Tổng quan luận án
Sự gia tăng số lượng phương tiện sử dụng động cơ đốt trong trên toàn cầu kéo theo hai thách thức lớn là ô nhiễm môi trường và an ninh năng lượng hóa thạch. Khí thiên nhiên nén (CNG) là nguồn nhiên liệu thay thế có trữ lượng lớn, nhiệt trị cao và khả năng giảm thiểu phát thải độc hại so với nhiên liệu gốc dầu mỏ. Tại Việt Nam, việc nhập khẩu xe buýt chạy CNG nguyên chiếc đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu cao, đồng thời hệ thống trạm nạp còn hạn chế. Do đó, giải pháp chuyển đổi các dòng động cơ diesel hiện có sang sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên mang lại hiệu quả kinh tế và tính ứng dụng thực tế.
Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định là: các nghiên cứu trong nước trước đây chủ yếu tập trung vào thử nghiệm trên động cơ xăng, hoặc sử dụng nhiên liệu kép (dual-fuel CNG/diesel) trên động cơ diesel mà chưa thay thế hoàn toàn nhiên liệu lỏng. Mặt khác, các nghiên cứu thực nghiệm hầu như chưa xem xét có hệ thống ảnh hưởng của thông số kết cấu buồng cháy (hình dạng đỉnh piston, tỷ số nén) đến động học dòng môi chất, thời gian cháy và phát thải của động cơ diesel chuyển đổi sang đánh lửa cưỡng bức dùng đơn nhiên liệu CNG.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án là phân tích, đánh giá ảnh hưởng của một số thông số kết cấu (tỷ số nén, hình dạng buồng cháy) đến thời gian cháy và phát thải của động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên chuyển đổi từ động cơ diesel nguyên bản.
Để đạt được mục tiêu này, luận án thực hiện năm nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:
- Nghiên cứu tổng quan tài liệu và các công trình khoa học liên quan để xác định cơ sở khoa học và định hướng nghiên cứu.
- Xây dựng cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng của tỷ số nén và hình dạng buồng cháy đến quá trình cháy, thời gian cháy và phát thải của động cơ khí thiên nhiên cấp trên đường ống nạp.
- Nghiên cứu mô phỏng chu trình công tác của động cơ sau chuyển đổi trên phần mềm chuyên dụng để dự báo các thông số làm việc và phát thải.
- Chuyển đổi động cơ diesel một xylanh S1100 thành động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên.
- Nghiên cứu thực nghiệm trên băng thử để đánh giá ảnh hưởng của các thông số kết cấu và vận hành đến đặc tính làm việc và khí thải của động cơ nghiên cứu.
Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel một xylanh S1100 (động cơ diesel truyền thống, bốn kỳ, một xylanh nằm ngang, không tăng áp, làm mát bằng nước, hai xúp-páp nạp/thải, buồng cháy thống nhất). Động cơ được cải tạo bằng cách tháo bỏ hệ thống nhiên liệu diesel, lắp đặt bugi đánh lửa tại vị trí vòi phun cũ trên nắp máy, lắp bướm ga và vòi phun khí CNG trên đường ống nạp.
Phạm vi nghiên cứu bao gồm nghiên cứu lý thuyết, tính toán mô phỏng và thử nghiệm thực tế tại Trung tâm nghiên cứu Động cơ, Nhiên liệu và Khí thải thuộc Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Nghiên cứu tập trung vào việc thay đổi tỷ số nén ($\varepsilon$) và kích thước hình học phần lõm đỉnh piston (đường kính $D_b$, độ sâu $H_b$) khi động cơ hoạt động với nhiên liệu Methane ($CH_4$).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tổng quan các nghiên cứu ngoài nước cho thấy việc ứng dụng CNG trên động cơ diesel được triển khai theo hai hướng chính:
- Hướng chuyển đổi sử dụng nhiên liệu kép (Dual Fuel): Ehsan và các cộng sự đã thử nghiệm cấp bổ sung CNG trên đường nạp của động cơ diesel cỡ nhỏ, kết quả cho thấy lượng CNG có thể thay thế tới 88% lượng diesel khi tải ngoài đạt 90%. Tuy nhiên, Lim Pei Li chỉ ra rằng khi tăng tỷ lệ CNG thay thế, hiện tượng tiếng gõ động cơ xuất hiện rõ rệt, do đó cần phải giảm tỷ số nén của động cơ gốc.
