Thạc Sĩ Góp phần nghiên cứu ứng dụng LPG trên động cơ nén cháy

MỤC LỤC
LỜ AM AN i
ANH M KÝ H ỆU HỮ Ế Ắ iv
ANH M HÌNH . viii
ANH M ẢN xiii
MỞ ẦU . 1
NHỮN ÓN ÓP MỚ ỦA LUẬN N . 6
hương 1. N H ÊN ỨU ỔN QUAN . 7
1.1. Khái quát 7
1.1.1. Môi trường và phương tiện giao thông 7
1.1.2. Nhiên liệu thay thế sử dụng trên phương tiện giao thông . 10
1.1.3. Động cơ nén cháy dùng hai nhiên liệu 14
.2. ình hình nghiên cứu động cơ dùng hai nhiên liệu diesel - LP trên thế giới và
ở iệt Nam . 16
1.2.1. Các nghiên cứu động cơ dùng hai nhiên liệu diesel - LPG trên thế giới 16
1.2.2. Các nghiên cứu động cơ dùng hai nhiên liệu diesel - LPG ở Việt Nam 24
1.2.3. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu 26
1.3. Kết luận 27
hương 2 Ơ SỞ LÝ HUYẾ ÍNH N QU RÌNH H Y HỖN HỢP
DIESEL - LPG - KHÔN KHÍ R N UỒN H Y N ĂN H . 28
2.1. ơ sở lý thuyết về quá trình cháy của động cơ dùng diesel - LPG 28
2.1.1. Xác định nồng độ oxygen, nồng độ nhiên liệu của hỗn hợp trong buồng
cháy ngăn cách 30
2.1.2. Phương trình năng lượng của hỗn hợp hai nhiên liệu 31
2.1.3. Sự lan tràn màng lửa trong quá trình cháy hỗn hợp hai nhiên liệu 31
2.1.4. Tốc độ lan tràn màng lửa cháy chảy tầng . 32
2.1.5. Tốc độ lan tràn màng lửa cháy rối 33
2.1.6. Nhiệt độ cháy và khối lượng riêng của hỗn hợp hai nhiên liệu . 34
2.1.7. Tính năng công tác của động cơ sử dụng nhiên liệu diesel - LPG 36
2.2. háy kích nổ khi động cơ dùng hai nhiên liệu diesel - LPG . 37
2.2.1. Thời kỳ cháy trễ 37
2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cháy kích nổ ở động cơ hai nhiên liệu 38
2.3. ác yếu tố vận hành ảnh hưởng đến n ng độ các chất ô nhi m của động cơ
nén cháy 40
2.3.1. Trường hợp động cơ dùng 100 % diesel 40
2.3.2. Trường hợp động cơ dùng diesel - LPG 43
2.4. Kết luận 44
ii
hương 3. MÔ HÌNH HÓA QU RÌNH H Y X ỊNH MỨ
PH Ô NH ỄM ỦA N Ơ WL - TURBO DÙNG DIESEL - LPG . 45
3.1. iới thiệu phần mềm ANSYS - Fluent . 45
3.2. hiết lập mô hình quá trình cháy h n hợp hai nhiên liệu diesel - LPG trong
động cơ WL - Turbo . 46
3.2.1. Kết cấu hình học và lưới động của buồng cháy động cơ . 47
3.2.2. Các thông số của mô hình buồng cháy 47
3.2.3. Tính chất của nhiên liệu . 48
3.3. i n biến quá trình cháy của diesel, h n hợp LPG-không khí và n ng độ b
hóng – NOx
trong bu ng cháy ngăn cách khi mô phỏng bằng Fluent 52
3.3.1. Diễn biến quá trình cháy nhiên liệu diesel 52
3.3.2. Diễn biến quá trình cháy LPG trong buồng cháy ngăn cách 53
3.3.3. Diễn biến nồng độ bồ hóng và NO
x
trong buồng cháy ngăn cách . 54
3.4. ác yếu tố vận hành ảnh hưởng đến tính năng kỹ thuật của động cơ . 55
3.4.1. Ảnh hưởng của thành phần CO
2
trong hỗn hợp 55
3.4.2. Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí . 57
3.4.3. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ 60
3.4.4. Ảnh hưởng của lưu lượng diesel phun mồi 62
3.4.5. Ảnh hưởng của cháy kích nổ 64
3.5. Kết luận 65
hương 4. XÂY ỰN Ố RÍ HÍ N H ỆM . 66
4.1. Mục tiêu, điều kiện, phương pháp và nội dung thí nghiệm . 66
4.1.1. Mục tiêu thí nghiệm . 66
4.1.2. Điều kiện thí nghiệm 66
4.1.3. Quy hoạch thí nghiệm 67
4.1.4. Nội dung thí nghiệm . 67
4.2. ố trí thí nghiệm 68
4.2.1. Bố trí hệ thống cấp LPG vào động cơ 1KZ - TE qua họng khuếch tán . 68
4.2.2. Bố trí bộ điều chỉnh cung cấp nhiên liệu diesel, phun khí LPG và hồi lưu
khí thải trên đường nạp động cơ WL - Turbo 70
4.3. hiết bị A L dùng trong thí nghiệm . 74
4.3.1. Băng thử công suất APA 204/8 74
4.3.2. Thiết bị dùng thí nghiệm 74
4.4. hiết bị cung cấp LP và h i lưu khí thải dùng trong thí nghiệm 77
4.4.1. Bộ hóa hơi – giảm áp . 77
4.4.2. Vòi phun LPG 79
4.4.3. Van hồi lưu khí thải 79
4.4.4. Bộ làm mát khí thải hồi lưu 80
4.5. ộ điều chỉnh cung cấp diesel - LP và tiết lưu khí thải h i lưu . 81
4.5.1. Nguyên lý hoạt động của bộ điều chỉnh . 81
iii
4.5.2. Các cảm biến sử dụng trong bộ điều chỉnh . 85
4.5.3. Các cơ cấu chấp hành cung cấp LPG và hồi lưu khí thải . 89
4.5.4. Mạch điện tử điều khiển lưu lượng diesel - LPG và hồi lưu khí thải 91
4.6. Kết luận 96
hương 5 KẾ QUẢ HỰ N H ỆM N LUẬN . 97
5.1. Kết quả thực nghiệm 97
5.1.1. Phạm vi làm việc thường xuyên của động cơ ô tô du lịch dùng 100 %
diesel 97
5.1.2. Vận hành ở chế độ không tải (thí nghiệm trên động cơ 1KZ - TE dùng
diesel - LPG được bổ sung CO
2
) . 101
