Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nông nghiệp Việt Nam, việc sử dụng động cơ xăng cỡ nhỏ phục vụ cho các hoạt động nông nghiệp ngày càng phổ biến, đặc biệt tại các vùng nông thôn như tỉnh Đắk Lắk. 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 đóng vai trò quan trọng nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất. Tuy nhiên, đa số động cơ xăng cỡ nhỏ hiện nay vẫn 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 của luận văn 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 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 AVL Boost phiên bản 2004.

Ý nghĩa của 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 cho thấy góc đánh lửa sớm tối ưu khi bướm ga mở hoàn toàn và tốc độ động cơ từ 2000 đến 3600 vòng/phút nằm trong khoảng 14 đến 17 độ trước điểm chết trên, giúp công suất và mô men đạt giá trị tối đa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng các mô hình lý thuyết về quá trình cháy và truyền nhiệt trong động cơ đốt trong, bao gồm:

  • Mô hình cháy phân dạng (Fractal combustion model): Mô hình này mô tả quá trình lan truyền màng lửa trong buồng cháy, xem xét ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy, vị trí và thời gian đánh lửa, thành phần khí nạp, cũng như chuyển động xoáy lốc trong buồng cháy. Mô hình phân chia buồng cháy thành hai vùng: vùng cháy và vùng không cháy, trao đổi năng lượng và khối lượng với nhau.

  • Mô hình truyền nhiệt Woschni (1978): Dùng để tính toán hệ số truyền nhiệt từ khí cháy sang thành buồng cháy, bao gồm nắp xy lanh, piston và lót xy lanh. Hệ số truyền nhiệt được xác định dựa trên các thông số như đường kính xy lanh, tốc độ piston và áp suất trong buồng cháy.

  • Mô hình hình thành phát thải khí: Bao gồm các cơ chế hình thành CO, HC và NOx trong quá trình cháy. Ví dụ, phát thải CO phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ không khí/nhiên liệu (A/F), trong khi phát thải HC liên quan đến các khe hở trong buồng cháy và hiệu ứng cháy sát vách. Quá trình hình thành NOx được mô phỏng dựa trên cơ chế Zeldovich với các phản ứng hóa học đặc trưng.

Các khái niệm chính được sử dụng gồm: góc đánh lửa sớm ($\phi_s$), hệ số dư lượng không khí ($\lambda$), tỷ lệ không khí/nhiên liệu (A/F), mô men động cơ, công suất động cơ, và các chỉ số phát thải CO, HC, NOx.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng trên phần mềm AVL Boost phiên bản 2004, một công cụ mô phỏng động cơ đốt trong hàng đầu, cho phép xây dựng mô hình động cơ một xy lanh Huahie 5,5 HP với hệ thống nhiên liệu bộ chế hòa khí và hệ thống phun xăng EFI.

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu kỹ thuật động cơ Huahie 5,5 HP, các thông số vận hành, và dữ liệu phát thải từ các tài liệu chuyên ngành và báo cáo ngành.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng quá trình cháy, truyền nhiệt và phát thải khí thải dưới các điều kiện vận hành khác nhau, đặc biệt tập trung vào ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm trong khoảng 6 đến 30 độ trước điểm chết trên, với tốc độ động cơ từ 2000 đến 3600 vòng/phút và bướm ga mở hoàn toàn.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng được xây dựng dựa trên động cơ thực tế Huahie 5,5 HP sử dụng trong nông nghiệp Việt Nam, đại diện cho nhóm động cơ xăng cỡ nhỏ phổ biến.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2019, với các bước chính gồm khảo sát thực trạng, xây dựng mô hình mô phỏng, chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

Phương pháp mô phỏng giúp rút ngắn thời gian khảo sát, giảm chi phí thực nghiệm và định hướng cho việc chuyển đổi hệ thống nhiên liệu từ bộ chế hòa khí sang EFI nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

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

  2. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến mô men và công suất: Mô phỏng cho thấy khi tăng góc đánh lửa sớm từ 6 đến 30 độ, mô men và công suất động cơ biến thiên rõ rệt, đạt cực đại tại góc đánh lửa sớm tối ưu. Ví dụ, tại 3000 vòng/phút, công suất động cơ tăng lên đáng kể khi góc đánh lửa sớm đạt 16 độ so với các giá trị nhỏ hơn hoặc lớn hơn.

  3. So sánh mô phỏng với thực nghiệm: Kết quả mô phỏng mô men và công suất động cơ tương đối chính xác so với số liệu thực tế của nhà sản xuất, sai số trong phạm vi chấp nhận được, chứng tỏ mô hình mô phỏng có độ tin cậy cao.

  4. Phát thải khí: Nghiên cứu chưa đánh giá chi tiết ảnh hưởng của các thông số vận hành đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải, tuy nhiên mô hình cho thấy tỷ lệ không khí/nhiên liệu ảnh hưởng lớn đến phát thải CO và HC, trong khi góc đánh lửa sớm có ảnh hưởng hạn chế đến phát thải CO.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ cơ chế cháy và truyền nhiệt trong buồng cháy động cơ. Góc đánh lửa sớm tối ưu giúp quá trình cháy diễn ra hiệu quả, tăng áp suất buồng cháy đúng thời điểm, từ đó nâng cao công suất và mô men. Việc mô phỏng chính xác quá trình cháy và truyền nhiệt dựa trên mô hình phân dạng và mô hình truyền nhiệt Woschni giúp dự đoán được các đặc tính vận hành của động cơ.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với các báo cáo về hiệu quả của hệ thống phun xăng EFI trong việc cải thiện hiệu suất và giảm phát thải. Mô hình mô phỏng cũng tương đồng với các nghiên cứu sử dụng phần mềm AVL Boost cho các động cơ xăng cỡ nhỏ khác.

