Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật - Diesel đến phun nhiên liệu, tạo hỗn hợp, cháy và tính năng của động cơ diesel tàu thủy

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM 
NCS. NGUYỄN ĐỨC HẠNH 
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỖN HỢP 
NHIÊN LIỆU DẦU THỰC VẬT - DIESEL ĐẾN 
PHUN NHIÊN LIỆU, TẠO HỖN HỢP, CHÁY VÀ 
TÍNH NĔNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 
 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT 
HẢI PHÒNG – NĔM 2020 
BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM 
NCS. NGUYỄN ĐỨC HẠNH 
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỖN HỢP 
NHIÊN LIỆU DẦU THỰC VẬT - DIESEL ĐẾN 
PHUN NHIÊN LIỆU, TẠO HỖN HỢP, CHÁY VÀ 
TÍNH NĔNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT 
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC; MÃ SỐ: 95.20.116 
CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ TÀU THỦY 
Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS, TSKH. Đặng Vĕn Uy 
 2. PGS. TS. Nguyễn Đại An 
HẢI PHÒNG – NĔM 2020 
 i 
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. 
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố 
trong bất kỳ công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được 
trích dẫn và ghi đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Đức Hạnh 
 ii 
LỜI CÁM ƠN 
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Viện 
Đào tạo sau Đại học, Khoa Máy tàu biển – Trường Đại học Hàng hải Việt 
Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm 
luận án. 
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới tập thể người hướng dẫn 
khoa học là: PGS. TSKH. Đặng Vĕn Uy và PGS. TS. Nguyễn Đại An về 
những hướng dẫn khoa học nghiêm túc và đã đồng ý cho phép sử dụng một 
phần kết quả của Đề tài NCKH & PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu sử dụng 
nhiên liệu diesel sinh học hỗn hợp giữa dầu thực vật và dầu diesel cho động 
cơ diesel tàu thủy”, mã số ĐT.04.11/NLSH - Thuộc Đề án phát triển NLSH 
đến nĕm 2015, tầm nhìn đến nĕm 2025 của Bộ Công thương để nghiên cứu 
sinh hoàn thành luận án. 
Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm thí nghiệm hệ động lực - Trường 
Đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi để nghiên cứu sinh tiến 
hành nghiên cứu thực nghiệm và hoàn thành phần thực nghiệm của luận án. 
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy, các nhà khoa học thuộc các 
Trường trong Câu lạc bộ Cơ khí động lực đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu 
cho nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận án. 
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp và những 
người thân trong gia đình đã động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình 
thực hiện luận án. 
 Nghiên cứu sinh 
Nguyễn Đức Hạnh 
 iii 
MỤC LỤC 
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i 
LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................ii 
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 
LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ................................................................................ 1 
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU................................................................................... 4 
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ........................................................ 4 
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................................... 5 
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ............................................................. 5 
CÁC ĐIỂM ĐÓNG GÓP MỚI .............................................................................. 6 
KẾT CẤU CỦA LUẬN ÁN .................................................................................... 6 
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................. 7 
1.1. Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel tàu thủy .................................................. 8 
1.1.1. Phân loại hệ thống nhiên liệu động cơ diesel tàu thủy ...................................... 8 
1.1.1.1. Hệ thống nhiên liệu nhẹ (DO) ................................................................. 8 
1.1.1.2. Hệ thống nhiên liệu nặng (HFO hoặc FO) ............................................... 9 
1.1.2. Hệ thống phun nhiên liệu động cơ diesel tàu thủy ........................................... 10 
1.1.2.1. Yêu cầu đối với hệ thống phun nhiên liệu cho động cơ diesel tàu thủy .. 10 
1.1.2.2. Vòi phun ............................................................................................... 11 
1.2. Xu thế ứng dụng giải pháp nhằm cải thiện chỉ tiêu kinh tế và môi trường của 
động cơ diesel tàu thủy hiện nay ............................................................................ 13 
1.3. Những qui định pháp lý Quốc tế về phát thải khí NOx đối với động cơ diesel tàu thủy ................................................................................................................. 15 
1.4. Nhiên liệu sinh học và xu hướng ứng dụng cho động cơ diesel tàu thủy ...... 16 
1.4.1. Nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ diesel ............................................... 16 
