Tổng quan nghiên cứu

Động cơ nhiệt sử dụng nhiên liệu truyền thống như diesel là nguồn động lực chủ yếu trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp và giao thông vận tải. Tuy nhiên, khí thải từ động cơ đốt trong gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng với các chất độc hại như CO, HC, NOx và các hạt bồ hóng (PM). Tại Việt Nam, động cơ diesel nông nghiệp Vikyno RV125-2 chiếm hơn 40% thị phần động cơ nông nghiệp do công ty TNHH MTV Động cơ và Máy nông nghiệp Miền Nam sản xuất. Kết quả thử nghiệm khí thải động cơ này vượt xa tiêu chuẩn US TIER 2, đặc biệt là các thành phần CO và PM, gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người.

Mục tiêu nghiên cứu là cải thiện đặc tính phát thải của động cơ Vikyno RV125-2 thông qua việc tối ưu hình dạng buồng cháy bằng phương pháp mô phỏng CFD sử dụng phần mềm AVL FIRE. Nghiên cứu tập trung vào việc đề xuất các phương án cải tiến buồng cháy, đánh giá ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy và tính tương thích với đặc tính vòi phun đến công suất và khí thải động cơ. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2013-2014.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ góp phần giảm ô nhiễm môi trường mà còn nâng cao hiệu suất động cơ, tăng khả năng cạnh tranh và mở rộng thị trường xuất khẩu cho sản phẩm động cơ nông nghiệp Việt Nam. Các chỉ số đánh giá bao gồm công suất, moment xoắn, tiêu hao nhiên liệu, lượng phát thải NOx, Soot và CO.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

  • Lý thuyết hình thành khí thải trong động cơ diesel: Khí thải gồm CO, HC, NOx và PM được hình thành do quá trình cháy không hoàn toàn và điều kiện cháy trong buồng đốt. Hệ số dư lượng không khí (λ) ảnh hưởng lớn đến thành phần khí thải.
  • Ảnh hưởng hình dạng buồng cháy: Hình dạng buồng cháy ảnh hưởng đến đặc tính dòng khí bên trong như swirl (xoáy lốc) và squish (dòng khí nén), từ đó ảnh hưởng đến quá trình hòa trộn nhiên liệu-không khí và sự hình thành khí thải.
  • Mô hình mô phỏng CFD: Sử dụng phần mềm AVL FIRE để mô phỏng quá trình cháy và phát thải trong buồng cháy động cơ với các mô hình cháy, truyền nhiệt và hình thành khí thải được tích hợp.
  • Các thông số hình học buồng cháy: Đường kính họng, đường kính cực đại, độ sâu buồng cháy, bán kính vòng xuyến, bán kính phụ và khu vực trung tâm là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả cháy và phát thải.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm đo đặc tính công suất và khí thải động cơ Vikyno RV125-2 trên băng thử công suất theo chu trình ISO 8178-C1.
  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình động cơ 3D bằng AVL FIRE, mô phỏng 6 dạng buồng cháy khác nhau, so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm để định chuẩn mô hình.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 6/2013 đến tháng 6/2014, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng dựa trên động cơ thực tế sản xuất tại Việt Nam, sử dụng các thông số kỹ thuật chuẩn của động cơ Vikyno RV125-2.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  • Phát hiện 1: Buồng cháy dạng 4 kết hợp với thời điểm phun nhiên liệu 16° trước điểm chết trên, góc giữa hai lỗ phun đối diện 145°, đường kính lỗ phun 0,21 mm cho hiệu suất công suất và khí thải tốt nhất. Ở tốc độ 2400 và 1800 vòng/phút, buồng cháy này giảm NOx và Soot đáng kể so với buồng cháy hiện hữu.
  • Phát hiện 2: Các dạng buồng cháy có hình dạng hẹp và sâu giúp giảm lượng NOx, trong khi dạng buồng cháy tạo nhiều xoáy lốc giảm lượng Soot hiệu quả.
  • Phát hiện 3: Mô hình mô phỏng cho thấy sự phù hợp cao với kết quả thực nghiệm, sai số dưới 5% đối với các thông số công suất và khí thải, chứng tỏ tính chính xác của mô hình.
  • Phát hiện 4: Thay đổi góc giữa hai lỗ phun đối diện ảnh hưởng rõ rệt đến phân bố nhiên liệu và khí thải, góc 145° là tối ưu nhất trong các phương án khảo sát.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc tối ưu hình dạng buồng cháy và thông số vòi phun có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hòa trộn nhiên liệu-không khí, từ đó cải thiện hiệu suất cháy và giảm phát thải. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với xu hướng tăng swirl và squish để nâng cao chất lượng hỗn hợp cháy, giảm lượng CO, HC và Soot, đồng thời kiểm soát NOx ở mức chấp nhận được.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh nồng độ NOx, Soot và CO giữa các dạng buồng cháy ở các chế độ tải và tốc độ khác nhau, cũng như bảng tổng hợp đặc tính công suất và tiêu hao nhiên liệu. Việc mô phỏng giúp tiết kiệm chi phí và thời gian so với thử nghiệm thực tế, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế buồng cháy mới.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Cải tiến thiết kế buồng cháy: Áp dụng buồng cháy dạng 4 với các thông số hình học đã tối ưu để nâng cao hiệu suất và giảm phát thải, thực hiện trong vòng 12 tháng bởi bộ phận thiết kế động cơ.
  • Tối ưu góc phun và kích thước lỗ phun: Điều chỉnh góc phun 16° BTDC và đường kính lỗ phun 0,21 mm để đạt hiệu quả hòa trộn nhiên liệu tốt nhất, triển khai song song với cải tiến buồng cháy.
  • Áp dụng mô phỏng CFD trong thiết kế: Sử dụng phần mềm AVL FIRE để mô phỏng và đánh giá các phương án thiết kế mới trước khi sản xuất thực tế, giúp giảm chi phí thử nghiệm.
  • Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo về mô phỏng CFD và kỹ thuật tối ưu buồng cháy cho kỹ sư thiết kế và vận hành động cơ trong 6 tháng tới.
  • Theo dõi và đánh giá sau cải tiến: Thiết lập hệ thống đo kiểm tra khí thải định kỳ để đánh giá hiệu quả cải tiến, đảm bảo động cơ đáp ứng tiêu chuẩn khí thải trong nước và quốc tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Kỹ sư thiết kế động cơ: Nắm bắt các phương pháp tối ưu buồng cháy và mô phỏng CFD để cải tiến sản phẩm, nâng cao hiệu suất và giảm phát thải.
  • Nhà nghiên cứu và giảng viên: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo về mô hình hóa và mô phỏng động cơ diesel, cũng như các phương pháp giảm khí thải.
  • Doanh nghiệp sản xuất động cơ nông nghiệp: Áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng sản phẩm, đáp ứng tiêu chuẩn khí thải và tăng sức cạnh tranh trên thị trường.
  • Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Tham khảo các giải pháp kỹ thuật giảm phát thải động cơ nông nghiệp, hỗ trợ xây dựng tiêu chuẩn và chính sách phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần cải tiến buồng cháy động cơ diesel?
    Buồng cháy ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hòa trộn nhiên liệu-không khí và sự cháy, từ đó quyết định hiệu suất và lượng khí thải. Cải tiến giúp giảm phát thải độc hại và tăng hiệu suất động cơ.

  2. Phương pháp mô phỏng CFD có ưu điểm gì?
    CFD cho phép mô phỏng chi tiết quá trình cháy và phát thải trong buồng cháy, giúp đánh giá nhiều phương án thiết kế nhanh chóng, tiết kiệm chi phí và thời gian so với thử nghiệm thực tế.

  3. Các thông số hình học nào quan trọng trong thiết kế buồng cháy?
    Đường kính họng, đường kính cực đại, độ sâu buồng cháy, bán kính vòng xuyến và khu vực trung tâm là các thông số ảnh hưởng lớn đến dòng khí và quá trình cháy.

  4. Làm thế nào để giảm lượng NOx và Soot trong khí thải?
    Tăng hệ số swirl và squish giúp hòa trộn nhiên liệu tốt hơn, giảm Soot; đồng thời thiết kế buồng cháy hẹp và sâu giúp kiểm soát NOx hiệu quả.

  5. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các loại động cơ khác không?
    Mặc dù nghiên cứu tập trung vào động cơ Vikyno RV125-2, các nguyên lý và phương pháp mô phỏng có thể áp dụng cho các động cơ diesel một xy-lanh tương tự trong lĩnh vực nông nghiệp.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được buồng cháy dạng 4 với các thông số phun nhiên liệu tối ưu là giải pháp hiệu quả nhất cho động cơ Vikyno RV125-2.
  • Mô phỏng CFD bằng phần mềm AVL FIRE cho kết quả phù hợp với thực nghiệm, chứng minh tính khả thi của phương pháp.
  • Cải tiến buồng cháy giúp giảm đáng kể lượng NOx, Soot và CO, đồng thời nâng cao công suất và hiệu suất nhiên liệu.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm động cơ nông nghiệp Việt Nam.
  • Đề xuất triển khai áp dụng thiết kế mới và đào tạo kỹ thuật để nâng cao năng lực sản xuất và đáp ứng tiêu chuẩn khí thải trong tương lai.

Hành động tiếp theo là triển khai thiết kế buồng cháy cải tiến, thực hiện thử nghiệm thực tế và đánh giá hiệu quả trong vòng 12 tháng tới nhằm hoàn thiện sản phẩm và mở rộng thị trường.