Nghiên Cứu Hoàn Thiện Buồng Cháy Thống Nhất Cho Động Cơ Diesel Cỡ Nhỏ

Nền công nghiệp toàn cầu đang phát triển mạnh mẽ, kéo theo sự tự động hóa và cơ giới hóa trong nhiều lĩnh… 161 trang · Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội · 2023.

• Tác giả: Phạm Văn Giang
• Người hướng dẫn: PGS.TS Khổng Vũ Quảng
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Hoàn Thiện Buồng Cháy Thống Nhất Cho Động Cơ Diesel Cỡ Nhỏ
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Xu hướng chung về sử dụng động cơ diesel
• 1.2. Xu hướng sử dụng động cơ diesel trên thế giới
• 1.3. Xu hướng sử dụng động cơ diesel tại Việt Nam
• 1.4. Động cơ diesel sử dụng trong nông nghiệp tại Việt Nam
• 1.5. Các giải pháp công nghệ cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ diesel
• 1.5.1. Nhóm giải pháp về kết cấu
• 1.5.2. Nhóm giải pháp sử dụng nhiên liệu thay thế
• 1.6. Các dạng buồng cháy phổ biến trên động cơ diesel
• 1.6.1. Buồng cháy ngăn cách
• 1.6.2. Buồng cháy thống nhất
• 1.6.3. Ưu nhược điểm của buồng cháy thống nhất so với buồng cháy ngăn cách
• 1.7. Các nghiên cứu cải tiến buồng cháy trên động cơ diesel cỡ nhỏ
• 1.7.1. Các nghiên cứu trên thế giới
• 1.7.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam
• 1.8. Đề xuất giải pháp cải thiện các tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải cho động cơ diesel dùng trong nông nghiệp ở Việt Nam
• 1.9. Đối tượng nghiên cứu
• 1.10. Phương án thực hiện đề tài
• 1.11. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN
• 2.1. Lý thuyết hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ diesel
• 2.1.1. Quá trình hình thành hỗn hợp trên động cơ diesel
• 2.1.2. Quá trình hình thành hỗn hợp trên động cơ diesel có buồng cháy thống nhất
• 2.2. Các thông số chung ảnh hưởng đến quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của động cơ diesel buồng cháy thống nhất
• 2.2.1. Các thông số hệ thống nhiên liệu
• 2.2.2. Ảnh hưởng của tỉ số nén động cơ
• 2.2.3. Các thông số liên quan đường nạp
• 2.2.4. Ảnh hưởng của các thông số hình học đến quá trình hình thành hòa khí động cơ diesel buồng cháy thống nhất
• 2.2.4.1. Kết cấu buồng cháy đỉnh piston
• 2.2.4.2. Các kết cấu khác
• 2.3. Các mô hình toán học
• 2.4. Cơ sở lý thuyết các phần mềm sử dụng trong tính toán cải tiến buồng cháy thống nhất
• 2.4.1. Cơ sở lý thuyết phần mềm Ansys ICE
• 2.4.1.1. Các phương trình bảo toàn
• 2.4.1.2. Các phương trình tính toán đối với tia phun
• 2.4.2. Cơ sở lý thuyết của AVL-Boost và AVL Hydsim
• 2.4.2.1. Cơ sở lý thuyết phần mềm AVL Boost
• 2.4.2.2. Cơ sở lý thuyết của AVL-Hydsim
• 2.5. Quy trình các bước thực hiện tính toán cải tiến kết cấu buồng cháy
• 2.6. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG
• 3.1. Đánh giá các thông số cơ bản của piston nguyên bản
• 3.2. Xây dựng các kết cấu buồng cháy trong tính toán mô phỏng
• 3.3. Mô phỏng động cơ với các trường hợp buồng cháy bằng phần mềm AVL-Boost
• 3.3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng
• 3.3.2. Các chế độ mô phỏng
• 3.3.3. Kết quả mô phỏng
• 3.4. Xác định quy luật cấp nhiên liệu trong động cơ RV125-2 bằng phần mềm AVL-Hydsim
• 3.4.1. Xây dựng mô hình
• 3.4.2. Các chế độ mô phỏng
• 3.4.3. Kết quả mô phỏng
• 3.5. Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của kết cấu buồng cháy đỉnh piston bằng phần mềm Ansys - ICE
• 3.5.1. Mô phỏng quá trình nạp
• 3.5.2. Mô phỏng quá trình cháy
• 3.5.3. Ảnh hưởng của các kết cấu buồng cháy đỉnh piston đến các thành phần phát thải trong động cơ
• 3.6. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 4.1. Mục đích thực nghiệm
• 4.2. Mục tiêu và phạm vi thực nghiệm
• 4.2.1. Mục tiêu thực nghiệm
• 4.2.2. Đối tượng và phạm vi thực nghiệm
• 4.3. Nội dung thực nghiệm
• 4.4. Thiết kế và chế tạo kết cấu đỉnh piston của động cơ cải tiến
• 4.5. Trang thiết bị thực nghiệm
• 4.5.1. Lắp đặt mô hình lên băng thử
• 4.5.2. Băng thử DW16
• 4.5.3. Thiết bị phân tích khí thải
• 4.5.4. Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu
• 4.5.5. Cảm biến đo áp suất
• 4.5.6. Nhiên liệu thực nghiệm
• 4.5.7. Sơ đồ bố trí hệ thống thực nghiệm
• 4.5.8. Chế độ thực nghiệm
• 4.6. Kết quả thực nghiệm và thảo luận
• 4.6.1. So sánh tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ
• 4.6.2. So sánh thực nghiệm với mô phỏng
• 4.7. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• BẰNG PHẦN MỀM ANSYS ICE

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Hoàn Thiện Buồng Cháy Diesel Nhỏ

Nền công nghiệp toàn cầu đang phát triển mạnh mẽ, kéo theo sự tự động hóa và cơ giới hóa trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là nông nghiệp. Động cơ diesel, với ưu điểm về sức kéo và độ bền, được sử dụng rộng rãi trong các máy móc nông nghiệp. Tại Việt Nam, động cơ diesel xi lanh đơn cỡ nhỏ (dưới 20HP) đóng vai trò quan trọng. Việc hoàn thiện buồng cháy nhằm tối ưu hiệu suất, giảm phát thải là mục tiêu cấp thiết. Nhiều nghiên cứu tập trung vào cải tiến hệ thống nhiên liệu, đường nạp, buồng cháy, và tỷ số nén. Tuy nhiên, trước nguy cơ cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và yêu cầu ngày càng khắt khe về khí thải, cần có các giải pháp công nghệ mới. Theo luận án của Phạm Văn Giang, cần nghiên cứu sâu hơn về công nghệ buồng cháy diesel để cải thiện tính năng và giảm tác động môi trường.

1.1. Vai Trò Động Cơ Diesel Cỡ Nhỏ Trong Nông Nghiệp

Động cơ diesel cỡ nhỏ là trái tim của nhiều máy móc nông nghiệp. Từ máy cày, máy bơm nước đến các thiết bị chế biến nông sản, chúng cung cấp sức mạnh cần thiết cho hoạt động sản xuất. Tuy nhiên, động cơ diesel truyền thống thường có hiệu suất không cao và phát thải nhiều chất độc hại. Theo PGS.TS Khổng Vũ Quảng, việc nâng cao hiệu suất và giảm phát thải của động cơ diesel cỡ nhỏ có ý nghĩa to lớn đối với sự phát triển bền vững của nông nghiệp Việt Nam. Hơn nữa, việc sử dụng động cơ diesel hiệu quả giúp tiết kiệm chi phí nhiên liệu cho người nông dân.

1.2. Xu Hướng Nghiên Cứu Cải Tiến Động Cơ Diesel

Các nghiên cứu hiện nay tập trung vào nhiều khía cạnh của động cơ diesel, bao gồm: cải tiến hệ thống phun nhiên liệu, tối ưu hóa hình dạng buồng cháy động cơ diesel, áp dụng các công nghệ đốt tiên tiến, và sử dụng nhiên liệu thay thế. Một số nghiên cứu còn tập trung vào việc tích hợp hệ thống xử lý khí thải để giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việc ứng dụng các phần mềm mô phỏng như Ansys ICE và AVL Boost giúp các nhà nghiên cứu dự đoán và đánh giá hiệu quả của các giải pháp cải tiến trước khi đưa vào thực tế.

