Tổng quan luận án

Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học (biodiesel) thay thế một phần nhiên liệu diesel truyền thống có nguồn gốc hóa thạch là một trong những giải pháp nhằm bảo đảm an ninh năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Tại Việt Nam, nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel từ dầu thực vật và phụ phẩm mỡ động vật (mỡ cá tra, ba sa, dầu ăn phế thải) có tiềm năng khai thác lớn, phù hợp với định hướng của Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 và Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học.

Biodiesel có sự khác biệt rõ rệt về thuộc tính lý - hóa so với diesel khoáng: tỷ trọng, độ nhớt, sức căng mặt ngoài và trị số xê tan cao hơn, trong khi nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết (A/F) thấp hơn. Những thay đổi này ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình xé tơi, bay hơi, hình thành hỗn hợp và diễn biến cháy trong buồng than. Khi sử dụng trên động cơ diesel giữ nguyên kết cấu và thông số điều khiển, biodiesel thường làm suy giảm mô men xoắn, giảm công suất, tăng suất tiêu hao nhiên liệu, giảm nồng độ phát thải hydrocarbon (HC), carbon monoxide (CO), bụi bẩn (PM) nhưng lại làm tăng phát thải oxide nitơ ($NO_x$).

Đối với các động cơ diesel truyền thống sử dụng hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) kiểu cơ khí, việc hiệu chỉnh góc phun sớm và lượng cấp nhiên liệu được thực hiện thông qua can thiệp cơ cấu cơ khí. Ngược lại, trên các động cơ diesel hiện đại trang bị HTPNL tích áp Common Rail (CR), toàn bộ các thông số như áp suất phun, thời điểm phun, thời gian phun, số lần phun (phun mồi, phun chính, phun sau) được kiểm soát bởi khối điều khiển điện tử (ECU). Các nghiên cứu trước đây chủ yếu dừng lại ở việc khảo sát quy luật phát thải trên bệ thử hoặc can thiệp trên động cơ nghiên cứu mở một xylanh (như AVL-5402). Việc xây dựng chương trình điều khiển hoàn chỉnh trên nền tảng ECU tiêu chuẩn để tối ưu hóa quá trình làm việc của động cơ diesel CR nhiều xylanh khi sử dụng hỗn hợp biodiesel tại Việt Nam vẫn là khoảng trống kỹ thuật cần giải quyết.

Luận án của nghiên cứu sinh Khổng Văn Nguyên tập trung thực hiện đề tài: "Nghiên cứu điều khiển hệ thống phun nhiên liệu CommonRail (CR) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel", thuộc khuôn khổ Đề tài cấp Quốc gia mã số ĐT.14/NLSH ("Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau").

Mục tiêu nghiên cứu tổng thể của luận án là: Làm chủ công nghệ điều khiển động cơ diesel CR và thiết kế chương trình điều khiển HTPNL kiểu CR khi sử dụng biodiesel có tỷ lệ pha trộn 20% thể tích (B20), bảo đảm duy trì mô men và công suất động cơ tương đương với khi sử dụng ECU nguyên thủy (ECU-NT) chạy diesel khoáng (B0), đồng thời cải thiện đặc tính kinh tế - kỹ thuật và phát thải so với khi sử dụng ECU-NT chạy B20.

Để đạt được mục tiêu nêu trên, nội dung nghiên cứu của luận án được triển khai qua 5 bước chính:

  1. Nghiên cứu khảo sát động cơ diesel CR (Hyundai D4CB 2.5 TCI-A) và tiến hành thử nghiệm trên băng thử nhằm xác định các thông số ban đầu, thông số biên phục vụ việc xây dựng mô hình.
  2. Xây dựng mô hình mô phỏng (MHMP) động cơ làm việc theo thời gian thực sử dụng hai loại nhiên liệu (diesel B0 và biodiesel B20) trên phần mềm Matlab/Simulink; chạy mô phỏng và so sánh với kết quả thực nghiệm để xác nhận độ tin cậy.
  3. Xây dựng thuật toán điều khiển HTPNL (vòng hở và vòng kín) phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ dựa trên MHMP đã xác lập.
  4. Thiết kế các bộ điều khiển vòng kín (điều khiển áp suất rail, điều khiển tốc độ không tải) tích hợp vào chương trình điều khiển của ECU mới (ECU-New).
  5. Thực nghiệm kiểm chứng: Thử nghiệm trên băng thử bơm cao áp NT3000 để đánh giá bộ điều khiển áp suất rail; thử nghiệm trên băng thử động cơ để đánh giá bộ điều khiển không tải, đặc tính ngoài, suất tiêu hao nhiên liệu và mức độ phát thải; thử nghiệm trên bệ thử con lăn để đánh giá đặc tính tăng tốc của phương tiện.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel Hyundai D4CB 2.5 TCI-A (4 kỳ, 4 xylanh thẳng hàng, dung tích 2,5 lít, tăng áp tuabin điều khiển cánh hướng dòng VGT, trang bị HTPNL CR với bơm cao áp Bosch CP1-H) lắp trên xe thương mại Hyundai Starex.
  • Nhiên liệu thử nghiệm: Nhiên liệu diesel khoáng dầu mỏ thương mại (hàm lượng lưu huỳnh 0,05% S, ký hiệu B0) và hỗn hợp biodiesel B20 (chứa 20% thể tích B100 sản xuất từ bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thành dầu ăn và 80% thể tích diesel B0).
  • Phần cứng điều khiển: ECU trắng tiêu chuẩn của hãng Woodward MotoHawk, kết hợp mạch điều khiển vòi phun CR (EDU) được phát triển trong đề tài ĐT.14/NLSH.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát động cơ trong điều kiện phòng thí nghiệm ở các chế độ vận hành ổn định từ 1000 đến 3500 vòng/phút (vg/ph), chế độ khởi động, chế độ không tải và chế độ tăng tốc. Giới hạn tỷ lệ pha trộn nhiên liệu sinh học ở mức B20 theo khuôn khổ đề tài nghiệm thu.
  • Hệ thống trang thiết bị thí nghiệm: Băng thử động lực học cao của hãng AVL (Cộng hòa Áo) tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; bệ thử động cơ tại Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải; bệ thử con lăn (Chassis dynamometer 48 inch) tại Trung tâm Thử nghiệm khí thải phương tiện giao thông cơ giới đường bộ (NETC) - Cục Đăng kiểm Việt Nam; băng thử bơm cao áp NT3000 tại Học viện Kỹ thuật Quân sự.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án được phân tích theo ba trục nội dung: nghiên cứu sử dụng biodiesel trên động cơ diesel truyền thống, nghiên cứu sử dụng biodiesel trên động cơ diesel điều khiển điện tử Common Rail, và các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển ECU.

Về tình hình sản xuất và tiêu thụ nhiên liệu sinh học, số liệu thống kê cho thấy sự phát triển mạnh mẽ tại các thị trường lớn:

  • Tại Mỹ, lượng tiêu thụ biodiesel tăng từ 260 triệu gallon (2010) lên 2.060 triệu gallon (2016), áp dụng tiêu chuẩn ASTM D7467-09 quy định kỹ thuật cho mức hòa trộn B6 - B20 [10].
  • Tại Liên minh Châu Âu (EU), tiêu chuẩn DIN EN-16709 áp dụng giới hạn pha trộn đến B30. Lượng tiêu thụ biodiesel tại các quốc gia EU được tổng hợp tại Bảng 1.2 của luận án:
Quốc gia 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
Đức 3.408 3.106 3.307 3.808 3.505 3.522 3.520 3.520
Pháp 2.090 2.516 2.476 2.681 2.556 2.522 2.410 2.400
Tây Ban Nha 787 538 659 1.017 1.103 1.122 1.420 1.480
Hà Lan 558 974 790 1.056 1.056 909 910 910
Ba Lan 414 673 736 786 795 784 795 795
Vương quốc Anh 261 364 648 648 625 625 625 625
Ý 704 326 521 452 625 625 625 570
Bỉ và Luxembourg 536 568 568 568 568 568 570 570
Australia 352 301 247 332 386 398 410 410
Bồ Đào Nha 419 356 329 349 386 333 355 406
Các nước khác 1.536 1.308 693 468 519 874 1.085 965
Tổng cộng 11.066 11.029 10.973 12.165 12.124 12.281 12.725 12.650

(Đơn vị: triệu lít, nguồn trích dẫn [11])

  • Tại khu vực Châu Á, Indonesia đạt mức tiêu thụ 3,008 tỷ lít năm 2016 và nâng tỷ lệ phối trộn lên B20 từ tháng 6/2017 [12]; Thái Lan duy trì tỷ lệ phối trộn B7 với mức tiêu thụ năm 2017 đạt khoảng 1,3 tỷ lít [13]; Việt Nam định hướng sản xuất biodiesel từ mỡ cá và dầu thực vật với tiềm năng ước đạt 500 triệu lít/năm [6].

Về các nghiên cứu thực nghiệm trên thế giới:

  • Jinlin Xue và cs [15], H. Mahlia [16] (khảo sát dầu cọ, dầu Jatropha curcas, dầu Calophyllum) chỉ ra quy luật chung: công suất giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng, PM, HC, CO giảm, $NO_x$ tăng khi tăng tỷ lệ phối trộn biodiesel.
  • Manieniyan và cs [17] thử nghiệm biodiesel từ cây cọc rào (Jatropha) trên động cơ 1 xylanh ở 1500 vg/ph với các mức B0, B20, B40, B60, B80, B100; ghi nhận B0 và B20 có tốc độ tỏa nhiệt và hiệu suất nhiệt cao nhất, độ khói thấp nhất.
  • Vipul Vibhanshu và cs [18] nghiên cứu biodiesel cây Manhua (M0 đến M20) trên động cơ 1 xylanh ở 1500 vg/ph, chỉ ra ở chế độ toàn tải hiệu suất nhiệt (BTE) của M5, M10, M15, M20 tăng lần lượt 3,9%, 13,3%, 17,4% và 23% so với M0; suất tiêu hao năng lượng (BSEC) giảm; phát thải HC, CO, độ khói giảm trong khi $NO_x$ tăng.
  • Raghvendra Gautam và cs [19] trên động cơ diesel 5,9 kW ở 1500 vg/ph ghi nhận biodiesel Jatropha có áp suất cháy cực đại thấp hơn 4,59% và thời điểm bắt đầu cháy sớm hơn $2^\circ$ góc quay trục khuỷu (GQTK).
  • Ekrem Buyukkaya [23] nghiên cứu các mức B0, B5, B20, B70, B100 (từ hạt cải) trên động cơ diesel tăng áp 6 xylanh, ghi nhận áp suất cháy cực đại tương ứng là 154,7; 151,0; 148,8; 147,5 và 147,0 bar; thời điểm bắt đầu cháy sớm dần từ $8,5^\circ; 7,75^\circ; 7,25^\circ; 6,5^\circ$ xuống $5,75^\circ$ GQTK.

Về ứng dụng trên động cơ Common Rail:

  • Balaji Mohan [25] phân tích quy luật phun nhiều giai đoạn (phun mồi Pilot I, Pilot II, phun chính Main, phun sau Post I, Post II), chứng minh phun mồi giúp giảm tiếng ồn và hạn chế hình thành $NO_x$, phun bổ sung hỗ trợ oxy hóa PM và tăng nhiệt độ khí thải tái sinh bộ lọc.
  • How và cs [26] nghiên cứu B20, B40 từ dầu dừa trên động cơ CR 4 xylanh ở 2000 vg/ph và 50% tải với góc phun thay đổi từ $-4^\circ$ đến $8^\circ$.
  • An và cs [27] khảo sát B10, B20, B50 từ bã thải tinh luyện dầu ăn trên động cơ CR 4 xylanh có tăng áp ở dải tốc độ 1200 - 3600 vg/ph.
  • Donghui Qi và cs [28] nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn khí thải (EGR) và thời điểm phun trên động cơ Ford Lion 6 xylanh chạy biodiesel.
  • Masjuki và cs [29] thử nghiệm B10 - B50 từ dầu dừa trên động cơ 4 xylanh tăng áp, chứng minh việc gia tăng áp suất phun giúp xé tơi tia nhiên liệu, giảm CO, HC, PM.
  • Daisuke Kawano, Hajime Ishii và Yuichi Goto [30] đánh giá biodiesel dầu hạt cải trên động cơ CR.

Về các nghiên cứu trong nước:

  • Vũ Thị Hà và cs [34] (Đề tài cấp Nhà nước, 2009) thử nghiệm B5 từ mỡ cá trên động cơ D243: ở chế độ toàn tải công suất tăng 1,33%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 1,39%, theo chu trình ECE R49 phát thải CO giảm 5,63%, HC giảm 6,32%, PM giảm 5,01%, $NO_x$ tăng 3,29%.
  • Nguyễn Hoàng Vũ và cs [6] (Đề tài ĐT.12/NLSH) nghiên cứu sử dụng B10, B20 cho phương tiện cơ giới quân sự, đánh giá tính tương thích vật liệu và độ mài mòn chi tiết bơm - vòi phun.
  • Phan Đắc Yến [35] sử dụng phần mềm Inject32 và Diesel-RK khảo sát động cơ B2: mô men $M_e$ giảm 3,3% (với B10) và giảm 8,7% (với B20); suất tiêu hao $g_e$ tăng 2,5% (B10) và 10,8% (B20); $NO_x$ tăng 32,5% (B10) và 71,7% (B20); độ khói giảm 11,8% (B10) và 28,7% (B20).
  • Nguyễn Mạnh Cường và cs [36] (2015) khảo sát quá trình cháy trên động cơ Mazda WL; Trần Thế Nam [37] (2017) mô phỏng động cơ HANSHIN 6LU32 bằng phần mềm GT-Power.
  • Nguyễn Tuấn Nghĩa [5] sử dụng phần mềm AVL-Boost trên động cơ nghiên cứu 1 xylanh AVL-5402 có ECU mở, xác định góc phun sớm của B10, B20, B30 cần giảm tương ứng $1^\circ, 2^\circ, 3,5^\circ$ GQTK.
  • Nguyễn Cao Văn và cs [38] (2013) nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian phun mồi và phun chính trên động cơ CR.
  • Về điều khiển ECU: Trần Anh Trung và cs [53] (2009) chế tạo ECU cho động cơ diesel Hyundai D4BB bơm cơ khí; Phạm Minh Tuấn và cs [54] (2011) thiết kế ECU phun xăng điện tử xe máy; Hồ Văn Đàm [55] (2014) lập bảng dữ liệu chuẩn góc phun và áp suất phun trên động cơ AVL-5402; Nguyễn Thành Bắc [42] (2017) điều khiển lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol trên động cơ D4BB; Phạm Hữu Tuyến và cs [56] (2017) thiết kế ECU phụ cho động cơ xăng sinh học E100.

Về phương pháp luận mô hình hóa và điều khiển:

  • Olivier Grondin [40] phân loại 2 phương pháp phát triển ECU: (1) hiệu chỉnh trực tiếp trên bệ thử động cơ; (2) thiết kế dựa trên MHMP thời gian thực (Software in the Loop - SiL).
  • Rolf Isermann [41] thiết lập cấu trúc mô hình động cơ diesel CR làm việc theo thời gian thực trên Matlab/Simulink theo góc quay trục khuỷu.
  • Hazell và Flower [44, 45] phát triển mô hình phi nhiệt động học (non-thermodynamic); J. Wahlström và L. Eriksson [46] xây dựng mô hình trung bình có xét động lực học VGT và EGR; McCrady và cs [47] dùng GT-Power; Wayne [48] dùng mô hình KIVA.
  • Jaewoong Kim [51], Joshua A. Bittle và cs [52] công bố các đặc tính dịch chuyển thời điểm phun mồi và kéo dài thời gian phun chính khi dùng biodiesel.

Vị trí của luận án: Luận án kế thừa các kết quả thực nghiệm và lý thuyết về quá trình cháy của biodiesel, khắc phục hạn chế của phương pháp thử nghiệm truyền thống tốn kém bằng cách lựa chọn phương pháp thiết kế điều khiển SiL trên nền tảng Matlab/Simulink. Luận án giải quyết khoảng trống về việc lập trình hoàn chỉnh một ECU thương mại (Woodward MotoHawk) điều khiển động cơ diesel CR nhiều xylanh sử dụng B20, kiểm soát độc lập lượng phun, thời điểm phun nhiều giai đoạn và điều khiển vòng kín áp suất rail, tốc độ không tải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng mô hình nhiệt động học buồng cháy dạng điền đầy - thải sạch (Filling and Emptying) dựa trên hệ thống hở dòng không ổn định.

Các phương trình nhiệt động cơ bản bao gồm:

  1. Phương trình cân bằng khối lượng môi chất trong xylanh: $$\frac{dm}{d\varphi} = \frac{dm_{in}}{d\varphi} - \frac{dm_{ex}}{d\varphi} + \frac{dm_{inj}}{d\varphi}$$ Trong đó: $m$ là khối lượng môi chất, $m_{in}$ là lượng khí nạp, $m_{ex}$ là lượng khí thải, $m_{inj}$ là lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy theo góc quay trục khuỷu $\varphi$.

  2. Phương trình cân bằng năng lượng: $$d(Gu) = dQ_{minj} - dQ_w + h_{in}dm_{in} - h_{ex}dm_{ex} - dL$$ Trong đó: $dQ_{minj}$ là nhiệt lượng cấp vào do đốt cháy nhiên liệu, $dQ_w$ là nhiệt lượng truyền qua thành buồng cháy, $h_{in}$ và $h_{ex}$ là entanpi khí nạp và khí thải, $d(Gu)$ là biến thiên nội năng, $dL = -p,dV$ là công giãn nở thể tích.

  3. Phương trình trạng thái môi chất dạng vi phân: $$V\frac{dp}{dt} + p\frac{dV}{dt} = mR\frac{dT}{dt} + mT\frac{dR}{dt} + RT\frac{dm}{dt}$$

Mô hình hệ thống nhiên liệu Common Rail được xây dựng dựa trên phương trình nén chất lỏng trong bình chứa: $$\dot{p} = -\frac{k_f(p)}{V_0}\left(\frac{dV_0}{dt} - q_{in} - q_{out}\right)$$ Với các khối động học thành phần:

  • Bơm cao áp (BCA Bosch CP1-H gồm 3 piston hướng kính lệch pha $120^\circ$): tính toán thể tích nén $V_{p}(\theta)$, lượng cấp vào $q_u$ qua van SCV và lượng nhiên liệu đẩy ra rail $q_{pr}$.
  • Van điều chỉnh lượng cấp SCV (Structure Control Valve): điều khiển tiết diện $A_{pv}$ qua độ rộng xung $U_{SCV}$ để giảm công dẫn động bơm.
  • Ống phân phối tích áp (Rail): cân bằng lưu lượng giữa lượng cấp từ bơm $q_{pr}$, lượng xả qua van điều áp rail RPCV ($q_{PCV}$) và lượng nhiên liệu cấp tới 4 vòi phun ($q_{ri}$).
  • Vòi phun CR: điều khiển lưu lượng qua tiết diện lỗ phun $A_{di}$ và độ rộng xung mở vòi phun $ET$.

Mô hình cháy lựa chọn dạng không chiều (Zero-dimensional), sử dụng hàm tỏa nhiệt Wiebe nhiều giai đoạn để mô phỏng độc lập các pha phun mồi 1, phun mồi 2 và phun chính: $$\frac{dx_b}{d\varphi} = \sum_{i=1}^{n} x_{fi} \cdot \frac{a_i(m_i + 1)}{\Delta\varphi_i} \left(\frac{\varphi - \varphi_{SOCi}}{\Delta\varphi_i}\right)^{m_i} \exp\left[-a_i\left(\frac{\varphi - \varphi_{SOCi}}{\Delta\varphi_i}\right)^{m_i + 1}\right]$$ Trong đó: $x_{fi}$ là tỷ lệ nhiên liệu tham gia cháy từng giai đoạn, $\varphi_{SOCi}$ là thời điểm bắt đầu cháy, $\Delta\varphi_i$ là khoảng thời gian cháy, $a_i$ và $m_i$ là các hệ số thực nghiệm Wiebe.

Bên cạnh đó, mô hình tích hợp phương trình truyền nhiệt Woschni xác định hệ số trao đổi nhiệt $\alpha$, mô hình tổn thất cơ khí xác định mô men ma sát $M_m$ theo tốc độ động cơ, và mô hình dòng khí qua cụm tuabin - máy nén tăng áp VGT.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng SiL trên Matlab/Simulink và đo đạc thực nghiệm trên hệ thống băng thử tiêu chuẩn:

Thông số / Thuộc tính lý - hóa Diesel khoáng (B0) Biodiesel B20 Biodiesel B100
Thành phần Carbon (C) 0,870 0,849 0,773
Thành phần Hydro (H) 0,126 0,124 0,118
Thành phần Oxy (O) 0,004 0,025 0,108
Khối lượng riêng ở $20^\circ\text{C}$ ($\text{kg/m}^3$) 830 841 885
Sức căng mặt ngoài ở $20^\circ\text{C}$ ($\text{N/m}$) 0,028 0,031 0,043
Độ nhớt động học ở $20^\circ\text{C}$ ($\text{cSt}$) 3,61 3,97 5,23
Nhiệt trị thấp $Q_H$ ($\text{MJ/kg}$) 42,50 41,18 36,22
Trị số xê tan 48,00 48,68 51,30
Tỷ lệ hòa khí lý thuyết (A/F) 14,58 14,19 12,69

(Nguồn số liệu thực nghiệm: Bảng 1.1 trong luận án [7, 8])

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về nhiên liệu sinh học biodiesel, nguồn gốc nguyên liệu thế hệ 1, 2, 3 và tình hình ứng dụng tại các quốc gia. Tác giả phân tích các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về ảnh hưởng của biodiesel đến tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải của động cơ diesel truyền thống và động cơ điều khiển điện tử Common Rail. Đồng thời, chương này đánh giá các phương pháp phát triển ECU, phân tích cấu trúc mô hình động cơ trung bình và mô hình theo góc quay trục khuỷu, từ đó lựa chọn phương pháp thiết kế chương trình điều khiển dựa trên mô hình mô phỏng thời gian thực (SiL) trên ngôn ngữ Matlab/Simulink làm hướng đi của luận án.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ diesel sử dụng hệ thống phun kiểu CommonRail (CR) làm việc theo thời gian thực

