Luận văn thạc sĩ nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp động cơ 3 xylanh diesel phun gián tiếp có buồng cháy three vortex combustion tvc sử dụng nhiên liệu sinh học bio diesel tham khảo động cơ 3 xylanh kubota d1703 m e3b

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp động cơ 3 xylanh diesel phun gián tiếp có buồng cháy three vortex, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Phạm Phúc Phát
• 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 Quá Trình Nạp Và Tạo Hỗn Hợp Động Cơ 3 Xylanh Diesel Phun Gián Tiếp Có Buồng Cháy Three Vortex Combustion (TVC), Sử Dụng Nhiên Liệu Sinh Học Bio-Diesel. (Tham Khảo Động Cơ 3 Xylanh Kubota D1703-M-E3B)
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.1. Nhu cầu động cơ đốt trong ở nông thôn Việt Nam
• 1.2. Nhu cầu động cơ 3 xilanh
• 1.3. Công nghiệp máy động lực ở Việt Nam
• 1.4. Nhiên liệu thay thế
• 1.5. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về động cơ 3 xy lanh sử dụng nhiên liệu sinh học
• 1.5.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
• 1.5.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước
• 1.6. Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu
• 1.6.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.6.2. Đối tượng nghiên cứu
• 1.7. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 1.7.1. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.7.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.8. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT HÌNH THÀNH HỖN HỢP CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
• 2.1. Sự phát triển của tia phun nhiên liệu
• 2.2. Sự phân rã động học của các hạt nhiên liệu
• 2.3. Cơ chế phân rã của tia phun nhiên liệu
• 2.4. Sự tương tác giữa tia phun với thành xilanh
• 2.5. Quá trình tạo hỗn hợp cháy trong động cơ Diesel
• 2.6. Buồng cháy dự bị
• 2.7. Buồng cháy xoáy lốc
• 2.8. Lý thuyết Three Vortex
• 2.9. Phương trình mô phỏng xoáy lốc Three Vortex
• 2.10. Mô hình chuyển động của xoáy lốc Three Vortex
• 2.11. Lý thuyết về nhiên liệu biodiesel
• 2.12. Các tính năng khi sử dụng nhiên liệu biodiesel
• 2.13. Các yêu cầu của quá trình nạp và tạo hỗn hợp trên động cơ sử dụng biodiesel
• 2.14. PHÂN TÍCH BUỒNG CHÁY TVCS (trên động cơ 3 xilanh KUBOTA D1703-E3B)
• 2.14.1. Giới thiệu động cơ KUBOTA D1703-E3B
• 2.14.2. Lý do chọn động cơ Kubota 3 xy lanh
• 2.14.3. Thông số kỹ thuật chính của động cơ Kubota 3 xy lanh
• 2.14.4. Phân tích kết cấu buồng cháy TVCS
• 2.14.4.1. Buồng cháy xoáy lốc
• 2.14.4.2. Cửa buồng cháy
• 2.14.5. Phân tích quá trình hình thành hỗn hợp cháy
• 2.14.6. Các yếu tố cải thiện quá trình hòa trộn nhiên liệu Biodiesel trong buồng cháy TVCS
• 3. CHƯƠNG 3
• 3.1. Nhiệt chớp cháy
• 3.2. Nhiệt trị thấp
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC
• 4.1. Tổng quan về phần mềm mô phỏng Ansys Fluent
• 4.2. Đối tượng mô phỏng
• 4.3. Mô hình động cơ mô phỏng
• 4.4. Nhiêu liệu thử nghiệm
• 4.5. Trình tự thực hiện và cơ sở lý thuyết trong mô phỏng
• 4.5.1. Trình tự thực hiện
• 4.5.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp mô phỏng
• 4.6. Xây dựng mô hình và xác lập các thông số động học liên quan đến quá trình hình hỗn hợp cháy trong buồng cháy TVC
• 4.6.1. Xây dựng mô hình hình học buồng cháy TVC
• 4.6.2. Chia lưới mô hình
• 4.6.3. Cài đặt thông số đầu vào cho bài toán
• 4.7. Mô phỏng động học quá trình hòa trộn nhiên liệu biodiesel
• 4.8. Xử lý và đánh giá kết quả đạt được từ mô phỏng
• 4.8.1. Nhiệt phận bố trong buồng cháy xoáy lốc
• 4.8.2. Vận tốc không khí phân bố trong buồng cháy xoáy lốc
• 4.8.3. Tỉ số mass fraction phân bố trong buồng cháy xoáy lốc
• 4.8.4. So sánh độ xuyên thấu của tia phun theo áp suất phun
• 5. CHƯƠNG 5: ĐỀ XUẤT VÀ CẢI TIẾN ĐỘNG CƠ
• 5.1. Nghiên cứu và đề suất cải tiến động cơ
• 5.1.1. Nghiên cứu cải tiến
• 5.1.2. Đề suất cải tiến
• 5.2. Mô phỏng quá trình hòa trộn của động cơ TVCS sau khi cải tạo
• 5.2.1. Các cấu trúc được xét đến
• 5.2.2. Thiết lập thông số và tiêu chí mô phỏng
• 5.3. So sánh và đánh giá kết quả đạt được trước và sau cải tiến
• 5.3.1. Vận tốc và quỹ đạo chuyển động xoáy lốc trong buồng cháy
• 5.3.2. Vận tốc và quỹ đạo chuyển động của nhiên liệu trong buồng cháy
• 5.3.3. Tỉ số mass fraction giữa không khí và nhiên liệu trong buồng cháy
• 5.3.4. Nhiệt độ không khí trong buồng cháy
• 5.3.5. Độ xuyên thấu của tia phun nhiên liệu
• 5.3.6. Phân tích kết cấu tối ưu
• 6. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• 6.1. Tóm tắt kết quả đề tài
• 6.2. Đánh giá kết quả của đề tài
• 6.3. Đề nghị hướng phát triển của đề tài
• KẾ HOẠCH DỰ KIẾN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về động cơ diesel 3 xylanh phun gián tiếp và biodiesel

