Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng năng lượng cho các phương tiện giao thông vận tải và thiết bị động lực trang bị động cơ đốt trong ngày càng tăng, trong đó nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống (xăng và dầu Diesel) tiêu thụ trung bình trên thế giới khoảng 87 triệu thùng dầu mỗi ngày. Tại Việt Nam, theo Quyết định số 356/QĐ-TTg ngày 25/02/2013 của Thủ tướng Chính phủ về điều chỉnh quy hoạch phát triển giao thông vận tải đường bộ đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030, số lượng ô tô các loại đạt khoảng 3,2 - 3,5 triệu xe (trong đó xe khách chiếm 14% và xe tải chiếm 29%, hầu hết sử dụng động cơ Diesel) và khoảng 36 triệu xe máy, ước tính số lượng động cơ Diesel lên đến trên 1,5 triệu chiếc. Động cơ Diesel có ưu điểm về hiệu suất nhiệt cao và tính kinh tế nhiên liệu, nhưng lại phát thải lượng muội than (khói bồ hóng/PM) và các chất độc hại lớn.

Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) có trữ lượng lớn, nhiệt trị cao, không chứa chì và lưu huỳnh, khi cháy không tạo muội than. Tuy nhiên, LPG có trị số octan cao và chỉ số xêtan rất thấp (từ 3 đến 13), nhiệt độ tự cháy cao (khoảng 788 K so với 525 K của Diesel) nên không thể tự cháy do nén để thay thế hoàn toàn Diesel trong động cơ Diesel truyền thống. Giải pháp sử dụng nhiên liệu kép (LPG – Diesel), trong đó LPG được cấp vào đường nạp tạo hòa khí đồng nhất và một lượng Diesel nhỏ được phun mồi để kích hoạt quá trình cháy, là hướng tiếp cận phù hợp. Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra là:

  1. Thiếu các nghiên cứu sâu về phương pháp điều khiển điện tử đồng bộ giữa việc cấp LPG vào đường nạp và cắt giảm chính xác lượng Diesel phun mồi trên các dòng động cơ Diesel hiện đại điều khiển bằng điện tử (như hệ thống bơm VE-EDC).
  2. Chưa có sự thống nhất trong các công bố khoa học về giới hạn tỷ lệ LPG thay thế tối đa để không gây cháy kích nổ, cũng như ảnh hưởng của tỷ lệ thay thế đến diễn biến áp suất, thời gian cháy trễ, thời gian cháy chính và các thành phần phát thải ($NO_x$, $CO$, $HC$, muội than).
  3. Thiếu giải pháp tối ưu hóa việc cung cấp tỷ lệ LPG thay thế lớn nhất nhưng vẫn bảo toàn mô-men xoắn và công suất so với khi chạy thuần Diesel.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Đưa ra được giải pháp chuyển đổi và điều khiển điện tử thành công hệ thống cung cấp nhiên liệu kép điện tử LPG – Diesel hợp lý cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép (LPG-Diesel).
  2. Đánh giá khả năng sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế trên các động cơ Diesel hiện hành, thông qua sự ảnh hưởng của tỷ lệ nhiên liệu LPG thay thế nhiên liệu Diesel và các thông số hiệu chỉnh ảnh hưởng đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel, từ đó lựa chọn được các giá trị hợp lý đảm bảo sự hài hòa các tính năng động cơ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ Diesel TOYOTA 3C-TE trang bị hệ thống cung cấp nhiên liệu bằng bơm phân phối với bộ điều khiển bằng điện tử VE-EDC (Electronic Diesel Control); hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu LPG thiết kế, chế tạo tích hợp cho động cơ này.
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu lý thuyết mô phỏng kết hợp thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm chuyên ngành Động cơ thuộc Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi nội dung: Quá trình hình thành hòa khí, động học cháy, hiện tượng kích nổ, đặc tính kinh tế - kỹ thuật ($M_e$, $N_e$, suất tiêu hao nhiên liệu) và đặc tính phát thải ($CO$, $HC$, $NO_x$, độ mờ khói/muội than) ở các tỷ lệ thay thế LPG và các góc phun sớm khác nhau.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Luận án đã tổng hợp và phân loại các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước theo các nhóm nội dung:

1. Các nghiên cứu trong nước

  • Nghiên cứu quá trình cháy và phát thải: Vũ An (Viện Dầu khí Việt Nam, 2009) cùng Đại học Bách khoa Hà Nội nghiên cứu giải pháp cắt giảm khói đen cho xe buýt bằng nhiên liệu kép LPG – Diesel [1]. Bùi Văn Ga (Đại học Đà Nẵng) nghiên cứu ngọn lửa khuếch tán bên ngoài động cơ và quá trình hình thành ô nhiễm khí xả [4]. Trần Văn Nam (Đại học Đà Nẵng) mô hình hóa động cơ đánh lửa cưỡng bức và động học phản ứng hình thành CO [15]. Phạm Xuân Mai nghiên cứu mô hình ngọn lửa khuếch tán trong buồng cháy động cơ Diesel phun trực tiếp và quá trình hình thành bồ hóng [13]. Trần Thanh Hải Tùng (Đại học Đà Nẵng) nghiên cứu sự hình thành $NO_x$ trong động cơ Diesel buồng cháy phân chia [22]. Lê Văn Tụy (2009) mô phỏng hệ thống phun trực tiếp hai giai đoạn nhiên liệu khí thiên nhiên điều khiển bởi rơ le điện từ kép [25].
  • Nghiên cứu tỷ lệ hòa trộn và thực nghiệm: Trần Thanh Hải Tùng và Lê Minh Xuân (2006) thực nghiệm trên động cơ Mazda WL cho thấy tỷ lệ LPG dưới 20% giúp động cơ hoạt động bình thường, công suất giảm 5% - 10%, bồ hóng giảm 15% - 20% [21]. Mai Sơn Hải (Đại học Nha Trang, 2008) khảo sát ảnh hưởng của tốc độ và mức tải đến phát thải động cơ LPG – Diesel, ghi nhận độ mờ khói giảm ở tải cao [8]. Nguyễn Tường Vi (2014) chế tạo bộ điều khiển điện tử phun LPG theo áp suất phun và đường kính giclơ trên động cơ AVL 5402 và D1146TI; theo chu trình ECE R49 ở 100% tải, tỷ lệ LPG thay thế đạt 30% và 17,81%, $HC$ tăng 10,2%, $CO$ tăng 11,7%, $CO_2$ giảm 5,8%, $NO_x$ giảm 3%, PM giảm gần 20% [29]. Vương Văn Sơn (2014) thử nghiệm trên động cơ tăng áp FAWDE 4DX23-110 với bộ cấp LPG cố định 20% theo ECE R49, độ mờ khói giảm, $NO_x$ giảm 4,2%, PM giảm 21,4% [23]. Chu Mạnh Hùng (2006) khảo sát ô tô sử dụng LPG tại Việt Nam [10].
  • Nghiên cứu ứng dụng và bộ điều khiển: Nguyễn Quang Vinh (2008) thử nghiệm trên xe buýt cỡ nhỏ với tỷ lệ thay thế dưới 19% [28]. Đỗ Văn Dũng, Lê Thanh Phúc (2008) ứng dụng nhiên liệu kép trên động cơ Vikyno RV125 phun LPG đường nạp [9]. Nguyễn Văn Phụng (2013) dùng vi điều khiển ATmega32 điều khiển phun LPG đường nạp và van tuần hoàn khí xả (EGR) để giảm kích nổ trên động cơ WL-Turbo [20].

