Xem mẫu
MỞ ĐẦU
i. Lý do chọn đề tài
Ethanol là một trong những nguồn nhiên liệu sinh học (NLSH) thay thế tiềm năng cho
động cơ đốt trong (ĐCĐT).
Năm 2007, thủ tướng chính phủ ra quyết định số 177/2007/QĐ-TTg về “Đề án phát
triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025” [11].
Hiên nay, ở Việt Nam đang sử dụng xăng E5 cho động cơ xăng, nếu có thể sử dụng
ethanol cho động cơ diesel chiếm tỷ 50% tổng số ĐCĐT thì sẽ góp phần nâng cao tỷ lệ sử
dụng ethanol.
Do vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ
lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol”
ii. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Chuyển đổi thành công một động cơ diesel ô tô sang chạy lưỡng nhiên liệu dieselethanol thông qua thiết kế cải tiến và chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu đảm bảo tỷ lệ
thay thế ethanol tối ưu ở mọi chế độ làm việc của động cơ.
Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ diesel-ethanol đến tính năng kỹ thuật và phát thải của
động cơ.
iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Động cơ thực nghiệm được lựa chọn là loại động cơ diesel D4BB bốn xy lanh, bốn kỳ,
sử dụng bơm phân phối lắp trên xe tải 1,25 tấn của hãng HYUNDAI.
Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong phòng thí nghiệm với các chế độ ổn
định cũng như chuyển tiếp trong toàn bộ vùng làm việc của động cơ.
iv. Phương pháp nghiên cứu của đề tài
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu tổng quan, lý thuyết,
mô phỏng và thực nghiệm.
v. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Kết quả của đề tài góp phần nâng cao năng lực làm chủ và phát triển các công nghệ
chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống sang sử dụng nhiên liệu sạch.
Luận án đã đưa ra phương pháp xây dựng mô hình cháy của động cơ lưỡng nhiên liệu
dựa trên số liệu thực nghiệm, làm tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về động cơ lưỡng
nhiên liệu cũng như về điều khiển động cơ này.
vi. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Ngoài một động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol chuyển đổi từ động cơ diesel sử
dụng trên ôtô, sản phẩm của đề tài còn là phương pháp và quy trình công nghệ chuyển đổi
động cơ diesel sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol, có thể áp dụng linh hoạt cho
các động cơ phổ biến ở Việt Nam nhằm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu sinh học.
Qua đó góp phần thực hiện Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm
nhìn đến năm 2025 đã được chính phủ phê duyệt, theo đó nhiên liệu sinh học sẽ đáp ứng
1% nhu cầu xăng dầu cả nước vào năm 2015 và 5% vào năm 2025 [11].
vii. Điểm mới của luận án
Đề tài đã đưa ra được phương pháp và cơ sở khoa học chuyển đổi động cơ diesel sang
sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol nhằm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu sinh học ở Việt
Nam.
viii. Bố cục chính của luận án
Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần chính sau: Mở đầu; bốn Chương;
Kết luận chung và hướng phát triển.
-1-
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường
Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, nhu cầu vận chuyển bằng ôtô ngày càng
tăng dẫn tới nhu cầu trong nước về nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch ngày càng tăng lên.
Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường
là rất quan trọng và thiết thực. Các nhà khoa học trong và ngoài nước đã và đang nghiên cứu
sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế thân thiện với môi trường cho ĐCDT.
1.2. Nhiên liệu thay thế
1.2.1. Nhiên liệu thay thế dạng khí
1.2.1.1. Khí thiên nhiên nén (CNG-Compressed Natural Gas)
CNG là khí không màu, không mùi, có nhiệt độ ngọn lửa khoảng 1950ºC và nhẹ hơn
không khí.
1.2.1.2. Hyđrô và khí giàu hyđrô
Hyđrô có thể được sản xuất từ nguồn hyđrôcacbon hóa thạch, từ nước và từ sinh khối
bằng các phương pháp như reforming hơi nước, oxy hóa không hoàn toàn, nhiệt phân khí
thiên nhiên, thu hồi H2 từ quá trình reforming và điện phân nước [1, 7].
1.2.2. Nhiên liệu thay thế dạng lỏng
1.2.1.1. Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas)
LPG có thể sử dụng trực tiếp thay thế cho xăng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức hoặc
cũng có thể sử dụng trên động cơ cháy do nén như là một phụ gia nhiên liệu.