II. Thách Thức Tối Ưu Hiệu Suất Giảm Phát Thải Diesel

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc hoàn thiện buồng cháy cho động cơ diesel cỡ nhỏ là cân bằng giữa hiệu suất và phát thải. Các biện pháp cải thiện hiệu suất thường đi kèm với sự gia tăng phát thải NOx, và ngược lại. Do đó, cần có một giải pháp toàn diện, kết hợp nhiều yếu tố như hình dạng buồng đốt diesel, hệ thống phun nhiên liệu, và hệ thống điều khiển. Theo nghiên cứu của Phạm Văn Giang, việc tối ưu hóa quá trình cháy trong động cơ diesel đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các hiện tượng vật lý và hóa học xảy ra bên trong buồng cháy thống nhất.

2.1. Vấn Đề Phát Thải từ Động Cơ Diesel Nông Nghiệp

Động cơ diesel nông nghiệp thường thải ra các chất độc hại như NOx, PM (bụi mịn), CO, và HC. Các chất này gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Đặc biệt, PM có thể gây ra các bệnh về đường hô hấp và tim mạch. Việc giảm thiểu phát thải từ động cơ diesel nông nghiệp là một yêu cầu cấp thiết, đặc biệt trong bối cảnh ô nhiễm không khí ngày càng gia tăng ở các khu vực nông thôn.

2.2. Yêu Cầu Tiết Kiệm Nhiên Liệu và Giảm Chi Phí Vận Hành

Chi phí nhiên liệu chiếm một phần đáng kể trong tổng chi phí vận hành máy móc nông nghiệp. Do đó, việc tiết kiệm nhiên liệu diesel là một yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu quả kinh tế cho người nông dân. Việc tối ưu hóa buồng cháy có thể giúp giảm tiêu hao nhiên liệu bằng cách cải thiện quá trình đốt cháy và tăng hiệu suất động cơ. Ngoài ra, việc sử dụng nhiên liệu thay thế như dầu diesel sinh học cũng là một giải pháp tiềm năng.

2.3. Sự Cần Thiết Của Nghiên Cứu Buồng Cháy Thống Nhất

Buồng cháy thống nhất có ưu điểm là đơn giản, dễ chế tạo và bảo trì. Tuy nhiên, việc thiết kế buồng cháy diesel thống nhất để đạt hiệu suất cao và phát thải thấp là một thách thức. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa hình dạng buồng cháy, góc phun nhiên liệu, và thời điểm phun nhiên liệu để tạo ra hỗn hợp khí nhiên liệu đồng nhất và đốt cháy hoàn toàn.

III. Phương Pháp Mô Phỏng và Thực Nghiệm Buồng Cháy Diesel

Nghiên cứu hoàn thiện buồng cháy bao gồm cả mô phỏng và thực nghiệm. Mô phỏng sử dụng các phần mềm như Ansys ICE và AVL Boost để dự đoán hiệu quả của các thiết kế khác nhau. Thực nghiệm kiểm tra và đánh giá các thiết kế đã được mô phỏng. Quá trình này lặp đi lặp lại để tìm ra thiết kế tối ưu. Theo Phạm Văn Giang, mô phỏng và thực nghiệm cần được kết hợp chặt chẽ để đảm bảo tính chính xác và tin cậy của kết quả nghiên cứu. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng buồng cháy giúp tiết kiệm thời gian và chi phí so với việc chỉ thực hiện các thử nghiệm thực tế.

3.1. Sử Dụng Phần Mềm Ansys ICE để Mô Phỏng Quá Trình Cháy

Ansys ICE là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng quá trình cháy trong động cơ diesel. Nó cho phép các nhà nghiên cứu mô phỏng các hiện tượng vật lý và hóa học phức tạp xảy ra bên trong buồng cháy, bao gồm: phun nhiên liệu, hình thành hỗn hợp khí nhiên liệu, đánh lửa, cháy, và phát thải. Kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để đánh giá hiệu quả của các thiết kế buồng cháy khác nhau và tối ưu hóa các thông số vận hành động cơ.

3.2. Ứng Dụng AVL Boost để Đánh Giá Hiệu Suất Động Cơ

AVL Boost là một phần mềm mô phỏng hệ thống động cơ toàn diện. Nó cho phép các nhà nghiên cứu mô phỏng hiệu suất động cơ trong các điều kiện vận hành khác nhau, bao gồm: công suất, mô-men xoắn, tiêu hao nhiên liệu, và phát thải. AVL Boost có thể được sử dụng để đánh giá tác động của việc thay đổi thiết kế buồng cháy đến hiệu suất tổng thể của động cơ. Phần mềm này cũng hỗ trợ mô phỏng các hệ thống phụ trợ của động cơ như hệ thống nạp, hệ thống xả và hệ thống làm mát.

3.3. Nghiên Cứu Thực Nghiệm Trên Động Cơ Diesel RV125 2

Động cơ diesel RV125-2 được sử dụng làm đối tượng nghiên cứu thực nghiệm. Các thử nghiệm được thực hiện trên băng thử động cơ để đo các thông số như công suất, mô-men xoắn, tiêu hao nhiên liệu, và phát thải. Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng để đánh giá độ chính xác của mô hình và xác định các yếu tố cần cải thiện. Các mẫu piston có thiết kế buồng cháy khác nhau sẽ được thử nghiệm để tìm ra thiết kế tối ưu.

IV. Kết Quả Cải Thiện Tính Năng Giảm Phát Thải Diesel

Nghiên cứu cho thấy việc tối ưu hóa hình dạng buồng cháy thống nhất có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và giảm phát thải của động cơ diesel cỡ nhỏ. Các thiết kế buồng đốt diesel mới giúp tăng cường quá trình trộn lẫn giữa không khí và nhiên liệu, tạo ra hỗn hợp đồng nhất và đốt cháy hoàn toàn hơn. Theo kết quả thực nghiệm, động cơ cải tiến có công suất cao hơn, tiêu hao nhiên liệu ít hơn, và phát thải các chất độc hại thấp hơn so với động cơ nguyên bản. Điều này chứng minh tính hiệu quả của phương pháp nghiên cứu và các giải pháp cải tiến.

4.1. So Sánh Công Suất và Tiêu Hao Nhiên Liệu

Động cơ diesel cải tiến cho thấy sự cải thiện đáng kể về công suất và tiêu hao nhiên liệu so với động cơ nguyên bản. Công suất tăng lên ở nhiều dải tốc độ khác nhau, giúp máy móc nông nghiệp hoạt động hiệu quả hơn. Tiêu hao nhiên liệu giảm xuống, giúp tiết kiệm chi phí vận hành cho người nông dân. Kết quả này cho thấy tiềm năng lớn của việc tối ưu hóa buồng cháy để nâng cao hiệu quả kinh tế của động cơ diesel nông nghiệp.

4.2. Đánh Giá Phát Thải NOx PM CO và HC

Phát thải các chất độc hại như NOx, PM, CO và HC đều giảm xuống đáng kể ở động cơ diesel cải tiến. Điều này cho thấy việc tối ưu hóa buồng cháy không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Việc đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng khắt khe là một yếu tố quan trọng để đảm bảo tính bền vững của động cơ diesel nông nghiệp.

4.3. Đối Chiếu Kết Quả Mô Phỏng và Thực Nghiệm

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự tương đồng nhất định, chứng minh tính chính xác và tin cậy của mô hình. Tuy nhiên, vẫn có một số sai lệch do các yếu tố không được mô phỏng hoàn toàn, chẳng hạn như độ chính xác của các thông số đầu vào và các hiện tượng vật lý phức tạp. Việc tiếp tục hoàn thiện mô hình mô phỏng là cần thiết để nâng cao độ chính xác và khả năng dự đoán.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Động Cơ Diesel Nông Nghiệp Việt Nam

Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để cải tiến động cơ diesel nông nghiệp tại Việt Nam. VEAM có thể sử dụng các thiết kế buồng đốt diesel mới để sản xuất các loại động cơ hiệu quả hơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn và ít gây ô nhiễm hơn. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến vào sản xuất động cơ diesel không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng cuộc sống của người dân nông thôn.

