Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ô nhiễm không khí tại các đô thị lớn đang là một trong những thách thức môi trường nghiêm trọng nhất hiện nay, trong đó khí thải từ các phương tiện giao thông vận tải đường bộ chiếm tới 70% tổng lượng phát thải đô thị. Các chất độc hại phát sinh từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch trong động cơ đốt trong như oxit nitơ ($\text{NO}_x$), carbon monoxide ($\text{CO}$), các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi ($\text{VOC}$), hydrocacbon chưa cháy ($\text{HC}$) và bụi mịn gây ảnh hưởng trực tiếp đến hệ hô hấp, tim mạch của con người, đồng thời phát thải $\text{CO}_2$ làm gia tăng hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu toàn cầu. Tại Việt Nam, mật độ phương tiện gia tăng nhanh chóng (năm 2023 đăng ký mới 408.977 mô tô, xe máy và ghi nhận 38.600 ô tô mới vào tháng 12/2023) đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc giảm thiểu phát thải và đa dạng hóa nguồn năng lượng.

Trước xu thế chuyển đổi xanh, Hydrogen ($\text{H}_2$) nổi lên như một nguồn nhiên liệu thay thế đầy tiềm năng nhờ khả năng tái tạo từ năng lượng sạch, mật độ năng lượng theo khối lượng cao và không chứa thành phần cacbon trong cấu trúc phân tử. Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu mô phỏng động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu Hydrogen" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán ứng dụng nhiên liệu Hydrogen trên nền tảng động cơ xăng sẵn có thông qua công cụ mô phỏng số chuyên ngành.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về động cơ xăng truyền thống khi chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu Hydrogen hoặc hỗn hợp xăng - Hydrogen.
  2. Ứng dụng phần mềm chuyên ngành AVL BOOST để thiết lập mô hình nhiệt động học của động cơ đốt trong.
  3. Mô phỏng, đánh giá các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật (công suất, mô-men xoắn, suất tiêu hao nhiên liệu) và đặc tính phát thải ($\text{NO}_x$, $\text{CO}$, $\text{HC}$) của động cơ Toyota 2AR-FE khi hoạt động với các tỷ lệ phối trộn Hydrogen khác nhau.

Nhiệm vụ nghiên cứu

  1. Tổng quan tình hình nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng nhiên liệu Hydrogen trên thế giới và tại Việt Nam.
  2. Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về tính chất lý hóa của Hydrogen và quá trình cháy của động cơ $\text{H}_2\text{ICE}$.
  3. Thu thập thông số kết cấu và xây dựng mô hình toán - nhiệt động học của động cơ Toyota 2AR-FE trên phần mềm AVL BOOST.
  4. Thiết lập dữ liệu thuộc tính nhiên liệu hỗn hợp xăng - Hydrogen bằng công cụ BOOST Gas Properties Tools và tiến hành chạy các trường hợp mô phỏng (Cases).
  5. Phân tích, đánh giá số liệu mô phỏng thu được, so sánh đối chứng với dữ liệu thực nghiệm và đề xuất các giải pháp kỹ thuật.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình mô phỏng nhiệt động lực học và quá trình trao đổi khí của động cơ xăng Toyota 2AR-FE sử dụng nhiên liệu phối trộn Hydrogen trên phần mềm AVL BOOST.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Nhiên liệu: Xăng thương dụng và các tỷ lệ phối trộn Hydrogen ở các mức 25%, 50%, và 75%.
    • Khía cạnh kỹ thuật: Chu trình nhiệt động lực học 1D, công suất có ích ($P_e$), mô-men xoắn ($M_e$), suất tiêu hao nhiên liệu có ích ($\text{BSFC}$), áp suất trong xylanh và nồng độ các chất phát thải ô nhiễm ($\text{NO}_x$, $\text{CO}$, $\text{HC}$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Nghiên cứu dựa trên nền tảng nhiệt động lực học động cơ đốt trong và cơ học chất khí 1 chiều (1D Gas Dynamics) được tích hợp trong phần mềm AVL BOOST:

  1. Định luật nhiệt động thứ nhất cho thể tích kiểm soát trong xylanh: $$\frac{d(m_c \cdot u)}{d\alpha} = -p_c \cdot \frac{dV}{d\alpha} + \frac{dQ_F}{d\alpha} - \sum \frac{dQ_w}{d\alpha} - h_{BB} \cdot \frac{dm_{BB}}{d\alpha}$$ Trong đó: $m_c$ là khối lượng môi chất trong xylanh; $u$ là nội năng riêng; $\alpha$ là góc quay trục khuỷu; $p_c$ là áp suất xylanh; $V$ là thể tích xylanh; $Q_F$ là nhiệt lượng tỏa ra do nhiên liệu cháy; $Q_w$ là nhiệt lượng truyền qua vách xylanh; $h_{BB}$ và $m_{BB}$ là enthanpy và khối lượng khí lọt qua khe hở xéc-măng. Hệ phương trình vi phân được giải bằng phương pháp số Runge-Kutta.

