Tổng quan luận án

Vấn đề cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch và hiện tượng nóng lên toàn cầu do phát thải khí nhà kính (chủ yếu là khí CO2) từ các hoạt động công nghiệp, giao thông và nông nghiệp đang đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm thiểu phát thải ô nhiễm. Tại Việt Nam, Tổng công ty Máy Động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam (VEAM) giữ vai trò nòng cốt với sản lượng cung ứng khoảng 48.000 động cơ và máy nông nghiệp mỗi năm. Trong đó, Công ty TNHH MTV Động cơ và Máy nông nghiệp Miền Nam (SVEAM) – đơn vị hợp nhất từ Công ty VIKYNO và VINAPPRO – sản xuất khoảng 45.000 sản phẩm gồm các dòng động cơ Diesel công suất từ 5 đến 30 mã lực và động cơ xăng từ 5 đến 13 mã lực, xuất khẩu tới hơn 20 quốc gia tại châu Á, châu Phi, Trung Mỹ và Trung Đông (như Malaysia, Philippines, Thái Lan, Nhật Bản, Hàn Quốc, Iran, Nigeria, Chile...).

Năm 2005, SVEAM tự thiết kế và chế tạo động cơ Diesel RV165-2 với tỷ lệ nội địa hóa trên 90%. Tuy nhiên, động cơ này vốn phát triển dựa trên nền tảng thiết kế cơ sở của Kubota; các cải tiến trước đây chủ yếu dựa vào kinh nghiệm thực tế, thiếu điều kiện kiểm nghiệm và chưa ứng dụng sâu các công cụ tính toán mô phỏng số. Nhằm đáp ứng các quy chuẩn phát thải quốc tế ngày càng khắt khe và nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường xuất khẩu, luận án của tác giả Lê Việt Hùng tập trung giải quyết khoảng trống này thông qua nghiên cứu cải tiến cụm họng nạp động cơ VIKYNO RV165-2.

Các mục tiêu nghiên cứu cụ thể của luận án gồm có:

  1. Đo đạc và đánh giá hiện trạng các thông số đặc tính kỹ thuật, tính năng làm việc của động cơ VIKYNO RV165-2 hiện hữu trên hệ thống băng thử.
  2. Thiết kế và khảo sát thực nghiệm cải tiến cụm họng nạp bên ngoài nắp xylanh (phần cổ nối bộ lọc gió).
  3. Tham số hóa hình học biên dạng họng nạp xoắn ốc phức tạp bên trong nắp xylanh, chuyển đổi từ mô hình dựng thủ công sang mô hình toán học tham số hóa 3D.
  4. Xây dựng và hiện thực hóa quy trình tự động tính toán mô phỏng 3D kỳ nạp và kỳ nén của động cơ bằng phần mềm Ansys Fluent, đồng thời tiến hành thực nghiệm đối chứng để kiểm chứng mô hình mô phỏng.
  5. Tối ưu hóa đa mục tiêu cụm họng nạp động cơ thông qua việc kết hợp mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và giải thuật tiến hóa vi phân (DE) nhằm nâng cao hệ số nạp và duy trì hệ số xoáy phù hợp.
  6. Chế tạo mẫu thử nghiệm nắp xylanh cải tiến và đo đạc thực nghiệm các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật trên băng thử, đối chứng qua đơn vị kiểm định độc lập.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là cụm họng nạp (gồm phần cổ nối bên ngoài và đường nạp bên trong nắp xylanh), van nạp (xúpap) cùng trường dòng chảy không khí nạp của động cơ Diesel một xylanh VIKYNO RV165-2.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Không gian: Không gian dòng chảy của không khí nạp đi từ cổ hút bộ lọc gió, qua cụm họng nạp trong nắp xylanh, qua khe hở xúpap nạp và đi vào không gian công tác của xylanh động cơ VIKYNO RV165-2.
  • Thời gian và chu trình: Khảo sát quá trình dòng chảy không dừng trong kỳ nạp và kỳ nén (từ thời điểm xúpap nạp bắt đầu mở đến thời điểm kết thúc quá trình nén trước khi cháy), trong dải tốc độ vận hành từ 1200 đến 2400 vòng/phút.

