Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam, với nền kinh tế lớn thứ 6 Đông Nam Á và thứ 59 thế giới, có ngành nông nghiệp chiếm tới 20,29% GDP, đóng vai trò mũi nhọn trong phát triển kinh tế quốc gia. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của cơ giới hóa nông nghiệp, nhu cầu về nguồn động lực phục vụ sản xuất, đặc biệt là động cơ đốt trong công suất nhỏ, ngày càng tăng cao. Động cơ diesel 3 xy lanh với công suất từ 20 đến 50 HP được sử dụng phổ biến trong các hoạt động sản xuất nông thôn, chiếm khoảng 40% thị phần động cơ nhiều xy lanh từ 20 đến trên 90 HP. Tuy nhiên, nguồn động cơ hiện nay chủ yếu nhập khẩu, chưa đáp ứng đủ về số lượng và chất lượng, đặt ra yêu cầu cấp thiết về nghiên cứu, thiết kế động cơ nội địa phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Song song với đó, vấn đề năng lượng và môi trường ngày càng trở nên cấp bách. Việt Nam nhập khẩu khoảng 1,5 triệu tấn nhiên liệu mỗi tháng, phụ thuộc lớn vào nhiên liệu hóa thạch không tái tạo, gây áp lực về kinh tế và môi trường. Nhiên liệu sinh học biodiesel được xem là giải pháp thay thế hiệu quả, giúp giảm phát thải khí độc hại tới 50%, giảm lượng khí nhà kính và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Việc ứng dụng biodiesel trên động cơ diesel 3 xy lanh có buồng cháy xoáy lốc Three Vortex Combustion (TVC) hứa hẹn nâng cao hiệu suất hòa trộn nhiên liệu và không khí, giảm ô nhiễm môi trường, đồng thời phù hợp với nhu cầu cơ giới hóa nông thôn Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp cháy trên động cơ diesel 3 xy lanh sử dụng buồng cháy TVC với nhiên liệu biodiesel, đồng thời đề xuất cải tiến cấu trúc buồng cháy nhằm nâng cao hiệu quả hòa trộn nhiên liệu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào động cơ Kubota D1703-M-E3B, mô phỏng bằng phần mềm ANSYS Fluent, với dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng 3D. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển động cơ diesel nội địa, thúc đẩy sử dụng nhiên liệu sinh học, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành nông nghiệp Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết phân rã tia phun nhiên liệu: Bao gồm các trạng thái phát triển tia phun như Rayleigh, cảm ứng gió thứ nhất và thứ hai, phun sương. Chỉ số Weber được sử dụng để mô tả sự phân rã hạt nhiên liệu trong tia phun, ảnh hưởng bởi vận tốc tương đối giữa hạt nhiên liệu và không khí, sức căng bề mặt và kích thước hạt.

  • Lý thuyết Three Vortex Combustion (TVC): Mô hình buồng cháy xoáy lốc ba vòng xoáy, giúp tăng cường quá trình hòa trộn nhiên liệu và không khí, nâng cao hiệu suất cháy. Mô hình chuyển động xoáy lốc được mô phỏng bằng phần mềm CFD, dựa trên các phương trình động học và mô hình xoáy lốc của Grobli.

  • Khái niệm về nhiên liệu biodiesel: Tính chất lý hóa của biodiesel từ mỡ cá basa, bao gồm độ nhớt, nhiệt trị, trị số cetan, ảnh hưởng đến quá trình phun và cháy. Biodiesel có ưu điểm giảm phát thải khí độc hại, nhưng có nhiệt trị thấp hơn diesel truyền thống.

  • Mô hình mô phỏng động học và CFD: Sử dụng phần mềm ANSYS Fluent để xây dựng mô hình 3D buồng cháy TVC, chia lưới tinh vi, cài đặt các thông số đầu vào như áp suất phun, nhiệt độ, vận tốc không khí, tỷ lệ hòa trộn nhiên liệu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực nghiệm từ động cơ Kubota D1703-M-E3B, các đặc tính nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá basa, dữ liệu thị trường và thống kê cơ giới hóa nông nghiệp Việt Nam.

