Nghiên Cứu Ứng Dụng LPG Trên Động Cơ Nén Cháy

LỜI CAM ĐOAN

1. MỞ ĐẦU

2. NHỮNG VẤN ĐỀ MỞ ĐẦU CỦA LUẬN ÁN

2.1. Môi trường và phương tiện giao thông

2.2. Nhiên liệu thay thế sử dụng trên phương tiện giao thông

2.3. Động cơ nén cháy dùng hai nhiên liệu

2.4. Tình hình nghiên cứu động cơ dùng hai nhiên liệu diesel - LP trên thế giới và ở Việt Nam

2.5. Các nghiên cứu động cơ dùng hai nhiên liệu diesel - LPG trên thế giới

2.6. Các nghiên cứu động cơ dùng hai nhiên liệu diesel - LPG ở Việt Nam

2.7. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu

3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH CHÁY HỖN HỢP DIESEL - LPG - KHÔNG KHÍ TRONG BUỒNG CHÁY

3.1. Cơ sở lý thuyết về quá trình cháy của động cơ dùng diesel - LPG

3.2. Xác định nồng độ oxygen, nồng độ nhiên liệu của hỗn hợp trong buồng cháy ngăn cách

3.3. Phương trình năng lượng của hỗn hợp hai nhiên liệu

3.4. Sự lan tràn màng lửa trong quá trình cháy hỗn hợp hai nhiên liệu

3.5. Tốc độ lan tràn màng lửa cháy chảy tầng

3.6. Tốc độ lan tràn màng lửa cháy rối

3.7. Nhiệt độ cháy và khối lượng riêng của hỗn hợp hai nhiên liệu

3.8. Tính năng công tác của động cơ sử dụng nhiên liệu diesel - LPG

3.9. Cháy kích nổ khi động cơ dùng hai nhiên liệu diesel - LPG

3.10. Thời kỳ cháy trễ. Các yếu tố ảnh hưởng đến cháy kích nổ ở động cơ hai nhiên liệu

3.11. Các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm của động cơ nén cháy

3.11.1. Trường hợp động cơ dùng 100% diesel

3.11.2. Trường hợp động cơ dùng diesel - LPG

4. MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ XÁC ĐỊNH MỨC Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ WL - TURBO DÙNG DIESEL - LPG

4.1. Giới thiệu phần mềm ANSYS - Fluent

4.2. Thiết lập mô hình quá trình cháy hỗn hợp hai nhiên liệu diesel - LPG trong động cơ WL - Turbo

4.3. Kết cấu hình học và lưới động của buồng cháy động cơ. Các thông số của mô hình buồng cháy

4.4. Tính chất của nhiên liệu

4.5. Diễn biến quá trình cháy của diesel, hỗn hợp LPG-không khí và nồng độ bồ hóng – NOx trong buồng cháy ngăn cách khi mô phỏng bằng Fluent

4.5.1. Diễn biến quá trình cháy nhiên liệu diesel

4.5.2. Diễn biến quá trình cháy LPG trong buồng cháy ngăn cách

4.5.3. Diễn biến nồng độ bồ hóng và NOx trong buồng cháy ngăn cách

4.6. Các yếu tố vận hành ảnh hưởng đến tính năng kỹ thuật của động cơ

4.6.1. Ảnh hưởng của thành phần CO2 trong hỗn hợp

4.6.2. Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí

4.6.3. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ

4.6.4. Ảnh hưởng của lưu lượng diesel phun mồi

4.6.5. Ảnh hưởng của cháy kích nổ

5. XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM

5.1. Mục tiêu, điều kiện, phương pháp và nội dung thí nghiệm

5.1.1. Mục tiêu thí nghiệm

5.1.2. Điều kiện thí nghiệm

5.1.3. Quy hoạch thí nghiệm

5.1.4. Nội dung thí nghiệm

5.2. Bố trí thí nghiệm

5.2.1. Bố trí hệ thống cấp LPG vào động cơ 1KZ - TE qua họng khuếch tán

5.2.2. Bố trí bộ điều chỉnh cung cấp nhiên liệu diesel, phun khí LPG và hồi lưu khí thải trên đường nạp động cơ WL - Turbo