5.1. Khả Năng Áp Dụng Cho Các Sản Phẩm Của VEAM

Các sản phẩm động cơ diesel của VEAM có thể được cải tiến bằng cách áp dụng các thiết kế buồng cháy mới và các công nghệ đốt tiên tiến. Việc này sẽ giúp VEAM nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường và đáp ứng các yêu cầu ngày càng khắt khe của khách hàng. VEAM cần đầu tư vào nghiên cứu và phát triển để tiếp tục cải tiến sản phẩm và đáp ứng nhu cầu của thị trường.

5.2. Đóng Góp vào Cơ Giới Hóa Nông Nghiệp Bền Vững

Việc cải tiến động cơ diesel nông nghiệp góp phần vào cơ giới hóa nông nghiệp bền vững tại Việt Nam. Các loại máy móc nông nghiệp hiệu quả hơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn và ít gây ô nhiễm hơn sẽ giúp nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí sản xuất và bảo vệ môi trường. Cơ giới hóa nông nghiệp bền vững là một yếu tố quan trọng để phát triển nông nghiệp Việt Nam theo hướng hiện đại và bền vững.

5.3. Lợi Ích Kinh Tế và Môi Trường Cho Nông Dân

Việc sử dụng các loại động cơ diesel nông nghiệp hiệu quả hơn mang lại nhiều lợi ích kinh tế và môi trường cho người nông dân. Tiết kiệm chi phí nhiên liệu, giảm phát thải các chất độc hại, và nâng cao năng suất lao động là những lợi ích quan trọng. Ngoài ra, việc sử dụng các loại máy móc nông nghiệp thân thiện với môi trường giúp bảo vệ sức khỏe của người dân và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

VI. Kết Luận Tương Lai Nghiên Cứu Buồng Cháy Diesel

Nghiên cứu đã thành công trong việc nghiên cứu buồng đốt diesel và đưa ra các giải pháp cải tiến hiệu quả. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng nghiên cứu tiềm năng trong tương lai. Việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế, áp dụng các công nghệ đốt tiên tiến hơn, và phát triển hệ thống điều khiển thông minh là những hướng đi đầy hứa hẹn. Theo Phạm Văn Giang, cần tiếp tục đầu tư vào nghiên cứu và phát triển để nâng cao hơn nữa hiệu suất và giảm phát thải của động cơ diesel thế hệ mới.

6.1. Hướng Nghiên Cứu Về Nhiên Liệu Thay Thế cho Diesel

Nhiên liệu thay thế như dầu diesel sinh học, khí tự nhiên hóa lỏng (LNG), và khí hóa lỏng (LPG) có thể giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc đánh giá hiệu quả và tính khả thi của việc sử dụng các loại nhiên liệu thay thế này trong động cơ diesel nông nghiệp. Các vấn đề như độ ổn định của nhiên liệu, khả năng tương thích với động cơ, và phát thải cần được xem xét kỹ lưỡng.

6.2. Phát Triển Công Nghệ Đốt Tiên Tiến cho Động Cơ Diesel

Các công nghệ đốt tiên tiến như đốt cháy đồng nhất tích điện (HCCI), đốt cháy với nén tự động (CAI), và đốt cháy với phun nước (water injection) có thể giúp cải thiện hiệu suất và giảm phát thải của động cơ diesel. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc áp dụng các công nghệ này vào động cơ diesel nông nghiệp và tối ưu hóa các thông số vận hành để đạt được hiệu quả tốt nhất. Các vấn đề như độ ổn định của quá trình cháy, kiểm soát quá trình cháy, và chi phí cần được xem xét kỹ lưỡng.

6.3. Tích Hợp Hệ Thống Điều Khiển Thông Minh cho Động Cơ

Hệ thống điều khiển thông minh có thể giúp tối ưu hóa quá trình vận hành động cơ diesel trong các điều kiện khác nhau. Hệ thống có thể tự động điều chỉnh các thông số như thời điểm phun nhiên liệu, góc phun nhiên liệu, và lượng phun nhiên liệu để đạt được hiệu suất cao nhất và phát thải thấp nhất. Hệ thống cũng có thể giám sát các thông số vận hành động cơ và phát hiện các vấn đề tiềm ẩn để ngăn ngừa sự cố. Việc tích hợp hệ thống điều khiển thông minh vào động cơ diesel nông nghiệp có thể giúp nâng cao độ tin cậy và kéo dài tuổi thọ của động cơ.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam, động cơ diesel một xy lanh cỡ nhỏ (công suất dưới 20 HP) giữ vai trò là nguồn động lực chủ yếu trang bị trên các loại máy làm đất, máy bơm nước, máy tuốt lúa và máy gặt. Theo số liệu thống kê trong luận án, thị trường máy nông nghiệp nội địa chịu sự cạnh tranh lớn: máy nhập khẩu từ Trung Quốc chiếm khoảng 60% thị phần nhờ giá thành rẻ hơn 15–20% nhưng độ bền thấp và phát thải cao; các sản phẩm nhập khẩu từ Nhật Bản và Thái Lan có tính năng kỹ thuật và phát thải vượt trội nhưng giá thành cao; trong khi đó, các doanh nghiệp cơ khí trong nước chỉ chiếm khoảng 30% thị phần (riêng Tổng công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam – VEAM chiếm 25%).

Trước đây, các dòng động cơ diesel cỡ nhỏ sản xuất trong nước sử dụng kết cấu buồng cháy ngăn cách với vòi phun một lỗ, áp suất phun thấp (80–150 bar), dẫn đến mức tiêu hao nhiên liệu lớn và nồng độ phát thải cao. Nhằm cải thiện các chỉ tiêu này, VEAM đã chuyển đổi sang buồng cháy thống nhất (phun trực tiếp vào buồng cháy trên đỉnh piston với áp suất trên 200 bar). Tuy nhiên, các sản phẩm sản xuất trong nước phần lớn vẫn dựa trên bản quyền chuyển giao công nghệ cũ (như của Kubota) và gia công theo mẫu sao chép, chưa được nghiên cứu tính toán và tối ưu hóa kết cấu buồng cháy một cách có hệ thống. Khoảng trống nghiên cứu được xác định là thiếu một quy trình tính toán, mô phỏng chuyên sâu kết hợp thực nghiệm nhằm xác định bộ thông số hình học tối ưu cho buồng cháy thống nhất trên đỉnh piston của động cơ diesel một xy lanh cỡ nhỏ sản xuất tại Việt Nam.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án được xác định rõ:

1. Hoàn thiện kết cấu buồng cháy thống nhất nhằm cải thiện tính năng kinh tế (giảm suất tiêu hao nhiên liệu, nâng cao công suất) và giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel một xy lanh do VEAM sản xuất.
2. Xây dựng quy trình tính toán, thiết kế mô phỏng nhiệt động học và động lực học dòng khí kết hợp kiểm chứng thực nghiệm đối chứng trên động cơ diesel cỡ nhỏ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel một xy lanh RV125-2 do Công ty TNHH MTV Động cơ và Máy Nông nghiệp Miền Nam (VIKYNO/SVEAM thuộc VEAM) sản xuất.
• Phạm vi không gian: Nghiên cứu tính toán mô phỏng và thực nghiệm được tiến hành tại Trung tâm nghiên cứu các Nguồn động lực và Phương tiện tự hành, Trường Cơ khí thuộc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
• Phạm vi thông số: Khảo sát các thông số hình học của buồng cháy đỉnh piston, các chế độ tải và tốc độ vòng quay (điển hình tại 1600 v/ph và 2200 v/ph), đánh giá diễn biến áp suất, nhiệt độ, trường vận tốc xoáy, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và các thành phần khí xả (CO, HC, NOx, PM).

