Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng về số lượng và chủng loại phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là phương tiện cá nhân, tạo ra áp lực lớn đối với an ninh năng lượng toàn cầu và làm gia tăng phát thải khí nhà kính gây biến đổi khí hậu. Tại Việt Nam, xe gắn máy là phương tiện giao thông cá nhân chủ đạo với mật độ trung bình hai người dân sở hữu một xe gắn máy. Số lượng xe máy tăng từ 1,2 triệu chiếc năm 1990 lên hơn 58 triệu chiếc năm 2018, tập trung nhiều nhất tại Thành phố Hồ Chí Minh (khoảng 8,5 triệu chiếc) và Hà Nội (gần 6 triệu chiếc). Khí thải từ xe gắn máy làm suy giảm chất lượng không khí đô thị và tăng nồng độ $\text{CO}_2$. Trong khi các công nghệ giảm phát thải và nâng cao hiệu quả cháy đã được áp dụng rộng rãi trên ô tô, xe gắn máy hầu như chưa nhận được nhiều cải tiến kỹ thuật tương đương.

Nhằm đáp ứng các quy định kiểm soát khí thải (tiêu chuẩn Euro 3 đối với xe mô tô hai bánh sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới từ tháng 01/2017 theo lộ trình của Chính phủ), việc nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu thay thế và tái tạo cho xe gắn máy là hướng đi cần thiết. Trong các nguồn nhiên liệu thay thế:

  • Khí nén thiên nhiên (CNG) giúp giảm phát thải $\text{HC}$ và $\text{CO}$ tương ứng 92% và 78% so với xăng, nhưng bình chứa cồng kềnh ở áp suất cao gây cản trở khi lắp đặt trên xe gắn máy.
  • Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) có áp suất hóa lỏng thấp (khoảng 7 bar), mức phát thải $\text{NO}_x$ và $\text{CO}$ thấp hơn xăng lần lượt 20% và 60%, giải quyết được nhược điểm về bình chứa của CNG. Tuy nhiên, LPG vẫn là nhiên liệu hóa thạch tạo ra $\text{CO}_2$.
  • Ethanol ($\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$) là nhiên liệu tái tạo có chỉ số octane cao, chứa 34,7% oxygen theo khối lượng giúp quá trình cháy sạch hơn và không làm gia tăng ròng khí nhà kính. Nhược điểm của ethanol là nhiệt ẩn hóa hơi lớn ($840\text{ kJ/kg}$), gây khó khăn cho việc bay hơi khi khởi động nguội hoặc ở nhiệt độ môi trường thấp.

Việc kết hợp LPG (thể khí khi nạp) và ethanol (thể lỏng) tận dụng được ưu điểm chống kích nổ, giảm phát thải ô nhiễm và trung hòa phát thải carbon. Do hai nhiên liệu này có trạng thái vật lý khác nhau ở điều kiện khí quyển, hệ thống cung cấp nhiên liệu đòi hỏi cấu hình kỹ thuật phức tạp. Các công trình nghiên cứu phối hợp đồng thời LPG và ethanol trên động cơ xe gắn máy còn rất hạn chế. Luận án "Nâng cao tính năng kinh tế-kỹ thuật và giảm mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ xe gắn máy chạy bằng LPG và ethanol" do nghiên cứu sinh Bùi Văn Tấn thực hiện (tháng 11 năm 2021) giải quyết khoảng trống công nghệ cung cấp và điều khiển quá trình cháy của tổ hợp nhiên liệu lỏng/khí này.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Mục tiêu tổng quát: Tận dụng tối đa lợi thế của LPG và ethanol làm nhiên liệu cho xe gắn máy nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải các chất ô nhiễm và $\text{CO}_2$.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Cải tạo hệ thống phun xăng của xe gắn máy thành hệ thống cung cấp nhiên liệu lỏng/khí ethanol/LPG với thành phần nhiên liệu có thể thay đổi linh hoạt theo chế độ vận hành của động cơ, hạn chế thay đổi kết cấu của động cơ nguyên thủy.
    • Tính toán mô phỏng và so sánh với thực nghiệm về ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ chạy bằng LPG-ethanol để định hướng phát triển hệ thống điều khiển động cơ tối ưu.
    • Xây dựng nền tảng kỹ thuật ban đầu để tiếp tục nghiên cứu phát triển công nghệ, tiến tới nâng cấp dòng động cơ xe gắn máy thế hệ mới chạy bằng nhiên liệu thay thế-tái tạo, góp phần giảm phát thải các chất ô nhiễm và chất khí gây hiệu ứng nhà kính, đa dạng nguồn nhiên liệu sử dụng cho xe máy.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ J52C lắp trên xe gắn máy Honda RSX 110cc (loại 1 xi lanh, 4 kỳ, hệ thống phun xăng điện tử PGM-FI), được chuyển đổi sang sử dụng hai loại nhiên liệu riêng rẽ LPG và ethanol.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về lý thuyết: Thiết lập hệ phương trình thủy khí động lực học cho dòng chảy phản ứng cháy rối; áp dụng mô hình rối $k\text{-}\varepsilon$, mô hình thành phần hỗn hợp $f$, hàm mật độ xác suất (PDF) và mô hình hóa phát thải $\text{NO}_x$, $\text{CO}$, $\text{HC}$, bồ hóng.
    • Về mô phỏng: Ứng dụng phần mềm Ansys Fluent tính toán quá trình nạp riêng rẽ, quá trình bay hơi hạt lỏng ethanol, quá trình cháy và phát thải ở các chế độ vận hành (tốc độ từ $3000\text{ đến }7000\text{ vg/ph}$, các góc mở bướm ga toàn tải $\text{BG0}$ và tải cục bộ $\text{BG45}$, góc đánh lửa sớm $\varphi_s$, tỷ lệ ethanol $\text{ExL}$).
    • Về thực nghiệm: Chế tạo mạch điều khiển bổ sung (ICU) giao tiếp vi điều khiển Arduino với ECM nguyên bản; cải tạo cổ hút lắp thêm vòi phun thứ hai; đo đạc kiểm chứng công suất, tiêu hao nhiên liệu và nồng độ khí xả trên thiết bị MGT5 tại băng thử tải có phanh điện và thử nghiệm chạy xe trên đường thực tế.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước trong nước và quốc tế

