Đồ án mô phỏng ứng dụng nhiên liệu hydro trên động cơ diesel bằng AVL Cruise M tại HCMUTE

Nghiên cứu ứng dụng phần mềm AVL Cruise M để mô phỏng sử dụng nhiên liệu hydro trên động cơ diesel, giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu khí thải.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Ngọc
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Application AVL Cruise M for simulation of hydrogen fuel in diesel engines
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan mô phỏng nhiên liệu hydro trên động cơ diesel

Nhu cầu chuyển đổi năng lượng xanh trong ngành giao thông vận tải đang gia tăng mạnh mẽ. Nhiên liệu hydro nổi lên như một nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng bậc nhất hiện nay. Động cơ diesel truyền thống phát thải lượng lớn hạt muội và oxit nitơ gây ô nhiễm môi trường. Việc bổ sung hydro vào chu trình cháy giúp nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ. Phần mềm AVL Cruise M đóng vai trò then chốt trong việc mô hình hóa các hiện tượng nhiệt động lực học phức tạp. Sinh viên Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE) đã tiên phong xây dựng mô hình tính toán này. Công cụ mô phỏng hỗ trợ phân tích toàn diện chu trình nén, cháy và giãn nở của hỗn hợp khí. Dữ liệu từ phần mềm giúp rút ngắn thời gian thử nghiệm thực tế tại phòng thí nghiệm. Kỹ sư có thể dự đoán chính xác áp suất cực đại và nhiệt độ bên trong buồng đốt. Nghiên cứu mở ra hướng đi bền vững cho các dòng xe thương mại sử dụng nhiên liệu hỗn hợp. Quá trình phát triển động cơ trở nên an toàn, tiết kiệm chi phí và đạt độ chuẩn xác cao.

1.1. Đặc tính lý hóa vượt trội của nhiên liệu hydro

Hydro sở hữu mật độ năng lượng theo khối lượng rất lớn. Con số này cao gấp gần ba lần so với dầu diesel thông thường. Tốc độ cháy lan màng lửa của hydro diễn ra cực kỳ nhanh. Giới hạn tự bốc cháy rộng cho phép động cơ làm việc hiệu quả với hỗn hợp rất nghèo. Khả năng khuếch tán nhanh giúp hydro hòa trộn đồng đều với không khí nạp. Nhiệt độ tự bốc cháy của hydro cao hơn đáng kể so với nhiên liệu truyền thống. Đặc điểm này ngăn ngừa hiện tượng kích nổ sớm khi nén hỗn hợp khí. Quá trình oxy hóa hydro chỉ tạo ra hơi nước tinh khiết. Do đó, hydro không phát sinh cacbon oxit hay muội than trong khí thải. Việc tận dụng triệt để ưu thế này giúp nâng tầm động cơ.

1.2. Vai trò của phần mềm AVL Cruise M trong mô phỏng

AVL Cruise M là bộ công cụ mô phỏng 1D tiên tiến hàng đầu thế giới. Phần mềm chuyên biệt cho việc phân tích toàn diện hệ thống truyền động ô tô. Nền tảng tích hợp nhiều mô đun nhiệt động học và động học phản ứng hóa học. Giao diện trực quan hỗ trợ thiết lập sơ đồ khối động cơ linh hoạt và chuẩn xác. Người nghiên cứu có thể mô phỏng chính xác hệ thống nạp, xả và buồng đốt. Các phương trình bảo toàn năng lượng và khối lượng được giải quyết trong thời gian thực. Phần mềm cho phép kiểm soát chặt chẽ tỷ lệ pha trộn giữa hydro và diesel. Kết quả tính toán cung cấp đường đặc tính công suất và mô men xoắn chi tiết. Nhờ vậy, đề tài tại HCMUTE đạt được độ tin cậy khoa học rất cao.

II. Phân tích thách thức cháy hydro trên động cơ diesel thực tế

Quá trình ứng dụng hydro trực tiếp vào buồng đốt động cơ diesel gặp nhiều trở ngại kỹ thuật. Năng lượng kích hoạt tia lửa của hydro cực kỳ thấp. Hiện tượng này dễ dẫn đến hiện tượng cháy sớm và cháy ngược trên đường nạp khí. Áp suất buồng đốt tăng vọt đột ngột gây tải trọng cơ học nghiêm trọng lên piston và xi lanh. Nhiệt độ cục bộ vùng ngọn lửa tăng cao làm gia tăng lượng phát thải oxit nitơ (NOx). Cơ chế hình thành NOx nhiệt diễn ra mãnh liệt theo chuỗi phản ứng Zeldovich mở rộng. Lượng khí NOx độc hại đòi hỏi phải có hệ thống xử lý khí xả phức tạp và đắt tiền. Bên cạnh đó, diesel và hydro có cơ chế hòa trộn và bốc cháy hoàn toàn khác biệt. Dầu diesel tự bốc cháy do nén trong khi hydro yêu cầu nguồn mồi lửa thích hợp. Hiện tượng kích nổ xuất hiện khi tỷ lệ hydro vượt ngưỡng an toàn cho phép. Các vấn đề cơ khí như giòn hydro cũng đe dọa trực tiếp độ bền kim loại. Việc thử nghiệm vật lý trên động cơ thực tế tốn kém chi phí và tiềm ẩn nguy cơ nổ. Do đó, mô phỏng số đóng vai trò chìa khóa để giải quyết triệt để các rủi ro này.

2.1. Nguy cơ cháy sớm và kích nổ trong buồng đốt

Hydro có năng lượng bắt cháy tối thiểu chỉ bằng một phần mười so với xăng hoặc diesel. Điểm nóng bất kỳ trên xupap nạp hoặc muội than có thể làm mồi lửa bùng phát sớm. Hiện tượng cháy ngược vào đường ống nạp tạo ra sóng xung kích phá hủy đường nạp. Trong hành trình nén, tốc độ cháy lan màng lửa quá nhanh làm áp suất tăng vọt ngoài tầm kiểm soát. Tiếng gõ kích nổ xuất hiện liên tục gây hư hại cơ cấu trục khuỷu thanh truyền. Việc điều chỉnh góc phun và thời điểm hòa trộn trở nên sống còn để bảo vệ kết cấu động cơ. Nhóm nghiên cứu HCMUTE đã xác định rõ các giới hạn vận hành tối ưu nhằm triệt tiêu hoàn toàn rủi ro nổ máy.

2.2. Sự gia tăng nồng độ khí thải NOx nhiệt độ cao

Nhiệt độ ngọn lửa đoạn nhiệt của hydro đạt mức xấp xỉ 2400 độ Kelvin. Mức nhiệt cực đại này kích thích mạnh mẽ phản ứng giữa nitơ và oxy tự do trong không khí. Nồng độ phát thải NOx vì thế tăng đột biến theo hàm số mũ của nhiệt độ buồng đốt. Mô hình hóa chính xác phản ứng này đòi hỏi tích hợp phương trình hóa học động học chi tiết. Theo cơ chế Zeldovich mở rộng, tốc độ tạo NOx phụ thuộc chặt chẽ vào nồng độ oxy nguyên tử. Nếu không kiểm soát tốt nhiệt độ đỉnh của chu trình cháy, mục tiêu giảm phát thải hoàn toàn thất bại. Khí NOx phát tán gây ô nhiễm bầu khí quyển và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng.

