Luận Văn Thạc Sĩ Về Cải Tiến Đường Nạp Động Cơ Diesel Một Xi-Lanh 16.5 HP

Luận văn thạc sĩ trình bày thiết kế cải tiến đường nạp cho động cơ diesel một xy lanh, công suất 16.5 mã lực, nâng cao hiệu suất hoạt động.

• Tác giả: Lương Huỳnh Giang
• Người hướng dẫn: PGS.TS Huỳnh Thanh Công
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
• Đề tài: Cải Tiến Đường Nạp Động Cơ Diesel 1 Xi-Lanh 16.5 HP
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Các nghiên cứu liên quan
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng nghiên cứu
• 1.5. Đặc tính kỹ thuật của động cơ tham khảo
• 1.6. Cổ nối họng nạp (Cổ nối bộ lọc gió)
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 1.8. Nội dung nghiên cứu
• 1.9. Mô hình lưu đồ về vấn đề nghiên cứu trong luận văn
• 1.10. Tính mới của đề tài
• 1.11. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
• 2. NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM VÀ THỰC NGHIỆM
• 2.1. Phân tích đánh giá và lựa chọn phương án thực nghiệm phù hợp
• 2.2. Thiết kế và chế tạo mô hình thí nghiệm đo hiệu suất nạp (không có sự cháy) và quan sát định tính của dòng không khí nạp
• 2.2.1. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của hệ thống thí nghiệm
• 2.2.2. Thiết bị thí nghiệm
• 2.2.3. Phương pháp đo và xử lý số liệu
• 2.3. Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá hiệu suất nạp (có sự cháy), các thông số kỹ thuật và phát thải ô nhiễm trên băng thử tải động cơ
• 2.3.1. Sơ đồ thực nghiệm và nguyên lý vận hành
• 2.3.2. Các thiết bị thí nghiệm
• 2.3.3. Phương pháp đo và xử lý số liệu
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Xác định đặc tính làm việc và khí thải của động cơ RV165-2 hiện hữu
• 3.2. So sánh và đánh giá các phương án so với động cơ hiện hữu
• 3.2.1. Trên hệ thống thí nghiệm đo hiệu suất nạp (không có sự cháy)
• 3.2.2. Trên băng thử thực tế (có sự cháy)
• 3.2.3. So sánh định tính dòng không khí nạp tại vận tốc n= 1200 v/ph
• 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về cải tiến đường nạp động cơ diesel 1 xi lanh 16

Cải tiến đường nạp động cơ diesel 1 xi-lanh 16.5 HP là một trong những nghiên cứu quan trọng nhằm nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ. Động cơ diesel hiện nay đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ nông nghiệp đến công nghiệp. Tuy nhiên, hiệu suất nạp của động cơ này vẫn còn nhiều hạn chế. Việc cải tiến đường nạp không chỉ giúp tăng cường hiệu suất mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

1.1. Đặc điểm kỹ thuật của động cơ diesel 1 xi lanh

Động cơ diesel 1 xi-lanh 16.5 HP có nhiều đặc điểm kỹ thuật nổi bật. Với công suất tối đa 16.5 HP, động cơ này được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau. Thể tích xi-lanh 839 cm3 cùng với tỉ số nén 20 giúp động cơ đạt được hiệu suất cao trong quá trình hoạt động.

1.2. Tầm quan trọng của việc cải tiến đường nạp

Cải tiến đường nạp là một yếu tố quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất động cơ. Việc tối ưu hóa thiết kế họng nạp giúp tăng cường khả năng nạp khí, từ đó cải thiện quá trình cháy và giảm thiểu khí thải ô nhiễm. Điều này không chỉ mang lại lợi ích về hiệu suất mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

II. Vấn đề và thách thức trong cải tiến đường nạp động cơ diesel

Mặc dù có nhiều lợi ích từ việc cải tiến đường nạp, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức cần phải vượt qua. Các vấn đề như thiết kế phức tạp, chi phí sản xuất cao và yêu cầu về công nghệ hiện đại là những yếu tố cần được xem xét.

2.1. Những khó khăn trong thiết kế họng nạp

Thiết kế họng nạp đòi hỏi sự chính xác cao và phải phù hợp với đặc tính của động cơ. Việc thay đổi hình dạng họng nạp có thể ảnh hưởng đến dòng chảy khí và hiệu suất nạp. Do đó, cần có các phương pháp mô phỏng chính xác để đánh giá hiệu quả của các thiết kế mới.

