Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Trần Trọng Tuấn với đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của tuần hoàn khí thải đến các chỉ tiêu kỹ thuật và môi trường của động cơ diesel phun nhiên liệu điện tử khi sử dụng diesel sinh học B10 và B20" thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực (Mã số: 9 52 01 16), được bảo vệ tại Học viện Kỹ thuật Quân sự năm 2019 dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Hoàng Vũ và PGS.TS. Vũ Ngọc Khiêm.
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Tuần hoàn khí thải (EGR) là giải pháp công nghệ nhằm làm giảm phát thải oxit nitơ ($\text{NO}_x$) từ động cơ đốt trong thông qua việc đưa một phần khí thải quay trở lại đường nạp để làm giảm nồng độ oxy và hạ nhiệt độ cực đại của quá trình cháy ($T_z$). Đối với động cơ diesel, việc áp dụng nhiên liệu sinh học biodiesel có xu hướng làm gia tăng phát thải $\text{NO}_x$ do nồng độ oxy sẵn có trong cấu trúc nhiên liệu và sự biến đổi trong quy luật phun, cháy. Đồng thời, thuộc tính của dòng khí thải và dòng khí tuần hoàn có sự thay đổi rõ rệt khi chuyển đổi từ nhiên liệu diesel truyền thống sang biodiesel.
Trong khi các động cơ diesel hiện đại tích hợp hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử Common Rail (CR), tăng áp có điều khiển cánh hướng dòng (VGT) và hệ thống EGR có làm mát đang được ứng dụng rộng rãi, các nghiên cứu trong nước trước đó phần lớn mới tập trung vào động cơ sử dụng hệ thống phun cơ khí truyền thống, điều khiển EGR bằng tay hoặc bằng bộ điều khiển phụ độc lập mà chưa tích hợp điều khiển tự động thông qua khối điều khiển điện tử (ECU) động cơ. Do đó, việc nghiên cứu định lượng ảnh hưởng của tỷ lệ EGR đến các thông số nhiệt động, chỉ tiêu kinh tế - năng lượng và phát thải của động cơ phun nhiên liệu điện tử khi vận hành bằng nhiên liệu biodiesel B10 và B20, từ đó xây dựng bộ dữ liệu kiểm soát tỷ lệ EGR tối ưu là yêu cầu cấp thiết từ thực tiễn và lý thuyết.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận án được xác định rõ:
- Nghiên cứu định lượng ảnh hưởng của mức độ tuần hoàn khí thải đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B0, B10 và B20 bằng phần mềm mô phỏng chuyên dụng kết hợp thực nghiệm trên bệ thử động cơ.
- Xây dựng bộ dữ liệu nhằm chủ động kiểm soát tỷ lệ EGR phù hợp cho động cơ diesel có hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử kiểu Common Rail khi chuyển sang sử dụng biodiesel B10 và B20.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel Hyundai D4CB 2.5 TCI-A (động cơ 4 kỳ, 4 xi lanh bố trí 1 hàng thẳng đứng, phun nhiên liệu trực tiếp, hệ thống phun Common Rail dùng bơm cao áp Bosch CP1H với áp suất phun lớn nhất 1600 bar, hệ thống tăng áp tuabin khí thải kiểu VGT có làm mát khí nạp, hệ thống EGR kiểu áp suất cao có làm mát khí thải tuần hoàn, đáp ứng tiêu chuẩn khí thải Euro 3).
- Loại nhiên liệu nghiên cứu: Nhiên liệu diesel khoáng thương phẩm B0 (hàm lượng lưu huỳnh 0,05S); hỗn hợp nhiên liệu biodiesel B10 (10% biodiesel thể tích) và B20 (20% biodiesel thể tích), với nguồn nhiên liệu biodiesel gốc B100 được điều chế từ bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thô thành dầu ăn.
- Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát các thông số nhiệt động trong xi lanh (áp suất, nhiệt độ, tốc độ tỏa nhiệt), các chỉ tiêu kinh tế - năng lượng (công suất $N_e$, mô men xoắn $M_e$, suất tiêu hao nhiên liệu $g_e$) và phát thải ô nhiễm ($\text{NO}_x$, phát thải hạt PM/độ khói FSN, HC, CO) tại các chế độ tải và tốc độ vòng quay làm việc của động cơ.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu trên thế giới
Tác giả đã hệ thống hóa lịch sử phát triển và các công trình nghiên cứu hệ thống EGR và biodiesel trên thế giới:
- Lịch sử EGR: Tác dụng giảm $\text{NO}_x$ của EGR được công bố từ công trình của Berger (1940); thử nghiệm hệ thống thực tế bắt đầu từ Kopa (1960). Năm 1973, Chrysler phát triển hệ thống EGR có làm mát điều khiển theo độ chân không đường nạp. Hawley (1999) và Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA) trong thập niên 2000 thúc đẩy hoàn thiện EGR làm mát cho động cơ diesel.
- Nghiên cứu trên động cơ phun cơ khí: Ming Zheng và cs [59] thử nghiệm trên động cơ Isuzu 1.0L 3 xi lanh, chứng minh EGR làm mát giảm $\text{NO}_x$ hiệu quả hơn không làm mát và việc lắp bộ xúc tác DOC sau van EGR cho phép mở rộng tỷ lệ EGR thêm 68,75%. K. Rajan và cs [67] nghiên cứu trên động cơ 2 xi lanh dùng biodiesel dầu hoa hướng dương với tỷ lệ EGR cố định 15%, ghi nhận hiệu suất có ích tăng 4% ở tải thấp do cháy tiếp HC trong khí nạp, đồng thời $g_e$ tăng 10% với B20 và 15% với B40. Hussain và cs [49] thử nghiệm trên động cơ Kirloskar HA 394 với tỷ lệ EGR 0÷25%, kết luận mức 15% EGR tối ưu hóa chỉ tiêu năng lượng và phát thải. Agarwal và cs [41] thử nghiệm trên động cơ PH2 khẳng định mức EGR 15÷20% giảm 40÷60% $\text{NO}_x$, nhưng khi EGR vượt quá 30% ở tải nhỏ/trung bình và 20÷25% ở tải lớn thì PM và HC tăng mạnh. Sorathia và cs [71] và Hountalas và cs [48] khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ khí tuần hoàn (90÷240°C), chỉ ra nhiệt độ dòng EGR cao làm suy giảm hiệu suất nhiệt và tăng PM.
- Nghiên cứu trên động cơ Common Rail và tối ưu hóa điều khiển: M. Ammann và cs [26] dùng Matlab/Simulink xây dựng thuật toán điều khiển PI phối hợp van VGT và EGR. Maiboom và cs [57] phân tích ảnh hưởng của áp suất, nhiệt độ khí nạp đến áp suất xi lanh ($p_{cyl}$), tốc độ tỏa nhiệt (HRR) và $\text{NO}x$ trên động cơ CR dùng vòi phun Piezo. Jacobs và cs [50] nghiên cứu động cơ 6 xi lanh 12.7L (320 kW) dùng ECU mở điều khiển đồng thời VGT và EGR. Fuyunan Yang và Minggao [44] xác định giới hạn tỷ lệ EGR làm tăng đột biến PM ($%EGR{ghPM}$) là 30÷40% ở tải thấp và 10÷15% ở tải trung bình. F. Millo và cs [58] so sánh hệ thống EGR áp suất cao (SR) và áp suất thấp (LR) trên động cơ CR xe khách hạng nhẹ theo chu trình ECE/NEDC; kết quả cho thấy hệ thống LR giảm $\text{NO}_x$ tốt hơn 30% ở cùng mức $%EGR = 30%$, nhiệt độ nạp thấp hơn 20÷40°C, song hệ thống SR có ưu thế phản hồi nhanh hơn với thay đổi tải. Jun Cong Ge và cs [52] đánh giá vai trò của phun mồi kết hợp EGR ở tốc độ 2000 vg/ph, mô men 30 Nm. Schubiger và cs [66] chứng minh kết hợp tăng áp suất phun CR (lên 1700 bar) và mở rộng tỷ lệ EGR (20÷38% theo chu trình ECE R49) cho phép nâng tiêu chuẩn khí thải từ Euro III lên Euro IV. Lê Quốc Phong [64] nghiên cứu động cơ DEUTZ BF6M 1013 EC sử dụng nhiên liệu RME và ethanol với tỷ lệ EGR 8÷27%, qua đó xác định tỷ lệ EGR tối ưu là 27% ở tải thấp và 9% ở tải cao.
Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam
- Khổng Vũ Quảng và cs [8] nghiên cứu tổ hợp giải pháp DOC + DPF + EGR trên động cơ diesel D1146TI (dung tích 8,071 lít, bơm cơ khí, tăng áp WTG) lắp trên xe buýt Hà Nội, điều khiển van EGR điện từ qua bộ vi xử lý phụ với tỷ lệ EGR thử nghiệm 18,74÷19,58%.
- Đinh Xuân Thành [15] xây dựng mô hình mô phỏng chu trình công tác trên phần mềm AVL-Boost sử dụng mô hình cháy MCC cho động cơ D1146TI có trang bị EGR.
- Vũ Ngọc Khiêm và cs [2] nghiên cứu lắp đặt hệ thống EGR áp suất cao không làm mát kết hợp DPF thụ động trên động cơ Yanmar S185L-ST (dung tích 37,09 lít, bơm cơ khí) theo đặc tính chân vịt tàu cá, van EGR được chỉnh bằng tay.
Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết
Các công trình trong nước trước đây chủ yếu thực hiện trên động cơ phun nhiên liệu cơ khí truyền thống, sử dụng diesel khoáng, điều khiển EGR thủ công hoặc bằng bộ vi điều khiển phụ hoạt động độc lập không có vòng lặp kín từ các cảm biến động cơ. Luận án của NCS. Trần Trọng Tuấn tập trung giải quyết khoảng trống: nghiên cứu toàn diện ảnh hưởng của EGR trên động cơ diesel phun điện tử Common Rail kết hợp tăng áp VGT khi sử dụng nhiên liệu sinh học B10 và B20; ứng dụng mô phỏng AVL-Boost kết hợp thực nghiệm với ECU có thể lập trình (ECM 556-128) để xác định bản đồ điều khiển tỷ lệ EGR mới ($%EGR_{New}$) phù hợp trên toàn vùng vận hành của động cơ.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và mô hình tính toán chu trình công tác
Nghiên cứu lý thuyết sử dụng phần mềm mô phỏng nhiệt động chuyên dụng AVL-Boost, dựa trên việc giải hệ phương trình bảo toàn năng lượng và khối lượng trong xi lanh theo định luật nhiệt động học thứ nhất:
$$\frac{d(m \cdot u)}{d\varphi} = -p_{cyl} \cdot \frac{dV}{d\varphi} + \frac{dQ_c}{d\varphi} - \frac{dQ_w}{d\varphi} - h_{bb} \cdot \frac{dm_{bb}}{d\varphi} + \sum h_i \cdot \frac{dm_i}{d\varphi}$$
Các mô hình thành phần tích hợp trong mô phỏng bao gồm:
- Mô hình cháy: Khảo sát và so sánh mô hình Vibe, Double Vibe, Vibe hai vùng và mô hình cháy trộn lẫn có kiểm soát (MCC - Mixing Controlled Combustion). Mô hình MCC và Vibe hai vùng được lựa chọn và hiệu chỉnh tham số để mô phỏng diễn biến cháy khuếch tán và cháy hòa trộn trước đặc trưng của động cơ Common Rail có phun mồi.