- Hướng chuyển đổi sang động cơ đánh lửa cưỡng bức (SI) sử dụng hoàn toàn CNG: Nhiều công trình đã gỡ bỏ hoàn toàn hệ thống phun diesel, cải tạo nắp máy để lắp bugi, lắp vòi phun khí trên đường nạp và giảm tỷ số nén của động cơ xuống $\varepsilon \approx 10$. Về mặt buồng cháy, Johansson và các cộng sự đã sử dụng kỹ thuật laser quang học khảo sát 10 dạng đỉnh piston khác nhau, chứng minh diện tích vùng squish và hình dạng đỉnh piston hình trụ hỗ trợ tốt cho quá trình cháy cưỡng bức của động cơ khí cỡ trung bình. Nhóm nghiên cứu Tanaji Balawant Shinde cũng kết luận sự cần thiết phải tối ưu hóa kết cấu đỉnh piston tương thích với vị trí lắp bugi và đường nạp.
Tại Việt Nam, các nghiên cứu về nhiên liệu khí đã được thực hiện bởi một số tác giả:
- Nguyễn Thành Trung (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) khảo sát chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG, ghi nhận công suất giảm khoảng 20%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 10%, phát thải CO giảm 80%, HC giảm 79%, NOx giảm 44% và CO2 giảm 29%.
- Phạm Hữu Tân nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ sang CNG bằng giải pháp sử dụng buồng đốt phụ kết hợp bugi đánh lửa, giúp giảm thiểu đáng kể nồng độ NOx.
- Trần Thanh Hải Tùng và nhóm cộng sự ứng dụng phần mềm Fluent để mô phỏng quá trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel trên động cơ Vikyno RV125-2.
- Bùi Văn Ga nghiên cứu các bộ phụ kiện chuyển đổi (như bộ hòa trộn GA5) để sử dụng LPG và biogas trên xe máy và động cơ xăng cỡ nhỏ, xử lý tạp chất nâng hàm lượng $CH_4$ từ 69,33% lên 88,09%.
Vị trí của luận án: Kế thừa các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước, luận án lựa chọn giải pháp chuyển đổi động cơ diesel một xylanh sang động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng hoàn toàn khí thiên nhiên. Luận án giải quyết khoảng trống về việc nghiên cứu có hệ thống ảnh hưởng đồng thời của tỷ số nén và các kích thước hình học buồng cháy đỉnh piston ($D_b, H_b$) đến quá trình tạo xoáy squish, cường độ rối, thời gian cháy và phát thải thông qua kết hợp mô phỏng 1D và thực nghiệm kiểm chứng.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án xây dựng cơ sở lý thuyết nhiệt động học và động học quá trình cháy trong không gian xylanh động cơ đốt cháy cưỡng bức theo chu trình Otto:
-
Các định luật nhiệt động cơ bản: Sử dụng phương trình bảo toàn khối lượng (phương trình liên tục) và định luật thứ nhất của nhiệt động học cho hệ kín trong giai đoạn từ khi đóng các xúp-páp đến trước khi mở xúp-páp thải: $$Q_c - Q_h = \Delta U + W$$ Trong đó $Q_c$ là nhiệt lượng giải phóng từ nhiên liệu, $Q_h$ là nhiệt lượng truyền qua thành buồng cháy, $\Delta U$ là độ biến thiên nội năng và $W$ là công cơ học.
