Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu sử dụng động cơ đốt trong tại Việt Nam ngày càng tăng, đặc biệt là động cơ Diesel một xi lanh với công suất khoảng 12,5 HP như động cơ Vikyno RV125-2, việc nâng cao hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường trở thành vấn đề cấp thiết. Theo thống kê, số lượng máy móc phục vụ cơ giới hóa trong nông nghiệp và nông thôn đã tăng đáng kể từ năm 2007 đến 2011, phản ánh sự phát triển mạnh mẽ của ngành cơ khí động lực phục vụ sản xuất nông nghiệp. Tuy nhiên, hệ thống nhiên liệu truyền thống của động cơ Diesel Vikyno RV125-2 vẫn còn nhiều hạn chế như tiêu hao nhiên liệu lớn và phát thải khí thải gây ô nhiễm môi trường.

Khí thiên nhiên nén (CNG) được đánh giá là nguồn nhiên liệu sạch, có trữ lượng lớn và có thể thay thế nhiên liệu truyền thống như xăng và Diesel. Việc ứng dụng nhiên liệu kép CNG-Diesel trên động cơ Diesel Vikyno RV125-2 nhằm mục tiêu cải thiện hiệu suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải khí độc hại. Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD) FLUENT để xây dựng mô hình tính toán quá trình cháy trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép, từ đó phân tích, đánh giá và so sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm nhằm hoàn thiện mô hình và đề xuất hướng phát triển hệ thống nhiên liệu.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào động cơ Diesel Vikyno RV125-2 được cải tạo sử dụng hệ thống nhiên liệu kép CNG-Diesel điều khiển điện tử CRDI, với dữ liệu thu thập và mô phỏng trong điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và hỗ trợ phát triển công nghệ động cơ Diesel sạch, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững của ngành cơ khí động lực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản trong lĩnh vực cơ khí động lực và động lực học chất lỏng, bao gồm:

  • Lý thuyết dòng chảy rối: Sử dụng mô hình k-ε để mô phỏng dòng chảy rối trong buồng cháy động cơ, giúp mô tả chính xác vận tốc và áp suất trong quá trình cháy.
  • Lý thuyết quá trình cháy nhiên liệu khí: Phân tích quá trình cháy hỗn hợp khí CNG và Diesel, bao gồm các mô hình cháy không hòa trộn trước, cháy hòa trộn trước và cháy hòa trộn cục bộ.
  • Mô hình thành phần hỗn hợp: Định nghĩa và tính toán thành phần hỗn hợp nhiên liệu và không khí dựa trên hệ số tương đương, thành phần khối lượng và nhiệt độ.
  • Mô hình hàm mật độ xác suất (PDF): Áp dụng hàm mật độ xác suất để mô phỏng sự biến thiên thành phần hỗn hợp và nhiệt độ trong quá trình cháy rối.
  • Mô hình CRDI (Common Rail Diesel Injection): Hệ thống phun nhiên liệu điện tử điều khiển chính xác áp suất và thời điểm phun, tối ưu hóa quá trình cháy nhiên liệu kép.

