Mô phỏng số chu trình công tác động cơ diesel yanmar 4 CHK

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

TRẦN THANH HẢI

MÔ PHỎNG SỐ CHU TRÌNH CÔNG TÁC ĐỘNG CƠ
DIESEL YANMAR 4CHK

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KHÁNH HÒA – 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

TRẦN THANH HẢI

MÔ PHỎNG SỐ CHU TRÌNH CÔNG TÁC ĐỘNG CƠ
DIESEL YANMAR 4CHK

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngành

Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Mã số

60520116

Quyết định giao đề tài:

1492/QĐ-ĐHNT ngày 30/12/2014

Quyết định thành lập HD:

1046/QĐ-ĐHNT ngày 10/11/2015

Ngày bảo vệ:

01/12/2015

Người hướng dẫn khoa học:
TS. PHÙNG MINH LỘC
Chủ tịch Hội đồng:
PGS.TS. TRẦN GIA THÁI
Khoa sau đại học
KHÁNH HÒA – 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu của đề tài: “Mô phỏng số chu trình
công tác động cơ diesel Yanmar 4CHK” là công trình nghiên cứu của riêng tôi và
chưa từng được công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm
này.
Nha Trang, tháng 10 năm 2015
Tác giả luận văn

Trần Thanh Hải

iii


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Luận văn “Mô phỏng số chu trình công tác động cơ diesel
Yanmar 4CHK” này:
Tôi xin trân thành cảm ơn thầy TS Phùng Minh Lộc đã tận tình hướng dẫn, trau
dồi kiến thức và động viên, để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu của mình.
Xin cảm ơn NCS Mai Đức Nghĩa - Bộ môn động lực, đã hỗ trợ về kỹ thuật mô
phỏng, tài liệu nghiên cứu và có những ý kiến đóng góp cho luận văn.
Tôi xin cảm ơn quý thầy Khoa kỹ thuật giao thông Trường Đại học Nha Trang,
Ban Giám hiệu Trường Cao đẳng nghề Thanh niên Dân tộc Tây Nguyên, đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và thực hiện đề tài, để công trình nghiên
cứu được hoàn thành có chất lượng.
Trong điều kiện thiếu thốn về các phương tiện, trang thiết bị, tài liệu trong quá
trình nghiên cứu và bản thân còn nhiều hạn chế. Đề tài đã được hoàn thành, nhưng
chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong Quý Thầy và các bạn Đồng
nghiệp đóng góp ý kiến.
Tôi xin chân thành cảm ơn.
Nha Trang, tháng 10 năm 2015
Tác giả luận văn

Trần Thanh Hải

iv


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ iii
LỜI CẢM ƠN...............................................................................................................iv

MỤC LỤC ..................................................................................................................... v
DANH MỤC KÝ HIỆU ............................................................................................ viii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................................... x
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................xi
DANH MỤC HÌNH - ĐỒ THỊ ................................................................................... xii
TRÍCH YẾU LUẬN VĂN .........................................................................................xiv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .................................................. 1
1.1. Khái quát về đề tài nghiên cứu................................................................................ 1
1.1.1 Lý do lựa chọn lĩnh vực nghiên cứu ..................................................................... 1
1.1.2. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu ............................................................ 2
1.2. Động cơ diesel ........................................................................................................ 3
1.2.1. Khái quát động cơ diesel...................................................................................... 3
1.2.2. Phát thải khí xả động cơ diesel ............................................................................ 6
1.2.2.1. Bồ hóng ............................................................................................................ 7
1.2.2.2. NOx ................................................................................................................... 7
1.3. Tình hình nghiên cứu về mô phỏng động cơ........................................................... 8
1.4. Phát triển phần mềm dùng trong nghiên cứu mô phỏng động cơ .......................... 10
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CHU TRÌNH CÔNG TÁC ĐỘNG CƠ
DIESEL ....................................................................................................................... 13
2.1. Chu trình công tác của động cơ diesel .................................................................. 13
2.1.1. Khái quát chu trình công tác của động cơ diesel ................................................ 13
2.1.2. Các thông số tính năng của chu trình công tác động cơ diesel ........................... 18
2.1.2.1. Hiệu suất nhiệt của chu trình .......................................................................... 18
2.1.2.2. Áp suất trung bình của chu trình .................................................................... 18
2.1.2.3. Công suất động cơ diesel ................................................................................ 19
2.1.2.4. Hiệu suất động cơ diesel ................................................................................. 21
2.1.2.5. Suất tiêu hao nhiên liệu ................................................................................... 23
2.2. Quá trình cháy trong động cơ diesel .................................................................... 25
2.2.1. Giai đoạn I - Cháy trễ ........................................................................................ 25
v