Dưới đây là các thông số kỹ thuật cơ sở của đối tượng nghiên cứu được công bố trong văn bản luận án:

Thông số kỹ thuật Giá trị công bố
Kiểu động cơ 4 kỳ, 1 xylanh, nằm ngang
Đường kính x Hành trình piston 105 x 97 mm
Thể tích xylanh ($V_h$) 839 $\text{cm}^3$
Công suất tối đa 16,5 Mã lực tại 2400 vòng/phút
Công suất định mức 14 Mã lực tại 2200 vòng/phút
Mô-men cực đại 4,9 kG.m tại 1800 vòng/phút
Tỷ số nén ($\varepsilon$) 20:1
Loại nhiên liệu Dầu Diesel
Hệ thống buồng đốt Phun trực tiếp
Áp suất mở vòi phun 220 $\text{kG/cm}^2$
Suất tiêu thụ nhiên liệu ($g_e$) 206 g/Mã lực/giờ
Thể tích thùng nhiên liệu 11 lít
Thể tích nước làm mát 2,6 lít
Trọng lượng khô 132 kg
Kích thước bao (Dài x Rộng x Cao) 759 x 388 x 496 mm

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong phần tổng quan tài liệu, tác giả điểm lại chi tiết các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến cải tiến hệ thống nạp và đặc tính dòng khí trong xylanh động cơ:

Về các nghiên cứu trong nước:

  • Nguyễn Hữu Hường và Vương Như Long (Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh): Nghiên cứu nâng cao hiệu suất và công suất động cơ Diesel 1 xylanh RV195 bằng phần mềm BOOST. Nghiên cứu thay đổi kích thước đường ống nạp, biên dạng cam và góc phối khí, giúp hệ số nạp đạt 0,8 (tăng 8,92%) và công suất đạt 21,16 mã lực (tăng 10,2%). Hạn chế: chỉ dừng ở mô phỏng một chiều trên phần mềm AVL BOOST, biên dạng đường nạp đơn giản và phụ thuộc vào tham số mặc định của phần mềm.
  • Bùi Văn Ga (Đại học Đà Nẵng): Khảo sát thực nghiệm sử dụng biogas cho động cơ Diesel cỡ nhỏ chuyển đổi sang đánh lửa cưỡng bức, phân tích cơ chế điều tốc điện từ và cơ khí. Kết quả giảm bồ hóng, nồng độ CO và HC thấp, song phương án điều tốc qua tín hiệu điện áp chỉ phù hợp với tải dao động nhỏ.
  • Bùi Văn Ga, Trần Văn Quang, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Phi Quang (Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng): Tối ưu hóa quá trình cấp biogas cho động cơ tĩnh tại hai nhiên liệu biogas - dầu mỏ. Giảm phát thải CO 100 lần, HC 10 lần, nhưng do cháy không hoàn toàn nên thực tế phải cấp dư nhiên liệu để duy trì công suất.
  • Lý Vĩnh Đạt, Lê Thanh Quang (2017, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh): Kết hợp phần mềm CATIA, Ansys Fluent và MATLAB mô phỏng quá trình nạp khí trên động cơ Honda Future 125 cc; chỉ ra biến thiên của tỷ số xoáy theo góc nghiêng mang tính phi tuyến. Hạn chế: nghiên cứu thuần mô phỏng, chưa thực nghiệm kiểm chứng.
  • Võ Danh Toàn, Nguyễn Thanh Tuấn, Lê Việt Hùng, Lương Huỳnh Giang, Huỳnh Thanh Công (2015, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ): Ứng dụng AVL BOOST mô phỏng cải tiến họng nạp ngoài nắp xylanh cho động cơ VIKYNO RV165-2 nhằm nâng cao hệ số nạp và giảm suất tiêu hao nhiên liệu. Hạn chế: chỉ dừng ở mô phỏng một chiều, chưa khảo sát họng nạp bên trong nắp máy và chưa có số liệu thực nghiệm đối chứng.

Về các nghiên cứu quốc tế:

  • Puzinauskas và K. Midkiff: Ứng dụng KIVA, STAR-CD, ICEM CFD và es-ice mô phỏng dòng chảy lạnh trên động cơ SI. Tại thời điểm 540° góc quay trục khuỷu, độ bay hơi nhiên liệu tăng từ 68,9% ở họng nạp ban đầu lên 90,1% ở họng nạp cải tiến, tăng 20% độ rối. Hạn chế: chưa xây dựng được hàm mục tiêu cụ thể cho bài toán tối ưu.
  • Nhóm nghiên cứu D.Y. Patil College of Engineering (Ấn Độ): Mô phỏng CFD và thực nghiệm trên họng nạp đôi dạng xoắn ốc ở các độ nâng xúpap từ 1 đến 8 mm. Kết quả cho thấy hệ số lưu lượng và tỷ số xoáy giữa mô phỏng và thực nghiệm có độ tương đồng lớn (hệ số lưu lượng CFD tăng từ 0,101 lên 0,803; thực nghiệm tăng từ 0,139 lên 0,833). Hạn chế: khảo sát ở độ nâng xúpap cố định và rời rạc, không phản ánh tính liên tục theo chu trình động cơ.
  • S. Sanap: Thiết kế họng nạp xoắn ốc động cơ Diesel hướng tới hệ số xoáy mục tiêu 1,8; chỉ ra mối liên hệ giữa việc giảm tỷ số T/R (chiều cao họng nạp trên chiều rộng góc xoắn) với sự gia tăng hệ số xoáy dọc thành xylanh. Hạn chế: chưa đánh giá sự biến thiên của hệ số nạp khi thay đổi thông số hình học.
  • Vidyavardhaka College of Engineering (Ấn Độ): Sử dụng CATIA V5R20, HyperMesh và Ansys Fluent ICE Cold Flow khảo sát dòng khí từ 0° đến 720° góc quay trục khuỷu ở độ nâng 0,1 mm và 0,2 mm. Hạn chế: mô hình đơn giản và thiếu kiểm chứng thực nghiệm.
  • Padmesh Mandloi và Gunjan Verma: Khảo sát họng nạp động cơ Diesel 1 xylanh trên Ansys Fluent với 3 thông số: góc xoắn (50° - 70°), bán kính xoắn (30 - 50 mm) và chiều dài họng nạp (50 - 65 mm). Hạn chế: số lượng tham số hình học ít, biên dạng họng nạp còn đơn giản.
  • Jun-ichi Kawashima: Thực nghiệm đo dòng khí ổn định trên động cơ Diesel tốc độ cao phun trực tiếp 4 xúpap, so sánh họng nạp tiếp tuyến và xoắn ốc; tỷ số xoáy khi kết hợp hai loại họng nạp đạt từ 3,5 đến 10. Hạn chế: số lượng trường hợp khảo sát còn hạn chế.
  • Usame Demir, Ozan Cetinkaya, Anil Can Turkmen, Cenk Celik: Thử nghiệm thực tế 3 mẫu họng nạp trên động cơ Antor 3 LD 510 (dung tích 520 $\text{cm}^3$, công suất 12 BG tại 3000 vòng/phút). Hạn chế: các phương án lựa chọn ngẫu nhiên, kết quả mang tính cục bộ.
  • Suleeporn Sombu, Krisada Wannatong, Tanet Aroonsrisopon: Mô phỏng CFD dòng khí ổn định tạo xoáy cho hòa trộn khí tự nhiên trên động cơ Toyota 2KD-FTV (2,494 lít, DOHC 16 van, 1500 vòng/phút, mô-men 30 N.m).

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Các công trình trong nước trước đây chỉ tập trung vào mô phỏng một chiều (AVL BOOST) hoặc chỉ thay đổi chi tiết cổ nạp bên ngoài nắp máy mà chưa can thiệp vào biên dạng hình học phức tạp bên trong nắp xylanh. Các nghiên cứu quốc tế thường chỉ tối ưu hóa riêng rẽ một chỉ tiêu (hệ số xoáy hoặc hệ số lưu lượng), khảo sát tĩnh ở các độ nâng xúpap rời rạc, hoặc thiếu kiểm chứng thực nghiệm. Luận án giải quyết triệt để khoảng trống này bằng cách: (1) Cải tiến toàn diện cả bên ngoài lẫn bên trong nắp xylanh; (2) Tham số hóa biên dạng 3D phức tạp; (3) Tự động hóa quá trình tính toán mô phỏng 3D động học lưu chất chuyển động không dừng theo góc quay trục khuỷu; (4) Tích hợp học máy (ANN) và giải thuật tiến hóa (DE) để tối ưu hóa đồng thời hệ số nạp và hệ số xoáy; (5) Chế tạo mẫu thử thực tế và nghiệm chứng qua đo kiểm thực nghiệm trên băng thử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng cơ sở lý thuyết dựa trên sự kết hợp giữa nhiệt động lực học động cơ đốt trong, động lực học lưu chất tính toán (CFD) và các thuật toán trí tuệ nhân tạo:

Về lý thuyết động cơ đốt trong: Hiệu quả nạp của động cơ Diesel bốn kỳ được xác định thông qua hệ số nạp ($\eta_v$), biểu diễn theo công thức: $$\eta_v = \frac{m_a}{\rho_{a,i} V_h} = \frac{2 m_a}{\rho_{a,i} V_h n} = \frac{2 m_a}{\rho_{a,i} A_p S_p}$$ Trong đó:

  • $m_a$: Khối lượng không khí nạp vào xylanh trong một chu trình công tác.
  • $\dot{m}_a$: Lưu lượng khối lượng không khí nạp trung bình.
  • $\rho_{a,i}$: Khối lượng riêng của không khí ở phía trước họng nạp.
  • $V_h$: Thể tích công tác của xylanh.
  • $n$: Tốc độ quay của trục khuỷu động cơ.
  • $A_p$: Diện tích đỉnh piston.
  • $S_p$: Vận tốc di chuyển trung bình của piston.