1.2.1.2. Than hóa lỏng (CTL-Coal To Liquid) và khí hóa lỏng (GTL -Gas To Liquid)
Than sau quá trình khí hoá, tạo ra syngas và thực hiện quá trình Fischer-Tropsch (FT)
để tạo thành FT diesel (CTL). Trong khi đó, GTL được điều chế từ khí methane, CH4 [1].
1.2.1.3. Dimethyl Ether (DME)
Dimethyl Ether (DME), công thức hoá học là CH3-O-CH3, là loại nhiên liệu có thể làm
khí đốt và có khả năng thay thế cho diesel trên động cơ cháy do nén nhờ có trị số xêtan cao
[1, 57].
1.2.1.4. Biodiesel
Biodiesel có nhiệt trị thấp hơn diesel khoáng. Do đó, nếu hiệu suất cháy như nhau thì
tiêu hao nhiên liệu sẽ cao hơn khi sử dụng biodiesel thay thế diesel khoáng [32].
1.2.1.5. Ethanol
Hiện tại ethanol được sử dụng rộng rãi hơn cả cho các phương tiện giao thông vận tải
[1].
1.3. Đặc điểm nhiên liệu ethanol
1.3.1. Các tính chất vật lý và hóa học của ethanol
1.3.1.1. Tính chất vật lý của ethanol
Ethanol là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị
cay, nhẹ hơn nước [7].
1.3.1.2. Tính chất hóa học của ethanol
Phản ứng oxy hóa, trong đó rượu bị oxy hóa theo 3 mức: Oxy hóa không hoàn toàn
(hữu hạn) tạo ra aldehyde, acid hữu cơ và oxy hóa hoàn toàn (đốt cháy) tạo thành CO 2 và
H2O.
1.3.2. Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam
1.3.2.1. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới
Mỹ và Brazil là hai quốc gia có sản lượng ethanol lớn nhất thế giới, chiếm khoảng
86,25% toàn bộ lượng ethanol sản xuất toàn cầu.
-2-
1.3.2.2. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol tại Việt Nam
Hiện tại, cả nước có bảy nhà máy ethanol với tổng mức đầu tư trên 500 triệu USD,
tổng công suất thiết kế 600000 m3/năm.
1.4. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ đốt trong
1.4.1. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ xăng
1.4.1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu sử dụng ethanol cho động cơ xăng, trong đó có thể
kể đến nghiên cứu [51] với nhiên liệu E5 và E10 đối chứng với xăng Mogas92. Cụ thể khi
sử dụng xăng E5 và E10 cho động cơ xe máy và động cơ ôtô, công suất động cơ và suất tiêu
hao nhiên liệu được cải thiện khi so sánh với trường hợp sử dụng xăng Moga92. Phát thải
CO và HC giảm đáng kể. Trong khí đó, phát thải NOx và khí gây hiệu ứng nhà kính CO2
đều tăng lên.
1.4.1.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Có nhiều nghiên cứu như: Hsieh và các cộng sự [51], Abdel-Rahman và các cộng sự
[23], Al-Hasan [60], Wu và các công sự [98], Yucesu và các cộng sự [102], Mustafa Koç
và các cộng sự [69]. Qua các nghiên cứu cho thấy khi sử dụng nhiên liệu gasoline-ethanol
ở dạng hòa trộn trước đều cho thấy cải thiện được công suất và mô men động cơ, đồng thời
giảm các thành phần phải thải như CO, HC và NOx.
1.4.2. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel
1.4.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Nghiên cứu về đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng
hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn với tỷ lệ ethanol thay thế lần lượt là 5% và 10% [71].
Kết quả cho thấy mô men động cơ và tiêu hao nhiên liệu thay đổi không đáng kể, phát thải
HC, CO và độ khói giảm, phát thải NOx tăng khi so sánh với trường hợp sử dụng diesel gốc.
Tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào công bố sử dụng ethanol cho động cơ diesel bằng phương
pháp phun ethanol trực tiếp vào cửa nạp và điều khiển phối hợp lưỡng nhiên liệu dieselethanol phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ.
