Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol trong luận án tiến sĩ kỹ thuật

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU

1. Mục đích và nội dung nghiên cứu của đề tài

2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

3. Phương pháp nghiên cứu của đề tài

4. Ý nghĩa khoa học của đề tài

5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

6. Điểm mới của luận án

7. Bố cục chính của luận án

1. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường

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)

1.2.1.2. Hyđrô và khí giàu hyđrô

1.2.2. Nhiên liệu thay thế dạng lỏng

1.2.2.1. Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas)

1.2.2.2. Đặc điểm nhiên liệu ethanol

1.2.2.2.1. Các tính chất vật lý và hóa học của ethanol

1.2.2.2.1.1. Tính chất vật lý của ethanol

1.2.2.2.1.2. Tính chất hóa học của ethanol

1.2.2.2.2. Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam

1.2.2.2.2.1. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới

1.2.2.2.2.2. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol tại Việt Nam

1.3. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ đốt trong

1.3.1. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ xăng

1.3.1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước

1.3.1.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

1.3.2. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel

1.3.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước

1.3.2.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

1.3.2.2.1. Sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn

1.3.2.2.2. Ethanol phun trực tiếp

1.3.2.2.3. Ethanol phun trên đường ống nạp

1.4. Phương pháp xây dựng mô hình động cơ

1.5. Phương pháp xây dựng mô hình bộ điều khiển

1.6. Nội dung nghiên cứu

1.7. Kết luận chương 1

2. 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. Mô hình trao đổi khí

2.2. Mô hình hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol

2.3. Mô hình động lực học

2.4. Mô hình ma sát

2.5. Mô hình truyền nhiệt

2.6. Mô hình cháy

2.6.1. Cơ sở lựa chọn mô hình cháy

2.6.2. Mô hình cháy

2.7. Tính toán áp suất xy lanh

2.8. Tính toán mô men và công suất động cơ

2.9. Xác định hệ số dư lượng không khí và tỷ lệ ethanol thay thế

2.10. Kết luận chương 2

3. CHƯƠNG 3 ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG

3.1. Đối tượng nghiên cứu

3.2. Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu

3.3. Trang thiết bị nghiên cứu

3.3.1. Băng thử tính năng động lực cao (AVL APA 100)

3.3.2. 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

3.3.3. Thiết bị cung cấp và điều khiển nhiệt độ dung dịch làm mát động cơ AVL 553

3.3.4. Thiết bị phân tích khí xả AVL CEB-II

3.3.5. Bộ điều khiển vòi phun ethanol

3.3.6. Cảm biến áp suất xy lanh AVL QC33C

3.3.7. Thiết bị đo áp suất xy lanh AVL 620 Indiset

3.3.8. Cảm biến kích nổ

3.3.9. Cảm biến lambda LSU 4

3.4. Qui trình và chế độ thực nghiệm động cơ

3.5. Xác định các thông số đầu vào cơ bản của mô hình động cơ

3.5.1. Quy luật phối khí

3.5.2. Lưu lượng khí qua xupáp nạp và thải

3.5.3. Áp suất xy lanh

3.5.4. Đặc tính bơm cao áp và vòi phun ethanol

3.6. Phân tích số liệu thực nghiệm và xây dựng mô hình động cơ

3.6.1. Xác định hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xupáp

3.6.2. Xác định tốc độ tỏa nhiệt

3.6.3. Xác định thời điểm bắt đầu cháy, khoảng thời gian cháy và phần nhiên liệu đã cháy

3.6.4. Mô hình hóa hệ thống nhiên liệu

3.6.5. Xây dựng mô hình động cơ

3.7. Đánh giá độ tin cậy của mô hình ở chế độ ổn định

3.7.1. Đánh giá lưu lượng không khí nạp

3.7.2. Đánh giá áp suất xy lanh

3.7.3. Đánh giá mô men và công suất động cơ

3.7.4. Đánh giá tốc độ động cơ ở chế độ ổn định và chuyển tiếp

3.8. Bộ điều khiển động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol và mô hình mô phỏng

