Luận án Nghiên cứu chuyển đổi động cơ Diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu Diesel-Ethanol

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.17iv

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. 69v

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

pdf134 trang | Chia sẻ: trungkhoi17 | Lượt xem: 368 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu chuyển đổi động cơ Diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu Diesel-Ethanol, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ông tác của xy lanh (m3). Công tổn thất do ma sát của động cơ Wfr được xác định như sau: Wfr=Wind-Wb (J) Trong đó: Wb-Công có ích của động cơ (J). Tốc độ sinh công có ích của động cơ được xác định như sau: dWb dθ =2.π.Tb.ne (J/độ) Trong đó: ne được qui đổi ra đơn vị là (vg/ph) Áp suất tổn thất trung bình do ma sát của động cơ (FMEP) được xác định như sau: FMEP=IMEP-BMEP (N/m2) Công suất động cơ được xác định như sau: P= W.ne nR Trong đó: W-Công của động cơ (J); ne-Qui đổi ra đơn vị là (vg/s). Mô hình được thực hiện bằng phần mềm Matlab Simulink thể hiện trong Phụ lục 2.8. 2.10. Xác định hệ số dư lượng không khí và tỷ lệ ethanol thay thế Hệ số dư lượng không khí  được xác định theo các nghiên cứu [58], cụ thể là: 42 λ= mair minj_die. ( A F ) die +minj_eth. ( A F ) eth Trong đó: mair-Lượng không khí nạp vào xy lanh (kg); minj_die-Lượng nhiên liệu diesel (kg); minj_eth-Lượng nhiên liệu ethanol (kg); ( A F ) die -Tỷ lệ không khí nhiên liệu diesel; ( A F ) eth -Tỷ lệ không khí nhiên liệu ethanol. Tỷ lệ ethanol thay thế tính theo khối lượng được xác định bằng biểu thức sau: ED= minj_eth minj_eth+minj_die .100 (%) Mô hình được thực hiện bằng phần mềm Matlab Simulink thể hiện trong Phụ lục 2.9. 2.11. Kết luận chương 2 Trên cơ sở nội dung đã trình bày ở trên, có thể rút ra một số kết luận chính của chương, cụ thể như sau: Việc phát triển mô hình có thể giúp phân tích và hiểu rõ sự phức tạp ảnh hưởng đến đặc tính, hiệu suất và phát thải của động cơ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol. Đồng thời có thể sử dụng mô hình động cơ này trong việc phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển. Xây dựng được các mô hình thành phần của động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol bao gồm: mô hình trao đổi khí; mô hình hệ thống cung cấp nhiên liệu; mô hình động lực học; mô hình ma sát; mô hình truyền nhiệt; mô hình cháy; tính toán áp suất xy lanh; tính toán mô men và công suất động cơ; xác định hệ số dư lượng không khí  và tỷ lệ ethanol thay thế. Trên cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ đã trình bày trên cho thấy để hoàn thiện mô hình cần phải xác định hai tham số của phương trình Wiebe là θSOCi, θi, hệ số lưu lượng và tổn thất của dòng khí đi qua xupáp bằng phân tích số liệu thực nghiệm và tối ưu hóa trên mô hình động cơ vì vậy cần phải kết hợp với mô hình động cơ để xác định. Nội dung ứng dụng phần mềm Matlab Simulink nghiên cứu xây dựng mô hình động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol và xác định hai tham số trên sẽ được trình bày cụ thể trong Chương 3. 