Luận Án Tiến Sĩ Về Cải Tiến Đường Nạp Động Cơ Diesel Một Xilanh 16.5 HP

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu cải tiến đường nạp động cơ diesel một xilanh 16 5 hp sử dụng trong nông lâm ngư nghiệp, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

• Tác giả: Lê Việt Hùng
• Người hướng dẫn: PGS
• Trường học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Đề tài: Cải Tiến Đường Nạp Động Cơ Diesel Một Xilanh 16.5 HP Trong Nông Lâm Ngư Nghiệp
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

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

Cải tiến đường nạp động cơ diesel một xilanh 16.5 HP là một trong những giải pháp quan trọng nhằm nâng cao hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu trong nông lâm ngư nghiệp. Động cơ diesel được sử dụng rộng rãi trong các máy móc nông nghiệp, do đó việc tối ưu hóa đường nạp không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào các phương pháp cải tiến đường nạp, từ đó đưa ra các giải pháp thực tiễn cho ngành nông nghiệp.

1.1. Động cơ diesel và vai trò trong nông lâm ngư nghiệp

Động cơ diesel một xilanh 16.5 HP được sử dụng phổ biến trong nông lâm ngư nghiệp nhờ vào khả năng tiết kiệm nhiên liệu và độ bền cao. Việc cải tiến hiệu suất động cơ không chỉ giúp tăng năng suất lao động mà còn giảm chi phí vận hành cho nông dân.

1.2. Tầm quan trọng của đường nạp trong động cơ diesel

Đường nạp đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp không khí cho quá trình cháy trong động cơ diesel. Một đường nạp được thiết kế tối ưu sẽ giúp tăng cường hiệu suất nạp, từ đó cải thiện công suất và giảm tiêu hao nhiên liệu.

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 trong quá trình thực hiện. Các vấn đề như thiết kế hình dạng đường nạp, tối ưu hóa lưu lượng không khí và giảm thiểu tổn thất áp suất là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Các vấn đề thường gặp trong thiết kế đường nạp

Thiết kế đường nạp không hợp lý có thể dẫn đến hiện tượng cản trở dòng chảy, làm giảm hiệu suất nạp. Việc nghiên cứu hình dạng và kích thước của đường nạp là rất cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất động cơ.

2.2. Tổn thất áp suất và ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ

Tổn thất áp suất trong đường nạp có thể làm giảm lượng không khí vào buồng đốt, dẫn đến hiệu suất động cơ thấp. Việc phân tích và giảm thiểu tổn thất này là một trong những mục tiêu chính trong nghiên cứu cải tiến.

III. Phương pháp cải tiến đường nạp động cơ diesel hiệu quả

Để cải tiến đường nạp động cơ diesel một xilanh 16.5 HP, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm thiết kế hình dạng đường nạp, sử dụng công nghệ mô phỏng và tối ưu hóa bằng mạng nơ-ron nhân tạo.

3.1. Thiết kế hình dạng đường nạp tối ưu

Thiết kế hình dạng đường nạp có thể được thực hiện thông qua các phần mềm mô phỏng như ANSYS. Việc này giúp xác định được hình dạng tối ưu cho đường nạp, từ đó nâng cao hiệu suất động cơ.

3.2. Sử dụng công nghệ mô phỏng trong cải tiến

Công nghệ mô phỏng cho phép phân tích dòng chảy không khí trong đường nạp, giúp phát hiện các vấn đề và đưa ra giải pháp cải tiến hiệu quả. Mô phỏng CFD là một trong những công cụ hữu ích trong nghiên cứu này.

3.3. Tối ưu hóa bằng mạng nơ ron nhân tạo

Mạng nơ-ron nhân tạo có thể được sử dụng để tối ưu hóa các tham số thiết kế của đường nạp. Phương pháp này giúp tìm ra các giải pháp tối ưu dựa trên dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu cải tiến

Kết quả từ nghiên cứu cải tiến đường nạp đã cho thấy những cải thiện rõ rệt về hiệu suất động cơ. Các thử nghiệm thực tế cho thấy động cơ sau khi cải tiến có công suất và hiệu suất nạp cao hơn, đồng thời tiết kiệm nhiên liệu hơn so với động cơ nguyên bản.

4.1. Kết quả thực nghiệm sau cải tiến

Các thử nghiệm cho thấy động cơ diesel một xilanh 16.5 HP sau khi cải tiến có công suất tăng lên đáng kể. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất làm việc mà còn giảm thiểu chi phí vận hành cho nông dân.

