Luận án nghiên cứu hoàn thiện buồng cháy thống nhất cho động cơ diesel cỡ nhỏ

LỜI CAM ĐOAN
Tôi, Phạm Văn Giang, xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện
dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Khổng Vũ Quảng và PGS.TS Trần Thị Thu Hương.
Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong các cơng trình nào khác!
Hà Nội, ngày
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN
Người hướng dẫn 1
Người hướng dẫn 2

PGS.TS Khổng Vũ Quảng

PGS.TS Trần Thị Thu Hương

i

tháng

năm 2022

Nghiên cứu sinh

Phạm Văn Giang


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phịng Đào tạo,
Khoa Cơ khí Động lực đã cho phép tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này tại Trường
Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Phịng Đào tạo và Khoa Cơ khí Động lực
về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt q trình tơi thực hiện luận án.
Tơi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Khổng Vũ Quảng và PGS.TS Trần Thị Thu

Hương đã hướng dẫn tơi hết sức tận tình và chu đáo để tơi có thể thực hiện và hồn
thành luận án.
Tôi xin trân trọng biết ơn Thầy, Cô trong Bộ môn và Trung tâm nghiên cứu
Động cơ, nhiên liệu và khí thải, Khoa Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội đã luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để tơi
hồn thành luận án này.
Tơi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên,
Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí động lực và các Thầy, Cô trong Khoa đã hậu thuẫn và
động viên tôi trong suốt q trình nghiên cứu học tập.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến các Thầy, Cơ phản biện, các Thầy, Cô
trong hội đồng đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến q báu để tơi có thể hồn
chỉnh luận án này.
Cuối cùng tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp
và những người đã động viên khuyến khích tơi trong suốt thời gian tôi tham gia
nghiên cứu và thực hiện nghiên cứu này.
Hà Nội, ngày
tháng
năm 2022
Nghiên cứu sinh

Phạm Văn Giang

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... II
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ........................................................ VI
DANH MỤC HÌNH ẢNH ...................................................................................... XI

MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .................................. 5
1.1. Xu hướng chung về sử dụng động cơ diesel .................................................. 5
1.1.1. Xu hướng sử dụng động cơ diesel trên thế giới ............................................... 5
1.1.2. Xu hướng sử dụng động cơ diesel tại Việt Nam .............................................. 6
1.1.3. Động cơ diesel sử dụng trong nông nghiệp tại Việt Nam ............................... 7
1.2. Các giải pháp công nghệ cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ
diesel ........................................................................................................................... 8
1.2.1. Nhóm giải pháp về kết cấu .............................................................................. 8
1.2.2. Nhóm giải pháp sử dụng nhiên liệu thay thế ................................................. 13
1.3. Các dạng buồng cháy phổ biến trên động cơ diesel.................................... 14
1.3.1 Buồng cháy ngăn cách................................................................................... 14
1.3.2 Buồng cháy thống nhất .................................................................................. 16
1.3.3 Ưu nhược điểm của buồng cháy thống nhất so với buồng cháy ngăn cách .. 18
1.4. Các nghiên cứu cải tiến buồng cháy trên động cơ diesel cỡ nhỏ ............... 19
1.4.1 Các nghiên cứu trên thế giới ......................................................................... 19
1.4.2 Các nghiên cứu tại Việt Nam......................................................................... 31
1.5. Đề xuất giải pháp cải thiện các tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải
cho động cơ diesel dùng trong nông nghiệp ở Việt Nam .................................... 33
1.6. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................... 34
1.7. Phương án thực hiện đề tài ........................................................................... 35
1.8. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 38
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHẦN MỀM TÍNH TỐN ............... 39
2.1. Lý thuyết hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ diesel ............................. 39
2.1.1. Quá trình hình thành hỗn hợp trên động cơ diesel [28]............................. 39
2.1.2 Quá trình hình thành hỗn hợp trên động cơ diesel có buồng cháy thống
nhất 41
2.1.3. Các thơng số chung ảnh hưởng đến q trình hình thành hỗn hợp và cháy
của động cơ diesel buồng cháy thống nhất ............................................................ 42
2.1.3.1. Các thông số hệ thống nhiên liệu .............................................................. 42

2.1.3.2. Ảnh hưởng của tỉ số nén động cơ .............................................................. 44
2.1.3.3. Các thông số liên quan đường nạp ........................................................... 45
2.1.4. Ảnh hưởng của các thơng số hình học đến q trình hình thành hịa khí
động cơ diesel buồng cháy thống nhất ................................................................... 49
2.1.4.1. Kết cấu buồng cháy đỉnh piston ................................................................ 49
2.1.4.2. Các kết cấu khác ....................................................................................... 51
iii


2.1.5. Các mơ hình tốn học................................................................................... 51
2.2. Cơ sở lý thuyết các phần mềm sử dụng trong tính tốn cải tiến buồng
cháy thống nhất....................................................................................................... 57
2.2.1. Cơ sở lý thuyết phần mềm Ansys ICE ......................................................... 57
2.2.1.1 Các phương trình bảo tồn ....................................................................... 57
2.2.1.2 Các phương trình tính tốn đối với tia phun ............................................ 59
2.2.2. Cơ sở lý thuyết của AVL-Boost và AVL Hydsim ......................................... 67
2.2.2.1. Cơ sở lý thuyết phần mềm AVL Boost [35] ................................................. 67
2.2.2.2. Cơ sở lý thuyết của AVL-Hydsim ................................................................ 73
2.3. Quy trình các bước thực hiện tính toán cải tiến kết cấu buồng cháy ....... 73
2.4. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 77
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN MƠ PHỎNG ............................................................ 78
3.1 Đánh giá các thông số cơ bản của piston nguyên bản ................................. 78
3.2 Mô phỏng động cơ với các trường hợp buồng cháy bằng phần mềm AVLBoost ......................................................................................................................... 81
3.2.1 Xây dựng mơ hình mơ phỏng ......................................................................... 81
3.2.2 Các chế độ mô phỏng .................................................................................... 82
3.2.3 Kết quả mô phỏng .......................................................................................... 83
3.3 Xác định quy luật cấp nhiên liệu trong động cơ RV125-2 bằng phần mềm
AVL-Hydsim ........................................................................................................... 84
3.3.1 Xây dựng mơ hình .......................................................................................... 84
3.3.2 Các chế độ mơ phỏng .................................................................................... 84

3.3.3 Kết quả mô phỏng .......................................................................................... 85
3.4 Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của kết cấu buồng cháy đỉnh piston bằng
phần mềm Ansys - ICE .......................................................................................... 87
3.4.1 Mô phỏng quá trình nạp ................................................................................ 88
3.4.2 Mơ phỏng q trình cháy .............................................................................. 94
3.4.3 Ảnh hưởng của các kết cấu buồng cháy đỉnh piston đến các thành phần phát
thải trong động cơ .................................................................................................... 99
3.5 Kết luận chương 3 ........................................................................................ 101
Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................................... 102
4.1 Mục đích thực nghiệm .................................................................................. 102
4.2 Mục tiêu và phạm vi thực nghiệm ............................................................... 102
4.2.1 Mục tiêu thực nghiệm .................................................................................. 102
4.2.2 Đối tượng và phạm vi thực nghiệm ............................................................. 102
4.3 Nội dung thực nghiệm................................................................................... 103
4.4 Thiết kế và chế tạo kết cấu đỉnh piston của động cơ cải tiến .................... 104
4.5 Trang thiết bị thực nghiệm .......................................................................... 104
4.5.1 Lắp đặt mơ hình lên băng thử...................................................................... 104
4.5.2 Băng thử DW16 ........................................................................................... 105
4.5.3 Thiết bị phân tích khí thải ............................................................................ 106
4.5.4 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu ..................................................................... 107
4.5.5 Cảm biến đo áp suất .................................................................................... 108
iv


4.5.6 Nhiên liệu thực nghiệm ................................................................................ 111
4.5.7 Sơ đồ bố trí hệ thống thực nghiệm .............................................................. 112
4.5.8 Chế độ thực nghiệm ..................................................................................... 113
4.6 Kết quả thực nghiệm và thảo luận .............................................................. 113
4.6.1 So sánh tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ ......................................... 114
4.6.2 So sánh thực nghiệm với mô phỏng ............................................................. 121