-
Mô hình cháy không chiều (Zero-dimensional): Dẫn xuất phương trình vi phân tốc độ giải phóng nhiệt thực ($dQ_n/d\varphi$) và mô hình xác định hệ số khối lượng nhiên liệu đã cháy ($MFB$) theo góc quay trục khuỷu ($\varphi$): $$MFB(\varphi) = \frac{\int_{SOC}^{\varphi} \frac{dQ_{gen}}{d\varphi} d\varphi}{m_{f,total} \cdot \eta_{comb} \cdot Q_{LHV}}$$
-
Mô hình cháy Fractal: Được áp dụng để dự báo tốc độ lan truyền màng lửa và tốc độ giải phóng nhiệt cho hỗn hợp đồng nhất. Mô hình phân chia diện tích màng lửa thành diện tích cháy tầng ổn định ($A_L$) và diện tích cháy rối khuếch tán ($A_T$), tính toán kích thước phân dạng $D_3$ dựa trên tỷ số giữa cường độ rối $u'$ và vận tốc cháy tầng $S_L$, thang đo Kolmogorov ($L_k$) và tỷ lệ độ dài thành phần ($L_I$). Đồng thời, mô hình tích hợp phương trình suy giảm cháy sát vách (wall combustion).
-
Mô hình kích nổ và trị số Ốc-tan yêu cầu (ON): Phân tích điều kiện xuất hiện tự bốc cháy của phần hòa khí cuối màng lửa dưới ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ nén.
-
Mô hình truyền nhiệt: Áp dụng mô hình truyền nhiệt Woschni 1978 để xác định hệ số truyền nhiệt qua nắp máy, piston và thành xylanh.
Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm:
- Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm chuyên ngành AVL BOOST để xây dựng mô hình chu trình công tác 1D của động cơ, thiết lập các điều kiện biên đường nạp, đường thải, phần tử xylanh, mô hình cháy Fractal và mô hình truyền nhiệt Woschni.
- Phương pháp thực nghiệm: Chuyển đổi cơ khí động cơ diesel S1100, chế tạo hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm, chế tạo các mẫu piston có kích thước buồng cháy khác nhau, đo đạc trực tiếp các thông số áp suất trong xylanh, lưu lượng khí nạp, lưu lượng khí CNG, mô men, công suất và nồng độ khí xả trên hệ thống thiết bị đo chuyên dụng.
Nguồn nhiên liệu và dữ liệu: Sử dụng khí thiên nhiên nén với thành phần chính là Methane ($CH_4$), nén ở áp suất cao và cấp qua van giảm áp vào đường ống nạp của động cơ.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan
Chương 1 trình bày tổng quan về nguồn gốc khí thiên nhiên (nguồn gốc hữu cơ do nhiệt và vi sinh vật methanogens; nguồn gốc vô cơ trong lòng đất), phân loại khí thiên nhiên, khí ngưng tụ và khí mỏ dầu. Chương này tổng hợp dữ liệu thống kê của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) về trữ lượng khí thiên nhiên thế giới và Việt Nam.
| TT | Tên nước | Trữ lượng phát hiện (nghìn tỷ $\text{m}^3$) | Tỷ lệ toàn cầu (%) |
|---|---|---|---|
| 1 | Nga | 47,57 | 25,02 |
| 2 | Iran | 29,60 | 15,57 |
| 3 | Qatar | 25,47 | 13,39 |
| 4 | Turkmenistan | 7,50 | 3,95 |
| 5 | Ả Rập Xê Út | 7,46 | 3,92 |
| 6 | Mỹ | 6,93 | 3,64 |
| 7 | UAE | 6,07 | 3,19 |
| 8 | Nigeria | 5,25 | 2,76 |
| 9 | Venezuela | 4,98 | 2,62 |
| 10 | Algieri | 4,50 | 2,37 |
Tại Việt Nam, các mỏ khí Tiền Hải (Thái Bình), Bạch Hổ, Đại Hùng, Rồng và hệ thống các nhà máy CNG Phú Mỹ (95 triệu $\text{m}^3$/năm), Mỹ Xuân (100 triệu $\text{m}^3$/năm), Hiệp Phước (20 triệu $\text{m}^3$/năm), Tiền Hải (200 triệu $\text{m}^3$/năm) bảo đảm nguồn cung khí thiên nhiên. Trữ lượng khí của Việt Nam ước tính đạt từ 300 đến 400 tỷ $\text{m}^3$.