Thông số kỹ thuật	Giá trị công bố của động cơ RV125-2
Kiểu động cơ	1 xy lanh nằm ngang, 4 thì, làm mát bằng nước
Đường kính x Hành trình piston ($D \times S$)	$94 \times 90\text{ mm}$
Dung tích công tác ($V_D$)	$624\text{ cc}$
Công suất tối đa	$12,5\text{ HP}\ (9,3\text{ kW}) / 2400\text{ v/ph}$
Suất tiêu hao nhiên liệu định mức	$185\text{ g/HP}\cdot\text{h}\ (246\text{ g/kWh})$
Tỉ số nén ($\varepsilon$)	$18:1$
Momen xoắn cực đại	$4,04\text{ kg}\cdot\text{m} / 1800\text{ v/ph}$
Kiểu buồng cháy	Buồng cháy thống nhất phun trực tiếp
Khối lượng khô	$105\text{ kg}$

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Tác giả đã tổng hợp các hướng nghiên cứu cải thiện tính năng làm việc của động cơ diesel thông qua nhóm giải pháp kết cấu và nhóm giải pháp nhiên liệu thay thế:

• Tối ưu hóa hình học buồng cháy đỉnh piston bằng CFD:
  • Saravanan Subramanian cùng cộng sự [16] đã sử dụng mô phỏng CFD 3D để so sánh 5 dạng buồng cháy đỉnh piston trên động cơ một xy lanh: buồng đốt bán cầu (HCC), buồng đốt bán cầu có rãnh tiếp tuyến (HCC SCOOP), buồng đốt hình xuyến (TCC SCOOP), buồng đốt dạng omega (SCC SCOOP) và buồng đốt bán cầu có rãnh xuyên tâm (HCC GROOVE). Kết quả chỉ ra hệ số xoáy rối giảm dần theo thứ tự: TCC SCOOP > SCC SCOOP > HCC SCOOP > HCC GROOVE > HCC.
  • Arturo de Risi, Teresa Donateo và Domenico Laforgia (2003) [13] tối ưu hóa buồng cháy động cơ diesel phun trực tiếp bằng phần mềm KIVA-3V qua việc điều chỉnh các thông số kích thước ($x_E, \alpha, \beta, r, E_m, \theta$), chứng minh rằng buồng cháy hẹp và sâu giúp giảm phát thải NOx, trong khi bán kính miệng buồng cháy lớn giúp giảm phát thải bồ hóng.
  • R. Ravikrishna cùng cộng sự (2011) [17] phân tích trường vận tốc và động năng rối (TKE) tại mặt phẳng trung tâm xy lanh ở điểm chết trên (ĐCT), khẳng định tác động tích cực của xoáy lốc cảm ứng từ kết cấu đỉnh piston tới tốc độ hòa trộn.
  • Sungwook Park (2012) [18] khảo sát 5 biến hình học buồng cháy trên động cơ diesel và động cơ sử dụng DME, đưa ra 6 cấu hình chuyển đổi giúp giảm phát thải bồ hóng, NOx, CO, HC mà không làm suy giảm suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị (ISFC).
  • N. Keerthi Kumar cùng cộng sự [19] đánh giá 4 biên dạng buồng đốt (TRCC, LSCC, DSCC, LDSCC) khi sử dụng dầu Simarouba Oil Methyl Ester (SuOME), ghi nhận buồng cháy xoáy kép bên (LDSCC) giảm phát thải CO 7,69% và giảm HC so với buồng xoáy bên (LSCC).
  • F. Payri cùng cộng sự (2004) [20] khảo sát 5 biên dạng buồng cháy và phát hiện sự tương tác giữa xoáy ngang và xoáy dọc tạo ra hai xoáy xuyến đối xứng ở buồng đốt hình trụ có góc lượn đáy.
  • Pavlos Dimitriou cùng cộng sự [21] nghiên cứu 4 thông số ($D_a, D_i, R_4, T$), kết luận buồng cháy có đường kính lớn và độ sâu nông làm giảm lưu lượng xoáy, trong khi tăng bán kính góc lượn miệng buồng cháy làm tăng chất lượng hòa trộn khí - nhiên liệu.
• Nghiên cứu hệ thống nhiên liệu và đường nạp: Jan Monieta và Lech Kasyk (2021) [5] nghiên cứu thông số hình học lỗ phun; Yu Shi cùng cộng sự [12] xác định ba thông số then chốt (độ sâu, đường kính đáy và đường kính miệng buồng cháy); Võ Danh Toàn và Huỳnh Thành Công (2015) [8] cải tiến họng nạp trên động cơ RV165-2; Shojaeefard cùng cộng sự [9], Yungjin Kim cùng cộng sự [10] khảo sát cấu trúc đường nạp xoắn ốc tạo dòng xoáy.
• Nghiên cứu nhiên liệu thay thế: Tổng kết từ 73 tài liệu tham khảo của tác giả [15] về diesel sinh học cho thấy 70,4% công trình ghi nhận giảm công suất, 87,1% giảm tính kinh tế (tăng tiêu hao nhiên liệu), 87,7% giảm PM, 84,4% giảm CO, 89,5% giảm HC, nhưng có tới 65,2% công trình ghi nhận phát thải NOx tăng.

Các nghiên cứu tại Việt Nam và vị trí của luận án

Tại Việt Nam, các nghiên cứu tập trung vào việc nội địa hóa và hoàn thiện động cơ nông nghiệp:

• Năm 2010, Công ty TNHH MTV Động cơ và Máy Nông nghiệp Miền Nam thực hiện dự án hoàn thiện thiết kế và công nghệ chế tạo động cơ RV165-2 quy mô 2000 động cơ/năm [26].
• Năm 2015, Nguyễn Lê Duy Khải và Nguyễn Đắc Khánh Hưng [14] dùng phần mềm KIVA-3V mô phỏng buồng cháy động cơ Vikyno RV125-2 với 4 trường hợp (buồng cháy ban đầu có độ sâu 0,791 cm, đường kính đáy 1,174 cm, đường kính miệng 3,98 cm, tỉ số nén 16,33; tăng độ sâu 32%; tăng đường kính đáy 26%; tăng đường kính miệng 18%). Kết quả cho thấy phương án tăng đường kính miệng buồng cháy giúp công suất tăng 6,22%, NOx giảm 0,85%, nhưng bồ hóng tăng 45,83% và chưa chỉ ra giới hạn kích thước mở rộng cũng như suất tiêu hao nhiên liệu thực tế.

Vị trí của luận án: Kế thừa các kết luận về ảnh hưởng của hình học buồng cháy từ các nghiên cứu đi trước, luận án của NCS. Phạm Văn Giang đi sâu vào việc xây dựng quy trình tích hợp ba công cụ phần mềm mô phỏng (AVL Boost, AVL Hydsim, Ansys ICE) để tính toán toàn diện từ thủy lực phun, nhiệt động học chu trình đến dòng chảy CFD 3D quá trình cháy và phát thải, sau đó trực tiếp chế tạo mẫu piston cải tiến trên máy phay CNC và thử nghiệm đối chứng trên băng thử động lực học tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Luận án vận dụng lý thuyết hình thành hòa khí và quá trình cháy trong động cơ diesel phun trực tiếp, chia quá trình thành các giai đoạn: cháy trễ, cháy nhanh (cháy hòa trộn trước), cháy chính (cháy khuếch tán) và cháy rớt.

