Nghiên cứu điều khiển động cơ phun xăng trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hydro.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

------------------------

LÊ ĐĂNG ĐÔNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
PHUN XĂNG TRANG BỊ BỘ XÚC TÁC
TẠO HỖN HỢP KHÍ GIÀU HYDRO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

HÀ NỘI - 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

------------------------

LÊ ĐĂNG ĐÔNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
PHUN XĂNG TRANG BỊ BỘ XÚC TÁC
TẠO HỖN HỢP KHÍ GIÀU HYDRO
Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số: 9520116
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. GS. TS PHẠM MINH TUẤN
2. TS TRẦN ANH TRUNG

HÀ NỘI - 2019


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.......................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU........................................................................................ xii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ....................................................................... xiii
MỞ ĐẦU 1
i Lý do chọn đề tài ................................................................................................................. 1
ii Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài....................................................................... 2
iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .................................................................... 3
iv Phương pháp nghiên cứu của đề tài ................................................................................... 3
v Ý nghĩa khoa học của đề tài................................................................................................ 4
vi Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ............................................................................................... 4
vii Điểm mới của luận án ...................................................................................................... 4
viii Bố cục chính của luận án................................................................................................. 5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU .............................................. 6
1.1 Vấn đề giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ xăng ..................................... 6
1.2 Các biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải cho động cơ xăng ......................... 6
1.2.1 Các biện pháp liên quan đến động cơ ........................................................................... 7
1.2.2 Xử lý khí thải ................................................................................................................ 9
1.3 Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hydro cho động cơ xăng .............................................. 10
1.3.1 Bổ sung hydro cho động cơ xăng ............................................................................... 10
1.3.2 Bổ sung hỗn hợp khí giàu hydro cho động cơ xăng ................................................... 16

1.3.2.1 Bổ sung hỗn hợp giàu hydro từ ô xy hóa không hoàn toàn nhiên liệu .................... 16
1.3.2.2 Bổ sung hỗn hợp giàu hydro từ ô xy hóa nhiên liệu bằng plasma........................... 18
1.3.2.3 Bổ sung hỗn hợp giàu hydro từ biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước ........... 19
1.4 Hướng tiếp cận của luận án ........................................................................................... 22
1.5 Tổng quan về xây dựng mô hình động cơ ..................................................................... 23
1.6 Tổng quan về xây dựng hệ thống điều khiển................................................................. 26
1.7 Nội dung nghiên cứu ..................................................................................................... 31
1.8 Kết luận chương 1 ......................................................................................................... 32
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG
ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG HỖN HỢP GIÀU HYDRO VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ......... 33
2.1 Đặt vấn đề ...................................................................................................................... 33
2.2 Mô hình tổng quan động cơ phun xăng trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp giàu hydro .... 34
2.3 Mô hình thành phần ....................................................................................................... 35
2.3.1 Mô hình trao đổi khí ................................................................................................... 35
2.3.1.1 Xác định lượng khí đi qua bướm ga ........................................................................ 35
2.2.1.2 Xác định lượng khí đi qua xu páp nạp ..................................................................... 37
2.2.1.3 Xác định lượng khí đi qua xu páp xả....................................................................... 38
2.3.2 Mô hình bộ xúc tác ..................................................................................................... 39
iii


2.3.3 Mô hình cháy .............................................................................................................. 41
2.3.3.1 Cơ sở lựa chọn mô hình cháy .................................................................................. 41
2.3.3.2 Mô hình cháy ........................................................................................................... 43
2.3.3.3 Mô hình truyền nhiệt ............................................................................................... 46
2.3.4 Mô hình tổn thất cơ khí của động cơ .......................................................................... 46
2.3.5 Mô hình động học, động lực học của động cơ ........................................................... 49
2.4 Mô hình điều khiển ........................................................................................................ 50
2.4.1 Lọc nhiễu tín hiệu đo .................................................................................................. 51
2.4.2 Thuật toán tra bảng ..................................................................................................... 53

2.4.2.1 Nội suy một chiều 1D .............................................................................................. 53
2.4.2.2 Nội suy hai chiều 2D ............................................................................................... 54
2.4.3 Bộ điều khiển vòng kín............................................................................................... 54
2.4.3.1 Hàm truyền vòng kín ............................................................................................... 55
2.4.3.2 Bộ điều khiển PID ................................................................................................... 55
2.5 Kết luận chương 2 ......................................................................................................... 57
CHƯƠNG 3. ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG SỬ DỤNG HỖN HỢP GIÀU HYDRO VÀ MÔ
HÌNH MÔ PHỎNG ............................................................................................................. 58
3.1 Đặt vấn đề ...................................................................................................................... 58
3.2 Đối tượng nghiên cứu và nhiên liệu thử nghiệm ........................................................... 58
3.2.1 Động cơ nghiên cứu.................................................................................................... 58
3.2.2 Nhiên liệu thử nghiệm ................................................................................................ 59
3.3 Thiết kế lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ và bộ xúc tác .................... 59
3.3.1 Hệ thống cung cấp hỗn hợp giàu hydro tiêu chuẩn cho động cơ................................ 59
3.3.2 Hệ thống cung cấp xăng và nước cho bộ xúc tác ....................................................... 60
3.4 Xác định vùng thường xuyên hoạt động của động cơ ................................................... 61
3.5 Xác định các tham số đầu vào cơ bản cho mô hình động cơ ......................................... 62
3.5.1 Xác định quy luật phối khí ......................................................................................... 62
3.5.2 Xác định lưu lượng khí đi qua xu páp ........................................................................ 63
3.5.3 Xác định đặc tính của vòi phun .................................................................................. 64
3.5.4 Áp suất xi lanh ............................................................................................................ 65
3.6 Phân tích số liệu thực nghiệm và xây dựng mô hình động cơ ....................................... 68
3.6.1 Xác định hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xu páp ............................................... 68
3.6.2 Xác định tốc độ tỏa nhiệt ............................................................................................ 69
3.6.3 Xác định thời điểm bắt đầu cháy, khoảng thời gian cháy........................................... 71
3.6.4 Xây dựng mô hình động cơ ........................................................................................ 74
3.7 Đánh giá độ tin cậy của mô hình động cơ ..................................................................... 75
3.7.1 Đánh giá về lưu lượng không khí nạp 75
3.7.2 Đánh giá về tỉ lệ cháy và tốc độ tỏa nhiệt ................................................................... 76
3.7.3 Đánh giá về áp suất xi lanh......................................................................................... 78

3.7.4 Đánh giá về mô men và công suất .............................................................................. 81
3.8 Bộ điều khiển động cơ phun xăng điện tử trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp giàu hydro 83
3.8.1 Bộ điều khiển động cơ sử dụng hỗn hợp giàu hydro .................................................. 83
3.8.2 Các khối tính toán các thông số làm việc của động cơ ............................................... 84
3.8.2.1 Khối xác định kỳ làm việc của động cơ .................................................................. 84
iv


3.8.2.2 Các khối xác định và điều khiển góc đánh lửa sớm ................................................ 87
3.8.2.3 Các khối xác định và điều khiển lượng nhiên liệu phun vào đường ống nạp ......... 89
3.8.2.4 Các khối xác định và điều khiển lượng phun vào bộ xúc tác .................................. 90
3.8.2.5 Các khối xác định và điều khiển tốc độ không tải ................................................... 91
3.8.3 Đánh giá bộ điều khiển ............................................................................................... 91
3.8.3.1 Kết quả chương trình nhận dạng kỳ làm việc của động cơ ..................................... 92
3.8.3.2 Kết quả chương trình điều khiển không tải ............................................................. 93
3.9 Kết luận chương 3 ......................................................................................................... 94
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................................. 95
4.1 Đặt vấn đề và các mục tiêu nghiên cứu thử nghiệm ...................................................... 95
4.2 Phạm vi, phương pháp và điều kiện thực nghiệm ......................................................... 95
4.2.1 Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm ............................................................................... 95
4.2.2 Phương pháp thực nghiệm .......................................................................................... 96
4.2.3 Điều kiện nghiên cứu thực nghiệm ............................................................................. 96
4.3 Quy trình, chế độ và trang thiết bị thử nghiệm .............................................................. 97
4.3.1 Thử nghiệm thu thập số liệu xây dựng mô hình mô phỏng động cơ trên băng thử công
suất động cơ ......................................................................................................................... 97
4.3.1.1 Thử nghiệm xây dựng đặc tính ngoài của động cơ ................................................. 98
4.3.1.2 Thử nghiệm xác định giới hạn cháy của động cơ .................................................... 99
4.3.2 Thử nghiệm hiệu chuẩn và đánh giá hệ thống điều khiển trên bệ thử động lực học xe
máy CD20” ......................................................................................................................... 99
4.3.2.1 Thử nghiệm hiệu chuẩn hệ thống điều khiển ....................................................... 100

4.3.2.2 Thử nghiệm đánh giá hệ thống điều khiển ........................................................... 102
4.4 Kết quả thực nghiệm động cơ trên băng thử công suất .............................................. 103
4.4.1 Kết quả thử nghiệm động cơ ở chế độ toàn tải ........................................................ 103
4.4.2 Kết quả thử nghiệm động cơ ở chế độ cháy nghèo ................................................. 105
4.4.2.1 Ảnh hưởng của hỗn hợp giàu hydro đến giới hạn cháy nghèo ............................. 105
4.4.2.2 Ảnh hưởng của hỗn hợp giàu hydro đến hiệu suất có ích của động cơ ................ 107
4.4.2.3 Ảnh hưởng của hỗn hợp giàu hydro đến suất tiêu thụ năng lượng ....................... 108
4.4.2.4 Nhiệt độ khí xả của động cơ tại chế độ cháy nghèo ............................................. 109
4.4.2.5 Ảnh hưởng của hỗn hợp giàu hydro đến phát thải của động cơ tại chế độ cháy
nghèo
110
4.5 Kết quả thử nghiệm đánh giá hệ thống điều khiển ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH trên
băng thử động lực học xe máy CD 20” ............................................................................ 112
4.5.1 Tại 10% độ mở bướm ga ......................................................................................... 112
4.5.2 Tại 20% độ mở bướm ga ......................................................................................... 114
4.5.3 Tại 30% độ mở bướm ga ......................................................................................... 117
4.5.4 Tại 50% độ mở bướm ga ......................................................................................... 119
4.5.5 Kết quả thử nghiệm theo chu trình thử ECE-R40 ................................................... 121
4.6 Kết luận chương 4 ...................................................................................................... 123
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................ 124
Kết luận chung: ................................................................................................................. 124
Hướng phát triển: .............................................................................................................. 125
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 126
v


DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................................ 131
PHỤ LỤC 1
Phụ lục 1. Mô hình mô phỏng trong Matlab/Simulink ......................................................... 1
Phụ lục 1.1 Mô hình trao đổi khí .......................................................................................... 1

Phụ lục 1.2 Mô hình cháy ..................................................................................................... 1
Phụ lục 1.3 Mô hình tổn thất cơ khí ..................................................................................... 2
Phụ lục 1.4 Mô hình động học .............................................................................................. 2
Phụ lục 2. Các thông số thực nghiệm ................................................................................... 3
Phụ lục 2.1 Quy luật phối khí ............................................................................................... 3
Phụ lục 2.3 Tốc độ tỏa nhiệt ở chế độ toàn tải, động cơ sử dụng xăng nguyên bản ............ 4
Phụ lục 2.4 Tốc độ tỏa nhiệt tại n=4500 vg/ph, Me=2Nm ................................................... 4
Phụ lục 2.5 Tốc độ tỏa nhiệt tại n=5300 vg/ph, Me=3Nm ................................................... 5
Phụ lục 2.6 Tỉ lệ cháy xb ở chế độ toàn tải, động cơ sử dụng xăng nguyên bản .................. 6
Phụ lục 2.7 Tỉ lệ cháy xb tại n=4500 vg/ph, Me=2Nm ........................................................ 7
Phụ lục 2.8 Tỉ lệ cháy xb tại n=5300 vg/ph, Me=3Nm ........................................................ 8
Phụ lục 2.9 Bảng MAP đánh lửa .......................................................................................... 8
Phụ lục 2.10 Bảng MAP lượng nhiên liệu phun tại vòi phun chính ..................................... 9
Phụ lục 2.11 Bảng MAP lượng xăng, nước phun vào BXT ............................................... 11
Phụ lục 3. Các trang thiết bị chính dùng trong thử nghiệm ................................................ 12
Phụ lục 3.1 Thiết bị đo lượng nhiên liệu tiêu thụ AVL 733S ............................................. 12
Phụ lục 3.2 Tủ phân tích khí thải AVL CEB II .................................................................. 13
Phụ lục 3.3 Hệ thống đo AVL 620 Indiset ......................................................................... 14
Phụ lục 3.4 Mô đun điều khiển động cơ (MotoHawk Control Solutions) .......................... 15
Phụ lục 3.5 Băng thử động cơ DW-16 ............................................................................... 16
Phụ lục 3.6 Cảm biến đo lambda dải rộng LSU 4.9 ........................................................... 17
Phụ lục 3.7 Cảm biến lưu lượng khí nạp ............................................................................ 17
Phụ lục 3.8 Cảm biến lưu lượng hỗn hợp giàu hydro ......................................................... 18
Phụ lục 3.9 Băng thử động lực học xe máy Chassis dynamometer 20’’ (CD20”) ............. 18
Phụ lục 4. Một số hình ảnh thực nghiệm trong quá trình thực hiện luận án ....................... 19
Phụ lục 4.1 Thực nghiệm xác định quy luật phối khí của động cơ 3V i.e 150. .................. 19
Phụ lục 4.2 Động cơ Liberty 3V i.e 150 được lắp đặt trên băng thử công suất động cơ DW16 chuẩn bị cho các thí nghiệm cơ bản .............................................................................. 20
Phụ lục 4.3 Chạy thử hệ thống thử nghiệm động cơ trên băng thử công suất .................... 20
Phụ lục 4.4 Hiệu chỉnh hệ thống thử nghiệm động cơ trên băng thử công suất ................. 20
Phụ lục 4.5 Thử nghiệm động cơ trên băng thử công suất, xác định các bộ tham số đầu vào

cho mô hình mô phỏng động cơ ......................................................................................... 21
Phụ lục 4.6 Xe Liberty 3V i.e 150 lắp đặt cho thử nghiệm hiệu chỉnh bộ thông số điều khiển
và thử nghiệm đối chứng trên Dyno. .................................................................................. 21
Phụ lục 4.7 Kiểm tra hiệu chỉnh xe Liberty 3V i.e trước khi thử nghiệm trên Dyno ......... 21
Phụ lục 4.8 Vị trí lắp đặt vòi phun, bộ xúc tác và cảm biến lambda dải rộng .................... 22
Phụ lục 4.9 Thử nghiệm hiệu chỉnh hệ thống điều khiển động cơ trên xe ......................... 22
Phụ lục 4.10 Hiệu chỉnh các bộ tham số hệ thống điều khiển động cơ trên Dyno ............. 22

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
A. Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu

Diễn giải

Đơn vị
-

a

Tham số mô hình Wiebe

A

Tiết diện lưu thông của bướm ga

A/F

Tỉ lệ không khí trên nhiên liệu (Air Fuel Ratio)

Abc

Diện tích tức thời của thành vách buồng cháy

m2

Aev

Tiết diện lưu thông của xu páp xả

m2

Aiv
Apis

Tiết diện lưu thông của xu páp nạp

m2

Diện tích đỉnh piston

m2

aθ
Bcyl

Khoảng cách từ tâm chốt piston đến tâm trục khuỷu

m

Đường kính xi lanh

m

BSEC

Suất tiêu hao năng lượng (Brake Specific Energy Consumption)

BTE

Hiệu suất nhiệt có ích (Brake Thermal Efficiency)

CA

Góc quay trục khuỷu (CrankShaft Angle)

COVimep

Hệ số biến thiên áp suất chỉ thị trung bình (Coefficient Of
Variation in indicated mean effective pressure)

CBdelay

Góc cháy trễ

Cf, ev

Hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xu páp xả

-

Cf, iv

Hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xu páp nạp

-

Cf, th

Hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua bướm ga

-

Cm1

Hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào biên dạng xéc măng

-

Cm2

Hệ số đánh giá ảnh hưởng do ma sát đối với xéc măng khí trên
cùng do bôi trơn không đầy đủ

-

Cm3

Hệ số tính đến ảnh hưởng của các tác động làm thay đổi độ dày
màng dầu do piston bị nghiêng

-

Cm4

Hệ số ma sát thực nghiệm

-

Cm5

Hệ số phụ thuộc mặt phân cách của cơ cấu cam, cơ cấu dẫn
động cam

-

Cm6
C̅pis

Hệ số thực nghiệm

-

d

Đường kính trục bướm ga

m

D

Đường kính bướm ga

m

Dev

Đường kính xu páp xả

m

Div
dQhr /dt

Đường kính xu páp nạp

m

Tốc độ tỏa nhiệt trong xi lanh

J/s

dQht /dt

Tốc độ truyền nhiệt cho thành vách buồng cháy

J/s

m2
-

MJ/kW.h
o

CA
-

o

CA

Vận tốc trung bình của piston

m/s

vii


Ký hiệu
dωe /dt

Diễn giải
Gia tốc góc của trục khuỷu

Đơn vị
rad/s2

dU/dt

dVcyl /dt

Tốc độ biến thiên nội năng trong xi lanh

h

Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu

hexh
hin,cyl

Enthanpi của khí xả

J/kg

Enthanpi của khí nạp

J/kg

hoil

Bề dày của màng dầu bôi trơn

Imep

Áp suất chỉ thị trung bình (Indicated mean effective pressure)

ITE

Hiệu suất nhiệt chỉ thị (Indicated Thermal Efficiency)

Ie

Mô men quán tính của động cơ

k

Hệ số đoạn nhiệt

-

L

Chiều dài thanh truyền

m

Liv
Lpis

Độ nâng của xu páp nạp

m

Chiều dài của thân piston

m

m

Tham số đặc trưng cho quá trình cháy của mô hình Wiebe

-

MAP

Áp suất tuyệt đối đường nạp (Manifolds Absolute Pressures)

kPa

MBT

Mô men có ích lớn nhất (Maximum Brake Torque)

N.m

Maub

Mô men tổn hao cơ giới cho các dẫn động phụ

N.m

Me

Mô men có ích của động cơ

N.m

Mlb

Mô men ma sát do tải tác dụng lên các ổ trục

N.m

Mm
Mpis

Mô men tổn hao cơ giới

N.m

Mô men ma sát của thân piston

N.m

Mrm

Mô men ma sát nửa ướt của xéc măng

N.m

Mrv

Mô men cản của xéc măng do độ nhớt của dầu bôi trơn

N.m

Mval
mKK_MP

Mô men tổn hao cơ giới do dẫn động cơ cấu phân phối khí

N.m

Lưu lượng không khí nạp mô phỏng

kg/h

mKK_TN

Lưu lượng không khí nạp thực nghiệm

kg/h

ṁ exh

Lưu lượng khí xả

g/s

ṁ H2
ṁ H2_mix

Khối lượng HHGH cấp cho mỗi chu trình

kg

Lượng HHGH phun từ vòi phun

g/s

ṁ im, th

Lưu lượng không khí đi qua bướm ga

g/s

ṁ in, cyl

Lưu lượng không khí đi vào xi lanh

g/s

ṁ xang

Khối lượng nhiên liệu xăng cấp cho mỗi chu trình

kg

ṁ xangbxt

Lượng xăng cấp cho bộ xúc tác mỗi chu trình

g

naring

Số xéc măng khí

-

ncyl

Số xi lanh của động cơ

-

ne

Tốc độ động cơ

Tốc độ thay đổi thể tích công tác trong xi lanh động cơ

J/s
m3/s
W/m2K

m
kPa
kg.m2

vg/ph
viii


Ký hiệu

Diễn giải

Đơn vị

-

noring

Số xéc măng dầu

Ns

Tải trọng của lò xo xu páp

N

nv
pcyl

Số xu páp

-

Áp suất trong xi lanh

Pa

pim

Áp suất trên đường ống nạp

Pa

po

Áp suất khí trời

Pa

pe

Áp suất đàn hồi của xéc măng

N/m2

Qmeas
Lưu lượng khí đi qua xu páp
QHV_H2_mix Nhiệt trị thấp của hỗn hợp giàu hydro
QHV_xang
Nhiệt trị thấp của nhiên liệu xăng

l/s
J/kg
J/kg

r

Bán kính quay của trục khuỷu

m

RON

Chỉ số ốc tan nghiên cứu (Research Octane Number)

-

R1

Tham số không thứ nguyên

-

Rim
rjb

Hằng số chất khí trong đường nạp

Ro

Hằng số chất khí

S

Hành trình của piston

SA

Góc đánh lửa sớm

Tbxt
Tcyl

Nhiệt độ bộ xúc tác

o

Nhiệt độ của khí cháy trong xi lanh

K

Texh

Nhiệt độ bên trong đường xả

K

Tim
Tcylmax

Nhiệt độ bên trong đường ống nạp

K

Nhiệt độ quá trình cháy lớn nhất

K

To

Nhiệt độ khí trời

K

Tw

Nhiệt độ của thành vách buồng cháy

K

Vc
Vcyl

Thể tích buồng cháy của động cơ

m3

Thể tích tức thời của xi lanh

m3

Vdisp

Thể tích công tác của động cơ

m3

VHHGH

Lưu lượng hỗn hợp giàu hydro

lít/ph

Vim

Thể tích đường nạp

m3

x

Chuyển vị của piston

m

xb

Tỉ lệ cháy

-

y

Tốc độ cháy

-

Wc

Bề dày của xéc măng khí

m

Wo

Bề dày của xéc măng dầu

m

θ

Góc quay trục khuỷu

o

Góc cháy chính của hỗn hợp nhiên liệu

o

θd

J/kg.K

Bán kính của bề mặt ma sát bên ngoài của ổ đỡ

m
J/kg.K
m
o

CA
C

CA

ix

CA


Ký hiệu
θEVO

Diễn giải
Góc quay trục khuỷu tương ứng với vị trí xu páp thải mở

θo

Góc bắt đầu cháy của hỗn hợp (góc cháy trễ)

o

θSA
μoil

Góc quay trục khuỷu tưsơng ứng với vị trí đánh lửa sớm

o

%m

Phần trăm theo khối lượng

%

%V

Phần trăm theo thể tích

%



Góc mở của bướm ga

độ

o
δ̅

Góc mở không tải của bướm ga

độ

Tốc độ trung bình của khí thể trong xi lanh

m/s



Tốc độ góc của trục khuỷu

rad/s



Thông số kết cấu động cơ

-

p

Độ chênh lệch áp suất phía trước và sau xu páp

γ

Chỉ số đa biến

-

ε

Tỉ số nén của động cơ

-

λ

Hệ số dư lượng không khí

-

Độ nhớt động học của dầu bôi trơn

Đơn vị
o
CA
CA
CA

kg/ms

mmH2O

ρ

Khối lượng riêng của khí

kg/m3

ϕ

Hệ số tỉ lệ hòa khí tương đương ϕ=1/λ

-

x


B. Danh mục các chữ viết tắt
Ký hiệu
BXT

Diễn giải

Bộ xúc tác

ĐCD

Động cơ diesel

ĐCĐT

Động cơ đốt trong

ĐCPX

Động cơ phun xăng điện tử

ĐCX

Động cơ xăng

ECM

Mô đun điều khiển (Electronic Control Modul)

ECU

Bộ điều khiển trung tâm (Electronic Control Unit)

EFI

Phun xăng điện tử (Electronic Fuel Injection)

EGR

Tuần hoàn khí xả (Exhaust Gas Recirculation)

GDI

Phun xăng trực tiếp (Gasoline Direct Injection)

HHGH

Hỗn hợp khí giàu hydro

IEA

Cơ quan Năng lượng Quốc tế (International Energy Agency)

MFB

Tỉ lệ hỗn hợp đã cháy (Mass Fraction Burn)

NCS

Nghiên cứu sinh

NLGH

Nhiên liệu giàu hydro

PTGT

Phương tiện giao thông

SA

Góc đánh lửa sớm (Spark Advance)

SIL

Mô hình điều khiển ghép chung với mô hình động cơ trên cùng một mô
hình (Software In the Loop Simulation)

SQP

Phương pháp quy hoạch toàn phương liên tục (Sequential Quadratic
Programming)

xi


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Thông số cơ bản của một số nhiên liệu [9, 34, 35] ............................................. 10
Bảng 2.1 Lượng nhiên liệu cấp cho BXT và lượng HHGH tạo thành [58] ....................... 40
Bảng 2.2 Các hệ số xác định chỉ số đa biến cho trường hợp cháy nghèo ở ĐCX [76] ...... 45
Bảng 2.3 Các hệ số thực nghiệm ei [82] ............................................................................. 48
Bảng 2.4 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất [90] ................... 56
Bảng 3.1 Những thông số cơ bản của động cơ 3V i.e [91] ................................................ 58
Bảng 3.2 Các thông số kỹ thuật của xăng A95 [92] ........................................................... 59
Bảng 3.3 Áp suất cực đại trong xi lanh động cơ tại các chế độ thí nghiệm ....................... 68
Bảng 3.4 Giá trị θo và θd tính toán từ áp suất xi lanh thực nghiệm ..................................... 72
Bảng 3.5 Giá trị θo và θd dự đoán từ hàm mô phỏng ......................................................... 74

Bảng 3.6 So sánh lưu lượng khí nạp ở chế độ toàn tải, động cơ chạy xăng nguyên bản ... 76
Bảng 3.7 So sánh mô men và công suất động cơ chạy xăng nguyên bản ở chế độ toàn tải81
Bảng 4.1 Phát thải của động cơ khi sử dụng xăng nguyên bản tại chế độ toàn tải .......... 103
Bảng 4.2 COV imep tại 4500 và 5300 vg/ph ................................................................... 106
Bảng 4.3 Hiệu suất có ích của động cơ tại 4500 và 5300 vg/ph ...................................... 108
Bảng 4.4 Suất tiêu thụ năng lượng quy đổi ra xăng tại 4500 và 5300 vg/ph ................... 108
Bảng 4.5 Nhiệt độ khí xả ở chế độ cháy nghèo tại 4500 và 5300 vg/ph .......................... 109
Bảng 4.6 phát thải của động cơ tại chế độ tải bộ phận 4500 và 5300 vg/ph .................... 111
Bảng 4.7 Đặc tính động cơ khi làm việc ở 10% bướm ga ................................................ 112
Bảng 4.8 Phát thải của động cơ khi làm việc ở 10% bướm ga......................................... 114
Bảng 4.9 Đặc tính động cơ khi làm việc ở 20% bướm ga ................................................ 115
Bảng 4.10 Phát thải của động cơ khi làm việc ở 20% bướm ga ...................................... 117
Bảng 4.11 Đặc tính động cơ khi làm việc ở 30% bướm ga ............................................. 118
Bảng 4.12 Phát thải của động cơ khi làm việc ở 30% bướm ga ...................................... 119
Bảng 4.13 Đặc tính động cơ khi làm việc ở 50% bướm ga ............................................. 120
Bảng 4.14 Phát thải của động cơ khi làm việc ở 50% bướm ga ...................................... 121
Bảng 4.15 Kết quả thử nghiệm xe Liberty theo chu trình thử ECE R40 ......................... 123

xii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8

Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 1.11
Hình 1.12
Hình 1.13
Hình 1.14
Hình 1.15
Hình 1.16
Hình 1.17
Hình 1.18
Hình 1.19
Hình 1.20
Hình 1.21
Hình 1.22
Hình 1.23
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9
Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12

Tỉ lệ các tổn thất trong động cơ đốt trong........................................................... 8
Các nguồn nguyên liệu sản xuất và các lĩnh vực sử dụng hydro [5] ................ 10

Công suất có ích tại bánh xe khi sử dụng xăng và hydro ở chế độ toàn tải ...... 11
Sơ đồ thí nghiệm bổ sung hydro cho động cơ phun xăng điện tử [41]............. 12
Diễn biến hiệu suất nhiệt có ích theo λ [41] ..................................................... 12
Diễn biến góc cháy trễ, cháy chính tương ứng 10% và 90% MFB theo  [41] 13
Diễn biến của hiệu suất nhiệt chỉ thị và áp suất cực đại trong xi lanh theo λ ... 13
Suất tiêu thụ năng lượng của động cơ ứng với các tỉ lệ bổ sung hydro khác nhau
theo tốc độ động cơ [42] ................................................................................... 14
Quan hệ giữa hiệu suất nhiệt (a), suất tiêu thụ năng lượng (b) của động cơ ở các
tỉ lệ bổ sung hydro khác nhau theo λ [48] ........................................................ 14
Sơ đồ thử nghiệm bổ sung HHO cho động cơ xăng dùng chế hóa khí [21] ..... 16
Phương pháp tạo HHGH mở rộng giới hạn luân hồi khí xả EGR [54] ............ 17
Diễn biến của COV Imep (a) và hiệu suất nhiệt (b) theo ϕ [50]....................... 18
Diễn biến phát thải HC (a) và NOx (b) theo COVimep [50]............................ 19
Sơ đồ nguyên tắc tạo HHGH bằng plasmatron trên động cơ [8] ...................... 19
Sơ đồ thí nghiệm tạo HHGH bổ sung cho ĐCX dùng chế hòa khí [18] .......... 20
Tỉ lệ phân bố sản phẩm tương ứng với tỉ lệ mol S/C=0,9 tại 550oC (a), hiệu suất
chuyển đổi xăng và phân bố sản phẩm theo nhiệt độ bộ xúc tác (b) [52] ........ 21
Mô hình làm việc theo thời gian thực [60] ....................................................... 24
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển khi sử dụng ECU phụ cho ĐCPX sử dụng nhiên
liệu sinh học có tỉ lệ cồn ethanol tới 100% [62] .............................................. 27
Sử dụng ECU chung cho động cơ khi sử dụng cả hai loại nhiên liệu xăng và
CNG (a); trang bị thêm ECU phụ cho động cơ khi sử dụng CNG (b) [63]...... 28
Sơ đồ khái quát về thiết kế mô hình điều khiển dựa trên mô hình mô phỏng động
cơ phun xăng điện tử trang bị bộ xúc tác tạo HHGH ....................................... 29
Sơ đồ chung của hệ thống điều khiển động cơ phun xăng điện tử [69] ........... 29
Sơ đồ cấu tạo chung của BXT tận dụng nhiệt của khí xả biến đổi nhiệt hóa một
phần nhiên liệu cung cấp cho động cơ và hơi nước tạo HHGH [58] ............... 30
Sơ đồ nội dung thực hiện luận án ..................................................................... 31
Sơ đồ tổng quan hệ thống điều khiển ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH ........... 33
Mô hình điền đầy thải sạch của ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH .................... 34

Sơ đồ tổng quan mô hình ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH ............................. 34
Sơ đồ mô hình nạp ............................................................................................ 35
Mô hình xác định dòng khí đi qua bướm ga [70] ............................................. 35
Sơ đồ mô hình hệ thống thải [77] ..................................................................... 38
Các thông số đầu vào, đầu ra của khối mô hình bộ xúc tác.............................. 39
Mối quan hệ giữa lượng xăng phun vào BXT và lượng HHGH tạo thành....... 41
Các loại mô hình cháy ...................................................................................... 41
Mô hình cháy một vùng và hai vùng ................................................................ 42
Phương pháp xác định các tham số của mô hình cháy một và hai vùng .......... 42
Chương trình điều khiển góc đánh lửa sớm [86] .............................................. 51
xiii


Hình 2.13
Hình 2.14
Hình 2.15
Hình 2.16
Hình 2.17
Hình 2.18
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10
Hình 3.11

Hình 3.12
Hình 3.13
Hình 3.14
Hình 3.15
Hình 3.16
Hình 3.17
Hình 3.18
Hình 3.19
Hình 3.20
Hình 3.21
Hình 3.22
Hình 3.23
Hình 3.24
Hình 3.25
Hình 3.26
Hình 3.27
Hình 3.28
Hình 3.29
Hình 3.30
Hình 3.31
Hình 3.32
Hình 3.33
Hình 3.34
Hình 3.35
Hình 3.36

Xấp xỉ sai phân lùi Euler theo vi phân thời gian [88] ....................................... 52
Phép nội suy tuyến tính 1D [89] ....................................................................... 53
Phép nội suy 2 chiều 2D [89] ........................................................................... 54
Một hệ điều khiển vòng kín .............................................................................. 55

Bộ điều khiển PID ............................................................................................ 56
Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng đường cong chữ S [90] .................................. 56
Động cơ phun xăng điện tử 3V i.e. ................................................................... 58
Sơ đồ hệ thống cung cấp HHGH pha sẵn cho động cơ .................................... 60
Hệ thống tạo HHGH trực tiếp trên động cơ phun xăng điện tử........................ 60
Vùng làm việc của động cơ Liberty 3V i.e 150 theo chu trình thử ECE-R40 .. 61
Quy luật phối khí của động cơ xe Piaggio Liberty 3V i.e 150 ......................... 63
Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo lưu lượng và tổn thất dòng khí [60]...................... 63
Mối quan hệ giữa độ nâng và lưu lượng khí đi qua xu páp động cơ 3Vi.e150 64
Sơ đồ thực nghiệm xác định đặc tính vòi phun ................................................ 64
Đặc tính của vòi phun xăng chính và vòi phun tại BXT .................................. 65
Áp suất trong xi lanh động cơ ở chế độ toàn tải ............................................... 66
Áp suất xi lanh ở tải bộ phận 4500 và 5300 vg/ph khi chạy xăng nguyên bản 66
Áp suất xi lanh ở chế độ tải bộ phận khi bổ sung HHGH ................................ 67
Mối quan hệ giữa hệ số lưu lượng khí đi qua xu páp và tỉ số độ nâng với đường
kính xu páp động cơ Piaggio Liberty 3V i.e 150 .............................................. 69
Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ khi chạy xăng nguyên bản ở chế độ toàn tải ..... 70
Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ ở chế độ cháy nghèo .......................................... 70
Tỉ lệ hỗn hợp đã cháy xb ở chế độ toàn tải........................................................ 71
So sánh giá trị θo và θd mô phỏng và thực nghiệm ........................................... 73
Mô hình động cơ phun xăng điện tử sử dụng HHGH bổ sung ......................... 74
So sánh lượng không khí nạp mô phỏng và thực nghiệm ở chế độ toàn tải ..... 76
So sánh tỉ lệ cháy ở chế độ toàn tải, động cơ chạy xăng nguyên bản ............... 76
So sánh tỉ lệ cháy tại chế độ cháy nghèo 4500 và 5300 vg/ph ......................... 77
So sánh tốc độ tỏa nhiệt mô phỏng và thực nghiệm ......................................... 78
So sánh áp suất xi lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm ở chế độ toàn tải ....... 79
So sánh áp suất xi lanh ở chế độ cháy nghèo 5300 vg/ph ................................ 80
So sánh áp suất xi lanh ở chế độ cháy nghèo 4500 vg/ph ................................ 81
Đặc tính ngoài thực nghiệm và mô phỏng của động cơ ................................... 82
Sai số về mô men và công suất giữa mô phỏng và thực nghiệm ...................... 82

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ phun xăng trang bị BXT tạo HHGH 83
Kết quả đo áp suất đường nạp, độ nâng xu páp và góc quay trục khuỷu hai trường
hợp đúng và lệch trên mô hình tại tốc độ 1800 vg/ph, bướm ga mở 8% ......... 84
Kết quả áp suất đường ống nạp mô phỏng tại tốc độ 2500 vg/ph .................... 85
Sơ đồ thuật toán xác định kỳ của động cơ ........................................................ 86
Mô hình xác định thời kỳ khởi động trên Matlab/Simulink ............................. 87
Mô hình xác định góc quay trục khuỷu trên Matlab/Simulink ......................... 87
Góc đánh lửa sớm thực nghiệm trường hợp không bổ sung HHGH ................ 88
Góc đánh lửa sớm thực nghiệm trường hợp bổ sung HHGH ........................... 88
Lượng nhiên liệu phun thực nghiệm khi BXT không làm việc ........................ 89
xiv


Hình 3.37
Hình 3.38
Hình 3.39
Hình 3.40
Hình 3.41
Hình 3.42
Hình 3.43
Hình 3.44
Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3
Hình 4.4
Hình 4.5
Hình 4.6
Hình 4.7
Hình 4.8
Hình 4.9

Hình 4.10
Hình 4.11
Hình 4.12
Hình 4.13
Hình 4.14
Hình 4.15
Hình 4.16
Hình 4.17
Hình 4.18
Hình 4.19
Hình 4.20
Hình 4.21
Hình 4.22
Hình 4.23
Hình 4.24
Hình 4.25
Hình 4.26
Hình 4.27
Hình 4.28

Lượng nhiên liệu phun thực nghiệm khi sử dụng bộ xúc tác ........................... 89
Lượng xăng phun vào BXT .............................................................................. 90
Lượng nước phun vào BXT .............................................................................. 90
Tốc độ không tải yêu cầu .................................................................................. 91
Bộ điều khiển không tải .................................................................................... 91
Nhận dạng kỳ trường hợp lệch góc................................................................... 92
Nhận dạng kỳ trường hợp đúng góc ................................................................. 92
Kết quả điều khiển chế độ không tải của động cơ ............................................ 93
Sơ đồ hệ thống thử nghiệm động cơ trên băng thử DW-16.............................. 98
Sơ đồ thí nghiệm xe máy lắp BXT trên bệ thử động lực học xe máy CD20” 100

Lưu đồ thuật toán thực nghiệm hiệu chỉnh bảng dữ liệu của ECU ................ 101
Suất tiêu thụ năng lượng của động cơ tại 4500, 2Nm khi bổ sung HHGH với lưu
lượng 7 lít/ph .................................................................................................. 102
Phát thải của động cơ khi sử dụng xăng nguyên bản tại chế độ toàn tải ........ 104
Diễn biến của nhiệt độ khí xả và hiệu suất có ích của động cơ khi sử dụng xăng
nguyên bản ở chế độ toàn tải .......................................................................... 105
Biến thiên của áp suất chỉ thị trung bình tại 4500 và 5300 vg/ph khi chạy xăng
nguyên bản (X) và khi bổ sung HHGH (XH) ................................................. 105
So sánh tốc độ tỏa nhiệt thực nghiệm (TN) trong xi lanh tại 4500 vg/ph khi động
cơ chạy xăng nguyên bản (X) và khi bổ sung HHGH (XH) .......................... 106
Tỉ lệ cháy thực nghiệm (TN) khi sử dụng xăng nguyên bản (X) và khi bổ sung
HHGH (XH) theo góc quay trục khuỷu tại 4500 và 5300 vg/ph .................... 107
Hiệu suất có ích của động cơ tại 4500 và 5300 vg/ph khi sử dụng xăng nguyên
bản (X) và khi bổ sung HHGH (XH) ............................................................. 108
Suất tiêu thụ năng lượng của động cơ tại 4500 và 5300 vg/ph khi sử dụng xăng
nguyên bản (X) và khi bổ sung HHGH (XH) ................................................. 109
Nhiệt độ khí xả tại chế độ cháy nghèo 4500 và 5300 vg/ph khi sử dụng xăng
nguyên bản (X) và khi bổ sung HHGH (XH) ................................................. 110
Phát thải HC theo λ ......................................................................................... 110
Phát thải NOx theo λ....................................................................................... 111
Phát thải CO theo λ ......................................................................................... 112
Diễn biến của nhiệt độ bộ xúc tác và λ tại 10% bướm ga .............................. 113
Diễn biến của công suất và suất tiêu hao nhiên liệu tại 10% bướm ga .......... 113
Diễn biến các thành phần phát thải tại 10% bướm ga .................................... 114
Diễn biến của nhiệt độ bộ xúc tác và λ tại 20% bướm ga .............................. 115
Diễn biến của công suất và suất tiêu hao nhiên liệu tại 20% bướm ga .......... 116
Diễn biến các thành phần phát thải tại 20% bướm ga .................................... 116
Diễn biến của nhiệt độ bộ xúc tác và λ tại độ mở 30% bướm ga ................... 117
Diễn biến của công suất và suất tiêu hao nhiên liệu tại 30% bướm ga .......... 118
Diễn biến các thành phần phát thải tại 30% độ mở bướm ga ......................... 119

Diễn biến của nhiệt độ bộ xúc tác và λ tại 50% bướm ga .............................. 120
Diễn biến của công suất và suất tiêu hao nhiên liệu tại 50% bướm ga .......... 120
Diễn biến các thành phần phát thải tại 50% bướm ga .................................... 121
So sánh phát thải và lượng tiêu hao nhiên liệu của xe khi BXT làm việc (XH) và
khi BXT không làm việc (X) theo chu trình thử ECE-R40 ............................ 122
xv


MỞ ĐẦU
i

Lý do chọn đề tài

Với nhu cầu ngày một tăng về số lượng, đa dạng về chủng loại thì động cơ đốt trong
(ĐCĐT) vẫn là nguồn động lực chính cho nhiều ngành kinh tế khác nhau, đặc biệt là ngành
giao thông vận tải. Song song với sự phát triển đó là nhu cầu về năng lượng ngày một tăng,
trong khi đó trữ lượng nhiên liệu hóa thạch đang dần bị cạn kiệt [1, 2]. Mặt khác, bầu không
khí bị ô nhiễm một cách trầm trọng do khói bụi, chất độc và phóng xạ thải ra từ quá trình sử
dụng nhiên liệu hóa thạch, trong đó phương tiện giao thông (PTGT) sử dụng nhiên liệu xăng
và dầu diesel là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường [3, 4], đặc biệt tại các đô thị. Ở
đó, mật độ PTGT đường bộ ngày một tăng lên rất lớn và đa phần các PTGT đường bộ này
được trang bị động cơ xăng (ĐCX). Vì vậy, cần phải nghiên cứu tìm ra những giải pháp tổng
thể giảm dần sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch trong tương lai, mặt khác có thể
giảm thiểu phát thải gây ô nhiễm môi trường do ĐCĐT nói chung và ĐCX nói riêng.
Hydro là nhiên liệu có tiềm năng rất lớn có thể đáp ứng được các yêu cầu nói trên [1,
5]. So với nhiên liệu truyền thống, hydro có khá nhiều ưu điểm nổi trội như: cháy nhanh,
phạm vi cháy rộng, nhiệt độ tự cháy cao, tính chống kích nổ tốt do đó rất thuận lợi để nâng
cao hiệu suất và công suất của động cơ thông qua việc nâng cao tỉ số nén và tốc độ làm việc
của động cơ [6, 7]. Mặt khác, phạm vi cháy của hydro rộng nên động cơ có khả năng hoạt
động tốt với hỗn hợp nghèo, làm tăng tính kinh tế nhiên liệu và giảm phát thải độc hại [810]. Thêm nữa, phát thải của động cơ hydro chỉ là hơi nước nên rất sạch, thân thiện với môi

trường. Tuy nhiên, nhiệt trị thể tích của hydro thấp hơn xăng rất nhiều nên khi chuyển đổi
từ ĐCX sang chạy hoàn toàn bằng hydro sẽ phải cải tiến nhiều về kết cấu động cơ để có thể
đạt được công suất như ĐCX ban đầu [11, 12]. Do đó, đây cũng là một trong những lý do
khiến nhiên liệu hydro thường được ưu tiên sử dụng dưới dạng phụ gia cho nhiên liệu truyền
thống để nâng cao giới hạn cháy nghèo cho ĐCĐT [13-15]. Với phương pháp này, chỉ cần
cung cấp một tỉ lệ nhỏ hydro hòa trộn với nhiên liệu gốc giúp cải thiện quá trình đốt cháy
nhiên liệu chính tốt hơn nhằm giảm phát thải độc hại, nâng cao được giới hạn cháy nghèo
và hiệu quả sử dụng nhiên liệu của động cơ cũng được tăng lên. Mặt khác, việc sản xuất, tồn
trữ và bảo quản nhiên liệu hydro đủ để cung cấp cho động cơ hoạt động liên tục trong thời
gian dài hiện nay khá khó khăn và rất tốn kém, đặc biệt là với động cơ trang bị trên các
PTGT do hydro có tỷ trọng rất thấp. Thay vào đó người ta thường sử dụng nhiên liệu giàu
hydro (NLGH) là khí tổng hợp hay còn được gọi là khí syngas (có hydro ở trạng thái tự do
trong hỗn hợp) cho ĐCĐT [16, 17]. Ngoài ra, NLGH có thể tạo ra nhờ biện pháp sử dụng
bộ xúc tác (BXT) tạo thành hỗn hợp khí giàu hydro (HHGH) từ nhiên liệu gốc với giá thành
phù hợp [18-20].
Thời gian qua đã có một số công trình nghiên cứu trong nước sử dụng nhiên liệu hydro
bổ sung vào đường nạp ĐCX dùng “chế hòa khí” lắp trên xe máy đã được công bố [21, 18].
Tuy nhiên, hiện nay phần lớn ĐCX sử dụng trên các PTGT đều trang bị hệ thống “phun
xăng điện tử” (EFI - Electronic Fuel Injection) được điều khiển và kiểm soát thông qua bộ
điều khiển trung tâm ECU (ECU - Electronic Control Unit). Vì vậy, việc nghiên cứu trang
bị BXT tạo HHGH bổ sung đối với động cơ phun xăng điện tử (ĐCPX) là một hướng nghiên
cứu mới, rất cần thiết mà các nghiên cứu [21, 18] trước đây chưa thực hiện được.
Đối với ĐCPX, lượng nhiên liệu cấp cho động cơ được ECU tính toán theo lượng
không khí nạp đi vào xi lanh, do đó khi bổ sung HHGH vào đường ống nạp sẽ làm thay đổi
1


lượng khí nạp nên ECU sẽ tính toán sai lượng xăng phun cần thiết. Ngoài ra, khi bổ sung
HHGH làm cho tốc độ cháy của hỗn hợp thay đổi do đó đặc tính đánh lửa của ECU nguyên
bản cũng không còn phù hợp. Thêm vào đó, hiệu suất chuyển hóa của BXT tận dụng nhiệt

khí thải biến đổi nhiệt hóa một phần nhiên liệu xăng cung cấp cho động cơ cùng với hơi
nước tạo HHGH bổ sung phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ BXT, do đó thông số này cũng cần
phải được kiểm soát để BXT làm việc ở chế độ tối ưu. Như vậy, khi trang bị BXT cho ĐCPX
thì hệ thống điều khiển nguyên bản của động cơ không còn phù hợp, phải thiết kế lại hệ
thống điều khiển mới.
Qua các phân tích trên cho thấy, việc nghiên cứu điều khiển ĐCPX trang bị BXT tạo
HHGH là một hướng mới, có tính khoa học và ý nghĩa thực tiễn cao. Từ đó, tác giả lựa chọn
thực hiện luận án tiến sĩ của mình với đề tài: “Nghiên cứu điều khiển động cơ phun xăng
trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hydro”, kết quả của đề tài sẽ góp phần nâng cao
năng lực làm chủ và phát triển các công nghệ điều khiển ĐCPX.
Luận án được thực hiện trong khuôn khổ đề tài cấp nhà nước mã số KC.05.24/11-15
do GS. TS Lê Anh Tuấn làm chủ nhiệm đề tài, trong đó nội dung công việc nghiên cứu điều
khiển ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH do nghiên cứu sinh (NCS) thực hiện.
ii Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
- Nghiên cứu điều khiển ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH bổ sung để cải thiện tính
năng và phát thải, đảm bảo giữ nguyên mô men và công suất động cơ so với trường hợp
động cơ sử dụng hệ thống điều khiển nguyên bản với sự thay đổi ít nhất về kết cấu động cơ;
- Đánh giá được hiệu quả của việc sử dụng BXT tới tính kinh tế nhiên liệu và phát thải
của ĐCPX đang lưu hành, góp phần định hướng sử dụng giải pháp tạo HHGH bằng BXT
nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm các thành phần phát thải gây ô nhiễm
môi trường của ĐCPX.
Với mục tiêu đã được đặt ra ở trên, nghiên cứu sinh sẽ thực hiện các nội dung nghiên
cứu như sau:
1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, các công trình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hydro bổ
sung cho ĐCX nhằm khảo sát sự ảnh hưởng của nhiên liệu bổ sung đến các thông số hoạt
động của động cơ làm tiền đề định hướng cho quá trình xây dựng hệ thống điều khiển;
2. Tìm hiểu đối tượng nghiên cứu, thu thập các số liệu đồng thời tiến hành các thí
nghiệm động cơ trên băng thử công suất nhằm xác định các bộ thông số làm việc, các thông
số cần thiết cho việc xây dựng và kiểm chứng mô hình mô phỏng ĐCPX sử dụng HHGH bổ

sung;
3. Xây dựng mô hình mô phỏng ĐCPX sử dụng HHGH bổ sung làm việc theo thời
gian thực (bằng công cụ Matlab/Simulink, mô hình hóa đối tượng nghiên cứu). Chạy mô
hình mô phỏng động cơ mới xây dựng thu thập các bộ thông số làm việc của mô hình so
sánh với các kết quả thực nghiệm động cơ thật trên băng thử công suất động cơ nhằm đánh
giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng động cơ đã xây dựng trước khi đưa vào sử dụng;
4. Thiết kế, xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển trực tiếp trên mô hình
mô phỏng ĐCPX bổ sung HHGH mới được xây dựng cùng chung phần mềm mô phỏng
(công cụ Matlab/Simulink);
5. Chạy mô phỏng hệ thống điều khiển mới xây dựng điều khiển trực tiếp mô hình mô
phỏng động cơ trên máy tính nhằm xác định các bộ tham số điều khiển nạp cho mô hình mô
phỏng hệ thống điều khiển;
2


6. Nạp các bộ tham số điều khiển vào ECM mới (ECM trắng) đồng thời tiến hành các
thí nghiệm điều khiển động cơ thật trên bệ thử, hiệu chỉnh lại các bộ tham số điều khiển cho
phù hợp khi điều khiển động cơ thật trên bệ thử;
7. Thực nghiệm hệ thống điều khiển động cơ mới xây dựng trên băng thử nhằm kiểm
chứng khả năng điều khiển và đánh giá các thông số ảnh hưởng của HHGH bổ sung đến tính
năng, kinh tế, kỹ thuật và phát thải của ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH.
iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
- Đối tượng nghiên cứu của luận án là ĐCPX. Tuy nhiên, để thuận lợi và giảm thiểu
chi phí trong quá trình thực hiện luận án, nghiên cứu sinh lựa chọn đối tượng nghiên cứu là
động cơ phun xăng điện tử 3V i.e 150cm3, lắp trên xe máy Liberty 3V i.e 150 do hãng
Piaggio chế tạo làm đối tượng thử nghiệm. Đây là loại động cơ 4 kỳ, 1 xi lanh, 150 cm3, 3
xu páp, phun xăng điện tử trên đường ống nạp có kết cấu nhỏ gọn, phổ biến trên thị trường,
sẵn có tại Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
- Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong phòng thí nghiệm tại các chế độ
làm việc ổn định của động cơ ở vùng tải nhỏ và trung bình tương ứng với điều kiện hoạt

động của động cơ trên xe khi xe hoạt động trong điều kiện giao thông đô thị. Các thí nghiệm
được thực hiện tại các chế độ như sau:
+ Thí nghiệm thu thập các bộ thông số hoạt động để xây dựng và kiểm chứng mô hình
mô phỏng động cơ tại tốc độ 4500 và 5300 vg/ph với mô men có ích của động cơ lần lượt
tại 2 và 3 Nm tương đương với vận tốc xe khoảng từ 30 đến 50 km/h (điều kiện thường
xuyên hoạt động của xe khi lưu thông trong thành phố).
+ Thí nghiệm hiệu chỉnh các bộ thông số của mô hình động cơ và bộ thông số của mô
hình hệ thống điều khiển.
+ Thí nghiệm đối chứng so sánh, đánh giá kết quả hoạt động của động cơ ở chế độ ổn
định tại vùng tải nhỏ, tải trung bình với độ mở bướm ga trong khoảng từ 10 ÷ 50% và thử
nghiệm theo chu trình thử châu Âu cho xe máy trong thành phố ECE-R40.
Quá trình nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt
trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Các trang thiết bị được sử
dụng như: băng thử công suất động cơ DW-16 do Trung Quốc sản xuất; các trang thiết bị thí
nghiệm của hãng AVL Cộng hòa Áo sản xuất. Động cơ được điều khiển thông qua ECM
MotoHawk chuyên dụng dùng trong nghiên cứu do hãng Woodward Mỹ sản xuất, có khả
năng nạp dữ liệu điều khiển từ Matlab/Simulink bởi ứng dụng đi kèm MotoTune theo yêu
cầu cụ thể của từng thí nghiệm.
iv Phương pháp nghiên cứu của đề tài
Phương pháp nghiên cứu của luận án là sự kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết,
nghiên cứu mô phỏng và nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng đánh giá, cụ thể như sau:
- Nghiên cứu lý thuyết:
+ Tổng hợp và phân tích các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về sử dụng nhiên
liệu hydro, giàu hydro bổ sung cho ĐCX làm cơ sở cho việc đưa ra các định hướng nghiên
cứu một cách phù hợp đối với từng nội dung cụ thể của luận án.
+ Nghiên cứu lý thuyết về phương pháp xây dựng mô hình động cơ làm cơ sở để xây
dựng các sơ đồ thuật toán, ứng dụng các hàm điều khiển cho ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH
bổ sung tại các chế độ làm việc của động cơ.
- Nghiên cứu mô phỏng:
3

+ Nghiên cứu ứng dụng Matlab/Simulink mô phỏng ĐCPX bổ sung HHGH làm cơ sở
để thiết kế hệ thống điều khiển ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH.
+ Sử dụng phương pháp tối ưu để xác định các tham số của mô hình cháy trong quá
trình xây dựng mô hình mô phỏng động cơ.
- Nghiên cứu thực nghiệm:
+ Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm nhằm xác định bộ thông số kết cấu,
các bộ thông số làm việc của động cơ để nạp cho mô hình mô phỏng ĐCPX bổ sung HHGH,
đánh giá tính năng và phát thải của ĐCPX bổ sung HHGH so với động cơ nguyên bản.
+ Thực nghiệm hiệu chỉnh các bộ tham số điều khiển nhằm xây dựng bộ thông số
chuẩn cho hệ thống điều khiển ĐCPX 3V i.e 150 khi trang bị BXT tạo HHGH bổ sung.
+ Thực nghiệm đánh giá tính năng, kinh tế và phát thải của động cơ 3V i.e 150 khi
trang bị BXT tạo HHGH bổ sung với hai trường hợp là BXT làm việc và BXT không làm
việc khi động cơ được điều khiển bởi hệ thống điều khiển mới xây dựng.
v Ý nghĩa khoa học của đề tài
- Luận án góp phần nâng cao năng lực làm chủ và phát triển các công nghệ chuyển đổi
động cơ, thiết kế hệ thống điều khiển động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống sang sử dụng
nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường.
- Luận án đã làm rõ ảnh hưởng của HHGH được tạo ra bởi BXT đến tính năng, kinh
tế và phát thải của ĐCPX khi được trang bị thêm BXT.
- Luận án tìm ra được bộ thông số chuẩn về lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ,
BXT và góc đánh lửa phù hợp với chế độ làm việc của động cơ khi BXT hoạt động và không
hoạt động làm cơ sở cho nghiên cứu chuyển đổi cũng như nghiên cứu thiết kế hệ thống điều
khiển ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH.
- Luận án đưa ra được phương pháp xây dựng mô hình cháy của ĐCPX bổ sung HHGH
dựa trên các số liệu thực nghiệm, qua đó xây dựng được mô hình mô phỏng động cơ làm
việc theo thời gian thực giúp cho việc nghiên cứu điều khiển động cơ này được dễ dàng, làm
tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về sử dụng nhiên liệu mới, nhiên liệu thay thế cho các
động cơ hiện hành cũng như về phương pháp điều khiển loại động cơ này.

vi Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
- Kết quả nghiên cứu của luận án đáp ứng xu thế nghiên cứu phát triển ĐCĐT hiện
nay là giảm phát thải độc hại gây ảnh hưởng đến môi trường, nâng cao hiệu quả sử dụng
nhiên liệu truyền thống.
- Từng bước nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế, nhiên liệu sạch, tiềm năng, thân
thiện môi trường dùng cho ĐCĐT. Ngoài ra, luận án còn là một giải pháp tận dụng nguồn
năng lượng dư thừa trong khí thải để sấy nóng BXT.
- Kết quả luận án góp phần nâng cao năng lực làm chủ và phát triển công nghệ chuyển
đổi động cơ, lập trình điều khiển cho ECM nói chung và quy trình công nghệ điều khiển
ĐCPX sang sử dụng nhiên liệu mới có thể áp dụng linh hoạt cho các động cơ đang lưu hành
khắc phục tình trạng cạn kiệt nguồn năng lượng truyền thống trong tương lai.
vii Điểm mới của luận án
- Luận án là công trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam thực hiện thiết kế hệ thống
điều khiển cho ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH bổ sung vào đường nạp động cơ. Luận án đã
đưa ra được cơ sở khoa học, phương pháp và quy trình thiết kế hệ thống điều khiển cho
4


ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu, cải thiện tính
năng và giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường.
- Thực hiện chuyển đổi thành công một ĐCPX lắp trên xe máy Liberty 3V i.e 150 hãng
Piaggio sang thành ĐCPX sử dụng BXT tạo HHGH bổ sung đảm bảo không thay đổi nhiều
về kết cấu động cơ hiện hành. Kết quả thử nghiệm cho thấy, tính kinh tế và phát thải của xe
được cải thiện.
- Kết quả của luận án có thể áp dụng vào việc thiết kế hệ thống điều khiển cho ĐCPX
nói chung và ĐCPX trang bị BXT tạo HHGH nói riêng nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng
nhiên liệu và giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường.
viii Bố cục chính của luận án
Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần chính sau:
- Mở đầu

- Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
- Chương 2. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ phun xăng điện tử sử dụng
hỗn hợp giàu hydro và hệ thống điều khiển
- Chương 3. Động cơ phun xăng sử dụng hỗn hợp giàu hydro và mô hình mô phỏng
- Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm
- Kết luận chung và hướng phát triển

5


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU
1.1 Vấn đề giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ xăng
Số lượng PTGT trên thế giới đã tăng một cách đột biến trong những năm qua. Với sự
phát triển mạnh mẽ đó dẫn tới nhu cầu về nhiên liệu cũng tăng lên một cách nhanh chóng,
đặc biệt là trước bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch từ dầu mỏ đang dần bị cạn kiệt [1].
Với nhu cầu về dầu mỏ như hiện nay, theo các báo cáo của cơ quan Năng lượng Quốc tế
IEA năm 2008 và văn phòng Tổ chức kiểm soát năng lượng Vương quốc Anh (EWG) tại
Đức cho biết, trữ lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ để cho con người sử dụng trong khoảng
42 năm tới. Mặt khác, việc sử dụng nhiên liệu gốc hoá thạch đang xả thải ra môi trường một
lượng lớn các chất độc hại ảnh hưởng trầm trọng đến môi trường sinh thái, sức khoẻ con
người, gây ra hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu, trong đó phần lớn là do phát thải của
phương tiện giao thông gây nên [3, 22]. Hơn nữa, ảnh hưởng rõ rệt nhất của biến đổi khí hậu
được thể hiện thông qua sự gia tăng các hiện tượng thời tiết cực đoan, bất thường cả về số
lượng và cường độ trong những năm gần đây [4].
Đã có nhiều giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng của phát thải độc hại trong khí thải động
cơ được nghiên cứu ứng dụng, tuy nhiên mới chỉ được áp dụng trong một phạm vi rất hẹp.
Vì vậy, cần phải tập trung nghiên cứu ứng dụng nhiều hơn nữa các hướng nghiên cứu về sử
dụng nhiên liệu thay thế, nhiên liệu “sạch” thân thiện với môi trường hoặc ít gây ô nhiễm
môi trường trong tương lai [23]. Các loại nhiên liệu mới, nhiên liệu thay thế phải đảm bảo
có thể sử dụng thuận lợi trên ĐCĐT đang lưu hành mà không cần phải thay đổi nhiều về kết

cấu động cơ. Mặt khác, phải có trữ lượng đủ lớn, giá thành rẻ có thể bù đắp cho lượng nhiên
liệu truyền thống đang bị thiếu hụt trong tương lai. Để đáp ứng các yêu cầu đó có thể sử
dụng các loại nhiên liệu tiềm năng như hydro, biogas, nhiên liệu khí thiên nhiên CNG, khí
dầu mỏ hóa lỏng LPG, biodiesel, nhiên liệu sinh học cồn ethanol… Bên cạnh đó, xu hướng
nghiên cứu nâng cao hiệu quả quản lý và sử dụng năng lượng, giảm phát thải của ĐCĐT
hiện được nhiều nhà khoa học trên thế giới ưu tiên nghiên cứu, ứng dụng.
Như đã trình bày trong phần mở đầu, đối tượng nghiên cứu của luận án là ĐCX, cụ thể
là ĐCPX hiện đang lưu hành. Đây là ĐCĐT phổ biến nhất được trang bị trên xe con và xe
máy, hoạt động chủ yếu tại các đô thị nên luôn được ưu tiên hàng đầu trong các nghiên cứu
phát triển, đặc biệt trong giai đoạn cấp bách hiện nay. Đối với động cơ đang lưu hành, nghiên
cứu nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng và giảm phát thải độc hại của động cơ cần
phải đáp ứng được các tiêu chí như giữ nguyên mô men và công suất của động cơ, đồng thời
hạn chế tối đa sự thay đổi về kết cấu của động cơ hiện hành. Như vậy, cần phải nghiên cứu
tìm ra các biện pháp tổng thể để giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải cho động cơ.

1.2 Các biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải cho động
cơ xăng
Động cơ xăng hiện được dùng phổ biến trên xe máy và xe du lịch là những phương
tiện giao thông đường bộ hoạt động chủ yếu trong thành phố. Vì vậy, nghiên cứu giảm tiêu
hao nhiên liệu và phát thải cho đối tượng này có ý nghĩa thực tiễn cao về giảm tiêu thụ nhiên
liệu và bảo vệ môi trường đô thị.
Để giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải cho ĐCX có rất nhiều biện pháp, trong đó có
một số biện pháp chủ yếu sau đây, được chia thành hai nhóm chính [3].
6


1.2.1 Các biện pháp liên quan đến động cơ
- Điều chỉnh chính xác 
So với động cơ diesel (ĐCD) thì ĐCX có giới hạn cháy rất hẹp. Do đó để kiểm soát
chặt chẽ các thành phần này nên sử dụng các biện pháp điều chỉnh chính xác  tức là nhằm

định lượng chính xác lượng nhiên liệu tuỳ thuộc vào lượng không khí nạp. Sau đây là một
số biện pháp cụ thể thường được sử dụng.
+ Sử dụng bộ chế hoà khí điện tử hoặc hệ thống phun xăng thay cho bộ chế hoà khí cơ
khí thông thường. Ngoài tác dụng điều chỉnh chính xác , những hệ thống thay thế này còn
có khả năng cắt hoàn toàn nhiên liệu khi động cơ bị kéo (khi phanh xe hay xuống dốc) nên
vừa giảm ô nhiễm do thành phần HC chưa cháy rất lớn, vừa giảm đáng kể lượng tiêu thụ
nhiên liệu.
+ Hạn chế tối đa sự khác biệt về  giữa các xi lanh bằng các biện pháp như: sử dụng
hệ thống phun xăng đa điểm thay cho phun đơn điểm để có  đồng đều giữa các xi lanh; hạn
chế tối đa sự hình thành màng xăng trong ống nạp bằng sấy nóng đường nạp và tạo xoáy
không khí quanh vòi phun; tạo xoáy lốc trong xi lanh từ quá trình nạp kết hợp với phun nhiên
liệu trong khi mở xupap nạp; thiết kế đường ống nạp - thải với sức cản và đặc tính dao động
áp suất như nhau…
+ Thiết kế động cơ dùng hòa khí nghèo: khi  > 1, tức là hòa khí nghèo thì các thành
phần độc hại như CO và NOx giảm đi. Tuy nhiên, do giới hạn cháy của hỗn hợp xăng với
không khí rất hẹp nên để mở rộng giới hạn này phải sử dụng những biện pháp đặc biệt. Điển
hình là phương pháp hình thành hòa khí phân lớp (Stratified Mixture Formation) được áp
dụng trong động cơ phun xăng trực tiếp (GDI Engine - Gasoline Direct Injection Engine).
Bản chất của phương pháp này là tạo ra hòa khí không đồng nhất trong xi lanh và bố trí bugi
tại vị trí hòa khí có hệ số  xấp xỉ 1. Khi bugi bật tia lửa điện, phần hòa khí này sau khi bốc
cháy sẽ làm mồi để đốt hòa khí còn lại có thành phần  lớn (hòa khí nghèo).
- Phát triển hệ thống đánh lửa tiên tiến
+ Tăng năng lượng đánh lửa. Về mặt lý thuyết, năng lượng đánh lửa E tăng sẽ ảnh
hưởng tích cực đến diễn biến quá trình cháy. Cụ thể, E tăng tới 30  50 mJ có thể mở rộng
giới hạn của hệ số dư lượng không khí  thêm 0,2  0,3 về phía nghèo.
+ Hệ thống đánh lửa kép với hai lần đánh lửa nối tiếp nhau. Ưu điểm của hệ thống này
là quá trình cháy diễn ra êm và ổn định (khi so sánh giữa các chu kỳ), khởi động chắc chắn
và đốt được hỗn hợp nghèo. Ngoài ra, so với hệ thống đánh lửa thông thường, năng lượng
đánh lửa yêu cầu không lớn nên tuổi thọ của bugi tăng.
+ Bugi có khoảng cách giữa hai điện cực rất lớn, đến 1,5 mm nhằm mục đích tăng

chiều dài tia lửa.
+ Bugi plasma đang ở giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm.
- Cắt bớt xi lanh ở chế độ tải nhỏ
Ở chế độ tải nhỏ, lượng khí nạp mới ít, hệ số khí sót lớn, quá trình cháy không tốt nên
chất lượng khí thải kém và suất tiêu thụ nhiên liệu cao. Khi đó có thể cắt bớt một số xi lanh
không làm việc. Những xi lanh còn lại sẽ làm việc ở chế độ tải cao với tính kinh tế và phát
thải tốt hơn.
- Giảm tổn thất công hút
Các kết quả nghiên cứu cho thấy, ĐCX thông thường có hiệu suất khá thấp so với
ĐCD ở các chế độ tải nhỏ và tải trung bình, nguyên nhân là do sự tồn tại của bướm ga gây
ra tổn thất công hút lớn.
7


Theo John B. Heywood [24], các tổn thất trong ĐCX thông thường ở tải nhẹ tại vùng
tốc độ thấp đến trung bình như sau: trục khuỷu từ 10 ÷ 15%; nhóm piston - thanh truyền từ
25 ÷ 30%; dẫn động xu páp từ 10 ÷ 15%; các bộ phận phụ từ 10 ÷ 15% và nạp khí từ 30 ÷
45% (Hình 1.1a).
Một nghiên cứu khác của SATO và cộng sự tại công ty Honda R&D, Nhật Bản khi
đánh giá các dạng tổn thất của ĐCX cho thấy, ngoài các tổn thất do ma sát của nhóm piston
- thanh truyền từ 20,3 ÷ 27,8% và một số tổn thất khác thì tổn thất cho quá trình nạp khí của
ĐCX cũng khoảng từ 35 ÷ 40% (Hình 1.1b) [25].

a) Tỉ lệ các tổn thất trong ĐCĐT [24]

b) Tỉ lệ các tổn thất theo tốc độ trong ĐCX [25]

Hình 1.1 Tỉ lệ các tổn thất trong động cơ đốt trong

Do đó, để giảm tổn thất công hút cho ĐCX, hiện nay có thể thực hiện một số biện pháp

dưới đây.
+ Dùng hệ thống Valvetronic điều khiển hành trình hiệu dụng của xu páp nạp, qua đó
để điều khiển lượng hỗn hợp nạp vào xi lanh thay cho bướm ga như ĐCX thông thường.
Trên động cơ loại này, bướm ga chỉ được sử dụng khi khởi động và cho chức năng dự phòng
khẩn cấp. Trong tất cả các trạng thái hoạt động khác, bướm ga được mở lớn hoàn toàn nên
giảm được tổn thất công hút. Động cơ dùng Valvetronic có thể tiết kiệm được khoảng 10%
nhiên liệu so với các ĐCX thông thường có cùng dung tích xi lanh.
+ Nâng cao giới hạn cháy nghèo cho ĐCX: Khi động cơ hoạt động ở chế độ tải nhỏ và
trung bình, do bướm ga mở nhỏ nên gây ra tổn thất công hút lớn sẽ làm giảm hiệu suất của
động cơ. Vì vậy, khi nâng cao giới hạn cháy nghèo cho ĐCX ở vùng tải này, khi đó để giữ
nguyên được công suất thì bướm ga của động cơ sẽ mở rộng hơn sẽ giảm được tổn thất công
hút, nhờ đó hiệu suất của động cơ sẽ được nâng lên.
- Dùng động cơ hybrid
Trên xe lắp động cơ đốt trong và một máy điện hoạt động ở hai chế độ động cơ và máy
phát. Ở chế độ thông thường, ví dụ chạy trên xa lộ, ĐCĐT truyền lực cho bánh xe và kéo
máy phát điện nạp cho ắc qui. Khi chạy trên đường thành phố chỉ dùng động cơ điện sử dụng
điện năng do ắc qui cung cấp nên không gây ô nhiễm môi trường đô thị. Những lúc cần công
8


suất lớn có thể dùng cả hai động cơ. Ngoài ra, khi xe phanh, một phần năng lượng phanh sẽ
được tận dụng để phát điện nạp ắc qui.
- Sử dụng nhiên liệu thay thế
Khi sử dụng nhiên liệu thay thế nhiên liệu gốc hóa thạch góp phần bảo đảm an ninh
năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường. Một số nhiên liệu thay thế chủ yếu dùng cho ĐCX
được trình bày dưới đây.
+ Cồn (alcohol) có cấu trúc phân tử CnH2n + 2 - i(OH)i được sản xuất từ nguyên liệu sinh
học như sắn, mía... có thể sử dụng làm nhiên liệu cho ĐCĐT. Do hàm lượng các bon trong
nhiên liệu thấp hơn so với xăng và có nguồn gốc sinh học (tái sinh) nên phát thải CO2 ít hơn
dẫn tới giảm hiệu ứng nhà kính. Ngoài ra, hàm lượng NOx nhỏ hơn do nhiệt độ quá trình

cháy thấp hơn. Đồng thời, do tỉ lệ các bon trong nhiên liệu nhỏ hơn và hàm lượng ô xy trong
hỗn hợp cao hơn nên muội than cũng ít hơn. Ngoài ra, do chỉ số octan cao nên có thể tăng
được tỷ số nén. Tuy nhiên, do nhiệt trị thấp hơn xăng (chỉ bằng 62% nhiệt trị của xăng) nên
làm giảm công suất động cơ.
+ Nhiên liệu khí. Nhiên liệu khí chủ yếu dùng trong động cơ là khí hoá lỏng Liquified
Petroleum Gas (LPG) và khí thiên nhiên nén Compressed Natural Gas (CNG), khí sinh vật
(Biogas), khí tổng hợp (Syngas), khí hydro... Khí thải động cơ khi dùng nhiên liệu khí ít độc
hại hơn so với dùng xăng do thành phần các bon trong nhiên liệu ít hơn và thành phần hydro
nhiều hơn. Ngoài ra nhiên liệu ở dạng khí dễ dàng hòa trộn với không khí tạo thành hòa khí
và cháy tốt hơn nên phát thải độc hại ít hơn so với khi dùng xăng. Đặc biệt, khi dùng hydro,
khí thải chỉ là hơi nước nên rất sạch.
1.2.2 Xử lý khí thải
Xu hướng chung trên thế giới là các tiêu chuẩn kiểm soát khí thải ngày càng ngặt nghèo
hơn để bảo vệ môi trường. Để thoả mãn các tiêu chuẩn hiện hành của châu Âu, Mỹ và Nhật
gần như bắt buộc phải sử dụng các biện pháp xử lý khí thải. Đối với ĐCX hiện nay thường
sử dụng phổ biến bộ xử lý xúc tác ba đường (Three-Ways Catalytic Converter). Bộ xử lý
này có thể đồng thời xử lý tới hơn 90% các chất độc hại chính là CO, HC và NOx với điều
kiện hòa khí được điều chỉnh giữ cho  = 1 với sự trợ giúp của cảm biến .
Qua các phân tích ở trên cho thấy: đối với ĐCX, giải pháp tăng giới hạn cháy nghèo
là biện pháp khả thi và hiệu quả đã được động cơ GDI khẳng định. Khi tăng giới hạn cháy
nghèo cho ĐCX làm việc với λ>1 thì bướm ga phải mở rộng để tăng lượng không khí nạp
vào xi lanh động cơ, nhờ bướm ga mở rộng nên giảm được tổn thất công hút qua bướm ga
làm tăng hiệu suất của động cơ [26, 27]. Hơn nữa, khi làm việc với hòa khí nghèo thì phát
thải của động cơ như CO, HC và NOx cũng được cải thiện [28, 29].
Đối với đối tượng nghiên cứu của luận án là ĐCPX hiện đang lưu hành cho thấy, giải
pháp để giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải gây ô nhiễm môi trường đối với các động cơ
này thì lựa chọn nâng cao giới hạn cháy nghèo cho động cơ ở vùng tải nhỏ và tải trung bình
là phương án khả thi. Mặt khác, sử dụng khí HHGH với thành phần chính là hydro như một
dạng phụ gia cho nhiên liệu truyền thống có thể giúp mở rộng  về phía nghèo cũng tương
đối thuận lợi. Thêm nữa, việc sử dụng HHGH thực hiện nâng cao giới hạn cháy nghèo, giảm

phát thải độc hại sẽ hạn chế được các biện pháp kỹ thuật phức tạp để cải tiến về kết cấu của
động cơ. Từ các nhận định ban đầu cho thấy, cần phải khảo sát kỹ hơn nữa về tình hình sử
dụng nhiên liệu hydro cũng như HHGH cho ĐCX.

9


1.3 Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hydro cho động cơ xăng
1.3.1 Bổ sung hydro cho động cơ xăng
Hydro là chất khí không màu, không mùi, không vị với khối lượng phân tử là 2,016 và
là nguyên tố nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học. Hydro là nguyên tố phổ
biến nhất tồn tại trên trái đất ở dạng hợp chất với các nguyên tố khác như nước, hydrocacbon
hoặc các hợp chất khác. Do đó, để có được nhiên liệu hydro cần phải tách hydro từ các nguồn
sơ cấp chứa hydro với nhiều công nghệ khác nhau. Các phương pháp phổ biến hiện nay được
áp dụng để sản xuất hydro như phương pháp điện phân [21, 30], quang hóa [31, 32] hoặc
nhiệt hóa với chất xúc tác để tách hydro từ nước hoặc từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau
(Hình 1.2) [5, 33]. Một số tính chất quan trọng của nhiên liệu hydro so với một số nhiên liệu
khác được thể thiện ở Bảng 1.1.

Hình 1.2 Các nguồn nguyên liệu sản xuất và các lĩnh vực sử dụng hydro [5]
Bảng 1.1 Thông số cơ bản của một số nhiên liệu [9, 34, 35]

Hydro

CNG

LPG

Xăng

Tỉ trọng tại 1 atm và 0oC (kg/m3)

0,09

0,72

2

735

Hệ số khuyếch tán vào không khí (cm2/s)

0,61

0,189

-

0,05

Giá trị nhiệt trị cao HHV (MJ/kg)

141,7

55,5

49,3

46,4

Giá trị nhiệt trị thấp LHV (MJ/kg)

119,7

45,8

46,4

44,79

Giá trị nhiệt trị thấp LHV (kJ/mol)

240

810

2002

4840

Tỉ lệ hòa khí tiêu chuẩn A/F (%m)

34,3

17,2

15,6

14,6

Tỉ lệ hòa khí tiêu chuẩn A/F (%V)

2,4

9

23,9

57,7

0,14÷10

0,6÷2,5

0,4÷1,9

0,25÷1,4

4÷75

4,3÷15,0

2,2÷9,5

1,4÷7,6

Tính chất

Giới hạn cháy ()
Giới hạn cháy (% thể tích hơi nhiên liệu)

10