Nghiên cứu ảnh hưởng thời điểm phun nhiên liệu đến đặc tính động cơ Vikyno RV 1252

Khám phá ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đến hiệu suất động cơ Vikyno RV 1252, tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.

• Tác giả: Chiêm Trấn Lâm
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Thanh Công
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Ôtô - Máy kéo
• Đề tài: Ảnh Hưởng Thời Điểm Phun Nhiên Liệu Đến Đặc Tính Động Cơ Vikyno RV125-2
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. Chương 1: Tổng quan
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Nội dung nghiên cứu
• 1.5. Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng
• 1.6. Mô hình thực nghiệm
• 1.7. Tính mới của đề tài
• 1.8. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
• 2. Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết
• 2.1. Đặc điểm động cơ Diesel
• 2.2. Ô nhiễm từ động cơ Diesel
• 2.2.1. Thành phần của khí thải từ động cơ Diesel
• 2.2.2. Cơ chế hình thành muội than
• 2.2.3. Cơ chế hình thành các khí thải khác trong động cơ Diesel
• 2.3. Ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đối với đặc tính động cơ Diesel
• 2.3.1. Ảnh hưởng đến tính năng vận hành của động cơ
• 2.3.2. Ảnh hưởng đến đặc tính phát thải của động cơ
• 3. Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm
• 3.1. Thiết bị thực nghiệm
• 3.1.1. Cân điện tử dùng để đo mức tiêu hao nhiên liệu
• 3.1.2. Thiết bị đo lưu lượng không khí nạp
• 3.1.3. Thiết bị đo khí thải động cơ
• 3.1.4. Hệ thống đo lưu lượng phát thải khí thải
• 3.2. Hệ thống điều khiển thời điểm phun diesel cho động cơ RV125-2
• 3.2.1. Giới thiệu hệ thống
• 3.2.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống điều khiển thời điểm phun diesel cho động cơ RV125-2
• 3.2.3. Thiết kế bố trí chung hệ thống MCVIT
• 3.2.4. Phương pháp xác định thời điểm phun của động cơ
• 3.3. Phương pháp và trình tự thực nghiệm
• 3.3.1. Đo kiểm tra thực trạng đặc tính của động cơ
• 3.3.2. Xác định ảnh hưởng của từng thời điểm phun nhiên liệu đến đặc tính động cơ (công suất, mô-men, suất tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất nhiệt, nồng độ thành phần khí thải…)
• 3.3.3. Xác định đặc tính khí thải của động cơ theo chu trình ISO 8178 C1 với 8 điểm đo tại thời điểm phun được đề xuất tại thử nghiệm
• 4. Chương 4: Kết quả và thảo luận
• 4.1. Xác định thực trạng đặc tính khí thải động cơ theo chu trình ISO 8178 C1
• 4.2. Đánh giá ảnh hưởng của thời điểm phun đến đặc tính động cơ
• 4.3. Thực nghiệm đánh giá đặc tính của động cơ tại thời điểm phun nhiên liệu mới
• 5. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
• Danh mục các công trình khoa học
• Tài liệu tham khảo
• Phụ lục: Thực nghiệm đánh giá hệ thống MCVIT
• Phụ lục: Các bài báo đính kèm

Tóm tắt

I. Tổng quan

Động cơ diesel, đặc biệt là động cơ Vikyno RV 1252, đóng vai trò quan trọng trong ngành nông nghiệp và công nghiệp tại Việt Nam. Việc nghiên cứu thời điểm phun nhiên liệu là cần thiết để cải thiện hiệu suất động cơ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Động cơ RV 1252, với công suất tối đa 12,5 HP, sử dụng hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp, cho phép điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu nhằm tối ưu hóa quá trình cháy. Nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất động cơ xe máy mà còn góp phần vào việc giảm phát thải khí độc hại từ động cơ diesel. Theo số liệu thống kê, động cơ này chiếm hơn 40% thị phần động cơ nông nghiệp tại Việt Nam, cho thấy tầm quan trọng của việc cải tiến công nghệ phun nhiên liệu.

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Việc nghiên cứu thời điểm phun nhiên liệu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất động cơ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Động cơ diesel thường phát thải nhiều khí độc hại, do đó, việc tối ưu hóa thời điểm phun nhiên liệu sẽ giúp giảm nồng độ NOx và muội than trong khí thải. Nghiên cứu này nhằm tìm ra thời điểm phun tối ưu cho động cơ RV 1252, từ đó nâng cao hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu có thể làm tăng hiệu suất nhiệt và giảm tiêu hao nhiên liệu, điều này rất cần thiết trong bối cảnh hiện nay.

II. Nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu lý thuyết về thời điểm phun nhiên liệu và ảnh hưởng của nó đến hiệu suất động cơ là rất quan trọng. Các yếu tố như áp suất phun, tốc độ động cơ và cấu trúc buồng cháy đều ảnh hưởng đến quá trình cháy và phát thải khí. Việc điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu có thể giúp tối ưu hóa quá trình hòa trộn nhiên liệu và không khí, từ đó cải thiện hiệu suất động cơ. Nghiên cứu cho thấy rằng thời điểm phun nhiên liệu tối ưu sẽ giúp giảm thiểu ô nhiễm và nâng cao công suất động cơ. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc thay đổi thời điểm phun nhiên liệu từ 12 đến 160 CA BTDC có thể mang lại hiệu quả cao nhất về công suất và giảm phát thải khí độc hại.

2.1 Ảnh hưởng đến tính năng vận hành của động cơ

Thời điểm phun nhiên liệu có ảnh hưởng lớn đến tính năng vận hành của động cơ diesel. Việc điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu có thể làm tăng công suất và mô-men xoắn của động cơ. Nghiên cứu cho thấy rằng khi thời điểm phun nhiên liệu được điều chỉnh hợp lý, động cơ có thể đạt được hiệu suất tối ưu, đồng thời giảm thiểu lượng nhiên liệu tiêu thụ. Các thông số như áp suất phun và tốc độ động cơ cũng cần được xem xét để đạt được hiệu quả tối đa. Việc tối ưu hóa thời điểm phun nhiên liệu không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường, điều này rất quan trọng trong bối cảnh hiện nay.

III. Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện để đánh giá ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đến hiệu suất động cơ Vikyno RV 1252. Hệ thống MCVIT được sử dụng để điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu trong khoảng từ 0 đến 400 CA BTDC. Kết quả cho thấy rằng hiệu suất động cơ đạt giá trị cao nhất khi thời điểm phun nhiên liệu nằm trong khoảng từ 12 đến 160 CA BTDC. Nồng độ NOx tăng lên khi thời điểm phun nhiên liệu được điều chỉnh, tuy nhiên, độ mờ khói trong khí thải lại giảm. Điều này cho thấy rằng việc tối ưu hóa thời điểm phun nhiên liệu không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu ô nhiễm. Các kết quả thực nghiệm này cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho việc cải tiến động cơ RV 1252 trong tương lai.

3.1 Thiết bị thực nghiệm

Thiết bị thực nghiệm được sử dụng bao gồm cân điện tử để đo mức tiêu hao nhiên liệu, thiết bị đo lưu lượng không khí nạp và hệ thống đo khí thải động cơ. Hệ thống MCVIT cho phép điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu một cách chính xác, từ đó thu thập dữ liệu về hiệu suất động cơ và phát thải khí. Các thông số như công suất, mô-men, suất tiêu hao nhiên liệu và nồng độ khí thải được đo lường tại các thời điểm phun nhiên liệu khác nhau. Kết quả thu được từ các thí nghiệm này sẽ giúp đánh giá chính xác ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đến hiệu suất động cơ và đưa ra các giải pháp cải tiến phù hợp.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng thời điểm phun nhiên liệu có ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất động cơ Vikyno RV 1252. Các giá trị công suất và mô-men đạt cao nhất tại thời điểm phun nhiên liệu từ 12 đến 160 CA BTDC. Nồng độ NOx tăng lên khi thời điểm phun nhiên liệu được điều chỉnh, trong khi độ mờ khói giảm. Điều này cho thấy rằng việc tối ưu hóa thời điểm phun nhiên liệu không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu ô nhiễm. Các kết quả này có thể được áp dụng trong việc cải tiến động cơ RV 1252, giúp nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường. Nghiên cứu này cũng mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo về động cơ diesel tại Việt Nam.

4.1 Đánh giá ảnh hưởng của thời điểm phun

Đánh giá ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đến hiệu suất động cơ cho thấy rằng việc điều chỉnh hợp lý có thể mang lại lợi ích lớn. Các thông số như công suất, mô-men và suất tiêu hao nhiên liệu đều có sự cải thiện đáng kể khi thời điểm phun nhiên liệu được tối ưu hóa. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc giảm nồng độ NOx và muội than trong khí thải là khả thi thông qua việc điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu. Điều này không chỉ giúp động cơ hoạt động hiệu quả hơn mà còn góp phần bảo vệ môi trường, điều này rất quan trọng trong bối cảnh hiện nay.

V. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng thời điểm phun nhiên liệu có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất động cơ Vikyno RV 1252. Việc tối ưu hóa thời điểm phun nhiên liệu không chỉ giúp nâng cao công suất mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các kết quả thực nghiệm cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho việc cải tiến động cơ trong tương lai. Hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào việc nghiên cứu các công nghệ mới trong hệ thống phun nhiên liệu, nhằm tối ưu hóa hơn nữa quá trình cháy và giảm phát thải. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị khoa học mà còn có tính thực tiễn cao, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp động cơ tại Việt Nam.

5.1 Đề xuất cải tiến

Đề xuất cải tiến cho động cơ RV 1252 bao gồm việc áp dụng các công nghệ mới trong hệ thống phun nhiên liệu, nhằm tối ưu hóa thời điểm phun nhiên liệu. Việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống phun nhiên liệu hiện đại có thể giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm. Ngoài ra, cần tiếp tục nghiên cứu về ảnh hưởng của các loại nhiên liệu mới đến hiệu suất động cơ và phát thải khí. Các giải pháp này không chỉ giúp cải thiện động cơ RV 1252 mà còn có thể áp dụng cho các loại động cơ diesel khác trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành cơ khí động lực và máy nông nghiệp Việt Nam đang đối mặt với bài toán kép về nâng cao hiệu suất kinh tế và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Hàng năm, thị trường trong nước tiêu thụ khoảng 48.000 động cơ diesel các loại, trong đó Công ty TNHH Một Thành Viên Động Cơ và Máy Nông Nghiệp Miền Nam đóng góp hơn 45.000 sản phẩm. Dòng động cơ một xy-lanh RV125-2 là sản phẩm chủ lực, chiếm hơn 40% tổng doanh số bán hàng, tương đương khoảng 18.000 đến 19.000 động cơ được cung ứng ra thị trường mỗi năm để phục vụ canh tác, bơm tưới và vận tải thủy nội địa.

Tuy nhiên, động cơ RV125-2 được chế tạo dựa trên chuyển giao công nghệ từ hãng Kubota cách đây hơn 20 năm, khiến các thông số làm việc chưa được tối ưu hóa theo các tiêu chuẩn môi trường hiện đại. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là giải quyết tình trạng thiếu hụt dữ liệu phát thải thực tế và tối ưu hóa quá trình cháy nhằm giảm thiểu ô nhiễm mà không làm suy giảm công suất động cơ. Mục tiêu cụ thể của luận văn là khảo sát thực nghiệm hiện trạng phát thải theo chu trình kiểm định quốc tế ISO 8178 C1, đồng thời đánh giá toàn diện ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu diesel từ 4 đến 24 độ góc quay trục khuỷu trước điểm chết trên đối với công suất, mô-men xoắn, suất tiêu hao nhiên liệu và nồng độ khí xả ô nhiễm.

Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Động cơ đốt trong thuộc Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc cung cấp bộ dữ liệu cơ sở có độ tin cậy cao, chứng minh hiện trạng phát thải khí CO ban đầu ở mức 71,46 g/kWh và muội than PM ở mức 34,79 g/kWh đều vượt xa ngưỡng quy chuẩn EPA TIER 2. Từ đó, nghiên cứu xác lập mốc điều chỉnh kỹ thuật then chốt, tạo tiền đề để doanh nghiệp cải tiến sản phẩm, đáp ứng lộ trình kiểm soát khí thải quốc gia và gia tăng năng lực cạnh tranh xuất khẩu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết nhiệt động lực học động cơ đốt trong, quá trình cháy không đồng nhất của động cơ diesel bốn kỳ và các cơ chế hình thành khí xả độc hại. Các mô hình lý thuyết nền tảng bao gồm:

Thứ nhất, lý thuyết chu trình cấp nhiệt hỗn hợp và cơ chế cháy trễ trong động cơ diesel phun trực tiếp. Quá trình cháy bao gồm giai đoạn chuẩn bị hình thành hòa khí, giai đoạn cháy đồng nhất tức thời và giai đoạn cháy khuếch tán kéo dài trên đường giãn nở.

Thứ hai, cơ chế Zeldovich nhiệt phân giải thích sự hình thành oxit nitơ trong buồng cháy ở môi trường nhiệt độ vượt quá 2000 độ C và giàu oxy, dựa trên các phản ứng dây chuyền giữa nguyên tử nitơ và phân tử oxy.

Thứ ba, lý thuyết hóa than và hình thành muội than particulate matter qua 5 giai đoạn: phản ứng polyme hóa hydrocacbon, tạo nhân hydrocacbon thơm đa nhân, ngưng tụ graphit hóa, tạo hạt sơ cấp và kết tụ thành tổ hợp muội than trong các vùng hòa khí quá đậm đặc thiếu oxy.

Các khái niệm then chốt được lượng hóa gồm: góc phun sớm tính theo độ góc quay trục khuỷu trước điểm chết trên, suất tiêu hao nhiên liệu riêng, hiệu suất nhiệt có ích, nồng độ phát thải tính theo g/kWh và độ mờ khói khí xả đo bằng phần trăm quang học.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa tính toán giải tích cơ khí và kiểm nghiệm thực nghiệm trên bệ thử chuyên dụng. Đối tượng thử nghiệm là động cơ diesel Vikyno RV125-2 một xy-lanh nằm ngang, dung tích công tác 624 cm3, tỷ số nén 18:1, công suất tối đa 12,5 mã lực tại tốc độ 2400 vòng/phút và áp suất phun định mức 200 bar.

Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Nghiên cứu áp dụng phương pháp lấy mẫu thực nghiệm đa điểm theo chu trình thử tĩnh tại 8 chế độ tải của tiêu chuẩn quốc tế ISO 8178 C1. Mẫu đo bao gồm 8 chế độ hoạt động đại diện tại các dải tốc độ định mức 2400 vòng/phút tương ứng mức tải 100%, 75%, 50%, 10% mô-men và tốc độ mô-men cực đại 1800 vòng/phút tương ứng mức tải 100%, 75%, 50%, cùng chế độ không tải 1200 vòng/phút. Mỗi điểm đo được lặp lại 3 lần độc lập để lấy giá trị trung bình toán học nhằm loại trừ sai số ngẫu nhiên, tổng cộng tạo ra 24 bộ dữ liệu kiểm định hoàn chỉnh cho từng cấu hình thử nghiệm.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Việc phân tích thực nghiệm trên băng thử điện xoay chiều 3 pha kết hợp hệ số gia quyền của chu trình ISO 8178 C1 là phương pháp chuẩn mực quốc tế duy nhất cho phép quy đổi tổng lượng phát thải phát sinh trên một đơn vị công sinh ra (g/kWh), phản ánh đúng chu kỳ làm việc thực tế của máy nông nghiệp.