5.1.3. Vận hành chế độ tải thấp (thí nghiệm trên động cơ WL - Turbo dùng
diesel - LPG khi áp dụng các giải pháp hạn chế kích nổ) . 102
5.1.4. Vận hành chế độ tải thấp (thí nghiệm trên động cơ WL - Turbo dùng
diesel - LPG khi điều chỉnh góc phun sớm) . 110
5.1.5. Vận hành chế độ tải trung bình (thí nghiệm trên động cơ WL - Turbo dùng
diesel - LPG bổ sung CO
2
) . 114
5.1.6. Thí nghiệm phối hợp các giải pháp hạn chế kích nổ . 116
5.2. ánh giá kết quả động cơ dùng LP cho bởi mô phỏng và thực nghiệm 117
5.2.1. Về áp suất chỉ thị của động cơ WL - Turbo dùng diesel - LPG ở chế độ tải
trung bình . 117
5.2.2. Về công suất và mô men của động cơ WL - Turbo dùng LPG - diesel ở chế
độ tải trung bình . 118
5.2.3. So sánh nồng độ bồ hóng và NOx cho bởi mô phỏng và thực nghiệm của
động cơ WL - Turbo dùng diesel - LPG ở chế độ tải trung bình . 119
5.2.4. So sánh nồng độ bồ hóng của khí thải, nhiệt độ môi chất và ngọn lửa
trong buồng cháy xoáy lốc của động cơ WL - Turbo cho bởi phần mềm ANSYS
Fluent và thiết bị quay phim kỹ thuật số AVL - 513D . 120
5.3. Kết luận 122
5.3.1. Kết luận về thực nghiệm 122
5.3.2. So sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm . 123
KẾ LUẬN K ẾN N HỊ . 125
Kết luận của luận án . 125
Kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo 127
ANH M Ã ÔN Ố . 128
L ỆU HAM KHẢ . 129
ANH M PH L . a
iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Các ký hiệu mẫu tự La Tinh:
Ký hiệu Đơn vị Diễn giải
Af
m² ề mặt màng lửa
D mm ường kính xi lanh
d
f mm ường kính l kim phun
Di
- ỷ lệ khối lượng h n hợp F/A lý tưởng
f - hành phần h n hợp (mixed fraction)
gct g/ct Lượng nhiên liệu cấp cho m i chu trình
g
ctCO2
g/ct rọng lượng khí CO
2
tham dự m i chu trình
g
ct
ds g/ct rọng lượng nhiên liệu diesel tham dự m i chu trình
g
ctLPG g/ct rọng lượng LP tham dự m i chu trình
Gk
kg/s Lưu lượng không khí nạp vào xi lanh
GL
kg/s Lưu lượng nhiên liệu LP nạp vào xi lanh
i - Số xi lanh
Lo
kg
kk
/kg
LPG Lượng không khí để đốt cháy hoàn toàn 1 kg LP
l
t m hang độ dài rối
M1
kmol
kk
/kg
nl
Số mol h n hợp khí nạp mới
M2
kmol
kk
/kg
nl
Số mol sản vật cháy
mb
kg Khối lượng h n hợp khí đã cháy
m ”v
kmol
kk
/kg
nl
ỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản vật cháy
m v’
kJ/kmol
nl
ỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của môi chất
mCvkk
kmol
kk
/kg
nl
ỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của không khí
m vz’
kJ/kmol
nl
ỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của môi chất tại z
Me Nm Mô men động cơ
mmix
kg Khối lượng h n hợp khí chưa cháy
mp
kg Khối lượng sản phẩm cháy
n v/ph Số vòng quay của trục khuỷu động cơ
n/n
n
ốc độ tương đối của động cơ
Nc/Nen
ông cản tương đối của động cơ
Ne kW ông suất động cơ
P
c
Pa p suất cuối quá trình nén
v
p
e
Pa p suất có ích trung bình
p
f
Pa p suất trước miệng l phun
p
i
Pa p suất chỉ thị trung bình
p
k
Pa p suất không khí trên đường ống nạp
p
th
Pa p suất cuối quá trình thải
q
ds
kJ/ct Năng lượng nhiên liệu diesel tham dự m i chu trình
Qh
MJ/kg Nhiệt trị thấp
Qk
kg/s Lưu lượng khối lượng không khí vào đường nạp
q
LPG
kJ/ct Năng lượng LP tham dự m i chu trình
R J/kg.K Hằng số khí lý tưởng
Re
huẩn số Reynolds
S mm Hành trình của pit tông
S
f
m² iện tích miệng kim phun
S
L
m/s ốc độ màng lửa cháy chảy tầng
S
t
m/s ốc độ màng lửa rối
Ta
˚K Nhiệt độ cuối quá trình nạp
Tc
˚K Nhiệt độ cuối quá trình nén
Tk
°C Nhiệt độ không khí trên đường ống nạp
Tm
˚K Nhiệt độ của h n hợp trước khi cháy
Tp
˚K Nhiệt độ của sản phẩm cháy
Vc
m³ hể tích bu ng cháy
Ve m
3
/kW.h Suất tiêu hao nhiên liệu khí LP có ích
v
f
m/s ốc độ nhiên liệu LP qua l kim phun F300
Vh
cm³ hể tích công tác của một xi lanh
Xnal % ỷ lệ năng lượng LP thay thế trong h n hợp
XNOx(%) N ng độ N x trong khí thải động cơ
Xsoot(%) N ng độ b hóng trong khí thải động cơ
+dsm i iải pháp tăng lượng diesel m i
+CO
2 iải pháp bổ sung 2
+EGR iải pháp h i lưu khí thải
100%ds iesel làm nhiên liệu chính cho động cơ
vi
2. Các ký hiệu mẫu tự Hy Lạp:
∆P Pa ộ chênh áp suất trước và sau miệng l vòi phun
∆Qh
kJ/kg ổn thất nhiệt do cháy không hòan toàn
 Hệ số tương đương trước màng lửa
α - Hệ số dư lượng không khí của động cơ
α% - ị trí cần điều khiển nhiên liệu diesel ở bơm cao áp
α
b
- Hệ số bóp dòng của miệng kim phun
α
t
- ộ mở vị trí % bướm ga (% tải) thực nghiệm A L.
