động cơ

θ

Góc quay trục khuỷu

độ

θSOCi

Thời điểm bắt đầu cháy của từng giai đoạn

độ

λ

Hệ số dư lượng không khí

-

ρ

Khối lượng riêng của khí

kg/m3

ω

Tốc độ góc

rad/s

ωD

Tốc độ góc yêu cầu

rad/s

-

xv


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1.Tính chất của ethanol [5, 56, 103]........................................................................ 8
Bảng 2.1.Tham số mô hình mi .......................................................................................... 38
Bảng 3.1.Các thông số kỹ thuật của nhiên liệu diesel và ethanol [27, 68, 103].................. 42
Bảng 3.2.Những thông số cơ bản của động cơ D4BB [51] ................................................ 42
Bảng 3.3.Thông số thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL733S và AVL 753 [106]............... 47
Bảng 3.4.Thông số cơ bản của thiết bị AVL 553 .............................................................. 47
Bảng 3.5.Thông số cơ bản của cảm biến áp suất QC33C [104, 105] ................................. 50
Bảng 3.6.Bảng thông số cơ bản của thiết bị AVL 620 Indiset ........................................... 51
Bảng 3.7.Thông số cơ bản của cảm biến kích nổ .............................................................. 51
Bảng 3.8.Thông số cơ bản của cảm biến LSU 4.9 [28] ..................................................... 52
Bảng 3.9.Diễn biến áp suất xy lanh tại 50% tải với các tỷ lệ ethanol thay thế khác nhau ở tốc
độ 2000 vg/ph ................................................................................................................... 59
Bảng 3.10.Diễn biến áp suất xy lanh tại 75% tải với các tỷ lệ ethanol thay thế khác nhau ở
tốc độ 2000 vg/ph ............................................................................................................. 59
Bảng 3.11.Diễn biến áp suất xy lanh tại 100% tải với các tỷ lệ ethanol thay thế khác nhau ở
tốc độ 2000 vg/ph ............................................................................................................. 60

Bảng 3.12.Mối quan hệ giữa các tham số mô hình cháy SOCi và i theo tỷ lệ ethanol thay
thế tại 50% tải ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph ..................................................................... 69
Bảng 3.13.Mối quan hệ giữa các tham số mô hình cháy SOCi và i theo tỷ lệ ethanol thay
thế tại 75% tải ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph ..................................................................... 70
Bảng 3.14.Mối quan hệ giữa các tham số mô hình cháy SOCi và i theo tỷ lệ ethanol thay
thế tại 100% tải ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph ................................................................... 70
Bảng 3.15.Phần nhiên liệu đã cháy cho từng giai đoạn cháy ............................................. 70
Bảng 3.16.So sánh lưu lượng không khí nạp tại chế độ tải 100% với tốc độ động cơ thay đổi
từ 1000  3500 vg/ph........................................................................................................ 73
Bảng 3.17.Diễn biến áp suất xy lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm động cơ sử dụng nhiên
liệu diesel nguyên bản theo tốc độ động cơ thay đổi trong khoảng từ 1000  3500 vg/ph . 74
Bảng 3.18.Diễn biến áp suất xy lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm động cơ sử dụng lưỡng
nhiên liệu diesel-ethanol tại tốc độ động cơ 2000 (vg/ph) ở các chế độ 50%, 75%, 100% tải
với các tỷ lệ ethanol thay thế khác nhau............................................................................ 78
Bảng 3.19.Đặc tính mô men, công suất động cơ giữa mô hình và thực nghiệm theo tốc độ
động cơ thay đổi trong khoảng từ 1000 vg/ph đến 3500 vg/ph với bước nhảy 500 vg/ph tại
chế độ tải 100% trong trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu diesel gốc ......................... 79
Bảng 3.20.Đặc tính mô men, công suất động cơ giữa mô hình và thực nghiệm tại tốc độ động
cơ bằng 2000 (vg/ph) tại chế độ tải 50% với các tỷ lệ ethanol thay thế khác nhau ............ 81
Bảng 3.21.Đặc tính mô men, công suất động cơ giữa mô hình và thực nghiệm tại tốc độ động
cơ bằng 2000 (vg/ph) tại chế độ tải 75% với các tỷ lệ ethanol thay thế khác nhau ............ 81

