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

MỤC LỤC

MỤC LỤC .......................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................. iv
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ/ SƠ ĐỒ ........................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................... xii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................... xiv
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
i. Sự cần thiết của đề tài ..................................................................................................... 1
ii. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................................... 2
iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 2
iv. Phương pháp nghiên cứu.............................................................................................. 2
v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ......................................................................... 3
vi. Tính mới của đề tài ....................................................................................................... 3
vii. Các nội dung chính của đề tài ..................................................................................... 3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................. 4
1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học .............................................................................. 4
1.1.1. Sự cần thiết phải nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học ............................ 4
1.1.2. Các loại nhiên liệu sinh học được sử dụng trên phương tiện................................ 5
1.2. Nhiên liệu cồn ethanol và xăng sinh học ................................................................... 6
1.2.1. Nhiên liệu cồn ethanol ............................................................................................. 6
1.2.2. Xăng sinh học ........................................................................................................... 9
1.2.3. Sản xuất và sử dụng cồn ethanol và xăng sinh học trên phương tiện ................ 10
1.3. Các nghiên cứu sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn trên động cơ xăng
............................................................................................................................................ 13
1.3.1. Các nghiên cứu trên thế giới ................................................................................. 13
1.3.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam................................................................................. 25
1.4. Kết luận Chương 1 .................................................................................................... 28

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................... 29
2.1. Quá trình cháy của động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học............................... 29
2.1.1. Quá trình cháy trong động cơ xăng ...................................................................... 29
2.1.2. Quá trình cháy của động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học ............................ 31
i


2.2. Lý thuyết mô phỏng động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học ............................. 34
2.2.1. Mô hình hỗn hợp nhiên liệu .................................................................................. 34
2.2.2. Mô hình cháy .......................................................................................................... 34
2.2.3. Mô hình truyền nhiệt ............................................................................................. 42
2.2.4. Mô hình phát thải ................................................................................................... 45
2.2.5. Một số mô hình phụ khác ...................................................................................... 47
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% ......................................................................................... 51
2.3.1. Cấu tạo hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ ............................................... 51
2.3.2. Cơ sở lý thuyết chuyển đổitừ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh
học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% .................................................................................... 54
2.3.3. Bộ dữ liệu chuẩn trong động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol
lớn tới 100%...................................................................................................................... 58
2.4. Kết luận chương 2 ..................................................................................................... 61

CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ KHI SỬ
DỤNG XĂNG SINH HỌC CÓ TỶ LỆ CỒN ETHANOL TỚI 100% .......... 62
3.1. Đối tượng nghiên cứu và xây dựng mô hình động cơ ............................................ 62
3.1.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................ 62
3.1.2. Xây dựng mô hình động cơ .................................................................................... 63
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% ................................ 64
3.2.1. Hiệu chuẩn mô hình và đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản ... 65

3.2.2. Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới tham số của
mô hình cháy Fractal ....................................................................................................... 80
3.2.3. Xác định hệ số dư lượng không khí  của hỗn hợp cháy với các tỷ lệ cồn ethanol
khác nhau ......................................................................................................................... 81
3.3. Nghiên cứu mô phỏng xây dựng bộ thông số chuẩn với xăng sinh học................ 82
3.3.1. Tính toán mô phỏng lượng nhiên liệu phun đảm bảo hệ số dư lượng không khí
 = 1 .................................................................................................................................. 82
3.3.2. Tính toán góc đánh lửa sớm để mô men động cơ đạt Memax khi sử dụng xăng sinh
học ..................................................................................................................................... 87
3.4. Kết luận chương 3....................................................................................................... 92

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ............................................ 94
4.1. Đối tượng, nhiên liệu và trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm ........... 93
4.1.1. Đối tượng thử nghiệm ............................................................................................ 93
4.1.2. Nhiên liệu thử nghiệm ........................................................................................... 93
ii


4.1.3. Trang thiết bị thử nghiệm ...................................................................................... 94
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% ........................................................ 96
4.2.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm ..................................................... 96
4.2.2. Kết quả thử nghiệm ................................................................................................ 98
4.3. Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ECU phụ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn
ethanol tới 100% ............................................................................................................ 102
4.3.1. Thiết kế chế tạo bộ điều khiển ECU phụ cho động cơ Toyota 1NZ-FE ............ 102
4.3.2. Nghiên cứu nạp bộ thông số chuẩn lên ECU phụ.............................................. 109
4.4. Thử nghiệm đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ xăng khi
được lắp thêm ECU phụ trên băng thử động cơ ......................................................... 110
4.4.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm ................................................... 110

4.4.2. Kết quả thử nghiệm trên băng thử động cơ ........................................................ 110
4.5. Thử nghiệm tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của xe ô tô được lắp thêm
ECU phụ trên băng thử ô tô .......................................................................................... 115
4.5.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm ................................................... 115
4.5.2. Kết quả thử nghiệm với ô tô nguyên bản khi chưa lắp ECU phụ ...................... 116
4.5.3. Kết quả thử nghiệm với ô tô được lắp thêm ECU phụ ....................................... 119
4.6. Kết luận Chương 4 .................................................................................................. 123

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............. 125
Kết luận chung: .............................................................................................................. 125
Hướng phát triển của đề tài: ......................................................................................... 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 127
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........ 137
PHỤ LỤC

iii


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện. Luận án có sử dụng một
phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu 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 là chủ nhiệm đề tài và tổ chức chủ trì là
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015,
tầm nhìn đến năm 2025, do Bộ Công Thương quản lý. Tôi đã được chủ nhiệm đề tài đồng ý
cho sử dụng một phần kết quả của Đề tài cấp nhà nước và việc viết luận án.
Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong các công trình nào khác.
Hà Nội, ngày
Tập thể giáo viên hướng dẫn

PGS.TS Phạm Hữu Tuyến

tháng

năm 2018

Nghiên cứu sinh

PGS.TS Phạm Văn Thể

iv

Nguyễn Khánh Tùng


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện
Cơ khí Động lực, Bộ môn Động cơ đốt trong, Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong đã cho
phép và giúp đỡ tôi thực hiện luận án trong thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Hữu Tuyến và PGS.TS. Phạm
Văn Thể đã chu đáo, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện và hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Cục Ứng dụng và Phát triển công nghệ - Bộ Khoa
học và Công nghệ, Ban điều hành đề án Phát triển nhiên liệu sinh học - Bộ Công thương và
các đồng nghiệp đã ủng hộ, tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ và các nhà khoa học đã

dành thời gian quý báu để đọc và góp ý giúp tôi hoàn thiện luận án.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn
động viên khuyến khích trong suốt thời gian tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình
này.

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Khánh Tùng

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ/SƠ ĐỒ
Hình 1.1. Tổng mức tiêu thụ năng lượng và mức phát thải CO2 trên thế giới. ..................... 4
Hình 1.2. Sự biến động của giá dầu thô trên thị trường thế giới ........................................... 4
Hình 1.3. Tăng trưởng phương tiện cơ giới đường bộ. ......................................................... 5
Hình 1.4. Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza ...................................................................... 7
Hình 1.5. Tổng sản lượng ethanol hàng năm của các quốc gia/vùng lãnh thổ .................... 10
Hình 1.6. Tỷ lệ sản lượng ethanol của các quốc gia/vùng lãnh thổ năm 2015 .................... 11
Hình 1.7. Số lượng phương tiện sử dụng nhiên liệu thay thế được đặt hàng và sản xuất hàng
năm ...................................................................................................................................... 11
Hình 1.8. Diện tích và sản lượng sắn tại Việt Nam giai đoạn 2001-2011 ........................... 12
Hình 1.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol tới hệ số dư lượng không khí tương đương A/F và hệ
số nạp tại các tốc độ 1000, 2000, 3000, 4000 v/ph ............................................................. 14
Hình 1.10. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol tới mô men và suất tiêu hao nhiên liệu tại các tốc độ
1000, 2000, 3000, 4000 v/ph ............................................................................................... 14
Hình 1.11. Ảnh hưởng của lượng ethanol tăng lên tới hàm lượng khí thải CO, CO2, HC trong
phát thải ............................................................................................................................... 15
Hình 1.12. Thay đổi mô men của động cơ và khi sử dụng xăng sinh học với với các tỷ lệ cồn
ethanol khác nhau ................................................................................................................ 15

Hình 1.13. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu tới suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô
............................................................................................................................................. 16
Hình 1.14. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu tới lượng phát thải khí CO, CO2,
HC và NH3 ........................................................................................................................... 16
Hình 1.15. Sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp và hiệu suất nhiệt của động cơ khi sử dụng
các loại xăng sinh học E10, E20, E30, E85 so với khi sử dụng xăng thông thường ........... 17
Hình 1.16. Tỷ lệ suy giảm phát thải HC và NOx khi động cơ sử dụng các loại xăng sinh học
E10, E20, E30, E85 so với khi sử dụng xăng thông thường ............................................... 18
Hình 1.17. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm tới mô men và suất tiêu hao nhiên liệu của
động cơ khi sử dụng các loại xăng sinh học tại tốc độ động cơ 5000v/ph .......................... 18
Hình 1.18. Ảnh hưởng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tới mô men, suất tiêu hao
nhiên liệu và hiệu suất nhiệt của động cơ tại tốc độ động cơ 2800 v/ph ............................. 19
Hình 1.19. Ảnh hưởng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tới tính năng động cơ tại
tốc độ động cơ 2800 v/ph .................................................................................................... 20
Hình 1.20. Bộ chuyển đổi U.S. Ethanol Conversion Kits ................................................... 21
Hình 1.21. Lượng phun nhiên liệu được điều chỉnh cho E85.............................................. 22
vi


Hình 1.22. Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh cho E85 ..................................................... 22
Hình 1.23. Điều chỉnh lại quá trình phun nhiên liệu khi sử dụng ethanol với tỷ lệ lớn ...... 23
Hình 1.24. Điều chỉnh lại góc đóng muộn xu páp khi sử dụng ethanol với tỷ lệ lớn .......... 24
Hình 1.25. Điều chỉnh lại cấu tạo buồng cháy bằng cách điều chỉnh lại cấu tạo của piston24
Hình 1.26. Tỷ lệ cải thiện công suất của động cơ khi sử dụng xăng sinh học .................... 26
Hình 1.27. So sánh phát thải của động cơ khi sử dụng A95 và E10 ................................... 26
Hình 2.1. Quá trình cháy trong động cơ xăng ..................................................................... 29
Hình 2.2. Quá trình phát triển của màng lửa trong quá trình cháy ...................................... 30
Hình 2.3. Hình ảnh lan tràn màng lửa trong động cơ xăng ................................................. 30
Hình 2.4. Ảnh hưởng của cháy lốc tới quá trình cháy trong động cơ xăng ......................... 31
Hình 2.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới sự lan tràn màng lửa trong

quá trình cháy ...................................................................................................................... 32
Hình 2.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới thời gian cháy và tỷ lệ hỗn
hợp đã cháy .......................................................................................................................... 32
Hình 2.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới nhiệt độ quá trình cháy .... 33
Hình 2.8. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới áp suất trong xy lanh ....... 33
Hình 2.9. Một số mô hình phân dạng .................................................................................. 38
Hình 2.10. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ – ôtô ......................... 51
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun xăng điện tử trên động cơ phun xăng ............. 52
Hình 2.12. Phương pháp phun độc lập theo trình tự trên động cơ phun xăng ..................... 52
Hình 2.13. Sơ đồ điều khiển hệ thống đánh lửa trực tiếp trên động cơ phun xăng ............. 53
Hình 2.14. Điều khiển góc đánh lửa sớm theo phương pháp điều khiển ESA .................... 54
Hình 2.15. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ phun xăng điện tử khi được lắp thêm
ECU phụ .............................................................................................................................. 54
Hình 2.16. Nguyên lý điều chỉnh tín hiệu khi qua bộ ECU phụ.......................................... 55
Hình 2.17. Cấu tạo và lắp đặt cảm biến cồn ethanol trên động cơ ...................................... 56
Hình 2.18. Đặc tính cảm biến tỷ lệ ethanol ......................................................................... 57
Hình 2.19. Sơ đồ khối hệ thống nhiên liệu khi được lắp thêm ECU phụ ............................ 57
Hình 2.20. Sơ đồ nguyên lý của bộ điều khiển ECU phụ.................................................... 58
Hình 2.21. Các bước quy trình xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho động cơ ............................ 60
Hình 3.1. Mô hình mô phỏng động cơ Toyota 1NZ-FE trên phần mềm AVL Boost ......... 63
Hình 3.2. So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc
độ, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50 ................................................................ 66
vii


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 ...................................................................... 67
Hình 3.4. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và
thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50 ............................. 67
Hình 3.5. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng

ECU nguyên bản, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50......................................... 68
Hình 3.6. So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa
mô phỏng và thực nghiệm tại tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 100% ...................... 69
Hình 3.7. So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa
mô phỏng và thực nghiệm ở từ tốc độ 3000 v/ph, chế độ bướm ga mở 100%.................... 69
Hình 3.8. So sánh phát thải NOx của động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô
phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100% .......................................... 70
Hình 3.9. So sánh phát thải CO của động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô
phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100% .......................................... 71
Hình 3.10. So sánh phát thải HC của động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô
phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100% .......................................... 71
Hình 3.11. So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo
tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85 và E100 ............................ 73
Hình 3.12. So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng ECU nguyên
bản, bướm ga mở 40% với RON92, E30, E50, E85 và E100 ............................................. 73
Hình 3.13. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và
thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% với RON92, E30, E50, E85, E100 ................ 74
Hình 3.14. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng
ECU nguyên bản, bướm ga mở 40% với RON92, E30, E50, E85 và E100 ........................ 74
Hình 3.15. So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100
giữa mô phỏng và thực nghiệm ở từ tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 40% ............. 75
Hình 3.16. So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100
giữa mô phỏng và thực nghiệm ở từ tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 40% ............. 76
Hình 3.17. So sánh phát thải NOx của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm
theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 ........................ 78
Hình 3.18. So sánh phát thải CO của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm
theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 ........................ 79
Hình 3.19. So sánh phát thải HC của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm
theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 ........................ 79
Hình 3.20. Sự thay đổi của tốc độ ngọn lửa tầng trong mô hình Fractal khi thay đổi tỷ lệ

ethanol trong xăng sinh học ................................................................................................. 80
viii


Hình 3.21. Sự thay đổi của diện tích màng lửa tầng trong mô hình Fractal khi thay đổi tỷ lệ
ethanol trong xăng sinh học ................................................................................................. 80
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 ........................................................................ 84
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 ............................................................................................................. 84
Hình 3.24. 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 60% tải ........................................................................ 85
Hình 3.25. Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun
nhiên liệu ở 60% tải ............................................................................................................. 85
Hình 3.26. 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 100% tải ...................................................................... 86
Hình 3.27. Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun
nhiên liệu ở 100% tải ........................................................................................................... 86
Hình 3.28. Công suất theo góc đánh lửa với các loại nhiên liệu ở 60% tải, 1000v/ph........ 88
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.................................................................. 89
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 ...................................................................................................................... 90
Hình 3.31. 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 60% tải.................................................................. 90
Hình 3.32. Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh góc đánh lửa
sớm ở 60% tải ...................................................................................................................... 90
Hình 3.33. Góc đánh lửa sớm của động cơ và sự thay đổi góc đánh lửa sớm trung bình của
động cơ cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 100% tải ...................................... 91
Hình 3.34. Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ khi điều chỉnh góc đánh lửa sớm ở

100% tải ............................................................................................................................... 91
Hình 4.1. Sơ đồ băng thử động cơ ....................................................................................... 94
Hình 4.2. Hệ thống điều khiển và lập trình ECU của hãng Woodward .............................. 95
Hình 4.3. Hệ thống đo đặc tính kinh tế kỹ thuật và phát thải ô tô ....................................... 95
Hình 4.4. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E30 ........................ 100
Hình 4.5. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E50 ........................ 100
Hình 4.6. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E85 ........................ 100
Hình 4.7. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E100 ...................... 100
Hình 4.8. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E30 ........................................................ 101
ix


Hình 4.9. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E50 ........................................................ 101
Hình 4.10. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E85 ...................................................... 102
Hình 4.11. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E100 .................................................... 102
Hình 4.12. Sơ đồ và mô phỏng mạch khi đã lắp linh kiện ................................................ 102
Hình 4.13. Mạch điều khiển của ECU phụ ô tô sau khi hoàn thiện .................................. 103
Hình 4.14. Hoạt động của ngắt 1 và bộ đếm timer2 .......................................................... 104
Hình 4.15. Điều khiển thời gian phun ............................................................................... 104
Hình 4.16. Hoạt động của ngắt INT0 và bộ đếm timer0 ................................................... 105
Hình 4.17. Nguyên lý điều khiển thời điểm đánh lửa của ECU phụ ................................. 106
Hình 4.18. Phép nội suy tuyến tính để tính toán các thông số làm việc của động cơ tại các
chế độ làm việc khác ......................................................................................................... 107
Hình 4.19. Hình ảnh chip và bo mạch nạp ATxmega128A .............................................. 119
Hình 4.20. Giao diện phần mềm Codevision .................................................................... 110
Hình 4.21. Công suất và sự thay đổi công suất động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga ..... 111
Hình 4.22. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi
lắp ECU phụ ở 100% ga .................................................................................................... 112
Hình 4.23. Hiệu suất có ích của động cơ và sự thay đổi hiệu suất có ích của động cơ khi lắp
ECU phụ ở 100% ga .......................................................................................................... 112

Hình 4.24. Hàm lượng và sự thay đổi phát thải CO của động cơ ô tô khi lắp ECU phụ ở
100% ga ............................................................................................................................. 113
Hình 4.25. Hàm lượng và sự thay đổi phát thải HC của động cơ ô tô khi lắp ECU phụ ở
100% ga ............................................................................................................................. 114
Hình 4.26. Hàm lượng và sự thay đổi phát thải NOx của động cơ ô tô khi lắp ECU phụ ở
100% ga ............................................................................................................................. 115
Hình 4.27. Chu trình thử theo tiêu chuẩn EURO 2 ........................................................... 116
Hình 4.28. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga,
tay số 3 ............................................................................................................................... 117
Hình 4.29. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga,
tay số 4 ............................................................................................................................... 118
Hình 4.30. 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 .................................................................................................... 119
Hình 4.31. Thay đổi hàm lượng phát thải và tiêu hao nhiên liệu của ô tô theo chu trình thử
Euro 2 ................................................................................................................................ 119
Hình 4.32. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô khi lắp ECU phụ ở 100%ga, tay số
3 ......................................................................................................................................... 120
x


Hình 4.33. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô khi lắp ECU phụ ở 100%ga, tay số
4 ......................................................................................................................................... 121
Hình 4.34. Thay đổi thông số kỹ thuật và phát thải của ô tô Toyota Vios khi lắp ECU phụ
khi sử dụng xăng sinh học so với xăng RON92 tại 100% ga ............................................ 122
Hình 4.35. Thay đổi hàm lượng phát thải và tiêu hao nhiên liệu của ô tô Toyota Vios khi lắp
ECU phụ thử theo chu trình thử tiêu chuẩn Euro 2 so với xăng RON92 .......................... 122

xi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. So sánh các đặc tính nhiên liệu của xăng và cồn Ethanol ..................................... 8
Bảng 1.2. Tính chất của một số loại xăng sinh học ............................................................. 10
Bảng 2.1. Phản ứng hình thành phát thải NOx..................................................................... 45
Bảng 2.2. Phản ứng hình thành phát thải CO ...................................................................... 46
Bảng 2.3. Các hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải ............................ 48
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của động cơ 1NZ-FE ............................................................. 62
Bảng 3.2. Tỉ lệ của xăng và cồn trong các loại nhiên liệu ................................................... 64
Bảng 3.3. Lượng nhiên liệu và góc đánh lửa sớm được sử dụng trong quá trình chuẩn hóa
mô hình mô phỏng động cơ ................................................................................................. 65
Bảng 3.4. Giá trị so sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm
theo tốc độ, bướm ga mở 100% khi sử dụng RON92, E30 và E50 ..................................... 66
Bảng 3.5. Giá trị so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng
và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 100% khi sử dụng RON92, E30, E50 ............... 67
Bảng 3.6. So sánh áp suất trong xy lanh động cơ Toyota 1NZ-FE khi sử dụng xăng RON92,
E30, E50 giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 100% tại
một số vị trí .......................................................................................................................... 68
Bảng 3.7. Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx của động cơ ô tô Toyota 1NZ-FE khi sử dụng
xăng RON92, E30 và E50 tại chế độ bướm ga mở 100% ................................................... 70
Bảng 3.8. Giá trị so sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm
theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85 và E100 .................... 72
Bảng 3.9. Giá trị so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng
và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85 và E100
............................................................................................................................................. 72
Bảng 3.10. So sánh áp suất trong xy lanh động cơ Toyota 1NZ-FE khi sử dụng xăng RON92,
E30, E50, E85, E100 giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga
mở 40% tại một số vị trí ...................................................................................................... 75
Bảng 3.11. Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx của động cơ ô tô Toyota 1NZ-FE khi sử dụng
xăng RON92, E30 và E50 tại chế độ bướm ga mở 100% ................................................... 77
Bảng 3.12. Hệ số dư lượng không khí  ở các chế độ tính toán ......................................... 81

Bảng 3.13. Bộ thông số điều chỉnh lượng phun nhiên liệu gct để hệ số dư lượng không khí
 = 1 ..................................................................................................................................... 83
Bảng 3.14. Kết quả mô phỏng để xác định góc đánh lửa sớm phù hợp cho động cơ khi sử
dụng xăng sinh học E30, E50, E85, E100 tại chế độ 60% tải và tốc độ 1000 v/ph ............ 87
Bảng 3.19. Bộ thông số động cơ điều chỉnh lượng phun nhiên liệu để  = 1 và Memax ...... 88
xii


Bảng 4.1. Tính chất của các loại nhiên liệu thử nghiệm ..................................................... 93
Bảng 4.2. Phương pháp thử nghiệm động cơ ô tô ............................................................... 98
Bảng 4.3. Lượng phun nhiên liệu được điều chỉnh bằng thực nghiệm để hệ số dư lượng
không khí = 1..................................................................................................................... 99
Bảng 4.4. Bộ thông số động cơ điều chỉnh lượng phun nhiên liệu để  = 1 và Memax được
hiệu chuẩn bằng thực nghiệm ............................................................................................ 100
Bảng 4.5. Công suất động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga ............................................. 111
Bảng 4.6. Suất tiêu hao nhiên liệu khi lắp ECU phụ ở 100% ga ....................................... 111
Bảng 4.7. Hiệu suất có ích của động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga .............................. 112
Bảng 4.8. Sự thay đổi hàm lượng phát thải CO của động cơ lắp ECU phụ khi sử dụng xăng
sinh học E30, E50, E85, E100 so sánh với khi sử dụng RON92 ở 100% ga .................... 113
Bảng 4.9. Sự thay đổi hàm lượng phát thải HC của động cơ lắp ECU phụ khi sử dụng xăng
sinh học E30, E50, E85, E100 so sánh với khi sử dụng RON92 ở 100% ga .................... 114
Bảng 4.10. Sự thay đổi hàm lượng phát thải NOx của động cơ lắp ECU phụ khi sử dụng xăng
sinh học E30, E50, E85, E100 so sánh với khi sử dụng RON92 ở 100% ga .................... 115
Bảng 4.11. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga,
tay số 3 ............................................................................................................................... 117
Bảng 4.12. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga,
tay số 4 ............................................................................................................................... 117
Bảng 4.13. Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx, CO2 của ô tô Toyota Vios nguyên bản ở
100% ga, tay số 3 và tay số 4 ............................................................................................ 118
Bảng 4.14. Kết quả đo gia tốc của ô tô từ 20 km/h đến 100 km/h .................................... 119

Bảng 4.15. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô được lắp thêm ECU phụ ở 100%
ga, tay số 3 và tay số 4 ....................................................................................................... 120
Bảng 4.16. Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx và CO2 của ô tô Toyota Vios được lắp thêm
ECU phụ khi hoạt động với xăng RON92, E30, E50, E85 và E100 ở vị trí 100% ga, tay số 3
và tay số 4. ......................................................................................................................... 121
Bảng 4.17. Kết quả đo gia tốc từ 20 km/h đến 100 km/h của ô tô được lắp thêm ECU phụ
khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn Ethanol tới 100% ................................................ 122

xiii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký
hiệu/viết tắt
A/F

Tiếng Anh
Air/Fuel

AVL-Boost

Diễn giải

Đơn vị

Tỷ lệ không khí/nhiên liệu

-

Phần mềm mô phỏng AVL-Boost

-

BMEP

Brake Mean Effective
Pressure

Áp suất có ích trung bình

-

CD 48’’

Chassis Dynamometer
48’’

Băng thử ô tô con và xe tải hạng
nhẹ

-

CNG

Compress Natural Gas

Nhiên liệu khí thiên nhiên nén

-

DIS

Direct Ignition System

Hệ thống đánh lửa trực tiếp

-

ĐCĐT

Động cơ đốt trong

-

ĐCD

Điểm chết dưới

-

ĐCT

Điểm chết trên

-

ĐLTT

Đánh lửa trực tiếp

-

E5

Xăng sinh học gồm 5% ethanol và
95% xăng truyền thống về thể tích

-

E10

Xăng sinh học gồm 10% ethanol và
90% xăng truyền thống về thể tích

-

E20

Xăng sinh học gồm 20% ethanol và
80% xăng truyền thống về thể tích

-

E30

Xăng sinh học gồm 30% ethanol và
70% xăng truyền thống về thể tích

-

E50

Xăng sinh học gồm 50% ethanol và
50% xăng truyền thống về thể tích

-

E85

Xăng sinh học gồm 85% ethanol và
15% xăng truyền thống về thể tích

-

E100

Xăng sinh học gồm 100% ethanol
về thể tích

-

ECU

Electronic Control Unit

Bộ điều khiển điện tử

-

EFI

Electronic fuel injection

Hệ thống phun xăng điện tử

-

xiv


EGR

Exhaust Gas Recirculation Luân hồi khí xả

ESA

Electronic Spark Advance

Hệ thống điều khiển đánh lửa theo
chương trình

-

FFV

Flexible Fuel Vehicle

Động cơ sử dụng nhiên liệu linh
hoạt

-

ge

Suất tiêu thụ nhiên liệu

gct

Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình

GDI

Gasoline Direct Injection

GTVT

-

g/kW.h
g/ct

Động cơ phun xăng trực tiếp

-

Giao thông vận tải

-

LNG

Liquefied Natural Gas

Khí thiên nhiên hóa lỏng

-

LPG

Liquefied Petroleum Gas

Khí dầu mỏ hóa lỏng

-

Me

Mô men động cơ

N.m

n

Tốc độ động cơ

v/ph

Ne

Công suất động cơ khi thử trên

băng thử động cơ và là công suất ô
tô trên băng thử ô tô

kW

NLSH

Nhiên liệu sinh học

-

OT

Open throttle

Độ mở bướm ga

-

ppm

Part per million

Một phần triệu

-

PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân

-

Research Octane Number

Chỉ số Octan nghiên cứu

-

Tiêu chuẩn Việt Nam

-

Trục khuỷu

-

Bướm ga mở hoàn toàn

-



Hệ số dư lượng không khí

-

s

Góc đánh lửa sớm



Tỷ số nén

RON
TCVN
TK
WOT

Wide open throttle

xv

GQTK
-


MỞ ĐẦU
i. Sự cần thiết của 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. 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 và mật độ dân cư 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.
Ethanol (C2H5OH) là loại nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các loại nguyên liệu
nông nghiệp như mía, sắn, ngô... cũng như từ các sản phẩm của quá trình chế biến gỗ và từ

chất thải nông nghiệp. Ethanol có thể được sử dụng như một loại nhiên liệu cho phương tiện
ở dạng nguyên chất và hoặc ở dạng hỗn hợp phối trộn với nhiên liệu truyền thống.
Ethanol có chỉ số octan cao hơn xăng nên làm tăng khả năng chống kích nổ của động
cơvà hiệu suất nhiệt của động cơ được cải thiện khi tăng tỉ số nén. Việc bổ sung thêm lượng
nhỏ ethanol vào xăng giúp tăng cường chỉ số octan của hỗn hợp nhiên liệu, bổ sung thêm
ôxy giúp quá trình cháy trong động cơ triệt để hơn, qua đó nâng cao hiệu suất động cơ và
giảm lượng phát thải độc hại CO, HC.
Xăng sinh học (hỗn hợp của xăng khoáng và cồn ethanol với các tỷ lệ phối trộn khác
nhau) 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 (5-10%) 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 duy trì và nâng cao tính năng kỹ thuật cũng
như độ bền của động cơ [57, 96, 38]. Phương tiện có thể sử dụng được xăng sinh học có tỷ
lệ cồn ethanol khác nhau được gọi là phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt-Flexible Fuel
Vehicles (FFV) đã được nghiên cứu, phát triển và lưu hành trên thị trường ở một số nước
trên thế giới. Thông thường xăng sinh học cho phương tiện FFV có tỷ lệ cồn ethanol tới 85%
(E85).
Việt Nam có sản lượng sắn lớn nên có tiềm năng về nguồn nguyên liệu sản xuất nhiên
liệu cồn ethanol. Tính đến hết năm 2014, tổng diện tích trồng sắn tại Việt Nam đạt 551,1
nghìn héc ta và tổng 10255,3 nghìn tấn, trong khi đó chỉ có chưa tới 5% nguyên liệu sắn
được sử dụng để sản xuất ethanol. Để phát huy thế mạnh về nguồn nguyên liệu, Chính phủ
đã phê duyệt Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025
[25]. Lộ trình áp dụng nhiên liệu sinh học cũng đã được ban hành vào cuối năm 2012, theo
đó xăng E5 được sử dụng trên toàn quốc vào năm 2015 và xăng E10 vào năm 2017. Tuy
nhiên do nhiều yếu tố chủ quan và khách quan nên việc sử dụng xăng sinh học còn gặp nhiều
khó khăn làm tăng lượng cồn ethanol dư thừa. Do đó, để nâng cao khả năng thay thế của
ethanol cho xăng khoáng, cần tăng lượng cồn ethanol trong xăng sinh học.
Nghiên cứu sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn là rất cần thiết. Tăng tỷ lệ
cồn ethanol trong xăng sinh học sử dụng cho phương tiện đang lưu hành giúp giảm sự phụ
1

thuộc vào nhiên liệu khoáng mà hiện nay phần lớn đang phải nhập khẩu, đảm bảo an ninh
năng lượng, giảm thiểu phát thải gây ô nhiễm môi trường, nâng cao giá trị sản phẩm nông
nghiệp vốn là thế mạnh của nước ta.
Xuất phát từ những lý do nêu trên, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu sử
dụng nhiên liệu sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% cho động cơ xăng” làm đề tài luận án
nghiên cứu sinh của mình.

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 vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ Toyota 1NZ-FE lắp trên xe ô tô Toyota
Vios. Đây là động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp hiện đang được lưu hành
phổ biến tại Việt Nam. Nhiên liệu thử nghiệm gồm xăng khoáng RON92 thương phẩm, các
hỗn hợp của xăng khoáng RON92 và 30%, 50%, 85% và 100% cồn ethanol về thể tích (tương
ứng là E0, E30, E50, E85 và E100).
- Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong phòng thí nghiệm với ở các chế độ làm việc ổn
định của động cơ từ 1000  6000 vòng/phút, chế độ chuyển tiếp theo chu trình ECE 15 và
các chế độ khởi động, tăng tốc.

iv. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết
và thực nghiệm, cụ thể như sau:
- Nghiên cứu lý thuyết: tổng hợp và phân tích kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước.

Ứng dụng phần mềm AVL-Boost nghiên cứu mô phỏng động cơ xăng 1NZ-FE sử dụng xăng
thông thường và xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn nhằm thực hiện các nhiệm vụ:
+ Đánh giá diễn biến các quá trình làm việc của động cơ xăng 1NZ-FE khi chuyển
sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn;
+ Điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp trong một chu trình (gct) sao cho hệ số dư
lượng không khí của hỗn hợp khí cháy  = 1 và điều chỉnh góc đánh lửa sớm (s) sao cho
công suất động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn đạt giá trị lớn nhất.
- Nghiên cứu thực nghiệm:
+ Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm đánh giá chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật
và phát thải của động cơ nguyên bản và động cơ kđược lắp thêm ECU phụ sử dụng xăng
thông thường và xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn.
+ Nghiên cứu hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun, góc đánh lửa sớm và xây dựng bộ
thông số chuẩn cho động cơ xăng Toyota 1NZ-FE khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn
2


ethanol lớn bằng phương pháp thực nghiệm trên băng thử động cơ. Sau đó thiết kế, chế tạo
và thử nghiệm ECU phụ cho động cơ Toyota 1NZ-FE với bộ thông số góc đánh lửa sớm và
lượng phun nhiên liệu đã được tối ưu khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol tới 100%.

v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
- 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 đa điểm, trên
đường nạp 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.

vi. 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. Các nội dung chính của đề tài
- 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

3


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
Ngày nay, cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội, mức độ tăng trưởng dân số và
quá trình đô thị hóa nhanh chóng khiến nhu cầu về giao thông, vận tải trên toàn thế giới và
đặc biệt là tại các nước đang phát triển tăng lên nhanh chóng. Số lượng phương tiện vận tải
liên tục gia tăng khiến cho nhu cầu sử dụng và tiêu thụ nhiên liệu tương ứng tăng theo. Tốc

độ tăng trưởng bình quân về lượng nhiên liệu do các phương tiện tiêu thụ trong thời gian từ
năm 2000 - 2015 là 2,1% (Hình 1.1a). Để đáp ứng nhu cầu về nhiên liệu đó, các quốc gia
trên thế giới đã tăng cường khai thác sử dụng tất cả các nguồn nhiên liệu hiện có. Tuy nhiên,
việc gia tăng khai thác, sử dụng nhiên liệu hoá thạch cũng chính là nguyên nhân gây ô nhiễm
môi trường, làm tăng nguy cơ của hiệu ứng nhà kính, làm cho trái đất nóng dần lên. Lượng
phát thải khí CO2 do quá trình cháy nhiên liệu từ các phương tiện đã tăng lên 2,2% trong
thời gian từ năm 2000  2015 (Hình 1.1b). Ngoài ra, do sự tăng lên nhanh chóng về nhu cầu
nhiên liệu khiến nguồn nhiên liệu chính cho các phương tiện là dầu thô trở nên ngày càng
cạn kiệt, đây là nguyên nhân khiến cho giá dầu thô trên thị trường thế giới trong thời gian
qua biến động không ngừng (Hình 1.2), [47, 93, 94].

a)
b)
Hình 1.1. Tổng mức tiêu thụ năng lượng và mức phát thải CO2 trên thế giới [47]
Để đảm bảo được an
ninh năng lượng, tăng trưởng
kinh tế và giảm thiểu ô nhiễm
môi trường nhiều quốc gia và
các hãng sản xuất ô tô lớn
trên thế giới trong vài thập kỷ
qua đã đầu tư cho nghiên cứu
và phát triển các loại phương
tiện sử dụng các dạng nhiên
liệu sạch thay thế, trong đó có
Hình 1.2: Sự biến động của giá dầu thô trên thị trường
nhiên liệu sinh học.
thế giới
4

Tại Việt Nam, trong thời gian qua số lượng phương tiện cơ giới đường bộ đã tăng lên
nhanh chóng, giai đoạn 2002 - 2012 tăng 13,59 %, trong đó, ô tô tăng 12,66 % còn mô tô,
xe gắn máy tăng 13,64 % (Hình 1.3) [1]. Tính đến thời điểm 15/9/2015, tổng số phương tiện
cơ giới đường bộ đã đăng ký trong cả nước là 46065091 xe (trong đó: ô tô là 2579675 xe;
mô tô là 43485416 xe) [2]. 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 [10,18, 22, 89].

Hình 1.3. Tăng trưởng phương tiện cơ giới đường bộ [1]
Đã có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm giảm thiểu ô nhiễm không khí do khí thải từ
các phương tiện. Một trong những giải pháp đó là sử dụng nhiên liệu sinh học có khả năng
tái tạo, thân thiện với môi trường và phù hợp với thế mạnh về sản xuất nông nghiệp của Việt
Nam. Do đó, việc nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học nói chung, xăng sinh học nói
riêng trên phương tiện giao thông trong giai đoạn hiện nay là điều cần thiết.
1.1.2. Các loại nhiên liệu sinh học được sử dụng trên phương tiện
1.1.2.1. Định nghĩa, phân loại
Nhiên liệu sinh học thuộc loại nhiên liệu tái tạo, được định nghĩa là bất kỳ loại nhiên
liệu nào nhận được từ sinh khối hoặc có nguồn gốc từ độngthực vật, bao gồm bioethanol,
biodiesel, biogas, ethanol pha trộn (ethanol - blended fuels), dimetyl este sinh học và dầu
thực vật [4]. Nhiên liệu sinh học (NLSH) được phân thành hai nhóm, nhóm dùng cho động
cơ xăng bao gồm các dạng cồn nhưng phổ biến là bioethanol và nhóm dùng cho động cơ
diesel là các este của dầu béo (biodiesel). Cồn ethanol được sản xuất với nguyên liệu là tinh
bột và đường nhờ quá trình phân giải của vi sinh vật. Sau đó ethanol được tách nước và bổ
sung các chất phụ gia và chất biến tính gọi là ethanol nhiên liệu biến tính hay cồn nhiên liệu.
Còn diesel sinh học được chế biến từ dầu thực vật và mỡ động vật. Nhiều nước trên thế giới
đã tiến hành nghiên cứu tận dụng và trồng các loài cây nông, lâm nghiệp để cung cấp nguyên
liệu sinh học cho chế biến loại nhiên liệu này.
1.1.2.2. Một số loại nhiên liệu sinh học thường dùng
* Diesel sinh học
Diesel sinh học (biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự và có thể

sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống. Biodiesel được điều chế bằng cách dẫn
5


Luận án đầy đủ ở file: Luận án full