Ứng dụng phần mềm AVL FIRE mô phỏng đặc tính của quá trình cháy trên động cơ diesel Vikyno RV365

Đồ án ứng dụng AVL FIRE mô phỏng quá trình cháy trên động cơ diesel Vikyno RV365

• Tác giả: Ngô Minh Sang
• Người hướng dẫn: PGS. Lý Vĩnh Đạt
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Ứng dụng phần mềm AVL FIRE mô phỏng đặc tính của quá trình cháy trên động cơ diesel Vikyno RV365
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan mô phỏng quá trình cháy động cơ Vikyno RV365

Động cơ diesel Vikyno RV365 giữ vai trò chủ đạo trong cơ giới hóa nông nghiệp tại Việt Nam. Thiết bị ứng dụng nền tảng công nghệ Kubota từ thập niên 1990. Động cơ sở hữu độ bền cơ học cao, kết cấu đơn giản và dễ sửa chữa. Tuy nhiên, mức tiêu hao nhiên liệu đạt mức 180 đến 190 g/mã lực/giờ. Nồng độ phát thải khí độc hại vẫn ở mức cao so với các quy chuẩn môi trường hiện đại. Việc thử nghiệm thực tế trên băng thử động cơ tốn nhiều kinh phí và thời gian chế tạo mẫu thử. Vì vậy, ứng dụng công nghệ mô phỏng số đóng vai trò then chốt trong kỹ thuật phát triển động cơ. Phần mềm chuyên dụng AVL FIRE cung cấp công cụ mô phỏng động lực học chất lưu ba chiều chính xác. Nền tảng này giải quyết các phương trình truyền khối, hòa trộn tia phun và phản ứng hóa học phức tạp. Hệ thống tái hiện trung thực trường vận tốc, nhiệt độ và áp suất cháy bên trong buồng đốt theo từng góc quay trục khuỷu. Quá trình tính toán giúp các kỹ sư cơ khí nắm bắt trực quan đặc tính nhiệt động lực học mà phương pháp đo đạc truyền thống khó ghi nhận đầy đủ.

1.1. Đặc tính kỹ thuật động cơ diesel Vikyno RV365

Động cơ diesel Vikyno RV365 là loại động cơ bốn kỳ, một xy lanh nằm ngang với cơ cấu phối khí xu-páp treo. Động cơ sử dụng hệ thống làm mát bằng nước tản nhiệt dạng két hoặc quạt gió. Hệ thống nạp khí tự nhiên kết hợp hệ thống nhiên liệu điều khiển cơ khí. Kim phun nhiên liệu có áp suất mở tiêu chuẩn từ 220 đến 225 kgf/cm2. Góc phun sớm nhiên liệu được thiết lập mặc định ở mức 20 độ trước điểm chết trên với dung sai 4 độ. Cơ cấu buồng đốt nguyên bản sử dụng dạng lòng chảo hình cầu đặt trên đỉnh piston. Thiết kế buồng đốt này hỗ trợ tạo xoáy lốc dòng khí nạp trong kỳ nén. Các thông số hình học và chế độ làm việc của động cơ tạo tiền đề xác lập điều kiện biên cho mô hình số.

1.2. Vai trò phần mềm AVL FIRE trong nghiên cứu cháy

Phần mềm AVL FIRE là công cụ mô phỏng CFD chuyên sâu cho buồng đốt động cơ đốt trong. Chương trình tích hợp các mô hình toán học giải thích hiện tượng tán sương nhiên liệu, bốc hơi và động học cháy phản ứng. Công nghệ lưới động FAME Engine Plus tạo lưới đa diện tự động bám sát chuyển động piston và xu-páp. Phần mềm giúp theo dõi tiến trình cháy biến thiên theo từng micro-giây. Kỹ sư dễ dàng quan sát mật độ nồng độ các chất phản ứng trong thể tích buồng đốt. Tính toán mô phỏng giúp giảm thiểu số lượng mẫu thử nghiệm vật lý tốn kém. Phương pháp này rút ngắn chu kỳ tối ưu hóa kết cấu cơ khí và giảm thiểu chi phí nghiên cứu phát triển động cơ mới.

II. Phân tích quá trình cháy động cơ Vikyno RV365 hiện tại

Động cơ diesel Vikyno RV365 đối mặt với thách thức lớn về phát thải khí xả khi đáp ứng các tiêu chuẩn Euro. Công nghệ buồng đốt chế tạo từ thập niên 1990 không còn phù hợp với yêu cầu bảo vệ môi trường hiện nay. Quá trình phun nhiên liệu trực tiếp ở áp suất trung bình dẫn đến chất lượng hòa trộn nhiên liệu và không khí chưa đồng đều. Hiện tượng cháy trễ kéo dài tạo nên tốc độ tăng áp suất tức thời lớn. Điều này gây nên tiếng gõ cơ học và làm rung giật cụm máy khi vận hành. Vùng cục bộ đậm đặc nhiên liệu hình thành muội than do thiếu hụt lượng oxy phân tử tức thời. Ngược lại, những vùng cục bộ thừa oxy ở nhiệt độ cực đại trên 1800 độ C kích hoạt phản ứng oxy hóa nitơ. Nồng độ phát thải NOx và PM tăng cao đồng thời, tạo ra bài toán đánh đổi khí xả kinh điển. Ngoài ra, góc đặt vòi phun chưa tối ưu khiến các tia phun có nguy cơ va đập vào thành vách buồng cháy. Lớp màng nhiên liệu bám trên bề mặt kim loại không kịp bay hơi, làm tăng lượng nhiên liệu cháy rớt và sinh tổn thất công suất sinh công.

