Nghiên cứu điều khiển hệ thống phun nhiên liệu diesel kiểu commonrail (CR) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel biodiesel

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 Quốc gia “Nghiên
cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel với
các mức pha trộn khác nhau”, mã số ĐT.08.14/NLSH do Đại tá, PGS.TS Nguyễn Hoàng
Vũ là Chủ nhiệm đề tài và cơ quan chủ trì là Học viện Kỹ thuật Quân Sự, 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
nghiên cứu của Đề tài cấp Quốc gia vào 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, thángnăm

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN

Người hướng dẫn 1

Người hướng dẫn 2

Nghiên cứu sinh

TS Trần Anh Trung

PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ

Khổng Văn Nguyên

i

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại
học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận
án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện
Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS Trần Anh Trung và PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ đã
hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt
trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện
hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành biết ơn Bộ môn ô tô và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải luôn giúp đỡ và dành cho
tôi những điều kiện tốt nhất để thực hiện quá trình nghiên cứu thực nghiệm.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài ĐT.08.14/NLSH đã đồng ý cho tôi
sử dụng một số kết quả nghiên cứu của đề tài để làm luận án.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, Ban
chủ nhiệm Khoa Cơ khí Động lực và các thầy trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi
trong suốt quá trình nghiên cứu học tập.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng
chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh
luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã
động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện công trình này.

Nghiên cứu sinh

Khổng Văn Nguyên

ii

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............................................................................ xiv
MỞ ĐẦU.......................................................................................................................................... 1
i Lý do chọn đề tài.................................................................................................................. 1
ii Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án............................................................... 2
iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.................................................................................. 2
iv Phương pháp nghiên cứu.................................................................................................. 3
v Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.......................................................................................... 3
vi Điểm mới của luận án....................................................................................................... 4
vii Bố cục luận án................................................................................................................... 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN......................................................................................................... 5
1.1 Nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel................................................................................. 5
1.1.1 Khái quát chung............................................................................................................ 5
1.1.2 Khái niệm về biodiesel................................................................................................ 5
1.1.3 So sánh tính chất của biodiesel và diesel khoáng................................................... 5
1.1.4 Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel...................................................................... 6
1.1.5 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel.................................................................. 7
1.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng biodiesel cho động cơ diesel ............................................ 8
1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới....................................................................................... 8
1.2.2 Các nghiên cứu trong nước...................................................................................... 13
1.2.3 Đánh giá chung........................................................................................................... 15
1.3 Tổng quan về thiết kế điều khiển động cơ diesel.............................................................. 16
1.3.1 Tổng quan về mô hình mô phỏng động cơ diesel................................................. 18
1.3.2 Tổng quan về mô hình điều khiển động cơ diesel ................................................ 20
1.4 Hướng tiếp cận của luận án.................................................................................................. 25

1.5 Nội dung nghiên cứu............................................................................................................. 26
1.6 Kết luậnChương 1.................................................................................................................. 27
CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ
DỤNG HỆ THỐNG PHUN KIỂU COMMONRAIL (CR) LÀM VIỆC THEO THỜI
GIAN THỰC................................................................................................................................. 28
iii


2.1 Đặt vấn đề................................................................................................................................ 28
2.2 Mô hình động học hệ thống phun nhiên liệu kiểu CR..................................................... 30
2.2.1 Bơm cao áp................................................................................................................. 32
2.2.2 Van điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp vào BCA (van SCV) ................................. 32
2.2.3 Đường ống rail........................................................................................................... 33
2.2.4 Vòi phun...................................................................................................................... 33
2.3 Mô hình cháy.......................................................................................................................... 33
2.3.1 Cơ sở lựa chọn mô hình cháy................................................................................... 33
2.3.2 Mô hình cháy.............................................................................................................. 35
2.4 Mô hình động học tuabin tăng áp và đường nạp, thải...................................................... 38
2.4.1 Tốc độ của rô to cụm TB-MN.................................................................................. 39
2.4.2 Tuabin.......................................................................................................................... 39
2.4.3 Máy nén....................................................................................................................... 40
2.4.4 Lưu lượng khí nạp...................................................................................................... 40
2.4.5 Lưu lượng khí thải..................................................................................................... 40
2.5 Mô hình tổn thất cơ khí trên động cơ.................................................................................. 41
2.5.1 Mô men ma sát........................................................................................................... 41
2.5.2 Mô men tổn thất dẫn động cơ cấu phân phối khí.................................................. 42
2.5.3 Mô men tổn thất dẫn động các cơ cấu phụ............................................................ 42
2.6 Mô hình truyền nhiệt............................................................................................................. 43
2.7 Xác định áp suất xylanh........................................................................................................ 44
2.8 Mô hình động học, động lực học của động cơ.................................................................. 45

2.8.1 Mô hình động học...................................................................................................... 45
2.8.2 Mô hình động lực học............................................................................................... 45
2.9 Kết luận Chương 2................................................................................................................. 46
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ HYUNDAI D4CB 2.5 TCI-A SỬ
DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL-BIODIESEL LÀM VIỆC THEO THỜI GIAN
THỰC............................................................................................................................................. 48
3.1 Đặt vấn đề................................................................................................................................ 48
3.2 Chế độ thực nghiệm xác định các tham số đầu vào cho mô hình .................................. 48
3.2.1 Đối tượng nghiên cứu................................................................................................ 48
3.2.2 Trang thiết bị và chế độ thực nghiệm..................................................................... 49
3.2.2.1 Trang thiết bị thử nghiệm...................................................................................... 49
3.2.2.2 Chế độ thử nghiệm................................................................................................. 50
3.3 Kết quả thực nghiệm.............................................................................................................. 50
3.3.1 Xác định các tham số đầu vào của mô hình HTPNL kiểu CR............................ 51
3.3.2 Xác định các tham số của mô hình tuabin – máy nén.......................................... 53
3.3.3 Áp suất xylanh............................................................................................................ 58
iv


3.3.4 Xác định hệ số của mô hình mô men ma sát......................................................... 60
3.3.5 Quy luật phối khí....................................................................................................... 61
3.3.6 Lưu lượng khí qua xupap nạp và thải..................................................................... 62
3.4 Xử lý số liệu............................................................................................................................ 63
3.4.1 Xác định tốc độ tỏa nhiệt.......................................................................................... 63
3.4.2 Xác định thời điểm cháy, khoảng thời gian cháy và phần nhiên liệu đã cháy. 65
3.4.3 Xác định hệ số lưu lượng qua xupap nạp và thải.................................................. 68
3.5 Xây dựng và đánh giá mô hình............................................................................................ 68
3.5.1 Xây dựng mô hình động cơ...................................................................................... 68
3.5.2 Đánh giá độ tin cậy của mô hình động cơ.............................................................. 69
3.5.2.1 Về tốc độ tỏa nhiệt.................................................................................................. 69

3.5.2.3 Về mô men và công suất động cơ........................................................................ 72
3.6 Kết luận Chương 3................................................................................................................. 74
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ HYUNDAI
D4CB 2.5 TCI-A SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL.................................................... 75
4.1 Đặt vấn đề................................................................................................................................ 75
4.2 Thiết kế các bộ điều khiển vòng hở.................................................................................... 76
4.2.1 Tính toán lượng phun nhiên liệu............................................................................. 78
4.2.1.1 Tính toán lượng nhiên liệu phun khi khởi động ................................................ 78
4.2.1.2 Tính toán lượng nhiên liệu không tải yêu cầu.................................................... 79
4.2.1.3 Tính toán lượng nhiên liệu yêu cầu..................................................................... 81
4.2.2 Tính toán quy luật phun............................................................................................ 83
4.2.2.1 Phun mồi.................................................................................................................. 84
4.2.2.2 Phun chính............................................................................................................... 87
4.3 Thiết kế các bộ điều khiển vòng kín................................................................................... 90
4.3.1 Bộ điều khiển PID...................................................................................................... 90
4.3.2 Bộ điều khiển áp suất rail......................................................................................... 91
4.3.3 Bộ điều khiển tốc độ không tải................................................................................ 94
4.4 Kết luận Chương 4................................................................................................................. 96
CHƯƠNG 5 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM...................................................................... 97
5.1 Mục đích thử nghiệm............................................................................................................. 97
5.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu thực nghiệm................................................................ 97
5.2.1 Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm ........................................................................ 97
5.2.2 Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm............................................................................ 97
5.2.3 Điều kiện nghiên cứu thực nghiệm......................................................................... 97
5.3 Quy trình và trang thiết bị thực nghiệm............................................................................. 97
5.3.1 Trang thiết bị thực nghiệm....................................................................................... 97
v


5.3.2 Quy trình thử nghiệm.............................................................................................. 100

5.4 Kết quả thử nghiệm.............................................................................................................. 101
5.4.1 Đánh giá bộ điều khiển áp suất rail....................................................................... 101
5.4.2 Tại chế độ không tải................................................................................................ 105
5.4.3 Tại chế độ toàn tải.................................................................................................... 107
5.4.3.1 Đánh giá mức độ cải thiện về momen và tiêu thụ nhiên liệu của ECU-New 107
5.4.3.2 Đánh giá mức độ cải thiện khí thải của ECU-New......................................... 109
5.4.4 Tại chế độ tải bộ phận............................................................................................. 110
5.4.5 Tại chế độ tăng tốc................................................................................................... 114
5.5 Kết luận Chương 5............................................................................................................... 116
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN............................................................. 117
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ............................................................. 124
PHỤ LỤC..................................................................................................................................... 125
PL1 Một số hình ảnh mô hình động cơ xây dựng trong Simulink ...................................... 125
PL2 Phòng thử động lực học cao động cơ (High Dynamic Engine Testbed) - Viện Cơ khí
Động lực- Đại học Bách khoa Hà Nội..................................................................................... 129
PL3 Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm tại trường Đại học Công nghệ GTVT
136
PL4 Hệ thống thiết bị và phần mềm dùng để lập trình cho ECU........................................ 142
PL5 Một số kết quả đo thực nghiệm........................................................................................ 149
PL6 Một số Hình ảnh thực nghiệm.......................................................................................... 154

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Ký hiệu bằng chữ cái La tinh

Ký hiệu

Giải thích

Đơn vị

p
p

Áp suất

bar

Áp suất khí tăng áp sau làm mát

bar

p1

Áp suất khí tăng áp trước làm mát

bar

p4
p

Áp suất khí thải sau tuabin

bar

Áp suất khí thải trước tuabin

bar

pa
p

Áp suất khí trời

bar

Áp suất môi chất trong xylanh

bar

pp
p

Áp suất nhiên liệu tại bơm cao áp

bar

i,k

Áp suất phun tại mỗi vòi phun

p

rail

Áp suất rail

bar

rail_thực

Áp suất rail thực tế

bar

rail_yêu_cầu

Áp suất rail yêu cầu

bar

Áp suất trong xylanh động cơ

bar

R
l

Bán kính quay của trục khuỷu
Chiều dài thanh truyền

m
m

Ne
P

Công suất có ích của động cơ

W

Công suất máy nén

W

Nm

Công suất tổn hao cơ giới

W

PT
F

Công suất tuabin

W

Diện tích trao đổi nhiệt tức thời của thành buồng công
tác xylanh

m

Độ mở van điều chỉnh áp suất rail

%

U

SCV

Độ mở van điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp vào bơm

%

U

VGT

Độ mở van VGT

%

intake

Độ nâng của xu páp nạp theo góc quay trục khuỷu

m

exhaust

Độ nâng của xu páp thải theo góc quay trục khuỷu

m

2

3

cyl

p
p

p

cyl,k

tt

C

U

RPCV

h
h

μ
Et
E

Độ nhớt động học của dầu bôi trơn động cơ
Độ rộng xung điều khiển

-

2

(cSt)
ms

Độ rộng xung điều khiển vòi phun

ms

D

Đường kính nấm xu páp nạp

m

D

in

ex

Đường kính nấm xu páp thải

m

T,k

vii

D
h

Đường kính xylanh

m

in

Entanpi của khí nạp mới đi vào xylanh

J/kg

h

ex

Entanpi của khí thải

J/kg

S
k
C

m
-

C

f,in

Hành trình piston
Hệ số đoạn nhiệt
Hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xupap nạp

f,ex

Hệ số lưu lượng của dòng khí thải đi qua xupap thải

-

C

pr

Hệ số tổn thất lưu lượng từ BCA tới ống Rail

-

C

Hệ số tổn thất lưu lượng từ ống Rail tới vòi phun

-

C

di

Hệ số tổn thất lưu lượng từ van RPCV tới ống Rail

-

pv

Hệ số tổn thất lưu lượng từ van SCV tới BCA

-

pv

Hệ số tổn thất lưu lượng từ van SCV tới BCA

-

C

vr

Hệ số tổn thất lưu lượng từ van SCV tới ống Rail

-

m
A

pv

Khối lượng

Là tiết diện ngang của đường nhiên liệu vào van SCV

m

in

Lượng khí nạp vào xylanh

m2
mg/ct

ex

Lượng khí thải ra khỏi xylanh

mg/ct

pr

Lượng nhiên liệu từ bơm cao áp tới ống Rail

g

u

Lượng nhiên liệu vào bơm cao áp

g

dreg

C
C

m
q

q
m

Qw

Lượng nhiệt trao đổi với môi trường xung quanh

kg

J

inj_main

Lượng phun chính

mg/ct

inj_pilot1

Lượng phun mồi lần 1

mg/ct

inj_pilot2

Lượng phun mồi lần 2

mg/ct

m
m

q

out

Lưu lượng chất lỏng ra khỏi bình chứa

l/s

in

Lưu lượng chất lỏng vào bình chứa

l/s

mc

Lưu lượng khí qua máy nén

l/s

mT

q

Lưu lượng khí thải qua tuabin

m

Lưu lượng nhiên liệu từ ống Rail tới van RPCV

l/s

q

Lưu lượng nhiên liệu từ ống Rail tới vòi phun

l/s

q

pvc
ri

Mi

Mô men chỉ thị của động cơ

N.m

Me

Mô men có ích của động cơ

N.m

I

Mô men quán tính của các chi tiết chuyển động quay
quy dẫn về đường tâm trục khuỷu

kg.m

JT

Mô men quán tính của roto cụm TB-MN

kg.m
N.m

eng

Mm

Mô men tổn hao cơ giới
viii

2

2


T

Nhiệt độ

K

T1
T

Nhiệt độ khí nạp sau máy nén

K

Nhiệt độ khí tăng áp sau làm mát

K

T4
T

Nhiệt độ khí thải sau tuabin

K

3

Nhiệt độ khí thải trước tuabin

K

T

a

Nhiệt độ khí trời

K

T

Nhiệt độ môi chất trong xylanh

K

Tw
c

Nhiệt độ vách xylanh

K

pa

Nhiệt dung riêng đẳng tích của khí nạp

l/s

c

pe

Nhiệt dung riêng đẳng tích của khí thải

QH
x

Nhiệt trị thấp của nhiên liệu

m
kJ/kg

bi

Phần nhiên liệu tham gia cháy của từng giai đoạn

%

x

fi

Phần nhiên liệu tham gia phản ứng cháy

%

Số phương trình Wiebe
Tham số phương trình Wiebe từng giai đoạn

-

2

cyl

i
ai, mi
V
Vc
V

bowl

V

m

Thể tích buồng cháy

m

Thể tích buồng cháy trên đỉnh piston

m

3

Thể tích công tác

3

timing_main

Thời điểm phun chính

timing_pilot1

Thời điểm phun mồi lần 1

độ GQTK

timing_pilot2

Thời điểm phun mồi lần 2

độ GQTK

duration_main

Thời gian phun chính

ms

duration_pilot1

Thời gian phun mồi lần 1

ms

duration_pilot2

inj

inj
inj
inj
inj

3

Thể tích

m3
3
m
độ GQTK

V

inj

2

h

pmax

Thể tích lớn nhất của 1 tổ bơm cao áp

Thời gian phun mồi lần 2

ms

A

Tiết diện các lỗ phun trên vòi phun

A

di

m

i,k

Tiết diện các lỗ phun trên vòi phun

m

Tiết diện hình học lớn nhất của tuabin

A

m

Tiết diện ngang của đường nạp vào BCA

A

pt

m

vr

Tiết diện ngang của đường nhiên liệu ra van SCV

m
2
m

A

vgtmax

A

A

pr

max

ne

Tiết diện ngang của đường ra nhiên liệu từ BCA tới
ống Rail
Tiết diện ngang khi van RPCV mở lớn nhất
Tốc độ động cơ
ix

2
2

2
2
2

2

m
vg/ph


n
m

inj

Tốc độ vòng quay trục khuỷu động cơ

vg/ph

Tổng lượng nhiên liệu phun vào xy lanh

mg/ct

2. Ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp

φ

Góc quay trục khuỷu
Hệ số đoạn nhiệt của khí nạp

độ
-

γe
λ
α

Hệ số đoạn nhiệt của khí thải

-

Hệ số dư lượng không khí
Hệ số trao đổi nhiệt

-

ηm

Hiệu suất máy nén

ηT
φi

Hiệu suất tuabin

γa

ρ

2

W/m .K
-

Khoảng thời gian cháy của mỗi giai đoạn cháy
Khối lượng riêng của chất lỏng

độ
3

Thời điểm bắt đầu cháy thứ i

kg/m
độ

ωt

Tốc độ góc của tuabin – máy nén

rad/s

ωe

Tốc độ góc trục khuỷu động cơ

rad/s

φ

SOCi

3. Các chữ viết tắt

Ký hiệu
BMEP
PID
ECU-New
ECU-NT
EDU
BCA
ECU-New_B20
ECU-NT_B0
ECU-NT_B20
GTVT
GQTK
HTNL
CR
HTPNL
BTE

Giải thích
Áp suất có ích trung bình (Brake Mean Effective Pressure) Bộ
điều khiển tỉ lệ - tích phân – vi phân (Proportional Integral
Derivative)
Bộ điều khiển (Electronic Control Unit) động cơ mới
(MotoHawk)
Bộ điều khiển (Electronic Control Unit) động cơ nguyên thủy
Bộ điều khiểu động cơ (Electric Drive Unit)
Bơm cao áp
Động cơ lắp ECU mới sử dụng nhiên liệu B20

Động cơ lắp ECU nguyên thủy sử dụng nhiên liệu B0
Động cơ lắp ECU nguyên thủy sử dụng nhiên liệu B20
Giao thông vận tải
Góc quay trục khuỷu
Hệ thống nhiên liệu
Hệ thống nhiên liệu Common Rail
Hệ thống phun nhiên liệu
Hiệu suất nhiệt (Brake Thermal Efficiency)
x


MHC
NLSH
PTCGQS
PTGTCGĐB
BSEC
VGT
TSKT
EGR
RPCV
SCV
MAP

Mô hình cháy
Nhiên liệu sinh học
Phương tiện cơ giới quân sự
Phương tiện giao thông cơ giới đường bộ
Suất tiêu hao năng lượng (Brake Specific Eenergy Consumption)
Tăng áp điều khiển cánh hướng dòng (Variable Ggeometry
turbocharger)

Tiến sĩ kỹ thuật
Tuần hoàn khí thải (Exhaust Gas Recirculation)
Van điều khiển áp suất rail (Rail Pressure Control Valve)
Van điều khiển lượng cấp nhiên liệu (Structure Control Valve)
Dạng bảng tra

xi


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 So sánh các thuộc tính của biodiesel theo tỷ lệ pha trộn (với cùng loại diesel sinh
học gốc B100 dùng trong nghiên cứu của luận án), [7, 8]....................................................... 6
Bảng 1.2 Lượng tiêu thụ biodiesel của Liên minh Châu Âu (giai đoạn 2011-2016 dự báo
cho năm 2017, 2018), [11]............................................................................................................. 7
Bảng 2.1 Quan hệ giữa tham số ai và hiệu suất cháy, [64]..................................................... 37

Bảng 2.2 Tham số mô hình mi.................................................................................................... 37
Bảng 2.3 Các hệ số thực nghiệm của mô hình ma sát, [72] ................................................... 43
Bảng 2.4 Hệ số xác định theo mô hình Woschni C1 và C2, [61]........................................... 44
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ D4CB 2.5 TCI-A, [77]........................... 48
Bảng 3.2 Các thông số kỹ thuật cơ bản của cảm biến áp suất, [78] ..................................... 50
Bảng 3.3 Thông số đầu vào của MHMP................................................................................... 51
Bảng 3.4 Quy luật cung cấp nhiên liệu theo các chế độ tải và tốc độ của động cơ ...........52
Bảng 3.5 Áp suất khí tăng áp theo tốc độ và tải của động cơ ................................................ 54
Bảng 3.6 Áp suất khí thải theo tốc độ và tải của động cơ ...................................................... 55
Bảng 3.7 Lưu lượng khí nạp theo tốc độ và tải của động cơ ................................................. 56
Bảng 3.8 Độ mở van VGT theo tải và tốc độ của động cơ.................................................... 57
Bảng 3.9 Tốc độ tuabin – máy nén theo tải và tốc độ động cơ ............................................. 58
Bảng 3.10 Tổng hợp kết quả giá trị áp suất đỉnh và vị trí đạt áp suất đỉnh trong xylanh tại
các chếđộ thử nghiệm.................................................................................................................. 60

Bảng 3.11 Thông số đầu vào của mô hình mô men ma sát.................................................... 61
Bảng 3.12 Các thông số của xupap nạp/thải............................................................................ 61
Bảng 3.13 Quy luật phối khí....................................................................................................... 62
Bảng 3.14 Tổng hợp kết quả giá trị tốc độ tỏa nhiệt lớn nhất và vị trí đạt tốc độ tỏa nhiệt
lớn nhất tại các chế độ thử nghiệm............................................................................................ 64
Bảng 3.15 Bảng xác định thời điểm cháy, khoảng thời gian cháy và phần nhiên liệu đã
cháy................................................................................................................................................. 66
Bảng 3.16 So sánh công suất và mô men giữa mô hình và thực nghiệm ............................ 73
Bảng 4.1 Lượng nhiên liệu khởi động theo tốc độ và nhiệt độ nước làm mát động cơ ....78
Bảng 4.2 Quan hệ giữa lượng nhiên liệu phun với vị trí chân ga, tốc độ và tải của động
cơkhi sử dụng B20........................................................................................................................ 82
Bảng 4.3 Lượng nhiên liệu phun theo tốc độ và vị trí chân ga ............................................. 83
Bảng 4.4 Lượng nhiên liệu phun mồi theo tốc độ và lượng nhiên liệu yêu cầu ................. 85
Bảng 4.5 Thời điểm phun mồi lần 1 theo tốc độ và lượng nhiên liệu yêu cầu ................... 86
Bảng 4.6 Thời điểm phun mồi lần 2 theo tốc độ và lượng nhiên liệu yêu cầu ...................86
Bảng 4.7 Thời gian phun mồi theo lượng phun mồi và áp suất phun .................................. 87
Bảng 4.8 Thời điểm phun chính theo tốc độ và lượng nhiên liệu yêu cầu .......................... 88
Bảng 4.9 Thời gian phun chính theo lượng phun yêu cầu và áp suất phun .........................89
Bảng 4.10 Giá trị các thông số hiệu chỉnh số vòng quay không tải ..................................... 96
Bảng 5.1 Các thông số kỹ thuật cơ bản của băng thử NT 3000 ............................................ 98
Bảng 5.2 Bảng xác định prail ở các tốc độ trục BCA 500, 1000 và 1500 vg/ph khi thay đổi
độ rộngxung điều khiển van SCV, độ rộng xung điều khiển van RPCV........................... 103
Bảng 5.3 Bảng xác định prail theo tốc độ BCA và độ mở van RPCV................................ 103
Bảng 5.4 Giá trị các thông số hiệu chỉnh số vòng quay không tải ...................................... 107
Bảng 5.5 So sánh phát thải khi sử dụng ECU-NT và ECU-New tại chế độ không tải ....107
Bảng 5.6 So sánh mô men và suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng ECU-NT và ECUNewvới nhiên liệu B20 tại chế độ toàn tải.............................................................................. 108
xii


Bảng 5.7 So sánh phát thải CO, HC khi sử dụng ECU-NT và ECU-New tại chế độ toàn tải

109
Bảng 5.8 So sánh phát thải NOx (ppm) và Smoke (-) khi sử dụng ECU-NT và ECU-New
tại chế độtoàn tải với nhiên liệu B20....................................................................................... 110
Bảng 5.9 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng ECU-NT và ECU-New ..............111
Bảng 5.10 So sánh phát thải CO và HC khi sử dụng ECU-NT và ECU-New .................. 112
Bảng 5. 11 So sánh phát thải NOx và Smoke khi sử dụng ECU-NT và ECU-New.........112
Bảng 5.12 Kết quả thử nghiệm đặc tính tăng tốc của xe Hyundai Starex .........................115

xiii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Lượng sản xuất, xuất khẩu và tiêu thụ biodiesel của Mỹ từ năm 2001 đến năm
2016,[10] ........................................................................................................................... 7
Hình 1.2 So sánh áp suất cháy lớn nhất và tốc độ tỏa nhiệt của B0; B20, B40, B60, B80,
B100 (B100 sản xuất từ dầu Jatropha),[17] ........................................................................ 9
Hình 1.3 So sánh hiệu suất nhiệt, suất tiêu hao năng lượng, phát thải HC và NO x của M5,
M10, M15, M20 (B100 sản xuất từ dầu Manhua),[18]...................................................... 10
Hình 1.4 So sánh áp suất cháy và tốc độ tỏa nhiệt của diesel và biodiesel (với B100 làm từ
cây Jatropha),[19] ............................................................................................................ 10
Hình 1.5 Quy luật phun nhiều giai đoạn, [25]................................................................... 11
Hình 1.6 Ảnh hưởng của các giai đoạn phun, [25]............................................................ 12
Hình 1.7 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu và mô men với các tỷ lệ pha trộn khác nhau ở chế
độ toàn tải,[27]................................................................................................................. 12
Hình 1.8 So sánh áp suất cháy và tốc độ tỏa nhiệt của diesel và biodiesel làm từ dầu dừa
[29].................................................................................................................................. 13
Hình 1.9 Các bước nghiên cứu phát triển ECU,[41] ......................................................... 17
Hình 1.10 Cơ sở thiết kế chương trình điều khiển trên MHMP động cơ (SIL), [40].......... 17
Hình 1.11 Mô hình động cơ trung bình không xét đến quá trình động lực học của động cơ
........................................................................................................................................ 18

Hình 1.12 Mô hình động cơ trung bình có xét tới động lực học của động cơ .................... 19
Hình 1.13 Sơ đồ khối mô hình động cơ theo góc quay trục khuỷu .................................... 20
Hình 1.14 HTNL sử dụng bơm dãy điều khiển điện tử, [49]............................................. 21
Hình 1.15 Sơ đồ thuật toán điều khiển của động cơ sử dụng bơm dãy điện tử, [50] .......... 21
Hình 1.16 HTNL sử dụng bơm phân phối điều khiển điện tử, [49] ................................... 21
Hình 1.17 Sơ đồ thuật toán điều khiển của động cơ sử dụng bơm phân phối điện tử, [50].22
Hình 1.18 So sánh áp suất cháy và tốc độ tỏa nhiệt khi thay đổi tỷ lệ pha trộn biodiesel,
23
Hình 1.19 Thời điểm phun mồi và phun chính khi sử dụng diesel và biodiesel, [52]......... 23
Hình 1.20 Thời gian phun chính khi sử dụng diesel và biodiesel, [52] .............................. 23
Hình 1.21 Sơ đồ khối điều khiển động cơ sử dụng HTPNL kiểu CR ................................ 26
Hình 1.22 Trình tự thiết kế ECU dùng phương pháp xây dựng MHMP động cơ theo thời
gian thực .......................................................................................................................... 27
Hình 2.1 Mô hình tính toán của phương trình cân bằng năng lượng, [39, 58].................... 28
Hình 2.2 Mô hình động cơ diesel dùng HTPNL kiểu CR, tăng áp kiểu VGT, [41]............ 29
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý HTPNL kiểu CR dùng BCA kiểu CP1-H, [9, 41]..................... 31
Hình 2.4 Sơ đồ bình chứa với chất lỏng nén được, [63].................................................... 31
Hình 2.5 Sơ đồ phân loại MHC........................................................................................ 34
Hình 2.6 Mô hình cháy không chiều 1 vùng (a) và 2 vùng (b), [64].................................. 34
Hình 2.7 Ph ng pháp xây dựng MHC không chiều một vùng và hai vùng, [64] ............. 35
Hình 2.8
ươ
Hình 2.9 So sánh tốc độ tỏa nhiệt và tốc độ cháy khi thay đổi tham số m ......................... 37
Hình 2.10 Mô hình tuabin – máy nén ............................................................................... 38
Hình 3.1Bố trí chung phòng thử động lực học cao, ĐH Bách khoa Hà Nội, [78] .............. 49
Hình 3.2 Vị trí lắp cảm biến áp suất AVL QC33C trên nắp máy....................................... 50
Hình 3.3 Quy luật thay đổi số lần phun theo tốc độ động cơ............................................. 52
Hình 3.4 Ví dụ về diễn biến xung phun xác định bằng thiết bị Oscilloscopes ................... 53
Hình 3.5 Vị trí lắp cảm biến để xác định đặc tính của TB - MN ....................................... 53
Hình 3.6 Đường đẳng mức áp suất khí tăng áp theo tốc độ và mômen của động cơ .......... 54

[51]..................................................................................................................................

Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt theo số phương trình Wiebe, [68]..............................

xiv

36


Hình 3.7 Đường đẳng mức áp suất khí thải theo tốc độ và mômen của động cơ ...............55
Hình 3.8 Đường đẳng mức lưu lượng khí nạp theo tốc độ và mômen của động cơ ..........56
Hình 3.9 Đường đẳng mức độ mở van VGT theo tốc độ và mômen của động cơ .............57
Hình 3.10 Đường đẳng mức tốc độ tuabin – máy nén theo tốc độ và mômen của động cơ 58
Hình 3.11 Diễn biến áp suất tại tốc độ 1000 vg/ph ở chế độ 100% tải ................................ 59
Hình 3.12 Diễn biến áp suất tại tốc độ 2000 vg/ph ở chế độ 100% tải ................................ 59
Hình 3.13 Diễn biến áp suất tại tốc độ 3000 vg/ph ở chế độ 100% tải ................................ 59
Hình 3.14 Diễn biến độ nâng xupap nạp/thải........................................................................... 61
Hình 3.15Sơ đồ nguyên lý đo lưu lượng khí qua xupap, [42]............................................... 62
Hình 3.16 Mối quan hệ giữa lưu lượng khí và độ nâng xupap.............................................. 63
Hình 3.17 Kết quả tính toán diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong xylanhtại tốc độ 1000 vg/ph ở
chế độ 100% tải............................................................................................................................. 64
Hình 3.18 Kết quả tính toán diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh tại tốc độ 2000 vg/ph
ở chế độ 100% tải......................................................................................................................... 65
Hình 3.19 Kết quả tính toán diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh tại tốc độ 3000 vg/ph ở
chế độ 100% tải............................................................................................................................. 65
Hình 3.20 Sơ đồ thuật toán tối ưu xác định các tham số φ SOCi, Δφi và xfi.......................... 66
Hình 3.21Mối quan hệ giữa hệ số lưu lượng và độ nâng xupap........................................... 68
Hình 3.22 Mô hình động cơ sử dụng diesel và biodiesel làm việc theo thời gian thực ....69
Hình 3.23 Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm tại chế độ tốc độ 1000
(vg/ph) và 100% tải...................................................................................................................... 70

Hình 3.24 Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm tại chế độtốc độ 2000
(vg/ph) và 100% tải...................................................................................................................... 70
Hình 3.25 Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm tại chế độ tốc độ 3000
(vg/ph) và 100% tải...................................................................................................................... 70
Hình 3.26So sánh áp suất xylanh giữa mô phỏng và thực nghiệm tại chế độ tốc độ 1000
(vg/ph) và tải 100% tải................................................................................................................. 71
Hình 3.27So sánh áp suất xylanh giữa mô phỏng và thực nghiệm tại chế độ tốc độ 2000
(vg/ph) và tải 100% tải................................................................................................................. 71
Hình 3.28So sánh áp suất xylanh giữa mô phỏng và thực nghiệm tại chế độ tốc độ 3000
(vg/ph) và tải 100% tải................................................................................................................. 72
Hình 3.29 So sánh công suất và mô men giữa mô hình và thực nghiệm khi sử dụng
dieseltại chế độ toàn tải................................................................................................................ 72
Hình 3.30 So sánh công suất và mô men giữa mô hình và thực nghiệm khi sử dụng
biodiesel B20 tại chế độ toàn tải................................................................................................ 73
Hình 4.1 Sơ đồ điều khiển quá trình phun nhiên liệu, [57]. ................................................... 76
Hình 4.2 Phép nội suy tuyến tính 1D, [83]............................................................................... 77
Hình 4.3 Phép nội suy tuyến tính 2D,[83]................................................................................ 77
Hình 4.4 MAP lượng nhiên liệu phun khi khởi động của động cơ 2.5TCI-Akhi sử dụng
ECU_NT với nhiên liệu diesel................................................................................................... 79
Hình 4.5 Sơ đồ hiệu chỉnh lượng nhiên liệu khởi động khi dùng biodiesel B20, [57] ......79
Hình 4.6 Sơ đồ tính toán lượng phun không tải....................................................................... 80
Hình 4.7 Diễn biến tốc độ không tải yêu cầu theo nhiệt độ của động cơ 2.5TCI-A ..........81
Hình 4.8 Sơ đồ nội suy lượng phun theo tốc độ và vị trí chân ga, [83] ............................... 82
Hình 4.9 MAP lượng phun theo tốc độ và vị trí ga khi sử dụng B20 ................................... 83
Hình 4.10 Mô hình điều khiển quá trình phun của động cơ 2.5 TCI-A khi sử dụng biodiesel
84
Hình 4.11 Sơ đồ điều khiển phun mồi....................................................................................... 84
Hình 4.12 MAP thời điểm phun mồi lần 1 của động cơ 2.5TCI-A khi sử dụng B0..........85
Hình 4.13 MAP thời điểm phun mồi lần 2 của động cơ 2.5TCI-A khi sử dụng B0..........86
xv

Hình 4.14 Map thời gian phun mồi của động cơ 2.5TCI-A................................................... 87
Hình 4.15 Sơ đồ điều khiển phun chính.................................................................................... 88
Hình 4.16 MAP thời điểm phun chính của động cơ 2.5TCI-A khi sử dụng B0 .................88
Hình 4.17 MAP thời gian phun chính động cơ 2.5TCI-A khi sử dụng B0.......................... 89
Hình 4.18 Điều khiển với bộ điều khiển PID........................................................................... 90
Hình 4.19 Mô hình tính toán áp suất rail của HTPNL CR (CP1-H) .................................... 91
Hình 4.20 MAP áp suất rail yêu cầu.......................................................................................... 92
Hình 4.21 MAP điều khiển áp suất rail thông qua van SCV................................................. 92
Hình 4.22 MAP điều khiển áp suất rail thông qua van RPCV.............................................. 93
Hình 4.23 Mô hình điều khiển van RPCV................................................................................ 93
Hình 4.24 Mô hình điều khiển van SCV................................................................................... 93
Hình 4.25 Sơ đồ điều khiển vòng kín đối với áp suất rail ...................................................... 94
Hình 4.26 Thời gian đáp ứng của bộ điều khiển khi áp suất rail thay đổi từ 600 ÷1000 bar,
94
Hình 4.27 Thời gian đáp ứng của bộ điều khiển khi áp suất rail thay đổi từ 600 ÷1000 bar,
94
Hình 4.28 Sơ đồ điều khiển vòng kín số vòng quay không tải của động cơ .......................95
Hình 4.29 Số vòng quay không tải thực ứng với số vòng quay không tải yêu cầu 800
(vg/ph)............................................................................................................................................ 95
Hình 4.30 Số vòng quay không tải thực ứng với số vòng quay không tải yêu cầu 900
(vg/ph)............................................................................................................................................ 95
Hình 5.1 Băng thử bơm cao áp NT 3000 và vị trí gá đặt bơm cao áp, vòi phun ................98
Hình 5.2 Bố trí chung bệ thử Động cơ, Đại học Công nghệ GTVT ..................................... 99
Hình 5.3 Sơ đồ lắp đặt trang thiết bị và xe Hyundai Starex trên bệ thử con lăn (khi dùng
ECU-NT và ECU-New)............................................................................................................... 99
Hình 5.4 Tín hiệu điều khiển của người lái khi thử nghiệm đặc tính tăng tốc .................. 101
Hình 5.5 Ảnh hưởng của độ mở van SCV và van RPCV đến p rail tại tốc độ 500 vg/ph. 101
Hình 5.6 Ảnh hưởng của độ mở van SCV và van RPCV đến prail tại tốc độ 1000 vg/ph..102

Hình 5.7 Ảnh hưởng của độ mở van SCV và van RPCV đến prail tại tốc độ 1500 vg/ph..102
Hình 5.8 Ảnh hưởng của độ mở van RPCV và tốc độ tới p rail............................................ 102
Hình 5.9 Độ trễ prail_thực so với prail-yêu cầu khi thay đổi prail-yêu cầu từ 35 (MPa) lên 40 (MPa)

103

Hình 5.10 Độ trễ prail_thực so với prail-yêu cầu khi thay đổi prail-yêu cầu từ 40 (MPa) lên 50 (MPa)

104

Hình 5.11 Độ trễ prail_thực so với prail-yêu cầu khi thay đổi prail-yêu cầu từ 50 (MPa) lên 60 (MPa)

104

Hình 5.12 Độ trễ prail_thực so với prail-yêu cầu khi thay đổi prail-yêu cầu từ 60 (MPa) lên 70 (MPa)

104
Hình 5.13 Màn hình hiển thị, hiệu chỉnh các thông số điều khiển số vòng quay không tải
105
Hình 5.14 Số vòng quay không tải thực chưa hiệu chỉnh (tốc độ không tải yêu cầu là 800
vg/ph)............................................................................................................................................ 105
Hình 5.15 Số vòng quay không tải thực đã hiệu chỉnh (tốc độ không tải yêu cầu là 800
vg/ph)............................................................................................................................................ 106
Hình 5.16 Số vòng quay không tải thực chưa hiệu chỉnh (tốc độ không tải yêu cầu là 1000
vg/ph)............................................................................................................................................ 106
Hình 5.17 Số vòng quay không tải thực đã hiệu chỉnh (tốc độ không tải yêu cầu là 1000
vg/ph)............................................................................................................................................ 107
Hình 5.18 Đặc tính ngoài của động cơ khi sử dụng ECU-NT và ECU-New ....................108
Hình 5.19 Kết quả đo phát thải khi sử dụng ECU-NT và ECU-New ................................. 109
xvi

Hình 5.20 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng ECU-NT và ECU-New ............111
Hình 5.21 So sánh phát thải CO khi sử dụng ECU-NT và ECU-New ............................... 112
Hình 5.22 So sánh phát thải HC khi sử dụng ECU-NT và ECU-New............................... 113
Hình 5.23 So sánh phát thải NOx khi sử dụng ECU-NT và ECU-New............................ 113
Hình 5.24 So sánh phát thải Smoke khi sử dụng ECU-NT và ECU-New......................... 113
Hình 5.25 Quan hệ giữa tốc độ động cơ và vị trí chân ga khi tăng tốc .............................. 114
Hình 5.26 Quan hệ giữa lượng phun nhiên liệu và vị trí chân ga khi tăng tốc .................114
Hình 5.27 Quan hệ giữa áp suất rail và vị trí chân ga khi tăng tốc ..................................... 115
Hình 5.28 Đặc tính tăng tốc của xe khi dùng biodiesel B20 ............................................... 115

xvii


MỞ ĐẦU
i Lý do chọn đề tài
Biodiesel là một loại nhiên liệu thay thế, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo
vệ môi trường. Biodiesel được tạo ra từ dầu thực vật (dầu thực phẩm, dầu phi thực phẩm, dầu
ăn thải), mỡ động vật (mỡ cá tra, ba sa…) là hướng phát triển tiềm năng ở Việt Nam,
[1]. Chính phủ Việt Nam đã quyết tâm phát triển nền công nghiệp nhiên liệu sinh học
thông qua việc triển khai Đề án phát triển Nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn
đến năm 2020. Ngày 22/11/2012, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định số
53/2012/QĐ-TTg về việc ban hành “Lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học
với nhiên liệu truyền thống”,[2].
Nhìn chung, khi sử dụng biodiesel cho động cơ diesel sẽ làm giảm mức phát thải CO,
HC, PM nhưng có sự gia tăng về mức phát thải NO x, [3]. Hơn nữa, do có sự thay đổi thuộc
tính lý-hóa giữa biodiesel và diesel nên cần thiết phải có điều chỉnh đối với hệ thống phun
nhiên liệu (HTPNL) của động cơ để việc ứng dụng biodiesel trên động cơ đạt hiệu quả cao
nhất.Với động cơ diesel truyền thống (sử dụng HTPNL kiểu cơ khí) thì việc điều chỉnh thời

điểm phun, áp suất phun phù hợp với từng loại biodiesel khá dễ dàng,tuy nhiên với động cơ
diesel sử dụng HTPNL điện tử kiểu tích áp Common Rail (CR) thì việc điều chỉnh này trở
nên phức tạp. Trong hệ thống này, bộ điều khiển ECU CR có nhiệm vụ nhận thông tin từ các
cảm biến, tính toán các thông số điều khiển (như: áp suất phun, lượng phun, số lần và thời
điểm phun) và điều khiển HTPNL cho phù hợp với chế độ vận hành của động cơ. Bộ điều
khiển ECU CR được chia làm hai phần là phần mạch điện tử (phần cứng) và phần chương
trình điều khiển (phần mềm). Phần cứng đã được nhiều hãng chế tạo ở dạng tiêu chuẩn (hoạt
động ổn định, có độ tin cậy cao) gọi là “ECU trắng” với nhiều cấu hình khác nhau tùy theo
mục đích sử dụng. Phần mềm là các chương trình và thuật toán điều khiển do các hãng sản
xuất động cơ thực hiện, phần mềm phải phù hợp với từng động cơ và từng loại nhiên liệu. Do
đó khi sử dụng nhiên liệu biodiesel thì cần phải thiết kế lại phần mềm điều khiển để động cơ
CR có thể làm việc với hiệu suất cao nhất.

Nhằm mục đích nghiên cứu làm chủ công nghệ điều khiển động cơ diesel CR, góp
phần nâng cao năng lực làm chủ và phát triển công nghệ thiết kế, lập chương trình điều
khiển ECU dùng cho động cơ diesel kiểu CR và 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,
NCS lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu điều khiển hệ thống phun nhiên liệu CommonRail
(CR) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel ”.
Luận án này tập trung nghiên cứu xây dựng chương trình điều khiển HTPNL kiểu
CR trên cơ sở phần cứng ECU trắng của hãng Woodward MotoHawk khi sử dụng nhiên
liệu biodieselnhằm xác định quy luật phun và các tham số điều khiển HTPNL phù hợp
với các chế độ làm việc của động cơ.

1


Qua nghiên cứu tình hình sử dụng biodiesel trên thế giới và Việt Nam cho thấy: hiện
nay tại châu Âu - tiêu chuẩn DIN EN-16709 giới hạn tỷ lệ pha trộn biodiesel là B30 và
chưa có tiêu chuẩn mới hơn; tại Mỹ - tiêu chuẩn ATSM D7467-09 quy định đặc tính kỹ

thuật của hỗn hợp từ B6-B20 mà chưa xét tới mức hỗn hợp có mức pha trộn cao hơn;
Thái Lan đang sử dụng B7 cho động cơ diesel ô tô; Việt Nam chính phủ ban hành QĐ
53/2012/QĐ-TTg về lộ trình phối trộn nhiên liệu sinh học, khuyến khích phối trộn và sử
dụng B5 và B10, [2]; bên cạnh đó luận án được thực hiện trong khuôn khổ đề tài cấp
Quốc gia mã số ĐT.08.14/NLSH đã nghiệm thu 12/2017 – nghiên cứu sinh là thành viên
trong đề tài ĐT.08.14/NLSH, đề tài giới hạn tỷ lệ pha trộn là B20. Từ những lý do trên
nên luận án giới hạn nghiên cứu ở tỷ lệ pha trộn là B20.
ii Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án
Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
Luận án có mục tiêu tổng thể là nghiên cứu làm chủ công nghệ điều khiển động cơ
diesel CR và thiết kế chương trình điều khiển HTPNL kiểu CR khi sử dụng biodiesel có
tỷ lệ pha trộn là 20% (B20) đảm bảo giữ nguyên mô men và công suất động cơ so với khi
dùng ECU nguyên thủy (ký hiệu là ECU-NT) sử dụng diesel, cải thiện về đặc tính kỹ
thuật và phát thải so với khi dùng ECU-NT sử dụng biodiesel B20.
Với mục tiêu đã đặt ra ở trên, NCS sẽ thực hiện nội dung theo các bước phát triển như
sau:
1. Nghiên cứu khảo sát động cơ diesel sử dụng HTPNL kiểu CR sẽ được dùng làm đối
tượng nghiên cứu và tiến hành thí nghiệm động cơ trên bệ thử nhằm xác định các thông số
ban đầu, các thông số cần thiết cho việc xây dựng mô hình động cơ diesel kiểu CR;

2. Xây dựng mô hình mô phỏng (MHMP)động cơ sử dụng biodiesel B20 và diesel
làm việc theo thời gian thực dựa trên cơ sở các thông số đã thu thập được khi thí nghiệm
động cơ trên băng thử. Chạy MHMP động cơ, thu thập các thông số đặc trưng và so sánh
với kết quả thực nghiệm nhằm đánh giá độ tin cậy của MHMP động cơ đã xây dựng;
3. Xây dựng thuật toán điều khiển HTPNL phù hợp với các chế độ làm việc khác
nhau của động cơ dựa trên MHMP động cơ đã xây dựng;
4. Thiết kế bộ điều khiển vòng kín điều khiển áp suất rail, điều khiển tốc độ không
tải trên mô hình động cơ đã xây dựng;
5. Thử nghiệm trên băng thử bơm cao áp để đánh giá bộ điều khiển áp suất rail; thử
nghiệm trên băng thử động cơ để đánh giá bộ điều khiển không tải, đánh giá mức độ cải

thiện về đặc tính kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng ECU-New so với động cơ
sử dụng ECU-NT; thử nghiệm trên bệ thử con lăn để đánh giá bộ điều khiển ở chế độ
tăng tốc.
iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Động cơ nghiên cứu của luận án là động cơ diesel D4CB 2.5TCI-A, 4 xylanh, 4 kỳ, sử
dụng HTPNL kiểu CR, lắp trên xe Hyundai Starex. Nhiên liệu sử dụng trong luận án này là

2


diesel dầu mỏ (0,05% S) lưu thông trên thị trường và biodiesel B20 (với B100 được sản
xuất từ bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thành dầu ăn).
Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong phòng thí nghiệm với các chế độ ổn
định của động cơ từ 1000 đến 3500 vòng/phút, chế độ khởi động, chế độ không tải, chế
độ tăng tốc và nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển vòng kín điều khiển áp suất rail, điều
khiển tốc độ không tải. Phần cứng điều khiển sử dụng bộ ECU trắng của hãng Woodward
Motohawk có trang bị thêm bộ điều khiển vòi phun CR (Sản phẩm của đề tài
ĐT.08.14/NLSH).
Về trang thiết bị, luận án sử dụng các băng thử động cơ do hãng AVL Cộng hòa Áo
sản xuất đặt tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí Động lực - Trường
Đại học Bách khoa Hà Nội; Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Công
nghệ Giao thông vận tải; bệ thử con lăn (Chassis dynanometer 48 inch) của Trung tâm
thử nghiệm khí thải PTGTCGĐB (NETC)/cục đăng kiểm Việt Nam và băng thử bơm cao
áp NT3000 tại Học viện kỹ thuật Quân sự.
iv Phương pháp nghiên cứu
Luận án kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu mô phỏng với
nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng và đánh giá:
- Nghiên cứu tổng quan tình hình sử dụng biodiesel trên động cơ diesel trong và
ngoài nước nhằm làm cơ sở cho việc đưa ra định hướng và nội dung của nghiên cứu.
- Nghiên cứu tổng quan vấn đề điều khiển động cơ diesel sử dụng HTPNL kiểu CR.

- Nghiên cứu lý thuyết xây dựng mô hình động cơ diesel và HTNL kiểu CR ứng
dụng trong điều khiển.
- Nghiên cứu thiết kế chương trình điều khiển HTPNL sử dụng biodiesel trên mô
hình động cơ.
- Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định các thông số của quá trình cháy và làm
việc của động cơ nhằm phục vụ việc xây dựng mô hình động cơ. Ngoài ra, nghiên cứu
thực nghiệm nhằm kiểm chứng các hệ số điều khiển và đánh giá tính năng của động cơ
khi sử dụng ECU-New với nhiên liệu B20.
v Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
*) Ý nghĩa khoa học
Luận án đã đưa ra được phương pháp thiết kế chương trình điều khiển hệ thống cung
cấp nhiên liệu kiểu common rail sử dụng nhiên liệu biodiesel B20 phù hợp với các chế độ
làm việc của động cơ.
*) Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả của luận án góp phần nâng cao năng lực làm chủ và phát triển công nghệ
thiết kế, lập chương trình điều khiển ECU nói chung, dùng cho động cơ diesel kiểu CR
nói riêng.
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. Qua đó góp phần thực hiện Đề án

3


phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 đã được Chính phủ
phê duyệt.
vi Điểm mới của luận án
Luận án đã đưa ra phương pháp và cơ sở khoa học trong thiết kế chương trình điều
khiển ECU động cơ diesel sử dụng HTPNL kiểu CR khi sử dụng nhiên liệu biodiesel B20
nhằm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu sinh học và làm chủ công nghệ thiết kế, lập chương
trình điều khiển ECU ở Việt Nam. Những kết quả mới đã đạt được và đóng góp mới của

luận án:
+ Xây dựng được mô hình mô phỏng động cơ diesel trang bị hệ thống nhiên liệu
common rail làm việc theo thời gian thực sử dụng hai loại nhiên liệu diesel và biodiesel
B20. Mô hình đã được xác nhận tính đúng đắn qua bộ thông số xác định từ thực nghiệm.
+ Thiết kế thành công chương trình điều khiển cho động cơ diesel Hyundai D4CB
2.5TCI-A trang bị hệ thống nhiên liệu common rail sử dụng nhiên liệu biodiesel B20
nhằm giữ nguyên mô men và công suất động cơ so với khi động cơ sử dụng nhiên liệu
diesel. Kết quả thử nghiệm cho thấy động cơ làm việc bình thường ở tất cả các chế độ: ổn
định, khởi động, không tải và tăng tốc.
vii Bố cục luận án
Thuyết minh của luận án gồm các phần chính sau:
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan
Chương 2. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ diesel sử dụng hệ thống phun
kiểu CommonRail (CR) làm việc theo thời gian thực
Chương 3. Xây dựng mô hình động cơ HyundaiD4CB 2.5 TCI-A sử dụng nhiên liệu
biodiesel làm việc theo thời gian thực
Chương 4. Xây dựng chương trìnhđiều khiển động cơ Hyundai D4CB 2.5 TCI-A sử
dụng nhiên liệu biodiesel
Chương 5. Nghiên cứu thực nghiệm
Kết luận chung và hướng phát triển.

4


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Hiện nay, nhằm giảm thiểu mức ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ đốt
trong gây ra cũng như giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, các quốc
gia trên thế giới trong đó có Việt Nam đã và đang tập trung nghiên cứu sản xuất, sử dụng
nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong, đặc biệt là cho động cơ diesel là loại động cơ

chiếm tỷ trọng lớn trong các thiết bị vận tải đường bộ và đường thủy cũng như các trạm
phát điện cỡ nhỏ và cỡ lớn.

1.1 Nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel
1.1.1 Khái quát chung
Trong số các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ đang sử dụng hiện nay nhiên liệu
sinh học (NLSH) đang là xu thế phát triển tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp và
nhập khẩu nhiên liệu, do các lợi ích như: công nghệ sản xuất không quá phức tạp, tận
dụng nguồn nguyên liệu tại chỗ, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp… NLSH được định
nghĩa là nhiên liệu nhận được từ sinh khối, được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc
từ động, thực vật, [4]. NLSH bao gồm cả nhiên liệu dạng khí và dạng lỏng. NLSH dạng
lỏng bao gồm ethanol sinh học (bioethanol), methanol sinh học (biomethanol), diesel
sinh học (biodiesel); dạng khí gồm hydro sinh học (biohydro) và methane sinh học
(biomethane). Đối với động cơ diesel, nhiên liệu thay thế được sử dụng phổ biến hiện
nay là khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) và biodiesel.
1.1.2 Khái niệm về biodiesel
Biodiesel được định nghĩa là một dạng nhiên liệu dùng để thay thế diesel, có nguồn
gốc từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Biodiesel là hỗn hợp diesel sinh học tinh khiết
(còn gọi là B100 hoặc diesel sinh học gốc) được pha với nhiên liệu diesel truyền thống
(có nguồn gốc hóa thạch) theo một tỷ lệ nhất định về thể tích, [5]. Biodiesel thường được
ký hiệu là Bxx, trong đó xx là 2 chữ số chỉ tỷ lệ thể tích của biodiesel trong hỗn hợp (ví
dụ: B20 có nghĩa là hỗn hợp nhiên liệu chứa 20% biodiesel và 80% diesel truyền thống;
và do đó B0 sẽ tương ứng với ký hiệu của nhiên liệu diesel truyền thống, chứa 0%
biodiesel), [6].
Biodiesel là nguồn năng lượng tái tạo, không độc và dễ phân hủy. Biodiesel rất linh
động có thể trộn với diesel truyền thống theo bất kì tỉ lệ nào. Việc sử dụng biodiesel sẽ
giúp đa dạng hóa nguồn nhiên liệu, [6].
1.1.3 So sánh tính chất của biodiesel và diesel khoáng
Biodiesel có các tính chất về vật lý và hóa học tương đối giống so với diesel. Tuy
nhiên khi thay đổi tỷ lệ pha trộn, các thuộc tính (tỷ lệ C:H:O, sức căng mặt ngoài, độ

nhớt, tỷ trọng...) và đặc tính (nhiệt trị thấp, trị số xê tan...) của biodiesel cũng thay đổi
theo (Bảng 1.1) nhưng với chiều hướng rất khác nhau. Ngoài việc phụ thuộc vào tỷ lệ
pha trộn, các thuộc tính/đặc tính của biodiesel còn phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu đầu
(Feedstock) để sản xuất diesel sinh học gốc (B100), [6].
5


Bảng 1.1 so sánh các chỉ tiêu về vật lý và hóa học của biodiesel và diesel, các chỉ
tiêu bao gồm: tỷ trọng, độ nhớt, trị số xêtan, nhiệt trị, trị số xêtan, tỷ số A/F (với B100
được sản xuất từ bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thành dầu ăn)
Bảng 1.1 So sánh các thuộc tính của biodiesel theo tỷ lệ pha trộn (với cùng loại diesel sinh học
gốc B100 dùng trong nghiên cứu của luận án), [7, 8]

Thông số
C
H
O
o
3
Khối lượng riêng ở 20 C, [kg/m ]
Thành phần hóa học

o

Sức căng mặt ngoài ở 20 C, T, [N/m]
o

Độ nhớt động học ở 20 C, [cSt]
Nhiệt trị thấp, QH , [MJ/kg]

Trị số xê tan
Tỷ lệ A/F

B0
0,87
0,126
0,004
830
0,028
3,61
42,5
48
14,58

Loại nhiên liệu
B20
B100
0,849
0,773
0,124
0,118
0,025
0,108
841
885
0,031
0,043
3,97
5,23
41,18

36,22
48,68
51,3
14,19
12,69

Biodiesel có tỷ trọng, độ nhớt, sức căng bề mặt ngoài, trị số Xê tan cao hơn diesel
truyền thống nên ảnh hưởng tới quá trình hình thành hỗn hợp và cháy. Nhìn chung, khi sử
dụng biodiesel sẽ làm giảm mức phát thải CO, HC, PM nhưng có sự gia tăng về mức
phát thải NOx, [9]. Biodiesel có nhiệt trị, tỷ lệ A/F thấp hơn so với diesel truyền thống
nên khi sử dụng biodiesel sẽ tăng lượng tiêu thụ nhiên liệu nếu muốn duy trì công suất.
Ngoài ra, những khó khăn trong việc bảo quản/lưu trữ, vận chuyển và phân phối; những
vấn đề cần quan tâm hơn khi chăm sóc, bảo dưỡng động cơ… cũng là những mặt còn hạn
chế của biodiesel, [9].
1.1.4 Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel
Có khá nhiều nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel, và thường được chia thành 3
nguồn chính, trong đó nguồn nguyên liệu thế hệ thứ nhất bao gồm dầu thực vật ăn được
(dầu hướng dương, dầu lạc, dầu dừa, dầu thầu dầu, dầu cọ, dầu đậu nành, dầu hạt
bông…), mỡ động vật (mỡ cá, mỡ bò, mỡ lợn…). Tuy nhiên, các nguyên liệu này cạnh
tranh với nguồn lương thực của con người nên việc sản xuất biodiesel từ các nguồn
nguyên liệu trên bị Tổ chức Nông Lương thế giới phản đối. Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ
2 là các dạng phế thải như mỡ động vật và axit béo phế thải. Nguồn nguyên liệu thế hệ
thứ 3 bao gồm các loại tảo và dầu jatropha. Các nguồn nguyên liệu thế hệ thứ 2 và 3 là
các nguồn nguyên liệu không cạnh tranh với các nguồn lương thực của con người nên
đang được quan tâm đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất biodiesel, [4].

6


1.1.5 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel

- Mỹ là nước sản xuất và tiêu thụ biodiesel lớn nhất thế giới, trong 8 năm trở lại đây
lượng tiêu thụ biodiesel đã tăng từ 260 triệu gallon (1 gallon=3,785 lít) vào năm 2010 lên
gần 886 triệu gallon vào năm 2011 và đạt khoảng 899 triệu gallon vào năm 2012. Xu
hướng này tiếp tục duy trì trong các năm 2013, 2014, 2015, 2016 với tổng lượng tiêu thụ
lần lượt là 1429, 1417, 1494, 2060 triệu gallon, [10]. Hiện nay, Mỹ cũng đang đầu tư rất
nhiều ngân sách vào các dự án nghiên cứu phát triển và sử dụng B10, B20 cho các
phương tiện cơ giới đường bộ (PTCGĐB), [9]. Ngoài ra, Mỹ cũng đã hình thành mạng
lưới các trạm cung cấp biodiesel tại hầu hết các tiểu bang.

Hình 1.1 Lượng sản xuất, xuất khẩu và tiêu thụ biodiesel của Mỹ từ năm 2001 đến năm 2016,[10]

- Liên minh Châu Âu: đây là khu vực có sự phát triển mạnh của biodiesel. Theo Báo
cáo về Nhiên liệu sinh học hàng năm (năm 2017) của Liên minh Châu Âu, lượng tiêu thụ
biodiesel khu vực này giảm dần từ 11.066 triệu lít vào năm 2011 xuống còn 10.973 triệu
lít vào năm 2013 do giá dầu thô giảm. Tuy nhiên do các nước trong Liên minh Châu Âu
thay đổi chính sách đối với nhiên liệu sinh học nên lượng tiêu thụ biodiesel tại khu vực
này đang tăng dần (ước tính năm 2018 tăng lên 12.650 triệu lít),[11].
Bảng 1.2 Lượng tiêu thụ biodiesel của Liên minh Châu Âu (giai đoạn 2011-2016 dự
báo cho năm 2017, 2018), [11]

Quốc gia
Đức
Pháp
Tây Ban Nha
Hà Lan
Ba lan
Vương Quốc Anh
Ý
Bỉ và Luxembourg
Australia

Bồ Đào Nha
Các nước khác
Tổng

Lượng tiêu thụ biodiesel, (triệu lít)
2011 2012 2013
2014
2015
2016

2017

2018

3408
2090
787
558
414
261
704
536
352
419
1536
11066

3520
2410
1420

910
795
625
625
570
410
355
1085
12725

3520
2400
1480
910
795
625
570
570
410
406
965
12650

3106
2516
538
974
673
364
326

568
301
356
1308
11029

3307
2476
659
790
736
648
521
568
247
329
693
10973
7

3808
3505
2681
2556
1017
1103
1056
1056
786
795

648
625
452
625
568
568
332
386
349
386
468
519
12165 12124

3522
2522
1122
909
784
625
625
568
398
333
874
12281


- Khu vực Châu Á có lượng sản xuất và tiêu thụ ít hơn:
+ Tại Indonesia: Theo báo cáo (2017) của Bộ Tài nguyên và Môi trường Indonesia,

lượng tiêu thụ biodiesel của nước này đã tăng từ 860 triệu lít (năm 2015) lên 3,008 tỷ lít
(năm 2016) và dự kiến giảm nhẹ vào năm 2017 còn 2,8 tỷ lít. Ngoài ra, mức pha trộn
cũng đã tăng từ 10% lên 20% vào tháng 6 năm 2017,[12].
+ Tại Thái Lan: Theo báo cáo (tháng 6/2017) của Bộ Tài nguyên và Môi trường Thái
Lan, tổng lượng tiêu thụ biodiesel trong năm 2014, 2015 và 2017 lần lượt là 1,18; 1,23 và
1,3 tỷ lít; ước tính trong năm 2017 và 2018 lượng tiêu thụ biodiesel sẽ đạt khoảng 1,42
và 1,48 tỷ lít. Nhu cầu sử dụng diesel sinh học được dự báo sẽ duy trì tăng trưởng hàng
năm từ 2,5 ÷ 2,7% từ năm 2018 ÷ 2022, và sau đó dự báo sẽ giảm xuống còn 1,5 ÷ 2,0%
sau năm 2022. Mặc dù, chính phủ Thái Lan đã sớm thông qua chính sách nhằm khuyến
khích việc chuyển các động cơ diesel thông thường sang dùng biodiesel vào tháng
6/2007 nhưng sau rất nhiều lần thay đổi chính sách thì tỷ lệ pha trộn mới chỉ dừng lại ở
mức B7 (do biến đổi khí hậu nên nguồn nguyên liệu dầu cọ không cung cấp đủ để sản
xuất biodiesel); Chính phủ Thái Lan cũng đang lên kế hoạch tăng tỷ lệ pha trộn lên 10%
(B10) vào năm 2018, [13].
+ Tại Việt Nam: Việt Nam có nhiều tiềm năng về sản xuất nhiên liệu sinh học, điều
kiện đất đai và khí hậu Việt Nam cho phép hình thành những vùng nguyên liệu tập trung.
Mỡ cá, dầu ăn phế thải được sử dụng để sản xuất biodiesel có thể giúp giải quyết được
các vấn đề về môi trường và tăng hiệu quả kinh tế của quá trình chế biến thủy sản. Ước
tính, Việt Nam có thể sản xuất khoảng 500 triệu lít biodiesel mỗi năm nếu như tổ chức
quy hoạch và thực hiện vùng nguyên liệu theo hướng sử dụng đất triệt để, tạo ra nhiều
loại giống có sản lượng cao và sở hữu các công nghệ tách dầu từ nguyên liệu, [6].
Chính phủ Việt Nam đã quyết tâm phát triển nền công nghiệp nhiên liệu sinh học
thông qua việc triển khai Đề án phát triển Nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn
đến năm 2020,[14]. Ngày 22/11/2012, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định số
53/2012/QĐ-TTg về việc ban hành “Lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học
với nhiên liệu truyền thống”, [2].

1.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng biodiesel cho động cơ diesel
1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới

a) Ứng dụng cho diesel truyền thống
Đã có rất nhiều nghiên cứu trên thế giới sử dụng nhiên liệu biodiesel cho động cơ
diesel. Jinlin Xue cùng các cộng sự [15] đã nghiên cứu tổng quan sử dụng biodiesel cho
động cơ diesel. Kết quả chỉ ra rằng khi sử dụng biodiesel công suất giảm, suất tiêu hao
nhiên liệu tăng, phát thải PM, HC và CO giảm trong khi NO x tăng so với khi sử dụng
nhiên liệu diesel khoáng. Kết quả này là do sự suy giảm của nhiệt trị và gia tăng về tỷ
trọng, độ nhớt, sức căng bề mặt ngoài khi tăng tỷ lệ pha trộn của biodiesel.
Nghiên cứu của H.C.Ong và T.M.I.Mahlia [16] về ảnh hưởng của 3 loại biodiesel làm từ
3 nguồn nguyên liệu khác nhau (dầu cọ (palm oil), dầu cây cọc rào (Jatropha curcas) và

8