Tác giả hệ thống hóa các nhóm nghiên cứu liên quan đến việc ứng dụng nhiên liệu sinh học, LPG và hỗn hợp nhiên liệu trên động cơ đốt trong:

  1. Tổng quan về tiêu thụ năng lượng và nhiên liệu sinh học:
    • Theo Hiệp hội các nhà sản xuất ô tô quốc tế (OICA), năm 2015 thế giới có 1,282 tỷ ô tô lưu hành. Báo cáo của Hội đồng Năng lượng Thế giới (WEC), Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng Anh (UKERC) và HSBC dự báo nguồn dầu mỏ sẽ cạn kiệt sau khoảng 40 năm tính từ mức khai thác 100 triệu thùng/ngày hiện tại.
    • Tại Việt Nam, Quyết định số 177/2007/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ đã định hướng lộ trình áp dụng xăng sinh học E5 và E10. Văn bản tổng hợp năng lực của 5 nhà máy sản xuất ethanol trong nước:
Nhà máy Chủ đầu tư Đối tác Công suất thiết kế ($\text{m}^3/\text{năm}$) Tổng vốn đầu tư
Ethanol Bình Phước PVOil, TTNE, Licogi 16 Ấn Độ 100.000 2.000 tỷ đồng
Ethanol Dung Quất PVOil, Petrosetco, BSR Hoa Kỳ 100.000 2.258 tỷ đồng
Ethanol Phú Thọ PVOil, Motor N.A, SeABank Hoa Kỳ 100.000 2.485 tỷ đồng
Ethanol Đồng Xanh Công ty CP Đồng Xanh Trung Quốc 100.000 575 tỷ đồng
Ethanol Tùng Lâm Công ty TNHH Tùng Lâm Trung Quốc 60.000 928 tỷ đồng

  1. Nghiên cứu ứng dụng LPG:

    • Hồ Tấn Quyền (2005) tại Đại học Đà Nẵng lắp đặt hệ thống LPG dùng bộ chế hòa khí cho ô tô Daihatsu và xe gắn máy, ghi nhận mức phát thải $\text{HC}$ bằng 60% và $\text{CO}$ bằng 10% so với dùng xăng.
    • Nhóm nghiên cứu GATEC (Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng) cải tạo bộ chế hòa khí hai nhiên liệu LPG/xăng trên xe máy Wave 110cc, cho thấy nồng độ $\text{CO}$ và $\text{HC}$ giảm từ 30% đến 80% (nồng độ $\text{CO}$ chỉ bằng 25%, $\text{HC}$ bằng 50% so với xăng), mức tiêu hao đạt $1\text{ kg LPG}/110\text{ km}$.
    • Trung tâm nghiên cứu bảo vệ môi trường – Đại học Đà Nẵng (2008) cải tạo hệ thống xăng/LPG song song cho xe taxi Toyota Innova và Vios tại Đà Nẵng.

