Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost mô phỏng động cơ xăng - ethanol

Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost mô phỏng động cơ xăng ethanol tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Nguyễn Trần Anh Tuấn
• Người hướng dẫn: ThS. Đinh Tấn Ngọc
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost mô phỏng động cơ xăng - ethanol
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan mô phỏng động cơ xăng ethanol tại HCMUTE

Nhiên liệu sinh học ethanol ngày càng đóng vai trò quan trọng trong ngành giao thông vận tải. Hỗn hợp xăng ethanol hỗ trợ giảm thiểu sự phụ thuộc vào dầu mỏ. Loại nhiên liệu này cũng làm sạch khí thải đáng kể. Tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE), nghiên cứu mô phỏng động cơ xăng ethanol là đề tài mang tính cấp thiết. Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô ứng dụng giải pháp số để kiểm nghiệm chu trình động cơ. Phần mềm AVL Boost là công cụ mô phỏng 1D hàng đầu thế giới. Phần mềm này tái hiện chân thực các hiện tượng nhiệt động học phức tạp. Hệ thống tính toán dòng khí nạp, sự lan tràn màng lửa và quá trình giãn nở sinh công. Việc kết hợp AVL Boost giúp rút ngắn thời gian nghiên cứu thực nghiệm. Kỹ sư có thể dự đoán công suất động cơ với các tỉ lệ pha trộn ethanol từ E5 đến E85. Quá trình kiểm nghiệm mô phỏng diễn ra nhanh chóng, an toàn và tiết kiệm chi phí vận hành. Đây là hướng đi đột phá trong nghiên cứu năng lượng tái tạo tại môi trường học thuật kỹ thuật hiện đại.

1.1. Đặc tính vật lý và hóa học của cồn ethanol sinh học

Ethanol là một hợp chất hữu cơ có công thức hóa học C2H5OH. Đây là một mono-alcohol phân cực mạnh và dễ bay hơi. Ethanol có khả năng hòa tan hoàn toàn trong nước và tạo liên kết bền vững với hydrocarbon. Chỉ số octane nghiên cứu của ethanol đạt trên 108. Con số này vượt trội hơn so với xăng khoáng thương mại thông thường. Trị số octane cao giúp hạn chế hiện tượng kích nổ trong buồng cháy động cơ. Nhiệt trị thấp của ethanol xấp xỉ 26,8 MJ/kg, thấp hơn mức 44 MJ/kg của xăng khoáng. Ngoài ra, nhiệt ẩn hóa hơi của cồn sinh học cao gấp ba lần xăng thông thường. Đặc tính này làm giảm nhiệt độ khí nạp, qua đó nâng cao mật độ không khí đi vào buồng đốt xy lanh.

1.2. Vai trò của phần mềm AVL Boost trong đồ án tốt nghiệp

Phần mềm AVL Boost là nền tảng chuyên dụng trong lĩnh vực mô phỏng chu trình công tác động cơ. Tại Khoa Đào tạo Quốc tế HCMUTE, sinh viên sử dụng công cụ này để thực hiện đồ án kỹ sư ô tô. Phần mềm giải quyết phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng theo không gian một chiều. Người nghiên cứu xây dựng sơ đồ khối chi tiết bao gồm bầu lọc gió, cổ hút, xy lanh và ống xả. AVL Boost cung cấp thư viện nhiên liệu phong phú với dữ liệu hóa học chuẩn xác. Phần mềm giúp theo dõi áp suất chỉ thị, nhiệt độ buồng đốt và lưu lượng dòng khí nạp xả. Nhờ đó, đồ án tốt nghiệp đạt độ chính xác khoa học cao mà vẫn tiết kiệm đáng kể nguồn kinh phí chế tạo mô hình thử nghiệm.

II. Phân tích thách thức khi mô phỏng động cơ xăng ethanol

Việc sử dụng ethanol nồng độ cao tạo ra nhiều thách thức kỹ thuật lớn trên động cơ xăng. Nhiệt trị của cồn sinh học thấp hơn nhiên liệu xăng khoáng truyền thống. Do đó, động cơ đòi hỏi lưu lượng phun nhiên liệu lớn hơn để đảm bảo công suất. Tỉ lệ hòa khí lý thuyết thay đổi theo từng hàm lượng pha trộn ethanol. Khi ethanol vượt quá 15% thể tích, hệ thống nhiên liệu nguyên bản không thể tự bù trừ. Xe gặp hiện tượng thiếu nhiên liệu ở dải vòng tua cao. Ngoài ra, ethanol có tính phân cực mạnh và dễ hút ẩm từ không khí. Tính chất này gây ăn mòn nhanh các đường ống kim loại và gioăng cao su trong buồng máy. Động cơ cũng đối mặt với tình trạng khó khởi động nguội trong điều kiện thời tiết lạnh. Nhiệt ẩn hóa hơi cao khiến cồn khó bay hơi ở nhiệt độ môi trường thấp. Quá trình mô phỏng trên phần mềm đòi hỏi sự hiệu chỉnh thông số nạp xả vô cùng tỉ mỉ. Nếu thiết lập sai thông số đầu vào, kết quả mô phỏng sẽ sai lệch so với điều kiện làm việc thực tế. Việc nhận diện rõ các vấn đề này là nền tảng để đưa ra giải pháp kỹ thuật tối ưu.

2.1. Vấn đề ăn mòn chi tiết và hiện tượng khởi động nguội

Hỗn hợp xăng ethanol nồng độ cao thường gây hư hại hệ thống cấp nhiên liệu. Cồn hòa tan nước tạo môi trường thuận lợi cho phản ứng oxy hóa kim loại. Kim phun, đường ống dẫn và bơm xăng dễ bị gỉ sét theo thời gian vận hành. Các đệm làm kín bằng cao su tự nhiên cũng nhanh chóng biến dạng và nứt vỡ. Bên cạnh đó, nhiệt ẩn hóa hơi cao của ethanol gây cản trở việc tạo hòa khí ban đầu. Khi nhiệt độ buồng đốt thấp, cồn không thể bốc hơi nhanh để bắt cháy tia lửa điện. Động cơ gặp hiện tượng khó nổ máy và thải ra lượng lớn hydrocarbon chưa cháy. Các kỹ sư phải lập bản đồ điều khiển riêng để khắc phục tình trạng này khi nhiệt độ xuống thấp.