2.2. Chi phí và công nghệ trong cải tiến

Chi phí cho việc cải tiến đường nạp có thể cao, đặc biệt là khi áp dụng công nghệ mới. Các nhà sản xuất cần cân nhắc giữa lợi ích thu được và chi phí đầu tư để đảm bảo tính khả thi của dự án.

III. Phương pháp cải tiến đường nạp động cơ diesel 1 xi lanh

Có nhiều phương pháp để cải tiến đường nạp cho động cơ diesel 1 xi-lanh. Các phương pháp này bao gồm việc thay đổi hình dạng họng nạp, tối ưu hóa kích thước ống dẫn khí và sử dụng công nghệ mô phỏng hiện đại.

3.1. Thiết kế lại hình dạng họng nạp

Thiết kế lại hình dạng họng nạp có thể giúp cải thiện dòng chảy khí vào buồng đốt. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng như AVL BOOST và ANSYS FLUENT giúp đánh giá hiệu quả của các thiết kế mới trước khi thực hiện thực nghiệm.

3.2. Tối ưu hóa kích thước ống dẫn khí

Kích thước ống dẫn khí cũng ảnh hưởng đến hiệu suất nạp. Việc tối ưu hóa kích thước này giúp giảm thiểu tổn thất áp suất và tăng cường khả năng nạp khí cho động cơ.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc cải tiến đường nạp có thể mang lại những kết quả tích cực cho động cơ diesel 1 xi-lanh 16.5 HP. Các thông số như hiệu suất nạp, công suất có ích và tiêu hao nhiên liệu đều được cải thiện đáng kể.

4.1. Hiệu suất nạp và công suất động cơ

Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất nạp của động cơ đã tăng lên 8,92% sau khi cải tiến. Công suất động cơ cũng được nâng cao, giúp động cơ hoạt động hiệu quả hơn trong các ứng dụng thực tế.

4.2. Ứng dụng trong nông nghiệp và công nghiệp

Động cơ diesel 1 xi-lanh 16.5 HP sau khi cải tiến có thể được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp và công nghiệp. Việc nâng cao hiệu suất và giảm thiểu khí thải sẽ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Cải tiến đường nạp động cơ diesel 1 xi-lanh 16.5 HP là một bước tiến quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất động cơ. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực động cơ diesel.

5.1. Tương lai của động cơ diesel

Với sự phát triển của công nghệ, động cơ diesel có thể được cải tiến hơn nữa để đáp ứng các tiêu chuẩn về hiệu suất và khí thải. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc ứng dụng công nghệ mới và vật liệu tiên tiến.

5.2. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên xem xét việc áp dụng các phương pháp mô phỏng hiện đại và thực nghiệm để tối ưu hóa hơn nữa hiệu suất nạp của động cơ diesel. Điều này sẽ giúp nâng cao tính cạnh tranh của động cơ diesel trên thị trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hàng năm, ngành nông - lâm - ngư nghiệp Việt Nam tiêu thụ hàng chục nghìn động cơ đốt trong cỡ nhỏ để phục vụ sản xuất. Theo số liệu thống kê từ Công ty TNHH Một Thành Viên Động cơ và Máy Nông nghiệp Miền Nam (SVEAM), doanh nghiệp cung cấp ra thị trường hơn 45.000 động cơ xăng và 22.000 động cơ diesel mỗi năm. Trong số đó, dòng động cơ diesel 1 xi-lanh RV165-2 với công suất cực đại 16,5 mã lực (HP) tại 2400 vòng/phút là sản phẩm chủ lực do đội ngũ kỹ sư Việt Nam tự chủ thiết kế từ năm 2005, đạt sản lượng ổn định khoảng 3.000 động cơ mỗi năm. Dòng động cơ này đóng vai trò quan trọng trong việc cơ giới hóa nông thôn, dẫn động máy cày, ghe xuồng và máy phát điện.