43 CHƯƠNG 3 ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL- ETHANOL VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 3.1. Đặt vấn đề Như đã trình bày trong nội dung Chương 2, mục đích xây dựng mô hình động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol là để tạo tiền đề cho việc thiết kế mô hình điều khiển động cơ nhằm rút ngắn thời gian thiết kế cũng như giảm chi phí thực nghiệm. Vì vậy trên cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ đã trình bày trong Chương 2, nghiên cứu sinh thực hiện thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu, xây dựng mô hình động cơ và bộ điều khiển phối hợp lượng nhiên liệu diesel và ethanol. Nội dung thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu, xây dựng mô hình động cơ, mô hình bộ điều khiển và kết quả mô phỏng động cơ, mô hình bộ điều khiển phối hợp lượng nhiên liệu diesel và ethanol, đánh giá độ tin cậy của mô hình, phương pháp xác định hai tham số θSOCi và θi sẽ lần lượt trình bày sau đây. 3.2. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng hai loại nhiên liệu là diesel và ethanol với một số tính chất cơ bản được trình bày trong Bảng 3.1. Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật của nhiên liệu diesel và ethanol [30, 73, 105] Thông số Diesel Ethanol Khối lượng riêng ở 20oC (kg/m3) 856 785 Hệ số không khí trên nhiên liệu (kgkk/kgnl) 14,7 8,96 Nhiệt trị thấp (MJ/kg) 42,5 26,87 Nhiệt hóa hơi (kJ/kg) 270 840 Nhiệt độ tự cháy (K) 500 665 Trị số xêtan 45 ÷ 50 5 ÷ 8 Trị số ốc tan 3 111 Hàm lượng cácbon (% khối lượng) 87 52,2 Hàm lượng hyđrô (% khối lượng) 13 13 Hàm lượng oxy (% khối lượng) 0 34,8 Động cơ thực nghiệm được lựa chọn là động cơ diesel D4BB bốn xy lanh, 4 kỳ, buồng cháy ngăn cách IDI (Indirect Injection), sử dụng bơm phân phối lắp trên xe tải 1,25 tấn của hãng Hyundai đang được sử dụng phổ biến ở Việt Nam, các thông số cơ bản của động cơ được trình bày trong Bảng 3.2. Đây là loại động cơ làm mát bằng dung dịch làm mát, thứ tự làm việc 1-3-4-2, không có ECU điều khiển mà chỉ có van điện từ tắt máy (van điện từ cắt nhiên liệu diesel). Bảng 3.2. Những thông số cơ bản của động cơ D4BB [52] 44 Thông số Giá trị Kiểu động cơ Động cơ diesel 4 kỳ, bốn xy lanh thẳng hàng, 8 xupáp, buồng cháy ngăn cách. Đường kính/hành trình B/S (mm) 91,1/100 Dung tích xy lanh (cm3) 2607 Công suất lớn nhất (kW – vg/ph) 59 - 4000 Mô men lớn nhất (N.m – vg/ph) 170 - 2200 Tỷ số nén ε 22 Áp suất phun diesel (kPa) 12800 Dải tốc độ làm việc (vg/ph) 750  4200 Mô men lớn nhất của động cơ D4BB bằng 170 N.m tại số vòng quay 2200 vg/ph thể hiện trong Bảng 3.2 được tham khảo theo tài liệu của hãng đối với động cơ mới. Trong quá trình thực nghiệm, NCS được sự tạo điều kiện của Bộ môn Động cơ Đốt trong – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội cho dùng động cơ diesel D4BB đã qua sử dụng nên mô men lớn nhất chỉ còn đạt được 165 N.m tại số vòng quay 2000 vg/ph. 3.3. Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu Sơ đồ hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol được thể hiện trên Hình 3.1 và Hình 3.3. Hệ thống phun ethanol, hệ thống điều khiển phun và vị trí lắp vòi phun Trong quá trình thực nghiệm tác giả sử dụng vòi phun của động cơ xăng có dung tích công tác 2000 (cm3) để phun ethanol. Đây là vòi phun kiểu điện từ được điều khiển phun bằng ECU MotoHawk ECM‐0565‐128‐0702‐C của hãng Woodward. Áp suất phun ethanol được tạo ra nhờ bơm ethanol và luôn được duy trì ổn định ở mức 2,5 kg/cm2. Hình ảnh lắp đặt vòi phun ethanol trên đường nạp của động cơ được thể hiện trên Hình 3.2. 45 Các thông số đầu vào của ECU, hệ thống cung cấp, vị trí lắp vòi phun ethanol, bố trí động cơ điều khiển ga và cảm biến vị trí tay ga được giới thiệu trên các Hình 3.1 đến 3.3. Vòi phun ethanol và động cơ điều khiển tay ga bơm cao áp được điều khiển bởi ECU. ECU điều khiển phối hợp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol đảm bảo bảo giữ mô men động cơ là hằng số tương ứng với từng chế độ ổn định. Để thực hiện việc này thông thường phải sử dụng các phần mềm chuyên dụng, tuy nhiên nghiên cứu sinh chọn phần mềm Matlab Simulink với lý do là có thể biên dịch trực tiếp chương trình điều khiển từ mô hình bộ điều khiển mà không phải tự viết code. Chương trình điều khiển sau khi biên dịch được nạp vào ECU MotoHawk ECM‐0565‐128‐0702‐C của hãng Woodward (đây là ECU trắng). Sơ đồ bố trí, lắp đặt vòi phun ethanol trên đường ống nạp của động cơ 1- Lọc ethanol; 2- Đường ống hồi ethanol; 3- Tín hiệu điều khiển vòi phun ethanol; 4- Đường ống dẫn ethanol từ bơm đến các vòi phun ethanol; 5- Các vòi phun ethanol; 6- Đường ống nạp của động cơ; 7- Động cơ diesel D4BB. Sơ đồ bố trí động cơ điều khiển ga và cảm biến vị trí tay ga 46 1- Tín hiệu điều khiển; 2- Động cơ kéo ga; 3- Cáp kéo ga; 4- Bơm cao áp; 5- Cảm biến ga; 6- Động cơ diesel D4BB; 7- Các vòi phun diesel; 8- Các đường ống cao áp. Trong quá trình thực nghiệm, nghiên cứu sinh sử dụng động cơ điều khiển ga của BMW, về bản chất thiết bị này bao gồm động cơ điện một chiều kéo ga và cảm biến vị trí kiểu biến trở. Động cơ điện một chiều điều khiển lực kéo bằng cách thay đổi độ rộng xung điều khiển PWM, tín hiệu vị trí của động cơ kéo ga được phản hồi về bộ điều khiển vòng kín PID để hiệu chỉnh lại vị trí ga. 3.4. Trang thiết bị nghiên cứu Các trang thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu đều là những trang thiết bị hiện đại được cung cấp đồng bộ bởi hãng AVL (Cộng hòa Áo) và của các hãng Woodward (Mỹ) và Bosch (Đức). Các trang thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu được lắp đặt tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận Tải và Học Viện Kỹ thuật Quân sự. Các trang thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu đã và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước sử dụng trong nghiên cứu phát triển động cơ đốt trong do chúng đảm bảo độ tin cậy cao. Sơ đồ bố trí và kết nối các trang thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu được giới thiệu trên Hình 3.4. Sơ đồ bố trí thiết bị thực nghiệm 1- Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu diesel; 2-Bơm cao áp; 3- Cảm biến vị trí ga; 4- Lọc không khí; 5- Bơm ethanol; 6- Thùng chứa ethanol; 7- Lọc ethanol; 8- Cảm biến lưu lượng không khí; 9- Cảm biến kích nổ; 10- Cảm biến trục cam; 11- Cảm biến tốc