- Mô hình truyền nhiệt: Sử dụng mô hình Woschni tính toán tổn thất nhiệt qua thành vách buồng cháy xi lanh, kết hợp các mô hình trao đổi nhiệt trên đường ống nạp và đường thải.
- Mô hình hình thành phát thải: Mô hình tính toán phát thải $\text{NO}_x$ dựa trên cơ chế nhiệt động Zeldovich mở rộng kết hợp phản ứng hóa học nồng độ cân bằng; mô hình tạo bồ hóng (Soot/PM) tính toán dựa trên cân bằng giữa tốc độ hình thành và tốc độ oxy hóa muội than.
Phương pháp xác định tỷ lệ tuần hoàn khí thải
Văn bản trình bày ba phương pháp xác định tỷ lệ EGR:
- Xác định theo nhiệt độ dòng khí tại điểm hòa trộn:
$$%EGR = \frac{C_{pair}(T_{i.p} - T_{air})}{C_{pEGR}(T_{EGR} - T_{i.p}) + C_{pair}(T_{i.p} - T_{air})} \cdot 100%$$
- Xác định theo nồng độ $\text{CO}_2$:
$$%EGR = \frac{[\text{CO}2]{aircharge} - [\text{CO}2]{air}}{[\text{CO}2]{exh} - [\text{CO}2]{air}} \cdot 100%$$
- Xác định theo lưu lượng khối lượng khí nạp và khí tuần hoàn (phương pháp được luận án lựa chọn áp dụng trong thực nghiệm):
$$%EGR = \frac{\dot{m}{EGR}}{\dot{m}{air} + \dot{m}_{EGR}} \cdot 100%$$
Phương pháp này được lựa chọn do có thể đo đạc trực tiếp và chính xác thông qua hệ thống cảm biến đo lưu lượng khí nạp mới ($G_{kk}$) và lưu lượng dòng khí tuần hoàn trên bệ thử thực nghiệm.
Thuộc tính hóa lý của nhiên liệu nghiên cứu
Các mẫu nhiên liệu B0, B10, B20, B40, B100 sử dụng trong nghiên cứu có các thông số hóa lý xác định như sau:
| Thông số |
B0 |
B10 |
B20 |
B40 |
B100 |
| Thành phần Cacbon (C) [khối lượng] |
0,870 |
0,8594 |
0,849 |
0,829 |
0,773 |
| Thành phần Hydro (H) [khối lượng] |
0,126 |
0,1251 |
0,124 |
0,123 |
0,118 |
| Thành phần Oxy (O) [khối lượng] |
0,004 |
0,0148 |
0,025 |
0,047 |
0,108 |
| Khối lượng riêng ở 20°C ($\rho$) [$\text{kg/m}^3$] |
830,0 |
835,5 |
841,0 |
852,0 |
885,0 |
| Sức căng mặt ngoài ở 20°C ($\sigma$) [N/m] |
0,028 |
0,030 |
0,031 |
0,034 |
0,043 |
| Độ nhớt động học ở 20°C ($\nu$) [cSt] |
3,61 |
3,79 |
3,97 |
4,31 |
5,23 |
| Nhiệt trị thấp ($Q_H$) [MJ/kg] |
42,50 |
41,84 |
41,18 |
39,89 |
36,22 |
| Trị số xêtan |
48,00 |
48,35 |
48,68 |
49,37 |
51,30 |
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và trang thiết bị
Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại hai cơ sở:
- Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí Động lực (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội): Trang bị bệ thử động lực học cao, hệ thống đo tiêu hao nhiên liệu tự động, hệ thống đo áp suất chỉ thị trong xi lanh.
- Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trung tâm Công nghệ Cơ khí / Khoa Cơ khí (Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải): Trang bị băng thử công suất, thiết bị đo lưu lượng khí nạp, khí thải, thiết bị đo khí xả Horiba và máy đo độ khói FSN.