III. Phương pháp mô phỏng AVL Cruise M giải quyết bài toán cháy

Phần mềm AVL Cruise M cung cấp giải pháp mô phỏng nhiệt động lực học toàn diện cho động cơ diesel. Phương pháp tiếp cận dựa trên mô hình phân vùng nhiệt động kết hợp động học phản ứng hóa học. Người thiết kế thiết lập hệ thống động cơ tích hợp dòng khí nạp, vòi phun diesel và buồng đốt cháy kép. Mô hình cháy hai vùng tách biệt cho phép tính toán chính xác nhiệt độ vùng cháy và vùng khí chưa cháy. Quá trình phun nhiên liệu diesel đóng vai trò nguồn mồi lửa đánh bốc hỗn hợp hydro nghèo. Tỷ lệ hòa trộn thay thế hydro được điều chỉnh từng nấc từ 5% đến 30% năng lượng. Phần mềm tích hợp thuật toán Zeldovich mở rộng để ước tính tốc độ hình thành NO theo thời gian thực. Mô hình Onorati được áp dụng song song để kiểm soát mức độ giảm thiểu phát thải khí CO và CO2. Thuật toán cân bằng nhiệt động giúp dự báo chính xác áp suất chỉ thị trung bình và hiệu suất động cơ. Toàn bộ thông số vận hành được tối ưu hóa trước khi bước vào giai đoạn chế tạo mẫu thử thực tế.

3.1. Xây dựng mô hình cháy hai vùng và động học phản ứng

Mô hình hai vùng chia thể tích buồng đốt thành vùng khí cháy và vùng chưa cháy. Sự trao đổi nhiệt và truyền khối lượng giữa hai vùng được mô tả qua phương trình vi phân. Phần mềm liên tục cập nhật áp suất buồng đốt đồng nhất tại mỗi góc quay trục khuỷu. Tốc độ tỏa nhiệt được mô phỏng chính xác qua lượng hydro nạp vào đường ống. Cơ chế động học hóa học chi tiết phản ánh đúng thời điểm tự bốc cháy của màng nhiên liệu diesel. Dữ liệu nhiệt độ cục bộ tại từng vùng cung cấp đầu vào quan trọng cho các hàm tính phát thải. Nhờ vậy, trạng thái nhiệt động bên trong buồng xi lanh luôn giữ vững tính ổn định kỹ thuật cao nhất.

3.2. Ứng dụng mô hình Onorati và Zeldovich dự báo phát thải

Mô hình Zeldovich mở rộng giúp tính toán nồng độ monoxit nitơ (NO) thông qua các hằng số phản ứng Arrhenius. Sự xuất hiện của các phần tử trung gian N2O và nồng độ oxy dư được định lượng rõ ràng. Hệ số điều chỉnh động học cho phép phần mềm bám sát điều kiện cân bằng nhiệt độ thực. Song song đó, mô hình Onorati tính toán tốc độ phản ứng oxy hóa cacbon monoxit (CO) thành CO2. Khi tỷ lệ hydro tăng lên, nồng độ phát thải cacbon giảm đi rõ rệt do hydro không chứa gốc cacbon. Sự kết hợp giữa hai mô hình toán học này hoàn thiện bức tranh phát thải khí xả của động cơ. Kết quả mô phỏng cung cấp cơ sở vững chắc cho các đề xuất cải tiến kỹ thuật.

IV. Kết luận và định hướng ứng dụng nhiên liệu hydro tại HCMUTE

Nghiên cứu mô phỏng nhiên liệu hydro trên động cơ diesel tại HCMUTE khẳng định tính khả thi của giải pháp chuyển đổi xanh. Sự kết hợp giữa dầu diesel và khí hydro làm tăng hiệu suất nhiệt và giảm tiêu hao nhiên liệu hóa thạch. Khí thải chứa muội than và hợp chất cacbon giảm tỷ lệ thuận với lượng hydro bổ sung vào buồng đốt. Việc áp dụng thành công phần mềm AVL Cruise M giúp tối ưu hóa thông số vận hành mà không cần can thiệp kết cấu phức tạp. Đề tài cung cấp cơ sở dữ liệu học thuật giá trị cho khoa Cơ khí Động lực tại HCMUTE. Phương pháp này mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế trên các dòng xe tải và máy công trình hiện hữu. Các doanh nghiệp vận tải có thể tận dụng kết quả để xây dựng lộ trình chuyển đổi xe lưỡng nhiên liệu hiệu quả. Việc nội địa hóa công nghệ mô phỏng giúp tiết kiệm tối đa ngân sách nghiên cứu và thử nghiệm công nghiệp. Đề án đóng góp tích cực vào cam kết giảm phát thải ròng bằng không của quốc gia trong tương lai.

4.1. Đánh giá tiềm năng giảm phát thải carbon và bồ hóng

Việc phối trộn nhiên liệu hydro vào buồng đốt làm giảm đáng kể phát thải khí CO2 và muội than. Phân tử hydro không chứa liên kết cacbon giúp triệt tiêu mầm hình thành khói đen trong khí xả. Hiệu quả cháy cải thiện rõ rệt nhờ tốc độ khuếch tán nhanh của các phân tử khí hydro. Quá trình cháy diễn ra hoàn chỉnh hơn trong điều kiện nghèo nhiên liệu. Lượng hydro thay thế càng lớn thì tỷ lệ muội than sinh ra càng giảm mạnh. Kết quả mô phỏng cho thấy lượng phát thải cacbon có thể giảm hơn 30% khi tỷ lệ hòa trộn đạt ngưỡng thích hợp. Đây là giải pháp then chốt giúp các phương tiện giao thông hạng nặng đáp ứng chuẩn khí thải nghiêm ngặt.

