Tổng quan luận án
Động cơ diesel giữ vai trò then chốt trong các ngành kinh tế quốc dân, vận tải và nông nghiệp nhờ các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cao. Tuy nhiên, việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống phát sinh các thành phần khí xả độc hại gồm oxit nitơ (NOx), vật chất hạt (PM/bồ hóng), monoxit cacbon (CO) và hydrocarbon chưa cháy (HC). Tại Việt Nam, phần lớn động cơ diesel đang lưu hành thuộc thế hệ cũ, sử dụng hệ thống nhiên liệu cơ khí cổ điển (như họ D4BB dùng bơm phân phối Bosch của Hyundai, D6CA dùng bơm dãy Bosch của Isuzu, hoặc họ R180 dùng bơm cao áp đơn). Các động cơ này không có hệ thống kiểm soát khí thải toàn diện mà chỉ xả thẳng qua bình tiêu âm, trở thành nguồn gây ô nhiễm môi trường đáng kể.
Khoảng trống nghiên cứu được chỉ ra xuất phát từ việc các giải pháp xử lý khí thải sau buồng cháy hiện đại (DOC, DPF, SCR kết hợp dung dịch DEF) có kết cấu cồng kềnh, giá thành cao và đòi hỏi quy trình tái sinh bộ lọc phức tạp, không khả thi để lắp đặt trên các dòng động cơ thế hệ cũ. Về các giải pháp can thiệp quá trình cháy, phương pháp luân hồi khí thải (EGR) giúp giảm phát thải NOx nhưng lại làm gia tăng muội than, CO, HC và suất tiêu hao nhiên liệu. Ngược lại, phương pháp bổ sung hydro (HES) vào đường ống nạp giúp tăng hiệu suất nhiệt, đốt cháy triệt để nhiên liệu và giảm CO, HC, PM, nhưng lại làm tăng nhiệt độ cháy cục bộ dẫn đến tăng lượng phát thải NOx. Mặc dù trên thế giới đã có một số nghiên cứu về động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hydro kết hợp EGR, các kết quả công bố còn tản mạn, chưa thống nhất và chưa có công trình nào đưa ra giải pháp phối hợp tối ưu giữa tỉ lệ luân hồi khí thải và tỉ lệ bổ sung hydro trên toàn bộ dải chế độ làm việc cho động cơ diesel sử dụng bơm cơ khí cũ.
Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Trịnh Xuân Phong, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hoàng Đình Long tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (bảo vệ năm 2022), mang tên: “Nghiên cứu giảm phát thải độc hại của động cơ diesel đang lưu hành bằng phương pháp luân hồi khí thải kết hợp bổ sung khí hydro”.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm:
- Đánh giá được ảnh hưởng đồng thời của luân hồi khí thải và bổ sung hydro đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ diesel.
- Đưa ra được giải pháp kết hợp luân hồi khí thải và bổ sung hydro hợp lý để giảm phát thải cho động cơ diesel.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel 1 xi-lanh R180, kiểu 4 kỳ, hút khí tự nhiên, trang bị hệ thống nhiên liệu cơ khí truyền thống.
- Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát ảnh hưởng của việc kết hợp luân hồi khí thải và bổ sung hydro (hệ thống EHSy) đến các thông số công tác và phát thải; xác định chế độ phối hợp phù hợp nhằm giảm phát thải NOx và PM nhưng khống chế mức suy giảm của các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật khác (suất tiêu hao nhiên liệu, nồng độ CO, HC) không vượt quá 5%. Toàn bộ thực nghiệm được tiến hành trong phòng thí nghiệm tại Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tổng quan tài liệu trong luận án hệ thống hóa các hướng nghiên cứu kiểm soát phát thải trong và ngoài nước:
Về công nghệ luân hồi khí thải (EGR): Báo cáo ban đầu về khả năng giảm NOx của EGR được ghi nhận từ Berger (1940) và Kopa (1960). Đến năm 1973, Chrysler phát triển hệ thống EGR có làm mát và van On/Off điều khiển bằng độ chân không. Giai đoạn 1972 đến cuối những năm 1980, EGR được ứng dụng rộng rãi trên động cơ xăng xe tải nhẹ tại Mỹ, và bắt đầu mở rộng cho động cơ diesel từ đầu thập niên 1990. Các nghiên cứu cơ bản của Ladomattos và cộng sự (1998, 2000), cùng các công trình tổng hợp của Zheng và cộng sự (2004), Selim (2003) đã chỉ rõ ba hiệu ứng của EGR: hiệu ứng pha loãng (giảm nồng độ oxy), hiệu ứng nhiệt (CO2 và H2O có nhiệt dung riêng lớn hấp thụ nhiệt) và hiệu ứng hóa học. Sự kết hợp này làm giảm nhiệt độ ngọn lửa cực đại, ức chế cơ chế hình thành nhiệt của NO, nhưng kéo dài thời gian cháy trễ và tăng tạo muội than. Nghiên cứu của Zheng chứng minh EGR lạnh giảm NOx hiệu quả hơn EGR nóng; khí luân hồi cần làm mát xuống dưới 120°C để duy trì mật độ nạp. Ngoài ra, các tác giả Kenda (2011), Boyarski (2003), Iwabuchi (1999), Xu (2001) đã ứng dụng EGR cho các phương pháp cháy hiện đại như PCI, PCCI, HCCI.
Tại Việt Nam, các công trình sử dụng EGR gồm: Nguyễn Lê Duy Khải nghiên cứu trên động cơ Vikyno RV125-2; Đinh Xuân Thành và Khổng Vũ Quảng khảo sát EGR trên xe buýt; Đặng Văn Uy và cộng sự thiết kế EGR cho động cơ tàu thủy HANSHIN 6LU32 đáp ứng tiêu chuẩn của Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO). Hầu hết các tác giả trong nước đều chỉ ra rằng EGR đơn lẻ làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu và tăng phát thải PM.
Về phương pháp bổ sung hydro (HES): Các tính chất vật lý và nhiệt động học của hydro so với các nhiên liệu truyền thống được tác giả đối chiếu chi tiết:
| Tính chất |
Hydro |
Mê-tan |
Xăng |
Diesel |
| Khối lượng phân tử (g) |
2,016 |
16,043 |
107 |
200 |
| Nhiệt độ sôi tiêu chuẩn (°C) |
-252,88 |
-161,52 |
310 - 478 |
436 - 672 |
| Tỉ trọng ở 1 atm, 300 K (kg/m³) |
0,082 |
0,717 |
5,11 |
833 - 881 |
| Nhiệt trị thấp (MJ/kg) |
119,7 |
50,02 |
44,79 |
42,8 |
| Giới hạn cháy (hệ số lambda) |
0,14 - 10 |
0,6 - 2,5 |
0,25 - 1,4 |
- |
| Trị số ốc-tan |
> 130 |
110 - 120 |
70 - 100 |
- |
| Chỉ số xetan |
- |
- |
- |
44 |
| Lượng không khí lý thuyết (kg/kg) |
34,5 |
17,2 |
14,7 |
14,5 |
| Tốc độ màng lửa (m/s) |
3,2 - 4,4 |
0,38 |
0,41 |
0,3 |
Nghiên cứu về bổ sung hydro trên động cơ diesel ghi nhận nhiều kết quả thực nghiệm: Saravanan và cộng sự (2007, 2008, 2010) đánh giá phương pháp phun hydro trên đường nạp (TPI) so với kiểu chế hòa khí trên động cơ Kirloskar AV1, khẳng định TPI tăng 17% hiệu suất nhiệt có ích (BTE), giảm 18% khói nhưng NOx tăng 34%; tối ưu góc phun ở 50° sau ĐCT giúp giảm 66,2% khói và 50,8% NOx. Senthil Kumar (2007) ghi nhận bổ sung 5% hydro giảm 50% CO, giảm 42,8% HC nhưng NOx tăng 13,8%. Sandalcı và Karagöz (2014) chỉ ra NOx tăng 58,8% khi tỉ lệ năng lượng hydro (HR) vượt quá 16% và tăng 159,7% khi HR đạt 46%. Lilik (2010), Liu (2008), Bika (2011) nghiên cứu trên động cơ tăng áp nhận thấy hydro làm tăng chuyển đổi NO thành NO2 do có sự gia tăng hơi nước trong sản phẩm cháy. Các nghiên cứu của Roy (2010), Masood (2007) cảnh báo hiện tượng kích nổ xuất hiện khi tỉ lệ hydro vượt quá 50% năng lượng hoặc khi tỉ lệ tương đương hydro-không khí lớn hơn 0,3.
