Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% cho động cơ xăng

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% cho động cơ xăng

1. MỞ ĐẦU i. Lý do chọn đề tài Ngày nay, cùng với sự tăng trưởng về số lượng xe cơ giới là sự gia tăng ô nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động cơ của các phương tiện này thải ra vào không khí. Nguồn ô nhiễm này gây ảnh hưởng lớn tới sức khỏe và cuộc sống của con người, đặc biệt là ở các thành phố lớn có mật độ xe cơ giới cao. Một trong những giải pháp nhằm giải quyết vấn đề này là sử dụng các loại nhiên liệu thay thế, nhiên liệu sinh học có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường. Xăng sinh học là loại nhiên liệu sinh học hiện nay được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Đối với các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol thấp (5- 10%) thì có thể sử dụng trên động cơ xăng thông thường mà không cần phải thay đổi kết cấu. Tuy nhiên đối với các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn cần có những thay đổi kết cấu phù hợp nhằm nâng cao tính năng kỹ thuật và độ bền của động cơ. Cùng với xu thế chung, Việt Nam cũng đã và đang triển khai lộ trình áp dụng xăng sinh học E5, E10. Do đó, để phát huy hơn nữa thế mạnh về sản xuất cồn ethanol, cần nghiên cứu nâng cao hơn nữa tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học cũng như chế tạo động cơ sử dụng nhiên liệu linh hoạt. Đây cũng chính là lý do của việc thực hiện đề tài: “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% cho động cơ xăng”. ii. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu và thực hiện giải pháp kỹ thuật chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% đảm bảo tính năng kỹ thuật của động cơ. Đánh giá hiệu quả cũng như tác động của việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới động cơ xăng đang lưu hành. iii. Đối tượng và phạm v nghiên cứu Luận án được thực hiện trên động cơ Toyota 1NZ-FE lắp trên xe ô tô Toyota Vios. Nhiên liệu thử nghiệm gồm xăng khoáng RON 92 thương phẩm, các hỗn hợp của xăng khoáng RON 92 và 30%, 50%, 85% và 100% cồn ethanol về thể tích (tương ứng là E0, E30, E50, E85 và E100). Việc nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực (CKĐL), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. iv. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể là: Nghiên cứu lý thuyết tập trung ứng dụng phần mềm AVL-Boost để tính toán mô phỏng tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ khi sử dụng xăng thông thường và xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100%. 1
2. Phần nghiên cứu thực nghiệm thực hiện trên băng thử động cơ và ô tô để hiệu chuẩn mô hình, xây dựng bộ thông số chuẩn cũng như đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ ô tô trước và sau khi lắp bộ chuyển đổi. v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Luận án đã làm rõ được ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới quá trình cháy, tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ phun xăng điện tử. Luận án xây dựng được bộ thông số chuẩn về lượng nhiên liệu cung cấp và góc đánh lửa phù hợp với tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học và chế độ làm việc của động cơ là cơ sở cho nghiên cứu chuyển đổi cũng như nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng nhiên liệu linh hoạt. Luận án đưa ra được giải pháp chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử thông thường sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt thực hiện có tính khả thi, cải thiện tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ. Kết quả luận án góp phần thúc đẩy việc sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học, giảm phụ thuộc nhiên liệu khoáng, giảm ô nhiễm môi trường, nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp tại Việt Nam. v. Tính mới của đề tài Đề tài là công trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam thực hiện chuyển đổi thành công động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100%. ECU phụ được lắp thêm trên động cơ có khả năng tự động nhận biết tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học, tự động điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình và góc đánh lửa sớm phù hợp với tỷ lệ ethanol, đảm bảo tính năng kỹ thuật của động cơ. vii. Nội dung của luận án Mở đầu Chương 1. Tổng quan Chương 2. Cơ sở lý thuyết Chương 3. Mô phỏng động cơ phun xăng điện tử khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học 1.1.1. Sự cần thiết phải nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học Nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học là điều cần thiết nhằm đáp 2