3.8.1. Sơ đồ tổng quan bộ điều khiển

3.8.2. Thuật toán điều khiển

3.8.3. Mô men yêu cầu

3.8.4. Lượng phun diesel và ethanol chế độ ổn định

3.8.5. Điều khiển giới hạn hệ số  chế độ chuyển tiếp

3.8.6. Xác định vị trí tay ga và thời gian phun ethanol

3.8.7. Đánh giá mô hình điều khiển trên mô hình động cơ

3.8.7.1. Đánh giá mô hình điều khiển trên mô hình động cơ ở chế độ ổn định

3.8.7.2. Đánh giá bộ điều khiển trên mô hình động cơ ở chế độ chuyển tiếp

3.9. Kết luận chương 3

4. CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

4.1. Đặt vấn đề và mục tiêu thực nghiệm

4.2. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm

4.3. Điều kiện nghiên cứu thực nghiệm

4.4. Phương pháp thực nghiệm

4.5. Kết quả thực nghiệm ở chế độ ổn định

4.5.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến nhiệt tỏa ra

4.5.2. Mối quan hệ giữa tỷ lệ ethanol thay thế và tốc độ động cơ

4.5.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến suất tiêu hao năng lượng

4.5.4. Xác định tỷ lệ ethanol thay thế lớn nhất

4.5.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến hệ số dư lượng không khí 

4.5.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến tiêu hao nhiên liệu

4.5.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến phát thải của động cơ

4.5.7.1. Phát thải HC

4.5.7.2. Phát thải CO

4.5.7.3. Phát thải NOx

4.5.7.4. Phát thải CO2

4.5.7.5. Phát thải smoke

4.6. Kết quả thực nghiệm ở chế độ chuyển tiếp

4.6.1. Mô men động cơ

4.6.2. Công suất động cơ

4.6.3. Suất tiêu hao năng lượng

4.6.4. Hệ số dư lượng không khí 

4.6.5. Phát thải động cơ

4.6.5.1. Phát thải HC

4.6.5.2. Phát thải CO

4.6.5.3. Phát thải NOx

4.6.5.4. Phát thải CO2

4.7. Kết luận chương 4

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

I. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Luận án tập trung vào nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol, nhằm giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường. Ethanol được xem là nhiên liệu thay thế tiềm năng do khả năng tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính. Tuy nhiên, việc ứng dụng ethanol trong động cơ diesel gặp nhiều thách thức do tính tự cháy kém của ethanol. Luận án đề xuất phương pháp lưỡng nhiên liệu để tối ưu hóa tỷ lệ ethanol thay thế, đồng thời đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của phương pháp này.

1.1. Nhiên liệu thay thế và ethanol

Ethanol là nhiên liệu sinh học có thể sản xuất từ nguyên liệu tái tạo như rơm rạ, vụn gỗ. So với nhiên liệu hóa thạch, ethanol có ưu điểm cháy sạch, giảm phát thải CO2. Tuy nhiên, việc sử dụng ethanol trong động cơ diesel đòi hỏi nghiên cứu kỹ lưỡng do tính chất vật lý và hóa học khác biệt. Luận án phân tích các tính chất của ethanol và so sánh với nhiên liệu diesel truyền thống, từ đó đề xuất phương pháp chuyển đổi phù hợp.

1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng ethanol

Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào động cơ xăng, trong khi ứng dụng ethanol cho động cơ diesel còn hạn chế. Luận án tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước về việc sử dụng ethanol trong động cơ diesel, từ đó xác định khoảng trống nghiên cứu cần giải quyết. Phương pháp lưỡng nhiên liệu được đề xuất như một giải pháp tối ưu để tăng tỷ lệ ethanol thay thế.

II. Cơ sở lý thuyết và mô hình hóa

Luận án xây dựng mô hình lý thuyết để mô phỏng hoạt động của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol. Các mô hình bao gồm trao đổi khí, hệ thống cung cấp nhiên liệu, động lực học, ma sát, truyền nhiệt và quá trình cháy. Mô hình cháy được lựa chọn dựa trên các tham số như thời điểm bắt đầu cháy, tốc độ tỏa nhiệt và tỷ lệ nhiên liệu đã cháy. Kết quả mô phỏng được so sánh với dữ liệu thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác.