1.4.2. Nhiên liệu sinh học dùng nghiên cứu trong luận án ..................................... 17 
1.4.3. Ưu, nhược điểm của nhiên liệu hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel khi dùng cho 
động cơ diesel tàu thủy so với hỗn hợp biodiesel - diesel ....................................... 18 
1.4.4. Những qui định tại Việt Nam về phát triển NLSH ....................................... 21 
1.5. Tổng quan về các công trình khoa học trong và ngoài nước liên quan luận án . 22 
1.5.1. Các nghiên cứu trên thế giới ....................................................................... 22 
1.5.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam ...................................................................... 24 
 iv 
1.6. Những thông số cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng quá trình phun tạo hỗn 
hợp-cháy của hỗn hợp dầu thực vật – dầu diesel trong động cơ diesel tàu thủy ...... 27 
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH PHUN NHIÊN 
LIỆU ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY VÀ GIẢI PHÁP HIỆU 
CHỈNH NHẰM ĐẠT CHỈ TIÊU MÔI TRƯỜNG, KINH TẾ ............................. 31 
2.1. Các đặc tính phun nhiên liệu ....................................................................... 32 
2.1.1. Đặc tính vĩ mô ............................................................................................. 33 
2.1.1.1. Chiều dài tia phun .................................................................................. 33 
2.1.1.2. Góc nón tia phun ................................................................................... 35 
2.1.1.3. Chiều dài phân rã sơ cấp ....................................................................... 36 
2.1.2. Đặc tính vi mô ............................................................................................. 38 
2.2. Ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu đến quá trình phun ................................ 41 
2.2.1. Ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu đến thời điểm phun ............................... 41 
2.2.2. Ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu đến thời gian cháy trễ ............................ 44 
2.2.3. Ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu đến áp suất phun ................................... 45 
2.2.4. Ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu đến lưu lượng phun ............................... 47 
2.3. Ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu đến phát thải NOx ................................. 48 
2.4. Lựa chọn mô hình toán xác định ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu đến chất 
lượng phun ............................................................................................................ 49 
2.5. Cơ sở lý thuyết CFD mô phỏng, đánh giá quá trình phun, tạo hỗn hợp và 
cháy trong động cơ diesel tàu thủy ......................................................................... 50 
2.6. Cơ sở lý thuyết để hiệu chỉnh HTPNL khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu thực 
vật - diesel nhằm đạt chỉ tiêu kinh tế và môi trường .................................................. 55 
2.7. Kết luận chương 2 ....................................................................................... 61 
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ẢNH HƯỞNG CỦA HỖN HỢP 
NHIÊN LIỆU DẦU THỰC VẬT - DIESEL ĐẾN HỆ THỐNG PHUN NHIÊN 
LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY ............................................................. 62 
3.1. Đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu hỗn hợp đến đặc tính tia phun nhiên liệu .. 63 
3.1.1. Các thông số kĩ thuật cần thiết để tính toán ................................................. 63 
3.1.2. Kết quả tính toán về đặc tính tia phun ............................................................. 66 
3.1.2.1. Kết quả tính toán về đặc tính vĩ mô của tia phun ....................................... 66 
3.1.2.2. Kết quả tính toán về đặc tính vi mô của tia phun ...................................... 67 
3.1.2.3. So sánh, đánh giá đặc tính tia phun của các loại nhiên liệu ........................ 68 
 v 
3.1.3. Các kết quả tính toán về ảnh hưởng của nhiên liệu hỗn hợp đến thời điểm 
phun và thời gian cháy trễ ...................................................................................... 70 
3.1.3.1. Các thông số đầu vào và điều kiện ban đầu ........................................... 70 
3.1.3.2. Các kết quả thu được trong quá trình tính toán ...................................... 71 
3.1.4. Kết quả tính toán về ảnh hưởng của nhiên liệu hỗn hợp đến lưu lượng phun ..... 72 
3.1.5. Một số nhận xét .......................................................................................... 73 
3.2. Mô phỏng quá trình phun nhiên liệu vào động cơ diesel tàu thủy ................ 74 
3.2.1. Tính toán mô phỏng bằng phần mềm Ansys Fluent ..................................... 74 
3.2.1.1. Đặt điều kiện biên ................................................................................. 74 
3.2.1.2. Xây dựng mô hình nghiên cứu và chia lưới không gian tính toán .......... 75 
3.2.2. Kết quả tính toán mô phỏng ........................................................................ 77 
