Luận văn Thạc sĩ: nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ 3 xilanh diesel

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ 3 xilanh diesel phun giáp tiếp có buồng cháy three vortex combu phục vụ n

• Tác giả: Nguyễn Hùng Việt
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Xuân Mai
• Trường học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Quá Trình Cháy Trong Động Cơ 3 Xilanh Diesel Phun Gián Tiếp Có Buồng Cháy Three Vortex Combustion (TVC) Sử Dụng Nhiên Liệu Sinh Học Bio-Diesel
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm về Quá trình Cháy trong Động cơ 3 Xilanh

Quá trình cháy là hiện tượng phản ứng hóa học giữa nhiên liệu và không khí trong buồng cháy của động cơ 3 xilanh diesel. Đây là giai đoạn quan trọng quyết định hiệu suất và độ bền của động cơ. Trong động cơ diesel phun gián tiếp, quá trình cháy diễn ra trong buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC), nơi tạo ra các luồng xoáy giúp hỗn hợp nhiên liệu và không khí trộn đều hơn. Nhiên liệu Bio-Diesel được sử dụng thay thế diesel truyền thống, mang lại hiệu ích về môi trường và tính bền vững. Sự hiểu biết sâu sắc về quá trình cháy giúp tối ưu hóa công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và hạn chế khí thải độc hại từ động cơ Kubota D1703-M-E3B.

1.1. Đặc điểm của Quá trình Cháy trong Động cơ Diesel

Quá trình cháy diesel bao gồm ba giai đoạn: phòng cháy, cháy khuếch tán và cháy lưỡng pha. Trong buồng cháy TVC, các vortex (luồng xoáy) tạo điều kiện hỗn hợp tối ưu. Động cơ 3 xilanh hoạt động với chu kỳ 4 kỳ: hút, nén, nổ và xả. Đặc trưng là áp suất cao trong quá trình nén, nhiên liệu phun vào không khí nóng, tự bắt lửa mà không cần bugi như động cơ xăng.

1.2. Vai trò của Buồng Cháy Three Vortex Combustion

Buồng cháy TVC được thiết kế để tạo ba luồng xoáy chính, giúp nhiên liệu diesel và bio-diesel phân tán đều trong không khí nóng. Cấu trúc này cải thiện đáng kể quá trình cháy, giảm độ trễ cháy, tăng tốc độ phản ứng hóa học. Động cơ Kubota D1703 sử dụng công nghệ này để đạt hiệu suất cao, giảm tiêu thụ nhiên liệu và phát thải ô nhiễm.

II. Các Giai đoạn và Cơ Chế Cháy của Động cơ 3 Xilanh Diesel

Quá trình cháy trong động cơ 3 xilanh diesel chia thành nhiều giai đoạn khác nhau, mỗi giai đoạn có đặc điểm và ảnh hưởng riêng đến hiệu suất động cơ. Giai đoạn phòng cháy bắt đầu khi nhiên liệu phun vào buồng cháy, hỗn hợp khí được hình thành nhưng chưa bắt lửa. Giai đoạn cháy khuếch tán là khi phản ứng tỏa nhiệt bắt đầu, áp suất tăng đột ngột. Bio-diesel có đặc tính cháy khác so với diesel thông thường, tác động đến quá trình này. Hiểu rõ các cơ chế này giúp tối ưu hóa hiệu suất của động cơ Kubota D1703-M-E3B và các dòng động cơ 3 xilanh khác.

2.1. Giai đoạn Phòng Cháy và Tự Bắt Lửa

Giai đoạn phòng cháy diễn ra trong thời gian nhiên liệu diesel hoặc bio-diesel phun vào buồng cháy cho đến khi bắt lửa. Thời gian phòng cháy phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, và chất lượng nhiên liệu. Tự bắt lửa xảy ra khi nhiệt độ hỗn hợp đạt tới điểm bắt lửa tự phát, không cần điểm lửa bên ngoài như động cơ xăng.

2.2. Giai đoạn Cháy Khuếch Tán và Ảnh hưởng của Bio Diesel

Cháy khuếch tán là giai đoạn tỏa nhiệt chính, áp suất và nhiệt độ tăng nhanh. Bio-diesel cách xà phòng từ dầu thực vật có tính chất cháy khác: tỏa nhiệt cao hơn, nhưng độ trễ cháy ngắn hơn. Điều này ảnh hưởng đến quá trình nhiệt động lực của động cơ 3 xilanh, cần điều chỉnh độ nén và thời điểm phun để tối ưu.