Các khái niệm chính bao gồm: thành phần hỗn hợp nhiên liệu, hệ số tương đương, mô hình dòng chảy rối k-ε, hàm mật độ xác suất p(f), và quá trình cháy nhiên liệu kép CNG-Diesel.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm số liệu thực nghiệm từ động cơ Diesel Vikyno RV125-2 đã được cải tạo sử dụng nhiên liệu kép CNG-Diesel, cùng với các thông số kỹ thuật và điều kiện vận hành thực tế. Dữ liệu được thu thập từ các phép đo công suất, áp suất, nhiệt độ và nồng độ khí thải trong quá trình vận hành động cơ.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng số bằng phần mềm FLUENT 6.3, sử dụng mô hình CFD để xây dựng mô hình buồng cháy và tính toán quá trình cháy nhiên liệu kép. Mô hình được thiết lập trên phần mềm GAMBIT 2.4 để tạo lưới tính toán với kích thước và điều kiện biên phù hợp. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu toàn bộ buồng cháy với độ phân giải lưới đủ để mô phỏng chính xác dòng chảy và quá trình cháy.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 10/2012 đến tháng 11/2014, bao gồm các giai đoạn khảo sát thực trạng, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng, phân tích kết quả và so sánh với thực nghiệm để hoàn thiện mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô phỏng quá trình cháy nhiên liệu kép CNG-Diesel: Kết quả mô phỏng cho thấy sự biến thiên nồng độ CH4, O2 và CO trong buồng cháy phù hợp với thực nghiệm, với sai số dưới 10%. Nhiệt độ trung bình trong buồng cháy đạt khoảng 2000 K, áp suất chỉ thị đạt 5,5 bar tại vòng quay 2200 v/p và góc phun sớm 20°.

  2. Ảnh hưởng của góc phun sớm: Khi góc phun sớm tăng từ 10° đến 40°, công suất chỉ thị tăng khoảng 12%, đồng thời nồng độ CO giảm 15%, cho thấy việc điều chỉnh góc phun sớm có tác động tích cực đến hiệu suất và giảm phát thải.

  3. Tác động của độ đậm đặc hỗn hợp: Hệ số tương đương (φ) thay đổi trong khoảng 0,8 đến 1,2 ảnh hưởng đến công suất và áp suất chỉ thị. Ở φ = 1, công suất chỉ thị đạt tối ưu, tăng khoảng 8% so với φ = 0,8 và 1,2.

  4. So sánh mô phỏng và thực nghiệm: Công suất chỉ thị mô phỏng đạt 11,8 kW, trong khi thực nghiệm là 12,0 kW, sai số chỉ khoảng 1,7%. Mô hình mô phỏng giúp giảm thiểu chi phí và thời gian thử nghiệm thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân các kết quả mô phỏng gần với thực nghiệm là do việc áp dụng mô hình k-ε cho dòng chảy rối và mô hình hàm mật độ xác suất p(f) giúp mô phỏng chính xác sự biến thiên thành phần hỗn hợp và nhiệt độ trong buồng cháy. Việc sử dụng hệ thống nhiên liệu CRDI điều khiển điện tử giúp tối ưu hóa thời điểm và áp suất phun nhiên liệu, nâng cao hiệu suất cháy.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với xu hướng ứng dụng nhiên liệu kép CNG-Diesel nhằm giảm phát thải và tiết kiệm nhiên liệu. Mô hình mô phỏng này có thể được trình bày qua biểu đồ biến thiên nồng độ khí, áp suất chỉ thị và công suất theo các thông số vận hành như góc phun sớm và hệ số tương đương.

Ý nghĩa của kết quả là mở ra hướng phát triển công nghệ động cơ Diesel sạch, thân thiện môi trường, đồng thời giảm chi phí thử nghiệm và phát triển sản phẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa góc phun nhiên liệu: Đề xuất điều chỉnh góc phun sớm trong khoảng 20° đến 30° để đạt hiệu suất cháy tối ưu, giảm phát thải CO và tăng công suất chỉ thị. Chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất động cơ và kỹ sư thiết kế hệ thống nhiên liệu, thời gian áp dụng trong vòng 6 tháng.

  2. Phát triển hệ thống điều khiển CRDI điện tử: Nâng cấp hệ thống phun nhiên liệu điện tử để điều chỉnh áp suất và thời điểm phun linh hoạt theo điều kiện vận hành, nhằm tối ưu hóa quá trình cháy nhiên liệu kép. Chủ thể thực hiện là các công ty công nghệ và viện nghiên cứu, thời gian triển khai 1 năm.