xvi


Bảng 3.22.Đặc tính mô men, công suất động cơ giữa mô hình và thực nghiệm tại tốc độ động
cơ bằng 2000 (vg/ph) tại chế độ tải 100% với các tỷ lệ ethanol thay thế khác nhau .......... 81
Bảng 3.23.Biến thiên tốc độ và mô men động cơ theo góc quay trục khuỷu...................... 84
Bảng 3.24.Biến thiên tốc độ và mô men động cơ khi thay đổi độ mở ga ........................... 88
Bảng 3.25.Tốc độ động cơ giữa mô hình và thực nghiệm ở chế độ chuyển tiếp ................ 89

Bảng 3.26.Lượng phun diesel theo mô men yêu cầu và tốc độ động cơ ............................ 94
Bảng 3.27.Lượng phun ethanol theo mô men yêu cầu và tốc độ động cơ .......................... 94

xvii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1.Biểu đồ sản lượng ethanol trên thế giới từ 2007 đến 2015 [96, 97]..................... 10
Hình 1.2.Sơ đồ bố trí của hệ thống phun ethanol [61] ....................................................... 15
Hình 1.3.Mô hình làm việc theo thời gian thực ................................................................. 18
Hình 1.4.Sơ đồ tổng quan về thiết kế mô hình điều khiển dựa trên mô hình động cơ sử dụng
lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol ......................................................................................... 20
Hình 1.5.Bơm cao áp phân phối........................................................................................ 21
Hình 1.6.Đặc tính của quả ga theo tốc độ động cơ và vị trí tay ga ..................................... 21
Hình 1.7.Sơ đồ nội dung nghiên cứu................................................................................. 23
Hình 2.1.Sơ đồ động cơ diesel truyền thống kết hợp thêm hệ thống cung cấp nhiên liệu
ethanol
.................................................................................................................... 25
Hình 2.2.Đặc tính bơm cao áp của động cơ diesel [63] ..................................................... 28
Hình 2.3.Mô hình bơm cao áp [63] ................................................................................... 28
Hình 2.4.Sơ đồ các loại mô hình cháy .............................................................................. 34
Hình 2.5.Sơ đồ các loại mô hình cháy không chiều .......................................................... 34
Hình 2.6.Hai hướng kết hợp áp dụng mô hình cháy không chiều một vùng ...................... 35
Hình 2.7.Tốc độ tỏa nhiệt thực nghiệm của động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-syngas
tại chế độ tải 40% với tỷ lệ syngas thay thế bằng 60,8% [34] ........................................... 36
Hình 2.8.Tốc độ tỏa nhiệt trên mô hình của lưỡng nhiên liệu diesel-syngas sử dụng ba hàm
Wiebe [34] .................................................................................................................... 36
Hình 2.9.Tốc độ tỏa nhiệt trong hai trường hợp lựa chọn tham số mô hình mi=1,4 và mi=0,65
[90]
.................................................................................................................... 38

Hình 2.10.Nhiệt tỏa ra trong hai trường hợp lựa chọn tham số mô hình mi=1,4 và mi=0,65
[90]
.................................................................................................................... 38
Hệ thống phun ethanol, hệ thống điều khiển phun và vị trí lắp vòi phun ............ 43
Hình ảnh lắp đặt vòi phun ethanol trên đường ống nạp của động cơ ................... 44
Hình ảnh lắp đặt động cơ điều khiển ga và cảm biến vị trí tay ga ....................... 44
Sơ đồ bố trí thiết bị thực nghiệm ........................................................................ 45
Động cơ diesel D4BB lắp trên băng thử dùng Phanh điện AVL APA 100 ......... 46
Hệ thống làm mát nước AVL 553 ...................................................................... 48
Tủ AVL CEB-II ................................................................................................. 48
ECM MotoHawk ECM‐0565‐128‐0702‐C [110] ................................................ 49
Hình ảnh tổng quan kết nối bộ điều khiển MotoHawk với công cụ Mototune .... 50
Cảm biến QC33C ............................................................................................. 51
Thiết bị AVL 620 Indiset ................................................................................. 51
Hình ảnh bố trí lắp đặt cảm biến kích nổ trên động cơ D4BB ........................... 52

