Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số phun hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – dầu dừa đến các chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel cao tốc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
______________________________________

MAI ĐỨC NGHĨA

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ PHUN
HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU DIESEL – DẦU DỪA ĐẾN CÁC
CHỈ TIÊU KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ
DIESEL CAO TỐC

Ngành đào tạo: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 62520116

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

KHÁNH HÒA – 2017


Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Nha Trang
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS Phạm Hùng Thắng
Phản biện 1:
PGS.TS Nguyễn Lê Duy Khải
Phản biện 2:
PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng
Phản biện 3:
PGS.TS Phan Văn Quân


MỞ ĐẦU

1. LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Việt Nam là quốc gia nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, có tiềm năng lớn
trong việc phát triển nguồn nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học. Các nguồn
nguyên liệu chủ yếu tại thời điểm này để sản xuất là mỡ cá basa, dầu Jatropha, dầu
dừa. Trong đó, dầu dừa được xem là một trong những nguồn nguyên liệu tốt nhất do
điều kiện tự nhiên và xã hội ở Việt Nam thích hợp và thuận lợi cho phát triển cây dừa.
Mở rộng phạm vi sử dụng hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa làm nhiên liệu cho các
động cơ diesel, không chỉ có ý nghĩa trong việc bảo vệ môi trường mà còn giảm thiểu
sự phụ thuộc nguồn nhiên liệu truyền thống không tái sinh.
Tuy nhiên, một số tính chất lý hóa của hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa như: Độ
nhớt, trị số cetan, khối lượng riêng và khả năng bay hơi không như nhiên liệu diesel
nên khi sử dụng cho động cơ sẽ không đạt được hiệu quả cao nếu giữ nguyên các
thông số phun như nhiên liệu diesel (DO).
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu xác định thông số phun hợp lý của hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp
động cơ diesel cao tốc khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel - dầu dừa nhằm nâng
cao chỉ tiêu kinh tế và môi trường.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Thông số phun hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel - dầu dừa và các chỉ tiêu kinh tế,
môi trường của động cơ diesel cao tốc có buồng cháy dạng ω.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Về lý thuyết:
- Nghiên cứu quy luật thay đổi: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích, ge (g/kW.h) của
động cơ diesel cao tốc theo góc phun sớm (φinj) và áp suất phun (pinj) khi sử dụng hỗn
hợp nhiên liệu dầu diesel - dầu dừa B15 (15% dầu dừa và 85% dầu diesel - B15) để
đánh giá chỉ tiêu kinh tế;

1

- Nghiên cứu quy luật thay đổi: Phát thải bồ hóng, phát hải NOx của động cơ
diesel cao tốc theo φinj và p inj khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu B15 để đánh giá chỉ tiêu
môi trường.
Về thực nghiệm:
Nghiên cứu thực nghiệm xác định góc phun sớm và áp suất phun hỗn hợp nhiên
liệu B15 theo chỉ tiêu kinh tế (ge) và chỉ tiêu môi trường (bồ hóng, NOx) trên động cơ
diesel cao tốc 4CHE Yanmar.
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu lý thuyết ảnh hưởng của thông số phun nhiên liệu đến các chỉ tiêu
kinh tế và môi trường của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu B15;
- Nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của thông số phun hỗn hợp nhiên liệu B15
đến các chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel bằng lý thuyết tính toán động
lực học lưu chất CFD (Computational Fluid Dynamics - CFD);
- Nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số phun (φinj, pinj) của hỗn hợp nhiên
liệu B15 theo chỉ tiêu kinh tế và môi trường trên động cơ diesel cao tốc;
- Xây dựng công thức điều chỉnh hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp động cơ
diesel cao tốc khi chuyển sang sử dụng hỗn hợp nhiên liệu B15.
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm
kiểm chứng.
6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN
6.1. Ý nghĩa khoa học
Đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của thông số phun nhiên liệu đến góc nón
tia phun, độ xuyên sâu tia phun, chiều dài phân rã, thời gian phân rã tia phun, quá trình
hình thành hỗn hợp cháy, cháy và hình thành phát thải của động cơ diesel khi sử dụng
hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel - dầu dừa. Ứng dụng lý thuyết CFD và biến đổi các mô
hình cháy, mô hình truyền nhiệt theo thông số phun phục vụ mô phỏng quá trình cháy
hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel - dầu dừa. Những kết quả này là cơ sở khoa học trong
việc nghiên cứu năng lượng thay thế cho động cơ diesel.

2


6.2. Tính thực tiễn của đề tài
Các kết quả nghiên cứu đạt được của đề tài sẽ là cơ sở cho việc tối ưu điều khiển
và vận hành hợp lý, nhằm tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường cho
động cơ diesel khi chuyển sang sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel - dầu thực vật,
trong đó có hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – dầu dừa.
7. KẾT CẤU LUẬN ÁN
Luận án được kết cấu gồm 4 chương và phần kết luận, khuyến nghị:
Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu;
Chương 2: Cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng của thông số phun hỗn hợp dầu diesel
dầu dừa đến các chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel;
Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm hỗn hợp
dầu diesel - dầu dừa đến các chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel bằng lý
thuyết CFD;
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm;
Kết luận và khuyến nghị.
8. HẠN CHẾ CỦA LUẬN ÁN
Luận án chưa nghiên cứu ảnh hưởng của quy luật cung cấp nhiên liệu đến các chỉ
tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu
diesel - dầu dừa.

3


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1. Xu hướng phát triển và giải pháp nâng cao chỉ tiêu kinh tế, môi trường của
động cơ diesel

Động cơ diesel hay còn gọi động cơ tự cháy CI (Compression Ignition) có ưu
điểm vượt trội hơn so với động cơ xăng về tính kinh tế nhiên liệu, đạt 45% về hiệu
suất chuyển đổi nhiệt năng sang công cơ học, trong khi động cơ xăng chỉ đạt khoảng
30%. Tuy nhiên, còn một số tồn tại ở động cơ diesel mà chủ yếu là độ ồn, khí thải có
nhiều chất độc hại.
Nhiều hãng sản xuất động cơ như: Yanmar, Cummins, Mitsubishi, Deutz,
Isuzu,... đã áp dụng kỹ thuật hiện đại trong việc chế tạo động cơ để cải thiện những
hạn chế trên, cụ thể: Phun nhiên liệu điện tử (Common Rail), sử dụng hồi lưu khí xả
(EGR), lọc bồ hóng. Do đó, động cơ diesel ngày càng được sử dụng nhiều trong lĩnh
vực giao thông vận tải và một số lĩnh vực khác phục vụ kinh tế xã hội.
Sự kết hợp giữa nhiên liệu mới và tổ chức tốt quá trình phun là hướng nghiên
cứu ít tốn kém, nâng cao chỉ tiêu kinh tế và môi trường cho động cơ diesel. Bảng 1.1
trình bày một số giải pháp nhằm giảm ô nhiễm và nâng cao hiệu suất động cơ diesel.
Bảng 1.2 trình bày một số biện pháp tối ưu hóa quá trình cháy động cơ diesel dựa trên
cơ sở của các giải pháp đặt ra.
Bảng 1.1. Giải pháp giảm ô nhiễm và nâng cao hiệu suất động cơ diesel
Giải pháp
Xử lí bên trong động cơ.

Thực hiện
- Cải thiện quá trình nạp của động cơ;
- Cải thiện quá trình phun nhiên liệu;
- Cải thiện hình dáng buồng đốt.

Xử lí bên ngoài động cơ.

- Sử dụng bộ lọc xúc tác (Catalyst);
- Sử dụng bộ lọc bồ hóng.

Thay đổi thành phần nhiên liệu

- Giảm nồng độ lưu huỳnh có trong nhiên liệu dầu diesel;

(nhiên liệu thay thế).

- Thêm phụ gia vào nhiên liệu;
- Sử dụng nhiên liệu sinh học.

4


Bảng 1.2. Các biện pháp tối ưu hóa quá trình cháy động cơ diesel
Biện pháp

NOx

Điều chỉnh góc phun sớm
Hồi lưu khí thải (EGR)
Hồi lưu khí thải có làm mát
Tăng áp (Super charging)
Làm mát khí nạp (Intercooling)
Phun mồi (Pilot injection)
Phun thêm (Post injection)
Điều chỉnh áp suất phun
Giảm tỷ số nén

HC/CO
+
0
+

-

+
+
+
+
0
+

Bồ hóng
+
+
+
-

Suất tiêu hao
nhiên liệu
+
+
0
+
0

Độ ồn
0
0
0
0
0
+

Ghi chú: giảm (-), tăng (+), không thay đổi (0).
1.2. Nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ diesel
Nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ diesel cho đến thời điểm này vẫn là
Biodiessel, dầu thực vật nguyên gốc SVO (Straight Vegetable Oil - SVO). Dầu thực
vật (dầu dừa) không cần tổng hợp thành Biodiesel mà pha trực tiếp vào dầu diesel
thông qua một bộ tạo hỗn hợp. Hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel - dầu dừa được gia nhiệt
đến 800C để giảm độ nhớt về gần với nhiên liệu DO, nhiệt độ này là một trong những
nguyên nhân khiến chiều dài tia phun hỗn hợp B15 ngắn hơn so với DO.
Khi pha trộn dầu dừa nguyên gốc vào dầu diesel ở tỷ lệ thấp, mức chênh lệch về
các giá trị nhiệt động không đáng kể so với dầu diesel, khi tăng tỷ lệ trên 10% có sự
thay đổi lớn về thông số nhiệt động. Từ những phân tích trên, luận án nhận thấy một số
yếu tố chính của hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa như:
- Độ nhớt và sức căng bề mặt;
- Nhiệt độ và khối lượng riêng của nhiên liệu.
Những yếu tố trên có ảnh hưởng đến cấu trúc tia phun gồm độ xuyên sâu tia phun
(S), chiều dài phân rã (lb), góc nón tia phun (θs), đường kính hạt nhiên liệu (D0).
Kết luận chương 1:
Nội dung chương 1 của luận án đã đề cập đến xu hướng phát triển và những giải
pháp giúp nâng cao chỉ tiêu kinh tế và môi trường cho động cơ diesel. Phân tích, đánh
giá kết quả đạt được của các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế về sử dụng
nhiên liệu sinh học cho động cơ, xem xét sự khác biệt về tính chất lý hóa của dầu dừa,
hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa so với dầu diesel.

