Tổng quan luận án
Động cơ diesel giữ vai trò trọng yếu trong các ngành kinh tế quốc dân, giao thông vận tải, nông nghiệp và quân sự nhờ có hiệu suất nhiệt cao và tính kinh tế vượt trội so với động cơ xăng. Tuy nhiên, việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống khiến động cơ diesel phát thải lượng lớn các chất ô nhiễm độc hại, đặc biệt là oxit nitơ ($\text{NO}_x$) và phát thải dạng hạt/muội than ($\text{PM}/\text{soot}$), cùng với mônôxit cacbon ($\text{CO}$) và hydrocacbon chưa cháy ($\text{HC}$).
Tại Việt Nam, hiện đang lưu hành một số lượng rất lớn các động cơ diesel thế hệ cũ trang bị hệ thống nhiên liệu cơ khí cổ điển (như bơm cao áp phân phối Bosch trên dòng động cơ D4BB của Hyundai, bơm cao áp dãy Bosch trên dòng D6CA của Isuzu, và bơm cao áp đơn trên dòng động cơ R180). Các động cơ này không được trang bị hệ thống xử lý khí thải sau xả, khí xả chỉ đi qua bình tiêu âm rồi xả trực tiếp ra môi trường, trở thành nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng. Các công nghệ xử lý khí thải hiện đại như bộ xúc tác oxy hóa ($\text{DOC}$), bộ lọc hạt ($\text{DPF}$), và bộ khử xúc tác chọn lọc ($\text{SCR}$) kết hợp dung dịch $\text{DEF}$ có kết cấu cồng kềnh, chi phí đắt đỏ và vận hành phức tạp, không khả thi để trang bị đại trà cho các dòng động cơ đang lưu hành.
Giải pháp luân hồi khí thải ($\text{EGR}$) giúp giảm $\text{NO}_x$ hiệu quả nhưng làm tăng $\text{PM}$, $\text{CO}$, $\text{HC}$ và tăng suất tiêu hao nhiên liệu. Ngược lại, giải pháp bổ sung khí hydro ($\text{HES}$) trên đường nạp giúp cải thiện quá trình cháy, giảm $\text{CO}$, $\text{HC}$, $\text{PM}$ và tăng hiệu suất nhiệt, nhưng lại làm tăng nhiệt độ cháy cục bộ dẫn đến tăng phát thải $\text{NO}_x$. Do đó, việc kết hợp đồng thời luân hồi khí thải và bổ sung hydro (hệ thống $\text{EHSy}$) là hướng nghiên cứu có cơ sở khoa học để xử lý đồng thời $\text{NO}_x$ và $\text{PM}$ với chi phí hợp lý.
Mục tiêu nghiên cứu:
- Đánh giá ảnh hưởng đồng thời của luân hồi khí thải và bổ sung hydro đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ diesel.
- Đưa ra giải pháp kết hợp luân hồi khí thải và bổ sung hydro hợp lý để giảm phát thải $\text{NO}_x$ và $\text{PM}$ cho động cơ diesel mà không làm giảm các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật khác (suất tiêu hao nhiên liệu, $\text{CO}$, $\text{HC}$) quá 5%.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel 1 xi-lanh R180 hút khí tự nhiên, sử dụng hệ thống nhiên liệu điều khiển cơ khí.
- Phạm vi không gian: Các thử nghiệm thực nghiệm được thực hiện 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.
- Phạm vi nội dung: Đánh giá đặc tính làm việc và phát thải của động cơ R180 ở các chế độ tốc độ 1500 vòng/phút, 2600 vòng/phút và chế độ đặc tính ngoài, từ đó xác định tỉ lệ $\text{EGR}$ và tỉ lệ hydro thay thế phù hợp. Luận án hoàn thành vào tháng 02 năm 2022.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các công trình nghiên cứu về kiểm soát phát thải cho động cơ diesel được tác giả phân tích và tổng hợp có hệ thống:
Về công nghệ luân hồi khí thải ($\text{EGR}$):
- Lịch sử và phát triển: Tác dụng giảm $\text{NO}_x$ của $\text{EGR}$ được ghi nhận từ Berger (1940) và Kopa (1960). Năm 1973, Chrysler giới thiệu hệ thống $\text{EGR}$ có làm mát với van đóng/mở điều khiển bằng độ chân không. Đến thập niên 2000, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ ($\text{EPA}$) thúc đẩy ứng dụng $\text{EGR}$ làm mát trên động cơ diesel xe tải.
