TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Lý do chọn đề tài
Môi trường là yếu tố thiết yếu cho sự sống của con người và tất cả sinh vật trên Trái Đất, cung cấp không gian sống và tài nguyên cho sự phát triển kinh tế, văn hóa và xã hội Hiện nay, ô nhiễm môi trường đã trở thành một vấn đề nghiêm trọng, không chỉ ở một quốc gia mà là mối quan tâm toàn cầu Sự phát triển kinh tế - xã hội và gia tăng dân số đã gây ra những tác động lớn đến môi trường, dẫn đến biến đổi khí hậu toàn cầu, hiệu ứng nhà kính, suy thoái tầng ozon và mưa axit.
Sự phát thải khói bụi và khí độc hại từ động cơ phương tiện cơ giới là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe và cuộc sống, đặc biệt ở các thành phố lớn Mặc dù động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất lao động và phát triển giao thông, chúng sử dụng nhiên liệu hóa thạch không tái tạo từ dầu mỏ Sự gia tăng nhanh chóng số lượng phương tiện sử dụng động cơ này không chỉ dẫn đến cạn kiệt nguồn tài nguyên mà còn làm gia tăng lượng khí thải carbon dioxit (CO2) vào môi trường.
Để bảo vệ môi trường, các hãng xe cần chú trọng giảm lượng khí thải ra môi trường bên ngoài bên cạnh việc cải thiện tính năng động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu Nhiều nhà sản xuất đã đầu tư nghiên cứu để giảm phát thải độc hại thông qua việc thay đổi kết cấu động cơ, xử lý khí thải bằng các bộ xúc tác và thay thế nhiên liệu truyền thống Sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế là một trong những giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này.
2 trong đó, nhiên liệu sinh học được coi là nguồn nhiên liệu tiềm năng nhất vì có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường
Nhiên liệu sinh học, chủ yếu là ethanol, được pha trộn với xăng khoáng để tạo ra xăng sinh học, được sử dụng rộng rãi cho phương tiện giao thông toàn cầu Nhiều quốc gia đang nghiên cứu và phát triển các phương tiện có khả năng sử dụng xăng sinh học với tỷ lệ linh hoạt từ E0 đến E100, gọi là xe sử dụng nhiên liệu linh hoạt (FFV) Do ethanol có tính chất khác biệt so với xăng thông thường, động cơ cần được điều chỉnh khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol cao Tại Việt Nam, Thủ tướng Chính Phủ đã ban hành quyết định số 53/2012/QĐ-TTg vào ngày 22/11/2012 về lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống, cụ thể là sử dụng xăng sinh học E5 và E10.
Xuất phát từ những vấn đề thực tiễn về cải tiến khí xả trên động cơ đốt trong, nhóm sinh viên đã nghiên cứu các đặc tính kỹ thuật và ứng dụng phần mềm mô phỏng chuyên ngành Nhờ vào việc sử dụng máy tính để dự báo kết quả gần sát với thực tế, nhóm đã chọn thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost mô phỏng động cơ xăng sử dụng nhiên liệu xăng - ethanol”.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu là tìm hiểu lý thuyết về động cơ xăng thông thường chuyển sang sử dụng nhiên liệu xăng sinh học với các nồng độ khác nhau Nghiên cứu này ứng dụng phần mềm AVL Boost để mô phỏng động cơ sử dụng nhiên liệu xăng – ethanol Đồng thời, đánh giá hiệu quả tính năng kỹ thuật và mức phát thải của động cơ xăng khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu thay thế là xăng sinh học.
Nhiệm vụ nghiên cứu trong đề tài “Nghiên cứu ứng dụng AVL Boost mô phỏng động cơ xăng sử dụng nhiên liệu xăng - ethanol” bao gồm việc thực hiện các nội dung chính như phân tích hiệu suất động cơ, đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn xăng - ethanol đến hoạt động của động cơ và tối ưu hóa các thông số vận hành để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu.
Nghiên cứu tổng quan đề tài
Cơ sở lý thuyết về nhiên liệu ethanol & xăng sinh học
Mô phỏng mô hình động cơ trên phần mềm AVL Boost
Ứng dụng phần mềm vào việc mô phỏng động cơ 1NZ – FE sử dụng nhiên liệu xăng – ethanol
Kết luận và kiến nghị.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Mô hình động cơ sử dụng xăng - ethanol trên phần mềm AVL Boost
Nghiên cứu về nhiên liệu xăng sinh học
Nghiên cứu về phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt
Nghiên cứu sử dụng phần mềm AVL Boost mô phỏng động cơ
Đánh giá tính năng kỹ thuật của động cơ
Đánh giá lượng phát phải do động cơ gây ra.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết là việc áp dụng kiến thức đã học kết hợp với việc thu thập và phân tích tài liệu liên quan, nhằm xây dựng cơ sở lý thuyết vững chắc Cơ sở lý thuyết này sẽ đóng vai trò quan trọng làm nền tảng cho quá trình nghiên cứu tiếp theo.
- Phương pháp tra cứu và tìm kiếm tài liệu: Tra cứu và tìm kiếm tài liệu trên thư viện, sách giáo trình, mạng Internet,
Phương pháp mô phỏng động cơ xăng được thực hiện thông qua phần mềm AVL Boost, sử dụng thông số kỹ thuật của động cơ 1NZ – FE 1.5L Nghiên cứu này kết hợp với việc phối trộn nhiên liệu xăng sinh học nhằm mô phỏng, phân tích và đánh giá các kết quả đạt được.
- Phương pháp tham khảo ý kiến chuyên gia: Tham khảo ý kiến trực tiếp từ giảng viên hướng dẫn – PGS.TS Lý Vĩnh Đạt
Bố cục của đề tài
Đề tài nghiên cứu được chia thành 5 chương:
Chương 1 của đề tài nghiên cứu cung cấp cái nhìn tổng quan về lý do chọn lựa đề tài, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu, đối tượng cũng như phạm vi nghiên cứu Ngoài ra, chương này còn nêu rõ phương pháp nghiên cứu được áp dụng và cấu trúc tổng thể của đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết sẽ trình bày tổng quan về nhiên liệu sinh học, tập trung vào ethanol và nhiên liệu xăng sinh học Ngoài ra, chương này còn phân tích các phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt, đặc biệt là động cơ hoạt động với nhiên liệu xăng sinh học ở các nồng độ khác nhau.
Chương 3 của bài viết tập trung vào việc nghiên cứu ứng dụng mô hình mô phỏng động cơ xăng – ethanol trên phần mềm AVL Boost Nội dung chương này bao gồm việc giới thiệu tổng quan về phần mềm AVL Boost, giải thích các khối lệnh cơ bản, và nghiên cứu cơ sở lý thuyết cần thiết cho việc mô phỏng động cơ Cuối cùng, chương sẽ trình bày mô phỏng cụ thể cho động cơ 1NZ – FE khi sử dụng nhiên liệu xăng sinh học với các tỷ lệ ethanol khác nhau.
Chương 4: Kết quả mô phỏng và thảo luận trình bày những kết quả đạt được từ quá trình mô phỏng trên phần mềm Sau khi phân tích các kết quả, nhóm đã đưa ra nhận xét và đánh giá chi tiết về hiệu quả cũng như độ chính xác của mô phỏng, từ đó rút ra những bài học kinh nghiệm quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tóm tắt kết quả nghiên cứu, nhấn mạnh các mục tiêu đã đạt được và nêu ra những hạn chế trong quá trình nghiên cứu Đồng thời, chương này cũng đề xuất những hướng phát triển tiếp theo để cải thiện và mở rộng nghiên cứu trong tương lai.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về nhiên liệu sinh học
2.1.1 Tính cấp thiết trong việc nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học
Trong thời kỳ công nghiệp hóa hiện nay, năng lượng và nhiên liệu đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế - xã hội của các quốc gia Sự phát triển kinh tế - xã hội cùng với quá trình đô thị hóa nhanh chóng đã nâng cao chất lượng cuộc sống con người Điều này dẫn đến nhu cầu giao thông và vận tải trên toàn cầu, đặc biệt là ở các nước đang phát triển, ngày càng gia tăng.
Số lượng phương tiện liên tục gia tăng khiến cho nhu cầu sử dụng và tiêu thụ nhiên liệu tương ứng tăng theo
Từ năm 1998 đến 2020, tiêu thụ dầu toàn cầu đã gia tăng đáng kể, phản ánh nhu cầu năng lượng ngày càng cao Để đáp ứng nhu cầu này, các quốc gia đã tăng cường khai thác mọi nguồn nhiên liệu sẵn có, đặc biệt là nhiên liệu hóa thạch Tuy nhiên, việc khai thác và sử dụng quá mức nguồn nhiên liệu hóa thạch đã dẫn đến tình trạng cạn kiệt, đồng thời chúng không phải là nguồn tài nguyên tái tạo.