5


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ PHUN
HỖN HỢP DẦU DIESEL - DẦU DỪA ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ
VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL

2.1. Ảnh hưởng của thông số phun hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – dầu dừa đến
chỉ tiêu kinh tế của động cơ diesel
2.1.1. Quá trình phun và sự hình thành tia phun nhiên liệu
Quá trình phun nhiên liệu giúp nhiên liệu hoà trộn với không khí và tăng diện
tích bề mặt, tăng tốc độ bay hơi và cháy. Đặc biệt đối với động cơ phun trực tiếp, quá
trình phun là biện pháp hiệu quả nhất để kiểm soát quá trình cháy. Trong đó, động
năng tia phun là nguồn tạo xoáy lốc chính, khống chế việc hoà trộn không khí – nhiên
liệu và tốc độ lan truyền ngọn lửa hoà trộn trước, ảnh hưởng lớn đến quá trình bắt
cháy, toả nhiệt và hình thành khí thải, do đó ảnh hưởng đến độ ồn, tiêu hao nhiên liệu
và phát thải của động cơ.
Trên Hình 2.1 thể hiện các trạng thái tia phun nhiên liệu, nhiên liệu sau khi ra
khỏi lỗ phun được chia thành nhiều vùng khác nhau, trong mỗi vùng các hạt nhiên liệu
đều có những biến đổi khác nhau và tập trung thành chùm tia nhiên liệu.

Hình 2.1. Các trạng thái hình thành tia phun nhiên liệu lỏng
(1): Vùng lõi tia phun chưa phân rã.
(2): Vùng dòng lưu chất bắt đầu phân rã (phân rã sơ cấp) λ <1.
(3): Vùng thể hiện pha lỏng >> khí (λ <1).
(4): Vùng thể hiện pha lỏng ~ khí (λ = 1). Pha lỏng còn chiếm phần đáng kể trong
tổng khối lượng, có sự chuyển đổi động năng từ hạt nhiên liệu vào pha khí gây
ảnh hưởng đến các hạt khác.
(5): Vùng pha lỏng << khí (λ > 1). Pha lỏng chiếm phần không đáng kể so với pha khí.

6


2.1.2. Cấu trúc tia phun nhiên liệu
Mô tả tia phun nhiên liệu được đặc trưng bởi các thông số vật lý như Hình 2.2.

Hình 2.2. Cấu trúc và sự phân rã tia phun nhiên liệu

2.1.2.1. Chiều dài phân rã tia phun lb
Chiều dài lb là một đặc tính quan trọng để xác định khả năng hòa trộn khi phun
nhiên liệu vào trong buồng cháy:


r  l 
l b  7d h  1  0, 4 h   h 
Dh   dh 


0,13

 g

 lv l





0 ,05

 l

 g





0,5

(2.1)

Trong đó, lh: chiều dài lỗ phun; Dh: đường kính khoang phun, dh: đường kính lỗ
phun; vl  Cd (2(pinj  pc ) / l )1/2 : vận tốc phun; p inj: áp suất phun; pc: áp suất nén.
2.1.2.2. Độ xuyên sâu tia phun S
Độ xuyên sâu tia phun S theo góc quay trục khuỷu và thông số phun được thể
hiện qua công thức 2.2:

S(  ) 

d h .v l 1
.    inj
2.a u 6n

(2.2)

Trong đó, n: tốc độ động cơ; φ: góc quay trục khuỷu; φinj: góc phun sớm nhiên
liệu; au: hệ số của dòng xoáy trong tia phun; Cd: hệ số giãn dòng vòi phun.
2.1.2.3. Góc nón tia phun θs
Góc nón tia phun là góc hình thành bởi hai đường biên hình học tia phun từ
miệng lỗ phun. Góc nón thường có độ lớn từ 5 ÷ 300, tăng góc nón chỉ đạt một giá trị

7


nhất định, khi vượt ngưỡng sẽ làm giảm độ xuyên sâu tia phun và có thể gây hóa hơi
ngay miệng lỗ phun:

 d 2  (p  p c 
s  0,05  h g 2inj


g



0,25

(2.3)

Xét sự biến thiên của tia phun nhiên liệu hỗn hợp khi phun vào buồng cháy (Hình
2.3), giả thiết sự phân bố mật độ hạt nhiên liệu trong tia phun là như nhau ở các
hướng, sự thay đổi thể tích Vt biến thiên theo độ góc quay trục khuỷu theo phương
trình 2.4:

Hình 2.3. Mô hình biến thiên thể tích tia nhiên liệu trong buồng cháy động cơ

2(pinj pc )
d .C .
dVt
h d
l
1
 i..
. .
inj
d
6n

2.a u
1




0,25
 d 2 . .(p  p ) 


2
 (ctg0,05  h g inj c 
2(p inj pc )
 1) 



 d .C .
g2


l

 h d


.
.
1
2 2.a u



0,25


 d 2 . .(p  p ) 


h g inj c 

3
 1) 
 (ctg0, 05 

2
g









(2.4)

Trong đó, i: số lỗ vòi phun; dVt/dφ: biến thiên của tổng thể tích theo góc quay
trục khủyu [m3/độ]; vs(φ): vận tốc phun [m/độ]; θs: góc nón tia phun [độ]; φ: góc quay
trục khuỷu [độ].

Phương trình 2.4 cho thấy áp suất phun và góc phun sớm nhiên liệu gần như
quyết định thể tích tia phun.

8


2.1.2.4. Đường kính trung bình của hạt nhiên liệu trong tia phun
Đại lượng đặc trưng cho kích thước hạt nhiên liệu và do đó quyết định sự phân rã
tia phun là đường kính SMD (Sauter Mean Diameter - SMD):

SMD  0,38d (Re l )0,25 We l 0,32  l
h
 g







0,37


 l
 g








0,47

(2.5)

2.1.3. Quá trình phân rã tia phun hình thành hỗn hợp cháy
Trong quá trình phân rã, hiện tượng bay hơi hạt nhiên liệu xảy ra do không khí
nóng bị kéo vào tia phun, nung nóng các hạt nhiên liệu ngay sau khi bị phân rã. Thông
số cơ bản để tính toán quá trình bay hơi của hạt nhiên liệu, đó chính là thông số thời
gian tồn tại của các hạt này:
e 

d D 2

X  X v ,
6  S h  v ln  1  v ,s
1  X v ,s


(2.6)




Trong đó, md: khối lượng hạt nhiên liệu; d: khối lượng riêng của hạt nhiên liệu;
D: đường kính hạt nhiên liệu; D0: đường kính ban đầu của hạt nhiên liệu;  : hệ số
khuếch tán khối lượng; Xv,s: hệ số khối lượng của hơi nhiên liệu tại bề mặt hạt; Xv,:
hệ số khối lượng của hơi nhiên liệu ở vị trí xa hạt; Sc: số Schmidt của không khí; v:
khối lượng riêng hơi nhiên liệu.

2.1.4. Quá trình cháy hỗn hợp nhiên liệu trong động cơ diesel
Xét sự biến thiên của các chất như: O2, N2, CO2, CO, H2, H20 trong quá trình
cháy theo thời gian được J.Abraham tính toán ở cả nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao.
Trong đó, tốc độ biến đổi khối lượng riêng phần theo thời gian của một chất m trong
buồng cháy do các biến đổi hóa học từ chất này sang chất khác được xác định như sau:

dm
m  *m

dt
  1  e (    )/(1 )  101..C2 .(P  P )  
d
inj
c




0.632
2.Pinj .N
 
 



 



   A1  Fuel0.75  O2 1.5 exp  EA  


 RT 
 

 cyl  





CO2

H2O

CO

H2

N2

9



(2.7)


Thông lượng nhiệt tại vách xy lanh thể hiện qua phương trình 2.8:
qw 

cp  Tcyl ln  Tcyl Tw 

(2.8)

 1/4
3(pinj  pc ) 
 y.C .Cd .

l

  2.513
2.1ln










Trong các phương trình trên, Tcyl: nhiệt độ khối khí trong xy lanh; Tw: nhiệt độ
vách xy lanh; y: khoảng cách đến vách xy lanh; μ: độ nhớt phân tử; cp: nhiệt dung
riêng đẳng áp; cμ: hằng số; y+: đại lượng không thứ nguyên; u τ: thứ nguyên của bình
phương vận tốc; Δθ: thời gian phun; EA: năng lượng kích hoạt; γ: hằng số.
Khi quá trình cháy xảy ra, suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) phản ánh chỉ tiêu
kinh tế của động cơ, ge được xác định theo công thức 2.9:
ge 

Ah .Cd
A .C
. 2l (pinj  pc )  h d . 2l .p
Ne
Ne

(2.9)

Trong đó, Ne: công suất có ích của động cơ.
2.2. Ảnh hưởng của thông số phun hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – dầu dừa đến
chỉ tiêu môi trường của động cơ diesel
Bồ hóng và NOx là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ diesel.
Để tính toán hàm lượng bồ hóng, các mô hình phổ biến hai bước là hình thành và ôxy
hóa bồ hóng như: Mô hình của Tesner-Magnussen; Hiroyasu. Theo các mô hình này,
quá trình ôxy hóa bồ hóng phụ thuộc lớn vào nồng độ bồ hóng (cs), động năng rối của
ngọn lửa:

.Pinj.6.n
1
ri  A.Cs . .
3 .Cd2 .(Pinj  Pc )