- Hệ thống điều khiển: Sử dụng ECU nguyên thủy của Hyundai để đo đạc quy luật điều khiển gốc; sử dụng ECU mở (mã hiệu ECM 556-128, sản phẩm từ Đề tài cấp Nhà nước mã số ĐT.14/NLSH) cho phép can thiệp, lập trình lại góc phun, áp suất phun Common Rail và vị trí điều khiển van EGR/VGT.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương này tổng kết tình hình tiêu thụ nhiên liệu sinh học trên thế giới (OECD, Mỹ, EU, Thái Lan, Indonesia). Tác giả tổng hợp kết quả của 55 công trình quốc tế về mức độ tác động của biodiesel so với diesel khoáng: 96% công trình ghi nhận công suất giảm (1,5÷8%), 98% công trình báo cáo suất tiêu hao nhiên liệu tăng, 85% công trình ghi nhận phát thải $\text{NO}_x$ tăng, trong khi 95% công trình khẳng định phát thải PM và HC giảm.
Chương 1 cũng phân loại chi tiết các cấu hình EGR (áp suất cao, áp suất thấp, hybrid; có làm mát và không làm mát; điều khiển chân không và van điện từ), chỉ rõ mối quan hệ tương tác giữa thuộc tính nhiên liệu, thành phần dòng khí thải và khí hoàn lưu. Tác giả phân tích các nghiên cứu trong nước (của Khổng Vũ Quảng, Đinh Xuân Thành, Vũ Ngọc Khiêm), chỉ ra hạn chế của việc điều khiển EGR trên động cơ bơm cơ khí và xác định tính cấp thiết của việc nghiên cứu trên động cơ Common Rail D4CB 2.5 TCI-A.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết tính toán mô phỏng chu trình công tác của động cơ
Chương 2 trình bày chi tiết cơ sở toán học và nhiệt động lực học của chu trình công tác trong động cơ đốt trong có hồi lưu khí thải. Tác giả phân tích mô hình cân bằng năng lượng 1 vùng và 2 vùng, đánh giá đặc tính các mô hình cháy Vibe, Double Vibe, Vibe hai vùng và mô hình MCC trong phần mềm AVL-Boost. Thiết lập các phương trình truyền nhiệt qua vách xilanh, truyền nhiệt trong hệ thống nạp thải, và xây dựng mô hình toán học mô tả động học phản ứng tạo $\text{NO}_x$ và Soot.
Chương 3. Nghiên cứu mô phỏng động cơ có tuần hoàn khí thải và sử dụng biodiesel
Chương 3 tập trung xây dựng mô hình mô phỏng động cơ Hyundai D4CB trên phần mềm AVL-Boost có tích hợp khối điều khiển EGR chủ động. Các bước triển khai và kết quả chính gồm:
- Xác lập các thông số kết cấu (đường kính xi lanh 91 mm, hành trình 96 mm, tỷ số nén 17,6, góc mở/đóng xupap, hệ số tổn thất lưu động khí nạp thải).
- Hiệu chỉnh các tham số trong mô hình cháy (Double Vibe, Vibe 2 vùng, MCC) dựa trên đồ thị áp suất chỉ thị $p_{cyl}$ và đặc tính ngoài đo thực nghiệm; chọn bộ thông số tối ưu cho mô hình MCC.
- Tính toán mô phỏng diễn biến áp suất xi lanh ($p_{cyl}$), nhiệt độ xi lanh ($T_{cyl}$), tốc độ tỏa nhiệt (HRR) tại tốc độ 2000 vg/ph với các mức tỷ lệ EGR thay đổi từ 0% đến 40% cho các loại nhiên liệu B0, B10, B20.
