Tổng quan luận án

Nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch truyền thống (xăng và dầu diesel) trên toàn cầu ngày càng tăng cao, trung bình mỗi ngày thế giới tiêu thụ khoảng 87 triệu thùng dầu, trong đó phần lớn tập trung cho ngành giao thông vận tải. Sự gia tăng này gây cạn kiệt tài nguyên dầu mỏ và làm gia tăng phát thải độc hại gây hiệu ứng nhà kính. Động cơ diesel có ưu thế vượt trội về hiệu suất nhiệt và tính kinh tế nhiên liệu, song lại phát thải lượng lớn bụi hạt (PM/Soot) và oxit nitơ (NOx) – các thành phần rất khó xử lý đồng thời. Tại Việt Nam, số lượng phương tiện sử dụng động cơ diesel chiếm tỷ trọng đáng kể (khoảng 22% năm 2007 và dự kiến đạt trên 1,5 triệu xe vào năm 2020 theo Quyết định 356/QĐ-TTg). Trong bối cảnh ngành công nghiệp chế tạo động cơ mới chuyên dùng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) chưa phát triển, việc chuyển đổi động cơ diesel hiện hành sang sử dụng nhiên liệu thay thế LPG là giải pháp cấp bách nhằm giảm phát thải khói bụi và giảm tiêu thụ diesel.

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Tường Vi với đề tài "Nghiên cứu sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế trên động cơ diesel hiện hành" (chuyên ngành Cơ khí Động lực, mã số 62520116, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, năm 2014; người hướng dẫn: PGS.TS Hoàng Đình Long và PGS.TS Lê Anh Tuấn) được thực hiện nhằm giải quyết các mục tiêu sau:

  1. Đánh giá khả năng sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế trên các động cơ diesel hiện hành qua đánh giá ảnh hưởng của LPG đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel.
  2. Đưa ra giải pháp chuyển đổi động cơ diesel hiện hành sang chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel nghiên cứu 1 xilanh AVL 5402 trang bị hệ thống phun nhiên liệu tích áp điều khiển điện tử (Common Rail) và động cơ diesel nhiều xilanh D1146TI trang bị hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống (bơm cao áp cơ khí) sử dụng phổ biến trên xe khách.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết mô phỏng quá trình nhiệt động, cháy và hình thành phát thải; thực nghiệm trên băng thử tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong – Viện Cơ khí Động lực (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội); thử nghiệm thực tế bộ kít chuyển đổi trên xe khách thương mại Transinco.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tổng thuật các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến đặc tính nhiên liệu LPG và công nghệ chuyển đổi động cơ:

Hướng nghiên cứu Tác giả & Năm công bố Phát hiện chính và kết quả thực nghiệm
Tính chất lý hóa của LPG Tác giả tổng thuật [1, 2] LPG gồm propan ($C_3H_8$) và butan ($C_4H_{10}$) chiếm 99%. Trị số Octan (RON) từ 94–111, Cetane thấp (3–13), nhiệt độ tự cháy cao (441–544°C), nhiệt trị khối lượng 45,55–46,34 MJ/kg.
LPG trên động cơ cháy cưỡng bức Murillo [2]; Lee và cs [16]; Ceviz và Yuksel [12] Động cơ xăng chuyển sang LPG giảm CO tới 80%, giảm phát thải rắn 60%. Khi cháy hỗn hợp nhạt ($\lambda = 1,0 - 1,3$), động cơ LPG hoạt động ổn định hơn động cơ xăng.
Hệ thống cấp LPG cho động cơ xăng Erkus và cs [15]; Masi [11]; Gumus [23] Phun LPG đường nạp tăng công suất 31,4% và giảm tiêu hao 20,6% so với bộ hòa trộn. Bộ hóa hơi ở 25,6°C cho công suất cao hơn mức 12,7°C và 31,5°C. Tỷ lệ 25% LPG/xăng cho hiệu suất nhiệt tối ưu.
Nghiên cứu LPG tại Việt Nam (động cơ xăng) Bùi Văn Ga [88, 89] (2004–2005); Phạm Quốc Thái và cs [21] Thiết kế bộ phụ kiện bộ trộn cho xe máy/ô tô cỡ nhỏ; chế tạo bộ điều khiển phun LPG cho động cơ Daewoo A16 DMS giúp mô men tăng 4%, giảm CO, HC, NOx.
Phun trực tiếp hỗn hợp lỏng LPG/diesel Donghui và cs [30]; Qi và cs [31, 32] Trộn LPG lỏng với diesel trước bơm cao áp: tăng tỷ lệ LPG giảm khói và NOx nhưng tăng HC; ở tải cao thời gian cháy kéo dài do Cetane của LPG thấp. Hệ thống đòi hỏi duy trì áp suất cao phức tạp.
Cấp LPG đường nạp trên động cơ diesel Karim và cs [49]; Gao và cs [50]; Lata và cs [44] Hỗn hợp LPG-không khí nạp ngoài kết hợp diesel phun mồi. Phân tích mô hình 2 vùng, 3 vùng và cấu trúc phân bố tia phun trước và trong quá trình cháy.

