Tổng quan luận án
Vấn đề kiểm soát khí thải độc hại từ phương tiện giao thông đường bộ đang là thách thức kỹ thuật lớn trong bối cảnh các tiêu chuẩn môi trường ngày càng thắt chặt. Tại Việt Nam, khí thải từ phương tiện cơ giới là nguồn phát thải chính trong đô thị, chiếm khoảng 40% oxit nitơ ($\text{NO}_x$), 60% hydrocacbon ($\text{HC}$), 80% cacbon monoxit ($\text{CO}$) và lượng lớn hạt rắn ($\text{PM}$). Mặc dù động cơ diesel (động cơ nén cháy) sở hữu hiệu suất nhiệt cao và độ tin cậy vượt trội so với động cơ xăng, việc giảm đồng thời phát thải bồ hóng ($\text{PM}$) và $\text{NO}_x$ bằng các biện pháp cơ học truyền thống gặp nhiều giới hạn kỹ thuật và chi phí cao.
Chuyển đổi động cơ nén cháy sang sử dụng nhiên liệu kép diesel - LPG (khí dầu mỏ hóa lỏng) là giải pháp kỹ thuật nhằm tận dụng trữ lượng LPG dồi dào tại Việt Nam (ước tính khoảng 3.000 tỷ $\text{m}^3$ tại thềm lục địa), đồng thời cắt giảm phát thải ô nhiễm. Tuy nhiên, việc ứng dụng LPG trên động cơ có tỉ số nén cao đối mặt với rào cản chính là hiện tượng cháy kích nổ khi vận hành ở các chế độ tăng tốc hoặc mang tải. Bên cạnh đó, việc phân tích diễn biến cháy tức thời trong buồng cháy ngăn cách (buồng xoáy lốc) bằng phương pháp mô hình hóa 3D động lực học chất lưu (CFD) trước đây chưa được công bố đầy đủ.
Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu LPG trên động cơ diesel truyền thống làm việc ở chế độ tải thường xuyên (tải thấp và tải trung bình), giải quyết triệt để hiện tượng cháy kích nổ nhằm đa dạng hóa nguồn năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Luận án giải quyết 3 nhiệm vụ và câu hỏi nghiên cứu cụ thể:
- Xác lập cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình CFD 3D mô phỏng quá trình cháy hỗn hợp diesel - LPG trong động cơ có buồng cháy ngăn cách bằng phần mềm ANSYS Fluent.
- Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu kép tự động gồm bộ hóa hơi - giảm áp, cụm phun LPG đường nạp và mạch điều khiển điện tử vi xử lý tích hợp kiểm soát hồi lưu khí thải ($\text{EGR}$).
- Thực nghiệm đánh giá công suất, mô men, tiêu hao năng lượng và nồng độ khí thải trên băng thử; kiểm chứng các giải pháp hạn chế kích nổ (bổ sung $\text{CO}_2$, hồi lưu khí thải làm mát, tăng diesel mồi và điều chỉnh góc phun sớm) ở các dải vận hành tải thường xuyên.
- Đối tượng nghiên cứu: Quá trình làm việc và phát thải của động cơ diesel có buồng cháy ngăn cách sử dụng đồng thời hai nhiên liệu diesel và LPG (cụ thể là động cơ Mazda WL-Turbo và Toyota 1KZ-TE).
- Phạm vi nghiên cứu: Động cơ diesel truyền thống lắp trên ô tô du lịch hoạt động trong đô thị; tập trung vào quá trình hòa trộn, cháy, kích nổ và phát thải ở các chế độ vận hành thường xuyên (chế độ không tải, tải thấp và tải trung bình).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến động cơ hai nhiên liệu theo các nhóm chuyên đề chính:
- Hệ thống cung cấp nhiên liệu và phương thức tạo hỗn hợp: Khởi nguồn từ các công trình ban đầu của Midgley (1920), Ricardo - Thornycraft (1928), Mason - Hesselberg (1954). Hakan O. (2008) phát triển bộ trộn khuếch tán trên đường nạp nhưng gặp hạn chế về độ chính xác lưu lượng theo hành trình xe. Pana (2010) khảo sát động cơ hai nhiên liệu trên băng thử Schenck E90 và thiết bị AVL, xác định tỷ lệ thay thế năng lượng tối ưu của LPG trong khoảng $X_{nal} = 20 \div 30%$, giúp giảm 59,3% bồ hóng, 40% $\text{HC}$ và 60% $\text{CO}$ ở tải nhỏ. Qi (Trung Quốc, 2005) chứng minh việc phun LPG trong kỳ nạp giúp cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu so với diesel thuần ở dải công suất dưới 35 kW. Manea (Rumania, 2007) áp dụng điều khiển điện tử giúp giảm suất tiêu hao năng lượng và độ khói. Goto (Nhật Bản, 2001) phun trực tiếp butane vào xupap nạp trên động cơ có tỉ số nén 17:1 giúp kiểm soát thời điểm phun đồng bộ và giảm bồ hóng.
- Đặc tính cháy và ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu: Jian (Trung Quốc, 2001) nghiên cứu trên động cơ xe buýt 6 xi lanh, tỉ số nén 17,5, ghi nhận mức giảm 50% phát thải bồ hóng ở chế độ tải cao và xây dựng phương trình quan hệ giữa hệ số nạp $\eta_v$, hệ số dư lượng không khí $\alpha$ và tỷ lệ thay thế năng lượng $X$. Karim và Liu (Canada, 1999) chứng minh thời kỳ cháy trễ phụ thuộc lớn vào chất lượng và số lượng diesel mồi. Selim (Ai Cập, 2008) khảo sát 5 tỷ lệ thành phần propane/butane của LPG và nhận thấy tăng butane giúp giảm $\text{NO}_x$, trong khi tăng propane làm giảm $\text{CO}$; việc pha trộn thêm DME ($\text{CH}_3\text{OCH}_3$) giúp mở rộng phạm vi cháy và vận hành êm ở dải $\lambda = 2,1 \div 5,2$.
- Cơ chế và đặc tính cháy kích nổ: Liu Z. (Canada, 1994) ghi nhận LPG rất nhạy cảm với kích nổ dù có chỉ số octane cao ($110 \div 120$). Ganesan (Ấn Độ) nghiên cứu so sánh kích nổ giữa methane, ethane, propane và hydrogen. Rao và Badr (Hoa Kỳ, 1992) xác định kích nổ xuất hiện khi tốc độ tăng áp suất buồng cháy vượt ngưỡng cho phép trong thời gian ngắn. Cikanek (Hoa Kỳ, 1990) sử dụng phương pháp đo dao động vùng ion hóa để phát hiện kích nổ. Selim (Ả Rập, 2004) so sánh 3 loại khí (LPG, CNG, methane), chỉ ra rằng động cơ dùng diesel - LPG phát sinh tiếng ồn và kích nổ sớm hơn do tỉ số nén cao.
- Ứng dụng hồi lưu khí thải ($\text{EGR}$): Kỹ thuật $\text{EGR}$ được nghiên cứu từ các công trình của Takahashi (1943), Price (1960), Needham (1974), Leipold (1975), Kumagai (1976), Kouremenos. Shiozaki (Nhật Bản, 1996) xác lập công thức thực nghiệm liên hệ cường độ kích nổ $D_i$ với biến thiên áp suất cực đại $(dP/dt)_{\max}$. Zheng (Canada, 2004) chỉ ra ưu điểm giảm $\text{NO}_x$ của $\text{EGR}$ nhưng cảnh báo nguy cơ mài mòn cặp piston - xi lanh do axit sunfuric. Abd-Alla (Iran, 2007) chứng minh việc sử dụng $\text{EGR}$ nóng trích gần xupap thải giúp cải thiện quá trình cháy ở tải một phần mà không cần lắp thêm bộ sấy khí nạp.
- Mô hình hóa quá trình cháy hai nhiên liệu: Karim (Canada, 1999) phát triển mô hình hai bán khu vực (quasi-two zone). Wei (2001) ứng dụng mô hình hai vùng với hai phương trình Vibe cho động cơ phun gián tiếp. Papagiannakis (2012) tích hợp phương trình Vibe với thời gian cháy và thông số đặc trưng để mô phỏng phát nhiệt. Selim và Radwan (2007) thiết lập mô hình đa khu vực cho chế độ đầy tải. Jha (2004) phát triển mô hình bán chiều với cơ chế động học hóa học 325 phản ứng và 53 cấu tử (GRI 3.0). Polasek (Séc, 2008) và Kusaka (2004) mô hình hóa tia phun và phát triển ngọn lửa. Abd-Alla (2007) phát triển mô hình nhiệt động học đa vùng dự đoán kích nổ và oxy hóa ở tải thấp.
- Các nghiên cứu trong nước: Trần Thanh Hải Tùng (2005) khảo sát hệ thống cấp LPG trên động cơ Mazda WL, chỉ ra vùng hoạt động không kích nổ khi tỷ lệ thay thế dưới 10%. Chu Mạnh Hùng (2005) thử nghiệm LPG trên ô tô giảm ô nhiễm. Phan Minh Đức (2006) nghiên cứu hỗn hợp diesel - LPG và PME - LPG trên động cơ phun gián tiếp, xác định dải vận hành không kích nổ từ 1250 đến 2750 vòng/phút ở mô men $10 \div 70\text{ Nm}$. Đỗ Văn Dũng (2008) chế tạo hệ thống cấp LPG cho xe tải nhỏ và buýt nhỏ, đạt tỷ lệ thay thế 32% diesel. Nguyễn Quang Vinh (2008) đạt tỷ lệ thay thế 19% trên xe buýt. Vũ Phan (2009) đề xuất giải pháp giảm khói đen với tỷ lệ thay thế tối ưu 26,5%. Phạm Minh Tuấn, Lê Anh Tuấn, Nguyễn Thế Trực, Phạm Hữu Tuyến (2010 - 2011) thử nghiệm đo phát thải theo chu trình ECE R49. Dương Văn Sơn (2014) thực nghiệm trên động cơ Fawde CA4DX23-110 trên băng thử AVL, giảm 21,4% PM và 4,2% $\text{NO}_x$ khi thay thế 20% diesel. Nguyễn Cường (2014) thử nghiệm trên động cơ AVL 5402 và D1146 đạt tỷ lệ thay thế $17,81 \div 30%$. Bùi Văn Ga cùng các cộng sự đã công bố nhiều nghiên cứu nền tảng về lý thuyết và mô hình hóa quá trình cháy trong động cơ đốt trong.
Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn là: Chưa có công trình nào mô hình hóa 3D chi tiết quá trình cháy hỗn hợp diesel - LPG trong động cơ diesel có buồng cháy ngăn cách bằng phần mềm ANSYS Fluent kết hợp kiểm soát kích nổ bằng vi điều khiển tự động điều chỉnh lưu lượng LPG, diesel và $\text{EGR}$ trên ô tô du lịch.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án kết hợp phương pháp tính toán lý thuyết nhiệt động học, mô phỏng số 3D CFD và thực nghiệm chuyên sâu trên băng thử tiêu chuẩn.
Khung lý thuyết và mô hình toán học
Buồng cháy ngăn cách của động cơ nghiên cứu gồm buồng xoáy lốc và buồng cháy chính được nối thông bằng đường dẫn tiếp tuyến lớn. Khi piston đi lên trong kỳ nén, không khí được dồn vào buồng xoáy lốc tạo dòng xoáy mạnh. Nhiên liệu diesel phun vào tự bốc cháy, đóng vai trò nguồn mồi đa điểm để đốt cháy hòa khí đồng nhất LPG - không khí.
| Đặc tính vật lý - hóa học |
Ký hiệu và đơn vị |
Nhiên liệu LPG ($47,4% \text{C}_3\text{H}_8 + 52,6% \text{C}4\text{H}{10}$) |
Nhiên liệu Diesel ($\text{C}{10}\text{H}{22}$) |
| Phân tử lượng |
$\mu_{nl}\text{ (kg/kmol)}$ |
50,37 |
$170 \div 200$ |
| Khối lượng riêng ở $15^\circ\text{C}$ (thể lỏng) |
$\rho_{15}\text{ (kg/dm}^3\text{)}$ |
0,544 |
0,843 |
| Khối lượng riêng ở $15^\circ\text{C}$ (thể khí) |
$\rho_{15}\text{ (kg/m}^3\text{)}$ |
2,123 |
- |
| Nhiệt độ tự cháy |
$T_{tc}\text{ (K)}$ |
783 |
523 |
| Nhiệt trị thấp |
$Q_h\text{ (MJ/kg)}$ |
46,85 |
42,53 |
| Lượng không khí lý thuyết |
$L_0\text{ (kg kk/kg nl)}$ |
15,528 |
15,025 |
| Chỉ số Octane / Cetane |
- |
Octane: $110 \div 120$ |
Cetane: 52 |
Áp dụng phép biến đổi Shvab - Zeldovich, nồng độ thành phần hỗn hợp trung bình $f$ trên mặt cắt ngọn lửa được xác định qua lưu lượng thành phần diesel ban đầu $M_1$ và tổng lưu lượng hỗn hợp $M$:
$$f = \frac{M_1}{M} = \frac{Z_i - Z_{i,ox}}{Z_{i,f} - Z_{i,ox}}$$
Diễn biến tỏa nhiệt của hỗn hợp được biểu diễn qua phương trình vi phân Vibe:
$$\frac{dW}{dy} = a(m + 1)y^m e^{-a y^{m+1}}$$
Trong đó: $a, m$ là các thông số hình dáng và cường độ cháy; $y = \varphi / \varphi_b$ là tỷ số góc quay trục khuỷu tương đối.
Quá trình cháy rối hòa trộn trước của LPG - không khí được mô tả qua phương trình vận chuyển biến diễn tiến phản ứng $c$ ($c=0$ là hỗn hợp chưa cháy, $c=1$ là sản phẩm cháy hoàn toàn):
$$\frac{\partial (\rho c)}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \vec{v} c) = \nabla \cdot \left( \frac{\mu_t}{Sc_t} \nabla c \right) + S_c$$
Nguồn phản ứng trung bình $S_c$ và tốc độ lan tràn màng lửa rối $S_t$ xác định theo mô hình:
$$S_c = \rho_u S_t |\nabla c|$$
$$S_t = A \cdot u' \left( \frac{\tau_t}{\tau_c} \right)^{1/4} = A \cdot u' \left( \frac{S_L^2 \cdot l_t}{\alpha \cdot u'} \right)^{1/4}$$
Với các hằng số mô hình được thiết lập: $A = 0,52$ và $C_D = 0,37$; $S_L$ là tốc độ lan tràn màng lửa cháy chảy tầng xác định theo thực nghiệm: $S_L = \frac{dm_b/dt}{A_f \rho_u}$.
Phương trình bảo toàn năng lượng không đoạn nhiệt trong ANSYS Fluent có xét đến nguồn nhiệt phản ứng hóa học $S_{h,chem}$ và bức xạ nhiệt $S_{h,rad}$:
$$\frac{\partial (\rho h)}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \vec{v} h) = \nabla \cdot \left( \frac{k + k_t}{c_p} \nabla h \right) + S_{h,chem} + S_{h,rad}$$
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Hệ thống thiết bị đo đạc và khảo sát gồm:
- Băng thử công suất phanh điện APA 204/8 của hãng AVL.
- Thiết bị phân tích phát thải đồng bộ và thiết bị ghi hình quang học kỹ thuật số buồng cháy AVL 513D.
- Động cơ thử nghiệm: Động cơ Mazda WL-Turbo (4 xi lanh, tăng áp, buồng cháy ngăn cách, tỉ số nén $\varepsilon = 19,8$, dung tích $2.499\text{ cm}^3$) và động cơ Toyota 1KZ-TE.
- Hệ thống vi xử lý ATmega32 nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ CPS, cảm biến vị trí bướm ga TPS, cảm biến lưu lượng khí nạp, cảm biến nồng độ LPG và cảm biến kích nổ áp điện để điều khiển cơ cấu chấp hành phun LPG, van $\text{EGR}$ và thanh răng bơm cao áp.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan
Chương 1 phân tích mối quan hệ giữa ô nhiễm môi trường đô thị và sự gia tăng của phương tiện giao thông cá nhân tại Việt Nam, đồng thời điểm lại lộ trình áp dụng tiêu chuẩn phát thải Euro (Euro 2 từ 2006, Euro 3 từ 2008, Euro 4 từ 2017 và Euro 5 từ 2022). Tác giả so sánh chi tiết các chỉ tiêu nhiệt lý hóa giữa LPG và diesel, làm rõ ưu thế hòa trộn và nhiệt trị của LPG ($46,85\text{ MJ/kg}$) cùng nhiệt độ tự cháy cao ($783\text{ K}$) đòi hỏi nguồn mồi diesel.
Chương này đánh giá toàn diện 4 công nghệ cấp LPG cho động cơ nén cháy:
| Phương pháp cung cấp LPG |
Chất lượng hỗn hợp |
Mức độ nạp đầy |
Thích ứng tăng áp |
Khả năng giảm kích nổ |
| Hòa khí bằng họng Venturi |
Tốt (+++) |
Khá (++) |
Trung bình (+) |
Trung bình (+) |
| Phun khí LPG kiểu cơ khí |
Rất tốt (++++) |
Tốt (+++) |
Tốt (+++) |
Xấu (-) |
| Phun khí LPG kiểu điện tử |
Rất tốt (++++) |
Tốt (+++) |
Tốt (+++) |
Xấu (-) |
| Phun LPG lỏng |
Rất tốt (++++) |
Rất tốt (++++) |
Rất tốt (++++) |
Rất tốt (++++) |
Từ phân tích trên, tác giả lựa chọn giải pháp phun khí LPG điều khiển điện tử kết hợp các biện pháp can thiệp chống kích nổ làm trọng tâm nghiên cứu.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán quá trình cháy hỗn hợp diesel - LPG - không khí trong buồng cháy ngăn cách
Nội dung chương 2 tập trung xây dựng mô hình toán học giải thích bản chất tương tác giữa ngọn lửa diesel khuếch tán không đồng nhất và quá trình cháy rối đồng nhất của màng lửa LPG - không khí. Luận án làm rõ cơ chế phát sinh kích nổ: khi tốc độ lan tràn màng lửa trong hỗn hợp hòa trộn trước tăng đột biến (lên tới 50 lần so với diesel thuần), áp suất cục bộ và tốc độ tăng áp suất $\Delta p / \Delta \varphi$ tăng mạnh, tạo sóng xung kích phản hồi gây rung gõ kim loại.
Chương này thiết lập các phương trình xác định nồng độ oxy và nhiên liệu cục bộ, tốc độ màng lửa cháy tầng $S_L$, màng lửa cháy rối $S_t$, cùng nhiệt độ cháy đoạn nhiệt $T_{ad}$ có hiệu chỉnh bức xạ Crauford. Trên cơ sở đó, tác giả luận giải lý thuyết về 3 giải pháp dập tắt kích nổ: (1) Bổ sung khí trơ $\text{CO}_2$ vào khí nạp để làm loãng nồng độ oxy và hạ nhiệt độ cháy cực đại; (2) Hồi lưu khí thải $\text{EGR}$ làm mát; (3) Tăng lượng diesel mồi kết hợp hiệu chỉnh góc phun sớm $\varphi_s$.
Chương 3: Mô hình hóa quá trình cháy xác định mức phát ô nhiễm của động cơ WL - Turbo dùng diesel - LPG
Chương 3 trình bày việc thiết lập mô hình 3D buồng cháy ngăn cách động cơ WL-Turbo trên phần mềm ANSYS Fluent với lưới động mô phỏng theo hành trình piston. Mô hình tính toán chi tiết sự biến thiên của trường vận tốc, trường nhiệt độ, trường nồng độ các cấu tử ($\text{O}_2$, propane, butane, diesel), diễn biến tạo muội than (bồ hóng) và $\text{NO}_x$ theo góc quay trục khuỷu $\varphi$.
Kết quả mô phỏng cho thấy:
- Khi bổ sung $\text{CO}_2$ vào đường nạp, nhiệt độ trung bình môi chất trong buồng cháy giảm rõ rệt, nồng độ oxy cục bộ giảm, dẫn đến sự suy giảm tốc độ tăng áp suất chỉ thị và giảm nồng độ phát thải $\text{NO}_x$.
- Khi hệ số dư lượng không khí $\alpha$ biến thiên, nồng độ bồ hóng đạt cực tiểu ở vùng hòa khí nghèo nhưng $\text{NO}_x$ có xu hướng tăng ở vùng nhiệt độ cao tương ứng.
- Mô phỏng đã tái hiện chính xác hiện tượng kích nổ thông qua sự tăng vọt cục bộ của áp suất chỉ thị và nhiệt độ trung bình môi chất, chứng minh rằng can thiệp bằng $\text{CO}_2$ hoặc $\text{EGR}$ giúp làm êm dịu quá trình tăng áp $\Delta p / \Delta \varphi$.