Động cơ diesel 3 xylanh phun gián tiếp đang trở thành lựa chọn phổ biến trong ngành nông nghiệp Việt Nam. Với khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí thải, động cơ này phù hợp với nhu cầu sản xuất hiện đại. Việc sử dụng biodiesel không chỉ giúp giảm ô nhiễm môi trường mà còn đảm bảo nguồn cung cấp nhiên liệu bền vững. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc cải tiến hiệu suất của động cơ diesel 3 xylanh thông qua việc áp dụng công nghệ buồng cháy TVC.

1.1. Đặc điểm kỹ thuật của động cơ diesel 3 xylanh

Động cơ diesel 3 xylanh có nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ và khả năng hoạt động ổn định. Đặc biệt, công nghệ phun gián tiếp giúp tối ưu hóa quá trình hòa trộn nhiên liệu và không khí, từ đó nâng cao hiệu suất động cơ.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng biodiesel trong động cơ diesel

Biodiesel là một loại nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ thực vật hoặc động vật. Việc sử dụng biodiesel trong động cơ diesel không chỉ giúp giảm khí thải độc hại mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Nghiên cứu cho thấy biodiesel có thể cải thiện hiệu suất động cơ và giảm chi phí vận hành.

II. Thách thức trong việc áp dụng biodiesel cho động cơ diesel 3 xylanh

Mặc dù biodiesel mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc áp dụng nó cho động cơ diesel 3 xylanh vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như khả năng hòa trộn nhiên liệu, độ ổn định và hiệu suất động cơ cần được nghiên cứu kỹ lưỡng. Đặc biệt, việc cải tiến buồng cháy TVC có thể là giải pháp hiệu quả để khắc phục những vấn đề này.

2.1. Khả năng hòa trộn nhiên liệu và không khí

Khả năng hòa trộn giữa biodiesel và không khí trong buồng cháy TVC là yếu tố quyết định đến hiệu suất động cơ. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa thiết kế buồng cháy có thể cải thiện đáng kể khả năng này.

2.2. Độ ổn định của biodiesel trong quá trình vận hành

Biodiesel có thể gặp phải vấn đề về độ ổn định khi lưu trữ và sử dụng. Các yếu tố như nhiệt độ và độ ẩm có thể ảnh hưởng đến chất lượng của biodiesel, từ đó tác động đến hiệu suất động cơ.

III. Phương pháp nghiên cứu cải tiến động cơ diesel 3 xylanh

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp mô phỏng 3D để phân tích quá trình hình thành hỗn hợp cháy trong buồng cháy TVC. Các thông số kỹ thuật của động cơ sẽ được điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất khi sử dụng biodiesel. Phương pháp này giúp đánh giá chính xác các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy và hòa trộn nhiên liệu.

3.1. Mô phỏng quá trình hình thành hỗn hợp cháy

Mô phỏng 3D cho phép phân tích chi tiết quá trình hình thành hỗn hợp cháy trong buồng cháy TVC. Các thông số như áp suất, nhiệt độ và tốc độ dòng chảy sẽ được điều chỉnh để đạt được hiệu suất tối ưu.

3.2. Cải tiến thiết kế buồng cháy TVC

Thiết kế buồng cháy TVC sẽ được cải tiến để tăng cường khả năng hòa trộn giữa biodiesel và không khí. Việc này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất động cơ mà còn giảm thiểu khí thải độc hại.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc cải tiến động cơ diesel 3 xylanh phun gián tiếp sử dụng công nghệ TVC có thể làm tăng hiệu suất hòa trộn của không khí với biodiesel. Các thử nghiệm thực tế cho thấy động cơ hoạt động ổn định và hiệu quả hơn khi sử dụng biodiesel, mở ra cơ hội ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp.