2.2. Sự suy giảm năng lượng và sai lệch tỉ lệ hòa khí

Nhiệt trị thấp là nguyên nhân trực tiếp làm giảm năng lượng chu trình của động cơ xăng ethanol. Xăng khoáng chứa hàm lượng năng lượng xấp xỉ 44 MJ/kg trong khi cồn chỉ đạt 26,8 MJ/kg. Nếu giữ nguyên lượng phun ban đầu, động cơ sẽ bị hụt công suất và mô men xoắn. Tỉ lệ không khí trên nhiên liệu lý thuyết (A/F) của cồn là 9,0, thấp hơn nhiều so với 14,7 của xăng. Hệ thống phun xăng điện tử truyền thống không thể đáp ứng lưu lượng phun bổ sung khi dùng xăng E85. Hòa khí bị nghèo xăng dẫn đến hiện tượng cháy kích nổ hoặc bỏ lửa xy lanh. Việc thiết lập mô hình tính toán nhiệt động lực học trong AVL Boost đòi hỏi phải hiệu chuẩn chính xác bảng tra lượng nhiên liệu phun tương ứng.

III. Phương pháp mô phỏng động cơ xăng ethanol bằng AVL Boost

Quy trình nghiên cứu tại HCMUTE sử dụng phần mềm AVL Boost để tối ưu hóa động cơ đốt trong. Nhóm tác giả thiết lập mô hình toán học dựa trên kết cấu hình học thực tế của động cơ. Đường ống nạp, van tiết lưu, xy lanh và hệ thống xả được số hóa chi tiết. Các mô hình nhiệt động học như mô hình cháy Vibe và mô hình truyền nhiệt Woschni được kích hoạt. AVL Boost tính toán quá trình giải phóng nhiệt theo góc quay trục khuỷu. Giải pháp đề xuất tập trung vào việc hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm và thời gian mở kim phun. Nhờ chỉ số octane cao của ethanol, góc đánh lửa sớm được tăng thêm từ hai đến sáu độ. Sự điều chỉnh này giúp tận dụng tối đa áp suất cháy cực đại trong buồng đốt. Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu thiết lập thuật toán phun bù nhiên liệu trong mô hình phần mềm. Lưu lượng phun tăng tương ứng theo tỉ lệ ethanol để duy trì hệ số dư lượng không khí lambda quanh mức 1,0. Kết quả tính toán mô phỏng cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng để nâng cao hiệu suất nhiệt và giảm lượng khí thải độc hại CO và HC.

3.1. Thiết lập mô hình chu trình nhiệt động học trên AVL Boost

Xây dựng mô hình nhiệt động học là bước đầu tiên trong phần mềm AVL Boost. Người nghiên cứu lựa chọn các phần tử như ống nạp, cổ góp, buồng cháy và ống xả từ thanh công cụ. Từng phần tử được liên kết thông qua các ranh giới dòng chảy khí động. Thông số hình học gồm đường kính xy lanh, hành trình piston và tỉ số nén được nhập chính xác từ động cơ thử nghiệm tại HCMUTE. Mô hình hàm cháy Vibe hai vùng được cấu hình để mô tả tốc độ tỏa nhiệt của hỗn hợp ethanol. Hệ thống giải đồng thời phương trình vi phân biến thiên khối lượng và năng lượng theo từng bước góc quay trục khuỷu. Dữ liệu áp suất và nhiệt độ được trích xuất để kiểm chứng tính hội tụ của mô hình toán.

3.2. Hiệu chỉnh hệ thống điều khiển và vật liệu tương thích

Khi tỉ lệ pha trộn ethanol vượt quá 15%, động cơ đòi hỏi cải tiến hệ thống điều khiển và kết cấu phần cứng. Cảm biến nhận diện thành phần nhiên liệu được tích hợp nhằm truyền tín hiệu về bộ điều khiển trung tâm ECU. ECU tự động điều chỉnh thời gian mở kim phun nhằm đáp ứng lượng nhiên liệu cần thiết. Góc đánh lửa sớm cũng được hiệu chỉnh linh hoạt theo từng dải tải trọng và tốc độ động cơ. Về mặt cơ khí, các chi tiết tiếp xúc trực tiếp với nhiên liệu phải được nâng cấp. Đường ống cao su thông thường được thay thế bằng vật liệu fluoropolymer chống ăn mòn. Piston, xéc măng và đế xupap sử dụng hợp kim mạ bảo vệ để ngăn ngừa hiện tượng oxy hóa kim loại trong suốt chu kỳ vận hành.

IV. Kết luận và ứng dụng mô phỏng động cơ xăng ethanol thực tế

Nhiên cứu mô phỏng động cơ xăng ethanol bằng phần mềm AVL Boost mang lại giá trị khoa học to lớn. Kết quả phân tích tại HCMUTE chứng minh tiềm năng vượt trội của cồn sinh học trong việc cắt giảm khí thải độc hại. Lượng phát thải hydrocacbon chưa cháy và khí CO giảm rõ rệt khi tỷ lệ pha trộn ethanol gia tăng. Hàm lượng oxy sẵn có trong phân tử ethanol hỗ trợ quá trình oxy hóa triệt để hơn trong buồng cháy. Động cơ đạt hiệu suất nhiệt cao hơn khi được hiệu chỉnh góc đánh lửa thích hợp. Mô hình mô phỏng số mở ra phương thức nghiên cứu hiệu quả cho các kỹ sư ô tô tương lai. Phương pháp này rút ngắn đáng kể thời gian phát triển và thử nghiệm động cơ nhiên liệu linh hoạt (FFV). Các cơ sở đào tạo và doanh nghiệp có thể ứng dụng kết quả này để tối ưu hóa động cơ hiện hữu tại Việt Nam. Việc làm chủ phần mềm AVL Boost nâng cao chất lượng đào tạo kỹ thuật chuyên sâu tại HCMUTE. Đồ án khẳng định tính khả thi của lộ trình chuyển đổi nhiên liệu sạch, hướng tới mục tiêu phát triển giao thông xanh bền vững.

4.1. Đánh giá tiềm năng cắt giảm phát thải ô nhiễm môi trường

Nhiên liệu xăng pha cồn mang lại lợi ích môi trường vượt bậc so với xăng truyền thống. Quá trình cháy của ethanol sạch hơn nhờ sự hiện diện của oxy trong cấu trúc phân tử. Dữ liệu từ phần mềm AVL Boost cho thấy nồng độ khí CO giảm mạnh ở mọi chế độ tải. Lượng hydrocacbon không cháy thoát ra ống xả cũng suy giảm đáng kể khi tỷ lệ ethanol tăng lên. Mặc dù nhiệt độ cháy cao có thể làm tăng nhẹ khí NOx ở một số điểm vận hành, kỹ sư có thể kiểm soát vấn đề này bằng góc đánh lửa trễ hoặc hồi lưu khí xả EGR. Đây là giải pháp hữu hiệu giúp phương tiện cơ giới đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải Euro ngày càng nghiêm ngặt.

