Đề tài Nghiên cứu điều khiển hệ thống nhiên liệu cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép (lPG - Diesel) (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Nghiên cứu điều khiển hệ thống nhiên liệu cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép (lPG - Diesel) (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉPS K C 0 0 0 2 8 1 (LPG - DIESEL) MÃ SỐ: T2011 - 23TĐ S K C 0 0 3 3 1 5 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2011
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH o0o BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP (LPG - DIESEL) Mã số: T2011 – 23TĐ Chủ nhiệm đề tài: ThS. Nguyễn Văn Long Giang Thành viên tham gia: PGS.TS Đỗ Văn Dũng ThS. Nguyễn Trọng Thức TP. HỒ CHÍ MINH - 12/2011
3. Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm Mã số: T2011-23TĐ Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài: Trong quá trình phát triển kinh tế, xã hội của thế giới nói chung và của Việt Nam nói riêng, mạng lưới giao thông vận tải có vai trò vô cùng quan trọng trong việc vận chuyển con người và hàng hóa. Dẫn đến số lượng xe tham gia lưu thông trên đường ngày một tăng lên. Việc gia tăng của các loại xe cơ giới, ô tô và các loại máy sử dụng nguồn nhiên liệu hoá thạch đã làm cho nguồn nhiên liệu này ngày càng cạn kiệt (theo dự báo nguồn nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt trong khoảng 30 đến 50 năm tới). Nguy hiểm hơn, các loại ô tô sử dụng nguồn nhiên liệu này đã làm ô nhiễm môi trường do các khí độc hại như NOx, CO, CO2, HC từ động cơ thải ra (đây chính là nguồn gây ô nhiễm chính đối với môi trường sống hiện nay). Ngoài ra, các tiêu chuẩn về môi trường đặt ra buộc các nhà sản xuất và nhập khẩu phải tuân theo. Tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế, kiểm soát ô nhiễm môi trường ngày càng tốt hơn, bảo vệ sức khỏe của con người đang là nhiệm vụ đặt ra cho con người hiện nay. So với trước kia, ô tô ngày nay đã sạch hơn rất nhiều. Các công nghệ mới được ứng dụng trên xe: cải tiến buồng đốt, sử dụng công nghệ điều khiển phun xăng - đánh lửa điện tử, gắn bộ xúc tác trên ống xả đã giảm đi một lượng đáng kể khí thải độc hại. Tuy nhiên, các giải pháp đó chỉ đáp ứng một phần trong việc kiểm soát khí thải và vẫn cần nhiều nỗ lực hơn nữa từ phía các nhà nghiên cứu, sản xuất. Gần đây, những công trình nghiên cứu sử dụng khí đồng hành dầu mỏ hóa lỏng (LPG) cho các phương tiện giao thông trên thế giới cũng như tại Việt Nam đã có những kết quả khả quan. LPG là loại nhiên liệu có nhiều ưu điểm: khi sử dụng LPG trên xe chạy xăng đốt cháy cưỡng bức có thể giảm ô nhiễm khí thải mà vẫn duy trì được công suất của động cơ, giá thành tương đối rẻ và dễ sử dụng Còn khi sử dụng hỗn hợp LPG + Diesel trên động cơ thì các chỉ tiêu về ô nhiễm môi trường và khả năng mang tải của động cơ diesel được cải thiện, các chi phí chuyển đổi hệ thống nhiên liệu của động cơ thấp, các kết cấu của động cơ không bị thay đổi nhiều Việt Nam có nhiều tiềm năng về các loại khí đốt. Các loại khí tồn tại trong các mỏ khí và mỏ dầu tập trung nhiều ở Biển Đông với trữ lượng rất cao. Nếu chúng được khai thác và sử dụng tốt sẽ mở ra một hướng giải quyết tốt cho vấn đề nhập khẩu xăng dầu. Do đó đòi hỏi chúng ta phải đầu tư nhiều vào việc khai thác, sản xuất và sử dụng 1
4. Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm Mã số: T2011-23TĐ tốt các loại khí này. Nếu làm được như thế là đã góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành khai thác, sản xuất dầu khí và mang lại lợi ích kinh tế rất lớn cho đất nước. Ưu điểm quá trình cháy của LPG khi dùng như là nhiên liệu thay thế thì rất rõ ràng. Câu hỏi chính cần được trả lời là hiệu suất và sự vận hành như thế nào so với quá trình cháy mà diesel có thể đạt được mà không làm hại đến mức tiêu thụ nhiên liệu ? Việc ứng dụng LPG trên xe chạy Diesel gặp những khó khăn riêng do kết cấu động cơ và bản chất quá trình cháy. Vì vậy, việc nghiên cứu, chế tạo và lắp đặt thành công hệ thống cung cấp LPG cho động cơ diesel có ý nghĩa lớn trong việc giảm ô nhiễm khí thải từ động cơ diesel. Có nhiều phương án khác nhau được sử dụng để cải tạo hệ thống nhiên liệu Diesel sang sử dụng LPG. Trên cơ sở phân tích những ưu và nhược điểm của các phương án, phương án được chọn là: - Động cơ diesel 3C – TE của Toyota. - Sử dụng phun mồi diesel để khởi tạo quá trình cháy. - Phun LPG trên đường ống nạp. - Sử dụng vi điều khiển để kiểm soát quá trình phun LPG. 1.2 Mục đích của đề tài: Đề tài có 3 mục đích chính: - Thiết kế cải tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu liệu của động cơ Diesel cũ bằng hệ thống mới có thể dùng nhiên liệu kép (LPG – Diesel). - Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển điện tử hệ thống cung cấp LPG cho động cơ Diesel Toyota 3C-TE. - Lập trình cho mạch điều khiển Phun LPG theo tốc độ động cơ, vị trí bàn đạp ga và điều chỉnh thời điểm phun dầu Diesel. 1.3 Phương pháp nghiên cứu: Các phương pháp sau được sử dụng để thực hiện đề tài: - Phương pháp tham khảo tài liệu: tham khảo các công trình nghiên cứu về việc ứng dụng LPG, tính chất lý hóa của các loại nhiên liệu diesel và LPG - Phương pháp tính toán: tính toán các số liệu dựa vào nguyên lý động cơ đốt trong và cấu tạo các cảm biến. - Phương pháp lập trình vi điều khiển: thu thập số liệu, xử lý số liệu và xuất số 2
5. Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm Mã số: T2011-23TĐ liệu cho các cơ cấu chấp hành. - Phương pháp thực nghiệm: Thực nghiệm các vấn đề nghiên cứu trên động cơ Toyota 3C-TE. 1.4 Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel Toyota 3C-TE. Thiết kế, chế tạo lại hệ thống cung cấp nhiên liệu cho phù hợp với việc sử dụng kết hợp LPG và diesel. 1.5 Giới hạn của đề tài: Nghiên cứu thiết kế điều khiển hệ thống cung cấp LPG cho động cơ Toyota 3C- TE theo các chế độ hoạt động của động cơ, đồng thời điều chỉnh lưu lượng và thời điểm phun Diesel để động cơ hoạt động ổn định, phát huy tối đa công suất và giảm các khí thải độc hại cho môi trường. 