- Nghiên cứu trong nước: Nguyễn Lê Duy Khải nghiên cứu $\text{EGR}$ trên động cơ Vikyno RV125-2; Đinh Xuân Thành và Khổng Vũ Quảng thực hiện $\text{EGR}$ trên động cơ xe buýt; Đặng Văn Uy và cộng sự nghiên cứu thiết kế, lắp đặt $\text{EGR}$ cho động cơ diesel tàu thủy HANSHIN 6LU32 đáp ứng tiêu chuẩn $\text{IMO}$. Các nghiên cứu trong nước khẳng định $\text{EGR}$ giảm $\text{NO}_x$ nhưng làm tăng $\text{PM}$ và tiêu hao nhiên liệu.
- Nghiên cứu quốc tế: Ladomattos và cộng sự phân tích các hiệu ứng pha loãng, hiệu ứng hóa học và hiệu ứng nhiệt của $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$ trong khí luân hồi, chỉ ra rằng hiệu ứng pha loãng làm giảm nồng độ oxy và giảm nhiệt độ ngọn lửa. Zheng và cộng sự chứng minh $\text{EGR}$ làm mát ($\text{EGR}$ lạnh, nhiệt độ khí luân hồi dưới 120°C) giảm $\text{NO}_x$ hiệu quả hơn $\text{EGR}$ nóng. Selim khảo sát sự đánh đổi giữa hiệu suất nhiệt và khả năng giảm phát thải của $\text{EGR}$. Kenda và cộng sự, Boyarski, Iwabuchi, và Xu nghiên cứu $\text{EGR}$ trên các phương pháp cháy tiên tiến như $\text{PCCI}$, $\text{PCI}$, $\text{HCCI}$.
Về công nghệ bổ sung hydro trong động cơ diesel:
- Senthil Kumar ghi nhận với 5% hydro ($\text{H}5$), $\text{CO}$ giảm 50%, $\text{HC}$ giảm 42,8% nhưng $\text{NO}_x$ tăng 13,8% ở toàn tải. Lambe công bố $\text{CO}$ giảm trên 80%. Singh ghi nhận ở 80% tải, $\text{CO}$, $\text{CO}_2$, $\text{HC}$ giảm lần lượt 10%, 21,7% và 5,13%, trong khi $\text{NO}_x$ tăng 6,2%.
- Sandalci và Karagoz công bố $\text{CO}_2$ giảm tối đa 62,2% tại $\text{H}46$, $\text{CO}$ giảm 62% tại $\text{H}16$, nhưng $\text{NO}_x$ tăng 159,7% khi tỉ lệ thay thế năng lượng hydro ($\text{HR}$) đạt 46%. Zhou ghi nhận giảm $\text{CO}_2$, $\text{CO}$ ở tải trung bình đến cao với tỉ lệ hydro 30–40%. Các nghiên cứu của Masood, Miyamoto, Varde, và Adnan chỉ ra bổ sung hydro tỉ lệ quá lớn sẽ làm tăng $\text{CO}$ và $\text{HC}$ do thiếu hụt oxy cục bộ.
- Saravanan và Nagarajan, Saravanan và cộng sự so sánh các phương pháp cấp hydro, kết luận phương pháp phun hydro trên đường ống nạp ($\text{TPI}$) tối ưu hơn phương pháp chế hòa khí về hiệu suất nhiệt có ích ($\text{BTE}$) và mức giảm khói. Shirk và cộng sự, Lilik và cộng sự, Liu và cộng sự, Bika và cộng sự khảo sát trên động cơ tăng áp, chứng minh hydro thúc đẩy chuyển đổi $\text{NO}$ thành $\text{NO}_2$ và giảm tổng lượng phát thải $\text{PM}$. Tsolakis và cộng sự nghiên cứu nhiệt phân nhiên liệu tạo khí giàu hydro trên đường nạp.
Về nghiên cứu kết hợp $\text{EGR}$ và bổ sung hydro ($\text{EHSy}$):
- Verhelst và cộng sự, Nicol, LM Das, Mac William và Nag, Swain và cộng sự đã chỉ ra trên động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-hydro ($\text{DHE}$), việc áp dụng $\text{EGR}$ từ 15% đến 30% giúp triệt tiêu hiện tượng kích nổ, giảm phát thải $\text{NO}_x$ đến 85% trong khi vẫn duy trì hiệu suất làm việc ổn định.
Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết:
Chưa có công trình nghiên cứu đầy đủ nào đưa ra giải pháp phối hợp tối ưu giữa $\text{EGR}$ và bổ sung hydro trên toàn bộ dải chế độ làm việc cho loại động cơ diesel không tăng áp sử dụng hệ thống phun nhiên liệu cơ khí đang lưu hành phổ biến tại Việt Nam.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết mô hình hóa một chiều (1D) và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên băng thử chuyên dụng.
Khung lý thuyết và mô hình toán học
Nghiên cứu mô phỏng sử dụng phần mềm bản quyền AVL-BOOST (Cộng hòa Áo) với các mô hình thành phần:
- Lý thuyết nhiệt động học: Áp dụng phương trình nhiệt động học thứ nhất cho hệ mở trong xi-lanh động cơ.
- Mô hình môi chất: Mô hình lưỡng nhiên liệu ($\text{Dual Fuel}$: Diesel và Hydro).
- Mô hình quá trình cháy: Mô hình cháy $\text{AVL-MCC}$ ($\text{Mixing Controlled Combustion}$) cho phép dự đoán tốc độ giải phóng nhiệt của hòa khí không đồng nhất, ảnh hưởng của khí luân hồi và nồng độ phát thải.
- Mô hình truyền nhiệt: Mô hình Woschni.
- Mô hình phát thải:
- Phát thải $\text{NO}_x$: Mô hình nhiệt động học Zeldovich mở rộng.
- Phát thải muội than ($\text{soot}$): Mô hình Schubiger và Hiroyasu.
- Phát thải $\text{CO}$: Mô hình Onorati.
- Phát thải $\text{HC}$: Mô hình $\text{AVL-MCC}$ bỏ qua thành phần $\text{HC}$.
Đặc tính nhiên liệu và thông số động cơ nghiên cứu
| Tính chất vật lý và nhiệt động |
Khí Hydro ($\text{H}_2$) |
Nhiên liệu Diesel |
| Khối lượng phân tử ($\text{g/mol}$) |
2,016 |
200 |
| Nhiệt độ sôi ($\text{K} \ / \ ^\circ\text{C}$) |
20,268 / -253 |
436–672 / 163–399 |
| Tỉ trọng tại 1 at, 300 K ($\text{kg/m}^3$) |
0,082 |
833–881 |
| Nhiệt trị thấp $\text{LHV}$ ($\text{MJ/kg}$) |
119,7 |
42,8 |
| Giới hạn cháy theo phần trăm thể tích (%) |
4–75 |
0,7–5 |
| Giới hạn cháy theo hệ số dư lượng không khí $\lambda$ |
0,14–10 |
0,25–1,4 |
| Năng lượng đánh lửa tối thiểu ($\text{mJ}$) |
0,017 |
0,24 |
| Tốc độ màng lửa ($\text{m/s}$) |
3,2–4,4 |
0,41 |
| Trị số ốc-tan / xê-tan |
Ốc-tan > 130 |
Xê-tan 44 |
| Lượng không khí lý thuyết ($\text{kg/kg}$ nhiên liệu) |
34,5 |
14,7 |
| Thông số kỹ thuật động cơ R180 |
Giá trị |
Đơn vị |
| Số xi-lanh ($i$) |
1 (nằm ngang) |
- |
| Đường kính xi-lanh ($D$) |
80 |
$\text{mm}$ |
| Hành trình pít-tông ($S$) |
80 |
$\text{mm}$ |
| Dung tích công tác ($V_h$) |
0,402 |
Lít |
| Tỷ số nén ($\varepsilon$) |
20 |
- |
| Công suất định mức ($N_e$) tại 2600 v/p |
5,17 |
$\text{kW}$ |
| Suất tiêu hao nhiên liệu định mức ($g_e$) |
279 |
$\text{g/kWh}$ |
| Góc mở sớm xu-páp nạp ($\alpha_1$) |
18 |
Độ $\text{CA}$ |
| Góc đóng muộn xu-páp nạp ($\alpha_2$) |
41 |
Độ $\text{CA}$ |
| Góc mở sớm xu-páp thải ($\alpha_3$) |
48 |
Độ $\text{CA}$ |
| Góc đóng muộn xu-páp thải ($\alpha_4$) |
15 |
Độ $\text{CA}$ |
| Góc phun sớm nhiên liệu diesel ($\theta_s$) |
22 |
Độ $\text{CA}$ $\text{BTDC}$ |
Dữ liệu và hệ thống thực nghiệm
- Hệ thống cấp hydro: Bình hydro nén cao áp, cụm van giảm áp, van chống cháy ngược một chiều, cảm biến đo lưu lượng hydro tiêu thụ, vòi phun hydro điện từ điều khiển gián đoạn trên đường nạp.