3. ứng được nhu cầu năng lượng đang ngày một tăng cao của con người, giảm thiểu được ô nhiễm môi trường đặc biệt là ở các thành phố lớn có mật độ phương tiện cao cũng như giảm thiểu được sự phụ thuộc vào việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch đang ngày một cạn kiệt 1.1.2. Các loại nhiên liệu sinh học được sử dụng trên phương tiện 1.1.2.1. Định nghĩa, phân loại 1.1.2.2. Một số loại nhiên liệu sinh học thường dùng 1.2. Nhiên liệu cồn ethanol và xăng sinh học 1.2.1. Nhiên liệu cồn ethanol Ethanol là một hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của rượu metylic, dễ cháy, không màu, là một trong các rượu thông thường có trong thành phần của đồ uống chứa cồn [19]. 1.2.1.1. Nguồn gốc, phương pháp sản xuất cồn ethanol 1.2.1.1. Tính chất của cồn ethanol 1.2.1. Xăng sinh học 1.2.1.1. Khái niệm Xăng sinh học được tạo ra bằng cách phối trộn cồn sinh học ethanol khan với xăng khoáng theo một tỉ lệ nhất định. Ngoài ra hỗn hợp phối trộn còn được bổ sung thêm một hàm lượng nhỏ chất phụ gia và chất biến tính để đảm bảo tính chất nhiên liệu của xăng sinh học. 1.2.2.2. Tính chất của xăng sinh học 1.2.3. Sản xuất và sử dụng nhiên liệu cồn ethanol và xăng sinh học trên phương tiện 1.2.3.1. Trên thế giới Hiện nay, xăng sinh học là loại nhiên liệu sinh học được ứng dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Trong thời gian qua số lượng phương tiện sử dụng nhiên liệu thay thế nói chung cũng như xăng sinh học nói riêng được nghiên cứu phát triển và sản xuất không ngừng được tăng lên. 1.2.3.2. Tại Việt Nam Tại Việt Nam, nhiên liệu cồn ethanol chủ yếu được sản xuất từ sắn. Diện tích và sản lượng sắn tại Việt Nam trong thời gian qua liên tục tăng cao [4]. 1.3. Các nghiên cứu sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn trên động cơ xăng 1.3.1. Các nghiên cứu trên thế giới 1.3.1.1. Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học trên động cơ xăng Các nghiên cứu của Hassan [77], Vilnis Pirs [112] và Luigi De Simio [76] đã cho thấy khi động cơ sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% cần phải điều chỉnh lại lương nhiên liệu cung cấp để hệ số dư lượng không khí  = 1 3
4. nhằm giảm sự sụt giảm mô men, công suất của động cơ khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tăng cao. Nhiên cứu của Phuangwongtrakul [100] và Koichi Nakata [73] đã cho thấy khi tăng lượng nhiên liệu cung cấp để đảm bảo hệ số  = 1 và điều chỉnh lại góc đánh lửa sớm của động cơ sẽ nâng cao được công suất, mô men của động cơ khi sử dụng xăng sinh học lên cao hơn so với khi sử dụng xăng thông thường. 1.3.1.2. Chuyển đổi từ động cơ sử dụng xăng thông thường sang động cơ sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn Benjamin Strader [36] và J. R. Crosby [63] đã chỉ ra khi chuyển đổi động cơ sang sử dụng xăng sinh học thì việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm và lượng nhiên liệu cung cấp sẽ được thực hiện thông qua việc xây dựng một bộ dữ liệu điều khiển mới cho động cơ. Tại Thái Lan, hiện đã có những bộ chuyển đổi hỗ trợ cho động cơ xăng sử dụng xăng sinh học được thương mại hóa. Tuy nhiên các bộ chuyển đổi này chỉ phù hợp với từng loại xăng sinh học nhất định và chỉ điều chỉnh được quá trình cung cấp nhiên liệu, chưa điều chỉnh được góc đánh lửa sớm của động cơ. 1.3.1.3. Thiết kế, chế tạo động cơ mới chuyên dụng cho phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt (FFV) 1.3.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam 1.3.2.1. Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học trên động cơ xăng Các nghiên cứu của Phạm Hữu Truyền [17] và Lê Văn Tụy [13] đã chỉ ra được khi được ưu điểm của việc sử sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ thấp đến trung bình (E10, E15, E20) trong việc nâng cao tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ. Ngoài ra các nghiên cứu cũng chỉ ra việc cần tiếp tục nghiên cứu nâng cao tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp xăng sinh học trên 10% và tiến tới thiết kế phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt tại Việt Nam. 1.3.2.2. Chuyển đổi từ động cơ sử dụng xăng thông thường sang động cơ sử dụng xăng sinh học Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn được thực hiện trong Đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống phun nhiên liệu điện tử cung cấp xăng sinh học có tỷ lệ cồn etanol tới 100% (E100) cho động cơ ô tô và xe máy sử dụng nhiên liệu linh hoạt”, mã số ĐT.09.2014/NLSH do PGS.TS Phạm Hữu Tuyến làm chủ nhiệm đề tài và Trường Đại học Bách khoa Hà Nội là đơn vị chủ trì [18]. 1.4. Kết luận Chương 1 Việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn làm nhiên liệu cho phương tiện, đặc biệt ở điều kiện Việt Nam giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên 4
5. liệu hóa thạch nhiên liệu hóa thạch đang ngày một cạn kiệt. Xăng sinh học được sản xuất thông qua việc phối trộn giữa xăng khoáng và cồn ethanol đang là loại nhiên liệu sinh học được ứng dụng và phát triển rộng rãi trên thế giới nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng của con người đồng thời góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn có thể nâng cao hiệu suất động cơ, giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp. Tuy nhiên khi tăng tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học thì nhiệt trị của nhiên liệu giảm xuống, đồng thời tính chất của xăng sinh học thay đổi nhiều so với xăng khoáng nên thời điểm đánh lửa của động cơ xăng nguyên bản không còn phù hợp. Điều này dẫn tới mômen và công suất động cơ suy giảm, do vậy cần điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cũng như thời điểm đánh lửa phù hợp với tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học. Để thực hiện được việc này trên động cơ phun xăng điện tử đang lưu hành, cần bổ sung thêm bộ điều khiển ECU phụ. Bộ điều khiển này sẽ điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp đảm bảo hệ số dư lượng không khí  = 1 và góc đánh lửa sớm hợp lý tương ứng với các tỷ lệ cồn ethanol khác nhau trong xăng sinh học. Hệ số dư lượng không khí  được điều chỉnh bằng 1 để bộ xử lý khí xả làm việc có hiệu quả nhất và góc đánh lửa sớm được điều chỉnh để mô men động cơ đạt giá trị lớn nhất. Trong quá trình thiết kế, chế tạo bộ chuyển đổi (ECU phụ) và hướng tới động cơ sử dụng nhiên liệu linh hoạt thì cần phải xây dựng bộ thông số lượng phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm của động cơ phù hợp với từng tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học để làm cơ sở dữ liệu điều khiển. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Quá trình cháy của động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học 2.1.1. Quá trình cháy trong động cơ xăng 2.1.2. Quá trình cháy của xăng sinh học 2.2. Lý thuyết mô phỏng động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học 2.2.1. Mô hình hỗn hợp nhiên liệu 2.2.2. Mô hình cháy 2.2.2.1. Các mô hình cháy dùng trong mô phỏng động cơ đốt cháy cưỡng bức 2.2.2.2. Mô hình cháy Fractal Mô hình cháy Fractal áp dụng hình học phân hình (hình học fractal) mô hình hóa lại sự biến thiên của ngọn lửa trong quá trình cháy rối trong lòng xy lanh. Sự biến thiên của bề mặt màng lửa khi đó sẽ được tính toán theo hình học 5
6. phân hình với tham số kích thước phân hình (kích thước Fractal) và hệ số khuếch đại tỷ lệ được đo đạc theo thí nghiệm. Tổng lượng nhiên liệu cháy có thể xác định theo tỷ lệ khối lượng của hai chế độ cháy được mô tả ở trên (cháy fractal và cháy sát vách): ( ) = (1 − 푤2). ( ) + 푤2. ( ) 푡 푡ổ푛 푡 푡 푙푠 푡 ℎá 푠á푡푣á ℎ 2.2.3. Mô hình truyền nhiệt Mô hình mô hình truyền nhiệt được lựa chọn sử dụng là mô hình cháy truyền nhiệt Woschini 1978 với hệ số truyền nhiệt được tính theo công thức: 0,8 −0,2 0,8 −0,53 . ,1 훼푤 = 130. . . . [ 1. + 2. . ( − ,0)] ,1. ,1 2.2.4. Mô hình phát thải 2.2.4.1. Mô hình hình thành NOx Cơ chế hình thành phát thải NOx trong động cơ đốt trong dựa trên mô hình động lực học phản ứng cơ sở Pattas và Hafner [109]. Quá trình hình thành NOx được thể hiện qua sáu phương trình phản ứng theo cơ chế Zeldovich. 2.2.4.2. Mô hình hình thành CO 2.2.4.3. Mô hình hình thành HC 2.2.5. Một số mô hình phụ khác 2.2.5.1. Mô hình nạp, thải 2.2.5.2. Mô hình kích nổ 2.2.5.3. Mô hình tính toán tổn thất cơ giới Vì động cơ được sử dụng nghiên cứu là động cơ xăng sử dụng trên phương tiện ô tô thông thường (tốc độ cao) nên mô hình tổn thất ma sát được sử dụng là mô hình Patton, Nitschke, Heywood. 2.3. Hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ phun xăng khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% 2.3.1. Hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ Toyota 1NZ-FE 2.3.1.1. Hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ phun xăng 2.3.1.2. Hệ thống phun xăng điện tử trên động cơ Toyota 1NZ-FE 2.3.1.3. Hệ thống đánh lửa trực tiếp trên động cơ Toyota 1NZ-FE 2.3.2. Cơ sở lý thuyết chuyển đổi hệ thống phun xăng điện tử động cơ Toyota 1NZ-FE sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% 2.3.2.1. Sơ đồ hệ thống Để chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% (sử dụng nhiên liệu linh hoạt) và đảm bảo tính năng kỹ thuật thì hai thông số quan trọng trên động 6
7. cơ phun xăng điện tử là lượng phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm cần được điều chỉnh phù hợp với tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu. Như vậy, nếu giữ nguyên hệ thống điều khiển phun xăng điện tử nguyên bản (ECU chính), cần bổ sung thêm ECU điều khiển thứ hai (ECU phụ) để hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển phù hợp với tỷ lệ cồn cũng như cảm biến để nhận biết tỷ lệ cồn trong nhiên liệu. Trên cơ sở đó, luận án xây dựng hệ thống phun xăng điện tử chuyển đổi với sơ đồ khối được trình bày ở Hình 2.15. Hình 2.15. Sơ đồ khối điều khiển động cơ Các bộ phận trong sơ đồ điều khiển động cơ bao gồm: 1. ECU chính của động cơ 8. Vòi phun nhiên liệu 2. Cảm biến tốc độ động cơ 9. Bô bin đánh lửa 3. Cảm biến lưu lượng khí nạp 10. Cảm biến nước làm mát 4. Cảm biến áp suất khí nạp 11. Cảm biến lambda 5. Cảm biến vị trí bướm ga 12. Bộ xúc tác 6. Đường khí nạp vào 13. Bộ chuyển đổi (ECU phụ) 7. Đường dẫn nhiên liệu 14. Cảm biến nồng độ cồn trong nhiên liệu 2.3.2.2. Tín hiệu điều khiển 2.3.2.3. Cảm biến tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu Luận án sử dụng cảm biến điện dung và cảm biến được lắp trên đường cấp nhiên liệu tới động cơ. 2.3.2.4. Bộ điều khiển ECU phụ ECU phụ sử dụng vi điều khiển ATxmega 128A có vai trò nhận và xử lý 7
8. tín hiệu xung phun, xung đánh lửa từ ECU chính, tín hiệu tỷ lệ cồn etanol trong nhiên liệu. 2.3.3. Bộ dữ liệu chuẩn trong động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% 2.3.3.1. Bộ dữ liệu chuẩn trong động cơ xăng 2.3.3.2. Phương pháp xây dựng bộ thông số chuẩn cho động cơ khi sử dụng xăng sinh học Quá trình xây dựng giá trị lượng nhiên liệu phun và góc đánh lửa sớm phù hợp cới tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học được thực hiện qua những bước sau: Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ; Chuẩn hóa mô hình; Tính toán bộ thông số chuẩn bằng mô phỏng; Hiệu chỉnh bộ thông số bằng thực nghiệm. Bộ thông số về lượng nhiên liệu cung cấp trong một chu trình (gct) và góc đánh lửa sớm ( s) sẽ được xây dựng bằng mô phỏng và sau đó được hiệu chỉnh để bám sát với điều kiện làm việc thực tế của động cơ bằng thực nghiệm. 