Luận văn Nghiên cứu thực nghiệm hệ thống điều khiển nhiên liệu cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu thực nghiệm hệ thống điều khiển nhiên liệu cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯƠNG TRỌNG CHUNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG ÐIỀU KHIỂN NHIÊN LIỆU CHO ÐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP DIESEL-LPG NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ÐỘNG LỰC - 60520116 S K C0 0 5 2 3 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯƠNG TRỌNG CHUNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP DIESEL-LPG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016
3. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ và tên: Dương Trọng Chung Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 22/09/1985 Nơi sinh: Bình Định Quê quán: Bình Định Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 172-An Dương Vương, TP. Quy Nhơn, Tỉnh Bình Định. Điện thoại cơ quan: 056 2210 602 Điện thoại nhà riêng: 0978 511 856 Fax: E-mail: chungduongtrong@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Đại học chính quy (CT). Thời gian đào tạo từ 2007 đến 2009 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Ngành học: Cơ khí động lực Tên đồ án: Thiết kế mô hình và biên soạn tài liệu hướng dẫn động cơ phun xăng trực tiếp Toyota 3S-FSE. Ngày và nơi bảo vệ đồ án: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: Nguyễn Tấn Lộc III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 1/09/2009 Trường Cao đẳng nghề Quy Nhơn Giáo viên đến nay Trang i
4. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TP. HCM, ngày tháng năm 2016 Dương Trọng Chung Trang ii
5. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, khoa Cơ khí Động lực đã cho phép tôi thực hiện, hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn tại phòng Thí nghiệm động cơ đốt trong của Trường. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc nhất tới Thầy TS Nguyễn Văn Trạng và Thầy ThS Nguyễn Văn Long Giang, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ đạo sâu sắc về mặt khoa học, quan tâm, động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn: “Nghiên cứu thực nghiệm hệ thống điều khiển nhiên liệu cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG” để tôi có thể hoàn thành luận văn đúng hạn. Xin chân thành cảm ơn tất cả quý Thầy Cô khoa Cơ khí Động lực trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh, các anh chị học viên khóa trước, các bạn học viên cùng khóa đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn. Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu trường Cao đẳng nghề Quy Nhơn, khoa Công nghệ ô tô và Quý thầy cô trong Khoa đã tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình học tập. Do trình độ và thời gian có hạn nên chắc chắn đề tài còn nhiều thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của tất cả Quý thầy cô, anh chị và các bạn. Xin chân thành cám ơn! TP. HCM, ngày tháng năm 2016 Dương Trọng Chung Trang iii
6. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh TÓM TẮT Đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm hệ thống điều khiển nhiên liệu cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG” được thực hiện trên động cơ Diesel Toyota 3C-TE. Nó đã được chuyển đổi thành động cơ chạy hai nhiên liệu kết hợp Diesel và LPG. Quá trình nghiên cứu, lắp đặt và thực nghiệm được thực hiện tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh. Các kim phun LPG được lắp đặt thêm trên đường ống nạp, bộ cắt giảm nhiên liệu diesel và phun LPG được điều khiển bởi bộ điều khiển riêng biệt. Động cơ đã được tiến hành thực nghiệm đo mô men, công suất, phát thải và suất tiêu hao nhiên liệu tại phòng Thí nghiệm động cơ, khoa Cơ khí Động lực, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh. Kết quả thực nghiệm cho thấy, động cơ sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG đạt 98,5% mô men cực đại và 85% công suất cực đại, mô men và công suất trung bình của động cơ giảm nhưng không đáng kể so với trường hợp sử dụng hoàn toàn nhiên liệu diesel, mức LPG thay thế có thể đạt tới 40%. Khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép độ khói giảm ở tất cả các chế độ, CO và HC tăng nhưng vẫn đạt tiêu chuẩn EURO 2, lượng giảm NOx là 6,7%, độ khói giảm trên 77% ở chế độ thay thế 40%. Nhìn chung động cơ diesel Toyota 3C-TE sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG đạt được những yêu cầu cơ bản về đặc tính kỹ thuật cũng như phát thải, góp phần giải quyết vấn đề năng lượng và môi trường hiện nay. Đó là những kết quả quan trọng, rất có ý nghĩa để tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế. Từ khóa: Nhiên liệu kép, Diesel-LPG, phát thải. Trang iv
7. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh ABSTRACT The thesis “Experimental research of fuel control system for engine using dual fuel Diesel-LPG” was done on diesel engine Toyota 3C-TE. This engine was converted to a dual fuel engine that using diesel combined with LPG. The stage of study, installation and experiment was done at the University of Technology and Education of Ho Chi Minh City. LPG injections were installed in the intake manifold. Diesel and LPG fuel are controlled by the separate electronic unit. The engine was tested to measure torque, power, emissions and fuel consumption at the Engines testing Laboratory, Faculty of Vehicle and Energy Engineering, University of Technology and Education of Ho Chi Minh City. The experimental results show that the engine running dual fuel Diesel-LPG reached 98.5% maximum torque and 85% maximum power. Average torque and average power was reduced but not significantly compared to the case of engine using diesel fuel. Level of alternative LPG fuel possible is 40 %. In the case engine using dual fuel, smoke reduces in all modes while CO, HC emission increase but still in the range of EURO II standard. NOx emission is reduced 6.7 %, smoke is decreased more than 77 % at mode 40 % LPG. Generally, the diesel engine Toyota 3C-TE with dual fuel system met basical requirements about technical characteristics and emissions of engine. That has contributed to solving energy issues and the environment. These are important results, which is significant for further research and application in practice. Keywords: Dual fuel, Diesel-LPG, emissions. Trang v
8. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắc iv Abstract v Mục lục vi Danh sách các chữ viết tắt ix Danh sách các hình x Danh sách các bảng xiii Chƣơng. MỞ ĐẦU 1 1. Lý do chọn đề tài 1 2. Mục đích và đối tượng nghiên cứu của đề tài 2 3. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 3 4. Phương pháp nghiên cứu 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4 6. Cấu trúc của luận văn 4 Chƣơng 1. TỔNG QUAN 5 1.1. Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan 5 1.1.1. Ngoài nước 5 1.1.2. Trong nước 6 1.2. Tổng quan về nhiên liệu Diesel-LPG 8 1.2.1. Đặc điểm của Diesel-LPG 8 1.2.2. Tình hình sản xuất LPG 11 1.2.3. Tình hình sử dụng LPG 12 Trang vi
9. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 2.1. Mở đầu 14 2.2. Quá trình cháy trong động cơ Diesel và động cơ sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG 14 2.2.1. Quá trình cháy trong động cơ diesel 14 2.2.2. Quá trình cháy trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG 17 2.3. Phương pháp hình thành hỗn hợp trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG 21 2.3.1. Trộn nhiên liệu diesel - LPG dạng lỏng trước khi phun vào buồng đốt 21 2.3.2. Phun trực tiếp LPG lỏng vào buồng đốt 23 2.3.3. Phun LPG vào đường ống nạp 24 2.4. Tính toán lượng nhiên liệu Diesel và LPG cung cấp 25 2.4.1. Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu 25 2.4.2. Tính toán cho động cơ dùng nhiên liệu kép 26 2.5. Hệ thống điều khiển nhiên liệu cho động cơ diesel dùng nhiên liệu kép Diesel-LPG 29 2.5.1. Hệ thống điều khiển nhiên liệu của động cơ diesel 30 2.4.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển phun LPG 41 2.6. Cơ chế hình thành các khí thải trong động cơ diesel 42 2.6.1. Mônôxit cácbon 42 2.6.2. Hyđrô cácbon 43 2.6.3. Ôxit nitơ 44 2.6.4. Hyđrô cácbon 46 Chƣơng 3. NGUYÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP NHIÊN LIỆU LPG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 3C-TE 49 3.1. Cơ sở thiết kế mô hình thực nghiệm 49 3.2. Những ưu nhược điểm khi chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG 50 Trang vii
10. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh 3.2. 1. Ưu điểm 50 3.2. 2. Nhược điểm 50 3.3. Thiết kế và lắp đặt hệ thống cung cấp LPG cho động cơ thực nghiệm 51 3.3.1. Sơ đồ nguyên lý cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ thực nghiệm 51 3.3.2. Các bộ phận trong hệ thống cung cấp LPG 52 3.3.3. Hệ thống điều khiển nhiên liệu kép Diesel-LPG 56 Chƣơng 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 62 4.1 Mục đích, đối tượng và trang thiết bị thực nghiệm 62 4.1.1. Mục đích thực nghiệm 62 4.1.2. Đối tượng thực nghiệm 62 4.1.3. Thiết bị thực nghiệm 63 4.2. Nội dung thực nghiệm 69 4.2.1. Điều kiện thực nghiệm 69 4.2.2. Thực nghiệm xác định tỷ lệ nhiên liệu diesel thay thế 69 4.2.3. Thực nghiệm xác định tỷ lệ LPG thay thế lớn nhất 71 4.2.4. Thực nghiệm xây dựng đặc tính kỹ thuật động cơ 72 4.2.5. Thực nghiệm đánh giá phát thải 76 4.3. Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của góc phun sớm khi sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG 81 4.3.1. Ảnh hưởng của góc phun sớm đến mômen và công suất của động cơ 82 4.3.2. Ảnh hưởng của góc phun sớm đến phát thải của động cơ 82 Chƣơng 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 85 5.1. Kết luận 85 5.2. Đề nghị 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 PHỤ LỤC 89 Trang viii
11. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU LPG : Liquefied Petroleum Gas CNG : Compressed Natural Gas SPV : Spill Valve TCV : Timing Control Valve ppm : Parts per million EDC : Electronic Diesel Control ECU : Electronic Control Unit ERG : Exhaust Gas Recirculation k : Hệ số hấp thụ (1/m) ge : Tiêu hao nhiên liệu (g/kW.h) vf : Thể tích tiêu hao nhiên liệu (ml) ρf : Khối lượng riêng của nhiên liệu (g/ml) t : Thời gian để động cơ tiêu thụ hết thể tích vf nhiên liêu (s) Pe : Công suất của động cơ (kW) Δp/Δφ : Tốc độ tăng áp suất theo góc quay trục khuỷu λ : Hệ số dư không khí  Hệ số nạp v : f p : Tầng số dao động Trang ix
12. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Cấu trúc hóa học của các thành phần trong nhiên liệu LPG 9 Hình 1.2: Sản lượng LPG trên toàn cầu (triệu tấn) 12 Hình 2.1: Đồ thị biểu diễn các giai đoạn trong quá trình cháy động cơ diesel 15 Hình 2.2: Sơ đồ phân vùng xilanh ứng với một tia phun trong quá trình cháy 18 Hình 2.3: Đồ thị biểu diễn các giai đoạn trong quá trình cháy động cơ nhiên liệu kép Diesel-LPG 20 Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống trộn nhiên liệu Diesel-LPG ở dạng lỏng 22 Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống phun trực tiếp LPG vào buồng đốt 23 Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống phun LPG vào đường ống nạp động cơ 24 Hình 2.7: Sơ đồ bố trí hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ diesel sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG 25 Hình 2.8: Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển nhiên liệu động cơ diesel 30 Hình 2.9: Cấu tạo và xung tín hiệu của cảm biến tốc độ động cơ 31 Hình 2.10: Cảm biến và đường đặc tính nhiệt độ 32 Hình 2.11: Cảm biến vị trí trục khuỷu 32 Hình 2.12: Cảm biến áp suất tăng áp 33 Hình 2.13: Cảm biến vị trí bàn đạp ga 33 Hình 2.14: Sơ đồ hệ thống điều khiển phun nhiên liệu diesel 34 Hình 2.15: Mối quan hệ giữa thời gian cam đội, thời gian đóng mở của van SPV và lưu lượng nhiên liệu phun 34 Hình 2.16: Tín hiệu điều khiển và xung của van SPV 35 Hình 2.17: Lưu đồ điều khiển tính toán lượng nhiên liệu diesel cung cấp cho động cơ 36 Hình 2.18: Đồ thị biểu diễn sự tính toán lượng nhiên liệu cơ bản theo tốc độ và vị trí chân ga 36 Hình 2.19: Đồ thị điều chỉnh lượng phun nhiên liệu diesel tối đa 37 Trang x
13. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh Hình 2.20: Đồ thị điều chỉnh áp suất không khí nạp 37 Hình 2.21: Đồ thị điều chỉnh nhiệt độ không khí nạp 37 Hình 2.22: Đồ thị điều chỉnh nhiệt độ nhiên liệu nhiên liệu 38 Hình 2.23: Đồ thị điều chỉnh nhiệt độ nước làm mát 38 Hình 2.24: Hệ thống điều khiển thời điểm phun nhiên liệu 39 Hình 2.25: Cấu tạo và xung van định thời điểm phun TCV 39 Hình 2.26: Phương pháp điều khiển thời điểm phun sớm 40 Hình 2.27: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển phun LPG 41 Hình 2.28: Sự phân bố nhiên liệu tia phun diesel 43 Hình 2.29: Quá trình hình thành bồ hóng động cơ diesel 46 Hình 2.30: Cơ chế trung gian về động hóa học của quá trình hình thành bồ hóng từ các phân tử aromatics 47 Hình 2.31: Cơ chế hình thành bồ hóng từ aromatics và aliphatics 47 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ 51 Hình 3.2: Bình chứa LPG và kết cấu van điện từ 52 Hình 3.3: Kết cấu bộ hóa hơi giảm áp 53 Hình 3.4: Kim phun và ống phân phối LPG 53 Hình 3.5: Công tắc chuyển chế độ 54 Hình 3.6: Bộ điều khiển phun LPG 55 Hình 3.7: Giao diện phần mềm BRC SEQUENT 24 MY07 56 Hình 3.8: Giao diện điều khiển lượng diesel, LPG bằng phần mền LabView 56 Hình 3.9: Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ nhiên liệu kép Diesel-LPG 57 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý điều khiển phun diesel 58 Hình 3.11. Mạch điều khiển giảm nhiên liệu diesel 58 Hình 3.12: (a) Xung tín hiệu điều khiển van SPV đầu vào; (b) Xung tín hiệu điều khiển đầu ra van SPV khi chạy 100% diesel 59 Hình 3.13: (a) Xung tín hiệu điều khiển van SPV đầu vào; (b) Xung tín hiệu điều khiển đầu ra van SPV khi giảm nhiên liệu diesel 59 Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý điều khiển phun LPG 60 Trang xi
14. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh Hình 3.15: (a) Xung tín hiệu điều khiển kim phun đầu vào; (b) Xung tín hiệu điều khiển kim phun đầu ra 61 Hình 4.1: Sơ đồ bố trí phòng thí nghiệm trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh 63 Hình 4.2: Thiết bị điều khiển tay ga tự động 65 Hình 4.3: Sơ đồ làm mát băng thử bằng nước AVL 553 65 Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý đo tiêu hao nhiên liệu 66 Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý đo của thiết bị kiểm tra độ mờ khói BOSCH Bea 640 67 Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý xác định nồng độ khí thải của thiết bị MGT 5 68 Hình 4.7: Diễn biến áp suất xilanh ở tốc độ 2600vg/ph, 100% tải, với các tỷ lệ LPG khác nhau 71 Hình 4.8: Đồ thị đường mô mem và công suất của động cơ 73 Hình 4.9: Đường suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ 74 Hình 4.10: Đường mô men và công suất của động cơ sử dụng nhiên liệu kép với các tỷ lệ thay thế khác nhau 76 Hình 4.11: Chu trình gia tốc tự do động cơ diesel 78 Hình 4.12: Độ khói theo các tỷ lệ LPG khác nhau 79 Hình 4.13: Đồ thị khí thải CO ở các tỷ lệ LPG và tốc độ khác nhau 79 Hình 4.14: Thành phần khí thải HC ở các tỷ lệ LPG và tốc độ khác nhau 80 Hình 4.15: Thành phần khí thải NOx ở các tỷ lệ LPG và tốc độ khác nhau 81 Hình 4.16: Mômen và công suất động cơ khi thay đổi góc phun sớm 82 Hình 4.17: Phát thải CO và HC khi thay đổi góc phun sớm 83 Hình 4.18: Phát thải NOx và độ khói khi thay đổi góc phun sớm 83 Trang xii
15. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật của dầu diesel 9 Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật của LPG 10 Bảng 4.1: Các thông số cơ bản của các động cơ TOYOTA 3C-TE 62 Bảng 4.2: Bảng giá trị mối quan hệ giữa thời gian và tỷ lệ thay thế 70 Bảng 4.3: Bảng cân bằng nhiệt lượng khi thay thế các tỷ lệ LPG khác nhau ở tốc độ 2600 vòng/phút 71 Bảng 4.4: Bảng kết quả đo công suất và mô men của động cơ hiện tại 73 Bảng 4.5: Mức tiêu chuẩn khí thải theo quyết định 249/QĐ-TTg 77 Trang xiii
16. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh Chƣơng MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, với sự phát triển mạnh của công nghiệp và sự gia tăng nhanh số lượng các phương tiện giao thông vận tải 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. 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 khí 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 đang diễn ra 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 khí 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 (chất 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 Trang 1
17. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh 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 khí thải khói bụi, loại khí 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. Mặc khác tính năng làm việc của động cơ này phụ thuộc rất nhiều vào đặc điểm cung cấp và hình thành hỗn hợp của nhiên liệu kép Diesel-LPG. Chính vì vậy, việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm hệ thống điều khiển nhiên liệu cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG” 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 khí 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. 2. Mục đích và đối tƣợng nghiên cứu của đề tài  Mục đích của đề tài - Nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG; - Nghiên cứu thiết kế, lắp đặt hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ diesel TOYOTA 3C-TE; - Thực nghiệm đánh giá khả năng sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế qua đánh giá ảnh hưởng của LPG đến đặc tính kỹ thuật và phát thải của động cơ khi hoạt động bằng nhiên liệu kép Diesel-LPG; - Thực nghiệm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đặc tính của động cơ khi sử dụng nhiên liệu kép. Từ đó đưa ra thông số hiệu chỉnh cụ thể để tăng công suất động cơ và giảm ô nhiễm môi trường so với trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu diesel. Trang 2
18. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh  Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài - Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel hiện hành, đại diện là động cơ diesel TOYOTA 3C-TE trang bị hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống; - Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ diesel TOYOTA 3C-TE; - Nghiên cứu các thiết bị thực nghiệm (đo công suất, mô men, tiêu hao nhiên liệu, khí xả, ) được trang bị ở phòng Thí nghiệm động cơ đốt trong, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. 3. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài - Đề tài tập trung nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG; - Nghiên cứu thiết kế, lắp đặt hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ TOYOTA 3C-TE; - Tiến hành thực nghiệm về hệ thống điều khiển phun nhiên liệu cho động cơ và xử lí kết quả thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của LPG đến đặc tính kỹ thuật và phát thải của động cơ sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG; - Đề tài được nghiên cứu dựa trên nguyên tắc kế thừa và phát triển những kết quả đã có được, chỉ tiến hành thực nghiệm hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ diesel TOYOTA 3C-TE sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG. Người thực hiện không chế tạo hệ thống điều khiển phun nhiên liệu LPG. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu, phân tích các ảnh hưởng đến việc cung cấp nhiên liệu Diesel- LPG cho động cơ TOYOTA 3C-TE; - Nghiên cứu, sử dụng phần mềm AVL INDICOM, AVL CONCERTO kết nối với động cơ để thu thập các dữ liệu của động cơ ở các chế độ thử khác nhau, vẽ biểu đồ, phân tích kết quả và đánh giá; - Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm cho động cơ TOYOTA 3C- TE sử dụng hoàn toàn bằng nhiên liệu diesel và bằng nhiên liệu kép Diesel-LPG với các tỷ lệ khác nhau. Phân tích kết quả, so sánh và đánh giá đặc tính kỹ thuật và phát Trang 3
19. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh thải của động cơ sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG, từ đó đề xuất chọn tỷ lệ LPG thay thế và các thông số điều chỉnh thích hợp. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn  Ý nghĩa khoa học - Phân tích được quá trình hình thành hỗn hợp, quá trình cháy trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG; - Đánh giá được ảnh hưởng của tỷ lệ LPG và góc phun sớm đến tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel hiện hành sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG, từ đó lựa chọn được các giá trị hợp lý đảm bảo sự hài hòa các tính năng động cơ.  Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu của luận văn là cơ sở để đánh giá hiệu quả bảo vệ môi trường và giải quyết bài toán năng lượng của động cơ đốt trong khi sử dụng nhiên liệu kép diesel-LPG; - Góp phần đưa ra giải pháp khả thi chuyển đổi động cơ diesel hiện hành sang sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG nhằm giảm khói bụi và NOx là các thành phần chất 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; - Luận văn là tài liệu tham khảo có giá trị trong giảng dạy, nghiên cứu khoa học và thực tế ứng dụng. 6. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu Luận văn gồm 5 chương có cấu trúc như sau: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Cở sở lý thuyết Chƣơng 3: Nghiên cứu hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ diesel Toyota 3C-TE Chƣơng 4: Thực nghiệm và đánh giá Chƣơng 5: Kết luận và đề nghị Trang 4
20. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan 1.1.1. Ngoài nƣớc - Dong Jian, Gao Xiaohong, Li Gesheng, Zhang Xintang, Study on Diesel- LPG Dual Fuel Engines, Wuhan University of Technology, 2001 [9]. Công trình nghiên cứu này giới thiệu một hệ thống nhiên liệu mới đã được ra đời và đang phát triển, đó là hệ thống nhiên liệu kép LPG/CNG và Diesel. Động cơ Diesel có khả năng hoặc sử dụng nhiên liệu Diesel hoặc dùng nhiên liệu kép Diesel- CNG hoặc nhiên liệu Diesel-LPG. Các động cơ Diesel-LPG này đã được áp dụng cho các xe buýt trong giao thông công cộng của thành phố Quảng Châu, Trung Quốc. Kết quả cho thấy tính năng ưu việt của động cơ sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG so với động cơ sử dụng hoàn toàn bằng nhiên liệu diesel về tính năng kinh tế cũng như bảo vệ môi trường. - Thomas Renald C.J, Somasundaram Pb, Experimental Investigation on Attenuation of Emission with Optimized LPG Jet Induction in a Dual Fuel Diesel Engine and Prediction by ANN Model, Khoa kỹ thuật hàng không và kỹ thuật cơ khí, Trường Cao đẳng kỹ thuật Sri Ramakrishna, Tamilnadu, Ấn Độ [10]. Công trình này nghiên cứu cách thức hình thành hỗn hợp nhiên liệu kép, tiến hành thực nghiệm thay đổi tỷ lệ nhiên liệu diesel và LPG cung cấp cho động cơ và xác định rằng tỷ lệ này ảnh hưởng chủ yếu đến hiệu suất động cơ, nồng độ các khí thải ra môi trường. Khi chạy với tỷ lệ 60% diesel và 40% LPG, công suất động cơ giảm nhưng không đáng kể, tiêu hao nhiên liệu giảm 33%, trong khi mô men xoắn động cơ thay đổi không đáng kể. Cũng ở chế độ này NOx giảm tối đa 35%, CO2 giảm 67%, CO giảm 12% so với chạy 100% diesel. Và khuyến cáo rằng động cơ sử dụng nhiên liệu kép nên chạy với tỷ lệ dầu Diesel và LPG 60%-40% là tốt nhất. Trang 5
21. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh - T.A. Rao, A.V.S. Raju, K. Govinda Rajulu and C.V. Mohan Rao, Performance evaluation of a dual fuel engine (Diesel + LPG), Đại học Engg. Kothagudem, Dist.Khammam-507101 (A.P) Ấn Độ, 2010 [11]. Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Ấn độ này nhằm đánh giá hiệu suất của động cơ sử dụng nhiên liệu kép Diesel-LPG. Đưa ra kết luận quan trọng là động cơ đốt trong có thể sử dụng nhiên liệu kép này để giải quyết được bài toán về năng lượng và ô nhiễm môi trường. Cho rằng ở tốc độ cao động cơ này hoạt động êm dịu và hiệu suất cao, đảm bảo tính năng kinh tế, lượng khí xả ra môi trường ít. Khuyến cáo để giảm khí thải, tiêu hao nhiên liệu nên sử dụng hoàn toàn nhiên liệu diesel ở tải thấp và hoạt động ở chế độ kép khi tải trọng cao hơn và ngưỡng chuyển đổi từ chế độ nhiên liệu diesel cho các chế độ nhiên liệu kép là khoảng 35% tải. - R S Bharj, Arjun Chopra and Pali Rosha, Design and Development of a Dual Fuel Diesel-LPG Controller, Bộ phận kỹ thuật cơ khí, Viện công nghệ quốc gia, Jalandhar-144011 Ấn Độ [12]. Kết quả nghiên cứu này thực hiện trên động cơ cỡ nhỏ có công suất 3,7KW, cho rằng sử dụng LPG cho động cơ chạy bằng nhiên liệu kép không chỉ nâng cao hiệu suất động cơ mà còn được xem như là một chất phụ gia làm giảm ô nhiễm môi trường. Sau khi thực nghiệm với các tỷ lệ Diesel-PLG khác nhau và xác định tỷ lệ 68% - 32% hiệu suất động cơ cao nhất, lượng khí thải như khói và NOx là nhỏ nhất. 1.1.2. Trong nƣớc - Lê Thanh Phúc, Nghiên cứu, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ Diesel, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, 2006 [3]. Luận văn này trình bày cơ sở thiết kế, mô hình động cơ Vikyno RV125 (động cơ 1 xi lanh) sử dụng nhiên liệu kép và các thực nghiệm. Kết quả thực nghiệm cho thấy động cơ Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép này đạt được 93,6% công suất cực đại, tiêu phí nhiên liệu giảm 21,32%, nồng độ NOx giảm đi 4 lần. - Phan Tấn Tài, Nghiên cứu chế tạo hệ thống phun LPG trên xe máy, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, 2009 [4]. Trang 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4