3.2.2.1. Trường phân bố áp suất trong quá trình phun nhiên liệu ........................ 77 
3.2.2.2. Trường phân bố vận tốc biểu diễn theo đường đồng mức ...................... 79 
3.2.2.3. Trường phân bố vận tốc theo đường dòng của chùm 10 lỗ phun ............ 80 
3.2.2.4. Trường phân bố vận tốc biểu diễn theo đường dòng của 1 lỗ phun ........ 81 
3.2.2.5. Trường phân bố vận tốc biểu diễn theo véc tơ ....................................... 82 
3.2.2.6. Trường phân bố nĕng lượng động nĕng rối ............................................ 84 
3.3. Mô phỏng quá trình hòa trộn-cháy của nhiên liệu hỗn hợp trong động cơ 
diesel tàu thủy ....................................................................................................... 86 
3.3.1. Phương án tính toán mô phỏng .................................................................... 87 
3.3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình hòa trộn-cháy ................................. 88 
3.3.2.1. Lựa chọn khu vực tính toán ................................................................... 88 
3.3.2.2. Lựa chọn mô hình tính toán ................................................................... 88 
3.3.2.3. Xây dựng mô hình nghiên cứu và chia lưới không gian tính toán .......... 89 
3.3.3. Kết quả tính toán cho loại nhiên liệu PO20 ................................................. 90 
3.3.3.1. Phân bố áp suất trong quá trình hòa trộn - cháy ..................................... 90 
3.3.3.2. Phân bố nhiệt độ trong quá trình hòa trộn - cháy ................................... 93 
3.3.3.3. Phân bố vận tốc cháy trong quá trình hòa trộn - cháy ............................ 96 
3.4. Đánh giá độ tin cậy kết quả tính toán mô phỏng .......................................... 101 
3.5. Kết luận chương 3 ..................................................................................... 103 
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .............................................. 104 
4.1. Mục đích, chế độ, điều kiện và đối tượng thực nghiệm ............................. 104 
 vi 
4.1.1. Mục đích ................................................................................................... 104 
4.1.2. Chế độ tải động cơ và điều kiện thực nghiệm ............................................ 104 
4.1.3. Đối tượng thực nghiệm ............................................................................. 105 
4.2. Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm ........................................ 105 
4.2.1. Đề xuất mô hình thực nghiệm ................................................................... 105 
4.2.2. Đặc điểm kỹ thuật của động cơ diesel chính tàu thủy 6LU32 .................... 106 
4.2.3. Đặc điểm kỹ thuật của các thiết bị đo ........................................................ 107 
4.2.4. Nhiên liệu thí nghiệm ................................................................................ 109 
4.2.5. Quy trình đo và xử lý số liệu thực nghiệm................................................. 109 
4.3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm ............................................................... 110 
4.3.1. Áp suất cháy trong xy lanh động cơ .......................................................... 110 
4.3.2. Thời điểm bắt đầu phun và áp suất phun lớn nhất .......................................... 111 
4.3.3. Thời gian cháy trễ của nhiên liệu .............................................................. 113 
4.3.4. Suất tiêu hao nhiên liệu ............................................................................. 115 
4.3.5. Đánh giá sự thay đổi của lưu lượng phun .................................................. 116 
4.3.6. Chất lượng phun sương, tạo hỗn hợp và cháy ............................................ 117 
4.3.7. Phát thải NOx ............................................................................................ 123 
4.4. Kết quả giải pháp hiệu chỉnh bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm .. 124 
4.4.1. Các bước thực hiện hiệu chỉnh trong phòng thí nghiệm ............................. 124 
4.4.2. Kết quả hiệu chỉnh đối với hệ thống nhiên liệu ......................................... 125 
4.5. Kết luận chương 4 ..................................................................................... 129 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: .......................................................................... 130 
Kết luận: .............................................................................................................. 130 
Kiến nghị: ............................................................................................................ 131 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN 
QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ..................................................................................... 132 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
CÁC PHỤ LỤC 
 vii 
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG ANH 
 Chữ viết tắt Diễn giải 
Ansys Fluent Phần mềm mô ph ... ruyền nhiệt đến khu vực biên và/hoặc truyền nhiệt bức xạ 
 (b) Nhiều luồng nhiên liệu và chất oxy hóa vào với nhiệt độ khác nhau. 