Khoảng trống nghiên cứu: Phương pháp hòa trộn lỏng LPG/diesel dưới áp suất cao đòi hỏi thiết bị phức tạp, khó ứng dụng trên động cơ hiện hành. Ngược lại, phương pháp cấp LPG thể khí vào đường nạp kết hợp phun mồi diesel có tính khả thi cao nhưng làm thay đổi tính chất cháy, kéo dài thời gian cháy trễ và dễ gây kích nổ ở tải cao hoặc tăng HC ở tải thấp. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống về xây dựng mô hình nhiệt động tích hợp phân vùng buồng cháy, xác định quy luật điều chỉnh góc phun sớm tối ưu và thiết kế bộ điều khiển phun LPG điện tử (ELC) thích ứng cho động cơ diesel hoán cải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết nhiệt động lực học và nghiên cứu thực nghiệm đo kiểm chuẩn hóa.

Khung lý thuyết và mô hình toán

  1. Mô hình phân vùng:
    • Trước khi cháy (3 vùng): Lõi tia diesel đậm đặc; vùng hỗn hợp diesel-LPG-không khí cháy được ($\lambda \approx 1$); vùng hỗn hợp nhạt đồng nhất LPG-không khí bao quanh.
    • Trong quá trình cháy (4 vùng): Lõi diesel chưa cháy; vùng cháy khuếch tán; vùng cháy lan tràn màng lửa rối; vùng hỗn hợp nhạt LPG-không khí chưa cháy.
  2. Mô hình phun và tạo hỗn hợp (theo Liu và Karim):
    • Vận tốc dòng phun: $V_f = C_d \sqrt{\frac{2\Delta P}{\rho_f}}$ (với hệ số lưu lượng $C_d = 0,4$).
    • Thời gian phân tán hạt: $t_{brk} = 28,65 \frac{\rho_f d}{\sqrt{\rho_a \Delta P}}$.
    • Chiều dài tia phun: $S = S_{hat} + S_{hoi} \le \frac{D}{2}$.
  3. Mô hình cháy và tỏa nhiệt:
    • Thời gian cháy trễ $\tau_i$ được hiệu chỉnh theo tỷ lệ giảm oxy $O_{df}$ ($O_{df} = 0,99 - 0,96$ khi tỷ lệ LPG từ 0–40%).
    • Tốc độ tỏa nhiệt biểu diễn bằng hai hàm Vibe chồng lấn mô tả đồng thời pha cháy hỗn hợp tạo trước và pha cháy khuếch tán của diesel và LPG cuốn vào: $$\frac{dx}{d\theta} = a_1 (m_p + 1)\left(\frac{\theta}{\theta_p}\right)^{m_p} e^{-a_1\left(\frac{\theta}{\theta_p}\right)^{m_p+1}} \frac{Q_p}{Q} + a_2 (m_d + 1)\left(\frac{\theta}{\theta_d}\right)^{m_d} e^{-a_2\left(\frac{\theta}{\theta_d}\right)^{m_d+1}} \frac{Q_d}{Q}$$ (Trong đó: $a_1 = a_2 = 6,908$; $m_p = 3$; $m_d = 0,5$; $Q_p = h_f m_p + h_{LPG} m_{pLPG}$; $Q_d = h_f m_d + h_{LPG} m_{dLPG}$).
    • Tốc độ cháy lan tràn màng lửa ngoài tia phun: $\frac{dm_b}{dt} = \rho_u A_T S_L$, trong đó tốc độ cháy tĩnh $S_L$ tính theo Rhodes và Keck; khi hệ số đương lượng $\phi < 0,3$ ($\lambda > 3,3$) màng lửa dập tắt, LPG chỉ cháy khi khuếch tán vào tia diesel.
  4. Cơ sở nhiệt động và phát thải: Mô hình cân bằng hóa học tính toán 11 thành phần sản vật cháy ($CO_2, H_2O, N_2, O_2, CO, H_2, H, O, OH, NO, N$) qua 4 phương trình bảo toàn nguyên tử C, H, O, N và các phương trình hằng số cân bằng; mô hình Zeldovich mở rộng tính toán NOx; mô hình truyền nhiệt Woschni.

