Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường do khí thải từ các động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng và diesel ngày càng nghiêm trọng trên toàn cầu và tại Việt Nam. Đồng thời, nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, với dự báo trữ lượng dầu mỏ còn lại chỉ đủ khai thác trong khoảng 45 năm tới. Trước thực trạng này, việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu sạch, trữ lượng lớn và ít gây ô nhiễm môi trường trở thành nhiệm vụ cấp bách. Khí thiên nhiên nén (CNG) được xem là một trong những giải pháp tiềm năng thay thế xăng và diesel nhờ đặc tính sạch, giá thành rẻ và khả năng giảm phát thải khí độc hại.

Luận văn tập trung nghiên cứu mô phỏng và đánh giá các đặc tính kỹ thuật của động cơ Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG – diesel, nhằm xác định ảnh hưởng của tỷ lệ hòa trộn nhiên liệu đến hiệu suất, công suất, moment và mức độ phát thải của động cơ. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2014-2016 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, sử dụng phần mềm mô phỏng AVL Boost kết hợp với thử nghiệm thực tế trên băng thử động cơ.

Mục tiêu chính là xây dựng mô hình mô phỏng chính xác, từ đó đề xuất các thông số tối ưu cho việc sử dụng nhiên liệu kép trên động cơ diesel cỡ nhỏ, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm nhiên liệu. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ động cơ sử dụng nhiên liệu sạch, đồng thời hỗ trợ thiết kế và chế tạo hệ thống nhiên liệu kép hiệu quả cho các động cơ diesel hiện có.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết nhiệt động học thứ nhất: Áp dụng để mô tả quá trình biến đổi nội năng, nhiệt lượng và công trong xy lanh động cơ, giúp xác định trạng thái môi chất trong quá trình cháy.
  • Mô hình cháy Vibe 2 vùng: Mô hình này chia buồng cháy thành vùng cháy và vùng chưa cháy, mô phỏng quá trình cháy dựa trên đặc tính tỏa nhiệt và các tham số như điểm bắt đầu cháy, thời gian cháy, tham số đặc trưng.
  • Mô hình cháy 2 giai đoạn (Mixing Controlled Combustion - MCC): Phân tích nhiệt lượng tỏa ra trong giai đoạn cháy chính và cháy nhanh, giúp mô phỏng chính xác quá trình cháy hỗn hợp CNG – diesel.
  • Cơ chế hình thành khí thải độc hại: Nghiên cứu các phản ứng hóa học tạo thành CO, NOx và bồ hóng (SOOT) trong quá trình cháy, từ đó đánh giá mức độ phát thải của động cơ.

Các khái niệm chính bao gồm: tỷ lệ hòa trộn nhiên liệu CNG – diesel, hệ số dư lượng không khí, áp suất và nhiệt độ trong xy lanh, đặc tính truyền nhiệt, và các thông số kỹ thuật của động cơ Vikyno RV125.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp mô phỏng và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu kỹ thuật động cơ Vikyno RV125, thành phần nhiên liệu CNG, và các thông số vận hành từ tài liệu chuyên ngành và thử nghiệm thực tế trên băng thử động cơ.
  • Phần mềm mô phỏng: Sử dụng AVL Boost để xây dựng mô hình mô phỏng quá trình cháy, truyền nhiệt, và phát thải khí thải của động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG – diesel.
  • Phương pháp phân tích: So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm để hiệu chỉnh mô hình, đánh giá các đặc tính kỹ thuật như moment, công suất, nhiệt độ và áp suất quá trình cháy, cũng như mức tiêu hao nhiên liệu và lượng khí thải.
  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu tập trung trên động cơ 1 xy lanh Vikyno RV125 đã cải tạo, thực hiện trong khoảng thời gian từ 2014 đến 2016 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm thống kê, phân tích tài liệu, mô hình hóa lý thuyết, mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng và thử nghiệm thực tế nhằm đảm bảo tính chính xác và khả thi của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ hòa trộn CNG – diesel đến moment và công suất động cơ:
    Mô phỏng cho thấy moment và công suất động cơ đạt giá trị tối ưu khi tỷ lệ nhiên liệu là 70% CNG và 30% diesel. So với động cơ chạy 100% diesel, moment giảm dưới 5%, trong khi công suất giảm khoảng 7%, nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất vận hành ổn định.