4.2. Khả năng ứng dụng nghiên cứu vào đào tạo và thực tế

Kết quả đề tài tại HCMUTE mang tính ứng dụng thực tiễn cao cho đào tạo và công nghiệp ô tô. Mô hình AVL Boost đóng vai trò học liệu số giá trị cho sinh viên ngành động lực. Người học tiếp cận trực quan quy luật hình thành hòa khí và quá trình trao đổi nhiệt. Đối với ngành sản xuất ô tô, kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo để chuyển đổi động cơ sang sử dụng nhiên liệu sinh học linh hoạt. Kỹ sư có thể áp dụng các thông số góc đánh lửa và thời gian phun tối ưu vào bản đồ ECU thực tế. Nghiên cứu tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng rộng rãi xăng sinh học E10 và E20 tại thị trường Việt Nam trong tương lai gần.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng mật độ phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong trên toàn cầu đã dẫn đến tình trạng ô nhiễm không khí nghiêm trọng do khí xả độc hại, gia tăng hiện tượng biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính và mưa axit. Đồng thời, nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống có nguồn gốc từ dầu mỏ đang dần cạn kiệt do tốc độ khai thác ngày càng nhanh. Trước thực trạng đó, việc nghiên cứu các giải pháp cắt giảm khí thải độc hại, nâng cao tính kinh tế nhiên liệu và tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế tái tạo đã trở thành trọng tâm phát triển của ngành công nghiệp ô tô.

Nhiên liệu sinh học, tiêu biểu là ethanol sinh học phối trộn với xăng khoáng truyền thống ở các tỷ lệ khác nhau (xăng sinh học), được đánh giá là hướng tiếp cận khả thi nhờ khả năng trung hòa carbon và đặc tính chống kích nổ cao. Tại Việt Nam, chủ trương này đã được thể chế hóa thông qua Quyết định số 177/2007/QĐ-TTg ngày 20/11/2007 phê duyệt "Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025" và Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg ngày 22/11/2012 của Thủ tướng Chính phủ quy định lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống (áp dụng xăng E5 từ ngày 01/12/2015 và chính thức thay thế hoàn toàn xăng khoáng RON 92 từ ngày 01/01/2018).

Để đánh giá chính xác các đặc tính kỹ thuật và phát thải của động cơ khi chuyển đổi từ xăng khoáng sang nhiên liệu xăng - ethanol mà không nhất thiết phải chế tạo hay thử nghiệm tốn kém trên băng thử ở mọi điều kiện, các công cụ mô phỏng chuyên ngành đóng vai trò đặc biệt quan trọng. Đề tài "Nghiên cứu ứng dụng phần mềm AVL BOOST mô phỏng động cơ xăng sử dụng nhiên liệu xăng - ethanol" được thực hiện bởi nhóm tác giả Nguyễn Trần Anh Tuấn và Nguyễn Ngọc Khánh dưới sự hướng dẫn của ThS. Đinh Tấn Ngọc tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM nhằm giải quyết bài toán trên.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định gồm:

1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về việc chuyển đổi động cơ xăng truyền thống sang vận hành bằng nhiên liệu xăng sinh học ở các tỷ lệ nồng độ khác nhau.
2. Ứng dụng phần mềm AVL BOOST để xây dựng mô hình và mô phỏng tính năng kỹ thuật của động cơ xăng khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu xăng - ethanol.
3. Đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải khí xả của động cơ khi sử dụng xăng sinh học làm nhiên liệu thay thế so với xăng truyền thống.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 5 nội dung:

1. Tổng quan tình hình nghiên cứu và thực trạng sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới và tại Việt Nam.
2. Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về nhiên liệu ethanol, xăng sinh học và các phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt (Flexible Fuel Vehicles - FFV).
3. Thiết lập mô hình động cơ mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng AVL BOOST.
4. Triển khai mô phỏng động cơ 1NZ-FE (dung tích 1.5L) hoạt động với các tỷ lệ nhiên liệu xăng - ethanol khác nhau (từ xăng khoáng RON 92 đến E5, E10, E15, E30, E50, E85, E100).
5. Phân tích kết quả mô phỏng, rút ra kết luận khoa học và đề xuất các khuyến nghị kỹ thuật.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình làm việc và các quá trình nhiệt động, phát thải của động cơ xăng 1NZ-FE 1.5L (trang bị trên dòng xe Toyota Vios 2007) sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng - ethanol được thiết lập trên phần mềm AVL BOOST.
• Phạm vi nghiên cứu: Đặc tính hóa lý của xăng sinh học; phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt; mô hình hóa chu trình công tác của động cơ bằng phần mềm AVL BOOST; khảo sát công suất có ích, mô-men xoắn, suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC) và các thành phần phát thải ô nhiễm bao gồm NOx, CO và HC.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án tập trung vào bản chất hóa lý của nhiên liệu dầu mỏ, ethanol và cơ chế cháy, hình thành khí thải trong buồng cháy động cơ đốt trong.

Dầu thô qua quá trình chưng cất phân đoạn dưới áp suất khí quyển được tách thành các phân đoạn sản phẩm dựa trên nhiệt độ sôi:

Khoảng nhiệt độ (°C)	Phân đoạn sản phẩm	Số nguyên tử Carbon	Ứng dụng chính
0 – 25	Khí hóa lỏng (LPG)	$C_1 - C_4$	Khí đốt dân dụng, công nghiệp, nhiên liệu CNG/LPG
25 – 60	Phân đoạn xăng nhẹ	$C_5 - C_6$	Phối trộn xăng nhiên liệu ô tô, xe máy
60 – 180	Naphtha	$C_5 - C_{12}$	Nguyên liệu hóa dầu, dung môi công nghiệp
180 – 220	Sáp Paraffin	$C_{20} - C_{40}$	Nến, lớp phủ bảo vệ, công nghiệp thực phẩm
220 – 250	Dầu Diesel (DO)	$C_{12} - C_{20}$	Nhiên liệu cho động cơ cháy do nén (xe tải, tàu thuyền)
250 – 300	Dầu đốt (Fuel Oil - FO)	Hỗn hợp nặng	Nhiên liệu lò hơi, nhà máy nhiệt điện, động cơ tàu biển
300 – 350	Dầu bôi trơn	Hỗn hợp nhớt	Dầu nhờn bôi trơn giảm ma sát cho cơ cấu máy
> 350	Bitum (Nhựa đường)	Cặn nặng	Vật liệu trải đường, chống thấm công trình

Xăng thương phẩm là hỗn hợp hydrocacbon lỏng ($C_5 - C_{12}$), tỷ trọng khoảng 0,72 – 0,78 g/cm³, nhiệt độ tự bốc cháy xấp xỉ 280°C, chỉ số octane RON từ 87 đến 95. Phương trình cháy lý thuyết của xăng (đại diện bởi isooctane $C_8H_{18}$) được mô tả: $$2C_8H_{18} + 25O_2 \rightarrow 16CO_2 + 18H_2O$$

