Luận văn Thạc sĩ: nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp động cơ 3 xylanh diesel

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp động cơ 3 xylanh diesel phun gián tiếp có buồng cháy three vortex comb phục vụ n

• Tác giả: Phạm Phúc Phát
• 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: Quá Trình Nạp Và Tạo Hỗn Hợp Động Cơ 3 Xylanh 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. Quá trình tạo hỗn hợp động cơ 3 xylanh Khái niệm và tầm quan trọng

Quá trình tạo hỗn hợp động cơ 3 xylanh là một trong những khía cạnh quan trọng nhất trong ngành công nghiệp động cơ hiện đại. Với nhu cầu ngày càng cao về các động cơ diesel phun gián tiếp tiết kiệm nhiên liệu, việc nghiên cứu kỹ thuật tạo hỗn hợp cháy trở nên cấp thiết. Hỗn hợp động cơ được tạo thành từ sự kết hợp giữa nhiên liệu và không khí, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, công suất và lượng khí thải của động cơ. Tại Việt Nam, nhu cầu về động cơ 3 xilanh rất lớn, đặc biệt ở khu vực nông thôn để phục vụ các máy nông nghiệp và vận tải nhẹ. Luận văn thạc sĩ về quá trình nạp và tạo hỗn hợp sử dụng nhiên liệu sinh học bio-diesel đã mở ra hướng nghiên cứu mới, giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của các buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC).

1.1. Khái niệm hỗn hợp động cơ 3 xylanh

Hỗn hợp động cơ 3 xylanh là sự pha trộn chính xác giữa nhiên liệu diesel và không khí trong buồng cháy. Quá trình này diễn ra trong động cơ diesel phun gián tiếp, nơi tia phun nhiên liệu được phun vào buồng cháy dự bị trước khi vào xilanh chính. Sự phát triển của tia phun nhiên liệu và cơ chế phân rã của các hạt nhiên liệu quyết định chất lượng hỗn hợp, từ đó ảnh hưởng đến quá trình cháy và hiệu suất động cơ.

1.2. Tầm quan trọng trong công nghiệp động cơ hiện đại

Việc tối ưu quá trình tạo hỗn hợp giúp giảm tiêu hao nhiên liệu, hạ thấp lượng khí thải, và tăng công suất động cơ. Đây là yêu cầu cấp thiết khi sử dụng nhiên liệu sinh học bio-diesel - một giải pháp thay thế bền vững và thân thiện với môi trường, phù hợp với xu hướng phát triển xanh của ngành động cơ toàn cầu.

II. Cơ chế hình thành hỗn hợp trong động cơ diesel 3 xylanh

Cơ chế hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ đốt trong là một quá trình phức tạp, bao gồm nhiều giai đoạn liên tiếp. Sự phát triển của tia phun nhiên liệu bắt đầu từ lỗ phun, nơi nhiên liệu được phun vào buồng cháy dưới áp suất cao. Sự phân rã động học của các hạt nhiên liệu là bước quan trọng tiếp theo, khi các hạt lớn phân chia thành những hạt nhỏ hơn, tăng bề mặt tiếp xúc với không khí. Cơ chế phân rã của tia phun diễn ra liên tục trong suốt quá trình hoạt động, ảnh hưởng đến tốc độ pha trộn và thời gian hỗn hợp hóa. Sự tương tác giữa tia phun với thành xilanh cũng đóng vai trò quan trọng, tạo những vòng xoáy turbulent giúp hỗn hợp đồng nhất hơn. Điều này đặc biệt có ý nghĩa trong buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC), nơi cấu trúc buồng được thiết kế để tạo ra những vòng xoáy vortex giúp tăng cường quá trình pha trộn.

2.1. Sự phát triển tia phun và phân rã hạt nhiên liệu

Tia phun nhiên liệu bắt đầu từ lỗ phun nhỏ và phát triển theo hình nón, với tốc độ phun rất cao. Sự phân rã động học của các hạt được chi phối bởi các lực không khí xung quanh, nhất là trong động cơ diesel phun gián tiếp. Quá trình này xác định mức độ mịn của tia phun và tốc độ pha trộn với không khí.

