i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng
được người nào công bố trong bất kỳ công trình nào khác!
Đà Nẵng, tháng 04 năm 2018
Tác giả luận án

Huỳnh Phƣớc Sơn


i

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
MỤC LỤC .................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................ iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .............................................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................. xi
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết........................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................ 4
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 4
4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 4
5. Phƣơng pháp nghiên cứu......................................................................................... 5
6. Tên đề tài ................................................................................................................. 5
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu ............................................. 5
8. Cấu trúc nội dung luận án ....................................................................................... 5
9. Các điểm mới chủ yếu của luận án ......................................................................... 6
10. Hạn chế của luận án .............................................................................................. 6

2.1.2. Lý thuyết điều khiển động cơ đốt trong .......................................................... 38
2.1.3. Hệ thống điều khiển động cơ nhiên liệu kép................................................... 43
2.2. Mô hình hóa quá trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel trong động cơ
VIKYNO RV125 bằng phần mềm CFD FLUENT ................................................... 46
2.2.1. Quá trình cháy hòa trộn trƣớc cục bộ của nhiên liệu kép CNG-diesel ........... 47
2.2.2. Sự lan tràn màng lửa trong quá trình cháy của động cơ CNG-diesel ............. 49
2.2.3. Thiết lập mô hình t nh toán mô ph ng quá trình cháy .................................... 51
2.2.4. Khảo sát diễn biến quá trình cháy ................................................................... 53
2.2.5. Đánh giá ảnh hƣởng của các thông số đến quá trình cháy động cơ nhiên liệu
kép CNG-diesel ......................................................................................................... 56
2.3. Mô ph ng t nh toán các đặc tính kỹ thuật của động cơ VIKYNO RV125 sử
dụng nhiên liệu kép CNG-diesel bằng phần mềm AVL-BOOST............................. 58
2.3.1. Phƣơng trình nhiệt động học thứ nhất ............................................................. 59
2.3.2. Mô hình cháy Vibe 2 vùng trong xy-lanh ....................................................... 60
2.3.3. Xây dựng mô hình mô ph ng động cơ VIKYNO RV125 .............................. 63
2.3.4. Kết quả mô ph ng động cơ nhiên liệu kép CNG-diesel ................................. 67
2.4. Phát thải của động cơ VIKYNO RV125 ........................................................... 70
2.4.1. Phát thải NOx................................................................................................... 71
2.4.2. Phát thải CO ................................................................................................... 71
2.4.3. Phát thải SOOT ............................................................................................... 72
2.5. Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................. 73
Chƣơng 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU KÉP
CNG-DIESEL VÀ THỰC NGHIỆM ....................................................................... 75


iii

3.1. Phƣơng án thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel ................... 76
3.2. Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel .................................... 78
3.2.1. Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu CRDI .................................................. 79

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Các ký hiệu mẫu tự La-tinh:
Vh

[cm3]

Thể tích công tác

Vc

[cm3]

Thể t ch buồng cháy

S
D
n
i
Wi
Ni

[mm]
[mm]
[v/ph]
[-]
[J]
[kW]

Hành trình piston



[ms], [s]
[J]

QF

[J]

Nhiệt lƣợng của nhiên liệu cung cấp

Qw

[J]

Tổn thất nhiệt qua vách

QMCC

[-]

Hằng số chất kh

QComb

[-]

Hằng số cháy

mDO


[kJ/kW.h]

Suất tiêu hao năng lƣợng CNG

Đƣờng kính xylanh
Số vòng quay động cơ
Số xylanh
Công chỉ thị chu trình
Công suất có ch

Suất tiêu hao năng lƣợng động cơ
Hằng số kh
Chuẩn số Reynolds

Tổng nhiệt lƣợng t a ra trong quá trình cháy


v

mc

[kg]

Khối lƣợng môi chất trong xylanh

hBB

Trị số entanpy

dmi

[kJ]

Khối lƣợng nhiên liệu bay hơi

Ro

[-]

Hằng số chất kh

Lƣợng kh vào xylanh

2. Các ký hiệu mẫu tự Hy Lạp:


[-]

Số kỳ của động cơ



[-]

Tỷ số nén động cơ

s

[độ]

Góc phun sớm

Khối lƣợng riêng của nhiên liệu

kk

Khối lƣợng riêng của không khí



[N.s/m ], [kg/m.s]