4.2. Ứng dụng trong nông lâm ngư nghiệp

Việc áp dụng các giải pháp cải tiến đường nạp trong nông lâm ngư nghiệp đã mang lại nhiều lợi ích. Động cơ hoạt động hiệu quả hơn, giúp tăng năng suất lao động và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

V. Kết luận và hướng phát triển trong tương lai

Nghiên cứu cải tiến đường nạp động cơ diesel một xilanh 16.5 HP đã mở ra nhiều hướng đi mới cho ngành nông nghiệp. Việc áp dụng các công nghệ hiện đại trong thiết kế và tối ưu hóa sẽ tiếp tục được phát triển nhằm nâng cao hiệu suất và giảm thiểu tác động đến môi trường.

5.1. Kết luận về hiệu quả cải tiến

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc cải tiến đường nạp có thể mang lại hiệu quả rõ rệt trong việc nâng cao hiệu suất động cơ. Điều này khẳng định tầm quan trọng của việc nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực động cơ diesel.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, nghiên cứu sẽ tiếp tục tập trung vào việc áp dụng các công nghệ mới, như trí tuệ nhân tạo và mô phỏng số, để tối ưu hóa hơn nữa hiệu suất động cơ diesel trong nông lâm ngư nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trước bối cảnh năng lượng có nguồn gốc hóa thạch ngày càng cạn kiệt và vấn đề nóng lên toàn cầu do hiệu ứng nhà kính mà nguyên nhân chính là do phát thải khí nhà kính (chủ yếu là CO2) trong công nghiệp, nông nghiệp và giao thông, nên các vấn đề sử dụng hiệu quả năng lượng và giảm phát thải ô nhiễm là yêu cầu hết sức cấp thiết được đặt ra đối với tất cả các quốc gia trên thế giới và Việt Nam không là ngoại lệ. Động cơ đốt trong sử dụng trên phương tiện giao thông, cũng như các ứng dụng tĩnh tại tiêu thụ phần lớn nhiên liệu hóa thạch và là một trong các nguồn phát thải ô nhiễm chính yếu cần được nghiên cứu giảm thiểu. Ngành công nghiệp động cơ đốt trong non trẻ của Việt Nam với nòng cốt là Tổng công ty Máy Động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam (VEAM) cung cấp ra thị trường 48.000 động cơ, máy nông nghiệp mỗi năm. Trong đó công ty TNHH MTV Động cơ và Máy nông nghiệp Miền Nam (SVEAM) cung cấp khoảng 45.

Công ty TNHH MTV Động Cơ và Máy Nông Nghiệp Miền Nam (SVEAM) được hợp nhất từ công ty VIKYNO và VINAPPRO, là doanh nghiệp đứng đầu trong lĩnh vực nông ngư cơ tại Việt Nam. SVEAM sản xuất các dòng động cơ Diesel công suất từ 5 đến 30 mã lực và động cơ xăng từ 5 đến 13 mã lực dùng trong nông, ngư nghiệp và cho máy phát điện. Sản phẩm của SVEAM đã có mặt tại hơn 20 quốc gia ở Châu Á, Châu Phi, Trung – Mỹ và Trung Đông như: Malaysia, Philippine, Lào, Indonesia, Thái Lan, Singapore, Nhật Bản, Myanmar, Srilanka, Hàn Quốc, Iran, UAE, Iraq, Yemen, Nigeria, Madagascar, Guatemala, Panama, Cộng hòa Dominica, Costa Rica, Chile … Tuy nhiên, việc các nước đang từng bước nâng cao tiêu chuẩn phát thải đối với động cơ đốt trong là thách thức thực sự cho SVEAM trong nỗ lực mở rộng thị trường. Để vượt qua thử thách này, SVEAM cần đầu tư một cách căn cơ cho hoạt 1 động nghiên cứu phát triển nhằm nâng cao tính năng kỹ thuật của động cơ và giảm thiểu phát thải ô nhiễm của các dòng động cơ của mình để đảm bảo tính cạnh tranh so với các sản phẩm của các Công ty các nước tiên tiến khác, đặc biệt là Nhật Bản và Trung Quốc và đạt mức phát thải ô nhiễm của các thị trường mục tiêu của công ty.