1.4.2.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
a) Sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn
Đã có nhiều nghiên cứu như: E.A. Ajav và các cộng sự [42], Eugene EE và các cộng
sự [43] …Kết quả cho thấy, ưu điểm của phương pháp này là không phải thay đổi kết cấu
động cơ mà chỉ cần điều chỉnh thời điểm phun và lượng phun cho phù hợp với tỷ lệ ethanol
thay thế để đảm bảo giữ được mô men và công suất động cơ. Tuy nhiên phương pháp này
không tối ưu được tỷ lệ ethanol thay thế theo tốc độ và tải của động cơ, đồng thời ethanol
có tính hút nước mạnh nên lượng nước trong hỗn hợp sẽ dần tăng lên và làm hỗn hợp bị
phân tách, lượng nước này sẽ dần tăng lên trong quá trình bảo quản và lưu trữ gây khó khăn
trong quá trình sử dụng.
b) Ethanol phun trực tiếp
Theo nghiên cứu của Savage LD [49], phương pháp này cho phép tỷ lệ ethanol lên tới
90% trong điều kiện lý tưởng. Công nghệ này còn tạo ra quá trình cháy êm dịu, độ mờ khói
và khí thải rất thấp. Tuy nhiên áp dụng công nghệ này vào thực tế gặp nhiều khó khăn do
tính phức tạp trong thiết kế hệ thống phun ethanol cao áp.
c) Ethanol phun trên đường ống nạp
Theo phương pháp này M. Abu-Qudais và các cộng sự [61], Ogawa H và cộng sự [72],
Volpato và cộng sự [74]. Kết quả cho thấy, hiệu suất nhiệt được cải thiện khoảng 7,5% trên
-3-
toàn dải tốc độ. Về phát thải cho thấy CO, HC đều tăng trong khi smoke và soot giảm. Tỷ
lệ ethanol tối ưu theo sự giảm độ khói là 20%.
Từ các kết quả trên, cho thấy sử dụng phương pháp phun ethanol gián tiếp trên đường
ống nạp là một phương pháp đơn giản và dễ áp dụng. Tuy nhiên phương pháp này có nhược
điểm là không tận dụng được nhiệt của xupáp nạp nhằm tạo điều kiện bay hơi cho ethanol
khi được phun vào nó.
Qua các nghiên cứu đã trình bày ở trên cho thấy phương pháp phun ethanol vào xupáp
bằng cách sử dụng vòi phun ethanol có áp suất thấp. Phương pháp này có các ưu điểm như
sau:
- Không phải thay đổi lớn kết cấu của động cơ, do vòi phun ethanol được đặt ở trên
đường ống nạp;
- Hệ thống nhiên liệu ethanol đơn giản giá thành thấp;
- Do dùng hai hệ thống nhiên liệu riêng, nên việc ngắt phun ethanol dễ dàng;
- Ethanol bay hơi trong đường ống nạp sẽ làm giảm nhiệt độ khí nạp giúp tăng mật độ
không khí nạp nạp vào động cơ;
- Dễ dàng tối ưu tỷ lệ giữa ethanol và diesel theo các chế độ làm việc của động cơ.
Vì vậy tác giả chọn phương án phun ethanol vào xupáp nạp khi nghiên cứu chuyển đổi
động cơ diesel sang chạy lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol.
1.5. Phương pháp xây dựng mô hình động cơ
Nghiên cứu sinh lựa chọn mô hình làm việc theo thời gian thực dựa trên cơ sở nhiệt
động học và mô phỏng mô hình điều khiển trên cùng một mô hình (SIL).
Để nghiên cứu mô phỏng động cơ đốt trong có thể sử dụng nhiều phần mềm khác nhau.
Cho đến nay có nhiều phần mềm đã và đang được sử dụng để nghiên cứu mô phỏng mô
hình động cơ và phát triển các loại động cơ đốt trong bao gồm: AVL Boost, Diesel RK,
Ricado WARE, Matlab Simulink... Trong đó nghiên cứu sinh lựa chọn phần mềm Matlab
Simulink để xây dựng mô hình động cơ và thiết kế mô hình điều khiển động cơ trên mô hình
này.
1.6. Phương pháp xây dựng mô hình bộ điều khiển
Trong nghiên cứu thường hay sử dụng phương pháp xây dựng mô hình động cơ lưỡng
nhiên liệu diesel-ethanol rồi tiến hành mô phỏng theo thời gian thực để tìm bộ dữ liệu điều
khiển cung cấp nhiên liệu phối hợp, trên cơ sở đó thiết kế và chế tạo bộ điều khiển.