Hệ số nhớt động lực



[kg/m3]

Khối lƣợng riêng

x

[m]

Hệ số khuếch tán theo phƣơng x

y

[m]

Hệ số khuếch tán theo phƣơng y



Liquefied Petroleum Gas khí d u m h a l ng

CFD

Computational Fluid Dynamics

RNG

Re-Normalisation Group (mô hình k - ɛ đơn giản hóa theo nhóm)

ECU

Electronic Control Module (hộp điều khiển điện tử)

BTDC

Before Top Dead Center (trước điểm chết trên)

CA

Crankshaft Angle (góc quay trục khuỷu)

RSM

Reynolds Stress Models (mô hình ứng suất Reynolds)

EVM

Eddy Viscovity Models (mô hình độ nhớt động)


Độ khói

SOx

Ôx t lƣu huỳnh

Compressed Natural Gas (khí thiên nhiên nén)

Commom Rail Diesel Injection

Mô ph ng
Thực nghiệm
Monoxyde carbon
Hydro cacbon


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Nguồn gốc kh thải gây hiệu ứng nhà k nh ở Mỹ năm 2013 ......................8
Hình 1.2: Nguồn phát thải động cơ ô tô gây ô nhiễm môi trƣờng trầm trọng ............9
Hình 1.3: Thành phần kh thiên nhiên và cấu trúc phân tử kh methane (CH4)........11
Hình 1.4: Các ƣu điểm khi sử dụng nhiên liệu CNG thay cho xăng và dầu diesel ..12
Hình 1.5: Bản đồ phân bố kh thiên nhiên trên toàn thế giới ....................................13
Hình 1.6: Bản đồ phân bố các vùng có trữ lƣợng kh thiên nhiên lớn ở Việt Nam ..13
Hình 1.7: Ô tô buýt sử dụng nhiên liệu CNG tại TP.HCM.......................................14
Hình 1.8: Hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG trên động cơ xăng, diesel chuyển sang
sử dụng hoàn toàn CNG ............................................................................................16
Hình 1.9: Hệ thống cung cấp nhiên liệu kép xăng-CNG .........................................17

Hình 2.9: Sơ đồ điều khiển chống k ch nổ kiểu hồi tiếp ...........................................43
Hình 2.10: Sơ đồ điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu kép ..............................43
Hình 2.11: Sự gia tăng áp suất theo thời gian trên động cơ nhiên liệu kép hoạt động
bằng methane dƣới điều kiện k ch nổ và không k ch nổ ...........................................46
Hình 2.12: Phân chia vùng cháy trong động cơ CNG-diesel ....................................49
Hình 2.13: Hƣớng lan truyền của màng lửa trong buồng cháy .................................50
Hình 2.14: Sơ đồ xy-lanh và buồng cháy động cơ ....................................................51
Hình 2.15: Chia lƣới và xác lập điều kiện biên cho mô hình....................................52
Hình 2.16: Diễn biến nồng độ CH4 và nhiệt độ trong buồng cháy động cơ .............54
VIKYNO RV125 (n=2200v/ph; s=20; =1) .........................................................54
Hình 2.17: Trƣờng tốc độ ở vị tr 330 của môi chất công tác trong buồng cháy
động cơ VIKYNO RV125 ở chế độ (n=2200v/ph; s=20; =1) .............................54
Hình 2.18: Biến thiên nồng độ O2 trong quá trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel
của động cơ VIKYNO RV125 (n=2200v/ph; φs=20o; ϕ=1) ....................................55
Hình 2.19: Biến thiên nồng độ CH4 trong quá trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel
của động cơ VIKYNO RV125 (n=2200v/ph; φs=20o; ϕ=1) ....................................55
Hình 2.20: Biến thiên nhiệt độ trong quá trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel của
động cơ VIKYNO RV125 (n=2200v/ph; s=20; =1)............................................55
Hình 2.21: Biến thiên áp suất trong quá trình cháy nhiên liệu kép nhiên liệu kép
CNG-diesel của động cơ VIKYNORV125 (n=2200v/ph; φs=20o; ϕ=1) .................56
Hình 2.22: Đồ thị công p-Vcủa động cơ VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép
CNG-diesel (n=2200v/ph; φs=20o; ϕ=1) ..................................................................56
Hình 2.23: Áp suất chỉ thị trong quá trình cháy ứng với s : 10, 20, 30 độ, .............56
n=2000v/ph, =1 ......................................................................................................56
Hình 2.24: Đồ thị công P-V ứng với s: 10, 20, 30 độ, n=2000v/ph, =1 ..............57
Hình 2.25: Ảnh hƣởng của góc phun sớm đến công chỉ thị chu trình Wi ứng với
φs:10, 20, 30 độ, n=2000v/ph, =1...........................................................................57
Hình 2.26: Cân bằng năng lƣợng trong xy-lanh động cơ..........................................60
Hình 2.27: Mô hình mô ph ng động cơ VIKYNO RV125 ......................................64
Hình 2.28: Đồ thị mô ph ng đặc t nh mô-men động cơ khi thay đổi tỷ lệ

