BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------
LÊ ĐĂNG ĐÔNG
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
PHUN XĂNG TRANG BỊ BỘ XÚC TÁC
TẠO HỖN HỢP KHÍ GIÀU HYDRO
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
HÀ NỘI - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------
LÊ ĐĂNG ĐÔNG
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
PHUN XĂNG TRANG BỊ BỘ XÚC TÁC
TẠO HỖN HỢP KHÍ GIÀU HYDRO
Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số: 9520116
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS. TS PHẠM MINH TUẤN
2. TS TRẦN ANH TRUNG
HÀ NỘI - 2019
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi, Lê Đăng Đông, xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn của GS.TS Phạm Minh Tuấn và TS Trần Anh Trung. Lun án có sử dụng mt
phần kt qủa do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong Đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu
phát triển công nghệ tạo khí giàu hydro để bổ sung cho động cơ xăng nhằm nâng cao hiệu
quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải động cơ”, mã số KC.05.24/11-15 do GS.TS Lê
Anh Tuấn làm chủ nhiệm đề tài, cơ quan chủ trì đề tài là Trường Đại học Bách khoa Hà Ni,
thuc Chương trình khoa học công nghệ cấp nhà nước KC.05/11-15 “Nghiên cứu ứng dụng
và phát triển công nghệ năng lượng”, do B Khoa học và Công nghệ quản lý. Tôi đã được
chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng mt phần kt qủa của Đề tài cấp nhà nước vào việc vit
và bảo vệ lun án.
Tôi xin cam đoan các số liệu kt qủa nêu trong lun án là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong các công trình nào khác!
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN
Hà Nội, tháng năm 2019
Nghiên cứu sinh
Lê Đăng Đông
Người hướng dẫn 1
GS.TS Phạm Minh Tuấn
Người hướng dẫn 2
TS Trần Anh Trung
ii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Ni, Phòng Đào tạo, Viện Cơ
khí Đng lực và B môn Đng cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này
tại Trường Đại học Bách khoa Hà Ni. Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Viện Cơ khí Đng lực
về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi thực hiện lun án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn GS.TS Phạm Minh Tuấn và TS Trần Anh Trung đã hướng dẫn
tôi ht sức tn tình và chu đáo để tôi có thể thực hiện và hoàn thành lun án.
Tôi xin trân trọng bit ơn Thầy, Cô trong B môn và Phòng thí nghiệm Đng cơ đốt trong,
Trường Đại học Bách khoa Hà Ni đã luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện ht sức
thun lợi để tôi hoàn thành lun án này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn GS.TS Lê Anh Tuấn, Chủ nhiệm đề tài KC.05.24/11-15 cùng
các thành viên đã cho tôi tham gia thực hiện đề tài và sử dụng kt quả nghiên cứu để thực
hiện lun án.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thut Hưng Yên, Ban chủ
nhiệm Khoa Cơ khí đng lực và các Thầy, Cô trong Khoa đã hu thuẫn và đng viên tôi
trong suốt quá trình nghiên cứu học tp.
Tôi xin bày tỏ lòng bit ơn sâu sắc đn các Thầy, Cô phản biện; các Thầy, Cô trong hi
đồng; các Nhà khoa học đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kin quý báu để tôi có thể hoàn
chỉnh lun án này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và những
người đã đng viên khuyn khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực
hiện nghiên cứu này.
Hà Nội, ngày tháng năm 2019
Nghiên cứu sinh
Lê Đăng Đông
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ....................................................................................... xii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ....................................................................... xiii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 1
i Lý do chọn đề tài ................................................................................................................ 1
ii Mục tiêu và ni dung nghiên cứu của đề tài ...................................................................... 2
iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ................................................................... 3
iv Phương pháp nghiên cứu của đề tài .................................................................................. 3
v Ý nghĩa khoa học của đề tài ............................................................................................... 4
vi Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ............................................................................................... 4
vii Điểm mới của lun án ..................................................................................................... 4
viii Bố cục chính của lun án ................................................................................................ 5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU ............................................. 6
1.1 Vấn đề giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải của đng cơ xăng .................................... 6
