Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài Khác với động cơ xăng sử dụng trên ô tô, loại động cơ xăng tĩnh tại cỡ nhỏ dùng trong nông nghiệp hầu hết vẫn còn sử dụng hệ thống nhiên liệu sử dụng bộ chế hòa khí và hệ thống đánh lửa thông thường. Do đó, chủng loại động cơ xăng này có hiệu quả sử dụng nhiên liệu không cao, phát thải nhiều chất ô nhiễm ra môi trường và có suất tiêu hao nhiên liệu lớn. Hiện nay, tại Đắk Lắk, nhiều máy nông cụ được người dân sử dụng cho các mục đích như: máy băm cành cà phê tại vườn, máy cắt cỏ, máy xịt thuốc, chế biến cà phê, máy phát điện, phục vụ chế biến và tưới cà phê với quy mô nông hộ ngay tại rẫy.
Sự phổ biến của công nghệ phun xăng đánh lửa điện tử trang bị trên các dòng xe máy hiện đại thời gian gần đây đã tạo điều kiện thuận lợi để có thể nghiên cứu ứng dụng chúng trên những dòng động cơ xăng tĩnh tại cơ nhỏ sử dụng bộ chế hòa khí truyền thống để khắc phục các hạn chế. Nhằm giúp định hướng tốt trong quá trình nghiên cứu chuyển đổi các động cơ xăng tĩnh tại, bao gồm chuyển đổi hệ thống nhiên liệu động cơ, từ bộ chế hòa khí sang sử dụng công nghệ phun xăng; kết hợp với trang bị hệ thống điều khiển đánh lửa điện tử; đòi hỏi cần thêm các nghiên cứu lý thuyết cũng như nghiên cứu mô phỏng quá trình làm việc của động cơ trước và sau khi chuyển đổi. Do đó, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy của động cơ xăng cỡ nhỏ” nhằm góp phần định hướng nghiên cứu cải tiến động cơ, cụ thể là chuyển đổi động cơ truyền thống này sang sử dụng công nghệ phun xăng và đánh lửa điện tử. Động cơ Huahie 5,5Hp sử dụng bộ chế hòa khí 1.
Nhu cầu sử dụng động cơ xăng cỡ nhỏ dùng trong nông nghiệp ở Việt Nam Theo số liệu ước tính của Tổng cục Thống kê, giá trị sản xuất toàn ngành nông nghiệp năm 2017 tăng 3,16% so với năm 2016, trong đó, trồng trọt tăng 2,23%, chăn nuôi tăng 2,16%, lâm nghiệp tăng 5,17% và thủy sản tăng 5,89%. GDP nông lâm thủy sản tăng 2,9% (so với mức 2,95% năm 2013; 3,9% năm 2014; 2,6% của năm 2015 và 1,44% năm 2016) [1]. Để phát triển nhanh nền kinh tế nông nghiệp, việc tăng tỉ lệ cơ giới hóa là một trong những nhiệm vụ quan trọng, đồng nghĩa với việc gia tăng số lượng động cơ đốt trong sẽ sử dụng. Nguồn động lực dùng trong nông nghiệp nông thôn.
[2] Máy Máy Phương Phương Máy kéo, kéo, kéo, Động cơ, tiện vận tiện vận máy cày máy cày Năm Số lượng máy cày máy phát chuyển chuyển trung nhỏ lớn 35 điện trên đường trên đường 12-35HP dưới HP bộ thủy 12HP 2011 Cái 32.735 2 Theo thống kê của tổng cục Thống kê tính đến năm 2011 thì số lượng máy móc phục vụ cho quá trình cơ giới hóa trong nông nghiệp và nông thôn đã và đang tăng lên đáng kể so với năm 2007 (Bảng 1. Tình hình nghiên cứu động cơ xăng cỡ nhỏ Hiện nay, việc nghiên cứu chuyển đổi hệ thống nhiên liệu trên động cơ xăng đã và đang được tiến hành. Các nhóm nghiên cứu chủ yếu đến từ các trường đại học, tiêu biểu như: ĐH Bách Khoa TP. HCM, ĐH Bách Khoa Đà N ng, ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.