β
g
° óc quay bàn đạp ga so với phương nằm ngang
Δp/Δφ ốc độ tăng áp suất
ε - ỉ số nén của động cơ
ε
t
ốc độ tiêu tán động năng rối
η
e
- Hiệu suất có ích
η
i
- Hiệu suất chỉ thị
η
m
- Hiệu suất cơ giới
η
v
- Hệ số nạp của động cơ dùng diesel
η
v’
- Hệ số nạp của động cơ dùng LP
λ
2
- Hệ số quét bu ng cháy
à
h
- Hệ số lưu lượng LP qua miệng l phun
ξ Hệ số cản của dòng chảy giữa hai mặt cắt
ξ
b
- Hệ số lợi dụng nhiệt tại b
ξ
z
- Hệ số lợi dụng nhiệt tại z
ρ - Hệ số giãn nở sớm
ρ
k
kg/m³ Khối lượng riêng của không khí
ρ
L
kg/m³ Khối lượng riêng của LP
τ - Số kỳ động cơ
τ
c
s hang thời gian hóa học
τ
t
s hang thời gian rối
φ ° óc quay trục khuỷu tính từ
φ
h
- Hệ số tốc độ LP qua miệng l phun
φ
s
° óc phun sớm
ω rad/s
ận tốc góc
vii
3. Các chữ viết tắt :
A/D ộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số
AFV Ô tô sử dụng nhiên liệu thay thế (alternative fuelled vehicles)
ALU ộ xử lý xử lý số học – logic (Arithmetic Logical Unit).
AVL hiết bị thực nghiệm động cơ đốt trong
BUS
Hệ thống các đường truyền dẫn dữ liệu giữa các bộ phận bên trong
vi xử lý và từ vi xử lý với bên ngoài
CCR ỷ lệ năng lượng thay thế LP /diesel
CNG Khí thiên nhiên (Compressed Natural Gas)
CPS ảm biến tốc độ động cơ ( rankshaft Position Sensor)
iểm chết dưới
ộng cơ đốt trong ( nternal combustion engine)
N ộng cơ nén cháy
iểm chết trên
DME Dimethyl ether
ECE
R49
hu trình thử nghiệm (châu Âu) ở chế độ tĩnh đối với động cơ diesel
lắp trên ôtô tải hạng nặng và ôtô khách (Emission est ycles E E
R49 Euro II emission standard)
ECU ộ điều khiển điện tử (Electronic ontrol Unit)
EGR H i lưu khí thải (Exhaust gas recirculation)
ISP hương trình phục vụ ngắt ( nterrupt Service Program)
LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquefied Petroleum as)
NLTT Nhiên liệu truyền thống
NOx hành phần khí thải ôxit nitơ
ONMT Ô nhi m môi trường
P2B2C6 H n hợp 20% propane 20% butane 60% carbonic
P3B3C4 H n hợp 30% propane 30% butane 40% carbonic
P4B4C2 H n hợp 40% propane 40% butane 20% carbonic
P5B5C0 H n hợp 50% propane 50% butane
PTGT Phương tiện giao thông
SAE Hiệp hội kỹ sư ôtô Hoa Kỳ (Society of Automotive Engineers).
S Sau điểm chết trên
rước điểm chết trên
TPS ảm biến vị trí bướm ga ( hrottle Position Sensor)
viii
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Khí thải ô tô đã gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường không khí 8
Hình 1.2: Thực trạng giao thông ở Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh 8
Hình 1.3: Biểu đồ về mức độ khí thải cho phép của các tiêu chuẩn Euro [4] 9
Hình 1.4: Mô hình phân tử khí hoá lỏng LPG 11
Hình 2.1: Buồng cháy ngăn cách của động cơ WL - Turbo . 28
Hình 2.2: Sơ đồ hoạt động của động cơ WL - Turbo với buồng cháy ngăn cách a.