Chương 1 cũng phân tích đặc tính lý hóa của khí thiên nhiên so với xăng và dầu diesel:
| Đặc tính | Khí thiên nhiên (CNG) | Diesel | Xăng |
|---|---|---|---|
| Màu, mùi | Không | Có | Có |
| Tỷ trọng (Không khí = 1 / Nước = 1) | 0,64 | 0,82 ÷ 0,87 | 0,72 ÷ 0,87 |
| Nhiệt độ sôi / ngưng tụ ($^\circ\text{C}$) | -162 | 175 ÷ 370 | 40 ÷ 200 |
| Nhiệt trị thấp $Q_{LHV}$ ($\text{MJ/kg}$) | 50 | 42,7 | 42,9 |
| Nhiệt độ cháy ($^\circ\text{C}$) | 1960 | 1780 | 2138 |
| Nhiệt độ tự bốc cháy ($^\circ\text{C}$) | 540 | 280 | 264 |
| Tỷ lệ A/F lý thuyết | 17,2 | 14,5 | 14,7 |
| Chỉ số Ốc-tan (RON) | 130 | N/A | 83 ÷ 95 |
Chương này làm rõ khái niệm thông số kết cấu ($D_b, H_b, O_B, O_S, \varepsilon$) và thông số vận hành ($n, M_e, N_e, m_a, m_f, IT, \lambda, g_e, HRR, MFB, TKE, ON$), từ đó xác lập cơ sở khoa học cho việc lựa chọn đối tượng và giải pháp kỹ thuật chuyển đổi.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết quá trình cháy ở động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng khí thiên nhiên
Chương 2 thiết lập hệ thống phương trình nhiệt động và động học phục vụ mô hình hóa quá trình cháy chu trình Otto. Quá trình cháy cưỡng bức được mô tả qua ba giai đoạn:
- Đánh lửa và hình thành màng lửa: tiêu thụ 5-10% khối lượng nhiên liệu, sinh công rất nhỏ.
- Cháy chính: tiêu thụ tới 90% khối lượng nhiên liệu, áp suất và nhiệt độ trong xylanh tăng vọt, sinh công chủ yếu.
- Cháy sau: tiêu thụ 10% khối lượng còn lại khi màng lửa tiến sát vách và bị dập tắt.
Chương này xây dựng chi tiết mô hình cháy Fractal cho phần mềm AVL BOOST, tính toán sự phát triển màng lửa từ bán kính ban đầu ($r_f \approx 2\text{ mm}$ sau $200\text{ }\mu\text{s}$), mối tương quan giữa diện tích cháy rối $A_T$ và diện tích cháy tầng $A_L$ qua phương trình: $$\frac{S_T}{S_L} = \frac{A_T}{A_L} = \left(\frac{L_{max}}{L_{min}}\right)^{D_3 - 2}$$ Đồng thời, chương 2 đưa ra phương trình tính toán vận tốc squish, năng lượng động lực học dòng chảy trung bình $K$ và năng lượng động lực học xoáy lốc $k$, cùng phương trình truyền nhiệt Woschni tính toán nhiệt lượng truyền qua các bề mặt buồng cháy $Q_{wi}$.