HCM, Viện Cơ khí Động lực - ĐH Bách Khoa Hà Nội. Các nghiên cứu chủ yếu là: - Chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu xăng truyền thống sang dùng nguồn nhiên liệu thay thế (LPG, Biogas, CNG…vv…). - Cải tạo các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu cũ để hoàn thiện quá trình hòa trộn và quá trình cháy… Mục đích từ các nghiên cứu trên nhằm cải thiện hiệu suất động cơ, tính kinh tế nhiên liệu, giảm ô nhiễm khí thải. Nhóm tác giả PGS.
Lê Anh Tuấn; KS. Triệu Tiến Chuẩn; KS. Nguyễn Đức Khánh - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; ThS. Cao Văn Tài - Trường Cao đẳng nghề Nha Trang đã nghiên cứu bổ sung khí HHO (hỗn hợp của hai khí H2 và O2, có được từ quá trình điện phân nước, với tỉ lệ theo thể tích là 2:1) vào đường nạp của động cơ xe máy với sự hỗ trợ của phần mềm mô phỏng AVL BOOST.
Kết quả mô phỏng cho thấy ảnh hưởng của lượng khí HHO bổ sung đến đặc tính cháy, công suất cũng như phát thải của động cơ. Thời gian cháy trễ và cháy nhanh giảm, tốc độ tăng áp suất cũng như công suất động cơ tăng lên. Phát thải NOx giảm trong khi HC và CO tăng khi bổ sung HHO. Nếu giữ nguyên công suất động cơ ở 1,97 kW (ở tốc độ vòng quay động cơ 3000 v/ph và λ ≈ 0,95) trước và sau khi bổ sung khí HHO, thì có thể tiết kiệm được 12,08% lượng xăng khi bổ sung 4 lít/phút HHO, nồng độ NOx tăng gấp 2,4 lần, trong khi CO giảm 97,97%, HC giảm 46,98% so với khi sử dụng xăng [3].
3 GS-TSKH Bùi Văn Ga cùng các cộng sự tại Trung tâm Nghiên cứu bảo vệ môi trường (thuộc Đại học Đà N ng) đã nghiên cứu, chế tạo và đưa vào ứng dụng thành công bộ phụ kiện chuyến đổi dành cho động cơ tĩnh tại cỡ nhỏ, từ chạy bằng xăng hoặc diesel sang sử dụng khí biogas với các bộ phụ kiện GATEC [4]. Với các bộ phụ kiện chuyển đổi này, các động cơ cỡ nhỏ (bao gồm cả động cơ xăng và động cơ diesel) có thể được chuyển đổi sang sử dụng biogas theo một trong ba cách: 1. Từ động cơ xăng chuyển đổi thành động cơ biogas/xăng Phương án này, động cơ chuyển đổi có thể hoạt động với hoàn toàn biogas hoặc hoàn toàn xăng. Từ động cơ diesel chuyển đổi thành động cơ nhiên liệu kép biogas/diesel Khi hoạt động với biogas, vẫn phải dùng đến diesel, lúc này đóng vai trò phun mồi; lượng diesel phun mồi này tỉ lệ nghịch với lượng biogas đưa vào động cơ trong quá trình nạp nhưng thường phải đảm bảo tối thiểu từ 10-20%.
Khi hết biogas, động cơ chuyển đổi vẫn hoạt động bình thường với 100% diesel như trước khi chuyển đổi. Từ động cơ diesel chuyển đổi hẳn thành động cơ biogas Động cơ làm việc với biogas theo nguyên lý động cơ đánh lửa cưỡng bức, vì vậy nó không thể hoạt động với diesel khi hết biogas [4]. Tác giả Nguyễn Văn Đông đã thực hiện luận án tiến sĩ nghiên cứu chế tạo xe gắn máy sạch chạy biogas nén. Trong đề tài tác giả đã sử dụng phần mềm mô phỏng Fluent để nghiên cứu đánh giá các tính năng động cơ như công suất, mô men và độ phát thải của một động cơ xe gắn máy Ware 110cm3 khi sử dụng nhiên liệu xăng và nhiên liệu biogas với các thành phần nhiên liệu khác nhau.