1.2 Các biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải cho đng cơ xăng ........................ 6
1.2.1 Các biện pháp liên quan đn đng cơ .......................................................................... 7
1.2.2 Xử lý khí thải ............................................................................................................... 9
1.3 Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hydro cho đng cơ xăng ............................................. 10
1.3.1 Bổ sung hydro cho đng cơ xăng .............................................................................. 10
1.3.2 Bổ sung hỗn hợp khí giàu hydro cho đng cơ xăng .................................................. 16
1.3.2.1 Bổ sung hỗn hợp giàu hydro từ ô xy hóa không hoàn toàn nhiên liệu ................... 16
1.3.2.2 Bổ sung hỗn hợp giàu hydro từ ô xy hóa nhiên liệu bằng plasma .......................... 18
1.3.2.3 Bổ sung hỗn hợp giàu hydro từ bin đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước .......... 19
1.4 Hướng tip cn của lun án .......................................................................................... 22
1.5 Tổng quan về xây dựng mô hình đng cơ .................................................................... 23
1.6 Tổng quan về xây dựng hệ thống điều khiển ................................................................ 26
1.7 Ni dung nghiên cứu .................................................................................................... 31
1.8 Kt lun chương 1 ........................................................................................................ 32
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG
ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG HỖN HỢP GIÀU HYDRO VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ........ 33
2.1 Đặt vấn đề ..................................................................................................................... 33
2.2 Mô hình tổng quan đng cơ phun xăng trang bị b xúc tác tạo hỗn hợp giàu hydro ... 34
2.3 Mô hình thành phần ...................................................................................................... 35
2.3.1 Mô hình trao đổi khí .................................................................................................. 35
2.3.1.1 Xác định lượng khí đi qua bướm ga ....................................................................... 35
2.3.1.2 Xác định lượng khí đi qua xu páp nạp .................................................................... 37
2.3.1.3 Xác định lượng khí đi qua xu páp xả ...................................................................... 38
2.3.2 Mô hình b xúc tác .................................................................................................... 39
iv
2.3.3 Mô hình cháy ............................................................................................................. 41
2.3.3.1 Cơ sở lựa chọn mô hình cháy ................................................................................. 41
2.3.3.2 Mô hình cháy .......................................................................................................... 43
2.3.3.3 Mô hình truyền nhiệt .............................................................................................. 46
2.3.4 Mô hình tổn thất cơ khí của đng cơ ......................................................................... 46
2.3.5 Mô hình đng học, đng lực học của đng cơ .......................................................... 49
2.4 Mô hình điều khiển ....................................................................................................... 51
2.4.1 Lọc nhiễu tín hiệu đo ................................................................................................. 51
2.4.2 Thut toán tra bảng .................................................................................................... 53
2.4.2.1 Ni suy mt chiều 1D ............................................................................................. 53
2.4.2.2 Ni suy hai chiều 2D .............................................................................................. 54
2.4.3 B điều khiển vòng kín .............................................................................................. 55
2.4.3.1 Hàm truyền vòng kín .............................................................................................. 55
2.4.3.2 B điều khiển PID .................................................................................................. 56
2.5 Kt lun chương 2 ........................................................................................................ 57
CHƯƠNG 3. ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG SỬ DỤNG HỖN HỢP GIÀU HYDRO VÀ MÔ
HÌNH MÔ PHỎNG ............................................................................................................ 58
3.1 Đặt vấn đề ..................................................................................................................... 58