Chương 2 thiết lập hệ thống phương trình toán học mô tả toàn diện các quá trình công tác trong động cơ diesel CR theo góc quay trục khuỷu. Tác giả trình bày phương trình cân bằng khối lượng, phương trình cân bằng năng lượng và phương trình trạng thái vi phân trong xylanh. Xây dựng mô hình động học dòng chất lỏng chịu nén trong bơm cao áp CP1-H, van SCV, ống tích áp rail, van điều áp RPCV và vòi phun. Thiết lập mô hình cháy không chiều ứng dụng phương trình Wiebe nhiều pha, mô hình truyền nhiệt Woschni, mô hình tổn thất ma sát cơ giới và mô hình khí động đường nạp - thải kết hợp tuabin tăng áp VGT.

Chương 3. Xây dựng mô hình động cơ Hyundai D4CB 2.5 TCI-A sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel làm việc theo thời gian thực

Chương 3 trình bày quy trình xác định các tham số đầu vào và nhận dạng mô hình từ thực nghiệm trên bệ thử động lực học cao của AVL. Dữ liệu thực nghiệm bao gồm: diễn biến áp suất xylanh qua cảm biến AVL QC33C, quy luật xung phun qua máy hiện sóng Oscilloscope, độ nâng xupap, lưu lượng khí nạp, áp suất khí tăng áp và khí thải ở các chế độ tải 100% tại 1000, 2000, 3000 vg/ph. Tác giả xây dựng thuật toán tối ưu nhận dạng các tham số Wiebe ($\varphi_{SOCi}, \Delta\varphi_i, x_{fi}$) cho B0 và B20. Toàn bộ các khối được ghép nối trong Simulink để tạo thành mô hình động cơ hoàn chỉnh. Kết quả đánh giá cho thấy mô hình mô phỏng bám sát thực nghiệm về áp suất đỉnh, diễn biến tốc độ tỏa nhiệt, mô men xoắn và công suất động cơ.

Chương 4. Xây dựng chương trình điều khiển động cơ Hyundai D4CB 2.5 TCI-A sử dụng nhiên liệu biodiesel

Chương 4 tập trung thiết kế cấu trúc chương trình điều khiển tích hợp trên nền tảng phần mềm MotoHawk của Woodward. Nội dung thiết kế bao gồm:

  • Khối điều khiển vòng hở: Xây dựng các bản đồ tra bảng (MAP) nội suy 1D và 2D xác định lượng nhiên liệu khởi động theo nhiệt độ nước làm mát, lượng nhiên liệu không tải, lượng nhiên liệu yêu cầu theo vị trí bàn đạp ga và tốc độ động cơ cho B20. Lập các MAP quy luật phun nhiều giai đoạn: thời điểm phun mồi 1 (injtiming_pilot1), thời điểm phun mồi 2 (injtiming_pilot2), thời gian phun mồi, thời điểm phun chính (injtiming_main) và thời gian phun chính (injduration_main).
  • Khối điều khiển vòng kín: Thiết kế bộ điều khiển PID áp suất rail thông qua phối hợp điều khiển van SCV và van RPCV, bảo đảm thời gian đáp ứng khi áp suất rail thay đổi từ 600 bar đến 1000 bar; thiết kế bộ điều khiển PID vòng kín tốc độ không tải tại các mức đặt 800, 900 và 1000 vg/ph.

Chương 5. Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 5 trình bày kết quả thử nghiệm thực tế của chương trình điều khiển ECU-New trên các hệ thống bệ thử chuyên dụng:

  • Thử nghiệm trên băng thử bơm cao áp NT3000: Đánh giá đặc tính áp suất rail theo độ mở van SCV, RPCV ở các tốc độ trục bơm 500, 1000, 1500 vg/ph, xác định thời gian trễ và đáp ứng của bộ điều khiển khi thay đổi áp suất yêu cầu từ 35 MPa đến 70 MPa.
  • Thử nghiệm trên băng thử động cơ tại Trường Đại học Công nghệ GTVT: Đánh giá độ ổn định của bộ điều khiển tốc độ không tải ở 800 và 1000 vg/ph; đo đạc đặc tính ngoài toàn tải, suất tiêu hao nhiên liệu và các thành phần phát thải (CO, HC, $NO_x$, Smoke) ở chế độ toàn tải và tải bộ phận khi so sánh giữa ba cấu hình: ECU-NT_B0, ECU-NT_B20 và ECU-New_B20.
  • Thử nghiệm trên bệ thử con lăn Chassis Dynamometer 48 inch tại Trung tâm NETC: Khảo sát đặc tính tăng tốc của xe Hyundai Starex khi trang bị ECU-New sử dụng nhiên liệu B20.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới sau:

  1. Đưa ra phương pháp và cơ sở khoa học hoàn chỉnh trong việc thiết kế chương trình điều khiển ECU cho động cơ diesel trang bị HTPNL Common Rail khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel B20, dựa trên phương pháp mô hình hóa mô phỏng thời gian thực (SiL) kết hợp hiệu chỉnh thực nghiệm.
  2. Xây dựng thành công mô hình mô phỏng động cơ Hyundai D4CB 2.5 TCI-A làm việc theo thời gian thực theo góc quay trục khuỷu trên môi trường Matlab/Simulink cho cả hai loại nhiên liệu (diesel B0 và biodiesel B20). Mô hình đã được xác nhận độ tin cậy thông qua bộ thông số đo đạc thực nghiệm trên bệ thử động lực học cao.
  3. Thiết kế thành công chương trình điều khiển hoàn chỉnh trên phần cứng ECU trắng Woodward MotoHawk (ECU-New), bao gồm các thuật toán điều khiển vòng hở (tính toán lượng phun, thời điểm và thời gian các pha phun mồi và phun chính) và điều khiển vòng kín (PID áp suất rail, PID tốc độ không tải).
  4. Kết quả thực nghiệm kiểm chứng khẳng định:
    • Động cơ trang bị ECU-New chạy B20 duy trì mô men xoắn và công suất tương đương với động cơ trang bị ECU nguyên thủy chạy diesel khoáng (ECU-NT_B0) trên toàn dải tốc độ.
    • Cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu và giảm nồng độ các chất phát thải độc hại CO, HC, độ khói (Smoke) so với trường hợp sử dụng ECU nguyên thủy chạy B20 (ECU-NT_B20).
    • Bộ điều khiển áp suất rail và bộ điều khiển tốc độ không tải vận hành ổn định, chính xác; xe thử nghiệm đáp ứng tốt các chỉ tiêu động học ở chế độ khởi động, không tải và tăng tốc trên bệ thử con lăn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Nghiên cứu mới giới hạn khảo sát và thiết lập chương trình điều khiển cho tỷ lệ phối trộn biodiesel B20 theo khuôn khổ của đề tài cấp Quốc gia ĐT.14/NLSH, chưa mở rộng cho các mức tỷ lệ phối trộn cao hơn (như B30, B50, B100).
  • Chương trình điều khiển mới tập trung vào HTPNL CR, chưa tích hợp thuật toán điều khiển vòng kín cho hệ thống tuần hoàn khí thải (EGR) và hệ thống điều khiển góc mở cánh tuabin tăng áp VGT (các hệ thống này vẫn duy trì theo đặc tính điều khiển nguyên bản của nhà sản xuất).
  • Các thử nghiệm phát thải và đặc tính tăng tốc mới thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm và trên bệ thử con lăn, chưa đánh giá chu trình vận hành thực tế dài hạn trên đường giao thông.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Tiếp tục hoàn thiện thuật toán và xây dựng các bộ MAP điều khiển cho các mức phối trộn biodiesel cao hơn (>20%).
  • Tích hợp thêm các kênh điều khiển tuần hoàn khí thải EGR và áp suất tăng áp VGT vào chương trình điều khiển của ECU-New để tối ưu hóa đồng thời phát thải $NO_x$ và tính kinh tế nhiên liệu.
  • Triển khai thử nghiệm xe trên đường thực tế để đánh giá độ bền, độ tin cậy và mức độ mài mòn chi tiết của hệ thống Common Rail khi vận hành dài hạn với biodiesel.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên và giảng viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô, Động cơ đốt trong và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa.
  • Các kỹ sư và chuyên gia nghiên cứu phát triển (R&D) tại các viện nghiên cứu, nhà máy sản xuất ô tô và các đơn vị nghiên cứu ứng dụng năng lượng sinh học.
  • Các cơ quan quản lý kỹ thuật, trung tâm thử nghiệm và kiểm định khí thải phương tiện giao thông cơ giới đường bộ.

Các nội dung có giá trị tham khảo cốt lõi bao gồm:

  • Phương pháp luận xây dựng mô hình toán học nhiệt động buồng cháy và mô hình động lực học hệ thống phun tích áp Common Rail làm việc theo thời gian thực trên Matlab/Simulink.
  • Thuật toán nhận dạng tham số cháy Wiebe nhiều giai đoạn từ dữ liệu áp suất chỉ thị thực nghiệm.
  • Cấu trúc chương trình và phương pháp thiết lập các bảng dữ liệu MAP điều khiển trên phần cứng ECU thương mại tiêu chuẩn MotoHawk.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguồn gốc của nhiên liệu biodiesel B100 sử dụng trong luận án là gì và các chỉ tiêu lý - hóa của B20 thay đổi như thế nào so với diesel B0?
Nhiên liệu biodiesel gốc (B100) trong luận án được sản xuất từ bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thành dầu ăn. Khi phối trộn thành B20 (20% B100 và 80% B0 theo thể tích), khối lượng riêng ở $20^\circ\text{C}$ tăng từ 830 lên $841\text{ kg/m}^3$, độ nhớt động học ở $20^\circ\text{C}$ tăng từ 3,61 lên 3,97 cSt, sức căng mặt ngoài tăng từ 0,028 lên 0,031 N/m, trị số xê tan tăng từ 48 lên 48,68, trong khi nhiệt trị thấp giảm từ 42,50 xuống $41,18\text{ MJ/kg}$ và tỷ lệ A/F lý thuyết giảm từ 14,58 xuống 14,19.

2. Luận án sử dụng nền tảng phần cứng và phần mềm nào để xây dựng bộ điều khiển ECU-New?
Luận án sử dụng phần cứng ECU trắng tiêu chuẩn của hãng Woodward MotoHawk kết hợp thêm khối mạch điều khiển vòi phun CR (EDU) thuộc sản phẩm đề tài ĐT.14/NLSH. Toàn bộ chương trình và thuật toán điều khiển được lập trình trên môi trường Matlab/Simulink và nạp trực tiếp vào ECU thông qua trình biên dịch chuyên dụng.

3. Mô hình cháy trong luận án được xây dựng theo nguyên lý nào để phản ánh đúng quy luật phun nhiều giai đoạn?
Mô hình cháy được xây dựng theo dạng không chiều (Zero-dimensional), sử dụng hàm tỏa nhiệt Wiebe nhiều giai đoạn. Hàm này mô phỏng tách biệt tốc độ tỏa nhiệt của từng pha phun (phun mồi 1, phun mồi 2 và phun chính) thông qua việc nhận dạng các bộ tham số thời điểm bắt đầu cháy $\varphi_{SOCi}$, khoảng thời gian cháy $\Delta\varphi_i$, phần nhiên liệu tham gia phản ứng $x_{fi}$ và các hệ số dạng $a_i, m_i$.

4. Các bộ điều khiển vòng kín được thiết kế trong chương trình điều khiển gồm những bộ điều khiển nào?
Luận án thiết kế 2 bộ điều khiển vòng kín sử dụng thuật toán PID:

  • Bộ điều khiển vòng kín áp suất rail: phối hợp điều khiển độ mở van định lượng cấp nhiên liệu vào bơm cao áp (van SCV) và van điều chỉnh áp suất trên ống rail (van RPCV).
  • Bộ điều khiển vòng kín tốc độ không tải: duy trì ổn định tốc độ quay trục khuỷu theo các giá trị cài đặt (800, 900 và 1000 vg/ph) tương ứng với nhiệt độ nước làm mát của động cơ.

5. Kết quả thử nghiệm động cơ Hyundai D4CB 2.5 TCI-A khi lắp đặt ECU-New sử dụng nhiên liệu B20 đạt được những chỉ tiêu kỹ thuật nào?
Ở chế độ toàn tải, động cơ trang bị ECU-New chạy B20 duy trì mô men xoắn và công suất tương đương so với động cơ nguyên thủy sử dụng diesel khoáng (ECU-NT_B0). Đồng thời, cấu hình ECU-New_B20 cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu, giảm phát thải CO, HC và độ khói (Smoke) so với khi giữ nguyên ECU nguyên thủy chạy B20 (ECU-NT_B20), các chế độ khởi động, không tải và tăng tốc đều vận hành ổn định.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Khổng Văn Nguyên đã giải quyết thành công bài toán điều khiển hệ thống phun nhiên liệu tích áp Common Rail trên động cơ diesel Hyundai D4CB 2.5 TCI-A khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel B20. Bằng việc kết hợp phương pháp mô phỏng thời gian thực (SiL) trên Matlab/Simulink và kiểm chứng thực nghiệm đa cấp, tác giả đã xây dựng hoàn chỉnh mô hình động lực học động cơ và chương trình điều khiển nạp trên phần cứng ECU Woodward MotoHawk. Kết quả nghiên cứu bảo đảm duy trì công suất, mô men xoắn động cơ tương đương với diesel nguyên bản, cải thiện tính kinh tế và giảm thiểu ô nhiễm khí thải, đóng góp cơ sở khoa học và thực tiễn quan trọng cho việc làm chủ công nghệ điều khiển động cơ diesel điện tử tại Việt Nam.