nghiên cứu mô phỏng động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hydroge

HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HYDROGEN GVHD : PGS... Trọng tâm của nghiên

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Lý do chọn đề tài

Môi trường là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống của chúng ta, là cơ sở cho sự tiến bộ của nền kinh tế - xã hội và văn hóa Tất cả mọi người cần phải có trách nhiệm bảo vệ môi trường chung để gìn giữ sự trong lành, sạch đẹp, bảo đảm sự ổn định tự nhiên, ngăn chặn cũng như giải quyết những hậu quả không khả quan đến môi trường

Tuy nhiên, hiện nay, ô nhiễm không gian sống đã trở thành mối quan ngại cấp bách, tác động nghiêm trọng đến sinh hoạt con người và sự tiến bộ lâu dài Một trong những nguyên nhân cốt lõi dẫn đến hiện trạng này là sự phát thải khói bụi và khí thải có hại từ phương tiện vận tải giao thông

Nhưng không thể phủ nhận rằng động cơ đốt trong chịu trách nhiệm thiết yếu trong cuộc sống hiện đại, hỗ trợ xúc tiến kinh tế - xã hội mở rộng Tuy thế, sự tăng trưởng đáng kể của các phương tiện đi lại, nổi bật là phương tiện sử dụng động cơ đốt trong, đã dẫn đến những hệ lụy nặng nề cho hệ sinh thái

Theo dữ liệu, nguồn khí thải từ xe cộ và phương tiện di động đạt mức 70% khí thải ở các khu thành thị Khi vận hành, các phương tiện này thải ra một khối lượng đáng kể của các chất ô nhiễm như bụi mịn, CO, VOC, NO2, Các chất này không chỉ gây ô nhiễm không khí mà còn tác động trực tiếp đến hệ hô hấp, tim mạch, ung thư,

Tại Việt Nam, mức độ leo thang của ô nhiễm chất lượng không khí khá cao, điển hình là tại các thành phố đông đúc như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh Lý do hàng đầu là do hiện trạng giao thông tắc nghẽn, số lượng phương tiện đông đúc, cùng với việc tận dụng nhiên liệu hóa thạch không tái tạo

Tình hình ô nhiễm môi trường gây ra bởi hoạt động giao thông dẫn đến nhiều hệ lụy nghiêm trọng như gây ùn tắc giao thông Tăng cường về mặt phương tiện giao thông dẫn đến tình hình ùn tắc giao thông, gây tiêu tốn chi phí đi lại, tác động tới chất lượng đời sống Thêm nữa, còn tạo ra sự biến đổi khí hậu khi khí thải CO2 làm gia tăng hiệu ứng nhà kính, từ đó thay đổi đổi khí hậu, tác động lên hệ sinh thái và cuộc sống sinh

2 hoạt con người Ngoài ra còn gây lãng phí tài nguyên vì việc tiêu thụ các nguồn năng lượng không tái tạo một cách lãng phí ảnh hưởng đến sự an toàn và bảo vệ năng lượng của quốc gia

Nhằm chung tay bảo vệ môi trường, các doanh nghiệp ô tô đang nỗ lực tối ưu hóa hiệu quả động cơ, giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm thiểu khí thải độc hại Nhiều giải pháp được thực hiện, tính cả thay đổi cấu trúc động cơ, áp dụng bộ xúc tác giải quyết khí thải, và phát triển xe điện Trong số đó, việc sử dụng nhiên liệu thay thế được đánh giá cao, và Hydrogen nổi lên như một lựa chọn tiềm lực với điểm mạnh thân thiện với môi trường và nguồn cung dồi dào Nhận thức được sự cấp bách của tình hình ô nhiễm môi trường và xu hướng cải tiến khí thải của các hãng xe, nhóm sinh viên đã quyết định lựa chọn đề tài "Nghiên cứu mô phỏng động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu Hydrogen".

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là tìm hiểu cơ sở lý thuyết về động cơ xăng truyền thống chuyển sang sử dụng nhiên liệu Hydrogen Trên cơ sở nghiên cứu đó, ứng dụng trên phần mềm AVL BOOST để mô phỏng động cơ sử dụng nhiên liệu Hydrogen Đánh giá hiệu suất và phát thải của động cơ 2AR-FE khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu Hydrogen

• Tìm hiểu tổng quan đề tài

• Cơ sở lý thuyết về nhiên liệu Hydrogen

• Mô phỏng mô hình động cơ 2AR-FE trên phần mềm AVL BOOST

• Ứng dụng phần mềm vào việc mô phỏng động cơ 2AR-FE sử dụng nhiên liệu Hydrogen

• Đánh giá, kết luận và kiến nghị

1.2.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Mô hình động cơ sử dụng Hydrogen trên phần mềm AVL BOOST

• Phương tiện sử dụng nhiên liệu thay thế

• Sử dụng phần mềm AVL BOOST để mô phỏng động cơ

• Đánh giá hiệu suất động cơ

• Đo lường lượng khí thải từ động cơ.

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết: Áp dụng nền tảng đã được học đồng thời thu thập, tập hợp các tư liệu có tương quan, phân tích, nghiên cứu để xây dựng khung lý thuyết, sử dụng như một cơ sở cho việc nghiên cứu

- Phương pháp tìm kiếm và tra cứu tài liệu: thư viện, sách giáo trình, mạng Internet,

- Phương pháp mô phỏng: Nghiên cứu và thiết kế mô hình động cơ xăng trên phần mềm AVL BOOST và đồng thời sử dụng chỉ số kỹ thuật của động cơ 2AR-FE kết hợp việc phối trộn nhiên liệu Hydrogen để mô phỏng, thẩm định một số thành quả

- Phương pháp chuyên gia: Tham khảo góc nhìn trực tiếp từ giảng viên hướng dẫn - PGS.TS Lý Vĩnh Đạt.

Bố cục của đề tài

Chương 1: Tổng quan về đề tài - lý do chọn đề tài, mục đich và nhiệm vụ nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và bố cục của đề tài.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về nhiên liệu Hydrogen

2.1.1 Thực trạng và tính cấp thiết trong việc nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu Hydrogen

Trong khuôn khổ công nghiệp hóa đương đại, năng lượng và nhiên liệu có tầm quan trọng không thể phủ nhận trong việc định hình sự tiến triển kinh tế - xã hội của từng quốc gia Đồng thời, với sự tăng lên đáng kể của quá trình đô thị hóa, đời sống của con người đang được nâng cao Sự tiến triển này đồng nghĩa với việc đòi hỏi về giao thông và vận tải trên liên lục địa, nổi bật ở các nước kinh tế mới nổi, đang tăng trưởng một cách vượt bậc Số lượng phương tiện tăng lên không ngừng, dẫn đến việc tiêu thụ nhiên liệu tương ứng cũng tăng mạnh

Hình 2.1: Tiêu thụ khí tự nhiên trên thế giới [10]

6 Đáp ứng nhu cầu về nguồn cung năng lượng, các nước trên Trái Đất đang gia tăng khai khẩn và dùng tất cả các nguồn năng lượng hiện có Trong số đó, hoạt động khai thác và tiêu dùng năng lượng từ các tài nguyên hóa thạch đang diễn ra bừa bãi, làm cho tình trạng lụi tàn dần và không thể làm mới được Hoạt động tiêu thụ năng lượng từ các nguồn hóa thạch cũng đồng thời là nguyên nhân chính gây ra tình trạng hủy hại môi trường và lệch pha khí hậu toàn cầu, khiến cho hành tinh chúng ta đang nóng lên và gặp phải hiện tượng "hiệu ứng nhà kính" Lượng phát thải khí giữ nhiệt và khí carbon dioxide có thể thấy thông qua biểu đồ:

Theo báo cáo của Tổng cục Thống kê, vào tháng 12/2023 ngành ô tô Việt Nam chứng kiến đà tăng trưởng nhẹ, tổng lượng xe mới được bổ sung lên 38.600 chiếc, tăng 4% khi đối chiếu với tháng 11 và tăng 18,5% khi đối chiếu với cùng giai đoạn năm 2022 Với con số 38.600 chiếc được bổ sung, tháng 12 ghi nhận số lượng xe lắp ráp trong nước cao nhất tính từ đầu 2023