Chương 3: Nghiên cứu mô phỏng động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên
Chương 3 trình bày việc xây dựng và hiệu chuẩn mô hình mô phỏng động cơ trên phần mềm AVL BOOST. Sau khi hiệu chuẩn mô hình bảo đảm độ chính xác, tác giả tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu và vận hành:
- Ảnh hưởng của tỷ số nén ($\varepsilon$): Khi tăng $\varepsilon$, mô men ($M_e$) và công suất ($N_e$) của động cơ tăng lên do hiệu suất nhiệt tăng. Tuy nhiên, tỷ số nén tăng làm tăng áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén, dẫn đến trị số ốc-tan yêu cầu ($ON$) tăng cao, thu hẹp vùng làm việc không kích nổ của động cơ và đòi hỏi phải hiệu chỉnh giảm góc đánh lửa sớm ($IT$).
- Ảnh hưởng của kích thước hình học đỉnh piston: Độ sâu vết lõm ($H_b$) và đường kính vết lõm ($D_b$) quyết định thể tích và diện tích bề mặt vùng squish. Khi tăng độ sâu $H_b$ (buồng cháy sâu và hẹp), vận tốc dòng squish và động năng rối ($TKE$) tăng mạnh vào cuối kỳ nén, giúp gia tăng tốc độ giải phóng nhiệt ($HRR$), rút ngắn thời gian cháy ($\tau_c$). Ngược lại, vết lõm quá sâu làm tăng diện tích tiếp xúc truyền nhiệt, tăng tổn thất nhiệt qua thành buồng cháy và làm tăng nồng độ phát thải $HC$ do ngọn lửa bị dập tắt sát vách.
- Vị trí bugi ($O_S$) và tâm lõm ($O_B$): Độ lệch tâm giữa bugi và tâm buồng cháy làm thay đổi khoảng cách lan truyền màng lửa, ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian kết thúc quá trình cháy.
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm
Chương 4 mô tả chi tiết quy trình chuyển đổi cơ khí và lắp đặt động cơ diesel S1100 trên hệ thống thử nghiệm:
- Cải tạo động cơ: Tháo bơm cao áp và vòi phun diesel; gia công ren trên nắp máy tại lỗ vòi phun cũ để lắp bugi đánh lửa; gia công đường ống nạp gắn thêm bướm ga và vòi phun khí CNG; chế tạo hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm gồm đĩa tạo xung trên trục khuỷu, cảm biến vị trí, IC điều khiển và biến áp đánh lửa.
- Chế tạo các mẫu đỉnh piston: Gia công ba kiểu đỉnh piston có thông số hình học $D_b, H_b$ khác nhau nhằm khảo sát thực nghiệm ở các mức tỷ số nén và dạng buồng cháy khác nhau.
- Trang thiết bị thử nghiệm: Động cơ được kết nối với băng thử phanh điện động lực học cao APA100 điều khiển qua hệ thống ETB; lưu lượng khí nén đo bằng thiết bị đo lưu lượng CNG chuyên dụng; áp suất xylanh đo bằng cảm biến áp điện gắn trực tiếp qua nắp máy; thành phần phát thải ($CO, HC, NOx$) được phân tích bằng tủ phân tích khí CEB-II.
- Kết quả thử nghiệm: Ghi nhận đầy đủ quy luật biến thiên áp suất buồng cháy theo góc quay trục khuỷu ($P-\varphi$), tốc độ giải phóng nhiệt ($HRR$), hệ số nhiên liệu đã cháy ($MFB$). Kết quả đo đạc khẳng định đỉnh piston có kết cấu tạo dòng squish hợp lý giúp động cơ đạt mô men và công suất tối ưu, đồng thời kiểm soát lượng phát thải $CO, HC, NOx$.
- So sánh mô phỏng và thực nghiệm: Các kết quả so sánh về công suất $N_e$, phát thải $CO, HC, NOx$ giữa tính toán mô phỏng AVL BOOST và đo đạc thực nghiệm cho thấy mức độ sai lệch nhỏ, nằm trong giới hạn cho phép, khẳng định độ tin cậy của mô hình lý thuyết và mô phỏng đã thiết lập.
Kết quả và những đóng góp mới
Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và thực tiễn chính:
- Đóng góp về lý luận và khoa học:
- Xây dựng thành công mô hình mô phỏng chu trình công tác của động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên trên nền tảng phần mềm AVL BOOST, tích hợp mô hình cháy Fractal và mô hình truyền nhiệt Woschni 1978.