3.2 Đối tượng nghiên cứu và nhiên liệu thử nghiệm .......................................................... 58
3.2.1 Đng cơ nghiên cứu ................................................................................................... 58
3.2.2 Nhiên liệu thử nghiệm ............................................................................................... 59
3.3 Thit k lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu cho đng cơ và b xúc tác ................... 59
3.3.1 Hệ thống cung cấp hỗn hợp giàu hydro tiêu chuẩn cho đng cơ ............................... 59
3.3.2 Hệ thống cung cấp xăng và nước cho b xúc tác ...................................................... 60
3.4 Xác định vùng thường xuyên hoạt đng của đng cơ .................................................. 61
3.5 Xác định các tham số đầu vào cơ bản cho mô hình đng cơ ........................................ 62
3.5.1 Xác định quy lut phối khí ........................................................................................ 62
3.5.2 Xác định lưu lượng khí đi qua xu páp ....................................................................... 63
3.5.3 Xác định đặc tính của vòi phun ................................................................................. 64
3.5.4 Áp suất xi lanh ........................................................................................................... 65
3.6 Phân tích số liệu thực nghiệm và xây dựng mô hình đng cơ ...................................... 68
3.6.1 Xác định hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xu páp .............................................. 68
3.6.2 Xác định tốc đ tỏa nhiệt ........................................................................................... 69
3.6.3 Xác định thời điểm bắt đầu cháy, khoảng thời gian cháy .......................................... 71
3.6.4 Xây dựng mô hình đng cơ ....................................................................................... 74
3.7 Đánh giá đ tin cy của mô hình đng cơ .................................................................... 75
3.7.1 Đánh giá về lưu lượng không khí nạp ....................................................................... 75
3.7.2 Đánh giá về tỉ lệ cháy và tốc đ tỏa nhiệt .................................................................. 76
3.7.3 Đánh giá về áp suất xi lanh ........................................................................................ 78
3.7.4 Đánh giá về mô men, công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ...................................... 81
3.8 B điều khiển đng cơ phun xăng điện tử trang bị b xúc tác tạo hỗn hợp giàu hydro 83
3.8.1 B điều khiển đng cơ sử dụng hỗn hợp giàu hydro ................................................. 83
3.8.2 Các khối tính toán các thông số làm việc của đng cơ .............................................. 84
3.8.2.1 Khối xác định kỳ làm việc của đng cơ ................................................................. 84
v
3.8.2.2 Các khối xác định và điều khiển góc đánh lửa sớm ............................................... 88
3.8.2.3 Các khối xác định và điều khiển lượng nhiên liệu phun vào đường ống nạp ........ 89
3.8.2.4 Các khối xác định và điều khiển lượng phun vào b xúc tác ................................. 90
3.8.2.5 Các khối xác định và điều khiển tốc đ không tải .................................................. 91
3.8.3 Đánh giá b điều khiển .............................................................................................. 92
3.8.3.1 Kt quả chương trình nhn dạng kỳ làm việc của đng cơ .................................... 92
3.8.3.2 Kt quả chương trình điều khiển không tải ............................................................ 93
3.9 Kt lun chương 3 ........................................................................................................ 94
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................................ 95
4.1 Đặt vấn đề và các mục tiêu nghiên cứu thử nghiệm ..................................................... 95
4.2 Phạm vi, phương pháp và điều kiện thực nghiệm ........................................................ 95
4.2.1 Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm .............................................................................. 95
4.2.2 Phương pháp thực nghiệm ......................................................................................... 96
4.2.3 Điều kiện nghiên cứu thực nghiệm ............................................................................ 96
4.3 Quy trình, ch đ và trang thit bị thử nghiệm ............................................................. 97
4.3.1 Thử nghiệm thu thp số liệu xây dựng mô hình mô phỏng đng cơ trên băng thử công
suất đng cơ ........................................................................................................................ 97
4.3.1.1 Thử nghiệm xây dựng đặc tính ngoài của đng cơ ................................................ 98
