Luận văn thạc sĩ về quá trình cháy trong động cơ diesel 3 xilanh với nhiên liệu sinh học

• Tác giả: Nguyễn Hùng Việt
• 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 Cháy Trong Động Cơ 3 Xy Lanh Diesel Sử Dụng Nhiên Liệu Sinh Học
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

I. Giới thiệu về động cơ diesel 3 xilanh

Động cơ diesel 3 xilanh là một trong những loại động cơ phổ biến trong ngành công nghiệp cơ khí và nông nghiệp. Động cơ này được thiết kế với cấu trúc phun gián tiếp, giúp tối ưu hóa quá trình cháy và nâng cao hiệu suất động cơ. Việc nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu khí thải ô nhiễm. Đặc biệt, việc sử dụng nhiên liệu sinh học như Bio-Diesel trong động cơ diesel 3 xilanh mang lại nhiều lợi ích về môi trường và kinh tế. Nghiên cứu này nhằm mục đích phát triển một động cơ mới, thân thiện với môi trường, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống.

1.1. Tình hình nghiên cứu động cơ diesel

Tình hình nghiên cứu về động cơ diesel hiện nay đang được quan tâm đặc biệt, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nhu cầu giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ động cơ mới, như buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC), có thể cải thiện đáng kể hiệu suất cháy và giảm khí thải. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng động cơ diesel sử dụng nhiên liệu tái tạo có thể giảm thiểu tác động đến môi trường, đồng thời nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ.

II. Cơ sở lý thuyết về quá trình cháy

Quá trình cháy trong động cơ diesel là một hiện tượng phức tạp, liên quan đến nhiều yếu tố như áp suất, nhiệt độ và tỷ lệ không khí/nhiên liệu. Các định luật nhiệt động học đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích quá trình cháy. Đặc biệt, định luật nhiệt động học thứ nhất và thứ hai cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc hiểu rõ hơn về sự chuyển hóa năng lượng trong động cơ. Việc phân tích áp suất trong buồng cháy giúp xác định hiệu suất cháy và tối ưu hóa thiết kế động cơ. Nghiên cứu này sẽ áp dụng các mô hình lý thuyết để mô phỏng và phân tích quá trình cháy trong động cơ diesel 3 xilanh sử dụng nhiên liệu sinh học.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy trong động cơ diesel, bao gồm cấu trúc buồng cháy, loại nhiên liệu và điều kiện vận hành. Việc sử dụng nhiên liệu sinh học như Bio-Diesel có thể thay đổi các đặc tính cháy, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiên liệu sinh học có thể cải thiện hiệu suất cháy và giảm thiểu khí thải độc hại. Đặc biệt, việc áp dụng công nghệ buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC) giúp tối ưu hóa quá trình cháy, từ đó nâng cao hiệu suất động cơ và giảm thiểu tác động đến môi trường.

III. Nhiên liệu sinh học và ứng dụng trong động cơ diesel

Nhiên liệu sinh học, đặc biệt là Bio-Diesel, đang trở thành một lựa chọn phổ biến cho động cơ diesel. Bio-Diesel được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu tái tạo như dầu thực vật và mỡ động vật, giúp giảm thiểu khí thải ô nhiễm và bảo vệ môi trường. Việc sử dụng nhiên liệu sinh học không chỉ giúp giảm chi phí nhiên liệu mà còn tạo ra một động cơ thân thiện với môi trường. Nghiên cứu này sẽ phân tích các đặc tính của nhiên liệu sinh học và ảnh hưởng của nó đến hiệu suất động cơ diesel 3 xilanh.

3.1. Tính chất và ưu điểm của Bio Diesel

Bio-Diesel có nhiều ưu điểm so với nhiên liệu truyền thống. Nó có khả năng phân hủy sinh học cao, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, Bio-Diesel cũng có chỉ số cetane cao, giúp cải thiện hiệu suất cháy trong động cơ diesel. Việc sử dụng nhiên liệu sinh học không chỉ giúp giảm khí thải độc hại mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững trong ngành nông nghiệp và công nghiệp. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về các tính chất của Bio-Diesel và ứng dụng của nó trong động cơ diesel 3 xilanh.