Sáu nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu toàn cầu, dẫn đến hiện tượng "hiệu ứng nhà kính" và làm trái đất nóng lên Biểu đồ dưới đây minh họa lượng phát thải khí CO2 trên toàn thế giới.
Theo thống kê mới nhất của Cục Đăng kiểm Việt Nam, tính đến tháng 11-2021, cả nước có 4.512.518 ô tô đang lưu hành, tăng 1.996.374 xe so với tháng 12-2016 Mặc dù tổng số ô tô sản xuất và lắp ráp trong nước giảm do ảnh hưởng của đại dịch Covid-19, nhưng dự báo nhu cầu ô tô năm 2022 sẽ tăng 16% so với năm 2021 Sự gia tăng số lượng phương tiện giao thông không chỉ phản ánh sự phát triển của ngành ô tô mà còn dẫn đến việc gia tăng ô nhiễm môi trường từ khí thải độc hại của các động cơ ô tô.
Hình 2.3: Tổng số phương tiện tại Việt Nam [4]
Để đảm bảo an ninh năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường, cần có các giải pháp hiệu quả, trong đó việc giảm khí thải từ phương tiện giao thông là rất quan trọng Nhiều quốc gia và nhà sản xuất ô tô đã đầu tư vào nghiên cứu và phát triển các phương tiện sử dụng nhiên liệu sạch, đặc biệt là nhiên liệu sinh học, nguồn năng lượng tái tạo và thân thiện với môi trường Việt Nam, với thế mạnh trong sản xuất nông nghiệp, cần đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học, đặc biệt là xăng sinh học, trong giao thông vận tải để đáp ứng nhu cầu cấp thiết này.
2.1.2 Khái quát về nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học (Biofuels) là loại nhiên liệu được sản xuất từ các hợp chất có nguồn gốc từ động thực vật, bao gồm chất béo động thực vật, ngũ cốc, chất thải nông nghiệp và sản phẩm thải công nghiệp Nhiên liệu này nổi bật hơn so với các nhiên liệu truyền thống như than đá và dầu mỏ nhờ vào tính tái tạo và thân thiện với môi trường, đồng thời giúp giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch không thể tái tạo.
2.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của nhiên liệu sinh học
Cháy sạch và hoàn toàn, nhiên liệu này không chứa các hợp chất độc hại và sinh ra ít khí gây hiệu ứng nhà kính như CO2, CO, N2O, do đó, nó thân thiện với môi trường hơn so với các nhiên liệu truyền thống, góp phần giảm ô nhiễm.
Nguồn nhiên liệu tái sinh được khai thác từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và lâm nghiệp, mang lại khả năng tái tạo và giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu không tái sinh truyền thống.
Việc phát triển nhiên liệu sinh học đóng vai trò quan trọng trong việc bảo đảm an ninh năng lượng cho các quốc gia, đặc biệt là những quốc gia không có nguồn dầu mỏ và than đá Nhiên liệu sinh học giúp các quốc gia chủ động hơn và giảm thiểu sự lệ thuộc vào việc nhập khẩu nhiên liệu Hơn nữa, việc sử dụng nhiên liệu sinh học còn góp phần kiềm chế sự gia tăng giá xăng dầu, từ đó ổn định tình hình năng lượng toàn cầu.
Sản xuất ethanol tại Việt Nam chủ yếu dựa vào sắn thái lát, góp phần ổn định kinh tế vùng nông thôn Điều này đảm bảo đầu ra ổn định cho nông dân trồng sắn, đặc biệt ở các tỉnh Tây Bắc và Tây Nguyên Ngoài ra, các nhà máy cũng hỗ trợ nông dân về giống và kỹ thuật canh tác mới, nhằm tăng thu nhập và sản lượng hàng hóa.
Đầu tư vào công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến đòi hỏi nguồn vốn lớn, khiến cho các nước chậm phát triển hoặc đang phát triển gặp khó khăn trong việc phát triển loại nhiên liệu này.
- Việc bảo quản và cất giữ nhiên liệu sinh học khó hơn so với nhiên liệu truyền thống (dễ bị biến tính phân hủy theo thời gian)
Sản xuất nhiên liệu sinh học từ thực vật yêu cầu diện tích canh tác lớn, dẫn đến cạnh tranh với cây lương thực khác và có thể làm tăng giá lương thực, đe dọa an ninh lương thực Ngoài ra, việc sản xuất từ động thực vật còn gặp nhiều khó khăn khác.
Sản xuất nông nghiệp phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết và dịch bệnh; nếu không có điều kiện thuận lợi, quá trình sản xuất sẽ không diễn ra liên tục.
2.1.4 Một số loại nhiên liệu sinh học thông dụng
Nhiên liệu sinh học có thể được phân loại thành các nhóm chính như sau:
Diesel sinh học (Biodiesel) là nhiên liệu lỏng tương đương với dầu diesel truyền thống, được sản xuất từ dầu mỡ sinh học như dầu thực vật và mỡ động vật thông qua quá trình chuyển hóa với methanol Nguồn nguyên liệu sản xuất diesel sinh học khác nhau tùy thuộc vào điều kiện thời tiết của từng quốc gia; tại Châu Âu, đậu tương, hạt cải dầu và dầu mỡ phế thải là phổ biến, trong khi ở Châu Á, cây dầu cọ, dầu mè, hạt hướng dương, dầu đậu nành, dầu từ hạt cao su, dầu dừa và các loại tảo được sử dụng nhiều.
Xăng sinh học (Biogasoline) là nhiên liệu lỏng sử dụng ethanol làm phụ gia thay thế cho chì trong xăng, có khả năng thay thế hoàn toàn xăng truyền thống Hiện nay, xăng sinh học được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu, với Mỹ và Brazil dẫn đầu nhờ chính sách ủng hộ xăng pha cồn từ mía và ngô Canada sử dụng gỗ phế thải và mùn cưa, trong khi các quốc gia Châu Á như Philippines, Thái Lan, Việt Nam và Trung Quốc sản xuất cồn từ cây mía, sắn và cơm dừa Thông tin chi tiết về xăng sinh học sẽ được trình bày ở mục 2.2.2.
Nhiên liệu ethanol và xăng sinh học
Ethanol (C2H6O hay C2H5OH) là một hợp chất hữu cơ thuộc dãy đồng đẳng của alcohol, thường được gọi là rượu ethylic, alcohol ethylic, rượu ngũ cốc hay cồn Đây là một trong những loại rượu phổ biến có mặt trong các đồ uống chứa cồn.
Ethanol hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, y tế và công nghiệp Đây được xem là nguồn nhiên liệu tiềm năng lớn, đang được nghiên cứu và sử dụng trên toàn cầu.
Ethanol là một chất lỏng trong suốt, có mùi thơm và dễ cháy, với khả năng hút ẩm tốt Nó bay hơi ở nhiệt độ 78°C và đặc biệt tan vô hạn trong nước, làm cho ethanol trở thành một trong những dung môi linh hoạt, có khả năng hòa tan cả nước và các hợp chất hữu cơ khác ở nhiều tỷ lệ khác nhau.
Sự khác biệt giữa tính chất của ethanol và xăng thông thường
Bảng 2.1: So sánh giữa ethanol và xăng thông thường [10] Đặc tính Đơn vị Ethanol Xăng
Tỷ lệ không khí/nhiên liệu 9.0 14.7
Nhiệt trị thể tích ML/J 21.1 – 21.7 32.2 – 32.9
Tỷ trọng 0.792 0.72 – 0.78 Độ tan trong nước % 100 < 0.01
Hàm lượng nguyên tố Oxy % 34.7 < 2.7
2.2.1.3 Ưu và nhược điểm của ethanol so với xăng thông thường
Ethanol là nhiên liệu tái sinh có thể được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, bao gồm sản phẩm nông nghiệp như mía, ngô, sắn, khoai tây và lúa mì Ngoài ra, ethanol cũng có thể được tạo ra từ các phế phẩm công nghiệp chế biến gỗ như mùn cưa và gỗ thải, cũng như từ chất thải nông nghiệp như rơm rạ và phân.
Ethanol, với cấu trúc hydrocacbon có chứa oxy, yêu cầu lượng không khí để đốt cháy chỉ là 9 kgkk/kgnl, thấp hơn nhiều so với xăng với 14 kgkk/kgnl Điều này không chỉ giúp quá trình đốt cháy nhiên liệu diễn ra hoàn toàn hơn mà còn giảm thiểu sự phát thải khí CO.
HC, hạn chế gây ô nhiễm môi trường
Ethanol có chỉ số Octan cao hơn xăng, giúp cải thiện khả năng chống kích nổ và tối ưu hóa thiết kế cũng như vận hành động cơ Điều này cho phép tăng tỷ số nén và nâng cao hiệu suất động cơ.