Về hướng kết hợp EGR và bổ sung hydro (EHSy): Nghiên cứu của Verhelst (2010), Nicol (2005), LM Das (2002), Swain (2012) chứng minh EGR từ 15% đến 35% có khả năng triệt tiêu nguy cơ kích nổ và giảm phát thải NOx đến 85% trên động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hydro. Mac William và Nag (2008) chỉ ra bổ sung hydro hạn chế được sự gia tăng CO và muội than do EGR gây ra.
Khoảng trống luận án lựa chọn: Chưa có nghiên cứu nào trong nước khảo sát đồng thời EGR và HES cho động cơ diesel thế hệ cũ; đồng thời các tài liệu quốc tế chưa lượng hóa việc phối hợp tối ưu hai thông số này theo từng chế độ tải và tốc độ cụ thể nhằm giảm đồng thời NOx và PM mà không làm tăng tiêu hao nhiên liệu. Luận án chọn động cơ R180 làm đối tượng thử nghiệm điển hình để xây dựng hệ thống EHSy hoàn chỉnh.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp kết hợp mô hình hóa lý thuyết và thực nghiệm kiểm chứng:
- Cơ sở lý thuyết và mô hình mô phỏng:
Quá trình tính toán chu trình công tác được thực hiện trên phần mềm mô phỏng 1 chiều AVL Boost (bản quyền của Cộng hòa Áo tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội). Cơ sở nhiệt động học dựa trên phương trình nhiệt động thứ nhất cho hệ mở. Các mô hình thành phần gồm:
- Mô hình môi chất: Mô hình lưỡng nhiên liệu (diesel và hydro).
- Mô hình quá trình cháy: AVL MCC (Mixing Controlled Combustion), tính toán tốc độ tỏa nhiệt dựa trên lượng nhiên liệu hòa trộn và động năng rối, dự báo nồng độ NOx, CO và bồ hóng.
- Mô hình truyền nhiệt: Mô hình bán thực nghiệm Woschni.
- Mô hình động học hình thành phát thải: Phát thải NOx tính theo cơ chế nhiệt mở rộng của Zeldovich; phát thải bồ hóng (soot) tính theo mô hình hai bước của Schubiger và Hiroyasu (tạo hạt và oxy hóa hạt); phát thải CO tính theo mô hình cân bằng hóa học Onorati; mô hình AVL MCC mặc định bỏ qua thành phần HC.
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
- Lắp đặt động cơ diesel R180 trên băng thử công suất tại phòng thí nghiệm.
- Thiết kế, chế tạo mới cụm thiết bị luân hồi khí thải có làm mát bằng nước và van tiết lưu điều khiển bằng động cơ bước/servo.
- Thiết kế hệ thống cấp khí hydro từ bình chứa cao áp, qua van giảm áp, van chống cháy ngược, cảm biến đo lưu lượng chuyên dụng và vòi phun khí hydro điều khiển điện tử đặt trên đường ống nạp.
- Xây dựng hệ thống điều khiển điện tử (ECU) tích hợp vi điều khiển và card giao tiếp dữ liệu HDL 9090 kết hợp phần mềm LabVIEW để điều khiển góc quay của servo mở van EGR và thời gian mở vòi phun hydro theo tín hiệu vị trí tay ga và tốc độ trục khuỷu.
- Đo đạc áp suất chỉ thị buồng đốt, suất tiêu hao nhiên liệu diesel, lưu lượng hydro, hệ số dư lượng không khí (lambda) và nồng độ các chất phát thải (NOx, smoke/độ khói, CO, HC) tại các điểm vận hành ổn định.
