Tổng quan nghiên cứu

Động cơ diesel là nguồn động lực chủ yếu trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, công nghiệp và giao thông vận tải. Tại Việt Nam, động cơ Vikyno RV165-2, loại một xylanh, được sản xuất và sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực nông nghiệp. Theo số liệu của công ty TNHH MTV Động Cơ và Máy Nông Nghiệp Miền Nam (SVEAM), hàng năm có khoảng 45.000 động cơ được cung cấp ra thị trường, chiếm phần lớn sản lượng động cơ diesel trong nước. Tuy nhiên, đặc tính phát thải của dòng động cơ này chưa được công bố rộng rãi, trong khi khí thải động cơ diesel chứa các chất độc hại như NOx, muội than (Soot), CO, HC gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy và đặc tính phát thải của động cơ diesel Vikyno RV165-2 bằng phần mềm CFD 3D AVL FIRE, với mục tiêu đánh giá ảnh hưởng của góc phun sớm nhiên liệu và biên dạng buồng cháy đến công suất và khí thải động cơ. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào giai đoạn từ lúc đóng xupap nạp đến trước khi mở xupap xả, tại hai chế độ vận hành chính: tốc độ 2400 vòng/phút và 1900 vòng/phút, tải 100%. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm phát thải ô nhiễm và nâng cao hiệu suất động cơ, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành cơ khí động lực tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Quá trình cháy trong động cơ diesel: Quá trình cháy được chia thành bốn giai đoạn chính gồm cháy trễ, cháy nhanh, cháy chính và cháy rớt. Thời gian cháy trễ và sự hòa trộn nhiên liệu-không khí ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và khí thải.

  • Ảnh hưởng của góc phun nhiên liệu (Injection Timing - IT): Góc phun sớm ảnh hưởng đến thời gian cháy trễ, áp suất trong buồng cháy, từ đó tác động đến lượng NOx và muội than sinh ra. Tăng góc phun sớm làm tăng NOx nhưng giảm muội than, ngược lại giảm góc phun sớm làm tăng muội than và giảm NOx.

  • Ảnh hưởng của biên dạng buồng cháy: Các thông số hình học như đường kính họng, đường kính cực đại, độ sâu buồng cháy, bán kính vòng xuyến và bán kính phụ ảnh hưởng đến chuyển động xoáy (swirl) và chuyển động nén (squish) của dòng khí, từ đó ảnh hưởng đến sự hòa trộn nhiên liệu-không khí và đặc tính cháy.

  • Mô hình tính toán số động lực học lưu chất (CFD): Sử dụng phương trình Navier-Stokes và các mô hình rối như k-ε để mô phỏng dòng chảy, quá trình phun nhiên liệu, cháy và hình thành khí thải trong buồng cháy động cơ.

  • Mô hình mô phỏng quá trình cháy và phát thải trong phần mềm AVL FIRE: Bao gồm các mô hình cháy (Turbulence Combustion Model, Coherent Flame Model), mô hình hình thành NOx và muội than, mô phỏng tia phun nhiên liệu và sự tương tác với thành buồng cháy.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu kỹ thuật động cơ Vikyno RV165-2 được thu thập từ công ty SVEAM và các tài liệu kỹ thuật liên quan. Dữ liệu vận hành gồm hai chế độ chính: 2400 vòng/phút và 1900 vòng/phút, tải 100%.

  • Phương pháp mô phỏng: Xây dựng mô hình 3D buồng cháy và động cơ trên phần mềm AVL FIRE v.2013. Mô hình bao gồm biên dạng buồng cháy hiện hữu và các phương án cải tiến biên dạng, cùng ba góc phun nhiên liệu khác nhau.

  • Phân tích số liệu: Mô phỏng quá trình cháy từ lúc đóng xupap nạp đến trước khi mở xupap xả, trích xuất các thông số công suất, mô men, tiêu hao nhiên liệu, nồng độ NOx và muội than. So sánh kết quả giữa các phương án để đánh giá ảnh hưởng của góc phun và biên dạng buồng cháy.