 (c) Truyền nhiệt hoặc khối lượng pha phân tán 
2. Các mô hình cháy khác 
 Trong Fluent ngoài mô hình cháy không trộn lẫn trước còn có mô hình cháy 
trộn lẫn trước và mô hình trộn trước một phần nhưng mục tiêu của luận án là đi 
nghiên cứu về quá trình hòa trộn - cháy trong động cơ diesel cho nên mô hình cháy 
được lựa chọn là “không trộn lẫn trước”. 
Hình 1. 6. Hệ thống không đoạn nhiệt của PDF 
 33/PL6 
PHỤ LỤC 6 
QUI HOẠCH THỰC NGHIỆM TRONG KỸ THUẬT 
Nghiên cứu qui hoạch thực nghiệm (Experimental research) là dạng nghiên 
cứu về mối quan hệ “Nguyên nhân - kết quả”. Trước hết, nhà nghiên cứu xác định 
các thông số (hay các biến) cần và có thể quan tâm. Sau đó, tiến hành các thí 
nghiệm nhằm quan sát, đánh giá xem mục tiêu (còn gọi là biến phụ thuộc, thông số 
đầu ra) thay đổi như thế nào khi một hay nhiều biến khác (gọi là biến độc lập hay 
thông số đầu vào) được thay đổi. 
1. Giới thiệu 
Một trong những mục đích chính yếu của nghiên cứu thực nghiệm trong kỹ 
thuật là tìm giá trị cực trị hay tìm vùng tối ưu cho một quá trình hay các điều kiện 
tối ưu để vận hành một hệ thống. Lớp các bài toán nghiên cứu thực nghiệm về vấn 
đề tối ưu thường được biết đến với tên gọi “phương pháp bề mặt đáp ứng” 
(Response Surface Methods – RSM). 
Phương pháp bề mặt đáp ứng rất hữu ích trong việc phát triển, nâng cao hiệu 
quả và tối ưu hóa quá trình khai thác. Nó cũng có các ứng dụng quan trọng trong 
việc thiết kế và phát triển các sản phẩm/hệ thống mới cũng như cải thiện các sản 
phẩm/hệ thống hiện có. Nội dung chính của RSM là sử dụng một chuỗi các thí 
nghiệm được thiết kế với các mục đích sau: 
- Chỉ ra tập giá trị các biến đầu vào (điều kiện vận hành, thực thi) sao cho tạo 
ra ứng xử của đối tượng nghiên cứu là “tốt nhất”; 
- Tìm kiếm các giá trị biến đầu vào nhằm đạt được các yêu cầu cụ thể về ứng 
xử của đối tượng nghiên cứu; 
- Xác định các điều kiện vận hành mới đảm bảo cải thiện chất lượng hoạt 
động của đối tượng so với tình trạng cũ; 
- Mô hình hóa quan hệ giữa các biến đầu vào với ứng xử của đối tượng 
nghiên cứu, dùng làm cơ sở để dự đoán hay điều khiển quá trình hay hệ thống. 
Để đạt được các mục đích trên, phương pháp RSM thực hiện việc xây dựng 
hàm mô tả bề mặt đáp ứng phụ thuộc các thông số đầu vào. 
2. Thí nghiệm bề mặt đáp ứng 
Thí nghiệm bề mặt đáp ứng (Response Surface Designs) được sử dụng để xây 
dựng mô hình mô tả quan hệ giữa hàm chỉ tiêu với các biến thí nghiệm. Quan hệ 
hàm-biến được mô tả dưới dạng một “bề mặt đáp ứng” (Response Surface), hay còn 
gọi là “bề mặt đáp trị”, “bề mặt ứng xử”, “bề mặt chỉ tiêu” Với hàm 2 biến, ta dễ 
dàng hình dung ra quan hệ này có thể được biểu diễn dưới dạng một mặt cong trong 
 34/PL6 
không gian ba chiều. Khi số biến thí nghiệm nhiều hơn, mặt chỉ tiêu trở thành siêu 
mặt (Hyper planes) trong không gian đa chiều. Nhờ xác định được quan hệ vào-ra 
giữa các biến thí nghiệm với hàm mục tiêu, ta có thể hoặc tối ưu hóa hàm mục tiêu 
hoặc xác định tập thông số vào để nhận được giá trị hàm mục tiêu như ý muốn. 