Hình 3.21: Sơ đồ thuật toán điều khiển thời gian mở vòi phun CNG ......................92
Hình 3.22: Sơ đồ mạch ECU điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu ....................93
Hình 3.23: Mạch cấp nguồn các thiết bị ...................................................................93
Hình 3.24: Mạch điện nhận t n hiệu CKP .................................................................94
Hình 3.25: Mạch điện điều khiển các vòi phun diesel và CNG ................................95
Hình 3.26: Mô hình động cơ VIKYNO RV125 nhiên liệu kép CNG-diesel ............95
Hình 3.27: Sơ đồ thực nghiệm động cơ VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép .97
Hình 3.28: Bệ thử công suất động cơ một xy lanh....................................................98
Hình 3.29: Cân nhiên liệu Vibra và thiết bị đo lƣu lƣợng khí nạp ABB ..................98
Hình 3.30: Thiết bị phân tích khí xả và đo độ mờ khói ............................................98
Hình 3.31: Thiết bị thu thập dữ liệu số vòng quay động cơ và áp suất cháy ............98
Hình 3.32: Thiết bị thu thập dữ liệu số vòng quay động cơ và áp suất cháy ............99
Hình 3.33: Sơ đồ quy trình thực nghiệm .................................................................100
Hình 4.1: Đồ thị đặc t nh vòi phun diesel trên mô hình thực nghiệm .....................103
Hình 4.2: Đồ thị đặc t nh vòi phun CNG trên mô hình thực nghiệm......................103


x

Hình 4.3: Đồ thị đặc t nh mô-men và công suất động cơ VIKYNO RV125 ..........105
Hình 4.4: Đồ thị so sánh kết quả công suất động cơ giữa thực nghiệm và mô ph ng
ở hai tỷ lệ CNG60 và DO100 ..................................................................................106
Hình 4.5: Đồ thị đặc t nh ngoài của động cơ khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel ..........107
Hình 4.6: Công suất cực đại của động cơ VIKYNO RV125 ở n= 2400v/ph, 100%
tải khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel .............................................................................108
Hình 4.7: Đồ thị quy trình 8 điểm thử theo chu trình thử kh thải ISO 8178 C1. ...109
Hình 4.8: Nồng độ CO của động cơ RV125 theo chu trình đo ISO 8178 C1 .........110
Hình 4.9: Nồng độ HC của động cơ RV125 theo chu trình đo ISO 8178 C1 .........111
Hình 4.10: Độ mờ khói Opacity của động cơ RV125 theo ISO 8178 C1...............111
Hình 4.11: Độ mờ khói Opacity của động cơ khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel .........113

