Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu điều khiển động cơ phun xăng trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hydroNghiên cứu điều khiển động cơ phun xăng trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hydroNghiên cứu điều khiển động cơ phun xăng trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hydroNghiên cứu điều khiển động cơ phun xăng trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hydroNghiên cứu điều khiển động cơ phun xăng trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hydroNghiên cứu điều khiển động cơ phun xăng trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hydroNghiên cứu điều khiển động cơ phun xăng trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hydroNghiên cứu điều khiển động cơ phun xăng trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hydroNghiên cứu điều khiển động cơ phun xăng trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hydroNghiên cứu điều khiển động cơ phun xăng trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hydroNghiên cứu điều khiển động cơ phun xăng trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hydro
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: GS TS PHẠM MINH TUẤN TS TRẦN ANH TRUNG HÀ NỘI - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi, Lê Đăng Đông, xin cam đoan đề tài nghiên cứu thực hướng dẫn GS.TS Phạm Minh Tuấn TS Trần Anh Trung Lu n án có sử dụng m t phần k t qủa nhóm nghiên cứu thực Đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu phát triển cơng nghệ tạo khí giàu hydro để bổ sung cho động xăng nhằm nâng cao hiệu sử dụng nhiên liệu giảm phát thải động cơ”, mã số KC.05.24/11-15 GS.TS Lê Anh Tuấn làm chủ nhiệm đề tài, quan chủ trì đề tài Trường Đại học Bách khoa Hà N i, thu c Chương trình khoa học cơng nghệ cấp nhà nước KC.05/11-15 “Nghiên cứu ứng dụng phát triển công nghệ lượng”, B Khoa học Công nghệ quản lý Tôi chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng m t phần k t qủa Đề tài cấp nhà nước vào việc vi t bảo vệ lu n án Tôi xin cam đoan số liệu k t qủa nêu lu n án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác! Hà Nội, tháng năm 2019 TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Người hướng dẫn Người hướng dẫn Nghiên cứu sinh GS.TS Phạm Minh Tuấn TS Trần Anh Trung Lê Đăng Đông i LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà N i, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí Đ ng lực B môn Đ ng đốt cho phép thực đề tài nghiên cứu Trường Đại học Bách khoa Hà N i Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học Viện Cơ khí Đ ng lực hỗ trợ giúp đỡ suốt q trình tơi thực lu n án Tôi xin trân trọng cảm ơn GS.TS Phạm Minh Tuấn TS Trần Anh Trung hướng dẫn h t sức t n tình chu tơi thực hồn thành lu n án Tôi xin trân trọng bi t ơn Thầy, Cô B mơn Phòng thí nghiệm Đ ng đốt trong, Trường