Kỳ nạp; b. Kỳ nén; c. Kỳ cháy - giãn nở; d. Kỳ thải [112] . 29
Hình 2.3: Sơ đồ hòa trộn nhiên liệu diesel với LPG và không khí [122] . 30
Hình 2.4: Biến thiên nhiệt độ, áp suất, nồng độ propane, nồng độ butane, nồng độ
diesel trong buồng cháy ngăn cách . 35
Hình 2.5: Ảnh hưởng thời điểm phun diesel đến hiệu suất động cơ . 39
Hình 2.6: Ảnh hưởng thời điểm phun diesel đến mô men động cơ . 39
Hình 2.7: Ảnh hưởng của lưu lượng diesel đến hiệu suất động cơ 39
Hình 2.8: Ảnh hưởng của lưu lượng diesel đến mô men động cơ 39
Hình 2.9 : Ảnh hưởng số vòng quay đến mô men động cơ . 39
Hình 2.10.: Ảnh hưởng tốc độ động cơ đến biến thiên áp suất buồng cháy . 39
Hình 3.1: Kết cấu buồng cháy và lưới động của động cơ WL - Turbo . 47
Hình 3.2: Diễn biến trường nồng độ oxygen, trường nhiệt độ và trường tốc độ vận
động của dòng khí trong buồng cháy của động cơ sử dụng 100% diesel . 52
Hình 3.3: Diễn biến của trường nồng độ LPG, trường nhiệt độ và trường tốc độ vận
động của dòng khí trong buồng cháy của động cơ sử dụng nhiên liệu
diesel-LPG . 53
Hình 3.4: Diễn biến của trường nồng độ bồ hóng, NOx, trường nồng độ oxygen và
trường tốc độ vận động của dòng khí của động cơ dùng hai nhiên liệu
diesel – LPG . 54
Hình 3.5: Biến thiên áp suất chỉ thị của động cơ theo thành phần CO2
. 55
Hình 3.6: Biến thiên công chỉ thị chu trình theo thành phần CO
2
55
Hình 3.7: Ảnh hưởng của thành phần CO2
trong hỗn hợp đến nồng độ oxygen 56
Hình 3.8: Ảnh hưởng của thành phần CO2
đến nhiệt độ trung bình môi chất . 56
Hình 3.9: Ảnh hưởng của thành phần CO2
trong hỗn hợp đến nồng độ nhiên liệu
diesel 57
Hình 3.10: Công suất động cơ khi thay đổi thành phần CO2 trong hỗn hợp . 57
Hình 3.11: Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến áp suất chỉ thị 58
Hình 3.12: Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến công chỉ thị . 58
Hình 3.13: Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến nồng độ propane . 58
ix
Hình 3.14: Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến nồng độ butane . 58
Hình 3.15: Ảnh hưởng hệ số dư lượng không khí đến nhiệt độ trung bình môi chất 59
Hình 3.16: Ảnh hưởng hệ số dư lượng không khí đến nồng độ chất oxy hóa . 59
Hình 3.17: Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến nồng độ bồ hóng . 59
Hình 3.18: Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến nồng độ NOx . 59
Hình 3.19: Ảnh hưởng hệ số dư lượng không khí đến công chỉ thị chu trình . 60
Hình 3.20: Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến công suất động cơ . 60
Hình 3.21: Biến thiên áp suất chỉ thị của động cơ theo tốc độ động cơ . 60
Hình 3.22: Biến thiên công chỉ thị của chu trình theo tốc độ động cơ . 60
Hình 3.23: Biến thiên nhiệt độ trung bình trong xi lanh theo tốc độ động cơ 61
Hình 3.24: Biến thiên nồng độ oxygen trong buồng cháy theo tốc độ động cơ 61
Hình 3.25: Biến thiên nồng độ diesel trong buồng cháy theo tốc độ động cơ 61
Hình 3.26: So sánh công suất động cơ khi thay đổi tốc độ động cơ . 61
Hình 3.27: Ảnh hưởng của số vòng quay đến nồng độ bồ hóng của khí thải . 62
Hình 3.28: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến nồng độ NOx của khí thải 62
Hình 3.29: Ảnh hưởng của lượng nhiên liệu diesel đến áp suất chỉ thị . 62
Hình 3.30: Ảnh hưởng của lượng nhiên liệu diesel đến công chỉ thị . 62
Hình 3.31: Ảnh hưởng của lưu lượng diesel đến nồng độ bồ hóng 63
Hình 3.32: Ảnh hưởng của lượng nhiên liệu diesel đến nồng độ NOx . 63
Hình 3.33: Ảnh hưởng lưu lượng nhiên liệu diesel đến công chỉ thị chu trình 63
Hình 3.34: Ảnh hưởng lưu lượng nhiên liệu diesel đến công suất động cơ . 63
Hình 3.35: Diễn biến áp suất chỉ thị của động cơ khi cháy kích nổ . 64
Hình 3.36: Diễn biến nhiệt độ trung bình môi chất khi cháy kích nổ . 64
Hình 3.37: Diễn biến nồng độ LPG trong buồng cháy khi cháy kích nổ 64
Hình 3.38: Diễn biến nồng độ bồ hóng và NOx của khí thải khi cháy kích nổ 64
Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống cung cấp LPG và CO2
trên động cơ 1KZ - TE 69
Hình 4.2: Bố trí thí nghiệm động cơ 1KZ - TE . 70
Hình 4.3: Sơ đồ khối hệ thống thí nghiệm động cơ WL - Turbo . 71
Hình 4.4: Sơ đồ bộ điều chỉnh phun LPG vào đường nạp của động cơ WL - Turbo72
Hình 4.5: Bố trí thí nghiệm động cơ WL - Turbo trên băng thử APA 204/8 73
