- NGUYỄN THÀNH BẮC NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL THÀNH ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC HÀ NỘI - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI. - NGUYỄN THÀNH BẮC NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL THÀNH ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số: 62520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. - TS TRẦN ANH TRUNG HÀ NỘI - 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi, Nguyễn Thành Bắc, xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của GS.TS Phạm Minh Tuấn và TS Trần Anh Trung. - Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác! TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Hà Nội, tháng 01 năm 2018 Nghiên cứu sinh Nguyễn Thành Bắc Người hướng dẫn 1 GS.TS Phạm Minh Tuấn Người hướng dẫn 2 TS Trần Anh Trung ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. - Tôi xin chân thành biết ơn thầy, cô trong Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này. - Tôi xin chân thành biết ơn Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để thực hiện thực nghiệm trên băng thử động cơ. - Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban chủ nhiệm Khoa Công nghệ Ôtô và các thầy trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. - Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện nghiên cứu này. - tháng 01 năm 2018 Nghiên cứu sinh Nguyễn Thành Bắc iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. - 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. - 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. - 5 1.2.Nhiên liệu thay thế. - 5 1.2.1.Nhiên liệu thay thế dạng khí. - 6 1.2.2.Nhiên liệu thay thế dạng lỏng. - 8 1.3.Đặc điểm nhiên liệu ethanol. - 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. - 15 1.5.Phương pháp xây dựng mô hình động cơ. - 17 1.6.Phương pháp xây dựng mô hình bộ điều khiển. - 19 1.7.Nội dung nghiên cứu. - 23 iv 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 2.2.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 học. - 29 2.5.Mô hình ma sát. - 30 2.6.Mô hình truyền nhiệt. - 33 2.7.Mô hình cháy. - 34 2.7.1.Cơ sở lựa chọn mô hình cháy. - 34 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 CHƯƠNG 3 ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG. - 42 3.2.Đối tượng nghiên cứu. - 42 3.3.Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu. - 43 3.4.Trang thiết bị nghiên cứu. - 46 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. - 46 3.4.3.Thiết bị cung cấp và điều khiển nhiệt độ dung dịch làm mát động cơ AVL 553. - 48 3.4.5.Bộ điều khiển vòi phun ethanol. - 48 3.4.6.Cảm biến áp suất xy lanh AVL QC33C. - 50 3.4.7.Thiết bị đo áp suất xy lanh AVL 620 Indiset. - 52 3.5.Qui trình và chế độ thực nghiệm động cơ. - 52 3.6.Xác định các thông số đầu vào cơ bản của mô hình động cơ. - 56 3.6.3.Áp suất xy lanh. - 61 3.7.Phân tích số liệu thực nghiệm và xây dựng mô hình động cơ. - 64 3.7.2.Xác định tốc độ tỏa nhiệt. - 64 3.7.3.Xác định thời điểm bắt đầu cháy, khoảng thời gian cháy và phần nhiên liệu đã cháy66 3.7.4.Mô hình hóa hệ thống nhiên liệu. - 70 3.7.5.Xây dựng mô hình động cơ. - 71 3.8.Đánh giá độ tin cậy của mô hình. - 72 3.8.2.Đánh giá áp suất xy lanh. - 74 3.8.3.Đánh giá mô men và công suất động cơ. - 78 3.8.4.