- Kết quả mô phỏng cho thấy khi tăng tỷ lệ EGR: áp suất cháy cực đại $p_z$ và nhiệt độ cực đại $T_z$ giảm dần; tốc độ tỏa nhiệt cực đại $HRR_{max}$ suy giảm và thời điểm đạt cực đại dịch chuyển lùi về sau ĐCT; tốc độ hình thành $\text{NO}_x$ ($d\text{NO}_x/dt$) giảm rõ rệt, trong khi tốc độ hình thành muội ($dSoot/dt$) có xu hướng tăng. Khi dùng B10 và B20, mô men $M_e$ giảm nhẹ và suất tiêu hao $g_e$ tăng tương ứng với mức suy giảm nhiệt trị thấp của nhiên liệu.
Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm
Chương 4 trình bày toàn bộ quy trình và kết quả thử nghiệm trên bệ thử động cơ:
- Xác định quy luật điều khiển tỷ lệ $%EGR$ của ECU nguyên thủy (Hyundai) trên toàn dải làm việc: $%EGR$ đạt giá trị lớn ở vùng tải thấp và tốc độ thấp (có thể lên tới 35÷40%), giảm dần khi tăng tải và đóng hoàn toàn (%EGR = 0) ở chế độ toàn tải hoặc tốc độ cao.
- Khảo sát các thông số dòng khí thải ($T_{exh}$, $p_{exh}$, hệ số dư lượng không khí $\lambda$, nồng độ oxy nạp) khi thay đổi độ mở van EGR và loại nhiên liệu.
- Đánh giá định lượng ảnh hưởng của tỷ lệ EGR đến mô men $M_e$, suất tiêu hao $g_e$, phát thải $\text{NO}x$ và độ khói FSN ở các mức tải khác nhau tại tốc độ 2000 vg/ph khi dùng B0, B10, B20. Xác định ngưỡng tỷ lệ EGR giới hạn ($%EGR{gh}$) mà tại đó phát sinh sự suy giảm đột ngột về mô men ($%EGR_{ghMe}$), sự tăng vọt về suất tiêu hao ($%EGR_{ghge}$) và độ khói ($%EGR_{ghPM}$).
- So sánh kiểm chứng giữa mô phỏng và thực nghiệm: Sai số lớn nhất về các chỉ tiêu kinh tế - năng lượng và phát thải tại 2000 vg/ph nằm trong giới hạn cho phép.
- Xác định bộ dữ liệu tỷ lệ EGR mới ($%EGR_{New}$) tối ưu cho động cơ khi chuyển sang dùng B0, B10 và B20 trên toàn vùng vận hành, nạp vào ECU ECM 556-128 để kiểm chứng thực nghiệm.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt khoa học
- Xác lập được cơ sở khoa học và bộ dữ liệu định lượng đầy đủ về ảnh hưởng đồng thời của tỷ lệ tuần hoàn khí thải và tỷ lệ pha trộn biodiesel (B10, B20 từ nguồn dầu cọ thô) đến diễn biến các thông số nhiệt động trong buồng cháy (áp suất xi lanh $p_{cyl}$, nhiệt độ $T_{cyl}$, quy luật tỏa nhiệt HRR, tốc độ hình thành $\text{NO}_x$ và Soot) trên phần mềm AVL-Boost.
- Làm sáng tỏ quy luật thay đổi chỉ tiêu kinh tế, năng lượng ($M_e, g_e$) và phát thải ($\text{NO}_x$, độ khói FSN, HC, CO) của động cơ diesel Common Rail có tăng áp VGT khi điều chỉnh biến thiên tỷ lệ EGR kết hợp chuyển đổi nhiên liệu B0, B10, B20.
- Xác định được các ngưỡng giới hạn tỷ lệ tuần hoàn khí thải ($%EGR_{gh}$) theo từng chế độ tải và tốc độ, làm căn cứ xác lập biên độ điều khiển EGR an toàn, tránh hiện tượng suy giảm công suất và tăng bồ hóng quá mức.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất
- Xây dựng hoàn chỉnh bảng dữ liệu tỷ lệ tuần hoàn khí thải mới ($%EGR_{New}$) tối ưu hóa theo chế độ tốc độ và tải cho động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 và B20, đảm bảo giảm phát thải $\text{NO}_x$ mà không làm suy giảm đáng kể tính kinh tế và không vượt ngưỡng phát thải hạt PM.