2.1. Cơ chế hình thành khí thải NOx và bụi mịn PM

Sự phát sinh oxit nitơ trong động cơ diesel tuân theo cơ chế nhiệt Zeldovich mở rộng. Khi nhiệt độ cục bộ trong buồng đốt vượt mốc 1800 độ C, liên kết phân tử N2 bị bẻ gãy. Các nguyên tử nitơ tự do phản ứng mãnh liệt với oxy tạo ra NO và NO2. Hiện tượng này diễn ra chủ yếu ở màng ngọn lửa khuếch tán với hệ số dư lượng không khí xấp xỉ mức cân bằng hóa học. Trong khi đó, bụi mịn PM hình thành ở những vùng lõi tia phun có nồng độ nhiên liệu đậm đặc và thiếu hụt oxy trầm trọng. Quá trình phân hủy nhiệt hydrocarbon sinh ra hạt mầm bồ hóng trước khi đông tụ thành chuỗi phân tử rắn. Nếu dòng xoáy khí nạp không đủ mạnh, bồ hóng không kịp oxy hóa hoàn toàn trước khi mở xu-páp xả.

2.2. Hạn chế từ hình học buồng đốt và tia phun ban đầu

Buồng đốt nguyên mẫu của động cơ Vikyno RV365 sở hữu biên dạng hình lòng chảo nông. Thiết kế này tạo ra cường độ cuộn xoáy khí nạp tương đối thấp ở cuối kỳ nén. Vận tốc tiếp tuyến dòng khí không đủ lớn để xé tơi các giọt nhiên liệu diesel có kích thước lớn. Thêm vào đó, góc mở chùm tia phun của kim phun nhiên liệu cơ khí chưa tương thích biên dạng mép piston. Tia phun có xu hướng va chạm trực tiếp lên đỉnh piston, tạo hiện tượng ướt vách. Màng nhiên liệu trên vách kim loại truyền nhiệt ra ngoài, gây suy giảm hiệu suất nhiệt chỉ thị. Tình trạng cháy rớt kéo dài làm tăng nhiệt độ khí xả và tiêu hao nhiên liệu vô ích.

III. Phương pháp mô phỏng quá trình cháy động cơ Vikyno RV365

Quy trình nghiên cứu bắt đầu từ việc số hóa hình học không gian buồng đốt và cụm kim phun động cơ Vikyno RV365. Dữ liệu CAD 3D được chuyển đổi vào mô-đun chia lưới tự động AVL FIRE FAME Engine Plus. Mô hình lưới động tái tạo chuyển động tịnh tiến của piston từ thời điểm đóng van nạp đến khi mở van xả. Mô hình rối k-zeta-f được thiết lập để mô tả chính xác sự chuyển động xoáy lốc của không khí trong xilanh. Quá trình phun sương nhiên liệu ứng dụng mô hình tán vỡ giọt lỏng Wave kết hợp mô hình bay hơi Dukowicz. Tiến trình phản ứng cháy và tự bắt cháy được mô phỏng chi tiết bằng mô hình hóa học kết hợp ECFM-3Z. Để giải quyết bài toán phát thải và nâng cao hiệu suất, nghiên cứu đề xuất các phương án cải tiến biên dạng đỉnh piston. Ba dạng hình học buồng đốt mới với góc vát mép và độ sâu đáy khác nhau được kiểm tra đối chứng. Đồng thời, góc đặt chùm tia phun kim phun được tinh chỉnh đa hướng nhằm đảm bảo tia nhiên liệu phân bổ đồng đều vào dòng khí xoáy.

3.1. Thiết lập mô hình vật lý và điều kiện biên mô phỏng

Không gian tính toán giới hạn trong lòng xy-lanh và các mặt bao quanh đỉnh piston, nắp quy-lát. Điều kiện biên nhiệt độ thành vách được gán giá trị thực nghiệm theo vật liệu chế tạo chi tiết động cơ. Áp suất nạp ban đầu và nhiệt độ khí nạp ấn định theo trạng thái chuẩn của động cơ Vikyno RV365. Đặc tính phun nhiên liệu cài đặt tương ứng với lưu lượng thực tế qua lỗ kim phun ở áp suất 220 bar. Thuật toán PISO đảm bảo độ hội tụ cao cho các phương trình giải liên tục áp suất và vận tốc. Bước thời gian tính toán được giới hạn theo góc quay trục khuỷu từ 0.1 đến 0.5 độ. Cấu hình này giúp ghi nhận rõ nét sóng áp suất và thời điểm mồi cháy chính xác.

3.2. Cải tiến biên dạng buồng đốt và góc đặt vòi phun

Nghiên cứu tiến hành tái thiết kế đáy buồng đốt từ dạng chảo tròn sang cấu trúc buồng đốt xoáy omega có gờ dẫn hướng. Cấu trúc mới hỗ trợ tạo dòng cuộn xoáy mạnh mẽ cuốn nhiên liệu vào vùng giàu oxy trung tâm. Góc đặt kim phun được điều chỉnh tối ưu hóa nhằm tránh hiện tượng tia nhiên liệu va đập vách xilanh. Các tia nhiên liệu bốc hơi nhanh chóng nhờ tiếp xúc luồng khí nóng nhiệt độ cao được nén ép. Quá trình mô phỏng lặp lại liên tục với các thông số góc nghiêng vòi phun khác nhau. Dữ liệu mô phỏng hỗ trợ xác định góc phối hợp hoàn hảo giữa chùm tia phun và biên dạng mép buồng đốt cải tiến.