4.2. Khả năng nhân rộng mô hình đào tạo và chuyển giao tại HCMUTE

Đề tài tốt nghiệp tạo dựng nền tảng chuyển giao công nghệ mô phỏng chuyên sâu tại trường HCMUTE. Sinh viên ngành Kỹ thuật Ô tô có thể tiếp cận bộ công cụ AVL Cruise M phục vụ nghiên cứu thực chiến. Các phòng thí nghiệm động cơ dễ dàng tích hợp quy trình mô phỏng vào giáo trình đào tạo sau đại học. Mô hình số hóa cho phép kiểm tra hàng loạt kịch bản vận hành mà không tốn kém chi phí thử nghiệm thực tế. Trường đại học có thể hợp tác trực tiếp với các hãng xe để thử nghiệm động cơ nhiên liệu sạch. Hướng đi này giúp nâng tầm uy tín học thuật của nhà trường trên trường quốc tế. Việc làm chủ công nghệ mô phỏng hydro khẳng định vai trò tiên phong của HCMUTE trong đào tạo giao thông xanh.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện trong bối cảnh bức tranh năng lượng toàn cầu tiếp tục phụ thuộc lớn vào nhiên liệu hóa thạch, nguồn năng lượng vốn chiếm xấp xỉ 80% tổng mức tiêu thụ liên tục từ năm 1994 đến năm 2024. Sự gia tăng theo cấp số nhân của nhu cầu năng lượng thế giới đang vượt xa tốc độ triển khai các nguồn năng lượng tái tạo, dẫn đến tình trạng suy kiệt tài nguyên thiên nhiên và gia tăng phát thải khí nhà kính gây biến đổi khí hậu toàn cầu. Cùng với quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa, khí thải từ các phương tiện giao thông đường bộ sử dụng động cơ đốt trong trở thành một trong những nguyên nhân hàng đầu gây suy thoái chất lượng không khí đô thị. Các chất ô nhiễm độc hại như hạt bụi mịn (PM), carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx) và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) thường xuyên vượt ngưỡng cho phép tại các đô thị mật độ cao.

Tại Việt Nam, vấn đề ô nhiễm không khí do phương tiện giao thông diễn ra nghiêm trọng tại các thành phố lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh. Theo số liệu của Tổng cục Thống kê (GSO) được trích dẫn trong văn bản, quy mô thị trường ô tô Việt Nam ghi nhận mức tăng trưởng với 38.600 xe mới bổ sung trong tháng 12/2023. Tính đến cuối năm 2023, tổng lượng ô tô đăng ký trên toàn quốc đạt khoảng 6,31 triệu xe, tương ứng với tỷ lệ sở hữu trung bình 63 xe trên 1.000 dân. Xe máy vẫn là phương tiện chủ lực với 89,4% số hộ gia đình sử dụng. Trong năm 2024, thị trường tiêu thụ ước tính khoảng 495.000 đến 500.000 ô tô mới và hơn 2,65 triệu xe máy mới, nâng tỷ lệ hộ gia đình sở hữu ô tô cá nhân lên 9,0%. Tốc độ cơ giới hóa giao thông tăng nhanh đặt ra áp lực lớn đối với công tác bảo đảm an ninh năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Để giải quyết bài toán giảm phát thải mà vẫn tận dụng được nền tảng kỹ thuật hiện có, việc nghiên cứu chuyển dịch sang sử dụng nhiên liệu hydro trên động cơ đốt trong (HICEV) nổi lên như một hướng tiếp cận khả thi. Hydro sở hữu đặc tính cháy sạch, không tạo ra phát thải khí carbon dioxide ($CO_2$) tại chu trình làm việc, nhiệt trị cao và tốc độ lan truyền màng lửa nhanh. Tuy nhiên, việc thử nghiệm trực tiếp trên động cơ thực tế đòi hỏi chi phí lớn và thời gian kéo dài. Do đó, việc ứng dụng các công cụ tính toán mô phỏng cấp hệ thống như phần mềm AVL CRUISE M cho phép phân tích toàn diện các thông số công tác nhiệt động học và đặc tính phát thải của động cơ sử dụng nhiên liệu kép diesel - hydro.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể:

• Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về động cơ đốt trong và lộ trình chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu hydro; ứng dụng phần mềm chuyên dụng AVL CRUISE M để xây dựng mô hình và mô phỏng động cơ đốt trong hoạt động với nhiên liệu hydro; dựa trên kết quả mô phỏng để đánh giá tính năng làm việc và đặc tính phát thải khí xả, làm cơ sở đề xuất các giải pháp hoàn thiện và tối ưu hóa hệ thống.
• Nhiệm vụ nghiên cứu:
  1. Tổng quan đề tài nghiên cứu và tình hình phát triển liên quan.
  2. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về đặc tính của nhiên liệu hydro và nguyên lý ứng dụng trên động cơ đốt trong.
  3. Mô phỏng động cơ đốt trong bằng phần mềm AVL CRUISE M.
  4. Ứng dụng mô hình mô phỏng vào động cơ đốt trong vận hành theo chiến lược nhiên liệu kép diesel – hydro.
  5. Đánh giá, phân tích các kết quả thu được, rút ra kết luận khoa học và đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài gồm:

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình mô phỏng động cơ đốt trong vận hành theo chiến lược nhiên liệu kép diesel – hydro được xây dựng trên môi trường phần mềm AVL CRUISE M.
• Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào đặc tính ứng dụng của nhiên liệu hydro, kỹ thuật mô hình hóa động cơ đốt trong trên phần mềm AVL CRUISE M, cùng việc khảo sát các chỉ tiêu làm việc và thành phần phát thải khí xả của động cơ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Văn bản thiết lập nền tảng lý thuyết thông qua tổng quan các thuộc tính nhiệt-hóa của nhiên liệu hydro so với diesel truyền thống, các công nghệ sản xuất hydro công nghiệp (phương pháp hoàn nguyên hơi nước mê-tan - SMR ở nhiệt độ 1.300°F–1.800°F, áp suất 3–25 bar và phương pháp điện phân nước power-to-gas), cùng hiện trạng ứng dụng xe pin nhiên liệu (FCEVs) và xe động cơ đốt trong hydro (HICEVs).

Trong phần mềm AVL CRUISE M, hệ thống tính toán nhiệt động lực học và phát thải dựa trên các mô hình giải tích và bán thực nghiệm:

• Mô hình nhiệt động học chu trình cao áp: Vận dụng Định luật I Nhiệt động lực học cho thể tích kiểm soát bên trong buồng cháy để xác định biến thiên nội năng làm việc: $$\frac{d(m_c \cdot u)}{d\alpha} = -p_c \cdot \frac{dV}{d\alpha} + \frac{dQ_F}{d\alpha} - \sum \frac{dQ_w}{d\alpha} - h_{BB} \cdot \frac{dm_{BB}}{d\alpha} + \sum d m_i \cdot h_i - \sum d m_e \cdot h_e - q_{ev} \cdot f \cdot \frac{dm_{ev}}{dt}$$ Trong đó, áp suất và nhiệt độ trong xylanh được giải tích số theo phương pháp Runge-Kutta thông qua phương trình trạng thái khí.
• Mô hình quá trình cháy Vibe hai vùng (Two-Zone Vibe Combustion Model): Phân chia không gian buồng cháy thành vùng khí đã cháy (burned zone) và vùng khí chưa cháy (unburned zone). Tỷ lệ khối lượng nhiên liệu cháy được xác định qua hàm Vibe tích phân với hệ số hoàn toàn $a = 6,9$, tham số dạng $m$, thời điểm bắt đầu cháy $\alpha_0$ và thời gian cháy $\Delta\alpha_c$: $$x = 1 - e^{-a \cdot m^{m+1}}$$
• Mô hình dòng khí qua cửa van (Port Mass Flow): Sử dụng phương trình dòng chảy qua tiết diện thu hẹp đẳng entropi, kết hợp hệ số lưu lượng thực nghiệm $\mu_\sigma$ phụ thuộc độ nâng xupap và đường kính họng van $d_{vi}$.
• Mô hình truyền nhiệt Woschni (1978): Tính toán hệ số truyền nhiệt đối lưu qua vách buồng cháy $\alpha_w$, phân biệt giữa động cơ phun trực tiếp (DI, hệ số $C_2 = 0,00324$) và phun gián tiếp (IDI, hệ số $C_2 = 0,00622$), tích hợp vận tốc dòng xoáy lốc $n_d = 8,5n$. Truyền nhiệt tại cửa nạp và cửa xả được hiệu chỉnh riêng bằng hệ số dòng chảy $C_4$.
• Mô hình phát thải động học hóa học:
  • Mô hình NOx: Dựa trên cơ chế nhiệt Zeldovich mở rộng gồm 6 phản ứng hóa học (được phát triển bởi Pattas và Hafner), tính toán nồng độ trung gian của $N_2O$ và sự hình thành $NO$, kết hợp hai hệ số hiệu chỉnh $C_{PostProcMult}$ và $C_{KineticMult}$.
  • Mô hình CO: Áp dụng mô hình động học của Onorati và cộng sự, dựa trên phản ứng cân bằng giữa carbon monoxide và gốc hydroxyl ($CO + OH \rightleftharpoons CO_2 + H$).

Tên mô hình / Cơ sở toán học	Tác giả / Nguồn lý thuyết	Mục đích ứng dụng trong mô phỏng
Two-Zone Vibe Model	Vibe	Xác định tốc độ tỏa nhiệt và tỷ lệ khối lượng hòa khí cháy
Port Mass Flow Model	Dòng đẳng entropi hiệu chỉnh	Tính lưu lượng khối lượng qua xupap nạp và xả
Woschni Heat Transfer (1978)	Woschni	Tính toán truyền nhiệt qua nắp máy, piston và thành xylanh
Zeldovich 6-Reaction Model	Pattas và Hafner	Mô phỏng động học hình thành phát thải khí NOx
CO Kinetic Model	Onorati et al.	Tính toán tốc độ hình thành và suy giảm phát thải CO

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm bốn phương pháp chính: phương pháp nghiên cứu lý thuyết (phân tích, tổng hợp tài liệu chuyên ngành), phương pháp tổng quan tài liệu (thu thập dữ liệu từ thư viện, giáo trình và tài liệu trực tuyến), phương pháp mô phỏng số (xây dựng mô hình và chạy ma trận thử nghiệm trên phần mềm AVL CRUISE M), và phương pháp tham vấn chuyên gia (trao đổi, tiếp thu hướng dẫn từ giảng viên phụ trách đề tài). Dữ liệu phục vụ nghiên cứu được trích xuất từ cơ sở dữ liệu năng lượng toàn cầu, báo cáo thống kê giao thông của GSO, các tài liệu kỹ thuật về xe FCEV thương mại (Toyota Mirai, Hyundai Nexo, Honda CR-V e:FCEV, Mercedes-Benz GLC F-CELL, Nikola Tre FCEV, New Flyer Xcelsior CHARGE H2) và các bài báo khoa học về động cơ đốt trong sử dụng hydro.

Thiết kế và triển khai mô hình mô phỏng hệ thống

Khóa luận triển khai xây dựng mô hình hệ thống kỹ thuật hoàn chỉnh mang tên CAR H2 trên phần mềm AVL CRUISE M. Hệ thống mô hình hóa được phân cấp rõ ràng theo các phân hệ chức năng, kết nối thông qua mạng truyền thông dữ liệu nội bộ (Data Bus Connections) liên kết các kênh cơ cấu chấp hành (actuator) và kênh cảm biến (sensor).

Cấu trúc các khối phần tử (Elements) và cụm chi tiết trong mô hình bao gồm:

• Phân hệ đường nạp (Intake Air System): Bắt đầu từ phần tử biên nạp (Intake Boundary), đi qua cụm lọc gió (Air Cleaner Subsystem với bình tích áp đầu ra Outlet Volume), bộ làm mát trung gian (Intercooler Core), đoạn tiết lưu đường nạp (Intake Manifold Restriction) và đường ống phân phối nạp (Intake Manifold).
• Hệ thống cấp môi chất phụ trợ: Bổ sung bình chứa nước (Water Tank) kết nối với cụm kiểm soát lưu lượng khối (Mass Flow Connection - MFC) để phục vụ chiến lược phun bổ sung.
• Cụm động cơ và buồng cháy (Engine Block & Cylinder): Mô hình hóa cụ thể xylanh (Cylinder 1) tích hợp buồng cháy (Combustion Chamber) với các bảng dữ liệu quy luật nâng xupap nạp (Intake Valve Lift) và xupap xả (Exhaust Valve Lift), cơ cấu trục khuỷu (Crankshaft) và mặt bích (Flange).
• Phân hệ tăng áp (Turbocharger): Cụm tuabin - máy nén liên kết khí động và cơ học nhằm tối ưu hóa lượng khí nạp vào xylanh.
• Phân hệ đường xả và xử lý khí thải (Exhaust Air System - EAS): Bao gồm cổ góp xả (Exhaust Manifold), van điều khiển dòng xả (Exhaust Valve), bình thể tích van xả (Exhaust Flap Volume), cụm xử lý EAS Plenum, bộ xúc tác (Catalyst) và kết thúc tại phần tử biên xả (Exhaust Boundary).
• Tải tiêu thụ cơ học (Mechanical Consumer): Mô phỏng lực cản và tải trọng cơ học đặt lên trục động cơ trong quá trình vận hành.

Quá trình mô phỏng được thiết lập qua ma trận các chế độ làm việc (Cases) kết hợp giữa các dải tốc độ vòng tua (500 rpm, 1000 rpm, 2000 rpm) và các cấp mô-men xoắn tải trọng (600 Nm, 1200 Nm, 1800 Nm).

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Overviews of the Topic

Chương 1 trình bày tổng quan về tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh cạn kiệt tài nguyên dầu mỏ và ô nhiễm môi trường do khí xả động cơ đốt trong gây ra tại các đô thị lớn ở Việt Nam (đặc biệt là Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh). Tác giả xác định rõ mục tiêu nghiên cứu là làm chủ cơ sở lý thuyết và khai thác phần mềm AVL CRUISE M để mô phỏng động cơ diesel sử dụng nhiên liệu kép bổ sung hydro. Chương này cũng phân định cụ thể 5 nhiệm vụ nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu (mô hình động cơ diesel - hydro trên AVL CRUISE M), phạm vi nghiên cứu và bố cục tổng thể của đồ án tốt nghiệp gồm 5 chương.

