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.