Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% cho động cơ xăng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (12.04 MB, 176 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN KHÁNH TÙNG
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC
CÓ TỶ LỆ CỒN ETHANOL TỚI 100%
CHO ĐỘNG CƠ XĂNG
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 KHÁNH TÙNG
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC
CÓ TỶ LỆ CỒN ETHANOL TỚI 100% CHO
ĐỘNG CƠ XĂNG
Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
Mã số: 9520116
LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS PHẠM HỮU TUYẾN
2. PGS. TS PHẠM VĂN THỂ
U
HÀ NỘI – 2018
MỤC LỤC
MỤC LỤC .......................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................. iv
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ/ SƠ ĐỒ ........................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................... xii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................... xiv
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
i. Sự cần thiết của đề tài ..................................................................................................... 1
ii. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................................... 2
iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 2
iv. Phương pháp nghiên cứu.............................................................................................. 2
v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ......................................................................... 3
vi. Tính mới của đề tài ....................................................................................................... 3
vii. Các nội dung chính của đề tài ..................................................................................... 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................. 4
1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học .............................................................................. 4
1.1.1. Sự cần thiết phải nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học ............................ 4
1.1.2. Các loại nhiên liệu sinh học được sử dụng trên phương tiện................................ 5
1.2. Nhiên liệu cồn ethanol và xăng sinh học ................................................................... 6
1.2.1. Nhiên liệu cồn ethanol ............................................................................................. 6
1.2.2. Xăng sinh học ........................................................................................................... 9
1.2.3. Sản xuất và sử dụng cồn ethanol và xăng sinh học trên phương tiện ................ 10
1.3. Các nghiên cứu sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn trên động cơ xăng
............................................................................................................................................ 13
1.3.1. Các nghiên cứu trên thế giới ................................................................................. 13
1.3.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam................................................................................. 25
1.4. Kết luận Chương 1 .................................................................................................... 28
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................... 29
2.1. Quá trình cháy của động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học............................... 29
2.1.1. Quá trình cháy trong động cơ xăng ...................................................................... 29
2.1.2. Quá trình cháy của động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học ............................ 31
i
2.2. Lý thuyết mô phỏng động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học ............................. 34
2.2.1. Mơ hình hỗn hợp nhiên liệu .................................................................................. 34
2.2.2. Mơ hình cháy.......................................................................................................... 34
2.2.3. Mơ hình truyền nhiệt ............................................................................................. 42
2.2.4. Mơ hình phát thải ................................................................................................... 45
2.2.5. Một số mơ hình phụ khác ...................................................................................... 47
2.3. Hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ phun xăng khi sử dụng xăng sinh học có
tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% ......................................................................................... 51
2.3.1. Cấu tạo hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ ............................................... 51
2.3.2. Cơ sở lý thuyết chuyển đổitừ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh
học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% .................................................................................... 54
2.3.3. Bộ dữ liệu chuẩn trong động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol
lớn tới 100%...................................................................................................................... 58
2.4. Kết luận chương 2 ..................................................................................................... 61
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ KHI SỬ
DỤNG XĂNG SINH HỌC CÓ TỶ LỆ CỒN ETHANOL TỚI 100% .......... 62
3.1. Đối tượng nghiên cứu và xây dựng mô hình động cơ ............................................ 62
3.1.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................ 62
3.1.2. Xây dựng mơ hình động cơ .................................................................................... 63
3.2. Đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản trên động cơ ô tô phun xăng
điện tử khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% ................................ 64
3.2.1. Hiệu chuẩn mơ hình và đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản ... 65
3.2.2. Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới tham số của
mơ hình cháy Fractal ....................................................................................................... 80
3.2.3. Xác định hệ số dư lượng khơng khí của hỗn hợp cháy với các tỷ lệ cồn ethanol
khác nhau ......................................................................................................................... 81
3.3. Nghiên cứu mô phỏng xây dựng bộ thơng số chuẩn với xăng sinh học................ 82
3.3.1. Tính tốn mơ phỏng lượng nhiên liệu phun đảm bảo hệ số dư lượng khơng khí
= 1 .................................................................................................................................. 82
3.3.2. Tính tốn góc đánh lửa sớm để mơ men động cơ đạt Memax khi sử dụng xăng sinh
học ..................................................................................................................................... 87
3.4. Kết luận chương 3....................................................................................................... 92
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ............................................ 94
4.1. Đối tượng, nhiên liệu và trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm ........... 93
4.1.1. Đối tượng thử nghiệm ............................................................................................ 93
4.1.2. Nhiên liệu thử nghiệm ........................................................................................... 93
ii
4.1.3. Trang thiết bị thử nghiệm ...................................................................................... 94
4.2. Thử nghiệm hiệu chuẩn mơ hình mơ phỏng và bộ thơng số chuẩn động cơ khi sử
dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% ........................................................ 96
4.2.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm ..................................................... 96
4.2.2. Kết quả thử nghiệm ................................................................................................ 98
4.3. Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ECU phụ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn
ethanol tới 100% ............................................................................................................ 102
4.3.1. Thiết kế chế tạo bộ điều khiển ECU phụ cho động cơ Toyota 1NZ-FE ............ 102
4.3.2. Nghiên cứu nạp bộ thông số chuẩn lên ECU phụ.............................................. 109
4.4. Thử nghiệm đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ xăng khi
được lắp thêm ECU phụ trên băng thử động cơ ......................................................... 110
4.4.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm ................................................... 110
4.4.2. Kết quả thử nghiệm trên băng thử động cơ ........................................................ 110
4.5. Thử nghiệm tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của xe ô tô được lắp thêm
ECU phụ trên băng thử ô tô .......................................................................................... 115
4.5.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm ................................................... 115
4.5.2. Kết quả thử nghiệm với ô tô nguyên bản khi chưa lắp ECU phụ ...................... 116
4.5.3. Kết quả thử nghiệm với ô tô được lắp thêm ECU phụ ....................................... 119
4.6. Kết luận Chương 4 .................................................................................................. 123
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............. 125
Kết luận chung: .............................................................................................................. 125
Hướng phát triển của đề tài: ......................................................................................... 126
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 127
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........ 137
PHỤ LỤC
iii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện. Luận án có sử dụng một
phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong Đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu
thiết kế và chế tạo hệ thống phun nhiên liệu điện tử cung cấp xăng sinh học có tỷ lệ cồn
etanol tới 100% (E100) cho động cơ ô tô và xe máy sử dụng nhiên liệu linh hoạt”, mã số
ĐT.09.2014/NLSH do PGS.TS Phạm Hữu Tuyến là chủ nhiệm đề tài và tổ chức chủ trì là
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015,
tầm nhìn đến năm 2025, do Bợ Cơng Thương quản lý. Tôi đã được chủ nhiệm đề tài đồng ý
cho sử dụng một phần kết quả của Đề tài cấp nhà nước và việc viết luận án.
Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong các cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày
Tập thể giáo viên hướng dẫn
PGS.TS Phạm Hữu Tuyến
tháng
năm 2018
Nghiên cứu sinh
PGS.TS Phạm Văn Thể
iv
Nguyễn Khánh Tùng
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện
Cơ khí Đợng lực, Bợ mơn Đợng cơ đốt trong, Phịng thí nghiệm Đợng cơ đốt trong đã cho
phép và giúp đỡ tôi thực hiện luận án trong thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Hữu Tuyến và PGS.TS. Phạm
Văn Thể đã chu đáo, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi thực hiện và hồn thành ḷn án.
Tơi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Cục Ứng dụng và Phát triển công nghệ - Bộ Khoa
học và Công nghệ, Ban điều hành đề án Phát triển nhiên liệu sinh học - Bộ Công thương và
các đồng nghiệp đã ủng hộ, tạo điều kiện thuận lợi để tơi có thể hồn thành ḷn án.
Tơi xin chân thành cảm ơn các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ và các nhà khoa học đã
dành thời gian q báu để đọc và góp ý giúp tơi hồn thiện luận án.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã ln
đợng viên khún khích trong suốt thời gian tham gia nghiên cứu và thực hiện cơng trình
này.
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Khánh Tùng
v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ/SƠ ĐỒ
Hình 1.1. Tổng mức tiêu thụ năng lượng và mức phát thải CO2 trên thế giới. ..................... 4
Hình 1.2. Sự biến đợng của giá dầu thơ trên thị trường thế giới ........................................... 4
Hình 1.3. Tăng trưởng phương tiện cơ giới đường bợ. ......................................................... 5
Hình 1.4. Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza ...................................................................... 7
Hình 1.5. Tổng sản lượng ethanol hàng năm của các quốc gia/vùng lãnh thổ .................... 10
Hình 1.6. Tỷ lệ sản lượng ethanol của các quốc gia/vùng lãnh thổ năm 2015 .................... 11
Hình 1.7. Số lượng phương tiện sử dụng nhiên liệu thay thế được đặt hàng và sản xuất hàng
năm ...................................................................................................................................... 11
Hình 1.8. Diện tích và sản lượng sắn tại Việt Nam giai đoạn 2001-2011 ........................... 12
Hình 1.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol tới hệ số dư lượng khơng khí tương đương A/F và hệ
số nạp tại các tốc độ 1000, 2000, 3000, 4000 v/ph ............................................................. 14
Hình 1.10. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol tới mô men và suất tiêu hao nhiên liệu tại các tốc độ
1000, 2000, 3000, 4000 v/ph ............................................................................................... 14
Hình 1.11. Ảnh hưởng của lượng ethanol tăng lên tới hàm lượng khí thải CO, CO2, HC trong
phát thải ............................................................................................................................... 15
Hình 1.12. Thay đổi mơ men của đợng cơ và khi sử dụng xăng sinh học với với các tỷ lệ cồn
ethanol khác nhau ................................................................................................................ 15
Hình 1.13. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu tới suất tiêu hao nhiên liệu của ơ tơ
............................................................................................................................................. 16
Hình 1.14. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu tới lượng phát thải khí CO, CO2,
HC và NH3 ........................................................................................................................... 16
Hình 1.15. Sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp và hiệu suất nhiệt của động cơ khi sử dụng
các loại xăng sinh học E10, E20, E30, E85 so với khi sử dụng xăng thơng thường ........... 17
Hình 1.16. Tỷ lệ suy giảm phát thải HC và NOx khi động cơ sử dụng các loại xăng sinh học
E10, E20, E30, E85 so với khi sử dụng xăng thơng thường ............................................... 18
Hình 1.17. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm tới mô men và suất tiêu hao nhiên liệu của
động cơ khi sử dụng các loại xăng sinh học tại tốc độ động cơ 5000 v/ph ......................... 18
Hình 1.18. Ảnh hưởng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tới mô men, suất tiêu hao
nhiên liệu và hiệu suất nhiệt của động cơ tại tốc đợ đợng cơ 2800 v/ph ............................. 19
Hình 1.19. Ảnh hưởng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tới tính năng đợng cơ tại
tốc đợ đợng cơ 2800 v/ph .................................................................................................... 20
Hình 1.20. Bợ chuyển đổi U.S. Ethanol Conversion Kits ................................................... 21
Hình 1.21. Lượng phun nhiên liệu được điều chỉnh cho E85.............................................. 22
vi
Hình 1.22. Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh cho E85 ..................................................... 22
Hình 1.23. Điều chỉnh quá trình phun nhiên liệu khi sử dụng ethanol với tỷ lệ lớn ........... 23
Hình 1.24. Điều chỉnh góc đóng ṃn xu páp khi sử dụng ethanol với tỷ lệ lớn ............... 24
Hình 1.25. Điều chỉnh kết cấu buồng cháy bằng cách điều chỉnh cấu tạo của piston ......... 24
Hình 1.26. Tỷ lệ cải thiện công suất của động cơ khi sử dụng xăng sinh học .................... 26
Hình 1.27. So sánh phát thải của đợng cơ khi sử dụng A95 và E10 ................................... 26
Hình 2.1. Q trình cháy trong đợng cơ xăng ..................................................................... 29
Hình 2.2. Quá trình phát triển của màng lửa trong quá trình cháy ...................................... 30
Hình 2.3. Hình ảnh lan tràn màng lửa trong đợng cơ xăng ................................................. 30
Hình 2.4. Ảnh hưởng của cháy lốc tới quá trình cháy trong đợng cơ xăng ......................... 31
Hình 2.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới sự lan tràn màng lửa trong
quá trình cháy ...................................................................................................................... 32
Hình 2.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới thời gian cháy và tỷ lệ hỗn
hợp đã cháy .......................................................................................................................... 32
Hình 2.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới nhiệt đợ q trình cháy .... 33
Hình 2.8. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới áp suất trong xy lanh ....... 33
Hình 2.9. Mợt số mơ hình phân dạng .................................................................................. 38
Hình 2.10. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ – ôtô ......................... 51
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun xăng điện tử trên động cơ phun xăng ............. 52
Hình 2.12. Phương pháp phun đợc lập theo trình tự trên đợng cơ phun xăng ..................... 52
Hình 2.13. Sơ đồ điều khiển hệ thống đánh lửa trực tiếp trên động cơ phun xăng ............. 53
Hình 2.14. Điều khiển góc đánh lửa sớm theo phương pháp điều khiển ESA .................... 54
Hình 2.15. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ phun xăng điện tử khi được lắp thêm
ECU phụ .............................................................................................................................. 54
