Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% cho động cơ xăng (tt)

MỞ ĐẦU
i. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, cùng với sự tăng trưởng về số lượng xe cơ giới là sự gia tăng ô
nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động cơ của các phương tiện này thải ra
vào không khí. Nguồn ô nhiễm này gây ảnh hưởng lớn tới sức khỏe và cuộc sống
của con người, đặc biệt là ở các thành phố lớn có mật độ xe cơ giới cao. Một
trong những giải pháp nhằm giải quyết vấn đề này là sử dụng các loại nhiên liệu
thay thế, nhiên liệu sinh học có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường.
Xăng sinh học là loại nhiên liệu sinh học hiện nay được sử dụng rộng rãi ở nhiều
nước trên thế giới. Đối với các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol thấp (510%) thì có thể sử dụng trên động cơ xăng thông thường mà không cần phải thay
đổi kết cấu. Tuy nhiên đối với các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn cần
có những thay đổi kết cấu phù hợp nhằm nâng cao tính năng kỹ thuật và độ bền
của động cơ. Cùng với xu thế chung, Việt Nam cũng đã và đang triển khai lộ
trình áp dụng xăng sinh học E5, E10. Do đó, để phát huy hơn nữa thế mạnh về
sản xuất cồn ethanol, cần nghiên cứu nâng cao hơn nữa tỷ lệ ethanol trong xăng
sinh học cũng như chế tạo động cơ sử dụng nhiên liệu linh hoạt. Đây cũng chính
là lý do của việc thực hiện đề tài: “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học có tỷ
lệ cồn ethanol tới 100% cho động cơ xăng”.
ii. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu và thực hiện giải pháp kỹ thuật chuyển đổi động cơ phun xăng
điện tử đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol
lớn tới 100% đảm bảo tính năng kỹ thuật của động cơ.
Đánh giá hiệu quả cũng như tác động của việc sử dụng xăng sinh học có
tỷ lệ cồn ethanol lớn tới động cơ xăng đang lưu hành.
iii. Đối tượng và phạm v nghiên cứu
Luận án được thực hiện trên động cơ Toyota 1NZ-FE lắp trên xe ô tô
Toyota Vios. Nhiên liệu thử nghiệm gồm xăng khoáng RON 92 thương phẩm,
các hỗn hợp của xăng khoáng RON 92 và 30%, 50%, 85% và 100% cồn ethanol
về thể tích (tương ứng là E0, E30, E50, E85 và E100). Việc nghiên cứu được
thực hiện trong phòng thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện
Cơ khí động lực (CKĐL), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

iv. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và
nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể là:
Nghiên cứu lý thuyết tập trung ứng dụng phần mềm AVL-Boost để tính
toán mô phỏng tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ khi sử dụng xăng
thông thường và xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100%.
1


Phần nghiên cứu thực nghiệm thực hiện trên băng thử động cơ và ô tô để
hiệu chuẩn mô hình, xây dựng bộ thông số chuẩn cũng như đánh giá tính năng
kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ ô tô trước và sau khi lắp bộ chuyển
đổi.
v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Luận án đã làm rõ được ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol
lớn tới quá trình cháy, tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ phun xăng
điện tử.
Luận án xây dựng được bộ thông số chuẩn về lượng nhiên liệu cung cấp
và góc đánh lửa phù hợp với tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học và chế độ làm
việc của động cơ là cơ sở cho nghiên cứu chuyển đổi cũng như nghiên cứu thiết
kế chế tạo động cơ sử dụng nhiên liệu linh hoạt.
Luận án đưa ra được giải pháp chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử
thông thường sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt thực hiện có tính khả thi, cải
thiện tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ.
Kết quả luận án góp phần thúc đẩy việc sản xuất và sử dụng nhiên liệu
sinh học, giảm phụ thuộc nhiên liệu khoáng, giảm ô nhiễm môi trường, nâng cao
giá trị sản phẩm nông nghiệp tại Việt Nam.
v. Tính mới của đề tài
Đề tài là công trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam thực hiện chuyển đổi
thành công động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng

xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100%. ECU phụ được lắp thêm trên động
cơ có khả năng tự động nhận biết tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học, tự động điều
chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình và góc đánh lửa sớm phù hợp với
tỷ lệ ethanol, đảm bảo tính năng kỹ thuật của động cơ.
vii. Nội dung của luận án
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan
Chương 2. Cơ sở lý thuyết
Chương 3. Mô phỏng động cơ phun xăng điện tử khi sử dụng xăng sinh
học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100%
Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm
Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học
1.1.1. Sự cần thiết phải nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học
Nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học là điều cần thiết nhằm đáp
2


ứng được nhu cầu năng lượng đang ngày một tăng cao của con người, giảm thiểu
được ô nhiễm môi trường đặc biệt là ở các thành phố lớn có mật độ phương tiện
cao cũng như giảm thiểu được sự phụ thuộc vào việc sử dụng nhiên liệu hóa
thạch đang ngày một cạn kiệt
1.1.2. Các loại nhiên liệu sinh học được sử dụng trên phương tiện
1.1.2.1. Định nghĩa, phân loại
1.1.2.2. Một số loại nhiên liệu sinh học thường dùng
1.2. Nhiên liệu cồn ethanol và xăng sinh học
1.2.1. Nhiên liệu cồn ethanol
Ethanol là một hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của rượu
metylic, dễ cháy, không màu, là một trong các rượu thông thường có trong thành

phần của đồ uống chứa cồn [19].
1.2.1.1. Nguồn gốc, phương pháp sản xuất cồn ethanol
1.2.1.1. Tính chất của cồn ethanol
1.2.1. Xăng sinh học
1.2.1.1. Khái niệm
Xăng sinh học được tạo ra bằng cách phối trộn cồn sinh học ethanol khan
với xăng khoáng theo một tỉ lệ nhất định. Ngoài ra hỗn hợp phối trộn còn được
bổ sung thêm một hàm lượng nhỏ chất phụ gia và chất biến tính để đảm bảo tính
chất nhiên liệu của xăng sinh học.
1.2.2.2. Tính chất của xăng sinh học
1.2.3. Sản xuất và sử dụng nhiên liệu cồn ethanol và xăng sinh học trên
phương tiện
1.2.3.1. Trên thế giới
Hiện nay, xăng sinh học là loại nhiên liệu sinh học được ứng dụng rộng
rãi nhất trên thế giới. Trong thời gian qua số lượng phương tiện sử dụng nhiên
liệu thay thế nói chung cũng như xăng sinh học nói riêng được nghiên cứu phát
triển và sản xuất không ngừng được tăng lên.
1.2.3.2. Tại Việt Nam
Tại Việt Nam, nhiên liệu cồn ethanol chủ yếu được sản xuất từ sắn. Diện
tích và sản lượng sắn tại Việt Nam trong thời gian qua liên tục tăng cao [4].
1.3. Các nghiên cứu sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn
trên động cơ xăng
1.3.1. Các nghiên cứu trên thế giới
1.3.1.1. Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học trên động cơ xăng
Các nghiên cứu của Hassan [77], Vilnis Pirs [112] và Luigi De Simio [76]
đã cho thấy khi động cơ sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% cần
phải điều chỉnh lại lương nhiên liệu cung cấp để hệ số dư lượng không khí  = 1
3

