Tổng quan nghiên cứu

Khí thải từ các phương tiện cơ giới hóa nông nghiệp và động cơ đốt trong cỡ nhỏ hiện chiếm khoảng 20% đến 25% tổng lượng phát thải bụi mịn và oxit nitơ trong khu vực nông thôn. Động cơ diesel VIKYNO RV125-2 với công suất định mức 12,5 mã lực (tương đương 9,19 kW) tại tốc độ 2200 vòng/phút là dòng động cơ một xylanh phun trực tiếp được ứng dụng vô cùng phổ biến trên các máy cày, máy kéo và trạm phát điện tĩnh tại ở Việt Nam. Tuy nhiên, vấn đề kỹ thuật then chốt đặt ra là việc cải thiện đồng thời tính năng phát công suất và cắt giảm khí xả độc hại vốn chịu sự chi phối quyết định từ quá trình phun và hòa trộn nhiên liệu trong buồng đốt. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là phân tích định lượng ảnh hưởng của các thông số hình học vòi phun, trọng tâm là góc phun tia nhiên liệu trong dải biến thiên từ 130 độ đến 180 độ, nhằm xác lập cấu hình tối ưu nhất cho động cơ RV125-2. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trong mốc thời gian từ tháng 01/2015 đến tháng 06/2015. Đề tài mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn khi xác định được góc phun lý tưởng 164 độ giúp tối ưu hóa công suất, hạ thấp suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 4,5% đến 6,0%, đồng thời cắt giảm phát thải bồ hóng từ 15% đến 20% và giảm thiểu lượng phát thải NOx so với nguyên bản. Đây là tiền đề kỹ thuật vững chắc để nâng cao giá trị gia tăng và năng lực cạnh tranh cho các sản phẩm cơ khí động lực mang thương hiệu Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng phương trình nhiệt động học thứ nhất áp dụng cho hệ kín trong xylanh động cơ đốt trong kết hợp với lý thuyết cơ học chất lưu và truyền nhiệt nhiệt độ cao. Mô hình phân rã tia phun lai Kelvin-Helmholtz và Rayleigh-Taylor (KH-RT) được tích hợp nhằm mô tả chính xác quá trình xé tơi tia chất lỏng từ miệng kim phun có đường kính chỉ vài phần mười milimet thành các giọt sương siêu mịn dưới áp suất phun đạt từ 17,5 MPa đến trên 25 MPa. Bên cạnh đó, mô hình dòng chảy rối RNG k-epsilon được triển khai để mô phỏng sự tương tác giữa tia nhiên liệu với trường vận tốc xoáy lốc của không khí nén trong buồng cháy. Quá trình phát thải được dự báo thông qua cơ chế Zeldovich nhiệt mở rộng cho phản ứng tạo oxit nitơ (NOx) ở nhiệt độ cục bộ trên 1800 Kelvin cùng mô hình động học 8 bước của Foster để tính toán tốc độ hình thành và oxy hóa hạt bồ hóng. Các khái niệm chính bao gồm: đường kính trung bình Sauter (DSM) đại diện cho tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích hạt sương; độ xuyên thâu tia phun thể hiện chiều dài xâm nhập của dòng tia trong buồng đốt; góc nón tia phun quy định diện tích bao phủ không gian hòa trộn; và tốc độ tỏa nhiệt thực trong ba giai đoạn cháy trễ, cháy nhanh và cháy khuếch tán.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thiết lập cỡ mẫu khảo sát gồm 9 trường hợp mô phỏng chính với các góc phun nhiên liệu đối xứng lần lượt là 135 độ, 140 độ, 144 độ, 148 độ, 152 độ, 156 độ, 160 độ, 164 độ và 168 độ, bên cạnh các trường hợp biên mở rộng từ 130 độ đến 180 độ. Phương pháp chọn mẫu là quét lưới tham số có hệ thống với bước nhảy cố định 4 độ góc quay trục khuỷu nhằm bảo đảm bao quát trọn vẹn miền hình học buồng cháy khoét lõm sâu dạng đĩa trên đỉnh piston. Nguồn dữ liệu đầu vào sử dụng các thông số kỹ thuật thực nghiệm xuất xưởng của động cơ VIKYNO RV125-2 gồm đường kính xylanh 94 mm, hành trình piston 90 mm, tỷ số nén 18 và góc phun sớm 18 độ trước điểm chết trên. Phương pháp phân tích được lựa chọn là mô phỏng động lực học dòng chảy 3D CFD trên nền tảng phần mềm chuyên dụng KIVA-3V. Lý do lựa chọn giải pháp này là khả năng mô phỏng chi tiết trường nhiệt độ, áp suất và phân bố nồng độ các chất phản ứng theo không gian ba chiều mà phương pháp đo đạc quang học thực nghiệm không thể bao quát hết hoặc đòi hỏi chi phí đầu tư hàng trăm triệu đồng. Toàn bộ chu kỳ nghiên cứu gồm xây dựng mô hình lưới buồng đốt đa khối, thiết lập điều kiện biên và tính toán lặp số được triển khai liên tục trong thời gian 5 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, góc phun nhiên liệu có tác động mang tính quyết định đến công suất phát ra của động cơ RV125-2, trong đó góc phun 164 độ mang lại giá trị công suất chỉ thị và mô-men xoắn cao nhất trong toàn bộ dải khảo sát từ 130 độ đến 180 độ. Thứ hai, diễn biến áp suất và nhiệt độ trung bình trong xylanh đạt trạng thái cân bằng cơ nhiệt tối ưu tại góc phun 164 độ, giúp hạn chế áp suất cháy cực đại tăng vọt tại 5 độ sau điểm chết trên, từ đó giảm rung giật và ứng suất nhiệt tác động lên đỉnh piston. Thứ ba, quá trình hình thành muội than và nồng độ NOx được cải thiện đồng thời; lượng bồ hóng phát thải tại góc 164 độ giảm hơn 18% so với góc phun 140 độ nhờ khả năng oxy hóa triệt để hạt nhiên liệu trong kỳ giãn nở. Thứ tư, suất tiêu hao nhiên liệu riêng tại điểm tối ưu 164 độ giảm rõ rệt từ 5,2% đến 6,1% so với các góc phun hẹp dưới 144 độ, chứng minh hiệu suất chuyển hóa hóa năng thành cơ năng đạt mức cực đại khi hạt nhiên liệu được phân bố chính xác vào luồng xoáy khí nạp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản của việc góc phun 164 độ đạt hiệu quả vượt trội bắt nguồn từ sự tương thích hình học giữa quỹ đạo tia sương và biên dạng buồng cháy khoét lõm sâu. Tại góc 164 độ, tia nhiên liệu không bị va đập quá sớm vào thành buồng đốt nhiệt độ thấp (tránh hiện tượng dính ướt màng nhiên liệu gây cháy thiếu oxy), đồng thời tận dụng triệt để lượng không khí nén ở vùng ngoại vi buồng cháy. Khi góc phun quá hẹp từ 135 độ đến 144 độ, nhiên liệu tập trung quá đậm đặc tại tâm buồng đốt khiến tỷ lệ không khí cục bộ thấp, dẫn đến việc hình thành các hạt sơ cấp của bồ hóng tăng vọt. Ngược lại, khi góc phun mở quá rộng lên mức 168 độ, tia phun va quẹt vào gờ mép piston làm suy giảm độ xuyên thâu và tạo ra các vùng cục bộ có nhiệt độ vượt ngưỡng 2100 Kelvin, thúc đẩy phản ứng oxy hóa nitơ sinh ra nhiều NOx.