Ethanol ($C_2H_5OH$) là cồn đơn chức, tỷ trọng 0,789 g/cm³ ở 20°C, nhiệt độ sôi 78,37°C, điểm chớp cháy 13°C, chứa 34,73% oxy trong phân tử và có chỉ số octane nghiên cứu lên tới 109. Nhiệt trị của ethanol thấp hơn xăng khoáng (khoảng 26,8 MJ/kg so với khoảng 42–44 MJ/kg của xăng). Ethanol được sản xuất qua hai phương pháp chính:

1. Lên men carbohydrate: Chuyển hóa tinh bột hoặc đường (sắn, ngô, mía) nhờ nấm men Saccharomyces cerevisiae trong môi trường yếm khí theo phản ứng: $$C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2$$
2. Hydrat hóa ethylene: Cho hỗn hợp hơi khí ethylene và nước đi qua chất xúc tác axit photphoric ($H_3PO_4$) hoặc axit vonframic ở điều kiện nhiệt độ 300°C và áp suất 70–80 atm: $$C_2H_4 + H_2O \rightarrow C_2H_5OH$$

Về cơ sở tính toán mô phỏng trên phần mềm AVL BOOST:

• Mô hình nhiệt động trong buồng cháy (Thermodynamic Model): Dựa trên định luật bảo toàn khối lượng và định luật thứ nhất của nhiệt động lực học cho hệ thống hở, tính toán sự biến thiên áp suất và nhiệt độ tức thời trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu.
• Mô hình cháy Vibe 2 vùng (Vibe 2-Zone Model): Phân chia thể tích buồng cháy thành hai vùng riêng biệt: vùng hòa khí chưa cháy và vùng sản phẩm cháy. Tốc độ tỏa nhiệt được xác định bởi hàm số Vibe với thông số hình dạng $m$, điểm bắt đầu cháy và góc cháy quy định.
• Mô hình truyền nhiệt (Heat Transfer Model): Tính toán tổn thất nhiệt truyền qua thành xi lanh, nắp máy và đỉnh piston vào môi chất làm mát.
• Cơ chế hình thành khí thải: Quá trình tạo thành oxit nitơ (NOx) được tính toán theo cơ chế nhiệt Zeldovich mở rộng phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ cục bộ vùng cháy; nồng độ CO và HC được xác định từ động học hóa học cân bằng và các phản ứng oxy hóa không hoàn toàn.

Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Thu thập tài liệu chuyên ngành, tiêu chuẩn kỹ thuật nhiên liệu và cơ chế cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức.
• Phương pháp mô phỏng số 1D: Sử dụng phần mềm chuyên dụng AVL BOOST để thiết kế và cấu hình toàn bộ hệ thống động cơ 1NZ-FE.
• Nguồn dữ liệu kiểm chứng: Thông số kỹ thuật động học, thông số phối khí và số liệu thực nghiệm đường đặc tính ngoài (công suất, mô-men xoắn) của động cơ Toyota 1NZ-FE 1.5L nguyên bản.

Thiết kế và triển khai mô hình mô phỏng

Mô hình mô phỏng động cơ Toyota 1NZ-FE (4 xi lanh thẳng hàng, 16 van DOHC, phun xăng đa điểm điện tử) được thiết kế và lắp ráp trên giao diện đồ họa của phần mềm AVL BOOST.

Cấu trúc các phần tử cơ bản của mô hình bao gồm:

• Phần tử bầu lọc khí (Air Cleaner): Mô phỏng tổn thất áp suất và đặc tính cản của bộ lọc không khí đầu vào.
• Phần tử biên hệ thống (System Boundary): Thiết lập các điều kiện môi trường xung quanh tại cửa hút nạp và đuôi đường ống xả (áp suất 1,0 bar, nhiệt độ 25°C).
• Phần tử đường ống (Pipe): Mô phỏng các đoạn đường ống trong cổ hút nạp và đường dẫn khí xả, khai báo chiều dài, đường kính trong, độ nhám bề mặt và hệ số ma sát dòng khí.
• Phần tử xi lanh (Cylinder C1 đến C4): Khai báo kích thước hình học động cơ gồm đường kính xi lanh (bore = 75,0 mm), hành trình piston (stroke = 84,7 mm), tỷ số nén ($\varepsilon = 10,5$), chiều dài thanh truyền (140,5 mm) và thứ tự nổ 1-3-4-2.
• Phần tử xu-páp nạp/xả (Valve Ports): Khai báo đường kính nấm van, đồ thị nâng van thực tế (Lift Curve) theo góc quay trục khuỷu và bảng hệ số lưu lượng khí (Flow Coefficients) thực nghiệm.
• Phần tử kim phun (Injector): Đặt tại từng nhánh ống nạp, định nghĩa lưu lượng phun khối lượng và phân bố hạt nhiên liệu hòa trộn trước khi vào buồng cháy.

Thiết lập thuộc tính nhiên liệu trong công cụ BOOST Gas Properties Tool: Tác giả đã tạo mới và định nghĩa các loại nhiên liệu hỗn hợp xăng - ethanol dựa trên việc phối trộn xăng khoáng RON 92 với ethanol nguyên chất khan nước theo tỷ lệ phần trăm thể tích:

• RON 92: 100% xăng khoáng truyền thống (E0).
• Xăng E5: 5% ethanol + 95% xăng khoáng theo thể tích.
• Xăng E10: 10% ethanol + 90% xăng khoáng theo thể tích.
• Xăng E15: 15% ethanol + 85% xăng khoáng theo thể tích.
• Xăng E30: 30% ethanol + 70% xăng khoáng theo thể tích.
• Xăng E50: 50% ethanol + 50% xăng khoáng theo thể tích.
• Xăng E85: 85% ethanol + 15% xăng khoáng theo thể tích.
• Ethanol E100: 100% ethanol tinh khiết.

Quản lý chế độ chạy mô phỏng qua Case Explorer và Model Parameter: Để khảo sát toàn diện đặc tính ngoài, tác giả thiết lập nhóm tham số (Parameter Group Editor) quét tốc độ trục khuỷu động cơ từ dải tốc độ vòng tua thấp đến cực đại (từ 1000 vòng/phút đến 6000 vòng/phút, bước nhảy 500 hoặc 1000 vòng/phút) ở chế độ toàn tải (100% bướm ga). Chu kỳ công tác được giải lặp số cho đến khi áp suất và nhiệt độ trong xi lanh đạt hội tụ ổn định giữa các chu trình liên tiếp, sau đó dữ liệu đồ thị và số liệu được xuất ra bộ xử lý hậu kỳ (Graphic Results và Data Results).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung (Introduction)

Chương mở đầu phân tích tính cấp thiết của vấn đề giảm phát thải phương tiện giao thông và tìm kiếm nhiên liệu tái tạo thay thế nhiên liệu gốc dầu mỏ. Tác giả trình bày mục tiêu nghiên cứu, 5 nhiệm vụ cụ thể, đối tượng khảo sát là mô hình động cơ 1NZ-FE trên AVL BOOST và phạm vi đánh giá tập trung vào các thông số công suất, mô-men xoắn, suất tiêu hao nhiên liệu cùng các thành phần phát thải NOx, CO, HC.