(2.10)

Nếu thời gian cháy kéo dài ở nhiệt độ cao và tốc độ truyền nhiệt thấp sẽ ảnh
hưởng đến sự hình thành NOx:

NOx cycle

 EOC in


Cd.Ah.tdur .i   V.NO
t
x . 2(Pinj  Pc )
 SOC i1


Vcyl.l0.5

(2.11)

Trong đó, A: hằng số; ri: tốc độ ôxy hoá bồ hóng; NOx cycle: hàm lượng NOx trung
bình của chu trình sinh ra do nhiệt độ cháy (ppm); i: số lỗ tia phun; SOC: bắt đầu cháy

10


in

hỗn hợp; EOC: kết thúc quá trình cháy; tdur: thời gian cháy (s);

 : tổng thể tích của n
i1

tia phun.
2.3. Phương pháp xác định thông số phun hỗn hợp nhiên liệu theo chỉ tiêu kinh tế
và môi trường
Luận án đề xuất phương pháp xác định thông số phun theo chỉ tiêu kinh tế (ge)
và môi trường (bồ hóng, NOx) dưới dạng quan hệ toán học như sau:
ge = f(φinj-hh, pinj-hh)

(2.12)

Bồ hóng = f(φinj-hh, pinj-hh)

(2.13)

NOx = f(φinj-hh, pinj-hh)

(2.14)

Ở đây: φinj-hh và pinj-hh sẽ được xác định theo công thức 2.15 và 2.16.
φinj-hh = φinj-do + (a÷b)0gqtk, áp dụng cho hệ thống phun cơ khí

(2.15)

p inj-hh = p inj-do + (c÷d)%. pinj-do

(2.16)

φinj-hh = φinj-do + (e÷f)0gqtk, áp dụng cho hệ thống phun điện tử

(2.16)

p inj-hh = p inj-do + (k÷l)%. p inj-do

(2.16)

Trong đó, pinj-hh: áp suất phun hỗn hợp nhiên liệu B15; φinj-hh: góc phun sớm hỗn
hợp nhiên liệu B15; pinj-do: áp suất phun định mức của động cơ sử dụng nhiên liệu DO;

φinj-do: góc phun sớm định mức của động cơ sử dụng nhiên liệu DO; các hệ số a, b, c, d,
e, f, k, l được xác định phụ thuộc vào kết quả khi nghiên cứu các điểm khảo sát.
Kết luận chương 2:
Nội dung chương 2 đã phân tích, dẫn chứng khoa học, mô tả ảnh hưởng của
thông số phun nhiên liệu đến các chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel
thông qua các quan hệ toán học. Đưa ra phương pháp xác định thông số điều chỉnh hệ
thống phun nhiên liệu động cơ diesel khi chuyển sang sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu
diesel – dầu dừa (công thức 2.15 và 2.16).

11


Chương 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT PHUN VÀ GÓC
PHUN SỚM HỖN HỢP DẦU DIESEL - DẦU DỪA ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH
TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL BẰNG LÝ THUYẾT CFD
3.1. Lý thuyết CFD trong mô phỏng quá trình cháy
Các bước cơ bản giải bài toán CFD có liên quan đến dòng nhiều pha và có phản
ứng hóa học như mô phỏng quá trình cháy của động cơ khi sử dụng chương trình mã
nguồn mở KIVA - 3V bao gồm:
- Xây dựng mô hình hình học buồng cháy và rời rạc hóa mô hình hình học;
- Xác định các phương trình vi phân chủ đạo, xác định các điều kiện cho mô
hình, phân tích và chọn các mô hình tính toán, giải và xử lý kết quả.
3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng về động cơ phun nhiên liệu trực tiếp kiểu cơ khí
4CHE Yanmar
Mô hình lưới mô phỏng được thể hiện trên Hình 3.1.

Hình 3.1. Mô hình lưới buồng cháy động cơ 4CHE Yanmar
3.3. Xây dựng mô hình mô phỏng về động cơ phun nhiên liệu điện tử AVL - 5402
Mô hình lưới mô phỏng được thể hiện trên Hình 3.2.

Hình 3.2. Mô hình lưới buồng cháy động cơ AVL - 5402
3.4. Kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng CFD
3.4.1. Ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm đến cấu trúc tia phun hỗn
hợp nhiên liệu B15 trong buồng cháy động cơ diesel
Bảng 3.1 và Bảng 3.2 so sánh sự biến thiên tia phun nhiên liệu B15 với nhiên liệu
DO. Trong đó cho thấy, cấu trúc tia nhiên liệu B15 chỉ đạt tương đương với DO khi
tăng áp suất phun và góc phun sớm.