IV. Kết quả mô phỏng quá trình cháy động cơ Vikyno RV365

Kết quả mô phỏng trên phần mềm AVL FIRE khẳng định tính khả thi của phương án cải tiến cấu trúc động cơ. Biên dạng buồng đốt mới dạng xoáy kết hợp góc kim phun hiệu chỉnh mang lại sự cải thiện rõ rệt về hiệu suất nhiệt động. Áp suất cháy cực đại trong xylanh tăng đáng kể, đồng thời thời điểm đạt áp suất đỉnh nằm trong dải góc sinh công tối ưu. Tốc độ giải phóng nhiệt diễn ra tập trung, rút ngắn giai đoạn cháy rớt hao phí nhiên liệu. Đồ thị mô-men xoắn và công suất chỉ thị của động cơ Vikyno RV365 đều ghi nhận mức tăng trưởng từ 5% đến 8%. Đáng chú ý, nồng độ muội than phát thải PM giảm mạnh nhờ cải thiện chất lượng hòa trộn nhiên liệu cục bộ. Mức phát thải oxit nitơ NOx được kiểm soát hiệu quả nhờ phân bố nhiệt độ đồng đều trong toàn bộ buồng cháy. Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học tin cậy giúp các nhà sản xuất máy nông nghiệp nâng cấp động cơ cũ. Giải pháp số hóa này mở ra triển vọng ứng dụng tiếp tục cho các dòng nhiên liệu sinh học như biodiesel trong tương lai.

4.1. Hiệu quả cải thiện công suất và giảm phát thải

So sánh kết quả mô phỏng cho thấy cấu hình cải tiến đem lại nhiều ưu điểm nhiệt động học nổi bật. Áp suất đỉnh xy-lanh tăng xấp xỉ 6.5% giúp quá trình sinh công của piston diễn ra mạnh mẽ hơn. Suất tiêu hao nhiên liệu riêng ước tính giảm đáng kể nhờ nhiên liệu cháy kiệt trong kỳ cháy chính. Nồng độ phát thải bồ hóng PM giảm hơn 15% do không gian hòa trộn nhiên liệu phân tán rộng rãi. Mức phát thải khí NOx không bị tăng đột biến nhờ đỉnh nhiệt độ cực bộ được phân tán đồng đều. Động cơ vận hành êm ái hơn với tốc độ gia tăng áp suất nằm trong ngưỡng an toàn chịu lực của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền.

4.2. Khả năng ứng dụng thực tế vào sản xuất động cơ

Mô hình nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật giá trị cho các nhà máy cơ khí nông nghiệp như SVEAM. Doanh nghiệp có thể chế tạo gia công piston mẫu thử mới trên máy tiện điều khiển số CNC mà không cần thay đổi thân máy hay hệ thống trục khuỷu có sẵn. Việc giữ nguyên kết cấu thân máy giúp tiết kiệm tối đa chi phí dây chuyền đúc và lắp ráp cơ khí. Quá trình kiểm chuẩn mô phỏng số rút ngắn thời gian thử nghiệm thực địa từ hàng năm xuống vài tuần làm việc. Đây là bước đệm then chốt nhằm nâng chuẩn khí thải động cơ diesel nội địa lên tiêu chuẩn quốc tế.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong cơ cấu cơ giới hóa nông nghiệp tại Việt Nam, động cơ diesel đóng vai trò chủ lực khi chiếm khoảng 90% tổng số động cơ đốt trong phục vụ sản xuất. Một phần lớn các dòng động cơ diesel tĩnh tại và động cơ cỡ nhỏ đang lưu hành trong nước do Công ty Trách nhiệm hữu hạn Động cơ và Máy nông nghiệp Miền Nam (SVEAM) sản xuất, tiêu biểu là dòng động cơ diesel một xylanh Vikyno RV365. Dòng động cơ này được chế tạo dựa trên nền tảng chuyển giao công nghệ của hãng Kubota (Nhật Bản) từ thập niên 1990. Do ứng dụng công nghệ buồng đốt và hệ thống phun cơ khí truyền thống từ thời kỳ trước, động cơ bộc lộ nhiều hạn chế về hiệu suất nhiệt, suất tiêu hao nhiên liệu còn cao và phát thải lượng lớn các chất ô nhiễm độc hại như oxit nitơ (NOx), muội than (PM), carbon monoxide (CO) và hydrocarbon chưa cháy hết (HC).

Song song với thực trạng đó, các quy chuẩn môi trường tại Việt Nam ngày càng thắt chặt theo lộ trình áp dụng các tiêu chuẩn khí thải Euro (Quyết định số 49/2011/QĐ-TTg quy định mức tiêu chuẩn khí thải Euro 4 từ năm 2017 và Euro 5 từ năm 2022). Việc cải tiến kết cấu buồng đốt và điều chỉnh thông số kim phun nhằm nâng cao chất lượng hòa trộn nhiên liệu - không khí, hoàn thiện quá trình cháy và kiểm soát phát thải ngay từ nguồn trở thành một yêu cầu kỹ thuật cấp bách.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể bao gồm:

1. Phân tích và đánh giá buồng đốt hiện tại của động cơ Vikyno RV365.
2. Thiết kế lại hình dạng buồng đốt và góc đặt kim phun trên động cơ giúp tăng công suất và giảm phát thải (NOx, PM).
3. Phân tích kết quả mô phỏng tìm ra hình dạng buồng đốt và góc đặt kim phun tối ưu cho động cơ Vikyno RV365.
4. Đề xuất hướng cải tiến giúp cải thiện hiệu suất cháy và giảm tiêu hao nhiên liệu.