2.4. Kết luận chương 2 Quá trình cháy của xăng sinh học trong động cơ xăng có diễn biến giống như quá trình cháy của xăng thông thường tuy nhiên tùy thuộc vào từng tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học mà các thông số của quá trình cháy của xăng sinh học sẽ biến đổi tương ứng. Luận án đã phân tích và lựa chọn được các mô hình phù hợp trong phần mềm AVL Boost để mô phỏng động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn. Các mô hình được lựa chọn bao gồm: mô hình cháy Fractal, mô hình truyền nhiệt Woschni 1978, mô hình nạp thải Zaft, mô hình tổn thất ma sát Patton, các mô hình phát thải NOx, CO, HC và một số mô hình phụ khác. Để chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử sử dụng xăng thông thường sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt thì phương án được luận án đưa ra là sử dụng ECU phụ nhằm lượng nhiên liệu cung cấp và góc đánh lửa sớm theo tỷ lệ cồn ethanol đo được từ cảm biến tỷ lệ cồn ethanol lắp trên đường cung cấp nhiên liệu. ECU sẽ tính toán và xử lý các tín hiệu đầu vào thời điểm đánh lửa IGT và lượng phun nhiên liệu FI nhận được từ ECU chính thành các tín hiệu đầu ra thời điểm đánh lửa đã hiệu chỉnh IGT’ và lượng nhiên liệu phun đã hiệu chỉnh FI’ được gửi tới cuộn dây đánh lửa và vòi phun căn cứ trên bộ dữ liệu chuẩn đã được nạp vào ECU phụ. Việc xây dựng bộ thông số lượng nhiên liệu cung cấp và góc đánh lửa sớm chuẩn cho động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% trong luận văn cần phải kết hợp hai phương pháp mô phỏng và thực nghiệm. Bộ thông số chuẩn sẽ được tính toán bằng mô phỏng trước sau đó sẽ được hiệu chuẩn bằng thực nghiệm sau. 8
9. CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ KHI SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC CÓ TỶ LỆ CỒN ETHANOL LỚN TỚI 100% 3.1. Đối tượng nghiên cứu và xây dựng mô hình động cơ 3.1.1. Đối tượng nghiên cứu 3.1.2. Xây dựng mô hình động cơ 3.2. Đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản trên động cơ ô tô phun xăng điện tử khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% 3.2.1. Hiệu chuẩn mô hình và đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản Động cơ được thử nghiệm để đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản và lấy dữ liệu để chuẩn hóa mô hình mô phỏng khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% được thực hiện với hai chế độ mô phỏng là chế độ 100% ga (chế độ toàn tải) và chế độ 40% ga (chế độ tải bộ phận) đại diện vùng làm việc tải lớn và tải nhỏ, tốc độ thay đổi từ 1000v/phút đến 6000 v/phút và được hiệu chuẩn bằng kết quả thực nghiệm. Nhiên liệu nghiên cứu gồm E0 (xăng thông thường), E30, E50, E85, E100. Việc hiệu chuẩn chỉ được tiến hành với hai chế độ tải do đây là thực nghiệm bước đầu để lấy số liệu hiệu chuẩn mô hình với tất cả các loại nghiên cứu (5 loại nhiên liệu) nhằm giảm thời gian và chi phí thực hiện. Hình 3.3. So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng ECU nguyên bản, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50 Mô hình mô phỏng động cơ được hiệu chuẩn dựa trên các số liệu thực nghiệm bao gồm: công suất, mô men, suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải NOx, CO, HC và diễn biến áp suất trong xy lanh động cơ đảm bảo kết quả mô phỏng bám sát kết quả đo đạc bằng thực nghiệm. Sai lệch lớn nhất đối với các thông số công tác của động cơ cụ thể như sau: công suất động cơ 5,10%, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ 4,42%, các giá trị áp suất trong xy lanh động cơ 15,00%. Sai lệch lớn nhất đối với các thành phần phát thải động cơ cụ thể như 9
10. sau: phát thải CO 6,16%, phát thải HC 7,10%, phát thải NOx 15,00%. 3.2.2. Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới thông số của quá trình cháy 3.2.3. Xác định hệ số dư lượng không khí  của hỗn hợp cháy với các tỷ lệ cồn ethanol khác nhau Từ các kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm trong Mục 3.2.1 thấy rằng khi càng tăng tỷ lệ cồn ethanol trong hỗn hợp, các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của động càng bị suy giảm. Một trong những lý do khiến các chỉ tiêu kinh tế - năng lượng của động cơ bị suy giảm là do sự thay đổi các thành phần hỗn hợp cháy. Khi càng tăng tỷ lệ cồn ethanol, hỗn hợp càng trở nên “nghèo” đi, nghĩa là hệ số dư lượng không khí  càng tăng lên. Nguyên nhân là do trong hàm lượng nguyên tố Ô xy trong ethanol nhiên liệu cao hơn nhiều so với xăng (xấp xỉ 30% so với chưa đến 3% của xăng). Do vậy hỗn hợp cháy khi sử dụng xăng sinh học thừa ô xy do đó cần phải tăng lượng nhiên liệu cung cấp để hệ số dư lượng không khí  = 1. 3.3. Nghiên cứu mô phỏng xây dựng bộ thông số chuẩn với xăng sinh học 3.3.1. Tính toán mô phỏng lượng nhiên liệu phun đảm bảo hệ số dư lượng không khí  = 1 Do động cơ nguyên bản khi sử dụng xăng sinh học có  1 nên để  = 1 cần phải tăng thêm lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình nhằm tăng độ đậm cho hỗn hợp. * Tại chế độ 20% tải: Lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ trong một chu trình (gct) được tăng lên tương ứng với sự tăng lên của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học, (hình 3.22). Hình 3.22. Lượng nhiên liệu và sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 20% tải Công suất của động cơ sau khi được điều chỉnh lượng phun nhiên liệu tăng lên rất nhiều và với các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol càng lớn thì công 10