Các kết quả trên được minh chứng rõ nét thông qua biểu đồ biến thiên áp suất chỉ thị theo góc quay trục khuỷu và đồ thị tốc độ tỏa nhiệt thực. Hình ảnh trích xuất mặt cắt phân bố nhiệt độ tại thời điểm 15 độ sau điểm chết trên thể hiện trường nhiệt phân tán đồng đều ở cấu hình 164 độ, không có các điểm tập trung nhiệt dị thường như ở cấu hình 140 độ. Bảng tổng hợp công suất và suất tiêu hao nhiên liệu khẳng định xu hướng đồ thị hình parabol với điểm cực trị rõ ràng. Kết quả này hoàn toàn tương thích với các công trình nghiên cứu của Trung tâm Nghiên cứu Động cơ đốt trong quốc tế, khẳng định độ tin cậy khoa học cao của mô hình số KIVA-3V.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tiến hành tái thiết kế và gia công vòi phun 4 lỗ tia với góc phun danh định 164 độ cho dòng động cơ diesel RV125-2, hướng tới mục tiêu nâng công suất thêm 5,0% và cắt giảm 15% lượng muội than xả thải, hoàn thành trong lộ trình 6 tháng do Phòng Nghiên cứu và Phát triển của nhà máy sản xuất động cơ chủ trì thực hiện.

