Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Khí thải từ các phương tiện giao thông vận tải đường bộ sử dụng nhiên liệu diesel là một trong những nguồn phát tán chất ô nhiễm lớn nhất vào môi trường không khí, đặc biệt tại các đô thị đông dân cư. Trong các thành phần khí xả của động cơ diesel, hai tác nhân gây hại nghiêm trọng nhất đến sức khỏe con người và môi trường là phát thải dạng hạt bụi lơ lửng ($PM_{10}$, bồ hóng) có liên quan đến nguy cơ gây ung thư và các ôxít nitơ ($\text{NO}_x$) gây kích ứng, làm trầm trọng thêm các bệnh về đường hô hấp và hen suyễn.

Tại Việt Nam, giai đoạn 2008–2012 ghi nhận sự gia tăng phương tiện cơ giới đường bộ với mức tăng trưởng số lượng ô tô toàn quốc trên 60% (tính đến ngày 31/12/2012, Hà Nội đạt 334.000 ô tô và Thành phố Hồ Chí Minh đạt 307.000 ô tô). Hoạt động giao thông vận tải ước tính chiếm khoảng 85% tổng lượng phát thải $\text{CO}$ và 95% lượng hợp chất hữu cơ dễ bay hơi ($\text{VOCs}$). Trong khi đó, việc đáp ứng các tiêu chuẩn phát thải ngày càng khắt khe (tiêu chuẩn Euro) đòi hỏi phải có các giải pháp kỹ thuật hiệu quả nhằm xử lý ô nhiễm từ nguồn.

Bên cạnh các giải pháp xử lý sau khí xả hay can thiệp kết cấu động cơ, xu hướng sử dụng nhiên liệu sạch thay thế một phần diesel bằng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas) theo dạng lưỡng nhiên liệu (diesel-LPG) được quan tâm nghiên cứu. Giải pháp lắp đặt thêm hệ thống cung cấp LPG vào đường nạp của động cơ diesel nguyên bản cho phép tận dụng nguồn nhiên liệu khí sẵn có, giảm phát thải bồ hóng và $\text{NO}_x$ mà không đòi hỏi phải thay đổi lớn về mặt kết cấu cơ khí, có thể áp dụng cho cả phương tiện đang lưu hành lẫn xe mới. Tuy nhiên, các công trình trong nước trước đây chủ yếu tập trung vào động cơ tĩnh tại cỡ nhỏ hoặc xe buýt lớn, thiếu các nghiên cứu hoàn chỉnh kết hợp mô phỏng nhiệt động lực học chuyên sâu và thực nghiệm kiểm chứng trên băng thử đạt chuẩn quốc tế đối với động cơ ô tô cỡ nhỏ và trung bình theo chu trình thử nghiệm tiêu chuẩn.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Xác định hàm lượng các thành phần khí thải khi lắp thêm bộ cung cấp khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) vào động cơ diesel.
  2. Đánh giá hiệu quả giảm phát thải của động cơ khi chuyển đổi sang hoạt động ở chế độ lưỡng nhiên liệu diesel-LPG.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel lắp trên ô tô cỡ nhỏ và trung bình (cụ thể là động cơ diesel tăng áp bốn kỳ FAWDE-4DX23-110) khi hoạt động bằng nhiên liệu diesel nguyên bản và khi chuyển đổi sang chạy lưỡng nhiên liệu diesel-LPG.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát, tính toán và đo đạc các thành phần phát thải ($\text{NO}_x$, $\text{CO}$, $\text{HC}$, bồ hóng/độ khói) của động cơ trên cơ sở duy trì các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật gốc (công suất, mô men xoắn) của động cơ diesel nguyên bản.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Các công trình trên thế giới về động cơ lưỡng nhiên liệu và khí thải động cơ diesel tập trung vào hai nhánh chính:

Nhánh tính toán mô phỏng và cơ chế phát thải:

  • Badami phát triển mô hình mô phỏng hệ thống phun nhiên liệu của động cơ diesel nhằm phục vụ tính toán phát thải.
  • Z. thiết lập mô hình ba chiều mô tả sự hình thành hạt phát thải ($\text{PM}$) và $\text{NO}_x$ trong buồng cháy thống nhất của động cơ diesel.
  • D. cùng nhóm cộng sự khảo sát ảnh hưởng của áp suất phun và thông số hình học của vòi phun đến các chất ô nhiễm trong động cơ diesel phun trực tiếp.
  • J.H Kim và cộng sự (Đại học INHA, 1999) phân tích tác động của tốc độ phun đến đặc tính phát thải.
  • Stanislav Beroun (Liberec, Séc) và Jorge Martins (Đại học Minho, Bồ Đào Nha, 2001) xác định nồng độ các chất $\text{CO}$, $\text{HC}$, $\text{NO}_x$, $\text{CO}_2$, $\text{PM}$ khi động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-CNG và diesel-LPG, chỉ ra sự suy giảm $\text{NO}_x$ và $\text{PM}$ phụ thuộc vào tốc độ và tải trọng.
  • Yao (Đại học Thiên Tân, Trung Quốc, 2009) nghiên cứu ảnh hưởng của việc phun khí metanol vào đường nạp đến thành phần khí thải động cơ diesel.
  • Thierry Seguelong so sánh thực nghiệm ba phương pháp xử lý khí thải ($\text{SCR}$, $\text{LNT}$, $\text{EGR}$), cho thấy bộ xúc tác $\text{SCR}$ hỗ trợ đạt chuẩn Euro 6, trong khi $\text{LNT}$ và $\text{EGR}$ đáp ứng chuẩn Euro V.
  • Bogdan Cornel Benea và Adrian Ovidiu Soica (Đại học Transilvania Brasov, 2007) so sánh thực nghiệm phát thải giữa diesel và diesel-LPG, làm rõ khả năng giảm mạnh $\text{PM}$ nhưng ghi nhận sự gia tăng $\text{HC}$ và $\text{CO}$.
  • Dong Jian, Gao Xiaohong, Li Gesheng và Zhang Xintang (Đại học Công nghệ Vũ Hán, 2001) ứng dụng phương pháp phun LPG vào đường ống nạp của động cơ xe buýt, phân tích vai trò của áp suất, thời gian và đường kính lỗ phun.
  • Thomas Renald C.Ja và Somasundaram P. khảo sát mức độ giảm $\text{NO}_x$ theo các tỷ lệ phần trăm LPG khác nhau trên động cơ diesel điều khiển điện tử.
  • M. Gaur (Viện Công nghệ Ấn Độ Delhi, 1999) nghiên cứu thực nghiệm biện pháp luân hồi khí xả ($\text{EGR}$) trên động cơ diesel-LPG để khống chế sự gia tăng $\text{HC}$ và $\text{CO}$ ở chế độ tải nhỏ và trung bình.

Nhánh ứng dụng thực tế:

  • Liên Xô triển khai từ những năm 1970 với việc chuyển đổi các động cơ máy kéo M-17, Д-54 và V-2 sang sử dụng LPG qua bộ trộn bên ngoài kết hợp đánh lửa cưỡng bức.
  • Hãng Clark Material Handling Company (Mỹ) ứng dụng động cơ diesel-LPG trên hàng trăm nghìn xe nâng hàng hóa.
  • Tại Anh, hiệp hội LPGA phê chuẩn việc chuyển đổi lưỡng nhiên liệu từ năm 2000, với các doanh nghiệp tiêu biểu như GSPK lắp đặt cho hơn 500 xe tải hạng nặng.
  • Tại Australia, mạng lưới doanh nghiệp (như Eco-gas) thực hiện hàng nghìn lượt chuyển đổi phương tiện mỗi tháng.
  • Tại Philippines, chính phủ tài trợ dự án chuyển đổi phương tiện công cộng từ năm 2008 với sự tham gia của Macro Liquefied Petroleum Gas Co. Inc.

Các hướng nghiên cứu trong nước

  • Bùi Văn Ga (Đại học Đà Nẵng) nghiên cứu mô hình ngọn lửa khuếch tán bên ngoài động cơ nhằm làm rõ quá trình cháy và hình thành chất ô nhiễm trong khí xả diesel.
  • Trần Văn Nam (Đại học Đà Nẵng) mô hình hóa động cơ đánh lửa cưỡng bức và tính toán động học phản ứng hình thành $\text{CO}$ trong buồng cháy.
  • Phạm Xuân Mai ứng dụng mô hình ngọn lửa khuếch tán vào bên trong buồng cháy động cơ diesel phun trực tiếp để nghiên cứu cơ chế sinh bồ hóng.
  • Trần Thanh Hải Tùng (Đại học Đà Nẵng) nghiên cứu sự hình thành $\text{NO}_x$ trong quá trình cháy của động cơ diesel buồng cháy phân chia; đồng thời cùng Lê Minh Xuân phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ hỗn hợp diesel-LPG đến khí xả.
  • Lê Văn Tụy (Đại học Đà Nẵng, 2009) mô phỏng hệ thống phun trực tiếp hai giai đoạn nhiên liệu khí thiên nhiên cho động cơ diesel tỷ số nén cao.
  • Nguyễn Hoàng Vũ (Học viện Kỹ thuật Quân sự, 2005) ứng dụng mô hình nhiệt động và cơ chế Zeldovich tính toán thành phần phát thải $\text{NO}_x$ theo các thông số điều chỉnh góc phun sớm, tốc độ trục khuỷu.
  • Lê Anh Tuấn, Nguyễn Duy Vinh, Nguyễn Đức Khánh (Đại học Bách khoa Hà Nội, 2009) xác định thực nghiệm hệ số phát thải trên một số dòng ô tô du lịch.
  • Phạm Hữu Tuyến, Lê Anh Tuấn, Nguyễn Thế Trực (2011) thực nghiệm chu trình ECE R49 trên động cơ xe buýt lắp bộ hóa hơi giảm áp LPG vào đường nạp.
  • Mai Sơn Hải (Đại học Nha Trang, 2008) đo đạc phát thải động cơ diesel-LPG ở các mức tải và tốc độ khác nhau.
  • Chu Mạnh Hùng (Bộ Giao thông Vận tải, 2006) đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường của việc sử dụng LPG trên ô tô.
  • Vũ An (Viện Dầu khí Việt Nam, 2009) phối hợp với Đại học Bách khoa Hà Nội thử nghiệm chuyển đổi động cơ diesel sang diesel-LPG trên xe buýt với tỷ lệ thay thế tối ưu 26,5%.
  • Phạm Minh Tuấn và Lê Anh Tuấn (2010) đánh giá khả năng phối hợp giữa biodiesel gốc mỡ cá tra/basa và LPG.
  • Nguyễn Quang Vinh (Công ty Cơ khí ô tô Ngô Gia Tự, 2008) thử nghiệm động cơ xe buýt nhỏ chạy lưỡng nhiên liệu diesel-LPG ở tỷ lệ thay thế dưới 19%.

Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết

Các công trình trong nước phần lớn dừng lại ở việc chuyển đổi cơ học đơn giản, tỷ lệ thay thế cố định hoặc chưa tối ưu hóa quy luật cấp nhiên liệu theo chu trình tải, thiếu mô hình toán học tích hợp hoàn chỉnh giữa phần mềm mô phỏng nhiệt động một chiều chuyên dụng (AVL BOOST) và thử nghiệm đo đạc đa chế độ theo chu trình 13 mode ECE R49 đối với động cơ ô tô tải nhẹ/trung bình. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách thiết lập mô hình tính toán phát thải chi tiết, hiệu chỉnh mô hình bằng thực nghiệm và khảo sát sâu ảnh hưởng của các thông số điều chỉnh (góc phun sớm, góc phối khí) đến hàm lượng từng chất độc hại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình hóa quá trình cháy

Các phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel-LPG

Luận án phân tích ba giải pháp kỹ thuật cung cấp lưỡng nhiên liệu:

  1. Trộn diesel và LPG lỏng trước khi phun: Trộn trong bình áp lực cao trước khi dẫn vào ống phân phối chung (Common Rail). Phương án này giữ nguyên kết cấu buồng cháy nhưng gây khó khăn về bôi trơn hệ thống phun và vận hành kém ổn định ở tốc độ cao.
  2. Phun trực tiếp LPG lỏng vào buồng cháy: Sử dụng vòi phun kép hoặc hai vòi phun độc lập. Phương án cho phép kiểm soát hỗn hợp linh hoạt nhưng đòi hỏi cải tạo nắp máy phức tạp, dễ bị đóng băng hoặc kích nổ.
  3. Phun LPG vào đường ống nạp: LPG được hóa hơi qua bộ giảm áp (gia nhiệt bằng nước làm mát động cơ), sau đó hòa trộn đồng đều với không khí trước khi nạp vào xi lanh qua xupáp nạp. Đây là phương án được luận án lựa chọn do có ưu điểm nổi bật về tính khả thi, kết cấu đơn giản, không làm thay đổi kết cấu nắp máy và buồng cháy gốc.
Tiêu chí Trộn lỏng trước vòi phun Phun trực tiếp vào buồng cháy Phun vào đường ống nạp (Luận án chọn)
Vị trí hòa trộn Buồng trộn áp suất cao trước ống phân phối Trực tiếp trong buồng đốt của xi lanh Đường ống nạp khí sau máy nén tăng áp
Mức độ thay đổi kết cấu Thay đổi hệ thống cung cấp nhiên liệu cao áp Cải tạo phức tạp nắp máy và cụm vòi phun Lắp thêm bộ hóa hơi, van điều khiển và vòi phun nạp
Tính bôi trơn của vòi phun Suy giảm do tỷ lệ LPG lỏng cao Cần xử lý bôi trơn riêng biệt Đảm bảo nguyên bản hệ thống bôi trơn bơm-vòi phun diesel
Tính đồng nhất hòa khí Trung bình Phụ thuộc tia phun và chuyển động xoáy lốc Hòa khí LPG-không khí đạt độ đồng nhất cao

Diễn biến quá trình cháy trong động cơ diesel và động cơ diesel-LPG

  • Động cơ diesel nguyên thủy: Quá trình cháy diễn ra qua 4 giai đoạn nối tiếp: (I) Giai đoạn cháy trễ; (II) Giai đoạn cháy nhanh (cháy hỗn hợp đã hòa trộn sẵn); (III) Giai đoạn cháy chính/cháy chậm (cháy khuếch tán); (IV) Giai đoạn cháy rớt (sau khi kết thúc phun nhiên liệu).
  • Động cơ diesel-LPG: Không gian trong xi lanh được chia thành hai vùng:
    • Vùng chưa cháy: Nằm ngoài tia phun diesel, chứa hỗn hợp đồng nhất giữa không khí nạp và hơi LPG.
    • Vùng cháy: Nằm trong phạm vi bao phủ của tia phun diesel hạt nhỏ. Khi hạt diesel tự bốc cháy sau thời gian trễ, màng lửa (chiều dày khoảng $0,2\text{ mm}$) hình thành bao bọc xung quanh tia diesel và lan truyền vuông góc ra ngoài vào vùng hỗn hợp LPG-không khí, kích hoạt quá trình cháy của toàn bộ môi chất nạp.
+-------------------------------------------------------------------------+
|                    KHÔNG GIAN BUỒNG CHÁY XI LANH                        |
|                                                                         |
|   +-----------------------------------------------------------------+   |
|   | VÙNG CHƯA CHÁY                                                  |   |
|   | (Hỗn hợp hòa trộn đồng nhất: Không khí nạp + Khí LPG hóa hơi)   |   |
|   |                                                                 |   |
|   |         +---------------------------------------------+         |   |
|   |         | MÀNG LỬA (Bề dày ranh giới ~ 0,2 mm)       |         |   |
|   |         |                                             |         |   |
|   |         |    +-----------------------------------+    |         |   |
|   |         |    | VÙNG CHÁY (Tia phun Diesel mồi)   |    |         |   |
|   |         |    |  - Diesel bốc cháy tự phát        |    |         |   |
|   |         |    |  - Lan truyền ngọn lửa ra ngoài   |    |         |   |
|   |         |    +-----------------------------------+    |         |   |
|   |         |                                             |         |   |
|   |         +---------------------------------------------+         |   |
|   +-----------------------------------------------------------------+   |
+-------------------------------------------------------------------------+

Cơ sở tính toán các thành phần phát thải

  • Tỷ lệ thay thế năng lượng của LPG ($CCR$): $$CCR = \frac{m_{\text{LPG}} \cdot H_{u\text{LPG}}}{m_{\text{LPG}} \cdot H_{u\text{LPG}} + m_{\text{diesel}} \cdot H_{u\text{diesel}}} \cdot 100%$$ Trong đó $m_{\text{LPG}}, m_{\text{diesel}}$ là khối lượng tiêu thụ; $H_{u\text{LPG}}, H_{u\text{diesel}}$ là nhiệt trị thấp tương ứng.
  • Phát thải $\text{NO}_x$: Sử dụng cơ chế nhiệt Zeldovich mở rộng với chuỗi phản ứng động học phụ thuộc vào nhiệt độ cục bộ vùng cháy và nồng độ ôxy dư thừa.
  • Phát thải $\text{CO}$ và $\text{HC}$: Tính toán dựa trên cân bằng động học hóa học và hiện tượng tôi ngọn lửa (flame quenching) trên thành xi lanh do nhiệt độ vách kim loại thấp.
  • Phát thải hạt/bồ hóng ($\text{Soot}$): Tính toán theo mô hình của Fusco, mô tả quá trình hình thành mầm soot từ các phân tử hydrocarbon thơm (aromatics) và mạch thẳng (aliphatics) kết hợp với quá trình ôxy hóa muội than.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ

Luận án kết hợp đồng thời hai phương pháp:

  1. Mô phỏng số học (Mô hình 1D): Sử dụng phần mềm chuyên dụng AVL BOOST kết hợp mô hình cháy AVL-MCC để tính toán chu trình công tác, cân bằng năng lượng và dự báo phát thải.
  2. Thực nghiệm trên băng thử: Bố trí tại Phòng thử nghiệm khí thải phương tiện giao thông cơ giới đường bộ (NETC) - Cục Đăng kiểm Việt Nam. Động cơ thử nghiệm được kết nối với băng thử động lực học cao ETC01, cụm phanh điện thủy lực PA 406/6 PA, thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu tự động AVL 735S, hệ thống lấy mẫu bụi hạt PSS i60, buồng đo độ khói Opacimeter và các cụm phân tích khí $\text{CO}, \text{NO}_x, \text{HC}$. Thử nghiệm được tiến hành theo chu trình tiêu chuẩn châu Âu ECE R49 gồm 13 chế độ làm việc đặc trưng (13 mode).
Ký hiệu đại lượng Tên gọi đại lượng Đơn vị đo
$Q$ Tổng nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình cháy $\text{J}$ hoặc $\text{kJ}$
$p_c, T_c$ Áp suất và nhiệt độ môi chất bên trong xi lanh $\text{Pa}, \text{K}$
$V$ Thể tích công tác xi lanh $\text{m}^3$
$A_{\text{eff}}$ Diện tích lưu thông thông qua họng nạp/xả $\text{m}^2$
$\alpha_w$ Hệ số truyền nhiệt qua bề mặt vách buồng cháy $\text{W}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$
$m_{\text{soot}}, m_{\text{CO}}$ Khối lượng bồ hóng và mônôxit cácbon hình thành $\text{kg}$
$\lambda_{\text{Diff}}$ Hệ số dư lượng không khí trong quá trình cháy chính Không thứ nguyên
$E_{s,f}, E_{s,ox}$ Năng lượng hoạt hóa sinh bồ hóng và năng lượng ôxy hóa bồ hóng $\text{kJ}/\text{kmol}$

Nội dung chính theo từng chương

Chương I. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương I tổng hợp bối cảnh gia tăng phương tiện giao thông đường bộ tại Việt Nam và mức độ ô nhiễm do các khí thải độc hại ($\text{CO}, \text{HC}, \text{NO}_x, \text{SO}x$, bụi hạt $PM{10}$) gây ra. Luận án phân tích năng lực sản xuất và tiêu thụ LPG: trên thế giới, nguồn cung tăng trưởng liên tục (đạt khoảng 260 triệu tấn năm 2013), trong khi tại Việt Nam, các nhà máy như Dinh Cố, Dung Quất và các dự án lọc hóa dầu mở rộng khả năng tự chủ nguồn khí hóa lỏng.

Chương này cũng tổng thuật chi tiết các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-LPG, làm rõ các phương thức hòa trộn, các cơ chế tạo khí thải và xác lập sơ đồ nghiên cứu tổng quát của luận án (từ tính toán lý thuyết, thiết lập mô hình AVL BOOST, bố trí thiết bị thực nghiệm đến hiệu chỉnh và tối ưu hóa).

Dự báo phát thải từ hoạt động GTVT đường bộ và đường sắt Việt Nam (Trích Bảng 1.1):
+--------------------+--------------+--------------+--------------+
| Chất ô nhiễm       | Năm 2005     | Năm 2010     | Năm 2020     |
| (Đơn vị: Tấn)      |              |              | (Dự báo)     |
+--------------------+--------------+--------------+--------------+
| CO                 | 1.140,98     | 1.621,46     | 2.132,42     |
| HC                 | 63,76        | 90,79        | 123,13       |
| NOx                | 75,69        | 108,52       | 163,24       |
| SOx                | 21,00        | 30,27        | 48,95        |
| Bụi tổng hợp       | 13,01        | 23,25        | 37,80        |
+--------------------+--------------+--------------+--------------+

Chương II. Cơ sở lý thuyết tính toán thành phần khí thải của động cơ diesel và động cơ diesel - LPG

Chương II tập trung phân tích bản chất cơ lý hóa của quá trình nạp, hòa trộn, tự cháy và tạo phát thải trong động cơ:

  • So sánh ưu nhược điểm của 3 phương án cung cấp LPG, từ đó luận chứng khoa học cho việc lựa chọn giải pháp phun hơi LPG trên đường ống nạp kết hợp tận dụng nhiệt nước làm mát qua bộ hóa hơi giảm áp.
  • Trình bày mô hình động học quá trình cháy lưỡng nhiên liệu dựa trên lý thuyết hai vùng (vùng cháy trung tâm của tia diesel và vùng màng lửa lan truyền đốt cháy hòa khí LPG-không khí).
  • Xây dựng hệ phương trình bảo toàn khối lượng, cân bằng năng lượng nhiệt động trong xi lanh, chuyển vị cơ học của piston và phương trình trao đổi nhiệt qua thành buồng cháy.
  • Thiết lập hệ thống công thức toán học tính toán động học hình thành $\text{NO}_x$ (cơ chế nhiệt Zeldovich), nồng độ $\text{CO}$, lượng $\text{HC}$ sinh ra do tôi ngọn lửa sát vách xi lanh và sơ đồ tạo mầm hạt bồ hóng của Fusco.

Chương III. Xây dựng mô hình xác định các thành phần khí thải của động cơ diesel và động cơ diesel-LPG

Chương III trình bày quá trình xây dựng và vận hành mô hình mô phỏng trên phần mềm AVL BOOST:

  • Đối tượng mô phỏng là động cơ diesel FAWDE-4DX23-110 (động cơ diesel 4 kỳ, 4 xi lanh thẳng hàng, tăng áp). Khai báo đầy đủ các thông số kết cấu (đường kính xi lanh, hành trình piston, tỷ số nén, góc phối khí) cùng tính chất vật lý - hóa học của nhiên liệu diesel và LPG.
  • Thiết lập sơ đồ phần tử mô phỏng cho động cơ nguyên bản và động cơ chuyển đổi sang chạy lưỡng nhiên liệu diesel-LPG.
  • Tiến hành kiểm chứng độ chính xác của mô hình bằng cách so sánh đường đặc tính ngoài (công suất và mô men xoắn) giữa kết quả mô phỏng và số liệu thực nghiệm đo đạc thực tế của động cơ nguyên thủy.
  • Mô phỏng phát thải ($\text{NO}_x$, $\text{CO}$, bồ hóng) tại 13 chế độ của chu trình thử tiêu chuẩn ECE R49.
  • Thực hiện khảo sát ảnh hưởng của các thông số điều chỉnh:
    • Góc phun sớm: Khảo sát sự biến thiên của $\text{NO}_x$, $\text{CO}$, bồ hóng, công suất và mô men xoắn khi thay đổi góc phun sớm ở chế độ 100% tải và các dải tốc độ khác nhau.
    • Pha phân phối khí: Thay đổi góc mở/đóng xupáp nạp và xả (biên dạng cam) trong phần mềm để tìm quy luật biến thiên phát thải trung bình theo chu trình ECE R49.

Chương IV. Thực nghiệm và đánh giá

Chương IV trình bày chi tiết công tác đo đạc thực nghiệm và đối chiếu dữ liệu:

  • Thiết lập hệ thống thử nghiệm tại phòng thử ETC01 của Trung tâm Thử nghiệm Khí thải (NETC) - Cục Đăng kiểm Việt Nam. Lắp ráp hoàn chỉnh bộ hóa hơi, van điều khiển điện tử/cơ khí, vòi phun LPG vào đường ống nạp động cơ FAWDE-4DX23.
  • Tiến hành đo đạc trên băng thử phanh điện PA 406/6 PA theo chu trình 13 mode ECE R49 cho hai trường hợp: (1) Động cơ chạy hoàn toàn bằng diesel nguyên bản; (2) Động cơ chạy bằng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG.
  • Đo đạc chính xác các thông số: công suất, mô men, tiêu hao nhiên liệu qua cân tự động AVL 735S, hàm lượng phát thải $\text{CO}, \text{HC}, \text{NO}_x$ và độ khói/hạt bụi qua buồng đo khói và hệ thống PSS i60.
  • So sánh, đánh giá kết quả thực nghiệm với các cấp tiêu chuẩn phát thải Euro (Bảng 4.1).
  • So sánh định lượng giữa kết quả tính toán từ mô hình mô phỏng AVL BOOST và kết quả đo đạc thực nghiệm tại 13 chế độ thử ECE R49 (Bảng 4.7, 4.8, 4.9) để kiểm định độ tin cậy và sai số của mô hình lý thuyết.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Luận án đã xây dựng thành công phương pháp tính toán và bộ mô hình mô phỏng nhiệt động một chiều trên nền tảng phần mềm AVL BOOST kết hợp mô hình cháy AVL-MCC nhằm xác định chi tiết quá trình tỏa nhiệt và nồng độ các chất phát thải độc hại ($\text{NO}_x$, $\text{CO}$, $\text{HC}$, bồ hóng) cho động cơ ô tô sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG.
  2. Làm sáng tỏ quy luật diễn biến quá trình cháy hai vùng và sự lan truyền màng lửa trong buồng cháy động cơ lưỡng nhiên liệu khi cung cấp LPG trên đường nạp, tạo cơ sở lý thuyết cho việc tính toán dự báo phát thải ô nhiễm.
  3. Xác định được mức độ ảnh hưởng của các thông số điều chỉnh cơ bản (góc phun sớm của nhiên liệu diesel mồi và pha phân phối khí của xupáp nạp/xả) tới sự hình thành các thành phần khí xả của động cơ chạy lưỡng nhiên liệu diesel-LPG.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Chứng minh bằng thực nghiệm trên băng thử tiêu chuẩn quốc tế ECE R49 rằng việc chuyển đổi động cơ diesel sang chạy lưỡng nhiên liệu diesel-LPG theo phương án phun LPG vào đường nạp giúp giảm đáng kể phát thải hạt bồ hóng/độ khói và $\text{NO}_x$, trong khi vẫn bảo đảm duy trì công suất và mô men xoắn tương đương động cơ nguyên thủy.
  2. Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm và quy trình lắp đặt, hiệu chỉnh hệ thống cung cấp LPG hóa hơi cho động cơ ô tô diesel cỡ nhỏ và trung bình, làm cơ sở khoa học để các cơ quan quản lý đăng kiểm và doanh nghiệp vận tải đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật - môi trường khi chuyển đổi phương tiện đang lưu hành sang nhiên liệu sạch hơn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nghiên cứu tập trung đánh giá trên một đối tượng động cơ cụ thể (FAWDE-4DX23-110) và thử nghiệm theo chu trình tĩnh 13 chế độ ECE R49; chưa thực hiện khảo sát trên các chu trình thử nghiệm động lực học tức thời (transient cycles) hoặc trên nhiều chủng loại động cơ có dung tích xi lanh và kết cấu buồng cháy khác nhau.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống điều khiển điện tử cung cấp LPG đa điểm nhằm điều chỉnh linh hoạt tỷ lệ thay thế nhiên liệu theo thời gian thực ở các chế độ chuyển tiếp của động cơ.
    • Mở rộng ứng dụng mô hình và phương pháp thực nghiệm cho các dòng động cơ diesel thế hệ mới sử dụng hệ thống phun nhiên liệu tích áp Common Rail điều khiển điện tử và có trang bị luân hồi khí thải ($\text{EGR}$).

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô: Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp mô hình hóa nhiệt động lực học động cơ đốt trong trên phần mềm AVL BOOST, lý thuyết quá trình cháy hai vùng và kỹ thuật thực nghiệm đo khí xả theo tiêu chuẩn quốc tế.
  • Đối với các cơ quan quản lý nhà nước và đăng kiểm giao thông: Cung cấp số liệu định lượng về mức độ giảm phát thải khi sử dụng LPG thay thế một phần diesel, phục vụ công tác xây dựng định mức phát thải, chính sách khuyến khích chuyển đổi năng lượng sạch và quy chuẩn kiểm định phương tiện cơ giới đường bộ.
  • Đối với các nhà máy sản xuất, doanh nghiệp hoán cải ô tô: Tài liệu cung cấp cơ sở kỹ thuật chi tiết về sơ đồ bố trí hệ thống hóa hơi giảm áp LPG, các thông số góc phun sớm và pha phân phối khí tối ưu khi cải tạo động cơ diesel lưu hành sang chạy lưỡng nhiên liệu.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án lựa chọn phương án nào để cấp nhiên liệu LPG vào động cơ diesel và vì sao?

Tác giả lựa chọn phương án hóa hơi LPG qua bộ giảm áp (gia nhiệt bằng nước làm mát) và phun vào đường ống nạp khí của động cơ. Phương án này được chọn vì kết cấu gọn nhẹ, lắp đặt thuận tiện trên động cơ đang lưu hành, không làm thay đổi kết cấu cơ khí phức tạp của nắp máy hay hệ thống vòi phun diesel nguyên bản, đồng thời tạo được hỗn hợp hòa trộn LPG-không khí đồng nhất trước khi nạp vào xi lanh.

2. Mô hình mô phỏng trong luận án được xây dựng bằng phần mềm nào và kiểm chứng bằng cách nào?

Mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm chuyên dụng AVL BOOST (sử dụng mô hình cháy AVL-MCC). Độ tin cậy của mô hình được kiểm chứng bằng cách so sánh các giá trị công suất, mô men xoắn và hàm lượng phát thải tính toán với số liệu đo đạc thực nghiệm trên băng thử của động cơ FAWDE-4DX23-110 tại 13 chế độ của chu trình thử chuẩn châu Âu ECE R49.

3. Diễn biến quá trình cháy trong động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-LPG diễn ra như thế nào theo lý thuyết của luận án?

Buồng cháy được phân định thành vùng chưa cháy (chứa hòa khí đồng nhất LPG và không khí) và vùng cháy (trong tia phun diesel). Khi các hạt diesel tự bốc cháy sau giai đoạn cháy trễ, màng lửa có bề dày khoảng $0,2\text{ mm}$ bao quanh tia diesel sẽ hình thành và lan truyền ra toàn bộ thể tích buồng cháy để đốt cháy hòa khí LPG-không khí.

4. Thiết bị và địa điểm tiến hành các thử nghiệm khí thải của luận án là gì?

Thực nghiệm được thực hiện tại Trung tâm Thử nghiệm Khí thải Phương tiện Giao thông Cơ giới Đường bộ (NETC) thuộc Cục Đăng kiểm Việt Nam. Hệ thống thử nghiệm gồm phòng thử ETC01, bệ thử phanh điện PA 406/6 PA, cân đo tiêu hao nhiên liệu tự động AVL 735S, hệ thống đo phát thải hạt PSS i60 và các thiết bị phân tích nồng độ khí xả chuyên dụng.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Vương Văn Sơn đã giải quyết trọn vẹn vấn đề xác định và đánh giá thành phần phát thải ô nhiễm của động cơ ô tô khi chuyển đổi sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa nhiệt động một chiều trên phần mềm AVL BOOST và đo đạc thực nghiệm theo chu trình 13 mode ECE R49 trên động cơ FAWDE-4DX23-110, công trình đã chứng minh hiệu quả giảm thiểu hạt bồ hóng và $\text{NO}_x$ của phương án cấp LPG vào đường nạp. Kết quả nghiên cứu có giá trị khoa học và thực tiễn cao, đóng góp tài liệu kỹ thuật quan trọng cho lĩnh vực kỹ thuật ô tô và bảo vệ môi trường không khí.