Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực (mã số đào tạo tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) của nghiên cứu sinh Nguyễn Khánh Tùng, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Phạm Hữu Tuyến và PGS.TS Phạm Văn Thể (năm 2018), thực hiện đề tài: “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% cho động cơ xăng”. Nghiên cứu được thực hiện trong khuôn khổ Đề tài khoa học cấp Nhà nước mã số ĐT.2014/NLSH thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 do Bộ Công Thương quản lý.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Cùng với sự gia tăng nhanh chóng của số lượng phương tiện cơ giới đường bộ trên thế giới và tại Việt Nam, nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch ngày càng tăng cao, dẫn đến sự cạn kiệt nguồn dầu mỏ và gia tăng phát thải các khí độc hại gây ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính (CO, HC, CO2). Tại Việt Nam, giai đoạn 2002–2012, phương tiện cơ giới đường bộ tăng bình quân 13,59%/năm (trong đó ô tô tăng 12,66%, mô tô - xe máy tăng 13,64%); tính đến tháng 9/2015 đã có hơn 46 triệu phương tiện cơ giới lưu hành.

Nhiên liệu cồn sinh học (bio-ethanol) là nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng, có thể sản xuất từ nguyên liệu chứa tinh bột, đường hoặc cellulose. Việt Nam có diện tích trồng sắn lớn (năm 2014 đạt 551,1 nghìn ha, sản lượng 10.255,3 nghìn tấn), song lượng sắn dùng để sản xuất ethanol chỉ chiếm chưa tới 5%. Mặc dù Chính phủ đã ban hành Quyết định 53/2012/QĐ-TTg quy định lộ trình áp dụng xăng E5 và E10, việc tiêu thụ thực tế gặp khó khăn dẫn đến tình trạng dư thừa cồn ethanol tại các nhà máy sản xuất trong nước.

Về mặt kỹ thuật, đối với xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol thấp (E5, E10), động cơ xăng thông thường có thể vận hành tương thích mà không cần thay đổi kết cấu. Tuy nhiên, khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn lớn (từ E30, E50, E85 đến E100), do nhiệt trị thể tích của cồn thấp hơn xăng khoáng và tỷ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết thay đổi (ethanol cần 9,0 kg không khí/kg nhiên liệu so với 14,7 kg của xăng), hệ thống điều khiển nguyên bản (ECU gốc) không đáp ứng được việc cấp đủ nhiên liệu, khiến hỗn hợp cháy bị nhạt quá mức, làm suy giảm mô men, công suất động cơ và tăng phát thải.

Khoảng trống nghiên cứu lớn tại Việt Nam là chưa có công trình nghiên cứu toàn diện về chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử đa điểm trên đường nạp sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt có tỷ lệ cồn tới 100% (E100), đặc biệt là việc xây dựng bộ thông số chuẩn (lượng nhiên liệu và góc đánh lửa sớm tối ưu) kết hợp thiết kế chế tạo bộ điều khiển phụ (ECU phụ) có khả năng tự động nhận biết tỷ lệ cồn để can thiệp điều khiển mà không can thiệp sâu vào phần cứng cơ khí động cơ.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Nghiên cứu và thực hiện giải pháp kỹ thuật chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử đa điểm trên đường nạp sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% nhằm đảm bảo các tính năng kinh tế - kỹ thuật của động cơ.
  2. Đánh giá hiệu quả cũng như tác động của việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải của động cơ xăng đang lưu hành.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ Toyota 1NZ-FE (loại 4 kỳ, 4 xi lanh, dung tích công tác 1.497 cc, phun xăng điện tử đa điểm trên đường nạp) lắp trên xe ô tô Toyota Vios. Nhiên liệu thử nghiệm gồm xăng khoáng thương phẩm RON92, cùng các hỗn hợp xăng sinh học phối trộn cồn ethanol theo tỷ lệ thể tích: E30 (30% ethanol), E50 (50% ethanol), E85 (85% ethanol) và E100 (100% ethanol).
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát trong phòng thí nghiệm trên băng thử động cơ và băng thử ô tô chuyên dụng ở các chế độ làm việc ổn định của động cơ từ tốc độ 1000 đến 6000 vòng/phút, chế độ tải từ 20% đến 100% độ mở bướm ga, các chế độ thử nghiệm chuyển tiếp theo chu trình chuẩn Euro 2 (ECE 15) và thử nghiệm tăng tốc phương tiện từ 20 km/h đến 100 km/h.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Tác giả luận án đã tổng thuật ba hướng nghiên cứu chính trên thế giới liên quan đến việc sử dụng xăng sinh học trên động cơ xăng:

  1. Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học trên động cơ xăng:
    • M. Al-Hasan (2003): Nghiên cứu trên động cơ Toyota Tercel 3A (4 kỳ, tỷ số nén 9:1) với các mức pha chế ethanol từ 0% đến 25% ở dải tốc độ 1000–4000 v/ph; chỉ ra rằng khi tỷ lệ ethanol vượt quá 20%, hệ số dư lượng không khí tăng (hỗn hợp nhạt), dẫn đến suy giảm mô men động cơ và tăng suất tiêu hao nhiên liệu.
    • Vilnis Pirs và cộng sự (2014): Thử nghiệm trên ô tô VW Passat (1781 cc, hệ thống phun xăng Bosch Motronic M3.2 có cảm biến lambda hoạt động ở chế độ vòng kín) với các loại nhiên liệu từ E10 đến E85; ghi nhận rằng khi ECU tự bù lượng phun để duy trì $\lambda = 1$, công suất động cơ ở tốc độ trung bình và cao tăng nhẹ, nhưng suất tiêu hao nhiên liệu tăng tương ứng từ 5% (E10) đến 31% (E85), phát thải CO và NH3 giảm rõ rệt.
    • Luigi De Simio và cộng sự (2013): Thử nghiệm trên động cơ dung tích 1596 cc với ECU Magneti Marelli Helios ở chế độ điều khiển kín; kết quả cho thấy khi điều chỉnh lượng nhiên liệu để giữ $\lambda = 1$, hiệu suất nhiệt động cơ tăng 3–10%, phát thải HC của E85 giảm gần 30% và NOx giảm 18% so với xăng khoáng.
    • S. Phuangwongtrakul và cộng sự (2016): Khảo sát trên động cơ Toyota 3ZZ-FE (1600 cc) điều khiển bằng ECU Haltech E11-V2 với nhiên liệu từ E10 đến E100; kết quả chỉ ra góc đánh lửa sớm tối ưu cho E85 đạt 38° trước ĐCT tại 26% bướm ga (mô men đạt 23,46 Nm), suất tiêu hao nhiên liệu của E100 là 661,94 g/kWh (tăng 26,65% so với E10).
  2. Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng xăng sinh học:
    • Các giải pháp sử dụng bộ kit chuyển đổi (Ethanol Conversion Kits) thương mại trên thế giới hầu hết chỉ tập trung can thiệp kéo dài thời gian mở của vòi phun để tăng lượng nhiên liệu cung cấp, chưa tối ưu hóa được góc đánh lửa sớm theo từng tỷ lệ cồn.
  3. Thiết kế, chế tạo động cơ chuyên dụng sử dụng nhiên liệu linh hoạt (FFV):
    • Koichi Nakata và cộng sự (2006) tại Toyota Motor Corporation: Tăng tỷ số nén động cơ Toyota 1NZ-FE từ 10,5:1 lên 13:1 và hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm tối ưu khi dùng E100; ghi nhận mô men tại 2800 v/ph tăng 20% so với xăng RON92 nhờ tận dụng chỉ số octan cao và nhiệt ẩn hóa hơi lớn của cồn.

Các nghiên cứu trong nước

  • Phạm Hữu Truyền (2012, Luận án Tiến sĩ do PGS.TS Lê Anh Tuấn hướng dẫn, đề tài ĐT.11/NLSH): Đánh giá tính tương thích của động cơ xe máy đang lưu hành với nhiên liệu E5, E10, E15, E20 và mô phỏng E50–E85; chứng minh E10 tương thích hoàn toàn trên động cơ thông thường.
  • Lê Văn Tụy, Trần Văn Nam, Huỳnh Bá Vang (Đại học Đà Nẵng): Thử nghiệm ô tô Mercedes-MB140 với xăng RON95 pha E5 và E10 trên băng thử CD 48''; ghi nhận phát thải CO giảm 61–85%, HC giảm 57–80%.
  • Phạm Minh Tuấn và cộng sự (Đại học Bách khoa Hà Nội): Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống phun xăng điện tử cho xe máy dựa trên phương pháp dò tay trên băng thử để giữ $\lambda \approx 1$.
  • Trần Anh Trung (2004) và Hồ Văn Đàm (Luận án Tiến sĩ): Nghiên cứu thiết kế phần cứng ECU và phương pháp xây dựng bản đồ dữ liệu (map) lượng phun cho hệ thống nhiên liệu động cơ đốt trong.

Vị trí và đóng góp của luận án

Kế thừa các công trình trong và ngoài nước, luận án định vị là công trình đầu tiên tại Việt Nam thực hiện chuyển đổi thành công động cơ phun xăng điện tử đa điểm (Toyota 1NZ-FE) sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol tới 100%. Luận án giải quyết triệt để bài toán đồng thời: vừa tối ưu lượng phun nhiên liệu ($g_{ct}$) để đạt hệ số dư lượng không khí $\lambda = 1$, vừa tối ưu góc đánh lửa sớm ($\theta_s$) để đạt mô men cực đại ($M_{emax}$) thông qua một bộ điều khiển ECU phụ thông minh, tích hợp cảm biến nhận diện tỷ lệ ethanol trực tiếp.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và đặc tính nhiên liệu

Quá trình cháy trong động cơ xăng gồm 3 giai đoạn: Cháy trễ (I), Cháy nhanh (II), và Cháy rớt (III). Khi sử dụng xăng sinh học có nồng độ ethanol cao, các đặc tính nhiệt động lực học và động học cháy có sự thay đổi căn bản so với xăng khoáng thông thường.

Đặc tính nhiên liệu Đơn vị Cồn Ethanol Xăng khoáng
Công thức hóa học - $C_2H_5OH$ Hỗn hợp $C_n H_m$
Nhiệt trị thể tích MJ/L 21,1 – 21,7 32,2 – 32,9
Tỷ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết ($A/F$) - 9,0 14,7
Nhiệt độ sôi °C 78 25 – 215
Chỉ số Octan nghiên cứu (RON) - 106 – 130 92 – 95
Khối lượng riêng (@ 20°C) g/cm³ 0,794 0,720 – 0,775
Hàm lượng oxy nguyên tố % khối lượng 34,7 < 2,7
Độ tan trong nước (ở 25°C) % 100,0 < 0,01
Nhiệt độ tự cháy °C 392 280 / 430

Tính chất nhiệt động của các hỗn hợp xăng sinh học:

  • E0: Nhiệt trị 43,397 kJ/g; Tỷ trọng 0,7426 g/cm³; RON 90,8.
  • E10: Nhiệt trị 41,470 kJ/g; Tỷ trọng 0,7449 g/cm³; RON 95,6.
  • E20: Nhiệt trị 39,530 kJ/g; Tỷ trọng 0,7512 g/cm³; RON 99,7.
  • E50: Nhiệt trị 34,380 kJ/g; Tỷ trọng 0,7666 g/cm³; RON 104,0.
  • E85: Nhiệt trị 29,200 kJ/g; Tỷ trọng 0,7854 g/cm³; RON 106,0.
  • E100: Nhiệt trị 26,700 kJ/g; Tỷ trọng 0,7940 g/cm³; RON 107,0.

Khung mô hình lý thuyết và mô phỏng

Luận án ứng dụng phần mềm mô phỏng chuyên ngành AVL Boost dựa trên cơ sở Định luật Nhiệt động học thứ nhất để mô tả chu trình làm việc của động cơ:

  • Phương trình cân bằng năng lượng và khối lượng (mô hình 1 vùng): $$\frac{d(m_c \cdot u)}{d\alpha} = - p_c \frac{dV}{d\alpha} + \frac{dQ_F}{d\alpha} - \frac{dQ_w}{d\alpha} - h_{BB}\frac{dm_{BB}}{d\alpha}$$ Trong đó: $m_c$ là khối lượng môi chất trong xi lanh; $u$ là nội năng; $p_c$ là áp suất xi lanh; $V$ là thể tích xi lanh; $Q_F$ là nhiệt lượng do nhiên liệu cấp vào; $Q_w$ là nhiệt lượng truyền qua vách; $h_{BB}, m_{BB}$ là enthalpy và khối lượng khí lọt qua khe hở xéc-măng; $\alpha$ là góc quay trục khuỷu.
  • Mô hình cháy: Áp dụng mô hình cháy fractal và các mô hình cháy vùng (Vibe một vùng, Vibe kép, Hires) để tính toán diễn biến áp suất, nhiệt độ, tốc độ lan truyền màng lửa tầng và màng lửa rối.
  • Mô hình truyền nhiệt và phát thải: Mô hình truyền nhiệt Woschni/Anisits tại buồng cháy và đường ống nạp thải; cơ chế Zeldovich mở rộng để tính toán phát thải NOx; các phản ứng hóa học cân bằng tính toán phát thải CO và HC.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết bị

  • Phương pháp thực nghiệm trên băng thử động cơ:
    • Động cơ Toyota 1NZ-FE lắp trên băng thử kết hợp với hệ thống điều khiển và lập trình chuyên dụng của hãng Woodward.
    • Thiết bị đo đạc thông số áp suất xi lanh theo góc quay trục khuỷu, thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu, cảm biến đo tỷ lệ không khí/nhiên liệu (A/F), hệ thống phân tích nồng độ khí thải chuyên dụng.
  • Phương pháp thiết kế và chế tạo ECU phụ:
    • Vi điều khiển trung tâm: Chip ATxmega128A của hãng Atmel.
    • Ngôn ngữ và môi trường lập trình: Phần mềm CodeVision AVR.
    • Nguyên lý can thiệp: ECU phụ nhận tín hiệu điều khiển mở kim phun từ ECU gốc và kéo dài thời gian mở van phun dựa trên ngắt ngoài (ngắt 1) và bộ đếm Timer2; đồng thời nhận tín hiệu kích đánh lửa từ ECU gốc, xử lý dịch chuyển thời điểm đánh lửa thông qua ngắt INT0 và Timer0 kết hợp thuật toán nội suy tuyến tính dựa trên tín hiệu điện áp phản hồi từ cảm biến nồng độ ethanol lắp trên đường cấp nhiên liệu.
  • Phương pháp thử nghiệm trên băng thử ô tô:
    • Ô tô Toyota Vios lắp động cơ 1NZ-FE thử nghiệm trên băng thử ô tô con và xe tải hạng nhẹ Chassis Dynamometer CD 48''.
    • Đo công suất kéo tại bánh xe, suất tiêu hao nhiên liệu, hàm lượng phát thải CO, HC, NOx, CO2 ở các chế độ tay số 3, số 4 tại 100% bướm ga và theo chu trình thử tiêu chuẩn Euro 2. Thử nghiệm đo gia tốc thời gian thực từ 20 km/h đến 100 km/h.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học

  • Trình bày tổng quan về tình hình năng lượng, ô nhiễm môi trường và sự cần thiết phải ứng dụng nhiên liệu sinh học trên toàn cầu và tại Việt Nam.
  • Tổng kết các loại nhiên liệu sinh học: Bio-diesel, Biogas, Xăng sinh học (Gasohol), Bioether, Syngas.
  • Phân tích chi tiết quy trình sản xuất cồn ethanol từ tinh bột và cellulose, các đặc tính hóa lý cơ bản của cồn và xăng sinh học từ E0 đến E100.
  • Tổng hợp các công trình nghiên cứu trên thế giới và trong nước theo 3 nhóm: đánh giá ảnh hưởng, chuyển đổi động cơ và thiết kế phương tiện FFV.
  • Rút ra kết luận chương: Việc chuyển đổi động cơ đang lưu hành sang dùng xăng sinh học nồng độ cồn cao bắt buộc phải hiệu chỉnh cả hai thông số cốt lõi: lượng nhiên liệu cấp ($g_{ct}$) để đảm bảo hệ số dư lượng không khí $\lambda = 1$ và góc đánh lửa sớm ($\theta_s$) để động cơ đạt mô men cực đại ($M_{emax}$). Giải pháp tối ưu về kinh tế và kỹ thuật là thiết kế lắp thêm bộ điều khiển ECU phụ.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

  • Phân tích sâu 3 giai đoạn của quá trình cháy trong động cơ xăng (cháy trễ, cháy nhanh, cháy rớt) và sự lan truyền màng lửa dưới ảnh hưởng của dòng xoáy lốc.
  • Thiết lập cơ sở nhiệt động học của quá trình cháy xăng sinh học: Do chứa oxy nội tại (34,7%), nhiệt ẩn hóa hơi cao làm hạ nhiệt độ hòa khí cuối kỳ nén, tốc độ cháy của ethanol nhanh hơn xăng khoáng ở nồng độ pha trộn dưới 25% sau đó có xu hướng giảm nhẹ khi nồng độ cồn tăng cao.
  • Xây dựng hệ thống phương trình nhiệt động mô phỏng động cơ trên phần mềm AVL Boost bao gồm: phương trình trạng thái môi chất, mô hình cháy vô hướng 1 vùng (Vibe, Vibe kép, Hires), mô hình fractal, mô hình truyền nhiệt qua vách và mô hình động học phát thải NOx, CO, HC.
  • Phân tích cấu trúc hệ thống điều khiển điện tử động cơ xăng: Hệ thống phun xăng điện tử (EFI), hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS) với phương pháp điều khiển góc đánh lửa sớm theo chương trình (ESA).
  • Đề xuất nguyên lý can thiệp của ECU phụ: Nhận tín hiệu điều khiển từ ECU nguyên bản, đọc nồng độ ethanol từ cảm biến, tra cứu bản đồ dữ liệu chuẩn (map) và xuất tín hiệu bù thời gian phun cùng độ dịch chuyển góc đánh lửa sớm.

Chương 3. Mô phỏng động cơ phun xăng điện tử khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100%

  • Xây dựng mô hình động cơ Toyota 1NZ-FE trên phần mềm AVL Boost với đầy đủ thông số hình học xi lanh, biên dạng cam, đường nạp và xả.
  • Hiệu chuẩn mô hình: So sánh các thông số tính toán mô phỏng với thực nghiệm đối với các nhiên liệu RON92, E30, E50 ở hai chế độ bướm ga mở hoàn toàn (WOT - 100%) và tải bộ phận (40% bướm ga). Kết quả so sánh đường đặc tính công suất ($N_e$), suất tiêu hao nhiên liệu ($g_e$), áp suất xi lanh ($p_c$) và phát thải (CO, HC, NOx) cho thấy sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm nằm trong giới hạn cho phép, khẳng định độ tin cậy của mô hình.
  • Đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản: Khi sử dụng xăng sinh học nồng độ cồn lớn mà không can thiệp ECU, hệ số dư lượng không khí $\lambda$ tăng cao ($\lambda > 1$), công suất và mô men động cơ sụt giảm nghiêm trọng do hỗn hợp cháy quá nhạt.
  • Khảo sát tham số mô hình cháy Fractal: Xác định tốc độ ngọn lửa tầng và diện tích màng lửa tầng theo sự thay đổi nồng độ cồn ethanol.
  • Xây dựng bộ thông số chuẩn qua mô phỏng:
    • Tính toán lượng nhiên liệu phun chu trình ($g_{ct}$) để đạt $\lambda = 1$ ở mọi chế độ tốc độ (1000–6000 v/ph) và chế độ tải (20%, 60%, 100%).
    • Tính toán quét góc đánh lửa sớm ($\theta_s$) tối ưu để đạt mô men cực đại ($M_{emax}$) cho từng loại nhiên liệu E30, E50, E85 và E100.

Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm

  • Bố trí thí nghiệm trên băng thử động cơ Toyota 1NZ-FE sử dụng hệ thống ECU điều khiển Woodward: Hiệu chuẩn thực nghiệm lại bộ thông số chuẩn ($g_{ct}$ để $\lambda = 1$ và $\theta_s$ tối ưu cho $M_{emax}$) cho các loại nhiên liệu E30, E50, E85, E100.
  • Thiết kế, chế tạo phần cứng và phần mềm ECU phụ:
    • Chế tạo mạch in hoàn chỉnh với vi điều khiển ATxmega128A, các khối xử lý tín hiệu vào/ra cách ly quang, khối giao tiếp cảm biến cồn.
    • Lập trình nhúng phần mềm điều khiển trên CodeVision AVR, nạp bản đồ dữ liệu tối ưu đã hiệu chuẩn và thuật toán nội suy tuyến tính đa chiều.
  • Thực nghiệm trên băng thử động cơ khi lắp ECU phụ:
    • Tại 100% bướm ga, động cơ khi lắp ECU phụ vận hành ổn định với tất cả các loại nhiên liệu từ RON92 đến E100.
    • Công suất và mô men được phục hồi tương đương với khi chạy xăng RON92; hiệu suất có ích của động cơ tăng lên; hàm lượng phát thải CO và HC giảm mạnh khi nồng độ ethanol tăng.
  • Thực nghiệm trên băng thử ô tô (Chassis Dynamometer CD 48'') trên xe Toyota Vios:
    • Xe nguyên bản (chưa lắp ECU phụ): Khi dùng xăng sinh học nồng độ cao, công suất kéo tại bánh xe ở tay số 3 và số 4 sụt giảm mạnh, động cơ xuất hiện hiện tượng rung giật ở các tải trọng lớn.
    • Xe lắp thêm ECU phụ: Công suất kéo tại bánh xe ở tay số 3 và số 4 duy trì tương đương xăng RON92; suất tiêu hao nhiên liệu theo khối lượng tăng do nhiệt trị thấp của cồn.
    • Thử nghiệm chu trình Euro 2 (ECE 15): Hàm lượng phát thải ô nhiễm CO và HC giảm đáng kể khi sử dụng các loại xăng sinh học E30–E100 so với xăng RON92.
    • Thử nghiệm đo thời gian tăng tốc: Xe lắp ECU phụ đảm bảo khả năng tăng tốc từ 20 km/h đến 100 km/h ở các tay số tương đương với khi sử dụng xăng khoáng RON92.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Làm rõ quy luật diễn biến của quá trình cháy, các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật và đặc tính phát thải ô nhiễm của động cơ phun xăng điện tử đa điểm trên đường nạp khi chuyển đổi sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol từ thấp đến 100% (E100).
  2. Xây dựng và hoàn thiện phương pháp luận kết hợp giữa mô phỏng nhiệt động lực học trên phần mềm AVL Boost và thực nghiệm hiệu chuẩn trên băng thử động cơ chuyên dụng để xác lập bộ dữ liệu chuẩn tối ưu ($\lambda = 1$ và $\theta_s$ tại $M_{emax}$) cho động cơ xăng sử dụng nhiên liệu linh hoạt.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và kỹ thuật