4.7 Kết luận chương 4 ......................................................................................... 123
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................................... 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 127
PHỤ LỤC CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.......................................................... 131
BẰNG PHẦN MỀM ANSYS ICE ....................................................................... 131

v


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu
A/F
Aeff

Aw
ANSYS
Ava
a
CMCN 4.0
CRT
Cs
Cd

CRT
Ce
Cp
CFD
CTCT
CD
Cc

D
DOC
DPF
d (mc u )
d
dQF
d
dQ
 dW
dmBB
d

Nội dung
Tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu
Tiết diện lưu thơng

Đơn vị
m2

Góc xoắn
Analysis system
Tiết diện lưu thơng của xupáp
Chiều cao xéc măng khí
Cách mạng Cơng nghiệp 4.0
Continuously Regenerating Technology - Bộ lọc tái sinh
liên tục
Hệ số rối xoáy
Hệ số dịng chảy
Thơng số mơ hình
Hằng số

Nhiệt dung riêng đẳng áp
Computational Fluid Dynamics
Chu trình cơng tác
Hệ số xé
Hệ số hiệu chỉnh qui luật xé Stokes
Đường kính xy lanh
Diesel Oxidation Catalysts - Bộ xúc tác ơ-xy hố
Diesel particulate filter - Bộ lọc phát thải dạng hạt
Biến thiên nội năng bên trong xy lanh
Nhiệt lượng cấp vào
Tổn thất nhiệt qua vách
Biến thiên khối lượng dòng chảy

dmi

Khối lượng phần tử lưu lượng vào xy lanh

dme

Khối lượng phần tử lưu lượng ra khỏi xy lanh

dm
dt

Lưu lượng dịng khí
vi

rad
cm2
mm

kJ/kmol.độ

m


dvi
DME
DI
DSCC
Dk
D1
dp
d
dmfi
dmfij
dm fb

Đường kính đế xu-páp
Dimethyl Ether
Direct Injection-Phun trực tiếp
Buồng đốt xốy kép
Đường kính họng của buồng cháy
Đường kính cực đại
Đường kính piston bơm cao áp
Bán kính vịng xuyến
Hàm lượng nhiên liệu chưa cháy trong khối thể tích kiểm
sốt "i"
Thành phần nhiên liệu trao đổi với thành phần thể tích
kiểm sốt "j"

Tốc độ cháy của nhiên liệu

m

mm
mm
mm

dt

D
DT,p
dch
d0
dij
ĐCT
ĐCD
ĐCĐT
Fp
FEM
ge
GQTK
ha
HCC
h
H
Hs
HP
hBB

dmi
d

hBB

Kích thước đường kính hạt nhiên liệu
Hệ số thermophoretic
Đường kính chốt piston
Đường kính lỗ trên chốt
Tenso biến dạng
Điểm chết trên
Điểm chết dưới
Động cơ đốt trong
Diện tích đỉnh piston
Finite Elements Methods-Phương pháp phần tử hữu hạn
Suất tiêu hao nhiên liệu có ích
Góc quay trục khuỷu
Hành trình bơm cao áp
Buồng đốt bán cầu
Chiều sâu của vùng trung tâm buồng cháy
Độ sâu buồng cháy
Chiều cao đường xoắn cơ sở
Mã lực
Tổn thất enthalpy do lọt khí
Trị số enthalpy

vii

m
mm

mm

m2
g/kWh
mm
mm
mm
m


Enthalpy của khối lượng vào xy lanh

J

Enthalpy của khối lượng ra khỏi xy lanh

J

H
IMEP
ISFC
k
Kn
kp
LVC
L
L0
LSCC
MF
M

M0
m0i
mev
mc

Chiều cao piston
Áp suất chỉ thị trung bình
Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị
Hệ số tỉ nhiệt
Chuẩn số Knudsen
Hệ số dẫn nhiệt của hạt
Nhiệt trị thấp
Lượng không khí thực tế nạp vào động cơ
Lượng khơng khí lí thuyết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu
Buồng đốt xoáy bên
Khối lượng nhiên liệu phun
Lượng khơng khí thực tế nạp vào động cơ
Lượng khơng khí lí thuyết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu
Khối lượng ban đầu tại thời điểm t = 0
Lượng nhiên liệu hóa hơi
Khối lượng môi chất bên trong xy lanh

md
NB
NOx, CO,
HC
OBD
Oh

Khối lượng hạt nhiên liệu

Nguyên bản
Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải của động cơ
đốt trong bị khống chế trong tiêu chuẩn khí thải
On-board diagnostics
Số Ohnesorge
Cơng chu trình thực hiện

pe

dV
d

pc
pe
PM
PTN
pcyl
P( xi , t )

QF
Qw
Q

Áp śt bên trong xy lanh
Áp śt có ích trung bình
Particulate matter – phát thải dạng hạt
Phịng thí nghiệm
Áp śt xy lanh
Phân bố chuẩn nhiều chiều Gauss
Nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp

Nhiệt lượng truyền qua vách
Nhiệt lượng
viii

mm
g/kWh

W/mK
kJ/ kg
Kg/mol
Kg/mol

Kmol/kgnl
Kmol/kgnl

g

ppm

bar
N/m2

bar
J
J


Qb
R
REB

Rm
RT
Rs
Re
rc
S
SCR
SCRT
SOF
SuOME
Sh
T
TRCC
tp
Ta
Tvap
Tbp
t
up
UBHC
Va
Vb
Vc
V
VB
VD
Weg
Wh
WFi
xk

Xv,s
Xv,
α

Lưu lượng trung bình cấp cho bơm
Hằng số chất khí
Re-Entrance Bowl
Bán kính phụ
Độ lớn xốy ngang
Độ lớn xốy dọc
Hệ số Reynolds
Bán kính hạt nhiên liệu
Diện tích bề mặt hạt
Selective Catalytic Reduction- Bộ xúc tác có chọn lọc
SCR + CRT (Bộ tái sinh liên tục và xúc tác có chọn lọc)
Soluble Organic Fraction - phần hữu cơ hoà tan
Simarouba Oil Methyl Ester - dầu Methyl Ester
Hằng số Sherwood
Độ Kelvin
Buồng đốt hình xuyến
Thời gian phun
Số Taylor
Nhiệt độ bốc hơi của hạt
Nhiệt độ sơi của hạt
Chiều dày hướng kính rãnh xéc măng
Tốc độ hạt
Hidrocacbon chưa cháy hết
Thể tích lớn nhất của buồng cháy khi piston ở ĐCD
Thể tích phần lõm đỉnh piston
Thể tích nhỏ nhất của buồng cháy

Thể tích xy lanh
Vận tốc Bernouli
Thể tích cơng tác
Số Weber
Bề rộng xoắn ốc
Trọng số thành phần phát thải thứ i
Hành trình nâng kim phun
Hệ số khối lượng của hơi nhiên liệu tại bề mặt hạt
Hệ số khối lượng của hơi nhiên liệu ở vị trí xa hạt.

mm3/s

mm

m
mm2

K
s
K
K
mm

m3
m3
m3
m3
m/s
m3

mm

˚

Góc quay trục khuỷu
ix



Pi

Chiều dày đỉnh piston

mm

Tốc độ dịng chảy trung bình
Biến thiên áp suất theo góc quay trục khuỷu


i

Tỷ số nén

v
λ

Hệ số nạp

KH

Hệ số tổn thất áp suất
Hệ số dư lượng không khí
Bước sóng

m

Hệ số dịng chảy tại cửa lưu thơng

i

Hằng số hiệu chỉnh
Khối lượng riêng

g/cm3

d

Khối lượng riêng hạt nhiên liệu

g/m3

 i2 (t )

Dao động hàm mật độ xác suất
μs

Thời gian cháy trễ
a

Thời gian phản hồi khí động của hạt

τp

Thời gian lũy biến
˚TK

Góc phun sớm
KH
u
u
u '2p ,i

f


Tốc độ hình thành
Nội năng của hệ
Tốc độ trung bình của lưu chất
Trung bình phương dao động của tốc độ
Phần tử của nhiệt hóa hơi khi nạp vào xy lanh
Hệ số khuếch tán khối lượng

x

J
˚


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Cơ giới hố nơng nghiệp ở Việt Nam .................................................................... 7