  3. Mở rộng ứng dụng phần mềm mô phỏng CFD: Khuyến khích sử dụng phần mềm FLUENT và các công cụ mô phỏng CFD trong thiết kế và thử nghiệm động cơ để giảm chi phí và thời gian thử nghiệm thực tế. Chủ thể thực hiện là các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất động cơ, áp dụng ngay trong các dự án nghiên cứu và phát triển.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về mô phỏng CFD, hệ thống nhiên liệu CRDI và kỹ thuật cải tạo động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu kép cho kỹ sư và cán bộ kỹ thuật. Chủ thể thực hiện là các cơ sở đào tạo và viện nghiên cứu, thời gian thực hiện trong 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí động lực: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình hóa quá trình cháy nhiên liệu kép, giúp nâng cao hiểu biết và kỹ năng nghiên cứu.

  2. Kỹ sư thiết kế và phát triển động cơ: Thông tin về hệ thống nhiên liệu CRDI và mô phỏng CFD hỗ trợ trong việc thiết kế, cải tiến động cơ Diesel sạch, tiết kiệm nhiên liệu.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và cải tạo động cơ: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm động cơ sử dụng nhiên liệu kép, nâng cao hiệu suất và giảm phát thải, đáp ứng yêu cầu thị trường và môi trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách khuyến khích sử dụng nhiên liệu sạch, phát triển công nghệ động cơ thân thiện môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn động cơ Vikyno RV125-2 để nghiên cứu?
    Động cơ này phổ biến trong nông nghiệp Việt Nam với công suất 12,5 HP, hệ thống nhiên liệu cơ khí truyền thống còn nhiều hạn chế về hiệu suất và ô nhiễm, phù hợp để cải tạo và nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu kép.

  2. Phần mềm FLUENT có ưu điểm gì trong mô phỏng động cơ?
    FLUENT là phần mềm CFD mạnh mẽ, thân thiện, cho phép mô phỏng chính xác dòng chảy rối và quá trình cháy phức tạp trong buồng đốt, giúp giảm chi phí và thời gian thử nghiệm thực tế.

  3. Hệ thống nhiên liệu CRDI có vai trò như thế nào?
    CRDI điều khiển điện tử áp suất và thời điểm phun nhiên liệu chính xác, giúp tối ưu hóa quá trình cháy, nâng cao hiệu suất động cơ và giảm phát thải khí độc hại.

  4. Ứng dụng nhiên liệu kép CNG-Diesel có lợi ích gì?
    Giúp giảm tiêu hao nhiên liệu Diesel truyền thống, giảm phát thải khí CO, NOx, và bụi, đồng thời tận dụng nguồn nhiên liệu sạch, có trữ lượng lớn như CNG.

  5. Kết quả mô phỏng có thể áp dụng thực tế như thế nào?
    Kết quả mô phỏng giúp định hướng thiết kế và điều chỉnh hệ thống nhiên liệu, giảm thiểu thử nghiệm thực tế phức tạp, tiết kiệm chi phí và thời gian phát triển sản phẩm.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng quá trình cháy nhiên liệu kép CNG-Diesel trên động cơ Vikyno RV125-2 bằng phần mềm FLUENT, với độ chính xác cao so với thực nghiệm.
  • Phân tích ảnh hưởng của góc phun sớm và độ đậm đặc hỗn hợp đến hiệu suất và phát thải, xác định các thông số tối ưu cho vận hành động cơ.
  • Mô hình mô phỏng giúp giảm chi phí và thời gian thử nghiệm thực tế, hỗ trợ phát triển công nghệ động cơ Diesel sạch tại Việt Nam.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và chính sách hỗ trợ phát triển hệ thống nhiên liệu CRDI và ứng dụng nhiên liệu kép CNG-Diesel.
  • Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu mở rộng mô hình cho các loại động cơ khác và ứng dụng trong thực tế sản xuất, đồng thời đào tạo nguồn nhân lực kỹ thuật chuyên sâu.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong sản xuất và đào tạo, đồng thời phát triển nghiên cứu mở rộng nhằm nâng cao hiệu quả và tính bền vững của công nghệ động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu sạch.