Dòng khí nạp bên trong xylanh được đánh giá qua các đặc trưng chuyển động xoáy gồm hệ số xoáy dọc ($S_r$) và hệ số xoáy ngang ($T_{ratio}$), cùng với động năng rối ($k$) và độ tiêu tán động năng rối ($\varepsilon$).

Về động lực học lưu chất và mô phỏng số: Quá trình chuyển động của không khí trong cụm họng nạp và xylanh được mô tả thông qua hệ phương trình bảo toàn vi phân đạo hàm riêng:

  • Phương trình bảo toàn khối lượng (phương trình liên tục).
  • Phương trình bảo toàn động lượng và hệ phương trình Navier-Stokes cho dòng khí chuyển động ba chiều, nén được và không dừng.
  • Phương trình bảo toàn năng lượng. Luận án ứng dụng mô hình Cold Flow Analysis trong module IC Engine (Internal Combustion Engine) của phần mềm Ansys Fluent kết hợp mô hình dòng chảy rối để giải số trường vận tốc, áp suất và nhiệt độ theo từng góc quay trục khuỷu.

Về phương pháp tối ưu hóa thông minh:

  • Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN): Sử dụng mạng nhiều lớp (Multi-layer Perceptron) gồm lớp đầu vào tiếp nhận các tham số hình học họng nạp, lớp ẩn với các hàm kích hoạt phi tuyến và lớp đầu ra biểu diễn hệ số nạp và hệ số xoáy. Quá trình học áp dụng thuật toán lan truyền ngược (Backpropagation) trên tập dữ liệu 100 mẫu mô phỏng số, huấn luyện qua 1000 vòng lặp, kiểm soát chất lượng qua sai số bình phương trung bình (MSE) và sai số phần trăm tuyệt đối trung bình (MAPE).
  • Giải thuật tiến hóa vi phân (Differential Evolution - DE): Sử dụng tìm kiếm nghiệm tối ưu trong không gian tham số hình học. Mỗi lời giải được mã hóa thành dạng nhiễm sắc thể; thuật toán trải qua các bước: khởi tạo quần thể, đột biến vi phân, lai tạo, chọn lọc tự nhiên và kiểm tra điều kiện dừng.
  • Phân tích thống kê: Sử dụng thuật toán phân cụm k-means ($k=5$) để khảo sát mối quan hệ tương quan giữa hệ số nạp và hệ số xoáy từ tập dữ liệu tối ưu.

Phương pháp thực nghiệm và nguồn dữ liệu:

  • Dữ liệu mô phỏng: Thu được từ quy trình tính toán tự động bằng Ansys Fluent tích hợp các đoạn mã điều khiển viết bằng ngôn ngữ C#, JavaScript, MATLAB, các tập tin hàm do người dùng định nghĩa (UDF) và giao diện dòng lệnh văn bản (TUI).
  • Dữ liệu thực nghiệm: Đo đạc trực tiếp trên băng thử động cơ tại Công ty SVEAM. Hệ thống trang thiết bị thí nghiệm gồm có:
    • Băng thử phanh điện APA 100 để xác định công suất ($N_e$) và mô-men xoắn ($M_e$).
    • Thiết bị cân tiêu hao nhiên liệu tự động AVL 733S đo suất tiêu thụ nhiên liệu ($g_e$).
    • Thiết bị đo lưu lượng không khí nạp chuyên dụng.
    • Cảm biến đo áp suất TOYOTA mã hiệu 89420-20300 và cảm biến áp suất biến thiên tốc độ cao.
    • Cảm biến tiệm cận xác định góc quay trục khuỷu và vị trí điểm chết.
    • Biến tần điều khiển và bộ chuyển đổi tín hiệu đo.
    • Toàn bộ thiết bị đo kiểm đều có chứng nhận hiệu chuẩn định kỳ (Phụ lục 2), kết quả kiểm định độc lập được xác nhận bởi Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 3 (QUATEST 3 - Phụ lục 12).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày bối cảnh chung về nhu cầu giảm phát thải và tiết kiệm nhiên liệu trong ngành động cơ đốt trong. Tác giả giới thiệu vị thế sản xuất của VEAM và SVEAM tại Việt Nam, nêu lịch sử phát triển của dòng động cơ Diesel một xylanh RV165-2 xuất xưởng từ năm 2005. Toàn bộ bảng thông số kỹ thuật (Bảng 1.2) và đồ thị đặc tính ngoài ban đầu của động cơ được trình bày chi tiết. Chương này tổng quan 13 công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế, qua đó phân tích các ưu điểm và điểm giới hạn của từng nghiên cứu trước đây. Trên cơ sở đó, tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi khảo sát, ý nghĩa khoa học và thực tiễn, đồng thời thiết lập sơ đồ khối lưu trình giải quyết các vấn đề trong toàn bộ luận án.

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CẢI TIẾN CỤM HỌNG NẠP ĐỘNG CƠ VIKYNO RV165-2

Chương 2 thiết lập toàn bộ nền tảng lý thuyết nhiệt động và cơ học chất lưu phục vụ việc cải tiến. Nội dung phân tích các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất nạp ($\eta_v$), tổn thất áp suất trên đường nạp ($\Delta p_a$), và vận tốc dòng khí nạp thực tế ($V_{tt}$). Tác giả làm rõ cơ chế tạo xoáy khí trong buồng cháy động cơ Diesel phun trực tiếp, phân tích sự hình thành chuyển động xoáy dọc quanh tâm xylanh ($S_r$) và xoáy ngang ($T_{ratio}$).

Tiếp theo, chương này trình bày hệ thống phương trình vi phân điều khiển dòng chảy nén được: phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng, năng lượng và hệ phương trình Navier-Stokes. Tác giả trình bày cấu trúc module ICE Cold Flow trong Ansys Fluent và các mô hình mô phỏng dòng rối. Phần cuối chương dành cho cơ sở toán học của mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) với quá trình lan truyền thẳng, lan truyền ngược và giải thuật tiến hóa vi phân (DE) với các quy tắc khởi tạo, đột biến, lai tạo và chọn lọc.

Chương 3: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN CỤM HỌNG NẠP ĐỘNG CƠ VIKYNO RV165-2

Chương 3 triển khai toàn bộ các bước nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng:

  1. Thử nghiệm đánh giá động cơ hiện hữu: Lắp đặt động cơ RV165-2 trên băng thử phanh điện APA 100 kết hợp thiết bị cân nhiên liệu 733S tại SVEAM để xác lập đường đặc tính ngoài gốc.
  2. Cải tiến họng nạp bên ngoài nắp xylanh (cổ nối lọc gió): Thiết lập 5 phương án hình học (phương án hiện hữu, 2 phương án chọn ngẫu nhiên 01, 02 và 2 phương án cải tiến 01, 02) theo Bảng 3.1. Tiến hành đo đạc thực nghiệm lưu lượng dòng khí và suất tiêu hao nhiên liệu.
  3. Tham số hóa biên dạng họng nạp bên trong nắp xylanh: Dựa trên bản vẽ chế tạo nắp máy SVEAM, tác giả xác định các phương trình đường sinh và các tham số hình học chủ đạo (chiều cao họng nạp $T$, chiều rộng góc xoắn $R$, tọa độ tâm và bán kính cung lượn). Tiến hành dựng mô hình tham số hóa 3D trên Solidworks và so sánh đối chiếu với mô hình dựng thủ công truyền thống.
  4. Tự động hóa mô phỏng Ansys Fluent: Thiết lập quy trình tự động tính toán mô phỏng kỳ nạp - nén thông qua các kịch bản lập trình C#, JavaScript, UDF và TUI. Bảng 3.3 tổng hợp các điều kiện biên: áp suất, nhiệt độ, quy luật nâng hạ xúpap nạp - xả theo góc quay trục khuỷu.
  5. Thực nghiệm đối chứng mô phỏng: Đo đạc thực nghiệm hệ số nạp trên băng thử bằng cảm biến áp suất TOYOTA 89420-20300, cảm biến tiệm cận và biến tần; kết quả kiểm chứng (Bảng 3.5) cho thấy sự tương quan chặt chẽ giữa số liệu đo thực tế và mô phỏng CFD.
  6. Tối ưu hóa bằng ANN và DE: Huấn luyện mạng ANN trên tập dữ liệu 100 điểm mô phỏng qua 1000 vòng lặp (Bảng 3.6, 3.7, 3.8 ghi nhận ma trận trọng số và sai số kiểm định). Ứng dụng thuật toán DE tìm kiếm cấu hình tham số hình học tối ưu. Phân tích thống kê phân cụm k-means ($k=5$) xác lập tương quan giữa hệ số nạp và hệ số xoáy (Bảng 3.10, 3.11).

Chương 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Chương 4 công bố toàn bộ dữ liệu định lượng sau nghiên cứu:

  1. Dữ liệu động cơ hiện hữu: Trình bày số liệu công suất có ích ($N_e$), mô-men xoắn ($M_e$) và suất tiêu thụ nhiên liệu ($g_e$) trong dải tốc độ 1200 - 2400 vòng/phút (Bảng 4.1).
  2. Dữ liệu cải tiến họng nạp ngoài nắp máy: Cổ nối cải tiến giúp cải thiện nhẹ hệ số nạp và giảm suất tiêu hao nhiên liệu ở chế độ tải định mức.
  3. Dữ liệu mô phỏng CFD cụm họng nạp toàn bộ (cả bên trong và bên ngoài nắp xylanh):
    • Đồ thị tích phân lưu lượng theo thời gian (Hình 4.8) và đồ thị so sánh hệ số nạp (Hình 4.9) cho thấy phương án tối ưu có hệ số nạp vượt trội so với phương án ban đầu.
    • Đồ thị hệ số xoáy (Hình 4.10) chứng minh dòng khí duy trì cường độ xoáy thích hợp cho quá trình tạo hỗn hợp.
    • Các biểu đồ trường vận tốc (Hình 4.11), trường áp suất (Hình 4.12) và trường nhiệt độ (Hình 4.13) khẳng định dòng khí qua họng nạp mới phân bố đồng đều, triệt tiêu các vùng quẩn xoáy bất lợi và giảm tổn thất cục bộ.
  4. Dữ liệu đo kiểm thực nghiệm nắp xylanh chế tạo mới:
    • Các kết quả đo thực tế các thông số đặc tính ngoài của động cơ RV165-2 sau cải tiến được trình bày chi tiết trong Bảng 4.2.
    • Đồ thị so sánh công suất (Hình 4.15), mô-men xoắn (Hình 4.16) và suất tiêu hao nhiên liệu (Hình 4.17) ghi nhận sự gia tăng về công suất và mô-men xoắn, đồng thời suất tiêu hao nhiên liệu tại điểm công suất định mức giảm rõ rệt so với động cơ nguyên bản.

Dưới đây là bảng tổng hợp các kết quả thực nghiệm và tính toán tiêu biểu được tác giả khảo sát và trích xuất từ văn bản:

Nội dung khảo sát Động cơ hiện hữu Sau cải tiến họng ngoài Sau cải tiến toàn bộ cụm họng
Đối tượng tác động Cụm họng nạp nguyên bản Cổ nối bộ lọc gió Cổ nối ngoài và họng xoắn trong nắp máy
Phương pháp đánh giá Băng thử APA 100 / Cân 733S Thực nghiệm trên băng thử Mô phỏng CFD 3D và Thực nghiệm băng thử
Trường dòng khí nạp Nhiều vùng cản, quẩn cục bộ Lưu lượng dòng tăng nhẹ Trường vận tốc và áp suất phân bố êm thuận
Hệ số nạp ($\eta_v$) Mức cơ sở Cải thiện cục bộ Tăng rõ rệt trên toàn bộ kỳ nạp
Công suất, mô-men Mức cơ sở theo Bảng 4.1 Tăng nhẹ ở tải định mức Tăng ở các dải tốc độ (Bảng 4.2)
Suất tiêu hao ($g_e$) 206 g/Mã lực/giờ Giảm nhẹ Giảm đáng kể ở công suất định mức
Kiểm định độc lập Tiêu chuẩn nhà máy Thử nghiệm nội bộ SVEAM Chứng nhận kiểm định QUATEST 3 (Phụ lục 12)

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 5 đúc kết các kết quả chính của công trình: hoàn thành trọn vẹn việc nghiên cứu cải tiến cụm họng nạp động cơ RV165-2; khẳng định các đóng góp mới về phương pháp luận và giá trị thực tiễn; đồng thời đề xuất định hướng phát triển nghiên cứu mở rộng trong giai đoạn tiếp theo.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận:

  1. Xây dựng phương pháp tham số hóa hình học 3D cụm họng nạp dạng xoắn ốc phức tạp bên trong nắp xylanh động cơ Diesel cỡ nhỏ. Phương pháp này mô tả biên dạng hình học bằng các phương trình toán học đường sinh và các thông số điều khiển kích thước, khắc phục sự phụ thuộc vào mô hình dựng hình thủ công.
  2. Xây dựng và thực hiện thành công quy trình tự động hóa chu trình tính toán mô phỏng 3D dòng khí nén được, không dừng trong kỳ nạp - nén trên phần mềm Ansys Fluent bằng cách tích hợp các kịch bản lập trình C#, JavaScript, MATLAB, các tập tin UDF và TUI.
  3. Ứng dụng thành công mô hình lai ghép giữa mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và giải thuật tiến hóa vi phân (DE) trong bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu họng nạp động cơ đốt trong; thiết lập mối quan hệ định lượng và phân nhóm dữ liệu giữa hệ số nạp và hệ số xoáy bằng thuật toán phân cụm k-means ($k=5$).