  2. Nghiên cứu ứng dụng ethanol trên động cơ xăng:

    • Abdel Rahman và cs., cùng Celik và cs., xác định công suất chỉ thị cực đại đạt được ở các tỷ số nén lần lượt là 8, 10 và 12 đối với nhiên liệu E10, E20 và E30.
    • Paolo Iodice và cs. chứng minh việc phun ethanol hỗ trợ giảm phát thải ở chế độ khởi động nguội.
    • Khuong và cs. chỉ ra rằng nhiên liệu E6 làm giảm độ nhớt của dầu bôi trơn khoảng 30%, đòi hỏi điều chỉnh tính kiềm của dầu nhờn.

  3. Nghiên cứu kết hợp LPG và ethanol:

    • Deshmukh và cs. thử nghiệm thực nghiệm trên động cơ SI với tỷ lệ phối trộn 5%, 10%, 15%, 20%, 25% ethanol theo thể tích. Kết quả: hỗn hợp 10% ethanol cho mức phát thải $\text{CO}$, $\text{CO}_2$, $\text{NO}_x$, $\text{HC}$ thấp nhất ở mọi tốc độ vòng tua; hỗn hợp 25% ethanol giảm $\text{CO}$ sâu nhất.
    • Alexander và Porpatham thử nghiệm trên động cơ SI 1 xi lanh, tỷ số nén 10,5 dùng bộ chế hòa khí cấp hỗn hợp LPG-ethanol (5%, 10%, 20% thể tích) ở $1500\text{ vg/ph}$; hỗn hợp 10% ethanol đạt hiệu suất có ích cực đại 28,5% ở hệ số tương đương $\phi = 0,7$.
    • Warade và Lamankar khảo sát động cơ SI 4 thì dùng bộ tạo hỗn hợp đơn giản chạy LPG-ethanol, ghi nhận hiệu suất có ích tăng, $\text{CO}$ và $\text{HC}$ giảm, trong khi $\text{NO}_x$ tăng khi tăng hàm lượng ethanol.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn

Các công trình trước đây chủ yếu dừng lại ở việc dùng bộ chế hòa khí cơ khí hoặc thiết bị hòa trộn đơn giản, không kiểm soát được quá trình hình thành hòa khí tối ưu cho từng chế độ tải và tốc độ vòng tua khác nhau. Luận án khắc phục hạn chế này bằng cách phát triển hệ thống phun điện tử kép riêng rẽ (vòi phun LPG khí và vòi phun ethanol lỏng) được điều khiển linh hoạt qua bộ vi xử lý kết nối ECM, kết hợp mô phỏng 3D CFD chi tiết quá trình nạp - cháy của hai pha nhiên liệu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Quá trình chuyển động và phản ứng cháy của dòng khí nạp và nhiên liệu trong xi lanh được mô tả bằng hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds/Favre, gồm:

  • Phương trình liên tục: $$\frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \vec{U}) = S_m$$
  • Phương trình bảo toàn động lượng: $$\frac{\partial (\rho \vec{U})}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \vec{U} \vec{U}) = -\nabla p + \nabla \cdot \overline{\bar{\tau}} + \rho \vec{g} + \vec{F}$$
  • Phương trình bảo toàn Enthalpy và phương trình nhiệt độ: $$\frac{\partial (\rho h)}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \vec{U} h) = \nabla \cdot \left(\frac{k_t}{c_p} \nabla h\right) + S_h$$
  • Phương trình bảo toàn phần tử và mô hình rối $k\text{-}\varepsilon$ tiêu chuẩn: bổ sung hai phương trình truyền cho động năng rối $k$ và tốc độ tiêu tán năng lượng rối $\varepsilon$, khép kín qua độ nhớt rối $\mu_t = \rho C_\mu \frac{k^2}{\varepsilon}$.