độ động cơ; 12- Cảm biến nhiệt độ dung dịch làm mát ra khỏi động cơ; 13- Thiết bị cung cấp và điều khiển nhiệt độ dung dịch làm mát động AVL PUMA AVL 753 AVL 733S AVL INDISET AVL 553 COMPUTER E C U 1 2 3 4 5 6 7 8 12 14 10 11 16 17 18 AVL CEB-II 15 13 19 2021 2223 A B 9 47 cơ;14- Cảm biến nhiệt độ dung dịch làm mát vào động cơ; 15- Cảm biến ; 16- Cảm biến áp suất xy lanh; 17- Vòi phun diesel; 18- Vòi phun ethanol; 19- Máy tính; 20- Thiết bị phân tích khí xả; 21- Thiết bị xử lý trung tâm; 22- Thiết bị đo áp suất xy lanh; 23- Thiết bị cung cấp, đo tiêu hao và điều chỉnh nhiệt độ nhiên liệu; A-Tín hiệu vào; B-Tín hiệu ra; ECU- Bộ điều khiển điện tử. Các trang thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm động cơ được giới thiệu lần lượt sau đây. 3.4.1. Băng thử tính năng động lực cao (AVL APA 100) Phanh điện AVL APA 100 có thể hoạt động được ở chế độ phanh điện và động cơ điện. Tác dụng tương hỗ giữa lực từ của stato và rotor sẽ tạo ra tải trọng cho động cơ hoặc kéo động cơ đốt trong quay. Vỏ stato do được đặt trên hai gối đỡ nên cũng có xu hướng quay theo. Một cảm biến lực (loadcell) giữ vỏ stato ở vị trí cân bằng và xác định giá trị lực tương hỗ này. Tốc độ quay của băng thử được xác định bằng cảm biến tốc độ kiểu encoder. Công suất lớn nhất của băng thử ở chế độ động cơ điện là 200kW, ở chế độ phanh điện là 220kW trong dải tốc độ từ 2250 đến 4500 vòng/phút, tốc độ cực đại 8000 vòng/phút. Băng thử được trang bị các hệ thống điều khiển, xử lý số liệu tự động và hiển thị kết quả, mô hình hoá như PUMA, EMCON 300, Concerto và ISAC 300, giúp cho quá trình điều khiển được dễ dàng và bảo đảm kết quả thực nghiệm chính xác. Hình ảnh của phanh điện APA 100 được thể hiện trên Hình 3.5. Động cơ diesel D4BB lắp trên băng thử dùng Phanh điện AVL APA 100 1- Phanh điện AVL APA 100; 2- Các khớp các đăng; 3- Bánh đà; 4- Động cơ diesel D4BB. 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 Thiết bị được dùng để cung cấp, đo tiêu hao nhiên liệu diesel và điều khiển nhiệt độ nhiên liệu cấp cho động cơ thực nghiệm trên băng thử. Kết hợp hai thiết bị AVL 733S và AVL 753 đảm bảo độ chính xác ngay cả khi tiêu hao nhiên liệu động cơ thấp và thời gian đo nhỏ. Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu kiểu khối lượng AVL Fuel Balance 733S sử dụng nguyên lý đo trọng lượng, do vậy khắc phục được sai số khi nhiệt độ của nhiên liệu thay đổi trong quá trình đo. Dải đo thông dụng của AVL Fuel Balance 733S từ 0 ÷ 150 kg/h. Đường 48 ống cấp nhiên liệu của thiết bị được nối với đường nhiên liệu vào bơm cao áp của động cơ, đường ống hồi nhiên liệu của bơm cao áp được nối với đường hồi nhiên liệu của thiết bị. Một số thông số cơ bản của thiết bị AVL Fuel Balance 733S được thể hiện trong Bảng 3.3. Bảng 3.3. Thông số thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL733S và AVL 753 [108] Thông số Giá trị Dải đo 0  150 kg/h Lượng nhiên liệu trong thùng chứa 1800 g Sai số 0,12 % Nhiệt độ môi trường 0  60 oC Phạm vi điều khiển nhiệt độ nhiên liệu -10  70 oC Áp suất nhiên liệu cung cấp 0,1  0,8 bar Điện áp hoạt động 24 V ± 0,5 VDC Dòng điện tiêu thụ 1,6 A 3.4.3. Thiết bị cung cấp