• Phương trình bảo toàn năng lượng và khối lượng trong xy lanh: $$\frac{d(m_c u)}{d\alpha} = \frac{dQ_F}{d\alpha} - \frac{dQ_W}{d\alpha} - p_c \frac{dV}{d\alpha} + h_{vi} \frac{dm_i}{d\alpha} - h_{ve} \frac{dm_e}{d\alpha} - h_{BB} \frac{dm_{BB}}{d\alpha}$$ Trong đó: $m_c$ là khối lượng môi chất; $u$ là nội năng; $\alpha$ là góc quay trục khuỷu; $Q_F$ là nhiệt lượng do nhiên liệu cấp; $Q_W$ là tổn thất nhiệt truyền qua vách; $p_c$ là áp suất trong xy lanh; $V$ là thể tích công tác; $h_{vi}, h_{ve}, h_{BB}$ là enthalpy của dòng khí nạp vào, xả ra và lọt khí.
• Mô hình tia phun và phân rã giọt nhiên liệu: Sử dụng mô hình Kelvin-Helmholtz kết hợp Rayleigh-Taylor (KH-RT) để mô tả quá trình phân rã sơ cấp và thứ cấp của tia nhiên liệu phun vào môi trường khí nén có mật độ cao, tính toán tốc độ bốc hơi giọt lỏng và sự cuốn không khí vào tia phun.
• Mô hình cháy và hình thành phát thải: Tác giả sử dụng các phương trình bảo toàn động lượng Navier-Stokes cho dòng chảy rối đa pha, mô hình rối $k$-$\varepsilon$ hoặc Reynolds Stress Model (RSM), mô hình động học hóa học tính toán sự hình thành ô-xít nitơ (NOx theo cơ chế Zeldovich nhiệt) và bồ hóng/hạt phát thải (PM) dựa trên cân bằng tạo thành và ô-xy hóa muội than.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ phần mềm

Luận án kết hợp phương pháp mô phỏng số chuyên ngành với phương pháp thực nghiệm kiểm chứng:

1. Phần mềm AVL Boost: Thiết lập mô hình chu trình nhiệt động một chiều (1D) của động cơ, tính toán các thông số chỉ thị, áp suất cháy cực đại ($p_{z\max}$), nhiệt độ môi chất và hiệu suất nhiệt theo góc quay trục khuỷu.
2. Phần mềm AVL Hydsim: Thiết lập mô hình thủy lực của hệ thống nhiên liệu cơ khí (bơm cao áp, ống dẫn cao áp, vòi phun), mô phỏng quy luật nâng kim phun và tốc độ cấp nhiên liệu theo thời gian ($dm_f/dt$) để làm dữ liệu đầu vào cho mô hình cháy 3D.
3. Phần mềm Ansys ICE (Fluent CFD): Thiết lập mô hình lưới động (dynamic mesh) 3D cho không gian buồng cháy và đường nạp. Phân tích quá trình nạp khí, tính toán hệ số nạp ($\eta_v$), cấu trúc xoáy lốc ngang ($R_T$), xoáy lốc dọc ($R_S$), động năng rối và mô phỏng 3D quá trình cháy để trích xuất nồng độ các chất phát thải (CO, PM, NOx).

Hệ thống thiết bị thực nghiệm và nguồn dữ liệu

Nghiên cứu thực nghiệm thu thập dữ liệu sơ cấp trực tiếp từ hệ thống thiết bị đo tại phòng thí nghiệm:

• Băng thử tải: Băng thử dòng điện xoáy DW16 (Eddy Current Dynamometer) điều khiển và đo tải trọng, tốc độ động cơ.
• Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu: Cân đo nhiên liệu tự động AVL Fuel Balance 733S đo lưu lượng tiêu thụ nhiên liệu theo chu trình thời gian thực.
• Cảm biến áp suất buồng cháy: Cảm biến áp điện AVL QC33C lắp trực tiếp trên nắp máy thông qua lỗ gia công chuyên dụng, kết hợp bộ khuếch đại điện thế và thiết bị thu thập dữ liệu áp suất chỉ thị theo góc quay trục khuỷu.
• Thiết bị phân tích khí thải: Thiết bị Horiba Mexa 584L phân tích nồng độ khí xả CO, HC, NOx và thiết bị đo độ khói/PM.
• Mẫu thử nghiệm: Piston nguyên bản của động cơ RV125-2 và các mẫu piston cải tiến được gia công chính xác bằng máy phay CNC. Nhiên liệu thử nghiệm là dầu diesel thương mại tiêu chuẩn lưu hành tại Việt Nam.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương này trình bày bức tranh tổng thể về vai trò của động cơ diesel trong nông nghiệp thế giới (Hoa Kỳ, Châu Âu, Úc) và Việt Nam. Tác giả phân tích thực trạng cơ giới hóa nông nghiệp trong nước, sự áp đảo của động cơ Trung Quốc giá rẻ và nhu cầu cấp thiết nâng cao chất lượng động cơ nội địa của VEAM.

Nội dung chương phân loại chi tiết các dạng buồng cháy động cơ diesel:

• Buồng cháy ngăn cách: gồm buồng cháy xoáy lốc và buồng cháy dự bị. Ưu điểm là làm việc êm ($\Delta p/\Delta \varphi$ nhỏ), vòi phun 1 lỗ áp suất thấp ít tắc kẹt; nhược điểm là suất tiêu hao nhiên liệu cao ($g_e = 240\text{--}265\text{ g/kWh}$), khó khởi động lạnh, tổn thất nhiệt qua thành vách lớn.
• Buồng cháy thống nhất: gồm buồng cháy hòa khí thể tích, thể tích - màng và màng. Động cơ buồng cháy thống nhất có tổn thất nhiệt nhỏ, suất tiêu hao nhiên liệu thấp (dưới $200\text{ g/kWh}$ trên động cơ lớn), dễ khởi động; tuy nhiên đòi hỏi hệ thống phun áp suất cao, vòi phun nhiều lỗ nhỏ và dễ sinh NOx, HC trên động cơ cỡ nhỏ.

Chương 1 cũng tổng thuật chi tiết các công trình nghiên cứu tối ưu hóa buồng cháy trên thế giới và tại Việt Nam, qua đó xác lập phương án nghiên cứu: lựa chọn động cơ RV125-2 làm đối tượng, áp dụng quy trình kết hợp mô phỏng ba công cụ (AVL Boost, AVL Hydsim, Ansys ICE) và thực nghiệm chế tạo piston mới.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và phần mềm tính toán

Chương 2 xây dựng hệ thống cơ sở lý thuyết nhiệt động học, khí động học và hệ thống phương trình tính toán cho dòng chảy môi chất trong xy lanh động cơ diesel:

• Trình bày cơ chế hình thành hỗn hợp, cơ chế phân rã tia phun hình nón của động cơ diesel, hiện tượng cuốn khí khi có và không có dòng xoáy lốc.
• Phân tích ảnh hưởng của các thông số vận hành (áp suất phun, góc phun sớm, lượng phun mồi, tỉ số nén) và các thông số hình học (kết cấu đường nạp xoắn ốc, đường nạp tiếp tuyến, độ sâu buồng cháy, đường kính miệng, đường kính đáy buồng cháy).
• Thiết lập hệ thống phương trình toán học nền tảng: phương trình bảo toàn khối lượng, phương trình bảo toàn động lượng Navier-Stokes, phương trình bảo toàn năng lượng dòng chảy, mô hình truyền nhiệt qua vách buồng cháy.
• Trình bày cơ sở lý thuyết và thuật toán giải số của phần mềm AVL Boost (mô hình 1D buồng cháy và chu trình công tác), AVL Hydsim (mô hình thủy động lực học hệ thống phun nhiên liệu cao áp) và Ansys ICE (mô hình CFD 3D lưới động, mô hình rối, mô hình bốc hơi tia phun giọt lỏng và động học cháy hóa học).
• Đề xuất quy trình các bước thực hiện tính toán cải tiến kết cấu buồng cháy thống nhất từ khâu khảo sát hình học nguyên bản, mô phỏng thủy lực phun, mô phỏng nạp - cháy 3D đến lựa chọn phương án tối ưu.

