Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy của động cơ xăng cỡ nhỏ

• Tác giả: Trịnh Văn Hải
• Người hướng dẫn: TS. Lê Xuân Thạch
• 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 Mô Phỏng Cháy Động Cơ Xăng Nhỏ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Nhu cầu sử dụng động cơ xăng cỡ nhỏ dùng trong nông nghiệp ở Việt Nam
• 1.3. Tình hình nghiên cứu động cơ xăng cỡ nhỏ
• 1.4. Tổng quan về mô hình hóa và phần mềm Boost-AVL
• 1.5. Mục tiêu, đối tượng, nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu. Hướng nghiên cứu
• 1.7. Phần mềm và các thiết bị sử dụng nghiên cứu mô phỏng. Phương án nghiên cứu dự kiến
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Mô hình cháy
• 2.2. Mô hình truyền nhiệt
• 2.3. Quá trình áp suất cao
• 2.4. Quá trình trao đổi khí (quá trình áp suất thấp)
• 2.5. Quá trình hình thành phát thải
• 2.5.1. Hình thành phát thải CO
• 2.5.2. Hình thành HC
• 2.5.3. Hình thành phát thải NOx
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ HUAHIE 5,5 HP
• 3.1. Giới thiệu động cơ Huahie 5,5 HP
• 3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng
• 3.2.1. Xây dựng mô hình
• 3.2.2. Quy trình mô phỏng
• 3.3. Kết quả và bàn luận
• 3.3.1. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến mô men và công suất động cơ
• 3.3.2. So sánh kết quả mô phỏng với thông số của nhà sản xuất
• 3.3.3. Xác định góc đánh lửa sớm tối ưu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan

Nghiên cứu mô phỏng cháy động cơ xăng nhỏ tại HCMUTE tập trung vào việc cải thiện hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm từ động cơ xăng cỡ nhỏ. Động cơ này thường sử dụng bộ chế hòa khí và hệ thống đánh lửa truyền thống, dẫn đến hiệu quả sử dụng nhiên liệu không cao và phát thải ô nhiễm lớn. Việc chuyển đổi sang hệ thống phun xăng điện tử (EFI) được xem là một giải pháp khả thi. Mô hình mô phỏng động cơ Huahie 5,5Hp được xây dựng trên phần mềm Boost của AVL, cho phép rút ngắn thời gian khảo sát và định hướng cho quá trình chuyển đổi động cơ. Kết quả cho thấy góc đánh lửa sớm tối ưu là khoảng 16 độ trước điểm chết trên, đảm bảo công suất và mô men động cơ đạt giá trị tối đa.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Động cơ xăng cỡ nhỏ được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp Việt Nam, nhưng hiệu suất nhiên liệu và phát thải ô nhiễm vẫn là vấn đề lớn. Việc nghiên cứu chuyển đổi động cơ từ bộ chế hòa khí sang hệ thống phun xăng EFI không chỉ giúp tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm thiểu ô nhiễm. Sự phổ biến của công nghệ phun xăng điện tử trên xe máy hiện đại mở ra cơ hội ứng dụng cho động cơ xăng cỡ nhỏ, nhằm cải thiện hiệu suất và giảm phát thải.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là mô phỏng quá trình cháy của động cơ xăng cỡ nhỏ, từ đó xác định các thông số tối ưu cho quá trình chuyển đổi sang hệ thống phun xăng EFI. Nghiên cứu cũng nhằm đánh giá ảnh hưởng của các thông số vận hành đến hiệu suất động cơ và nồng độ ô nhiễm trong khí thải. Việc này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất động cơ mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

II. Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu mô phỏng cháy động cơ xăng nhỏ dựa trên các lý thuyết về mô hình hóa quá trình cháy và truyền nhiệt. Mô hình hóa giúp hiểu rõ hơn về các hiện tượng vật lý xảy ra trong động cơ, từ đó tối ưu hóa thiết kế và quy trình vận hành. Các mô hình cháy được phân loại thành mô hình một vùng, hai vùng và nhiều vùng, mỗi loại có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Mô hình hai vùng thường được sử dụng để dự đoán áp suất trong xylanh, cho phép phân tích sâu hơn về quá trình cháy và phát thải. Việc áp dụng phần mềm Boost-AVL trong mô phỏng giúp giảm thiểu thời gian và chi phí nghiên cứu.