xviii


Cảm biến LSU 4.9............................................................................................ 52
................................................................... 54
Quy luật thay đổi độ mở bàn đạp ga ................................................................. 55
Quy luật phối khí của xupáp nạp ...................................................................... 56
Quy luật phối khí của xupáp thải ...................................................................... 56
Sơ đồ thiết bị đo lưu lượng và tổn thất dòng khí ............................................... 57
Lưu lượng khí qua xupáp theo độ nâng xupáp .................................................. 57
Áp suất xy lanh tại các chế độ tải khác nhau với các tỷ lệ ethanol thay thế khác
nhau khi cố định tốc độ động cơ 2000 vg/ph..................................................................... 58
Lượng phun nhiên liệu diesel tại các vị trí tay ga bơm theo tốc độ bơm ........... 62
Sơ đồ thực nghiệm xác định đặc tính vòi phun ethanol..................................... 63

Lượng phun ethanol theo thời gian phun .......................................................... 63
Hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xupáp theo độ nâng xupáp ...................... 64
Tốc độ tỏa nhiệt thực nghiệm tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ động
cơ 2000 vg/ph khi tăng dần tỷ lệ ethanol thay thế ............................................................. 66
Sơ đồ thuật toán tối ưu xác định các tham số SOCi , i và xfi .......................... 67
Mối quan hệ giữa các tham số mô hình cháy SOCi và i theo tỷ lệ ethanol thay
thế tại 50% tải ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph ..................................................................... 68
Mối quan hệ giữa các tham số mô hình cháy SOCi và i theo tỷ lệ ethanol thay
thế tại 75% tải ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph ..................................................................... 69
Mối quan hệ giữa các tham số mô hình cháy SOCi và i theo tỷ lệ ethanol thay
thế tại 100% tải ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph ................................................................... 69
Sơ đồ tối ưu xác định các thông số a, b, c của hàm đáp ứng bậc hai trong mô hình
bơm cao áp. 71
Mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol ............................................. 72
So sánh lưu lượng không khí nạp tại chế độ tải 100% với tốc độ động cơ thay đổi
từ 1000  3500 vg/ph........................................................................................................ 73
Diễn biến áp suất xy lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm động cơ sử dụng nhiên
liệu diesel nguyên bản ...................................................................................................... 76
Diễn biến áp suất xy lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm động cơ lưỡng nhiên
liệu diesel-ethanol tại chế độ tốc độ động cơ 2000 (vg/ph) và 50% tải .............................. 77
Diễn biến áp suất xy lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm động cơ lưỡng nhiên
liệu diesel-ethanol tại chế độ tốc độ động cơ 2000 (vg/ph) và 75% tải .............................. 77
Diễn biến áp suất xy lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm động cơ lưỡng nhiên
liệu diesel-ethanol tại chế độ tốc độ động cơ 2000 (vg/ph) và 100% tải ............................ 78
Đặc tính ngoài của động cơ giữa mô hình và thực nghiệm theo tốc độ động cơ 79
100%

Mô men động cơ của mô hình và thực nghiệm tại các chế độ tải 50%, 75% và
.................................................................................................................... 80

xix


100%

Công suất động cơ của mô hình và thực nghiệm tại các chế độ tải 50%, 75% và
.................................................................................................................... 80