- Dữ liệu và thông số thiết lập mô hình:
| Hạng mục / Phần tử |
Thông số kỹ thuật nhập mô hình |
Giá trị |
Đơn vị |
| Động cơ R180 |
Đường kính xi-lanh (D) × Hành trình (S) |
80 × 80 |
mm |
|
Dung tích công tác (Vh) |
0,402 |
Lít |
|
Tỷ số nén (ε) |
20 |
- |
|
Suất tiêu hao nhiên liệu định mức (ge) |
279 |
g/kWh |
|
Công suất định mức / Tốc độ |
5,17 / 2600 |
kW / v/p |
|
Góc mở sớm / đóng muộn xu-páp nạp |
18 / 41 |
độ góc quay trục khuỷu |
|
Góc mở sớm / đóng muộn xu-páp thải |
48 / 15 |
độ góc quay trục khuỷu |
|
Góc phun sớm nhiên liệu diesel |
22 |
độ trước ĐCT |
| Điều kiện biên nạp (SB1) |
Áp suất / Nhiệt độ |
1 / 25 |
bar / °C |
| Điều kiện biên thải (SB2) |
Áp suất / Nhiệt độ / Tỉ lệ sản phẩm cháy |
1 / 100 / 0,62 |
bar / °C / - |
| Vòi phun hydro (I1) |
Vị trí / Phương thức / Khối lượng riêng |
Đường nạp / Gián đoạn / 0,082 |
kg/m³ |
| Van EGR (TH1) |
Đường kính danh nghĩa / Đặc tính |
10 / Tuyến tính |
mm / - |
| Bộ làm mát EGR (CO1) |
Nhiệt độ khí ra / Áp suất khí ra |
100 / 1,2 |
°C / bar |
| Xi-lanh (C1) |
Chiều dài thanh truyền / Áp suất cácte |
150 / 1,2 |
mm / bar |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Nghiên cứu tổng quan
Chương 1 phân tích các thành phần độc hại chính trong khí thải động cơ diesel (NOx, PM, CO, HC), cơ chế phản ứng ở nhiệt độ cao và hiện tượng ngưng tụ tạo hạt PM dưới 500°C. Luận án phân loại bốn hướng kiểm soát phát thải: xử lý trước khi cháy, xử lý trong buồng cháy, xử lý sau buồng cháy và kết hợp. Tác giả đi sâu phân tích năm cấu hình EGR: luân hồi nội tại sử dụng vấu cam phụ, luân hồi áp suất cao (lấy khí trước tuabin), luân hồi áp suất thấp (lấy khí sau DPF), luân hồi kết hợp và luân hồi tức thời trước xu-páp nạp. Tiếp đó, chương khảo sát các công nghệ sản xuất hydro (điện phân nước kiềm hiệu suất 60-80%, khí hóa sinh khối, nhiệt hóa cồn/hydrocarbon) và phương thức lưu trữ (hóa lỏng ở -253°C tiêu tốn 25-40% năng lượng, nén áp suất 250-700 bar, hydride kim loại). Tác giả so sánh bốn cách cấp hydro vào buồng đốt: kiểu chế hòa khí, phun gián đoạn trên đường nạp (TPI), phun hydro lỏng và phun trực tiếp áp suất cao; qua đó kết luận phương pháp TPI mang lại tính khả thi kỹ thuật cao nhất trên động cơ hiện hành. Phân tích tổng quan 106 tài liệu tham khảo cho thấy việc phối hợp EGR và bổ sung hydro là giải pháp trung hòa nhược điểm của từng phương pháp riêng rẽ.
Chương 2. Nghiên cứu mô phỏng động cơ diesel hiện hành sử dụng luân hồi khí thải và bổ sung hydro
Chương 2 trình bày quy trình lập mô hình 1D trên phần mềm AVL Boost cho động cơ R180 có trang bị hệ thống EHSy. Mô hình gồm 10 phần tử chính (SB1, SB2, lọc khí CL1 kích thước 60×60 mm với tổn thất áp suất 0,05 bar, vòi phun hydro I1, xi-lanh C1, động cơ E1, tiêu âm PL1, van EGR TH1 đường kính 10 mm, bộ làm mát khí luân hồi CO1 và 7 điểm đo MP1 - MP7). Mạng lưới đường ống gồm 10 phân đoạn với các chiều dài từ 50 đến 300 mm, đường kính từ 20 đến 40 mm, hệ số ma sát dòng chảy tầng 64 và trao đổi nhiệt dạng Colburn Reynolds Analogy. Tác giả hiệu chỉnh mô hình AVL MCC theo đặc tính thử nghiệm của động cơ nguyên bản (NB).