Phương pháp và thiết bị thực nghiệm

  • Công cụ mô phỏng: Phần mềm AVL BOOST kết hợp chương trình tính toán lập trình bằng ngôn ngữ FORTRAN.
  • Thiết bị đo kiểm: Băng thử động cơ AVL 5402 và D1146TI; tủ phân tích khí xả CEB-II (Combustion Emission Bench – II); thiết bị đo độ khói/độ đen khí thải (Smoke Meter); cảm biến đo áp suất chỉ thị xilanh; cảm biến gia tốc đo độ rung động động cơ ($\Delta K_{Acc}$); hệ thống thu thập dữ liệu qua mạng CAN và cổng nối tiếp RS232.
  • Quy trình thử nghiệm: Thử nghiệm theo các chế độ tải và tốc độ khác nhau; quy trình thử tĩnh 13 chế độ theo tiêu chuẩn Châu Âu ECE R49 đối với động cơ xe tải hạng nặng và xe khách.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về sử dụng nhiên liệu LPG cho động cơ đốt trong

Chương 1 hệ thống hóa các đặc tính lý hóa của LPG so với xăng và dầu diesel. LPG có tỷ lệ H/C cao, không chứa chì và lưu huỳnh, nhiệt độ sôi thấp (-42,1°C đối với propan và +1,0°C đối với n-butan), trị số Octan cao (RON 94–111) nhưng trị số Cetane rất thấp (3–13). Chương này phân tích sản lượng LPG thế giới (đạt 260 triệu tấn năm 2013, dự báo 291,7 triệu tấn năm 2015) và thực trạng khai thác tại Việt Nam từ các mỏ Bạch Hổ, Rồng, Rạng Đông, Đại Hùng qua Nhà máy xử lý khí Dinh Cố và Nhà máy lọc dầu Dung Quất.

Tác giả phân tích các phương án cấp LPG: bộ trộn Venturi, phun LPG vào đường nạp (thể khí hoặc thể lỏng) và phun trực tiếp vào xilanh. Đối với động cơ diesel, do nhiệt độ tự cháy của LPG cao (788 K so với 525 K của diesel), phương án khả thi nhất để hoán cải động cơ hiện hành là giải pháp lưỡng nhiên liệu (Dual Fuel): nạp hỗn hợp LPG-không khí qua đường nạp và dùng một lượng diesel phun trực tiếp vào buồng cháy để bắt cháy mồi.