1.7. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tìm hiểu về nhiên liệu thay thế từ đó lựa chọn nhiên liệu thay thế cho
động cơ diesel phù hợp điều kiện sản xuất tại Việt Nam;
- Nghiên cứu tổng quan các biện pháp cung cấp ethanol cho động cơ diesel, từ đó đưa
ra biện pháp áp dụng cho một động cơ diesel đang thịnh hành tại Việt Nam;
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình cháy của động cơ diesel khi phun thêm nhiên
liệu ethanol cũng như động học và động lực học của động cơ nhằm đưa ra các điều kiện biên
cần xác định;
- Thiết kế lắp đặt hệ thống phun nhiên liệu ethanol trên động cơ và lắp đặt các cảm
biến phù hợp để xác định điều kiện biên của mô hình tính;
- Thực nghiệm xác định các thông số điều kiện biên và tỷ lệ thay thế ethanol lớn nhất;
- Xây dựng mô hình động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol làm việc
theo thời gian thực và đánh giá sai số của mô hình tính;
- Thiết kế mô hình điều khiển diesel-ethanol trên mô hình động cơ phù hợp với các chế
độ làm việc của động cơ;
-4-
- Thực nghiệm kiểm chứng mô hình điều khiển khi động cơ đặt trên băng thử, đánh giá
sự ổn định của mô hình điều khiển.
1.8. Kết luận chương 1
Phương án lựa chọn: phun ethanol vào xupáp nạp.
Điều khiển phối hợp phun diesel-ethanol: giữ nguyên Me, giới hạn khói đen, kích nổ
động cơ.
Phương pháp tiêp cận: mô phỏng trực tiếp trên đối tượng bằng Matlab Simulink để
thiết kế bộ điều khiển (ĐK) hệ thống nhiên liệu (HTNL) mới.
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
2.1. Đặt vấn đề
Để xây dựng mô hình động cơ sử dụng lưỡng nhiêu liệu diesel-ethanol và mô hình điều
khiển động cơ này trước hết cần phải nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình.
2.2. Mô hình trao đổi khí
Lượng khí vào và ra khỏi xy lanh được xác định theo các nghiên cứu [36, 53].
2.3. Mô hình hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol.
Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel:
Xác định lượng nhiên liệu diesel phun ở chế độ ổn định theo vị trí tay ga và tốc độ bơm
cao áp [63]. Có nghĩa là lượng nhiên liệu diesel là hàm phụ thuộc vào vị trí tay ga và tốc độ
bơm cao áp np:
(2.9)
minj_die=f(% tay ga, np )
̇
Trong đó: np- Tốc độ bơm cao áp (vg/ph).
Lượng nhiên liệu này được xác định bằng biện pháp thực nghiệm khi động cơ lắp trên
băng thử, hoặc đo trên thiết bị cân bơm cao áp.
Còn mô hình phun ethanol được xác định trên cơ sở số liệu thực nghiệm giữa lượng
phun ethanol và thời gian mở vòi phun.
2.4. Mô hình động lực học
Chuyển vị piston (x), thể tích xy lanh (V), tốc độ thay đổi thể tích xy lanh (dV), tốc độ
trung bình của piston, tốc độ động cơ, mô men quán tính của động cơ…được xác định theo
quy luật động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền, các nghiên cứu [8, 9, 66].
2.5. Mô hình ma sát
Xây dựng mô hình ma sát là cơ sở để xác định tổn thất ma sát của động cơ đốt trong
nói chung trong đó có động cơ diesel. Tổn thất ma sát theo góc quay trục khuỷu bao gồm
hai nhóm sau:
- Nhóm ma sát do piston chuyển động bao gồm: ma sát do độ nhớt của dầu bôi trơn
xéc măng; ma sát hỗn hợp của dầu bôi trơn xéc măng; ma sát của váy piston.
- Nhóm ma sát do chuyển động của các trục gồm: ma sát của các xupáp; ma sát do tải
và phụ tải truyền lên các cổ trục; ma sát do tải tác dụng lên các ổ đỡ.
2.6. Mô hình truyền nhiệt
Nhiệt truyền cho xy lanh được xác định theo định luật làm mát Newton, theo các nghiên
cứu [53-55] nhiệt lượng truyền cho xy lanh được xác định như sau:
dQht dQht dt
1
(2.26)
=
. =A.hg .(T-Tw ). (J/rad)
dθ
dt
dθ
ωe
2.7. Mô hình cháy
2.7.1. Cơ sở lựa chọn mô hình cháy
-5-
nguon tai.lieu . vn
i. Lý do chọn đề tài
Ethanol là một trong những nguồn nhiên liệu sinh học (NLSH) thay thế tiềm năng cho
động cơ đốt trong (ĐCĐT).