Đánh giá tốc độ động cơ ở chế độ ổn định và chuyển tiếp. - 83 3.9.Bộ điều khiển động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol và mô hình mô phỏng. - 91 v 3.9.2.Thuật toán điều khiển. - 91 3.9.2.1.Mô men yêu cầu. - 93 3.9.2.3.Điều khiển giới hạn hệ số chế độ chuyển tiếp. - 96 3.9.3.Đánh giá mô hình điều khiển trên mô hình động cơ. - 96 3.9.3.1.Đánh giá mô hình điều khiển trên mô hình động cơ ở chế độ ổn định. - 96 3.9.3.2.Đánh giá bộ điều khiển trên mô hình động cơ ở chế độ chuyển tiếp. - 99 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM. - 100 4.2.Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm. - 100 4.3.Điều kiện nghiên cứu thực nghiệm. - 100 4.4.Phương pháp thực nghiệm. - 100 4.5.Kết quả thực nghiệm ở chế độ ổn định. - 101 4.5.1.Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến nhiệt tỏa ra. - 101 4.5.2.Mối quan hệ giữa tỷ lệ ethanol thay thế và tốc độ động cơ. - 102 4.5.3.Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến suất tiêu hao năng lượng. - 102 4.5.4.Xác định tỷ lệ ethanol thay thế lớn nhất. - 104 4.5.5.Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến hệ số dư lượng không khí. - 105 4.5.6.Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến tiêu hao nhiên liệu. - 107 4.5.7.Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến phát thải của động cơ. - 116 4.6.1.Tốc độ động cơ. - 116 4.6.2.Mô men động cơ. - 117 4.6.3.Công suất động cơ. - 118 4.6.5.Hệ số dư lượng không khí. - 119 4.6.6.Phát thải động cơ. - 133 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải Đơn vị a Tham số bậc hai của hàm đáp ứng bậc hai trong mô hình bơm cao áp - A Diện tích tức thời của thành buồng công tác xy lanh m2 A/F Tỷ lệ không khí trên nhiên liệu lý thuyết - A/Fdie Tỷ lệ không khí nhiên liệu diesel - A/Feth Tỷ lệ không khí nhiên liệu ethanol - Ahp Diện tích đỉnh piston m2 ai Tham số mô hình cháy Wiebe tương ứng với từng giai đoạn cháy - APP Độ mở bàn đạp chân ga (accelerator pedal position. - AVL Tập đoàn AVL- Cộng hòa Áo - AVL 553 Thiết bị cung cấp dung dịch làm mát và điều khiển nhiệt độ dung dịch làm mát động cơ của hãng AVL - AVL 620 Indiset Thiết bị đo áp suất xy lanh của hãng AVL - AVL 733S Thiết bị được dùng để cung cấp, đo tiêu hao nhiên liệu của hãng AVL - AVL 753 Thiết bị điều khiển nhiệt độ nhiên liệu của hãng AVL - AVL APA 100 Phanh điện của hãng AVL - AVL Boost Phần mềm mô phỏng và phát triển động cơ đốt trong do tập đoàn AVL sản xuất - AVL CEB-II Thiết bị phân tích khí xả của hãng AVL - AVL QC33C Cảm biến áp suất xy lanh của hãng AVL - b Tham số bậc nhất của hàm đáp ứng bậc hai trong mô hình bơm cao áp - B Đường kính piston m B10 Diesel pha cồn với tỷ lệ cồn 10. - vii B5 Diesel pha cồn với tỷ lệ cồn 5. - Biodiesel Nhiên liệu biodiesel - BMEP Áp suất có ích trung bình của động cơ N/m2 BSEC Suất tiêu hao năng lượng MJ/kW.h c Tham số bậc không của hàm đáp ứng bậc hai trong mô hình bơm cao áp - c1 Hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào hình dạng xéc măng - c2 Hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào sự tăng thêm ma sát của xéc măng khí đầu tiên do thiếu dầu bôi trơn - c3 Hệ số thực nghiệm tính đến ảnh hưởng của sự thay đổi của chiều dày màng dầu do sự nghiêng của piston - c4 Hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào cam hoặc bề mặt dẫn động - c5 Hệ số thực nghiệm - c6 Hệ số thực nghiệm - CAN Mạng CAN - CD Hệ số tổn thất của dòng khí đi qua xupáp - Cf Hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xupáp - CHR Nhiệt tỏa ra J CLP Vị trí tay ga bơm cao áp (control lever position. - CO Mônôxit cácbon ppm CO2 Cácboníc ppm CR Hệ thống nhiên liệu Comman Rail - CTL Than hóa lỏng (Coal To Liquid. - d1 d13 Các hệ số được xác định bằng phương pháp tối ưu dùng để xác định động học bộ điều tốc bơm cao áp - viii Das Đường kính chốt piston mm Dcb Đường kính cổ biên trục khuỷu mm delta Khoảng thời gian cháy độ Diesel Nhiên liệu diesel - Diesel RK Phần mềm mô phỏng và phát triển động cơ đốt trong do Nga sản xuất - diesohol Diesel pha cồn - diff Giai đoạn cháy khuếch tán của nhiên liệu diesel - Dmb Đường kính cổ trục trục khuỷu mm DME Nhiên liệu Dimethyl Ether - dmin/dt Tốc độ thay đổi lượng khí nạp kg/s dmout/dt Tốc độ thay đổi lượng khí thải kg/s p Độ chênh lệch áp suất trước và sau cửa nạp hoặc thải mmH2O dp/dt Tốc độ thay đổi áp suất N/m2.s dQhr/dt Tốc độ tỏa nhiệt theo thời gian J/s dQht/dt Tốc độ nhiệt truyền cho vách xy lanh theo thời gian J/s dQht/dθ Tốc độ nhiệt truyền cho vách xy lanh theo góc quay trục khuỷu J/rad dQhti/dθ Tốc độ cháy của từng giai đoạn J/độ dt/dθ Đạo hàm thời gian theo góc quay trục khuỷu s/rad dU/dt Tốc độ biến thiên nội năng do nhiệt độ khí thay đổi J/s Dv Đường kính nấp xúp páp m dV/dt Tốc độ thay đổi thể tích công tác của xy lanh m3/s d/dt Gia tốc góc của trục khuỷu rad/s2 ix dWb/dθ Tốc độ sinh công có ích của động cơ J/độ dxb_diff_die/dθ Tốc độ tỏa nhiệt của diesel trong giai đoạn cháy khuếch tán J/độ dxb_eth/dθ Tốc độ tỏa nhiệt của ethanol J/độ dxb_main_die/dθ Tốc độ tỏa nhiệt của diesel trong giai đoạn cháy chính J/độ dxbi/dθ Tốc độ cháy - θi Khoảng thời gian cháy của từng giai đoạn độ E10 Xăng pha cồn với tỷ lệ cồn 10. - E5 Xăng pha cồn với tỷ lệ cồn 5. - E85 Xăng pha cồn với tỷ lệ cồn 85. - ECM Bộ điều khiển điện tử (Electronic Control Module. - ECU Bộ điều khiển điện tử (Electronic Control Unit. - EOC Thời điểm kết thúc quá trình cháy độ Ethanol Nhiên liệu cồn ethanol - Exp Thực nghiệm - FMEP Tổn thất áp suất trung bình do ma sát (Friction mean effective pressure) N/m2 Chỉ số đoạn nhiệt - Gasohol Xăng pha cồn - Gasoline Nhiên liệu xăng - GTL Khí hóa lỏng (Gas To Liquid. - hin Entanpi của khí nạp J/kg hout Entanpi của khí thải J/kg Hydro Khí hydro - i Số hàm Wiebe - Icgi Mô men quán tính của trục khuỷu và các chi tiến gắn liền trên trục kg.m2 IDI Buồng cháy ngăn cách (Indirect Injection. - Ie Mô men quán tính của động cơ kg.m2 Ifw Mô men quán tính của bánh đà kg.m2 IMEP Áp suất chỉ thị trung bình của động cơ N/m2 K Hệ số kích thước cổ trục trục khuỷu - L Chiều dài thanh truyền m Las Chiều dài chốt piston. - mm Lcb Chiều dài cổ biên trục khuỷu mm LHVdie Nhiệt trị thấp của diesel J/kg LHVeth Nhiệt trị thấp của ethanol J/kg LHVj Nhiệt trị thấp của nhiên liệu thứ j J/kg xi Lmb Chiều dài cổ trục trục khuỷu mm LPG Khí hóa lỏng (Liquefied Petroleum Gas. - Lps Chiều dài đuôi piston m LSU 4.9 Cảm biến hệ số dư lượng không khí - Lv Độ nâng của xúp páp theo góc quay trục khuỷu m Độ nhớt động học của dầu bôi trơn động cơ kg/ms main Giai đoạn cháy chính của nhiên liệu diesel - mair Lượng không khí kg/chu kỳ mair_exp Lưu lượng không khí thực nghiệm kg/h