Hình 1. 2 Động cơ máy nông nghiệp cũ gây ô nhiễm môi trường ........................................ 8
Hình 1. 3 Vịi phun thơng thường và vịi phun có thể tích chết nhỏ ..................................... 9
Hình 1. 4 Ảnh hưởng của góc phun sớm đến đặc tính động cơ [6] ....................................... 9
Hình 1. 5 Ảnh hưởng của áp suất phun đến đặc tính động cơ [6] ....................................... 10
Hình 1. 6 Ảnh hưởng của lượng phun mồi tới phát thải NOx [7] ........................................ 10
Hình 1. 7 Ảnh hưởng của lượng phun mồi tới hiệu quả chuyển đổi nhiên liệu [7] ............. 11
Hình 1. 8 Các thơng số hình học của buồng cháy ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cháy
[12] ...................................................................................................................................... 13
Hình 1. 9 Buồng cháy xốy lốc ........................................................................................... 14
Hình 1. 10 Buồng cháy dự bị ............................................................................................... 15
Hình 1. 11 Buồng cháy thể tích ........................................................................................... 16
Hình 1. 12 Buồng cháy thể tích màng ................................................................................. 17
Hình 1. 13 Buồng cháy màng .............................................................................................. 18
Hình 1. 14 Các biên dạng buồng cháy sử dụng trong nghiên cứu ....................................... 20
Hình 1. 15 Tỉ lệ xoáy rối đối với từng dạng buồng cháy theo góc quay trục khuỷu [16] ... 21
Hình 1. 16 Trường vận tốc đối với những dạng buồng cháy khác nhau tại ĐCT [16] ........ 22
Hình 1. 17 Các thơng số chuyển đổi [13] ............................................................................ 22
Hình 1. 18 Hình dạng buồng cháy chuyển đổi và kết quả phát thải đối với các biên dạng
buống cháy A, B, C, D, E [13] ............................................................................................ 23
Hình 1. 19 Kết cấu hình học của buồng cháy sử dụng trong nghiên cứu [17] .................... 24
Hình 1. 20 Phân bố vận tốc và véc tơ vận tốc tại mặt phẳng trung tâm của xy lanh tại ĐCT
[17] ...................................................................................................................................... 25
Hình 1. 21 Phân phối TKE tại mặt phẳng trung tâm của xy lanh [17] ................................ 26
Hình 1. 22 Biến thiên hệ số xoáy theo góc quay TK đối với các phương án chuyển đổi khác
nhau [17] .............................................................................................................................. 26
Hình 1. 23 Các thông số chuyển đổi đối với buồng cháy động cơ diesel [18] .................... 27
Hình 1. 24 Các biên dạng buồng cháy sử dụng trong nghiên cứu [19] ............................... 28
Hình 1. 25 Các biên dạng hình học buồng cháy sử dụng trong nghiên cứu [20] ................ 29
Hình 1. 26 Các thơng số hình học được điều chỉnh trong nghiên cứu [21] ......................... 29
Hình 1. 27 Một số sản phẩm động cơ của VEAM .............................................................. 32

Hình 1. 28 Lưu đồ thực hiện luận án ................................................................................... 37
Hình 2. 1 Sơ đồ diễn giải cơ chế phá vỡ tia phun [28]. ....................................................... 39
Hình 2. 2 Sự phân rã của một tia phun diesel hình nón [28]. .............................................. 40
Hình 2. 3 Khơng khí bị cuốn vào tia nhiên liệu (trường hợp khơng có chuyển động xốy
của dịng khí)……………………………………….……………………………………...41
Hình 2. 4 Khơng khí thổi ngang qua tia nhiên liệu (trường hợp có chuyển động xốy của
dịng khí). ............................................................................................................................. 42

xi


Hình 2. 5 Thơng số thiết kế đường nạp xoắn ốc [32] .......................................................... 48
Hình 2. 6 Thơng số thiết kế đường nạp trực tiếp [32]. ........................................................ 48
Hình 2. 7 Sơ đồ các thơng số hình học điển hình của buồng cháy thống nhất .................... 49
Hình 2. 8 Bán kính phụ........................................................................................................ 50
Hình 2. 9 Mơ hình nhiệt động trong xy lanh ....................................................................... 69
Hình 2. 10 Quy trình thực hiện tính tốn cải tiến kết cấu buồng cháy ................................ 76
Hình 3.1 Bản vẽ piston RV 125-2……………………………………………………........79
Hình 3.2 Các phương án thay đổi kết cấu đỉnh piston......................................................... 81
Hình 3.3 Mơ hình mơ phỏng động cơ cải tiến có buồng cháy thống nhất .......................... 81
Hình 3.4 Diễn biến nhiệt độ trong buồng cháy động cơ...................................................... 83
Hình 3.5 Tốc độ tăng nhiệt độ trong buồng cháy động cơ .................................................. 83
Hình 3.6 Mơ hình mơ phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ .................................................. 84
Hình 3.7 Độ nâng kim phun theo góc quay trục khuỷu ....................................................... 86
Hình 3.8 Lưu lượng nhiên liệu được cấp theo góc quay trục khuỷu ................................... 87
Hình 3.9 Độ nâng cam nhiên liệu ........................................................................................ 87
Hình 3.10 Thơng số hình học họng nạp .............................................................................. 89
Hình 3.11 Các phương án cải tiến biên dạng đường nạp trên động cơ ............................... 90
Hình 3.12 Kết cấu họng nạp hình cầu ................................................................................. 90
Hình 3.13 Mơ hình 3D (a) và chia lưới (b).......................................................................... 91

Hình 3.14 Phân bố vận tốc của khơng khí trong q trình nạp khi động cơ làm việc tại
100% tải và 2200 v/ph. ........................................................................................................ 92
Hình 3.15 Phân bố áp śt của khơng khí trong q trình nạp khi động cơ làm việc tại
100% tải và 2200 v/ph ......................................................................................................... 92
Hình 3.16 Hệ số nạp của động cơ với các biên dạng đường nạp khác nhau khi động cơ làm
việc tại 2200 v/ph. ............................................................................................................... 93
Hình 3.17 Hệ số nạp của động cơ trong 3 trường hợp theo đặc tính tốc độ ........................ 93
Hình 3.18 Chia lưới buồng cháy động cơ trên Ansys Meshing .......................................... 94
Hình 3.19 Diễn biến thay đổi nhiệt độ bên trong buồng cháy theo góc quay trục khuỷu ứng
với 5 trường hợp biên dạng piston khác nhau ..................................................................... 95
Hình 3.20 Vector vận tốc của dịng khơng khí ứng với 5 trường hợp khi piston ở ĐCT với
động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và 100% tải (xốy dọc) .......................................... 96
Hình 3.21 Vector vận tốc của dịng khơng khí ứng với 5 trường hợp khi piston ở ĐCT với
động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và 100% tải (xốy ngang). ..................................... 96
Hình 3.22 Hệ số xoáy lốc ngang ứng với 5 trường hợp biên dạng piston khác nhau khi
động cơ làm việc tại 2200 /ph và 100% tải. ........................................................................ 97
Hình 3. 23 Hệ số xoáy lốc dọc ứng với 5 trường hợp biên dạng piston khác nhau khi động
cơ làm việc tại 2200 /ph và 100% tải. ................................................................................. 97
Hình 3.24 Sự thay đổi áp suất của buồng cháy động cơ theo góc quay trục khuỷu với 5
trường hợp biên dạng piston khác nhau............................................................................... 98
Hình 3.25 Quá trình phun nhiên liệu trong ĐCĐT .............................................................. 98
Hình 3.26 Diễn biến áp suất trong buồng cháy ứng với 5 trường hợp biên dạng piston khác

xii


nhau ..................................................................................................................................... 99
Hình 3.27 Cơng śt của động cơ ứng với 5 TH khác nhau theo đường đặc tính ngồi ..... 99
Hình 3.28 Phát thải CO ứng với 5 trường hợp khác nhau. ................................................ 100
Hình 3.29 Phát thải PM ứng với 5 trường hợp khác nhau. ................................................ 100