Chương 2. Nghiên cứu lý thuyết quá trình cháy và hình thành phát thải trong động cơ LPG/diesel

Chương 2 thiết lập hệ thống mô hình toán phân vùng mô tả chi tiết quá trình tạo hỗn hợp, bốc cháy và phát thải trên động cơ AVL 5402. Kết quả tính toán mô phỏng trên đường đặc tính ngoài cho thấy sự phù hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm:

Đại lượng so sánh (100% tải, 2000 vg/ph) Đơn nhiên liệu Diesel Lưỡng nhiên liệu (20% LPG)
Áp suất cực đại xilanh ($P_{max}$) Cơ sở đối chứng Tăng nhẹ, tốc độ tăng áp suất ($dP/d\theta$) cao hơn
Thời gian cháy trễ ($\tau_i$) Giá trị danh định Kéo dài thêm do nồng độ oxy giảm ($O_{df} < 1$)
Phát thải muội than (Soot) Mức trần diesel Giảm mạnh do LPG hòa trộn đồng nhất, không chứa cặn
Phát thải $NO_x$ Mức phát thải tiêu chuẩn Tăng nhẹ ở tải cao do nhiệt độ cục bộ màng lửa tăng
Phát thải $CO$ và $HC$ Mức phát thải tiêu chuẩn Tăng ở vùng hỗn hợp quá nhạt ($\lambda > 3,3$)

Kết quả mô phỏng khi thay đổi góc phun sớm diesel cho thấy: khi chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel, việc giảm góc phun sớm diesel giúp kéo giảm áp suất cực đại và nhiệt độ cháy, từ đó khống chế phát thải NOx mà vẫn duy trì mức giảm Soot đáng kể.

Chương 3. Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cung cấp LPG trong động cơ LPG/diesel

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế và chế tạo bộ điều khiển phun LPG điện tử (ELC – Electronic LPG Controller) phục vụ chuyển đổi động cơ diesel sang chạy lưỡng nhiên liệu:

  • Thiết kế phần cứng: Xây dựng khối vi điều khiển trung tâm sử dụng chip ATmega32 (thạch anh tạo xung nhịp, mạch Reset); mạch nguồn ổn áp 5V; mạch xử lý tín hiệu xung tốc độ động cơ; mạch đọc tín hiệu analog từ cảm biến áp suất và lưu lượng LPG; mạch đo nhiệt độ và lưu lượng khí nạp; mạch vị trí chân ga và tín hiệu không tải; mạch công suất điều khiển vòi phun LPG; mạch lái van điện từ và rơle an toàn cắt gas.
  • Thuật toán điều khiển: Xây dựng các thuật toán đọc và lọc số liệu cảm biến, tính toán thời gian mở vòi phun LPG theo 4 trạng thái vận hành:
    1. Chế độ không tải (chạy hoàn toàn bằng diesel hoặc cấp tỷ lệ LPG tối thiểu).
    2. Chế độ chuyển tiếp từ không tải sang có tải.
    3. Chế độ có tải (tự động định lượng LPG thay thế theo bản đồ nạp).
    4. Chế độ chuyển tiếp từ có tải về không tải.
  • Giao tiếp và giám sát: Xây dựng mạch kết nối chuẩn RS232 giao tiếp máy tính và phần mềm giao diện đồ họa cho phép hiệu chỉnh trực tuyến lượng LPG phun, góc mở và kiểm tra trạng thái các cảm biến.

Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4 thực hiện các nội dung thử nghiệm thực tế trên 2 đối tượng động cơ và ứng dụng trên phương tiện:

  1. Thực nghiệm trên động cơ AVL 5402 (Common Rail):
    • Khảo sát các mức áp suất phun LPG và tỷ lệ thay thế (đến 16% và 20% LPG) ở tốc độ 2000 vg/ph và 3000 vg/ph tại 100% tải.
    • Kết quả: Độ khói (Smoke) giảm rõ rệt; CO giảm ở tải cao nhưng tăng ở tải thấp; HC tăng do hỗn hợp vùng biên buồng cháy quá nhạt; độ rung động động cơ ($\Delta K_{Acc}$) thay đổi không đáng kể khi kiểm soát đúng tỷ lệ LPG.
    • Khi hiệu chỉnh giảm góc phun sớm diesel, phát thải NOx giảm xuống trong khi công suất và mô men hầu như không suy giảm.
  2. Thực nghiệm trên động cơ D1146TI (bơm cơ khí):
    • Khảo sát với 5 loại giclơ cấp LPG tại các mức tải 100% và 75%.
    • Thử nghiệm theo chu trình thử Châu Âu 13 chế độ ECE R49:
Thông số phát thải theo ECE R49 (Động cơ D1146TI) Góc phun sớm nguyên thủy Góc phun sớm hiệu chỉnh (giảm $6^\circ$ TK)
Độ đen/Độ khói (Smoke/Soot) Giảm từ 35% đến 55% Giảm trên 40% so với chạy diesel gốc
Phát thải $NO_x$ (g/kWh) Tăng từ 5% đến 12% Giảm tương đương hoặc thấp hơn diesel gốc
Phát thải $CO$ (g/kWh) Giảm ở tải lớn, tăng ở tải nhỏ Mức trung bình chu trình tương đương diesel
Phát thải $HC$ (g/kWh) Tăng nhẹ ở các chế độ tải thấp Tăng nhẹ nhưng nằm trong giới hạn kiểm soát
Suất tiêu hao năng lượng Tương đương diesel gốc Tối ưu hóa, cải thiện 3–5% tính kinh tế
  1. Ứng dụng thực tế trên xe khách Transinco:
    • Lắp đặt hoàn chỉnh cụm bình chứa LPG, bộ hóa hơi (sấy nóng bằng nước làm mát), van điện từ, bộ lọc gas, cụm vòi phun và bộ điều khiển ELC vào khoang động cơ xe khách.
    • Xe vận hành ổn định trên đường, hệ thống tự động chuyển đổi nhiên liệu mượt mà, không xảy ra hiện tượng kích nổ hay quá nhiệt động cơ.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận khoa học

  1. Xây dựng và hoàn thiện mô hình nhiệt động lực học phân vùng kết hợp động học phản ứng cháy (mô hình 3 vùng trước khi cháy và 4 vùng trong quá trình cháy) tích hợp hai hàm Vibe kép và mô hình cháy màng lửa rối, mô tả chính xác quá trình tạo hỗn hợp, cháy và hình thành phát thải trên động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel cấp qua đường nạp.
  2. Thiết lập cơ sở khoa học về quy luật cháy trễ và tương tác giữa nhiên liệu LPG hòa trộn trước với tia phun diesel mồi, giải thích định lượng cơ chế biến thiên của các thành phần phát thải (Soot, NOx, CO, HC), diễn biến áp suất chỉ thị và độ rung động động cơ theo tỷ lệ thay thế LPG và góc phun sớm.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Thiết kế, chế tạo thành công bộ điều khiển phun LPG điện tử (ELC) dựa trên vi điều khiển ATmega32 cùng chương trình điều khiển và giao diện giám sát máy tính, đáp ứng yêu cầu cấp LPG tự động, chính xác theo chế độ tải của động cơ.
  2. Xác định thông số điều chỉnh tối ưu cho động cơ diesel hoán cải: tỷ lệ thay thế LPG hợp lý (từ 15% đến 25% tùy dải tải) kết hợp hiệu chỉnh giảm góc phun sớm diesel (giảm khoảng $6^\circ$ góc quay trục khuỷu đối với động cơ D1146TI), giúp giảm mạnh độ phát thải khói đen (PM/Soot) từ 35–55% mà không làm tăng phát thải NOx và duy trì công suất động cơ.
  3. Chế tạo và lắp đặt thử nghiệm thành công bộ kít chuyển đổi lưỡng nhiên liệu LPG/diesel trên xe khách Transinco, khẳng định tính khả thi kỹ thuật trong việc chuyển đổi các phương tiện giao thông vận tải hiện hành tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng trên xe khách Transinco mới dừng lại ở việc đánh giá tính năng vận hành và độ ổn định bước đầu trên đường thử, chưa thực hiện đo đạc liên tục phát thải động thực tế (Real Driving Emissions - RDE).
  • Chưa tiến hành thử nghiệm độ bền dài hạn và đánh giá mức độ mài mòn cơ học của các chi tiết cụm xupáp, xéc măng, đỉnh piston sau chu kỳ vận hành lớn (trên hàng vạn kilomet).