  2. Giảm phát thải khí độc hại:
    Khi sử dụng nhiên liệu kép với tỷ lệ 30% diesel và 70% CNG, lượng khí thải CO giảm đến 90%, mức độ mờ khói giảm từ 30% đến 70% so với động cơ chạy diesel nguyên thủy. Nồng độ NOx cũng giảm đáng kể, góp phần cải thiện chất lượng khí thải và giảm ô nhiễm môi trường.

  3. Tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất nhiệt:
    Mức tiêu hao nhiên liệu giảm khoảng 15% khi sử dụng nhiên liệu kép so với chạy diesel đơn thuần. Hiệu suất nhiệt của động cơ tăng lên khoảng 10%, nhờ khả năng cháy sạch và hiệu quả của hỗn hợp CNG – diesel.

  4. Độ chính xác của mô hình mô phỏng:
    Kết quả mô phỏng bằng phần mềm AVL Boost tương đồng với kết quả thực nghiệm trên băng thử, với sai số moment và công suất dưới 5%, chứng tỏ mô hình mô phỏng có độ tin cậy cao và phù hợp để ứng dụng trong thiết kế và tối ưu hóa động cơ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm phát thải và tăng hiệu suất là do đặc tính cháy sạch của khí CNG với trị số octan cao (120-130), giúp giảm hiện tượng kích nổ và cháy không hoàn toàn. Việc sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử CRDI cho phép điều chỉnh chính xác thời điểm và áp suất phun diesel làm nhiên liệu mồi, tối ưu hóa quá trình cháy hỗn hợp.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này phù hợp với xu hướng giảm phát thải và tiết kiệm nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu kép CNG – diesel trên động cơ diesel cỡ nhỏ. Việc mô phỏng kết hợp thực nghiệm giúp giảm chi phí và thời gian thử nghiệm, đồng thời cung cấp dữ liệu quan trọng cho việc thiết kế hệ thống nhiên liệu kép.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh moment, công suất, mức tiêu hao nhiên liệu và nồng độ khí thải CO, NOx, SOOT giữa các tỷ lệ nhiên liệu khác nhau, giúp trực quan hóa hiệu quả của nhiên liệu kép.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển hệ thống điều khiển nhiên liệu kép CRDI:
    Tăng cường nghiên cứu và ứng dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử CRDI để điều chỉnh chính xác tỷ lệ CNG – diesel, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm phát thải. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất động cơ.

  2. Mở rộng ứng dụng nhiên liệu kép trên các loại động cơ cỡ nhỏ:
    Khuyến khích chuyển đổi và cải tạo động cơ diesel hiện có sang sử dụng nhiên liệu kép CNG – diesel, đặc biệt trong lĩnh vực vận tải công cộng và xe tải nhẹ. Mục tiêu giảm tiêu hao nhiên liệu ít nhất 10% trong vòng 3 năm. Chủ thể: các công ty vận tải, cơ quan quản lý giao thông.

  3. Xây dựng bản đồ tỷ lệ nhiên liệu (engine map) cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép:
    Sử dụng kết quả mô phỏng để thiết kế bản đồ điều khiển tỷ lệ nhiên liệu phù hợp với từng chế độ vận hành, nâng cao hiệu quả động cơ. Thời gian: 1 năm. Chủ thể: các trung tâm nghiên cứu và phát triển động cơ.