Khảo sát hình học piston nguyên bản
Mô phỏng thủy lực hệ thống nhiên liệu (AVL Hydsim)
Mô phỏng chu trình nhiệt động (AVL Boost)
Mô phỏng dòng khí nạp và quá trình cháy 3D (Ansys ICE)
Lựa chọn biên dạng buồng cháy tối ưu
Chế tạo piston CNC và thử nghiệm đối chứng trên băng thử

Chương 3: Tính toán mô phỏng

Chương 3 tập trung thực hiện các nội dung mô phỏng số lượng lớn các trường hợp kết cấu:

1. Đánh giá piston nguyên bản và xây dựng các phương án cải tiến: Khảo sát các kích thước cơ bản của piston động cơ RV125-2 và đề xuất 5 trường hợp (TH) thay đổi biên dạng hình học đỉnh piston (điều chỉnh độ sâu $h$, đường kính miệng $D_k$, đường kính đáy và bán kính lượn góc) đảm bảo giữ nguyên thể tích buồng cháy và tỉ số nén $\varepsilon = 18:1$.
2. Mô phỏng chu trình công tác bằng AVL Boost: Xây dựng mô hình nhiệt động của động cơ, tính toán diễn biến nhiệt độ và áp suất cháy theo góc quay trục khuỷu cho các phương án buồng cháy ở các chế độ tải và tốc độ khác nhau.
3. Mô phỏng quy luật phun bằng AVL Hydsim: Xác định quy luật chuyển vị nâng kim phun, diễn biến áp suất tại đầu vòi phun và lưu lượng nhiên liệu cấp thực tế theo góc quay trục khuỷu của động cơ RV125-2, cung cấp đường đặc tính phun chính xác cho Ansys ICE.
4. Mô phỏng quá trình nạp và cháy bằng Ansys ICE:
   • Mô phỏng quá trình nạp khí với các biên dạng đường nạp khác nhau (đường nạp nguyên bản, họng nạp cải tiến hình cầu), xác định trường phân bố vận tốc, áp suất và hệ số nạp $\eta_v$ tại tốc độ 2200 v/ph ở 100% tải.
   • Chia lưới không gian buồng cháy (Ansys Meshing), mô phỏng trường dòng chảy tại ĐCT, xác định vector vận tốc dòng khí, hệ số xoáy lốc ngang ($R_T$) và hệ số xoáy lốc dọc ($R_S$) ứng với 5 trường hợp biên dạng piston.
   • Mô phỏng quá trình phun sương, bốc hơi, tự bốc cháy và diễn biến áp suất, nhiệt độ trong xy lanh theo góc quay trục khuỷu.
   • Đánh giá sự hình thành các chất phát thải CO, PM và NOx theo đường đặc tính ngoài và đặc tính tải giữa 5 phương án kết cấu buồng cháy đỉnh piston, từ đó chọn ra phương án biên dạng tối ưu có khả năng tăng cường độ xoáy rối, giảm tiêu hao nhiên liệu và hạ thấp phát thải.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4 kiểm chứng kết quả tính toán mô phỏng thông qua đo đạc thực tế:

1. Thiết kế và chế tạo: Chế tạo mẫu piston mang kết cấu buồng cháy tối ưu đã chọn từ Chương 3 bằng vật liệu hợp kim nhôm chuyên dụng trên máy phay CNC tại xưởng cơ khí chính xác.
2. Lắp đặt hệ thống thực nghiệm: Lắp ráp động cơ RV125-2 nguyên bản và động cơ lắp piston cải tiến lên băng thử tải dòng điện xoáy DW16; khoan nắp máy lắp cảm biến áp suất AVL QC33C; kết nối cân tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Balance 733S và đầu lấy mẫu phân tích khí thải Horiba Mexa 584L.
3. Đo đạc và đánh giá kết quả:
   • Thử nghiệm so sánh tính năng công tác tại hai chế độ tốc độ chính là 1600 v/ph và 2200 v/ph ứng với các mức tải từ không tải đến 100% tải, cũng như thử nghiệm theo đường đặc tính ngoài.
   • So sánh các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật: công suất có ích ($N_e$), suất tiêu hao nhiên liệu có ích ($g_e$), áp suất buồng cháy theo góc quay trục khuỷu ($p_c - \alpha$).
   • So sánh nồng độ phát thải độc hại: khí CO, hydrocacbon chưa cháy (HC), ô-xít nitơ (NOx) và phát thải dạng hạt (PM) giữa động cơ nguyên bản và động cơ cải tiến.
   • So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng (về đường công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và đường chỉ thị áp suất xy lanh), đánh giá sai số và khẳng định độ tin cậy của mô hình tính toán mô phỏng.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

Theo nội dung công bố trong luận án, các kết quả khoa học và thực tiễn mới bao gồm:

1. Đóng góp về phương pháp luận và quy trình tính toán: Xây dựng hoàn chỉnh quy trình tính toán thiết kế và hoàn thiện buồng cháy thống nhất cho động cơ diesel một xy lanh cỡ nhỏ thông qua chuỗi liên kết mô phỏng chuyên dụng: xác định quy luật cấp nhiên liệu thực tế từ AVL Hydsim $\rightarrow$ mô phỏng chu trình công tác nhiệt động 1D từ AVL Boost $\rightarrow$ mô phỏng động lực học dòng khí, quá trình cháy và phát thải 3D từ Ansys ICE.
2. Đóng góp về mặt kết cấu: Xác định được bộ thông số hình học tối ưu cho buồng cháy thống nhất đỉnh piston của động cơ diesel RV125-2 sản xuất trong nước, tạo ra sự phân bố xoáy lốc ngang và xoáy lốc dọc hợp lý, nâng cao động năng rối tại thời điểm phun nhiên liệu sát ĐCT.
3. Đóng góp về mặt thực nghiệm và ứng dụng: Chế tạo thành công mẫu piston cải tiến trên máy gia công CNC và thực nghiệm thành công trên động cơ thực tế. Kết quả thực nghiệm chứng minh động cơ sau cải tiến đạt được sự cải thiện rõ rệt về công suất, giảm suất tiêu hao nhiên liệu và giảm nồng độ các chất phát thải độc hại (CO, HC, PM, NOx) so với động cơ nguyên bản.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

• Đề xuất áp dụng quy trình mô phỏng và bộ thông số kết cấu buồng cháy tối ưu vào quy trình thiết kế, chế tạo hàng loạt tại Tổng công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam (VEAM) nhằm nâng cao chất lượng kỹ thuật của dòng động cơ diesel nông nghiệp RV125-2.
• Kiến nghị tiếp tục sử dụng quy trình tính toán này để chuẩn hóa việc cải tiến kết cấu buồng cháy cho các dòng động cơ diesel một xy lanh khác của VEAM như RV145-2, RV165-2, RV195.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

• Nghiên cứu tập trung thực nghiệm trên một đối tượng cụ thể là động cơ diesel một xy lanh RV125-2 có công suất 12,5 HP làm mát bằng nước; chưa mở rộng thử nghiệm trên các dải công suất khác nhau hoặc động cơ làm mát bằng gió.
• Nghiên cứu giới hạn ở việc cải tiến hình học buồng cháy đỉnh piston và khảo sát đường nạp, trong khi các thông số của hệ thống phun cao áp cơ khí (kết cấu kim phun, góc phun sớm) chủ yếu giữ theo thiết kế sẵn có của nhà sản xuất mà chưa khảo sát kết hợp chuyển đổi sang hệ thống phun điện tử Common Rail.

Hướng phát triển tiếp theo

• Mở rộng áp dụng quy trình tính toán thiết kế buồng cháy thống nhất cho các dòng động cơ diesel cỡ nhỏ khác có dải công suất từ 6 HP đến 30 HP phục vụ cơ giới hóa nông nghiệp.
• Nghiên cứu kết hợp tối ưu hóa đồng thời kết cấu buồng cháy thống nhất với việc điều chỉnh tối ưu các thông số hệ thống nhiên liệu (góc phun sớm, áp suất mở kim phun, số lỗ và hướng tia phun).
• Thử nghiệm đánh giá độ bền lâu, độ mài mòn của piston cải tiến và đánh giá tính tương thích của buồng cháy mới khi sử dụng các loại nhiên liệu sinh học (biodiesel B5, B10, B20) sản xuất tại Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn trong lĩnh vực Kỹ thuật Cơ khí Động lực và Động cơ đốt trong:

• Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Cung cấp tài liệu tham khảo về phương pháp kết hợp các phần mềm mô phỏng chuyên sâu (AVL Boost, AVL Hydsim, Ansys ICE) trong việc nghiên cứu quá trình nạp, phun nhiên liệu, tạo hòa khí và cháy trong động cơ đốt trong; phương pháp bố trí cảm biến áp điện AVL QC33C trên nắp máy để đo áp suất chỉ thị buồng cháy.
• Đối với các kỹ sư thiết kế và doanh nghiệp chế tạo máy nông nghiệp: Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm, bản vẽ kết cấu buồng cháy tối ưu và quy trình gia công CNC piston buồng cháy thống nhất, phục vụ trực tiếp cho công tác nghiên cứu phát triển sản phẩm động cơ diesel cỡ nhỏ tại VEAM và các đơn vị sản xuất máy động lực trong nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lại lựa chọn động cơ RV125-2 làm đối tượng nghiên cứu?