5.3. Thiết bị dùng trong thí nghiệm

5.3.1. Băng thử công suất APA 204/8

5.3.2. Thiết bị cung cấp LP và hồi lưu khí thải dùng trong thí nghiệm

5.3.3. Van hồi lưu khí thải

5.3.4. Bộ làm mát khí thải hồi lưu

5.3.5. Bộ điều chỉnh cung cấp diesel - LP và tiết lưu khí thải hồi lưu

5.3.5.1. Nguyên lý hoạt động của bộ điều chỉnh

5.3.5.2. Các cảm biến sử dụng trong bộ điều chỉnh

5.3.5.3. Các cơ cấu chấp hành cung cấp LPG và hồi lưu khí thải

5.3.5.4. Mạch điện tử điều khiển lưu lượng diesel - LPG và hồi lưu khí thải

6. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

6.1. Kết quả thực nghiệm

6.1.1. Phạm vi làm việc thường xuyên của động cơ ô tô du lịch dùng 100% diesel

6.1.2. Vận hành ở chế độ không tải (thí nghiệm trên động cơ 1KZ - TE dùng diesel - LPG được bổ sung CO2)

6.1.3. Vận hành chế độ tải thấp (thí nghiệm trên động cơ WL - Turbo dùng diesel - LPG khi áp dụng các giải pháp hạn chế kích nổ)

6.1.4. Vận hành chế độ tải thấp (thí nghiệm trên động cơ WL - Turbo dùng diesel - LPG khi điều chỉnh góc phun sớm)

6.1.5. Vận hành chế độ tải trung bình (thí nghiệm trên động cơ WL - Turbo dùng diesel - LPG bổ sung CO2)

6.1.6. Thí nghiệm phối hợp các giải pháp hạn chế kích nổ

6.1.7. Đánh giá kết quả động cơ dùng LP cho bởi mô phỏng và thực nghiệm

6.1.7.1. Về áp suất chỉ thị của động cơ WL - Turbo dùng diesel - LPG ở chế độ tải trung bình

6.1.7.2. Về công suất và mô men của động cơ WL - Turbo dùng LPG - diesel ở chế độ tải trung bình

6.1.7.3. So sánh nồng độ bồ hóng và NOx cho bởi mô phỏng và thực nghiệm của động cơ WL - Turbo dùng diesel - LPG ở chế độ tải trung bình

6.1.7.4. So sánh nồng độ bồ hóng của khí thải, nhiệt độ môi chất và ngọn lửa trong buồng cháy xoáy lốc của động cơ WL - Turbo cho bởi phần mềm ANSYS Fluent và thiết bị quay phim kỹ thuật số AVL - 513D

6.1.8. Kết luận về thực nghiệm

6.1.9. So sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ

Kết luận của luận án

Kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Ứng Dụng LPG Cho Động Cơ Nén Cháy

Nghiên cứu ứng dụng LPG trên động cơ nén cháy đang thu hút sự quan tâm lớn trong bối cảnh tìm kiếm các giải pháp nhiên liệu thay thế hiệu quả và thân thiện với môi trường. Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), với thành phần chính là propan và butan, được xem là một lựa chọn tiềm năng nhờ khả năng giảm thiểu khí thải động cơ và cải thiện hiệu suất động cơ. Các nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình đốt cháy hỗn hợp diesel-LPG-không khí để đạt được hiệu quả cao nhất. Tuy nhiên, việc ứng dụng LPG trên động cơ diesel cũng đặt ra nhiều thách thức về kỹ thuật và an toàn. Các công trình nghiên cứu của Nguyễn Văn Phụng đã góp phần làm sáng tỏ nhiều khía cạnh quan trọng của vấn đề này.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Ứng Dụng LPG Trong Động Cơ Đốt Trong

Việc sử dụng LPG trong động cơ đốt trong đã có lịch sử phát triển lâu dài, bắt đầu từ những năm đầu thế kỷ 20. Ban đầu, LPG được sử dụng chủ yếu trong động cơ xăng do tính chất dễ bay hơi và khả năng hòa trộn tốt với không khí. Tuy nhiên, với những ưu điểm về giảm phát thải CO2 và chi phí vận hành, LPG dần được nghiên cứu ứng dụng trên động cơ diesel. Các nghiên cứu ban đầu tập trung vào việc chuyển đổi LPG cho động cơ diesel hiện có, nhưng sau đó, các nhà khoa học đã phát triển các công nghệ động cơ chuyên dụng để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