Theo báo cáo của Ủy ban An Toàn Giao Thông Quốc gia, năm 2023 trên cả nước đăng ký mới 408.542 xe ô tô, 2.447.977 mô tô, xe gắn máy Lũy kế tổng số xe đã đăng

Hình 2.2: Lượng phát thải khí nhà kính theo từng ngành qua các năm [11]

7 ký cập nhật đến cuối 2023 tại Việt Nam là 6.312.439 ô tô, 74.343.176 mô tô, xe gắn máy Để đảm bảo sự an toàn về năng lượng cũng như giảm thiểu ô nhiễm môi trường, cần áp dụng các cách thức hiệu ích, trong đó các biện pháp cắt giảm lượng khí thải từ các phương tiện di chuyển di chuyển là nhiệm vụ then chốt Trên toàn thế giới, nhiều đất nước và hãng xe lớn đã tích lỹ vào tìm kiếm giải pháp giao thông vận tải thân thiện với môi trường Trong số này, nhiên liệu Hydrogen đang được chú trọng

Loại bỏ nhiên liệu hóa thạch, áp dụng nhiên liệu Hydrogen mang lại lợi ích kép cho môi trường và kinh tế Hydrogen được coi là một lựa chọn hấp dẫn vì nó không gây ra khí thải carbon dioxide khi đốt cháy, giúp giảm nhiễm bẩn không khí và ổn định biến đổi khí hậu Bên cạnh đó, nhiên liệu Hydrogen có khả năng tái tạo từ các nguồn năng lượng tái tạo như mặt trời, gió và thủy điện, tạo ra một chu trình sạch sẽ và bền vững cho ngành vận tải

Việt Nam với tiềm năng trong chuyên môn năng lượng tái tạo, có hoàn cảnh tốt để phát triển nhiên liệu Hydrogen Với nguồn lực dồi dào từ năng lượng mặt trời, gió, và sự giúp đỡ từ chính quyền và sự đầu tư của các công ty, Việt Nam có lợi thế tận dụng để phát triển nhiên liệu Hydrogen và thúc đẩy sự đổi mới sang nguồn năng lượng sạch trong ngành giao thông Điều này ngoài việc hoàn thiện giá trị không khí còn đóng góp vào kế hoạch chiến lược hướng đến việc bảo vệ môi trường và thúc đẩy sự phát triển xanh cho quốc gia

Hình 2.3: Tổng số lượng phương tiện tại Việt Nam [12]

2.1.2 Khái quát về nhiên liệu Hydrogen

Hydrogen (H2) đóng vai trò nền tảng cho sự hình thành và cấu tạo của vũ trụ, chiếm khoảng 90% về số lượng và 75% về trọng lượng Nó thường tạo thành hợp chất với các nguyên tố khác, ví dụ như oxy để tạo ra nước (H2O), hoặc với carbon để tạo ra các hợp chất hữu cơ, quan trọng cho sự sống trên Trái Đất

Hydrogen không mùi, không màu, nhẹ hơn không khí và cực kỳ dễ bắt lửa Vì thế, nó hiếm khi xuất hiện dưới dạng phân tử nguyên chất trong tự nhiên Tuy nhiên, Hydrogen lại có hoạt động hóa học mạnh, đặc biệt với oxy, giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt hoặc điện:

Chính điểm này khiến Hydrogen trở thành nguồn năng lượng tiềm năng to lớn cho tương lai, hứa hẹn giải quyết bài toán cạn kiệt tài nguyên hóa thạch và giảm thiểu suy thoái môi trường sống

Hydro dưới điều kiện tiêu chuẩn, nó hiện hữu ở dạng khí hai nguyên tử với công thức H2 Khí này không mùi, không màu, dễ bén lửa, với điểm sôi là -252,87 °C, nhiệt độ hóa lỏng là -259,14 °C Tinh thể của hydro có kết cấu dạng lục phương và có hóa trị là 1, có khả năng tham gia phản ứng với các nguyên tố khác

Bảng 2.1: Đặc tính nhiên liệu của Xăng và Hydrogen Đặc tính Đơn vị Hydrogen Xăng

Tỷ lệ không khí/nhiên liệu - 34.3 14.7

Nhiệt trị thấp MJ/kg 119.9 43.9

Nhiệt độ cháy đoạn nhiệt K 2480 2580

Hàm lượng nguyên tố Oxy % 0 < 2.7

2.1.4 Ưu và nhược điểm của nhiên liệu Hydrogen

- Khi sử dụng thì Hydrogen chỉ sinh ra nước và năng lượng, không tạo ra chất gây hại nào cho môi trường cũng như không sinh ra CO2 gây ra các tác động đến khí hậu toàn cầu Năng lượng từ Hydrogen có thể được coi là gần như không giới hạn hoặc có khả năng tái sinh

- Năng lượng Hydrogen giúp giảm phát thải carbon trong các ngành công nghiệp, giúp cải thiện chất lượng không khí môi trường và sức khỏe của cộng đồng

- Năng lượng Hydrogen sở hữu những đặc tính an toàn vượt trội so với các loại nhiên liệu truyền thống Hydrogen có khả năng khuếch tán nhanh, bay hơi gần như hoàn toàn, có phạm vi nguy hiểm hạn chế và có thể dễ dàng phát hiện rò rỉ Nhờ những ưu điểm này, Hydrogen được xem là nguồn năng lượng tiềm năng và an toàn cho tương lai

- Với tính chất nhẹ và dễ bay hơi, Hydrogen cần được lưu trữ dưới dạng khí hóa lỏng trong các bình khí nén áp suất cao Tuy nhiên, công nghệ và thiết bị để lưu trữ Hydrogen vẫn đang đối mặt với hạn chế về công suất

- Mặc dù nguồn Hydrogen không hạn chế, quá trình điện phân để sản xuất vẫn đòi hỏi chi phí khá cao Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đang tiếp tục nghiên cứu để giảm chi phí của quá trình này

Tổng quan về động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu Hydrogen

Hai công nghệ chính dựa trên hydrogen đã được sử dụng cho xe là: pin nhiên liệu hydro (HFC) và động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu hydro (H2ICE)

Xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro (HFC) mang lại nhiều tiềm năng hơn với hiệu suất hiện tại lên tới 60%; tuy nhiên, việc sử dụng kim loại đất hiếm trong các loại FC khác nhau sẽ làm tăng chi phí và tạo ra yếu tố hạn chế về khả năng sản xuất Một số loại màng trong pin nhiên liệu có thể bị hư hỏng do sử dụng hydro chất lượng kém, làm rút ngắn tuổi thọ của ngăn xếp pin nhiên liệu Các nghiên cứu đã được tiến hành nhằm cải thiện hoạt động và tăng hiệu suất và tuổi thọ của FC

Mặt khác, ICE chạy bằng nhiên liệu hydro (H2ICE) có hiệu suất đạt được thấp từ 20–25%, đây là nguyên nhân gây ra vấn đề khi xem xét khả năng lưu trữ hydro hiện tại ở cả trạng thái khí và lỏng Phạm vi lái xe ngắn hơn so với các loại xe ICE chạy bằng xăng khiến H2ICE kém hấp dẫn hơn đối với người tiêu dùng Hiệu suất kém của H2ICE và khả năng lưu trữ thấp cộng với việc thiếu cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu hydro khiến loại động cơ này không khả thi vào thời điểm này Các nghiên cứu đã chỉ ra các phương pháp nâng cao hiệu suất của hydro ICE để làm cho việc ứng dụng hydro trong các phương tiện ICE trở nên khả thi đối với các phương tiện hạng nhẹ và hạng nặng Để bổ sung khả năng lưu trữ hydro vẫn còn thấp, một số nghiên cứu đã nghiên cứu việc sử dụng ICE bằng nhiên liệu kép giữa nhiên liệu hóa thạch và hydro