và điều khiển nhiệt độ dung dịch làm mát động cơ AVL 553 Thiết bị AVL 553 dùng để cung cấp dung dịch làm mát và điều khiển nhiệt độ dung dịch làm mát động cơ theo yêu cầu thực nghiệm. Các thông số cơ bản của thiết bị được thể hiện cụ thể như Bảng 3.4. Bảng 3.4. Thông số cơ bản của thiết bị AVL 553 Thông số Giá trị Dải nhiệt độ động cơ 70 ÷ 120 oC Công suất trao đổi nhiệt 18 kW Lưu lượng 15 m3/h Nhiệt độ mạch sơ cấp 20 ÷ 125 oC Nhiệt độ mạch thứ cấp 5 ÷ 85 oC Áp suất vòng nước làm mát thứ cấp 8 bar Sơ đồ lắp đặt thiết bị thể hiện trên Hình 3.6. 49 Hệ thống làm mát nước AVL 553 Chất lỏng làm mát sau khi đi làm mát cho động cơ, được đưa về thiết bị AVL 553 theo đường B, và từ AVL 553 đến làm mát động cơ theo đường A. Còn đường làm mát của thiết bị theo đường vào C, ra ở đường D. 3.4.4. Thiết bị phân tích khí xả AVL CEB-II Tủ phân tích khí xả CEB-II (Hình 3.7) là hệ thống phân tích khí thải bao gồm toàn bộ các môđun thực hiện quá trình phân tích các thành phần khí thải (các bộ phân tích) và các thiết bị đảm bảo điều kiện làm việc chính xác của hệ thống như: khối làm nóng (HSU), khối chuẩn đoán, khối điều khiển Ngoài ra, tủ phân tích còn được lắp đặt một máy tính công nghiệp với phần mềm điều khiển GEM110. Việc kết nối máy tính điều khiển với các bộ phân tích được thực hiện thông qua các tín hiệu số, tùy thuộc vào bộ phân tích mà có thể kết nối với máy tính qua mạng CAN, LAN hay qua cáp nối tiếp RS232. Các bộ phân tích lắp đặt trong tủ CEB-II để đo các thành phần khí thải như: CO, CO2, NO, NOx, HC, đồng thời còn đo được λ. Tủ AVL CEB-II 1- Máy tính; 2- Khối SCU; 2a- Khối làm nóng; 2b- Khối làm lạnh; 2c- Khối điều khiển SCU; 2d- Vùng dành cho ERG; 3- Vùng đặt các bộ phân tích; 4- Bảng đồng hồ khí; 5- Công tắc hệ thống; 6- Khối chẩn đoán; 7- Các đường khí và nguồn điện. 3.4.5. Bộ điều khiển vòi phun ethanol 50 Vòi phun ethanol được điều khiển bởi ECU MotoHawk ECM‐0565‐128‐0702‐C của hãng Woodward và được xây dựng đặc tính mối quan hệ giữa thời gian phun và lượng phun trước khi lắp lên động cơ. ECU ECM‐0565‐128‐0702‐C được giới thiệu trên các Hình 3.8. ECM MotoHawk ECM‐0565‐128‐0702‐C [110] Đặc điểm: đây là bộ điều khiển điện tử (ECM-Electronic Control Unit) sử dụng bộ vi xử lý 32 bit tốc độ cao bộ nhớ lớn, kết hợp với trình dịch Motohawk cho phép dịch từ Matlab Simulink sang ngôn ngữ máy Assembler. Nhờ ưu điểm này người thiết kế có thể mô phỏng tối ưu chương trình điều khiển trên Matlab Simulink và gửi trực tiếp sang ECM mà không cần công đoạn trung gian là tự viết code, giúp cho tính thời gian thực của chương trình được đảm bảo. ECM có thể hoạt động chính xác trong các điều kiện khắc nghiệt, có khả năng điều khiển các tín hiệu phức tạp, tần số cao và cho phép kết nối với máy tính, các thiết bị chẩn đoán và các ECU trên xe khác thông qua cổng CAN 2.0B [110]. Thông số kỹ thuật cơ bản của ECM‐0565‐128‐0702‐C [110]:  Bộ xử lý: Freescale MPC565, 56 MHz.  Bộ nhớ: 1M Flash, 36K RAM, 8K Serial EEPROM, 64Kx8 Parallel EEPROM, 512K External RAM.  Điện áp hoạt động: 9 ÷ 32V DC.  Nhiệt độ hoạt động: -40oC ÷ 105oC (Đối với động cơ hàng hải). Đầu nối kín: có thể hoạt động dưới độ sâu 3 m (10 fit).  