IV. Kết luận và triển vọng nghiên cứu

Nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ diesel 3 xilanh sử dụng nhiên liệu sinh học đã chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ mới có thể cải thiện đáng kể hiệu suất động cơ và giảm thiểu khí thải ô nhiễm. Việc phát triển động cơ diesel thân thiện với môi trường không chỉ đáp ứng nhu cầu hiện tại mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững trong tương lai. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế động cơ và cải thiện chất lượng nhiên liệu sinh học để đạt được hiệu suất tối ưu.

4.1. Triển vọng ứng dụng công nghệ mới

Triển vọng ứng dụng công nghệ mới trong động cơ diesel là rất lớn. Việc phát triển động cơ diesel 3 xilanh sử dụng nhiên liệu sinh học không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra một sản phẩm mang thương hiệu Việt Nam. Nghiên cứu này mở ra cơ hội cho việc phát triển các sản phẩm động cơ mới, đáp ứng nhu cầu của thị trường trong nước và quốc tế. Các nhà nghiên cứu cần tiếp tục tìm kiếm các giải pháp sáng tạo để tối ưu hóa hiệu suất động cơ và giảm thiểu tác động đến môi trường.

Tổng quan nghiên cứu

Theo Tổng cục Thống kê năm 2011, Việt Nam có khoảng 26.400 ha đất nông nghiệp, chiếm gần 79,65% diện tích đất tự nhiên, với nhu cầu sử dụng động cơ phục vụ sản xuất nông nghiệp rất lớn. Đặc biệt, động cơ Diesel 3 xy lanh công suất từ 30 đến 50 HP chiếm khoảng 40% nhu cầu trong các loại động cơ từ 20 đến 90 HP, với khoảng 100.000 động cơ lắp đặt trên xe công nông hiện hữu và 10-15.000 động cơ/năm cho xe tải nhẹ mới. Tuy nhiên, phần lớn động cơ này được nhập khẩu, chưa có động cơ sản xuất trong nước đáp ứng đầy đủ về chất lượng và giá thành.

Luận văn tập trung nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ Diesel 3 xy lanh phun gián tiếp có buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC) sử dụng nhiên liệu sinh học Bio-Diesel, tham khảo động cơ Kubota D1703-M-E3B. Mục tiêu là thiết kế và chế tạo động cơ mới thân thiện môi trường, giảm khí thải ô nhiễm, giảm phụ thuộc nhiên liệu truyền thống, đồng thời có giá thành thấp hơn so với động cơ nhập khẩu, phục vụ cơ giới hóa nông nghiệp và phát triển nông thôn Việt Nam.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô phỏng quá trình cháy bằng phần mềm Ricardo Wave, phân tích đặc tính cháy, hiệu suất nhiệt và khí thải của động cơ sử dụng nhiên liệu Bio-Diesel. Ý nghĩa nghiên cứu góp phần phát triển động cơ Diesel công suất nhỏ phù hợp với điều kiện Việt Nam, thúc đẩy ứng dụng nhiên liệu sinh học, giảm ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế trong sản xuất nông nghiệp.

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 quá trình cháy động cơ nhiệt: Phân biệt màng lửa đồng nhất và khuếch tán, đặc trưng quá trình cháy trong động cơ Diesel phun gián tiếp với màng lửa khuếch tán, rối và không ổn định. Tính chất màng lửa ảnh hưởng đến hiệu suất và khí thải.

• Định luật nhiệt động học: Áp dụng định luật thứ nhất và thứ hai để phân tích cân bằng năng lượng, enthalpy tạo thành, hiệu suất cháy và công cực đại của động cơ trong quá trình cháy.

• Mô hình buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC): Hệ thống buồng cháy tạo ba dòng xoáy lốc giúp tăng cường hòa trộn nhiên liệu và không khí, nâng cao hiệu suất cháy và giảm khí thải.

• Mô hình mô phỏng cháy động cơ Diesel Wiebe: Mô hình tính toán sự cháy qua các giai đoạn cháy trước, cháy chính và cháy đuôi, mô phỏng sự giải phóng nhiệt và hình thành khí thải.

Các khái niệm chính bao gồm: tỷ số không khí trên nhiên liệu (A/F), hiệu suất cháy, enthalpy tạo thành, màng lửa khuếch tán, và các chỉ tiêu khí thải NOx, CO, HC.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực nghiệm từ động cơ Diesel 3 xy lanh Kubota D1703-M-E3B và các tài liệu nghiên cứu trong nước, quốc tế về động cơ Diesel và nhiên liệu Bio-Diesel.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm mô phỏng động cơ Ricardo Wave để xây dựng mô hình quá trình cháy, mô phỏng đặc tính công suất, moment, tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất nhiệt và nồng độ khí thải với các loại nhiên liệu Diesel, B5, B10.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng dựa trên thông số kỹ thuật động cơ thực tế công suất khoảng 35 HP, 3 xy lanh, phun gián tiếp, buồng cháy TVC. Lựa chọn phương pháp mô phỏng nhằm tiết kiệm chi phí và thời gian so với thử nghiệm thực tế.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2011 đến 2013, bao gồm thu thập số liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

• Phương pháp hỗ trợ: Kết hợp mô phỏng với phân tích nhiệt động học, so sánh kết quả mô phỏng với các nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá độ chính xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất nhiệt và công suất động cơ: Mô phỏng cho thấy động cơ sử dụng nhiên liệu Bio-Diesel B5 và B10 có hiệu suất nhiệt đạt khoảng 35-38%, tương đương hoặc cao hơn so với nhiên liệu Diesel truyền thống. Công suất đầu ra của động cơ với B5 và B10 giảm nhẹ khoảng 2-5% so với Diesel, nhưng vẫn đảm bảo hiệu năng vận hành.

2. Tiêu hao nhiên liệu: Suất tiêu hao nhiên liệu (ISFC) của động cơ sử dụng B5 và B10 tăng khoảng 3-7% so với Diesel do đặc tính nhiên liệu khác biệt, tuy nhiên mức tăng này nằm trong giới hạn chấp nhận được cho ứng dụng nông nghiệp.

3. Khí thải ô nhiễm: Nồng độ NOx giảm khoảng 10-15% khi sử dụng Bio-Diesel B5 và B10 so với Diesel, trong khi nồng độ CO và HC cũng giảm đáng kể, góp phần giảm ô nhiễm môi trường. Mức giảm khí thải này được minh họa qua biểu đồ nồng độ khí thải theo góc quay trục khuỷu.

4. Đặc tính cháy và áp suất xy lanh: Áp suất tối đa trong xy lanh khi sử dụng Bio-Diesel thấp hơn khoảng 5% so với Diesel, cho thấy quá trình cháy diễn ra ổn định, không gây hiện tượng kích nổ hay cháy không hoàn toàn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu suất nhiệt và công suất động cơ sử dụng Bio-Diesel giảm nhẹ là do tính chất vật lý và hóa học của nhiên liệu như độ nhớt cao hơn, nhiệt trị thấp hơn so với Diesel. Tuy nhiên, buồng cháy TVC với ba dòng xoáy lốc giúp cải thiện quá trình hòa trộn nhiên liệu và không khí, làm tăng hiệu quả cháy, bù đắp phần nào sự khác biệt nhiên liệu.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả mô phỏng phù hợp với xu hướng giảm khí thải NOx và cải thiện hiệu suất khi sử dụng Bio-Diesel. Việc giảm khí thải CO và HC cũng góp phần nâng cao chất lượng môi trường, phù hợp với các tiêu chuẩn khí thải hiện hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ áp suất xy lanh, nhiệt độ buồng cháy, và nồng độ khí thải theo góc quay trục khuỷu, giúp trực quan hóa quá trình cháy và đánh giá hiệu quả nhiên liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển động cơ Diesel 3 xy lanh công suất 30-35 HP sử dụng buồng cháy TVC: Tập trung thiết kế và sản xuất đại trà động cơ phù hợp với điều kiện nông nghiệp Việt Nam, giảm giá thành khoảng 10-15% so với động cơ nhập khẩu. Chủ thể thực hiện: các doanh nghiệp cơ khí động lực trong nước, thời gian 3-5 năm.

2. Khuyến khích sử dụng nhiên liệu Bio-Diesel B5 và B10: Đẩy mạnh sản xuất và phân phối nhiên liệu sinh học, giảm khí thải ô nhiễm khoảng 10-15%, nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường. Chủ thể thực hiện: Bộ Công Thương, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, thời gian 2-3 năm.

3. Xây dựng hệ thống thử nghiệm và mô phỏng động cơ: Đầu tư trang thiết bị hiện đại để kiểm tra, đánh giá đặc tính cháy và khí thải, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trường đại học, thời gian 1-2 năm.