4.3.1.2 Thử nghiệm xác định giới hạn cháy của đng cơ ................................................... 99
4.3.2 Thử nghiệm hiệu chuẩn và đánh giá hệ thống điều khiển trên bệ thử đng lực học xe
máy CD20” ......................................................................................................................... 99
4.3.2.1 Thử nghiệm hiệu chuẩn hệ thống điều khiển ....................................................... 100
4.3.2.2 Thử nghiệm đánh giá hệ thống điều khiển ........................................................... 102
4.4 Kt quả thực nghiệm đng cơ trên băng thử công suất .............................................. 103
4.4.1 Kt quả thử nghiệm đng cơ ở ch đ toàn tải ........................................................ 103
4.4.2 Kt quả thử nghiệm đng cơ ở ch đ cháy nghèo ................................................. 105
4.4.2.1 Ảnh hưởng của hỗn hợp giàu hydro đn giới hạn cháy nghèo ............................. 105
4.4.2.2 Ảnh hưởng của hỗn hợp giàu hydro đn hiệu suất có ích của đng cơ ................ 107
4.4.2.3 Ảnh hưởng của hỗn hợp giàu hydro đn suất tiêu thụ năng lượng ....................... 108
4.4.2.4 Nhiệt đ khí xả của đng cơ tại ch đ cháy nghèo ............................................. 109
4.4.2.5 Ảnh hưởng của hỗn hợp giàu hydro đn phát thải của đng cơ tại ch đ cháy
nghèo ......... ....................................................................................................................... 110
4.5 Kt quả thử nghiệm đánh giá hệ thống điều khiển ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH trên
băng thử đng lực học xe máy CD 20” ............................................................................ 112
4.5.1 Tại 10% đ mở bướm ga ......................................................................................... 112
4.5.2 Tại 20% đ mở bướm ga ......................................................................................... 115
4.5.3 Tại 30% đ mở bướm ga ......................................................................................... 117
4.5.4 Tại 50% đ mở bướm ga ......................................................................................... 120
4.5.5 Kt quả thử nghiệm theo chu trình thử ECE-R40 ................................................... 122
4.6 Kt lun chương 4 ...................................................................................................... 123
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................ 125
Kt lun chung: ................................................................................................................. 125
Hướng phát triển: .............................................................................................................. 126
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 127
vi
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................................ 132
PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 1
Phụ lục 1. Mô hình mô phỏng trong Matlab/Simulink ......................................................... 1
Phụ lục 1.1 Mô hình trao đổi khí .......................................................................................... 1
Phụ lục 1.2 Mô hình cháy ..................................................................................................... 1
Phụ lục 1.3 Mô hình tổn thất cơ khí ..................................................................................... 2
Phụ lục 1.4 Mô hình đng học .............................................................................................. 2
Phụ lục 2. Các thông số thực nghiệm ................................................................................... 3
Phụ lục 2.1 Quy lut phối khí ............................................................................................... 3
Phụ lục 2.2 Tốc đ tỏa nhiệt ở ch đ toàn tải, đng cơ sử dụng xăng nguyên bản ............ 4
Phụ lục 2.3 Tốc đ tỏa nhiệt tại n=4500 vg/ph, Me=2Nm ................................................... 4
Phụ lục 2.4 Tốc đ tỏa nhiệt tại n=5300 vg/ph, Me=3Nm ................................................... 5
Phụ lục 2.5 Tỉ lệ cháy xb ở ch đ toàn tải, đng cơ sử dụng xăng nguyên bản .................. 6
Phụ lục 2.6 Tỉ lệ cháy xb (-) tại n=4500 vg/ph, Me=2Nm ................................................... 7
Phụ lục 2.7 Tỉ lệ cháy xb tại n=5300 vg/ph, Me=3Nm ........................................................ 8
Phụ lục 2.8 Bảng MAP đánh lửa .......................................................................................... 8
Phụ lục 2.9 Bảng MAP lượng nhiên liệu phun tại vòi phun chính ....................................... 9
Phụ lục 2.10 Bảng MAP lượng xăng, nước phun vào BXT ............................................... 11
Phụ lục 3. Các trang thit bị chính dùng trong thử nghiệm ................................................ 12
Phụ lục 3.1 Thit bị đo lượng nhiên liệu tiêu thụ AVL 733S ............................................. 12