Mô hình hóa quá trình cháy không hòa trộn trước và hòa trộn trước cục bộ dựa trên phương pháp thành phần hỗn hợp $f$: $$f = \frac{Z_i - Z_{i,\text{ox}}}{Z_{i,\text{fuel}} - Z_{i,\text{ox}}}$$ Trong đó, $f$ là đại lượng bảo toàn được giải thông qua phương trình trung bình Favre $\tilde{f}$ và phương sai $\widetilde{f'^2}$. Để xác định nồng độ các chất trung gian, nhiệt độ và khối lượng riêng tức thời, phần mềm sử dụng phương pháp hàm mật độ xác suất (PDF) với hai dạng hàm:

  • Hàm PDF delta kép (Double Delta PDF): áp dụng cho hệ thống hai dòng nhiên liệu, thời gian tính toán nhanh.
  • Hàm PDF dạng Beta ($\beta$-PDF): tính toán chính xác mức độ dao động nồng độ thực nghiệm.
  • Cơ chế phản ứng hóa học không cân bằng: mô hình ngọn lửa phẳng nhiều lớp (Steady/Unsteady Laminar Flamelet) và mô hình tiêu tán dòng xoáy rối (Eddy Dissipation Concept - EDC).

Tính chất lý hóa của các nhiên liệu nghiên cứu

Văn bản đưa ra số liệu so sánh đặc tính vật lý và hóa học giữa ethanol, xăng thương mại, propane và butane (Bảng 1.4 trong văn bản):

STT Tính chất nhiên liệu Ethanol Xăng Propane Butane
1 Công thức hóa học $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$ $\text{C}4\text{ đến }\text{C}{12}$ $\text{C}_3\text{H}_8$ $\text{C}4\text{H}{10}$
2 Khối lượng phân tử ($\text{g/mol}$) 46,07 105 44 58
3 Thành phần Carbon (% khối lượng) 52,2 88 82 83
4 Thành phần Hydrogen (% khối lượng) 13,1 12 ÷ 15 18 17
5 Thành phần Oxygen (% khối lượng) 34,7 2,7 0 0
6 Tỷ trọng chất lỏng ($\text{kg/m}^3$) 790 751 508 584
7 Điểm sôi (°C) 78 27 ÷ 225 -42 -0,5
8 Áp suất bay hơi ở 38°C ($\text{kPa}$) 15,9 48 ÷ 103 858,7 215,1
9 Nhiệt dung riêng ($\text{kJ}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$) 2,4 2,0 1,63 1,675
10 Nhiệt ẩn bay hơi ($\text{kJ/kg}$) 840 305 426 385
11 Nhiệt trị thấp ($\text{MJ/kg}$) 26 43 46,1 45,5
12 Nhiệt độ tự bốc cháy (°C) 423 257 480 440
13 Trị số octane (RON/MON) 108,6 98 111 103
14 Tỷ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết ($A/F$) 9,0 14,7 15,65 15,43
15 Tốc độ ngọn lửa tầng ($100\text{ kPa}, 325\text{ K}$) ($\text{cm/s}$) 39 33 38 37

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và trang thiết bị

  • Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập mô hình 3D đường nạp, xupáp và buồng cháy động cơ J52C trên Ansys Fluent. Khảo sát động học hạt sương ethanol, quá trình bốc hơi, phân bố trường nồng độ và các phản ứng tạo $\text{NO}_x$ (nhiệt), $\text{CO}$, $\text{HC}$, bồ hóng.
  • Phương pháp thực nghiệm:
    • Cải tạo đường nạp động cơ J52C: khoan bổ sung vị trí lắp đặt vòi phun khí LPG bên cạnh vòi phun ethanol.
    • Thiết kế bộ điều khiển trung gian ICU (sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino) tiếp nhận tín hiệu cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP), bướm ga (TPS), áp suất đường nạp (MAP), nhiệt độ dầu (EOT) từ ECM nguyên bản để tính toán phát xung điều khiển thời gian phun độc lập $t_{p\text{-LPG}}$ và $t_{p\text{-Etha}}$.
    • Lắp đặt động cơ lên bệ thử tạo tải sử dụng phanh điện, cảm biến lực Loadcell, cảm biến góc quay encoder tương đối, động cơ servo điều khiển bướm ga.
    • Sử dụng thiết bị phân tích khí xả MGT5 đo nồng độ $\text{CO}$ (%), $\text{CO}_2$ (%), $\text{HC}$ ($\text{ppm}$), $\text{NO}_x$ ($\text{ppm}$) và $\text{O}_2$ (%).
    • Chạy thử nghiệm đường thực tế để đo mức tiêu hao nhiên liệu trên quãng đường di chuyển.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU LPG-ETHANOL CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Chương 1 trình bày tổng quan về năng lượng hóa thạch, tiềm năng của nhiên liệu sinh học trên thế giới và tại Việt Nam. Chương này phân tích chi tiết đặc tính kỹ thuật của các phương pháp tạo hòa khí LPG/không khí (Bảng 1.2 trong văn bản):