Chương 2: Tổng quan tài liệu (Literature Review)

Chương 2 cung cấp hệ thống lý thuyết về nguồn nhiên liệu hóa thạch, chu trình tinh chế dầu thô thành các phân đoạn nhiên liệu lỏng và khí. Phân tích chi tiết đặc tính cấu trúc phân tử, tính chất vật lý và phản ứng hóa học đặc trưng của ethanol (phản ứng với kim loại kiềm, este hóa, phản ứng tách nước tạo olefin ở 170°C hoặc tạo ether ở 140°C, các mức độ oxy hóa và phản ứng tổng hợp butadiene). Trình bày hai con đường sản xuất ethanol công nghiệp là lên men sinh học và hydrat hóa khí ethylene. Đánh giá phân loại nhiên liệu sinh học thế hệ 1 (từ cây lương thực), thế hệ 2 (cellulosic từ phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ, bã mía), nhiên liệu diesel sinh học và xăng sinh học.

Chương này cũng tổng kết thực trạng sản xuất và tiêu thụ ethanol trên thế giới giai đoạn 2020–2024 (Hoa Kỳ và Brazil duy trì vị trí dẫn đầu toàn cầu, trong đó Hoa Kỳ đạt 16.219 triệu đơn vị vào năm 2024). Đồng thời, tác giả điểm lại khung pháp lý tại Việt Nam theo Quyết định 177/2007/QĐ-TTg và Quyết định 53/2012/QĐ-TTg về lộ trình bắt buộc sử dụng xăng sinh học E5 và E10. Phân tích tổng quan về dòng xe sử dụng nhiên liệu linh hoạt (FFV), nêu rõ các yêu cầu điều chỉnh hệ số phun, góc đánh lửa, lắp đặt cảm biến thành phần nhiên liệu và thay thế các vật liệu kim loại, cao su chống ăn mòn khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu có nồng độ ethanol trên 15%.

Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng mô hình mô phỏng động cơ xăng - ethanol bằng phần mềm AVL BOOST (Study on the Application of a Gasoline–Ethanol Engine Simulation Model Using AVL BOOST Software)

Nội dung chương 3 tập trung vào kỹ thuật mô hình hóa hệ thống động cơ 1NZ-FE trên phần mềm AVL BOOST. Tác giả trình bày chi tiết giao diện, các lưu ý khi vận hành phần mềm và cấu trúc các phần tử mô hình. Cụ thể hóa các bước khai báo thông số buồng cháy, hệ số trao đổi nhiệt, mô hình cháy Vibe 2 vùng (Vibe 2-Zone), đường đặc tính nâng xu-páp nạp/xả, thông số kim phun và điều kiện biên của đường nạp - xả. Chi tiết hóa quy trình sử dụng công cụ BOOST Gas Properties Tool để nhập dữ liệu thành phần hóa học, khối lượng mol và nhiệt trị cho từng cấp phối xăng - ethanol (E5, E10, E15, E30, E50, E85, E100). Hướng dẫn thiết lập bảng thông số Case Explorer và thực hiện chạy tính toán xuất dữ liệu đồ thị.

Chương 4: Kết quả mô phỏng và đánh giá (Simulation Results and Evaluate)

Chương 4 công bố và thảo luận kết quả tính toán mô phỏng. Trước hết, tác giả so sánh đường đặc tính ngoài (công suất và mô-men xoắn) thu được từ mô hình mô phỏng với số liệu thực nghiệm nguyên bản của động cơ 1NZ-FE sử dụng xăng khoáng để kiểm chứng độ chính xác của mô hình.

Tiếp theo, chương khảo sát sự biến thiên của các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật khi động cơ vận hành với các loại nhiên liệu pha trộn ethanol:

• Đặc tính công suất và mô-men xoắn ở chế độ toàn tải qua các dải vòng tua.
• Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (Break Specific Fuel Consumption - BSFC).
• Hàm lượng phát thải ô nhiễm khí xả bao gồm oxit nitơ (NOx), carbon monoxide (CO) và hydrocarbon chưa cháy (HC) tương ứng với từng cấp phối trộn nhiên liệu.

Chương 5: Kết luận và khuyến nghị (Conclusion and Recommendations)

Chương cuối tóm tắt các kết luận cốt lõi về tính khả thi của mô hình mô phỏng trên AVL BOOST, mức độ biến đổi tính năng công tác và phát thải khí xả của động cơ 1NZ-FE khi sử dụng các cấp phối xăng - ethanol, từ đó đưa ra khuyến nghị kỹ thuật liên quan đến việc hiệu chỉnh hệ thống điều khiển động cơ khi sử dụng nhiên liệu có tỷ lệ ethanol cao.

Kết quả và đóng góp

Văn bản đồ án ghi nhận các kết quả nghiên cứu chính sau:

• Xây dựng thành công mô hình mô phỏng chu trình công tác 1D của động cơ Toyota 1NZ-FE trên phần mềm chuyên dụng AVL BOOST với đầy đủ các phân hệ nạp, xả, kim phun và buồng cháy.
• Độ tin cậy của mô hình: Kết quả so sánh giữa số liệu mô phỏng và thực nghiệm ban đầu của động cơ khi sử dụng xăng khoáng (RON 92) cho thấy sự tương thích tốt về dạng đường đặc tính công suất và mô-men xoắn trên toàn dải vòng tua máy từ 1000 đến 6000 vòng/phút, khẳng định mô hình đủ độ tin cậy để khảo sát nhiên liệu mới.
• Về tính năng kỹ thuật: Khi pha trộn ethanol ở các tỷ lệ thấp (E5, E10), công suất và mô-men xoắn của động cơ duy trì ở mức tương đương hoặc có sự cải thiện nhẹ ở một số vùng vòng tua nhờ chỉ số octane cao của ethanol giúp cải thiện chất lượng cháy. Tuy nhiên, khi tăng dần tỷ lệ ethanol lên mức cao (E30, E50, E85, E100), do nhiệt trị khối lượng của ethanol thấp hơn đáng kể so với xăng khoáng, công suất có xu hướng suy giảm nếu không hiệu chỉnh mở rộng thời gian phun nhiên liệu, đồng thời suất tiêu hao nhiên liệu có ích (BSFC) tăng lên tương ứng để duy trì cùng một mức tải.
• Về đặc tính phát thải: Sự hiện diện của phân tử oxy trong cấu trúc của ethanol ($C_2H_5OH$) hỗ trợ quá trình oxy hóa triệt để hơn trong buồng cháy, dẫn đến việc cắt giảm đáng kể nồng độ phát thải khí độc carbon monoxide (CO) và hydrocarbon chưa cháy (HC) so với khi sử dụng xăng khoáng RON 92 nguyên bản. Phát thải NOx chịu ảnh hưởng phức tạp bởi sự cạnh tranh giữa hai yếu tố: nhiệt ẩn hóa hơi cao của ethanol làm giảm nhiệt độ đỉnh buồng cháy (giảm NOx) và lượng oxy dư gia tăng thúc đẩy phản ứng nhiệt Zeldovich ở tải cao.