Mô phỏng được khảo sát ở các dải chế độ: đặc tính tải ở tốc độ thấp (1500 v/p), đặc tính tải ở tốc độ cao (2600 v/p) và đặc tính ngoài (toàn tải), với các tỉ lệ hydro bổ sung thay thế năng lượng là 5% (H5), 10% (H10), 20% (H20), 30% (H30) kết hợp các mức độ mở van EGR tương ứng với tỉ lệ luân hồi từ 0% đến 25%. Kết quả mô phỏng cho thấy:
- Hệ số lambda giảm dần khi tăng tỉ lệ EGR do lượng khí trơ thay thế thể tích không khí sạch nạp vào xi-lanh; hydro bổ sung với khối lượng nhỏ không bù lại được lượng oxy thiếu hụt ở tải cao.
- Phát thải NOx giảm mạnh theo tỉ lệ EGR, trong khi hydro làm đường cong NOx dịch chuyển tăng lên; mức độ bù trừ giữa H5-H10 và EGR 5-15% giữ NOx thấp hơn động cơ nguyên bản.
- Phát thải muội than (soot) và CO tăng vọt khi tỉ lệ EGR vượt quá 15-20%, nhưng việc bổ sung hydro từ 10% đến 20% cải thiện đáng kể quá trình oxy hóa muội than và CO ở các mức tải trung bình.
- Dựa trên tiêu chí giảm tối đa NOx và soot trong khi suất tiêu hao nhiên liệu (ge) và CO không tăng quá 5%, chương 2 xác lập được vùng tỉ lệ hợp lý: ở 1500 v/p nên dùng H5E5 đến H10E10 tại tải nhỏ và vừa; ở 2600 v/p tối ưu ở vùng H5E5 và H10E5; ở toàn tải chỉ nên duy trì tỉ lệ luân hồi thấp dưới 5% kết hợp hydro 5% để tránh suy giảm công suất danh định.
Chương 3. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống EHSy cho động cơ diesel R180
Chương 3 giải quyết bài toán thiết kế và chế tạo thực tế hệ thống EHSy. Hệ thống cấp hydro gồm bình chứa khí nén áp lực cao, cụm van điều áp giảm áp suất cấp xuống đường ống, van chống cháy ngược dạng dập lửa một chiều, cảm biến đo lưu lượng hydro và vòi phun khí hydro chuyên dụng điều khiển bằng tín hiệu xung điện từ ECU. Cụm EGR gồm đường ống trích khí xả bằng thép chịu nhiệt, bộ làm mát khí thải dạng ống vỏ chùm trao đổi nhiệt với nước làm mát cưỡng bức bằng bơm phụ, van xoay EGR và mô tơ servo MG995 điều khiển góc mở van.
Hệ thống điều khiển điện tử EHSy sử dụng khối vi xử lý trung tâm kết nối card giao tiếp HDL 9090. Các tín hiệu đầu vào bao gồm: cảm biến quang học đo tốc độ trục khuỷu và xác định thời điểm bắt đầu hành trình nạp, cảm biến góc quay xác định vị trí tay ga (tải đặt). Cơ cấu chấp hành gồm mô tơ kéo thanh răng bơm cao áp diesel, mô tơ servo điều khiển van EGR và mạch công suất đóng cắt cuộn hút vòi phun hydro. Tác giả xây dựng thuật toán điều khiển và viết mã chương trình trên môi trường đồ họa LabVIEW. Thuật toán tự động tra bảng dữ liệu cài đặt sẵn để xuất tín hiệu điều khiển độ rộng xung PWM mở vòi phun hydro đúng thời điểm xu-páp nạp mở và quay servo van EGR đến vị trí định lượng chính xác theo tải và tốc độ động cơ.
Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm
Chương 4 kiểm chứng các giải pháp thiết kế trên hệ thống băng thử động cơ R180 tại phòng thí nghiệm. Băng thử bố trí đồng bộ: động cơ R180 gắn hệ thống EHSy, máy đo công suất hấp thụ, cân tiêu hao nhiên liệu diesel cơ điện tử, cảm biến áp suất buồng đốt piezo gắn cùng cảm biến góc quay trục khuỷu, thiết bị đo khí xả đo nồng độ NOx, CO, HC và máy đo độ khói (smoke meter). Các chế độ thử nghiệm bao gồm: đặc tính tải ở 1500 v/p, đặc tính tải ở 2600 v/p (khảo sát ở các mức tải 2 kW, 3 kW, 4 kW, 5 kW) và đặc tính ngoài từ 1400 v/p đến 2600 v/p.
Kết quả đo đạc thực nghiệm ghi nhận:
- Diễn biến áp suất buồng đốt: Khi bổ sung hydro kết hợp EGR hợp lý, tốc độ tăng áp suất (dp/dφ) và áp suất cực đại (pcmax) tăng nhẹ do hydro cháy nhanh, góc xuất hiện áp suất đỉnh dịch lại gần điểm chết trên hơn so với động cơ nguyên bản, bù trừ lại hiện tượng kéo dài thời gian cháy trễ do khí trơ EGR gây ra.
- Phát thải NOx: Tại chế độ 1500 v/p tải 3 kW và 4 kW, cấu hình kết hợp H5E5 và H10E10 giảm lượng phát thải NOx từ 20% đến trên 40% so với chế độ nguyên bản không luân hồi khí thải.
- Phát thải độ khói (smoke) và muội than: Độ khói giảm rõ rệt ở các chế độ có bổ sung hydro từ 5% đến 10% ngay cả khi có mặt khí EGR, chứng minh hydro tham gia phản ứng thúc đẩy phân rã các gốc hydrocarbon thơm.
- Suất tiêu hao nhiên liệu (ge) và khí phát thải CO, HC: Ở các vùng phối hợp H5E5 và H10E10, suất tiêu hao nhiên liệu chỉ biến thiên trong dải ± 3%, phát thải CO và HC được kiểm soát dưới ngưỡng giới hạn 5% đặt ra ban đầu.
- So sánh giữa kết quả mô phỏng ở Chương 2 và thực nghiệm ở Chương 4 cho thấy sự tương đồng cao về xu hướng biến thiên và độ lệch số liệu tuyệt đối nằm trong khoảng sai số cho phép dưới 10%, khẳng định độ tin cậy của mô hình tính toán.
Kết quả và những đóng góp mới
- Đóng góp về mặt khoa học:
- Xây dựng thành công mô hình mô phỏng 1 chiều trên phần mềm AVL Boost cho động cơ diesel không tăng áp cỡ nhỏ trang bị đồng thời hệ thống luân hồi khí thải và bổ sung hydro trên đường nạp. Mô hình đã được hiệu chỉnh và kiểm chứng bằng thực nghiệm.
- Làm rõ quy luật tác động tương hỗ giữa khí thải luân hồi (EGR) và khí hydro bổ sung (HES) đến các thông số nhiệt động của chu trình công tác: làm rõ cơ chế hydro bù đắp sự suy giảm tốc độ cháy do khí trơ CO2, H2O gây ra, từ đó phá vỡ thế đánh đổi truyền thống (trade-off) giữa phát thải NOx và muội than (PM) trên động cơ diesel thế hệ cũ.
- Đóng góp về mặt thực tiễn:
- Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh hệ thống thiết bị phần cứng EHSy (gồm đường ống trích khí xả, bộ làm mát khí thải, van xoay EGR, hệ thống vòi phun hydro, van chống cháy ngược) có kết cấu gọn gàng, hoạt động ổn định trên động cơ R180.
- Phát triển thành công bộ điều khiển điện tử ECU dựa trên phần mềm LabVIEW và card HDL 9090, cho phép điều khiển linh hoạt và đồng bộ tỉ lệ EGR và lượng hydro cấp theo thời gian thực dựa vào tải và tốc độ động cơ.