Từ một nhà máy chuyên lắp ráp động cơ và máy nông nghiệp theo thiết kế của công ty Kubota và Yanmar (Nhật bản). Những năm gần đây, SVEAM đã bứt phá trở thành một trong những doanh nghiệp đứng đầu của ngành cơ khí chế tạo máy động lực và máy nông nghiệp Việt Nam. Năm 2005, động cơ Diesel RV165-2 (có công suất tối đa 16,5 mã lực) do SVEAM tự thiết kế, chế tạo với tỷ lệ nội địa hóa đạt trên 90% được bán ra thị trường, đánh dấu một cột mốc quan trọng, mang tính bước ngoặt trong lịch sử phát triển của SVEAM (xem Hình 1. Các thông số kỹ thuật và đặc tính kỹ thuật của động cơ RV165-2 được trình bày trên Bảng 1.1: Động cơ RV165-2 do SVEAM sản xuất.1: Các kích thước cơ bản của động cơ VIKYNO RV165-2 tương ứng trong hình 1.2: Đặc tính kỹ thuật động cơ RV165-2.

KIỂU Mục tiêu thiết kế Loại 4 kỳ, 1 xylanh, nằm ngang Đường kính x hành trình piston (mm) 105 x 97 Thể tích xylanh (cm3) 839 Công suất tối đa (Mã lực/vòng/phút) 16,5/2400 Công suất định mức (Mã lực/vòng/phút) 14/2200 Moment cực đại (KG.m/vòng/phút) 4,9/1800 Tỉ số nén 20 Nhiên liệu Dầu Diesel Thể tích thùng nhiên liệu (lít) 11 Suất tiêu thụ nhiên liệu (g/Mã lực/giờ) 206 Áp suất mở vòi phun (Kg/cm2) 220 Hệ thống đốt nhiên liệu Phun trực tiếp Thể tích nước làm mát (lít) 2,6 Trọng lượng (kg) 132 Kích thước: Dài x Rộng x Cao (mm) 759 x 388 x 496 3 Hình 1.2: Đồ thị đặc tính kỹ thuật động cơ RV165-2. Để có thể phát triển các động cơ mới có tính năng cạnh tranh với các động cơ của các công ty tiên tiến như Kubota hay Yanmar, SVEAM cần phải tập trung đầu tư phát triển tiềm lực nghiên cứu và phát triển của mình. Trên tinh thần đó, năm 2008 SVEAM đã thành lập Trung tâm nghiên cứu và phát triển với nhân sự lên đến gần 25 cán bộ nghiên cứu. Kinh nghiệm tích lũy được trong quá trình gần 35 năm phát triển của Công ty có ý nghĩa quyết định cho sự thành công của SVEAM trong việc phát triển các sản phẩm mới mà tiêu biểu là động cơ RV165-2.

Sản phẩm mới này của SVEAM thực chất được phát triển dựa trên nền tảng thiết kế cơ sở của Kubota với một số cải tiến dựa trên kinh nghiệm và thường thì hiệu quả của các giải pháp cải tiến không được kiểm nghiệm đầy đủ do hạn chế về điều kiện vật chất kỹ thuật cũng như năng lực thử nghiệm, đánh giá. Để phát triển thành công các dòng động cơ mới, có tính năng cạnh tranh, SVEAM một mặt cần đầu tư trang thiết bị thử nghiệm phục vụ hoạt động kiểm nghiệm đánh giá thiết kế mới, mặt khác cần nhanh chóng nắm bắt và áp dụng các công nghệ tính toán mô phỏng vào quá trình tính toán, thiết kế sản phẩm mới. Áp dụng công nghệ tính toán mô phỏng, với độ chính xác và độ tin cậy ngày 4 càng cao góp phần nâng cao tính năng, rút ngắn thời gian, giảm chi phí phát triển sản phẩm mới. Chúng ta biết rằng sự phát triển của lĩnh vực động cơ đốt trong được thúc đẩy bởi các yếu tố sau:  Tiêu chuẩn phát thải ô nhiễm ngày càng nghiêm ngặt (bao gồm khí độc và tiếng ồn);  Giảm thiểu tiêu thụ nhiên liệu (giúp giảm phát thải CO2);  Nâng cao công suất riêng (power density);  Nâng cao độ bền (durability) và độ tin cậy (reliability);  Cạnh tranh về giá;  Sự cạnh tranh của các hệ thống động lực khác… Nạp hiệu quả Nhiên liệu Không khí Giảm tiêu thụ nhiên liệu  giảm lượng CO2 thải NẠP-NÉN ra môi trường Tối ưu quá trình cháy THẢI Giảm khí thải độc Bộ lọc khí thải Hình 1.3: Các hướng nghiên cứu trong lĩnh vực động cơ đốt trong.