Chương 4: Xây dựng và bố trí thí nghiệm
Chương 4 mô tả toàn bộ hệ thống thực nghiệm và quy trình chế tạo các cụm chi tiết chuyên dụng:
- Thiết kế, gia công bộ hóa hơi - giảm áp LPG đạt công suất cung cấp cho động cơ đến 100 kW, chuyển đổi ổn định LPG từ thể lỏng sang thể khí ở áp suất $780\text{ kPa}$.
- Thiết kế hệ thống cấp LPG qua họng khuếch tán trên động cơ Toyota 1KZ-TE và hệ thống phun khí LPG đa điểm trên đường nạp động cơ Mazda WL-Turbo.
- Chế tạo van $\text{EGR}$ điều khiển cơ - điện và bộ làm mát khí thải hồi lưu chuyên dụng.
- Thiết kế, lập trình mạch vi điều khiển trung tâm trên chip ATmega32: thu thập tín hiệu từ các cảm biến tốc độ động cơ CPS, cảm biến vị trí bướm ga TPS, cảm biến lưu lượng khí nạp, cảm biến nhiệt độ khí nạp/nước làm mát, cảm biến nồng độ LPG và cảm biến kích nổ. Mạch xử lý thuật toán PID điều khiển góc mở van LPG, van $\text{EGR}$ và động cơ bước/servo điều chỉnh thanh răng bơm cao áp diesel. Giao diện thu thập dữ liệu được kết nối hiển thị trên máy tính qua phần mềm LabVIEW.
Chương 5: Kết quả thực nghiệm và bàn luận
Chương 5 tổng hợp và đối chứng dữ liệu đo đạc trên băng thử phanh điện APA 204/8 và thiết bị đo khí xả AVL:
- Chế độ không tải (động cơ 1KZ-TE): Thử nghiệm cấp LPG bổ sung $\text{CO}_2$ xác lập được đường biên giới hạn không kích nổ, đảm bảo động cơ nổ êm dịu và không bị rung giật.
- Chế độ tải thấp ($M_e = 60\text{ Nm}$ và $M_e = 90\text{ Nm}$, động cơ WL-Turbo): Đánh giá hiệu quả của các giải pháp chống kích nổ. Khi áp dụng bổ sung $\text{CO}_2$ hoặc $\text{EGR}$, tỷ lệ thay thế năng lượng của LPG đạt mức cao mà không gây kích nổ. Nồng độ bồ hóng giảm sâu so với chế độ chạy 100% diesel. Thử nghiệm khảo sát 4 góc điều chỉnh phun sớm $\varphi_s \in {6^\circ, 10^\circ, 14^\circ, 18^\circ}\text{ TĐCT}$ cho thấy điều chỉnh góc phun trễ hơn giúp khống chế hiệu quả kích nổ và giảm phát thải $\text{NO}_x$.
- Chế độ tải trung bình: Phối hợp đồng thời giải pháp $\text{EGR}$ làm mát và hiệu chỉnh phun diesel mồi giúp động cơ duy trì công suất và mô men tương đương nguyên bản chạy diesel, trong khi nồng độ bồ hóng giảm từ 40% đến hơn 50%.
- Đối chứng mô hình và thực nghiệm: Dữ liệu áp suất chỉ thị $p_i$, đường đặc tính ngoài, nồng độ bồ hóng và $\text{NO}_x$ cho bởi phần mềm ANSYS Fluent có sự trùng khớp cao với dữ liệu đo thực nghiệm từ thiết bị AVL và hình ảnh quang học ghi nhận từ thiết bị AVL 513D.
Kết quả và những đóng góp mới
- Về mặt phương pháp và lý luận: Xây dựng thành công mô hình CFD 3D mô phỏng quá trình cháy hỗn hợp diesel - LPG trong buồng cháy ngăn cách (buồng xoáy lốc) của động cơ WL-Turbo bằng phần mềm ANSYS Fluent. Các kết quả tính toán mô phỏng về trường vận tốc, nhiệt độ, áp suất chỉ thị và nồng độ phát thải $\text{NO}_x$, bồ hóng đạt độ tin cậy cao, phù hợp với số liệu đo kiểm chứng thực nghiệm trên băng thử APA 204/8.
- Về mặt thiết kế và chế tạo:
- Thiết kế, chế tạo thành công bộ hóa hơi - giảm áp LPG nhỏ gọn, vận hành ổn định, cung cấp đủ lưu lượng khí cho động cơ công suất đến 100 kW.
- Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mạch vi điều khiển điện tử sử dụng vi xử lý ATmega32, cho phép điều khiển đồng thời lưu lượng phun LPG, lưu lượng diesel mồi và tỷ lệ hồi lưu khí thải $\text{EGR}$, dập tắt hoàn toàn hiện tượng cháy kích nổ.
- Về mặt ứng dụng thực tiễn: Chuyển đổi thành công hai loại động cơ diesel buồng cháy ngăn cách phổ biến (động cơ WL-Turbo phun LPG đường nạp và động cơ 1KZ-TE cấp LPG qua họng Venturi) sang sử dụng nhiên liệu kép diesel - LPG. Động cơ duy trì được hệ thống nhiên liệu diesel nguyên thủy, không bị kích nổ và vận hành ổn định ở các dải tải thường xuyên (không tải, tải thấp và tải trung bình), cắt giảm đáng kể lượng bồ hóng trong khí thải.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Luận án tập trung khảo sát quá trình làm việc và kiểm soát kích nổ ở các chế độ vận hành thường xuyên (không tải, tải thấp và tải trung bình trên ô tô du lịch đô thị); chưa thực hiện đo đạc chuyên sâu ở chế độ 100% toàn tải và các chu trình quá độ biến thiên nhanh. Đối tượng thực nghiệm tập trung vào động cơ buồng cháy ngăn cách, chưa mở rộng cho động cơ phun trực tiếp buồng cháy mở.
- Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Tiếp tục hoàn thiện mô hình toán và thuật toán điều khiển thích nghi thời gian thực cho ECU ở toàn bộ dải công tác, bao gồm chế độ toàn tải và tăng tốc đột ngột.
- Nghiên cứu độ bền dài hạn và tốc độ mài mòn cơ học của cặp piston - xi lanh khi sử dụng hệ thống $\text{EGR}$ làm mát có chứa các hợp chất lưu huỳnh.
- Mở rộng ứng dụng công nghệ điều khiển phun kép diesel - LPG trên các dòng động cơ diesel hiện đại sử dụng hệ thống Common Rail và động cơ có buồng cháy trực tiếp trên đỉnh piston.
Giá trị tham khảo
- Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Động cơ nhiệt, Kỹ thuật Ô tô: Luận án cung cấp tài liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp thiết lập mô hình cháy 3D CFD trên phần mềm ANSYS Fluent cho dòng buồng cháy xoáy lốc ngăn cách, cùng các phương trình nhiệt động học mô tả màng lửa rối và phản ứng cháy hai nhiên liệu.
- Đối với kỹ sư phát triển sản phẩm và cơ sở cải tạo phương tiện: Cung cấp giải pháp kỹ thuật, bản vẽ sơ đồ nguyên lý và lưu đồ thuật toán điều khiển bộ hóa hơi - giảm áp 100 kW, cụm van $\text{EGR}$ làm mát và mạch vi điều khiển ATmega32 có thể chế tạo bằng nguồn linh kiện sẵn có trong nước.
- Đối với các cơ quan quản lý giao thông đô thị và môi trường: Cung cấp luận cứ khoa học thực nghiệm về khả năng cắt giảm ô nhiễm bồ hóng từ phương tiện cơ giới thông qua giải pháp chuyển đổi nhiên liệu sạch LPG, phục vụ xây dựng chính sách quản lý phát thải đô thị.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao động cơ nén cháy hai nhiên liệu diesel - LPG dễ xảy ra hiện tượng cháy kích nổ?
Hiện tượng kích nổ xảy ra do LPG được hòa trộn trước với không khí đi vào buồng xi lanh có tỉ số nén cao. Khi tia diesel tự bốc cháy, ngọn lửa diesel đóng vai trò nguồn nhiệt kích hoạt sự bốc cháy hàng loạt của hỗn hợp hòa trộn trước LPG - không khí. Năng lượng hóa học giải phóng ồ ạt làm tốc độ lan tràn màng lửa tăng gấp khoảng 50 lần so với khi chạy diesel thuần, tạo ra tốc độ tăng áp suất buồng cháy $\Delta p / \Delta \varphi$ và nhiệt độ cục bộ rất lớn, sinh ra sóng xung kích va đập vào thành buồng cháy gây tiếng gõ kim loại.