Hình 2.16. Ngun lý điều chỉnh tín hiệu khi qua bợ ECU phụ.......................................... 55
Hình 2.17. Cấu tạo và lắp đặt cảm biến cồn ethanol trên đợng cơ ...................................... 56
Hình 2.18. Đặc tính cảm biến tỷ lệ ethanol ......................................................................... 57
Hình 2.19. Sơ đồ khối hệ thống nhiên liệu khi được lắp thêm ECU phụ ............................ 57
Hình 2.20. Sơ đồ nguyên lý của bợ điều khiển ECU phụ.................................................... 58
Hình 2.21. Các bước quy trình xây dựng bợ dữ liệu chuẩn cho đợng cơ ............................ 60
Hình 3.1. Mơ hình mơ phỏng đợng cơ Toyota 1NZ-FE trên phần mềm AVL Boost ......... 63
Hình 3.2. So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc
độ, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50 ................................................................ 66
vii
Hình 3.3. So sánh cơng suất đợng cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng ECU nguyên bản,
bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50 ...................................................................... 67
Hình 3.4. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và
thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50 ............................. 67
Hình 3.5. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng
ECU nguyên bản, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50......................................... 68
Hình 3.6. So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa
mô phỏng và thực nghiệm tại tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 100% ...................... 69
Hình 3.7. So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa
mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ 3000 v/ph, chế đợ bướm ga mở 100% ........................ 69
Hình 3.8. So sánh phát thải NOx của động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô
phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100% .......................................... 70
Hình 3.9. So sánh phát thải CO của đợng cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô
phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100% .......................................... 71
Hình 3.10. So sánh phát thải HC của động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô
phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100% .......................................... 71
Hình 3.11. So sánh cơng suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo
tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85 và E100 ............................ 73
Hình 3.12. So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng ECU nguyên
bản, bướm ga mở 40% với RON92, E30, E50, E85 và E100 ............................................. 73
Hình 3.13. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và
thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% với RON92, E30, E50, E85, E100 ................ 74
Hình 3.14. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng
ECU nguyên bản, bướm ga mở 40% với RON92, E30, E50, E85 và E100 ........................ 74
Hình 3.15. So sánh áp xuất trong xy lanh đợng cơ khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100
giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ 1000 v/ph, chế đợ bướm ga mở 40% .................. 75
Hình 3.16. So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100
giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 40% .................. 76
Hình 3.17. So sánh phát thải NOx của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm
theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 ........................ 78
Hình 3.18. So sánh phát thải CO của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm
theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 ........................ 79
Hình 3.19. So sánh phát thải HC của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm
theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 ........................ 79
Hình 3.20. Sự thay đổi của tốc đợ ngọn lửa tầng trong mơ hình Fractal khi thay đổi tỷ lệ
ethanol trong xăng sinh học ................................................................................................. 80
viii
Hình 3.21. Sự thay đổi của diện tích màng lửa tầng trong mơ hình Fractal khi thay đổi tỷ lệ
ethanol trong xăng sinh học ................................................................................................. 80
Hình 3.22. Lượng nhiên liệu và sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp của động cơ ô tô khi
điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 20% tải ........................................................................ 84
Hình 3.23. Cơng suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun
nhiên liệu ở 20% tải ............................................................................................................. 84
Hình 3.24. Lượng nhiên liệu và sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp của động cơ ô tô khi
điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 60% tải ........................................................................ 85
Hình 3.25. Cơng suất, sự thay đổi công suất của động cơ cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun
nhiên liệu ở 60% tải ............................................................................................................. 85
Hình 3.26. Lượng nhiên liệu và sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp của động cơ ô tô khi
điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 100% tải ...................................................................... 86
Hình 3.27. Cơng suất, sự thay đổi cơng suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun
nhiên liệu ở 100% tải ........................................................................................................... 86
Hình 3.28. Cơng suất theo góc đánh lửa với các loại nhiên liệu ở 60% tải, 1000 v/ph....... 88
Hình 3.29. Góc đánh lửa sớm và sự thay đổi góc đánh lửa sớm trung bình của động cơ ô tô
khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 20% tải.................................................................. 89
Hình 3.30. Cơng suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh góc đánh lửa
sớm ở 20% tải ...................................................................................................................... 90
Hình 3.31. Góc đánh lửa sớm và sự thay đổi góc đánh lửa sớm trung bình của đợng cơ ơ tơ
khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 60% tải.................................................................. 90
Hình 3.32. Cơng suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh góc đánh lửa
sớm ở 60% tải ...................................................................................................................... 90
Hình 3.33. Góc đánh lửa sớm của đợng cơ và sự thay đổi góc đánh lửa sớm trung bình của
động cơ cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 100% tải ...................................... 91
Hình 3.34. Cơng suất, sự thay đổi công suất của động cơ khi điều chỉnh góc đánh lửa sớm ở
100% tải ............................................................................................................................... 91
Hình 4.1. Sơ đồ băng thử đợng cơ ....................................................................................... 94
Hình 4.2. Hệ thống điều khiển và lập trình ECU của hãng Woodward .............................. 95