2.1. Mô hình cháy

Mô hình cháy trong động cơ xăng được chia thành nhiều loại, trong đó mô hình hai vùng cho phép phân tích sâu hơn về quá trình cháy. Mô hình này giả định rằng có hai vùng trong xylanh: vùng cháy và vùng không cháy. Việc phân tích này giúp xác định tỷ lệ khối lượng cháy và áp suất trong xylanh, từ đó tối ưu hóa các thông số vận hành như góc đánh lửa sớm.

2.2. Quá trình truyền nhiệt

Quá trình truyền nhiệt trong động cơ xăng có vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất và phát thải. Nhiệt độ trong buồng cháy ảnh hưởng đến quá trình cháy và hình thành phát thải. Việc mô phỏng quá trình truyền nhiệt giúp hiểu rõ hơn về cách thức nhiệt độ ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ, từ đó đưa ra các giải pháp cải tiến.

III. Nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy

Nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy của động cơ Huahie 5,5 HP cho thấy sự cần thiết phải tối ưu hóa góc đánh lửa sớm để đạt được hiệu suất tối đa. Kết quả mô phỏng cho thấy góc đánh lửa sớm tối ưu là khoảng 16 độ trước điểm chết trên, đảm bảo công suất và mô men động cơ đạt giá trị tối đa. Việc so sánh kết quả mô phỏng với thông số của nhà sản xuất cho thấy tính chính xác của mô hình. Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng cần đánh giá thêm ảnh hưởng của các thông số vận hành đến nồng độ ô nhiễm trong khí thải.

3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng

Mô hình mô phỏng động cơ Huahie 5,5 HP được xây dựng trên phần mềm Boost của AVL, cho phép mô phỏng các quá trình cháy và truyền nhiệt trong động cơ. Mô hình này giúp rút ngắn thời gian khảo sát và định hướng cho quá trình chuyển đổi động cơ. Các thông số như góc đánh lửa sớm, tốc độ động cơ và tỷ lệ không khí/nhiên liệu được điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất.

3.2. Kết quả và bàn luận

Kết quả mô phỏng cho thấy góc đánh lửa sớm tối ưu là khoảng 16 độ trước điểm chết trên, đảm bảo công suất và mô men động cơ đạt giá trị tối đa. Việc so sánh kết quả mô phỏng với thông số của nhà sản xuất cho thấy tính chính xác của mô hình. Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng cần đánh giá thêm ảnh hưởng của các thông số vận hành đến nồng độ ô nhiễm trong khí thải, cũng như ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp đến giá trị góc đánh lửa sớm tối ưu.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu mô phỏng cháy động cơ xăng nhỏ tại HCMUTE đã chỉ ra rằng việc chuyển đổi động cơ từ bộ chế hòa khí sang hệ thống phun xăng EFI là khả thi và có thể thực hiện với chi phí hợp lý. Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp cải thiện hiệu suất động cơ mà còn góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc giảm thiểu ô nhiễm. Hướng phát triển tiếp theo cần tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của các thông số vận hành đến nồng độ ô nhiễm trong khí thải và tối ưu hóa các thông số thiết kế để đạt được hiệu suất cao nhất.

4.1. Hướng phát triển

Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu cần tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của các thông số vận hành đến nồng độ ô nhiễm trong khí thải. Việc này sẽ giúp hoàn thiện mô hình mô phỏng và đưa ra các giải pháp cải tiến hiệu suất động cơ. Ngoài ra, cần nghiên cứu thêm về các công nghệ mới trong lĩnh vực động cơ để áp dụng vào thực tiễn.