12


Bảng 3.1. So sánh độ xuyên sâu tia phun S của nhiên liệu DO và nhiên liệu B15
trong buồng cháy động cơ 4CHE Yanmar

Tia nhiên liệu
DO, B15 ở
thông số phun
định mức của
động cơ và tia
B15 khi đã
thay đổi thông
số phun

Thời gian sau khi phun 2 0 gqtk
9,1
Độ xuyên sâu tia phun S, mm 8,3

9,7

Tia nhiên liệu

DO, B15 ở
thông số phun
định mức của
động cơ và tia
B15 khi đã
thay đổi thông
số phun
Thời gian sau khi phun 3 0 gqtk
15,4
Độ xuyên sâu tia phun S, mm 14,3

16,4

Tia nhiên liệu
DO, B15 ở
thông số phun
định mức của
động cơ và tia
B15 khi đã
thay đổi thông
số phun

Thời gian sau khi phun 4 0 gqtk
21,1
Độ xuyên sâu tia phun S, mm 19,2

13

22,3

Bảng 3.2. So sánh góc nón tia phun của nhiên liệu DO và nhiên liệu B15
trong buồng cháy động cơ 4CHE Yanmar
Tại vị trí 160 TĐCT

Tại vị trí 140 TĐCT

14


3.4.2. Ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm nhiên liệu B15 đến chỉ tiêu
kinh tế và môi trường của động cơ diesel phun nhiên liệu điện tử AVL - 5402
Kết quả nghiên cứu mô phỏng khi thay đổi thông số phun động cơ AVL - 5402,
sử dụng nhiên liệu B15 ở 80 % tải, n = 2.000 v/ph so với thông số phun định mức:
φinj = 180 TĐCT, p inj = 800 bar (180. 800 bar) được trình bày trong Bảng 3.3.
Bảng 3.3. Kết quả mô phỏng suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải bồ hóng và NOx
của động cơ AVL - 5402
800

Pinj (bar)

900

950

1000

Suất tiêu hao liệu ge (g/kW.h) của nhiên liệu B15
theo thông số phun khác nhau

φinj (0TĐCT)
18

261,3

248,6

251,7

242,5

19

254,9

256,9

256,9

254,3

20

270,5

272,0

269,1

260,2

21

271,1

270,6

273,7

265,2

800

900

950

1000

Pinj (bar)

Phát thải bồ hóng (10-5g) của nhiên liệu B15
theo thông số phun khác nhau

φinj (0TĐCT)
18

5,78

5,08

4,06

5,11

19

4,89

4,02

3,94

3,70

20

3,73

3,17

4,32

4,48

21

3,95

4,61

3,84

5,87

950

1000

Pinj (bar) 800

900
-4

Phát thải NOx (10 g) của nhiên liệu B15
theo thông số phun khác nhau

0

φinj ( TĐCT)
18

8,59

10,40

10,80

11,30

19

9,64

10,90

11,30

11,90

20

10,20

11,20

11,50

12,30

21

10,40

11,40

11,60

12,31

3.4.3. Ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm nhiên liệu B15 đến chỉ tiêu
kinh tế và môi trường của động cơ diesel phun nhiên liệu cơ khí 4CHE Yanmar
Kết quả nghiên cứu mô phỏng khi thay đổi thông số phun động cơ 4CHE
Yanmar, sử dụng nhiên liệu B15 ở 80 % tải, n = 1.800 v/ph so với thông số phun định
mức: φinj = 18 0 TĐCT, pinj = 205 bar (180. 205 bar) được trình bày trong Bảng 3.4.

15


Bảng 3.4. Kết quả mô phỏng suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải bồ hóng và NOx
của động cơ 4CHE Yanmar
Pinj (bar)

205

215

225

235

Suất tiêu hao liệu ge (g/kW.h) của nhiên liệu B15
theo thông số phun khác nhau

φinj (0TĐCT)
18

311,25

306,25

300,62

301,07

19

306,87

308,92

296,42

298,75

20

311,60

308,48

302,14

299,73

21

314,64

303,25

314,91

322,85

22

322,32

325,53

320,80

326,96

23

326,53

329,82

306,25

337,85

205

215

225

235

Pinj (bar)

Phát thải bồ hóng (10 -4g) của nhiên liệu B15
theo thông số phun khác nhau

φinj (0TĐCT)
18

6,08

4,75

4,53

4,74

19

5,01

5,23

4,57

4,73

20

4,81

5,12

4,84

4,85

21

4,69

5,54

5,05

5,60

22

4,83

6,00

6,96

5,95

23

5,65

7,98

4,20

4,76

205

215

225

235

Pinj (bar)

Phát thải NOx (10 -4g) của nhiên liệu B15
theo thông số phun khác nhau

φinj (0TĐCT)
18

3,47

3,70

3,84

3,85

19

3,59

3,91

3,94

4,35

20

3,82

3,93

4,37

4,60

21

3,86

4,89

4,80

4,90

22

4,59

5,65

6,15

6,55

23

6,22

5,89

7,00

6,77

Kết luận chương 3:
Nghiên cứu bằng lý thuyết CFD cho phép xác định được các giá trị về suất tiêu
hao nhiên liệu, công suất, hàm lượng phát thải bồ hóng và NOx theo mức tải tương ứng
với các thông số phun khác nhau, giảm được thời gian và chi phí.