2. Các nghiên cứu quốc tế

  • Phương pháp phun trực tiếp hỗn hợp lỏng: Donghui và cộng sự [46] thử nghiệm tỷ lệ 10% và 30% LPG hòa trộn lỏng với Diesel trước khi phun trực tiếp, ghi nhận áp suất cực đại và công suất tăng, khói, $NO_x$, $CO$ giảm nhưng $HC$ tăng. Cao ET. Qi và cộng sự [42], [45] hòa trộn ngoài rồi phun trực tiếp với tỷ lệ LPG 10% - 40%, nhận thấy ở tải cao quá trình cháy kéo dài và hiệu suất giảm khi tỷ lệ vượt quá 25%.
  • Phương pháp cấp LPG vào đường nạp: Goldsworthy [49] nghiên cứu động cơ Diesel tăng áp tàu thủy Common Rail sử dụng propan – Diesel phun 2 lần; khi tăng tỷ lệ propan, áp suất cực đại và tốc độ tỏa nhiệt tăng, hiệu suất nhiệt ở toàn tải tăng 2 - 2,5%, $NO_x$ giảm, $CO$ tăng, xuất hiện kích nổ khi tỷ lệ thay thế trên 20% (tốc độ tăng áp đạt 19 bar/độ CA ở 26% và 58 bar/độ CA ở 35% propan). Negurescu [68] ghi nhận ở toàn tải tỷ lệ LPG 18,3% làm áp suất cực đại tăng từ 130 bar lên 150 bar và xuất hiện kích nổ ở mức 25%. Ngược lại, Lata và cộng sự [63], [64] nghiên cứu trên động cơ máy phát điện 62,5 kW cho thấy tỷ lệ LPG đến 40% giúp tăng hiệu suất nhiệt thêm khoảng 6%, và không phát hiện kích nổ cho tới tỷ lệ trên 50%.
  • Mô hình hóa mô phỏng: Thyagarajian và cộng sự [85] phát triển mô hình 1 vùng; Karim G.A. [59] phát triển mô hình 2 vùng; Chen, Gao và cộng sự [86] xây dựng mô hình 3 vùng cho nhiên liệu kép Ethanol/Diesel; Wong và cộng sự [89] phát triển mô hình CFD đa chiều với 53 cấu tử và 325 phản ứng hóa học.

Khoảng trống luận án giải quyết

Luận án tập trung giải quyết các bất đồng và thiếu hụt từ y văn:

  1. Làm rõ mâu thuẫn về giới hạn kích nổ và thời gian cháy trễ giữa các nghiên cứu (như giữa Goldsworthy/Negurescu và Lata).
  2. Xây dựng giải pháp điều khiển điện tử can thiệp trực tiếp vào tín hiệu van định lượng nhiên liệu SPV (Spill Valve) và van định thời điểm phun TCV (Timing Control Valve) của hệ thống bơm VE-EDC trên động cơ Toyota 3C-TE để phối hợp cấp LPG theo tải và tốc độ.
  3. Thiết lập mô hình mô phỏng nhiệt động 1D bằng phần mềm AVL BOOST kết hợp thực nghiệm băng thử nhằm xác định góc phun sớm tối ưu và tỷ lệ LPG thay thế cực đại mà vẫn đảm bảo công suất, mô-men xoắn tương đương động cơ nguyên bản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình tính toán

Quá trình tính toán chu trình nhiệt động và động học cháy của động cơ nhiên liệu kép LPG – Diesel dựa trên các mô hình lý thuyết:

  • Phương trình nhiệt động học thứ nhất: Mô tả định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng trong xi lanh động cơ: $$\frac{d(m_c \cdot u)}{d\alpha} = - p_c \cdot \frac{dV}{d\alpha} + \frac{dQ_F}{d\alpha} - \frac{dQ_w}{d\alpha} - h_{BB} \cdot \frac{dm_{BB}}{d\alpha} + \sum \frac{dm_i}{d\alpha} \cdot h_i - \sum \frac{dm_e}{d\alpha} \cdot h_e - q_{ev} \cdot f \cdot \frac{dm_{ew}}{d\alpha}$$
  • Mô hình truyền nhiệt qua vách xi lanh: Tính toán tổn thất nhiệt $Q_w$ theo diện tích bề mặt tiếp xúc $A_{wi}$ và hệ số truyền nhiệt $\alpha_w$.
  • Mô hình cháy Vibe hai vùng (Vibe 2 Zones) và mô hình AVL-MCC (AVL Mixing Controlled Combustion): Phân chia buồng cháy thành vùng hòa khí chưa cháy và vùng sản phẩm đã cháy để mô tả tốc độ tỏa nhiệt (ROHR), tính toán năng lượng giải phóng trong giai đoạn cháy nhanh ($Q_{PMC}$) và cháy chính ($Q_m$).
  • Mô hình phát thải:
    • Phát thải $NO_x$: Tính toán dựa trên cơ chế Zeldovich nhiệt động học phản ứng oxy hóa nitơ ở nhiệt độ cao theo trạng thái cân bằng của $NO$ ($C_{NOe}$).
    • Phát thải muội than (Soot/PM): Mô hình hình thành và oxy hóa muội than theo phương trình cân bằng tốc độ sinh khối lượng muội than ($m_{soot}$) dựa trên năng lượng hoạt hóa $E_{s,f}$, $E_{f,ox}$ và áp suất riêng phần $P_{O2}$.
    • Phát thải $CO$ và $HC$: Tính toán qua cân bằng nồng độ hóa học cục bộ trong điều kiện thiếu hoặc thừa oxy.
  • Mô hình kích nổ: Dựa trên tiêu chí tốc độ tăng áp suất theo góc quay trục khuỷu ($\frac{dp}{d\theta} > 10\text{ bar/độ CA}$) và thời gian tự bốc cháy của hòa khí LPG – không khí ở vùng chưa cháy.

Đặc tính hóa lý của nhiên liệu nghiên cứu

Luận án sử dụng các thông số tính chất của thành phần trong LPG làm cơ sở dữ liệu tính toán:

Thông số đặc trưng Propan ($C_3H_8$) n-butan ($C_4H_{10}$) iso-butan ($C_4H_{10}$)
Nhiệt độ sôi ($^\circ\text{C}$) -42,1 +1,0 -0,5
Trị số octan nghiên cứu (RON) 111 102 94
Chỉ số xêtan (Cetane) 3 9 13
Tỷ lệ hòa khí lý tưởng A/F (kg/kg) 15,7 15,4 15,49
Nhiệt độ tự bắt cháy ($^\circ\text{C}$) 481 544 441
Nhiệt trị thấp $H_u$ (MJ/kg) 46,3 45,5 45,70

Phương trình phản ứng cháy lý thuyết: $$C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O + Q$$ $$2C_4H_{10} + 13O_2 \rightarrow 8CO_2 + 10H_2O + Q$$

Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp kết hợp giữa mô hình hóa mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng:

  1. Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm chuyên ngành một chiều AVL BOOST để mô hình hóa toàn bộ hệ thống nạp, xi lanh, cơ cấu phối khí và hệ thống xả của động cơ Toyota 3C-TE. Thiết lập mô hình động cơ nguyên bản thuần Diesel, hiệu chỉnh sai số với thực nghiệm, sau đó phát triển thành mô hình động cơ nhiên liệu kép LPG – Diesel để khảo sát các tỷ lệ thay thế năng lượng (CCR - Combustion Energy Ratio) và góc phun sớm.
  2. Phương pháp thực nghiệm:
    • Lắp đặt động cơ thử nghiệm Toyota 3C-TE trên bệ thử động lực học.
    • Thiết kế, chế tạo phần cứng bộ điều khiển điện tử cấp khí LPG (sử dụng mạch nguồn 5V, khối xử lý vi điều khiển, mạch thu nhận tín hiệu cảm biến động cơ và mạch công suất điều khiển kim phun LPG).
    • Can thiệp tín hiệu điều khiển van định lượng nhiên liệu SPV để ngắt sớm thời điểm cấp dầu Diesel tương ứng với tỷ lệ LPG bổ sung.
    • Thu thập và đo đạc các thông số kỹ thuật bằng thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu HIOKI 8420, thiết bị phân tích nồng độ khí thải MGT 5 ($CO$, $HC$, $NO_x$), thiết bị đo độ mờ khói BOSCH BEA 460 và cảm biến đo áp suất xi lanh.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Chương 1 hệ thống hóa tình hình sản xuất, phân phối và sử dụng LPG trên phạm vi toàn cầu và tại Việt Nam. Toàn cầu năm 2013 sản xuất khoảng 260 triệu tấn LPG, năm 2014 tiêu thụ hơn 275 triệu tấn; các quốc gia có lượng tiêu thụ lớn gồm Hàn Quốc, Nhật Bản, Ba Lan, Thổ Nhĩ Kỳ, Italy. Tại Việt Nam, nguồn LPG bắt đầu khai thác từ các mỏ Tiền Hải, Bạch Hổ, Rồng, Rạng Đông, Đại Hùng qua nhà máy xử lý khí Dinh Cố và nhà máy lọc dầu Dung Quất với nhu cầu đạt khoảng 1,4 triệu tấn vào năm 2015.

Chương này phân tích hai phương pháp cấp nhiên liệu kép chính:

  1. Phun trực tiếp hỗn hợp lỏng LPG – Diesel vào buồng cháy: Khó khả thi do khác biệt tỷ trọng (LPG: 560 $\text{kg/m}^3$, Diesel: 810 $\text{kg/m}^3$) và đòi hỏi hệ thống duy trì áp suất cao phức tạp.
  2. Cung cấp LPG vào đường nạp kết hợp phun mồi Diesel: Khả thi, dễ lắp đặt, bảo toàn kết cấu cơ khí của động cơ Diesel nguyên thủy.

Chương 1 tổng kết các khoảng trống khoa học về kích nổ, sự thay đổi quá trình cháy và phát thải, làm tiền đề xác lập mục tiêu nghiên cứu của đề tài.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP (LPG – DIESEL)

Chương 2 trình bày lý thuyết quá trình cháy trong động cơ Diesel (chia 4 giai đoạn: cháy trễ, cháy nhanh, cháy chính/chậm, cháy rớt) và sự biến đổi khi chuyển sang nhiên liệu kép LPG – Diesel. Tác giả thiết lập hệ thống phương trình nhiệt động, mô hình cháy Vibe 2 Zones, mô hình AVL-MCC và các mô hình phát thải $NO_x$, $CO$, muội than.

Ứng dụng phần mềm AVL BOOST để xây dựng mô hình động cơ Toyota 3C-TE. Các kết quả mô phỏng thu được:

  • Đánh giá độ tin cậy mô hình thông qua sự tương quan giữa công suất ($N_e$), mô-men xoắn ($M_e$) và đường đặc tính áp suất trong xi lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm trên động cơ nguyên bản.
  • Mô phỏng các tỷ lệ hòa trộn LPG thay thế Diesel (CCR): Khi tăng tỷ lệ LPG ở tải cao, áp suất cực đại ($P_{max}$) và nhiệt độ cháy trong xi lanh có xu hướng tăng; tốc độ tỏa nhiệt ở giai đoạn đầu tăng nhanh.
  • Về phát thải mô phỏng: Hàm lượng muội than (soot) giảm mạnh khi tăng tỷ lệ LPG; phát thải $NO_x$ thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ cục bộ vùng cháy; $CO$ có xu hướng tăng nhẹ theo tỷ lệ LPG.
  • Mô phỏng ảnh hưởng của góc phun sớm ở chế độ tốc độ 2600 vòng/phút, 100% tải với tỷ lệ thay thế 30% LPG: Cho thấy góc phun sớm ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến áp suất xi lanh và khả năng phát sinh kích nổ.

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP LPG TRONG ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KÉP (LPG - DIESEL)

Chương 3 phân tích nguyên lý hoạt động của hệ thống phun dầu Diesel điều khiển điện tử VE-EDC trên động cơ Toyota 3C-TE, trong đó:

  • Lưu lượng nhiên liệu Diesel được định lượng bằng van điện từ SPV (Spill Valve) dựa trên độ dài xung đóng mở van.
  • Thời điểm phun sớm được kiểm soát bởi van định thời TCV (Timing Control Valve).

Từ đó, tác giả thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển cung cấp khí LPG chuyên dụng:

  • Xây dựng sơ đồ nguyên lý cung cấp khí LPG từ bình chứa, qua bộ hóa hơi giảm áp đến các kim phun LPG lắp trên đường ống nạp của từng xi lanh.
  • Thiết kế các khối mạch điện tử: Mạch cấp nguồn ổn áp 5V, mạch vi xử lý, mạch giao tiếp và thu nhận tín hiệu từ các cảm biến động cơ (cảm biến vị trí trục khuỷu, bàn đạp ga, áp suất khí nạp, nhiệt độ nước làm mát).
  • Thiết kế mạch điều khiển giảm lượng Diesel phun mồi: Thực hiện ngắt sớm tín hiệu điều khiển mở của van SPV để giảm chính xác lượng dầu Diesel tương ứng với tỷ lệ năng lượng do LPG bù đắp.
  • Xây dựng thuật toán và giao diện phần mềm điều khiển, giám sát tỷ lệ cấp nhiên liệu LPG – Diesel trên máy tính trong thời gian thực.

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Chương 4 thực hiện các quy trình thực nghiệm trên băng thử tại phòng thí nghiệm:

  • Kiểm nghiệm lưu lượng phun của bơm cao áp VE-EDC và kiểm tra đặc tính làm việc của kim phun LPG.
  • Đánh giá hoạt động đồng bộ của bộ điều khiển nhiên liệu kép khi điều khiển van SPV (cắt giảm thời gian mở van Diesel) song song với điều khiển độ rộng xung mở kim phun LPG.
  • Khảo sát đặc tính ngoài ($M_e$, $N_e$) và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở các chế độ vận hành thuần Diesel và nhiên liệu kép.
  • Đo đạc diễn biến áp suất cháy trong xi lanh ở tốc độ 2600 vòng/phút: Phát hiện hiện tượng xung kích nổ xuất hiện khi thời gian điều khiển mở kim phun LPG vượt quá ngưỡng giới hạn ($> 4\text{ ms}$).
  • Khảo sát các thành phần phát thải theo các tỷ lệ thay thế LPG và các góc phun sớm khác nhau:
    • Độ mờ khói $K$ ($\text{m}^{-1}$) và hàm lượng muội than giảm rõ rệt khi tăng tỷ lệ LPG thay thế.
    • Nồng độ $CO$ và $HC$ có xu hướng tăng so với khi chạy thuần Diesel.
    • Nồng độ $NO_x$ và độ mờ khói biến thiên phụ thuộc chặt chẽ vào góc phun sớm và tỷ lệ hòa trộn LPG.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

  1. Xây dựng và hoàn thiện mô hình nhiệt động học 1D trên nền tảng phần mềm AVL BOOST mô tả quá trình cháy hai vùng và động học hình thành phát thải ($NO_x$, muội than, $CO$) phù hợp cho động cơ Diesel chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel phun khí vào đường nạp.
  2. Làm rõ cơ chế cháy, diễn biến áp suất trong xi lanh và xác lập mối quan hệ giữa tỷ lệ thay thế LPG, thời gian mở van kim phun, góc phun sớm với ngưỡng xuất hiện hiện tượng cháy kích nổ trên động cơ Diesel điều khiển điện tử.

Đóng góp về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật

  1. Thiết kế, chế tạo thành công bộ điều khiển điện tử độc lập có khả năng thu nhận tín hiệu vận hành động cơ, điều khiển chính xác kim phun LPG đường nạp và can thiệp trực tiếp vào van SPV của bơm cao áp VE-EDC để cắt giảm lượng Diesel phun mồi một cách đồng bộ.
  2. Xác định được tỷ lệ thay thế LPG tối ưu tại các chế độ tải và tốc độ (đặc biệt ở chế độ 2600 vòng/phút), chứng minh tính khả thi của giải pháp chuyển đổi mà vẫn duy trì công suất, mô-men xoắn tương đương động cơ nguyên bản.
  3. Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm hoàn chỉnh về mức độ cắt giảm độ mờ khói (muội than) và biến thiên $NO_x$, $CO$, $HC$, làm căn cứ kỹ thuật cho việc cải tạo các phương tiện giao thông vận tải đang lưu hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Nghiên cứu thực nghiệm tập trung chuyên biệt trên đối tượng động cơ Toyota 3C-TE sử dụng hệ thống bơm phân phối điện tử VE-EDC; chưa mở rộng thử nghiệm trên các hệ thống nhiên liệu Diesel tích áp Common Rail thế hệ mới.
  • Khảo sát thực nghiệm được thực hiện trên băng thử tĩnh trong phòng thí nghiệm; chưa tiến hành đánh giá toàn diện chu trình thử nghiệm trên đường thực tế theo các điều kiện giao thông biến động.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo

  • Hoàn thiện thuật toán điều khiển thích nghi và tự động nhận diện tiếng gõ kích nổ thông qua cảm biến kích nổ (Knock Sensor) để tự động hiệu chỉnh tức thời góc phun sớm và lượng LPG cấp vào.
  • Nghiên cứu tích hợp hệ thống tuần hoàn khí xả (EGR) kết hợp bộ xử lý khí thải chuyên dụng (DOC, SCR) nhằm kiểm soát đồng thời sự gia tăng của $HC$, $CO$ và triệt tiêu $NO_x$.
  • Triển khai ứng dụng giải pháp điều khiển nhiên liệu kép lên các dòng động cơ Diesel Common Rail hiện đại và thử nghiệm thực tế trên phương tiện vận tải đường bộ.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Động lực, Kỹ thuật Ô tô: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng nhiệt động trên AVL BOOST và kỹ thuật can thiệp điều khiển hệ thống nhiên liệu Diesel điện tử VE-EDC.
  • Giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên đề về động cơ sử dụng nhiên liệu thay thế, động học cháy nhiên liệu kép và các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ động cơ đốt trong.
  • Các kỹ sư thiết kế, chế tạo và các cơ quan quản lý kỹ thuật phương tiện: Tham khảo giải pháp thiết kế mạch điều khiển chuyển đổi nhiên liệu kép và dữ liệu phát thải phục vụ xây dựng tiêu chuẩn, chính sách khuyến khích sử dụng năng lượng sạch trong giao thông.

Các nội dung có giá trị tham khảo nổi bật

  • Quy trình mô phỏng quá trình cháy nhiên liệu kép LPG – Diesel bằng phần mềm AVL BOOST (Chương 2).
  • Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử điều khiển kim phun LPG và mạch ngắt sớm van định lượng SPV (Chương 3).
  • Phương pháp bố trí thiết bị đo đạc phát thải và phân tích áp suất chỉ thị buồng đốt trên băng thử thực nghiệm (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao không thể sử dụng 100% LPG để chạy động cơ Diesel theo nguyên lý tự cháy do nén?

LPG có trị số octan cao (RON từ 94 đến 111) và chỉ số xêtan rất thấp (Cetane từ 3 đến 13), đồng thời nhiệt độ tự bắt cháy của LPG rất cao (khoảng 441 - 544 $^\circ\text{C}$ / 788 K so với khoảng 250 $^\circ\text{C}$ / 525 K của Diesel). Do đó, trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cuối kỳ nén của động cơ Diesel thông thường, hòa khí LPG – không khí không thể tự bốc cháy mà cần một lượng dầu Diesel phun mồi để tự bắt lửa trước, đóng vai trò như nguồn lửa đốt cháy hòa khí LPG.

