Luận văn Thạc sĩ: nghiên cứu thiết kế mẫu động cơ 3 xylanh diesel phun

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế mẫu động cơ 3 xylanh diesel phun gián tiếp có buồng cháy three vortex combustion tv phục vụ n

• Tác giả: Huỳnh Diệp Ngọc Long
• 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 Thiết Kế Mẫu 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. Tổng quan về thiết kế mẫu động cơ 3 xylanh diesel

Thiết kế mẫu động cơ 3 xylanh diesel là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành công nghiệp cơ khí động lực Việt Nam. Luận văn ThS của Huỳnh Diệp Ngọc Long tập trung vào thiết kế động cơ 3 xylanh diesel phun gián tiếp với buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC), sử dụng nhiên liệu sinh học bio-diesel. Công trình này tham khảo từ động cơ Kubota D1703-M-E3B, một mẫu động cơ tiêu chuẩn quốc tế. Việc nghiên cứu này nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về công nghệ động cơ hiệu suất cao và thân thiện với môi trường. Thiết kế mẫu động cơ diesel đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức về nhiệt động lực học, cơ học chất lỏng và kỹ thuật máy. Luận văn cung cấp những kiến thức quý báu về quá trình thiết kế ngược (reverse engineering) để phát triển các mẫu động cơ hiệu quả.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Động cơ 3 xylanh diesel đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp Việt Nam, đặc biệt là trong lĩnh vực nông nghiệp và vận tải. Nhu cầu về động cơ hiệu suất cao và thân thiện với môi trường ngày càng tăng. Việc phát triển mẫu động cơ diesel sử dụng nhiên liệu bio-diesel giúp giảm lượng khí thải độc hại và giảm chi phí nhiên liệu. Luận văn này cung cấp giải pháp kỹ thuật tiên tiến cho các nhà sản xuất động cơ tại Việt Nam.

1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trên thế giới, các nhà sản xuất như Kubota, Yanmar, Isuzu đã phát triển nhiều loại động cơ diesel 3 xylanh với công nghệ phun gián tiếp tiên tiến. Trong nước, các cơ sở nghiên cứu và các trường đại học bắt đầu quan tâm đến thiết kế động cơ và ứng dụng nhiên liệu bio-diesel. Luận văn ThS này là một bước tiến quan trọng trong việc nâng cao năng lực thiết kế và sản xuất động cơ tại các cơ sở đào tạo kỹ thuật Việt Nam.

II. Kỹ thuật thiết kế ngược trong phát triển động cơ

Kỹ thuật thiết kế ngược (reverse engineering) là phương pháp thiết kế mẫu động cơ bằng cách phân tích chi tiết một sản phẩm hiện có. Luận văn này áp dụng thiết kế ngược để tạo mẫu động cơ 3 xylanh diesel dựa trên động cơ Kubota D1703-M-E3B. Quy trình này bao gồm việc quét 3D (scan 3D), phân tích các thông số kỹ thuật, và tối ưu hóa thiết kế phù hợp với yêu cầu sử dụng nhiên liệu sinh học. Thiết kế ngược động cơ giúp tiết kiệm thời gian và chi phí so với việc phát triển từ đầu. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô và máy động lực để nâng cao năng lực sản xuất của các doanh nghiệp.

2.1. Quy trình thiết kế ngược động cơ diesel

Quy trình thiết kế ngược mẫu động cơ gồm các bước: (1) Quét 3D để thu thập dữ liệu hình học, (2) Phân tích thông số kỹ thuật như dung tích, tỷ số nén, (3) Tái tạo mô hình CAD, (4) Mô phỏng và kiểm chứng hiệu suất động cơ. Luận văn sử dụng công nghệ scan 3D hiện đại để tạo ra mô hình kỹ thuật chi tiết của động cơ 3 xylanh diesel.

2.2. Ứng dụng công nghệ scan 3D và CAD

Công nghệ scan 3D cho phép thu thập dữ liệu hình học chính xác của các bộ phận động cơ. Sử dụng phần mềm CAD chuyên nghiệp, các kỹ sư có thể tái tạo mô hình 3D động cơ và mô phỏng hoạt động. Kỹ thuật này giúp đảm bảo độ chính xác cao trong thiết kế mẫu động cơ trước khi sản xuất thật.

III. Buồng cháy Three Vortex Combustion và hiệu suất động cơ

Buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC) là một đặc điểm quan trọng của mẫu động cơ được nghiên cứu. Thiết kế buồng cháy này tạo ra ba vòng xoáy (vortex) giúp tăng cường trộn lẫn nhiên liệu-không khí, từ đó cải thiện quá trình cháy và tăng hiệu suất động cơ. Động cơ 3 xylanh diesel có buồng TVC hoạt động ở tỷ số nén cao, tạo ra đốc cháy hiệu quả và giảm lượng khí thải. Luận văn này thực hiện mô phỏng nhiều pha cháy để xác định các thông số tối ưu cho buồng cháy TVC. Việc tối ưu hóa buồng cháy là yếu tố quan trọng trong nâng cao hiệu suất của động cơ diesel phun gián tiếp.