III. Ứng dụng Bio Diesel S K C 0034925193 trong Động cơ 3 Xilanh

Bio-diesel là nhiên liệu thay thế có nguồn gốc từ dầu thực vật hoặc dầu mỡ động vật, được sử dụng để thay thế diesel khoáng sản. Mã S K C 0034925193 đề cập đến loại bio-diesel cụ thể được sử dụng trong luận văn thạc sĩ của Nguyễn Hùng Việt. Bio-diesel có nhiều ưu điểm: giảm phát thải CO2, tái tạo được, an toàn cho môi trường. Tuy nhiên, nó cũng gây ra những thách thức trong quá trình cháy động cơ 3 xilanh: tính axit cao hơn, dễ gây ăn mòn, khác biệt về tính chất vật lý. Nghiên cứu quá trình cháy khi sử dụng bio-diesel trên động cơ Kubota D1703-M-E3B giúp xác định khả năng tương thích và hiệu suất thực tế.

3.1. Tính chất và Đặc điểm của Bio Diesel S K C

Bio-diesel S K C 0034925193 là sản phẩm ester meth từ dầu thực vật hoặc động vật. Tính chất quan trọng: chỉ số cetane cao (45-55), mật độ cao hơn diesel 7-8%, điểm đông cao hơn. Hàm lượng nước trong bio-diesel cao hơn, có thể gây ảnh hưởng đến quá trình cháy động cơ 3 xilanh. So với diesel thông thường, bio-diesel tỏa nhiệt cao hơn 5-10%, nhưng khả năng chọc thủng màng piston kém hơn.

3.2. Tác động của Bio Diesel đến Hiệu suất Động cơ

Khi sử dụng bio-diesel trong động cơ 3 xilanh diesel, công suất có thể giảm 2-5% do mật độ năng lượng thấp hơn. Tuy nhiên, quá trình cháy có thể được tối ưu thông qua điều chỉnh thời điểm phun, áp suất phun và buồng cháy TVC. Tiêu hao nhiên liệu có thể tăng 5-8%, nhưng ưu điểm môi trường và tính bền vững vượt trội. Động cơ Kubota D1703 cho kết quả khả quan khi sử dụng bio-diesel trộn.

IV. Phương pháp Nghiên cứu và Ứng dụng Thực tiễn

Luận văn thạc sĩ của Nguyễn Hùng Việt sử dụng nhiều phương pháp nghiên cứu kết hợp: phương pháp lý thuyết, mô phỏng số, thực nghiệm và phân tích dữ liệu. Mô phỏng quá trình cháy được thực hiện trên máy tính, mô hình hóa quá trình phun nhiên liệu, hỗn hợp khí, tỏa nhiệt và áp suất trong buồng cháy. Thực nghiệm trực tiếp trên động cơ Kubota D1703-M-E3B cung cấp dữ liệu thực tế về tiêu hao nhiên liệu, khí thải, công suất. Phân tích so sánh giữa diesel thông thường và bio-diesel cho phép đánh giá khả năng ứng dụng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong lĩnh vực nhiên liệu tái tạo và ứng dụng thực tiễn cho ngành nông nghiệp, công nghiệp Việt Nam.

4.1. Phương pháp Mô phỏng và Tính toán

Mô phỏng quá trình cháy sử dụng các phần mềm tính toán CFD (Computational Fluid Dynamics) để giải phương trình động lực học chất lỏng, truyền nhiệt và phản ứng hóa học. Mô hình 3D của buồng cháy TVC được xây dựng, mô phỏng sự phun nhiên liệu, hỗn hợp khí và quá trình cháy. Dữ liệu đầu vào bao gồm thông số động cơ Kubota, tính chất bio-diesel, điều kiện làm việc. Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin chi tiết về phân bố nhiệt độ, tốc độ phản ứng, phát sinh khí thải.

4.2. Ứng dụng Thực tiễn và Triển vọng Phát triển

Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trực tiếp vào thiết kế máy động lực sử dụng bio-diesel, đặc biệt là động cơ 3 xilanh cho nông nghiệp. Triển vọng sử dụng nhiên liệu tái tạo trong nước là lớn, giúp giảm phụ thuộc dầu nhập khẩu và bảo vệ môi trường. Công nghệ buồng cháy TVC có thể được cải tiến thêm dựa trên dữ liệu nghiên cứu. Nông dân Việt Nam sử dụng động cơ 3 xilanh có thể chuyển sang bio-diesel mà không lo ảnh hưởng lớn đến hiệu suất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Sự cần thiết nghiên cứu của đề tài. Thực trạng trang bị máy móc và phương tiện cho các ngành. Quy mô sử dụng đất nông nghiệp và mức độ trang bị máy móc cơ điện nông nghiệp.

Theo tài liệu Tổng cục Thống kê, tính đến năm 2011, cả nước có khoảng 26.400 ha đất nông nghiệp, chiếm gần 79,65 % diện tích đất tự nhiên. Kết quả điều tra, phân tích và tính toán cho thấy, qui mô ruộng đất sản xuất nông nghiệp của hộ nông dân ở các vùng như bảng 1.1: Thống kê ruộng đất sản xuất nông nghiệp của hộ nông dân ở các vùng. Khu vực Tổng số hộ Tổng diện tích đất Cơ cấu hộ chia theo quy mô (%) ha/hộ nông nghiệp (ha) Dưới Từ Từ Từ 2 ha 0,2 0,2 - 0,5 0,5 - 2 trở lên Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) 3.390 59,51 37,23 3,18 0,08 0,44 Trung du và miền núi phía 2.140 28,24 37,5 29,56 4,7 3,39 Bắc Bắc Trung Bộ & duyên hải miền 3.560 36,27 41,74 19,12 2,87 2,46 Trung Tây Nguyên 904.890 6,49 14,87 55,4 23,24 5,33 Đông Nam Bộ 624.020 18,77 19,19 42,22 19,82 3,04 Đồng bằng sông 2. Nguồn động lực trong sản xuất nông nghiệp.

Theo Tổng cục Thống kê tính đến năm 2011 cả nước đã trang bị: 15.500 máy kéo, máy cày lớn (trên 35 HP), 207.112 máy kéo, máy cày trung (từ 12 – 35 HP), và 275.131 máy kéo, máy cày nhỏ (< 12 HP), 40.146 ô tô vận tải hành khách và hàng hóa, 175.049 động cơ chạy xăng, diesel, 6.282 tàu thuyền dịch vụ thủy sản có động cơ, 5.325 tàu thuyền vận tải hành khách, 142.183 tàu thuyền vận tải hàng hóa, 231.914 lò, máy sấy sản phẩm nông lâm thủy sản, 204.654 máy chế biến lương thực, 551.508 bình phun thuốc trừ sâu có động cơ, 1.349 máy bơm nước dùng cho sản xuất nông lâm thủy sản, 62.364 máy chế biến thức ăn gia súc, 5.774 máy chế biến thức ăn thủy sản, 25.712 máy giàn gieo sạ, 13.109 máy gặt đập liên hợp, 62. Nguồn động lực dùng trong nông nghiệp nông thôn bảng 1.2: Nguồn động lực dùng trong nông nghiệp nông thôn [1] Năm Máy kéo, Máy kéo, Máy kéo, Động cơ, PTVT vận PTVT vận Canh tác trên 2011 máy cày máy cày máy cày máy phát chuyển trên chuyển trên đồng ruộng, đất lớn 35 trung nhỏ dưới điện đường bộ đường thủy trồng cây lâm HP 12-35 HP 12 HP nghiệp và thủy sản Số lượng (cái) 15.498 Nguồn: Tổng cục Thống kê, 2011. Máy kéo, máy cày lớn 35 HP Nguồn động lực dùng trong nông nghiệp nông thôn Máy kéo, máy cày trung 12-35HP 15500 207112 Máy kéo, máy cày nhỏ dưới 12HP 275131 Động cơ, máy phát điện 456238 40146 PTVT vận chuyển trên đường bộ 153790 PTVT vận chuyển trên đường thủy 3147498 Canh tác trên đồng ruộng, đất trồng cây lâm nghiệp và thủy sản 2 1. Mức độ cơ giới hóa trong sản xuất và công nghệ sau thu hoạch.

- Về cơ giới hóa các khâu sản xuất nông nghiệp gồm có các khâu như làm đất, cơ giới hóa khâu làm đất, cơ giới hóa khâu gieo cấy gồm có khâu gieo và khâu cấy, cơ giới hóa khâu thu hoạch gồm có khâu cắt, gặt và khâu tuốt đập, lúa và sau đây là bảng 1.3 thống kê về cơ giới hóa trong ngành nông nghiệp [1].3: Thống kê cơ giới hóa trong ngành nông nghiệp [1]. Năm Máy kéo, Máy kéo, Máy kéo, Động cơ, PTVT vận Canh tác trên 2011 máy cày lớn máy cày trung máy cày nhỏ máy phát chuyển trên đất trồng cây hơn 35 HP 12 - 35 HP dưới 12 HP điện đường bộ nông nghiệp Số lượng (cái) 15.174 Nguồn: Tổng cục Thống kê, 2011. Thống kê cơ giới hóa trong ngành nông nghiệp Sức kéo lớn 35 hp 15311 206035 272791 Sức kéo trung 12- 35 hp Sức kéo nhỏ dưới 12 hp 531277 58002 Động cơ, máy phát điện 2926174 PTVT trên đường bộ Canh tác trên đất trồng cây nông nghiệp -Về cơ giới hóa trong ngành lâm nghiệp: Cơ giới hóa tập trung vào lĩnh vực canh tác, trồng mới (làm đất, tạo bầu cây giống…). Trong khai thác rừng trồng, mặc dù sản lượng không lớn, nhưng về cơ bản được tiến hành bằng máy như các khâu: chặt cây, bốc xếp, vận chuyển….

Áp dụng dây chuyền sơ chế tại cửa rừng nhằm nâng cao tỷ lệ thu hồi gỗ và giảm giá thành trong khâu vận chuyển.4: Thống kê cơ giới hóa trong ngành lâm nghiệp [1]. Năm Máy kéo, Máy kéo, Máy kéo, Động cơ, PTVT vận Lò máy Máy bơm Canh tác 2011 máy cày máy cày máy cày máy chuyển sấy nước dùng trên đất lớn trung nhỏ dưới phát trên sản phẩm cho sản xuất trồng cây 35 HP 12 - 35 12 HP điện đường bộ lâm sản lâm sản lâm nghiệp HP Số lượng 75 212 693 1927 1250 172 2728 2134 (cái) Nguồn: Tổng cục Thống kê, 2011. Thống kê cơ giới hóa trong Máy kéo, máy cày lớn 35 HP ngành lâm nghiệp. Máy kéo, máy cày trung 12-35HP 75 212 693 Máy kéo, máy cày nhỏ dưới 2134 12HP 1927 Động cơ, máy phát điện PTVT vận chuyển trên đường bộ 2728 1250 Lò máy sấy sản phẩm lâm sản Máy bơm nước dùng cho sản xuất 172 lâm sản Canh tác trên đất trồng cây lâm nghiệp -Về cơ giới hóa khai thác thủy hải sản: Khai thác thủy hải sản ở nước ta đã được cơ giới hóa, năng suất lao động cao, đặc biệt là khi chuyển ngư trường.

Đến năm 2011, trong số 28 tỉnh, thành phố ven biển được trang bị 19.179 phương tiện khai thác và vận chuyển trên đường thủy, thì phần lớn trang bị động cơ, máy phát điện để phục vụ cho việc đánh bắt khai thác và vận chuyển.5 tổng hợp mức độ trang bị tàu thuyền đã được khai thác thủy hải sản [1].5: Thống kê cơ giới hóa trong ngành thủy hải sản [1]. Năm Động cơ, PTVT vận chuyển Lò, máy sấy sản Máy chế biến 2011 máy phát điện trên đường thủy phẩm thủy sản thức ăn thủy sản Số lượng (cái) 49.179 248 3481 Nguồn: Tổng cục Thống kê, 2011. 3481 Thống kê cơ giới hóa trong ngành thủy 248 hải sản. Động cơ, máy phát điện 19179 PTVT vận chuyển trên đường thủy Lò, máy sấy sản phẩm thủy sản 49738 Máy chế biến thức ăn thủy sản -Về cơ giới hóa khâu vận tải nông thôn: Cơ giới hóa khâu vận tải nông thôn đã phát triển cả về số lượng và chất lượng.

Ngoài việc nâng cấp, xây dựng đường nông thôn, các thành phần kinh tế đã đầu tư trang bị phương tiện vận tải (trên bộ, trên sông rạch). Cả nước đã đầu tư 248.767 chiếc phương tiện vận tải (PTVT) trên đường bộ và 202.470 chiếc xuồng, thuyền trên sông rạch (Bảng 1.6: Mức độ đầu tư phương tiện vận tải ở khu vực nông thôn của các vùng. TT Cả nước Số lượng PTVT trên đường bộ (chiếc) 248.767 1 Bình quân cho 100 hộ (chiếc) 0,6 Số lượng PTVT trên đường thủy (chiếc) 202.470 2 Bình quân cho 100 hộ (chiếc) 1,6 Nguồn tổng cục Thống kê, 2011. Nhu cầu động cơ nhỏ cho nông nghiệp và nông thôn Việt Nam.