  1. Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh bộ điều khiển phụ (ECU phụ) sử dụng vi điều khiển ATxmega128A tích hợp cảm biến cồn ethanol. Bộ điều khiển có khả năng tự động nhận dạng tỷ lệ cồn trong nhiên liệu và điều khiển kéo dài thời gian phun cũng như điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo thời gian thực.
  2. Chuyển đổi thành công xe ô tô Toyota Vios lắp động cơ Toyota 1NZ-FE sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt (FFV) với nồng độ ethanol tới 100% mà không cần cải tạo hay thay đổi kết cấu cơ khí bên trong động cơ.
  3. Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm toàn diện về công suất, tiêu hao nhiên liệu, gia tốc và phát thải theo chu trình tiêu chuẩn Euro 2 cho xe ô tô khi sử dụng các tỷ lệ xăng sinh học khác nhau tại Việt Nam.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Áp dụng giải pháp lắp đặt ECU phụ cho các dòng phương tiện ô tô đang lưu hành nhằm thúc đẩy việc tiêu thụ nhiên liệu sinh học nồng độ cao, giảm phụ thuộc vào xăng khoáng nhập khẩu và giảm ô nhiễm môi trường đô thị.
  • Đề xuất các cơ quan quản lý nhà nước xem xét ban hành các tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách hỗ trợ chuyển đổi phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm mới tập trung trên một dòng động cơ xăng cụ thể là Toyota 1NZ-FE (phun xăng điện tử đa điểm trên đường ống nạp) lắp trên xe Toyota Vios; chưa mở rộng thử nghiệm trên các dòng động cơ phun xăng trực tiếp (GDI).
  • Thử nghiệm đánh giá tính năng được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm; chưa khảo sát đầy đủ tính năng khởi động nguội của động cơ khi sử dụng E100 ở điều kiện nhiệt độ môi trường thực tế xuống thấp dưới 15°C.
  • Chưa đánh giá chi tiết độ bền lâu dài và hiện tượng ăn mòn hóa học của các chi tiết cao su, kim loại trong hệ thống nhiên liệu khi tiếp xúc liên tục với E100 trong thời gian dài trên đường giao thông thực tế.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Nghiên cứu giải pháp hỗ trợ khởi động lạnh cho động cơ khi sử dụng xăng sinh học E100 ở nhiệt độ môi trường thấp.
  • Nghiên cứu thử nghiệm đánh giá độ bền, độ mài mòn và tính tương thích vật liệu của các chi tiết thuộc hệ thống cung cấp nhiên liệu khi vận hành lâu dài với E100.
  • Hoàn thiện thiết kế phần cứng ECU phụ theo hướng công nghiệp hóa, tối ưu hóa kích thước và nâng cao khả năng tương thích để có thể lắp đặt dạng mô-đun (plug-and-play) cho nhiều dòng phương tiện ô tô và xe máy khác nhau.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu và có giá trị thực tiễn cao cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Động lực, Động cơ đốt trong, Kỹ thuật Ô tô: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng nhiệt động học trên AVL Boost kết hợp thực nghiệm trên băng thử chuyên dụng; quy trình tính toán tối ưu góc đánh lửa sớm và lượng phun nhiên liệu; nguyên lý điều khiển hệ thống phun xăng điện tử và đánh lửa trực tiếp.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất ô tô, xe máy: Tham khảo thiết kế mạch phần cứng vi điều khiển ATxmega128A, thuật toán can thiệp tín hiệu vòi phun/đánh lửa và phương pháp tích hợp cảm biến cồn để chế tạo các bộ chuyển đổi nhiên liệu linh hoạt (FFV kit).
  • Cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách (Bộ Công Thương, Bộ Giao thông Vận tải, Bộ Khoa học và Công nghệ): Cung cấp cơ sở khoa học thực chứng để đánh giá tiềm năng kỹ thuật của việc nâng cao tỷ lệ phối trộn ethanol trong xăng sinh học, phục vụ việc rà soát và điều chỉnh lộ trình phát triển nhiên liệu sinh học quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

1. Đối tượng và phương tiện thử nghiệm chính của luận án là gì?

Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ xăng Toyota 1NZ-FE (loại 4 kỳ, 4 xi lanh, dung tích 1.497 cc, phun xăng điện tử đa điểm trên đường nạp) được lắp đặt trên xe ô tô Toyota Vios. Nhiên liệu thử nghiệm gồm xăng khoáng RON92 và các loại xăng sinh học phối trộn E30, E50, E85, E100.

2. Tại sao động cơ nguyên bản khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn cao (E85, E100) lại bị suy giảm công suất nếu không can thiệp ECU?