Chapter 2: Theoretical Background

Chương 2 cung cấp nền tảng kiến thức toàn diện về nhiên liệu hydro và việc ứng dụng trên động cơ đốt trong:

• Trình bày tính chất vật lý và hóa học của hydro: khối lượng riêng nhẹ, nhiệt độ hóa lỏng cực thấp (-252,9°C), nhiệt độ hóa rắn (-259°C), phản ứng sinh năng lượng chỉ tạo nước ($2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O + \text{năng lượng}$).
• Phân tích ưu nhược điểm của hydro, các công nghệ sản xuất (SMR từ khí tự nhiên và điện phân nước), cùng thực trạng sản xuất và sử dụng hydro trên thế giới (vượt 97 triệu tấn năm 2023, đạt gần 100 triệu tấn năm 2024) và tại Việt Nam (sản lượng khoảng 500.000 tấn hydro xám/nâu mỗi năm, chủ yếu phục vụ lọc dầu Dung Quất, Nghi Sơn và sản xuất phân bón với 316.000 tấn/năm; định hướng phát triển hydro xanh qua dự án Trà Vinh năm 2026).
• Khảo sát các dòng xe FCEV tiêu biểu trên thị trường thế giới và phân tích sâu cấu tạo, nguyên lý của động cơ đốt trong chạy hydro (HICEVs), phân biệt giữa động cơ cháy cưỡng bức (SI) và động cơ cháy do nén (CI).
• Tổng kết các phương thức nạp/phun hydro: phun trên đường nạp (Port Injection), phun trực tiếp (Direct Injection) dùng hydro hóa lỏng qua bình giãn nở nhiệt độ thấp, và phương thức hòa trộn hydro với nhiên liệu hóa thạch (kể cả sử dụng khí oxyhydrogen HHO). Trích dẫn các số liệu kỹ thuật chứng minh hydro giúp nâng cao hiệu suất nhiệt có ích (BTE) lên 40–45%, tăng 15% công suất, tiết kiệm 15–30% nhiên liệu, cắt giảm hơn 99,7% $CO_2$, triệt tiêu muội than và cho phép khống chế NOx ở mức 30–40 ppm khi vận hành ở tỷ lệ không khí dư $\lambda \ge 2,1$.

Chapter 3: Simulation Study of Hydrogen-Fueled Internal Combustion Engine Using AVL Cruise M Software

Chương 3 đi sâu vào nguyên lý hoạt động của công cụ mô phỏng AVL CRUISE M và hệ thống công thức giải tích nhiệt động học:

• Giới thiệu giao diện modul hóa, cây cấu trúc phần tử (Elements and Properties), cơ chế liên kết bus tín hiệu (Data Bus Connections).
• Thiết lập hệ phương trình toán học chi tiết: Định luật I Nhiệt động lực học buồng cháy, phương pháp tích phân Runge-Kutta, mô hình cháy Vibe và Two-Zone Vibe, phương trình dòng khí đẳng entropi qua cửa van nạp/xả, mô hình truyền nhiệt Woschni 1978 cho vách xylanh và mô hình truyền nhiệt xupap qua hệ số $C_4$.
• Thiết lập mô hình động học phát thải gồm chuỗi 6 phản ứng nhiệt Zeldovich tính NOx của Pattas & Hafner và cơ chế 2 phản ứng tính CO của Onorati et al.
• Mô tả chi tiết việc xây dựng sơ đồ khối mô phỏng hệ thống động cơ CAR H2 và nhập các thông số đầu vào cho từng phần tử: nắp máy, piston, xupap, bộ lọc gió, két làm mát trung gian, bộ tăng áp turbocharger, hệ thống xử lý khí xả EAS, bộ xúc tác catalyst, và thiết lập dữ liệu các ca mô phỏng tải.

Chapter 4: Simulation Results and Discussions

Chương 4 tập trung trình bày và phân tích các dữ liệu đầu ra thu được từ các ca chạy mô phỏng:

• Khảo sát diễn biến nhiệt độ và áp suất bên trong xylanh theo góc quay trục khuỷu.
• Phân tích khối lượng phát thải khí CO qua các đồ thị tương ứng với từng điều kiện vòng tua và mô-men xoắn (500, 1000, 2000 rpm kết hợp 600, 1200, 1800 Nm).
• Phân tích sự hình thành và khối lượng phát thải khí NOx qua từng ca tải trọng, làm rõ sự biến thiên nồng độ NOx dưới tác động của nhiệt độ đỉnh buồng cháy.
• Khảo sát sự suy giảm của phát thải muội than (Soot Mass) trên toàn dải vận hành của động cơ khi sử dụng chiến lược nhiên liệu hydro.
• Tổng hợp các giá trị đỉnh của khối lượng phát thải CO, NOx và muội than thành các bảng số liệu so sánh chi tiết.

Chapter 5: Conclusion and Future Development

Chương 5 đúc kết các kết quả chính đã đạt được trong quá trình nghiên cứu, chỉ rõ mức độ đáp ứng các mục tiêu ban đầu về việc ứng dụng công cụ mô phỏng số vào phân tích động cơ diesel cháy kép dùng hydro, đồng thời đề xuất các định hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả kỹ thuật và số liệu quan trọng được ghi nhận trong văn bản:

• Xây dựng thành công mô hình mô phỏng số hoàn chỉnh của động cơ diesel sử dụng chiến lược nhiên liệu kép hydro – diesel trên phần mềm AVL CRUISE M, tích hợp đầy đủ các hệ thống nạp khí, xupap, buồng cháy, tăng áp turbocharger và xử lý khí xả EAS.
• Khảo sát toàn diện sự biến thiên nhiệt độ, áp suất chỉ thị trong buồng cháy và lượng phát thải các chất ô nhiễm chính (CO, NOx, muội than) tại 9 chế độ làm việc đại diện cho dải vận hành của động cơ:

Thông số vận hành khảo sát	Mức giá trị thiết lập trong mô phỏng
Dải tốc độ vòng tua động cơ	500 rpm, 1000 rpm, 2000 rpm
Dải mô-men xoắn tải trọng	600 Nm, 1200 Nm, 1800 Nm
Các chỉ tiêu phát thải trích xuất	Khối lượng đỉnh CO (kg), Khối lượng đỉnh NOx (kg), Khối lượng đỉnh Muội than / Soot (kg)
Thông số trạng thái buồng cháy	Đường đặc tính nhiệt độ (Temperature) và áp suất (Pressure) trong xylanh

• Tổng hợp các số liệu tham chiếu lý thuyết và thực nghiệm liên quan đến việc pha trộn hydro vào động cơ:
  • Hiệu suất nhiệt có ích (BTE) đạt mức 40–45% nhờ tốc độ cháy màng mỏng của hydro nhanh hơn xăng xấp xỉ 9 lần và nhiệt trị thấp đạt $120\text{ MJ/kg}$.
  • Giúp tăng công suất động cơ lên đến 15% và tiết kiệm từ 15–30% lượng tiêu thụ nhiên liệu.
  • Về phát thải, việc sử dụng hydro cho phép cắt giảm phát thải khí nhà kính $CO_2$ trên 99,7%, giảm thiểu từ 18–25% nồng độ phát thải CO và triệt tiêu gần như hoàn toàn bụi muội than (PM/soot).
  • Về khống chế phát thải NOx do nhiệt độ buồng cháy tăng cao, văn bản chỉ rõ giải pháp kỹ thuật là vận hành ở chế độ cháy siêu nghèo với hệ số không khí dư $\lambda \ge 2,1$, giúp nồng độ NOx hạ xuống mức cực thấp khoảng 30–40 ppm (tương đương dưới 2 mg/kWh), đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt mà không bắt buộc phải sử dụng các hệ thống xử lý sau khí xả quá phức tạp.