1.6 Kế hoạch thực hiện: - Ngày 20/03/2011 – 30/04/2011: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về động cơ và các tính chất của LPG và Diesel. - Ngày 01/05/2011 – 30/06/2011: Nghiên cứu về kỹ thuật thiết kế mạch điện tử và lập trình vi điều khiển. - Ngày 01/07/2011 – 30/09/2011: Thiết kế, thi công hệ thống cung cấp LPG, chế tạo mạch và lập trình điều khiển hệ thống cung cấp LPG. - Ngày 01/10/2011 – 15/11/2011: Thử nghiệm điều khiển hệ thống cung cấp LPG cho động cơ và điều chỉnh trên động cơ. - Ngày 16/11/2011 – 10/12/2011: Viết báo cáo kết quả nghiên cứu và chuẩn bị bảo vệ. 1.7 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu trong và ngoài nước “Sử dụng LPG trên xe gắn máy và xe buýt nhỏ”, Bùi Văn Ga, Trung tâm nghiên cứu bảo vệ môi trường Đại học Đà Nẵng [2]. Công trình nghiên cứu công nghệ chuyển đổi xe gắn máy và xe buýt nhỏ chạy xăng sang chạy bằng LPG đã được trình bày. Kết quả nghiên cứu cho thấy tính năng ưu việt của phương tiện chạy LPG so với chạy xăng về tính kinh tế kỹ thuật cũng như về bảo vệ môi trường. “Cải tạo động cơ Mazda WL thành động cơ dual fuel sử dụng khí hóa lỏng”, Lê Minh Xuân, Luận văn thạc sỹ Trường ĐH Đà Nẵng. 3
6. Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm Mã số: T2011-23TĐ Đề tài dùng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để đánh giá kết quả trên cơ sở nghiên cứu động cơ Mazda WL. Kết quả thực nghiệm cho thấy: tỷ lệ LPG sử dụng trong hỗn hợp để động cơ Mazda WL hoạt động bình thường nhỏ hơn 20%. Công suất giảm khoảng 5% - 10% và nồng độ bồ hóng giảm 15% - 20%. “Research and install the LPG supply system to diesel engine VIKYNO RV 125”, Do Van Dung, Le Thanh Phuc, Huynh Phuoc Son, Le Viet Hung APAC15, Hanoi [9]. Đề tài ứng dụng kỹ thuật nhiên liệu kép trên động cơ diesel có sẵn trên thị trường, Vikyno RV125, kim phun lắp trên đường ống nạp. Kết quả nghiên cứu cho thấy động cơ dual fuel, về cơ bản, đảm bảo các yêu cầu và tiết kiệm hơn động cơ diesel tương ứng. “Pilot – ignited natural gas combustion in diesel engines”, Peter Mtui, The University of British Columbia [10]. Nghiên cứu quá trình cháy của khí thiên nhiên được mồi lửa bởi diesel. Kết quả cho thấy quá trình cháy của diesel-gas có cùng khoảng thời gian chuẩn bị đánh lửa và thời gian cháy so với động cơ diesel cơ sở. Quá trình cháy của diesel-gas êm hơn so với động cơ diesel cơ sở. “Simultaneous diesel and natural gas injection for dual-fuelling compression- ignition engines”, Timothy Ross White, School of Mechanical and Manufacturing Engineering, The University of New South Wales [11]. Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm và mô phỏng quá trình phun nhiên liệu đồng thời vào trong buồng đốt bằng một kim phun kết hợp, từ đó tìm ra áp suất phun tối ưu, kích thước lỗ kim phun và góc kim phun để chùm tia phun được phân tán và hóa hơi tốt nhất. 4
7. Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm Mã số: T2011-23TĐ Chương 2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP (LPG – DIESEL) 2.1. Đặc tính của nhiên liệu Diesel và LPG 2.1.1. Nhiên liệu Diesel Dầu Diesel là một loại nhiên liệu lỏng, sản phẩm tinh chế từ dầu mỏ có thành phần chưng cất nằm giữa dầu hỏa (kesosene) và dầu bôi trơn (lubricating oil), có nhiệt độ bốc hơi từ 1750C đến 3700C (đối với nhiên liệu diesel nặng: 3150C ÷ 425C còn gọi là Mazut – Fuel oil). Dầu diesel được đặt tên theo nhà sáng chế Rudolf Diesel, và có thể được dùng trong loại động cơ đốt trong diesel. Các thông số kỹ thuật của dầu diesel được giới thiệu trong Bảng 2.1. Bảng 2.1: Các thông số kỹ thuật của dầu Diesel Loại nhiên liệu diesel Các tiêu chuẩn chất lượng của Phương pháp DO DO nhiên liệu diesel thử 0,5% S 1,0% S 