Tổng quan nghiên cứu

Động cơ xăng cỡ nhỏ được sử dụng phổ biến trong nông nghiệp Việt Nam, đặc biệt tại các vùng nông thôn như tỉnh Đắk Lắk, phục vụ cho các máy băm cành cà phê, máy cắt cỏ, máy xịt thuốc và máy phát điện. Theo ước tính của Tổng cục Thống kê, giá trị sản xuất toàn ngành nông nghiệp năm 2017 tăng 3,16% so với năm 2016, trong đó cơ giới hóa nông nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất. Tuy nhiên, các động cơ xăng cỡ nhỏ hiện nay chủ yếu sử dụng bộ chế hòa khí và hệ thống đánh lửa truyền thống, dẫn đến hiệu suất nhiên liệu thấp và phát thải ô nhiễm cao.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mô hình mô phỏng quá trình cháy của động cơ xăng cỡ nhỏ Huahie 5,5 HP, từ đó đề xuất phương án chuyển đổi hệ thống nhiên liệu từ bộ chế hòa khí sang hệ thống phun xăng đánh lửa điện tử (EFI). Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến mô men, công suất và phát thải khí thải của động cơ. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc mô phỏng động cơ một xy lanh sử dụng trong nông nghiệp Việt Nam, với dữ liệu thu thập và mô phỏng trên phần mềm Boost của hãng AVL.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua khả năng tiết kiệm nhiên liệu, giảm phát thải ô nhiễm và nâng cao hiệu suất động cơ, góp phần thúc đẩy phát triển bền vững trong lĩnh vực cơ khí động lực phục vụ nông nghiệp. Kết quả mô phỏng giúp rút ngắn thời gian khảo sát, định hướng cải tiến kỹ thuật và hỗ trợ chuyển đổi công nghệ hiệu quả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình cháy Fractal (phân dạng): Mô hình này mô tả quá trình cháy trong động cơ đánh lửa cưỡng bức, xem xét ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy, vị trí và thời gian đánh lửa, thành phần khí nạp và chuyển động xoáy lốc trong buồng cháy. Mô hình phân dạng giúp tính toán tốc độ lan truyền màng lửa và diện tích bề mặt cháy, phản ánh chính xác quá trình cháy trong buồng đốt.

• Mô hình truyền nhiệt Woschni 1978: Mô hình này được sử dụng để tính toán hệ số truyền nhiệt giữa môi chất cháy và thành buồng cháy, bao gồm nắp xylanh, piston và lót xylanh. Hệ số truyền nhiệt được xác định dựa trên áp suất, nhiệt độ và vận tốc dòng khí trong xylanh.

• Mô hình hình thành phát thải khí CO, HC, NOx: Các quá trình phát thải được mô phỏng dựa trên cơ chế hóa học và động lực học, trong đó CO và HC được hình thành do cháy không hoàn toàn và hiệu ứng cháy sát vách, còn NOx được tính toán theo cơ chế Zeldovich với các phản ứng hóa học đặc trưng.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm: góc đánh lửa sớm (độ trước điểm chết trên), hệ số dư lượng không khí (λ), và tỷ lệ không khí/nhiên liệu (A/F).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu kỹ thuật của động cơ Huahie 5,5 HP, các thông số vận hành thực tế và tài liệu nghiên cứu liên quan. Mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm Boost của hãng AVL, phiên bản 2004, với cỡ mẫu là một động cơ một xy lanh sử dụng bộ chế hòa khí truyền thống.

Phương pháp chọn mẫu là phương pháp mô phỏng chi tiết dựa trên các thông số kỹ thuật và điều kiện vận hành thực tế của động cơ. Phân tích dữ liệu sử dụng các mô hình nhiệt động học, truyền nhiệt và hóa học để đánh giá ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến hiệu suất và phát thải.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2019, bao gồm các bước: khảo sát thực trạng, xây dựng mô hình mô phỏng, chạy mô phỏng với các biến đổi góc đánh lửa sớm, phân tích kết quả và đề xuất phương án chuyển đổi.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình mô phỏng động cơ Huahie 5,5 HP trên phần mềm Boost phản ánh chính xác đặc tính thực tế: So sánh kết quả mô phỏng với thông số nhà sản xuất cho thấy sai số mô men và công suất dưới 5%, khẳng định độ tin cậy của mô hình.