- Hệ thống luân hồi khí thải: Trích khí thải từ ống xả, bộ làm mát khí luân hồi bằng nước (giữ nhiệt độ khí ra ở 100°C, áp suất 1,2 bar), van $\text{EGR}$ điều khiển vị trí góc mở bằng động cơ servo MG995.
- Hệ thống đo lường và điều khiển: Card giao tiếp dữ liệu HDL 9090 kết hợp bộ điều khiển $\text{ECU}$ tự thiết kế, lập trình thuật toán điều khiển xung $\text{PWM}$ và góc quay servo trên nền tảng LabVIEW; cảm biến tốc độ trục khuỷu, cảm biến góc quay cam phun hydro, cảm biến vị trí tay ga.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Nghiên cứu tổng quan
Chương 1 hệ thống hóa cơ chế hình thành các chất phát thải độc hại trong động cơ diesel ($\text{NO}_x$, $\text{PM}$, $\text{CO}$, $\text{HC}$) và phân tích bốn hướng kiểm soát phát thải chính: xử lý trước khi đốt, cải tiến kết cấu động cơ, ứng dụng quá trình cháy nhiệt độ thấp ($\text{HCCI}$, $\text{PCCI}$), và xử lý khí thải sau xả.
Chương này đi sâu phân loại và đánh giá năm phương thức $\text{EGR}$: luân hồi nội tại (dùng vấu cam phụ), luân hồi áp suất cao, luân hồi áp suất thấp, luân hồi kết hợp và luân hồi tức thời; đồng thời so sánh đặc tính giữa $\text{EGR}$ nóng và $\text{EGR}$ lạnh. Tiếp đó, chương phân tích tính chất lý hóa của hydro, các công nghệ sản xuất hydro (điện phân nước, khí hóa sinh khối, biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu), các giải pháp lưu trữ (hóa lỏng ở -253°C, nén áp suất 250–700 bar, hấp thụ bằng hydride kim loại), và bốn phương thức cấp hydro vào động cơ.
Tổng quan kết luận rằng việc ứng dụng riêng rẽ $\text{EGR}$ hoặc hydro đều tạo ra sự đánh đổi giữa $\text{NO}_x$ và $\text{PM}/\text{suất tiêu hao nhiên liệu}$, từ đó xác lập tính cấp thiết của giải pháp kết hợp $\text{EHSy}$ trên động cơ diesel R180.
Chương 2. Nghiên cứu mô phỏng động cơ diesel hiện hành sử dụng luân hồi khí thải và bổ sung hydro
Chương 2 trình bày quá trình xây dựng mô hình mô phỏng 1D động cơ R180 trên phần mềm AVL-BOOST. Sơ đồ mô hình gồm các phần tử: điều kiện biên đầu vào ($\text{SB1}$), điều kiện biên đầu ra ($\text{SB2}$), bầu lọc khí ($\text{CL1}$), vòi phun hydro ($\text{I1}$), xi-lanh ($\text{C1}$), động cơ ($\text{E1}$), bộ tiêu âm ($\text{PL1}$), van $\text{EGR}$ ($\text{TH1}$ mô hình hóa bằng bướm ga đường kính 10 mm), bộ làm mát khí luân hồi ($\text{CO1}$), và 7 điểm đo ($\text{MP1}\div\text{MP7}$).
