ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÙI VĂN TẤN

NÂNG CAO TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ THUẬT VÀ
GIẢM MỨC ĐỘ PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG
CƠ XE GẮN MÁY CHẠY BẰNG LPG VÀ ETHANOL

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số

: 9520116

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

ĐÀ NẴNG - 2022
-1-


Cơng trình được hồn thành tại:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học :
1. GS.TSKH. Bùi Văn Ga
2. PGS.TS. Trần Thanh Hải Tùng

Phản biện 1 : PGS.TS. Hoàng Dương Hùng
Phản biện 2 : PGS.TS. Lê Hồng Kỳ
Phản biện 3 : PGS.TS. Trần Thanh Sơn

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp
Trường Đại học Bách khoa-Đại học Đà Nẵng,
Vào hồi : 14 giờ ngày 29 tháng 01 năm 2022.
Có thể tìm luận án tại :
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Trung tâm Thông tin - Học liệu và Truyền thông, Trường Đại
học Bách khoa Đà Nẵng-Đại học Đà Nẵng

-2-


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Khác với các nước phát triển, xe gắn máy là phương tiện giao thơng
cá nhân chính ở nước ta với mật độ trung bình cứ 2 người dân có 1 xe
gắn máy. Ơ nhiễm mơi trường khơng khí ở các thành phố lớn nước ta do
khí thải xe gắn máy ngày càng trở nên trầm trọng. Nghiên cứu động cơ
sử dụng ethanol hay xăng sinh học đã được nhiều nhà khoa học thực hiện,
tuy nhiên những cơng trình nghiên cứu phối hợp sử dụng LPG và ethanol
trên xe gắn máy hầu như rất hiếm hoi.
Chính vì thế, đề tài “Nâng cao tính năng kinh tế-kỹ thuật và giảm
mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ xe gắn máy chạy bằng LPG và
ethanol” của luận án có ý nghĩa to lớn và hết sức cấp thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Tận dụng tối đa lợi thế của LPG và ethanol làm nhiên liệu cho xe
gắn máy nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải các chất ô
nhiễm và CO2.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là động cơ J52C lắp trên xe gắn máy Honda
RSX 110cc, động cơ 1 xi lanh, 4 kỳ, phun xăng điều khiển điện tử.

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu q trình nạp, q trình cháy, tính
năng kinh tế kỹ thuật và phát thải các chất ô nhiễm của động cơ sử dụng
nhiên liệu hybrid LPG và ethanol.
4. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng
và thực nghiệm. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu cơ bản này, định hướng
phát triển công nghệ cung cấp nhiên liệu và tổ chức quá trình cháy động

-1-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


cơ xe gắn máy sử dụng nhiên liệu hybrid LPG-ethanol.
5. Cấu trúc nội dung luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận nội dung chính được trình bày trong 4
chương với cấu trúc như sau:
• Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên
liệu LPG-ethanol cho động cơ đốt trong.
• Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết q trình cháy.
• Chương 3: Mơ phỏng q trình nạp, cháy và phát thải ô nhiễm của
động cơ xe gắn máy chạy bằng LPG-ethanol.
• Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá kết quả mô phỏng
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Việc phối hợp sử dụng LPG và ethanol sẽ tận dụng được thế mạnh
của cả hai loại nhiên liệu này để cải thiện quá trình cháy và nâng cao tính
năng của động cơ. Do LPG và ethanol ở hai trạng thái khác nhau trong
điều kiện môi trường nên việc ứng dụng chúng trên xe gắn máy cần xử

lý những vấn đề liên quan đến cung cấp nhiên liệu và tổ chức quá trình
cháy. Đây là những vấn đề phức tạp, cho đến nay hầu như rất hiếm các
kết quả nghiên cứu khoa học được cơng bố. Vì vậy, luận án khơng những
có ý nghĩa khoa học mà cịn mang tính thực tiễn cao trong tình hình
nguồn năng lượng hóa thạch có dấu hiệu khủng hoảng, dầu mỏ đang cạn
kiệt và biến đổi khí hậu ngày một trở nên nghiêm trọng.
7. Các điểm mới của luận án
• Đặt nền tảng cho nghiên cứu phát triển việc ứng dụng nhiên liệu
không cùng trạng thái trên xe gắn máy nói riêng và trên phương tiện cơ
giới nói chung.

-2-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


• Thiết lập được chương trình tính tốn mơ phỏng quá trình nạp
nhiên liệu LPG-ethanol và quá trình cháy động cơ sử dụng nhiên liệu
khí/lỏng nói chung.
• Cải tạo hệ thống phun xăng của xe gắn máy thành hệ thống phun
đa nhiên liệu lỏng/khí bằng cách bổ sung thêm vi mạch điều khiển kết
nối với ECU của động cơ. Hệ thống này cho phép điều chỉnh được tỷ lệ
các loại nhiên liệu cung cấp cho động cơ một cách linh hoạt, phù hợp với
các chế độ vận hành của động cơ.
• Rút ra được các qui luật ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến
tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ xe gắn máy
để định hướng việc thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu và hệ
thống điều khiển động cơ sử dụng LPG-ethanol.