Nhiệt độ lưu trữ: -40oC ÷ 125oC.  Khả năng chống ẩm: 85% tại 85oC cho 1000h làm việc. Để thu nhận các thông số làm việc và thông số điều chỉnh của ECU, hãng Woodward cung cấp phần mềm Mototune. Phần mềm này cho phép liên tục đọc và ghi theo thời gian thực các thông số đầu vào, ra và giá trị tính toán trong ECU thông qua cổng CAN. Các thông số đầu vào của ECU bao gồm: tốc độ động cơ, vị trí tay điều khiển bơm cao áp, , kích nổ; các thông số tính toán trong ECU như: lượng diesel yêu cầu, lượng ethanol yêu cầu, mô men yêu cầu, thời gian mở vòi phun ethanol và cho phép hiệu chỉnh lại các tham số điều khiển như MAP lượng phun diesel yêu cầu, MAP lượng ethanol yêu cầu, MAP mô men yêu cầu Để sử dụng được các phần mềm này thì cần phải có USB chứa mã bản quyền (Hard Lock) kết nối với máy tính qua cổng USB. Hình ảnh tổng quan kết nối bộ điều khiển MotoHawk với đối tượng điều khiển, máy tính với công cụ Mototune đương thể hiện trên Hình 3.9. 51 Hình ảnh tổng quan kết nối bộ điều khiển MotoHawk với công cụ Mototune 3.4.6. Cảm biến áp suất xy lanh AVL QC33C Áp suất xy lanh là thông số rất quan trọng trong việc phân tích quá trình cháy trong xy lanh động cơ, cũng như dùng đánh giá hiệu quả của quá trình cháy, độ ồn động cơ, tốc độ thay đổi áp suất và hiệu quả làm việc của động cơ. Có nhiều loại cảm biến có thể đo được diễn biến áp suất trong xy lanh. Trong luận án này, nghiên cứu sinh sử dụng cảm biến áp suất xy lanh QC33C của hãng AVL. Loại cảm biến này được làm mát bằng nước. Các thông số cơ bản của cảm biến này được thể hiện cụ thể trong Bảng 3.5. Bảng 3.5. Thông số cơ bản của cảm biến áp suất QC33C [106, 109] Thông số Giá trị Ghi chú Dải đo 0  200 bar Quá tải 260 bar Tuổi thọ  107 Chu kỳ tải Độ nhạy 28 pC/bar Danh nghĩa Độ tuyến tính  ± 0,2% FSO Tần số 70 kHz Nhiệt độ làm việc  400oC Hình ảnh của cảm biến áp suất xy lanh QC33C được thể hiện trên Hình 3.10. 52 Cảm biến QC33C 3.4.7. Thiết bị đo áp suất xy lanh AVL 620 Indiset Thiết bị AVL 620 Indiset với phần mềm Indiwin có chức năng đo diễn biến áp suất trong xy lanh theo thời gian thực hoặc góc quay trục khuỷu, đồng thời đo độ rung động cơ. Thiết bị này cho phép nghiên cứu tỷ lệ nhiên liệu cháy theo góc quay trục khuỷu, nghiên cứu tốc độ tỏa nhiệt của nhiên liệu. Đồng thời có thể nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình phun nhiên liệu, góc phun sớm đến khả năng cháy của nhiên liệu. Các thông số cơ bản của thiết bị này được thể hiện trong Bảng 3.6. Bảng 3.6. Bảng thông số cơ bản của thiết bị AVL 620 Indiset Thông số Giá trị Số kênh đo 8 Điện áp làm việc DC 22  28 V Phần mềm điều khiển Indiwin Hình ảnh thiết bị AVL 620 Indiset thể hiện trong Hình 3.11. Thiết bị AVL 620 Indiset 3.4.8. Cảm biến kích nổ Cảm biến kích nổ được sử dụng để đo rung động của động cơ, cảm biến này được bố trí lắp đặt trên nắp máy của động cơ. Cảm biến kích nổ được sử dụng trong nghiên cứu là cảm biến kích nổ của hãng DelPhi, các thông số cơ bản của cảm biến này được thể hiện trên Bảng 3.7. Hình ảnh bố trí lắp đặt cảm biến này trên động cơ D4BB được thể hiện trên Hình 3.12. Bảng 3.7. Thông số cơ bản của cảm biến kích nổ Thông số