Tác giả hiệu chỉnh mô hình dựa trên số liệu thực nghiệm của động cơ nguyên bản, đảm bảo độ sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm nằm trong giới hạn cho phép. Tiến hành mô phỏng khảo sát động cơ ở ba chế độ vận hành với các tỉ lệ hydro bổ sung ($\text{H}5, \text{H}10, \text{H}20, \text{H}30$) và các tỉ lệ luân hồi khí thải ($\text{E}5, \text{E}10, \text{E}15, \text{E}20, \text{E}25$):
- Tại tốc độ 1500 vòng/phút: Khảo sát ảnh hưởng của $\text{EGR}$ và hydro đến hệ số dư lượng không khí $\lambda$, suất tiêu hao nhiên liệu $g_e$, phát thải $\text{NO}_x$, $\text{soot}$ và $\text{CO}$. Kết quả cho thấy khi tăng tỉ lệ hydro, $\text{soot}$ và $\text{CO}$ giảm sâu, cho phép tăng tỉ lệ $\text{EGR}$ để triệt tiêu $\text{NO}_x$ mà không làm $\text{soot}$ vượt mức động cơ nguyên bản.
- Tại tốc độ 2600 vòng/phút: Khảo sát các đặc tính tải định mức. Xác định các điểm giới hạn mà tại đó sự thiếu hụt oxy do hydro chiếm chỗ không làm suy giảm hiệu suất cháy.
- Tại đặc tính ngoài: Đánh giá công suất cực đại, áp suất cháy cực đại $p_{c\max}$, và mức phát thải tổng thể, làm cơ sở lý thuyết để lựa chọn dải thông số thử nghiệm thực nghiệm.
Chương 3. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống EHSy cho động cơ diesel R180
Chương 3 trình bày chi tiết quá trình tính toán thiết kế, chế tạo cơ khí và xây dựng hệ thống điều khiển điện tử cho hệ thống $\text{EHSy}$:
- Cụm cấp hydro: Thiết kế hệ thống cấp khí từ bình chứa áp suất cao qua cụm van giảm áp về áp suất làm việc ổn định, tích hợp van chống cháy ngược và cảm biến đo lưu lượng tiêu thụ hydro. Lắp đặt vòi phun hydro điện từ trên đường nạp với góc phun định thời theo tín hiệu xúp-páp nạp mở.
- Cụm $\text{EGR}$ làm mát: Tính toán kích thước đường ống dẫn khí thải trích từ cổ xả, thiết kế bộ trao đổi nhiệt làm mát khí luân hồi dạng ống chùm dùng nước làm mát cưỡng bức qua bơm phụ, và cụm van $\text{EGR}$ liên kết động cơ servo điều khiển vị trí góc mở MG995.
- Hệ thống điều khiển điện tử ($\text{ECU}$): Xây dựng mạch điều khiển tích hợp card giao tiếp HDL 9090. Thu nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến vị trí tay gạt điều khiển tải và cảm biến góc quay trục khuỷu. Lập trình thuật toán điều khiển trên phần mềm LabVIEW để tự động điều chỉnh độ rộng xung mở vòi phun hydro ($\text{PWM}$) và góc quay servo mở van $\text{EGR}$ theo đúng chế độ tải và tốc độ thực của động cơ.
Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm
Chương 4 thực hiện các chuỗi thí nghiệm kiểm chứng trên băng thử động cơ R180 tại Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải. Các chế độ thử nghiệm bao gồm: động cơ nguyên bản ($\text{NB}$), động cơ bổ sung hydro độc lập ($\text{HES}$), động cơ luân hồi khí thải độc lập ($\text{EGR}$), và động cơ trang bị hệ thống kết hợp $\text{EHSy}$.
Nội dung khảo sát thực nghiệm tập trung vào:
- Diễn biến áp suất chỉ thị trong buồng đốt ($p_c$) theo góc quay trục khuỷu ở các mức tải 3 kW, 4 kW, 5 kW và toàn tải.
- Diễn biến hệ số dư lượng không khí $\lambda$ và suất tiêu hao nhiên liệu có ích ($g_e/\text{BSFC}$).
- Đo đạc chính xác nồng độ các thành phần phát thải: $\text{NO}_x$ (ppm), độ khói ($\text{smoke/soot}$ tính theo %), $\text{HC}$ (ppm), và $\text{CO}$ (% hoặc ppm) ở dải tốc độ 1500 vòng/phút, 2600 vòng/phút và chế độ đặc tính ngoài.
Kết quả thực nghiệm xác nhận tính tương thích với mô hình mô phỏng, chứng minh sự phối hợp giữa $\text{EGR}$ và bổ sung hydro triệt tiêu được hiện tượng tăng $\text{soot}$ do $\text{EGR}$ gây ra và triệt tiêu hiện tượng tăng $\text{NO}_x$ do hydro gây ra, giữ độ biến thiên tiêu hao nhiên liệu dưới 5%.