Bảng 2.3: Các thông số ch nh của mô hình mô ph ng .............................................64
Bảng 2.4: Thống kê các phần tử trong mô hình mô ph ng .......................................65
Bảng 2.5: Kết quả mô ph ng đặc t nh mô-men động cơ khi thay đổi tỷ lệ CNG .....68
Bảng 2.6: Kết quả mô ph ng công suất động cơ khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel ......69
Bảng 3.1: Các thiết bị ch nh trong hệ thống cung cấp nhiên liệu kép ......................78
Bảng 3.2: Điều kiện thực nghiệm .............................................................................97
Bảng 4.1: Kết quả đo mô-men và công suất của động cơ thực nghiệm ..................104
Bảng 4.2. So sánh kết quả công suất động cơ giữa thực nghiệm và mô ph ng ở hai
tỷ lệ CNG60 và DO100 ...........................................................................................106
Bảng 4.3. Kết quả đo mô-men và công suất của động cơ thực nghiệm khi thay đổi tỷ
lệ CNG/diesel ở chế độ 100% tải ............................................................................107
Bảng 4.4: Mức phát thải CO, HC và độ mờ khói Opacity của động cơ thực nghiệm
.................................................................................................................................110
Bảng 4.5: Mức phát thải CO và độ mờ khói Opacity của động cơ thực nghiệm khi
thay đổi tỷ lệ CNG/diesel ........................................................................................112
Bảng 4.6: Suất tiêu hao nhiên liệu và suất tiêu hao năng lƣợng diesel khi động cơ
hoạt động ở chế độ 100% diesel..............................................................................115
Bảng 4.7: Suất tiêu hao nhiên liệu và suất tiêu hao năng lƣợng diesel và CNG khi
động cơ sử dụng nhiên liệu kép ..............................................................................116
Bảng 4.8: Dữ liệu thời gian phun CNG và diesel theo số vòng quay và tải động cơ
khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép ........................................................................120
Bảng 4.9: Dữ liệu lƣợng nhiên liệu CNG và diesel cung cấp theo số vòng quay và
tải động cơ khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép .....................................................122


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Năng lƣợng và môi trƣờng đang là vấn đề quan tâm hàng đầu của nhiều quốc

liệu hiện tại và giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng. Trong đó, hƣớng nghiên cứu sử
dụng khí thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas -CNG) làm nhiên liệu cho các
động cơ nhiệt là một trong những giải pháp rất đƣợc quan tâm hiện nay.
CNG là nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trƣờng, có đặc tính kỹ
thuật phù hợp với các động cơ nhiệt, khi cháy ít sinh ra sản phẩm độc hại. Trữ
lƣợng khí thiên nhiên trên thế giới còn rất dồi dào, giá thành rẻ. Do vậy, việc sử
dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu thay thế là giải pháp cho thấy có sự phù hợp,
khả thi và triển vọng với điều kiện thực tế, đáp ứng đƣợc các mục tiêu tiết kiệm
nhiên liệu và chi phí, bảo vệ môi trƣờng và góp phần đảm bảo an ninh năng lƣợng.
Bên cạnh việc nghiên cứu sản xuất mới các động cơ sử dụng CNG, các nhà
nghiên cứu đang tập trung vào hƣớng chuyển đổi các động cơ có sẵn, đặc biệt là
động cơ diesel sang sử dụng CNG. Để tận dụng đƣợc các ƣu điểm của động cơ
diesel có tỷ số nén cao, hạn chế các ảnh hƣởng bất lợi về công suất, giảm chi phí cải
tạo động cơ, đồng thời động cơ có thể vừa hoạt động bằng nhiên liệu CNG vừa trở
về hoạt động nhƣ một động cơ diesel bình thƣờng, phù hợp với điều kiện hạ tầng về
cung cấp nhiên liệu, lĩnh vực nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng
nhiên liệu kép CNG-diesel đƣợc xem là có lợi thế nhất định và quan tâm nhiều nhất.
Tuy nhiên, do một số khác nhau về tính chất nhiên liệu, tổ chức quá trình cháy, nên
để động cơ lƣỡng nhiên liệu có thể làm việc ổn định, đảm bảo các yêu cầu về đặc
tính kỹ thuật, đòi h i phải có thêm các nghiên cứu về quá trình cháy của động cơ,
tối ƣu hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu. Trong đó, nếu tổ chức tốt phƣơng
pháp điều khiển cung cấp hệ thống nhiên liệu kép, kiểm soát tốt tỷ lệ nhiên liệu
CNG/diesel, khắc phục hiện tƣợng kích nổ của động cơ, … là các giải pháp quan
trọng góp phần nâng cao hiệu quả làm việc của các động cơ sử dụng nhiên liệu kép
CNG-diesel.
Từ các lý do trên, cho thấy việc nghiên cứu ứng dụng nguồn nhiên liệu sạch
CNG làm nhiên liệu thay thế cho các loại nhiên liệu truyền thống nhằm giải quyết
bài toán khan hiếm năng lƣợng và giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng là một nhu cầu xã



Nghiên cứu cũng có ý nghĩa đối với việc ứng dụng cải tiến hệ thống nhiên liệu trên


Luận án đủ ở file: Luận án full