- Ứng dụng thành công bộ dữ liệu $%EGR_{New}$ vào việc cài đặt và lập trình chương trình điều khiển cho ECU mở mã hiệu ECM 556-128, phục vụ trực tiếp cho Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Quốc gia mã số ĐT.14/NLSH thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án
- Đối tượng thử nghiệm thực nghiệm tập trung trên một dòng động cơ diesel cụ thể (Hyundai D4CB 2.5 TCI-A, Euro 3).
- Nguồn nhiên liệu biodiesel thử nghiệm giới hạn ở mức pha trộn B10 và B20 với nguồn gốc B100 sản xuất từ bã thải tinh lọc dầu cọ thô; chưa mở rộng khảo sát các nguồn gốc dầu thực vật hoặc mỡ động vật khác.
- Các khảo sát thực nghiệm tập trung vào các chế độ vận hành ổn định trên bệ thử động lực học, chưa đánh giá chi tiết quá trình quá độ phức tạp trong điều kiện xe vận hành thực tế trên đường.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Mở rộng nghiên cứu quy luật điều khiển EGR kết hợp với quy luật phun nhiều giai đoạn (phun sớm, phun chính, phun trễ) của hệ thống Common Rail khi sử dụng biodiesel với các tỷ lệ pha trộn cao hơn (B30, B50, B100).
- Khảo sát ảnh hưởng lâu dài của khí EGR có chứa thành phần hơi nước và tạp chất từ biodiesel đến độ bền, hiện tượng đóng cặn muội than trên van EGR, đường ống nạp và độ mài mòn các chi tiết trong buồng cháy động cơ.
- Thử nghiệm đánh giá động cơ lắp trên phương tiện cơ giới vận hành theo các chu trình thử động thực tế (như ECE R83, WLTC).
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các nhóm đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực, Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Nhiệt: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng nhiệt động chu trình công tác trên AVL-Boost, quy trình hiệu chỉnh mô hình cháy MCC/Double Vibe và phương pháp bố trí thực nghiệm đo đạc dòng khí EGR.
- Kỹ sư R&D và lập trình điều khiển động cơ: Tham khảo phương pháp xây dựng bản đồ điều khiển EGR, thuật toán tối ưu hóa phối hợp van EGR và VGT, cùng quy trình hiệu chỉnh thông số nạp trên các dòng ECU mở.
- Các nhà quản lý chính sách và cơ quan tiêu chuẩn đo lường: Tham khảo cơ sở thực nghiệm về mức độ phát thải và tiêu hao nhiên liệu khi áp dụng lộ trình sử dụng nhiên liệu sinh học B10, B20 trên phương tiện giao thông đường bộ tại Việt Nam.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao sử dụng nhiên liệu biodiesel lại có xu hướng làm gia tăng phát thải $\text{NO}_x$ trên động cơ diesel?
Biodiesel chứa hàm lượng oxy liên kết trong phân tử (chiếm 1,48% ở B10; 2,5% ở B20 và 10,8% ở B100), làm tăng nồng độ oxy cục bộ trong vùng cháy. Đồng thời, biodiesel có trị số xêtan cao hơn làm rút ngắn thời gian cháy trễ, cùng với độ nhớt và khối lượng riêng lớn hơn làm thay đổi đặc tính phun nhiên liệu, dẫn đến nhiệt độ cực đại của quá trình cháy ($T_z$) tăng lên ở một số chế độ, thúc đẩy các phản ứng oxy hóa nitơ theo cơ chế nhiệt động Zeldovich.