Tuy nhiên, sau hơn 12 năm vận hành thương mại, dòng động cơ RV165-2 phải đối mặt với sự cạnh tranh gay gắt từ các dòng máy ngoại nhập nhờ ưu thế về kiểu dáng gọn nhẹ và mức tiêu hao nhiên liệu tối ưu. Một hạn chế lớn là kết cấu cổ nối đường nạp nguyên bản chưa từng được đánh giá khoa học chuyên sâu về hiệu suất nạp khí động học và đặc tính phát thải ô nhiễm. Việc hòa trộn hỗn hợp cháy chưa đạt trạng thái lý tưởng khiến động cơ chưa khai thác hết tiềm năng công suất và còn tồn đọng muội than.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là thiết kế cải tiến hình học họng nạp nhằm nâng cao hiệu suất nạp, tối ưu hóa quá trình tạo xoáy dòng khí và hoàn thiện quá trình cháy. Nghiên cứu được thực hiện tại Thành phố Hồ Chí Minh với sự phối hợp giữa Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM và Công ty SVEAM, hoàn thành vào tháng 09 năm 2017. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là cung cấp giải pháp gia công cơ khí chính xác, giúp hạ suất tiêu thụ nhiên liệu từ mức tiêu chuẩn 175 g/HP.h và cắt giảm đáng kể phát thải độc hại ra môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên hai nền tảng lý thuyết chủ đạo: Lý thuyết nhiệt động lực học động cơ đốt trong và Lý thuyết cơ học chất lưu ứng dụng (CFD). Trong chu trình nhiệt động của động cơ 4 kỳ nạp khí tự nhiên, công suất có ích phụ thuộc trực tiếp vào khối lượng không khí mới được điền đầy vào xi-lanh sau mỗi chu trình. Tổn thất áp suất khí động được mô tả chặt chẽ qua phương trình dòng chảy Bernoulli, trong đó mức sụt áp phụ thuộc vào hệ số cản và vận tốc dòng khí qua tiết diện lưu thông của xupap nạp.

Mô hình nghiên cứu kết hợp mô phỏng nhiệt động 1D trên phần mềm chuyên dụng AVL BOOST và phân tích trường dòng chảy 3D không gian ba chiều bằng ANSYS FLUENT. Các khái niệm then chốt bao gồm:

• Hiệu suất nạp: Tỷ số giữa khối lượng không khí thực tế nạp vào xi-lanh và khối lượng không khí lý thuyết nạp đầy thể tích công tác 839 cm3.
• Tỷ số xoáy (Swirl Ratio - SR): Tỷ số giữa vận tốc tiếp tuyến và vận tốc hướng trục của dòng khí trong buồng cháy, quyết định tốc độ hòa trộn nhiên liệu diesel.
• Hệ số tổn thất cục bộ: Đại lượng phản ánh sự mất mát áp suất khi dòng khí đổi hướng qua các đoạn uốn cong của cổ hút.
• Hệ số khí sót: Tỷ lệ khí cháy còn tồn đọng sau kỳ thải, được xác định ở mức tiêu chuẩn 0,028 với độ tăng nhiệt độ khí nạp là 10 độ C.
• Suất tiêu thụ nhiên liệu có ích: Chỉ tiêu đánh giá tính kinh tế năng lượng trên mỗi đơn vị công suất sinh ra trong một giờ làm việc.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm đối chứng kết hợp mô phỏng số học chuyên sâu. Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 05 phương án kết cấu họng nạp: 01 phương án hiện hữu, 02 phương án ngẫu nhiên (dạng thẳng 180 độ và cong 90 độ), và 02 phương án cải tiến tối ưu từ mô phỏng (Phương án cải tiến 01 tăng bán kính cong lên 90 mm so với 40 mm hiện hữu; Phương án cải tiến 02 tăng đường kính đoạn ống dẫn từ 49 mm lên 60 mm và nhánh phụ từ 44 mm lên 49 mm).

Cỡ mẫu thử nghiệm bao gồm hàng trăm chu kỳ đo lường liên tục ở 7 dải tốc độ vận hành từ 1200 đến 2400 vòng/phút. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào việc sàng lọc có chủ đích từ 7 mô hình mô phỏng số, chọn ra 2 phương án có chỉ số khí động học vượt trội nhất và khả thi về mặt đúc cơ khí hàng loạt. Lý do lựa chọn kết hợp phân tích mô phỏng với thực nghiệm hai giai đoạn là nhằm đảm bảo tính xác thực tuyệt đối:

1. Giai đoạn thí nghiệm nguội (không cháy): Sử dụng động cơ điện dẫn động biến tần, xi-lanh quang học Acrylic có độ trong suốt 91%, bộ séc-măng Teflon chống trầy xước và thiết bị đo lưu lượng khí nạp ABB để quan sát trực quan dòng xoáy khói màu ở tốc độ 1200 vòng/phút.
2. Giai đoạn thử tải động lực học (có cháy): Lắp đặt động cơ RV165-2 trên băng thử thủy lực công nghệ Nhật Bản tại SVEAM, sử dụng máy phân tích khí xả HG-520 và máy đo độ mờ khói AVL Dismoke 4000 trong mốc thời gian từ đầu năm 2017 đến tháng 09 năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, Phương án cải tiến 02 (mở rộng đường kính cổ hút lên 60 mm và 49 mm) mang lại hiệu quả nạp khí vượt trội nhất trong tất cả các cấu hình thử nghiệm. Trên hệ thống đo lưu lượng không cháy, hiệu suất nạp tăng đều từ 4,2% đến 6,8% trên toàn dải vòng tua từ 1200 đến 2400 vòng/phút so với họng nạp hiện hữu.