Sai số đặc tính mô men, công suất động cơ sử dụng nhiên liệu diesel gốc giữa mô
hình và thực nghiêm ......................................................................................................... 82
Sai số đặc tính mô men, công suất động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol
giữa mô hình và thực nghiệm tại các chế độ tải 50 %, 75% và 100% ................................ 82
Biến thiên tốc độ và mô men động cơ theo góc quay trục khuỷu ...................... 84
Biến thiên tốc độ và mô men động cơ khi thay đổi độ mở ga. .......................... 88
Tốc độ động cơ giữa mô hình và thực nghiệm ở chế độ chuyển tiếp ................ 89
Sơ đồ tổng quan mô hình điều khiển ................................................................ 91
Sơ đồ thuật toán điều khiển .............................................................................. 92
Mô men yêu cầu............................................................................................... 93
Lượng phun diesel yêu cầu theo mô men và tốc độ động cơ ............................. 94
Lượng phun ethanol yêu cầu theo mô men và tốc độ động cơ .......................... 94
Map ngược bơm cao áp .................................................................................... 96
Mô men động cơ và hệ số  tại chế độ tải 100% với tốc độ động cơ thay đổi trong
trường hợp có phun ethanol .............................................................................................. 97
tiếp

Tốc độ động cơ, mô men động cơ, tiêu hao nhiên liệu và hệ số  ở chế độ chuyển
.................................................................................................................... 98

Hình 4.1.Nhiệt tỏa ra trong xy lanh động cơ theo góc quay trục khuỷu tại 50% tải khi thay
đổi tỷ lệ ethanol thay thế ................................................................................................. 101

Hình 4.2.Nhiệt tỏa ra trong xy lanh động cơ theo góc quay trục khuỷu tại 75% tải khi thay
đổi tỷ lệ ethanol thay thế ................................................................................................. 101
Hình 4.3.Nhiệt tỏa ra trong xy lanh động cơ theo góc quay trục khuỷu tại 100% tải khi thay
đổi tỷ lệ ethanol thay thế ................................................................................................. 102
Hình 4.4.Mối quan hệ giữa tỷ lệ ethanol thay thế và tốc độ động cơ tại các chế độ tải khác
nhau
.................................................................................................................. 102
Hình 4.5.Suất tiêu hao năng lượng tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% khi thay đổi tốc độ
động cơ trong hai trường hợp không phun và có phun ethnaol ........................................ 103
Hình 4.6.Suất tiêu hao năng lượng tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ động cơ 2000
vg/ph
.................................................................................................................. 104
Hình 4.7.Diễn biến áp suất xy lanh ................................................................................. 104
Hình 4.8.Tín hiệu dao động thân máy ............................................................................. 105
Hình 4.9.Phổ của tín hiệu dao động thân máy ................................................................. 105
Hình 4.10.Hệ số dư lượng không khí  tại các tải 50%, 75%, 100%, tốc độ động cơ được giữ
ổn định bằng 2000 vg/ph khi thay đổi tỷ lệ ethanol thay thế ........................................... 106
Hình 4.11.Hệ số dư lượng không khí  theo tốc độ tại các chế độ tải khác nhau ............. 106
Hình 4.12.Lượng diesel tiêu thụ tương đương tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ
động cơ 2000 vg/ph theo tỷ lệ ethanol thay thế ............................................................... 108
xx


Hình 4.13.Lượng diesel tiêu thụ tương đương theo tốc độ động cơ ................................. 108
Hình 4.14.Phát thải HC tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph khi
thay đổi tỷ lệ ethnaol thay thế ......................................................................................... 110
Hình 4.15.Phát thải HC tại các chế độ tải khác nhau khi thay đổi tốc độ động cơ ........... 111
Hình 4.16.Phát thải CO tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph khi
thay đổi tỷ lệ ethnaol thay thế ......................................................................................... 112
Hình 4.17.Phát thải CO tại các chế độ tải khác nhau khi thay đổi tốc độ động cơ ........... 112

