Tổng quan luận án

Vấn đề năng lượng và ô nhiễm môi trường từ khí thải phương tiện giao thông đường bộ đang đặt ra thách thức lớn đối với nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam. Quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch truyền thống trên các phương tiện giao thông sản sinh ra các chất ô nhiễm không khí như carbon monoxide (CO), hydrocacbon chưa cháy (HC), oxit nitơ ($\text{NO}_x$) và bụi lơ lửng (TSP). Để đáp ứng lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải (từ Euro II đến Euro V) và thực hiện các chủ trương phát triển năng lượng tái tạo (như Quyết định số 985a/QĐ-TTg về Kế hoạch hành động quốc gia về quản lý chất lượng không khí, Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015 tầm nhìn 2025, Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ), việc tìm kiếm các nguồn nhiên liệu sinh học thay thế một phần xăng khoáng là yêu cầu cấp thiết.

Bên cạnh ethanol sinh học, butanol sinh học ($\text{C}_4\text{H}_9\text{OH}$) được quan tâm nghiên cứu nhờ các đặc tính lý hóa vượt trội so với các loại cồn mạch ngắn khác: nhiệt trị cao hơn ethanol (đạt khoảng 83% so với xăng), áp suất hơi bão hòa thấp hơn giúp hạn chế hao hụt do bay hơi, tính kỵ nước cao hơn (ít hòa tan trong nước nên giảm thiểu hiện tượng tách pha khi tồn trữ), ít ăn mòn kim loại hơn và có khả năng hòa trộn trực tiếp với xăng ở tỷ lệ lớn mà vẫn tận dụng được hệ thống phân phối cũng như kết cấu động cơ đánh lửa cưỡng bức hiện hành.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định: Ở Việt Nam, các công trình đã công bố về xăng pha butanol chủ yếu mới dừng lại ở tỷ lệ hòa trộn thấp (dưới 20% thể tích). Đồng thời, chưa có công trình nào trong nước đi sâu vào việc ứng dụng công cụ mô hình hóa động lực học chất lưu (CFD) để khảo sát toàn diện và chi tiết quá trình phun, bay hơi, hình thành hòa khí cũng như đánh giá ảnh hưởng của các tỷ lệ pha butanol cao (từ 10% đến 50% thể tích) đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, phát thải và tính tương thích vật liệu của động cơ ô tô.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm:

  1. Đưa ra các định hướng kỹ thuật nhằm đảm bảo tính tương thích của động cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ pha butanol theo thể tích lần lượt là 10% (Bu10), 20% (Bu20), 30% (Bu30), 40% (Bu40) và 50% (Bu50).
  2. Đánh giá các tính chất lý hóa của xăng sinh học phối trộn butanol theo các tiêu chuẩn kỹ thuật quy định hiện hành.
  3. Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học pha butanol ở các tỷ lệ khác nhau đến tính năng kinh tế - kỹ thuật (công suất, mô men, suất tiêu hao nhiên liệu, suất tiêu hao năng lượng) và mức độ phát thải ô nhiễm (CO, HC, $\text{CO}_2$, $\text{NO}_x$) của động cơ xăng truyền thống.
  4. Đưa ra các khuyến cáo kỹ thuật và điều kiện vận hành cần thiết khi sử dụng nhiên liệu xăng pha butanol từ Bu10 đến Bu50 cho động cơ xăng truyền thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Nhiên liệu phối trộn xăng RON92 với butanol theo các tỷ lệ thể tích Bu0 (100% xăng RON92), Bu10, Bu20, Bu30, Bu40, Bu50 và Bu100 (100% butanol tinh khiết); các chi tiết kim loại và phi kim thuộc hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ; động cơ Daewoo A16DMS (động cơ xăng 4 kỳ, 4 xilanh thẳng hàng, dung tích 1,6 lít, trục cam kép DOHC, tỷ số nén 9,5:1, đường kính xilanh 79 mm, hành trình piston 81,5 mm, hệ thống phun xăng điện tử đa điểm trên đường nạp).
  • Phạm vi không gian và thời gian: Nghiên cứu lý thuyết mô phỏng dòng chảy, tia phun và bay hơi 3D trên phần mềm ANSYS-FLUENT; nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng được tiến hành trên cụm băng thử động cơ APA204/08 tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng; thời gian hoàn thành luận án vào năm 2019.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng hợp các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến việc ứng dụng butanol làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong:

Các nghiên cứu trên thế giới:

  • Nhóm tác giả V. Mařík tại Đại học CULS Prague (Cộng hòa Séc) [24, 25, 30] đã nghiên cứu tính chất nhiên liệu của butanol so với xăng khoáng và bioethanol, tiến hành thử nghiệm các hỗn hợp butanol - xăng với tỷ lệ 5%, 30%, 50%, 85% và 100% butanol, khẳng định khả năng sử dụng butanol mà không tạo ra sự khác biệt quá lớn so với xăng truyền thống.
  • Jing Yang, Yong Wang và Renhua Feng tại Đại học Hồ Nam [56] nghiên cứu so sánh tính năng kỹ thuật của động cơ khi sử dụng xăng pha butanol, chỉ ra rằng butanol giúp giảm 14% tổng tiêu thụ năng lượng có ích, tăng tốc độ cháy ở giai đoạn cuối chu trình; đặc biệt ở tỷ lệ pha 35% butanol (Bu35), động cơ duy trì mô men xoắn tương đương xăng khoáng mà không cần thay đổi kết cấu cơ khí, đồng thời giảm suất tiêu hao nhiên liệu và nồng độ phát thải CO, HC.
  • S. Szwaja (Đại học Kỹ thuật Michigan, Hoa Kỳ) và J. Naber (Đại học Kỹ thuật Czestochowa, Ba Lan) [48, 53] tập trung nghiên cứu đặc tính quá trình cháy của hỗn hợp n-butanol và xăng trên động cơ 1 xilanh có thể thay đổi tỷ số nén; xác định quy luật thay đổi áp suất buồng cháy theo góc quay trục khuỷu, thời gian cháy ứng với các mốc cháy 10% (MFB10%) và 90% (MFB90%), cũng như tối ưu hóa góc đánh lửa sớm tại mốc 50% khối lượng hòa khí được đốt cháy.
  • Cinzia Tornatore và cộng sự tại Istituto Motori - CNR (Napoli, Italy) [52] đã thực nghiệm hỗn hợp 40% n-butanol pha với 60% xăng (Bu40) trên động cơ 1 xilanh đánh lửa cưỡng bức có tăng áp; sử dụng kỹ thuật quang học ghi hình sự lan tràn màng lửa, chứng minh rằng Bu40 cho hiệu suất tương đương xăng và giảm phát thải hạt carbon siêu mịn, $\text{NO}_x$, HC.
  • Wigg (Đại học Illinois) [54] nghiên cứu so sánh mức độ phát thải CO, HC, $\text{NO}_x$ của động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng các tỷ lệ xăng - butanol khác nhau, cho thấy mức phát thải nhìn chung tương đương với nhiên liệu truyền thống.
  • F. Alasfour (Đại học Kuwait) [10, 11] khảo sát ảnh hưởng của việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm đến nồng độ phát thải HC và $\text{NO}_x$ trên động cơ sử dụng nhiên liệu Bu30.

Các nghiên cứu tại Việt Nam:

  • Nguyễn Huỳnh Hưng Mỹ và cộng sự tại Viện Dầu khí Việt Nam [2] đánh giá xăng pha 10,5% n-butanol, khẳng định các chỉ tiêu phẩm chất, thông số vận hành của động cơ ô tô tương đương xăng RON95 và giảm phát thải độc hại.
  • Nhóm tác giả tại Đại học Đà Nẵng [3] nghiên cứu pha 10% thể tích butanol vào xăng RON92, ghi nhận động cơ vận hành ổn định, giảm phát thải CO và HC.
  • Lê Văn Tụy và Bùi Ngọc Hân (Đại học Đà Nẵng) [6] khảo sát việc điều chỉnh góc đánh lửa tối ưu cho động cơ dùng xăng pha butanol, giúp nâng cao công suất phát ra và giảm ô nhiễm môi trường.
  • Phạm Thanh Việt và Phạm Văn Phê [6, 7] phân tích khả năng thay thế xăng truyền thống bằng butanol sinh học tác động đến tính năng kinh tế - kỹ thuật động cơ ô tô.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Phần lớn các nghiên cứu trong nước trước đó mới chỉ dừng ở tỷ lệ pha butanol dưới 20% thể tích và đánh giá ở các chế độ vận hành đơn lẻ. Luận án mở rộng dải tỷ lệ pha trộn lên tới 50% thể tích (từ Bu10 đến Bu50), kết hợp đồng thời giữa thử nghiệm thực nghiệm toàn diện trên băng thử động cơ nhiều xilanh (ở các mức tải 10%, 30%, 50%, 70% bướm ga và dải tốc độ 1250 - 4250 vòng/phút), thử nghiệm tương thích vật liệu dài hạn, và xây dựng mô hình mô phỏng số 3D (CFD) trên phần mềm ANSYS-FLUENT để phân tích cơ chế bay hơi, tương tác tia phun và hình thành hòa khí của các cấu hình phun khác nhau (phun gián tiếp trên đường nạp PI, phun trực tiếp DI, phun hỗn hợp và phun riêng rẽ).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  1. Đặc tính lý hóa của nhiên liệu butanol và xăng: Butanol (1-Butanol, $\text{C}_4\text{H}_9\text{OH}$ hoặc $\text{C}4\text{H}{10}\text{O}$, khối lượng mol $74,12\text{ g/mol}$) là rượu bậc một, chứa 21,6% khối lượng oxy trong phân tử. Năng lượng riêng tính trên 1 kg không khí lý thuyết của butanol ($3,2\text{ MJ/kg air}$) cao hơn so với xăng ($3,0\text{ MJ/kg air}$) và ethanol ($2,9\text{ MJ/kg air}$). Áp suất hơi bão hòa của butanol ở $20^\circ\text{C}$ thấp ($0,56\text{ kPa}$) so với xăng ($48 - 103\text{ kPa}$ ở $38^\circ\text{C}$), nhiệt ẩn hóa hơi của butanol ($474\text{ kJ/kg}$) cao hơn xăng ($364\text{ kJ/kg}$) nhưng thấp hơn ethanol ($920\text{ kJ/kg}$). Độ tan của butanol trong nước ở $20^\circ\text{C}$ đạt $7,7\text{ g/100 ml}$.