  2. Mô hình dòng khí nạp và xả: Lưu lượng qua xupap nạp và xả được tính toán theo phương trình dòng chảy đẳng entropy qua tiết diện thu hẹp: $$\frac{dm}{dt} = A_{eff} \cdot p_{o1} \cdot \sqrt{\frac{2}{R_o \cdot T_{o1}}} \cdot \Psi$$ Trong đó: $A_{eff} = \mu_\sigma \cdot \frac{\pi \cdot d_{vi}^2}{4}$ là diện tích lưu thông hiệu dụng ($\mu_\sigma$ là hệ số dòng chảy, $d_{vi}$ là đường kính đế xupap); $p_{o1}, T_{o1}$ là áp suất và nhiệt độ trước cửa nạp; $\Psi$ là hàm lưu lượng phụ thuộc vào tỷ số áp suất và tỷ số nhiệt dung $k$.

  3. Mô hình cháy và phát thải:

    • Mô hình cháy Vibe / Vibe 2-Zone mô tả tốc độ tỏa nhiệt và phân chia thể tích xylanh thành vùng hòa khí chưa cháy và vùng sản phẩm cháy.
    • Mô hình truyền nhiệt Woschni tính toán tổn thất nhiệt qua vách buồng cháy, piston và nắp máy.
    • Mô hình phát thải $\text{NO}_x$ theo cơ chế Zeldovich mở rộng, mô hình hình thành $\text{CO}$ và $\text{HC}$ dựa trên cân bằng hóa học cục bộ và động học phản ứng oxy hóa.

So sánh đặc tính lý hóa giữa Xăng và Hydrogen

Đặc tính kỹ thuật của hai loại nhiên liệu được tác giả tổng hợp làm cơ sở nạp dữ liệu đầu vào cho mô phỏng:

Đặc tính nhiên liệu Đơn vị Hydrogen ($\text{H}_2$) Xăng (Gasoline)
Tỷ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết (A/F) - 34,7 14,7
Hàm lượng Carbon % khối lượng 0 84
Hàm lượng Hydro % khối lượng 100 16
Hàm lượng Oxy % 0 < 2,7
Nhiệt độ sôi $^\circ\text{C}$ -252,87 35 – 210
Nhiệt độ tự cháy $^\circ\text{C}$ 580 ~350
Nhiệt trị thấp (LHV) $\text{MJ/kg}$ 119,9 44,0
Khối lượng riêng / Tỷ trọng (khí tiêu chuẩn) $\text{kg/m}^3$ 0,089 730 – 780 (thể lỏng)
Nhiệt độ cháy đoạn nhiệt $\text{K}$ 2480 2580
Chỉ số Octan nghiên cứu (RON) - > 130 86 – 95

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Hệ thống hóa các nghiên cứu về chu trình công tác của động cơ đốt trong đánh lửa cưỡng bức ($\text{SI}$), động cơ sử dụng hydro ($\text{H}_2\text{ICE}$) và công nghệ pin nhiên liệu ($\text{FCEV}$).
  • Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập cấu trúc động cơ Toyota 2AR-FE 4 xylanh thẳng hàng trên phần mềm AVL BOOST, khai báo điều kiện biên, thông số xupap, hệ thống nạp/xả, kim phun và các đặc tính truyền nhiệt.
  • Phương pháp chuyên gia: Tham khảo hướng dẫn chuyên môn trực tiếp từ PGS.TS Lý Vĩnh Đạt trong quá trình xây dựng mô hình và xử lý dữ liệu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ sức ép ô nhiễm môi trường do khí thải phương tiện giao thông tại Việt Nam và trên thế giới. Tác giả xác định rõ mục tiêu, 5 nhiệm vụ trọng tâm, đối tượng nghiên cứu là mô hình động cơ 2AR-FE sử dụng nhiên liệu Hydrogen trên phần mềm AVL BOOST, cùng phạm vi khảo sát tính năng kỹ thuật và phát thải. Bố cục toàn văn đồ án gồm 5 chương được phác thảo chi tiết.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày tổng quan toàn diện về nhiên liệu Hydrogen và động cơ đốt trong sử dụng Hydrogen:

  • Thực trạng và sản xuất Hydrogen: Phân tích các phương pháp sản xuất hydro gồm nhiệt phân (khí hóa khí thiên nhiên bằng hơi nước $\text{CH}_4 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO}_2 + 4\text{H}_2$, khí hóa hydrocacbon nặng, sinh khối - chiếm 90% sản lượng toàn cầu) và điện phân nước (điện phân kiềm, điện phân nhiệt độ cao, điện phân bằng năng lượng tái tạo mặt trời/gió).
  • Chiến lược năng lượng: Nêu rõ các mục tiêu năng lượng hydrogen toàn cầu (EU, Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc) và tại Việt Nam (mục tiêu sản xuất 100.000 tấn vào 2030, đạt 10 - 20 triệu tấn vào 2050; Dự án Nhà máy sản xuất khí hydro xanh Trà Vinh công suất 220 MW đến 500 MW).
  • Ứng dụng trên phương tiện giao thông: Điểm qua các mẫu xe thương mại tiêu biểu như Toyota Mirai, Hyundai Nexo, Honda Clarity Fuel Cell, Mercedes-Benz GLC F-Cell và các dự án xe buýt, xe tải hạng nặng.
  • Động cơ đốt trong sử dụng Hydro ($\text{H}_2\text{ICE}$): So sánh ưu nhược điểm giữa pin nhiên liệu ($\text{HFC}$) và $\text{H}_2\text{ICE}$; phân tích các phương thức nạp/cung cấp hydro vào buồng đốt (phun tại họng nạp, phun trực tiếp khí nén, sử dụng hydro lỏng cryogenic, và phương pháp phối trộn hydro vào xăng/nhiên liệu hóa thạch).

Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng mô hình mô phỏng động cơ sử dụng Hydrogen trên phần mềm AVL BOOST

Chương 3 tập trung vào kỹ thuật xây dựng mô hình mô phỏng:

  • Giới thiệu phần mềm AVL BOOST: Trình bày giao diện, các thanh công cụ, khối lệnh điều khiển mô phỏng và thư viện các phần tử chính (Xylanh, Động cơ, Điểm đo, Điều kiện biên hệ thống $\text{SB1}$, Điều kiện biên khí thải $\text{SB2}$, Cản dòng, Kim phun, Chỗ nối $\text{Junction}$, Lọc gió, Bộ xúc tác $\text{Catalyzer}$, Đường ống $\text{Pipes}$).
  • Cơ sở lý thuyết tính toán: Trình bày chi tiết các phương trình nhiệt động lực học trong xylanh, động học dòng khí qua xupap, mô hình cháy Vibe 2-Zone và các phản ứng hình thành phát thải $\text{NO}_x, \text{CO}, \text{HC}$.
  • Xây dựng mô hình động cơ Toyota 2AR-FE: Khai báo các thông số hình học (đường kính xylanh, hành trình piston, tỷ số nén, góc phối khí), thiết lập thông số tổn thất ma sát ($\text{FMEP}$), điều kiện biên áp suất và nhiệt độ môi trường.
  • Thiết lập nhiên liệu: Sử dụng công cụ BOOST Gas Properties Tools để tạo lập hỗn hợp nhiên liệu xăng - Hydrogen theo các tỷ lệ phần trăm thể tích/khối lượng (25%, 50%, 75% $\text{H}_2$).
  • Thiết lập Case Explorer: Khởi tạo các trường hợp tính toán theo dải tốc độ vòng tua động cơ và tiến hành mô phỏng chu trình.

Chương 4: Kết quả mô phỏng và nhận xét

Chương 4 công bố toàn bộ dữ liệu kết quả mô phỏng thu được từ AVL BOOST:

  • Kiểm chứng mô hình: So sánh đường đặc tính công suất và mô-men xoắn của mô hình chạy xăng thuần với dữ liệu thực nghiệm chuẩn của động cơ Toyota 2AR-FE để xác thực độ tin cậy của mô hình mô phỏng.
  • Đặc tính kỹ thuật khi phối trộn Hydrogen: Đánh giá biến thiên của công suất ($P_e$), mô-men xoắn ($M_e$), áp suất chỉ thị trong lòng xylanh ($p_c$) và suất tiêu hao nhiên liệu ($\text{BSFC}$) khi tăng tỷ lệ Hydrogen từ 25% lên 75%.
  • Đặc tính phát thải: Phân tích chi tiết mức độ gia giảm của các thành phần khí xả ô nhiễm: phát thải $\text{NO}_x$, phát thải $\text{CO}$ và phát thải hydrocacbon chưa cháy ($\text{HC}$) qua từng trường hợp nhiên liệu phối trộn.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết các kết quả đạt được về mặt tính năng động lực học và bảo vệ môi trường của động cơ 2AR-FE khi dùng hydro, đồng thời chỉ ra các hạn chế kỹ thuật và đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính từ mô phỏng