Phụ lục 3.2 Tủ phân tích khí thải AVL CEB II .................................................................. 13
Phụ lục 3.3 Hệ thống đo AVL 620 Indiset ......................................................................... 14
Phụ lục 3.4 Mô đun điều khiển đng cơ (MotoHawk Control Solutions) .......................... 15
Phụ lục 3.5 Băng thử đng cơ DW-16 ............................................................................... 16
Phụ lục 3.6 Cảm bin đo lambda dải rng LSU 4.9 ........................................................... 17
Phụ lục 3.7 Cảm bin lưu lượng khí nạp ............................................................................ 17
Phụ lục 3.8 Cảm bin lưu lượng hỗn hợp giàu hydro ......................................................... 18
Phụ lục 3.9 Băng thử đng lực học xe máy Chassis dynamometer 20’’ (CD20”) ............. 18
Phụ lục 4. Mt số hình ảnh thực nghiệm trong quá trình thực hiện lun án ....................... 19
Phụ lục 4.1 Thực nghiệm xác định quy lut phối khí của đng cơ 3V i.e 150. .................. 19
Phụ lục 4.2 Đng cơ Liberty 3V i.e 150 được lắp đặt trên băng thử công suất đng cơ DW-
16 chuẩn bị cho các thí nghiệm cơ bản .............................................................................. 20
Phụ lục 4.3 Chạy thử hệ thống thử nghiệm đng cơ trên băng thử công suất .................... 20
Phụ lục 4.4 Hiệu chỉnh hệ thống thử nghiệm đng cơ trên băng thử công suất ................. 20
Phụ lục 4.5 Thử nghiệm đng cơ trên băng thử công suất, xác định các b tham số đầu vào
cho mô hình mô phỏng đng cơ ......................................................................................... 21
Phụ lục 4.6 Xe Liberty 3V i.e 150 lắp đặt cho thử nghiệm hiệu chỉnh b thông số điều khiển
và thử nghiệm đối chứng trên Dyno. .................................................................................. 21
Phụ lục 4.7 Kiểm tra hiệu chỉnh xe Liberty 3V i.e trước khi thử nghiệm trên Dyno ......... 21
Phụ lục 4.8 Vị trí lắp đặt vòi phun, b xúc tác và cảm bin lambda dải rng .................... 22
Phụ lục 4.9 Thử nghiệm hiệu chỉnh hệ thống điều khiển đng cơ trên xe ......................... 22
Phụ lục 4.10 Hiệu chỉnh các b tham số hệ thống điều khiển đng cơ trên Dyno ............. 22
vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
A. Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu
Diễn giải
Đơn vị
a
Tham số mô hình Wiebe
-
A
Tit diện lưu thông của bướm ga
m
2
A/F
Tỉ lệ không khí trên nhiên liệu (Air Fuel Ratio)
-
A
bc
Diện tích tức thời của thành vách buồng cháy
m
2
A
v
Tit diện lưu thông của xu páp xả
m
2
A
iv
Tit diện lưu thông của xu páp nạp
m
2
A
pis
Diện tích đỉnh piston
m
2
a
θ
Khoảng cách từ tâm chốt piston đn tâm trục khuỷu
m
B
cyl
Đường kính xi lanh
m
BSEC
Suất tiêu hao năng lượng (Brake Specific Energy Consumption)
MJ/kW.h
BTE
Hiệu suất nhiệt có ích (Brake Thermal Efficiency)
-
CA
Góc quay trục khuỷu (CrankShaft Angle)
o
CA
COVimep
Hệ số bin thiên áp suất chỉ thị trung bình (Coefficient Of
Variation in indicated mean effective pressure)
-
CB
delay
Góc cháy trễ
o
CA
C
ev
Hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xu páp xả
-
C
v
Hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xu páp nạp
-
C
th
Hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua bướm ga
-
C
1
Hệ số thực nghiệm phụ thuc vào biên dạng xéc măng
-
C
Hệ số đánh giá ảnh hưởng do ma sát đối với xéc măng khí trên
cùng do bôi trơn không đầy đủ
-
C
3
Hệ số tính đn ảnh hưởng của các tác đng làm thay đổi đ dày
màng dầu do piston bị nghiêng
-
C
Hệ số ma sát thực nghiệm
-
C
Hệ số phụ thuc mặt phân cách của cơ cấu cam, cơ cấu dẫn
đng cam
-
C
m
Hệ số thực nghiệm
-
Vn tốc trung bình của piston
m/s
d
Đường kính trục bướm ga
m
D
Đường kính bướm ga
m
D
v
Đường kính xu páp xả
m
D
iv
Đường kính xu páp nạp
m
dQ
hr
/dt
Tốc đ tỏa nhiệt trong xi lanh
J/s
dQ
ht
/dt
Tốc đ truyền nhiệt cho thành vách buồng cháy
J/s
viii
Ký hiệu
Diễn giải
Đơn vị
dω
e
/dt
Gia tốc góc của trục khuỷu
rad/s
2
dU/dt
Tốc đ bin thiên ni năng trong xi lanh
J/s
dV
cyl
/dt
Tốc đ thay đổi thể tích công tác trong xi lanh đng cơ
m
3
/s
h
Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
W/m
2
K
h
Enthanpi của khí xả
J/kg
h
in,cyl
Enthanpi của khí nạp
J/kg
h
oil
Bề dày của màng dầu bôi trơn
m
Imep
Áp suất chỉ thị trung bình (Indicated mean effective pressure)
kPa
ITE
Hiệu suất nhiệt chỉ thị (Indicated Thermal Efficiency)
-
I
e
Mô men quán tính của đng cơ
kg.m
2
k
Hệ số đoạn nhiệt
-
L
Chiều dài thanh truyền
m
L
iv
Đ nâng của xu páp nạp
m
L
pis
Chiều dài của thân piston
m
m
Tham số đặc trưng cho quá trình cháy của mô hình Wiebe
-
MAP
Bảng dữ liệu điều khiển
-
MBT
Mô men có ích lớn nhất (Maximum Brake Torque)
N.m
M
aub
Mô men tổn hao cơ giới cho các dẫn đng phụ
N.m
M
Mô men đng (tức thời) tại đầu ra của bánh đà đng cơ
N.m
M
Mô men có ích của đng cơ
N.m
M
Mô men chỉ thị đng cơ
N.m
M
lb
Mô men ma sát do tải tác dụng lên các ổ trục
N.m
M
m
Mô men tổn hao cơ giới
N.m
M
pis
Mô men ma sát của thân piston
N.m
M
rm