2. Luận án lựa chọn phương pháp cung cấp LPG nào và vì sao không chọn phương pháp phun trực tiếp hỗn hợp lỏng?

Luận án lựa chọn phương pháp phun khí LPG vào đường ống nạp kết hợp phun mồi Diesel vào xi lanh. Phương pháp hòa trộn lỏng LPG – Diesel rồi phun trực tiếp không được chọn vì LPG lỏng và Diesel có sự chênh lệch lớn về tỷ trọng (560 $\text{kg/m}^3$ so với 810 $\text{kg/m}^3$) và áp suất bảo quản, đòi hỏi bình chứa chịu áp cao và hệ thống trộn phức tạp trước bơm cao áp, làm tăng chi phí và khó khả thi khi chuyển đổi các động cơ Diesel đang lưu hành.

3. Hệ thống điều khiển của luận án cắt giảm lượng Diesel phun mồi bằng cách nào trên động cơ Toyota 3C-TE?

Động cơ Toyota 3C-TE sử dụng bơm phân phối VE-EDC điều khiển lưu lượng Diesel bằng van điện từ SPV (Spill Valve). Bộ điều khiển do tác giả chế tạo sẽ can thiệp vào tín hiệu xung điều khiển van SPV bằng cách ngắt sớm thời điểm hoạt động của van, từ đó làm giảm thời gian mở van và giảm lượng dầu Diesel cung cấp cho chu trình tương ứng với lượng năng lượng do LPG bổ sung.

4. Dấu hiệu và điều kiện xuất hiện hiện tượng cháy kích nổ trong nghiên cứu thực nghiệm là gì?

Hiện tượng kích nổ được xác định thông qua tiêu chí tốc độ tăng áp suất trong xi lanh vượt quá 10 bar/độ CA và tín hiệu xung kích nổ ghi nhận trên thiết bị đo. Trong thực nghiệm tại chế độ 2600 vòng/phút và 100% tải, hiện tượng kích nổ xuất hiện khi thời gian điều khiển mở kim phun LPG vượt quá 4 ms (khi tỷ lệ cấp LPG vượt ngưỡng an toàn).

5. Việc sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel làm thay đổi các thành phần phát thải khí xả như thế nào?

Thực nghiệm và mô phỏng chỉ ra rằng khi chuyển sang chạy nhiên liệu kép LPG – Diesel: phát thải độ mờ khói và muội than (soot/PM) giảm đáng kể do LPG không chứa mạch vòng thơm và cháy sạch hơn; tuy nhiên phát thải $CO$ và $HC$ có xu hướng tăng do sự cháy không hoàn toàn của hòa khí LPG loãng ở các vùng sát vách buồng cháy; phát thải $NO_x$ phụ thuộc vào nhiệt độ cháy cục bộ và góc phun sớm hiệu chỉnh.

Kết luận

Luận án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán chuyển đổi động cơ Diesel Toyota 3C-TE trang bị hệ thống bơm VE-EDC sang sử dụng nhiên liệu kép LPG – Diesel bằng phương pháp phun khí LPG vào đường nạp kết hợp phun mồi Diesel. Thông qua việc kết hợp mô hình hóa nhiệt động trên phần mềm AVL BOOST và thực nghiệm trên băng thử, đề tài đã làm rõ quy luật biến thiên của quá trình cháy, xác định được giới hạn tỷ lệ thay thế LPG tránh hiện tượng kích nổ và thiết lập góc phun sớm tối ưu. Kết quả nghiên cứu khẳng định khả năng duy trì công suất, mô-men xoắn của động cơ đồng thời cắt giảm phát thải muội than, mang lại giải pháp kỹ thuật khả thi cho việc ứng dụng nhiên liệu thay thế trên các phương tiện giao thông vận tải.