  2. Hệ phương trình thủy khí động lực học và mô hình hóa tia phun (CFD):

  • Phương trình trạng thái khí lý tưởng: $$p = \frac{\rho R_u T}{M}$$ Trong đó $p$ là áp suất, $\rho$ là khối lượng riêng, $R_u$ là hằng số khí lý tưởng, $M$ là khối lượng mol phân tử, $T$ là nhiệt độ nhiệt động.
  • Phương trình bảo toàn khối lượng (phương trình liên tục): $$\frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \vec{u}) = 0$$ Trong đó $\vec{u}$ là vector vận tốc dòng chảy, $t$ là thời gian.
  • Phương trình bảo toàn động lượng (Navier-Stokes) cho dòng chảy nhớt chịu nén: $$\frac{\partial (\rho \vec{u})}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \vec{u} \vec{u}) = -\nabla p + \nabla \cdot \overline{\overline{\tau}} + \rho \vec{f}$$ Trong đó $\overline{\overline{\tau}}$ là tensor ứng suất nhớt, $\vec{f}$ là lực khối tác dụng trên một đơn vị khối lượng.
  • Phương trình bảo toàn năng lượng: $$\frac{D h}{D t} = \frac{D p}{D t} + \nabla \cdot (k \nabla T) + \Phi$$ Trong đó $h$ là enthalpy, $k$ là hệ số dẫn nhiệt, $\Phi$ là hàm tiêu tán nhớt.
  • Mô hình pha rời rạc DPM (Discrete Phase Model) và mô hình phân rã giọt nhiên liệu TAB (Taylor Analogy Breakup) được sử dụng để mô tả động học chuyển động, sự vỡ vụn của tia phun và tốc độ truyền nhiệt - truyền khối trong quá trình bay hơi của giọt nhiên liệu trong dòng khí nạp và buồng cháy.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp phương pháp mô hình hóa số và phương pháp thực nghiệm kiểm chứng:

  • Phương pháp đánh giá tương thích vật liệu: Tiến hành ngâm các mẫu chi tiết thuộc hệ thống nhiên liệu (kim phun, ống dẫn cao su, màng bơm, gioăng đệm, cốc lọc...) trong các mẫu nhiên liệu Bu0, Bu10, Bu20, Bu30, Bu40 và Bu50 theo tiến trình thời gian quy định. Sử dụng tủ sấy và giữ nhiệt Memmert, cân điện tử phân tích Mettler Toledo để đo lường độ biến thiên khối lượng, kích thước, đồng thời quan sát và chụp ảnh bề mặt để đánh giá hiện tượng rỉ sét, ăn mòn kim loại và mức độ trương nở của vật liệu phi kim (cao su, polyme).
  • Phương pháp thực nghiệm trên băng thử động cơ: Động cơ Daewoo A16DMS được lắp đặt cố định trên cụm băng thử APA204/08. Các chế độ thực nghiệm được thiết lập tại các mức độ mở bướm ga (BG) gồm 10%, 30%, 50% và 70%, quét dải tốc độ động cơ từ 1250 đến 4250 vòng/phút. Các thông số đo đạc bao gồm: mô men có ích ($M_e$), công suất có ích ($N_e$), lượng tiêu hao nhiên liệu theo giờ ($B_H$), suất tiêu hao nhiên liệu có ích ($g_e$), suất tiêu hao năng lượng có ích ($q_e$), hệ số dư lượng không khí ($\lambda$) và nồng độ các thành phần phát thải ô nhiễm ($\text{CO}, \text{HC}, \text{CO}_2, \text{NO}_x$).
  • Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập mô hình hình học 3D cổng nạp, van nạp và xilanh động cơ Daewoo A16DMS trên ANSYS-FLUENT. Khảo sát các điều kiện biên: nhiệt độ khí nạp ($T_{kn} = 315\text{ K}$ và các mức biến thiên), áp suất nạp, thành phần khí nạp và khí sót đầu kỳ nạp, áp suất phun, góc phun và thời điểm phun cho các phương án cấp nhiên liệu khác nhau.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