Hình 4.6: Sơ đồ bố trí thiết bị AVL dùng trong thí nghiệm 77
Hình 4.7: Bộ hóa hơi - giảm áp 78
Hình 4.8: Sơ đồ chuyển pha của nhiên liệu LPG theo nhiệt độ 79
Hình 4.9: Sơ đồ chuyển pha của nhiên liệu LPG theo áp suất . 79
Hình 4.10: Cụm chi tiết nối ghép giữa kim phun với vòi phun LPG 79
Hình 4.11: Kết cấu van hồi lưu khí thải 80
Hình 4.12: Kết cấu bộ làm mát khí thải hồi lưu . 80
x
Hình 4.13: Sơ đồ khối bộ điều chỉnh cung cấp diesel - LPG và hồi lưu khí thải . 82
Hình 4.14: Lưu đồ thuật toán hoạt động của mạch vi điều khiển . 83
Hình 4.15: Lưu đồ thuật toán giám sát LPG trên đường thải 84
Hình 4.16: Lưu đồ thuật toán kiểm tra hiện tượng kích nổ 85
Hình 4.17: Đặc tính cảm biến lưu lượng không khí nạp 86
Hình 4.18: Đặc tính cảm biến lưu lượng LPG 86
Hình 4.19: Đặc tính cảm biến nhiệt độ động cơ . 86
Hình 4.20: Đặc tính cảm biến nhiệt độ khí nạp 86
Hình 4.21: Sơ đồ và mạch cảm ứng điện từ dùng bảo vệ điện áp và chuyển xung tín
hiệu tốc độ động cơ 87
Hình 4.22: Kết cấu và mạch điều khiển cảm biến nồng độ LPG 87
Hình 4.23: Đặc tính cảm biến vị trí ga . 88
Hình 4.24: Tỷ lệ Rs/Ro phụ thuộc LPG 88
Hình 4.25: Đặc tính xung tín hiệu kích nổ theo tốc độ động cơ khi φ
s
= 12 ᴼTĐCT 88
Hình 4.26: Đặc tính xung tín hiệu kích nổ theo thời gian khi φs
= 12 ᴼTĐCT . 88
Hình 4.27: Kim phun LPG và cuộn kích phun 89
Hình 4.28: Đặc tính kim phun LPG 89
Hình 4.29: Cụm điều khiển cung cấp diesel . 90
Hình 4.30: Đặc tính lưu lượng diesel theo điện áp động cơ DC 90
Hình 4.31: Cụm điều khiển lưu lượng LPG - không khí . 91
Hình 4.32: Sơ đồ mạch nguồn của hệ thống điều khiển . 92
Hình 4.33: Sơ đồ mạch ECU giao tiếp các cảm biến và van điện từ . 92
Hình 4.34: Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước . 92
Hình 4.35: Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm . 93
Hình 4.36: Sơ đồ mạch điều khiển động cơ Servo 93
Hình 4.37: Mạch khối nguồn và khối vi điều khiển 94
Hình 4.38: Mạch khối cách ly và khối điều khiển công suất 94
Hình 4.39: Mạch khối xử lý tín hiệu và khối khuếch đại 95
Hình 4.40: Giao diện phầm mềm ứng dụng LabView trên máy tính PC 95
Hình 4.41: Sơ đồ mạch hiển thị thông số kỹ thuật trên máy tính PC . 96
Hình 5.1: Đặc tính ngoài của động cơ WL - Turbo dùng 100 % diesel đo trên băng
thử 98
Hình 5.2: Phạm vi làm việc thường xuyên của động cơ WL - Turbo trên ô tô . 98
Hình 5.3: Công suất và mô men động cơ WL - Turbo theo năng lượng diesel 98
Hình 5.4: Nồng độ khí thải của động cơ WL - Turbo dùng 100 % diesel 98
Hình 5.5: Đặc tính công suất và phạm vi cần áp dụng các giải pháp hạn chế kích nổ
của động cơ WL - Turbo dùng diesel - LPG 99
xi
Hình 5.6: Giới hạn năng lượng LPG lớn nhất theo nhiên liệu diesel khi bắt đầu kích
nổ 100
Hình 5.7: Tỷ lệ năng lượng LPG thay thế của động cơ WL - Turbo 100
Hình 5.8: Giới hạn không kích nổ khi động cơ 1KZ - TE dùng diesel -LPG được bổ
sung CO
2
101
Hình 5.9: Biến thiên lưu lượng CO2 theo lượng nhiên liệu LPG 101
Hình 5.10: Công suất, mô men và lượng CO2
cấp vào động cơ theo năng lượng
LPG khi qds=1,38 kJ/ct ở chế độ tải thấp . 102
Hình 5.11: Công suất, mô men và lượng CO2
cung cấp theo năng lượng LPG khi
qds=1,79 kJ/ct ở chế độ tải thấp 102
Hình 5.12: Biến thiên lượng diesel và CO2 theo số vòng quay, khi Me = 60Nm . 103
Hình 5.13: Biến thiên diesel và CO2
theo số vòng quay, khi Me = 90Nm 103
Hình 5.14: Công suất và mô men động cơ khi tăng lượng CO2
. 103
Hình 5.15: Tỷ lệ năng lượng thay thế LPG/(LPG+diesel) ở chế độ tải thấp . 103
Hình 5.16: Nồng độ bồ hóng động cơ WL - Turbo dùng diesel - LPG bổ sung CO
2
ở
chế độ tải thấp tại n=1250 v/ph . 104
Hình 5.17: Nồng độ NOx
của động cơ WL - Turbo dùng diesel - LPG bổ sung CO
2
ở
chế độ tải thấp tại n=1750 v/ph . 104
Hình 5.18: Công suất và mô men động cơ theo năng lượng LPG ở chế độ tải thấp105
Hình 5.19: Năng lượng LPG và diesel theo công suất khi Me=90Nm . 105
Hình 5.20: Nồng độ bồ hóng của động cơ WL - Turbo dùng diesel - LPG theo công
suất khi tăng diesel, chế độ tải thấp 106
Hình 5.21: Nồng độ NOx động cơ WL-- Turbo dùng diesel - LPG theo công suất khi
tăng diesel, chế độ tải thấp 106
Hình 5.22: Mô men động cơ dùng LPG theo năng lượng LPG khi áp dụng EGR . 107
Hình 5.23: Công suất động cơ dùng LPG theo năng lượng LPG khi áp dụng EGR107