2. Góc đánh lửa sớm tối ưu dao động từ 14 đến 17 độ trước điểm chết trên khi bướm ga mở hoàn toàn, tốc độ động cơ từ 2000 đến 3600 vòng/phút: Ở chế độ 3000 vòng/phút, góc đánh lửa sớm tối ưu là khoảng 16 độ, giúp công suất và mô men đạt giá trị tối đa.

3. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến mô men và công suất động cơ rõ rệt: Khi góc đánh lửa sớm tăng từ 6 đến 30 độ, mô men và công suất động cơ biến thiên theo xu hướng tăng đến điểm tối ưu rồi giảm dần, với mức tăng công suất lên đến khoảng 12% so với góc đánh lửa không tối ưu.

4. Phát thải CO và HC giảm khi tăng tỷ lệ không khí/nhiên liệu (A/F), trong khi NOx tăng nhẹ: Mô hình cho thấy CO giảm đáng kể khi tăng A/F do lượng oxy tham gia phản ứng nhiều hơn, còn HC giảm nhờ cải thiện quá trình cháy. Góc đánh lửa sớm không ảnh hưởng nhiều đến nồng độ CO nhưng có tác động đến HC và NOx.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên liên quan đến sự tối ưu hóa quá trình cháy và hòa trộn nhiên liệu trong buồng đốt. Góc đánh lửa sớm tối ưu giúp nhiên liệu cháy hoàn toàn hơn, tăng công suất và mô men, đồng thời giảm lượng nhiên liệu chưa cháy và khí thải độc hại.

So sánh với các nghiên cứu trước đây cho thấy kết quả tương đồng về phạm vi góc đánh lửa sớm tối ưu và ảnh hưởng của tỷ lệ A/F đến phát thải. Tuy nhiên, nghiên cứu chưa đánh giá ảnh hưởng của các thông số vận hành khác như nhiệt độ, áp suất và thành phần hỗn hợp đến phát thải, đây là hạn chế cần khắc phục trong các nghiên cứu tiếp theo.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến thiên mô men và công suất theo góc đánh lửa sớm, cũng như bảng so sánh nồng độ khí thải CO, HC, NOx theo tỷ lệ A/F, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của các thông số đến hiệu suất và môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Thực hiện chuyển đổi hệ thống nhiên liệu từ bộ chế hòa khí sang hệ thống phun xăng đánh lửa điện tử (EFI) nhằm nâng cao hiệu suất nhiên liệu và giảm phát thải, với mục tiêu tiết kiệm nhiên liệu ít nhất 10% trong vòng 12 tháng, do các cơ sở sản xuất và sửa chữa động cơ thực hiện.

2. Tối ưu hóa góc đánh lửa sớm trong khoảng 14-17 độ trước điểm chết trên khi bướm ga mở hoàn toàn, áp dụng trong các chế độ vận hành phổ biến, nhằm đảm bảo công suất và mô men đạt tối đa, do kỹ sư vận hành và bảo trì động cơ thực hiện.

3. Áp dụng phần mềm mô phỏng Boost-AVL trong thiết kế và cải tiến động cơ để rút ngắn thời gian nghiên cứu và giảm chi phí thử nghiệm, với kế hoạch đào tạo kỹ thuật viên trong 6 tháng tới, do các trung tâm đào tạo kỹ thuật và viện nghiên cứu đảm nhiệm.

4. Nghiên cứu mở rộng ảnh hưởng của các thông số vận hành khác như tỷ lệ không khí/nhiên liệu, nhiệt độ, áp suất đến phát thải khí thải nhằm hoàn thiện mô hình và nâng cao độ chính xác, thực hiện trong giai đoạn 2 của dự án nghiên cứu, do các nhà khoa học và kỹ sư nghiên cứu động cơ thực hiện.

Đối tượng nên