Nhiệt ẩn hóa hơi của ethanol cao tạo ra hiệu ứng làm lạnh cho môi chất nạp, giúp xe sử dụng ethanol có khả năng nạp đầy hỗn hợp vào trong xylanh động cơ tốt hơn so với xe sử dụng nhiên liệu truyền thống.
Trên cùng một quãng đường, nhiên liệu ethanol tiêu tốn nhiều hơn so với xăng truyền thống do thành phần oxy trong ethanol (khoảng 34,7% trọng lượng), dẫn đến nhiệt trị của ethanol thấp hơn xăng.
- Ethanol không bay hơi nhanh ở môi trường lạnh, nhiệt độ bay hơi khá cao (78℃), khiến cho việc khởi động động cơ vào sáng mùa đông khó hơn
Việc tách ethanol khỏi nước gặp khó khăn do hiện tượng đồng sôi giữa hai chất này Khi hàm lượng nước trong ethanol vượt quá 1%, sẽ xảy ra hiện tượng phân lớp khi pha ethanol vào xăng Nếu không được bảo quản đúng cách, ethanol có thể bị oxy hóa thành axit axetic, gây ra tình trạng ăn mòn cho động cơ.
2.2.1.4 Phương pháp sản xuất ethanol Để sản xuất được ethanol nguyên chất, có thể bắt đầu từ rất nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau Tùy thuộc vào lợi thế về nguyên liệu, mỗi quốc gia sẽ có các phương pháp và quy trình sản xuất ethanol tương ứng Nhìn chung, có thể phân loại sản xuất ethanol theo các thế hệ nguyên liệu sản xuất: n
Thế hệ nguyên liệu đầu tiên: sản xuất ethanol từ nguyên liệu chứa tinh bột và đường
Thế hệ nguyên liệu thứ hai: sản xuất ethanol từ nguyên liệu chứa lignocellulose như sản phẩm thải nông nghiệp (rơm, cỏ, phân, …), công nghiệp (mùn cưa, gỗ thải, …)
Thế hệ nguyên liệu thứ ba: sản xuất ethanol từ sinh khối tảo
Hình 2.4: Các thế hệ nguyên liệu sản xuất ethanol [11]
Có hai phương pháp sản xuất ethanol phổ biến hiện nay [12]:
Phương pháp hydrat hóa ethylene
Ethanol được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ thông qua phương pháp hydrat hóa ethylen trên xúc tác axit Cho ethylen (H2C=CH2) hợp nước ở 300℃ áp suất 70 –
80 (atm) với xúc tác là axit wolframic hoặc axit phosphoric
Phương trình điều chế như sau:
Trong môi trường thiếu oxy, một số loại men rượu có khả năng chuyển hóa đường thành ethanol và carbon dioxide (CO2), chủ yếu từ glucose và cellulose Quá trình này diễn ra theo phương trình điều chế cụ thể.
Để sản xuất dung môi ethanol từ nguyên liệu chứa tinh bột như hạt ngũ cốc, tinh bột cần được chuyển hóa thành đường trước khi tiến hành lên men Quá trình này bao gồm việc tách tinh bột và thủy phân bằng các enzyme.
Công nghệ lên men để sản xuất ethanol có thể được tóm tắt như sau:
- Đầu tiên là thủy phân tinh bột để thu được đường
- Tiếp sau là lên men đường
- Sau đó chưng cất ethanol để thu được ethanol nguyên chất Có hai giai đoạn chưng cất:
Giai đoạn đầu: thu được loại ethanol 96%
Giai đoạn tiếp theo trong quy trình sản xuất ethanol là khử nước để đạt được ethanol alhydrid với độ tinh khiết tối thiểu 99,5% theo khối lượng Tuy nhiên, việc sản xuất ethanol tuyệt đối gặp nhiều khó khăn và có thể làm tăng chi phí, từ đó ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế.
Hình 2.5: Quy trình sản xuất ethanol từ cenluloze [13] n
2.2.2.1 Khái quát về xăng sinh học
Xăng sinh học, hay còn gọi là gasohol hoặc biogasoline, là loại nhiên liệu được sản xuất bằng cách pha trộn cồn sinh học ethanol khan với xăng thông thường theo tỷ lệ nhất định, nhằm tạo ra một sản phẩm thân thiện với môi trường hơn so với xăng truyền thống.
Xăng sinh học, được ký hiệu là Ex, trong đó x đại diện cho tỷ lệ phần trăm thể tích cồn trong công thức pha trộn Chẳng hạn, xăng E5 chứa 5% ethanol và 95% xăng thông thường, trong khi xăng E10 có 10% ethanol.
2.2.2.2 Tính chất xăng sinh học
Tổng quan về phương tiện sử dụng nhiên liệu xăng sinh học
2.3.1 Khái quát về phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt
Xe ô tô sử dụng nhiên liệu linh hoạt (Flexible Fuel Vehicles) là loại phương tiện có khả năng sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau, thường là xăng pha trộn với ethanol hoặc metanol Động cơ của những xe này được thiết kế đặc biệt để hoạt động hiệu quả với các loại nhiên liệu thay thế, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí Cả hai loại nhiên liệu được lưu trữ trong cùng một bể, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.
Công nghệ này có khả năng đốt cháy mọi tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu trong buồng đốt, nhờ vào việc điều chỉnh tự động thời gian phun nhiên liệu và tia lửa dựa trên sự pha trộn thực tế, được phát hiện bởi cảm biến thành phần nhiên liệu.
Hình 2.13: Tỷ lệ sử dụng phương tiện thay thế theo loại nhiên liệu tại Mỹ [23]
Biểu đồ trên thể hiện tỷ lệ phương tiện sử dụng nhiên liệu thay thế (AFV) được đăng ký tại Hoa Kỳ tính đến ngày 31 tháng 12 năm 2020 Trong số đó, phương tiện chạy bằng nhiên liệu linh hoạt (FFV) chiếm ưu thế, được sản xuất để đáp ứng các yêu cầu tiết kiệm nhiên liệu Xe điện hybrid (HEV) đứng thứ hai, chiếm 70% tổng số phương tiện AFV khi không tính đến FFV Xe điện plug-in (PEV), bao gồm xe chạy hoàn toàn bằng điện (EV) và xe điện hybrid plug-in (PHEV), chiếm khoảng 30% trong tổng số AFV khi loại trừ FFV.
2.3.2 Đặc điểm của phương tiện sử dụng nhiên liệu xăng sinh học
Các phương tiện sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng và ethanol với tỷ lệ từ E0 đến E100, phổ biến nhất là E85 (85%) Những xe sử dụng xăng sinh học với tỷ lệ ethanol thấp (5 – 15%) có thể hoạt động trên động cơ xăng thông thường mà không cần thay đổi cấu trúc Tuy nhiên, đối với xe sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol lớn hơn 15%, cần thực hiện các điều chỉnh cấu trúc để đảm bảo hiệu suất kỹ thuật và độ bền của động cơ.
Nhiên liệu xăng sinh học chứa ethanol có khả năng gây ăn mòn các bộ phận bằng cao su và kim loại Do đó, các chi tiết cấu trúc của động cơ tiếp xúc trực tiếp với ethanol có thể cần được thay thế bằng vật liệu phù hợp và bền vững hơn.
Phương tiện sử dụng xăng sinh học cần có những đặc điểm khác biệt so với phương tiện sử dụng xăng truyền thống để đạt hiệu quả cao hơn.
Động cơ có khả năng hiệu chỉnh giúp điều chỉnh lượng nhiên liệu phun và góc đánh lửa sớm thông qua hệ thống điều khiển trên xe Hệ thống này kiểm soát quá trình đốt cháy, đảm bảo khả năng khởi động nguội và chất lượng khí thải đạt yêu cầu.
Các chi tiết bên trong động cơ như piston, xéc măng, xú páp và các thành phần khác cần được chế tạo từ vật liệu tương thích với ethanol nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến tuổi thọ của động cơ.
Hệ thống nhận dạng nhiên liệu sử dụng cảm biến để tự động phân tích các thành phần của nhiên liệu, xác định tỷ lệ ethanol khác nhau Điều này cho phép động cơ điều chỉnh hoạt động một cách hiệu quả, tương thích với hỗn hợp xăng.
Hệ thống phun nhiên liệu cần được chế tạo từ vật liệu tương thích với ethanol và thiết kế với dải hoạt động rộng hơn để bù đắp cho mật độ năng lượng thấp của ethanol.
Đường dẫn nhiên liệu cần được chế tạo từ vật liệu tương thích với ethanol, bao gồm các miếng đệm và ống nhiên liệu cao su có khả năng chịu đựng được các tỷ lệ ethanol khác nhau.