2.1. Mô hình trao đổi khí và cung cấp nhiên liệu

Mô hình trao đổi khí được xây dựng để tính toán lưu lượng khí nạp và thải trong động cơ lưỡng nhiên liệu. Hệ thống cung cấp nhiên liệu được thiết kế để điều chỉnh tỷ lệ diesel-ethanol theo từng chế độ hoạt động của động cơ. Luận án sử dụng các phương pháp toán học để mô phỏng quá trình phun nhiên liệu và phân bố nhiên liệu trong buồng đốt.

2.2. Mô hình cháy và tối ưu hóa

Mô hình cháy được xây dựng dựa trên các tham số như thời điểm bắt đầu cháy, tốc độ tỏa nhiệt và tỷ lệ nhiên liệu đã cháy. Luận án sử dụng thuật toán tối ưu để xác định các tham số này, từ đó đánh giá hiệu quả của quá trình cháy trong động cơ lưỡng nhiên liệu. Kết quả mô phỏng được so sánh với dữ liệu thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác.

III. Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Luận án tiến hành thực nghiệm trên động cơ diesel được chuyển đổi sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol. Các thông số như tỷ lệ ethanol thay thế, hiệu suất nhiên liệu, và phát thải khí thải được đo đạc và phân tích. Kết quả cho thấy, việc sử dụng lưỡng nhiên liệu giúp giảm đáng kể phát thải CO2 và NOx, đồng thời duy trì hiệu suất động cơ. Tuy nhiên, tỷ lệ ethanol thay thế cần được điều chỉnh phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ.

3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế

Thực nghiệm được tiến hành với các tỷ lệ ethanol thay thế khác nhau, từ 10% đến 50%. Kết quả cho thấy, tỷ lệ ethanol thay thế càng cao, phát thải CO2 và NOx càng giảm. Tuy nhiên, hiệu suất nhiên liệu có xu hướng giảm khi tỷ lệ ethanol vượt quá 30%. Luận án đề xuất tỷ lệ ethanol thay thế tối ưu là 20-30% để cân bằng giữa hiệu suất và phát thải.

3.2. Đánh giá phát thải khí thải

Phát thải khí thải được đo đạc và phân tích trong các chế độ hoạt động khác nhau của động cơ. Kết quả cho thấy, việc sử dụng lưỡng nhiên liệu giúp giảm đáng kể phát thải CO2 và NOx, đặc biệt ở chế độ tải cao. Tuy nhiên, phát thải HC có xu hướng tăng nhẹ khi tỷ lệ ethanol thay thế cao. Luận án đề xuất các biện pháp điều chỉnh để giảm thiểu phát thải HC.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Luận án đã chứng minh tính khả thi của việc chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol. Phương pháp lưỡng nhiên liệu giúp tối ưu hóa tỷ lệ ethanol thay thế, đồng thời giảm phát thải khí nhà kính. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm thiểu phát thải HC. Luận án đề xuất hướng phát triển trong tương lai là tích hợp công nghệ điều khiển thông minh để tự động điều chỉnh tỷ lệ diesel-ethanol theo từng chế độ hoạt động của động cơ.

4.1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận án đóng góp vào lĩnh vực công nghệ động cơ bằng cách đề xuất phương pháp chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng lưỡng nhiên liệu. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn trong việc giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và bảo vệ môi trường. Luận án cũng mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc ứng dụng nhiên liệu tái tạo cho động cơ đốt trong.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Luận án đề xuất hướng phát triển trong tương lai là tích hợp công nghệ điều khiển thông minh để tự động điều chỉnh tỷ lệ diesel-ethanol theo từng chế độ hoạt động của động cơ. Ngoài ra, cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm thiểu phát thải HC. Luận án cũng đề xuất mở rộng nghiên cứu sang các loại nhiên liệu tái tạo khác như biogas và hydro.

Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol