Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của số lượng động cơ đốt trong trên toàn cầu đặt ra hai thách thức lớn: ô nhiễm môi trường và cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Việc sử dụng khí thiên nhiên nén (CNG) làm nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong mang lại nhiều lợi ích về kinh tế và môi trường nhờ khả năng giảm phát thải khí nhà kính và các chất độc hại. Tại Việt Nam, phương tiện sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên như xe buýt CNG đã được đưa vào vận hành tại Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội. Tuy nhiên, các phương tiện này chủ yếu nhập khẩu nguyên chiếc với chi phí đầu tư ban đầu cao, đồng thời hệ thống trạm cấp khí còn hạn chế.

Giải pháp chuyển đổi các động cơ diesel hiện có sang sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên nén giúp tiết kiệm chi phí đầu tư, tận dụng nguồn phụ tùng sẵn có trong nước. Động cơ diesel một xylanh (điển hình như dòng S1100) được sử dụng phổ biến trong các ngành nông nghiệp, vận tải thủy cỡ nhỏ và máy phát điện tại Việt Nam. Khi chuyển đổi từ động cơ diesel tự cháy sang động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng CNG, sự khác biệt lớn về tính chất vật lý và hóa học của khí thiên nhiên—đặc biệt là tốc độ cháy chậm và xu hướng kích nổ ở tỷ số nén cao—đòi hỏi phải điều chỉnh lại các thông số kết cấu (tỷ số nén, hình dạng buồng cháy trên đỉnh piston) và thông số vận hành (góc đánh lửa sớm, hệ số dư lượng không khí). Khoảng trống nghiên cứu nằm ở việc thiếu các khảo sát có hệ thống kết hợp giữa mô phỏng nhiệt động học và thực nghiệm về ảnh hưởng của kết cấu đỉnh piston và tỷ số nén đến quá trình cháy và phát thải của động cơ diesel một xylanh chuyển đổi sang sử dụng CNG tại Việt Nam.

Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu tổng quát 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 5 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng quan tài liệu và các công trình khoa học đã công bố để phân tích tính cấp thiết và xác định định hướng nghiên cứu.
  2. Xây dựng cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng của tỷ số nén và hình dạng buồng cháy đến thời gian cháy và phát thải của động cơ sử dụng khí thiên nhiên cấp trên đường ống nạp.
  3. Nghiên cứu mô phỏng: Xây dựng mô hình, điều khiển và phân tích kết quả mô phỏng động cơ sau chuyển đổi trên phần mềm chuyên dụng AVL Boost.
  4. Chuyển đổi động cơ diesel một xylanh thành động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên.
  5. Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các thông số kết cấu và vận hành đến thời gian cháy và phát thải của động cơ sau chuyển đổi.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel một xylanh S1100 truyền thống (không tăng áp, làm mát bằng nước, 2 xúp-páp gồm 1 nạp và 1 thải, buồng cháy thống nhất). Động cơ được cải tạo bằng cách tháo bỏ hệ thống nhiên liệu diesel nguyên bản, lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiên cấp qua đường ống nạp, bổ sung bướm ga và trang bị hệ thống đánh lửa cưỡng bức bằng bugi lắp tại vị trí vòi phun diesel cũ trên nắp máy.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm về ảnh hưởng của tỷ số nén ($\varepsilon$) và hình dạng kết cấu đỉnh piston (đường kính phần lõm $D_b$, độ sâu phần lõm $H_b$) đến quá trình cháy, tính năng công tác (mô men $M_e$, công suất $N_e$) và nồng độ các chất phát thải ($CO, HC, NO_x$). Thí nghiệm được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước

Luận án đã tổng hợp các công trình nghiên cứu liên quan đến việc sử dụng khí thiên nhiên cho động cơ đốt trong theo các nhóm chính:

1. Các nghiên cứu quốc tế

  • Chuyển đổi sử dụng nhiên liệu kép (Dual Fuel): Ehsan và các cộng sự đã thử nghiệm động cơ diesel cỡ nhỏ bổ sung khí thiên nhiên trên đường nạp, đạt tỷ lệ thay thế diesel lên tới 88% ở mức tải 90% với chi phí chuyển đổi thấp. Tuy nhiên, Lim Pei Li chỉ ra rằng việc tăng tỷ lệ thay thế khí thiên nhiên ở động cơ diesel nguyên bản làm tăng hiện tượng gõ kích nổ, từ đó đề xuất phương án giảm tỷ số nén của động cơ.
  • Chuyển đổi sang động cơ đơn nhiên liệu CNG cháy cưỡng bức: Các nghiên cứu của nhiều tác giả quốc tế lựa chọn giải pháp tháo bỏ toàn bộ hệ thống phun diesel, gia công lại nắp máy để lắp bugi đánh lửa, đưa vòi phun khí vào đường nạp và hạ tỷ số nén xuống khoảng $\varepsilon = 10$ nhằm tránh kích nổ.
  • Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy:
    • Tanaji Balawant Shinde và cộng sự khẳng định khi chuyển đổi động cơ diesel sang CNG cần tái thiết kế hình dạng đỉnh piston để tương thích với vị trí bugi và dòng xoáy khí nạp.
    • Johansson và cộng sự sử dụng hệ thống quang học laser khảo sát 10 dạng đỉnh piston khác nhau (Flat, Nebula, Square, Turbine, Hemi, Cylinder, Cross Hemi 16, Square 16, Cone), chỉ ra rằng hình dạng đỉnh piston và diện tích tạo xoáy nén (squish) quyết định trực tiếp đến động năng rối của dòng khí và tốc độ giải phóng nhiệt, trong đó buồng cháy dạng trụ lõm hỗ trợ tốt cho quá trình cháy cưỡng bức.

2. Các nghiên cứu tại Việt Nam

  • 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%, nồng độ phát thải $CO$ giảm 80%, $HC$ giảm 79%, $NO_x$ giảm 44%, $CO_2$ giảm 29%.
  • Phạm Hữu Tân nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ sang sử dụng CNG thông qua giải pháp buồng đốt phụ và đánh lửa bằng bugi, ghi nhận mức giảm phát thải $NO_x$ đáng kể.
  • Trần Thanh Hải Tùng và cộng sự ứng dụng phần mềm Fluent mô phỏng quá trình cháy nhiên liệu kép CNG - diesel trên động cơ Vikyno RV125-2.
  • Bùi Văn Ga (2004–2005) nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng LPG và biogas qua bộ phụ kiện GA5, xử lý nâng hàm lượng $CH_4$ trong biogas từ 69,33% lên 88,09%, giảm mạnh phát thải $CO$ và $HC$.

Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết

Phần lớn các nghiên cứu trong nước trước đây tập trung vào việc chuyển đổi động cơ xăng hoặc động cơ diesel làm việc theo chế độ nhiên liệu kép (dual fuel), hoặc mô phỏng 3D nhưng chưa đi sâu vào việc khảo sát định lượng ảnh hưởng của các kích thước hình học đỉnh piston ($D_b, H_b$) kết hợp với sự thay đổi tỷ số nén ($\varepsilon$) trên động cơ diesel 1 xylanh chuyển đổi hoàn toàn sang đánh lửa cưỡng bức dùng 100% CNG. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách thiết lập mô hình mô phỏng 1D tích hợp mô hình cháy Fractal trên AVL Boost và kiểm chứng bằng hệ thống thực nghiệm đồng bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết quá trình cháy cưỡng bức khí thiên nhiên

Động cơ sau chuyển đổi làm việc theo chu trình Otto (cháy cưỡng bức SI). Quá trình cháy bao gồm ba giai đoạn:

  1. Giai đoạn hình thành màng lửa: Chiếm 5–10% khối lượng nhiên liệu cháy, công sinh ra không đáng kể.
  2. Giai đoạn phát triển màng lửa (cháy chính): Đốt cháy đến 90% khối lượng nhiên liệu, áp suất và nhiệt độ trong xylanh tăng mạnh, sinh công chủ yếu.
  3. Giai đoạn cháy sau (kết thúc màng lửa): Đốt cháy 10% lượng nhiên liệu còn lại, áp suất và nhiệt độ giảm dần.

Luận án áp dụng các phương trình nhiệt động học và bảo toàn cơ bản:

  • Định luật bảo toàn khối lượng (hệ kín): $$\frac{dM}{dt} = 0$$

  • Định luật thứ nhất của nhiệt động học cho môi chất trong xylanh: $$dQ_c - dQ_h = dU + dW$$ Trong đó $dQ_c$ là nhiệt giải phóng từ nhiên liệu, $dQ_h$ là nhiệt truyền cho thành vách buồng cháy, $dU$ là biến thiên nội năng, $dW$ là công cơ học.

  • Phương trình xác định tốc độ giải phóng nhiệt (Heat Release Rate - HRR): $$\frac{dQ_c}{d\varphi} - \frac{dQ_h}{d\varphi} = \frac{\gamma}{\gamma - 1} P \frac{dV}{d\varphi} + \frac{1}{\gamma - 1} V \frac{dP}{d\varphi}$$ Trong đó $\gamma = \frac{C_p}{C_v}$ là chỉ số đoạn nhiệt, $\varphi$ là góc quay trục khuỷu, $P$ là áp suất và $V$ là thể tích xylanh.

  • Hệ số khối lượng nhiên liệu đã cháy (Mass Fraction Burned - MFB): $$MFB(\varphi) = \frac{\int_{SOC}^{\varphi} \frac{dQ_{gen}}{d\varphi} d\varphi}{m_{f_total} \cdot \eta_{comb} \cdot Q_{LHV}}$$

  • Mô hình cháy Fractal (Fractal Combustion Model): Mô hình giả thiết diện tích bề mặt màng lửa được phân chia thành diện tích cháy tầng ổn định ($A_L$) và diện tích cháy rối ($A_T$). Tốc độ đốt cháy khối lượng hỗn hợp được mô tả qua phương trình: $$\frac{dm_b}{dt} = \rho_u A_T S_L = \rho_u \left(\frac{A_T}{A_L}\right) A_L S_L$$ Tỷ số diện tích màng lửa $\frac{A_T}{A_L}$ tỷ lệ với tỷ số vận tốc cháy rối và vận tốc cháy tầng $\frac{S_T}{S_L}$. Kích thước phân dạng $D_3$ được xác định thông qua trường vận tốc rối, quy mô chiều dài Kolmogorov ($L_{min}, L_{max}$) và mô hình động năng rối $K-k-\varepsilon$. Quá trình cháy sát vách (wall combustion) được tính toán kết hợp với tham số suy giảm thời gian $\tau$ và hệ số trọng số $w_2$.

  • Mô hình truyền nhiệt qua vách buồng cháy: Áp dụng mô hình thực nghiệm Woschni 1978 để tính toán hệ số truyền nhiệt $w$ qua diện tích bề mặt nắp máy, piston và lót xylanh: $$Q_{wi} = A_i \cdot w \cdot (T_c - T_{wi})$$

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng thời phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm:

  1. Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phần mềm chuyên ngành AVL Boost để mô hình hóa toàn bộ chu trình nhiệt động lực học của động cơ, thiết lập điều kiện biên nạp/xả, các thông số kích thước buồng cháy, tích hợp mô hình cháy Fractal và mô hình tính toán trị số Ốc-tan yêu cầu (ON).
  2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
    • Cải tạo cơ khí động cơ diesel S1100 nguyên bản thành động cơ đánh lửa cưỡng bức.
    • Thiết kế, chế tạo hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm (gồm biến áp đánh lửa, IC, cảm biến phát xung và cơ cấu chỉnh góc đánh lửa sớm).
    • Lắp đặt hệ thống cấp khí CNG qua bộ điều áp và vòi phun khí chuyên dụng trên đường nạp.
    • Thử nghiệm trên băng thử phanh điện động lực học APA100 kết hợp hệ thống thu thập dữ liệu áp suất chỉ thị, lưu lượng khí nạp, tiêu hao nhiên liệu CNG và tủ phân tích phát thải CEB-II.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

Chương 1 trình bày chi tiết về nguồn gốc, trữ lượng và đặc tính của khí thiên nhiên, đồng thời tổng hợp các kết quả nghiên cứu chuyển đổi động cơ trong và ngoài nước.

Đặc tính kỹ thuật Khí thiên nhiên (CNG) Nhiên liệu Diesel Xăng thương dụng
Màu sắc, mùi Không màu, không mùi Có màu, có mùi Có màu, có mùi
Tỷ trọng 0,64 (so với không khí) 0,82 ÷ 0,87 (so với nước) 0,72 ÷ 0,87 (so với nước)
Nhiệt độ sôi/ngưng tụ (°C) -162 175 ÷ 370 40 ÷ 200
Nhiệt trị thấp $Q_{LHV}$ (MJ/kg) 50,0 42,7 42,9
Nhiệt độ cháy lý thuyết (°C) 1960 1780 2138
Nhiệt độ tự bốc cháy (°C) 540 280 264
Tỷ lệ hòa khí lý thuyết (A/F) 17,2 14,5 14,7
Chỉ số Ốc-tan (ON) ~130 Không áp dụng 83 ÷ 95

Số liệu địa chất cho thấy ba quốc gia sở hữu trữ lượng khí thiên nhiên lớn nhất thế giới gồm Nga (47,57 nghìn tỷ $\text{m}^3$, chiếm 25,02%), Iran (29,60 nghìn tỷ $\text{m}^3$, chiếm 15,57%) và Qatar (25,47 nghìn tỷ $\text{m}^3$, chiếm 13,39%). Tại Việt Nam, trữ lượng khí dự báo đạt từ 300 đến 400 tỷ $\text{m}^3$, phân bố tại các mỏ Tiền Hải (Thái Bình), Bạch Hổ, Đại Hùng, mỏ Rồng và hệ thống chế biến của PVGas South (nhà máy Phú Mỹ, Mỹ Xuân, Hiệp Phước với tổng sản lượng khoảng 150 triệu $\text{m}^3$/năm).

Về mặt lý thuyết buồng cháy, chương 1 làm rõ các khái niệm về:

  • Thông số kết cấu: Đường kính phần lõm đỉnh piston ($D_b$), độ sâu phần lõm đỉnh piston ($H_b$), vị trí tâm lõm đỉnh piston ($O_B$), vị trí lắp đặt bugi ($O_S$) và tỷ số nén ($\varepsilon$).
  • Thông số vận hành: Tốc độ vòng quay động cơ ($n$), mô men có ích ($M_e$), công suất có ích ($N_e$), suất tiêu hao nhiên liệu ($g_e$), hệ số dư lượng không khí ($\lambda$), góc đánh lửa sớm ($IT$), động năng rối ($TKE$) và vận tốc dòng squish.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết quá trình cháy ở động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng khí thiên nhiên

Chương 2 tập trung thiết lập hệ thống phương trình vi phân và các mô hình toán học mô tả động học cháy:

  • Xây dựng phương trình trạng thái khí lý tưởng và biến thiên nhiệt động học trong xylanh theo góc quay trục khuỷu $\varphi$.
  • Thiết lập phương trình truyền năng lượng $K-k-\varepsilon$ tính toán sự chuyển hóa động năng dòng nạp trung bình $K$ sang động năng rối $k$ và tốc độ tiêu tán rối $\varepsilon_{diss}$.
  • Mô hình hóa cơ chế kích nổ và chỉ số Ốc-tan yêu cầu: Xác định mối liên hệ giữa nhiệt độ hỗn hợp chưa cháy cuối quá trình nén, thời gian làm chậm tự bốc cháy với trị số Ốc-tan yêu cầu ($ON$) nhằm xác định giới hạn tỷ số nén an toàn.
  • Mô hình dòng squish: Tính toán vận tốc chuyển động ngang của môi chất từ khe hở mép piston đi vào phần lõm trung tâm ở cuối kỳ nén, làm cơ sở tối ưu hóa mức độ rối $u'$ và diện tích màng lửa cháy khuếch tán $A_T$.
  • Ứng dụng mô hình truyền nhiệt Woschni 1978 có hiệu chỉnh theo chuyển động tương đối của piston giữa điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD).

Chương 3: Nghiên cứu mô phỏng động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên

Chương 3 triển khai xây dựng và vận hành mô hình mô phỏng trên phần mềm AVL Boost:

  • Xây dựng mô hình: Khai báo các khối phần tử động cơ S1100 chuyển đổi gồm đường ống nạp, bộ tiết lưu/bướm ga, vòi phun khí CNG, cụm xúp-páp nạp/thải, xylanh và đường ống xả. Thiết lập các thông số biên nhiệt độ, áp suất môi trường và các hệ số lưu lượng xúp-páp.
  • Hiệu chuẩn mô hình: Đối chiếu kết quả tổn thất cơ giới và các thông số chu trình mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm chuẩn của động cơ S1100 để xác lập độ tin cậy của mô hình số.
  • Kết quả khảo sát mô phỏng:
    • Ảnh hưởng của tỷ số nén ($\varepsilon$): Khi tăng tỷ số nén từ 9,5 lên 11,5, công suất $N_e$ và mô men $M_e$ tăng do hiệu suất nhiệt tăng; tuy nhiên, trị số Ốc-tan yêu cầu ($ON$) tăng mạnh, làm hẹp vùng vận hành an toàn chống kích nổ.
    • Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm ($IT$): Góc đánh lửa sớm tối ưu phụ thuộc chặt chẽ vào tỷ số nén và tốc độ động cơ; đánh lửa quá sớm làm tăng áp suất cực đại và khuynh hướng kích nổ.
    • Ảnh hưởng của thông số kết cấu đỉnh piston ($D_b, H_b$): Tăng độ sâu $H_b$ và giảm đường kính $D_b$ (tăng độ sâu lõm cục bộ) làm gia tăng vận tốc dòng squish và động năng rối $TKE$, rút ngắn thời gian cháy chính và giảm lượng nhiên liệu cháy rớt trên đường xả, qua đó cải thiện công suất và giảm phát thải $CO, HC$.
    • Ảnh hưởng của vị trí bugi ($O_S$) và tâm lõm ($O_B$): Bố trí khoảng cách lan truyền màng lửa ngắn nhất giúp giảm thời gian cháy và hạn chế hình thành khí thải ô nhiễm.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình chế tạo, lắp ráp và thử nghiệm động cơ S1100 chuyển đổi trên băng thử:

  • Thiết kế, chuyển đổi hệ thống:
    • Gia công lỗ ren trên nắp máy tại vị trí vòi phun diesel cũ để lắp bugi đánh lửa tiêu chuẩn.
    • Thiết kế hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm: Bộ phát xung từ gắn trên trục khuỷu, cơ cấu điều chỉnh góc đánh lửa sớm cơ khí/điện tử, khối khuếch đại công suất IC và biến áp cao áp.
    • Thiết kế cụm hòa trộn/vòi phun cấp khí CNG đặt trên đường ống nạp phía sau bướm ga.
    • Chế tạo 3 mẫu đỉnh piston với các kích thước $D_b, H_b$ khác nhau nhằm thay đổi hình dạng buồng cháy và tỷ số nén thử nghiệm ($\varepsilon$).
  • Hệ thống thiết bị đo thử nghiệm:
    • Băng thử phanh điện động lực học APA100 điều khiển tải và tốc độ vòng quay.
    • Cảm biến áp suất chỉ thị buồng cháy kết hợp bộ mã hóa góc quay trục khuỷu để đo diễn biến áp suất $P-\varphi$.
    • Đồng hồ đo lưu lượng khí nạp và thiết bị đo lưu lượng nhiên liệu khí CNG.
    • Tủ phân tích khí xả công nghiệp đa kênh CEB-II đo nồng độ $CO, CO_2, HC, NO_x, O_2$.
  • Kết quả thực nghiệm và đối chứng mô phỏng:
    • Thực nghiệm khẳng định việc lựa chọn đỉnh piston có tỷ số $D_b/H_b$ phù hợp kết hợp tỷ số nén hợp lý ($\varepsilon \approx 10,5$) mang lại sự cân bằng tối ưu giữa công suất, mô men và tính kinh tế nhiên liệu mà không xảy ra hiện tượng kích nổ.
    • Nồng độ phát thải $CO$ và $HC$ giảm đáng kể ở các kết cấu đỉnh piston có cường độ tạo xoáy squish cao do quá trình cháy diễn ra hoàn thiện hơn. Phát thải $NO_x$ phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ cực đại trong buồng cháy và góc đánh lửa sớm.
    • Sai số giữa kết quả tính toán mô phỏng trên AVL Boost và kết quả đo thực nghiệm đối với công suất $N_e$, mô men $M_e$ và các thành phần phát thải ($CO, HC, NO_x$) nằm trong giới hạn sai số cho phép, chứng minh tính đúng đắn của mô hình lý thuyết.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