  • Bộ chế hòa khí cơ khí: Chất lượng hỗn hợp tốt, mức nạp đầy khá, thích ứng tăng áp trung bình, chất lượng hòa trộn tốt, khả năng giảm kích nổ trung bình.
  • Phun hơi LPG cơ khí: Mức nạp đầy tốt, thích ứng tăng áp tốt, khả năng giảm kích nổ kém.
  • Phun hơi LPG điện tử: Chất lượng hỗn hợp rất tốt, mức nạp đầy tốt, thích ứng tăng áp tốt, chất lượng hòa trộn rất tốt, khả năng giảm kích nổ kém.
  • Phun LPG lỏng: Cho chất lượng hỗn hợp, mức nạp đầy, khả năng thích ứng tăng áp và khả năng giảm kích nổ đều đạt mức rất tốt.

Phần tổng quan về ethanol khẳng định các ưu điểm: chỉ số octane cao ($108,6$), chứa $34,7%$ oxygen giúp ngọn lửa lan truyền nhanh ($39\text{ cm/s}$ so với $33\text{ cm/s}$ của xăng), nâng cao giới hạn chống kích nổ cho phép tăng tỷ số nén của động cơ SI lên $10 \div 12,78$. Tuy nhiên, nhiệt ẩn hóa hơi cao ($840\text{ kJ/kg}$) đòi hỏi phải bổ sung nhiệt khí nạp hoặc hỗ trợ khởi động. Chương 1 kết luận việc phối hợp phun riêng rẽ LPG (dạng khí) và ethanol (dạng lỏng) là phương án kỹ thuật thích hợp để vừa tận dụng oxy nội tại của ethanol, vừa khắc phục tính bay hơi kém mà không làm giảm hệ số nạp.

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY

Chương 2 thiết lập cơ sở toán - lý cho dòng chảy phản ứng đa pha trong buồng cháy động cơ đốt trong:

  • Xây dựng hệ phương trình dòng chảy rối Navier-Stokes trung bình Favre bao gồm phương trình liên tục, động lượng, enthalpy, nhiệt độ và bảo toàn nồng độ các chất phần tử.
  • Áp dụng mô hình rối $k\text{-}\varepsilon$ với các hằng số tiêu chuẩn ($C_1 = 1,44; C_2 = 1,92; C_\mu = 0,09; \sigma_k = 1,0; \sigma_\varepsilon = 1,3$) để xác định độ nhớt rối $\mu_t$.
  • Trình bày lý thuyết thành phần hỗn hợp $f$ và mối liên hệ với hệ số tương đương $\phi$: $$f = \frac{\phi}{\phi + r}$$ với $r$ là tỷ lệ khối lượng không khí/nhiên liệu lý thuyết.
  • Ứng dụng hàm mật độ xác suất $p(f)$ (gồm mô hình Double Delta PDF cho hai dòng nhiên liệu và mô hình Beta PDF) để tính toán các giá trị trung bình về nhiệt độ, nồng độ khối lượng các chất $\tilde{Y}_i$ và khối lượng riêng $\bar{\rho}$ trong điều kiện cháy không cân bằng qua mô hình Laminar Flamelet và EDC.

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH NẠP, CHÁY VÀ PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ XE GẮN MÁY CHẠY BẰNG LPG-ETHANOL

Chương 3 sử dụng phần mềm Ansys Fluent để tính toán động cơ J52C (Honda RSX 110cc) với các nội dung và phát hiện chính:

  1. Quá trình nạp và bay hơi hạt sương ethanol:
    • Khảo sát mật độ hạt lỏng ($d_{pm}$) và tốc độ bay hơi ($E_v$) của các hỗn hợp ethanol-LPG (từ $\text{E15L}$ đến $\text{E30L}$) theo góc quay trục khuỷu tại các tốc độ $3000$, $5000$, $7000\text{ vg/ph}$.
    • Khi nhiệt độ khí nạp $T_{\text{nạp}}$ tăng từ $310\text{ K}$ lên $320\text{ K}$, tốc độ bay hơi của hạt sương ethanol tăng rõ rệt, mật độ hạt lỏng trong xi lanh ở kỳ nén giảm nhanh, giúp hỗn hợp hòa trộn đồng nhất hơn trước thời điểm đánh lửa.
    • Tại vị trí bướm ga toàn tải ($\text{BG0}$) và tải cục bộ ($\text{BG45}$), tác giả thiết lập quan hệ điều chỉnh thời gian phun $t_{p\text{-LPG}}$ và $t_{p\text{-Etha}}$ theo áp suất đường nạp để duy trì hệ số tương đương $\phi = 1$.
  2. Quá trình cháy:
    • Khảo sát ảnh hưởng của hệ số tương đương $\phi$ (từ hỗn hợp nghèo đến giàu), góc đánh lửa sớm $\varphi_s$ (khảo sát các góc $15^\circ, 20^\circ, 25^\circ, 28^\circ, 30^\circ\text{ TK}$), tốc độ động cơ ($n$) và hàm lượng ethanol ($\text{ExL}$).
    • Với hỗn hợp $\text{E30L}$ tại $n = 5000\text{ vg/ph}$, công chỉ thị chu trình $W_i$ và công suất có ích $P_e$ đạt giá trị cao nhất khi $\phi = 1$ và góc đánh lửa sớm tối ưu $\varphi_s = 20^\circ \div 25^\circ\text{ TK}$.
  3. Mô phỏng phát thải ô nhiễm:
    • Phát thải $\text{NO}_x$: Hình thành chủ yếu theo cơ chế nhiệt độ (Thermal $\text{NO}_x$). Khi tăng tỷ lệ ethanol ($\text{ExL}$), nhiệt ẩn bay hơi làm giảm nhiệt độ cháy cực đại trong buồng cháy, dẫn đến nồng độ $\text{NO}_x$ giảm đáng kể.
    • Phát thải $\text{CO}$ và $\text{HC}$: Phụ thuộc mạnh vào hệ số tương đương $\phi$. Khi $\phi < 1$ (hỗn hợp nghèo) hoặc $\phi = 1$, nồng độ $\text{CO}$ rất thấp; khi $\phi > 1$, $\text{CO}$ tăng nhanh do thiếu oxy. Hàm lượng ethanol tăng giúp cung cấp thêm oxy nội tại, làm giảm phát thải $\text{CO}$ và $\text{HC}$.
    • Bồ hóng ($f_v$): Nồng độ bồ hóng khi chạy hỗn hợp LPG-ethanol ($\text{E30L}$) thấp hơn nhiều so với khi chạy bằng $100%$ ethanol ($\text{E100L}$) tại các góc quay trục khuỷu sau điểm chết trên ($355^\circ\text{ TK}$ và $365^\circ\text{ TK}$).

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Chương 4 thực hiện chế tạo, đo đạc thực nghiệm và so sánh với mô phỏng:

  1. Cải tạo hệ thống nhiên liệu và chế tạo thiết bị:
    • Cải tạo họng nạp nguyên bản của xe Honda RSX 110cc Fi bằng cách gia công lỗ khoan lắp vòi phun khí LPG độc lập với vòi phun ethanol lỏng.
    • Thiết kế mạch vi điều khiển Arduino đóng vai trò khối ICU kết nối song song với ECM để nhận dạng xung đánh lửa/xung định thì và xuất tín hiệu điều khiển độ rộng xung phun độc lập $t_{p\text{-LPG}}$ và $t_{p\text{-Etha}}$.
    • Chế tạo bệ thử tải động cơ xe máy gồm cơ cấu phanh điện, cảm biến Loadcell đo mô men, cảm biến encoder tương đối đo tốc độ vòng tua, cơ cấu servo điều khiển góc mở bướm ga và khối điện trở tải cố định.
  2. Kết quả thử nghiệm chạy đường thực tế:
    • Đo quãng đường xe chạy được ứng với $1\text{ kg}$ nhiên liệu theo các tỷ lệ phối trộn ethanol/xăng và ethanol/LPG (Bảng 4.2 trong văn bản).
  3. Thử nghiệm trên bộ tạo tải và so sánh với kết quả mô phỏng:
    • Đánh giá trên thiết bị phân tích khí xả MGT5 ở các chế độ tốc độ vòng tua ($n = 4000\text{ vg/ph}$ và $n = 4500\text{ vg/ph}$), góc đánh lửa sớm $\varphi_s = 20^\circ\text{ TK}$ và $\varphi_s = 28^\circ\text{ TK}$, hệ số tương đương $\phi = 1$.
    • Khảo sát sự biến thiên từ $\text{E0L}$ (100% LPG) đến $\text{E40L}$ (40% ethanol + 60% LPG theo khối lượng):
      • Công suất có ích $P_e$: Kết quả thực nghiệm và mô phỏng có sự tương đồng cao về quy luật; công suất động cơ khi chạy bằng hỗn hợp LPG-ethanol tương đương với khi chạy bằng xăng truyền thống.
      • Nồng độ $\text{CO}$ và $\text{HC}$: Thực nghiệm xác nhận nồng độ $\text{CO}$ và $\text{HC}$ giảm dần khi tăng tỷ lệ ethanol từ $\text{E0L}$ đến $\text{E40L}$.
      • Nồng độ $\text{NO}_x$: Giảm nhẹ khi tăng tỷ lệ ethanol do nhiệt độ cháy giảm dưới tác động của nhiệt ẩn hóa hơi ethanol.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Thiết lập cơ sở lý thuyết và quy trình tính toán mô phỏng 3D CFD trên phần mềm Ansys Fluent cho động cơ xe gắn máy sử dụng đồng thời hai loại nhiên liệu khác nhau về trạng thái vật lý (nhiên liệu khí LPG và nhiên liệu lỏng ethanol).
  2. Làm sáng tỏ quy luật bay hơi của tia phun ethanol trong môi trường nạp có sự hiện diện của khí LPG, cùng các quy luật ảnh hưởng của hệ số tương đương $\phi$, góc đánh lửa sớm $\varphi_s$, tốc độ động cơ và hàm lượng ethanol ($\text{ExL}$) đến diễn biến áp suất chỉ thị trong xi lanh, tốc độ tỏa nhiệt (HRR), công suất có ích $P_e$ và cơ chế hình thành các chất ô nhiễm ($\text{NO}_x, \text{CO}, \text{HC}$, bồ hóng).

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và công nghệ

  1. Cải tạo thành công hệ thống phun xăng điện tử PGM-FI của động cơ J52C trên xe máy Honda RSX 110cc thành hệ thống cung cấp đa nhiên liệu linh hoạt LPG-ethanol bằng cách bổ sung vòi phun khí chuyên dụng và mạch điều khiển vi xử lý ICU kết nối ECM.
  2. Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh hệ thống băng thử tạo tải động cơ xe máy kết hợp phanh điện, cảm biến Loadcell và thiết bị phân tích khí xả MGT5, cho phép gá đặt động cơ trực tiếp không cần tháo rời để kiểm chứng số liệu mô phỏng.
  3. Cung cấp bộ thông số điều khiển thực nghiệm (thời gian phun, góc đánh lửa, tỷ lệ phối trộn tối ưu) làm tài liệu kỹ thuật cho việc phát triển các dòng xe gắn máy sử dụng nhiên liệu thay thế và nhiên liệu sinh học.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Luận án tập trung khảo sát trên đối tượng cụ thể là động cơ J52C dung tích 110cc của hãng Honda; quá trình thực nghiệm kiểm chứng trên băng thử tải được thực hiện ở một số chế độ vận hành xác định (tải cục bộ $\text{BG45}$, toàn tải $\text{BG0}$, tốc độ vòng tua từ $3000\text{ đến }7000\text{ vg/ph}$, dải tỷ lệ ethanol từ $\text{E0L}$ đến $\text{E40L}$).
  • Hướng phát triển: Tiếp tục hoàn thiện thuật toán điều khiển tự động của ECU/ICU để tự động thích ứng với mọi chế độ chuyển tiếp của động cơ trên đường thực tế; nghiên cứu tích hợp hệ thống sấy nóng đường nạp hỗ trợ bay hơi ethanol trong điều kiện thời tiết lạnh; phát triển ứng dụng trên các dòng động cơ xe gắn máy có dung tích xi lanh khác.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Động lực, Kỹ thuật Ô tô: Luận án là tài liệu tham khảo về phương pháp xây dựng mô hình CFD mô phỏng quá trình cháy đa nhiên liệu trên Ansys Fluent, cách thiết lập lưới động học, điều kiện biên và áp dụng hàm mật độ xác suất PDF trong động cơ đốt trong.
  • Đối với kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D): Cung cấp sơ đồ mạch vi điều khiển Arduino điều khiển vòi phun kép (khí/lỏng), thuật toán định thời gian phun theo áp suất đường nạp (MAP) và phương án cải tạo họng nạp trên hệ thống PGM-FI nguyên bản.
  • Đối với cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm về mức độ giảm phát thải ô nhiễm ($\text{CO}, \text{HC}, \text{NO}_x$) khi ứng dụng nhiên liệu sinh học kết hợp LPG, phục vụ xây dựng lộ trình tiêu chuẩn khí thải Euro và chiến lược đa dạng hóa nhiên liệu giao thông đường bộ.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lựa chọn kết hợp LPG và ethanol thay vì chỉ sử dụng từng loại nhiên liệu riêng lẻ?