Chương 1 tổng hợp bức tranh tổng thể về tình hình phát triển phương tiện giao thông gắn liền với ô nhiễm không khí tại các vùng đô thị lớn của Việt Nam (Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh). Dẫn chứng số liệu từ Báo cáo hiện trạng môi trường của Bộ Tài nguyên và Môi trường (2016), phương tiện giao thông cá nhân (đặc biệt là xe máy chiếm tới 95% số lượng phương tiện) tiêu thụ 56% lượng xăng nhưng thải ra 94% tổng lượng HC, 87% lượng CO và 57% lượng $\text{NO}_x$. Khí thải ô tô đóng góp khoảng 40% $\text{NO}_x$, 60% HC, 80% CO và lượng lớn bụi lơ lửng TSP.

Chương này phân tích tổng quan các dạng năng lượng và nhiên liệu thay thế gồm LPG, CNG, LNG, biodiesel, cồn sinh học (ethanol, butanol, propanol), năng lượng điện và pin nhiên liệu hydro; tổng hợp sản lượng sản xuất nhiên liệu sinh học trên thế giới (năm 2016 Bắc Mỹ đạt 33 tỷ tấn, châu Âu và châu Á trên 10 tỷ tấn; Mỹ sản xuất 5,5 triệu lít biodiesel, Brazil đạt 3,8 triệu lít). Đồng thời, chương 1 phân tích lộ trình triển khai xăng sinh học tại Việt Nam theo các quyết định của Chính phủ và năng lực sản xuất của các nhà máy sản xuất ethanol trong nước (Dung Quất - Quảng Ngãi, Bình Phước, Đồng Nai...).

Chương 1 cũng hệ thống hóa lịch sử phát triển của các hệ thống phun nhiên liệu trên động cơ đánh lửa cưỡng bức từ phun đơn điểm (SPI), phun đa điểm trên đường nạp (MPI/PFI), phun trực tiếp trong buồng cháy (GDI) đến hệ thống phun kép kết hợp (PFI + GDI). So sánh giữa PFI và GDI chỉ ra rằng: động cơ PFI có hiện tượng đọng màng nhiên liệu lỏng trên thành ống nạp và lưng van nạp dẫn đến khó kiểm soát chính xác lượng nhiên liệu đi vào xilanh trong giai đoạn khởi động lạnh (chiếm 90% tổng lượng phát thải HC trong thử nghiệm FTP ở 90 giây đầu tiên); trong khi GDI giúp loại bỏ màng nhiên liệu cửa nạp, cho phép đốt hòa khí nghèo phân tầng, giảm tổn thất tiết lưu, cải thiện tính kinh tế nhiên liệu lên đến 25% và giảm phát thải HC khi khởi động lạnh khoảng 30%.

Chương 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

Chương 2 trình bày chi tiết các cơ sở nhiệt động học, tính chất vật lý, hóa học của butanol sinh học và xăng khoáng, xây dựng các bảng số liệu so sánh đối chứng phục vụ cho việc tính toán mô phỏng.

Chỉ tiêu tính chất Butanol ($\text{C}4\text{H}{10}\text{O}$) Xăng ($\text{C}4 - \text{C}{12}$)
Khối lượng phân tử ($\text{g/mol}$) 74,12 105
Tỷ lệ H/C 2,5 1,85
Hàm lượng Oxy (% khối lượng) 21,6 2,7
Hàm lượng Hydrocacbon thơm (% thể tích) 0 35
Khối lượng riêng ở $15^\circ\text{C}$ ($\text{kg/m}^3$) 810 751
Điểm bay hơi / Nhiệt độ sôi ($^\circ\text{C}$) 117,7 (điểm sôi) 27 - 225
Áp suất bay hơi ở $38^\circ\text{C}$ ($\text{kPa}$) 2,3 48 - 103
Nhiệt dung riêng ($\text{kJ}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$) 2,2 2,0
Độ nhớt ở $20^\circ\text{C}$ ($\text{mPa}\cdot\text{s}$) 1,19 0,40
Nhiệt ẩn bay hơi ($\text{kJ/kg}$) 474 364
Nhiệt trị thấp ($\text{MJ/kg}$) 33,3 43,5
Nhiệt độ tự cháy ($^\circ\text{C}$) 345 - 423 257
Trị số Octane (RON / MON) 90 / 80 92 / 81
Tỷ lệ không khí / nhiên liệu lý thuyết ($A/F$) 11,2 14,7
Tốc độ ngọn lửa tầng ($100\text{ kPa}, 325\text{ K}$) ($\text{cm/s}$) 36 33