Đại học Bách khoa Hà N i giúp đỡ dành cho điều kiện h t sức thu n lợi để tơi hồn thành lu n án Tôi xin trân trọng cảm ơn GS.TS Lê Anh Tuấn, Chủ nhiệm đề tài KC.05.24/11-15 thành viên cho tham gia thực đề tài sử dụng k t nghiên cứu để thực lu n án Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thu t Hưng Yên, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí đ ng lực Thầy, Cô Khoa h u thuẫn đ ng viên suốt q trình nghiên cứu học t p Tơi xin bày tỏ lòng bi t ơn sâu sắc đ n Thầy, Cô phản biện, Thầy, Cô h i đồng đồng ý đọc duyệt góp ý ki n q báu để tơi hồn chỉnh lu n án Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp người đ ng viên khuy n khích tơi suốt thời gian tơi tham gia nghiên cứu thực nghiên cứu Hà Nội, ngày tháng Nghiên cứu sinh Lê Đăng Đông ii năm 2019 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 i Lý chọn đề tài ii Mục tiêu n i dung nghiên cứu đề tài iii Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài iv Phương pháp nghiên cứu đề tài v Ý nghĩa khoa học đề tài vi Ý nghĩa thực tiễn đề tài vii Điểm lu n án viii Bố cục lu n án CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU 1.1 Vấn đề giảm tiêu hao nhiên liệu phát thải đ ng xăng 1.2 Các biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu phát thải cho đ ng xăng 1.2.1 Các biện pháp liên quan đ n đ ng 1.2.2 Xử lý khí thải 1.3 Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hydro cho đ ng xăng 10 1.3.1 Bổ sung hydro cho đ ng xăng 10 1.3.2 Bổ sung hỗn hợp khí giàu hydro cho đ ng xăng 16 1.3.2.1 Bổ sung hỗn hợp giàu hydro từ xy hóa khơng hồn tồn nhiên liệu 16 1.3.2.2 Bổ sung hỗn hợp giàu hydro từ xy hóa nhiên liệu plasma 18 1.3.2.3 Bổ sung hỗn hợp giàu hydro từ bi n đổi nhiệt hóa nhiên liệu với nước 19 1.4 Hướng ti p c n lu n án 22 1.5 Tổng quan xây dựng mơ hình đ ng 23 1.6 Tổng quan xây dựng hệ thống điều khiển 26 1.7 N i dung nghiên cứu 31 1.8 K t lu n chương 32 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MƠ 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 Mơ hình tổng quan đ ng phun xăng trang bị b xúc tác tạo hỗn hợp giàu hydro 34 2.3 Mơ hình thành phần 35 2.3.1 Mơ hình trao đổi khí 35 2.3.1.1 Xác định lượng khí qua bướm ga 35 2.2.1.2 Xác định lượng khí qua xu páp nạp 37 2.2.1.3 Xác định lượng khí qua xu páp xả 38 2.3.2 Mô hình b xúc tác 39 iii 2.3.3 Mơ hình cháy 41 2.3.3.1 Cơ sở lựa chọn mơ hình cháy 41 2.3.3.2 Mơ hình cháy 43 2.3.3.3 Mơ hình truyền nhiệt 46 2.3.4 Mơ hình tổn thất khí đ ng 46 2.3.5 Mơ hình đ ng học, đ ng lực học đ ng 49 2.4 Mơ hình điều khiển 50 2.4.1 Lọc nhiễu tín hiệu đo 51 2.4.2 Thu t toán tra bảng 53 2.4.2.1 N i suy m t chiều 1D 53 2.4.2.2 N i suy hai chiều 2D 54 2.4.3 B điều khiển vòng kín 54 2.4.3.1 Hàm truyền vòng kín 55 2.4.3.2 B điều khiển PID 55 2.5 K t lu n chương 57 CHƯƠNG ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG SỬ DỤNG HỖN HỢP