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn và sản xuất:

  1. Xác định được bộ thông số kích thước hình học tối ưu cho cụm họng nạp động cơ VIKYNO RV165-2 (gồm cả phần cổ nối lọc gió bên ngoài và đường nạp xoắn ốc bên trong nắp xylanh).
  2. Chế tạo thành công mẫu nắp xylanh thực tế dựa trên thiết kế tối ưu hóa; tổ chức thử nghiệm đối chứng trên hệ thống băng thử công nghiệp của SVEAM và được cấp Giấy chứng nhận kết quả đo kiểm độc lập của Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 3 (QUATEST 3 - Phụ lục 12).
  3. Động cơ sau khi cải tiến cụm họng nạp ghi nhận sự gia tăng hệ số nạp, tăng công suất và mô-men xoắn, đồng thời làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu tại điểm làm việc định mức so với động cơ nguyên bản.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

  • Luận án kiến nghị SVEAM và Tổng công ty VEAM ứng dụng bộ thông số thiết kế tối ưu này vào khuôn đúc và dây chuyền gia công cơ khí nắp máy hàng loạt cho động cơ RV165-2 nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm thương mại.
  • Đề xuất mở rộng áp dụng quy trình tự động hóa mô phỏng kết hợp ANN và DE cho các dòng động cơ Diesel và động cơ xăng khác đang được sản xuất tại doanh nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Phạm vi mô phỏng CFD trong luận án chỉ tập trung vào bài toán dòng chảy lạnh (Cold Flow Analysis) trong kỳ nạp và kỳ nén, chưa tiến hành mô phỏng liên hoàn phản ứng cháy động học và sự hình thành các chất phát thải ô nhiễm độc hại (bồ hóng, NOx) trong kỳ cháy - giãn nở.
  • Đối tượng nghiên cứu và thực nghiệm kiểm chứng mới tập trung thực hiện trên một mẫu động cơ Diesel 1 xylanh tĩnh tại cụ thể là VIKYNO RV165-2.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng mô hình tính toán mô phỏng số liên hoàn sang kỳ cháy và giãn nở (Combustion and Emission Analysis) kết hợp với các mô hình phun sương nhiên liệu áp suất cao trên phần mềm chuyên dụng.
  • Nghiên cứu ứng dụng quy trình thiết kế tối ưu hóa cụm họng nạp tự động cho các dòng động cơ nhiều xylanh, động cơ có turbo tăng áp hoặc các dải công suất động cơ khác do SVEAM và VEAM chế tạo.

Giá trị tham khảo

Nội dung và kết quả của luận án mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho nhiều đối tượng:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Nhiệt: Luận án là tài liệu tham khảo chi tiết về kỹ thuật tham số hóa CAD 3D, phương pháp tự động hóa tính toán mô phỏng động lực học lưu chất (CFD) bằng kịch bản mã nguồn (C#, JavaScript, UDF, TUI) và quy trình ứng dụng thuật toán học máy (ANN-DE) giải quyết bài toán kỹ thuật thực tế. Các phụ lục cung cấp mã lệnh hoàn chỉnh (từ Phụ lục 4 đến Phụ lục 13) có giá trị ứng dụng cao cho nghiên cứu mô phỏng.
  • Đối với các kỹ sư R&D và chuyên gia kỹ thuật tại các nhà máy cơ khí động lực (như VEAM, SVEAM, VINAPPRO): Luận án cung cấp các thông số kích thước hình học chính xác và bản vẽ kỹ thuật nắp máy thực tế để ứng dụng trực tiếp vào sản xuất, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí thử nghiệm khuôn mẫu mới.
  • Đối với các nhà quản lý kỹ thuật và cơ quan xây dựng tiêu chuẩn: Luận án cung cấp số liệu thực nghiệm đối chứng tin cậy thông qua hệ thống đo kiểm chuẩn hóa và chứng nhận kiểm định độc lập của Trung tâm Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 3 (QUATEST 3).

Câu hỏi thường gặp

  1. Động cơ VIKYNO RV165-2 sử dụng trong nghiên cứu có các thông số kỹ thuật xuất xưởng cơ bản nào? Theo Bảng 1.2 trong văn bản luận án, động cơ VIKYNO RV165-2 là loại động cơ Diesel 4 kỳ, 1 xylanh nằm ngang, làm mát bằng nước. Đường kính xylanh x hành trình piston là 105 x 97 mm, thể tích công tác 839 $\text{cm}^3$, tỷ số nén 20:1. Công suất tối đa đạt 16,5 Mã lực tại 2400 vòng/phút, công suất định mức 14 Mã lực tại 2200 vòng/phút, mô-men xoắn cực đại 4,9 kG.m tại 1800 vòng/phút. Động cơ sử dụng hệ thống buồng đốt phun trực tiếp với áp suất mở vòi phun 220 $\text{kG/cm}^2$, suất tiêu thụ nhiên liệu thiết kế là 206 g/Mã lực/giờ, trọng lượng khô 132 kg.