Thứ hai, trên băng thử tải thực tế có sự tham gia của quá trình cháy, động cơ trang bị họng nạp cải tiến 02 ghi nhận mức tăng công suất có ích từ 0,5 đến 0,8 mã lực, giúp động cơ dễ dàng đạt và vượt ngưỡng công suất cực đại 16,5 mã lực. Đồng thời, mô-men xoắn cực đại tại dải vận tốc 1800 vòng/phút tăng trưởng khoảng 5,1%, nâng cao khả năng chịu tải nặng của máy kéo nông nghiệp.

Thứ ba, tính kinh tế nhiên liệu được cải thiện rõ rệt khi suất tiêu hao nhiên liệu giảm từ 4,5 g/HP.h đến 7,2 g/HP.h so với mức định mức 175 g/HP.h của động cơ nguyên bản, tương đương mức tiết kiệm nhiên liệu đạt khoảng 3,2% trong điều kiện vận hành đầy tải.

Thứ tư, về mặt bảo vệ môi trường, nồng độ bồ hóng và muội than (Soot/PM) đo bằng thiết bị AVL Dismoke 4000 giảm mạnh từ 11,5% đến 14,8%. Nồng độ khí độc carbon monoxide (CO) đo qua hệ thống HG-520 cũng giảm trung bình 12,3% do lượng oxy nạp vào dồi dào giúp quá trình oxy hóa hydrocacbon diễn ra trọn vẹn hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến sự gia tăng đồng thời cả công suất lẫn tính kinh tế nhiên liệu là do việc mở rộng tiết diện họng nạp đã làm giảm đáng kể tổn thất áp suất cục bộ và ma sát dòng chảy theo định luật Bernoulli. Dòng khí đi vào buồng cháy ít bị cản trở, áp suất cuối kỳ nạp tăng lên giúp mật độ không khí trong thể tích công tác 839 cm3 đạt mức tối ưu. Vận tốc dòng nạp định hướng hợp lý tạo ra tỷ số xoáy lốc (Swirl Ratio) vừa đủ để các hạt nhiên liệu diesel từ vòi phun áp suất 220 kg/cm2 nhanh chóng bốc hơi và phân tán đều, rút ngắn giai đoạn cháy trễ.

Kết quả thực nghiệm này hoàn toàn tương đồng với nghiên cứu của các tác giả trong nước trên dòng động cơ RV195 (ghi nhận hiệu suất nạp tăng 8,92% và công suất tăng 10,2%) và các công bố quốc tế của Đại học D.Patil Ấn Độ khi ứng dụng CFD để tối ưu hóa hệ số lưu lượng từ 0,101 lên 0,803. Dữ liệu thực nghiệm của luận văn có thể được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị đặc tính ngoài biểu diễn đường cong công suất, mô-men xoắn và suất tiêu hao nhiên liệu theo trục hoành số vòng quay, kết hợp bảng ma trận so sánh 4 chỉ tiêu phát thải (CO, HC, NOx, Soot) giữa 5 phương án kết cấu. Mặc dù nhiệt độ buồng cháy tăng làm phát thải NOx tăng nhẹ khoảng 3,5%, nhưng tổng lượng khí thải độc hại nhìn chung giảm sâu, mang lại lợi ích môi trường to lớn.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tiến hành chuẩn hóa bản vẽ kỹ thuật và chế tạo bộ khuôn đúc kim loại cho cổ nối họng nạp theo thông số của Phương án cải tiến 02 (đường kính ống dẫn chính 60 mm, ống nhánh 49 mm). Mục tiêu cụ thể là đưa chi tiết cải tiến vào dây chuyền sản xuất hàng loạt tại Công ty SVEAM trong vòng 6 tháng tới, nhằm nâng cao hiệu suất nạp thêm 5% cho toàn bộ 3.000 động cơ RV165-2 xuất xưởng mỗi năm. Chủ thể chịu trách nhiệm triển khai là Phòng Nghiên cứu và Phát triển (R&D) phối hợp cùng Phân xưởng Đúc SVEAM.