2.2. Vai trò của buồng cháy Three Vortex Combustion TVC

Buồng cháy TVC được thiết kế với ba vòng xoáy chính, giúp tạo dòng air swirl mạnh mẽ. Điều này tăng tương tác giữa tia phun với không khí, tạo điều kiện lý tưởng cho quá trình pha trộn và đốt cháy hiệu quả hơn, đặc biệt khi sử dụng nhiên liệu sinh học bio-diesel.

III. Ứng dụng nhiên liệu sinh học bio diesel trong quá trình tạo hỗn hợp

Nhiên liệu sinh học bio-diesel là một giải pháp thay thế tiềm năng cho nhiên liệu diesel truyền thống, với nhiều ưu điểm về môi trường và tính bền vững. Khi sử dụng bio-diesel trong động cơ 3 xylanh, quá trình tạo hỗn hợp cần được điều chỉnh phù hợp do các đặc tính vật lý hóa học khác biệt. Sự phân rã động học của các hạt bio-diesel có tốc độ chậm hơn diesel thường, do chỉ số độ nhớt cao hơn. Do đó, cơ chế phân rã tia phun cần được tối ưu hóa thông qua cải tiến thiết kế buồng cháy và hệ thống phun. Buồng cháy TVC với cấu trúc vortex mạnh mẽ chứng tỏ hiệu quả cao khi đốt cháy bio-diesel, giúp bù đắp cho tốc độ pha trộn chậm hơn so với diesel. Nghiên cứu về quá trình nạp và tạo hỗn hợp với bio-diesel trên động cơ diesel 3 xilanh là bước tiến quan trọng hướng tới công nghiệp động cơ xanh.

3.1. Đặc tính của bio diesel và ảnh hưởng đến hỗn hợp

Bio-diesel có độ nhớt cao hơn, khiến tia phun nhiên liệu lan tỏa chậm hơn và những hạt nhiên liệu lớn hơn. Điều này đòi hỏi điều chỉnh áp suất phun và thiết kế lỗ phun để đạt hỗn hợp cháy tối ưu. Tuy nhiên, bio-diesel có độ bôi trơn tốt hơn, bảo vệ hệ thống phun tốt hơn.

3.2. Tối ưu hóa quá trình tạo hỗn hợp cho bio diesel

Để quá trình tạo hỗn hợp hiệu quả với bio-diesel, cần tăng tốc độ swirl trong buồng cháy, sử dụng buồng cháy TVC với cấu trúc vortex mạnh, hoặc điều chỉnh góc phun và thời gian phun. Những cải tiến này giúp bio-diesel đạt hiệu suất gần bằng diesel truyền thống.

IV. Phương pháp nghiên cứu và triển vọng phát triển công nghệ

Nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp động cơ 3 xylanh yêu cầu sự kết hợp của lý thuyết và thí nghiệm thực tế. Các phương pháp hiện đại bao gồm mô phỏng số (CFD) để mô hình hóa quá trình phân rã tia phun và tương tác với không khí, quét 3D bằng công nghệ laser để phân tích cấu trúc buồng cháy, và đo đạc khí thải để đánh giá hiệu quả đốt cháy hỗn hợp. Tại Việt Nam, các trường như Đại học Bách Khoa TP.HCM và Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tiến hành các nghiên cứu về động cơ 3 xilanh với bio-diesel, sử dụng các trang thiết bị hiện đại. Tương lai của công nghệ này hướng tới động cơ xanh, kết hợp bảo vệ môi trường với hiệu suất kinh tế. Để quá trình nạp và tạo hỗn hợp tối ưu hơn, cần tiếp tục nghiên cứu các hệ thống phun tiên tiến, vật liệu buồng cháy mới, và nhiên liệu sinh học thế hệ tiếp theo.

4.1. Các phương pháp nghiên cứu hiện đại

Mô phỏng CFD cho phép các nhà khoa học mô hình hóa quá trình tạo hỗn hợp với độ chính xác cao, phân tích sự phân rã tia phun từng thời điểm. Quét 3D laser giúp đo đạc chính xác hình dáng buồng cháy TVC, từ đó tối ưu hóa cấu trúc vortex. Thí nghiệm động cơ thực trên động cơ 3 xylanh với bio-diesel xác nhận kết quả lý thuyết.