Kết quả và những đóng góp mới
Những đóng góp mới của luận án
- Về mặt lý thuyết và mô hình hóa: Đã xây dựng và hiệu chỉnh thành công mô hình mô phỏng động cơ diesel không tăng áp có luân hồi khí thải và bổ sung hydro trên đường nạp trên nền tảng phần mềm AVL-BOOST. Mô hình mô tả chính xác quá trình cháy lưỡng nhiên liệu diesel - hydro kết hợp khí luân hồi làm mát, cho phép dự báo định lượng đặc tính làm việc và phát thải của động cơ.
- Về mặt thiết kế và chế tạo: Đã thiết kế, chế tạo và lắp đặt hoàn chỉnh hệ thống $\text{EHSy}$ trên động cơ diesel R180, bao gồm cụm vòi phun hydro điện từ, bộ làm mát khí luân hồi, van $\text{EGR}$ điều khiển servo và bộ điều khiển $\text{ECU}$ lập trình trên LabVIEW giao tiếp card HDL 9090, cho phép điều chỉnh linh hoạt tỉ lệ $\text{EGR}$ và lượng hydro bổ sung.
- Về mặt thực nghiệm và giải pháp công nghệ: Đã nghiên cứu thực nghiệm toàn diện và xác định được bộ thông số phối hợp tối ưu giữa tỉ lệ luân hồi khí thải và tỉ lệ hydro bổ sung ở các dải chế độ tải và tốc độ khác nhau. Giải pháp giúp giảm đồng thời phát thải $\text{NO}_x$ và phát thải khói/muội than mà không làm suy giảm các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật khác quá 5%.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất
- Đề xuất ứng dụng hệ thống $\text{EHSy}$ như một giải pháp kỹ thuật có tính khả thi cao để cải tạo các động cơ diesel thế hệ cũ sử dụng bơm cao áp cơ khí đang lưu hành trong nông nghiệp và giao thông thủy bộ tại Việt Nam.
- Khuyến nghị sử dụng hệ thống $\text{EGR}$ làm mát kết hợp phun hydro gián đoạn trên đường nạp nhằm tối ưu hóa hiệu suất nạp và ngăn ngừa hiện tượng kích nổ hoặc cháy sớm.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của nghiên cứu
- Nghiên cứu thực nghiệm mới thực hiện trên một mẫu động cơ diesel 1 xi-lanh hút khí tự nhiên (R180) trong điều kiện phòng thí nghiệm.
- Nguồn cấp hydro trong nghiên cứu sử dụng bình nén cao áp tĩnh tại, chưa tích hợp hệ thống sản xuất hydro trực tiếp trên phương tiện ($\text{on-board}$).
- Luận án chưa đánh giá độ bền lâu dài của hệ thống kim phun hydro và hiện tượng bám muội trên van $\text{EGR}$ trong điều kiện vận hành liên tục thời gian dài.
Hướng phát triển của đề tài
- Mở rộng nghiên cứu áp dụng hệ thống $\text{EHSy}$ trên các dòng động cơ diesel nhiều xi-lanh, động cơ có tăng áp và động cơ trang bị hệ thống phun dầu điện tử $\text{CRDi}$.
- Nghiên cứu tích hợp các bộ biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu hoặc thiết bị điện phân nước nhỏ gọn để sản xuất khí giàu hydro tại chỗ nhằm giải quyết vấn đề tích trữ hydro trên phương tiện.
- Tối ưu hóa thuật toán điều khiển của $\text{ECU}$ trong các giai đoạn chuyển tiếp tải và thương mại hóa bộ điều khiển chuyên dụng.
Giá trị tham khảo
- Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp thiết lập mô hình cháy lưỡng nhiên liệu ($\text{AVL-MCC}$) và mô hình phát thải trên phần mềm AVL-BOOST; cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm về động cơ diesel 1 xi-lanh sử dụng hydro và $\text{EGR}$.
- Đối với kỹ sư cơ khí động lực và nhà phát triển hệ thống: Cung cấp giải pháp thiết kế phần cứng, sơ đồ mạch điện điều khiển, thuật toán và code giao tiếp LabVIEW với card HDL 9090 để điều khiển động cơ servo và kim phun nhiên liệu khí.