GIÀU HYDRO VÀ MƠ HÌNH MƠ PHỎNG 58 3.1 Đặt vấn đề 58 3.2 Đối tượng nghiên cứu nhiên liệu thử nghiệm 58 3.2.1 Đ ng nghiên cứu 58 3.2.2 Nhiên liệu thử nghiệm 59 3.3 Thi t k lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu cho đ ng b xúc tác 59 3.3.1 Hệ thống cung cấp hỗn hợp giàu hydro tiêu chuẩn cho đ ng 59 3.3.2 Hệ thống cung cấp xăng nước cho b xúc tác 60 3.4 Xác định vùng thường xuyên hoạt đ ng đ ng 61 3.5 Xác định tham số đầu vào cho mơ hình đ ng 62 3.5.1 Xác định quy lu t phối khí 62 3.5.2 Xác định lưu lượng khí qua xu páp 63 3.5.3 Xác định đặc tính vòi phun 64 3.5.4 Áp suất xi lanh 65 3.6 Phân tích số liệu thực nghiệm xây dựng mơ hình đ ng 68 3.6.1 Xác định hệ số lưu lượng dòng khí 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 mơ hình đ ng 74 3.7 Đánh giá đ tin c y mơ hình đ ng 75 3.7.1 Đánh giá lưu lượng khơng khí nạp 75 3.7.2 Đánh giá tỉ lệ cháy tốc đ tỏa nhiệt 76 3.7.3 Đánh giá áp suất xi lanh 78 3.7.4 Đánh giá mô men công suất 81 3.8 B điều khiển đ ng phun xăng điện tử trang bị b xúc tác tạo hỗn hợp giàu hydro 83 3.8.1 B điều khiển đ ng sử dụng hỗn hợp giàu hydro 83 3.8.2 Các khối tính tốn thơng số làm việc đ ng 84 3.8.2.1 Khối xác định kỳ làm việc đ ng 84 iv 3.8.2.2 Các khối xác định điều khiển góc đánh lửa sớm 87 3.8.2.3 Các khối xác định điều khiển lượng nhiên liệu phun vào đường ống nạp 89 3.8.2.4 Các khối xác định điều khiển lượng phun vào b xúc tác 90 3.8.2.5 Các khối xác định điều khiển tốc đ không tải 91 3.8.3 Đánh giá b điều khiển 91 3.8.3.1 K t chương trình nh n dạng kỳ làm việc đ ng 92 3.8.3.2 K t chương trình điều khiển khơng tải 93 3.9 K t lu n chương 94 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 95 4.1 Đặt vấn đề mục tiêu nghiên cứu thử nghiệm 95 4.2 Phạm vi, phương pháp 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 trang thi t bị thử nghiệm 97 4.3.1 Thử nghiệm thu th p số liệu xây dựng mơ hình mô đ ng băng thử công suất đ ng 97 4.3.1.1 Thử nghiệm xây dựng đặc tính ngồi đ ng 98 4.3.1.2 Thử nghiệm xác định giới hạn cháy đ ng 99 4.3.2 Thử nghiệm hiệu chuẩn đánh giá hệ thống điều khiển bệ thử đ ng 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 K t thực nghiệm đ ng băng thử công suất 103 4.4.1 K t thử nghiệm đ ng ch đ toàn tải 103 4.4.2 K t thử nghiệm đ ng ch đ cháy nghèo 105 4.4.2.1 Ảnh hưởng hỗn hợp giàu hydro đ n giới hạn cháy nghèo 105 4.4.2.2 Ảnh hưởng hỗn hợp giàu hydro đ n hiệu suất có ích đ ng 107 4.4.2.3 Ảnh hưởng hỗn hợp giàu hydro đ n suất tiêu thụ lượng 108 4.4.2.4 Nhiệt đ khí xả đ ng ch đ cháy nghèo 109 4.4.2.5 Ảnh hưởng hỗn hợp giàu hydro đ n phát thải đ ng ch đ cháy nghèo 110 4.5 K t thử nghiệm đánh giá hệ thống điều khiển ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH băng thử đ ng 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 114 4.5.3 Tại 30% đ mở bướm ga 117 4.5.4 Tại 50% đ mở bướm ga 119 