Hướng nghiên cứu tiếp

  1. Hoàn thiện thuật toán điều khiển của bộ ELC theo hướng tự động hóa hoàn toàn việc hiệu chỉnh góc phun sớm diesel bằng điện tử tương thích với các dòng động cơ Common Rail hiện đại.
  2. Tiến hành thử nghiệm độ bền dài hạn, đánh giá chu kỳ thay dầu bôi trơn và tuổi thọ các chi tiết máy khi làm việc dài ngày với lưỡng nhiên liệu LPG/diesel.
  3. Nghiên cứu mở rộng việc áp dụng giải pháp kít chuyển đổi LPG/diesel cho các loại phương tiện vận tải nặng khác như xe tải, tàu thủy cỡ nhỏ và máy phát điện tĩnh tại.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo kỹ thuật và học thuật cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Động lực, Động cơ đốt trong: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình nhiệt động phân vùng, mô hình 2 hàm Vibe kép, thuật toán cân bằng hóa học 11 cấu tử và kỹ thuật ghép nối mô phỏng trên AVL BOOST/FORTRAN.
  • Kỹ sư thiết kế, nghiên cứu phát triển ô tô: Tham khảo sơ đồ nguyên lý mạch điện tử điều khiển (ELC), mạch xử lý tín hiệu cảm biến ô tô và cấu trúc phần mềm điều khiển phun nhiên liệu khí.
  • Các đơn vị vận tải và cơ sở hoán cải phương tiện: Tham khảo quy trình thiết kế, bố trí lắp đặt bình chứa, bộ hóa hơi, van an toàn và phương pháp hiệu chỉnh góc phun sớm khi hoán cải xe khách chạy diesel sang chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel.
  • Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Sử dụng các số liệu thực nghiệm đo đạc phát thải theo chu trình chuẩn ECE R49 làm căn cứ xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách khuyến khích sử dụng nhiên liệu sạch trong giao thông đô thị.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao không thể sử dụng 100% LPG để thay thế hoàn toàn diesel trên động cơ diesel hiện hành theo nguyên lý tự cháy do nén?

LPG có trị số Octan rất cao (RON 94–111) và trị số Cetane rất thấp (CN = 3–13), nhiệt độ tự cháy cao (441–544°C / 788 K) so với dầu diesel (khoảng 250°C / 525 K). Do đó, LPG không thể tự bốc cháy do nén trong xilanh động cơ diesel thông thường. Để sử dụng 100% LPG, bắt buộc phải cải tạo giảm tỷ số nén và lắp thêm hệ thống đánh lửa cưỡng bức (biến thành động cơ xăng/gas), làm mất tính linh hoạt quay lại dùng diesel. Vì vậy, giải pháp tối ưu cho động cơ hiện hành là sử dụng lưỡng nhiên liệu: nạp LPG cùng không khí và dùng một lượng diesel phun mồi để kích cháy.

2. Mô hình lý thuyết trong luận án phân chia môi chất buồng cháy trong quá trình cháy thành các vùng nào?

Trong quá trình cháy, môi chất ứng với mỗi tia phun được chia thành 4 vùng:

  1. Vùng lõi tia phun chưa cháy: Chứa hạt nhiên liệu diesel đậm đặc chưa kịp bay hơi.
  2. Vùng cháy khuếch tán: Vùng diesel bay hơi hòa trộn với hỗn hợp LPG-không khí cháy theo hướng đi vào lõi tia phun với $\lambda \approx 1$.
  3. Vùng cháy lan tràn màng lửa: Vùng hỗn hợp đồng nhất LPG-không khí cháy lan tràn ra ngoài thành buồng cháy dưới dạng màng lửa rối (nếu $\lambda \le 3,3$).
  4. Vùng hỗn hợp đồng nhất LPG-không khí chưa cháy: Bao quanh bên ngoài cùng buồng cháy.