Thứ hai, đầu tư nâng cấp hệ thống đo quang học hiện đại bằng công nghệ đo vận tốc hạt dòng chảy (PIV) kết hợp mô hình xi-lanh trong suốt Acrylic 91% sẵn có. Mục tiêu là định lượng hóa 100% trường vận tốc 3D và các xoáy lốc cục bộ bên trong buồng cháy ở dải vận tốc 2400 vòng/phút trong thời gian 12 tháng. Đơn vị thực hiện là nhóm nghiên cứu Phòng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Động cơ Đốt trong.

Thứ ba, thực hiện tinh chỉnh góc phun sớm của vòi phun nhiên liệu (áp suất mở 220 kg/cm2) kết hợp với họng nạp mới nhằm kiểm soát và triệt tiêu mức tăng nhẹ của nồng độ NOx ở dải vòng tua cao. Mục tiêu đặt ra là giảm thêm 6% nồng độ NOx trong thời gian 9 tháng, do các kỹ sư vận hành băng thử động cơ tại SVEAM phối hợp cùng các nhà khoa học đảm nhiệm.

Thứ tư, mở rộng phương pháp luận kết hợp mô phỏng AVL BOOST, ANSYS FLUENT và thử nghiệm thực tế sang các dòng động cơ diesel khác của công ty như RV125, RV195 và RV220. Lộ trình triển khai dự kiến trong 18 tháng nhằm nâng cấp toàn diện dải sản phẩm 22.000 động cơ diesel hàng năm của thương hiệu Vikyno, do Ban Tổng Giám đốc và Khối Kỹ thuật SVEAM chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, đội ngũ kỹ sư R&D tại các nhà máy sản xuất động cơ đốt trong và máy nông nghiệp (như SVEAM, Vikyno, Vinappro). Tài liệu cung cấp dữ liệu hình học, dung sai đúc và phương án tối ưu hóa đường nạp thực tế để áp dụng trực tiếp vào quy trình nâng cấp công suất sản phẩm thương mại.

Thứ hai, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô và Kỹ thuật Nhiệt. Luận văn là tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp tích hợp mô phỏng 1D nhiệt động lực học (AVL BOOST) và mô phỏng 3D khí động học (ANSYS FLUENT) đối chứng với thực nghiệm băng thử tải.

Thứ ba, các nhà nghiên cứu và quản lý phòng thí nghiệm động cơ đốt trong. Công trình chia sẻ chi tiết giải pháp chế tạo mô hình quan sát dòng khí nạp sử dụng xi-lanh quang học Acrylic độ trong suốt 91% cùng xéc-măng Teflon, mở ra hướng thử nghiệm chi phí thấp cho các cơ sở nghiên cứu.

Thứ tư, các doanh nghiệp và chuyên gia chế tạo máy nông - lâm - ngư nghiệp. Luận văn cung cấp bảng thông số đặc tính ngoài chính xác của động cơ RV165-2 sau cải tiến, giúp các đơn vị tính toán phối ghép công suất tối ưu cho máy gặt đập liên hợp, máy cày và tàu thuyền thủy nội địa.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao việc cải tiến hình học họng nạp lại giúp tăng công suất động cơ Diesel RV165-2?
   Việc cải tiến họng nạp giúp mở rộng tiết diện lưu thông và giảm hệ số cản cục bộ, giúp áp suất cuối kỳ nạp pa tăng lên đáng kể. Khối lượng không khí sạch nạp vào dung tích 839 cm3 tăng từ 4% đến 6,8%, cung cấp lượng oxy dồi dào để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu diesel, làm tăng áp suất chỉ thị trung bình và nâng công suất động cơ vượt mốc danh định 16,5 HP.

2. Vì sao Phương án cải tiến 02 lại mang lại hiệu quả vượt trội hơn Phương án cải tiến 01?
   Phương án cải tiến 02 tăng trực tiếp đường kính ống nạp lên 60 mm và 49 mm, giúp giảm đáng kể vận tốc cục bộ và tổn thất áp suất ma sát dọc đường. Trong khi đó, Phương án 01 chỉ tập trung thay đổi bán kính cong 90 mm nên mức độ cải thiện lưu lượng khí nạp thấp hơn khi động cơ vận hành ở dải tốc độ cao từ 1800 đến 2400 vòng/phút.

3. Mục đích của việc sử dụng xi-lanh trong suốt Acrylic và xéc-măng Teflon trong thí nghiệm là gì?
   Xi-lanh Acrylic sở hữu độ trong suốt quang học lên tới 91%, kết hợp với việc bơm khói màu cho phép quan sát trực tiếp chuyển động xoáy lốc của dòng khí nạp ở vận tốc 1200 vòng/phút mà không cần đốt cháy. Bộ xéc-măng bằng vật liệu Teflon chuyên dụng có hệ số ma sát thấp, giúp ngăn ngừa nguy cơ làm trầy xước bề mặt lòng xi-lanh quang học.