3.1. Nguyên lý hoạt động buồng cháy TVC

Buồng cháy Three Vortex Combustion tạo ra ba vòng xoáy chính giúp phân tán hạt nhiên liệu và tăng tốc độ trộn lẫn. Thiết kế này cho phép quá trình cháy diễn ra nhanh chóng và hoàn toàn hơn, từ đó giảm khí thải độc hại như NOx, PM (bụi). Buồng cháy TVC rất phù hợp cho động cơ diesel phun gián tiếp sử dụng nhiên liệu bio-diesel.

3.2. Tối ưu hóa hiệu suất cháy trong động cơ diesel

Để tối ưu hóa hiệu suất cháy, luận văn thực hiện mô phỏng quá trình cháy bằng phần mềm CFD và phân tích dữ liệu áp suất, nhiệt độ. Việc điều chỉnh hình dạng buồng cháy, góc phun nhiên liệu, và thời điểm phun đều ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ diesel. Kết quả mô phỏng giúp xác định thiết kế tối ưu cho buồng cháy TVC.

IV. Ứng dụng nhiên liệu sinh học bio diesel trong động cơ

Nhiên liệu bio-diesel là nhiên liệu sạch được sản xuất từ các loại dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Luận văn tập trung vào ứng dụng bio-diesel trong động cơ 3 xylanh diesel để đạt được các mục tiêu về bảo vệ môi trường và tính bền vững. Nhiên liệu bio-diesel có tính năng cháy tốt, giảm khí thải CO2, và tương thích với công nghệ phun gián tiếp. Việc sử dụng bio-diesel không chỉ giảm lượng khí thải độc hại mà còn hỗ trợ nền kinh tế nông nghiệp của Việt Nam. Luận văn này cung cấp dữ liệu kỹ thuật về hiệu suất, khí thải, và độ bền của động cơ diesel khi chạy bằng bio-diesel có chất lượng tiêu chuẩn.

4.1. Đặc tính và lợi ích của nhiên liệu bio diesel

Bio-diesel có chỉ số cetane cao, tính ổn định tốt, và không chứa sulfur như dầu diesel thông thường. Ưu điểm của bio-diesel bao gồm: giảm khí thải HC, CO, PM, thân thiện với môi trường, có thể phân hủy sinh học. Nhiên liệu sinh học giúp giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ nhập khẩu và tạo ra sản phẩm từ nông sản của Việt Nam.

4.2. Thích ứng thiết kế động cơ để sử dụng bio diesel

Động cơ 3 xylanh diesel cần được tối ưu hóa để hoạt động ổn định với bio-diesel. Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của bio-diesel đến đặc tính cháy, áp suất, nhiệt độ và tìm ra các giải pháp kỹ thuật như điều chỉnh góc phun, thời điểm phun. Kết quả cho thấy động cơ diesel phun gián tiếp có thể chạy hiệu quả với bio-diesel 100% mà không cần chỉnh sửa lớn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1.1 Tình hìnhkhai thác động cơ đốt trong tại Việt Nam Ở Việt Nam, động cơ đốt trong được sử dụng rất phổ biến nhằm phục vụ cho các mục đích : - Động cơ sử dụng cho ô tô…. - Động cơ tĩnh tại kéo máy phát điện, máy bơm nước …. - Cơ giới hoá khâu làm đất, thu hoạch nông sản. - Máy chế biến nông sản có sử dụng động cơ đốt trong.

- Xe cơ giới nông thôn, tàu thuyền cơ giới nông thôn. Qua đó ta thấy được động cơ đốt trong tại Việt Nam được sử dụng chính vào mục đích nông nghiệp. Mặc khác 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, viêc tăng tỉ lệ cơ giới hoá là một trong những nhiệm vụ quan trọng. Và để tăng tỉ lệ cơ giới hoá thì việc sử dụng động cơ đốt trong cũng chiếm một phần rất lớn. 1 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; 5325 tàu thuyền vận tải hành khách; 142183 tàu thuyền vận tải hàng hóa; 231069 máy tuốt lúa có động cơ; 58914 lò, máy sấy sản phẩm nông lâm thủy sản; 204654 máy chế biến lương thực; 551508 bình phun thuốc trừ sâu có động cơ; 1932349 máy bơm nước dùng cho SXNLTS; 62364 máy chế biến thức ăn gia súc; 5774 máy chế biến thức ăn thủy sản; 25712 máy giàn gieo sạ; 13109 máy gặt đập liên hợp; 62045 máy gặt khác.