  4. Phát triển mạng lưới cung cấp CNG và hạ tầng kỹ thuật:
    Đầu tư xây dựng thêm các trạm nạp CNG, đảm bảo nguồn cung ổn định và giá thành hợp lý, thúc đẩy sử dụng nhiên liệu sạch. Thời gian: 3-5 năm. Chủ thể: chính phủ, doanh nghiệp năng lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí động lực:
    Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình mô phỏng chi tiết về động cơ sử dụng nhiên liệu kép, hỗ trợ phát triển đề tài và luận án liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và cải tạo động cơ:
    Tham khảo để ứng dụng công nghệ nhiên liệu kép CNG – diesel, nâng cao hiệu suất động cơ, giảm chi phí vận hành và đáp ứng tiêu chuẩn khí thải.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và giao thông vận tải:
    Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách khuyến khích sử dụng nhiên liệu sạch, giảm ô nhiễm không khí và phát triển giao thông bền vững.

  4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp năng lượng:
    Đánh giá tiềm năng phát triển thị trường CNG, đầu tư hạ tầng cung cấp nhiên liệu và phát triển các giải pháp công nghệ thân thiện môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nhiên liệu kép CNG – diesel là gì và có ưu điểm gì?
    Nhiên liệu kép là sự kết hợp sử dụng đồng thời khí thiên nhiên nén (CNG) và diesel trong động cơ diesel. Ưu điểm gồm giảm phát thải CO, NOx, SOOT, tiết kiệm nhiên liệu khoảng 15%, và nâng cao hiệu suất động cơ nhờ đặc tính cháy sạch của CNG.

  2. Phần mềm AVL Boost được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    AVL Boost mô phỏng quá trình cháy, truyền nhiệt và phát thải trong động cơ, giúp dự đoán các đặc tính kỹ thuật và tối ưu hóa thông số vận hành mà không cần thử nghiệm thực tế tốn kém.

  3. Tỷ lệ hòa trộn nhiên liệu CNG – diesel tối ưu là bao nhiêu?
    Theo nghiên cứu, tỷ lệ 70% CNG và 30% diesel cho hiệu suất và moment động cơ gần tương đương với chạy diesel nguyên thủy, đồng thời giảm phát thải đáng kể.

  4. Việc sử dụng nhiên liệu kép có ảnh hưởng đến tuổi thọ động cơ không?
    Việc sử dụng nhiên liệu sạch như CNG giúp giảm bồ hóng và cặn bẩn trong buồng cháy, từ đó có thể kéo dài chu kỳ bảo dưỡng và tuổi thọ động cơ nếu hệ thống nhiên liệu được thiết kế và bảo trì đúng cách.

  5. Làm thế nào để triển khai nhiên liệu kép trong thực tế tại Việt Nam?
    Cần phát triển hạ tầng cung cấp CNG, cải tạo động cơ diesel hiện có, đồng thời xây dựng chính sách hỗ trợ và đào tạo kỹ thuật viên vận hành, bảo dưỡng hệ thống nhiên liệu kép.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng động cơ Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG – diesel bằng phần mềm AVL Boost với độ chính xác cao, sai số dưới 5% so với thực nghiệm.
  • Tỷ lệ nhiên liệu 70% CNG – 30% diesel tối ưu cho hiệu suất, moment và công suất động cơ, đồng thời giảm phát thải CO đến 90% và mờ khói từ 30-70%.
  • Sử dụng nhiên liệu kép giúp tiết kiệm nhiên liệu khoảng 15% và nâng cao hiệu suất nhiệt động cơ.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế, chế tạo và ứng dụng hệ thống nhiên liệu kép trên động cơ diesel cỡ nhỏ tại Việt Nam.
  • Đề xuất phát triển hệ thống điều khiển nhiên liệu điện tử, mở rộng ứng dụng nhiên liệu kép, xây dựng bản đồ tỷ lệ nhiên liệu và phát triển hạ tầng cung cấp CNG trong 3-5 năm tới.

Để tiếp tục phát triển công nghệ nhiên liệu sạch, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng mô hình mô phỏng kết hợp thực nghiệm, đồng thời phối hợp với các cơ quan quản lý để thúc đẩy chính sách hỗ trợ. Hành động ngay hôm nay sẽ góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành công nghiệp động cơ tại Việt Nam.