4.5.5 K t thử nghiệm theo chu trình thử ECE-R40 121 4.6 K t lu n chương 123 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 124 K t lu n chung: 124 Hướng phát triển: 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO 126 v DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 131 PHỤ LỤC Phụ lục Mơ hình mơ Matlab/Simulink Phụ lục 1.1 Mơ hình trao đổi khí Phụ lục 1.2 Mơ hình cháy Phụ lục 1.3 Mơ hình tổn thất khí Phụ lục 1.4 Mơ hình đ ng học Phụ lục Các thông số thực nghiệm Phụ lục 2.1 Quy lu t phối khí Phụ lục 2.3 Tốc đ tỏa nhiệt ch đ toàn tải, đ ng sử dụng xăng nguyên Phụ lục 2.4 Tốc đ tỏa nhiệt n=4500 vg/ph, Me=2Nm Phụ lục 2.5 Tốc đ tỏa nhiệt n=5300 vg/ph, Me=3Nm Phụ lục 2.6 Tỉ lệ cháy xb ch đ toàn tải, đ ng sử dụng xăng nguyên Phụ lục 2.7 Tỉ lệ cháy xb n=4500 vg/ph, Me=2Nm Phụ lục 2.8 Tỉ lệ cháy xb n=5300 vg/ph, Me=3Nm Phụ lục 2.9 Bảng MAP đánh lửa Phụ lục 2.10 Bảng MAP lượng nhiên liệu phun vòi phun Phụ lục 2.11 Bảng MAP lượng xăng, nước phun vào BXT 11 Phụ lục Các trang thi t bị dùng thử nghiệm 12 Phụ lục 3.1 Thi t 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 đ ng (MotoHawk Control Solutions) 15 Phụ lục 3.5 Băng thử đ ng DW-16 16 Phụ lục 3.6 Cảm bi n đo lambda dải r ng LSU 4.9 17 Phụ lục 3.7 Cảm bi n lưu lượng khí nạp 17 Phụ lục 3.8 Cảm bi n lưu lượng hỗn hợp giàu hydro 18 Phụ lục 3.9 Băng thử đ ng lực học xe máy Chassis dynamometer 20’’ (CD20”) 18 Phụ lục M t số hình ảnh thực nghiệm trình thực lu n án 19 Phụ lục 4.1 Thực nghiệm xác định quy lu t phối khí đ ng 3V i.e 150 19 Phụ lục 4.2 Đ ng Liberty 3V i.e 150 lắp đặt băng thử công suất đ ng DW16 chuẩn bị cho thí nghiệm 20 Phụ lục 4.3 Chạy thử hệ thống thử nghiệm đ ng băng thử công suất 20 Phụ lục 4.4 Hiệu chỉnh hệ thống thử nghiệm đ ng băng thử công suất 20 Phụ lục 4.5 Thử nghiệm đ ng băng thử công suất, xác định b tham số đầu vào cho mơ hình mơ đ ng 21 Phụ lục 4.6 Xe Liberty 3V i.e 150 lắp đặt cho thử nghiệm hiệu chỉnh b thông số điều khiển thử nghiệm đối chứng Dyno 21 Phụ lục 4.7 Kiểm tra hiệu chỉnh xe Liberty 3V i.e trước thử nghiệm Dyno 21 Phụ lục 4.8 Vị trí lắp đặt vòi phun, b xúc tác cảm bi n lambda dải r ng 22 Phụ lục 4.9 Thử nghiệm hiệu chỉnh hệ thống điều khiển đ ng xe 22 Phụ lục 4.10 Hiệu chỉnh b tham số hệ thống điều khiển đ ng Dyno 22 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT A Danh mục ký hiệu Ký hiệu Diễn giải Đơn vị - a Tham số mơ hình Wiebe A Ti t diện lưu thông bướm ga A/F Tỉ lệ khơng khí nhiên liệu (Air Fuel Ratio) Abc Diện tích tức thời thành vách buồng cháy m2 Aev Ti t diện lưu thông xu páp xả m2 Aiv Apis Ti t diện lưu thông xu páp nạp m2 Diện tích đỉnh piston m2 aθ Bcyl Khoảng cách từ tâm chốt piston đ n tâm trục khuỷu m Đường kính xi lanh m BSEC Suất tiêu hao lượng (Brake Specific Energy Consumption) BTE Hiệu suất nhiệt có ích (Brake Thermal Efficiency) CA Góc quay trục khuỷu (CrankShaft Angle) COVimep Hệ số bi n thiên áp suất thị trung bình (Coefficient Of Variation in indicated mean effective pressure) CBdelay Góc cháy trễ Cf, ev Hệ số lưu lượng dòng khí qua xu páp xả - Cf, iv Hệ số lưu lượng dòng khí qua xu páp nạp - Cf, th Hệ số lưu lượng dòng khí qua bướm ga - Cm1 Hệ số thực nghiệm phụ thu c vào biên dạng xéc măng - Cm2 Hệ số đánh giá ảnh hưởng ma sát xéc măng khí bôi trơn không đầy đủ - Cm3 Hệ số tính đ n ảnh hưởng tác đ ng làm thay đổi đ dày màng dầu piston bị nghiêng - Cm4 Hệ số ma sát thực nghiệm - Cm5 Hệ số phụ thu c mặt phân cách cấu cam, cấu dẫn đ ng cam - Cm6 C̅ Hệ số thực nghiệm - d Đường kính trục bướm ga m D Đường kính bướm ga m Dev Đường kính xu páp xả m Div dQhr /dt Đường kính xu páp nạp m Tốc đ tỏa nhiệt xi lanh J/s Tốc đ truyền nhiệt cho thành vách buồng cháy J/s dQht /dt m2 - MJ/kW.h o CA - o CA V n tốc trung bình piston m/s vii Ký hiệu dωe /dt Diễn giải Gia tốc góc trục khuỷu Đơn vị rad/s2 dU/dt dVcyl /dt Tốc đ bi n thiên n i xi lanh h Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu hexh hin,cyl Enthanpi khí xả J/kg Enthanpi khí nạp J/kg hoil Bề dày màng dầu bơi trơn Imep Áp suất thị trung bình (Indicated mean effective pressure) ITE Hiệu suất nhiệt thị (Indicated Thermal Efficiency) Ie Mơ men qn tính đ ng k Hệ số đoạn nhiệt - L Chiều dài truyền m Liv Lpis Đ nâng xu páp nạp m Chiều dài thân piston m m Tham số đặc trưng cho q trình cháy mơ hình Wiebe - MAP Áp suất tuyệt đối đường nạp (Manifolds Absolute Pressures) kPa MBT Mơ men có ích lớn (Maximum Brake Torque) N.m Maub Mô men tổn hao giới cho dẫn đ ng phụ N.m Me Mô men có ích đ ng N.m Mlb Mơ men ma sát tải tác dụng lên ổ trục N.m Mm Mpis Mô men tổn hao giới N.m Mô men ma sát thân piston N.m Mrm Mô men ma sát nửa ướt xéc măng N.m Mrv Mô men cản xéc măng đ nhớt dầu bôi trơn N.m Mval mKK_MP Mô men tổn hao giới dẫn đ ng cấu phân phối khí N.m Lưu lượng khơng khí nạp mơ kg/h mKK_TN Lưu lượng khơng khí nạp thực nghiệm kg/h ṁ exh Lưu lượng khí xả g/s ṁ H2 ṁ H2_mix Khối lượng HHGH cấp cho chu trình kg Lượng HHGH phun từ vòi phun g/s ṁ im, th Lưu lượng khơng khí qua bướm ga g/s ṁ in, cyl Lưu lượng khơng khí vào xi lanh g/s ṁ xang Khối lượng nhiên liệu xăng cấp cho chu trình kg ṁ xangbxt Lượng xăng cấp cho b xúc tác chu trình g naring Số xéc măng khí - ncyl Số xi lanh đ ng - ne Tốc đ đ ng Tốc đ thay đổi thể tích cơng tác xi lanh đ ng J/s m3/s W/m2K m kPa kg.m2 vg/ph viii ...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. .. công suất 81 3.8 B điều khiển đ ng phun xăng điện tử trang bị b xúc tác tạo hỗn hợp giàu hydro 83 3.8.1 B điều khiển đ ng sử dụng hỗn hợp giàu hydro 83 3.8.2 Các khối tính tốn thơng... 10 1.3.2 Bổ sung hỗn hợp khí giàu hydro cho đ ng xăng 16 1.3.2.1 Bổ sung hỗn hợp giàu hydro từ xy hóa khơng hồn tồn nhiên liệu 16 1.3.2.2 Bổ sung hỗn hợp giàu hydro từ ô xy hóa nhiên