Hình 4.3. Hệ thống đo đặc tính kinh tế kỹ tḥt và phát thải ơ tơ ....................................... 95
Hình 4.4. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E30 ........................ 100
Hình 4.5. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E50 ........................ 100
Hình 4.6. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E85 ........................ 100
Hình 4.7. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E100 ...................... 100
Hình 4.8. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E30 ........................................................ 101
ix
Hình 4.9. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E50 ........................................................ 101
Hình 4.10. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E85 ...................................................... 102
Hình 4.11. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E100 .................................................... 102
Hình 4.12. Sơ đồ và mô phỏng mạch khi đã lắp linh kiện ................................................ 102
Hình 4.13. Mạch điều khiển của ECU phụ ơ tơ sau khi hồn thiện .................................. 103
Hình 4.14. Hoạt động của ngắt 1 và bộ đếm timer2 .......................................................... 104
Hình 4.15. Điều khiển thời gian phun ............................................................................... 104
Hình 4.16. Hoạt động của ngắt INT0 và bộ đếm timer0 ................................................... 105
Hình 4.17. Nguyên lý điều khiển thời điểm đánh lửa của ECU phụ ................................. 106
Hình 4.18. Phép nợi suy tún tính để tính tốn các thơng số làm việc của đợng cơ tại các
chế đợ làm việc khác ......................................................................................................... 107
Hình 4.19. Hình ảnh chip và bo mạch nạp Atxmega128A ................................................ 119
Hình 4.20. Giao diện phần mềm Codevision .................................................................... 110
Hình 4.21. Sơ đồ nguyên lý lắp ECU phụ trên động cơ .................................................... 110
Hình 4.22. Cơng suất và sự thay đổi cơng suất động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga ..... 111
Hình 4.23. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi
lắp ECU phụ ở 100% ga .................................................................................................... 112
Hình 4.24. Hiệu suất có ích của đợng cơ và sự thay đổi hiệu suất có ích của đợng cơ khi lắp
ECU phụ ở 100% ga .......................................................................................................... 112
Hình 4.25. Hàm lượng và sự thay đổi phát thải CO của động cơ ô tô khi lắp ECU phụ ở
100% ga ............................................................................................................................. 113
Hình 4.26. Hàm lượng và sự thay đổi phát thải HC của động cơ ô tô khi lắp ECU phụ ở
100% ga ............................................................................................................................. 114
Hình 4.27. Hàm lượng và sự thay đổi phát thải NOx của động cơ ô tô khi lắp ECU phụ ở
100% ga ............................................................................................................................. 115
Hình 4.28. Chu trình thử theo tiêu chuẩn EURO 2 ........................................................... 116
Hình 4.29. Cơng suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga,
tay số 3 ............................................................................................................................... 117
Hình 4.30. Cơng suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga,
tay số 4 ............................................................................................................................... 118
Hình 4.31. Sự thay đổi về phát thải CO, CO2, NOx, và HC của ô tô Toyota Vios nguyên bản
ở 100% ga, tay số 3 và 4 .................................................................................................... 119
Hình 4.32. Thay đổi hàm lượng phát thải và tiêu hao nhiên liệu của ô tô theo chu trình thử
Euro 2 ................................................................................................................................ 119
x
Hình 4.33. Cơng suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô khi lắp ECU phụ ở 100%ga, tay số
3 ......................................................................................................................................... 120
Hình 4.34. Cơng suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô khi lắp ECU phụ ở 100%ga, tay số
4 ......................................................................................................................................... 121
Hình 4.35. Thay đổi thơng số kỹ thuật và phát thải của ô tô Toyota Vios khi lắp ECU phụ
khi sử dụng xăng sinh học so với xăng RON92 tại 100% ga ............................................ 122
Hình 4.36. Thay đổi hàm lượng phát thải và tiêu hao nhiên liệu của ô tô Toyota Vios khi lắp
ECU phụ thử theo chu trình thử tiêu chuẩn Euro 2 so với xăng RON92 .......................... 122
xi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. So sánh các đặc tính nhiên liệu của xăng và cồn Ethanol ..................................... 8
Bảng 1.2. Tính chất của mợt số loại xăng sinh học ............................................................. 10
Bảng 2.1. Phản ứng hình thành phát thải NOx..................................................................... 45
Bảng 2.2. Phản ứng hình thành phát thải CO ...................................................................... 46
Bảng 2.3. Các hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải ............................ 48
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của động cơ 1NZ-FE ............................................................. 62
Bảng 3.2. Tỉ lệ của xăng và cồn trong các loại nhiên liệu ................................................... 64
Bảng 3.3. Lượng nhiên liệu và góc đánh lửa sớm được sử dụng trong q trình chuẩn hóa
mơ hình mơ phỏng đợng cơ ................................................................................................. 65
Bảng 3.4. Giá trị so sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm
theo tốc độ, bướm ga mở 100% khi sử dụng RON92, E30 và E50 ..................................... 66
Bảng 3.5. Giá trị so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng
và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 100% khi sử dụng RON92, E30, E50 ............... 67
Bảng 3.6. So sánh áp suất trong xy lanh động cơ Toyota 1NZ-FE khi sử dụng xăng RON92,
E30, E50 giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 100% tại
một số vị trí .......................................................................................................................... 68
Bảng 3.7. Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx của động cơ ô tô Toyota 1NZ-FE khi sử dụng
xăng RON92, E30 và E50 tại chế độ bướm ga mở 100% ................................................... 70
Bảng 3.8. Giá trị so sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm
theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85 và E100 .................... 72
Bảng 3.9. Giá trị so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng
và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85 và E100
