Tổng quan nghiên cứu

Động cơ Diesel là một trong những loại động cơ đốt trong phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong ngành giao thông vận tải và công nghiệp nhờ hiệu suất cao và khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Theo ước tính, động cơ Diesel tiết kiệm nhiên liệu hơn động cơ xăng khoảng 30%, tuy nhiên vẫn tồn tại những thách thức về phát thải khí độc hại như NOx và muội than. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun nhiên liệu đến công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và khí thải trên động cơ Diesel, cụ thể là động cơ Kia - JD K3500.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xây dựng mô hình mô phỏng quá trình phun nhiên liệu và đánh giá sự thay đổi các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ khi thay đổi đường kính lỗ tia phun. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 1/2019 đến tháng 1/2020 tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, sử dụng phần mềm mô phỏng AVL Fire để phân tích các thông số kỹ thuật và khí thải của động cơ.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ Diesel, giảm tiêu hao nhiên liệu và hạn chế phát thải khí độc hại, góp phần nâng cao chất lượng môi trường và đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt như Euro 6. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ các nhà sản xuất và các cơ sở đào tạo kỹ thuật trong việc phát triển và ứng dụng công nghệ động cơ Diesel hiệu quả hơn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết phun nhiên liệu Diesel: Quá trình phun nhiên liệu trong động cơ Diesel là sự hòa trộn giữa nhiên liệu dạng sương và không khí nén trong buồng đốt. Đặc tính phun và độ mịn của hạt nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất cháy và phát thải khí thải. Đường kính lỗ tia phun là một trong những yếu tố quyết định đến nguyên tử hóa nhiên liệu và sự phân rã của chùm tia phun.

  • Mô hình xâm thực trong kim phun: Hiện tượng xâm thực xảy ra khi áp suất trong dòng nhiên liệu giảm xuống dưới áp suất hóa hơi, tạo thành các bọt khí gây xói mòn và ảnh hưởng đến hiệu suất phun. Mô hình Nurick và các hệ số vận tốc, hệ số phun được sử dụng để đánh giá mức độ xâm thực và hiệu quả phun nhiên liệu.

  • Mô hình hình thành khí thải NOx và muội than: NOx được hình thành chủ yếu do nhiệt độ cao trong buồng cháy, trong khi muội than xuất hiện ở vùng hỗn hợp giàu nhiên liệu. Mô hình Zeldovich mở rộng và các cơ chế oxy hóa được áp dụng để mô phỏng quá trình hình thành và phá hủy các khí thải này.

Các khái niệm chính bao gồm: góc phun, chiều dài lõi tia, độ xuyên thấu tia phun, tỷ số không khí - nhiên liệu (Stoichiometric ratio), và các chỉ số phát thải khí NOx, CO, HC, PM.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số với phần mềm AVL Fire, một công cụ mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD) chuyên dụng cho động cơ đốt trong. Các bước thực hiện gồm:

  • Nguồn dữ liệu: Thông số kỹ thuật động cơ Kia - JD K3500, bao gồm đường kính piston 98 mm, hành trình piston 104 mm, tỷ số nén 22, công suất cực đại 120 kW tại 4000 vòng/phút, mô men cực đại 180 Nm tại 2200 vòng/phút.

  • Thiết lập mô hình: Mô hình hình học piston và kim phun được xây dựng dựa trên các thông số thực tế, chia lưới tinh cho vùng phun nhiên liệu với mật độ lưới gấp 10 lần đường kính lỗ phun. Các điều kiện biên được thiết lập phù hợp với vận hành thực tế của động cơ.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng quá trình phun nhiên liệu, cháy và phát thải khí thải được thực hiện theo góc quay trục khuỷu từ 560° đến 860°, tốc độ động cơ 1800 vòng/phút. Các mô đun tính toán bao gồm vận chuyển chất khí, phun nhiên liệu, cháy và phát thải khí NOx, muội than.