Dữ liệu mô phỏng từ phần mềm AVL BOOST đối với động cơ Toyota 2AR-FE khi thay đổi tỷ lệ phối trộn Hydrogen (25%, 50%, 75%) so với nhiên liệu Xăng nguyên chất cho thấy:

Chỉ tiêu khảo sát Xu hướng biến thiên Chi tiết số liệu ghi nhận trong văn bản
Công suất động cơ ($P_e$) Giảm nhẹ Công suất giảm dần khi tăng tỷ lệ Hydrogen (do mật độ năng lượng theo thể tích của hỗn hợp hòa khí $\text{H}_2$/không khí thấp hơn xăng).
Mô-men xoắn ($M_e$) Giảm nhẹ Ghi nhận mức giảm khoảng 2% ở tỷ lệ 25% Hydrogen và tiếp tục giảm ở mức 50% - 75% Hydrogen.
Suất tiêu hao nhiên liệu ($\text{BSFC}$) Giảm Mức tiêu hao nhiên liệu giảm nhờ nhiệt trị thấp của Hydrogen ($\text{LHV} = 119,9\text{ MJ/kg}$) cao hơn gần 3 lần so với xăng ($\text{LHV} = 44,0\text{ MJ/kg}$).
Phát thải Oxit Nitơ ($\text{NO}_x$) Giảm đáng kể Lượng phát thải $\text{NO}_x$ giảm đáng kể so với xăng nguyên chất, đạt mức giảm lên đến 49% ở một số chế độ vận hành.
Phát thải Carbon Monoxide ($\text{CO}$) Biến thiên tăng Lượng phát thải $\text{CO}$ tăng 69% ở mức 25% Hydrogen và tăng lên 132% ở tỷ lệ hydro cao hơn do sự thay đổi cục bộ về nhiệt độ và tỷ lệ hòa trộn không khí/nhiên liệu trong buồng cháy.
Phát thải Hydrocacbon ($\text{HC}$) Giảm nhẹ Lượng phát thải $\text{HC}$ giảm do hàm lượng Carbon trong nhiên liệu nạp giảm dần (Hydrogen có 0% carbon).

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Ứng dụng giải pháp phối trộn Hydrogen vào động cơ đốt trong hiện hữu như một bước đệm chuyển tiếp công nghệ trước khi hạ tầng trạm sạc pin nhiên liệu hoặc động cơ hydro thuần túy hoàn thiện.
  • Tối ưu hóa hệ thống cung cấp nhiên liệu và điều khiển góc đánh lửa sớm để bù đắp lượng công suất và mô-men xoắn suy giảm do mật độ năng lượng nạp thấp của khí hydro.

Đóng góp của đề tài

  • Xây dựng thành công mô hình toán học 1D hoàn chỉnh của động cơ Toyota 2AR-FE trên phần mềm chuyên dụng AVL BOOST, có tích hợp thuộc tính hóa lý của nhiên liệu Hydrogen.
  • Cung cấp bộ dữ liệu so sánh định lượng về sự thay đổi đồng thời giữa tính năng phát lực (công suất, mô-men) và các thành phần phát thải ô nhiễm ($\text{NO}_x, \text{CO}, \text{HC}$) ứng với từng cấp độ hòa trộn Hydrogen cụ thể.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Nghiên cứu dừng lại ở mức độ mô phỏng số trên phần mềm AVL BOOST (mô hình 1D), chưa thực hiện kiểm nghiệm thực tế trên băng thử động cơ (Dynamometer) do giới hạn về trang thiết bị và nguồn cung cấp hydro an toàn.
  • Mô hình chưa đi sâu khảo sát các hiện tượng bất thường phức tạp của quá trình cháy hydro trong buồng đốt như kích nổ sớm (pre-ignition), cháy ngược trên đường nạp (backfire) hoặc hiện tượng hydro làm giòn kim loại (hydrogen embrittlement).