Các thí nghiệm được thiết kế sao cho chúng cho phép ta xác lập được các ảnh 
hưởng tương tác và ảnh hưởng bậc cao của các yếu tố, từ đó có thể dựng được bề 
mặt đáp ứng (Response Surface) của đại lượng đang cần quan tâm. Dựa vào kết quả 
thí nghiệm, ta xây dựng được mô hình hồi quy (Regression Model), hay còn gọi là 
mô hình thực nghiệm (Empirical Model) nhằm biểu diễn quan hệ vào-ra dưới dạng 
một hàm liên tục. Có thể sử dụng hàm hồi quy nhằm dự đoán ứng xử của hệ thống, 
quá trình hay của đối tượng dưới các điều kiện đầu vào khác nhau. 
Hầu hết các công trình nghiên cứu đều gắn với thực nghiệm. Nghiên cứu thực 
nghiệm trong kỹ thuật là nhằm xác định quan hệ giữa các thông số đầu vào với một 
hay nhiều thông số mục tiêu đầu ra của đối tượng. Hiểu rõ quan hệ này có thể giúp 
cải thiện, tối ưu hóa đối tượng nghiên cứu. 
Nghiên cứu thực nghiệm cần được thực hiện theo kế hoạch. Lý thuyết về lập 
kế hoạch thí nghiệm còn được gọi là “Quy hoạch thực nghiệm” hay “Thiết kế thí 
nghiệm” (Design Of Experiments – DOE). DOE giúp nhà nghiên cứu thực hiện ít 
thí nghiệm nhất có thể nhưng lại thu được nhiều thông tin hữu ích nhất về đối tượng 
được nghiên cứu. 
Các dữ liệu thực nghiệm thường chỉ có thể thu thập được từ một số mẫu của 
một tập hợp lớn phần tử của đối tượng nghiên cứu. Các thuộc tính của đối tượng 
nghiên cứu được suy diễn từ các thông tin có được sau khi phân tích dữ liệu thu 
được từ các mẫu. Để phân tích dữ liệu thí nghiệm, cần sử dụng các kỹ thuật phân 
tích thống kê. Sử dụng các phần mềm chuyên dụng trên máy tính giúp nhà nghiên 
cứu tránh được sự “buồn tẻ khô khan, những công thức rắc rối” của thống kê xác 
suất và có thể tập trung sức lực vào mục đích chính của công trình nghiên cứu. 
Khi cần mô tả chính xác quan hệ giữa hàm mục tiêu và các thông số thí 
nghiệm, ta tiến hành kế hoạch thí nghiệm bề mặt đáp ứng (Response Surface 
Design). Mục đích của kế hoạch này là bổ sung thêm các điểm thí nghiệm nhằm có 
thể xây dựng mô hình bậc 2 mô tả hàm mục tiêu. Thực tế kinh nghiệm đã chỉ ra 
rằng, với vùng giới hạn nhỏ giữa các mức thí nghiệm, hàm bậc 2 là đủ chính xác để 
mô tả các hàm mục tiêu. 
Các công việc cần làm ở giai đoạn này là: 
1. Xây dựng kế hoạch thí nghiệm (thiết kế thí nghiệm); 
2. Tiến hành các thí nghiệm và thu thập kết quả; 
3. Phân tích số liệu thí nghiệm; xây dựng mô hình hồi quy; 
 35/PL6 
4. Xác định điều kiện tối ưu hóa; 
5. Thực hiện các thí nghiệm kiểm định. 
3. Kế hoạch thí nghiệm bề mặt đáp ứng 
Khi xây dựng kế hoạch thí nghiệm bề mặt đáp ứng, ta có thể chọn một trong 
hai dạng kế hoạch thiết kế: thiết kế dạng hỗn hợp tâm xoay (CCD – Central 
Composite Design) hoặc thiết kế Box-Behnken (Box- Behnken design). Mỗi dạng 
có những ưu nhược điểm nhất định và thích hợp với từng điều kiện nhất định. 
Khi đã ở vùng chứa cực trị, để mô tả chính xác quan hệ giữa hàm mục tiêu 
với các biến thí nghiệm, ta cần khảo sát nhiều mức giá trị cho mỗi biến. 