So với động cơ xăng, hàm lượng năng lượng cao của H2ICE kết hợp với các đặc tính vật lý và hóa học của chúng cho phép các động cơ này hoạt động hiệu quả hơn trên hỗn hợp rất loãng Hydro có độ khuếch tán lớn hơn, năng lượng đánh lửa thấp hơn nhiều (0,02 MJ) và nhiệt độ đánh lửa cao hơn so với các loại nhiên liệu khác Do mật độ hydro thấp nên có hai vấn đề chính nảy sinh khi sử dụng nó trong ICE Đầu tiên, để chiếc xe có khả năng chạy được một quãng đường phù hợp thì cần phải có một dung tích chứa nhiên liệu đủ lớn Thứ hai, công suất sinh ra bị giảm đi do mật độ năng lượng của hỗn hợp hydro/không khí

2.2.1 Động cơ đốt trong chỉ sử dụng Hydrogen

Vì chỉ số octan của hydro cao hơn so với nhiên liệu xăng nên nó có thể được coi là ứng cử viên nặng ký để sử dụng trong động cơ đốt trong Một số đặc tính của hydro, chẳng hạn như độ khuếch tán cao hơn so với xăng và metan, yêu cầu năng lượng đánh lửa thấp hơn và tốc độ cháy cao hơn là những điều mong muốn đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức (SI) Vì tốc độ ngọn lửa hydro cao hơn khoảng năm lần so với xăng và metan và cao hơn mười lần so với động cơ diesel, nên động cơ SI chạy bằng nhiên liệu hydro có thể chạy với những biến thiên theo chu kỳ thấp hơn

Hydro trong động cơ SI được sử dụng theo một trong các cách sau:

- Phun tại họng nạp: Hydro ở nhiệt độ thấp được bơm vào đường ống nạp thông qua một đường dẫn được điều khiển bằng van

- Phun trực tiếp: Bình đông lạnh dùng để chứa hydro Một máy bơm sẽ đưa hydro lỏng tới bộ trao đổi nhiệt để làm bay hơi nó và sau đó khí hydro lạnh được phun vào động cơ Bằng cách sử dụng khí hydro lạnh, có thể tránh được hiện tượng đánh lửa sớm và giảm sự hình thành NOx trong quá trình đốt cháy

- Trộn hydro vào xăng: Trong phương pháp này, hỗn hợp xăng-hydro được đưa vào ICE nơi hỗn hợp nén được đốt cháy bằng tia lửa điện

Hydro cũng có thể được sử dụng trong động cơ đánh lửa do nén (CI) Công suất được tạo ra từ động cơ CI đã được phát hiện là gấp đôi so với công suất của động cơ tương tự hoạt động trong hệ thống trộn sẵn Trong động cơ CI sử dụng hydro, một kim phun được sử dụng để bơm hydro áp suất cao vào xi lanh Do đó, không chỉ thiết kế kết cấu động cơ là quan trọng mà thiết kế kim phun cũng rất quan trọng

20 Trong cấu trúc H2ICE tăng áp, buồng nén khí hydro được sử dụng để tăng áp suất khí nạp/hydro nhằm tối đa hóa công suất động cơ đốt trong Trong điều kiện này, áp suất hydro được tăng lên để đạt được hiệu suất thể tích hydro gần với nhiên liệu xăng hơn

Sử dụng hydro lỏng là một phương pháp khác không đòi hỏi những thay đổi đáng kể trong ICE thông thường Trong hệ thống này, hydro hóa lỏng được bơm vào buồng giãn nở để chuyển thành khí hydro lạnh và cuối cùng được dẫn vào buồng đốt Sử dụng hydro lạnh làm giảm phát thải NOx cũng như hiện tượng đánh lửa sớm

Hình 2.14: Sơ đồ động cơ đốt trong Hydro tăng áp [23]

Hình 2.15: Sơ đồ động cơ đốt trong sử dụng Hydro lỏng [23]

2.2.2 Động cơ đốt trong sử dụng Hydrogen trộn với nhiên liệu hóa thạch

Việc sử dụng nhiên liệu hydro trong ICE gần đây đã được nghiên cứu, điều này đã cho thấy một số rào cản thực tế như cơ sở hạ tầng sản xuất, lưu trữ và cung cấp nhiên liệu hydro đang ngăn cản sự phát triển nhanh chóng của công nghệ này Do đó, ở bước hiện tại, sử dụng hydro làm chất phụ gia cho nhiên liệu hydrocarbon trong ICE là phương pháp có thể thúc đẩy việc sử dụng hydro trong động cơ vận tải Động cơ đốt trong không cần khí hydro tinh khiết để phát điện như pin nhiên liệu; do đó, khí oxyhydrogen có thể được sử dụng làm loại nhiên liệu bổ sung cho quá trình đốt cháy Khí oxyhydrogen (HHO) là chất phụ gia hiệu quả trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch vì nó chỉ có hai nguyên tử dễ cháy, trong khi nhiên liệu hydrocarbon bao gồm hàng nghìn phân tử carbohydrate Khí HHO đã được quan sát là làm tăng hiệu suất nhiệt của động cơ cũng như giảm mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể Một lợi ích khác của việc đưa khí HHO vào quá trình đốt là giảm lượng hydrocarbon không cháy hết trong khí thải

Mặc dù việc bổ sung hydro vào nhiên liệu hóa thạch đã chứng minh một số lợi ích, nhưng việc cải thiện hiệu suất của ICE không được đảm bảo chỉ bằng cách trộn hydro với nhiên liệu hóa thạch Một số yếu tố thiết kế và thông số vận hành cần được tối ưu hóa để đạt được hỗn hợp hydro/nhiên liệu mong muốn Giảm thời gian đốt và tăng nhiệt độ trong chu trình trong ICE là hậu quả chính của việc bổ sung hydro vào nhiên liệu thông thường; do đó, dự kiến sẽ có quá trình đốt cháy hoàn toàn với hiệu suất cao hơn và lượng phát thải CO và UHC thấp hơn Tuy nhiên, do nhiệt độ cháy cao ở điều kiện này nên tốc độ hình thành NOx cao hơn là điều khó tránh khỏi Do đó, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để xác định điều kiện tối ưu của ICE khi hydro được thêm vào nhiên liệu thông thường

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ HYDROGEN TRÊN PHẦN MỀM AVL BOOST

Phần mềm AVL BOOST

3.1.1 Giới thiệu phần mềm AVL BOOST

AVL BOOST là chương trình mô phỏng động cơ nhiệt động học và trao đổi khí tiên tiến, cung cấp khả năng phát triển mô hình động cơ đầy đủ một cách linh hoạt và chính xác Với giao diện trực quan và kho công cụ phong phú, BOOST giúp bạn tăng cường hiệu suất động cơ, giảm khí thải và thúc đẩy cải tiến công nghệ trong ngành công nghiệp ô tô và lĩnh vực liên quan

Khả năng mô phỏng toàn diện:

• Mô phỏng chu trình động cơ chi tiết: Lập mô hình chính xác các phản ứng hóa học và hiện tượng vật lý xảy ra trong chu trình làm việc của động cơ - bao gồm nạp khí, nén, cháy, giãn nở và xả khí

• Mô phỏng trao đổi khí: Phân tích chi tiết tương tác giữa động cơ và môi trường qua quá trình trao đổi khí: Ảnh hưởng lên hiệu suất và khí thải

• Mô phỏng cháy: Mô phỏng sự cháy nhiên liệu phức tạp, bao gồm tốc độ cháy, nhiệt độ cháy và hình thành khí thải

• Mô phỏng nhiên liệu: Mô phỏng quá trình hoạt động của hệ thống phun nhiên liệu và bơm nhiên liệu, đảm bảo cung cấp nhiên liệu chính xác và hiệu quả

• Mô phỏng hệ thống khí thải: Phân tích chi tiết thành phần và lượng khí thải động cơ, hỗ trợ tuân thủ các quy định về khí thải ngày càng nghiêm ngặt

• Nâng cao hiệu suất động cơ: Xác định và khắc phục những yếu tố có thể ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của động cơ, giúp cải thiện hiệu suất và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu

• Giảm thiểu khí thải động cơ: Phân tích chi tiết nguồn gốc và thành phần khí thải, hỗ trợ phát triển biện pháp giảm thiểu khí thải đạt hiệu quả cao

• Thúc đẩy đổi mới: Thử nghiệm và đánh giá các thiết kế động cơ mới, các loại nhiên liệu thay thế và công nghệ mới nhanh chóng và tiết kiệm chi phí

• Rút ngắn thời gian phát triển: Tăng tốc quy trình phát triển thông qua mô phỏng động cơ và tối ưu hóa hiệu suất trước khi chế tạo và thử nghiệm thực tế Ứng dụng rộng rãi:

• Thiết kế và phát triển động cơ mới: Tạo dựng và đánh giá các thiết kế động cơ mới một cách hiệu quả, tăng cường hiệu suất và hạn chế khí thải ngay từ giai đoạn đầu

• Cải thiện hiệu suất động cơ hiện có: Phân tích và tối ưu hóa động cơ hiện có để nâng cao hiệu suất, giảm tiêu thụ nhiên liệu và hạn chế phát thải

• Nghiên cứu nhiên liệu và công nghệ động cơ mới: Đánh giá hiệu quả của các nhiên liệu mới và công nghệ tiên tiến cho động cơ trong môi trường mô phỏng

• Giáo dục: Cung cấp nền tảng mô phỏng thực tế cho sinh viên và kỹ sư về nguyên lý và hiệu suất làm việc của động cơ

AVL Boost là chương trình mô phỏng hoạt động của động cơ nhiệt động học và trao đổi khí tiên tiến, cung cấp cho bạn khả năng mô phỏng và cải thiện hiệu quả hoạt động cho các dạng động cơ khác nhau với độ chính xác cao Dưới đây là các tính năng đặc trưng của AVL Boost:

1 Khả năng mô phỏng đa dạng:

• Hỗ trợ mô phỏng nhiều loại động cơ phổ biến, các dạng động cơ bao gồm 2 kỳ,

4 kỳ, có hoặc không tăng áp và nhiều loại khác

• Cho phép người dùng nắm bắt các đặc tính cụ thể của từng loại động cơ, giúp cung cấp các phương án tối ưu hóa hiệu quả hơn

2 Mô phỏng linh hoạt các trạng thái hoạt động:

• Khả năng mô phỏng đa dạng các chế độ hoạt động của động cơ, bao gồm khởi động, tăng tốc, tải trọng cao và tải trọng thấp

• Cho phép người dùng đánh giá hiệu suất động cơ trong nhiều điều kiện hoạt động thực tế

3 Tính toán và tối ưu hóa toàn diện:

• Cung cấp các tính toán chi tiết về sự cháy và quá trình trao đổi khí, phát thải độc hại và các thành phần then chốt khác trong hoạt động của động cơ

• Hỗ trợ cải tiến hiệu suất động cơ và giảm khí thải và tiết kiệm nhiên liệu

4 Khả năng kết nối mở rộng:

• Có thể liên kết với các phần mềm khác để sử dụng dữ liệu động trong quá trình mô phỏng, hỗ trợ tích hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau

• Tạo môi trường thuận lợi để nghiên cứu và phát triển động cơ hiệu quả và tiết kiệm hơn

Cơ sở lý thuyết tính toán trên phần mềm AVL BOOST

3.2.1.1 Định luật nhiệt động thứ nhất

Quá trình cháy trong động cơ đốt trong biến đổi năng lượng hóa học thành nhiệt năng mà không phản ứng ngược Xác định các sản phẩm trung gian và hiểu rõ cơ chế phản ứng để đánh giá trạng thái của môi chất trong quá trình cháy Dù vậy, định luật nhiệt động học thứ nhất vẫn được áp dụng để liên kết trạng thái ban đầu và kết thúc của quá trình cháy, dựa trên sự thay đổi của nội năng với nhiệt và công Định luật nhiệt động học thứ nhất đối với chu trình áp suất cao phát biểu rằng sự thay đổi năng lượng bên trong trong xi lanh bằng tổng công của piston, nhiệt lượng nhiên liệu đưa vào, tổn thất nhiệt ở thành xi lanh và dòng enthanpy do lọt khí

Theo nguyên lý cân bằng năng lượng trong xylanh động cơ, sự biến thiên về khối lượng môi chất bên trong xylanh được xác định bằng cách trừ tổng khối lượng môi chất thải ra khỏi tổng khối lượng môi chất đưa vào

Hình 3.1: Mô hình nhiệt động trong xylanh

𝑑𝛼 : Sự thay đổi nội năng của xylanh

𝑑𝛼 : Hao tổn Enthanpy do lọt khí

𝑚 𝑐 : Khối lượng chất trong xylanh

𝑄 𝐹 : Năng lượng nhiệt từ nhiên liệu

𝑄 𝑤 : Năng lượng mất qua vách

𝑑𝛼 : Sự thay đổi khối lượng dòng chảy

𝑑𝑚 𝑖 : Khối lượng đưa vào xylanh

𝑑𝑚 𝑒 : Khối lượng đi ra khỏi xylanh

ℎ 𝑖 : Enthanpy của khối lượng đi vào xylanh

ℎ 𝑒 : Enthanpy của khối lượng đi ra khỏi xylanh

𝑞 𝑒𝑣 : Nhiệt hóa hơi của nhiên liệu

𝑓 : Phần nhiệt hóa hơi khi nạp vào xylanh

𝑚 𝑒𝑣 : Lượng nhiên liệu hóa hơi

Công thức này có thể được sử dụng cho cả hai tình huống, khi hỗn hợp nhiên liệu được tạo thành cả bên trong và bên ngoài xylanh Tuy nhiên, cách hình thành hỗn hợp khí trong hai tình huống này là khác nhau Đối với sự hình thành hỗn hợp khí bên trong xylanh:

1 Nhiên liệu được đưa vào xylanh và cháy ngay lập tức

2 Sản phẩm cháy hòa trộn ngay lập tức với khí nạp vào, tạo thành một hỗn hợp đồng nhất

3 Tỷ số A/F giảm dần từ giá trị lớn nhất ở thời điểm bắt đầu quá trình cháy đến giá trị cuối cùng ở điểm kết thúc quá trình Đối với sự hình thành hỗn hợp khí bên ngoài xylanh:

1 Hỗn hợp là đồng nhất ở thời điểm bắt đầu quá trình cháy

2 Tỷ lệ A/F không thay đổi trong suốt quá trình cháy

3 Hỗn hợp cháy và không cháy có cùng nhiệt độ và áp suất, dù có các thành phần khác nhau

Từ Phương trình, sử dụng phương pháp Runge – Kutta Để xác định nhiệt độ bên trong xylanh, từ đó sẽ xác định được áp suất thông qua phương trình trạng thái

3.2.1.2 Lưu lượng dòng khí nạp

Vận tốc nạp tại các cửa hút và cửa xả được tính dựa trên phương trình dòng chảy đẳng entropy, trong đó hệ số cản dòng phụ thuộc vào đường kính họng Sử dụng phương trình năng lượng cho dòng chảy ổn định tại cửa hút và phương trình lưu lượng dòng khí nạp ta thu được:

𝑇 𝑜1 : Nhiệt độ miệng hút Ψ: Đối với dòng có vận tốc dưới âm thanh Ψ = √ 𝑘

𝑝 2 : Áp suất tĩnh sau miệng hút

𝑘 : Tỉ số nhiệt dung Đối với dòng có vận tốc âm thanh Ψ = Ψ 𝑚𝑎𝑥 = ( 2

Tiết diện lưu thông hiệu dụng có thể được xác định từ hệ số 𝜇𝜎

4 (3.7) μσ : Hệ số dòng chảy tại miệng cửa

𝑑 𝑣𝑖 : Đường kính đế xupap Đường kính đế xupap dùng cho việc xác định độ nâng van định mức được thể hiện trong hình sau:

Hình 3.2: Đường kính đế xupap

Quá trình cháy đa dạng với nhiều yếu tố ảnh hưởng, và phần mềm AVL Boost sử dụng các hiệu ứng tỏa nhiệt, quá trình cháy lý thuyết, hoặc quá trình cháy do người sử dụng đưa vào, hoặc hiệu ứng tỏa nhiệt dự tính để mô tả Trong số các phương pháp này, phương trình cháy Vibe là phương tiện phổ biến và tiện lợi nhất

Quy luật cháy Vibe đặc trưng bởi điểm bắt đầu cháy, thời gian cháy, và tham số

"m" Tuỳ thuộc vào điều kiện làm việc, những tham số này có thể giữ ổn định hoặc thay đổi và được quy định bằng phương trình tương ứng:

𝑄 : Năng lượng nhiệt do nhiên liệu sinh ra

𝛼 : Góc quay trục khuỷu (độ)

𝛼 𝑜 : Điểm bắt đầu cháy (độ)

𝑎 : Tham số Vibe a = 6.9 (cháy hoàn toàn)

33 Tích phân phương trình (3.8), ta có:

𝑥 : Tỷ lệ phần trăm của khối lượng chất liệu được đốt cháy

Hình 3.3 thể hiện sơ đồ gần đúng của lượng nhiệt giải phóng thực tế của động cơ

DI Diesel bằng mô hình Vibe

Hình 3.3: Ước tính lượng nhiệt tỏa ra đo được

34 Hình 3.4 là đồ thị minh họa sự tương quan của tham số hình dạng “m” đến hình dạng Vibe

3.2.2.2 Mô hình cháy Vibe 2 vùng

Quá trình mô phỏng sử dụng mô hình cháy Vibe 2 vùng (Two Zone Vibe) Đây là một mô hình tính toán tốc độ giải phóng nhiệt cho động cơ, xem xét các yếu tố như hình dạng của buồng cháy, thời điểm phun, thành phần của khí nạp và mức độ chuyển động xoáy lốc

Mặt khác về tỷ lệ giải phóng nhiệt, do đó khối lượng thành phần đốt cháy được xác định bởi lý thuyết Vibe Tuy nhiên, giả định rằng các vùng nhiên liệu bị cháy hay không cháy nhiệt độ đều bị giảm xuống vì vậy định luật động lực học thứ nhất có thể được áp dụng trong trường hợp này:

Hình 3.4: Ảnh hưởng của tham số hình dạng "m" đến hình dạng Vibe

35 Trong đó: b : Khu vực cháy u : Khu vực chưa cháy

𝑑𝛼 : Bao gồm dòng chảy enthalpy từ vùng cháy đến khu vực không cháy để chuyển tia lửa cho các sản phẩm đốt cháy Thông lượng nhiệt giữa hai vùng được bỏ qua

Ngoài ra, tổng thể tích thay đổi phải bằng thể tích xylanh, tổng thể tích 2 vùng phải bằng thể tích xylanh

Tổn thất nhiệt qua vách hoặc sự lan truyền của nhiệt từ trong buồng đốt cháy đến các phần khác của động cơ như nắp xylanh, piston và lớp lót xylanh, được tính dựa trên phương trình truyền nhiệt sau:

𝑄 𝑤𝑖 : Năng lượng nhiệt truyền qua các phần khác của động cơ

𝐴 𝑖 : Diện tích truyền nhiệt (nắp xylanh, piston, lót xylanh)

𝑇 𝑐 : Nhiệt độ môi chất trong xylanh

𝑇 𝑤𝑖 : Nhiệt độ thành (nắp xylanh, piston, lót xylanh)

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 xylanh tại ĐCT

𝑇 𝐿,Đ𝐶𝐷 : Nhiệt độ xylanh tại ĐCD x: Dịch chuyển tương đối của piston

Hệ số truyền nhiệt theo mô hình Woschni 1978 được tính theo công thức sau:

𝐶 2 = 0.00324 đối với động cơ phun trực tiếp (DI)

𝐶 2 = 0.00622 với động cơ phun gián tiếp (IDI)

𝑐 𝑚 : Vận tốc trung bình của piston

𝑛 𝑑 : Vận tốc xoáy của môi chất, 𝑛 𝑑 = 8,5𝑛

𝑉 𝐷 : Thể tích công tác của 1 xylanh

𝑝 𝑐 : Áp suất môi chất trong xylanh

𝑇 𝑐,1 : Nhiệt độ hỗn hợp trong xylanh tại thời điểm van nạp đóng

𝑝 𝑐,1 : Áp suất hỗn hợp trong xylanh tại thời điểm van nạp đóng

3.2.3.2 Truyền nhiệt tại của nạp và cửa thải

Trong quá trình quét khí, Quá trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và cửa xả có thể lớn hơn đáng kể so với dòng chảy trong đường ống, do hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ cao tại vùng giữa xupap và đế xupap Trong AVL Boost, mô hình Zapf được sử dụng để tính toán cho quá trình này

Hệ số trao đổi nhiệt 𝛼 𝑝 phụ thuộc vào hướng dòng chảy (vào hoặc ra khỏi xylanh), đối với dòng chảy ra:

Và đối với dòng chảy vào:

𝛼 𝑝 : Hệ số trao đổi nhiệt tại cửa

𝑐 𝑝 : Nhiệt dung riêng đẳng áp

𝑑 𝑣𝑖 : Đường kính trong của đế xupáp

𝐴 𝑤 : Diện tích tiết diện lưu thông

𝑇 𝑢 : Nhiệt độ trước cửa m : Lưu lượng khối lượng

Bảng 3.3: Hệ số của phương trình trao đổi tại cửa nạp và cửa thải

• Quá trình cháy lý tưởng tạo CO2, H2O, N2 Tuy nhiên, thực tế khí thải chứa nhiều chất độc hại như NOx, CO, HC do hỗn hợp nhiên liệu không đồng nhất, điều kiện vận hành động cơ thay đổi

Hệ số dư lượng không khí (λ) ảnh hưởng trực tiếp đến lượng khí độc hại:

• λ lý tưởng (≈ 1): Giảm thiểu khí độc hại

3.2.4.1 Mô hình hình thành NOx

Khí NOx thải ra từ động cơ đốt trong chủ yếu xuất phát từ quá trình oxy hóa N2 trong không khí nạp vào động cơ ở nhiệt độ cao Trong đó, monoxit nitơ (NO) chiếm nhiều nhất trong tổng số oxit nitơ (NOx) Quá trình tạo ra NOx trong động cơ đốt trong dựa trên mô hình động học phản ứng cơ bản Pattas và Hafner

Hình 3.5: Biến thiên nồng độ các chất ô nhiễm theo hệ số dư lượng không khí [9]

39 Sáu phương trình phản ứng Zeldovich được sử dụng để biểu diễn quá trình này Quá trình tính toán bắt đầu từ thời điểm quá trình cháy xảy ra

Bảng 3.4: Phản ứng hình thành phát thải NOx

Phản ứng Phương trình Tốc độ k 0

Tốc độ phản ứng ri có đơn vị là [mol/cm 3 s], nồng độ ci là nồng độ mol trong điều kiện cân bằng với đơn vị [mol/cm 3 ] Nồng độ N2O được tính toán theo công thức sau:

𝐶 𝑁2𝑂 = 1,1802 10 −6 𝑇 0,6125 𝑒 ( 9471,6 𝑇 ) 𝐶 𝑁2 √𝑝𝑂2 (3.19) Tốc độ phản ứng tạo thành NO được tính toán như sau:

3.2.4.2 Mô hình hình thành CO

Mô hình hình thành CO dựa trên 2 phản ứng sau:

Bảng 3.5: Phản ứng hình thành phát thải CO

Phản ứng Phương trình Tốc độ

Tốc độ phản ứng tạo CO: 𝑟 𝐶𝑂 = 𝐶 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡 (𝑟 1 + 𝑟 2 ) (1 − 𝛼) với 𝛼 = 𝑐 𝐶𝑂,𝑎𝑐𝑡

3.2.4.3 Mô hình hình thành HC

HC (hydrocarbon) trong khí thải động cơ đốt trong xuất phát từ 4 nguyên nhân:

1 Hiệu ứng sát vách: Lớp hòa khí sát thành buồng cháy không được đốt cháy

2 Hỗn hợp không cháy trong "không gian chết": Màng lửa bị dập tắt, tạo ra vùng không cháy do cấu tạo động cơ

Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ 2AR – FE trên AVL Boost

3.3.1 Đối tượng nghiên cứu mô phỏng

Nhóm sinh viên chọn động cơ xăng 2AR – FE sử dụng trên xe Toyota làm đối tượng nghiên cứu Động cơ 2AR – FE là động cơ đánh lửa cưỡng bức, bố trí 4 xylanh thẳng hàng, dung tích 2.5L, có 16 xupap nạp và xả bố trí theo kiểu DOHC Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ được thể hiện như bảng sau:

Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật của động cơ 2AR-FE

STT Thông số Ký hiệu Giá Trị Đơn Vị

Nạp Mở 𝛼1 3 0 − 53 0 Trước ĐCT Đóng 𝛼2 61 0 − 11 0 Sau ĐCD

Xả Mở 𝛽1 60 0 −20 0 Trước ĐCD Đóng 𝛽2 4 0 −44 0 Sau ĐCT

8 Công suất lớn nhất tại 6000 v/p Nmax 134 kW

9 Mô men lớn nhất tại 4100 v/p Mmax 235 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 Quá trình phát triển mô hình từ động cơ thực tế trên phần mềm AVL trải qua các bước như sau:

• Lựa chọn phần tử cần thiết

• Kết nối 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 thành phần trong mô hình phải phản ánh đầy đủ cấu trúc và tính chất của động cơ thực tế

Các phần tử quan trọng không thể thiếu trong mô hình bao gồm: Engine (động cơ), Cylinder (xylanh), Air cleaner (lọc khí), Bộ xúc tác (Catalyst) , Injector (kim phun), Plenum (bình ổn áp), Restriction (phần tử cản), Pipe (đường ống nối) và System Boundary (các phần tử môi trường), … Vị trí của các phần tử trên nằm bên trái giao diện màn hình chính trong cửa sổ “Components”, để sử dụng cần nhấn đúp chuột vào biểu tượng của các phần tử, khi đó chúng sẽ xuất hiện bên màn hình chính Các phần tử chính trong mô hình mô phỏng động cơ 2AR – FE như hình dưới đây

Bảng 3.7: Số lượng phần tử sử dụng cho mô hình động cơ

Tên phần tử Số phần tử Ký hiệu

Hình 3.6: Các phần tử chính mô phỏng động cơ 2AR-FE

Sau khi đã chọn các phần tử cần thiết cho mô hình, tiến hành bố trí vị trí cho các phần tử, tiếp đến là dựng mô hình Thực chất của việc “dựng mô hình” là kết nối các phần tử lại với nhau sử dụng đường ống “Pipe” Biểu tượng của các loại đường ống có thể tìm thấy ở vị trí đầu tiên bên trái thanh công cụ

3.3.2.3 Thiết lập các điều kiện chung cho mô phỏng

Việc nhập dữ liệu từ thông số thực tế của động cơ cho mô hình mô phỏng quyết định trực tiếp đến độ chính xác mà kết quả quá trình mô phỏng mang lại Vì vậy, cần lưu ý để tránh trường hợp nhập thiếu dữ liệu cho các phần tử, trước tiên, cần phải nhập dữ liệu chung cho mô hình, sau đó tiến hành nhập dữ liệu riêng cho từng phần tử

Hình 3.7: Mô hình khi chưa kết nối các phần tử

44 Dưới đây mô hình mô phỏng sau khi đã tiến hành hoàn tất việc nhập dữ liệu từ động cơ 2AR – FE

Dữ liệu chung được thiết lập bên trong cửa sổ giao diện “Simulation Control”, để xuất hiện cửa số này, trên thanh tiêu đề, chọn mục “Simulation”, tiếp đến chọn

“Control”, hoặc nhấn vào biểu tượng trên thanh công cụ

Hình 3.9: Mở cửa sổ Simulation Control Hình 3.8: Mô hình mô phỏng động cơ 2AR-FE hoàn chỉnh

45 Sau khi nhấn vào biểu tượng trên, cửa sổ giao diện “Simulation Control / Globals” được mở ra, ta tiến hành nhập các dữ liệu chung cho mô hình như sau

Tiếp đến, tiến hành thực hiện thiết lập dữ liệu chung bằng cách nhập các thông số cho từng mục như sau:

- “Simulation 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

• “Species Transport”: Có 2 chế độ lựa chọn, tùy vào mục đích sử dụng nhiên liệu mà lựa chọn phù hợp với mô hình, ở đây chọn chế độ

• “Simulation Interval”: Thiết lập chu kỳ kết thúc cho quá trình mô phỏng trong ô “End of Simulation”, đối với động cơ 4 kỳ ta thiết lập khoảng 50 cycle(s) theo như AVL BOOST gợi ý

Hình 3.10: Cửa sổ Simulation Control

• “Spatial Pipe Discretization”: Nhập dữ liệu trung bình kích thước các đường ống tại ô “Average Cell Size”

- 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

• “Fuel Properties”: Chọn “Gasoline” tại ô “Standard Fuel” đối với động cơ xăng, tương ứng với nhiệt trị là 43500 kJ/kg và tỷ số A/F là 14,5 Đối với nhiên liệu xăng – Hydrogen, cách thiết lập sẽ được trình bày ở phần 3.3.3

Hình 3.11: Thiết lập dữ liệu Cycle Simulation

• “Gas Properties”: Thành phần đặc tính hỗn hợp khí được thiết lập bao gồm các yếu tố áp suất và nhiệt độ được giữ không đổi trong suốt quá trình mô phỏng

Hình 3.12: Thiết lập thông số nhiên liệu và đặc tính hỗn hợp khí

- Đồng thời tại “Cycle simulation”, chọn vào mục “Initialization” để thiết lập các tham số điều kiện ban đầu cho quá trình mô phỏng bao gồm: Pressure (áp suất), Gas Temperature (nhiệt độ hỗn hợp khí), Combustion Products (sản phẩm cháy), Ratio Type (tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu)

Hình 3.13: Thiết lập thông số điều kiện ban đầu khi 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

General Thiết lập chung 700 rpm

Engine Speed Tốc độ động cơ 4 - stroke

Firing Order Thứ tự công tác 0 – 540 – 180 – 360

BMEP Brake mean effective pressure

FMEP (Y) Friction mean effective pressure

Trong phần tử động cơ cần thiết lập các thông số: Engine Speed (tốc độ động cơ), Cycle Type (loại động cơ), Firing Order (thứ tự nổ của động cơ), định nghĩa tổn hao cơ giới của động cơ ở mục “Engine Friction”

Hình 3.14: Thiết lập thông số phần tử động cơ

Trong phần thiết lập dữ liệu cho phần tử “Cylinder”, cần thiết lập các dữ liệu cho 5 mục như sau:

• Initialization (điều kiện ban đầu)

• Valve Port Specifications (đặc điểm của hệ thống phối khí)

Hình 3.15: Thiết lập tổn thất ma sát động cơ

- “General”: Thiết lập các thông tin cơ bản cho một xylanh, việc nhập dữ liệu cho phần này thể hiện cụ thể như bảng 3.9

Bảng 3.9: Thiết lập thông số cơ bản cho phần tử xylanh

STT Thông số Đơn vị Giá trị

3 Compression ratio (Tỷ số nén ) - 10.4

4 Con – rod Length (chiều dài thanh truyền) mm 157

5 Piston pin offset (Độ lệch của đường tâm xylanh so với tâm trục khuỷu ) mm 0

6 Effective Blow by gap (Khe hở lọt khí) mm 0.008

Hình 3.16: Giao diện thiết lập cho phần tử xylanh

- “Initialization”: Thiết lập các điều kiện ban đầu như “Initial Condition at EO”

(điều kiện trong buồng cháy tại thời điểm xupap thải bắt đầu mở) và “Initial Gas Composition” (điều kiện ban đầu của hỗn hợp khí)