Tổng công suất nguồn động lực theo Bảng 1.1 : Nguồn động lực dùng trong nông nghiệp nông thôn Máy kéo, Máy kéo, Máy kéo, PTVT vận Canh tác trên đồng Động cơ, PTVT vận Năm máy cày máy cày máy cày chuyển ruộng, đất trồng cây máy phát chuyển trên 2011 lớn 35 trung nhỏ dưới trên lâm nghiệp và thủy điện đưởng thủy HP 12-35HP 12HP đường bộ sản Số lượng 15500 207112 275131 456238 40146 153790 3147498 (cái) Nguồn: Tổng cục Thống kê, 2011 Trong đó mức độ cơ giới hóa trong nông thôn được thống kê cụ thể như sau :  Cơ giới hóa trong nông nghiệp : Các khâu công tác trong khu vưc nông nghiệp đặc biệt là trong ngành trồng lúa nước ở cả 3 vùng đồng bằng sông Hồng, đồng bằng sông Cửu Long và các tỉnh Đông Nam Bộ ngày càng được cơ giới hóa và trang bị các máy móc phục vụ cho nhu cầu của các khâu công tác ở từng thời kỳ như : làm đất, gieo cấy và thu hoạch.2 : Thống kê cơ giới hóa trong ngành nông nghiệp. Máy kéo, PTVT vận Năm Máy kéo, Máy kéo, Động cơ, Canh tác trên máy cày chuyển máy cày máy cày trung máy phát đất trồng cây 2011 nhỏ dưới trên lớn 35 HP 12-35HP điện nông nghiệp 12HP đường bộ Số lượng 15311 206035 272791 531277 58002 2926174 (cái) Nguồn: Tổng cục Thống kê, 2011  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 tỉ lệ thu hồi gỗ và giảm giá thành trong khâu vận chuyển.3 : Thống kê cơ giới hóa trong ngành lâm nghiệp.

Canh tác Máy kéo, Máy kéo, Máy kéo, PTVT vận Lò máy Máy bơm Năm Động cơ, trên đất máy cày máy cày máy cày chuyển sấy sản nước dùng máy phát trồng cây 2011 lớn 35 trung nhỏ dưới trên phẩm cho sản xuất điện lâm HP 12-35HP 12HP đường bộ lâm sản lâm sản nghiệp Số lượng 75 212 693 1927 1250 2728 2134 172 (cái) Nguồn: Tổng cục Thống kê, 2011  Cơ giới hóa trong ngành 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 19179 phương tiện khai thác và vân chuyển trên đường thủy, thì phần lớn trang bị động cơ, máy phát điện để phục vụ cho việc đánh bắt khai thác và vân chuyển.4 tổng hợp mức độ trang bị tàu thuyền đã được khai thác thủy hải sản .4 : Thống kê cơ giới hóa trong ngành thủy hải sản. Năm Động cơ, PTVT vận chuyển Lò, máy sấy sản Máy chế biến thức máy phát 2011 trên đưởng thủy phẩm thủy sản ăn thủy sản điện Số lượng 49738 19179 248 3481 (cái) Nguồn: Tổng cục Thống kê, 2011  Cơ giới hóa trong 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 248767 chiếc phương tiện vận tải (PTVT) trên đường bộ và 202470 chiếc xuồng, thuyền trên sông rạch (Bảng 1.5 :Mức độ đầu tư phương tiện vận tải (PTVT) ở khu vực nông thôn của các vùng TT Cả nước Số lượng PTVT trên đường bộ (chiếc) 248767 1 Bình quân cho 100 hộ (chiếc) 0.6 Số lượng PTVT trên đường thủy (chiếc) 202470 2 Bình quân cho 100 hộ (chiếc) 1.6 Nguồn: Tổng cục Thống kê, 2011 Tùy điều kiện từng vùng mà ta chọn công suất động cơ , cỡ lực kéo để trang bị nguồn động lực (di đô ̣ng , tĩnh tại ) và các loại máy công tác phù hợp thực hiê ̣n quá trình cơ giới hóa các khâu canh tác (trên đồ ng, khâu tiñ h ta ̣i) ; cơ giới hóa phu ̣c vụ chăn nuôi gia súc , gia cầ m ; nuôi trồ ng thủy hải sản và làm viê ̣c trên đấ t dố c trồ ng, chăm sóc cây công nghiê ̣ptheo daỹ cỡ sau : 4 Bảng 1.6 : Dãy công suất động cơ và cỡ lực kéo ở móc máy kéo [2] Cỡ công suất I II III 1. Công suất động 8 10 12 14 17 20 24 29 ≥ 36 cơ, kW  11  14  17  19  23  27  33  40 ≥ 50 Mã lực 2. Lực kéo ở moóc 0,3 ÷ 0,4 0,5 ÷ 1,2 ≥ 1,4 kéo, t Số lượng xy lanh 1 2-3 >2 Máy phát điện, máy kéo 4 Máy phát điện, máy Máy phát điện, máy Ứng dụng bánh, phương tiện vận kéo 4 bánh, phương kéo 2 bánh chuyển tiện vận chuyển Cỡ công suấ t máy kéo thứ I thường dùng đô ̣ng cơ mô ̣t xy lanh (xăng hoă ̣c diesel nhưng phầ n lớn là diesel ) và là kiểu máy kéo 2 bánh. Cỡ thứ II từ 14 đến 19 kW thường là đô ̣ng cơ 2 hoă ̣c 3 xy lanh lắ p trên máy kéo 4 bánh làm công việc vạn năng.

Cỡ thứ III có công suấ t trên 36 kW với lực kéo trên 1,4 tấ n dùng nhiề u trong nông nghiê ̣p và đươ ̣c ưa chuô ̣ng ở đồ ng ruô ̣ng một số vùng của Việt Nam. [2] Nhu cầ u sử du ̣ng đô ̣ng cơ đố t trong nói chung và đô ̣ng cơ diesel nói riêng trong hoa ̣t đô ̣ng sản xuấ t nông nghiê ̣p nông thôn là rấ t lớn. Thực tra ̣ng hiê ̣n nay là lươ ̣ng máy móc phu ̣c vu ̣ cho nông nghiê ̣p vẫn chưa thể đáp ứng nhu cầ u người nông dân về cả chấ t lươ ̣ng và số lươ ̣ng. Nguồ n đô ̣ng cơ chủ yế u đươ ̣c sử du ̣ng là nguồ n đô ̣ng cơ đươ ̣c sản xuấ t lắ p ráp ở nước ngoài và nhâ ̣p khẩ u phân phố i ta ̣i Viê ̣t Nam.

Sự cầ n thiế t có đươ ̣c mô ̣t kiể u loa ̣i đô ̣ng cơ phù hơ ̣p với nhu cầ u cho nông nghiê ̣p là rấ t cấ p bách và cầ n đươ ̣c xúc tiế n nghiên cứu, thiế t kế và ứng du ̣ng.2 Công nghiệp máy động lực tại Việt Nam 1.1 Thị phần máy nông nghiệp Hiện nay, thị trường sản phẩm cơ khí phục vụ sản xuất nông nghiệp gồm: nhập khẩu từ Trung Quốc và một số cơ sở lắp ráp máy nông nghiệp của Trung Quốc tại Việt Nam, sản phẩm của Nhật lắp ráp tại Việt Nam; máy kéo và máy nông 5 nghiệp nhập khẩu từ các nước: Nga, Mỹ, Hàn Quốc.sản phẩm đã qua sử dụng của Nhật Bản, Hàn Quốc; các doanh nghiệp nhà nước (chủ yếu tập trung ở Tổng Công ty máy động lực và máy nông nghiệp Việt Nam, VEAM - Bộ Công Thương); các cơ sở ở các địa phương. Trong đó sản phẩm máy kéo và máy nông nghiệp nhập khẩu mới từ Trung Quốc và đã qua sử dụng của Nhật chiếm khoảng 70% thị phần (báo cáo của Bộ Công Thương 2010). Cụ thể như sau: Các loại động cơ diesel và xăng của VEAM chiếm 25% thị phần (hiện nay đã chế tạo được động cơ diesel dưới 30 hp và chỉ đáp ứng được một phần nhỏ cho cơ giới hóa nông nghiệp và phát triển nông thôn), hàng đã qua sử dụng chiếm 20%, Trung Quốc chiếm 50% và 5% nhập khẩu từ các nước khác. Còn riêng các loại động cơ 3 hoặc 4 xy lanh từ 30 - 50 HP thì chúng ta nhập khẩu từ nước Trung Quốc, Nhật, Nga, Mỹ,.1 : Thị phần động cơ phục vụ cho nông nghiệp Việt Nam Máy xới nhỏ dưới 15 HP chủ yếu là máy đã qua sử dụng và máy Trung Quốc chiếm 90% thị phần.

Máy Bông Sen (công ty máy kéo, máy nông nghiệp) chiếm khoảng 10% ở khu vực phía Bắc, riêng máy xới của VIKYNO chủ yếu xuất khẩu. Các loại máy kéo 4 bánh khoảng 90% là sản phẩm đã qua sử dụng của Nhật (công suất 24-37 HP ), 10% còn lại được nhập khẩu từ Mỹ, Nga, Trung Quốc và một số ít được sản xuất tại các thành viên của VEAM.