Do cồn ethanol có nhiệt trị thể tích thấp hơn xăng khoáng (21,1–21,7 MJ/L so với 32,2–32,9 MJ/L) và tỷ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết nhỏ hơn (9,0 kg không khí/kg cồn so với 14,7 kg không khí/kg xăng). Khi dùng cồn nồng độ cao, ECU nguyên bản không thể tự điều chỉnh mở rộng thời gian phun vượt quá giới hạn thiết kế, dẫn đến hỗn hợp cháy bị quá nhạt ($\lambda > 1$), làm giảm tốc độ cháy, giảm áp suất cực đại trong xi lanh và làm suy giảm công suất, mô men động cơ.

3. Phần mềm mô phỏng và các mô hình lý thuyết chính được sử dụng trong luận án là gì?

Luận án sử dụng phần mềm chuyên ngành AVL Boost dựa trên Định luật Nhiệt động học thứ nhất. Các mô hình tính toán bao gồm: mô hình cháy Fractal và các mô hình cháy vùng (Vibe một vùng, Vibe kép, Hires), mô hình truyền nhiệt Woschni/Anisits, mô hình nạp thải và mô hình động học hình thành phát thải (mô hình Zeldovich mở rộng cho NOx, mô hình cân bằng cho CO và HC).

4. Bộ điều khiển ECU phụ được thiết kế sử dụng vi điều khiển nào và can thiệp điều khiển động cơ ra sao?

Bộ điều khiển ECU phụ sử dụng vi điều khiển ATxmega128A lập trình trên CodeVision AVR. ECU phụ nhận tín hiệu nồng độ cồn từ cảm biến ethanol gắn trên đường nhiên liệu, đồng thời nhận xung điều khiển phun và đánh lửa từ ECU nguyên bản. Thông qua ngắt 1 và Timer2, ECU phụ kéo dài thời gian mở vòi phun để cấp đủ lượng nhiên liệu ($g_{ct}$ sao cho $\lambda = 1$); đồng thời thông qua ngắt INT0 và Timer0, ECU phụ điều chỉnh thời điểm kích cuộn đánh lửa để đưa góc đánh lửa sớm về giá trị tối ưu ($\theta_s$ ứng với $M_{emax}$).

5. Kết quả thử nghiệm xe ô tô Toyota Vios lắp ECU phụ trên băng thử ô tô thay đổi như thế nào so với xe nguyên bản?

Khi lắp ECU phụ và sử dụng các loại xăng sinh học từ E30 đến E100, xe Toyota Vios phục hồi được công suất kéo tại bánh xe ở các tay số 3 và 4 tương đương với khi chạy xăng RON92; thời gian tăng tốc từ 20 km/h đến 100 km/h được duy trì tương đương; hàm lượng phát thải độc hại CO và HC giảm rõ rệt trong cả thử nghiệm chế độ tải 100% bướm ga và thử nghiệm theo chu trình tiêu chuẩn Euro 2.


Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Khánh Tùng đã giải quyết thành công bài toán chuyển đổi động cơ ô tô phun xăng điện tử đa điểm đang lưu hành sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% bằng giải pháp lắp đặt bộ điều khiển ECU phụ. Thông qua việc kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng nhiệt động lực học trên phần mềm AVL Boost và thực nghiệm chuyên sâu trên băng thử động cơ và băng thử ô tô Chassis Dynamometer CD 48'', nghiên cứu đã xác lập bộ thông số chuẩn tối ưu về lượng phun ($\lambda = 1$) và góc đánh lửa sớm ($M_{emax}$) cho dải nhiên liệu từ RON92 đến E100. Công trình không chỉ cung cấp luận cứ khoa học tin cậy về diễn biến quá trình cháy và phát thải của xăng sinh học nồng độ cao mà còn chế tạo thành công sản phẩm phần cứng ECU phụ ứng dụng vi điều khiển ATxmega128A có tính ứng dụng thực tiễn cao, đóng góp thiết thực cho mục tiêu giảm phát thải ô nhiễm và phát triển năng lượng sinh học tại Việt Nam.