- “Combustion”: Thiết lập dữ liệu ban đầu để sử dụng mô hình cháy trong mô phỏng bao gồm các yếu tố sau:

• “Heat Release” (nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình cháy): Theo mô hình cháy Vibe 2 – Zone

• “Mixture Preparation” (Hình thành hỗn hợp): External (từ bên ngoài buồng cháy)

• “Fuel Temperature” (nhiệt độ nhiên liệu): 25 degC

Hình 3.17: Thiết lập điều kiện ban đầu của xylanh

Trong phần “Combustion”, tiếp tục thực hiện thiết lập thông số cho 3 phần sau:

• “Vibe 2 – Zone” (Mô hình cháy): Thiết lập các thông số Start of Combustion

(điểm bắt đầu cháy), Combustion Duration (thời gian cháy), Shape Parameter m (tham số đặc trưng của mô hình cháy), Parameter a (tham số a) như sau:

Bảng 3.10: Thiết lập thông số mô hình cháy

• “Pollutans” (mô hình phát thải): Bao gồm thông số của 3 mô hình phát thải đó là NOx, CO và HC, được trình bày ở phần phụ lục 1.1

• “Knock” (mô hình kích nổ): Thiết lập ở phần phụ lục 1.2

STT Thông số Giá trị Đơn vị

Hình 3.18: Thiết lập thông số mô hình cháy

- “Heat Transfer”: AVL Boost cung cấp cho người dùng nhiều mô hình truyền nhiệt như: Woschni 1978, Woschni 1990, Hohenberg, Lorenz 1978, 1990 hay AVL 2000 Trong đó, mô hình truyền nhiệt Woschni 1978 được sử dụng khá phổ biến Các tham số trong mô hình cần xác định như diện tích và nhiệt độ của piston, xylanh, nhóm đã tìm hiểu và tính toán, thể hiện cụ thể như hình 3.20

Hình 3.19: Thông số mô hình cháy Vibe 2-Zone

Hình 3.20: Thông số mô hình truyền nhiệt

- “Valve port Specification”: Thiết lập các thông số phối khí chính là thiết lập dữ liệu cho các “Intake Valves” (xupap nạp) và “Exhaust Valves” (xupap thải), cụ thể như hình 3.21 và hình 3.22

Hình 3.22: Kích thước hình học của xupap xả Hình 3.21: Kích thước hình học của xupap nạp

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT

Đặc tính kỹ thuật của động cơ khi sử dụng nhiên liệu Hydrogen

4.1.1 Đánh giá kết quả mô phỏng so với thực nghiệm Để đánh giá kết quả mô phỏng mô hình động cơ 2AR – FE so với thực nghiệm, nhóm nghiên cứu sử dụng công thức S.R Lay Decman để xây dựng nên công suất, mô men dựa vào số vòng quay và các hệ số thực nghiệm đã được chứng minh

𝑃 𝑒 , 𝑛 𝑒 − Công suất có 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 được trình bày như bảng sau:

Bảng 4.1: Công suất và moment mô phỏng so với thực nghiệm

Dựa vào số liệu trình bày ở bảng trên và hình ảnh đồ thị so sánh bên dưới có thể thấy giá trị công suất mô phỏng cực đại là 126.88 (kW), ở số vòng quay 6000 rpm, sai lệch 5.31% với thực tế và mô men mô phỏng cực đại là 223.83 (N.m), ở số vòng quay

4000 rpm, sai lệch 1.22% Nhìn chung, kết quả mô phỏng mô hình bằng phần mềm AVL Boost có tính chính xác tương đối gần kề với các giá trị công suất và mô men cực đại của động cơ thực tế do nhà sản xuất công bố

Mô phỏng Thực nghiệm Sai số Mô phỏng

Hình 4.1: Kết quả công suất 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 –

4.1.2.1 Áp suất trong lòng xylanh

Dựa vào đồ thị hình 4.3, ta thấy áp suất trong lòng xylanh ở cùng một tốc độ quay của các tỷ lệ pha trộn 25% Hydrogen, 50% Hydrogen, 75% Hydrogen có sự chênh lệch áp suất không đáng kể Áp suất cực đại cao nhất ứng với 25% Hydrogen và giảm ở 50% Hydrogen, 100% xăng đến 75% Hydrogen

Tỷ lệ 25%, 50%: Có thể làm tăng nhẹ áp suất xi lanh: Do tốc độ cháy của hydrogen nhanh hơn xăng, dẫn đến tăng nhẹ áp suất trong lòng xylanh Tuy nhiên, mức

Hình 4.2: Kết quả mô men động cơ mô phỏng so với thực nghiệm

Hình 4.3: Áp suất trong lòng xylanh

74 tăng này có thể không đáng kể và phụ thuộc vào các yếu tố khác như hiệu quả động cơ và thiết kế hệ thống nhiên liệu

Cần tối ưu hóa động cơ: Để tận dụng tối đa lợi ích của việc tăng áp suất xi lanh, động cơ cần được điều chỉnh để hoạt động hiệu quả với hỗn hợp xăng - Hydrogen 25%

Tỷ lệ 75%: Có thể làm giảm nhẹ áp suất xi lanh: Do lượng hydrogen cao dẫn đến việc tạo ra áp suất tăng không đồng đều trong quá trình đốt cháy và áp suất sinh ra vẫn phải phụ thuộc chính vào xăng

Cần động cơ và hệ thống nhiên liệu chuyên dụng: Cần được thiết kế đặc biệt để hoạt động hiệu quả với tỷ lệ hydrogen cao

4.1.2.2 Công suất của động cơ

Kết quả công suất động cơ đạt được sau quá trình mô phỏng trên phần mềm AVL ứng với các tỷ lệ nhiên liệu như hình bên dưới

Thông qua kết quả đồ thị, cho thấy công suất có ích đạt giá trị cao nhất khi động cơ sử dụng nhiên liệu xăng thông thường và có xu thế ngày càng giảm khi tăng tỷ lệ Hydrogen trong xăng Cụ thể, xét giá trị công suất trung bình trên toàn dải tốc độ, với nhiên liệu pha trộn 25% Hydrogen công suất giảm 1.79%, với 50% Hydrogen thì công suất giảm 6.01% và 75% Hydrogen công suất giảm 15.82% so với nhiên liệu Xăng

Nhìn chung, công suất giảm không đáng kể khi sử dụng nhiên liệu 25% Hydrogen, 50% Hydrogen Tuy nhiên, khi sử dụng nhiên liệu 75% Hydrogen, công suất

Hình 4.4: Công suất của động cơ

75 giảm mạnh so với xăng truyền thống, giảm 15.82% Giá trị của công suất ứng với tỷ lệ hydrogen khác nhau ở các dải tốc độ động cơ được trình bày trong bảng 4.2

Nguyên nhân dẫn đến giá trị công suất giảm khi tăng tỷ lệ Hydrogen chủ yếu là do Hydro cháy nhanh hơn xăng, dẫn đến quá trình đốt cháy diễn ra quá nhanh và đột ngột trong xi lanh Điều này khiến cho một phần năng lượng được giải phóng dưới dạng nhiệt không được chuyển hóa thành công, dẫn đến giảm hiệu suất nhiệt và giảm công suất động cơ

Khi tỷ lệ hydro cao thì năng lượng sinh ra sẽ nhỏ hơn bởi vì nhiệt lượng của Hydrogen thấp hơn của xăng (gấp 2.8 lần) khi xét trên đơn vị thể tích

Hệ thống nhiên liệu hiện tại được thiết kế để sử dụng xăng, và có thể không phù hợp với việc sử dụng hỗn hợp xăng-hydro có tỷ lệ hydro cao Một số vấn đề như bay hơi hydro, tắc nghẽn đường ống dẫn nhiên liệu hoặc bơm nhiên liệu không phù hợp có thể xảy ra, dẫn đến giảm hiệu quả và giảm công suất