2.2.2. Giai đoạn II – Cháy không điều khiển ............................................................... 26
2.2.3. Giai đoạn III – Cháy có điều khiển .................................................................... 27
2.2.4. Giai đoạn IV – Giai đoạn cháy rớt ..................................................................... 27
2.2.5. Đặc điểm của quá trình cháy trong động cơ diesel............................................. 28
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG SỐ CHU TRÌNH CÔNG TÁC ĐỘNG CƠ DIESEL ...... 30
3.1. Phần mềm ESP dùng trong nghiên cứu mô phỏng động cơ .................................. 30
3.1.1. Khái quát về phần mềm mô phỏng động cơ đốt trong ESP................................ 30
3.1.2. Các mô hình tính toán dùng trong ESP .............................................................. 33
3.1.2.1. Thời gian cháy trễ: .......................................................................................... 33
3.1.2.2. Mô hình cháy hỗn hợp có kiểm soát .............................................................. 34
3.1.2.3. Truyền nhiệt .................................................................................................... 35
3.1.2.4. Mô hình hình thành bồ hóng ........................................................................... 36
3.1.2.5. Mô hình hình thành NOx ................................................................................. 37
3.2. Nhiệt động học các quá trình trong mô phỏng chu trình công tác trên phần mềm
ESP ............................................................................................................................. 37
3.2.1. Quá trình nén ..................................................................................................... 37
3.2.2. Quá trình cháy ................................................................................................... 38
3.2.3. Sự biến đổi môi chất trong chu trình .................................................................. 39
3.2.4. Công cơ học của chu trình ................................................................................. 40
3.3. Chọn các hệ số tính toán nhiệt cho mô hình ......................................................... 40
3.4. Mô phỏng chu trình công tác động cơ diesel YANMAR 4CHK........................... 41
3.4.1. Chạy chương trình ESPJAN và xác định thành phần nhiên liệu ........................ 41
3.4.2. Thiết lập các thông số làm việc .......................................................................... 43
3.4.3. Thiết lập các thông số cố định cho mô hình động cơ ......................................... 45
3.4.4. Thiết lập các thông số mô hình cháy. ................................................................. 45
3.4.5. Thiết lập chế độ lưu các thông số....................................................................... 46
3.4.6. Chạy mô phỏng với các thông số kĩ thuật động cơ Diesel Yanmar 4CHK đã thiết
lập ................................................................................................................................ 46

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ..................................... 49
4.1. Diễn biến giá trị các thông số trong xi lanh .......................................................... 49
4.3. Chu trình công tác của động cơ Yanmar-4CHK khi thay đổi góc phun sớm φs .... 53
4.4. Xác định các thông số đặc trưng chu trình công tác.............................................. 55
vi


4.4.1. Công suất ........................................................................................................... 55
4.4.2. Suất tiêu thụ nhiên liệu ..................................................................................... 56
4.5. So sánh thông số công tác mô phỏng với thông số của động cơ diesel Yanmar4CHK .......................................................................................................................... 56
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................... 58
5.1. Kết luận ................................................................................................................ 58
5.2. Kiến nghị .............................................................................................................. 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 61

vii


DANH MỤC KÝ HIỆU
α

Hệ số truyền nhiệt đối lưu

ge

Suất tiêu thụ (tiêu hao) nhiên liệu có ích

Ge

Lượng tiêu thụ nhiên liệu giờ

Li (Wi)

Công chỉ thị của chu trình

Le (We)

Công có ích của chu trình

Me

Mômen xoắn có ích

Ni

Công suất chỉ thị

Ne

Công suất có ích

n

Tốc độ quay của động cơ

n1

Chỉ số nén đa biến trung bình

n2

Chỉ số dãn nở đa biến trung bình

pi

Áp suất chỉ thị trung bình

pe

Áp suất có ích trung bình

pb

Áp suất cuối kỳ dãn nở

pc

Áp suất cháy tại thời điểm cuối nén

pz

Áp suất cháy cực đại

Tb

Nhiệt độ cháy cuối kỳ dãn nở

Tc

Nhiệt độ cháy cuối kỳ nén

Tmax

Nhiệt độ cháy cực đại

S

Hành trình của piston

Q1

Tổng nhiệt năng cấp cho MCCT trong một chu trình

Q2

Nhiệt năng do MCCT truyền cho nguồn lạnh

QH

Nhiệt trị thấp của nhiên liệu

Vh , Vc

Thể tích công tác, thể tích buồng đốt trong xi lanh

t

Hiệu suất lý thuyết (hiệu suất nhiệt)

i

Hiệu suất chỉ thị

m

Hiệu suất cơ học

e

Hiệu suất có ích
viii


V

Hệ số nạp

λ

Hệ số dư lượng không khí

λp

Tỉ số tăng áp suất

ρ

Tỉ số dãn nở sớm



Tỷ số nén

φđ

Hệ số điền đầy của đồ thị công

r

Hệ số khí sót

ix


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

ĐCĐT

Động cơ đốt trong

CTCT

Chu trình công tác

MCCT

Môi chất công tác

KGCT

Không gian công tác của xi lanh

HHC

Hỗn hợp cháy

ĐCT/TDC/TC

Điểm chết trên

ĐCD/BDC/BC

Điểm chết dưới

IVO

Thời điểm mở xupap nạp

IVC

Thời điểm đóng xupap nạp

EVO

Thời điểm mở xupap xả

EVC

Thời điểm đóng xupap xả

ESP

Phần mềm mô phỏng động cơ (Engine Simulation Program)

CFD

Tính toán động lực học chất lỏng (computational Fluit
Dynamics)

MCC

Mô hình cháy hỗn hợp có kiểm soát (model combustion
contoller)

RNG

Mô hình k-  thường hoá

x


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1. 1. Số lượng động cơ diesel sản xuất và phạm vi ứng dụng ............................... 6
Bảng 2. 1. Bảng giá trị hiệu suất cơ học và hiệu suất có ích trên động cơ ................... 23
Bảng 3. 1. Các hệ số thời gian cháy trễ ........................................................................ 34
Bảng 3. 2. Các hệ số sử dụng trong mô hình mô phỏng............................................... 41