Năm 2007, thủ tướng chính phủ ra quyết định số 177/2007/QĐ-TTg về “Đề án phát
triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025” [11].
Hiên nay, ở Việt Nam đang sử dụng xăng E5 cho động cơ xăng, nếu có thể sử dụng
ethanol cho động cơ diesel chiếm tỷ 50% tổng số ĐCĐT thì sẽ góp phần nâng cao tỷ lệ sử
dụng ethanol.
Do vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ
lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol”
ii. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Chuyển đổi thành công một động cơ diesel ô tô sang chạy lưỡng nhiên liệu dieselethanol thông qua thiết kế cải tiến và chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu đảm bảo tỷ lệ
thay thế ethanol tối ưu ở mọi chế độ làm việc của động cơ.
Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ diesel-ethanol đến tính năng kỹ thuật và phát thải của
động cơ.
iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Động cơ thực nghiệm được lựa chọn là loại động cơ diesel D4BB bốn xy lanh, bốn kỳ,
sử dụng bơm phân phối lắp trên xe tải 1,25 tấn của hãng HYUNDAI.
Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong phòng thí nghiệm với các chế độ ổn
định cũng như chuyển tiếp trong toàn bộ vùng làm việc của động cơ.
iv. Phương pháp nghiên cứu của đề tài
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu tổng quan, lý thuyết,
mô phỏng và thực nghiệm.
v. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Kết quả của đề tài góp phần nâng cao năng lực làm chủ và phát triển các công nghệ
chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống sang sử dụng nhiên liệu sạch.
Luận án đã đưa ra phương pháp xây dựng mô hình cháy của động cơ lưỡng nhiên liệu
dựa trên số liệu thực nghiệm, làm tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về động cơ lưỡng
nhiên liệu cũng như về điều khiển động cơ này.
vi. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Ngoài một động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol chuyển đổi từ động cơ diesel sử
dụng trên ôtô, sản phẩm của đề tài còn là phương pháp và quy trình công nghệ chuyển đổi
động cơ diesel sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol, có thể áp dụng linh hoạt cho
các động cơ phổ biến ở Việt Nam nhằm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu sinh học.
Qua đó góp phần thực hiện Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm
nhìn đến năm 2025 đã được chính phủ phê duyệt, theo đó nhiên liệu sinh học sẽ đáp ứng
1% nhu cầu xăng dầu cả nước vào năm 2015 và 5% vào năm 2025 [11].
vii. Điểm mới của luận án
Đề tài đã đưa ra được phương pháp và cơ sở khoa học chuyển đổi động cơ diesel sang
sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol nhằm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu sinh học ở Việt
Nam.
viii. Bố cục chính của luận án
Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần chính sau: Mở đầu; bốn Chương;
Kết luận chung và hướng phát triển.
-1-
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường
Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, nhu cầu vận chuyển bằng ôtô ngày càng
tăng dẫn tới nhu cầu trong nước về nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch ngày càng tăng lên.
Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường
là rất quan trọng và thiết thực. Các nhà khoa học trong và ngoài nước đã và đang nghiên cứu
sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế thân thiện với môi trường cho ĐCDT.
1.2. Nhiên liệu thay thế
1.2.1. Nhiên liệu thay thế dạng khí
1.2.1.1. Khí thiên nhiên nén (CNG-Compressed Natural Gas)
CNG là khí không màu, không mùi, có nhiệt độ ngọn lửa khoảng 1950ºC và nhẹ hơn
không khí.
1.2.1.2. Hyđrô và khí giàu hyđrô
Hyđrô có thể được sản xuất từ nguồn hyđrôcacbon hóa thạch, từ nước và từ sinh khối
bằng các phương pháp như reforming hơi nước, oxy hóa không hoàn toàn, nhiệt phân khí
thiên nhiên, thu hồi H2 từ quá trình reforming và điện phân nước [1, 7].
1.2.2. Nhiên liệu thay thế dạng lỏng
1.2.1.1. Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas)
LPG có thể sử dụng trực tiếp thay thế cho xăng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức hoặc
cũng có thể sử dụng trên động cơ cháy do nén như là một phụ gia nhiên liệu.