Hình 3.30 Phát thải NOx ứng với 5 trường hợp khác nhau. .............................................. 101
Hình 4. 1 Mẫu Piston buồng cháy thống nhất được thử nghiệm………………………....103
Hình 4. 2 Hình ảnh Piston gia cơng trên máy phay CNC.................................................. 104
Hình 4. 3 Hình ảnh thí nghiệm tại Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải –
Viện Cơ khí động lực – Trường ĐHBK Hà Nội ............................................................... 105
Hình 4. 4 Băng thử tải kiểu dịng điện xốy ...................................................................... 105
Hình 4. 5 Thiết bị phân tích khí thải Horiba Mexa 584L .................................................. 106
Hình 4. 6 Sơ đồ lắp đặt thiết bị đo khí xả ĐCĐT .............................................................. 107
Hình 4. 7 Thiết bị AVL Fuel Balance 733S ...................................................................... 107
Hình 4. 8 Sơ đồ cung cấp nhiên liệu cho ĐCĐT khi thử nghiệm...................................... 108
Hình 4. 9 Cảm biến đo áp suất AVL QC33C .................................................................... 108
Hình 4. 10 Quy trình khảo sát và gia cơng gắn thiết bị đo áp suất buồng cháy ................ 109
Hình 4. 11 Kết quả gia công lỗ lắp cảm biến đo áp suất trên nắp máy động cơ RT125-2 và
động cơ cải tiến.................................................................................................................. 111
Hình 4. 12 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm .............................................................................. 112
Hình 4. 13 Hình ảnh thực tế tại phịng thí nghiệm ............................................................ 113
Hình 4. 14 So sánh cơng śt giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 1600 v/ph ............ 114
Hình 4. 15 So sánh cơng śt giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 2200 v/ph ............ 114
Hình 4. 16 So sánh tiêu hao nhiên liệu giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 1600 v/ph
........................................................................................................................................... 115
Hình 4. 17 So sánh tiêu hao nhiên liệu giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 2200 v/ph
........................................................................................................................................... 115
Hình 4. 18 So sánh phát thải CO giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 1600 v/ph ....... 116
Hình 4. 19 So sánh phát thải CO giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 2200 v/ph ....... 116
Hình 4. 20 So sánh phát thải HC giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 1600 v/ph ....... 117
Hình 4. 21 So sánh phát thải HC giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 2200 v/ph ....... 117
Hình 4. 22 So sánh phát thải NOx giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 1600 v/ph ..... 118
Hình 4. 23 So sánh phát thải NOx giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 2200 v/ph ...... 118
Hình 4. 24 So sánh phát thải PM giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 1600 v/ph ....... 119
Hình 4. 25 So sánh phát thải PM giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 2200 v/ph ....... 119

Hình 4. 26 So sánh phát thải NOx giữa ĐC cải tiến và ĐC ngun bản theo đặc tính
ngồi……………………………………………………………………………………...120
Hình 4. 27 So sánh phát thải CO giữa ĐC cải tiến và ĐC ngun bản theo đặc tính
ngồi……………………………………………………………………………………...120
Hình 4. 28 So sánh phát thải PM giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản theo đặc tính ngồi
……………………………………………………………………………………………121
Hình 4. 29 Đồ thị so sánh công suất giữa mô phỏng và thực nghiệm ............................... 121

xiii


Hình 4. 30 Đồ thị so sánh suất tiêu hao nhiên liệu giữa mơ phỏng và thực nghiệm ......... 122
Hình 4. 31 Đồ thị so sánh áp suất trong xy lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm............. 122

xiv


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1 Thống kê ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học đến tính năng và phát thải
của động cơ [15] .................................................................................................................. 14
Bảng 1. 2 Kết quả nghiên cứu tối ưu dạng buồng cháy của Arturo de Risi [13] ................ 22
Bảng 1. 3 Tiêu thụ nhiên liệu và hàm lượng khí thải đối với từng biên dạng buồng cháy
(động cơ diesel) [18] ............................................................................................................ 27
Bảng 1.4 Thông số buồng cháy ban đầu và thông số buồng cháy đã thay đổi [18]….……32
Bảng 1. 5 Thông số cơ bản của động cơ RV125-2 [27]...................................................... 34
Bảng 3.1 Cơ sở lựa chọn các thơng số kích thước thân piston theo đường kính
D………………………………………………………………………………...…………78
Bảng 3.2 Thơng số của piston ngun bản của động cơ RV125-2 [38] ............................. 79
Bảng 3.3 Các trường hợp thay đổi kết cấu đỉnh piston ....................................................... 80
Bảng 3.4 Các phần tử trong mơ hình mơ phỏng. ................................................................ 81

Bảng 3.5 Các thơng số đầu vào của mơ hình ...................................................................... 82
Bảng 3.6 Các chế độ thử nghiệm của mơ hình mơ phỏng .................................................. 82
Bảng 3.7 Các chế độ thử nghiệm của mô hình mơ phỏng .................................................. 85
Bảng 3.8 Độ nâng kim phun theo góc quay trục khuỷu ...................................................... 85
Bảng 3.9 Lưu lượng nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu .................................................. 86
Bảng 3.10 Các thơng số hình học của họng nạp nghiên cứu .............................................. 89
Bảng 3.11. Các giá trị điều kiện biên trong mơ hình mơ phỏng ......................................... 91
Bảng 3.12 Các giá trị điều kiện biên trong mơ hình mơ phỏng .......................................... 94
Bảng 4. 1 Khảo sát bên ngoài nắp máy, xác định vị trí gia cơng lắp đặt cảm biến đo áp
śt………………………………………………………………………………………..109
Bảng 4. 2 Khảo sát bên trong nắp máy, xác định vị trí gia cơng lắp cảm biến đo áp śt
buồng cháy......................................................................................................................... 110

xv


MỞ ĐẦU
i.

Lý do chọn đề tài

Ngày nay, nền công nghiệp toàn thế giới đang ngày càng phát triển, các thiết bị
máy móc đang dần thay thế sức người. Nhờ đó, tính hiệu quả và năng suất trong tất
cả các lĩnh vực sản xuất ngày một nâng cao. Song song với phát triển công nghiệp,
sản xuất nông nghiệp trên thế giới cũng ngày càng phát triển và con người đang
từng bước áp dụng khoa học công nghệ tiên tiến vào nông nghiệp. Một trong những
bước phát triển trong sản xuất nông nghiệp là việc cơ giới hóa, đưa các thiết bị máy
móc vào tất cả các khâu như gieo trồng, chăm sóc, thu hoạch và chế biến v.v. Động
cơ diesel được lựa chọn là nguồn động lực chính trong các máy nông nghiệp.
Tại Việt Nam, việc ứng dụng các thiết bị máy móc trong sản x́t nơng nghiệp

đang ngày càng trở nên phổ biến. Trong đó, các loại động cơ diesel 1 xy-lanh cỡ
nhỏ (dưới 20HP) cũng được lựa chọn là nguồn động lực chính và phù hợp.
Nhằm phát huy những ưu điểm nổi trội của động cơ diesel như sức kéo lớn, các
chi tiết của động cơ có tuổi thọ và độ bền cao, các nhà khoa học trong và ngoài
nước tập trung nghiên cứu nhằm khắc phục những hạn chế, cải thiện các tính năng
kinh tế, kỹ thuật và phát thải của loại động cơ này. Có thể kể đến những nghiên cứu
cải tiến động cơ như: nghiên cứu cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu; cải tiến kết
cấu đường nạp; cải tiến kết cấu buồng cháy; thay đổi tỷ số nén v.v. Những năm trở
lại đây, khi nguy cơ nguồn nhiên liệu hoá thạch ngày càng cạn kiệt, các tiêu chuẩn
khí thải của động cơ ngày một nâng cao, các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên
cứu và đưa ra nhiều giải pháp công nghệ nhằm cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật
và phát thải của động cơ, như: cải tiến các kết cấu và hệ thống của động cơ; sử dụng
nhiên liệu thay thế và hệ thống xử lý khí xả v.v.
Hiện nay, tại Việt Nam, Tổng Công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt
Nam (VEAM) là một đơn vị trong nước đi đầu trong lĩnh vực sản xuất động cơ
diesel 1 xy-lanh. Trong đó, động cơ diesel cỡ nhỏ (<20HP) là dòng sản phẩm chủ
đạo cung cấp cho thị trường máy nông nghiệp trong nước. Trải qua nhiều năm,
VEAM luôn chú trọng cải tiến nhằm nâng cao tính năng kinh tế kỹ thuật và phát
thải, hạ giá thành sản phẩm động cơ diesel 1 xy-lanh.
Trước đây, các sản phẩm động cơ diesel cỡ nhỏ (đường kính xy-lanh <100mm)
đều được thiết kế với kết cấu buồng cháy ngăn cách. Nhiên liệu được phun vào
buồng cháy phụ trên nắp máy bằng vòi phun với kết cấu đơn giản loại 1 lỗ phun có
đường kính lớn, áp śt phun thấp (80÷150 bar). Tuy nhiên, do đặc điểm kết cấu,
động cơ diesel 1 xy-lanh cỡ nhỏ có buồng cháy ngăn cách tồn tại một số nhược
điểm như tiêu hao nhiên liệu lớn, phát thải độc hại cao.
Với ưu điểm vượt trội của buồng cháy thống nhất, do vậy hiện nay, hầu hết các
động cơ diesel 1 xy-lanh cỡ nhỏ sản xuất trong nước đã được VEAM chuyển đổi
sang buồng cháy thống nhất. Với loại buồng cháy này, nhiên liệu được phun trực
tiếp vào buồng cháy đỉnh piston với kết cấu vòi phun nhiều lỗ phun có đường kính
1

nhỏ, áp suất phun lớn (>200 bar). Nhờ sự chuyển đổi này, động cơ diesel 1 xy-lanh
có buồng cháy thống nhất do VEAM sản xuất đã cải thiện khá nhiều về mức tiêu
hao nhiên liệu và phát thải so với động cơ cùng loại có buồng cháy ngăn cách. Mặc
dù vậy các sản phẩm động cơ diesel 1 xy-lanh do VEAM sản xuất vẫn thiếu sức
cạnh tranh với các sản phẩm nhập khẩu cùng loại ngay tại thị trường Việt Nam.
Hiện nay, Việt Nam phải nhập khẩu gần 70% số máy móc phục vụ nơng nghiệp,
phần lớn trong số đó có nguồn gốc từ Trung Quốc. Máy nông nghiệp Việt Nam mới
chỉ chiếm khoảng gần 30% thị phần, 60% là máy nhập khẩu từ Trung Quốc, còn lại
là Nhật Bản và Hàn Quốc [1]. So với sản phẩm cùng loại có xuất xứ từ Trung Quốc,
động cơ diesel 1 xy-lanh do VEAM sản xuất có giá thành cao hơn, độ bền thấp và
mức tiêu hao nhiên liệu cao. Còn nếu so với các sản phẩm cùng loại có xuất xứ từ
Nhật Bản, Thái Lan, thì giá thành có thấp hơn. Tuy nhiên tính năng kinh tế, kỹ thuật
và phát thải vượt trội hơn hẳn.
Nhằm nâng cao hơn nữa tính năng kinh tế, kỹ thuật, giảm phát thải và giảm giá
thành cho động cơ diesel 1 xy-lanh để tạo sức cạnh tranh với các sản phẩm cùng
loại ngay tại thị trường Việt Nam cũng như hướng đến xuất khẩu sang các thị
trường Động Nam Á, Trung Động và Ấn Độ. Do vậy, những năm gần đây, Veam
đã phối hợp với các nhà khoa học trong nước thực hiện nhiều nghiên cứu để hoàn
thiện các sản phẩm động cơ diesel 1 xy-lanh sử dụng buồng cháy thống nhất do
mình sản xuất. Như cải tiến các hệ thống, tính tốn thiết kế đường nạp, kết cấu các
chi tiết chính của động cơ. Kết quả các nghiên cứu này đã được triển khai ứng dụng
vào một số dòng sản phẩm động cơ diesel 1 xy-lanh của Veam và đạt được những
thành công nhất định. Tuy nhiên, tính năng kinh tế và phát thải của các sản phẩm
này vẫn còn thua kém khá nhiều so với sản phẩm cùng loại có xuất xứ từ Thái Lan
hoặc Nhật Bản. Để động cơ diesel 1 xy-lanh do Veam sản xuất có thể cạnh tranh tại
thị trường Việt Nam cũng như hướng đến xuất khẩu, thì vẫn cần tiếp tục hoàn thiện.
Trong đó, việc hoàn thiện và tối ưu kết cấu buồng cháy trên đỉnh piston được coi là
nhận tố quyết định đến chất lượng hình thành hỗn hợp và cháy của động cơ diesel

sử dụng buồng cháy thống nhất. Nếu vấn đề này được giải quyết tốt, thì tính năng
kinh tế và phát thải của động cơ diesel 1 xy-lanh do Veam sản xuất sẽ được cải
thiện đáng kể và có thể cạnh tranh với các sản phẩm nhập khẩu cùng loại xuất xứ
Nhật Bản hoặc Thái Lan.
Từ các vấn đề nêu trên, cũng như góp phần cải tiến nâng cao chất lượng động cơ
sản xuất tại Việt Nam, NCS đã thực hiện nghiên cứu, xây dựng quy trình tính tốn
hồn thiện kết cấu buồng cháy thống nhất động cơ diesel 1 xylanh do Veam sản
xuất nhằm nâng cao tính năng kinh tế và giảm phát thải của động cơ. Do đó tác giả
đã chọn đề tài: “Nghiên cứu hoàn thiện buồng cháy thống nhất cho động cơ
diesel cỡ nhỏ” góp phần thực hiện các yêu cầu của thực tiễn hiện nay. Kết quả của
luận án sẽ là cơ sở khoa học trong tính tốn thiết kế động cơ, góp phần nâng cao
tính cạnh tranh của các sản phẩm động cơ diesel dùng trong máy nông nghiệp sản
xuất trong nước.
2


ii.

Mục tiêu của đề tài

Hoàn thiện kết cấu buồng cháy thống nhất để cải thiện tính năng kinh tế và phát
thải động cơ diesel 1 xylanh do Tổng công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp
Việt Nam sản xuất.
iii.

Đối tượng nghiên cứu

Luận án tập trung nghiên cứu hoàn thiện kết cấu buồng cháy thống nhất của động
cơ diesel 1 xi lanh cỡ nhỏ sản xuất tại Việt Nam nhằm nâng cao các tính năng kinh
tế và giảm phát thải.

iv.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, tính tốn mơ
phỏng với nghiên cứu thực nghiệm, trong đó:
• Nghiên cứu lý thuyết để đưa ra các kết cấu buồng cháy thống nhất với các biến
là các thơng số hình học ảnh hưởng đến quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong xy-lanh
động cơ diesel RV125-2.
• Nghiên cứu mơ phỏng nhằm đánh giá các kết cấu buồng cháy thống nhất bao
gồm:
- Mô phỏng diễn biến nhiệt độ, áp suất và phát thải của động cơ với các kết cấu
buồng cháy khác nhau bằng phần mềm AVL-Boost.
- Mô phỏng hệ thống nhiên liệu của động cơ bằng phần mềm AVL-Hydsim.
- Mô phỏng đánh giá các thông số kỹ thuật của động cơ với các kết cấu buồng
cháy khác nhau bằng phần mềm Ansys-ICE.
• Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá động cơ có kết cấu buồng cháy mới và
động cơ nguyên bản ban đầu cũng như kiểm chứng độ tin cậy của các mơ hình mơ
phỏng.
v.

Phạm vi và giới hạn nghiên cứu

- Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo buồng cháy thống nhất cho động cơ
diesel RV125-2 có cơng śt 12,5 HP.
- Việc nghiên cứu và thực nghiệm được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu
Động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội.
vi.

Ý nghĩa khoa học của đề tài

- Luận án đã đưa ra quy trình tính tốn cải tiến, hồn thiện đối với buồng cháy
thống nhất cho động cơ diesel một xy lanh cỡ nhỏ và áp dụng quy trình đó để đưa ra
kết cấu tối ưu cho đối tượng buồng cháy nghiên cứu.
- Khi áp dụng kết cấu trên cho đối tượng động cơ nghiên cứu góp phần cải thiện
tính năng kinh tế và giảm phát thải cho động cơ
- Kết quả của luận án là một có thể được lựa chọn để tiến hành tính tốn thiết kế
hồn thiện các động cơ diesel 1 xy lanh cỡ nhỏ, góp phần nâng cao chất lượng và
tính cạnh tranh của động cơ diesel sản xuất trong nước.
vii.

Bố cục của luận án

Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần chính sau:
- Mở đầu
3


-

Chương1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Thiết kế và mô phỏng
Chương 4: Nghiên cứu thử nghiệm
Kết luận chung và hướng phát triển

4

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1.