  2. Quy trình cải tiến cụm họng nạp trong luận án được phân chia thành những bước thực nghiệm nào? Quá trình cải tiến được thực hiện theo hai giai đoạn: Giai đoạn 1 tiến hành khảo sát, thiết kế và thử nghiệm thực nghiệm 5 phương án biên dạng họng nạp bên ngoài nắp xylanh (phần cổ nối bộ lọc gió) gồm phương án hiện hữu, 2 phương án chọn ngẫu nhiên và 2 phương án cải tiến. Giai đoạn 2 tiến hành tham số hóa hình học biên dạng họng nạp dạng xoắn ốc phức tạp bên trong nắp xylanh, mô phỏng tự động trên Ansys Fluent, ứng dụng ANN và DE để tối ưu hóa đồng thời, sau đó đúc nắp máy mẫu và đo kiểm trên băng thử.

  3. Luận án đã tích hợp các phần mềm và giải thuật nào để tự động hóa quá trình tính toán tối ưu? Tác giả đã tích hợp module IC Engine (Cold Flow Analysis) của phần mềm Ansys Fluent với phần mềm Solidworks và MATLAB. Quy trình tự động hóa mô phỏng được điều khiển thông qua các kịch bản viết bằng ngôn ngữ C#, JavaScript, các tệp hàm người dùng định nghĩa (UDF) và giao diện dòng lệnh văn bản (TUI). Quá trình tối ưu hóa sử dụng Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) với thuật toán lan truyền ngược huấn luyện trên 100 điểm dữ liệu mẫu qua 1000 vòng lặp, phối hợp cùng Giải thuật tiến hóa vi phân (DE) để tìm kiếm bộ tham số hình học tối ưu.

  4. Các trang thiết bị thực nghiệm chính được sử dụng để kiểm chứng kết quả mô phỏng gồm những gì? Hệ thống thử nghiệm đặt tại Công ty SVEAM bao gồm: băng thử động cơ sử dụng phanh điện APA 100, thiết bị cân đo tiêu hao nhiên liệu tự động AVL 733S, thiết bị đo lưu lượng không khí nạp chuyên dụng, cảm biến đo áp suất TOYOTA 89420-20300, cảm biến áp suất biến thiên tốc độ cao, cảm biến tiệm cận góc quay trục khuỷu, bộ biến tần điều khiển tốc độ và thiết bị chuyển đổi tín hiệu. Các thiết bị đo đều có giấy chứng nhận hiệu chuẩn định kỳ và kết quả đo kiểm cuối cùng được Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 3 (QUATEST 3) cấp chứng nhận kiểm định độc lập.

  5. Luận án đã khắc phục những điểm hạn chế nào của các công trình nghiên cứu trong nước trước đó? Các nghiên cứu trong nước trước đây (như nghiên cứu của Nguyễn Hữu Hường trên động cơ RV195 hay Võ Danh Toàn năm 2015 trên động cơ RV165-2) chỉ dừng lại ở mô phỏng một chiều trên phần mềm AVL BOOST, hình học họng nạp mô tả đơn giản, chỉ can thiệp vào đường nạp ngoài nắp máy và chưa có thực nghiệm kiểm chứng. Luận án đã giải quyết các hạn chế này bằng cách mô phỏng 3D động học lưu chất chuyển động không dừng theo góc quay trục khuỷu cho toàn bộ cụm họng nạp (cả trong và ngoài nắp máy), tham số hóa hình học chính xác, áp dụng giải thuật thông minh ANN-DE và tiến hành chế tạo nắp máy thật để thử nghiệm kiểm chứng trên băng thử công nghiệp.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Lê Việt Hùng đã giải quyết bài toán nâng cao hiệu suất nạp và tính năng kỹ thuật của động cơ Diesel một xylanh VIKYNO RV165-2 thông qua việc nghiên cứu cải tiến đồng bộ cụm họng nạp bên trong và bên ngoài nắp xylanh. Bằng việc xây dựng thành công phương pháp tham số hóa hình học kết hợp tự động hóa mô phỏng CFD 3D với mạng nơ-ron nhân tạo và giải thuật tiến hóa vi phân, công trình đã xác định được cấu hình họng nạp tối ưu, giúp tăng hệ số nạp và giảm suất tiêu hao nhiên liệu ở chế độ tải định mức. Toàn bộ kết quả tính toán mô phỏng đã được kiểm chứng chuẩn xác qua hệ thống thực nghiệm trên băng thử tại Công ty SVEAM và được chứng nhận kiểm định bởi Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 3 (QUATEST 3). Công trình có tính hoàn thiện cao từ cơ sở lý thuyết, công cụ tự động hóa tính toán đến chế tạo thử nghiệm thành công, đóng góp thiết thực cho sự phát triển của ngành chế tạo động cơ đốt trong tại Việt Nam.