Bảng 3. 3. Thông số góc phân phối khí động cơ Yanmar 4CHK ................................. 44
Bảng 4. 1. Kết quả các thông số mô phỏng động cơ. ................................................... 56
Bảng 4. 2. Bảng so sánh các thông số mô phỏng động cơ. .......................................... 56

xi


DANH MỤC HÌNH - ĐỒ THỊ
Hình 1. 1. Hiệu suất nhiệt động cơ diesel tốc độ chậm . ................................................ 3
Hình 1. 2. Tiến bộ của động cơ diesel ........................................................................... 4
Hình 1. 3. Thị phần xe trang bị động cơ diesel tại Anh từ năm 2000-2011 . ................. 5
Hình 1. 4. Thị phần xe con trang bị động cơ diesel trên thế giới và châu Âu năm 2011.
............................................................................................................................... 5
Hình 1. 5. Thành phần bồ hóng từ khí thải động cơ diesel ............................................ 7
Hình 2. 1. Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp ........................................................................ 14
Hình 2. 2. Đồ thị công p –V động cơ diesel bốn kỳ ..................................................... 16
Hình 2. 3. Đồ thị công khai triển, thể tích công tác, thời gian phun nhiên liệu, tốc độ
cháy .................................................................................................................... 17
Hình 2. 4. Quá trình cháy động cơ diesel biểu diễn trên đồ thị công mở rộng p-φ ...... 25
Hình 3. 1. Sơ đồ khối mô phỏng quá trình công tác trên ESP ...................................... 33
Hình 3. 2. Mô tả biến đổi môi chất .............................................................................. 39
Hình 3. 3. Sơ đồ xác định công cơ học ........................................................................ 40
Hình 3. 4. Môi trường làm việc của ESP ..................................................................... 42
Hình 3. 5. Thiết lập tỉ lệ phản ứng cháy ....................................................................... 42
Hình 3. 6. Giao diện chính ESP ................................................................................... 43
Hình 3. 7. Giao diện khai báo ...................................................................................... 43
Hình 3. 8. Nhập các thông số hoạt động của động cơ .................................................. 44
Hình 3. 9. Nhập các thông số mô hình của động cơ..................................................... 45
Hình 3. 10. Thiết lập các thông số mô hình cháy. ........................................................ 46
Hình 3. 11. Thiết lập chế độ lưu cho mô hình vừa xây dựng. ...................................... 46

Hình 3. 12. Số chu kì kiểm tra hội tụ. .......................................................................... 47
Hình 3. 13. Kết quả hội tụ 10 chu kì đầu. .................................................................... 47
Hình 3. 14. Tiến trình lưu lại các thông số bằng file Matlab........................................ 48
Hình 3. 15. Hoàn thành quá trình lưu dữ liệu. ............................................................. 48
Hình 4. 1. Phát thải khí xả theo chu trình..................................................................... 49
Hình 4. 2. Biến thiên áp suất trong xi lanh động cơ. .................................................... 50
Hình 4. 3. Phân bố nhiệt độ khí cháy trong xi lanh ...................................................... 50
Hình 4. 4. Phân bố nhiệt độ trung bình môi chất trong xi lanh .................................... 50
xii


Hình 4. 5. Đồ thị thể hiện khối lượng sản phẩm cháy .................................................. 51
Hình 4. 6. Phân bố khối lượng khí cháy trong xi lanh theo chu trình........................... 51
Hình 4. 7. Tốc độ tích lũy năng lượng trong xi lanh .................................................... 52
Hình 4. 8. Vận tốc rối của môi chất trong xi lanh ........................................................ 52
Hình 4. 9. Đồ thị công chỉ thị ...................................................................................... 52
Hình 4. 10. Đồ thị tốc độ cháy ..................................................................................... 53
Hình 4. 11. Phân bố áp suất trong xi lanh .................................................................... 53
Hình 4. 12. Phân bố nhiệt độ trong xi lanh .................................................................. 54
Hình 4. 13. Phân bố nhiệt độ trung bình trong xi lanh ................................................. 54
Hình 4. 14. Đồ thị so sánh tốc độ cháy ........................................................................ 54
Hình 4. 15. Đồ thị công chỉ thị theo chu trình.............................................................. 55

xiii


TRÍCH YẾU LUẬN VĂN

Với những ưu điểm vượt trội hơn hẳn so với động cơ xăng về công suất và hiệu
suất làm việc, hiện tại cũng như trong tương lai động cơ diesel vẫn đang chứng tỏ được

vai trò không thể thay thế khi sử dụng trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế như giao
thông vận tải, nông nghiệp, công nghiệp… Vì lý do đó, việc nghiên cứu nâng cao chất
lượng, hiệu suất động cơ diesel là vấn đề cần phải được ưu tiên hàng đầu.
Với xu hướng nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt và ô nhiễm môi trường
gia tăng theo cấp số nhân hiện nay, cần thiết phải tạo nên một động cơ diesel thế hệ
mới với hiệu suất tốt hơn, đồng nghĩa với sản phẩm cháy được đốt sạch qua đó giải
quyết được bài toán tiết kiệm nhiên liệu và ô nhiễm khí xả. Có nhiều hướng nghiên
cứu khác nhau với nhiều cải tiến, trong đó giải pháp nâng cao các thông số tính năng
dựa vào tối ưu chu trình công tác của động cơ là một trong những hướng đi tiên tiến
đang rất được các nhà sản xuất quan tâm. Hướng đến phục vụ đào tạo về lý thuyết
động cơ đốt trong và tính toán thiết kế động cơ, đồng thời nghiên cứu cải tiến quá trình
cháy là vấn đề cần thiết giúp người học nắm vững và hệ thống hóa lý thuyết, hiểu sâu
hơn về động cơ, góp phần chẩn đoán sửa chữa và phục hồi lại động cơ hoặc hỗ trợ
trong nghiên cứu cải thiện khả năng làm việc của động cơ.
Với động cơ diesel, có nhiều phương pháp để tìm ra thông số tính năng và chu
trình công tác của động cơ diesel, như phương pháp mô phỏng số, tính toán lý thuyết
hoặc phương pháp thực nghiệm. Phương pháp số được chọn vì nó đóng vai trò như
một công cụ hiện đại chính xác, nhanh và hiệu quả, hỗ trợ đắc lực cho việc tính toán,
thiết kế tối ưu dòng chất lỏng và chất khí và quá trình cháy. Phương pháp này được
nhìn nhận như một phương pháp thứ ba song song với hai phương pháp truyền thống
là lý thuyết thuần túy và thực nghiệm thuần túy. Đây là công cụ hiện đại với sự trợ
giúp của máy tính tốc độ cao để giải quyết nhiều vấn đề phức tạp như tính toán, tối ưu,
dự báo, kiểm nghiệm mà phương pháp lý thuyết thuần túy không đủ sức làm trong khi
thực nghiệm thuần túy lại mất quá nhiều thời gian, công sức và tiền bạc. Kết quả mô
phỏng sẽ định hướng, quy hoạch và ước đoán kết quả thực nghiệm.

xiv


Các phần mềm mô phỏng có sẵn trên thị trường hiện nay như: ESP, ANSYS

CFX, ANSYS FLUENT, AVL , STAR-CD và STAR-CCM +... phần mềm ESP đã
được chọn trong đề tài nghiên cứu vì có thể đánh giá đúng được các thông số đặc trưng
chu trình công tác và các thông số về nhiệt động học của động cơ, khả năng cho kết
quả mô phỏng khá chính xác và có độ tin cậy cao.
Với mục đích ứng dụng mô phỏng số vào đối tượng là chu trình công tác động cơ
diesel, phạm vi nghiên cứu gói gọn trong phần mềm mô phỏng và các thông số đánh
giá, mục tiêu đề tài “Mô phỏng số chu trình công tác động cơ diesel YANMAR
4CHK” kết quả nghiên cứu phần nào giải quyết các yêu cầu trong lĩnh vực giảng dạy
lý thuyết động cơ đốt trong và nghiên cứu chuyên sâu về động cơ diesel.
Đề tài sử đụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết chu trình công tác động cơ
diesel và phần mềm mô phỏng số, khảo sát đánh giá kết quả mô phỏng xây dựng trên
mô hình động cơ diesel YANMAR-4CHK, xuất ra các thông số chu trình công tác từ
phần mềm và so sánh với số liệu từ Catalogue của máy.
Đề tài đã mô phỏng được chu trình công tác động cơ diesel Yanmar-4CHK cho
kết quả thông số đặc trưng sát với thực tế và có độ tin cậy cao. Từ kết quả, có thể đưa
ra kết luận như sau:
-

Có thể sử dụng phần mềm mô phỏng động cơ ESP vào mục đích giảng dạy
chuyên sâu về tính toán thiết kế lý thuyết và nâng cao động cơ đốt trong ở các
trường Đại học, nhằm thay thế thực nghiệm, xác định chu trình công tác lý thuyết
động cơ đốt trong nói chung và động cơ diesel nói riêng.

-

Có thể sử dụng kết quả mô phỏng thay thế các đo đạc thực nghiệm động cơ
diesel, thay đổi một số thông số vận hành để đánh giá các thông số tính năng
trong quá trình nghiên cứu chế tạo, cho ra động cơ có chu trình công tác tối ưu và
hiệu suất tốt hơn.
Tuy nhiên, từ kết quả đạt được cũng cần bổ sung thêm các yếu tố liên quan để

việc sử dụng phần mềm mô phỏng động cơ đốt trong đạt kết quả sát với thực tế:
- Khai thác sâu tất cả khả năng của chương trình và ứng dụng thay đổi với nhiều
thông số đầu vào khác nhau: thông số phun nhiên liệu; góc phân phối khí; tỉ số
nén; tốc độ động cơ… để nhận ra được sự thay đổi của các thông số tính năng

xv


trong các trường hợp nhất định, tạo tiền đề cho việc chẩn đoán bảo dưỡng động
cơ.
- Cần tiến hành các đo đạc thực nghiệm để đánh giá kết quả tính của mô hình mô
phỏng.
- Xây dựng chương trình tính trên phần mềm Matlab kết nối phần mềm ESP để xử
lý dữ liệu sau khi mô phỏng, trong đó có tích hợp các phương trình thể hiện
thông số đặc trưng chu trình công tác, chuyển đổi đơn vị góc quay trục khuỷu (φ)
sang đơn vị thể tích để có thêm đồ thị công p-V và xuất kết quả theo mong muốn.
Từ khóa: Mô phỏng số, động cơ diesel, chu trình công tác, ESP, thông số tính năng.