mair_model Lưu lượng không khí mô hình kg/h Matlab Simulink Phần mềm mô phỏng, tính toán và điều khiển đa ngành do hãng MathWorks của Mỹ sản xuất - mc Khối lượng quay của một cổ biên và má khuỷu sau quy dẫn về tâm cổ biên kg mcr Khối lượng đầu to thanh truyền kg mfuel_burned_i_j Lượng nhiên liệu loại j đã cháy trong từng giai đoạn cháy i trong một chu kỳ làm việc của động cơ - mfuel_inj_j Lượng nhiên liệu loại j đã cung cấp cho động cơ trong một chu kỳ làm việc của động cơ - mi Tham số mô hình cháy Wiebe tương ứng với từng giai đoạn cháy - minj_die Lượng nhiên liệu diesel kg/chu kỳ minj_eth Lượng nhiên liệu ethanol kg/chu kỳ minj_j Lượng nhiên liệu của loại nhiên liệu thứ j kg model Mô hình - Motohawk Hãng sản xuất bộ điều khiển của Mỹ - nc Số xy lanh của động cơ - xii ncr Số lượng xéc măng khí - ne Tốc độ động cơ vg/ph neD Tốc độ động cơ yêu cầu vg/ph NLSH Nhiên liệu sinh học - nor Số lượng xéc măng dầu - NOx Ôxit nitơ ppm np Tốc độ bơm cao áp vp/ph nR Số vòng quay hoàn thành một chu kỳ công tác của động cơ - nvpc Số xupáp của một xy lanh - Nvpl Lực đàn hồi của lò xo xupáp N p Áp suất xy lanh N/m2 P Công suất động cơ kW pa Áp suất khí trời N/m2 Pb Công suất có ích của động cơ W pe Áp suất đàn hồi tác dụng lên xéc măng N/m2 pexp Áp suất xy xy lanh thực nghiệm động cơ N/m2 PID Bộ điều khiển vòng kín PID (Proportional Integral Derivative. - pilot Giai đoạn cháy của nhiên liệu ethanol - Pind Công suất chỉ thị của động cơ W PM Phát thải dạng hạt - pmodel Áp suất xy xy lanh trên mô hình động cơ N/m2 Qhr Nhiệt tỏa ra J xiii Qht Nhiệt truyền qua vách xy lanh J R Hằng số khí J/kg.K r Bán kính quay trục khuỷu m R1 Tham số không thứ nguyên xác định mô men ma sát do độ nhớt của dầu bôi trơn - Ricado WARE Phần mềm mô phỏng và phát triển động cơ đốt trong - rjb Bán kính cổ trục khuỷu mm ROHR Tốc độ tỏa nhiệt J/độ S Hành trình dịch chuyển của piston m SIL Mô phỏng mô hình điều khiển động cơ trên cùng một mô hình (Software-in-the-loop simulation. - Smoke Độ khói FSN/ppm SOC Thời điểm bắt đầu quá trình cháy độ Soot Bồ hóng ppm Sp Tốc độ trung bình của piston m/s Syngas Nhiên liệu khí tổng hợp được sản xuất từ sinh khối - T Nhiệt độ khí thể trong xy lanh K t Thời gian s Ta Nhiệt độ khí trời K Taub Mô men ma sát do tải và phụ tải truyền lên các cổ trục N.m Tb Mô men có ích của động cơ N.m Tb_exp Mô men động cơ thực nghiệm N.m Tb_model Mô men động cơ trên mô hình N.m Tfr Mô men ma sát của động cơ N.m xiv Tfr_1_cyl Mô men do mát sát của một xy lanh N.m Tind Mô men chỉ thị của động cơ N.m Tlb Mô men ma sát do tải tác dụng lên các ổ đỡ N.m Tload Mô men tải của động cơ N.m Tps Mô men ma sát của đuôi piston N.m Trml Mô men ma sát hỗn hợp của dầu bôi trơn xéc măng N.m Trvl Mô men ma sát do độ nhớt của dầu bôi trơn N.m Tval Mô men ma sát do dẫn động xupáp N.m Tw Nhiệt độ vách xy lanh K V Thể tích xy lanh theo góc quay trục khuỷu m3 Vc Thể tích buồng cháy của xy lanh m3 Vd Thể tích công tác của xy lanh m3 Vo Vận tốc dòng khí lý tưởng m/s Wb Công có ích của động cơ J wcr Chiều cao của xéc măng khí m we Tốc độ góc của động cơ rad/s Wfr Công tổn thất do ma sát của động cơ J Wiebe Hàm Wiebe - Wind Công chỉ thị của động cơ J wor Chiều cao của xéc măng dầu m x Chuyển vị piston m xbi Khối lượng nhiên liệu đã cháy
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt