Tóm tắt: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNG

MỞ ĐẦU
i. Lý do chọn đề tài
Tình trạng nóng lên tồn cầu và ơ nhiễm khơng khí đã và đang là
một trong những vấn đề lớn nhất thế giới [1]. Cùng với sự phát triển
của sản xuất công nghiệp và sự gia tăng không ngừng của các phương
tiện vận tải, việc giảm thiểu khí thải nhà kính ln nhận được rất nhiều
sự quan tâm từ chính phủ cũng như các nhà khoa học [2]. Nguồn gây
ô nhiễm vô cùng đa dạng trong đó ơ nhiễm do sử dụng nhiên liệu hóa
thạch có thể coi là một trong những nguồn chính gây độc hại đến sức
khỏe con người. Hướng tới mục tiêu “Tăng trưởng xanh, tiến tới nền
kinh tế các-bon thấp, làm giàu vốn tự nhiên trở thành xu hướng chủ
đạo trong phát triển kinh tế bền vững; giảm phát thải và tăng khả năng
hấp thụ khí nhà kính dần trở thành chỉ tiêu bắt buộc và quan trọng
trong phát triển kinh tế- xã hội”, ngày 25 tháng 09 năm 2012, Thủ
Tướng Chính phủ đã ra Quyết định số 1393/QĐ-TTg, về việc “Phê
duyệt chiến lược quốc gia về tăng trưởng xanh”. Nội dung của Quyết
định có đề cập vấn đề “Thay đổi cơ cấu nhiên liệu trong công nghiệp
và giao thông” [5].
Từ các số liệu nghiên cứu trên có thể thấy rằng phát triển nhiên liệu
thay thế phục vụ cho các phương tiện giao thông vận tải là hết sức cần
thiết, bởi vì thỏa mãn được các yêu cầu về kiểm sốt khí thải và giảm
được sự phụ thuộc vào nhiên liệu dầu mỏ. Tuy nhiên, để đảm bảo được
những yêu cầu này cần thiết phải có các nghiên cứu cơ bản chuyên
sâu. Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên
liệu đến đặc tính làm việc đợng cơ CNG” sẽ góp phần giải quyết được
ơ nhiễm khơng khí do khí thải động cơ đốt trong thải ra trong q trình
làm việc.
ii. Mục tiêu của luận án
• Mục tiêu chung
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến
đặc tính làm việc và khí thải ở động cơ khí thiên nhiên phun trên đường

nạp.
• Mục tiêu cụ thể
− Đánh giá được ảnh hưởng của một số thơng số phun nhiên liệu
đến tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ CNG thông qua các
chế độ vận hành.
− Cải thiện chất lượng phát thải của động cơ CNG theo hướng giảm
1


phát thải NOx.
iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
− Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel một xylanh sau khi chuyển
đổi thành động cơ phun khí thiên nhiên trên đường ống nạp.
− Phạm vi nghiên cứu:
+ Chuyển đổi hệ thống điều khiển phun nhiên liệu cơ khí sang
phun điện tử ở động cơ diesel một xylanh sử dụng nhiên liệu
CNG. Đánh giá định lượng ảnh hưởng của một số thơng số phun
(thời điểm phun, thời gian phun, vị trí đặt vịi phun, áp suất phun
nhiên liệu) đến đặc tính làm việc và khí thải của động cơ.
+ Các nội dung thí nghiệm của luận án được thực hiện trong phạm
vi Phịng thí nghiệm động cơ đốt trong, Khoa Cơ khí động lực,
Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Vĩnh Long.
iv. Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là kết hợp lý thuyết
mơ hình hóa với thực nghiệm. Trong đó:
− Nghiên cứu lý thuyết làm cơ sở thiết kế hệ thống nhiên liệu điện
tử phun khí thiên nhiên trên đường ống nạp và thiết lập các thông
số phun cho các chế độ vận hành động cơ CNG.
− Nghiên cứu mô phỏng động cơ bằng phần mềm AVL Boost để
xem xét ảnh hưởng của các thông số như: Đường kính ống nạp,

hệ số dư lượng khơng khí (λ), thời điểm phun và thời gian phun
đến mơ men, cơng suất và khí thải động cơ.
− Nghiên cứu thực nghiệm nhằm định lượng hóa và đánh giá ảnh
hưởng của áp suất phun khí thiên nhiên đến mơ men, cơng suất
và khí thải của động cơ.
v. Ý nghĩa khoa học và thực tiến của đề tài:
− Ý nghĩa khoa học: Luận án đã khảo sát thành công một số thơng
số phun (đường kính ống nạp, thời điểm bắt đầu phun, thời gian
phun, vị trí đặt vịi phun, áp suất phun nhiên liệu), phương pháp
phun đến đặc tính làm việc và khí thải của động cơ CNG phun
trên đường nạp.
− Ý nghĩa thực tiễn: Với áp suất phun, vị trí đặt vòi phun hợp lý đã
xử lý được hiện tượng dịng khí ngược trên đường nạp, nhờ vậy
đặc tính làm việc và khí thải của động cơ đã được cải thiện. Đây
là cơ sở để phát triển thế hệ động cơ CNG mới đạt được hiệu suất
nhiệt cao và khí thải thấp.
2


vi. Các điểm mới của luận án:
− Luận án đã xây dựng thành cơng mơ hình mơ phỏng động cơ sử
dụng khí thiên nhiên phun trên đường nạp bằng phần mềm AVL
Boost và Ansys Fluent để khảo sát ảnh hưởng của một số thông
số phun (thời điểm phun, thời gian phun, vị trí đặt vịi phun, áp
suất phun nhiên liệu) đến tính năng làm việc và phát thải.
− Kế thừa từ nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel S1100 một
xylanh thành động cơ khí thiên nhiên của Trần Thanh Tâm về
hình dạng của đỉnh piston và vị trí lắp bugi trên nắp máy, vịi
phun điều khiển bằng cơ khí,  = 11,5. NCS đã nghiên cứu thiết
kế và chế tạo mô đun điều khiển phun nhiên liệu và đánh lửa, xác

định được vị trí đặt vịi phun và áp suất phun tốt nhất để triệt tiêu
dịng khí ngược xuất hiện trên đường nạp. Thêm vào đó, luận án
đã thiết lập được hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng
bức, tự động kiểm soát nhiệt độ nước làm mát. Để đảm bảo động
cơ làm việc an toàn và giảm thiểu tiếng ồn, tỷ số nén của động cơ
đã giảm xuống  = 10; bổ sung thêm hệ thống van giảm áp và ổn
định áp suất phun từ 1  5 bar trong suốt quá trình nghiên cứu
thực nghiệm.
vii. Bố cục của luận án:
Thuyết minh của luận án bao gồm các nội dung chính sau:
+ Mở đầu
+ Chương 1: Nghiên cứu tổng quan.
+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết và nghiên cứu chuyển đổi động cơ.
+ Chương 3: Nghiên cứu mô phỏng động cơ.
+ Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm.
+ Kết luận chung và hướng phát triển.
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nhiên liêu thay thế:
1.1.1. Nhiên liệu sinh học (biofuel)
1.1.2. Nhiên liệu hydrogen
1.2. Tổng quan về nhiên liệu khí thiên nhiên:
1.2.1. Đặc tính nhiên liệu khí thiên nhiên:
1.2.2. Nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG)
1.2.3. Nhiên liệu khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG)
1.3. Các nghiên cứu về động cơ sử dụng khí thiên nhiên nén:
3


1.3.1. Hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG
1.3.2. Động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu

1.3.3. Động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ xăng
1.3.4. Động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ diesel
1.4. Tổng quan các nghiên cứu về động cơ sử dụng khí thiên
nhiên:
1.4.1. Các nghiên cứu ngồi nước
S Sahoo và các cộng sự [177] đã nghiên cứu ảnh hưởng của thời
điểm phun nhiên liệu đến quá trình cháy và hiệu suất của động cơ CNG
– xăng. Thực nghiệm được thực hiện chuyển đổi động cơ bốn xylanh
sang sử dụng đồng thời nhiên liệu xăng và CNG. Các kết quả chỉ ra
rằng thời điểm phun nhiên liệu có ảnh hưởng đáng kể đến công suất
và mô men của động cơ lưỡng nhiên liệu. Công suất và mô men lớn
nhất đạt được với thời điểm phun tại 26 độ trước điểm chết trên.
PA Harari và cộng sự [179] cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của thời
điểm phun và thời gian phun trên một động cơ CNG phun trên đường
ống nạp. Động cơ thí nghiệm được cung cấp đồng thời nhiên liệu CNG
và diesel với vai trò đánh lửa nén. Kết quả cho thấy, thời điểm và thời
gian phun có ảnh hưởng rất lớn đến công suất và suất tiêu hao nhiên
liệu. Các thông số hiệu suất đạt được giá trị tối ưu với thời điểm phun
25 độ trước ĐCT và thời gian phun 90 độ góc quay trục khuỷu và phát
thải NOx và HC của động cơ cũng được giảm đáng kể.
1.4.2. Các nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam hiện nay đã có một số cơng trình nghiên cứu nhằm
thử nghiệm đưa nhiên liệu mới vào sử dụng cho động cơ đốt trong
như: Nhiên liệu sinh học, nhiên liệu khí hỏa lỏng, khí đốt tự nhiên...
Hầu hết các nghiên cứu bước đầu chủ yếu là thử nghiệm cho các động
cơ thương mại sẵn có bằng các giải pháp kỹ thuật như sử dụng lưỡng
nhiên liệu (Dual fuel) bằng cách kết hợp giữa các nhiên liệu truyền
thống (xăng và diesel) lượng nhiên liệu mới cũng chỉ chiếm một lượng
nhỏ so với nhiên liệu truyền thống. Các nghiên cứu cụ thể về động cơ
sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) là rất hạn chế vì rất khó

tiếp cận với các nghiên cứu này hoặc các kết quả nghiên cứu về nhiên
liệu CNG vẫn chưa được thỏa mãn để làm cơ sở phát triển động cơ
nhiên liệu CNG. Một số nghiên cứu đã được tiếp cận phần nào về động
cơ sử dụng nhiên liệu CNG có thể liệt kê như sau:
Nguyen Danh Chan và Le Hung Duong cũng đã nghiên cứu các dự
4


án sử dụng nhiên liệu CNG cho xe buýt tại Việt Nam và chỉ ra rằng,
chi phí cho các phương tiện công cộng sử dụng CNG cao hơn đáng kể
so với sử dụng xăng. Tuy nhiên các lợi ích khi giảm chi phí nhiên liệu
sử dụng và phát thải mơi trường là rất lớn [185].
PGS. TS Hồng Đình Long đã nghiên cứu thực nghiệm sử dụng
nhiên liệu khí nén thiên nhiên trên động cơ CNG [186]. Nhóm nghiên
cứu đã sử dụng động cơ diesel 1 xylanh Kubota SKD80 để cung cấp
đồng thời nhiên liệu CNG và diesel với một hệ thống phun nhiên liệu
CNG được thêm vào trên đường ống nạp. Các kết quả chỉ ra rằng phát
thải NOx có thể giảm trên 50%, lượng khói đen giảm hơn 10 lần. Các
kết quả có thể khẳng định rằng nhiên liệu CNG là giải pháp thiết thực
cho việc tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải NOx và khói bụi.
Trần Thanh Tâm đã “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số
kết cấu đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ diesel chuyển
đổi sử dụng khí thiên nhiên nén (CNG)” sử dụng vịi phun điều khiển
bằng cơ khí với áp phun 1 bar [189]. Các kết quả đã chỉ ra rằng, ảnh
hưởng của tỷ số nén, hình dạng đỉnh piston đến thời gian cháy và phát
thải của động cơ là rất lớn. Các kết quả thu được từ thực nghiệm đã
chứng minh rằng, sự thay đổi hình dạng buồng cháy trên đỉnh piston
đã rút ngắn được thời gian cháy ở động cơ nghiên cứu. Kết cấu hình
học của đỉnh piston đã gián tiếp góp phần khắc phục được nhược điểm
về tốc độ cháy chậm ở nhiên liệu khí thiên nhiên.

1.5. Kết luận chương 1
Qua nghiên cứu tổng quan về nhiên liệu và động cơ sử dụng khí
thiên nhiên ở trong và ngoài nước, các kết luận rút ra của chương được
trình bày như sau:
+ Chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ sử dụng khí thiên nhiên
sẽ hiệu quả hơn so với động cơ xăng, bởi vì tận dụng được tính năng
động học của dịng khí nạp đi vào trong xylanh của động cơ. Không
những thế tốc độ cháy được tăng lên và tổn thất nhiệt truyền cho thành
buồng cháy giảm đi đáng kể nếu sử dụng hình dạng đỉnh piston và tỷ
số nén phù hợp.
+ Hướng đến mục tiêu giảm phát thải khí Mê-tan đến năm 2030 của
Chính phủ nước ta, nghiên cứu chuyển đổi từ động cơ diesel thành
động cơ khí thiên nhiên sẽ là một trong những bước đi đầu tiên để đạt
được mục tiêu đó. Giải pháp được cho là hiệu quả nhất đó là nghiên
cứu kiểm sốt lượng nhiên liệu cung cấp thơng qua một số thông số
5


phun nhiên liệu CNG trên đường nạp. Để đảm bảo cho động cơ sau
chuyển đổi làm việc an toàn trong suốt quá trình làm việc, động cơ
diesel nguyên bản nên giảm tỷ số nén xuống  = 10, hình dạng đỉnh
piston được kế thừa từ nghiên cứu của Trần Thanh Tâm, ĐHBK Hà
Nội.
+ Để làm rõ ảnh hưởng của thông số phun nhiên liệu trên đường
ống nạp đến đặc tính làm việc của động cơ khí thiên nhiên cần tiến
hành xây dựng cơ sở lý thuyết và nghiên cứu chuyển đổi động cơ.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU
CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ
2.1. Cơ sở hình thành hỗn hợp:
2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy

2.2.1. Các giả thuyết
Định luật 1 của nhiệt động học.
2.2.2. Mơ hình cháy khơng chiều
Nhiệt lượng mà nhiên liệu tạo ra do quá trình đốt cháy có thể được
tính như sau:

2.2.3. Khối lượng hỗn hợp đã cháy
Mơ hình tốn học của Rassweiler và Withrow [190] được sử dụng
để ước tính các đường cong của phần khối lượng được đốt cháy từ dữ
liệu thể tích và áp suất trong xi lanh.
2.2.4. Mơ hình cháy một vùng
Hệ số truyền nhiệt tức thời được điều chỉnh từ Woschni [191] được
cho bởi phương trình như sau:
2.3. Khái quát về mô phỏng:
2.3.1. Phần mềm AVL Boost
2.3.2. Phần mềm Ansys Fluent
2.4. Nghiên cứu chuyển đổi động cơ:
2.4.1. Lựa chọn động cơ
NCS đã chọn động cơ diesel một xylanh S1100 do Trung Quốc sản
xuất, các thông số tại bảng 2.1.

6


Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật của động cơ S1100
Thông tin kỹ thuật
Đơn vị
Giá trị
Kiểu động cơ
4 kỳ, 1 xylanh nằm ngang

Đường kính xylanh
mm
103
Hành trình piston
mm
115
Thể tích cơng tác
Lít
0,903
Cơng suất
Tỷ số nén
Nhiên liệu sử dụng
Dầu bơi trơn

(kW (mã lực)/
vịng/phút)
-

11,03 (15)/2200
20:1
Dầu diesel
Nhớt 30 (SAE30, 20, 10W-30)

2.4.2. Nội dung kế thừa từ nghiên cứu của Trần Thanh Tâm
Kết cấu buồng cháy, hình dạng của đỉnh piston và vị trí lắp bugi
trên nắp máy; Nghiên cứu về góc đánh lửa ban đầu (15 độ trước ĐCT)
của động cơ sau chuyển đổi sử dụng vịi phun điều khiển bằng cơ khí;
Ống nạp, bướm ga và hệ thống cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiên với
vịi phun điều khiển bằng cơ khí; Phương pháp tính lambda từ nhiên
liệu đo được và lượng khí nạp đo.

2.4.3. Nội dung phát triển trong chuyển đổi động cơ diesel sang sử
dụng nhiên liệu CNG
2.4.3.1. Lắp đặt hệ thống đánh lửa và hệ thống điều khiển phun bằng
điện
+ Lắp cảm biến vị trí trục cam (CMP), cảm biến vị trí trục khuỷu
(CKP), Cảm biến lượng khí nạp (MAF) và cảm biến vị trí bướm ga
(TPS)
+ Thiết kế chế tạo bộ điều khiển điện tử
Trong quá trình động cơ làm việc, bộ điều khiển điều khiển nhận
các tín hiệu từ các cảm biến (CMP, CKP, MAF, TPS…) xử lý, gửi tín
hiệu điều khiển đánh lửa (IGT) đến bô bin đánh lửa và tín hiệu điều
khiển (IGF) đến vịi phun điện.
Kết nối với máy tính giao tiếp người dùng (MMI – Man Machine
Interface) để hiển thị và điều khiển thời điểm phun, thời gian phun,
góc đánh lửa sớm.
+ Lắp đặt vịi phun điều khiển bằng điện: Sử dụng vịi phun khí
Hana H2100 có điện áp hoạt động 12V DC, áp suất làm việc từ 15
7


bar.

Hình 2.7. Ống nạp và vịi phun điều
khiển bằng điện

Hình 2.6. Bộ điều khiển điện tử

+ Sử dụng bô bin tích hợp IC đánh lửa (dùng trong hệ thống đánh
lửa trực tiếp trên ô tô).
2.4.3.2. Lắp đặt hệ thống nhiên liệu: có thể điều chỉnh áp suất 150 bar

xuống áp suất cung cấp từ 110 bar.
2.4.3.3. Giảm tỉ số nén động cơ
+ Kế thừa kích thước và hình dạng piston từ nghiên cứu của Trần
Thanh Tâm. Tuy nhiên để đảm bảo cho động cơ làm việc an toàn tránh
xảy ra hiện tượng cháy kích nổ trong q trình vận hành thử nghiệm,
NCS điều chỉnh giảm tỉ số nén  = 10 cho động cơ sau chuyển đổi
bằng cách tăng chiều dày phần đệm nắp máy.
2.4.3.4. Lắp ghép hệ thống lấy mẫu và phân tích khí thải
2.4.3.5. Chuyển đổi thành hệ thống khởi động điện: Sử dụng động cơ
điện khởi động DC 12V – 2,5kW, tỉ số truyền hệ thống khởi động 12,8.
2.4.3.6. Chuyển đổi thành hệ thống làm mát tuần hồn cưỡng bức có
kiểm sốt và điều khiển quạt làm mát bằng điện.
2.5. Xây dựng đặc tính làm việc của động cơ sau chuyển đổi
2.5.1. Thiết bị thí nghiệm
2.5.1.1. Băng thử MP 100S
2.5.1.2. Thiết bị phân tích khí thải KEG – 500 CE (Hàn Quốc)
2.5.2. Phương pháp thí nghiệm
Hình 2.21 thể hiện bố trí các trang thiết bị thí nghiệm tổng thể, các
thiết bị chính sử dụng trong thí nghiệm.
Mục đích của thí nghiệm là xác định đặc tính tốc độ của động cơ sau
khi chuyển đổi và làm số liệu đầu vào để hiệu chuẩn mơ hình động cơ
mơ phỏng. Để đạt được mục đích này thí nghiệm sẽ được tiến hành ở các
điều kiện như sau:
8


+ Tốc độ động cơ thay đổi từ 10002200 vòng/phút, n=200
vòng/phút. Sự thay đổi tốc độ của động cơ được dừng lại khi mơ men
(Me) có xu hướng giảm.
+ Lambda trong suốt quá trình thử nghiệm được duy trì ở giá trị λ = 1

để giữ cho điều kiện cháy của hỗn hợp gần sát với lý thuyết.
+ Thời điểm đánh lửa cũng được thay đổi để xác định giá trị mô men
lớn nhất ứng với mỗi tốc độ động cơ, bước thay đổi là ∆IT = 2 độ.
+ Nhiệt độ của hỗn hợp nạp trước khi đi vào động cơ và nhiệt độ nước
làm mát được kiểm soát trong khoảng từ 303 K đến 353 K trong suốt quá
trình thí nghiệm.

Hình 2.21. Sơ đồ bố trí thiết bị phục vụ thí nghiệm

2.5.3. Kết quả thí nghiệm
Hình 2.23 trình bày sự thay đổi của mô men (Me), công suất (Ne) và
lượng nhiên liệu cấp (Ge) theo tốc độ động cơ. Me của động cơ có xu
hướng tăng trong khoảng tốc độ từ n=1000 vòng/phút đến
n=1400vòng/phút. Nhưng khi n tăng hơn 1400 vịng/phút mơ men của
động cơ có xu hướng giảm mặc dù Ge vẫn tăng. Góc đánh lửa được điều
chỉnh để đạt mô men lớn nhất lần lượt là IT = 140 (1000 vòng/phút), 140
(1200 vòng/phút), 160 (1400 vòng/phút), 180 (1600 vòng/phút), và 200
(1800 vòng/phút, 2000 vòng/phút và 2200 vòng/phút) trước điểm chết
trên (BTDC) như trên hình vẽ.
Các kết quả khí thải thể hiện trên hình 2.24 cho thấy xu hướng
thay đổi của cả NOx và HC tương đối giống nhau khi tốc độ động cơ tăng
từ 10002000 vòng/phút. NOx tăng dần và đạt giá trị lớn nhất tại
1400 vòng/phút và có xu hướng giảm khi tốc độ động cơ trên
9


1600 vịng/phút.

Hình 2.23. Kết quả thí nghiệm ban đầu
của động cơ sau khi chuyển đổi.

Hình 2.24. Kết quả thí nghiệm của NOx
và HC

Hình 2.25 thể hiện sự thay đổi
của thành phần khí thải CO và
CO2 theo tốc độ động cơ. Thành
phần khí thải CO và CO2 đều có
xu hướng tăng khi tăng tốc độ
động cơ, bởi vì lượng nhiên liệu
tăng nhanh và hệ số nạp giảm.

Hình 2.25. Kết quả thí nghiệm của CO
và CO2

2.6. Kết luận chương 2:
“Nghiên cứu chuyển đổi động cơ và cơ sở lý thuyết hình thành hỗn
hợp và cháy” đóng vai trị rất quan trọng trong nghiên cứu này. Mục tiêu
của việc chuyển đổi động cơ là làm đối tượng phục vụ cho nghiên cứu
mô phỏng và thực nghiệm. Các kết luận của chương được tóm tắt như
sau:
+ Động cơ diesel một xylanh S1100 đã được chuyển đổi thành động
cơ nghiên cứu một xylanh phun nhiên liệu khí thiên nhiên trên đường
ống nạp có tỉ số nén =10. Hệ thống cấp khí thiên nhiên ban đầu là phun
điều khiển bằng cơ khí, các kết quả thử nghiệm thu được từ động cơ
nghiên cứu và hệ thống băng thử sẽ là thông số cơ bản để hiệu chuẩn
động cơ mơ phỏng.
+ Cơ sở lý thuyết hình thành hỗn hợp được xây dựng dựa trên mối
quan hệ giữa các thơng số cơ bản quan trọng như: hình dạng của đường
ống nạp, vị trí đặt vịi phun nhiên liệu, lưu khối của dịng khí nạp, áp suất

của vịi phun nhiên liệu, thời điểm bắt đầu phun và khoảng thời gian
phun, sự phân phối nhiên liệu trong đường ống nạp.
+ Cơ sở lý thuyết của mơ hình cháy cưỡng bức được dựa vào định
luật bảo toàn khối lượng, định luật thứ nhất của nhiệt động học và phương
10


trình trạng thái khí lý tưởng. Để mơ hình cháy cưỡng bức sát với thực tế,
các mơ hình con đã được xây dựng chủ yếu là giải quyết bài toán về năng
lượng (K-k) mà không xem xét đến ảnh hưởng trong khơng gian.
+ Để đánh giá và giải thích được sự ảnh hưởng của các điều kiện thực
tế đến quá trình cháy ở động cơ cháy cưỡng bức, cần thiết phải xây dựng
được các cơng cụ tính tốn từ các thơng số vật lý đo được trong q trình
thực nghiệm. Từ số liệu thực nghiệm đo được áp suất trong xylanh động
cơ theo góc quay trục khuỷu, bằng các phương trình tốn học kết hợp với
các giả thuyết có thể làm sáng tỏ hơn kết quả thực nghiệm. Xây dựng mơ
hình tốn của động cơ đốt trong kết hợp với các số liệu thực nghiệm là
một giải pháp đơn giản và hiệu quả, góp phần quan trọng thực hiện
nghiên cứu phát triển và kiểm sốt khí thải ở động cơ đốt trong.
+ Các kết quả thu được từ thực nghiệm ở điều kiện phun nhiên liệu trên
đường ống nạp điều khiển cơ khí chính là thơng đặc tính ban đầu của động
cơ nghiên cứu sau khi chuyển đổi, các thông số này sẽ là số liệu đầu vào
để hiệu chuẩn động cơ mô phỏng, để hướng đến các kết quả nghiên cứu
mơ phỏng ở chương sau.
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG
3.1. Mục đích
Trong nghiên cứu này sẽ sử dụng hai phần mềm chuyên dụng để mô
phỏng động cơ nghiên cứu, đó là AVL Boost và Ansys Fluent với mục
tiêu cụ thể khác nhau.
+ Phần mềm AVL Boost: Mô phỏng động cơ đốt trong chuyên dụng,

mục đích của việc sử dụng phần mềm này là tập trung vào nghiên cứu và
phân tích các q trình, các kết quả thu được từ động cơ mô phỏng theo
quan điểm của Nhiệt động học. Mô phỏng bằng phần mềm AVL Boost
khảo sát ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun, thời gian phun, lambda và
góc đánh lửa sớm đến mơ men, cơng suất và phát thải của động cơ theo
tốc độ động cơ và độ mở bướm ga.
+ Phần mềm Ansys Fluent: Nghiên cứu dịng chảy và sự hịa trộn giữa
dịng khí nạp trong đường ống và nhiên liệu khí thiên nhiên được phun vào
bên đường ống nạp trong trường hợp dịng khí khơng có trao đổi nhiệt chỉ
là dịng vật lý thơng thường (Cool flow). Mô phỏng bằng phần mềm Ansys
Fluent sẽ xác định vị trí, góc đặt vịi phun và áp suất phun sao cho dịng
khí nạp và dịng nhiên liệu đi ra khỏi vịi phun khơng xảy ra hiện tượng
giảm tốc độ dịng khí đi vào trong xylanh và khả năng nhiên liệu dễ dàng
tiếp cận được với khơng khí.
3.2. Xây dựng mơ hình động cơ nghiên cứu:
11


3.2.1. Nghiên cứu động cơ mô phỏng bằng phần mềm AVL Boost
Hình 3.1 mơ hình động cơ một xy lanh.
3.2.2. Xây dựng mơ hình bằng Ansys Fluent
Hình 3.7 mơ hình mô phỏng đường ống nạp.
3.3. Hiệu chuẩn và điều khiển mơ hình:
3.3.1. Mơ hình nghiên cứu trên AVL Boost:
Mục đích chính của việc nghiên cứu mơ phỏng trong luận án là định
hướng cho việc nghiên cứu thực nghiệm động cơ diesel S1100 chuyển
đổi sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên. Do đó, việc điều chỉnh mơ hình
động cơ trên phần mềm AVL Boost được điều chỉnh thông qua điều
chỉnh các thơng số của mơ hình cháy, mơ hình truyền nhiệt và các thơng
số phun để đảm bảo kết quả tính tốn mơ phỏng phù hợp với kết quả thực

nghiệm trên động cơ thí nghiệm.

Hình 3.1. Động cơ một xylanh mơ phỏng
bằng AVL Boost

Hình 3.7. Mơ phỏng đường ống nạp
bằng phần mềm Ansys Fluent

Kết quả mơ hình sau khi hiệu chỉnh đạt được sai số giữa mô phỏng và
thực nghiệm nhỏ hơn 5%. Lúc đó mơ hình được coi là đủ độ tin cậy để
sử dụng tính tốn mơ phỏng. (Hình 3.22). Kết quả mô phỏng và thực
nghiệm ở cả 2 loại khí thải là NOx và HC nằm trong khoảng 25% trong
tồn bộ dải tốc độ động cơ. (Hình 3.23).

Hình 3.22. Kết quả hiệu chuẩn mơ hình

Hình 3.23. Hiệu chuẩn mơ hình theo khí
thải động cơ

3.3.2. Mơ hình nghiên cứu trên Ansys Fluent:
12


Mục đích: Để xem xét ảnh hưởng của vị trí đặt vòi phun và áp suất
phun đến chất lượng hòa trộn của hỗn hợp; Điều kiện nghiên cứu được
tiến hành như sau:
+ Khoảng cách từ tâm vòi phun đến cửa nạp nắp máy (H) sẽ được dịch
chuyển từ 20  150 mm, nhiên liệu được phun ra khi xupap nạp mở
và bướm ga mở 100%.
+ Góc nghiêng hợp bởi đường tâm vòi phun và đường tâm ống nạp

được điều chỉnh ở các góc α = 300, 450, 600 và 900.
+ Áp suất phun nhiên liệu đến khả năng hòa trộn hỗn hợp, áp suất
phun được điều chỉnh từ 1 ÷ 5 bar. (Hình 3.7)
3.4. Ảnh hưởng của thơng số phun
3.4.1. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun
+ Các kết quả mô phỏng trên AVL Boost cho thấy thời điểm bắt đầu
phun nhiên liệu đến mô men và thành phần khí thải thay đổi khơng đáng
kể khi thay đổi độ mở bướm ga và tốc độ động cơ.

Hình 3.26. Ảnh hưởng của thời điểm
phun đến mô men động cơ theo độ mở
bướm ga

Hình 3.29. Ảnh hưởng của thời điểm bắt
đầu phun tới phát thải NOx theo độ mở
bướm ga

Hình 3.30. Ảnh hưởng của thời điểm
phun đến mô men động cơ tại các tốc độ
động cơ khác nhau

Hình 3.31. Ảnh hưởng của thời điểm bắt
đầu phun tới phát thải NOx tại các tốc
độ động cơ khác nhau

3.4.2. Ảnh hưởng của lambda ():
+ Mơ phỏng trên AVL Boost khi mở hồn tồn bướm ga, tốc độ động
cơ n=10002200 vòng/phút, =0,91,1 cho thấy  và n có ảnh hưởng
lớn đến mơ men. Với =0,9 mô men đạt Memax=58,48 Nm tại
13

1.400 vòng/phút cao hơn so với Me = 57,31Nm khi =1.

Hình 3.34. Ảnh hưởng của hệ số dư
lượng khơng khí đến mơ men

Hình 3.35. Ảnh hưởng thời gian phun
đến mơ men

3.4.3. Ảnh hưởng của thời gian phun:
Hình 3.35 cho thấy mô men tăng dần khi tăng thời gian phun (tp) và
đạt giá trị lớn nhất tại tp=0,021s. Từ kết quả thu được có thể thấy rằng tp
có ảnh hưởng lớn đến mơ men và cơng suất động cơ.

Hình 3.42. Ảnh hưởng của đường kính
ống nạp tới mơ men theo tốc độ động cơ

Hình 3.44. Ảnh hưởng của kích thước
đường ống nạp tới công suất động cơ

3.4.4. Ảnh hưởng của đường kính ống nạp (Dn)
Mơ phỏng trên AVL Boost khảo sát Dn=3050mm, D=5mm. Kết
quả cho thấy khi tăng Dn tới một mức nhất định sẽ cải thiện mô men,
công suất, nâng cao hiệu suất và đặc tính làm việc của động cơ. Tại
Dn=50mm mơ men Memax=57,35Nm tại n=1400 vịng/phút (hình 3.42)

Hình 3.48. Ảnh hưởng của vị trí vịi phun
đến vận tốc trung bình của hỗn hợp

Hình 3.50. Ảnh hưởng của vị trí vịi
phun đến động năng rối của hỗn hợp

3.4.5. Ảnh hưởng của vị trí đặt vịi phun
14


Mô phỏng trên Ansys Fluent khi áp suất phun pf=1bar, góc nghiêng α
giữa đường tâm vịi phun và đường tâm ống nạp thay đổi (α = 30; 45; 60
và 90 độ) và khoảng cách từ tâm vòi phun đến cửa nạp H lần lượt là
20mm, 50mm, 100mm và 150mm. Kết quả khi góc α=45 độ và
H=100mm vận tốc trung bình hỗn hợp đạt Vmmax=25,02 m/s và động năng
rối của hỗn hợp nhiên liệu – khơng khí tốt hơn so với các trường hợp cịn
lại(hình 3.48 và 3.50), khả năng hịa trộn của hỗn hợp được cải thiện cũng
như hệ số nạp được tăng lên, từ đó giúp tăng mơ men và cơng suất của
động cơ.

Hình 3.51. Ảnh hưởng của áp suất phun
đến lưu lượng phun nhiên liệu

Hình 3.52. Ảnh hưởng của áp suất phun
đến vận tốc của dòng nhiên liệu trên
đường nạp

3.4.6. Ảnh hưởng của áp suất phun (pf):
Kết quả mơ phỏng trên Ansys Fluent khi vịi phun cố định tại góc
nghiêng α = 450, H = 100mm, pf = 1  5 bar. (Hình 3.51, 3.52 và 3.54).
Khi tăng pf: Lưu lượng nhiên liệu, vận tốc, động năng rối của hỗn hợp
đều tăng.

Hình 3.54. Ảnh hưởng của áp suất phun
đến động năng rối của hỗn hợp

Hình 3.55. Mơ men thay đổi theo tốc độ
động cơ

3.5. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm
Khi tốc độ động cơ tăng cần phải điều chỉnh thời điểm đánh lửa sớm
hơn để được mô men lớn nhất.
3.6. Kết luận chương 3:
Từ các kết quả thu được ở hai mơ hình mơ phỏng (AVL Boost) và ba
15


chiều (Ansys Fluent) có thể rút ra các kết luận tóm tắt như sau:
+ Với mỗi vị trí mở của bướm ga, ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu
phun đến mơ men và khí thải của động cơ là khơng đáng kể.
+ Lambda tỉ lệ nghịch với thời gian phun, điều chỉnh lambda trong
khoảng từ λ = 0,9 đến λ = 1,1, mô men động cơ tăng rất nhanh khi tăng
thời gian phun nhiên liệu. Mô men lớn nhất tăng 14% khi lambda giảm
từ λ = 1,1 về λ = 0,9.
+ Đường kính ống nạp Dn ảnh hưởng nhiều đến mô men của động cơ,
từ nghiên cứu mô phỏng AVL Boost đã xác định sơ bộ được Dn=50 mm
cải thiện đáng kể hệ số nạp ở vùng tốc độ động cơ lớn, đồng thời đạt
được mô men lớn nhất và khí thải thấp. Tại tốc độ động cơ 2200
vịng/phút, mơ men tăng 39% khi tăng đường kính ống nạp từ Dn = 30
mm lên Dn = 50 mm. Đây là thông số quan trọng phục vụ cho nghiên
cứu ở mô hình khơng gian ba chiều (3D).
+ Nghiên cứu mơ hình ở Ansys Fluent đã chỉ ra rằng áp suất phun
không chỉ ảnh hưởng rất lớn đến lượng nhiên liệu nạp vào trong xy lanh

động cơ mà còn ảnh hưởng rất lớn đến động năng rối của dịng mơi chất
trên đường ống nạp. Khi tăng áp suất phun nhiên liệu từ 1 bar lên 5 bar,
động năng rối tăng 98%. Điều này có nghĩa là khả năng hịa trộn của hỗn
hợp được bắt đầu ngay trên đường ống nạp.
+ Vị trí đặt vịi phun có ảnh hưởng rất lớn đến động năng rối của dịng
khí nạp, vịi phun khí thiên nhiên được đặt xa xúp-páp nạp sẽ tăng được
vận tốc của dịng khí nạp và hạn chế sự xuất hiện của dịng khí ngược do
chính hiện tượng đóng mở của xúp-páp gây ra khi động cơ làm việc ở
tốc độ cao. Vận tốc trung bình của dịng khí nạp trước khi đi vào trong
xylanh tăng 8,5%.
+ Tăng áp suất phun nhiên liệu đến pf = 4 bar sẽ làm giảm ảnh hưởng
của áp suất ngược trên đường nạp của động cơ, vì vậy hệ số nạp của động
cơ được cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, nếu tăng áp suất phun lớn hơn sẽ
góp phần làm tăng giá trị của áp suất ngược trên đường nạp. Thông số
tối ưu được lựa chọn trong nghiên cứu mơ hình Ansys Fluent dành cho
vị trí đặt vòi phun nhiên liệu là h = 100mm, α=45 độ, pf = 4 bar.
+ Góc đánh lửa thay đổi theo tốc độ động cơ, khi tốc độ động cơ tăng
cần phải điều chỉnh thời điểm đánh lửa sớm hơn để được mơ men lớn
nhất. Tuy nhiên, góc đánh lửa tối ưu để đạt được đồng thời mô men lớn
và khí thải thấp nên điều chỉnh khơng được vượt q 200 trước điểm chết
trên.
+ Bằng sự kết hợp các số liệu thu được từ nghiên cứu mô phỏng động
16


cơ trên AVL Boost và Ansys Fluent đã thiết lập được bộ thông số phục
vụ cho nghiên cứu thực nghiệm như: Lựa chọn vòi phun nhiên liệu điều
khiển bằng điện, thiết kế bộ điều khiển phun nhiên liệu và đánh lửa.
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
4.1. Mục đích

+ Xác định mơ men (Me), cơng suất có ích (Ne), khí thải động cơ
chuyển đổi chạy bằng khí thiên nhiên phun trên đường nạp (CNG) tại
các áp suất phun, phương pháp phun theo tốc độ động cơ.
+ So sánh ảnh hưởng của các giải pháp phun khí thiên nhiên trên
đường nạp đến tính năng làm việc và khí thải động cơ, đánh giá giữa kết
quả mô phỏng và kết quả đo thực nghiệm
4.2. Lựa chọn vòi phun điều khiển bằng điện:
+ Để chọn vịi phun nhiên liệu
cho động cơ thực tế, mơ phỏng để
xác định lưu lượng nhiên liệu phun
của động cơ ở tốc độ động cơ thay
đổi từ 1.000÷2.200 vịng/phút. Tỉ số
nén ε=10, λ=1, áp suất phun nhiên
liệu được giữ pf=const. Hình 4.1.
lưu lượng đạt 84,2 lít/phút tại tốc độ
2200 vịng/phút. Từ kết quả trên, ta
lựa chọn vòi phun H2100 với các thơng số, và đặc tính bảng 4.2.
+ Sau khi lựa chọn vòi phun H2100, tiến hành chạy thực nghiệm với
các điều kiện giống với mơ phỏng trước đó. Từ các kết quả (Hình 4.1) so
sánh trên cho thấy, lượng nhiên liệu cấp vào bên trong động cơ giữa mô
phỏng và thực nghiệm có sự thay đổi tương đối giống nhau, Từ kết quả
trên cho thấy vịi phun khí H2100 phù hợp để tiến hành các thí nghiệm
trong nghiên cứu này.
4.3. Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng cơ khí đến chất
lượng làm việc của động cơ
4.3.1. Ảnh hưởng của áp suất phun đến mô men và công suất:
Hình 4.3 và 4.4 biểu diễn mối quan hệ giữa mơ men, cơng suất và số
vịng quay trục khuỷu với áp suất phun 3, 4 và 5 bar cho thấy khi tăng áp
suất phun từ 3 bar lên 5 bar giúp cải thiện mô men của động cơ tại tốc độ
thấp và tăng được công suất động cơ khi tăng số vòng quay.

17


Hình 4.3. Ảnh hưởng của áp suất phun
nhiên liệu đến mơ men động cơ

Hình 4.4. Ảnh hưởng của áp suất phun
nhiên liệu đến công suất của động cơ

4.3.2. Ảnh hưởng áp suất phun đến phát thải của động cơ:

Hình 4.5. Ảnh hưởng của áp suất phun
nhiên liệu đến phát thải CO

Hình 4.6. Ảnh hưởng của áp suất phun
nhiên liệu đến phát thải HC

Hình 4.5 biểu diễn ảnh hưởng của áp suất phun đến phát thải khí CO.
Áp suất phun 5 bar, lượng phát thải CO đạt giá trị lớn nhất là 1,54% tại
1000 vòng/phút, giá trị thấp nhất là 0,05% tại 2000 vịng/phút. Trong khi
đó, với áp suất phun 3 bar thì lượng phát thải tại 1000 vịng/ phút chỉ là
1,2% và 2000 vịng/ phút là 0,09%. Hình 4.6 biểu diễn ảnh hưởng của áp
suất phun đến phát thải khí HC. Cùng một tốc độ thì trường hợp áp suất
phun 5 bar luôn cho lượng phát thải HC cao hơn so với 4 và 3 bar. Tại
tốc độ động cơ 1000 vòng/phút, động cơ hoạt động với áp suất phun
nhiên liệu 5 bar cho lượng phát thải HC là 150 ppm, trong khi với 4 bar
giá trị phát thải HC là 115 ppm và 3 bar chỉ là 90 ppm. Tăng áp suất phun
dẫn đến lượng phát thải khí HC tăng.

Hình 4.8. Ảnh hưởng của áp suất phun
đến lượng nhiên liệu cung cấp tại các
tốc độ động cơ khác nhau

Hình 4.7. Ảnh hưởng của áp suất phun
nhiên liệu đến phát thải NOx

18


Hình 4.7 biểu diễn ảnh hưởng của áp suất phun đến phát thải khí NOx.
Khi tốc độ động cơ tăng từ 1000 vịng/phút đến 1200 vịng/phút thì lượng
phát thải NOx đo được sẽ tăng lên, sau đó giảm dần khi tăng tốc độ động
cơ. Tại cùng một tốc độ, lượng phát thải NOx giảm khi áp suất phun tăng.
Cụ thể, áp suất phun 3 bar tại tốc độ 1200 vòng/phút, lượng phát thải này
đạt giá trị lớn nhất là 750 ppm, trong khi đó với áp suất phun 5 bar giá trị
này là 587 ppm, thấp hơn 21,7%.
4.4. Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng điện đến chất
lượng làm việc của động cơ
4.4.1. Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng điện đến lượng
nhiên liệu cung cấp
Hình 4.8 biểu diễn kết quả thực nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa
lưu lượng nhiên liệu khí thiên nhiên cung cấp và áp suất phun trong dải
tốc độ từ 10002000 vòng/phút. Ở cùng một tốc độ động cơ như nhau
nhưng tăng áp suất phun nhiên liệu sẽ tăng được lượng nhiên liệu cấp
vào trong xylanh. Mặt khác với tốc độ động cơ cao hơn, lượng nhiên liệu
cung cấp cũng cao hơn trong cả ba điều kiện áp suất phun. Có thể kết
luận rằng áp suất phun ảnh hưởng nhiều đến tốc độ động cơ và rất lớn
đến lượng nhiên liệu cung cấp. Tăng áp suất phun và tốc độ động cơ sẽ
làm tăng lượng nhiên liệu cung cấp và từ đó mở ra khả năng tăng được

cơng suất của động cơ.
4.4.2. Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng điện đến cơng
suất và mơ men động cơ

Hình 4.10. Ảnh hưởng của áp suất phun
đến công suất của động cơ tại các tốc độ
động cơ khác nhau

Hình 4.11. Ảnh hưởng của áp suất phun
đến mô men của động cơ tại các tốc độ
động cơ khác nhau

Hình 4.10 và Hình 4.11 thể hiện sự ảnh hưởng của áp suất phun
đến công suất và mô men của động cơ tại các tốc độ khác nhau. Dễ dàng
nhận thấy ảnh hưởng của áp suất phun đến Me và Ne khá lớn, trong
khoảng n = 1000  2000 vòng/phút xu hướng thay đổi của Me và Ne là
giống nhau. Tại mỗi tốc độ động cơ, áp suất phun lớn sơn sẽ cho cả M e
19


và Ne lớn hơn. Sự khác biệt về giá trị của Me và Ne chủ yếu là do lưu
lượng nhiên liệu cấp tăng được ở cùng điều kiện làm việc như nhau. Từ
những phân tích trên, ta có thể kết luận rằng áp suất phun có ảnh hưởng
lớn tới cơng suất và mô men của động cơ. Tăng áp suất phun sẽ giúp cải
thiện công suất và mô men của động cơ và giúp động cơ phát ra công
suất lớn hơn ngay tại tốc độ thấp.
4.4.3. Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng điện đến khí thải

Hình 4.12. Ảnh hưởng của áp suất phun
nhiên liệu đến lượng phát thải CO

Hình 4.13. Ảnh hưởng của áp suất phun
nhiên liệu đến lượng phát thải HC

Hình 4.12, 4.13 và 4.14 trình bày kết đo quả lượng khí thải CO, HC
và NOx từ thực nghiệm khi cho động cơ hoạt động với các tốc độ khác
nhau ở áp suất phun 3, 4 và 5 bar.
+ Lượng khí thải CO và HC
cùng giảm khi tăng tốc độ động cơ
sẽ là ảnh hưởng đến thành phần
khí thải NOx, lượng khí thải NOx
ở áp suất phun 5 bar là cao hơn so
với 3 và 4 bar.
+ Tăng áp suất phun sẽ giúp cải
thiện công suất và mô men của
động cơ và giúp động cơ phát ra
công suất lớn hơn ngay tại tốc độ
thấp, cùng với đó giúp giảm được lượng khí thải CO và HC.
+ Tăng áp suất phun sẽ giúp cải thiện công suất và mô men của động
cơ và giúp động cơ phát ra công suất lớn hơn ngay tại tốc độ thấp, cùng
với đó giúp giảm được lượng khí thải CO và HC.
4.5. So sánh ảnh hưởng của giải pháp phun nhiên liệu đến đặc tính
làm việc của động cơ:
Hình 4.16 và 4.17 kết quả thực nghiệm với giải pháp phun điều khiển
cơ khí và phun điều khiển bằng điện. Khi phun điều khiển cơ khí cho
mơ men Memax =59,5 Nm tại 1000 vịng/phút, cao hơn so với giá trị tại
đó khi phun điều khiển bằng điện Memax = 58,5 Nm tương ứng khoảng
20

1,7%. Tại n=2000 vịng/phút. Phun điều khiển cơ khí đạt Nemax=11,4 kW
cao hơn so với phun điều khiển bằng điện đạt Nemax= 11 kW.

Hình 4.16. So sánh ảnh hưởng của chế
độ phun đến mơ men

Hình 4.17. Ảnh hưởng của chế độ phun
nhiên liệu đến công suất động cơ

4.6. So sánh kết quả giữa thực nghiệm và mơ phỏng

Hình 4.21. So sánh mơ men động cơ
giữa thực nghiệm và mơ phỏng

Hình 4.22. So sánh công suất động cơ
giữa thực nghiệm và mơ phỏng

Kết quả trên hình 4.21 cho thấy sự thay đổi của mô men theo chiều
tăng của tốc độ động cơ, khi ta tăng áp suất nhiên liệu lên từ 3 bar tới
5 bar dưới điều kiện bướm ga mở hồn tồn, góc đánh lửa sớm IT ở vị
trí 20 độ BTDC, và =10 ở cả mơ hình mơ phỏng và mơ hình thực
nghiệm. Mơ men có xu hướng thay đổi giống nhau cả về mô phỏng và
thực nghiệm, nhưng sự khác nhau được thể hiện khá rõ khi so sánh kết
quả giữa mô phỏng và thực nghiệm ở từng điều kiện áp suất nhiên liệu.
Tại áp suất 3 bar, mô men mô phỏng đạt giá trị lớn nhất ở tốc độ 1400
vịng/phút sau đó giảm dần theo chiều tăng tốc độ động cơ. Trong khi đó
mơ men thực nghiệm lớn nhất ở tốc độ 1000 vòng/phút, tại các vị trí tốc
độ khác thì mơ men thực nghiệm đều có giá trị thấp hơn mô phỏng.
Tại áp suất là 4 bar và 5 bar, sự thay đổi giá trị mô men giữa mô phỏng
và thực nghiệm là không nhiều. Giá trị mô men mô phỏng lớn nhất của

cả hai trường hợp đều đạt được ở vị trí tốc độ 1400 vịng/phút, trong khi
mơ men thực nghiệm đạt lớn nhất ở 1000 vịng/ phút. Sai số giữa thực
nghiệm và mơ phỏng khá ít, giá trị mơ men thực nghiệm cao hơn chút tại
các vùng tốc độ cao từ 1800 vịng/phút. Tóm lại, việc thay đổi áp suất
nhiên liệu có ảnh hưởng tới mô men động cơ, giá trị mô men biến đổi
21


không nhiều khi so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm theo chiều tăng
áp suất nhiên liệu.
Hình 4.22 thể hiện công suất của động cơ ở chế độ thực nghiệm và
mơ phỏng tại n=10002000 vịng/phút. Áp suất phun giữa thực nghiệm
và mô phỏng được điều chỉnh tăng dần từ 3  5 bar. Kết quả cho thấy
cơng suất có xu hướng tăng giống nhau ở cả thực nghiệm và mô phỏng.
Công suất động cơ tăng và đạt cực đại tại 2000 vịng/phút. Nhìn chung
sự chênh lệch giữa mơ phỏng và thực nghiệm là không đáng kể, tương
ứng khoảng 25% tại tốc độ 2000 vịng/phút có chênh lệch lớn nhất ở áp
suất phun 3 bar và 5 bar tương ứng khoảng 6,2% và 7,5%.
Hình 4.23 và 4.24 so sánh lượng khí thải HC và NOx giữa kết quả
thực nghiệm và mô phỏng.

Hình 4.23. So sánh lượng khí thải HC
giữa kết quả thực nghiệm và mơ phỏng

Hình 4.24. So sánh lượng khí thải NOx
giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng

4.7. Kết luận chương 4
+ Tăng áp suất phun sẽ tăng được lượng nhiên liệu cấp và cải thiện
được giá trị mô men ở vùng tốc độ cao. Tại tốc độ lớn hơn 1800

vòng/phút, khi áp suất phun nhiên liệu tăng đến 5 bar, giảm được thành
phần khí thải NOx của phun điều khiển cơ khí và CO, HC của phun điều
khiển bằng điện.
+ Mô men và công suất của kiểu phun điều khiển cơ khí cao hơn so
với phun điều khiển bằng điện trong toàn bộ dải tốc độ động cơ. Chế độ
phun điều khiển bằng cơ khí cho giá trị mơ men lớn nhất cao hơn so với
giá trị đó của chế độ phun điều khiển bằng điện khoảng 1,7%. Tuy nhiên
kiểm soát lambda ở kiểu phun điều khiển cơ khí khó khăn hơn so với
phun điều khiển bằng điện.
+ Giải pháp phun điều khiển bằng điện giúp cải thiện được lượng khí
thải NOx ở các dải tốc độ động cơ so với phun điều khiển bằng cơ khí
tương ứng khoảng 17,5% tại giá trị chênh lệch lớn nhất. Nguyên nhân là
do đối với chế độ phun điều khiển cơ khí lượng nhiên liệu cấp vào động
cơ khó kiểm sốt hơn so với phun điều khiển bằng điện dẫn đến sự thay
22


đổi về hệ số lambda. Cùng với đó lượng khí thải HC và CO cũng giảm
đi khi sử dụng vòi phun điều khiển bằng điện. Tuy nhiên khi xét đến tổng
lượng khí thải của HC và CO của động cơ là tương đối nhỏ, do đó lượng
chênh lệch về giá trị khí thải này là khơng đáng kể.
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Sau khi thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của các thơng số phun nhiên
liệu đến đặc tính làm việc của động cơ sử dụng khí thiên nhiên, các kết
luận của luận án được rút ra như sau:
+ Luận án đã tổng hợp được các nghiên cứu về chuyển đổi động cơ
diesel thành động cơ CNG, chuyển đổi thành công động cơ diesel S1100
một xylanh thành động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng nhiên liệu khí
thiên nhiên phun trên đường nạp và chạy thử nghiệm tại Phòng thí
nghiệm động cơ đốt trong trường ĐHSPKT Vĩnh Long.

+ Luận án xây dựng thành cơng mơ hình động cơ một xylanh bằng
phần mềm AVL Boost dùng để khảo sát ảnh hưởng của đường kính ống
nạp, vị trí đặt vịi phun, thời điểm bắt đầu phun và thời gian phun đến
đặc tính làm việc và khí thải của động cơ. Xây dựng thành cơng mơ hình
phun nhiên liệu CNG trên đường ống nạp bằng phần mềm mô phỏng
ANSYS Fluent để khảo sát ảnh hưởng của vị trí đặt vịi phun và áp suất
phun nhiên liệu đến lưu lượng nhiên liệu đi vào xylanh và chuyển động
rối của dịng khí nạp.
+ Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy ảnh hưởng của áp suất
phun khí thiên nhiên đến chất lượng làm việc của động cơ như mô men,
suất tiêu hao nhiên liệu và chất lượng khí thải là rất rõ ràng. Tăng áp suất
phun sẽ giúp cải thiện mơ men trong tồn vùng làm việc, tuy nhiên lượng
khí thải lại có xu hướng tăng lên do tăng được hệ số nạp.
+ Kết quả nghiên cứu mô phỏng chỉ ra rằng các thông số như đường
kính ống nạp, vị trí đặt vịi phun, áp suất phun nhiên liệu và thời gian
phun có ảnh hưởng lớn đến đặc tính làm việc và khí thải của động cơ sau
chuyển đổi, trong khi đó thời điểm bắt đầu phun lại có ảnh hưởng khơng
đáng kể đến các đặc tính này. Cụ thể, mơ men lớn nhất tăng 14% khi
lambda giảm từ λ = 1,1 về λ = 0,9; tại tốc độ động cơ 2200vịng/phút, mơ
men tăng 39% khi tăng đường kính ống nạp từ Dn = 30 mm lên
Dn = 50 mm. Khi tăng áp suất phun nhiên liệu từ 1 bar lên 5 bar, lưu
lượng nhiên liệu tăng 122% và động năng rối tăng 98%; vận tốc dịng
khí nạp tăng 8,5% khi tăng khoảng cách từ H = 20 mm lên H = 150 mm.
Từ đó đã xác định được các thơng số thích hợp của hệ thống cung cấp
nhiên liệu cho động cơ.
23


+ Bộ dữ liệu và mơ hình động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên
trên các phần mềm mơ phỏng AVL Boost và ANSYS Fluent, cũng như

hệ thống thực nghiệm động cơ CNG sau khi chuyển đổi từ động cơ diesel
nguyên bản do luận án phát triển, ứng dụng trong việc khảo sát ảnh
hưởng của các thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc của động
cơ là tài liệu tham khảo hữu ích; có thể làm cơ sở cho việc chuyển đổi
động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên. Các kết quả
nghiên cứu đồng thời góp phần giảm phát thải khí nhà kính và giải quyết
vấn đề về an ninh năng lượng ở nước ta.
Để có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu từ luận án này vào thực tiễn
nhằm nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ chuyển đổi sử dụng nhiên
liệu khí thiên nhiên và đạt được hiệu quả cao trong việc giảm phát thải,
cần tiến hành các nghiên cứ tiếp theo:
+ Hoàn thiện hơn hệ thống điều khiển nhiên liệu và đánh lửa phù hợp
với mọi chế độ làm việc của động cơ.
+ Thử nghiệm thêm thí nghiệm với các chế độ phun khác nhau ở các
suất phun nhiên liệu lớn hơn.
+ Tiến hành nghiên cứu phát triển động cơ một xylanh đạt mô men
công suất cao hơn nhưng lượng phát thải thấp.

24