4.2. Triển vọng phát triển và ứng dụng thực tế

Công nghệ quá trình tạo hỗn hợp tối ưu sẽ hỗ trợ sản xuất động cơ 3 xilanh tiết kiệm hơn 20-30% nhiên liệu. Sử dụng bio-diesel kết hợp với buồng cháy TVC mở ra cơ hội lớn cho ngành công nghiệp máy động lực ở Việt Nam, phục vụ nông thôn và vận tải bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM PHÚC PHÁT NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH NẠP VÀ TẠO HỖN HỢP ĐỘNG CƠ 3 XYLANH DIESEL PHUN GIÁN TIẾP CÓ BUỒNG CHÁY THREE VORTEX COMBUSTION (TVC) SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC BIO-DIESEL. NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 S KC 0 0 4 0 7 0 Tp. Hồ Chí Minh, năm 2013 Luận văn tốt nghiệp GVHD:PGS-TS. PHẠM XUÂN MAI LÝ LỊCH KHOA HỌC I.

LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Phạm Phúc Phát Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 18/03/1988 Nơi sinh: Bình Dương Quê quán: Bình Dương Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 12 tổ 3 ấp Mỹ Đức, xã Bình Mỹ, huyện Tân Uyên, tỉnh Bình Dương. Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0933278088 Fax: E-mail: phatphamphuc@yahoo. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2.

Đại học: Hệ đào tạo: chính quy Thời gian đào tạo từ 08/2006 đến 04/ 2011 Nơi học (trường, thành phố): trường đại học Giao Thông Vận Tải TP.HCM Ngành học: Cơ Khí Ô tô Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: “Nghiên cứu, khai thác hệ thống phun xăng trực tiếp và các hệ thống phụ trên động cơ 2.0T FSI của tập đoàn ôtô Volkwagen.” Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 3 năm 2011, trường đại học Giao Thông Vận Tải TP. Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Thành sa III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 06-08/2011 Công ty ô tô Trường Hải Nhân viên kinh doanh 10/2012 đến nay Trường cao đăng nghề Kỹ Giáo viên Thuật Công Nghệ TP.HCM HVTH: Phạm Phúc Phát i MSHV: 11085246009 Luận văn tốt nghiệp GVHD:PGS-TS.

PHẠM XUÂN MAI LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 08 năm 2013 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Phạm Phúc Phát HVTH: Phạm Phúc Phát ii MSHV: 11085246009 Luận văn tốt nghiệp GVHD:PGS-TS. PHẠM XUÂN MAI LỜI CẢM TẠ Trong suốt thời gian 2 năm học tập và nghiên cứu tại trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, nhận được sự hướng dẫn tận tình của các quí thầy cô và các điều kiện học tập thuận lợi của quí trường tôi đã tiếp thu được nhiều kiến thức hửu ích phục vụ cho quá làm việc và nghiên cứu của mình sau này.

Luận văn được hoàn thành ngoài sự cố gắng của bản thân còn có sự giúp đỡ và đóng góp của nhiều cá nhận và tổ chức. Qua đây tôi xin gửi lời cám ơn đến các cá nhân và tổ chức đã giúp đỡ tôi trong suất quá trình thực hiện đề tài.  Xin cảm ơn ban giám hiệu trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi theo học lớp cao học chuyên ngành khai thác và bảo trì ô tô - máy kéo.  Xin cảm ơn đến quí Thầy Cô tham gia giảng dạy lớp cao học ô tô niên khoá B2011-2013 đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức nền tảng giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp.