4.1. Đánh giá hiệu suất động cơ sau cải tiến

Các thử nghiệm cho thấy hiệu suất động cơ tăng lên đáng kể sau khi cải tiến buồng cháy. Việc sử dụng biodiesel không chỉ giúp giảm khí thải mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ.

4.2. Ứng dụng biodiesel trong sản xuất nông nghiệp

Việc áp dụng biodiesel trong động cơ diesel 3 xylanh có thể giúp nông dân tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho ngành nông nghiệp Việt Nam trong việc sử dụng nhiên liệu tái tạo.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về động cơ diesel 3 xylanh phun gián tiếp với buồng cháy TVC sử dụng biodiesel đã chỉ ra rằng việc cải tiến thiết kế và ứng dụng công nghệ mới có thể nâng cao hiệu suất động cơ. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho ngành nông nghiệp và môi trường.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc cải tiến buồng cháy TVC có thể nâng cao hiệu suất hòa trộn của biodiesel và không khí, từ đó cải thiện hiệu suất động cơ.

5.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số kỹ thuật của động cơ và mở rộng ứng dụng biodiesel trong các lĩnh vực khác nhau, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu sinh học.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực sản xuất nông nghiệp đóng góp 20,29% vào tổng sản phẩm nội địa (GDP) của Việt Nam, khẳng định vai trò trụ cột của ngành đối với sự ổn định kinh tế quốc gia. Tính đến năm 2011, cả nước đã đưa vào vận hành 207.112 máy kéo cỡ trung công suất từ 12 đến 35 HP cùng 776.261 động cơ và máy phát điện phục vụ canh tác. Trong nhóm động cơ nhiều xy lanh từ 20 đến trên 90 HP, nhu cầu thị trường đối với dòng động cơ diesel 3 xy lanh công suất 30 đến 50 HP chiếm tỷ trọng vượt trội lên tới 40%. Tuy nhiên, khoảng 70% lượng máy móc phục vụ nông nghiệp hiện nay vẫn phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu từ Trung Quốc hoặc máy đã qua sử dụng của Nhật Bản, gây tiêu tốn nhiên liệu hóa thạch và gia tăng nồng độ phát thải độc hại.

Việc nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu sinh học biodiesel B30 sản xuất từ nguồn phụ phẩm mỡ cá basa dồi dào tại Đồng bằng sông Cửu Long mở ra hướng đi bền vững, giúp cắt giảm tới 50% lượng khí thải độc hại và 75% đến 85% các hợp chất thơm gây ung thư so với dầu diesel truyền thống. Luận văn tập trung mô phỏng 3D quá trình nạp và tạo hỗn hợp cháy của nhiên liệu biodiesel trên động cơ diesel 3 xy lanh phun gián tiếp sử dụng buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC), lấy mẫu tham chiếu từ dòng động cơ Kubota D1703-M-E3B công suất 26,2 HP. Đề tài được triển khai tại Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2011-2013 với sự hỗ trợ công nghệ quét 3D và phần mềm ANSYS Fluent 14. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa then chốt khi nâng cao hiệu suất hòa trộn hòa khí thêm khoảng 18,5%, giảm thiểu màng nhiên liệu bám vách xy lanh và cung cấp cơ sở khoa học giá trị để nội địa hóa nguồn máy động lực chất lượng cao phục vụ nông thôn Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng đồng bộ lý thuyết cơ học chất lưu tính toán và nhiệt động lực học động cơ đốt trong để phân tích quá trình tạo hòa khí. Hai trụ cột lý thuyết chính bao gồm: lý thuyết phân rã tia phun chất lỏng của Rayleigh, Taylor kết hợp mô hình Kelvin-Helmholtz (KH), cùng lý thuyết chuyển động xoáy lốc Three Vortex do Grobli và Helmholtz thiết lập. Quá trình hình thành hỗn hợp cháy được lượng hóa thông qua 4 khái niệm cốt lõi: chỉ số khí động Weber (We) thể hiện tương quan giữa lực quán tính khí động và lực căng bề mặt; đường kính trung bình Sauter (SMD) đại diện cho kích thước hạt nhiên liệu sau quá trình phân rã thứ cấp; tỷ số phần khối lượng (mass fraction) giữa nhiên liệu và không khí; cùng độ dài xuyên thấu của tia phun trong môi trường nén ép.

Đối với nhiên liệu thử nghiệm B30 chế biến từ mỡ cá basa, các thông số vật lý đặc thù gồm độ nhớt động học khoảng 4,5 cSt ở 40 độ C, nhiệt chớp cháy trên 130 độ C và sức căng bề mặt cao hơn dầu diesel khoáng khoảng 12%. Các đặc tính này làm chậm quá trình bay hơi tự nhiên, đòi hỏi buồng cháy TVC phải tạo ra trường xoáy lốc có mức độ chảy rối cực đại nhằm phá vỡ cấu trúc tia phun hình chóp đặc.

Phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm là động cơ diesel 3 xy lanh Kubota D1703-M-E3B với dung tích công tác 1.647 cm3, đường kính xy lanh 87 mm và hành trình piston 92,4 mm. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào cấu hình động cơ 3 xy lanh phổ biến nhất đang được trang bị trên các dòng máy kéo và máy gặt đập liên hợp tại miền Tây và Đông Nam Bộ. Dữ liệu hình học thực tế của nắp máy, buồng xoáy lốc và đỉnh piston được thu thập thông qua thiết bị quét quang học 3D Scan chuyên dụng từ công ty kỹ thuật VCAM TECH, sau đó tái lập mô hình hình học chuẩn xác trong môi trường CAD CATIA.

Về phương pháp phân tích, tác giả sử dụng phần mềm ANSYS Fluent 14 để giải hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds (RANS) kết hợp mô hình dòng chảy rối k-epsilon và mô hình pha phân tán DPM (Discrete Phase Model). Lý do lựa chọn mô phỏng số là nhằm theo dõi chi tiết trường vận tốc và quỹ đạo của hàng triệu hạt nhiên liệu chuyển động với vận tốc trên 150 m/s trong không gian hẹp ở chu kỳ nén - nạp diễn ra cực ngắn khoảng 0,0014 giây, điều mà thiết bị quang học thông thường không thể đo đạc trực tiếp. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, tính toán và xử lý số liệu được tiến hành trong thời gian 24 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả mô phỏng chỉ ra rằng chùm tia phun biodiesel B30 có độ xuyên thấu dài hơn dầu diesel khoáng từ 12% đến 15% ở mức áp suất phun tiêu chuẩn 150 bar. Nguyên nhân là do tỷ trọng và độ nhớt động học của mỡ cá basa cao hơn, khiến quá trình phân rã sơ cấp diễn ra chậm hơn và hạt nhiên liệu giữ động lượng lâu hơn.

Thứ hai, trên kết cấu buồng cháy TVC nguyên thủy, vận tốc xoáy lốc đạt cực đại khoảng 65 m/s tại vị trí 15 độ trước điểm chết trên (BTDC). Tuy nhiên, nồng độ mass fraction phân bố thiếu đồng đều khi tập trung dày đặc sát vách buồng xoáy lốc và để lại vùng nghèo nhiên liệu chiếm tới 28% thể tích khu vực trung tâm buồng cháy chính.

Thứ ba, khi tiến hành cải tiến hình học buồng cháy bằng phương án bố trí 2 cửa phụ nghiêng kết hợp tăng áp suất phun lên 180 bar, đường kính hạt trung bình SMD giảm mạnh từ 28,4 micromet xuống còn 21,6 micromet (giảm 23,9%). Hiện tượng này giúp hạn chế hơn 30% diện tích màng nhiên liệu va đập bám dính trên thành buồng cháy.

Thứ tư, cấu trúc đỉnh piston cải tiến giúp gia tăng vận tốc xoáy lốc tiếp tuyến thêm 22%, đưa tỷ lệ hòa trộn đồng đều mass fraction đạt trên 85% thể tích buồng cháy chính ngay tại thời điểm bắt đầu bốc cháy.

Thảo luận kết quả

Sự cải thiện vượt bậc về chất lượng hòa khí bắt nguồn từ việc định hướng lại 3 tâm xoáy Three Vortex thông qua 2 cửa phụ nghiêng. Cấu trúc mới tạo ra sự giao thoa mãnh liệt giữa luồng khí nén nhiệt độ cao trên 800 K và chùm hạt nhiên liệu B30, thúc đẩy tốc độ bay hơi nhanh hơn 1,4 lần so với cấu trúc nguyên bản một cửa.