xvi


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1. Khái quát về đề tài nghiên cứu
1.1.1 Lý do lựa chọn lĩnh vực nghiên cứu
Ra đời sớm và phát triển hơn 100 năm nhưng động cơ diesel không phát triển
như động cơ xăng do hạn chế về tiếng ồn, khí thải. Tuy nhiên, với nhiều ưu điểm
vượt trội hơn so với động cơ xăng về hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu và khả năng
ứng dụng trong công nghiệp, giao thông vận tải hạng nặng, động cơ Diesel ngày
càng được các nhà khoa học, các công ty sản xuất động cơ quan tâm nghiên cứu và

chú trọng cải tiến. Với sự bùng nổ và phát triển của kỹ thuật công nghệ, các vấn đề
dần được giải quyết và động cơ diesel ngày càng trở nên phổ biến và ứng dụng rất
mạnh mẽ trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng.
Trong một vài thập kỷ gần đây nhìn chung vấn đề động cơ Diesel gặp phải
xoay quanh tiếng ồn và muội than trong khí thải, những công nghệ mới về tối ưu
hình dạng buồng đốt và kiểm soát quá trình cháy làm cho động cơ Diesel đã xích
lại “sạch” gần với động cơ xăng hơn. Các cải tiến rất đa dạng như về nhiên liệu,
quá trình cháy, quá trình hình thành hỗn hợp nhiên liệu-không khí, kiểu phun - góc
phun của kim phun, dạng buồng cháy… Trong những cải tiến đó, giải pháp nâng
cao các thông số tính năng dựa vào tối ưu chu trình công tác của động cơ là một
trong những hướng đi tiên tiến đang rất được các nhà sản xuất quan tâm.
Trong xu hướng phát triển khoa học công nghệ đó, việc nghiên cứu và tìm
hiểu sâu về động cơ diesel, nhằm phục vụ đào tạo về lý thuyết động cơ đốt trong và
tính toán thiết kế động cơ, đồng thời nghiên cứu tìm biện pháp cải tiến về quá trình
cháy là vấn đề cần thiết nhằm giúp người học nắm vững và hệ thống hóa lý thuyết,
hiểu sâu hơn về động cơ, có khả năng góp phần vào việc chẩn đoán sửa chữa và
phục hồi lại động cơ nhanh chóng hoặc hỗ trợ nghiên cứu cải thiện tăng khả năng
làm việc của động cơ
Có nhiều phương pháp để tìm ra thông số tính năng và chu trình công tác của
động cơ diesel, như tính toán lý thuyết hoặc phương pháp thực nghiệm, tuy nhiên
phương pháp mô phỏng số là một trong những phương pháp nghiên cứu tiên tiến
đang được các nước phát triển quan tâm. Đây là công cụ phân tích quan trọng trong
1


nghiên cứu động cơ để thiết lập mối tương quan với các nghiên cứu thử nghiệm và
cung cấp thông tin mới. Phương pháp này được xây dựng dựa trên cơ sở phương
pháp số và công nghệ mô phỏng trên máy tính để giải các bài toán liên quan đến
chuyển động của dòng chất lỏng, chất khí xung quanh vật thể bên trong động cơ.
Phương pháp số được chọn vì nó đóng vai trò như một công cụ hiện đại chính

xác, nhanh và hiệu quả, hỗ trợ đắc lực cho việc tính toán, thiết kế tối ưu dòng chất
lỏng và chất khí và quá trình cháy. Phương pháp này được nhìn nhận như một
phương pháp thứ ba song song với hai phương pháp truyền thống là lý thuyết thuần
túy và thực nghiệm thuần túy. Đây là công cụ hiện đại giải quyết nhiều vấn đề phức
tạp như tính toán, tối ưu, dự báo, kiểm nghiệm mà phương pháp lý thuyết thuần túy
không đủ sức làm trong khi thực nghiệm thuần túy lại mất quá nhiều thời gian,
công sức và tiền bạc. Kết quả mô phỏng sẽ định hướng, quy hoạch và ước đoán kết
quả thực nghiệm.
Các phần mềm mô phỏng có sẵn trên thị trường hiện nay bao gồm ESP,
ANSYS CFX, ANSYS FLUENT, AVL Fire và CD-Adapco STAR-CD và STARCCM +, trong khi KIVA và Open FOAM đang trở nên phổ biến như là mã nguồn
mở. ESP đã được chọn trong đề tài nghiên cứu này để tận dụng khả năng của nó
mô phỏng và tìm ra các thông số tính năng thông qua xây dựng đồ thị công chỉ thị.
Với mục đích ứng dụng mô phỏng số vào một động cơ cụ thể và trong khuôn
khổ thời gian cho phép của luận văn cao học, đề tài “Mô phỏng số chu trình công
tác động cơ diesel YANMAR 4CHK” được cho phép thực hiện phần nào giải
quyết các vấn đề trong lĩnh vực đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu về động cơ
diesel
1.1.2. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu: Mô phỏng số chu trình công tác của động cơ diesel
YANMAR-4CHK
Đối tượng nghiên cứu: Chu trình công tác động cơ diesel
Phạm vi nghiên cứu: phần mềm mô phỏng động cơ và các thông số tính
năng của động cơ diesel Yanmar - 4CHK.
Giới hạn nghiên cứu: Sử dụng phần mềm mô phỏng động cơ đốt trong
2