1.2. Ưu Điểm Và Nhược Điểm Của LPG So Với Nhiên Liệu Truyền Thống

LPG có nhiều ưu điểm so với nhiên liệu truyền thống, bao gồm khả năng giảm phát thải các chất gây ô nhiễm như CO2, NOx và PM. Ngoài ra, LPG thường có giá thành thấp hơn xăng và diesel, giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm chi phí vận hành. Tuy nhiên, LPG cũng có một số nhược điểm, như yêu cầu hệ thống lưu trữ và cung cấp nhiên liệu đặc biệt, cũng như nguy cơ cháy nổ nếu không được sử dụng và bảo trì đúng cách. Việc đánh giá hiệu quả toàn diện của LPG cần xem xét cả các yếu tố kinh tế, môi trường và an toàn.

II. Thách Thức Khi Ứng Dụng LPG Trên Động Cơ Nén Cháy Diesel

Việc ứng dụng LPG trên động cơ nén cháy diesel gặp phải nhiều thách thức kỹ thuật. Một trong những vấn đề lớn nhất là kiểm soát quá trình cháy kích nổ, do LPG có chỉ số octan cao hơn diesel. Điều này có thể dẫn đến hiện tượng cháy không kiểm soát, gây hư hỏng động cơ. Ngoài ra, việc đảm bảo hòa trộn tốt giữa LPG, diesel và không khí cũng là một thách thức, đặc biệt ở các chế độ tải thấp. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các hệ thống nhiên liệu LPG và công nghệ động cơ tiên tiến để giải quyết những vấn đề này.

2.1. Kiểm Soát Cháy Kích Nổ Trong Động Cơ Diesel LPG

Cháy kích nổ là một trong những thách thức lớn nhất khi sử dụng LPG trong động cơ diesel. Hiện tượng này xảy ra khi hỗn hợp nhiên liệu tự bốc cháy trước khi bugi đánh lửa, gây ra áp suất và nhiệt độ tăng đột ngột, có thể làm hỏng động cơ. Để kiểm soát cháy kích nổ, các nhà nghiên cứu đã áp dụng nhiều giải pháp, bao gồm điều chỉnh góc đánh lửa sớm, sử dụng hệ thống phun nhiên liệu đa điểm, và bổ sung các chất phụ gia vào LPG để tăng chỉ số octan.

2.2. Tối Ưu Hóa Hòa Trộn Nhiên Liệu LPG Diesel Và Không Khí

Để đạt được hiệu suất đốt cháy tối ưu, việc hòa trộn đều giữa LPG, diesel và không khí là rất quan trọng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc sử dụng hệ thống phun LPG trực tiếp vào buồng đốt có thể cải thiện đáng kể quá trình hòa trộn, so với việc phun LPG vào đường nạp. Ngoài ra, việc thiết kế hình dạng buồng đốt và sử dụng các kỹ thuật tăng cường dòng xoáy cũng có thể giúp cải thiện quá trình hòa trộn và đốt cháy.

2.3. Ảnh Hưởng Của Tỷ Lệ Nén Đến Hiệu Suất Động Cơ LPG

Tỷ lệ nén là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ khi sử dụng LPG. Tỷ lệ nén quá cao có thể dẫn đến cháy kích nổ, trong khi tỷ lệ nén quá thấp có thể làm giảm hiệu suất nhiệt. Các nghiên cứu cần xác định tỷ lệ nén tối ưu cho động cơ diesel-LPG, dựa trên các yếu tố như thành phần LPG, điều kiện vận hành và thiết kế buồng đốt.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Ứng Dụng LPG Mô Phỏng Và Thí Nghiệm

Các nghiên cứu về ứng dụng LPG trên động cơ nén cháy thường kết hợp cả phương pháp mô phỏng động cơ và thử nghiệm động cơ. Mô phỏng giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về quá trình đốt cháy và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và khí thải. Thử nghiệm trên động cơ thực tế giúp xác nhận kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu quả của các giải pháp kỹ thuật. Việc kết hợp cả hai phương pháp này giúp đẩy nhanh quá trình nghiên cứu và phát triển công nghệ động cơ LPG.

3.1. Sử Dụng Phần Mềm Mô Phỏng ANSYS Fluent Trong Nghiên Cứu

Phần mềm ANSYS Fluent là một công cụ mạnh mẽ được sử dụng rộng rãi trong mô phỏng động cơ đốt trong. Phần mềm này cho phép các nhà nghiên cứu mô phỏng quá trình đốt cháy, truyền nhiệt và dòng chảy trong buồng đốt, giúp hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và khí thải. Các kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế buồng đốt, hệ thống phun nhiên liệu và các thông số vận hành.