Về mặt thủy khí động lực học, chương 2 thiết lập hệ phương trình vi phân và tích phân mô tả chuyển động chất lưu bao gồm phương trình liên tục, phương trình Navier-Stokes và phương trình năng lượng, cùng các hệ số khuếch tán và số hạng nguồn của phương trình đối lưu - khuếch tán.

Mô hình mô phỏng số trên ANSYS-FLUENT được thiết lập dựa trên thông số hình học của động cơ Daewoo A16DMS:

Thông số động cơ Daewoo A16DMS Giá trị danh định
Kiểu động cơ 4 kỳ, 4 xilanh thẳng hàng, DOHC
Dung tích công tác ($V_h$) $1,6\text{ lít}$ ($1598\text{ cm}^3$)
Đường kính xilanh ($D$) $79,0\text{ mm}$
Hành trình piston ($S$) $81,5\text{ mm}$
Tỷ số nén ($\varepsilon$) 9,5:1
Hệ thống cung cấp nhiên liệu Phun xăng điện tử đa điểm trên đường nạp

Chương này xác lập các điều kiện biên ban đầu cho mô phỏng: áp suất khí nạp, nhiệt độ khí nạp tại cửa nạp ($T_{kn} = 315\text{ K}$), thành phần khí nạp, áp suất khí sót và nhiệt độ khí sót trong xilanh ở đầu quá trình nạp, cùng các thông số hạt tia phun theo mô hình phân rã TAB và pha rời rạc DPM.

Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Chương 3 trình bày chi tiết về đối tượng, thiết bị và quy trình thực nghiệm:

  1. Đánh giá tương thích vật liệu: Thực nghiệm ngâm các chi tiết của hệ thống cung cấp nhiên liệu ô tô và xe máy (gồm kim phun, đường ống dẫn nhiên liệu cao su, gioăng phớt cao su, màng cao su, cốc lọc kim loại và nhựa) trong các bình chứa mẫu nhiên liệu Bu0, Bu10, Bu20, Bu30, Bu40 và Bu50 theo tiến trình thời gian quy định. Đánh giá ngoại quan, biến thiên kích thước và cân đo khối lượng trên cân điện tử Mettler Toledo, sấy khô bằng tủ sấy Memmert. Kết quả cho thấy các chi tiết kim loại không xuất hiện hiện tượng ăn mòn hóa học hay rỉ sét rõ rệt; đối với các chi tiết cao su và vật liệu phi kim, mức độ trương nở và biến thiên khối lượng tăng nhẹ theo tỷ lệ pha butanol nhưng nằm trong phạm vi cho phép đối với các hỗn hợp có tỷ lệ pha butanol đến Bu30.

  2. Thực nghiệm trên băng thử động cơ APA204/08: Động cơ Daewoo A16DMS được kết nối với băng thử công suất APA204/08 cùng hệ thống các thiết bị đo: cảm biến đo lưu lượng nhiên liệu, cảm biến đo tốc độ vòng quay, cảm biến đo nhiệt độ khí nạp, nước làm mát, cảm biến áp suất, thiết bị phân tích nồng độ khí thải chuyên dụng. Thực nghiệm được tiến hành tuần tự với các loại nhiên liệu Bu0, Bu10, Bu20, Bu30, Bu40 và Bu50 ở các độ mở bướm ga cố định gồm 10%, 30%, 50% và 70% BG, quét qua các dải tốc độ động cơ từ 1250 đến 4250 vòng/phút.