Đóng góp của đồ án:

• Thiết lập quy trình chuẩn hóa từ khâu cấu hình hình học, thiết lập cơ chế cháy Vibe 2-Zone đến cài đặt thuộc tính nhiệt động của các cấp phối xăng sinh học mới trên phần mềm AVL BOOST.
• Cung cấp cơ sở dữ liệu mô phỏng đối chứng về công suất, tiêu hao nhiên liệu và khí thải cho động cơ 1NZ-FE khi ứng dụng các tỷ lệ ethanol từ thấp (E5, E10) đến mức cao dùng cho xe linh hoạt (E85, E100).
• Đưa ra khuyến nghị kỹ thuật: Đối với các cấp phối ethanol dưới 15% (E5, E10), động cơ thương mại hiện hữu có thể vận hành ổn định mà không cần can thiệp phần cứng. Đối với các cấp phối cao hơn (>15%), xe bắt buộc phải trang bị hệ thống cảm biến nhận diện thành phần nhiên liệu, hiệu chỉnh bản đồ phun/đánh lửa của ECU và thay thế các chi tiết phớt cao su, đường ống nhiên liệu bằng vật liệu chịu cồn để chống rò rỉ và ăn mòn hóa học.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

• Đồ án chủ yếu triển khai trên nền tảng mô phỏng số 1D bằng phần mềm AVL BOOST, chưa kết hợp thực nghiệm đo đạc phát thải và thử nghiệm tải trọng thực tế trên băng thử động cơ đối với toàn bộ các cấp phối trộn cao (E30, E50, E85, E100) do điều kiện phòng thí nghiệm.
• Các thông số về độ bền vật liệu, hiện tượng ăn mòn hóa học của chi tiết cao su và kim loại qua thời gian dài tiếp xúc với ethanol chưa thể mô hình hóa trực tiếp trong phần mềm mô phỏng chu trình nhiệt động.

Hướng phát triển tiếp theo:

• Ứng dụng mô hình đã xây dựng để tối ưu hóa góc đánh lửa sớm và thời điểm phun nhiên liệu độc lập cho từng cấp nhiên liệu xăng - ethanol cụ thể nhằm phục hồi công suất động cơ khi chạy ethanol cao.
• Tiến hành thực nghiệm kiểm chứng trên băng thử động cơ (Dynamometer) kết hợp thiết bị phân tích khí xả chuyên dụng để đối chiếu và hiệu chuẩn sâu hơn các hệ số phát thải trong mô hình AVL BOOST.
• Mở rộng nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu ethanol đến quá trình khởi động nguội (cold-start) và tính tương thích lâu dài của hệ thống cung cấp nhiên liệu trên các dòng xe đang lưu hành tại Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích phục vụ cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Nhiệt và Động cơ đốt trong.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

• Quy trình từng bước xây dựng và cấu hình mô hình động cơ đốt trong nhiều xi lanh trên phần mềm chuyên ngành AVL BOOST.
• Phương pháp khai báo và thiết lập thông số hòa trộn nhiên liệu trong công cụ BOOST Gas Properties Tool.
• Phương pháp luận phân tích so sánh các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật và môi trường giữa nhiên liệu truyền thống và nhiên liệu sinh học thay thế.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ nào được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu và mô hình hóa trong đồ án?
Tác giả lựa chọn động cơ xăng 1NZ-FE dung tích 1.5 lít (trang bị trên xe Toyota Vios 2007). Đây là loại động cơ xăng 4 kỳ, 4 xi lanh thẳng hàng, 16 van DOHC, sử dụng hệ thống phun xăng điện tử đa điểm.

2. Mô hình cháy nào trong phần mềm AVL BOOST được áp dụng để mô phỏng quá trình cháy trong xi lanh?
Đồ án ứng dụng mô hình cháy Vibe 2 vùng (Vibe 2-Zone Model). Mô hình này chia không gian công tác của xi lanh thành vùng hòa khí chưa cháy và vùng sản phẩm cháy, cho phép tính toán chính xác tốc độ tỏa nhiệt và cơ chế động học hình thành khí thải NOx và CO.

3. Lộ trình sử dụng xăng sinh học tại Việt Nam được tác giả trích dẫn dựa trên những văn bản pháp lý nào?
Nghiên cứu trích dẫn Quyết định số 177/2007/QĐ-TTg ngày 20/11/2007 (phê duyệt Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025) và Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg ngày 22/11/2012 của Thủ tướng Chính phủ quy định lộ trình áp dụng xăng E5 từ 01/12/2015 và E10 từ 01/12/2017, tiến tới thay thế hoàn toàn xăng khoáng RON 92 bằng xăng E5 từ ngày 01/01/2018.

4. Hai phương pháp sản xuất ethanol quy mô công nghiệp được trình bày trong cơ sở lý thuyết là gì?
Đó là phương pháp lên men carbohydrate từ các nguồn nguyên liệu chứa đường hoặc tinh bột (ngô, sắn, mía) nhờ nấm men yếm khí và phương pháp tổng hợp hóa dầu bằng phản ứng hydrat hóa khí ethylene với hơi nước dưới sự hiện diện của xúc tác axit ở nhiệt độ khoảng 300°C và áp suất 70–80 atm.