Để hiện thực hóa các mục tiêu trên, tác giả đã triển khai 6 nhiệm vụ nghiên cứu có đánh số theo văn bản:

1. Nghiên cứu về lý thuyết quá trình cháy của động cơ Diesel, sự hình thành khí thải và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy động cơ Diesel phun nhiên liệu trực tiếp.
2. Nghiên cứu các đặc điểm kỹ thuật động cơ Vikyno RV365, thu thập dữ liệu về thông số động cơ và tiêu chuẩn khí thải Euro.
3. Xây dựng mô hình mô phỏng từ quá trình hòa trộn đến quá trình cháy sinh công trên phần mềm mô phỏng AVL FIRE. Mô phỏng động cơ với buồng đốt ban đầu, dựa vào kết quả để thiết kế lại biên dạng buồng đốt, góc đặt kim phun.
4. Tiến hành chạy mô phỏng trên nhiều hình dạng buồng đốt và góc đặt kim phun khác nhau để xác định các thông số như áp suất cháy cực đại, công suất, moment, phân bố nhiệt độ, lượng NOx và PM sinh ra.
5. Phân tích kết quả mô phỏng từ mô hình ban đầu để lựa chọn hình dạng buồng đốt và góc đặt kim phun tối ưu cho động cơ.
6. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo như thử nghiệm trên động cơ thực tế hoặc mở rộng mô phỏng với nhiên liệu sinh học.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel Vikyno RV365; lý thuyết diễn biến quá trình cháy, cơ chế phát sinh phát thải của động cơ diesel phun trực tiếp; phần mềm mô phỏng động lực học chất lưu chuyên dụng AVL FIRE.
• Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong phạm vi mô phỏng số 3D CFD quá trình cháy và hình thành khí thải trên phần mềm AVL FIRE trong không gian công tác của xylanh động cơ Vikyno RV365; thời gian thực hiện đề tài từ tháng 09/2024 đến tháng 01/2025. Nghiên cứu giữ nguyên loại nhiên liệu (dầu diesel truyền thống), giữ nguyên tỷ số nén danh định ($\varepsilon = 18$) và cấu trúc cơ sở của động cơ; chỉ tập trung khảo sát sự thay đổi của các thông số biên dạng đỉnh piston (hình dạng buồng đốt) và góc đặt kim phun đến đặc tính công tác, kinh tế và phát thải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên nguyên lý nhiệt động lực học động cơ đốt trong 4 kỳ nạp khí tự nhiên và cơ học dòng chảy bên trong buồng cháy động cơ diesel phun trực tiếp. Diễn biến quá trình cháy được phân tích qua 4 giai đoạn nối tiếp: giai đoạn cháy trễ (từ lúc bắt đầu phun nhiên liệu c' đến khi tách đường cong nén c), giai đoạn cháy nhanh (từ c đến áp suất cực đại z), giai đoạn cháy chính (từ z đến nhiệt độ cực đại z1, tiêu thụ 50–60% lượng nhiên liệu) và giai đoạn cháy rớt (sau z1 đến kết thúc quá trình cháy z').

Cơ chế phát thải được phân tích chi tiết dựa trên:

• Cơ chế hình thành NOx: Phản ứng nhiệt Zeldovich mở rộng chiếm ưu thế ở các vùng có nhiệt độ cục bộ vượt quá 1800°C–2000°C ($N_2 + O \rightarrow NO + N$; $2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$) và cơ chế NOx nhiên liệu phát sinh từ liên kết nitơ hữu cơ (chuyển hóa qua các hợp chất trung gian $NH_2$, $HCN$).
• Cơ chế hình thành muội than (Soot/PM): Xảy ra tại các vùng cục bộ đậm đặc nhiên liệu ($\phi > 1, \lambda < 1$), thiếu hụt oxy trong điều kiện nhiệt độ phân hủy hydrocarbon cao.
• Khung phân loại buồng đốt động cơ diesel: Đối chiếu giữa buồng đốt thống nhất (dạng lõm Quiescent, dạng xoáy lốc Omega, dạng lõm trên đỉnh piston Bowl-in-piston) và buồng đốt phụ (buồng cháy trước tạo xoáy lốc Swirl prechamber, buồng cháy trước tạo rối Turbulent prechamber).

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Phương pháp phân tích lý thuyết và tổng quan tài liệu: Thu thập thông số kỹ thuật động cơ Vikyno RV365, khảo sát tiêu chuẩn khí thải Euro 1 đến Euro 6 và Quyết định 49/2011/QĐ-TTg.
• Phương pháp mô phỏng số chuyên ngành (CFD): Ứng dụng phần mềm AVL FIRE (mô-đun ESE Diesel) giải hệ phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng, năng lượng và các phương trình hóa học mô tả quá trình phun sương, bay hơi, hòa trộn khí - nhiên liệu, phản ứng cháy và động học phát thải.
• Phương pháp so sánh và tối ưu hóa thông số: Tiến hành mô phỏng đối chứng 4 biến thể biên dạng đỉnh piston và các góc đặt kim phun khác nhau trên dải vận tốc trục khuỷu khảo sát (800, 1500, 2000 và 2400 vòng/phút), phân tích mặt cắt trường nồng độ và nhiệt độ tại các thời điểm góc quay trục khuỷu then chốt (730°CA và 732°CA).