1.2.1.2. Than hóa lỏng (CTL-Coal To Liquid) và khí hóa lỏng (GTL -Gas To Liquid)
Than sau quá trình khí hoá, tạo ra syngas và thực hiện quá trình Fischer-Tropsch (FT)
để tạo thành FT diesel (CTL). Trong khi đó, GTL được điều chế từ khí methane, CH4 [1].
1.2.1.3. Dimethyl Ether (DME)
Dimethyl Ether (DME), công thức hoá học là CH3-O-CH3, là loại nhiên liệu có thể làm
khí đốt và có khả năng thay thế cho diesel trên động cơ cháy do nén nhờ có trị số xêtan cao
[1, 57].
1.2.1.4. Biodiesel
Biodiesel có nhiệt trị thấp hơn diesel khoáng. Do đó, nếu hiệu suất cháy như nhau thì
tiêu hao nhiên liệu sẽ cao hơn khi sử dụng biodiesel thay thế diesel khoáng [32].
1.2.1.5. Ethanol
Hiện tại ethanol được sử dụng rộng rãi hơn cả cho các phương tiện giao thông vận tải
[1].
1.3. Đặc điểm nhiên liệu ethanol
1.3.1. Các tính chất vật lý và hóa học của ethanol
1.3.1.1. Tính chất vật lý của ethanol
Ethanol là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị
cay, nhẹ hơn nước [7].
1.3.1.2. Tính chất hóa học của ethanol
Phản ứng oxy hóa, trong đó rượu bị oxy hóa theo 3 mức: Oxy hóa không hoàn toàn
(hữu hạn) tạo ra aldehyde, acid hữu cơ và oxy hóa hoàn toàn (đốt cháy) tạo thành CO 2 và
H2O.
1.3.2. Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam
1.3.2.1. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới
Mỹ và Brazil là hai quốc gia có sản lượng ethanol lớn nhất thế giới, chiếm khoảng
86,25% toàn bộ lượng ethanol sản xuất toàn cầu.
-2-
1.3.2.2. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol tại Việt Nam
Hiện tại, cả nước có bảy nhà máy ethanol với tổng mức đầu tư trên 500 triệu USD,
tổng công suất thiết kế 600000 m3/năm.
1.4. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ đốt trong
1.4.1. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ xăng
1.4.1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu sử dụng ethanol cho động cơ xăng, trong đó có thể
kể đến nghiên cứu [51] với nhiên liệu E5 và E10 đối chứng với xăng Mogas92. Cụ thể khi
sử dụng xăng E5 và E10 cho động cơ xe máy và động cơ ôtô, công suất động cơ và suất tiêu
hao nhiên liệu được cải thiện khi so sánh với trường hợp sử dụng xăng Moga92. Phát thải
CO và HC giảm đáng kể. Trong khí đó, phát thải NOx và khí gây hiệu ứng nhà kính CO2
đều tăng lên.
1.4.1.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Có nhiều nghiên cứu như: Hsieh và các cộng sự [51], Abdel-Rahman và các cộng sự
[23], Al-Hasan [60], Wu và các công sự [98], Yucesu và các cộng sự [102], Mustafa Koç
và các cộng sự [69]. Qua các nghiên cứu cho thấy khi sử dụng nhiên liệu gasoline-ethanol
ở dạng hòa trộn trước đều cho thấy cải thiện được công suất và mô men động cơ, đồng thời
giảm các thành phần phải thải như CO, HC và NOx.
1.4.2. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel
1.4.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Nghiên cứu về đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng
hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn với tỷ lệ ethanol thay thế lần lượt là 5% và 10% [71].
Kết quả cho thấy mô men động cơ và tiêu hao nhiên liệu thay đổi không đáng kể, phát thải
HC, CO và độ khói giảm, phát thải NOx tăng khi so sánh với trường hợp sử dụng diesel gốc.
Tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào công bố sử dụng ethanol cho động cơ diesel bằng phương
pháp phun ethanol trực tiếp vào cửa nạp và điều khiển phối hợp lưỡng nhiên liệu dieselethanol phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ.