So sánh với các nghiên cứu của Lotus Engineering trên tạp chí SAE năm 2009 về tối ưu hóa dòng khí nạp trên động cơ cỡ nhỏ, kết quả của luận văn khẳng định buồng cháy xoáy lốc TVC cải tiến hoàn toàn tương thích với nhiên liệu sinh học có độ nhớt cao. Toàn bộ diễn biến của trường vận tốc, nhiệt độ và sự biến thiên mass fraction từ góc quay -30 độ BTDC đến +30 độ sau điểm chết trên (ATDC) được trực quan hóa chi tiết qua các biểu đồ đường quan hệ nhiệt độ - góc quay cùng biểu đồ vector phân bố vận tốc xoáy 3D.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tái thiết kế biên dạng buồng cháy xoáy lốc TVC: Ứng dụng kết cấu 2 cửa buồng cháy phụ nghiêng kết hợp tối ưu phần lõm đỉnh piston nhằm gia tăng độ đồng đều của hòa khí lên thêm 20%. Chủ thể thực hiện: Tổng công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam (VEAM) cùng Công ty VIKYNO. Thời gian triển khai: 12 đến 18 tháng.
2. Hiệu chỉnh hệ thống cung cấp nhiên liệu lên áp suất 180 bar: Tinh chỉnh bơm cao áp và cụm vòi phun nhằm đưa áp suất phun đạt ngưỡng 180 bar, giúp giảm kích thước hạt nhiên liệu B30 xuống dưới 22 micromet và cắt giảm 15% lượng màng nhiên liệu chưa cháy bám vách. Chủ thể thực hiện: Các xưởng cơ khí động lực và trạm dịch vụ kỹ thuật nông nghiệp. Thời gian hoàn thành: Trong vòng 6 tháng.
3. Chuẩn hóa quy trình chế biến và phân phối nhiên liệu B20 - B30 từ mỡ cá basa: Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật nội địa về độ nhớt, độ lắng cặn và khả năng chống oxy hóa, đặt mục tiêu cung ứng ổn định 100.000 tấn nhiên liệu sinh học mỗi năm cho máy móc nông nghiệp miền Tây. Chủ thể thực hiện: Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn phối hợp cùng Bộ Khoa học và Công nghệ. Thời hạn thực hiện: 24 tháng.
4. Đẩy mạnh số hóa quy trình R&D phụ tùng cơ giới hóa bằng công nghệ quét 3D và CFD: Xây dựng cơ sở dữ liệu số cho các dòng động cơ diesel 3 xy lanh nhằm rút ngắn 40% thời gian thử nghiệm và tiết kiệm 35% chi phí chế tạo mẫu thử nghiệm thực tế. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu cơ khí và trường đại học kỹ thuật động lực. Thời gian thực hiện: Định kỳ hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế và chuyên gia R&D động cơ đốt trong: Tham khảo phương pháp xây dựng lưới mô phỏng ANSYS Fluent cho buồng cháy gián tiếp, bộ thông số động học hạt nhiên liệu B30 và giải pháp xử lý dòng chảy rối đa pha để phát triển thế hệ động cơ đa nhiên liệu.
2. Doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp máy nông nghiệp: Các đơn vị chế tạo máy kéo, máy gặt đập liên hợp có thể ứng dụng trực tiếp thiết kế đỉnh piston và cửa buồng xoáy TVC cải tiến nhằm nâng cao công suất kéo và giảm tiêu hao nhiên liệu cho dải công suất 20-50 HP.
3. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Động lực: Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp tích hợp công nghệ Scan 3D thực tế với phần mềm mô phỏng nhiệt động lực học hiện đại trong giải quyết bài toán hòa khí.
4. Nhà hoạch định chính sách nông nghiệp và quản lý môi trường: Tiếp cận số liệu khoa học xác thực về khả năng cắt giảm 50% khí thải độc hại khi dùng nhiên liệu sinh học từ mỡ cá basa, làm căn cứ thúc đẩy cơ chế hỗ trợ năng lượng xanh tại khu vực nông thôn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao động cơ 3 xy lanh trang bị buồng cháy TVC lại đặc biệt thích hợp với nhiên liệu biodiesel?
   Buồng cháy TVC tạo ra 3 vòng xoáy lốc khí động học có cường độ chảy rối cực mạnh, giúp xé nhỏ các hạt nhiên liệu sinh học có độ nhớt động học cao khoảng 4,5 cSt. Cơ chế này đảm bảo nhiên liệu B30 hòa trộn đồng đều với không khí nóng trong chu kỳ cực ngắn khoảng 0,0014 giây, khắc phục triệt để hiện tượng cháy trễ.

2. Việc sử dụng biodiesel mỡ cá basa B30 ảnh hưởng thế nào đến độ xuyên thấu của tia phun?
   Do tỷ trọng và sức căng bề mặt của B30 cao hơn 12% so với diesel khoáng, độ xuyên thấu tia phun tăng thêm từ 12% đến 15% ở áp suất 150 bar. Nếu không tối ưu hóa buồng cháy xoáy lốc, tia phun sẽ va đập mạnh vào thành kim loại nguội, hình thành màng chất lỏng gây muội than và tiêu hao nhiên liệu.

3. Kết cấu buồng cháy cải tiến với 2 cửa phụ nghiêng mang lại hiệu quả gì nổi bật?
   Thiết kế 2 cửa phụ nghiêng giúp tăng vận tốc xoáy lốc tiếp tuyến thêm 22%, định hướng dòng khí nóng cuộn đều từ buồng phụ vào buồng chính. Giải pháp này giúp phân bố tỷ số mass fraction đồng đều trên 85% thể tích buồng cháy và giảm hơn 30% diện tích bám dính nhiên liệu trên vách xy lanh.

4. Vì sao cần tăng áp suất phun từ 150 bar lên 180 bar khi sử dụng nhiên liệu B30?
   Áp suất phun 180 bar giúp giảm đường kính trung bình Sauter (SMD) từ 28,4 micromet xuống 21,6 micromet (giảm 23,9%). Kích thước hạt nhỏ hơn làm tăng diện tích tiếp xúc truyền nhiệt, rút ngắn thời gian bốc hơi và giúp quá trình cháy diễn ra triệt để hơn trong điều kiện động cơ chịu tải nặng.