Động cơ RV125-2 (công suất 12,5 HP) do VEAM sản xuất là dòng động cơ diesel 1 xy lanh cỡ nhỏ chủ đạo đang được sử dụng rộng rãi trên các máy nông nghiệp tại Việt Nam. Mặc dù động cơ đã được chuyển đổi sang buồng cháy thống nhất, nhưng kết cấu buồng cháy đỉnh piston chưa được tối ưu hóa theo quy trình khoa học, dẫn đến hiệu suất nhiệt và mức độ phát thải chưa cạnh tranh được với các sản phẩm nhập khẩu từ Nhật Bản hoặc Thái Lan.

2. Ba phần mềm mô phỏng được tác giả sử dụng có vai trò cụ thể như thế nào trong quy trình nghiên cứu?

• AVL Hydsim: Mô phỏng hệ thống thủy lực cung cấp nhiên liệu để xác định độ nâng kim phun và tốc độ lưu lượng cấp nhiên liệu thực tế theo góc quay trục khuỷu.
• AVL Boost: Mô phỏng chu trình nhiệt động một chiều (1D) bên trong xy lanh, xác định áp suất chỉ thị, nhiệt độ môi chất và hiệu suất nhiệt.
• Ansys ICE (Ansys Fluent CFD): Mô phỏng động lực học chất lưu 3D quá trình nạp và quá trình cháy, tính toán trường xoáy lốc ngang/dọc, động năng rối và nồng độ phát thải CO, NOx, PM trong buồng cháy.

3. Theo các nghiên cứu tổng thuật trong luận án, ba thông số hình học nào của buồng cháy đỉnh piston có ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình cháy?

Theo công trình của Yu Shi cùng cộng sự [12] và các nghiên cứu được tổng quan trong luận án, ba thông số hình học quyết định là: độ sâu buồng cháy (pip-height), đường kính đáy buồng cháy (bottom bowl diameter) và đường kính miệng buồng cháy (bowl diameter). Sự kết hợp hợp lý của ba thông số này chi phối cường độ xoáy lốc của không khí và hạn chế lượng nhiên liệu bám thành buồng cháy.

4. Hệ thống thiết bị thực nghiệm chính được sử dụng để kiểm chứng mô hình gồm những gì?

Hệ thống thực nghiệm tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội gồm: băng thử tải dòng điện xoáy DW16, cân đo tiêu hao nhiên liệu tự động AVL Fuel Balance 733S, cảm biến đo áp suất trong xy lanh AVL QC33C lắp trên nắp máy, và thiết bị phân tích khí thải Horiba Mexa 584L.

Kết luận

Luận án "Nghiên cứu hoàn thiện buồng cháy thống nhất cho động cơ diesel cỡ nhỏ" của NCS. Phạm Văn Giang đã giải quyết bài toán cấp thiết trong nâng cao chất lượng động cơ diesel nông nghiệp sản xuất tại Việt Nam. Bằng phương pháp kết hợp mô phỏng thủy lực - nhiệt động - CFD 3D (AVL Hydsim, AVL Boost, Ansys ICE) và thực nghiệm kiểm chứng trên băng thử DW16, tác giả đã xác lập quy trình tính toán khoa học và lựa chọn kết cấu buồng cháy tối ưu cho động cơ RV125-2. Kết quả của luận án góp phần nâng cao tính năng kinh tế, kỹ thuật, giảm phát thải cho động cơ diesel nội địa và cung cấp cơ sở dữ liệu có giá trị cho ngành cơ khí động lực trong nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề đối với các nhà sản xuất về việc nâng cao chất lượng sản phẩm, chuyển đổi dây chuyền, đẩy mạnh sản xuất hàng loạt để giảm giá thành sản phẩm, tăng sự cạnh tranh cho những sản phẩm trong nước và đưa sản phẩm trong nước ra thị trường quốc tế. Động cơ diesel sử dụng trong nông nghiệp tại Việt Nam Sau hơn 30 năm đổi mới, nông nghiệp nước ta đã có bước tiến đáng kể, đưa Việt Nam trở thành một trong những nước xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới cùng với nhiều mặt hàng có kim ngạch xuất khẩu hàng tỷ USD. Tuy vậy, quá trình cơ giới hóa sản xuất nông nghiệp diễn ra còn khá chậm, lực lượng lao động trong nông nghiệp còn nhiều, năng suất lao động thấp và gây lãng phí, thất thoát trong các khâu chế biến, thu hoạch, bảo quản. Do đó, làn sóng cách mạng công nghiệp lần thứ tư (CMCN 4.0) đang là cơ hội để ngành nông nghiệp Việt Nam phát triển mạnh mẽ theo một hướng mới.

Tại Việt Nam, dân số sống bằng nghề nông chiếm 70% dân số cả nước, 57% lực lượng lao động xã hội làm việc trong ngành nông nghiệp nhưng chỉ tạo ra chưa đầy 20% GDP. Điều này dẫn đến chênh lệch thu nhập giữa nông dân và thị dân ngày càng cao. Do vậy, trong quá trình công nghiệp hóa, đô thị hóa và hội nhập kinh tế quốc tế, sản phẩm cơ khí phục vụ nông nghiệp tại Việt Nam đã được quan tâm hơn, với đa dạng các chủng loại sản phẩm gồm: động cơ đốt trong đến 30 mã lực, máy làm đất (máy cày 4 và 2 bánh), máy thu hoạch (gặt đập liên hợp, gặt lúa xếp dãy, máy tuốt lúa), máy bơm nước, máy phun thuốc sâu, máy bảo quản và chế biến (xay xát lúa gạo, máy sấy)[1]. Hiện nay, thị trường động cơ diesel nhỏ (dưới 30 mã lực), máy kéo và máy nông nghiệp có thể phân thành 3 mảng chính: Sản phẩm nội địa, sản phẩm Trung Quốc, sản phẩm là các loại máy cũ nhập khẩu từ Nhật, Hàn Quốc.

Sản phẩm nội địa chủ yếu do các đơn vị của Tổng công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam (VEAM) sản xuất và lắp ráp có tính chất công nghiệp, có kiểm định. Sản phẩm Trung Quốc gồm hai dòng chính, nhập khẩu từ các nhà sản xuất chính thống và nhập khẩu biên mậu từ các nhà sản Hình 1.1 Cơ giới hoá nông nghiệp xuất tư nhân chủ yếu là các máy nhái, máy giả ở Việt Nam nhãn hiệu của các nhà sản xuất chính thống. Ngoài ra, có một số doanh nghiệp trong nước lắp ráp máy nông nghiệp, động cơ Trung Quốc dưới hình thức nhập linh kiện về để lắp ráp. Xét về vị trí cạnh tranh giữa các đơn vị sản xuất máy động lực và máy nông nghiệp trong nước có tính chất công nghiệp (tức là có chi tiết nội địa hoá trên 60%) thì VEAM là đơn vị đứng đầu.

Tuy nhiên hiện nay, thị phần động cơ nông nghiệp của các doanh nghiệp trong nước mới chiếm khoảng 30% (trong đó VEAM chiếm 25%). 7 Một tỷ trọng lớn, chiếm 60% số máy móc phục vụ nông nghiệp có nguồn gốc từ Trung Quốc, còn lại là Nhật Bản và Hàn Quốc. So sánh cùng chủng loại, máy sản xuất trong nước đắt hơn máy của Trung Quốc từ 15-20%. Các máy móc nông nghiệp nhập khẩu này có các tính năng về kinh tế, kỹ thuật và phát thải không được kiểm soát bởi các tiêu chuẩn, quy định cũng như không chịu sự quản lý của các cơ quan chức năng.