Hình 5.24: Nồng độ bồ hóng theo công suất khi áp dụng EGR ở chế độ tải thấp . 107
Hình 5.25: Nồng độ NOx
theo công suất khi áp dụng EGR ở chế độ tải thấp 107
Hình 5.26: Công suất động cơ theo các giải pháp giảm kích nổ, n=1250 v/ph . 108
Hình 5.27: Công suất động cơ theo các giải pháp giảm kích nổ, n=1750 v/ph . 108
Hình 5.28: Nồng độ bồ hóng theo công suất động cơ khi hạn chế kích nổ ở 1250
v/ph . 109
Hình 5.29: Nồng độ NOx theo công suất khi hạn chế kích nổ ở 1250 v/ph 109
Hình 5.30: Nồng độ bồ hóng theo công suất động cơ khi hạn chế kích nổ ở 1750
v/ph . 110
Hình 5.31: Nồng độ NOx theo công suất khi hạn chế kích nổ ở 1750 v/ph 110
xii
Hình 5.32: Công suất động cơ WL - Turbo dùng diesel - LPG theo góc điều chỉnh
phun sớm với chế độ tải thấp . 111
Hình 5.33: Công suất động cơ WL - Turbo dùng diesel - LPG theo góc điều chỉnh
phun sớm với chế độ tải thấp . 111
Hình 5.34: Nồng độ bồ hóng động cơ WL - Turbo dùng diesel - LPG tại 4 góc điều
chỉnh phun sớm khi n = 1250 v/ph 112
Hình 5.35: Nồng độ bồ hóng của động cơ WL - Turbo dùng diesel - LPG tại 4 góc
điều chỉnh phun sớm khi n = 1750 v/ph . 112
Hình 5.36: Nồng độ NOx tại các góc điều chỉnh phun sớm khi n = 2250 v/ph 113
Hình 5.37: Nồng độ NOx tại góc điều chỉnh phun sớm khi n = 2750 v/ph 113
Hình 5.38: Nồng độ bồ hóng theo góc điều chỉnh phun sớm ở n=1250 v/ph và
n=1750 v/ph . 114
Hình 5.39: Đặc tính điều chỉnh góc phun sớm . 114
Hình 5.40: Đặc tính mô men động cơ theo lượng LPG ở chế độ tải trung bình 115
Hình 5.41: Đặc tính công suất động cơ theo lượng LPG ở chế độ tải trung bình . 115
Hình 5.42: Lưu lượng khí CO2
theo năng lượng LPG ở chế độ tải trung bình 115
Hình 5.43: Tỷ lệ năng lượng LPG thay thế trong hỗn hợp ở chế độ tải trung bình115
Hình 5.44: Đường đặc tính nhiên liệu LPG, diesel và CO2
khi phối hợp 2 giải pháp
hạn chế kích nổ 116
Hình 5.45: Áp suất chỉ thị của động cơ WL-Turbo mô phỏng tại 4 số vòng quay ở
chế độ tải trung bình 117
Hình 5.46: Áp suất chỉ thị của động cơ WL-Turbo dùng diesel-LPG cho bởi mô
phỏng và thực nghiệm ở chế độ tải trung bình 117
Hình 5.47: Công suất và mô men của động cơ WL-Turbo cho bởi mô phỏng thực
nghiệm theo thành phần CO
2
ở chế độ tải trung bình , n = 2000v/ph . 118
Hình 5.48: Đặc tính công suất và mô men của động cơ WL-Turbo theo số vòng
quay ở chế độ tải trung bình cho bởi mô phỏng và thực nghiệm 118
Hình 5.49: Nồng độ bồ hóng của khí thải động cơ dùng diesel-LPG bổ sung CO
2
cho bởi mô phỏng và thực nghiệm . 119
Hình 5.50: Nồng độ NOx
của khí thải động cơ dùng diesel-LPG bổ sung CO
2
cho
bởi mô phỏng và thực nghiệm 119
Hình 5.51: Diễn biến nhiệt độ, nồng độ oxyen, bồ hóng của khí thải động cơ dùng
diesel ở Me = 51 Nm; n = 2000 v/ph cho bởi mô phỏng và thực nghiệm121
Hình 5.52: Diễn biến nhiệt độ, nồng độ oxyen, bồ hóng của khí thải động cơ dùng
LPG/diesel ở Me = 50 Nm; n = 2000 v/ph cho bởi mô phỏng và thực
nghiệm 121
xiii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Đặc tính của nhiên liệu diesel và LPG ở điều kiện tiêu chuẩn p = 760
mmHg và T = 15 °C [57], [PL7]. 12
Bảng 1.2: Đánh giá tính năng của các phương pháp cung cấp LPG [73] . 15
Bảng 3.1: Tính chất lý hóa của nhiên liệu LPG sử dụng trong thực nghiệm [PL7] 49
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật động cơ 1KZ - TE 68
Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật động cơ WL - Turbo 71
Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật Bộ hóa hơi - giảm áp 78
Bảng 5.1: Tỷ lệ năng lượng LPG thay thế khi chưa can thiệp hạn chế kích nổ . 100
Bảng 5.2: Tỷ lệ năng lượng LPG thay thế khi bổ sung CO
2
ở chế độ tải thấp . 104
Bảng 5.3: Công suất, nồng độ bồ hóng và NO
x của động cơ khi thay đổi lượng CO
2
105
Bảng 5.4:Công suất động cơ, nồng độ bồ hóng và NO
x
khi tăng lượng diesel 105
Bảng 5.5: Công suất, nồng độ bồ hóng và NOx khi tăng tỷ lệ hồi lưu khí thải 108
Bảng 5.6: Tổng hợp kết quả công suất và ô nhiễm khí thải của động cơ dùng diesel
- LPG với bốn góc điều chỉnh phun sớm (6, 10, 14, 18)°TĐCT 113
Bảng 5.7: Tỷ lệ năng lượng LPG thay thế trong hỗn hợp ở chế độ tải trung bình . 116
1
MỞ ĐẦU
1. LÝ HỌN Ề
Một trong những xu hướng nghiên cứu phát triển động cơ đốt trong ( )