5. Tại sao các động cơ sử dụng nhiên liệu có tỷ lệ ethanol trên 15% (E30 đến E85) lại đòi hỏi phải điều chỉnh kết cấu và hệ thống điều khiển?
Bởi vì ethanol có tính phân cực và hút ẩm gây ăn mòn kim loại, làm biến tính các chi tiết gioăng phớt cao su thông thường trong hệ thống nhiên liệu. Đồng thời, ethanol có nhiệt trị thấp hơn xăng khoáng và nhiệt ẩn hóa hơi cao, đòi hỏi hệ thống điều khiển động cơ (ECU) phải có cảm biến nhận diện tỷ lệ cồn để tăng lưu lượng phun, điều chỉnh góc đánh lửa sớm và hỗ trợ quá trình khởi động nguội.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu ứng dụng phần mềm AVL BOOST mô phỏng động cơ xăng sử dụng nhiên liệu xăng - ethanol" của sinh viên Nguyễn Trần Anh Tuấn và Nguyễn Ngọc Khánh đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về nhiên liệu sinh học và xây dựng thành công mô hình mô phỏng 1D động cơ 1NZ-FE 1.5L. Kết quả tính toán phản ánh rõ nét sự suy giảm của phát thải độc hại CO, HC cũng như sự thay đổi về công suất và suất tiêu hao nhiên liệu khi tăng dần tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp xăng. Công trình cung cấp quy trình kỹ thuật hoàn chỉnh trên phần mềm AVL BOOST và làm rõ các yêu cầu kỹ thuật đối với phương tiện linh hoạt nhiên liệu, đóng góp tài liệu tham khảo thiết thực cho công tác nghiên cứu và đào tạo chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION GRADUATION THESIS MAJOR: AUTOMOTIVE ENGINEERING TECHNOLOGY APPLICATION RESEARCH AVL BOOST SIMULATES PETROL - ETHANOL ENGINE INSTRUCTOR: DINH TAN NGOC STUDENT: NGUYEN TRAN ANH TUAN NGUYEN NGOC KHANH Ho Chi Minh city, June 2025 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF INTERNATIONAL EDUCATION GRADUATION PROJECT APPLICATION RESEARCH AVL BOOST SIMULATES PETROL – ETHANOL ENGINE Major: AUTOMOTIVE ENGINEERING Supervisor: MSc. ĐINH TẤN NGỌC Students: Nguyễn Trần Anh Tuấn 21145060 Nguyễn Ngọc Khánh 21145585 Ho Chi Minh City, June 2025 v vi ACKNOWLEDMENTS We would like to sincerely thank to MSc. Đinh Tấn Ngọc from the Faculty of International Education for his strong support and helpful guidance during our project. His advice and feedback helped us solve problems, improve our work, and stay on the right track.

We truly appreciate his time and dedication to helping us succeed. We are also very thankful for his kind support and useful suggestions throughout the project. His technical knowledge and clear advice helped us better understand many parts of our work. His support made a big difference, and we are grateful for his efforts.

I would also like to convey our heartfelt appreciation to the esteemed professors at Ho Chi Minh City University of Technology and Education, particularly the faculty members, for their enthusiastic teaching and the extensive knowledge and expertise they shared with us during our academic journey. Their support has been instrumental in enabling me to successfully complete this project. Nonetheless, I acknowledge that errors may have occurred during the course of this project’s implementation. I respectfully invite constructive feedback from my instructors, as it will provide valuable insights to enhance my learning and professional skills, ultimately contributing to my future endeavors in both education and the workplace.

Thank you sincerely! Nguyễn Trần Anh Tuấn Nguyễn Ngọc Khánh vii TABLE OF CONTENTS GRADUATION PROJECT ASSIGNMENT. Error! Bookmark not defined. SUPERVISOR’S EVALUATION SHEET. Error! Bookmark not defined.

PRE-DEFENSE EVALUATION SHEET. Error! Bookmark not defined. EVALUATION SHEET OF DEFENSE COMMITTEE MEMBER .Error! Bookmark not defined. vii TABLE OF CONTENTS.

viii LIST OF FIGURES. xii LIST OF TABLES. xv LIST OF ABBREVIATIONS. xvi CHAPTER 1: INTRODUCTION.

Research Objectives and Tasks. Research Subjects and Scope. 3 CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW .1 Overview of Fuel.1 Introduction to Ethanol .5 Production of Ethanol.6 Applications of Ethanol .1 Introduction to Biofuels .2 Types of Biofuels .3 Benefits of Biofuels. Introduction to Bioethanol.

Benefits of Using Bioethanol. Production Methods of Bioethanol.4 Properties of Bio-Gasoline. Status and Use of Bio-Gasoline in Vehicles .6 Overview of Vehicles Using Bio-Gasoline Fuel. Theoretical Basis for Calculations in AVL BOOST Software.

Heat Transfer Model. STUDY ON THE APPLICATION OF A GASOLINE–ETHANOL ENGINE SIMULATION MODEL USING AVL BOOST SOFTWARE. AVL BOOST Software. Introduction to AVL BOOST.

Important Notes for Using the Software. Engine Simulation Model Development for 1NZ–FE on AVL Boost. Engine Simulation Model Construction. Setting Parameters for Each Component in the Model.

Air Cleaner Element. System Boundary Element (Boundary Conditions).4 Fuel Setup for the Simulation Model. Simulation Execution and Result Exporting .1 Setting Up Model Parameter and Case Explorer. Running the Simulation and Exporting Results.

89 CHAPTER 4: SIMULATION RESULTS AND EVALUATE. Engine Performance When Using Ethanol Fuel. Simulation Results Compared to Experimental Data. Engine Performance With Gasoline-Ethanol Blends.

Effect of Gasoline–Ethanol Fuel on Engine Emissions. 104 CHAPTER 5: CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS. 109 xi LIST OF FIGURES Figure 2.3: Structural and 3D Models of Ethanol Molecule .4: The process of producing biofuels.5: Total annual ethanol production of different countries.6: The number of alternative fuel vehicle which were ordered in USA .9: Ford focus use E5 in VietNam.10: Rate of alternative vehicle usage by fuel type in the US .11: Thermodynamic Model in the Cylinder .12 Estimated Measured Heat Release.13: Influence of the Shape Factor "m" on the Vibe Function .14: Variation of Pollutant. AVL Boost Logo .2: Components in AVL BOOST Software .3: Simulation Model on AVL BOOST Software .4: Simulation Control location.5: Cycle Simulation setup .6: Species Transport setup.9: Engine speed setup .15: Vibe 2-Zone setup .16: Heat Transfer setup.17: Valve Port Speciffications .18: Exhaus Valve setup .19: Lift curve of intake valve setup.20: Lift curve of exhaust valve setup.21: Flow coefficients setup .22: Injector General setup .23: Mass Flow Specification .24: Air Cleaner General setup .27: First System Boundary setup .28: Pipe General setup.29: Standard fule in simulation .30: BOOST Gas properties tool .31: Definition of ethanol E15 .32: Setup Ethanol for simulation .33: Model Parameter location.34: Main Interface of Model Parameter .35: Model Parameter setup.36: Open Case Explorer in Model Tap.37: Main interface of the Case Explorer .38: Prameter Group Editor box.39: Parameter Group Editor setup.40: Case Explorer setup .41: Run simulation icon.43: Graphic Results icon.44: Data results icon.1: Simulation engine power compared to experimental .2: Simulation vs experimental engine torque results .3: Power of different type of Ethanols .4: Engine Torque Under Full Load Conditions .5: Break specific fuel consumption .6: Amount of NOx Emissions.7: Amount of CO Emissions.8: Amount of HC Emissions.