4. Sự thay đổi kết cấu họng nạp tác động như thế nào đến hàm lượng phát thải của động cơ?
   Nhờ dòng khí nạp dồi dào và hòa trộn tơi mịn với hạt nhiên liệu, hiệu quả cháy được nâng cao giúp cắt giảm 11,5% đến 14,8% lượng muội than PM đo bằng máy AVL Dismoke 4000 và giảm 12,3% khí CO qua máy HG-520. Mặc dù nhiệt độ cháy cao làm tăng nhẹ 3,5% phát thải NOx, mức phát thải tổng thể vẫn cải thiện rõ rệt.

5. Giải pháp cải tiến này có tính khả thi như thế nào khi áp dụng vào sản xuất công nghiệp đại trà?
   Phương án cải tiến 02 hoàn toàn khả thi vì chỉ thay đổi biên dạng hình học của chi tiết cổ nối bộ lọc gió mà không làm thay đổi kết cấu nắp quy-lát hay thân máy RV165-2 nguyên bản. Chi phí gia công khuôn đúc mới rất thấp và có thể thay thế trực tiếp trên hơn 3.000 động cơ xuất xưởng mỗi năm tại nhà máy SVEAM.

Kết luận

• Thiết lập thành công bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm toàn diện đầu tiên về hiệu suất nạp và phát thải cho dòng động cơ diesel nông nghiệp RV165-2 tại Việt Nam.
• Xác định Phương án cải tiến 02 (đường kính ống nạp 60 mm và 49 mm) là giải pháp tối ưu, nâng hiệu suất nạp thêm 4,2% đến 6,8% trên toàn dải vòng tua.
• Cải thiện công suất động cơ vượt mốc 16,5 mã lực, gia tăng 5,1% mô-men xoắn và hạ suất tiêu hao nhiên liệu từ 4,5 đến 7,2 g/HP.h.
• Cắt giảm hiệu quả từ 11,5% đến 14,8% muội than bồ hóng và 12,3% khí CO độc hại, nâng cao tính thân thiện với môi trường của động cơ nội địa.
• Chế tạo thành công hệ thống thử nghiệm khí động học với xi-lanh quang học Acrylic 91% và xéc-măng Teflon phục vụ nghiên cứu chuyên sâu.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đưa ra giải pháp nâng cấp kỹ thuật có chi phí thấp nhưng mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật vượt bậc, tạo sức cạnh tranh mạnh mẽ cho sản phẩm cơ khí Việt Nam trước làn sóng động cơ nhập khẩu. Kế hoạch tiếp theo là hoàn tất việc chuyển giao công nghệ chế tạo khuôn đúc mới trong vòng 6 tháng tới để ứng dụng ngay vào dây chuyền sản xuất thương mại của Công ty SVEAM. Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu quan tâm hãy liên hệ ngay với tác giả và đơn vị hợp tác để tiếp nhận hồ sơ thiết kế chi tiết.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Động cơ 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 – lâm – ngư nghiệp, ô tô chuyên dụng, trong các công trình xây dựng, đặc biệt trong lĩnh vực giao thông vận tải. Tuy nhiên, một trong những nhược điểm của các dòng động cơ này là sự hạn chế các tính năng làm việc và sự phát thải ô nhiễm ramôi trường luôn ở mức cao. Động cơ mang nhãn hiệu Vikyno của Công ty TNHH Một Thành Viên Động Cơ và Máy Nông Nghiệp Miề n Nam (SVEAM) hiện đang là những sản phẩ m động cơ chiń h của Việt Nam trên thị trường và là sản phẩ m 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 tổ ng cộng hơn 45,000 động cơ Xăng và 22,000 động cơ Diesel.

Trong các dòng sản phẩ m của SVEAM, động cơ RV165-2 do chính đội ngũ kỹ sư phòng R&D thiết kế và chế tạo ra, phát triển trên nền tảng động cơ RV125-2 (12,5 mã lực) của hãng Kubota cách đây hơn 25 năm, chiếm sản lượng khoảng 3,000 động cơ trên năm. Động cơ được đưa vào sản xuất hàng loạt năm 2005. Nhưng cho tới nay, việc ứng dụng những tiến bộ của khoa học công nghiệp để cải tiến và nâng cao tính năng làm việc của động cơ là rất hạn chế. Hiện trạng về đặc tính phát thải của loại động cơ này vẫn chưa được khảo sát.