4. Tiến trình tối ưu hóa 
Tiến trình tối ưu hoá bằng RSM thường gồm 3 giai đoạn sau: 
- Giai đoạn 1: Thí nghiệm khởi đầu. Sau khi tiến hành các thí nghiệm sàng 
lọc (Screening Design) nhằm lựa chọn các biến thí nghiệm được tiếp tục khảo sát, ta 
phân tích mô hình rút gọn (đã loại bỏ các yếu tố không có ảnh hưởng đáng kể), 
nhằm xây dựng mô hình hồi quy bậc nhất mô tả hàm mục tiêu. Việc đánh giá mức 
độ không phù hợp của mô hình bậc nhất cho phép ta kiểm tra được xem vùng đã 
khảo sát có ở vùng lân cận cực trị hay không. Nếu mô hình bậc nhất không phù hợp, 
có nghĩa là hàm mục tiêu đã ở vùng lân cận cực trị, chuyển sang giai đoạn 3; trái lại, 
chuyển sang giai đoạn 2. 
- Giai đoạn 2: Leo dốc tìm vùng cực trị. Nếu vùng thí nghiệm còn ở xa vùng 
cực trị, tiến hành các thí nghiệm nhằm tìm nhanh đến vùng chứa cực trị. Phương 
pháp thực hiện có tên là Leo dốc/ xuống dốc (Steepest Ascent/Descent Method) tìm 
vùng cực trị. Nhiệm vụ cơ bản là xác định giá trị gia số cho từng biến thí nghiệm. 
Sau đó tiến hành các thí nghiệm với các giá trị mới của các biến cho đến khi hàm 
mục tiêu đảo chiều thay đổi giá trị. Thí nghiệm xác định mức độ không phù hợp của 
mô hình bậc nhất được tiến hành để khẳng định khả nĕng đã ở vùng chứa cực trị. 
- Giai đoạn 3: Thí nghiệm bề mặt đáp ứng. Khi đã ở vùng lân cận cực trị, 
tiến hành các thí nghiệm để mô tả quan hệ vào-ra dưới dạng hàm bậc cao (Hồi quy 
bậc cao). Các thí nghiệm được thiết kế theo kế hoạch thí nghiệm bề mặt đáp ứng 
(Response Surface Design). Cuối cùng, tiến hành phân tích đánh giá kết quả để đưa 
ra các kết luận. 
Tiến trình tối ưu hóa bằng RSM chủ yếu dựa trên các mô hình hồi quy thực 
nghiệm. 
5. Đánh giá mức độ phù hợp của mô hình 
Trong quá trình đi tìm vùng chứa cực trị của hàm mục tiêu, ta cần kiểm tra 
xem mô hình hồi quy mô tả hàm mục tiêu là bậc nhất hay bậc cao. Sau khi xây 
dựng hàm mục tiêu, ta tiến hành kiểm định giả thuyết thống kê để đánh giá xem mô 
 36/PL6 
hình đã khớp (fit) với dữ liệu tốt đến mức nào. Việc đánh giá như vậy được gọi là 
“kiểm định mức độ không phù hợp của mô hình” (Lack of fit test). Giả thuyết thống 
kê được phát biểu như sau: 
- Giả thuyết đảo: Mô hình khớp với dữ liệu; 
- Giả thuyết chính: Mô hình không khớp với dữ liệu; 
Cũng như các phép kiểm định thống kê khác, thông số quan trọng để chấp 
nhận hay loại bỏ giả thuyết đảo là giá trị p (p-value). Lý thuyết tính toán thống kê 
chỉ ra như sau: 
- Nếu giá trị p nhỏ hơn mức ý nghĩa α, ta loại bỏ giả thuyết đảo. Nghĩa là, 
mô hình đã xây dựng không khớp với dữ liệu; 
- Nếu giá trị p lớn hơn mức ý nghĩa α, mô hình đã dựng là phù hợp để mô tả 
dữ liệu; 
Để có thể kiểm định về mức độ phù hợp của mô hình, mỗi biến trong một kế 
hoạch thí nghiệm cần nhận 3 mức giá trị. Dễ thấy nếu chỉ khảo sát 2 giá trị của biến, 
mô hình bậc nhất sẽ luôn tỏ ra là phù hợp với dữ liệu và do vậy, ta không có khả 
nĕng phát hiện khi nào mô hình này là không phù hợp. Trong các thí nghiệm khởi 
đầu, để có 3 mức giá trị cho mỗi biến, ta thường bổ sung điểm thí nghiệm trung 
tâm - là điểm có giá trị trung bình cộng của hai giá trị cao nhất và thấp nhất của 
biến. 