Hình 4.18.Phát thải NOx tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph
khi thay đổi tỷ lệ ethnaol thay thế ................................................................................... 113
Hình 4.19.Phát thải NOx tại các chế độ tải khác nhau khi thay đổi tốc độ động cơ .......... 114
Hình 4.20.Phát thải CO2 tại các chế độ tải khác nhau khi thay đổi tốc độ động cơ .......... 114
Hình 4.21.Phát thải smoke tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph
khi thay đổi tỷ lệ ethnaol thay thế ................................................................................... 115
Hình 4.22.Phát thải smoke tại các chế độ tải khác nhau khi thay đổi tốc độ động cơ ...... 115
Hình 4.23.Quy luật thay đổi độ mở chân ga yêu cầu theo thời gian ................................ 116
Hình 4.24.Tốc độ động cơ ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun và không phun
ethanol
.................................................................................................................. 117
Hình 4.25.Mô men động cơ ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hơp có phun và không
phun ethanol .................................................................................................................. 117
Hình 4.26.Công suất động cơ ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun và không
phun ethanol .................................................................................................................. 118
Hình 4.27.Suất tiêu hao năng lượng ở chế độ chuyển trong hai trường hợp không phun và có
phun ethanol .................................................................................................................. 119
Hình 4.28.Hệ số dư lượng không khí  ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun
và không phun ethanol .................................................................................................... 119
Hình 4.29.Phát thải HC ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun và không phun
ethanol
.................................................................................................................. 120
Hình 4.30.Phát thải CO ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun và không phun
ethanol
.................................................................................................................. 120
Hình 4.31.Phát thải NOx ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun và không phun
ethanol
.................................................................................................................. 121
Hình 4.32.Phát thải CO2 ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun và không phun
ethanol

.................................................................................................................. 121

xxi


MỞ ĐẦU
Với yêu cầu sạch hơn, rẻ hơn và thay thế được đã mở ra rất nhiều hướng nghiên cứu
mới trong nhiên liệu ôtô nhằm làm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch cũng như
giảm tác động tới môi trường đặc biệt là khí gây hiệu ứng nhà kính. Vấn đề này không chỉ
các nhà khoa học mà các nhà sản xuất ôtô cũng rất quan tâm khi giá của nhiên liệu hóa thạch
ngày càng tăng đồng thời tổng lượng nhiên liệu hóa thạch trên thế giới đang sụt giảm. Cho
đến nay một số nhiên liệu tiềm năng và có khả năng thay thế nhiên liệu ôtô đã tìm ra như
biogas, dầu thực vật, cồn, khí thiên nhiên nén CNG, khí hóa lỏng LPG và hyđrô.
Cồn etylic thường được gọi ethanol là nhiên liệu sinh học có ưu điểm cháy sạch.
Ethanol có thể được sản xuất từ vụn gỗ, rơm rạ, cây lương thực biến đổi gen... điều này giúp
cho giảm chu kỳ tái sinh của CO2, là một hướng mà nhiều nước đang hết sức quan tâm. Do
đó việc ứng dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế sẽ làm giảm ô nhiễm khí thải, tăng cường
kinh tế nông nghiệp, tạo nhiều cơ hội việc làm và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa
thạch. Vì vậy, trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu sử dụng ethanol với tỷ lệ
khác nhau và công nghệ khác nhau cho động cơ đốt trong, nhưng chủ yếu cho động cơ đánh
lửa cưỡng bức, chưa quan tâm nhiều cho động cơ cháy do nén (động cơ diesel) vì ethanol có
tính tự cháy kém. Để nâng cao tỷ lệ ethanol thay thế cho nhiên liệu hóa thạch cần tăng cường
nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel là động cơ chiếm tới 50% tổng số động cơ
đốt trong.
Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel, thường chia ra hai hướng ứng dụng
là hòa trộn trước và lưỡng nhiên liệu. Biện pháp hòa trộn trước cho thấy tỷ lệ hòa trộn không
cao do độ nhớt nhiên liệu giảm và trị số xêtan giảm, thời gian lưu trữ ngắn đồng thời không
có khả năng tối ưu tỷ lệ ethanol/diesel theo các chế độ làm việc của động cơ. Biện pháp
lưỡng nhiên liệu về nguyên tắc cho phép có thể thay đổi tỷ lệ ethanol thay thế theo từng chế
độ làm việc của động cơ, cho phép tối ưu lượng ethanol theo các tiêu chí khác nhau như khí

