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

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. PGS.TS. Hoàng Đình Long

2. PGS.TS. Lê Anh Tuấn

2014

-1-

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

-2-

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

-3-

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................................................ 1

LỜI CẢM ƠN.................................................................................................................................................. 2

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.................................................................................................................... 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ................................................................................................... 7

MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................................ 12

i. Mục đích nghiên cứu của đề tài ........................................................................................................ 13

ii. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu..................................................................................................... 13

iii. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................................................... 13

iv. Phƣơng pháp nghiên cứu................................................................................................................... 13

v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ............................................................................................. 14

vi. Các nội dung chính của đề tài ........................................................................................................... 14

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU LPG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG....... 15

1.1 Đặc điểm của LPG ............................................................................................................................. 15

1.1.1 Tính chất lý hóa của LPG ............................................................................................................ 15

1.1.2 Ưu điểm của LPG so với các loại nhiên liệu truyền thống .......................................................... 16

1.1.3 Tình hình sản xuất LPG............................................................................................................... 17

1.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ đốt trong ........................................................... 18

1.2.1 Các nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ đốt cháy cưỡng bức ................................................. 20

1.2.2 Các nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ diesel ....................................................................... 29

1.3 Kết luận chƣơng 1 .............................................................................................................................. 35

CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ HÌNH THÀNH PHÁT THẢI

TRONG ĐỘNG CƠ LPG/DIESEL.............................................................................................................. 38

2.1 Mở đầu ................................................................................................................................................ 38

2.2 Đặc điểm quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ LPG/diesel ............................................. 40

2.2.1 Quá trình cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong xilanh ......................................................... 40

2.2.2 Quá trình cháy ............................................................................................................................. 41

2.3 Các giả thiết để nghiên cứu quá trình trình tạo hỗn hợp và cháy.................................................. 43

2.4 Các mô hình toán ............................................................................................................................... 44

2.4.1 Mô hình phun nhiên liệu và tạo hỗn hợp ..................................................................................... 44

2.4.2 Mô hình cháy và tỏa nhiệt ........................................................................................................... 46

2.4.3 Mô hình nhiệt động...................................................................................................................... 52

2.4.4 Mô hình truyền nhiệt ................................................................................................................... 53

2.4.5 Mô hình hình thành phát thải độc hại .......................................................................................... 53

2.5 Kết quả tính toán mô phỏng.............................................................................................................. 62

2.5.1 Đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng ................................................................................ 64

2.5.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ LPG đến chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ........................................... 67

2.5.3 Ảnh hưởng của góc phun sớm ..................................................................................................... 73

2.6 Kết luận chƣơng 2 .............................................................................................................................. 76

CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP LPG TRONG

ĐỘNG CƠ LPG/DIESEL............................................................................................................................. 78

3.1 Giới thiệu chung ................................................................................................................................. 78

3.2 Nghiên cứu chế tạo hệ thống cung cấp LPG trên động cơ AVL 5402 ........................................... 82

-4-

3.2.1 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ điều khiển phun LPG ................................................................ 82

3.2.2 Thuật toán đọc và tính các giá trị cảm biến trong hệ thống LPG................................................. 89

3.2.3 Thuật toán điều khiển kết nối máy tính ....................................................................................... 92

3.2.4 Chương trình điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG....................................................... 92

3.2.5 Xây dựng giao diện điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG............................................. 97

3.3 Kết luận chƣơng 3 .............................................................................................................................. 98

CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM......................................................................................... 99

4.1 Mục đích, đối tƣợng và trang thiết bị thử nghiệm .......................................................................... 99

4.1.1 Mục đích thử nghiệm................................................................................................................... 99

4.1.2 Đối tượng và nhiên liệu thử nghiệm ............................................................................................ 99

4.1.3 Trang thiết bị thử nghiệm ............................................................................................................ 99

4.2 Thử nghiệm trên động cơ AVL 5402 .............................................................................................. 103

4.2.1 Nội dung thử nghiệm................................................................................................................. 103

4.2.2 Kết quả thử nghiệm và thảo luận ............................................................................................... 104

4.3 Thử nghiệm trên động cơ D1146TI ................................................................................................ 119