hiện nay là hoàn thiện động cơ diesel. ộng cơ diesel rất được ưu chuộng bởi hiệu
suất nhiệt cao và có nhiều tính năng kỹ thuật vượt trội so với động cơ xăng (đánh
lửa cưỡng bức). uy nhiên, những vấn đề liên quan đến mức độ phát thải ô nhi m
của động cơ diesel truyền thống tác hại đến sức khỏe con người và môi trường
sống; nếu không được giải quyết triệt để thì tương lai không xa, động cơ này sẽ
đứng trước ngưỡng giới hạn của Luật Môi trường. ể nâng cao hiệu suất, giảm ô
nhi m môi trường ( NM ) các nhà nghiên cứu đã áp dụng hệ thống phun nhiên
liệu common rail và các giải pháp giảm ô nhi m khí xả trên đường thải, nhưng giá
thành động cơ cũng tăng cao và khó cạnh tranh được với động cơ xăng. o đó, các
nhà khoa học quan tâm đến việc sử dụng hiệu quả ngu n năng lượng thay thế trên
động cơ như khí thiên nhiên, khí sinh học, nhiên liệu từ thực vật, khí dầu mỏ hóa
lỏng (LP ) [50] [50]. Ngoài lợi thế thân thiện với môi trường, nhiên liệu LP an
toàn, giá cả r và thuận tiện trong việc chuyển đổi hệ thống nhiên liệu sử dụng LP ,
nên nhiên liệu này được chọn làm nhiên liệu cho ô tô. iệc sử dụng LP trên
phương tiện giao thông chạy trong thành phố là giải pháp hữu hiệu và cần thiết
nhằm giảm NM đô thị và các khu đông dân cư, góp phần th c đẩy ngành công
nghiệp dầu khí phát triển [5], [57], [96].
ì vậy, nghiên cứu sử dụng LP thay thế nhiên liệu truyền thống (NL )
trên động cơ nén cháy ( N ) là hết sức thiết thực. ông nghệ chuyển đổi động cơ
này sang sử dụng LP hiện nay có thể thực hiện theo hai phương án:
- Sử dụng tia lửa điện đốt cháy h n hợp LP - không khí hòa trộn trước cấp
vào đường nạp, động cơ cần lắp hệ thống đánh lửa thay thế cụm bơm cao áp - vòi
phun diesel và cải tạo giảm tỉ số nén. Ưu điểm của phương án này là giảm đáng kể
hệ số dư lượng không khí (α) và cải thiện chất lượng hòa trộn nhiên liệu - không
khí. uy nhiên, hiệu suất động cơ giảm, sau khi cải tạo động cơ chỉ hoạt động bằng
nhiên liệu LP và không sử dụng được hệ thống nhiên liệu diesel nguyên thủy.
2
- Sử dụng tia nhiên liệu diesel để đốt cháy h n hợp LP - không khí nạp vào
động cơ, hệ thống nhiên liệu diesel nguyên thủy vẫn hoạt động bình thường để cung
cấp nhiên liệu diesel. Ưu điểm của phương án này là công suất của động cơ được
đảm bảo, hiệu suất động cơ được duy trì do tỉ số nén của động cơ vẫn giữ nguyên.
uy nhiên, hiện tượng cháy kích nổ thường xảy ra khi ô tô tăng tốc độ hay vận hành
ở chế độ có tải. ìm giải pháp hạn chế kích nổ ngay trong quá trình cháy khi động
cơ sử dụng diesel - LP và giảm thiểu NM là nhiệm vụ chính của luận án.
Quá trình cháy của động cơ di n ra trong thời gian rất ngắn ở môi trường có
áp suất và nhiệt độ cao với các phản ứng hóa lý phức tạp; do đó, việc đo đạc các đại
lượng vật lý tức thời trong bu ng cháy bằng thực nghiệm gặp nhiều khó khăn.
rong vài thập kỷ qua, dựa vào những thành tựu của khoa học, một xu thế nghiên
cứu mới đã hình thành và phát triển; đó là nghiên cứu quá trình cháy bằng phương
pháp mô hình. Mặc dù, vấn đề mô hình hóa từ lâu đã được biết đến; các nghiên cứu
quá trình cháy đã được công bố; tuy nhiên nghiên cứu mô hình quá trình
cháy nhiên liệu diesel - LP trong động cơ diesel có bu ng cháy ngăn cách bằng
phần mềm Fluent chưa thấy công trình nào được công bố.
2. M ÊU N H ÊN ỨU
Nghiên cứu sử dụng LP trên động cơ diesel truyền thống làm việc ở chế độ
tải thường xuyên (tải thấp, tải trung bình), hạn chế kích nổ nhằm góp phần đa dạng
hóa ngu n nhiên liệu và giảm thiểu ô nhi m môi trường.
3. Ố ƯỢN PH M N H ÊN ỨU
- Đối tượng nghiên cứu
ộng cơ diesel có bu ng cháy ngăn cách sử dụng nhiên liệu LP và diesel.
- Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu động cơ diesel truyền thống sử dụng LP lắp trên ô tô du lịch
chạy trong thành phố nhằm giảm NM . ông trình tập trung nghiên cứu quá trình
cháy hai nhiên liệu diesel - LP kết hợp ứng dụng công nghệ vi điều khiển phun
khí LP có kiểm soát vào đường nạp và áp dụng giải pháp hạn chế kích nổ cho
3
động cơ WL - urbo làm việc ở chế độ tải thấp và trung bình.
4. PHƯƠN PH P N H ÊN ỨU
Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, phương pháp
mô hình và thực nghiệm để xác định các thông số vận hành và thông số điều khiển
cho bộ điều chỉnh cung cấp diesel - LP trên N có bu ng cháy ngăn cách.