Phần lớn số lượng động cơ này là động cơ diesel đã qua sử dụng có xuất xứ từ nước ngoài mà chủ yếu là từ Trung Quốc. Điều này dẫn đến việc các động cơ này có mức phát thải lớn, gây ô nhiễm môi trường đặc biệt là khi số lượng động cơ này đang tăng lên nhanh chóng và nhiều động cơ còn chưa được kiểm tra bảo dưỡng định kì. Bên cạnh đó, các sản phẩm sản xuất trong nước còn thiếu sự đa dạng về chủng loại, giá thành so với các sản phẩm nhập khẩu lại không hề có sự cạnh tranh. Mặt khác, dây chuyền sản xuất trong nước đã lạc hậu về mặt công nghệ, công nghệ chế tạo chủ yếu là được chuyển giao từ nước ngoài trong khi công nghệ trong nước chưa thể theo kịp nên đã làm hạn chế khả năng cạnh tranh của sản phẩm máy nông nghiệp sản xuất trong so với các sản phẩm nhập khẩu từ nước ngoài dù đây là thị trường khá giàu tiềm năng.

Nhằm duy trì và gia tăng thị phần trong nước với nhiều tiềm năng phát triển cũng như từng bước vươn ra thị trường thế giới, Tổng công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam đã và đang thực hiện hàng loạt các dự án nâng cao năng lực sản xuất; phối hợp với các nhà khoa học tại các trường Đại học thực hiện các nghiên cứu phát triển nhằm từng bước cải thiện các tính năng kinh tế, kỹ thuật của các mẫu động cơ hiện có. Hiện tại, VEAM cũng đang hướng Hình 1.2 Động cơ máy nông nghiệp cũ gây ô đến việc nghiên cứu, đưa ra các phương nhiễm môi trường án hoàn thiện buồng cháy thống nhất – hiên đang được sử dụng rộng rãi trên động cơ máy nông nghiệp với nhiều ưu điểm so với loại buồng ngăn cách được sử dùng trước đó để áp dụng vào sản xuất hàng loạt trên các động cơ mới. Các giải pháp công nghệ cải thiện tính năng kinh tế, kĩ thuật của động cơ diesel 1. Nhóm giải pháp về kết cấu a.

Thay đổi kết cấu vòi phun Các thông số về công suất, hiệu suất của động cơ diesel và các chỉ số về đặc tính khí thải của động cơ phần lớn được xác định bởi sự hoàn thiện của quá trình phun nhiên liệu và quá trình hình thành hỗn hợp. Đổi lại, bản chất của việc tiến hành các quá trình này phần lớn phụ thuộc vào thiết kế của hệ thống phun nhiên liệu. Một yếu tố cần thiết cho hệ thống phun nhiên liệu là vòi phun, nó hình thành nên các đặc tính của quá trình phun và phun nhiên liệu. Thiết kế của vòi phun quyết định các đặc điểm hình học, cấu trúc và độ mịn của các tia nhiên liệu và nhiều thông số khác của quá trình phun nhiên liệu.

Việc tối ưu hóa các thông số và đặc tính định mức ở mỗi chế độ vận hành là cần thiết để tạo ra thiết bị cung cấp nhiên liệu cho động cơ diesel. 8 Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng quá trình hình thành hỗn hợp là tối ưu nếu hỗn hợp oxy với nhiên liệu là đồng nhất tại tất cả các vùng. Điều kiện này được đảm bảo trong trường hợp tất cả các tia nhiên liệu tiếp cận thành buồng đốt cùng lúc hoặc có độ trễ nhỏ. Trong vòi phun nhiên liệu thông thường, sau khi kim phun đóng, kết thúc phun luôn tồn tại một thể tích đáng kể phía sau bề mặt làm việc và chứa đầy nhiên liệu.

Thể tích này gọi là thể tích chết. Trong quá trình giãn nở, nhiên liệu từ thể tích chết sẽ bay hơi vào buồng cháy góp phần làm cho thành phần HC trong khí thải tăng lên.3 Vòi phun thông thường và sử dụng vòi phun có thể tích chết nhỏ sẽ giảm vòi phun có thể tích chết nhỏ được thành phần độc hại HC. Vào năm 2021, Jan Monieta và Lech Kasyk đã có những nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số hình học của vòi phun đến chất lượng hình thành hòa khí ở động cơ diesel. Nghiên cứu chỉ ra rằng các thông số hình học như đường kính lỗ phun, độ nhám bề mặt lỗ phun có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng làm việc của chi tiết, độ tin cậy, tính kinh tế nhiên liệu của toàn bộ hệ thống nhiên liệu [5].

Lựa chọn góc phun sớm thích hợp Khi tăng góc phun sớm, quá trình cháy bắt đầu và kết thúc sớm hơn (lượng nhiên liệu không đổi) vì thế nhiệt độ khí xả giảm, đồng thời áp suất cháy cực đại tăng lên, tăng tốc độ, tăng áp suất, công nén tăng lên, công giãn nở giảm làm tăng nhiệt độ các chi tiết nhóm piston và xy lanh, tăng nhiệt độ truyền cho nước làm mát. Nếu giảm góc phun sớm, mặc dù thời gian cháy trễ tăng lên nhưng áp suất cháy cực đại vẫn giảm do Hình 1.4 Ảnh hưởng của góc phun sớm đến đặc giai đoạn bắt đầu cháy diễn ra khi tính động cơ [6] thể tích làm việc của xy lanh tăng lên, sự thay đổi áp suất theo góc quay trục khuỷu giảm, suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị tăng, nhiệt độ khí xả tăng, ứng suất nhiệt tăng.4 cho thấy ảnh hưởng của thời điểm phun đến các chỉ tiêu công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ D243 theo tốc độ vòng quay. Đồ thị thể hiện ảnh hưởng lớn của thời điểm phun tới các thông số Ne (kW) và ge (g/kWh). Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng: Nếu góc phun sớm tăng lên 18 độ trước điểm chết trên, Ne tăng và ge giảm.

Nếu tăng góc phun sớm tới 25 độ hoặc giảm tới 15 độ, Ne lại gây ảnh hưởng xấu đến quá trình hình thành hỗn hợp và cháy. Do vậy làm giảm công suất và tăng tiêu hao nhiên liệu [6]. Thay đổi áp suất phun Thông số áp suất phun và áp suất trong xy lanh tại thời điểm phun nhiên liệu quyết định đến cấu trúc tia phun, qua đó ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hình thành hỗn hợp cháy và cháy nhiên liệu dẫn đến thay đổi các chỉ tiêu công tác của động cơ diesel.5 thể hiện ảnh hưởng của áp suất phun đến các chỉ tiêu Ne, ge của động cơ D243 theo tốc độ vòng quay [6].5 Ảnh hưởng của áp suất phun đến đặc tính Kết quả cho thấy, ở các chế động cơ [6] độ tốc độ khác nhau, khi tăng áp suất phun từ 15 MPa đến 22 MPa đã làm công suất tăng và tiêu hao nhiên liệu giảm theo, sau đó áp xuất phun tiếp tục tăng từ 22 MPa đến 25 MPa lại làm công suất giảm và tiêu hao nhiên liệu tăng. Khi áp suất phun bằng 22 MPa thì công suất đạt cực đại và tiêu hao nhiên liệu đạt cực tiểu, kết quả này cho ta thấy ở chế độ toàn tải với áp suất phun bằng 22 MPa là hợp lý nhất ở các chế độ tốc độ.

Thay đổi lượng phun mồi Trên cơ sở cải thiện quá trình cháy bằng biện pháp phun mồi nhằm cải thiện quá trình hình thành hỗn hợp đã giảm khá tốt hiện tượng gây ồn của động cơ diesel. Kết quả thể hiện trên Hình 1.