1.4.2.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
a) Sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn
Đã có nhiều nghiên cứu như: E.A. Ajav và các cộng sự [42], Eugene EE và các cộng
sự [43] …Kết quả cho thấy, ưu điểm của phương pháp này là không phải thay đổi kết cấu
động cơ mà chỉ cần điều chỉnh thời điểm phun và lượng phun cho phù hợp với tỷ lệ ethanol
thay thế để đảm bảo giữ được mô men và công suất động cơ. Tuy nhiên phương pháp này
không tối ưu được tỷ lệ ethanol thay thế theo tốc độ và tải của động cơ, đồng thời ethanol
có tính hút nước mạnh nên lượng nước trong hỗn hợp sẽ dần tăng lên và làm hỗn hợp bị
phân tách, lượng nước này sẽ dần tăng lên trong quá trình bảo quản và lưu trữ gây khó khăn
trong quá trình sử dụng.
b) Ethanol phun trực tiếp
Theo nghiên cứu của Savage LD [49], phương pháp này cho phép tỷ lệ ethanol lên tới
90% trong điều kiện lý tưởng. Công nghệ này còn tạo ra quá trình cháy êm dịu, độ mờ khói
và khí thải rất thấp. Tuy nhiên áp dụng công nghệ này vào thực tế gặp nhiều khó khăn do
tính phức tạp trong thiết kế hệ thống phun ethanol cao áp.
c) Ethanol phun trên đường ống nạp
Theo phương pháp này M. Abu-Qudais và các cộng sự [61], Ogawa H và cộng sự [72],
Volpato và cộng sự [74]. Kết quả cho thấy, hiệu suất nhiệt được cải thiện khoảng 7,5% trên
-3-
toàn dải tốc độ. Về phát thải cho thấy CO, HC đều tăng trong khi smoke và soot giảm. Tỷ
lệ ethanol tối ưu theo sự giảm độ khói là 20%.
Từ các kết quả trên, cho thấy sử dụng phương pháp phun ethanol gián tiếp trên đường
ống nạp là một phương pháp đơn giản và dễ áp dụng. Tuy nhiên phương pháp này có nhược
điểm là không tận dụng được nhiệt của xupáp nạp nhằm tạo điều kiện bay hơi cho ethanol
khi được phun vào nó.
Qua các nghiên cứu đã trình bày ở trên cho thấy phương pháp phun ethanol vào xupáp
bằng cách sử dụng vòi phun ethanol có áp suất thấp. Phương pháp này có các ưu điểm như
sau:
- Không phải thay đổi lớn kết cấu của động cơ, do vòi phun ethanol được đặt ở trên
đường ống nạp;
- Hệ thống nhiên liệu ethanol đơn giản giá thành thấp;
- Do dùng hai hệ thống nhiên liệu riêng, nên việc ngắt phun ethanol dễ dàng;
- Ethanol bay hơi trong đường ống nạp sẽ làm giảm nhiệt độ khí nạp giúp tăng mật độ
không khí nạp nạp vào động cơ;
- Dễ dàng tối ưu tỷ lệ giữa ethanol và diesel theo các chế độ làm việc của động cơ.
Vì vậy tác giả chọn phương án phun ethanol vào xupáp nạp khi nghiên cứu chuyển đổi
động cơ diesel sang chạy lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol.
1.5. Phương pháp xây dựng mô hình động cơ
Nghiên cứu sinh lựa chọn mô hình làm việc theo thời gian thực dựa trên cơ sở nhiệt
động học và mô phỏng mô hình điều khiển trên cùng một mô hình (SIL).
Để nghiên cứu mô phỏng động cơ đốt trong có thể sử dụng nhiều phần mềm khác nhau.
Cho đến nay có nhiều phần mềm đã và đang được sử dụng để nghiên cứu mô phỏng mô
hình động cơ và phát triển các loại động cơ đốt trong bao gồm: AVL Boost, Diesel RK,
Ricado WARE, Matlab Simulink... Trong đó nghiên cứu sinh lựa chọn phần mềm Matlab
Simulink để xây dựng mô hình động cơ và thiết kế mô hình điều khiển động cơ trên mô hình
này.
1.6. Phương pháp xây dựng mô hình bộ điều khiển
Trong nghiên cứu thường hay sử dụng phương pháp xây dựng mô hình động cơ lưỡng
nhiên liệu diesel-ethanol rồi tiến hành mô phỏng theo thời gian thực để tìm bộ dữ liệu điều
khiển cung cấp nhiên liệu phối hợp, trên cơ sở đó thiết kế và chế tạo bộ điều khiển.