Xu hướng chung về sử dụng động cơ diesel

1.1.1. Xu hướng sử dụng động cơ diesel trên thế giới
Động cơ đốt trong nói chung có vai trò quan trọng trong sự phát triển của nền
văn minh và góp phần thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế xã hội. Động cơ đốt
trong đã và đang trở thành nguồn động lực chính phục vụ trong nhiều lĩnh vực hoạt
động của con người. Xét riêng trong lĩnh vực nông nghiệp – một lĩnh vực có lịch sử
phát triển lâu đời – động cơ diesel được sử dụng chiếm một tỉ lệ lớn. Tại một quốc
gia lớn như Hoa Kỳ, động cơ diesel đóng vai trò cung cấp năng lượng cho phần lớn
các thiết bị nông nghiệp nói riêng và các phương tiện giao thông vận tải nói chung.
Trong lĩnh vực nông nghiệp, có thể nói không có loại động cơ nào khác có thể
thay thế cho động cơ diesel xét về tính hiệu quả và chi phí. Động cơ diesel là sự kết
hợp hiệu quả giữa tính kinh tế năng lượng, cơng śt, hiệu suất, độ bền và độ tin
cậy. Sản xuất nông nghiệp Hoa Kỳ, từ khâu trồng trọt, chăm sóc, thu hoạch và vận
chuyển đều được sử dụng các thiết bị máy móc hiện đại có trang bị động cơ diesel
như: máy kéo, máy liên hợp, máy bơm tưới tiêu và một số các thiết bị khác. Động
cơ diesel cung cấp năng lượng cho hơn 2/3 các thiết bị nông nghiệp, 90% sản phẩm
nông nghiệp được vận chuyển bằng các phương tiện có sử dụng động cơ diesel. 1/5
lượng nước bơm ở Hoa Kỳ, 96% các xe tải lớn vận chuyển hàng hóa nông nghiệp
được chạy bằng động cơ diesel. 100% đầu máy chở hàng, sà lan chở các loại hạt
trên sông, biển và tàu viễn dương cung cấp các sản phẩm này đến thị trường trong
và ngoài nước đều chạy bằng dầu diesel. Động cơ diesel chi phối toàn bộ “chuỗi
cung ứng trang trại” - cây trồng, chăm sóc cây trồng như: tưới nước, phân bón,
thuốc trừ sâu, thu hoạch sản phẩm và vận chuyển sản phẩm [2].
Việc đẩy mạnh cơ giới hóa nơng nghiệp cũng chính là một trong những lí do giúp
cho nền nơng nghiệp Hoa Kỳ phát triển mạnh mẽ, tuy chỉ chiếm 2% GDP nhưng
mỗi năm cũng thu về cho đất nước khoảng 240 - 260 tỷ USD. Theo một báo cáo của

Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, trong năm 2020, lượng tiêu thụ nhiên liệu chưng cất của
ngành vận tải nước này, về cơ bản là nhiên liệu diesel, chiếm khoảng 44,61 tỷ
gallon (1,06 tỷ thùng), trung bình khoảng 122 triệu gallon mỗi ngày, lượng tiêu thụ
này chiếm 77% tổng lượng tiêu thụ chưng cất của Hoa Kỳ, 16% tổng lượng tiêu thụ
xăng dầu của Hoa Kỳ và tính theo mức tiêu thụ năng lượng là khoảng 27% tổng
mức tiêu thụ năng lượng của ngành vận tải Hoa Kỳ [3]. Động cơ diesel được ứng
dụng trên các phương tiện vận chuyển các sản phẩm tiêu dùng trên cả nước như xe
tải, xe lửa, thuyền và xà lan. Nhiên liệu diesel cũng được sử dụng rất phổ biến cho
động cơ xe buýt công cộng và xe buýt trường học. Trong xây dựng, động cơ diesel
được ứng dụng trong các thiết bị như nâng hạ, đào nền móng, khoan giếng và vận
chuyển... Trong quân đội Hoa Kỳ, các thiết bị như xe tăng và xe tải đều sử dụng
nhiên liệu diesel vì nhiên liệu diesel ít gây ra cháy nổ hơn các loại nhiên liệu khác.
Trong công nghiệp, động cơ diesel được sử dụng trong các máy phát điện. Nhiều
tiện nghi cơng nghiệp, tịa nhà lớn, bệnh viện và các tiện ích điện cũng được sử
dụng máy phát điện có động cơ diesel để sao lưu và cung cấp năng lượng khẩn cấp.
Hầu hết các ngôi làng xa xôi ở Alaska sử dụng máy phát điện diesel là nguồn điện
5


chính. Qua đây, có thể thấy rằng động cơ diesel được ứng dụng trong nhiều lĩnh
vực, mang lại những giá trị to lớn về mọi mặt của đất nước Hoa Kỳ.
Tại Châu Âu, do các chính sách về mơi trường của một số nước dẫn đến sự suy
giảm về số lượng phương tiện sử dụng động cơ diesel nhưng các con số về lượng
tiêu thụ xe sử dụng động cơ này vẫn chứng tỏ sự cần thiết và chưa thể thay thế.
Trong chín tháng đầu năm 2020, có 27% tất cả các xe đăng ký mới ở Tây Âu sử
dụng động cơ diesel, so với 31% vào năm trước và 58% trong năm 2011. Ở Đức, thị
phần xe diesel đăng ký mới chững ở mức gần 30%; tại Pháp ở mức 31% và ở Ý
34,6%, con số này ở các quốc gia khác ở mức thấp hơn; ở Hà Lan là 4,5% và ở Na
Uy 10%. Nhu cầu sử dụng nhiên liệu diesel dự kiến sẽ giảm. Tuy nhiên, tốc độ suy
giảm sẽ rất chậm. dự kiến đến năm 2030, loại nhiên liệu này vẫn chiếm một tỷ trọng

đáng kể [3].
Tại một đất nước có nền nông nghiệp phát triển như ở Úc, theo một thống kê,
năm 2019, ngành nông nghiệp Úc tiêu thụ 85,9 PJ diesel, tương đương trên 23
nghìn tấn dầu diesel. Hơn 80% lượng năng lượng tiêu thụ cho nơng nghiệp ở NSW
và trên tồn quốc là dầu diesel [4]. Qua đó có thể thấy rằng, động cơ diesel chiếm
một tỉ lệ tương đối cao trong tổng số động cơ đang lưu hành, đặc biệt là trong lĩnh
vực nông nghiệp.
1.1.2. Xu hướng sử dụng động cơ diesel tại Việt Nam
Tại Việt Nam, trong những năm qua, cùng với sự phát triển của kinh tế đất nước,
nhu cầu đi lại, vận chuyển hàng hóa của người dân tăng nhanh dẫn tới số lượng các
phương tiện giao thông đặc biệt là các phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel tăng
lên rất nhanh như xe buýt, xe khách, xe tải và các phương tiện chuyên dụng khác.
Có thể nói 100% ô tô tải, ô tô khách từ 15 chỗ ngồi trở lên là ô tô sử dụng nhiên
liệu diesel. Rất ít ô tô khách từ 10 đến 15 chỗ ngồi sử dụng nhiên liệu xăng.
Đối với xe phổ thông, động cơ diesel chỉ xuất hiện trên xe bán tải, ít xuất hiện
trên sedan và crossover. Tuy vậy, thời gian gần đây, thị trường đã chứng kiến sự
hiện diện của một số mẫu xe lắp động cơ diesel như Hyundai SantaFe, Hyundai
Tucson, Audi Q7 TDI, Mercedes ML CDI.
Trong số xe hạng trung từ năm 2007, Hyundai với đại diện SantaFe đã mang đến
làn gió mới về động cơ diesel, nhờ công nghệ VGT và eVGT cải thiện được độ
rung, độ ồn và công suất. Cùng trong xu thế cạnh tranh, những mẫu xe bán tải cũng
có cuộc chạy đua công suất không ngừng, mà nổi bật là Nissan Navara và Ford
Ranger. Tuy nhiên, dù công suất cải thiện rõ rệt nhưng các dòng bán tải vẫn tồn tại
nhược điểm cố hữu về độ ồn, độ rung.
Động cơ diesel cũng phổ biến hơn trong phân khúc xe hạng sang như MercedesBenz, Audi, BMW. Sáng nhất trong phân khúc hạng sang này, phải nhắc tới chiếc
BMW X6 với động cơ diesel 3.0 hiện cũng đang được phân phối tại thị trường Việt
Nam.
Gần đây nhất, Mercedes-Benz đã chính thức giới thiệu chiếc crossover GLK220
CDI. Chứng tỏ nhà sản xuất này đã thấy được khả năng tiêu thụ những chiếc xe
máy dầu hiện đại tại Việt Nam nếu tăng cường tiếp thị tới khách hàng, giới thiệu kỹ

hơn về những điểm ưu việt của chúng.
Đối với phân khúc máy nông nghiệp – hiện vẫn là một thị trường tiềm năng đối
với các nhà sản suất. Tính đến năm 2020, nước ta đã có khoảng 830565 máy kéo
6