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc thiết lập thành công quy trình mô phỏng số hóa động cơ diesel cháy kép sử dụng hydro bằng AVL CRUISE M. Nghiên cứu này chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng công cụ mô phỏng để đánh giá động học quá trình cháy và phát thải, giúp rút ngắn thời gian và tiết kiệm chi phí so với phương pháp thử nghiệm thực nghiệm truyền thống trong giai đoạn phát triển ban đầu của công nghệ động cơ hydro tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản nêu rõ các hạn chế cốt lõi sau:

• Kết quả mô phỏng trên phần mềm AVL CRUISE M mang tính chất định hướng và chỉ báo hệ thống (system-level analysis), không thể thay thế hoàn toàn việc kiểm chứng thực nghiệm trên băng thử động cơ vật lý do nhiều hiện tượng vật lý - hóa học phức tạp trong buồng cháy đã được đơn giản hóa trong quá trình mô hình hóa.
• Khả năng phân giải chi tiết các quá trình diễn ra cục bộ trong không gian buồng cháy (cháy cục bộ, dòng xoáy 3D) còn hạn chế so với các công cụ mô phỏng dòng chảy chuyên sâu (CFD).
• Việc xây dựng và hiệu chuẩn các thông số mô hình đòi hỏi lượng lớn dữ liệu thực nghiệm và chuyên môn sâu về lĩnh vực nhiên liệu thay thế.
• Rào cản thực tế về hạ tầng: Công nghệ lưu trữ, phân phối và trạm nạp hydro tại Việt Nam hiện còn sơ khai, gây khó khăn cho việc triển khai thực tế trên diện rộng.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất bao gồm:

• Tiến hành thực nghiệm trên băng thử động cơ diesel thực tế để đối chiếu, kiểm chứng và hiệu chuẩn các hệ số của mô hình mô phỏng AVL CRUISE M.
• Khảo sát chuyên sâu hơn về các tỷ lệ thay thế hydro khác nhau theo từng dải phụ tải cụ thể của động cơ.
• Nghiên cứu kết hợp chiến lược tuần hoàn khí xả (EGR) và tối ưu hóa thời điểm bắt đầu phun/đánh lửa nhằm kiểm soát triệt để sự gia tăng phát thải NOx ở các chế độ tải cao.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên và giảng viên chuyên ngành: Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Năng lượng và Môi trường có thể sử dụng tài liệu làm tài liệu tham khảo về phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu sạch.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D): Các nhà nghiên cứu quan tâm đến lĩnh vực chuyển đổi động cơ truyền thống sang sử dụng nhiên liệu hydro hoặc chiến lược nhiên liệu kép diesel - hydro.
• Phần nội dung đáng tham khảo nhất: Chương 3 với hệ thống công thức giải tích nhiệt động học hoàn chỉnh (đặc biệt là mô hình Two-Zone Vibe, mô hình truyền nhiệt Woschni 1978, và mô hình phản ứng động học phát thải NOx của Pattas & Hafner kết hợp mô hình CO của Onorati), cùng quy trình kết nối và cấu hình các khối chức năng trong môi trường phần mềm AVL CRUISE M.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận sử dụng mô hình nào trong AVL CRUISE M để mô phỏng quá trình cháy và giải phóng nhiệt của động cơ?
Nghiên cứu sử dụng mô hình cháy Vibe hai vùng (Two-Zone Vibe Combustion Model). Mô hình này chia buồng cháy thành vùng khí đã cháy và chưa cháy, xác định tỷ lệ nhiên liệu cháy qua hàm Vibe phụ thuộc vào thời điểm bắt đầu cháy ($\alpha_0$), thời gian cháy ($\Delta\alpha_c$), tham số dạng $m$ và tham số cháy hoàn toàn $a = 6,9$.

2. Động học hình thành phát thải NOx được tính toán dựa trên cơ chế phản ứng nào?
Phát thải NOx được tính toán dựa trên cơ chế động học 6 phản ứng nhiệt Zeldovich mở rộng do Pattas và Hafner phát triển, tính toán thông qua nồng độ cân bằng của các chất phản ứng ($N_2, O, O_2, N, OH, N_2O$) và được hiệu chỉnh bằng hai hệ số $C_{PostProcMult}$ và $C_{KineticMult}$.

3. Mô hình tính toán truyền nhiệt qua vách buồng cháy áp dụng công thức thực nghiệm nào?
Tổn thất nhiệt qua vách buồng cháy được tính toán bằng mô hình truyền nhiệt Woschni (1978), phân biệt hệ số thực nghiệm giữa động cơ phun trực tiếp ($C_2 = 0,00324$) và phun gián tiếp ($C_2 = 0,00622$), kết hợp vận tốc piston trung bình và vận tốc xoáy lốc của môi chất $n_d = 8,5n$.

4. Ma trận các chế độ vận hành động cơ được thiết lập để chạy mô phỏng gồm những thông số nào?
Mô hình được chạy mô phỏng qua 9 chế độ làm việc kết hợp giữa 3 dải tốc độ động cơ (500 rpm, 1000 rpm, 2000 rpm) và 3 cấp mô-men xoắn tải trọng (600 Nm, 1200 Nm, 1800 Nm).