  • Phương pháp phân tích: Kết hợp phân tích lý thuyết, mô phỏng CFD và so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm. Phân tích các thông số như vận tốc không khí, tỷ lệ mass fraction nhiên liệu-không khí, nhiệt độ buồng cháy, độ xuyên thấu tia phun.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình động cơ 3 xy lanh được chọn do phổ biến trong nông nghiệp Việt Nam, công suất 30-50 HP chiếm 40% thị phần. Mô phỏng tập trung vào buồng cháy TVC với các cấu trúc nguyên thủy và cải tiến.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài 2 năm, bao gồm khảo sát thị trường, thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất cải tiến.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả hòa trộn nhiên liệu biodiesel trong buồng cháy TVC: Mô phỏng cho thấy buồng cháy TVC tạo ra các xoáy lốc mạnh, giúp tăng cường sự phân tán và hòa trộn nhiên liệu biodiesel với không khí. Tỷ lệ mass fraction nhiên liệu-không khí phân bố đồng đều hơn, tăng khoảng 15% so với buồng cháy nguyên thủy.

  2. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu: Khi áp suất phun tăng từ 150 bar lên 180 bar, độ xuyên thấu của tia phun tăng khoảng 10%, kích thước hạt nhiên liệu giảm, thúc đẩy quá trình phân rã sơ cấp và thứ cấp, nâng cao hiệu quả phun sương.

  3. Cải tiến cấu trúc buồng cháy TVC: Thiết kế thêm cửa buồng cháy phụ đối xứng và điều chỉnh góc phun giúp tăng vận tốc xoáy lốc lên 20%, cải thiện quỹ đạo chuyển động nhiên liệu, tăng khả năng hòa trộn nhiên liệu biodiesel lên đến 25% so với cấu trúc gốc.

  4. Giảm phát thải khí độc hại: Sử dụng biodiesel trong động cơ 3 xy lanh TVC giảm lượng khí CO và HC trung bình khoảng 50% so với diesel truyền thống, phù hợp với các tiêu chuẩn môi trường hiện hành.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy buồng cháy TVC với cấu trúc xoáy lốc ba vòng tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân tán và hòa trộn nhiên liệu biodiesel, nhờ vào các xoáy lốc mạnh và vận tốc không khí cao trong buồng cháy. Việc tăng áp suất phun nhiên liệu làm giảm kích thước hạt nhiên liệu (SMD), tăng diện tích bề mặt bay hơi, từ đó nâng cao hiệu quả cháy và giảm lượng nhiên liệu chưa cháy.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với các báo cáo về hiệu quả của buồng cháy xoáy lốc trong việc cải thiện quá trình hòa trộn và giảm phát thải. Việc cải tiến cấu trúc buồng cháy bằng cách thêm cửa phụ và điều chỉnh góc phun là bước tiến quan trọng, giúp tối ưu hóa dòng khí và nhiên liệu, nâng cao hiệu suất động cơ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố mass fraction nhiên liệu-không khí, biểu đồ vận tốc xoáy lốc theo góc quay trục khuỷu, và bảng so sánh lượng khí thải trước và sau cải tiến. Những biểu đồ này minh họa rõ ràng sự cải thiện về hiệu suất hòa trộn và giảm phát thải khi sử dụng biodiesel trong động cơ cải tiến.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng áp suất phun nhiên liệu lên mức 180 bar nhằm giảm kích thước hạt nhiên liệu, tăng hiệu quả phân rã và hòa trộn, dự kiến nâng hiệu suất cháy lên 10-15% trong vòng 1 năm, do các nhà sản xuất kim phun và kỹ sư động cơ thực hiện.

  2. Cải tiến cấu trúc buồng cháy TVC bằng việc bổ sung cửa phụ đối xứng và điều chỉnh góc phun để tăng vận tốc xoáy lốc và khả năng hòa trộn nhiên liệu biodiesel, mục tiêu tăng hiệu suất hòa trộn 20-25% trong 2 năm, do các viện nghiên cứu và nhà sản xuất động cơ phối hợp thực hiện.

  3. Khuyến khích sử dụng nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá basa trong nông nghiệp nông thôn nhằm giảm phát thải khí độc hại và giảm phụ thuộc nhiên liệu hóa thạch, với mục tiêu tăng tỷ lệ sử dụng biodiesel lên 30% trong 3 năm, do các cơ quan quản lý và doanh nghiệp nhiên liệu phối hợp triển khai.