3. Việc sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel làm thay đổi phát thải của động cơ như thế nào?

  • Độ khói và muội than (Smoke/Soot): Giảm rất mạnh (từ 35% đến 55%) do LPG cháy sạch, hòa trộn đồng nhất và không tạo cặn cacbon.
  • Oxit nitơ ($NO_x$): Có xu hướng tăng nhẹ ở chế độ toàn tải nếu giữ nguyên góc phun sớm, nhưng giảm về mức tương đương hoặc thấp hơn diesel khi hiệu chỉnh giảm góc phun sớm.
  • Monoxit cacbon ($CO$): Giảm ở dải tải cao nhờ cháy kiệt, nhưng có thể tăng ở tải thấp do nhiệt độ buồng cháy thấp.
  • Hydrocacbon chưa cháy ($HC$): Tăng ở các chế độ tải thấp do vùng hỗn hợp LPG-không khí quá nhạt ($\lambda > 3,3$) khiến màng lửa bị dập tắt cục bộ.

4. Tại sao cần phải hiệu chỉnh giảm góc phun sớm diesel khi chuyển sang chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel?

Khi chạy lưỡng nhiên liệu, sự xuất hiện của hơi LPG làm tăng nhiệt trị hỗn hợp nạp và tốc độ cháy của pha cháy trước tăng lên, dẫn đến áp suất cực đại ($P_{max}$) và tốc độ tăng áp suất ($dP/d\theta$) trong xilanh tăng cao, làm tăng nhiệt độ cháy cục bộ và phát thải NOx. Việc giảm góc phun sớm diesel (phun muộn hơn khoảng $6^\circ$ góc quay trục khuỷu) giúp dịch chuyển quá trình cháy về gần điểm chết trên và đường giãn nở, làm giảm đỉnh áp suất, giảm độ rung động động cơ, khống chế phát thải NOx mà vẫn duy trì được hiệu quả giảm muội than và công suất động cơ.

5. Bộ điều khiển phun LPG (ELC) chế tạo trong luận án sử dụng vi điều khiển nào và quản lý các chế độ vận hành ra sao?

Bộ điều khiển ELC sử dụng vi điều khiển ATmega32, thu nhận các tín hiệu từ cảm biến tốc độ động cơ, vị trí chân ga, áp suất và nhiệt độ LPG, lưu lượng và nhiệt độ khí nạp. ELC thực thi thuật toán điều khiển vòi phun theo 4 trạng thái: chế độ không tải (ngắt LPG hoặc duy trì tỷ lệ tối thiểu), chế độ chuyển tiếp không tải - có tải, chế độ có tải (phun định lượng LPG theo bản đồ nạp) và chế độ chuyển tiếp có tải - không tải, kết hợp giao tiếp máy tính qua cổng RS232 để giám sát và hiệu chỉnh trực tuyến.

Kết luận

Luận án của tác giả Nguyễn Tường Vi đã giải quyết thành công bài toán khoa học và công nghệ trong việc chuyển đổi động cơ diesel hiện hành sang sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel bằng phương pháp cấp khí LPG vào đường nạp kết hợp phun mồi diesel. Bằng việc kết hợp mô hình hóa nhiệt động phân vùng trên phần mềm AVL BOOST/FORTRAN với thực nghiệm trên các động cơ AVL 5402 và D1146TI, nghiên cứu đã xác lập quy luật cháy và xác định thông số góc phun sớm tối ưu. Việc thiết kế, chế tạo thành công bộ điều khiển điện tử ELC và thử nghiệm thực tế trên xe khách Transinco khẳng định tính khả thi, hiệu quả giảm phát thải khói bụi (giảm 35–55%) và giá trị ứng dụng thực tiễn của công trình trong điều kiện giao thông vận tải tại Việt Nam.