3.2. Thiết Kế Và Thực Hiện Thí Nghiệm Trên Động Cơ 1KZ TE Và WL Turbo

Các thí nghiệm động cơ đóng vai trò quan trọng trong việc xác nhận kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu quả của các giải pháp kỹ thuật. Các nghiên cứu thường sử dụng các loại động cơ phổ biến như 1KZ-TE và WL-Turbo để thực hiện các thí nghiệm về hiệu suất, khí thải và độ bền. Các thí nghiệm này cung cấp dữ liệu thực tế để đánh giá tiềm năng của việc sử dụng LPG trên động cơ nén cháy.

3.3. Phân Tích Kết Quả Thí Nghiệm Và So Sánh Với Mô Phỏng

Sau khi thực hiện các thí nghiệm, việc phân tích kết quả và so sánh với kết quả mô phỏng là rất quan trọng. Sự khác biệt giữa kết quả thí nghiệm và mô phỏng có thể chỉ ra các yếu tố chưa được tính đến trong quá trình mô phỏng, hoặc các sai số trong quá trình thí nghiệm. Việc phân tích kỹ lưỡng các kết quả này giúp cải thiện độ chính xác của cả mô phỏng và thí nghiệm, đồng thời cung cấp thông tin quan trọng để phát triển công nghệ động cơ LPG.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của LPG Đến Hiệu Suất Động Cơ

Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng LPG trên động cơ nén cháy có thể mang lại những cải thiện đáng kể về hiệu suất động cơ và giảm thiểu khí thải. Tuy nhiên, hiệu quả cụ thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm tỷ lệ LPG trong hỗn hợp nhiên liệu, điều kiện vận hành và các giải pháp kỹ thuật được áp dụng. Các nghiên cứu cần tiếp tục tập trung vào việc tối ưu hóa các yếu tố này để đạt được hiệu quả cao nhất.

4.1. Ảnh Hưởng Của Tỷ Lệ LPG Diesel Đến Công Suất Và Mô Men

Tỷ lệ LPG/diesel trong hỗn hợp nhiên liệu có ảnh hưởng lớn đến công suất và mô men của động cơ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc tăng tỷ lệ LPG có thể làm tăng công suất ở một số chế độ vận hành, nhưng cũng có thể làm giảm mô men ở các chế độ khác. Việc tìm ra tỷ lệ LPG/diesel tối ưu là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tốt nhất trên toàn dải vận hành.

4.2. Tác Động Của LPG Đến Nồng Độ Bồ Hóng Và NOx Trong Khí Thải

Một trong những lợi ích lớn nhất của việc sử dụng LPG là khả năng giảm thiểu khí thải, đặc biệt là bồ hóng và NOx. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng, việc sử dụng LPG có thể làm giảm đáng kể nồng độ bồ hóng trong khí thải, do LPG có hàm lượng carbon thấp hơn diesel. Tuy nhiên, việc giảm NOx có thể phức tạp hơn, và đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật bổ sung, như hồi lưu khí thải (EGR).

4.3. Đánh Giá Hiệu Quả Tiết Kiệm Nhiên Liệu Khi Sử Dụng LPG

Việc sử dụng LPG có thể mang lại hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu đáng kể, do LPG thường có giá thành thấp hơn diesel. Tuy nhiên, hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu thực tế phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm giá LPG, hiệu suất đốt cháy và điều kiện vận hành. Các nghiên cứu cần đánh giá kỹ lưỡng hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu trong các điều kiện vận hành khác nhau để xác định tiềm năng kinh tế của việc sử dụng LPG.

V. Giải Pháp Hạn Chế Kích Nổ Và Tối Ưu Hóa Động Cơ LPG

Để ứng dụng thành công LPG trên động cơ nén cháy, cần có các giải pháp hiệu quả để hạn chế cháy kích nổ và tối ưu hóa hiệu suất. Các giải pháp này bao gồm điều chỉnh góc phun sớm, sử dụng hệ thống phun nhiên liệu tiên tiến, và bổ sung các chất phụ gia vào LPG. Ngoài ra, việc áp dụng các kỹ thuật hồi lưu khí thải (EGR) và bổ sung CO2 cũng có thể giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu khí thải.