thải, công suất... và đạt tỷ lệ thay thế cao hơn biện pháp hòa trộn trước. Tuy nhiên các nghiên
cứu về sử dụng lưỡng nhiên liệu mới chỉ dừng ở việc đánh giá tình trạng động cơ và chưa
đưa ra một ứng dụng cụ thể. Đó là mới chỉ dừng ở mức độ đánh giá ảnh hưởng lên các chỉ
tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ mà chưa đưa ra quy luật điều khiển lượng cấp cũng như tỷ
lệ thay thế cụ thể ở các chế độ làm việc khác nhau.
Do vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động
cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol”
Đề tài này tập trung nghiên cứu điều khiển và cung cấp ethanol cho động cơ diesel khi
chuyển đổi sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol nhằm xác định tỷ lệ thay thế ethanol
lớn nhất và điều khiển phối hợp giữa lượng cấp ethanol và lượng cấp diesel phù hợp với các
chế độ ổn định và chuyển tiếp trong toàn bộ vùng làm việc của động cơ.
1


i. Mục đích và nội dung nghiên cứu của đề tài
Mục đích nghiên cứu của đề tài:
Chuyển đổi thành công một động cơ diesel ôtô sang chạy lưỡng nhiên liệu dieselethanol đảm bảo giữ nguyên mô men và công suất động cơ. Đồng thời đạt được tỷ lệ ethanol
thay thế lớn nhất.
Nhằm mục đích trên tác giả thực hiện các nội dung theo mạch phát triển như sau:
Thiết kế cải tiến và chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu đảm bảo tỷ lệ thay thế ethanol
tối ưu ở mọi chế độ làm việc của động cơ và thay đổi ít nhất về kết cấu động cơ.
Xây dựng mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol đảm bảo tin cậy. Thiết kế
và chế tạo hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol.
Thiết kế mô hình điều khiển phối hợp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol phù hợp với các
chế độ làm việc khác nhau của động cơ để động cơ sau chuyển đổi đảm bảo giữ được mô
men, công suất, giới hạn khói đen như động cơ nguyên bản, đồng thời không xảy ra kích nổ.
Thực nghiệm trên băng thử động cơ nhằm kiểm chứng kết quả mô phỏng và đánh giá
ảnh hưởng của tỷ lệ diesel-ethanol đến tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ.

ii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Động cơ thực nghiệm được lựa chọn là loại động cơ diesel D4BB bốn xy lanh, bốn kỳ,
sử dụng bơm phân phối lắp trên xe tải 1,25 tấn của hãng HYUNDAI.
Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong phòng thí nghiệm với các chế độ ổn
định cũng như chuyển tiếp trong toàn bộ vùng làm việc của động cơ. Chưa xét đến ảnh
hưởng của góc phun sớm đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải nhằm mục đích thay
đổi ít nhất về kết cấu động cơ khi chuyển đổi sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol.
Về trang thiết bị, luận án sử dụng các băng thử động cơ do hãng AVL Cộng hòa Áo
sản xuất đặt tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại
học Bách khoa Hà Nội và tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Công
nghệ Giao thông vận tải. Ngoài ra trong quá trình nghiên cứu có sử dụng thiết bị cân bơm
cao áp đặt tại Học viện Kỹ thuật Quân sự.

iii. Phương pháp nghiên cứu của đề tài
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng
và thực nghiệm. Nghiên cứu tổng quan ứng dụng ethanol cho động cơ diesel trong và ngoài
nước nhằm làm cơ sở cho việc đưa ra định hướng và nội dung chi tiết của nghiên cứu.
Nghiên cứu lý thuyết xây dựng mô hình động cơ và làm cơ sở để thiết kế các hàm điều
khiển cho động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu theo các chế độ làm việc của động cơ.
Nghiên cứu mô phỏng làm cơ sở để thiết kế hệ thống chuyển đổi động cơ sử dụng đơn
nhiên liệu sang sử dụng lưỡng nhiên liệu.
Sử dụng phương pháp tối ưu để xác định các tham số của mô hình cháy và bộ điều tốc
bơm cao áp.
Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xây dựng thuật toán điều khiển phối hợp lượng ethanol
và diesel cũng như xác định các thông số của quá trình cháy và làm việc của động cơ nhằm
phục vụ việc xây dựng mô hình động cơ sau này. Ngoài ra, nghiên cứu thực nghiệm nhằm
kiểm chứng các hệ số điều khiển và đánh giá tính năng của động cơ sau chuyển đổi.
2