(loại 2 bánh, 4 bánh); 1.597.666 động cơ điện, động cơ diesel; 188.683 xe tải nông
thôn; 4.359.570 máy bơm nước; 32.450 thiết bị gặt lúa; 936.058 máy tuốt lúa có
động cơ)…[1] Có thể nói, đây là điều kiện để phát triển thị trường máy nông cụ,
đồng thời cũng là cơ hội cho các nhà sản xuất trong nước chiếm lĩnh thị trường. Tuy
nhiên, đây cũng là một thách thức không nhỏ khi người dân vốn quen với việc sử
dụng các loại máy công nghiệp nhập khẩu từ Trung Quốc với giá thành rẻ hơn rất
nhiều dù mức độ tin cậy chưa cao. Điều này đặt vấn đề đối với các nhà sản xuất về
việc nâng cao chất lượng sản phẩm, chuyển đổi dây chuyền, đẩy mạnh sản xuất
hàng loạt để giảm giá thành sản phẩm, tăng sự cạnh tranh cho những sản phẩm
trong nước và đưa sản phẩm trong nước ra thị trường quốc tế.
1.1.3. Động cơ diesel sử dụng trong nông nghiệp tại Việt Nam
Sau hơn 30 năm đổi mới, nông nghiệp nước ta đã có bước tiến đáng kể, đưa Việt
Nam trở thành một trong những nước xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới cùng với
nhiều mặt hàng có kim ngạch xuất khẩu hàng tỷ USD. Tuy vậy, q trình cơ giới
hóa sản x́t nơng nghiệp diễn ra cịn khá chậm, lực lượng lao động trong nơng
nghiệp cịn nhiều, năng suất lao động thấp và gây lãng phí, thất thoát trong các khâu
chế biến, thu hoạch, bảo quản. Do đó, làn sóng cách mạng cơng nghiệp lần thứ tư
(CMCN 4.0) đang là cơ hội để ngành nông nghiệp Việt Nam phát triển mạnh mẽ
theo một hướng mới.
Tại Việt Nam, dân số sống bằng nghề nông chiếm 70% dân số cả nước, 57% lực
lượng lao động xã hội làm việc trong ngành nông nghiệp nhưng chỉ tạo ra chưa đầy
20% GDP. Điều này dẫn đến chênh lệch thu nhập giữa nông dân và thị dân ngày
càng cao. Do vậy, trong q trình cơng nghiệp hóa, đơ thị hóa và hội nhập kinh tế
quốc tế, sản phẩm cơ khí phục vụ nông nghiệp tại Việt Nam đã được quan tâm hơn,

với đa dạng các chủng loại sản phẩm gồm: động cơ đốt trong đến 30 mã lực, máy
làm đất (máy cày 4 và 2 bánh), máy thu hoạch (gặt đập liên hợp, gặt lúa xếp dãy,
máy tuốt lúa), máy bơm nước, máy phun thuốc sâu, máy bảo quản và chế biến (xay
xát lúa gạo, máy sấy) [1].
Hiện nay, thị trường động cơ diesel
nhỏ (dưới 30 mã lực), máy kéo và máy
nơng nghiệp có thể phân thành 3 mảng
chính: Sản phẩm nội địa, sản phẩm
Trung Quốc, sản phẩm là các loại máy
cũ nhập khẩu từ Nhật, Hàn Quốc...
Sản phẩm nội địa chủ yếu do các đơn
vị của Tổng công ty Máy động lực và
Máy nông nghiệp Việt Nam (VEAM)
sản xuất và lắp ráp có tính chất cơng
nghiệp, có kiểm định. Sản phẩm Trung
Hình 1. 1 Cơ giới hố nơng nghiệp ở Việt
Quốc gồm hai dịng chính, nhập khẩu
Nam
từ các nhà sản xuất chính thống và
nhập khẩu biên mậu từ các nhà sản
xuất tư nhân chủ yếu là các máy nhái, máy giả nhãn hiệu của các nhà sản x́t chính
thống. Ngồi ra, có một số doanh nghiệp trong nước lắp ráp máy nơng nghiệp, động
cơ Trung Quốc dưới hình thức nhập linh kiện về để lắp ráp. Xét về vị trí cạnh tranh
7


giữa các đơn vị sản xuất máy động lực và máy nơng nghiệp trong nước có tính chất
cơng nghiệp (tức là có chi tiết nội địa hố trên 60%) thì VEAM là đơn vị đứng đầu.
Tuy nhiên hiện nay, thị phần động cơ nông nghiệp của các doanh nghiệp trong nước
mới chiếm khoảng 30% (trong đó VEAM chiếm 25%).

Một tỷ trọng lớn, chiếm 60% số máy móc phục vụ nơng nghiệp có nguồn gốc từ
Trung Quốc, cịn lại là Nhật Bản và Hàn Quốc. So sánh cùng chủng loại, máy sản
xuất trong nước đắt hơn máy của Trung Quốc từ 15-20%. Các máy móc nơng
nghiệp nhập khẩu này có các tính năng về kinh tế, kỹ thuật và phát thải khơng được
kiểm sốt bởi các tiêu chuẩn, quy định cũng như không chịu sự quản lý của các cơ
quan chức năng. Phần lớn số lượng động cơ này là động cơ diesel đã qua sử dụng
có xuất xứ từ nước ngoài mà chủ yếu là từ Trung Quốc. Điều này dẫn đến việc các
động cơ này có mức phát thải lớn, gây ô nhiễm môi trường đặc biệt là khi số lượng
động cơ này đang tăng lên nhanh chóng và nhiều động cơ còn chưa được kiểm tra
bảo dưỡng định kì. Bên cạnh đó, các sản phẩm sản xuất trong nước còn thiếu sự đa
dạng về chủng loại, giá thành so với các sản phẩm nhập khẩu lại không hề có sự
cạnh tranh. Mặt khác, dây chuyền sản xuất trong nước đã lạc hậu về mặt công nghệ,
công nghệ chế tạo chủ yếu là được chuyển giao từ nước ngoài trong khi công nghệ
trong nước chưa thể theo kịp nên đã làm hạn chế khả năng cạnh tranh của sản phẩm
máy nông nghiệp sản xuất trong so với các sản phẩm nhập khẩu từ nước ngoài dù
đây là thị trường khá giàu tiềm năng.
Nhằm duy trì và gia tăng thị phần
trong nước với nhiều tiềm năng phát
triển cũng như từng bước vươn ra thị
trường thế giới, Tổng công ty Máy
động lực và Máy nông nghiệp Việt
Nam đã và đang thực hiện hàng loạt các
dự án nâng cao năng lực sản xuất; phối
hợp với các nhà khoa học tại các trường
đại học thực hiện các nghiên cứu phát
triển nhằm từng bước cải thiện các tính
năng kinh tế, kỹ thuật của các mẫu
Hình 1. 2 Động cơ máy nơng nghiệp cũ gây ô
động cơ hiện có. Hiện tại, VEAM cũng
nhiễm môi trường

đang hướng đến việc nghiên cứu, đưa
ra các phương án hoàn thiện buồng
cháy thống nhất – hiên đang được sử dụng rộng rãi trên động cơ máy nông nghiệp
với nhiều ưu điểm so với loại buồng ngăn cách được sử dùng trước đó để áp dụng
vào sản xuất hàng loạt trên các động cơ mới.
Hình 1.1 Động cơ máy nơng nghiệp cũ gây ô