6. Tối ưu hóa đa mục tiêu 
Bài toán tối ưu hóa đồng thời nhiều chỉ tiêu phức tạp hơn không chỉ ở chỗ cần 
xem xét nhiều chỉ tiêu, mà còn ở chỗ có một số hàm chỉ tiêu có “lợi ích” trái ngược 
nhau. Để giải quyết bài toán này, ta cần chấp nhận một số nhượng bộ (Trade-offs) 
nhất định. 
Việc xác định cực trị cho hàm mục tiêu trong Minitab rất đơn giản. Trước hết, 
mở Worksheet chứa dữ liệu thí nghiệm. Tiếp đó, kích menu Stat > DOE > Response 
Surface > Response Optimizer. Chọn tên cột chứa kết quả thí nghiệm cho hàm mục 
tiêu cho hộp Selected. Tiếp đó, kích nút Setup để thiết lập các giá trị xác định cách 
tìm cực trị. Có các lựa chọn sau: 
- Goal: chọn dạng cực trị muốn tìm (Maximize – tối đa; Minimize – tối 
thiểu hay Target: giá trị mong muốn); 
- Nhập các giá trị giới hạn cho hàm mục tiêu: 
 Lower: Nhập giá trị giới hạn dưới của giá trị hàm mục tiêu; 
 Target: Nhập giá trị mong muốn cho hàm mục tiêu; 
 Upper: Nhập giá trị giới hạn trên cho hàm mục tiêu. 
Nếu tìm cực tiểu, cần nhập 2 giá trị Target và Upper; khi tìm cực đại, cần nhập 
2 giá trị Target và Lower. Nếu tìm một giá trị mong muốn, cần nhập cả 3 giá trị 
 37/PL6 
Lower, Target và Upper. Các giá trị được nhập cần đảm bảo nguyên tắc Lower < 
Target < Upper. 
Kích nút OK trong các hộp thoại. Kết quả phân tích tối ưu sẽ được Minitab 
hiển thị bằng đồ thị Optimization Plot và bằng vĕn bản trên cửa sổ Session. 
Tối ưu hóa bằng thực nghiệm thường được thực hiện thông qua việc xây dựng 
mô hình bề mặt đáp ứng. Dưới đây là các lưu ý khi thiết kế các thí nghiệm bề mặt 
đáp ứng: 
- Số lần thí nghiệm cần thiết là tích số giữa số lần lặp (Replication) với số 
điểm thí nghiệm đã thiết kế. Nói cách khác, mỗi lần lặp là một lần thực hiện lại toàn 
bộ kế hoạch thí nghiệm đã thiết kế. 
- Việc lặp lại thí nghiệm nhằm giảm bớt các sai số do nhiễu. Mục đích lặp để 
xác định một cách tin cậy các yếu tố ảnh hưởng chính đã được thực hiện ở bước thí 
nghiệm sàng lọc. Do vậy, nếu không có yêu cầu gì đặc biệt với thí nghiệm tối ưu 
hóa, một lần lặp là đủ; 
- Nếu việc thực hiện thí nghiệm CCD gặp khó khĕn, có thể chọn dạng kế 
hoạch Box-Behnken. 
- Nếu có ba biến thí nghiệm, kế hoạch thí nghiệm Box-behnken chỉ cần 15 lần 
chạy sẽ tiết kiệm hơn so với kế hoạch CCD cần 20 lần chạy; 
- Nếu có 5 biến thí nghiệm, kế hoạch CCD với 32 lần chạy sẽ tiết kiệm hơn kế 
hoạch Box-behnken với 43 lần chạy; 
- Cần thực hiện thí nghiệm kiểm định vùng dừng (vùng lân cận cực trị) để 
khẳng định là mô hình hồi quy bậc nhất là không còn phù hợp trước khi thực hiện 
các kế hoạch thí nghiệm bề mặt đáp ứng. 
7. Kết luận 
Phần này đã trình bày một cách có hệ thống từng bước của một quá trình tối 
ưu hóa cho nhiều chỉ tiêu đồng thời bằng phương pháp bề mặt đáp ứng. Cần phân 
biệt hai thuật ngữ: phương pháp thí nghiệm bề mặt đáp ứng (Response Surface 
Method) và thí nghiệm bề mặt đáp ứng (Response Surface Design). Phương pháp bề 
mặt đáp ứng (RSM) là cách thức khảo sát và tìm vùng cực trị hoặc vùng đáp ứng 
các giá trị xác định cho các hàm mục tiêu bằng cách xây dựng các bề mặt đáp ứng. 