Mô men ma sát nửa ướt của xéc măng
N.m
M
rv
Mô men cản của xéc măng do đ nhớt của dầu bôi trơn
N.m
M
val
Mô men tổn hao cơ giới do dẫn đng cơ cấu phân phối khí
N.m
m
KK_MP
Lưu lượng không khí nạp mô phỏng
kg/h
m
KK_TN
Lưu lượng không khí nạp thực nghiệm
kg/h
m
Lưu lượng khí xả
g/s
m
H2
Khối lượng HHGH cấp cho mỗi chu trình
kg
m
H2_mix
Lượng HHGH phun từ vòi phun
g/s
m
i, th
Lưu lượng không khí đi qua bướm ga
g/s
m
i, cyl
Lưu lượng không khí đi vào xi lanh
g/s
m
xang
Khối lượng nhiên liệu xăng cấp cho mỗi chu trình
kg
m
xang
Lượng xăng cấp cho b xúc tác mỗi chu trình
g
n
aring
Số xéc măng khí
-
ix
Ký hiệu
Diễn giải
Đơn vị
n
cyl
Số xi lanh của đng cơ
-
Tốc đ đng cơ
vg/ph
n
oring
Số xéc măng dầu
-
N
Công suất tức thời tại đầu ra của bánh đà đng cơ
kW
N
s
Tải trọng của lò xo xu páp
N
n
v
Số xu páp
-
p
cyl
Áp suất trong xi lanh
Pa
p
im
Áp suất trên đường ống nạp
Pa
p
i
Áp suất chỉ thị của đng cơ
Pa
p
o
Áp suất khí trời
Pa
p
Áp suất đàn hồi của xéc măng
N/m
2
meas
Lưu lượng khí đi qua xu páp
l/s
Q
HV_H2_mix
Nhiệt trị thấp của hỗn hợp giàu hydro
J/kg
Q
HV_xang
Nhiệt trị thấp của nhiên liệu xăng
J/kg
r
Bán kính quay của trục khuỷu
m
RON
Chỉ số ốc tan nghiên cứu (Research Octane Number)
-
R
Tham số không thứ nguyên
-
R
im
Hằng số chất khí trong đường nạp
J/kg.K
r
jb
Bán kính của bề mặt ma sát bên ngoài của ổ đỡ
m
R
o
Hằng số chất khí
J/kg.K
S
Hành trình của piston
m
SA
Góc đánh lửa sớm
o
CA
T
bxt
Nhiệt đ b xúc tác
o
C
Nhiệt đ của khí cháy trong xi lanh
K
Nhiệt đ bên trong đường xả
K
T
im
Nhiệt đ bên trong đường ống nạp
K
max
Nhiệt đ quá trình cháy lớn nhất
K
T
o
Nhiệt đ khí trời
K
Nhiệt đ của thành vách buồng cháy
K
Thể tích buồng cháy của đng cơ
m
3
Thể tích tức thời của xi lanh
m
3
V
disp
Thể tích công tác của đng cơ
m
3
V
HHGH
Lưu lượng hỗn hợp giàu hydro
lít/ph
V
im
Thể tích đường nạp
m
3
x
Chuyển vị của piston
m
x
b
Tỉ lệ cháy
-
y
Tốc đ cháy
-
x
Ký hiệu
Diễn giải
Đơn vị
W
Công sinh ra của đng cơ
J
Bề dày của xéc măng khí
m
W
o
Bề dày của xéc măng dầu
m
θ
Góc quay trục khuỷu
o
CA
Góc cháy chính của hỗn hợp nhiên liệu
o
CA
θ
EVO
Góc quay trục khuỷu tương ứng với vị trí xu páp thải mở
o
CA
θ
o
Góc bắt đầu cháy của hỗn hợp (góc cháy trễ)
o
CA
Góc quay trục khuỷu tưsơng ứng với vị trí đánh lửa sớm
o
CA
μ
oil
Đ nhớt đng học của dầu bôi trơn
kg/ms
%m
Phần trăm theo khối lượng
%
%V
Phần trăm theo thể tích
%
Góc mở của bướm ga
đ
o
Góc mở không tải của bướm ga
đ
δ
Tốc đ trung bình của khí thể trong xi lanh
m/s
Tốc đ góc của trục khuỷu
rad/s
Thông số kt cấu đng cơ
-
Đ chênh lệch áp suất phía trước và sau xu páp
mmH
2
O
γ
Chỉ số đa bin
-
ε
Tỉ số nén của đng cơ
-
λ
Hệ số dư lượng không khí
-
Khối lượng riêng của khí
kg/m
3
ϕ
Hệ số tỉ lệ hòa khí tương đương ϕ=1/λ
-
xi
B. Danh mục các chữ viết tắt
Ký hiệu
Diễn giải
BXT
B xúc tác
ĐCD
Đng cơ diesel
ĐCĐT
Đng cơ đốt trong
ĐCPX
Đng cơ phun xăng điện tử (phun xăng trên đường ống nạp)
ĐCX
Đng cơ xăng
ECM
Mô đun điều khiển (Electronic Control Modul)
ECU
B điều khiển trung tâm (Electronic Control Unit)
EFI
Phun xăng điện tử (Electronic Fuel Injection)
EGR
Tuần hoàn khí xả (Exhaust Gas Recirculation)
GDI
Phun xăng trực tip (Gasoline Direct Injection)
HHGH
Hỗn hợp khí giàu hydro
IEA
Cơ quan Năng lượng Quốc t (International Energy Agency)
MFB
Tỉ lệ hỗn hợp đã cháy (Mass Fraction Burn)
NCS
Nghiên cứu sinh
NLGH
Nhiên liệu giàu hydro
PTGT
Phương tiện giao thông
SA
Góc đánh lửa sớm (Spark Advance)
SIL
Mô hình điều khiển ghép chung với mô hình đng cơ trên cùng mt mô
hình (Software In the Loop Simulation)
SQP
Phương pháp quy hoạch toàn phương liên tục (Sequential Quadratic
Programming)
xii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Thông số cơ bản của mt số nhiên liệu [9, 34, 35] ........................................... 10
Bảng 2.1 Lượng nhiên liệu cấp cho BXT và lượng HHGH tạo thành [58] ..................... 40
Bảng 2.2 Các hệ số xác định chỉ số đa bin cho trường hợp cháy nghèo ở ĐCX [76] .... 45
Bảng 2.3 Các hệ số thực nghiệm e
i
[82] .......................................................................... 48
Bảng 2.4 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất [90] ................. 57
Bảng 3.1 Những thông số cơ bản của đng cơ 3V i.e [91] .............................................. 58
Bảng 3.2 Các thông số kỹ thut của xăng A95 [92] ........................................................ 59
Bảng 3.3 Áp suất cực đại trong xi lanh đng cơ tại các ch đ thí nghiệm ..................... 68
Bảng 3.4 Giá trị θ
o
và θ
d
tính toán từ áp suất xi lanh thực nghiệm .................................. 72
Bảng 3.5 Giá trị θ
o
và θ
d
dự đoán từ hàm mô phỏng ....................................................... 74
Bảng 3.6 So sánh lưu lượng khí nạp ở ch đ toàn tải, đng cơ chạy xăng nguyên bản . 76
Bảng 3.7 So sánh mô men, công suất và suất tiêu hao nhiên liệu đng cơ sử dụng xăng
nguyên bản ở ch đ toàn tải ............................................................................ 81
Bảng 4.1 Phát thải của đng cơ khi sử dụng xăng nguyên bản tại ch đ toàn tải ........ 103