Hệ thống thiết bị đo đạc gồm: thiết bị phân tích khí thải chuyên sâu Fourier Transform Infrared AVL SESAM 60iFT, máy đo độ mờ khói AVL Dismoke 4000, cân điện tử chính xác Sartorius TE6101 với độ phân giải 0,1g, đồng hồ đo lưu lượng khí nạp ABB và 2 bộ cảm biến quang mã hóa góc quay Autonics cho độ phân giải góc phun đạt 0,5 độ. Đặc biệt, hệ thống điều khiển góc phun sớm liên tục bằng cơ khí MCVIT được nghiên cứu, chế tạo riêng để dịch chuyển cặp bánh răng căng đai tịnh tiến, cho phép thay đổi góc xoay trục cam từ 0 đến 40 độ góc quay trục khuỷu ngay khi động cơ đang vận hành. Toàn bộ quá trình thực nghiệm được triển khai đồng bộ trong khoảng thời gian 6 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình đo đạc thực nghiệm đã làm sáng tỏ các đặc tính kỹ thuật cốt lõi của động cơ Vikyno RV125-2:

Thực trạng phát thải nguyên bản ở góc phun thiết lập gốc 20 độ trước điểm chết trên cho thấy sự mất cân đối nghiêm trọng so với tiêu chuẩn quốc tế. Cụ thể, nồng độ CO đạt mức 71,46 g/kWh, cao gấp 10,8 lần so với giới hạn tiêu chuẩn EPA TIER 2 là 6,6 g/kWh. Lượng muội than PM đo được đạt 34,79 g/kWh, vượt gấp 43,4 lần mức trần cho phép 0,8 g/kWh, trong khi tổng lượng hydrocacbon và oxit nitơ đạt 10,26 g/kWh so với giới hạn 7,5 g/kWh.

Vùng góc phun tối ưu cho tính năng công tác được xác định nằm trong dải từ 12 đến 16 độ trước điểm chết trên, nổi bật nhất tại điểm 14 độ trước điểm chết trên. Tại mốc 14 độ, công suất động cơ đạt mức cực đại 9,1 kW ở 2400 vòng/phút, mô-men xoắn đạt giá trị đỉnh khoảng 41,2 N.m ở 1800 vòng/phút, hiệu suất nhiệt có ích đạt đỉnh trên 28% và suất tiêu hao nhiên liệu giảm xuống mức thấp nhất khoảng 285 g/kWh.

Quy luật đánh đổi nhiệt động lực học giữa khí oxit nitơ và độ mờ khói thể hiện rõ rệt khi điều chỉnh góc phun sớm từ 24 độ lùi dần về 4 độ trước điểm chết trên. Khi làm trễ thời điểm phun trong dải này, nồng độ oxit nitơ giảm khoảng 57% ở tốc độ 1800 vòng/phút và giảm 66% ở tốc độ 2400 vòng/phút, tương đương mức sụt giảm tuyệt đối khoảng 1000 ppm. Ngược lại, độ mờ khói khí xả tăng thêm 18% ở tốc độ 1800 vòng/phút và tăng 2% ở tốc độ 2400 vòng/phút.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân vật lý và hóa học của các hiện tượng trên bắt nguồn từ sự tương tác giữa tốc độ bay hơi nhiên liệu, góc quay trục khuỷu và diễn biến áp suất buồng cháy. Khi góc phun quá sớm (lớn hơn 16 độ trước điểm chết trên), nhiên liệu được đưa vào xy-lanh khi nhiệt độ và áp suất nén chưa đủ cao, làm kéo dài thời gian cháy trễ. Một lượng lớn nhiên liệu hòa trộn sẵn bốc cháy đồng loạt ngay trước khi piston đạt vị trí điểm chết trên, tạo ra đỉnh áp suất cao và nhiệt độ cục bộ vượt 2500 độ C. Môi trường nhiệt độ cao này thúc đẩy cơ chế Zeldovich sản sinh lượng lớn oxit nitơ, đồng thời lực cản chuyển động piston đi lên làm suy giảm công suất thực và tiêu hao nhiều nhiên liệu hơn.

Khi điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu về dải hợp lý từ 12 đến 16 độ trước điểm chết trên, quá trình cháy mãnh liệt nhất xảy ra ngay sau điểm chết trên khoảng 8 đến 12 độ góc quay trục khuỷu. Áp lực khí giãn nở tác động trùng khớp với hành trình sinh công đi xuống của piston, giúp giảm tổn thất cơ năng và đạt hiệu suất nhiệt tối ưu. Ngược lại, khi phun quá trễ (nhỏ hơn 12 độ trước điểm chết trên), quá trình cháy bị kéo dài sang kỳ xả trong không gian thể tích buồng cháy đang mở rộng nhanh. Nhiệt độ khí cháy giảm làm hạn chế oxit nitơ nhưng khiến nhiên liệu không kịp cháy hoàn toàn, dẫn đến độ mờ khói và nồng độ muội than tăng vọt.

Các phát hiện này tương đồng với các nghiên cứu kinh điển về động cơ diesel cỡ nhỏ trên thế giới của các viện nghiên cứu động cơ đốt trong tại Nhật Bản và Đức. Về phương diện trình bày trực quan, các dữ liệu này được thể hiện trực quan qua đồ thị đường cong đặc tính ngoài đa trục (biểu diễn tương quan giữa mô-men, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu theo góc phun sớm) và bảng ma trận đối chiếu phát thải 8 chế độ tải giúp nhận diện nhanh điểm làm việc tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, bốn nhóm giải pháp kỹ thuật và công nghệ được đề xuất nhằm nâng cao chất lượng động cơ RV125-2:

Thứ nhất, hiệu chỉnh cố định góc phun sớm của bơm cao áp từ mức 20 độ về mức tối ưu 14 độ trước điểm chết trên ngay trên dây chuyền lắp ráp hiện hữu. Giải pháp này sử dụng các căn đệm điều chỉnh vị trí bơm cao áp Bosch, giúp tăng ngay 5% đến 7% công suất có ích và cắt giảm khoảng 15% lượng phát thải oxit nitơ ban đầu. Thời gian thực hiện từ 3 đến 6 tháng, do Phòng Kỹ thuật Công ty SVEAM chủ trì.

Thứ hai, thiết kế và tích hợp cơ cấu điều chỉnh góc phun sớm tự động theo vận tốc và tải trọng động cơ dựa trên nguyên lý cơ - điện tử của hệ thống MCVIT. Mục tiêu là duy trì góc phun linh hoạt trong dải 12 đến 16 độ trước điểm chết trên ở mọi chế độ làm việc, giúp giảm 10% đến 12% suất tiêu hao nhiên liệu trung bình. Thời gian hoàn thiện mẫu thử nghiệm công nghiệp trong 12 tháng, do Trung tâm R&D doanh nghiệp phối hợp cùng Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh triển khai.

Thứ ba, tái thiết kế đỉnh piston nhằm tăng cường độ xoáy lốc của dòng khí nạp và nâng áp suất mở kim phun từ 200 bar lên dải 230 đến 250 bar kết hợp đầu phun nhiều lỗ nhỏ. Giải pháp này giúp xé tơi chùm tia nhiên liệu, tăng tốc độ hòa trộn để giảm thiểu 30% đến 35% lượng muội than phát sinh mà không làm tăng oxit nitơ. Lộ trình triển khai trong 18 tháng, thực hiện bởi nhóm kỹ sư cơ khí động lực.

Thứ tư, nghiên cứu lắp đặt bổ sung bộ lọc muội than thụ động DPF trên đường ống xả kết hợp thử nghiệm nhiên liệu sinh học Biodiesel B5 hoặc B20. Đích đến là đưa nồng độ hạt muội than và CO tiệm cận ngưỡng tiêu chuẩn EPA TIER 2, giảm thiểu 40% phát thải độc hại ra môi trường nông thôn trong vòng 24 tháng, có sự phối hợp đánh giá của Cục Đăng kiểm Việt Nam.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cho bốn nhóm đối tượng chính:

Kỹ sư thiết kế và chuyên gia R&D tại các nhà máy chế tạo động cơ đốt trong: Luận văn cung cấp bản vẽ thiết kế nguyên lý, mô hình 3D và thuật toán điều khiển của hệ thống điều chỉnh góc phun liên tục MCVIT, làm tài liệu tham khảo trực tiếp để nâng cấp hệ thống cung cấp nhiên liệu trên các dòng máy nông nghiệp tương tự.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô - Máy kéo: Đây là tài liệu học thuật có cấu trúc mẫu mực về phương pháp xây dựng bệ thử nghiệm động cơ, kỹ thuật thu thập dữ liệu bằng cảm biến xung encoder và phương pháp phân tích khí thải chuyên sâu theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 8178 C1.

Cán bộ quản lý môi trường và chuyên viên đăng kiểm chất lượng phương tiện giao thông: Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về bức tranh phát thải của dòng động cơ diesel tĩnh tại cỡ nhỏ sản xuất nội địa, hỗ trợ công tác xây dựng khung quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về môi trường.

Chủ cơ sở sửa chữa, hợp tác xã nông nghiệp và kỹ thuật viên vận hành máy: Hướng dẫn kỹ thuật chuẩn xác về việc căn chỉnh góc phun sớm tối ưu 14 độ trước điểm chết trên giúp tiết kiệm chi phí nhiên liệu hàng ngày, kéo dài tuổi thọ cụm piston - xy-lanh và giảm tiếng ồn kích nổ khi máy làm việc nặng.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao việc điều chỉnh góc phun sớm từ 20 độ về 14 độ trước điểm chết trên lại giúp tăng công suất động cơ? Khi phun ở 20 độ, nhiên liệu bốc cháy quá sớm tạo áp suất cản chuyển động đi lên của piston, gây tổn thất công suất. Ở mốc 14 độ, áp suất cực đại sinh ra đúng thời điểm piston vừa vượt qua điểm chết trên, tạo lực đẩy tối ưu trong hành trình sinh công và nâng công suất cực đại lên 9,1 kW.

Hệ thống MCVIT phát triển trong nghiên cứu có ưu điểm gì so với các cơ cấu điều khiển góc phun truyền thống? Hệ thống MCVIT sử dụng cơ cấu dịch chuyển tịnh tiến của cặp bánh răng căng đai trên dây đai răng dẫn động trục cam phụ, cho phép điều chỉnh góc phun trơn tru liên tục từ 0 đến 40 độ góc quay trục khuỷu ngay lúc động cơ đang nổ mà không cần phải tắt máy tháo lắp.

Hiện tượng kích nổ trong động cơ diesel xuất hiện khi nào và gây ảnh hưởng ra sao? Hiện tượng kích nổ xảy ra khi góc phun quá sớm làm kéo dài thời gian cháy trễ. Khối lượng hòa khí tích lũy lớn tự bốc cháy mãnh liệt cùng lúc gây sóng áp suất va đập mạnh vào thành xy-lanh, tạo tiếng gõ kim loại đanh, làm tăng rung động và suy giảm tuổi thọ các chi tiết cơ khí.

Vì sao nồng độ phát thải NOx và muội than luôn có xu hướng biến thiên ngược chiều nhau? Khí oxit nitơ chỉ hình thành ở nhiệt độ buồng cháy rất cao và dư lượng oxy dồi dào. Ngược lại, muội than lại phát sinh ở các vùng thiếu oxy và nhiệt độ cháy thấp hơn. Khi tăng góc phun sớm làm tăng nhiệt độ cháy thì oxit nitơ tăng nhưng muội than giảm, và ngược lại khi giảm góc phun.

Chu trình kiểm định ISO 8178 C1 gồm những gì và đóng vai trò như thế nào trong nghiên cứu? Chu trình ISO 8178 C1 gồm 8 chế độ tải và tốc độ khác nhau của động cơ tĩnh tại. Nồng độ phát thải từ từng chế độ được nhân với hệ số gia quyền tương ứng để tính toán ra tổng lượng phát thải trên mỗi đơn vị điện năng sinh ra (g/kWh), đảm bảo tính khách quan và chuẩn hóa quốc tế.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu khoa học và ứng dụng thực tiễn đề ra:

Thứ nhất, xác lập thành công bộ dữ liệu hiện trạng phát thải gốc của động cơ Vikyno RV125-2 theo tiêu chuẩn ISO 8178 C1 với nồng độ CO đạt 71,46 g/kWh, HC kết hợp NOx đạt 10,26 g/kWh và muội than PM đạt 34,79 g/kWh.

Thứ hai, chế tạo và thử nghiệm thành công hệ thống điều chỉnh góc phun liên tục MCVIT với độ phân giải đo đạc đạt 0,5 độ góc quay trục khuỷu, hoạt động ổn định trên băng thử công suất.

Thứ ba, chứng minh dải thời điểm phun nhiên liệu từ 12 đến 16 độ trước điểm chết trên, đặc biệt là 14 độ trước điểm chết trên, mang lại tính năng kinh tế - kỹ thuật vượt trội với công suất đạt 9,1 kW và suất tiêu hao nhiên liệu tối ưu.

Thứ tư, xác định chính xác quy luật sụt giảm 57% đến 66% nồng độ oxit nitơ khi điều chỉnh lùi thời điểm phun từ 24 độ về 4 độ trước điểm chết trên.

Thứ năm, đề xuất định hướng kỹ thuật rõ ràng để chuyển giao quy trình hiệu chỉnh góc phun sớm cho doanh nghiệp chế tạo máy trong nước.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là làm chủ giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa quá trình cháy ngay tại nguồn mà không làm phát sinh chi phí đầu tư lớn cho người nông dân. Lộ trình phát triển tiếp theo trong 6 đến 12 tháng tới cần tập trung vào việc công nghiệp hóa cơ cấu điều tốc kết hợp góc phun tự động và thử nghiệm trên diện rộng tại các vùng nông nghiệp trọng điểm. Các doanh nghiệp sản xuất và cơ sở nghiên cứu hãy cùng phối hợp ứng dụng ngay giải pháp kỹ thuật này nhằm nâng cao giá trị thương hiệu máy động lực Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Tổng quan 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Động cơ nhiệt dùng nhiên liệu truyền thống (như xăng, diesel,…) hiện là một trong những nguồn động lực chủ yếu được lắp đặt và sử dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, ô tô chuyên dùng trong các công trình xây dựng; đặc biệt là trong lĩnh vực giao thông vận tải. Tuy nhiên, một trong những hạn chế của loại động cơ này là gây ra sự gia tăng đáng kể mức phát thải ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Động cơ mang nhãn hiệu Vikyno/ Vinapro của Công ty TNHH Một Thành Viên Động Cơ và Máy Nông Nghiệp Miền Nam (SVEAM) hiện đang là những sản phẩm động cơ chính của Việt Nam trên thị trường và là sản phẩm chủ lực của Bộ Công Thương về động cơ đốt trong. Theo số liệu thống kê của công ty SVEAM, hiện nay hàng năm công ty cung cấp tổng cộng hơn 45.000 động cơ trên tổng số khoảng 48.000 động cơ sản xuất tại Việt Nam ra thị trường mỗi năm.