 Xin cảm ơn thầy PGS.TS Phạm Xuân Mai đã hướng dẫn,chỉ đạo về ý tưởng, phương hướng, nội dung và có những lời khuyên đúng lúc.  Xin cảm ơn các Thầy phản biện đã đóng góp nhiều ý kiến quý báo giúp tôi hoàn thiện nội dung tập luận văn.  Xin cảm ơn anh Bình, anh Dương, công ty VCAM TECH CO.LTD, đã hổ trợ kỹ thuật để Scan 3D động cơ mô hình thử nghiệm trong đề tài.  Xin cám ơn các thầy cô trong Khoa kỹ thuật giao thông, trường đại học Bách Khoa thành phố HCM, xưởng thí nghiệm động cơ, đã tạo điều kiện thuận lợi về trang thiết bị trong quá trình nghiên cứu đề tài.

Mặc dù rất nổ lực, nhưng do kiến thức còn hạn chế, thời gian có hạn và thiết bị hổ trợ thiếu thốn nên khó tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong Quý Thầy Cô và các bạn góp ý thêm để đề tài nghiên cứu này sớm được áp dụng vào thực tế. Học viên thực hiện Phạm Phúc Phát HVTH: Phạm Phúc Phát iii MSHV: 11085246009 Luận văn tốt nghiệp GVHD:PGS-TS. PHẠM XUÂN MAI MỤC LỤC Trang tựa trang Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân.

i Lời cam đoan .ii Cảm tạ. iv Mục lục. vi Danh sách các chữ viết tắt. x Danh sách các hình.

xi Danh sách các bảng. xiii Chƣơng 1. Tính cấp thiết của đề tài. Nhu cầu động cơ đốt trong ở nông thôn Việt Nam.

Nhu cầu động cơ 3 xilanh. Công nghiêp máy động lực ở Việt Nam. Nhiên liệu thay thế .Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về động cơ 3 xy lanh sử du ̣ng nhiên liê ̣u sinh ho ̣c. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài:.

Tình hình nghiên cứu ở trong nước: .Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu:. Đối tượng nghiên cứu: .Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của đề tài.Nhiệm vụ của đề tài:. Phạm vi nghiên cứu:.Phương pháp nghiên cứu.

16 HVTH: Phạm Phúc Phát vi MSHV: 11085246009 Luận văn tốt nghiệp GVHD:PGS-TS. PHẠM XUÂN MAI Chƣơng 2. Lý thuyết hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ đốt trong. Sự phát triển của tia phun nhiên liệu.

Sự phân rã động học của các hạt nhiên liệu. Cơ chế phân rã của tia phun nhiên liệu. Sự tương tác giữa tia phun với thành xilanh. Quá trình tạo hỗn hợp cháy trong động cơ Diesel.

Buồng cháy dự bị. Buồng cháy xoáy lốc. Lý thuyết Three Vortex. Phương trình mô phỏng xoáy lốc Three Vortex.

Mô hình chuyển động của xoáy lốc Three Vortex. Lý thuyết về nhiên liệu biodiesel. Các tính năng khi sử dụng nhiên liệu biodiesel. Các yêu cầu của quá trình nạp và tạo hỗn hợp trên động cơ sử dụng biodiesel.

PHÂN TÍCH BUỒNG CHÁY TVCS (trên động cơ 3 xilanh KUBOTA D1703- E3B). Giới thiệu động cơ KUBOTA D1703-E3B. Lý do chọn động cơ Kubota 3 xy lanh. Thông số kỹ thuâ ̣t chiń h của đô ̣ng cơ Kubota 3 xy lanh.

Phân tích kết cấu buồng cháy TVCS. Buồng cháy xoáy lốc. Cửa buồng cháy. Phân tích quá trình hình thành hỗn hợp cháy.

Các yếu tố cải thiện quá trình hòa trộn nhiên liệu Biodiesel trong buồng cháy TVCS. 68 HVTH: Phạm Phúc Phát vii MSHV: 11085246009 Luận văn tốt nghiệp GVHD:PGS-TS. PHẠM XUÂN MAI 3. Nhiệt chớp cháy.

Nhiệt trị thấp. 69 Chƣơng 4: MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC. Tổng quan về phần mềm mô phỏng Ansys Fluent. Đối tượng mô phỏng.

Mô hình động cơ mô phỏng. Nhiêu liệu thử nghiệm. Trình tự thực hiện và cơ sở lý thuyết trong mô phỏng. Trình tự thực hiện.

