CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG 1. Nghiên cứu tổng quan trong và ngoài nước Trong xã hội phát triển ngày nay, ô tô đóng vai trò chính trong sự phát triển công nghiệp và kinh tế cũng như đáp ứng được các nhu cầu của cuộc sống. Công nghiệp phát triển kéo theo hàng loạt các vấn đề phát sinh: Tiêu thụ nhiên liệu càng nhiều dẫn đến khí thải cacbon dioxide (CO2) càng tăng, lượng ô tô cũng ngày một gia tăng và vì vậy mà ô tô là một trong những nguồn gây ô nhiễm lớn đến môi trường. Dựa vào tốc độ phát triển kinh tế như hiện nay cùng với sự gia tăng nhanh chóng số lượng xe ô tô, vấn đề cấp bách đang đặt ra là tình trạng ô nhiễm môi trường do ô tô gây ra.
Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường do động cơ đốt trong ngày nay, hàng loạt giải pháp đã được thực hiện: Sử dụng các nguồn năng lượng sạch, các nguồn năng lượng thay thế, ứng dụng các kỹ thuật mới trong quá trình cháy của động cơ. Vấn đề ô nhiễm nguồn không khí ngày càng trở nên nghiêm trọng và các qui định ngày càng nghiêm ngặt về môi trường của các quốc gia và thế giới về khí thải từ động cơ bị đề cập đến. Theo lộ trình về tiêu chuẩn khí thải ở nước ta trong thời gian sắp tới, trong Quyết định số 49/2011/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ ban hành ngày 1/9/2011 quy định lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải, các loại xe ô tô sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức 4 (Euro 4) từ ngày 1/1/2017 và mức 5 (Euro 5) từ ngày 1/1/2022. Trong khi đó, các loại xe mô-tô hai bánh sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức 3 (Euro 3) từ ngày 1/1/2017.
Theo các mức tiêu chuẩn khí thải nói trên thì hầu hết ô tô sử dụng nhiên liệu diesel hiện nay ở nước ta điều không thể đáp ứng vì động cơ -2- sử dụng nhiên liệu Diesel hầu hết điều có mức phát thải gây ô nhiễm rất cao, vượt quá nồng độ cho phép trong các tiêu chuẩn khí thải mức 4 và 5. Do vậy, việc nghiên cứu các giải pháp kĩ thuật nhằm làm giảm thành phần các chất gây ô nhiễm trong khí thải trên động cơ đốt trong bằng cách thay đổi hình dạng buồng cháy đã và đang được nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Một số nghiên cứu liên quan như sau: Arturo de Risi, Teresa Donateo và Domenico Laforgia tại trường đại học Lecce – Dipartimento, Italia tối ưu hóa hình dạng buồng cháy của động cơ Diesel phun trực tiếp.[1] Arturo de Risi, Teresa Donateo và Domenico Laforgia tại trường đại học Lecce – Dipartimento, Italia nghiên cứu lý thuyết về tác động của hình dạng hình học của buồng cháy và tốc độ động cơ đến muội than và NOx trong khí thải. Ishitani ở Viện kĩ thuật Kitami cùng với T.
Minami ở công ty Isuzu motor nghiên cứu về tác động của hình dạng hình học của buồng cháy. Pelloni ở đại học Bologna, F. Mattarelli ở đại học Modena và F. Luppino Bertoni ở VM Motori nghiên cứu hình dạng của buồng cháy trên động cơ Common Rail.
Reitz ở trung tâm nghiên cứu động cơ đại học Wisconsin – Madison nghiên cứu hình dạng hình học buồng cháy động cơ Diesel bằng cách tối ưu hóa sử dụng các thuật toán và mô phỏng.[5] Mặc dù vậy, hiện nay ở Việt Nam hiện vẫn chưa có công trình nghiên cứu nào về việc thay đổi hình dạng buồng cháy trên động cơ Diesel máy nông nghiệp. Lý do chọn đề tài Trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, số lượng xe tham gia lưu thông trên đường ngày một tăng lên, công suất động cơ trên xe cũng tăng đáng kể. Việc tăng công suất cũng đồng nghĩa với tăng kích thước động cơ, điều này làm tăng chi phí sản xuất và vấn đề ô nhiễm cũng nảy sinh theo. Làm sao có thể vừa tăng được công suất động cơ mà vẫn kiểm soát được ô nhiễm, bảo vệ sức khỏe của cộng đồng? Một chiến lược tổng thể được đặt ra là: Sử dụng xe sạch, nhiên liệu sạch, nghiên cứu cải tiến kĩ thuật động cơ và qui hoạch giao thông, sử dụng đất hợp lí.
So với trước kia, ô tô ngày nay có công suất lớn hơn gấp nhiều lần. Các công nghệ được ứng dụng trên động cơ nhằm mục đích điều khiển quá trình phun nhiên liệu, đánh lửa một cách chính xác giúp tăng công suất động cơ, thêm vào đó việc nghiên cứu cải tiến các thông số kĩ thuật của động cơ cũng góp giảm phát thải động cơ trong khi các thông số khác không thay đổi. Nghiên cứu cải tiến các thông số kĩ thuật của động cơ mà cụ thể là cải tiến hình dạng buồng cháy là một trong những giải pháp khả thi, tuy nhiên, để có thể thay đổi hình dạng buồng cháy động cơ cần có các nghiên cứu mô phỏng với kết quả tin cậy để thực hiện nhằm làm giảm thời gian chế tạo và cũng nhằm giảm chi phí sản xuất. Vì vậy, nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học của buồng cháy đến đặc tính động cơ bằng mô phỏng là một việc rất cần thiết.
Mục đích và đối tượng nghiên cứu Mục đích chính của nghiên cứu này là nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học của buồng cháy đến đặc tính động cơ Vikyno RV125-2 sử dụng phương pháp mô phỏng, qua đó so sánh với đặc tính của động cơ thực tế và tối ưu hóa hình dạng buồng cháy của động cơ để nâng cao tính năng hoạt động của động cơ, đạt công suất tối ưu và giảm ô nhiễm môi trường. -4- Đối tượng của nghiên cứu là động cơ Vikyno RV125-2. Ưu và nhược điểm của phương pháp nghiên cứu bằng mô phỏng Khái niệm - Mô phỏng là quá trình diễn tả một sự vật hoặc một hiện tượng cho một đối tượng khác hiểu và làm được. Đối với những hiện tượng lớn mà mô phỏng theo phương pháp trên khó thực hiện được nên người ta chuyển qua một hàm theo thời gian t: f(t).
Tuy nhiên, phải nén thời gian lại theo môt cách riêng để có thể diễn tả f(t). - Mô phỏng là việc tạo ra một mô hình đơn giản cho vật thể hoạt động dựa trên những quy luật mô phỏng theo điều kiện thực tế, trên mô hình này ta có thể xác định những thông số tác động và các đặc tính làm việc của vật thể đó. Ưu và nhược điểm của phương pháp mô phỏng Ưu điểm: - Tiết kiệm thời gian và chi phí do không phải chế tạo nhiều vật mẫu để thử nghiệm. - Có thể xem xét gần như không hạn chế mức độ chi tiết của các kết quả mô phỏng.
- Có thể áp đặt các điều kiện ban đầu rất khắc nghiệt mà phương pháp thực nghiệm khó tạo ra. - Tránh việc chế tạo các vật mẫu nghiên cứu không cần thiết. - Khắc phục trước các sai sót có thể khi chế tạo vật mẫu. - Loại bỏ tính ước lượng, đoán chừng trong thiết kế vật nghiên cứu.
Nhược điểm: - Kết quả mô phỏng phụ thuộc nhiều vào các thông số ban đầu nên mức độ chính xác chưa hoàn toàn như thực tế. - Do sự hạn chế về tốc độ xử lý của máy tính nên đối với những bài toán phức tạp vẫn đòi hỏi mất nhiều thời gian và tương đối tốn kém. -5- CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Khái quát về các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ Diesel phun trực tiếp Tương tự như động cơ xăng, khí thải động cơ Diesel là sự kết hợp của Nitơ, Oxi, Hidrocarbon (HC) và Carbon Dioxide (CO2).
Khí thải của động cơ Diesel bao gồm phần lớn các phần tử của không khí, những chất này không làm nguy hại lớn đến môi trường. Còn lại khoảng 6,5% là các chất khí có thể ảnh hưởng lớn đến môi trường cần được kiểm soát. CO2 quan hệ trực tiếp đến hiệu suất của 1 đơn vị quá trình cháy. Hiệu suất càng cao bao nhiêu thì lượng khí CO2 thải ra càng thấp bấy nhiêu.
Động cơ Diesel có hiệu suất cao vì thế lượng khí CO2 thải ra thấp hơn rất nhiều so với các loại động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu khác [6]. CO2 là khí gây nên hiệu ứng nhà kính, vì vậy cần được cần được kiểm soát ở mức độ có thể chấp nhận được. Carbon monoxide (CO) và HC trực tiếp liên quan đến quá trình cháy. Nếu quá trình cháy xảy ra hoàn hảo thì lượng khí CO và HC sẽ thấp.
Tương tự như CO2, CO và HC cũng cần được kiểm soát khi nói đến ô nhiễm do khí thải của động cơ đốt trong. Oxides of Sulfur (SOx) lại liên quan đến việc chọn nhiên liệu sử dụng. Nếu nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao thì khí thải sẽ có nhiều SOx. Chính vì vậy, ngày nay dầu Diesel có hàm lượng lưu huỳnh thấp được sử dụng rất phổ biến trong ngành vận tải.
Bên cạnh việc sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp, các nhà sản xuất có thể trang bị thêm bộ lọc SOx, tuy nhiên bộ lọc ngày nay có kích thước to và quá mắc nên vẫn chưa được sử dụng nhiều. Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ Diesel, đặc biệt là động cơ Diesel phun trực tiếp. Quá trình cháy khuếch tán của loại động cơ này rất thuận lợi cho việc tạo ra bồ hóng. Trong quá trình bốc hơi của nhiên liệu, sự tập trung cục bộ hơi nhiên liệu tại vùng có nhiệt độ cao là nguyên nhân -6- chính sản sinh ra bồ hóng.
Bồ hóng được cho là nguyên nhân gây ung thư và có thể gây nguy hại cho sức khỏe con người. Bên cạnh đó, đối với động cơ Diesel phun trực tiếp, Oxít Nitơ NOx là một trong những chỉ tiêu quan trọng đánh giá khí thải. Quá trình cháy khuếch tán của động cơ Diesel là một trong những tác nhân chính dẫn đến sự xuất hiện của NOx trong khí thải. Chính vì lí do đó, việc khống chế NOx là công việc đầu tiên và quan trọng khi nói đến việc xử lí khí thải trên động cơ này.
Thành phần hạt bồ hóng - Cacbon: Thành phần này ít nhiều phụ thuộc vào nhiệt độ cháy và hệ số dư lượng không khí trung bình, đặc biệt là khi động cơ hoạt động ở chế độ đầy tải hoặc quá tải. - Dầu bôi trơn không cháy: Đối với động cơ cũ, thành phần này chiếm tỉ lệ lớn, lượng dầu bôi trơn bị tiêu hao và lượng hạt bồ hóng có quan hệ với nhau. - Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn: Thành phần này phụ thuộc vào nhiệt độ và hệ số dư lượng không khí.