Việt Nam là nền kinh tế lớn thứ 6 ở Đông Nam Á và lớn thứ 57 trên thế giới trong các nền kinh tế thành viên của Quỹ Tiền tệ Quốc tế xét theo quy mô tổng sản phẩm nội địa danh nghĩa năm 2011 và đứng thứ 128 xét theo tổng sản phẩm nội địa 5 danh nghĩa bình quân đầu người [2]. Kinh tế Việt Nam được chia thành 3 khu vực (còn gọi là 3 ngành lớn) kinh tế. - Nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy sản. - Thương mại, dịch vụ, tài chính, du lịch, văn hóa, giáo dục và y tế.

Vào năm 2012, khu vực thứ nhất chiếm 20% GDP. Rõ ràng ngành nông nghiệp là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn và quan trọng cho nền kinh tế Việt Nam. Cơ giới hóa nông nghiệp đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất nông nghiệp, tác động trực tiếp đến hiện đại hóa nông nghiệp [3]. Để trang bị nguồn động lực (di động, tĩnh tại) và các loại máy công tác phù hợp thực hiện quá trình cơ giới hóa các khâu canh tác (trên đồng, khâu tĩnh tại); cơ giới hóa phục vụ chăn nuôi gia súc, gia cầm; nuôi trồng thủy hải sản và làm việc trên đất dốc trồng, chăm sóc cây công nghiệp.

Tùy điều kiện từng vùng chọn công suất động cơ, cỡ lực kéo theo dãy cỡ như bảng 1.7: Dãy công suất động cơ và cỡ lực kéo ở móc máy kéo [4]. Cỡ công suất máy kéo thứ I từ 8 đến 12 kW thường dùng động cơ một xy lanh (xăng hoặc diesel nhưng phần lớn là diesel) và là kiểu máy kéo 2 bánh. Cỡ thứ II từ 14 đến 29 kW thường là động cơ 2 hoặc 3 xy lanh lắp trên máy kéo 4 bánh làm công việc vạn năng. Cỡ thứ III có công suất trên 36 kW với lực kéo trên 1,4 tấn dùng nhiều trong nông nghiệp và được ưa chuộng ở đồng ruộng một số vùng của Việt Nam [4].

Nhu cầu sử dụng động cơ đốt trong nói chung và động cơ Diesel nói riêng trong hoạt động sản xuất nông nghiệp nông thôn là rất lớn. Thực trạng hiện nay là lượng máy móc phục vụ cho nông nghiệp vẫn chưa thể đáp ứng nhu cầu người nông dân cả về chất lượng và số lượng. Nguồn động cơ chủ yếu được sử dụng là nguồn động cơ được sản xuất lắp ráp ở nước ngoài và nhập khẩu phân phối tại Việt Nam. Sự cần 6 thiết có được một kiểu loại động cơ phù hợp với nhu cầu cho nông nghiệp là rất cấp bách và cần được xúc tiến nghiên cứu, thiết kế và ứng dụng.

Nhu cầu của động cơ 3 xy lanh Diesel tại Việt Nam. Trước nhu cầu rất lớn của động cơ đốt trong, ta thấy được rằng động cơ Diesel có công suất nhỏ mà phổ biến nhất là động cơ 3 xy lanh sẽ được sử dụng rất rộng rãi tại các vùng nông thôn. Đây chính là nguồn động lực được ưa chuộng trong công cuộc cơ giới hoá nông thôn nước ta hiện nay. Đất nước ta vốn là một đất nước nông nghiệp.

Vì vậy trong chiến lược phát triển kinh tế nhằm đẩy nhanh mục tiêu công nghiệp hoá, hiện đại hóa đất nước, việc phát triển nền sản xuất nông nghiệp là một mục tiêu và yêu cầu quan trọng. Trong tình hình nguồn lao động trong lĩnh vực nông nghiệp ngày càng chuyển sang các lĩnh vực khác, nên chúng ta phải nhanh chóng ứng dụng những tiến bộ khoa học và công nghệ, đẩy mạnh điện khí hoá và cơ giới hoá nhằm tăng diện tích khai thác, tăng sản lượng tiêu thụ và năng suất đáp ứng nhu cầu trong nước cũng như xuất khẩu. Để phát triển nhanh nền kinh tế nông nghiệp, việc tăng tỷ lệ cơ giới hoá là một trong những nhiệm vụ quan trọng.