1. Trị số cetan ≥ 50 ≥ 45 ASTM D 976 0 2. Thành phần chưng cất, t C 0 0 - 50% được chưng cất ở 280 C 280 C TCVN 0 0 - 90% được chưng cất ở 370 C 370 C 2693 – 95 3. Độ nhớt động học ở 200C 1,8 ÷5,0 1,8÷5,0 ASTM D 445 (đơn vị cSt : centi Stock) 4. Hàm lượng S (%) ≤0,5 ≤1,0 ASTM D 2622 5. Độ tro (% kl) ≤ 0,01 ≤ 0,01 TCVN 2690 – 95 6. Độ kết cốc (%) ≤ 0,3 ≤ 0,3 TCVN6 324 – 97 7. Hàm lượng nước, tạp chất cơ ≤0,05 ≤0,05 TCVN học (% V) 2693 – 95 0 0 0 9. Ăn mòn mảnh đồng ở 50 C N 1 N 1 TCVN trong 3 giờ 2694 – 95 5
8. Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm Mã số: T2011-23TĐ 0 10. Nhiệt độ đông đặc, t C ≤5 ≤5 TCVN 3753 – 95 11. Tỷ số A/F 14,4 14,4 - 2.1.2 Nhiên liệu LPG LPG là chữ viết tắt của “Liquefied Petroleum Gas”, hoặc LP Gas là “khí dầu mỏ hóa lỏng”. Đây là cách diễn tả chung của propane có công thức hóa học là C3H8 và butane có công thức hóa học là C4H10, cả hai được tồn trữ riêng biệt hoặc chung với nhau như một hỗn hợp. 2.1.2.1 Thành phần hóa học của LPG Propane Propane là một alkane thể khí có thể thu được trong quá trình tinh luyện dầu. Propane không màu. Công thức hóa học của propane là CH3CH2CH3. Propane có thể được hóa lỏng khi nén và làm lạnh. Propane có công thức cấu tạo như Hình 2.1. Hình 2.1: Công thức hóa học của propane Butane Butane là một hydrocarbon có trong khí thiên nhiên và có thể thu được từ quá trình tinh luyện dầu mỏ. Butane là một alkane thể khí, gồm có các hydro cacbon chứa 4 nguyên tử cacbon, chủ yếu là n- butane và iso-butane. Công thức hóa học của butane là C4H10 và có công thức cấu tạo như Hình 2.2. Hình 2.2: Công thức hóa học của butane Mecaptan Mecaptan là một chất được pha trộn vào LPG với tỉ lệ nhất định làm cho LPG 6
9. Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm Mã số: T2011-23TĐ có mùi đặc trưng, để dễ phát hiện khi bị xì hoặc rò rỉ. Thường LPG là không màu, không mùi. 2.1.2.2 Tính chất vật lý của LPG LPG được mỏ gọi là khí dầu hóa lỏng vì các chất khí này có thể được hóa lỏng ở nhiệt độ bình thường bằng cách gia tăng áp suất vừa phải, hoặc ở áp suất bình thường bằng cách sử dụng kỹ thuật làm lạnh để làm giảm nhiệt độ. Các thông số kỹ thuật của LPG so sánh với xăng và dầu Diesel được giới thiệu trong bảng 2.2. Bảng 2.2: Các thông số kỹ thuật của LPG so sánh với xăng (petrol) và dầu diesel Đặc tính Propane Butane Petrol Diesel 1. Tỉ trọng ở 150C 0.508 0.584 0.73-0.78 0.81-0.85 2. Áp suất bay hơi ở 37,80C (bar) 12.1 2.6 0.5-0.9 0.003 3. Nhiệt độ sôi (0C) -43 -0.5 30-225 150-560 4. Nhiệt độ tự cháy (0C) 482 405 257 210 5. RON 111 103 96-98 - 6. MON 101 93 85-87 - 7. Nhiệt trị thấp (MJ/kg) 46.1 45.46 44.03 42.4 8. Khối lượng riêng (kg/m3) 2.011 2.697 730 830 9. Tỉ số A/F 15.8 15.6 14.7 14.4 Trên thực tế người ta sản xuất propane và butane riêng biệt, sau đó trộn theo tỷ lệ thích hợp. Việc chọn lựa tỷ lệ thích hợp dựa theo các yếu tố sau: + Nguồn cung cấp có thành phần như thế nào. + Propan là chất dễ bay hơi do vậy dễ bắt cháy hơn nhất là trong điều kiện khí hậu lạnh vào mùa đông. Ví dụ ở châu Âu tỷ lệ thường dùng là 50:50 nhưng vào mùa hè có thể giảm propane, tăng butane lên thành 40:60. Ở Việt Nam, hiện nay vẫn chưa có propane và butane riêng biệt, LPG từ nhà máy Dinh Cố hầu như là hỗn hợp 50:50. 7