............................................................................................................................................. 72
Bảng 3.10. So sánh áp suất trong xy lanh động cơ Toyota 1NZ-FE khi sử dụng xăng RON92,
E30, E50, E85, E100 giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga
mở 40% tại mợt số vị trí ...................................................................................................... 75
Bảng 3.11. Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx của động cơ ô tô Toyota 1NZ-FE khi sử dụng
xăng RON92, E30 và E50 tại chế độ bướm ga mở 100% ................................................... 77
Bảng 3.12. Hệ số dư lượng khơng khí ở các chế đợ tính tốn ......................................... 81
Bảng 3.13. Bợ thơng số điều chỉnh lượng phun nhiên liệu gct để hệ số dư lượng khơng khí
= 1 ..................................................................................................................................... 83
Bảng 3.14. Kết quả mô phỏng để xác định góc đánh lửa sớm phù hợp cho động cơ khi sử
dụng xăng sinh học E30, E50, E85, E100 tại chế độ 60% tải và tốc độ 1000 v/ph ............ 87
Bảng 3.19. Bộ thông số động cơ điều chỉnh lượng phun nhiên liệu để = 1 và Memax ...... 88
xii
Bảng 4.1. Tính chất của các loại nhiên liệu thử nghiệm ..................................................... 93
Bảng 4.2. Phương pháp thử nghiệm động cơ ô tô ............................................................... 98
Bảng 4.3. Lượng phun nhiên liệu được điều chỉnh bằng thực nghiệm để hệ số dư lượng
không khí = 1..................................................................................................................... 99
Bảng 4.4. Bợ thơng số đợng cơ điều chỉnh lượng phun nhiên liệu để = 1 và Memax được
hiệu chuẩn bằng thực nghiệm ............................................................................................ 100
Bảng 4.5. Công suất động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga ............................................. 111
Bảng 4.6. Suất tiêu hao nhiên liệu khi lắp ECU phụ ở 100% ga ....................................... 111
Bảng 4.7. Hiệu suất có ích của đợng cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga .............................. 112
Bảng 4.8. Sự thay đổi hàm lượng phát thải CO của động cơ lắp ECU phụ khi sử dụng xăng
sinh học E30, E50, E85, E100 so sánh với khi sử dụng RON92 ở 100% ga .................... 113
Bảng 4.9. Sự thay đổi hàm lượng phát thải HC của động cơ lắp ECU phụ khi sử dụng xăng
sinh học E30, E50, E85, E100 so sánh với khi sử dụng RON92 ở 100% ga .................... 114
Bảng 4.10. Sự thay đổi hàm lượng phát thải NOx của động cơ lắp ECU phụ khi sử dụng xăng
sinh học E30, E50, E85, E100 so sánh với khi sử dụng RON92 ở 100% ga .................... 115
Bảng 4.11. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga,
tay số 3 ............................................................................................................................... 117
Bảng 4.12. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga,
tay số 4 ............................................................................................................................... 117
Bảng 4.13. Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx, CO2 của ô tô Toyota Vios nguyên bản ở
100% ga, tay số 3 và tay số 4 ............................................................................................ 118
Bảng 4.14. Kết quả đo gia tốc của ô tô từ 20 km/h đến 100 km/h .................................... 119
Bảng 4.15. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô được lắp thêm ECU phụ ở 100%
ga, tay số 3 và tay số 4 ....................................................................................................... 120
Bảng 4.16. Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx và CO2 của ô tô Toyota Vios được lắp thêm
ECU phụ khi hoạt động với xăng RON92, E30, E50, E85 và E100 ở vị trí 100% ga, tay số 3
và tay số 4. ......................................................................................................................... 121
Bảng 4.17. Kết quả đo gia tốc từ 20 km/h đến 100 km/h của ô tô được lắp thêm ECU phụ
khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn Ethanol tới 100% ................................................ 122
xiii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký
hiệu/viết tắt
A/F
Tiếng Anh
Air/Fuel
AVL-Boost
Diễn giải
Đơn vị
Tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu
-
Phần mềm mơ phỏng AVL-Boost
-
BMEP
Brake Mean Effective
Pressure
Áp suất có ích trung bình
-
CD 48’’
Chassis Dynamometer
48’’
Băng thử ô tô con và xe tải hạng
nhẹ
-
CNG
Compress Natural Gas
Nhiên liệu khí thiên nhiên nén
-
DIS
Direct Ignition System
Hệ thống đánh lửa trực tiếp
-
ĐCĐT
Động cơ đốt trong
-
ĐCD
Điểm chết dưới
-
ĐCT
Điểm chết trên
-
ĐLTT
Đánh lửa trực tiếp
-
E5
Xăng sinh học gồm 5% ethanol và
95% xăng truyền thống về thể tích
-
E10
Xăng sinh học gồm 10% ethanol và
90% xăng truyền thống về thể tích
-
E20
Xăng sinh học gồm 20% ethanol và
80% xăng truyền thống về thể tích
-
E30
Xăng sinh học gồm 30% ethanol và
70% xăng truyền thống về thể tích
-
E50
Xăng sinh học gồm 50% ethanol và
50% xăng truyền thống về thể tích
-
E85
Xăng sinh học gồm 85% ethanol và
15% xăng truyền thống về thể tích
-
E100
Xăng sinh học gồm 100% ethanol
về thể tích
-
ECE
Economic Commission
for Europe
Ủy ban kinh tế châu Âu
xiv
ECU
Electronic Control Unit
Bộ điều khiển điện tử
-
EFI
Electronic fuel injection
Hệ thống phun xăng điện tử
-
EGR
Exhaust Gas Recirculation Luân hồi khí xả
ESA
Electronic Spark Advance
Hệ thống điều khiển đánh lửa theo
chương trình
-
FFV
Flexible Fuel Vehicle
Động cơ sử dụng nhiên liệu linh
hoạt
-
Fuel injection
Phun nhiên liệu
FI
ge
Suất tiêu thụ nhiên liệu
gct
Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình
GDI
Gasoline Direct Injection
GTVT
-
g/kW.h
g/ct
Động cơ phun xăng trực tiếp
-
Giao thông vận tải
-
IGT
Ignition timing
Thời điểm đánh lửa
LNG
Liquefied Natural Gas
Khí thiên nhiên hóa lỏng
-
LPG
Liquefied Petroleum Gas
Khí dầu mỏ hóa lỏng
-
Me
Mơ men đợng cơ
N.m
n
Tốc đợ động cơ
v/ph
Ne
Công suất động cơ khi thử trên
băng thử động cơ và là công suất ô
tô trên băng thử ô tô
kW
NLSH
Nhiên liệu sinh học
-
OT
Open throttle
Độ mở bướm ga
-
ppm
Part per million
Một phần triệu
-
PC
Personal Computer
Máy tính cá nhân
-
RON
Research Octane Number
Chỉ số Octan nghiên cứu
-
SFI
Sequential Fuel Injection
Phun nhiên liệu tuần tự
TCVN
TK
Tiêu chuẩn Việt Nam
-
Trục khuỷu
-
xv
WOT
Wide open throttle
Bướm ga mở hoàn toàn
-
Hệ số dư lượng khơng khí
-
s
Góc đánh lửa sớm
Tỷ số nén
xvi
GQTK
-
MỞ ĐẦU
i. Sự cần thiết của đề tài
Ngày nay, cùng với sự tăng trưởng về số lượng xe cơ giới là sự gia tăng ơ nhiễm mơi
trường do khí thải độc hại từ động cơ của các phương tiện. Nguồn ô nhiễm này gây ảnh
hưởng lớn tới sức khỏe và cuộc sống của con người, đặc biệt là ở các thành phố lớn có mật
đợ xe cơ giới và mật độ dân cư cao. Một trong những giải pháp nhằm giải quyết vấn đề này
là sử dụng các loại nhiên liệu thay thế, nhiên liệu sinh học có khả năng tái tạo và thân thiện
với môi trường.
Ethanol (C2H5OH) là loại nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các loại ngun liệu
nơng nghiệp như mía, sắn, ngơ... cũng như từ các sản phẩm của quá trình chế biến gỗ và từ
chất thải nơng nghiệp. Ethanol có thể được sử dụng như một loại nhiên liệu cho phương tiện
ở dạng nguyên chất và hoặc ở dạng hỗn hợp phối trộn với nhiên liệu truyền thống.