5. Theo dữ liệu trích dẫn trong văn bản, việc bổ sung hydro mang lại những lợi ích định lượng nào về hiệu suất và phát thải?
Việc ứng dụng hydro giúp hiệu suất nhiệt có ích (BTE) đạt 40–45%, tăng công suất động cơ lên đến 15%, tiết kiệm 15–30% nhiên liệu, giảm trên 99,7% phát thải $CO_2$, giảm 18–25% CO, triệt tiêu muội than và có thể đưa mức phát thải NOx về ngưỡng 30–40 ppm khi vận hành ở hệ số dư lượng không khí $\lambda \ge 2,1$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thanh Ngọc và Nguyễn Ngọc Sỹ thuộc ngành Kỹ thuật Ô tô đã nghiên cứu ứng dụng thành công phần mềm AVL CRUISE M để mô phỏng động cơ diesel hoạt động theo chiến lược nhiên liệu kép diesel – hydro. Đề tài đã xây dựng hoàn chỉnh mô hình tính toán nhiệt động lực học, áp dụng chính xác các mô hình truyền nhiệt Woschni cùng mô hình phát thải Zeldovich và Onorati để phân tích chi tiết diễn biến áp suất, nhiệt độ và các thành phần khí xả qua 9 chế độ tải trọng và tốc độ khác nhau. Kết quả nghiên cứu khẳng định tiềm năng lớn của hydro trong việc cải thiện hiệu suất nhiệt và cắt giảm phát thải khí nhà kính, đồng thời cung cấp một quy trình mô phỏng tham khảo tin cậy cho các nghiên cứu chuyển đổi năng lượng xanh trên phương tiện giao thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ENGINEERING FACULTY OF INTERNATIONAL EDUCATION GRADUATION PROJECT APPLICATION AVL CRUISE M FOR SIMULATION OF HYDROGEN FUEL IN DIESEL ENGINES NGUYỄN THANH NGỌC Student ID: 21145596 NGUYỄN NGỌC SỸ Student ID: 21145906 Major: AUTOMOTIVE ENGINEERING Supervisor: Assoc. Ho Chi Minh City, December 2025 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ENGINEERING FACULTY OF INTERNATIONAL EDUCATION GRADUATION PROJECT APPLICATION AVL CRUISE M FOR SIMULATION OF HYDROGEN FUEL IN DIESEL ENGINES NGUYỄN THANH NGỌC Student ID: 21145596 NGUYỄN NGỌC SỸ Student ID: 21145906 Major: AUTOMOTIVE ENGINEERING Supervisor: Assoc. Ho Chi Minh City, December 2025 ACKNOWLEDGMENTS First and foremost, we wish to extend my deepest and most sincere gratitude to Assoc. from the faculty of vehicle and energy engineering.

We were incredibly fortunate to have him as our mentor; his dedicated mentorship, profound expertise, and invaluable insights were the guiding lights throughout the entire duration of this project. His consistent support was not only pivotal in navigating complex technical challenges but also instrumental in refining our critical thinking and ensuring the project's successful completion. We are truly grateful for the time and patience he invested in our development. In addition, we are deeply indebted to the esteemed professors and faculty members of Ho Chi Minh City University of Technology and Education.

Beyond the classroom, their profound knowledge, pedagogical excellence, and passion for their respective fields have provided us with the essential tools and a robust academic foundation. The intellectual environment fostered by the university has been a significant catalyst for our growth, both as a student and as an aspiring professional. Lastly, while we have strived for excellence and meticulousness in every aspect of this work, we recognize that it may still contain certain shortcomings or limitations. We sincerely welcome all constructive criticism and feedback from our instructors and examiners.

We view these insights not as mere corrections, but as a vital means to further enhance our professional competence, broaden our perspective, and better prepare for our future contributions to the field. Thank you sincerely! Nguyễn Thanh Ngọc Nguyễn Ngọc Sỹ vi TABLE OF CONTENTS ACKNOWLEDGMENTS. vi TABLE OF CONTENTS. vii LIST OF FIGURES.

x LIST OF TABLES. xiv LIST OF ABBREVIATIONS. xv CHAPTER 1: OVERVIEWS OF THE TOPIC. Reason for Topic Selection.

Objectives and research tasks. Research object and research cope. 4 CHAPTER 2: THEORETICAL BACKGROUND. Overview of hydrogen fuel.

Characteristics of hydrogen fuel. Advantages and disadvantages. Current Status and Urgency of Hydrogen Fuel Research and Use. Current Situation of Hydrogen Fuel Production and Utilization.

Current Deployment of Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicles. Overview of hydrogen-fueled in internal combustion engines. Hydrogen-fueled internal combustion engines. Internal combustion engine using hydrogen mixed with fossil fuels.

19 CHAPTER 3: SIMULATION STUDY OF HYDROGEN-FUELED INTERNAL COMBUSTION ENGINE USING AVL CRUISE M SOFTWARE. Introduction of AVL Cruise M software. Theoretical Basis for Calculations in AVL Cruise M Software. Port Mass Flow.

Heat Transfer Model. Intake air system. Exhaust Gas Recirculation (EGR). Exhaust air system.

Set up Parameters and Case data. 63 CHAPTER 4: SIMULATION RESULTS AND DISCUSSIONS. Results and discussions. Temperature and Pressure.

84 CHAPTER 5: CONCLUSION AND FUTURE DEVELOPMENT. Future Research Directions. 89 ix LIST OF FIGURES Figure 1.1: Estimated National Average Vehicle Emissions Rates per Vehicle Using Diesel .2: Energy consumption by source in the world (1994 – 2024) .1: Production of hydrogen.2: Global natural gas consumption in 2024 .3: Greenhouse gas emissions over 100-year timescale .4: Number of vehicles in Hanoi .5: Hydrogen production, storage, transportation and utilization .6: Fuel Cell Vehicle Market size 2026 to 2035 .9: The Honda CR-V e:FCEV 2025 .10: Mercedes-Benz GLC F-CELL model X253 .11: Nikola Tre FCEV 2023 .12: New Flyer Xcelsior CHARGE H2 .13: High-pressure hydrogen internal combustion engine diagram .14: Liquid Hydrogen Internal Combustion Engine .2: The complete interface of AVL Cruise M .3: Energy Balance of the Combustion Chamber .4: Approximation of a Measured Heat Release .5: Influence of Shape Parameter "m" .6: Inner Valve Seat Diameter .7: The relationship between the air-fuel mixture ratio and the amount of pollutants produced.8: Model CAR H2 in AVL Cruise .10:Components inside Cylinder 1 .11: Valve lift table of intake valve .12: Valve lift table of exhaust valve .13: Properties of Combustion Chamber .14: Intake Boundary component .15: Properties of intake boundary .16: Air cleaner subsystem .17: Properties of Air cleaner .18: Properties of Outlet volume in air cleaner subsystem .20: Properties of Intercooler core.21: Intake Manifold Restriction component .22:Properties of Intake Manifold Restriction .23: Intake manifold component .24: Properties of Intake manifold.25: Water tank and MFC components .26: Properties of MFC .28: Component inside Turbocharger .30: Exhaust Manifold component .31: Properties of Exhaust Manifold .32: Component of Exhaust Volume .33: Properties of Exhaust Flap Volume .34: Exhaust Valve component .35: Properties of Exhaust Valve .36: Components in EAS .37: Properties of Catalyst .38: Properties of EAS Plenum .39: Exhaust Boundary component .40: Properties of Exhaust Boundary .42: Properties of Crankshaft .44: Properties of Flange .45: Mechanical Consumer component .46: Properties of Mechanical consumer .47: Subsystem Operation mode .50: Different cases for running the simulation.51: An completed single calculation for a case .52: Result main window .1: CO Mass at 500 rpm and 600 Nm .2: CO Mass at 2000 rpm and 1200 Nm .3: CO Mass at 2000 rpm and 600 Nm .4: CO Mass at 1000 rpm and 1800 Nm .5: CO Mass at 1000 rpm and 1200 Nm .6: CO Mass at 1000 rpm and 600Nm .7: CO Mass at 500 rpm and 1200 Nm .8: CO Mass at 500 rpm and 1800 Nm .9: CO Mass at 2000 rpm and 1800 Nm .10: NOx Mass at 500 rpm and 600 Nm .11: NOx Mass at 2000 rpm and 600 Nm .12: NOx Mass at 1000 rpm and 1800 Nm .13: NOx Mass at 1000 rpm and 1200 Nm .14: NOx Mass at 1000 rpm and 600 Nm .15: NOx Mass at 2000 rpm and 1200 Nm .16: NOx Mass at 500 rpm and 1200 Nm .17: NOx Mass at 500 rpm and 1800 Nm .18: NOx Mass at 2000 rpm and 1800 Nm .19: Temperature of the cylinder .20: Pressure of the cylinder .21: Soot Mass at 1000 rpm 600 N.22: Soot Mass at 1000 rpm 1200 N.23: Soot Mass at 1000 rpm 1800 N.24: Soot Mass at 500 rpm 600 N.25: Soot Mass at 2000 rpm 600 N.26: Soot Mass at 500 rpm 1200 N.27: Soot Mass at 500 rpm 1800 N.28: Soot Mass at 2000 rpm 1200 N.29: Soot Mass at 2000 rpm 1800 N. 83 xiii LIST OF TABLES Table 2.1: The properties of Hydrogen and Diesel .1: Coefficient of Heat Transfer Equation at Intake and Exhaust Ports .2:Chemical Reactions for Nox Emission Formation .3: Chemical Reactions for CO Emission Formation .1: Peak of CO emissions by mass (kg) .2: Peak of NOx emissions by mass (kg) .3: Peak of soot emissions by mass (kg).