1.2. Động cơ diesel
1.2.1. Khái quát động cơ diesel
Động cơ diesel (còn gọi là động cơ nhiên liệu tự cháy – compression ignition

engine) là loại động cơ đốt trong sử dụng nhiệt của quá trình nén để đốt cháy hỗn hợp
nhiên liệu và không khí trong buồng cháy, trái với động cơ xăng (còn gọi là động cơ
đốt cháy cưỡng bức – spark ignition engine) sử dụng bugi đánh lửa để đốt cháy hỗn
hợp nhiên liệu cháy. Động cơ diesel được phát triển bởi Rudolf Diesel từ năm 1892
[14].
So với động cơ đốt cháy cưỡng bức, động cơ diesel có nhiều ưu điểm:
- Tính kinh tế: Động cơ diesel có hiệu suất nhiệt cao nhất trong tất cả các loại
động cơ nhiệt do tỷ số nén cao, từ 15:1 đến 22:1. Động cơ diesel tốc độ chậm (thường
sử dụng cho tàu thủy) có thể đạt hiệu suất nhiệt hơn 50% so với động cơ xăng có cùng
công suất, động cơ diesel có lượng tiêu hao nhiên liệu thấp hơn 20% (Hình 1.1) [17].

Hình 1. 1. Hiệu suất nhiệt động cơ diesel tốc độ chậm [17].
- Mômen lớn: Động cơ diesel có mômen cực đại đạt được ở số vòng quay thấp
nên được sử dụng trên các phương tiện xe đầu kéo, tải nặng, giúp việc điều khiển êm ái
hơn động cơ xăng.
- Độ tin cậy: Do không sử dụng hệ thống đánh lửa điện cao áp, độ tin cậy của
động diesel cao hơn, và không gây ra các nhiễu tần số vô tuyến rất quan trọng trong
thông tin liên lạc.
3


- Tuổi thọ: Tuổi thọ động cơ diesel thường gấp đôi động cơ xăng do các chi tiết
có kết cấu cứng vững hơn. Bản thân dầu diesel cũng có tính chất bôi trơn tốt hơn xăng
nên ít gây hại màng dầu bôi trơn trên sécmăng và piston, giúp tăng tuổi thọ động cơ.
- Độ an toàn: Dầu diesel có tính bay hơi và bắt lửa thấp hơn xăng nên được sử
dụng rộng rãi đặc biệt trong tàu thủy thay cho xăng, vì hơi xăng tích tụ đáy tàu dễ gây
ra cháy nổ.
- Dễ tăng công suất: Động cơ diesel dễ dàng tăng áp suất khí nạp với
turbocharger, giúp tăng lượng không khí nạp vào buồng cháy, từ đó tăng được lượng
nhiên liệu có thể đốt và tăng công suất. Áp suất gia tăng này chỉ bị giới hạn bởi kết cấu

các chi tiết của động cơ, trong khi đó áp suất gia tăng trong quá trình nạp của động cơ
xăng có thể gây kích nổ.
- Có thể sử dụng nhiên liệu sinh học (biodiesel) được tổng hợp từ nhiều nguồn
khác nhau. Trong khi đó, ở động cơ xăng khả năng đáp ứng bị hạn chế hơn.
Cùng với các tiến bộ công nghệ được áp dụng như phun nhiên liệp áp suất cao
(commonrail system), tăng áp (turbocharger), kim phun điện tử, các hệ thống lọc khí
thải… đến năm 2005 (Hình 1.2) động cơ diesel đã gia tăng công suất 135%, mômen
160%, đồng thời với giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ 20% và 99% bồ hóng phát thải so
với năm 1983.

Hình 1. 2. Tiến bộ của động cơ diesel [17].
Với các ưu điểm trên, động cơ diesel hiện nay được sử dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực khác nhau như: giao thông vận tải bộ, vận tải thủy và các ngành công nghiệp.
4


Trước đây, các loại động cơ diesel vốn rất hiếm khi được lắp trên xe con bởi
những yếu điểm của loại động cơ này là tiếng ồn lớn, khả năng tăng tốc kém, nhiều
khói… Đến nay, việc sử dụng xe có động cơ diesel bắt đầu trở thành một xu hướng.
Phân khúc xe con sử dụng động cơ diesel đã và đang gia tăng đáng kể trên toàn thế
giới trong thời gian gần đây. Tại Anh quốc, lượng xe con trang bị động cơ diesel đã gia
tăng hơn 3,5 lần, đạt 50.6% vào năm 2011 so với 14.1% của năm 2000 (Hình 1.3).
Nếu tính cho toàn châu Âu, tỷ lệ này là 55% và trên toàn thế giới là 27% (Hình 1.4)
[17].

Hình 1. 3. Thị phần xe trang bị động cơ diesel tại Anh từ năm 2000-2011 [17].