  • Cỡ mẫu và timeline: Mô phỏng thực hiện trên mô hình động cơ một xylanh, với các điều kiện vận hành cụ thể. Thời gian nghiên cứu từ tháng 2/2014 đến tháng 1/2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của góc phun nhiên liệu đến đặc tính công suất và khí thải:

    • Tại tốc độ 2400 vòng/phút, góc phun sớm 22.5° BTDC cho công suất tối ưu và mức NOx thấp hơn khoảng 15% so với góc phun sớm 30°.
    • Tại tốc độ 1900 vòng/phút, góc phun sớm 20° BTDC giảm lượng muội than khoảng 12% so với góc phun trễ 15°, đồng thời giữ được công suất ổn định.

  2. Ảnh hưởng của biên dạng buồng cháy:

    • Buồng cháy dạng 2 (được thiết kế cải tiến) cho hiệu suất công suất cao hơn 8% và giảm NOx khoảng 10% so với buồng cháy hiện hữu khi vận hành ở tải 100%, tốc độ 2400 vòng/phút.
    • Ở tốc độ 1900 vòng/phút, buồng cháy dạng 2 cũng giảm muội than khoảng 14% so với buồng cháy gốc.

  3. Tối ưu hóa phối hợp góc phun và biên dạng buồng cháy:

    • Kết hợp góc phun sớm phù hợp với tốc độ và biên dạng buồng cháy dạng 2 giúp cân bằng giữa công suất và giảm phát thải, đạt hiệu quả tối ưu trong vận hành động cơ.

  4. So sánh mô phỏng và thực nghiệm:

    • Kết quả mô phỏng áp suất trong xilanh và nhiệt độ tương đối phù hợp với dữ liệu thực nghiệm, sai số dưới 5%, đảm bảo độ tin cậy của mô hình.

Thảo luận kết quả

Việc điều chỉnh góc phun sớm nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian cháy trễ và áp suất cực đại trong buồng cháy, từ đó tác động đến lượng NOx và muội than sinh ra. Góc phun sớm quá lớn làm tăng nhiệt độ cháy, dẫn đến tăng NOx nhưng giảm muội than, trong khi góc phun trễ làm ngược lại. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của góc phun nhiên liệu đến khí thải động cơ diesel.

Biên dạng buồng cháy cải tiến làm tăng hiệu quả hòa trộn nhiên liệu-không khí nhờ tăng cường chuyển động xoáy (swirl) và chuyển động nén (squish), giúp quá trình cháy diễn ra đồng đều hơn, giảm lượng nhiên liệu chưa cháy và muội than. Điều này cũng đồng nghĩa với việc giảm phát thải và tăng hiệu suất động cơ.

Biểu đồ so sánh đặc tính công suất và nồng độ khí thải giữa các phương án được trình bày rõ ràng, giúp minh họa sự khác biệt và hiệu quả của từng giải pháp. Bảng số liệu chi tiết hỗ trợ việc đánh giá chính xác các chỉ tiêu kỹ thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Điều chỉnh góc phun nhiên liệu theo chế độ vận hành:

    • Thực hiện điều chỉnh góc phun sớm phù hợp với tốc độ và tải động cơ để tối ưu hóa công suất và giảm phát thải NOx, muội than.
    • Thời gian thực hiện: trong vòng 6 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Bộ phận kỹ thuật và bảo trì động cơ tại các nhà máy sản xuất và sử dụng động cơ.

  2. Cải tiến biên dạng buồng cháy:

    • Áp dụng thiết kế buồng cháy dạng 2 đã được mô phỏng để nâng cao hiệu suất cháy và giảm khí thải.
    • Thời gian thực hiện: 12 tháng cho nghiên cứu và sản xuất thử nghiệm.
    • Chủ thể thực hiện: Bộ phận R&D của công ty sản xuất động cơ.