Ethanol có chỉ số octan cao hơn xăng nên làm tăng khả năng chống kích nổ của động
cơvà hiệu suất nhiệt của động cơ được cải thiện khi tăng tỉ số nén. Việc bổ sung thêm lượng
nhỏ ethanol vào xăng giúp tăng cường chỉ số octan của hỗn hợp nhiên liệu, bổ sung thêm
ơxy giúp quá trình cháy trong động cơ triệt để hơn, qua đó nâng cao hiệu suất động cơ và
giảm lượng phát thải độc hại CO, HC.
Xăng sinh học (hỗn hợp của xăng khoáng và cồn ethanol với các tỷ lệ phối trộn khác
nhau) hiện nay được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Đối với các loại xăng sinh
học có tỷ lệ cồn ethanol thấp (5-10%) thì có thể sử dụng trên động cơ xăng thông thường mà
không cần phải thay đổi kết cấu. Tuy nhiên đối với các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol
lớn cần có những thay đổi kết cấu phù hợp nhằm duy trì và nâng cao tính năng kỹ tḥt cũng
như đợ bền của đợng cơ [57, 96, 38]. Phương tiện có thể sử dụng được xăng sinh học có tỷ
lệ cồn ethanol khác nhau được gọi là phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt-Flexible Fuel
Vehicles (FFV) đã được nghiên cứu, phát triển và lưu hành trên thị trường ở một số nước
trên thế giới. Thông thường xăng sinh học cho phương tiện FFV có tỷ lệ cồn ethanol tới 85%
(E85).
Việt Nam có sản lượng sắn lớn nên có tiềm năng về nguồn nguyên liệu sản xuất nhiên
liệu cồn ethanol. Tính đến hết năm 2014, tổng diện tích trồng sắn tại Việt Nam đạt 551,1
nghìn héc ta và tổng 10255,3 nghìn tấn, trong khi đó chỉ có chưa tới 5% nguyên liệu sắn
được sử dụng để sản xuất ethanol. Để phát huy thế mạnh về nguồn nguyên liệu, Chính phủ
đã phê duyệt Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025
[25]. Lợ trình áp dụng nhiên liệu sinh học cũng đã được ban hành vào cuối năm 2012, theo
đó xăng E5 được sử dụng trên toàn quốc vào năm 2015 và xăng E10 vào năm 2017. Tuy
nhiên do nhiều yếu tố chủ quan và khách quan nên việc sử dụng xăng sinh học còn gặp nhiều
khó khăn làm tăng lượng cồn ethanol dư thừa. Do đó, để nâng cao khả năng thay thế của
ethanol cho xăng khoáng, cần tăng lượng cồn ethanol trong xăng sinh học.
Nghiên cứu sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn là rất cần thiết. Tăng tỷ lệ
cồn ethanol trong xăng sinh học sử dụng cho phương tiện đang lưu hành giúp giảm sự phụ
1
tḥc vào nhiên liệu khống mà hiện nay phần lớn đang phải nhập khẩu, đảm bảo an ninh
năng lượng, giảm thiểu phát thải gây ô nhiễm môi trường, nâng cao giá trị sản phẩm nông
nghiệp vốn là thế mạnh của nước ta.
Xuất phát từ những lý do nêu trên, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu sử
dụng nhiên liệu sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% cho động cơ xăng” làm đề tài luận án
nghiên cứu sinh của mình.
ii. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu và thực hiện giải pháp kỹ thuật chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử
đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% đảm
bảo tính năng kỹ tḥt của đợng cơ.
- Đánh giá hiệu quả cũng như tác động của việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn
ethanol lớn tới động cơ xăng đang lưu hành.
iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ Toyota 1NZ-FE được lắp trên xe ô tô
Toyota Vios. Đây là động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp hiện đang được lưu
hành phổ biến tại Việt Nam. Nhiên liệu thử nghiệm gồm xăng khoáng RON92 thương phẩm,
các hỗn hợp của xăng khoáng RON92 và 30%, 50%, 85% và 100% cồn ethanol về thể tích
(tương ứng là các loại xăng sinh học E0, E30, E50, E85 và E100).
- Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong phịng thí nghiệm với ở các chế độ làm việc ổn
định của động cơ từ 1000 6000 vịng/phút, chế đợ chuyển tiếp theo chu trình ECE 15 và
các chế độ khởi động, tăng tốc.
iv. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết
và thực nghiệm, cụ thể như sau:
- Nghiên cứu lý thuyết: tổng hợp và phân tích kết quả nghiên cứu trong và ngồi nước.
Ứng dụng phần mềm AVL-Boost nghiên cứu mơ phỏng động cơ xăng 1NZ-FE sử dụng xăng
thông thường và xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn nhằm thực hiện các nhiệm vụ:
+ Đánh giá diễn biến các quá trình làm việc của đợng cơ xăng 1NZ-FE khi chuyển
sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn;
+ Điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp trong một chu trình (gct) sao cho hệ số dư
lượng khơng khí của hỗn hợp khí cháy = 1 và điều chỉnh góc đánh lửa sớm (s) sao cho
công suất động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn đạt giá trị lớn nhất.
- Nghiên cứu thực nghiệm:
+ Nghiên cứu thực nghiệm trong phịng thí nghiệm đánh giá chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật
và phát thải của động cơ nguyên bản và động cơ được lắp thêm ECU phụ sử dụng xăng thông
thường và xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn.
+ Nghiên cứu hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun, góc đánh lửa sớm và xây dựng bộ
thông số chuẩn cho động cơ xăng Toyota 1NZ-FE khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn
2
ethanol lớn bằng phương pháp thực nghiệm trên băng thử động cơ. Sau đó thiết kế, chế tạo
và thử nghiệm ECU phụ cho động cơ Toyota 1NZ-FE với bộ thông số góc đánh lửa sớm và
lượng phun nhiên liệu đã được tối ưu khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol tới 100%.
v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
- Luận án đã làm rõ được ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới q
trình cháy, tính năng kỹ tḥt và phát thải của động cơ phun xăng điện tử.
- Luận án xây dựng được bộ thông số chuẩn về lượng nhiên liệu cung cấp và góc đánh
lửa phù hợp với tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học và chế độ làm việc của động cơ là cơ
sở cho nghiên cứu chuyển đổi cũng như nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng nhiên
liệu linh hoạt.