  1. Về mặt phương pháp và mô hình hóa: Xây dựng thành công mô hình mô phỏng nhiệt động học động cơ chuyển đổi từ diesel sang sử dụng khí thiên nhiên nén trên phần mềm AVL Boost, tích hợp mô hình cháy Fractal và hàm xác định trị số Ốc-tan yêu cầu ($ON$), cho phép mô tả định lượng ảnh hưởng của các thông số hình học buồng cháy ($D_b, H_b$) và tỷ số nén ($\varepsilon$) đến quá trình cháy, động năng rối ($TKE$), tốc độ giải phóng nhiệt ($HRR$) và phát thải.
  2. Về mặt thực nghiệm và giải pháp kỹ thuật: Hoàn thiện giải pháp chuyển đổi thực tế động cơ diesel một xylanh S1100 thành động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng 100% nhiên liệu CNG; thiết kế, chế tạo thành công hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm và cụm cấp khí nạp; xác định được bộ thông số kết cấu đỉnh piston và tỷ số nén tối ưu giúp động cơ hoạt động ổn định, tránh kích nổ, đảm bảo tính năng công tác và giảm phát thải độc hại.

Kiến nghị và khả năng ứng dụng

  • Ứng dụng giải pháp chuyển đổi cho các dòng động cơ diesel cỡ nhỏ đang lưu hành trong nông nghiệp, máy bơm, máy phát điện và phương tiện vận tải thủy nội địa tại các địa phương có nguồn cung cấp khí CNG.
  • Tiếp tục tiêu chuẩn hóa bộ phụ kiện chuyển đổi (kit chuyển đổi) gồm nắp máy gia công lại, hệ thống đánh lửa, bướm ga và cụm đỉnh piston tối ưu để ứng dụng sản xuất hàng loạt với giá thành thấp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Nghiên cứu thực nghiệm mới tập trung khảo sát trên động cơ một xylanh cỡ nhỏ, không tăng áp (S1100), phương thức cấp nhiên liệu gián tiếp trên đường ống nạp.
  • Chưa khảo sát quá trình cháy trong không gian 3D chi tiết bằng các công cụ mô phỏng động lực học chất lưu (CFD) để quan sát trường phân bố cục bộ của màng lửa và nồng độ hòa khí.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phun khí thiên nhiên trực tiếp vào xylanh (Direct Injection CNG) ở áp suất cao nhằm nâng cao hệ số nạp $\eta_v$ và hiệu suất nhiệt.
  • Mở rộng nghiên cứu chuyển đổi trên các dòng động cơ diesel nhiều xylanh, có tăng áp sử dụng trên ô tô tải và xe khách.
  • Xây dựng hệ thống điều khiển điện tử tích hợp (ECU) tự động điều chỉnh góc đánh lửa sớm ($IT$) và lượng cấp khí tối ưu theo thời gian thực dựa trên tín hiệu cảm biến kích nổ và cảm biến oxy.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Nhiệt: Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị về phương pháp ứng dụng phần mềm AVL Boost, kỹ thuật thiết lập mô hình cháy Fractal và phương pháp luận tính toán chu trình nhiệt động học động cơ cháy cưỡng bức sử dụng nhiên liệu khí.
  • Đối với kỹ sư thiết kế và các cơ sở sửa chữa, cơ khí chế tạo: Cung cấp hướng dẫn kỹ thuật chi tiết về quy trình cải tạo cơ khí động cơ diesel (lắp đặt bugi, chế tạo hệ thống đánh lửa bán dẫn, thiết kế đỉnh piston và điều chỉnh tỷ số nén phù hợp) khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên.
  • Đối với các nhà hoạch định chính sách môi trường và năng lượng: Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm về tiềm năng cắt giảm phát thải và hiệu quả kỹ thuật của việc chuyển đổi nhiên liệu truyền thống sang khí thiên nhiên tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm của luận án là loại động cơ nào và đã được cải tạo những bộ phận gì?

Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel một xylanh S1100 truyền thống (không tăng áp, làm mát bằng nước, buồng cháy thống nhất). Động cơ được cải tạo bằng cách:

  • Tháo bỏ hệ thống phun nhiên liệu diesel nguyên bản.
  • Gia công ren trên nắp máy tại vị trí vòi phun cũ để lắp đặt bugi đánh lửa.
  • Lắp đặt hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm (gồm biến áp cao áp, IC đánh lửa và bộ phát xung).
  • Lắp đặt bướm ga và hệ thống cấp nhiên liệu khí thiên nhiên (CNG) trên đường ống nạp.
  • Chế tạo các mẫu piston mới để thay đổi tỷ số nén và hình dạng phần lõm đỉnh buồng cháy.

2. Vì sao khi chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng 100% CNG cần phải hạ tỷ số nén?

Mặc dù khí thiên nhiên có chỉ số Ốc-tan cao (~130), việc giữ nguyên tỷ số nén cao của động cơ diesel nguyên bản ($\varepsilon > 16-18$) trong chế độ cháy cưỡng bức đồng thể sẽ dẫn đến hiện tượng cháy kích nổ (knocking) nghiêm trọng do áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén vượt quá giới hạn tự bốc cháy của hòa khí. Do đó, cần giảm tỷ số nén xuống dải tối ưu (khoảng $\varepsilon = 9,5 - 11,5$) để động cơ vận hành ổn định, an toàn và đạt hiệu suất nhiệt cao.

3. Mô hình cháy nào được tác giả lựa chọn trong phần mềm AVL Boost và vì sao?

Tác giả lựa chọn mô hình cháy Fractal (Fractal Combustion Model) kết hợp với mô hình không chiều và hàm tính trị số Ốc-tan yêu cầu ($ON$). Mô hình Fractal cho phép mô tả chính xác quá trình lan truyền màng lửa rối trong môi chất đồng thể, phân tách vùng cháy tầng và vùng cháy rối, đồng thời tính toán được ảnh hưởng trực tiếp của các thông số hình học buồng cháy, chuyển động squish và động năng rối ($TKE$) đến tốc độ giải phóng nhiệt và thời gian cháy.

4. Hệ thống thiết bị đo lường chính trong nghiên cứu thực nghiệm gồm những gì?

Hệ thống thử nghiệm tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội bao gồm:

  • Băng thử phanh điện động lực học APA100.
  • Cảm biến áp suất chỉ thị trong xylanh động cơ.
  • Cảm biến đo lưu lượng khí nạp.
  • Thiết bị đo lưu lượng và tiêu hao nhiên liệu khí CNG.
  • Tủ phân tích khí phát thải công nghiệp CEB-II đo các thành phần $CO, CO_2, HC, NO_x, O_2$.

Kết luận

Luận án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán khoa học và thực tiễn về việc chuyển đổi động cơ diesel một xylanh S1100 sang sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) đánh lửa cưỡng bức. Bằng phương pháp kết hợp mô phỏng nhiệt động học trên phần mềm AVL Boost (ứng dụng mô hình cháy Fractal) và nghiên cứu thực nghiệm trên băng thử phanh điện APA100, công trình đã làm sáng tỏ quy luật ảnh hưởng của tỷ số nén và các kích thước hình học đỉnh piston ($D_b, H_b$) đến động năng rối, thời gian cháy, tính năng công tác và đặc tính phát thải. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ khả thi nhằm thúc đẩy việc sử dụng nhiên liệu sạch, giảm phát thải ô nhiễm và đa dạng hóa nguồn năng lượng cho động cơ đốt trong tại Việt Nam.