4.3.1 Nội dung thử nghiệm................................................................................................................. 119

4.3.2 Kết quả thử nghiệm và thảo luận ............................................................................................... 120

4.4 Ứng dụng giải pháp nghiên cứu trên xe khách.............................................................................. 136

4.4.1 Thiết kế vị trí lắp đặt hệ thống cung cấp LPG lên xe................................................................. 137

4.4.2 Hiệu chỉnh lượng nhiên liệu, góc phun sớm và kiểm tra sau khi lắp đặt. .................................. 142

4.4.3 Vận hành và đánh giá ................................................................................................................ 143

4.5 Kết luận chƣơng 4 ............................................................................................................................ 144

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN.................................................................................................. 145

Kết luận..................................................................................................................................................... 145

Hƣớng phát triển...................................................................................................................................... 146

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................................... 147

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..................................................... 152

PHỤ LỤC 1. CÁC SỐ LIỆU PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU......................................................................... 153

PHỤ LỤC 2. MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ TRANG THIẾT BỊ VÀ QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU THỰC

NGHIỆM...................................................................................................................................................... 167

PHỤ LỤC 3. BẢNG SỐ LIỆU KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM..................................................................... 170

-5-

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

ECE R49 Chu trình thử châu Âu ở chế độ tĩnh đối với động cơ xe tải hạng

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

-6-

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

sớm 60

136

-7-

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

-8-

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 3.6 Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn 5V 83

Hình 3.7 Mạch xử lý tín hiệu tốc độ 83

Hình 3.8 Mạch xử lý tín hiệu lưu lượng và áp suất LPG 84

Hình 3.9 Mạch xử lý tín hiệu nhiệt độ và công tắc ON/OFF nhiên liệu LPG 84

Hình 3.10 Mạch xử lý tín hiệu lưu lượng và nhiệt độ khí nạp 85

Hình 3.11 Mạch xử lý tín hiệu vị trí chân ga và tín hiệu không tải 85

Hình 3.12 Mạch xử lý tín hiệu dự phòng (option) 85

Hình 3.13 Mạch xử lý tín hiệu điều khiển vòi phun LPG 86

Hình 3.14 Mạch xử lý tín hiệu điều khiển van điện từ và rơle đóng mở LPG 86

Hình 3.15 Sơ đồ khối vi điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG 87

Hình 3.16 Khối tạo xung nhịp 87

Hình 3.17 Khối mạch Reset 87

Hình 3.18 Sơ đồ chân ATmega32 88

Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối theo chuẩn RS232 89

Hình 3.20 Sơ đồ thuật toán đọc tốc độ động cơ 90

Hình 3.21 Sơ đồ đọc giá trị của tín hiệu từ cảm biến 90

Hình 3.22 Sơ đồ tính cảm biến lưu lượng 90

Hình 3.23 Sơ đồ tính cảm biến áp suất 91

Hình 3.24 Sơ đồ tính cảm biến nhiệt độ 91

-9-

Hình 3.25 Sơ đồ thuật toán truyền giá trị 92

Hình 3.26 Sơ đồ thuật toán thực thi lệnh từ máy tính 92

Hình 3.27 Nguyên lý điều khiển phun 92

Hình 3.28 Sơ đồ thuật toán điều khiển chung hệ thống phun LPG 93

Hình 3.29 Sơ đồ thuật toán điều khiển chế độ không tải 94

Hình 3.30 Sơ đồ thuật toán điều khiển chế độ chuyển tiếp không tải - có tải 95

Hình 3.31 Sơ đồ thuật toán điều khiển chế độ có tải 96

Hình 3.32 Sơ đồ thuật toán điều khiển chế độ chuyển tiếp có tải - không tải 96

Hình 3.33 Giao diện chương tình điều khiển quá trình phun LPG 97

Hình 4.1 Sơ đồ thiết kế lắp đặt hệ thống cung cấp LPG trên động cơ AVL 5402 104

Hình 4.2 Phát thải CO ở các tỷ lệ và áp suất LPG khác nhau 105

Hình 4.3 Phát thải Smoke ở các tỷ lệ và áp suất LPG khác nhau 105

Hình 4.4 Phát thải HC ở các tỷ lệ và áp suất LPG khác nhau 106

Hình 4.5 Phát thải NOx ở các tỷ lệ và áp suất LPG khác nhau 107

Hình 4.6 Diễn biến áp suất xilanh khi sử dụng đơn nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên

liệu với tỷ lệ LPG 16% ở các giá trị áp suất khác nhau 107

Hình 4.7 Độ rung động của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên

liệu với tỷ lệ LPG 16% ở các giá trị áp suất khác nhau 108

Hình 4.8 Phát thải NOx khi thử nghiệm ở các tỷ lệ LPG khác nhau 109

Hình 4.9 Phát thải CO khi thử nghiệm ở các tỷ lệ LPG khác nhau 110

Hình 4.10 Phát thải độ khói (Smoke) khi thử nghiệm ở các tỷ lệ LPG khác nhau 110

Hình 4.11 Phát thải HC khi thử nghiệm ở các tỷ lệ LPG khác nhau 111

Hình 4.12 Phát thải CO2 khi thử nghiệm ở các tỷ lệ LPG khác nhau 112

Hình 4.13 Diễn biến áp suất xilanh ở tốc độ 2000vg/ph, 100% tải, với các tỷ lệ

LPG khác nhau 113

Hình 4.14 Độ rung động của động cơ ở tốc độ 2000vg/ph, 100% tải, với các tỷ lệ

LPG khác nhau 113

Hình 4.15 Diễn biến áp suất xilanh ở tốc độ 3000vg/ph, 100% tải, với các tỷ lệ

LPG khác nhau 114

Hình 4.16 Độ rung động của động cơ ở tốc độ 3000vg/ph, 100% tải, với ở các tỷ

LPG khác nhau 115

Hình 4.17 Mômen và công suất động cơ khi thay đổi góc phun sớm 115

Hình 4.18 Phát thải CO và Smoke khi thay đổi góc phun sớm 116

-10-

Hình 4.19 Phát thải NOx và HC khi thay đổi góc phun sớm 117

Hình 4.20 Biến thiên áp suất xilanh khi thay đổi góc phun sớm ở 2000vg/ph, 100%

tải 118

Hình 4.21 Độ rung động của động cơ khi thay đổi góc phun sớm ở 2000vg/ph,

100% tải 118

Hình 4.22 Công suất động cơ ở 100% và 75% tải 121

Hình 4.23 Phát thải CO tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 121

Hình 4.24 Phát thải HC tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 122

Hình 4.25 Phát thải NOx tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 122

Hình 4.26 Độ đen của khí thải tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 123

Hình 4.27 Phát thải CO2 tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 123

Hình 4.28 Mức độ thay đổi các thành phần phát thải ở 100% tải 125

Hình 4.29 Phát thải CO tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 125

Hình 4.30 Phát thải HC tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 126

Hình 4.31 Phát thải NOx tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 126

Hình 4.32 Độ đen tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 127

Hình 4.33 Phát thải CO2 tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 127

Hình 4.34 Mức độ thay đổi các thành phần phát thải ở 75% tải 128

Hình 4.35 Tỷ lệ thay thế LPG với 5 loại giclơ 128

Hình 4.36 Hàm lượng phát thải theo chu trình thử ECE R49 130

Hình 4.37 Công suất động cơ tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau 131

Hình 4.38 Mômen động cơ tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau 132

Hình 4.39 Tiêu hao nhiên liệu tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau 132

Hình 4.40 Lượng khí lọt cácte tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau 133

Hình 4.41 Phát thải CO tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau 134

Hình 4.42 Phát thải HC tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau 134

Hình 4.43 Phát thải NOx tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau 135

Hình 4.44 Độ đen trong khí thải tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau 135

Hình 4.45 Hàm lượng phát thải theo chu trình thử ECE R49 136

Hình 4.46 Vị trí bố trí các thiết bị của hệ thống cung cấp LPG lên xe Transinco 138

Hình 4.47 Thiết kế lắp đặt bình LPG lên xe 138

Hình 4.48 Kết cấu bộ hóa hơi LPG 139

-11-

Hình 4.49 Kết cấu van điện từ 139

Hình 4.50 Kết cấu bộ lọc LPG 140

Hình 4.51 Thiết kế lắp đặt bộ hóa hơi, van điện từ, lọc LPG trong khoang động cơ 140