Bình nhiên liệu cần được chế tạo từ vật liệu tương thích với các loại nhiên liệu ethanol khác nhau, đồng thời thiết kế để giảm thiểu khả năng bay hơi và hấp thụ hơi nước từ môi trường bên ngoài.
Hệ thống bơm nhiên liệu cần sử dụng các chi tiết được chế tạo từ vật liệu tương thích với ethanol Đồng thời, kích thước của các chi tiết này phải đủ lớn để xử lý lượng nhiên liệu lớn hơn, nhằm bù đắp cho mật độ năng lượng thấp của ethanol.
Hệ thống điện và dây dẫn cần được thiết kế với khả năng cách ly tốt, đảm bảo khả năng dẫn điện vượt trội và giảm thiểu nguy cơ bị ăn mòn khi tiếp xúc với nhiên liệu.
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ XĂNG – ETHANOL TRÊN PHẦN MỀM AVL BOOST
Phần mềm AVL Boost
3.1.1 Giới thiệu phần mềm AVL Boost
Phần mềm AVL Boost, được phát triển từ năm 1992, đã trải qua nhiều giai đoạn cải tiến và hiện tại có phiên bản mới nhất là AVL Boost 2020 Đây là phần mềm chuyên sâu trong mô phỏng động cơ đốt trong, có khả năng mô phỏng từ động cơ nhỏ như xe máy đến động cơ lớn trong lĩnh vực hàng hải Bên cạnh đó, AVL Boost cũng hỗ trợ mô phỏng các chỉ số của hệ thống hơi, mang lại nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp.
AVL Boost là một bộ tiền xử lý tương tác, giúp tối ưu hóa dữ liệu đầu vào cho các chương trình tính toán chính Quá trình phân tích kết quả được cải thiện nhờ vào bộ hậu vi xử lý tương tác, mang lại hiệu quả cao trong việc xử lý và phân tích dữ liệu.
Công cụ tiền xử lý trên giao diện người dùng đồ họa AVL Workspace cho phép người dùng mô hình hóa động cơ một cách đơn giản, ngay cả khi cấu trúc phức tạp Người dùng có thể lựa chọn các phần tử cần thiết từ cây thư mục và kết nối chúng bằng các phần tử đường ống thông qua thao tác kích đúp chuột Mô hình sắp xếp và chỉ dẫn dữ liệu đầu vào là những đặc trưng nổi bật của công cụ này.
Chương trình chính cung cấp các thuật toán mô phỏng tối ưu hóa cho tất cả các phần tử, với dòng chảy trong ống được coi là một chiều Các áp suất, nhiệt độ và vận tốc dòng chảy được tính toán từ các phương trình khí động học, thể hiện giá trị trung bình qua mặt cắt ống Tổn thất dòng chảy do hiệu ứng ba chiều tại các vị trí cụ thể trong động cơ được phân tích chi tiết hơn thông qua liên kết với mô hình dòng chảy 3 chiều của AVL mã hiệu FIRE Điều này cho phép kết hợp mô hình đa chiều của dòng chảy trong các chi tiết quan trọng của động cơ với mô hình một chiều của các chi tiết khác, mang lại lợi ích riêng cho mô hình hóa.
Công cụ hậu xử lý IMPRESS CHART và PP3 phân tích 23 phỏng chuyển động phức tạp trong các phần tử giảm thanh, cho phép so sánh kết quả với các điểm đo hoặc tính toán trước đó Phần mềm này cũng hỗ trợ trình diễn kết quả dưới dạng hình động, góp phần phát triển các giải pháp tối ưu cho các vấn đề của người dùng.
Phần mềm AVL Boost hiện nay bao gồm những tính năng cơ bản sau:
- Mô phỏng động cơ 2 kỳ, 4 kỳ, động cơ không tăng áp, động cơ tăng áp, …
- Mô phỏng các chế độ làm việc, chế độ chuyển tiếp động cơ
Tính toán thiết kế và tối ưu hóa quá trình làm việc của động cơ bao gồm các yếu tố quan trọng như quá trình cháy, quá trình trao đổi khí và quá trình phát thải độc hại Việc cải thiện những quá trình này không chỉ nâng cao hiệu suất động cơ mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
- Có khả năng kết nối với các phần mềm khác để mô phỏng với dữ liệu động
AVL Boost là công cụ mô phỏng chu trình công tác và quá trình trao đổi khí của động cơ, cho phép xây dựng mô hình toàn diện của động cơ Người dùng có thể lựa chọn các phần tử từ hộp công cụ và kết nối chúng bằng các ống nối Các phương trình động lực học được áp dụng giữa các đường ống để đảm bảo tính chính xác của mô hình.
AVL Boost là công cụ mô phỏng đáng tin cậy, giúp giảm thời gian phát triển động cơ thông qua mô phỏng và nghiên cứu chính xác Nó tối ưu hóa cấu trúc và quy trình ngay từ giai đoạn tạo mẫu mà không cần sử dụng mô hình vật lý.
AVL Boost cho phép tính toán các chế độ tĩnh và động, giúp tối ưu hóa hệ thống nạp và thải, đóng mở xú páp, phối hợp các bộ phận tăng áp và ước lượng tính năng động cơ mới Đây là công cụ lý tưởng cho việc tối ưu hóa đặc trưng chuyển tiếp của động cơ ở giai đoạn đầu, khi động cơ chưa được chế tạo, đồng thời xem xét cả hệ truyền động của phương tiện Ngoài ra, Boost còn hỗ trợ xây dựng mô hình điều khiển động cơ với các chức năng quan trọng của hệ thống mà không cần phần mềm bên ngoài.
24 thể dễ dàng kết nối với Matlab, Simullink và phần mềm CFD 3D AVL Fire Các ứng dụng điển hình của phần mềm AVL Boost bao gồm 8 ứng dụng sau:
- Xác định đặc tính về công suất, mô men, suất tiêu hao nhiên liệu
- Thiết kế đường nạp, thải
- Tối ưu hóa thời điểm đóng mở xú páp
- Phối hợp với cụm tăng áp, van xả
- Phân tích về âm thanh (độ ồn trên đường nạp, thải)
- Phân tích quá trình cháy và hình thành khí thải
- Độ thích ứng của cụm tăng áp
Hãng AVL có hơn 25 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực phát triển phần mềm mô phỏng, đảm bảo độ chính xác và tính tin cậy cao Để đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng của người dùng, AVL Boost liên tục cho ra mắt các phiên bản mới, mở rộng phạm vi ứng dụng của phần mềm trong công nghệ.
Các phiên bản gần đây đã chú trọng đến việc cải thiện trải nghiệm người dùng nhằm tối ưu hóa khả năng khai thác và ứng dụng hiệu quả các tính năng của phần mềm Để đạt được điều này, các nhà lập trình đã thiết kế cấu trúc phần mềm với các thành phần cụ thể.
- Định nghĩa các phần tử
- Xây dựng và tính toán mô hình
- Phân tích và lấy kết quả
- Phần trợ giúp người sử dụng n
3.1.5 Các lệnh cơ bản trong phần AVL Boost
Bảng 3.1: Các lệnh cơ bản trong AVL Boost
STT Biểu tượng Chức năng
1 Nối các phần tử trong mô hình lại với nhau
2 Điều chỉnh lại hướng của dòng chảy
3 Thay đổi thứ tự kết nối giữa các phần tử đã chọn
4 Quay phần tử ngược chiều kim đồng hồ góc 90 0
5 Quay phần tử theo chiều kim đồng hồ góc 90 0
6 Mở cửa sổ điều khiển chung
8 Nhập thông số cho mô hình
9 Thiết lập thông số chuỗi cho mô hình
11 Hiện trang tức thời của mô hình chạy
12 Xem tổng kết của chạy mô hình
13 Xem lời nhắn từ chạy mô hình
14 Xem kết quả chạy mô hình n
3.1.5.2 Các phần tử chính trong chương trình
AVL Boost sử dụng các phần tử trong việc mô phỏng động cơ và chúng được liệt kê ở bảng 3.2 bên dưới:
Bảng 3.2: các phần tử chính trong chương trình
Bộ Phận Phần tử Ký hiệu Chức năng
Xylanh Mô phỏng 1 xylanh Động cơ Mô phỏng động cơ Điểm đo
Cho biết thông số về lưu lượng và các điều kiện khí tại vị trí bất kỳ trong đường ống
Nhập thông số cho các phần tử khó xác định Ống xử lý khí thải
Xử lý các loại khí thải Điều kiện biên Điều kiện biên hệ thống
Cho thấy mối tương quan của mô hình tính toán với các thông số do người sử dụng thiết lập Điều kiện biên xử lý khí thải
Cho thấy mối tương quan của mô hình phân tích khí thải với các thông số do người sử dụng thiết lập Điều kiện biên trong
Cung cấp các điều kiện biên cho việc tính toán mô hình
Cản dòng Chỉ ra sự tổn hao áp suất tại một vị trí nào đó của hệ thống trong đường ống
Bướm ga Điều khiển lưu lượng khí trong ống qua độ mở của bướm ga
Van xoay Điều khiển lưu lượng không khí trong ống theo góc quay trục khuỷu và thời gian
Van kiểm tra Là van điều chỉnh áp suất để ngăn dòng chảy ngược
Sử dụng cho động cơ hình thành hỗn hợp khí bên ngoài để bổ sung nhiên liệu và không khí trong hệ thống nạp
Sử dụng để nối từ 3 ống trở lên Trong trường hợp 3 ống, một mô hình mới về phần tử nối ống có thể được sử dụng n
Việc này phải xét đến các thông số hình học như tỷ số diện tích của các ống kết nối với nhau hay góc kết nối giữa các ống
Bình ổn áp Phần tử ổn định về áp suất và nhiệt độ Khối 3D
Khối 3D Mô phỏng khối cầu
Bình ổn áp biến động
Xem xét về biến đổi thể tích và diện tích bề mặt của bình ổn áp theo thời gian Ống có đục lỗ trong ống
Một phần tử biểu thị 2 ống Một ống đục lỗ bên trong và một ống bên ngoài
Lọc khí Áp suất tổn hao tức thời được tính toán từ tổn hao áp suất trong một điểm quy chuẩn tại những điều kiện trạng thái ổn định
Bộ xúc tác cần được định nghĩa theo lưu lượng khối lượng quy chuẩn để xác định áp suất tổn hao Đặc tính của bộ xúc tác phụ thuộc vào các điều kiện quy chuẩn và thông số hình học bổ sung Các phản ứng hóa học diễn ra trong bộ xúc tác ảnh hưởng đến đặc tính và mức độ độc hại của khí thải.
Két làm mát không khí
Hoạt động của két làm mát không khí tương tự như bộ lọc khí, với áp suất tổn hao và đặc tính làm mát cần được xác định theo các giá trị quy chuẩn Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, trạng thái ổn định của lưu lượng khối lượng cũng cần được định nghĩa rõ ràng.
Bộ lọc bụi khí thải diesel
Sử dụng trong chế độ phân tích khí thải của động cơ diesel, mô phỏng thành phần cặn độc hại trong chất thải của động cơ
Phần tử tuabin tăng áp cho phép sử dụng cả mô hình đơn giản và mô hình đầy đủ, có tính phức tạp cao n
Phần tử tuabin cho phép sử dụng cả mô hình đơn giản và mô hình đầy đủ, có tính phức tạp cao
Tỷ số áp suất và hiệu suất của máy nén có thể được xác định thông qua đường tốc độ đồng nhất hoặc dải làm việc hoàn thiện Khi đường tốc độ hoặc dải làm việc được định nghĩa, chúng sẽ ảnh hưởng đến tỷ số áp suất và hiệu suất dựa trên tốc độ lưu lượng khối lượng tức thời và tốc độ thực tế của máy nén.
Tỷ số áp suất không đổi hoặc hiệu suất máy nén không đổi cho phép xác định đường tốc độ đồng nhất hoặc dải làm việc hoàn thiện Đường tốc độ đồng nhất của máy nén thể tích được định nghĩa dựa trên lưu lượng khối lượng và hiệu suất ngược lại so với tỷ số áp suất qua máy nén.
Phần tử máy nén mô phỏng quá trình tăng áp do sóng áp suất trên đường nạp của động cơ
Là van được điều khiển bởi sự chênh áp giữa thân van và vách ngăn được liên kết cơ khí với thân van
Mô tơ điện Phần tử thiết bị điện bao gồm cả mô hình đơn giản lẫn phức tạp
Fire link Mô phỏng dòng chảy ba chiều
Cơ sở lý thuyết về mô phỏng trên phần mềm AVL Boost
Hình 3.1: Mô hình nhiệt động trong xylanh [24]
Trong quá trình cháy của động cơ đốt trong, năng lượng hóa học biến đổi thành nhiệt năng một cách không thuận nghịch Để xác định trạng thái của môi chất tại mỗi thời điểm, cần hiểu rõ các phản ứng trung gian từ hỗn hợp ban đầu đến sản phẩm cháy cuối cùng Hiện tại, các phản ứng này đã được xác định cho một số nhiên liệu đơn giản như hydro và metan Tuy nhiên, định luật nhiệt động học thứ nhất vẫn có thể được áp dụng để xác định mối quan hệ giữa trạng thái đầu và cuối của quá trình cháy, thể hiện sự biến thiên của nội năng (enthalpie) liên quan đến nhiệt và công.
Dựa trên nguyên tắc cân bằng năng lượng trong xylanh động cơ, sự thay đổi khối lượng của môi chất bên trong xylanh được xác định bằng cách lấy tổng khối lượng môi chất đi vào trừ khối lượng môi chất ra khỏi xylanh.
𝑑𝛼 : Là biến đổi nội năng bên trong xylanh
𝑑𝛼: Công chu trình thực hiện (công sinh ra trên đỉnh piston)
𝑑𝛼 : Tổn thất nhiệt qua vách
𝑑𝛼 : Tổn thất enthalpy do lọt khí
𝑚 𝑐 : Khối lượng môi chất bên trong xylanh
𝑝 𝑐 : Áp suất bên trong xylanh
𝑄 𝐹 : Nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp
𝑄 𝑊 : Nhiệt lượng tổn thất qua vách
𝑑𝛼 : Biến thiên khối lượng dòng chảy
𝑑𝑚 𝑖 : Khối lượng phần tử lưu lượng vào xylanh
𝑑𝑚 𝑒 : Khối lượng phần tử lưu lượng ra khỏi xylanh
ℎ 𝑖 : Enthalpy của khối lượng vào xylanh
ℎ 𝑒 : Enthalpy của của khối lượng ra khỏi xylanh
𝑞 𝑒𝑣 : Nhiệt hóa hơi của nhiên liệu n
𝑓: Phần của nhiệt hóa hơi khi nạp vào xylanh
𝑚 𝑒𝑣 : Lượng nhiên liệu hóa hơi
Phương trình này áp dụng cho cả hai trường hợp động cơ, bao gồm sự hình thành hỗn hợp khí bên trong và bên ngoài xylanh Tuy nhiên, phương pháp hình thành hỗn hợp cho hai trường hợp này là khác nhau Đối với quá trình hình thành hỗn hợp khí bên trong xylanh, chúng ta có một giả thiết cụ thể.
- Nhiên liệu cấp vào xylanh được đốt cháy tức thì
- Sản phẩm cháy hòa trộn tức thì với khí nạp vào xylanh thành hỗn hợp đồng nhất
Tỷ số A/F giảm dần từ giá trị cao nhất khi bắt đầu quá trình cháy đến giá trị cuối cùng ở điểm kết thúc Đối với việc hình thành hỗn hợp khí bên ngoài xylanh, ta đưa ra giả thiết.
- Hỗn hợp là đồng nhất tại thời điểm bắt đầu quá trình cháy
- Tỷ số A/F không đổi trong suốt quá trình cháy
- Hỗn hợp cháy và không cháy có nhiệt độ và áp suất giống nhau mặc dù có các thành phần khác nhau
Giải phương trình cháy phụ thuộc vào mô hình quá trình cháy, quy luật tỏa nhiệt, và quá trình truyền nhiệt qua thành xilanh Ngoài ra, các yếu tố như áp suất, nhiệt độ và thành phần hỗn hợp khí cũng đóng vai trò quan trọng Phương trình trạng thái thiết lập mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ.
Sử dụng phương pháp Runge-Kutta từ phương trình (2.1) để xác định nhiệt độ bên trong xylanh, từ đó tính toán áp suất thông qua phương trình trạng thái (2.3).
3.2.1.2 Tính toán lưu lượng dòng khí nạp
Tốc độ dòng khí nạp tại các cửa hút và cửa xả được xác định từ phương trình dòng chảy đẳng entropy, trong đó hệ số cản dòng phụ thuộc vào kích thước đường kính họng Bằng cách áp dụng phương trình năng lượng cho dòng chảy ổn định tại cửa hút cùng với phương trình lưu lượng dòng khí nạp, ta có thể tính toán được tốc độ này.
𝜓: Đối với dòng có vận tốc dưới vận tốc âm thanh
𝑝 2 : Áp suất tĩnh sau miệng hút
Và cho dòng chảy âm:
1 𝑘−1.√ 𝑘+1 𝑘 (2.6) Diện tích lưu thông hiệu dụng có thể được xác định từ hệ số 𝜇𝜎
4 (2.7) 𝜇𝜎: Hệ số dòng chảy tại miệng cửa lưu thông
𝑑 𝑣𝑖 : Đường kính đế xú páp
Hệ số 𝜇𝜎 biến đổi theo độ mở của xú páp và được xác định bằng thiết bị thử nghiệm dòng chảy ổn định Hệ số này thể hiện tỷ lệ giữa lưu lượng dòng thực tế được đo.
Tại áp suất chênh lệch 35, lưu lượng dòng đẳng entropy lý thuyết được tính toán ở điều kiện biên tương ứng Điều này cũng liên quan đến diện tích mặt cắt của ống dẫn Đường kính bên trong của xú páp được sử dụng để xác định độ nâng của van định mức được minh họa trong hình dưới đây.
Hình 3.2: Đường kính đế xú páp [25]
Quá trình cháy bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, và phần mềm AVL – Boost mô tả quá trình này thông qua đặc tính tỏa nhiệt, chu trình cháy lý thuyết, cũng như các đặc tính tỏa nhiệt do người sử dụng xác định Phương pháp tiếp cận tiện lợi và phổ biến nhất trong nghiên cứu cháy là sử dụng phương trình cháy Vibe.
Quy luật cháy Vibe được xác định bởi các tham số quan trọng như điểm bắt đầu cháy, thời gian cháy và tham số đặc trưng cháy “m” Những thông số này có thể giữ nguyên hoặc thay đổi tùy thuộc vào chế độ làm việc của động cơ, điều này được thể hiện qua một phương trình cụ thể.
𝑦 =𝛼 − 𝛼 0 Δ𝛼 𝑐 𝑄: Nhiệt lượng do nhiên liệu sinh ra (KJ)
𝛼: Góc quay trục khuỷu (độ)
𝛼 0 : Điểm bắt đầu cháy (độ) Δ𝛼 𝑐 : Thời gian cháy (ms)
𝑚: Tham số đặc trưng cháy
Tích phân phương trình (2.9) ta có:
𝑑𝛼 𝑑𝛼 = 1 − 𝑒 −6.908.𝑦 (𝑚+1) (2.9) 𝑥: Phần trăm khối lượng môi chất đốt cháy
Hình 3.3 là đồ thị mô tả quan hệ tốc độ tỏa nhiệt và phần trăm khối lượng môi chất cháy theo góc quay trục khuỷu
Hình 3.3: Quan hệ tốc độ tỏa nhiệt và phần trăm khối lượng môi chất cháy theo góc quay trục khuỷu [26] n
Hình 3.4 Là đồ thị mô tả ảnh hưởng của tham số đặc trưng cháy “m” đến hình dạng Vibe
Hình 3.4: Ảnh hưởng của tham số đặc trưng cháy “m” đến hình dạng Vibe [26]
Mô hình cháy Vibe 2 vùng (Two Zone Vibe) được chọn để mô phỏng, cho phép dự đoán tốc độ giải phóng nhiệt cho động cơ khí nạp đồng nhất Mô hình này xem xét các yếu tố ảnh hưởng như hình dạng buồng cháy, thời điểm phun, thành phần khí nạp và mức độ chuyển động xoáy lốc.
Tỷ lệ giải phóng nhiệt và khối lượng thành phần đốt cháy được xác định theo lý thuyết Vibe Tuy nhiên, giả định rằng các vùng nhiên liệu cháy và không cháy đều có nhiệt độ giảm xuống, cho phép áp dụng định luật động lực học thứ nhất trong trường hợp này.
𝑢: Là khu vực không cháy
Dòng chảy enthalpy từ vùng cháy đến khu vực không cháy là yếu tố quan trọng để chuyển tia lửa cho các sản phẩm đốt cháy, trong khi thông lượng nhiệt giữa hai vùng này thường được bỏ qua.
Ngoài ra, tổng thể tích thay đổi phải bằng thể tích xylanh, tổng thể tích vùng phải bằng thể tích xylanh
Tổn thất nhiệt qua vách là quá trình truyền nhiệt từ buồng cháy qua các thành phần như nắp xylanh, piston và lót xylanh Quá trình này được tính toán dựa trên phương trình truyền nhiệt.
Qwi: Nhiệt lượng truyền cho thành (nắp xylanh, piston, lót xylanh)
Ai: Diện tích truyền nhiệt (nắp xylanh, piston, lót xylanh) αw: Hệ số truyền nhiệt
Tc: Nhiệt độ môi chất trong xylanh
Twi: Nhiệt độ thành (nắp xylanh, piston, lót xylanh).
Trong trường hợp nhiệt độ của thành lót xylanh, biến đổi nhiệt độ dọc trục giữa vị trí ĐCT và ĐCD được tính theo biểu thức:
T L,ĐCT : Nhiệt độ lót xylanh tại vị trí ĐCT.
Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ 1NZ – FE trên AVL Boost
Nhóm sinh viên đã chọn động cơ xăng 1NZ – FE, được sử dụng trên xe Toyota Vios, làm đối tượng nghiên cứu do đây là một trong những loại động cơ phổ biến nhất tại Việt Nam Động cơ 1NZ – FE là động cơ đánh lửa cưỡng bức với cấu trúc 4 xylanh thẳng hàng, dung tích 1.5L, và được trang bị 16 xú páp nạp và xả theo kiểu DOHC Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ này được trình bày trong bảng 3.6.
Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật của động cơ 1NZ – FE
STT Thông số Ký hiệu Giá Trị Đơn Vị
Nạp Mở 𝛼 1 7 0 − 33 0 Trước ĐCT Đóng 𝛼 2 52 0 − 12 0 Sau ĐCD
Xả Mở 𝛽 1 42 0 Trước ĐCD Đóng 𝛽 2 5 0 Sau ĐCT
8 Công suất lớn nhất tại 6000 v/p N max 80 kW
9 Mô men lớn nhất tại 4200 v/p M max 141 N.m
3.3.2 Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ Để mô phỏng động cơ cần thực hiện hai giai đoạn chính là xây dựng mô hình và hiệu chỉnh mô hình Quá trình xây dựng mô hình mô phỏng từ động cơ thực tế trên phần mềm AVL trải qua các bước như sau:
Lựa chọn phần tử cần thiết
Liên kết các phần tử lại với nhau
Thiết lập các điều kiện mô phỏng
Thiết lập thông số cho các phần tử
3.3.2.1 Lựa chọn các phần cần thiết Để đảm bảo việc mô phỏng hiệu quả, các phần tử được chọn để xây dựng mô hình phải tương thích với kết cấu thực tế của động cơ
Mô hình động cơ bao gồm các phần tử quan trọng như động cơ, xylanh, lọc khí, kim phun, bình ổn áp, phần tử cản, đường ống nối và các phần tử môi trường Các phần tử này được hiển thị bên trái giao diện màn hình chính trong cửa sổ “Components” Để sử dụng, người dùng chỉ cần nhấn đúp chuột vào biểu tượng của các phần tử, và chúng sẽ xuất hiện trên màn hình chính Hình ảnh dưới đây minh họa các phần tử chính trong mô hình mô phỏng động cơ 1NZ – FE.
Hình 3.6: Các phần tử chính dùng cho mô phỏng động cơ 1NZ – FE n
Số lượng các phần tử sử dụng trong mô hình mô phỏng thể hiện qua bảng sau
Bảng 3.7: Số lượng phần tử được sử dụng trông mô hình mô phỏng
Tên phần tử Số phần tử Ký hiệu
Xylanh (Cylinder) 4 C1-C4 Động cơ (Engine) 1 E
Lọc gió (Air cleaner) 1 CL
(Measuring Points) 11 MP Đường ống (Pipe) 46 Numbers
Sau khi lựa chọn các phần tử cần thiết để xây dựng mô hình mô phỏng, bước tiếp theo là sắp xếp vị trí phù hợp cho các phần tử Quá trình "dựng mô hình" thực chất là liên kết các phần tử với nhau thông qua phần tử đường ống.
Biểu tượng "Pipe" nằm ở vị trí đầu tiên bên trái thanh công cụ, cho phép người dùng lựa chọn loại đường ống phù hợp với mục đích sử dụng Để tạo mô hình mô phỏng ban đầu cho động cơ 1NZ – FE, có thể liên kết các phần tử bằng đường ống trước khi nhập dữ liệu, như thể hiện trong hình 3.7 bên dưới.
Hình 3.7: Mô hình mô phỏng khi chưa nhập liệu
3.3.2.3 Thiết lập các điều kiện cho mô phỏng
Nhập dữ liệu từ thông số thực tế của động cơ vào mô hình mô phỏng là bước quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả mô phỏng Để đảm bảo tính chính xác, cần chú ý tránh thiếu sót dữ liệu cho các phần tử Trước tiên, cần nhập dữ liệu chung cho mô hình, sau đó mới tiến hành nhập dữ liệu riêng cho từng phần tử trong mô hình.
Dưới đây là hình ảnh mô hình mô phỏng sau khi đã tiến hành hoàn tất việc nhập dữ liệu từ động cơ 1NZ – FE
Mô hình mô phỏng động cơ 1NZ – FE được thực hiện trên phần mềm AVL Boost, với dữ liệu đầu vào quan trọng cần được nhập trước tiên để điều khiển toàn bộ quá trình mô phỏng.
Để thiết lập dữ liệu chung, bạn cần mở cửa sổ giao diện “Simulation Control” bằng cách chọn mục “Simulation” trên thanh tiêu đề.
“Control”, hoặc nhấn vào biểu tượng trên thanh công cụ, có thể tham khảo ở hình 3.9 n
Hình 3.9: Làm xuất hiện cửa sổ Simulation Control
Sau khi hoàn tất các thao tác, cửa sổ "Simulation Control / Globals" sẽ xuất hiện Tại đây, chúng ta cần nhập các dữ liệu chung cho mô hình mô phỏng, như được minh họa trong hình 3.10.
Hình 3.10: Màn hình cửa sổ giao diện Simulation Control n
Tiếp đến, tiến hành thực hiện thiết lập dữ liệu chung bằng cách nhập các thông số cho từng mục như sau:
- “Simultion Tasks”: Chọn chế độ “Cycle Simulation” để mô phỏng mô hình theo chu kỳ, tiếp đến thiết lập thông số cho mục “Cycle Simulation” vừa được chọn
- “Cycle Simulation”: Thiết lập dữ liệu cho 3 phần sau như hình 3.11
Chế độ "Species Transport" cung cấp hai lựa chọn, cho phép người dùng chọn phù hợp với mục đích sử dụng nhiên liệu trong mô hình mô phỏng Trong trường hợp này, chế độ "Classic" được lựa chọn.
Thiết lập "Khoảng Thời Gian Mô Phỏng" trong ô "Kết Thúc Mô Phỏng" là bước quan trọng, đặc biệt đối với động cơ 4 kỳ, nơi cần thiết lập khoảng 14,400 chu kỳ theo gợi ý từ tài liệu AVL.
“Spatial Pipe Discretization”: Nhập dữ liệu trung bình kích thước các đường ống tại ô “Average Cell Size”
Hình 3.11: Thiết lập dữ liệu điều khiển chung n
- Trong mục “Cycle simulation”, tiếp tục chọn “Classic Species Setup” để thiết lập các thông số về nhiên liệu và các đặc tính hỗn hợp khí cho mô hình
Đối với động cơ sử dụng xăng thông thường, hãy chọn “Gasoline” trong ô “Standard Fuel”, với nhiệt trị đạt 43500 kJ/kg và tỷ số A/F là 14,5 Cách thiết lập cho nhiên liệu xăng – ethanol sẽ được trình bày chi tiết ở phần 3.3.3.
Các đặc tính của khí bao gồm thành phần và tính chất của hỗn hợp khí, được xác định dựa trên các yếu tố như áp suất và nhiệt độ, giữ ổn định trong suốt quá trình mô phỏng.
Hình 3.12: Thiết lập thông số nhiên liệu và đặc tính hỗn hợp khí
Tại phần “Cycle simulation”, bạn cần chọn mục “Initialization” để thiết lập các tham số điều kiện ban đầu cho quá trình mô phỏng, bao gồm: áp suất, nhiệt độ hỗn hợp khí, sản phẩm cháy và tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu.
Hình 3.13: Thiết lập các tham số cho điều kiện ban đầu mô phỏng
3.3.2.4 Thiết lập các thông số cho từng phần tử trong mô hình
3.3.2.4.1 Phần tử Engine (động cơ)
Bảng 3.8: Thiết lập thông số cho phần tử động cơ (Engine)
General Thiết lập chung 5000 rpm
Engine Speed Tốc độ động cơ 4 - stroke
Firing Order Thứ tự công tác
Firing Friction Tổn thất ma sát động cơ 10 bar
BMEP Brake mean effective pressure
BMEP (Y) Briction mean effective pressure
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
Tính năng kỹ thuật của động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng – ethanol
Việc thử nghiệm động cơ 1NZ – FE tại phòng thí nghiệm gặp khó khăn do trang thiết bị hạn chế Để đánh giá kết quả mô phỏng so với thực nghiệm một cách tương đối, nhóm nghiên cứu đã áp dụng công thức S.R Lay Decman để xây dựng công suất và mô men dựa trên số vòng quay cùng các hệ số thực nghiệm đã được chứng minh.
𝑃 𝑒 , 𝑛 𝑒 – Công suất hữu ích của động cơ và số vòng quay của trục khuỷu ứng với một điểm bất kỳ của đặc tính ngoài
𝑃 𝑒𝑚𝑎𝑥 , 𝑛 𝑒 𝑝 – Công suất có ích cực đại và số vòng quay ứng với công suất nói trên
Dưới đây là kết quả mô phỏng mô hình so với kết quả thực nghiệm tương đối được trình bày như bảng 4.1 n
Bảng 4.1: Công suất và mô men chạy mô phỏng so với thực nghiệm
Công suất (kW) Mô men (N.m)
Mô phỏng Thực nghiệm Sai số Mô phỏng
Dựa vào số liệu từ bảng và đồ thị so sánh, công suất mô phỏng cực đại đạt 74.81 kW tại 6000 rpm, với sai lệch 5.3% so với giá trị thực tế Mô men mô phỏng cực đại là 138.62 N.m ở cùng số vòng quay.
Mô hình mô phỏng bằng phần mềm AVL Boost cho kết quả với tốc độ 42000 vòng/phút và sai lệch 8.9% Kết quả này cho thấy độ chính xác tương đối cao, gần gũi với các giá trị công suất và mô men cực đại của động cơ thực tế được nhà sản xuất công bố.
Hình 4.1: Kết quả công suất động cơ mô phỏng so với thực nghiệm
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ (RPM)
Hình 4.2: Kết quả mô men động cơ mô phỏng so với thực nghiệm
4.1.2 Nhận xét tính năng kỹ thuật của động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng – ethanol
4.1.2.1 Áp suất trong lòng xylanh
Hình 4.3: Áp xuất trong lòng xylanh
Dựa vào đồ thị hình 4.3, áp suất trong lòng xylanh ở cùng một tốc độ quay của các loại nhiên liệu E0, E5, E10, E15 chỉ có sự chênh lệch không đáng kể Áp suất cực đại cao nhất thuộc về xăng E0, sau đó giảm dần khi sử dụng nhiên liệu E85 Nguyên nhân của sự giảm áp suất này cần được phân tích thêm.
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ (RPM)
Sự chênh lệch áp suất trong động cơ chủ yếu xuất phát từ đặc tính của ethanol Ethanol cháy chậm hơn xăng do có trị số Octan cao hơn, và nếu không thay đổi góc đánh lửa sớm, đỉnh của E85 sẽ xảy ra muộn hơn Khi piston dịch chuyển xuống, thể tích trong lòng xylanh tăng lên, dẫn đến áp suất giảm Do đó, việc pha trộn nhiều ethanol sẽ làm áp suất trong lòng xylanh có xu hướng giảm.
4.1.2.2 Công suất của động cơ
Kết quả công suất động cơ ở chế độ toàn tải sau quá trình mô phỏng trên phần mềm AVL cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các loại nhiên liệu, như được minh họa trong hình bên dưới.
Hình 4.4: Công suất có ích của động cơ ở chế độ toàn tải
Kết quả từ đồ thị cho thấy công suất có ích cao nhất khi sử dụng nhiên liệu xăng thông thường (E0) và giảm dần khi tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tăng lên Cụ thể, công suất trung bình trên toàn dải tốc độ giảm 1.38% với nhiên liệu E5, 3.26% với E10 và 5.57% với E15 so với E0 Mặc dù công suất giảm không đáng kể với E5, E10 và E15, nhưng khi sử dụng E85, công suất giảm mạnh đến 13.1% so với xăng truyền thống Bảng 4.2 trình bày giá trị công suất ứng với các tỷ lệ ethanol khác nhau ở các dải tốc độ động cơ.
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ (RPM)
Giá trị công suất của xăng sinh học giảm khi tăng tỷ lệ ethanol chủ yếu do nhiệt trị thấp của ethanol (khoảng 27 MJ/kg), thấp hơn nhiều so với xăng truyền thống (khoảng 44 MJ/kg) Khi hàm lượng ethanol tăng, nhiệt trị của hỗn hợp xăng – ethanol giảm, dẫn đến sự suy giảm công suất động cơ.
Bảng 4.2: Giá trị công suất của động cơ ứng với các tỷ lệ ethanol khác nhau
4.1.2.3 Mô men của động cơ
Kết quả mô men động cơ đạt được ở chế độ toàn tải sau khi mô phỏng trên phần mềm AVL cho các loại nhiên liệu được trình bày như hình bên dưới.