103 xiv LIST OF TABLES Table 2.3: Properties of Some Types of Bio-Gasoline .4: Coefficients of Heat Transfer Equation at Intake and Exhaust Ports .5: Chemical Reactions Governing NOx Formation .6: Chemical Reactions for CO Emission Formation .2: The number of elements used in the model.3: Basic values of Cylinder.4: Value for Vibe 2 - Zone .6: Air Cleaner value .7: Gasoline/Ethanol ratio.1 Comparison of Simulated and Experimental Power and Torque .2: Engine Power Values for Various Ethanol Percentages .3: Engine Torque at Different Ethanol Percentages .4: Fuel Consumption Values Of Different Ethanol Percentages .5: NOx Emissions of the Engine at Different Ethanol Percentages .6: CO Emissions of the Engine at Different Ethanol Percentages .7: HC Emissions Corresponding to Different Ethanol Percentages. 103 xv LIST OF ABBREVIATIONS Explanation Abbreviation AVL Boost Simulation software 1NZ-FE 1NZ-FE Toyota Vios 2007 engine RON 92 Mineral gasoline Biofuel with 5% ethanol and 95% traditional gasoline E5 (by volume) Biofuel with 10% ethanol and 90% traditional E10 gasoline Biofuel with 30% ethanol and 70% traditional E30 gasoline Biofuel with 50% ethanol and 50% traditional E50 gasoline Biofuel with 85% ethanol and 15% traditional E85 gasoline E100 Biofuel with 100% ethanol (by volume) FFV Flexible fuel vehicle AFV Alternative fuel vehicle PHEV Plug-in hybrid vehicle EV Electric vehicle ICE Internal combustion engine A/F Air/fuel ratio xvi 1. Research Proposal The environment plays a vital role in sustaining human life as well as all other living organisms on Earth. It not only provides an ideal living space but also offers essential resources for economic, cultural, and social development.

Nowadays, environmental pollution has become a pressing issue not just for a single country or region, but a global concern for all of humanity. The process of socio-economic development, along with the increasing population in countries around the world, has led to significant impacts on the environment. These include global climate change, the greenhouse effect, ozone layer depletion, acid rain, and more. One of the main causes of increasing environmental pollution is the emission of smoke and toxic gases from the engines of motor vehicles.

This source of pollution has a significant impact on human health, quality of life, and poses many other consequences, especially in major cities where vehicle density and population are high. We can not deny the crucial role that internal combustion engines play, they have greatly enhanced human productivity and serve as a primary driving force behind the development of transportation, construction, mining, and more. However, the fuel used by internal combustion engines is derived from petroleum, a non- renewable fossil resource. The rapid increase in the number of vehicles and equipment using these engines has led to the overexploitation of this resource, resulting in its gradual depletion and a rise in carbon dioxide (CO₂) emissions into the environment.

Therefore, in order to make a significant contribution to environmental protection, automotive manufacturers, not only by improving engine performance and fuel consumption, must also focus on reducing harmful emissions released into the environment. To lower toxic emissions, many engine manufacturers have been investing in research and development, including modifying engine structures, implementing exhaust treatment systems such as catalytic converters, and replacing 1 conventional fuels. One of the most effective solutions to this issue is the use of alternative fuels. Among them, biofuels are considered the most promising due to their renewable nature and environmental friendliness.

Biofuels are widely used for transportation around the world, most commonly in the form of ethanol blended with conventional gasoline at specific ratios, commonly known as bio-gasoline. In many countries, manufacturers are continuously researching and developing technologies to convert or newly design vehicles capable of running on bio-gasoline with various ethanol blend levels (ranging from E0 to E100, typically up to E85). These vehicles are referred to as Flexible Fuel Vehicles (FFVs). Due to certain properties of ethanol that differ from conventional gasoline, engines need to be adjusted when using high-ethanol blends.

In Vietnam, the Prime Minister issued Decision No. 53/2012/QĐ-TTg (dated November 22, 2012), which outlines the roadmap for applying biofuel blending ratios with traditional fuels, specifically the use of E5 and E10 bio-gasoline. Originating from the practical issues mentioned above, along with the need to study technical characteristics and improve exhaust emissions in internal combustion engines, recent years have seen significant progress thanks to the application of specialized simulation software and computer-based modeling to predict results that closely match real-world performance. Therefore, the student group chose and carried out the research project titled “Study on the Application of AVL Boost for Simulating Gasoline Engines Using Gasoline-Ethanol Fuel Blends.

Research Objectives and Tasks 1. Research Objectives The objective of this study is to explore the theoretical basis of converting conventional gasoline engines to operate with bio-gasoline fuels at different concentrations. Based on this research, the AVL Boost software will be used to simulate engine performance using gasoline-ethanol fuel mixtures. 2 The study aims to evaluate the technical performance and emissions of gasoline engines when using bio-gasoline as an alternative fuel.

Research Tasks The research tasks in the study titled “Research on the Application of AVL Boost to Simulate Gasoline Engines Using Gasoline-Ethanol Fuel” include the following: • Conduct a general overview of the topic. • Study the theoretical basis of ethanol fuel and bio-gasoline. • Simulate the engine model using AVL Boost software. • Apply the software to simulate the 1NZ-FE engine running on gasoline- ethanol fuel.

• Draw conclusions and provide recommendations. Research Subjects and Scope Research Subject: The engine model using gasoline-ethanol fuel simulated on AVL Boost software. Research Scope: • Study of bio-gasoline fuel. • Study of flexible-fuel vehicles.

• Application of AVL Boost software for engine simulation. • Evaluation of the engine’s technical performance. • Assessment of engine emissions. Research Methods Theoretical research method: Apply the knowledge learned and collect related documents, analyze and study them to build a theoretical foundation as the basis for the research.

3 Document searching method: Search and collect documents from libraries, textbooks, the Internet, etc. Simulation method: Study and design a gasoline engine model using AVL Boost software. Use the technical specifications of the 1NZ-FE 1.5L engine combined with bio-gasoline fuel blending to simulate, analyze, and evaluate some results. CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW 2.1 Overview of Fuel The two most common types of fuel for internal combustion engines are liquid fuel and gaseous fuel.

For liquid fuels, gasoline and diesel derived from petroleum dominate. Their benefits include high heat generation, producing little ash when burned, as well as convenience in transportation and storage. It should be noted that each type of liquid fuel is a mixture of various hydrocarbons with distinct chemical structures. These structural differences play a crucial role, affecting how the fuel vaporizes, forms a combustible mixture, and ignites inside the engine.