LPG là nhiên liệu hóa thạch dạng khí có áp suất hóa lỏng thấp (khoảng 7 bar), giúp giảm phát thải $\text{CO}$ và $\text{NO}_x$ nhưng vẫn tạo ra $\text{CO}_2$. Ethanol là nhiên liệu tái tạo có chỉ số octane cao ($108,6$) và chứa $34,7%$ oxy giúp cháy sạch, nhưng có nhiệt ẩn hóa hơi rất lớn ($840\text{ kJ/kg}$) gây khó khởi động nguội. Việc phối hợp phun riêng rẽ LPG (thể khí) và ethanol (thể lỏng) giúp tận dụng oxy nội tại và khả năng chống kích nổ của ethanol để tăng công suất, đồng thời khí LPG không cản trở sự bay hơi của ethanol, tạo thành giải pháp nhiên liệu sạch và giảm phát thải $\text{CO}_2$.

2. Động cơ thử nghiệm trong luận án là loại nào và được cải tạo ra sao?

Đối tượng nghiên cứu là động cơ J52C trên xe gắn máy Honda RSX 110cc (1 xi lanh, 4 kỳ, phun xăng điện tử PGM-FI). Động cơ được cải tạo bằng cách gia công thêm vị trí trên họng nạp để lắp đặt vòi phun thứ hai dành cho nhiên liệu khí LPG bên cạnh vòi phun ethanol lỏng, kết hợp bổ sung mạch vi điều khiển Arduino (ICU) kết nối song song với ECM để điều khiển độ rộng xung phun độc lập.

3. Phương pháp mô phỏng số nào được sử dụng để khảo sát quá trình cháy và phát thải?

Tác giả sử dụng phần mềm CFD Ansys Fluent, giải hệ phương trình dòng chảy rối Navier-Stokes trung bình Favre với mô hình rối $k\text{-}\varepsilon$, mô hình thành phần hỗn hợp $f$, hàm mật độ xác suất (Double Delta PDF và Beta PDF) cùng các mô hình Laminar Flamelet và EDC để tính toán quá trình nạp, bay hơi hạt lỏng ethanol, diễn biến áp suất cháy và nồng độ các chất ô nhiễm ($\text{NO}_x, \text{CO}, \text{HC}$, bồ hóng).

4. Tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp LPG-ethanol ảnh hưởng như thế nào đến nồng độ phát thải $\text{NO}_x$ và $\text{CO}$?

Khi tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp:

  • Phát thải $\text{CO}$ giảm rõ rệt do ethanol mang theo $34,7%$ oxy nguyên tử trong cấu trúc phân tử, hỗ trợ quá trình cháy kiệt carbon thành $\text{CO}_2$.
  • Phát thải $\text{NO}_x$ giảm do nhiệt ẩn hóa hơi cao của ethanol ($840\text{ kJ/kg}$) hấp thu nhiệt lượng trong buồng cháy, làm giảm nhiệt độ cháy cực đại – yếu tố quyết định tốc độ hình thành $\text{NO}_x$ nhiệt.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Bùi Văn Tấn đã giải quyết trọn vẹn vấn đề ứng dụng đồng thời hai loại nhiên liệu có trạng thái vật lý khác nhau (LPG dạng khí và ethanol dạng lỏng) trên động cơ xe gắn máy Honda RSX 110cc. Bằng việc kết hợp phương pháp mô phỏng CFD 3D trên Ansys Fluent với thực nghiệm trên bệ thử tải tự chế tạo và thiết bị đo khí xả MGT5, công trình đã xác lập các quy luật nhiệt động lực học và phát thải của hỗn hợp nhiên liệu LPG-ethanol. Giải pháp cải tạo hệ thống phun PGM-FI kết hợp bộ điều khiển vi xử lý ICU mang lại tính khả thi cao trong thực tiễn, đóng góp cơ sở khoa học cho việc giảm thiểu phát thải ô nhiễm và đa dạng hóa nguồn năng lượng sạch cho phương tiện giao thông cá nhân tại Việt Nam.