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
NHIÊN LIỆU LPG-ETHANOL CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1. Nhiên liệu sạch
Năng lượng là vấn đề sống còn của toàn nhân loại, con người đang
khai thác đến mức cao nhất các nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ,
khí thiên nhiên, than đá…), với trữ lượng có hạn và tốc độ tiêu thụ liên
tục gia tăng như vậy, thế giới đang đối mặt với sự cạn kiệt dần của nguồn
năng lượng này.
1.2. Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học
1.2.1. Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới
Brazil là nước dẫn đầu thế giới trong lĩnh vực này, sản xuất và sử
dụng ethanol nhiên liệu lớn nhất thế giới với 14,7 triệu mét khối. Sau
năm 2017 mỗi năm Hoa Kỳ sản xuất 132.000 triệu lít nhiên liệu sinh học

-3-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


để giảm 20% lượng xăng dầu tiêu thụ. Thái Lan có sản lượng ethanol là
192,8 triệu lít vào năm 2007. Trung Quốc là quốc gia sản xuất và sử dụng
ethanol nhiên liệu lớn thứ ba sau Brazil và Hoa Kỳ. Trung Quốc sẽ tăng
ít nhất gấp ba cơng suất sản xuất ethanol vào năm 2020, ước tính cần
cơng suất sản xuất hàng năm là 15 triệu tấn (01 tấn ethanol nhiên liệu
tương đương 1,267.93 lít).
1.2.2. Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam
Theo Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg ngày 22/11/2012 của Thủ

tướng Chính phủ, tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền
thống. Cùng với xu hướng thế giới, các nhà khoa học Việt Nam đã và
đang quan tâm nghiên cứu nhiên liệu sinh học hơn một thập kỷ qua, đã
có khá nhiều kết quả nghiên cứu, ứng dụng khả quan được cơng bố.
1.3. Tình hình nghiên cứu sử dụng LPG trên động cơ đốt trong
1.3.1. Những đặc tính cơ bản của nhiên liệu LPG
Nhiệt độ sơi của LPG thấp hơn nhiệt độ phịng, LPG bay hơi nhanh
ở nhiệt độ và áp suất bình thường, được tồn chứa trong bình thép áp lực.
Chúng thường được lấp đầy tới 85% thể tích bình để cho phép giãn nở
nhiệt của chất lỏng chứa. Tỷ lệ giữa thể tích của khí hóa hơi và khí hóa
lỏng thay đổi tùy thuộc vào thành phần, áp suất và nhiệt độ, thường là
khoảng 250 :1. Áp suất mà LPG trở thành chất lỏng, được gọi là áp suất
hơi, tương tự thay đổi tùy thuộc vào thành phần và nhiệt độ.
1.3.2. Nghiên cứu sử dụng LPG trên động cơ ô tô
Ở nước ta đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng LPG cho động cơ đốt
trong.

-4-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Hình 1.3: Lắp đặt bộ chế hịa khí
dùng LPG

Hình 1.4: "Greenbus" xe buýt
cỡ nhỏ chạy bằng LPG


Từ năm 2005, Hồ Tấn Quyền tại Đại học Đà Nẵng đã chế tạo thành
công hệ thống cung cấp LPG cho ô tô Daihatsu trên cơ sở của bộ chế hịa
khí và đã nghiên cứu đối với xe gắn máy hai bánh.
1.3.3. Nghiên cửu sử dụng LPG trên động cơ xe gắn máy
Đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng LPG cho xe gắn máy do nhóm
nghiên cứu trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng thực hiện, vấn
đề cơ bản cần phải nghiên cứu giải quyết là thiết kế một hệ thống hai
nhiên liệu LPG/xăng nhỏ gọn có thể lắp đặt trên xe gắn máy mà không
làm thay đổi kiểu dáng hay kết cấu của chúng.

Hình 1.5: Ðộng cơ xe gắn
Hình 1.6: Xe gắn máy kiểu WAVE
máy110cc sau khi lắp bộ chế hòa 110cc sau khi lắp xong hệ thống hai
khí hai nhiên liệu LPG/xăng.
nhiên liệu LPG/xăng
1.4. Tình hình nghiên cứu ứng dụng Ethanol trên động cơ đốt trong
Ứng dụng ethanol làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong bằng công
nghệ phun trực tiếp ethanol vào buồng cháy hoặc bằng công nghệ phun

-5-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


riêng rẽ xăng/ethanol trên đường nạp không những giải quyết được
nguồn nhiên liệu thay thế, mà còn tận dụng được lợi ích từ nhiên liệu
ethanol có thể đem lại để cải thiện hiệu suất động cơ, giảm phát thải đồng
thời CO, HC, CO2 và hạn chế gia tăng NOx so với công nghệ phun hỗn

hợp xăng-ethanol trên đường nạp truyền thống.
1.5. Tình hình nghiên cứu ứng dụng kết hợp nhiên liệu LPG- ethanol
trên động cơ đốt trong
Có nhiều cơng trình nghiên cứu đã quan tâm của việc ứng dụng hỗn
hợp nhiên liệu LPG-ethanol trong động cơ SI để giảm phát thải, nhưng
kết quả hầu như chỉ liên quan đến động cơ ơ tơ và điều kiện vận
hành. Cịn riêng đối với động cơ xe máy có thơng số kỹ thuật khác biệt
như dung tích xi lanh nhỏ, tốc độ cao, làm mát bằng khơng khí... chưa
được quan tâm nghiên cứu.
1.6. Kết luận
- Kết hợp sử dụng LPG và ethanol trên động cơ sẽ tận dụng được
ưu điểm của từng loại nhiên liệu để cải thiện chất lượng quá trình cháy
và giảm phát thải chất khí gây ơ nhiễm. Do LPG và ethanol không cùng
trạng thái trong điều kiện môi trường nên hệ thống cung cấp nhiên liệu
phức tạp hơn so với khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng-ethanol.
- Việc phối hợp LPG và ethanol cho xe gắn máy là giải pháp thiết
thực và khả thi để giảm dần sự lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm
phát thải ơ nhiễm mơi trường. Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu ứng
dụng LPG, xăng-ethanol cho xe gắn máy nói riêng và trên phương tiện
giao thơng cơ giới nói chung, tuy nhiên rất hiếm các cơng trình liên quan
đến ứng dụng LPG-ethanol trên xe gắn máy được công bố.
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

-6-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



Q TRÌNH CHÁY
2.1. Hệ phương trình chảy rối
Mơ hình chảy rối thường được biểu diễn thông qua động năng rối k
và tốc độ tiêu tán động năng rối  bởi 2 phương trình chuyển sau đây:



( k ) +
( ku ) =
i x
t
xi
j

(  )+  ( ui )= 
t
xi
x j



  + t

  k

 k 

 + P + P −   −Y + S
 x  k b
M

K
 j

(2.6)


   

2
  + t 
 + C1 (Pk + C3Pb )− C 2 + S


x
k
k
  j 


(2.7)

2.2. Lý thuyết quá trình cháy nhiên liệu khí
Trong tính tốn mơ phỏng, bài tốn nhiệt động hóa học được đơn
giản hóa về một thơng số duy nhất, đó là thành phần hỗn hợp f. f là một
đại lượng bảo tồn, trong phương trình bảo tồn đại lượng này khơng có
đại lượng nguồn.
2.2.1. Lý thuyết cháy của hỗn hợp khơng hịa trộn trước
2.2.1.1. Lý thuyết về thành phần hỗn hợp
Thành phần hỗn hợp có thể được viết dưới dạng thành phần khối
lượng nguyên tử như sau:

f=

Z i − Z i , ox
Z i , fuel − Z i , ox

(2.8)

2.2.1.2. Mơ hình tương tác giữa rối và hóa học
a. Mô tả hàm mật độ xác suất
Hàm mật độ xác suất ký hiệu p(f), có thể biểu diễn dưới dạng toán
học như sau:
1
p ( f ) f = lim
 i
T
T → i

(2.17)

-7-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


b. Đạo hàm các giá trị đại lượng trung bình từ thành phần hỗn hợp tức
thời
Hàm mật độ xác suất p(f) mơ tả sự dao động của f trong dịng chảy
rối có thể được dùng để tính giá trị tức thời các biến số phụ thuộc vào f.

1

i =  p(f )i (f )df

(2.18)

0

2.2.1.3. Mở rộng mơ hình cháy khơng hịa trộn trước cho trường hợp
khơng đoạn nhiệt
Việc xác định i trong hệ thống khơng đoạn nhiệt cần có nghiệm số
của phương trình vận chuyển đối với enthalpy trung bình:
k



( H )+.(v H )=. t H + Sh
 cp

t



(2.25)

2.2.2. Lý thuyết q trình cháy hỗn hợp hịa trộn trước
2.2.2.1. Lan tràn màng lửa
Sự lan tràn màng lửa được mơ hình hóa thơng qua giải phương
trình vận chuyển đối với biến diễn tiến phản ứng trung bình, ký hiệu c.





( c )+.( v c )=. t c + Sc
t
 Sct 

(2.26)

2.2.2.2. Tốc độ màng lửa rối
Trong Fluent, tốc độ màng lửa rối được tính tốn dựa vào mơ hình
về độ nhăn nheo cũng như bề dày màng lửa:
U t = A( u')3 / 4 .U l1/ 2 −1/ 4 .lt1/ 4
1/ 4

 
U t = Au'  t 
c 

(2.29)

2.2.2.3. Tốc độ màng lửa chảy tầng
-8-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Tốc độ màng lửa chảy tầng (Ul trong phương trình 2.32) có thể là

một hằng số hay là một phương trình do người sử dụng đặt ra.
U l = U l ,ref

 Tu

 Tu ,ref







 pu 


 pu ,ref 



(2.32)

2.2.2.4. Mơ hình cháy hỗn hợp hịa trộn trước trong Fluent
Tính toán đại lượng nguồn, Sc, dựa trên lý thuyết đã trình bày:
 Sc = AG.u I 3 / 4 . U l ( lp )

1/ 2
.

 ( lp )


−1/ 4

1/ 4
. t
.

l

c

(2.35)

1/ 4

  
Sc = AGu I  t 
 c (lp ) 

c

(2.36)

2.2.2.5. Tính tốn nhiệt độ
a. Tính tốn nhiệt độ đoạn nhiệt
Đối với mơ hình cháy đoạn nhiệt hỗn hợp hòa trộn trước, trong điều
kiện đoạn nhiệt: Tad: T = ( 1 − c )Tu + cTad

(2.37)


b. Tính tốn nhiệt độ khơng đoạn nhiệt
Phương trình năng lượng được viết theo độ tăng enthalpy, h, đối với
nhiên liệu hịa trộn hồn tồn như sau:
 k + kt 

(  h ) + .(  vh ) = .
h  + Sh,chem + Sh,rad
 cp

t



(2.38)

c. Tính tốn khối lượng riêng
Trong mơ hình cháy hịa trộn trước, khối lượng riêng của khí cháy
được tính như sau: bTb = uTu
2.2.3. Lý thuyết q trình cháy hịa trộn trước cục bộ

(2.40)

2.2.3.1. Tổng quan
Mơ hình cháy hịa trộn trước cục bộ là sự kết hợp đơn giản của mô

-9-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



hình cháy khơng hịa trộn trước và mơ hình cháy hịa trộn trước.
2.2.3.2. Tính tốn các đại lượng
Các đại lượng trung bình được tính như sau:
1

1

0

0

 = c  b ( f ) p( f )df +( 1−c ) u ( f ) p( f )df

(2.43)

2.3. Kết luận chương 2:
Cháy trong môi trường rối là hiện tượng rất phức tạp. Đối với động
cơ sử dụng nhiên liệu hybrid thì mơ hình cháy hỗn hợp đồng nhất cục bộ
phù hợp với bản chất của q trình cung cấp nhiên liệu. Mơ hình cháy
đồng nhất cục bộ là mơ trình trung gian giữa cháy hỗn hợp không đồng
nhất và cháy của hỗn hợp đồng nhất. Q trình cháy được biểu diễn thơng
qua hai đại lượng bảo tồn, đó là thành phần hỗn hợp f và diễn tiến q
trình cháy c. Vị trí màng lửa và các các thông số đặc trưng của q trình
cháy có thể được xác định thơng qua hai thơng số này. Trong tính tốn
q trình cháy nhiên liệu LPG-ethanol trình bày ở chương sau chúng tơi
sử dụng mơ hình cháy hỗn hợp đồng nhất cục bộ.
CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG Q TRÌNH NẠP, CHÁY
VÀ PHÁT THẢI Ơ NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ XE GẮN MÁY

CHẠY BẰNG LPG-ETHANOL
3.1. Mục tiêu, đối tượng và phương pháp mô phỏng

-10-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


- Mô phỏng được thực hiện trên động cơ
J52C lắp trên xe gắn máy Honda RSX FI, sử
dụng nhiên liệu hybrid LPG-ethanol. Trong
nghiên cứu này LPG và ethanol được phun
riêng rẽ (phun kép). Vòi phun xăng của động
cơ được sử dụng để phun ethanol. Vịi phun
nhiên liệu khí được lắp đặt bổ sung bên cạnh
vòi phun xăng để phun LPG.
- Việc mơ phỏng q trình cháy và phát thải
được thực hiện bằng phần mềm tính tốn
động lực học chất lỏng (CFD) Ansys Fluent.
Hình 3.1: Động cơ J52C lắp trên xe Honda RSX 110cc đã cải tạo
3.2. Đặc điểm quá trình cung cấp nhiên liệu LPG-ethanol
Do LPG và ethanol có trạng thái khác nhau, khơng thể hịa trộn với
nhau trước khi cung cấp vào đường nạp động cơ. Nên việc cung cấp LPG
và ethanol được thực hiện riêng rẽ, cung cấp qua hai kênh riêng biệt.
3.3. Mơ phỏng q trình nạp nhiên liệu LPG-ethanol
3.3.1. Mơ hình hình học của động cơ và điều kiện biên mơ phỏng

Hình 3.3: Điều kiện biên

Hình 3.2: Mơ hình hình học đường
và thơng số ban đầu
nạp và buồng cháy động cơ
3.3.3. Quá trình hình thành hỗn hợp khi phun LPG-ethanol


Hình 3.6: Diễn biến
mật độ hạt và sự phân
(%V)
(%V)
bố ethanol, LPG
-11trong xilanh khi động
cơ chạy ở tốc độ 5000
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
hànhvg/ph,
nội bộ
vg/ph và Lưu
3000
t (ms)

Ethanol

LPG


n=5000 vg/ph
140
n=3000 vg/ph
140
Hình 3.6 cho chúng ta thấy ethanol bốc hơi ngay sau khi phun, tạo

thành vùng giàu hơi ethanol trên đường nạp về phía đối diện vịi phun.
Cuối kỳ nạp, không gian xi lanh chia thành hai khu vực rõ rệt, ngăn cách
bởi một vệt giàu nhiên liệu LPG.


Etha (%V)



LPG (%V)

300
330
360

Hình 3.8: Diễn biến
mật độ hạt và sự phân
bố ethanol, LPG
trong xi lanh trong
quá trình nén khi
động cơ chạy ở tốc độ
7000 vg/ph, BG0,
Tnạp=310K, k=1, =1

Trong kỳ nén, khu vực tương đối giàu nhiên liệu LPG tập trung gần
nến đánh lửa còn khu vực giàu ethanol lại tập trung ở khu vực xa nến
đánh lửa (hình 3.8). Sự phân bố nồng độ nhiên liệu trong trường hợp này
rất có lợi đối với q trình cháy. Ethanol có chỉ số octane cao nên khi nó
phân bố xa nến đánh lửa sẽ tránh được hiện tượng kích nổ do áp suất và
nhiệt độ hỗn hợp tăng cao. Sự phân lớp octane của hỗn hợp nhiên liệu là

một lợi thế rất lớn đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng ethanol.

-12-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


0.03

20

0.02

10

0.01

0

0
0

60

120

180


 (CA)

240

0.06

dpm (g/m3)
Ev (mg/s)

50

0.05

40

0.04

30

0.03

20

0.02

10

0.01

0


300

Ev (mg/s)

0.04

30

Liquid Particle Density (g/m3)

40

Ev (mg/s)

0.05

dpm (g/m3)

50

60

Evaporation Rate (mg/s)

0.06

dpm (g/m3)
Ev (mg/s)


Evaporation Rate (mg/s)

dpm (g/m3)

Liquid Particle Density (g/m3)

60

0
0

60

120

180

 (CA)


240

300

 ( TK)

 ( TK)

(a)
(b)

Hình 3.12: Biến thiên của mật độ hạt nhiên liệu lỏng và tốc độ bay hơi
của ethanol E15L (a) và E30L (b) đối với góc quay trục khuỷu
(n=5000 vg/ph, Tnạp=315K)

Hình 3.12 ứng với E15L (a), quá trình bốc hơi kết thúc ở khoảng
=180TK, nghĩa là cuối quá trình nạp hầu như tất cả hạt nhiên liệu
ethanol đã bốc hơi hồn tồn. Trong khi đó ứng với E30L (b), quá trình
bốc hơi hạt nhiên liệu lỏng kéo dài đến cuối q trình nén. Do vậy cần
phải có những giải pháp hỗ trợ bốc hơi ethanol khi sử dụng nhiên liệu
với hàm lượng ethanol cao hơn 30% trên động cơ xe gắn máy.
3.4. Mơ phỏng q trình cháy
Hình 3.26: Ảnh hưởng của

145

4

141

3.9

137

3.8

133

3.7

129


3.6

hệ số tương đương đến
công chỉ thị chu trình Wi
và cơng suất có ích Pe
(E30L, n=5000 vg/ph,

125

3.5

s=20TK)

0.9

0.95

1



1.05

Pe (kW)

Wi (J/ct)

3.4.1. Ảnh hưởng hệ số tương đương


1.1

Kết quả cho thấy cơng chỉ thị chu

trình đạt giá trị cực đại ứng với hỗn hợp cháy =1,08 (hình 3.26). Ứng

-13-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


với hệ số tương đương này, công chỉ thị của chu trình Wi tăng 3% so với
trường hợp =1.
3.4.2. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm
50

10
15
20
25
30
35

30

s (TK)

40


10
15
20
25
30
35

30

p (bar)

40

p (bar)

50

s (TK)

20

20

10

10

0


0
120

150

180

210
 (TK)

240

270

0

20

40

(a)

60
V (cm3)

80

100

120


(b)

Hình 3.28: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến biến thiên áp suất
trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu (a) và theo thể tích cơng tác (b)
(E30L, n=5000 vg/ph, =1).
Cơng chỉ thị chu trình của động cơ đạt được giá trị cực đại khi diện
tích đồ thị cơng lớn nhất, tương ứng với góc đánh lửa sớm tối ưu ứng với
một chế độ vận hành của động cơ cho trước.
3.4.3. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ

-14-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


6

148

5.2

136

4.4

124


3.6

112

2.8

100
2000

3000

4000
5000
n (v/ph)

6000

Hình 3.33: Ảnh hưởng của
tốc độ động cơ đến cơng
chỉ thị chu trình Wi và
cơng suất có ích Pe (E30L,

Pe (kW)

Wi (J/ct)

160

=1, góc đánh lửa sớm tối
ưu)


2
7000

Cơng chỉ thị chu trình giảm từ 156 J/ct xuống 117 J/ct khi tốc độ
động cơ tăng từ 2000 vg/ph lên 7000 vg/ph (hình 3.33) trong điều kiện
góc đánh lửa sớm tối ưu.
3.4.4. Ảnh hưởng của hàm lượng ethanol
50

10

40

8

50
E0
E0L
E15
E15L
E30
E30L
E45
E45L
E70
E70L
E100
E100L


p (bar)

6

20

4

10

2

0

0

p (bar)

E0L
E0
E100
E100L

30

HRR (J/CA)

40
30


20
10
0
0

20

40

120 150 180 210 240 270 300 330 360

60
80
V (cm3)

100

120

 ((CA)


TK)

b)
(a)
Hình 3.35: Ảnh hưởng của hàm lượng ethanol đến biến thiên áp suất và
tốc độ tỏa nhiệt (a) và biến thiên áp suất theo thể tích cơng tác (b)
(=1, n=4000 vg/ph, s=20TK)
Kết quả mơ phỏng (hình 3.35a) cho áp suất cực đại khi chạy bằng

ethanol (E100L) cao hơn khi chạy bằng LPG (E0L). Khi tăng hàm lượng
ethanol thì áp suất trong giai đoạn nén giảm và áp suất trong giai đoạn
cháy tăng làm tăng diện tích đồ thị cơng, do đó tăng cơng chỉ thị chu trình
-15-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


(hình 3.35b). Kết quả tính tốn cho thấy cơng chỉ thị chu trình của động
cơ đạt 130, 134, 136, 146, 150 và 152 J/cyc lần lượt ứng với E0, E15,
E30, E45, E70 và E100.
3.5. Mô phỏng phát thải ô nhiễm
3.5.1. Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên HC,CO, NOx

CO, HC, NOx (ppm), T (K)

5000

4000

NOx

CO

HC

T


Hình 3.39: Tổng hợp ảnh hưởng
của hệ số tương đương  đến

3000

biến thiên nồng độ HC,CO và
NOx và nhiệt độ cháy của động
cơ (E30L, n=5000 vg/ph,

2000

1000

s=30TK)

0
0.9

0.95

1



1.05

1.1

Trong điều kiện vận hành này (hình 3.39), nhiệt độ hỗn hợp khí đạt
giá trị cao nhất ứng với  trong khoảng 1,03 ÷1,08. Nồng độ NOx hầu

như ổn định khi  lớn hơn 1,03. Trong khi đó nồng độ CO, HC tăng
nhanh khi >1 do quá trình cháy diễn ra khơng hồn tồn.
3.5.2. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến biến thiên nồng độ HC,
CO và NOx
4000

CO, HC, NOx (ppm), T (K)

NOx

CO

HC

Hình 3.43: Tổng hợp ảnh
hưởng của góc đánh lửa

T

3000

sớm s đến biến thiên nồng

2000

độ HC, CO và NOx và nhiệt
độ cháy T (E15L, n=5000

1000


vg/ph, =1)

0
10

15

20

25

s (TK)

30

35

-16-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Chúng ta thấy nhiệt độ khí thải thay đổi rất nhẹ (hình 3.43), khi góc
đánh lửa sớm tăng từ 10TK lên 35TK, nồng độ NOx tăng 50%, nồng
độ CO và HC giảm trung bình 50%.
3.5.3 Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên nồng độ HC, CO
và NOx
6000


Hình 3.46: Tổng hợp ảnh
hưởng của tốc độ động cơ
đến biến thiên nồng độ NOx,
CO, HC và nhiệt độ cháy T

CO, HC, NOx (ppm), T (K)

5000

4000
3000

NOx

CO

HC

T

2000

(E30L, ϕ=1, φs=20TK).

1000

0
2000


3000

4000
5000
n (v/ph)

6000

7000

Ngược lại với sự phát thải CO, ở

một điều kiện vận hành và chế độ nhiên liệu nhất định, nồng độ NOx
giảm khi tốc độ động cơ tăng (hình 3.46). Khi tốc độ động cơ tăng, cả
nhiệt độ cháy và thời gian cháy đều giảm, kết quả là giảm nồng độ NOx.
3.5.4. Ảnh hưởng của hàm lượng ethanol đến biến thiên nồng độ HC,
CO và NOx
7

2500

E0L
E0
2000

6

E15L
E15
5


E30L
E30
T (K)

1500

1000

HC (%V)

E45L
E45
E70L
E70
E100L
E100

E0
E0L

E15
E15L

E30
E30L

E45
E45L


E70L
E70

E100L
E100

0.08

4
3

0.04

2
500

1

0
330

345

360

0

0
0


60

120

180

240

300

150

360

180

210

240

270

 (TK)

(CA)
(TK)

(a)

(b)


300

330

360

-17-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


1.5

E0L
E0

1500

E15L
E15

1.25

E30L
E30
E70L
E70

0.75

E100L
E100

0.5

900

NOx (ppm)

CO (%V)

1200

E45L
E45

1

0.25

600

E0L
E0
E30L
E30
E70
E70L


300

0

150

180

210

240

270

300

330

E15L
E15
E45
E45L
E100
E100L

0

360


150


 (CA)
(TK)

180

210

240 270
 (CA)


300

330

360

 ( TK)

(c)

(d)

Hình 3.47: Ảnh hưởng của hàm lượng ethanol đến biến thiên của nhiệt
độ cháy (a) và nồng độ NOx (b), nồng độ CO (c) và nồng độ NOx (d)
trong khí thải của động cơ (n=5000 vg/ph, BG45, ϕ=1, φs=20TK).
Do nhiệt ẩn bốc hơi của ethanol cao nên khi tăng hàm lượng ethanol,

nhiệt độ khí nạp giảm làm giảm nhiệt độ cháy và nhiệt độ hỗn hợp trên
đường giãn nở (hình 3.47a). Nhiệt độ cháy giảm dẫn đến nồng độ NOx
giảm mạnh theo hàm lượng ethanol. Hình 3.47b cho thấy hàm lượng NOx
trong khí thải khi chạy bằng LPG gần gấp đôi hàm lượng NOx trong khí
thải khi chạy bằng ethanol. Nhờ tăng tốc độ cháy, tốc độ tỏa nhiệt và quá
trình cháy được cải thiện nhờ sự hiện diện của oxygen trong ethanol nên
khi tăng hàm lượng ethanol, quá trình cháy diễn ra hoàn toàn hơn, dẫn
đến giảm nồng độ CO và HC trong khí thải (hình 3.47c và hình 3.47d).
Kết quả các hình 3.35 và hình 3.47 cho thấy, động cơ chạy bằng E30L
có cơng chỉ thị chu trình tăng 4.5%, phát thải NOx, CO và HC giảm tương
ứng 13, 20 và 17% so với khi động cơ chạy bằng hoàn toàn bằng LPG.
3.6. Kết luận
- Khi phun LPG-ethanol trên đường nạp thì cuối quá trình nén khu
vực tương đối giàu LPG tập trung gần nến đánh lửa còn khu vực giàu

-18-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Ethanol tập trung ở khu vực xa nến đánh lửa. Nhờ sự phân lớp nồng độ
nhiên liệu này động cơ tránh được hiện tượng kích nổ.
- Mức độ giảm thời gian phun LPG trung bình cao hơn mức giảm
thời gian phun ethanol. Khi động cơ chạy bằng LPG-ethanol thì quá trình
bốc hơi nhiên liệu được cải thiện. Góc đánh lửa sớm tối ưu tăng khi tăng
tốc độ động cơ.
- Nồng độ bộ hóng tăng khi tăng hàm lượng ethanol trong hỗn hợp
với nhiên liệu LPG. Việc bổ sung ethanol vào LPG làm giảm lượng khí

thải ơ nhiễm.
- Ở góc đánh lửa sớm cố định, tốc độ động cơ tăng dẫn đến nồng độ
CO tăng, nồng độ NOx giảm. Ở một tốc độ động cơ nhất định, việc tăng
góc đánh lửa sớm dẫn đến giảm phát thải CO nhưng tăng nồng độ NOx.
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG
4.1. Mục đích và giới hạn nội dung nghiên cứu thực nghiệm
- Chế tạo bộ tạo tải động cơ, đo momen và phân tích khí thải động
cơ ở một số chế độ vận hành.
- Cải tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG-ethanol của xe gắn máy.
4.2. Trang thiết bị nghiên cứu
4.2.1. Các thiết bị của bộ tạo tải động cơ
Bộ tạo tải động cơ được cải tạo từ một máy phát điện để tạo ra
momen cản. Các cảm biến lực (loadcell), cảm biến tốc độ động cơ, điều
khiển bướm ga (servo motor), mạch điện kết nối và điều khiển được kết
nối với máy tính qua board mạch vi điều khiển Arduino Uno R3. Toàn
bộ thiết bị hệ thống thử nghiệm động cơ xe gắn máy như hình 4.4.

-19-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


6

Hình 4.4: Sơ đồ cấu tạo bộ tạo
tải động cơ xe gắn máy


5

1. Động cơ thử nghiệm, 2. Khớp
truyền động, 3. Loadcell, 4. Giá,

4
1

5. Phanh điện, 6. Quạt làm mát

2

3

4.3. Chuyển đổi xe gắn máy chạy xăng sang chạy bằng LPG-ethanol
ECU

Điều chỉnh
Tỉ lệ nhiên liệu

1
2
3
4
5
6
7

Hình 4.8: Sơ đồ hệ
thống cung cấp đa nhiên

liệu liệu LPG-ethanol
cho động cơ xe gắn máy
1. Cảm biến vị trí bướm
ga, 2. Cảm biến áp suất
khí nạp, 3. Cảm biến áp
suất nhiên liệu, 4. Cảm
biến tốc độ, 5. Cảm biến

C

C
A
B
Arduino

Ổn áp

B
Lọc

Xăng/Ethanol

Bơm

kích nổ, 6. Cảm biến nhiệt độ thành xi lanh, 7. Cảm biến oxygen, A. Tín
hiệu điều khiển vịi phun nhiên liệu lỏng, B. Tín hiệu điều khiển vịi phun
nhiên liệu khí, C. Tín hiệu điều khiển đánh lửa.
Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu LPG-ethanol cho động cơ xe gắn
máy được trình bày như hình 4.8. Hệ thống gồm 2 vịi phun được lắp
phía sau bướm ga: vòi phun nhiên liệu lỏng để phun ethanol, vịi phun

nhiên liệu khí để phun LPG. Vịi phun LPG được lắp bên cạnh vòi phun
ethanol (sử dụng lại vòi phun xăng). Một bộ vi điều khiển Arduino được
bổ sung vào ECU để điều khiển các vòi phun này. Vi điều khiển nhận tín
hiệu điều khiển vịi phun xăng ngun thủy từ ECU sau đó chia thành 2
xung tín hiệu điều khiển với độ rộng mỗi xung được xác định theo tỷ lệ
-20-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


nhiên liệu ethanol/LPG cần cung cấp. Phương pháp này giúp cho việc
điều chỉnh tỉ lệ nhiên liệu linh hoạt đồng thời giúp cho việc cải tạo hệ
thống nhiên liệu của động cơ gọn nhẹ, đơn giản.
4.5. Thử nghiệm xe gắn máy chạy bằng nhiên liệu LPG-ethanol trên
bộ tạo tải động cơ

Hình 4.13: Sơ đồ bố
trí thí nghiệm
1. Động cơ Honda
+ 11
RSX xăng-ethanolLPG; 2. Phanh điện;
+
3. Cell load; 4.
14
12
Encoder; 5. Điện
13
trở; 6. Accu; 7. Mạch

15
16
điều chỉnh dịng điện
kíchđộng cơ RSX; 11.
thích; 8. Vi điều khiển Arduino; 9. Máy tính; 10. ECU
Vịi phun LPG; 12. Vịi phun xăng/ethanol; 13. Bình chứa ethanol; 14.
Bình chứa LPG; 15. Cân điện tử; 16. Cân điện tử
Hình 4.13 giới thiệu sơ đồ bố trí thí nghiệm, hệ thống gồm động cơ
LPG-ethanol thử nghiệm được kết nối với phanh điện 2 nhờ khớp nối
mềm 4. Trong thí nghiệm này tốc độ động cơ được chọn ở các giá trị:
2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500 và 5000 vg/ph. Để đảm bảo độ an
toàn của hệ thống đo, tốc độ động cơ được giới hạn ở 5000 vg/ph. Điều
chỉnh tỉ lệ phun ethanol và LPG ở các giá trị từ ExL= 0% đến ExL=40%.
4.6. Đánh giá kết quả thử nghiệm và so sánh kết quả mô phỏng

-21-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


4.6.1. So sánh ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến tính năng động cơ
cho bởi mơ phỏng và thực nghiệm

Hình 4.21: So sánh ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến công suất và
phát thải ô nhiễm của động cơ cho bởi mô phỏng và thực nghiệm
(E30L, =1, s tối ưu)
Nồng độ CO thực nghiệm cao hơn giá trị mô phỏng khoảng 8%
ở tốc độ 2000 vg/ph và cao hơn khoảng 5% ở tốc độ 5000 vg/ph. Nồng

độ HC theo thực nghiệm cao hơn giá trị mô phỏng trung bình khoảng
15% trong khi đó nồng độ NOx cho bởi thực nghiệm nhỏ hơn giá trị
mơ phỏng trung bình khoảng 12%.
4.2

Hình 4.22: Biến thiên cơng suất

Pe (kW)

4.1

đầu ra Pe theo hàm lượng ethanol

4
3.9

thay đổi từ E0L đến E40L cho bởi

3.8

mô phỏng và thực nghiệm khi chạy
bằng ethanol-LPG
━: Mơ phỏng, --•--: Thực nghiệm

3.7
3.6

0

10


20
30
E (%V)

40

50

Chúng ta thấy chênh lệch giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng
khoảng 10% trong trường hợp ExL=10% và khoảng 5% trong trường

-22-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


hợp ExL=40%.
4.6.2. So sánh ảnh hưởng hàm lượng ethanol đến tính năng động
cơ cho bởi mơ phỏng và thực nghiệm
0.3

1600
1400

0.2

NOx (ppm)


CO (%V)

0.25

0.15
0.1

1000
800

0.05

600

0
0

10

20
30
E (%V)

40

0

50


(a)
700
600
500
400
300

200
0

10

20

10

20
E (%V)

30

40

50

(b)

800

HC (ppm)


1200

30

40

50

E (% V)

━: Mơ phỏng, --•--: Thực nghiệm
Hình 4.23: So sánh sự biến thiên
của nồng độ CO (a) và nồng
độ NOx (b) và HC (c) theo hàm
lượng ethanol thay đổi từ E0L
đến E40L (=1, n=4000 vg/ph,
s=20TK)

Khác biệt ở đây là giá trị nồng độ CO, NOx khi động cơ chạy
bằng LPG pha 40% ethanol đều nhỏ hơn giá trị của chúng khi động cơ
chạy bằng LPG pha 10% ethanol.

-23-

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