83 xiv LIST OF ABBREVIATIONS ABBREVIATION EXPLAINATION ABDC After Bottom Dead Center ATDC After Top Dead Center AVL CRUISE M Simulation Software BBDC Before Bottom Dead Center BDC Bottom Dead Center BEVs Battery Electric Vehicles BTDC Before Top Dead Center CI Compression-Ignition DI Direct Injection EAS Exhaust After treatment System EGR Exhaust Gas Recirculation FCEVs Fuel Cell Electric Vehicles FID Final Investment Decisions FTP Federal Test Procedure GSO General Statistics Office HICEVs Hydrogen Internal Combustion Engine Vehicles HiL Hardware-In-The-Loop ICE Internal Combustion Engine IDI Indirect Injection LAV Lambda Value MFC Mass Flow Connection Mt Million Tons Mtpa Million Tons Per Annum xv NEDC New European Driving Cycle NZE Net Zero Emissions PID Proportional-Integral-Derivative SI Spark-Ignition SMR Steam-Methane Reforming SOHC Single Overhead Camshaft SUV Sport Utility Vehicle TDC Top Dead Center UHC Unburned Hydrocarbons WLTC Worldwide Harmonized Light Vehicles Test xvi CHAPTER 1:OVERVIEWS OF THE TOPIC 1. Reason for Topic Selection The environment plays a crucial role in determining the quality of human life as well as the sustainable development of socio-economic systems. In the process of industrialization and urbanization, human activities have increasingly exerted significant pressure on the natural environment, particularly in the form of air pollution in urban areas. Consequently, environmental protection and the control of pollutant emission sources have become urgent global concerns.1: Estimated National Average Vehicle Emissions Rates per Vehicle Using Diesel [1] The global energy landscape remains stubbornly tethered to fossil fuels, which have consistently accounted for approximately 80% of total consumption since 1994.

Despite a global rush to expand renewable infrastructure to combat climate change and resource scarcity, this "green surge" has yet to fundamentally shift the energy balance. The core of the challenge lies in a persistent paradox: the exponential growth in global energy demand continues to outpace the deployment of sustainable alternatives, effectively neutralizing the gains made by the energy transition.2: Energy consumption by source in the world (1994 – 2024) [2] In response, a comprehensive strategy is being adopted to decelerate the depletion of these finite reserves. This includes prioritizing energy efficiency to reduce the fuel intensity of economic growth and scaling up solar, wind, and nuclear capacities to displace conventional coal and gas power. Additionally, the transition toward electric mobility and the adoption of circular economy principles are vital to curbing petroleum dependency.

Combining these efforts is not merely a matter of environmental conservation, but a strategic necessity to extend the lifespan of existing resources while building a resilient energy future. In recent years, air pollution in major cities has shown a rising trend, posing serious risks to public health and ecological systems. One of the primary contributors to this issue is exhaust emissions from road transportation vehicles powered by internal combustion engines. The rapid growth in the number of vehicles, especially in densely populated urban areas, has led to increased concentrations of air pollutants such as particulate matter, carbon monoxide, nitrogen oxides, and volatile organic compounds, often exceeding permissible limits.

Although internal combustion engines play a vital role in economic development and in meeting transportation demands, the continued reliance on conventional fossil fuels has resulted in considerable environmental consequences. In Vietnam, traffic- related air pollution is particularly evident in large metropolitan areas such as Hanoi 2 and Ho Chi Minh City, where high vehicle density, limited transportation infrastructure, and strong dependence on fossil fuels exacerbate the problem. Under these circumstances, research into solutions aimed at reducing harmful emissions from internal combustion engines has become essential. Among various approaches, the use of hydrogen as an alternative or supplementary fuel for internal combustion engines has attracted significant attention due to its clean combustion characteristics, zero carbon dioxide emissions at the point of use, and abundant availability.

The application of hydrogen fuel in internal combustion engines not only contributes to emission reduction but also aligns with the global trend toward sustainable energy development. In parallel, advances in simulation tools have enabled efficient analysis and evaluation of engine performance without exclusive reliance on costly and time- consuming experimental testing. In this context, AVL CRUISE M provides a system- level modeling and simulation environment for internal combustion engines, allowing the investigation of the effects of hydrogen fuel utilization on engine performance and operational characteristics. Based on the aforementioned considerations, this study selects the topic “Application AVL Cruise M for simulation of hydrogen fuel in diesel engines”, with the objective of modeling and simulating internal combustion engines fueled by hydrogen, thereby assessing the potential of hydrogen fuel in reducing emissions and improving energy efficiency in transportation applications.

Objectives and research tasks 1. Objectives The objective of this study is to investigate the theoretical fundamentals of internal combustion engines and subsequently explore the transition toward the use of hydrogen as a fuel. Based on this theoretical foundation, the AVL CRUISE™ M software is applied to model and simulate an internal combustion engine operating with hydrogen fuel.