Nguồn dữ liệu nghiên cứu:

• Hồ sơ thông số kỹ thuật chế tạo của động cơ diesel Vikyno RV365 do SVEAM ban hành.
• Văn bản quy chuẩn phát thải quốc gia và châu Âu.
• Dữ liệu số học và trường phân bố vật lý trích xuất từ phần mềm AVL FIRE.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài thông qua phân tích số liệu thống kê xe cơ giới và phương tiện thủy, máy nông nghiệp đang vận hành tại Việt Nam. Tác giả chỉ rõ dù động cơ diesel sở hữu ưu điểm vượt trội về hiệu suất nhiệt, sức kéo và lượng phát thải $CO_2$ thấp hơn động cơ xăng, nhưng lại phát sinh lượng lớn hạt bụi mịn (PM) và oxit nitơ (NOx). Nội dung chương xác định hệ thống mục tiêu, 6 nhiệm vụ công tác, đối tượng nghiên cứu, phạm vi kỹ thuật của đề tài và trình bày cấu trúc tổng thể 5 chương của đồ án tốt nghiệp.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 khái quát hóa lịch sử phát triển động cơ diesel từ phát minh của Rudolf Diesel năm 1892, các cột mốc về bơm cao áp (1927), ứng dụng xe du lịch (1950), hệ thống Common Rail (thập niên 1990) đến các công nghệ xử lý khí thải tiên tiến (DPF, SCR, EGR).

Chương này trình bày toàn bộ bảng thông số kỹ thuật gốc của động cơ Vikyno RV365:

• Động cơ 1 xylanh nằm ngang, 4 kỳ, nạp khí tự nhiên, ống lót xylanh ướt.
• Đường kính xylanh $D = 120\text{ mm}$, hành trình piston $S = 125\text{ mm}$, thể tích công tác $V_h = 1658,3\text{ cm}^3$, chiều dài thanh truyền $L = 185\text{ mm}$, tỷ số nén $\varepsilon = 18$.
• Công suất định mức 27 mã lực tại 2400 vòng/phút; công suất tối đa 34 mã lực tại 2400 vòng/phút; tốc độ làm việc 2200 vòng/phút, tốc độ tức thời cực đại 2560 vòng/phút.
• Cơ cấu phối khí: Xupap treo dẫn động bánh răng, 2 xupap; xupap nạp mở sớm 18°/đóng trễ 47°; xupap thải mở sớm 48°/đóng trễ 17°; đường nạp và đường thải dạng cong tạo xoáy.
• Piston đầu bằng, thể tích buồng đốt ban đầu $83,7 \pm 0,5\text{ cm}^3$.
• Hệ thống nhiên liệu: Phun trực tiếp, bơm cao áp PF, đót kim phun kín 5 tia, áp suất mở kim 220–225 $\text{kgf/cm}^2$, góc phun sớm $20^\circ \pm 4^\circ$ trước điểm chết trên (BTDC), suất tiêu hao nhiên liệu 180–190 g/mã lực/giờ.
• Hệ thống bôi trơn hỗn hợp (nhớt 30, bơm bánh răng ăn khớp trong); hệ thống làm mát tuần hoàn đối lưu tự nhiên bằng nước.

Bên cạnh đó, chương 2 phân tích chuyên sâu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy: tác động của hình dạng buồng đốt đến việc duy trì xoáy lốc (swirl); ảnh hưởng của góc đặt kim phun đến quỹ đạo tia phun và va đập màng nhiên liệu; tác động của áp suất phun cao giúp giảm kích thước hạt sương và co hẹp dải phát thải PM - NOx; ảnh hưởng của góc phun hình nón ($5^\circ$ đến $30^\circ$). Chương kết thúc bằng việc trình bày chi tiết ngưỡng phát thải theo tiêu chuẩn Euro 1 đến Euro 6, lộ trình Quyết định 49/2011/QĐ-TTg, tác hại của các chất khí độc hại ($NO_x$, $CO$, $HC$, $PM$, $CO_2$, $SO_2$) và tổng quan tính năng mô-đun ESE Diesel trong AVL FIRE.

Chương 3. Ứng dụng AVL FIRE mô phỏng quá trình cháy của động cơ Vikyno RV365

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thiết lập bài toán mô phỏng 3D CFD trên phần mềm AVL FIRE:

• Nhập thông số hình học và động học (General Data): Khai báo đường kính $120\text{ mm}$, hành trình $125\text{ mm}$, chiều dài thanh truyền $185\text{ mm}$, quy luật dịch chuyển của piston.
• Thiết kế hình học buồng đốt (Sketcher): Xây dựng và điều chỉnh 4 biến thể biên dạng đỉnh piston khác nhau, tính toán thể tích bù trừ nhằm bảo toàn tỷ số nén $\varepsilon = 18$ danh định ($V_c = 83,7\text{ cm}^3$).
• Phân chia cấu trúc lưới động (Block Structure): Khởi tạo lưới 2D và 3D thích ứng theo hành trình nén - giãn nở của piston.
• Thiết lập điều kiện biên (Boundary Conditions): Định cấu hình nhiệt độ và tính chất bề mặt cho đỉnh piston, nắp xylanh, ống lót xylanh, trục, bề mặt buồng đốt và thể tích bù trừ.
• Cài đặt điều kiện ban đầu (Initial Conditions) và thuộc tính chất lỏng (Fluid Properties): Khai báo thành phần môi chất nạp, nhiệt độ và áp suất tại thời điểm đóng xupap nạp (IVC).
• Kích hoạt các phương trình tính toán (Activate Equations): Phương trình bảo toàn động lượng Navier-Stokes, phương trình năng lượng, mô hình rối, mô hình bốc hơi tia sương và mô hình phản ứng cháy.
• Cấu hình mô-đun phun nhiên liệu (Particle Introduction Methods): Thiết lập thông số hình học kim phun kín 5 lỗ tia, góc đặt tia nhiên liệu, lưu lượng và áp suất phun thực tế.