Bảng 4.2 COV imep tại 4500 và 5300 vg/ph ................................................................. 106
Bảng 4.3 Hiệu suất có ích của đng cơ tại 4500 và 5300 vg/ph .................................... 108
Bảng 4.4 Suất tiêu thụ năng lượng quy đổi ra xăng tại 4500 và 5300 vg/ph ................. 108
Bảng 4.5 Nhiệt đ khí xả ở ch đ cháy nghèo tại 4500 và 5300 vg/ph ........................ 109
Bảng 4.6 Phát thải của đng cơ tại ch đ tải b phn 4500 và 5300 vg/ph.................. 111
Bảng 4.7 Đặc tính đng cơ khi làm việc ở 10% bướm ga ............................................. 113
Bảng 4.8 Phát thải của đng cơ khi làm việc ở 10% bướm ga ...................................... 114
Bảng 4.9 Đặc tính đng cơ khi làm việc ở 20% bướm ga ............................................. 115
Bảng 4.10 Phát thải của đng cơ khi làm việc ở 20% bướm ga ...................................... 116
Bảng 4.11 Đặc tính đng cơ khi làm việc ở 30% bướm ga ............................................. 118
Bảng 4.12 Phát thải của đng cơ khi làm việc ở 30% bướm ga ...................................... 119
Bảng 4.13 Đặc tính đng cơ khi làm việc ở 50% bướm ga ............................................. 120
Bảng 4.14 Phát thải của đng cơ khi làm việc ở 50% bướm ga ...................................... 121
Bảng 4.15 Kt quả thử nghiệm xe Liberty theo chu trình thử ECE R40 ......................... 123
xiii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Tỉ lệ các tổn thất trong đng cơ đốt trong........................................................... 8
Hình 1.2 Các nguồn nguyên liệu sản xuất và các lĩnh vực sử dụng hydro [5] ................ 10
Hình 1.3 Công suất có ích tại bánh xe khi sử dụng xăng và hydro ở ch đ toàn tải ...... 11
Hình 1.4 Sơ đồ thí nghiệm bổ sung hydro cho đng cơ phun xăng điện tử [41] ............. 12
Hình 1.5 Diễn bin hiệu suất nhiệt có ích theo λ [41] ..................................................... 12
Hình 1.6 Diễn bin góc cháy trễ, cháy chính tương ứng 10% và 90% MFB theo [41] 13
Hình 1.7 Diễn bin của hiệu suất nhiệt chỉ thị và áp suất cực đại trong xi lanh theo λ ... 13
Hình 1.8 Suất tiêu thụ năng lượng của đng cơ ứng với các tỉ lệ bổ sung hydro khác nhau
theo tốc đ đng cơ [42] ................................................................................... 14
Hình 1.9 Quan hệ giữa hiệu suất nhiệt (a), suất tiêu thụ năng lượng (b) của đng cơ ở các
tỉ lệ bổ sung hydro khác nhau theo λ [48] ........................................................ 14
Hình 1.10 Sơ đồ thử nghiệm bổ sung HHO cho đng cơ xăng dùng ch hóa khí [21] ..... 16
Hình 1.11 Phương pháp tạo HHGH mở rng giới hạn luân hồi khí xả EGR [54] ............ 17
Hình 1.12 Diễn bin của COV Imep (a) và hiệu suất nhiệt (b) theo ϕ [50] ....................... 18
Hình 1.13 Diễn bin phát thải HC (a) và NOx (b) theo COVimep [50]............................ 19
Hình 1.14 Sơ đồ nguyên tắc tạo HHGH bằng plasmatron trên đng cơ [8] ...................... 19
Hình 1.15 Sơ đồ thí nghiệm tạo HHGH bổ sung cho ĐCX dùng ch hòa khí [18] .......... 20
Hình 1.16 Tỉ lệ phân bố sản phẩm tương ứng với tỉ lệ mol S/C=0,9 tại 550
o
C (a), hiệu suất
chuyển đổi xăng và phân bố sản phẩm theo nhiệt đ b xúc tác (b) [52] ........ 21
Hình 1.17 Mô hình làm việc theo thời gian thực [60] ....................................................... 24
Hình 1.18 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển khi sử dụng ECU phụ cho ĐCPX sử dụng nhiên
liệu sinh học có tỉ lệ cồn ethanol tới 100% [62] .............................................. 27
Hình 1.19 Sử dụng ECU chung cho đng cơ khi sử dụng cả hai loại nhiên liệu xăng và
CNG (a); trang bị thêm ECU phụ cho đng cơ khi sử dụng CNG (b) [63] ...... 28
Hình 1.20 Sơ đồ khái quát về thit k mô hình điều khiển dựa trên mô hình mô phỏng đng
cơ phun xăng điện tử trang bị b xúc tác tạo HHGH ....................................... 29
Hình 1.21 Sơ đồ chung của hệ thống điều khiển đng cơ phun xăng điện tử [69] ........... 29
Hình 1.22 Sơ đồ cấu tạo chung của BXT tn dụng nhiệt của khí xả bin đổi nhiệt hóa mt
phần nhiên liệu cung cấp cho đng cơ và hơi nước tạo HHGH [58] ............... 30
Hình 1.23 Sơ đồ ni dung thực hiện lun án ..................................................................... 31
Hình 2.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống điều khiển ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH ........... 33
Hình 2.2 Mô hình điền đầy thải sạch của ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH .................... 34
Hình 2.3 Sơ đồ tổng quan mô hình ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH ............................. 34
Hình 2.4 Sơ đồ mô hình nạp ............................................................................................ 35
Hình 2.5 Mô hình xác định dòng khí đi qua bướm ga [70] ............................................. 35
Hình 2.6 Sơ đồ mô hình hệ thống thải [77] ..................................................................... 38
Hình 2.7 Các thông số đầu vào, đầu ra của khối mô hình b xúc tác .............................. 39