Hiện nay, qua khảo sát nhu cầu sử dụng cácđộng cơ cỡ nhỏ có công suất tươngđối dùng trong nông – lâm - ngư nghiệp tại Việt Nam là lớn. Nhiều loại động cơ Trung Quốc, Đài Loan,… xuất hiện hầu như khắp nơi trên thị trường Việt Nam, với nhiều loại động cơ thế hệ mới có công suất mạnh, nhỏ gọn, kiểu dáng đẹp, hiện đại, mức tiêu hao nhiên liệu tương đối thấp và có phần chiếm thế thượng phong trên 1 thị trường so với các dòng động cơ Việt Nam. Sự cạnh tranh ngày càng khóc liệt ngay tại thị trường trong nước lẫn quốc tế. Chính vì thế, việc nâng cao tính năng làm việc và chất lượng của dòng động cơ RV165-2, một trong những dòng động cơ mang thương hiệu của người Việt là một yêu cầu vô cùng cấp thiết.

Đối với động cơ diesel thì việc cải thiện về tính năng làm việc và đặc tính về khí thải động cơ thường đi theo hướng: (1) Giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn bằng cách sửdụng 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, tối ưu hóa đường nạp nhằm tăng hiệu suất nạp và khả năng hòa trộn giữa không khí và nhiên liệu…. 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 bề n 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 điể m sử dụng. Tuy nhiên, giá thành của các bộ xử lý này khá cao và người nông dân sẽ phải trả thêm một khoản tiề n lớn khi mua động cơ có gắn các hệ thống này. Bên cạnh đó, việc tối ưu hóa quá trình cháy bằng các nghiên cứu thưc nghiệm hoặc mô phỏng là một việc là vô cùng khó khăn và rất tốn kém. Trong những phương án nêu trên thì phương án vừa có thể ứng dụng sẽ phát triển vượt bậc của các phần mềm mô phỏng, vừa có dễ thực nghiệm kiểm chứng và có khả năng ứng dụng thực tế cao là nâng cao hiệu suất nạp của động cơ bằng cách cải tiến biên dạng hình học của cả đường hoặc một bộ phận cục bộ trên cả đường nạp (Cổ nối bộ lọc gió).

Hơn nữa, từ lúc ra đời năm 2005 thì động cơ RV165-2 chưa một lần được đánh giá rõ ràng về hiệu suất nạp. Do đó, đề tài được thực hiện nhằm mục đích khảo sát hiệu suất nạp cũng như tính năng làm 2 việc của động cơ hiện hữu, đồng thời đưa ra phương án và thiết kế cụ thể mang tính ứng dụng vào thực tế sản xuất cao nhằm cải tiến đường nạp của động cơ, nâng cao hiệu suất nạp và tính năng làm việc của động cơ RV165-2.2 Các nghiên cứu liên quan 1.1 Bài báo số 1: - Tên bài báo: “Nghiên cứu nâng cao hiệu suất và công suất động cơ Diesel 1 xi-lanh RV195”của Nguyễn Hữu Hường, Vương Như Long.Trường Đại Học Bách Khoa TP. [1] - Nội dung: Ứng dụng phương pháp mô phỏng nhằm thiết kế cải tiến các loại động cơ Diesel cỡ nhỏ sản xuất tại Việt Nam. Các quá trình nghiên cứu tính toán phần lớn dựa trên phần mềm BOOST.

Các phương án: thay đổi kích thước đường ống nạp, thay đổi biên dạng cam và góc phối khí. - Kết quả: Kết quả mô phỏng sau khi tối ưu hóa kết cấu cụm nạp, hiệu suất nạp động cơ là 0,8, tăng 8,92%, công suất 21,16 mã lực, tăng 10,2%.2 Bài báo số 2: - Tên bài báo: “Sử dụng biogas để chạy động cơ Diesel cỡ nhỏ” của Bùi Văn Ga. Trường Đại Học Đà Nẵng. [2] - Nội dung: Nghiên cứu ứng dụng khí biogas trên động cơ đốt trong đánh lửa cưỡng bức cỡ nhỏ bằng phương pháp thực nghiệm.

Đề tài tiến hành tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas và phân tích các phương án điều tốc khác nhau đối với động cơ dual-fuel biogas/diesel được cải tạo từ động cơ Diesel để đề xuất một kiểu điều tốc phù hợp với động cơ này. - Kết quả: Kết quả từ thực nghiệm các phương án điều tốc kiểu điện từ và kiểu cơ khí, lượng khí thải không chứa bồ hóng, thành phần CO, HC thấp. Tuy nhiên, dùng tín hiệu điện áp máy phát điện để điều chỉnh tốc độ động cơ là 3 giải pháp đơn giản nhất nhưng chỉ phù hợp với trường hợp biên độ dao động cải 1.3 Bài báo số 3: - Tên bài báo: “Tối ưu hóa quá trình cung cấp biogas cho đông cơ tĩnh tại sử dụng hai nhiên liệu biogas - dầu mỏ” của Bùi Văn Ga, Trần Văn Quang, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Phi Quang. Tạp chí Khoa học và Công Nghệ, Đại Học Đà Nẵng.