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Triển khai lắp đặt hệ thống cung cấp hydro thực nghiệm trên băng thử động cơ 2AR-FE để đối chứng trực tiếp với kết quả mô phỏng số.
  • Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun trực tiếp hydro áp suất cao vào buồng cháy ($\text{Direct Injection - DI}$) hoặc sử dụng hydro lỏng nhiệt độ thấp để tăng hệ số nạp và nâng cao công suất động cơ.
  • Khảo sát tối ưu hóa quy luật phối khí của hệ thống Dual VVT-i và hiệu chỉnh bản đồ đánh lửa (ECU mapping) chuyên biệt cho nhiên liệu hỗn hợp xăng - Hydrogen.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn đối với:

  • Sinh viên và học viên cao học ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Nhiệt: Cung cấp tài liệu chi tiết về quy trình mô hình hóa chu trình nhiệt động học động cơ đốt trong trên phần mềm chuyên dụng AVL BOOST.
  • Kỹ sư và nhà nghiên cứu phát triển động cơ: Cung cấp phương pháp thiết lập đặc tính hòa khí nhiên liệu phi truyền thống bằng công cụ BOOST Gas Properties Tools, cũng như cơ sở lý thuyết về phản ứng cháy và hình thành phát thải của nhiên liệu Hydrogen.
  • Nội dung đáng tham khảo nhất: Quy trình thiết lập từng phần tử (Cylinder, Engine, Injector, Catalyzer, Boundary) và phương pháp khai báo mô hình cháy Vibe 2-Zone kết hợp cơ chế phát thải trong AVL BOOST (Chương 3).

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ nào được lựa chọn làm đối tượng mô phỏng trong nghiên cứu này?

Nghiên cứu sử dụng động cơ xăng Toyota 2AR-FE (loại 4 xylanh thẳng hàng, 16 van DOHC, Dual VVT-i, dung tích xy lanh 2.5L thường được trang bị trên dòng xe Toyota Camry 2.5Q).

2. Các tỷ lệ hòa trộn Hydrogen được khảo sát trong mô hình AVL BOOST là bao nhiêu?

Nghiên cứu khảo sát 3 trường hợp phối trộn Hydrogen vào xăng chính bao gồm: 25% Hydrogen, 50% Hydrogen và 75% Hydrogen, được đối chứng với trường hợp sử dụng 100% nhiên liệu Xăng thương dụng.

3. Tại sao công suất và mô-men xoắn của động cơ có xu hướng giảm nhẹ khi sử dụng nhiên liệu Hydrogen?

Do khối lượng riêng của Hydrogen ở điều kiện khí quyển rất nhỏ ($0,089\text{ kg/m}^3$) và tỷ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết cao ($A/F = 34,7$), thể tích khí Hydrogen chiếm chỗ lớn trong đường ống nạp làm giảm lượng không khí nạp vào xylanh, dẫn đến mật độ năng lượng của hỗn hợp hòa khí hydro/không khí trên một đơn vị thể tích thấp hơn so với hòa khí xăng/không khí.

4. Kết quả mô phỏng phát thải $\text{NO}_x$ và $\text{HC}$ biến thiên như thế nào khi chuyển sang dùng Hydrogen?

Lượng phát thải $\text{NO}_x$ giảm đáng kể so với khi sử dụng xăng nguyên chất (đạt mức giảm lên tới khoảng 49%). Đồng thời, phát thải $\text{HC}$ cũng giảm do thành phần phân tử của Hydrogen hoàn toàn không chứa carbon (0% Carbon).

5. Phương pháp sản xuất Hydrogen nào hiện chiếm tỷ trọng lớn nhất trên thế giới theo số liệu tổng quan của đề tài?

Phương pháp nhiệt phân (đặc biệt là khí hóa khí thiên nhiên bằng hơi nước theo phản ứng $\text{CH}_4 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO}_2 + 4\text{H}_2$ và khí hóa hydrocacbon nặng) hiện chiếm tới 90% sản lượng Hydrogen toàn cầu, trong khi phương pháp điện phân nước từ năng lượng tái tạo mới chỉ chiếm khoảng 4%.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Tấn Kiệt và Trương Tấn Thịnh đã hoàn thành việc xây dựng mô hình mô phỏng nhiệt động học 1D của động cơ Toyota 2AR-FE trên phần mềm AVL BOOST để đánh giá ảnh hưởng của việc phối trộn nhiên liệu Hydrogen. Kết quả nghiên cứu xác định rõ việc bổ sung Hydrogen ở các tỷ lệ 25%, 50%, 75% giúp giảm mức tiêu thụ nhiên liệu riêng và cắt giảm đáng kể lượng phát thải ô nhiễm độc hại $\text{NO}_x$ và $\text{HC}$, mặc dù có làm suy giảm nhẹ công suất và mô-men xoắn cực đại. Công trình cung cấp cơ sở dữ liệu số hóa tin cậy và phương pháp luận mô phỏng hữu ích cho các định hướng nghiên cứu chuyển đổi năng lượng sạch trên động cơ đốt trong tại Việt Nam.