11. suất càng tăng lên nhiều hơn khi chưa có sự điều chỉnh. Công suất của động cơ khi được điều chỉnh sử dụng xăng sinh học E30, E50, E85 và E100 đạt gần tương đương với công suất của động cơ khi sử dụng RON92 (hình 3.23). Hình 3.23. Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 20% tải * Tại chế độ 60% tải và chế độ 100% tải, lượng nhiên liệu cung cấp cũng được điều chỉnh tăng lên tương ứng với tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học và công suất động cơ cũng tăng lên cao hơn so với khi sử dụng xăng thông thường. Đặc biệt với chế độ 100% tải nhờ việc điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp mà động cơ đã hoạt động được với xăng sinh học E85 và E100 ở chế độ này. 3.3.2. Tính toán góc đánh lửa sớm để mô men động cơ đạt Memax khi sử dụng xăng sinh học Sau khi điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ để  = 1, tiến hành điều chỉnh góc đánh lửa sớm để mômen đạt giá trị lớn nhất Memax. * Tại chế độ 20% tải: Kết quả điều chỉnh góc đánh lửa sớm hình 3.29. Hình 3.29. Góc đánh lửa sớm và sự thay đổi góc đánh lửa sớm trung bình của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 20% tải Công suất của động cơ sử dụng xăng sinh học sau khi được điều chỉnh góc đánh lửa sớm tăng lên khi so sánh với sử dụng xăng thông thường RON92 tương ứng là 5,0% với E30, 7,29% với E50, 10,63% với E85 và 11,72% với E100. Công suất của động cơ khi được điều chỉnh sử dụng xăng sinh học E30, E50, 11
12. E85 và E100 cũng cao hơn so với khi động cơ sử dụng xăng thông thường RON92 (chi tiết được trình bày hình 3.30). Hình 3.30. Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh góc đánh lửa sớm ở 20% tải Tại chế độ 60% tải và chế độ 100% tải: Kết quả điều chỉnh góc đánh lửa sớm và sự thay đổi công suất của động cơ sau khi được điều chỉnh cũng tương tự như với chế độ 20% tải. Góc đánh lửa sớm trung bình được điều chỉnh với các tải trọng 20%, 60% và 100% tương ứng là 10,1÷20,9GQTK, 9,517QGTK và 18,921,9GQTK. 3.4. Kết luận chương 3 Mô hình mô phỏng được xây dựng trên cơ sở các thông số kỹ thuật thực tế của động cơ Toyota 1NZ-FE với mô hình cháy Fractal, mô hình truyền nhiệt Mô hình Woschni 1978, mô hình nạp thải Zaft, mô hình tổn thất ma sát Patton, các mô hình phát thải NOx, CO, HC và một số mô hình phụ khác đã được lựa chọn trên cơ sở lý thuyết được trình bày trong Chương 2. Mô hình mô phỏng động cơ được hiệu chuẩn dựa trên các số liệu thực nghiệm bao gồm: công suất, mô men, suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải NOx, CO, HC và diễn biến áp suất trong xy lanh động cơ đảm bảo kết quả mô phỏng bám sát kết quả đo đạc bằng thực nghiệm. Sai lệch lớn nhất đối với các thông số công tác của động cơ cụ thể như sau: công suất động cơ 5,10%, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ 4,42%, các giá trị áp suất trong xy lanh động cơ 15,00%. Sai lệch lớn nhất đối với các thành phần phát thải động cơ cụ thể như sau: phát thải CO 6,16%, phát thải HC 7,10%, phát thải NOx 15,00%. Lượng phun nhiên liệu được điều chỉnh tăng thêm đảm bảo hệ số dư lượng không khí  = 1 để bộ xử lý khí thải trên động cơ xăng đạt hiệu quả làm việc cao nhất. Quá trình điều chỉnh cho thấy khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học càng lớn thì lượng nhiên liệu cần điều chỉnh tăng lên cũng tương ứng tăng theo. Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh để mô men động cơ đạt giá trị cao nhất 12
13. cho thấy khi sử dụng xăng sinh học thì khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tăng thì góc đánh lửa sớm phải tăng lên tương ứng. Ngoài ra góc đánh lửa sớm trung bình cần điều chỉnh nhiều hơn ở chế độ tải trọng nhỏ sau đó giảm ở chế độ tải trọng trung bình và tăng lên cao nhất ở chế độ toàn tải CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Đối tượng, nhiên liệu và trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm 4.1.1. Đối tượng thử nghiệm Đối tượng trong các thử nghiệm được thực hiện trong đề tài là bao gồm: - Động cơ xăng 1NZ-FE của hãng Toyota trước và sau khi được điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp và góc đánh lửa sớm. - Ô tô Toyota Vios 1.5 sử dụng động cơ Toyota 1NZ-FE với trạng thái nguyên bản (chưa lắp bộ chuyển đổi ECU phụ) và sau khi lắp bộ chuyển đổi động cơ từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học. 4.1.2. Nhiên liệu thử nghiệm Nhiên liệu thử nghiệm bao gồm: xăng RON92, xăng sinh học E30, E50, E85 và E100. 4.1.3. Trang thiết bị thử nghiệm Đề tài thực hiện thử nghiệm trên động cơ và ô tô với các trang thiết bị thử nghiệm tại Phòng Thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí Động lực, Đại học Bách Khoa Hà Nội. Cụ thể như sau: 4.1.3.1. Thử nghiệm động cơ Trang thiết bị thử nghiệm bao gồm: Băng thử tính năng động lực học cao (ETB); Hệ thống đo khí thải CEBII; Hệ thống đo nhiên liệu AVL 733S. Đối với các thí nghiệm chuẩn hóa bộ thông số thì động cơ được điều khiển bằng hệ thống điều khiển động cơ của ECM của hãng Woodward. 4.1.3.2. Thử nghiệm ô tô Trang thiết bị thử nghiệm bao gồm: Băng thử ô tô CD 48; Hệ thống lấy mẫu thể tích không đổi CVS; Hệ thống đo khí thải CEB II; Hệ thống đo nhiên liệu AVL 733S. 4.2. Thử nghiệm hiệu chuẩn mô hình mô phỏng và bộ thông số chuẩn động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% 4.2.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm 4.2.2. Kết quả thử nghiệm 4.2.2.1. Kết quả thử nghiệm lấy số liệu hiệu chuẩn mô hình Kết quả thử nghiệm đã được lấy để phục vụ hiệu chuẩn cho mô hình mô 13