2. Hệ thống EGR trên động cơ thử nghiệm Hyundai 2.5 TCI-A thuộc loại nào và có cấu tạo ra sao?
Động cơ Hyundai 2.5 TCI-A sử dụng hệ thống EGR kiểu áp suất cao có làm mát khí thải tuần hoàn (Cool High-Pressure EGR hay Short Route - SR). Khí thải được trích từ cổ góp thải phía trước tuabin tăng áp, đi qua két làm mát khí EGR và van điều khiển EGR trước khi hòa trộn vào cổ góp nạp phía sau máy nén và két làm mát khí tăng áp.
3. Phương pháp nào được tác giả lựa chọn để xác định tỷ lệ EGR trong nghiên cứu thực nghiệm?
Tác giả lựa chọn phương pháp đo lưu lượng khối lượng của khí nạp mới ($G_{kk}$ hoặc $\dot{m}{air}$) và lưu lượng khối lượng của dòng khí tuần hoàn ($\dot{m}{EGR}$) thông qua các cảm biến lưu lượng lắp đặt trên đường nạp và đường trích khí xả trên bệ thử:
$$%EGR = \frac{\dot{m}{EGR}}{\dot{m}{air} + \dot{m}_{EGR}} \cdot 100%$$
Phương pháp này được lựa chọn do đảm bảo tính khả thi trong bố trí thiết bị thử nghiệm thực tế và đo đạc trực tiếp các thông số dòng khí ở các chế độ tải khác nhau.
4. Giới hạn tỷ lệ tuần hoàn khí thải ($%EGR_{gh}$) là gì và được xác định như thế nào?
Giới hạn tỷ lệ tuần hoàn khí thải ($%EGR_{gh}$) là giá trị tỷ lệ EGR mà tại đó xuất hiện sự biến đổi đột biến bất lợi về chỉ tiêu kinh tế, năng lượng hoặc môi trường của động cơ. Cụ thể gồm: $%EGR_{ghMe}$ (ngưỡng bắt đầu làm sụt giảm mô men xoắn), $%EGR_{ghge}$ (ngưỡng làm tăng vọt suất tiêu hao nhiên liệu) và $%EGR_{ghPM}$ (ngưỡng làm bùng phát độ khói/hạt bồ hóng). Ngưỡng này thay đổi theo tải: ở chế độ tải thấp có thể đạt 30÷40%, nhưng ở tải trung bình và tải cao chỉ đạt 10÷20%.
5. Loại ECU nào được sử dụng để can thiệp và kiểm soát tỷ lệ EGR mới khi động cơ chạy B10 và B20?
Nghiên cứu sinh sử dụng ECU mở mã hiệu ECM 556-128 cùng phần mềm điều khiển tương thích, là sản phẩm nghiên cứu của Đề tài khoa học cấp Quốc gia mã số ĐT.14/NLSH. Thiết bị này cho phép giữ cố định các quy luật phun và tăng áp gốc, đồng thời can thiệp lập trình chủ động tỷ lệ độ mở van EGR để thiết lập bản đồ $%EGR_{New}$ trên toàn dải vận hành.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Trọng Tuấn đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu xác định định lượng ảnh hưởng của tuần hoàn khí thải đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và phát thải của động cơ diesel Common Rail D4CB 2.5 TCI-A khi sử dụng biodiesel B10 và B20. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa trên phần mềm AVL-Boost và thử nghiệm thực nghiệm chuyên sâu trên bệ thử động lực học, tác giả đã làm rõ các quy luật biến đổi nhiệt động trong xi lanh và cơ chế hình thành phát thải. Đóng góp cốt lõi của công trình là xây dựng thành công bộ dữ liệu điều khiển tỷ lệ EGR mới ($%EGR_{New}$) và nạp thành công vào ECU điều khiển động cơ, góp phần nâng cao hiệu quả giảm phát thải $\text{NO}_x$ và thúc đẩy ứng dụng nhiên liệu sinh học trong giao thông vận tải.