Bảng 4.2: Giá trị công suất của động cơ ứng với các tỷ lệ Hydrogen khác nhau

RPM Xăng 25% Hydrogen 50% Hydrogen 75% Hydrogen

4.1.2.3 Mô men của động cơ

Kết quả mô men động cơ đạt được ở chế độ toàn tải sau quá trình mô phỏng trên phần mềm AVL ứng với các loại nhiên liệu như hình bên dưới

Có thể thấy, tương tự như công suất thì giá trị lớn nhất của mô men động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng truyền thống Với xăng pha trộn Hydrogen có tỉ lệ như 25%, 50% và 75%, mô men động cơ giảm so với Xăng Cụ thể, xét giá trị mô men trung bình trên toàn dải tốc độ, khi sử dụng nhiên liệu xăng pha 25% Hydrogen, 50% Hydrogen, giảm tương ứng là 2%, 6.5%, và đặc biệt 75% Hydrogen là 16.46% so với khi sử dụng xăng truyền thống Giá trị của mô men ứng với tỷ lệ hydrogen khác nhau ở các dải tốc độ động cơ được trình bày trong bảng 4.3

Bảng 4.3: Giá trị mô men của động cơ ứng với các tỷ lệ hydrogen khác nhau

RPM Xăng 25% Hydrogen 50% Hydrogen 75% Hydrogen

Hình 4.5: Mô men của động cơ

4.1.2.4 Suất tiêu hao nhiên liệu

Kết quả suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở chế độ toàn tải sau quá trình mô phỏng trên phần mềm AVL ứng với các loại nhiên liệu như hình bên dưới

Ảnh hưởng của nhiên liệu xăng – Hydrogen đến phát thải động cơ

Kết quả suất lượng phát thải NOx của động cơ ở chế độ toàn tải sau quá trình mô phỏng trên phần mềm AVL ứng với các loại nhiên liệu như hình bên dưới

Hình 4.7: Lượng khí thải NOx

79 Dựa vào kết quả đồ thị và bảng số liệu bên dưới cho thấy, lượng phát thải khí xả

NOx ngày càng thấp khi sử dụng nhiên liệu xăng - Hydrogen với tỷ lệ càng tăng Cụ thể, hàm lượng khí thải NOx khi sử dụng nhiên liệu 25% Hydrogen, 50% Hydrogen, 75% Hydrogen giảm tương ứng là 49.24%, 75.22%, 94.06% Giá trị lượng phát thải NOx ứng với tỷ lệ hydrogen khác nhau ở các dải tốc độ động cơ được trình bày trong bảng 4.5

Nguyên nhân dẫn đến lượng phát thải NOx giảm là vì khi Hydrogen cháy sẽ cần tỷ lệ A/F cao hơn so với xăng (34 : 1 thay vì 14.7 : 1) nên khi cháy sẽ cần lượng khí Oxy cao hơn để cháy hoàn toàn từ đó làm giảm lượng Oxy Mà khí NOx sinh ra khi khí N2 phản ứng với O2 ở nhiệt độ cao nên khi tăng lượng Hydrogen thì Nox sẽ giảm

Hydrogen không chứa nitơ, thành phần chính tạo nên NOx Do đó, khi sử dụng hỗn hợp xăng-hydro, lượng nitơ trong nhiên liệu giảm đi, dẫn đến giảm lượng NOx hình thành trong quá trình đốt cháy

Hydrogen cháy theo cơ chế cháy nhanh, trong khi xăng cháy theo cơ chế cháy chậm Cháy nhanh giảm thời gian tiếp xúc giữa nhiên liệu và không khí ở nhiệt độ cao, hạn chế sự hình thành NOx

Bảng 4.5: Giá trị hàm lượng NO x của động cơ ứng với các tỷ lệ hydrogen khác nhau

RPM Xăng 25% Hydrogen 50% Hydrogen 75% Hydrogen

Kết quả suất lượng phát thải CO của động cơ ở chế độ toàn tải sau quá trình mô phỏng trên phần mềm AVL ứng với các loại nhiên liệu như hình bên dưới

Bảng 4.6: Giá trị hàm lượng CO của động cơ ứng với các tỷ lệ Hydrogen khác nhau

RPM Xăng 25% Hydrogen 50% Hydrogen 75% Hydrogen

Thông qua kết quả đồ thị và bảng số liệu, lượng phát thải CO có xu hướng tăng dần khi sử dụng nhiên liệu xăng – Hydrogen với tỷ lệ hydrogen lớn so với nhiên liệu

Hình 4.8: Lượng phát thải CO

81 xăng truyền thống Có thể thấy, khi sử dụng 25% Hydrogen, 50% Hydrogen, 75% Hydrogen, lượng phát thải CO tăng tương ứng lần lượt là 69%, 132.76%, 193.46% Giá trị lượng phát thải CO ứng với tỷ lệ hydrogen khác nhau ở các dải tốc độ động cơ được trình bày trong bảng 4.6

Thay đổi cơ chế cháy:

Xăng: Cháy theo cơ chế cháy chậm, tạo ra nhiều CO ở giai đoạn đầu của quá trình cháy Hydro: Cháy nhanh hơn xăng, giảm thời gian hình thành CO và thúc đẩy quá trình oxy hóa CO thành CO2

Tuy nhiên, lượng khí thải CO phụ thuộc vào tỷ lệ hydro trong hỗn hợp xăng pha trộn Nếu tỷ lệ hydro quá cao, nó có thể làm giảm lượng oxy trong hỗn hợp, dẫn đến việc đốt cháy không hoàn toàn và tăng lượng CO thải ra Động cơ không phù hợp: Hệ thống nhiên liệu được thiết kế cho xăng thông thường có thể không phù hợp với hỗn hợp xăng pha hydro, dẫn đến thiếu hụt oxy hoặc dư thừa nhiên liệu trong quá trình cháy

Hiệu quả đốt cháy: Việc pha trộn hydro có thể làm giảm hiệu quả đốt cháy trong động cơ, dẫn đến việc tiêu thụ nhiều nhiên liệu hơn để tạo ra cùng một lượng năng lượng Điều này khiến lượng CO thải ra tăng lên vì lượng nhiên liệu dư thừa không được đốt cháy hoàn toàn

Nhiệt độ buồng đốt: Hiệu suất động cơ thấp có thể dẫn đến nhiệt độ buồng đốt thấp hơn, giảm tốc độ oxy hóa CO thành CO2

Kết quả mô phỏng lượng phát thải HC của động cơ ở chế độ toàn tải sau quá trình mô phỏng trên phần mềm AVL ứng với các loại nhiên liệu như hình bên dưới

Dựa vào kết quả đồ thị và bảng số liệu bên dưới cho thấy, lượng phát thải HC đối với 25% Hydrogen, 50% Hydrogen, điều có xu hướng giảm dần so với nguyên liệu xăng truyền thống lần lượt là 1.52%, 5.03% Khi hàm lượng hydrogen lên cao, ở đây cụ thể là 75% Hydrogen, thì lượng khí xả HC giảm 12.06% so với xăng Giá trị lượng phát thải

HC ứng với tỷ lệ hydrogen khác nhau ở các dải tốc độ động cơ được trình bày trong bảng 4.7

Bảng 4.7: Giá trị hàm lượng HC của động cơ ứng với các tỷ lệ hydrogen khác nhau

RPM Xăng 25% Hydrogen 50% Hydrogen 75% Hydrogen

Hình 4.9: Lượng phát thải HC

Nguyên nhân dẫn đến lượng phát thải HC giảm:

Nguyên nhân dẫn đến lượng phát thải HC giảm là bởi vì do hydrogen cháy hoàn toàn nên giảm lượng HC Bởi vì HC là sản phẩm được sinh ra trong quá trình cháy không hoàn toàn

Còn xăng cháy theo cơ chế cháy chậm nên tạo ra nhiều HC hơn do quá trình cháy không hoàn toàn Đồng thời hydrogen không có chứa thành phần Carbon nên vì vậy giảm lượng Carbon trong nhiên liệu và giảm lượng HC thải ra Ngoài ra, xăng chứa nhiều Carbon là nguyên liệu chính để tạo ra HC.