Để giảm thiểu tiêu thụ nhiên liệu (vì vậy dẫn đến giảm thiểu phát thải CO2 ra môi trường) và nâng cao công suất của động cơ, cần có các giải pháp nâng cao hiệu 5 quả nạp nhiên liệu và không khí (hoặc hỗn hợp nhiên liệu / không khí đối với động cơ xăng) vào động cơ và tối ưu hóa quá trình cháy xảy ra bên trong động cơ (xem Hình 1. Để nạp hiệu quả nhiên liệu vào động cơ, các giải pháp như phun trực tiếp (direct injection), phun nhiên liệu ở áp suất cao (high pressure injection), phun đa điểm (multipoint injection) hay common rail,… được sử dụng. Để nạp tối đa không khí vào động cơ, các giải pháp như động cơ với đa họng nạp (multi-valves intake), tăng áp (turbocharger),… được sử dụng. Đối với động cơ Diesel 4 thì, hiệu quả nạp của động cơ được đặc trưng bởi hệ số nạp (volumetric efficiency), được định nghĩa bằng tỉ số của lưu lượng thể tích không khí nạp vào bên trong xylanh và tốc độ thay đổi thể tích quét tạo bởi sự dịch chuyển của piston: ma 2ma 2ma 4 v    .1)  a ,iVh a ,iVh n a ,i Ap S p Trong đó, ma là khối lượng không khí hút vào xylanh; m a là lưu lượng khối lượng không khí nạp vào trong xylanh trong một chu trình công tác của động cơ (tính trung bình cho một chu trình công tác của động cơ); Vh là thể tích công tác của xylanh; n là tốc độ quay của động cơ;  a,i là khối lượng riêng của không khí ở phía trước của họng nạp động cơ; Ap là diện tích đỉnh piston; S p là vận tốc di chuyển trung bình của piston.

Nếu  a,i được lấy là khối lượng riêng của không khí trong môi trường, thì hiệu suất thể tích tương ứng đánh giá hiệu quả nạp của toàn bộ hệ thống nạp của động cơ. Nếu  a,i là khối lượng riêng của không khí ở họng nạp (inlet manifold) thì hệ số nạp tương ứng chỉ đánh giá hiệu quả nạp của cụm họng nạp và xúpap (đối với động cơ xăng). Giá trị của  v đối với động cơ nạp tự nhiên thay đổi từ 80% đến 94%. Hệ số nạp của hệ thống nạp của động cơ Diesel thường cao hơn hệ số nạp của hệ thống nạp của động cơ xăng (do sự cản trở của bướm ga ở động cơ xăng).

Hiệu quả của quá trình nạp môi chất công tác mới có ảnh hưởng trực tiếp đến tính năng của động cơ đốt trong và nỗ lực nâng cao hiệu quả quá trình nạp (nạp đầy 6 với tổn hao năng lượng thấp nhất) luôn được quan tâm trong suốt chiều dài lịch sử phát triển của ngành động cơ đốt trong [1]. Tuy nhiên, do tính phức tạp của chuyển động của không khí bên trong hệ thống nạp của động cơ, nên đến nay vấn đề tối ưu quá trình nạp của động cơ nhằm nâng cao tính năng của động cơ vẫn còn giữ nguyên tính thời sự của nó. Do tính gián đoạn của quá trình nạp không khí trong động cơ đốt trong 4 kỳ, sự phức tạp của hình học và sự tương tác của khí nạp với các bộ phận cấu thành hệ thống nạp, đặc biệt là sự thay đổi độ mở của xúpap theo thời gian dẫn đến chuyển động của không khí (hay hỗn hợp không khí và nhiên liệu đối với động cơ xăng) trong hệ thống nạp của động cơ rất phức tạp, được đặc trưng bằng tính không dừng (unsteady), biến thiên theo ba chiều không gian (three dimensional flow). Đồng thời, chuyển động của không khí trong hệ thống nạp có tốc độ cao và tính nén được (compressible) của không khí vì vậy cần phải được tính đến.

Những thập niên gần đây, nhờ vào sự phát triển của máy tính hiệu năng cao, kỹ thuật tính toán mô phỏng số và các giải thuật tính toán tối ưu, hệ thống nạp của động cơ đốt trong ngày được thiết kế tối ưu hơn. 7 Xây dựng hình học họng nạp Tạo lưới cho mô phỏng số Mô phỏng chuyển động trong họng nạp nạp Không tốt Đánh giá Tốt Tạo mẫu họng nạp Không tốt Đánh giá Tốt Chế tạo thử nghiệm trên động cơ cơ Hình 1.4: Tính toán thiết kế họng nạp của động cơ sử dụng kỹ thuật tính toán mô phỏng số.