  3. Ứng dụng phần mềm mô phỏng CFD trong thiết kế và tối ưu động cơ:

    • Sử dụng phần mềm AVL FIRE để mô phỏng và đánh giá các phương án thiết kế mới trước khi sản xuất thực tế, giảm chi phí và thời gian thử nghiệm.
    • Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình phát triển sản phẩm.
    • Chủ thể thực hiện: Các phòng thí nghiệm và trung tâm nghiên cứu động cơ.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ vận hành và bảo trì:

    • Tổ chức các khóa đào tạo về điều chỉnh góc phun và bảo dưỡng buồng cháy nhằm duy trì hiệu suất và giảm phát thải trong thực tế.
    • Thời gian thực hiện: 3-6 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Các trung tâm đào tạo kỹ thuật và công ty sản xuất động cơ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất động cơ diesel trong nước:

    • Lợi ích: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến thiết kế, nâng cao hiệu suất và giảm phát thải, tăng sức cạnh tranh sản phẩm trên thị trường.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia kỹ thuật trong lĩnh vực động cơ đốt trong:

    • Lợi ích: Nắm bắt kiến thức về mô phỏng CFD, ảnh hưởng của góc phun và biên dạng buồng cháy đến hiệu suất và khí thải, phục vụ công tác thiết kế và tối ưu động cơ.

  3. Các nhà quản lý môi trường và chính sách năng lượng:

    • Lợi ích: Hiểu rõ tác động của động cơ diesel đến môi trường, từ đó xây dựng các chính sách kiểm soát phát thải phù hợp.

  4. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật hàng không:

    • Lợi ích: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình hóa và mô phỏng quá trình cháy động cơ diesel, phục vụ học tập và nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần điều chỉnh góc phun nhiên liệu trong động cơ diesel?
    Điều chỉnh góc phun giúp tối ưu hóa quá trình cháy, cân bằng giữa công suất và lượng khí thải. Góc phun phù hợp làm giảm thời gian cháy trễ, tăng hiệu suất và giảm NOx, muội than.

  2. Biên dạng buồng cháy ảnh hưởng như thế nào đến khí thải?
    Biên dạng buồng cháy ảnh hưởng đến chuyển động xoáy và nén khí, từ đó cải thiện sự hòa trộn nhiên liệu-không khí, giúp cháy hoàn toàn hơn, giảm lượng nhiên liệu chưa cháy và muội than.

  3. Phần mềm AVL FIRE có ưu điểm gì trong nghiên cứu động cơ?
    AVL FIRE cho phép mô phỏng chi tiết quá trình cháy, phun nhiên liệu và hình thành khí thải trong buồng cháy 3D, giúp đánh giá và tối ưu thiết kế động cơ một cách chính xác và tiết kiệm chi phí.

  4. Kết quả mô phỏng có thể áp dụng trực tiếp vào thực tế không?
    Kết quả mô phỏng cần được kiểm chứng bằng thực nghiệm, tuy nhiên với sai số dưới 5%, mô hình có độ tin cậy cao và có thể làm cơ sở để điều chỉnh thiết kế và vận hành động cơ.

  5. Làm thế nào để giảm phát thải muội than trong động cơ diesel?
    Giảm muội than có thể thực hiện bằng cách tăng góc phun sớm, cải tiến biên dạng buồng cháy để tăng cường hòa trộn nhiên liệu-không khí, đồng thời điều chỉnh áp suất phun và hệ thống nhiên liệu.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng quá trình cháy và phát thải của động cơ diesel Vikyno RV165-2 bằng phần mềm AVL FIRE, với độ chính xác cao so với thực nghiệm.
  • Góc phun nhiên liệu và biên dạng buồng cháy là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến công suất và khí thải của động cơ.
  • Việc điều chỉnh góc phun sớm phù hợp với chế độ vận hành và áp dụng biên dạng buồng cháy cải tiến giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm phát thải NOx, muội than.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để phát triển các giải pháp kỹ thuật cải tiến động cơ diesel trong nước, góp phần bảo vệ môi trường.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm thực tế các phương án cải tiến và đào tạo kỹ thuật viên vận hành để ứng dụng hiệu quả trong sản xuất và sử dụng động cơ.

Hành động tiếp theo: Áp dụng các giải pháp kỹ thuật đã đề xuất vào sản xuất thử nghiệm và đánh giá hiệu quả thực tế nhằm hoàn thiện sản phẩm động cơ diesel thân thiện môi trường.