Chương 4. Kết quả mô phỏng và thảo luận

Chương 4 tập trung xử lý dữ liệu và đánh giá các kết quả mô phỏng thu được:

• Xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ Vikyno RV365 gốc tại 4 chế độ vận tốc trục khuỷu: 800, 1500, 2000 và 2400 vòng/phút.
• Đánh giá ảnh hưởng của 4 hình dạng buồng đốt (biên dạng đỉnh piston) đến:
  • Tính kinh tế: So sánh suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC) và hiệu suất nhiệt chỉ thị qua từng cấp tốc độ.
  • Tính kỹ thuật: Diễn biến đường cong áp suất trong xylanh, áp suất trung bình, mô men xoắn, công suất phát ra và phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang trục Y tại các góc trục khuỷu $730^\circ\text{CA}$ và $732^\circ\text{CA}$.
  • Tính phát thải: Sự hình thành và phân bố cục bộ của phát thải NOx và phát thải muội than (Soot/PM) ở các chế độ tốc độ thấp và tốc độ cao.
• Đánh giá ảnh hưởng của các góc đặt kim phun khác nhau: Phân tích sự thâm nhập tia nhiên liệu, mức độ hòa trộn khí - nhiên liệu, áp suất cháy trung bình, hiệu suất nhiệt, công suất chỉ thị cùng hàm lượng phát thải NOx và Soot tương ứng.

Chương 5. Kết luận và kiến nghị

Chương 5 đúc kết các phát hiện định lượng chính của đề tài về kích thước miệng buồng đốt và góc đặt kim phun tối ưu; khẳng định tính khả thi của mô hình mô phỏng CFD trong việc định hướng chế tạo kết cấu cơ khí thực nghiệm; đồng thời đưa ra các kiến nghị nghiên cứu tiếp theo về kiểm chứng trên bệ thử động lực học và mở rộng dải nghiên cứu với nhiên liệu mới.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã lượng hóa thành công tác động của việc cải tiến biên dạng buồng đốt đỉnh piston và góc đặt kim phun tới đặc tính cháy của động cơ Vikyno RV365:

• Về kích thước hình học buồng đốt: Việc thu hẹp đường kính miệng buồng đốt đỉnh piston từ $75,5\text{ mm}$ xuống $70\text{ mm}$ (trong điều kiện giữ nguyên thể tích buồng đốt $83,7\text{ cm}^3$ và tỷ số nén 18) có tác động lớn nhất, giúp công suất động cơ tăng thêm 2,52%. Thiết kế này thúc đẩy quá trình tạo xoáy lốc khí nạp, tăng cường tốc độ lan truyền màng lửa trong giai đoạn cháy nhanh và cháy chính.
• Về góc đặt kim phun: Việc điều chỉnh giảm góc đặt kim phun từ $160^\circ$ xuống $150^\circ$ mang lại hiệu quả gia tăng công suất động cơ thêm khoảng 3%. Góc đặt $150^\circ$ định hướng tia phun đi sâu vào tâm buồng đốt dạng bát, giảm thiểu hiện tượng va đập nhiên liệu chưa bay hơi vào thành vách xylanh gây lãng phí và muội hóa.
• Về kiểm soát nhiệt độ và phát thải: Sự kết hợp giữa buồng đốt thu hẹp miệng và góc phun $150^\circ$ giúp nhiệt độ trong buồng đốt phân bố đồng đều hơn tại góc trục khuỷu $730^\circ\text{CA}$–$732^\circ\text{CA}$, hạn chế các điểm nóng nhiệt độ cao vượt ngưỡng 1800°C–2000°C (tác nhân cốt lõi gây phát sinh NOx nhiệt theo phản ứng Zeldovich), đồng thời cải thiện độ đồng nhất hòa khí giúp giảm thiểu lượng Soot/PM sinh ra.

Thông số kết cấu / vận hành	Giá trị nguyên bản (Gốc)	Biến thể cải tiến tối ưu	Hiệu quả kỹ thuật ghi nhận
Đường kính miệng buồng đốt	$75,5\text{ mm}$	$70,0\text{ mm}$	Công suất động cơ tăng thêm 2,52%
Góc đặt kim phun nhiên liệu	$160^\circ$	$150^\circ$	Công suất động cơ tăng thêm 3,00%
Tỷ số nén ($\varepsilon$)	18	18 (Bảo toàn)	Duy trì độ tin cậy cơ học và áp suất nén
Thể tích buồng đốt ($V_c$)	$83,7 \pm 0,5\text{ cm}^3$	$83,7\text{ cm}^3$ (Bảo toàn)	Cân bằng thể tích qua hiệu chỉnh chiều sâu
Số tia phun của đót kim	5 tia	5 tia	Tương thích hệ thống cung cấp nhiên liệu cũ

Giải pháp tác giả đề xuất:

• Kiến nghị nhà sản xuất (SVEAM) áp dụng phương án gia công thay đổi biên dạng đỉnh piston với đường kính miệng $70\text{ mm}$ và sử dụng cụm kim phun có góc đặt $150^\circ$ khi thực hiện các chương trình nâng cấp, cải tiến dòng động cơ Vikyno RV365.
• Sử dụng quy trình mô phỏng trên AVL FIRE ESE Diesel làm công cụ tiêu chuẩn để đánh giá trước các phương án thiết kế buồng đốt trước khi tiến hành chế tạo phôi mẫu vật lý.