nhằm giảm sự sụt giảm mô men, công suất của động cơ khi tỷ lệ cồn ethanol
trong xăng sinh học tăng cao.
Nhiên cứu của Phuangwongtrakul [100] và Koichi Nakata [73] đã cho thấy
khi tăng lượng nhiên liệu cung cấp để đảm bảo hệ số  = 1 và điều chỉnh lại góc
đánh lửa sớm của động cơ sẽ nâng cao được công suất, mô men của động cơ khi
sử dụng xăng sinh học lên cao hơn so với khi sử dụng xăng thông thường.
1.3.1.2. Chuyển đổi từ động cơ sử dụng xăng thông thường sang động cơ sử dụng
xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn
Benjamin Strader [36] và J. R. Crosby [63] đã chỉ ra khi chuyển đổi động
cơ sang sử dụng xăng sinh học thì việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm và lượng
nhiên liệu cung cấp sẽ được thực hiện thông qua việc xây dựng một bộ dữ liệu
điều khiển mới cho động cơ.
Tại Thái Lan, hiện đã có những bộ chuyển đổi hỗ trợ cho động cơ xăng sử
dụng xăng sinh học được thương mại hóa. Tuy nhiên các bộ chuyển đổi này chỉ
phù hợp với từng loại xăng sinh học nhất định và chỉ điều chỉnh được quá trình
cung cấp nhiên liệu, chưa điều chỉnh được góc đánh lửa sớm của động cơ.
1.3.1.3. Thiết kế, chế tạo động cơ mới chuyên dụng cho phương tiện sử dụng
nhiên liệu linh hoạt (FFV)
1.3.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam
1.3.2.1. Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học trên động cơ xăng
Các nghiên cứu của Phạm Hữu Truyền [17] và Lê Văn Tụy [13] đã chỉ ra
được khi được ưu điểm của việc sử sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ thấp đến trung
bình (E10, E15, E20) trong việc nâng cao tính năng kinh tế, kỹ thuật của động
cơ. Ngoài ra các nghiên cứu cũng chỉ ra việc cần tiếp tục nghiên cứu nâng cao tỷ
lệ ethanol trong hỗn hợp xăng sinh học trên 10% và tiến tới thiết kế phương tiện
sử dụng nhiên liệu linh hoạt tại Việt Nam.
1.3.2.2. Chuyển đổi từ động cơ sử dụng xăng thông thường sang động cơ sử dụng
xăng sinh học
Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng từ sử dụng xăng thông thường sang
sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn được thực hiện trong Đề tài cấp

nhà nước “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống phun nhiên liệu điện tử cung
cấp xăng sinh học có tỷ lệ cồn etanol tới 100% (E100) cho động cơ ô tô và xe
máy sử dụng nhiên liệu linh hoạt”, mã số ĐT.09.2014/NLSH do PGS.TS Phạm
Hữu Tuyến làm chủ nhiệm đề tài và Trường Đại học Bách khoa Hà Nội là đơn
vị chủ trì [18].
1.4. Kết luận Chương 1
Việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn làm nhiên liệu cho
phương tiện, đặc biệt ở điều kiện Việt Nam giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên
4


liệu hóa thạch nhiên liệu hóa thạch đang ngày một cạn kiệt. Xăng sinh học được
sản xuất thông qua việc phối trộn giữa xăng khoáng và cồn ethanol đang là loại
nhiên liệu sinh học được ứng dụng và phát triển rộng rãi trên thế giới nhằm đáp
ứng nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng của con người đồng thời góp phần
giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn có thể nâng cao hiệu suất
động cơ, giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường, góp phần đảm bảo an ninh năng
lượng và nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp. Tuy nhiên khi tăng tỷ lệ cồn
ethanol trong xăng sinh học thì nhiệt trị của nhiên liệu giảm xuống, đồng thời
tính chất của xăng sinh học thay đổi nhiều so với xăng khoáng nên thời điểm
đánh lửa của động cơ xăng nguyên bản không còn phù hợp. Điều này dẫn tới
mômen và công suất động cơ suy giảm, do vậy cần điều chỉnh lượng nhiên liệu
cung cấp cũng như thời điểm đánh lửa phù hợp với tỷ lệ cồn ethanol trong xăng
sinh học. Để thực hiện được việc này trên động cơ phun xăng điện tử đang lưu
hành, cần bổ sung thêm bộ điều khiển ECU phụ. Bộ điều khiển này sẽ điều chỉnh
lượng nhiên liệu cung cấp đảm bảo hệ số dư lượng không khí  = 1 và góc đánh
lửa sớm hợp lý tương ứng với các tỷ lệ cồn ethanol khác nhau trong xăng sinh
học. Hệ số dư lượng không khí  được điều chỉnh bằng 1 để bộ xử lý khí xả làm
việc có hiệu quả nhất và góc đánh lửa sớm được điều chỉnh để mô men động cơ

đạt giá trị lớn nhất.
Trong quá trình thiết kế, chế tạo bộ chuyển đổi (ECU phụ) và hướng tới
động cơ sử dụng nhiên liệu linh hoạt thì cần phải xây dựng bộ thông số lượng
phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm của động cơ phù hợp với từng tỷ lệ cồn
ethanol trong xăng sinh học để làm cơ sở dữ liệu điều khiển.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Quá trình cháy của động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học
2.1.1. Quá trình cháy trong động cơ xăng
2.1.2. Quá trình cháy của xăng sinh học
2.2. Lý thuyết mô phỏng động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học
2.2.1. Mô hình hỗn hợp nhiên liệu
2.2.2. Mô hình cháy
2.2.2.1. Các mô hình cháy dùng trong mô phỏng động cơ đốt cháy cưỡng bức
2.2.2.2. Mô hình cháy Fractal
Mô hình cháy Fractal áp dụng hình học phân hình (hình học fractal) mô
hình hóa lại sự biến thiên của ngọn lửa trong quá trình cháy rối trong lòng xy
lanh. Sự biến thiên của bề mặt màng lửa khi đó sẽ được tính toán theo hình học
5


phân hình với tham số kích thước phân hình (kích thước Fractal) và hệ số khuếch
đại tỷ lệ được đo đạc theo thí nghiệm.
Tổng lượng nhiên liệu cháy có thể xác định theo tỷ lệ khối lượng của hai
chế độ cháy được mô tả ở trên (cháy fractal và cháy sát vách):
𝑑𝑚𝑏
𝑑𝑚𝑏
𝑑𝑚𝑏
(
)
= (1 − 𝑤2 ). (

)
+ 𝑤2 . (
)
𝑑𝑡 𝑡ổ𝑛𝑔
𝑑𝑡 𝑓𝑟𝑎𝑐𝑡𝑎𝑙𝑠
𝑑𝑡 𝑐ℎá𝑦𝑠á𝑡𝑣á𝑐ℎ
2.2.3. Mô hình truyền nhiệt
Mô hình mô hình truyền nhiệt được lựa chọn sử dụng là mô hình cháy
truyền nhiệt Woschini 1978 với hệ số truyền nhiệt được tính theo công thức:
0,8
𝑉𝐷 . 𝑇𝑐,1
−0,2 0,8 −0,53
𝛼𝑤 = 130. 𝐷
. 𝑝𝑐 . 𝑇𝑐
. [𝐶1 . 𝑐𝑚 + 𝐶2 .
. (𝑝𝑐 − 𝑝𝑐,0 )]
𝑝𝑐,1 . 𝑉𝑐,1
2.2.4. Mô hình phát thải
2.2.4.1. Mô hình hình thành NOx
Cơ chế hình thành phát thải NOx trong động cơ đốt trong dựa trên mô hình
động lực học phản ứng cơ sở Pattas và Hafner [109]. Quá trình hình thành NOx
được thể hiện qua sáu phương trình phản ứng theo cơ chế Zeldovich.
2.2.4.2. Mô hình hình thành CO
2.2.4.3. Mô hình hình thành HC
2.2.5. Một số mô hình phụ khác
2.2.5.1. Mô hình nạp, thải
2.2.5.2. Mô hình kích nổ
2.2.5.3. Mô hình tính toán tổn thất cơ giới
Vì động cơ được sử dụng nghiên cứu là động cơ xăng sử dụng trên phương
tiện ô tô thông thường (tốc độ cao) nên mô hình tổn thất ma sát được sử dụng là

mô hình Patton, Nitschke, Heywood.
2.3. Hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ phun xăng khi sử
dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100%
2.3.1. Hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ Toyota 1NZ-FE
2.3.1.1. Hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ phun xăng
2.3.1.2. Hệ thống phun xăng điện tử trên động cơ Toyota 1NZ-FE
2.3.1.3. Hệ thống đánh lửa trực tiếp trên động cơ Toyota 1NZ-FE
2.3.2. Cơ sở lý thuyết chuyển đổi hệ thống phun xăng điện tử động cơ Toyota
1NZ-FE sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100%
2.3.2.1. Sơ đồ hệ thống
Để chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử sử dụng xăng thông thường
sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% (sử dụng nhiên liệu
linh hoạt) và đảm bảo tính năng kỹ thuật thì hai thông số quan trọng trên động
6


cơ phun xăng điện tử là lượng phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm cần được
điều chỉnh phù hợp với tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu. Như vậy, nếu giữ
nguyên hệ thống điều khiển phun xăng điện tử nguyên bản (ECU chính), cần bổ
sung thêm ECU điều khiển thứ hai (ECU phụ) để hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển
phù hợp với tỷ lệ cồn cũng như cảm biến để nhận biết tỷ lệ cồn trong nhiên liệu.
Trên cơ sở đó, luận án xây dựng hệ thống phun xăng điện tử chuyển đổi với sơ
đồ khối được trình bày ở Hình 2.15.

Hình 2.15. Sơ đồ khối điều khiển động cơ
Các bộ phận trong sơ đồ điều khiển động cơ bao gồm:
1. ECU chính của động cơ
8. Vòi phun nhiên liệu
2. Cảm biến tốc độ động cơ
9. Bô bin đánh lửa

3. Cảm biến lưu lượng khí nạp
10. Cảm biến nước làm mát
4. Cảm biến áp suất khí nạp
11. Cảm biến lambda
5. Cảm biến vị trí bướm ga
12. Bộ xúc tác
6. Đường khí nạp vào
13. Bộ chuyển đổi (ECU phụ)
7. Đường dẫn nhiên liệu
14. Cảm biến nồng độ cồn trong
nhiên liệu
2.3.2.2. Tín hiệu điều khiển
2.3.2.3. Cảm biến tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu
Luận án sử dụng cảm biến điện dung và cảm biến được lắp trên đường cấp
nhiên liệu tới động cơ.
2.3.2.4. Bộ điều khiển ECU phụ
ECU phụ sử dụng vi điều khiển ATxmega 128A có vai trò nhận và xử lý
7


tín hiệu xung phun, xung đánh lửa từ ECU chính, tín hiệu tỷ lệ cồn etanol trong
nhiên liệu.
2.3.3. Bộ dữ liệu chuẩn trong động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn
ethanol lớn tới 100%
2.3.3.1. Bộ dữ liệu chuẩn trong động cơ xăng
2.3.3.2. Phương pháp xây dựng bộ thông số chuẩn cho động cơ khi sử dụng xăng
sinh học
Quá trình xây dựng giá trị lượng nhiên liệu phun và góc đánh lửa sớm phù
hợp cới tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học được thực hiện qua những bước
sau: Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ; Chuẩn hóa mô hình; Tính toán bộ

thông số chuẩn bằng mô phỏng; Hiệu chỉnh bộ thông số bằng thực nghiệm. Bộ
thông số về lượng nhiên liệu cung cấp trong một chu trình (gct) và góc đánh lửa
sớm (s) sẽ được xây dựng bằng mô phỏng và sau đó được hiệu chỉnh để bám
sát với điều kiện làm việc thực tế của động cơ bằng thực nghiệm.
2.4. Kết luận chương 2
Quá trình cháy của xăng sinh học trong động cơ xăng có diễn biến giống
như quá trình cháy của xăng thông thường tuy nhiên tùy thuộc vào từng tỷ lệ cồn
ethanol trong xăng sinh học mà các thông số của quá trình cháy của xăng sinh
học sẽ biến đổi tương ứng.
Luận án đã phân tích và lựa chọn được các mô hình phù hợp trong phần
mềm AVL Boost để mô phỏng động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ
cồn ethanol lớn. Các mô hình được lựa chọn bao gồm: mô hình cháy Fractal, mô
hình truyền nhiệt Woschni 1978, mô hình nạp thải Zaft, mô hình tổn thất ma sát
Patton, các mô hình phát thải NOx, CO, HC và một số mô hình phụ khác.
Để chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử sử dụng xăng thông thường
sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt thì phương án được luận án đưa ra là sử dụng
ECU phụ nhằm lượng nhiên liệu cung cấp và góc đánh lửa sớm theo tỷ lệ cồn
ethanol đo được từ cảm biến tỷ lệ cồn ethanol lắp trên đường cung cấp nhiên
liệu. ECU sẽ tính toán và xử lý các tín hiệu đầu vào thời điểm đánh lửa IGT và
lượng phun nhiên liệu FI nhận được từ ECU chính thành các tín hiệu đầu ra thời
điểm đánh lửa đã hiệu chỉnh IGT’ và lượng nhiên liệu phun đã hiệu chỉnh FI’
được gửi tới cuộn dây đánh lửa và vòi phun căn cứ trên bộ dữ liệu chuẩn đã được
nạp vào ECU phụ.
Việc xây dựng bộ thông số lượng nhiên liệu cung cấp và góc đánh lửa sớm
chuẩn cho động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100%
trong luận văn cần phải kết hợp hai phương pháp mô phỏng và thực nghiệm. Bộ
thông số chuẩn sẽ được tính toán bằng mô phỏng trước sau đó sẽ được hiệu chuẩn
bằng thực nghiệm sau.
8

CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ KHI SỬ
DỤNG XĂNG SINH HỌC CÓ TỶ LỆ CỒN ETHANOL LỚN TỚI 100%
3.1. Đối tượng nghiên cứu và xây dựng mô hình động cơ
3.1.1. Đối tượng nghiên cứu
3.1.2. Xây dựng mô hình động cơ
3.2. Đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản trên động cơ
ô tô phun xăng điện tử khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn
ethanol tới 100%
3.2.1. Hiệu chuẩn mô hình và đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên
bản
Động cơ được thử nghiệm để đánh giá khả năng thích ứng của ECU
nguyên bản và lấy dữ liệu để chuẩn hóa mô hình mô phỏng khi sử dụng xăng
sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% được thực hiện với hai chế độ mô phỏng
là chế độ 100% ga (chế độ toàn tải) và chế độ 40% ga (chế độ tải bộ phận) đại
diện vùng làm việc tải lớn và tải nhỏ, tốc độ thay đổi từ 1000v/phút đến 6000
v/phút và được hiệu chuẩn bằng kết quả thực nghiệm. Nhiên liệu nghiên cứu
gồm E0 (xăng thông thường), E30, E50, E85, E100. Việc hiệu chuẩn chỉ được
tiến hành với hai chế độ tải do đây là thực nghiệm bước đầu để lấy số liệu hiệu
chuẩn mô hình với tất cả các loại nghiên cứu (5 loại nhiên liệu) nhằm giảm thời
gian và chi phí thực hiện.

Hình 3.3. So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng ECU
nguyên bản, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50
Mô hình mô phỏng động cơ được hiệu chuẩn dựa trên các số liệu thực
nghiệm bao gồm: công suất, mô men, suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải NOx,
CO, HC và diễn biến áp suất trong xy lanh động cơ đảm bảo kết quả mô phỏng
bám sát kết quả đo đạc bằng thực nghiệm. Sai lệch lớn nhất đối với các thông số
công tác của động cơ cụ thể như sau: công suất động cơ 5,10%, suất tiêu hao
nhiên liệu của động cơ 4,42%, các giá trị áp suất trong xy lanh động cơ

15,00%. Sai lệch lớn nhất đối với các thành phần phát thải động cơ cụ thể như
9


sau: phát thải CO 6,16%, phát thải HC 7,10%, phát thải NOx 15,00%.
3.2.2. Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới
thông số của quá trình cháy
3.2.3. Xác định hệ số dư lượng không khí  của hỗn hợp cháy với các tỷ lệ
cồn ethanol khác nhau
Từ các kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm trong Mục 3.2.1 thấy rằng
khi càng tăng tỷ lệ cồn ethanol trong hỗn hợp, các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng
của động càng bị suy giảm. Một trong những lý do khiến các chỉ tiêu kinh tế năng lượng của động cơ bị suy giảm là do sự thay đổi các thành phần hỗn hợp
cháy. Khi càng tăng tỷ lệ cồn ethanol, hỗn hợp càng trở nên “nghèo” đi, nghĩa là
hệ số dư lượng không khí  càng tăng lên. Nguyên nhân là do trong hàm lượng
nguyên tố Ô xy trong ethanol nhiên liệu cao hơn nhiều so với xăng (xấp xỉ 30%
so với chưa đến 3% của xăng). Do vậy hỗn hợp cháy khi sử dụng xăng sinh học
thừa ô xy do đó cần phải tăng lượng nhiên liệu cung cấp để hệ số dư lượng không
khí  = 1.
3.3. Nghiên cứu mô phỏng xây dựng bộ thông số chuẩn với xăng
sinh học
3.3.1. Tính toán mô phỏng lượng nhiên liệu phun đảm bảo hệ số dư lượng
không khí  = 1
Do động cơ nguyên bản khi sử dụng xăng sinh học có   1 nên để  = 1
cần phải tăng thêm lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình nhằm tăng độ
đậm cho hỗn hợp.
* Tại chế độ 20% tải: Lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ trong một
chu trình (gct) được tăng lên tương ứng với sự tăng lên của tỷ lệ cồn ethanol trong
xăng sinh học, (hình 3.22).

Hình 3.22. Lượng nhiên liệu và sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp của

động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 20% tải
Công suất của động cơ sau khi được điều chỉnh lượng phun nhiên liệu tăng
lên rất nhiều và với các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol càng lớn thì công
10


suất càng tăng lên nhiều hơn khi chưa có sự điều chỉnh. Công suất của động cơ
khi được điều chỉnh sử dụng xăng sinh học E30, E50, E85 và E100 đạt gần tương
đương với công suất của động cơ khi sử dụng RON92 (hình 3.23).

Hình 3.23. Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh
lượng phun nhiên liệu ở 20% tải
* Tại chế độ 60% tải và chế độ 100% tải, lượng nhiên liệu cung cấp cũng
được điều chỉnh tăng lên tương ứng với tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học và
công suất động cơ cũng tăng lên cao hơn so với khi sử dụng xăng thông thường.
Đặc biệt với chế độ 100% tải nhờ việc điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp mà
động cơ đã hoạt động được với xăng sinh học E85 và E100 ở chế độ này.
3.3.2. Tính toán góc đánh lửa sớm để mô men động cơ đạt Memax khi sử dụng
xăng sinh học
Sau khi điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ để  = 1, tiến
hành điều chỉnh góc đánh lửa sớm để mômen đạt giá trị lớn nhất Memax.
* Tại chế độ 20% tải: Kết quả điều chỉnh góc đánh lửa sớm hình 3.29.

Hình 3.29. Góc đánh lửa sớm và sự thay đổi góc đánh lửa sớm trung bình của
động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 20% tải
Công suất của động cơ sử dụng xăng sinh học sau khi được điều chỉnh góc
đánh lửa sớm tăng lên khi so sánh với sử dụng xăng thông thường RON92 tương
ứng là 5,0% với E30, 7,29% với E50, 10,63% với E85 và 11,72% với E100.
Công suất của động cơ khi được điều chỉnh sử dụng xăng sinh học E30, E50,
11

E85 và E100 cũng cao hơn so với khi động cơ sử dụng xăng thông thường
RON92 (chi tiết được trình bày hình 3.30).

Hình 3.30. Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh
góc đánh lửa sớm ở 20% tải
Tại chế độ 60% tải và chế độ 100% tải: Kết quả điều chỉnh góc đánh lửa
sớm và sự thay đổi công suất của động cơ sau khi được điều chỉnh cũng tương
tự như với chế độ 20% tải. Góc đánh lửa sớm trung bình được điều chỉnh với các
tải trọng 20%, 60% và 100% tương ứng là 10,1÷20,9GQTK, 9,517QGTK và
18,921,9GQTK.
3.4. Kết luận chương 3
Mô hình mô phỏng được xây dựng trên cơ sở các thông số kỹ thuật thực
tế của động cơ Toyota 1NZ-FE với mô hình cháy Fractal, mô hình truyền nhiệt
Mô hình Woschni 1978, mô hình nạp thải Zaft, mô hình tổn thất ma sát Patton,
các mô hình phát thải NOx, CO, HC và một số mô hình phụ khác đã được lựa
chọn trên cơ sở lý thuyết được trình bày trong Chương 2.
Mô hình mô phỏng động cơ được hiệu chuẩn dựa trên các số liệu thực
nghiệm bao gồm: công suất, mô men, suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải NOx,
CO, HC và diễn biến áp suất trong xy lanh động cơ đảm bảo kết quả mô phỏng
bám sát kết quả đo đạc bằng thực nghiệm. Sai lệch lớn nhất đối với các thông số
công tác của động cơ cụ thể như sau: công suất động cơ 5,10%, suất tiêu hao
nhiên liệu của động cơ 4,42%, các giá trị áp suất trong xy lanh động cơ
15,00%. Sai lệch lớn nhất đối với các thành phần phát thải động cơ cụ thể như
sau: phát thải CO 6,16%, phát thải HC 7,10%, phát thải NOx 15,00%.
Lượng phun nhiên liệu được điều chỉnh tăng thêm đảm bảo hệ số dư lượng
không khí  = 1 để bộ xử lý khí thải trên động cơ xăng đạt hiệu quả làm việc cao
nhất. Quá trình điều chỉnh cho thấy khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học
càng lớn thì lượng nhiên liệu cần điều chỉnh tăng lên cũng tương ứng tăng theo.

Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh để mô men động cơ đạt giá trị cao nhất
12


cho thấy khi sử dụng xăng sinh học thì khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học
tăng thì góc đánh lửa sớm phải tăng lên tương ứng. Ngoài ra góc đánh lửa sớm
trung bình cần điều chỉnh nhiều hơn ở chế độ tải trọng nhỏ sau đó giảm ở chế độ
tải trọng trung bình và tăng lên cao nhất ở chế độ toàn tải..
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
4.1. Đối tượng, nhiên liệu và trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực
nghiệm
4.1.1. Đối tượng thử nghiệm
Đối tượng trong các thử nghiệm được thực hiện trong đề tài là bao gồm:
- Động cơ xăng 1NZ-FE của hãng Toyota trước và sau khi được điều chỉnh
lượng nhiên liệu cung cấp và góc đánh lửa sớm.
- Ô tô Toyota Vios 1.5 sử dụng động cơ Toyota 1NZ-FE với trạng thái
nguyên bản (chưa lắp bộ chuyển đổi ECU phụ) và sau khi lắp bộ chuyển đổi
động cơ từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học.
4.1.2. Nhiên liệu thử nghiệm
Nhiên liệu thử nghiệm bao gồm: xăng RON92, xăng sinh học E30, E50,
E85 và E100.
4.1.3. Trang thiết bị thử nghiệm
Đề tài thực hiện thử nghiệm trên động cơ và ô tô với các trang thiết bị thử
nghiệm tại Phòng Thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí Động lực, Đại
học Bách Khoa Hà Nội. Cụ thể như sau:
4.1.3.1. Thử nghiệm động cơ
Trang thiết bị thử nghiệm bao gồm: Băng thử tính năng động lực học cao
(ETB); Hệ thống đo khí thải CEBII; Hệ thống đo nhiên liệu AVL 733S.
Đối với các thí nghiệm chuẩn hóa bộ thông số thì động cơ được điều khiển
bằng hệ thống điều khiển động cơ của ECM của hãng Woodward.

4.1.3.2. Thử nghiệm ô tô
Trang thiết bị thử nghiệm bao gồm: Băng thử ô tô CD 48; Hệ thống lấy
mẫu thể tích không đổi CVS; Hệ thống đo khí thải CEB II; Hệ thống đo nhiên
liệu AVL 733S.
4.2. Thử nghiệm hiệu chuẩn mô hình mô phỏng và bộ thông số
chuẩn động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới
100%
4.2.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm
4.2.2. Kết quả thử nghiệm
4.2.2.1. Kết quả thử nghiệm lấy số liệu hiệu chuẩn mô hình
Kết quả thử nghiệm đã được lấy để phục vụ hiệu chuẩn cho mô hình mô
13


phỏng động cơ trên phần mềm AVL Boost và được trình bày chi tiết trong
Chương 3. Kết quả mô hình mô phỏng sau khi được chuẩn hóa cho kết quả các
giá trị được tính toán trên mô hình mô phỏng sau khi được chuẩn hóa và kết quả
đo đạc bằng thực nghiệm có sai lệch nhỏ hơn 5%.
4.1.2.2. Kết quả thử nghiệm hiệu chuẩn bộ thông số chuẩn cho động cơ
* Kết quả thực nghiệm xác định lượng nhiên liệu phun
Lượng nhiên liệu phun được hiệu chỉnh theo cảm biến lambda và lượng
nhiên liệu cung cấp cho chu trình gct (g/ct) để đảm bảo hệ số dư lượng không khí
 = 1. Để nạp vào ECU điều khiển động cơ thì lượng nhiên liệu phun được tính
toán sang dạng thời gian phun nhiên liệu trong 1 chu trình tính theo mili giây
(ms) trong phần mềm Matlab Simulink. Kết quả được lượng phun nhiên liệu đối
với các loại xăng sinh học E30, E50, E85 và E100 trong phần mềm Matlab được
thể hiện ở dạng đường đồng mức từ hình 4.4 đến 4.7.

Hình 4.4. Đặc tính thời gian phun
nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E30

Hình 4.5. Đặc tính thời gian phun
nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu
E50

Hình 4.6. Đặc tính thời gian phun
nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E85

Hình 4.7. Đặc tính thời gian phun
nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu

14


E100
* Kết quả hiệu chuẩn góc đánh lửa sớm
Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh theo bước nhảy 1GQTK lên phía
trước và phía sau góc đánh lửa được tính toán thông qua mô phỏng. Góc đánh
lửa sớm phù hợp là góc được xác định tại vị trí đạt công suất lớn nhất (hay mô
men lớn nhất - MBT). Các kết quả sau khi được đo đạc cũng được nhập vào phần
mềm Matlab để sử dụng cho quá trình tính toán điều khiển động cơ của ECU
phụ. Hình 4.8 đến 4.11 là kết quả góc đánh lửa sớm theo tốc độ động cơ và lượng
không khí nạp của các loại xăng sinh học E30, E50, E85 và E100 được thể hiện
ở dạng đường đồng mức trong phần mềm Matlab.

Hình 4.8. Góc đánh lửa sớm tối ưu
khi sử dụng E30

Hình 4.9. Góc đánh lửa sớm tối ưu
khi sử dụng E50

Hình 4.10. Góc đánh lửa sớm tối ưu Hình 4.11. Góc đánh lửa sớm tối ưu
khi sử dụng E85
khi sử dụng E100
Các kết quả cũng cho thấy ảnh hưởng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng
sinh học tới góc đánh lửa sớm của động cơ khi góc đánh lửa sớm của động cơ
tăng lên tương ứng với việc tăng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học. Ngoài
15


ra, góc đánh lửa sớm tại các chế độ tải nhỏ cần phải điều chỉnh nhiều hơn tại các
chế độ tải trọng lớn.
4.3. Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ECU phụ khi sử dụng xăng sinh
học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100%
4.3.1. Thiết kế chế tạo bộ điều khiển ECU phụ cho động cơ Toyota 1NZ-FE
4.3.1.1. Chế tạo mạch điều khiển của ECU phụ
Mạch điều khiển của ECU phụ phải đảm bảo khả năng chống nhiễu tốt,
khoảng cách các chân và vùng hàn thiếc không quá gần nhau. Mạch điều khiển
sau chế tạo và hoàn thiện được thể hiện ở hình 4.13.

Hình 4.13. Mạch điều khiển của ECU phụ ô tô sau khi hoàn thiện
4.3.1.2. Nghiên cứu lập trình bộ điều khiển ECU phụ cho động cơ ô tô
Quá trình lập trình cho bộ điều khiển ECU phụ cho động cơ ô tô cũng bao
gồm lập trình xác định tín hiệu đánh lửa, độ rộng xung phun, tỷ lệ cồn ethanol,
điều khiển thời điểm đánh lửa, điều khiển phun có xét đến số lượng 4 xy lanh và
thứ tự công tác của động cơ ô tô Toyota 1NZ-FE là 1-3-4-2.
4.3.2. Nghiên cứu nạp bộ thông số chuẩn lên ECU phụ
4.3.2.1. Nghiên cứu nạp bộ thông số chuẩn lên ECU phụ
4.3.2.2. Phần cứng nạp chương trình
Phần cứng gồm có một bo mạch nạp MKII-ISP và bộ nạp của vi xử lý

ATxmega128A.
4.3.2.3. Phần mềm nạp chương trình
Phần mềm được sử dụng là phần mềm CodeVision có giao diện thân thiện
với người sử dụng, dễ dàng lập trình và nạp chương trình.
4.4. Thử nghiệm đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải
động cơ xăng khi sử dụng bộ chuyển đổi trên băng thử động cơ
4.4.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm
4.4.2. Kết quả thử nghiệm trên băng thử động cơ
Kết quả thử nghiệm cho thấy trung bình trên toàn dải tốc độ, so với RON92
công suất động cơ tăng 6,30%, 9,05%, 12,96% và 16,61 %, suất tiêu hao nhiên
16


liệu tăng 6,92%, 13,55%, 22,76% và 31,17% tương ứng khi sử dụng xăng E30,
E50, E85 và E100 (Hình 4.21, 4.22). Điều này cho thấy hiệu quả của việc sử
dụng xăng sinh học khi tăng được công suất của động cơ.

Hình 4.21. Công suất và sự thay đổi công suất động cơ ô tô lắp bộ chuyển đổi,
100% ga

Hình 4.22. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu động
cơ ô tô lắp bộ chuyển đổi, 100% ga
Kết quả thử nghiệm hàm lượng và sự thay đổi hàm lượng các thành phần
khí thải của động cơ ô tô thể hiện xu hướng chung HC và CO giảm, NO x tăng
khi sử dụng xăng sinh học.

Hình 4.23. Hàm lượng và sự thay đổi phát thải CO động cơ ô tô lắp bộ chuyển
đổi, 100% ga
17

Hình 4.24. Hàm lượng và sự thay đổi phát thải HC động cơ ô tô lắp bộ chuyển
đổi, 100% ga

Hình 4.25. Hàm lượng và sự thay đổi phát thải NOx động cơ ô tô lắp bộ chuyển
đổi, 100% ga
Trung bình trên toàn dải tốc độ, so với RON92 sự thay đổi các thành phần
phát thải khi sử dụng E30, E50, E85 và E100 lần lượt như sau: Thành phần CO
giảm 6,64%, 11,03%, 15,68% và 18,13%; Thành phần HC giảm 4,05%, 8,23%,
23,87% và 34,88%; Thành phần NOx tăng 9,77%, 16,41%, 9,86% và 6,90%.
4.5. Thử nghiệm tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của xe ô tô
với bộ chuyển đổi trên băng thử ô tô
4.5.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm
4.5.2. Kết quả thử nghiệm với ô tô nguyên bản (chưa lắp bộ chuyển đổi ECU
phụ)
Trong quá trình thử nghiệm các loại nhiên liệu trên ô tô nguyên bản, chưa
lắp bộ chuyển đổi ECU phụ, xe ô tô chỉ hoạt động ổn định với RON92, E30 và
E50. Hình 4.26, 4.27 thể hiện công suất, suất tiêu hao nhiên liệuvà sự thay đổi
của các thông số này khi ô tô Toyota Vios hoạt động với xăng RON 92, E30 và
E50 ở chế độ toàn tải tại tay số 3 và tay số 4.
18


Hình 4.26. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở
100% ga, tay số 3

Hình 4.27. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở
100% ga, tay số 4
Hình 4.28 thể hiện sự thay đổi công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và các
thành phần phát thải tính trung bình trên toàn dải tốc độ ở tay số 3 và tay số 4

khi sử dụng xăng E30 và E50 so với xăng RON 92.

Tay số 4

Tay số 3

Hình 4.28. Sự thay đổi về phát thải CO,CO2, NOx, và HC của ô tô Toyota Vios
nguyên bản ở 100% ga, tay số 3 và 4
Kết quả thử nghiệm cho thấy sử dụng xăng sinh học công suất giảm và
suất tiêu hao nhiên liệu tăng, với xăng E30 công suất giảm khoảng 5%, suất tiêu
hao nhiên liệu tăng khoảng 6%, với xăng E50 các giá trị này là 12% và 14% so
19


với xăng khoáng RON 92. Hàm lượng phát thải CO và HC giảm đáng kể từ 65%
đến 80% với E30 và E50, hàm lượng NOx tăng khoảng 10% với E30 nhưng tăng
đáng kể tới 300% với E50, trong khi CO2 giảm khoảng 10% với cả hai loại nhiên
liệu so với trường hợp sử dụng xăng RON 92.
Hình 4.29 thể hiện sự thay đổi các thành phần khí thải và tiêu hao nhiên
liệu của xe ô tô chạy theo chu trình thử tiêu chuẩn khi sử dụng xăng E30 và E50
so với trường hợp xăng khoáng RON92.

Hình 4.29. Thay đổi hàm lượng phát thải và tiêu hao nhiên liệu của ô tô theo
chu trình thử Euro 2
Khả năng gia tốc của ô tô với các loại nhiên liệu được đánh giá bằng thời
gian gia tốc xe từ 20km/h đến 100km/h thể hiện ở bảng 4.5, thời gian gia tốc với
xăng E30 và E50 dài hơn so với xăng khoáng RON92.
Bảng 4.5. Kết quả đo gia tốc của ô tô từ 20 km/h đến 100 km/h
Thông số
RON92

E30
E50
Thời gian gia tốc từ 20 đến100 km/h (s)
19,5
22,2
23,7
4.5.3. Kết quả thử nghiệm với ô tô lắp bộ chuyển đổi
Sau khi lắp đặt bộ chuyển đổi ECU phụ, xe ô tô có kha năng hoạt động ổn
định với tất cả các nhiên liệu thử nghiệm bao gồm: RON92, E30, E50, E85 và
E100. Hình 4.30 thể hiện công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi của
thông số này của ô tô có lắp bộ chuyển đổi ở vị trí 100% ga, tay số 3.

Hình 4.30. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô lắp bộ chuyển đổi ở
100%ga, tay số 3
20


Hình 4.31 thể hiện công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi của
thông số này của ô tô có lắp bộ chuyển đổi ở vị trí 100% ga, tay số 4

Hình 4.31. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô lắp bộ chuyển đổi ở
100%ga, tay số 4
Kết quả thử nghiệm đã cho thấy với bộ chuyển đổi công suất động cơ và
suất tiêu hao nhiên liệu có xu hướng tăng khi sử dụng xăng sinh học, mức tăng
công suất từ 7% đến 20%, mức tăng suất tiêu hao nhiên liệu từ 4% đến 33% tùy
vào tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu. Thành phần phát thải CO và HC có xu
hướng giảm, trong khi NOx tăng đến 15% khi tỷ lệ cồn ethanol tới 50% (E50),
với tỷ lệ cồn lớn hơn 50% như E85 và E100 thì mức tăng NOx có xu hướng giảm
xuống. Kết quả thử khí thải theo chu trình tương đối phù hợp với kết quả thử
nghiệm ở chế độ ổn định được thể hiện trong hình 4.33

Hình 4.33. Thay đổi phát thải và tiêu hao nhiên liệu của ô tô Toyota Vios lắp
bộ chuyển đổi thử theo chu trình thử tiêu chuẩn Euro 2 so với xăng RON92
Thời gian gia tốc từ 20km/h đến 100km/h của xe ô tô khi lắp bộ chuyển
đổi thể hiện ở bảng 4.6, thời gian gia tốc với xăng sinh học trường hợp này ngắn
hơn so với xăng RON92 cho thấy rõ hiệu quả cải thiện tính năng của ô tô khi lắp
bộ chuyển đổi.
21


Bảng 4.6. Kết quả đo gia tốc từ 20 km/h đến 100 km/h của ô tô lắp bộ chuyển
đổi
Thông số

RON92 E30

Thời gian gia tốc từ 20-100 km/h (s)

19,5

17,5

E50

E85 E100

17,7

18,1 17,3

Tương tự, quá trình khởi động của ô tô được lắp thêm ECU phụ khi sử
dụng các loại xăng sinh học khá dễ dàng, hầu như không có sự khác biệt so với
trường hợp sử dụng xăng RON92. Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy thời gian
tăng tốc của ô tô khi được lắp ECU phụ với xăng sinh học E30 và E50 tăng tương
ứng là 20,27% và 26,16%. Ngoài ra, khi lắp thêm ECU phụ động cơ và ô tô khởi
động và hoạt động được với xăng sinh học E85 và E100.
4.6. Kết luận Chương 4
Bộ thông số chuẩn sau khi xây dựng bằng mô phỏng đã được hiệu chuẩn
bằng thực nghiệm. Lượng phun nhiên liệu thực nghiệm và lượng phun nhiên liệu
được xây dựng bằng mô phỏng có độ sai lệch nhỏ, dưới 1%. Góc đánh lửa sớm
xây dựng bằng thực nghiệm có độ sai lệnh so với góc đánh lửa sớm xây dựng
bằng mô phỏng nhỏ (dưới 3ºGQTK).
Động cơ sau khi được lắp thêm ECU phụ thì công suất động cơ khi sử
dụng xăng sinh học có công suất lớn hơn động cơ khi sử dụng xăng thông thường
và tăng lên khi tỉ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tăng lên (cao nhất là với
E100 16,61%). Lượng phát thải CO và HC giảm đáng kể khi động cơ chuyển đổi
sang sử dụng xăng sinh học.
Bộ điều khiển ECU phụ sau khi được chế tạo hoàn thiện đã được thử nghiệm
đánh giá hiệu quả sử dụng và chất lượng vận hành trên phương tiện ô tô. Đối với
động cơ ô tô thử nghiệm được thực hiện trên băng thử động cơ, trung bình trên
toàn dải tốc độ, so với RON92 công suất động cơ tăng 6,30%, 9,05%, 12,96%
và 16,61%, do sự gia tăng của suất tiêu hao nhiên liệu tăng tương ứng 6,92%,
13,55%, 22,76% và 31,17% và hiệu suất có ích của động cơ của động cơ tăng
tương ứng 2,34%, 2,90%, 5,50% và 6,26% khi sử dụng xăng E30, E50, E85 và
E100. Đối với thành phần phát thải thì hàm lượng CO giảm 6,64%, 11,03%,
15,68% và 18,13%, HC giảm 4,05%, 8,23%, 23,87% và 34,88%, NOx tăng
9,77%, 16,41%, 9,86% và 6,90% tương ứng khi sử dụng xăng E30, E50, E85 và
E100.
Đối với ô tô thử nghiệm trên băng thử CD 48’’, công suất động cơ và suất
tiêu hao nhiên liệu có xu hướng tăng khi sử dụng xăng sinh học, mức tăng công

suất từ 7% đến 20%, mức tăng suất tiêu hao nhiên liệu từ 3% đến 33% tùy vào
tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu. Thành phần phát thải CO và HC có xu hướng
22


giảm, trong khi NOx tăng đến 15% khi tỷ lệ cồn ethanol tới 50% (E50), với tỷ lệ
cồn lớn hơn 50% (như E85 và E100) thì mức tăng NOx có xu hướng giảm xuống.
Kết quả thử nghiệm ô tô theo chu trình thử tiêu chuẩn Euro 2 có xu hướng tương
tự phù hợp với kết quả thử nghiệm ở chế độ ổn định của ô tô cũng như động cơ
ô tô.
Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy thời gian tăng tốc của ô tô khi được lắp
ECU phụ với xăng sinh học E30 và E50 tăng tương ứng là 20,27% và 26,16%.
Ngoài ra, khi lắp thêm ECU phụ động cơ và ô tô khởi động và hoạt động được
với xăng sinh học E85 và E100.
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Kết luận chung:
Luận án đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu và thực hiện giải pháp kỹ thuật
chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng
xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% đảm bảo tính năng kỹ thuật của
động cơ. Luận án đã đạt được các kết quả cụ thể như sau:
1. Mô hình động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sử dụng
xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn được xây dựng trên phần mềm AVL Boost
và hiệu chỉnh bằng thực nghiệm đảm bảo độ chính xác cao phục vụ tốt công tác
đào tạo và nghiên cứu.
2. Xây dựng được bộ thông số chuẩn về lượng nhiên liệu phun và góc đánh
lửa sớm phù hợp với chế độ làm việc của động cơ và tỷ lệ cồn ethanol trong
nhiên liệu.
3. Đưa ra được giải pháp kỹ thuật khả thi với ECU phụ và cảm biến tỷ lệ
cồn ethanol để sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn trên phương tiện
đang lưu hành.

4. Thiết kế, chế tạo được bộ điều khiển ECU phụ, thực hiện chuyển đổi
thành công một động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng
xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100%.
Bộ điều khiển ECU phụ sau khi được chế tạo hoàn thiện đã được thử nghiệm
đánh giá hiệu quả sử dụng và chất lượng vận hành trên phương tiện ô tô. Đối với
động cơ ô tô thử nghiệm được thực hiện trên băng thử động cơ, trung bình trên
toàn dải tốc độ, so với RON92 công suất động cơ tăng 6,30%, 9,05%, 12,96%
và 16,61%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 6,92%, 13,55%, 22,76% và 31,17%,
hàm lượng CO giảm 6,64%, 11,03%, 15,68% và 18,13%, HC giảm 4,05%,
8,23%, 23,87% và 34,88%, NOx tăng 9,77%, 16,41%, 9,86% và 6,90% tương
ứng khi sử dụng xăng E30, E50, E85 và E100. Đối với ô tô thử nghiệm trên băng
thử ô tô CD 48’’, công suất động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu có xu hướng tăng
khi sử dụng xăng sinh học, mức tăng công suất từ 7% đến 20%, mức tăng suất
23


tiêu hao nhiên liệu từ 3% đến 33% tùy vào tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu.
Thành phần phát thải CO và HC có giảm, trong khi NOx tăng nhẹ đến 15% khi
tỷ lệ cồn ethanol tới 50% (E50), với tỷ lệ cồn lớn hơn 50% (như E85 và E100)
thì mức tăng NOx giảm xuống. Kết quả thử nghiệm ô tô theo chu trình thử tiêu
chuẩn Euro 2 có xu hướng tương tự phù hợp với kết quả thử nghiệm ở chế độ ổn
định của ô tô cũng như động cơ ô tô. Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy thời gian
tăng tốc của ô tô khi được lắp ECU phụ với xăng sinh học E30 và E50 tăng tương
ứng là 20,27% và 26,16%. Ngoài ra, khi lắp thêm ECU phụ động cơ và ô tô khởi
động và hoạt động được với xăng sinh học E85 và E100.
5. Kết quả của luận án là cơ sở tham khảo tốt cho các nghiên cứu và ứng
dụng phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt, góp phần thúc đẩy sử dụng nhiên
liệu sinh học đáp ứng yêu cầu đảm bảo an ninh năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm
môi trường mà Chính phủ đặt ra.
Hướng phát triển của đề tài:

Trong thời gian tới, nghiên cứu có thể được phát triển theo một số hướng
sau:
1. Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của việc nâng cao tỷ số nén đối với
động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn;
2. Nghiên cứu các phụ gia để nâng cao hiệu quả của xăng sinh học có tỷ
lệ cồn ethanol lớn khi sử dụng trên động cơ xăng;
3. Nghiên cứu giảm phát thải NOx khi sử dụng xăng sinh học trên động
cơ;
4. Đánh giá khả năng tương thích vật liệu và độ bền động cơ khi sử dụng
xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn.
5. Nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi đặc tính nhiệt động, tính chất
hóa học, tính chất vật lý của dòng khí thải khi sử dụng xăng sinh học đến hiệu
quả chuyển đổi, tuổi thọ của bộ xử lý khí xả.

24