4. Đào tạo nguồn nhân lực kỹ thuật cao: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật động cơ Diesel và nhiên liệu sinh học, nâng cao năng lực nghiên cứu và sản xuất. Chủ thể thực hiện: các trường đại học kỹ thuật, thời gian liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư cơ khí động lực: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về quá trình cháy động cơ Diesel phun gián tiếp, mô hình buồng cháy TVC và ứng dụng nhiên liệu Bio-Diesel.

2. Doanh nghiệp sản xuất động cơ và máy nông nghiệp: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm động cơ Diesel công suất nhỏ, phù hợp với thị trường nông nghiệp Việt Nam.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Tham khảo để xây dựng chính sách phát triển nhiên liệu sinh học, giảm ô nhiễm môi trường và thúc đẩy cơ giới hóa nông nghiệp.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật cơ khí động lực: Là tài liệu tham khảo học tập, nghiên cứu chuyên sâu về động cơ Diesel và nhiên liệu thay thế.

Câu hỏi thường gặp

1. Bio-Diesel là gì và có ưu điểm gì so với Diesel truyền thống?
   Bio-Diesel là nhiên liệu sinh học được sản xuất từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật, có khả năng phân hủy sinh học, giảm phát thải khí độc hại như NOx, CO và HC, thân thiện với môi trường và giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

2. Buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC) hoạt động như thế nào?
   Buồng cháy TVC tạo ra ba dòng xoáy lốc giúp tăng cường hòa trộn nhiên liệu và không khí, nâng cao hiệu quả cháy, giảm lượng khí thải và cải thiện hiệu suất động cơ.

3. Mô phỏng quá trình cháy bằng phần mềm Ricardo Wave có độ chính xác ra sao?
   Ricardo Wave là phần mềm mô phỏng động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi, cho phép mô phỏng chi tiết quá trình cháy, áp suất, nhiệt độ và khí thải, kết quả mô phỏng được so sánh và hiệu chỉnh với dữ liệu thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác cao.

4. Sử dụng Bio-Diesel có ảnh hưởng đến tuổi thọ động cơ không?
   Bio-Diesel có tính chất hóa học khác Diesel truyền thống, có thể ảnh hưởng đến hệ thống nhiên liệu nếu không được xử lý đúng cách. Tuy nhiên, với thiết kế buồng cháy và hệ thống phun phù hợp, động cơ có thể vận hành ổn định và tuổi thọ không bị ảnh hưởng đáng kể.

5. Làm thế nào để thúc đẩy ứng dụng động cơ Diesel sử dụng Bio-Diesel trong nông nghiệp?
   Cần có chính sách hỗ trợ sản xuất và phân phối Bio-Diesel, đầu tư nghiên cứu phát triển động cơ phù hợp, đào tạo kỹ thuật viên và nâng cao nhận thức người dùng về lợi ích của nhiên liệu sinh học.

Kết luận

• Đã nghiên cứu và mô phỏng thành công quá trình cháy trong động cơ Diesel 3 xy lanh phun gián tiếp có buồng cháy TVC sử dụng nhiên liệu Bio-Diesel, với công suất khoảng 35 HP phù hợp cho nông nghiệp Việt Nam.
• Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu suất nhiệt và công suất động cơ sử dụng Bio-Diesel tương đương hoặc cao hơn Diesel, đồng thời giảm đáng kể khí thải NOx, CO và HC.
• Phương pháp mô phỏng bằng phần mềm Ricardo Wave là công cụ hiệu quả để phân tích và tối ưu hóa quá trình cháy động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu sinh học.
• Đề xuất phát triển sản xuất động cơ Diesel công suất nhỏ trong nước, kết hợp sử dụng nhiên liệu Bio-Diesel nhằm thúc đẩy cơ giới hóa nông nghiệp và bảo vệ môi trường.
• Các bước tiếp theo bao gồm hoàn thiện thiết kế động cơ, thử nghiệm thực tế, xây dựng hệ thống sản xuất và đào tạo nguồn nhân lực kỹ thuật.

Hành động ngay: Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu nên phối hợp triển khai dự án phát triển động cơ Diesel 3 xy lanh sử dụng Bio-Diesel, góp phần hiện đại hóa nông nghiệp và phát triển bền vững Việt Nam.