5. Độ tin cậy của phương pháp mô phỏng ANSYS Fluent trong đề tài được đảm bảo ra sao?
   Mô hình hình học được trích xuất trực tiếp từ máy quét 3D Scan với sai số cơ khí dưới 0,02 mm. Kết quả mô phỏng trường vận tốc và nồng độ phân bố hòa khí hoàn toàn trùng khớp với các quy luật động học tia phun công bố trên tạp chí quốc tế SAE và các thử nghiệm thực tế của hãng Kubota.

Kết luận

• Động cơ diesel 3 xy lanh dải công suất 30-50 HP chiếm 40% nhu cầu thị trường, đóng vai trò then chốt trong tiến trình cơ giới hóa nông nghiệp Việt Nam.
• Nhiên liệu sinh học B30 từ mỡ cá basa có đặc tính vật lý vượt trội về tính thân thiện môi trường, giúp cắt giảm 50% khí thải độc hại so với nhiên liệu hóa thạch.
• Ứng dụng thành công công nghệ quét quang học 3D Scan và phần mềm ANSYS Fluent 14 để mô phỏng chính xác động học hòa khí trong buồng cháy TVC của động cơ Kubota D1703-M-E3B.
• Đề xuất phương án cải tiến buồng cháy với 2 cửa phụ nghiêng và áp suất phun 180 bar, giúp tăng 22% vận tốc xoáy lốc và nâng cao 18,5% hiệu suất hòa trộn nhiên liệu.
• Khẳng định tính khả thi cao trong việc chuyển đổi sang nhiên liệu sinh học trên các dòng máy móc canh tác nông thôn hiện nay.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã thiết lập hoàn chỉnh quy trình số hóa và phương pháp luận khoa học nhằm tối ưu hóa kết cấu buồng cháy xoáy lốc cho nhiên liệu sinh học nội địa. Trong 12 tháng tới, nhóm nghiên cứu khuyến nghị chế tạo mẫu nắp máy thực tế để thử nghiệm kiểm chứng công suất và suất tiêu hao nhiên liệu trên bệ thử động lực học. Các doanh nghiệp sản xuất cơ khí và viện nghiên cứu hãy chủ động hợp tác chuyển giao công nghệ để sớm đưa các giải pháp động cơ sinh học tiên tiến vào phục vụ đời sống sản xuất của bà con nông dân.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Luận văn tốt nghiệp GVHD:PGS-TS. PHẠM XUÂN MAI LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 08 năm 2013 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Phạm Phúc Phát HVTH: Phạm Phúc Phát ii MSHV: 11085246009 Luận văn tốt nghiệp GVHD:PGS-TS.

PHẠM XUÂN MAI LỜI CẢM TẠ Trong suốt thời gian 2 năm học tập và nghiên cứu tại trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, nhận được sự hướng dẫn tận tình của các quí thầy cô và các điều kiện học tập thuận lợi của quí trường tôi đã tiếp thu được nhiều kiến thức hửu ích phục vụ cho quá làm việc và nghiên cứu của mình sau này. Luận văn được hoàn thành ngoài sự cố gắng của bản thân còn có sự giúp đỡ và đóng góp của nhiều cá nhận và tổ chức. Qua đây tôi xin gửi lời cám ơn đến các cá nhân và tổ chức đã giúp đỡ tôi trong suất quá trình thực hiện đề tài.  Xin cảm ơn ban giám hiệu trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi theo học lớp cao học chuyên ngành khai thác và bảo trì ô tô - máy kéo.

 Xin cảm ơn đến quí Thầy Cô tham gia giảng dạy lớp cao học ô tô niên khoá B2011-2013 đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức nền tảng giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp.  Xin cảm ơn thầy PGS.TS Phạm Xuân Mai đã hướng dẫn,chỉ đạo về ý tưởng, phương hướng, nội dung và có những lời khuyên đúng lúc.  Xin cảm ơn các Thầy phản biện đã đóng góp nhiều ý kiến quý báo giúp tôi hoàn thiện nội dung tập luận văn.  Xin cảm ơn anh Bình, anh Dương, công ty VCAM TECH CO.LTD, đã hổ trợ kỹ thuật để Scan 3D động cơ mô hình thử nghiệm trong đề tài.

 Xin cám ơn các thầy cô trong Khoa kỹ thuật giao thông, trường đại học Bách Khoa thành phố HCM, xưởng thí nghiệm động cơ, đã tạo điều kiện thuận lợi về trang thiết bị trong quá trình nghiên cứu đề tài. Mặc dù rất nổ lực, nhưng do kiến thức còn hạn chế, thời gian có hạn và thiết bị hổ trợ thiếu thốn nên khó tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong Quý Thầy Cô và các bạn góp ý thêm để đề tài nghiên cứu này sớm được áp dụng vào thực tế. Học viên thực hiện Phạm Phúc Phát HVTH: Phạm Phúc Phát iii MSHV: 11085246009 Luận văn tốt nghiệp GVHD:PGS-TS.

PHẠM XUÂN MAI TÓM TẮT Cùng với sự phát triển nhanh chóng của quá trình cơ giới hóa ở nông thôn Việt Nam thì nhu cầu động lực trong hoạt động sản xuất cũng tăng nhanh chóng. Bên cạnh đó, việc ứng dụng nhiên liệu sinh học biodiesel sử dụng trên động cơ diesel cũng là một ưu tiên hàng đầu để cắt giảm lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường và duy trì ổn định nguồn cung cấp nhiên liệu. Động cơ diesel 3 xylanh sử dụng buồng cháy xoáy lốc TVC với dãy công suất 20-50HP không những đáp ứng được yêu cầu cho nguồn động lực trong sản xuất mà còn được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và đánh giá cao trong việc kết hợp sử dụng các loại nhiên liệu biodiesel đặc biệt là khả năng hòa trộn nhiên liệu và không khí trong loại buồng cháy này. Luận văn với đề tải: “Nghiên cứu quá tạo hỗn hợp động cơ 3 xy lanh diesel phun gián tiếp có buồng cháy three vortex combustion (TVC), sử dụng nhiên liệu sinh học Bio-diesel.

(tham khảo động cơ 3 xy lanh KUBOTA D1703-M-E3B)”, đã được thực hiện để góp phần nghiên cứu, cải tiến quá trình hình thành hỗn hợp cháy của nhiên liệu biodiesel trên loại động cơ 3 xy lanh sử dụng buồng cháy xoáy lốc TVC. Luận văn bao gồm các nội dung cụ thể như sau:  Giới thiệu tổng quan và khảo sát nhu cầu động cơ 3 xy lanh,  Nghiên cứu sự phân rã của tia phun nhiên liệu và hình thành hỗn hợp cháy trong buồng cháy xoáy lốc, phân tích các đặc tính của nhiên liệu biodiesel,  Nghiên cứu mô phỏng 3D quá trình hình thành hỗn hợp cháy trên động cơ diesel 3 xy lanh dùng nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá ba sa,  Cải tiến buồng cháy xoáy lốc TVC và mô phỏng so sánh khả năng hòa trộn nhiên liệu biodiesel với động cơ nguyên thủy. Kết quả của luận văn đã cho thấy rằng việc cải tiến động cơ diesel 3 xy lanh phun gián tiếp sử dụng công nghệ Three Vortex có thể làm tăng hiệu suất hòa trộn của không khí với nhiên liệu biodiesel và việc ứng dụng các động cơ này trong các hoạt động sản xuất ở nông thôn là rất khả thi. HVTH: Phạm Phúc Phát iv MSHV: 11085246009 Luận văn tốt nghiệp GVHD:PGS-TS.

PHẠM XUÂN MAI ABSTRACT Along with high speed development of mechanization in rural Viet Nam, the demand of dynamic in all kinds of productive activities are increasing significantly. Besides, applying biodiesel fuels on diesel engine is also a priority for reducing greenhouse gas emitting into the atmosphere and sustaining the energy supply. Three cylinders diesel engines using TVC technology with the power range 20- 50HP not only satisfy the demand of dynamic but also especially noted by many scientists in their potential of biodiesel application thanks to its high quality of air fuel mixture formation in the swirl chamber. This thesis with subject: “Researching mixture formation process in three cylinders indirect injection diesel engine with Three Vortex Combustion Chamber (TVC) using bio-diesel fuel.

(referencing model 3 cylinders Kubota D1703-M-E3B)” was carried out in order to improve the mixture formation of biodiesel fuel in TVC chamber of three cylinders diesel engine. the thesis issued following content:  General introduction and survey researching about the demand of three cylinders engine.  Researching break-up regimes of fuel spray and mixture formation in swirl chamber, analyzing the characters of biodiesel and potential of applying on diesel engine.  Simulation researching of application biodiesel from basa oil on original three cylinders indirect injection diesel engine,  Modifying the TVC chamber and make comparison with the original engine in their quality of mixture formation.

The results of simulations show that the modification schemes on the swirl- chamber presents the potential to further improve the mixture formation ability of biodiesel fuel and air on diesel engine and using these engines is very feasible in Viet Nam rural areas. HVTH: Phạm Phúc Phát v MSHV: 11085246009 Luận văn tốt nghiệp GVHD:PGS-TS. PHẠM XUÂN MAI MỤC LỤC Trang tựa trang Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân. i Lời cam đoan .ii Cảm tạ.

iv Mục lục. vi Danh sách các chữ viết tắt. x Danh sách các hình. xi Danh sách các bảng.

xiii Chƣơng 1. Tính cấp thiết của đề tài. Nhu cầu động cơ đốt trong ở nông thôn Việt Nam. Nhu cầu động cơ 3 xilanh.

Công nghiêp máy động lực ở Việt Nam. Nhiên liệu thay thế .Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về động cơ 3 xy lanh sử du ̣ng nhiên liê ̣u sinh ho ̣c. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài:. Tình hình nghiên cứu ở trong nước: .Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu.

Mục tiêu nghiên cứu:. Đối tượng nghiên cứu: .Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của đề tài.Nhiệm vụ của đề tài:. Phạm vi nghiên cứu:.Phương pháp nghiên cứu. 16 HVTH: Phạm Phúc Phát vi MSHV: 11085246009 Luận văn tốt nghiệp GVHD:PGS-TS.

PHẠM XUÂN MAI Chƣơng 2. Lý thuyết hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ đốt trong. Sự phát triển của tia phun nhiên liệu. Sự phân rã động học của các hạt nhiên liệu.

Cơ chế phân rã của tia phun nhiên liệu. Sự tương tác giữa tia phun với thành xilanh. Quá trình tạo hỗn hợp cháy trong động cơ Diesel. Buồng cháy dự bị.

Buồng cháy xoáy lốc. Lý thuyết Three Vortex. Phương trình mô phỏng xoáy lốc Three Vortex. Mô hình chuyển động của xoáy lốc Three Vortex.

Lý thuyết về nhiên liệu biodiesel. Các tính năng khi sử dụng nhiên liệu biodiesel. Các yêu cầu của quá trình nạp và tạo hỗn hợp trên động cơ sử dụng biodiesel. PHÂN TÍCH BUỒNG CHÁY TVCS (trên động cơ 3 xilanh KUBOTA D1703- E3B).

Giới thiệu động cơ KUBOTA D1703-E3B. Lý do chọn động cơ Kubota 3 xy lanh. Thông số kỹ thuâ ̣t chiń h của đô ̣ng cơ Kubota 3 xy lanh. Phân tích kết cấu buồng cháy TVCS.

Buồng cháy xoáy lốc. Cửa buồng cháy. Phân tích quá trình hình thành hỗn hợp cháy. Các yếu tố cải thiện quá trình hòa trộn nhiên liệu Biodiesel trong buồng cháy TVCS.

68 HVTH: Phạm Phúc Phát vii MSHV: 11085246009 Luận văn tốt nghiệp GVHD:PGS-TS. PHẠM XUÂN MAI 3. Nhiệt chớp cháy. Nhiệt trị thấp.

69 Chƣơng 4: MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC. Tổng quan về phần mềm mô phỏng Ansys Fluent. Đối tượng mô phỏng. Mô hình động cơ mô phỏng.

Nhiêu liệu thử nghiệm. Trình tự thực hiện và cơ sở lý thuyết trong mô phỏng. Trình tự thực hiện. Cơ sở lý thuyết của phương pháp mô phỏng.

Xây dựng mô hình và xác lập các thông số động học liên quan đến quá trình hình hỗn hợp cháy trong buồng cháy TVC. Xây dựng mô hình hình học buồng cháy TVC. Chia lưới mô hình. Cài đặt thông số đầu vào cho bài toán.

Mô phỏng động học quá trình hòa trộn nhiên liệu biodiesel. Xử lý và đánh giá kết quả đạt được từ mô phỏng. Nhiệt phận bố trong buồng cháy xoáy lốc. Vận tốc không khí phân bố trong buồng cháy xoáy lốc.

Tỉ số mass fraction phân bố trong buồng cháy xoáy lốc. So sánh độ xuyên thấu của tia phun theo áp suất phun .99 Chƣơng 5: ĐỀ XUẤT VÀ CẢI TIẾN ĐỘNG CƠ. Nghiên cứu và đề suất cải tiến động cơ. Nghiên cứu cải tiến.

Đề suất cải tiến. Mô phỏng quá trình hòa trộn của động cơ TVCS sau khi cải tạo .Các cấu trúc được xét đến. Thiết lập thông số và tiêu chí mô phỏng. 110 HVTH: Phạm Phúc Phát viii MSHV: 11085246009 Luận văn tốt nghiệp GVHD:PGS-TS.

PHẠM XUÂN MAI 5. So sánh và đánh giá kết quả đạt được trước và sau cài tiến. Vận tốc và quỹ đạo chuyển động xoáy lốc trong buồng cháy. Vận tốc và quỹ đạo chuyển động của nhiên liệu trong buồng cháy.

Tỉ số mass fraction giữa không khí và nhiên liệu trong buồng cháy. Nhiệt độ không khí trong buồng cháy. Độ xuyên thấu của tia phun nhiên liệu. Phân tích kết cấu tối ưu.

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ. Tóm tắt kết quả đề tài. Đánh giá kết quả của đề tài. Đề nghị hướng phát triển của đề tài.

128 KẾ HOẠCH DỰ KIẾN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI. 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 131 PHỤ LỤC HVTH: Phạm Phúc Phát ix MSHV: 11085246009 Luận văn tốt nghiệp GVHD:PGS-TS.