- Làm rõ bản chất và quy luật tác động của các thông số kết cấu buồng cháy đỉnh piston (đường kính $D_b$, độ sâu vết lõm $H_b$) và tỷ số nén ($\varepsilon$) đến các đại lượng động học dòng khí (động năng rối $TKE$, vận tốc dòng squish), tốc độ giải phóng nhiệt ($HRR$), thời gian cháy ($\tau_c$) và trị số ốc-tan yêu cầu ($ON$) nhằm ngăn ngừa hiện tượng kích nổ.
- Đóng góp về thực tiễn và công nghệ:
- Chuyển đổi thành công động cơ diesel một xylanh S1100 nguyên bản thành động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng hoàn toàn nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) với hệ thống cung cấp nhiên liệu trên đường nạp và hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm tự chế tạo.
- Xác định được dải thông số kết cấu hình học buồng cháy đỉnh piston và tỷ số nén phù hợp cho động cơ chuyển đổi, giúp cải thiện hiệu suất nhiệt, nâng cao mô men và giảm nồng độ phát thải độc hại.
- Kiến nghị và giải pháp kỹ thuật:
- Khi chuyển đổi động cơ diesel sang chạy đơn nhiên liệu CNG, cần lựa chọn tỷ số nén phù hợp ($\varepsilon \approx 10 \div 11$) kết hợp kết cấu đỉnh piston có khoét lõm tạo hiệu ứng squish nhằm tăng tốc độ cháy của khí thiên nhiên mà không gây kích nổ.
- Cần hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm tối ưu tương ứng với từng chế độ tải và tốc độ vòng tua để bù đắp cho đặc tính cháy chậm của nhiên liệu CNG.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của nghiên cứu:
- Luận án thực hiện trên đối tượng động cơ diesel cỡ nhỏ một xylanh, không tăng áp (S1100), phương thức cấp nhiên liệu khí thiên nhiên thực hiện gián tiếp trên đường ống nạp sau bướm ga.
- Nghiên cứu chưa khảo sát ở các chế độ quá độ phức tạp và chưa áp dụng hệ thống điều khiển điện tử tích hợp ECU để điều khiển thời điểm đánh lửa và lượng phun tự động theo bản đồ tối ưu.
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phun khí thiên nhiên trực tiếp áp suất cao vào trong buồng cháy (DI-CNG) trên động cơ diesel chuyển đổi nhằm nâng cao hơn nữa hệ số nạp và công suất.
- Mở rộng nghiên cứu chuyển đổi trên các dòng động cơ diesel nhiều xylanh có tăng áp sử dụng trên phương tiện giao thông vận tải đường bộ và tàu thủy cỡ nhỏ.
- Nghiên cứu phát triển bộ điều khiển điện tử (ECU) chuyên dụng để tối ưu hóa góc đánh lửa sớm và tỷ lệ hòa trộn không khí/nhiên liệu ($\lambda$) theo thời gian thực.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đối tượng sau:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực, Kỹ thuật Ô tô, Động cơ đốt trong: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình cháy Fractal trên phần mềm AVL BOOST (Chương 2 và Chương 3) để mô phỏng chu trình công tác của động cơ sử dụng nhiên liệu thay thế.
- Các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật tại các cơ sở chế tạo máy và viện nghiên cứu: Tham khảo quy trình công nghệ cải tạo cơ khí nắp máy, thiết kế đỉnh piston và lắp đặt hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm để chuyển đổi động cơ diesel sang chạy CNG (Chương 4).
- Các nhà quản lý và doanh nghiệp vận tải: Cung cấp cơ sở khoa học và số liệu thực nghiệm về tiềm năng cắt giảm phát thải độc hại khi thay thế nhiên liệu diesel bằng khí thiên nhiên nén.