1.7. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tìm hiểu về nhiên liệu thay thế từ đó lựa chọn nhiên liệu thay thế cho
động cơ diesel phù hợp điều kiện sản xuất tại Việt Nam;
- Nghiên cứu tổng quan các biện pháp cung cấp ethanol cho động cơ diesel, từ đó đưa
ra biện pháp áp dụng cho một động cơ diesel đang thịnh hành tại Việt Nam;
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình cháy của động cơ diesel khi phun thêm nhiên
liệu ethanol cũng như động học và động lực học của động cơ nhằm đưa ra các điều kiện biên
cần xác định;
- Thiết kế lắp đặt hệ thống phun nhiên liệu ethanol trên động cơ và lắp đặt các cảm
biến phù hợp để xác định điều kiện biên của mô hình tính;
- Thực nghiệm xác định các thông số điều kiện biên và tỷ lệ thay thế ethanol lớn nhất;
- Xây dựng mô hình động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol làm việc
theo thời gian thực và đánh giá sai số của mô hình tính;
- Thiết kế mô hình điều khiển diesel-ethanol trên mô hình động cơ phù hợp với các chế
độ làm việc của động cơ;
-4-
- Thực nghiệm kiểm chứng mô hình điều khiển khi động cơ đặt trên băng thử, đánh giá
sự ổn định của mô hình điều khiển.
1.8. Kết luận chương 1
Phương án lựa chọn: phun ethanol vào xupáp nạp.
Điều khiển phối hợp phun diesel-ethanol: giữ nguyên Me, giới hạn khói đen, kích nổ
động cơ.
Phương pháp tiêp cận: mô phỏng trực tiếp trên đối tượng bằng Matlab Simulink để
thiết kế bộ điều khiển (ĐK) hệ thống nhiên liệu (HTNL) mới.
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
2.1. Đặt vấn đề
Để xây dựng mô hình động cơ sử dụng lưỡng nhiêu liệu diesel-ethanol và mô hình điều
khiển động cơ này trước hết cần phải nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình.
2.2. Mô hình trao đổi khí
Lượng khí vào và ra khỏi xy lanh được xác định theo các nghiên cứu [36, 53].
2.3. Mô hình hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol.
Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel:
Xác định lượng nhiên liệu diesel phun ở chế độ ổn định theo vị trí tay ga và tốc độ bơm
cao áp [63]. Có nghĩa là lượng nhiên liệu diesel là hàm phụ thuộc vào vị trí tay ga và tốc độ
bơm cao áp np:
(2.9)
minj_die=f(% tay ga, np )
̇
Trong đó: np- Tốc độ bơm cao áp (vg/ph).
Lượng nhiên liệu này được xác định bằng biện pháp thực nghiệm khi động cơ lắp trên
băng thử, hoặc đo trên thiết bị cân bơm cao áp.
Còn mô hình phun ethanol được xác định trên cơ sở số liệu thực nghiệm giữa lượng
phun ethanol và thời gian mở vòi phun.
2.4. Mô hình động lực học
Chuyển vị piston (x), thể tích xy lanh (V), tốc độ thay đổi thể tích xy lanh (dV), tốc độ
trung bình của piston, tốc độ động cơ, mô men quán tính của động cơ…được xác định theo
quy luật động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền, các nghiên cứu [8, 9, 66].
2.5. Mô hình ma sát
Xây dựng mô hình ma sát là cơ sở để xác định tổn thất ma sát của động cơ đốt trong
nói chung trong đó có động cơ diesel. Tổn thất ma sát theo góc quay trục khuỷu bao gồm
hai nhóm sau:
- Nhóm ma sát do piston chuyển động bao gồm: ma sát do độ nhớt của dầu bôi trơn
xéc măng; ma sát hỗn hợp của dầu bôi trơn xéc măng; ma sát của váy piston.
- Nhóm ma sát do chuyển động của các trục gồm: ma sát của các xupáp; ma sát do tải
và phụ tải truyền lên các cổ trục; ma sát do tải tác dụng lên các ổ đỡ.
2.6. Mô hình truyền nhiệt
Nhiệt truyền cho xy lanh được xác định theo định luật làm mát Newton, theo các nghiên
cứu [53-55] nhiệt lượng truyền cho xy lanh được xác định như sau:
dQht dQht dt
1
(2.26)
=
. =A.hg .(T-Tw ). (J/rad)
dθ
dt
dθ
ωe
2.7. Mô hình cháy
2.7.1. Cơ sở lựa chọn mô hình cháy
-5-