Chương 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Chương 4 phân tích, đối chiếu toàn bộ số liệu thu được từ thực nghiệm băng thử và kết quả mô phỏng số CFD:

  1. Kết quả thực nghiệm tính năng kinh tế - kỹ thuật và phát thải:
  • Mô men có ích ($M_e$) và công suất có ích ($N_e$): Ở các mức tải 30%, 50% và 70% độ mở bướm ga trong dải tốc độ làm việc thông dụng ($1250 - 4250\text{ v/ph}$), các mẫu xăng pha butanol đến Bu30 cho giá trị $M_e$ và $N_e$ xấp xỉ tương đương với khi chạy bằng xăng nguyên chất (Bu0). Sự suy giảm mô men chỉ xuất hiện khi tỷ lệ pha butanol vượt quá 30% (ở Bu40 và Bu50) kết hợp với các chế độ tải thấp (10% bướm ga).
  • Suất tiêu hao nhiên liệu có ích ($g_e$) và suất tiêu hao năng lượng có ích ($q_e$): Do nhiệt trị thấp của butanol ($33,3\text{ MJ/kg}$) thấp hơn xăng ($43,5\text{ MJ/kg}$), suất tiêu hao nhiên liệu $g_e$ của động cơ có xu hướng tăng dần khi tăng tỷ lệ pha butanol. Tuy nhiên, suất tiêu hao năng lượng có ích $q_e$ biến thiên không đáng kể, thậm chí ở một số chế độ tải trung bình và cao có xu hướng giảm nhẹ nhờ hàm lượng oxy trong butanol giúp hỗn hợp cháy kiệt hơn, nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình.
  • Đặc tính phát thải: Nồng độ khí phát thải CO và HC giảm mạnh khi tăng tỷ lệ butanol trong hỗn hợp nhiên liệu (nhờ 21,6% oxy trong phân tử butanol thúc đẩy quá trình oxy hóa hoàn toàn hydrocacbon và cacbon). Nồng độ $\text{CO}_2$ và $\text{NO}_x$ có sự biến thiên phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí $\lambda$ và nhiệt độ cục bộ trong buồng cháy.
  1. Kết quả mô phỏng quá trình phun và bay hơi (CFD):
  • Đặc tính bay hơi của butanol so với xăng: Tốc độ bay hơi của butanol đơn chất chậm hơn xăng do nhiệt ẩn hóa hơi cao và áp suất hơi bão hòa thấp. Khi tăng nhiệt độ khí nạp $T_{kn}$ và tăng tốc độ động cơ $n$, mật độ giọt nhiên liệu chưa bay hơi ở cuối kỳ nén ($330^\circ\text{CA}$) giảm xuống và nồng độ hơi nhiên liệu tăng lên.
  • Ảnh hưởng của phương án phun hỗn hợp và phun riêng rẽ: Phun hỗn hợp xăng - butanol (blend) hỗ trợ cải thiện tốc độ bay hơi của các cấu tử butanol so với khi phun riêng rẽ, nhưng có thể để lại một phần nhỏ xăng chưa bay hơi hoàn toàn. Phun riêng rẽ xăng và butanol giúp xăng bay hơi triệt để nhưng butanol bay hơi chậm hơn; do đó, đối với phương án phun riêng rẽ, cần thiết lập thời điểm phun butanol sớm hơn thời điểm phun xăng.
  • Cấu hình phun 1 phía và 2 phía trên đường nạp: Phun hỗn hợp từ 2 phía giúp phân bố nồng độ hơi nhiên liệu đồng đều trong buồng cháy. Phun riêng rẽ từ 2 phía (một phía phun xăng, một phía phun butanol) tạo ra hiện tượng phân tầng hòa khí rõ rệt (nửa bên trái xilanh có nồng độ butanol cao hơn nửa bên phải). Phun 1 phía hỗn hợp trên đường nạp tạo ra vùng hòa khí có nồng độ hơi và hệ số tương đương cao tập trung ở khu vực trung tâm buồng cháy và cách xa xupap xả, giúp rút ngắn thời gian cháy trễ và giảm nguy cơ cháy kích nổ.
  • So sánh giữa phun trên đường nạp (PI) và phun trực tiếp (DI): Tốc độ bay hơi của nhiên liệu khi phun PI nhanh hơn đáng kể so với phun DI ở cùng điều kiện vận hành. Đối với các cấu hình phun kết hợp, tốc độ bay hơi xếp theo thứ tự giảm dần: $\text{BuDI-GPI} > \text{GDI-BuPI} > \text{DI hỗn hợp}$. Độ đồng nhất hòa khí của phương án DI hỗn hợp cao hơn so với BuDI-GPI và GDI-BuPI.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Xây dựng và hoàn thiện mô hình mô phỏng số 3D bằng phần mềm ANSYS-FLUENT cho động cơ đánh lửa cưỡng bức nhiều xilanh sử dụng nhiên liệu phối trộn xăng - butanol ở các tỷ lệ pha khác nhau (Bu0, Bu50, Bu100), làm rõ cơ chế động học tia phun, quá trình phân rã giọt (theo mô hình TAB), quá trình truyền nhiệt bay hơi và quy luật phân bố nồng độ hòa khí trong xilanh.