  4. Đào tạo kỹ thuật viên và người sử dụng động cơ về bảo trì, vận hành động cơ diesel sử dụng biodiesel và buồng cháy TVC để đảm bảo hiệu quả vận hành và kéo dài tuổi thọ động cơ, dự kiến thực hiện trong 1 năm, do các trường cao đẳng nghề và trung tâm đào tạo kỹ thuật đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư cơ khí động lực: Nghiên cứu sâu về quá trình hòa trộn nhiên liệu biodiesel trong buồng cháy TVC, áp dụng mô hình CFD và cải tiến cấu trúc động cơ.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp động cơ diesel: Áp dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế, cải tiến động cơ phù hợp với nhiên liệu sinh học, nâng cao hiệu suất và giảm phát thải.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng, môi trường: Tham khảo để xây dựng chính sách khuyến khích sử dụng nhiên liệu sinh học, phát triển cơ giới hóa nông nghiệp bền vững.

  4. Các trường đại học, cao đẳng đào tạo kỹ thuật ô tô và cơ khí: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy, nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ mới trong lĩnh vực động cơ đốt trong và nhiên liệu sinh học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Biodiesel có ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất động cơ diesel 3 xy lanh?
    Biodiesel có nhiệt trị thấp hơn diesel truyền thống nhưng cải thiện quá trình cháy nhờ tính chất hòa trộn tốt trong buồng cháy TVC, giúp duy trì công suất và mô men gần tương đương, đồng thời giảm phát thải khí độc hại.

  2. Tại sao buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC) lại phù hợp với nhiên liệu biodiesel?
    Buồng cháy TVC tạo ra ba vòng xoáy lốc mạnh, tăng cường sự phân tán và hòa trộn nhiên liệu với không khí, giúp nhiên liệu biodiesel bay hơi và cháy hiệu quả hơn so với buồng cháy truyền thống.

  3. Áp suất phun nhiên liệu ảnh hưởng thế nào đến quá trình tạo hỗn hợp cháy?
    Áp suất phun cao làm giảm kích thước hạt nhiên liệu, tăng diện tích bề mặt bay hơi, thúc đẩy quá trình phân rã sơ cấp và thứ cấp của tia phun, từ đó nâng cao hiệu quả hòa trộn và cháy.

  4. Việc cải tiến cấu trúc buồng cháy TVC có tác động gì đến hiệu suất động cơ?
    Cải tiến bằng cách thêm cửa phụ và điều chỉnh góc phun giúp tăng vận tốc xoáy lốc, cải thiện quỹ đạo chuyển động nhiên liệu, nâng cao khả năng hòa trộn nhiên liệu biodiesel lên đến 25%, từ đó tăng hiệu suất cháy và giảm phát thải.

  5. Làm thế nào để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất nông nghiệp?
    Cần phối hợp giữa các nhà sản xuất động cơ, doanh nghiệp nhiên liệu và cơ quan quản lý để phát triển động cơ cải tiến, khuyến khích sử dụng biodiesel, đồng thời đào tạo kỹ thuật viên và người sử dụng về vận hành và bảo trì.

Kết luận

  • Động cơ diesel 3 xy lanh công suất 30-50 HP là nguồn động lực chủ lực trong cơ giới hóa nông nghiệp Việt Nam, chiếm khoảng 40% thị phần động cơ nhiều xy lanh.

  • Nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá basa có tiềm năng lớn trong việc thay thế nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải khí độc hại tới 50% và giảm phụ thuộc nhập khẩu nhiên liệu.

  • Buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC) với cấu trúc xoáy lốc ba vòng tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hòa trộn nhiên liệu biodiesel và không khí, nâng cao hiệu suất cháy.

  • Cải tiến cấu trúc buồng cháy TVC và tăng áp suất phun nhiên liệu giúp tăng khả năng hòa trộn nhiên liệu biodiesel lên đến 25%, cải thiện hiệu suất động cơ và giảm phát thải.

  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng động cơ cải tiến sử dụng biodiesel trong nông nghiệp, đồng thời phát triển chính sách hỗ trợ và đào tạo kỹ thuật để thúc đẩy cơ giới hóa bền vững.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý cần phối hợp triển khai các giải pháp cải tiến động cơ và thúc đẩy sử dụng nhiên liệu sinh học nhằm phát triển ngành nông nghiệp xanh, sạch và bền vững tại Việt Nam.