Hình 1. 4. Thị phần xe con trang bị động cơ diesel trên thế giới và châu Âu
năm 2011 [17].
Động cơ diesel là lựa chọn gần như duy nhất cho dòng xe thương mại, gồm các

xe tải nhẹ, xe tải nặng, xe buýt do tính kinh tế nhiên liệu, sự tin cậy và bền bỉ của động
cơ diesel. Trong vận tải thủy, động cơ diesel tốc độ chậm được sử dụng từ năm 1910
thay cho các máy hơi nước. Xe lửa, nhà máy điện, các máy nông nghiệp, máy xây
dựng … là nơi tiêu thụ số lượng lớn động cơ diesel. Hàng năm có khoảng hai mươi
5


đến ba mươi ngàn động cơ diesel mới được sử dụng (Bảng 1.1) trình bày số lượng
động cơ diesel được sản xuất và phân chia ở các lĩnh vực ứng dụng chính.
Bảng 1. 1. Số lượng động cơ diesel sản xuất và phạm vi ứng dụng
(Đơn vị: x100) [17].
Region

Japan

East

North

Western

Eastern

Worldwide

Asia

America

Europe

Europe

total

Passenger cars

323

167

0

4.383

1.013

6.209

Commercial

774

1.047

693

2.328

277

5.853

590

7.156

42

340

67

8.792

229

61

112

271

22

812

140

47

31

186

9

482

Power units

204

179

17

247

28

711

Marine engines and

38

203

13

35

3

297

2.368

8.860

908

7.790

1.1419

23.156

Vehicles
Agricultural
machinery
Construction
equipment
Other industrial
engines

auxiliary marine
engines
Total

1.2.2. Phát thải khí xả động cơ diesel
Không như động cơ xăng, trong đó hỗn hợp khí cháy là đồng nhất, quá trình cháy
của động cơ diesel về bản chất là không đồng nhất. Nhiên liệu diesel được phun vào
buồng cháy chứa đầy không khí có nhiệt độ cao trong hành trình nén, do đó nồng độ
của hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong xi lanh tại các điểm khác nhau là không
giống nhau. Khí thải được hình thành từ kết quả quá trình cháy của hỗn hợp không
khí/nhiên liệu không đồng nhất này. Các quá trình hòa trộn nhiên liệu trước khi cháy
như thời gian cháy trễ, chất lượng tia phun, thời gian lưu trú của nhiên liệu trong các
vùng nhiệt độ khác nhau, thời gian giãn nở, đặc điểm thiết kế của động cơ đóng vai trò
quan trọng trong việc tạo thành khí thải. Do vậy, tỷ lệ các khí thải thành phần của động
cơ diesel khác nhiều so với động cơ xăng. Hàm lượng CO và HC của động cơ diesel
nhỏ hơn động cơ xăng, nhưng NOx và bồ hóng (muội than, particulate matter – PM)

6


cao hơn nhiều. Đây cũng chính là điểm yếu của động cơ diesel và cần tìm hiểu kỹ, tập
trung khắc phục.
1.2.2.1. Bồ hóng
Thuật ngữ bồ hóng chỉ một loại vật liệu hóa than hình thành từ quá trình cháy của
nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxy. Các hạt bồ hóng này cấu thành từ ba nhóm chính
(Hình 1.5):
-

Nhóm các hạt rắn (Solid fraction - SOL): Các hạt carbon, tro.

-

Nhóm các chất hữu cơ có thể hòa tan (Soluble Organic Fraction - SOF): Gồm

vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ dầu bôi trơn và dầu diesel.

-

Nhóm các hạt sunphát (Sulfate particulates - SO4): Gồm Acid sulfuric và nước.

Hình 1. 5. Thành phần bồ hóng từ khí thải động cơ diesel [17].
Thành phần hạt bồ hóng còn phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, đặc điểm của quá
trình cháy, dạng động cơ cũng như thời hạn sử dụng của động cơ. Thành phần bồ hóng
trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao khác với nhiên liệu
có hàm lượng lưu huỳnh thấp.
Hiện nay cơ chế hình thành bồ hóng từ quá trình cháy trong động cơ diesel vẫn
còn gây nhiều tranh cãi vì liên quan đến các hiện tượng xảy ra ở nhiệt độ cao, áp suất
lớn.
1.2.2.2. NOx
NOx là họ các oxit nitơ, trong đó monoxit nitơ (NO) chiếm đại bộ phận, là kết
quả của sự kết hợp giữa oxy và nitơ trong không khí ở điều kiện nhiệt độ và áp suất
cao trong buồng đốt. Nhiệt độ cần thiết để hình thành NOx là trên 2000 0K xuất hiện
trong kỳ nổ của động cơ. NOx có thành phần cấu tạo gồm 97% đến 98% NO và 2%
NO2. NO bản thân là chất khí không màu nhưng khi kết hợp với oxi để hình thành NO2
lại có màu hơi nâu. Khi NO2 kết hợp với hidrocarbon dưới tác động của ánh sáng mặt
trời sẽ gây nên hiện tượng quang hoá.
7


Sự phân bố nhiệt độ và thành phần khí cháy trong không gian buồng cháy là
không đồng nhất. Với quá trình cháy khuếch tán, màng lửa xuất hiện ở những khu vực
cục bộ có thành phần hỗn hợp gần với giá trị cháy lý thuyết. Trong quá trình này, luôn
tồn tại những khu vực hay các “túi” không khí có nhiệt độ thấp. Nhờ bộ phận không
khí này mà NO hình thành trong buồng cháy động cơ Diesel được làm mát (gọi là sự