  2. Xác định bản chất quá trình tạo hòa khí của các cấu hình phun khác nhau: chứng minh rằng phun hỗn hợp 1 phía trên đường nạp tạo vùng hòa khí đậm ở trung tâm buồng cháy cách xa xupap xả giúp hạn chế kích nổ; làm rõ sự phân tầng hòa khí khi phun riêng rẽ 2 phía; và xác định tốc độ bay hơi của cấu hình BuDI-GPI cao hơn GDI-BuPI và DI hỗn hợp.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Khẳng định giới hạn kỹ thuật ứng dụng: Động cơ xăng truyền thống (kiểu Daewoo A16DMS) có thể sử dụng nhiên liệu xăng pha butanol đến tỷ lệ 30% thể tích (Bu30) ở dải tải $30% - 70%$ bướm ga và tốc độ làm việc thường xuyên $1250 - 4250\text{ v/ph}$ mà không làm suy giảm tính năng kinh tế - kỹ thuật ($M_e, N_e$), đồng thời giảm đáng kể nồng độ phát thải CO và HC mà không cần thay đổi kết cấu động cơ.
  2. Đánh giá tính tương thích vật liệu: Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm về mức độ ảnh hưởng của xăng pha butanol (từ Bu10 đến Bu50) đến sự ăn mòn kim loại và mức độ trương nở của các chi tiết phi kim (cao su, gioăng phớt, đường ống dẫn) trong hệ thống nhiên liệu, làm cơ sở khoa học để các nhà sản xuất và người sử dụng kiểm soát an toàn kỹ thuật.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất áp dụng xăng pha butanol sinh học đến tỷ lệ Bu30 trên các dòng ô tô sử dụng động cơ đánh lửa cưỡng bức hiện hành tại Việt Nam.
  • Trong trường hợp thiết kế hệ thống phun nhiên liệu riêng rẽ xăng và butanol (dual fuel injection), kiến nghị điều khiển thời điểm phun butanol sớm hơn thời điểm phun xăng để đảm bảo butanol bay hơi hoàn toàn trước thời điểm đánh lửa.
  • Khi sử dụng nhiên liệu có tỷ lệ pha butanol cao trên 30% (Bu40, Bu50), cần theo dõi định kỳ độ trương nở của các đường ống dẫn cao su và gioăng đệm trong hệ thống nhiên liệu để có biện pháp thay thế vật liệu tương thích phù hợp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Thực nghiệm trên băng thử động cơ tập trung chủ yếu trên đối tượng động cơ Daewoo A16DMS (sử dụng hệ thống phun gián tiếp trên đường nạp PFI) tại 4 mức tải bướm ga cố định ($10%, 30%, 50%, 70%$) và dải tỷ lệ pha trộn đến Bu50.
  • Các cấu hình cấp nhiên liệu nâng cao như phun trực tiếp trong buồng cháy (DI), hệ thống phun kép (BuDI-GPI, GDI-BuPI) và cấu hình phun 2 phía mới chỉ được khảo sát, đánh giá thông qua công cụ mô phỏng số CFD trên ANSYS-FLUENT mà chưa có điều kiện thực nghiệm trực tiếp trên động cơ GDI thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Chế tạo và lắp đặt hệ thống phun kép thực tế trên động cơ thử nghiệm để kiểm chứng thực nghiệm các kết quả dự báo từ mô phỏng CFD đối với cấu hình BuDI-GPI và GDI-BuPI.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa bản đồ điều khiển điện tử (góc đánh lửa sớm $\theta_s$, thời gian phun $t_i$, áp suất phun) trên hộp điều khiển ECU cho từng tỷ lệ pha butanol cụ thể nhằm tối ưu hóa công suất và phát thải trên toàn bộ dải tải của động cơ.
  • Khảo sát độ bền dài hạn của động cơ và đánh giá phát thải tổng thể theo các chu trình thử nghiệm xe tiêu chuẩn (như chu trình NEDC, WLTC hoặc FTP).