- Luận án đưa ra được giải pháp chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên
đường nạp sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt thực hiện có tính khả thi, cải thiện tính năng kỹ
tḥt và phát thải của đợng cơ.
- Kết quả luận án góp phần thúc đẩy việc sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học, giảm
phụ tḥc nhiên liệu khống, giảm ơ nhiễm mơi trường, nâng cao giá trị sản phẩm nơng
nghiệp tại Việt Nam.
vi. Tính mới của đề tài
Đề tài là cơng trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam thực hiện chuyển đổi thành công
động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn
ethanol tới 100%. ECU phụ được lắp thêm trên động cơ có khả năng tự đợng nhận biết tỷ lệ
cồn ethanol trong xăng sinh học, tự động điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình
và góc đánh lửa sớm phù hợp với tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học, đảm bảo tính năng
kỹ tḥt của đợng cơ.
vii. Các nội dung chính của đề tài
- Mở đầu
- Chương 1. Tổng quan
- Chương 2. Cơ sở lý thuyết
- Chương 3. Mô phỏng động cơ phun xăng điện tử khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ
cồn ethanol tới 100%
- Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm
- Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học
1.1.1. Sự cần thiết phải nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học
Ngày nay, cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội, mức độ tăng trưởng dân số và
quá trình đơ thị hóa nhanh chóng khiến nhu cầu về giao thơng, vận tải trên tồn thế giới và
đặc biệt là tại các nước đang phát triển tăng lên nhanh chóng. Số lượng phương tiện vận tải
liên tục gia tăng khiến cho nhu cầu sử dụng và tiêu thụ nhiên liệu tương ứng tăng theo. Tốc
độ tăng trưởng bình quân về lượng nhiên liệu do các phương tiện tiêu thụ trong thời gian từ
năm 2000 - 2015 là 2,1% (Hình 1.1a). Để đáp ứng nhu cầu về nhiên liệu đó, các quốc gia
trên thế giới đã tăng cường khai thác sử dụng tất cả các nguồn nhiên liệu hiện có. Tuy nhiên,
việc gia tăng khai thác, sử dụng nhiên liệu hố thạch cũng chính là ngun nhân gây ô nhiễm
môi trường, làm tăng nguy cơ của hiệu ứng nhà kính, làm cho trái đất nóng dần lên. Lượng
phát thải khí CO2 do q trình cháy nhiên liệu từ các phương tiện đã tăng lên 2,2% trong
thời gian từ năm 2000 2015 (Hình 1.1b). Ngồi ra, do sự tăng lên nhanh chóng về nhu cầu
nhiên liệu khiến nguồn nhiên liệu chính cho các phương tiện là dầu thô trở nên ngày càng
cạn kiệt, đây là nguyên nhân khiến cho giá dầu thô trên thị trường thế giới trong thời gian
qua biến đợng khơng ngừng (Hình 1.2), [47, 93, 94].
a)
b)
Hình 1.1. Tổng mức tiêu thụ năng lượng và mức phát thải CO2 trên thế giới [47]
Để đảm bảo được an
ninh năng lượng, tăng trưởng
kinh tế và giảm thiểu ô nhiễm
môi trường nhiều quốc gia và
các hãng sản xuất ô tô lớn
trên thế giới trong vài thập kỷ
qua đã đầu tư cho nghiên cứu
và phát triển các loại phương
tiện sử dụng các dạng nhiên
liệu sạch thay thế, trong đó có
Hình 1.2: Sự biến động của giá dầu thơ trên thị trường
nhiên liệu sinh học.
thế giới
4
Tại Việt Nam, trong thời gian qua số lượng phương tiện cơ giới đường bộ đã tăng lên
nhanh chóng, giai đoạn 2002 - 2012 tăng 13,59 %, trong đó, ô tơ tăng 12,66 % cịn mơ tơ,
xe gắn máy tăng 13,64 % (Hình 1.3) [1]. Tính đến thời điểm 15/9/2015, tổng số phương tiện
cơ giới đường bộ đã đăng ký trong cả nước là 46065091 xe (trong đó: ô tô là 2579675 xe;
mô tô là 43485416 xe) [2]. Cùng với sự tăng trưởng về số lượng xe cơ giới là sự gia tăng ơ
nhiễm mơi trường do khí thải đợc hại từ động cơ của các phương tiện này thải ra vào khơng
khí [10,18, 22, 89].
Hình 1.3. Tăng trưởng phương tiện cơ giới đường bộ [1]
Đã có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm giảm thiểu ơ nhiễm khơng khí do khí thải từ
các phương tiện. Mợt trong những giải pháp đó là sử dụng nhiên liệu sinh học có khả năng
tái tạo, thân thiện với môi trường và phù hợp với thế mạnh về sản xuất nông nghiệp của Việt
Nam. Do đó, việc nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học nói chung, xăng sinh học nói
riêng trên phương tiện giao thông trong giai đoạn hiện nay là điều cần thiết.
1.1.2. Các loại nhiên liệu sinh học được sử dụng trên phương tiện
1.1.2.1. Định nghĩa, phân loại
Nhiên liệu sinh học thuộc loại nhiên liệu tái tạo, được định nghĩa là bất kỳ loại nhiên
liệu nào nhận được từ sinh khối hoặc có nguồn gốc từ đợng thực vật, bao gồm bioethanol,
biodiesel, biogas, ethanol pha trộn (ethanol - blended fuels), dimetyl este sinh học và dầu
thực vật [4]. Nhiên liệu sinh học (NLSH) được phân thành hai nhóm, nhóm dùng cho động
cơ xăng bao gồm các dạng cồn nhưng phổ biến là bioethanol và nhóm dùng cho động cơ
diesel là các este của dầu béo (biodiesel). Cồn ethanol được sản xuất với nguyên liệu là tinh
bột và đường nhờ quá trình phân giải của vi sinh vật. Sau đó ethanol được tách nước và bổ
sung các chất phụ gia và chất biến tính gọi là ethanol nhiên liệu biến tính hay cồn nhiên liệu.
Cịn diesel sinh học được chế biến từ dầu thực vật và mỡ động vật. Nhiều nước trên thế giới
đã tiến hành nghiên cứu tận dụng và trồng các lồi cây nơng, lâm nghiệp làm nguồn nguyên
liệu cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học.
1.1.2.2. Một số loại nhiên liệu sinh học thường dùng
* Diesel sinh học
Diesel sinh học (biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự và có thể
sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống. Biodiesel được điều chế bằng cách dẫn
5
xuất từ một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ động vật), thường được thực hiện
thông qua q trình transester hóa bằng cách cho phản ứng với các loại rượu, phổ biến nhất
là methanol.