Thứ hai, nâng cấp cụm bơm cao áp và lò xo kim phun để nâng áp suất bắt đầu phun từ mức 17,5 MPa hiện tại lên ngưỡng 21,0 MPa đến 22,5 MPa nhằm giảm đường kính hạt sương Sauter xuống dưới 12 micromet, thực hiện trong thời hạn 9 tháng bởi nhóm kỹ sư cơ khí động lực học.

Thứ ba, chuẩn hóa quy trình ứng dụng phần mềm mô phỏng 3D CFD KIVA-3V vào công tác thử nghiệm ảo cho 100% các dự án cải tiến buồng đốt và hệ thống nhiên liệu mới, giúp cắt giảm ít nhất 40% chi phí chế tạo mẫu thử thực nghiệm, áp dụng ngay từ quý tiếp theo do bộ phận mô phỏng kỹ thuật số phụ trách.

Thứ tư, xây dựng quy chuẩn bảo dưỡng kỹ thuật định kỳ sau mỗi 400 đến 500 giờ làm việc đối với đầu kim phun động cơ nông nghiệp tại các trung tâm dịch vụ cơ giới hóa nhằm kiểm soát hiện tượng mòn lỗ tia làm lệch góc phun thiết kế, do các đơn vị khuyến nông và trạm dịch vụ kỹ thuật địa phương triển khai liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm tại các nhà máy chế tạo động cơ đốt trong: Tài liệu cung cấp bộ thông số hình học chi tiết và cơ sở dữ liệu mô phỏng trường dòng chảy ba chiều, phục vụ trực tiếp công tác nâng cấp vòi phun và buồng cháy cho các thế hệ động cơ diesel cỡ nhỏ công suất từ 8 đến 15 mã lực.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô - Máy kéo và Máy động lực: Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp luận ứng dụng phần mềm KIVA-3V, kỹ thuật chia lưới động học buồng đốt và thuật toán mô hình hóa các phản ứng cháy phức hợp trong môi trường khí động học rối.

Lãnh đạo và nhà quản lý kỹ thuật tại các doanh nghiệp cơ khí nông nghiệp: Cung cấp góc nhìn toàn diện về giải pháp cải tiến chất lượng động cơ nội địa với chi phí tối ưu, giúp nâng cao hiệu suất làm việc của máy móc cơ giới hóa nông thôn mà không làm gia tăng giá thành xuất xưởng quá 3%.

Kỹ thuật viên tại các trung tâm kiểm định và xưởng sửa chữa hệ thống nhiên liệu diesel: Giúp hiểu rõ bản chất vật lý của sự tương tác giữa góc phun, áp suất mở kim và mức độ phát thải ô nhiễm, từ đó nâng cao độ chuẩn xác trong quy trình cân chỉnh kim phun trên các thiết bị chuyên dụng.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao góc phun 164 độ lại đem lại hiệu suất nhiệt và công suất tối ưu nhất trên động cơ RV125-2? Góc phun 164 độ tạo ra sự phối hợp lý tưởng giữa tầm xuyên thâu của tia nhiên liệu và vùng xoáy lốc nén mạnh nhất trong hõm piston. Nhiên liệu được phân tán đồng đều vào khối khí nạp mà không bị dính ướt thành vách xylanh, giúp quá trình bay hơi diễn ra nhanh hơn và cháy kiệt hoàn toàn, mang lại công suất hữu ích cực đại.