1.2. Các giải pháp công nghệ cải thiện tínhnhiễm
năng
mơikinh
trườngtế, kĩ thuật
của động cơ diesel
1.2.1. Nhóm giải pháp về kết cấu
Thay đổi kết cấu vịi phun
cơ và
máycác
nơng
gâytính
ơ
Các thơng số về cơng śt, hiệu śt củaHình
động1.2
cơĐộng
diesel
chỉnghiệp
số vềcũđặc
nhiễm
mơi trường
khí thải của động cơ phần lớn được xác định bởi sự hoàn
thiện
của quá trình phun

nhiên liệu và quá trình hình thành hỗn hợp. Đổi lại, bản chất của việc tiến hành các
quá trình này phần lớn phụ thuộc vào thiết kế của hệ thống phun nhiên liệu. Một
8
Hình 1.3 Động cơ máy nông nghiệp cũ gây ô
nhiễm môi trường


yếu tố cần thiết cho hệ thống phun nhiên liệu là vịi phun, nó hình thành nên các đặc
tính của quá trình phun và phun nhiên liệu. Thiết kế của vịi phun quyết định các
đặc điểm hình học, cấu trúc và độ mịn của các tia nhiên liệu và nhiều thơng số khác
của q trình phun nhiên liệu. Việc tối ưu hóa các thơng số và đặc tính định mức ở
mỗi chế độ vận hành là cần thiết để tạo ra thiết bị cung cấp nhiên liệu cho động cơ
diesel. Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng quá trình hình thành hỗn hợp là tối ưu nếu hỗn
hợp oxy với nhiên liệu là đồng nhất tại tất cả các vùng. Điều kiện này được đảm bảo
trong trường hợp tất cả các tia nhiên liệu tiếp cận thành buồng đốt cùng lúc hoặc có
độ trễ nhỏ.
Trong vịi phun nhiên liệu thơng thường, sau
khi kim phun đóng, kết thúc phun luôn tồn tại
một thể tích đáng kể phía sau bề mặt làm việc
và chứa đầy nhiên liệu. Thể tích này gọi là thể
tích chết. Trong q trình giãn nở, nhiên liệu từ
thể tích chết sẽ bay hơi vào buồng cháy góp
phần làm cho thành phần HC trong khí thải tăng Hình 1. 3 Vịi phun thơng thường
lên. Vì vậy sử dụng vịi phun có thể tích chết
và vịi phun có thể tích chết nhỏ
nhỏ sẽ giảm được thành phần độc hại HC. Vào
năm 2021, Jan Monieta và Lech Kasyk đã có những nghiên cứu về ảnh hưởng của
các thơng số hình học của vịi phun đến chất lượng hình thành hịa khí ở động cơ
diesel. Nghiên cứu chỉ ra rằng các thông số hình học như đường kính lỗ phun, độ
nhám bề mặt lỗ phun có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng làm việc của chi tiết, độ

tin cậy, tính kinh tế nhiên liệu của toàn bộ hệ thống nhiên liệu [5].
Lựa chọn góc phun sớm thích hợp
Khi tăng góc phun sớm, quá
trình cháy bắt đầu và kết thúc sớm
hơn (lượng nhiên liệu khơng đổi) vì
thế nhiệt độ khí xả giảm, đồng thời
áp suất cháy cực đại tăng lên, tăng
tốc độ, tăng áp suất, công nén tăng
lên, công giãn nở giảm làm tăng
nhiệt độ các chi tiết nhóm piston và
xy lanh, tăng nhiệt độ truyền cho
nước làm mát. Nếu giảm góc phun
sớm, mặc dù thời gian cháy trễ
tăng lên nhưng áp suất cháy cực Hình 1. 4 Ảnh hưởng của góc phun sớm đến đặc
tính động cơ [6]
đại vẫn giảm do giai đoạn bắt đầu
cháy diễn ra khi thể tích làm việc
của xy lanh tăng lên, sự thay đổi áp suất theo góc quay trục khuỷu giảm, suất tiêu
hao nhiên liệu chỉ thị tăng, nhiệt độ khí xả tăng, ứng suất nhiệt tăng.
Hình 1.4 cho thấy ảnh hưởng của thời điểm phun đến các chỉ tiêu công suất và
suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ D243 theo tốc độ vòng quay. Đồ thị thể hiện
ảnh hưởng lớn của thời điểm phun tới các thông số Ne (kW) và ge (g/kWh). Kết
quả nghiên cứu chỉ ra rằng: Nếu góc phun sớm tăng lên 18 độ trước điểm chết trên,
Ne tăng và ge giảm. Nếu tăng góc phun sớm tới 25 độ hoặc giảm tới 15 độ, Ne lại
9


gây ảnh hưởng xấu đến quá trình hình thành hỗn hợp và cháy. Do vậy làm giảm
công suất và tăng tiêu hao nhiên liệu [6].
Thay đổi áp suất phun

Thông số áp suất phun và áp
suất trong xy lanh tại thời điểm
phun nhiên liệu quyết định đến
cấu trúc tia phun, qua đó ảnh
hưởng trực tiếp đến quá trình
hình thành hỗn hợp cháy và
cháy nhiên liệu dẫn đến thay
đổi các chỉ tiêu cơng tác của
động cơ diesel.
Hình 1.5 thể hiện ảnh hưởng
của áp suất phun đến các chỉ
tiêu Ne, ge của động cơ D243
Hình 1.5 Ảnh hưởng của áp suất phun đến đặc tính
theo tốc độ vịng quay [6].
Hình 1. 5 Ảnh hưởng
của cơ
áp [6]
suất phun đến đặc tính
động
Kết quả cho thấy, ở các chế
động cơ [6]
độ tốc độ khác nhau, khi tăng
Hình 1. 6 Ảnh hưởng của áp suất phun đến đặc tính
áp suất phun từ 15 MPa đến 22 MPa đã làm công suất
tăng
và tiêu hao nhiên liệu
động
cơ [6]
giảm theo, sau đó áp xuất phun tiếpHình
tục 1.tăng

từ hưởng
22 MPa
25 phun
MPa đến
lại đặc
làmtính
cơng
7 Ảnh
củađến
áp suất
śt giảm và tiêu hao nhiên liệu tăng. Khi áp śt phun
bằng
22 MPa thì cơng śt
động
cơ [6]
đạt cực đại và tiêu hao nhiên liệu đạtHình
cực1.tiểu,
kếthưởng
quả này
chosuất
ta phun
thấy ởđến
chế
tồn
8 Ảnh
của áp
đặcđộ
tính
cơ [6]
tải với áp śt phun bằng 22 MPa là hợp lý nhất ở cácđộng

chế độ
tốc độ.
Hình 1. 9 Ảnh hưởng của áp suất phun đến đặc tính
Thay đổi lượng phun
động cơ [6]
mồi
Hình 1. 10 Ảnh hưởng của áp suất phun đến đặc tính
Trên cơ sở cải thiện quá
động cơ [6]
trình cháy bằng biện pháp
Hình 1. 11 Ảnh hưởng của áp suất phun đến đặc tính
phun mồi nhằm cải thiện quá
động cơ [6]
trình hình thành hỗn hợp đã
Hình 1. 12 Ảnh hưởng của áp suất phun đến đặc tính
giảm khá tốt hiện tượng gây
động cơ [6]
ồn của động cơ diesel. Kết
Hình 1. 13 Ảnh hưởng của áp suất phun đến đặc tính
quả thể hiện trên Hình 1.6 và
động cơ [6]
Hình 1.7 [7] cho thấy, khi
Hình 1. 14 Ảnh hưởng của áp suất phun đến đặc tính
tăng lượng phun mồi từ 3,35
động cơ [6]
g/s lên thành 5,4 g/s thì NOx
Hình 1. 15 Ảnh hưởng của áp suất phun đến đặc tính
có tăng tuy vậy thành phần
động cơ [6]
CO giảm và hiệu quả chuyển

Hình 1. 16 Ảnh hưởng của áp suất phun đến đặc tính
đổi năng lượng lại tăng lên.
động cơ [6]
Hình
1.61.Ảnh
hưởng
củacủa
lượng
phunphun
mồiđến
tới đặc
pháttính
thải
Hình
17 Ảnh
hưởng
áp suất
NOcủa
[7]
x cơ
động
[6] phun mồi tới phát
Hình 1. 8196 Ảnh hưởng
lượng
thảicủa
NOáp
x [7]
Hình 1. 18 Ảnh hưởng
suất phun đến đặc tính
động

cơlượng
[6] phun mồi tới phát
Hình 1. 8197 Ảnh hưởng
của
thảicủa
Np
x [7]
Hình 1. 19 Ảnh hưởng
suất phun đến đặc tính
động
cơlượng
[6] phun mồi tới phát
Hình 1. 8198 Ảnh hưởng
của
thảicủa
NOáp
x [7]
Hình 1. 20 Ảnh hưởng
suất phun đến đặc tính
động
cơlượng
[6] phun mồi tới phát
Hình 1. 8199 Ảnh hưởng
của
thảicủa
NOáp
x [7]
Hình 1. 21 Ảnh hưởng
suất phun đến đặc tính
10

động
cơ
[6]
Hình 1. 8200 Ảnh hưởng của lượng phun mồi tới phát
thảicủa
NOáp
x [7]
Hình 1. 22 Ảnh hưởng
suất phun đến đặc tính
động
cơlượng
[6] phun mồi tới phát
Hình 1. 8201 Ảnh hưởng
của
thảicủa
Np
x [7]
Hình 1. 23 Ảnh hưởng
suất phun đến đặc tính