Hình 4.5: Mô men của động cơ ở chế độ toàn tải
Mô men động cơ đạt giá trị cao nhất khi sử dụng nhiên liệu xăng truyền thống (E0) Khi chuyển sang xăng sinh học với nồng độ thấp như E5, E10, và E15, mô men động cơ chỉ giảm nhẹ, cụ thể là 1.21%, 2.84%, và 4.83% so với E0 Đặc biệt, với xăng E85, mô men động cơ giảm tới 11.5% Các giá trị mô men ứng với tỷ lệ ethanol khác nhau ở các dải tốc độ động cơ được trình bày trong bảng 4.3.
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ (RPM)
Bảng 4.3: Giá trị mô men của động cơ ứng với các tỷ lệ ethanol khác nhau
4.1.2.4 Suất tiêu hao nhiên liệu
Kết quả suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở chế độ toàn tải đã được mô phỏng trên phần mềm AVL, cho thấy sự khác biệt giữa các loại nhiên liệu như hình bên dưới.
Hình 4.6: Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ
SU Ấ T TIÊU H A O N H IÊN LIỆU ( G /K WH )
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ (RPM)
Theo kết quả từ đồ thị và bảng số liệu, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tăng khi sử dụng xăng sinh học với tỷ lệ ethanol cao Cụ thể, khi sử dụng E85, suất tiêu hao nhiên liệu trung bình trên toàn dải tốc độ của động cơ tăng khoảng 49% so với E0 Trong khi đó, sự thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng E5, E10 và E15 không đáng kể, lần lượt là 1.96%, 4.1% và 6.77% so với xăng truyền thống.
Nhiên liệu ethanol có nhiệt hóa hơi cao hơn xăng truyền thống, với giá trị lần lượt là 840 kJ/kg và 270 kJ/kg, dẫn đến việc xăng – ethanol làm giảm nhiệt độ của môi chất nạp nhiều hơn Điều này ảnh hưởng đến quá trình cháy của động cơ, đòi hỏi mật độ khí nạp lớn hơn và lượng khí nạp mới tăng lên Do đó, khi sử dụng xăng sinh học với tỷ lệ ethanol cao, cần tiêu tốn nhiều nhiên liệu hơn Giá trị suất tiêu hao nhiên liệu ứng với các tỷ lệ ethanol khác nhau được trình bày trong bảng 4.4 theo các dải tốc độ động cơ.
Bảng 4.4: Giá trị suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ứng với các tỷ lệ ethanol khác nhau
Ảnh hưởng của nhiên liệu xăng – ethanol đến phát thải động cơ
Kết quả mô phỏng trên phần mềm AVL cho thấy suất lượng phát thải NOx của động cơ ở chế độ toàn tải tương ứng với các loại nhiên liệu khác nhau, như được minh họa trong hình bên dưới.
Hình 4.7: Lượng phát thải NO x
Dựa vào kết quả đồ thị và bảng số liệu bên dưới cho thấy, lượng phát thải khí xả
Sử dụng nhiên liệu xăng sinh học với tỷ lệ ethanol thấp hơn 15% dẫn đến sự gia tăng đáng kể lượng khí thải NOx Cụ thể, hàm lượng NOx khi sử dụng nhiên liệu E5, E10, E15 lần lượt tăng 15.08%, 34.95% và 62.47%, trong khi nhiên liệu E30 ghi nhận mức tăng mạnh mẽ lên tới 118% so với E0 Tuy nhiên, khi tỷ lệ ethanol vượt quá 30% thể tích, lượng khí thải lại có xu hướng giảm.
Hàm lượng NOx có xu hướng giảm khi sử dụng nhiên liệu chứa ethanol, với E50 giảm 5.3% và E85 giảm 15.7% so với E30 Bảng 4.5 trình bày giá trị phát thải NOx tương ứng với các tỷ lệ ethanol khác nhau ở các dải tốc độ động cơ.
Sử dụng nhiên liệu xăng sinh học với nồng độ ethanol thấp hơn 30% dẫn đến tăng lượng phát thải NOx do quá trình cháy của động cơ được cải thiện nhờ hàm lượng oxy cao hơn trong hỗn hợp xăng – ethanol Khi tỷ lệ ethanol tăng, nhiệt độ cháy của ethanol cũng tăng, dẫn đến sự gia tăng phát thải NOx so với việc sử dụng xăng truyền thống.
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ (RPM)
Sử dụng nhiên liệu E85 có nhiệt trị thấp nhất do thấp hơn nhiều so với các loại nhiên liệu khác Khi sử dụng E85, hỗn hợp nhiên liệu trở nên quá nhạt vì ethanol chứa oxy, dẫn đến lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg ethanol ít hơn so với xăng truyền thống Do đó, khi tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp, nhiệt độ cháy giảm, làm giảm nồng độ NOx của động cơ.
Bảng 4.5: Giá trị hàm lượng NO x của động cơ ứng với các tỷ lệ ethanol khác nhau
Kết quả mô phỏng trên phần mềm AVL cho thấy suất lượng phát thải CO của động cơ ở chế độ toàn tải với các loại nhiên liệu khác nhau như hình bên dưới.
Hình 4.8: Lượng phát thải CO
Bảng 4.6: Giá trị hàm lượng CO của động cơ ứng với các tỷ lệ ethanol khác nhau
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ (RPM)
Theo dữ liệu từ đồ thị và bảng số liệu, lượng phát thải CO giảm dần khi sử dụng nhiên liệu xăng sinh học với tỷ lệ ethanol cao hơn so với xăng truyền thống Cụ thể, khi sử dụng E5, E10, E15, lượng phát thải CO giảm lần lượt 4.43%, 8.9%, 14.7%, và với E85, lượng phát thải giảm mạnh đến 30.86% so với E0 Giá trị lượng phát thải CO tương ứng với các tỷ lệ ethanol khác nhau được trình bày chi tiết trong bảng 4.6.
Sử dụng xăng sinh học với tỷ lệ ethanol cao giúp giảm phát thải CO nhờ vào hàm lượng oxy có trong ethanol, cải thiện hỗn hợp xăng – ethanol Sự gia tăng oxy thúc đẩy quá trình oxy hóa CO trong quá trình xả của động cơ Thêm vào đó, ethanol (C2H5OH) chứa ít carbon hơn so với xăng (C8H18), góp phần vào việc giảm lượng khí thải này.
Kết quả mô phỏng lượng phát thải HC của động cơ ở chế độ toàn tải đã được thực hiện trên phần mềm AVL với các loại nhiên liệu khác nhau, như thể hiện trong hình bên dưới.
Hình 4.9: Lượng phát thải HC
Kết quả từ đồ thị và bảng số liệu cho thấy, lượng phát thải hydrocarbon (HC) của các loại nhiên liệu E5, E10, E15 có xu hướng giảm dần so với nhiên liệu truyền thống E0.
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ (RPM)
Khi hàm lượng ethanol tăng lên, cụ thể là E85, lượng khí xả HC giảm 12.1% so với E0 Giá trị phát thải HC tương ứng với các tỷ lệ ethanol khác nhau được trình bày trong bảng 4.7, cho thấy sự thay đổi ở các dải tốc độ động cơ.
Bảng 4.7: Giá trị hàm lượng HC của động cơ ứng với các tỷ lệ ethanol khác nhau
Kết luận chung
Dựa trên kết quả mô phỏng, việc sử dụng nhiên liệu xăng – ethanol với các nồng độ khác nhau ảnh hưởng đến các đặc tính kỹ thuật và phát thải của động cơ Cụ thể, khi sử dụng xăng sinh học với nồng độ dưới 15%, công suất và mô men giảm nhẹ nhưng vẫn đảm bảo các đặc tính kỹ thuật, đồng thời lượng phát thải giảm không đáng kể so với xăng truyền thống Ngược lại, với nồng độ trên 15%, khí thải có xu hướng giảm tích cực cho môi trường nhưng công suất và mô men giảm mạnh, cùng với việc suất tiêu hao nhiên liệu tăng Do đó, nhóm sinh viên đề xuất sử dụng nhiên liệu xăng sinh học nồng độ 10% (E10) là phương án tối ưu cho cả hiệu suất động cơ và bảo vệ môi trường.
Sử dụng nhiên liệu E10, các chỉ số khí thải, công suất, mô men và suất tiêu hao nhiên liệu của phương tiện ở mức trung bình so với các nồng độ khác, với công suất giảm 3.26%, mô men giảm 2.84%, và suất tiêu hao nhiên liệu tăng 4.1% Đồng thời, khí CO giảm 8.9%, NOx tăng 34.95%, và HC giảm 3.5% so với E0 Việc áp dụng E10 không yêu cầu nhiều thay đổi về thông số và chi tiết động cơ, đồng thời không đòi hỏi nhiều về vật liệu và công nghệ mới.