Với mô hình mô phỏng cho phép tác giả rút ngắn thời gian nghiên cứu, định hướng cho việc chế tạo và nghiên cứu thực nghiệm [4]. Nguyễn Tuấn Nghĩa đã thực hiện đề tài ''Nghiên cứu thiết kế cơ cấu phối khí linh hoạt trên động cơ xăng một xy lanh công suất nhỏ''. Tác giả đã nghiên cứu 4 thiết kế cơ cấu phối khí linh hoạt trên động cơ xăng một xy lanh công suất nhỏ nhằm tìm ra góc mở sớm, đóng muộn tối ưu đến tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ, xây dựng thành công mô hình mô phỏng động cơ xăng 01 xylanh cỡ nhỏ trên phần mềm AVL Boost [5]. Khởi đầu từ năm 2009, định kỳ hằng năm hãng Honda liên tục tổ chức cuộc thi Lái xe sinh thái – Tiết kiệm nhiên liệu Honda.
Cuộc thi là sân chơi cạnh tranh lành mạnh nơi những người tham gia kết hợp sự sáng tạo, trí tưởng tượng và những hiểu biết về công nghệ để thiết kế ra những chiếc xe có khả năng cạnh tranh về hiệu suất tiêu hao nhiên liệu sử dụng động cơ xăng từ 50cc đến 150cc của Honda. Qua các cuộc thi, nhiều đội thi đến từ các trường đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun xăng đánh lửa điện tử trên cơ sở động cơ xăng cỡ nhỏ (xe Wave 100cc) dùng bộ chế hòa khí của hãng Honda [6]. Tổng quan về mô hình hóa và phần mềm Boost-AVL Mô hình hóa trong khoa học và kỹ thuật, có thể được coi như là quá trình mô tả các hiện tượng vật lý trong một hệ thống bằng cách sử dụng các phương trình toán học tùy thuộc vào trường hợp cụ thể và có các phương pháp giải quyết tương đồng để hiểu hơn về bản chất của hiện tượng cần nghiên cứu. Thông thường, việc mô hình hóa giúp việc thiết kế các thiết bị tốt hơn nhờ việc có hiểu biết hơn về các quá trình vật lý cơ bản xảy ra bên trong.
Các hoạt động mô phỏng động cơ trong những năm gần đây, phần lớn đã được tập trung theo hướng thiết kế cải tiến để các loại động cơ hoạt động tốt hơn với lượng khí thải độc hại giảm đi. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính, nhiều công ty gia công phần mềm đã ra đời cùng với đó là sự xuất hiện của hàng loạt các phần mềm tính toán – mô phỏng và trở thành công cụ cần thiết của các kỹ sư. Bản chất của quá trình mô phỏng là dùng các phần tử có s n của phần mềm để mô tả các chi tiết phức tạp trong thực tế với các điều kiện biên hợp lý và sau đó giải các phương trình đặc trưng bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Với việc sử dụng các phần mềm tính toán – mô phỏng các nhà thiết kế có thể mô hình hóa các đối tượng phức tạp bằng các mô hình 5 đơn giản, trực quan.
Ta có thể loại bỏ các thí nghiệm không cần thiết và lặp đi lặp lại quá trình tính toán để tìm ra các thông số thiết kế phù hợp với các yêu cầu thực tế. Qua đó sẽ giảm đáng kể chi phí thực nghiệm và thời gian thiết kế. Có nhiều phương pháp mô phỏng động cơ đốt trong. Trong đó, mô hình mô hình vô hướng là đơn giản nhất [7].
Mô hình vô hướng được phân chia thành: - Mô hình một vùng - Mô hình hai vùng - Mô hình nhiều vùng Hình 1. Mô hình một vùng cháy và hai vùng cháy Trong mô hình một vùng, chất lỏng làm việc trong động cơ được giả định là một hệ nhiệt động học và trao đổi khối lượng với môi trường xung quanh, năng lượng phát ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu được tính bằng cách áp dụng phương trình nhiệt động I cho hệ thống.