  • Cỡ mẫu và timeline: Mô phỏng được thực hiện cho nhiều giá trị đường kính lỗ tia phun khác nhau, trong khoảng thời gian nghiên cứu từ tháng 1/2019 đến tháng 1/2020.

Phương pháp này cho phép đánh giá chi tiết ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun đến các chỉ tiêu công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải khí thải, đồng thời so sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng đến công suất và mô men động cơ: Khi giảm đường kính lỗ tia phun từ 0.8 mm xuống 0.4 mm, công suất động cơ tăng khoảng 5-7% và mô men xoắn tăng tương ứng. Điều này được giải thích do sự cải thiện nguyên tử hóa nhiên liệu, tăng hiệu quả cháy và hòa trộn nhiên liệu - không khí tốt hơn.

  2. Suất tiêu hao nhiên liệu: Suất tiêu hao nhiên liệu giảm khoảng 3-5% khi đường kính lỗ tia phun nhỏ hơn, nhờ vào việc phun nhiên liệu mịn hơn, tăng diện tích tiếp xúc và giảm lượng nhiên liệu chưa cháy hết.

  3. Phát thải khí NOx: Tỷ lệ NOx giảm đáng kể khi đường kính lỗ tia phun giảm, đặc biệt ở tốc độ động cơ 1800 vòng/phút, giảm khoảng 10-15%. Nguyên nhân là do hỗn hợp nhiên liệu - không khí được phân bố đồng đều hơn, giảm vùng cháy giàu nhiên liệu và nhiệt độ đỉnh buồng đốt.

  4. Phát thải muội than (PM): Mức phát thải muội than cũng giảm khoảng 8-12% khi đường kính lỗ tia phun nhỏ hơn, nhờ quá trình phân rã chùm tia phun hiệu quả hơn, hạn chế hình thành các hạt cacbon lớn.

Các kết quả trên được minh họa qua các biểu đồ công suất - mô men, biểu đồ suất tiêu hao nhiên liệu và biểu đồ tỷ lệ phát thải NOx, muội than tại các tốc độ động cơ khác nhau (600 - 5000 vòng/phút).

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện là sự thay đổi đường kính lỗ tia phun ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình nguyên tử hóa nhiên liệu và sự phân bố hỗn hợp nhiên liệu - không khí trong buồng đốt. Đường kính nhỏ hơn làm tăng vận tốc phun, giảm kích thước hạt nhiên liệu, từ đó tăng hiệu quả cháy và giảm lượng nhiên liệu chưa cháy.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả tương đồng với báo cáo của các tác giả sử dụng phần mềm mô phỏng KIVA-3V và GT-POWER, cũng như các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy kích thước lỗ phun ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và khí thải động cơ Diesel. Nghiên cứu này bổ sung thêm bằng chứng mô phỏng chi tiết cho động cơ Kia - JD K3500, một mẫu động cơ phổ biến tại Việt Nam.

Ý nghĩa của kết quả là cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế và tối ưu kim phun nhiên liệu, góp phần nâng cao hiệu suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải khí độc hại, đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt như Euro 6.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu đường kính lỗ tia phun: Khuyến nghị sử dụng đường kính lỗ tia phun trong khoảng 0.4 - 0.57 mm để cân bằng giữa công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải khí. Chủ thể thực hiện: Nhà sản xuất kim phun và động cơ. Thời gian áp dụng: 1-2 năm.

  2. Áp dụng phần mềm mô phỏng CFD trong thiết kế động cơ: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và sản xuất sử dụng phần mềm AVL Fire hoặc tương đương để mô phỏng và tối ưu hệ thống nhiên liệu trước khi sản xuất thực tế. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu, trường đại học, doanh nghiệp. Thời gian: liên tục.

  3. Nâng cao đào tạo kỹ thuật về công nghệ phun nhiên liệu Diesel: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về mô phỏng và thiết kế kim phun cho kỹ sư và sinh viên ngành cơ khí động lực. Chủ thể thực hiện: Các trường đại học, trung tâm đào tạo. Thời gian: 6-12 tháng.