Hình 4.52 Kết cấu bộ điều khiển LPG và công tắc đóng mở LPG 141

Hình 4.53 Sơ đồ đấu nối dây tín hiệu điều khiển hệ thống cung cấp LPG 141

Hình 4.54 Bộ điều khiển hệ thống cung cấp LPG 142

-12-

MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển mạnh của công nghiệp và sự gia tăng nhanh số lượng các

phương tiện giao thông vận tải (GTVT) và thiết bị động lực trang bị động cơ đốt trong, nhu

cầu sử dụng nhiên liệu càng ngày càng tăng cao, đặc biệt là nhiên liệu hóa thạch truyền

thống xăng và dầu diesel. Trung bình mỗi ngày thế giới tiêu thụ hết khoảng 87 triệu thùng

dầu. Trong đó phần lớn được sử dụng trên các phương tiện GTVT. Nhu cầu sử dụng nhiên

liệu tăng đang gây nguy cơ cạn kiệt nhanh nguồn nhiên liệu truyền thống và làm giá dầu

mỏ tăng lên, ảnh hưởng trực tiếp đến nền kinh tế toàn cầu. Thêm nữa, mức độ tiêu thụ lớn

nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống đang thải ra môi trường một lượng lớn các chất

độc hại làm ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ con người và gây ra hiệu ứng nhà kính. Trong đó,

hàm lượng phát thải của các phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel chiếm một tỷ lệ đáng

kể. Điều này dẫn đến những tác động xấu đến môi trường sinh thái, biến đổi khí hậu, trái

đất nóng lên và hiện tượng băng tan ở hai địa cực.

Việt Nam là nước đang phát triển nên cũng không nằm ngoài quy luật phát triển

chung của thế giới. Tình trạng thiếu nhiên liệu và ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ

cũng đã đến mức báo động. Do đó, vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu và sử dụng các loại

nhiên liệu thay thế có mức độ phát thải độc hại thấp để một mặt giảm ô nhiễm môi trường,

mặt khác có thể bù đắp phần nhiên liệu truyền thống đang bị thiếu hụt. Các loại nhiên liệu

thay thế được ưu tiên sử dụng là các loại nhiên liệu ―sạch‖ (phát thải độc hại thấp), trữ

lượng lớn, giá thành rẻ và có thể sử dụng dễ dàng trên động cơ mà không cần thay đổi

nhiều về kết cấu. Trong các loại nhiên liệu đó, khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) là nhiên liệu có

tiềm năng lớn, đáp ứng được các yêu cầu trên.

LPG là loại nhiên liệu thông dụng và thân thiện với môi trường. Mấy thập kỷ qua nó

được dùng trong công nghiệp và sinh nhiệt gia dụng nhưng ngày nay nó còn được sử dụng

làm nhiên liệu thay thế trên động cơ đốt trong. Do LPG có sản phẩm cháy thân thiện với

môi trường và có năng suất tỏa nhiệt cao nên khi được sử dụng trên động cơ đốt trong nó

không chỉ giúp giảm phát thải độc hại mà còn giảm được gánh nặng về nguồn nhiên liệu

truyền thống xăng và dầu diesel.

Việc sử dụng LPG trên động cơ diesel hiện hành sẽ tận dụng được tính ưu việt về

hiệu suất cao của loại động cơ này và giúp giảm phát thải khói bụi, loại phát thải quan

trọng và rất khó xử lý của động cơ diesel hiện nay. Tuy nhiên, do tính tự cháy của LPG

kém nên chỉ có thể sử dụng LPG thay thế một phần nhiên liệu diesel trên động cơ và như

vậy tính năng làm việc của động cơ phụ thuộc rất nhiều vào đặc điểm cung cấp và tạo hỗn

hợp của lưỡng nhiên liệu LPG/diesel và các thông số điều chỉnh của động cơ. Chính vì

vậy, việc thực hiện đề tài ―Nghiên cứu sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế trên động

cơ diesel hiện hành‖ để có thể sử dụng hiệu quả nhiên liệu LPG và đáp ứng các yêu cầu

đặt ra về tiết kiệm nhiên liệu diesel, giảm phát thải là rất cần thiết, có ý nghĩa khoa học và

thực tiễn cao, đặc biệt là ở điều kiện Việt Nam khi mà công nghiệp chế tạo động cơ mới

chuyên chạy nhiên liệu LPG chưa phát triển.