Phương pháp mô phỏng số KIVA-3V có mức độ chính xác như thế nào so với thử nghiệm thực tế? Mô hình KIVA-3V được phát triển dựa trên hệ phương trình bảo toàn Navier-Stokes kết hợp mô hình dòng rối RNG k-epsilon và mô hình phun hạt KH-RT đã được kiểm chứng chuẩn xác. Sai số tính toán nhiệt áp suất buồng đốt so với đo đạc thực nghiệm trên băng thử thường duy trì ở mức dưới 5%, đảm bảo độ tin cậy học thuật cao.

Kết quả góc phun tối ưu 164 độ này có thể áp dụng nguyên bản cho các động cơ diesel khác không? Không thể áp dụng máy móc giá trị 164 độ cho mọi động cơ vì góc phun tối ưu phụ thuộc chặt chẽ vào kích thước buồng đốt, hình dạng đỉnh piston và tỷ số xoáy lốc của từng loại máy. Tuy nhiên, quy trình mô phỏng và phương pháp luận của luận văn hoàn toàn có thể nhân rộng để áp dụng cho các dòng động cơ diesel từ 5 đến 20 mã lực.

Việc điều chỉnh góc kim phun ảnh hưởng cụ thể như thế nào đến hàm lượng muội than và NOx? Khi góc phun đạt 164 độ, hòa khí hình thành đồng nhất giúp triệt tiêu các vùng quá đậm đặc thiếu oxy, nhờ đó giảm mạnh sự tạo thành muội than. Đồng thời, việc loại bỏ các điểm nóng cục bộ có nhiệt độ vượt ngưỡng 2000 Kelvin trong buồng cháy giúp kìm hãm phản ứng oxy hóa nitơ, làm giảm đồng thời nồng độ phát thải NOx độc hại.

Chi phí để ứng dụng kết quả nghiên cứu này vào dây chuyền sản xuất hàng loạt có tốn kém không? Chi phí thực hiện rất tiết kiệm và mang tính khả thi cao. Doanh nghiệp chỉ cần điều chỉnh góc nghiêng khi gia công lỗ tia trên đầu kim phun thông qua máy CNC sẵn có mà không cần thay đổi kết cấu thân máy, piston hay hệ thống phân phối khí, giúp tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí cải tạo dây chuyền.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình mô phỏng 3D CFD quá trình phun, hòa trộn, cháy và phát thải khí xả trên động cơ diesel VIKYNO RV125-2 bằng công cụ KIVA-3V với độ tin cậy cao.
  • Khảo sát toàn diện ảnh hưởng của 9 biến thể góc phun từ 135 độ đến 168 độ, làm rõ mối liên hệ giữa các thông số hình học vòi phun với trường áp suất, nhiệt độ và nồng độ chất ô nhiễm.
  • Khẳng định góc phun 164 độ là giá trị tối ưu, giúp nâng cao công suất động cơ, hạ thấp suất tiêu hao nhiên liệu từ 4,5% đến 6,1% so với các góc phun không phù hợp.
  • Giảm thiểu đồng thời phát thải bồ hóng từ 15% đến 20% và hạn chế nồng độ NOx nhờ việc phân bố trường nhiệt độ buồng đốt đồng đều và triệt tiêu các vùng cháy thiếu oxy.
  • Đóng góp luận cứ khoa học vững chắc và giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao nhằm nâng cao chất lượng động cơ diesel cỡ nhỏ phục vụ cơ giới hóa nông nghiệp tại Việt Nam.

Đóng góp cốt lõi của công trình là xác lập được cơ sở khoa học định lượng về ảnh hưởng của góc phun kim phun đến đặc tính công tác của động cơ diesel buồng cháy khoét lõm sâu, giải quyết thỏa đáng bài toán cân bằng giữa hiệu năng phát lực và bảo vệ môi trường. Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2026-2027 là tiến hành chế tạo hàng loạt mẫu kim phun 164 độ thực tế, tổ chức thử nghiệm độ bền trên băng thử tải động và hoàn thiện quy chuẩn công nghệ chế tạo đại trà. Quý bạn đọc và các đơn vị nghiên cứu quan tâm hãy kết nối để cùng chuyển giao công nghệ và khai thác tối đa tiềm năng ứng dụng của đề tài vào thực tế sản xuất!