Hiện nay biodiesel đã được sử dụng tại nhiều quốc gia trên thế giới và là loại nhiên
liệu sinh học phổ biến nhất ở Châu Âu. Tại Mỹ, lượng biodiesel được tiêu thụ đạt trên 2 tỷ
gallon mỗi năm. Tại Áo, phải sử dụng nhiên liệu diesel khoáng pha 5% nhiên liệu sinh học.
Tại Đức, bắt buộc phải sử dụng nhiên liệu diesel-B5. Tại Pháp, hiện đã có hàng vạn phương
tiện tham gia giao thơng sử dụng nhiên liệu diesel-B30, [4].
* Khí sinh học (Biogas)
Khí sinh học (biogas) là mợt loại khí hữu cơ với thành phần chính gồm methane (CH4)
chiếm từ 50 - 60%, CO2 chiếm khoảng trên 30% và chất khác như hơi nước N2, O2, H2S,
CO…được thuỷ phân trong môi trường ́m khí, xúc tác nhờ nhiệt đợ từ 20 40ºC và các
đồng đẳng khác. Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ phế thải
nông nghiệp, chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí. Biogas có thể dùng làm
nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản phẩm dầu mỏ trong động cơ đốt trong.Tuy
nhiên để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trước khi sử dụng vì có thể tạo
nên hỗn hợp nổ với khơng khí. Khí H2S trong biogas có thể ăn mịn các chi tiết trong đợng
cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là mợt khí rất đợc. Ngồi ra hơi nước trong biogas tuy có
hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kế đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp
và tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu. Do đó, hiện nay biogas đã được nghiên cứu tại nhiều quốc gia
trên thế giới và được sử dụng nhiều trong các động cơ đốt trong chạy máy phát điện, tuy
nhiên các phương tiện sử dụng biogas hiện vẫn chưa được thương mại hoá [4].
* Xăng sinh học
Xăng sinh học (biogasoline) là loại nhiên liệu sinh học dạng lỏng được sử dụng phổ
biến nhất trên phương tiện hiện nay. Chi tiết về xăng sinh học sẽ được trình bày chi tiết ở
mục 1.2.2.
Ngồi ra cịn có mợt số loại nhiên liệu sinh học khác như: nguyên liệu sinh khối
(biomas); Bioether bao gồm sáu loại ether: dimetyl ether (DME), diethyl ether (DEE),
methyl teritiary-butyl ether (MTBE), etyl ter-butyl ether (ETBE), ter-amyl methyl ether
(TAME), ete ter-amyl ethyl (TAEE); Khí tổng hợp (syngas)... cũng đã được nghiên cứu tại
nhiều quốc gia trên thế giới, tuy nhiên hiện vẫn chưa có các phương tiện sử dụng các loại
nhiên liệu sinh học này được thương mại hoá [4].
1.2. Nhiên liệu cồn ethanol và xăng sinh học
1.2.1. Nhiên liệu cồn ethanol
Ethanol còn được biết đến với tên gọi là rượu etylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc hay
cồn, là một hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của rượu metylic, dễ cháy, không
màu, là một trong các rượu thơng thường có trong thành phần của đồ uống chứa cồn [15].
Trong cách gọi thông thường, ethanol thường được gọi mợt cách đơn giản là rượu.
Cơng thức hóa học của ethanol là C2H5OH, hay CH3CH2OH, viết tóm tắt là C2H6O [15].
6
1.2.1.1. Nguồn gốc, phương pháp sản xuất cồn ethanol
* Nguồn gốc
Nhiên liệu ethanol có thể được sản xuất từ rất nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, bao
gồm:
- Các loại nguyên liệu chứa đường: mía, củ cải đường, thốt nốt…
- Các loại nguyên liệu chứa tinh bột: sắn, ngô, gạo, lúa mạch, lúa mì…
- Các loại nguyên liệu chứa cellulose.
Tuy nhiên, tùy theo lợi thế về nguồn nguyên liệu của mỗi quốc gia, người ta chọn loại
nguyên liệu có lợi thế nhất để sản xuất nhiên liệu ethanol phù hợp. Ở Việt Nam, các nguồn
ngun liệu thích hợp có thể sản xuất nhiên liệu ethanol là mía, sắn, gạo, ngơ và rỉ đường.
Trong đó sắn hiện đang được coi là nguồn ngun liệu chính.
* Phương pháp
Tùy tḥc vào các loại ngun liệu mà nhiêu liệu ethanol sẽ được sản xuất theo các
phương pháp và quy trình khác nhau. Tuy nhiên, tổng hợp lại thì có hai phương pháp sản
xuất nhiên liệu ethanol được áp dụng phổ biến:
+ Phương pháp hydrat hóa ethylen: Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công
nghiệp và thông thường nó được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua
phương pháp hydat hóa ethylen trên xúc tác axit, bằng cách cho etylen hợp nước ở 300C
áp suất 70 – 80atm với xúc tác là axit photphoric, phương trình phản ứng hóa học như sau:
H2C = CH2 + H2O → CH3CH2OH
+ Phương pháp lên men: Mọi sự lên men các đường đến C6 (Ví dụ như: C6H12O6) trong
đó chủ yếu là glucose và cenlulozo đều chuyển thành ethanol và khí CO2.
Với các loại ngũ cốc thì người ta tách tinh bợt, sau đó thuỷ phân bởi các enzymes để
thu được đường rồi mới lên men. Ở Pháp ethanol được sản xuất từ củ cải đường hay lúa
mạch. Ở Việt Nam và các nước chủ yếu sử dụng các loại nguyên liệu có nguồn gốc cenlulozo
hoặc dạng tinh bột. Công nghệ sản xuất
ethanol bằng phương pháp lên men được
thực hiện qua các bước theo quy trình như
sau: Đầu tiên là thuỷ phân tinh bợt để thu
được đường; Tiếp sau là lên men đường;
Rồi chưng cất ethanol để thu được ethanol
nguyên chất. Có hai giai đoạn chưng cất:
Giai đoạn đầu, thu được loại ethanol 96%;
Giai đoạn sau, khử nước để có ethanol
alhydrid (99,5% tối thiểu, theo khối
lượng). Quy trình sản xuất ethanol từ
cenlulozo được trình bày trong Hình 1.4
Hình 1.4. Sơ đồ sản xuất ethanol từ
[9,19].
cenlulozo [9]
7