Giá trị tham khảo

Nghiên cứu có giá trị tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng:

  • Giảng viên, nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Nhiệt: Tham khảo cơ sở lý thuyết mô hình hóa dòng chảy - tia phun DPM/TAB trên ANSYS-FLUENT và phương pháp tổ chức thực nghiệm kiểm chứng trên băng thử động cơ đốt trong.
  • Các kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô, động cơ xe máy: Sử dụng các số liệu về tương thích vật liệu (Bảng 3-6) và các quy luật biến thiên $M_e, N_e, g_e$, phát thải khi phối trộn butanol để hiệu chỉnh hệ thống nhiên liệu và lập trình ECU.
  • Các nhà quản lý, hoạch định chính sách năng lượng và môi trường: Cung cấp luận cứ khoa học thực chứng để xây dựng lộ trình quy chuẩn kỹ thuật cho các loại xăng sinh học thay thế ngoài ethanol tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Tỷ lệ phối trộn butanol tối đa vào xăng là bao nhiêu để động cơ đánh lửa cưỡng bức truyền thống hoạt động ổn định mà không cần cải tiến kết cấu?
Luận án kết luận có thể sử dụng xăng pha butanol đến tỷ lệ 30% thể tích (Bu30) ở các chế độ tải thông dụng ($30% - 70%$ độ mở bướm ga) và dải tốc độ $1250 - 4250\text{ vòng/phút}$ mà không làm suy giảm công suất, mô men có ích và tính kinh tế của động cơ so với khi sử dụng xăng RON92 nguyên chất.

2. Nhiên liệu butanol sinh học có những đặc tính vật lý, hóa học nào vượt trội hơn so với ethanol khi dùng cho động cơ xăng?
So với ethanol, butanol có nhiệt trị khối lượng cao hơn ($33,3\text{ MJ/kg}$ so với $26,8\text{ MJ/kg}$ của ethanol), áp suất hơi bão hòa thấp hơn ($0,56\text{ kPa}$ ở $20^\circ\text{C}$), năng lượng riêng tính trên 1 kg không khí cao hơn ($3,2\text{ MJ/kg air}$ so với $2,9\text{ MJ/kg air}$), ít hút ẩm và ít tan trong nước hơn (độ tan $7,7\text{ g/100 ml}$ ở $20^\circ\text{C}$) giúp hạn chế hiện tượng tách pha khi tồn trữ, đồng thời ít ăn mòn kim loại hơn.

3. Tại sao trong phương án phun riêng rẽ xăng và butanol cần phải điều khiển phun butanol sớm hơn xăng?
Do butanol có nhiệt ẩn hóa hơi cao hơn xăng ($474\text{ kJ/kg}$ so với $364\text{ kJ/kg}$) và áp suất bay hơi thấp hơn nhiều so với xăng, tốc độ bay hơi của giọt butanol diễn ra chậm hơn; việc phun butanol sớm hơn giúp các giọt nhiên liệu butanol có đủ thời gian tiếp nhận nhiệt lượng và hòa trộn bay hơi hoàn toàn trước khi bugi đánh lửa.

4. Cấu hình phun 1 phía hỗn hợp xăng - butanol trên đường nạp mang lại lợi ích gì cho quá trình cháy của động cơ?
Kết quả mô phỏng CFD cho thấy cấu hình phun 1 phía hỗn hợp trên đường nạp tạo điều kiện hình thành vùng hòa khí có nồng độ hơi nhiên liệu và hệ số tương đương cao tập trung ở khu vực giữa buồng cháy và cách xa xupap xả, giúp rút ngắn thời gian cháy trễ và giảm thiểu nguy cơ cháy kích nổ cho động cơ.

5. Đối tượng động cơ và trang thiết bị chính được sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm của luận án là gì?
Luận án sử dụng động cơ Daewoo A16DMS (loại 4 kỳ, 4 xilanh thẳng hàng DOHC 1,6 lít, phun xăng điện tử đa điểm trên đường nạp PFI, tỷ số nén 9,5:1, đường kính 79 mm, hành trình 81,5 mm) lắp đặt trên cụm băng thử công suất APA204/08 cùng cân phân tích Mettler Toledo và tủ sấy Memmert để thử nghiệm tương thích vật liệu.

Kết luận

Luận án của tác giả Huỳnh Tấn Tiến đã nghiên cứu toàn diện việc sử dụng nhiên liệu sinh học butanol phối trộn với xăng khoáng từ tỷ lệ Bu10 đến Bu50 trên động cơ đánh lửa cưỡng bức thông qua phương pháp mô phỏng số CFD 3D và thực nghiệm kiểm chứng trên băng thử APA204/08. Kết quả khẳng định hỗn hợp xăng pha butanol đến Bu30 hoàn toàn tương thích và duy trì tốt tính năng kinh tế - kỹ thuật trên động cơ Daewoo A16DMS ở dải làm việc thông dụng, đồng thời giúp cắt giảm rõ rệt phát thải ô nhiễm CO và HC. Công trình đã làm sáng tỏ quy luật bay hơi, hình thành hòa khí của các phương án phun nhiên liệu, cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn giá trị cho việc ứng dụng nhiên liệu sinh học butanol tại Việt Nam.