Cơ sở lý thuyết của phương pháp mô phỏng. Xây dựng mô hình và xác lập các thông số động học liên quan đến quá trình hình hỗn hợp cháy trong buồng cháy TVC. Xây dựng mô hình hình học buồng cháy TVC. Chia lưới mô hình.

Cài đặt thông số đầu vào cho bài toán. Mô phỏng động học quá trình hòa trộn nhiên liệu biodiesel. Xử lý và đánh giá kết quả đạt được từ mô phỏng. Nhiệt phận bố trong buồng cháy xoáy lốc.

Vận tốc không khí phân bố trong buồng cháy xoáy lốc. Tỉ số mass fraction phân bố trong buồng cháy xoáy lốc. So sánh độ xuyên thấu của tia phun theo áp suất phun .99 Chƣơng 5: ĐỀ XUẤT VÀ CẢI TIẾN ĐỘNG CƠ. Nghiên cứu và đề suất cải tiến động cơ.

Nghiên cứu cải tiến. Đề suất cải tiến. Mô phỏng quá trình hòa trộn của động cơ TVCS sau khi cải tạo .Các cấu trúc được xét đến. Thiết lập thông số và tiêu chí mô phỏng.

110 HVTH: Phạm Phúc Phát viii MSHV: 11085246009 Luận văn tốt nghiệp GVHD:PGS-TS. PHẠM XUÂN MAI 5. So sánh và đánh giá kết quả đạt được trước và sau cài tiến. Vận tốc và quỹ đạo chuyển động xoáy lốc trong buồng cháy.

Vận tốc và quỹ đạo chuyển động của nhiên liệu trong buồng cháy. Tỉ số mass fraction giữa không khí và nhiên liệu trong buồng cháy. Nhiệt độ không khí trong buồng cháy. Độ xuyên thấu của tia phun nhiên liệu.

Phân tích kết cấu tối ưu. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ. Tóm tắt kết quả đề tài. Đánh giá kết quả của đề tài.

Đề nghị hướng phát triển của đề tài. 128 KẾ HOẠCH DỰ KIẾN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI. 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 131 PHỤ LỤC HVTH: Phạm Phúc Phát ix MSHV: 11085246009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM PHÚC PHÁT NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH NẠP VÀ TẠO HỖN HỢP ĐỘNG CƠ 3 XYLANH DIESEL PHUN GIÁN TIẾP CÓ BUỒNG CHÁY THREE VORTEX COMBUSTION (TVC), SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC BIO-DIESEL.

(THAM KHẢO ĐỘNG CƠ 3 XYLANH KUBOTA D1703-M-E3B) NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM XUÂN MAI Tp. Hồ Chí Minh, 2013 Luận văn tốt nghiệp GVHD:PGS-TS. PHẠM XUÂN MAI Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài: 1.

Nhu cầu động cơ đốt trong ở nông thôn Việt Nam Viê ̣t Nam là nề n kinh tế lớn thứ 6 ở Đông Nam Á và lớn thứ 59 trên thế giới trong các nề n kinh tế thành viên của Quỹ Tiề n tê ̣ Quố c tế xét t heo quy mô tổ ng sản phẩ m nô ̣i điạ danh nghiã năm 2009 và đứng thứ 128 xét theo tổng sản phẩm nội địa danh nghiã biǹ h quân đầ u người. Trong đó khu vực sản xuất nông nghiệp chiế m 20,29% GDP. Rõ ràng ngành nông nghiệp là một trong nhữ ng ngành kinh tế mũi nhọn và quan trọng cho nền kinh tế Việt Nam. Do đó, việc cơ giới hóa nông nghiê ̣p mà đặc biệt là trang bị nguồn máy động lực cần thiết cho sản xuất là một đòi hỏi cấp thiết.

Sau một thời gian đẩy mạnh hoạt động cơ giới hóa nông nghiệp, nhìn chung Việt Nam đã đạt được một số thành quả nhất định trong việc nâng cao cả về số lượng và chất lượng máy móc trong sản xuất. 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 đã và đang tăng lên đáng kể so với năm 2007(bảng 1): [1] Bảng 1.