Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Theo ước tính của Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ (EIA), vào năm 2006 tài nguyên xăng dầu chiếm 36,8% tổng nhu cầu năng lượng toàn cầu, với tốc độ tăng trưởng nhu cầu khoảng 2,3% mỗi năm, trong đó sản lượng dầu thô sử dụng cho động cơ đốt trong chiếm 70%. Cùng với đó, lượng phát thải các chất ô nhiễm không khí từ phương tiện giao thông như nitrogen oxides ($\text{NO}_x$), hạt bồ hóng ($\text{PM}$), carbon monoxide ($\text{CO}$), hydrocarbon ($\text{HC}$) và carbon dioxide ($\text{CO}_2$) chiếm khoảng 45–55% tổng lượng phát thải toàn cầu. Thực trạng này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nâng cao hiệu suất nhiệt và giảm thiểu phát thải trên động cơ đốt trong.

Các công nghệ cháy ở nhiệt độ thấp ($\text{LTC}$ - Low Temperature Combustion) như động cơ nén cháy hỗn hợp đồng nhất ($\text{HCCI}$) và động cơ nén cháy hòa trộn trước một phần ($\text{PCCI}$) đã được nghiên cứu nhằm giảm đồng thời $\text{NO}_x$ và $\text{PM}$. Tuy nhiên, động cơ $\text{HCCI}$ gặp hạn chế lớn về khả năng kiểm soát thời điểm bắt đầu cháy ($\text{SOC}$) và vùng làm việc hẹp (chủ yếu ở tải thấp). Động cơ $\text{PCCI}$ dù mở rộng được dải hoạt động nhưng việc kiểm soát quá trình cháy vẫn phức tạp và tiệm cận vùng phát thải cao ở tải lớn.

Động cơ nén cháy kiểm soát hoạt tính nhiên liệu ($\text{RCCI}$ - Reactivity Controlled Compression Ignition) ra đời như giải pháp kết hợp ưu điểm của $\text{HCCI}$ và $\text{PCCI}$ bằng cách sử dụng đồng thời hai loại nhiên liệu có hoạt tính tự cháy khác nhau: nhiên liệu hoạt tính cao ($\text{HRF}$) và nhiên liệu hoạt tính thấp ($\text{LRF}$). Mặc dù các nghiên cứu $\text{RCCI}$ trên thế giới đã được thực hiện trên động cơ nhiều xy lanh sử dụng hệ thống phun diesel điện tử Common Rail ($\text{CR}$), việc nghiên cứu chuyển đổi trực tiếp từ các động cơ diesel truyền thống một xy lanh sử dụng bơm cao áp cơ khí — loại động cơ đang được sản xuất và sử dụng phổ biến tại Việt Nam — sang chế độ cháy $\text{RCCI}$ vẫn còn là một khoảng trống thực nghiệm.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục đích tổng thể của luận án là đánh giá khả năng thiết lập chế độ cháy $\text{RCCI}$ trên động cơ chuyển đổi từ động cơ diesel truyền thống. Các mục tiêu cụ thể gồm:

  1. Thiết lập chế độ cháy $\text{RCCI}$ trên động cơ chuyển đổi từ động cơ diesel truyền thống với nhiên liệu diesel ($\text{HRF}$) được phun trực tiếp vào buồng cháy và nhiên liệu xăng ($\text{LRF}$) được phun vào đường ống nạp ($\text{PFI}$).
  2. Đánh giá các thông số có ích và các phát thải chủ yếu ($\text{NO}_x$, $\text{PM}$/soot, $\text{CO}$, $\text{HC}$, $\text{CO}_2$) của động cơ $\text{RCCI}$ sau khi thiết lập so với động cơ truyền thống.
  3. Đánh giá ảnh hưởng của thời điểm phun sớm nhiên liệu diesel đến quá trình cháy, biến thiên áp suất và đặc tính phát thải của động cơ $\text{RCCI}$.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel Yanmar DB178F(E). Đây là loại động cơ diesel truyền thống, một xy lanh, 4 kỳ, không tăng áp, làm mát bằng không khí, sử dụng 2 xupap (1 xupap nạp, 1 xupap thải) và buồng cháy thống nhất.
  • Phạm vi nghiên cứu: Các nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Trung tâm nghiên cứu Động cơ, Nhiên liệu và Khí thải thuộc Viện Cơ khí Động lực (nay là Trường Cơ khí), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Nghiên cứu giới hạn ở việc khảo sát ảnh hưởng của góc phun sớm nhiên liệu diesel tại các chế độ tải tĩnh (mức tải $2\text{ Nm}$, $6\text{ Nm}$, $10\text{ Nm}$ tương ứng với áp suất chỉ thị trung bình $\text{BMEP}$ là $0,84\text{ bar}$, $2,75\text{ bar}$ và $4,24\text{ bar}$) ở tốc độ $2000\text{ vòng/phút}$.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế và trong nước

Tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về quá trình cháy nhiệt độ thấp và động cơ $\text{RCCI}$:

  • Cơ sở nguyên lý LTC và RCCI: Wahlin F. (2007) xác định nguyên lý cháy đẳng tích thời gian ngắn của $\text{LTC}$. R.D. Reitz cùng cộng sự tại Đại học Wisconsin (Hoa Kỳ) đã đăng ký phát minh về điều khiển quá trình cháy thông qua kiểm soát độ phản ứng của nhiên liệu. Kokjohn và cộng sự so sánh động cơ $\text{RCCI}$ với diesel truyền thống ở $9\text{ bar}$ $\text{IMEP}$, ghi nhận $\text{NO}_x$ giảm 3 lần, bồ hóng giảm 6 lần và hiệu suất nhiệt chỉ thị tăng 16,4%. Splitter và cộng sự thử nghiệm trên động cơ đơn xy lanh với các biện pháp không làm mát piston, tăng khí sót và phân lớp nhiên liệu, đạt hiệu suất nhiệt cực đại xấp xỉ 60%.
  • Quy luật phun và tổ hợp nhiên liệu: Benajes và cộng sự nghiên cứu động cơ đơn xy lanh (cách ly từ động cơ 4 xy lanh) với tỷ số nén $15,3:1$, phân chia 3 vùng phun theo tải: tải thấp đến 40% dùng xung phun kép sớm ($\sim 45^\circ\text{ CA bTDC}$), 40–75% tải dùng 2 xung phun cách xa nhau (xung 2 gần điểm chết trên), và trên 75% tải dùng phun đơn muộn, giúp giảm phát thải $\text{NO}_x$ từ 75% đến 98%. Ogawa và cộng sự thử nghiệm hỗn hợp diesel–ethanol $20%$ kết hợp $\text{EGR}$ trên động cơ $0,83\text{L}$. Volpato và cộng sự điều khiển phun diesel–ethanol trên động cơ nông nghiệp MWM MS-4001P với tỷ lệ thay thế ethanol đạt 60–85%. Các nghiên cứu về phụ gia tăng chỉ số cetane như $2\text{-EHN}$ ($\text{C}8\text{H}{17}\text{NO}_3$) và $\text{DTBP}$ ($\text{C}8\text{H}{18}\text{O}_2$) của Dempsey và cộng sự cũng được phân tích.
  • Giải pháp chuyển đổi hệ thống phun: Carpenter và cộng sự thử nghiệm trên động cơ Yanmar L40 chuyển sang kim phun Delphi DFI1.5 và bơm Bosch CP4 dẫn động bằng động cơ điện. Dipak và cộng sự chuyển đổi động cơ 1 xy lanh sang hệ thống Common Rail áp suất $1400\text{ bar}$. Nazemi & Shahbakhti cùng Poorghasemi và cộng sự mô phỏng $\text{CFD}$ chỉ ra rằng áp suất phun quá cao làm giảm quán tính hạt nhiên liệu và gây khó khăn cho việc kiểm soát phân lớp hòa khí trong buồng cháy $\text{RCCI}$.
  • Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam: Các nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã thực nghiệm động cơ $\text{HCCI}$ sử dụng n-heptan trên đường nạp, khảo sát giảm tỷ số nén từ $20:1$ xuống $14,87:1$ kết hợp gia nhiệt khí nạp. Nhóm tác giả Nguyễn Ngọc Dũng và Nguyễn Văn Đông (Đại học Đà Nẵng) đã mô phỏng $\text{RCCI}$ trên nền động cơ AVL 5402 bằng phần mềm AVL-BOOST nhưng dừng lại ở tính toán lý thuyết. Một số nghiên cứu khác khảo sát động cơ diesel D4BB chạy diesel–ethanol ở 100% tải nhưng phát thải $\text{NO}_x$ bị tăng so với nguyên bản.
Hướng tiếp cận Tác giả tiêu biểu Kết quả chính Hạn chế còn tồn tại
Động cơ RCCI hạng nặng / đa xy lanh Reitz; Kokjohn; Benajes et al. Hiệu suất nhiệt đạt 50–60%, $\text{NO}_x$ và $\text{PM}$ giảm mạnh, đạt tiêu chuẩn EURO VI. Áp dụng trên động cơ lớn hoặc động cơ Common Rail hiện đại có sẵn.
Nghiên cứu phụ gia đơn nhiên liệu Dempsey et al.; Splitter et al. Dùng $2\text{-EHN}$ hoặc $\text{DTBP}$ pha vào xăng để thay thế hệ thống 2 nhiên liệu rời. Chi phí phụ gia cao, tính chất hòa trộn phức tạp.
Nghiên cứu LTC/HCCI tại Việt Nam Nhóm Bách khoa Hà Nội Thiết lập thành công động cơ $\text{HCCI}$ ở dải tải thấp (10–30% tải). Vùng làm việc hẹp, góc cháy quá sớm khó kiểm soát.
Mô phỏng RCCI tại Việt Nam Nguyễn Ngọc Dũng, Nguyễn Văn Đông Mô phỏng 1D trên AVL-BOOST cho thấy giảm $\text{NO}_x$ và muội than. Chưa có kiểm chứng thực nghiệm trên băng thử.

Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết

Luận án tập trung giải quyết bài toán chuyển đổi hoàn chỉnh từ phần cứng đến phần mềm cho một động cơ diesel 1 xy lanh truyền thống dùng bơm cao áp cơ khí sang chế độ cháy $\text{RCCI}$ bằng giải pháp kỹ thuật tối ưu chi phí (giữ lại bơm cơ khí nguyên bản, tích hợp ống tích áp và vòi phun điều khiển điện tử), đồng thời kết hợp cả mô phỏng nhiệt động học trên phần mềm chuyên dụng và kiểm chứng thực nghiệm đo đạc phát thải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết quá trình cháy RCCI

Quá trình cháy trong động cơ $\text{RCCI}$ vận hành dựa trên cơ chế phản ứng hóa học tự bốc cháy ở nhiệt độ thấp ($\text{LTC}$). Vùng phản ứng được định hướng nằm ngoài vùng tạo muội than ($\text{PM}$) và $\text{NO}_x$ trên đồ thị phân bố nồng độ hòa khí – nhiệt độ ($\Phi - T$) theo nghiên cứu của Maurya và cộng sự (tránh vùng nhiệt độ $1800 - 2000\text{ K}$ và $\Phi > 2$).

Quá trình cháy giải phóng nhiệt diễn ra theo hai giai đoạn:

  1. Quá trình tỏa nhiệt nhiệt độ thấp ($\text{LTHR}$): Chi phối bởi phản ứng oxy hóa của phần nhiên liệu hoạt tính cao ($\text{HRF}$ - diesel) tại nhiệt độ dưới $1000\text{ K}$ thông qua các gốc tự do $\text{OH}$, $\text{HO}_2$, $\text{H}$.
  2. Quá trình tỏa nhiệt nhiệt độ cao ($\text{HTHR}$): Diễn ra khi nhiệt độ và áp suất tăng cao, kích hoạt phản ứng cháy lan tràn của phần nhiên liệu hoạt tính thấp ($\text{LRF}$ - xăng) đã được hòa trộn đồng nhất từ trước.

Thời điểm bắt đầu cháy ($\text{SOC}$) được xác định tại mốc hỗn hợp cháy được 10% khối lượng ($\text{CA10}$) bằng mô hình kích nổ tích hợp sửa đổi ($\text{MKIM}$) và biểu thức tích phân máy nén nhanh ($\text{RCM}$): $$\int_{\theta_{\text{IVC}}}^{\theta_{\text{SOC}}} \frac{1}{\omega \cdot \tau} , d\theta = 1$$ Trong đó: $\theta_{\text{IVC}}$ là góc đóng xupap nạp, $\theta_{\text{SOC}}$ là góc bắt đầu cháy, $\omega$ là tốc độ góc trục khuỷu, và $\tau = A \cdot p^{-n} \cdot e^{b/T}$ là thời gian cháy trễ được tính từ nhiệt độ $T$ và áp suất $p$ trong xy lanh. Trị số cetane tương đương của hòa khí lưỡng nhiên liệu được tính theo tỷ lệ mol: $$\text{CN}{\text{dual-fuel}} = \text{CN}{\text{low}} \cdot x_{\text{low}} + \text{CN}{\text{high}} \cdot x{\text{high}}$$

Phương pháp nghiên cứu

Luận án phối hợp đồng bộ ba phương pháp:

  • Phương pháp phân tích lý thuyết: Xây dựng hệ phương trình nhiệt động học thứ nhất, phương trình bảo toàn năng lượng trong buồng cháy và mô hình truyền nhiệt Woschni.
  • Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm chuyên dụng AVL-BOOST với mô hình cháy hòa trộn nén $\text{AVL MCC}$ để mô phỏng chu trình công tác, tối ưu hóa các thông số điều khiển (thời điểm phun, tỷ lệ phân chia nhiên liệu xăng/diesel) trước khi thử nghiệm.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo chi tiết cơ khí chuyển đổi; tích hợp hệ thống đo lường áp suất buồng cháy theo góc quay trục khuỷu ($\text{CAD}$), suất tiêu hao nhiên liệu và nồng độ các thành phần khí thải ($\text{NO}_x$, $\text{CO}$, $\text{HC}$, soot/$\text{PM}$) trên băng thử động lực học.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh chung về tiêu thụ năng lượng và ô nhiễm môi trường do động cơ đốt trong. Chương này phân tích chi tiết cơ chế hoạt động của các mô hình cháy nhiệt độ thấp ($\text{LTC}$), bao gồm $\text{HCCI}$, $\text{PCCI}$ và $\text{RCCI}$. Động cơ $\text{RCCI}$ được làm rõ về nguyên lý kiểm soát phản ứng phân lớp và phản ứng toàn cục thông qua việc cung cấp đồng thời nhiên liệu hoạt tính thấp vào đường nạp và nhiên liệu hoạt tính cao vào buồng cháy.

Nội dung chương tổng kết các giải pháp công nghệ chuyển đổi:

  • Tỷ lệ nhiên liệu: Ảnh hưởng của tỷ lệ xăng/diesel đến góc cháy trễ và vị trí $\text{CA50}$.
  • Quy luật phun: Vai trò của số lần phun (phun đơn, xung kép) và thời điểm bắt đầu phun ($\text{SOI}$).
  • Thông số kết cấu: Ảnh hưởng của tỷ số nén (trong dải từ 11 đến 17), hình dạng buồng cháy trên đỉnh piston và luân hồi khí thải $\text{EGR}$.
  • Giải pháp chuyển đổi kết cấu: Đề xuất phương án cải tạo động cơ diesel truyền thống cỡ nhỏ bằng cách chuyển sang hệ thống phun tích áp Common Rail kết hợp giữ nguyên bơm cao áp cơ khí của động cơ nguyên bản (có khả năng cấp áp suất tới $550\text{ bar}$) để tiết kiệm chi phí và tránh tổn thất cơ giới lớn.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ RCCI

Chương 2 thiết lập nền tảng lý thuyết nhiệt động và động học phản ứng cho động cơ $\text{RCCI}$. Nội dung làm rõ bản chất quá trình tự cháy của hỗn hợp phân lớp trong buồng cháy: vòi phun diesel đặt tại tâm phun hướng về phía thành xy lanh làm tăng mật độ hoạt tính cao tại vùng thể tích chèn; quá trình tự cháy khởi phát từ vùng thể tích chèn sau đó lan tỏa ngược về phía tâm buồng cháy.

Chương này trình bày chi tiết:

  • Mô hình động học phản ứng oxy hóa nhiên liệu ở nhiệt độ thấp và cơ chế hình thành các chất trung gian.
  • Biểu thức giải tích tính toán thời gian cháy trễ và thời điểm bắt đầu cháy ($\text{SOC}$) dựa trên tích phân $\text{KIM}/\text{RCM}$ từ thời điểm đóng xupap nạp ($\text{IVC}$) đến $\text{SOC}$.
  • Hệ thống phương trình vi phân cân bằng năng lượng trong xy lanh để xác định tốc độ giải phóng nhiệt ($\text{HRR}$), phân tách rõ hai đỉnh nhiệt lượng $\text{LTHR}$ và $\text{HTHR}$.
  • Khung lý thuyết thiết lập mô hình mô phỏng chu trình công tác của động cơ trên phần mềm AVL-BOOST, bao gồm các phương trình bảo toàn khối lượng, năng lượng, mô hình cháy $\text{AVL MCC}$ và mô hình truyền nhiệt Woschni.

Chương 3: Chuyển đổi động cơ diesel 1 xy lanh sang động cơ RCCI và mô phỏng trên phần mềm AVL-BOOST

Chương 3 tập trung vào công tác thiết kế chế tạo hệ thống chuyển đổi phần cứng và xây dựng mô hình mô phỏng cho động cơ Yanmar DB178F(E):

  • Cải tạo hệ thống nhiên liệu diesel: Thay thế vòi phun cơ khí nguyên bản bằng vòi phun điều khiển điện tử Common Rail; thiết kế, chế tạo ống tích áp ($\text{rail}$) có cảm biến áp suất và van điều khiển áp suất; kết nối đường dẫn cao áp với bơm cao áp cơ khí nguyên bản; tích hợp bộ điều khiển điện tử tử $\text{ECU}$ và tầng kích công suất $\text{EDU}$.
  • Thiết kế hệ thống nhiên liệu xăng ($\text{LRF}$): Cải tạo đường ống nạp của động cơ, lắp đặt vòi phun xăng gián tiếp ($\text{PFI}$) hướng về phía xupap nạp với thời điểm phun định vị tại $10^\circ\text{ CA}$ sau khi xupap nạp mở ($\text{IVO}$) nhằm chống hiện tượng đọng sương nhiên liệu; trang bị cụm bơm xăng, bình chứa và lọc xăng độc lập.
  • Thay đổi tỷ số nén và đường thải: Thiết kế, chế tạo các tấm đệm nắp máy với chiều dày khác nhau để hiệu chỉnh tỷ số nén phù hợp; chế tạo mới đường ống thải phục vụ lắp đặt đầu đo áp suất và cảm biến khí thải.
  • Mô phỏng trên AVL-BOOST: Xây dựng sơ đồ mạng 1D mô phỏng động cơ Yanmar 178F chạy chế độ $\text{RCCI}$ ở các tỷ lệ hòa trộn xăng/diesel khác nhau; kiểm chứng mô hình mô phỏng thông qua so sánh đặc tính ngoài, diễn biến đường áp suất buồng cháy và nồng độ phát thải ($\text{CO}$, $\text{NO}_x$, $\text{PM}$) với số liệu thực tế ở các mức tải $2\text{ Nm}$, $6\text{ Nm}$ và $10\text{ Nm}$.
Hạng mục chuyển đổi Kết cấu nguyên bản (Yanmar DB178F(E)) Kết cấu sau chuyển đổi RCCI
Cấp nhiên liệu diesel Bơm cao áp cơ khí + Vòi phun cơ khí Giữ bơm cơ khí + Ống tích áp ($\text{Rail}$) + Vòi phun Common Rail điện tử ($\text{ECU/EDU}$)
Cấp nhiên liệu xăng Không có Ống nạp cải tiến + Bơm xăng điện + Vòi phun $\text{PFI}$ đặt trước xupap nạp
Tỷ số nén Cố định theo thiết kế nguyên bản Hiệu chỉnh linh hoạt bằng các đệm nắp máy gia công riêng
Đường ống thải Ống xả tiêu chuẩn Ống xả chế tạo mới tích hợp vị trí đo cảm biến khí thải và áp suất

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4 trình bày kết quả thực nghiệm trên băng thử tại phòng thí nghiệm:

  • Bố trí thí nghiệm: Lắp đặt động cơ chuyển đổi hoàn chỉnh trên băng thử công suất, kết nối cảm biến áp suất chỉ thị trong buồng cháy, cảm biến góc quay trục khuỷu, thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu và hệ thống phân tích phát thải khí xả.
  • Quy trình thử nghiệm: Khảo sát tại dải tốc độ $2000\text{ vòng/phút}$, với 3 chế độ tải đại diện: tải thấp $2\text{ Nm}$ ($0,84\text{ bar}$ $\text{BMEP}$), tải trung bình $6\text{ Nm}$ ($2,75\text{ bar}$ $\text{BMEP}$) và tải cao $10\text{ Nm}$ ($4,24\text{ bar}$ $\text{BMEP}$). Tại mỗi chế độ tải, góc phun sớm nhiên liệu diesel ($\text{SOI}$) được quét thay đổi từ $5^\circ$, $10^\circ$, $15^\circ$, $25^\circ$ đến $40^\circ\text{ CA bTDC}$.
  • Đánh giá quá trình cháy: Kết quả đo đạc khẳng định trong chế độ $\text{RCCI}$, thời điểm bắt đầu cháy độc lập với thời điểm kết thúc phun diesel; đồ thị tốc độ tỏa nhiệt thể hiện rõ 2 pha $\text{LTHR}$ và $\text{HTHR}$. Khi tăng góc phun sớm, đỉnh áp suất cháy cực đại tăng và dịch chuyển về gần điểm chết trên.
  • Đánh giá phát thải và tính kinh tế: Phát thải $\text{NO}_x$ và bồ hóng ($\text{soot}/\text{PM}$) giảm mạnh so với động cơ diesel Common Rail nguyên bản trên toàn bộ dải tải khảo sát. Ngược lại, phát thải $\text{CO}$ và $\text{HC}$ có xu hướng gia tăng tại mức tải thấp ($2\text{ Nm}$) do nhiệt độ buồng cháy thấp làm hạn chế quá trình oxy hóa hoàn toàn. Đánh giá sai lệch giữa kết quả mô phỏng trên AVL-BOOST và thực nghiệm cho thấy sự tương thích tốt về dạng đường áp suất và xu hướng phát thải.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xác lập và hoàn thiện quy trình tính toán, mô phỏng quá trình cháy nhiệt độ thấp $\text{RCCI}$ sử dụng cặp nhiên liệu xăng – diesel trên nền động cơ diesel cỡ nhỏ 1 xy lanh thông qua phần mềm AVL-BOOST kết hợp mô hình động học tự cháy tích phân $\text{KIM}/\text{RCM}$.
  2. Làm rõ quy luật ảnh hưởng của góc phun sớm nhiên liệu hoạt tính cao (diesel) đến động học giải phóng nhiệt 2 pha ($\text{LTHR}$ và $\text{HTHR}$), áp suất cháy cực đại và cơ chế hình thành các chất phát thải ($\text{NO}_x$, soot, $\text{CO}$, $\text{HC}$) trong buồng cháy phân lớp của động cơ chuyển đổi.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và công nghệ

