Nghiên cứu sử dụng lpg làm nhiên liệu thay thế trên động cơ diesel hiện hành luậ

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TƯỜNG VI Nghiên cứu sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế trên động cơ diesel hiện hành Chuyên ngành: Cơ khí Động lực Mã số: 62520116 Nghiên cứu sinh: Nguyễn Tường Vi Người hướng dẫn khoa học: 1. Hoàng Đình Long 2. Lê Anh Tuấn 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác! Hà Nội, tháng năm 2014 Nghiên cứu sinh Nguyễn Tƣờng Vi -1- LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án 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 làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hoàng Đình Long và PGS.TS Lê Anh Tuấn đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô 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 cảm ơn Ban Giám hiệu trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội, Ban chủ nhiệm Khoa Công nghệ Ôtô và các thầy cô 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 phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai. 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 công trình này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Tƣờng Vi -2- MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. 2 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.

6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ. Mục đích nghiên cứu của đề tài. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu.

Phƣơng pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn. Các nội dung chính của đề tài. TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU LPG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG .1 Đặc điểm của LPG .1 Tính chất lý hóa của LPG .2 Ưu điểm của LPG so với các loại nhiên liệu truyền thống .3 Tình hình sản xuất LPG .2 Tình hình nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ đốt trong .1 Các nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ đốt cháy cưỡng bức .2 Các nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ diesel .3 Kết luận chƣơng 1.

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ HÌNH THÀNH PHÁT THẢI TRONG ĐỘNG CƠ LPG/DIESEL.2 Đặc điểm quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ LPG/diesel .1 Quá trình cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong xilanh .2 Quá trình cháy .3 Các giả thiết để nghiên cứu quá trình trình tạo hỗn hợp và cháy .4 Các mô hình toán .1 Mô hình phun nhiên liệu và tạo hỗn hợp .2 Mô hình cháy và tỏa nhiệt .3 Mô hình nhiệt động .4 Mô hình truyền nhiệt .5 Mô hình hình thành phát thải độc hại .5 Kết quả tính toán mô phỏng .1 Đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng .2 Ảnh hưởng của tỷ lệ LPG đến chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ.3 Ảnh hưởng của góc phun sớm .6 Kết luận chƣơng 2. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP LPG TRONG ĐỘNG CƠ LPG/DIESEL .1 Giới thiệu chung .2 Nghiên cứu chế tạo hệ thống cung cấp LPG trên động cơ AVL 5402 .1 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ điều khiển phun LPG .2 Thuật toán đọc và tính các giá trị cảm biến trong hệ thống LPG .3 Thuật toán điều khiển kết nối máy tính .4 Chương trình điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG .5 Xây dựng giao diện điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG .3 Kết luận chƣơng 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .1 Mục đích, đối tƣợng và trang thiết bị thử nghiệm .1 Mục đích thử nghiệm .2 Đối tượng và nhiên liệu thử nghiệm .3 Trang thiết bị thử nghiệm .2 Thử nghiệm trên động cơ AVL 5402 .1 Nội dung thử nghiệm .2 Kết quả thử nghiệm và thảo luận .3 Thử nghiệm trên động cơ D1146TI .1 Nội dung thử nghiệm .2 Kết quả thử nghiệm và thảo luận .4 Ứng dụng giải pháp nghiên cứu trên xe khách .1 Thiết kế vị trí lắp đặt hệ thống cung cấp LPG lên xe .2 Hiệu chỉnh lượng nhiên liệu, góc phun sớm và kiểm tra sau khi lắp đặt.3 Vận hành và đánh giá .5 Kết luận chƣơng 4. 144 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN.

145 Hƣớng phát triển. 146 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 147 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. CÁC SỐ LIỆU PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU.

MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ TRANG THIẾT BỊ VÀ QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM. BẢNG SỐ LIỆU KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM. 170 -4- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng HC Hydrocacbon PM Phát thải hạt NOx Ôxít nitơ Soot Bồ hóng Smoke Độ khói  Hệ số dư lượng không khí GTVT Giao thông vận tải RON Trị số Octan nghiên cứu CN Trị số Cetan Autogas Phương tiện giao thông dùng nhiên liệu là khí LPG GDI Hệ thống phun xăng trực tiếp Common Rail Hệ thống nhiên liệu phun dầu điện tử kiểu tích áp AVL-Boost Phần mềm mô phỏng một chiều của hãng AVL (Áo) ELC Bộ điều khiển phun LPG MP Mô phỏng TN Thực nghiệm Chu trình thử châu Âu ở chế độ tĩnh đối với động cơ xe tải hạng ECE R49 nặng và xe khách USB Cổng giao tiếp máy tính COM Cổng giao giao tiếp máy tính dạng nối tiếp ECU Bộ điều khiển điện tử CEB-II Combustion Emission Bench – II / Tủ thiết bị phân tích khí Mạng CAN Controller Area Network / mạng vùng tốc độ thấp RS232 Cổng giao tiếp nối tiếp 0 TK Độ góc quay trục khuỷu ∆KAcc Biên độ độ rung động của động cơ Dual Lưỡng nhiên liệu LPG/diesel P/B Tỷ lệ thành phần propan/butan -5- DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tính chất của các thành phần trong LPG 16 Bảng 2.1 Chuỗi phản ứng hình thành NOx 60 Bảng 3.1 Đặc tính của cảm biến nhiệt độ 91 Bảng 4.1 Mức độ thay đổi phát thải trung bình khi thay đổi tỷ lệ LPG 112 Bảng 4.2 So sánh phát thải khi thay đổi góc phun sớm ở tốc độ 2000v/ph 117 Bảng 4.3 Độ chênh áp suất trước và sau vòi phun LPG 120 Bảng 4.4 Chế độ đo trong chu trình thử ECE R49 129 Bảng 4.5 Kết quả đo phát thải theo chu trình Châu Âu ECE R49 129 Bảng 4.6 Kết quả đo phát thải theo chu trình Châu Âu ECE R49 với góc phun 136 sớm 60 -6- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu trúc hóa học của các thành phần trong nhiên liệu LPG 16 Hình 1.2 Sản lượng (triệu tấn) LPG trên toàn cầu 17 Hình 1.3 Bộ trộn Venturi với lỗ khoan bố trí xung quanh họng 22 Hình 1.4 Họng Venturi với một đường LPG vào loại cùng chiều 23 Hình 1.5 Họng Venturi với một đường LPG vào loại trực giao 23 Hình 1.6 Kết cấu bộ chế hòa khí dạng Modul hóa 23 Hình 1.7 Sơ đồ cung cấp LPG trên động cơ dùng bộ trộn và điều khiển điện tử 24 Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống phun LPG vào cửa nạp điều khiển điện tử 25 Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống phun trực tiếp LPG vào trong xilanh động cơ 25 Hình 1.10 Hệ thống cung cấp LPG trên động cơ của hãng Magis 2 26 Hình 2.1 Động cơ diesel AVL 5402 39 Hình 2.2 Sơ đồ phân vùng hỗn hợp trên một tia phun khi phun 41 Hình 2.3 Sơ đồ phân vùng xilanh ứng với một tia phun trong quá trình cháy 42 Hình 2.4 Sơ đồ phân bố nhiên liệu diesel trong tia phun 45 Hình 2.5 Sơ đồ các vùng của lớp dầu bôi trơn 57 Hình 2.6 Mô men và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ giữa thực nghiệm và mô phỏng trên đường đặc tính ngoài khi chạy đơn nhiên liệu 65 Hình 2.7 Mô men của động cơ giữa thực nghiệm và mô phỏng trên đường đặc tính ngoài khi chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel 66 Hình 2.8 Diễn biến áp suất trong xilanh động cơ mô phỏng và thực nghiệm ở 100% tải, tỷ lệ LPG thay thế diesel 20%, tốc độ 2000v/ph 66 Hình 2.9 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế đến tổng lượng diesel + LPG tiêu thụ ở 100% tải 67 Hình 2.10 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế đến suất tiêu hao năng lượng ở 100% tải 68 Hình 2.11 Kết quả mô phỏng phát thải HC ở các chế độ tải và tỷ lệ LPG thay thế khác nhau 68 Hình 2.12 Kết quả mô phỏng phát thải NOx ở các tỷ lệ LPG khác nhau 70 Hình 2.13 Kết quả mô phỏng phát thải CO ở các tỷ lệ LPG khác nhau 71 Hình 2.14 Kết quả mô phỏng phát thải Soot ở các tỷ lệ LPG khác nhau 72 Hình 2.15 Kết quả mô phỏng diễn biến áp suất xilanh ở tốc độ 2000vg/ph, 100% tải, với các tỷ lệ LPG khác nhau 73 -7- Hình 2.16 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của góc phun sớm diesel đến mô men và công suất động cơ ở tốc độ 2000v/ph, 100% tải, tỷ lệ LPG 20% 73 Hình 2.17 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của góc phun sớm diesel đến phát thải NOx, Soot của động cơ ở tốc độ 2000v/ph, 100% tải, tỷ lệ LPG 20% 74 Hình 2.18 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của góc phun sớm diesel đến phát thải CO của động cơ ở tốc độ 2000v/ph, 100% tải, tỷ lệ LPG 20% 75 Hình 2.19 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của góc phun sớm đến diễn biến áp suất trong xilanh động cơ ở tốc độ 2000vg/ph, 100% tải, tỷ lệ LPG 20% 76 Hình 3.1 Sơ đồ tín hiệu điều khiển cung cấp nhiên liệu LPG 79 Hình 3.2 Sơ đồ tổng thể hệ thống cung cấp LPG cho động cơ diesel D1146TI 80 Hình 3.3 Sơ đồ cung cấp LPG vào động cơ 81 Hình 3.4 Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống cung cấp LPG 81 Hình 3.5 Bộ điều khiển hệ thống cung cấp LPG (ELC) 82 Hình 3.