Luận án 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 - 2017 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 - 2017 i 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! TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Hà Nội, tháng . năm 2017 Nghiên cứu sinh Nguyễn Thành Bắc Người hướng dẫn 1 GS.TS Phạm Minh Tuấn Người hướng dẫn 2 TS Trần Anh Trung ii 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 . năm 2017 Nghiên cứu sinh Nguyễn Thành Bắc iii 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 ........................................................................................ vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ....................................................................... viii 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 iv 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 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 lực học ................................................................................................29 2.5.Mô hình ma sát ...........................................................................................................30 2.6.Mô hình truyền nhiệt ..................................................................................................33 2.7.Mô hình cháy ..............................................................................................................33 2.7.1. Cơ sở lựa chọn mô hình cháy .......................................................................................... 33 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 ...................................................................................................42 CHƯƠNG 3 ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ....................................................................................................................... 43 3.1.Đặt vấn đề ...................................................................................................................43 3.2.Đối tượng nghiên cứu ...............................................................................................43 3.3.Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu .....................................................................44 3.4.Trang thiết bị nghiên cứu ..........................................................................................46 3.4.1. Băng thử tính năng động lực cao (AVL APA 100) ........................................................... 47 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 ........................................................................................... 47 3.4.3. Thiết bị cung cấp và điều khiển nhiệt độ dung dịch làm mát động cơ AVL 553 .............. 48 3.4.4. Thiết bị phân tích khí xả AVL CEB-II ................................................................................ 49 3.4.5. Bộ điều khiển vòi phun ethanol ........................................................................................ 49 3.4.6. Cảm biến áp suất xy lanh AVL QC33C ............................................................................ 51 3.4.7. Thiết bị đo áp suất xy lanh AVL 620 Indiset ..................................................................... 52 3.4.8. Cảm biến kích nổ.............................................................................................................. 52 3.4.9. Cảm biến lambda LSU 4.9 ............................................................................................... 53 3.5.Qui trình và chế độ thực nghiệm động cơ ...............................................................53 3.6.Xác định các thông số đầu vào cơ bản của mô hình động cơ ...............................56 3.6.1. Quy luật phối khí ............................................................................................................... 56 3.6.2. Lưu lượng khí qua xupáp nạp và thải .............................................................................. 57 3.6.3. Áp suất xy lanh ................................................................................................................. 58 3.6.4. Đặc tính bơm cao áp và vòi phun ethanol........................................................................ 59 3.7.Phân tích số liệu thực nghiệm và xây dựng mô hình động cơ ...............................61 3.7.1. Xác định hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xupáp ..................................................... 62 3.7.2. Xác định tốc độ tỏa nhiệt .................................................................................................. 62 3.7.3. Xác định thời điểm bắt đầu cháy, khoảng thời gian cháy và phần nhiên liệu đã cháy .... 64 3.7.4. Mô hình hóa hệ thống nhiên liệu ...................................................................................... 68 3.7.5. Xây dựng mô hình động cơ .............................................................................................. 69 v 3.8.Đánh giá độ tin cậy của mô hình ở chế độ ổn định .................................................70 3.8.1. Đánh giá lưu lượng không khí nạp ................................................................................... 71 3.8.2. Đánh giá áp suất xy lanh .................................................................................................. 71 3.8.3. Đánh giá mô men và công suất động cơ ......................................................................... 75 3.8.4. Đánh giá tốc độ động cơ ở chế độ ổn định và chuyển tiếp.............................................. 78 3.9.Bộ điều khiển động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol và mô hình mô phỏng ...81 3.9.1. Sơ đồ tổng quan bộ điều khiển ..........................................................................81 3.9.2. Thuật toán điều khiển .........................................................................................81 3.9.2.1. Mô men yêu cầu ........................................................................................................... 82 3.9.2.2. Lượng phun diesel và ethanol chế độ ổn định ............................................................. 83 3.9.2.3. Điều khiển giới hạn hệ số  chế độ chuyển tiếp .......................................................... 85 3.9.2.4. Xác định vị trí tay ga và thời gian phun ethanol ........................................................... 86 3.9.3. Đánh giá mô hình điều khiển trên mô hình động cơ ........................................86 3.9.3.1. Đánh giá mô hình điều khiển trên mô hình động cơ ở chế độ ổn định ................ 86 3.9.3.2. Đánh giá bộ điều khiển trên mô hình động cơ ở chế độ chuyển tiếp .................. 87 3.10.Kết luận chương 3 ...................................................................................................89 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .................................................................. 90 4.1.Đặt vấn đề và mục tiêu thực nghiệm ........................................................................90 4.2.Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm.............................................................................90 4.3.Điều kiện nghiên cứu thực nghiệm ..........................................................................90 4.4.Phương pháp thực nghiệm .......................................................................................90 4.5.Kết quả thực nghiệm ở chế độ ổn định ....................................................................91 4.5.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến nhiệt tỏa ra .................................................... 91 4.5.2. Mối quan hệ giữa tỷ lệ ethanol thay thế và tốc độ động cơ ............................................. 92 4.5.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến suất tiêu hao năng lượng .............................. 92 4.5.4. Xác định tỷ lệ ethanol thay thế lớn nhất ........................................................................... 94 4.5.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến hệ số dư lượng không khí  ......................... 95 4.5.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến tiêu hao nhiên liệu ......................................... 97 4.5.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến phát thải của động cơ ................................. 100 4.5.7.1. Phát thải HC ........................................................................................................... 100 4.5.7.2. Phát thải CO ........................................................................................................... 101 4.5.7.3. Phát thải NOx .......................................................................................................... 103 4.5.7.4. Phát thải CO2 .......................................................................................................... 104 4.5.7.5. Phát thải smoke ...................................................................................................... 105 4.6.Kết quả thực nghiệm ở chế độ chuyển tiếp ........................................................... 106 4.6.1. Tốc độ động cơ .............................................................................................................. 106 4.6.2. Mô men động cơ ............................................................................................................ 107 4.6.3. Công suất động cơ ......................................................................................................... 108 4.6.4. Suất tiêu hao năng lượng ............................................................................................... 108 4.6.5. Hệ số dư lượng không khí  .......................................................................................... 109 4.6.6. Phát thải động cơ ........................................................................................................... 110 4.6.6.1. Phát thải HC ........................................................................................................... 110 4.6.6.2. Phát thải CO ........................................................................................................... 110 4.6.6.3. Phát thải NOx .......................................................................................................... 111 4.6.6.4. Phát thải CO2 .......................................................................................................... 111 4.7.Kết luận chương 4 ................................................................................................... 112 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................... 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 115 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ......................................................... 121 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải Đơn vị A/F Tỷ lệ không khí trên nhiên liệu A/Fdie Tỷ lệ không khí nhiên liệu diesel A/Feth Tỷ lệ không khí nhiên liệu ethanol Ahp Diện tích đỉnh piston m2 APP Độ mở bàn đạp chân ga (accelerator pedal position) % BMEP Áp suất có ích trung bình của động cơ N/m2 BSEC Suất tiêu hao năng lượng MJ/kW.h CLP Vị trí tay ga bơm cao áp (control lever position) % E100 Cồn