  1. Thiết kế, chế tạo và tích hợp thành công hệ thống cấp nhiên liệu kép điều khiển điện tử cho động cơ diesel truyền thống Yanmar DB178F(E). Giải pháp công nghệ sử dụng lại bơm cao áp cơ khí nguyên bản kết hợp ống tích áp và vòi phun Common Rail giúp hạ giá thành chuyển đổi và giảm thiểu tổn hao cơ giới so với việc lắp ráp bơm Common Rail công nghiệp cỡ lớn.
  2. Thiết lập thành công chế độ cháy $\text{RCCI}$ ổn định trên động cơ chuyển đổi tại các mức tải từ thấp đến cao ($2\text{ Nm}$, $6\text{ Nm}$, $10\text{ Nm}$ ở $2000\text{ vòng/phút}$), đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật tương đương động cơ diesel nguyên bản trong khi giảm mạnh phát thải $\text{NO}_x$ và muội than mà không cần sử dụng bộ xử lý khí thải phức tạp phía sau đường xả.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng giải pháp chuyển đổi hệ thống phun nhiên liệu tích áp chi phí thấp cho các dòng động cơ diesel cỡ nhỏ truyền thống đang lưu hành trong nông nghiệp và giao thông nông thôn nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải mới.
  • Xây dựng bản đồ điều khiển ($\text{map}$) tối ưu hóa góc phun sớm và tỷ lệ cung cấp xăng/diesel trong $\text{ECU}$ theo từng vùng tải để giảm thiểu lượng phát thải $\text{CO}$ và $\text{HC}$ ở dải tải thấp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Nghiên cứu thực nghiệm mới chỉ thực hiện trên một đối tượng động cơ diesel đơn xy lanh, không tăng áp (Yanmar DB178F(E)) trong điều kiện phòng thí nghiệm.
  • Dải chế độ khảo sát thực nghiệm tập trung tại điểm tốc độ $2000\text{ vòng/phút}$ với 3 mức tải tĩnh ($2\text{ Nm}$, $6\text{ Nm}$, $10\text{ Nm}$); chưa tiến hành khảo sát toàn bộ bản đồ công tác và các chế độ chuyển tiếp động lực học của động cơ.
  • Phát thải $\text{HC}$ và $\text{CO}$ ở vùng tải thấp còn cao do nhiệt độ khí cháy thấp, chưa được xử lý triệt để bằng các biện pháp phụ trợ.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu tích hợp hệ thống luân hồi khí thải ($\text{EGR}$) có điều khiển và bộ gia nhiệt khí nạp nhằm mở rộng vùng làm việc ổn định của chế độ $\text{RCCI}$ lên dải tải cao hơn và giảm phát thải $\text{CO}/\text{HC}$ ở tải thấp.
  • Mở rộng thử nghiệm trên các dải tốc độ khác nhau của động cơ và khảo sát với các loại nhiên liệu sinh học thay thế như ethanol, methanol, biodiesel hoặc khí thiên nhiên ($\text{CNG}$).
  • Nghiên cứu tối ưu hóa hình học đỉnh buồng cháy piston nhằm tăng cường khả năng hòa trộn phân lớp hòa khí cho động cơ chuyển đổi.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô, Động cơ đốt trong và Kỹ thuật Năng lượng có thể tham khảo phương pháp luận kết hợp mô phỏng 1D trên AVL-BOOST với thực nghiệm kiểm chứng, cũng như cơ sở lý thuyết về động học cháy $\text{LTC}/\text{RCCI}$.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển ($\text{R&D}$): Tại các viện nghiên cứu, doanh nghiệp sản xuất máy động lực và máy nông nghiệp (như Tổng Công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam - VEAM) có thể kế thừa giải pháp thiết kế hệ thống Common Rail cải tiến tận dụng bơm cơ khí để chuyển đổi các dòng động cơ diesel hiện hữu sang động cơ phát thải thấp.
  • Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Tham khảo số liệu thực nghiệm về tiềm năng cắt giảm phát thải $\text{NO}_x$ và bồ hóng của công nghệ cháy mới nhằm xây dựng định hướng quy chuẩn kỹ thuật cho phương tiện cơ giới.

Câu hỏi thường gặp

1. Điểm khác biệt cơ bản giữa động cơ RCCI và động cơ lưỡng nhiên liệu thông thường là gì?

Trong động cơ lưỡng nhiên liệu thông thường, thời điểm bắt đầu cháy phụ thuộc trực tiếp vào thời điểm phun nhiên liệu mồi (diesel) sau một khoảng thời gian cháy trễ ngắn ($3 - 10^\circ\text{ CA}$). Ngược lại, trong động cơ $\text{RCCI}$, thời điểm bắt đầu cháy hoàn toàn độc lập với thời điểm kết thúc phun của nhiên liệu diesel ($\text{HRF}$). Nhiên liệu diesel được phun rất sớm để hòa trộn với xăng ($\text{LRF}$) và không khí tạo thành hỗn hợp phân lớp; quá trình tự cháy chỉ diễn ra khi hòa khí bị nén đạt đến điều kiện nhiệt độ và áp suất thích hợp ở cuối kỳ nén.

2. Tác giả đã giải quyết bài toán chuyển đổi hệ thống phun nhiên liệu diesel từ bơm cơ khí sang phun điện tử như thế nào?

Để tiết kiệm chi phí và tránh tổn thất công suất do dẫn động bơm Common Rail công nghiệp cỡ lớn, tác giả giữ nguyên bơm cao áp cơ khí nguyên bản của động cơ Yanmar DB178F(E) (có áp suất làm việc đạt khoảng $550\text{ bar}$), lắp đặt bổ sung một ống tích áp có cảm biến và van điều áp, thay thế vòi phun cơ khí bằng vòi phun điều khiển điện tử Common Rail, và điều khiển góc phun/thời gian phun thông qua tủ $\text{ECU}/\text{EDU}$.

3. Cặp nhiên liệu và phương thức cấp nhiên liệu cụ thể trong luận án là gì?

Luận án sử dụng cặp nhiên liệu Diesel – Xăng:

  • Nhiên liệu hoạt tính cao ($\text{HRF}$): Dầu diesel khoáng, được phun trực tiếp vào trong buồng cháy qua kim phun Common Rail điện tử.
  • Nhiên liệu hoạt tính thấp ($\text{LRF}$): Xăng thương mại, được phun gián tiếp vào đường ống nạp qua vòi phun $\text{PFI}$ tại thời điểm $10^\circ\text{ CA}$ sau khi xupap nạp mở.

4. Phần mềm mô phỏng và các mô hình nhiệt động nào được áp dụng trong luận án?

Tác giả sử dụng phần mềm chuyên dụng AVL-BOOST. Trong đó, mô hình cháy nén hỗn hợp $\text{AVL MCC}$ và mô hình truyền nhiệt Woschni được áp dụng để tính toán chu trình công tác, biến thiên áp suất và nồng độ khí thải trong buồng cháy.

5. Xu hướng biến đổi phát thải của động cơ RCCI sau chuyển đổi so với động cơ diesel nguyên bản như thế nào?

Động cơ $\text{RCCI}$ sau chuyển đổi có lượng phát thải $\text{NO}_x$ và muội than ($\text{PM}/\text{soot}$) giảm rất mạnh trên toàn bộ dải tải khảo sát so với động cơ diesel nguyên bản. Tuy nhiên, phát thải $\text{CO}$ và $\text{HC}$ có xu hướng tăng lên ở chế độ tải thấp ($2\text{ Nm}$) do nhiệt độ cháy trong xy lanh thấp làm chậm quá trình oxy hóa hoàn toàn.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Tuấn Thành đã giải quyết thành công bài toán chuyển đổi động cơ diesel truyền thống 1 xy lanh Yanmar DB178F(E) sang chế độ nén cháy kiểm soát hoạt tính nhiên liệu ($\text{RCCI}$) sử dụng cặp nhiên liệu xăng – diesel. Tác giả đã đề xuất giải pháp kỹ thuật khả thi khi giữ nguyên bơm cơ khí nguyên bản kết hợp ống tích áp và vòi phun Common Rail điều khiển điện tử, giúp tối ưu chi phí chế tạo. Kết quả mô phỏng trên phần mềm AVL-BOOST và thực nghiệm trên băng thử đã chứng minh động cơ sau chuyển đổi vận hành ổn định, duy trì tính năng kinh tế kỹ thuật tương đương động cơ nguyên bản và giảm thiểu đáng kể phát thải $\text{NO}_x$ cùng muội than.