[3] - Nội dung: Các thông số cơ bản cũng như quy luật vận hành của van cung cấp biogas được nghiên cứu nhằm tối ưu hóa quá trình cung cấp nhiên liệu cho các động cơ tĩnh tại chạy bằng biogas-dầu mỏ bằng phương pháp thực nghiệm. - Kết quả: Mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ giảm 100 lần đối với khí CO, 10 lần đối với HC. Tuy nhiên, quá trình cháy không hoàn toàn nên thực tế phải cung cấp lượng nhiên liệu lớn hơn để đảm bảo công suất tính toán. Từ đó nhận thấy các nghiên cứu trong nước đã có những phương án cải tiến về động cơ nhưng vẫn chưa có hoạt động cải tiến họng nạp/thải, nâng cao hiệu suất nạp.2 Ngoài nước Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất nạp của động cơ.

Một số đề tài tiêu biểu như: Nghiên cứu của Puzinauskas và K. Midkiff với đề tài “Tối ưu hóa thiết kế họng nạp cho động cơ SI” [4]. Đề tài nghiên cứu về sự ảnh hưởng của thiết kế họng nạp đối với dòng chảy trong xi-lanh. Trong đó chuyển động dòng khí nạp trong xi- lanh là yếu tố rất quan trọng đối với hiệu suất của động cơ SI.

Một mô hình dòng khí nạp thích hợp trong xi-lanh có thể làm tăng cường mức độ chuyển động vào thời điểm đánh lửa, do đó tăng sự ổn định của quá trình cháy, giảm khí thải và tiết kiệm nhiên liệu. Độ xoáy tồn tại ở phía trên của họng nạp động cơ SI trong quá trình hút, 4 sẽ làm giảm cả độ rối giảm và hiệu suất nạp. Một thay đổi nhỏ trên họng nạp được tiến hành để loại bỏ độ xoáy và tăng độ rối mà vẫn giữ nguyên được hiệu suất nạp. Kết quả sự tăng độ rối trong mô hình thiết kế mới làm tang thêm 20% độ bay hơi nhiên liệu.

Trong nghiên cứu này, cả hai phần mềm KIVA và STAR-CD được sử dụng để mô phỏng các động cơ dòng chảy lạnh, ICEM CFD và es-ice được sử dụng để tiền xử lý những phức tạp về hình học. Kết quả mô phỏng từ KIVA và STAR- CD được phân tích và so sánh. Độ bay hơi nhiên liệu Độ bay hơi nhiên liệu Họng nạp ban đầu ở 400o GQTK ở 540o GQTK Hình 1.1: Mô hình phân tích họng nạp ban đầu [4] 5 Độ bay hơi nhiên liệu Độ bay hơi nhiên liệu Họng nạp cải tiến ở 400o GQTK ở 540o GQTK Hình 1.2: Mô hình phân tíchhọng nạp sau khi thiết kế tối ưu hóa [4] Kết quả phân tích dự tính được ở 540o góc quay trục khuỷu,68,9% nhiên liệu bay hơi ở họng nạp ban đầu, trong khi đó 90,1% nhiên liệu bay hơi ở họng nạp sau khi cải tiến. Nhóm nghiên cứu của trường D.Patil Colleage of Engineering, Ấn Độ với đề tài “Tối ưu hóa thiết kế họng nạp đôi dạng xoắn ốc và phân tích sử dụng CFD” [5], sử dụng mô phỏng CFD để mô phỏng dòng khí qua cụm họng nạp, xupap nạp và so sánh với kết quả thực nghiệm.

Một mô hình tính toán CFD bao gồm một bán cầu, cổ nạp, xupap nạp, xi-lanh và một mặt phẳng cắt ngang thân và vuông góc với xi-lanh để xác định tỷ số xoáy. Kết quả thu được là hệ số lưu lượng và tỷ số xoáy ở các độ nâng xupap khác nhau. Hệ số lưu lượng và tỷ số xoáy cho cả hai trường hợp bằng mô phỏng CFD và thực nghiệm có giá trị gần bằng nhau. Độ nâng xupap càng lớn thì hệ số lưu lượng và tỷ số xoáy càng lớn.