Giá trị Điện áp đầu ra Giá trị trung bình bằng 27 ± 10 mV/g 53 Thông số Giá trị Dải nhiệt độ làm việc -40oC  150oC Dải đo 1  18 kHz Hình ảnh bố trí lắp đặt cảm biến kích nổ trên động cơ D4BB 3.4.9. Cảm biến lambda LSU 4.9 Cảm biến này được sử dụng để đo thông số hệ số dư lượng không khí  trong khí xả, được bố trí lắp đặt tại đầu ra của cụm đường ống thải động cơ. Cảm biến được thiết kế để đo hệ số dư lượng không khí  trong khí xả của động cơ đốt trong (động cơ xăng hoặc động cơ diesel). Đây là loại cảm biến dải rộng có dải đo  từ 0,65  10,1. Thông số cơ bản của cảm biến được thể hiện trong Bảng 3.8. Bảng 3.8. Thông số cơ bản của cảm biến LSU 4.9 [31] Thông số Giá trị Dải đo  0,65  10,1 Nhiên liệu tương thích Xăng/Diesel/E85 Áp suất khí xả  2,5 bar Nhiệt độ khí xả  930 oC Điện áp nguồn cấp 10,8  16,5 V Hình ảnh cảm biến lambda LSU 4.9 được thể hiện như Hình 3.13. Cảm biến LSU 4.9 3.5. Qui trình và chế độ thực nghiệm động cơ Cảm biến kích nổ 54 Động cơ được đặt trên băng thử động lực học cao APA 100 thuộc Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Đi kèm là các thiết bị đo kiểm bao gồm: thiết bị đo tiêu hao và điều chỉnh nhiệt độ nhiên liệu kiểu khối lượng AVL 733S và 735S; cảm biến áp suất xy lanh QC33C và thiết bị thu nhận dữ liệu Indicating với phần mềm Indiwin có chức năng đo diễn biến áp suất trong xy lanh theo góc quay trục khuỷu; thiết bị cung cấp và điều chỉnh nhiệt độ nước làm mát AVL 553; vòi phun ethanol và độ mở tay ga của bơm cao áp được điều khiển bởi ECU MotoHawk ECM‐0565‐128‐0702‐C [110] của hãng Woodward với đặc tính mối quan hệ giữa thời gian phun và lượng phun được xây dựng trước khi lắp lên động cơ (Hình 3.4). Chế độ thực nghiệm ổn định: chế độ thực nghiệm này được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Mục đích việc thực nghiệm ở chế độ này là nhằm xác định lượng ethanol thay thế lớn nhất cũng như xác định các tham số cho quá trình cháy, do đó quá trình tiến hành như sau: Thứ nhất: tải của động cơ được lựa chọn ở 100%, 75% và 50% của giá trị mô men lớn nhất khi thực nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu diesel gốc, cụ thể là 165, 121 và 81(Nm) trong hai trường hợp: tốc độ động cơ được cố định tại vùng mô men lớn nhất 2000 vg/ph và tốc độ động cơ thay đổi từ 1000  3500 vg/ph với bước nhảy 500 vg/ph. Thứ hai: thời điểm bắt đầu phun ethanol của từng vòi phun được điều khiển độc lập tại vị trí cuối nén đầu cháy của mỗi xy lanh và phun lên xupáp nạp nhằm tận dụng nhiệt của xupáp giúp ethanol bay hơi tốt hơn. Thứ ba: lượng ethanol thay thế được điều khiển tăng lên bao nhiêu thì lượng diesel được điểu khiển giảm đi tương ứng và ngược lại bằng cách điều khiển ga để đảm bảo cố định mô men lần lượt ở 100%, 75% và 50%. Đồng thời lượng ethanol thay thế lớn nhất được giới hạn tại hệ số  lớn hơn hoặc bằng 1,2 và hiện tượng kích nổ xác định từ cảm biến kích nổ gắn trên động cơ. Góc phun sớm diesel bằng 15 (độ) trước điểm chết trên. Thứ tư: giá trị áp suất trong xy lanh trong quá trình thực nghiệm được ghi nhận bằng thiết bị thu nhận dữ liệu Indicating với phần mềm Indiwin có chức năng đo diễn biến áp suất trong xy lanh theo