14. phỏng động cơ trên phần mềm AVL Boost và được trình bày chi tiết trong Chương 3. Kết quả mô hình mô phỏng sau khi được chuẩn hóa cho kết quả các giá trị được tính toán trên mô hình mô phỏng sau khi được chuẩn hóa và kết quả đo đạc bằng thực nghiệm có sai lệch nhỏ hơn 5%. 4.1.2.2. Kết quả thử nghiệm hiệu chuẩn bộ thông số chuẩn cho động cơ * Kết quả thực nghiệm xác định lượng nhiên liệu phun Lượng nhiên liệu phun được hiệu chỉnh theo cảm biến lambda và lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình gct (g/ct) để đảm bảo hệ số dư lượng không khí  = 1. Để nạp vào ECU điều khiển động cơ thì lượng nhiên liệu phun được tính toán sang dạng thời gian phun nhiên liệu trong 1 chu trình tính theo mili giây (ms) trong phần mềm Matlab Simulink. Kết quả được lượng phun nhiên liệu đối với các loại xăng sinh học E30, E50, E85 và E100 trong phần mềm Matlab được thể hiện ở dạng đường đồng mức từ hình 4.4 đến 4.7. Hình 4.4. Đặc tính thời gian phun Hình 4.5. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E30 nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E50 Hình 4.6. Đặc tính thời gian phun Hình 4.7. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E85 nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu 14
15. E100 * Kết quả hiệu chuẩn góc đánh lửa sớm Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh theo bước nhảy 1GQTK lên phía trước và phía sau góc đánh lửa được tính toán thông qua mô phỏng. Góc đánh lửa sớm phù hợp là góc được xác định tại vị trí đạt công suất lớn nhất (hay mô men lớn nhất - MBT). Các kết quả sau khi được đo đạc cũng được nhập vào phần mềm Matlab để sử dụng cho quá trình tính toán điều khiển động cơ của ECU phụ. Hình 4.8 đến 4.11 là kết quả góc đánh lửa sớm theo tốc độ động cơ và lượng không khí nạp của các loại xăng sinh học E30, E50, E85 và E100 được thể hiện ở dạng đường đồng mức trong phần mềm Matlab. Hình 4.8. Góc đánh lửa sớm tối ưu Hình 4.9. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E30 khi sử dụng E50 Hình 4.10. Góc đánh lửa sớm tối ưu Hình 4.11. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E85 khi sử dụng E100 Các kết quả cũng cho thấy ảnh hưởng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tới góc đánh lửa sớm của động cơ khi góc đánh lửa sớm của động cơ tăng lên tương ứng với việc tăng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học. Ngoài 15
16. ra, góc đánh lửa sớm tại các chế độ tải nhỏ cần phải điều chỉnh nhiều hơn tại các chế độ tải trọng lớn. 4.3. Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ECU phụ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% 4.3.1. Thiết kế chế tạo bộ điều khiển ECU phụ cho động cơ Toyota 1NZ-FE 4.3.1.1. Chế tạo mạch điều khiển của ECU phụ Mạch điều khiển của ECU phụ phải đảm bảo khả năng chống nhiễu tốt, khoảng cách các chân và vùng hàn thiếc không quá gần nhau. Mạch điều khiển sau chế tạo và hoàn thiện được thể hiện ở hình 4.13. Hình 4.13. Mạch điều khiển của ECU phụ ô tô sau khi hoàn thiện 4.3.1.2. Nghiên cứu lập trình bộ điều khiển ECU phụ cho động cơ ô tô Quá trình lập trình cho bộ điều khiển ECU phụ cho động cơ ô tô cũng bao gồm lập trình xác định tín hiệu đánh lửa, độ rộng xung phun, tỷ lệ cồn ethanol, điều khiển thời điểm đánh lửa, điều khiển phun có xét đến số lượng 4 xy lanh và thứ tự công tác của động cơ ô tô Toyota 1NZ-FE là 1-3-4-2. 4.3.2. Nghiên cứu nạp bộ thông số chuẩn lên ECU phụ 4.3.2.1. Nghiên cứu nạp bộ thông số chuẩn lên ECU phụ 4.3.2.2. Phần cứng nạp chương trình Phần cứng gồm có một bo mạch nạp MKII-ISP và bộ nạp của vi xử lý ATxmega128A. 4.3.2.3. Phần mềm nạp chương trình Phần mềm được sử dụng là phần mềm CodeVision có giao diện thân thiện với người sử dụng, dễ dàng lập trình và nạp chương trình. 4.4. Thử nghiệm đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ xăng khi sử dụng bộ chuyển đổi trên băng thử động cơ 4.4.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm 4.4.2. Kết quả thử nghiệm trên băng thử động cơ Kết quả thử nghiệm cho thấy trung bình trên toàn dải tốc độ, so với RON92 công suất động cơ tăng 6,30%, 9,05%, 12,96% và 16,61 %, suất tiêu hao nhiên 16
17. liệu tăng 6,92%, 13,55%, 22,76% và 31,17% tương ứng khi sử dụng xăng E30, E50, E85 và E100 (Hình 4.21, 4.22). Điều này cho thấy hiệu quả của việc sử dụng xăng sinh học khi tăng được công suất của động cơ. Hình 4.21. Công suất và sự thay đổi công suất động cơ ô tô lắp bộ chuyển đổi, 100% ga Hình 4.22. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu động cơ ô tô lắp bộ chuyển đổi, 100% ga Kết quả thử nghiệm hàm lượng và sự thay đổi hàm lượng các thành phần khí thải của động cơ ô tô thể hiện xu hướng chung HC và CO giảm, NOx tăng khi sử dụng xăng sinh học. Hình 4.23. Hàm lượng và sự thay đổi phát thải CO động cơ ô tô lắp bộ chuyển đổi, 100% ga 17