Trong các dòng sản phẩm của SVEAM, động cơ RV125-2 là sản phẩm chủ lực với hơn 40% tổng số động cơ của SVEAM bán trên thị trường, tức khoảng trên dưới 15. Hiện tại, Công ty SVEAM đang sản xuất chuỗi động cơ mang nhãn hiệu RV125-2 theo bản quyền của hãng Kubota cách đây hơn 20 năm. Hiện trạng về đặc tính phát thải của loại động cơ này là chưa được công bố. Những nghiên cứu tiêu biểu trên dòng sản phẩm này gồm những nghiên cứu về ứng dụng nguồn nhiên liệu đối với động cơ và những nghiên cứu về cải tạo động cơ để sử dụng các nguồn nhiên liệu mới như: biodiesel, LPG, biogas.[1-6] Tuy nhiên, các nghiên cứu trên tập trung cải thiện tính năng làm việc và điều khiển động cơ, chưa cho thấy hiện trạng đặc tính phát thải của động cơ Vikyno RV125-2 hiện tại.

Ngoài ra, những phương án cải thiện mức phát thải của dòng sản phẩm này phục vụ cho nhu cầu xuất khẩu và thương mại trong nước chưa được đề cập. Qua các phân tích trên, chúng ta thấy là việc nghiên cứu chế tạo động cơ ở nước ta còn nhiều hạn chế. Việc nghiên cứu cải tiến động cơ RV 125-2 nhằm nâng cao công suất động cơ và cải thiện đặc tính phát thải của động cơ hiện đang là nhu cầu rất cấp thiết giúp sản phẩm của doanh nghiệp này có thể cạnh tranh trên thị trường trong nước và quốc tế. Đối với động cơ diesel thì việc cải thiện đặc tính về khí thải động cơ thường đi theo hướng: (1) Giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn bằng cách sử 2 dụng nhiên liệu sạch hoặc nhiên liệu mới; (2) Xử lý khí thải tại đầu ra của động cơ, trên đường ống thải thông qua việc nghiên cứu ứng dụng các công nghệ xử lý khí thải tiên tiến; (3) Hoàn thiện quá trình hình thành hỗn hợp và quá trình cháy bằng cách cải thiện hệ thống cung cấp nhiên liệu và tối ưu kết cấu buồng cháy động cơ.

Trong các phương pháp trên, việc ứng dụng các dạng nhiên liệu mới như biodiesel, biogas, pha trộn biodiesel và diesel,. trên động cơ nông nghiệp vẫn đang được các nhà khoa học nghiên cứu ở mức độ phòng thí nghiệm. Phương pháp này đòi hỏi nguồn nhiên liệu mới phải dồi dào và bền vững một khi các nghiên cứu này thành công. Phương pháp thứ hai đề cập đến việc ứng dụng công nghệ hiện đại xử lý khí thải thông qua các bộ xử lý xúc xác trên đường thải.

Các việc ứng dụng này cần được nghiên cứu tính toán hợp lý vị trí của các bộ xử lý cho phù hợp với đặc điểm sử dụng. Tuy nhiên, giá thành của các bộ xử lý này khá cao và người nông dân sẽ phải trả thêm một khoản tiền lớn khi mua động cơ có gắn các hệ thống này. Ngoài ra, động cơ diesel một xy-lanh RV125-2 được sản xuất dựa trên bản quyền của Kubota từ rất lâu nên các thông số hoạt động của động cơ không giúp tối ưu đặc tính động cơ, đặc biệt là đặc tính về hình thành hỗn hợp nhiên liệu và khí thải. Do vậy, việc nghiên cứu cải thiện quá trình cháy đối với động cơ Diesel, các giải pháp kỹ thuật tối ưu làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay tại buồng cháy là khả thi và có tính quan trọng cao, cần phải được cân nhắc trong việc giảm nồng độ của các chất HC, NOx và muội than trong khí xả.

Về phía hệ thống cung cấp nhiên liệu, có nhiều phương án nghiên cứu đã được đề ra và ứng dụng để tối ưu quá trình cháy của động cơ nhằm nâng cao công suất cũng như giảm phát thải ô nhiễm từ động cơ, cụ thể là : 1- Tăng tốc độ phun để làm giảm nồng độ muội than do tăng tốc độ hòa trộn nhiên liệu – không khí. 2- Tăng áp suất phun, đặc biệt là đối với động cơ phun trực tiếp. 3-Điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu hợp lý để cải thiện quá trình cháy. 4- Cải tiến dạng hình học của buồng cháy để tạo sự hòa trộn hỗn hợp tốt hơn.

5- Sử dụng hệ thống nhiên liệu tiên tiến commonrail. 6- Các kỹ thuật khác như hồi lưu khí xả… đều góp phần đáng kể vào việc làm giảm mức độ phát ô nhiễm ngay từ trong quá trình cháy. Trong các phương án nêu trên thì phương án thứ 3 (điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu hợp lý) có tính khả thi và khả năng ứng dụng vào thực tiễn cao. Thời điểm phun nhiên liệu tối ưu sẽ không chỉ giúp tăng tính đồng nhất của hỗn hợp nhiên liệu và không khí, vì vậy quá trình cháy diễn ra thuận lợi và giúp giảm thành phần khí độc hại từ động cơ.

Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng việc thay đổi góc phun sớm có ảnh hưởng trái ngược nhau đến nồng độ PM và NOx nên các nhà chế tạo động cơ Diesel đã đề ra nhiều biện pháp khác nhau về kỹ thuật phun và tổ 3 chức quá trình cháy nhằm giới hạn nồng độ hai chất ô nhiễm này. Do đó, đề tài được thực hiện nhằm mục đích khảo sát sự ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc và đặc tính phát thải của động cơ qua đó tạo bộ dữ liệu cơ sở cho việc cảo tạo đặc tính phát thải của động cơ RV125-2.2 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn này là đánh giá thực nghiệm hiện trạng đặc tính phát thải ô nhiễm của động cơ diesel một xy-lanh RV125-2 và phân tích ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đến đặc tính khí thải của động cơ tại chế độ làm việc toàn tải nhằm tìm ra thời điểm phun phù hợp nhằm giảm sự phát thải trong khi vẫn đảm bảo về mặt công suất động cơ.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là động cơ Diesel RV125-2 phun trực tiếp, buồng cháy thống nhất dùng trong nông nghiệp. Đề tài này nghiên cứu ảnh hưởng của thời phun nhiên liệu diesel đến đặc tính công suất và đặc tính phát thải động cơ, làm cơ sở so sánh với tiêu chuẩn khí thải EPA TIER 2 đối với động cơ diesel tĩnh tại 1 xy-lanh. Động cơ Vikyno RV125-2 là động cơ một xy-lanh cỡ nhỏ, được sản xuất bởi Công ty TNHH MTV Động cơ và Máy Nông Nghiệp miền Nam (SVEAM) và sử dụng phổ biến trong nông nghiệp.

Đây là sản phẩm có doanh số bán tốt nhất của công ty. Thông số đặc tính kỹ thuật của động cơ được trình bày trong Bảng 1.Xét về kết cấu thì đây là động cơ 1 xy-lanh với pít-tông nằm ngang, sử dụng bơm cao áp kiểu Bosch và bộ điều tốc cơ khí, bộ điều tốc này có tác dụng giữ cho tốc độ động cơ không thay đổi và đồng thời điều chỉnh công suất ra.1: Động cơ Vikyno RV125-2 4 Bảng 1.1 : Thông số đặc tính kỹ thuật động cơ RV 125-2 4 Kỳ, 1 xy-lanh nằm Loại động cơ ngang Đường kính x Hành trình mm 94 x 90 Dung tích làm việc cm3 624 Công suất định mức Hp/vòng/phút 10,5/2200 Công suất tối đa Hp/vòng/phút 12,5/2400 Mô moment tối đa kgf.m/ vòng/phút 4,04/1800 Tỉ số nén 18:1 Hệ thống phun nhiên liệu Phun trực tiếp Áp suất phun nhiên liệu bar 200 Dạng buồng cháy Thống nhất 1.4 Nội dung nghiên cứu Luận văn nghiên cứu: “Ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đến đặc tính động cơ Vikyno RV125-2” dự kiến chia làm 4 nội dung chính như sau: Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan về động cơ RV125-2 hiện nay. Đề xuất các giải pháp, phân tích và lựa chọn giải pháp phù hợp để cải tiến động cơ. Nội dung 2: Nghiên cứu các lý thuyết cơ sở của hệ thống cung cấp nhiên liệu (như thời điểm phun nhiên liệu) và ảnh hưởng của chúng đến quá trình hình thành hỗn hợp và quá trình cháy, cũng như đặc tính công suất và khí thải động cơ diesel nông nghiệp.

Nội dung 3: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống thay đổi thời điểm phun nhiên liệu liên tục, điều khiển điện tử. Hiệu chỉnh và cân chuẩn hệ thống. Nội dung 4: Tiến hành thử nghiệm đánh giá đặc tính khí thải và đặc tính công suất động cơ RV125-2 hiện hữu. Phân tích đánh giá ảnh hưởng của thời điểm 5 phun nhiên liệu đến đặc tính công suất và khí thải động cơ RV125-2 trước và sau khi thay đổi thời điểm phun.5 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng  Cách tiếp cận:  Tiếp cận bằng lý thuyết: Cơ bản dựa trên lý thuyết vận hành động cơ đốt trong, lý thuyết về nhiệt động lực học và quá trình cháy.

Kết quả từ các nghiên cứu chuyên sâu trên động cơ Diesel tĩnh tại trên thế giới cũng sẽ được tham khảo trong quá trình phát triển.  Tiếp cận bằng thực nghiệm: Các thực nghiệm xác định đặc tính phát thải và đặc tính công suất của động cơ RV125-2 hiện hữu cũng sẽ được thực hiện trên băng thử động cơ 1 xy-lanh (thuộc phòng thí nghiệm trọng điểm ĐHQG-HCM Động cơ đốt trọng) làm cơ sở đánh giá và so sánh với một vài động cơ diesel tĩnh tại cùng loại của Thái Lan, Indonesia, Nhật,…  Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng:  Phương pháp nghiên cứu: Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp bao gồm: - Nghiên cứu lý thuyết: vận sử dụng các lý thuyết động cơ hiện đại, lý thuyết thủy khí và nhiệt động lực học vào trong đề tài nghiên cứu. - Nghiên cứu thực nghiệm: nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số đặc tính phát thải và đặc tính công suất động cơ hiện hữu làm căn cứ đề xuất giải pháp cải tiến.