Phương pháp này được thực thi thông qua các giai đoạn: thí nghiệm khởi đầu; leo 
dốc/xuống dốc; kiểm định vùng dừng (nếu tìm cực trị) và cuối cùng là thiết kế, thực 
thi và phân tích thí nghiệm bề mặt đáp ứng. Thí nghiệm bề mặt đáp ứng gồm 2 dạng 
chủ yếu là thí nghiệm hỗn hợp tâm xoay (CCD) và thí nghiệm Box-Behnken. Việc 
phân tích bề mặt đáp ứng để tối ưu hóa hay đáp ứng yêu cầu đạt được một khoảng 
giá trị xác định cho các hàm mục tiêu được thực hiện dễ dàng, nhanh chóng và 
chính xác bằng máy tính. 
 38/PL7 
PHỤ LỤC 7 
CÁC HÌNH ẢNH THỰC HIỆN MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM ANSYS 
FLUENT TRÊN MÁY TÍNH CHỦ 
Hình 1. Bật nĕng lượng Hình 2. Nhập vật liệu 
Hình 3. Chọn trục tọa độ Hình 4. Đặt các điều kiện biên 
Hình 5. Chọn giải pháp điều khiển Hình 6. Hiệu chỉnh giải pháp điều khiển 
 39/PL7 
Hình 7. Giám sát kiểm tra hội tụ Hình 8. Khởi tạo chương trình tính 
Hình 9. Kết quả tính nếu hội tụ Hình 10. Chạy các vòng lặp để tìm điểm hội tụ 
Hình 11. Hai mặt cắt vuông góc của 
trường nhiệt độ 
Hình 12. Trường vận tốc, PO10 
 40/PL7 
Hình 13. Kết quả trường nhiệt độ đã hội 
tụ, PO20 tại 362,750GQTK Hình 14. Kết quả trường nhiệt độ đã hội tụ, PO20 tại 363,250GQTK 
Hình 15. Kết quả trường nhiệt độ đã hội 
tụ, PO30 tại 362,750GQTK 
Hình 16. Trường vận tốc, PO20 
Hình 17. Trường nhiệt độ, PO20 Hình 18. Trường áp suất, PO20 
 41/PL8 
PHỤ LỤC 8 
CÁC HÌNH ẢNH THỰC NGHIỆM VỚI ĐỘNG CƠ DIESEL 6LU32 
TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM HỆ ĐỘNG LỰC - ĐHHHVN 
Hình 1. Hệ thống cấp nhiên liệu cho động cơ Hanshin 6LU32 
Hình 3. Kiểm tra chất lượng phun trên bệ thử và đo lưu lượng phun 
Hình 2. Piston và xi lanh số 1 của động cơ được tháo ra kiểm tra trước và sau 
khi chạy PO 
 42/PL8 
Hình 5. Bệ thử vòi phun động cơ diesel 
Bệ thử vòi phun động cơ diesel tại phòng thí nghiệm với các thông số: 
- Kiểm tra áp suất phun tới 1000 bar; 
- Cần bơm bằng tay; 
- Bình đựng nhiên liệu dung tích 1 lít có phin lọc tinh; 
- Kết cấu bàn 4 chân kim loại vững chắc; 
- Ống nối cao áp, giắc co; 
- Ngoài ra còn có: cân tiểu ly điện tử, nhiệt kế, thiết bị hâm để duy trì nhiệt độ, ly 
thủy tinh chuyên dụng, giấy để xem hình ảnh phun, camera quay phim tốc độ cao. 
Hình 4. Tình trạng vòi phun nhiên liệu động cơ 6LU32 trước khi chạy thử 
 43/PL8 
Hình 6. Các mẫu nhiên liệu hỗn hợp PO 
Hình 7. Kiểm tra trực quan chất lượng dầu cọ 
Hình 8. Tình trạng đầu vòi phun động cơ 6LU32 sau khi chạy thử các loại hỗn 
hợp nhiên liệu 
 44/PL8 
Hình 9. Một số hình ảnh trong quá trình tháo lắp động cơ 
45/PL9 
46/PL9 
47/PL9 
48/PL10 
 49/PL10 
 50/PL11