18. Hình 4.24. Hàm lượng và sự thay đổi phát thải HC động cơ ô tô lắp bộ chuyển đổi, 100% ga Hình 4.25. Hàm lượng và sự thay đổi phát thải NOx động cơ ô tô lắp bộ chuyển đổi, 100% ga Trung bình trên toàn dải tốc độ, so với RON92 sự thay đổi các thành phần phát thải khi sử dụng E30, E50, E85 và E100 lần lượt như sau: Thành phần CO giảm 6,64%, 11,03%, 15,68% và 18,13%; Thành phần HC giảm 4,05%, 8,23%, 23,87% và 34,88%; Thành phần NOx tăng 9,77%, 16,41%, 9,86% và 6,90%. 4.5. Thử nghiệm tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của xe ô tô với bộ chuyển đổi trên băng thử ô tô 4.5.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm 4.5.2. Kết quả thử nghiệm với ô tô nguyên bản (chưa lắp bộ chuyển đổi ECU phụ) Trong quá trình thử nghiệm các loại nhiên liệu trên ô tô nguyên bản, chưa lắp bộ chuyển đổi ECU phụ, xe ô tô chỉ hoạt động ổn định với RON92, E30 và E50. Hình 4.26, 4.27 thể hiện công suất, suất tiêu hao nhiên liệuvà sự thay đổi của các thông số này khi ô tô Toyota Vios hoạt động với xăng RON 92, E30 và E50 ở chế độ toàn tải tại tay số 3 và tay số 4. 18
19. Hình 4.26. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga, tay số 3 Hình 4.27. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga, tay số 4 Hình 4.28 thể hiện sự thay đổi công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và các thành phần phát thải tính trung bình trên toàn dải tốc độ ở tay số 3 và tay số 4 khi sử dụng xăng E30 và E50 so với xăng RON 92. Tay số 4 Tay số 3 Hình 4.28. Sự thay đổi về phát thải CO,CO2, NOx, và HC của ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga, tay số 3 và 4 Kết quả thử nghiệm cho thấy sử dụng xăng sinh học công suất giảm và suất tiêu hao nhiên liệu tăng, với xăng E30 công suất giảm khoảng 5%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng khoảng 6%, với xăng E50 các giá trị này là 12% và 14% so 19
20. với xăng khoáng RON 92. Hàm lượng phát thải CO và HC giảm đáng kể từ 65% đến 80% với E30 và E50, hàm lượng NOx tăng khoảng 10% với E30 nhưng tăng đáng kể tới 300% với E50, trong khi CO2 giảm khoảng 10% với cả hai loại nhiên liệu so với trường hợp sử dụng xăng RON 92. Hình 4.29 thể hiện sự thay đổi các thành phần khí thải và tiêu hao nhiên liệu của xe ô tô chạy theo chu trình thử tiêu chuẩn khi sử dụng xăng E30 và E50 so với trường hợp xăng khoáng RON92. Hình 4.29. Thay đổi hàm lượng phát thải và tiêu hao nhiên liệu của ô tô theo chu trình thử Euro 2 Khả năng gia tốc của ô tô với các loại nhiên liệu được đánh giá bằng thời gian gia tốc xe từ 20km/h đến 100km/h thể hiện ở bảng 4.5, thời gian gia tốc với xăng E30 và E50 dài hơn so với xăng khoáng RON92. Bảng 4.5. Kết quả đo gia tốc của ô tô từ 20 km/h đến 100 km/h Thông số RON92 E30 E50 Thời gian gia tốc từ 20 đến100 km/h (s) 19,5 22,2 23,7 4.5.3. Kết quả thử nghiệm với ô tô lắp bộ chuyển đổi Sau khi lắp đặt bộ chuyển đổi ECU phụ, xe ô tô có kha năng hoạt động ổn định với tất cả các nhiên liệu thử nghiệm bao gồm: RON92, E30, E50, E85 và E100. Hình 4.30 thể hiện công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi của thông số này của ô tô có lắp bộ chuyển đổi ở vị trí 100% ga, tay số 3. Hình 4.30. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô lắp bộ chuyển đổi ở 100%ga, tay số 3 20
21. Hình 4.31 thể hiện công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi của thông số này của ô tô có lắp bộ chuyển đổi ở vị trí 100% ga, tay số 4 Hình 4.31. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô lắp bộ chuyển đổi ở 100%ga, tay số 4 Kết quả thử nghiệm đã cho thấy với bộ chuyển đổi công suất động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu có xu hướng tăng khi sử dụng xăng sinh học, mức tăng công suất từ 7% đến 20%, mức tăng suất tiêu hao nhiên liệu từ 4% đến 33% tùy vào tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu. Thành phần phát thải CO và HC có xu hướng giảm, trong khi NOx tăng đến 15% khi tỷ lệ cồn ethanol tới 50% (E50), với tỷ lệ cồn lớn hơn 50% như E85 và E100 thì mức tăng NOx có xu hướng giảm xuống. Kết quả thử khí thải theo chu trình tương đối phù hợp với kết quả thử nghiệm ở chế độ ổn định được thể hiện trong hình 4.33 Hình 4.33. Thay đổi phát thải và tiêu hao nhiên liệu của ô tô Toyota Vios lắp bộ chuyển đổi thử theo chu trình thử tiêu chuẩn Euro 2 so với xăng RON92 Thời gian gia tốc từ 20km/h đến 100km/h của xe ô tô khi lắp bộ chuyển đổi thể hiện ở bảng 4.6, thời gian gia tốc với xăng sinh học trường hợp này ngắn hơn so với xăng RON92 cho thấy rõ hiệu quả cải thiện tính năng của ô tô khi lắp bộ chuyển đổi. 21
22. Bảng 4.6. Kết quả đo gia tốc từ 20 km/h đến 100 km/h của ô tô lắp bộ chuyển đổi Thông số RON92 E30 E50 E85 E100 Thời gian gia tốc từ 20-100 km/h (s) 19,5 17,5 17,7 18,1 17,3 Tương tự, quá trình khởi động của ô tô được lắp thêm ECU phụ khi sử dụng các loại xăng sinh học khá dễ dàng, hầu như không có sự khác biệt so với trường hợp sử dụng xăng RON92. Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy thời gian tăng tốc của ô tô khi được lắp ECU phụ với xăng sinh học E30 và E50 tăng tương ứng là 20,27% và 26,16%. Ngoài ra, khi lắp thêm ECU phụ động cơ và ô tô khởi động và hoạt động được với xăng sinh học E85 và E100. 