Câu hỏi thường gặp
1. Động cơ nguyên bản được tác giả lựa chọn để chuyển đổi là loại nào và có các đặc điểm kỹ thuật cơ bản gì? Động cơ nguyên bản là động cơ diesel S1100. Đây là loại động cơ diesel truyền thống, bốn kỳ, một xylanh, làm mát bằng nước, không tăng áp, sử dụng cơ cấu phân phối khí hai xúp-páp (một nạp, một thải) và buồng cháy thống nhất trên đỉnh piston.
2. Tại sao khi chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng hoàn toàn CNG lại cần phải giảm tỷ số nén và cải tạo đỉnh piston? Mặc dù CNG có chỉ số ốc-tan cao ($\approx 130$), nhưng tỷ số nén nguyên bản của động cơ diesel rất cao ($\varepsilon > 17$), nếu giữ nguyên sẽ dẫn đến hiện tượng cháy kích nổ khi chuyển sang đánh lửa cưỡng bức. Việc giảm tỷ số nén xuống mức thích hợp giúp động cơ làm việc an toàn. Đồng thời, do CNG có tốc độ cháy chậm hơn diesel, việc cải tạo đỉnh piston nhằm tạo dòng xoáy squish mạnh, tăng cường độ rối ($TKE$), qua đó rút ngắn thời gian cháy và nâng cao hiệu suất nhiệt.
3. Luận án sử dụng phần mềm mô phỏng nào và áp dụng mô hình cháy nào trong tính toán? Luận án sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên ngành AVL BOOST (hãng AVL). Quá trình cháy được mô hình hóa bằng mô hình cháy Fractal (Fractal combustion model), cho phép tính toán tốc độ lan truyền màng lửa rối và tốc độ giải phóng nhiệt dựa trên hình dạng buồng cháy và động học dòng khí. Quá trình truyền nhiệt được tính theo mô hình Woschni 1978.
4. Hệ thống đánh lửa cưỡng bức được lắp đặt trên động cơ diesel chuyển đổi có cấu tạo như thế nào? Hệ thống đánh lửa là loại bán dẫn không tiếp điểm, bao gồm: đĩa răng tạo xung gắn trên trục khuỷu, cảm biến phát xung, IC đánh lửa, biến áp đánh lửa (mobin) và bugi đánh lửa. Bugi được lắp trực tiếp vào vị trí của vòi phun nhiên liệu diesel cũ trên nắp máy sau khi đã được gia công lại ren.
5. Mức độ giảm phát thải của khí thiên nhiên so với xăng và diesel theo số liệu tổng quan trong luận án là bao nhiêu? Theo số liệu tổng quan được tác giả trích dẫn, việc sử dụng khí thiên nhiên giúp giảm phát thải $CO_2$ từ 20 ÷ 25% so với xăng; giảm $HC$ khoảng 50%; giảm $CO$ khoảng 70 ÷ 95%; giảm $NOx$ khoảng 50 ÷ 87% và hầu như không phát sinh hạt phát thải rắn (PM).
Kết luận
Luận án của nghiên cứu sinh Trần Thanh Tâm đã giải quyết thành công vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của thông số kết cấu buồng cháy đỉnh piston và tỷ số nén đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ diesel S1100 chuyển đổi sang sử dụng khí thiên nhiên nén (CNG). Bằng việc kết hợp phương pháp mô phỏng 1D trên phần mềm AVL BOOST (sử dụng mô hình cháy Fractal) và nghiên cứu thực nghiệm trên băng thử phanh điện APA100 cùng tủ phân tích khí CEB-II, luận án đã làm sáng tỏ mối quan hệ giữa kết cấu đỉnh piston, tỷ số nén với động năng rối, thời gian cháy và mức độ phát thải độc hại. Các kết quả đạt được cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật khả thi cho việc cải tạo các dòng động cơ diesel tĩnh tại quy mô nhỏ sang sử dụng nhiên liệu khí sạch tại Việt Nam.