5.1. Điều Chỉnh Góc Phun Sớm Để Giảm Thiểu Kích Nổ

Điều chỉnh góc phun sớm là một trong những giải pháp đơn giản và hiệu quả để giảm thiểu cháy kích nổ. Việc điều chỉnh góc phun sớm có thể ảnh hưởng đến thời điểm bắt đầu quá trình đốt cháy, giúp kiểm soát áp suất và nhiệt độ trong buồng đốt, từ đó giảm nguy cơ kích nổ. Tuy nhiên, việc điều chỉnh góc phun sớm cần được thực hiện cẩn thận, vì nó cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và khí thải.

5.2. Ứng Dụng Hệ Thống Phun Nhiên Liệu LPG Trực Tiếp

Sử dụng hệ thống phun nhiên liệu LPG trực tiếp vào buồng đốt có thể cải thiện đáng kể quá trình hòa trộn và đốt cháy, so với việc phun LPG vào đường nạp. Hệ thống phun trực tiếp cho phép kiểm soát chính xác lượng LPG được phun vào buồng đốt, cũng như thời điểm và vị trí phun, giúp tối ưu hóa quá trình đốt cháy và giảm thiểu khí thải.

5.3. Bổ Sung CO2 Và Áp Dụng EGR Để Cải Thiện Hiệu Suất

Việc bổ sung CO2 vào hỗn hợp nhiên liệu và áp dụng kỹ thuật hồi lưu khí thải (EGR) có thể giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu khí thải. CO2 có tác dụng làm giảm nhiệt độ đốt cháy, giúp giảm nguy cơ kích nổ và giảm nồng độ NOx. EGR cũng có tác dụng tương tự, bằng cách đưa một phần khí thải trở lại buồng đốt, làm giảm nồng độ oxygen và nhiệt độ đốt cháy.

VI. Kết Luận Và Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Về Động Cơ LPG

Nghiên cứu ứng dụng LPG trên động cơ nén cháy đã đạt được những tiến bộ đáng kể, nhưng vẫn còn nhiều vấn đề cần được giải quyết. Các nghiên cứu tương lai cần tập trung vào việc phát triển các công nghệ động cơ tiên tiến, tối ưu hóa hệ thống nhiên liệu LPG, và đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường của việc sử dụng LPG trên quy mô lớn. Việc hợp tác giữa các nhà khoa học, kỹ sư và nhà sản xuất là rất quan trọng để đẩy nhanh quá trình nghiên cứu và phát triển công nghệ động cơ LPG.

6.1. Phát Triển Công Nghệ Động Cơ Đa Nhiên Liệu Linh Hoạt

Phát triển công nghệ động cơ đa nhiên liệu linh hoạt, có khả năng sử dụng nhiều loại nhiên liệu thay thế, bao gồm LPG, CNG, biomethane và nhiên liệu sinh học, là một hướng đi đầy tiềm năng. Động cơ đa nhiên liệu có thể tự động điều chỉnh để sử dụng loại nhiên liệu có sẵn và rẻ nhất, giúp giảm chi phí vận hành và tăng tính linh hoạt trong việc sử dụng năng lượng.

6.2. Nghiên Cứu Ứng Dụng LPG Sinh Học Và Biomethane

Nghiên cứu ứng dụng LPG sinh học và biomethane, được sản xuất từ các nguồn tái tạo, là một hướng đi quan trọng để giảm thiểu phát thải CO2 và tăng tính bền vững của công nghệ động cơ LPG. LPG sinh học và biomethane có thành phần tương tự như LPG truyền thống, nhưng có nguồn gốc từ các nguồn tái tạo, giúp giảm thiểu tác động đến môi trường.

6.3. Đánh Giá Toàn Diện Về Chi Phí Vận Hành Và Bảo Trì Động Cơ LPG

Để đánh giá tiềm năng kinh tế của việc sử dụng LPG, cần có các nghiên cứu toàn diện về chi phí vận hành và bảo trì động cơ LPG. Các nghiên cứu này cần xem xét các yếu tố như giá LPG, chi phí chuyển đổi LPG, chi phí bảo trì động cơ và tuổi thọ động cơ. Kết quả của các nghiên cứu này sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho các nhà hoạch định chính sách và người tiêu dùng để đưa ra quyết định về việc sử dụng LPG.