4.6. Kết luận Chương 4 Bộ thông số chuẩn sau khi xây dựng bằng mô phỏng đã được hiệu chuẩn bằng thực nghiệm. Lượng phun nhiên liệu thực nghiệm và lượng phun nhiên liệu được xây dựng bằng mô phỏng có độ sai lệch nhỏ, dưới 1%. Góc đánh lửa sớm xây dựng bằng thực nghiệm có độ sai lệnh so với góc đánh lửa sớm xây dựng bằng mô phỏng nhỏ (dưới 3ºGQTK). Động cơ sau khi được lắp thêm ECU phụ thì công suất động cơ khi sử dụng xăng sinh học có công suất lớn hơn động cơ khi sử dụng xăng thông thường và tăng lên khi tỉ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tăng lên (cao nhất là với E100 16,61%). Lượng phát thải CO và HC giảm đáng kể khi động cơ chuyển đổi sang sử dụng xăng sinh học. Bộ điều khiển ECU phụ sau khi được chế tạo hoàn thiện đã được thử nghiệm đánh giá hiệu quả sử dụng và chất lượng vận hành trên phương tiện ô tô. Đối với động cơ ô tô thử nghiệm được thực hiện trên băng thử động cơ, trung bình trên toàn dải tốc độ, so với RON92 công suất động cơ tăng 6,30%, 9,05%, 12,96% và 16,61%, do sự gia tăng của suất tiêu hao nhiên liệu tăng tương ứng 6,92%, 13,55%, 22,76% và 31,17% và hiệu suất có ích của động cơ của động cơ tăng tương ứng 2,34%, 2,90%, 5,50% và 6,26% khi sử dụng xăng E30, E50, E85 và E100. Đối với thành phần phát thải thì hàm lượng CO giảm 6,64%, 11,03%, 15,68% và 18,13%, HC giảm 4,05%, 8,23%, 23,87% và 34,88%, NOx tăng 9,77%, 16,41%, 9,86% và 6,90% tương ứng khi sử dụng xăng E30, E50, E85 và E100. Đối với ô tô thử nghiệm trên băng thử CD 48’’, công suất động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu có xu hướng tăng khi sử dụng xăng sinh học, mức tăng công suất từ 7% đến 20%, mức tăng suất tiêu hao nhiên liệu từ 3% đến 33% tùy vào tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu. Thành phần phát thải CO và HC có xu hướng 22
23. giảm, trong khi NOx tăng đến 15% khi tỷ lệ cồn ethanol tới 50% (E50), với tỷ lệ cồn lớn hơn 50% (như E85 và E100) thì mức tăng NOx có xu hướng giảm xuống. Kết quả thử nghiệm ô tô theo chu trình thử tiêu chuẩn Euro 2 có xu hướng tương tự phù hợp với kết quả thử nghiệm ở chế độ ổn định của ô tô cũng như động cơ ô tô. Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy thời gian tăng tốc của ô tô khi được lắp ECU phụ với xăng sinh học E30 và E50 tăng tương ứng là 20,27% và 26,16%. Ngoài ra, khi lắp thêm ECU phụ động cơ và ô tô khởi động và hoạt động được với xăng sinh học E85 và E100. KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Kết luận chung: Luận án đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu và thực hiện giải pháp kỹ thuật chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% đảm bảo tính năng kỹ thuật của động cơ. Luận án đã đạt được các kết quả cụ thể như sau: 1. Mô hình động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn được xây dựng trên phần mềm AVL Boost và hiệu chỉnh bằng thực nghiệm đảm bảo độ chính xác cao phục vụ tốt công tác đào tạo và nghiên cứu. 2. Xây dựng được bộ thông số chuẩn về lượng nhiên liệu phun và góc đánh lửa sớm phù hợp với chế độ làm việc của động cơ và tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu. 3. Đưa ra được giải pháp kỹ thuật khả thi với ECU phụ và cảm biến tỷ lệ cồn ethanol để sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn trên phương tiện đang lưu hành. 4. Thiết kế, chế tạo được bộ điều khiển ECU phụ, thực hiện chuyển đổi thành công một động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100%. Bộ điều khiển ECU phụ sau khi được chế tạo hoàn thiện đã được thử nghiệm đánh giá hiệu quả sử dụng và chất lượng vận hành trên phương tiện ô tô. Đối với động cơ ô tô thử nghiệm được thực hiện trên băng thử động cơ, trung bình trên toàn dải tốc độ, so với RON92 công suất động cơ tăng 6,30%, 9,05%, 12,96% và 16,61%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 6,92%, 13,55%, 22,76% và 31,17%, hàm lượng CO giảm 6,64%, 11,03%, 15,68% và 18,13%, HC giảm 4,05%, 8,23%, 23,87% và 34,88%, NOx tăng 9,77%, 16,41%, 9,86% và 6,90% tương ứng khi sử dụng xăng E30, E50, E85 và E100. Đối với ô tô thử nghiệm trên băng thử ô tô CD 48’’, công suất động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu có xu hướng tăng khi sử dụng xăng sinh học, mức tăng công suất từ 7% đến 20%, mức tăng suất 23
24. tiêu hao nhiên liệu từ 3% đến 33% tùy vào tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu. Thành phần phát thải CO và HC có giảm, trong khi NOx tăng nhẹ đến 15% khi tỷ lệ cồn ethanol tới 50% (E50), với tỷ lệ cồn lớn hơn 50% (như E85 và E100) thì mức tăng NOx giảm xuống. Kết quả thử nghiệm ô tô theo chu trình thử tiêu chuẩn Euro 2 có xu hướng tương tự phù hợp với kết quả thử nghiệm ở chế độ ổn định của ô tô cũng như động cơ ô tô. Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy thời gian tăng tốc của ô tô khi được lắp ECU phụ với xăng sinh học E30 và E50 tăng tương ứng là 20,27% và 26,16%. Ngoài ra, khi lắp thêm ECU phụ động cơ và ô tô khởi động và hoạt động được với xăng sinh học E85 và E100. 5. Kết quả của luận án là cơ sở tham khảo tốt cho các nghiên cứu và ứng dụng phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt, góp phần thúc đẩy sử dụng nhiên liệu sinh học đáp ứng yêu cầu đảm bảo an ninh năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà Chính phủ đặt ra. Hướng phát triển của đề tài: Trong thời gian tới, nghiên cứu có thể được phát triển theo một số hướng sau: 1. Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của việc nâng cao tỷ số nén đối với động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn; 2. Nghiên cứu các phụ gia để nâng cao hiệu quả của xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn khi sử dụng trên động cơ xăng; 3. Nghiên cứu giảm phát thải NOx khi sử dụng xăng sinh học trên động cơ; 4. Đánh giá khả năng tương thích vật liệu và độ bền động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn. 5. Nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi đặc tính nhiệt động, tính chất hóa học, tính chất vật lý của dòng khí thải khi sử dụng xăng sinh học đến hiệu quả chuyển đổi, tuổi thọ của bộ xử lý khí xả. 24