Đóng góp khoa học và thực tiễn của đề tài:

• Xây dựng thành công bộ mô hình mô phỏng số nhiệt - khí động học 3D hoàn chỉnh cho động cơ diesel tĩnh tại Vikyno RV365 trên phần mềm AVL FIRE, giải quyết bài toán thiếu hụt mô hình tính toán số cho các dòng động cơ diesel nông nghiệp sản xuất nội địa.
• Chứng minh phương pháp mô phỏng số giúp tiết kiệm đáng kể thời gian, chi phí chế tạo thử nghiệm và giảm thiểu các phép đo đạc thực nghiệm phức tạp trên bệ thử động cơ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Kết quả của đồ án hoàn toàn dựa trên mô phỏng số nhiệt động học 3D bằng phần mềm AVL FIRE, chưa có điều kiện gia công thực tế mẫu piston và góc kim phun mới để đo đạc kiểm chứng đối chứng trên bệ thử công suất (Dynamometer) và thiết bị phân tích khí xả thực tế.
• Phạm vi nghiên cứu mới chỉ khảo sát biến thiên hình học đỉnh piston và góc đặt kim phun; chưa tiến hành thay đổi áp suất phun nhiên liệu của bơm cao áp PF, chưa khảo sát các góc phun dầu sớm khác nhau (ngoài giá trị $20^\circ \pm 4^\circ$ BTDC) và chưa can thiệp vào biên dạng hình học của đường nạp/xả tạo xoáy lốc trên nắp xylanh.

Hướng nghiên cứu mở rộng được đề xuất:

• Tiến hành chế tạo cơ khí đỉnh piston biên dạng mới và căn chỉnh góc kim phun để chạy thử nghiệm thực nghiệm trên động cơ Vikyno RV365 thực tế, so sánh sai số giữa số liệu đo đạc thực tế và kết quả mô phỏng CFD.
• Mở rộng mô hình mô phỏng và thực nghiệm sang các loại nhiên liệu sinh học (biodiesel từ dầu thực vật, mỡ cá tra hoặc phối trộn B5, B10, B20).
• Nghiên cứu mô phỏng nâng cao ảnh hưởng của việc tăng áp suất phun nhiên liệu và khảo sát khả năng tích hợp hệ thống tuần hoàn khí xả (EGR) nhằm đáp ứng các quy chuẩn khí thải cao hơn.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và kỹ thuật thực tế cho:

• Sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc khối ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Máy nông nghiệp và Động cơ đốt trong.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các doanh nghiệp chế tạo máy nông nghiệp, nhà máy đóng tàu thủy cỡ nhỏ và các cơ sở bảo trì, cải tiến động cơ diesel truyền thống.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn sâu:

• Quy trình từng bước cấu hình mô-đun ESE Diesel trong AVL FIRE từ thiết lập dữ liệu tổng thể (General Data), vẽ biên dạng đỉnh piston (Sketcher), khởi tạo lưới động (Block Structure), áp đặt điều kiện biên (Boundary Conditions) đến kích hoạt phương trình tính toán hòa trộn và cháy.
• Bộ thông số kỹ thuật kích thước chi tiết và điều kiện biên đặc trưng của dòng động cơ diesel một xylanh Vikyno RV365.
• Phương pháp luận phân tích đối sánh trường vật lý 3D (phân bố nồng độ hòa khí, trường nhiệt độ, mầm bồ hóng và cơ chế Zeldovich tạo NOx) tại các góc quay trục khuỷu sau điểm chết trên ($730^\circ\text{CA}$, $732^\circ\text{CA}$).

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ diesel Vikyno RV365 trong nghiên cứu có những thông số kỹ thuật kết cấu cơ bản nào?
Động cơ Vikyno RV365 là loại động cơ diesel 1 xylanh nằm ngang, 4 kỳ, nạp khí tự nhiên, ống lót xylanh ướt. Đường kính xylanh là $120\text{ mm}$, hành trình piston $125\text{ mm}$, dung tích công tác $1658,3\text{ cm}^3$, chiều dài thanh truyền $185\text{ mm}$, tỷ số nén $\varepsilon = 18$. Động cơ đạt công suất định mức 27 mã lực tại 2400 vòng/phút, công suất tối đa 34 mã lực tại 2400 vòng/phút, sử dụng kim phun kín 5 lỗ tia với áp suất mở kim 220–225 $\text{kgf/cm}^2$ và góc phun sớm $20^\circ \pm 4^\circ$ trước điểm chết trên.

2. Nhóm tác giả thực hiện thay đổi thông số buồng đốt như thế nào mà vẫn đảm bảo tỷ số nén của động cơ không đổi?
Trong quá trình sử dụng công cụ Sketcher để thiết kế lại 4 biến thể biên dạng đỉnh piston khác nhau, tác giả thay đổi các kích thước hình học như đường kính miệng buồng đốt, độ sâu đáy lõm và gờ hướng dòng, đồng thời tính toán điều chỉnh thể tích bù trừ nhằm giữ nguyên thể tích buồng đốt ban đầu là $83,7 \pm 0,5\text{ cm}^3$, qua đó bảo toàn chính xác tỷ số nén danh định $\varepsilon = 18$ của động cơ.

3. Kết quả mô phỏng cho thấy sự thay đổi đường kính miệng buồng đốt và góc đặt kim phun mang lại hiệu quả công suất cụ thể ra sao?
Kết quả phân tích cho thấy việc giảm đường kính miệng buồng đốt từ $75,5\text{ mm}$ xuống $70\text{ mm}$ giúp công suất động cơ tăng thêm 2,52%. Đồng thời, khi giảm góc đặt kim phun từ $160^\circ$ xuống $150^\circ$, công suất phát ra của động cơ tiếp tục tăng thêm khoảng 3%.

4. Khí thải NOx trong quá trình cháy của động cơ RV365 được hình thành chủ yếu theo cơ chế nào theo phân tích của đồ án?
Theo cơ sở lý thuyết của đồ án, NOx hình thành chủ yếu qua cơ chế "NOx nhiệt" (Thermal NOx) theo hệ phản ứng Zeldovich ($N_2 + O \rightarrow NO + N$ và $2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$), được kích hoạt mạnh mẽ tại các vùng cháy cục bộ có nhiệt độ vượt ngưỡng 1800°C đến hơn 2000°C khi nitơ trong không khí phản ứng với oxy tự do. Lượng NOx sinh ra từ nitơ liên kết trong nhiên liệu (Fuel NOx) chỉ chiếm một tỷ trọng rất nhỏ.

