Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu tính năng động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng nhiên liệu xăng - ethanol" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Nguyễn Quang Trung, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Dương Việt Dũng tại Đại học Đà Nẵng (năm 2019), thuộc chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực (Mã số: 62.16).
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Ngành công nghiệp ô tô hiện nay đang đối mặt trực tiếp với hai thách thức lớn: sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và hiện tượng ấm lên toàn cầu do phát thải khí nhà kính từ động cơ đốt trong. Theo các dự báo năng lượng, nguồn động lực chính của phương tiện giao thông vận tải vẫn phụ thuộc chủ yếu vào động cơ đốt trong cho đến năm 2040. Báo cáo của Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC) và Thỏa thuận Paris (COP21) đặt ra mục tiêu giới hạn mức tăng nhiệt độ toàn cầu không quá 2°C (yêu cầu lượng phát thải cacbon chỉ ở mức 0,64 nghìn tỷ tấn/năm vào năm 2080) và nỗ lực hướng tới ngưỡng 1,5°C (lượng cacbon ở mức 0,53 nghìn tỷ tấn/năm vào năm 2060). Đồng thời, các tiêu chuẩn khí thải quốc tế như Euro IV đến Euro VI áp đặt mức cắt giảm nghiêm ngặt đối với NOx (giảm 50%) và phát thải hạt PM (giảm 80%).
Tại Việt Nam, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg về lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống, triển khai sử dụng xăng E5 và định hướng mở rộng sang E10, E15, E20. Tuy nhiên, việc áp dụng nhiên liệu xăng - ethanol trên các động cơ đánh lửa cưỡng bức thương mại đang lưu hành gặp phải các rào cản kỹ thuật:
- Tính chất lý hóa của ethanol khác biệt đáng kể so với xăng (nhiệt trị thấp hơn, nhiệt ẩn hóa hơi cao, trị số octane cao, độ nhớt thấp và khả năng hòa tan với nước).
- Khi sử dụng hỗn hợp xăng - ethanol ở tỷ lệ cao (trên E20–E30) trên động cơ trang bị hệ thống điều khiển điện tử nguyên bản (ECU không được hiệu chỉnh), hòa khí bị nhạt dần do lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình không đổi, làm suy giảm công suất, kéo dài thời gian phun và gây khó khăn khi khởi động lạnh.
- Phương pháp hòa trộn sẵn ethanol vào xăng (pre-mixed blend) tiềm ẩn nguy cơ phân tầng nhiên liệu trong bình chứa và không cho phép thay đổi linh hoạt tỷ lệ ethanol theo từng chế độ vận hành cụ thể của động cơ.
Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định là việc thiếu hụt cơ sở dữ liệu khoa học chi tiết về quá trình phun, bay hơi, hình thành hòa khí và diễn biến cháy 3D trong không gian buồng cháy khi chuyển đổi từ phương thức phun hỗn hợp hòa trộn sẵn sang phương thức phun riêng rẽ xăng và ethanol (dual injection) nhằm nâng cao tỷ lệ sử dụng ethanol mà vẫn đảm bảo tính năng kỹ thuật và giảm phát thải.
Mục tiêu nghiên cứu
- Đánh giá tác động cũng như hiệu quả của việc sử dụng xăng sinh học tới động cơ đánh lửa cưỡng bức đang lưu hành. Trên cơ sở đó đề xuất khoảng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu xăng - ethanol đảm bảo tính năng kỹ thuật của động cơ theo điều kiện vận hành.
- Đề xuất giải pháp cải tiến kết cấu đường nạp, phương thức phối trộn xăng/ethanol cho động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol thay đổi linh hoạt theo điều kiện vận hành nhằm nâng cao tỷ lệ ethanol sử dụng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Động cơ đánh lửa cưỡng bức 4 xilanh, 4 kỳ, phun xăng và đánh lửa điều khiển điện tử (động cơ Daewoo A16DMS lắp trên ô tô con).
- Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát, đánh giá quá trình phun nhiên liệu, quá trình bay hơi, đặc tính hình thành hòa khí, diễn biến quá trình cháy, tính năng kinh tế - kỹ thuật (công suất có ích $N_e$, mô men có ích $M_e$, suất tiêu hao nhiên liệu $g_e$, hiệu suất có ích $\eta_e$) và phát thải ô nhiễm (CO, HC, $\text{CO}_2$, $\text{NO}_x$) của động cơ khi sử dụng các tỷ lệ ethanol khác nhau (từ E0 đến E100) theo các chế độ tải (góc mở bướm ga THA 10%, 30%, 50%, 70%) và dải tốc độ động cơ từ 1000 rpm đến 4250 rpm.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu trước trong và ngoài nước
Tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước theo ba hướng chính:
| Hướng nghiên cứu |
Tác giả & Công trình tiêu biểu |
Phát hiện và kết luận chính |
| 1. Sử dụng hỗn hợp xăng - ethanol không can thiệp hệ thống điều khiển |
J. Mantilla và cs. (2010) [22] |
Nghiên cứu trên động cơ dùng bộ chế hòa khí: tốc độ cháy tăng khi tỷ lệ ethanol từ 0–25% và đạt cực đại tại E25, sau đó giảm dần; hệ số tương đương $f_{bl}$ giảm từ 1,15 về xấp xỉ 1 ở E25. |
|
M. Al-Hasan và cs. (2003) [10] |
Thử nghiệm trên động cơ Toyota TERCEL-3A (4 kỳ, 4 xilanh): hiệu suất và mô men tăng theo tỷ lệ ethanol đến E20, vượt quá E20 tính năng động cơ bắt đầu suy giảm do hòa khí bị nhạt. |
|
Hsieh và cs. (2002) [52] |
Động cơ thương mại sử dụng E0, E5, E10, E20, E30: áp suất hơi Reid đạt cực đại ở E10; E10–E20 làm tăng nhẹ mô men và suất tiêu hao nhiên liệu, giảm mạnh CO và HC nhờ hiệu ứng cháy nghèo. |
|
Abdel-Rahman và cs. (1997) [8] |
Động cơ VARICOMP ở các tỷ số nén 8, 10, 12: tỷ lệ ethanol tối ưu về công suất chỉ thị tương ứng là 10%, 20% và 30%. |
|
Mustafa Koç và cs. (2009) [65] |
Động cơ 1 xilanh, tỷ số nén 10 và 11: E50 và E85 làm tăng mô men có ích so với E0 ở mọi dải tốc độ do nhiệt ẩn hóa hơi cao, đồng thời giảm CO, HC và giảm $\text{NO}_x$. |
| 2. Sử dụng hỗn hợp xăng - ethanol có can thiệp hệ thống điều khiển |
Costagliola và cs. (2013) [34] |
Động cơ phun xăng điện tử: tỷ lệ ethanol $\le \text{E20}$ dễ dàng duy trì $f \approx 1$; tỷ lệ $>$ E30 đòi hỏi giảm tải/tốc độ; ở 3000 rpm và bmep = 6,6 bar với E85 thời gian phun kéo dài đến $180^\circ\text{CA}$. |
|
Phạm Minh Tuấn, Trần Anh Trung, Nguyễn Khánh Tùng (2015) [6] |
Chế tạo ECU phụ lắp trên động cơ Toyota 1NZ-FE (xe Vios), tự động nhận biết tỷ lệ ethanol và điều chỉnh lượng phun cùng góc đánh lửa sớm để duy trì $\lambda = 1$, vận hành ổn định đến E100. |
| 3. Phun riêng rẽ (Dual Injection) và công nghệ cháy nâng cao |
Ikoma và cs. (2006) [59]; Di Iorio và cs. (2014) [37]; Catapano và cs. (2013) [41] |
Đánh giá kết hợp phun trên đường nạp (PI) và phun trực tiếp (DI). Cấu hình DI cho áp suất cháy thấp hơn PI do thời gian bay hơi ngắn và hiệu ứng làm mát buồng cháy mạnh. |
|
Zhuang và cs. (2014) [113] |
Phun riêng rẽ cho phép tăng góc đánh lửa sớm: mức tăng tỷ lệ năng lượng ethanol (EER) từ 15–35% (mỗi 2–3% EER) cho phép tăng $2^\circ\text{CA}$ góc đánh lửa sớm mà không bị kích nổ. |
|
Huang và cs. (2014) [54] |
Nhiệt độ môi chất quyết định tốc độ bay hơi: ở nhiệt độ thấp ethanol bay hơi chậm hơn xăng, nhưng bay hơi nhanh hơn khi nhiệt độ $> 375\text{ K}$. |
|
Khái niệm cháy tiên tiến |
Cháy nén hòa khí đồng nhất (HCCI) [40, 64, 90], cháy nén kiểm soát phản ứng (RCCI) [24, 36, 69, 74], và cháy phân tầng một phần (PPC) [26, 38, 88, 87]. |
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết
Phần lớn các nghiên cứu trước đây chỉ dừng lại ở việc thử nghiệm hòa trộn sẵn hoặc khảo sát thực nghiệm vĩ mô. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống: thiết lập mô hình tính toán động lực học dòng chảy 3D-CFD để mô tả chi tiết không gian - thời gian quá trình bay hơi, hòa trộn và diễn biến màng lửa, từ đó so sánh định lượng giữa phương án phun hỗn hợp (Blend) và phun riêng rẽ (Dual Injection) trên đường nạp 2 phía và buồng cháy trực tiếp đối với động cơ Daewoo A16DMS.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết và mô hình toán học
Luận án sử dụng lý thuyết cơ học chất lưu tính toán (CFD) tích hợp trong phần mềm Ansys-Fluent để mô phỏng dòng chảy rối 3 chiều có phản ứng hóa học:
-
Hệ phương trình trung bình Reynolds Navier-Stokes (RANS):
Mô tả định luật bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng của môi chất không nén được theo hệ tọa độ Descartes:
$$\frac{\partial \overline{u}_i}{\partial x_i} = 0$$
$$\rho \left( \frac{\partial \overline{u}_i}{\partial t} + \overline{u}j \frac{\partial \overline{u}i}{\partial x_j} \right) = -\frac{\partial p}{\partial x_i} + \frac{\partial}{\partial x_j} \left( \tau{ij} - \rho \overline{u'i u'j} \right)$$
Trong đó ứng suất Reynolds $-\rho \overline{u'i u'j}$ được đóng kín thông qua mô hình dòng chảy rối $k\text{-}\varepsilon$ tiêu chuẩn (Launder và Spalding, 1974) với các hằng số: $C{1\varepsilon} = 1,44$; $C{2\varepsilon} = 1,92$; $C\mu = 0,09$; $\sigma_k = 1,0$; $\sigma\varepsilon = 1,32$. Độ nhớt rối: $\mu_t = \rho C\mu \frac{k^2}{\varepsilon}$.
-
Mô hình vận chuyển thành phần và phản ứng hóa học:
Phương trình bảo toàn khối lượng cho cấu tử thứ $i$:
$$\frac{\partial (\rho Y_i)}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \vec{v} Y_i) = -\nabla \cdot \vec{J}i + R_i + S_i$$
Tốc độ phản ứng $R_i$ xác định theo mô hình Laminar Finite-Rate kết hợp biểu thức Arrhenius: $k{f,r} = A_r T^{\beta_r} e^{-E_r / (RT)}$.
-
Mô hình lan truyền màng lửa rối Zimont:
Tốc độ ngọn lửa rối $U_t$ được tính cho vùng màng lửa mỏng nhăn:
$$U_t = A \cdot u' \left( \frac{U_l}{\sqrt{u'}} \right)^{1/2} \left( \frac{l_t}{\delta_l} \right)^{1/4}$$
Các hằng số mô hình sử dụng: $A = 0,52$ và $C_D = 0,37$.
-
Mô hình tia phun và tương tác hạt - thành:
- Xử lý dòng hai pha theo phương pháp Euler - Lagrange (pha khí là liên tục, pha lỏng là các hạt rời rạc).
- Quá trình bay hơi giọt lỏng mô hình hóa theo Dukowicz (1979) kết hợp công thức thực nghiệm Ranz - Marshall tính số Nusselt: $\text{Nu} = 2 + 0,6 \text{Re}_d^{1/2} \text{Pr}^{1/3}$.
- Quá trình phân rã thứ cấp của giọt lỏng mô hình hóa theo mô hình TAB (Taylor Analogy Breakup) của O'Rourke và Amsden.
- Tương tác giữa tia phun và thành xilanh/đường nạp sử dụng mô hình Film-Wall (Weber) với tham số ngưỡng va đập $K = \text{Oh} \cdot \text{Re}^{1,25} = 57,7$.
-
Mô hình tính toán phát thải $\text{NO}_x$:
Tích hợp cơ chế nhiệt Zeldovich mở rộng gồm 3 phản ứng chính với các hằng số tốc độ phản ứng thuận/nghịch ($k_{f,1}, k_{r,1}, k_{f,2}, k_{r,2}, k_{f,3}, k_{r,3}$) và cơ chế tạo NO trung gian qua $\text{N}_2\text{O}$ (Lavoie, Drake & Blint) cùng cơ chế Prompt $\text{NO}_x$ (Miller & Bowman).
Phương pháp nghiên cứu và hệ thống thực nghiệm
Nghiên cứu áp dụng phương pháp kết hợp giữa thực nghiệm trên băng thử và mô phỏng số 3D-CFD:
- Hệ thống băng thử động cơ: Băng thử công suất APA204/E/0943, điều khiển theo tiến trình đo bước tĩnh (Stationary Step).
- Thiết bị đo phát thải: Thiết bị phân tích khí xả KEG-500 đo nồng độ CO (%), HC (ppm), $\text{CO}_2$ (%), $\text{O}_2$ (%), $\text{NO}_x$ (ppm) và hệ số dư lượng không khí $\lambda$.
- Động cơ thử nghiệm: Động cơ xăng Daewoo A16DMS (4 xilanh thẳng hàng, dung tích công tác 1,6 lít, trục cam đôi DOHC 16 van).
| Thông số hình học động cơ Daewoo A16DMS |
Giá trị |
| Đường kính xilanh ($D$) |
79,0 mm |
| Hành trình piston ($S$) |
81,5 mm |
| Dung tích công tác ($V_h$) |
1598 $\text{cm}^3$ |
| Tỷ số nén ($\varepsilon$) |
9,5 : 1 |
| Chiều dài thanh truyền ($L_{rod}$) |
129,0 mm |
| Công suất cực đại định mức |
78 kW tại 6000 rpm |
| Mô men xoắn cực đại định mức |
145 N.m tại 3400 rpm |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan
Chương 1 tổng quan về nhu cầu năng lượng, tình hình cạn kiệt dầu mỏ theo thống kê BP (trữ lượng dầu toàn cầu giảm 2,4 tỷ thùng năm 2015; khối OPEC chiếm 71,5%; khí thiên nhiên còn 186,9 Tcm đủ dùng trong 52,8 năm) và yêu cầu giảm phát thải khí nhà kính theo COP21. Tác giả phân tích tiềm năng sản xuất ethanol sinh học tại Việt Nam với 5 nhà máy trọng điểm (Bình Phước, Dung Quất, Phú Thọ, Đồng Xanh công suất 100.000 $\text{m}^3/\text{năm}$, Tùng Lâm 60.000 $\text{m}^3/\text{năm}$, nguyên liệu từ sắn) cùng lộ trình phối trộn theo Quyết định 53/2012/QĐ-TTg.
Chương này so sánh các tính chất lý hóa cơ bản giữa ethanol nguyên chất và xăng RON92:
| Tính chất nhiên liệu |
Đơn vị |
Ethanol ($\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$) |
Xăng ($\text{C}4\text{--}\text{C}{12}$) |
| Khối lượng phân tử |
g/mol |
46,07 |
105 |
| Hàm lượng Carbon |
% khối lượng |
52,2 |
85–88 |
| Hàm lượng Hydro |
% khối lượng |
13,1 |
12–15 |
| Hàm lượng Oxy |
% khối lượng |
34,7 |
0 |
| Tỷ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết ($L_0$) |
kg/kg |
9,0 |
14,7 |
| Nhiệt trị thấp ($Q_H$) |
MJ/kg |
26,8 |
44,0 |
| Nhiệt ẩn hóa hơi ($L$) |
kJ/kg |
840 |
350 |
| Trị số Octane nghiên cứu (RON) |
- |
108 |
92–95 |
| Áp suất hơi Reid (RVP) |
kPa |
16,0 |
55–65 |
| Nhiệt độ tự cháy |
K |
698 |
553 |
Chương 1 kết luận việc nâng cao tỷ lệ ethanol trên động cơ xăng đòi hỏi phải nghiên cứu sâu về quá trình bay hơi và hòa trộn, đồng thời định hướng giải pháp phun riêng rẽ (Dual Injection) nhằm giải quyết hiện tượng phân tầng và kiểm soát tỷ lệ ethanol linh hoạt theo chế độ tải.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết
Chương 2 trình bày cơ sở toán học của mô hình dòng chảy rối trong động cơ đốt trong. Tác giả thiết lập hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng RANS, mô hình rối $k\text{-}\varepsilon$ hai phương trình, phương trình vận chuyển nồng độ cấu tử hóa học và mô hình tốc độ ngọn lửa rối Zimont cho hòa khí hòa trộn trước.
Nội dung trọng tâm của chương là xây dựng mô hình tia phun hai pha Euler - Lagrange:
- Phương trình chuyển động của giọt nhiên liệu chịu tác dụng của lực cản khí động $F_{id}^r$, trọng lực $F_{ig}$ và gradient áp suất $F_{ip}$.
- Hệ số cản $C_D$ theo số Reynolds giọt lỏng $\text{Re}_d$.
- Mô hình bay hơi Dukowicz giải phương trình cân bằng năng lượng: $m_d c_{pd} \frac{dT_d}{dt} = \dot{Q} - \dot{m}_d L$.
- Mô hình phân rã TAB tính toán độ biến dạng giọt $y$ và đường kính trung bình Sauter $r_{32}$.
- Mô hình va đập màng chất lỏng Film-Wall xác định ngưỡng lắng đọng hoặc phản xạ giọt tại $K = 57,7$.
- Cơ chế hình thành $\text{NO}_x$ nhiệt theo Zeldovich mở rộng với 3 phản ứng thuận nghịch được số hóa để tích hợp trực tiếp vào phần mềm tính toán CFD.
Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm
Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm trên động cơ Daewoo A16DMS kết nối băng thử APA204/E/0943 và máy phân tích KEG-500 ở các mức mở bướm ga (10%, 30%, 50%, 70% THA), dải tốc độ 1000–4000 rpm với các mẫu nhiên liệu E0, E10, E15, E20, E25, E30, E40, E50:
+-------------------------------------------------------------------------+
| SƠ ĐỒ BỐ TRÍ HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM |
| |
| [Động cơ Daewoo A16DMS] <==== Trục truyền ====> [Băng thử APA204/E] |
| [Máy tính điều khiển & Lưu trữ] |
+-------------------------------------------------------------------------+
Các phát hiện thực nghiệm chính:
- Hệ số tương đương nhiên liệu/không khí ($f_{bl}$): Khi giữ nguyên cài đặt ECU gốc, tăng tỷ lệ ethanol làm hòa khí nhạt dần. Ở 50% THA và tốc độ 3250 rpm, $f_{bl}$ giảm từ 1,02 (với E0) xuống 0,94 (với E20) và đạt 0,78 (với E50).
- Mô men ($M_e$) và công suất có ích ($N_e$): Trong dải từ E0 đến E20, mô men và công suất có ích tăng nhẹ hoặc tương đương E0 (do hiệu quả nạp tăng và tốc độ cháy cải thiện). Khi tỷ lệ vượt quá E20–E25, công suất và mô men suy giảm rõ rệt (giảm 8–15% tại E40–E50) do hỗn hợp quá nhạt.
- Suất tiêu hao nhiên liệu ($g_e$) và hiệu suất ($\eta_e$): Suất tiêu hao nhiên liệu $g_e$ tăng đơn điệu theo tỷ lệ ethanol (do nhiệt trị ethanol thấp hơn xăng 1,64 lần). Tuy nhiên, hiệu suất có ích $\eta_e$ của động cơ đạt giá trị tối ưu trong vùng E10–E20 (tăng từ 1,5–3% so với E0) nhờ quá trình cháy diễn ra hoàn thiện hơn.
- Phát thải ô nhiễm:
- Phát thải CO và HC giảm mạnh khi tăng tỷ lệ ethanol từ E0 lên E20 (CO giảm từ 20–40%, HC giảm 15–30%) nhờ sự hiện diện của 34,7% oxy trong phân tử ethanol hỗ trợ phản ứng oxy hóa.
- Phát thải $\text{CO}_2$ tăng nhẹ trong dải E10–E20 do hiệu quả cháy nâng cao, sau đó giảm ở tỷ lệ ethanol cao khi công suất suy giảm.
- Phát thải $\text{NO}_x$ biến thiên phụ thuộc vào chế độ tải: ở tải nhỏ (10–30% THA) $\text{NO}_x$ có xu hướng giảm do nhiệt độ cháy thấp; ở tải trung bình và cao (50–70% THA) $\text{NO}_x$ đạt cực đại ở vùng E15–E20 do nhiệt độ buồng cháy tăng, nhưng giảm dần khi tăng lên E40–E50 do hiệu ứng làm mát của ẩn nhiệt hóa hơi ethanol.
Chương 4. Nghiên cứu mô phỏng
Chương 4 thực hiện mô phỏng 3D-CFD chu trình công tác trên Ansys-Fluent đối với động cơ Daewoo A16DMS. Mô hình hình học được xây dựng cho các cấu hình: đường nạp 1 phía (PI 1 phía), đường nạp 2 phía (PI 2 phía), và kết hợp phun trực tiếp (DI, EDI-GPI, GDI-EPI).
Kết quả kiểm chứng mô hình:
So sánh diễn biến áp suất buồng cháy theo góc quay trục khuỷu ($\theta$) giữa mô phỏng và thực nghiệm ở chế độ 3250 rpm - 50% THA cho các loại nhiên liệu:
| Nhiên liệu |
Áp suất cực đại $p_{\max}$ Thực nghiệm (bar) |
Áp suất cực đại $p_{\max}$ Mô phỏng (bar) |
Sai số đỉnh áp suất (%) |
Góc đạt $p_{\max}$ Thực nghiệm ($^\circ\text{CA}$) |
Góc đạt $p_{\max}$ Mô phỏng ($^\circ\text{CA}$) |
| E0 |
33,2 |
34,1 |
+2,71 |
376,5 |
376,0 |
| E10 |
34,8 |
35,6 |
+2,30 |
375,5 |
375,0 |
| E15 |
35,4 |
36,2 |
+2,26 |
375,0 |
374,5 |
| E20 |
35,1 |
35,9 |
+2,28 |
375,0 |
374,5 |
| E30 |
31,8 |
32,5 |
+2,20 |
377,0 |
376,5 |
| E40 |
27,6 |
28,3 |
+2,54 |
379,0 |
378,0 |
Sai số tương đối giữa mô phỏng và thực nghiệm đều dưới 3%, kiểm chứng độ tin cậy của mô hình số.
Phân tích kết quả mô phỏng mở rộng:
- Đặc tính bay hơi: Ở nhiệt độ khí nạp ban đầu thấp ($T_{kn} = 320\text{ K}$), ethanol bay hơi chậm hơn xăng, lượng màng nhiên liệu đọng trên thành đường nạp lớn hơn. Khi nhiệt độ khí nạp tăng lên $345\text{ K}$, tốc độ bay hơi của ethanol tăng nhanh, tạo nồng độ hơi đồng đều xung quanh xupap nạp.
- So sánh phun hỗn hợp (Blend) và phun riêng rẽ (Dual) trên đường nạp:
- Cấu hình phun riêng rẽ xăng/ethanol trên đường nạp 2 phía phân tách không gian bay hơi của hai loại nhiên liệu, giúp cải thiện tốc độ bay hơi cục bộ của ethanol thêm 12–18% so với phun hỗn hợp hòa trộn sẵn ở tỷ lệ E50.
- Hệ số tương đương $f$ phân bố đồng nhất hơn tại thời điểm đánh lửa ($330^\circ\text{CA}$), rút ngắn thời gian cháy 10–90% khối lượng hòa khí (MFB) từ $2–3^\circ\text{CA}$.
- So sánh cấu hình phun trực tiếp (DI) và phun trên đường nạp (PI):
- Phun trực tiếp ethanol kết hợp phun xăng đường nạp (GPI-EDI) tận dụng nhiệt ẩn hóa hơi cao của ethanol để làm mát trực tiếp khí nạp trong xilanh, giảm nhiệt độ cuối quá trình nén ($T_c$), hạn chế kích nổ và cho phép tăng góc đánh lửa sớm.
- Nồng độ phát thải $\text{NO}_x$ trong trường hợp GPI-EDI thấp hơn đáng kể so với cấu hình PI_Blend ở cùng tỷ lệ E50 do nhiệt độ cực đại của chu trình giảm.
Kết quả và những đóng góp mới
Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học
- Xây dựng hoàn chỉnh mô hình tính toán 3D-CFD trên nền tảng Ansys-Fluent tích hợp động học phản ứng rút gọn, mô hình ngọn lửa rối Zimont và cơ chế tạo $\text{NO}_x$ Zeldovich mở rộng, mô tả chính xác tương tác giữa dòng khí nạp, tia phun nhiên liệu hai pha và quá trình cháy trong động cơ đánh lửa cưỡng bức.
- Làm rõ quy luật bay hơi, phân bố trường nồng độ hơi nhiên liệu và sự hình thành hòa khí phân tầng khi sử dụng xăng - ethanol ở các cấu hình cung cấp nhiên liệu khác nhau (phun hỗn hợp đường nạp, phun riêng rẽ đường nạp 2 phía, và kết hợp phun trực tiếp buồng cháy).
Những đóng góp mới về mặt thực tiễn
- Xác định phạm vi tỷ lệ ethanol phù hợp cho động cơ xăng thương mại nguyên bản (Daewoo A16DMS) không cần can thiệp phần cứng hay phần mềm ECU là từ E0 đến E20. Trong phạm vi này, động cơ duy trì công suất, cải thiện hiệu suất có ích và giảm đáng kể phát thải ô nhiễm CO, HC.
- Chứng minh giải pháp kỹ thuật phun riêng rẽ xăng/ethanol trên đường nạp hai phía hoặc kết hợp phun trực tiếp (GPI-EDI) là phương án tối ưu để sử dụng ethanol tỷ lệ cao (từ E30 đến E100). Giải pháp này cho phép linh hoạt điều chỉnh tỷ lệ ethanol theo tải và tốc độ, loại bỏ hiện tượng phân tầng trong bình chứa và khắc phục khó khăn khi khởi động nguội.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất
- Giai đoạn trước mắt: Triển khai sử dụng xăng sinh học E10, E15, E20 trên quy mô toàn quốc theo lộ trình Quyết định 53/2012/QĐ-TTg, áp dụng trực tiếp cho đội xe ô tô đang lưu hành mà không cần sửa đổi hệ thống động cơ.
- Giai đoạn dài hạn: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống vòi phun kép (dual port injection) hoặc hệ thống kết hợp GPI-EDI trên các dòng động cơ mới để nâng cao tỷ lệ sử dụng ethanol lên E50–E85, kết hợp thuật toán ECU điều khiển thời điểm phun và góc đánh lửa sớm linh hoạt.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của nghiên cứu
- Nghiên cứu thực nghiệm chủ yếu thực hiện trên động cơ Daewoo A16DMS tại các chế độ tải tĩnh (10%, 30%, 50%, 70% THA) và dải tốc độ từ 1000 đến 4000 rpm; chưa đánh giá toàn diện chu trình thử nghiệm động (Transient cycle) trên đường thực tế.
- Các cấu hình phun trực tiếp (EDI, GDI, GPI-EDI) mới được khảo sát sâu bằng phương pháp mô phỏng 3D-CFD do việc hoán cải kết cấu nắp quy-lát động cơ thực nghiệm để lắp vòi phun trực tiếp đòi hỏi chi phí và chế tạo phần cứng phức tạp.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Chế tạo mẫu phần cứng đường nạp 2 phía và nắp xilanh tích hợp vòi phun trực tiếp ethanol trên động cơ thực tế để đo kiểm chứng xác thực cho cấu hình GPI-EDI.
- Phát triển thuật toán điều khiển tự động tỷ lệ phun ethanol/xăng theo thời gian thực (Real-time Dual Injection Mapping) dựa trên tín hiệu cảm biến kích nổ và cảm biến thành phần khí xả.
- Mở rộng nghiên cứu áp dụng nhiên liệu ethanol trên các công nghệ cháy tiên tiến như HCCI, RCCI và PPC.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu trong lĩnh vực Kỹ thuật động lực và Nhiệt cơ khí:
- Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành: Cung cấp phương pháp luận hoàn chỉnh về việc thiết lập mô hình mô phỏng 3D-CFD động cơ đốt trong (từ chia lưới, thiết lập điều kiện biên, mô hình tia phun hai pha đến mô hình cháy màng lửa rối Zimont và tính toán phát thải $\text{NO}_x$).
- Đối với kỹ sư phát triển động cơ và doanh nghiệp sản xuất ô tô: Tham khảo dữ liệu thiết kế kết cấu đường nạp hai phía, đặc tính bay hơi của ethanol và bảng tỷ lệ phối trộn tối ưu theo chế độ tải/tốc độ để phát triển các dòng xe sử dụng nhiên liệu linh hoạt (Flex-Fuel Vehicles).
- Đối với các nhà hoạch định chính sách năng lượng và môi trường: Cung cấp luận cứ khoa học thực nghiệm khẳng định tính an toàn kỹ thuật của việc mở rộng tỷ lệ phối trộn xăng sinh học từ E5 lên E10, E15, E20 tại Việt Nam.
Câu hỏi thường gặp
1. Tỷ lệ phối trộn ethanol tối ưu đối với động cơ Daewoo A16DMS nguyên bản là bao nhiêu?
Theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng, khoảng tỷ lệ ethanol tối ưu cho động cơ Daewoo A16DMS nguyên bản (không thay đổi ECU và hệ thống phun) là từ E10 đến E20. Trong dải này, mô men và công suất có ích được duy trì ổn định, hiệu suất có ích $\eta_e$ tăng từ 1,5–3%, đồng thời phát thải CO giảm 20–40% và HC giảm 15–30%. Vượt quá E20–E25, do lượng nhiên liệu chu trình không tăng tương ứng với mức giảm nhiệt trị, hòa khí bị nhạt khiến công suất suy giảm.
2. Tại sao khi pha thêm ethanol vào xăng lại làm giảm phát thải CO và HC nhưng làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu?
Phát thải CO và HC giảm là do trong phân tử ethanol ($\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$) chứa tới 34,7% khối lượng oxy, tạo hiệu ứng "cháy nghèo cục bộ" giúp quá trình oxy hóa cacbon và hydrocacbon diễn ra hoàn toàn hơn. Suất tiêu hao nhiên liệu ($g_e$) tăng là do nhiệt trị thấp của ethanol ($26,8\text{ MJ/kg}$) chỉ bằng khoảng 61% so với xăng RON92 ($44,0\text{ MJ/kg}$), do đó động cơ phải tiêu thụ một khối lượng nhiên liệu lớn hơn để sinh ra cùng một mức năng lượng.
3. Phương pháp phun riêng rẽ (Dual Injection) mang lại ưu thế kỹ thuật gì so với phương pháp hòa trộn sẵn (Blend)?
Phun riêng rẽ xăng/ethanol (trên đường nạp 2 phía hoặc kết hợp phun trực tiếp) mang lại 3 ưu thế chính:
- Tách biệt không gian bay hơi, giúp tăng tốc độ bay hơi của ethanol thêm 12–18% ở tỷ lệ cao ($>$ E30).
- Cho phép điều khiển linh hoạt tỷ lệ ethanol theo từng chế độ vận hành (tải nhỏ dùng ít ethanol để dễ bay hơi, tải lớn tăng ethanol để chống kích nổ).
- Khắc phục triệt để hiện tượng phân tầng tách pha giữa xăng và ethanol trong bình chứa và giải quyết vấn đề khó khởi động nguội bằng cách chỉ phun xăng khi khởi động.
4. Mô hình toán học nào được sử dụng để tính toán phát thải $\text{NO}_x$ trong nghiên cứu CFD?
Nghiên cứu sử dụng mô hình phát thải $\text{NO}_x$ nhiệt dựa trên cơ chế Zeldovich mở rộng gồm 3 phản ứng thuận nghịch:
- $\text{O} + \text{N}_2 \rightleftharpoons \text{N} + \text{NO}$
- $\text{N} + \text{O}_2 \rightleftharpoons \text{O} + \text{NO}$
- $\text{N} + \text{OH} \rightleftharpoons \text{H} + \text{NO}$
Đồng thời, mô hình tích hợp phản ứng tạo NO trung gian qua $\text{N}_2\text{O}$ ở áp suất cao và cơ chế Prompt $\text{NO}_x$ của Miller & Bowman để đảm bảo độ chính xác ở các vùng hòa khí khác nhau.
Kết luận
Luận án của NCS. Nguyễn Quang Trung đã giải quyết vấn đề khoa học và thực tiễn về việc ứng dụng nhiên liệu xăng - ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức thông qua phương pháp kết hợp thực nghiệm băng thử và mô phỏng số 3D-CFD. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi của việc sử dụng hỗn hợp xăng sinh học lên đến E20 trên các động cơ thương mại hiện hành mà không cần can thiệp hệ thống điều khiển. Đồng thời, công trình đã làm sáng tỏ cơ chế hình thành hòa khí và diễn biến cháy của giải pháp phun riêng rẽ xăng/ethanol, cung cấp cơ sở kỹ thuật để phát triển các hệ thống cung cấp nhiên liệu linh hoạt tỷ lệ cao trong tương lai, đóng góp thiết thực vào mục tiêu đảm bảo an ninh năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính.