-13-

i. Mục đích nghiên cứu của đề tài

- Đánh giá khả năng sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế trên các động cơ diesel hiện

hành qua đánh giá ảnh hưởng của LPG đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của

động cơ diesel khi chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel.

- Đưa ra giải pháp chuyển đổi động cơ diesel hiện hành sang chạy lưỡng nhiên liệu

LPG/diesel.

ii. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel hiện hành, đại diện là động cơ diesel nghiên

cứu AVL 5402 trang bị hệ thống phun nhiên liệu kiểu tích áp điều khiển bằng điện tử

(common Rail) và động cơ diesel D1146TI trang bị hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền

thống hiện đang được sử dụng phổ biến trên các xe khách tại Hà Nội.

- Việc nghiên cứu và thực nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm tại Phòng

thí nghiệm động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường đại học Bách khoa Hà Nội và

nghiên cứu trên hiện trường.

iii.Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu phương pháp cung cấp lưỡng nhiên liệu LPG/diesel và tạo hỗn hợp cháy

trong động cơ.

- Nghiên cứu đặc điểm quá trình cháy và hình thành phát thải của động cơ LPG/diesel.

- Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế đến tính năng kinh tế kỹ thuật và phát

thải của động cơ.

- Nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng LPG đến góc phun sớm diesel tối ưu của

động cơ.

- Đánh giá sự làm việc ổn định của động cơ chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel khi lắp

lên xe khách.

iv.Phƣơng pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

- Lý thuyết:

 Xây dựng các mô hình lý thuyết mô tả sự tạo hỗn hợp, cháy và hình thành phát

thải của động cơ LPG/diesel.

 Sử dụng phần mềm AVL BOOST và ngôn ngữ lập trình FORTRAN để tính toán

các thông số quá trình cháy và hàm lượng phát thải của động cơ; phân tích kết

quả và định hướng cho nghiên cứu thực nghiệm.

- Thực nghiệm:

 Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất phun

LPG, tỷ lệ LPG thay thế và góc phun sớm diesel đến đặc tính kinh tế, kỹ thuật và

phát thải của các động cơ thí nghiệm sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel, từ đó

-14-

đề xuất chọn tỷ lệ LPG thay thế và các thông số điều chỉnh thích hợp.

 Ứng dụng giải pháp nghiên cứu trên xe khách và đánh giá sơ bộ khả năng ứng

dụng của kết quả nghiên cứu vào thực tế.

v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

- Phân tích và mô phỏng được quá trình hình thành hỗn hợp, quá trình cháy và hình

thành phát thải trong động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel.

- Đánh giá được ảnh hưởng của tỷ lệ LPG và góc phun sớm đến tính năng kinh tế, kỹ

thuật và phát thải của động cơ diesel hiện hành sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel, từ đó

lựa chọn được các giá trị hợp lý đảm bảo sự hài hòa các tính năng động cơ.

- Đưa ra giải pháp khả thi chuyển đổi động cơ diesel hiện hành sang sử dụng lưỡng

nhiên liệu LPG/diesel.

- Góp phần giảm khói bụi và NOx là các thành phần phát thải quan trọng và khó xử lý,

giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống, cũng như định hướng trong việc nghiên

cứu ứng dụng nhiên liệu thay thế trên các phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt

trong.

vi. Các nội dung chính của đề tài

- Mở đầu

- Chương 1. Tổng quan về sử dụng nhiên liệu LPG cho động cơ đốt trong

- Chương 2. Nghiên cứu lý thuyết quá trình cháy và hình thành phát thải trong động

cơ LPG/diesel

- Chương 3. Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cung cấp LPG trong động cơ

LPG/diesel

- Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm

- Kết luận và hướng phát triển