Hình 2.8 Mối quan hệ giữa lượng xăng phun vào BXT và lượng HHGH tạo thành ....... 41
Hình 2.9 Các loại mô hình cháy ...................................................................................... 41
Hình 2.10 Mô hình cháy mt vùng và hai vùng ................................................................ 42
Hình 2.11 Phương pháp xác định các tham số của mô hình cháy mt và hai vùng .......... 42
Hình 2.12 Chương trình điều khiển góc đánh lửa sớm [86] .............................................. 51
xiv
Hình 2.13 Xấp xỉ sai phân lùi Euler theo vi phân thời gian [88] ....................................... 53
Hình 2.14 Phép ni suy tuyn tính 1D [89] ....................................................................... 54
Hình 2.15 Phép ni suy 2 chiều 2D [89] ........................................................................... 54
Hình 2.16 Mt hệ điều khiển vòng kín .............................................................................. 55
Hình 2.17 B điều khiển PID ............................................................................................ 56
Hình 2.18 Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng đường cong chữ S [90] .................................. 57
Hình 3.1 Đng cơ phun xăng điện tử 3V i.e. ................................................................... 58
Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống cung cấp HHGH pha sẵn cho đng cơ .................................... 60
Hình 3.3 Hệ thống tạo hỗn hợp giàu hydro trực tip trên đng cơ phun xăng điện tử .... 60
Hình 3.4 Vùng làm việc của đng cơ Liberty 3V i.e 150 theo chu trình thử ECE-R40 .. 61
Hình 3.5 Quy lut phối khí của đng cơ xe Piaggio Liberty 3V i.e 150 ......................... 63
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý thit bị đo lưu lượng và tổn thất dòng khí [60]...................... 63
Hình 3.7 Mối quan hệ giữa đ nâng và lưu lượng khí đi qua xu páp đng cơ 3Vi.e150 64
Hình 3.8 Sơ đồ thực nghiệm xác định đặc tính vòi phun ................................................ 64
Hình 3.9 Đặc tính của vòi phun xăng chính và vòi phun tại BXT .................................. 65
Hình 3.10 Áp suất trong xi lanh đng cơ ở ch đ toàn tải ............................................... 66
Hình 3.11 Áp suất xi lanh ở tải b phn 4500 và 5300 vg/ph khi chạy xăng nguyên bản 66
Hình 3.12 Áp suất xi lanh ở ch đ tải b phn khi bổ sung HHGH ................................ 67
Hình 3.13 Mối quan hệ giữa hệ số lưu lượng khí đi qua xu páp và tỉ số đ nâng với đường
kính xu páp đng cơ Piaggio Liberty 3V i.e 150 .............................................. 69
Hình 3.14 Tốc đ tỏa nhiệt của đng cơ khi chạy xăng nguyên bản ở ch đ toàn tải ..... 70
Hình 3.15 Tốc đ tỏa nhiệt của đng cơ ở ch đ cháy nghèo .......................................... 70
Hình 3.16 Tỉ lệ hỗn hợp đã cháy x
b
ở ch đ toàn tải........................................................ 71
Hình 3.17 So sánh giá trị θ
o
và θ
d
mô phỏng và thực nghiệm ........................................... 73
Hình 3.18 Mô hình đng cơ phun xăng điện tử sử dụng HHGH bổ sung ......................... 74
Hình 3.19 So sánh lượng không khí nạp mô phỏng và thực nghiệm ở ch đ toàn tải ..... 76
Hình 3.20 So sánh tỉ lệ cháy ở ch đ toàn tải, đng cơ chạy xăng nguyên bản ............... 76
Hình 3.21 So sánh tỉ lệ cháy tại ch đ cháy nghèo 4500 và 5300 vg/ph ......................... 77
Hình 3.22 So sánh tốc đ tỏa nhiệt mô phỏng và thực nghiệm ......................................... 78
Hình 3.23 So sánh áp suất xi lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm ở ch đ toàn tải ....... 79
Hình 3.24 So sánh áp suất xi lanh ở ch đ cháy nghèo 5300 vg/ph ................................ 80
Hình 3.25 So sánh áp suất xi lanh ở ch đ cháy nghèo 4500 vg/ph ................................ 81
Hình 3.26 Đặc tính ngoài thực nghiệm và mô phỏng của đng cơ ................................... 82
Hình 3.27 Sai số về mô men, công suất và suất tiêu hao nhiên liệu đng cơ giữa mô phỏng
và thực nghiệm ................................................................................................. 83
Hình 3.28 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển đng cơ phun xăng trang bị BXT tạo HHGH 84
Hình 3.29 Kt quả đo áp suất đường nạp, đ nâng xu páp và góc quay trục khuỷu hai trường
hợp đúng và lệch trên mô hình tại tốc đ 1800 vg/ph, bướm ga mở 8% ......... 85
Hình 3.30 Kt quả áp suất đường ống nạp mô phỏng tại tốc đ 2500 vg/ph .................... 85
Hình 3.31 Sơ đồ thut toán xác định kỳ của đng cơ ........................................................ 87
Hình 3.32 Mô hình xác định thời kỳ khởi đng trên Matlab/Simulink ............................. 87
Hình 3.33 Mô hình xác định góc quay trục khuỷu trên Matlab/Simulink ......................... 87
Hình 3.34 Góc đánh lửa sớm thực nghiệm trường hợp không bổ sung HHGH ................ 88
Hình 3.35 Góc đánh lửa sớm thực nghiệm trường hợp bổ sung HHGH ........................... 88