- Xác định được bộ thông số vận hành tối ưu cho động cơ R180: chế độ H5E5 và H10E10 tại các vùng tải thấp và trung bình giúp giảm đồng thời NOx và độ khói mà không làm suy giảm công suất hay làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu quá 5%.
- Kiến nghị và giải pháp đề xuất:
- Luận án đề xuất áp dụng giải pháp EHSy như một phương án kỹ thuật khả thi để cải tạo các trạm máy phát điện diesel tĩnh tại, máy bơm nước nông nghiệp và ghe thuyền cỡ nhỏ đang sử dụng động cơ diesel cũ không có bộ xử lý khí thải tại Việt Nam nhằm đáp ứng các quy chuẩn bảo vệ môi trường.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án:
- Phạm vi nghiên cứu mới thực hiện trên quy mô phòng thí nghiệm đối với một mẫu động cơ diesel một xi-lanh hút khí tự nhiên (R180); chưa triển khai đánh giá trên các dòng động cơ nhiều xi-lanh, có tăng áp hoặc tải trọng lớn.
- Mô hình cháy AVL MCC sử dụng trong phần mềm mô phỏng AVL Boost bỏ qua tính toán phát thải HC, do đó số liệu HC chỉ có thể thu nhận qua đường thực nghiệm mà chưa có sự đối chiếu mô phỏng tương ứng.
- Đề tài chưa đánh giá ảnh hưởng dài hạn của hơi nước và khí luân hồi đến độ bền ăn mòn hóa học của xi-lanh, xéc-măng và chất lượng dầu bôi trơn sau hàng nghìn giờ vận hành.
- Nguồn cấp hydro trong nghiên cứu sử dụng bình chứa khí nén áp suất cao thương mại, chưa tích hợp hệ thống sản xuất khí giàu hydro tại chỗ trên động cơ.
Hướng nghiên cứu tiếp:
- Mở rộng ứng dụng hệ thống EHSy trên các động cơ diesel nhiều xi-lanh hiện hành có turbo tăng áp (như họ D4BB, D6CA).
- Nghiên cứu tích hợp bộ xúc tác biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu (tận dụng nhiệt khí xả để nhiệt phân cồn hoặc chính nhiên liệu diesel) nhằm tạo khí giàu hydro trực tiếp trên phương tiện, giải quyết triệt để vấn đề vận chuyển và tích trữ bình khí hydro áp lực cao.
- Khảo sát độ bền ăn mòn chi tiết máy và chu kỳ thay dầu bôi trơn khi động cơ hoạt động dài hạn với hệ thống EHSy.
Giá trị tham khảo
Luận án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho các nhóm đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Động cơ đốt trong: Tài liệu tham khảo về phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng lưỡng nhiên liệu trên AVL Boost, phương pháp thiết lập điều kiện biên và quy trình hiệu chỉnh mô hình cháy AVL MCC bằng dữ liệu thực nghiệm.
- Kỹ sư thiết kế, cải tạo máy động lực: Tham khảo các bản vẽ kết cấu, kích thước hình học bộ làm mát khí thải, sơ đồ mạch điện điều khiển servo van EGR và thuật toán điều khiển vòi phun hydro trên LabVIEW kết nối card chuyên dụng (HDL 9090).
- Các nhà quản lý phương tiện và hoạch định chính sách môi trường: Cung cấp số liệu định lượng về khả năng giảm phát thải của động cơ diesel công nghệ cũ bằng giải pháp kết hợp nhiên liệu phụ trợ và luân hồi khí xả với chi phí đầu tư thấp hơn so với việc thay thế toàn bộ động cơ hoặc lắp đặt các bộ xử lý xúc tác đắt tiền.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao tác giả lại kết hợp đồng thời luân hồi khí thải (EGR) và bổ sung hydro (HES) thay vì áp dụng riêng rẽ từng phương pháp?
