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.