16

Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
Quá trình thực nghiệm được tiến hành tại Trung tâm thí nghiệm thực hành Trường Đại học Nha Trang với sự trợ giúp về thiết bị, kỹ thuật và nhân lực của Trung
tâm đăng kiểm xe cơ giới tỉnh Khánh Hòa.
4.1. Bố trí thực nghiệm
Toàn bộ quá trình thực nghiệm được thực hiện trên động cơ diesel cao tốc 4CHE
Yanmar phun nhiên liệu cơ khí, kết nối phanh thủy lực Dynomite 13, bộ đo công suất,
mô men, tốc độ, bộ hòa trộn và đo chi phí nhiên liệu và các thiết bị phân tích khí thải
có kết nối máy tính lưu trữ dữ liệu đo. Sơ đồ bố trí thực nghiệm như trên Hình 4.1.

Hình 4.1. Sơ đồ bố trí chung các thiết bị trong phòng thử nghiệm
4.2. Quy hoạch thực nghiệm
Nhiên liệu thực nghiệm gồm:
- Dầu diesel thương phẩm – PETROLIMEX;
- Hỗn hợp nhiên liệu dùng thực nghiệm có thể tích: 15% dầu dừa và 85% dầu
diesel (B15), gia nhiệt khoảng 800C.
Các thông số điều khiển động cơ trong quá trình thực nghiệm như sau:
- Nhiệt độ nước làm mát: 80 0C; nhiệt độ dầu bôi trơn: 80 0C;
- Nhiệt độ nhiên liệu B15 khi thực nghiệm: 800C. Góc phun sớm, áp suất phun
nhiên liệu, tốc độ động cơ và tải thay đổi theo Bảng 4.1.
4.3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm
Kết quả thực nghiệm trên động cơ 4CHE được trình bày trong Bảng 4.1.

17


Bảng 4.1. Kết quả thực nghiệm suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải bồ hóng và NO x
của động cơ 4CHE khi thay đổi thông số phun ở 80% tải, n = 1.800 v/ph
Pinj (bar)

205

215

225

235

Suất tiêu hao liệu ge (g/kW.h) của nhiên liệu B15
theo thông số phun khác nhau

0

φinj ( TĐCT)
18
19
20
21
22
Pinj (bar)

328,03
313,02
300,22
307,00
314,28

300,00
294,30
292,00

296,30
312,50

288,39
282,05
286,64
296,12
309,82

316,42
292,97
284,39
294,10
303,57

205

215

225

235

Phát thải bồ hóng (độ mờ khói xả N%) của của nhiên liệu
B15 theo thông số phun khác nhau

0

φinj ( TĐCT)
18

19
20
21
22
Pinj (bar)

8,77
7,27
7,04
6,84
7,06

7,03
6,69
6,80
7,20
7,61

6,65
6,42
6,49
6,78
8,23

6,84
6,39
6,43
7,10
7,72

205

215

225

235

Phát thải NOx (ppm) của nhiên liệu B15
theo thông số phun khác nhau

φinj (0TĐCT)

998
1082
1001
1114
1012
1168
1115
1392
1194
1468
4.4. Đánh giá kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm
18
19
20
21
22

1106
1162
1242
1416
1711

1115
1218
1309
1452
1768

Đánh giá kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm nhằm xác định độ tin cậy của
các mô hình toán áp dụng trong mô phỏng và hiệu chỉnh các điều kiện để mô hình mô
phỏng phù hợp với thực tế. Trung bình sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm khoảng
± 6%, kết quả mô phỏng là cơ sở cho việc định hướng thực nghiệm giảm thời gian và
chi phí.
Kết luận chương 4:
Chương 4 đã tổ chức thực nghiệm xác định góc phun sớm và áp suất phun hỗn
hợp nhiên liệu B15 theo chỉ tiêu kinh tế (ge) và chỉ tiêu môi trường (bồ hóng, NOx)
trên động cơ diesel cao tốc 4CHE Yanmar.

18


KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
Từ kết quả nghiên cứu đạt được bằng phương pháp mô phỏng và thực nghiệm,
kết hợp với cơ sở lý thuyết được phân tích cụ thể dưới dạng các quan hệ toán học.
Luận án đã xây dựng được công thức điều chỉnh góc phun sớm tăng (0 ÷ 2)0 gqtk và

áp suất phun nhiên liệu tăng (10 ÷ 15)% so với khi sử dụng nhiên liệu diesel (công
thức 4.1), giúp nâng cao các chỉ tiêu kinh tế và môi trường cho động cơ diesel khi sử
dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – dầu dừa (B15).
φinj-hh = φinj-do + (0 ÷ 2)0 gqtk

(4.1)

pinj-hh = pinj-do + (10 ÷ 15)%. p inj-do

(4.1)