  4. Phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật kim phun phù hợp với điều kiện Việt Nam: Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật về kích thước và chất lượng kim phun nhiên liệu phù hợp với các loại động cơ Diesel phổ biến tại Việt Nam, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường. Chủ thể thực hiện: Bộ ngành liên quan, hiệp hội ngành nghề. Thời gian: 2-3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà sản xuất động cơ và kim phun nhiên liệu: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu và mô hình mô phỏng giúp tối ưu thiết kế kim phun, nâng cao hiệu suất động cơ và giảm phát thải.

  2. Các viện nghiên cứu và trường đại học ngành cơ khí động lực: Tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu, giảng dạy về động cơ Diesel, mô phỏng CFD và công nghệ phun nhiên liệu.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và giao thông vận tải: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn khí thải và kiểm soát ô nhiễm từ phương tiện sử dụng động cơ Diesel.

  4. Doanh nghiệp vận tải và bảo dưỡng ô tô: Áp dụng kiến thức để lựa chọn, bảo trì và tối ưu hóa động cơ Diesel, giảm chi phí nhiên liệu và tuân thủ quy định về khí thải.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao đường kính lỗ tia phun lại ảnh hưởng đến công suất động cơ?
    Đường kính lỗ tia phun ảnh hưởng đến kích thước hạt nhiên liệu và vận tốc phun, từ đó quyết định hiệu quả hòa trộn nhiên liệu - không khí và quá trình cháy. Lỗ phun nhỏ hơn giúp nguyên tử hóa tốt hơn, tăng công suất động cơ.

  2. Phần mềm AVL Fire có ưu điểm gì trong nghiên cứu động cơ Diesel?
    AVL Fire là phần mềm mô phỏng CFD chuyên dụng, cho phép mô phỏng chi tiết quá trình phun nhiên liệu, cháy và phát thải khí thải trong động cơ, giúp đánh giá và tối ưu thiết kế động cơ một cách chính xác và tiết kiệm chi phí.

  3. Hiện tượng xâm thực trong kim phun có tác động như thế nào?
    Xâm thực có thể gây xói mòn kim phun, giảm hiệu suất phun nhiên liệu. Tuy nhiên, nếu kiểm soát tốt, xâm thực còn giúp tăng nguyên tử hóa nhiên liệu, cải thiện quá trình cháy.

  4. Làm thế nào để giảm phát thải NOx và muội than từ động cơ Diesel?
    Giảm phát thải có thể thực hiện bằng cách tối ưu đường kính lỗ tia phun, điều chỉnh áp suất phun, cải tiến thiết kế buồng cháy và sử dụng công nghệ xử lý khí thải phù hợp.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các loại động cơ Diesel khác không?
    Mô hình và kết quả nghiên cứu có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các loại động cơ Diesel tương tự, đặc biệt là các động cơ sử dụng hệ thống phun nhiên liệu cao áp và kim phun đa lỗ.

Kết luận

  • Đường kính lỗ tia phun nhiên liệu có ảnh hưởng rõ rệt đến công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải khí thải của động cơ Diesel Kia - JD K3500.
  • Giảm đường kính lỗ tia phun giúp tăng công suất động cơ khoảng 5-7%, giảm tiêu hao nhiên liệu 3-5% và giảm phát thải NOx, muội than từ 8-15%.
  • Mô hình mô phỏng sử dụng phần mềm AVL Fire là công cụ hiệu quả để đánh giá và tối ưu hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế kim phun nhiên liệu và phát triển động cơ Diesel thân thiện môi trường.
  • Đề xuất áp dụng kết quả nghiên cứu trong sản xuất, đào tạo và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng động cơ Diesel tại Việt Nam.

Tiếp theo, các đơn vị nghiên cứu và sản xuất nên triển khai thử nghiệm thực tế dựa trên mô hình mô phỏng để xác nhận và hoàn thiện các giải pháp tối ưu. Độc giả quan tâm được khuyến khích tiếp cận và ứng dụng các kết quả nghiên cứu nhằm phát triển công nghệ động cơ Diesel bền vững hơn.