Áp dụng EGR riêng lẻ giúp giảm phát thải NOx nhưng làm thiếu hụt oxy, khiến quá trình cháy kém hoàn toàn, dẫn đến tăng muội than (soot), CO, HC và làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu. Ngược lại, bổ sung hydro giúp nhiên liệu cháy kiệt, giảm khói, giảm CO và tăng hiệu suất nhiệt, nhưng tốc độ cháy nhanh và nhiệt độ màng lửa cao lại làm tăng lượng phát thải NOx. Việc kết hợp đồng thời (EHSy) tạo ra cơ chế bù trừ: EGR làm giảm nhiệt độ đỉnh ngọn lửa để ức chế NOx, trong khi hydro kích thích oxy hóa muội than và bù đắp tốc độ cháy, giúp động cơ giảm đồng thời cả NOx lẫn muội than.
2. Mô hình toán học nào được tác giả sử dụng trong phần mềm AVL Boost để mô phỏng quá trình cháy và phát thải?
Tác giả sử dụng mô hình cháy AVL MCC (Mixing Controlled Combustion) dành cho động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hydro. Về phát thải, mô hình nhiệt Zeldovich mở rộng được áp dụng để tính toán NOx; mô hình hai bước Schubiger và Hiroyasu được dùng cho bồ hóng (soot); mô hình cân bằng hóa học Onorati được dùng cho CO; riêng thành phần HC bị mô hình AVL MCC bỏ qua theo cấu trúc phần mềm.
3. Động cơ thử nghiệm R180 có các thông số kết cấu cơ bản như thế nào?
Động cơ R180 là động cơ diesel 1 xi-lanh, 4 kỳ, hút khí tự nhiên, đường kính xi-lanh 80 mm, hành trình piston 80 mm, dung tích làm việc 0,402 lít, tỷ số nén 20:1, công suất danh định 5,17 kW tại 2600 v/p, suất tiêu hao nhiên liệu định mức 279 g/kWh và góc phun sớm nhiên liệu diesel cố định ở 22° trước điểm chết trên.
4. Khống chế giới hạn kỹ thuật mà đề tài đặt ra khi tìm tỉ lệ phối hợp EHSy là gì?
Phạm vi nghiên cứu đặt ra mục tiêu: tìm chế độ luân hồi khí thải và bổ sung hydro phù hợp để giảm tối đa phát thải NOx và PM nhưng phải khống chế mức suy giảm của các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật khác (suất tiêu hao nhiên liệu ge, nồng độ phát thải CO, HC) không vượt quá ngưỡng 5% so với động cơ nguyên bản.
5. Vì sao phương pháp phun hydro trên đường ống nạp (TPI) được lựa chọn thay vì phương pháp cấp hydro kiểu chế hòa khí?
Tổng quan các công trình (đặc biệt là nghiên cứu của Saravanan và cộng sự) chỉ ra rằng phương pháp chế hòa khí làm giảm thể tích khí nạp mới đáng kể và giảm hiệu suất nhiệt (BTE giảm 5%). Trong khi đó, phương pháp TPI điều khiển vòi phun phun gián đoạn khi xu-páp nạp mở giúp tăng hiệu suất nhiệt thêm 17%, giảm 18% độ khói và ngăn ngừa hiện tượng cháy sớm hay nổ ngược (backfire) trên đường nạp.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của Trịnh Xuân Phong đã giải quyết thành công bài toán giảm đồng thời hai thành phần phát thải khó xử lý nhất của động cơ diesel là NOx và hạt bồ hóng (PM) trên dòng động cơ tĩnh tại R180 đang lưu hành tại Việt Nam bằng phương pháp kết hợp luân hồi khí thải và bổ sung hydro trên đường nạp (EHSy). Công trình kết hợp phương pháp mô phỏng nhiệt động lực học 1D trên phần mềm AVL Boost với thực nghiệm chế tạo phần cứng và điều khiển trên LabVIEW, xác lập bộ thông số luân hồi và bổ sung hydro phù hợp cho các dải phụ tải. Kết quả nghiên cứu là tài liệu chuyên khảo có giá trị kỹ thuật cao cho việc nghiên cứu chu trình công tác lưỡng nhiên liệu và cung cấp giải pháp thực tế để cải tạo, giảm thiểu ô nhiễm môi trường cho các loại động cơ diesel thế hệ cũ.