2. Luận án đã áp dụng những giải pháp kỹ thuật nào để dập tắt kích nổ trên động cơ WL-Turbo?
Luận án đã nghiên cứu và thử nghiệm 4 giải pháp:
- Bổ sung khí $\text{CO}_2$ vào đường ống nạp để làm giảm nồng độ oxy và hạ nhiệt độ cháy cực đại.
- Hồi lưu một phần khí thải đã qua bộ làm mát ($\text{EGR}$) về đường nạp.
- Tăng tỷ lệ lưu lượng nhiên liệu diesel mồi nhằm kiểm soát tốc độ lan tràn màng lửa.
- Điều chỉnh góc phun sớm $\varphi_s$ của kim phun diesel trễ hơn (khảo sát ở 4 góc $6^\circ, 10^\circ, 14^\circ, 18^\circ\text{ TĐCT}$).
3. Hệ thống mô phỏng tính toán quá trình cháy của luận án sử dụng công cụ gì và được kiểm chứng như thế nào?
Luận án sử dụng phần mềm ANSYS Fluent để thiết lập mô hình 3D động lực học chất lưu, lưới động mô phỏng buồng cháy ngăn cách theo góc quay trục khuỷu. Kết quả tính toán mô phỏng về áp suất chỉ thị, mô men, nồng độ bồ hóng và $\text{NO}_x$ được đối chứng trực tiếp với số liệu đo thực nghiệm trên băng thử phanh điện APA 204/8 và thiết bị ghi hình quang học buồng cháy AVL 513D.
4. Mạch điều khiển điện tử do tác giả thiết kế sử dụng vi xử lý nào và thực hiện chức năng gì?
Mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển ATmega32 kết hợp phần mềm LabVIEW trên máy tính. Mạch có chức năng thu thập tín hiệu từ các cảm biến tốc độ trục khuỷu (CPS), vị trí bướm ga (TPS), lưu lượng khí nạp, nhiệt độ môi chất và cảm biến kích nổ; từ đó xuất tín hiệu điều khiển lưu lượng phun LPG, độ mở van hồi lưu khí thải $\text{EGR}$ và điều khiển động cơ servo/bước can thiệp thanh răng bơm cao áp diesel.
5. Việc chuyển đổi sang sử dụng diesel - LPG ảnh hưởng như thế nào đến mức độ phát thải khí độc hại?
Khi chuyển sang sử dụng diesel - LPG ở các chế độ tải thấp và trung bình, nồng độ bồ hóng (muội than) giảm rõ rệt (giảm từ 40% đến trên 50% tùy chế độ). Khi áp dụng bổ sung $\text{CO}_2$ hoặc $\text{EGR}$ kết hợp hiệu chỉnh góc phun sớm trễ hơn, nồng độ $\text{NO}_x$ được khống chế ở mức thấp, trong khi công suất và mô men của động cơ vẫn được duy trì tương đương chế độ chạy diesel nguyên thủy.
Kết luận
Luận án "Góp phần nghiên cứu ứng dụng LPG trên động cơ nén cháy" của tác giả Nguyễn Văn Phụng đã giải quyết thành công bài toán chuyển đổi nhiên liệu kép diesel - LPG cho động cơ có buồng cháy ngăn cách vận hành ở các chế độ tải thường xuyên. Bằng việc kết hợp mô phỏng 3D CFD trên ANSYS Fluent và thực nghiệm chuyên sâu trên băng thử tiêu chuẩn AVL, tác giả đã làm sáng tỏ cơ chế cháy, xác lập các thông số điều khiển tối ưu và chế tạo hoàn chỉnh hệ thống vi điều khiển dập tắt hiện tượng cháy kích nổ. Kết quả nghiên cứu khẳng định khả năng cắt giảm sâu nồng độ bồ hóng, giữ vững công suất động cơ và mang lại giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho quá trình chuyển đổi năng lượng sạch trên phương tiện giao thông đường bộ tại Việt Nam.