góc quay trục khuỷu. Thứ năm: quá trình thực nghiệm lưỡng nhiên liệu được tiến hành khi nhiệt độ động cơ đạt tới 70oC nhằm đảm bảo ethanol bay hơi hoàn toàn trước khi đi vào trong xy lanh. Chế độ thực nghiệm này được tiến hành trên băng thử AVL trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Thực nghiệm chế độ chuyển tiếp: chế độ thực nghiệm này được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải. Mục đích việc thực nghiệm chế độ chuyển tiếp là nhằm xác định đặc tính động học của bộ điều tốc bơm cao áp. Hình 3.14 cho thấy đặc tính lý thuyết của bơm cao áp, thể hiện mối quan hệ giữa vị trí tay ga 0%  100%, tốc độ bơm và lượng nhiên liệu phun. Ví dụ quả ga đang điều chỉnh lượng nhiên liệu ở vị trí tốc độ ổn định ứng với điểm A tương ứng 10% vị trí tay ga. Nếu tay ga đột ngột tăng từ vị trí 10% lên vị trí 80%, ngay lập tức quả ga sẽ tăng lên vị trí có lượng nhiên liệu cung cấp lớn nhất, lúc này động cơ sẽ tăng tốc. Quả ga sẽ duy trì ở vị trí lớn nhất cho đến khi nào tốc độ bơm đạt đến tốc độ yêu cầu, khi đó điều tốc bắt đầu dịch chuyển quả ga giảm lượng nhiên liệu phun nhằm làm giảm tốc độ động cơ. Điều tốc tiếp tục dịch chuyển quả ga về phía cắt nhiên liệu cho đến khi nào lượng nhiên liệu phun giữ được tốc độ yêu cầu. Nếu tốc độ động cơ thay đổi do thay đổi tải, thì điều tốc sẽ điều chỉnh quả ga đến vị trí tăng hoặc giảm lượng nhiên liệu để giữ được tốc độ yêu cầu. Dựa vào ví dụ trên cho thấy khi đạp ga đột ngột thì điều tốc chỉ làm việc khi mà tốc độ động cơ đạt đến tốc độ yêu cầu, nếu chưa đạt thì điều tốc vẫn chưa làm việc. 55 Từ đặc điểm này cho thấy để xác định được đặc tính động học của bộ điều tốc thì tay ga cần phải kéo nhanh sao cho tay ga ổn định khi tốc độ động cơ chưa đạt đến tốc độ yêu cầu để thể hiện rõ được sự ảnh hưởng của điều tốc đến biến thiên tốc độ động cơ. Trong các phương trình động học của bộ điều tốc cũng cho thấy ảnh hưởng của các tốc độ động cơ khác nhau đến động học của bộ điều tốc. Do đó thực nghiệm cần chia nhiều mức tốc độ yêu cầu khác nhau hay nói cách khác là vị trí tay ga khác nhau để thể hiện được ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến đáp ứng của bộ điều tốc. Để đáp ứng được các vấn đề nêu trên thì quá trình thực nghiệm chế độ chuyển tiếp có đặc điểm như sau: Thứ nhất: đặc tính kéo tay ga cần phải lập trình chính xác theo thời gian đảm bảo đồng bộ các thông số của bộ điều khiển và băng thử công suất, đặc tính này được thiết lập trong chương trình của ECM và gửi trực tiếp đến bộ điều khiển PID điều khiển tay ga bơm cao áp. Thứ hai: để đảm bảo an toàn cho băng thử công suất do sự thay đổi đột ngột về tốc độ và mô men nên băng thử được đặt giới hạn, tức là khi tốc độ động cơ lớn hơn tốc độ đã đặt băng thử sẽ tăng mô men phanh để giữ tốc độ động cơ tại tốc độ này. Thứ ba: các thông số đo liên tục theo thời gian thực (10 ms một lần lấy mẫu) bao gồm tốc độ động cơ, vị trí tay ga bơm cao áp, mô men, tiêu thụ nhiên liệu. Thứ tư: quy luật tay ga bơm cao áp được thể hiện trên Hình 3.15, trong đó

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_chuyen_doi_dong_co_diesel_thanh_dong_co_l.pdf
Tài liệu liên quan