Ý nghĩa của kết quả là cơ sở để đề xuất chuyển đổi hệ thống nhiên liệu từ bộ chế hòa khí sang EFI, giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững trong ngành cơ khí động lực phục vụ nông nghiệp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ biến thiên mô men và công suất theo góc đánh lửa sớm ở các tốc độ động cơ khác nhau, cũng như bảng so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm để minh họa độ chính xác của mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Chuyển đổi hệ thống nhiên liệu: Thực hiện chuyển đổi động cơ Huahie 5,5 HP 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. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 12 tháng, do các đơn vị kỹ thuật cơ khí động lực chủ trì.

  2. Tối ưu góc đánh lửa sớm: Áp dụng góc đánh lửa sớm tối ưu trong khoảng 14-17 độ trước điểm chết trên, đặc biệt 16 độ ở tốc độ 3000 vòng/phút, để đảm bảo công suất và mô men động cơ đạt mức tối đa. Cần thiết lập hệ thống điều khiển đánh lửa điện tử chính xác, theo dõi và điều chỉnh liên tục trong quá trình vận hành.

  3. Nâng cao công tác mô phỏng: Sử dụng phần mềm AVL Boost để mô phỏng các thông số vận hành khác như tỷ lệ không khí/nhiên liệu, nhiệt độ và áp suất buồng cháy nhằm dự báo phát thải khí và hiệu suất động cơ. Khuyến khích đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư sử dụng phần mềm này trong vòng 6 tháng.

  4. Nghiên cứu bổ sung về phát thải: Tiến hành nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các thông số vận hành đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải, đặc biệt là NOx và HC, nhằm hoàn thiện mô hình và đề xuất các biện pháp giảm phát thải hiệu quả. Thời gian nghiên cứu dự kiến 18 tháng, phối hợp giữa các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư cơ khí động lực: Có thể áp dụng kết quả mô phỏng và đề xuất chuyển đổi hệ thống nhiên liệu để cải tiến thiết kế và nâng cao hiệu suất động cơ xăng cỡ nhỏ phục vụ nông nghiệp.

  2. Nhà quản lý ngành nông nghiệp và công nghiệp: Sử dụng thông tin để xây dựng chính sách hỗ trợ chuyển đổi công nghệ động cơ, thúc đẩy cơ giới hóa bền vững và giảm ô nhiễm môi trường.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Là tài liệu tham khảo quý giá cho các khóa học về động cơ đốt trong, mô phỏng kỹ thuật và phát triển công nghệ nhiên liệu sạch.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và sửa chữa động cơ: Áp dụng các giải pháp kỹ thuật đề xuất để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí vận hành và đáp ứng tiêu chuẩn môi trường ngày càng nghiêm ngặt.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần chuyển đổi từ bộ chế hòa khí sang hệ thống phun xăng EFI?
    Hệ thống EFI giúp kiểm soát chính xác lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy, nâng cao hiệu suất đốt cháy, tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm so với bộ chế hòa khí truyền thống.

  2. Góc đánh lửa sớm ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất động cơ?
    Góc đánh lửa sớm tối ưu giúp quá trình cháy diễn ra đúng thời điểm, tăng áp suất buồng cháy và công suất động cơ. Góc quá sớm hoặc quá muộn đều làm giảm hiệu suất và tăng phát thải.

  3. Phần mềm AVL Boost có ưu điểm gì trong nghiên cứu động cơ?
    AVL Boost cho phép mô phỏng chi tiết quá trình cháy, truyền nhiệt và phát thải trong động cơ, giúp giảm thời gian và chi phí thử nghiệm thực tế, đồng thời tối ưu hóa thiết kế động cơ.

  4. Nghiên cứu có đánh giá tác động môi trường không?
    Nghiên cứu tập trung vào mô phỏng quá trình cháy và hiệu suất động cơ, chưa đánh giá chi tiết ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải, đây là hướng nghiên cứu tiếp theo cần thực hiện.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các loại động cơ khác không?
    Mô hình và phương pháp nghiên cứu có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các động cơ xăng cỡ nhỏ khác, đặc biệt trong lĩnh vực nông nghiệp, tuy nhiên cần hiệu chỉnh thông số phù hợp với từng loại động cơ cụ thể.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng quá trình cháy của động cơ xăng cỡ nhỏ Huahie 5,5 HP trên phần mềm AVL Boost, phản ánh chính xác đặc tính vận hành thực tế.
  • Xác định góc đánh lửa sớm tối ưu trong khoảng 14-17 độ trước điểm chết trên, giúp tối đa hóa công suất và mô men động cơ.
  • Đề xuất chuyển đổi hệ thống nhiên liệu từ bộ chế hòa khí sang hệ thống phun xăng EFI nhằm tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm.
  • Nghiên cứu mở rộng cần tập trung vào đánh giá phát thải khí và ảnh hưởng của các thông số vận hành khác để hoàn thiện mô hình.
  • Khuyến nghị các đơn vị kỹ thuật và quản lý ngành nông nghiệp áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả sử dụng động cơ xăng cỡ nhỏ trong thực tế.

Hành động tiếp theo là triển khai thực nghiệm chuyển đổi hệ thống nhiên liệu và đào tạo kỹ thuật viên vận hành, đồng thời mở rộng nghiên cứu phát thải nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển bền vững.