Trong đó, φinj-hh: góc phun sớm nhiên liệu B15; φinj-do: góc phun sớm nhiên liệu
DO; P inj-hh: áp suất phun nhiên liệu B15; Pinj-do: áp suất phun nhiên liệu DO.
Khi điều chỉnh thông số phun theo công thức 4.1 đối với động cơ diesel (4CHE
Yanmar), phun nhiên liệu trực tiếp cơ khí, sử dụng hỗn hợp nhiên liệu B15, các chỉ
tiêu kinh tế và môi trường của động cơ được nâng cao.
KHUYẾN NGHỊ
(1) Áp dụng công thức 4.1, nghiên cứu đối với hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa có tỷ
lệ pha trộn cao hơn 15% và nghiên cứu đối với các loại hỗn hợp dầu diesel - dầu thực
vật khác có tính chất tương đương với hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa;
(2) Đánh giá độ ổn định của vòi phun và hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel
khi chuyển sang sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel - dầu dừa;
(3) Nghiên cứu ảnh hưởng của quy luật cung cấp nhiên liệu đến quá trình hình
thành hỗn hợp cháy, cháy và phát thải của động cơ diesel khi chuyển sang sử dụng hỗn
hợp nhiên liệu dầu diesel - dầu dừa.

19


TÓM TẮT NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

Đề tài luận án: Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số phun hỗn hợp nhiên liệu dầu
diesel – dầu dừa đến các chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ
diesel cao tốc.
Ngành/Chuyên ngành:

Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số:

62520116

Nghiên cứu sinh:

Mai Đức Nghĩa

Khóa:

2012

Người hướng dẫn:

PGS.TS. Phạm Hùng Thắng

Cơ sở đào tạo:

Trường Đại học Nha Trang

Nội dung:
(1) Đã tổng hợp các cơ sở lý thuyết và tổ chức thực nghiệm nhằm xác định ảnh

hưởng của góc phun sớm và áp suất phun nhiên liệu tới các chỉ tiêu kinh tế, môi
trường của động cơ diesel cao tốc;
(2) Đã xây dựng được công thức điều chỉnh góc phun sớm tăng (0 ÷ 2)0 gqtk và áp
suất phun nhiên liệu tăng (10 ÷ 15)% so với khi sử dụng nhiên liệu diesel (công thức
4.1), giúp nâng cao các chỉ tiêu kinh tế và môi trường cho động cơ diesel khi sử dụng
hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – dầu dừa (B15).
Người hướng dẫn

Nghiên cứu sinh

(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên)

PGS.TS Phạm Hùng Thắng

Mai Đức Nghĩa

20


Thesis title: Research on effects of fuel injection parameters of diesel - coconut oil
mixture on economical and environmental parameters of high speed
diesel engine.
Mayor:

Mechanical Dynamics Engineering

Major code:

62520116

PhD Student:

Mai Duc Nghia

Supervisor:

Prof. Pham Hung Thang

Education Institution:

Nha Trang University

Key Findings:
(1) Synthesized the theoretical foundations and held experiment to determines
the effects of early fuel injection crank angle and injection pressure on economical,
environmental parameters of high speed diesel engine;
(2) Built a formula for early fuel injection crank angle adjustment increasing
(0 ÷ 2) degrees of crank angle and increasing fuel injection pressure (10 ÷ 15)%
compared with using diesel fuel (formula 4.1), improves the economical and
environmental parameters for diesel engine using diesel - coconut oil mixture (B15).

Phd Student

Mai Duc Nghia


DANH MỤC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ
1. Mai Đức Nghĩa, Nguyễn Ngọc Cảnh, Nguyễn Công Minh, Ảnh hưởng của cấu

trúc chùm tia phun nhiên liệu sinh học đến quá trình hình thành hỗn hợp cháy
trong động cơ diesel, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 10 - 2015.
2. Mai Đức Nghĩa, Nguyễn Công Minh, Phạm Hùng Thắng, Đánh giá ảnh hưởng
của thời điểm phun hỗn hợp dầu diesel – dầu thực vật đến đặc tính động cơ
diesel phun nhiên liệu điện tử bằng lý thuyết CFD, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số
12 - 2015.
3. Mai Đức Nghĩa, Đoàn Phước Thọ, Phạm Hùng Thắng, Nghiên cứu mô phỏng
ảnh hưởng của thời điểm phun hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa đến chỉ tiêu kinh tế
và môi trường của động cơ diesel 4CHE Yanmar phun nhiên liệu cơ khí, Tạp
chí Cơ khí Việt Nam, số 2 - 2016.
4. Mai Đức Nghĩa, Nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của áp suất phun hỗn hợp
nhiên liệu dầu diesel - dầu dừa đến tiêu hao nhiên liệu và phát thải khí xả của
động cơ diesel, Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, Đại học Đà Nẵng 03 - 05/
8/2015.
5. Mai Đức Nghĩa, Nguyễn Ngọc Cảnh, Lê Xuân Chí, Nghiên cứu thực nghiệm
ảnh hưởng của góc phun sớm hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa đến tiêu hao nhiên
liệu và phát thải khí xả của động cơ diesel 4CHE Yanmar, Tạp chí Khoa học Công nghệ Thủy sản số 2 - 2016.