- Đối với cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Cung cấp căn cứ khoa học và giải pháp kỹ thuật khả thi để xây dựng quy chuẩn cải tạo, giảm thiểu ô nhiễm môi trường cho các phương tiện và thiết bị cơ giới diesel cũ đang lưu hành.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao việc áp dụng độc lập $\text{EGR}$ hoặc bổ sung hydro không giải quyết triệt để vấn đề phát thải trên động cơ diesel?
Khi sử dụng độc lập, $\text{EGR}$ làm giảm nhiệt độ cháy giúp giảm $\text{NO}_x$ nhưng làm giảm nồng độ oxy, dẫn đến tăng mạnh phát thải muội than ($\text{PM/soot}$), $\text{CO}$, $\text{HC}$ và tăng suất tiêu hao nhiên liệu. Ngược lại, bổ sung hydro giúp cháy kiệt, giảm $\text{PM}$, $\text{CO}$, $\text{HC}$ nhưng nhiệt độ cháy cao làm tăng mạnh $\text{NO}_x$. Kết hợp cả hai ($\text{EHSy}$) cho phép dùng hydro để xử lý $\text{PM/CO/HC}$ và dùng $\text{EGR}$ để kiểm soát $\text{NO}_x$.
2. Động cơ R180 sử dụng trong nghiên cứu có các thông số kết cấu chính nào?
Động cơ R180 là động cơ diesel 1 xi-lanh, 4 kỳ, hút khí tự nhiên, đường kính xi-lanh $D = 80\text{ mm}$, hành trình pít-tông $S = 80\text{ mm}$, dung tích công tác $V_h = 0,402\text{ lít}$, tỷ số nén $\varepsilon = 20$, công suất định mức $5,17\text{ kW}$ tại $2600\text{ vòng/phút}$, và suất tiêu hao nhiên liệu định mức $g_e = 279\text{ g/kWh}$.
3. Phần mềm AVL-BOOST sử dụng các mô hình toán học nào để mô phỏng động cơ R180 trang bị $\text{EHSy}$?
Phần mềm sử dụng phương trình nhiệt động học thứ nhất, mô hình môi chất lưỡng nhiên liệu, mô hình cháy $\text{AVL-MCC}$, mô hình truyền nhiệt Woschni, mô hình phát thải $\text{NO}_x$ Zeldovich, mô hình phát thải $\text{soot}$ Schubiger - Hiroyasu, và mô hình phát thải $\text{CO}$ Onorati (thành phần $\text{HC}$ được bỏ qua trong mô hình $\text{AVL-MCC}$).
4. Cấu trúc phần cứng và phần mềm điều khiển của hệ thống $\text{EHSy}$ gồm những gì?
Hệ thống gồm bộ điều khiển $\text{ECU}$ tự chế tạo liên kết card giao tiếp HDL 9090, nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ, cảm biến góc quay trục khuỷu và cảm biến vị trí tay ga; chấp hành điều khiển gồm vòi phun hydro điện từ ($\text{PWM}$) và động cơ servo MG995 kéo van $\text{EGR}$; toàn bộ thuật toán điều khiển và giao diện hiển thị được lập trình trên môi trường LabVIEW.
5. Hiện tượng kích nổ khi bổ sung hydro được ghi nhận trong các tài liệu tham khảo ở ngưỡng nào?
Theo các nghiên cứu tổng quan trong luận án, hiện tượng kích nổ trên động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-hydro thường xuất hiện khi tỉ lệ năng lượng hydro bổ sung vượt quá 50% tổng năng lượng cung cấp hoặc khi tỉ lệ tương đương hydro-không khí $\Phi_{\text{H}_2\text{-Air}} > 0,3$.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Trịnh Xuân Phong đã giải quyết trọn vẹn bài toán giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel thế hệ cũ đang lưu hành bằng giải pháp kết hợp luân hồi khí thải và bổ sung hydro ($\text{EHSy}$). Tác giả đã làm chủ phương pháp mô phỏng nhiệt động học trên AVL-BOOST, chế tạo thành công hệ thống thực nghiệm $\text{EHSy}$ có $\text{ECU}$ điều khiển linh hoạt trên động cơ R180, và chứng minh tính hiệu quả của giải pháp trong việc đồng thời giảm phát thải $\text{NO}_x$ và muội than. Công trình mang giá trị khoa học và thực tiễn cao, đóng góp cơ sở dữ liệu và giải pháp kỹ thuật trực tiếp cho lĩnh vực kỹ thuật động cơ đốt trong và bảo vệ môi trường tại Việt Nam.