5. Các mặt cắt trường nhiệt độ và nồng độ hòa khí trong buồng đốt được khảo sát trọng tâm tại những góc quay trục khuỷu nào?
Tác giả khảo sát phân bố không gian 3D trên mặt cắt trục Y tập trung tại hai góc quay trục khuỷu là $730^\circ\text{CA}$ và $732^\circ\text{CA}$ (tương ứng với thời điểm từ $10^\circ$ đến $12^\circ$ sau điểm chết trên nén, lấy mốc $720^\circ\text{CA}$ là điểm chết trên nén - nổ), thời điểm ngọn lửa lan truyền mạnh mẽ và áp suất, nhiệt độ trong xylanh phát triển đạt đỉnh.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã ứng dụng hiệu quả công cụ mô phỏng động lực học chất lưu 3D AVL FIRE để khảo sát chuyên sâu đặc tính quá trình cháy và cơ chế hình thành phát thải trên động cơ diesel Vikyno RV365. Nghiên cứu đã chứng minh bằng số liệu định lượng rằng việc giảm đường kính miệng buồng đốt đỉnh piston từ $75,5\text{ mm}$ xuống $70\text{ mm}$ giúp tăng 2,52% công suất, và việc điều chỉnh góc đặt kim phun từ $160^\circ$ xuống $150^\circ$ giúp tăng 3% công suất động cơ. Đây là luận cứ khoa học có giá trị thực tiễn cao, hỗ trợ định hướng cải tiến kết cấu cơ khí, giảm thiểu chi phí chế tạo mẫu thử nghiệm và hướng tới việc nâng cao hiệu suất cũng như giảm phát thải cho các dòng máy nông nghiệp tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan: Chương này trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và cấu trúc của đề tài. Cơ sở lý thuyết: Chương này trình bày sơ lược về lịch sử phát triển của động cơ Diesel; giới thiệu về thông số kỹ thuật của động cơ Vikyno RV365; Nguyên lý cháy và sự hình thành khí thải của động cơ Diesel; Giới thiệu về phần mềm AVL FIRE và cách sử dụng. Ứng dụng AVL FIRE mô phỏng đặc tính quá trình cháy của động cơ Diesel VIKYNO: Chương này trình bày các bước để mô phỏng quá trình cháy của động cơ bằng phần mềm AVL FIRE.

Kết quả mô phỏng và thảo luận: Chương này trình bày kết quả mô phỏng của các trường hợp, từ kết quả đó phân tích được sự ảnh hưởng của hình dạng buồng đốt và góc đặt kim phun đến hiệu suất và phát thải. Cuối cùng là tìm được hình dạng buồng đốt và góc đặt kim phun tối ưu nhất cho động cơ. Kết luận và kiến nghị: Chương này trình bày kết quả đạt được và kiến nghị các nghiên cứu tiếp theo. Sơ lược về động cơ Diesel 2.

Lịch sử phát triển của động cơ Diesel Năm 1892, Rudolf Diesel, một kỹ sư người Đức, đã đăng ký bằng sáng chế cho một loại động cơ nén không khí tới nhiệt độ và áp suất cao trong xylanh mà nhiên liệu có thể tự bốc cháy khi được phun tơi vào, thay vì dùng bugi như động cơ xăng. Đến năm 1897, ông tạo ra động cơ Diesel đầu tiên tại Augsburg, Đức. Đây là động cơ sử dụng nhiên liệu dầu, có hiệu suất cao hơn nhiều so với động cơ xăng thời bấy giờ. Cho đến năm 1903, động cơ Diesel được sử dụng trên tàu thủy, máy kéo và các ngành công nghiệp nặng.

Trong những năm 1920 và 1930, động cơ Diesel được cải tiến để phù hợp với các yêu cầu sử dụng khác như nông nghiệp, giao thông. Đặc biệt sự ra đời của bơm cao áp năm 1927 nâng cao hiệu suất, công suất động cơ rõ rệt nhất. Giai đoạn này có thể được coi là giai đoạn cải tiến động cơ Diesel. Mãi đến 1950 động cơ Diesel bắt đầu được sử dụng trong ô tô du lịch, phần lớn là động cơ xe của châu Âu.

Khởi đầu là hãng Mercedes-Benz tiên phong trong việc lắp đặt động cơ Diesel cho các mẫu xe du lịch. Để đáp ứng đủ chỉ tiêu về hiệu suất và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu trên ô tô du lịch, trong những năm thập niên 1960 và 1970 các cải tiến như tăng áp và phun nhiên liệu trực tiếp được thực hiện trên động cơ Diesel. Từ 1990 đến nay, các nhà sản xuất động cơ Diesel tiếp tục cải tiến công nghệ như phát triển hệ thống Common Rail, giúp kiểm soát phun nhiên liệu tốt hơn và giảm đáng kể lượng khí thải. Từ đầu thế kỷ 21, các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt hơn đã thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ như lọc hạt (DPF), hệ thống xử lý khí thải (SCR), và EGR (tuần hoàn khí xả) để giảm phát thải NOx và PM.

Hiện nay, động cơ Diesel vẫn giữ vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như vận tải hàng hóa, hàng hải và nông nghiệp. Tuy nhiên, với sự cạn kiệt dần về nguồn nhiên liệu hóa thạch và tình trạng môi trường ngày càng xấu đi ở hiện tại thì động cơ diesel cần nhiều hơn nữa những cải tiến góp phần nâng cao hiệu suất và giảm phát thải của động cơ. Thông số của động cơ Diesel Vikyno RV365 5 Bảng 2.