5. ÊN Ề
“Góp phần nghiên cứu ứng dụng LPG trên động cơ nén cháy”
6. ẤU RÚ N UN LUẬN N
Xuất phát từ mục tiêu và phương pháp đã nêu, luận án tập trung các nội
dung:
6.1. Nghiên cứu lý thuyết và mô hình hóa
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán quá trình cháy h n hợp hai nhiên liệu,
cháy kích nổ và các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến n ng độ khí thải của động cơ sử
dụng diesel - LPG;
- Nghiên cứu mô hình quá trình cháy, các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến
tính năng kỹ thuật và mức độ phát ô nhi m của động cơ bu ng cháy ngăn cách sử
dụng diesel - LPG.
6.2. Nghiên cứu thực nghiệm
- Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ điều chỉnh nhiên liệu diesel, phun LP
và h i lưu khí thải trên động cơ WL - Turbo;
- hực nghiệm, đo đạc công suất, mô men, tiêu hao năng lượng và n ng độ
khí thải của động cơ WL - urbo sử dụng diesel - LP khi áp dụng các giải pháp
hạn chế kích nổ và điều chỉnh góc phun sớm;
- ánh giá kết quả cho bởi thực nghiệm và phương pháp mô hình.
6.3. Cấu trúc luận án
Ngoài phần mở đầu và kết luận, toàn bộ luận án được trình bày 5 chương:
4
Chương 1- Nghiên cứu tổng quan: ình hình động cơ sử dụng hai nhiên liệu
diesel - LP trong nước và trên thế giới;
Chương 2- Nghiên cứu lý thuyết: ơ sở lý thuyết tính toán quá trình cháy
h n hợp diesel - LPG - không khí trong bu ng cháy ngăn cách của động cơ nén
cháy;
Chương 3- Nghiên cứu mô hình hóa: Xây dựng mô hình tính toán quá trình
cháy h n hợp hai nhiên liệu và mức độ phát thải của động cơ WL - urbo sử dụng
diesel - LPG;
Chương 4- Xây dựng và bố trí thí nghiệm: iới thiệu thiết bị chế tạo hệ
thống cung cấp diesel - LP và h i lưu khí thải, thiết bị đo sử dụng thí nghiệm, tổ
chức thí nghiệm đo đạc các chỉ tiêu kỹ thuật - ô nhi m và thử nghiệm các giải pháp
hạn chế kích nổ và điều chỉnh góc phun sớm trên động cơ WL - urbo sử dụng
diesel - LPG;
Chương 5- Kết quả thực nghiệm và bàn luận: ổng hợp kết quả thực nghiệm
ở chế độ không tải, tải thấp và tải trung bình của N dùng diesel - LP với các
giải pháp hạn chế kích nổ trên băng thử. ánh giá khả năng khắc phục kích nổ và
khả năng thực hiện các giải pháp hạn chế kích nổ. ánh giá các kết quả cho bởi mô
phỏng và thực nghiệm;
7. Ý N HĨA KH A HỌ HỰ ỄN
ề tài “ óp phần nghiên cứu ứng dụng LP trên động cơ nén cháy” mang ý
nghĩa khoa học và thực ti n vì những lý do sau:
- Khi nền công nghiệp ô tô của nước ta đang trên đà phát triển, cần có những
nghiên cứu ứng dụng chuyên sâu để h trợ. Nghiên cứu “mô hình quá trình cháy
h n hợp diesel – LP trong động cơ bu ng cháy ngăn cách” bằng phần mềm Fluent
có khả năng cung cấp kết quả chính xác, nhanh chóng, giảm thời gian và chi phí
nghiên cứu thực nghiệm;
- Nhiên liệu LP có trữ lượng lớn ở iệt Nam và thế giới được sử dụng trên
động cơ diesel sẽ góp phần làm đa dạng hóa ngu n năng lượng cho ô tô;
5
- ộng cơ nén cháy khi sử dụng nhiên liệu diesel - LP d dàng thỏa mãn
những tiêu chuẩn khắt khe của Luật Môi trường;
- rong điều kiện ở nước ta hiện nay, ô tô sử dụng động cơ diesel truyền
thống còn đang lưu hành khá phổ biến. Mức độ ô nhi m khí thải do ô tô này đã vượt
xa giới hạn cho phép; vì vậy, cần phải nghiên cứu chuyển đổi ch ng sang sử dụng
diesel - LP nhằm giảm thiểu NM ;
- rên cơ sở những kết quả nhận từ mô phỏng và thực nghiệm, xác định được
các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến tính năng công tác của động cơ và thông số điều
khiển hệ thống cung cấp hai nhiên liệu;
- Phương tiện giao thông vận tải sử dụng LP chạy trong thành phố là giải
pháp hữu hiệu, thiết thực nhằm làm trong sạch môi trường không khí đô thị và các
khu dân cư sẽ góp phần th c đẩy ngành công nghiệp dầu khí phát triển;
óm lại, động cơ nén cháy là loại động cơ diesel hiệu suất nhiệt cao, có
nhiều tính năng kỹ thuật vượt trội, được sử dụng phổ biến trên phương tiện giao
thông hiện nay; nhiên liệu LP có trữ lượng lớn ở iệt Nam và trên thế giới với
nhiều ưu điểm, rất triển vọng được ưa chuộng dùng làm nhiên liệu cho ô tô do n ng
độ khí thải ít gây NM . ì vậy, “Góp phần nghiên cứu ứng dụng LPG trên động
cơ nén cháy” là một giải pháp đ ng đắn, cấp thiết và thời sự, nhằm góp phần giảm
thiểu NM , đa dạng hóa ngu n nhiên liệu và tạo điều kiện phát triển công nghệ
dầu khí ở nước ta.