“tôi” NO) nhanh chóng hơn và do đó NO ít có khuynh hướng bị phân giải [17].
Cơ chế hình thành NOx của Zel’dovich thường được sử dụng trong tính toán
NOx, mô hình bao gồm các phương trình phản ứng chính như sau:
O + N2  NO + N
N + O2  NO + O
N + OH  NO + H
1.3. Tình hình nghiên cứu về mô phỏng động cơ
Ngày nay, trên thế giới với sự phát triển và ứng dụng khoa học kỹ thuật vào
nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau như công nghệ, sức khỏe, kinh tế, giáo dục… ứng
dụng công nghệ mô phỏng trên máy tính thay thế tính toán lý thuyết hoặc đo đạc thực
nghiệm đang trở thành một xu thế mới, ngày càng được hoàn thiện và ứng dụng rộng
rãi trong nhiều nhóm ngành nghề. Tiếp theo xu thế đó, ngành công nghệ động cơ đốt
trong đang có những bước tiến vượt bậc, tối ưu hóa các thông số chu trình công tác
bằng việc sự ứng dụng công nghệ mô phỏng số vào giảng dạy và nghiên cứu thiết kế,
đã góp phần không nhỏ chế tạo ra những loại động cơ thế hệ mới tiết kiệm nhiên liệu
và ít ô nhiễm môi trường hơn.
Mô phỏng số đang là công cụ mạnh mẽ được sử dụng một cách rộng rãi trong
giảng dạy, nghiên cứu và thử nghiệm ở các nước tiên tiến hiện nay, nhất là khi ngành
công nghệ thông tin phát triển một cách nhanh chóng. Nhìn chung, mô phỏng số là một
công cụ hữu ích không chỉ giới hạn riêng trong mô phỏng động cơ mà còn trong hầu
hết các ngành, các lĩnh vực khoa học khác nhau cả về tự nhiên lẫn xã hội, mô phỏng số
sẽ giúp cho chúng ta có cái nhìn trực quan hơn, sinh động hơn về các hệ thống, các
công thức, các phản ứng mà rất khó thực hiện và quan sát trong thực tế.
Trong chu trình công tác động cơ diesel, quá trình cháy dãn nở là yếu tố quyết
định đến công suất, hiệu suất, suất tiêu hao nhiên liệu, cũng như mức phát thải ô nhiễm
môi trường và các tính năng khác khi vận hành. Để hiểu rõ quy luật biến đổi các thông
số này đến chu trình công tác trong động cơ nhằm hướng đến phục vụ trong đào tạo
8

nghiên cứu động cơ đốt trong hoặc mở rộng phát triển hoàn thiện trong chế tạo, cần rất
nhiều công sức tính toán. Quá trình nghiên cứu và hoàn thiện chu trình công tác này
đòi hỏi những công cụ mạnh mẽ trong lý thuyết, thực nghiệm hoặc mô phỏng động cơ
đốt trong, đặc biệt là các công cụ để phân tích các thông số đặc trưng của quá trình
cháy.
Cùng với mô phỏng số, mô phỏng số động cơ đốt trong bắt đầu từ những năm
1970 khá bị hạn chế về mặt kỹ thuật do còn ít kiến thức cơ bản về quá trình đốt cháy,
chủ yếu các nhà sản xuất động cơ phát triển và giới hạn trong việc cải thiện sản phẩm
của mình.
Nhận thấy tầm quan trọng trong việc nghiên cứu động cơ đốt trong, Mỹ đã thành
lập các cơ sở nghiên cứu quá trình cháy (Combustion Research Facility - CRF) bắt đầu
hoạt động vào năm 1981, chương trình nghiên cứu nâng cao động cơ đốt trong
(Advanced Combustion Engine R&D - ACE R&D) bắt đầu vào năm 1986. Các
chương trình này đã gắn kết các nhà nghiên cứu, các phòng thí nghiệm quốc gia, các
trường Đại học và khối nghiên cứu tư nhân sát lại gần nhau và cùng nhau đạt được
những hiểu biết cơ bản về quá trình đốt cháy, đây là nền tảng và cơ sở lý thuyết để
phát triển và hoàn thiện các chương trình phần mềm sau này.
Trong những năm gần đây đã có rất nhiều các công trình khoa học được công bố
nhằm hoàn thiện chu trình công tác trên động cơ, các công trình chủ yếu tập trung
trong lĩnh vực mô phỏng số động cơ đốt trong, các tác giả sử dụng nhiều phần mềm
mô phỏng khác nhau nhằm chung mục đích xác định các thông số chu trình công tác
và hoàn thiện các tính năng động cơ. Sau đây là một số công trình tiêu biểu nhất.
+ Công trình nghiên cứu của H.sushma: “Mô hình hóa dòng chảy của tia phun
trong xi lanh động cơ diesel bằng kỹ thuật CFD” thực hiện mô phỏng CFD của động
cơ đốt trong với xupap và piston, sử dụng phương pháp chia lưới động học. Nghiên
cứu ảnh hưởng của hình dáng đỉnh piston với 3 loại khác nhau. Kết quả cho thấy, ở
mỗi hình dáng đều có mức độ xoáy lốc khác nhau và được áp dụng cho những giải
công suất, tính năng làm việc của từng loại động cơ [21].
+ Công trình nghiên cứu của Kohei Fukuda: “Mô phỏng số phun nhiên liệu trong
động cơ diesel”. Đề tài ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất sử

dụng ANSYS FLUENT 13.0 với động cơ mô phỏng phun nhiên liệu diesel ở áp suất
phun từ 100-300 MPa, mô hình động cơ được thiết lập với các điều kiện khác nhau và
9